JP6410387B1 - 回転型内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図2
Description
往復動内燃機関の場合、ピストン受圧面積をAo、燃焼ガス圧をPo、クランク半径をRo 、クランクアームのピストン軸心に対するクランク角をθとすると、出力トルクToは、To≒Ao×Po×Ro×Sinθとなる。
この構成では、圧縮空気の熱エネルギ損失と圧力損失が多くなるため、出力性能を高める上で不利である。また、2つの気筒を設け、隣の気筒で発生させた圧縮空気を導入通路を介して燃焼作動室に導入する例もあるが、この構成では、内燃機関の構造が複雑化し、圧縮空気の圧力損失も多くなるため好ましくない。
前記圧縮作動室から圧縮混合気又は圧縮空気を導入して点火する為の副燃焼室であって前記ピストン部のうちの前記環状作動室の内壁面に常時面接触している頂部に開口する開口部を有する副燃焼室が前記ピストン部の内部に形成され、
第1の可動仕切部材に対してロータ回転方向トレーリング側に前記圧縮作動室が形成されると共にリーディング側に前記燃焼作動室が形成され、
前記圧縮作動室又は燃焼作動室が特定作動室である場合に、前記環状作動室の内壁面を形成する内壁面形成壁部のうちの前記特定作動室の少なくとも一部の内壁面形成壁部部分に前記副燃焼室の前記開口部の移動軌跡に対向するように形成された円弧溝と、前記円弧溝に沿って移動可動に前記円弧溝に装着されたシャッター部材とを有し、且つ出力軸の回転位相に関連付けた設定期間に前記円弧溝を介して前記副燃焼室を前記特定作動室に連通させる連通機構が設けられたことを特徴としている。
第1制御手段により第1電動モータと第1ピニオンを介して、出力軸の回転位相に関連付けて第1シャッター部材を往方向と復方向へ移動駆動することができる。
第2制御手段により第2サーボモータと第2ピニオンを介して、出力軸の回転位相に関連付けて第2シャッター部材を往方向と復方向へ移動駆動することができる。
上記の構成により、圧縮作動室内に圧縮された圧縮混合気又は圧縮空気のほぼ全量を副燃焼室に導入させることができる。
上記の構成により、副燃焼室内の高圧燃焼ガスのほぼ全量を燃焼作動室へ噴出させることができる。
リニアモータ機構はコンパクトに構成でき、応答性に優れる。
リニアモータ機構はコンパクトに構成でき、応答性に優れる。
本発明の回転型内燃機関(回転ピストン型内燃機関)を以下の説明では、単に「エンジン」という。
尚、上記のインジェクタ10の代わりに、副燃焼室20に燃料を噴射するインジェクタを設ける場合もある。それ故、以下、圧縮混合気又は圧縮空気と記載する。
ピストン部7は環状作動室4を横断的ガス密に仕切る仕切壁部7aであって円形断面の仕切壁部7aを有する。ピストン部7の仕切壁部7aは、環状作動室4の内壁面4fに常時面接触している頂部7bを有する。
ピストン部7のリーディング側の傾斜面21は、リーディング側へ移行する程軸心X側へ移行するように緩傾斜している。この傾斜面21は軸心Xと平行に形成され、この傾斜面21に第1,第2の可動仕切部材5,6の先端が当接した場合には傾斜面21との間をガス密に仕切る。
図1、図2に示すように、ハウジング3の頂部には、第1の可動仕切部材5を含む第1仕切機構41であって環状作動室4を横断的にガス密に仕切る第1仕切機構41が設けられている。第1の可動仕切部材5は所定の板厚を有する板状部材で、この第1の可動仕切部材5はハウジング3に半径方向向きに形成された摺動孔42にガス密に摺動自在に装着されている。図8に示すように、摺動孔42の幅は環状作動室4の幅よりも少し大きく、摺動孔42の下端は、第1の可動仕切部材5がロータ2のディスク部2aの外周面に当接可能に形成されている(図3参照)。
図1、図2に示すように、ハウジング3の下部の左側部には、第2の可動仕切部材6を含む第2仕切機構50であって環状作動室4を横断的にガス密に仕切る第2仕切機構50が設けられている。第2仕切機構50は、第1仕切機構41に対して例えば角度αだけトレーリング側に配置されており、図示の角度αは例えば135°である。角度αは上記の角度に限定されず、例えば、90〜180°の範囲の何れかの角度に設定可能である。
副燃焼室20が期間P1にあるときは、第1シャッター部材61は原点位置を保持し、副燃焼室20の開口部20aが第1シャッター部材61で閉塞されている。
第1制御手段66は、期間P2の間又は期間P2の前に、第1円弧溝60と第1シャッター部材61を介して、吸入作動室4aと圧縮作動室4bを連通させて圧縮混合気又は圧縮空気の一部を吸入作動室4aへリークさせるリーク量を制御することにより、圧縮比を所定の最大圧縮比(例えば、16)以下の範囲(例えば、圧縮比13〜16)で変更可能に構成されている。
図10に示すように、期間P4は、燃焼行程の前期の第2所定期間に相当し、この期間P4の開角θ3は例えば65°である。但し、65°に限定されるものではない。期間P4においては、第2シャッター部材71のトレーリング側端部を副燃焼室20の開口部20aより僅かにリーディング側に位置させて副燃焼室20を燃焼作動室4cに連通させ且つ副燃焼室20が排気作動室4dに連通しないように保持した状態で、第2シャッター部材71をピストン部7と同期してリーディング側へ移動させる。
尚、期間P4の終了までに副燃焼室20内の燃焼ガスのほぼ全量が燃焼作動室4cに噴出するため、この期間P4の終了後に副燃焼室20内に残る残留ガスの量は僅少であると推定される。
1)変更例1
前記圧縮ガス導入機構62において、第1シャッター部材61を第1円弧溝60に沿って移動駆動する機構に第1のリニアモータ機構を採用することができる。
図11に示すように、この第1のリニアモータ機構80は、鋼製のシャッター部材81とリニアモータ82とを有する。円弧状のシャッター部材81(第1シャッター部材61)は、前記第1シャッター部材61において複数のラック歯63の代わりに、矩形パルス状の複数の歯81aを形成したものである。
以上の第1のリニアモータ機構80を変更する例として、第1円弧溝60の長さを前記図10の期間P1の終期と期間P2に対応する長さに設定し、シャッター部材81の長さを例えば約10cmの長さに設定し、上記の第1円弧溝60の全長に亙るリニアモータを設ける場合には、シャッター部材81の位置を自由に制御することができるため、前記実施形態の圧縮ガス導入機構62と同様に作動させることができる。
尚、前記の第1のリニアモータ機構は一例に過ぎず、種々のリニアモータ機構を採用することができる。また、リニアモータ機構以外のアクチュエータでシャッター部材を移動駆動することも可能である。
上記の第2のリニアモータ機構80Aを変更する例として、第2円弧溝70の長さを図10の期間P3と期間P4に対応する長さに設定し、シャッター部材81の長さを副燃焼室20の開口部20aを閉塞できる長さ(例えば、約10cm)に設定し、上記の第2円弧溝70の全長に亙るリニアモータを設ける場合には、シャッター部材81の位置を自由に制御することができるため、前記実施形態の燃焼ガス噴出機構72と同様に作動させることができる。 尚、この場合、第2円弧溝70の長さを拡大することで期間P4の長さを拡大可能である。リニアモータ機構は小型の構造であるうえ、摩耗する部品もないから耐久性に優れる。
前記実施形態における環状作動室4の断面形状は円形であるが、種々の断面形状を採用することができる。図12に示すように、軸心Xの方向に長軸を有する長円形の断面形状の環状作動室4Aをハウジング3に形成し、その環状作動室4Aの内壁面形成壁部4wに断面十文字状の円弧溝90を形成し、ロータ2のディスク部2aの外周面が環状作動室4Aの内周面に一致するように形成する。
前記実施形態ではロータ2のピストン部7のリーディング側傾斜面21とトレーリング側傾斜面22と頂部7bをピストン部7の外周側に形成した。この構造に代えて、ロータ2のピストン部7のリーディング側傾斜面とトレーリング側傾斜面と頂部をピストン部7の側面部に形成してもよい。上記の側面部とは軸心Xと直交する面とほぼ平行な面である。
但し、このピストン部7に対応するように圧縮ガス導入機構62や燃焼ガス噴出機構72を形成するものとする。
前記実施形態のエンジンEでは点火プラグ14で点火するように構成したが、点火プラグ14を省略し、圧縮点火により点火するエンジンにも本発明を適用することができる。
ディーゼルエンジンの場合には、前記インジェクタ10の代わりに、副燃焼室20に燃料を噴射するインジェクタを設け、必要に応じてグロープラグも副燃焼室20に設けるものとする。また、ガソリンエンジンの場合でも、前記インジェクタ10の代わりに、副燃焼室20に燃料を噴射するインジェクタを設けてもよい。
尚、圧縮比を変更可能であるので、点火プラグ14による点火式エンジンと圧縮点火式エンジンの両方の機能を有するエンジンとすることもできる。
環状作動室4の半径R0が大きい中型又は大型のエンジンでは、1つのロータ2に複数のピストン部7を設けることも可能である。尚、舶用エンジン等の大型のエンジンでは、1つの気筒に2組よりも多い仕切機構と、複数のピストン部7と、複数の吸気ポート8及び複数の排気ポート9を設けることも可能である。
図15に示すエンジンEAにおいては、断面円形の環状作動室110がハウジング111とロータ112内に形成される。環状作動室110の内周側半分(内径側半分)はロータ112内に形成され、環状作動室110の外周側半分(外径側半分)はハウジング111内に形成される。ロータ112は、出力軸116に外嵌された筒部113とディスク部114と環状部115とを一体形成したものであり、筒部113は出力軸116に固定されている。環状部115は、軸心X方向の厚さが大きく形成され、環状部115の外周側部分に環状作動室110の内周側半分が形成されている。
ハウジング111は、出力軸116の軸心Xと直交する分割面111aで2分割され、複数のボルト119により締めつけて連結されている。ハウジング111には環状部115を嵌合させる嵌合凹部120が形成され、この嵌合凹部120から外周側に張り出すように環状作動室110の外周側半分が形成されている。
可動仕切部材124の下端側部分は環状作動室110の内周側半分と同形状の半円形部分に形成され、この半円形部分よりも上側に形成された1対の被ガイド部124aは、ハウジング111の1対のガイド溝(図示略)でガイドされる。
図16に示すエンジンEBにおいては、環状作動室130はハウジング131とロータ 132内に形成される。この環状作動室130の断面形状は正方形状であるが、環状作動室130と可動仕切部材133とピストン部134以外の構造は、図16のエンジンと同様であるので、同様の部材に同一符号を付して説明を省略する。環状作動室130を横断状にガス密に仕切るピストン部134には、副燃焼室118が形成されている。ピストン部134のリーディング側傾斜面とトレーリング側傾斜面は、軸心Xと平行な傾斜面であり、可動仕切部材133は長方形の板状の部材である。
前記円弧溝101とシャッター部材102の断面形状及びサイズは一例に過ぎず、種々の断面形状及びサイズのものを採用することができる。また、シャッター部材として、リジットなチェーン構造で屈曲可能なシャッター部材を採用することもできる。
1 出力軸
2 ロータ
3 ハウジング
4 環状作動室
4a 吸入作動室
4b 圧縮作動室
4c 燃焼作動室
4d 排気作動室
4f 内壁面
4w 内壁面形成壁部
5,6 第1,第2の可動仕切部材
7 ピストン部
7a 仕切壁部
7b 頂部
8 吸入ポート
9 排気ポート
10 インジェクタ
14 点火プラグ
20 副燃焼室
20a 開口部
40 制御ユニット
60 第1円弧溝
61 第1シャッター部材
62 圧縮ガス導入機構
P2 第1所定期間
63 第1ラック歯
64 第1ピニオン
65 第1電動モータ
66 第1制御手段
70 第2円弧溝
71 第2シャッター部材
72 燃焼ガス噴出機構
P4 第2所定期間
73 第2ラック歯
74 第2ピニオン
75 第2電動モータ
76 第2制御手段
80 リニアモータ機構
100 特定作動室
101 円弧溝
102 シャッター部材
103 連通機構
Claims (14)
- 出力軸と、この出力軸に固定されたロータと、このロータを回転可能に支持するハウジングと、このハウジング又はハウジングとロータ内に形成された環状作動室と、この環状作動室を横断的にガス密に仕切るように前記ハウジングの複数部位に可動に設けられた複数の可動仕切部材と、前記ロータに設けられ前記環状作動室を横断的にガス密に仕切るピストン部とを備え、前記環状作動室内を回転する前記ピストン部と前記複数の可動仕切部材により前記環状作動室内に吸入作動室と圧縮作動室と燃焼作動室と排気作動室とを形成可能にした回転型内燃機関において、
前記圧縮作動室から圧縮混合気又は圧縮空気を導入して点火する為の副燃焼室であって前記ピストン部のうちの前記環状作動室の内壁面に常時面接触している頂部に開口する開口部を有する副燃焼室が前記ピストン部の内部に形成され、
第1の可動仕切部材に対してロータ回転方向トレーリング側に前記圧縮作動室が形成されると共にリーディング側に前記燃焼作動室が形成され、
前記圧縮作動室又は燃焼作動室が特定作動室である場合に、前記環状作動室の前記内壁面を形成する内壁面形成壁部のうちの前記特定作動室の少なくとも一部の内壁面形成壁部部分に前記副燃焼室の前記開口部の移動軌跡に対向するように形成された円弧溝と、前記円弧溝に沿って移動可動に前記円弧溝に装着されたシャッター部材とを有し、且つ出力軸の回転位相に関連付けた設定期間に前記円弧溝を介して前記副燃焼室を前記特定作動室に連通させる連通機構が設けられたことを特徴とする回転型内燃機関。 - 前記吸入作動室に連通する吸入ポートと、前記排気作動室に連通する排気ポートと、燃焼用空気に燃料を供給する燃料供給手段とが設けられ、
前記副燃焼室内の圧縮混合気に点火プラグ又は圧縮点火により点火する点火手段が設けられたことを特徴とする請求項1に記載の回転型内燃機関。 - 前記圧縮作動室が前記特定作動室である場合、前記円弧溝が第1円弧溝であり、前記シャッター部材が第1シャッター部材であり、前記設定期間が圧縮行程の第1所定期間であり、前記連通機構が前記圧縮作動室の圧縮混合気又は圧縮空気を前記開口部から前記副燃焼室に導入させる圧縮ガス導入機構であることを特徴とする請求項2に記載の回転型内燃機関。
- 前記燃焼作動室が前記特定作動室である場合、前記円弧溝が第2円弧溝であり、前記シャッター部材が第2シャッター部材であり、前記設定期間が燃焼行程の第2所定期間であり、前記連通機構が前記副燃焼室内の高圧燃焼ガスを前記開口部から前記燃焼作動室に噴出させる燃焼ガス噴出機構であることを特徴とする請求項2に記載の回転型内燃機関。
- 前記第1所定期間の終了タイミングは、前記ピストン部の頂部が前記第1の可動仕切部材に対向するタイミングであることを特徴とする請求項3に記載の回転型内燃機関。
- 前記第2所定期間の開始タイミングは、前記ピストン部の頂部が前記第1の可動仕切部材に対向してから前記出力軸が所定角度回転したタイミングであり、
前記出力軸が前記所定角度回転する間は前記副燃焼室の開口部が閉塞されて圧縮上死点状態が保持されることを特徴とする請求項4に記載の回転型内燃機関。 - 前記圧縮ガス導入機構は、前記第1円弧溝と、前記第1シャッター部材と、前記第1シャッター部材の外周部に形成された複数の第1ラック歯と、前記第1ラック歯に噛合された第1ピニオンと、この第1ピニオンを回転駆動する第1電動モータと、前記出力軸の回転位相信号に基づいて第1電動モータを制御する第1制御手段とを備えていることを特徴とする請求項3に記載の回転型内燃機関。
- 前記燃焼ガス噴出機構は、前記第2円弧溝と、前記第2シャッター部材と、前記第2シャッター部材の外周部に形成された複数の第2ラック歯と、前記第2ラック歯に噛合された第2ピニオンと、この第2ピニオンを回転駆動する第2電動モータと、前記出力軸の回転位相信号に基づいて第2電動モータを制御する第2制御手段とを備えていることを特徴とする請求項4に記載の回転型内燃機関。
- 前記第1制御手段は、圧縮行程の前記第1所定期間に、前記副燃焼室が前記第1円弧溝と前記第1シャッター部材を介して前記圧縮作動室に連通し且つ前記吸入作動室に連通しないように前記第1電動モータを介して前記第1シャッター部材の移動位置を制御することを特徴とする請求項7に記載の回転型内燃機関。
- 前記第1制御手段は、前記第1所定期間中又は第1所定期間の前に、前記第1円弧溝と前記第1シャッター部材を介して、前記吸入作動室と前記圧縮作動室を連通させて圧縮混合気又は圧縮空気の一部を吸入作動室へリークさせるリーク量を制御することにより、圧縮比を所定の最大圧縮比以下の範囲で変更可能に構成されたことを特徴とする請求項9に記載の回転型内燃機関。
- 前記第2制御手段は、燃焼行程の前記第2所定期間に、前記副燃焼室が前記第2円弧溝と前記第2シャッター部材を介して前記燃焼作動室に連通し且つ前記排気作動室に連通しないように、前記第2電動モータを介して前記第2シャッター部材の移動位置を制御することを特徴とする請求項8に記載の回転型内燃機関。
- 前記環状作動室の断面形状は、円形又は前記出力軸の軸心方向と平行な長軸を有する長円形であることを特徴とする請求項1に記載の回転型内燃機関。
- 前記圧縮ガス導入機構は、前記第1シャッター部材を前記第1円弧溝に沿って移動駆動可能な第1のリニアモータ機構を有することを特徴とする請求項3に記載の回転型内燃機関。
- 前記燃焼ガス噴出機構は、前記第2シャッター部材を前記第2円弧溝に沿って移動駆動可能な第2のリニアモータ機構を有することを特徴とする請求項4に記載の回転型内燃機関。
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