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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-08-26
(45)【発行日】2022-09-05
(54)【発明の名称】循環式ピストン・エンジンのための空気燃料システム
(51)【国際特許分類】
F02B 53/00 20060101AFI20220829BHJP
F02B 55/02 20060101ALI20220829BHJP
F02B 53/10 20060101ALI20220829BHJP
F02B 53/04 20060101ALI20220829BHJP
【ＦＩ】
F02B53/00 Z
F02B55/02 C
F02B53/10 D
F02B53/04 J
F02B53/04 W
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2021521338
(86)(22)【出願日】2019-11-01
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-14
(86)【国際出願番号】 US2019059457
(87)【国際公開番号】W WO2020092946
(87)【国際公開日】2020-05-07
【審査請求日】2021-05-20
(31)【優先権主張番号】62/754,186
(32)【優先日】2018-11-01
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】514208965
【氏名又は名称】ダブリュビー デベロップメント カンパニー エルエルシー
【氏名又は名称原語表記】ＷＢ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙ ＬＬＣ
【住所又は居所原語表記】６４ Ｃｏｕｎｔｒｙ Ｌａｎｅ Ｍａｒｌｂｏｒｏｕｇｈ， ＭＡ ０１７５２ ＵＳＡ
(74)【代理人】
【識別番号】100099634
【弁理士】
【氏名又は名称】平井 安雄
(72)【発明者】
【氏名】ボーニン，ウォルター，ティー
【審査官】櫻田 正紀
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－１１７７０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１０／０９５２２５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２００３－３３６５２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５０－０６６６０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６３－２２７９０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】欧州特許出願公開第２８０８４８４（ＥＰ，Ａ１）
【文献】特表２０１０－５０１７７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１６－５０５７６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１８－５１３３０１（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０２Ｂ ５３／００
Ｆ０２Ｂ ５５／０２
Ｆ０２Ｂ ５３／１０
Ｆ０２Ｂ ５３／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
エンジンであって、ハウジングと、
前記ハウジングによって保持される燃焼アセンブリであって、
前記エンジンによって規定される環状ボアと、
前記環状ボア内に配設された燃焼ピストン・アセンブリとを備え、前記燃焼ピストン・アセンブリが、
一組のピストンと、
前記燃焼ピストン・アセンブリの各ピストンに接続され、前記燃焼ピストン・アセンブリの回転方向に沿って、前記燃焼ピストン・アセンブリの各ピストンを超える燃焼ガスの流れを制限するように構成された、第１の封止リングと、
前記燃焼ピストン・アセンブリの各ピストンに接続され、前記環状ボアと前記エンジンによって保持される少なくとも１つの流体導管との間の選択的アクセスを提供するように構成された、第２の封止リングとを備える、燃焼アセンブリと、
少なくとも１つのバルブであって、前記燃焼ピストン・アセンブリが前記環状ボア内で前記少なくとも１つのバルブに近接する第１の配置から前記少なくとも１つのバルブより遠位側の第２の配置へと移動することを可能にする、前記環状ボア内の第１の位置と、燃焼チャンバを前記燃焼ピストン・アセンブリに対して前記第２の配置で規定する、前記環状ボア内の第２の位置との間で移動するように構成された、少なくとも１つのバルブと
を備える、エンジン。
【請求項2】
前記少なくとも１つのバルブが、円形の面板と前記面板の外周に配設された壁構造とを有する少なくとも１つのロータリー・バルブを備え、前記壁構造の回転軸が前記燃焼ピストン・アセンブリのピストンの回転軸に対して実質的に垂直であるようにして、前記少なくとも１つのロータリー・バルブの一部分が前記環状ボア内に配設される、請求項１に記載のエンジン。
【請求項3】
前記少なくとも１つのロータリー・バルブに接続された回転駆動メカニズムを更に備え、前記回転駆動メカニズムが、前記少なくとも１つのロータリー・バルブを、前記壁構造の開口部を前記環状ボアと整列させて、前記燃焼ピストン・アセンブリの前記ピストンが前記環状ボア内で前記ロータリー・バルブに対する第１の配置から前記ロータリー・バルブに対する第２の配置へと移動することを可能にする、第１の位置と、チャンバを前記燃焼ピストン・アセンブリの前記ピストンに対して前記第２の配置で規定する、第２の位置との間で回転させるように構成された、請求項２に記載のエンジン。
【請求項4】
空気を空気源から受け入れるように構成された前記少なくとも１つの流体導管に、燃料を提供するように構成された、燃料噴射器を更に備える、請求項１に記載のエンジン。
【請求項5】
前記第２の封止リングが少なくとも１つの開口部を規定し、前記燃焼ピストン・アセンブリが、前記第２の封止リングを、
前記第２の封止リングの壁部分を前記少なくとも１つの流体導管と整列させて、前記少なくとも１つの流体導管から前記燃焼室内への混合気の流れを軽減する、第１の位置と、
前記第２の封止リングの前記少なくとも１つの開口部を前記少なくとも１つの流体導管と整列させて、前記少なくとも１つの流体導管から前記燃焼室内への混合気の流れを容易にする、第２の位置との間で位置付けるように構成された、請求項１に記載のエンジン。
【請求項6】
前記第２の封止リングが少なくとも１つの開口部を規定し、前記燃焼ピストン・アセンブリが、前記第２の封止リングを、
前記第２の封止リングの壁部分を前記少なくとも１つの流体導管と整列させて、前記環状ボア内に位置する空気の圧縮中、前記環状ボアから前記少なくとも１つの流体導管への空気の送達を軽減する、第１の位置と、
前記第２の封止リングの前記少なくとも１つの開口部を前記少なくとも１つの流体導管と整列させて、前記環状ボア内および各ピストンの前方に位置する圧縮空気の流れが前記少なくとも１つの流体導管を通って流れるのを容易にする、第２の位置との間で位置付けるように構成された、請求項１に記載のエンジン。
【請求項7】
前記エンジンによって保持される圧縮アセンブリを更に備え、前記圧縮アセンブリが、前記ハウジングによって規定され、前記ハウジングによって規定される前記環状ボアに対して実質的に平行に配設された、環状圧縮チャネルと、
前記環状圧縮チャネル内に配設された圧縮ピストン・アセンブリとを備え、前記圧縮ピストン・アセンブリが、
前記環状圧縮チャネル内に配設された一組の圧縮ピストンと、
前記一組の圧縮ピストンの各圧縮ピストンに接続され、前記環状圧縮チャネルと前記エンジンによって保持される少なくとも１つの圧縮された流体導管との間に選択的なアクセスを提供するように構成された、圧縮ピストン封止リングとを備える、請求項１に記載のエンジン。
【請求項8】
前記圧縮ピストン封止リングが少なくとも１つの開口部を規定し、前記圧縮ピストン・アセンブリが、前記圧縮ピストン封止リングを、
前記圧縮ピストン封止リングの壁部分を前記少なくとも１つの流体導管と整列させて、前記環状圧縮チャネル内に位置する空気の圧縮中、前記環状圧縮チャネルから前記少なくとも１つの圧縮された流体導管への空気の送達を軽減する、第１の位置と、
前記圧縮ピストン封止リングの前記少なくとも１つの開口部を前記少なくとも１つの圧縮された流体導管と整列させて、前記環状圧縮チャネル内および各ピストンの前方に位置する圧縮空気の流れが前記少なくとも１つの圧縮された流体導管を通って流れるのを容易にする、第２の位置との間で位置付けるように構成された、請求項７に記載のエンジン。
【請求項9】
前記圧縮アセンブリと前記燃焼アセンブリとの間に配設され、前記圧縮アセンブリの前記少なくとも１つの圧縮された流体導管と前記燃焼アセンブリの前記少なくとも１つの流体導管との間に配設される開口部を規定する、ベース・プレートを備え、前記燃焼ピストン・アセンブリが、前記燃焼ピストンと前記エンジンの駆動軸との間に配設される延長部分を備え、前記延長部分が、前記ベース・プレートによって規定される前記開口部と選択的に整列されて、前記少なくとも１つの圧縮された流体導管から前記燃焼アセンブリの前記少なくとも１つの流体導管への圧縮空気の流れを容易にするように構成された、開口部を規定する、請求項７に記載のエンジン。
【請求項10】
前記燃焼ピストン・アセンブリが、前記延長部分を、前記延長部分の壁部分を前記ベース・プレートによって規定される前記開口部と整列させて、前記圧縮アセンブリの前記少なくとも１つの圧縮された流体導管から前記燃焼アセンブリの前記少なくとも１つの流体導管への圧縮空気の送達を軽減する、第１の位置と、
延長部分の前記開口部を前記ベース・プレートによって規定される前記開口部と整列させて、前記圧縮アセンブリの前記少なくとも１つの圧縮された流体導管から前記燃焼アセンブリの前記少なくとも１つの流体導管への圧縮空気の流れを容易にする、第２の位置との間で位置付けるように構成された、請求項９に記載のエンジン。
【請求項11】
前記圧縮アセンブリと流体連通して配設され、前記少なくとも１つの圧縮された流体導管から圧縮空気を受け入れるように構成された、空気リザーバを更に備える、請求項７に記載のエンジン。
【請求項12】
前記空気リザーバが、前記燃焼アセンブリの前記少なくとも１つの流体導管と流体連通して配設される、請求項１１に記載のエンジン。
【請求項13】
前記空気リザーバと前記燃焼アセンブリの前記少なくとも１つの流体導管との間で流体連通して配設される、空気制御バルブを更に備える、請求項１２に記載のエンジン。
【請求項14】
前記空気制御バルブと前記エンジンの燃料噴射器との間に配設され、空気制御バルブ設定に比例して前記燃料噴射器の動作を調節するように構成された、フィードバック制御システムを更に備える、請求項１３に記載のエンジン。
【請求項15】
前記エンジンによって保持される前記少なくとも１つの流体導管の近傍に配設される点火デバイスを更に備え、前記燃焼ピストン・アセンブリが、前記一組のピストンの各ピストンを、前記一組のピストンの各ピストンを対応する点火デバイスと整列させて、前記燃焼室内における混合気の点火を軽減する、第１の位置と、
前記一組のピストンの各ピストンと対応する点火デバイスとの整列をずらして、前記燃焼室内における前記混合気の点火を促進する、第２の位置との間で位置付けるように構成された、請求項１に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
従来のピストン・エンジンは、クランクシャフトを駆動するのに使用される複数のシリンダ・アセンブリを含む。クランクシャフトを駆動するために、各シリンダ・アセンブリは、燃料噴射器を介して燃料ポンプによって提供されるものなどの燃料を要する。動作中、各シリンダ・アセンブリの点火プラグが、燃料噴射器から受け入れられた混合気に点火し、混合気を膨張させる。点火された混合気の膨張によって、シリンダ・アセンブリ・ハウジング内にあるシリンダ・アセンブリのピストンが変位して、クランクシャフトを回転させる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0002】
従来のピストン・エンジンとは対照的に、本発明の実施形態は、循環式ピストン・エンジンのための空気燃料システムに関する。１つの構成例では、循環式ピストン・エンジンは、燃焼プロセス中にエンジンに入る空気圧を管理するように構成された、燃焼ピストン・アセンブリを含む。例えば、燃焼ピストン・アセンブリは、エンジンのハウジングによって規定される環状ボア内に配設された一組のピストンを含む。
【0003】
燃焼ピストン・アセンブリは更に、第１および第２の封止リングを含むことができる。第１の封止リングは、ピストンと関連するバルブとの間に形成された燃焼室内における燃焼後の、ピストンに対する燃焼ガスのガス漏れを軽減するように構成される。第２の封止リングは、環状ボアと、エンジンによって保持される、比較的高圧の空気の導管など、１つまたは複数の流体導管との間に選択的なアクセスを提供するように構成される。例えば、第２の封止リングは、流体導管に対して整列がずれたとき、流体導管を環状ボアから隔離し、それによって流体導管と環状ボアとの間の空気の流れを軽減する、多数の開口部を規定することができる。流体導管と整列されると、開口部は、流体導管と環状ボアとの間の空気の流れを可能にする。
【0004】
一実施形態では、エンジンは、ハウジングと、ハウジングによって保持される燃焼アセンブリとを含む。燃焼アセンブリは、エンジンによって規定された環状ボアと、環状ボア内に配設された燃焼ピストン・アセンブリとを含む。燃焼ピストン・アセンブリは、一組のピストンと、燃焼ピストン・アセンブリの各ピストンに接続された第１の封止リングと、燃焼ピストン・アセンブリの各ピストンに接続された第２の封止リングとを含む。第２の封止リングは、環状ボアとエンジンによって保持される少なくとも１つの流体導管との間に選択的なアクセスを提供するように構成される。エンジンは、燃焼ピストン・アセンブリが環状ボア内で少なくとも１つのバルブに近接する第１の配置から少なくとも１つのバルブより遠位側の第２の配置へと移動することが可能になる、環状ボア内の第１の位置と、燃焼チャンバを燃焼ピストン・アセンブリに対して第２の配置で規定する、環状ボア内の第２の位置との間で移動するように構成された、少なくとも１つのバルブを含む。
【0005】
上述および他の目的、特徴、および利点は、添付図面に図示されるような、本発明の特定の実施形態についての以下の記載から明白となるであろう。図面中、異なる図面全体を通して、同様の参照符号は同じ部分を指す。図面は必ずしも縮尺通りではなく、その代わりに、本発明の様々な実施形態の原理を例示するにあたって強調している。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1A】１つの構成例による、循環式ピストン・エンジンを示す上から見た概略断面図である。
【図3A】１つの構成例による、ロータリー・バルブの概略側面図である。
【図3D】ロータリー・バルブ・アセンブリの回転駆動メカニズムを示す概略下面断面図である。
【図9】１つの構成例による、燃焼チャネルおよび空気圧縮チャネルを有する循環式ピストン・エンジンを示す概略部分断面図である。
【図12】１つの構成例による、空気燃料管理システムの概略横断面図である。
【図13A】１つの構成例による、空気燃料管理システムのベース・プレートの開口部に対して第１の位置に配設された、燃焼ピストン・アセンブリの開口部を示す概略横断面図である。
【図13C】１つの構成例による、空気燃料管理システムのベース・プレートの開口部に対して第２の位置に配設された、燃焼ピストン・アセンブリの開口部を示す概略横断面図である。
【図14】１つの構成例による、空気燃料管理システムの概略横断面図である。
【図15】１つの構成例による、空気燃料管理システムの概略横断面図である。
【図16A】１つの構成例による、第１の位置に配設された燃焼制御システムを示す概略横断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0007】
循環式ピストン・エンジンは、燃焼プロセス中にエンジンに入る空気圧を管理するように構成された、燃焼ピストン・アセンブリを含む。例えば、燃焼ピストン・アセンブリは、エンジンのハウジングによって規定された環状ボア内に配設された一組のピストンを含む。燃焼ピストン・アセンブリは更に、第１および第２の封止リングを含むことができる。第１の封止リングは、ピストンと関連するバルブとの間に形成された燃焼室内における燃焼後の、ピストンに対する燃焼ガスのガス漏れを軽減するように構成される。第２の封止リングは、環状ボアと、エンジンによって保持される、比較的高圧な空気の導管など、１つまたは複数の流体導管との間に選択的なアクセスを提供するように構成される。例えば、第２の封止リングは、流体導管に対して整列がずれたとき、流体導管を環状ボアから隔離し、それによって流体導管と環状ボアとの間の空気の流れを緩和し、流体導管と整列されたとき、流体導管と環状ボアとの間の空気の流れを可能にする、多数の開口部を規定することができる。
【0008】
図１Ａおよび図１Ｂは、１つの構成例による、循環式ピストン・エンジン１０の概略図を示している。エンジン１０は、第１および第２のハウジング壁１５、１７の間でエンジンによって規定される環状チャネルまたはボア１４を含む、燃焼アセンブリ２５を有するハウジング１２を含む。エンジン１０は更に、燃焼ピストン・アセンブリ１６とバルブ・アセンブリ１８とを含む。
【0009】
環状ボア１４はハウジング１２の外周に配設される。環状ボア１４は様々なサイズで構成することができるが、１つの構成例では、環状ボア１４は、燃焼ピストン・アセンブリ１６の回転軸２１に対して約３０．４８ｃｍ（約１２インチ）の半径を有するように構成される。かかる構成を用いて、環状ボア１４の比較的大きい半径により、エンジン燃焼室が回転軸２１から最大距離に配設され、燃焼ピストン・アセンブリ１６が、回転軸２１に配設され燃焼ピストン・アセンブリ１６に結合された、駆動軸２０などの関連する駆動メカニズムに対して、比較的大きいトルクを発生させることが可能になる。
【0010】
環状ボア１４は、様々な形状を有する断面積を備えて構成することができる。例えば、燃焼ピストン・アセンブリ１６のピストン２４がほぼ長方形の断面積を規定する場合、環状ボア１４もそれに対応する長方形の断面積を規定することができる。かかる構成例では、環状ボア１４の断面積はピストン２４の断面積よりも大きいので、動作中にピストン２４が環状ボア１４内で移動することが可能になる。
【0011】
燃焼ピストン・アセンブリ１６は、環状ボア１４内に配設される任意の数の個々のピストン２４を含むことができる。例えば、図示される構成例では、燃焼ピストン・アセンブリ１６は、ピストン２４を駆動軸２０に結合する延長部分２８の周囲で環状ボア１４内に配設される、４つのピストン２４－１～２４－４を含む。ピストン２４は、延長部分２８の周囲に様々な配置で配設することができるが、１つの構成例では、対向するピストンは互いに対して約１８０°の角度配向で配設され、隣接するピストンは互いに対して約９０°の角度配向で配設される。例えば、図示されるように、第１および第３のピストン２４－１、２４－３は互いに対して約１８０°で配設され、第２および第４のピストン２４－２、２４－４は互いに対して約１８０°で配設される。それに加えて、第１および第２のピストン２４－１、２４－２は約９０°の相対角度配向で配設され、第２および第３のピストン２４－２、２４－３は約９０°の相対角度配向で配設され、第３および第４のピストン２４－３、２４－４は約９０°の相対角度配向で配設され、第４および第１のピストン２４－４、２４－１は約９０°の相対角度配向で配設される。
【0012】
動作中、燃焼ピストン・アセンブリ１６のピストン２４は、環状ボア１４で時計方向または反時計方向のどちらかで回転するように構成される。かかる回転によって、関連する駆動メカニズムが回転する。
【0013】
引き続き図１Ａおよび図１Ｂを参照すると、ピストン２４はそれぞれ、約４０．６４ｃｍ～５０．８０ｃｍ（約１６インチ～２０インチ）の距離など、比較的大きいストローク距離に沿ってボア１４内を後続のバルブ・アセンブリ１８に向かって移動する。１つの構成例では、ストローク長の終わりなど、ボア１４内の特定の地点で、各ピストン２４は、後続のバルブ・アセンブリ１８の近位側になどに配設される、チャンバ１１０内に含まれる使用済みガスを雰囲気へと通気する、対応する排気ポートを通る。例えば、ピストン２４－１が排気ポートを通る際、ピストン２４－１とロータリー・バルブ３０－１との間のチャンバ１１０に含まれる使用済みガスは、排気ポートを介してチャンバ２６－１を出ることができる。
【0014】
燃焼ピストン・アセンブリ１６はまた、第１のまたは外側封止リング１０２と第２のまたは内側封止リング１０４とを有する、封止アセンブリ１０１を含む。
【0015】
図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、第１の封止リング１０２は、ピストン２４とバルブ・アセンブリ１８の関連するバルブとの間に形成される燃焼室１１０内における燃焼後の、ピストン２４に対する燃焼ガスのガス漏れを軽減するように構成される。１つの構成例では、第１の封止リング１０２は、ピストン２４の外周の周りに延在し、燃焼ピストン・アセンブリ１６の各ピストン２４に結合される。例えば、第１の封止リング１０２は、各ピストン２４の外面に結合され、各ピストン２４の外面とハウジング１２の第２の壁１７の内側部分１９との間に配設されて、間に垂直方向の隙間空間を規定する。更に、第１の封止リング１０２および各ピストン２４は、環状ボア１４の天井壁と床との間にそれぞれ横方向の隙間空間を規定する。垂直方向および横方向の隙間空間は様々な寸法を有することができるが、１つの構成例では、各隙間空間は約０．０２５４ｍｍ～０．０３８１ｍｍ（約０．００１～０．００１５インチ）の長さを規定する。更に、１つの構成例では、垂直方向および横方向の隙間空間は、第１の封止リング１０２とハウジング１２の環状ボア１４の内壁１９、天井壁、および床との間の直接接触を最小限に抑える、空気または油を含む潤滑流体などの潤滑剤を含むことができる。
【0016】
図１Ａおよび図１Ｂに提供されるように、第１の封止リング１０２は、ハウジング１２の第２の壁１７に近接して配置される連続壁構造として構成することができる。１つの構成例では、図４～図６に示されるように、第１の封止リング１０２は、壁構造の円周の周りに配設される一組の開口部１２５を規定することができる。これらの開口部１２５は、ロータリー・バルブ３０と関連付けられた溶接接合部または溶接部が環状ボア１４内で回転するのを可能にしながら、第１の封止リング１０２との干渉を軽減するように構成される。
【0017】
例えば、図３Ｄを参照すると、また後述するように、各ロータリー・バルブ２４は、面板などのバルブ・ハウジングと、面板の外周に配設される壁構造とを含むことができる。メーカーは、壁構造の対向する端部を互いに溶接して、溶接接合部３１を作製することができる。しかしながら、溶接接合部３１を回転させてハウジング１２に入れることで、潜在的に燃焼ピストン・アセンブリ１６の回転と干渉する場合がある。開口部１２５を第１の封止リング１０２の円周の周りに位置付けることによって、ロータリー・バルブ３０および関連する溶接接合部をハウジング１２を通して回転させるとともに、燃焼ピストン・アセンブリ１６との干渉を軽減することができる。
【0018】
第２の封止リング１０４は、環状ボア１４とエンジン１０によって保持される１つまたは複数の流体導管１０６との間に選択的なアクセスを提供するように構成される。例えば、第２の封止リング１０４は、各ピストン２４の内面に結合され、各ピストン２４の内面とハウジング１２の第１の壁１５の内側部分２３との間に配設されて、間に垂直方向の隙間空間を規定する。垂直方向の隙間空間は様々な寸法を有することができるが、１つの構成例では、垂直方向の隙間空間は約０．０２５４ｍｍ～０．０３８１ｍｍ（約０．００１～０．００１５インチ）の長さを規定する。更に、１つの構成例では、垂直方向の隙間空間は、第２の封止リング１０４と第１の壁１５の内側部分２３との間の直接接触を最小限に抑える、空気または油を含む潤滑流体などの潤滑剤を含むことができる。
【0019】
第２の封止リング１０４は、各開口部１０８が燃焼ピストン・アセンブリ１６のピストン２４の近傍に配設された一組の開口部１０８を規定する。燃焼ピストン・アセンブリ１６は、第２の封止リング１０４の壁部分２７を対応する流体導管１０６と整列させる第１の位置と、第２の封止リング１０４の開口部１０８を少なくとも１つの流体導管１０６と整列させる第２の位置との間で、第２の封止リング１０４を位置付けるように構成される。
【0020】
第２の封止リング１０４の開口部１０８が流体導管１０６と整列されず、壁部分２７が流体導管１０６の上に配設された場合、第２の封止リング１０４は、図１Ｃに示されるような加圧空気リザーバ３５０によって提供される比較的高圧の空気、または流体導管１０６から環状ボア１４内に規定された燃焼室１１０内への混合気など、流体の流れを軽減する。しかしながら、燃焼ピストン・アセンブリ１６は封止リング１０４およびピストン２４を、図示されるような反時計方向などで回転させるので、燃焼ピストン・アセンブリ１６は、図１Ｂおよび図１Ｃに示されるように、第２の封止リング１０４の開口部１０８を流体導管１０６と整列させることができる。かかる位置付けによって、燃焼ピストン・アセンブリ１６は、ピストン２４とロータリー・バルブ・アセンブリ１８のロータリー・バルブ３０との間の環状ボア空間として、燃焼室１１０を規定する。更に、この位置付けは、流体導管１０６を介して比較的高圧の空気を燃焼室１１０と交換するのを可能にすることができ、ならびに／あるいは燃焼室１１０内への比較的高圧の混合気の流れを容易にすることができる。
【0021】
例えば、図１Ａ～図１Ｃに示されるように、燃料噴射器１１２－１は対応する流体導管１０６に結合することができる。動作中、流体導管１０６は、燃料を燃料噴射器１１２－１から、比較的高圧の空気を空気源３５０から受け入れることができる。燃料および空気を実質的に同時に導入することによって作られる乱流によって、燃料および空気を燃焼前に流体導管１０６内で混合することができるので、流体導管１０６はこの組合せを混合気として燃焼室１１０に提供する。
【0022】
別の例では、図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、燃料噴射器１１２－２は、流体導管１０６の近傍で、第１のエンジン壁１５などエンジン１０に結合することができる。動作中、燃料噴射器１１２－２および流体導管１０６は、燃料および比較的高圧の空気をそれぞれ燃焼室１１０に提供する。燃料および空気を実質的に同時に導入することによって作られる乱流によって、燃料および空気を燃焼前に燃焼室１１０内で混合することができる。
【0023】
上述したように、流体導管１０６は、高圧空気源３５０と流体連通して配設することができる。１つの構成例では、高圧空気源は、動作中に補給することができる多量の比較的高圧（例えば、約１．３８ＭＰａ～１．５５ＭＰａ（約２００～２２５ｐｓｉ））の空気を貯蔵するように構成された、空気リザーバ３５０であることができる。高圧空気源３５０は、様々な圧力で空気を包含することができるが、１つの構成例では、高圧空気源３５０は、約０．８３ＭＰａ（約１２０ｐｓｉ）よりも高い圧力で空気を包含することができ、約１．２１ＭＰａ（約１７５ｐｓｉ）よりも高い圧力で空気を包含することができる。比較的高圧の空気を流体導管１０６または燃焼室１１０に受け取ると、エンジン１０は、混合気の比較的高速の燃焼を提供することができ、それはエンジン１０の比較的高い動作効率につながる。
【0024】
上述したように、第１および第２の封止リング１０２、１０４は各ピストン２４に結合され、動作中、燃焼ピストン・アセンブリ１６がエンジン１０内で動作するにつれて、ピストン２４とともに回転するように構成される。第１および第２の封止リング１０２、１０４は、様々な方式でピストン２４に接続することができる。例えば、第１および第２の封止リング１０２、１０４は、締結具を使用して、燃焼ピストン・アセンブリ１６の各ピストン２４に結合することができる。別の例では、第１および第２の封止リング１０２、１０４は、各ピストン２４に溶接することができ、または各ピストン２４と摩擦嵌め接続を形成することができる。第１および第２の封止リング１０２、１０４が燃焼ピストン・アセンブリ１６の各ピストン２４に結合されることで、封止リング１０２、１０４は、横方向および垂直方向の安定性をピストン２４に提供し、それによって、燃焼後のピストン荷重によって生じるような各ピストン２４に対する曲げ力の生成が最小限に抑えられる。
【0025】
第１および第２の封止リング１０２、１０４は、様々な材料から製造することができる。１つの構成例では、封止リング１０２、１０４は、燃焼ピストン・アセンブリ１６を形成する材料の熱膨張係数に実質的に等しい、熱膨張係数を有する材料から製造することができる。そのため、動作中、エンジン１０の温度が変化するにつれて、第１および第２の封止リング１０２、１０４が、燃焼ピストン・アセンブリ１６のピストン２４と実質的に同じ速度で膨張または収縮する。
【0026】
バルブ・アセンブリ１８は様々な方式で構成することができる。一実施形態では、バルブ・アセンブリ１８は、各ロータリー・バルブ３０が燃焼ピストン・アセンブリ１６のそれぞれのピストン２４に対する燃焼室１１０を規定するように構成された、一組のロータリー・バルブ３０を含む。
【0027】
例えば、更に図２を参照すると、各ロータリー・バルブ３０は、ピストン２４の回転軸２１に実質的に垂直である回転軸５６を中心にして回転するように構成される。各ロータリー・バルブ３０がハウジング１２および環状ボア１４に対して回転することによって、対応するピストン２４に対して一時的な燃焼室１１０が作製される。例えば、図２に示されるように、ハウジング１２は、ロータリー・バルブ３０が中を通って延在する環状ボア１４に対して、対向する開口部１１５、１１６を規定する。具体的には、図２の第１のロータリー・バルブ３０－１を参照すると、ハウジング１２は、第１のまたは上側表面を通る第１の開口部１１５－１と、第２のまたは下側表面を通る対向する第２の開口部１１６－１とを規定する。第１のロータリー・バルブ３０－１は、第１の開口部１１５－１を通って環状ボア１４に入り、第２の開口部１１６－１を通る。かかる構成により、各ロータリー・バルブ３０の一部分は、エンジン１０の動作中、環状ボア１４内に回転可能に配設される。
【0028】
図３Ａ～図３Ｃに示されるように、ロータリー・バルブ・アセンブリ１８の各ロータリー・バルブ３０は、実質的に円形でカップ状の構造として製造される。例えば、各ロータリー・バルブ３０は、円形の面板などの面板５２と、面板５２の外周に配設された、ループ状の壁構造などの壁構造５０とを含むことができる。ロータリー・バルブ３０のループ状の壁構造５０は、スロット１００が環状ボア１４内を移動するピストン２４と位置合わせされたとき、ピストン２４がそれぞれ環状ボア１４内で回転することを可能にするように構成された、開口部またはスロット１００を規定する。
【0029】
使用の際、バルブ・アセンブリ１８は、ループ状の壁構造５０が、ピストン回転サイクルの大部分に対してピストン２４とともに隔壁を形成し、ピストン２４に対する燃焼室を規定するように、各ロータリー・バルブ３０を回転させることができる。ロータリー・バルブ３０の回転は、各ロータリー・バルブ３０によって規定される各スロット１００が環状ボア１４と一時的に整列されて、ピストン２４が環状ボア１４内で、ロータリー・バルブ３０に近接した第１の配置からロータリー・バルブ３０の遠位側の第２の配置へと移動するのを可能にするようにタイミングが取られる。
【0030】
ピストン２４およびロータリー・バルブ・アセンブリ１８は、駆動メカニズム２０から約３０．４８ｃｍ（約１２インチ）の距離など、エンジン・ハウジング１２の外周に配設される。回転方向に正接し、駆動メカニズム２０からの距離に垂直な方向に沿って、ピストン２４に適用される燃焼力とともに使用する際、かかる燃焼力は駆動メカニズム２０におけるトルクを最大限にすることができる。それに加えて、ピストン２４の比較的長いストロークパス、排気ポートの存在、およびボア１４内で発生する燃焼イベントの数をカスタマイズするエンジン１０の能力は、エンジン１０の性能を向上させることができる。例えば、エンジン１０は、約２５～３０％の効率を有する従来のエンジンと比べて、比較的高いトルク（例えば、平均トルク約６２２．１４７ｋｇｆ・ｍ（約４５００ｆｔ・ｌｂｓ））および効率（例えば、約６０％の効率）を有する比較的高い連続出力（例えば、分速８００回転で約６８５馬力）を生成することができる。
【0031】
各ロータリー・バルブ３０は様々な材料から製造することができるが、１つの構成例では、ロータリー・バルブ３０は、ハウジング１２に対して回転する際に、約２２０４．４４℃（約４０００°Ｆ）を超える燃焼温度および約６．８９５ＭＰａ（約１０００ｐｓｉ）の圧力に耐えることができる、１つまたは複数の材料から製造される。
【0032】
様々なタイプの回転駆動メカニズムを利用して、各ロータリー・バルブ３０を環状ボア１４内で回転させることができる。例えば、図３Ｄおよび図３Ｅは、ロータリー・バルブ・アセンブリ１８の回転駆動メカニズム６０の概略下面断面図および概略側面図をそれぞれ示している。回転駆動メカニズム６０は、駆動メカニズム２０に接続された駆動歯車６２を含むことができる。回転駆動メカニズム６０はまた、駆動歯車６２およびロータリー・バルブ３０と動作可能に連通して配設された、一組のロータリー・バルブ歯車６４を含むことができる。例えば、一組のロータリー・バルブ歯車６４は、回転駆動メカニズム６０とそれぞれ噛合する、第１、第２、第３、および第４のロータリー・バルブ歯車６６－１、６６－２、６６－３、および６６－４を含むことができる。駆動歯車６２および一組のロータリー・バルブ歯車６４は様々な方式で構成することができるが、１つの構成例では、駆動歯車６２とロータリー・バルブ歯車６４のそれぞれとは傘歯車として構成される。
【0033】
ロータリー・バルブ歯車６４－１～６４－４はそれぞれ、それぞれの軸６６－１、６６－２、６６－３、および６６－４を介して、対応する第１、第２、第３、および第４のロータリー・バルブ３０－１、３０－２、３０－３、および３０－４とも接続される。例えば、各軸６６は、対応するロータリー・バルブ３０のループ状の壁構造５０内へと延在し、軸の長手方向軸線がロータリー・バルブ３０の回転軸５６と実質的に共線であるようにして、そのロータリー・バルブの面板５２に接続する。
【0034】
かかる構成により、駆動メカニズム２０および駆動歯車６２が回転するにつれて、対応するロータリー・バルブ歯車６４、軸６６、およびロータリー・バルブ３０それぞれも同様に回転する。例えば、駆動メカニズム２０および駆動歯車６２が回転軸２１を中心にして時計方向で回転することによって、ロータリー・バルブ歯車６６－１～６６－４、軸６６－１～６６－４、およびロータリー・バルブ３０－１～３０－４が、それらそれぞれの回転軸５２－１～５２－４を中心にして回転する。そのため、回転駆動メカニズム６０は、各ロータリー・バルブ３０を、壁構造５０の開口部１００を環状ボア１４と整列させて、燃焼ピストン・アセンブリ１６のピストン２４が環状ボア１４内でロータリー・バルブ３０に対する第１の配置からロータリー・バルブ３０に対する第２の配置へと移動するのを可能にする、第１の位置と、第２の配置にある燃焼ピストン・アセンブリ１６のピストン２４に対してチャンバを規定する、第２の位置（図２を参照）との間で回転させることができる。
【0035】
１つの構成例では、図４～図６に示されるように、第２の封止リング１０４は、燃焼プロセス中、流体導管１０６を環状ボア１４に対して選択的に開放し隔離するように構成される。注目すべきことに、環状ボア１４、連続的に配設されたピストン２４、流体導管１０６、およびロータリー・バルブ３０は、明瞭にするため、曲線状ではなく線形的に整列して示される。
【0036】
図４では、各ピストン２４－１、２４－１が各ロータリー・バルブ３０－１、３０－２の対応する開口部１００を通過すると、ロータリー・バルブ３０－１、３０－２は回転し続けて、壁構造５０を環状ボア１４内に導入する。燃焼ピストン・アセンブリ１６のこの位置付けにより、第２の封止リング１０４の壁２７は、流体導管１０６－１、１０６－２の近傍に配設され、それによって流体導管１０６－１、１０６－２が環状ボア１４から隔離される。それに加えて、方向１２０に沿ったピストン２４の運動が、先の燃焼によって発生した排気を排気チャネル１１４－１、１１４－２内へと追いやり、それによってチャネルの前方が空く。例えば、方向１２０に沿った第２のピストン２４－２の回転が、環状ボア１４内の排気を排気チャネル１１４－１へと追いやり、チャネルが次に排気を雰囲気へと方向付ける。
【0037】
図５では、ロータリー・バルブ３０－１、３０－２の壁構造５０は、環状ボア１４内に配設されて、対応するピストン２４－１、２４－２に対して隔壁を形成する。更に、燃焼ピストン・アセンブリ１６は方向１２０に沿って回転し続ける。燃焼ピストン・アセンブリ１６のこの位置付けにより、第２の封止リング１０４の壁２７は、流体導管１０６－１、１０６－２の遠位側に配設され、第２の封止リング１０４の開口部１０８－１、１０８－２は、流体導管１０６－１、１０６－２の近傍に配設され、それによって流体導管１０６－１、１０６－２と燃焼室１１０－１、１１０－２との間の流体連通が可能になる。流体導管１０６－１、１０６－２内の圧力が対応する燃焼室１１０－１、１１０－２よりも高いことにより、流体導管１０６－１、１０６－２は、加圧空気リザーバ３５０などからの加圧空気１２２－１、１２２－２か、または混合気１２２－１、１２２－２のどちらかを、それぞれの燃焼室１１０－１、１１０－２内へと送達することができる。
【0038】
図６では、燃焼ピストン・アセンブリ１６を方向１２０に沿って続けて回転させることで、第２の封止リング１０４の開口部１０８－１、１０８－２がエンジン１０の第１のハウジング壁１５の近傍に、第２の封止リング１０４の壁２７が流体導管１０６－１、１０６－２の近傍に配設され、それによって流体導管１０６－１、１０６－２が環状ボア１４から隔離される。この時点で、各燃焼室１１０－１、１１０－２内の混合気の点火が開始され、燃焼が始まる。プロセスは、各ピストン２４－１、２４－２が次の続けて配置された排気ポートを通ると繰り返される。
【0039】
上述したように、流体導管１０６は、加圧空気リザーバ３５０などからの加圧空気か、または混合気のどちらかを、環状ボア１４内に規定されたそれぞれの燃焼室１１０に送達するように構成される。１つの構成例では、後述するように、流体導管１０６はまた、燃焼プロセス中に発生した環状ボア１４からの圧縮空気を受け入れ、圧縮空気を加圧空気リザーバ３５０に送達するように構成することができる。
【0040】
図７に示されるように、燃焼ピストン・アセンブリ１６は、第２の封止リング１０４を、第２の封止リング１０４の壁部分２７を対応する流体導管１０６と整列させる第１の位置に位置付けて、環状ボア１４内に位置する空気の圧縮中、環状ボア１４から流体導管１０６への空気の送達を軽減するように構成される。例えば、ピストン２４－１、２４－２が環状ボア１４内で方向１２０に沿って回転するにつれて、各ピストンは、対応する吸気チャネル１３０－２、１３０－３から空気を引き出し、燃料噴射器１１２－１、１１２－２は、対応する燃焼室１１０－１、１１０－２内へと燃料を注入する。更に、燃焼ピストン・アセンブリ１６を回転させることで、第２の封止リング１０４の開口部１０８－１、１０８－２がエンジン１０の第１のハウジング壁１５の近傍に配設され、第２の封止リング１０４の壁が流体導管１０６－１、１０６－２の近傍に配設され、それによって流体導管１０６－１、１０６－２が環状ボア１４から隔離される。そのため、ピストン２４－１、２４－２の回転によって、各ピストンの前方にある空気が閉止されたロータリー・バルブ３０に対して圧縮される。例えば、第１のピストン２４－１の回転によって、空気が第１の閉止されたロータリー・バルブ３０－１に対して圧縮され、第２のピストン２４－２の回転によって、空気が第２の閉止されたロータリー・バルブ３０－２に対して圧縮される。
【0041】
それに加えて、燃焼ピストン・アセンブリ１６は、第２の封止リング１０４を、第２の封止リング１０４の開口部１０８を対応する流体導管１０６と整列させる第２の位置に位置付けて、環状ボア１４内および各ピストン２４の前方に位置する圧縮空気の流れが流体導管１０６を通って流れるのを容易にするように構成される。例えば、動作中、空気の圧縮は、第２の封止リング１０４の開口部１０８－１、１０８－２が流体導管１０６－１、１０６－２の開口部と整列するまで継続する。図８に示されるように、燃焼ピストン・アセンブリ１６を更に回転させることにより、第２の封止リング１０４の開口部１０８－１、１０８－２が流体導管１０６－１、１０６－２の近傍に配設され、第２の封止リング１０４の壁が第１のハウジング壁１５の近傍に配設される。かかる位置付けによって、流体導管１０６－１、１０６－２と環状ボア１４との間の流体連通が可能になり、それによって加圧空気が環状ボア１４から導管１０６－１、１０６－２を通って、加圧空気リザーバ３５０へと流れることが可能になる。
【0042】
上述したように、燃料の燃焼および空気の圧縮の両方を、エンジン１０によって規定される単一の環状ボア１４内で行うことができる。１つの構成例では、エンジン１０は、圧縮プロセスを燃焼プロセスから分離するために、別個の燃焼および圧縮チャネルを含むことができる。例えば、エンジン１０は、比較的軽量の材料から機械加工または形成することができる圧縮チャネルを含む、空気圧縮アセンブリを有して構成することができる。それに加えて、圧縮チャネルの容積は対応する燃焼チャネルよりも大きい容積であることができる。かかる容積の差によって、空気圧縮アセンブリの空気容量が燃焼アセンブリ２５と比較して増加し、それによって補助デバイスの必要性が最小限に抑えられるかまたは排除される。クランクシャフト、接続ロッド、釣り合い重り、カムシャフトなどがないため、統合された空気圧縮アセンブリを有するこのエンジンは、従来のクランクシャフト・ベースのエンジンよりも５０％軽量であることができ、従来の１００％に近い出力を生成する。
【0043】
例えば、図９は、空気圧縮アセンブリ２３０を有する循環式ピストン・エンジン１０の概略部分横断面図を示している。空気圧縮アセンブリ２３０は、動作中に燃料噴射器１１２に送達することができる、エンジン１０の圧縮空気源として構成される。
【0044】
１つの構成例では、空気圧縮アセンブリ２３０は、ハウジング１２によって規定される環状圧縮チャネル２４２を含むことができる。図示されるように、圧縮チャネル２４２は、回転軸２１に沿って、燃焼チャネル（即ち、環状ボア）１４の軸線方向上方に、また実質的にそれに平行に配設することができる。空気圧縮アセンブリ２３０はまた、環状圧縮チャネル２４２内に配設された圧縮ピストン・アセンブリ３０４を含む。圧縮ピストン・アセンブリ３０４は、駆動軸（図示せず）に結合され、環状圧縮チャネル２４２内に配設された、一組の圧縮ピストン２４０を含むことができる。更に、図１０および図１１に示されるように、圧縮ピストン・アセンブリ３０４は、各圧縮ピストン２４０に接続された圧縮ピストン封止リング２０４を含むことができる。圧縮ピストン封止リング２０４は、後述するように、環状圧縮チャネル２４２とエンジン１０によって保持される圧縮された流体導管２０６との間に選択的なアクセスを提供するように構成される。
【0045】
図９に戻ると、動作中、両方の組のピストン２４、２４０は実質的に同じ速度で回転する。図示されるように、各圧縮ピストン２４０は、各ピストン２４０それぞれの近位側にオフセット距離Ｄで配設される。オフセット距離Ｄによって、単一の開口部１００を有する単一のロータリー・バルブ３０が、両方のチャネル１４、２４２のロータリー・バルブとして役立つことが可能になる。
【0046】
空気圧縮アセンブリ２３０の動作中、図１０および図１１を参照して上述したように、圧縮ピストン・アセンブリ３０４は、圧縮ピストン封止リング２０４を、圧縮ピストン封止リング２０４の壁部分２２７を対応する流体導管２０６と整列させる第１の位置に配設して、環状圧縮チャネル２４２内に位置する空気の圧縮中、環状圧縮チャネル２４２から圧縮された流体導管２０６への空気の送達を軽減するように構成される。圧縮ピストン・アセンブリ３０４は更に、圧縮ピストン封止リング２０４を、圧縮ピストン封止リング２０４の開口部２０８を圧縮された流体導管２０６と整列させる第２の位置に配設して、環状圧縮チャネル２４２内および各ピストン２４０の前方に位置する圧縮空気の流れが圧縮された流体導管２０６を通って流れるのを容易にするように構成される。
【0047】
例えば、図１０に示されるように、第１の位置では、圧縮ピストン封止リング２０４の開口部２０８－１、２０８－２がエンジン１０の第１のハウジング壁１５の近傍に配設され、圧縮ピストン封止リング２０４の壁２２７が流体導管２０６－１、２０６－２の近傍に配設され、それによって流体導管２０６－１、２０６－２が環状圧縮チャネル２４２から隔離される。この位置付けにより、ピストン２４０－１、２４０－２が環状ボア２４２内で方向１２０に沿って回転するにつれて、ピストン２４０－１、２４０－２は、それぞれの閉止されたロータリー・バルブ３０－１、３０－２に対して真空を作り出し、空気をエンジン１０の外部から吸気チャネル２３２－１、２３２－２を介して引き込む。そのため、吸気チャネル２３２－１、２３２－２は、ピストン２４０－１、２４０－２とロータリー・バルブ３０－１、３０－２との間のそれぞれの容積２３４－１、２３４－２に、非圧縮空気を充填する。またこの位置付けにより、ピストン２４０－１、２４０－２が環状ボア２４２内で方向１２０に沿って回転するにつれて、各ピストン２４０－１、２４０－２は、その前方に配設されたチャンバ２３６－１、２３６－２内の空気を圧縮する。例えば、第２のピストン２４０－２は、先に第１のピストン２４０－１によってチャンバ２３６－２に引き込まれた、チャンバ２３６－２内に位置する空気を圧縮する。
【0048】
図１１に示されるように、方向１２０に沿ったピストン２４０－１、２４０－２の運動によって、ピストン２４０－１、２４０－２は、圧縮ピストン封止リング２０４の開口部２０８－１、２０８－２が流体導管２０６－１、２０６－２に接近し、それらと実質的に整列されるまで、チャンバ２３６－１、２３６－２内の空気を圧縮し続ける。かかる位置付けによって、流体導管２０６－１、２０６－２と環状ボア１４との間の流体連通が可能になる。開口部２０８－１、２０８－２が流体導管２０６－１、２０６－２と整列すると、チャンバ２３６－１、２３６－２内に収容された圧縮空気は、流体導管２０６－１、２０６－２に入り、例えば、加圧空気リザーバ３５０に流れ込む。
【0049】
上述したように、流体導管２０６－１、２０６－２は、空気圧縮アセンブリ２３０によって生成された加圧空気を加圧空気リザーバ３５０に提供するように構成される。かかる説明は単なる例示として提供される。１つの構成例では、図１２によって示されるように、エンジン１０は、流体導管２０６が加圧空気の少なくとも一部分を燃焼アセンブリ２５の流体導管１０６へと方向付けることを可能にするように構成された、空気燃料管理システム３００を含むことができる。
【0050】
図１２、図１３Ａ、図１３Ｂ、および図１３Ｃを参照すると、空気燃料管理システム３００は、燃焼アセンブリ２５と空気圧縮アセンブリ２３０との間に配設されたベース・プレート３１０を含む。ベース・プレート３１０は、圧縮アセンブリ２３０の流体導管２０６に対する開口部３１２を規定する。エンジン１０はまた、燃焼アセンブリ２５と関連付けられた燃焼ピストン・アセンブリ３０２と、圧縮アセンブリ２３０と関連付けられた圧縮ピストン・アセンブリ３０４とを含む。例えば、燃焼ピストン・アセンブリ３０２は、延長部分３０６によって駆動軸２０に結合されたピストン２４を含むことができ、圧縮ピストン・アセンブリ３０４は、延長部分３０８によって駆動軸２０に結合されたピストン２４０を含むことができる。１つの構成例では、燃焼ピストン・アセンブリ３０２の延長部分３０６は、ベース・プレート３１０の開口部３１２と選択的に整列されて、圧縮空気が加圧された流体導管２０６から流体導管１０６へと流れることを可能にするように構成された開口部３１４を規定する。
【0051】
例えば、燃焼ピストン・アセンブリ３０２は、延長部分３０６を、図１３Ａおよび図１３Ｂに示されるような第１の位置に位置付けて、延長部分３０６の壁部分３１７をベース・プレート３１０によって規定される開口部３１２と整列させるように構成される。壁３１７の部分が開口部３１２を閉塞している状態で、かかる位置付けは、圧縮アセンブリ２３０の圧縮された流体導管２０６から燃焼アセンブリ２５の流体導管１０６への圧縮空気３１９の送達を軽減することができる。
【0052】
更なる動作中、燃焼ピストン・アセンブリ３０２は、延長部分３０６を、図１３Ｃに示されるような第２の位置に位置付けて、延長部分３０６の開口部３１４をベース・プレート３１０によって規定される開口部３１２と整列させて、圧縮アセンブリ２３０の少なくとも１つの圧縮された流体導管２０６から燃焼アセンブリ２５の流体導管１０６への圧縮空気３１９の流れを容易にするように構成される。例えば、図１３Ｂおよび図１３Ｃに示されるように、方向３１５に沿った延長部分３０６の回転によって、延長部分３０６の開口部３１４とベース・プレート３１０の開口部３１２とが徐々に整列され、それにより、燃焼アセンブリ２５への加圧空気送達のタイミングおよび持続時間が制御される。したがって、延長部分３０６の開口部３１４とベース・プレート３１０の開口部３１２との間に重なりがある状態で、加圧空気は流体導管１０６内へと移動することができる。
【0053】
１つの構成例では、開口部３１２、３１４の相対的な幾何学形状は、圧縮された流体導管２０６から燃焼アセンブリ２５の流体導管１０６への加圧空気の送達の持続時間を規定することができる。例えば、図示されるように、各開口部３１４、３１２は実質的に卵形で構成され、卵形はそれぞれ対応する長さＬ１、Ｌ２の長軸を有する。動作中、延長部分３０６がベース・プレート３１０を超えて回転するにつれて、長さＬ１、Ｌ２に沿った開口部３１４、３１２の重なりが、加圧された流体導管２０６から流体導管１０６への加圧空気の流れの持続時間を規定する。例えば、Ｌ１＝Ｌ２の場合、加圧された流体導管２０６から流体導管への加圧空気の送達の合計持続時間は２Ｌである（即ち、Ｌ１がＬ２を超えるのにかかる時間量）。
【0054】
上述したように、空気燃料管理システム３００は、燃焼ピストン・アセンブリ３０２の延長部分３０６によって規定される開口部３１４とベース・プレート３１０によって規定される開口部３１２との選択的な整列を利用して、加圧された流体導管２０６から流体導管１０６への加圧空気の流れを制御することができる。１つの構成例では、図１２に戻ると、ベース・プレート３１０は、開口部３１２と加圧された流体導管２０６との間に配設された空気制御バルブ（図示せず）を含むことができる。かかる構成を用いて、空気制御バルブは、加圧された流体導管２０６が特定の空気圧に達するのに応答して、開くように構成することができる。そのため、空気制御バルブは、加圧空気を加圧された流体導管２０６から流体導管１０６へと送達するスロットルとして作用することができる。
【0055】
１つの構成例では、空気燃料管理システム３００はまた、圧縮ピストン・アセンブリ３０４と燃焼ピストン・アセンブリ３０２との間の加圧空気の流れを更に制御する、静止バルブを含むことができる。例えば、燃焼ピストン・アセンブリ３０２は、内側封止リング１０４の近傍に配設された静止バルブ３１６を含むことができ、圧縮ピストン・アセンブリ３０４は、圧縮ピストン封止リング２０４の近傍に配設された静止バルブ３１８を含むことができる。封止リング１０４、２０４は、静止バルブ３１６、３１８に対して回転するように構成される。
【0056】
動作中、封止リング１０４、２０４の回転によって、内側封止リング１０４、２０４によって規定される開口部１０８、２０８とそれぞれの静止バルブ３１６、３１８との間が徐々に整列され、また整列しなくなる。封止リング２０４によって規定される開口部２０８が静止バルブ３１８と整列されると、加圧空気は圧縮アセンブリ２３０から圧縮された流体導管２０６へと流れることができる。更に、内側封止リング１０４によって規定される開口部１０８が静止バルブ３１６と整列されると、加圧空気は流体導管１０６から燃焼アセンブリ２５へと流れることができる。開口部１０８、２０８と静止バルブ３１６、３１８との間の相互作用によって、圧縮アセンブリ２３０から流体導管２０６へ、また流体導管１０６から燃焼アセンブリ２５内への圧縮空気の流れのタイミングおよび持続時間がもたらされる。
【0057】
１つの構成例では、燃焼ピストン・アセンブリ３０２の回転の速度は、一回転当たりの燃焼回数によって制御される。例えば、燃焼ピストン・アセンブリ３０２の回転の速度は、燃料噴射器１１２の燃焼順序によって決定することができる。４つのピストン・エンジンの４つの燃料噴射器１１２は、全出力で一回転当たり１６回燃焼することができる。あるいは、エンジン１０は、燃料噴射器を一回転当たり１～１６回の間で任意の回数燃焼させて、１６の速度設定を提供することができる。燃焼アセンブリ２５の燃焼室は、適切な噴射機１１２を使用不能にし、圧縮アセンブリ２３０の吸気チャネル１３０と関連付けられた吸気バルブ２３３を閉止することによって、燃焼しないようにして、不要な空気の圧縮を軽減することができる。更に、速度管理を達成するため、燃料噴射器１１２を、燃焼アセンブリ２５の燃焼室の入口の直ぐ前の体積に配設することができる。
【0058】
１つの構成例では、図１４および図１５に示されるように、エンジン１０は、加圧された流体導管２０６が圧縮アセンブリ２３０によって生成された加圧空気を空気リザーバ３５０へと方向付けることを可能にするように構成された、空気燃料管理システム３４０を含む。かかる構成例は、空気燃料管理システム３４０に、空気および燃料の混合プロセスに対する制御、ならびにエンジン始動手順の管理を提供する。
【0059】
例えば、燃焼ピストン・アセンブリ３０２は、内側封止リング１０４の近傍に配設された静止バルブ３１６を含み、圧縮ピストン・アセンブリ３０４は、封止リング２０４の近傍に配設された静止バルブ３１８を含む。封止リング１０４、２０４は、静止バルブ３１６、３１８に対して回転するように構成される。動作中、封止リング１０４、２０４の回転によって、封止リング１０４、２０４によって規定される開口部１０８、２０８とそれぞれの静止バルブ３１６、３１８とが徐々に整列され、また整列しなくなる。例えば、圧縮ピストン封止リング２０４に関して、開口部２０８が静止バルブ３１８と整列されると、圧縮アセンブリ２３０によって生成された圧縮空気が流体導管２０６を介して圧縮アセンブリ２３０を出て、導管が次に、加圧空気を空気リザーバ３５０へと方向付けて貯蔵する。圧縮ピストン封止リング１０４に関して、開口部１０８が静止バルブ３１６と整列されると、空気燃料管理システム３４０は、加圧空気リザーバ３５０と流体導管１０６との間に配設された空気制御バルブ３５２を開放して、加圧空気を空気リザーバ３５０から流体導管１０６内へと導入する。更に、燃料噴射器１１２の起動によって燃料が流体導管１０６に提供される。圧縮ピストン封止リング１０４を静止バルブ３１６に対して更に回転させることで、更に開口部１０８が静止バルブ３１６と整列され、それによって次に、流体導管１０６内の加圧混合気が燃焼アセンブリ２５によって規定される燃焼室に入ることが可能になる。
【0060】
１つの構成例では、加圧空気リザーバ３５０は、エンジン１０を始動するのに使用される大量の加圧空気を貯蔵するように構成される。例えば、エンジン点火の前は、エンジン１０のピストン２４は非回転状態で配設される。しかしながら、燃焼アセンブリ２５は、ピストン２４がエンジン１０内で回転し始めると、空気および燃料を燃焼室に提供するように構成される。エンジン点火プロセス中、エンジン１０内におけるピストン２４の回転を開始するために、空気リザーバ３５０は空気をピストン・アセンブリ２５に送達する。エンジン１０の回転に続いて、１つまたは複数の燃料噴射器１１２を対応する点火プラグまたはグロー・プラグ４００とともに燃焼させて、混合気に点火してピストン２４の回転を継続することができる。したがって、加圧空気リザーバ３５０を使用してエンジンを始動させることで、点火プロセスの一部としてのバッテリーの必要性が軽減される。
【0061】
１つの構成例では、引き続き図１５を参照すると、エンジン１０は、各燃料噴射器１１２と加圧空気リザーバ３５０と関連付けられた対応する空気制御バルブ３５２との間を電気的に連通して配設された、フィードバック制御システム４００を含む。フィードバック制御システム４００は、空気制御バルブ３５２に対する設定に比例して、燃料噴射器１１２の動作を調節するように構成される。例えば、動作中、ユーザは、スロットル・コントローラを使用して空気制御バルブ３５２を調節して、エンジン１０の速度を制御することができる。かかる調節により、空気制御バルブ３５２は、バルブ位置信号４０２をフィードバック制御システム４００に提供することができる。燃料噴射器１１２の比例的動作を維持するために、フィードバック制御システム４００は、バルブ位置信号４０２に基づいて燃料噴射器動作信号４０４を生成することができ、燃料噴射器動作信号４０４を燃料噴射器１１２に送信することができる。燃料噴射器動作信号４０４は次に、燃料噴射器１１２に、流体チャネル１０６へと送達される燃料の量を調節させる。そのため、燃料噴射器１１２によって提供される燃料の量は、流体チャネル１０６に提供される空気の量に比例する。
【0062】
動作中、エンジン１０は、点火プラグまたはグロー・プラグなどの混合気点火デバイスを利用して、燃焼室内の混合気に点火することができる。１つの構成例では、エンジン１０は、燃焼制御システムを用いて、混合気点火デバイスの比較的正確な点火制御を提供するように構成される。かかる制御は、燃焼室内の混合気が点火デバイスを急冷する確率を軽減することができる。
【0063】
図１６Ａを参照すると、燃焼制御システム３７５は、流体導管１０６に対して第１の配置に配設された第１の混合気点火デバイス４００と、流体導管１０６に対して第２の位置４０２に配設された第２の点火デバイス４０２とを含む。図示されるように、第２の点火デバイス４０２は、第１の点火デバイス４００に対して遠位位置に配設される。ピストン２４は、燃焼制御システム３７５の一部を形成し、第１および第２の点火デバイス４００、４０２を連続的に露出させて、デバイス４００、４０２の動作を選択的に制御するように構成される。
【0064】
１つの構成例では、動作中、燃焼ピストン・アセンブリ３０２は、ピストン２４を、ピストンを対応する点火デバイス４００、４０２と整列させる第１の位置に位置付けて、燃焼室１１０内の混合気４０５の点火を軽減するように構成される。例えば、図示されるように、燃焼ピストン・アセンブリ３０２は、ピストン２４を両方の点火デバイス４００、４０２の近傍に配設して、デバイス４００、４０２を被覆する。燃焼ピストン・アセンブリ３０２は更に、封止リング１０４の開口部１０８を流体導管１０６と整列させて、流体導管１０６が混合気４０５を、ロータリー・バルブ３０とピストンとの間のエンジン１０の燃焼室１１０内へと導入することを可能にする。図示されるように、開口部１０８は、流体導管１０６が混合気４０５を円形運動で燃焼室１１０内へと方向付けるように、封止リングおよび流体導管１０６に対して角度を付けられる。かかる円形運動は、燃焼室１１０内の乱流を作って、混合気４０５の比較的迅速な燃焼を可能にすることができる。
【0065】
図１６Ｂを参照すると、燃焼ピストン・アセンブリ３０２は更に、ピストン２４を、点火デバイスに対するピストン２４の整列がずれる第２の位置に位置付けて、燃焼室１１０内の混合気４０５の点火を促進するように構成される。例えば、図示されるように、燃焼ピストン・アセンブリ３０２は、封止リング１０４の開口部１０８をエンジン壁１７に対して方向４０４に沿って配設して、流体導管１０６を閉止する。燃焼ピストン・アセンブリ３０２は更に、ピストン２４を方向４０４に沿って両方の点火デバイス４００、４０２の近傍に配設して、デバイス４００、４０２を連続的な形で露出させ、それによって燃焼室１１０内のいくつかの地点における混合気１０５の点火を促進する。
【0066】
本発明の様々な実施形態について特に図示し記載してきたが、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態および詳細の様々な変更が行われてもよいことが、当業者には理解されるであろう。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図14】
【図15】
【図16A】
【図16B】