JP4815012B2 - 分離サイクル可変容量火花点火ロータリー機関 - Google Patents

Description

本発明は火花点火機関に関し、より具体的には分離サイクル火花点火ロータリー機関に関する。本発明は特に、分離サイクル可変容量火花点火ロータリー機関に関する。

火花点火（ＳＩ）内燃（ＩＣ）機関は一般に、圧縮フェーズの終了時の気筒圧力及び温度がその最大許容限界に近接したときが最も効率的であることが知られている。従来の火花点火機関では、ロータリー機関であるか往復機関であるかを問わず、この状態は、吸気マニフォルドのスロットル弁が完全に開いて、吸気フェーズ中に機関の気筒内で最大可能空気量または燃料−空気混合物量が得られ、それに続く圧縮フェーズで、機関の構成によって一定の値をとる最小燃焼室容積まで吸気が圧縮されたときに実現可能である。スロットルが完全に開いた状態では、吸気マニフォルド圧力は大気圧、すなわち約１バール前後である。一般に、全運転サイクルの９０％を超える割合を占める典型的な運転条件時には、吸気マニフォルド圧力は約０．５バール以下のままであり、ドライブシャフトにかなりの抗力を発生させる。この現象は一般に、「ポンプ損失」と呼ばれ、機関効率に悪影響を及ぼす。スロットルを絞ることによって圧縮フェーズ終了時の燃焼室圧力及び温度はさらに低くなり、吸気はさらに減少する。従って、燃焼火炎速度が低くなり、効率低下や有害排気の増加につながる機関の不安定燃焼を招く。

従来、ガソリン機関を備える中型クラスの自動車は、定格ピーク効率が約３３％であるのに対し、平坦な道路を定速走行する際の効率は約２０％に過ぎない。すなわち、定速走行時には機関の基準燃料消費率（ＳＦＣ）は約４００ｇ／ｋＷｈであるのに、高負荷条件下では、同じ機関のＳＦＣが２５５ｇ／ｋＷｈになることがある。P.ルドュック(Leduc)，B.ドュバール(Dubar)、A.ラニーニ(Ranini)及びG.モニエール(Monnier)著「ガソリン機関の小型化：ＣＯ₂排出量低減のための有効な手法」、Oil & Gas Science and Technology - Rev.IFP、Vol.58 (2003)、No.1, pp.117-118を参照されたい。機関作動条件が市内走行条件などのように定速走行モードより悪化すると、効率はさらに大幅に低下する。このことを考慮すると、定速走行条件または市内走行条件時により高い特定の負荷で動作するように機関を小形化した場合、機関は加速することも傾斜の急な道路を登ることもできなくなるであろう。

現在行われている主として往復機関関連の研究によれば、ＳＩ機関の熱力学的効率は今後向上する傾向にあることが指摘されており、また、このような傾向をロータリー機関にも拡張して、効率の向上を実現し改善できることも上記の文献に記載されている。従って、燃料効率の高いロータリー機関を導入するには、往復機関の分野で実施されているこのような研究を簡潔に見ておく必要がある。

過去数十年にわたって、可変排気量技術、可変圧縮比技術、可変弁技術、機関小形化及び圧力ブースト、燃料の層状給気、制御式自動点火、負荷追従式の燃料オクタン価改善等の興味深い概念が導入され、ＳＩ機関の効率は向上しており、これらの手法の様々な組み合わせも単一の機関内で実験されている。

往復ピストン機関では、機関の可変排気量は一般に気筒停止手法によって実現される。すなわち、部分負荷作動時には、多気筒機関のうちいくつかの気筒が選択的に停止させられ、従って、動力に寄与しなくなり、機関の有効排気量が減少する。このため、有効な気筒のみが燃料を消費し、全気筒が動作する場合の比負荷より高い比負荷で動作させられ、これによって機関はより高い燃料効率を実現する。停止させられる気筒の数は、「オンデマンド排気量」と呼ばれることもある機関負荷に一致するように選択可能である。一般に、有効な気筒のピストンと停止状態の気筒のピストンは、ともに共通のクランク軸に連結されているため、停止状態のピストンはそれぞれの気筒内で往復運動を続け、その結果望ましくない摩擦が生じる。停止状態の気筒の弁は特殊な制御機構を必要とし、そのため複雑さがさらに増す。さらに、気筒の停止及び再起動が段階的に行われるため、段階的な遷移を平滑化する他の手段が必要となる。この手法における設計上の他の問題として、可変排気量機関の不安定な冷却及び振動の管理がある。多くの例では、気筒停止は、小負荷時に特に効率が悪化する比較的排気量の大きい機関に適用される。

現代の電子機関制御システムは、スロットル弁、点火タイミング、吸気−排気弁のような様々な構成要素を電子的に制御して、可変排気量ＩＣ機関の遷移ステップを平滑化するように構成されている。電子スロットル制御方法の一例は米国特許第６６１９２６７号明細書（パオ）に見ることができ、遷移ステップを管理する吸気流制御方式について記載されている。往復ピストン機関とロータリーＩＣ機関の両方についての可変排気量システムは、作動効率を改善するターボチャージャを含む米国特許第６６４０５４３号明細書（シール）に開示されている。

可変排気量内燃機関用の制御システムは特開２００１−１１５８６５号公報（荒井勝博、永石初雄）に見ることができ、スロットル位置に応じた有効流れ断面積の判定について記載されている。有効流れ断面積は、体積空気流比を判定するのに使用される。制御ユニットは、起動される気筒の数及びサイクル中のストローク数に応じて、あらかじめ定められた機能を修正する。可変排気量ロータリー機関が国際公開第２００６／０４２４２３号パンフレット（ペカウ）に開示されている。ロータリー機関はトロイド形状の気筒を有し、その中でピストンの組が、ドライブシャフトのまわりを一方向にかつ同軸に回転可能である。部分的に切り取られた部分を有する回転ディスク弁がトロイド形状の気筒を順次遮断し、ピストンがディスク弁に接近するときに圧縮フェーズを実現し、ピストンがディスク弁から離れるときに膨張フェーズを実現する。回転ディスク弁の切り取られた部分は、圧縮の終了時にピストンがディスク弁領域を通過できるように、同期しながら開口部を形成する。ディスク弁は、ピストンの通過時に、トロイド形状の円筒形経路を閉じて、ディスク弁とディスク弁を通過したばかりのピストンとの間に膨張室を形成する。容積可変燃焼室が圧縮室と膨張室の両方に流体連結されている。選択的に作動可能な複数の吸気弁及び排気弁がトロイド形状の気筒に沿って配置されている。１つ以上の特定の吸気弁を選択的に開くことによって吸気量が設定され、同様に排気弁を選択的に開くことによって膨張限界が設定される。この機関構成の場合、ポンプ損失は回避可能であるが、ディスク弁を開いている間に直接排気室に流入する圧縮空気が相当程度に失われることを回避するのは困難である。さらに、別の燃焼室から膨張室への高温ガス流によって、大きな熱損失やダクト及び各弁の過熱が生じる恐れがあり、制御は非常に複雑になると考えられる。

可変排気量機関技術と同様に、可変圧縮比（ＶＣＲ）技術についても、ますます厳しくなる排出基準及び燃料効率要求を満たすために、機関小形化、ターボチャージまたはスーパーチャージ、可変弁技術、負荷追従式の燃料オクタン価改善等の様々な関連する修正が必要である。ＶＣＲの基本概念は、全吸気容量の一部が使われるときには部分負荷作動条件下でより高い圧縮比で機関を作動させ、全吸気容量が使われるときには高負荷条件下で比較的低い圧縮比で機関を作動させることである。それによって、結果として得られる圧縮終了時の気筒圧力及び温度を広範な負荷条件にわたって改善することができ、従って、より優れた燃料効率を実現することができる。ＶＣＲ技術だけでは部分負荷時のポンプ損失を回避することはできないため、可変弁技術（ＶＶＴ）による補助が必要になる。ＶＶＴでは、絞りを行わずにＳＩ機関への吸気が可能になるという利点があり、この場合、部分負荷での吸気量は、吸気弁を早めに閉じて余分な吸気を停止するか、または吸気弁の閉止を遅らせ、余分な吸気を排出して吸気マニフォルドに戻すことによって制御される。しかし、ＶＣＲ技術自体の設計及び製造はかなり複雑である。マーティン・ロバーツ(Martyn Roberts)著、「可変圧縮比の利点と課題」、SAE Technical Paper No. 2003-01-0398を参照されたい。

ＳＩ機関の過膨張サイクルは、ＳＩ機関の熱効率に対して顕著な利点をもたらすことができる。アトキンソンサイクルとミラーサイクル効率が過膨張サイクルの原理に基づいて確立されている。S.シガ、Y.ヒロオカ、Y.ミヤシタ、S.ヤギ、H.T.C.マカソン(Machacon)、T.カラサワ及びH.ナカムラ著、「火花点火機関における吸気弁の早期閉止を用いた過膨張サイクルの効果と、その機構の熱力学的考察」、International Journal of Automotive Technology, Vol.2, NO.1, pp.1-7 (2001)を参照されたい。過膨張サイクルは、可変圧縮率比及び可変弁技術と共に適用すると、従来の機関サイクルと比べて熱効率においてかなりの利点をもたらすことができる。しかし、依然として導入は非常に困難であり、実用的な機関に導入することはできない。

「ワンケルエンジン」として最もよく知られた従来の周知のロータリーＩＣ機関は、その構成に固有のいくつかの制約、すなわち、燃焼室の容積に対する表面積比が高いこと、燃焼室内の燃焼吸気流量が多いこと、機関の加熱が均一でないことなどのために、効率的な機関とは考えられてこなかった。不十分なガスシール能力と、潤滑油の激しい汚染もこの機関の重大な欠点である。日本のマツダ自動車は、ロータリー機関効率を向上させるために過去数十年にわたってたゆまぬ努力を続けており、その結果、吸気−排気口面積の増大、シーケンシャル動的吸気システム（Ｓ−ＤＡＩＳ）の導入、吸気に混合する排気を減少させるサイド排気ポート、未燃焼炭化水素排出量の削減、ガスシール、燃焼シール、潤滑方法の改善等々、機関の様々な作用構成要素を通じてかなりの改善が見られている。「新型ロータリー機関(Renesis)の開発技術」マサキ、セイジ、リツハル、スグル、ヒロシ−マツダ株式会社、SAE Technical Paper No. 2004-01-1790を参照されたい。

本発明の目的は、排気量及び圧縮比の連続的かつ広範囲な変動幅を有し、構成及び製造が比較的簡単であり、制御が容易であり、全動作範囲にわたってほぼ全負荷に近い燃焼環境（圧力、温度、外乱など）を維持することのできる分離サイクル可変排気量機関を提案することである。

本発明の主要な目的は、機関作動状態全体にわたってほぼ全負荷に近い燃焼室状態を生じさせることによって高い燃料効率を実現する新規のロータリーＳＩ機関システムを提供することにある。さらに、この機関システムは、可変排気量技術、可変弁技術（ＶＴＴ）、可変圧縮比機関技術などを実施するための上述の方法がもつ制約を受けず、また上述の方法がもつ複雑さを有さない。

上述の利点は、４フェーズ機関サイクルのうち燃焼−膨張フェーズと排気フェーズとを行うようにされた第１の回転部と、４フェーズ機関サイクルのうち吸気フェーズと圧縮フェーズとを行うようにされた第２の回転部と、を含む本発明の本実施態様によって実現される。第１のフェーズ変更構造は、第１の回転部と第２の回転部との間のフェーズ関係を連続的に変更して、第２の回転部によって圧縮され第１の回転部の燃焼室に供給される圧縮ガスの量と同期して瞬間的な燃焼室容積を変更する。一方、圧縮ガスの量は、導入された吸気のうち選択的な量を第２の回転部の各圧縮室から排出させる１組の弁を制御する第２のフェーズ変更構造によって制御される。

本発明の他の重要な目的は、ポンプ損失を回避するために絞りを行わない吸気システムを含む分離サイクルロータリーＳＩ機関を提供することである。吸気システムが絞りを行わないため、吸気室は常に全容量の吸気を取り込み、従って、瞬間的な負荷条件を考慮して、望ましくない量の吸気は圧縮室からガス排出弁を通じて排出される。ガス排出弁を閉じると、残りの吸気の有効な圧縮が開始される。一方、排出ガスの量は、ガス排出弁とこれに対応する圧縮室との、負荷に依存した可変フェーズ関係に応じて変動する。

本発明の他の重要な目的は、代表的な運転状態のかなりの部分の間、膨張室の有効膨張比が圧縮室の有効圧縮比よりかなり高く、一方、圧縮フェーズ終了時の燃焼室圧力が全負荷状態の圧力に非常に近い圧力に維持される、新規のロータリーＳＩ機関システムを提供することにある。

本発明の他の目的は、第１のフェーズ変更構造と第２のフェーズ変更構造とを独立して制御することによって有効圧縮比がかなり広範な圧縮比にわたって可変になる、分離サイクル可変容量花火点火ロータリー機関を提供することである。

本発明の他の目的は、第１の回転部が、その作動容積全体にわたって高温燃焼−膨張フェーズと排気フェーズのみを受け、第２の回転部が、その作動容積全体にわたって低温吸気フェーズ及び圧縮フェーズのみを受ける分離サイクル花火点火ロータリー機関を提供することである。従って、各回転部は、互いに無関係に一様に膨張し、その結果、シール能力が向上し、鋳造物の内部応力が低下する。

本発明の他の目的は、燃料がガス移送流路に噴射され、そこで燃料が気化され、圧縮空気と混合し、その後直接燃焼室に供給される分離サイクル花火点火ロータリー機関を提供することである。従って、表面の濡れ及び潤滑油の汚染の可能性は大幅に低下する。

本発明は、４フェーズ機関サイクルのうち燃焼−膨張フェーズと排気フェーズとを行うようにされ容積が反復的に可変である複数の作用室を含む第１の回転部と、４フェーズ機関サイクルのうち吸気フェーズと圧縮フェーズとを行うようにされ容積が反復的に可変である複数の作用室を含む第２の回転部と、互いに連続して設けられた複数の作用室の各々を容積が膨張していく先頭部と容積が減少していく後方部とに周期的に分割する周期的シール手段と、圧縮ガスを第２の回転部から第１の回転部へ順次移送する手段と、導入された吸気のうちの割合が可変である一部を圧縮フェーズ中に排出することによって有効機関排気量を修正する手段と、第１の回転部と第２の回転部との間のフェーズ関係を修正する手段と、を有する分離サイクル可変容量花火点火ロータリー機関を提供する。

第１及び第２の回転部が軸方向に示され、第１及び第２の回転部を相互連結するフェーズ変更構造が側面図で示されている、本発明の一実施形態の概略図である。 フェーズ変更構造の拡大側面図である。 図２のフェーズ変更構造の側面図である。 全負荷作動状態時の機関の概略図である。 低負荷作動状態時の機関の概略図である。 機関制御マイクロプロセッサを使用して、アクセルペダルの位置に基づいてフェーズ変更構造が制御される、本発明の一実施形態の概略図である。 好ましい燃料制御方式が示されている本発明の一実施形態の概略図である。 好ましい点火制御方式が示されている本発明の一実施形態の概略図である。 多燃料適合性を有する本発明の最も好ましい他の実施形態の概略図である。

まず図１を参照すると、分離サイクルロータリー機関は、４フェーズの機関サイクルのうち燃焼−膨張フェーズと排気フェーズとを行う第１の回転部Ｃ１と、４フェーズの機関サイクルのうち吸気フェーズと圧縮フェーズとを行う第２の回転部Ｃ２と、を含んでいる（どちらも軸方向に示されている。）。第１のフェーズ変更機構１００は、第１の回転部Ｃ１と第２の回転部Ｃ２との間のフェーズ関係を作動可能に変更する。第１の回転部Ｃ１は、内側チャンバを有するロータハウジング２０を含んでいる。内側チャンバは、外トロコイド状の周壁２３によって画定され、互いに向かい合い互いに類似した２枚の側壁２４（１枚のみが示されている。）によって囲まれている。周壁２３は、周壁の短軸領域を形成するローブ接合部によって互いに接合される２つのローブからなる外トロコイドであることが好ましい。内側チャンバ内で、ロータ４０は、中心軸１から偏心して中心軸１と一体化されたローブ１１の周りを回転可能である。中心軸１はそれ自身の軸の周りを回転可能であり、ロータハウジング２０に同軸に支持されている。ロータ４０の両側には内側リング歯車３９（１つのみが示されている。）が同軸に形成され、両側の側壁に同軸に形成された静止した外側リング歯車３８（１つのみが示されている。）と噛み合い係合している。第２の回転部Ｃ２は、ロータハウジング３０と、外トロコイド形状の周壁３３と、２枚の側壁３４（１枚のみが示されている。）と、ロータ５０と、内側リング歯車４９と、外側リング歯車４８と、偏心ローブ２２を有する中心軸２と、を含み、これらは第１の回転部Ｃ１と同様に配置されている。ロータ４０，５０はいずれも複数のエイペックスを備えており、これらのエイペックスは、エイペックス部と対応する周壁との間のシール関係を維持するエイペックスシール構造４１を支持している。エイペックスシール構造４１は、シール部材４１ａ，４１ｂをそれぞれの周壁に対して垂直なシール接触状態に維持するスイブルシール構造であることが好ましい。サイドシール６４（１つのみが示されている。）は、ロータ４０，５０の両側で、互いに隣接するエイペックスシール構造のそれぞれの対の間を延びている。ロータ４０の作用面４２，４３，４４は、互いに隣接するエイペックスシール構造４１のそれぞれの対の間を延びている。ロータ４０の作用面４２，４３，４４の先端部には、燃焼のためにチャンバサイズ及び形状を改善するくぼみ４５，４６，４７が設けられている。容積が反復的に可変である作用室６０，６１，６２はそれぞれ、周壁２３と側壁２４とロータ作用面４２，４３，４４との間に存在している。周期動作する分割シール部材７３，７４は、第１の回転部Ｃ１の周壁２３に短軸領域の近くで保持され、分割シール部材７５，７６は、第２の回転部Ｃ２の周壁３３に短軸領域の近くで保持されている。これらの分割シール部材は、各作用室のチャンバ容積が最小となる（通常、上死点またはＴＤＣと呼ぶ。）期間である中心軸まわりを約１００度回転する（以下クランク角度またはＣＡＤと呼ぶ。）所定期間の間、各ハウジングの各作用室を、容積が増加していく前方部と容積が減少していく後方部とに連続的に分割する。作用室の分割は、上死点に至る少なくとも５０ＣＡＤ前（ＢＴＤＣ）に開始されることが好ましい。第１の回転部Ｃ１の分割された作用室の前方部は有効燃焼室として使用される。中心軸の１回転で２つの燃焼事象が連続して生じる２つの燃焼室領域が存在している。これに対応して、燃焼室領域に近接して点火プラグ１６，１７及び１８，１９が取り付けられている。作用室が分割されている期間中、有効燃焼室容積は、最小燃焼室容積から最大燃焼室容積まで連続的に膨張する。第１の回転部Ｃ１の各シール部材７３，７４及び第２の回転部Ｃ２の各シール部材７５，７６は、カム手段（図示せず。）によって作動させられることが好ましい。ロータ５０のロータ作用面５２，５３，５４はそれぞれ、作用室７０と、作用室７１と、分割された作用室７２の前方部７２ａ及び後方部７２ｂと、に隣接している。第２の回転部Ｃ２の入口逆止め弁８２，８４は、対応する出口制御弁構造８３，８５に同期して、対応するガス流路（仮想線８０，８１によって概略的に示されている。）への圧縮空気の一方向流れを交互に可能とする。これによって、ガス流路８０，８１から第１の回転部Ｃ１の対応する燃焼室への圧縮ガスの一方向流れが可能となる。出口制御弁８３，８５が開き始める時間は、それぞれの作用室の分割が始まる時間と一致するようにされている。

機関は無スロットル吸気システムを有し、従って吸気室は、吸気フェーズ中、常に全吸気容量を受け入れる。従って、瞬間的な負荷条件を考慮して、望ましくない量の導入された吸気は、ガス排出弁７７，７８を開くことによって圧縮フェーズの早い段階で排出される。ガス排出弁７７，７８は好ましくは回転弁であり、各弁の１回転ごとに１８０ＣＡＤの開持続時間を有している。吸気の有効圧縮は、ガス排出弁を閉じたときに開始される。

フェーズ変更構造は、第１のフェーズ変更機構１００と、第２のフェーズ変更機構１０１と、両方のフェーズ変更機構１００，１０１を同時駆動するモータ１０と、を含んでいる。第１のフェーズ変更機構１００は、第１の回転部Ｃ１と第２の回転部Ｃ２との間のフェーズ関係を連続的に変更する。第２のフェーズ変更機構１０１は、ガス排出弁７７，７８と第２の回転部Ｃ２の対応する作用室との間のフェーズ関係を変更して、導入された吸気の排出すべき量を制御する。従って、第１のフェーズ変更機構１００と第２のフェーズ変更機構１０１との同期された調和によって、瞬間的な燃焼室容積は対応する圧縮室によって供給される圧縮ガスの量と一致し、かなり広範な機関作動条件にわたってほぼ全負荷の状態に近い燃焼室圧力を実現することができる。

図２，３を参照すると、第１のフェーズ変更機構１００は、それぞれが中心軸１と中心軸２の互いに向かい合う端部に同軸に取り付けられた第１のかさ歯車３と第２のかさ歯車とを含んでいる。中間かさ歯車５ａ，５ｂは第１のかさ歯車３と第２のかさ歯車４とを相互に連結して、中心軸１から中心軸２に運動を伝達する。中間歯車５ａ，５ｂの軸は中心軸の軸と交差している。中間かさ歯車５ａ，５ｂは、中心軸１に同軸に支持(journaled)されたハブ６から半径方向に延ばされた同軸の軸６ａ，６ｂの周りを回転可能である。一方の軸６ｂは、ウォーム９に作動可能に係合したウォーム歯車７に連結するように延ばされている。ウォーム９は、ハブ６の軸と交差する軸方向に揃えられている。ウォーム９は、必要に応じていずれの方向にも回転可能なモータ１０に連結されている。モータ１０が回転すると、ハブ６は中間かさ歯車５ａ，５ｂと共に、中心軸周りの位置を変更し、中心軸１と中心軸２との間の相対的な位相を、ハブ６自体の角度シフトの２倍の角度だけ変更する。第２のフェーズ変更機構１０１は、入力軸１ａと、排出タイミング軸２ａと、第１のかさ歯車１３と、第２のかさ歯車１４と、を含んでいる。これらのかさ歯車はそれぞれ、入力軸１ａと排出タイミング軸２ａの互いに向かい合う端部に取り付けられている。中間かさ歯車１５ａ，１５ｂは、かさ歯車１３，１４を相互に連結している。ウォーム歯車８はウォーム９と噛み合い連結され、中間かさ歯車１５ａ，１５ｂを軸１ａ，２ａの共通軸の周りで移動させる。一方、ウォーム歯車８のピッチ円半径は、第１のフェーズ変更機構１００のウォーム歯車７のピッチ円半径の２分の１であり、従って、角度シフトは第１のフェーズ変更機構１００より２倍大きい。入力軸１ａは、運動伝達リンク（図２に矢印１０２で概略的に示されている。）を介して、中心軸１によって同じ角速度で駆動されることが好ましい。

各図ではすべてのかさ歯車が直線状の歯車として示されているが、本発明を実施するにはらせん状のかさ歯車が好ましい。

図４を参照すると、全負荷時の機関作動状態が示されている。図３に示されているように、モータ１０がウォーム９を駆動してウォーム歯車７を直前の位置から時計回りに１５度回転させ、同時に、ウォーム歯車８が反時計周りに３０度回転させられる。それによって、中心軸２は、中心軸１に対して相対的に３０度遅延させられる。従って、排出タイミング軸２ａは、入力軸１ａに対して相対的に６０度進められる。ガス排出弁７７，７８はいずれも排出タイミング軸２ａに作動可能に連結され、従って、対応する各作用室に対して相対的に９０ＣＡＤ（中心軸１と中心軸２との間の位相ずれ方向は、入力軸１ａと排出タイミング軸２ａの位相ずれ方向と逆であり、そのため、この例での中心軸２と排出タイミング軸２ａとの間の総位相ずれは３０ＣＡＤ＋６０ＣＡＤ＝９０クランク角度である。）進められ、それによって対応する作用室の吸気フェーズの最後の１８０クランク角度（ＣＡＤ）の間は開いたままになり、圧縮フェーズ時には閉じたままになる。それによって、全量の吸気が効果的に圧縮され、これにつながるガス流路８０，８１に供給される。作用室７２の分割された後方部７２ｂは圧縮フェーズのほぼ最終的な段階を示しており、圧縮フェーズでは、作用室６０の先頭部６０ａとくぼみ４５とによって形成される対応する燃焼室に供給されるのと同等の量の圧縮ガスを排出させることによって、対応するガス流路８１に圧縮ガスのほとんどが供給される。出口制御弁８３，８５及び分割シール構造７３，７４は中心軸１によって駆動されることが好ましく、分割シール構造７５，７６は、中心軸２によって駆動され、それぞれの中心軸が完全に１回転する間に完全な１サイクルが実現される。

図５を参照すると、低負荷作動状態が示されている。ウォーム歯車７が反時計回りに３０度回転するように駆動され、同時にウォーム歯車８が、図４に示されている全負荷作動状態におけるその前の位置から時計回りに６０度回転させられる。第２の回転部Ｃ２のロータ５０は、第１の回転部Ｃ１のロータ４０に対して相対的に６０ＣＡＤ進められ、排出タイミング軸２ａ、従ってガス排出弁７７，７８は、図示されているその前の位置（図４）に対して相対的に１２０度遅延させられる。従って、ガス排出弁７７，７８が１８０度の間開いている期間は、圧縮フェーズの最初の１８０ＣＡＤの間それぞれの作用室（この例では７０，７１）に連結するように全体的にずらされる。総吸気量のほぼ３分の２がガス排出弁７７，７８を通じて排出され、残りの吸気が圧縮され、吸気逆止め弁８２，８４を通して対応するガス流路８０，８１に供給される。出口制御弁８３，８５を開く時間は、分割シール構造７３，７４の作動時間と一致するようにされている。作用室７２の分割された後方部７２ｂは圧縮フェーズのほぼ最終的な段階を示しており、圧縮フェーズでは、対応する燃焼室の容積（分割された作用室６０の先頭部６０ａの容積とくぼみ４５の容積）も、図４に示されている全負荷状態の容積のほぼ３分の１になる（図４，５は、燃焼の最初の間の燃焼室の状態を示している）。従って、低負荷駆動状態時にほぼ全負荷に近い燃焼室圧力を実現することができる。

上述の全負荷作動状態と低負荷作動状態との間の中間負荷状態の間、ガス排出弁７７，７８では、機関負荷条件に応じて変わる可変時間比で吸気フェーズと圧縮フェーズの両方が生じる。すなわち、機関が低負荷状態により近い負荷状態で作動しているときは、弁が開いている期間の大部分は圧縮フェーズに費やされ、全負荷状態により近い負荷状態では、弁が開いている期間の大部分は吸気フェーズに費やされる。排出された吸気は、再循環ダクトによってこれに連続した吸気室に再循環される。排出弁は、吸気フェーズ中に開いていると吸気室の追加的な吸気口を形成する。

第１の回転部Ｃ１の分割シール構造７３（部分的に示されている。）がオンである間、ロータ４０の対応する作用面４２の先頭部は、最初圧縮ガスによる圧力を受け、その後燃焼による圧力を受け、これによって、ロータ４０に接線方向のかなりの力がかかる。中心軸１はさらに３０度回転してＴＤＣ（図示の状態）に達するが、興味深いことに、燃焼室の部分６０ａは容積が膨張して膨張仕事を行う。フェーズ調整歯車３８，３９によってピボット運動させられるロータ４０は、中心軸１に純粋な接線方向の力を及ぼす。これに対して、従来のロータリー機関（ワンケルエンジン）または往復機関では、３０度ＢＴＤＣの作用室は圧縮室であるため、仕事をすることはできない。

図６を参照すると、本発明の好ましい実施形態によれば、モータ１０は、アクセルペダル１１０の位置に関する情報を利用してモータ１０を制御する機関制御マイクロプロセッサ１１１によって制御される。機関制御マイクロプロセッサはさらに、フェーズ変更機構１００の瞬間的な状態を検出する位置検出器９４及びアクセルペダル検出器９５からの情報を利用して、それらを所定の相関関係に従って処理して、モータ１０の瞬間トルク要求を決定する。

図７を参照すると、ガス流路８０，８１は［一般にガソリン直接噴射（ＧＤＩ）に使用される種類の］高圧燃料インジェクタ８６，８７を備えている。機関制御マイクロプロセッサ１１１は燃料インジェクタ８６，８７を制御し、空気の質量流量検出器８８及び排気ガスの酸素検出器９２からの情報を利用する閉ループ制御と、フェーズ変更機構１００の状態、機関速度及び周囲空気圧の間の所定の相関関係を利用する開ループ制御と、の組み合わせを利用して、化学量論的空燃比を維持する。第２の回転部Ｃ２の圧縮室から排出される未利用の吸気は、再循環ダクト９０，９１を通じて吸気マニフォルド８９に再循環される。これは、再循環することが、空気の質量流量検出器８８の信頼性を維持するうえで非常に望ましいからである。機関制御マイクロプロセッサ１１１はさらに、燃料ラインの圧力に関する情報を利用して、燃料噴射持続時間を正確に制御する。

図８を参照すると、機関制御マイクロプロセッサ１１１は、中心軸２に連結された中心軸位置検出器９６からの情報を利用して点火プラグ対１６，１７及び１８，１９の点火時間を指令する。機関制御マイクロプロセッサ１１１はまた、フェーズ変更機構１００の状態を検出する位置検出器９４からの情報を利用して、一度に点火される点火プラグの数を決定する。

図９は、第１のフェーズ変更機構１００と第２のフェーズ変更機構１０１とがそれぞれ別個のモータ１０，１２によって駆動される、本発明の極めて好ましい他の実施形態を示している。従って、第２のフェーズ変更機構１０１は、第１のフェーズ変更機構１００との同期関係がないため、排気量と圧縮比の両方を広範囲にわたって変更することができる。それによって、機関は、広範囲の様々な花火点火可能な燃料について容易にかつ最適にシフトを行うことができる。第２の回転部Ｃ２のガス排出弁７７，７８は、ガス排出容量を増大させ、従って、機関の排気量変更可能性を向上させるように修正されかつ位置を変更されている。機関制御マイクロプロセッサ１１１は、ノック検出器９７からの情報を利用して圧縮比を高める。

本発明の本実施形態においては高圧燃料インジェクタ８６，８７が最も好ましいが、吸気フェーズ中に第２の回転部Ｃ２の吸気室に燃料を噴射する低圧インジェクタを含めることも好ましい。ポート燃料噴射システムも本発明の本実施形態に採用可能である。

当業者には理解されるように、本発明ならびにその特定の形態及び構成に、本発明の要旨から逸脱せずに様々な修正及び変更を加えることができる。本明細書で開示された実施形態は、本発明の様々な修正実施形態及びその好ましい形態の例に過ぎない。しかし、本明細書に示され記載された構成及び特徴だけに本発明を制限するのは望ましくなく、本明細書に開示され特許請求の範囲に記載される本発明の範囲及び要旨に適切に含まれるようなすべてのものが含まれることが望ましい。

Claims (7)

1. ４フェーズの機関サイクルのうち燃焼−膨張フェーズと排気フェーズとを行うようにされ容積が反復的に可変である複数の作用室を含む第１の回転部（Ｃ１）と、４フェーズの機関サイクルのうち吸気フェーズと圧縮フェーズとを行うようにされ容積が反復的に可変である複数の作用室を含む第２の回転部（Ｃ２）と、を少なくとも有し、
   互いに連続して設けられた前記複数の作用室の各々を、容積が膨張していく先頭部と容積が減少していく後方部とに周期的に分割する周期的シール手段（Ｃ１の７３，７４、Ｃ２の７５，７６）と、
   圧縮ガスを前記第２の回転部（Ｃ２）から前記第１の回転部（Ｃ１）へ順次移送する手段と、
   導入された吸気のうちの割合が可変である一部を圧縮フェーズ中に排出することによって有効機関排気量を修正する手段と、
   前記第１の回転部（Ｃ１）と前記第２の回転部（Ｃ２）との間のフェーズ関係を修正する手段（１００）と、
   を有する、分離サイクル可変容量花火点火ロータリー機関。
2. ４フェーズの機関サイクル、すなわち吸気フェーズ、圧縮フェーズ、燃焼−膨張フェーズ及び排気フェーズで作動する分離サイクル可変容量花火点火ロータリー機関であって、
   ４フェーズの機関サイクルのうち燃焼−膨張フェーズと排気フェーズとを行うようにされ容積が反復的に可変である複数の作用室を含む第１の回転部（Ｃ１）と、４フェーズの機関サイクルのうち吸気フェーズと圧縮フェーズとを行うようにされ容積が反復的に可変である複数の作用室を含む第２の回転部（Ｃ２）と、少なくとも有し、
   互いに連続して設けられた前記複数の作用室の各々を、所定の期間の間、容積が膨張していく先頭部と容積が減少していく後方部とに周期的に分割する手段（Ｃ１の７３，７４、Ｃ２の７５，７６）と、
   前記第２の回転部の圧縮室に連結される一端に位置する入口逆止め弁（８２，８４）と、前記第１の回転部の対応する燃焼−膨張室に連結される他方の端部に位置する出口制御弁（８３，８５）と、を含む流路手段（８０，８１）を備え、圧縮ガスを前記第２の回転部の前記圧縮室から前記第１の回転部の対応する前記燃焼−圧縮室へ順次移送する手段と、
   燃料を前記流路手段に噴射する手段（８６，８７）と、
   吸気を前記圧縮室から排出する排出弁手段（７７，７８）と、前記排出弁手段と対応する前記圧縮室との間のフェーズ関係を変更する弁制御手段と、を備え、導入された吸気のうちの割合が可変である一部を前記圧縮室から排出することによって有効機関排気量を修正する手段と、
   前記第１の回転部と前記第２の回転部との間のフェーズ関係を修正するフェーズ修正手段と、
   を有し、前記フェーズ修正手段は第１のフェーズ変更機構（１００）を、前記弁制御手段は第２のフェーズ変更機構（１０１）をそれぞれ有し、かつ前記第１及び第２のフェーズ変更機構（１００，１０１）の両方を駆動する駆動手段（１０）を有しており、
   アクセルペダル（１１０）の位置に関する情報を利用して前記駆動手段（１０）を制御するマイクロプロセッサを含む機関制御ユニット（１１１）を有する、分離サイクル可変容量花火点火ロータリー機関。
3. ４フェーズの機関サイクル、すなわち吸気フェーズ、圧縮フェーズ、燃焼−膨張フェーズ及び排気フェーズで作動する分離サイクル可変容量花火点火ロータリー機関であって、
   ４フェーズの機関サイクルのうち燃焼−膨張フェーズと排気フェーズとを行うようにされ容積が反復的に可変である複数の作用室を含む第１の回転部（Ｃ１）と、４フェーズの機関サイクルのうち吸気フェーズと圧縮フェーズとを行うようにされ容積が反復的に可変である複数の作用室を含む第２の回転部（Ｃ２）と、少なくとも有し、
   前記第１及び第２の回転部の各々は、多角形のロータ（４０，５０）が所定の作用フェーズを実行するように内部で動作する内側チャンバを有するロータハウジング（２０，３０）を有しており、前記各ロータ（４０，５０）は、２つの側面と複数のエイペックス部を有しており、前記ロータの作用面（ロータ４０の４２，４３，４４、ロータ５０の５２，５３，５４）は、互いに隣接するエイペックス部のそれぞれの対の間を延びており、前記各ロータはそれぞれの中心軸（１，２）から偏心して前記中心軸（１，２）と一体化された個々のローブ（１１，２２）の周りを回転可能であり、前記中心軸（１，２）は、それ自身の軸の周りを回転可能で、かつそれぞれのロータハウジング（２０，３０）に同軸に取り付けられており、内側リング歯車（３９，４９）が前記ロータ（４０，５０）の両側の前記側面に同軸に形成され、前記各ロータハウジングの互いに面する両側の側壁（２４，３４）に同軸に形成された対応する外側リング歯車（３８，４８）と噛み合って作動可能に係合されており、前記各作用室が、前記ロータの前記エイペックス部に支持されたエイペックスシール構造（４１）と前記ロータの両方の前記側面に支持されたサイドシール構造（６４）とを有するシールグリッドに囲まれており、
   互いに連続して設けられた前記複数の作用室の各々を、所定の期間の間、周期的に分割する分割シール手段（Ｃ１の７３，７４、Ｃ２の７５，７６）と、
   前記第２の回転部の圧縮室に連結される一端に位置する入口逆止め弁（８２，８４）と、前記第１の回転部の対応する燃焼−膨張室に連結される他方の端部に位置する出口制御弁（８３，８５）と、を含む流路手段（８０，８１）を有し、圧縮ガスを前記第２の回転部（Ｃ２）の前記圧縮室から前記第１の回転部（Ｃ１）の対応する前記燃焼−圧縮室へ順次移送するガス移送手段と、
   燃料を前記流路手段（８０，８１）に噴射する手段（８６，８７）と、
   前記第１の回転部（Ｃ１）の分割された前記作用室の先頭部の中で点火を生じさせる点火手段（１６，１７及び１８，１９）と、
   導入された吸気のうちの割合が可変である一部を前記圧縮室から排出するガス排出弁手段（７７，７８）と、
   前記ガス排出弁手段を制御する弁制御手段（１０１）と、
   第１のフェーズ変更機構（１００）と、該第１のフェーズ変更機構（１００）を駆動する第１の駆動手段（１０）と、を有し、前記第１の回転部と前記第２の回転部との間のフェーズ関係を変更するフェーズ修正手段と、
   を有し、前記弁制御手段が、第２のフェーズ変更機構（１０１）と、該第２のフェーズ変更機構（１０１）を駆動する第２の駆動手段（１２）と、を有し、
   前記第１の駆動手段（１０）と前記第２の駆動手段（１２）とを制御するマイクロプロセッサを含み、機関制御のための該マイクロプロセッサが、アクセルペダル（１１０）の位置に関する情報を利用して前記駆動手段（１０，１２）を制御し、前記マイクロプロセッサ（１１１）がさらに、燃料を噴射する前記燃料を噴射する手段（８６，８７）と点火を生じさせる前記点火手段とを制御する、機関制御ユニット（１１１）と、
   を有する、分離サイクル可変容量花火点火ロータリー機関。
4. 前記エイペックスシール構造はスイブルエイペックスシール構造（４１）を有している、請求項３に記載の分離サイクル可変容量花火点火ロータリー内燃機関。
5. 前記第１の回転部（Ｃ１）の前記ロータ（４０）は、前記各作用面（４２，４３，４４）の前記先頭部にくぼみ（４５，４６，４７）が設けられている、請求項３に記載の分離サイクル可変容量花火点火ロータリー内燃機関。
6. 導入され前記圧縮室から排出された一部の吸気は、再循環ダクト（９０，９１）を通じて、連続する前記吸気室に再循環される、請求項３に記載の分離サイクル可変容量花火点火ロータリー内燃機関。
7. 前記燃料を噴射する手段（８６，８７）を制御する前記機関制御のためのマイクロプロセッサ（１１１）は、空気の質量流量検出器（８８）及び排気ガスの酸素検出器（９２）からの情報を利用する閉ループ制御と、前記フェーズ変更機構（１００，１０１）の状態と機関速度と周囲空気圧との間の所定の相関関係を利用する開ループ制御と、の組み合わせを用いる、請求項３に記載の分離サイクル可変容量花火点火ロータリー内燃機関。

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