JPS6229614B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明はシール性が良く、且つ、圧縮行程と
膨脹行程とを自由に設計し得るローターがケーシ
ング内面に摺動するロータリーエンジンに関する
発明であり、特に、圧縮された高圧ガスにベーン
が押しのけられることによつて生じるガス抜けに
対処するようにベーン先端が屈曲されてその彎曲
外周面がローターハウジングに摺接されるように
し、ベーン側面は常に低圧側の室に連通する溝が
設けられると共に該ベーンが両側に僅かに拡縮移
動することが出来るようにし、構造が簡単で製作
費が安く、且つ、安価に運転し得る経済性の高い
ロータリーエンジンに係る発明である。

＜従来技術＞ 周知の如く、従来のベーン式ロータリーエンジ
ンはベーンがケーシング内周面に摺接する態様
と、一定のクリアランスを持つて動きを制御する
構造を持つ態様とがあるが、後者は制御構造上の
制約から圧縮行程と膨脹行程とは同一体積を持つ
ことになる。

そして、現在実用化に成功しているロータリー
エンジンはローター公転式のエンジンである。

＜発明が解決しようとする問題点＞ かかる在来態様のロータリーエンジンは構造が
〓〓〓〓
複雑でベーンやローター、及び、ローター軸、並
びに、ローターハウジング等の設計、及び、加工
は極めて煩雑である欠点があり、そのうえ、構造
が動弁機構や歯車機構を有するため複雑であるだ
けに故障し易く、又、修理も面倒である等の不利
点を有していた。

そして、例えば、特開昭52−13009号公報発明
に示されている。ロータリーエンジン等に共通の
問題であるが、従来の発明においては高圧ガスに
よるケーシングの歪はベーンの押し戻し等による
ガス抜けによつて現実化不可能である不利点があ
つた。

又、該種周公知のロータリーエンジンは多気筒
化することが難しく、高出力機関の設計製作が困
難であるという難点をも有していた。

＜発明の目的＞ この発明の目的は上述従来技術に基づくロータ
リーエンジンの問題点を解決すべき技術的課題と
し、上記欠点を除去し、難点を解消し、不利点を
なくし、設計、及び、加工が容易であると共に大
出大機関の設計、及び、製作が容易であり、更
に、構造が簡単で故障が少く、且つ、運転費も安
価で経済的であるようにしてエネルギー産業にお
ける動力技術利用分野に益する優れたロータリー
エンジンを提供せんとするものである。

＜問題点を解決するための手段・作用＞ 上述目的に沿い先述特許請求の範囲を要旨とす
るこの発明の構成は前述問題点を解決するため
に、楕円形で偏平なローターハウジング内を円柱
形状のローターが回転するプロセスで吸気ポート
から吸入された燃料と空気の予混合ガスはロータ
ーの放射状に形成された周方向の設定数の収容溝
に収納された各ベーン間の室内で順次圧縮され、
その間該ベーンのリーデイング側の面に穿設され
た溝から収納溝内に圧縮ガスが侵入して底部より
ベーン先端部をローターハウジング内周面に押圧
してガスシールし、又、サイドハウジングに対し
ては相欠き部による侵入圧が両側への側圧を付与
すると共に側面に形成された溝に侵入するガス圧
との差圧でガスシールするようにし、高圧のみで
ベーンの摩擦力を上げることによる摺動抵抗が大
きくならないようにし、圧縮行程で燃焼室からの
既燃の高圧ガスが逆流して未燃ガスの予混合ガス
を非可逆的に圧縮すると同時に昇温して該燃料予
混合ガスを着火して爆発させ、通常の燃焼では着
火限界以下であるような超稀薄な予混合気であつ
ても、着火燃焼可能であるようにしてローターを
回転させるようにして、而して、180゜の角度を
置いてセツトされた相対する２つのベーンの重心
が、ローターの回転と共にほぼ等速円運動するよ
うにケーシング内周面を形成し、作動部分の偏心
回転運動をなくし、振動の発生をその根源からな
くすようにし、更に、排気ガスにつては大気圧ま
でその仕事を利用し、排気圧力の変動が生ずるこ
とがないようにし、連続的に吸、排気行程を行う
ことにより吸、排気騒音を大幅に低減するのみな
らず、燃焼サイクルにおいて高温加熱部にてはほ
ぼ定積変化を行い、低温放熱部にては低圧変化を
行うところのオツト―サイクルとブレートサイク
ルの利点を併せ持つたサイクルによる高熱効率を
具現化し、併せて圧縮行程での上死点近傍に於い
ては既燃ガスを未燃ガスの中に逆流噴出し、吹き
込み既燃ガスによる混合着火方式燃焼を使用して
超低空燃比混合気を強制燃焼することにより
NOx、CO、Ｈ等排気有害成分を大幅に低減する
ようにし、又、電気着火を付与とするようにし、
電波公害をなくし、常に一定体積比率の排気ガス
再循環を行い回転速度に関係なく安定な燃焼をす
るようにした技術的手段を講じたものである。

＜実施例―構成＞ 次に、この発明の１実施例を図面に基づいて説
明すれば以下の通りである。

第１，２図はこの発明のロータリーエンジンの
半部の横断面図と縦断面図を示す態様であつて、
該ロータリーエンジンは真直なローター軸１とほ
ぼ円柱形のローター２と該ローター２に摺接し、
楕円形を成したローターハウジング３と両サイド
ハウジング６，６とを有している。

そして、ローター２の外周面には軸心に対して
ほぼ等角度間隔で多数のベーン収容溝４，４…が
開口して周設され、該各ベーン収容溝４内には略
方形板状のベーン５がローター軸心に対して放射
方向に移動し得るように挿入されており、そのリ
ーデイングエツジ側の面、即ち、回転方向に向い
た面にベーン収容溝４の溝底にまで延在する細溝
５ａが第１図に様に、穿設されている。

該細溝５ａはベーン収容溝４の底部に後述する
高圧ガスを導入するべく付設され、各ベーン５，
〓〓〓〓
５′、及び、ローター２の外周面、ローターハウ
ジング３の内周面３′とによつて仕切られた室Ｒ
を相互に効果的にシールするようにされている。

而して、各ベーン５は第３，４図に示す様に、
その長手方向の中央部に於いて２つのピース部分
５Ａ，５Ｂに分割可能に成されており、これらの
２つの部分５Ａ，５Ｂの対向する合せ面５ｂは第
４図に示す様にＺ状の所謂せ切り状の「相欠き」
に形成されており、該両「相欠き」部分はロータ
ー２の軸線と平行に僅かの相対移動が許容される
ように「相欠き継ぎ」で結合されている。

又、各ベーン５の両側面、即ち、各ベーン５の
ピースを成す部分５Ａ，５Ｂの各々の外側面には
第２図、及び、第５図に示す様に、溝５ｃが凹設
されてベーン５の先端面に開口する小孔５ｄに連
通している。

そして、該小孔５ｄは溝５ｃに低圧側室内のガ
スを導入させるためのもの、即ち、ベーン５の回
転角度にかかわらず、溝５ｃ内に低圧予混合ガ
ス、若しくは、低圧燃焼ガスを導入し得るような
位置に穿設されている。

したがつて、各ベーン５とサイドハウジング
６，６との摺接面に於いては該ベーン５の先端の
小孔５ｄから溝５ｃ内に低圧の混合ガスが流入す
るものの、ベーン５の中央部の「相欠き部」５ｂ
に侵入する高圧ガスとの差圧によつてベーン５の
両半分のピース部分５Ａ，５Ｂは第４図に矢印Ａ
で示す様に、結果的に側方への付勢力を印加され
ることになり、各ベーン５は両側面に押し付けら
れてサイドハウジング６，６への両側面のガスシ
ールが行われる。

この場合、高圧ガスのみによつてではベーン５
のサイドハウジング６の内面に対する押圧力が大
きくなり、摺動抵抗が大きくなるのを防止し、ス
ムースに、しかも、シール状態を確実にしながら
ベーン５の周回を抵抗で保証する。

尚、第４図に於いて、P₁，P₂はピース部分５
ａ，５ｂのそれぞれの対向合せ面、即ち、相欠き
部５ｂに於ける圧力の方向と圧力分布を、又、
P₃，P₄は左右両側面に於ける圧力の方向と圧力分
布とを示すものであり、P₁，P₂の合力はP₃，P₄の
合力より常に大であるようにされている。

又、各ベーン５は各図の態様からも分るよう
に、ローター２の回転方向とは逆向きに先端部が
曲折して形成されており、又、先端面５ｅか第
６，７図に示される様に、ローターハウジング３
の内周面の曲率とは異なる大曲率の円弧面となる
ように構成されている。

そして、当該第６，７図に示す様に、ベーン５
の先端面５ｅの曲率とローターハウジング３の内
周面３′の曲率とは該ベーン５の先端面５ｅと該
ローターハウジング内周面３′との接触点に於け
る接線L₁，L₂がローター回転角度に関係なく常
に高圧側の室に向かつて傾斜する如く決定されて
いる。

このため、ローター２の回転角度が変るにつれ
てローターハウジング内周面３′に接触するベー
ン５の先端面５ｅの位置が変化していくが、この
ことは該ベーン５の先端面５ｅが屈曲しているこ
とと相俟つて各ベーン５に於けるシール効果をよ
り高め、且つ、強度設計上、バランスのとれた構
造を得られるようにされている。

これを更に詳示すると、第６図は圧縮行程に於
けるベーン５の先端面５ｅとローターハウジング
３内周面３′との接触状態を示すものであるが、
ベーン５の図上左側室７Ｒは右側室８ＲよりもP₅
で示す様に低圧であり、高圧側室８Ｒからベーン
５のベーン収容溝４内にベーン５のリーデイング
エツジ側の面の溝５ａを通つて高圧ガスが導入さ
れるようにされている。

したがつて、その結果、ベーン５は強い圧力で
ローターハウジング３の内周面３′に押し付けら
れる力を潜在的に付与されていることになる。

又、低圧側室７Ｒ内に於いても、ベーン５の先
端部が下方から低圧ガスによつて上方へ押し上げ
られており、これらの上向きの圧力分布P₅は第６
図の下側に示されており、同じくローターハウジ
ング３の内周面３′にベーン５が押圧される力を
潜在的に有していることになる。

一方、ベーン５をベーン収容溝４内に押し込も
うとする力は、低圧、及び、高圧ガスがベーン先
端部を押し下げようとする力とローターハウジン
グ３内周面３′からの反力とであるが、ベーン５
の先端面５ｅの曲率がローターハウジング３の内
周面の曲率と異なつており、前述した如く接線
L₁，L₂が高圧側に傾斜しているため、ローター
ハウジング３の内周面３′に接するベーン５の先
端面５ｅの高圧側に面する面積が小さくなるよう
〓〓〓〓
に形成されていることにより、ローターハウジン
グ３の内周面３′方から受ける下向き反力はベー
ン５を押し上げる力よりもかなり小さくなり、そ
の結果、ベーン５はローターハウジング３の内周
面３′に充分大きな力で押し付けられることにな
る。

尚、ベーン５の先端に働く下向きの圧力分布は
第６図左上側にて符号P₆で表示されている。

次に、第７図では膨脹行程にある状態が示され
ているが、高圧側室９Ｒは図上ベーン５の左側に
あり、低圧側室１０はベーン５の右側にある。

したがつて、この場合にはベーン収容溝４内に
導入されるガスは低圧側室１０Ｒであり、又、ベ
ーン５の先端部を押し上げる力は高圧側室９Ｒ内
のガスによるものとなるから、結局、ベーン５を
押し上げる力の圧力分布は図上左下のP₇の如くに
なる。

一方、ベーン５に働く下向きの力は、該ベーン
５の先端部にローターハウジング３の内周面３′
から力く反力であつて、高圧側の室９Ｒ内のガス
が押し下げる力と低圧側室１０Ｒ内のガスがベー
ン５のリーデイングエツジ側の先端面５ｅを押し
下げる力との和となり、下向き圧力の圧力分布は
図上右上のP₈のようになる。

而して、力の総和は上向き力となつてベーン５
をローターハウジング３の内周面３′に圧接させ
ることになる。

蓋し、この場合、ローターハウジング３の内周
面３′に接触するベーン５の先端面５ｅの位置は
図示する様に、ベーン５のトレーリングエツジ側
になり、この位置に於ける接線L₂は高圧側室９
Ｒに向いて傾斜することになるからである。

而して、ローターハウジング３には第２図に示
す様に、吸気ポート３Ａと排気ポート３Ｂとがほ
ぼ対称位置に設けられると共に燃焼室１１とその
直前の室１２とを連通する通路３Ｃが頂部に設け
られている。

そして、該通路３Ｃ内に始動時の着火を行うグ
ロープラグ３Ｄが配置され、図示しない吸入口以
前の部位に付設された適宜キヤブレターからガソ
リンが供給され吸入空気と混合され予混合ガスを
形成するようにされている。

そして、該予混合ガスは始動時においてはグロ
ープラグで着火されるが、稼動プロセスで一度着
火すると、１つ先の行程で燃焼した既燃ガスが次
の行程の未燃ガスを着火し燃焼するため電気点火
栓は装着する必要がない。

尚、当該ロータリーエンジンは空冷式にするこ
とも出来るが、実施例では水冷式のものを示し、
ローターハウジング３内周壁の回りに軸線方向に
延在するウオータージヤケツト３Ｅを有してい
る。

而して、第８図はこの発明のローターエンジン
の所謂PV線図を示すものであり、S₁はベーンロ
ータリー機構の機械的構造に基づいて決められる
機械的圧縮行程であり、S₂は１つ前の行程の既燃
高圧ガスの逆流によつて行われる非可逆的ガス圧
縮行程で、S₃は混合燃焼行程であり、該混合燃焼
行程においては１つ先にある行程から逆流して来
たガス相当の燃焼ガスが反動環流となつて前の行
程に戻されつつ燃焼が完了するようにされる。

又、S₄は燃焼後のガスが１つ後の行程のガス室
に流入し、着火を行うための非可逆的着火逆流行
程であり、S₅は１つ後の行程のガスが燃焼するこ
とによる反動環流行程を示すものであり、S₆はそ
の後の機械的膨脹行程であつて該膨脹行程が完了
したタイミングで略大気圧となり排気される。

そして、PVサイクルは第９，１０図に示すオ
ツトーサイクル、及び、ブレートンサイクルのメ
リツトを併せ有するサイクルであり、これを既燃
ガス混合着火燃焼サイクルと称することが可能で
ある。

＜実施例―作用＞ 上述構成において、エンジン始動時には適宜ス
タータによりローター２を起動回転させると、適
宜キヤブレターを介し吸気ポート３Ａから１つの
室Ｒ内へ吸入された空気と燃料との予混合ガスは
ローター２が第２図に於いて矢印方向、即ち、図
上時計方向に回転していくにつれて図示０゜から
吸入行程に続いて圧縮行程に入り、室Ｒが図上１
２Ｒに至り、グロープラグ３Ｄを付設された連通
溝３Ｃと連通すると、予混合ガスは該グロープラ
グ３Ｄによつて着火され燃焼される。

而して、この着火、燃焼を行つたガスは次の行
程の室１２Ｒ部に達し、連通溝３Ｃにつながる
と、１つ先の既燃ガス室１１と新たな未燃ガス室
は連通状態になり、高圧の既燃ガスは未燃ガス室
に強力な渦流を形成して流れ込み、未燃ガスと混
〓〓〓〓
合して着火する。

この燃焼室１２Ｒ内の圧力が燃焼行程において
急激に上昇すると、１プロセス前の逆流ガス相当
量の反動環流として燃焼ガスの一部が通路３Ｃを
通つて膨脹行程初期にある前室１１にも逆流入
し、該前室１１の圧力、及び、温度を再び上昇さ
せる。

そして、ローター２が更に回転して位相が進む
と、室１２Ｒが次位相で１１Ｒ室となり、同様に
予混合ガス着火が行われ、当該プロセスにおいて
はグロープラグは消勢され、燃料への着火は自然
着火のみで達成され、前記サイクルに従つて回動
する。

而して、ローター２が１回転するプロセスにお
いて、各ベーン５はローターハウジング３の内周
面３′に対して前述した如く様々な姿勢で接触す
るが、該ベーン５両側面の溝５Ｃ内に連通する小
孔５ｄは低圧側の室７Ｒ，９Ｒに連通するか、或
は、ローターハウジング３内周面３′によつて閉
じられているかのいづれかの姿勢をとり続ける。

したがつて、前述した如く、ベーン５には常に
両側面のサイドハウジング６に向く力が印加さ
れ、その結果、ベーン５のサイドシールは良好に
維持される。

又、各ベーン５の先端面５ｅのローターハウジ
ング３の内周面３′に対するシールは前述した如
く、リーデイングエツジ側面溝５ａからの導入
圧、及び、トレーリング側面の先端低圧面による
押圧力、並びに、遠心力によりシールされる。

そして、210゜の爆発行程より終期には排気ポ
ート３Ｂから排気される。

尚、この発明の実施態様は上述実施例に限るも
のでないことは勿論であり、例えば、燃焼室の両
側から既燃ガスが流入し、左右対称な渦流を形成
し、燃焼を行うようにするローターの燃焼室を形
成する等種々の態様が採用可能である。

＜発明の効果＞ 以上、この発明によれば、基本的にロータリー
エンジンの熱サイクルは着火燃焼時にほぼ定積的
な変化をし、又、排ガス圧力を大気圧に設計した
場合、低温放熱行程は低圧変化を行うというオツ
トーサイクルとブレートンサイクルの利点を併せ
持つたサイクルとすることが可能なことによつて
同一圧縮比の断続燃焼のオツトーサイクルエンジ
ン、及び、連続燃焼のブレートンサイクルエンジ
ンに比して熱効率は飛躍的に良くなるばかりでな
く、逆に低圧縮比で高効率の熱サイクルを得られ
るという優れた効果が奏される。

そして、構造上はまず、ベーンのトツプシー
ル、及び、サイドシール、特に、ガス差圧を利用
しているので、シール効果が大きく、ガス漏れ損
失が少くなり、又、爆発行程後のローターへの回
転角度が変わるにつれて、ローターハウジングの
内面に接するベーン先端面の位置が変わることに
よつてローターやベーンの強度設計上好都合をも
たらす優れた効果が奏される。

即ち、ローター回転角が０゜から210゜までの
吸入、圧縮から爆発行程においてはローターとベ
ーンとが大きな外力を受けるため、該ベーンの間
の距離が可及的に短、又、ベーンの突出長さも出
来るだけ短いことが望ましいことに対処出来、
又、爆発膨脹、排気行程においてはローターとベ
ーンとにかかる外力は急減するうえ、各ベーン間
に形成される室の容積が出来るだけ大きくなるこ
とが望ましいことに対処出来、又、ベーンに対す
る支持力も小さくて済む効果がある。

更に、構造はエンジン設計上の相当の要請を満
たすものであり、吸入、圧縮から爆発の行程まで
はローターハウジングの内面に接するベーンの先
端面の位置はほとんど変化しないが、爆発行程後
ではローターハウジング内面に接するベーン先端
面の位置がトレーリング側、若しくは、リーデイ
ング側に大きく変化し、且つ、ベーンがローター
から突出する長さも大きくなつてベーン支持長が
少くなるため、爆発行程後における相隣るベーン
間の室容積増大が助長されると共に吸入圧縮、及
び、爆発行程におけるベーンの必要支持強度と膨
脹、及び、排気行程におけるベーンの必要支持強
度との差を少くすることが出来る効果もある。

又、直軸状の出力軸と直円柱状のローターとの
組合せが可能であるようにしたことにより、設
計、及び、工作が容易で、特に、偏心ローターを
有するヴアンケル式ロータリーエンジン等の公知
のロータリーエンジンと異なり、偏心して運動す
る質量がほとんどないため上下左右方向の振動成
分は極めて少く、よつて、振動が少い特性がある
うえに、多くのベーンを付設することが可能であ
り、１ローター回転中のサイクルが多いことか
〓〓〓〓
ら、出力トルク変動が極めて少い大出力のエンジ
ンの設計、及び、製造が容易であり、製造コスト
も安価となるメリツトがある。

而して、上述の如く、構造が簡単なので、故障
も少く、修理も容易であり、保守管理、メンテナ
ンス上の利点もある。

更に、既燃ガスを圧縮行程終期の室に逆流裡に
導入するようにしたことにより、機械的な圧縮に
加えて既燃ガスによるガス圧縮が行われることに
なり、高い実質的圧縮比が得られるばかりでな
く、自然着火が可能であり、火花方式の電気点火
栓が不要となり、したがつて、その点からも製造
コストが低く、又、電波障害の発生等がなく、機
械的圧縮行程の圧縮比を小さく取ることも可能で
あることから、ケロシン等のオクタン値の低い低
質燃料の利用が可能であり、農業用、建設用等軽
エンジンに適するメリツトがある。

而して、ベーンの側面に低圧ガスのみに連通す
る溝を設けたことにより、高圧ガスによりベーン
が側方への押圧力を印加されていても差圧が働
き、ガスシールしながらも周囲におけるサイドハ
ウジングとの摺動抵抗を少くしてスムースな回転
を保証出来る効果がある。

又、既燃高圧ガス噴流による強力な渦流と既燃
ガスの可燃能力により着火性能が優れる効果もあ
る。

そして、優れた着火性能を有することにより、
通常の燃焼方式では着火し得ないような超稀薄混
合気を燃焼することが可能となり、対排気公害に
対処し得る良好な燃焼が可能である効果がある。

更に又、オツトーサイクルとブレートンサイク
ルのそれぞれの長所を併有させることが出来るの
で、レシプロ式ガソリンエンジンよりも高い熱効
率を得ることが出来る効果もある。

又、吸入予混合ガスの流入速度は常に一定であ
り、一方、排気圧力を大気圧とすることによつて
排気ガス振動はなくなり、吸気、排気騒音を大幅
に低減することが可能である効果もある。

加うるに、動弁機構や歯車機構が存在しないこ
とからも、機械騒音の発生において有利である。

又、ベーンとローターハウジングとのそれぞれ
の熱膨脹の差を吸収するためのクリアランスを大
きくすることが出来、軸方向に長く、半径方向に
は小さく設計することが可能となり、したがつ
て、全体が小型になり、又、ベーンにかかる遠心
力の大きさも比較的小さく出来る効果も奏され
る。

【図面の簡単な説明】

図面はこの発明の１実施例を示すものであり、
第１図は全体概略縦断面図、第２図は第１図の
―線、及び、′―′線における横断半面図、
第３図はベーンの正面図、第４図は第３図の―
断面図、第５図は第３図の側面図、第６，７図
はローター回転角の変化に伴うベーン先端面とロ
ーターハウジング内周面との接触位置変化断面
図、第８図はこの発明のロータリーエンジンのサ
イクルのPV説明図、第第９，１０図はオツトー
サイクル、ブレートンサイクルのグラフ図であ
る。 ２…ローター、５…ベーン、Ｒ…室、３…ロー
ターハウジング、５ｅ…先端部（面）、３′…内周
面、５ｃ…溝、６…サイドハウジング、３Ｃ…ガ
ス通路。 〓〓〓〓

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 一定方向に回転するほぼ円柱形のローター
   と、該ローターにその外周面から突出するように
   支持されると共に該ローターの半径方向に移動自
   在な多数のベーンと、上記ローターの軸心に対し
   て非対称な円周輪郭を有し該ローターに摺動し楕
   円形に形成されローターの外周面及び上記ベーン
   と共に該ローターの回転方向に移動し、圧縮固定
   より排気行程の体積の増加自在な多数の室を形成
   するローターハウジングと、該ローターハウジン
   グの両側面を閉じると共に上記ベーンの両側面に
   摺接するサイドハウジングとを有したロータリー
   エンジンにおいて、上記ベーンの先端部は上記ロ
   ーターの回転方向に対して逆向きに屈曲されると
   共に上記ローターハウジングの内周面に接する先
   端面が該ローターハウジングの曲率より大曲率の
   曲面に形成され、且つローターの軸心を通るよう
   に配設された面に対して対称な円弧面を形成し圧
   縮行程では円弧の前半がハウジング内周面に接
   し、膨脹行程では後半が接するように形成されて
   おり、而して上記ベーンの側面には常に低圧側の
   室にのみ連通する溝が設けられると共に該ベーン
   は上記両側のサイドハウジングに向かつて僅かな
   移動が許容されるように分割構造とされているこ
   とを特徴とするロータリーエンジン。