JP4827658B2 - ベーン型内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、レシプロエンジンに代わるロータリー式内燃機関、特にベーンを使用するベーン型内燃機関に関する。

従来からレシプロエンジンの構造は、シリンダ内をピストンが往復運動しコネクチングロッドを介してクランクシャフトで回転運動に変換している。この際、往復運動するために振動が発生する。クランクシャフトの回転する空間範囲とシリンダ頂部までの大きな場所が回転運動を発生するために占めている。トルク変動も大きく４サイクルエンジンでは、クランクシャフト２回転で１回の膨張行程であり、その対策として多気筒化する方法で対応していた。多気筒になればエンジン構造は複雑になりさらに質量の増加となっていた。

レシプロエンジン、バンケルロータリーエンジンにおいてはどちらも、吸気・圧縮・膨張・排気の行程を持っている。２サイクルエンジンにおいてはそれが並行して行われるものもある。また、いずれの場合にも排気ガスは強制的にエンジンの室外へ排出されることとなる。不完全燃焼ガスである一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）及びシリンダ壁に付着した潤滑油の燃焼したＨＣ等も同時に排出される。壁から掻き集めたＨＣの排出は、ピストンあるいはロータがシリンダあるいはハウジングの壁面に密着して摺動する構造であるから避けられない宿命としての欠陥となっていた。排気ガス浄化については、エンジン室外にて触媒等で後処理をしてきた。完全燃焼対策を行なおうとすると燃焼室内の過流・筒内燃料噴射・可変吸気・可変動弁機構等あらゆる方法が考えられるものの、高温で完全燃焼させＨＣ、ＣＯを無くそうとすると、窒素酸化物（ＮＯ_X）が増加することとなっていた。

レシプロエンジンの構造が複雑であることから、直接回転運動を得ようとして考えられたものにいわゆるロータリーエンジンがある。その中で実現化には技術的に最も難度が高いと考えられるものがベーン型内燃機関となっていた。

従来から提案されているベーン型内燃機関としては、特許文献１によって知られたものがある。この装置は、ポンプで一般的に使用されているベーン回転式容積変化装置に高速化回転技術を取り入れることによって内燃機関として利用できるようにしたものといっている。つまり、ロータに複数のベーンを設け、ベーンに溝内での出入を案内する案内体を設け、ハウジング内に案内体を案内する円形ガイドを設けている。案内体はハウジングの内周面に摺接可能に配置され、円形ガイドはハウジングの内周面と同心円状に形成している。一方、ハウジング内で回動可能に配設されるロータの近死点付近に常時燃焼室を設け、常時燃焼室に点火装置をハウジングの外側に突出して設けている。これによって、ベーン回転式容積変化装置の高速回転を可能にしたといっている。
特開平１０−６８３０１号公報

しかし、従来より提案されているベーン型内燃機関は構造が複雑なものもあり、また爆発の衝撃圧力を受け止めるベーンの強度に関する課題が残されていて実現化が困難となっていた。上述の特許文献１のベーン型内燃機関においては、ベーンの強度を向上することに関しては特に提示されておらずさらに強度を損なうような構造である。また、案内体や円形ガイドを設けることによって構造が複雑になり実現化には困難が伴うこととなっていた。また、レシプロエンジンで改良が行われてきたがすでに大きな改良可能な部分は無いため、トルク変動が少なく簡単な構造でしかも軽量なベーン型内燃機関の実現が望まれることとなっていた。

本発明は、上述の課題を解決するものであり、ベーンの強度を向上するとともにトルク変動が小さく、簡単な構造で軽量に構成され、さらに排気ガスの浄化対策を行うことができるベーン型内燃機関を提供することを目的とする。すなわち、
請求項１記載の発明では、真円の内周面を有するハウジングと、前記ハウジングに内蔵されるとともに前記内周面の中心位置と偏心した位置で回動可能なロータと、前記ハウジングと前記ロータとの間に配設される中空部と前記ロータの半径方向に沿って前記中空部内を出入するベーンと、前記ハウジングを通って前記中空部内に向かう燃料噴射ノズル及び点火プラグと、を備えるベーン型内燃機関であって、前記ベーンが前記ロータの円周方向に沿って５分割された位置にそれぞれ配設されるとともに前記ベーンの先端は前記ハウジングの内周面に摺接可能に配設され、前記中空部は前記ベーンによって５室に分割され、前記ロータ２回転で１サイクルを形成するとともに、５分割された各室は、前記１サイクルで、それぞれ、爆発、膨張、排気、吸気、圧縮、過給、掃気、吸気、圧縮行程を順に繰り返すように構成され、前記ハウジングには、大気側と連通する吸気口と排気口と、前記点火プラグの前記ロータの回転下流側における前記５分割されたいずれかの室に連通可能であって前記吸気口と過給気通路で連結され、かつ前記５分割されたいずれかの室との開閉を切り替え可能なバルブを有するバルブ室と、が形成されるとともに、前記ロータには５分割された各室に対応してそれぞれ凹部が形成され、前記ロータの回転によっていずれかの室の凹部が前記吸気口あるいは前記排気口のいずれか一方に合致する際に、吸気開口部あるいは排気開口部が形成され、前記排気行程は、前記排気開口部から爆発行程直後の高圧の燃焼ガスを排出し、前記掃気行程は、前記排気開口部から低圧の空気を放出し、前記過給気通路が、前記過給行程を行う１室にある圧縮された空気を前記掃気行程直後の吸気行程を行う別の１室に送給可能に配設されていることを特徴とするものである。

請求項２記載の発明では、前記燃料噴射ノズルは、前記ロータの回転と逆方向に向かって燃料を噴射するように配置されていることを特徴としている。

請求項３記載の発明では、前記ベーンはベーン押しばねによって前記ハウジングの内周面に摺接可能に配設されるとともに、前記ハウジングとの摺動面及び前記ロータとの摺動面においてガス漏れ防止用シール手段が形成されていることを特徴とことを特徴としている。

請求項４記載の発明では、前記凹部は、前記ロータの回転方向に対する前記凹部の前面側が、前記凹部の後面側より広い面圧を受けるように形成されていることを特徴としている。

本発明によれば、５個のベーンでハウジング内を５室に分割し、ロータの２回転で、爆発、膨張、排気、吸気、圧縮、過給、掃気、吸気、圧縮行程を順に繰り返すように構成しているから、ロータ１個で４サイクルレシプロ５気筒エンジンと同様な機能を発揮でき、トルク変動が少なく小型で軽量な内燃機関を構成することができる。しかもハウジングの内周面が真円に形成されていることから、異形のハウジング内周面に比して、ベーンにかかる負荷を低減することができて、ベーンの厚さを小さく出来、その材質についても強度を主に考えなくてもよく選択の幅が広がる。しかもハウジングの内周面が真円であることは、加工も容易であり廉価な費用で内燃機関を製作できるから実用的な内燃機関を提供することができる。

また、燃料噴射ノズルから噴射される燃料は、回転するロータの後方に向かって噴射されることから、燃料が噴射される行程の室内では、後方から回転するベーンが着火性の良好な濃い混合気を集めて圧縮させたうえで爆発させることができる。従って、室全体の空燃比は希薄に設定可能となり、燃料消費率向上及び完全燃焼による排気ガスの浄化ができる。

また、この内燃機関では、爆発によって発生する高圧の燃焼ガスを排気行程で排気させ、吸気行程においては、大気を吸気するとともに過給行程で吸気して圧縮した空気を導入する。排気行程においては、残留ガスが内部ＥＧＲとして効果を発揮して燃焼温度が低下するため排気ガス中のＮＯ_xを抑制することができる。さらに、掃気行程において、圧縮されている空気を排気口に吹き込み排気ガスと混合することができる。その際、排気ガス中に残る未燃焼物を完全燃焼するから排気ガスをさらに浄化することができる。この際、排気口をハウジングの側面に形成すれば、室の側面に付着しているＨＣ等の不完全燃焼したものは、ロータ凹部と排気口の接触幅が小さいため掻き出す範囲が僅かであることから、排気口から大気に放出されるＨＣ等の排出を削減することができる。

さらに、爆発後の高い燃焼ガスを膨張する際に、膨張行程において過給気通路が対向して配設されているものの、燃焼ガスはバルブ室のバルブで塞がれることによって過給気通路への流入を防止できる。これによって、吸気行程では、燃焼ガスは流入されず圧縮された空気を流入することができる。

また、爆発行程において、爆発による室内の圧力は、点火プラグの位置より下流側に位置した凹部の広い面圧部で受けることから、ロータを回転方向に確実に回転させることができ、ロータの回転軸に動力を容易に付与することができる。

次に、本発明によるベーン型内燃機関の一形態を図面に基づいて説明する。本発明のベーン型内燃機関（以下、エンジンという。）は、回転するロータに５枚のベーンを装着して２回転で１サイクルを行うように構成してベーンのガス洩れ防止と強度を向上するとともに、排気ガスを浄化できるようにするものである。

実施形態のエンジン１は、図１〜３に示すように、ハウジング本体部３１とサイドハウジング部３２、３２とを有するハウジング３と、ハウジング本体部３１内で回転可能なロータ５と、ロータ５に装着されるベーン７と、を備えている。

ハウジング本体部３１は、内部に真円の内周面３１ａが形成され、外周面に２箇所の肉盛部（第１の肉盛部３１ｂ、第２の肉盛部３１ｃ）と、１箇所のボス部３１ｄが形成されている。サイドハウジング部３２、３２は円板状に形成されてロータ５を側面から塞ぐようにハウジング本体部３１に装着されている。また、それぞれのサイドハウジング部３２、３２には、後述のロータ５の回転軸１４を支持する支持孔３２ａ、３２ａと、後述の吸気口１８、１８、排気口１９、１９となる円弧溝とが形成されている。

ロータ５は、ハウジング本体部３１の幅と略同一の幅を有する円柱状に形成されるとともに、ハウジング本体部３１の内周面３１ａの中心位置と偏心した位置に回転中心を有して配置され、ハウジング本体部３１とロータ５との間には空間部６が形成されている。ロータ５には回転方向に５等分されたベーン溝５１（５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ）が、幅方向全体にわたって形成されている。各ベーン溝５１にはベーン７が挿入されるとともに、各ベーン溝５１の中央部には、ベーン押しばね９を収納する孔５２が形成されている。また、ロータ５の外周面には５等分された位置に凹部５３（５３ａ、５３ｂ、５３ｃ、５３ｄ、５３ｅ）が形成されている。この凹部５３は、回転する方向に対して前面側に広い面積を有して形成されている。つまり、爆発行程において爆発の圧力を受ける際、回転する方向に圧力を受けやすいように形成されている。さらに、ロータ５の回転中心位置に回転軸１４が配置されて動力の出力軸となる。

ベーン７は、ロータ５の回転方向に５等分して形成されたベーン溝５１に挿入されて空間部６（以下、室６ともいう。）を５室（６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ）に分割している。ロータ５に５等分して形成されたベーン溝５１に挿入されるベーン７（７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ）は、ベーン押しばね９（９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ）によってベーン溝５１内を摺動可能に配置されているとともに、その先端部がベーン押しばね９の付勢力によってハウジング本体部３１の内周面３１ａに摺接可能に配置されている。従って、前述したロータ５の凹部５３は、各室６（６Ａ，６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ）内ごとに形成されてそれぞれ凹部５３Ａ、５３Ｂ、５３Ｃ、５３Ｄ、５３Ｅを形成することとなる。

実施形態のベーン７は、サイドハウジング部３２、３２との間で摺動する際のガス洩れ防止対策、及びロータ５のベーン溝５１内を摺動する際のガス洩れ防止対策を施すように構成されている。

つまり、図４〜５に示すように、ベーン７は、ベーン本体７０とベーンシール７３とが組み付けられて矩形板状に形成されている。また、平面視、長手方向に直交する側面にロータ５のベーン溝５１との摺動面７ｍが形成され、平面視、短手方向に直交する側面にサイドハウジング部３２との摺動面７ｎが形成され、上面にハウジング本体部３１の内周面３１ａとの摺動面７ｐが形成されている。ベーン本体７０は、基部７１ａと垂直部７１ｂとを有して断面略逆Ｔ字状に形成されるベース部７１と、垂直部７１ｂの両側面に装着されるベーン溝摺動部７２、７２とを備えて構成されている。ベーン溝摺動部７２、７２がベース部７１の垂直部７１ｂに装着された状態においては、ベーン本体７０がその両側面部および上面部の中央部に溝が形成できるようにベース部７１、ベーン溝摺動部７２を形成する。そしてその溝にベーンシール７３が装着される。

ベーンシール７３は、ベーン本体７０のベース部７１の両側部に対向する横柱部７３ａ、７３ａとベース部７１の上部に対向する上柱部７３ｂとを備えて門形状に形成されている。それぞれの横柱部７３ａの下部の足元部７３ｃ、７３ｃは横柱部７３ａの上部に対して広幅状に形成されるとともに、図６に示すように、ベース部７１の下面に掛止するために内側に屈曲するＬ字状に形成されている。さらに横柱部７３ａの上部及び上柱部７３ｂは、平面断面視（図６Ａ視）、外側に向かって突出する湾曲状に形成され、足元部７３ｃは、正面視（図６Ｂ視）、外側に向かって突出する湾曲状に形成されている。

また、図７に示すように、ベース部７１の基部７１ｂの長手方向に沿った両面にはシール溝７１ｃ、７１ｃが形成され、それぞれのシール溝７１ｃ、７１ｃには外側に向かって凸状に形成された湾曲状シール部材７４、７４が装着されている。ベーンシール７３及びシール部材７４はいずれも可撓性を有して形成されている。

このベーン７の構成によって、ベーン７がハウジング３内やロータ５内を摺動する際、ベーンシール７３及びシール部材７４の可撓性でサイドハウジング部３２やロータ５のベーン溝５１と常に密着することになるから、ガス洩れを防止することができる。

一方、ハウジング本体部３１には、第１の肉盛部３１ｂを挿通する燃料噴射ノズル１０と、第２の肉盛部３１ｃ内に形成されるバルブ室４と、ボス部３１ｄを挿通する点火プラグ１２とが配置されている。噴射ノズル１０と点火プラグ１２とバルブ室４とはハウジング本体部３１内のそれぞれ別々の室６に対向する位置に配置される。

燃料噴射ノズル１０は、噴出し口１０ａが各室６を構成する後方のベーン７側に向かって噴出するように配置されている。これによって、噴出された燃料は後方のベーン７に溜まるとともに回転するベーン７によって運ばれるから、点火プラグ７で点火する際には、混合ガスが濃い状態で点火される。従って、室６全体の空燃比は希薄に設定可能となり、燃料消費率向上及び完全燃焼による排気ガスの浄化ができる。

点火プラグ１２は点火口１２ａがハウジング本体部３１の内周面３１ａ側に向かって配置されるとともに、点火するタイミングは、ロータ５が回転されて各室６を構成する１対のベーン７の一方（回転方向に対して後方側に配置されたベーン７）が点火プラグ１２付近に達した時に行われる。つまり、後述のロータ５に形成された凹部５３が点火プラグ１０の下流側に達したときに点火される。

また、バルブ室４内には、過給気通路用バルブ（単にバルブとも言う。）１１が配置されている。バルブ１１は、後述の過給気通路に対向するいずれか１室６内の空気又はガスを流入するかどうかの開閉を行うものであり、バルブ室４内においてばね部材１３で付勢されて移動可能に配置されている。

また、第２の肉盛部３１ｃの内周面側には、バルブ室４と空間部６を連接するバルブ入口１５が形成されるとともに、バルブ室４を介してバルブ入口１５と接続する過給気通路入口１６が形成されている。過給気通路入口１６にはサイドハウジング部３２に形成された吸気口１８に接続する過給気通路１７が接続されている。

吸気口１８は大気を吸気できるようにサイドハウジング部３２から外部に連通するように形成されている。また、ロータ５の回転方向における吸気口１８の上流側にはサイドハウジング部３２から外部に連通する排気口１９が形成されている。

さらに、第２の肉盛部３１ｃに形成されるバルブ室４付近には、バルブ入口１５に隣接して空間部６とバルブ室４とを接続するガス導入路２０が形成されている。ガス導入路２０がバルブ室４と連接することにより、対向する室６内の高圧ガス（爆発によって発生する燃焼ガス）が導入されると、燃焼ガスの圧力がバルブ１１をばね部材１３の付勢力に打ち勝ってばね部材１３側に移動させてバルブ入口１５及び過給気通路入口１６を塞ぐ。

吸気口１８と排気口１９は、ロータ５に形成された各室６の凹部５３の回転進行方向に沿って形成され、凹部５３が吸気口１８と合致するといずれかの凹部５３は過給気通路１７と接続して過給気の吸気開口部２１となり、凹部５３が排気口１９と合致するといずれかの凹部５３は排気ガスを外部に放出する排気開口部２２となる。実施形態においては、排気口１９はロータ５の回転方向に対して吸気口１８の上流側に配置されている。つまりロータ５の凹部５３が排気口１９を通過した後、吸気口１８に向かうように配置されている。排気開口部２２は、爆発行程で発生した高圧の燃焼ガスを排出する際には、排気開口部２２を形成する室６は排気行程を示し、燃焼ガスが排出された１回転後における室内の空気を排出する際には、排気開口部２２を形成する室６は掃気行程を示すことになる。

なお、排気口１９をサイドハウジング部３２に形成することによって、室６の側面に付着しているＨＣ等の不完全燃焼したものは掻き出される量が僅かであることから、排気口１９から大気に放出されるＨＣ等の排出を削減することができる。

上記のように構成された実施形態のエンジン１では、図１に示すように、ベーン７で区分けされた各室６において、ロータ５の回転でそれぞれの行程が行われる。この場合、各室６においてはロータ５の２回転で１回爆発が起こり、その間に膨張・排気・吸気・圧縮・過給・掃気・吸気・圧縮のそれぞれの行程が行われる。

例えば、図１において、ベーン７ａとベーン７ｅ間に形成された室６Ａは、ベーン押しばね９ａ、９ｅによってロータ５の外方に押し出されたベーン７ａとベーン７ｅの突出量は少なく室容積が縮小されている。室６Ａが爆発行程を行う場合には、室６Ａには、前の行程で充填された混合ガスが圧縮された状態にある。そしてこの位置においては、点火プラグ１２が配置されているから、ロータ５の２回転で１回点火プラグ１２が点火されることによって爆発が起こる。なお、図１において、爆発は、図１の状態からロータ５が回転して凹部５３ａが点火プラグ１２を越えた位置、つまり点火プラグ１２の下流側に達した位置に移動したタイミングにおいて行われる。点火プラグ１２の点火による爆発は、室６Ａ内に形成された凹部５３ａの一面（回転方向の前面部）を押圧することによってベーン７ｅとともにロータ５を回転させることとなる。

同じくベーン７ｄとベーン７ｅ間に形成された室６Ｅは、ベーン７ｄの突出量が、ベーン７ｅの突出量より少し増えるため、室容積が室６Ａより広くなり圧縮された燃焼ガスが膨張し始まる。この位置では、ガス導入路２０及びバルブ入口１５が対向して形成されている。この場合、室６Ｅ内に高圧ガスが充満されているか、或いは低圧の空気のいずれかが充填されているかによって、バルブ室４内でのバルブ１１の位置が異なる。例えば、室６Ｅ内に爆発後の燃焼ガスが充填されていれば、高い圧力の燃焼ガスはバルブ室４内に流入した後、バルブ１１をばね部材１３の付勢力に打ち勝ってばね部材１３側に押圧する。その結果バルブ１１が移動してバルブ入口１５と過給気通路入口１６とを塞ぐこととなって、このタイミングのみ過給気通路１７にはガスが流入されない。この場合、室６Ｅ内は膨張行程を示す。また、室６Ｅ内に低圧の空気が充填されていると、バルブ１１はばね部材１３の付勢力によりバルブ室４の先端に移動して、室６Ｅ内の低圧の空気はバルブ入口１５からバルブ室４内に流入して過給気通路１７を経て室６Ｃに導入される。この場合、室６Ｅ内は過給行程を示す。図１の場合では、室６Ｅには高圧の燃焼ガスが充填されてなく低圧の空気が充填されているから、バルブ１１はバルブ入口１５と過給気通路入口１６を開放している。室６Ｅは過給行程を示すことになる。

同じくベーン７ｃとベーン７ｄ間に形成された室６Ｄは、ベーン７ｃとベーン７ｄの突出量がさらに増えて室容積をさらに大きくしている。この位置においては、排気口１９が形成されているため、ロータ５に形成された凹部５３ｄが排気口１９と合致することによって排気開口部２２が形成される。この排気開口部２２では、排気行程において爆発によって発生した高圧の燃焼ガスを排気する場合と掃気行程において低圧の空気を排気する場合とがある。

図１の場合は、室６Ｄは排気行程を示すことになる。また、掃気行程の場合には排気開口部２２からは浄化されている空気が排気口１９を介して大気に放出される。この際、僅かに残されている排気ガスの未燃焼物が新しい空気によって燃焼されて浄化された状態で大気に放出される。

同じくベーン７ｂとベーン７ｃ間に形成された室６Ｃは、ベーン７ｂとベーン７ｃの突出量が室６Ｄにおけるベーン７ｃとベーン７ｄと略同様であるが、室６Ｄより大きな室容積を示している。この位置においては、吸気口１８が形成されているため、ロータ５に形成された凹部５３ｃが吸気口１８と合致することによって吸気開口部２１が形成され、吸気口１８を介して大気中の空気を吸気するとともに過給気通路１７を通ってきた低圧の空気が吸気される。

同じくベーン７ａとベーン７ｂ間に形成された室６Ｂは、ベーン７ａの突出量が室６Ｃにおけるベーン７ｂに比べて減少するため、室容積が室６Ｃより狭くなって充填されている空気が圧縮し始める。この位置においては、燃料噴射ノズル１０が配置されていて、２回転に１回所定のタイミングにおいて燃料が噴射されて室６Ｂ内に充填される。

上述した内容は、エンジン１の構成を示すものであるが、次にロータ５が回転して各室６が移動するタイミングでの各室６の状態について図８〜１１及び図１２に基づいて説明する。

ロータ５の矢印方向への回転により各室（６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ）はそれぞれ順に移動するから、図８〜９（又は図１０〜１１）に示すように、ロータ５の１回転を１０等分して、３６度ごとの各室（６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ）の推移をみる。以下の説明においては、各室（６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ、６Ｅ）が移送をずらした状態で同様の推移を示すことから、室６Ａを中心にして説明する。

図８（１）では、室６Ａは室容積が最小に近く、前の行程で燃料が噴射されて混合ガスが充填されている。なお、図８（１）の状態はその拡大図を図１３に示している。そして、この室６Ａにおいて混合ガスが圧縮された状態においてロータ５の２回転で１回ごとに点火プラグ１２が点火されるから、爆発が起こり高圧の燃焼ガスを発生させて動力を発生させる。この動力は回転軸１４を回転させて他の部位にその回転を伝達する。

このタイミングにおいて、室６Ａを構成する一方のベーン７ｅはバルブ入口１５を通過しておらず、バルブ室４では室６Ｅ内の圧縮されている低圧の空気がバルブ入口１５から流入されている。そのため、ばね部材１３の付勢力によってバルブ１１がバルブ室４の先端部に達していることから、バルブ入口１５と過給気通路１７とは開放されている。従って、室６Ｅ内の空気は過給気通路１７を通って室６Ｃ内に流入される。室６Ｅは過給行程にあり、室６Ｃは凹部５３ｃが吸気口１８と合致して吸気開口部２１を形成し吸気行程にある。

なお、室６Ｂでは低圧の空気を圧縮する圧縮行程の中間を示し、室６Ｄは排気行程にある。この室６Ｄには、爆発行程から１回転を経過しておらず室６Ｄ内には高圧の燃焼ガスが充填されている。一方、室６Ｄではロータ５の凹部５３ｄが排気口１９と合致することとなって排気開口部２２が形成されている。室６Ｄ内の燃焼ガスは高圧のため排気開口部２２から排気口１９を通って積極的に外部に排出される。

図８（２）ではロータ５が３６度回転し、爆発行程を終えた室６Ａは膨張行程に移行する。この室６Ａでは、爆発行程における室６Ａに比べて室容積が広くなっているからベーン７ａ、７ｅはベーン押しばね９ａ、９ｅによって押し出され、圧縮された燃焼ガスは膨張する。一方、室６Ａには、ガス導入路２０が対向して配置されているから、圧縮された燃焼ガスはガス導入路２０からバルブ室４に流入される。バルブ室４に導入された燃焼ガスは過給気通路用バルブ１１をばね部材１３の付勢力に抗してばね部材１３側に移動させる。その結果、バルブ１１はバルブ入口１５、過給気通路入口１６を塞ぐことになり、燃焼された燃焼ガスは室６Ｄには導入されない。しかし、過給気通路１７には空気が残圧となっているとともに、室６Ｄ内のロータ５の凹部５３ｄが室６Ｄに配置されている吸気口１８に合致しているため吸気開口部２１が形成されることから、室６Ｄは過給気通路１７内の空気を吸気することとなる。従って室６Ｄは吸気行程にある。

室６Ｂは室容積が最小に近い位置にあり、点火プラグ１２には点火されないために圧縮行程にある。この室６Ｂ内には、吸気行程で吸気された低圧の空気が充填されて圧縮された状態にある。また、室６Ｅにおいては吸気行程において吸気された低圧の空気が充填しているから、室６Ｅ内は浄化されている状態にある。一方、ロータ５の凹部５３ｅが排気口１９と合致した位置にあるため、排気開口部２２が形成されることとなって室６Ｅ内の低圧の空気は排気口１９から大気に放出される。この放出される空気は排気中の少量で残っている未燃焼物を完全燃焼させることから排気ガスを浄化することができる。従って、室６Ｅは掃気行程を示すこととなる。室６Ｃは燃料噴射ノズル１０から燃料が噴射されて吸気行程で吸気され低圧の空気と混合して混合ガスが充填された状態にある。従って、室６Ｃでは混合ガスを圧縮する圧縮行程の始まりを示している。

図８（３）では、ロータ５がさらに３６度回転し、室６Ａは膨張行程を続ける。この際、室６Ａを構成する一方のベーン７ａはバルブ入口１５の直前に位置し、バルブ室４には前行程で連通されていた室６Ａ内の高圧の燃焼ガスがそのまま連通されている。従って、バルブ１１は燃焼ガスで押圧されたままでバルブ入口１５と過給気通路入口１６を塞いだ状態にあるから、室６Ａのガスは過給気通路１７には流入しない。

このタイミングにおいては、室６Ｂは点火プラグ１２の配置された位置にあるものの、点火プラグ１２には点火されないことから室６Ｂ内のガスは圧縮行程にある。従って、室６Ｂ内は浄化された空気が圧縮された状態にある。また、室６Ｃは混合ガスの圧縮行程にあり室６Ｃ内の圧力を高くしている。室６Ｄはロータ５の凹部５３ｄが吸気口１８と合致して凹部５３ｄが吸気開口部２１を形成することから過給気通路１７内の残圧を吸気することとなって吸気行程にある状態を示すこととなる。また、室６Ｅはロータ５の凹部５３ｅが排気口１９と合致して排気開口部２２を形成することから浄化されている空気が排出されて掃気行程にある状態を示すことになる。

図８（４）ではロータ５がさらに３６度回転し、室６Ａは排気行程に移行する。この位置においては、室６Ａは、ベーン７ａ、７ｅが突出してベーン押しばね９ａ、９ｅに押圧されて突出され室容積を大きくしている。そのため、圧縮されていた高圧の燃焼ガスは膨張する。この際、ロータ５の凹部５３ａが排気口１９と合致して排気開口部２２が形成されているから室６Ａ内の燃焼ガスは高圧のため排気開口部２２から排気口１９を通って積極的に外部に排出される。

一方、バルブ室４と対向する位置には室６Ｂが移行されている。室６Ｂ内では浄化されている低圧の空気が圧縮されているため、バルブ室４にはばね部材１３の付勢力が低圧の空気の圧力に打ち勝ってバルブ１１をバルブ室４の先端まで移動させる。そのため、バルブ入口１５と過給気通路入口１６とが繋がり、室６Ｂの圧縮されている空気は過給気通路１７に流入されて室６Ｅに導入される。よって、室６Ｂは過給行程を構成し、室６Ｅは吸気行程を構成する。また、室６Ｃではロータ５の回転によって点火プラグ１２のある位置に移行するものの、この位置ではロータ５の凹部５３ｃは点火プラグ１２を越えておらず点火プラグ１２の上流側にあるため点火プラグ１２は点火するタイミングにはない。従って混合ガスはさらに圧縮されて圧縮行程が続く。室６Ｄは吸気行程から圧縮行程に移行する。

図８（５）においてロータ５がさらに３６度回転し、室６Ａではロータ５の凹部５３ａが図８（４）に引き続いて排気口１９上にあるため、室６Ａ内の燃焼ガスは外部に排出される。従って室６Ａは引き続いて排気行程のままである。このタイミングでは、室６Ｃのロータ５の凹部５３ｃが点火プラグ１２の下流側に達するため、点火プラグ１２は点火されて爆発を発生させる。すなわち室６Ｃは爆発行程となり、室内は高圧の燃焼ガスが充満されることとなる。一方バルブ室４は、室６Ｂが引き続き対向する位置にあり、低圧の空気が過給気通路１７に流入されていてことから、室６Ｂは引き続き過給行程にあり、室６Ｅは引き続き吸気行程にある。

図９（６）において、室６Ａは、吸気行程に移行する。前の行程で高圧の燃焼ガスを排出しているから室６Ａ内には排出しきれない燃焼ガスが残されている。この状態で、ロータ５の凹部５３ａが吸気口１８に合致するから、凹部５３ａが吸気開口部２１を形成することになる。吸気口１８は大気に連通されるとともに、過給気通路１７に連接されていることから、吸気開口部２１からは、吸気口１８からの大気が導入されるとともに過給気通路１７内に残された空気が残圧で室６Ａ内に導入される。

この際、バルブ室４では、室６Ｃがバルブ入口１５と対向する位置にあり、室６Ｃ内の高圧の燃焼ガスがガス導入路２０からバルブ室４内に流入される。バルブ１１が高圧の燃焼ガスによって移動されてバルブ入口１５と過給気通路入口１６とを塞いでいるから、高圧の燃焼ガスは室６Ａには導入されない。従って室６Ｃは燃焼ガスを膨張する膨張行程にある。

また、室６Ｂには、低圧の空気が充填されていて、ロータ５の凹部５３ｂが排気口１９に合致することから低圧の空気は大気に放出されるとともに未燃焼物を燃焼させる掃気行程にある。室６Ｄは圧縮行程にあり、室６Ｅでは燃料噴射ノズル１０から燃料が噴射されて室６Ｅ内を混合ガスで充満させるとともに室６Ｅ内を圧縮し始めて圧縮行程が始まる。

図９（７）においては、室６Ａは、凹部５３ａが引き続き吸気口１８と合致した位置にあり大気から空気を吸気する吸気行程が続いている。バルブ室４では、前行程に引き続いてバルブ１１がバルブ入口１５と過給気通路入口１６を塞いでいるので、バルブ室４と対向している室６Ｃから燃焼ガスは室６Ａには導入されずに室６Ｃは引き続き膨張行程にある。このタイミングでは、室６Ｂは引き続き掃気行程であり、室６Ｄは低圧の空気を圧縮する圧縮行程であり、室６Ｅは混合ガスを圧縮する圧縮行程にある。

図９（８）においては、室６Ａは、圧縮行程に移行する。室６Ａには大気側から吸気された空気及び過給気通路１７から吸気された低圧の空気が充填されていてこの空気が圧縮された状態にある。この位置では、燃料噴射ノズル１０と対向する位置となるものの、１回転目を終了していないから燃料噴射ノズル１０からは燃料は噴出されない。

また、バルブ室４と対向する位置には室６Ｄが移行されている。室６Ｄには圧縮されている低圧の空気が膨張するとともに、低圧の空気がバルブ室４内に流入されると、バルブ１１はばね部材１３によってバルブ室４の先端まで移動して、バルブ入口１５と過給気通路入口１６とが開放される。これによって室６Ｄ内の低圧の空気は、過給気通路１７を通って凹部５３ｂが吸気口１８に合致して吸気開口部２１を形成した位置から室６Ｂ内に導入される。従って、室６Ｄは過給行程にあり、室６Ｂは吸気行程にある。室６Ｃは、凹部５３ｃが排気口１９と合致して排気開口部２２を形成した位置から高圧の燃焼ガスを排出するから排気行程にあり、室６Ｅでは混合ガスが圧縮され圧縮行程にある。室６Ｅのこの位置では、圧縮されている混合ガスが充満されているものの、ロータ５の凹部５３ｅが点火プラグ１２の位置を越えておらず点火プラグ１２の上流側にあるため点火プラグ１２には点火されない。

図９（９）においては、室６Ａは、引き続き低圧の空気が圧縮される圧縮行程が続けられる。このタイミングでは室６Ｅにおいて点火プラグ１２が点火して爆発行程となり室６Ｅ内では高圧の燃焼ガスが充満される。一方バルブ室４ではバルブ１１がバルブ入口１５と過給気通路入口１６を開放しているから室６Ｄ内の低圧の空気が過給気通路１７に流入する。従って室６Ｄは過給行程にあり、室６Ｂは低圧の空気が吸気された吸気行程にある。また、室６Ｃは高圧の燃焼ガスを大気に排出する排気行程にある。

図９（１０）においては、ロータ５が１回転を終了するタイミングとなる。なお、図１４にその拡大図を示す。室６Ａは、点火プラグ１２が点火する位置となるものの、室６Ａにおいて爆発は２回転で１回行われ、また、新たな燃料が噴射されておらず混合ガスが充満されているわけでもないから、このタイミングでは点火されない。そのため、室６Ａではさらに低圧の空気が圧縮された圧縮行程を続ける。

このタイミングでは、前の行程で爆発行程を経過した室６Ｅ内が高圧の燃焼ガスが充満されていてバルブ室４と対向する位置に移行するから、高圧の燃焼ガスがガス導入路２０を通ってバルブ室４内に流入される。室６Ｅは膨張行程を示すことになる。バルブ室４では、バルブ１１が高圧の燃焼ガスの流入によってバルブ入口１５と過給気通路入口１６とを塞ぐことになるから、過給気通路１７には燃焼ガスは流入されない。そのため、吸気行程に移行した室６Ｃには、高圧の燃焼ガスは導入されず大気からの空気と過給気通路１７内の残された空気を吸気する。また、室６Ｄは掃気行程にあり、室６Ｂでは、圧縮行程に入るとともに新たな燃料が燃料噴射ノズル１０から噴射される。

次にロータ５の２回転目に移行する。２回転目のタイミングは図１０〜１１及び１２に示す通りであり、１回転目の図９（１０）のタイミングに引き続いて行われる。つまり、図１０（１）では、室６Ａは圧縮行程にあり、室６Ｂは混合ガスが圧縮された圧縮行程であり、室６Ｃは高圧燃焼ガスが排出された後の吸気行程であり、室６Ｄは掃気行程であり、室６Ｅは燃焼ガスを膨張する膨張行程にある。

図１０（２）では、室６Ａは、低圧の空気を膨張させるとともに過給気通路１７に送給する過給行程を示し、室６Ｂは混合ガスを圧縮する圧縮行程にあり、室６Ｃは低圧の空気を圧縮し始める圧縮行程にある。また、室６Ｄは室６Ａの空気を吸気する吸気行程にあり、室６Ｅは高圧の燃焼ガスを排出する排気行程にある。

図１０（３）では、室６Ａは、引き続き過給行程を示し、室６Ｂは点火プラグ１２が点火されて爆発行程に移行する。室６Ｃは引き続き圧縮行程にあり、室６Ｄは引き続き吸気行程にあり、室６Ｅは引き続き高圧の燃焼ガスを排出する排気行程にある。

図１０（４）では、室６Ａは、掃気行程に移行し、室６Ｂは高圧のガスを膨張する膨張行程にあり、室６Ｃは低圧の空気を圧縮する圧縮行程にある。また、室６Ｄは圧縮行程に移行し、室６Ｅは吸気行程に移行する。

図１０（５）では、室６Ａは、引き続き掃気行程にあり、室６Ｂは高圧のガスを膨張する膨張行程にある。また、室６Ｃは引き続き圧縮行程にある。室６Ｄは燃料が充填されて混合ガスを圧縮する圧縮行程に移行し、室６Ｅは吸気行程にある。

図１１（６）では、室６Ａは、吸気行程に移行し、室６Ｂは高圧の燃焼ガスを排出する排気行程にあり、室６Ｃは低圧の空気を送給する過給行程に移行する。また、室６Ｄは混合ガスを圧縮する圧縮行程にあり、室６Ｅは低圧の空気を圧縮する圧縮行程に移行する。

図１１（７）では、室６Ａは、引き続き吸気行程にあり、室６Ｂは引き続き排気行程にある。また、室６Ｃは引き続き過給行程にあり、室６Ｄは爆発行程に移行する。室６Ｅは低圧の空気を圧縮する圧縮行程にある。

図１１（８）では、室６Ａは、燃焼噴射ノズル１０から噴射された燃料と混合する混合ガスを圧縮する圧縮行程に移行し、室６Ｂは吸気行程に移行している。室６Ｃは掃気行程にあり、室６Ｄは高圧の燃焼ガスを膨張する膨張行程にあり、室６Ｅは圧縮行程にある。

図１１（９）では、室６Ａは、混合ガスを圧縮する圧縮行程にあり、室６Ｂは吸気行程にある。室６Ｃは掃気行程にあり、室６Ｄは燃焼ガスを膨張する膨張行程にある。また、室６Ｅは低圧の空気を圧縮する圧縮行程にある。

図１１（１０）では、１サイクルの最終行程を示すものであり、室６Ａには圧縮された混合ガスが充満されていて、爆発の待機状態にある。なお、この状態の拡大図は図１と同様である。この位置ではロータ５の凹部５３ａは点火プラグ１２を越えておらず、点火プラグ１２の上流側に位置しているから点火プラグ１２には点火されない。そのため、室６Ａは圧縮行程にある。室６Ｂでは低圧の空気が圧縮し始める圧縮行程にあり、室６Ｃは吸気行程にある。また、室６Ｄでは、高圧の燃焼ガスが大気に排出される排気行程にあり、室６Ｅでは低圧の空気を吸気行程にある室６Ｃに送給する過給行程にある。

上述のように、実施形態のエンジン１では、爆発行程を経たいずれかの室６には高圧の燃焼ガスが充満され、この燃焼ガスは排気行程においてロータ５の凹部５３が排気口１９と合致した際に排気開口部２２が形成されて、排気口１９から高圧の燃焼ガスが大気に排気される。その後、吸気行程において凹部５３が吸気口１８と合致したときに大気及び過給気通路１７からの低圧の空気を吸気する。この低圧の空気は、ロータ５の回転でタイミングが進み凹部５３が排気口１９と合致する際に、掃気行程として、形成された排気開口部２２から未燃焼物を完全燃焼させながら外部に放出されることになる。

一方バルブ室４では、図１４に示すように、高圧の燃焼ガスがガス導入路２０を通って流入されるとバルブ１１を移動させてバルブ入口１５及び過給気通路入口１６を塞いで燃焼ガスを過給気通路１７に導入させず、図１３に示すように、低圧の空気が流入されるとバルブ１１を移動させてバルブ入口１５及び過給気通路入口１６を開放する。そのため、高圧の燃焼ガスを大気に排出したいずれかの室６に空気や無視できる僅かなガスを吸気通路１７から吸気口１８を介して室６に導入するから、空気が導入されたいずれかの室６では、室６内が浄化される。

また、室６Ａでの爆発のタイミングは、ロータ５の３回転目の初めに行われることとなって、これが順に繰り返されることとなる。つまり、いずれかの室６においては爆発はロータ５の２回転で１回行われ、全体では、室６が５室で区分けされているためロータ５の２回転で合計５回の爆発が発生されることになる。

上述のように、実施形態のエンジン１によれば、５個のベーン７でハウジング３内を５室に分割し、ロータ５の２回転で１サイクル、つまり爆発、膨張、排気、吸気、圧縮、過給、掃気、吸気、圧縮行程を順に繰り返すように構成している。そのためロータ１個で４サイクルレシプロ５気筒エンジンと同様なトルク変動を小さくする機能を発揮でき、小型で軽量なエンジン１を構成することができる。しかもピストン、クランクシャフト、コネクチングロッドがないから大きな質量移動による振動もない。この場合、燃料噴射ノズル１０と点火プラグ１２の位置は、それぞれ別の室６に向かって配置され、燃料噴射ノズル１０から所定の室６における後方のベーン７に向かって燃料が噴き出されているから、後方のベーン７近くに着火性の良好な濃い混合気を集められ、さらに圧縮し点火プラグ１２で濃い混合気部分に着火し爆発させる。従って室６全体の空燃費は希薄に設定可能で燃料消費率向上と完全燃焼による排気ガス浄化ができる。

また、ハウジング本体部３１の内周面３１ａを真円に形成することによって、ベーン７が内周面３ａに摺接する際にベーン７に掛かる負荷を小さくすることができ、ベーンの強度向上することができる。さらに加工も容易であり廉価な費用で内燃機関を製作できるから実用的な内燃機関を提供することができる。

また、実施形態のエンジン１では、ロータ５の凹部５３を吸気口１８又は排気口１９に合致させることによって、吸気開口部２１あるいは排気開口部２２として形成することができる。この吸気口１８と排気口１９は大気に連通していることから、爆発によって発生する高圧の燃焼ガスは排気行程において排気口１９から大気に排気させ、低圧の空気は掃気行程において排気口１９から大気に放出させる。その際、排気ガス中に残る未燃焼物を完全燃焼するから排気ガスをさらに浄化することができる。また、吸気行程においては、大気を吸気するとともに過給行程で吸気して圧縮した空気を導入することから、室内は浄化された状態を形成することができる。しかもこの排気口１９がサイドハウジング部３２に形成されることによって、排気ガスが排気口１９から排出される際、凹部５３と接する排気口１９のハウジング半径方向の幅が小さいから、室６の側壁部に付着した潤滑油の不完全燃焼したＨＣは僅かな分だけが掻き出されて排出されることとなる。

さらに、爆発後の高い燃焼ガスを膨張する際に、膨張行程において過給気通路１７が対向して配設されているものの、燃焼ガスはバルブ室４のバルブ１１で塞がれることによって過給気通路１７へ導入を防止できる。これによって、吸気行程では、燃焼ガスは導入されず浄化された空気を導入することができる。

また、ロータ５に形成された凹部５３は回転する方向に対して広い面圧を有して形成され、さらに爆発行程における点火プラグ１２の点火するタイミングは、凹部５３が点火プラグ１２の位置より下流側に達している時点で行われることから、爆発行程で爆発された負荷はロータ５の回転方向に付与することになり、ロータ５を確実にまたスムーズに回転させることができる。

さらに、ベーン７は、ハウジング３及びロータ５等の摺動面に対して可撓性のシール部材で接触するから、常に密着状態を形成することができガス洩れを防止することができる。

なお、本発明のベーン型内燃機関は、上記の形態に限定するものではない。例えば、燃料噴射ノズルと点火プラグの位置を同じ室内に向けて設置してもよい。

本発明の一形態によるエンジンの構造を示す断面図である。 図１におけるエンジンのハウジングとロータを示す分解斜視図である。 図２におけるロータとベーンとを示す分解斜視図である。 図３における一形態のベーンを示す斜視図である。 同分解斜視図である。 図４におけるベーンシールを示す斜視図である。 図４におけるベーンに装着するシール部材の装着図を示す側面図である。 図１のエンジンにおけるロータ１回転目の前半部位を示すタイミング移行図である。 図１のエンジンにおけるロータ１回転目の後半部位を示すタイミング移行図である。 図１のエンジンにおけるロータ２回転目の前半部位を示すタイミング移行図である。 図１のエンジンにおけるロータ２回転目の後半部位を示すタイミング移行図である。 図８〜１１におけるタイミング移行図をわかりやすく表現した表である。 図１におけるバルブの移動によりバルブ室が開放された状態を示す断面図である。 図１におけるバルブの移動によりバルブ室が塞がれた状態を示す断面図である。

符号の説明

１、エンジン
３、ハウジング
３１、ハウジング本体部
３１ａ、内周面
３２、サイドハウジング部
５、ロータ
５１、ベーン溝
５３、凹部
７、ベーン
７０、ベーン本体
７１、ベース部
７２、ベーン溝摺動部
７３、ベーンシール
７４、シール部材
９、ベーン押しばね
１０、燃料噴射ノズル
１１、過給気通路用バルブ（バルブ）
１２、点火プラグ
１３、ばね部材
１５、バルブ入口
１６、過給気通路入口
１７、過給気通路
１８、吸気口
１９、排気口
２０、ガス導入路
２１、吸気開口部
２２、排気開口部

Claims (4)

1. 真円の内周面を有するハウジングと、前記ハウジングに内蔵されるとともに前記内周面の中心位置と偏心した位置で回動可能なロータと、前記ハウジングと前記ロータとの間に配設される中空部と前記ロータの半径方向に沿って前記中空部内を出入するベーンと、前記ハウジングを通って前記中空部内に向かう燃料噴射ノズル及び点火プラグと、を備えるベーン型内燃機関であって、
   前記ベーンが前記ロータの円周方向に沿って５分割された位置にそれぞれ配設されるとともに前記ベーンの先端は前記ハウジングの内周面に摺接可能に配設され、
   前記中空部は前記ベーンによって５室に分割され、前記ロータ２回転で１サイクルを形成するとともに、５分割された各室は、前記１サイクルで、それぞれ、爆発、膨張、排気、吸気、圧縮、過給、掃気、吸気、圧縮行程を順に繰り返すように構成され、
   前記ハウジングには、大気側と連通する吸気口と排気口と、前記点火プラグの前記ロータの回転下流側における前記５分割されたいずれかの室に連通可能であって前記吸気口と過給気通路で連結され、かつ前記５分割されたいずれかの室との開閉を切り替え可能なバルブを有するバルブ室と、が形成されるとともに、
   前記ロータには５分割された各室に対応してそれぞれ凹部が形成され、前記ロータの回転によっていずれかの室の凹部が前記吸気口あるいは前記排気口のいずれか一方に合致する際に、吸気開口部あるいは排気開口部が形成され、
   前記排気行程は、前記排気開口部から爆発行程直後の高圧の燃焼ガスを排出し、前記掃気行程は、前記排気開口部から低圧の空気を放出し、
   前記過給気通路が、前記過給行程を行う１室にある圧縮された空気を前記掃気行程直後の吸気行程を行う別の１室に送給可能に配設されていることを特徴とするベーン型内燃機関。
2. 前記燃料噴射ノズルは、前記ロータの回転と逆方向に向かって燃料を噴射するように配置されていることを特徴とする請求項１記載のベーン型内燃機関。
3. 前記ベーンはベーン押しばねによって前記ハウジングの内周面に摺接可能に配設されるとともに、前記ハウジングとの摺動面及び前記ロータとの摺動面においてガス漏れ防止用シール手段が形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のベーン型内燃機関。
4. 前記凹部は、前記ロータの回転方向に対する前記凹部の前面側が、前記凹部の後面側より広い面圧を受けるように形成されていることを特徴とする請求項１記載のベーン型内燃機関。
   

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