JP7142096B2 - 往復運動を回転運動に又はその逆に変換する機構、及びこの機構の適用品 - Google Patents

往復運動を回転運動に又はその逆に変換する機構、及びこの機構の適用品 Download PDF

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Description

本発明は請求項1に記載の直線往復運動を回転運動に又はその逆に変換するための機構に関する。また、本発明は、流体流量制御弁、モータ又はポンプ/コンプレッサのようなピストンエンジン、自動化システムにおける前記機構の適用品、並びに、クラッチ、ディファシャル、回転/往復速度増減装置、及び、発電機/電気モータの電気機械結合における前記機構の適用品に関する。
最も知られており、広く普及している直線往復運動から回転運動への変換機構は、ピストン-ピストンロッド-クランク機構である。これは、通常、空気、水(液体または蒸気)、油、及び、液体又は気体の燃料(例えば、炭化水素、水素など)により動作するピストンエンジン(モータまたはポンプ/圧縮機)に広く適用されている。それぞれの作動流体の流量制御は、種々のタイプのバルブを、多くの異なる方法や種々の機構(例えば、重力、スプリング、ロッド、カムシャフトなど)を用いて開閉することによって達成される。
ピストン-ピストンロッド-クランク機構、ならびにこれに基づくエンジンの重大な欠点は、複雑さ及び可動部品の多さである。可動部品の位置、速度及び加速度に関する運動学的特性並びに増大する慣性力により生じる振動についても同様である。このため、機構のバランス調整が不可欠であるが、高次高調波が残っているため、バランス調整では問題が完全に解決されるわけではない。さらに、ICE(内燃機関)においては、燃焼を改善し、効率を増加させるために、また、シリンダの排気ガスを掃除/洗浄するために十分な時間が２ストロークエンジンそれぞれで行われることを可能にするために、ピストンを上死点(TDC)及び下死点(BDC)で一定の時間静止させられないことも、この機構の欠点に含まれる。
本発明はクランクシャフト及びピストンロッドなしで、直線往復運動を回転に又はその逆に変換するための単純な機構に関し、往復運動の最も端にある位置(TDCおよびBDC)において運動の反転を遅らせることも可能にするものである。同時に、本発明は、流体流量制御のために単純な装置とともに用いられる弁構成の提供を可能にする。本発明はまた、例えばピストンエンジン(モータまたはポンプ/コンプレッサ)、クラッチ、ディファレンシャル、回転/往復速度増減装置、及び発電機/電動機並びにオートメーションにおける電気機械的結合など、上記の機構及び又は単純な装置とともに用いられる弁構造を組み込むことができる製品に関する。
本発明によれば、回転運動を往復運動に又はその逆に変換するための機構は、同軸に配置された第1の環状構成要素と、第2の環状構成要素とを備え、前記第1の環状構成要素は、長手方向軸に沿って、前記第2の環状構成要素と並設されており、前記第1の環状構成要素及び前記第2の環状構成要素は、前記長手方向軸周りに回転可能、且つ、前記長手方向軸に沿って往復運動可能であって、前記第2の環状構成要素に隣接する前記第1の環状構成要素の前記隣接側面は、前記第2の環状構成要素の隣接側面と少なくとも１つの点で連続的に接触しており、それぞれの前記隣接側面は、前記第1の環状構成要素及び前記第2の環状構成要素の円筒外側面における波状曲線を通過する半径の幾何学的な軌跡として形成された滑らかな波状表面であって、それらの環状構成要素の外面から始まり、それらの環状構成要素の内面で終わり、山部及び谷部のペアの繰り返し回数ｎ（自然数≠0）によって特徴づけられており、前記山部は、その山部の頂点と前記長手方向軸とにより画定される平面に対して対称であり、前記谷部は、その谷部の底点と前記長手方向軸ΔAとにより画定される平面に対して対称である。
本発明によれば、前記第1の環状構成要素の前記波状表面における前記谷部は、前記第2の環状構成要素の前記波状表面における前記山部と接触し、この状態における接触点それぞれは、前記長手方向軸に垂直な平面上に位置し、この平面に対して前記第1の環状構成要素及び前記第2の環状構成要素の前記波状表面が対称である。
加えて、前記波状表面それぞれの前記山部は、これらの山部が他方の谷部に入るとともに、前記山部の端部が反対側の波状表面の底点に接触して、それぞれの前記波状表面の間に自由空間が存在し、潤滑油が塗られた場合に、動的潤滑による摩擦及び摩耗の最小化が達成されるように、谷部よりも小さく、相似比が1:3で幾何学的に相似している。
上述した機構において、第1の環状構成要素及び第2の環状構成要素が相対的に回転運動させられるとともに、連続的に接触し続ける場合、前記波状表面の各点は、他方に関わりながら、波状軌跡をたどり、同時に、所定期間にｎ回の頻度で往復運動を実行し、このｎは、前記山部及び前記谷部の数であって、TDC(上死点)とBDC(下死点)との間の回転運動周波数に対応しており、この相対運動は、前記環状構成要素の1つに強固に接続されたコンポーネントそれぞれによって実行され、前記環状構成要素の一方の回転に追従しないように自由に接続された前記コンポーネントそれぞれ（例えばピストン）は、他方の環状構成要素に対して往復運動のみを実行し、このコンポーネントの回転運動は、一方の前記環状構成要素との間の回転の共存の有無にかかわらず、往復運動に変換され、逆に、前記環状構成要素の一方を他方に対して往復運動させると、往復運動の共存の有無にかかわらず、構成要素の回転運動に変換される。
前記山部及び前記谷部の端部は、点又は縦軸に垂直な直線区間であり、前記山部及び前記谷部の端部が点である場合、2つの前記環状構成要素(1、3)の間の相対的な回転運動が一定速度あれば、通常は単調で特別な場合は調和した往復運動をもたらし、一方で、前記山部及び前記谷部の端部が直線区間である場合、2つの前記環状構成要素(1、3)の間の相対的な回転運動が一定速度あれば、TDC及びBDCの反転運動においてその直線区間の長さに比例した遅れを伴う往復運動をもたらす。これらの曲線が、平面的に広げた状態において、谷部において前記長手方向軸に垂直な直線区間のない正弦波を有する場合、前記往復運動は調和し得る。
注釈１：
上述した段落や以下の明細書及び請求項において、表現の簡素化及び簡潔化の理由から、山部及び谷部のエッジの「点又は直線区間」、及び、環状構成要素の波状表面の前側の「曲線」に言及するときはいつでも、実際には、この言及は、第１、第２、及び説明がある場合には第3の環状構成要素の外面の波状曲線の平面的な広がりを意味し、この外面は、環状構成要素の隣接（隣り合う）する波状表面を形成する半径の始まりとなる。
注釈２：
明細書および請求項において、第1および第2の環状構成要素1、２、または、第2および第3の環状構成要素2、3の間のそれぞれにおいて、「少なくとも1つの点における」接触に言及するときは、この点は位置を示すことを意味する。実際の接触は、環状構成要素1、2および3の波状表面を形成する半径の直線区間で起こり、この直線区間は、荷重を受けると、狭く細長形状となり、実質的には狭い台形となる。
第2の環状構成要素はロータとして機能することができ、第1はステータとして機能することができ、或いはその逆に機能しても良い。本明細書では、第2の環状構成要素がロータとして機能し、第1がステータとして機能する用途が提示される。
多くの用途において、付加的な機構が設けられており、この機構は、第2の環状構成要素を第1の環状構成要素に強制的に押しつけ、接触する波状表面が互いに連続的に接触するようにするものである。
図1～図20は、機構の動作原理およびその用途を示す。これらの図面は、機械工学図面の原理に正確には従わない。これらの図は詳細には描かれておらず、単純化されており、主なものは以下の通りである。
a.
図5～図13は全図を示しておらず、半立面のみを示しており、ロータの配置およびピストンの位置は、TDCでは右側に現れ、BDCにおいて左側に現れている。
b.
当業者に知られている特定の構成要素は、単一の一体部分として示されているが、実際にはそれらは2つ以上の構成要素の複合体である。
c.
当業者には現場で知られている通常のエンジン部品(例えば、ねじ、ボールベアリング、ブッシング、ガスケット、フランジ等)は示されていない。
d.
小さな軸線は、隣接する構成要素が互いに強固に接続されていることを示している。
本発明が基礎とする作動原理を簡略化した方法で示している。 本発明が基礎とする作動原理を簡略化した方法で示しており、上図では、本発明による流体流量を制御する簡略化した方法で弁の単純なアレイが示されている。 本発明が基礎とする作動原理を簡略化した方法で示している。 本発明が基礎とする作動原理を簡略化した方法で示している。 本発明による運動を変形する機構、開口を有する弁、スプラインを介して車軸と協働するロータ、および回転しながら往復運動するピストンを有するピストンエンジンのシリンダを示す図である。 図5のシリンダを示しており、その違いは、ステータも回転軸と協働するギアホイールであることである。 図5のシリンダを示しており、その違いは、軸が回転軸と協働するギアホイールに接続されていることである。 本発明による運動を変形する機構を有する内燃機関ピストンエンジンのシリンダであって、従来のバルブ、スプラインを介して車軸と協働するロータ、車軸上の円盤状カム+回転しながら往復運動するピストンを示す図である。 図8のシリンダを示しており、その違いは、ステータも回転軸と協働するギアホイールであることである。 図8のシリンダを示しており、その違いは、軸が回転軸と協働するギアホイールに接続されていることである。 図8のシリンダを示しており、その違いは、ピストンが回転せずに往復運動することである。 図9のシリンダを示しており、その違いは、ピストンが回転せずに往復運動することである。 図10のシリンダを示しており、その違いは、ピストンが回転せずに往復運動することである。 本発明による運動変換機構を備えた、鏡像対称の2シリンダ複動式ピストンエンジンを示しており、開口部を有するバルブまたは従来の、スプラインを介して車軸と協働するロータであり、ロータは、作動流体が2つのステータ、ロータおよび円筒体の間で作動するので、ピストンの代わりにもなる。 図5乃至図14に基づいた複数のシリンダ構成を示し、絶対的な力の釣り合いは、往復運動するロータ及びピストンの質量により生じる慣性力によって達成される。 本発明による運動変換機構に基づくクラッチの配置を示す図である。 本発明による運動変換機構に基づくクラッチの配置を示す図である。 本発明による運動変換機構に基づくディファレンシャルの配置を示す。 本発明による運動変換機構に基づくディファレンシャルの配置を示す。 本発明の運動変換機構に基づく回転/往復速度増加低減装置の配置図である。 本発明の運動変換機構に基づく回転/往復速度増加低減装置の配置図である。 本発明による運動変換機構に基づく、電気エンジン(発電機/電動機)と2つのエンジン(それぞれモータまたはポンプ/コンプレッサ)との結合を示す。 本発明による運動変換機構に基づくエンジンを示し、2つの鏡像対称シリンダと、シリンダ当たりの一対の波状表面と、圧力およびバネの補助を用いてそれらを強制的に接触させる機構とを備えている。
図1には本発明による運動変換機構が示されており、この機構は、同軸に配置された第1の環状構成要素1及び第2の環状構成要素3を備えており、第1の環状構成要素は、長手方向軸ΔAに沿って第2の環状構成要素と並設されており、2つの構成要素は、長手方向軸ΔA周りに回転可能、且つ、長手方向軸ΔAに沿って往復運動可能である。
第2の環状構成要素3に隣接する第1の環状構成要素1の側面Aは、第2の環状構成要素3の隣接側面Γαと少なくとも1つの点で連続的に接触しており、第2の環状構成要素3は、第1の環状構成要素1の隣接側面Aと少なくとも1つの点で連続的に接触している第1の環状構成要素1に対して相対移動できるようになっている。
接触側面は、第1及び第2の環状構成要素1、3の円筒外側面における波状曲線α及びγαそれぞれを通過する半径の幾何学的な軌跡として成形された滑らかな波状面A、Γαであり、それら環状構成要素の外面から始まり、それら環状構成要素の内面で終わり、相似比1:3で幾何学的に相似した山部及び谷部のペアの繰り返し回数n(自然数 ≠0)によって特徴付けられる。ここで、山部は、その山部の頂点と前記長手方向軸ΔAとにより画定される平面に対して対称であり、谷部は、その谷部の底点と前記長手方向軸ΔAとにより画定される平面に対して対称である。
図1～4において、n=2である。
第1の環状構成要素1及び第2の環状構成要素3が互いに相対的に回転運動させられるとともに、連続的に接触し続けると、波状表面A、Γαの各点は、他方に関わりながら、波形軌道をたどり、同時に、n回の頻度で往復運動を実行する。ここで、nは、山部/谷部の数であり、TDC(上死点)とBDC(下死点)との間の回転運動周波数に対応している。この相対運動は、環状構成要素1又は3に強固に接続されたコンポーネントそれぞれにより実行される。一方で、環状構成要素１又は３の一方の回転に追従しないように自由に接続されたコンポーネントそれぞれは、他方の環状構成要素に対して往復運動のみを実行する。すなわち、回転運動は、回転の共存の有無にかかわらず、構成要素の往復運動に変換される。逆に、環状構成要素1又は3の一方を他方に対して往復運動させると、往復運動の共存の有無にかかわらず、構成要素の回転運動に変換される。
図1によれば、波状表面A、Γαの山部は、相似比が1:3の幾何学的に相似した谷部よりも小さく、これらの山部が他方の谷部に入るとともに、山部の端部（エッジ）が反対側の波状表面の底点に接触して、それぞれの波状表面の間に自由空間が存在し、潤滑油が塗られた場合に、動的潤滑による摩擦及び摩耗の最小化が達成される。
付加的な機構は、第1及び第2の環状構成要素1,3に対して同軸上に取り付けられた第3の環状構成要素2を備える。
第2の環状構成要素3が第1及び第3の環状構成要素1,2の間に位置しており、第3の環状構成要素2の第2の環状構成要素3を向く隣接側面は、第1の環状構成要素1の波状曲面Aと同じ特徴で空間的に鏡像な波状表面Bであり、第2の環状構成要素3の隣接側面の少なくとも1点と連続的に接触している。
また、第2の環状構成要素3の隣接側面は、波状表面Bであり、第2の環状構成要素3の第1の環状構成要素1を向く隣接側面Γαと同じ波状曲線形状を有することを特徴としているが、表面Γαに対して対称に位置し、表面Γαの谷部に対向した位置に頂点がくるように遠方側に変位する。
これにより、第2の環状構成要素3は、第1および第3の環状構成要素1、2に対して相対的に回転することができ、第1および第3の環状構成要素1、2それぞれと少なくとも1つの点で連続的に接触することができる。
図2の実施例では、第2の環状構成要素3がピストン4に強固に接続されている、又は、第2の環状構成要素3及びピストン4が長手方向軸ΔAの周りで独立して回転するように自由に接続されている。
さらに、円筒状のライナ5(長手方向軸ΔAの延びる方向に取り外されている)が示されており、このライナ5内を、カバー8によって覆われた円環状の接触円筒ピストン4が移動する。
この例では、第2の環状構成要素3は、ロータとして機能し、一方、第1及び第3の環状構成要素1,2は、ステータとして機能する。
ピストン4が凹状をなし、第2の環状構成要素3に強固に接続されており、少なくとも1つの開口O4がピストン表面4上に配置されている場合、第2の環状構成要素3の回転運動の際に、波形軌跡Eをたどる開口O4は、固定ライナ5内にある少なくとも1つの開口O5と出会い、また、軌跡Eをたどる。開口O4及びO5の重なり合ったポイントでは、ピストン4の内部とライナ5の外部との間の周期的な連通を可能にし、その重なり合っている間、ピストン4の開口とライナ5の開口とが連通する。
従って、ピストンエンジンのシリンダ内において、凹状ピストン4及びライナ5を介して、内部空間と外部環境との間に、非常に単純な構成の流体流量制御弁が形成される。
図3には、図2の第1、第2及び第3の環状構成1、3及び2の円筒外側面の波状曲線α、γα/γβ及びβそれぞれの広がりが示されている。
図3から、第1の環状構成要素1の波状表面の山部は、第2の環状構成要素3の波状表面の山部と接触することができ、この位置では、第1の環状構成要素1の波状表面Αと第2の環状構成要素3の波状表面Γαとの両方が、それらの接触点同士が接触する平面に対して対称であることが分かる。
一方、この位置では、第3の環状構成要素2の波状表面Bの山部が、第2の環状構成要素3の反対の波状表面Γβの谷部に接触し、第2の環状構成要素3の波状表面の山部が、第3の環状構成要素2の反対の波状表面の谷部に接触する。
図3から、次のことが明らかである。すなわち、ロータ3が回転すると、ロータ3とロータに強固に接続されているピストン4とのそれぞれのポイントが、閉じた波状の軌道をたどって移動し、曲線ωに相似した広がりをなし(山部及び谷部が等しく、それぞれが波状曲線α、γα/γβ及びβの山部及び谷部と相似比が2:1及び2:3で幾何学的に相似している)、ロータ3の曲線γαの各頂点のうちの点3に追従する。
この運動は、ロータ3が一定速度で回転する場合、同じ周波数の滑らかな円運動と、二倍(一般にn倍)周波数によるTDC(上死点)及びBDC(下死点)の間の往復運動とになる。
本発明によれば、山部及び谷部の端部（エッジ）は、図3に描かれているように、点又は縦軸に垂直な直線である。山部及び谷部の端部が点である場合、2つの環状構成要素1,3の間におけるロータ3の相対的な等速回転運動は、単純な及び/又は高調波の往復運動をもたらす。
一方、山部と谷部の端部が直線である場合、2つの環状構成1,3間におけるロータ3の相対的な等速回転運動は、TDC及びBDCにおける反転遅れを伴う往復運動が生じる。
図4では、図2の第1、第2及び第3の環状構成要素1、3及び2の円筒外側面の波状曲線α、γα/γβ及びβをそれぞれ示しており、唯一の相違点は、第3の環状構成要素3が長手方向軸ΔAに垂直な面に対して対称であることである。
図４に関して、曲線α及びγαは、図3のものと同じであり、図３のものと相対的及び絶対的な位置において同じである。一方、曲線γβ及びβは、図3のものと同じであり、図３のものと相対的な位置において同じであるが、曲線α及びγαに対する位置は異なり、その結果、第2の環状構成要素3の山部及び谷部は、それぞれ互いに対称であり、それぞれ対向する山部及び谷部に位置している。
また、この特定の場合において、第2の環状構成要素3は、第1の環状構成要素1側の少なくとも１点と、第3の環状構成要素2側の少なくとも1点において、連続的に接触しながら、第1及び第3の環状構成要素1、2に対して相対的に回転することができる。
図3及び図4において、曲線α、γαに対して以下が適用され、第3の環状構成要素2を備えたさらなる機構が存在する場合、曲線β及びγβに対して以下が適用される。
1.
幾何学的に相似した山部12345及び谷部56789の繰り返し回数である数n(自然数≠0)で表され、1:3の相似比であり、異なる位置においてほぼ同じ滑らかさでほぼ同じ周期でほぼ同じ波状の曲線である(図1、2、3及び4において、n =2)。
2.
曲線γαは、軸ξ-ξに関してαと対称である。
図3において、曲線βは、γαを軸方向に(ｄ)変位させたものであり、一方、γβは、αを軸方向に(L+d)変位させるとともに、円周方向に90°(一般に360°/2n)変位させたものである。
図4において、曲線βは、γαを軸方向に(L+d)及び円周方向に90°(一般に360°/2n)変位させたものであり、一方、γβは、αを軸方向に(2L+d)変位させたものである。
3.
各山部12345は、軸μ-μに関して対称であり、各谷部56789は、軸ν-νに関して対称である。
山部及び谷部は、共通の原点である点5と反対方向の軸を有する座標系x1－y1及び座標系x2－y2で表され、それぞれ同様の式y1=f(x1)及びy2=f(x2)により表される。
山部は、波状曲線α、β、γα及びγβの高さLの1/4を占め、谷部は残りの3/4を占める。
4.
234及び678は、真っすぐでもよく、ここで、678≧234≧0である。
5.
1つの曲線の山部が他の曲線の谷部に入るとき、それらの曲線の間に自由空間を残存する。すなわち、山部のサイズは、1:3の相似比で幾何学的に相似する谷部のサイズよりも小さい。
6.
ロータ3の外面が一方向に移動する場合、ステータ2及び3の外面は動かず、曲線γα及びγβは、それぞれ曲線α及びβと連続的に接触したままである。そして、曲線γαの点3(山の中心)やロータ3の外面の広がりの各点は、ωのような波状軌道(波状曲線α、γα、γα及びβの山部及び谷部と相似比2:1や相似比2:3で幾何学的に相似な山部及び谷部を有している)に沿って、セクション9において説明されるように、山部及び谷部(図3又は4)における直線化箇所を有して或いは有さずに移動する。
曲線ωは、高さLの中央であり軸μ-μ及び軸ν-νから等しい距離にある点が原点である座標系x-yで表され、式y1=f(x1)及びy2=f(x2)に相似する式y=f(x)により表される。
曲線ωの高さは、波状曲線α、β、γα、γβの高さLに等しい。
7.
図3及び図4を参照すると、それぞれ曲線αの部分45及び部分56を表す2つの特徴的な方程式が一例として挙げられる。
Figure 0007142096000001
Figure 0007142096000002
座標は、セクション3において述べたように、各方程式に対して適切に選択された座標軸が用いられる。
8.
前のセクションの曲線の場合、ロータ3の外面の広がりの各点によりトレースされる軌跡ωは、それぞれ、次の式から導かれる。
Figure 0007142096000003
Figure 0007142096000004
Figure 0007142096000005
Figure 0007142096000006
座標は、セクション3で述べたように、各方程式に対して適切に選択された座標軸が用いられる。
9.
仮に、部分234及び部分678が、セクション8の方程式により記述される軌道や曲線運動であるωの曲線箇所同士の間において、それぞれc及び3cの（正確な）長さを有した直線箇所である場合、TDC及びBDCにおける運動反転の遅れ時間間隔に対応する同じ長さ2cの部分が介在する。
部分234及び部分678の長さの異なる関係(比)は、マルチシリンダエンジンにおけるタイミングの問題を引き起こし得る不均等な直線箇所の介在、すなわち、TDC及びBDCにおける異なる運動反転遅れといった問題をもたらす。
一般的に、TDC及びBDCでの運動反転における等しい遅れ時間間隔は、山部の端部それぞれが長さcの直線区間であり、谷部の端部それぞれが長さ3cの直線区間である場合に生じる。
等しい山部及び谷部を有し、滑らかで周期的な波状の(ロータ3の外面のすべての点の)軌道又は曲線運動ωを得るべく、山部及び谷部が曲線ωの山部/谷部にそれぞれ1:2や3:2の相似比で相似するように、波状の曲線α、γα/γβおよびβを指定することが望ましい。
そして、ロータ3は、滑らかに回転・往復運動し、ステータ1及び2の両方と同時に連続的に接触しながら摺動するが、これは、曲線ωの山部がその谷部に等しくない場合には、ステータ3の運動が阻止されるため、当てはまらない。
定義:Σ2の座標がΣ1の対応する座標に相似比を乗じたものであれば、幾何学的な形状Σ2は、他の幾何学的な形状Σ1(共通座標系とみなす)と相似である。
相似性比は、１より大きくても、１より小さくても、または1に等しくてもよく、したがって、それぞれΣ1の拡大、短縮、または同等を得ることができる。
図5、図6及び図7の実施例は、本発明における統合運動変換機構を有するピストンエンジン（モータ又はポンプ/コンプレッサ)を示しており、第3の環状構成要素2を備える付加的な機構と、複数の弁配列とを備えている。
前記エンジンは、1つ又は複数のシリンダ(慣性力を平衡させるために平行及び/又は対向配置されている)を備え、ロータとして機能する第2の環状構成要素3は、同時に回転及び往復運動する円筒形ピストン4に強固に接続されている。
前記エンジンは、公知の補助システム(潤滑、冷凍、燃料、スタータなど)や最先端技術を備える。
第1及び第3の環状構成要素1,2は、ステータとして動作し、本体7に強固に取り付けられており、一方で、ロータ3は、軸方向に回転及び往復運動する。
ロータ3は、図5において、ピストンエンジンのシリンダの軸と一致する軸6のキー溝により動く、或いは、図7からわかるように、シリンダの外側に配置された軸11を介して動く軸6のキー溝により動く。これらの軸11、6は、互いに平行であり、動きがギア12、15を介して軸11から軸６に伝達される。
図6では、動きが、ギア12を介して軸11によりロータに伝達され、ロータ３の外面にはラックが設けられている。
ギアラック12の長さは、回転しながら往復運動するように、ロータラック3の連続的な係合を可能にする長さである。
符号16は、本体7のカバーを示している。
図5、図6及び図7では、シリンダが、筒状ライナ5をさらに備え、その内部でシリンダカバー8によって覆われた接触ピストン4が円周方向に動く。
ピストンリング9及びバルブスプリング10も備えられている。
本発明のタイプの開口部(ライナに一つの開口部、ピストンに一つの開口部)を有する各バルブにおいて、流体が非圧縮の場合、一方の開口部は円形であり、他方の開口部は長円形である。
加えて、ピストン油圧エンジン又はポンプ/コンプレッサ及び2ストロークICEが存在する用途において、本発明のタイプのバルブ開口(吸入及び圧縮の両方)の数は、山部/谷部の数nの2倍であるのに対して、4ストロークICEのバルブの数はnに等しい。
図8、図9及び図10の実施例は、第3の環状構成要素2を有するさらなる機構を備えた本発明による統合運動変換機構を具備したピストンエンジン(モータ又はポンプ/コンプレッサ)を示したものであり、ロータとして機能する第2の環状構成要素3は、従来の/古典的な弁18と組み合わせて回転しながら往復運動するピストン4にしっかりと接続されている。
前記エンジンは、１つ又は複数のシリンダ(慣性力の平衡のために平行及び/又は対向配置されている)により構成されており、このシリンダは、共通の軸11と、従来技術からの補助システム(潤滑、冷凍、燃料、スタータ等)とを備えている。
図8は、本発明による弁構成が従来の/古典的な弁18に置き換えられている点で、図5とは異なる。
ICEの場合は、軸6に直接設けられたディスク形状のカム13やロッド17が必要となる。
図9は、本発明による弁構成が従来の/古典的な弁18に置き換えられている点で、図6とは異なる。
ICEの場合は、軸11に直接設けられたディスク形状のカム13やロッド17が必要とされる。
図10は本発明による弁構成が従来の/古典的な弁18に置き換えられている点で図7と異なるが、ICEの場合は、軸11に直接設けられたディスク形状のカム13やロッド17が設けられている。
図11、図12及び図13は、ピストン4がロータ3の回転に自由に追従しないようにロータ3に連結され、軸6または軸11の回転を引き起こし、ライナ5の内側で往復運動のみを実行する点で、図8、図9および図10とそれぞれ異なる。
これは、直線的に摺動する要素14(ウェッジ、ボール等)を介して達成される。
ピストンはライナ5の内側でのみ往復運動を行うので、説明した機構は従来の/古典的な弁18と、(ICE)の場合は軸6の真上に嵌合された円板状カム13または軸11と、ロッド17とだけ組み合わせることができる。
図14における別の実施例は、本発明による複動式ピストンエンジン(エンジンまたはポンプ/コンプレッサ)の別の用途であって、作動流体は、ステータ1および2、ロータ3、および円筒状のライナボディ5/7の間で作動する。
特に、複動式の2シリンダピストンエンジンが示されており、これはすべりスプラインを備えた軸6上の回転を行う、運動変換機構、アパーチャ又は従来のロータ3を備えた弁を具備する。そして、作動流体が2つのステータ1及び2とロータ3及び円筒状ライナ本体5/7との間で作動するので、ピストンの役割がロータ3によってもたらされる。
図5乃至図13のように、エンジンはステータ3及びライナボディ5/7上に発明によるバルブとして単純な開口を有するが、ライナボディ5/7上で種々なタイプの従来型/古典的のタイプのバルブでも機能することができる。
慣性力を平衡させるべく、図14に示すように、2つの対向するステータ3を同じライナ本体5/7内の対応するステータ1及び2と組み合わせるか、または図15に示すように、より多くのシリンダを適切に組み合わせることが求められ、本願では2ストロークICE、油圧モータ、およびポンプ/コンプレッサの場合が特に興味深い。
図5乃至図14に示すエンジンは、それらの回転の各々において、非常に多くの往復運動を実行し、具体的にはステータ1、2及びロータ3の各波状表面に存在する山部/谷部の数n回往復運動を実行する。
n = 1の場合は、ピストン4とライナ5との間の摩擦力を引き起こす非対称な内部力は頻繁には現れない。
通常、n = 2であり、したがって、本発明を具体化する4ストロークICEでは、各動作サイクルが従来のICEにおける2回転に対して1回転で完了する。
その結果、同じシリンダ容量のエンジンの出力が(おおよそ)倍増することになる。
この効果は、ピストンロッドと古典的なカムシャフトがない場合には逆になり、同じ出力ではエンジンのサイズ/重量は (おおよそ)50%減少する。
上記のことが適用され、n>2についてそれに応じて一般化される。
2ストロークICEにおいても、同じことが成立し、ここでも、再度、同じシリンダ容量または出力に対して、従来の2ストロークエンジンと比較して、出力が2倍になるか、またはサイズ/重量がそれぞれ半分に減少する。
最後に、本発明を組み込んでディスク形状のカムを使用する全てのICEにおいて、位置の選択およびカムの形状およびサイズの構成に制限がないという事実のために、絶対的な制御は、従来の/古典的なバルブの作動のストローク、タイミングおよび持続時間の実現可能なものとされる。
図15では、図5乃至図14に対応する実施例に基づいて配置が示されている。ここでは、バランスを崩さずに、往復運動するロータ3及びピストン4の質量により生じる慣性力の絶対的な平衡が達成される。なお、矢印は、種々のシリンダ内の相対的な動きを示す。
実行可能な場合はいつでも、種々のシリンダ内で連続的に燃焼が行われ、軸１１のそれぞれの回転に等しく共有される。これは、電力がスムーズに流れることが理由である。
具体的には、図15では以下の興味深い事例が示されている。
a.
対向配置された2本のシリンダがあり、それらの端部に作動流体チャンバが設けられており、2つの出力位置を有する平行な軸から動力を出力される。具体的な配置としては、往復運動慣性力が完全に平衡した自律動作(SUAO)の単純なユニットを構成する。
b.
対向配置された２本のシリンダがあり、それらの中央部に一体化された、又は、一体化されていない作動流体チャンバが設けられており、2つの出力位置を有する平行な軸から動力を出力する。ICEでは、チャンバが一体化されている場合は、燃焼スペースが半分になるため、チャンバが別体である場合に比べて不利であり、その結果、電流曲線の変動が大きくなる。この構成は、SUAO(simple unit of autonomous operation)の別のバージョンを構成する。
c.
4-シリンダエンジン又はマルチシリンダエンジンであり、円滑な作動のための配置15.aのユニットにより構成され、及び/又は、それ以上の動力を１箇所から出力する。
d.
4-シリンダエンジン又はマルチシリンダエンジンであり、円滑な作動のための配置15.bのユニットにより構成され、及び/又は、それ以上の動力を１箇所から出力する。
e.
平行に配置された同じ高さの4-シリンダエンジンであり、軸6の延長部を構成する2つの動力出力箇所がある。
f.
平行に配置された同じ高さの4-シリンダエンジンであり、中央の２つの端部から平行な力を出力する。
g.
４本のシリンダが、平行に且つ円周状に（９０°毎）配置されており、中央の２つの端部から平行な力を出力する。
h.
４本のシリンダが、平行に且つ円周状に(十字形)に配置されており、中央の２つの端部から平行な力を出力する。
さらに、図5乃至図14の実施例は、実際には以下に述べるものである。
1.
作動流体は、ピストン4の自由表面とカバー8との間において、ライナ5内で作動する。
2.
図5、図7、図8、図10、図11、図13、及び図14において、軸6は、シリンダ軸と一致している。
3.
図6、図9、及び図12において、軸11は、シリンダの外側に配置されており、シリンダの軸線に平行である。軸11からロータ3への動きは、ギア12及びラックを介してロータ3の外面に伝達される。逆も同様である。ギアラック12の長さは、回転しながら往復運動するように、ロータラック3の連続的な係合を可能にする長さである。
4.
図8及び図11においては、従来のバルブ18が使用されており、ディスク形状のカム13は、軸6上に配置されている。
5.
図9、図10、図12、及び図13においても、従来のバルブ18が使用されており、ディスク形状のカム13は、車軸11上に配置されており、そのディスク上にはカムを1組のみ担持している。これらの実施形態は、複数本のシリンダが、平行に、且つ、単一の軸11周りに(円周状に)等間隔で配置された多気筒エンジン(図15gおよび15hを参照)に推奨される。
6.
図7、図10、及び図13において、軸11は、一対のギア12及び15を介して軸6により駆動される。逆も同様である。
7.
図8乃至図13における、ピストン油圧モータ又はポンプ/コンプレッサの実施例では、具体的な構成によれば、適切な従来型/古典的な型バルブが使用される。バルブ、ピストンロッド、及びクランクシャフトディスク(ICEを参照)は用いられていない。
8.
図5、図6、図7、及び図14において、ピストン油圧モータ又はポンプにおける実施例では、開口(本発明のタイプ)を有する一対の弁それぞれにおいて、流体が非圧縮性の場合、一方は円形であり、他方は長円形である。
9.
図5、図6、図7、及び図14における、ピストン油圧モータ又はポンプ/コンプレッサおよび2ストロークICEの実施例では、弁開口(本発明のタイプ)の数は、4ストロークICEにおける弁の数の2倍である。
10.
図5、図7、図8、図10、図11、図13、及び図14の実施例では、軸6上のスプラインによりロータ3の回転とともに往復運動が起こる。一方で、図6、図9、及び図12の実施例では、歯車12及びロータ3上の外部ラックを介して往復運動が起こる。
図5乃至図14の実施形態において、図2、図3および図4に示すように、第1の環状構成要素1及び第3の環状構成要素２それぞれの表面A及び表面B上に、ロータとしても機能する第2の環状構成要素3の表面Γα及び表面Γβがそれぞれ摺動することにより、回転運動から往復運動への変換及びその逆の変換が行われる。これと同じ結果が、表面Γβ及び表Bが取り除かれて、表面Γαが表面Aと連続的に接触するように第2の環状構成要素3が第1の環状構成要素1に押し付けられる場合にも現れる。これは、例えば、第3の環状構成要素2を置き換える以下の方法で達成されてもよい。
1.
特別な場合(図20の場合)を除き、ベアリングと組み合わせてロータ3に押圧するスプリングを使用する。
2.
ロータ3に設けた径方向に対向する２つのローラを、このローラの軸が図3又は図4の曲線ωをトレースするように、ステータ2上に形成された表面B(図2)と同様の適切な波状表面を転がす。
3.
ロータ3に圧力(油圧又は空気圧)を加える。
4.
ロータ3上の磁気/電磁力を作用させる。
5.
重力を用いる(垂直シリンダ搭載エンジンのみ)。
最後に、本発明は、機械式プレス、釘打ち機、ミシン、印刷機等のように、回転運動から往復運動又は逆運動への変換が行われるあらゆる種類のエンジン及び自動化に適用される。
図16.aにおいて、軸線方向にすべるスプラインを備えた軸6に接続された第1の環状構成要素1と、第2の環状構成要素3に強固に接続された構成要素(第二の軸)4とを備えたクラッチが図示されており、同時に、技術の状況に応じた特別な機構が、第1の環状構成要素1に軸力Fを作用させ、その山部を第2の環状構成要素3の谷部に入るように強制することができることが図示されている。この状態において、軸６の回転の全動作が、第二の軸4に伝達される。第1の環状構成要素1に加わる軸力Fを取り除くと、第1の環状構成要素1は、第2の環状構成要素3から退いて係合が解除され、この場合、軸６から第二の軸4への回転の伝達は遮断される。
図16.bにはより効果的なクラッチ構成が示されており、ここでは軸6がすべりスプラインを介してロータ3、すなわち、第2の環状構成要素に接続されている。ステータ2、すなわち第3の環状構成要素は構成要素(第二の軸)4にしっかりと接続されている。一方、この初期位置/条件のロータ3は同時に滑り、ステータ1と2の間を自由に移動し、それらの運動学的条件に影響を及ぼすことはない。さらに、当技術の状態によれば特別な機構が、ステータ1に軸方向の力Fを加え、第1および第3の環状構成要素1および2を互いに十分に接近させることができる。この新しい状態では、ロータ3はステータ1と2の間に固定化され、したがって、軸6の回転の全動作が第二の軸4に伝達される。ステータ1の軸力Fを取り除くと、特殊な機構により、初期位置/状態に後退し、ステータ1とステータ2との摺動によりロータ3が解除され、再び移動を開始し、第6軸から第二の軸4への回転の移送が中断される。
任意に、ステータ1及び2はライナ７に外部的に接続され、ステータ1は軸方向に摺動するウェッジ14を有し、ライナ７はわずかにしか回転しないようになっている。
力Fを及ぼす特別な機構は現在の技術水準において幅広く応用され、あらゆる種類の車両(自動車、トラック、トラクタ等)のクラッチにおいて用いられる機構と幾分同等であり、機械的及び/又は油圧的及び/又は空気圧的に作用することができる。
このようなクラッチの特徴/利点は、シンプルでコンパクトな構造であるが、主に、摩擦ではなく、機械的係合による運動の伝達であり、その流体力学的潤滑のために、協働する部品の摺動作用中に摩擦がないため、摩耗を(ほぼ完全に)なくすことである。
図17.aでは、それぞれが第1の環状構成要素1と第2の環状構成要素3とからなる、すべりスプラインを有する軸6に接続された2つの鏡像対称部分を含む、差動装置のための配置が示されている。
当技術分野の特別な機構は、第1の環状構成要素1に力Fを作用させ、第2の環状構成要素3と係合したままにする。
2つの環状構成3の各々は、協働するギアホイール12を介して軸11とともに回転するギアホイール15に強固に接続されている。
動作中の2つの軸6の抵抗が同じである限り、第1の環状構成要素1は第2の環状構成要素3と係合したままであり、ギアホイール15の回転はその全動作を軸6に伝達する。
抵抗が軸6の1つで増大した場合、対応する第1の環状構成要素1は後退し、対応する軸6の回転数は減少し、同時に、他の軸6は、それらの軸6の抵抗の平衡が戻り以前の動作が回復するまで通常移動し続ける。
すなわち、単純なディファレンシャル（差動）として機能する。
一方の軸6の不動化および他方の軸のみの回転という欠点を回避するために、後者の抵抗がゼロである場合には、力Fの制御および軸6の回転が電子的補助によって行われることが必須である。
この場合、両方の軸が完全にブロックされ、両方の軸が同じ速度で回転している可能性がある:制限スリップディファレンシャル「LSD」。
図17.bでは図16.bおよび図17.aに示された構成の組み合わせとして、より効果的な差動構成が得られる。その組み合わせは、この特定のタイプの差動の動作モードを提供する。
ディファレンシャル配置は2つの鏡像対称部分を含み、各々は、すべりスプライン、第1の環状構成要素1及び第3の環状構成要素2によって軸6に接続された、ロータとして機能する第2の環状構成要素3からなる。
この初期位置/条件のロータ3では、それらの運動学的条件に影響を及ぼすことなく、ステータ1とステータ2との間をスライドし、同時に自由に動く。
従来技術の特別な機構は第3の環状構成要素2に向かって動く第1の環状構成要素1に力Fを加え、第1の環状構成要素1と第3の環状構成要素2との間に第2の環状構成要素3をはめ込んで固定し、第3の環状構成要素2が軸6に強固に係合して同時に移動するようにする。
2つの鏡像対称部分は、第3の環状構成2を介してギアホイール15に強固に接続され、協働するギアホイール12を介して1つの軸11から移動する。
ディファレンシャルとして動作する配置は、第2の環状構成要素3がはめ込まれて固定されるか否かによって決定される。
したがって、運動中における2つの軸6の抵抗が同じである限り、第2の環状構成要素3は第3の環状構成要素2と係合したままであり、ギアホイール15の回転はその全動作を軸6に伝達する。他方、抵抗が軸6の一方で増加すれば、対応する第1の環状構成要素1はわずかに後退し、対応する第2の環状構成要素3は係合が解除され、同時にスライドし始め、第1および第3の環状構成要素1および2の間で自由に移動し始める。したがって、軸6の抵抗の平衡が戻るまで、対応する軸6の回転数は減少し、配置は、その初期位置/動作状態に戻る。
任意に、第1の環状構成要素1は軸方向摺動ウェッジ１４の使用を介して本体７のカバーに接続され、第3の環状構成要素2はわずかな円周方向摺動の能力を有する本体７のカバーに接続される。
力Fを及ぼす特別な機構は図16.aおよび16.bの差動配置用途と同様に、電子的補助を伴って、または伴わずに、機械的および/または油圧的、および/または空気圧的などで動作し得る。
このような差動装置の特徴/利点はシンプルでコンパクトな構造であるが、主に、摩擦ではなく、機械的係合を介した運動の移送であり、その結果、「LSD」差動装置として作動するし、協働する部品の摺動動作中に摩擦がないために、摩耗が(ほぼ完全に)欠落する点である。
図18.aには、回転から往復運動へ、またはその逆への変換の第1の機構と、第１の機構と類似した第２の機構とが示されており、第１の機構は、n = n1個の山部および谷部を有し、第２の機構は、第１の機構と同一の往復経路Lと、n = n2≠n1個の山部および谷部を有する。第１の機構は、ピン19を介して第２の機構と同軸に接続されており、軸方向変位ではなく、互いに対して回転を許容するような方法で接続されている。この構成において、第1および第3の環状構成要素1および2はステータとして機能し、本体7にしっかりと取り付けられており、一方で第2の環状構成要素3はすべりスプラインを有する軸6によって動かされ、ピストン４に強固に接続して、ロータとして機能する。
この場合、第1の機構の軸6がN1回転で回転すると、第2の機構の軸6はN2 = N1×(n1/n2)回転で回転する。すなわち、一対の機構は回転速度増減装置として機能する。
図18.bではそれぞれ、2つの機構の軸6は固定された方法で結合部材20のウェッジ14を介して同軸に接続されている。したがって、一対の機構は往復速度増加減少装置として機能する。
後者の場合に、第1の機構の往復経路長L1が第2の機構の往復経路長L2と異なる場合にはそれはまた、及び/又は往復経路長増加減少装置Lとして機能してもよい。
このような増加低減装置の特徴/利点は、インライン(同軸)配置である点と、速度の変動に加えて、経路の差別化の有無にかかわらず、再帰の変動を実現することができる点です。
図19は、電気エンジン(発電機/電動機)と、本発明の図5、図8および図11の実施例と同様の2つのエンジンM(それぞれモータまたはポンプ/コンプレッサ)との結合を示している。
エンジンMの本体は電気エンジンEの本体(ステータ)に同軸で取り付けられており、一方は右側に、もう一方は左側に取り付けられている。
電気エンジンEのロータ軸は廃止され、エンジンMの軸6で置換される。その結果、電気エンジンEとエンジンMは互いに同期し、往復運動の慣性力が釣り合うように、互いに反対方向に動くピストンで作動する。
このタイプのカップリングは図15.aに対応するが、平行軸が存在しないため、電動エンジンロータで代用されているので、それに比べて有利である。
このような電気機械的対の特徴/利点は、その単純性、特に小さなサイズ/重量、高い出力集中、および他の従来のケースと比較したときの構造のコンパクトさである。
図5乃至図14において、記載されたエンジンは、クリーン燃料によって潤滑剤を添加することなく2ストロークガソリンエンジンとして機能することができる。
噴霧を伴う燃料噴射が必要とされ、コンプレッサ(ターボ)により空気が入力され、本発明によるTDCおよびBDCにおける反転運動の遅延を許容する構造であり、および本発明による開口を有する弁、またはディスク形状カムによって制御される弁が、以下の順序で動作するように調整されている(本発明によっても提供される可能性): 膨張段階が完了するとすぐに、ピストンがBDCに到達する直前に、出口弁が開き、大部分の排気ガスが排出され、次いで入口弁が開き、圧力を受けて入ってくる空気が排気ガスの残りを押し出し(掃引/フラッシング)、次いで出口弁が閉じ、シリンダが空気で満たされると入口弁が閉じ、反転運動がTDCに向かって始まり、圧縮段階、噴射、燃料点火、燃焼と続き、最後に膨張が始まる。
次に、圧縮段階、燃料の噴射、点火、燃焼、そして、ついには膨張もたらされ、新しい同一のサイクルが全面的に始まる。
このような2ストロークガソリンエンジンの特徴/利点は従来の2ストロークガソリンエンジンの約半分のサイズ/重量で同じ出力であり、さらに無公害運転、すなわち4ストロークガソリンエンジンに匹敵する品質の排出ガスを排出することである。
記載されたエンジンは、ディーゼルエンジンと同様に作動してもよい。
いずれの場合も(ガソリンエンジンまたはディーゼルエンジン)、そのサイズ/重量は、対応する従来の4ストロークエンジンサイズ/重量の約4分の1である。
図20では図15.aの機構に対応して、2つのシリンダピストンエンジンにおける機構の適用が示されており、ここではシリンダが鏡像配置で取り付けられ、2つの構成要素4が反対方向に移動する往復運動の慣性力をバランスさせるためのピストンとして機能し、本発明によれば、各シリンダは隣接する側面上で運動を変形する波状面を有する一対の環状構成要素で動作し、それらの連続的な接触によってTDCからBDCへ、およびその逆に移動するときに、ピストン上に連続的に加えられる力が確実になる。
より具体的には図20において、各シリンダはステータとして機能する第1の環状構成要素1と、ピストン4に強固に接続されたロータとして機能する第2の環状構成要素3とを備える。
ステータ1はお互い強固に接続されており、さらに共通の本体7にしっかりと接続されている。
各ロータ3は、共通軸11上に取り付けられたギアホイール12と協働する外部ラックをシリンダの縦軸と平行に運ぶ。
ギアホイール12は、ロータ3を同期させ、運動を軸11に伝達する。
ピストン4は作動流体の圧力及び/又は引っ張りばね21の補助により、TDCとBDCとの間を移動するにつれて力が働き、ロータ3のうねった表面が対応するステータ1と接触し続ける。
引張バネ21は、ピストン(4)同士の間においてステータ1の開口を介してそれらを接続し、これにより、引張バネ21はピストン(4)が戻ることを助ける働きをし、ロータ3を対応するステータ1と連続的に接触させて保持し、エンジンが作動していない期間に特に重要な事実であり、従って、その離調を回避する。
各シリンダは、本発明によるバルブ又は従来の/古典的バルブ18と、ディスク形状のカム13及びロッド17とを組み合わせて備えている。
このようなエンジンは2ストロークICEであり、油圧モータ及び空気モータであり、ピストンへの力は作動流体の圧力によるものである。
ポンプ/コンプレッサも同様のケースを構成しており、ここで、吸引の段階でピストンにかかる力は引っ張りばね21によってのみ発揮され、残りの要素に関してはモータの場合に設定されたものと同様である。
このようなエンジンの特徴/利点は、その単純さ、特に小さなサイズ/重量、高い出力集中、および他の従来のケースと比較して構造がコンパクトであることである。
従来のものの欠点と比較して、本発明の機構の利点と、ピストンエンジン(モータまたはポンプ/コンプレッサ)および自動化における利点は、以下の通りである。
1.
例外的に単純な構造およびそれらの実施に必要とされる構成要素が非常に少数である。
2.
移動要素の最小数:第11 軸または第6 軸、ロータ3 およびピストン4 のみ。
3.
追加の構成要素および/または機構なしに、単純な開口を有する弁装置を実施する可能性がある。
4.
従来の弁18およびカム(ICE)と組み合わせて、軸6または軸11上に円板状カム13を形成することも可能である。
カムは適切な構成で形成されてもよく、その結果、これらのカムは所定の時間において、より効果的に弁を開閉することができる。
5.
高次高調波のない絶対高調波往復運動を達成できる可能性がある。
6.
ピストン4の往復運動は様々な方法で実現することができ、簡単な数学的方程式によって記述することができる。方程式の典型的な例は、正弦波と多項式である。
7.
TDCとBDCにおけるピストン運動反転を遅らせる可能性は、より良い燃焼と効率改善のためである。
8.
適切なシリンダ配置でのみ、バランスを保たずに往復運動の慣性力を完全に中和する可能性がある。
9.
ピストン4とライナ5との間には、それらの間の横方向の力が全くないために、摩擦及び摩耗が実質的に存在しないこと。
10.
従来のエンジンのガッジオンピンピストンロッドの接触点で加えられる力に関連して、ステータ1、2およびロータ3の波状の摺動面A、BおよびΓα/Γβの接触点で加えられる副多重力(最大で半分の値である、n=2の場合)。
11.
ステータ1、2およびロータ3の滑り起伏表面A、BおよびΓα/Γβの摩擦および摩耗の最小化は、好ましい幾何学的形状のために発達した動的潤滑のためである。
12.
従来の2ストロークICEの約50%、または従来の4ストロークICEの約25%のサイズ/重量/コストの、汚染防止技術2ストロークICEの製造能力。
13.
マルチシリンダエンジンのコンパクトな構造: シリンダを1 つの軸(図15.f)または2 つの対向する軸(図15.e)に沿って並べたり、中央の軸(それぞれ図15.gとh)で横断方向と横断方向に並べたりすることができる。
14.
同一電力出力に対して約50%の大きさ及び/又は容積の減少、結果的に電力集中の倍増となる。逆も同様である。
15.
同じ電力出力に対するサイズおよび/または体積の対応する減少のために、コストのおよそ50%減少する。
1. 第1の環状構成要素、ステータ
2. 第3の環状構成要素、ステータ
3. 第2の環状構成要素、ロータ
4. ピストンまたは二次クラッチ軸
5. ライナ
6. すべりスプライン付き軸
7. 本体
8. シリンダカバー
9. ピストンリング
10. バルブスプリング(開口部)
11. 軸(共通)
12. アクスルギアホイール
13. カムディスク
14. スライドエレメント(ウェッジ)
15. 軸ギアホイール
16. ボディカバー
17. バルブロッド
18. 従来型/古典的な弁
19. カップリングピン
20. 結合部材
21. 引っ張りばね

Claims (17)

  1. 回転運動を往復運動に又はその逆に変換するための機構であって、
    同軸に配置された第1の環状構成要素(1)と、第2の環状構成要素(3)とを備え、
    前記第1の環状構成要素(1)は、長手方向軸ΔAに沿って、前記第2の環状構成要素(3)と並設されており、
    前記第1の環状構成要素(1)及び前記第2の環状構成要素(3)は、前記長手方向軸ΔA周りに回転可能、且つ、前記長手方向軸ΔAに沿って往復運動可能であって、
    前記第2の環状構成要素(3)が、前記第1の環状構成要素(1)の隣接側面Aと少なくとも１つの点で連続的に接触した状態で、前記第1の環状構成要素(1)と同軸上で運動可能となるように、前記第2の環状構成要素(3)に隣接する前記第1の環状構成要素(1)の前記隣接側面Aは、前記第2の環状構成要素(3)の隣接側面Γαと少なくとも１つの点で連続的に接触しており、
    それぞれの前記隣接側面は、前記第1の環状構成要素(1)及び前記第2の環状構成要素(3)の円筒外側面における波状曲線（α、γα)を通過する半径の幾何学的な軌跡として形成された滑らかな波状表面(A、Γα)であって、それらの環状構成要素(1、3)の外面から始まり、相似比1:3で幾何学的に相似した山部及び谷部のペアの繰り返し回数ｎ（自然数≠0）によって特徴づけられており、
    前記相似比は、共通の座標系における２つの相似な幾何学的な形状の座標の比率として定義されており、第１の幾何学的な形状の座標が、第２の幾何学的な形状の座標に前記相似比を乗じたものであれば、共通の座標系において前記第１の幾何学的な形状が前記第２の幾何学的な形状と相似であり、
    前記山部は、その山部の頂点と前記長手方向軸ΔAとにより画定される平面に対して対称であり、
    前記谷部は、その谷部の底点と前記長手方向軸ΔAとにより画定される平面に対して対称であり、
    前記第1の環状構成要素(1)の前記波状表面における前記谷部は、前記第2の環状構成要素(3)の前記波状表面における前記山部と接触し、この状態における接触点それぞれは、前記長手方向軸ΔAに垂直な平面上に位置し、この平面に対して前記第1の環状構成要素(1)及び前記第2の環状構成要素(3)の前記波状表面(A、Γα)が対称であり、
    前記波状表面(A、Γα)それぞれの前記山部は、これらの山部が他方の谷部に入るとともに、前記山部の端部が反対側の前記波状表面の底点に接触して、それぞれの前記波状表面の間に自由空間が存在し、潤滑油が塗られた場合に、動的潤滑による摩擦及び摩耗の最小化が達成されるように、谷部よりも小さく、前記相似比が1:3で幾何学的に相似しており、
    第1の環状構成要素(1)及び第2の環状構成要素(3)が相対的に回転運動させられるとともに、連続的に接触し続ける場合、前記波状表面(A、Γα)の各点は、他方に関わりながら、波状軌跡をたどり、同時に、所定期間にｎ回の頻度で往復運動を実行し、
    このｎは、前記山部及び前記谷部の数であって、TDC(上死点)とBDC(下死点)との間の回転運動周波数に対応しており、
    この相対運動は、前記環状構成要素(1、3)の1つに強固に接続されたコンポーネントそれぞれによって実行され、
    前記環状構成要素(1、3)の一方の回転に追従しないように自由に接続された前記コンポーネントそれぞれは、他方の環状構成要素(1、3)に対して往復運動のみを実行し、このコンポーネントの回転運動は、一方の前記環状構成要素(1、3)との間の回転の共存の有無にかかわらず、往復運動に変換され、逆に、前記環状構成要素(1、3)の一方を他方に対して往復運動させると、前記コンポーネントの往復運動の共存の有無にかかわらず、前記コンポーネントの回転運動に変換され、
    前記山部及び前記谷部の端部は、前記第1の環状構成要素及び前記第2の環状構成要素の外面における波状曲線を平面的に広げた状態において、点又は前記長手方向軸ΔAに垂直な直線区間であり、
    前記山部及び前記谷部の端部が点である場合、2つの前記環状構成要素(1、3)の間の相対的な回転運動が一定速度あれば、単調な及び／又は調和した往復運動をもたらし、
    一方で、前記山部及び前記谷部の端部が直線区間である場合、2つの前記環状構成要素(1、3)の間の相対的な回転運動が一定速度あれば、TDC及びBDCの反転運動における遅れを伴う往復運動をもたらし、この場合は、前記山部の端部が長さcの直線区間であり、前記谷部の端部が長さ3cの直線区間であるので、TDC及びBDCの反転運動における遅れ時間間隔が、互いに等しくなることを特徴とする、回転運動を往復運動に又はその逆に変換するための機構。
  2. 前記第2の環状構成要素(3)は、円筒構成要素(4)に強固に接続されている、又は、前記2の環状構成要素(3)及び前記円筒構成要素(4)が、前記長手方向軸周りに自由に回転する或いは一方が他方に対して独立して静止状態を保つように前記円筒構成要素(4)に接続されていることを特徴とする、請求項１記載の回転運動を往復運動に又はその逆に変換するための機構。
  3. 円筒形ライナ(5)を備え、その内部において、カバー(8)により覆われた円筒形ピストン(4)が周方向に接触しながら移動することを特徴とする、請求項2に記載の回転運動を往復運動に又はその逆に変換するための機構。
  4. 前記円筒構成要素が、前記第2の環状構成要素(3)に強固に接続された凹状のピストン(4)であり、
    前記ピストン(4)の表面において、少なくとも1つの開口部(O4)があり、この開口部(O4)が波状の軌道(E)をたどると、ライナ(5)上設けられて前記軌道(E)内又は前記軌道(E)と交差する少なくとも1つの開口部(O5)と出会い、
    前記ピストン(4)の前記開口部と前記ライナ(5)の前記開口部とが、重なり合っているポイントでは、前記ピストン(4)の内部と前記ライナ(5)の外部との周期的な連通を可能にし、
    凹状の前記ピストン(4)及び前記ライナ(5)を介して、ピストンエンジンシリンダの内部空間と外部環境との間の流体流量を制御する非常に単純な弁構成を形成することを特徴とする、請求項3に記載の回転運動を往復運動に又はその逆に変換するための機構。
  5. 前記第2の環状構成要素(3)の前記波状表面(Γα)が、前記第1の環状構成要素(1)の前記波状表面(Α)と連続的に接するように、前記第2の環状構成要素(3)を前記第1の環状構成要素(1)に押し付ける付加的な機構をさらに備えることを特徴とする、請求項1、2、3または4に記載の回転運動を往復運動に又はその逆に変換するための機構。
  6. 前記第1及び前記第2の環状構成要素(1、3)に対して同軸に取り付けられた第3の環状構成要素(2)をさらに備え、
    前記第2の環状構成要素(3)が、前記第1および前記第3の環状構成要素(1、2)の間に配置され、
    前記第3の環状構成要素(2)の前記第2の環状構成要素(3)を向く隣接側面が、前記第1の環状構成要素(1)の波状表面と同じ特徴で空間的に鏡像な波状表面(B)であり、前記第2の環状構成要素(3)の側面と少なくとも１点で連続的に接触しており、
    その隣接側面は、前記第2の環状構成要素(3)の前記第1の環状構成要素(1)を向く波状表面(Γα)と同じ特徴の波状表面(Γβ)であり、前記表面(Γα)に対して対称に位置し、前記表面(Γα)の谷部に対向した位置に山部がくるように遠方側に変位し、
    前記第2の環状構成要素(3)は、前記第1および前記第3の環状構成要素(1、2)に対して相対的に動き、前記第1および前記第3の環状構成要素(1、2)それぞれの側面と少なくとも1つの点で連続的に接触しており、
    前記第1の環状構成要素(1)の前記波状表面の前記山部は、前記第2の環状構成要素(3)の前記波状表面の前記山部と接触し、この状態において、前記第1の環状構成要素(1)の前記波状表面(A)及び前記第2の環状構成要素(3)の前記波状表面(Γα)の双方は、それらの接点を結ぶ面に対して対称であり、
    前記状態おいて、前記第3の環状構成要素(2)の前記波状表面(B)の前記山部は、前記第2の環状構成要素(3)の前記波状表面の前記谷部と接触し、前記第2の環状構成要素(3)の前記波状表面の前記山部は、前記第3の環状構成要素(2)の前記波状表面の前記谷部と接触し、
    これは、幾何学的に相似した山部及び谷部の前記相似比が1:3であることに起因しており、これにより前記第1の環状構成要素(1)および前記第3の環状構成要素(2)の間における前記第2の環状構成要素(3)の動きが妨げられないことを特徴とする、請求項5に記載の回転運動を往復運動に又はその逆に変換するための機構。
  7. 前記第1及び前記第2の環状構成要素(1、3)に対して同軸に取り付けられた第3の環状構成要素(2)をさらに備え、
    前記第2の環状構成要素(3)が、前記第1および前記第3の環状構成要素(1、2)の間に配置され、
    前記第3の環状構成要素(2)の前記第2の環状構成要素(3)を向く隣接側面が、前記第1の環状構成要素(1)の波状表面と同じ特徴であり、表面(A)に対して鏡像対称であり、その山部が表面(A)の谷部に対向して配置され、前記第2の環状構成要素(3)の側面と少なくとも1つの点で連続的に接触するように遠位に変位され、
    その側面は、前記第1の環状構成要素(1)を向く隣接側面(Γα)と同じ特徴であり互いに鏡像対称な波状表面(Γβ)であり、
    前記第2の環状構成要素(3)は、前記第1および前記第3の環状構成要素(1、2)に対して相対的に動き、前記第1および前記第3の環状構成要素(1、2)それぞれの側面と少なくとも1つの点で連続的に接触しており、
    前記第1の環状構成要素(1)の前記波状表面の前記山部は、前記第2の環状構成要素(3)の前記波状表面の前記山部と接触し、この状態において、前記第1の環状構成要素(1)の前記波状表面(A)及び前記第2の環状構成要素(3)の前記波状表面(Γα)の双方は、それらの接点を結ぶ面に対して対称であり、
    前記状態おいて、前記第3の環状構成要素(2)の前記波状表面(B)の前記山部は、前記第2の環状構成要素(3)の前記波状表面の前記谷部と接触し、前記第2の環状構成要素(3)の前記波状表面(Γβ)の前記山部は、前記第3の環状構成要素(2)の前記波状表面の前記谷部と接触し、
    これは、幾何学的に相似した山部及び谷部の前記相似比が1:3であることに起因しており、これにより前記第1の環状構成要素(1)および前記第3の環状構成要素(2)の間における前記第2の環状構成要素(3)の動きが妨げられないことを特徴とする、請求項5に記載の回転運動を往復運動に又はその逆に変換するための機構。
  8. 請求項6又は７に記載の機構を適用したピストンエンジンシリンダであって、
    前記第1および前記第3の環状構成要素(1、2)が、ステータとして機能するとともに、本体に強固に取り付けられており、
    前記第2の環状構成要素(3)が、ロータとして機能するとともに、前記ピストン(4)に強固に固定されて回転運動及び軸方向の往復運動をする、又は、前記ピストン(4)に対して回転可能に接続されて、前記ピストン(4)とともに軸方向にのみ往復運動するように構成されており、
    前記第2の環状構成要素(3)が、当該ピストンエンジンシリンダの軸と一致した軸(6)のスプラインによって動く、又は、前記ピストンエンジンシリンダと平行に前記ピストンエンジンシリンダの外部に設けられた軸(11)を介して軸(6)に対して動き、動作がギアホイール(12、15)によって軸(11)から軸(6)に動力が伝達される、或いは、ロータの外表面に設けられたギアホイール(12)とラックを介して軸(11)によって伝達されるように構成されており、
    請求項４に記載の弁又は従来の/古典的な弁18が設けられており、従来の/古典的な弁(18)は、ディスク形状のカム(13)及びロッド(17)とともに設けられていることを特徴とするピストンエンジンシリンダ。
  9. 請求項8に記載の機構を適用したピストンエンジンシリンダであって、
    潤滑剤を添加することのないクリーン燃料によって2ストロークガソリンエンジンとして動作し、燃料噴射が必要とされ、コンプレッサ(ターボ)により空気が入力され、TDC及びBDCの反転運動における請求項1に記載の遅れ時間間隔があり、請求項４記載の開口部を有する弁又はディスク形状のカム(13)およびロッド(17)によって制御される弁が設けられているものであって、前記弁の動作は以下の通りである。
    膨張段階が完了するとすぐに、前記ピストンがBDCに到達する直前に、出口弁が開き、大部分の排気ガスが排出され、次いで入口弁が開き、圧力を受けて入ってくる空気が排気ガスの残りを押し出し(掃引/フラッシング)、次いで前記出口弁が閉じ、シリンダが空気で満たされると入口弁が閉じ、反転運動がTDCに向かって始まり、圧縮段階、噴射、燃料点火、燃焼と続き、最後に膨張が始まり、同じサイクルが再びすべて始まることを特徴とするピストンエンジンシリンダ。
  10. 請求項6又は７に記載の機構を適用したクラッチであって、
    軸(6)がすべりスプラインを介してロータとして機能する前記第2の環状構成要素(3)に接続されており、前記第3の環状構成要素(2)が前記構成要素(4)に強固に接続されており、機構が前記第1の環状構成要素(1)に軸方向の力(F)を及ぼし、前記第1および前記第3の環状構成要素(1、2)を互いに十分に接近させるように構成されており、
    この状態において、前記第2の環状構成要素(3)が前記第1および前記第3の環状構成要素(1、2)の間に固定されるとともに、前記軸(6)の回転の全動作が前記構成要素(4)に伝達され、
    一方、前記第1の環状構成要素(1)に働く軸方向の前記力(F)が機構によって除かれると、前記第1および前記第3の環状構成要素(1、2)は、その初期位置に後退し、前記第2の環状構成要素(3)は解放されるとともに、前記第1および前記第3の環状構成要素(1、2)の間で再びすべり始め、前記軸(6)から前記要素(4)への回転の伝達は中断され、
    前記第1および前記第3の環状構成要素は、選択的に外側ライナ(7)に接続されており、前記第1の環状構成要素(1)は、軸方向に摺動する要素(14)を有し、前記外側ライナ(7)は、わずかにのみ回転し得ることを特徴とするクラッチ。
  11. 請求項6又は７に記載の機構を適用したディファレンシャルであって、
    ２つの鏡像対称部分を備え、それぞれの部分は、
    すべりスプラインの手段によって軸(6)に接続されたロータとして機能する前記第2の環状構成要素(3)と、
    前記第1の環状構成要素(1)と、
    前記第3の環状構成要素(2)と、
    前記第1の環状構成要素(1)を前記第3の環状構成要素(2)に十分に接近させるために必要な力(F)であって、第1の環状構成要素(1)と第3の環状構成要素(2)との間に第2の環状構成要素(3)を捕捉して固定する力(F)を前記第1の環状構成要素(1)及ぼす機構とを備え、
    第3の環状構成要素(2)が軸(6)に嵌め込まれて軸(6)とともに動く構成において、
    ２つの前記第3の環状構成要素(2)それぞれが、ギアホイール(15)に強固に固定されており、協働するギアホイール(12)を介して軸(11)により動き、
    動作中における2つの前記軸(6)の抵抗が同じである限り、前記第2の環状構成要素(3)は前記第3の環状構成要素(2)と係合したままであり、第1の環状構成要素1は第2の環状構成要素3と係合したままであり、ギアホイール15の回転の全動作が軸6に伝達され、
    一方、１つの軸(6)における抵抗が増大する場合、対応する前記第1の環状構成要素(1)は、わずかに後退し、対応する前記第2の環状構成要素(3)は解放されるとともに、前記第1の環状構成要素(1)と前記第3の環状構成要素(2)との間で摺動し始め、対応する前記軸(6)の回転数は、双方の前記軸(6)の抵抗が同じになってそれらの回転数が等しくなるまで減少し、
    それぞれの前記第1の環状構成要素(1)は、軸方向の摺動(14)を用いて選択的に本体(7)に接続されており、それぞれの前記第3の環状構成要素(2)は、円周方向にわずかな摺動が可能に本体(7)に接続されていることを特徴とするディファレンシャル。
  12. 請求項6又は７に記載の機構を適用した回転数増減装置であって、
    回転運動を往復運動に又はその逆に変換するための第１の機構が、別の同様の第２の機構に接続されており、
    前記第１の機構が、ｎ＝ｎ１個の山部及び谷部を有し、第1および第3の環状構成要素(1、2)が、ステータとして機能するとともに、本体に強固に取り付けられており、前記第2の環状構成要素(3)が、ロータとして機能するとともに、前記ピストン(4)に強固に固定されており、すべりスプラインを有する軸(6)によって回転運動及び軸方向の往復運動するものであり、
    前記第２の機構が、前記第１の機構と同じ往復長さ(L)と、ｎ＝ｎ２≠ｎ１個の山部及び谷部を有し、
    前記第１の機構及び前記第２の機構が、ピストン(4)及びカップリングピン(19)とを介して軸方向に移動することなく、互いに相対的に回転可能に同軸上に接続されており、前記第１の機構の軸(6)がN1の回転数で回転する場合、前記第２の機構の軸(6)がN2＝N1(n1/n2)の回転数で回転して、これらの機構が、回転速度増減装置として機能することを特徴とする回転数増減装置。
  13. 請求項6又は７に記載の機構を適用した回転数増減装置であって、
    回転運動を往復運動に又はその逆に変換するための第１の機構が、別の同様の第２の機構に接続されており、
    前記第１の機構が、ｎ＝ｎ１個の山部及び谷部を有し、第1および第3の環状構成要素(1、2)が、ステータとして機能するとともに、本体に強固に取り付けられており、前記第2の環状構成要素(3)が、ロータとして機能するとともに、前記ピストン(4)に強固に固定されており、すべりスプラインを有する軸(6)によって回転運動及び軸方向の往復運動するものであり、
    前記第２の機構が、ｎ＝ｎ２≠ｎ１個の山部及び谷部を有し、
    前記第１の機構及び前記第２の機構が、軸(6)と、ウェッジ(14)を有する結合部材(20)とを介して強固に接続されており、前記第１の機構がL1の往復長さであり、前記第２の機構がL2の往復長さである場合に、これらの機構が、往復速度及び／又は往復長さ増減装置として機能することを特徴とする回転数増減装置。
  14. 請求項6または7に記載の機構を適用して、電気エンジン(E)と、請求項8または9に記載のシリンダを有する２つの同様のエンジン(M)とを接続したものであり、前記電気エンジン(E)の軸(6)が前記シリンダの軸に固定されている接続体であって、
    前記各エンジン(M)の本体の一方が、前記電気エンジン(E)の本体（ステータ）の右側に同軸上に設けられており、他方が前記電気エンジン(E)の本体（ステータ）の左側に同軸上に設けられており、
    前記電気エンジン(E)のロータの軸が、前記２つのエンジン(M)の軸(6)により代替されて取り除かれており、
    これらが同期して、ピストンを逆方向に動くように動作させることにより、慣性力のバランスが保たれることを特徴とする接続体。
  15. 請求項1、2、3、または5に記載の機構を適用した２シリンダエンジンであって、
    前記各シリンダは、隣接側面において運動を変換する波状表面を有する一組の環状構成要素により動作され、
    前記各シリンダは、同軸上に設けられるとともに、鏡像配置されており、
    前記各シリンダは、反対方向に動いて往復運動の慣性力のバランスが保たれるピストンとして機能する要素により動作される構成において、
    前記各シリンダは、
    ステータとして機能する第１の環状構成要素(1)と、
    ロータとして機能するとともにピストン(4)と強固に接続された第２の環状構成要素(3)とを備え、
    それぞれの前記ステータ(1)は、互いに強固に接続されるとともに、共通の本体(7)に接続されており、
    それぞれの前記ロータ(3)は、前記シリンダの長手方向の軸に平行な共通の軸(11)上に配置された一対のギアホイール(12)の一方とともに協働するラック（刻み目）を支持しており、
    前記一対のギアホイール(12)は、前記ロータと同期し、動作を前記軸(11)に伝え、
    作動流体の圧力及び／又は引張バネ(21)の補助力による力が、前記ピストン(4)がTDC及びBDCの間で動くように前記ピストン(4)に及ぼされ、
    これにより、前記ロータ(3)の前記波状表面が、対応するステータ(1)と接触する状態が維持され、
    前記引張バネ(21)が、前記ステータ(1)の開口を介してピストン(4)同士を互いに接続し、それらのピストンが戻ることを助ける働きをし、前記ロータ(3)を対応するステータ(1)と連続的に接触させて保持し、
    この連続的な接触は、エンジンが稼働していない時間の期間中に特に重要であり、
    従来の弁、開口を有する弁、又はステムバルブ18を備えており、これらの弁は、ディスク形状のカム(13)及びロッド(17)により制御されるものであることを特徴とする２シリンダエンジン。
  16. 請求項6または7に記載の機構を適用したピストンエンジンであって、
    前記シリンダが、
    ステータとして機能する第１及び第３の環状構成要素(1、2)と、
    ロータとして機能する第２の環状構成要素(3)とを備え、
    前記各ステータが、共通の本体に強固に接続されており、
    前記ロータが、ピストンの役割を担い、
    作動流体が、前記ステータ、前記ロータ、及び前記共通の本体の間を流れ、
    前記ロータに設けられて開口を有する弁、又は、前記共通の本体に設けられたディスク形状のカム(13)及びロッド(17)とともに用いられるステムバルブであって、前記共通の本体に設けられたステムバルブが用いられていることを特徴とする２シリンダ複動式ピストンエンジン。
  17. 請求項6または7に記載の機構を適用した２シリンダ複動式ピストンエンジンであって、
    前記各シリンダは、同軸上に設けられるとともに、鏡像配置されており、
    前記各シリンダは、反対方向に動いて往復運動の慣性力のバランスが保たれる要素を備え、
    前記各シリンダは、
    ステータとして機能する第１および第３の環状構成要素(1、2)と、
    ロータとして機能するとともに、前記ピストンエンジンのシリンダの軸に固定された共通の軸(6)に対してスプラインにより動く第２の環状構成要素(3)とを備え、
    前記ステータ(1、2)は、共通の本体(5/7)に強固に接続されており、前記ステータ(1、2)は、さらに互いに接続されており、
    前記ロータ(3)は、前記ピストンの役割を担い、
    作動流体は、前記ステータ(1、2)、前記ロータ(3)、及び前記円筒状のライナボディ(5、7)の間を流れ、
    前記ロータ及び前記円筒状のライナボディ(5、7)に設けられた開口を有する弁、又は、カムシャフトを用いるか、或いは、前記円筒状のライナボディ(5、7)に設けられたディスク形状のカム(13)及びロッド(17)により制御されるステムバルブであって、前記円筒状のライナボディ(5、7)に設けられたステムバルブが設けられていることを特徴とする２シリンダ複動式ピストンエンジン。
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