JP2010506081A - ロータリーピストン式内燃機関 - Google Patents

Abstract

中央にシャフトがあるロータリーピストン式内燃機関にして、出力側および出力側と反対側に配置されるハウジングカバー（３、２）により封止された円筒形状ロータハウジング（１）と、該ロータハウジング（１）の内部でその中心軸まわりに一定速度で回転する、出力側および出力側と反対側のロータ側板（１２、１５）を担持しているアウタロータ（１３）と、該アウタロータ（１３）の内部で前記中心軸まわりに一定でない速度で回転するインナロータ（３１）とを有し、前記アウタロータ（１３）が半径方向内側を指向する互いに剛結された複数のピストン（１３ａ〜ｃ）を有し、前記インナロータ（３１）が、それと同数の、半径方向外側を指向し且つ前記アウタロータ（１３）の各二つのピストンの間にそれぞれ二つの作動室（ＡＫ）を限定しながら係合する互いに剛結された対向ピストンを有し、さらに、前記各作動室（ＡＫ）に対し燃焼室が一つずつ付設され、前記各燃焼室が制御窓を介し定置式の吸排気ポートと導通する、内燃機関に関する。内燃機関の効率向上のため、前記アウタロータ（１３）が相互に同じ角距離で配置される三つのピストン（１３ａ〜ｃ）を有することが提案される。

Description

本発明は、出力側および出力側とは反対側に配置されるハウジングカバーにより封止された円筒形状のロータハウジングと、ロータハウジングの内部でその中心軸まわりに一定の速度で回転する、出力側および出力側とは反対側のロータカバーを担持しているアウタロータと、アウタロータの内部でロータハウジングの中心軸まわりに一定ではない速度で回転するインナロータとを有しており、アウタロータが半径方向内側を指向する互いに剛結された複数のピストンを、インナロータが、それと同数の、半径方向外側を指向する、アウタロータのピストンとピストンとの間にそれぞれ二つの作動室を限定しながらはまり込んでいる、互いに剛結された対向ピストンを有しており、さらに、それぞれの作動室に対して燃焼室が一つずつ配置され、それぞれの燃焼室が一つの制御窓を介して定置式の吸排気ポートと導通するようになっている、中央にシャフトがあるロータリーピストン式内燃機関に関する。

この種の内燃機関は特許文献１から知られている。サベット・エンジン(Sabet Motor)としても知られるこの内燃機関は、僅かな摩損と給気損失で満足いく高圧動作と、シンプルなデザインのシーリングシステムを併せ持っている。このエンジンは、そこでは四つのピストンと四つの対向ピストン、ならびにトルクをインナロータからアウタロータに伝達する四つのコンロッドを有している。この構成方式では、コンロッドまわりに微小な寸法誤差があるだけで、自由な回転を容易には保証できず、セルフロックを生じる怖れがあるために、製造および組付けに際して高精度が要求されている。それ以外にもこのエンジンでは、摩擦損失およびガス漏れに与るシーリング要素の合計長が大きくなっている。

欧州特許発明第０７１１３７９号明細書

これを前提技術として、本発明が解決しようとする課題は第一に、効率向上が達成されると同時に製造コストが低減されるように、冒頭に記した種類の内燃機関を改良発展させることにある。

この課題を解決するために、請求項１および１７に提示される特徴の組み合わせが提案される。本発明の有利な構成形態および展開構成例は、それぞれの従属クレームにより明らかにされる。請求項２１には、この内燃機関を運転させるための作動方法が提示されている。

本発明は、何よりも特に、燃焼室の形状最適化と、シーリング要素の最小限の長さが、効率の向上に与ることになるという考え方に由来している。これは、何よりも特に本発明にしたがって、アウタロータが互いに対して同じ角距離で配置される三つのピストンを有することにより達成される。インナロータは、これに対応して三つの対向ピストンを有している。ピストンおよび対向ピストンを四つずつ有する内燃機関に対して、本発明にしたがった内燃機関の燃焼室は、熱力学的に一段と有利な表面積対容積比を有すると同時に、それぞれの燃焼室をシールする要素の合計長は短縮されており、その結果ガス漏れおよび摩擦損失が低減されることになる。好ましい構成形態においては、何よりも特にインナロータからアウタロータへのトルク伝達に関して過剰な諸元決定が回避される場合には、内燃機関の優れた回転特性が達成されるようになっている。そのために、インナロータには有利なことにも三つのコンロッドジャーナルが備えられ、これらに、他方の端部がエキセントリックシャフトを介してアウタロータに接続される三つのコンロッドが支承されている。それにより、過剰な諸元決定を惹起することなく、インナロータの完全な支持をもたらしている。

本発明の好ましい構成形態においては、これらのコンロッドジャーナルが、軽金属製、特にアルミニウム合金製であると有利であるインナロータと一体式に構成されている。コンロッドは、一般には鋼製のジャーナルまたはピンに支承されるようになっている。しかしながらそのようなコンロッドジャーナルは、インナロータの軽合金材料にうまくはめ込やでやることが必要となるであろうし、またその場合は、両者の材料の熱膨張係数が異なるために、耐摩耗性に劣る軽合金ロータに損傷を来たす怖れがある。

インナロータの回転運動をアウタロータに伝達するために、ロータハウジングには一つのリングギヤが配置され、これに、それぞれのエキセントリックシャフトの周囲に配置されたプラネタリギヤが噛み合っている。これらのエキセントリックシャフトは、インナロータが回転すると、コンロッドによって回転運動を行うことになるが、この運動がリングギヤに対するプラネタリギヤのギヤ比でアウタロータに伝達されるようになっている。本発明の好ましい構成形態において、この歯数比は１：３となっている。基本的には、プラネタリギヤをリングギヤと組み合わせる代わりに、プラネタリギヤをサンギヤと組み合わせたものを使用することも可能であるが、その場合はサンギヤが、たとえば出力側のハウジングカバーに配置されることになる。それ以外にもプラネタリギヤがそれぞれのエキセントリックシャフトと一体式に構成されると有利である。

本発明の有利な構成形態においては、それぞれの燃焼室に対してスパークプラグが一つずつ配置されるが、これらは、それぞれ所属する燃焼室の中央に配置されることが好ましい。この配列の特段の長所は、スパークプラグをそれぞれの燃焼室の中央に配置できることによって、混合気の燃焼改善およびそれに伴う効率向上がもたらされる点にある。この実施形態のさらにもう一つの長所は、パラメータに依存した点火特性を備えることができる点、換言すれば、たとえば回転数、負荷、温度、および／または、燃料の種類および品質に従属して、点火時期を可変とできる点にある。その際にそれぞれのスパークプラグには、ロータハウジングからアウタロータに至る放電路を利用して、電気エネルギが供給されるようにするとよい。そのためにロータハウジングの内部には、イグニッションケーブルに接続された、電気絶縁電極が配置されている。アウタロータには、２５ｋＶ前後の点火電圧のアウタロータ表面へのフラッシュオーバを阻止する絶縁コーティングが施されると好適である。

あるいはその代わりに、すべての燃焼室内の混合気の点火を受け持つようになっている一つのスパークプラグをハウジングカバーに配置するようにしてもよい。このスパークプラグは燃焼室の周縁部領域に配置されるために、炎の前線までの距離が比較的長くなることから、この場合は燃焼が、スパークプラグが中央に配置されるときのようには最適なものとはならない。それ以外にも、幾何学的に規定される点火エリアに拘束されることになる。もっともこの実施形態の場合は、設計上それほど複雑なものとはならないために、特定の用途において優先的に使用されるようにするとよい。

ガソリン直接噴射方式が選択される場合は、ハウジングカバーに配置される一つの噴射ノズルだけにより、すべての燃焼室に燃料が供給されるようにするとよい。
特にインナロータに備えられるコンロッドジャーナルが、インナロータと一体式に、たとえば鋼よりも低い強度値を有している軽金属合金から製造される場合は、コンロッドを介して行われるインナロータとアウタロータ間の動力伝達の際に十分な負荷容量を保証するためにも、コンロッドジャーナルおよびコンロッドの小端部を可能な限り大径とすることで、大きな有効軸受面積が得られるようにすべきである。その際にこの直径には、ロータ回転時に不可欠となる隣接するコンロッド間ないしは軸受アイ間の遊隙による制約を受けることになる。それ以外にも、ロータ回転時のプラネタリギヤの中心の幾何学的軌跡の半径とコンロッド小端部の中心の幾何学的軌跡の半径との比が、２．５：１から３．５：１までの範囲にある、好ましくは約３．０：１であると有利であることが明らかになっている。

本発明のさらに別の好ましい、または代案となる構成形態においては、アウタロータの内部に、エキセントリックシャフトに接続される一つの駆動歯車を有するギヤポンプとして構成される、少なくとも一つのオイルポンプが備えられている。それにより別体のオイルポンプハウジングを不要としている。三つあるピストンの内部には、いずれもそのようなオイルポンプが一つずつ備えられることが好ましく、それにより潤滑および冷却目的での吐出し容積が増大され、三つのピストンのすべてが均質に、オイルポンプ内を強制的に循環されるオイルにより集中的に冷却されることになる。オイルポンプをそれぞれのエキセントリックシャフトの領域に配置するという、この有利な配置方式は、三つのピストンを有するこのサーベット・エンジンの場合は取付け空間が存在するために可能となっている。四つのピストンを有するエンジンの場合は、それぞれのエキセントリックシャフトの領域に、そのような解決手段を採用するための十分な空間は皆無となっている。

本発明のさらに別の好ましい、または代案となる構成形態においては、潤滑油および／または冷却油用に、両ロータの中心軸に対して共軸式に配置される、実質的に環状に構成される一つの油受けが備えられている。それによりこの内燃機関は、両ロータの中心軸が実質的に鉛直方向に向けられており、かつ両ロータが同一水平面内で回転するような運転に対応した仕様となっている。

燃料として検討されるのは、ガソリンまたはディーゼル燃料、エタノール、および、水素、天然ガス、ＬＰＧおよびその類などの各種ガスである。特に燃料としての水素の使用は興味深いといえる。水素／空気の混合気は、理論的には最大で約１０：１の空燃比まで、点火が可能となる。それによりこの水素エンジンにおいても、空燃比の性状の調節を通じて、ディーゼルエンジンと同等の高い内部効率で負荷を変更することができる。この長所は、レシプロエンジンにも、またロータリーエンジンにも、同じように当てはまるといえる。しかしながら水素／空気の混合気の点火および燃焼に際しては、有意な差異を生じている。燃焼室内の混合気の望ましくない自己着火に関しては、本発明にしたがったサーベット・エンジンの場合はガス交換がスロット状のポートにより制御される点が有利に作用するが、これに対し４サイクルレシプロエンジンの場合は、ガス交換が動弁機構により行われるようになっている。それにより、サーベット・エンジンの燃焼室内では過度に高温となる領域、いわゆる「ホットスポット」の発生を十二分に回避できるようになり、エンジンを全負荷時には同等のレシプロエンジンよりも高い比出力で運転できるようになる。それ以外にも同じ周辺条件下では、水素／空気の混合気の方がガソリン／空気の混合気よりも燃焼速度が高く、そのため水素エンジンの燃焼音は、ガソリンエンジンよりも高くなる。しかしいずれにせよ、サーベット・エンジンのただでさえ低レベルにあるエンジン音は、水素を使用した運転時に、そこでは燃焼ガスが低温となるために、同等のレシプロエンジンのように、激しく増大することはない。

この内燃機関の好ましい用途の一つは、モータビークル用のハイブリッドシステムにおける発電機駆動装置としての用途である。そこではこの内燃機関が、複数の蓄電池から給電される一つまたは複数の電動モータだけにより車両の駆動が行われる間に、これらの蓄電池に充電するために、ほぼ定常の回転数で運転されるようにするとよい。

サーベット・エンジンのさらにもう一つの好ましい用途は、たとえばポンプ、材料の運搬および昇降用の装置、ならびに工作機械など、各種作業機械を作動させるための電流、熱／冷熱、および機械エネルギまたは油圧エネルギを発生するための、移動式または分散型の定置式設備機器の駆動装置としての用途である。そこでは、サーベット・エンジンがマルチ燃料型である点、すなわち、その運転に、液体または気体状の天然ガス誘導体、再生バイオマスから生成された燃料、または水素が使用される点が、非常に有利となっている。

本発明にしたがった内燃機関の実施例の縦断面図である。 図１に示される内燃機関のアウタロータおよびインナロータの概略図である。 図２に示されるインナロータの、図３ａは前面図、図３ｂは後面図、ならびに図３ａは横断面図である。 それぞれのピストンにオイルポンプ用のリセスが設けられている、図２に示されるアウタロータの前面図である。 図５ａから図５ｈは、図１から４に示される内燃機関で適用される６サイクル方式の各段階を示す概略図である。 コンロッド小端部と大端部のサイズ比ならびに回転時の両端部の中心の幾何学的軌跡を示す概略図である。 図１に示される簡略化した縦断面図に、一つのピストンの内部に配置されたオイルポンプと、冷却油回路の一部を追加した図である。

続いて本発明を図面に概略的に示されている実施例に基づき詳しく説明する。
図に示されるロータリーピストン式内燃機関は、ガス交換が軸方向に行われる、ピストンおよび対向ピストンを三つずつ有するサーベット・エンジンである。このエンジンは、シャフトが直立した状態での運転に対応した仕様となっており、そこではシャフトが鉛直方向に向けられており、またピストンおよび対向ピストンは同一水平面内で回転するようになっている。そのような配置方式は、たとえば約２０〜３０ｋＷの出力を有しているとよいボート用エンジンや発電用補助エンジンにおいて適用されるものである。

図１に縦断面図で示されている内燃機関は、固定式アッセンブリと回転するアッセンブリとにより構成されるが、固定式アッセンブリは実質的に、出力側とは反対側の上側のハウジングカバー２と下側のハウジングカバー３とを有するハウジング１、ハウジングに接続されたリングギヤ４、および下側のハウジングカバー３に取り付けられたオイルパン５から成っている。それ以外にも固定式アッセンブリには、オイル分配板６、これと組み合わされる給油部が設けられたカバー７、ならびにシャフト用のシールリング８が含まれている。

動力取出し装置１１と一緒に回転するアッセンブリは実質的に、下側のロータカバー１２、アウタロータ１３、絶縁皮膜１４、上側のロータカバー１５、支持フランジ１６、オイル配分用の圧ばめ式インサート１７、内側の軸受ブシュ１８、スラストワッシャ１９、および外側の軸受ブシュ２０から成っている。

内燃機関はほかにも、インナロータ３１、内側および外側の軸受ブシュ１８、２０に支承された三本のエキセントリックシャフト３２、これらに付属する、それぞれのエキセントリックシャフト３２の周囲に軸受ブシュ３４を利用して支承されているコンロッド３３、ならびに動力取出し装置１１と一緒に回転するアッセンブリを軸受けするための、下側のハウジングカバー３および上側のハウジングカバー２の内部に配置される円筒ころ軸受３５および球面ころ軸受３６を有している。プラネタリギヤ３７は、それぞれのエキセントリックシャフト３２と一体式に構成されて、リングギヤ４の内歯と噛み合っている。

図２には、アウタロータ１３およびインナロータ３１の概略図が示されている。アウタロータ１３のピストンとピストン１３ａ〜ｃの間には作動室が配置されており、その内部にインナロータ３１から外向きに翼型に突出している対向ピストン３１ａ〜ｃがはまり込んでいる。ピストンと対向ピストンとが互いに係合する領域には、全部で六つの作動室ＡＫ１からＡＫ６が形成されており、それらの容積は、対向ピストンの往復揺動により周期的に縮小されたり拡大されたりするようになっている。これらの作動室は、前面側を、図１に示されるアウタロータ１３に固定して接続されるロータカバー１２、１５により限定されている。上側のロータカバー１５は、ガス交換のための制御ポートを有しているが、それらの位置および機能については、図５ａから５ｈに基づき詳しく説明されている。それぞれの作動室に対しては、その側方に作動室から連続している部分円筒形状の燃焼室が一つずつ配置されており、それぞれの燃焼室には（この図にはＡＫ３についてのみ示されている）スパークプラグ４０が中央に配置されている。アウタロータ１３と一緒に回転するこれらのスパークプラグへの給電は、従来型のイグニッションケーブルによっては不可能であるために、給電は放電路を利用して行われるようになっている。そのためにロータハウジングの内部には、イグニッションケーブルに接続された、詳細には図示されない一つの電極が配置されている。点火電圧のアウタロータ表面へのフラッシュオーバは、アウタロータ１３に施された絶縁皮膜１４により阻止される。燃料として検討されるのは、ガソリンまたはディーゼル燃料、エタノール、および、水素、天然ガス、ＬＰＧおよびその類などの各種ガスである。

インナロータ３１とアウタロータ１３間の相対運動は、それぞれのエキセントリックシャフト３２の周囲に配置された、またはこれと一体式に構成された、リングギヤ４と噛み合っているプラネタリギヤ３７を介して行われるようになっている。インナロータ３１が回転すると、エキセントリックシャフト３２は、それぞれのコンロッド３３によって、これらがエキセントリックシャフト３２の周囲に偏心で支承されることにより、回転運動を行うようになり、アウタロータ１３は、プラネタリギヤ３７とリングギヤ４を介して動力取出し装置１１と一緒に駆動される。

図３には、外向きに翼型に突出した対向ピストン３１ａ〜ｃを有するインナロータ３１が、前面図、後面図、ならびに断面図で示されている。インナロータは、オイル回路から冷却油の供給を受ける六つのボア３９を有している。コンロッド３３のためには、コンロッドジャーナル３８の軸受地点のところに、縦向きおよび横向きのボア４４、４５を通り潤滑油が送られるようになっている。図３ｃから明らかであるように、高い熱負荷に晒される対向ピストン３１ａ〜ｃの外側部分の領域にも、同じくオイル回路とつながっている冷却ポケット４６が形成されている。このため対向ピストンは、製造上の理由から、冷却ポケット４６を形成する皿穴と、これを覆い隠すピストンカバー４７とを有している。図３ａには、それ以外にもさらに、この冷却ポケット４６に向かって延びる通路６３とそこから出る通路６４が示されている。これらの通路は、いずれも四つずつ、互いに対して平行に配置されている。この領域の冷却油の流れについては、図７に基づき詳しく説明される。

図４には、アウタロータ１３が、それぞれのピストン１４ａ〜ｃに設けられたギヤポンプ用のリセス２１とともに示されている。これらのリセス２１は、四つの円が互いにオーバラップした形状を有しているが、そこではアウタロータ１３の半径方向に並んでいる二つの大きい円がポンプの歯車用の空間を形成する一方で、アウタロータ１３の円周方向に並んでいる二つの小さい円がオイルの給排用の空間を形成している。半径方向で内側に配置されるオイルポンプの駆動歯車は、エキセントリックシャフト３２の周囲に、詳しく言うと下側のロータカバー３に支承されるその非偏心部分の周囲に、直接配置されているが、それにより別体のオイルポンプハウジングおよび別体のオイルポンプ駆動装置を不要としている。それに追加してさらに、内燃機関の運転開始時に十分な油圧が立ち上げられるようにするために、外部の電動式オイルポンプ（不図示）が備えられている。エンジンの回転中に、この電動式オイルポンプは、滑り軸受の潤滑と冷却のためにオイルパン５から分岐されたオイルを、そうでないときには閉じているオイル回路に送り返すようになっている。潤滑のために必要な油圧は、この電動式オイルポンプにより立ち上げられる。ピストン１３ａ〜ｃの内部に配置されるギヤポンプは、それよりも遥かに大量のオイル流量に対応する仕様となっており、冷却油循環時の圧力損失を補償するようになっている。広く一般に用いられるそれ以外のオイルクーラおよびオイルフィルタなどのオイル回路の構成部品も、ここには同様に図示されていない。ほかにも図４には、アウタロータ１３の主に外周部の全体にわたり分散して配置された冷却油用の複数のボア４８が示されている。

６サイクル方式で作動する内燃機関の作動原理を、図５ａ〜５ｈの一連の図および下表に基づき詳しく説明する。４サイクル原理から知られる、吸入、圧縮、爆発、排気の各行程のほかにもさらに、ここでは、蓄圧器への空気または混合気の過給（下表のｆ：蓄圧器過給）、第２の吸入行程、および、圧縮行程開始時の蓄圧器から作動室内への圧縮空気または圧縮混合気の添加（下表のａ：再過給および／または蓄圧器からＡＫへの過給）が行われるようになっている。したがって、いうなればビルトインタイプのコンプレッサが、この内燃機関の使用に供されていることになる。しかしながら、外部コンプレッサまたはターボチャージャによる追加過給も同様に可能である。外部ユニットによる過給とは異なり、内部過給は再過給とも呼ばれる。

図示されるのは、動力取出し装置１１の回転角度が１５°ずつ異なる、八つの位置であるが、この角度は、アウタロータに対する三本のエキセントリックシャフト３２のそれぞれの回転角度４５°に相当している。上側のハウジングカバー２の下面の制御ポートの名称は次のとおりである：Ａはアウトレットであり、フランジ（カバーの上側）内の一つのウェブにより二つの通路Ａ１およびＡ２に分割されているが、これらは下流側で再び合流していてもよい。Ａ１が開くときには、これがその前方の作動室と重なり合っているために、水撃作用がＡ２に直接波及することはない。Ｅ１は空気または混合気用の第１のインレットであり、ＡＳは蓄圧器へのアウトレット、Ｅ２は空気または混合気用の第２のインレットであり、ＥＳは蓄圧器のインレットである。この蓄圧器は、制御ポートＡＳとＥＳとの間の接続通路である。その容積は、個々の作動室の排気量の整数倍、たとえば５倍から２０倍までとなっている。ＡＫ１からＡＫ６は、アウタロータ１３の内部の六つの作動室であり、これらは上側のロータカバー１５の内部に突出して、その上面に、図示される円形の輪郭形状を、それぞれ６０°の角距離で有している。この角距離は、ここで選択されている、それぞれ６０°の死点間隔に基づくものである。通常のケースでは、二つの死点間隔が大きさを異にするが、その合計は１２０°となっている。その場合、上側のロータカバーの上面の吸排気ポートの角距離は、交互に６０°−ｘおよび６０°−ｘとなる。上側のロータカバーに設けられるリセスは、一方では燃焼室の大半を形成するようになっている。

それぞれの作動室に付属する行程は、次表から明らかにされる：

表中の符号の意味は、次のとおりである：
ａ 蓄圧器からＡＫに過給
ｂ 燃焼
ｃ アウトレットを開く
ｄ アウトレットを閉じる
ｅ インレットを閉じる
ｆ 蓄圧器に過給
ｇ 燃焼、膨張
ｈ 排出
ｉ インレットを開く
ｊ 圧縮
ｋ 膨張
ｌ 吸入
ｍ 点火

上述のサイクルパターンが、対称性に配慮しながら、この三翼型内燃機関で随意継続されるようにするとよい。そのためには図５ｈの次に再び図５ａに戻り、作動室ＡＫの番号に２を加えることになる。したがって、動力取出し装置の１２０°から２２５°までの角度範囲についても、ＡＫ１をＡＫ３に、ＡＫ２をＡＫ４に、ＡＫ３をＡＫ５に、ＡＫ４をＡＫ６に、ＡＫ５をＡＫ１に、さらにＡＫ６をＡＫ２に置き換えることにより、図５ａから５ｈおよび表がそのまま当てはまることになる。

たとえば作動室ＡＫ１について、アウタロータ１３の完全な一回転および動力取出し装置１１の３６０°の回転の間の一連の行程を、この表から、最初にＡＫ１の付属欄を上から下へと順番に追い、続いてＡＫ３の付属欄、最後にＡＫ５の付属欄を、それぞれ上から下へと順番に追うことによって、読み出すことができる。

したがって詳細には、次に挙げることが行われることになる（表中に記載の角度はすべて、アウタロータ回転角に関する）：インナロータ３１も、またアウタロータ１３も、時計回り方向に回転する。アウタロータ１３の回転が単調であるのに対し、インナロータ３１の対向ピストン３１ａ〜ｃは、完全な一回転につき三回、アウタロータ１３の隣り合うピストン１３ａ〜ｃ間を「往復運動」する、すなわち六つの行程を実行するようになっている。

図５ａに示される位置を、０°位置として定義する。ＡＫ１は、ここでは制御窓ＥＳとオーバラップしている。この制御窓ＥＳは、事前に空気または混合気が装入されている蓄圧器と導通している（蓄圧器への過給については、後で詳しく説明する）。この過給空気は、ＡＫ１とＥＳとのオーバラップ状態が終了し、それにより蓄圧器への接続状態が途絶えるまで、事前に空気／燃料混合気が充填されている作動室ＡＫ１の内部に流れ込むことができる。図５ｂでは、この状態にほぼ到達している。ＡＫ１に付属する対向ピストンは、この過給行程と同時に、そのＡＫ６に近い位置からＡＫ１に向かって運動する。それによりＡＫ１に付属する容積の圧縮が行われる。図５ｄに示される位置においては、なおも最後の圧縮行程が行われているときに、ＡＫ１の内部の圧縮された混合気の点火が行われるが、これは従来型のガソリンエンジンの上死点前点火に当該する。続いて燃焼ガスの燃焼および膨張が行われ（図５ｅおよび５ｆ）、それにより対向ピストンはＡＫ１から押しのけられる（爆発行程）。図５ｇおよび５ｈには、燃焼ガスのさらなる膨張が示されている。これをもって、表中ＡＫ１の付属欄の最後に到達する。

上記で説明したように、これに続くＡＫ１の行程については、まず表中ＡＫ３の付属欄から、その後でＡＫ５の付属欄から引き寄せることができる。したがって、このときには図５ａに戻り、そこでＡＫ１の代わりとして、ＡＫ３に着目するとよい。このため、以下では図面における位置関係を明瞭にするという理由からＡＫ３を引き合いに出すが、これは実際には、アウタロータ１３が完全に一回転するまでの、ＡＫ１のその後のプロセスにおける行程を指している。

燃焼ガスの膨張が行われた後には、ＡＫ３がアウトレットＡの出口領域Ａ１とオーバラップしており、これを通り今では排出ガスと称すべき燃焼ガスが排出される。アウトレットＡは、ウェブにより領域Ａ１およびＡ２に分割されることにより、図５ａから明らかであるように、ＡＫ３を通り排出される排出ガスが、この時点にはなおも辛うじて領域Ａ２とオーバラップしているＡＫ４に、当初は到達し得ないようにしている。続いてＡＫ３は、Ａ１およびＡ２に沿ってさらに運動するが、それと同時に付属対向ピストンも排出ガスを完全に排出するためにＡＫ３に向かって運動する。この行程は、図５ｅにおいては完了している。

次にＡＫ３は、図５ｆに示されるように、混合気または空気用の第１のインレットＥ１とのオーバラップ領域内に到達し、対向ピストンは再びＡＫ３から遠ざかるが、それにより吸入行程が開始される。これは、図５ｇおよび５ｈにまたがり続いている。このときにはＡＫ３と対向ピストンとの間の空間が、混合気または空気により充填されている。表中ではＡＫ３の欄の最後に到達している。

その続きを考察するためには、表中ＡＫ５に関する記載欄に、そこにはＡＫ１の一連の行程の最後の三分の一が記載されるものとして、目を向けるとよいが、以下では、あくまでも図５ａから５ｆにおける位置関係を明瞭にするという理由から、ＡＫ５を使用する。

ＡＫ５とＥ１とのオーバラップ状態は、図示されていない図５ａと図５ｂとの間の領域で終了する。それと同時に対向ピストンは、再びＡＫ５に向かって運動して、事前に吸入された空気ないしは事前に吸入された混合気を圧縮する。図５ｃから察知することができるように、このときにはＡＫ５が蓄圧器へのアウトレットＡＳ用の制御窓とのオーバラップ領域内に到達している。蓄圧器への過給は、対向ピストンがＡＫ５に向かってさらに運動することにより行われる。この過給行程は、図５ｅに示される位置においては完了している。

ＡＫ５は、続いて空気または混合気用の第２のインレットＥ２とのオーバラップ領域内に到達し、対向ピストンがＡＫ５から遠ざかることによって、さらにもう一回の吸入行程が開始される。これは、図５ｆおよび５ｇにまたがって続き、ついには図５ｈにおいてインレットＥ２が再び閉じる、すなわちＡＫ５とＥ２とのオーバラップ領域外に到達するようになっている。これをもってＡＫ５の欄の最後に到達し、ＡＫ１の３６０°の周期が終了する。

これに続くＡＫ１に関するその後のプロセスについては、上述の図５ａから５ｈの説明の最初に戻ることになる。したがってＡＫ１に関する６サイクルについては、次のようにまとめることができる：蓄圧器からのＡＫ１の過給、圧縮および点火、燃焼および膨張、排出ガスの排出、新気ないしは新鮮な混合気の吸入、圧縮および蓄圧器の過給、新気ないしは新鮮な混合気の二回目の吸入。

ＡＫ２からＡＫ６の一連の行程についても、同様に捉えることができるが、それによりＡＫ６、ＡＫ５、ＡＫ４、ＡＫ３、ＡＫ２、ＡＫ１の点火順序が生じることになる。
図６には、コンロッド３３の軸受アイが、実線で描かれる円１３’、３１’により示唆されている。内側の一点鎖線の円４１は、小径の軸受アイが回転する際のその中心の幾何学的軌跡である。外側の大きい方の一点鎖線の円４２は、外側のコンロッド軸受を有するエキセントリックシャフト３２の中心の幾何学的軌跡であるのに対し、外側の小さい方の一点鎖線の円４３は、エキセントリックシャフト３２の偏心率を示す。図６には、利用可能な取付け空間が、コンロッド３３の大小の軸受アイの寸法諸元の決定を通じて、どのように利用されるかが示されている。特にインナロータ３１に備えられるコンロッドジャーナル３８が、インナロータ３１と一体式に、たとえば鋼よりも低い強度値を有している軽金属合金から製造される場合は、コンロッド３３を介して行われるインナロータ３１とアウタロータ１３間の動力伝達の際に十分な負荷容量を保証するためにも、コンロッド３３の軸受アイの寸法諸元を可能な限り大きくとることが目標とされている。当然ながらロータ１３、３１回転時には、隣接するコンロッド３３間ないしは軸受アイ間の遊隙がなおも保証されなければならない。外側の大きい方の一点鎖線の円４２の半径対内側の一点鎖線の円４１の半径の比が、約２．５：１から３．５：１まで、特に約３．０：１であると非常に有利であることが判明している。

図７には、図１と同様の簡素化した縦断面図が示されているが、ここにはピストン１３ａ〜ｃの内部に配置されるギヤポンプ、および対向ピストンの領域の冷却油の案内通路が詳しく示されている。ギヤポンプは、上下のポンププーリ７２、７３に支承される二つの実質的に円筒形状の歯車７０、７１を有している。歯車７０は、たとえば軸オフセットを補償するようになっている一つの駆動部材により、エキセントリックシャフト３２に回転を防いで接続されており、それによりこの駆動部材により駆動されるようになっている。歯車７１は、それ自体は歯車７０により駆動されるようになっている。冷却油は、歯と歯の間のスペースを外周部に沿って運ばれて、その際にピストンを冷却するようになっている。インサート１７の領域に入るオイルは、矢印６０により示されている。このオイルは、ボア６１を通り環状溝６２（図３ｃを参照）の内部に到達するが、この環状溝６２には、ボア３９の内三つのボアの領域に陥凹部が設けられ、環状溝６２はこれらのボア３９と導通している。これらのボア３９には、対向ピストンの内部の互いに対して平行に斜めに延びる、冷却ポケット４６に取り廻される四つの通路６３が続いている。この冷却ポケット４６からは、四つの相応の通路６４が、インナロータ３１の内部の、環状溝６５と導通している残り三つのボア３９に戻るように取り廻されている。冷却油はそこから続いてインサート１７を通りオイル回路のその他の部分に到達する。

以上を要約して次の点を確認することができる：本発明は、出力側および出力側とは反対側に配置されるハウジングカバー３、２により封止された円筒形状のロータハウジング１と、ロータハウジング１の内部でその中心軸まわりに一定の速度で回転する、出力側および出力側とは反対側のロータカバー１２、１５を担持しているアウタロータ１３と、アウタロータ１３の内部でロータハウジングの中心軸まわりに一定ではない速度で回転するインナロータ３１とを有しており、アウタロータ１３が半径方向内側を指向する互いに剛結された複数のピストンを、インナロータ３１が、それと同数の、半径方向外側を指向する、アウタロータ１３のピストンとピストンとの間にそれぞれ二つの作動室ＡＫを限定しながらはまり込んでいる、互いに剛結された対向ピストンを有しており、さらに、それぞれの作動室ＡＫに対して燃焼室が一つずつ配置され、それぞれの燃焼室が一つの制御窓を介して定置式の吸排気ポートと導通するようになっている、中央にシャフトがあるロータリーピストン式内燃機関に関する。内燃機関の効率を向上するために、本発明にしたがってアウタロータ１３が互いに対して同じ角距離で配置される三つのピストン１３ａ〜ｃを有することが提案される。

１ ハウジング
２ 上側のハウジングカバー
３ 下側のハウジングカバー
４ リングギヤ
５ オイルパン
６ オイル分配板
７ カバー
８ シールリング
１１ 動力取出し装置
１２ 下側のロータカバー
１３ アウタロータ
１３’ コンロッド大端部
１４ 絶縁皮膜
１５ 上側のロータカバー
１６ 支持フランジ
１７ インサート
１８ 内側の軸受ブシュ
１９ スラストワッシャ
２０ 外側の軸受ブシュ
２１ リセス
３１ インナロータ
３１’ コンロッド大端部
３２ エキセントリックシャフト
３３ コンロッド
３４ 軸受ブシュ
３５ 円筒ころ軸受
３６ 球面ころ軸受
３７ プラネタリギヤ
３８ コンロッドジャーナル
３９ ボア
４０ スパークプラグ
４１ コンロッド小端部の中心軌跡
４２ エキセントリックシャフト／プラネタリギヤ／コンロッド大端部の中心軌跡
４３ エキセントリックシャフト偏心率
４４ ボア
４５ ボア
４６ 冷却ポケット
４７ ピストンカバー
４８ ボア
６０ オイルの流れ
６１ ボア
６２ 環状溝
６３ 通路
６４ 通路
６５ 環状溝
７０ 歯車
７１ 歯車
７２ ポンププーリ
７３ ポンププーリ
Ａ アウトレット
ＡＫ 作業室
ＡＳ 蓄圧器アウトレット
Ｅ インレット
ＥＳ 蓄圧器インレット

Claims (25)

1. 中央にシャフトがあるロータリーピストン式内燃機関であって、出力側および出力側とは反対側に配置されるハウジングカバー（３、２）により封止された円筒形状のロータハウジング（１）と、当該ロータハウジング（１）の内部でその中心軸まわりに一定の速度で回転し、出力側および出力側とは反対側のロータカバー（１２、１５）を担持するアウタロータ（１３）と、当該アウタロータ（１３）の内部で前記中心軸まわりに一定ではない速度で回転するインナロータ（３１）とを有している内燃機関にして、前記アウタロータ（１３）が半径方向内側を指向する互いに剛結された複数のピストン（１３ａ〜ｃ）を有し、前記インナロータ（３１）が、それと同数の、半径方向外側を指向し且つ前記アウタロータ（１３）の各二つのピストンの間にそれぞれ二つの作動室（ＡＫ）を限定しながら係合している互いに剛結された対向ピストン（３１ａ〜ｃ）を有しており、さらに、前記各作動室（ＡＫ）に対して燃焼室が一つずつ付設され、前記各燃焼室が制御窓を介して定置式の吸排気ポートと導通するようになっている、内燃機関において、
   前記アウタロータ（１３）が相互に同じ角距離で配置される三つのピストン（１３ａ〜ｃ）を有することを特徴とする、内燃機関。
2. 請求項１に記載の内燃機関において、
   前記インナロータ（３１）に、同じ角距離で配置される三つのコンロッドジャーナル（３８）が備えられ、これらに、他方の端部がエキセントリックシャフトを介して前記アウタロータ（１３）に接続される三つのコンロッド（３３）が支承されていることを特徴とする、内燃機関。
3. 請求項１または２に記載の内燃機関において、
   前記各コンロッドジャーナルの中心が、前記対向ピストン（３１ａ〜ｃ）の中心面から離間して配置されていることを特徴とする、内燃機関。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関において、
   前記各コンロッドジャーナル（３８）が、前記インナロータ（３１）と一体式に構成されていることを特徴とする、内燃機関。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関において、
   前記インナロータ（３１）が、軽合金製、特にアルミニウム合金製であることを特徴とする、内燃機関。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の内燃機関において、
   前記各コンロッド（３３）が、非分割型の大端部を有することを特徴とする、内燃機関。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の内燃機関において、
   前記ハウジング（１）にリングギヤ（４）が配置され、これに前記各エキセントリックシャフト（３２）の周囲に配置されたプラネタリギヤ（３７）が噛み合っていることを特徴とする、内燃機関。
8. 請求項７に記載の内燃機関において、
   前記各プラネタリギヤ（３７）が、前記各エキセントリックシャフトと一体式に構成されていることを特徴とする、内燃機関。
9. 請求項７または８に記載の内燃機関において、
   前記各プラネタリギヤ（３７）の中心軸の位置が、前記各エキセントリックシャフト（３２）のコンロッド軸受部の中心軸に対して平行にオフセットされていることを特徴とする、内燃機関。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の内燃機関において、
    それぞれの燃焼室の内部に、スパークプラグ（４０）が配置されていることを特徴とする、内燃機関。
11. 請求項１０に記載の内燃機関において、
    前記各プラグ（４０）がいずれも、それぞれの燃焼室の中央に配置されていることを特徴とする、内燃機関。
12. 請求項１０または１１に記載の内燃機関において、
    前記各スパークプラグ（４０）に、前記ロータハウジングから前記アウタロータ（１３）に至る放電路を利用して、電気エネルギが供給されることを特徴とする、内燃機関。
13. 請求項１０〜１２のいずれか一項に記載の内燃機関において、
    前記アウタロータ（１３）の外周部が電気絶縁されていることを特徴とする、内燃機関。
14. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の内燃機関において、
    すべての燃焼室内の混合気の点火を受け持つスパークプラグが、上側のハウジングカバー（２）の内部に配置されていることを特徴とする、内燃機関。
15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の内燃機関において、
    前記両ロータの回転時の前記各プラネタリギヤ（３７）の中心の幾何学的軌跡の半径と前記各コンロッド（３３）の小端部の中心の幾何学的軌跡の半径との比が、２．５：１から３．５：１の範囲にあり、好ましくはほぼ３．０：１であることを特徴とする、内燃機関。
16. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載の内燃機関において、
    前記アウタロータ（１３）の内部に、前記エキセントリックシャフト（３２）に接続されている駆動歯車を有するギヤポンプとして構成される、少なくとも一つのオイルポンプが備えられていることを特徴とする、内燃機関。
17. 中央にシャフトがあるロータリーピストン式内燃機関であって、出力側および出力側とは反対側に配置されるハウジングカバー（３、２）により封止された円筒形状のロータハウジング（１）と、当該ロータハウジング（１）の内部でその中心軸まわりに一定の速度で回転し、出力側および出力側とは反対側のロータカバー（１２、１５）を担持するアウタロータ（１３）と、当該アウタロータ（１３）の内部で前記中心軸まわりに一定ではない速度で回転するインナロータ（３１）とを有している内燃機関にして、前記アウタロータ（１３）が半径方向内側を指向する互いに剛結された複数のピストン（１３ａ〜ｃ）を有し、前記インナロータ（３１）が、それと同数の、半径方向外側を指向し且つ前記アウタロータ（１３）の各二つのピストンの間にそれぞれ二つの作動室（ＡＫ）を限定しながら係合している互いに剛結された対向ピストンを有しており、さらに、前記各作動室（ＡＫ）に対して燃焼室が一つずつ付設され、前記各燃焼室が制御窓を介して定置式の吸排気ポートと導通するようになっている、内燃機関において、
    前記アウタロータ（１３）の内部に、前記出力側のロータカバー（１２）に回転自在に支承されたエキセントリックシャフト（３２）に接続されている駆動歯車を有するギヤポンプとして構成される、少なくとも一つのオイルポンプが備えられていることを特徴とする、内燃機関。
18. 請求項１〜１７のいずれか一項に記載の内燃機関において、
    前記アウタロータ（１３）の三つのピストン（１３ａ〜ｃ）の内部にいずれも、ギヤポンプとして構成されたオイルポンプが備えられていることを特徴とする、内燃機関。
19. 請求項１〜１８のいずれか一項に記載の内燃機関において、
    潤滑油および／または冷却油用の実質的に環状に構成されたオイルパン（５）が、前記両ロータ（１３、３１）の中心軸に対して共軸に配置されていることを特徴とする、内燃機関。
20. 中央にシャフトがあるロータリーピストン式内燃機関であって、出力側および出力側とは反対側に配置されるハウジングカバー（３、２）により封止された円筒形状のロータハウジング（１）と、当該ロータハウジング（１）の内部でその中心軸まわりに一定の速度で回転し、出力側および出力側とは反対側のロータカバー（１２、１５）を担持するアウタロータ（１３）と、当該アウタロータ（１３）の内部で前記中心軸まわりに一定ではない速度で回転するインナロータ（３１）とを有している内燃機関にして、前記アウタロータ（１３）が半径方向内側を指向する互いに剛結された複数のピストン（１３ａ〜ｃ）を有し、前記インナロータ（３１）が、それと同数の、半径方向外側を指向し且つ前記アウタロータ（１３）の各二つのピストンの間にそれぞれ二つの作動室（ＡＫ）を限定しながら係合している互いに剛結された対向ピストンを有しており、さらに、前記各作動室（ＡＫ）に対して燃焼室が一つずつ付設され、前記各燃焼室が制御窓を介して定置式の吸排気ポートと導通するようになっている、内燃機関において、
    潤滑油および／または冷却油用の実質的に環状に構成されたオイルパン（５）が、前記両ロータ（１３、３１）の中心軸に対して共軸に配置されていることを特徴とする、内燃機関。
21. 内燃機関、特に請求項１〜２０のいずれか一項に記載の内燃機関の運転方法であって、次の各工程：
    ａ）装入材料の吸入；
    ｂ）作動室の内部での前記装入材料の予備圧縮、および、装入材料蓄圧器の内部への前記装入材料の押し出し；
    ｃ）装入材料の前記作動室の内部への再吸入、および、前記蓄圧器からの前記装入材料の添加；
    ｄ）装入材料の前記両成分の圧縮；圧縮後の装入材料の点火および燃焼；
    ｅ）膨張；および
    ｆ）燃焼ガスの排出
    を有する、方法。
22. 請求項２１に記載の方法において、
    装入材料の交換を、好ましくは軸方向に配置される複数の制御ポートを介して行う工程を特徴とする、方法。
23. 請求項２１または２２に記載の方法において、
    外部コンプレッサまたはターボチャージャによる過給工程を特徴とする、方法。
24. 請求項１〜２０のいずれか一項に記載の内燃機関の使用法であって、駆動が複数の蓄電池から給電される一つまたは複数の電動モータだけにより行われるときの、ハイブリッドモータビークルの蓄電池用の充電用エンジンとしての使用法。
25. 請求項１〜２０のいずれか一項に記載の内燃機関の使用法であって、電気、熱／冷熱、および／または、機械エネルギまたは油圧エネルギを発生するための、移動式または定置式の小型設備機器用の駆動装置としての使用法。

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