JP2922640B2 - 円環状超膨張ロータリーエンジン、圧縮機、エキスパンダ、ポンプ及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本出願の起源 この出願は、1990年１月26日に出願され、現在は放棄
されている本願出願人の出願第07/471,845号の一部継続
出願であり、この出願第07/471,845号が、更に、1989年
８月11に出願され、現在は放棄されている本出願人の出
願第07/392,450号の一部継続出願である。

発明の背景 1.発明の分野： 本発明は、一般的に、容積式エンジン、圧縮機、エキ
スパンダ及びポンプ、並びに方法に関し、これらは、二
以上のロータを有し、これらロータは、それらロータが
回転する際、十分な容積変化をもたらして循環ポンプ作
用を起こすように方向付けされており、この循環ポンプ
作用が作動流体の吸気、圧縮、超膨張及び排気を可能に
する容積式エンジン、圧縮機、エキスパンダ及びポン
プ、並びに方法である。より詳細には、本発明は、斯か
るエンジンにおいて、ガスを、当初の吸気容積よりも大
きな容積まで膨張させるため、その熱力学サイクルの膨
張段階に変更を施したものに関する。

2.先行技術の説明： 面取りした縁を有する噛み合うロータを組込み、ロー
タの相互作用から燃焼及び点火／膨張チャンバー形成す
るエンジンは公知の技術である。例えば、斯かるエンジ
ンは、以下の許与になった米国特許に示されている。19
54年４月13日にマッコール（McCall）に与えられた第2,
674,982号;1962年10月30日にマッコールに与えられた第
3,060,910号;1965年９月28日コールター（Coulter）に
与えられた第3,208,437号;1970年３月24日にハンブリッ
ク（Hambric）に与えられた第3,502,054号;1973年８月
７日にマッコールに与えられた第3,751,193号;1974年３
月７日ディーン・ジュニア（Dean Jr.）に与えられた第
3,809,022号及び1974年10月15日にケース（Case）に与
えられた第3,841,276号。これらの先行技術は、斯かる
エンジンの一般概念の実行可能性を示しているものの、
これらの特許に開示された設計は、斯かるエンジンの潜
在能力をを十分には活用していない。

発明の概要 したがって、本発明の目的は、噛み合うロータを組込
んで、燃焼及び点火／膨張チャンバーを形成する、斯か
るエンジンの潜在能力を多く活用したエンジンを提供す
ることである。

本発明のもう一つの目的は、斯かるエンジンであっ
て、噛み合うロータ各々が、吸気及び燃焼／排気の両方
を与えるものを提供することである。

本発明の別の目的は、斯かるエンジンであって、噛み
合ったロータが、エンジンの作動流体を含むガスが、当
初の吸気容積よりも大きな容積に膨脹するような形態に
なっているものを提供することである。

本発明の更に別の目的は、斯かるエンジンであって、
吸気時間が相当増加したので、エンジンが空気不足にな
らないものを提供することである。

本発明の他の目的は、斯かるエンジンであって、吸気
時間が、エンジンの圧縮機の数に依存するものを提供す
ることである。

本発明の更に他の目的は、斯かるエンジンであって、
吸気及び圧縮が、膨張及び排気とは異なる場所で行われ
るものを提供することである。

本発明の尚別の目的は、斯かるエンジンであって、エ
ンジン内にチャンバーを形成するのに用いられる噛み合
い面が、接触及び封止を増強する面形態を有するものを
提供することである。

本発明のもう一つ別の目的は、斯かるエンジンであっ
て、エンジンの熱力学サイクルの各段階を、任意設定
（customize）することができるものを提供するもので
ある。

本発明の更に尚別の目的は、斯かるエンジンであっ
て、歯数比の変更が、圧縮翼及びチャンバーのインクル
ーデッドアングルにおける直接の変化をもたらすものを
提供することである。

本発明の他の目的は、斯かるエンジンであって、歯数
比の変更が、エンジンの大きさを変えることなく、単位
時間あたりの処理排気量を変化させるものを提供するこ
とである。本発明の更に他の目的は、斯かるエンジンで
あって、ロータの翼が、燃料の噴射及び点火用の機械的
時間調整装置、及び燃料噴射口を開閉し、点火装置を遮
蔽−曝露する弁として使用されるものを提供することで
ある。

本発明の尚別の目的は、容易に組立られたモジュラー
エンジンブロックを有する斯かるエンジンを提供するこ
とである。

これら及び関連する目的の達成は、本明細書において
開示された新規な円環状超膨張ロータリーエンジンを用
いることを通して成し遂げることができる。このエンジ
ンは、二以上のロータからなる容積式エンジンであり、
これらのロータは、これらが回転する時に、循環ポンプ
作用が起きるようにするのに十分な容積変化をもたら
し、この循環ポンプ作用が、作動流体の吸気、圧縮、超
膨張及び排気を可能している。このサイクルに熱を加え
ることにより、エンジンは仕事を生み出すことができ
る。本発明による円環状超膨張ロータリーエンジンは、
内面を有するエンジンブロックを有している。第一及び
第二の噛み合うロータが、エンジンブロックに回転可能
に取り付けられている。第一のロータは、複数の吸気／
圧縮翼を有し、第二のロータは、複数の膨張／排気翼を
有している。吸気／圧縮翼は、ロータの膨張／排気翼及
びエンジンブロックの内面と相互作用して、第一及び第
二のロータが互に関して回転する際に、第一及び第二の
ロータの間に吸気／圧縮チャンバー及び膨張／排気チャ
ンバーを形成するような位置にあってそのような形態に
なっている。吸気／圧縮チャンバーは、膨張／排気チャ
ンバーと分離されており、膨張／排気チャンバー各々
は、各々の吸気／圧縮チャンバーよりも大きな容積を有
する。

本発明のエンジンを作動させる方法においては、第一
及び第二の噛み合うロータを、エンジンブロック内に備
える。第一及び第二のロータを互に関して回転させる。
第一及び第二のロータが回転する時に、第一及び第二の
ロータの間に吸気／圧縮チャンバー及び膨張／排気チャ
ンバーを形成する。吸気／圧縮チャンバーは、膨張／排
気チャンバーから分離され、膨張／排気チャンバー各々
は、各々の吸気／圧縮チャンバーよりも大きな容積を有
する。

本発明の上記及び関連する目的、利点及び特徴の達成
は、図面を参照して行う以下の本発明に関するより詳細
な説明を検討した後に、当業者にとってより明らかにな
るはずである。

図面の簡単な説明 第１図は、本発明によるエンジンの一部の斜視図であ
る。

第２図は、ほぼ第１図の線２−２に沿う概略断面図で
ある。

第３図は、第１図の線３−３に沿う断面図であるが、
本発明によるエンジンの追加の構造を有している。

第４図は、第一図の斜視図に相当する斜視図である
が、第３図に示す追加の構造を所定の位置に有してい
る。

第５図〜第８図は、第２図の線５−５に沿う連続的な
断面図であり、第１図〜第４図のエンジンの作動を示し
ている。

第９図は、第１図〜第８図のエンジンの外部斜視図で
ある。

第10図は、本発明によるエンジンの別の実施態様の斜
視図である。

第11図は、第12図の線Ａ−Ａに沿う、第10図のエンジ
ンの断面図である。

第12図は、第11図の（主シャフトに沿う）Ｂの方向に
視た、第10図及び第11図のエンジンの部分断面立面図で
ある。

第13図は、第10図〜第12図の組立られたエンジンの斜
視図であり、本案エンジンの外部部品及び囲壁を示して
いる。

第14図は、第10図〜第13図のエンジンブロックセクタ
を組立るための組み立て順序に関する立面図及び図説で
ある。

第15図は、第10図〜第14図のエンジンの一部の背面の
斜視図である。

第16図は、第10図〜第15図のエンジン用のブロックセ
クタの斜視図である。

第17図は、第16図のブロックセクタの別の斜視図であ
る。

第18図は、第10図〜第15図のエンジン用の膨張翼の斜
視図である。

第19図は、第18図の膨張翼の別の斜視図である。

第20図〜第24図は、第10図〜第15図のエンジンの一部
の連続図であり、エンジンの作動を示している。

第25図〜第32図は、先行技術のエンジンのサイクル線
図及び本発明のエンジンに関するサイクル線図を示す図
である。

第33図は、第11図の方向Ｂに沿って視た、第10図〜第
15図のエンジンの一部の簡略立面図を示す図である。

第34図は、第10図〜第15図のエンジンの別の部分の簡
略立面図である。

第35A図〜第35B図及び第36A図〜第36B図は、第10図〜
第15図のエンジンに関する膨張翼の側面図及び端面図、
並びに、これらに対応する本発明によるエンジンの更に
別の実施態様の膨張翼の側面図及び端面図である。

第37A図〜第37B図及び第38A図〜第38B図は、第10図〜
第15図のエンジンに関する圧縮翼の側面図及び端面図、
並びに、これらに対応する本発明によるエンジンの更に
別の実施態様の圧縮翼の側面図及び端面図である。

第39A図及び第39B図は、第10図〜第15図のエンジン及
び本発明によるエンジンの更に別の実施態様に関する翼
トラックの対応する正面図である。

第40図〜第44図は、本発明によるエンジンの更に別の
実施態様の一部の連続的な図であり、エンジンの作動を
示している。

第45図は、本発明による交差翼マシン（intersecting
vane machine）の斜視図であり、このマシンは、容積
式圧縮機、エキスパンダ又はポンプとして用いることが
できる。

第46A図〜第46B図及び第47A図及び第47B図は、第45図
の交差翼マシンに用いられるロータの正面図及び端面図
である。

第48A図〜第48B図、第49A図〜第49B図及び第50A図〜
第50B図は、第45図の交差翼マシンに用いられるいろい
ろなロータの形態に関する正面図である。

第51図〜第54図は、第45図のマシンの一部の連続的な
図であり、マシンの作動を示している。

第55図及び第56図は、第45図のマシンに関する一次翼
の斜視図である。

第57図〜第59図は、第45図のマシンに関するいろいろ
な形態のブロック図である。

発明の詳細な記述 図面、特に第１図に戻ると、本発明によるエンジン10
の一部が示されている。エンジン10は、相互に噛み合う
一対のロータ12及び14を有している。相互に噛み合うこ
とに加え、ロータ12及び14は、ロータ12及び14の各々が
もう一方のロータ14及び12の中心部を貫通することによ
り、連動する。各々のロータ12及び14は、吸気／圧縮翼
18を各ロータ12及び14の内面20に、並びに膨張／排気翼
22を各ロータ12及び14の外面24に支持するホイール16か
らなる。各ロータ12及び14のホイール16は、更に、ロー
タ12及び14が回転する際にそれらロータから有用な仕事
を引出す歯車、滑車、及びカム等の部品をホイール16の
側部に取り付けるようになっており、ロータ12及び14に
支持を与えるため必要な軸受け又は軸受け面を備えてい
る。第１図では、ロータ12及び14は、各々四つの吸気／
圧縮翼18及び四つの膨張／排気翼22を備えているように
示されているが、翼の数は四つには限定されない。

エンジン10の作動においては、ロータ12の吸気／圧縮
翼18は、ロータ14の膨張／排気翼22と相互作用し、ロー
タ14の吸気／圧縮翼18は、ロータ12の膨張／排気翼22と
相互作用する。この相互作用が、ロータ12及び14に有用
な仕事をさせるのである。

第２図は、ロータ12と相互作用している際のロータ14
の断面を示している。この図は、ロータ12及び14の固有
の円環状の形態だけでなく、吸気／圧縮翼及び膨張／排
気翼18及び22の概略の断面も示すものである。図示のよ
うに、ホイール16の厚さは、吸気／圧縮翼18から膨張／
排気翼22まで一定である必要はない。この厚さの変化
は、吸気／圧縮チャンバー26の吸気容積から膨張／排気
チャンバー28の排気容積への膨張比を高めるのに利用さ
れる特徴のうちの一つであり、この膨張比は、本明細書
で「超膨張（hyper-expansion）」と称する。超膨張を
可能にするのに用いられるロータの形態のもう一つの特
徴は、吸気／圧縮翼18と膨張／排気翼22との間の平均直
径の差である。燃焼の結果として起こるチャンバー26の
吸気容積のチャンバー28の膨張容積への超膨張は、エン
ジン10の最も重要な特徴である。この超膨張は、熱力学
的効率を高めることができる。

第３図及び第４図は、傘歯車34、36、38及び40によっ
て出力シャフト30及び32と係合した二つのロータ12及び
14を示している。出力シャフト30及び32は、引き続き平
歯車42及び44により互に係合している。出力シャフト30
及び32は、各ロータ12及び14からの動力取り出し手段を
提供し、ロータ12及び14が回転する際にそれらを同期化
するのを助けるものである。

突発的な故障以外には、ロータ12及び14が、出力シャ
フトなしに同期化から外れることがないように、各ロー
タ12及び14の翼18及び22を配置することは可能である
が、このようにすることは、ロータ12及び14のうちの一
つが、それらロータそれぞれの翼18及び22を介してもう
一方のロータを駆動することを必要とする。このこと
は、不可能ではないが、翼18と22との間を十分に封止
し、ロータ12及び14の間に発生する摩擦を最少量にする
のに必要な最も効率的な表面についてもっと研究をする
ことが必要であろう。

エンジン10の熱力学的サイクルは、四つの独立した別
個の段階：吸気、圧縮、超膨張、排気からなるものであ
る。第５図〜第８図は、吸気／圧縮翼18と膨張／排気翼
22との相互作用によって、各々のサイクルがどのように
行われるかを示している。第９図は、吸気口52及び排気
口74のエンジンブロック76への配置を示すものである。

吸気： 第７図は、膨張／排気翼22aの前縁48と完全に係合し
た吸気／圧縮翼18aの後縁46を示している。第８図は、
吸気／圧縮翼18aが、膨張／排気翼22aと脱係合を開始し
た際の、吸気チャンバー50の形成開始を示している。吸
気チャンバー50は、吸気口52と連通しており、この吸気
口は、吸気チャンバー50が大きくなり続ける際に局部的
に真空が生じるため、吸気チャンバー50に作動流体を供
給する。第６図によれば、吸気チャンバー50は最大体積
に達している。

各吸気チャンバー50の吸気容積は、ロータ12及び14あ
たりのチャンバーの数による。各ロータ12及び14につい
てのチャンバー50の数は、等しくなければならない。か
なりの長さの吸気時間が与えられるため、チャンバー50
の容積効率は非常に高い。各チャンバーに関し、サイク
ル時間の約75％を吸気に使用することができる。従来の
往復エンジンは、サイクル時間の約30％でそのシリンダ
を充たす。更に、両方のロータ12及び14は、エンジン12
への共通の吸気口52を共有してもよく、このようにする
と、複雑なマニホールドが必要でなくなる。このこと
は、各ロータ12及び14の各チャンバー50に、空気が非常
に均一に分布することに帰着する。チャンバー50は、吸
気口52を通して充たされるため、弁及び弁と連携する器
材の必要がない。

圧縮： 第５図は、吸気／圧縮翼18bの後縁56と係合する直前
の膨張／排気翼22b、及び圧縮チャンバー58の形成開始
を示している。第６図に示すように、圧縮チャンバー58
の容積が小さくなるにつれ、作動流体は圧縮される。第
７図は、膨張２排気翼22aの側部64にある通路62を経て
燃焼チャンバー60へと移送されるある程度圧縮された作
動流体を示している。第８図では、作動流体は、燃焼チ
ャンバー60及び通路62内に圧縮される。この時点で、燃
焼が起こる。燃焼は、何等かの外部からの点火又はディ
ーゼルサイクルにおけるような圧縮点火の何れかによっ
て開始することができる。

圧縮行程は、混合気内に乱流を生じさせる固有の手段
を提供するものである。乱流は、燃焼過程の間の望まし
い特性である。混合気は、隙間容積に圧縮され、好適な
圧縮比をもたらす。翼18及び22の形状並びに隙間容積の
位置、同様に燃焼チャンバーの位置に起因し、混合気は
多くの方向の変化を受け、このことが乱流を引き起こ
す。

超膨張： 第８図では、吸気／圧縮翼18bの前縁66が、膨張／排
気翼22aの後縁68と完全に係合している。翼18b及び22a
は、第５図に示すように超膨張チャンバー70が形成され
る幾分かの時間完全に係合したままである。超膨張チャ
ンバー70は、第６図及び第７図の状態を経て、第８図に
おけるその最大容積に達するまで大きくなり続ける。

燃焼により加熱される気体は、当初の吸気容積よりも
かなり大きな容積に膨張せしめられることは先に述べ
た。それらの気体は、サイクル時間の約25％でそのよう
になる。従来のエンジンは、サイクル時間の約20％で気
体を膨張させる。このことは、熱損失が時間に依存する
ことから、一見良く思われるが、従来のエンジンは、気
体を当初の吸気容積に膨張させるだけであることを考慮
するべきである。エンジン10は、気体を、サイクル時間
の８％で当初の吸気容積に、サイクル時間の25％で吸気
容積の3.5倍に膨張させる。

排気： 第７図では、吸気／圧縮翼18bの前縁65が、ちょうど
膨張／排気翼22aの後縁68と係合を開始し、第８図に示
すように、排気チャンバー72の容積を減少させ始めると
ころである。排気チャンバー72は、第５図及び第６図の
ように、容積が減少し続け、それにより排出流体を排気
口74を通して押し出す。

エンジン10内で熱力学的段階が重複するため、排気ガ
スは、サイクル時間の最高75％までエンジン内に留まる
ことがあるか、又はそれらの排気ガスは、超膨張段階の
直後に大気圧になることがある。十分な大きさに膨張す
るため、排気ガスを、従来の往復エンジンの排気ガスの
温度よりも低い華氏1000°の温度に近くすることができ
る。この低くなった温度、したがって圧力も、更に排気
過程により生じる潜在ノイズの大きさを低減する。長時
間排気ガスを保持できることにより、排気ガスを、エン
ジン10の封止及び／又は凡ゆる保有温度要件（potentia
l thermal requirement）を援助するのに用いることが
できる。例えば、排気ガスを、燃焼過程を開始するのに
要求される必要な熱の少なくとも一部を提供し、従来の
着火システムを取り除くこともできる。排気温度が低く
なったため、冷却システムなしにエンジン10を作動させ
ることもできる。

燃料の配送： エンジン10は、実際に回転式であり、吸気時間が長く
なっているので、混合気化する（carbureted）と、遠心
力が燃料を空気から分離させ、混合の質の低い混合気を
もたらすことになる。より良い解決策は、直接燃料噴射
することである。直接噴射は、圧縮段階の間のガス圧に
打ち勝つため、高い噴射圧を必要とするが、間接燃料噴
射よりも良い結果を得ることができる。直接噴射用の落
とし穴のうちの一つでは、インジェクタの先端が燃焼の
熱に直接晒され、この温度は華氏5000°の温度に達する
ことがある。このことは、インジェクタの先端を蝕み、
インジェクタの寿命を犠牲にするものである。エンジン
10は（ディーゼルサイクルを利用していない場合に
は）、圧縮段階の間に直接噴射を行った後、燃焼過程の
間吸気翼18でインジェクタの先端をマスクし、インジェ
クタの典型的な高温侵蝕を防止する。更に、吸気翼18
は、噴射時期調整装置としても作用し、インジェクタを
制御することもできる。そのため、インジェクタは、複
雑な時間制御装置を必要としない一定流量式のものでよ
い。配送速度は、燃料ポンプの圧力及び／又は流量を変
化させることにより、簡単に制御することができる。

点火： 各ロータに対して一つ、つごう二つの燃焼チャンバー
がある。このことは、二つの着火点があることも意味す
る。点火は、従来の点火プラグ及び噴射時期調整装置を
用いて行うこともできるが、現在の型についての予定機
械設計限度の25000RPM及びロータあたり四つの吸気チャ
ンバー及び四つの排気チャンバーにあっては、このこと
は、一分間につきロータあたり100000回の点火が起こる
と言い換えることができる。このことは、排気ガス内で
加熱を行うこと又はレーザー点火等の別の点火の仕方の
開発を必要としている云える。

給油： 給油は、２サイクル機関におけるように燃料により行
われるか、又はオイルポンプ等の外部加圧供給物により
行われる。給油に利用することのできる興味ある現象
は、ロータ12及び14の配置と相互作用が、再循環遠心ポ
ンプに役立つということである。オイルを一方のロータ
の中央部に導入すると、オイルは、第１図において矢印
78で示すように、遠心力によりそのロータの外側へと向
けられる。一方のロータの外側は、もう一方のロータの
内側と相互作用するため、オイルは、しかる後、矢印80
によって示されるように、もう一方のロータの内側へと
移送される。もう一方のロータの内側において、オイル
は、今度は、そのロータ外側に向けられ、最初のロータ
の内側に捕捉され、そして同じ一連の事象を通して再循
環される。

熱力学： 従来の４行程往復エンジンとロータリーエンジン10と
を比較した表Ｉ〜XIにおける以下の計算は、エー・アー
ル・ロゴウスキー著、内燃機関の原理、マグローヒル
社、1953年、57〜65頁（A.R.Rogowski,Elements of Int
ernal Combustion Engines,McGraw-Hill,1953,pp.57-6
5）に記載の燃料−空気−サイクル近似に基づいてい
る。計算は、摩擦のない断熱工程を想定し、熱力学的特
性に関する二つのチャート:59ページの第26図及びこの
本に添付の別紙である第27図に依るものである。

変数の一覧 Ｐ（ｎ）＝サイクルの関連（pertinent）段階における
圧力（psia） Ｔ（ｎ）＝サイクルの関連段階における温度（ランキン
温度） Ｖ（ｎ）＝サイクルの関連段階における混合気の容積
（立方フィート） ｒ＝圧縮比 Es（ｎ）＝サイクルの関連段階における内部顕エネルギ
ー（internal sensible energy）（Btu） Ec＝化学エネルギー（Btu） Ｅ＝全内部エネルギー＝Es＋Ec（Btu） ｆ＝残留ガスの重量／チャート内容物（chart content
s）の総重量 他の変数は、本明細書の残余において用いる際に説明
する。

他の考慮すべき因子 従来のエンジンが、想像上の車を発動させる（powe
r）には、時速60マイルで車を推進させるのに必要な20
馬力を生じさせるため、従来のエンジンは、その局限の
RPMである25000に非常に近い速度で回転しなければなら
ない。このことは、従来のエンジンの信頼性に関して強
い懸念の根拠になろう。一方、本案のエンジンは、時速
60マイルで車を推進させるのに要する20馬力を生じさせ
るためには、約7500RPMで回転することが必要である。
これならば、適度なRPMであり、そのため、信頼性が向
上する。

第10図〜第13図は、本発明のもう一つの形式のエンジ
ン100を示している。第10図は、エンジン100の主要な機
械部品を示している。八つの圧縮機ロータ102が、一つ
の膨張ロータ104と係合している。膨張ロータ104には、
軸受け162（第11図）及び圧縮機駆動シャフト114の歯車
112と係合する歯車を備えた主駆動シャフト106が、取り
付けられている。歯車112は、歯車116と係合し、この歯
車が、今度はオイルポンプ駆動シャフト118を駆動す
る。圧縮機ロータは、歯車119によって一緒に結合され
ている。各々の圧縮機ロータ102は、複数の吸気／圧縮
翼120を有している。膨張ロータ104は、複数の膨張／排
気翼122を、その内側の周りに有しており、この膨張／
排気翼122は、ロータ102及び104が、それぞれ矢印124及
び126によって示す方向に回転する時に、翼120と噛み合
う。各々の翼122は、排気口130で終る移送路128を有し
ており、移送路128の機能は、以下に説明する。

第11図〜第13図は、エンジン100の追加の細目を示す
ものである。これらの図は、エンジン100アセンブリの
立面図、部分断面図及び外観斜視図を示している。第10
図に示すエンジン100の部分は、ブロック132に包囲され
ており、ブロック132は、ロータ102及び104が回転して
作動チャンバーを力学的に形成する際に、それらロータ
と相互作用するが、この作動チャンバーは、従来のピス
トンエンジンのシリンダにほぼ相当するものである。ブ
ロック132は、冷却ダクト134を有しており、主駆動シャ
フト106に取り付けられた冷却ファン138によって送られ
る空気が、この冷却ダクト134を通過してエンジン100を
冷却する。ブロック132の冷却フィン139が、冷却を補佐
する。歯車のハウジング兼オイル受け140が、ブロック1
32に取り付けられ、歯車110、112及び116並びにオイル
ポンプ142を包囲している。オイルポンプ142は、ブロッ
ク132にくまなくゆきわたる給油チャンネル144（第14図
及び第15図も参照）に接続され、エンジンの可動部にオ
イルを供給する。第一のロータ102は、オイル戻り流路1
45を備え、オイルがオイル受け140に戻るのを容易にす
る。各々のロータに関し、燃料噴射器146が、ブロック1
32の位置147に備っている。ロータ102は、軸受け148に
支持されている。各々のロータ102に対し、吸気口150が
備っている。ブロック132の吸気ダクト152が、吸気マニ
ホールド154を通じて吸気口150に空気を供給する。ブロ
ック132を貫通する排気口156が、翼122の排気口130から
排気ガスを受ける。点火装置158（第20図〜第24図参
照）が、各々の第一のロータ102と第二のロータ104との
間の位置160に備っている。主駆動シャフト106は、軸受
け162により支持されるとともに、オイルシール164を有
しており、このオイルシール164において、主駆動シャ
フト106はブロック132を貫通している。

第13図及び第14図は、ブロック132の詳細、及びその
組立方法を示している。ブロック132は、複数の楔形の
セクタ166から形成されている。二つのブロックセクタ1
66が互に接合され、圧縮機ロータ102を内包する。セク
タ166は、半円状アセンブリ168になるような順序で互に
接合する。しかる後、これら二つのアセンブリ168を、
残りの二つの圧縮機ロータ102とともに、一緒に接合し
てブロック132を形成する。第14図には、セクタ166の吸
気口170も示されている。

第15図は、吸気マニホールド154及びオイル配送チャ
ンネル144を備えたオイル受け140及び吸気ダクト152の
詳細を示している。

第16図及び第17図は、セクタ166の更に詳細な図を提
供するものであり、吸気口170、吸気口170に接続された
吸気路172、圧縮相封止領域及び膨張相封止領域174及び
176、燃料噴射器146及び位置178及びオリフィス180、並
びに給油チャンネル144を示している。更に、燃焼チャ
ンバー182の位置及び点火装置158の位置160が、示され
ている。

第18図及び第19図は、膨張ロータ104の更に詳細な図
を提供するものであって、排気口130並びに噛み合い面1
84及び185を示しており、これらの噛み合い面は、エン
ジン100の作動において、圧縮機ロータ102の面186（第1
4図）と係合する。更に、移送路128が示されている。

第１図〜第９図の円環状超膨張ロータリーエンジンと
同様に、第10図〜第19図の複数圧縮機超膨張エンジン10
0も、作動流体の吸気、圧縮、超膨張及び排気を可能に
するサイクル式ポンプ作用を起こすため、十分な容積の
変化を与えるように方向付けされた二以上のロータ102
又は104からなる容積エンジンである。サイクルに熱を
加えることにより、エンジンは、仕事を生み出すことが
できる。第５図〜第８図が、円環状超膨張エンジン10の
ポンプ作用に関する事象の循行を説明しているように、
第20図〜第24図は、複数圧縮機超膨張エンジン100のポ
ンプ作用の類似性を示している。これら二つの作用の間
の相違の一つは、複数圧縮機超膨張エンジン100の排気
段階では、膨張／排気翼122の排気口130を用いるのに対
し、円環状超膨張ロータリーエンジンでは用いないこと
である。

どちらのエンジンも円環状超膨張ロータリーエンジン
であり、同じ概念で作動するが、それら二つのエンジン
の間の相違は、それらエンジンのロータの機械的配置に
あるということを指摘しなければならない。円環状超膨
張エンジン10は、鎖の環のように連合したロータ12及び
14を有している。複数圧縮機超膨張エンジンは、ロータ
102と104とが一緒に連合している必要がない。円環状超
膨張エンジンのロータ12及び14各々には、吸気／圧縮翼
18及び膨張／排気翼22が取り付けられているのに対し、
複数圧縮機超膨張エンジン100のロータ102及び104各々
は、一種類の翼だけを有している。簡略化のため、吸気
／圧縮翼120を圧縮翼120と称し、膨張／排気翼122を膨
張翼122と称する。圧縮翼120を有する複数圧縮機超膨張
エンジンのロータ102は、圧縮翼102と呼ぶ。膨張翼122
を備えた複数圧縮機超膨張エンジン100の一つロータ104
は、膨張ロータ104と呼ぶ。膨張比は、3.5:1と同じまま
であるので、表Ｉ〜XIに示すような円環状超膨張エンジ
ンの場合と同様な熱力学的関係及び効率がある。

複数圧縮機超膨張エンジン100圧縮は、ポンプ作用
が、可動部の同心回転運動を通じて行われ、加熱された
空気の膨張容積を当初の吸気容積よりも大きくすること
ができる容積式内燃エンジンであるため、熱効率の向上
を含む多くの利点をもたらすものである。エンジン100
の全体の設計は、非常に柔軟性があり、そのため、その
働き又は信頼性の向上に必要と考えられる他の特徴を加
えることができる。目下の膨張容積は、吸気容積の3.5
倍もの大きさであるが、この膨張容積は、設計要件によ
り大きくも小さくもすることができる。加熱した空気を
大きな容積に膨張させることにより、サイクルの終了時
における最終温度及び圧力をかなり低下させることがで
きる。エンジン100が、そのポンプ作用を行い及び出力
を達成するのの必要な可動部の数（附属品を無視する）
は、10個である。これらのなかで、６個は同じものであ
り、７番目及び８番目の部品は細部を除いてほぼ同じも
のである。このことは、エンジンの製作に関する限り注
目すべき特徴である。

排気温度は、典型的な容積式エンジンの排気温度より
も低い約華氏900度（約482℃）である。このことは、利
用可能な熱に関してより多くの割合が、機械的仕事を提
供するのに現実に利用されていることを示している。こ
のことは、エンジン部品を加熱してしまう可能性のある
熱エネルギーを、はるかに少なくしか残さないので、本
案のエンジンは最小限の冷却システムが必要なだけであ
ることが予期される。空冷が最も廉価で簡単であるが、
水冷が、典型的には、より安定している。エンジンの設
計に何れを組入れてもよい。低下した排気温度は、低下
した排気圧とも直接関連がある。この特徴は、何れも回
転可能な僅かな可動部と組み合せて、非常に静かに作動
するエンジンをもたらし、斯くして、対応する軽量化と
ともに、消音及び音の抑制の必要性を低減するものであ
る。

エンジン10の可動部は、第10図に示すように、一つの
膨張ロータ104、八つの圧縮機102及び一つの圧縮機駆動
シャフト114からなる。膨張ロータ104は、転動体軸受け
162に支持された主シャフトを備えており、要求される
作動速度にもよるが、滑り軸受けを使用することもでき
る。圧縮機102は、歯車119により連動し、しかも、シャ
フト及び転動体軸受け若しくは滑り軸受け148によって
支持された独立のロータである。圧縮機駆動シャフト11
4は、1:1の歯数比で膨張ロータ104の主シャフト106と直
接連動し、やはり転動体軸受け又は滑り軸受け162によ
って支持されている。歯数比は、1:1に限る必要はない
が、歯数比は、圧縮機102及び膨張翼122の形態に強く影
響し、エンジン100の効率及び出力に直接の影響を及ぼ
す。圧縮機駆動シャフト114のもう一方の端は、順次互
に連動する圧縮102のうちの一つと噛み合う。圧縮機駆
動シャフト114は、エンジンユニットの全ての歯車及び
軸受けに、加圧潤滑剤を供給することのできるオイルポ
ンプ142を駆動するのにも使用される。主駆動シャフト1
06は、適当な伝達又は連結装置を噛み合い、必要であれ
ば付属のドライブプーリを備えている。

膨張ロータ104及び圧縮機102は、各々八つの翼122及
び120を担持している。ポンプ作用を起こすのに要求さ
れる必要な容積変化を生じさせるのが、圧縮機102の翼1
20と膨張ロータ104の翼122との相互作用である。圧縮機
102は、それらの回転軸が、膨張ロータの回転軸と直交
する平面内にあるように配置される。圧縮機102は、更
に、膨張ロータ104の回転軸を中心に半径方向に方向付
けされており、そのため、ロータ102及び104が完全に一
回転する間を通して、各膨張翼122は、各圧縮機102の一
つの圧縮翼120と相互作用する。エンジン100の一回転に
対して終了する個々のサイクルの数は、翼102又は122の
数に圧縮機102の数を乗じたものに等しい。この態様の
場合、八つの翼120又は122掛ける八つの圧縮機102は、
膨張ロータ104の一回転につき64の完了した熱力学サイ
クルに等しい。エンジン100は、膨張ロータ104により課
せられる形態的限界内で、如何なる数の圧縮機102を有
するようにも設計することができる。圧縮機102の寸法
を変えることによるか、利用する圧縮機の数を変えるこ
とにより、エンジン100の排気量を変化させることが可
能である。圧縮機102あたりの圧縮翼120の数は、（1/歯
数比）ｘ（膨張ロータ104に用いる膨張翼122の数）に等
しくなくてはならず、ここで、歯数比＝膨張ロータ104
の一回転あたりの或る圧縮機102の回転数である。膨張
ロータ104に用いられる翼122の数が、圧縮機102の数と
等しいか又は多い場合に、最も良い熱効率が達成され
る。翼122の数が圧縮機102の数より少ないと、翼とチャ
ンバーとの個々のセット各々のサイクルが重複すること
に起因して、膨張比が低下する。

エンジン100における熱力学的サイクルの段階は、吸
気、圧縮、超膨張、排気である。容積式ポンプのよう
に、ポンプ作用は、容積変化を通じて行われ、順次であ
るが異なる位置で起こる。この構成は、サイクルの各段
階を最適化するための設計に関する高い柔軟性をもたら
す。

熱力学サイクルの四つの段階は、圧縮機102の圧縮翼1
20及びチャンバーと、膨張ロータ104の膨張翼122及びチ
ャンバーとの相互作用により生じたポンプ作用によって
行われる。第20図〜第24図エンジンを参照して、必要な
ポンプ作用を以下のように説明する。

吸気： 第24図は、圧縮翼120が膨張翼122から離れる際の吸気
チャンバー200の形成開始を示している。第20図に示す
ように、吸気チャンバー200の容積は、第21図に示すそ
の最大値に達するまで増加する。

圧縮： 第24図は、ちょうど圧縮の開始時点における圧縮チャ
ンバー202を示している。圧縮容積は、圧縮翼120の膨張
翼122へ向う運動により減少する。容積の減少は、第20
図、第21図及び第22図に示されている。圧縮チャンバー
の内容物は、膨張翼の側部に位置する移送路128を経て
圧縮チャンバー内に圧縮される。第22図により示される
ように、移送路128は、更に、点火装置158を曝露する。
移送路128は、圧縮チャンバー204と直接連通しているの
で（第21図参照）、移送路128内で点火装置158により点
火された圧縮混合気が、圧縮チャンバー204内の圧縮混
合気を燃焼し続ける。

超膨張： 第23図は、膨張翼122が圧縮翼120から離れる際の膨張
チャンバー206のの形成を示している。膨張チャンバー2
06は、第24図、第20図、第21図及び第22図を通して増大
し続ける。これは、燃焼しているガスが、膨張翼122の
力を働かせ、膨張路104に周りを駆動させる。

排気： 第23図は、更に、排気段階の開始を示している。排気
口130が露出するようになり、第24図、第20図、第21図
及び第22図により示されるように、膨張翼122の圧縮翼1
20に向う運動により排気チャンバー208の容積が減少す
るにつれて、排気ガスは、膨張翼の排気口130を通じて
排出される。

第25図乃至第32図は、普通の先行技術のエンジンと本
発明のエンジン10及び100に関し、それぞれのサイクル
の比較を示している。エンジンへの働きかけを行う役割
をするのは、全てのエンジンに関してサイクルの膨張段
階である。第25図は、１気筒４行程往復エンジンに関す
るサイクルの段階を図に描くものである。この図は、72
0度のクランクシャフトの回転（まる二回転）に対し
て、ただ一つの膨張段階があることを示している。もう
一つのシリンダをこのエンジンに加えると、互に関して
ピストンの運動を如何にして同調させるかを無視して、
720度のクランクシャフトの回転に対して二つの膨張段
階ができる。第26図は、４気筒４行程往復エンジンが、
720度のクランクシャフトの回転あたり最多四つの膨張
段階まで与えることができることを示している。最も円
滑な出力があるのは、サイクルが、互に関して180度で
段階を離れる場合である。このことが、180度のクラン
クシャフトの回転毎に膨張段階を生じさせる。

第27図は、１気筒２行程往復エンジンのサイクルを図
に描くものである。この図は、360度のクランクシャフ
トの回転毎に膨張段階に関して、段階の重複があること
を示している。第二のシリンダを追加すると、この二行
程エンジンは、４気筒４行程往復エンジンと同様に、18
0度のクランクシャフトの回転毎に膨張段階を生じさせ
ることができる。このことが可能なのは、四行程エンジ
ンが一サイクルを終了する間の合計が720であるのに対
し、二行程エンジンでは360度だからである。この二行
程エンジンは、これをそのサイクルの段階を重複させる
ことにより行う。

第28図には、バンケルエンジンのサイクルが示されて
いる。単一ロータバンケルエンジンは、そのロータの36
0度の回転毎に三つの膨張段階を生じさせる。バンケル
エンジンのサイクルを十分に表わすには、その出力シャ
フトの回転よりもそのロータの回転に関してバンケルエ
ンジンのサイクル時間を示すことが必要であった。これ
は、出力シャフトとロータ自身との間に必要な歯数比の
影響を排除するものである。

実地においては、各々のサイクルの段階の時間は変化
するが、上記三つのそれぞれのサイクルの各段階は、同
じ時間かかるものとして表わされる。即ち、吸気、圧
縮、膨張及び排気段階は、４行程エンジンに関して各々
180度、２行程エンジンに関して各々120度、及びバンケ
ルエンジンに関して各々90度要した。

本案エンジンのサイクルは、各々の段階の時間が等し
くないこと、及び斯かる時間の変化可能な程度がだいぶ
大きいことを除いて、２行程往復エンジンのサイクルと
よく似ている。第29図乃至第32図は、単一圧縮機、２圧
縮機、４圧縮機及び８圧縮機超膨張エンジンそれぞれに
関するサイクルを示すものである。第27図の単独分離し
たサイクルと第31図及び第32図の単独分離したサイクル
とを比較することにより、如何に本案エンジンのサイク
ルが２行程往復エンジンのサイクルとよく似ているがが
分る。しかしながら、完全なサイクルあたりに要する合
計時間だけでなく、本案エンジンの段階の時間に関する
比例関係が、上記のエンジンの何れの斯かる合計時間及
び比例関係とも異なることも明らかである。

超膨張エンジンのサイクルの段階の各々に関するおよ
その時間は、膨張ロータに関するものであり、以下のよ
うに計算することができる。

吸気時間（度）＝（360−α）／歯数比 圧縮時間（度）＝（γ＋β）／歯数比 膨張時間（度）＝（α−β＋θ） 排気時間（度）＝δ ここで： α＝圧縮機の回転軸から測定した膨張翼の端のインクル
ーデッドアングル（第11図）、 β＝膨張ロータの回転軸から測定した圧縮翼の端のイン
クルーデッドアングル（第12図）、 γ＝圧縮機の回転軸から測定した吸気チャンバーの側部
のインクルーデッドアングル（第34図）、 θ＝膨張ロータの回転軸から測定した膨張チャンバーの
側部のインクルーデッドアングル（第33図）、 δ＝膨張ロータの回転軸から測定した圧縮半径方向のイ
ンクルーデッドアングル（第12図）、 歯数比＝膨張ロータの一回転あたりの圧縮機の回転数で
ある。

エンジン100は、八つの膨張翼122及び1:1の圧縮機102
と膨張ロータ104の歯数比を有する８圧縮機超膨張エン
ジンであり、以下の値を有する。

α＝35.0度 β＝9.0度 γ＝22.5度 θ＝22.5度 δ＝45.0度 これは、325度の吸気時間、31.5度の圧縮時間、48.5
度の膨張時間及び45度の排気時間ということになる。α
のβに対する比が、ほぼ膨張容積の吸気容積に対する比
を表わす。この場合、斯かる比はおよそ４対１である
が、現実の膨張比は3.5対１であり、これは、膨張容積
がその最大値に達する前に排気段階が始まるからであ
る。この場合、γとθとは等しいが、そうである必要は
ない。本案エンジンの目下の型においては、吸気チャン
バーのインクルーデッドアングルは、圧縮機の回転軸か
ら測定した圧縮翼のインクルーデッドアングルに等し
い。膨張チャンバーと膨張翼についても同じことがいえ
る。しかしながら、ただ一つの厳格な要件は、チャンバ
ーのインクルーデッドアングルに翼のインクルーデッド
アングルを加えた合計に翼の数を乗じたものが、360度
に等しくなくてはならないということである。

例えば、γを15度に減らすことにより、圧縮翼のイン
クルーデッドアングルが30度に増加する｛8X（15＋30）
＝360｝。このことは、膨張チャンバーの膨張翼に対す
る比率に、逆の仕方ではあるが、膨張チャンバーのイン
クルーデッドアングルと膨張翼のインクルーデッドアン
グルとの合計に膨張翼の数を乗じたものが360度に等し
くなくてはならないという同様の要件で、影響する。し
かしながら、θは30度になり、膨張翼のインクルーデッ
ドアングルは15度になる。これは、必然的に、圧縮翼の
インクルーデッドアングルが増加するので、圧縮翼が相
互作用をするはずである対応する膨張チャンバーのイン
クルーデッドアングルも増加しなければならないという
ことになる。これらの比の派生した結果が、エンジンの
排気量及び膨張比に影響を与える能力である。その他残
りも全て同様であり、γが減少、したがってθが増加す
ると、圧縮機の排気量は減少するが、膨張比は増加す
る。逆も真である。

圧縮機が、膨張ロータの二倍の角速度で回転するよう
に、歯数比を変更すると（歯数比＝2:1）、上記の方程
式に従って時間が変更されるが、もっと大事なことに
は、効率及び出力も変化することである。エンジン10に
関する表Ｉ〜XIを熱力学的比較として用い、元の膨張容
積を同じに維持すると、エンジン100の排気量は元の排
気量の二倍、即ち、50ccから100ccになる。膨張比は、
半分に、即ち3.5:1から1.75:1に減る。これらの新しい
値を熱力学方程式に再導入すると、図示熱効率は0.55か
ら0.47に低下し、図示平均有効圧は、355psiから300psi
に低下する。これらの低下は、膨張比の低下に起因する
が、馬力は、膨張ロータ104が25000rpmで68.4から同じ
速度で115.5に上昇する。出力は、排気量の増加により
増加する。膨張比を前の値まで高めると、出力は、元の
出力の二倍の136.8に跳ね上がる。歯数比は、複数圧縮
機超膨張エンジン100の特性を決定するのに影響をする
役割を果すことができることが明らかになる。

エンジン100の吸気過程は、吸気時間を徹底的に増や
すことにより増強される。２行程及び４行程両方の往復
エンジン、及びバンケルエンジンに関しては、熱力学サ
イクルの全ての段階が、エンジンの同じ幾何学的位置で
同じ時間だけ起こるため、吸気過程が時間が短いことに
より妨げを受ける。エンジン100は、吸気及び圧縮段階
が圧縮機102内で起こるようにし、膨張及び排気段階が
膨張ロータ104内で起こるようにしている。エンジン100
に関して段階の時間がかなり異なるのは、各段階の幾何
学的位置を別々にしたためである。長くなった吸気時間
は、本案エンジンの容積効率に対して非常に直接的で顕
著な影響を有し、この容積効率は、仕事を行う上でのエ
ンジンの潜在能力の直接の尺度である。

圧縮段階が非常に短くなったことも有益であり、これ
は、燃料の燃焼の前にもガスが圧縮過程によって加熱さ
れるからである。この熱は、エンジンの潜在的仕事の一
部である。空気をゆっくりと加熱すると、熱が伝導のプ
ロセスによりエンジンの残部に逸出し、エンジン全体の
潜在能力の幾分かが失われる。この熱損失は、圧縮段階
をスピードアップすることにより最小限度にすることが
できる。

超膨張段階も、相当短縮されて同様の利益をもたら
す。熱がエンジン100に吸収される時間の長さが短くな
る。しかしながら、このことは、燃焼の起きる時間が短
くなるので、燃焼の間の燃料／空気混合体における十分
な乱流を得ることを非常に困難にするものである。

圧縮及び超膨張段階のように、排気段階の時間が短く
なったことも有益なことであり、それは、このことが、
排気ガスがそれらの余熱をエンジン100の部品に受け渡
さなければならない時間の長さを短縮するためである。
汚染物質を減らすため、必要であれば、排気ガスを別の
部分に集め、処理することもできる。往復エンジンと異
なり、排気ガスは掃気に用いられないので、排気段階を
吸気段階と重複させる必要がない。エンジン100は、ポ
ンプ及び熱力学サイクルの必要な段階の全てを最適化す
るものである。

膨張ロータ104及び圧縮機102の翼122及び120は、時間
調整装置として用いられ、燃料噴射及び点火過程だけで
なく、吸気及び排気段階も制御する。吸気及び排気は、
翼122及び120が、２行程往復エンジンのピストンと同様
の仕方で、弁として作用している状態で、エンジンのブ
ロック132の吸気口150及び排気口130を通して行われ
る。膨張ロータ104の翼122は、更に、移送路128を備え
ている。この移送路は、燃料／空気混合体を燃焼チャン
バー204に圧縮し、その直後に、燃料／空気混合体を点
火する連続点火装置158を露出させる。膨張翼122には、
やはり排気口130があり、この排気口は、排気段階の間
に膨張ロータ104を通じて、排気ガスが逸出するように
している。

燃料の配送は、比較的簡単な燃料噴射システムからの
直接の燃料噴射による。各々の圧縮機102に対して燃料
噴射器146がある。直接噴射は、直接噴射システムの配
送圧が高いので、燃料の噴霧が巧くゆくという点で、間
接噴射よりも利点がある。直接噴射システムの噴射器
は、燃焼の熱に直接晒され、侵蝕を受けやすいのが典型
であるが、エンジン100の噴射器146は、燃焼チャンバー
204とは別個の圧縮チャンバー202内にそれらが位置する
ことにより、燃焼の直接の熱からは遮蔽されているた
め、噴射器の寿命は長い。噴射は、圧縮器102の翼120に
よって物理的に時間調節される。このことは、噴射器14
6を拍動する必要がないため、燃料噴射システムの複雑
さを緩和するものである。システムは、気流特性によっ
て噴射器146の流量を調節することが必要なだけであ
る。燃料噴射器146は、共通の燃料レール（図示せず）
に対して配管され、この燃料レールは、適当な燃料ポン
プ（図示せず）をによって供給を受ける。

点火システムも単純化されている。圧縮機102一つに
つき一個の点火源158が必要であり、点火源158は、燃焼
チャンバーのとなりに位置している。点火は、膨張ロー
タ104の翼122により物理的に時間調節され、このこと
が、別個の点火配電器の必要性を排除している。点火源
158は、ディーゼルエンジンに用いられるグロープラグ
の点火源と原理的に同じものである。点火源は、圧縮さ
れた燃料／空気混合体の熱要件によってある一定の温度
に加熱される。次いで、燃料／空気混合体は、膨張翼12
2の移送路128を経て点火源158に晒される。混合気のそ
の燃焼部分が、今後は、燃焼チャンバー204内の混合気
の残りを点火させる。

オイルポンプ142から給油が行われ、このオイルポン
プは、圧縮機駆動シャフト114によって駆動される。オ
イルは、オイル配送チャンネル144にポンプで送られ、
オイル配送チャンネルにおいて、オイルは、各々のブロ
ックセクタ166内に位置する各給油チャンネル144に配送
され、ブロックセクタ内において、オイルは、歯車、軸
受け及び他の必要な領域を循環された後、圧縮機102の
中空な駆動シャフト内のオイル戻り流路145を経てオイ
ル受け140へと戻る。オイルは、エンジンの高温域から
隔てられており、したがって、オイルは、従来のエンジ
ンにおけるようには、容易に汚染物を蓄積することもな
く、高温になることもない。このことは、必要なオイル
交換の間の間隔を大きくするものである。

必要であれば、水冷式システムを備えることもできる
が、エンジン100を冷却するのに、空冷式冷却システム
で十分であることが予想される。エンジン100の最も高
温な領域は、その周縁部であり、ここでは、余分な熱を
取り去るのが最も容易である。エンジンの周縁部はフィ
ンが付いており、主シャフト106により駆動されるファ
ン138によって空気が供給される。このファン138は、必
要であれば、ウォーターポンプに代えることもでき、フ
ィン139は、ウォータージャケットに代えることもでき
る。

圧縮機102の翼120は、圧縮及び膨張段階の間、封止を
維持しさえすればよい。これらの段階は、比較的短時間
の間に、少しの現実のロータ102及び104の回転において
行われるため、封止による摩擦が、大きく緩和される。
多くのパーセンテージの圧縮機の回転が、封止装置によ
り妨害されないですむ。しかしながら、膨張ロータ104
の翼122は、ロータ104の全ての回転に対して十分な封止
を維持しなければならない。これらの段階の間の封止
は、可動部が現実に接触することなく封止するのに十分
な製作許容差によって達成されるべきである。ロータ10
2及び104のそれぞれのチャンバーの壁の表面パターンが
結合したロータ102及び104の翼120及び122の形態は、如
何なる漏れも抑えるのに十分な乱流を起こすのに十分で
あると考えられる。

熱力学サイクルの段階を封止し、分離するため、圧縮
翼及び膨張翼120及び122は、できる限りかたく噛み合わ
なければならない。それらの封止端面184、185及び186
は、円環体の周りに生じた螺旋部分に基づくものであ
る。以下は、斯かる面のあらゆるカルテシアン点を決定
するための基になる数学である。

Ｘ＝sin（−α/2＋φ）ｘ半径 Ｙ＝cos（−φ／歯数比）ｘ｛［cos（−α/2＋φ）ｘ半
径］＋中心間距離｝ Ｚ＝sin（−φ／歯数比）ｘ｛［cos（−α/2＋φ）ｘ半
径］＋中心間距離｝ ここで： α＝圧縮機の回転軸から測定した膨張翼の端のインク
ルーデッドアングル（第11図）、 φ＝面の角分解能（angular resolusion）を決定する
のに用いる角の増分（第18図）、 半径＝圧縮機の平面
における圧縮機の回転軸から問題の点までの二次元的距
離（第11図）、 歯数比＝膨張ロータの一回転あたりの或る圧縮機の回
転数、 中心間距離＝圧縮機の回転軸と膨張ロータの回転軸と
の間の垂直距離（第11図）である。

これらの方程式は、膨張翼122に関し噛み合い面184及
び185を表わしている。この方程式は、大きさφの角の
歩み幅により−α/2からα/2までに限られている。圧縮
翼120の噛み合い面186は、膨張翼122に対してつくられ
た面184及び185の或る部分である。噛み合い面184及び1
85と186との相互作用の特質は、−α/2とα/2との間の
どの部分を用いるかによって変更することができるが、
部分の合計が圧縮翼の端のインクルーデッドアングル
（第12図のβ）に等しくなければならないことに留意す
る。

第35A図〜第35B図及び第36A図〜第36B図は、それぞれ
第10図〜第15図のエンジン100の膨張翼の122及び別個の
燃焼チャンバー204（第20図〜第24図）を除外したエン
ジン100の変型の膨張翼250を示している。このエンジン
においては、改訂した翼の形態に因り、燃焼チャンバー
は「大急ぎで（on the fly）」形成される。このこと
は、膨張翼122における移送路128の必要性を排除するも
のである。膨張翼250の側部252は、膨張翼122の対応す
る側部とはかなり異なる角度を有している。確固とした
燃焼チャンバー及び移送路128を排除することにより、
掃気損失（scavenging losses）が大幅に減少する。

第37A図〜第37B図及び第38A図〜第38B図は、第10図〜
第15図の圧縮翼120と、確固とした燃焼チャンバー204を
有しないエンジンの圧縮翼256との間の差異を示してい
る。側部258は、圧縮翼120の対応する側部260とは異な
る角度を有している。

第39A図及び第39B図は、圧縮翼120及び膨張翼122を用
いた第10図〜第15図のエンジン100の圧縮トラック265及
び膨張トラック266と比較して、圧縮翼256及び膨張翼25
0を用いたエンジンの圧縮トラック262及び膨張トラック
264における変化を示すものである。圧縮トラック262の
底272及び膨張トラック264の底272に関し、面268及び27
0は、圧縮トラック265及び膨張トラック266における対
応する面274及び276と比較して、異なる角度を有してい
る。膨張トラック266における燃焼チャンバー204は、膨
張トラック264においては排除されている。圧縮トラッ
ク262と膨張トラック264との間の交差部280には、チャ
ンバー278が存在する。

第40図〜第44図は、圧縮翼256、膨張翼250、圧縮トラ
ック262及び膨張トラック264の変更を施した形態に基づ
き、翼250及び256の相互作用の一連の段階を示してい
る。第40図〜第43図は、それぞれ第１図〜第４図のエン
ジン10に関する第５図〜第８図に相当し、第40図〜第44
図は、それぞれ第10図〜第15図のエンジン100に関する
第24図及び第20図〜第23図に相当する。

手短に言えば、第24図及び第20図〜第23図を検討する
と、第24図では、圧縮チャンバー202は、その最大容積
になっている。翼120及び122が、それぞれの方向に回転
を続けると、第20図に示すように圧縮チャンバー202の
容積が減少し、圧縮チャンバー202の内容物は、膨張翼1
22の移送路128を経て、第221図に示すように燃焼チャン
バー204に送られる。

第40図は、最大容積の圧縮チャンバー282を示してい
る。圧縮翼256及び膨張翼250がそれぞれの方向に回転を
続けると、第41図及び第42図に示すように圧縮チャンバ
ー282の容積は減少する。第43図によれば、圧縮チャン
バー282は、翼250及び256の形態により完全に形成さ
れ、四面体の形状を呈し始めている。第44図は、圧縮チ
ャンバーの最終的形状を示している。この時点で、圧縮
チャンバーは、燃焼チャンバー284になる。燃焼チャン
バー284は、逆になった四面体の形状になっている。第4
3図と第44図との間で、第40図に示す当初の圧縮チャン
バー282の内容物は、燃焼チャンバー284が形成される時
に、圧縮トラック262と膨張トラック264との間のチャン
バー278を経て、四面体状の燃焼チャンバー284に移送さ
れる。この小さいチャンバー278によって画定される容
積は、エンジンの掃気損失につながる容積だけを意味す
るものである。図示し、説明した以外の、第35A図〜第4
4図の変更形態及び作動の仕方を用いるエンジンの構造
及び作用は、第10図〜第15図のエンジン100の構造及び
作用と同様である。

第45図は、チャンバーであって、単一の一次ロータ30
2、複数の二次ロータ304及びそれらのチャンバーの間の
連通路により形成されるチャンバーの容積比により、容
積式の圧縮機、エキスパンダ又はポンプとして使用する
ことのできるマシンを示している。第454図は、一次ロ
ータ302の回転軸を中心に半径方向に方向付けされた八
つの二次ロータ304を示している。二次ロータ304は、二
次駆動シャフト306で駆動され、一つの二次駆動シャフ
トだけが第45図に示されている。二次駆動シャフト306
は、308において一次駆動シャフト310と噛み合い、その
もう一方の端において、二次ロータ304のうちの一つと
噛み合う。残りのロータ304は、312において示すよう
に、連鎖している（daisy chained）。必要であれば、
一つよりも多くの二次駆動シャフトを用いてもよい。一
次ロータ302は、複数の一次翼314を有し、それらの間に
は、一次チャンバー316が形成される。二次ロータ304各
々は、複数の二次翼318を有し、それらの間には、複数
の二次チャンバー320が形成される。二次翼318及び二次
チャンバーの数は、一次翼314の数及び一次と302と二次
ロータ304との間の歯数比の関数である。十分な容積変
化を起こさせ、圧縮機、エキスパンダ又はポンプに関し
て必要なポンプ作用を提供するのは、一次及び二次翼31
4及び318並びに斯くして形成されたチャンバー316及び3
20の相互作用である。

一次チャンバー316の容積と二次チャンバー320の容積
との間の容積比は、幾つかのパラメーターにより変える
ことができる。第一のパラメーターは、第46A図及び第4
6B図に示すような、一次ロータ302により決定される一
次チャンバー316の平均直径Ｄイチジと、二次ロータ304
により決定される二次チャンバー320の平均直径Ｄニジ
との比である。第二のパラメーターは、第47A図及び第4
7B図に示すような、一次ロータ302の厚さにより決定さ
れる一次チャンバー316の厚さＴイチジと、二次ロータ3
04の厚さにより決定される二次チャンバー320の厚さＴ
ニジとの比である。第三のパラメーターは、第48A図〜
第49B図に示すような、チャンバー及び翼の半径方向の
インクルーデッドアングルの間の半径方向のインクルー
デッドアングルγとθとの比である。γ及びθの合計
は、形態に関する他の特徴により決定される或る値に等
しいが、γ及びθの合計が一定である限り、γとθとは
異なる値を割当てることができる。一次ロータ322に関
してγの値を増加させると、一次ロータ324に関するγ
の値が減少することに留意する。このことは、チャンバ
ーに関する時間は、相互作用するロータの翼に関する時
間に等しくなくてはならないことから、必然的にそうな
るのである。第四のパラメーターは、一次駆動シャフト
310と二次駆動シャフト306との間の歯数比である。第46
A図及び第46B図は、歯数比が1:1の一次及び二次ロータ3
02及び304を示している。各ロータに対する翼の数は、
等しいことに留意する。第50A図及び第50B図は、歯数比
が2:1の一次ロータ302と二次ロータ326を示している。
このことは、二次ロータ326が、一次ロータ302のに倍の
角速度で回転することを示している。よって、翼328の
数が、歯数比が1:1の二次ロータ304と比較して、半分に
なったのである。この歯数比における変化は、一次ロー
タの各々の回転に対して二次ロータ326が処理すること
のできる排気量を効率良く倍化する。

第51図〜第54図は、一連の翼314と318との相互作用を
示している。マシン300には、任意の適した配置の、所
望であれば絞ってあってもよい口を通して、作動ガスを
送り込むことができ、同様の口を通して、内部のガスを
マシンの外へ送り出すことができる。第55図は、一次翼
314に設けられた口330を示している。或るロータ302の
翼314が、他のロータ304の翼318から離れるにつれ、チ
ャンバー316又は320の容積は増加する。或るロータの30
2の翼314が、他のロータ304の翼318に向って移動するに
つれ、チャンバー316又は320の容積は減少する。四つの
チャンバー316又は320の容積は、各相互作用点において
同時に変化する。相互作用点の数は、二次ロータの数に
よる。

チャンバー316とチャンバー320との間に好適な通路32
1を与えることにより、チャンバー316又は320の内容物
を、別のチャンバー320又は316に送り込むことができ、
どのようにロータ302及び304が回転するか、一次チャン
バー316と二次チャンバー320との間の容積比、及び通路
及び口の位置により、マシン300を、圧縮機、エキスパ
ンダ又はポンプ、或るいはこれらの任意の組合せとして
作り上げることができる。

第57図〜第59図は、マシン300に関する幾つかの可能
な変型のブロック図である。第57図は、全ての二次ロー
タ304が直列に作動するのを示している。ロータ毎に容
積比を変化させることにより、マシン300は、多段圧縮
機又は多段ポンプとして作用することができる。第58図
は、全ての二次ロータ304が並列に作用するのを示して
いる。この構成は、同じ又は異なる種類の媒体をポンプ
配送するポンプとして適している。第59図は、二次ロー
タ304が直列と並列との組合せの状態に作られたマシン3
00を示す。勿論、マシン300を作り上げることのできる
多くの追加の方法がある。

一次及び二次チャンバー314及び320を封止し、隔てる
ため、一次翼302の端330は、二次翼304の端とできるだ
けきつく噛み合わなければならない。これらの端面、即
ち噛み合い面は、円環体の周りに生じた螺旋の部分に基
づくものである。

図示し、説明した以外の、マシン300の構造及び作用
は、第35A図〜第44図を参照して説明したエンジン及び
第10図〜第15図のエンジン100の構造及び作用と同様で
ある。

上記の本発明の目的を達成することのできる新規な円
環状超膨張ロータリーエンジンが、提供されたことが、
もう当業者には明らかなはずである。本発明のエンジン
は、相互に噛み合うロータを有するエンジンの潜在的効
率を大幅に利用している。本発明の一態様においては、
相互に噛み合うロータの各々は、吸気／圧縮と膨張／排
気の両方をもたらす。このエンジンにおいては、圧縮さ
れた気体を、当初の吸気容積よりも大きな容積まで膨張
させる。

更に、図示し、説明したように、本発明の形態及び細
部における種々の変更ができることが、当業者には明ら
かなはずである。斯かる変更は、本明細書に添付の請求
の範囲の精神及び範囲内に包含されることを意図するも
のである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ５３１，５０１ (32)優先日 1990年５月31日 (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02B 53/00 F01C 3/00 - 3/08

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内面を有する支持構造体と、前記支持構造
   体に回転可能に取り付けられた第一及び第二の噛み合う
   ロータとを備え； 前記第一のロータは、第一のロータの内面を持ちかつ横
   断方向で凹んだ複数の第一の翼を有し、第一の翼と前記
   内面との連続的な対の間に複数の一次チャンバーを形成
   する空間を有し、 前記第二のロータは、前記第二のロータの外面を持ちか
   つ横断方向で凸の複数の第二の翼を有し、前記第二の翼
   と前記内面との連続的な対の間に複数の二次チャンバー
   を形成する空間を有し、 前記第一のロータの第一の回転軸線と前記第二のロータ
   の第二の回転軸線が交差しないように配置され、前記第
   一のロータと第二のロータとは前記第一の翼と前記一次
   チャンバー及び前記第二の翼と前記二次チャンバーの各
   々が唯一個の交差部分を共通に通過するように配置した
   ことを特徴とする交差翼マシン。
2. 【請求項２】前記第一のロータと複数の第二のロータと
   を有し、前記第一のロータは前記内面に設けられた複数
   の前記翼を持った横断方向に凹んだ内面を有し、前記第
   二のロータは前記外面に形成された複数の第二の翼を持
   った横断方向に凸の外面を有し、前記第一の翼が一次翼
   になり、前記第二の翼が二次翼になることを特徴とする
   請求項１に記載の交差翼マシン。
3. 【請求項３】前記第一及び第二のロータが各々複数の第
   一の翼及び第二の翼を有し、前記第一のロータ及び第二
   のロータの各々がドーナツ形を有しかつ各ロータが他の
   ロータ中心部分を通過するように組み合っていることを
   特徴とする請求項１に記載の交差翼マシン。
4. 【請求項４】前記第一のロータ、第二のロータ、第一の
   翼、及び第２の翼は、第一の及び第二のロータが互いに
   他に対し回転する時前記第二の翼が第一の翼及び前記支
   持体の内面と係合するように形成されて配置され、 前記第一及び第二の翼が前記支持構造体内で係合する
   時、第一の翼の第一の断面外形と第二の翼の第二の断面
   外形との間に実質上非対称形の隙間領域すなわち燃焼チ
   ャンバを形成することを特徴とする請求項１に記載の交
   差翼マシン。
5. 【請求項５】前記マシンが、前記第二の翼が吸気／圧縮
   翼であり、前記第一の翼が圧縮／排気翼であることを特
   徴とする請求項１に記載の交差翼マシン。
6. 【請求項６】交差翼マシン内に隙間容積を動的に形成す
   る方法において、 内面を有する支持構造体内に記第一及び第二の翼を配置
   するステップであって、第一の翼は第一の噛み合い面を
   備え該第一の翼の軸線の横断面を有しており、第二の翼
   は第二の噛み合い面を備え該第二の翼の軸線の横断面を
   有しており、第一及び第二の翼の軸線方向の断面は形状
   が非類似であって、 第一の翼が第一の方向に移動し、第二の翼が第一の方向
   と交差する第二の方向に移動するステップであって、第
   一の翼と第二の翼が共通の操作部を通過し、第一の噛み
   合い面が第二の噛み合い面と係合する時第一及び第二の
   噛み合い面と前記内面が前記隙間容積を形成すること を特徴とする隙間容積の動的形成方法。