JP4930479B2 - ロータリーピストンエンジン及びその設計方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロータリーピストンエンジン及びその設計方法に関する。

ロータリーピストンエンジンは、トロコイド内周面を有するローターハウジングの両側にサイドハウジングを配置することによって形成したローター収容室内に、概略三角形状のローターを収容したエンジンである。ロータリーピストンエンジンは、ローターの回転につれて、ローターとハウジングとの間で区画した３つの作動室それぞれを周方向に移動させながら、順に吸気、圧縮、膨張及び排気の各行程を行わせる（例えば特許文献１参照）。この特許文献１に開示されたロータリーピストンエンジンにおいては、吸気ポートはサイドハウジングに開口させている一方で、その排気ポートはローターハウジングに開口させている。つまり、このロータリーピストンエンジンでは、いわゆるペリフェラル排気方式が採用されている。

ところが、ペリフェラル排気方式のロータリーピストンエンジンは、吸気のオープンタイミングと排気のオープンタイミングとが一部重なってしまうことで、多量の残留排ガスが次行程に持ち込まれてしまう。つまり、ペリフェラル排気方式のロータリーピストンエンジンは、内部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）量が増大するため、燃焼安定性を確保するためには、混合気を理論空燃比よりもリッチにしなければならない。

これに対し、特許文献２のロータリーピストンエンジンでは、排気ポートをサイドハウジングに開口させた、いわゆるサイド排気方式を採用している。これによって、吸気のオープンタイミングと排気のオープンタイミングとの重なりを無くすことが可能になる。その結果、次行程に持ち込まれる残留排ガスを低減させて、理論空燃比でも安定した燃焼を実現している。その結果、サイド排気方式のロータリーピストンエンジンは、ペリフェラル排気方式のロータリーピストンエンジンよりも燃料消費量が低減する。
特開平５−２０２７６１号公報 特開平７−１１９６９号公報

前述したように、サイド排気方式のロータリーピストンエンジンは、相対的に燃費が改善しているとはいえ、ロータリーピストンエンジンの燃費については、さらなる向上が求められている。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ロータリーピストンエンジンの燃費をさらに向上させることにある。

前記の目的に鑑みて、本願発明者が、ロータリーピストンエンジンの、特にローターの寸法関係に着目して検討したところ、概略三角形状のローターの一辺の長さＬ（つまり、ローターを構成する略長方形状のフランク面における長手方向の長さ）と、幅ｂ（前記フランク面における短手方向の長さ）と、を含むパラメータＬ／ｂ（アスペクト比）が、燃焼安定性を向上させる上で重要であることが判明した。

すなわち、図６は、アイドル運転状態（回転数：８２０ｒｐｍ）における、前記ローターの寸法パラメータＬ／ｂに対する回転変動の関係を示している。ペリフェラル排気方式では、前述したように、吸気と排気とのオープンタイミングがオーバーラップすることにより内部ＥＧＲ量が増大する。このため、図６に仮想線で示すように、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．７）では軽負荷時における燃焼安定性が悪くなってしまう。そこでペリフェラル排気方式では、図６にバツ印をプロットした実線や白丸をプロットした実線で示すように、混合気を理論空燃比よりもリッチにする（Ａ／Ｆ＝１４．０又は１３．０）ことにより燃焼安定性を確保している。この設定では、寸法パラメータＬ／ｂと回転変動との関係はリニアな関係にならない。

これに対し、サイド排気方式では、前述したように、吸気のオープンタイミングと排気のオープンタイミングとのオーバーラップを無くすことが可能であり、それによって、混合気を理論空燃比までリーンにしても、燃焼安定性を確保することができる（図６の黒丸をプロットした破線参照）。このような、サイド排気方式でかつ理論空燃比の設定では、寸法パラメータＬ／ｂと回転変動との関係はリニアな関係になる。このため、寸法パラメータＬ／ｂを大きく設定すればするほど、燃焼安定性はより高まるようになる。ひいては燃費が改善することになる。

ここで、寸法パラメータＬ／ｂと燃焼安定性との関係は、次のように説明することができる。

ロータリーピストンエンジンでは、燃焼速度を高めるために、圧縮乃至膨張行程にある作動室に臨むように、ローター回転方向（換言すればローターの周方向）に所定間隔を開けて、トレーリング側及びリーディング側の２つの点火プラグを配置している。トレーリング側及びリーディング側点火プラグそれぞれの点火によって発生した火炎（Ｔ側火炎及びＬ側火炎）は、ローター回転方向及びローター幅方向のそれぞれに伝播することになる。ここで、ロータリーピストンエンジンの構造上、ローター回転方向の火炎の伝播速度は比較的高くなるのに対し、ローター幅方向への火炎の伝播速度は、ローター回転方向の伝播速度に比べて低くなる。

そうして、ローター回転方向のリーディング側に伝播するＴ側火炎と、トレーリング側に伝播するＬ側火炎とは、２つの火炎の中間付近で衝突することになるが、その衝突後は、Ｔ側火炎及びＬ側火炎の燃焼が共に減衰することになり、ローター回転方向及びローター幅方向のそれぞれについて火炎の伝播速度が低下する。

以上のようなロータリーピストンエンジンにおける燃焼形態の前提において、寸法パラメータＬ／ｂを小さくした場合を検討する。排気量を一定にして寸法パラメータＬ／ｂを小さくすることは、ローターの一辺の長さＬを相対的に短くする一方で、ローターの幅ｂを相対的に広くすることに対応する。つまり、ローターは、その三角形が小さくて、厚みが分厚い形状になる。長さＬを短くすることに伴いトレーリング側及びリーディング側点火プラグの間隔も狭くなるため、Ｔ側及びＬ側火炎の発生から、その火炎同士が衝突するまでの時間は短くなる。また、幅ｂが広くなることと、前記火炎同士の衝突までの時間が短くなることとが相俟って、Ｔ側火炎及びＬ側火炎のそれぞれがローター幅方向に伝播してサイドハウジングに到達する前に、前記火炎同士の衝突が起こるようになる。火炎同士の衝突後は火炎の伝播速度が低下することから、結果として火炎は、ローター幅方向にはあまり広がらなくなる。

これに対し、寸法パラメータＬ／ｂを大きくした場合を検討する。排気量を一定にして寸法パラメータＬ／ｂを大きくすることは、ローターの一辺の長さＬを相対的に長くする一方で、その幅ｂを相対的に狭くすることに対応する。つまり、ローターは、その三角形が大きくて、厚みが薄い形状になる。長さＬを長くすることに伴いトレーリング側及びリーディング側点火プラグの間隔も広がるため、Ｔ側火炎とＬ側火炎とが衝突するまでの時間が比較的長くなる。

そのＴ側火炎とＬ側火炎との衝突までの時間が長くなることと、幅ｂが狭くなることとが組み合わさって、ローター幅方向に伝播するＴ側火炎及びＬ側火炎のそれぞれは、火炎同士の衝突前にサイドハウジングにまで到達するようになる。火炎がサイドハウジングに到達した後は、その近傍圧力の増大によって火炎の伝播が、ローター回転方向に向きを変える。それによってローター回転方向の火炎の伝播が促進される。そうしてその後に、ローター回転方向におけるＴ側及びＬ側火炎の衝突が生じるようになる。

このように寸法パラメータＬ／ｂを大きくすることによって、燃焼安定性が高まるように、作動室内における燃焼パターンが改善されると考えられる。

本発明の一側面によると、ロータリーピストンエンジンは、出力軸回りを軌道運動すると共に、当該出力軸に対し平行かつオフセットした偏心軸を中心に回転する、前記軸方向に見て概略三角形状のローターと、前記ローターの軸線方向両側にそれぞれ配置されかつ、前記ローターのサイドシールと接触する一対のサイドハウジングと、互いに直交する長軸及び短軸によって規定される概略楕円形状のトロコイド内周面を有しかつ、その内部に前記ローターを収容すると共に、その内周面が前記ローターのアペックスシールと接触しかつ、前記ローター及び前記一対のサイドハウジングと共に、３つの作動室を規定するローターハウジングと、前記作動室の一つに連通して当該作動室に空気を吸入させることが可能な、前記サイドハウジングの少なくとも一つに開口する吸気ポートと、前記作動室の一つに連通して当該作動室から排気を排出することが可能な、前記サイドハウジングの少なくとも一つに開口する排気ポートと、前記ローターハウジングに対して、実質的に前記ローターの周方向に並んで配置される一対の点火プラグと、前記ローターハウジングの頂部に、吸気行程にある作動室に望んで配設されかつ、当該吸気作動室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、を備える。

そして、前記作動室に供給される空気／燃料の比率は、理論空燃比に設定され、前記ローターの厚みは、７０ｍｍ以下であり、前記一対の点火プラグの一方は、前記短軸を挟んだ一側において、当該短軸から前記ローターの一辺の長さの半分の領域内に配置され、他方の点火プラグは、前記短軸を挟んだ他側において、当該短軸から前記ローターの一辺の長さの半分の領域内に配置されていると共に、前記一対の点火プラグは、少なくとも前記ローターの厚みの０．７倍以上１．０倍以下の距離だけ互いに離間しており、前記ローターの一辺の長さ（Ｌ）を、前記ローターの厚み（ｂ）の少なくとも２．４倍にする。

この構成によると、前述したように、寸法パラメータＬ／ｂを比較的大きくする（Ｌ／ｂ≧２．４）ことによって、燃焼パターンが改善されて燃焼安定性が高まる。

また、排気量を一定にして寸法パラメータＬ／ｂを大きくすることは、前述したように、長さＬを長くして幅ｂを狭くすることであるから、作動室の形状が細長くなることに対応する。よって、圧縮行程から燃焼行程にかけての作動室の表面積／容積比（Ｓ／Ｖ比）は低下する。それによって熱効率が改善されるから、ロータリーピストンエンジンの燃費は、さらに向上する。

前記ローターの幅ｂを、７０ｍｍ以下に設定することで、ローター幅方向及びローター回転方向への火炎の伝播速度の低下が抑制される。

前記一対の点火プラグを、前記ローターの厚みの０．７倍以上１．０倍以下の距離だけ互いに離間させて、一対の点火プラグの間隔を比較的広げることによって、前述したように、２つの火炎が衝突するまでの時間が長くなる。その結果、燃焼パターンが改善されることにより、燃焼安定性が高まる。

また、前記一対の点火プラグの一方を、前記短軸を挟んだ一側において、当該短軸から前記ローターの一辺の長さの半分の領域内に配置し、前記一対の点火プラグの他方を、前記短軸を挟んだ他側において、当該短軸から前記ローターの一辺の長さの半分の領域内に配置することは、点火プラグの配置を適正化する。

前記作動室に供給される空気／燃料の比率を、理論空燃比に設定することにより、寸法パラメータＬ／ｂと回転変動との関係がリニアな関係になる。

前記一対の点火プラグ間の距離は、４８ｍｍ以上である、としてもよい。また、前記一対の点火プラグ間の距離は、６０ｍｍ以上である、としてもよい。

本発明の別の側面によると、設計方法は、出力軸回りを軌道運動すると共に、当該出力軸に対し平行かつオフセットした偏心軸を中心に回転する、前記軸方向に見て概略三角形状のローターと、前記ローターの軸線方向両側にそれぞれ配置されかつ、前記ローターのサイドシールと接触する一対のサイドハウジングと、互いに直交する長軸及び短軸によって規定される概略楕円形状のトロコイド内周面を有しかつ、その内部に前記ローターを収容すると共に、その内周面が前記ローターのアペックスシールと接触しかつ、前記ローター及び前記一対のサイドハウジングと共に、３つの作動室を規定するローターハウジングと、前記作動室の一つに連通して当該作動室に空気を吸入させることが可能な、前記サイドハウジングの少なくとも一つに開口する吸気ポートと、前記作動室の一つに連通して当該作動室から排気を排出することが可能な、前記サイドハウジングの少なくとも一つに開口する排気ポートと、前記ローターハウジングに対して、実質的に前記ローターの周方向に並んで配置される一対の点火プラグと、前記ローターハウジングの頂部に、吸気行程にある作動室に望んで配設されかつ、当該吸気作動室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、を備えたロータリーピストンエンジンの設計方法である。

この設計方法は、前記作動室に供給される空気／燃料の比率を、理論空燃比に設定し、前記ローターの厚みを、７０ｍｍ以下に設定する工程、前記一対の点火プラグの一方を、前記短軸を挟んだ一側において、当該短軸から前記ローターの一辺の長さの半分の領域内に配置し、他方の点火プラグを、前記短軸を挟んだ他側において、当該短軸から前記ローターの一辺の長さの半分の領域内に配置すると共に、前記一対の点火プラグの間の距離を、前記ローターの厚みの０．７倍以上１．０倍以下の距離となるように設定する工程、及び、前記ローターの一辺の長さを、前記ローターの厚みの少なくとも２．４倍となるように設定する工程を含む。

前記設計方法は、前記ローターの最大許容回転数を設定する工程をさらに含み、前記ローターの一辺の長さは、前記最大許容回転数が低いほど長く設定される、としてもよい。

ローターの一辺の長さが長くなることは、概略三角形状のローターがその分大型化することになる。このため、ローターにおいてアペックスシールが取り付けられた各頂部の摺動速度が高くなる。従って、摺動速度の制約によって、ローターの最大許容回転数が規定されるため、ローターの一辺の長さの上限は、その最大許容回転数によって規定すればよい。

以上説明したように、本発明によると、寸法パラメータＬ／ｂを比較的大きく設定することによって、Ｔ側火炎とＬ側火炎とがローター回転方向に衝突する前に、それぞれの火炎をローター幅方向に十分に伝播させることができ、燃焼安定性を高めることができる。さらに、一対の点火プラグの間隔を比較的広げることによっても、燃焼安定性を高めることができる。また、寸法パラメータＬ／ｂを比較的大きく設定することに伴いＳ／Ｖ比が小さくなるため、それによる熱効率の向上と相俟って、ロータリーピストンエンジンの燃費を大幅に向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１及び図２は、本発明の実施形態に係るロータリーピストンエンジン１（以下、単にエンジン１という）を示している。このエンジン１は、２つのローター２，２を備えた２ロータータイプであり、２つのローターハウジング３，３が、インターミディエイトハウジング（サイドハウジング）４をその間に挟んだ状態で、これらの両側からさらに２つのサイドハウジング５，５で挟み込むようにして一体化されることによって構成されている。尚、図１では、その右側の一部は切り欠いて内部を示すとともに、左側のサイドハウジング５も内部を示すために分離してある。また、図中の符号Ｘはエキセントリックシャフト６の軸心となる回転軸（出力軸）である。

そして、各ローターハウジング３，３の、平行トロコイド曲線で描かれるトロコイド内周面３ａ，３ａと、これらローターハウジング３，３を両側から挟むサイドハウジング５，５の内側面５ａ，５ａと、インターミディエイトハウジング４の両側の内側面４ａ，４ａとによって、図２に示すように回転軸Ｘの方向から見て繭のような略楕円形状をしたローター収容室７が、２つ横並びに区画されており、これらローター収容室７にそれぞれローター２が１つずつ収容されている。各ローター収容室７，７は、インターミディエイトハウジング４に対して対称に配置されており、ローター２の位置及び位相が異なっている点を除けば構成は同じであるため、以下、１つのローター収容室７について説明する。

ローター２は、回転軸Ｘの方向から見て各辺の中央部が膨出する略三角形状をしたブロック体からなり、その外周には、各頂部間に３つの略長方形をしたフランク面２ａ，２ａ，２ａが備えられている。各フランク面２ａの中央部分には、その長軸方向に延びるリセス２ｂが形成されている。

そして、ローター２は、各頂部に図示しないアペックスシールを有し、これらアペックスシールがローターハウジング３のトロコイド内周面３ａに摺接しており、このローターハウジング３のトロコイド内周面３ａと、インターミディエイトハウジング４の内側面４ａと、サイドハウジング５の内側面５ａと、ローター２のフランク面２ａとで、ローター収容室７の内部に、３つの作動室８，８，８がそれぞれ区画形成されている。

また、ローター２の内側には位相ギアが設けられている（図示せず）。すなわち、ローター２の内側の内歯車（ローターギア）とサイドハウジング５側の外歯車（固定ギア）とが噛合するとともに、ローター２は、インターミディエイトハウジング４及びサイドハウジング５を貫通するエキセントリックシャフト６に対して、遊星回転運動をするように支持されている。

すなわち、ローター２の回転運動は内歯車と外歯車との噛み合いによって規定され、ローター２は、３つのシール部が各々ローターハウジング３のトロコイド内周面３ａに摺接しつつ、エキセントリックシャフト６の偏心輪（偏心軸）６ａの周りを自転しながら、回転軸Ｘの周りに自転と同方向に公転する（この自転、公転を含め、広い意味で単にローターの回転という）。そして、ローター２が１回転する間に３つの作動室８，８，８が周方向に移動し、それぞれで吸気、圧縮、膨張（燃焼）及び排気の各行程が行われて、これにより発生する回転力がローター２を介してエキセントリックシャフト６から出力される。

より具体的に、図２において、ローター２は矢印で示すように、時計回りに回転しており、回転軸Ｘを通るローター収容室７の長軸Ｙを境に分けられるローター収容室７の左側が概ね吸気及び排気行程の領域となり、右側が概ね圧縮及び膨張行程の領域となっている。

そして、図２における左上の作動室８に着目すると、これは吸気と噴射された燃料とによって混合気を形成する吸気行程を示しており（以下、この状態にある作動室を吸気作動室８ともいう）、この作動室８がローター２の回転につれて圧縮行程に移行すると、その内部にて混合気が圧縮される。その後、図の右側に示す作動室８のように圧縮行程の終盤から膨張行程にかけて所定のタイミングにて点火プラグ９１，９２により点火されて、燃焼・膨張行程が行われる（以下、この状態にある作動室を圧縮・膨張作動室８ともいう）。そして、最後に図の左下の作動室８のような排気行程に至ると（以下、この状態にある作動室を排気作動室８ともいう）、燃焼ガスが排気ポート１０から排気された後、再び吸気行程に戻って各行程が繰り返されるようになっている。

ローターハウジング３の長軸Ｙ上に相当する、該ローターハウジング３の頂部には、インジェクタ１５（燃料噴射弁）が取り付けられている。このインジェクタ１５は、前記吸気作動室８に臨んで配設されていて、その吸気作動室８内に燃料を直接噴射する。

この吸気作動室８にはまた、複数の吸気ポート１１，１２，１３が連通している。すなわち、吸気作動室８に面するインターミディエイトハウジング４の内側面４ａには、ローター収容室７の外周側の短軸Ｚ寄りに第１吸気ポート１１が開口している。また、図１に示すように、吸気作動室８に面するサイドハウジング５の内側面５ａには、第１吸気ポート１１に対向するように、そのローター収容室７の外周側の短軸Ｚ寄りに第２吸気ポート１２及び第３吸気ポート１３が開口している。

そうして、例えば、エンジン１の低回転域では、第１吸気ポート１１のみから吸気され、吸気量が不足するようになると第２吸気ポート１２からも吸気され（中回転域）、さらに吸気量が不足するようになると第３吸気ポート１３からも吸気されて（高回転域）、吸気量が変化しても最適な吸気流速を維持して、エンジン１の低負荷低回転から高負荷高回転までの全運転領域に渡って効率よく吸気できるようになっている。

ローターハウジング３の側部における、短軸Ｚを挟んだローター回転方向のトレーリング側（遅れ側）位置と、リーディング側（進み側）位置と、にはそれぞれ、Ｔ側点火プラグ９１とＬ側点火プラグ９２とが取り付けられている。これら２つの点火プラグ９１，９２は、前記圧縮・膨張作動室８に臨んでおり、この圧縮・膨張作動室８内の混合気に、同時に又は位相差を持って順に点火をする。このように２つの点火プラグ９１，９２を備えることによって、扁平形状となる圧縮・膨張作動室８において、その燃焼速度を高めるようにしている。ここで、Ｔ側点火プラグ９１は、短軸Ｚに対してｄ１だけ離れた位置に配置され、Ｌ側点火プラグ９２は、短軸Ｚに対してｄ２だけ離れた位置に配置されている。このＴ側点火プラグ９１は、図２に示すように、短軸Ｚから、ローター２の一辺の長さＬの半分の領域内に配置される一方、Ｌ側点火プラグ９２もまた、短軸Ｚから、ローター２の一辺の長さＬの半分の領域内に配置される。こうすることによって、Ｔ側点火プラグ９１及びＬ側点火プラグ９２をそれぞれ、圧縮・膨張作動室８内に位置付けることが可能になる。

前記排気作動室８には、複数の排気ポート１０，１０が連通している。すなわち、排気作動室８に面するインターミディエイトハウジング４の内側面４ａには、ローター収容室７の外周側の短軸Ｚ寄りに排気ポート１０が開口している。また、図１に示すように、排気作動室８に面するサイドハウジング５の内側面５ａにも、前記排気ポート１０に対向して排気ポート１０が開口している。このようにこのエンジン１では、いわゆるサイド排気方式が採用されており、この排気ポート１０の開口位置及び開口形状は、吸気のオープンタイミングと排気のオープンタイミングとがオーバーラップしないように設定されている。これによって、次行程に持ち込まれる残留排ガスを低減するようにしており、その結果、混合気がリーンであっても燃焼安定性が向上するようになる。そのため、このエンジン１では、混合気の空燃比を理論空燃比となるようにしている。

本実施形態に係るエンジン１において特徴的な点は、概略三角形状のローター２が比較的大きくされている一方で、その厚みが比較的薄くされている点である。つまり、図３に示すように（尚、図３は、ローター座標系で見たときのロータの側面図である）、そのローター２の一辺の長さＬが比較的長くかつ、その幅ｂが比較的狭く設定されており、長さＬと幅ｂとを含む寸法パラメータＬ／ｂは、従来のローターの寸法パラメータＬ／ｂよりも大きくされている。このことによって、このエンジン１では、燃焼安定性が向上すると共に、熱効率が向上して、燃料消費量が改善することなる。以下、その理由について説明する。

先ず図４は、横軸をローター２の幅ｂ（ｍｍ）、縦軸をエキセン角（°ＣＡ）として、ローター２の幅ｂを変更した場合の、ローター幅方向の火炎の伝播速度の変化を示している。尚、エキセン角とは、圧縮・膨張作動室８の容積が最小となる状態（上死点：ＴＤＣ）を基準とし、これに対するエキセントリックシャフト６の回転方向側への回転角である。

同図において白丸をプロットした破線は、Ｌ側点火プラグ９２の点火により生じた火炎（Ｌ側火炎）がローター幅方向に伝播してサイドハウジング５（又はインターミディエイトハウジング４）、つまり作動室８におけるローター幅方向の端にまで到達したときのエキセン角である。また、同図において黒丸をプロットした実線は、Ｔ側点火プラグ９１の点火により生じた火炎（Ｔ側火炎）がローター幅方向に伝播してその端にまで到達したときのエキセン角である。さらに、同図においてバツ印をプロットした破線は、Ｌ側火炎がローター回転方向のトレーリング側に伝播する（ＬＴ方向、図３参照）と共に、Ｔ側火炎がローター回転方向のリーディング側に伝播する（ＴＬ方向）ことによって両者が衝突したときのエキセン角である。

同図によると、ローター２の幅ｂが７５ｍｍ以下であるときには、Ｔ側火炎がサイドハウジング５に到達するときのエキセン角及びＬ側火炎がサイドハウジング５に到達するときのエキセン角はそれぞれ、Ｌ側火炎とＴ側火炎とが衝突するときのエキセン角と同じか、それよりも小さいのに対し、ローター２の幅ｂが７５ｍｍよりも大きいときには、Ｔ側及びＬ側火炎がサイドハウジング５に到達するときのエキセン角よりも、Ｌ側火炎とＴ側火炎とが衝突するときのエキセン角の方が小さくなる。これは、ローター２の幅ｂが大きくなると、Ｔ側及びＬ側火炎がローター幅方向に伝播して、サイドハウジング５にまで到達するまでの時間が、その分長くなることで、Ｌ側火炎とＴ側火炎との衝突が先に起こってしまい、燃焼が減衰して、火炎がサイドハウジング５に到達し難くなるためと考えられる。従って、ローター幅方向への火炎の伝播速度の低下を抑制する観点からは、ローター２の幅ｂとしては、７５ｍｍ以下とすることが好ましい。

次に図５は、横軸をローター２の幅ｂ（ｍｍ）、縦軸をエキセン角（°ＣＡ）として、ローター２の幅ｂを変更した場合の、ローター回転方向の火炎の伝播速度の変化を示している。同図において黒丸をプロットした実線は、Ｔ側火炎がローター回転方向のトレーリング側に伝播して（ＴＴ方向、図３参照）、その端部にまで到達したときのエキセン角である。また、同図において黒丸をプロットした破線は、Ｌ側火炎がローター回転方向のリーディング側に伝播して（ＬＬ方向）、その端部にまで到達したときのエキセン角である。さらに、同図においてバツ印をプロットした破線は、Ｌ側火炎とＴ側火炎とがローター回転方向に衝突したときのエキセン角である。

同図によると、ローター２の幅ｂが７０ｍｍ以下であるときには、Ｔ側火炎がトレーリング側端部に到達するときのエキセン角及びＬ側火炎がリーディング側端部に到達するときのエキセン角は略一定であるのに対し、ローター２の幅ｂが７０ｍｍよりも大きいときには、特にＴ側火炎がトレーリング側端部に到達するときのエキセン角が次第に大きくなる。これは、Ｔ側火炎及びＬ側火炎の衝突前に、そのＴ側火炎及びＬ側火炎がサイドハウジング５に到達した場合は、その近傍圧力の増大によって火炎の伝播方向がローター回転方向に切り換わってローター回転方向の火炎の伝播が促進されるのに対し、Ｔ側火炎及びＬ側火炎がサイドハウジング５に到達する前に、Ｔ側火炎及びＬ側火炎が衝突して燃焼が減衰したときには、前述したローター回転方向への火炎伝播の促進が無くなるため、特にＴ側火炎のトレーリング側への火炎伝播が遅れてしまうと考えられる。従って、ローター回転方向への火炎の伝播速度の低下を抑制する観点からは、ローター２の幅ｂは、７０ｍｍ以下とすることが好ましい。

次に、表１に示す例１、４、５、実施例２、３、従来例、及び比較例１，２のそれぞれのロータリーピストンエンジンについて検討する。例１、４、５、実施例２、３は、寸法パラメータＬ／ｂが２．４以上に設定されている。また、従来例は、例１に対してローターの幅ｂを拡大しかつ長さＬを短くした例であり、寸法パラメータＬ／ｂが２．４よりも小さく設定されている。さらに、比較例１，２はそれぞれ、従来例に対して幅ｂを拡大した例であり、寸法パラメータＬ／ｂが２．４よりも小さく設定されている。

また、表１では、例１、４、５、実施例２、３、従来例、及び比較例１，２のそれぞれについて、配置パラメータｄ／ｂを規定している。この配置パラメータｄ／ｂは、一対の点火プラグ９１，９２間の距離をｄ（＝ｄ１＋ｄ２）として、ローターの幅ｂ、換言すればローターハウジング３の幅と組み合わせたパラメータである。例１、４、実施例２、３は、配置パラメータｄ／ｂが０．７以上であり、従来例及び比較例１，２はそれぞれ点火プラグ９１，９２間の距離が例１よりも短く設定されており、配置パラメータｄ／ｂが０．７よりも小さく設定されている。

図６は、前記寸法パラメータＬ／ｂに対する、アイドル運転状態（回転数：８２０ｒｐｍ）での回転変動（σ−ｎｅ）を示している。

先ず、従来のペリフェラル排気方式のエンジンにおいては、前述したように、吸気のオープンタイミングと排気のオープンタイミングとのオーバーラップが生じることから、空燃比を理論空燃比よりもリッチに設定することによって、燃焼安定性を確保していた（図６における、バツ印をプロットした実線及び白丸をプロットした実線参照）。この設定では、寸法パラメータＬ／ｂと回転変動の関係とはリニアな関係にはならない。

これに対し、サイド排気方式のエンジンであって、吸気のオープンタイミングと排気のオープンタイミングとのオーバーラップがない設定とした、本実施形態のようなエンジンでは、理論空燃比に設定することで混合気を従来よりもリーンにしても、燃焼安定性を確保することが可能になる（図６における、黒丸をプロットした破線参照）。この設定では、寸法パラメータＬ／ｂと回転変動の関係とはリニアな関係になり、寸法パラメータＬ／ｂを大きくした方が安定性限界から離れるようになる。つまり、寸法パラメータＬ／ｂを大きくした方が、燃焼がより安定になる。同図によると、燃焼安定性を十分に確保する観点からは、寸法パラメータＬ／ｂは、２．４以上であることが好ましい。

次に、図７は、寸法パラメータＬ／ｂに対する燃焼変動率（σ−Ｐｍａｘ）を示している。エンジン１の運転状態は、回転数：２０００ｒｐｍ、ＢＭＥＰ（Brake Mean Effective Pressure、正味平均有効圧）：２９４ｋＰａの、比較的低回転数でかつ低負荷の条件で比較した。これにおいても前記と同様に、サイド排気方式でかつ、理論空燃比に設定した、本実施形態のようなエンジンでは、寸法パラメータＬ／ｂと燃焼変動率との関係はリニアな関係になり（図７における黒丸をプロットした破線参照）、パラメータＬ／ｂを大きくした方が、燃焼がより安定になる。

図８は、ＴＤＣでの表面積／容積比（Ｓ／Ｖ比）に対する、ローター回転方向の燃焼速度の変化を示している。同図において、黒丸は、Ｔ側火炎のトレーリング側方向（ＴＴ方向、図３参照）の燃焼速度、白三角は、Ｔ側火炎のリーディング側方向（ＴＬ方向）の燃焼速度、黒四角は、Ｌ側火炎のトレーリング側方向（ＬＴ方向）の燃焼速度、バツ印は、Ｌ側火炎のリーディング側方向（ＬＬ方向）の燃焼速度をそれぞれ示している。

寸法パラメータＬ／ｂを大きくすることは、幾何学上、Ｓ／Ｖ比が小さくなることに対応する。図８によると、Ｓ／Ｖ比が小さくなるにつれて、特にＴＴ方向の火炎伝播速度が増大している。これは、Ｓ／Ｖ比が小であることによる熱効率の向上に起因していると考えられる。

次に、図９は、例１、比較例１及び従来例のそれぞれについて、熱発生パターンの比較を示している。横軸はエキセン角（°ＣＡ）、縦軸は熱発生率（ｄＱ／ｄθ）（Ｊ／ｄｅｇ）である。

図９によると、破線で示す従来例は、熱発生率のピークが低いと共に、そのピークの後は、熱発生率が急激に減少している。また、一点鎖線で示す比較例１は、燃焼安定性の観点から点火タイミングを従来例よりも進角させているが、熱発生率のピークが、従来例と同様に低い。一方で、そのピークの後は、熱発生率が従来例よりも若干高い部分が生じていて（エキセン角６０°ＣＡ付近）、緩慢な燃焼が続いている。

これに対し、実線で示す例１は、熱発生率のピークが、従来例及び比較例１に比べて大幅に高く、さらにそのピーク後も、比較的高い熱発生率を維持している（同図の白抜きの矢印参照）。これは、ローターの幅方向に火炎が十分に伝播しているためと考えられる。従って、例１の曲線によって囲まれた面積は、従来例及び比較例１に比べて十分に大きく、熱発生が高い。

図１０は、横軸にＳ／Ｖ比とし、縦軸に燃費率として、例１、比較例１及び従来例それぞれの燃費率を示している。ここでは、低回転かつ低負荷の条件（回転数：１５００ｒｐｍ、ＢＭＥＰ：２９４ｋＰａ）の下で比較をした。これによると、前記例１は、比較例１及び従来例に比べて、燃費率が５％程度、改善している（同図の白抜きの矢印参照）。

次に、図１１は、配置パラメータｄ／ｂに対する、アイドル運転状態（回転数：８２０ｒｐｍ）での回転変動（σ−ｎｅ）を示している。また、図１２は、回転数：２０００ｒｐｍ、ＢＭＥＰ：２９４ｋＰａにおける、配置パラメータｄ／ｂに対する燃焼変動率（σ−Ｐｍａｘ）を示している。これらの図より、配置パラメータｄ／ｂも寸法パラメータＬ／ｂと同様に、配置パラメータｄ／ｂを大きくした方が燃焼がより安定になる。同図によると、燃焼安定性を十分に確保する観点からは、配置パラメータｄ／ｂは、０．７以上であることが好ましい。また、表１よると、点火プラグ９１，９２間の距離ｄは、４８ｍｍ以上であることが好ましく、６０ｍｍ以上であることがより好ましい。

以上説明したように、本実施形態に係るロータリーピストンエンジンによると、寸法パラメータＬ／ｂを比較的大きくすることによって、Ｔ側火炎及びＬ側火炎がローター回転方向に衝突する前に、そのＴ側火炎及びＬ側火炎をローター２の幅方向に十分に伝播させることができるため、燃焼パターンの改善により燃焼安定性が高まる。

また、寸法パラメータＬ／ｂを大きくすることによって、Ｓ／Ｖ比が低下して熱効率の改善も図られる。このため、前記の燃焼安定性の向上と組み合わさって、ロータリーピストンエンジン１の燃料消費量を大幅に改善することができる。

さらに、ロータリーピストンエンジン１の燃焼安定性に関係する別の指標として配置パラメータｄ／ｂが存在し、この配置パラメータｄ／ｂを大きくすることによってもまた、燃焼安定性を高めることができる。

以上説明したように、本発明は、ロータリーピストンエンジンにおいて、燃焼パターンを改善して、その燃焼安定性を向上させることにより、燃費をさらに向上させることができる点で有用である。

本発明の実施形態に係るロータリーピストンエンジンの概要を示す斜視図である。 同エンジンの要部を示す、一部を簡略化した断面図である。 ローターの寸法関係を示す側面概略図である。 ローターの幅に対するローター幅方向への火炎伝播速度の関係を示す図である。 ローターの幅に対するローター回転方向への火炎伝播速度の関係を示す図である。 寸法パラメータＬ／ｂに対する回転変動の関係を示す図である。 寸法パラメータＬ／ｂに対する燃焼変動率の関係を示す図である。 Ｓ／Ｖ比に対するローター回転方向の燃焼速度の関係を示す図である。 実施例、比較例及び従来例についての熱発生パターンの比較を示す図である。 Ｓ／Ｖ比に対する燃費率の関係を示す図である。 配置パラメータｄ／ｂに対する回転変動の関係を示す図である。 配置パラメータｄ／ｂに対する燃焼変動率の関係を示す図である。

１ ロータリーピストンエンジン
１０ 排気ポート
１１、１２，１３ 吸気ポート
２ ローター
３ ローターハウジング
３ａ トロコイド内周面
４ インターミディエイトハウジング
５ サイドハウジング
７ ローター収容室
８ 作動室
９１ トレーリング側点火プラグ
９２ リーディング側点火プラグ

Claims (5)

1. 出力軸回りを軌道運動すると共に、当該出力軸に対し平行かつオフセットした偏心軸を中心に回転する、前記軸方向に見て概略三角形状のローターと、
   前記ローターの軸線方向両側にそれぞれ配置されかつ、前記ローターのサイドシールと接触する一対のサイドハウジングと、
   互いに直交する長軸及び短軸によって規定される概略楕円形状のトロコイド内周面を有しかつ、その内部に前記ローターを収容すると共に、その内周面が前記ローターのアペックスシールと接触しかつ、前記ローター及び前記一対のサイドハウジングと共に、３つの作動室を規定するローターハウジングと、
   前記作動室の一つに連通して当該作動室に空気を吸入させることが可能な、前記サイドハウジングの少なくとも一つに開口する吸気ポートと、
   前記作動室の一つに連通して当該作動室から排気を排出することが可能な、前記サイドハウジングの少なくとも一つに開口する排気ポートと、
   前記ローターハウジングに対して、実質的に前記ローターの周方向に並んで配置される一対の点火プラグと、
   前記ローターハウジングの頂部に、吸気行程にある作動室に望んで配設されかつ、当該吸気作動室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、を備え、
   前記作動室に供給される空気／燃料の比率は、理論空燃比に設定され、
   前記ローターの厚みは、７０ｍｍ以下であり、
   前記一対の点火プラグの一方は、前記短軸を挟んだ一側において、当該短軸から前記ローターの一辺の長さの半分の領域内に配置され、他方の点火プラグは、前記短軸を挟んだ他側において、当該短軸から前記ローターの一辺の長さの半分の領域内に配置されていると共に、前記一対の点火プラグは、前記ローターの厚みの０．７倍以上１．０倍以下の距離だけ互いに離間しており、
   前記ローターの一辺の長さは、前記ローターの厚みの少なくとも２．４倍であるロータリーピストンエンジン。
2. 請求項１に記載のロータリーピストンエンジンにおいて、
   前記一対の点火プラグ間の距離は、４８ｍｍ以上であるロータリーピストンエンジン。
3. 請求項２に記載のロータリーピストンエンジンにおいて、
   前記一対の点火プラグ間の距離は、６０ｍｍ以上であるロータリーピストンエンジン。
4. 出力軸回りを軌道運動すると共に、当該出力軸に対し平行かつオフセットした偏心軸を中心に回転する、前記軸方向に見て概略三角形状のローターと、
   前記ローターの軸線方向両側にそれぞれ配置されかつ、前記ローターのサイドシールと接触する一対のサイドハウジングと、
   互いに直交する長軸及び短軸によって規定される概略楕円形状のトロコイド内周面を有しかつ、その内部に前記ローターを収容すると共に、その内周面が前記ローターのアペックスシールと接触しかつ、前記ローター及び前記一対のサイドハウジングと共に、３つの作動室を規定するローターハウジングと、
   前記作動室の一つに連通して当該作動室に空気を吸入させることが可能な、前記サイドハウジングの少なくとも一つに開口する吸気ポートと、
   前記作動室の一つに連通して当該作動室から排気を排出することが可能な、前記サイドハウジングの少なくとも一つに開口する排気ポートと、
   前記ローターハウジングに対して、実質的に前記ローターの周方向に並んで配置される一対の点火プラグと、
   前記ローターハウジングの頂部に、吸気行程にある作動室に望んで配設されかつ、当該吸気作動室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、を備えたロータリーピストンエンジンの設計方法であって、
   前記作動室に供給される空気／燃料の比率を、理論空燃比に設定し、
   前記ローターの厚みを、７０ｍｍ以下に設定する工程、
   前記一対の点火プラグの一方を、前記短軸を挟んだ一側において、当該短軸から前記ローターの一辺の長さの半分の領域内に配置し、他方の点火プラグを、前記短軸を挟んだ他側において、当該短軸から前記ローターの一辺の長さの半分の領域内に配置すると共に、前記一対の点火プラグの間の距離を、前記ローターの厚みの０．７倍以上１．０倍以下の距離となるように設定する工程、及び、
   前記ローターの一辺の長さを、前記ローターの厚みの少なくとも２．４倍となるように設定する工程を含む設計方法。
5. 請求項４に記載の設計方法において、
   前記ローターの最大許容回転数を設定する工程をさらに含み、
   前記ローターの一辺の長さは、前記最大許容回転数が低いほど長く設定される設計方法。

Images