JP4638945B2 - 振動ピストン・エンジン - Google Patents

Description

本発明は、ハウジングに対して固定されている回転軸のまわりを前記ハウジング内で一緒に回転することができるとともに、回転軸のまわりを回転するとき、回転軸に対して垂直に前記ハウジングの中心を貫通する枢動軸のまわりを互いに対してそれぞれ反対の方向に往復枢動運動を行う第１のピストンおよび少なくとも第２のピストンが、その中に配置されているハウジングと、第１のピストンと少なくとも第２のピストンとの互いに対向している端部表面の間に配置されている作動チャンバと、を含み、ハウジング内に、作動チャンバにまたは作動チャンバからガスを吸入したりまたは吐出したりする少なくとも１つのガス交換開口部をさらに含む、振動ピストン・エンジンに関する。

この種類の振動ピストン・エンジンは、下記特許文献１から知られている。
振動ピストン・エンジン、特に、本発明の振動ピストン・エンジンは、内燃機関として、例えばポンプ、またはコンプレッサーとして使用することができる。本発明の振動ピストン・エンジンは内燃機関として使用することが好ましく、本明細書ではそういうものとして説明している。

振動ピストン・エンジンを内燃機関として使用する場合には、吸入、圧縮、膨張、および排出の個々の作動行程が、２つの終端位置間の個々のピストンの往復枢動運動により伝達される。
同じ出願人による下記特許文献１から知られている振動ピストン・エンジンの場合には、４つのピストンが球体のハウジング内に配置されており、これらの４つのピストンは、ハウジングの中心にありかつハウジングに対して固定されている回転軸のまわりを一緒に回転するとともに、４つのピストンがハウジング内で回転するとき、枢動軸のまわりで往復枢動運動を行い、２つの隣接するピストンはそれぞれ反対の方向に枢動する。この既知の振動ピストン・エンジンの場合には、ハウジングの中心で直径方向に対向する各２つのピストンは互いに堅固に連結されてダブル・ピストンを形成しており、このような２対のピストンはハウジングの中心で交差するように配置されている。各作動チャンバは、対をなすピストンの互いに対向している各２つの端部表面の間に形成されており、したがって、既知の振動ピストン・エンジンは合計２つの作動チャンバを有している。ハウジングの中心に直径方向に対向するように配置された両方の作動チャンバの大きさは、ピストンの往復枢動運動時に同じ方向に拡大縮小する。

この既知の振動ピストン・エンジンのピストンはそれらのＴＤＣ位置において、２つの作動チャンバの容積が回転軸に対して垂直方向に最小になるようにハウジング内に配置されている。この位置では、ピストンが回転軸のまわりを回転するとき、ピストンに作用する遠心力が最大になる。その結果、大きい回転速度では、遠心力がピストンの枢動離間運動を打ち消すため、ピストンの膨張または枢動離間は遠心力に逆らって行われなければならない。この振動ピストン・エンジンの場合には、作動チャンバは、すべての場合において回転軸の外側かつ回転軸に対して垂直に位置している。

さらに、既知の振動ピストン・エンジンは、ハウジング内に、回転軸に対して互いに約１００°の角度間隔をあけて配置されている２つのガス交換開口部を有している。一方のガス交換開口部は、燃焼用空気を吸入する役目を果たし、他方のガス交換開口部は、燃焼済み燃料／空気混合物を排出する役目を果たす。スパーク・プラグは、ガス交換開口部に対向する回転軸の側部上に、例えば、２つのガス交換開口部の間の角度の二等分線上に配置されている。

上述した既知の振動ピストン・エンジンの類似の振動ピストン・エンジンは、下記特許文献２で知られている。上述した既知の振動ピストン・エンジンの場合と同様に、吸入圧力チャンバが作動チャンバから離れたピストンの後部に結合している。大気中の新鮮なガスで吸入圧力チャンバを満たすために、ハウジング内に吸気開口部を設けてあるとともに、前圧縮された新鮮なガスで作動チャンバを満たすために、連結開口部を介して、およびオーバーフロー通路を介して吸入圧力チャンバを作動チャンバに連結している。回転軸上に位置する出力シャフトには、その端面部上に、それぞれ２つの対向する窓を有している回転式スライド弁が設けてあり、これらの２つの対向する窓は、吸気開口部および連結開口部に通じることができ、シャフトが１８０°回転するとき、交互に、すべての４つの窓が吸気開口部に通じるとともに、窓のうちの２つがオーバーフロー通路の連結開口部に通じる。作動チャンバに結合している実際のガス交換開口部には、制御式弁が設けてあり、これは設計コストを増加させる。回転軸のまわりを回転する制御ディスクまたは回転式スライド弁を提供するこの既知の手法は、類似の振動ピストン・エンジンについては、下記特許文献３からもまた知られている。
国際公開第ＷＯ０３／０６７０３３号パンフレット 国際公開第ＷＯ２００５／０９８２０２号パンフレット 米国特許第６，３２５，０３８号明細書

本発明は、既知の振動ピストン・エンジンのピストンを配置する手法を打開するとともに、また、この場合、作動チャンバのガス交換を簡素な方法で制御することができる振動ピストン・エンジンの仕様を定める目的を有するものである。

本発明によると、前記目的は、回転軸が作動チャンバを貫通するようにピストンを配置し、回転軸のまわりを回転するようにハウジング内に回転軸と同心で配置されており、かつピストンと一緒に回転軸のまわりを回転するピストン・ケージ内で摺動するように、第１のピストンと少なくとも第２のピストンとを取り付け、ハウジングの端面部上に回転軸に対して偏心して少なくとも１つのガス交換開口部を配置し、回転軸のまわりに回転方向に区切られた偏心開口部を有しているピストン・ケージの全領域端面部がハウジングの端面部に対向している、冒頭に言及した振動ピストン・エンジンに関して達成される。

本発明の振動ピストン・エンジンは、したがって、作動チャンバが、回転軸に対して垂直な方向にではなく、むしろ回転軸上に、または回転軸の周囲に位置しているように少なくとも２つのピストンを配置している。回転軸からのピストンの間隔が、より短いために、回転軸のまわりを回転している間に作動チャンバの範囲を定めている２つのピストンに作用する遠心力が小さくなる。また、遠心力は２つのピストンが枢動離間する方向に作用し、すなわち、遠心力は膨張作動行程を助ける。さらに、少なくとも１つのガス交換開口部は、既知の振動ピストン・エンジンの場合と同様に、回転軸から遠く離れたハウジング領域内には配置されず、むしろハウジングの端面部上に配置されて、回転軸上に位置する作動チャンバに直接結合されている。したがって、少なくとも１つのガス交換開口部の中を通る作動ガスの流れは、実質的に回転軸に対して軸方向に向いている。作動チャンバへの、または作動チャンバからのガスの交換の、特に弁を用いない簡素な制御を達成するために、その中にピストンが摺動するように取り付けられているピストン・ケージは、ピストン・ケージが回転するに応じて、ハウジングの端面部の内側に沿って動く全領域端面部を有している。ピストン・ケージの端面部内には、回転方向から見て区切られている偏心開口部があり、この区切られた偏心開口部は、ピストン・ケージが回転軸のまわりを回転するとき、回転位置に応じてハウジングの端面部内のガス交換開口部と連通したり、または連通しなかったりする。このようにして、弁の機能がピストン・ケージの端面部内の開口部により実行されるために、少なくとも１つのガス交換開口部に能動的に制御された弁を設ける必要がなくなることは本発明の有利な点である。ピストン・ケージの端面部内の偏心開口部がガス交換開口部に整合していないとき、例えば、燃料／空気混合物の圧縮または膨張の間には、作動チャンバはガス交換開口部から密封されている。

本発明の好ましい構成では、ハウジングの端面部の外側から内側に向かってガス交換開口部の開口部断面が広くなっている。
この手段の利点は、ハウジングの端面部の内側上で、より大きくなっているガス交換開口部の開口部断面によって、ピストン・ケージの端面部内の開口部を小さく保つことができ、それにもかかわらず、ピストン・ケージの開口部がハウジング内のガス交換開口部を通過するとき、十分なガスの交換を行うことができることである。

さらに本発明の好ましい構成では、ガス交換開口部の最大幅は、回転軸のまわりの回転方向から見て３０°より大きく９０°より小さい回転角度の範囲にわたっている。
この構造の利点は、完全なガスの交換が９０°未満の回転範囲の角度の少なくとも１つのガス交換開口部によりもたらされることである。
さらに本発明の好ましい構成では、ハウジングの端面部上に第２のガス交換開口部を偏心して配置し、少なくとも１つのガス交換開口部は作動チャンバからガスを吐出する役目を果たすとともに、第２のガス交換開口部は作動チャンバにガスを吸入する役目を果たし、ピストン・ケージの端面部内の開口部は、回転軸のまわりを回転するとき、連続的に、しかし時間的に重複することなく、少なくとも１つのガス交換開口部と第２のガス交換開口部とに連通している。

この構成の場合には、したがって、２つのガス交換開口部をハウジングの端面部内に設けてあり、この２つのガス交換開口部の一方は、例えば、燃焼用空気または燃料／空気混合物などのガスを吸入する役目を果たし、他方のガス交換開口部は、例えば、燃焼済み燃料／空気混合物などのガスを吐出する役目を果たす。ピストンの回転方向から見て、ピストン・ケージの端面部内の開口部は、最初に、作動チャンバからガスを吐出するガス交換開口部を通り過ぎ、次に、作動チャンバにガスを吸入するガス交換開口部を通り過ぎる。ガス交換開口部は、この場合、ピストン・ケージの端面部内の開口部の寸法に関して、ピストン・ケージの開口部が２つのガス交換開口部のうちの一方とだけ常に連通することができるように配置されており、他方のガス交換開口部はピストン・ケージの残りの全領域端面部で覆われている。全体として、この構成は、付加的な制御弁を必要とすることなく、設計に関して簡素な方法で作動チャンバへのガスの吸入および作動チャンバからのガスの吐出を制御できるという利点を有している。

上述した構成に関して、ピストン・ケージの回転方向から見て、ガスを吸入する第２のガス交換開口部より前に、ガスを吐出する少なくとも１つのガス交換開口部が配置されていることが、さらに好ましい。
この構成は、ガス交換開口部の配置が、２つのピストンにより規定される作動チャンバの自然呼吸原理に対応しているという利点を有している。燃焼済み燃料／空気混合物の吐出または排出のプロセスは、互いの方へ向いている２つのピストンの枢動運動の場合には、２つのピストンの間の作動チャンバが最小になるまで実行される。燃焼済み燃料／空気混合物を排出した後、２つのピストンが再び互いから枢動離間しながら、任意で燃料と一緒に、作動チャンバに新しい燃焼用空気を吸入または吸引することができ、そのプロセスの間に、燃焼済み燃料／空気混合物を完全に排出した直後、作動チャンバの大きさが再び拡大する。燃焼済み燃料／空気混合物を排出して、かつ新鮮な燃焼用空気または燃料／空気混合物を吸入するこの組み合わせプロセスを、ピストンまたはピストン・ケージの回転軸のまわりの回転運動の１８０°未満の角度範囲で行うことができることは有利である。

さらに、少なくとも１つのガス交換開口部と第２のガス交換開口部とは、ピストン・ケージの回転方向から見て、ピストン・ケージの開口部の広さよりも少なくともわずかに広いウェブにより互いに分離されているとともに、そのウェブは、回転方向から見て、約２０°から約６０°までの角度にわたって、好ましくは約４０°から約５０°までの角度にわたって広がっていることが、好ましい。

この構成の場合には、したがって、２つのガス交換開口部は、回転軸のまわりの回転方向から見て近接しているとともに、ウェブだけによって互いに分離して配置されている。ピストン・ケージが回転軸のまわりを回転するとき２つのガス交換開口部の気密分離を確保するために、ウェブの広さはピストン・ケージの開口部よりも単に広くなければならない。全体として、作動チャンバへの、および作動チャンバからのガスの交換のための設計に関して非常に簡素な制御機構が得られ、この制御機構は、単に、回転軸に対して偏心したハウジングの端面部内の２つの開口部と、ピストン・ケージの端面部内の１つの偏心開口部とを必要とするだけである。

さらに好ましい構成では、ハウジングの端面部とピストン・ケージの端面部の間に、ピストン・ケージの端面部から少なくとも１つのガス交換開口部を密封する少なくとも１つのシールを有している密封配置がある。
この構成は、ピストン・ケージの開口部が少なくとも１つのガス交換開口部と連通していない回転軸のまわりのピストン・ケージの回転位置にあるとき、作動チャンバへの、または作動チャンバからのガス交換を行わないことを少なくとも１つのシールが確保しているため、燃料／空気混合物の圧縮の間、および燃料／空気混合物に点火した後の燃料／空気混合物の膨張の間に、作動チャンバ内で高い作動圧力を達成することができるという利点を有している。最も簡素な場合には、少なくとも１つのシールは、少なくとも１つのガス交換開口部の周囲に配置されており、ピストン・ケージの端面部に接触して位置している。

ピストン・ケージ上に密封配置を設けてあり、その密封配置は回転軸に対して半径方向外側のリング・シールと、任意に、半径方向内側のリング・シールと、円周方向において互いに離れており、リング・シールに連結され、ピストン・ケージの開口部の両側部に配置されている少なくとも２つの少なくともほぼ半径方向に延びているシールと、を有していることが好ましい。

半径方向外側のリング・シールと、任意に設けられた半径方向内側のリング・シールとは、少なくとも１つのガス交換開口部をハウジングの残りの内部から密封しており、他方、２つのほぼ半径方向に延びているシールは、ピストン・ケージの開口部をハウジングの端面部から密封している。２つのリング・シールと２つの半径方向のシールとは、ピストン・ケージが回転するとき、ハウジングの端面部の内側に沿って摺動する。

さらに好ましい構成では、密封配置は、回転軸のまわりに回転方向に均等に振り分けられていることが好ましい３つ以上の少なくともほぼ半径方向に延びているシールを有している。
この構成の利点は、複数の半径方向のシールを設けた結果、密封効果がさらに改善されるということと、ハウジングの端面部の内側全体に対して密封配置の均一な当接も達成されるということである。

リング・シールと半径方向のシールとを含む密封配置は、全体として、特に一体で実施できるとともに、ピストン・ケージの端面部の外側に対応して構成された溝部内に挿入することができる。ハウジングの端面部に対して密封配置の均一な接触圧力を達成するために、密封配置は、ハウジングの端面部に対して密封配置を押し付けるバネの力を用いてピストン・ケージの端面部内に作用することができる。

さらに好ましい構成では、ハウジングの端面部内には、さらなる中心開口部があり、ピストン・ケージの端面部内にもまた、さらなる中心開口部がある。
ここで、スパーク・プラグまたはグロー・プラグをハウジングの端面部の中心開口部内に有利に挿入してもよく、このスパーク・プラグまたはグロー・プラグは、その後、ハウジングの端面部の中心開口部と連通しているピストン・ケージの端面部内の中心開口部を通して、作動チャンバに影響を及ぼすことができる。

その後、ピストン・ケージの端面部内の中心開口部から少なくとも１つのガス交換開口部を密封するために、上述した半径方向内側のリング・シールを設けるべきである。
さらに好ましい構成では、ピストンの端部表面は、ピストン・ケージの端面部に対向する領域内に溝状の凹部を有している。
ピストンを互いの方へ最大限に枢動させるＴＤＣ位置においてさえ、凹部は、ピストンに有限の作動チャンバ容積を確保させ、初期の燃焼溝の最適な構成をもたらす。燃料／空気混合物の点火後の作動行程の開始において、この燃焼溝内で起こる爆発は、上述した構成の凹部が旋回軸から最大距離にあり、したがって、ピストン上に大きなレバー・アームを形成することになるため、最大のてこの力でピストン上に作用する。

さらなる利点および特徴は、下記の説明および添付図面から明らかになるであろう。
上述した、およびさらに後述する特徴は、個々に特定された組み合わせにおいてだけでなく、むしろ他の組み合わせにおいても、またはその特徴単独でも、本発明の範囲を逸脱することなく使用することができるということが理解されるであろう。

図１〜図４は、全体が参照符号１０を付される振動ピストン・エンジンを示している。振動ピストン・エンジン１０のさらなる詳細は、図５〜図１０に示されている。
振動ピストン・エンジン１０は、一般に、内燃機関として設計されているが、適宜に変更され、ポンプとしても、またはコンプレッサーとしても使用することができる。
振動ピストン・エンジン１０は、図１では閉じた状態で示されているハウジング１２を有している。ハウジング１２は、その構成において球体である中央ハウジング部分１４を有している。中央ハウジング部分１４は、フランジ２０により結合されている２つのハウジング・ハーフ部１６および１８で構成されている。

また、ハウジング１２は、第１の端面部２２と、第１の端面部２２に対向する第２の端面部２４と、を有している。
第１の端面部２２は端面部ハウジング蓋２６により形成され、第２の端面部２４は端面部ハウジング蓋２８により形成されている。ハウジング蓋２６および２８は、中央ハウジング部分１４、すなわちそのハウジング・ハーフ部１６および１８に連結されている。ハウジング・ハーフ部１８からハウジング・ハーフ部１６を取り外すことができるように、中央ハウジング部分１４からハウジング蓋２６および２８を取り外すことができる。

図２〜図４によると、４つのピストン３０〜３６がハウジング１２の内部に配置されている。ピストン３０〜３６は、ハウジング１２内で回転軸３８のまわりを矢印４０で示した方向に一緒に回転することができる。回転軸３８は、ハウジング１２の球体内部の中心を貫通するとともに、ハウジングに対して固定されており、すなわち、ピストン３２〜３６が回転するとき、回転軸３８はハウジング１２に対して位置が変化しない。

ピストン３０〜３６は、それらが回転軸３８のまわりを回転するとき、その回転運動に重畳される枢動運動を行う。ピストン３０および３２は、この場合、ハウジング１２の内部の中心で回転軸３８に直交する第１の枢動軸４２のまわりで往復枢動運動を行う。他方、ピストン３４および３６は、それらが回転軸３８のまわりを回転するとき、同様にハウジング１２の内部の中心で回転軸３８に直交するが、また枢動軸４２に対しても垂直に位置している第２の枢動軸４４のまわりで往復枢動運動を行う。枢動軸４２および４４は、同様に、ピストン３０〜３６と一緒に回転軸３８のまわりを回転する。ピストン３０および３２の瞬間枢動平面は、この場合、ピストン３４および３６の瞬間枢動平面に対して常に垂直に位置している。

しかしながら、４つすべてのピストン３０〜３６が共通平面内に配置されるとともに、枢動軸４２および４４が平行であるか、または一致するようにすることもまた可能である。
回転軸３８と、枢動軸４２および４４の両方を、この場合、幾何学軸として理解すべきである。

ピストン３０および３２、またはピストン３４および３６の枢動運動は、図２に示した一方の終端位置（ＢＤＣ位置として知られている）と、図３に示した他方の終端位置（ＴＤＣ位置として知られている）との２つの終端位置の間で実行される。
一方のピストン３０および３２の枢動運動、および他方のピストン３４および３６の枢動運動は、すべての場合において同じ方向（direction）であり、すなわち、ピストン３０および３２が互いから枢動離間するときには、ピストン３４および３６もまた互いから枢動離間しており、逆もまた同様である。

ピストンの各々は端部表面を有しており、すなわち、ピストン３０は端部表面４６を有しており、ピストン３２は端部表面４８を有しており、ピストン３４は端部表面５０を有しており、ピストン３６は端部表面５２を有しているが、前記端部表面５２は、図２では他の構成要素で隠れて見えなくなっている。
ピストン３０および３２はピストンの第１の対を形成し、それらの端部表面４６および４８は互いに対向している。端部表面４６および４８は、第１の作動チャンバ５４を規定している。ピストン３４および３６はピストンの第２の対を形成し、それらの端部表面５０および５２は互いに対向しており、第２の作動チャンバ５６を規定している。作動チャンバ５４および５６の容積の大きさは、ピストン３０および３２、またはピストン３４および３６の往復枢動運動に従って拡大縮小する。作動チャンバ５４および５６の大きさは、すべての場合において同じ方向に拡大したり、または縮小したりする。

ピストン３０〜３６は、回転軸３８が、好ましくはピストン３０〜３６の各回転位置および枢動位置の中心で作動チャンバ５４と作動チャンバ５６の両方を貫通するようにハウジング１２内に配置されている。
ピストン３０〜３６が回転軸３８のまわりで回転運動中にピストン３０〜３６の枢動運動を生成するために、各ピストンは走行要素を有している。すなわち、ピストン３０は走行要素５８を有しており（図３および図４）、ピストン３２は走行要素６０を有しており（図２〜図４を参照）、ピストン３４は走行要素６２を有しており（図２を参照）、ピストン３６は走行要素６４を有している（図３および図４を参照）。走行要素５８〜６４は、この場合、ローラとして形成されており、各走行要素５８〜６４は、対応するピストン３０〜３６に回転可能に固定されている。制御カム部材６８上に形成されている第１の制御カム６６が、ピストン３０および３２の走行要素５８および６０と対応している。制御カム部材６８上の第２の制御カム７０が、ピストン３４および３６の走行要素６２および６４と対応している。

したがって、走行要素５８および６０は同じ制御カム６６に沿って走行し、走行要素６２および６４は同じ制御カム７０に沿って走行する。
制御カム６６および７０は、回転軸３８の周囲にその全周にわたって形成されるとともに、ピストン３０および３２、またはピストン３４および３６の枢動運動を、それらのピストンの回転軸３８のまわりの回転運動から導き出すことができる輪郭またはカム・ガイドを有している。

ピストン３０〜３６は、ハウジング１２のピストン・ケージ７２内に摺動するように取り付けられており、このピストン・ケージ７２は、ピストン３０〜３６とともに回転軸３８のまわりを回転する。図５には、このピストン・ケージ７２がハウジング１２がない状態でピストン３０〜３６と一緒に示されている。ピストン・ケージ７２内では、ピストンは、例えば、溝形連結（図示せず）を用いることにより、回転したり、または傾斜したりしないようにされている。

ピストン・ケージ７２は、図４によるとピストン３４および３６と対応する穴７４と、図２によるとピストン３０および３２と対応する穴７６と、を有している。ピストン３４および３６は、穴７４内で摺動するように取り付けられており、ピストン３０および３２は、穴７６内で摺動するように取り付けられている。ピストン３０および３２の端部表面４６および４８と一緒に、穴７６は作動チャンバ５４の範囲を定め、穴７４はピストン３４および３６の端部表面５０および５２と一緒に作動チャンバ５６の範囲を定めている。ピストン３０および３２がピストン３４および３６に対して９０°ずらされた配置のために、穴７４および７６もまた、ピストン・ケージ７２内で互いに対して垂直な位置に形成されている。

穴７４および７６を、それぞれの主軸受け部分７８（穴７４）および主軸受け部分８０（穴７６）内に設けてある。主軸受け部分７８および８０により、ピストン・ケージ７２は、それぞれ軸受け部８２および８４を介して回転軸３８のまわりを回転できるようにハウジング１２内に取り付けられている。
ピストン・ケージ７２は、ピストン３０〜３６を取り付ける役目を果たすだけでなく、むしろ、駆動／出力シャフト８６から、または駆動／出力シャフト８６へと回転運動を伝達する役目も果たす。この目的のために、ピストン・ケージ７２には、その端部に、それぞれの場合において、１組の外側の歯８８および９０がそれぞれ設けられている。このうちの少なくとも１組、すなわち図示の例示的実施形態では外側の歯８８の組は、出力シャフト８６に連結された歯車９２とかみ合っている。したがって、出力シャフト８６は、振動ピストン・エンジン１０の場合、結果的に回転軸３８に関して同軸ではなく、むしろ軸からずれて配置されており、その結果、後述する振動ピストン・エンジン１０のガス交換制御を容易にしている。

振動ピストン・エンジン１０を内燃機関として作動させるために、その中で燃料／空気混合物を圧縮して、点火し、点火後に膨張させる作動チャンバ５４および５６は、ガスの交換を可能とする必要があり、すなわち、空気および燃料を周期的に作動チャンバ５４および５６の中に吸入して、燃焼済み燃料／空気混合物を再び作動チャンバ５４および５６から排出する必要がある。

これにより、ハウジング１２内に後述するガス交換開口部が必要となる。振動ピストン・エンジン１０の場合には、ガス交換開口部をハウジング１２の端面部２２および２４内に設けてあり、すなわち、回転軸３８の近傍であるが、偏心したところに設けてある。
振動ピストン・エンジン１０は、２つの互いに対称的に形成されている作動チャンバ５４および５６を有しているため、端面部２２および２４内のガス交換開口部は、回転軸３８のまわりを１８０°オフセットしていることを除いて互いに同様に形成されており、したがって、ハウジング１２の端面部２２上のガス交換開口部だけについて後述する。

図７はハウジング１２の端面部２２を形成するハウジング蓋２６の内面図であり、図６はハウジング蓋２６の外観図である。
図７によると、第１のガス交換開口部９４および第２のガス交換開口部９６が端面部ハウジング蓋２６内に形成されている。ガス交換開口部９４は、ガスを吸入する役目を果たし、この場合には作動チャンバ５６の中に燃焼用空気を吸入する役目を果たし、ガス交換開口部９６は、作動チャンバ５６からガスを吐出または排出する役目を果たし、この場合には燃焼済み燃料／空気混合物を排出する役目を果たす。

ガス交換開口部９４は連結要素９８と結合しており、この連結要素９８は、図示の例示的実施形態では、作動チャンバ５６に燃焼用空気と一緒に燃料を注入するインジェクション・ノズル１００と組み合わされている。しかしながら、また、振動ピストン・エンジン１０に対して直接噴射を提供してもよく、すなわち、その場合には、インジェクション・ノズル１００は連結要素９８から切り離して配置されている。

ガス交換開口部９６は、振動ピストン・エンジン１０を排気装置に連結する役目を果たす連結要素１０２と結合している。
ガス交換開口部９４および９６は、端面部ハウジング蓋２８上に回転軸３８に対して偏心して配置されている。図７から明らかなように、ガス交換開口部９４および９６は、端面部ハウジング蓋２８を貫通する同じ開口部断面を有する穴として形成されておらず、むしろ、端面部ハウジング蓋２８の外側から内側へ広くなっている。この目的のために、ガス交換開口部９４は、空洞状のまたは漏斗状の凹部１０４を有しており、他方、ガス交換開口部９６は、対応する空洞状の凹部１０６を有している。空洞状の凹部１０４および１０６の外観は、その構成においてだいたい円の扇形の形状である。

空洞状のくぼみまたは凹部１０４および１０６のそれぞれは、それぞれのガスの吸入またはガスの吐出用の漏斗として働く。
ガス交換開口部９４および９６の最大幅Ｗ、より正確には、空洞状の凹部１０４および１０６は、回転軸３８のまわりの回転方向から見て３０°より大きく９０°より小さい回転角度の範囲に広がっている。空洞状の凹部１０４および１０６に対して、図７の回転角度Ｗは、それぞれの場合において約７０°である。

ガス交換開口部９４および９６は、ウェブ１０８により互いに分離されている。ウェブ１０８は、回転軸３８のまわりの回転方向から見て、２つの空洞状のくぼみまたは凹部１０４および１０６よりも小さい角度広がりを有しており、この場合には約４０°の角度広がりを有している。
ピストン３０〜３６またはピストン・ケージ７２の回転方向から見て（図７の矢印４０）、燃焼済み燃料／空気混合物を吐出するガス交換開口部９６は、新鮮な燃料／空気混合物を吸入するガス交換開口部９４の前に位置している。これは、後述するように、排出、吸引、圧縮、および膨張（作動）の作動行程を行う時の振動ピストン・エンジン１０の運転モードを考慮に入れている。

端面部２２の端面部ハウジング蓋２６内のガス交換開口部９４および９６は、振動ピストン・エンジン１０のガス交換制御の１つの部分である。振動ピストン・エンジン１０のガス交換制御の他の部分は、ピストン・ケージ７２により実行される。ピストン・ケージ７２は端面部１１０を有しており、この端面部１１０は、ハウジング１２の端面部２２の端面部ハウジング蓋２６に直接対向しているとともに、端面部ハウジング蓋２６の内側に凹んだ形状に従って、同じ曲率半径で外側に凸状に曲がっている。ピストン・ケージ７２の端面部１１０内には、端面部１１０を貫通する開口部１１２が形成されている。図示の例示的実施形態では、開口部１１２は、実質的に円の扇形の形状を有する開口部断面を有している。開口部１１２の広さ、または最大幅は、回転軸３８のまわりの回転方向から見て、この場合、端面部ハウジング蓋２６内のウェブ１０８の最小広さ、または幅よりも小さい。開口部１１２は、ガス交換開口部９４および９６と同様に、回転軸３８に対して偏心して配置されている。

ピストン・ケージ７２が回転軸３８のまわりを回転するとき、開口部１１２は端面部ハウジング蓋２６の内側の開口部１１２に直接対向している表面を掃引し、回転位置に応じて、開口部１１２は、ガス交換開口部９６、ガス交換開口部９４、および当然ながら端面部１１０に対向している端面部ハウジング蓋２６の表面の、ウェブ１０８を含む残りの閉領域１１４もまた、連続的に掃引する。

開口部１１２と、端面部ハウジング蓋２６内の同様の中央開口部１１８と直接接触しており、かつその中にスパーク・プラグまたはグロー・プラグ１２０が配置されている中央開口部１１６とを除いて、ピストン・ケージ７２の端面部１１０は全領域端面部であり、すなわち、閉じている。
特にガス交換を行ってはいけないとき、すなわち、開口部１１２がガス交換開口部９４とも、ガス交換開口部９６とも連通していないとき、ガス交換開口部９４および９６を端面部１１０から適切に密封するために、図示の例示的実施形態では密封配置１２２をピストン・ケージ７２の端面部１１０上に設けてある。

密封配置１２２は、半径方向外側のリング・シール１２４と、半径方向内側のリング・シール１２６と、半径方向内側のリング・シール１２６と半径方向外側のリング・シール１２４の間に配置されて、それらのリング・シールを結合する、複数の半径方向に延びているまたは放射状に配置されているシール１２８と、を有している。半径方向内側のリング・シール１２６は、中央開口部１１６からの密封を生じ、同様に半径方向外側のリング・シール１２４は、ピストン・ケージ７２の端面部１１０の半径方向外側の領域からの密封を生じる。半径方向に延びているシール１２８のうちの２つ、すなわち、半径方向に延びているシール１３０および１３２は、この場合、半径方向内側のリング・シール１２６と半径方向外側のリング・シール１２４との対応部分と一緒に、ピストン・ケージ７２の端面部１１０内の開口部１１２を取り囲んでいる。

密封配置１２２の上述したすべてのシール１２４〜１３２は、互いに一体となって形成され、ピストン・ケージ７２の端面部１１０の外側の対応する溝部内に収容されている。特に、シール１２４〜１３２は、例えば圧縮バネ要素により上述した溝部内に弾力的に取り付けられており、バネの力を用いて端面部ハウジング蓋２６の内側に対してシール１２４〜１３２を押し付けることができる。

図８〜図１０は、ピストン・ケージ７２の端面部１１０内の開口部１１２と、端面部ハウジング蓋２６内のガス交換開口部９４および９６との間の様々な相対位置を示している。
まず図８から始めると、ピストン・ケージ７２は、開口部１１２がガス交換開口部９６と連通している状態で、回転軸３８のまわりの回転位置に位置している。開口部１１２がガス交換開口部９６を掃引している間に、燃焼済み燃料／空気混合物が作動チャンバ５４から排出される。このプロセスの間に、ピストン３０および３２は、図４に示した中間位置を介して図２に示したＢＤＣ位置から図３に示したＴＤＣ位置に枢動する。この枢動行程のために、ピストン３０および３２は、回転軸３８のまわりに９０°の回転経路を要求する。排出プロセスの間、ガス交換開口部９４は、密封配置１２２により作動チャンバ５４から完全に密封されている。

排出プロセスが終わったとき、または図３のＴＤＣ位置では、ピストン・ケージ７２の端面部１１０内の開口部１１２は、端面部ハウジング蓋２６のウェブ１０８と直接接触している。この状態では、ガス交換開口部９４および９６の両方は、作動チャンバ５４から密封されている。図３のＴＤＣ位置の後に、ピストン３０および３２は再び互いから離間して、図４の中間位置を経て図２のＢＤＣ位置に枢動するが、その一方で、新たなＢＤＣ位置にあるピストンは、図２に関して回転軸３８のまわりを１８０°回転し続けている。

ピストン３０および３２の上述した枢動離間の間に、ピストン・ケージ７２の端面部１１０内の開口部１１２は摺動して、図１０に示すようにガス交換開口部９４を通り、その結果、燃料／空気混合物はガス交換開口部９４を通して作動チャンバ５４の中に吸引される。ピストン３０および３２が回転軸３８のまわりを９０°より小さい角度範囲にわたって再び回転運動を行う間、燃料／空気混合物の吸入または吸引プロセスが実行される。ピストン３０および３２がそれらのＢＤＣ位置に到達すると、開口部１１２は、もはやガス交換開口部９４と直接接触しておらず、作動チャンバ５４は、ガス交換開口部９４および９６から再び完全に密封される。

この新たなＢＤＣ位置から、ピストン３０および３２は制御カム６６で伝達されて互いの方へ再び枢動し、その結果、すでに吸入または吸引された燃料／空気混合物は、ピストン３０および３２がＴＤＣ位置に戻るまで圧縮される。開口部１１２は、この場合、ほぼ図１０の１３６の地点のレベルに位置している。今や最高に圧縮されている燃料／空気混合物は、その後、スパーク・プラグ１２０により点火されて、回転軸３８のまわりのさらなる９０°の回転経路を経由してピストン３０および３２がそれらのＴＤＣ位置からＢＤＣ位置へと新たに通過する間に、燃料／空気混合物のその後の膨張が確実に行われる。

全体として回転軸３８のまわりの１８０°の回転経路にわたって行われる圧縮および膨張（作動）の作動行程の間、ガス交換開口部９４および９６は、ピストン・ケージ７２の端面部１１０と密封配置１２２とによりしっかりと閉じられている。ピストン・ケージ７２の開口部１１２がガス交換開口部９６および９４を通過するときに、ガス交換開口部９６および９４は自動的に開く。

図１０では、対応するピストン位置は「ＯＴ」（ＴＤＣ）と「ＵＴ」（ＢＤＣ）とで示されている。
ガスの交換の制御について作動チャンバ５４に関して上述したが、本明細書で、より詳細な説明を必要とすることなく、作動チャンバ５６に対するガスの交換も全く同じように制御されることに注目すべきである。作動行程の間に時間的ずれがあるだけである。作動チャンバ５４内でちょうど新鮮な燃料／空気混合物を吸引する作動行程が行われている間に、作動チャンバ５６内では膨張作動行程（作動）が行われる。作動チャンバ５４内で排出作動行程が行われているとき、作動チャンバ５６内では圧縮作動行程などが行われる。

ピストン３０〜３６の端部表面は、ピストン・ケージ７２の端面部に対向するそれらの各領域内に、ピストン３０および３２に対して参照符号１４０および１４２で示しているような溝状の凹部を有している。ピストン３４および３６上にも適宜設けてある溝状の凹部１４０および１４２が、作動チャンバ５４の有限の容積を、ピストン３０および３２のＴＤＣ位置にとどめ、その結果、作動チャンバ５４内でちょうど圧縮されていた燃料／空気混合物に点火する時、最適なてこの力でピストン３０および３２を互いに押し離す。図３によると、ピストン３０および３２は、それぞれ、作動チャンバ５４から離れている後方のチャンバ１５０および１５２と関連しており、作動チャンバ５４の容積が拡大する時、これらの後方のチャンバ１５０および１５２の容積は縮小し、逆もまた同様である。ピストン３０および３２が互いから旋回して離間するとき燃焼用空気を前圧縮するための吸入圧力チャンバとしてチャンバ１５０および１５２を使用することができる。ピストン３０および３２のＢＤＣ位置において、その後、弁配置（図示せず）を介して前圧縮された燃焼用空気をピストン３０および３２に注入することができるとともに、前記ピストンを通して作動チャンバ５４に注入することができる。類似の後方のチャンバまたは予圧チャンバをピストン３４および３６に対しても適宜に設けることができる。

図１によると、空気入口１５４および対応する空気出口１５６もハウジング１２上にあり、ハウジング１２の内部に対する冷却空気が空気入口１５４を通して供給され、空気出口１５６を通して再び吐出される。また、それを通してハウジング１２自体を冷却するための冷却水を流入させることができる水入口１５８が設けてあり、水は、その後、水出口１６０を通して再び吐出される。

振動ピストン・エンジン２の回転部分、特に、ピストン・ケージ７２、およびピストン３０〜３６に注油して冷却するための油入口１６２と、油出口１６４とをハウジング１２上に同様に設けてある。

振動ピストン・エンジンの全体斜視図である。 図１の振動ピストン・エンジンの縦断面図であり、第１の枢動終端位置（ＢＤＣ位置）にあるピストンを示している。 図２と同じ断面図で図１の振動ピストン・エンジンを示しており、第２の枢動終端位置（ＴＤＣ位置）にあるピストンを示している。 図１の振動ピストン・エンジンのさらなる縦断面図であり、図４の断面は、図２および図３の断面に対して約４５°傾斜しており、図２の位置と図３の位置の間のほぼ中心に位置する枢動位置にあるピストンを示している。 内部に収容されたピストンを含む図１〜図４の振動ピストン・エンジンのピストン・ケージの斜視図である。 図１〜図４の振動ピストン・エンジンのハウジング部分の外観図である。 図６と比較して拡大された、図６のハウジング部分の内面図である。 図７と同様のハウジング部分のさらなる内面図であり、ただし、ピストン・ケージの端面部は、図５において破線でさらに示されており、端面部ハウジング部分に対するピストン・ケージの異なった回転位置を示している。 図７と同様のハウジング部分のさらなる内面図であり、ただし、ピストン・ケージの端面部は、図５において破線でさらに示されており、端面部ハウジング部分に対するピストン・ケージの異なった回転位置を示している。 図７と同様のハウジング部分のさらなる内面図であり、ただし、ピストン・ケージの端面部は、図５において破線でさらに示されており、端面部ハウジング部分に対するピストン・ケージの異なった回転位置を示している。

Claims (12)

1. ハウジング（１２）と、前記ハウジング（１２）に対して固定されている回転軸（３８）のまわりを前記ハウジング（１２）内でともに回転することができるとともに、前記回転軸（３８）のまわりを回転するとき、前記回転軸（３８）に対して垂直に前記ハウジングの中心を貫通する枢動軸（４２）のまわりで互いに対してそれぞれ反対の方向に往復枢動運動を行う第１のピストンおよび少なくとも第２のピストン（３０、３２）と、前記第１のピストンと前記少なくとも第２のピストン（３０、３２）との互いに対向している端部表面（４６、４８）の間に配置されている作動チャンバ（５４）と、前記ハウジング（１２）内に、前記作動チャンバ（５４）にまたは前記作動チャンバ（５４）からガスを吸入したりまたは吐出したりする少なくとも１つのガス交換開口部（９４、９６）とを含む、振動ピストン・エンジンであって、
   前記回転軸（３８）が前記作動チャンバ（５４）を貫通するように前記ピストン（３０、３２）を配置し、
   前記回転軸（３８）のまわりを回転するように前記ハウジング（１２）内に前記回転軸（３８）と同心で配置されており、かつ前記ピストン（３０、３２）と一緒に前記回転軸（３８）のまわりを回転するピストン・ケージ（７２）内で摺動するように、前記第１のピストン（３０）と前記少なくとも第２のピストン（３２）とを取り付け、
   前記ハウジング（１２）の端面部（２２）上に前記回転軸（３８）に対して偏心して前記少なくとも１つのガス交換開口部（９４、９６）を配置し、
   前記回転軸（３８）のまわりに回転方向に区切られた偏心開口部（１１２）を有している前記ピストン・ケージ（７２）の全領域端面部（１１０）が、前記ハウジング（１２）の前記端面部（２２）に対向していることを特徴とする、振動ピストン・エンジン。
2. 前記ハウジング（１２）の前記端面部（２２）の外側から内側に向かって前記少なくとも１つのガス交換開口部（９４、９６）の開口部断面が広くなっていることを特徴とする、請求項１に記載の振動ピストン・エンジン。
3. 前記少なくとも１つのガス交換開口部（９４、９６）の最大幅が、前記回転軸（３８）のまわりの前記回転方向から見て３０°より大きく９０°より小さい回転角度の範囲にあることを特徴とする、請求項１または２に記載の振動ピストン・エンジン。
4. 前記ハウジング（１２）の前記端面部（２２）上に第２のガス交換開口部（９４）を偏心して配置し、前記少なくとも１つのガス交換開口部（９６）が前記作動チャンバ（５４）からガスを吐出する役目を果たすとともに、前記第２のガス交換開口部（９４）が前記作動チャンバ（５４）にガスを吸入する役目を果たし、前記ピストン・ケージ（７２）の前記端面部（１１０）内の前記開口部（１１２）が、前記回転軸のまわりを回転するとき、連続的に、しかし時間的に重複することなく、前記少なくとも１つのガス交換開口部と前記第２のガス交換開口部（９６、９４）とに連通していることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の振動ピストン・エンジン。
5. 前記ピストン・ケージ（７２）の前記回転方向から見て、ガスを吸入する前記第２のガス交換開口部（９４）より前に、ガスを吐出する前記少なくとも１つのガス交換開口部（９６）が配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の振動ピストン・エンジン。
6. 前記少なくとも１つのガス交換開口部（９６）および前記第２のガス交換開口部（９４）が、前記ピストン・ケージ（７２）の前記回転方向から見て、前記ピストン・ケージ（７２）の前記開口部（１１２）の広さよりも少なくともわずかに広いウェブ（１０８）により互いに分離されているとともに、前記ウェブ（１０８）は、前記回転方向から見て、約２０°から約６０°までの角度にわたっていることを特徴とする、請求項４または５に記載の振動ピストン・エンジン。
7. 前記ウェブ（１０８）が、約３０°から約５０°までの角度にわたっていることを特徴とする、請求項６に記載の振動ピストン・エンジン。
8. 前記ハウジング（１２）の前記端面部（２２）と前記ピストン・ケージ（７２）の前記端面部（１１０）の間に、前記ピストン・ケージ（７２）の前記端面部（１１０）から前記少なくとも１つのガス交換開口部（９４、９６）を密封する少なくとも１つのシールを有している密封配置（１２２）があることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の振動ピストン・エンジン。
9. 前記ピストン・ケージ（７２）上に前記密封配置（１２２）を設けてあり、前記密封配置（１２２）は前記回転軸（３８）に対して半径方向外側のリング・シール（１２４）と、任意に、半径方向内側のリング・シール（１２６）と、円周方向において互いに離れており、前記リング・シール（１２４、１２６）に連結され、前記ピストン・ケージ（７２）の前記開口部（１１２）の両側部に配置されている少なくとも２つの少なくともほぼ半径方向に延びているシール（１３０、１３２）と、を有していることを特徴とする、請求項８に記載の振動ピストン・エンジン。
10. 前記密封配置（１２２）が、前記回転軸（３８）のまわりに前記回転方向に均等に振り分けられていることが好ましい３つ以上の少なくともほぼ半径方向に延びているシール（１２８、１３０、１３２）を有していることを特徴とする、請求項９に記載の振動ピストン・エンジン。
11. 前記ハウジング（１２）の前記端面部（２２）内に、さらなる中心開口部（１１８）があり、前記ピストン・ケージ（７２）の前記端面部（１１０）内にもまた、さらなる中心開口部（１１６）があることを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の振動ピストン・エンジン。
12. 前記ピストン（３０、３２）の前記端部表面（４６、４８）が、前記ピストン・ケージ（７２）の前記端面部（１１０）に対向する領域内に凹部（１４０、１４２）を有していることを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の振動ピストン・エンジン。

Images