JP5103527B2 - 回転ピストン機械 - Google Patents
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Description
本発明の回転ピストン機械は、内燃機関(燃焼機関)、ポンプ、またはコンプレッサとして使用することができる。
このような回転ピストン機械を内燃機関として使用する場合、可燃混合気の吸入、圧縮、および点火と、燃焼済み可燃混合気の膨張および排気と、の個々の作動サイクルが、少なくとも2つのピストンの2つの終端位置間の往復運動により達成され、ピストンの往復運動は回転軸のまわりでのそれらのピストンの回転運動から導き出される。
上述した文献から知られている回転ピストン機械は、ハウジング内に4つのピストンを有しており、これらの4つのピストンはピストン・ケージと一緒になって、回転軸に沿って互いに対向して配置されかつハウジングの端面部の方に向いている2つの作動チャンバを規定している。
ハウジング内のそれぞれのガス入口開口部およびそれぞれのガス出口開口部が、既知の回転ピストン機械の2つの作動チェンバのそれぞれと関連している。ピストン・ケージ内には各作動チェンバ用にそれぞれのガス交換開口部が存在し、各ガス交換開口部はそれぞれの作動チェンバに通じており、ピストン・ケージが回転軸のまわりを回転するたびに、各ガス交換開口部がそれぞれのガス入口開口部と、またはガス出口開口部と、一時的に連通して、ピストン・ケージ内のガス交換開口部がハウジング内のガス入口開口部またはガス出口開口部と重なるとき、各作動チェンバの中へ、または各作動チェンバから外へ、ガス交換を行うことができるようになっている。ピストン・ケージの回転軸のまわりでの残りの回転角度範囲では、ピストン・ケージはハウジング内のガス入口開口部とガス出口開口部とを気密式に封止して、特定の作動チェンバに吸入されたガス(内燃機関の場合は燃料空気混合気)が圧縮され点火されて作動することができるようになっている。
既知の回転ピストン機械では、ガス交換開口部は回転軸から所定の距離のところに、ピストン・ケージ内で横方向または半径方向に配置されている。
対照的に、直線往復動ピストン・エンジンの分野では、シリンダの作動チェンバの中への、およびシリンダの作動チェンバから外へのガス交換を、弁を用いて、特に、いわゆるチューリップ・バルブを用いて制御する際の経験から得た非常に良い技術がある。
したがって、本発明の目的は、弁、特に、通常のチューリップ・バルブを用いてガス交換を制御できる回転ピストン機械を提供することである。
この構成では、本発明の回転ピストン機械は、エンジン技術において非常に有効であったディスク・バルブ、特にチューリップ・バルブを使用する。ピストン・ケージの内側の弁座の配置により、作動チェンバ内でガスを圧縮しているとき、ディスク・バルブは閉位置にあって弁座にしっかりと押し付けられており、その結果、最適な気密性を達成している。内燃機関として回転ピストン機械を使用する場合の、点火および膨張(作動)に対しても同じことが言える。
要約すると、それによって、回転速度に適応する完全に機械的な封止部材の制御が達成される。
この構成では、回転軸のまわりでのそれぞれの完全な回転の間に封止部材は開閉を2回行い、一方の開期間は作動チェンバにガスを吸入する役目を果たし、他方の開期間は作動チェンバからガスを排出する役目を果たす。本発明の回転ピストン機械では、通常の直線往復動ピストン・エンジンとは対照的に、ガスを吸入および排出するために原理上ただ1つの封止部材だけが必要であるが、通常の直線往復動ピストン・エンジンではガス吸入およびガス排出のために別々の制御機構を備えた別々の弁を設けてある。
制御カムを有しているその制御要素の表面が実質的に横方向に回転軸まで延びている平面状制御要素、例えば、円盤状制御要素、のマージン領域内に制御カムを配置することにより、回転軸自体が拘束されず、本発明の回転ピストン機械を内燃機関として使用する予定であるとき、封止部材のステムまたはタペット部分などを介して、例えば、燃料を噴射することが可能となるなどの利点を有しており、この封止部材の後方端部には封止部材に固定された平面状制御要素が配置されている。それぞれの平面状制御要素上に、回転軸周囲の周方向において限定された広がりを有する、すなわち、波状の、例えば正弦波様の凸部の形の、軸方向凸部として特定の制御カムを形成することが好ましい。
この構成の利点は、相補的に構成された制御面により、ハウジングに固定された制御要素および封止部材に固定された制御要素が互いに誘導されることである。さらなる利点は、制御カムが回転軸に関して斜めに配設された表面上にあり、そのことが回転運動の軸方向運動への変換を助けることである。
周知のように、内燃機関の出力は回転速度に依存しており、封止部材の軸方向運動を作り出す制御機構を用いて封止部材の開時間および/または閉時間を負荷と回転速度との関数として変更できるという点で、内燃機関の出力が回転速度に依存するという認識も、上述した手段を用いた本発明の回転ピストン機械において考慮に入れることができる。
ハウジングに固定された少なくとも1つの制御カムの回転軸のまわりの周方向の位置調整を行うことにより、回転角度、したがって、ハウジングに固定された少なくとも1つの制御カムと、封止部材に固定された少なくとも1つの制御カムとが、互いに係合状態になり、および互いに係合状態から外れる時間を変更することが達成される。この係合および係合解除の時間は、封止部材の開閉の時間を決定する。
制御機構が封止部材に固定された1つの制御カムと、周方向に互いに所定の距離を置いて配置されハウジングに固定された2つの制御カムと、を含む上述した構成との関連において、ハウジングに固定された両方の制御カムは周方向において位置調整可能であることが好ましく、ハウジングに固定された2つの制御カムは互いに独立して位置調整可能であることが好ましい。
技術的に簡単な設計であり、したがって有利な構成では、これは、ハウジングに固定された上述の制御要素が2つの部分を有しており、これらの2つの部分が、それぞれハウジングに固定された制御カムのうちの1つを有しており、2つの部分が回転軸周囲の周方向において、互いに対して、および/または一緒に、位置調整可能であることにより達成される。
さらに本発明の好ましい構成では、制御機構は封止部材の開状態の継続時間を変更するために調整可能である。
また、封止部材のリフトが流入ガスの流量に影響を及ぼすため、閉位置と開位置の間の封止部材の開口リフトの調整機能により、作動チェンバに吸入されるガス量を変化させることができる。
ハウジングに固定された少なくとも1つの制御カムが封止部材に固定された少なくとも1つの制御カムから離れて、その結果、2つの波状制御カムが相互に係合した状態になる時間が遅くなり、係合解除の時間が対応して早くなるとき、封止部材の開状態の継続時間は対応して短くなる。また同時に、閉位置と開位置の間の封止部材のリフトは小さくなる。ハウジングに固定された少なくとも1つの制御カムが、封止部材に固定された少なくとも1つの制御カムの方に向かう適切な軸方向運動により、封止部材のリフトと同様に、封止部材の開状態の継続時間は対応して長くなる。
したがって、延長部内の導管は作動チェンバから離れる方向の封止部材の側部上にあり、ハウジング内の導管内、およびガス入口開口部およびガス出口開口部の領域内に、密封問題につながる可能性がある大きな圧力が蓄積しないという利点を有している。
この場合、本発明の回転ピストン機械を内燃機関として使用する場合に、封止部材の存在にもかかわらず、燃料を直接作動チェンバ内の回転軸上に有利に、したがって作動チェンバの中心に噴射できることが有利である。
さらに本発明の好ましい構成では、封止部材内に作動チェンバ内のガスに点火するための点火装置を配置している。
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である。
上述した特徴、および後述される予定の特徴は、指定された特定の組み合わせにおいてだけでなく、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ことは自明である。
回転ピストン機械10は、内燃機関(燃焼機関)として設計してもよいが、またコンプレッサとして設計してもよい。
回転ピストン機械10は、内部が実質的に球形のハウジング12を有する球形エンジンまたは球形コンプレッサの一般的な形態を有している。図1では、ハウジング12が閉じられた状態で示されているが、図2〜図5では、それらの図面の断面図に基づいてハウジング12の内部が示されている。
各ピストン22,24,26、および第4のピストン(図示せず)は、ハウジング12内で、ハウジングに対して固定されている回転軸28のまわりを一緒に走行する。回転軸28は幾何学軸として理解されるべきであり、ハウジングの中心を通っている。
ピストン22,24,26、および第4のピストンの往復運動に従って、作動チェンバ42および44の体積は周期的に増減する。
ピストン22の端面部46とピストン24の端面部48とにより、およびピストン・ケージ30により作動チェンバ42の範囲を定めており、端面部46および48は互いに対向している。第3のピストン26は対応する端面部50を有しており、端面部50に対向している第4のピストンの端面部(図示せず)とともに、ピストン・ケージ30と一緒になって作動チェンバ44の範囲を定めている。特に図2の第3のピストン26の場合や図4および図5を見ても分かるように、端面部46,48、および50は円形であり、第3のピストン26と第4のピストンとに対する穴52を見ても分かるように、ピストン22,24,26、および第4のピストンが摺動式に取り付けられているピストン・ケージ30内の穴も同様に円形である。
上述のサイクルに必要な、作動チェンバ42および44の中へ、および作動チェンバ42および44から外へ、の周期的なガス交換を行うために、図1に示すように、ガス交換システム54が作動チェンバ42と関連しており、ガス交換システム56が作動チェンバ44と関連している。
ガス交換システム54はハウジングに固定されたガス入口58と、ハウジングに固定されたガス出口60と、を含んでおり、これらのガス入口58およびガス出口60は、ここではハウジング12上の連結部分で表されている。ピストン・ケージ30は、回転軸28上に回転軸28と同心に配置されたガス交換開口部62を有している。図4および図5に示すように、ガス交換開口部62はピストン・ケージ30の軸方向延長部66内の穴の形の導管64内に続いており、特に図3を見ると明らかなように、延長部66は回転軸28と同心に構成されている。
ピストン・ケージ30内のガス交換開口部62を耐圧封止するために、ガス交換システム54の一部を形成する封止部材68をガス交換開口部62内に配置している。
封止部材68は回転できないような態様でピストン・ケージ30に連結されており、ピストン・ケージ30と一緒に回転軸28のまわりを回転し、封止部材68とピストン・ケージ30の間の回転できないように固定した連結は、後述するようにピストン・ケージ30の延長部66により達成される。したがって、封止部材68が回転するとき、弁体70および弁座72は回転軸28のまわりで回転の方向に回転運動を行う。対照的に、封止部材68はピストン・ケージ30に対して回転軸28の方向に、すなわち、軸方向に可動であり、封止部材68を閉位置から開位置へ動かすことができるようになっており、機能に従って、逆もまた同様に行われる。
また、制御要素76を動かないように保持するためにハウジング部分80内の対応する表面と協働する1つ以上の平坦部88の形をした回転防止要素が、ハウジングに固定された制御要素76上に設けてある。
上述した制御機構74は、封止部材68を制御するための非常に簡単な構造の可能性を示している。この簡単な構成では、封止部材68の開閉時間および開状態の継続時間は、回転ピストン機械10の稼動中は変更できない。
このような制御機構74aを図7aおよび図7bに示しており、以下では制御機構74との差異に限定して説明している。
制御機構74aの制御機構74との差異は、図9a〜図9cに示すように、ハウジングに固定された制御要素76aが、一緒になって制御曲面90aを形成する2つの部分106および108を有しており、したがって、制御要素76aは周方向に半分に分割されて2つの部分106および108を形成するという点である。部分106および108は軌道輪109上に摺動式に取り付けられている。
2つの部分106および108は回転軸28の周囲の周方向における位置を互いに独立して調整可能であり、これにより、回転軸28に関する制御カム100および102の角度位置を調整可能である。回転軸28の周囲における制御カム100および/または102の角度調整は、作動チェンバ42にガスを吸入するプロセスにおいて、および/または、作動チェンバ42からガスを排出するプロセスにおいて、封止部材68の開時間および封止部材68の閉時間を変化させる。
部分108の位置を調整するために、2つの正反対の回転方向にウォーム112を駆動できる、例えば、サーボモータなどの駆動装置110を設けてあり、ウォーム112は部分108の外歯114とかみ合っており、部分108の位置はウォーム112の回転方向に応じて回転軸28のまわりで時計回りにまたは反時計回りに調整される。調整角度は5°〜20°に限定してもよい。
また、駆動装置110および116は図1にも示されている。
図8aおよび図8bは、封止部材68を制御するためのさらなる調整の可能性を有している、制御機構のさらなる発展形を示している。図8aおよび図8bは、ガス交換システム56に関連しているが、しかしながらこのガス交換システム56の設計は、上述したようにガス交換システム54と同じである(ただし、回転軸28に関する角度位置を除く)。
この目的のために、制御機構74bは、封止部材に固定された制御要素78bに対して、軸方向に、すなわち、回転軸28の方向に、ハウジングに固定された制御要素76bを移動させることができ、したがって、より大きい距離だけ、またはより小さい距離だけ制御面90bを制御面92bから離間させることができる。制御面90bおよび92bを離間させることにより、関連する制御カムの100b,102b、および94bもまた、より大きい距離だけ、またはより小さい距離だけ互いに離間し、これにより、封止部材に固定された制御要素78bが回転軸28の周囲を回転するとき、これらの制御カムの係合状態の継続時間が、したがって、封止部材68の開状態の継続時間が短くなったり長くなったりするとともに、同様に封止部材に固定された制御要素78bの軸方向ストロークが、したがって、閉位置と開位置の間の封止部材68のリフトが増減する。
図12に示すように、中間歯車126はこのねじとかみ合うが、軸方向には動かず、かつ駆動装置132が回転させるウォーム130とかみ合う外歯128を有している。また、駆動装置132は図1にも示されている。
図13fはハウジングに固定された制御要素76bを作動チェンバ42の方向から見た図を示しており、以下の説明のために、この制御要素76bをそれぞれ約90°の範囲の4つの領域1,2,3、および4に細分している。矢印131は、封止部材に固定された制御要素78bの回転軸28のまわりの回転方向を示している。Rは、回転軸28のまわりの周方向における制御カム100bおよび102bを備えた部分106および108の位置調整の最大範囲を示しており、この範囲は約15°である。
図13aはハウジングに固定された制御カム100および102に対する調整の可能性のない制御機構74の最も簡単な場合に関連している。図13aは封止部材に固定された制御要素78を示しており、封止部材に固定された制御要素78の制御カム94が、ハウジングに固定された制御要素76の領域4から領域1へ移行するそのちょうど変わり目にあたる回転軸28のまわりの回転位置にある状態を示している。封止部材に固定された制御要素78のこの回転位置では、封止部材68は閉じている。作動チェンバ42内では、作動(膨張)の作動サイクルが終わったばかりである。ピストン22および24はBDC位置にある。封止部材に固定された制御カムを有する封止部材に固定された制御要素78が、ハウジングに固定された制御要素76に沿って矢印132の方向に走行するとき、封止部材に固定された制御カム94は最初にハウジングに固定された制御カム100の上に上がり、これにより、封止部材68が開くとともに、ピストン22,24がBDC位置からTDC位置の方向に移動して互いに近づく。図5に示すように作動チェンバ42からガス出口60を介してガスを排出する作動サイクルがここで行われる。領域1の最後には、エネルギー貯蔵要素104による予負荷の結果、封止部材68が自動的に閉じる。このときピストン22,24はTDC位置にあり、図3に示すように作動チェンバ42は最小体積を有している。
図13bはハウジングに固定された制御要素76aの設定を示しており、この設定では、排出(領域1)の作動サイクルは早めに始まるが、吸入の開始時間は変わらない、すなわち、中立であるように、部分108を回転軸28のまわりに移動させている。Oは、封止部材68の開位置の継続時間を示している。
図13dは、部分106を回転軸28のまわりに移動させているが、部分108は中立位置にある動作状態を示している。したがって、排出の開始時間は中立位置に対して変わらないが、吸入は中立位置に対して早めに始まる。
燃料噴射装置138は、この場合も先と同様に中空管の形をした封止部材68のバルブ・ステム82を貫通しており、この燃料噴射装置138の作動チェンバ端部には、超高圧下でディーゼル燃料を作動チェンバ42の中に噴射することができる複数の細かいノズル開口142を有する噴射ノズル140を配置してある。この場合も先と同様に、燃料噴射装置138をバルブ・ステム82内に回転軸28に対して固定して配置してあることが好ましい。燃料噴射装置138上にグロー・ワイヤ146を配置してもよい。燃料噴射装置138はステム82を貫通し、制御要素78および76(または76aもしくは76b)を貫通して噴射バルブ(詳細は図示せず)まで延びている。
Claims (18)
- ハウジング(12)に対して固定されている回転軸(28)のまわりを、前記ハウジング(12)内で一緒に回転できる少なくとも2つのピストン(22,24)が配置されている前記ハウジング(12)を含み、前記ピストン(22,24)は、前記ハウジング(12)内に取り付けられ前記回転軸(28)のまわりを前記ピストン(22,24)と一緒に回転するピストン・ケージ(30)内に、摺動式に取り付けられており、前記2つのピストン(22,24)の互いに対向している端面部(46,48)と、前記ピストン・ケージ(30)と、により規定される作動チェンバ(42)の体積の増減を交互に繰り返すために、前記2つのピストン(22,24)は前記回転軸(28)のまわりを回転している間に互いに逆向きの往復運動を実行し、前記回転軸(28)は前記作動チェンバ(42)を貫通しており、前記ピストン・ケージ(30)は前記作動チェンバ(42)から、および前記作動チェンバ(42)へ、ガスを吸入および排出するためのガス交換開口部(62)を有している、回転ピストン機械であって、 前記ガス交換開口部(62)を前記回転軸(28)上に配置し、
前記ピストン・ケージ(30)に連結され、前記ピストン・ケージ(30)と一緒に前記回転軸(28)の周りを回転する封止部材(68)であって、前記ガス交換開口部(62)を開閉するために、前記ピストン・ケージ(30)に対して前記回転軸(28)の軸方向に可動である前記封止部材(68)を、前記ガス交換開口部(62)内に配置し、
前記封止部材(68)の前記回転軸(28)のまわりの前記回転運動に基づいて前記封止部材(68)の前記軸方向運動を導き出す制御機構(74;74a;74b)を設けていること、を特徴とする回転ピストン機械。 - 前記封止部材(68)は弁体(70)を有し、該弁体(70)は閉位置において前記ピストン・ケージ(30)の内側に形成された弁座(72)に接触し、前記ガス交換開口部を開くために前記作動チェンバ(42)の中に向かう方向に可動である、請求項1に記載の回転ピストン機械。
- 前記制御機構(74;74a;74b)は、前記封止部材(68)に固定された少なくとも1つの第一制御カム(94)と、前記ハウジングに固定された少なくとも1つの第二制御カム(100,102;100a,102a;100b,102b)と、を含み、
前記第二制御カム(100,102;100a,102a;100b,102b)は前記第一制御カム(94)が前記第二制御カム(100,102;100a,102a;100b,102b)に沿って動くとき、前記封止部材(68)を前記閉位置と前記開位置との間で移動させる請求項1又は請求項2に記載の回転ピストン機械。 - 前記第一制御カム(94)は、前記封止部材に固定された第一平面状制御要素(78)に、前記回転軸(28)から離れて形成されており、前記第二制御カム(100,102;100a,102a;100b,102b)は、前記第一平面状制御要素(78)の向かい側に位置しており、前記ハウジングに固定されている第二平面状制御要素(76;76a;76b)に、前記回転軸(28)から離れて配置されていることを特徴とする、請求項3に記載の回転ピストン機械。
- 前記第二平面状制御要素(76;76a;76b)は凹形テーパ状制御面(90)を有しており、前記第一平面状制御要素(78)は、前記凹形テーパ状制御面に対して実質的に相補的な凸形テーパ状制御面(92;92a;92b)を有しており、前記第一、第二の制御カム(94,100,102;94,100a,102a;94,100b,102b)がこれらの制御面上に形成されていることを特徴とする、請求項4に記載の回転ピストン機械。
- 前記第二制御カム(100a,102a;100b,102b)は、前記回転軸(28)のまわりの周方向の位置調整が可能であることを特徴とする、請求項3〜請求項5のいずれか1項に記載の回転ピストン機械。
- 前記制御機構(74;74a;74b)が、前記封止部材に固定された1つの第一制御カム(94)と、周方向に互いに所定の距離を置いて配置され前記ハウジングに固定された2つの第二制御カム(100,102;100a,102a;100b,102b)と、を有していることを特徴とする、請求項3〜請求項6のいずれか1項に記載の回転ピストン機械。
- 前記制御機構(74;74a;74b)が、周方向に互いに所定の距離を置いて配置され前記封止部材に固定された2つの第一制御カムと、前記ハウジングに固定された1つの第二制御カムと、を有していることを特徴とする、請求項3〜請求項6のいずれか1項に記載の回転ピストン機械。
- 前記ハウジングに固定された前記2つの第二制御カム(100a,102a;100b,102b)は、互いに独立して、周方向の位置調整が可能であることを特徴とする、請求項7に記載の回転ピストン機械。
- 前記ハウジングに固定された前記制御要素(76a;76b)が2つの部分(106,108)を有しており、前記2つの部分が、前記ハウジングに固定された前記制御カム(100a,102a;100b,102b)のうちの1つをそれぞれ有しており、前記2つの部分(106,108)が前記回転軸(28)のまわりの周方向において、互いに独立してまたは一緒に、位置調整可能であることを特徴とする、請求項9に記載の回転ピストン機械。
- 前記第二制御カム(100b,102b)が、前記第一制御カム(94)に対して前記回転軸(28)の軸方向に移動可能であることを特徴とする、請求項3〜請求項10のいずれか1項に記載の回転ピストン機械。
- 前記制御機構(74a;74b)が、前記封止部材(68)の開時間、閉時間の一方又は両方を変更するために調整可能であることを特徴とする、請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載の回転ピストン機械。
- 前記制御機構(74b)が、前記封止部材(68)の前記開状態の継続時間を変更するために調整可能であることを特徴とする、請求項1〜請求項12のいずれか1項に記載の回転ピストン機械。
- 前記制御機構(74b)が、前記閉位置と前記開位置の間の前記封止部材(68)のリフト量を変更するために調整可能であることを特徴とする、請求項1〜請求項13のいずれか1項に記載の回転ピストン機械。
- 前記制御機構(74;74a;74b)が、前記封止部材(68)を軸方向に前記開位置から前記閉位置に戻すためのエネルギー貯蔵要素(104)を有していることを特徴とする、請求項1〜請求項14のいずれか1項に記載の回転ピストン機械。
- 前記ピストン・ケージ(30)の軸方向延長部(66)内に、前記延長部(66)内の導管(64)に通じる前記ガス交換開口部(62)を形成しており、前記導管は前記延長部から横方向外方へつながっており、前記ピストン・ケージ(30)の回転とともに前記ハウジングのガス入口(58)および前記ハウジングのガス出口(60)と交互に連通することを特徴とする、請求項1〜請求項15のいずれか1項に記載の回転ピストン機械。
- 前記封止部材(68)内に燃料噴射装置(138)を配置していることを特徴とする、請求項1〜16のいずれか1項に記載の回転ピストン機械。
- 前記封止部材内に前記作動チェンバ内のガスに点火するための点火装置(134)を配置していることを特徴とする、請求項1〜17のいずれか1項に記載の回転ピストン機械。
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