JPH05503334A - ロータリ型の内燃機関 - 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】 本発明は、相互にかみ合うロータを有する内燃機関に関する。

背景技術 ピストン及びシリンダの代わりにロータリ要素を有するエンジンを製造するため に、過去に多くの試みが行われて来た。理論的には、ロータリエンジンは、同一 のパワーの往復動型のピストンエンジンよりも、より小さくかつより軽くするこ とができる。ロータリエンジンはまた、より少ない部品から形成することができ 、これにより、製造コスト及びメンテナンスコストが低減される。

相互にかみ合うロータを有する周知のエンジンは、連続的な燃焼エンジンとして 構成することができ、そのようなエンジンにおいては、コンプレッサが圧縮され た空気／燃料混合気の連続的な流れを燃焼室に供給し、この燃焼室においては、 上記混合気に一定圧力で熱が加えられ、これにより増大した容積の熱いガスが生 ずる。熱いガスは次に、エキスパンダに導入されて機械仕事を生ずる。コンプレ ッサ及びエキスパンダは、内部圧縮を行わないルーツ型すなわちギア型のもの、 あるいはりショルム型すなわちスクリュウ型のものとすることができ、また、単 段のあるいは多段の圧縮及び膨張を含むことができる。

このタイプのロータリエンジンは、エンジンが低い最高温度及び低い圧縮比で作 動することで知られているように、低い熱効率を特徴としている。ロータリエン ジンはまた、許容できる全圧縮比を得るために複合する圧縮及び膨張段階を必要 とするので、そのパワー出力の割には嵩張りかつ重量がある。

このタイプのエンジンの例は、ソーダー（Ｓａｕｄｅｒ）の米国特許第３．　７ ２４゜４５７号及びリードル（Ｒｉｅｄｌ）の米国特許第４，０１２，９０３号 に開示されの中に設けられた一対のロータが作動室を形成し、これら作動室は、 その容積を変化させて作動流体の圧縮及び膨張を生ぜしめる。上記作動流体は最 初に最小容積まで圧縮され、次に点火されて高温のガスに変換され、この高温の ガスが作動室を膨張させて機械仕事を発生する。

このタイプのエンジンは、排気ガスの積極的な排除を提供せず、またそのロータ の回転に固有の吸気段階において積極的な吸引も提供しない。従って、燃焼ガス を排除しまた作動室に新鮮な混合気を充填するために、外部の掃気手段を必要と するであろう。このエンジンの他の問題点は、掃気流体による燃料のロスを避け るための燃料計量装置が精巧であり、また最大パワーよりも低いパワーで運転す る時にエンジン出力の制御が困難なことである。

このタイプのエンジンの例は、ニルラン外（Ｎｉｌｓｓｏｎ　ｅｔ　ａｌ、　） の米国特許第３゜９７３．５２７号及びハブスバーグーロスリンゲン（Ｈａｂｓ ｂｕｒｇ−Ｌｏｔｈｒｉｎｇｅｎ）の米国特許第４．００３．３４９号に開示さ れている。

発明の開示 本発明によれば、エンジンすなわち機関は、隔置された端部！を有し平行で重な った第１及び第２の円形の室を有するロークリコンプレッサと、前記室の中に設 けられると共に複数のローブを有し、これらローブには、ローブが重なった室の 部分の中にある時にシールされかつ転勤式に係合する湾曲したフランク面が設け られている第１及び第２のロータと、上記コンプレッサの端部壁に設けられた排 気ポートと、隔置された端部壁を有し平行で重なった第３及び第４の円形の室を 有するロータリエキスパンダ機構とを備え、上記第１及び第３の室は軸方向にお いて整合され、また上記第２及び第４の室が軸方向において整合されており、上 記第３及び第４のロータは、上記第３及び第４の室に設けられると共に、上記ロ ーブが上記室の重なった部分の中にある時にシールされた転勤式の係合を行う湾 曲したフランク面を有する複数のローブを備えており、また該エンジンは、燃焼 室からの加圧されたガスを受け入れるために上記エキスパンダの端部壁の一方に 設けられたガス吸気ポートと、コンプレッサ機構とエキスパンダ機構との間の燃 焼室とを備えている。

本発明の目的は、従来技術の装置の上述の欠点を解消するロータリ型の内燃機関 を提供することである。

コンパクトであり、より少ない可動部分を有し、これにより製造コスト及びメン テナンスコストを低減するエンジンを提供することも本発明の目的である。

本発明の他の目的は、高い熱効率を有するエンジンを提供することである。熱効 率の向上は、ピストンエンジンの圧縮比に比肩し得る圧縮比を有するエンジンを 提供し、また、エキスパンダ内でのガスの完全な膨張を促進し、更に、エンジン ケーシング及びロータの液体冷却を提供し、これにより、最高温度における安全 な作動を可能とすることにより達成することができる。

本発明の更に別の目的は、定容積型のロークリエンジンであって、該エンジンの 別個の部分で同時に生ずる圧縮段階、加熱段階及び膨張段階を有し、熱が定容積 で付与され、これにより最大圧力を生じて高い熱効率を与えるロータリエンジン を提供することである。

本発明の他の目的及びより特定の目的は、好ましい実施例に関する以下の記載及 び請求の範囲を添付の図面と併せて読むことにより明らかとなろう。

図面の簡単な説明 図１は、本発明のロータリ型の内燃機関の好ましい実施例の斜視図である。

図２は、本発明のロータリ型の内燃機関の好ましい実施例を図１の線２−２に沿 って示す長手方向の断面図である。

図３は、図２のロータリ型の内燃機関を図２の線３−３に沿って示す断面図であ る。

図４は、図２のロータリ型の内燃機関を図２の線４−４に沿って示す断面図であ る。

図５は、図２のロータリ型の内燃機関を図２の線５−５に沿って示す断面図であ る。

図６は、図２のロータリ型の内燃機関を図２の線６−６に沿って示す部分的な断 面図である。

図７は、連続的に回転する弁部材を用いた本発明の弁装室の代替的な形態を示す 断面図である。

図８は、本発明と共に用いられるロータ構造の他の形態を示す断面図である。

図９は、本発明の代替的なコンプレッサのロータ構造の組の他の形態を示す断面 図である。

図１Ｏは、本発明の雄型及び雌型のロータの構造の他の形態を示す断面図である 。

図１１は、本発明の雄型及び雌型のロータの構造の別の形態を示す断面図である 。

図４２は、本発明のロータの他の形態を示す断面図である。

本発明を実施するための最良の態様 図面を参照すると、図１及び図５は、本発明のロータリ型の内燃機関の好ましい 実施例を示しており、このロータリ型の内燃機関は、ロータリコンプレッサ及び ロータリエキスパンダを備えている。ロータリコンプレッサはケーシング１を備 えており、このケーシングは、平行な軸線を有し重なっている円筒形のチャンバ と、空気を吸入するための吸気ボート４と、燃焼室に連通ずる高温排出ボート３ ３とを有している。ボート３３は、２つのチャンバの中心を通る平面にあるコン プレッサの端壁部に設けられている。マルチローブ型（複数の突出部を有する形 状）の第１及び第２のロータ１２．２２がコンプレッサのハウジングの中に回転 可能に設けられている。雄型のロータ２２は、凸面状のフランクを有する複数の ローブ（突起部）を備えており、また雌型のロータ１２は、雄型のロータのロー ブの数よりも多い数の溝すなわち空所を有している。ロータ１２に溝を形成する ローブは、図示のように凹面状のフランクを有している。

コンプレッサのロータ１２および２２は図２に断面で示すように、直線的なロー ブ及び溝を有することができるが、最大３６０’の巻き角度を有する螺旋状のロ ーブ及び溝を備えた代替的なロータ、又は、図３のローブ及び溝とは異なる数の ローブ及び溝あるいは異なる輪郭のローブを備えたロータも効率的に用いること ができる。それぞれ異なった数のローブ及び溝すなわち空所を有する他の形態の ロータが図８乃至図１２に示されており、これらのロータは、単に例を挙げる目 的で開示するのであって釘等限定する意図はない。本発明のコンプレッサの重要 な特徴は、その圧縮比が、その排気ポート３３の位置、及び弁３１が開放するタ イミングに実質的に依存することである。螺旋状のロータは必ずしも高い圧縮比 を達成するものではない。

ロータリエキスパンダ（図２及び図４）はケーシング１を備えており、このケー シングは、平行な軸線を有し重なっている一対の円筒形のチャンバを有している 。高圧吸気ボート３４がエキスパンダの端壁部に設けられており、このボートは 燃焼室に連通している。排気ガスは排気ポート７を通過する。ボート３４は、ボ ート３３（図６）とほぼ軸に対して整列されている。マルチローブ型の第３及び 第４のロータ１２．２３がエキスパンダのケーシングに回転可能に装着されてい る。

雄型のロータ２３には、凹面状のフランクを有する多数のローブが設けられてお り、また、雌型のロータ１３は、雄型のロータのローブの数よりも大きな数の溝 すなわち空所を有している。ロータ１３に溝を形成するローブは凹面状のフラン クを有している。

エキスパンダ及びコンプレッサは構造的には同様であり、コンプレッサに関する 上の説明はエキスパンダのロータに応用することができる。

ロータのローブ、及び溝すなわち空所は、図３、図８、図１０及び図１１に示す ように、各々非対称であるのが好ましい。

図２に示すように、エキスパンダの容積をコンプレッサの容積よりも大きくし、 これによりガスの完全な膨張を可能とすることができ、エキスパンダはコンプレ ッサよりも大きな軸方向の長さを有しており、従ってより大きな容積を有する。

燃焼室３０は、コンプレッサとエキスパンダとの間に設けられている。室３゜は 、高圧の排気ポート３３及び吸気ボート３４を介して、コンプレッサ及びエキス パンダにそれぞれ連通している。

弁３１．３２がコンプレッサの排気ポート３３及びエキスパンダの吸気ボート３ ４にそれぞれ設けられ、流体の流れを制御している。各々の弁は、その軸線の周 囲で回転可能な円筒形の部分から構成することができる。これらの弁は、図７の 実施例のように連続的に回転することができる。各々の弁は、ロータリシャフト に係合する適宜な手段により駆動することができる。図６の実施例においては、 通常のカム装置（図示せず）あるいは他の手段を用い、それぞれの弁部分を開位 置及び閉位置の間で反対の回転方向に動かすことができ、各々の弁はバネ手段に よって閉位置に向けて押圧されている。図６は、弁３１が閉位置にあり、また弁 ３２が開位置にある状態を示している。

同期する２つの歯車１４．２４がロータの軸に堅固に固定され、雄型及び雌型の ロータを相互にかみ合った関係に維持している。

燃焼室内の圧縮された空気／燃料混合物を点火するための点火手段が、スパーク プラグの形態で図６に示されている。気化手段Ｃ（図３）を吸気ポート４に設け 、エンジンに供給される空気への燃料を調節することができる。

図１乃至図５に示す本発明の好ましい実施例においては、コンプレッサ及びエキ スパンダは等しい直径を有し、共通のケーシング内で端部同士を同軸状に配置し 、それぞれの当接する端部を、燃焼室３０及び弁手段３１．３２を包囲すること ができる分離壁部構造で分離することができる。コンプレッサ及びエキスパンダ のロータは、コンプレッサ及びエキスパンダのチャンバを貫通することができる ２つの共通な軸に堅固に装着することができ、上記２つの軸は、エンジンの端壁 部に設けられたベアリング１５．２５によって支持することができる。コンプレ ッサ及びエキスパンダの雄型のロータ２２．２３は一方の軸２１に取り付けるこ とができ、また雌型のロータ１２．１３は他方の軸１１に取り付けることができ る。エキスパンダのロータ１３．２３は同様の形状を有しており、これらロータ の形状は、コンプレッサの対応するロータ１２．２２の断面と鏡像関係にあり、 それらの特徴部すなわち部分は反転した状態で配列されており、これにより、共 通の軸に取り付けらねたそれぞれのロータが同一の方向に回転している時に、コ ンプレッサは一連の減少する容積のチャンバを生じ、またエキスパンダは一連の 膨張チャンバを生ずることができる。

図３乃至図５に最もよく示す同じ好ましい実施例において、エンジンのケーシン グには水ジャケットが設けられており、また、ロータ及びロータの軸は、液体冷 却系を受け入れることができるように中空であって、これにより、高温における エンジンの作動を安全にすると共に、各要素の熱膨張及び燃焼ガスの漏洩を極力 小さくしている。

このエンジンの作用は以下の通りである。

コンプレッサのロータが最初に回転することにより、吸気ポート４を介して空気 ／燃料混合気が吸引され、ロータのフランクとケーシングの間で包囲された圧縮 チャンバ１６．２６を充満させる。ロータが回転すると、対をなす圧縮チャンバ １６．２６が互いに向かって移動し、１つのチャンバに組合わされて容積が更に 減少され、空気／燃料混合気を圧縮する。２つのロータの先端が合致する位置を 越えると、合流した圧縮チャンバは雄型のロータの先行するフランク及び雌型の ロータの先行するフランクにより輪郭を形成され、その断面は、コンプレッサの 中心に向かって寸法が三日月状に減少する形状を取る。ローブ、及び溝すなわち 空所の形状が非対称であり、またかみ合うロータの回転速度が異なる（それぞれ の回転速度は、それぞれのロータの空所の数に対するローブの数の比の逆数であ る）ために、三日月状の断面の減少した容積はほぼゼロになる。圧縮段階の終端 において空気／燃料混合気が所定の圧縮比に達すると、分離壁部に設けられたコ ンプレッサの排気ポート３３が回転する雌型のロータ１２により開放され、弁３ １が開き、圧縮チャンバが燃焼室３０に連通する。ロータが引き続き回転するこ とにより、圧縮チャンバの容積が減少してゼロになるまで、圧縮された混合気が 燃焼室の中へ排出される。この時点において、排気ポート３３は雄型のロータ２ ２により覆われ、弁３１が閉じる。

弁３１．３２が閉止状態にあると、燃焼室は圧縮された空気／燃料混合気が充填 された閉止されたチャンバを形成し、次に混合気が点火されて高圧のガスに変換 する。

エキスパンダ側においては、膨張チャンバが、回転するロータ１３．２３によっ て吸気ポート３４へ移動する。エキスパンダの吸気ポート３４は回転する雄型の ロータ２３によって覆われてはおらず、また弁３２が開放位置へ戻され、これに より燃焼室は膨張チャンバに連通ずる。これにより、高圧のガスが膨張チャンバ に流入して該チャンバを膨張させ、エキスパンダのロータ１３．２３の回転によ り機械仕事を生ずることを可能とする。

燃焼室からの高圧ガスの排出は、雄型のロータ１３が吸気ポート３４を覆いまた 弁３２が閉止した時に終了する。燃焼室は、コンプレッサ及びエキスパンダの適 正なタイミングにより掃気することができ、これにより、次の新しい混合気が燃 焼室に導入され、吸気ポートが閉じる前に総ての燃焼ガスがエキスパンダの中に 押し込まれる。

吸気ポート３４が閉じた後に、膨張チャンバは、２つのチャンバ１７．２７に分 割されるまで、ガスの圧力の作用により引き続き膨張する。大気圧まで膨張して いない燃焼ガスは、排気ポート７へ移動して大気に排出される。

上述のサイクルは、各対の圧縮チャンバ及び膨張チャンバについて繰り返され、 ４つのローブを有する雄型のロータの完全な１回転に対して４つのパワー・スト ロークをまた６つの溝を有する雌型のロータの完全な１回転に対して６つのパワ ー・ストロークを生ずる。

構成部品及び作動の方法に関する上記説明により、本発明は、ロータリコンプレ ッサが空気／燃料混合気を燃焼室へ連続的かつ別個に供給し、該燃焼室において 上記混合気に定容積で熱を加え、これにより混合気を高圧ガスに変換し、その後 高圧ガスがエキスパンダの一連の膨張チャンバに移送されて機械仕事を生ずるエ ンジンの概念を定義するものである。

本発明の一実施例のみを例示として図示しかつ説明したが、当業者は、添付の請 求の範囲に述べる本発明の精神及び範囲から逸脱することな（、上に説明した本 発明に対して構造的な細部及び設計に関する多くの変更を行うことができる。

ＦＩＧ、３　ＦＩＧ、４ ＦＩＧ、　５　ＦＩＧ、８ ＦＩＧ、９　ＦＩＧ、　１０ 国際調査報告

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．内燃機関において、 ロータリコンプレッサ機構と、 ロータリエキスパンダ機構と、 前記コンプレッサ機構と前記エキスバンダ機構の間に設けられる燃焼室手段とを 備え、 前記ロータリコンプレッサ機構は、 軸方向に隔置された端部壁を有し平行で重なった第１及び第２の円形の室と、複 数のローブを有し前記室の中に設けられる第１及び第２のロータであって、前記 ローブは、これらローブが前記２つの室の重なった部分の中にある時に、シール された関係で回転式に係合する湾曲したフランク面を有し、これにより、ロープ が２つの室の重なった部分を経て移動する間に、前記フランク面が空気を捕捉し て圧縮するようになされた、前記第１及び第２のロータと、前記コンプレッサの 一方の端壁部に画成され、重なった室の中心を通る仮想平面の領域に配設された コンプレッサの排気ポートと、前記コンプレッサの排気ポートと協働してガスを 燃焼室へ排出する手段とを備え＾ 前記ロータリエキスバンダ機構は、 軸方向に隔置された端部壁を有し平行で重なった第３及び第４の円形の室であっ て、前記第３の室が前記第１の室に軸方向において整合され、また前記第４の室 が前記第２の室に軸方向において整合されている、前記第３及び第４の室と、該 エキスパンダ機構の端部壁の一方に画成され、前記第３及び第４の室の中心を通 る仮想平面の領域に配設された加圧ガス吸気ポートと、前記ガス吸気ボートと協 働して燃焼室からの加圧ガスを受け入れる手段と、複数のローブを有し前記第３ 及び第４の室の中に設けられる第３及び第４のロータであって、前記ロープは、 これらローブが前記関連する室の重なった部分の中にある時に、シールされた関 係で回転式に係合する湾曲したフランク面を有し、これにより、前記フランク面 が減圧されてガスを排出し、これと同時に該第３及び第４のロータに機械的な動 力を与えるようになされた、前記第３及び第４のロータとを備え、 これにより、圧縮された空気が前記コンプレッサの排気ポートを介して前記燃焼 室へ供給され、また加圧されたガスが前記燃焼室から前記加圧ガス吸気ポートを 介してエキスパンダ機構へ供給されることを特徴とする、前記内燃機関。
2. ２．請求項１の機関において、 前記第１及び第２のコンプレッサのロータは、前記第３及び第４のロータの断面 形状とそれぞれ鏡像関係にある断面形状を有することを特徴とする、内燃機関。
3. ３．請求項１の機関において、 前記第１及び第３のロータ用の共通のサポート軸と、前記第２及び第４のロータ 用の共通のサポート軸とを更に備えることを特徴とする、内燃機関。
4. ４．請求項３の機関において、 前記第１及び第２のコンプレッサのロータは、前記第３及び第４のロータの断面 形状とそれぞれ鏡像関係にある断面形状を有することを特徴とする、内燃機関。
5. ５．請求項３の機関において、 前記第１及び第３のロータは、非対称の形状を有する複数の空所を画成する凹面 状の複数のフランク面を有する雌型のロータであり、前記第２及び第４のロータ は、非対称の形状を有する複数のローブを画成する凸面状の複数のフランク面を 有する雄型のロータであることを特徴とする、内燃機関。
6. ６．請求項５の機関において、 前記第１及び第３のロータは、前記第２及び第４のロータよりも多い数のローブ を有することを特徴とする、内燃機関。
7. ７．請求項６の機関において、 前記第１及び第３のロータは６つのローブを有し、前記第２及び第４のローブは ４つのローブを有することを特徴とする、内燃機関。
8. ８．請求項６の機関において、 前記第１及び第３のロータは５つのローブを有し、前記第２及び第４のローブは ３つのローブを有することを特徴とする、内燃機関。
9. ９．請求項６の機関において、 前記第１及び第３のロータは３つのローブを有し、前記第２及び第４のローブは ２つのロープを有することを特徴とする、内燃機関。
10. １０．請求項６の機関において、 前記第１及び第３のロータは４つのローブを有し、前記第２及び第４のローブは ３つのローブを有することを特徴とする、内燃機関。
11. １１．請求項６の機関において、 前記第１及び第３のロータは５つのロープを有し、前記第２及び第４のロータは ４つのロープを有することを特徴とする、内燃機関。
12. １２．請求項６の機関において、 前記第１及び第３のロータは７つのローブを有し、前記第２及び第４のロータは ５つのロープを有することを特徴とする、内燃機関。
13. １３．請求項１の機関において、 前記排気ポートと協動する手段は、燃焼室の一端部のコンプレッサの排気ポート に関連する第１の弁を備え、 前記吸気ボートと協動する手段は、燃焼室の他端部の加圧ガス吸気ポートに関連 する第２の弁を備えることを特徴とする、内燃機関。
14. １４．請求項１３の機関において、 前記弁は、ほぼ円筒形の弁部材を備え、これら弁部材はそれぞれの軸線上で開位 置及び閉位置の間で回転可能であることを特徴とする、内燃機関。
15. １５．請求項１３の機関において、 前記弁は円筒形の弁部材を備え、各々の弁部材はその軸線の周囲で連続的に回転 可能であることを特徴とする、内燃機関。
16. １６．請求項１３の機関において、 前記弁は円筒形の弁部材を備え、各々の弁部材はその軸線の周囲で開位置及び閉 位置の間で反対方向に回転可能であることを特徴とする、内燃機関。
17. １７．請求項１の機関において、 液体の冷却剤を循環させるための中空のロータ及びロータ軸を具備する冷却装置 を更に備えることを特徴とする、内燃機関。
18. １８．請求項１の機関において、 前記第１のロータのローブ及び前記第２のロータのローブは、転動しながら相互 にかみ合い、最もかみ合った時点で両方のローブの間に画成される圧縮チャンバ の中のガスを圧縮し、これにより核チャンバの容積をほぼゼロにするような形状 及び配置になされることを特徴とする、内燃機関。
19. １９．請求項２の機関において、 前記第１のロータのロープ及び前記第２のロータのローブは、軸動しながら相互 にかみ合い、最もかみ合った時点で両方のローブの間に画成される圧縮チャンバ の中のガスを圧縮し、これにより該チャンバの容積をほぼゼロにするような形状 及び配置になされることを特徴とする、内燃機関。
20. ２０．請求項５の機関において、 前記第１のロータのロープ及び前記第２のロータのローブは、転動しながら相互 にかみ合い、最もかみ合った時点で両方のローブの間に画成される圧縮チャンバ の中のガスを圧縮し、これにより該チャンバの容積をほぼゼロにするような形状 及び配置になされることを特徴とする、内燃機関。