JPH02238125A - 外燃式ロータリピストンエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、外部からの熱によって作動する外燃式ロータ
リピストンエンジンに関するものである。

（従来の技術） 従来より、外燃式エンジンとしては、例えば、特開昭８
１−　２１２６５８号公報に見られるようなスターリン
グエンジンが公知である。

このような外燃式エンジンは、連続燃焼により有害排出
物が少なく、しかも、各種熱の利用が可能で、静粛なエ
ンジンが構成できるなどの利点を有している。

（発明が解決しようとする課題） しかして、上記のような外燃式エンジン、例えばスター
リングエンジンにおいては、少なくとも２つのピストン
が必要であり、コンパクトに構成することについては不
利である。また、ピストンの往復運動に伴って作動ガス
を往復移動させることから、作動ガスの種類によってエ
ンジン特性が大きく異なり、空気のように分子量の大き
な作動ガスでは熱交換器を作動ガスが通過するときの流
動抵抗が大きくなり、ガス移動の分子に対する慣性の影
響からも低回転での運転しか実現できないものである。

上記点に対し、作動ガスとしてヘリウム、水素等の分子
量の小さいガスを使用して、空気より高い回転数での作
動を可能としているが、この場合には、逆に、ガスの密
封が困難であり、圧縮比が小さいため、高効率、高出力
化には作動ガス圧を大きくする必要がある。さらに、燃
焼エア供給フロア、ヘリウムまたは水素コンブレッサ、
蓄圧ボンベなどの補機類が多くなる問題を有している。

また、ロータリピストンエンジンの基本的構成を利用し
て外燃式ロータリピストンエンジンを構成することが考
えられるが、ロータの回転に対して作動ガスの流通を制
御するために、作動室からヒーターへの通路の入口部と
出口部とにそれぞれタイミングバルブを設ける必要があ
るが、このタイミングバルブ機構は構造が複雑であり、
特に、バルブの気密を保つメカニカルシールの配役に伴
って、駆動損失および作動ガスの流動抵抗が大きくなる
問題を有する。さらに、作動室の隙間容積（最小容積）
分の作動ガスはヒーター側に流入しないことから、熱交
換量および熱効率の向上を図る際の障害となるものであ
る。

そこで、本発明は上記事情に鑑み、ロータリピストンエ
ンジンの基本的構成を利用してコンパクトにかつ熱効率
の向上を図るようにした外燃式ロータリピストンエンジ
ンを提供することを目的とするものである。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するため本発明の外燃式ロータリピスト
ンエンジンは、ロータハウジングとサイドハウジングと
によるケーシング内をロータが遊星回転運動し、ロータ
外周に容積が変化する作動室が形成されたエンジン本体
と、圧縮側のトロコイド短軸近傍に設置され圧縮作動室
をトロコイド短軸に対し進み側室と遅れ側室とに分割す
るシール部材と、上記進み側室と遅れ側室とを結ぶ第１
通路と、該第１通路の途中に設けられ該通路を加熱する
ヒーターと、該ヒーターと遅れ側室との間の第１通路を
所定タイミングで開閉するバルブ手段と、トロコイド長
軸に対して上記第１通路の開口部とは反対側に設けられ
作動ガスを吸入、排出する吸気ポートおよび排気ポート
とを備えるように構成したものである。

（作用） 上記のような外燃式ロータリピストンエンジンでは、ロ
ータの回転に対して吸気ポートから作動室に吸入された
作動ガスは、圧縮され、この圧縮作動室はシール部材に
よって進み側室と遅れ側室とに分割され、遅れ側室から
バルブ手段によって開作動されている第１通路を通って
ヒーターで加熱昇温され、圧力の上昇した作動ガスが第
１通路によって進み側室に供給され、膨張してロータに
対して仕事を行ってから排気ポートから排出するように
作動し、作動ガスの流れが常に一方向で慣性によるガス
移動の遅れがなく、しかも、圧縮作動室がシール部材に
よって進み側室と遅れ側室とに完全に分割されて隙間容
積分の作動ガスもヒ−ター側に流入し、熱交換量が増加
し、熱効率を改善するようにしている。また、バルブ手
段を必要最小として、構造の簡素化および駆動損失を低
減するようにしている。

（実施例） 以下、図面に沿って本発明の実施例を説明する。

この実施例は、作動ガスを密封した形式の外燃式ローリ
ピストンエンジンと内燃式ロータリピストンエンジンと
をハイブリット化した例であり、第１図に展開した概略
構成を、第２図に概略断面構成を示す。

本例のエンジンユニットＥは、外燃式ロータリピストン
エンジン１と内燃式ロータリピストンエンジン２とが直
列に配設されて２気筒エンジンのように構成されている
。

まず、外燃式ロータリピストンエンジン１のエンジン本
体ＩＡは、トロコイド状の内周面３ａを有するロータハ
ウジング３と、ロータハウジング３の両側に配設された
サイドハウジング４とによって構成されるケーシング内
を多角形状のロータ６がその頂辺をトロコイド状の内周
面３ａに摺接せしめながら遊星回転運動し、容積が変化
する作動室７を形成している。該ロータ６は外偏心軸８
の偏心部８ａに支承されると共に、上記ロータ６には各
作動室７間のガスシール性を保つために、アベックスシ
ール９、コーナシール１０およびサイドシール１１が装
着されている。

上記ロータハウジング３には、圧縮上死点付近でトロコ
イド短軸Ａより遅れ側の位置に上流側開口部１２が形成
されると共に、進み側の位置に下流側開口部１３が形成
され両開口部１２．１３は第１通路１４によって連通さ
れている。

また、上記第１通路１４の上流側開口部１２と下流側開
口部１３との間で、トロコイド短軸Ａの近傍に、先端が
ロータ６の周面６ａと接触して圧縮作動室７を進み側室
７ａと遅れ側室７ｂに完全に分離するシール部材１５が
配設されている。

このシール部材１５は、第３図に詳細構造を示すように
、ロータハウジング３のトロコイド短軸Ａより若干遅れ
側の位置に形成されたシール溝１６に、背部に縮装され
たスプリング１７によって突出方向に付勢されて、出没
動自在に設置されている。上記シール部材１５の先端は
、ロータ６の回転方向に対して前方になるほど突出する
ような斜面１５ａに形成され、最も突出した先端部１５
ｂがロータ６の周面６ａに接触する。また、上記先端斜
面１５ａは、トロコイド内周面３ａに摺接して移動して
きたアベックスシール９の先端がこの斜面１５ａに乗り
上げて当接する際には前記内周面３ａと連続する高さに
位置し、アベックスシール９が進行するのに従って没入
移動し、アベックスシール９が再びトロコイド内周面３
ａに摺接する時にも連続する高さとなるように設定され
ている。

さらに、前記のようにシール部材１５をトロコイド短軸
Ａより若干遅れ側の位置に設置し、アベックスシール９
が斜めの状態で通過させ、上記没入移動と共にアベック
スシール通過時のショックを軽減するようにしている。

上記のようにロータ６はその圧縮上死点近傍の回転位置
にある場合には、その周面６ａにシール部材１５が当接
し、圧縮作動室７を進み側室７ａと遅れ側室７ｂとに分
離するように構成され、前記第１通路１４はこの進み側
室７ａと遅れ側室７ｂとを連通ずる。そして、上記第１
通路１４は、上流側開口部１２に連通した上流側通路１
４ａがヒーター１８内に配設された受熱通路１４ｃに連
通し、該ヒーター１８の受熱通路１４ｃから下流側開口
部１３に開口する下流側通路１４ｂに連通している。上
記受熱通路１４ｃはヒーター１８の熱によって加熱され
る熱交換器を構成し、該ヒーター１８は後述の内燃式ロ
ータリピストンエンジン２の燃焼排気ガスの熱を利用す
るものである。

一方、前記第１通路１４の上流側通路１４ａには、所定
タイミングで開閉するバルブ手段２０が介装されている
。該バルブ手段２０は、例えば外偏心軸８の回転に同期
して開閉作動するロータリバルブで構成される。

また、前記ロータハウジング３には、トロコイド長軸Ｂ
に対して上記圧縮側の開口部１２．１３とは反対側に、
作動ガスを吸入する吸気ポート２１と、作動ガスを排出
する排気ポート２２とが形成されている。この吸気ポー
ト２１および排気ポート２２には、吸気通路２３および
排気通路２４がそれぞれ接続され、両通路２３，’２４
が冷却器２５を介して連結されている。この冷却器２５
は、図示しない冷却水通路が接続されて排気通路２４か
ら吸気通路２３に流れる作動ガスの冷却を行うように構
成されている。

上記構造において、エンジン本体ＩＡ内の各作動室７、
第１通路１４、吸排気ポート２１．２２から吸排気通路
２３．２４および冷却器２５には作動ガスとして、空気
、Ｈｚ、Ｈｅなどのガス、または水を含むベーバーなど
が充填され、密封される。

そして、前記バルブ手段２０の開閉におけるバルブタイ
ミングは、例えば、第４図のタイミングチャートに示す
ように、リーディング側（進み側）のアベックスシール
９が下流側開口部１３を上死点前ＢＴＤＣ１５０°〜１
２０°のａ点で通過して圧縮作動室７に対して開《と略
同時に、ｂ点からロータリバルブ２０が開き始め、トレ
ーリング側（遅れ側）のアベックスシール９が上流側開
口部１２を通過する直前の上死点後ＡＴＤＣ３０’〜９
０°のＣ点で閉じるように設定されている。

また、膨張行程の後半において、トレーリング側（遅れ
側）のアベックスシール９が下流側開口部１３を通過し
て上死点後ＡＴＤＣ１８０”近傍のｅ点で閉じる前に、
排気ポート２２がｄ点で同一作動室７に開口してヒータ
ー１８内の第１通路１４の圧力をブローダウンし、残留
作動ガス量を低減して熱効率を向上するようにし、この
条件のためには下流側開口部１３は上死点前ＢＴＤＣ　
１　５０°〜１２０”の間に設けるようにする。

一方、前記ヒーター１８は、第１通路１４の受熱通路１
４ｅの周囲に熱交換室１８ａが形成され、該熱交換室１
８ａに内燃式ロータリピストンエンジン２の排気ガスが
導入される。

内燃式ロータリピストンエンジン２のエンジン本体２人
は、同様にトロコイド状の内周面２８ａを有するロータ
ハウジング２８と、ロータハウジング２８の側面に配設
されたサイドハウジング２９とによって構成されるケー
シング内を多角形状のロータ３０が、前記外燃式ローク
リピストンエンジン１のロータ６と所定の位相差をもっ
て遊星回転運動し、作動室３１を形成するようにしてい
る。該ロータ３１は内偏心軸３２の偏心部３２ａに支承
されると共に、上記ロータ３０には各作動室３１間のガ
スシール性を保つために、アベックスシール９、コーナ
シール１０およびサイドシール１１が装着されている。

また、前記ケーシングには圧縮側に点火プラグ３３が設
置されると共に、反対側には吸気ポート３４と排気ポー
ト３５とが開口されている。吸気ポート３４には吸気通
路３６が接続され、該吸気通路３６には燃料を供給する
インジエクタ３７が介装され、吸気ポート３４から作動
室３１に共給された混合気は、圧縮されて点火ブラグ３
３によって着火燃焼され、膨張後の燃焼ガスが排気ポー
ト３５から排出される。この排気ポート３５には排気通
路３８が接続され、該排気通路３８が前記外燃式ローク
リピストンエンジン１のヒーター１８の熱交換室１８ａ
に接続されている。

一方、第２図に示すように、上記内燃式ロークリピスト
ンエンジン２のロータ３０を支承する内偏心軸３２に対
して、外燃式ロータリピストンエンジン１のロータ６を
支承する外偏心軸８は筒状に形成され、上記内偏心軸３
２の外周に軸受４０を介して回転可能に支持されている
。そして、両偏心軸８，３２は端部の電磁クラッチ４１
で連結されて一体回転可能に構成されている。上記電磁
クラッチ４１は駆動回路４２のスイッチ４２ａに対し、
イグニション信号ＩＧ、前記ヒーター１８の温度を検出
したヒーター温度信号Ｔｈ等を受けた制御ユニット４３
からの信号が出力され、接離状態が作動制御される。

上記制御ユニット４３は、始動時のように排気ガス温度
が低い状態では電磁クラッチ４１を分離して、内燃式ロ
ータリピストンエンジン２のみの回転を行い、ヒーター
温度が低いために出力が確保できない外燃式ローリピス
トンエンジン１が駆動抵抗となるのを回避するようにし
ている。また、ヒーター温度が所定値以上に上昇した段
階で制御ユニット４３は電磁クラッチ４１を接続作動し
て、両偏心軸８，３２を連結して一体に回転させ、内燃
式ローリピストンエンジン２の排気ガス中の熱エネルギ
を外燃式ロークリピストンエンジン１で回収して駆動力
を得るようにし、コンパクトな構造でのハイブリット化
によって熱効率を向上するようにしている。

また、前記外燃式ロークリピストンエンジン１の作動は
、ロータ６の回転に対し、各作動室７には冷却器２５で
冷却された作動ガスが吸入されて圧縮され、圧縮途中の
バルブ手段２０の開作動に伴って遅れ側室７ｂの作動ガ
スが第１通路１４の上流側通路１４ａ内に流入し、受熱
通路１４ｃの部分でヒーター１８の熱によって加熱され
、温度が上昇して圧力も高くなった作動ガスは、下流側
通路１４ｂを通って進み側室７ａに流入する。この進み
側室７ａに流入した高温高圧の作動ガスのエネルギによ
って、該作動室７は膨張してロータ６が回転駆動される
。そして、排気ポート２２が開いて排気通路２４から冷
却器２５に膨張後の作動ガスが導入され、冷却されてか
ら吸気ポート２１を通って先行する吸気作動室７に供給
して、１サイクルを終了する。

上記のように作動ガスは密閉された系の中で圧縮、加熱
、膨張、冷却を繰り返しており、このような外燃式ロー
クリピストンエンジン１では、圧縮作動室７と膨張作動
室７とがロータ６の頂部を介して隣接し、また、圧縮部
分と膨張部分とが分離しているなどのロータリピストン
エンジン特有の構造を利用し、作動ガスの常に同一方向
の循環流の中に受熱部と冷却部を構成して、時間的遅れ
なく、効率的に作動ガスの加熱、冷却を繰り返すことが
できるものである。このことにより、コンパクトでかつ
負荷に対してレスポンスのよい外燃式エンジンが実現で
きるものである。

さらに、ロータ６の周面６ａに当接するシール部材１５
によって圧縮作動室７を進み側室７ａと遅れ側室７ｂに
完全に分離し、ロータ６とロータハウジング３との間の
隙間を通って吹き抜けるガス量を低減して、全作動ガス
が第１通路１４を通過するようにして熱交換量の増加お
よび熱効率の向上を図っている。

なお、上記実施例においては、内燃式ローリピストンエ
ンジンとハイブリット化しその排気ガスの熱を利用回収
する外燃式ロータリビス１・ンエンジンの例について示
したが、ヒーターとしては燃料を燃焼させて加熱を行う
燃焼器によって構成するようにしてもよい。

（発明の効果） 上記のような本発明によれば、圧縮側のトロコイド短軸
近傍に圧縮作動室を進み側室と遅れ側室とに分割するシ
ール部材を設け、上記進み側室と遅れ側室とを第１通路
で結び、この第１通路の途中に該通路を加熱するヒータ
ーを設け、ヒーターと遅れ側室との間の第１通路をバル
ブ手段によって所定タイミングで開閉するようにしたこ
とにより、前記圧縮作動室の作動ガスは全量が第１通路
を通ってヒーターで加熱昇温されてから進み側室に供給
されて膨張仕事を行うものであり、熱交換量が増加し、
熱効率を改善することができると共に、バルブ機構の簡
素化によりコンパクトな構造で駆動損失の低減を得るこ
とができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例における外燃式ロータリピス
トンエンジンを備えたエンジンユニットの展開序を示す
概略構成図、 第２図はその概略断面構成図、 第３図はシール部材の詳細構造を示す要部断面図、 第４図はバルブ手段と開口部の開閉タイミングを示すタ
イミングチャート図である。 １・・・・・・外燃式ロータリピストンエンジン、ＩＡ
・・・・・・エンジン本体、３・・・・・・ロータハウ
ジング、３ａ・・・・・・内周面、４・・・・・・サイ
ドハウジング、６・・・・・・ロータ、７・・・・・・
作動室、７ａ・・・・・・進み側室、７ｂ・・・・・・
遅れ側室、９・・・・一・アベックスシール、Ａ・・・
・・・トロコイド短軸、１２．１３・・・・・・開口部
、１４・・・・・・第１通路、Ｂ・・・・・・トロコイ
ド長軸、１５・・・・・・シール部材、１５ａ・・・・
・・斜面、１６・・・・・・シール溝、１７・・・・・
・スプリング、１８・・・・・・ヒーター、２０・・・
・・・バルブ手段、２１・・・・・・吸気ポート、２２
・・・・・・排気ポート。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ロータハウジングとサイドハウジングとによるケ
   ーシング内をロータが遊星回転運動し、ロータ外周に容
   積が変化する作動室が形成されたエンジン本体と、圧縮
   側のトロコイド短軸近傍に設置され圧縮作動室をトロコ
   イド短軸に対し進み側室と遅れ側室とに分割するシール
   部材と、上記進み側室と遅れ側室とを結ぶ第１通路と、
   該第１通路の途中に設けられ該通路を加熱するヒーター
   と、該ヒーターと遅れ側室との間の第１通路を所定タイ
   ミングで開閉するバルブ手段と、トロコイド長軸に対し
   て上記第１通路の開口部とは反対側に設けられ作動ガス
   を吸入、排出する吸気ポートおよび排気ポートとを備え
   たことを特徴とする外燃式ロータリピストンエンジン。