JP5496346B2 - ロータリエンジン用の補助複合制御弁 - Google Patents

Description

本開示は、ロータリエンジンに関する。

エンジン技術では、出力密度と燃料消費との間にさまざまなトレードオフがある。ガスタービンエンジン技術では、かなり高い出力密度が得られるが、大きさが比較的小さい場合、燃料消費は相対的に高く、効率は相対的に低くなる。小型のディーゼルピストンエンジンは、燃料消費は適度であるが、典型的にはおおよそ０．５ｈｐ／ｌｂより低い出力密度で比較的重くなることがあるのに対し、同程度の大きさの４サイクルエンジンは、典型的にはおおよそ０．８ｈｐ／ｌｂより低い出力密度となる。２サイクルエンジンは、同等の大きさの４サイクルエンジンより出力密度が大きいが、燃料消費は比較的高い。

例示的なロータリエンジンの模式的構成図。 例示的なロータリエンジンの部分仮想線図。 第１のロータセクションを例示する、図１の例示的なロータリエンジンの部分組立図。 第２のロータセクションを例示する、図１の例示的なロータリエンジンの部分組立図。 ロータリエンジンの分解図。 例示的な目的で水平軸および垂直軸周りに模式的に上に移動しかつ１８０度回転した第２のロータと共に第１の移送ダクトと第２の移送ダクトとの間にある、非限定的な実施例の補助複合制御弁の図。 さまざまな補助複合制御弁の位置に応じた補助効果の図。 補助複合制御弁の位置の連続域に対する補助複合効果を示すグラフ。

当業者には開示の非限定的な実施例についての以下の詳細な説明からさまざまな特徴が明らかとなるであろう。詳細な説明に付随する図面は上述のように簡単に説明できる。

図１は、第１のロータセクション２２および第２のロータセクション２４を有する複合ロータリエンジン２０を模式的に示す。ロータリエンジン２０は、ロータリに基づき、例えばバンケル型エンジンである。吸気ポート２６が、周囲空気を第１のロータセクション２２に伝達し、排気ポート２８が、そこから排気生成物を伝達する。第１の移送ダクト３０および第２の移送ダクト３２が、第１のロータセクション２２と第２のロータセクション２４の間に連通する。ＪＰ−８などの重い燃料、ＪＰ−４、天然ガス、水素、ディーゼルおよびその他の燃料と共に使用する燃料システム３６が、エンジン２０の第２のロータセクション２４と連通する。エンジン２０は、さまざまな商用、工業用の小型の移動式発電機や航空用途において高い出力密度と、低い燃料消費とを同時に提供する。

図２を参照すると、複合ロータリエンジン２０は一般に、回転軸Ａ周りに回転する、少なくとも1つのシャフト３８を備える。シャフト３８は、整合された偏心カム４０、４２（図３、図４）を備えており、偏心カム４０、４２は、それぞれ第１のロータ４４および第２のロータ４６を駆動し、第１のロータ４４および第２のロータ４６は、同一のシャフト３８によって調和した仕方で駆動される。第１のロータ４４および第２のロータ４６はそれぞれ、第１の固定ロータハウジング５２および第２の固定ロータハウジング５４（図３、図４）によって形成された容積部４８、５０内で回転可能である。非限定的な一実施例では、燃料システム３６は、１つまたは複数の燃料噴射器を備えており、２つの燃料噴射器３６Ａ、３６Ｂが、これらの概略反対側にある第２のロータ容積部５０と連通するように示されており、そこには、非限定的な一実施例では移送ダクト３０、３２が配置されている。他の燃料噴射器の構成、配置、および数を代替としてあるいは付加的に設けることができることは理解されたい。燃料システム３６は、燃料を第２のロータ容積部５０に供給する。非限定的な一実施例では第１のロータ容積部４８は、第２のロータ容積部５０より大きな容積を提供する。さまざまなハウジング構成、形状、および配置を代替としてあるいは付加的に設けることができることは理解されたい（図５）。

第１のロータ４４および第２のロータ４６はそれぞれ、周方向に離間した３つの頂点４４Ａ、４６Ａを備える周面を有する。各頂点４４Ａ、４６Ａは、アペックスシール４４Ｂ、４６Ｂを備えており、アペックスシール４４Ｂ、４６Ｂは、各容積部４８、５０の周面４８Ｐ、５０Ｐと摺動シール係合する。回転軸Ａに垂直な平面内にある容積部４８、５０の周面は、実質的に２ローブエピトロコイド形の周面であり、一方、同じ平面内にあるロータ４４、４６の周面は、実質的に２ローブエピトロコイド形の３ローブインナ包絡線の周面である。

作動時に、空気が吸気ポート２６（図１）からエンジン２０に流入する。第１のロータ４４が、第１の圧縮行程を行い、第１の移送ダクト３０が、圧縮空気を第１のロータ容積部４８から第２のロータ容積部５０（図２、図３）に移送する。第２のロータ４６が、第２の圧縮、燃焼行程、および第１の膨張行程を行い、次いで、第２の移送ダクト３２が、排気ガスを第２のロータ容積部５０から第１のロータ容積部４８（図２、図４）に移送する。第１のロータ４４が、第２の膨張行程を排気ガスに行い、膨張した排気ガスは、排気ポート２８（図１、図２）から排出される。各ロータ面が各回転でサイクルを完了し、合計で６つの面を有する２つのロータがあるので、エンジンは、比較的小さな変位で大きな出力を生成する。

シャフトは、各サイクルで１回転を完了するので、各完全なロータ回転で３回のクランク回転がある。第１のロータ４４の上死点（ｔｏｐ ｄｅａｄ ｃｅｎｔｅｒ）（ＴＤＣ）位置では、第１のロータ容積部の出口ポート４８Ｏと第１のロータ容積部の入口ポート４８Ｉとが一時的に連通する。従って、第２のロータ容積部５０から第２の移送ダクト３２および第１のロータ容積部の入口ポート４８Ｉを通って戻る排気ガスが、第１のロータ容積部４８に流入し、次いで、第２のロータ容積部５０内に戻るように連通する第１の移送ダクト３０内に第１のロータ容積部の出口ポート４８Ｏを通って戻る際に、補助複合効果が実現される。より高圧の排気ガスが、第１の移送ダクト３０の固定容積部に進入するので、第１の移送ダクト３０内の残留圧縮空気は、第２のロータ容積部５０に進入する。第１の移送ダクト３０内からの残留圧縮空気は、第２のロータ容積部５０内に伝達され、従って、第２のロータ容積部５０内への付加的または補助的な空気質量流の移動を通して第２のロータ４６の圧縮行程の開始前の初期圧力を増加させまたは複合させることで、エンジン１０の有効圧縮比を増加させる。第２のロータ４６の固定された形状で規定された圧縮比で、第２のロータ４６の行程に対する、より高い初期圧力によって、燃焼からより高いピーク圧力が得られる。このより高い圧力は、増加した空気質量の取り込みと合わせて、結果としてエンジン１０の出力を増加させる。

図６を参照すると、補助複合効果は、第１の移送ダクト３０と第２の移送ダクト３２との間にあるバイパスダクト６２と連通する補助複合制御弁６０を用いて調整可能である。第１の逆止弁６４が、圧縮機容積部４８に隣接して第１の移送ダクト３０に配置可能である。第１のバイパスダクト逆止弁６６が、第１の移送ダクト３０に隣接してバイパスダクト６２に配置可能である。第２のバイパスダクト逆止弁６８が、第２の移送ダクト３２に隣接してバイパスダクト６２に配置可能である。逆止弁６４、６６、６８によって、排気ガスは確実に、補助複合制御弁６０の制御下で、第２のロータ容積部５０から第２の移送ダクト３２を通って第１のロータ容積部４８内へと戻り、第１の移送ダクト３０内へと戻る。代替の二方向の仕方でバイパスダクト６２内の流量を制御するように、さまざまな付加的なまたは代替の弁構成が利用可能であることは理解されたい。

補助複合制御弁６０は、補助複合アルゴリズム７２を実行するモジュール７０を用いて絞り特性、高度特性、および排出物質の制御を向上させるようにエンジンサイクルにおけるさまざまな位置で補助複合効果を制御するために使用可能である。アルゴリズム７２の機能は例えば、図（図７）によって開示されており、これらの機能が、マイクロプロセッサに基づく電子機器制御の実施例において実行可能なプログラムされたソフトウェアルーチンまたは専用ハードウェア回路で実施可能であることは、本開示の恩恵を受ける当業者には理解されるはずである。非限定的な一実施例では、モジュール７０は、ソフトウェア、制御システムの一部、または独立型のライン交換可能ユニット、または他のシステムとすることができる。

モジュール７０は一般に、プロセッサ７０Ａ、メモリ７０Ｂ、およびインターフェース７０Ｃを備える。プロセッサ７０Ａは、所望の性能特性を有する任意の種類の既知のマイクロプロセッサとすることができる。メモリ７０Ｂは、データを保存しかつ本願に記載されているアルゴリズムを制御する、さまざまなコンピュータ可読媒体を含むことができる。インターフェース７０Ｃは、飛行制御コンピュータ（ｆｌｉｇｈｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ）（ＦＣＣ）７４との通信、および、無人空中輸送手段（ｕｎｍａｎｎｅｄ ａｅｒｉａｌ ｖｅｈｉｃｌｅ）（ＵＡＶ）で典型的な開示の非限定的な実施例における他のアビオニクスおよびシステムとの通信を容易にする。

図８を参照すると、補助複合制御弁６０は、モジュール７０に応答した閉位置と開位置の間の連続域に沿って選択的に移動可能である。一般に、補助複合制御弁６０を通して伝達される排気ガス部分が大きいほど、補助複合効果が大きくなる。すなわち、基本的な効果は、第２のロータの圧縮行程の開始前の固定容積部への複数モルの進入空気のうちの１モルになる。

補助複合制御弁６０の閉位置に向かって、ピーク燃焼圧力は、長いエンジン寿命を提供するために最小化される。最小の補助複合は、圧縮機出口ポート４８Ｏと圧縮機入口ポート４８Ｉの間の固定されたポート形状のみによって最小固有補助複合が実現される時に生じる。補助複合制御弁６０の開位置に向かって、有効圧縮比（大気圧に対するピーク燃焼圧力）は、所望の馬力を生成するように高度に対して制御可能である。開位置はまた、圧力を最大化しかつ低温始動を容易にするために利用可能である。補助複合制御弁６０は次いで、比較的速いエンジン暖機を提供するための作動温度に到達すると、選択的に閉にされる。開位置と閉位置の間の連続域に沿ったさまざまな位置が、所望の作動効果を提供するようにさまざまな作動条件において利用可能であることは理解されたい。

同様の参照符号がいくつかの図面全体に亘って対応する部材または同様の部材を特定することは理解されたい。例示の実施例では特定の部材構成を開示したとはいえ、他の構成も本願から恩恵を受けるであろうことも理解された。

特定の工程配列を図示し、説明し、請求するとはいえ、特に指定のない限り別々または組み合わせで任意の順に工程が実施可能であり、本開示からなお恩恵を受けるであろうことも理解されたい。

上述した説明は、限定として規定されるのではなく例示である。本願ではさまざまな非限定的な実施例を開示するが、当業者ならば、上述した教示に照らしてさまざまな修正例および変形例が添付の特許請求の範囲に含まれることを理解するであろう。従って、添付の特許請求の範囲においては具体的に説明する以外にも本開示が実施可能であることは理解されたい。従って、真の範囲および内容を決定するには添付の特許請求の範囲を検討する必要がある。

Claims (14)

1. 第１のロータセクションと、
   第２のロータセクションと、
   第１のロータセクションと第２のロータセクションとの間にある第１の移送ダクトと、
   第２のロータセクションと第１のロータセクションとの間にある第２の移送ダクトと、
   第１の移送ダクトと第２の移送ダクトとの間の連通を制御する補助複合制御弁と、
   を備え、
   第１の移送ダクトは、圧縮空気を第１のロータセクションから第２のロータセクションに移送することを特徴とするロータリエンジン。
2. 第２の移送ダクトは、排気ガスを第２のロータセクションから第１のロータセクションに移送することを特徴とする請求項１記載のロータリエンジン。
3. 補助複合制御弁は、第２の移送ダクトに配置されることを特徴とする請求項２記載のロータリエンジン。
4. 第１の移送ダクトと第２の移送ダクトとの間にバイパスダクトを備え、補助複合制御弁は、第２の移送ダクトに配置されることを特徴とする請求項１記載のロータリエンジン。
5. バイパスダクトに少なくとも１つの逆止弁をさらに備えることを特徴とする請求項４記載のロータリエンジン。
6. 第１のロータセクションは、第１の圧縮段を提供し、第２のロータセクションは、第２の圧縮段、燃焼段、および第１の膨張段を提供するように第１の移送ダクトを通して第１のロータセクションと連通し、第１のロータセクションは、第２の膨張段を提供するように第２の移送ダクトを通して第２のロータセクションと連通することを特徴とする請求項１記載のロータリエンジン。
7. 補助複合制御弁の作動を制御するモジュールをさらに備えることを特徴とする請求項１記載のロータリエンジン。
8. モジュールは、飛行制御コンピュータと通信することを特徴とする請求項７記載のロータリエンジン。
9. 第１の移送ダクトを通して圧縮空気を第１のロータセクションから第２のロータセクションに移送し、
   第２の移送ダクトを通して排気ガスを第２のロータセクションから第１のロータセクションに移送し、
   第１の移送ダクトと第２の移送ダクトとの間の連通を選択的に制御する、
   ことを含むことを特徴とする、ロータリエンジンを制御する方法。
10. ピーク燃焼圧力を制御するように第１の移送ダクトと第２の移送ダクトとの間の連通を選択的に制御することをさらに含むことを特徴とする請求項９載の方法。
11. 有効圧縮比を制御するように第１の移送ダクトと第２の移送ダクトとの間の連通を選択的に制御することをさらに含むことを特徴とする請求項９載の方法。
12. エンジン出力を制御するように第１の移送ダクトと第２の移送ダクトとの間の連通を選択的に制御することをさらに含むことを特徴とする請求項９載の方法。
13. エンジン寿命を制御するように第１の移送ダクトと第２の移送ダクトとの間の連通を選択的に制御することをさらに含むことを特徴とする請求項９載の方法。
14. エンジン始動を制御するように第１の移送ダクトと第２の移送ダクトとの間の連通を選択的に制御することをさらに含むことを特徴とする請求項９載の方法。

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