JP5725694B2 - ロータリーピストンおよびシリンダ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、内燃機関または過給機または流体ポンプ等のポンプの形態、または蒸気機関またはタービン交換等の膨張機の形態であってよいロータリーピストンおよびシリンダ装置に関する。

「ピストン」という用語は、本明細書では、文脈が認めればシリンダ壁に対して可動な仕切りを含むその最も広い意味で使用され、そのような仕切りは一般に相対運動の方向に相当な厚みを有する必要はないが、羽根の形態をとり得る場合が多い。該仕切りは相当な厚みであってもよく、または中が空洞であってもよい。

本発明は、詳細には、回転子および固定子を有する形態のロータリーピストンおよびシリンダ装置に関し、固定子は少なくとも部分的に環状シリンダ空間を画成し、回転子はリング形状であって、かつ回転子は回転子リングから環状シリンダ空間に延びる少なくとも１つのピストンを有し、使用中、少なくとも１つのピストンは、回転子の回転時に環状シリンダ空間を通じて固定子に対して円周方向に動かされ、回転子本体は固定子に対して密封されており、該装置は、固定子に対して、シャッター手段が環状シリンダ空間を分割する閉位置と、該シャッター手段が少なくとも１つのピストンの通過を許容する開位置とに移動可能なシリンダ空間シャッター手段をさらに有し、該シリンダ空間シャッター手段はシャッターディスクを有する。

非常に好ましい実施形態では、少なくとも１つのピストンは一般に回転子リングから内部に延び、固定子は一般にリングの内部に位置している。
固定子は、所望であれば一般にリングを越えて径方向外側に延びる部分を備えていてもよい。

シャッターディスクは、環状シリンダ空間のほぼ径方向に延びる仕切りを提供することが好ましい。
理論上、シャッター手段は往復運動をすることができるが、特に高速度を要求される場合には往復運動を行う要素の使用を避けるのが非常に好ましく、シャッター手段は、シャッター手段の開状態においてシャッターディスクを通じた少なくとも１つのピストンの通過を許容するように環状シリンダ空間の円周方向に延びる穴とほぼ一致する位置に配置される少なくとも１つの開口を備えた少なくとも１つの回転式シャッターディスクであることが好ましい。

少なくとも１つの開口は、シャッターディスクに径方向に設けられることが好ましい。
回転子はシャッターディスクを収容するようになっていることが好ましい。
シャッターディスクは、回転子から適切な伝達手段によって駆動されることが好ましい。

回転子の回転軸はシャッターディスクの回転軸と平行ではないことが好ましい。回転子の回転軸は、シャッターディスクの回転軸とほぼ直交するのが最も好ましい。
ピストンは、該開口が環状シリンダ空間を通過するとき、停止することなく可動シャッター手段の開口を通過するように形成されることが好ましい。ピストンは、ピストンが開口を通過するとき密封部分（シール）が形成されるように、シャッター手段のピストンと開口との間に最小の隙間があるように形成されることが好ましい。密封部分はピストンの
前面または背面、または端部に提供されることが好ましい。圧縮機の場合には前面に密封部分を提供できるであろうし、膨張機の場合には背面に密封部分を提供することができるであろう。

回転子本体は、ピストンと、回転子本体と固定子を相対的に配置させるシリンダ壁との間の共働によるのではなく、固定子により回転自在に支持されることが好ましい。
この点が、ピストンが比較的高い摩擦推力を引き起こす適当なピストンリングによってシリンダと同軸に保持される従来の往復動ピストン装置とは異なることが理解されるであろう。

回転子リングは、固定子によって支えられた適切な軸受手段により回転自在に支持されることが好ましい。
固定子は、少なくとも１つの吸気ポートと少なくとも１つの排気ポートとを有することが好ましい。

ポートの少なくとも１つはシャッター手段にほぼ隣接していることが好ましい。
シャッターディスクの角速度に対する回転子の角速度の比は、１：１であることが好ましい。

複数の結合した装置（圧縮機、膨張機、または他の形態）が、１つまたは２つ以上の共通の吸排気マニホールドに結合され得る。より多くの定常流のガスが入力または出力されるように（複数の装置が異なる吸気段階等を有するとき）、上記結合を行うことができる。一例として、２つまたは３つ以上の装置が共通出力マニホールドに結合されほぼ連続的な出力流を発生させる過給機または圧縮機が挙げられる。

本発明の一態様によれば、２つのロータリーピストンおよびシリンダ装置と、一方の装置の排気ポートを他方の装置の吸気ポートに流体の行き来が可能であるように連通（流体連通）する移送導管とを有するロータリーピストンおよびシリンダアセンブリが提供される。

本発明の一態様によれば、前述の形式の２つのロータリーピストンおよびシリンダ装置と、一方の装置の出力ポートを他方の装置の入力ポートに連結する移送導管とを有するロータリーピストンおよびシリンダアセンブリが提供され、該アセンブリは、他方の装置の排出流体を移送導管の流体と熱的に連通させる熱伝達手段をさらに有する。

本発明の他の態様によれば、前述の形式の２つのロータリーピストンおよびシリンダ装置と、一方の装置の出力ポートを他方の装置の入力ポートに連結する移送導管とを有するロータリーピストンおよびシリンダアセンブリが提供され、該アセンブリは、他の装置の排出流体を移送導管に運ぶ手段さらに有する。

本発明のさらなる態様によれば、前述の形式の２つのロータリーピストンおよびシリンダ装置と、一方の装置の出力ポートを他方の装置の入力ポートに連結する移送導管とを有するロータリーピストンおよびシリンダアセンブリが提供され、移送通路は、使用中移送通路を通過する流体の乱流を発生させる乱流発生手段を備えている。

本発明の他の態様によれば、前述の形式の２つのロータリーピストンおよびシリンダ装置と、一方の装置の出力ポートを他方の装置の入力ポートに連結する移送導管とを有するロータリーピストンおよびシリンダ装置が提供され、移送導管は、使用中移送導管の流体の流体圧力波を減衰または増幅するように機能する共振制御手段を備えている。

本発明の他の態様によれば、前述の形式の２つのロータリーピストンおよびシリンダ装置と、一方の装置の出力ポートを他方の装置の入力ポートに連結する移送導管とを有するロータリーピストンおよびシリンダ装置が提供され、移送導管は使用中圧縮ガスを移送導管に供給するように機能する圧縮ガス貯蔵手段を備えている。

本発明のさらなる態様によれば、調整可能なポート装置を有する前述の形式のロータリーピストンおよびシリンダ装置が提供され、該調整可能なポート装置は、固定子に設けられてシリンダ空間と装置の外部領域との間の流体連通を提供する開口領域に対して可動の変位可能な固定子壁部分を有し、該調整可能なポート装置は、環状シリンダ空間に対して開口の位置および範囲のうちの少なくとも一方を変更できるように固定子壁部分を移動させることができる。

本発明のさらなる態様によれば、回転子が開口領域を備えている前述の形式のロータリーピストンおよびシリンダ装置が提供され、固定子は開口領域を備え、回転子と固定子の少なくとも１つは可動部分を備え、連通する場合には２つの開口領域は、環状シリンダ空間と装置の外部領域との間の流体連通を提供し、該装置は、使用中可動部分を移動させることができ、そのため開口領域の少なくとも１つの角度範囲を変更することができるように配置されている。

本発明の他の態様は、前述の形式の２つのロータリーピストンおよびシリンダ装置と、一方の装置の出力ポートを他方の装置の入力ポートに連結する移送導管とを有するロータリーピストンおよびシリンダアセンブリに関し、移送導管は音響吸収（吸音）手段を備えている。

本発明の他の態様によれば、回転子に設けられてシリンダ空間と該シリンダ空間の外部領域との間の流体連通を提供する開口領域に対して可動の変位可能部分を有し、シリンダ空間に対して開口の位置および範囲のうちの少なくとも一方が変更できるように変位可能部分を移動させることができる調整可能なポート装置を有する前述の形式のロータリーピストンおよびシリンダ装置が提供される。

さらに、本発明のさらなる態様は、前述の形式の２つのピストンおよびシリンダ装置と、一方の装置の出力ポートを他方の装置の入力ポートに連結する移送導管と、移送導管に燃料を噴出するように配置されている燃料噴射手段とを有する内燃機関に関する。

図１は、内燃機関を構成するロータリーピストンおよびシリンダアセンブリ１を示している。アセンブリ１は、移送通路１４により連結される２つのピストンおよびシリンダ装置２ａおよび２ｂを有している。該内燃機関は、誘導および圧縮、および他の燃焼および排気を提供する１つのチャンバを有する２つの連結された容積型ポンプと考えることができる。このサイクルの分離により、妥協することなく該２つのポンプの最適化が可能になり、大きな利点が達成される。選択肢の１つは異なる温度で２つの装置を運転することであるので、移送通路１４は装置２ａおよび２ｂをある程度互いに熱的に分離するセラミック等の構造物または材料であり得る。エンジンは、タービンおよびレシプロエンジンの両方の利点を組み合わせている。それにより、広範囲の速度および条件にわたり効率的な動作が可能になる一方、同時にすべての運動は純粋に回転運動であり、吸気および排気はタービンエンジンでのように絶えず開放されている。

図２ａ、２ｂ、２ｃ、および２ｄは、ピストンおよびシリンダ装置２ａおよび２ｂの各々の主要な要素を示している。
図２ａは、側壁１２内のポート１１と、環状シリンダ空間３を画成する２つの側壁１２
およびベース１３とを備えた固定子１０を示している。固定子１０はシャッターディスク５を収容するのに必要な大きさの放射状のスロット４を有しており、その目的は環状シリンダ空間３を分割することである。

図２ｂは、固定子１０のスロット４に嵌合され、環状シリンダ空間３を分割するシャッターディスク５を示している。シャッターディスク５はスロット６を備えており、適切に形成されたピストン８がスロット６を通過することを可能にしている。

図２ｃは回転子リング７を示しており、ピストン８がその内部に延びるように取り付けられている。該リング７は、環状シリンダ空間３を包囲するように固定子１０の外部周囲に嵌合している。リング７およびピストン８は、固定子１０に備えられた適切な軸受（図示せず）上で固定子１０の回りを回転する。リング７は、ピストン８に隣接するグリル状のポート９を備えている。

回転子の方向にグリル状のポート９を形成する開口部の各々の幅は、シャッターディスク５の厚みより小さい。シャッターディスク５は、その厚みを増すようにその端部に拡張部分を組み込んでいてもよい。

図２ｄは、回転子リング７の外部周囲に嵌合し、ポート３１を備えた静止外部ハウジング３０を示している。回転子リング７のポート９および静止外部ハウジングのポート３１の結合作用は、２つの部分が整列したとき（または少なくとも流体連通時）に開放状態になり、そうでないときには閉じた状態になる弁を形成することである。

回転伝達手段（図示せず）は、ピストン８が停止することなくスロット６を通過できるように、シャッターディスク５の軸４を回転子リング７に回転連結し適切な相対速度を確保している。

図１に戻り、移送通路１４は、圧縮装置２ａの排気ポート３１ａを膨張装置２ｂの吸気ポート３１ｂに連結している。
装置２ｂの固定子１０ａの側壁にあるポート１１ａは、新鮮なチャージが引き込まれる吸気ポートを形成している。

膨張装置２ｂの固定子１０ｂの側壁にあるポート１１ｂは、使用済みのチャージが排出される排気口を形成している。
圧縮装置および膨張装置をこのような方法で結合することによってエンジンを形成することには、圧縮サイクルと膨張サイクルとが独立して最適化されることを可能にする。例えば、圧縮装置２ａは膨張装置と異なる温度で運転することができ、圧縮装置２ａは膨張装置に対して異なる密閉戦略または異なる潤滑戦略を用いてもよく、および／または装置２ａの圧縮比および装置２ｂの膨張比が異なっていてもよい。

移送が一定容積で行われるようにあるいは移送中ガスを継続して圧縮できる（恐らくいかなるリークも補う小量）または膨張すらできるように、エンジンアセンブリ１を構成することができる。

膨張装置２ｂからの排気ガスは、排気口１１ｂからマニホールド１９を通して熱交換器２０へ転送することができる。熱交換器２０は移送通路１４を通して延びている。より詳細には、熱交換器２０は、隙間４１により間隔を置いて配置された複数の比較的狭い導管４０を有する。隙間４１は、移送通路の流体が該隙間を通過することを可能にし、したがって流体に対する熱伝達を向上させる。

熱交換器２０は、膨張装置２ｂからの排気ガスとさらに膨張装置２ｂに入るべき移送通路１４のガスとの間の熱を交換する。
重要なことには、熱交換器２０は、該熱交換器中の排気ガスが移送通路１４中のガスと混合することを許容しない。

高温の排気ガスから移送通路ガスへの熱伝達は、エネルギーのいくらかが回復されることを可能にし、したがってエンジンアセンブリ１の総合効率を向上させる。さらに、そのような熱再循環を使用してエンジン温度を「調整」することもでき、それにより膨張装置２ｂの予熱時間が短縮される。

圧縮装置２ａへの吸気は加熱されていない状態のままなので、この熱再循環は圧縮装置２ａの体積効率に影響を与えない。
エンジンアセンブリ１の使用中、圧縮装置２ａは、ピストン８ａおよび回転子リング７が回転するにつれて開口ポート１１ａを通じて流体を引き込む。同時に、ピストン８ａの後ろの空気を誘導するので、回転子リング７の最後の完全な回転中に誘導された流体は、シャッターディスク５ａに対してピストン８ａの前で圧縮される。

回転子リング７ａのポート９ａおよび静止した外部ハウジング３０ａのポート３１ａが重なった状態になると、上記のように形成された弁は開き、圧縮流体は移送通路１４に放出される。

膨張装置２ｂでは、気圧調節された流体が、外部ハウジング３０ｂのポート３１ｂおよび回転子リング７ｂのポート９ｂを通して装置のシリンダ空間に入る。回転子リング７ｂが回転すると、弁は閉じ、気圧調節された流体は膨張する。次に、固定子１０ｂに備えられた点火プラグ等の点火手段（図示せず）が、燃料混合物に点火する。

さらなる回転後、ポート１１ｂは、残存ガスがマニホールド１９に脱出することを可能にする。次の膨張サイクル中、さらに残存している流体がポート１１ｂを通じて強制的に排出される。

リング７ｂの回転出力が、シャッターディスク５ｂ、および適切な回転伝達手段（図示せず）により圧縮装置２ａの回転子リング７ａおよびシャッターディスク５ａの両方を駆動することは理解されるだろう。

他の実施形態では、熱交換器は備えられておらず、膨張装置からの排気ガスは単に移送通路から排気マニホールド（図示せず）へ運ばれるだけである。
図３は、類似の参照番号が類似の機能を示す内燃機関１００の装置２ａを示しており、一部の排気ガスは移送通路１４に再循環させられる。排気ガスが排気マニホールド２１から移送通路１４へ通過する経路が、付加のマニホールド２３により提供される。ポンプ２２は、排気マニホールド２１と移送通路１４の間の排気ガスの流れを制御するように機能する。さらなる弁、ポンプ、または他の流体制御手段を用いてこの流れを制御してもよいことが理解されるだろう。

この排気ガス再循環を使用して、燃焼または燃焼速度を制御することができる。排気ガス再循環を使用して、膨張装置２ｂの温度を制御することもできる。さらに、排気ガス再循環を使用して、排気を制御、または制御された自己点火（ＣＡＩ）サイクルの制御を支援することもできる。これらは、移送通路１４への排気ガス再循環を活用できる単なる理由の一部に過ぎない。このような再循環は、圧縮装置２ａの体積効率に影響を与えない。

ここで、エンジンの膨張装置の点火手段の位置に注目してみる。図２０を参照すると、
２つの連結したロータリーピストンおよびシリンダ装置２ａおよび２ｂを有する内燃機関１０００が示されている。膨張装置２ｂは点火プラグ９５０を備えている。具体的には、点火プラグ９５０の電極が固定子のベース１３の凹みすなわち収容部（ナセル）９５２に配置されている。

図２１は、膨張装置２ｂの外部ハウジング３０の凹みに点火プラグ９５０が配置された内燃機関１１００を示している。したがって、吸気ポート９ｂが点火プラグと重なった場合にのみ、チャンバ内の動作流体が点火プラグの電極へ露出される。好都合に、点火プラグが高温の燃焼混合物に短時間露出されるだけなので、点火プラグの寿命が改善されるはずである。一実施形態において、点火プラグの代わりにグロープラグが使用されてもよく、点火タイミングは吸気ポート９ｂとグロープラグの相互作用により与えられる。

図２２は、固定子の側壁１２の凹みに点火プラグ９５０が設けられた内燃機関１２００を示している。
図４は、移送通路の流体の乱流を助長するために、使用中、該移送通路１４内のガスの流れを修正するように適合された装置２４を含む内燃機関２００を示している。装置２４は多くの方法で実現され、静止していても、可動であっても、および／またはエネルギーが供給されていてもよい。該装置（参照番号２４で概略的に示される）は、移送通路空間に拡張可能な１つまたは２つ以上のフラップ、またはその流体の流れ特性を修正するために、ガスが衝突する表面部を有する多くの他の機能または形状を有していてもよい。装置２４は空気力学的装置として説明することもできる。移送通路で生成された乱流は、渦巻き運動および／または転がり運動の１つまたはその組み合わせを有していてもよい。

装置２４は、流体に提示される装置２４の構成が、通路１４を通り装置上を流れる流量速度が変化するにつれて変化するように、変形可能であってもよい。装置２４は、ユーザ制御可能な推進手段によって（リアルタイムで）動的に制御できてもよいし、または（異なる燃料等を考えると）製造時に配置してもよい。したがって、位置、形状、構成および／または方向を設定してもよいし動的に制御してもよい。

発生した乱流の量を修正して、移送通路１４の燃料および空気の混合を制御するようにまたはサイクル中後で膨張装置２ｂ（それは装置２４の下流にある）の条件に影響を与えるように、移送通路１４の流体の混合を制御することもできる。

あるいは、発生した乱流を利用して、移送通路の流体と、移送通路内または膨張装置２ｂの装置２４下流のいかなる再循環された排出流体との混合も制御することができるであろう。

乱流の制御を利用して、移送通路１４の熱交換器（熱交換器２０等）とガスとの間の熱伝達率の制御も可能にできるであろう。
重要なことには、移送通路１４の流体の乱流の度合いが膨張装置２ｂの燃焼を少なくとも部分的に制御し、したがって乱流の適切な制御を利用して燃焼効率を最大にすることができるであろう。乱流の最適量は、異なるエンジン動作速度、異なるエンジン負荷、および異なる燃料に対して変化する。

移送通路１４の装置２４の位置決めの特別の利点は、乱流が、チャージが消費される直前に発生するので、流体からのエネルギー損失（粘性流のような効果に対する）を最小化できることである。これは、吸気弁を通ったガスの流れにより乱流が発生し、次に燃焼の前に圧縮サイクルを遂行しなければならない（より多くの時間を乱流エネルギーの損失に対して費やす）従来のレシプロエンジンと対照的である。

乱流発生装置２４ａを図１４に示しているが、該装置は移送通路１４の内部壁６０から径方向に内部に延びる、ほぼ螺旋形の形状をした羽根（ベーン）を有する。
２つの回転自在に取り付けられたフラップ装置２５を有するさらなる乱流発生装置２４ｂを図１５に示している。各フラップ装置２５は、（双頭の矢印で示されるような）ねじれに対して柔軟なステム２６を有しており、該ステムはフラップ部２７に連結されている。該装置は、低流体流速で使用されている間各フラップ装置が流体に大きい表面を提供し、その結果乱流が増加して発生するようになっている。しかし、流体速度が速くなってしまうと、ステム２６は曲げられ、その結果流体の流れに提供された表面積は減少するであろう。さらなる代替の「受動的」装置では、回転自在に取り付けられたフラップ装置のステムは、フラップ装置が流体の流れに対してより大きい表面積を提供する方へ付勢される弾力のある付勢手段（例えばばね）と係合可能である。他の実施形態では、ステム２６は実質的に固い構造物であるが、各フラップ部は、流体流速の変化に応じたたわみを提供するような十分に曲げやすい構造である。

代替の装置では、フラップ装置の各々は推進手段（図示せず）に連結されており、該手段は、移送通路の流体の流れ方向に対して各装置の傾きを制御するように機能する。上で説明したフラップ装置の実施形態では、２つのフラップ装置を説明したが、１つまたは２つ以上のそのような装置を実施することもできる。

図５は、燃料噴射装置２５が移送通路１４に燃料２６を直接注入する内燃機関３００を示している。しかしながら、その代替としてまたはそれに加えて、燃料は、圧縮機吸気ポート４ａ、圧縮機吸気マニホールド、環状シリンダ空間そのもの、または膨張装置チャンバに注入されてもよい。

移送通路１４への注入には圧縮装置２ａの体積効率を低下させない利点がある。
燃料を移送通路１４に注入することは、滑沢剤に影響を与えまたは被膜を損傷するであろう移送通路の壁を湿らせる燃料が、圧縮機２ａに存在しないことも意味している。好都合に、圧縮装置２ａに燃料が存在しなければ該圧縮装置の構成材料が最適化される。

移送通路１４へのさらなる燃料噴射は、（移送通路を通過するいくらかのチャージに他よりもより多くの燃料を注入することにより）チャージ成層化のさらなる制御を可能にし得る。このことは燃焼を制御する際に利点がある。

複数の移送通路マニホールドを使用できるので、複数の注入器が使用されてもよい。
図６は、サイクル中圧縮流体を保存できる弁手段２８によって移送通路１４に取り付けられたレセプタクル／貯蔵タンク２７を有する内燃機関４００を示している。

使用中、弁２８は、エンジンのブレーキをかけるサイクル中圧縮ガスがレセプタクル２７に保存されることを可能にするであろう。次に、再加速時には、可変吸気ポート（図示せず）または他の適切な手段が圧縮装置２ａで達成された圧力を下げるので、必要な圧縮作業を少なくすることができる。レセプタクル２７から移送通路１４にガスを再導入できるようにして圧力差を発生させる（あたかも、可変ポートが圧縮比を低下させるのに使用されなかったかのように）。全体として、機関制動からのエネルギーが再捕獲され、これが一種の「弱い」混成物を形成するので、これは好都合に効率向上を可能にするであろう。これは、レセプタクル２７および弁手段２８の使用の単なる一例である。それに付加してまたはその代替として、機関制動サイクル中に取り込まれた圧縮ガスを、エンジン４００に取り付けられた１つまたは２つ以上の装置、またはそうでなければ例えば空気制動装置に使用できるであろう。

装置２ａの次のサイクルにおいて、装置２ａから受け取った圧縮ガスをタンク２７から
装置２ｂへ解放し（弁手段２８が開かれた場合）、それによりガス貯蔵およびガス解放ステップを行うことができるように、弁手段２８を制御手段に作動可能に連結することができる。

他の実施形態では、チャンバ２９は、特定の周波数でのチャンバ２９の断面積の急激な変化が移送通路への波を反射するように引き起こされる、膨張室の形状をしていてもよい。

ある場合には、膨張装置２ｂの圧縮空気を膨張させることによって取り出したエネルギーにより、単にレセプタクル２７からの圧縮ガスのみでエンジン４００にエネルギーを供給できるであろう。これには、圧縮段階を回避するか、または圧縮比を低下させる可変ポーティング（以下に説明するような）を使用するかのいずれかが必要とされるであろう。

さらに他の実施形態では、レセプタクル２７は、ガスが圧縮装置２ａから供給されない圧縮ガスの発生源の形態をしている。そのような実施形態では、弁２８は、ガスだけが通路１４に入ることを可能にするが逆はできない一方向弁である。

図７は、移送通路１４に取り付けられた、ほぼ円筒形状の複数のチャンバ２９を有する内燃機関５００を示している。これらのチャンバは、弁３１ａおよび３１ｂが定期的に開閉される結果として発生する流体の圧力波の相互作用によって引き起こされる移送通路および／またはエンジンの他の部分の共振の調整を可能にする。要素５０は、共振空洞の効果を修正するように機能する調節板／板部材である。

２つのチャンバ２９が示されているが、１つまたは２つ以上の共振空洞があってもよい。１つまたは２つ以上の共振空洞への流体の入力は、移送通路から１つまたは２つ以上のチャンバを分離するのに選択的に作動可能な弁（図示せず）によって制御することもできる。使用中、１つまたは２つ以上の共振空洞は移送通路の流体の共振効果を弱めるように作用し、それにより流体の流れを改善し、ノイズを低減する。チャンバ２９の種々の実施形態を構想することができる。一実施形態では、チャンバは、流体の圧力波の特定の周波数でチャンバが共振し、移送通路の圧力波の共振を交互に行うように該圧力波が送通路の流体に向かっておよびその流体に放射される、ヘルムホルツ共鳴器型装置の形態をしている。さらなる可能性として、１つまたは２つ以上のチャンバの容積または長さを変化させることを可能にする機構を用いてもよい。そのような装置の１つの実現は伸縮自在のチャンバを有している。他の実施形態は、チャンバ内で制御可能に可動なピストンを有している。複数の副チャンバを弁によって流体連通し、チャンバの共振量の修正を可能にするさらなる実施形態も構想できるであろう。そのような副チャンバを移送通路に連結してもよく、それにより該移送通路への復帰経路を提供する。ある実施形態では、共振空洞は、使用中移送通路の圧力波の建設的干渉が引き起こされるように、移送通路上の共振効果を増幅するよう適合される。

他の実施形態では、使用中圧力波が移送通路を通過するときに消散するように、吸音材料が該移送通路との音波通信に提供される。そのような実施形態の１つの実現では、移送通路は吸音材料により囲まれている。

１つの移送通路だけが装置２ａと２ｂとの間に示されているが、複数の移送通路が提供されてもよい。
本発明の他の実施形態は、図１の少なくとも２つのロータリーピストンおよびシリンダ装置２ａおよび２ｂと、その間の移送通路と、２つの熱交換器配置と、図３の排気ガス再循環装置と、図４の乱流発生装置と、図５の燃料噴射配置と、図６の圧縮流体レセプタクルと、図７の共振空洞とを有することが理解されるであろう。

上で説明した実施形態では、装置２ａおよび２ｂの吸気ポートおよび排気ポートは固定サイズとして示されているが、ここで種々のさらなる実施形態を、可変ポート装置を使用したポートサイズの制御に関して説明する。

図８を参照すると、可変ポート装置を有するロータリーピストンおよびシリンダ装置の固定子センブリ６００が示されている。該装置は、側壁６０３に備えられたアーチ形の開口６０１ａで摺動するように適合された、実質的に湾曲した平面形状の摺動可能なカバー部材６０２を有する。シリンダ空間に面したカバー部材６０２の表面は、側壁の内部に面した隣接する表面部とほぼ同一平面上にあるように配置されている。したがって、少なくともピストンの観点から見て、ピストンがカバー部材を通過するとき漏れ経路が発生しないように、カバー部材６０２は側壁部分に「取って代わる」ように意図されている。図８の側壁６０３はほぼ平面であってもよい。この面は、ディスク軸にほぼ放射状であってもよく、またはディスク軸の半径からオフセットされてもよい。

ポートの角度範囲について議論する場合、それは回転子リング７がその周りを回転する軸であり、角度の有効範囲を決定する基準と呼ばれる環状シリンダ空間３がその周りに形成される軸である。

摺動可能なカバー部材６０２は、開口６０１ａの角度範囲を選択的に制御するように、弧を通じて摺動するように適合されている。
固定子センブリ６００は、第２の開口６０１ｂをさらに備えているが、その角度範囲は摺動可能なカバー部材６０２の動作によって変更することができない。

開口６０１ａに対して摺動可能なカバー部材６０２の調整能力によって圧縮比を変えることができる。圧縮段階の開始点は、回転子リング７上のピストン８が開口６０１ａおよび６０１ｂの角度範囲の端を通過する角度位置によって部分的に制御される。開口６０１ａポートの角度範囲が大きくなると、圧縮は回転子リングの回転の後半に始まる。他のすべてのパラメータが同一の場合、これは圧縮比を低下させることになる。回転子リングに備えられたポートの相互作用のタイミングおよび排気弁から外部ハウジングに備えられた開口が変化しなければ、装置の排気ポートから供給されるガスの容積は変化しない。

図８に関して、摺動可能なカバー部材６０２は装置の中心に向かって回転可能なように示されているが、他の実施形態では、該カバー部材を装置の外に向かって回転可能なように配置できることが理解できるであろう。

このような方法による圧縮比の制御を圧縮機に用いて、システムの要求に応じた排気圧を制御することができるであろう。
過給機の実施形態におけるこのような方法によるポートの制御により、過給機の回転速度を変えることなく、過給機の質量流量を変えることができる。

このような方法による圧縮比の制御を用いてエンジンスロットリングの形態を可能にし、従来のスロットルに関する損失を発生させることなく、エンジンによって発生したエネルギーを低減する。従来のスロットルはエンジンの吸気の絞りとして働き、圧力をその下流で下げる。エンジンは同一容積の空気を誘導するが、圧力はより低くなるので正味の空気分子数が減少し、それ故燃焼可能な燃料の量の減少が出力の低下を引き起こすことになる。しかしながら、制御可能な吸気ポートをその代りに使用することによって（開口６０１ａと組み合わせて摺動可能なカバー部材６０２によって形成されたので）、開口６０１ａの角度範囲の拡大は、吸気圧を大きく低下させることなく圧縮された空気の量を効果的に低減する。全体的な効果は、より少ない空気分子が従来のスロットルを有するような燃
焼室に供給されるということであるが、重要なのはスロットル絞りのポンピング損失が回避されることである。

同様に、膨張装置（例えば装置２ｂ）の固定子の排気口のサイズを変えることにより膨張比を変えることもできる。チャンバ内の膨張が終了する角度位置は、回転子リング上のピストンが排気口の始まりを通る点によって制御される。排気口の角度範囲が大きくなると、膨張は回転子リングの回転の前半で終了する。他のすべてのパラメータが同一の場合、これは膨張比を低減することになる。回転子リングに備えられたポートの相互作用のタイミング、排気弁を形成するアウターハウジングに備えられた開口、および他のすべてのパラメータが変化しなければ、装置の吸気ポートを通じて供給されたガスの容積は変化しない。

エンジンの膨張比を低減することにより、エンジンによってもたらされる作業量が低減され、排気の温度を高めることができるであろう。エンジンが熱と出力の結合した（ＣＨＰ）装置の一部分として使用される場合、これはシステムの熱対出力比が制御されることを可能にするであろう。

エンジンの実施形態の膨張比を低減することにより排出エネルギーを一時的に増加させることは、下流側触媒をより速く暖めることに使用できるであろう。これにより着火排気を削減できるだろう。

エンジンの実施形態の膨張比を低減することにより排出エネルギーを一時的に増加させることを用いて、「スプールアップ」する下流のターボチャージャーにより多くのエネルギーを提供し、「遅延」すなわちエンジン運転条件の変化に応答するのに要する時間が短縮される。

このような膨張比の制御を、膨張装置（例えば蒸気膨張装置）を形成する単一のロータリーピストンおよびシリンダ装置に使用して、該膨張装置によって引き起こされる作業量を制御できるであろう。該膨張比の制御は、膨張装置の排気圧を制御するのにも使用きるであろう。

これらは、膨張比の制御から得ることができる多くの可能な利点のうちのほんの数例に過ぎない。
ここで図９を参照すると、ポート７１１が摺動可能部材７１２によって可変的に弁で調整されるロータリーピストンおよびシリンダ装置の固定子の外部ハウジングに備えられた可変ポート装置が示されている。壁には壁部７１３によって画成されるほぼ部分的に螺旋形の形状のチャネルが形成されている。摺動可能部材７１２は、少なくともピストンの観点から見て、ピストンが摺動可能部材を通過するとき漏れ経路が発生しないように、外部ハウジングの部分に「取って代わる」ように意図されている。外部ハウジングの開口７１１および回転子リング７のポート９は、ポート９と開口７１１がほぼ重なったとき、開いた弁を形成する。摺動可能部材７１２によりこの弁のタイミングを変えることができる。摺動可能部材は、図８の可変絞り６０１ａと同じ方法で開口７１１の角度範囲を制御することを可能にしている。

他の実施形態では、ポートは外部ハウジングに設けられ、湾曲した摺動可能部材が、シリンダ空間の周囲をほぼ円周方向に（すなわち、外部ハウジングの軸とほぼ同軸方向に）ポート内で動くように構築されている（螺旋形ではなくすなわち部分的に軸方向に）。

異なる実施形態では、ポート７１１は、ロータリーピストンおよびシリンダ装置の固定子の径方向最内部のベース壁１３に設けられる。
異なる実施形態では、摺動可能部材によって制御されるポートが、ポート９に加えてまたは代わって回転子リング７に設けられる。これは、外部ハウジングの言及した第１のポートと開口との相互作用によって形成される弁のタイミングを調整することを可能にする。

圧縮装置では、回転子リングのポートとポート７１１との相互作用は、圧縮比を制御するのに使用することができる。
圧縮比が吸気ポートの角度範囲（上で説明した）の拡大により圧縮機において下げられると、圧縮容積は減少するが、排気ポートからの排出容積は変化しない（他のパラメータが変化しなければ）。その代りに、回転子リング７のポート９または外部ハウジング３０の開口３１のいずれかに取って代わることができるポート７１１の角度範囲を大きくするように部材７１２を摺動させることにより圧縮比を低下させることができれば、圧縮容積は変化しないが、排気ポートから排出される容積は増加する。

一実施形態では、回転子リング７のポート９の角度範囲および外部ハウジング３０の開口３１の角度範囲を共に変化させることができる。
吸気ポートの角度範囲および排気弁タイミング（そのタイミングはポート９および開口３１の角度範囲によって制御される）を共に変えることができれば、圧縮容積すなわち質量流量、および圧縮比は独立して変えることができる。例えば、吸気ポートの角度範囲が大きくなると圧縮容積は減少する。排気弁タイミングが変化しない場合には圧縮比は下げられるが、排気弁を形成する１つまたは両方のポートの範囲を小さくすると圧縮比を維持することができる。このことは、圧縮比は変わらずに質量流量が減少したことを意味している。

膨張装置では、吸気ポートは回転子リングのポートとポート７１１との相互作用よって形成され、部材７１２の摺動移動により、ポート７１１の角度範囲を使用して膨張比を制御することができる。例えば、膨張比はポート７１１の角度範囲を大きくすることにより小さくすることができ、膨張容積は増加するが排気ポートからの排出容積は変化しない。

図１６を参照すると、ロータリーピストンおよびシリンダ装置の外部ハウジング８３０が示されている。外部ハウジングは、開口８４１および８４２をそれぞれ備えた２つのハウジング要素８３１および８３２を有する。開口８４１および８４２は協力して、膨張装置の入力ポートおよび圧縮装置の出力ポートとして役目を果たす。ハウジング要素８３２はハウジング要素８３１対して回転運動するように取り付けられている。図１７に示すように、ハウジング要素８３２がハウジング要素に対して回転した。そのような場合、開口８４２の位置は、ここで開口８４１に対して変化してしまっている。したがって、装置の回転子の開口が他の開口（および特に開口８４２）と重なる（少なくとも一部）タイミングが変えられる。３つ以上の回転可能な外部ハウジングコンポーネントは、１つまたは２つ以上のそれぞれの開口を備えた各コンポーネントを備えることができることが理解されるであろう。

図１８は、ロータリーピストンおよびシリンダ装置の外部ハウジング９３０を示している。外部ハウジング９３０は、共に出力ポートを形成する複数の開口領域９４０を有する。外部ハウジング９３０はシリンダ空間対して回転するように取り付けられている。

図１９は、回転子の開口が開口領域９４０と重なった状態になるタイミングが変更された（図１８に示した位置に対するタイミングと比較して）、調整された位置における外部ハウジング９３０を示している。

図１０に代替の可変ポート装置を有する固定子６３０を示している。該装置は、固定子
に固定または固定子から移動でき、したがってポート６３４の角度範囲を変える２つの取り外し可能なプラグ要素６３１および６３２を有する。該２つの要素は連続的なポートを形成するように選択的に移動させることができ、あるいは複数のポートを開くことができるように分離して配置することができる。

図１１において最もよく理解されるように、ポート６３４には、各プラグ要素６３１および６３２の突出部６３５を収容するように適合された固定子の側壁のグリルすなわち格子構造が設けられている。他の実施形態では、ポート６３４は、例えば単一の開口部のようにはグリル構造を備えなくてもよい。

他の実施形態では、プラグ要素は、該プラグ要素が開いたり閉じたりすることができるように、ポート６３４に向かっておよびそこから離れて回転できるように固定子の一端（径方向最内部の端または径方向に最外部の端のいずれか）にヒンジで取り付けることができ、こうしてポートの角度範囲を選択的に変更する。

さらなる実施形態では、複数のポートカバー要素が、固定子の側壁にヒンジで動くように取り付けられており、各ポートカバー要素の側面の１つにはヒンジが設けられている（端に向き合うように）。よりさらなる実施形態では、角度をなして間隔をおいて配置された複数のポートカバー要素は、使用中、該要素の各々が回転子の回転軸に向かってほぼ径方向内側または回転軸からほぼ径方向外側のどちらかに摺動できるように、固定子の側壁に摺動可能に取り付けられている。

図１２は、固定子側壁に設けられたポート６４３の角度範囲を選択的に制御できるように、参照番号６４２にてヒンジで取り付けられた回転可能なカバー６４１を有する固定子６４０のさらなる可変ポート装置を示している。固定された角度範囲のさらなるポート６４４も固定子側壁に設けられている。ポート６４３は、回転可能なカバー６４１が省略された図１２ａで最もよく理解される。ポート６４３が形成される壁はほぼ平面の壁であってもよい。

図１３は、ポート７２４に対して摺動可能な複数の摺動弁部材７２５、７２６、７２７、および７２８によって一端が形成された、外部ハウジング２４に設けられた可変ポート装置を示している。他の実施形態では、図１３に示した可変ポート装置を使用して回転子リング７のポート９の角度範囲を変えることができる。

他の実施形態では、図１３に示した可変ポート装置は、径方向最内部のベース壁１３に設けることができる。
他の実施形態では、１つまたは２つ以上の弁部材７２５、７２６、７２７、および７２８は、環状シリンダ空間の概略径方向へポート７２４に向かっておよびそれから離れるように動くことができる。

さらに他の実施形態では、１つまたは２つ以上の弁要素７２５、７２６、７２７、および７２８は、一端または側面をヒンジで取り付けるか、または該要素を開閉可能にする他のピボットに取り付けることができるであろう。さらに他の実施形態では、１つまたは２つ以上の弁要素７２５、７２６および７２７および７２８は、チャンバ軸に対してほぼ径方向に、またはポートの範囲を変える他の方向に往復運動することができる。

さらに他の実施形態では、複数の要素７２５、７２６、７２７、および７２８は、「鎖」の形でポートから「広がる」ことができるように、互いに回転可能に結合することができるであろう。具体的には、各要素の隣接端部７２９がヒンジ装置（図示せず）によって連結されている。使用中、開口部のサイズを大きくする必要がある場合、適正な数の要素
は折り畳み方式で「スタック」に互いに折り重ねられるが一方、他の１つまたは２つ以上の要素はポート開口部の一部をカバーする位置に留まったままである。逆に、ポート開口部のサイズを小さくする必要がある場合、１つまたは２つ以上の要素の必要な数は、スタックから「広げられ」、開口部を閉じる。要素をスタックに折り重なった開口部から上方へ持ち上げることができる他の実施形態が可能である。

図９および１３に示した実施形態に対する他の実施形態では、開口の角度範囲を変えるために、回転子リングに設けられたポート（例えばポート９ａ）の角度範囲を変え得るように適合させることができる。これは、回転子リング７のポートのグリル構造を形成する１つまたは２つ以上の開口部に、取り外し可能に挿入することができるように適合された１つまたは２つ以上のプラグ部材（図示せず）を設けることによって達成できるであろう。

ロータリーピストンおよびシリンダ装置の吸気ポートおよび排気ポートがいずれも可変ポート装置を備えていない場合、（例えば）圧縮比、圧縮容積、および供給容積は、吸気および排気ポートの一方または両方の制御により独立して制御することができるであろう。

圧縮機として使用されるロータリーピストンおよびシリンダ装置の場合には、固定子の吸気ポートの角度範囲を大きくすることにより圧縮容積を低減できるであろう。外部ハウジング（排気弁を形成する）の排気ポートの角度範囲が変化しない場合には圧縮比は低減される。しかしながら、共に排気弁を形成する排気ポートの一方または両方の角度範囲が狭められた場合には、圧縮比を維持できるであろう。これは、圧縮比または供給エネルギーを変化させることなく圧縮容積を低減することになる。これにより、圧縮機容量すなわち質量流量が変化することが効果的に可能になる。

エンジンの実施形態の場合には、そのような弁で流れを調整する戦略を使用して、拡張スロットリング能力を提供できるであろう。圧縮容積を低減しながら圧縮比を維持することは、圧縮比および圧縮容積を単に低減すること以上にエンジン効率を向上させる。

エンジンの実施形態の場合には、膨張装置の外部ハウジングの可変吸気ポートを圧縮装置からの可変排気ポートと共に使用できるであろう。圧縮装置からの可変排気ポートは、（圧縮容積とは無関係に）圧縮比を制御することを可能にし、膨張装置への可変吸気ポートは、圧縮機出口ポートが変化させられたとき、ポート開閉時期を一致させることを可能にする。

上述の１つまたは２つ以上の異なる形態の複数の可変ポート装置はいずれも環状シリンダ空間の周囲に配置でき、例えば、角度をなして間隔をおいて配置された複数の吸気ポートが設けられてもよいことが理解されるであろう。上記の可変ポート装置のいずれも、単独で、または固定サイズの１つまたは２つ以上のポートと共に設けることができる。上で説明した可変ポート装置のいずれも、同一のロータリーピストンおよびシリンダ装置または２つの連結した装置を有するアセンブリと組み合わせて使用することができる。

上で説明した可変ポート装置は種々様々の方法で制御することができる。例えば、製造時、および／または次の調節または調整手順の一部としてのいずれかの手動介入により、可変ポート装置を制御することができるであろう。作動手段への出力制御信号が、ポートの角度範囲を調整するサーボ装置等の適切な作動手段によって、可変ポート装置を制御できるであろう。そのような作動手段を配置して、それぞれのロータリーピストンおよびシリンダ装置の動作中に、１つまたは２つ以上のセンサからの制御信号に応じてまたはメモリ手段に保存されたデータに応じて、リアルタイムでの制御を行うことができるであろう
。データ処理装置およびメモリ手段を有するエンジン管理システムによって、例えばファームウエイブ装置の形で作動手段を制御できるであろう。したがって、装置に対する要求の変化に応じた可変ポート装置の制御により、ロータリーピストンおよびシリンダ装置の動作を最適化することができるであろう。例えばエンジンの実施形態では、そのような変化は、加速に対する安定した出力／速度を探し回る結果として起こり得るであろう。圧縮機では、そのような変化は、要求される流体の流量または要求される必要な出口圧力の変化によって構成できる。過給機（例えば、それは従来のエンジンに取り付けることができる）では、ポーティングのそのような変化が生じて、要求されるエンジン出力の増加に応じて質量流量を増加させることができる。

第１のロータリーピストンおよびシリンダアセンブリの側面図。 図１のアセンブリの各ロータリーピストンおよびシリンダ装置の各主要な要素の斜視図。 図１のアセンブリの各ロータリーピストンおよびシリンダ装置の各主要な要素の斜視図。 図１のアセンブリの各ロータリーピストンおよびシリンダ装置の各主要な要素の斜視図。 図１のアセンブリの各ロータリーピストンおよびシリンダ装置の各主要な要素の斜視図。 第２のロータリーピストンおよびシリンダアセンブリの側面図。 第３のロータリーピストンおよびシリンダアセンブリの側面図。 第４のロータリーピストンおよびシリンダアセンブリの側面図。 第５のロータリーおよびピストンシリンダアセンブリの側面図。 第６のロータリーピストンおよびシリンダアセンブリの側面図。 第１の可変ポート装置の斜視図。 摺動可能に取り付けられたポートカバーが取り外された、図８に示した第１の可変ポート装置の一部分の斜視図。 第２の可変ポート装置の斜視図。 第３の可変ポート装置の他の斜視図。 図１０に示した可変ポート装置の他の斜視図。 第４の可変ポート装置の斜視図。 回転可能に取り付けられたポートカバーが取り外された、第４の可変ポート装置の一部分の斜視図。 第５の可変ポート装置の斜視図。 乱流発生手段の実施形態の配置図を示す。 乱流発生手段のさらなる実施形態の配置図を示す。 第１の条件におけるロータリーピストンおよびシリンダ装置の外部ハウジングの概略図。 第２の条件における図１６の外部ハウジングの概略図。 第１の条件におけるロータリーピストンおよびシリンダ装置の外部ハウジングの概略図。 第２の条件におけるロータリーピストンおよびシリンダ装置の外部ハウジングの概略図。 第１の位置に点火手段を有する内燃機関の側面図。 第２の位置に点火手段を有する内燃機関の側面図。 第３の位置に点火手段を有する内燃機関の側面図。

Claims (12)

1. 環状シリンダ空間および調整可能なポート装置を有するロータリーピストンおよびシリンダ装置であって、前記環状シリンダ空間は、少なくとも１つのピストンを含むリングの形状の回転子によって少なくとも部分的に画成され、該少なくとも１つのピストンは、リングの内部に延び、該ロータリーピストンおよびシリンダ装置は、スロットを備える回転可能なシャッターディスクを備え、同シャッターディスクは、該回転子に対して、該シャッターディスクが該環状シリンダ空間を仕切る閉鎖位置、および該シャッターディスクが該少なくとも１つのピストンによる該スロットの通過を許容する開放位置に移動可能であり、前記調整可能なポート装置は、固定子に設けられてシリンダ空間と前記装置の外部領域との間の流体連通を提供する開口領域に対して可動の変位可能な固定子の壁部分を有し、該調整可能なポート装置は、前記環状シリンダ空間に対して前記開口の位置および大きさのうちの少なくとも一方を変更できるように前記固定子の壁部分を移動させることができ、これにより、要求される設定に制御可能であり、前記ロータリーピストンおよびシリンダ装置は、ポンプ、圧縮機、膨張機、スーパーチャージャー、および燃焼機関のうちの少なくとも１つである、ロータリーピストンおよびシリンダ装置。
2. 前記開口領域は前記固定子の側壁に設けられている請求項１に記載の装置。
3. 前記開口が設けられた側壁はほぼ平面である請求項１に記載の装置。
4. 前記開口領域は固定子の径方向最内部の壁に設けられている請求項１に記載の装置。
5. 前記可動な固定子壁部分は前記開口領域に取り外し可能に連結するようになっている請求項１または２に記載の装置。
6. 前記開口領域によって収容されるようにされた複数の可動な固定子壁部分が設けられた、請求項５に記載の装置。
7. 前記可動な固定子壁部分は前記開口領域に対して回転運動するように配置されている請求項１または２に記載の装置。
8. 前記可動な固定子壁部分は前記開口領域に対して摺動運動するように配置されている請求項１または２に記載の装置。
9. 前記開口領域は前記装置に対する吸気ポートを形成する請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
10. 圧縮装置である請求項９に記載の装置。
11. 前記開口領域は前記装置に対して排気ポートを形成する請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
12. 膨張装置である請求項１１に記載の装置。

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