JP7159934B2

JP7159934B2 - 内燃機関

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Publication number: JP7159934B2
Application number: JP2019056443A
Authority: JP
Inventors: 卓央岩橋; 知史小関; 晶福田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2039-03-25
Also published as: JP2020159215A

Description

本開示は、内燃機関に関する。

従来、ロータリエンジンにおいて、回転方向に前後して並んで設けられた第１，第２，第３の吸気孔のうち、回転方向の後方側に位置する第２，第３の吸気口に開閉弁が設けられ、圧縮比率を可変にした構成が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開平６－２５５９号公報

上記文献に記載のエンジンでは、ピストン部の回転に伴って燃焼室が排気孔と連通し、排気ガスが排気孔から排気される排気行程が行なわれ、このとき燃焼室内の圧力が低下する。排気行程後にも燃焼室内に大気圧よりも高い残留圧力が存在する場合があり、この場合燃焼室が吸気孔と連通した瞬間に吸気孔への逆流が発生し、燃焼室への吸気流入性能が低下する虞がある。

本開示では、吸気管への気体の逆流を抑制できる、内燃機関が提供される。

本開示に従うと、円筒形状のハウジングと、ハウジング内に回転中心を中心に一方向に回転可能に支持される第１ピストン部材および第２ピストン部材とを備える、内燃機関が提供される。ハウジングの内周面、第１ピストン部材の回転方向の前方面および第２ピストン部材の回転方向の後方面は、燃料を燃焼させるための第１燃焼室および第３燃焼室を形成する。ハウジングの内周面、第１ピストン部材の回転方向の後方面および第２ピストン部材の回転方向の前方面は、燃料を燃焼させるための第２燃焼室および第４燃焼室を形成する。第１燃焼室、第２燃焼室、第３燃焼室および第４燃焼室は、一方向においてこの順に並んでいる。第１燃焼室、第２燃焼室、第３燃焼室および第４燃焼室内において、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程からなるサイクルが繰り返される。内燃機関は、吸気行程において第１燃焼室、第２燃焼室、第３燃焼室および第４燃焼室へ供給される空気が流れる吸気管をさらに備えている。第１～第４燃焼室が吸気管と非連通から連通状態に切り替わるときの第１～第４燃焼室内の気体の圧力が、吸気管内の気体の圧力よりも低い。

このように構成することで、燃焼室が吸気管と連通した瞬間に燃焼室内の気体が吸気管内に逆流する事態を、確実に回避することができる。

上記の内燃機関は、排気行程において第１燃焼室、第２燃焼室、第３燃焼室および第４燃焼室から排出される気体が流れる排気管をさらに備え、ピストン部材の回転方向である一方向における排気管の下流かつ吸気管の上流の位置に、第１～第４燃焼室内の気体を冷却する冷却部を備えていてもよい。これにより、燃焼室内の気体の圧力を低下させるための燃焼室の容積変化を、より小さくすることができる。

上記の内燃機関において、ハウジングは、ピストン部材の回転方向である一方向における排気管の下流かつ吸気管の上流の位置に、ハウジングが外側へ突出したフィンを有していてもよい。これにより、冷却部を確実に実現することができる。

上記の内燃機関において、ハウジングは、ピストン部材の回転方向である一方向における排気管の下流かつ吸気管の上流の位置に、ハウジングの内周面が外側へ突出するように窪んだ窪み部を有していてもよい。窪み部によって燃焼室の容積が増大することにより、燃焼室内の気体の圧力を効率的に低下させることができる。

本開示に係る内燃機関に従えば、吸気管への気体の逆流を抑制することで、吸気効率を向上させることができる。燃焼室への吸入空気量が増加することにより、内燃機関の出力を向上することができ、内燃機関の燃費を向上することができる。

実施形態の内燃機関の構成を示す斜視図である。エンジン内部に設けられるピストン部材の構成の一例を示す図である。内燃機関のシステム構成を示すブロック図である。燃焼室およびエンジンの動作を説明するための模式図である。吸気管の配置について説明する模式図である。燃焼室の容積と燃焼室内の圧力との関係を示すグラフである。冷却部の一例を示す模式図である。冷却部の他の例を示す模式図である。減圧部の一例を示す模式図である。

以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号が付されている。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

＜エンジン２の概略構成＞
図１は、実施形態の内燃機関の構成を示す斜視図である。実施形態の内燃機関は、回転ピストン型のエンジン２である。エンジン２の燃料には、たとえば、水素、ガソリン、ガス（液化天然ガス、液化石油ガスなど）または軽油などが用いられる。エンジン２は、ハウジング４と、吸気管６と、排気管８と、インジェクタ１０と、スロットルモータ１４と、第１出力軸１６と、第２出力軸１８とを含む。

吸気管６の一方端は、ハウジング４の吸気ポート（図示せず）に接続される。吸気管６の他方端には、たとえば、エアクリーナ（図示せず）が接続される。エアクリーナは、エンジン２の外部から吸入される空気から異物を除去する。エンジン２の作動中において、吸気管６には、エアクリーナから吸入された空気が流通する。吸気管６を流通する空気は、ハウジング４の吸気ポートに流通する。

吸気管６には、吸気管６を流通する空気の流量を制限するスロットルバルブが設けられている。スロットルモータ１４は、スロットルバルブの開度を調整する。

インジェクタ１０は、吸気管６のスロットルバルブよりも上流側に設けられ、燃料（たとえば、ガス）を吸気管６内に噴射する。噴射された燃料は、吸気管６内で空気と混合されてハウジング４の吸気ポートに流通する。

ハウジング４の外周部分は、図１に示すように円筒形状によって形成されており、その内周部分も円筒形状に形成されている。ハウジング４は、その内部に、第１出力軸１６に接続される第１ピストン部材と、第２出力軸１８に接続される第２ピストン部材とを収納する。

排気管８の一方端は、ハウジング４の排気ポート（図示せず）に接続される。排気管８の他方端には、たとえば、排気処理装置（図示せず）が接続される。エンジン２の作動中において、ハウジング４内での燃焼により生じた排気は、ハウジング４の排気ポートから排気管８に流通する。排気管に流通する排気は、排気処理装置によって浄化されて、エンジン２の外部に排出される。

第１出力軸１６および第２出力軸１８は、いずれもハウジング４内での燃料の燃焼によって回転する。第１出力軸１６および第２出力軸１８は、たとえば、モータジェネレータ（図示せず）の回転軸に接続される。このモータジェネレータは、たとえば、三相交流回転電機である。

＜エンジン２の内部構造＞
図２は、エンジン２内部に設けられるピストン部材の構成の一例を示す図である。図２を参照して、エンジン２の内部構造の一例について説明する。

図２に示すように、ハウジング４内には、第１ピストン部材２４と、第２ピストン部材２８とが組み合わされて収納される。第１ピストン部材２４は、第１回転体２４ａと、第１壁面部材２４ｂとを含む。第２ピストン部材２８は、第２回転体２８ａと、第２壁面部材２８ｂとを含む。

第１ピストン部材２４と、第２ピストン部材２８とは、ハウジング４によって回転可能に支持されている。第１回転体２４ａと第２回転体２８ａとは、図２中に一点鎖線で図示される回転中心ＡＸが一致している。第１回転体２４ａと第２回転体２８ａとは、回転中心ＡＸを中心に回転可能である。第１回転体２４ａと第２回転体２８ａとは、第１回転体２４ａの一方の端面と第２回転体２８ａの一方の端面とが軸方向に対向するように設けられる。

第１回転体２４ａは、その回転中心ＡＸを含む断面に斜面部分２４ｃを有するように形成される。第２回転体２８ａは、その回転中心ＡＸを含む断面に斜面部分２８ｃを有するように形成される。これにより、第１回転体２４ａと第２回転体２８ａとが組み合わされた状態において、第１回転体２４ａと第２回転体２８ａとの間には、Ｖ字形状の断面を有する凹部が周方向に形成される。

第１壁面部材２４ｂは、第１回転体２４ａの斜面部分２４ｃから、径方向外側に向けて延在し、第２回転体２８ａの斜面部分２８ｃに向けて軸方向に延在するように、設けられている。第１壁面部材２４ｂは、２つの三角形の板状部材によって構成される。第１壁面部材２４ｂの２つの三角形の板状部材は、回転中心ＡＸについて互いに対称となる位置に配置されている。

第２壁面部材２８ｂは、第２回転体２８ａの斜面部分２８ｃから、径方向外側に向けて延在し、第１回転体２４ａの斜面部分２４ｃに向けて軸方向に延在するように、設けられている。第２壁面部材２８ｂは、上述の第１壁面部材２４ｂを構成する板状部材と同形状となる、２つの三角形の板状部材によって構成される。第２壁面部材２８ｂの２つの三角形の板状部材は、回転中心ＡＸについて互いに対称となる位置に配置されている。図２には、第２壁面部材２８ｂの２つの板状部材のうちの一方のみが図示されている。

第１壁面部材２４ｂおよび第２壁面部材２８ｂの三角形の板状部材は、いずれも、第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８がハウジング４に収納されている状態において第１回転体２４ａと第２回転体２８ａとの間のＶ字形状の凹部とハウジング４の内周面とによって形成される三角形の断面形状に合致するように、形成される。

第１壁面部材２４ｂは、三角形の一辺において、第１回転体２４ａの斜面部分２４ｃに固定されている。第１壁面部材２４ｂの三角形の一辺は、ハウジング４の内周面に対向している。第１壁面部材２４ｂの三角形の一辺は、第２回転体２８ａの斜面部分２８ｃに対向している。

第２壁面部材２８ｂは、三角形の一辺において、第２回転体２８ａの斜面部分２８ｃに固定されている。第２壁面部材２８ｂの三角形の一辺は、ハウジング４の内周面に対向している。第２壁面部材２８ｂの三角形の一辺は、第１回転体２４ａの斜面部分２４ｃに対向している。

第１回転体２４ａには、回転中心が一致するように第１出力軸１６が接続される。第１回転体２４ａとハウジング４との間には、ワンウェイクラッチ２２が設けられる。ワンウェイクラッチ２２は、第１回転体２４ａのハウジング４内における予め定められた回転方向へのみ回転を許容し、予め定められた回転方向とは逆方向への回転を抑制する。

第２回転体２８ａには、回転中心が一致するように第２出力軸１８が接続される。第２回転体２８ａとハウジング４との間には、ワンウェイクラッチ２６が設けられる。ワンウェイクラッチ２６は、第２回転体２８ａのハウジング４内における予め定められた回転方向へのみ回転を許容し、予め定められた回転方向とは逆方向への回転を抑制する。

第１壁面部材２４ｂおよび第２壁面部材２８ｂは、三角形の板状形状に限られず、たとえば円板形状など、任意の形状を有してもよい。

＜システム構成＞
図３は、内燃機関のシステム構成を示すブロック図である。エンジン２の動作は、図３に示される制御装置２００によって制御される。

制御装置２００は、各種処理を行なうＣＰＵ（Central Processing Unit）と、プログラムおよびデータを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）およびＣＰＵの処理結果等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）等を含むメモリと、外部との情報のやり取りを行なうための入・出力ポート（いずれも図示せず）とを含む。入力ポートには、センサ類（以下に述べる筒内センサ１０４、吸気センサ１０６、排気センサ１０８など）が接続される。出力ポートには、制御対象となる機器（エンジン２など）が接続される。

制御装置２００は、各センサおよび機器からの信号、ならびにメモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、エンジン２が所望の作動状態となるように各種機器を制御する。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）により処理することも可能である。

入力部２０１は、エンジン２を使用するユーザによって操作される。ユーザは、入力部２０１を操作して、各種の設定値および動作指令を入力部２０１から制御装置２００に入力する。

上述した通り、吸気管６には、スロットルバルブ１２が設けられている。スロットルモータ１４は、制御装置２００からの制御信号ＴＨに応じて動作し、スロットルバルブ１２の開度（スロットル開度）を調整する。

インジェクタ１０は、制御装置２００からの制御信号ＩＮＪに応じて、燃料を吸気管６内に噴射する。

筒内センサ１０４は、ハウジング４内の気体の圧力および温度を検出する。筒内センサ１０４は、ハウジング４内の気体の圧力の検出結果を示す検出信号Ｐｃ、およびハウジング４内の気体の温度の検出結果を示す検出信号Ｔｃを、制御装置２００に出力する。

吸気センサ１０６は、吸気管６内の気体の圧力を検出する。吸気センサ１０６は、吸気管６内の気体の圧力の検出結果を示す検出信号Ｐｉｎを、制御装置２００に出力する。

排気センサ１０８は、排気管８内の気体の圧力を検出する。排気センサ１０８は、排気管８内の気体の圧力の検出結果を示す検出信号Ｐｏｕｔを、制御装置２００に出力する。

＜燃焼室＞
図４は、燃焼室Ａ～Ｄおよびエンジン２の動作を説明するための模式図である。図４には、ハウジング４の中央部分（たとえば、第１回転体２４ａと第２回転体２８ａとの当接部分）における、回転中心ＡＸに直交する断面が模式的に示される。図４に示すように、ハウジング４内には、ハウジング４、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８によって、燃料を燃焼させるための４つの燃焼室Ａ～Ｄが形成される。

燃焼室Ａ～Ｄは、各々、ハウジング４の内周面と、第１ピストン部材２４の第１壁面部材２４ｂおよび斜面部分２４ｃと、第２ピストン部材２８の第２壁面部材２８ｂおよび斜面部分２８ｃとによって、規定されている。第１壁面部材２４ｂおよび第２壁面部材２８ｂは、燃焼室Ａ～Ｄの周方向の壁面を構成している。周方向に隣り合う２つの燃焼室は、第１壁面部材２４ｂおよび第２壁面部材２８ｂによって仕切られている。

燃焼室Ａおよび燃焼室Ｃは、第１ピストン部材２４の回転方向の前方面２４ｍ、および第２ピストン部材２８の回転方向の後方面２８ｎによって、規定されている。燃焼室Ｂおよび燃焼室Ｄは、第１ピストン部材２４の回転方向の後方面２４ｎ、および第２ピストン部材２８の回転方向の後方面２８ｍによって、規定されている。

図２に示されるワンウェイクラッチ２２，２６は、図４においては、第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との反時計回りの回転を抑制し、時計回りの回転を許容する。図４中の時計回り方向は、実施形態における一方向に相当する。燃焼室Ａ、燃焼室Ｂ、燃焼室Ｃおよび燃焼室Ｄは、この一方向においてこの順に並んでいる。

図４に示される燃焼室Ａでは、圧縮された空気と燃料との混合気が着火する膨張行程となる。すなわち、燃焼室Ａで燃料が燃焼すると、第１ピストン部材２４の反時計回りの移動がワンウェイクラッチ２２によって抑制されるため、第１ピストン部材２４の回転位置が維持されつつ、第２ピストン部材２８のみが破線矢印の方向に回転し、燃焼室Ａ内の気体の膨張とともに燃焼室Ａの容積が増加する。

図４に示される燃焼室Ｂでは、膨張した排気が排気管８から排出される排気行程となる。すなわち、燃焼室Ａでの燃料の燃焼によって、第２ピストン部材２８が破線矢印の方向に回転すると、第１ピストン部材２４の回転位置が維持されるため、燃焼室Ｂの容積が減少する。このとき、燃焼室Ｂは、排気管８と連通している。そのため、燃焼室Ｂ内の排気は、燃焼室Ｂの容積の減少とともに、排気管８に排出されていく。

図４に示される燃焼室Ｃでは、吸気管６から空気と燃料との混合気が吸入される吸気行程となる。すなわち、燃焼室Ａでの燃料の燃焼によって、第２ピストン部材２８が破線矢印の方向に回転すると、第１ピストン部材２４の回転位置が維持されるため、燃焼室Ｃの容積が増加する。このとき、燃焼室Ｃは、第２ピストン部材２８が破線矢印の方向に回転する途中で、吸気管６と連通する。そのため、燃焼室Ｃの容積の増加とともに、吸気管６から混合気が燃焼室Ｃ内に吸入される。

図４に示される燃焼室Ｄでは、吸気管６から吸入された混合気が圧縮される圧縮行程となる。すなわち、燃焼室Ａでの燃料の燃焼によって、第２ピストン部材２８が破線矢印の方向に回転すると、第１ピストン部材２４の回転位置が維持されるため、燃焼室Ｄの容積が減少する。このとき、燃焼室Ｄは、吸気管６および排気管８のいずれにも連通していないため、燃焼室Ｄの容積の減少によって燃焼室Ｄ内の混合気が圧縮される。

そして、燃焼室Ｄ内の圧力が上昇することによって第１ピストン部材２４に時計回りの力が作用すると、第１ピストン部材２４が回転し、第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８との位置関係が入れ替わることとなる。

このようにして、燃焼室Ａ～Ｄのうちのいずれかで燃焼する毎に、第１ピストン部材２４と第２ピストン部材２８とが交互に回転することによって、エンジン２が動作する。燃焼室Ａ、燃焼室Ｂ、燃焼室Ｃおよび燃焼室Ｄ内において、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程からなるサイクルが繰り返される。

＜吸気管６の配置について＞
上述した通り、内部に燃焼室Ａ～Ｄが形成されるハウジング４には、吸気行程において燃焼室Ａ～Ｄに供給される気体が流れる吸気管６と、排気行程において燃焼室Ａ～Ｄからの排気が流れる排気管８とが接続されている。図５は、吸気管６の配置について説明する模式図である。以下、実施形態のエンジン２における、ハウジング４に対する吸気管６および排気管８の配置について説明する。

図５に示される第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８は、図４に示される配置から回転中心ＡＸを中心に略１８０°回転している。第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８の回転方向における排気管８の下流かつ吸気管６の上流の位置に、燃焼室Ａがある。燃焼室Ｂは吸気管６と連通しており、吸気管６から気体が燃焼室Ｂ内に吸入される。燃焼室Ｄは排気管８と連通しており、燃焼室Ｄ内の排気が排気管８に排出される。

ハウジング４には、点火プラグ４０が設けられている。エンジン２は、点火プラグ４０で発生する放電火花を用いて、圧縮された空気と燃料との混合気に点火する構成とされている。図５に示される点火プラグ４０は燃焼室Ｃに臨むように配置されている。点火プラグ４０は、燃焼室Ｃ内の燃料に点火する。これにより燃焼室Ｃ内の燃料が燃焼する。

図５に示される第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８は、エンジン２に供給される燃料および空気の混合気が圧縮されるときの圧縮比が、燃料の性状などの各種の条件に基づいて最適な値となるように、配置されている。図５に示される角度βは、圧縮比が最適な値となる運転条件において、燃料が燃焼する燃焼室（図５においては燃焼室Ｃ）の容積が最も小さくなり、したがって混合気が最も圧縮されるときに、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８が形成する角度である。

上述した通り、第１ピストン部材２４の２つの第１壁面部材２４ｂは、回転中心ＡＸについて互いに対称となる位置に配置されている。第２ピストン部材２８の２つの第２壁面部材２８ｂは、回転中心ＡＸについて互いに対称となる位置に配置されている。そのため、燃焼室Ｃを形成する第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８が形成する角度と、燃焼室Ａを形成する第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８が形成する角度とは等しい。

したがって図５に示されるように、排気行程を終えた後の燃焼室Ａを形成する第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８が形成する角度は、角度βである。

図５に示される角度αは、燃焼室Ａを形成する第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８のうち、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８の回転方向における燃焼室Ａの下流側にある第２ピストン部材２８と、回転中心ＡＸと吸気管６の回転方向上流端とを通る仮想直線と、が形成する角度である。

燃焼室Ａは、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８が角度βを形成する図５に示される状態では、吸気管６と非連通である。図５に示される状態から、第２ピストン部材２８が角度α分回転移動することで、燃焼室Ａが吸気管６と連通する。燃焼室Ａが吸気管６と連通した瞬間に燃焼室Ａ内の気体が吸気管６内に逆流する事態を確実に回避するには、吸気管６と非連通状態で燃焼室Ａの内圧を十分に下げた後に吸気管６から燃焼室Ａへ吸気するように構成すればよいことになる。より具体的には、燃焼室Ａが吸気管６と非連通から連通状態に切り替わるときの燃焼室Ａ内の気体の圧力が、吸気管６内の気体の圧力よりも低くなるように、吸気管６の配置を設定すればよい。

吸気管６の配置を適切に設定することにより、燃焼室Ａ内の気体の吸気管６への逆流を抑制することができる。燃焼室Ａが吸気管６と連通した瞬間に吸気管６から燃焼室Ａへの吸気が開始されるので、吸気効率を向上させることができる。燃焼室Ａへの吸入空気量が増加することにより、エンジン２の出力を向上することができ、したがってエンジン２の燃費を向上することができる。

なお、燃焼室Ａ内の気体の圧力は、図３に示される筒内センサ１０４により検出可能である。吸気管６内の気体の圧力は、図３に示される吸気センサ１０６により検出可能である。

上記の角度αは、排気行程において燃焼室Ａ～Ｄから排出される排気の圧力が最も高くなる運転条件で、設定することができる。排気の圧力が最も高くなる運転条件とは、エンジン２をあらゆる運転条件で運転した場合に、排気管８内の圧力をたとえば圧力センサで測り、その圧力が最大になるときの運転条件を意味する。エンジン２を各回転数における最大負荷で運転した中で排気圧力が最大となる回転数の運転条件が、排気圧力が最も高くなる運転条件である。

排気圧力が最も高くなる運転条件で求められた角度αよりも、実際の角度αが大きくなるように吸気管６の位置を決めることにより、燃焼室Ａが吸気管６と非連通から連通状態に切り替わるときの燃焼室Ａ内の気体の圧力を、吸気管６内の気体の圧力よりも確実に低くすることができる。

図６は、燃焼室の容積と燃焼室内の圧力との関係を示すグラフである。図６を参照して、角度βに対する角度αの望ましい数値範囲について説明する。

図６に示されるグラフは、圧力容積図（ＰＶ線図）であり、横軸は燃焼室の体積（容積）を示し、縦軸は燃焼室内の圧力を示す。体積Ｖａは、は、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８が角度βをなすときの燃焼室の容積を示す。圧力Ｐｏは、燃焼室の容積が体積Ｖａであるときの燃焼室内の気体の圧力を示す。圧力Ｐｏ、体積Ｖａとなる点を点Ｐ１とする。圧力Ｐｔは、吸気管６内の圧力を示す。本例においては、圧力Ｐｔは大気圧であり、圧力Ｐｏは圧力Ｐｔのｎ倍であるものとする。

図６中に実線で示されるグラフＧ１は、気体が等温変化する場合の圧力と体積との関係を示す。等温変化の場合、以下の式（１）が成り立つ。

圧力Ｐｏは圧力Ｐｔのｎ倍、すなわち

が成立する。点Ｐ１から等温変化して圧力Ｐｔまで膨張したとき（図６に示される点Ｐ２）の燃焼室の容積を体積Ｖｂとすると、式（１）より

が成立し、式（２）を式（３）に代入すると、

第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８の回転方向におけるハウジング４の断面積を一定とすると、燃焼室の容積は第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８がなす角度に比例する。角度βのとき燃焼室の容積は体積Ｖａであるので、結局、以下の式（６）（７）となる。

よって、燃焼室Ａの等温膨張を考慮すると、燃焼室Ａが吸気管６と非連通から連通状態に切り替わるときの燃焼室Ａの容積を体積Ｖａのｎ倍にすればよい。燃焼室Ａが体積Ｖａをとるときに第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８が角度βを形成しているので、燃焼室Ａの容積を体積Ｖａのｎ倍にするには、第２ピストン部材２８が回転移動する角度αを角度βの（ｎ－１）倍にすればよい。角度αを角度βの（ｎ－１）倍より大きくすることにより、燃焼室Ａが吸気管６と連通した瞬間の燃焼室Ａ内の圧力を吸気管６内の圧力よりも低くできることになる。

たとえば、圧力Ｐｏが圧力Ｐｔの３倍、すなわちｎ＝３である場合には、角度αを角度βの２倍より大きくすればよいことになる。

厳密には、第２ピストン部材２８の回転に伴って燃焼室Ａは断熱膨張し、燃焼室Ａの温度が下がることによる圧力低下も発生する。図６中に二点鎖線で示されるグラフＧ２は、気体が断熱変化する場合の圧力と体積との関係を示す。断熱変化の場合、以下の式（８）が成り立つ。

なおκは比熱比である。
点Ｐ１から断熱変化して圧力Ｐｔまで膨張したとき（図６に示される点Ｐ３）の燃焼室の容積を体積Ｖｃとすると、式（８）より

が成立し、式（２）を式（９）に代入すると、

そのため結局、以下の式（１２）（１３）（１４）となる。

よって、断熱膨張の効果で燃焼室Ａ内の温度が下がり圧力も下がる分、燃焼室Ａが吸気管６と非連通から連通状態に切り替わるときの燃焼室Ａの容積を体積Ｖａのｎ倍にまで大きくする必要はなく、燃焼室Ａの容積を体積Ｖａのｎ^１／κ倍にすればよい。すなわち、第２ピストン部材２８が回転移動する角度αを角度βの（ｎ－１）倍まで大きくする必要はなく、角度αを角度βの（ｎ^１／κ－１）倍にすればよい。角度αを角度βの（ｎ^１／κ－１）倍より大きくすることにより、燃焼室Ａが吸気管６と連通した瞬間の燃焼室Ａ内の圧力を吸気管６内の圧力よりも低くできることになる。

たとえば、圧力Ｐｏが圧力Ｐｔの３倍、すなわちｎ＝３であり、空気の比熱比κを１．４で一定とした場合には、角度αを角度βの１．２倍より大きくすればよいことになる。

さらに、燃焼室Ａ内の気体を冷却することで、角度αをさらに小さくすることができ、したがって燃焼室Ａ内の気体の圧力を低下させるための燃焼室Ａの容積変化をより小さくすることが可能である。

図６中に一点鎖線で示されるグラフＧ３は、上記の断熱膨張に、燃焼室を冷却する効果を追加した場合の関係を示す。つまり、図６において、グラフＧ３はグラフＧ２を横軸方向にマイナス側に平行移動したグラフである。グラフＧ３上における圧力Ｐｔのとき（図６に示される点Ｐ４）の燃焼室の容積を体積Ｖｄとし、冷却により燃焼室Ａ内の気体の体積が減少する効果を体積Ｖ_γ、角度γとすると、結局、以下の式（１５）（１６）となる。

よって、燃焼室Ａを冷却することで、燃焼室Ａ内の気体の温度がさらに下がり圧力もさらに下がることを考慮すると、角度αを角度βの（ｎ^１／κ－１）倍よりもさらに小さくしても、燃焼室Ａが吸気管６と連通した瞬間の燃焼室Ａ内の圧力を吸気管６内の圧力よりも低くできることになる。

燃焼室Ａを冷却する冷却部の例について説明する。冷却部は、排気行程を終えた後、吸気行程が開始されるまでの間の燃焼室を冷却するものであれば、ピストン部材が回転移動する角度αを小さくする効果を得ることができる。したがって、第１ピストン部材２４および第２ピストン部材２８の回転方向における、排気管８の下流かつ吸気管６の上流の位置に、燃焼室内の気体を冷却する冷却部を設ければよい。

図７は、冷却部の一例を示す模式図である。たとえば図７に示されるように、ハウジング４に、ハウジング４が外側へ突出したフィン４Ｆを設ける構成としてもよい。フィン４Ｆは複数設けられるのが好ましく、隣り合うフィン４Ｆ同士は所定の間隔を空けて配置されるのが好ましい。燃焼室Ａからフィン４Ｆへ熱が伝達され、フィン４Ｆで放熱されることにより、燃焼室Ａ内の気体を冷却する効果が得られる。したがって、ハウジング４が、冷却部として図７に示されるフィン４Ｆを有する構成としてもよい。

図８は、冷却部の他の例を示す模式図である。たとえば図８に示されるように、ハウジング４の外周面の近傍に、冷却回路５０を設ける構成としてもよい。冷却回路５０は、冷媒を循環させるポンプ５１と、熱交換器５２，５３を有している。燃焼室Ａから熱交換器５２へ熱が伝達され、熱交換器５３で放熱されることにより、燃焼室Ａ内の気体を冷却する効果が得られる。したがって、冷却部として図８に示される冷却回路５０が設けられる構成としてもよい。

図８に例示する冷却回路５０に替えて、圧縮機、蒸発器、膨張弁および凝縮器で構成される冷凍サイクルを設けてもよい。または、冷却回路５０に替えて、ペルチェ素子を設けてもよい。

上述した冷却部を設ける構成のほか、燃焼室Ａ内の容積を増大させるための減圧部を設ける構成としてもよい。この場合、燃焼室Ａ内の気体の圧力をさらに低下させることができ、燃焼室Ａ内の気体が断熱膨張する効果が高められることで、ピストン部材が回転移動する角度αを小さくすることが可能になる。

図９は、減圧部の一例を示す模式図である。たとえば図９に示されるように、ハウジング４は、燃焼室Ａの径方向外側の壁面を構成しているハウジング４の内周面が外側に突出するように窪んだ窪み部４Ｃを有してもよい。窪み部４Ｃを形成することで、燃焼室Ａの容積を増大することができるので、燃焼室Ａ内の気体の圧力を効率的に低下させる効果が得られ、角度αを小さくすることが可能になる。

図７，８に示される冷却部、および図９に示される減圧部は、いずれもハウジング４の径方向外側に設けられているが、この配置に限られるものではない。冷却部は、ハウジング４の軸方向端面から突出するフィンにより構成されてもよく、ハウジング４の軸方向端面の近傍に設けられた冷却回路により構成されてもよい。減圧部は、燃焼室Ａの軸方向の壁面のいずれか一方または両方が軸方向に突出するように窪んだ窪み部により構成されてもよい。

上記の説明では、角度αの下限値について述べたが、角度αは下限値よりも大きいのであれば、どのように設定してもよい。角度αを下限値よりも大きく設定することで、吸気管６と連通する前の燃焼室Ａ内の気体の温度および圧力をさらに低下することができ、吸気管６内の気体との圧力差を増大することができる。この場合、燃焼室Ａが吸気管６と非連通から連通状態に切り替わると同時に、多量の気体が燃焼室Ａ内に一気に吸入され、吸気管６内の気体を燃焼室Ａ内に迅速に吸入することが可能になる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２エンジン、４ハウジング、４Ｃ窪み部、４Ｆフィン、６吸気管、８排気管、１０インジェクタ、１６第１出力軸、１８第２出力軸、２４第１ピストン部材、２４ａ第１回転体、２４ｂ第１壁面部材、２４ｃ，２８ｃ斜面部分、２８第２ピストン部材、２８ａ第２回転体、２８ｂ第２壁面部材、４０点火プラグ、５０冷却回路、５１ポンプ、５２，５３熱交換器、１０４筒内センサ、１０６吸気センサ、１０８排気センサ、２００制御装置、２０１入力部、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ燃焼室、ＡＸ回転中心、Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３グラフ、Ｐｏ，Ｐｔ圧力、Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃ，Ｖｄ体積。

Claims

円筒形状のハウジングと、
前記ハウジング内に回転中心を中心に一方向に回転可能に支持される第１ピストン部材と、
前記ハウジング内に前記回転中心を中心に前記一方向に回転可能に支持される第２ピストン部材とを備え、
前記ハウジングの内周面、前記第１ピストン部材の回転方向の前方面および前記第２ピストン部材の回転方向の後方面は燃料を燃焼させるための第１燃焼室および第３燃焼室を形成し、前記ハウジングの内周面、前記第１ピストン部材の回転方向の後方面および前記第２ピストン部材の回転方向の前方面は燃料を燃焼させるための第２燃焼室および第４燃焼室を形成し、
前記第１燃焼室、前記第２燃焼室、前記第３燃焼室および前記第４燃焼室は前記一方向においてこの順に並び、前記第１燃焼室、前記第２燃焼室、前記第３燃焼室および前記第４燃焼室内において吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程からなるサイクルが繰り返される、内燃機関において、
前記吸気行程において前記第１燃焼室、前記第２燃焼室、前記第３燃焼室および前記第４燃焼室へ供給される空気が流れる吸気管をさらに備え、
前記第１～第４燃焼室が前記吸気管と非連通から連通状態に切り替わるときの前記第１～第４燃焼室内の気体の圧力が、前記吸気管内の気体の圧力よりも低く、
前記第１～第４燃焼室内において前記サイクルが繰り返されて前記第１ピストン部材と前記第２ピストン部材とが交互に回転する前記内燃機関の動作中に、前記第１～第４燃焼室のうち燃料を燃焼する燃焼室の容積が最も小さくなるときに、前記第１ピストン部材の幅の中心線および前記第２ピストン部材の幅の中心線が形成する角度をβとし、そのときの該燃焼室内の気体の圧力をＰｏとし、
前記第１ピストン部材および前記第２ピストン部材が角度βをなすときに前記排気行程を終えた後の燃焼室を形成する前記第１ピストン部材および前記第２ピストン部材のうち前記一方向における下流側にあるピストン部材の幅の中心線と、前記回転中心と前記吸気管の上流端とを通る直線と、が形成する角度をαとし、
前記吸気管内の気体の圧力をＰｔとし、
空気の比熱比をκとした場合に、

を満たす、内燃機関。
前記排気行程において前記第１燃焼室、前記第２燃焼室、前記第３燃焼室および前記第４燃焼室から排出される気体が流れる排気管をさらに備え、
前記一方向における前記排気管の下流かつ前記吸気管の上流の位置に、前記第１～第４燃焼室内の気体を冷却する冷却部を備える、請求項１に記載の内燃機関。
前記ハウジングは、前記一方向における前記排気管の下流かつ前記吸気管の上流の位置に、前記ハウジングが外側へ突出したフィンを有する、請求項２に記載の内燃機関。
前記排気行程において前記第１燃焼室、前記第２燃焼室、前記第３燃焼室および前記第４燃焼室から排出される気体が流れる排気管をさらに備え、
前記ハウジングは、前記一方向における前記排気管の下流かつ前記吸気管の上流の位置に、前記ハウジングの内周面が外側へ突出するように窪んだ窪み部を有する、請求項１～３のいずれか１項に記載の内燃機関。
前記角度αは、前記内燃機関を各回転数における最大負荷で運転した中で、前記排気行程において前記第１燃焼室、前記第２燃焼室、前記第３燃焼室および前記第４燃焼室から排出される排気の圧力が最も高くなる回転数の運転条件で設定されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の内燃機関。