JP4489768B2 - ロータリーエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ロータリーエンジンに関する。

ガスの圧縮、または膨張が、幅広い種類の装置において行われている。周知の例としては、ポンプ、圧縮機、送風機、排気機、ロータリーエンジン、水力エンジンなどが挙げられ、これら全てが、ガスを圧縮あるいは膨張するための装置を何らかの形で備えている。

上述のように、圧縮機は周知の装置である。圧縮機の１つのタイプとして往復圧縮機がある。往復圧縮機には、高圧で作動が可能であるという利点がある。しかし、多くの可動部を有するので比較的に複雑な装置になってしまう。別のタイプの圧縮機として、往復運動の代わりに回転を手段としているのでシンプルな構造となり、可動部が少なく信頼性が高いルーツ圧縮機があるが、それでも、このタイプの圧縮機にも欠点がある。欠点の１つとして、圧送されたガスの圧力を高めるために「バックコンプレッション」に頼るという点が挙げられる。すなわち、流入ガスが低圧な場合、圧縮機内の高圧なガスに触れ、混合されるまで圧縮が実行されないのである。この不可逆過程は非効率であり、また、より高い駆動力が要求されることになるとともに、排気口の温度の上昇につながる。

別のタイプのロータリー圧縮機として、内部圧縮機を採用して「バックコンプレッション」による問題を克服するリスホルム圧縮機がある。通常は、この種の圧縮機の方が非常に効率がよい。しかし、その性能は、可動部材間の間隔を微小に保つことに大いに依存するため、製造時に大きな問題をもたらす。部材間のシーリングが不完全な場合ガスが後方に漏れ、その結果、１つの圧縮機を使って得られる圧力が制限されてしまう。

上述したこのタイプの圧縮機は内燃機関エンジンに用いられる。特に、ルーツ型ロータリー圧縮機、単軸圧縮機、またはリスホルム型圧縮機が、加熱・加圧されたガスの膨張時に仕事を抽出できる膨張機構と合わせて、ロータリーエンジンに使用される。ロータリーエンジンは、ロータリー圧縮機と同様少ない可動部分で作動するため、往復エンジンよりも信頼性が高い。また、製造や保守にかかる経費を安く抑えられることがある。さらに、一般的にロータリーエンジンは、往復エンジンより騒音が少なく、単位時間あたりの燃焼サイクルを増やすことが可能であるため出力重量比が優れている。

一般的に、ロータリー式内燃機関にとって理想的なサイクルはオットー・サイクルである。オットー・サイクルの欠点のうち一つは、エンジンの膨張比が圧縮比を上回ることができないために、加熱・加圧されたガスから取り出せる仕事が制限されることである。オットー・サイクルの等エントロピー膨張の最終段階にあるガスは、周囲気圧への更なる膨張が可能であれば更に仕事を生み出すことができる。この欠点は、アトキンソン・ミラー・サイクルという理想的なサイクルによって克服される。アトキンソン・ミラー・サイクルによって周囲気圧への等エントロピー膨張が可能となり、圧縮比を超える膨張比が可能となる。このアトキンソン・ミラー・サイクルを使ったロータリー式内燃機関が多く提案されている。しかし、これらのエンジン設計では、通常多くの可動部品が必要となり、また製造の困難な部品を使用する。優れたロータリーエンジンの設計とは、ディーゼルエンジンなどの圧縮点火エンジンに使用できるように高い圧縮比が可能な設計である。ロータリーエンジンの出力は最小の振動でスムーズかつ連続的でなければならない。騒音や機械的摩耗は最小限であることが望ましい。

圧縮と膨張が回転ブロックの表面に形成されたらせん状のチャネルで起こる、各種の単軸ロータリーエンジンが公知である。らせん状チャネル、回転ブロックを囲みらせん状チャネルを密閉する面、およびらせん状チャネルと噛み合う歯や羽根を有する歯車が、複数の仕事室を形成する。例えば、特許文献１は、らせん状チャネルの深さが変化することにより圧縮と膨張が実現でき、歯車の歯や羽根の変化する部分で仕事室が形成されるロータリーエンジンを開示している。特許文献１のエンジンでは、歯や羽根の先端がチャネル内に留まり、歯や羽根は常に仕事室のガスと接触している。また、エンジンの圧縮比や膨張比は歯車の歯やエンジンの形状による影響をあまり受けず、圧縮や膨張はエンジンの別の部分で行われる。

特許文献２および特許文献３は、各サイクルで回転ブロックが軸の周りを一部だけ回転し、圧縮および膨張が、回転する歯車の歯や羽根に対して起こるロータリーエンジンを開示している。これらのエンジンにおいては、チャネルの深さは変わらず、そのため、圧縮用と膨張用それぞれのための仕事室が必要となる。

特許文献４、特許文献５、および特許文献６は、圧縮比と膨張比が異なるロータリーエンジンを開示している。しかし、燃料や空気の流れを制御するために複雑な形状の通路を有するため、製造時に大きな問題をもたらす。特許文献６は、ガスの流れを制御するために各サイクル時にバルブを開閉するロータリーエンジンを開示している。

特許文献７、特許文献８、特許文献９、特許文献１０、および特許文献１１は歯型や羽根型の歯車が噛み合って仕事室が形成されるロータリーエンジンを開示している。しかし、これらのエンジンにおいては、まず１つの歯車で仕事室が形成され、さらにもう一つの歯車で形成されるので、複数の回転部分をシールする必要がある。
英国特許第６５３１８５号明細書 米国特許第３８６２６２３号明細書 米国特許第３８９７７５６号明細書 米国特許第４００３３４８号明細書 米国特許第４００５６８２号明細書 米国特許第４０１３０４６号明細書 米国特許第２６７４９８２号明細書 米国特許第３２０８４３７号明細書 米国特許第３０６０９１０号明細書 米国特許第３２２１７１７号明細書 米国特許第３２０５８７４号明細書

本発明の一態様によれば、圧縮可能な流体を使うロータリーエンジンであって、第１軸の周りを回転するように取り付けられた第１回転部材と、少なくとも第１回転部材の一部を取り囲む表面を有するケーシングと、第１回転部材の表面とケーシングの表面の間に形成され断面積が変化する細長い空所と、各々の異なる第２軸の周りを回転するように取り付けられた複数の第２回転部材を備え、各第２回転部材はケーシングの表面のスロットから突出し第１回転部材と係合して、空所を隣接する複数の仕事室に分けるように設置され、各第２の転部材は、第２軸を基点に各々異なる半径を有する複数の突出部を備え、これら異なる半径は突出部に各々異なる量だけ空所に突出させ、これにより、第１回転部材および第２回転部材が回転するにつれて仕事室の容積が変化し、使用時、閉鎖空所としての仕事室内の流体は圧縮され、燃焼させられ、膨張させられ、圧縮、燃焼および膨張中のこの閉鎖空所は、隣接する２つの同様な第２の回転部材によって画定されている、ロータリーエンジンが提供される。

第１回転部材および各第２回転部材は複数の半径を有し、ケーシングの表面はある一定の半径を有する。このため、これらで形成される空所は第１軸を基点に変化する。第１回転部材が第１軸の周りを回転すると、空所も第１軸の周りを回転する。各第２回転部材はケーシングから突出する。各第２回転部材が回転するにつれて、第２回転部材がケーシングから突出する面積が変化する。実際には、第１回転部材の回転と各第２回転部材の回転が調整され、これら回転部材が係合してシールが実現する。各第２回転部材はこのようにして、空所から複数の仕事室を形成する。第１回転部材の半径が最大である場合もまた、ケーシングと係合することによって仕事室が形成される。空所が第１軸の周りを回転するにつれて、空所仕事室の容積が変化し、それによって空所内部の流体が圧縮されまた膨張される。

そのため、ロータリーエンジンは、多くの要求特性を満たすと同時に、製造および使用の容易さを実現させる。ロータリーエンジンは内燃機関を利用しているので、「バックコンプレッション」に関連する非効率性などの欠点を回避できる。また同時に、設計がシンプルなためロータリーエンジンの各部材間のシーリングを効率的に行えるようになり、製造の複雑さや、その他従来の内部圧縮ロータリーエンジンにあった問題点を回避できる。

第１回転部材および第２回転部材はそれぞれ、異なった半径を有する複数の構成部分を備えることが好ましい。第２の回転部材の場合、構成部分とは突出部のことである。

第２回転部材は、ケーシングの表面の周りに配置され、各第２回転部材の回転の中心となる軸はそれぞれ、第１軸およびケーシング表面の半径の両方に直交することが好ましい。このようにすれば、空所から複数の仕事室を形成することができ、圧縮や膨張の工程を同時に実行できる。

第１回転部材がケーシングの内側に配置され、複数の第２回転部材がケーシングの外側に配置される。この場合、第１回転部材は略円筒状となる。あるいは、第１回転部材がケーシングの外側に、複数の第２回転部材がケーシングの内側に配置される。この場合、第１回転部材は、略環状の形状をとる。

ロータリーエンジンは、圧縮の後に膨張を行う。第１回転部材および複数の第２回転部材の各回転により空所の各仕事室の大きさがサイクル中に減少し、その後で増加する。圧縮と膨張は、第１回転部材の表面の異なった部分で行われるので、異なった圧縮比および膨張比を有するエンジンが実現できる。

また、ロータリーエンジンは、膨張の前に、圧縮された流体に点火する点火手段を備えることが好ましい。点火手段の例として、点火プラグ等がある。点火によって、空所仕事室内のガスが最大圧力の場合でも、更なる圧力増加を急激に引き起こすことができる。例えば、ガスが燃料と酸素の混合気の場合、点火プラグは従来の燃料エンジンのように燃焼を引き起すことが可能である。あるいは、ガスに高圧酸素が含まれている場合、従来のディーゼルエンジンのように燃料自体の噴射によって燃焼を引き起こすことができる。急激に圧力を増加させる他の手段として、少量の高圧・低温ガスを噴射する方法もある。急激な圧力増加により、膨張の間に抽出できる仕事が従来よりも増え、エンジンを発動させることができる。

また、第１回転部材は、流入口用通路、または流出口用通路を１つ以上備えることが好ましい。流入口用通路および流出口用通路の両方を備えてもよい。このようにすれば、流体が、空所仕事室に引き込まれ又は押し込まれ、あるいは空所仕事室から排気され又は放出される。

また、ケーシングは、一以上のサイドバルブを備え、一以上のバルブのそれぞれは空所仕事室に隣接する場合にのみ流入口または流出口として作動する。なお、前記バルブのそれぞれは装置のサイクルの一部分で空所仕事室に隣接する。そのため、ロータリーエンジンは、流入口または流出口が必要なときはケーシングのサイドバルブを含む領域のみが空所仕事室の境界となるように設計される。

一以上のバルブのそれぞれが、空所仕事室へ流入する流体の流速を変化させ、空所仕事室内の流体圧力を変化させ、あるいはロータリーエンジンの圧縮比または膨張比を変化させるように動作可能であることが好ましい。このようにして、サイドバルブがロータリーエンジンの動作を制御する一手段となる。

一以上のサイドバルブの動作を制御するために、流入圧、流出圧、および回転速度などの動作パラメータに基づいた閉ループ・フィードバック制御を用いることが好ましい。このようにして、各パラメータを安定した状態に保つことができる。

また、本発明は、上述したロータリー装置を２つ備えたロータリーエンジンを提案する。これにより、第１回転部材にかかる正味の力が最小となるように各第２回転部材を構成することができる。例えば、２つのロータリー装置の各第２回転部材を、一体にした第１回転部材を挟んで向かい合わせに配置すればこの構成が実現する。

図１乃至図５は、本発明に係る第１のロータリーエンジンを示す図である。第１ロータリーエンジンは、第１回転部材１、ケーシング２、３つの第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃ、３つの点火プラグ８ａ、８ｂ、８ｃ、および 出力軸（図示せず）を備える。

第１回転部材１は、第１軸６の周りを回転するように取り付けられる。第１回転部材１は略円筒形のブロック材であるが、その半径は各部で異なる。第１回転部材１はスチールからなるが、当業者には公知のとおり、他の材料の方が適する場合もある。第１ロータリーエンジンの上述した他の構成要素に好適な材料についても、当業者には公知である。

略円筒状の第１回転部材１は主として、それぞれ異なった半径を有するシール部１ａ、圧縮部１ｂ、燃焼部１ｃ、および膨張部１ｄの４つの部分から構成される。シール部１ａは、第１軸6を基点に非常に狭い角度を有するが、その半径は最大である。圧縮部１ｂ、燃焼部１ｃ、および膨張部１ｄはそれぞれ、第１軸を基点に１２０°より若干狭い角度を有する。

回転している間、シール部１ａの次に圧縮部１ｂ、圧縮部１ｂの次に燃焼部１ｃ、燃焼部１ｃの次に膨張部１ｄが続く。燃焼部１ｃの半径は、シール部１ａの半径より若干短い。圧縮部１ｂの半径は、燃焼部１ｃの半径より短い。膨張部１ｄの半径は圧縮部１ｂより短い。また、第１回転部材１は、シール部１ａａに隣接した流入路４や流出路９も備える。

ケーシング２は、第１軸６から固定の半径を有する略円筒状の表面を含み、第１回転部材１を部分的に囲む。また、ケーシング２は、第１回転部材１が第１軸６にそって軸方向に動くのを阻止する端壁２ａａを有する。また、端壁２ａは、ケーシング２と第１回転部材１の端部間をシールする働きを有する。

空所５ａ、５ｂ、５ｃが、第１回転部材１とケーシング２の間に形成される。空所５ａ、５ｂ、５ｃの断面積は、第１回転部材１の半径に従って第１軸6を基点に変化する。例えば、空所の断面積は、燃焼部１ｃに隣接する場所では小さくなり、 膨張部１ｄに隣接する場所では大きくなる。第１回転部材１のシール部１ａに隣接する場所に空所はない。その代わりに、シール部１ａは、ケーシング２と接してシールの役割を果たす。また、シール部１ａは空所５ａ、５ｂ、５ｃの始点と終点を形成する。つまり、第１回転部材１が回転している間、空所５ａａ、５ｂ、５ｃも回転する。

３つの第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃはそれぞれ、第１軸６を基点に１２０°の間隔でケーシング２の周囲に取り付けられている。 第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃは全て、ケーシング２の端部から軸までの距離が同一となるような位置に取り付けられている。第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃはそれぞれ、第１軸６および第１回転部材１の半径と直交する各自の軸の周りに回転する。第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃは、回転している間、ケーシング２から突出して空所５ａ、５ｂ、５ｃに入るがその面積は変化する。各第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃとケーシング２の間でシールが形成される。

図３は、第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃのうちの１つ、および回転の軸となる軸７の側面図である。図４および図５は、軸７に直交する方向から見たエンジンの断面図である。図４および図５は、ケーシング２の端壁２ａおよび円筒状になった内周を明確に示す図である。各第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃは、第１回転部材１と同様、主として半径のそれぞれ異なった４つの部分で形成されていることが図３から分かる。 第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃの各部分の半径は、作動中に各第２回転部材の各部分が第１回転部材１の各部分１ａ、１ｂ、１ｃと係合してシールを形成するように設計されている。これにより、第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃは３または４つの空所仕事室を形成する。

第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃは薄い平面の構成要素である。しかし、図１および図２から当業者には明らかだろうが、動作中に第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃにかかる力に耐えることができる程度の厚さが必要である。また、第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃの形状は、第１回転部材１とともに良好なシールが形成されるように設計しなければならないことが当業者には理解できるだろう。第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃはそれぞれ、第１回転部材１と同じ角速度で回転するように駆動される。第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃを第１回転部材と同じ角速度で駆動するための様々な機構は、当業者には公知である。例えば、部材の連結に歯車を使用する方法が挙げられる。

点火プラグ８ａ、８ｂ、８ｃは、第１軸６を基点に１２０°の間隔で、それぞれ第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃの中間に位置するようにケーシング２に取り付けられている。点火プラグ８ａ、８ｂ、８ｃは、空所に突出しないようにケーシング面と面一に取り付けられている。点火プラグの操作手段（図示せず）は当業者には公知であろう。

使用時には、第１回転部材は第１軸６の周りを回転する。図１乃至図４によると、第１回転部材が回転すると、気化した状態のガスや酸素が流入路４を通って第１ロータリーエンジンに吸気される。ガスは、第１回転部材１のシール部１ａと第２回転部材３ａとの間で形成される空所仕事室の中に吸入される。 仕事が行われるこの空所の容積は、第１回転部材１が回転するにつれて拡大し、ガスを吸引する真空が形成される。

図２は、第１ロータリーエンジンで、図１から６０°進んだ状態の第１回転部材１を示している。ここで、第１回転部材１のシール部１ａは第２回転部材３ｃまで回転しているので、空所仕事室は第２回転部材３ａと３ｃの間に形成される。 流入路４が第２回転部材３ｃを通り過ぎようとしており、ロータリーエンジンに吸入されたガスがここで完全に密閉される。

第１回転部材１が更に回転すると、燃焼部１ｃが、第２回転部材３ａと３ｃの間で形成された空所仕事室へ回転していく。圧縮部１ｂより燃焼部１ｃの方が半径が長いので空所仕事室の容積が減少する。空所仕事室は完全に密閉されているのでガスの圧力が上昇する。ガスの圧力は上昇し続け、やがて空所仕事室の容積は最小に達する。容積が最小になるのは、第１回転部材１の燃焼部１ｃが第２回転部材３ａを完全に通り過ぎた時点である。

この位置において、空所仕事室内の圧縮ガスが点火プラグ８ａによって点火される。ガスの燃焼によって急激に圧力が増加する。

第１回転部材１が更に回転すると、膨張部１ｄが、第２回転部材３ａと３ｃの間に形成された空所仕事室内へ回転していく。燃焼部１ｃより膨張部１ｄの半径の方が短いので、空所仕事室の容積が増加する。膨張するにつれて高い圧力をかけられたガスが仕事を行い、それによってエンジンに動力が供給される。ガスは仕事を続け、やがて第１回転部材１の膨張部１ｄが第２回転部材3ａを完全に通り過ぎる。第１回転部材１の圧縮部１ｂと膨張部１ｄは異なった半径を有するので、第１ロータリーエンジンは異なる圧縮比と膨張比を有することができる。これにより、本発明では、効率的なアトキンソン・ミラー・サイクルの利用を実現できる。

最終的に、シール部１ａが、第２回転部材３ａと３ｃの間で形成される空所仕事室内へ入る。燃焼したガスは流出路９を通って外に排出され、新しいガスが流入路４を通って空所仕事室内へ吸入されて新しいサイクルが始まる。

エンジンが作動している間、上述した圧縮・燃焼・膨張のサイクルは、第２回転部材３ａと３ｂ、そして３ｂと３ｃとの間に形成された空所仕事室においても同時に行われる。動力は、第１回転部材１に連結した出力軸（図示せず）を介してロータリーエンジンから取り出される。

図６は、本発明に係る第２ロータリーエンジンを示す図である。このロータリーエンジンにおいて、図１乃至図５に示した構成要素と同じ機能を有するものには同じ符号を付した。第２ロータリーエンジンでは、第１回転部材１は環状でありケーシング２の外側に取り付けられている。３つの第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃは、ケーシング２内に取り付けられている。第２ロータリーエンジンも第１ロータリーエンジンと同様に機能し、圧縮・燃焼・膨張サイクルが、隣接する第２回転部材間で形成された各空所仕事室において同時に行われる。

図７は、本発明に係る第３ロータリーエンジンを示す図である。第３ロータリーエンジンでは、第１回転部材１は略円筒状である。しかし、シール部１ａ、圧縮部１ｂ、燃焼部１ｃ、および膨張部１ｄは全て第１軸６と平行の方向に突出している。ケーシング２は端壁２ａを有するため、第１軸６の周りに延びる環状の形状をとり、チャネル状の断面積を有する。第３ロータリーエンジンは、第１、第２ロータリーエンジンと同様に作動する。また、第３ロータリーエンジンは、第１回転部材の片面に冷却フィンを取り付けることが可能であるという利点を有する。第１回転部材の他の配置に関しては、当業者にとっては明白であろう。

第３ロータリーエンジンでは、ケーシング２の端壁は平行ではなく、互いに角度θをなしている。角度θはケーシング端壁２ａの内面によって形成される、第２回転部材の中心を基点とした角度である。作動時、空所仕事室の容積が最小の時点では、仕事室を形成している各第２回転部材の部分は、同時にケーシングから角度θ以上突出していなければならない。この第３ロータリーエンジンでは３つの第２回転部材が使用され、それぞれの第２回転部材は１２０°だけ位相がずれている。そのため、第１回転部材の燃焼部に対応する第２回転部材の部分は、１２０°＋θの角度を有する必要がある。

図７に示すケーシング２の端壁２ａは、角度θが小さいので、図４および図５に示したものよりも効果的な配置になっている。

図４、図５、および図７に示すロータリーエンジンでは角度θを小さくしなければならない。これにより、第２回転部材の一部がケーシング２に角度θ分突出しシールが形成され２つの空所仕事室が形成されると、第１回転部材の係合している部分が通り過ぎるまでそのシールが保持される。しかし、これにより空所の容積が制限され、エンジンによって生成される動力も制限される。

図８および図９は、上述した問題点を克服する本発明に係る第４ロータリーエンジンを示す図である。第４ロータリーエンジンでの角度θは、第１乃至第３ロータリーエンジンにおける角度θより大きい。第１回転部材１および第２回転部材3ａ、３ｂ、３ｃの各々の構成部分を変更することによって、角度θの拡大を実現させている。第４ロータリーエンジンでは、第１回転部材の燃焼部１ｃと係合する各第２回転部材の部分が角度θ＋１２０°にわたっている。これによって、第１回転部材の燃焼部１ｃと対応する第２回転部材の間でシールを十分な時間確保できる。この角度の追加を調整するために、第１回転部材１の圧縮部１ｂと係合する各第２回転部材の各部分は角度が減少する。しかし、角度の減少を補うためにこの部分の半径は長くなる。これに伴い、第１回転部材１の圧縮部１ｂの角度と半径が減少する。

ガスが第４ロータリーエンジン内に吸入されると、第１回転部材１の圧縮部１ｂに隣接する空所仕事室へ入る。この部分は、第１乃至第３ロータリーエンジンよりも角度が小さいが、圧縮部１ｂの半径が小さく空所の断面積が増えるため、圧縮直前の空所仕事室の大きさは同程度になる。

図１０乃至図１６は、本発明に係る第５ロータリーエンジンを示す図である。第４ロータリーエンジンと同様、第１回転部材１の圧縮部と膨張部の半径は同じであり、圧縮部と膨張部は異なる角度を有する。

図１０では、第１回転部材１のシール部の端部が、第２回転部材３ａをちょうど通り過ぎたところであり、第１回転部材１の圧縮部１ｂと係合する第２回転部材３ａの部分近くの開口を通って、空所仕事室内へガスが吸入され始めている。

図１１は、エンジンが更に回転した図である。図には示されていないが、ガスはまだエンジン内へ吸気され続けている。第１回転部材１の圧縮部と係合する第２回転部材３ａの部分は、第１回転部材へ向かって回転してシールを形成し、２つの空所仕事室を形成しようとしている。

図１２では、第１回転部材１の燃焼部とほぼ係合するところまでエンジンが回転している。

図１３は、エンジンが更に１２０°回転した図である。空所仕事室の他方の端部では、回転部材は図１２に示す位置にある。ここで、ガスは最高に圧縮された状態にあり、燃焼が行われる。

図１４は、エンジンが更に回転した図である。ここで、第２回転部材３ａは第１回転部材１の膨張部と係合する。そのため、ガスは膨張し仕事をする。

エンジンの更なる回転によって第２回転部材３ａは図１０に示す位置に戻り、ガスは完全に膨張した状態になる。そして、図１１に示すように、エンジンの更なる回転によって燃焼したガスが、エンジンから排出される。

図１５および図１６は、第５ロータリーエンジンの第１回転部材１の表面を示す図である。また、第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃの相対位置も示されている。図１６では、第１回転部材１は図１５から６０°回転した状態にある。斜線で示された部分は、空所を形成する第１回転部材１の表面と第２回転部材３ａ、３ｂ、３ｃの表面を示す。

図１７は、本発明に係る第６ロータリーエンジンの第１回転部材１の表面を示す図である。また、図１７は、第２回転部材３の相対位置も示している。第６ロータリーエンジンは、第２回転部材３を６つ有するため、圧縮・燃焼・膨張サイクルを６つの仕事室で行う。第２回転部材３を６つ備えることによって、そのそれぞれを、第１軸６を挟んで向かい合わせに配置することができ、燃焼中に発生する動力のバランスを保つことができる。これにより、第１回転部材１にかかる真の力は最小化され、確実に第１回転部材１の質量中心を第１軸６上に置くことができる。

図１８は、本発明に係る第７ロータリーエンジンの断面図である。第７ロータリーエンジンも、第２回転部材３を６つ有し、圧縮・燃焼・膨張サイクルを６つの仕事室で行う。第１回転部材１を挟んで向かい合わせに第２回転部材３を配置することによって、燃焼中に発生する動力のバランスが保たれる。

図１９乃至図２７は、本発明に係る第８ロータリーエンジンの断面図である。第８ロータリーエンジンは多くの第２回転部材３を有しており、これらがケーシング２の周りに配置されている。各第２回転部材３は長さの異なる２つの突出部を有する。これらは、第２回転部材３が回転するときに、第１回転部材１とケーシング２の間で形成される空所内へ突出する。第１乃至第７ロータリーエンジンとは異なり、空所の断面積は第１軸６を基点に徐々に変化する。

図２０乃至図２７は、圧縮・燃焼・膨張の様々な段階における第８ロータリーエンジンを示す図である。図２０は、第２回転部材３が、第１回転部材１内へ突出しない位置に回転した図である。この状態では、シールは第１回転部材１とケーシング２の間に形成される。このシールは、第１軸６の周囲に広がる空所の両端部を明確にし、空所に吸入された新鮮なガスと燃焼したガスが混合しないようにしている。

図２１では、第１回転部材１が第１回転部材１とケーシング２との間に形成された空所へと進んでいる。ここで空所仕事室は、第１回転部材およびケーシング２と、第２回転部材３によるシールで形成される。仕事室が広がるにつれて、ガスが矢印で示すように流入路４から空所仕事室へ吸入される。

エンジンは回転し続けガスが吸入され、第２回転部材３が図２２に示す位置へ回転していく。この位置では、空所仕事室は隣接する第２回転部材３間に形成される。流入路４が回転し仕事室から離れていき、仕事室が完全に密閉される。

図２３に示すように、エンジンの回転が続くと、第２回転部材も更に回転する。この位置では、空所仕事室は縮小しており、そのためここにあるガスが圧縮される。

空所仕事室の容積は、第２回転部材３が図２４に示す位置に到達するまで縮小し続ける。この位置では空所仕事室の容積が最小になっており、ここにあるガスはすでに圧縮されている。そして、ガスの燃焼が引き起こされ、ガスの圧力が更に高くなる。

図２５に示すように、エンジンが引き続き回転することにより空所が拡大する。ガスは膨張するにつれて仕事を実行し、第１回転部材に連結した出力軸（図示せず）を介してエンジンから動力が取り出される。

空所仕事室内のガスは膨張を続け、やがて第２回転部材３が図２６に示す位置に到達する。この位置において空所仕事室の容積は最大となる。図２６に示す空所の断面積は、図２２に示す断面積よりも大きい。そのため、エンジンの膨張比は圧縮比よりも大きい。各第２回転部材３は異なった形状の２つの突出部を有するので異なる値の膨張比および圧縮比が可能になる。突出部のうち一方は圧縮時に使用され、もう片方は膨張時に使用される。

ガスが十分に膨張すると、図２７に示すように燃焼したガスを排出するためにエンジンは回転を続ける。この位置でも第２回転部材３は更に回転を続け、空所仕事室は縮小していく。第１回転部材１もまた回転を続け、その結果、流出路が空所仕事室と交わる。空所仕事室が縮小するにつれて、そこにあるガスが流出路９を介してエンジンから排出され、ロータリーエンジンの１つのサイクルが完了する。

図２８乃至図３０は、本発明に係る第９ロータリーエンジンを示す図である。第９ロータリーエンジンは、摺動バルブ１０を利用して圧縮比を制御する。摺動バルブ１０は、ガス圧縮時に空所仕事室を形成するケーシングの表面領域に配置され、ガス膨張時に仕事室を形成する領域には配置されない。これは、第１回転部材１の圧縮部と係合する各第２回転部材の部分が最大の半径を有するようにすることによって達成される。

燃焼したガスが摺動バルブ１０から出て行くことを防止するため、図２９に示すように流出路９は第１回転部材１内に設けられる。この点において、第９ロータリーエンジンは、本発明に係る他のロータリーエンジン、例えば図１１に示す第５ロータリーエンジンなどとは異なる。図２９に示すように、第１回転部材１の設計は、ガス排出時に第２回転部材３ａの両側に形成された空所仕事室間でガスが行き来できるようになっているため、空所仕事室が縮小する際のガスの排出路が確保される。

図３０は、第９ロータリーエンジンの第１回転部材１の表面を示すとともに、第２回転部材３ａ、３ｂ，３ｃ、および摺動バルブ１０の相対位置を示す図である。各バルブ１０は摺動カバー１１を有する。図３０では、摺動バルブ１０が完全に開いた場合の摺動カバーの位置が示されている。

摺動バルブ１０によってエンジンの圧縮・燃焼・膨張サイクルに変更を加えることが可能である。具体的には、圧縮ガスの一部を燃焼前に空所仕事室から排気させエンジンの圧縮比を下げるようにサイクルを変更することができる。燃料の非効率性を低減するために排気されたガスを再利用することが好ましい。摺動バルブ１０の開き具合を変えることにより、ガスの圧力、つまりエンジンの圧縮比の制御が可能になる。このようにして摺動バルブ１０を、エンジンの動力出力を制御するために使用できる。

摺動バルブ１０は、ガスの圧縮時にのみ使用されるようになっている。そのため、摺動バルブ１０の位置は、圧縮・燃焼・膨張サイクルの間ずっと同じでも構わない。摺動バルブ１０の位置は、エンジンの圧縮比の変更が望ましい場合のみ変更される。この操作原理は圧縮・燃焼・膨張サイクル毎にバルブの開閉が実行される従来の燃焼エンジンと一線を画している。

当業者には公知の通り、他のバルブ構成も可能である。例えば、サイドバルブを追加したり、サイドバルブの摺動カバーを図に示すのとは異なる方向に摺動させたり、摺動バルブの代わりに摺動カバーのないサイドバルブを配置する構成も可能である。バルブでロータリーエンジンの唯一の流入口を形成し、あるいはバルブを第１回転部材１に１つ以上の流入路と組み合わせて設置する構成も考えられる。バルブでロータリーエンジンの流入口を形成する場合は、エンジン内へのガスの吸気を止めるタイミングを調整するように使用することも可能である。

図３１乃至図３３は第１圧縮機を示す図である。第１圧縮機は上述した本発明に係るロータリーエンジンと同様に作動する。しかし、燃焼や膨張の工程を動作サイクルから省くことによって簡略化を実現させている。圧縮機は、第１回転部材１の半分の角速度で回転する１つの第２回転部材３を備えている。ガスは圧縮機内に吸入され、圧縮され、そして摺動バルブ１０を通して放出される。摺動バルブ１０は、ガスが圧縮機で圧縮される程度を制御するように使用可能である。圧縮されたガスが放出される間、ガスが第２回転部材３を挟んで向かい合わせに形成された空所仕事室の間を行き来できるように第１回転部材１を設計すれば、空所仕事室が縮小するときのガスの排出路を確保できる。

圧縮機は、第１回転部材１にかかる力のバランスを保つために２つの第２回転部材を備えることも可能である。これは、図１７および図１８に示した技術や説明によって実現できる。

図３４は第２圧縮機を示す図である。この圧縮機では、空所仕事室の容積が第１圧縮機より大きい。

図３５および図３６は第３圧縮機を示す図である。この圧縮機では、摺動バルブ１０が、ガスの放出ではなく吸気の制御のために使用される。

第１、第２、および第３の圧縮機は、膨張機として作動可能である。この場合、圧縮されたガスは流出口へ供給され、第１回転部材と第２回転部材は図に示した方向と反対の方向へ回転する。

図３７は、本発明に係る第１０ロータリーエンジンの断面図である。第１０ロータリーエンジンでは、複数の小さな歯１２が、第２回転部材３に追加されている。このようにすれば、第１回転部材１が正しい角速度で第２回転部材３を直接駆動することができる。小さな歯１２、およびその歯形と噛み合う第１回転部材１の部分では、角が丸められていることが望ましい。

図３８および図３９はそれぞれ、本発明に係る第１１および第１２ロータリーエンジンの断面図である。第１１ロータリーエンジンでは、第２回転部材３の重心が回転軸におかれる。これは製造を容易にする構成であり、説明した他のロータリー発明品よりも第２回転部材の構成部分を２倍に増やすことによって実現できる。第２回転部材３の各部分は、説明した他のロータリーエンジンよりも小さい角度を有するため、各部によって形成される空所仕事室の容積も縮小する。しかしこれらは、第２回転部材３のどちらかの面に空洞を設けることによって、ある程度は埋め合わせられる。このようにして、第１１ロータリーエンジンを複合エンジンとして使用することが可能である。

図３９に示すように第１２ロータリーエンジンでは、２つの空所の位相がずれて配置されているので動力の出力がスムーズになる。さらに、第１２ロータリーエンジンの第１回転部材１からは余分な材料が取り除かれている。このため、エンジンの重量が最小化し、第１回転部材１とケーシング２の間の接触面が最小化し、エンジンにおける排気機能が向上する。

第２回転部材の形状は空所の断面形状に対応する。力は圧力差に面積を乗じたものに比例するので、第２回転部材の形状を慎重に設計すれば、エンジンの回転全体において出力される動力が常に一定になるようなエンジンにすることができる。空所が１つであるエンジンの場合、仕事が実行される第１回転部材の面積は、空所の各端部を形成する各第２回転部材の面積間の差である。空所の容積が計算され、そこから空所内のガスの圧力が計算される。この圧力と容積によって、利用できるエネルギーを第１回転部材の回転の関数として計算でき、よってエンジンのトルクが計算可能となる。

トルクは空所ごとに計算できる。よって、スムーズにトルクを出せるエンジンにするための第２回転部材の形状を考案できる。

第２回転部材の形状は、角度の関数としての半径から特定することができる。「最小トルクの最大化」など目的を具体化することにより、当業者には公知の計算法を利用して、スムーズに動力を出力できるエンジンにするための第２回転部材形状が得られる。

図４０は、スムーズな動力出力が可能なエンジンを提供するための第２回転部材３の形状の一例を示す図である。第２回転部材３ａの左上にある先の尖った部分は、圧力が高い場合、ガスの圧縮を行う面積を減少させる。同様に、第２回転部材３ａの右下にある先の尖った部分は、圧力が高い場合はガスを徐々に膨張させ、圧力が低い場合は急激に膨張させるので、安定した動力出力を行うエンジンを提供できる。

図４１は、本発明に係る第１４ロータリーエンジンの断面図である。第１４ロータリーエンジンでは、第１回転部材１が環状でケーシング２の外側に取り付けられる。２つの第２回転部材３ａ、３ｂはケーシング２の内側に取り付けられる。第１４ロータリーエンジンでは、これらの部材は、第２回転部材の面が第１回転部材の軸と交わらないように取り付けられる。これにより、第２回転部材の最大半径がケーシングの内部半径を超えることが可能となり、所定のエンジン半径に対して大きな仕事室容積を有することができるようになる。また、このエンジンは、第１回転部材の外部半径に対してケーシング半径が比較的短い。これにより、第１回転部材とケーシング間の摩擦面が減少し、かつ、ケーシングと第１回転部材の間の漏れが比較的少なくなる。この構成を圧縮機や膨張機に適用しても、これらの利点が得られる。

図４２乃至図４６は、本発明に係る装置の特徴のうち、本発明と公知のロータリー装置との違いを強調するものを示す図である。なお、これらの図に示される部品は、前述の図を利用して既に説明されたものであり、図４２乃至図４６によって、エンジン組立や操作の理解に必要な知識を追加するものではない。

図４２乃至図４４では、第２回転部材３が１つの大きな歯を有していることが分かるだろう。図４５では、第２回転部材が２つの大きな歯を有している。歯は、サイクルのある段階で、ケーシングと第１回転部材により形成される空所内へ突出する部分となる。歯によって第２回転部材３の軸周りで測定される「歯角度」φが画定される。一般的には、第２回転部材は、この歯角度が３６０°／ｔよりわずかに小さくなるように設計される。ここでｔは歯の数である。図４２および図４３では、歯角度φは３６０°弱であり、１つの歯は一体化した３つの構成部分、あるいは突出部を備える。図４５では、歯角度は１８０°弱であり、１つの歯は一体化した３つの構成部分、あるいは突出部を備える。図４６では、第１回転部材３の軸周りで計測され第２回転部材の空所に突出する部分によって確定される、ケーシング２のスロット角ψが示されている。装置の最も自然な実施の形態においては、歯角度φはスロット角ψより大きい。

図面を参照して説明した本発明の上記実施形態は、真に好適な実施形態を示すためのものであり、単なる例示として説明したに過ぎない。当業者にとっては、ここで説明されていない実施形態がその他にも多数あることは明白だろう。本発明の範囲は請求項によって規定されるものとする。

本発明に係る第１ロータリーエンジンの第１位置における断面図である。 本発明に係る第１ロータリーエンジンの第２位置における断面図である。 本発明に係る第１ロータリーエンジンの第２回転部材の側面図である。 本発明に係る第１ロータリーエンジンの第３位置における断面図である。 本発明に係る第１ロータリーエンジンの第４位置における断面図である。 本発明に係る第２ロータリーエンジンの断面図である。 本発明に係る第３ロータリーエンジンの断面図である。 本発明に係る第４ロータリーエンジンの断面図である。 本発明に係る第４ロータリーエンジンの断面図である。 本発明に係る第５ロータリーエンジンの第１位置における断面図である。 本発明に係る第５ロータリーエンジンの第２位置における断面図である。 本発明に係る第５ロータリーエンジンの第３位置における断面図である。 本発明に係る第５ロータリーエンジンの第４位置における断面図である。 本発明に係る第５ロータリーエンジンの第５位置における断面図である。 本発明に係る第５ロータリーエンジンの第６位置における第１回転部材表面を表す図である。 本発明に係る第５ロータリーエンジンの第７位置における第１回転部材表面を表す図である。 本発明に係る第６ロータリーエンジンの第１回転部材表面を表す図である。 本発明に係る第７ロータリーエンジンの断面図である。 本発明に係る第８ロータリーエンジンの断面図である。 本発明に係る第８ロータリーエンジンの第１位置における断面図である。 本発明に係る第８ロータリーエンジンの第２位置における断面図である。 本発明に係る第８ロータリーエンジンの第３位置における断面図である。 本発明に係る第８ロータリーエンジンの第４位置における断面図である。 本発明に係る第８ロータリーエンジンの第５位置における断面図である。 本発明に係る第８ロータリーエンジンの第６位置における断面図である。 本発明に係る第８ロータリーエンジンの第７位置における断面図である。 本発明に係る第８ロータリーエンジンの第８位置における断面図である。 本発明に係る第９ロータリーエンジンの第１位置における断面図である。 本発明に係る第９ロータリーエンジンの第２位置における断面図である。 本発明に係る第９ロータリーエンジンの第１回転部材表面を示す図である。 第１圧縮機の断面図である。 第１圧縮機の第１位置における第１回転部材表面を表す図である。 第１圧縮機の第３位置における第１回転部材表面を表す図である。 第２圧縮機の第１回転部材表面を表す図である。 第３圧縮機の断面図である。 第３圧縮機の第１回転部材表面を表す図である。 本発明に係る第１０ロータリーエンジンの断面図である。 本発明に係る第１１ロータリーエンジンの断面図である。 本発明に係る第１２ロータリーエンジンの断面図である。 本発明に係る第１３ロータリーエンジンの第２回転部材の側面図である。 本発明に係る第１４ロータリーエンジンの断面図である。 図１乃至図４１に示す第２回転部材の特徴を図示したものである。 図１乃至図４１に示す第２回転部材の特徴を図示したものである。 図１乃至図４１に示す第２回転部材の特徴を図示したものである。 図１乃至図４１に示す第２回転部材の特徴を図示したものである。 図１乃至図４１に示す装置の特徴を図示したものである。

Claims (20)

1. 圧縮可能な流体を使用するロータリーエンジンであって、
   第１軸の周りを回転するように取り付けられた第１回転部材と、
   前記第１回転部材の少なくとも一部を囲む表面を有するケーシングと、
   前記第１回転部材の表面と前記ケーシングの表面の間に形成され断面積が変化する細長い空所と、
   各々の異なる第２軸の周りを回転するように取り付けられた複数の第２回転部材と
   を備え、
   各第２回転部材はケーシング表面のスロットから突出し第１回転部材と係合して、空所を隣接する複数の仕事室に分けるように設置され、
   各第２の回転部材は、第２軸を基点に各々異なる半径を有する複数の突出部を備え、これら異なる半径は突出部に各々異なる量だけ空所に突出させ、これにより、第１回転部材および第２回転部材が回転するにつれて仕事室の容積が変化し、
   使用時、閉鎖された空所としての仕事室内の流体が圧縮され、燃焼させられ、および膨張させられ、この閉鎖された空所は、圧縮、燃焼および膨張中に、隣接する２つの同様な第２の回転部材によって画定されている、
   ロータリーエンジン。
2. 第２回転部材の各突出部が各第２軸を基点にある角度を有し、前記各突出部の半径が前記軸を中心としてなだらかに変化している請求項１に記載のロータリーエンジン。
3. 第２回転部材の各突出部が各第２軸を基点にある角度を有し、前記突出部の半径が前記軸を中心として段階的に変化している請求項１に記載のロータリーエンジン。
4. 各第２回転部材のいくつかの突出部が、前記第１回転部材および前記第２回転部材が回転している間、適宜、各スロットから部分的にだけ突出する請求項３に記載のロータリーエンジン。
5. 各第２軸についてのスロットが画成する角度が、各第２回転部材のいくつかの突出部が画成する角度より小さい請求項４に記載のロータリーエンジン。
6. 前記第１回転部材表面は円筒状の表面である請求項１乃至５のいずれかに記載のロータリーエンジン。
7. 前記第１回転部材がケーシング表面の内側にあり、前記第２回転部材がケーシング表面の外側にある請求項６に記載のロータリーエンジン。
8. 前記第１回転部材が前記ケーシング表面の外側にあり、前記複数の第２回転部材が前記ケーシング表面の内側にある請求項６に記載のロータリーエンジン。
9. 前記第１回転部材の表面が端面である請求項１乃至５のいずれかに記載のロータリーエンジン。
10. 圧縮された流体が膨張する前に点火する点火手段を更に備える請求項１乃至９のいずれかに記載のロータリーエンジン。
11. 前記第１回転部材が少なくとも１つの流入路および／または流出路を更に有する請求項１乃至１０のいずれかに記載のロータリーエンジン。
12. 前記ケーシングが複数のバルブを更に備えており、各バルブは前記空所仕事室に隣接した時のみ流入口または流出口として作動可能であり、かつ各バルブは前記装置のサイクル中一部分の間のみ空所仕事室に隣接する請求項１乃至１1のいずれかに記載のロータリーエンジン。
13. 前記バルブのそれぞれが、使用時、エンジンの１サイクルの間で最小の容積を有する空所仕事室には隣接せず、そのためバルブと最大圧力の流体間の接触を回避できる請求項１２に記載のロータリーエンジン。
14. 少なくとも１つのバルブが、空所仕事室に入る流体の流速を変え、空所仕事室内の流体圧力を変え、あるいは装置の圧縮比および／または膨張比を変えるように操作可能である請求項１２または１３に記載のロータリーエンジン。
15. 閉ループ・フィードバック制御が少なくとも１つのバルブの動作を制御するために用いられ、前記閉ループ・フィードバック制御が少なくとも１つのエンジン動作パラメータに基づいている請求項１２乃至１４のいずれかに記載のロータリーエンジン。
16. 前記少なくとも１つのエンジン動作パラメータは、流入口圧、流出口圧、および回転速度のうちの少なくとも１つである請求項１５に記載のロータリーエンジン。
17. 前記第２回転部材が前記第１回転部材の周りに配置され、各第２回転部材は前記第１軸に直交する各第２軸の周りを回転するように取り付けられる請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載のロータリーエンジン。
18. 第１回転部材の表面と前記ケーシングの表面が、空所仕事室間のシールを更に形成する請求項１乃至請求項１７のいずれかに記載のロータリーエンジン。
19. 各々の第２の回転部材の前記空所への突出量が、使用時、増大して第１の最大値となり、次にゼロより大である最小値まで減少し、その次に増大して第２の最大値となり、その後減少してゼロとなる請求項１乃至請求項１８のいずれかに記載のロータリーエンジン。
20. 使用時、仕事室内の流体は、第１の回転部材の１回転中に圧縮され、燃焼し、膨張する請求項１乃至請求項１９のいずれかに記載のロータリーエンジン。

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