JPH05501596A - 回転式流体発動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 回転式流体発動機 本発明は圧縮と膨張が異なる燃焼室で行なわれる回転式内燃機関に関する。

ＧＢ−Ａ−１５０５８５３（１９７８年３月３０日公開）は、先端を切られたサ イクロイド型の突出部を持ち相互に噛み合う歯車によって駆動される一対の相互 に噛み合うローターを持ち、該相互に噛み合うローターによって形成される燃焼 帯で混合気を圧縮する回転式発動機を開示している。この相互に噛み合うロータ ーはｌ対ｌの速度比で連結されたシャフト上に取り付けられる。この２つのロー ターの作用によって達成される圧縮／膨張は、完全行程容積を提供することはな く、ローター間に閉し込められるようにして残るチャージの容積は最小すきま容 積にまで減少する。圧縮、燃焼、膨張は同じシリンダー内で行なわれる。

ＤＥ−計３６２６０８４　（１９８７年３月１９日公開）は、圧縮、燃焼及び膨 張が異なる燃焼室内で行なわれる回転式発動機（図５）を開示している。圧縮部 と膨張部は本質的に同じ構造であるか、吸気ボートと排気ボートの位置が異なる 。それぞれはシリンダーの表面を拭う対向するシリンダ−ン（密封脈）を持つ一 対のローターを持つ。ローターにはベーンに隣接して切欠き部分が設けられてお り、両口−ターの接点近くでそれぞれ他のローターのベーンを受け入れるように なっている。各対の一方のローターでは、切欠きがあるために池の場合はロータ ーによって閉じられている吸気口（膨張部）又は排気口（圧縮部）を通って気体 が流れる。

図示した一つの実施例（図３）では、ローターには歯形が設けられているが相互 に噛み合う歯が圧縮室を形成するものではない。

ＧＢ−Ａ−１０９８８５４（１９６８年１月１０日公開’）　、ＧＢ−Ａ−１５ ７４５４９（１９８０年９月１０日公開）、ＵＳ−Ａ−３９０２４６５（１９８ ０年９月２日）及びＵＳ−Ａ−４４７６８２６（１９８４年１０月１６８）　ｌ ｅｔ全で、燃焼か圧縮室と膨張室の間に位置する別の燃焼室で行なわれる回転式 発動機について述へている。

ＵＳ−Ａ−３４７２４４５（１９６９年１０月１４日公開）及びＧＢ−Ａ−１３ ０４３９４（１９７３年１月２４Ｆり　＋！共に、ハウジング内に収められた相 互に噛み合う対向回転の突出部付きのローターを持つニアコンプレッサーを開示 している。ローターの突出部はハウジングの壁を撫でて主たる圧縮効果を提供す るか、ローター突出部の間で突出部の回転経路の一部に及ぶ部分に容積か徐々に 減少する過渡室が形成されて圧縮されたチャージを排気する。通常、各ローター は同数の突出部を持ち、同じ速度で回転する。しかし、ＵＳ−Ａ−３４７２４４ ５は、−個の突出部を持つより小さなローターと２個の突出部を持つより大きな ローターからなりそれらのローターが２＝１の回転速度比で回転する装置を図示 している（図ＸＸＩ）。ＧＢ−Ａ−１３０４３９４は異なる数の突出部且つ又は 異なる直径を持ち、突出部の数か異なる場合は、適当な変速比を使ってローター を適当な異なる速度で駆動する可能性について述へている。

内燃機関のコンプレッサ一部に要求される条件はニアコンプレッサーに要求され る条件とは非常に異なる。特に、コンプレッサ一部に予圧縮が実質的になく、チ ャージのデリバリ−（送り出いとレシート（受は入れ）か実質的に圧縮と同時に 開始することか望ましい。出願人／発明者の知るかぎり、ＵＳ−Ａ−３４７２４ ４５又はＣＢ−Ａ−１３０４３９４に開示されたような相互に噛み合う対向回転 の突出部付きのローターを内燃機関に用いる提案はこれまでなされていない。驚 くことに、そのような利用は本発明の目的とするエンジンの効率を実質的に改普 することがわかった。

本発明によれば、圧縮部と膨張部を別々に持ち、該圧縮部及び膨張部のそれぞれ に連絡する弁付きの吸気及び排気ポートを持つ燃焼室を持つ内燃機関であって、 該圧縮部及び膨張部の各々か、 第一軸の周りを回転することかでき周縁に曲面で境界を付けられた凹みを持つ第 一のローターと、 該第−のローターと反対方向に第二軸の周りを該第−軸に平行に回転することが でき、曲面で境界を付けられた半径方向の突出部を持つ第二のローターとからな り、 該ローターか互いに回転して相互に噛み合うに際し、容積か漸進的に増大する過 渡室（膨張部）又は漸進的に減少する過渡室（圧縮部）か該曲面の間に形成され 、 該曲面は、該凹みを該突出部か通過する間、該突出部の先端と該突出部の表面に 沿って進行する可動部の両方によって該凹みの表面か継続的に撫でられて該過渡 室を形成するように輪郭が描かれ、 第一と第二のローターは好ましくはそれぞれ共通の軸の周りを回転するように連 結されている回転装置であることを特徴とする内燃機関か提供される。

ローターは、既存の室の容積か最小となる構成又はその近くて、例えば面取り端 部又は溝によって流体と連絡するような形状になっていないかぎり、該連絡を可 能にするための流体連絡ボートを一方のローターに設ける。

通常、ローターは軸長に沿って半径方向の横断面か均一であり、該凹みと突出部 は軸方向に沿って直線的に又は螺旋状に伸びる。ローターは、相互に噛み合うロ ーター間に形成された過渡室の軸長の境界を定めるため凹みの各端部を閉じる静 止端壁内に軸受を付けて取り付けるのが適当である。しかし、凹みは第一のロー ターの軸端まで行かずに終了して該過渡室が凹みの端面によって境界を定められ るようにしてもよい。

突出部の先端と端部の両方又は一方にメカニカル・シールを設けてもよいか、通 常は制限された流体間隙を持つ適切な近接面を加工又は形成することて足りる。

　回転装置が圧縮部であるときは、ローターは膨張部のローターから駆動され、 過渡室の容積は突出部が凹みを通過するにしたがって減少する。空気はエンジン ・ハウジングから発生室に引き込み、続いて燃料を既存室に噴射または直接送出 ししてもよい。圧縮された流体の排気手段としては面取り溝又は通路を第一のロ ーター内に置くことか適当で、その排気手段は凹みと該ローターの端壁内の排気 ボートとを連絡する。凹み内の通路への吸気口の位置は通常、室の容積か最小に なるゾーンにあり、少なくとも実質的にその室か存在するかぎりその室からの流 体の流れを許す。

回転装置か膨張部であるときは、過渡室の容積は突出部か凹みを通過するにした かって増大し、ローターは既存室の流体圧力によって回転する。通常、この流体 は端壁内の吸気ボートと凹みとを連絡する第一のローターの面取り溝又は通路を 通って供給される。凹み内の通路への排気口の位置は通常、室の容積か最小にな るゾーンにあり、少なくとも実質的にその室か存在するかぎりその室からの流体 の流れを許す。

第一の凹みの付いたローターの回転速度は、第二の突出部付きのローターの速度 と比へて１：１より小さい整数の比率でより低いことか好ましい。

また、両口−ターはそれぞれ該速度比と同じ凹み対突出部の比率で等角に間隔を 取った凹みと突出部を持つことが望ましい。

現在特に好ましい実施例では、第一のローターは３つの等角に配置された凹みを 持ち、第二のローターは２つの正反対に配置された突出部を持ち、それらの回転 速度比は２．３とする。望むならば、２つ以上の第一の凹み付きローターを同一 の第二の突出部付きのローターと相互に噛み合わせるか、あるいは、２つ以上の 第二の突出部付きのローターを同一の第一の凹み付きローターと相互に噛み合わ せることができる。

回転装置は適当なタイミングで動作する弁を含み、利便性を考え、凹みは半径方 向にオフセットした、凹みの最大半径より小さな半径の排気ボートを持つことが できる。

場合により、圧縮を増大させる、又は膨張に対する仕事量をより大きくするため には、第一と第二のローターとそれぞれ同軸であり、それらと摺動シールを形成 する第一と第二のアーチ状の凹みを持つハウジング内にローターを収納してもよ い。この際、突出部が第一のローターの凹みを通過する前後の回転部分において ローターとハウジングの間に容積か漸進的に増減しローター間の最終室又は発生 室と連絡する第二の過渡室が形成される。

本発明の内燃機関はあらゆる種類の気体又は液体燃料を使っての運転に適用する ことができる。燃料は予め空気と混合することができ、混合気はコンプレッサ一 部で形成するかそこに投入してもよい。あるいは燃料は燃焼室内に直接噴射して もよい。火花で点火するエンジンの場合、点火装置は燃焼室内に配置される。

ディーゼル・エンジンのように圧縮点火するエンジンの場合、圧縮中の空気の流 れは噴射された燃料の流れと最適に混じり合うように適当な形状の吸気ボートに よって案内される。

以下の記述は、本発明の好ましい実施例を添付図面に基づいて例示するものであ る。添付図面の中で、 図１は、本発明の内燃機関の概略断面図であり、それぞれ本発明による回転装置 である圧縮部及び膨張部のローターのそれぞれの軸を通る面で切ったもの：図ム 、２ｂ及び２Ｃは、圧縮部の相互に作用するローターの直径方向の概略断面図で あり、それぞれがエンジンの圧縮サイクルにおける連続ステージを示す：図あ、 ３ｂ及び３Ｃは、膨張部の相互に作動するローターの直径方向の概略断面図であ り、それぞれかエンジンの膨張サイクルにおける連続ステージを示す二面４は、 燃焼室の一部を通る概略横断面であり、点火プラグを示す：図５は、図４の矢印 ′Ａ″の方向から見た燃焼室の吸気側を示す略図：図６は、図４の矢印“Ｂ“の 方向から見た燃焼室の排気側を示す略図：図７は、図２ａ、２ｂ及び２Ｃに対応 する図であり、圧縮ローターを囲むハウジングか圧縮サイクルにあるローターと 共に作用するように改造したものを示す：図８は、図７と同様の図であり、膨張 ローターを囲むハウジングが膨張サイクルにあるローターと共に作用するように 改造したものを示す。

図１にあるとおり、エンジンには一対の端壁ｌ及び２と、平行した中間壁３かス ペーサ・スリーブ４及び５並びに複数のボルト６及び７によって固定アセンブリ ーにしっかりと留められる。各端壁ｌ、２には転がり軸受８があり、中間壁３に は玉軸受９かあり、第一のシャフトｌＯと第一のシャフトに平行な第二のシャフ ト１１を支える。第一のシャフト１０は一方の端部にキー付きギア・ピニオン】 ２を持ち、第二のシャフト１１は同し端部にキー付きピニオン１３を持ち、これ ら２つのピニオン１２と１３は２．３の速度比で噛み合う。

シャフト■０と１１の各々はそれぞれキー付きの圧縮ローター１４ａ、＋４ｂ及 びキー付きの膨張ローター１５ａ、　１５ｂを支え、各々がそれぞれ壁ｌと３の 間及び壁２と３の間に実質的に気密のすべりばめを形成する。ハウジング（図示 されず）は圧縮ローターに沿って吸気室か、膨張ローターに沿って排気室か来る ようにアセンブリーに沿って配置する。

中間壁３内にその両面に連絡する燃焼室１６があるが、その形状の詳細は図４． ５及び６を参照しながら以下に説明する。

図２ａ、　２ｂ及び２Ｃを参照しながら、圧縮ローター！４ａＳ１４ｂ及び圧縮 行程について詳述する。図ムにおいて、突出部付きのローター１４ａはより速い ローター、凹み付きのローター１４ｂはより遅いローターである。これらのロー ターは互いに本発明の回転装置を構成する。ローター１４ａには半径方向の突出 部“Ｐ“及び”Ｑ“があるが、これらは同じ形状であり、ローター１４ｂの凹み ”Ｒ’　、＝Ｓ″及び“Ｔ”に嵌まり一緒に作動するようにコンピューターで形 状を決定される。

混合気、あるいは燃料噴射システムを使う際の空気だけのような気体作動流体を 、ローター１４ｂを囲むハウジング内に供給し、凹み”Ｒ”、”Ｓ′及び“Ｔ″ を満たす。圧縮サイクルは２つのローター１４ａと１４１２が図ムに示す位置に あるときに開始する。この位置では、作動流体のチャージはローターとローター の間に閉し込められ、ローター１４ａの先端１７とヒール１８にある限られた気 体の間隙からのみ逃げることか可能となる。ローターか［１Ｕ２ｂの位置に進行 するにつれてローターとローターとの間に閉じ込められた容積はローターの動き による排気活動によって減少し、凹み”Ｒ″の中でチャージの圧縮が始まる。作 動流体のチャージが圧縮されるにつれて、それはローター１４ｂ内の通路１９を 通って、内壁３に面するローターの端面に配置されたローター・ポート２０まで 運ばれる。圧縮行程の最初から最後まで、このローター・ポート２０は中間壁３ の中にある燃焼室１６の入りロポート２１と連絡する。

圧縮行程は、閉じ込められた容積が減少して２つのローターのそれぞれの部分の 間の間隙の容積だけになったときに図２０の位置で完了する。この位置では、ロ ーター・ポート２０の後縁は静止ボート２１の下端を通過し、燃焼室１６内の圧 縮されたチャージを閉じ込める。

この位置では、ローター１４ｂと中間壁３との間の気体間隙を通して限られた” リーク・バック′のみが可能となる。

燃焼室Ｉ６は他方の端部に送出しポート四を持つ。燃焼行程の開始から完了まで 、送出しポートρは以下に詳述するところの隣接する膨張ローター１５ａの側壁 によって閉鎖される。このように、燃焼行程の間、燃焼室の入りロボート２１と 送出しポートｎは両方ともそれぞれローター１４ａ及び＋５＆の隣接する端面に よって効果的に閉鎖され、この方法により、圧縮された流体のチャーンに熱か加 えられるか、その容積は燃焼行程の間、強制的に一定を維持される。混合気を使 う場合、点火は先端か燃焼室１６の内部に露出した点火プラグによって行なわれ る。圧縮点火を行なうエンジンの場合は火花慨火の代わりに熱点火の燃料噴射を 用いることかできることは内燃機関の当業者には明らかである。燃料の燃焼によ る熱の放出か燃焼室内にかなりの圧力上昇をもたらす。

図４．５及び６に示すように、中間壁３には円筒状の燃焼室１６があり、これに は凹み付き圧縮ローター１４ｂの出力ポートから導かれる入りロポート２１と、 凹み付き膨張ローター１５ｂの入りロボートから導かれる排気ポート２２か設け られている。中間壁３の中には先端か燃焼室内部に配置される一般的な点火プラ グ２３を受け入れるためのスペースか設けられている。

図お、３ｂ及び３ｃを参照しなから膨張ローター及び膨張行程について詳述する 。

図３ａにおいて、突出部付きのローター１５ａはより速いローター、凹み付きの ローター１５ｂはより遅いローターである。これらのローターはまた互いに本発 明の回転装置を構成する。ローター１５ａには半径方向の突出部“Ｕ”及び”Ｖ ”かあるか、これらは同じ形状であり、ローター１５ｂの凹み“ｒｌ“Ｘ”及び “ｒに嵌まり一緒に作動するようにコンピューターで形状を決定される。膨張行 程は２つのローターか図−の位置に達したときに開始する。この位置では、ポー ト２４の前縁は燃焼室１６の送出しポートηの上端を通過する。２つのローター １５ａ、　１５ｂのそれぞれの部分の間で形成される容積は、この時、燃焼後の 非常に高い圧力の下で流体を満たされた燃焼室１６と連絡する。２つのローター の間で形成される容積内の圧力のかかった流体はローターを図３ｂの位置まで回 転させ、膨張プロセスは継続し、結果的に両口−ターに力のモーメントがかかり 、これらのローターは同じ方向に回転を継続させられる。ローターは最終的に図 ３０の位置に到達し、そこでローターは流体を閉じ込める限界に達し、さらに回 転した後、排気ガスがローターの継続的な排気活動によって閉じ込めゾーンを離 れる。この後は次の膨張行程か始まるまでローターに新たなエネルギーが与えら れることはない。

２つのローターを使う積極排気の圧縮／膨張装置の目的は、閉じ込められた容積 （即ち過渡室）を得ることであり、この過渡室は最大値からはとんと七〇に近い 容積まで変化し、最小値は２つの相互作動ローターのそれぞれの部分の間の“気 体間隙”の幅によってのみ制限される。圧縮モードでは、この装置は、閉じ込め られた容積を１つのローターの突出部の前縁と他方のローターの凹みの表面全体 の最大長との間に形成する。両口−ターの回転か一体となって容積の排出か進行 するにつれて、閉じ込められた”接点′（即ち最小間隙）が、二次元横断面て見 たとき、突出部と凹みの端のそれぞれにある２点で維持される。これらの点の１ つは飛び出た突出部、即ちその先端（例ご図りの１７）に対して固定されたまま となる。その先端に対応する凹み付きローター上の閉じ込められた接点は凹み付 きローターの円周から心方向に漸進的に移動する。他の閉じ込められた接点は飛 び出した突出部の前線（例：図ムの１８）のヒール付近から始まる。回転が進行 するにつれて、この第二の接点は飛び出た突出部の前縁に沿って先端に向かって 漸進的に移動する。凹み付きローターの縁上の対応する閉じ込められた接点は凹 み付きローターの円周に向かってその前縁で移動を開始し、縁に沿って他の接点 に向かって漸進的に移動する。

完全な行程容積を発生させるため、閉じ込められた２点は圧縮行程を通じて漸進 的に互いに近くなるように移動し、これはこの２点が両口−ターに共通の曲面を 持つ短い残りの縁の部分において重なる又は同じ位置を占めるまで続く。

図７及び８は一つの変態を示し、ここでは圧縮部と膨張部のハウジングの作用は 入ってくる空気又は混合気及び出ていく排気ガスを閉じ込めるためだけではない 。この変態では、ハウジング５は２つのローターの回転運動の一部において、そ れらローターとの間隙が“滑るように”、即ち最小となるようにそれらと対にな るような形状をしている。図７は容積′Ｊ″の閉じ込めの開始を示しており、こ れは流体の容積がｍｈに示す突出部“Ｐ′と凹みＲ′の境界面との闇の容積にま で減少するまで回転が進行するにつれて減少し、全体としてより高い圧縮が得ら れる。図８は、図３０の突出部と凹みの間から最終的に逃げ出した排気ガスがス ペース“Ｋ″に閉じ込められたままであるため両口−ターが更にかなりの回転距 離を後にするまで膨張するガスからさらに仕事量を取り出し、その後、ガスがハ ウジングの残りの部分に放出されることを示している。両口−ターの相互作用の 構造と方法、及び燃焼室の配置等は前掲の図で説明したとおりである。

図ｋ、２ｂ及び２Ｃの相互作用のローター１４ａ、１４ｂ１並びに中間壁３及び その室１６と上述のハウジングは、圧縮器として作用するため、必ずしも内燃機 関に含まなくとも圧縮器として又はボンピング機能を利用するために使うことが できる。

同様に、図舞、３ｂ及び３ｃの相互作用のローター１５ａＳ１５ｂ並びに中間壁 ３及びその室１６と上述のハウジングは、流体駆動の原動機として作用するため 、必ずしも内燃機関に含まなくともその駆動機能を利用するために使うことがで きる。

本発明は図面を参照しつつ上で特に説明した場合に限るわけではなく、以下の特 許請求範囲に示すように様々な変態やバリエーションを作ることか可能である。

例えば、ローター内の通路（例：１９）の代わりに凹み内の相当する面取り溝を 用いることができる。一般的に、このような溝はそれが取って代わる通路より短 く、したがって、回転装置内のデッド・スペースをかなり減少させる。

補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の８） 平成４年５月６日　曜

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．圧縮部と膨張部を別々に持ち、該圧縮部及び膨張部のそれぞれに連絡する弁 付きの吸気及び排気ポートを持つ燃焼室を持つ内燃機関であって、該圧縮部及び 膨張部の各々が、 第一軸の周りを回転することができ周縁に曲面で境界を付けられた凹みを持つ第 一のローターと、 該第一のローターと反対方向に第二軸の周りを該第一軸に平行に回転することが でき、曲面で境界を付けられた半径方向の突出部を持つ第二のローターとからな り、 該ローターが互いに回転して相互に噛み合うに際し、容積が漸進的に増大する過 渡室（膨張部）又は漸進的に減少する過渡室（圧縮部）が該曲面の間に形成され 、 該曲面は、該凹みを該突出部が通過する間、該突出部の先端と該突出部の表面に 沿って進行する可動部の両方によって該凹みの表面が継続的に撫でられて該過渡 室を形成するように輪郭が描かれ、 第一と第二のローターは好ましくはそれぞれ共通の軸の周りを回転するように連 結されている回転装置であることを特徴とする内燃機関。
2. ２．該ローターはそれぞれ共通の軸の周りを回転する請求項第１項記載のエンジ ン。
3. ３．ローターは軸長に沿って半径方向の横断面が均一である請求項第１項記載の エンジン。
4. ４．該凹み及び突出部は軸方向に直線的に伸びる請求項第３項記載のエンジン。
5. ５．該凹み及び突出部は軸方向に螺旋状に伸びる請求項第３項記載のエンジン。
6. ６．装置の第一の凹みの付いたローターの回転速度は、第二の突出部付きのロー ターの速度と比べて１：１より小さい整数の比率でより低い請求項第１項記載の エンジン。
7. ７．両ローターはそれぞれ該速度比と同じ凹み対突出部の比率で等角に間隔を取 った凹みと突出部を持つ請求項第１項記載のエンジン。
8. ８．第一のローターは３つの等角に配置した凹みを持ち、第二のローターは対向 して配置した２つの突出部を持ち、それらの速度比が２：３である請求項第７項 記載のエンジン。
9. ９．２つ以上の該第二の突出部付きローターが同一の第一の凹み付きローターと 相互に噛み合う請求項第１項記載のエンジン。
10. １０．凹みには半径方向にオフセットされた排気ポートが設けられた請求項第１ 項記載のエンジン。
11. １１．第一と第二のローターとそれぞれ同軸であり、それらと摺動シールを形成 する第一と第二のアーチ伏の凹みを持つハウジング内にローターを収納し、その 際、突出部が第一のローターの通路を通適する前後の回転部分においてローター とハウジングの間に容積が漸進的に増減しローター間の最終室又は発生室と連絡 する第二の過渡室が形成される請求項第１項記載のエンジン。