【発明の詳細な説明】
内燃機関
本発明は四工程(four-stroke)原理に基づいて作動する内燃機関に関する。
あらゆる面で技術的進歩が見られるにも拘わらず、非レール式路上走行車(non
-rail-bound road vehicles)を駆動させるものとして最も広く用いられている内
燃機関は、四工程クランク軸ピストンエンジン、特にオットー及びディーゼルエ
ンジンであることは長年知られている。無論これらのエンジンは相当長い年月を
経て改良されてきたものであるが、原理的に解消することが極めて困難あるいは
不可能なくつかの不利な面を含んでいる。オットー(サイクル)機関は下記の不
都合点を有していると言える。すなわち、等圧縮・膨張比によるかなり低い理論
効率;ピストンが上死点に至る前に混合気に点火することによる相当に低い品質
効率;圧縮と膨張とがピストンの一方側で生じるために大きな熱交換が生じ、こ
れにより熱及びエネルギーの大きな損失が生ずることによる相当に低い品質効率
;付加が減少しても摩擦損失が変わらないことによる、低負荷時における低い機
械的効率;及び、各シリンダを分離することが難しく、かつ電気モータとオット
ー機関とを組み合わせることも難しい、といったことである。
バンケル機関はかかるオットー機関のいくつかの欠点、特にピストンの往復運
動に係る欠点、及び弁機構に係る欠点を解消しようとしたものであったが、この
機関もオットー機関に取って代わることはできなかった。
本発明の目的は、上記欠点を排除あるいは少なくとも実質的に減少させる新規
な内燃機関を提供することである。
上記目的を達成するため、本発明は、四工程原理に従って作動する内燃機関を
提案するもので、該内燃機関は、内部にロータスペースを有したハウジングと;
好ましくは前記ロータスペース内の周囲に均等に分離して形成された少なくとも
一対の燃焼室と;前記ロータ室のロータ軸周りを実際に回転するロータであり、
非円形とされ、かつ好ましくは周方向に離れた少なくとも二つのカムを備えたロ
ータと;前記ロータの周囲に設けられ、該ロータと前記ロータスペースとの間を
シールするシール手段と;前記燃焼室と連通される吸気ダクト及び排気ダクトと
;前記ロータの前記カムと共働して、前記ロータと前記ハウジングとの間を、燃
焼室の各対に対して四つに変化する室に分離し、それら各室において四工程プロ
セスの四つの工程が生じるようにする弁手段と;を備えて成る。
該内燃機関の優位点として次のことを挙げることができる:
− ロータは回転運動をして壁面に支持されるものではないので、摩擦損失は
最小限のものとなる。ベアリングの内部における摩擦損失以外で生ずる摩擦損失
は、必要なシール及びその動き、並びに弁手段の動きによる摩擦損失のみである
。
− 設計段階で、ロータのカムの周方向幅を選択することによりロータの角回
転を規定し、その回転の間に、燃焼室内でピストンあるいはロータを押し戻すこ
とによる負の仕事を生じることなく点火及び圧力発生が生ずる定常上死点条件(s
tationary UDC-condition)がより大きく又は小さく生成されるように設定す
ることができる。
− 弁手段を上方位置にロックすることによりロータの燃焼サイクルを断つこ
とが可能であり、この場合ロータはフライホイールとしてのみ回転するものとな
る。その際、ガス力がなければシールの摩擦抵抗のみが機械的損失として残留す
るが、それらは最小限のものである。シールがブランク接触シールである場合に
は、シールには摩擦抵抗は一切生じない。
− 弁手段の作動によるタイミングが如何なる回転速度であっても常に最適と
なるため、ガスの掃気は最適なものである。燃焼室でガスの流入/流出が生じる
必要がなく、吸入ガスと排出ガスとの接触が回避される(弁のオーバーラップ、
バックファイヤは生じない)。本発明の実施形態によれば、吸気ダクト及び排気
ダクトをロータの全幅にわたって延ばすことが可能で、これにより燃焼室を適正
に充填(charge)することができる。
− このエンジンのトルクの傾向は、オットーエンジンに比べて極めて規則的
なものである。一つのロータと、対向した二つの燃焼室とを有した本発明のシン
プルなタイプのエンジンでは、180°毎に、四気筒四工程オットーエンジンに
対応した燃焼が生じる。
− ロータは互いに分離したコールドサイドとホットサイドとを有しているた
め、ロータを非対称形にすること、及び/又は、カムを不均一な間隔で配置する
ことにより、圧縮比及び膨張比を独立して選択できる。これにより、理論効率の
向上が図れる。
− 本発明によるこの燃焼機関は、電気モータと組み合わせるのに非常に適し
ており、混成(ハイブリッド)駆動装置を実現する。かかる組合せでは、弁手段
を非作動状態とすれば、ロータは、フライホイールとして電気モータと共に回転
することができる。この燃焼エンジンがその駆動を電気モータから引き継ぐとき
には、弁手段が作動状態に設定され、適正な点火及び燃料噴射がなされるよう注
意すれば、動力はスムーズに引き継がれる。また、この燃焼エンジンの形状はち
ょうど電気モータの如くほぼ円形であり、その径は各電気モータに良好にフィッ
トするように選択できる。
− 本発明によるこの燃焼機関においては、低負荷時に圧縮弁がロータから僅
かに引き上げられる構成とされていれば、空気は、ほとんど閉状態となっている
スロットル弁を介して大きな抵抗に抗して吸入される代わりに、圧縮室から内部
に取り入れられ、低負荷時の効率を向上させることができる。
以下、本発明による内燃機関の実施形態の例を示した図面を参照して本発明を
さらに説明する。
図1aないし図1hはそれぞれ、本発明に係るエンジンの作動中における八つ
の異なった位置を極めて概略的に示した断面図である。
図2aないし図2hはそれぞれ、本発明の他の実施形態による内燃機関の作動
中における八つの異なった位置を極めて概略的に示した断面図である。
図3は、図2aのIII-III線に沿う断面図である。
図4、図5、図6は、それぞれ図3のIV-IV,V-V,VI-VI線に沿う断面図である
。
図7は、本発明の内燃機関の別の実施形態を示す拡大一部断面図である。
図8は、本発明の内燃機関のさらに別の実施形態を示すもので、ほぼ図7に対
応した断面図である。
図9は、図8のIX-IX線に沿った断面図である。
図10は、図8の底面を若干縮小して示した部分断面底面図である。
図11は、本発明の図8に示した実施形態による内燃機関の部分断面図である
。
図12及び図13はそれぞれ、図11のXII-XII線及びXIII-XIII線に沿った概
略部分断面を縮小して示した図である。本図において、断面部の左側部分はロー
タの一部を示している。この部分は、本図の右側部分に示されたロータの部分と
正反対に位置している。また、この右側部分は図11の切断線に対応している。
図14は、ロータが軸方向に圧縮部及び膨張部に分離した本発明による内燃機
関の一実施例を極めて概略的に示した図であり、本図の左側には各ロータ位置に
おける断面形状を示してある。
図15は、図14に示した実施形態における内燃機関の部分断面図である。
図16及び図17は、軸方向に分離したロータの他の実施形態を示した、図1
4に対応した図である。
図1は本発明による内燃機関の極めてシンプルな構成を示している。該内燃機
関はハウジング1を備えている。このハウジングは、極めて概略的に示してあり
、その中に形成されたロータスペース2を有している。該ロータスペース2は、
対向配置された燃焼室3,4を除いて円筒形状のもので、その軸線はこの図の紙
面に対して垂直である。今述べたようにこの実施形態では、このロータスペース
2内の周囲には対向配置された一対の燃焼室3,4が形成されているものとして
いるが、これら燃焼室を複数組設けることも無論可能である。ロータスペース2
内ではロータ5がロータ軸6に回転可能に取り付けられている。このロータ軸6
はロータスペース2の前記軸線と一致している。ロータ5は円形ではなく、この
場合、ロータスペース2の周囲にまで至る二つのカム7,8、すなわち圧縮・膨
張カム7、及び吸入・排出カム8を有している。これらカム7,8は前記燃焼室
3,4と同じ配置形態とされており、従ってこの場合では、これらのカムが対向
配置されたものとなっている。ロータ5は長軸線9と短軸線10とを有している
。このロータの形状は、これら軸線9,10に対しては対称的なものではないが
、180°の回転に対しては略対称的なものとなっている。ただし、圧縮・膨張
比を最適化するためにこれらカム7,8を180°以外の角度にオフセットさせ
て構成することも可能であり、またそのために、両カムの両側においてロータの
形状を変えてもよい。長軸9の両側には前記各カム7,8に対してシール手段1
1が設けられており、これらシール手段によってロータ5及びハウジング1間の
気密性が確保されている。
図示の如く、ロータ5の回転方向(矢印参照)における各燃焼室3,4の僅か
手前に排気ダクト12,13が形成されている。これら排出ダクト12,13は
それぞれ対応する排気弁14,15によって開閉される。各燃焼室3,4の後方
には吸気ダクト16,17が形成されており、これらは、対応する吸気弁18,
19によってそれぞれ開閉される。これら弁14,15及び18,19は、例え
ば図示しないカムシャフトあるいはカムトラック等によって内部からの操作が可
能である。これら弁14,15及び18,19は、前記各ダクト12,13及び
16,17を開閉できるだけでなく、ロータ5及びハウジング1間の室を気密的
に分離された四つの室に分離するようにも機能し、これらの室において四工程過
程の四つの工程が生じるものとなる。無論この四つの室の分離は、ロータ5のカ
ム7,8に設けられた前記シール11との共働により成し得るものである。これ
ら室の各々において、吸気工程、圧縮工程、膨張工程、及び排気工程が代わるが
わるなされる。図では、吸気工程にある室をA、圧縮工程にある室をB、膨張工
程にある室をC、排気工程にある室をDで示してある。無論ロータ5の周囲と、
各弁14,15及び18,19の内端とは、それらが過度に摩耗することなく当
接状態で通過できかつ良好なシールを果たせるようにされたものである。そのた
めにはいくつかの技術を利用できる。
図1aないし図1hは、前記四工程が完全に行われるロータ5の一回転の途中
における八つの異なった位置を示している。
図1aには前記四つの室A〜Dを示してあり、この図には、吸気ダクト16か
ら新しい混合気を取り入れるべく前吸気弁18が開かれている状態が示されてい
る。また、この吸気弁18は室Aを一方側において制限しており、かつ、この吸
気工程にある室Aの他方側は、ロータ5のカム8のシール11によって封鎖され
ている。ロータ5のカム8は吸気弁18から離れるように移動してるため室Aの
容積は増加し、これにより吸気ダクト16から新しい混合気が吸入される。ロー
タ5をシールしているこの吸気ダクト18の反対側では、そこに形成された室B
において圧縮工程が行われる。ここにおいて、前記排気弁14は閉じられており
、またロータ5のカム7が燃焼室3に向かって移動するため、これにより室Bの
容積が減少し内部の混合気が圧縮される。膨張工程は室C内で生じ、この膨張工
程において燃焼室4では内部の混合気圧が上昇し、室Cにおけるこの圧力がロー
タ5に、室Cの容積が増加する方向すなわち矢印で示す方向のトルクを与える。
そして、室Dにおける排出工程はほとんど終了し、ロータ5のカム8の隣接した
シール11と共に室Dを形成している排気弁15がほとんど閉じられている状態
を見ることができる。
図1bでは、ロータ5がさらに若干回転し、ここにおいて排気室Dの容積はゼ
ロまで減少し、ここで排気弁15は完全に閉止される。
図1c及び図1dはロータがさらに回転された状態を示しており、図1dでは
吸気弁18がほぼ閉じられる。
図1eは、室A及び室Cが各々最大容積となり、かつ室B及び室Dが各々最小
容量となったロータの位置を示している。室Aには一定量の新しい混合気が充填
され、その混合気は、ロータ5がさらに回転することにより圧縮される。室Bで
は圧縮工程がちょうど終了し、燃焼室3内の圧縮混合気への点火を行うことがで
きる。この点火は図示しないスパークによって開始される。ロータ5のカム7の
先行側シール11及び排気弁19が、高いガス圧に耐えるよう、燃焼室3をシー
ルする。カム7の周方向の幅がロータ5の角回転を決定しており、この角回転の
間に定常上死点が現われ、従ってこの間ロータが回転しても室Bの容積変化を生
じない。この回転角の間に混合気への点火及び燃焼が生じる。この燃焼は、それ
により生じた圧力がロータ5に負の仕事を与えるものではない。エンジンタイプ
に応じて、カム7の幅は、所要の定常上死点を最適化するよう設計段階において
選択することができる。室Cにおいて膨張工程が終了し、該室内の全圧縮エネル
ギーが消費される。最後に、室Dが室Bに変換される段階となり、そこにおいて
、次の図に示されるように吸入混合気が圧縮される。
図1fは、例えば最初に吸気工程がなされる室Aが、吸入混合気を圧縮する圧
縮室Bにまさに移行する位置から、室A〜Dが幾分移動した状態を示している。
この図1fの位置において、吸気工程及び圧縮工程は実際には開始されていない
。他方、図1eにおける前の圧縮室Bでは既に膨張工程が始まっており、その時
点で圧縮室Bは室Cとなり、その中で点火された混合気が膨張でき、ロータ5を
駆動させることでその容積が増加される。この時点でロータカム8の一方のシー
ル11と排気弁14とから規定される室D内では排気工程が既になされている。
図1g及び図1hでは室A〜Dにおける四工程がさらに進み、図1hでは、ロー
タ5が図1aの位置に対して180°回転した位置に至っている。この位置から
、図1b〜図1gに示したものと180°オフセットした状態にて同様に進行す
る。
上記のことから、ロータ5の一方側では吸気工程及び圧縮工程がなされ、ロー
タ5の他方側では膨張工程及び排気工程のみが行われることが明らかである。こ
のロータ5の一方側をロータのホットサイド、また、反対側をロータのコールド
サイドと呼ぶことができる。かかる分離は、混合気の熱損失及びエネルギー損失
に関して有利となる。そしてこのことが、該エンジンの品質効率にとって有利な
効果をもたらす。
図2aないし図2hは図1に示した燃焼機関の他の実施形態を示しており、こ
の例のものは、排気ダクト12及び吸気ダクト16を一つのみ有したものとなっ
ている。これらはハウジング1に形成されたものではなくロータ5に形成されて
おり、かつ常時開状態となっている。一方、弁14,15及び18,19は単に
四つの室A〜Dを分離するために機能しているものの、前記排気ダクト12及び
吸気ダクト16は、常に固有の室D又は室Aにそれぞれ連通したものとなってい
る。この構成では、排気ダクト12及び吸気ダクト16はロータ軸6を介して延
びたものとならざるを得ず、従ってロータ軸6は中空構造のものとなる。無論原
理的には、ロータ5ではなくハウジングの方を回転させ、ロータ5を静止状態と
することも可能である。
図3ないし図6は、図2に示した実施形態による本発明の内燃機関のより詳細
な構成を概略で示したものである。ハウジング1、ロータ5、ロータ軸6、排気
ダクト12、吸気ダクト16、排気弁14、及び吸気弁19を見ることができる
。この場合、弁14,15及び18,19は、これら弁が移動できるよう、弁軸
20に回転可能に取り付けられていることが解る。本実施形態において、該弁軸
20は、これら弁14,15及び18,19を作動させるようにも機能する。何
故なら、これら弁軸20は、各弁14,15,18,19にそれぞれ回転するよ
うに固定されており、かつこれら軸の両端にはそれぞれカム21が設けられてお
り、これらカム21が該弁軸20に回転可能に取り付けられて各カム板22,2
3にそれぞれ当接しているからである。両カム板23は、上方側の上部吸気弁1
8の双方のカム21を作動させ、下方側の下部吸気弁19(図3)の双方のカム
21を作動させる。かかる対称的な構成により、二重作動カム板23によるこれ
ら弁18,19のこのような共通動作が可能となっている。このカム板22によ
る共通動作は、排気弁14,15においても可能である。図5及び図6は前記カ
ム板22,23の形状を示している。各弁14,15及び18,19を内包に回
転させるべく、コイルバネの如きトーションバネが前記各弁軸20を或る程度付
勢している。
図3及び図4はまた、ロータ5の両側に、円形外周を有した共働回転板25が
固定されていることを示している。これらの共働回転板及びシール手段26によ
って、ロータ5とハウジング1との間の側方シールがなされている。シール手段
26はハウジング1及び共働回転板の双方に取り付けられている。
図3はさらに、ロータ軸6が中空であり、かつ複数のベアリング27によって
ハウジング1内で軸受けされていることを示している。このロータ軸6はその中
心で閉塞されており、一方側では排気ダクト12として、また他方側では吸気ダ
クト16として機能するものである。
図7は、本発明に係る内燃機関の別の実施形態を示しており、該構成では特殊
な弁装置を用いている。この場合、圧縮弁14及び膨張弁18が、燃焼室3内に
設けられた軸受け部28で各弁軸20に軸受けされている。この軸受け部28に
よって、燃焼室3に通ずるダクト29が形成されている。本実施形態では、吸気
ダクト及び排気ダクトはロータ5内に形成することができる。本実施例の優位点
は、圧縮ガスが非常に好ましく燃焼室3へ流れることができ、かつこの方式によ
りその圧縮ガスが高温の膨張弁18を通過しないということである。さらに、極
めて高温の膨張ガスが前記圧縮弁14を通過することがなく、よってこの弁の熱
負荷は低いものとなる。また、この実施形態によれば、燃料を望ましい位置で噴
射することができる。その際、そのノズルは、圧縮弁14が開かれているときに
燃料を燃焼室内に直接噴射する。無論各弁のシールは高基準に合うものである必
要がある。
図8,図9,及び図10は、さらに別の形態による弁構成を示している。この
構成の特徴としてまず挙げられることは、双方の弁14,18が一本の軸31に
支持されており、少なくともこれら双方の弁が同一軸回りに回転する点である。
この構成の利点は、弁14,18を通過して燃焼室3に至る流路ダクト29をで
きるだけ短いものとでき、これにより、燃焼室のコンパクト化、圧縮ガスへのブ
レーキ作用の最小化、及び、該ダクト29を介しての燃焼室3への燃料直接噴射
の一層の容易化がなされることである。燃料噴射器のための取付け孔30を示し
てある。この燃料噴射器のノズルヘッドは、好ましくは、圧縮工程の最終段階に
て所要のガソリン(petrol)を燃焼室3内に直接噴射するものである。圧縮弁14
によって燃焼室3は閉塞されているので、その燃料噴射器が高燃焼圧にさらされ
ることはない。
図10は両弁14,18の前記軸への懸架状態を概略的に示している。弁14
は、該弁14の両側のハウジング部33に軸受けされている内部軸32により支
持されており、弁18は、前記内部軸32に軸受けされた中空軸34に固定され
ている。
さらに、図8及び図9は、膨張弁が、十分な高圧縮が得られるように燃焼室3
の幅をできるだけ大きく制限した側方シール部35を有して成る特殊タイプのシ
ール構造を備えているものを示している。これらのシール部35により、圧縮ガ
スが、比較的狭い圧縮弁14から同様に狭い燃焼室3内に流れ、上記の如き十分
に高い圧縮が可能となっている。一方、これらのシール部35によって、前記膨
張弁18が開いた際に、燃焼ガスが、広い膨張弁18の全幅からすぐには流出し
ないようになっている。もしそうでなければ、膨張圧によるパワーは急激に低下
してしまうであろう。この場合、このようなことは生じ得ない。それは、横方向
に設けられた両前壁部36によってそれらシール部35の外側の空間38を膨張
室37から締め出しているからである。これら横行壁部36は、ハウジング1内
の嵌合凹所39内にガイドされ、かつシールされている。
図8及び図11に示すように、圧縮弁14及び膨張弁18はロータ5に向いた
側が凹状となっている。すなわち、これら弁14,18がシール41を介してカ
ム7又は8の位置でロータに当接し、かつロータ5をその両端でシールできるよ
う凹所40を備えている。弁14,18の開閉動作はシール41上でなされ、カ
ム7,8がこれら弁を通過すれば、弁とロータとの間のこのシールはなされたま
まの状態となる。
ロータとハウジングとの間のシールはブランク接触シール(blank contact sea
l)であることが好ましい。このシールは、ロータ5の駆動を断った際に摩擦損失
が最小になるか全くなくなる。このような状況となるのは、複数のロータを有し
た実施形態において、僅かなパワーのみを必要とする際に或るロータの駆動を断
つような場合である。また、ロータ5を電気モータと連結し、その電気モータを
、この燃焼機関の停止中に作動状態とするような混成(ハイブリッド)実施形態
も考えられる。何れの場合でも、弁14,18は閉止位置に保持される。
図12及び図13はロータ5の両側とハウジング1との間のブランク接触シー
ル42を示している。このシール42は、例えば0.03〜0.05mmの非常
に小さい間隙43を有している。膨張が生じるロータ5の周囲に近接した部分(
断面図の右側)で、前記間隙43は、ロータ5内に内側に向けて形成された空気
室44と接続しており、好ましくは接線方向に分割されている。ハウジング1内
に形成された空気ダクトが前記空気室44内に開口するようになっている。この
空気ダクト45は例えば空気ベッセルから延出させて、その内部に圧力及び空気
の流れが生じるようにすることができる。これら圧力及び空気流は、電子的に制
御され、ロータ5の外周面におけるガス圧に対して逆圧及び逆流の形態を取るも
のである。図12と図13との比較において、前記空気室44の半径方向長さ及
び/又は軸方向深さは、ロータ5の予想局部ガス圧に応じてロータ5の周方向に
変えられることを示している。この空気室44の長さを変えることによってこの
シール間隙43の長さを変えられ、これによって異なった圧縮比及び該シール間
隙43内の流れが得られる。ロータ軸6のベアリングが、空気ダクト45からの
圧縮空気の漏れによる径方向内方の圧力を受けないように、ハウジング1内にお
けるロータ軸6近傍に圧力解放ダクト53が形成されている。ロータ5の圧縮部
(図12及び図13の左部分参照)には空気室44はないが、これは、ロータ5
の周囲における圧力が低く、従って漏洩のおそれが少ないからである。
図11を参照すると、ロータの圧縮・膨張カム7に設けられた前記シール41
には0.03〜0.05mmの非常に小さい間隙45を設け、このカムの部分を
通る流れを妨げるようにすることもできる。この間隙45は、カム7上を流れる
ガス流を妨害し、ガスが一部通過し得る状態とすることによりそのガスの流れを
乱すように膨張室の方に向けられた一つ又は複数の楔形凹所46を有している。
ここでも、ガスの漏れを防ぐために、この場合、ロータ5を介して圧縮空気を供
給することが可能である。吸入・排気カム8のシールはより単純な構成とするこ
とができる。
本発明のその他の変形としては、例えば、ロータ5及びロータスペース2を軸
方向に圧縮部及び膨張部に分離させることによってよって、コールド部及びホッ
ト部分をより完全に分離することである。ロータスペース2を吸気・圧縮室、及
び膨張・排気室に分離することにより、ロータハウジング内の吸気及び排気ダク
トは連続的に開いたままとなる。また、吸気ダクトもロータ内に形成し、中空ロ
ータ軸6を介して空気供給源に接続することもできる。
図14は、ロータ5が、圧縮及び膨張とで完全に軸方向に分離してなる例を示
している。この実施形態のものでは、ロータ中央部47が膨張部として、また両
外側部分48が圧縮部として機能する。弁14,18は、ロータ5の交差方向に
、それぞれ前記膨張部47あるいは圧縮部48のみに対応して延びている。図1
5は、圧縮空気がダクト49を介して燃焼室3に供給されることを示している。
言うまでもなく、この構成では、圧縮及び膨張がロータの幅部分のみで生じるた
め、完全分離していないロータ5に比べてパワーの発生が少ないものとなる。し
かしこの構成の利点は、圧縮弁14及び膨張弁18の双方の動きが各ロータ部4
8,47にてそれぞれガイドされ、これにより外部制御手段が不要となる点であ
る。
図16は、膨張部と圧縮部との間が一部分離された場合の一例を示している。
この場合、五つの部分があり、両外側部50では圧縮のみが行われ、中央部51
では膨張のみが行われ、それらの中間部52では膨張及び圧縮の双方が行われる
。この実施形態は、前記外側部50が圧縮弁14を制御することができ、かつ前
記中央部51が膨張弁18を制御するので、弁の外部的な操作を必要としない。
図17に示すロータ5は、部分的な軸方向分離が別の手法でなされている例で
ある。中央部47が圧縮及び膨張の双方を担い、両外側部48で膨張のみが行わ
れる。これら両外側部48、従って膨張部は、膨張弁18のみとオーバラップす
るもので、従って上半分が無効となる半円形をしている。これに対し、(図の左
側における)前記中央部47は完全な楕円形をなしている。この実施形態におい
て、膨張弁18の動きは両ロータ部48によってガイドされることができるが、
圧縮弁14には外部からの制御が必要である。図12及び図13に示したロータ
5は、図17に示した実施形態に従って構成されている。
本発明は、原理上は、一つのみの燃焼室及び一つのロータカムを用いる構成と
することも可能であることに留意されたい。その場合、二つの非活動工程を含ん
だ六工程原理が生ずることになる。ロータが三回転して一回の燃焼工程が生ずる
。また、四室、六室、八室、他の燃焼室を持った燃焼空間が考えられる。
その他の実施形態あるいは変更も可能である。例えば、ロータの両側における
前記ブランク接触シールを、ラビリンス出口が燃焼ガス排気口又は加圧ダクトに
接続されて成るラビリンスシールとすることもできる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Internal combustion engine
The present invention relates to an internal combustion engine that operates on a four-stroke principle.
Despite technological progress in all aspects, non-rail road vehicles (non
-rail-bound road vehicles)
The fuel engine is a four-stroke crankshaft piston engine, especially Otto and Diesel engines.
It has been known for many years that it is an engine. Of course, these engines have been
It has been improved over time, but it is extremely difficult to solve it in principle or
Includes some of the impossible disadvantages. Otto (cycle) engines are
It can be said that it has a convenient point. That is, a rather low theory based on the equal compression / expansion ratio
Efficiency; considerably lower quality by igniting the mixture before the piston reaches top dead center
Efficiency; large heat exchange occurs because compression and expansion occur on one side of the piston.
Significantly lower quality efficiency due to the resulting large heat and energy losses
Low machine at low load due to the fact that the friction loss does not change even if the load decreases
Mechanical efficiency; and difficult to separate each cylinder, and electric motor and otto
-It is difficult to combine with institutions.
Wankel engines have some disadvantages of such Otto engines, especially the reciprocating movement of the piston.
It was intended to eliminate the drawbacks related to movement and the valve mechanism.
The institution could not replace the Otto institution.
An object of the present invention is to provide a novel method for eliminating or at least substantially reducing the above disadvantages.
It is to provide a simple internal combustion engine.
To achieve the above object, the present invention provides an internal combustion engine operating according to the four-step principle.
Proposed, the internal combustion engine comprises a housing having rotor space therein;
Preferably, at least a portion formed evenly around the circumference in the rotor space
A pair of combustion chambers; a rotor that actually rotates around a rotor axis of the rotor chamber,
A non-circular and preferably circumferentially-separated loom with at least two cams
A rotor provided around the rotor and extending between the rotor and the rotor space.
Sealing means for sealing; an intake duct and an exhaust duct communicating with the combustion chamber
Cooperating with the cam of the rotor to create a fuel gap between the rotor and the housing.
Separate into four changing chambers for each pair of firing chambers, and in each of these chambers a four-step process
Valve means for causing the four steps of the process to take place.
The advantages of the internal combustion engine include the following:
-The rotor is not rotating and is not supported on the wall, so the friction loss is
Minimal. Friction loss other than friction loss inside the bearing
Is only the required seal and its movement, and the friction loss due to the movement of the valve means
.
-During the design phase, by selecting the circumferential width of the rotor cam,
The piston or rotor is pushed back in the combustion chamber during the rotation.
Steady top dead center condition where ignition and pressure generation occur without negative work
tationary UDC-condition) is set to be generated larger or smaller.
Can be
-The combustion cycle of the rotor is interrupted by locking the valve means in the upper position;
In this case, the rotor rotates only as a flywheel.
You. At this time, if there is no gas force, only the frictional resistance of the seal remains as a mechanical loss.
But they are minimal. If the seal is a blank contact seal
Does not cause any frictional resistance in the seal.
-The timing of the actuation of the valve means is always optimal at any rotational speed;
Therefore, gas scavenging is optimal. Gas inflow / outflow in combustion chamber
No need for contact between intake and exhaust gases (overlap of valves,
Backfire does not occur). According to an embodiment of the present invention, an intake duct and an exhaust
The duct can be extended over the entire width of the rotor, which allows for a proper combustion chamber
Can be charged.
-The torque trend of this engine is very regular compared to Otto engines
It is something. The present invention has a single rotor and two opposed combustion chambers.
For a pull-type engine, every 180 °, a four-cylinder four-stroke Otto engine
Corresponding combustion occurs.
The rotor has separate cold and hot sides;
Asymmetrical rotors and / or unevenly spaced cams
Thus, the compression ratio and the expansion ratio can be independently selected. As a result, the theoretical efficiency
Improvement can be achieved.
This combustion engine according to the invention is very suitable for combination with an electric motor
To realize a hybrid (hybrid) drive device. In such a combination, the valve means
Is inactive, the rotor rotates with the electric motor as a flywheel.
can do. When this combustion engine takes over its drive from an electric motor
To ensure that the valve means is activated and that proper ignition and fuel injection are performed.
If you think, the power is taken over smoothly. The shape of this combustion engine is
It is almost circular like an electric motor, and its diameter fits well with each electric motor.
You can choose to
-In this combustion engine according to the invention, at low load, the compression valve
The air is almost closed if it is configured to be pulled up
Instead of being sucked in through the throttle valve against large resistance,
The efficiency at low load can be improved.
Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings showing an embodiment of an internal combustion engine according to the present invention.
Further explanation will be given.
FIGS. 1a to 1h respectively show eight views during operation of the engine according to the invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view very schematically illustrating different positions of the circumstance.
2a to 2h show the operation of an internal combustion engine according to another embodiment of the present invention, respectively.
FIG. 7 is a cross-sectional view very schematically illustrating eight different positions in the interior.
FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 2A.
FIGS. 4, 5, and 6 are cross-sectional views taken along lines IV-IV, V-V, and VI-VI of FIG. 3, respectively.
.
FIG. 7 is an enlarged partial cross-sectional view showing another embodiment of the internal combustion engine of the present invention.
FIG. 8 shows still another embodiment of the internal combustion engine of the present invention.
FIG.
FIG. 9 is a sectional view taken along line IX-IX in FIG.
FIG. 10 is a partial cross-sectional bottom view in which the bottom of FIG. 8 is slightly reduced.
FIG. 11 is a partial sectional view of the internal combustion engine according to the embodiment shown in FIG. 8 of the present invention.
.
12 and 13 are schematic views taken along lines XII-XII and XIII-XIII in FIG. 11, respectively.
It is the figure which reduced and showed the approximate partial cross section. In the drawing, the left side of the cross section is
Part of the data. This part is the same as the rotor part shown on the right side of this drawing.
It is located on the opposite side. The right side portion corresponds to the cutting line in FIG.
FIG. 14 shows an internal combustion engine according to the present invention in which a rotor is axially separated into a compression section and an expansion section.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating an example of a seki, and a left side of the figure shows each rotor position.
The cross-sectional shape in FIG.
FIG. 15 is a partial sectional view of the internal combustion engine in the embodiment shown in FIG.
16 and 17 show another embodiment of the rotor separated in the axial direction.
FIG. 4 is a diagram corresponding to FIG.
FIG. 1 shows a very simple configuration of an internal combustion engine according to the invention. The internal combustion engine
Seki has a housing 1. This housing is shown very schematically
, And a rotor space 2 formed therein. The rotor space 2 is
It has a cylindrical shape except for the combustion chambers 3 and 4 arranged opposite to each other, and its axis is
Perpendicular to the plane. As described above, in this embodiment, this rotor space
A pair of combustion chambers 3, 4 facing each other is formed around
However, it is of course possible to provide a plurality of these combustion chambers. Rotor space 2
Inside, a rotor 5 is rotatably mounted on a rotor shaft 6. This rotor shaft 6
Coincides with the axis of the rotor space 2. The rotor 5 is not circular,
In this case, the two cams 7 and 8 reaching the periphery of the rotor space 2,
It has a tension cam 7 and a suction / discharge cam 8. These cams 7, 8 are
In this case, these cams are opposed to each other.
It has been arranged. The rotor 5 has a long axis 9 and a short axis 10
. Although the shape of this rotor is not symmetrical about these axes 9 and 10,
, 180 ° rotation. However, compression / expansion
In order to optimize the ratio, these cams 7 and 8 are offset to an angle other than 180 °.
It is also possible to construct the rotor on both sides of both cams.
The shape may be changed. Sealing means 1 is provided on both sides of the long shaft 9 for each of the cams 7 and 8.
1 provided between the rotor 5 and the housing 1 by these sealing means.
Airtightness is ensured.
As shown in the figure, a small amount of each combustion chamber 3, 4 in the rotation direction of the rotor 5 (see the arrow)
Exhaust ducts 12 and 13 are formed in the foreground. These discharge ducts 12 and 13
It is opened and closed by the corresponding exhaust valves 14 and 15, respectively. Behind each combustion chamber 3, 4
Are formed with intake ducts 16 and 17 which correspond to the corresponding intake valves 18 and
19 respectively. These valves 14, 15 and 18, 19
For example, operation from inside using a camshaft or cam track (not shown)
Noh. These valves 14, 15 and 18, 19 are connected to the ducts 12, 13 and
In addition to opening and closing the doors 16 and 17, the chamber between the rotor 5 and the housing 1 is airtight.
It also functions to separate into four chambers separated in
The following four steps occur. Of course, the separation of these four chambers
This can be achieved by cooperating with the seal 11 provided on the systems 7 and 8. this
In each of the chambers, the intake, compression, expansion, and exhaust
Be disturbed. In the figure, the chamber in the intake process is A, the chamber in the compression process is B,
The room in the middle is indicated by C, and the room in the exhaust process is indicated by D. Of course, around the rotor 5,
The inner ends of each valve 14, 15 and 18, 19 are contacted without excessive wear.
It is designed to be able to pass in contact and to achieve a good seal. That
Several techniques are available for this.
FIGS. 1a to 1h show a state during one rotation of the rotor 5 in which the four steps are completely performed.
Shows eight different positions in.
FIG. 1a shows the four chambers A to D, and FIG.
The front intake valve 18 is opened to take in a new air-fuel mixture.
You. The intake valve 18 restricts the chamber A on one side, and
The other side of the chamber A in the pneumatic process is closed by the seal 11 of the cam 8 of the rotor 5.
ing. Since the cam 8 of the rotor 5 moves away from the intake valve 18,
The volume increases, so that a new air-fuel mixture is sucked from the intake duct 16. Low
On the opposite side of this intake duct 18 which seals the
The compression step is performed. Here, the exhaust valve 14 is closed.
Since the cam 7 of the rotor 5 moves toward the combustion chamber 3,
The volume is reduced and the internal mixture is compressed. The expansion process takes place in chamber C,
In the combustion chamber 4, the internal mixing pressure increases in the combustion chamber 4, and this pressure in the chamber C becomes low.
The torque in the direction in which the volume of the chamber C increases, that is, the direction indicated by the arrow is applied to the rotor 5.
Then, the discharge process in the chamber D is almost completed, and the cam 8 of the rotor 5 is adjacent to the cam 8.
A state in which the exhaust valve 15 forming the chamber D together with the seal 11 is almost closed.
Can be seen.
In FIG. 1b, the rotor 5 further rotates slightly, where the volume of the exhaust chamber D becomes zero.
The exhaust valve 15 is completely closed.
FIGS. 1c and 1d show the rotor further rotated, FIG.
The intake valve 18 is almost closed.
FIG. 1e shows that chamber A and chamber C each have the maximum volume, and chamber B and chamber D each have the minimum volume.
The position of the rotor that has become the capacity is shown. Room A is filled with a certain amount of new mixture
Then, the air-fuel mixture is compressed as the rotor 5 further rotates. In room B
Can just ignite the compressed air-fuel mixture in the combustion chamber 3 after the compression process is completed.
Wear. This ignition is started by a spark (not shown). Of the cam 7 of the rotor 5
The combustion chamber 3 is sealed so that the leading seal 11 and the exhaust valve 19 withstand high gas pressure.
To The circumferential width of the cam 7 determines the angular rotation of the rotor 5, and this angular rotation
During this time, a steady top dead center appears.
I do not. Ignition and combustion of the mixture occur during this rotation angle. This burning, it
Does not give the rotor 5 any negative work. Engine type
, The width of the cam 7 is determined in the design stage to optimize the required steady top dead center.
You can choose. The expansion process is completed in the chamber C, and all the compression energy in the chamber is
Energy is consumed. Finally, it is the stage where room D is converted to room B, where
The intake air-fuel mixture is compressed as shown in the following figure.
FIG. 1f shows, for example, the pressure at which the chamber A in which the intake process is first performed compresses the intake air-fuel mixture.
This shows a state in which the chambers A to D have moved somewhat from the position where the chamber A just moves to the contraction chamber B.
At the position shown in FIG. 1f, the intake process and the compression process are not actually started.
. On the other hand, the expansion process has already started in the previous compression chamber B in FIG.
At this point, the compression chamber B becomes the chamber C, in which the ignited mixture can expand, and the rotor 5
Driving increases its volume. At this point, one sheet of the rotor cam 8 is
In the chamber D defined by the valve 11 and the exhaust valve 14, an exhaust process has already been performed.
1g and 1h, the four steps in chambers A to D are further advanced, and in FIG.
1 has been rotated by 180 ° with respect to the position of FIG. 1a. From this position
, Proceeding in the same manner as that shown in FIGS.
You.
From the above, the intake process and the compression process are performed on one side of the rotor 5,
It is clear that only the expansion and evacuation steps take place on the other side of the tap 5. This
One side of the rotor 5 is the hot side of the rotor, and the other side is the cold side of the rotor.
Can be called side. Such separation results in heat and energy losses of the mixture.
Is advantageous in regard to This is advantageous for the quality efficiency of the engine.
Bring effect.
2a to 2h show another embodiment of the combustion engine shown in FIG.
Is an example having only one exhaust duct 12 and one intake duct 16.
ing. These are not formed on the housing 1 but on the rotor 5
And is always open. On the other hand, valves 14, 15 and 18, 19 are simply
Although functioning to separate the four chambers A to D, the exhaust duct 12 and
The intake duct 16 always communicates with the unique room D or the room A, respectively.
You. In this configuration, the exhaust duct 12 and the intake duct 16 extend through the rotor shaft 6.
Therefore, the rotor shaft 6 has a hollow structure. Of course
Physically, not the rotor 5 but the housing is rotated to bring the rotor 5 into a stationary state.
It is also possible.
3 to 6 show more details of the internal combustion engine of the invention according to the embodiment shown in FIG.
FIG. Housing 1, rotor 5, rotor shaft 6, exhaust
Duct 12, intake duct 16, exhaust valve 14, and intake valve 19 can be seen
. In this case, the valves 14, 15 and 18, 19 are arranged so that they can move.
It can be seen that it is rotatably mounted on 20. In the present embodiment, the valve shaft
20 also functions to actuate these valves 14,15 and 18,19. what
Therefore, these valve shafts 20 rotate to the respective valves 14, 15, 18, and 19, respectively.
And cams 21 are provided at both ends of these shafts.
The cams 21 are rotatably attached to the valve shaft 20 so that the cam plates 22 and 2
3 is in contact with each other. Both cam plates 23 are connected to the upper intake valve 1 on the upper side.
8 are operated, and both cams 21 of the lower lower intake valve 19 (FIG. 3) are operated.
Activate 21. Due to such a symmetrical configuration, the dual operation cam plate 23
Such common operation of the valves 18 and 19 is enabled. This cam plate 22
This common operation is also possible in the exhaust valves 14 and 15. FIG. 5 and FIG.
The shape of the memory plates 22 and 23 is shown. Turn each valve 14, 15 and 18, 19
To rotate, a torsion spring, such as a coil spring, attaches each of the valve shafts 20 to some extent.
I'm going.
FIGS. 3 and 4 also show that a cooperating rotating plate 25 having a circular outer periphery is provided on both sides of the rotor 5.
It shows that it is fixed. By these cooperating rotating plates and the sealing means 26,
Thus, a side seal between the rotor 5 and the housing 1 is provided. Sealing means
Reference numeral 26 is attached to both the housing 1 and the cooperating rotating plate.
FIG. 3 further shows that the rotor shaft 6 is hollow and a plurality of bearings 27
It is shown that the bearing is carried in the housing 1. This rotor shaft 6 is
Closed on one side as an exhaust duct 12 on one side and an intake duct on the other side.
It functions as an object 16.
FIG. 7 shows another embodiment of the internal combustion engine according to the present invention.
Uses a simple valve device. In this case, the compression valve 14 and the expansion valve 18 are
Each of the valve shafts 20 is supported by a provided bearing portion 28. In this bearing part 28
Therefore, a duct 29 communicating with the combustion chamber 3 is formed. In the present embodiment, the intake
Ducts and exhaust ducts can be formed in the rotor 5. Advantages of this embodiment
Can very preferably allow the compressed gas to flow into the combustion chamber 3 and in this way
That is, the compressed gas does not pass through the hot expansion valve 18. Furthermore, the pole
No hot expansion gas passes through the compression valve 14 and thus the heat
The load will be low. Further, according to this embodiment, the fuel is injected at a desired position.
Can be fired. At that time, the nozzle is operated when the compression valve 14 is opened.
Fuel is injected directly into the combustion chamber. Of course, the seal of each valve must meet high standards.
It is necessary.
8, 9, and 10 show a valve configuration according to yet another embodiment. this
The first feature of the configuration is that both valves 14 and 18 are connected to one shaft 31.
Supported, at least in that both valves rotate about the same axis.
The advantage of this configuration is that a flow duct 29 that passes through the valves 14 and 18 and reaches the combustion chamber 3 is formed.
The combustion chamber can be made as short as possible.
Minimizing the rake action and direct injection of fuel into the combustion chamber 3 via the duct 29
Is further facilitated. Shows a mounting hole 30 for a fuel injector;
It is. The nozzle head of this fuel injector is preferably located at the end of the compression process.
The required gasoline (petrol) is directly injected into the combustion chamber 3. Compression valve 14
The combustion chamber 3 is closed, so that the fuel injector is exposed to high combustion pressure.
Never.
FIG. 10 schematically shows a state in which both valves 14 and 18 are suspended from the shaft. Valve 14
Is supported by an internal shaft 32 which is supported by housing portions 33 on both sides of the valve 14.
The valve 18 is fixed to a hollow shaft 34 supported by the inner shaft 32.
ing.
Further, FIGS. 8 and 9 show that the expansion valve has a combustion chamber 3 so that a sufficiently high compression can be obtained.
A special type of seal having a side seal portion 35 that limits the width of the
FIG. With these seal portions 35, the compression gas
Flow from the relatively narrow compression valve 14 into the similarly narrow combustion chamber 3 and
High compression is possible. On the other hand, the expansion is caused by these seal portions 35.
When the expansion valve 18 opens, the combustion gases immediately escape from the wide width of the wide expansion valve 18.
Not to be. If not, the power due to inflation pressure drops sharply
Would do it. In this case, such a situation cannot occur. It is horizontal
The space 38 outside the seal portion 35 is expanded by both front wall portions 36 provided at
This is because they are locked out of the chamber 37. These traversing wall portions 36 are inside the housing 1.
Are guided and sealed in the fitting recesses 39 of the above.
As shown in FIGS. 8 and 11, the compression valve 14 and the expansion valve 18 face the rotor 5.
The side is concave. That is, the valves 14 and 18 are closed via the seal 41.
The rotor 5 can be abutted against the rotor at the position of the
A recess 40 is provided. The opening and closing operations of the valves 14 and 18 are performed on the seal 41,
This seal between the valve and the rotor remains in place if the systems 7, 8 pass through these valves.
It will be in the same state.
The seal between the rotor and the housing is a blank contact seal.
l) is preferred. This seal has a friction loss when the drive of the rotor 5 is turned off.
Is minimal or not at all. This happens when you have multiple rotors
In some embodiments, a rotor is deactivated when only a small amount of power is needed.
This is the case. Further, the rotor 5 is connected to an electric motor, and the electric motor is connected to the electric motor.
, A hybrid embodiment in which the combustion engine is activated during shutdown
Is also conceivable. In either case, valves 14, 18 are held in the closed position.
12 and 13 show a blank contact sheet between both sides of the rotor 5 and the housing 1.
4 shows a file 42. The seal 42 is, for example, 0.1 mm. 03-0. 05mm emergency
Has a small gap 43. A portion close to the periphery of the rotor 5 where the expansion occurs (
On the right side of the sectional view), the gap 43 is formed by air formed inward in the rotor 5.
It is connected to a chamber 44 and is preferably divided tangentially. Inside the housing 1
An air duct formed in the air chamber 44 is opened. this
The air duct 45 extends from, for example, an air vessel and has pressure and air therein.
Flow can occur. These pressures and air flows are electronically controlled.
And takes a form of a back pressure and a back flow with respect to the gas pressure on the outer peripheral surface of the rotor 5.
It is. 12 and 13, the radial length of the air chamber 44
And / or axial depth may vary in the circumferential direction of rotor 5 depending on the expected local gas pressure of rotor 5.
Indicates that it can be changed. By changing the length of the air chamber 44,
The length of the seal gap 43 can be varied, so that different compression ratios and
A flow in the gap 43 is obtained. The bearing of the rotor shaft 6 is
In order not to receive the pressure inward in the radial direction due to the leakage of the compressed air,
A pressure release duct 53 is formed in the vicinity of the rotor shaft 6 where the pressure is released. Compression section of rotor 5
(See the left part of FIGS. 12 and 13), there is no air chamber 44,
Because the pressure around it is low and there is little risk of leakage.
Referring to FIG. 11, the seal 41 provided on the compression / expansion cam 7 of the rotor is provided.
0. 03-0. A very small gap 45 of 05 mm is provided.
It can also block the flow through it. This gap 45 flows on the cam 7
Disturbing the gas flow and allowing the gas to pass partially allows the gas to flow
It has one or more wedge-shaped recesses 46 oriented disturbingly toward the expansion chamber.
Here, too, in order to prevent gas leakage, compressed air is supplied through the rotor 5 in this case.
It is possible to pay. The seal of the intake / exhaust cam 8 should be simpler.
Can be.
As another modification of the present invention, for example, the rotor 5 and the rotor space 2 are
By separating the compression and expansion sections in the
To separate the parts more completely. Rotor space 2 is divided into intake / compression chamber and
Separation into expansion and exhaust chambers allows intake and exhaust air in the rotor housing to be separated.
Remains open continuously. In addition, an intake duct is also formed in the rotor,
It can also be connected via a motor shaft 6 to an air supply.
FIG. 14 shows an example in which the rotor 5 is completely separated in the axial direction by compression and expansion.
doing. In this embodiment, the rotor center portion 47 serves as an expansion portion, and
The outer part 48 functions as a compression part. Valves 14 and 18 are arranged in the direction
, And extend in correspondence with only the expansion portion 47 or the compression portion 48, respectively. FIG.
5 indicates that the compressed air is supplied to the combustion chamber 3 through the duct 49.
Needless to say, in this configuration, compression and expansion occur only at the width of the rotor.
Therefore, power generation is smaller than that of the rotor 5 that is not completely separated. I
However, an advantage of this configuration is that the movement of both the compression valve 14 and the expansion valve 18 is controlled by each rotor section 4.
8 and 47, respectively, so that external control means is not required.
You.
FIG. 16 shows an example in which the expansion section and the compression section are partially separated.
In this case, there are five parts, only compression is performed on both outer parts 50 and a central part 51
, Only expansion is performed, and both expansion and compression are performed in the intermediate portion 52.
. This embodiment allows the outer part 50 to control the compression valve 14 and
Since the central portion 51 controls the expansion valve 18, no external operation of the valve is required.
The rotor 5 shown in FIG. 17 is an example in which partial axial separation is performed by another method.
is there. The central portion 47 is responsible for both compression and expansion, and only expansion is performed at both outer portions 48.
It is. These outer portions 48, and thus the inflation portion, overlap only the expansion valve 18.
And therefore has a semicircular shape with the upper half disabled. On the other hand,
Said central portion 47 (on the side) is completely oval. In this embodiment
Thus, the movement of the expansion valve 18 can be guided by both rotor parts 48,
The compression valve 14 requires external control. Rotor shown in FIGS. 12 and 13
5 is configured according to the embodiment shown in FIG.
The invention, in principle, has a configuration using only one combustion chamber and one rotor cam.
Note that it is also possible to If so, include two inactive steps
Only the six-step principle will occur. The rotor rotates three times, resulting in one combustion process
. A combustion space having four, six, eight, and other combustion chambers is also conceivable.
Other embodiments or modifications are possible. For example, on both sides of the rotor
The blank contact seal has a labyrinth outlet with a combustion gas exhaust port or a pressurized duct.
A connected labyrinth seal can also be used.
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