JP6220954B2 - 回転式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、機械工学、特に機関構成に関し、そして広範な機構のための駆動源として適用し得る内燃機関（ＩＣＥ）設計を検討する。

２つのロータが動く場合の可変容積形成の原理は、公知であり詳述されている。このタイプの設計の機械学の主要な問題は、ロータ同期システムである。最もよく知られた設計は、シャフト及びギヤを備える。同時に、シャフトの使用は、同期システムにおいて非常に望ましくなく、それはシャフト上の荷重を変更することによって最大シャフト回転をもたらすので、動作中のロータの衝突を回避するためにロータのセグメントを減少させる必要があり、これが寄生容積（ｐａｒａｓｉｔｉｃ ｖｏｌｕｍｅ）（以下に記載する）の増大につながるためである。さらに、多数の発明者がロータの「集中（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ）」という方針に従っており、これは、シャフトの最小長さを保証するためのロータのスピンの非垂直平面によって達成される。同期システムにおけるギヤの最小化が最も重要であり、なぜなら、大きな直径を有し高周速で回転させるためのギヤの製造は、極めて困難であるか、又は機械工学技術の発展のこの段階では技術的に達成不可能でさえあるためである。このため、ロータの「直径」を削減しなければならず、これは、機関の「容積」の減少とその適用の制限を生じる。発明者等は、ロータの端面を十分に考慮しないことが多い。最大トルク伝達を提供するためとロータに対する横方向荷重を低減するために、ロータの端面は、対称に「テーパリング（ｔａｐｅｒｅｄ）」されるべきである。さらに、「テーパ長（ｔａｐｅｒ ｌｅｎｇｔｈ）」は、ロータ断面の最大径の半分であり、これは、ロータが回転トロイドの交点を滑らかに通過することを保証するであろう。一方のロータの「テーパ」がトロイド溝の交点に到達したとき、もう一方のロータの他のセクタが本体から出て、そして可変容積キャビティの密閉が失われる瞬間が本体内で起こり、それは、「寄生（ｐａｒａｓｉｔｉｃ）」と呼ばれる残存容積である。チャンバが断熱されていない場合、寄生容積の存在は熱力学的効率の低下をもたらし、寄生容積は機関の比容積のパフォーマンス（ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｖｏｌｕｍｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を増大させ、これは設計パラメータを悪化させる。したがって、設計時に、寄生容積を低減する必要がある。しかし、同期システムにおけるロータのスピンの非垂直平面及び小直径シャフトはまさに、寄生容積の増大をもたらす。多数の設計は、設計の不均衡を増大させ、又はこの影響を軽減しようと試みたときに重み付け（ｗｅｉｇｈｔｉｎｇ）につながる非対称ロータを含む。ある設計では、３つのディスクセグメントが示されているが、この設計は、交点数の増大による寄生容積の効率的増大により、機関の寸法を増大させるため、最適でない。この設計で使用される２セクタロータが最適なものではないと結論づけるのは、困難でない。

２つのタイプのロータ同期システムが存在するが、これらは、ロータの大きな直径によるトルク取出しのタイプが異なり、本発明者は、これをベベル又はドームギヤを用いた外側係合ロータ（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｅｎｇａｇｅｍｅｎｔ ｒｏｔｏｒ）と呼ぶ。

第一のタイプは、特許文献１（図２８）、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７、及び特許文献８に記載されている。全ての設計は、主要な欠点、すなわち外側係合ロータのギヤの高い周速を有する。ロータのスピンの非垂直平面が同様に多数の設計で使用されているが、これは効率を低下させる。

第２のタイプは、特許文献９（図２３、２４、３３、Ｆ０１Ｃ、１９６３年１１月９日公開）に記載されている。この解決手段を従来技術とする。この解決手段は、回転内燃機関を開示し、上記回転内燃機関は、ピストン運動のための２つの通路をそれぞれ形成する環状溝を有する２つの管状交差部品からなる本体を備え、吸気及び排気窓が、環状溝のキャビティと連通して壁に作製され、上記管状部品は、係合されたギヤからなる回転同期の運動学的連鎖によって相互接続されることを特徴とする。同期システム（図２３、２４、３３）において、シャフトを有する設計が説明されている。図２３の同期システムは、２つのシャフトを備え、これらのうちの一方は、中間シャフトであり、もう一方は、ギヤの締結を目的としたものである。さらに、図２３のシステムは嵩高い。図２４の同期システムは、一つの中間シャフトしか含まないが、サイズ１３３のギヤを有し、これは第１のタイプにおいて使用されるものより有意に小さいものではなく、したがって、これは製造可能性の問題を解決しない。それにもかかわらず、設計は嵩高い。図３３に示されるシステムが特に興味深い。上記システムでは、ベベルギヤ及びピニオンが１つだけ使用されており、システムは小型であるが、これは極めて長い中間シャフト及びロータのスピンの非垂直平面を有し、これはシステムの効率を低下させる。中間シャフトの回転速度は、ロータの回転速度よりも数倍速く（ベベル又は円筒形ギヤは、Ｋ＝２−３を有する）、これは、構成材料に対する要求を有意に増大させる。

英国特許第９３６２８３号 米国特許第３８０９０２２号 独国特許第２０３４３００号 欧州特許第００９１９７５号 英国特許第２０６２１０５号 英国特許第１９１００７５１６号 特許第３７１８２１９号 米国特許第９２５３８４９号 英国特許第９３６２８３号

本発明は、ロータ同期システムにおける、ロータの正確な配向及びロータのスピンの同期の保証並びにシャフトの排除による寄生容積の最小化によって、設計の簡素化に帰着する技術的成果を達成することを目的とする。

上記技術的成果は、以下の事実によって達成される：回転式内燃機関(rotary internal combustion engine)は、本体を備え、上記本体は、それぞれＬ字型フラグメントである４つの部品からなり、上記４つの部品が接続されると、平面視で外面にリブ及び内側に環状溝を有する２つの互いに垂直なリング状壁を形成し、上記壁は２つの通路を形成し、各上記通路は、上記溝に沿って移動できる２つのトーラス状ロータ（ｔｏｒｕｓ−ｓｈａｐｅｄ ｒｏｔｏｒ）を内包し、各トーラス状ロータは、前記ロータと溝表面との間にキャビティを形成する、ロータの外側又は内側に位置する長手方向ノッチを有して作製され、上記キャビティは、上記壁の外側に位置するチャンバに接続され、吸気及び排気窓は、上記ロータと上記溝表面との間の上記キャビティに連通して、上記壁に作製され、上記ロータは連続的に係合した複数のギヤからなる回転同期の運動学的連鎖により相互接続され、上記ギヤのうちの１つは一方のトーラス状ロータと係合し、上記ギヤのうちの最後のものは、もう一方のトーラス状ロータと強固に接続された出力シャフトに接続される。

これらの特徴は、所望の技術的成果を達成するのに十分な必須の特徴の安定な組み合わせを形成するために必須であり、かつ相互に連結される。

本発明を、具体的な実施形態によって例示する。しかし、これは、唯一の可能な実施形態ではなく、所望の技術的成果を達成するための可能性を実証するものである。

図１は、本発明によるＩＣＥの長手方向断面図である。 図２は、図１によるビューＡ（Ｖｉｅｗ Ａ）である。 図３は、ギヤの係合を示す。 図４は、平面視で、大きな直径を有するロータを示す。 図５は、平面視で、小さな直径を有するロータを示す。 図６は、圧縮行程／膨張行程の開始を示す。 図７は、圧縮行程の終了／燃焼行程の開始を示す。 図８は、燃焼行程の終了／膨張行程の開始を示す。

本発明に従う同期システムを有するドームタイプの回転式ＩＣＥ（吸気−圧縮−燃焼−膨張（膨張行程）−排気）の設計を検討する。

一般に、回転式内燃機関は、本体を備え、上記本体は、それぞれＬ字型フラグメントである４つの部品からなり、上記４つの部品が接続されると、平面視で外面にリブ及び内側に環状溝を有する２つの互いに垂直なリング状壁を形成し、上記壁は２つの通路を形成し、各上記通路は、上記溝に沿って移動できる２つのトーラス状ロータを内包する。各トーラス状ロータは、前記ロータと溝表面との間にキャビティを形成する、ロータの外側又は内側に位置する長手方向ノッチを有して作製され、上記キャビティは、上記壁の外側に位置するチャンバに接続される。吸気及び排気窓は、上記ロータと上記溝表面との間の上記キャビティに連通して、上記壁に作製される。上記ロータは、連続的に係合した複数のギヤからなる回転同期の運動学的連鎖（ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｃｈａｉｎ）により相互接続され、トーラス状ロータのスピンを均等な回転速度で提供するために、上記ギヤのうちの１つは、一方のトーラス状ロータと係合し、上記ギヤのうちの最後のものは、もう一方のトーラス状ロータと強固に接続された出力シャフトに接続される。

具体的な実施形態を以下に検討する。

回転式ＩＣＥは、本体を備え、上記本体は、選択された補強リブ２を有する４つの象限（ｑｕａｄｒａｎｔ）１（以下、クォーター（ｑｕａｒｔｅｒ）と呼ぶ）を含み、上記象限１のうちの１つに、同期及び動力取出しシステムのダブルギヤ締結システム８が配設される。内側半径に沿った動力取出しを行うロータ３に対面するクォーターの側部は、外側半径に沿ってかつ中心において強固に接続され、外側の動力取出しを行うロータ４に対面するクォーターの側部は、内側半径に沿って強固に接続される。前記クォーターの側部は、具体的な検討実施態様では、ボルトで締められる。

さらに、前記補強リブは、ガス圧によってロータを運動させることによって生成される有意な本体の変形が生起する可変容積チャンバ内の場所において前記本体を補強する。前記本体は、また、ロータ３及び４の回転のための垂直なキャビティ（ロータの外形に対して相補的なある外形を有する一定の形状のトロイダル溝）、並びに回転軸受（これらは、図１においてロータ上の中空円の形態で示される）に対してロータスピン配向システムを締結するためのキャビティを含む。図２に示すロータは、特定のクロス外形（ｐｒｏｆｉｌｅ）のトロイドであり、これは点Ｃ及びＢ付近の垂直平面において回転中に可変容積チャンバを形成し、これらは、膨張（膨張行程）、圧縮、排気及び充填チャンバである。２つの対称的な９０°セグメントがロータ上に選択され、そして、前記ロータの端面は、スピン中にロータを横断するのを回避するために、ロータのクロス外形の幅の１／４を形成する母線に沿ってロータの長さに沿って対称的にテーパリングされる（テーパ形状は特定の外形を有する）。動作中の前記ロータによって形成される可変容積チャンバの密閉は、ロータの移動シール（ｍｏｖｉｎｇ ｓｅａｌ）５、前記本体に沿った固定シール（ｆｉｘｅｄ ｓｅａｌ）６、及び前記ロータと本体との間の間隙内の動的シール（ｄｙｎａｍｉｃ ｓｅａｌ）によって提供される（しかし、Ｏリングによって提供される設計も可能である）。同期システムのギヤ７は、中心付近でロータ３上に固定され（図３）、ギヤ７は回転軸受上に設置されたダブルギヤ８と係合し、ダブルギヤ８はギヤ９と係合し、ギヤ９もまた本体支持体１０上の回転軸受上に設置され、本体支持体１０は、薄肉ドーム１１に強固に接続され、薄肉ドーム１１は、ロータ４に強固に接続される。前記同期システムの組立図を図３に示す。

ギヤ７、８及び９は、前記ロータが均等な角速度でスピンすることを保証するように選択され、ギヤ８は、ギヤ７及び９の回転速度に等しいか又は近い速度で回転し、これは、上述のとおり、本設計の有意な利点である。ロータ３からの動力取出しが、ギヤ７、８及び９を通して提供され、ロータ４からの動力取出しは、ドーム１１を通して提供される。前記同期システムのギヤは、本提案の設計のロータと同一の回転速度を有する。

機械全体としてのＩＣＥからの動力取出しは、動力取出しフランジ１２を通して提供される。前記機関は、支持体１３上に設置される。前記機関は、点Ｃに関して対称に配置された２つの外部燃焼チャンバ１４（図１及び６〜８）を備え、外部燃焼チャンバ１４の上には、ガソリン機関のための点火システム１５又はディーゼル機関のための予熱システムが配備される。直接燃料噴射（図１に示す）から、（ロータスピン側の点火チャンバの入り口の他端上の）層状給気分布を有する外部燃料噴射まで異なる燃料噴射システム１６が可能である。

前記本体の１つのクォーターに吸気窓１７（２個）（図１Ａ）が配置され、他の端の１つのクォーターに排気窓１８（２個）が配置される（ビューＢはビューＡに対応し、図２の画像は１８０°回転しており、図２にはその上に位置１１、８、９、１２、１０がない）。ロータの位置をセンサ１９から読み取ることによって、噴射及び点火システムを制御する（設置オプションのうちの１つが図示されている）。

外側係合ロータギヤの高い周速からなる不都合は、本提案の設計ではドーム（ｄｏｍｅ）の使用によるギヤ直径の削減により排除される。

前記機関は、始動装置によって始動される。前記ロータのスピンのキャビティが２点において交差することを理解するのは、容易である。燃焼チャンバ１４は、一方の交点（図２の点Ｃ）付近に直接配置され、吸気窓１７及び排気窓１８は、もう一方の交点（図２の点Ｂ）付近に配設される。

好ましい実施形態では、前記吸気窓は、（可変長Ｌを保証する可能性を有する）円弧状である。技術的に実行できる選択肢のうちの１つは、前記吸気窓の形成を規定する円弧に沿って配置される一定の個数の電磁弁を配設することであり、上記電磁弁の役割は、前記ロータがスピンするキャビティへの空気の供給及び流出を止め、これにより前記吸気窓の実長を変えることである。

圧縮行程の開始が前記吸気窓の端部（ロータスピン用キャビティの交点から最も遠い点）で起こり、これが圧縮行程容積の減少と一部のエアバックのリターンにつながるという事実により、圧縮と膨張の行程容積との差は、幾何学的等価（ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｅｑｕａｌｉｔｙ）の場合に達成される。したがって、本発明は、可変長Ｌの前記吸気窓の延長形態によって、圧縮行程容積と膨張行程容積との差を得るという課題を解決することを目的とする。

前記同期システム及び始動装置の回転方向は、ロータ３及び４のスピン方向を決定する。前記ロータが、スピンし、そして図２に示す位置にあると想定すると、膨張行程の開始が左に示され（燃焼される空気燃料混合物（以下、ＡＦＭ：ａｉｒ−ｆｕｅｌ ｍｉｘｔｕｒｅと呼ぶ）は垂直に移動する前記ロータの上側燃焼チャンバ内にある）、そして、圧縮行程の開始が右に示され、ここで圧縮行程の開始は、常に、前記ロータが延長された吸気窓全体を通過するまで延期されるという唯一の具体的な特徴を有し、これは前記膨張行程と比べて前記容積を削減し、前記排気行程及び吸気行程の開始は、その瞬間に、水平面の対向する交点において同様に起こる。前記排気ガスは、垂直平面内の排気窓１８に移動して前記排気行程に備え、新鮮な空気は、吸気窓１７から移動して前記圧縮行程に備える。１００ａｔｍの圧力及び３０００℃の温度におけるＡＦＭ燃焼のプロセスで生成されるガスは、垂直に移動する前記ロータの左の上側燃焼チャンバから膨張し始め、水平に移動する前記ロータの上方に有効動力を提供する。前記燃焼チャンバは、前記ロータのトロイダル状セグメント本体により動的に圧縮される。トルクは、前記ロータを作動させる同期及び動力取出しシステムを通して、別のロータに伝達される。垂直に移動する前記ロータが、ロータのスピンのキャビティの交点をほとんど通過し（図６〜８）、水平に移動する前記ロータがこの点に近づいたとき、下側燃焼チャンバ内の圧力が、燃焼（ＡＦＭ）に関する所望値に到達し、水平に移動する前記ロータが、垂直に移動するロータと同様に、その本体によって燃焼チャンバの動的シールを形成し、ＡＦＭが点火される。前記膨張行程は、垂直に移動する前記ロータの左に対して終了し、圧力が低下する。両方の前記ロータが図８の位置まで移動し続ける間、ＡＦＭは、漏れを除けばほとんど一定の容積で燃焼する。続いて、前記プロセスは、別の前記ロータに移り、図６から始まる全てが繰り返される。排気及び吸気は、ロータのスピンのキャビティの対向する交点付近で同一の方法で実施される。

この機関は、以下の特徴を有する：
−中間シャフトが不在であり、ねじり振動に対する高い剛性があり、これはロータの配向の高い精度につながり、これはまた、寄生容積を低減し、したがって効率を上昇させる。
−加工性（ギヤの低い周速により最先端技術のギヤを製造することが可能となる）。
−携帯性（きわめて特有な特徴）。
−機関は摩擦軸受を用いずに設計される。
−機関はシリンダ壁に沿って摺動するピストンを用いずに設計され、というのは、ロータは十分に剛性であり、負荷により屈曲する平面を有し、これにより可変容積チャンバの動的シールを保証するための最小のクリアランスを提供できるためである。
−回転軸受の使用による、スピン用キャビティに対するロータの微細な配向。
−ガス分配システムがない。
−燃焼が略不変の容積（ｓｅｍｉｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｖｏｌｕｍｅ）において実施される（動的シールを通した漏れはわずかである）。
−要素の往復運動がなく、回転運動のみが存在する。
−ＡＦＭのデトネーション燃焼における操作の可能性（これは、ＩＣＥ回転速度を有意に増大させる）。
−設計要素の完全な断熱が可能である。
−ロータ及び他の設計要素の動的対称性。
−設計要素を加工できる（これらは最先端技術で製造される）。
−振動の低減：ＩＣＥの１回転は、４つの膨張行程である（従来の往復動型ＩＣＥは、２つの膨張行程である）。
−高いトルク、高い動力（作動ガスの全圧力がトルクに変換される）。
−高い効率。

本設計の既存解決策とのもう１つの相違は、異なる容積の圧縮サイクル及び膨張行程を実施できることであり、これは、ＩＣＥのシステム物理分析に基づいた空気燃料混合物の完全な燃焼による、効率、並びに排出物、排気圧力及び温度の低減の大幅な増大をもたらす。この効果は、吸気口が孔からではなく可変長Ｌの前記円弧から提供されるという事実の結果として、圧縮行程の開始を（ロータの回転角度に沿って）「シフト」できるという事実により達成される。

本発明は、産業上利用可能である。というのは、本発明は最新の内燃機関の製造に使用される材料及び技術を用いて作製できるためである。本願発明の属性は、他に類を見ないアセンブリ及び新規のロータスピン同期システムの使用である。

Claims (3)

1. 回転式内燃機関であって、
   本体を備え、
   前記本体は、それぞれＬ字型フラグメントである４つの部品からなり、
   前記４つの部品が接続されると、平面視で外面にリブ及び内側に環状溝を有する２つの互いに垂直なリング状壁を形成し、
   前記壁は、２つのトーラス状の通路を形成し、
   各前記通路は、前記溝に沿って移動できる２つのロータを内包し、
   各前記ロータは、前記ロータと溝表面との間にキャビティを形成する、ロータの外側又は内側に位置する長手方向ノッチを有して作製され、
   前記キャビティは、前記壁の外側に位置するチャンバに接続され、
   吸気及び排気窓は、前記ロータと前記溝表面との間の前記キャビティに連通して前記壁に作製され、
   前記ロータは、連続的に係合した複数のギヤからなる回転同期の運動学的連鎖により相互接続され、
   前記ロータのスピンを均等な回転速度で提供するために、前記ギヤのうちの第１のギヤは、一方の前記ロータと係合し、前記ギヤのうちの最後としての第２のギヤは、もう一方の前記ロータと強固に接続された出力シャフトに接続される
   ことを特徴とする、前記回転式内燃機関。
2. 前記ロータのスピンを均等な回転速度で提供するための前記回転同期の運動学的連鎖は、前記第１及び第２のギヤと、前記第１及び第２のギヤに係合するダブルギヤとからなることを特徴とする、請求項１に記載の回転式内燃機関。
3. 前記吸気窓は、調整のために適合された円弧に沿って延長されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の回転式内燃機関。