JP2011503404A - ２ストローク対向星型ロータリーピストンエンジン - Google Patents

Abstract

２ストローク対向ロータリーピストンエンジンであって、スリーブ及びスリーブ内でスライドするように配された２つのピストンを有するシリンダブロックと、楕円線又はカッシーニの卵形線によって形成される曲面を有するロータと、ピストンに取り付けられたトラバースと、トラバースに取り付けられるとともにロータに対して弾性的に下向きに押圧されるローラと、エンドブッシングを有する送油管と、給油手段及び排油手段と、２つのプランジャを備え、ピストンは向かい合うように移動可能であるとともにスリーブの側壁と共有の燃焼室及び第１の間隙を形成し、２つのプランジャは各管内に配されて第１の間隙よりも実質的に小さい第２の間隙を形成する。プランジャはトラバースに取り付けられるとともに向かい合うように移動可能であり、貫通型の流路、外部空間を形成するブッシングを有する外部表面、及び、給油手段及び排油手段と連通する内部空間を形成する管の側壁を有する内部表面を備える。油排出手段は給油手段によって外部空間と連通する。エンジンは横力及び慣性力を吸収し、より効率的で排出物が少ない。
【選択図】図１ａ

Description

本出願は米国仮特許出願第６０／８８１２０８号（２００７年１月１９日出願）、米国特許出願第１１／８２７５９５号（２００７年７月１２日出願）の優先権を主張するものである。両出願の開示内容は参照することにより全体として本出願に組み込まれるものとする。本発明は対向星型ロータリーピストンエンジンに関する。該エンジンは地上車両、水上車両、飛行機において発電機等と組み合わせて使用可能である。

従来技術においては、遠心ピストンエンジン又はロータリーピストンエンジン（本出願では以降、ＯＲＰＥと呼ぶ）の様々な構造物が公知であり、これらは従来のピストンエンジンの特定の欠点を取り除くように意図されている。例えば、上記のような構造物は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５に記載されている。例えば、後者はピストンにかかる横圧を抑制し、効率性を改善し、往復運動でクランクを用いることなく楕円の内壁上でカムを回転させることによって、振動を減少させるとともに、寸法と重量も劇的に減少させるという目的を有する。上記の他の構造物も一般的に同様の目的を有する。

特許文献１は、シリンダブロックがロータの内側で回転する４ストロークエンジンを開示している。該エンジンは複雑で、バルブ機構の小さな駆動源、及び、可動部分を有する回転機構を備えた設計バランス（des-balance）を有する。

特許文献２は、バルブ機構及び円錐形状のロータを有する４ストロークエンジンを開示している。図７は楕円形の溝を有する円錐ロータ及び該溝内部のピストン従動部を示す。該エンジンは相当な摩擦損失を生じる複雑なユニットであり、載荷部分を稼働させるための駆動源は限られている。この構造物はシリンダ壁の上にあるピストンによってもたらされる横力を除去しない。

特許文献４は４ストロークエンジンを開示しており、シリンダブロックは楕円形の軌道で回転し、吸気／排気系統は回転可能なバルブを備える。この構造物は複雑でバランスをとることが困難である（立案者も認めている）。ピストンはロッド及び楕円形のハウジング上にあるスライドベアリングを介して運動する。ハウジングと接する場所は高摩擦及び高熱を経るので、駆動源が乏しくなる。

発明者の観点から、ＯＰＲＥの進化版が特許文献６で提供されている。この文献には以下のように記載されている。すなわち、「バルブ機構を有する回転型の星型ピストンエンジンであって、該エンジンは相互にスライドするように配された開口部を備えるディスクリングを有する。上記リングの１つが固定される一方で、他方の１つはロータの回転運動に加わるように配される。バルブの開口部の関係は手動によるディスクの角度位置によって決定される。出願された本発明に従って、噴射は固定ディスク内に配された噴射ノズルを介して行われる。バルブのリングは貫通型の開口部を用いて形成され、ロータは想定される位置に応じて、燃料に着火する瞬間に噴射ノズル及び燃焼室の間に開かれた連通手段を形成する」。

ドイツ特許登録第３９０７３０７号 米国特許登録第６２７９５１８号 国際公開公報第２００５０９８２０２号 ロシア特許登録第２１４３５７２号 日本特許登録第７１１３４５２号 米国特許登録第第６１６１５０８号

しかしながら、このエンジンは特定の欠陥と制限を有している。該エンジンはロータの周囲を回転するとともにロータを駆動させるシリンダブロックを有する４ストロークエンジンとして製造される。サポートベアリングでもたらされる反動力が極めて大きいため、駆動源を供給する時間が短い。エンジンは回転可能なスライドバルブに基づいて吸気／排気系統を用いる。このことは複雑な密閉手段を使用することを余儀なくし、該密閉手段は一般的に駆動源を著しく限定してしまう（典型的には最大で１００時間に）。ピストンの往復直線運動によって回転しているシリンダブロックはバランスを取るのが非常に困難で、したがって、著しく破壊的な振動を引き起こすことになる。このような問題は本発明では首尾よく解決している。

本発明のＯＲＰＥは、ロータの回転運動をピストンの直線的なストロークへ変換する（その逆も含む）上記の非一般的な形態を用いる。この建設的な解決策は、エンジンシリンダの側部上のピストンによってもたらされる横力をほぼ吸収し（その逆も然り）、重量、燃費、出力の比率を本質的に改善しており、発明者に公知な、現在使用されている全てのエンジン（ヴェンケルのロータエンジンを含む）よりも有用なものであることを実証している。

本発明のもっとも重要な利点は、簡単な設計で、低質量で、長時間の駆動源（推定で１００万キロ）、低燃費、及び、高出力トルク、低公害（環境に優しい）であるということである。

エンジンの重量（備え付けの装置を除く）は略３０キロと推定される。該エンジンは５００ｃｃの排気量を排出し、２５０馬力を出力する。もっと強力なバージョンでは、エンジンそのものの重量は６５キロと推定され（備え付けの装置を除く）、１０００ｃｃの排気量を排出し、５００馬力を出力する。

本発明に記載のエンジンは、例えば、発電機、水陸乗用車のモータ、及び、飛行機のモータを用いた統合的な駆動などのための様々な応用例で用いられる。また、従来の内部の燃焼機関に匹敵することが可能である。

エンジンの潤滑システム及び冷却システムに組み入れられた設計上の解決策によって、１２０００〜１５０００ｒｐｍでエンジンを有効活用することが可能となり、モータースポーツにも効果的に応用可能である。本開示に記載されている構造物によって、本発明の原則を利用するディーゼルタイプのエンジンだけでなく、ガソリン又は天然ガスを燃料にするエンジンの改良及び製造が可能となる。

本発明のＯＲＰＥは、左右対称な楕円形の閉曲線 ｘ^２／ａ^２＋ｙ^２／ｂ^２＝１、又は（ｘ^２＋ｙ^２）−２ｃ^２（ｘ^２−ｙ^２）＝ａ^４−ｃ^４（このとき、ｘ及びｙは２次元の座標で、ａ及びｂは所定の係数）の公式で表されることが可能なカッシーニの卵形線（Cassini line）によって形成されるロータの閉曲面の作用面を有する。

本発明の開示では、２ストローク対向ロータリーピストンエンジンについて記載されている。該エンジンは、シリンダブロック、楕円線又はカッシーニの卵形線によって形成される面を有するロータ、ピストンに取り付けられたトラバース、トラバースに取り付けられるとともにロータに対して弾性的に下向きに押圧されるローラ、エンドブッシングを有する送油管、給油手段及び排油手段、及び、２つのプランジャを備える。該シリンダブロックは、スリーブ及びスリーブ内部でスライドするように配されるとともに向かい合う移動可能な２つのピストンを有し、これら２つのピストンはそのヘッド間に共有の燃焼室を形成するとともに、スリーブの側壁で第１の間隙を形成する。該プランジャは各送油管内に配され、送油管の側壁で第２の間隙を形成する（第１の間隙よりは実質的に小さい）。プランジャはトラバースに取り付けられるとともに向かい合う位置に移動可能である。プランジャはさらに、貫通型の絞り室、ブッシングで外部空間を形成する外部表面、及び、送油管の側壁で内部空間を形成する内部表面を備え、該内部表面は給油手段及び排油手段と連通している。エンジン油排出手段は給油手段によって外部空間と連通している。エンジンは横力及び慣性力を吸収し、より効率的で排出物が少ない。

本発明の好適な実施形態にしたがって、組み合わせたエンジンの一般的な正面図である。 本発明の好適な実施形態にしたがって、ロータの上「死点」におけるエンジンの側断面図を示すとともに、エンジン構造物の基本となるユニット及び詳細を示す。 本発明の好適な実施形態にしたがって、組み立てられたエンジンの一般的な正面図である。 本発明の好適な実施形態にしたがって、ロータの下「死点」におけるエンジンの側断面図であり、エンジン構造物の基本となるユニット及び詳細を示す。 本発明の好適な実施形態にしたがって、組み立てられたエンジンの一般的な側面図を示す。 エンジンの正面断面図であり、本発明の好適な実施形態にしたがって、プランジャ、プランジャチューブ、及び、エンジン構造物の他の基本となるユニット及び部分の設計を示す。 本発明の好適な実施形態にしたがって、エンジンの下死点におけるプランジャチューブ及びプランジャの断面図を示す。 本発明の好適な実施形態にしたがって、エンジンの上死点におけるプランジャチューブ及びプランジャの断面図を示す。

図面中の類似する参照番号は、一般的に異なる図面中の同一又は類似の要素を参照するものとする。記載中に新しく付された数字は括弧で囲まれている。

図に示しているように、本発明は異なる形態の実施形態の影響を受けることがあるが、本開示が本発明の原則の例示とみなされるという理解に基づいて本明細書中及び本発明の特異的な実施形態で記載されており、本明細書に例示並びに記載の発明を限定することを意図したものではない。

ガソリンを燃料とする本発明のエンジンの実施形態は、図１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、３ａ、及び３ｂに示されている。該エンジンは固定して取り付けられた固定シリンダブロック（１）（例えば、乗り物に）、シリンダブロック（１）に取り付けられたシリンダ形状のスリーブ（２）、該スリーブ（２）内でスライドするようにぴったりと合う２つの向かい合う移動可能なシリンダピストン（３）を備える。好適な実施形態においては、ピストン（３）とスリーブ（２）の側壁との間の第１間隙の大きさは約５０マイクロメートルである。

向かい合う位置にあるピストン（３）はそれぞれボトムヘッドを有する。ボトムヘッドの表面及びスリーブ（２）の側壁の一部（ボトムヘッド間で）は共同で、共有の作動室及び燃焼室を形成する。

シリンダブロック（１）はサポートベアリング（好ましくは、ボールベアリング）を有する。スパークプラグ（１６）及び燃料噴射装置（１７）はシリンダブロック（１）内に設置される。

シリンダブロック（１）及びスリーブ（２）は、吸気口（１２）及び排気口（１３）を備え（好ましくは圧延され）、給気を供給するとともにこれに応じて燃焼生成物を排出する。エンジンによって機械的に駆動される本実施形態においては、給気は過給用の空気圧縮機（１４）から吸引される。別の実施形態においては、別の手段で駆動されることもある。空気圧縮機（１４）は吸気口（１２）に接続されている。

エンジンは２つのフォーク型トラバース（４）を備える。前記トラバース（４）の各々はロックナット手段によってピストン（３）の１つと接続され、該ロックナット手段はトラバースの雄ネジ上にねじ込み可能な雌ネジを有する。ネジ接続を行うことによって、組立工程中の圧縮比率を８から１１までの範囲内で調節することができる。

エンジンはピストン（３）及びトラバース（４）からの力を伝える支持ローラ（５）を備える。支持ローラ（５）はピン手段（図示されず）によってトラバース（４）に取り付けられる。

エンジンは、例えば、乗り物に固定して取り付けられる固定ハウジング（１１）を備える。該固定ハウジング（１１）はサポートベアリング（１０）（好ましくはボールベアリング）を備える。図１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂにおいて、ハウジング（１１）は実際には水平に配されるが、通常は垂直に配されたように示される。本開示で後に記載されているように、ハウジング（１１）は潤滑及び他の目的のために油で満たされる。

エンジンはロータ（８）を備える。該ロータは所定の曲線（例えば、左右対称な楕円形の閉曲線又は上記のカッシーニの卵形線）によって形成される閉曲面の内側作用面を有する。ロータ（８）は、ハウジング（１１）内に設置されたサポートベアリング上、及び、シリンダブロック（１）内に設置されたサポートベアリング上に取り付けられる。

エンジンは、少なくともサポートベアリング（１０）上に取り付けられた回転可能な動力取出装置用シャフト（９）を備える。該シャフト（９）はロータ（８）に固定される。ロータ（８）の回転トルクはシャフト（９）に伝えられ、さらにトランスミッションに伝達可能である。

トラバース（４）はバネ（７）と相互作用する。エンジンの開始時に連動の圧力が十分にかけられていない場合は、該バネ支持ローラ（５）をロータ（８）に対して下向きに押圧する。

図４ａ及び４ｂに描かれているように、エンジンは低圧の給油管（１９）を備え、該給油管はその内部に取り付けられた逆バルブ（図示されず）を有する。エンジンはさらに高圧の排油管（２０）を備え、該排油管はその内部に取り付けられた逆バルブ及び減圧バルブ（図示されず）を有する。これら管（１９）及び（２０）は、ハウジング（１１）に接続されるとともに、少なくともエンジンの潤滑及び以下に記載される目的のために用いられる。

エンジンは、図３ｂ、４ａ、及び４ｂに示されているように、２つの区域を含む油ポンプを備える。該区域の各々は管（１５）及び２つの向かい合うプランジャ（６）を備え、該プランジャは各管（１５）内部にぴったりと合うようにスライドする。各プランジャ（６）はピストン部分とロッド部分を有する。プランジャ（６）のロッド部分はピン手段（図示されず）によってトラバース（４）（図３ｂ）に取り付けられる。好適な実施形態においては、ポンプ管（１５）及びプランジャ（６）間の第２間隙は約２〜４マイクロメートルの大きさ（すなわち、実際には第１間隙より小さい）で設けられる。

ポンプ管（１５）は給油管（１９）に接続された吸油口、及び、排油管（２０）に接続された排油口を有し、該吸油口及び排油口は、図４ａ及び４ｂに図示されているようにポンプ管内に穴を開けて設けられている。

油ポンプは、図４ａに図示されているように各管（１５）の両端に接続されている。ブッシング（１８）はその両端で管（１５）を密閉するように機能するとともに、プランジャ（６）のロッド部分の直線運動を導くように機能する。

図４ａ及び４ｂは以下のものを示す。管（１５）内部のプランジャ（６）のピストン部分の内部ヘッド表面（Ｄ）（これによって、２つの表面（Ｄ）が互いに面するようになる）、ブッシング（１８）に面するプランジャ（６）のピストン部分の外部表面（Ｃ）、内部表面（Ｄ）及び管（１５）の内部側壁の間に形成される内部空間（Ａ）、外部表面（Ｃ）、ロッド部分の側壁、及び、ブッシング（１８）内側の側壁に形成される外部空間（Ｂ）である。

油ポンプは２つの油排出パイプを有する。各パイプは外部表面（Ｂ）を吸油口と連通させる（図４ａ及び４ｂ）。

各プランジャ（６）は貫通型の絞り流路（２２）を有し、該絞り流路が所定の小さな直径で、好ましくはプランジャ（６）の長手軸に沿って掘られることによって、油の直行流に対して必要な耐性がもたらされる。この流路（２２）を形成する目的は、装置が操作中に油圧の影響によって破壊するのを防ぐことである。流路（２２）は垂直な貫通部分を有し、該部分は空間（Ｂ）と連通可能である。

プランジャ（６）はエンジン内で重要な役割を担う。第１の機能はポンプによる油の排出であり、油ポンプに共通する通常の潤滑機能である。

プランジャ（６）の第２の機能は、ローラ（５）及びロータ（８）の間の相互作用によって引き起こされる横力を吸収することである。スリーブ（２）及びピストン（３）間の間隙がポンプ管（１５）及びプランジャ（６）間の間隙よりも実質的に大きいため（各々の大きさが２〜４マイクロメートルであるのに対して、５０マイクロメートル）、プランジャ（６）は上記の横力を吸収する。

プランジャ（６）の第３の機能は、前記横力の吸収によって、スリーブ（２）内部のピストン（３）の平行移動をもたらすことである。

プランジャ（６）の第４の機能は、所定の体積の燃焼室を提供すること、及び、ピストン（３）によって発生するとともにロータ（８）上にもたらされる慣性力を吸収することである。この第４の機能は、ピストン行程中の上死点及び下死点において、油圧系統における油圧バルブとしてプランジャ（６）を操作することによって達成される。

図１ｂは上死点内に配されたトラバース（４）を有するピストン（３）の位置を示す。共通の燃焼室はピストンのヘッドとスリーブの内部側壁の各々の部分によって形成される（上死点は共通の燃焼室の最小体積に相当する）。その位置で火花がスパークプラグ（１６）によって発生し、燃焼室中の燃料と空気の混合物に着火する。このとき燃焼室はトラバース（４）とともにピストン（３）を逆の方向に移動させる。ローラ（５）はロータの曲面の内側作用面を下向きに押圧して、ロータ（８）が回転するよう推進する。該ロータ（８）は動力取出装置用シャフト（９）を回転させる。

ロータ（８）が９０度回転するまでピストン（３）をさらに動かす間（図２ｂに示すように、下死点は共通の燃焼室の最大体積に相当する）、吸気口（１２）及び排気口（１３）は開いており、燃焼生成物を噴き出すとともに、圧縮機（１４）によってもたらされる外気部分でシリンダスリーブ（２）を満たす。

その後の９０度回転の間、ロータ（８）は慣性によって回転し、ローラ（５）及びトラバース（４）を介してピストン（３）を押し出す。この結果、ピストンが上死点まで互いに移動して、スリーブ（２）中の空気を圧縮する。ピストン（３）が吸気口（１２）及び排気口（１３）を通過した後、燃料の一部は燃料噴射装置（１７）を介して燃焼室に注入される。燃料と空気の混合物は、ピストン（３）の上死点位置まで達するように、燃焼室内で激しく混合される（図１ｂ）。

ロータ（８）の１８０度回転が完了すると、次の火花が燃焼室で生成され、上記の２ストロークサイクルが繰り返される。したがってこの２ストロークサイクルは、動力取出装置用シャフトが１８０度回転する間に実行される。その一方で、従来のピストンの内燃エンジン及び上記従来技術のエンジンにおいては、２ストロークサイクルは３６０度回転する間に実行される。本発明のエンジンサイクルの頻度は２倍であり、結果としてエンジンの出力も増大する。

エンジンの稼働中には、送油管（１５）及びプランジャ（６）で並行プロセスが行われる。ピストン（３）が下死点に移動すると、油はハウジング（１１）から吸引されて給油管（１９）へ送られるとともに、吸油口を介して送油管（１５）の拡張空間（Ａ）に送られる（図４ａ）。同時に、油は内部表面（Ｃ）の手段によって空間（Ｂ）から排水パイプ（２１）へと排出される。

表面（Ｃ）は排出パイプ（２１）を通った後、プランジャ（６）のピストン部分によって閉じられる。空間（Ｂ）に残った油によってプランジャ（６）のさらなる移動が防がれる。したがって、トラバース（４）を介したプランジャ（６）に関連するピストン（３）
の移動も防がれる。この状況は空間（Ｂ）における「流体固着現象」として公知であり、エンジンの下死点が決定される。上記の絞り流路（２２）は、流体固着現象によって引き起こされるプランジャ（６）の急停止で起こる油圧の影響によりプランジャ及び関連する他の機構が破壊されるのを防ぐ。

プランジャ（６）の逆運動の間、空間（Ａ）は収縮しており（図４ｂ）、油は表面（Ｄ）によってそこから排油口を介して排油管（２０）へと排出される。表面（Ｄ）が吸油口を通った後、空間（Ａ）に残った油は密閉され、空間（Ａ）内で流体固着現象を起こす。該流体固着現象はエンジンの上死点の位置を決定する。

クランクシャフトがないために、クランクシャフト内で発生する横力、及び、クランクシャフトの回転によって引き起こされる慣性負荷はほぼ除去される。これによって、摩擦損失が約５０％減少し、したがって燃費も減り、摩擦損失を補うために必要な燃料の量が節約される。エンジンの燃費が効率的になることによって、汚染物は減少し、エンジンは環境にやさしいものとなる。

Claims (3)

1. ２ストローク対向星型ロータリーピストンエンジンであって、
   固定ハウジングと、
   前記固定ハウジングで取り付けられた固定シリンダブロックと、
   所定の曲線によって形成される閉曲面の内側作用面を有するロータと、
   ピストンに各々取り付けられた２つのトラバースと、
   前記トラバースに各々取り付けられた多くの支持ローラと、
   ２つの固定された油ポンプ管と、
   前記管に少なくとも給油するための給油手段と、
   前記管から少なくとも排油するための排油手段と、
   ２つのプランジャと、
   前記給油手段によって外部空間と連通するための油排出手段を備え、
   前記シリンダブロックは内部側壁を有するシリンダ状のスリーブと、ボトムヘッドを有する正対する２つのシリンダピストンを有し、前記ピストンはスリーブ内でスライドするように配されることによって前記スリーブの内部側壁とピストンの間に所定の大きさの第１の間隙が形成され、前記ピストンが互いに関連して向かい合うように移動可能であることによって、共通の作動室及び燃焼室が前記ボトムヘッド及び前記スリーブの内部側壁によって形成され、
   前記ロータは前記ハウジング及び前記シリンダブロックによって回転可能なように十分に支持され、
   前記支持ローラは前記ロータに対して弾性的に下向きに押圧され、
   前記油ポンプ管はガイドブッシングによって両端で閉じられ、該管は内部側壁を備え、前記ブッシングは内部側壁を備え、
   前記２つのプランジャが前記管の各々内にスライドするように配されることによって、前記プランジャと前記管の内部側壁の間に所定の大きさの第２の間隙が形成され、前記第１の間隙は前記第２の間隙よりも実質的に大きく、前記プランジャは前記トラバースに取り付けられるとともに前記ガイドブッシングによって互いに関連して向かい合うように移動可能であって、前記プランジャの各々は長手方向に貫通型の絞り流路及び外部表面を備え、前記ブッシングの内部側壁及び前記外部表面は２つの外部空間を実質的に形成し、前記プランジャの各々は内部表面を備え、前記内部表面及び前記管の内部側壁は内部空間を形成し、前記内部空間は前記給油手段及び前記排油手段と連通することを特徴とする、２ストローク対向星型ロータリーピストンエンジン。
2. 前記所定の曲線が左右対称な楕円形の閉曲線又はカッシーニの卵形線のどちらかであることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
3. 前記第１の間隙の所定の大きさが５０マイクロメートルとほぼ等しく、前記第２の間隙の所定の大きさが２〜４マイクロメートルの範囲から選択されることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。

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