(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状ボアを形成するハウジングと、
前記環状ボア内に配置され、駆動機構に結合されるように構成されたピストンアセンブリと、
フェースプレートと円筒状の壁構造を備えたカップ状構造をなすロータリーバルブであって、前記円筒状の壁構造は、前記フェースプレートの外周に直立させて配設されると共に、前記円筒状の壁構造の回転軸に対して直交する開口を形成しており、前記ロータリーバルブの一部は、前記環状ボア内に配置されて、前記円筒状の壁構造の前記回転軸が、前記ピストンアセンブリの回転軸に対して直交するところのロータリーバルブと、
前記ロータリーバルブに結合され、そして、前記円筒状の壁構造の前記開口を前記環状ボアと合致させて、前記ピストンアセンブリのピストンが、前記環状ボア内で、前記ロータリーバルブに近付く第１の回転ロケーションから、前記ロータリーバルブから離れる第２の回転ロケーションまで移動することを許容するための第１のポジションと、前記第２の回転ロケーションにおいて、前記ピストンアセンブリの前記ピストンに関して、燃焼室を形成するための第２のポジションとの間で、前記ロータリーバルブを回転させるように構成された回転駆動機構とを備える
エンジン。
【請求項２】
前記ピストンアセンブリは、第１ピストン、第２ピストン、第３ピストン及び第４ピストンを有するフライホイールを備えており、前記第１ピストンは、前記フライホイール上の、前記第２ピストン及び第４ピストンから９０°である位置に配置され、前記第２ピストンは、前記フライホイール上の、前記第１ピストン及び第３ピストンから９０°である位置に配置され、前記第３ピストンは、前記フライホイール上の、前記第２ピストン及び第４ピストンから９０°である位置に配置され、そして、
前記第４ピストンは、前記フライホイール上の、前記第３ピストン及び第１ピストンから９０°である位置に配置されており、
前記ロータリーバルブは、前記ハウジング内で、第１のロケーションに配置された第１ロータリーバルブと、前記ハウジング内で、第２のロケーションに配置された第２ロータリーバルブと、前記ハウジング内で、第３のロケーションに配置された第３ロータリーバルブと、前記ハウジング内で、第４のロケーションに配置された第４ロータリーバルブとを備えており、
前記第１ロータリーバルブ、前記第２ロータリーバルブ、前記第３ロータリーバルブ及び前記第４ロータリーバルブの各々は、先行するロータリーバルブに対して９０°である位置に、前記環状ボアに沿って配置されている、
請求項１に記載したエンジン。
【請求項３】
前記回転駆動機構は、
前記駆動機構に結合された駆動ギアと、
前記駆動ギア及び前記ロータリーバルブと動作可能に連結されて配置されたロータリーバルブギアとを備える、
請求項１に記載したエンジン。
【請求項４】
前記回転駆動機構は、前記ロータリーバルブギアと前記ロータリーバルブとの間に結合されたシャフトをさらに備えており、前記シャフトの長さ方向の軸は、前記ロータリーバルブの回転軸と同一線上にある、
請求項３に記載したエンジン。
【請求項５】
前記エンジンは、バイパスアセンブリをさらに備えており、前記バイパスアセンブリは、  前記ロータリーバルブの第一の側に配置され、第１ポートバルブを有する第１ポートと、
前記ロータリーバルブの前記第一の側とは反対側となる第二の側に配置され、第２ポートバルブを有する第２ポートと、
前記第１ポート及び前記第２ポートと流体連結して配置されたバイパスチャンネルと、
前記第１ポートバルブ及び前記第２ポートバルブと動作可能に連結されて配置され、前記第１ポートバルブ及び前記第２ポートバルブの各々を、開放されたポジションと閉塞されたポジションとの間に配置するように構成されたバルブ作動アセンブリとを備える、
請求項１に記載したエンジン。
【請求項６】
前記バイパスアセンブリは、
前記バルブ作動アセンブリと動作可能に連結されて配置された燃料噴射器バルブを有する燃料噴射器と、
前記バルブ作動アセンブリと動作可能に連結されて配置された排気ポートバルブを有する排気ポートと
をさらに備える、
請求項５に記載したエンジン。
【請求項７】
前記ハウジングによって形成された環状圧縮チャンネルであって、前記エンジンによって形成された前記環状ボアの上方に、軸線方向に、且つ、前記環状ボアと平行に配置された環状圧縮チャンネルと、
前記環状圧縮チャンネル内に配置された１組の圧縮ピストンと
をさらに備える、
請求項１に記載したエンジン。
【請求項８】
前記環状圧縮チャンネルと流体連結して配置され、前記環状圧縮チャンネルからの圧縮空気を受け入れるように構成された圧縮空気リザーバをさらに備える、
請求項７に記載したエンジン。
【請求項９】
前記ハウジングによって形成された第２の環状圧縮チャンネルであって、前記エンジンによって形成された前記環状ボアの下方に、軸線方向に、且つ、前記環状ボアと平行に配置された第２の環状圧縮チャンネルをさらに備える、
請求項７に記載したエンジン。
【請求項１０】
ハウジングであって、前記ハウジングの外表面の周囲に広がる環状ボアを形成するところのハウジングと、
前記環状ボア内に配置され、ドライブシャフトに連結された１組のピストンと、
前記環状ボア内に回転可能に配置された１組のロータリーバルブであって、その各々が、フェースプレートと当該フェースプレートの外周に直立させて配設される円筒状の壁構造とを備えたカップ状構造をなし、前記１組のピストンのうちの対応するピストンに関して、一時的な燃焼室を形成するように構成された１組のロータリーバルブと、
各ロータリーバルブに結合される回転駆動機構とを備え、
前記１組のロータリーバルブのうちの各々のロータリーバルブが、前記円筒状の壁構造の回転軸に対して直交する開口を形成する円筒状の壁構造を備えており、各ロータリーバルブの一部は、前記環状ボア内に配置されて、前記円筒状の壁構造の前記回転軸が、前記１組のピストンの回転軸に対して直交し、
前記回転駆動機構が、前記円筒状の壁構造の前記開口を前記環状ボアと合致させて、前記１組のピストンのうちのピストンが、前記環状ボア内で、前記ロータリーバルブに近付く第１の回転ロケーションから、前記ロータリーバルブから離れる第２の回転ロケーションまで移動することを許容するための第１のポジションと、前記第２の回転ロケーションにおいて、前記１組のピストンのうちの前記ピストンに関して、燃焼室を形成するための第２のポジションとの間で、各ロータリーバルブを回転させるように構成される、
循環ピストンエンジン。
【請求項１１】
前記ピストンアセンブリは、第１ピストン、第２ピストン、第３ピストン及び第４ピストンを有するフライホイールを備えており、前記第１ピストンは、前記フライホイール上の、前記第２ピストン及び第４ピストンから９０°である位置に配置され、前記第２ピストンは、前記フライホイール上の、前記第１ピストン及び第３ピストンから９０°である位置に配置され、前記第３ピストンは、前記フライホイール上の、前記第２ピストン及び第４ピストンから９０°である位置に配置され、そして、前記第４ピストンは、前記フライホイール上の、前記第３ピストン及び第１ピストンから９０°である位置に配置されており、
前記ロータリーバルブは、前記ハウジング内で、第１のロケーションに配置された第１ロータリーバルブと、前記ハウジング内で、第２のロケーションに配置された第２ロータリーバルブと、前記ハウジング内で、第３のロケーションに配置された第３ロータリーバルブと、前記ハウジング内で、第４のロケーションに配置された第４ロータリーバルブとを備えており、
前記第１ロータリーバルブ、前記第２ロータリーバルブ、前記第３ロータリーバルブ及び前記第４ロータリーバルブの各々は、先行するロータリーバルブに対して９０°である位置に、前記環状ボアに沿って配置されている、
請求項１０に記載した循環ピストンエンジン。
【請求項１２】
前記回転駆動機構は、
前記駆動機構に結合された駆動ギアと、
前記駆動ギア及び前記ロータリーバルブと動作可能に連結されて配置されたロータリーバルブギアとを備える、
請求項１１に記載した循環ピストンエンジン。
【請求項１３】
前記回転駆動機構は、各ロータリーバルブギアと各ロータリーバルブとの間に結合されたシャフトをさらに備えており、各シャフトの長さ方向の軸は、各ロータリーバルブの回転軸と同一線上にある、
請求項１２に記載した循環ピストンエンジン。
【請求項１４】
前記エンジンは、バイパスアセンブリをさらに備えており、前記バイパスアセンブリは、
各ロータリーバルブの第一の側に配置され、第１ポートバルブを有する第１ポートと、
各ロータリーバルブの前記第一の側とは反対側となる第二の側に配置され、第２ポートバルブを有する第２ポートと、
前記第１ポート及び前記第２ポートと流体連結して配置されたバイパスチャンネルと、
前記第１ポートバルブ及び前記第２ポートバルブと動作可能に連結されて配置され、前記第１ポートバルブ及び前記第２ポートバルブの各々を、開放されたポジションと閉塞されたポジションとの間に配置するように構成されたバルブ作動アセンブリと
を備える、
請求項１０に記載した循環ピストンエンジン。
【請求項１５】
前記バイパスアセンブリは、
前記バルブ作動アセンブリと動作可能に連結されて配置された燃料噴射器バルブを有する燃料噴射器と、
前記バルブ作動アセンブリと動作可能に連結されて配置された排気ポートバルブを有する排気ポートとをさらに備える、
請求項１４に記載した循環ピストンエンジン。
【請求項１６】
前記ハウジングによって形成された環状圧縮チャンネルであって、前記エンジンによって形成された前記環状ボアの上方に、軸線方向に、且つ、前記環状ボアと平行に配置された環状圧縮チャンネルと、
前記環状圧縮チャンネル内に配置された１組の圧縮ピストンと
をさらに備える、
請求項１０に記載した循環ピストンエンジン。
【請求項１７】
前記環状圧縮チャンネルと流体連結して配置され、前記環状圧縮チャンネルからの圧縮空気を受け入れるように構成された圧縮空気リザーバをさらに備える、
請求項１６に記載した循環ピストンエンジン。
【請求項１８】
前記ハウジングによって形成された第２の環状圧縮チャンネルであって、前記エンジンによって形成された前記環状ボアの下方に、軸線方向に、且つ、前記環状ボアと平行に配置された第２の環状圧縮チャンネルをさらに備える、
請求項１６に記載した循環ピストンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
従来の内燃ピストンエンジンは、クランクシャフトを駆動するために用いられる多気筒アセンブリを含んでいる。このクランクシャフトを駆動するために、各気筒アセンブリは、燃料ポンプにより燃料噴射器を介して提供される燃料を必要とする。運転中、各気筒アセンブリのスパークプラグは、燃料噴射器から受け入れた燃料−空気混合物に点火し、この混合物を膨張させる。点火された混合物の膨張によって、この気筒アセンブリのピストンを、気筒アセンブリハウジング内で移動させて、このクランクシャフトを回転させる。
【０００２】
ロータリーエンジンは、従来のピストンエンジンに代わる可能性があるものと考えられてきている。例えば、ロータリーエンジンは、この技術分野においては、循環ボアを有するエンジンハウジングと、このボア内に移動可能に取り付けられた１又は２以上のバルブと、このボア内に回転可能に配置され、そして、ドライブシャフトに連結された１組のピストンとを含むものと記載されている。運転中、ドライブシャフトが回転すると、各バルブは、一瞬の間開放されて、ピストンがエンジンハウジング内のバルブロケーションを通過することを許容する。ピストンが回転してバルブロケーションを通過すると、バルブが閉塞されて、バルブとピストンとの間に燃焼室を形成する。燃料噴射器は、この燃焼室内に燃料−空気混合物を噴射し、点火プラグによって点火される。燃料の燃焼によって生じた燃焼室内の圧力により、ピストンがボア内で前方に回転し、順に生じるこれらによって、ドライブ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】
【０００３】
従来の内燃ピストンエンジンについては、様々な欠陥に悩まされている。例えば、ピストンエンジンの全体的な運転効率は比較的低いとこれまで長く認識されてきている。ピストンエンジンの相対的な非効率性は、高い燃料消費率と、環境を汚染する排出物の原因となっている。これらの認識された欠陥にも拘わらず、ピストンエンジンの構造が、今日でも依然として支配的である。
【０００４】
あるロータリーエンジン、ヴァンケルエンジン（Wankel engine）は、従来のピストンエンジンに対して、幾つかの成功を手にしているが、結局市場では失敗に終わってしまった。このヴァンケルエンジンは、偏心回転構造を利用したものであり、上述したロータリーエンジンとは、構造上相違するものであった。
【０００５】
上述したロータリーエンジンは、高効率及び高出力を約束するものであったが、従来のピストンエンジンに対して重大な挑戦をしかけたものでは決してなかった。これらのロータリーエンジンは、大きな欠点があり、これらの欠点により、ロータリーエンジンについて市場で成功することが阻まれてしまった。これらの挑戦の幾つかを以下に記載する。
【０００６】
例えば、ロータリーエンジンに関して上述したように、ピストンがバルブロケーションを通過して回転した後、バルブは閉塞されて、燃焼室を形成し、燃料噴射器は、この燃焼室内に燃料−空気混合物を噴射し、そして、スパークプラグは、この混合物に点火する。
ロータリーエンジンは、一時的な燃焼室を形成するバルブを移動させることを利用するように構成されているが、これらの構成は、ピストンが燃焼ガスの一部を追い越すときに生じるピストンの逸走の問題について対処していない。例えば、運転中に、ピストンは、バルブが閉塞し始めることが可能になる前に、ボア内でバルブを通り過ぎて回転しなければならない。バルブが完全に閉じるまでにかかる時間の間、ピストンは、ボア内を前進し続け、これによって、燃焼室を増大し、比較的速い燃料入力と高い燃焼率が必要になる。ピストンの逸走を回避するためには、ピーク燃焼が、ピストンにできるだけ近いときに生じなければならない。
【０００７】
加えて、従来のロータリーエンジンの構造は、燃料供給と燃焼との問題について対処していない。燃焼事象中に排気に対するエネルギーロスの量を２５％以下に制限するためには、バルブ作動、燃料及び空気入力、並びに、ピーク燃焼圧力が、エンジンの排気ポートまでの距離の約１／４の位置で起きなければならない。しかしながら、従来のロータリーエンジンの構造では、バルブ作動が、燃焼事象に利用できる時間の８０％以下で起き、これにより、燃料供給及び点火のための時間が殆どなくなってしまう。従って、燃料−空気混合物を燃焼室内に、比較的短い時間（例えば、１ミリ秒未満）で導入するためには、比較的高い圧力が必要である。
【０００８】
例えば、ロータリーエンジンが１８．８５インチのストローク長さを形成すると仮定する。毎分６００回転（ＲＰＭ）でボア内を移動するピストンの場合、このピストンは、０．７５インチ／ミリ秒（ｍｓ）の速度で移動する。さらに、ボア内のピーク圧力が、完全点火で（すなわち、燃焼事象で）１０００ｐｓｉであると仮定する。燃焼から１６インチ離れて位置した排気ポートの場合、排気に対するエネルギーロスの量を２５％以下に制限するためには、排気ポートにおける圧力が２５０ｐｓｉ以下でなければならない。燃焼事象からの距離が倍になると、圧力は半分に減少するので、排気ポートから８インチの位置における圧力は、約５００ｐｓｉであり、排気ポートから４インチの位置における圧力は、約１０００ｐｓｉである。これは、ピストンがバルブから４インチ以内の距離に位置しているときに、バルブ作動、燃料供給及び燃焼が起きなければならないことを示している。
【０００９】
ピストンが、０．７５インチ／ｍｓの速度で移動する場合、このピストンは、約５ｍｓで４インチの距離を移動することができる。さらに、バルブの作動には、燃焼事象に利用できる時間の８０％必要であるため、バルブが、完全に開放されたポジションから完全に閉塞されたポジション（すなわち、３インチのピストンの移動距離）に移動するのに、４ｍｓかかる。これにより、燃料供給及び燃焼のために約１．５ｍｓ（すなわち、１インチのピストンの移動距離）を残すことになる。従って、燃焼室に燃料−空気混合物を１／２ｍｓで供給するためには、約１７６ｐｓｉ以上の圧力が必要である。従来の燃料噴射器は、通常、点火のために１０ｍｓ以上必要であるため、これらの燃料噴射器は、この能力を備えるものではない。
【００１０】
従来のピストンエンジン及びロータリーエンジンの構造に対して、本発明の実施形態は、ロータリーバルブアセンブリを有する循環ピストンエンジンに関するものである。例えば、このロータリーバルブアセンブリは、１組のロータリーバルブを含んでおり、各々のロータリーバルブは、実質的に円形状、すなわち、ループ状の壁構造を形成しており、そして、各々のロータリーバルブは、エンジンのボアと選択的に合致するスロット又は開口を形成している。運転中、ロータリーバルブは、回転軸の周りを回転し、この回転軸は、エンジン内で、ピストンの回転軸に対して実質的に直交する。このような回転に伴って、ロータリーバルブの開口が、エンジンボアと合致するときに、ピストンは、エンジンボア内で、ロータリーバルブを越えて移動することができる。ロータリーバルブの壁構造がエンジンボアと合致すると、このロータリーバルブは、ピストンと共に燃焼室を形成する。この構造に基づいて、ロータリーバルブは、比較的高速で動作することができる（例えば、ロータリーバルブは、０．８８ｍｓに１回の割合で開閉される）。従って、ピーク圧力が起こるときに、このように比較的速い速度での燃焼室の形成により、燃焼室の大きさを小さくし、これにより、ピストンの逸走の問題に対処し、一方、エンジンの運転効率を高めるものである。
【００１１】
１つの形態においては、循環ピストンエンジンはまた、燃焼チャンネルから分離して、比較的高い圧力の圧縮空気を形成するように構成された少なくとも１つの圧縮チャンネルを形成するものである。この循環ピストンエンジンは、圧縮空気を、圧縮空気リザーバ内で約１７６ｐｓｉの圧力で維持し、一方、比較的高い圧力の空気を燃料噴射器に供給する。このような圧縮に伴って、燃料噴射器は、燃料−空気混合物を燃焼室に１／２ｍｓで供給する。
【００１２】
１つの形態においては、本発明の実施形態は、環状ボアを形成するハウジングと、この環状ボア内に配置されたピストンアセンブリとを含むエンジンに関するものであり、このピストンアセンブリは、駆動機構に結合されるように構成される。このエンジンは、ループ状の壁構造を備えており、このループ状の壁構造は、このループ状の壁構造の回転軸に対して実質的に直交する開口を形成しており、このロータリーバルブの一部は、環状ボア内に配置されて、ループ状の壁構造の回転軸が、ピストンアセンブリの回転軸に対して実質的に直交する。このエンジンは、回転駆動機構を含んでおり、この回転駆動機構は、ロータリーバルブに結合され、そして、ループ状の壁構造の開口を環状ボアと合致させて、ピストンアセンブリのピストンが、環状ボア内で、ロータリーバルブに対する近位の第１のロケーションから、ロータリーバルブに対する遠位の第２のロケーションまで移動することを許容するための第１のポジションと、第２のロケーションにおいて、ピストンアセンブリのピストンに関して、燃焼室を形成するための第２のポジションとの間で、ロータリーバルブを回転させるように構成されている。
【００１３】
１つの形態においては、本発明の実施形態は、循環ピストンエンジンに関するものであり、これは、ハウジングであって、このハウジングの外表面の周囲に広がる環状ボアを形成するところのハウジングと、環状ボア内に配置され、駆動機構、すなわち、ドライブシャフトに取り付けられた１組のピストンとを含んでいる。このエンジンはまた、ボア内に回転可能に配置された１組のバルブを含んでおり、各バルブは、対応するピストンに関して一時的な燃焼室を形成するように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
上述した目的、特徴及び利点、並びに、他の目的、他の特徴及び他の利点は、添付図面に示された、本発明の特別な実施形態に関する以下の記述から明らかであり、これらの図面において、同様の参照記号は、異なる図面全体を通して、同一の部品を示すものとする。これらの図面は、本発明の様々な実施形態の原理を図示するにあたり、必ずしも正しく拡大縮小しているわけではなく、強調したものもある。
【００１５】
【図１Ａ】１つの形態に従った、ロータリーバルブアセンブリを有する循環ピストンエンジンの、上から見た概略平面図を示す。
【００１６】
【図１Ｂ】１つの形態に従った、ロータリーバルブの概略側面図を示す。
【００１７】
【図１Ｃ】１つの形態に従った、図１Ｂのロータリーバルブの概略底面図を示す。
【００１８】
【図１Ｄ】１つの形態に従った、図１Ｂのロータリーバルブの、上から見た概略斜視図を示す。
【００１９】
【図１Ｅ】１つの形態に従った、図１Ａのロータリーバルブ及び循環ピストンエンジンの概略を表す部分斜視図を示す。
【００２０】
【図１Ｆ】図１Ａのロータリーバルブアセンブリの回転駆動機構の、底から見た概略断面図を示す。
【００２１】
【図１Ｇ】１つの形態に従った、図１Ｆの回転駆動機構の概略側面図を示す。
【００２２】
【図２Ａ】１つの形態に従った、図１Ａの循環ピストンエンジンの環状ボアの一部の概略部分断面図を示す。
【００２３】
【図２Ｂ】１つの形態に従った、図２Ａの環状ボアの一部の概略部分断面図を示す。
【００２４】
【図３Ａ】１つの形態に従った、１組のバイパスバルブを有する循環ピストンエンジンの概略断面図を示す。
【００２５】
【図３Ｂ】１つの形態に従った、図３Ａの環状ボアの一部、及び、第１の構造において配置されたバイパスバルブの概略側部断面図を示す。
【００２６】
【図４Ａ】１つの形態に従った、１組のバイパスバルブを有する、図３Ａの循環ピストンエンジンの概略断面図を示す。
【００２７】
【図４Ｂ】１つの形態に従った、図４Ａの環状ボアの一部、及び、第２の構造において配置されたバイパスバルブの概略側部断面図を示す。
【００２８】
【図５】１つの形態に従った、燃焼チャンネル及び空気圧縮チャンネルを有する循環ピストンエンジンの概略側部部分断面図を示す。
【００２９】
【図６Ａ】空気圧縮チャンネル及び燃焼チャンネルのそれぞれに関する、第２のポジションに配置された、図６Ａの空気圧縮ピストン及び燃焼ピストンを有する循環ピストンエンジンの概略側部断面図を示す。
【００３０】
【図６Ｂ】空気圧縮チャンネル及び燃焼チャンネルのそれぞれに関する、第１のポジションに配置された、図５の空気圧縮ピストン及び燃焼ピストンを有する循環ピストンエンジンの概略側部断面図を示す。
【００３１】
【図６Ｃ】空気圧縮チャンネル及び燃焼チャンネルのそれぞれに配置された、図６Ａ及び６Ｂの空気圧縮ピストン及び燃焼ピストンを有する循環ピストンエンジンの概略側部断面図を示す。
【００３２】
【図６Ｄ】１つの形態に従った、空気圧縮チャンネル、燃焼チャンネル及びロータリーバルブを有する循環ピストンエンジンの概略側部断面図を示す。
【００３３】
【図７】１つの形態に従った、第１及び第２の空気圧縮チャンネル、燃焼チャンネル並びにロータリーバルブを有する循環ピストンエンジンの概略側部断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明の実施形態は、ロータリーバルブアセンブリを有する循環ピストンエンジンに関するものである。例えば、このロータリーバルブアセンブリは、１組のロータリーバルブを含んでいてもよく、各々のロータリーバルブは、実質的に円形又はループ状の壁構造を形成しており、そして、各々のロータリーバルブは、エンジンのボアと選択的に合致するスロット又は開口を形成している。運転中、ロータリーバルブは、回転軸の周りを回転し、この回転軸は、エンジン内で、ピストンの回転軸に対して実質的に直交する。このような回転に伴って、ロータリーバルブの開口が、エンジンボアと合致するときに、ピストンは、エンジンボア内で、ロータリーバルブを越えて移動することができる。ロータリーバルブの壁構造がエンジンボアと合致すると、このロータリーバルブは、ピストンと共に燃焼室を形成する。この構造に基づいて、ロータリーバルブは、比較的高速で動作することができる（例えば、ロータリーバルブは、０．８８ｍｓに１回の割合で開閉される）。従って、ピーク圧力が起こるときに、このように比較的速い速度での燃焼室の形成により、燃焼室の大きさを小さくし、これにより、ピストンの逸走の問題に対処し、一方、エンジンの運転効率を高めるものである。
【００３５】
図１Ａは、１つの実施形態に従った、循環ピストンエンジン１０の、上から見た概略平面図を示している。このエンジン１０は、ハウジング１２を含んでおり、このハウジングは、環状チャンネル、すなわち、ボア１４を形成すると共に、ピストンアセンブリ１６及びロータリーバルブアセンブリ１８を含んでいる。
【００３６】
環状ボア１４は、ハウジング１２の外周に配置されている。この環状ボア１４は、様々な大きさに構成されていてもよく、１つの形態においては、この環状ボア１４は、ピストンアセンブリ１６の回転軸２１に対して、約１２インチの半径１５を有するように構成されている。以下に記載するように、このような構造では、環状ボア１４の比較的大きな半径を採用することにより、以下に詳述するように、回転軸２１から最大距離の位置で、エンジン燃焼室を配置し、これにより、ピストンアセンブリ１６が、回転軸に配置された、ドライブシャフト等の関連する駆動機構２０上で、比較的大きなトルクを発生することが可能になる。
【００３７】
この環状ボア１４は、様々な形状を有する横断面を有するように構成してもよい。１つの形態においては、図２Ｂを参照すると、ピストンアセンブリ１６のピストン２４−１は、ほぼ矩形状の横断面２５を形成している場合には、環状ボア１４は、これに対応する矩形状の横断面２７を形成するものでもよい。１つの形態においては、環状ボア１４の矩形状の横断面は、ボア１４内で移動するピストン２４の大きさに一致するように、約１：２．８の高さに対する幅の割合を有していてもよい。例えば、図２Ａ及び２Ｂを参照すると、環状ボア１４は、約１インチの高さ１２０、及び、約２．８インチの幅１２２を有しており、これにより、ボア１４内をバルブ１４−１が通過する時間を最短にすることができる。バルブ２４−１は、燃焼ガスがピストン２４−１の移動方向の前方に漏れることを少なくし、又は、防止するために、約１インチの高さ１２４、及び、約２．８インチの幅１２６を有していてもよい。ピストン２４−１の高さ１２４及び幅１２６は、ボア１４内のピストン２４−１の移動を許容するために、ボア１４の対応する高さ１２０及び幅１２２に対するクリアランス距離（すなわち、隙間）を形成するように構成されることに留意すべきである。
【００３８】
図１Ａに戻ると、ここに図示した配置構造においては、ピストンアセンブリ１６は、環状ボア１４内に配置されており、これは、フライホイール２２を介して、駆動機構２０に連結されている。ピストンアセンブリ１６は、個々のピストン２４を幾つでも含んでいてもよいが、図示した配置構造においては、ピストンアセンブリ１６は、フライホイール２２の周りに配置された、４つのピストン２４−１から２４−４を含んでいる。燃料噴射器３２が、実質的に同時に点火する場合のような１つの配置構造では、対向するピストンが、相互に対して約１８０°の角度方向に配置され、そして、隣接するピストンが、相互に対して約９０°の角度方向に配置されている。例えば、図示したように、対向する第１及び第３のピストン２４−１、２４−３が、相互に対して約１８０°の角度で、フライホイール２２上に配置されており、そして、対向する第２及び第４のピストン２４−２、２４−４が、相互に対して約１８０°の角度で、フライホイール２２上に配置されている。さらに、隣接する第１及び第２のピストン２４−１、２４−２が、約９０°の相対角度方向で、フライホイール２２上に配置され、隣接する第２及び第３のピストン２４−２、２４−３が、約９０°の相対角度方向で、フライホイール２２上に配置され、隣接する第３及び第４のピストン２４−３、２４−４が、約９０°の相対角度方向で、フライホイール２２上に配置され、隣接する第４及び第１のピストン２４−４、２４−１が、約９０°の相対角度方向で、フライホイール２２上に配置されている。
【００３９】
運転中、ピストンアセンブリ１６の複数のピストン２４は、環状ボア１４内を回転するように構成されている。例えば、図示されたように、これらのピストン２４は、環状ボア１４内で時計方向に回転するように構成されている。しかしながら、これらのピストン２４は、環状ボア１４内で反時計方向に同様に回転するように構成されていてもよい。このような回転により、駆動機構２０の回転が生ずる。
【００４０】
ロータリーバルブアセンブリ１８は、１組のロータリーバルブ３０を含んでおり、その各々は、ピストンアセンブリ１６のそれぞれのピストン２４に関して、燃焼室２６を形成するように構成されている。例えば、このロータリーバルブアセンブリ１８は、個々のロータリーバルブ３０を幾つでも含んでもよいが、図示した配置構造においては、ロータリーバルブアセンブリ１８は、ハウジング１２の環状ボア１４内に少なくとも部分的に配置されたロータリーバルブ３０−１から３０−４を含んでいる。ロータリーバルブ３０は、ハウジング１２の周囲の様々な位置に配置されていてもよいが、１つの配置構造においては、対向するバルブが、相互に対して約１８０°の角度方向に配置され、そして、隣接するバルブが、相互に対して約９０°の角度方向に配置されている。例えば、図示したように、第１及び第３のロータリーバルブ３０−１、３０−３が、相互に対して約１８０°の角度で、ハウジング１２の外表面の周囲に配置されており、そして、第２及び第４のロータリーバルブ３０−２、３０−４が、相互に対して約１８０°の角度で、ハウジング１２の外表面の周囲に配置されている。さらに、第１及び第２のロータリーバルブ３０−１、３０−２が、約９０°の相対角度方向で、ハウジング１２の外表面の周囲に配置され、第２及び第３のロータリーバルブ３０−２、３０−３が、約９０°の相対角度方向で、ハウジング１２の外表面の周囲に配置され、第３及び第４のロータリーバルブ３０−３、３０−４が、約９０°の相対角度方向で、ハウジング１２の外表面の周囲に配置され、第４及び第１のロータリーバルブ３０−４、３０−１が、約９０°の相対角度方向で、ハウジング１２の外表面の周囲に配置されている。このような配置構造においては、ロータリーバルブアセンブリ１８のロータリーバルブ３０の相対的な位置付けは、ピストンアセンブリ１６のフライホイール２２の周囲におけるピストン２４の相対的な位置付けに対応している。
【００４１】
続いて図１Ａを参照すれば、ピストン２４の各々は、ボア１４内を、約１６インチから２０インチの距離等の、比較的大きなストローク距離で、次のロータリーバルブ３０に向かって移動する。図１Ａに示すように、ストローク範囲１３の終わりの位置等の、ボア１４内のある点で、各ピストン２４は、対応する排気ポート３８（すなわち、次のロータリーバルブ３０に対して近位に配置されたもの）を通過し、これにより、チャンバー２６内に含まれた使用済みガスが、大気中に放出される。例えば、ピストン２４−１が、排気ポート３８−１を通過すると、ピストン２４−１とロータリーバルブ３０−１との間のチャンバー２６−１内に含まれた使用済みガスが、排気ポート３８−１を介してチャンバー２６−１から流出することが可能になる。
【００４２】
使用時には、ピストン２４及びロータリーバルブアセンブリ１８は、駆動機構２０から約１２インチの距離で、エンジンハウジング１２の外周に配置される。回転方向の接線の方向であって、駆動機構２０からの距離１５に対して直交する方向に沿って、ピストン２４に作用する燃焼力を伴い、このような燃焼力により、駆動機構２０におけるトルクを最大にすることができる。さらに、ピストン２４の比較的長いストロークと、排気ポート３８の存在と、ボア１４内で生ずる複数の燃焼事象とによって、エンジン１０の性能を向上することができる。例えば、このエンジン１０は、比較的高いトルク（例えば、４５００ｆｔ−ｌｂｓの平均トルク）と、約２５〜３０％の効率を有する従来のエンジンに対して、比較的高い効率（例えば、約６０％の効率）とを有して、比較的大きな連続出力量（例えば、８００ＲＰＭで約６８５馬力）を発生させることができる。
【００４３】
図１Ａから１Ｄに示した配置構造においては、ロータリーバルブアセンブリ１８の各々のロータリーバルブ３０は、実質的に円筒カップ形状の構造として製造される。例えば、図１Ｂから１Ｄに示すように、ロータリーバルブ３０は、ループ状の壁構造５０とフェースプレート５２とを含んでいる。ロータリーバルブ３０のこのループ状の壁構造５０は、開口、すなわち、スロット１００を形成しており、これは、以下に詳述するように、スロット１００が環状ボア１４内を移動するピストン２４と合致したときに、複数のピストン２４の各々が環状ボア１４内を回転することを許容するように構成されている。
【００４４】
ロータリーバルブ３０の各々を、様々な材料から製造することが可能であるが、１つの配置構造においては、このロータリーバルブ３０は、ハウジング１２に対して回転しながら、約４０００°Ｆを超える燃焼温度、及び、１平方インチ（ｐｓｉ）あたり約１０００ポンドの圧力に耐えることが可能な１又は２以上の材料から製造される。
【００４５】
１つの配置構造においては、各々のロータリーバルブ３０は、ピストン２４の回転軸に対して実質的に直交する回転軸５６の周りを回転するように構成されている。ハウジング１２及び環状ボア１４に対する各々のロータリーバルブ３０の回転により、対応するピストン２４に関して、一時的な燃焼室２６が形成される。例えば、図１Ａ及び１Ｅに示すように、このハウジング１２は、ロータリーバルブ３０が広がっている環状ボア１４に対して、対向する開口１０４、１０６を形成している。図１Ｅは、第１のロータリーバルブ３０−１を概略的に示しており、ここでは、理解を容易にするために、フェースプレート５２が省かれている。特に、図１Ｅ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、すなわち、上方の面を貫通する第１の開口１０４−１と、第２の、すなわち、下方の面を貫通する、対向する第２の開口１０６−１とを形成している。第１のロータリーバルブ３０−１は、第１の開口１０４−１を通って環状ボア１４に至り、そして、第２の開口１０６−１を通る。このような構造で、各ロータリーバルブ３０の一部が、エンジン１０の運転中に、環状ボア１４内に配置される。
【００４６】
１つの配置構造においては、開口１０４、１０６の各々は、シール部材（図示せず）を含んでおり、これは、対応するロータリーバルブ３０とのシールを形成する。各シール部材は、運転中に、対応するロータリーバルブ３０に対して、実質的に耐燃料性のシールを保持する。そして、これにより、各ロータリーバルブ３０が、対応するピストン２４に関する燃焼室を形成することが可能になり、このことにより、燃焼事象中に、ピストン２４に生じる燃料力を最大にすることができる。
【００４７】
各ロータリーバルブ３０は、フライホイール２２、及び、ピストンアセンブリ１６の複数のピストン２４の回転軸２１と実質的に直交する回転軸１０５の周りを回転するように構成されている。第１のロータリーバルブ３０を例にすると、第１のロータリーバルブ３０−１は、回転軸１０５−１の周りを回転するように構成されている。図１Ａ及び１Ｅは、各ロータリーバルブ３０が、その対応する回転軸１０５の周りを時計方向に回転するように構成されていることを示しているが、これは、単なる一例として図示されているに過ぎない。同じ配置であっても、各ロータリーバルブ３０は、その対応する回転軸１０５に関して反時計方向に回転するように構成されていてもよい。ロータリーバルブ３０が対応する回転軸１０５の周りを時計方向に回転するのと、ロータリーバルブ３０が対応する回転軸１０５の周りを反時計方向に回転するのとを、一つおきにすることもできる。
【００４８】
環状ボア１４内で、各ロータリーバルブ３０を回転させるために、様々なタイプの回転駆動機構を用いることができる。例えば、図１Ｆ及び１Ｇは、ロータリーバルブアセンブリ１８の回転駆動機構６０の概略底部及び側部断面図をそれぞれ示している。回転駆動機構６０は、駆動機構２０に連結された駆動ギア６２を含んでいてもよい。回転駆動機構６０は、駆動ギア６２及び複数のロータリーバルブ３０に動作可能に連結されて配置された１組のロータリーバルブギア６４を含んでいてもよい。例えば、この１組のロータリーバルブギア６４は、回転駆動機構６０とそれぞれ噛み合った、第１、第２、第３及び第４のロータリーバルブギア６６−１、６６−２、６６−３及び６６−４を含んでいてもよい。駆動ギア６２及び１組のロータリーバルブギア６４は、様々な形で構成されていてもよいが、１つの配置構造においては、駆動ギア６２、及び、ロータリーバルブギア６４の各々は、べベルギアとして構成されている。
【００４９】
ロータリーバルブギア６４−１から６４−４の各々はまた、対応する第１、第２、第３及び第４のロータリーバルブ３０−１、３０−２、３０−３及び３０−４に、それぞれ、シャフト６６−１、６６−２、６６−３及び６６−４を介して連結されている。例えば、各シャフト６６は、このシャフトの長さ方向の軸線が、ロータリーバルブ３０の回転軸５６と実質的に同一線上にあるように、対応するロータリーバルブ３０のループ状の壁構造５０内に至り、そのロータリーバルブのフェースプレート５２に連結されている。
【００５０】
このような構造により、使用時にフライホイール２２が回転すると、これに関連する駆動機構２０及び駆動ギア６２も回転する。これにより、駆動ギア６２は、対応するロータリーバルブギア６４、シャフト６６６及びロータリーバルブ３０の各々を回転させる。例えば、駆動機構２０及び駆動ギア６２が、回転軸２１の周りを時計方向に回転することにより、ロータリーバルブギア６６−１から６６−４、シャフト６６−１及びロータリーバルブ３０−１から３０−４は、それらのそれぞれの回転軸５２−１から５２−４の周りを回転する。
【００５１】
各々のロータリーバルブ３０は、各々の回転する燃焼ピストン２４と連動して動作する。例えば、４つの回転する燃焼ピストン２４を有する図１Ａに示すように、エンジン１０は、４つの実質的に等距離に置かれたロータリーバルブ３０を含んでいる。従って、各々のロータリーバルブ３０は、それぞれの回転軸１０５の周りを、フライホイール２２の１回転毎に、４回回転するように構成されている。ストロークが１６インチであると仮定した場合に、このような構成により、１ミリ秒あたり約１．７インチの速度というような、１ミリ秒あたり約１．６インチから１ミリ秒あたり約１．８インチの間のバルブ回転速度に至る結果となる。また、１平方インチの断面積を有する燃焼チャンネルに関して言えば、このような構成により、約０．６ミリ秒の横断時間というような、約０．５から０．７ミリ秒のバルブ横断時間（すなわち、ピストン２４が第１のバルブロケーションから隣接する第２のバルブロケーションに移動するまで要する時間）に至る結果となる。
【００５２】
燃焼室２６がシールされるまで、燃料は、燃焼室２６内に入り、点火することはないので、チャンバーが形成される時期が早いほど（例えば、約０．６ミリ秒毎に１回）、プロセスがより効率的になる。さらに、１６インチのチャンネル１４において、２インチの長さを有する、１０００ｐｓｉの圧力容積のうち、使い果たされる量は、容積が２倍になる毎に、圧力が５０％減少するという事実に起因して、１２．５％の排出ロスであるところの、１２５ｐｓｉ未満である。このような構造により、少なくとも６０％の効率に迫るエンジンを提供する結果に至る。このチャンネル１４内の圧力は、４、８及び１６インチの移動の際に半分になる。４インチの圧力容積を生じさせる低速バルブは、１回少ない、８及び１６インチの移動の際に急に変化し、２５０ｐｓｉを使い果たし、排出ロスは２５％である。
【００５３】
この回転駆動機構６０は、使用時に、各々のロータリーバルブ３０を第２のポジションに回転させて、ループ状の壁構造５０を環状ボア１４に合致させるように構成されている。各々のロータリーバルブ３０の回転の時間を測定して、ピストンの回転サイクルの大半において、ピストン２４と共に隔壁を形成することを許容し、第２のロケーションにおいて、ピストン２４に対する燃焼室を形成する。各々のロータリーバルブ３０によって形成された各々のスロット１００が環状ボア１４と一時的に合致して、ピストン２４が、環状ボア１４内で、ロータリーバルブ３０に対して近位の第１のロケーションから、ロータリーバルブ３０に対して遠位の第２のロケーションに移動することを許容するように、ロータリーバルブ３０の回転の時間もまた測定される。
【００５４】
例えば、運転中に、回転駆動機構６０は、ピストンアセンブリ１６の各ピストン２４を、環状ボア１４内で、ロータリーバルブアセンブリ１８のバルブ３０に向かって回転させる。ピストン２４−１及びロータリーバルブ３０−１を例として、図２Ａを参照すると、ピストン２４−１が、環状ボア１４内を、対応するロータリーバルブ３０−１に対して、遠位のポジションから近位のポジションに移行すると、ロータリーバルブ３０−１は、環状ボア１４に対する第１のポジション１０９に配置される。ロータリーバルブ３０−１が第１のポジションに回転すると、ロータリーバルブ３０−１のチャンネル１００−１の長さ方向の軸線１０６は、環状ボア１４の長さ方向の軸線１０８と実質的に合致するようになり、ピストン２４−１が、第１のポジション１１０から第２のポジション１１２にその移動経路に沿って前進することが許容される。バルブ３０−１のこのチャンネル１００−１は、ピストンの幅１２４よりも大きな幅を形成していることに留意すべきである。このような構成により、バルブ３０−１がボア１４を閉塞し、ピストン２４−１に対する隔壁を形成し始める前に、バルブ３０−１を通過することが可能になる。
【００５５】
図２Ｂを参照すると、ピストン２４−１が、環状ボア１４内で第２のポジション１１２に到達すると、回転駆動機構６０は、図示したように、ロータリーバルブ３０−１を、環状ボア１４に対する第２の位置まで（例えば、閉塞されたポジションまで）回転させ続ける。このような位置決めを行うことにより、ロータリーバルブ３０−１は、ピストン２４−１に対する燃焼室を形成し、そして、隔壁として構成され、この隔壁に対して、燃焼が生じて、出力を生成することになる。
【００５６】
例えば、ロータリーバルブ３０−１が図２Ｂに示すように閉塞されたポジションに配置されている状態では、燃料噴射器３２は、燃料−空気混合物３４を関連する燃焼室２６−１内に供給し、次いで、これは、点火プラグ等の点火装置（図示せず）によって点火される。点火装置が燃焼室２６−１内で燃料−空気混合物３４に点火すると、燃料−空気混合物３４の、ロータリーバルブ３０−１に対する膨張によって、ピストン２４−１上に力を発生させて、ピストン２４−１を、環状ボア１４によって形成された回転移動経路に沿って前進させる。
【００５７】
次いで、各々のピストン２４が、その後に配置されたロータリーバルブ３０に到達すると、各々のロータリーバルブ３０は、対応するピストン２４に関して、第２の閉塞されたポジション（図２Ｂ）から第１の開放されたポジション（図２Ａ）に移動する。例えば、図２Ｂを参照すると、ピストン２４−１が、ロータリーバルブ３０-1から離れて移動し、ロータリーバルブ３０−２に到達すると、このバルブ３０−２は、ロータリーバルブ３０−１のチャンネル１００−１が、環状ボア１４の長さ方向の軸線と実質的に合致するところの、開放されたポジションまで回転する。このような位置決めを行うことにより、ピストン２４−１がロータリーバルブ３０−２を越えて移動することが可能になる。ピストン２４が、ロータリーバルブ３０−２に対して遠位のロケーションに移動した時点で、ロータリーバルブ３０−２は、閉塞されたポジションに回転し、燃焼プロセスが再び開始する。
【００５８】
エンジン１０内でロータリーバルブ３０を用いることによって、環状ボア１４が開放するようになることが許容されて、ピストン２４の通路がそこに形成され、そして、閉塞されて、比較的高速で燃焼室が形成されることが可能になる（例えば、ロータリーバルブが、約０．８８ｍｓ毎に１回の割合で開閉される）。従って、燃焼室を比較的早く形成することによって、ピーク圧力が生じるときの、燃焼室の大きさを減少させる。同様に、これにより、ピストンの逸走を減少し、エンジンの運転効率を増加させることになる。
【００５９】
図１Ａを参照すると、運転中に、エンジン１０は、１回転あたり最大で１６の燃焼事象を発生することができ（すなわち、４つのピストン２４の各々では、１回転の間に、最大で４つの燃焼事象が起こり）、これによって、ピストンアセンブリ１６は駆動機構２０を回転させる。
【００６０】
１つの配置構造においては、エンジン１０は、４つのピストン２４のうちの２つ（例えば、ピストン２４−１及び２４−３）で、１回転の間に２つの燃焼事象が起こるところの２ストロークエンジンとして構成されていてもよい。このような構造では、環状ボア１４内の圧縮された燃焼ガスによって、ピストン２４上にもたらされる動力を拡張するために、このエンジン１０は、以下に詳述する１組のバイパスアセンブリ１９０を備えるように構成されている。
【００６１】
図３Ａ及び３Ｂを集約的に見ると、各々のバイパスアセンブリ１９０は、ハウジング１２によって形成され、ロータリーバルブ３０の第１の近位側に配置された第１のポート２０２と、ハウジング１２によって形成され、ロータリーバルブ３０の第２の遠位側に配置された第２のポート２０４とを含んでいる。第１及び第２のポート２０２、２０４の各々は、それぞれ第１及び第２のポートバルブ２０６、２０８を含んでおり、これらは、図３Ｂに示された第１の閉塞されたポジションと、図４Ｂに示された第２の開放されたポジションとの間に配置されている。さらに、バイパスアセンブリ１９０は、第１及び第２のポート２０２、２０４と流体連結して配置され、これらのポートを連結するバイパスチャンネル２００を含んでいる。
【００６２】
図３Ａ及び３Ｂに戻ると、バイパスアセンブリ１９０はまた、各々の排気ポート３８と関連して設けられた排気ポートバルブ２１０を含んでおり、これは、図３Ｂに示された開放されたポジションと、図４Ｂに示された閉塞されたポジションとの間に配置されるように構成されている。バイパスアセンブリ１９０はまた、各々の燃料噴射器３２と関連して設けられた燃料噴射器バルブ２１２を含んでおり、これは、図３Ｂに示された開放されたポジションと、図４Ｂに示された閉塞されたポジションとの間に配置されるように構成されている。１つの配置構造においては、バルブ２０６、２０８、２１０、２１２の各々は、電子的又は手動によるバルブ作動アセンブリ２２５に何れかで作動（例えば、開閉）されるものでもよい。
【００６３】
エンジン１０が２ストロークエンジンとして構成される場合のバイパスアセンブリ１９０の動作について以下に記載する。明瞭にするために、第１のロータリーバルブ３０−１及び第２のロータリーバルブ３０−２と関連して設けられたバイパスアセンブリ１９０の動作を以下に記載する。第３のロータリーバルブ３０−３及び第４のロータリーバルブ３０−４と関連して設けられたバイパスアセンブリ１９０は、第１のロータリーバルブ３０−１及び第２のロータリーバルブ３０−２と関連して設けられたバイパスアセンブリ１９０と同様で、しかも、実質的に同時に動作すると理解すべきである。
【００６４】
図３Ａ及び３Ｂを参照すれば、運転中、第１のロータリーバルブ３０−１は、第１のピストン２４−１に対する隔壁を形成し、そして、それらの間に燃焼室を形成するので、バルブ作動アセンブリ２２５は、バルブ２０６−１、２０８−１を閉塞された状態に維持する。このバルブ作動アセンブリ２２５は、排気バルブ２１０−４を解放された状態に位置して、ボア１４の近位部分からの排気ガスがエンジン１０の外部に排出されることを可能にする。排気ガスは、例えば、１インチあたり（ｐｓｉ）約５０ポンドの圧力で、排気バルブ２１０−４から排出される。さらに、バルブ作動アセンブリ２２５は、燃料噴射器バルブ２１２−１を開放された状態に置いて、燃料噴射器３２−１が燃料−空気混合物３４が、関連する燃焼室２６−１内に供給されることを可能にし、次いで、この燃料−空気混合物は、点火プラグ等の点火装置（図示せず）によって点火される。点火装置が燃焼室２６−１内の燃料−空気混合物３４に点火すると、ロータリーバルブ３０−１に対する、燃料−空気混合物３４の膨張によって、ピストン２４−１を、図４Ａに示すように、環状ボア１４によって形成された回転移動経路に沿って、第２のロータリーバルブ３０−２に向かって移動させるための力をピストン２４−１上に発生させる。
【００６５】
図４Ｂを参照すると、ピストン２４−１が環状ボア１４内の第２のバルブロケーションを通過した後、第２のロータリーバルブ３０−２は、第１のピストン２４−１に対する隔壁を形成する。しかしながら、エンジン１０は、２ストロークエンジンとして構成されているので、燃料噴射器３２−２は、第２のロータリーバルブ３０−２と第１のピストン２４−１との間に形成された燃焼室２６−２内に燃料−空気混合物を供給するようには構成されていない。第１ピストン２４−１を第３のロータリーバルブ３０−３に向けて移動させるために、このピストン２４−１上に作用する燃焼ガスの圧力を維持するために、バルブ作動アセンブリ２２５は、第１及び第２のバルブ２０６−２、２０８−２を開放されたポジションに置き、そして、排気ポートバルブ２１０−１及び燃料噴射器バルブ２１２−２を閉じる。このような構造では、ロータリーバルブ３０−２に対して近位の環状ボア内における比較的高い圧力のガスは、バイパスチャンネル２００−２を通り、燃焼室２６−２内に流れる。ここで、図３Ｂに示された、燃焼による比較的高い圧力のガスは、第２のロータリーバルブ３０−２とピストン２４−１との間に荷重を発生させ、ピストン２４−１を第３のロータリーバルブ３０−３へ向けての回転が継続するように強制的に作動させる。従って、バイパスアセンブリ１９０は、比較的高い圧力のガスがロータリーバルブ３０−２をバイパスし、そして、ピストン２４−１を移動させ続けることを可能にする。
【００６６】
このバイパスアセンブリ１９０をエンジン２００と共に使用することにより、エンジン１０内でのピストン２４のストロークをおよそ倍にすることが可能になる。例えば、図１Ａに示すように、エンジンボア１４が、隣接するバルブ間（例えば、ロータリーバルブ３０−１及び３０−２間、及び、ロータリーバルブ３０−２及び３０−３間）で約１６インチのエンジンストローク長さを形成している場合には、このバイパスアセンブリ１９０を使用することによって、ストローク長さを、対向するバルブ（例えば、ロータリーバルブ３０−１及び３０−３）間で、約３２インチに増加させる。エンジン１０内のストローク長さをこのように増加させることにより、エンジン１０によって発生する出力の大きさが減少するが、ストローク長さをこのように増加させることによって、通常の走行運転に関するエンジン１０の全体の効率を高めることができる。さらに、燃料噴射器３２によって燃焼室に送り込まれた燃料／空気混合物の容量を増加させることによって、出力ロスを部分的に且つ可変的に補うことができる。
【００６７】
従来の４ストロークエンジンは、燃焼に備えて、シリンダー内の圧縮機能を果たしている。このエンジンは、大気（例えば、１平方インチあたり（ｐｓｉ）約１４．７ポンドの圧力下で）から空気を吸い込み、通常は、燃料噴射器によって燃料と事前に混合され、この空気に対して圧縮サイクルを実行して、その圧力を（例えば、約１５０ｐｓｉの圧力に）増加させ、そして、このように圧縮された空気−混合物を、点火プラグによる点火のために、シリンダーの頂部に送り込む。
【００６８】
さらに、従来のクランクシャフトエンジンは、エンジンの第１の回転中にはコンプレッサーとして、そして、第２の回転中には出力発生器として動作するように構成されている。例えば、六気筒のエンジンは、通常は、それぞれの回転中に、３つのシリンダーで点火する一方、他の３つのシリンダーは、空気圧縮プロセスを実行している。これらのシリンダーは、次の回転時の作用に対して逆に作用している。しかしながら、このような構造は、様々な欠点に悩まされている。例えば、圧縮作用は、極度の高圧及び高温に耐えるように形成されたシリンダー内で実行される。従来の様々なコンプレッサーは、通常では、エンジン内で生成されるようなタイプの圧力を受けることはなく、これを必要とすることもない。従って、従来のエンジンは、これらの圧力に耐える十分な壁強度を必要とし、これは、エンジンを、空気の圧縮のために必要なものよりも重くする結果に至っている。さらに、運転中、圧縮された空気は、通常は除去されず、燃焼プロセスを阻害することのある残留排ガスと共にシリンダー内にある。圧縮能力は、燃焼室容積や、入ってくる空気が通らなければならない遠回りの経路によって制限されている。従って、従来のエンジンは、高回転時には、十分な空気量を供給するためにターボチャージャーやスーパーチャージャーを利用している。これらの構成要素は、エンジンの重量を増加させ、複雑にし、コストを増加させることとなる。
【００６９】
圧縮プロセスを燃焼プロセスから分離するために、一の配置構造においては、このエンジン１０は、空気圧縮アセンブリを備えるように構成されている。この空気圧縮アセンブリは、比較的軽い重量の材料を機械加工し、又は、この材料から形成された圧縮チャンネルを含んでいる。さらに、圧縮チャンネルの容積は、対応する燃焼チャンネルの容積よりも大きくてもよい。このような容積の差によって、燃焼アセンブリに対する空気圧縮アセンブリの空気能力が増加し、これにより、様々な追加の装置を用いる必要性を減少し、又は必要性をなくすことになる。クランクシャフト、連接棒、バランスウェイト、カムシャフト等が除外されれば、統合された空気圧縮アセンブリを有するこのエンジンの重量を、従来のクランクシャフトを備えたエンジンよりも５０％軽くすることができ、常に１００％に近い出力を発生することができる。
【００７０】
例えば、図５は、空気圧縮アセンブリ２３０を有する循環ピストンエンジン１０の概略側部部分断面図を示している。この空気圧縮アセンブリ２３０は、図３Ｂに示すように、運転中に、燃料噴射器３２に供給される、エンジン１０のための圧縮空気の供給源として構成されている。
【００７１】
例えば、この空気圧縮アセンブリ２３０は、ハウジング１２によって形成された環状圧縮チャンネル２４２を含んでいる。図示したように、この圧縮チャンネル２４２は、燃焼チャンネル（すなわち、環状ボア）１４の上方に、軸線方向に、且つ、回転軸２１に沿って、燃焼チャンネルと実質的に平行に配置されている。この空気圧縮アセンブリ２３０は、１組の圧縮ピストン２４０を含んでおり、これらは、フライホイール２２に連結され、そして、環状圧縮チャンネル２４２内に配置されている。
【００７２】
フライホイール２２は、１組の圧縮ピストン２４０と１組の燃焼ピストンとの双方を、それぞれのチャンネル２４２内で回転させるように構成されている。従って、運転中にピストン２４、２４０の双方の組は、同一の速度で回転する。図示したように、各々の圧縮ピストン２４０は、各々のそれぞれのピストン２４に対して近位のオフセット距離Ｄの位置に配置されている。以下に記載するように、このオフセット距離は、単一の開口１００を有する単一のロータリーバルブ３０が、双方のチャンネル１４、２４２のためのロータリーバルブとして作用することを可能にする。
【００７３】
空気圧縮アセンブリ２３０は、運転中、圧縮空気を生成し、これをエンジンの複数の燃料噴射器１０に供給するように構成されている。図６Ａから６Ｄは、フライホイール２２の回転軸２１に沿って実質的に同軸であるチャンネル１４、２４０内における、空気燃焼及び圧縮プロセスの動作の一例を示している。
【００７４】
図６Ａは、燃焼チャンネル１４及び圧縮チャンネル２４２に対する、エンジン１０の単一のロータリーバルブ３０−１の作用の一例を示している。運転中、燃焼ピストン２４−１及び圧縮ピストン２４０−１は、それらのそれぞれのチャンネル１４、２４２内で回転し、一方、回転駆動機構６０は、ロータリーバルブ３０−１を、燃焼及び圧縮チャンネル１４、２４２に対する第１のポジションに回転させる。このような位置決めを行うことにより、ロータリーバルブ３０−１の開口１００は、燃焼チャンネル１４内で合致して、燃焼ピストン２４−１がロータリーバルブ３０−１を通過して回転することが可能になる。また、このような位置決めを行うことにより、ロータリーバルブ３０−１の一部が圧縮チャンネル２４２内に配置されて、圧縮ピストン２４０−１に対する隔壁を形成する。ピストン２４０−１がロータリーバルブ３０−１に向かって回転すると、ピストン２４０−１は、ピストン２４０−１とロータリーバルブ３０−１との間における圧縮チャンネル２４２内に含まれた空気を、約１７６ｐｓｉの圧力に圧縮する。このように圧縮された空気は、圧縮チャンネル２４２と流体連結して配置された圧縮空気リザーバ２５２に、出口ポート２５０を介して供給される。この圧縮空気リザーバ２５２は、圧縮された空気を約１７６ｐｓｉの圧力に維持し、この圧縮された空気を燃料噴射器３２に供給する。
【００７５】
図６Ｂに示すように、ロータリーバルブ３０−１は、回転駆動機構６０によって回転し続けるので、バルブ３０−１は、燃焼及び圧縮チャンネル１４、２４２に対して第２のポジションに配置される。このポジションでは、開口１００が、圧縮チャンネル２４２と合致するようになり、これによって、圧縮ピストン２４０−１が、ロータリーバルブ３０−１を越えて圧縮チャンネル２４２内で回転し続けることが可能になる。さらに、燃焼ピストン２４−１がロータリーバルブ３０−１を越えて移動すると、燃焼ピストン２４−１は、ロータリーバルブ３０−１に対して燃焼室２６０を形成する。
【００７６】
図６Ｃに示すように、回転駆動機構６０によってロータリーバルブ３０−１が回転し続けることにより、バルブ３０−１は、燃焼及び圧縮チャンネル１４、２４２に対して第３のポジションに配置される。このような位置決めを行うことにより、ロータリーバルブ３０−１の一部が、燃焼チャンネル１４内に配置されて、燃焼室２６０を形成する。燃焼チャンネル２６０内で、燃料噴射器３２によって供給された燃料−空気混合物が燃焼することによって、燃焼チャンネル１４内における燃焼ピストン２４−１の更なる回転が行われる。また、ロータリーバルブ３０−１のこのような位置決めを行うことにより、ロータリーバルブ３０−１の開口１００が、入口ポート２８０と合致し、一方、ロータリーバルブ３０−１の一部が圧縮チャンネル２４２内に配置される。圧縮ピストン２４０−１が、圧縮チャンネル２４２内を移動するとき、ロータリーバルブ３０−１は、ピストン２４０−１に対する隔壁として作用して、ピストン２４０−１は、圧縮チャンネル２４２の後方部分に、入口ポート２８０を介して、空気２８２を吸引する。さらに、ピストン２４０−１の回転により、隣接して配置され、閉じられた状態のロータリーバルブ３０−２に対する前方側の部分において、空気２８４を圧縮する。
【００７７】
上述において示すように、圧縮チャンネル２４２は、環状ボア、すなわち、燃料燃焼チャンネル１４に対して、頂部と底部の関係で配置されている。しかしながら、このような記載は、単なる一例によるものである。１つの構造においては、圧縮チャンネル２４２を、環状ボア、すなわち、燃料燃焼チャンネル１４に対して、並んで配置してもよい。
【００７８】
図７は、空気圧縮アセンブリ２３０の他の配置構造を示している。ここに示すように、エンジンハウジング１２は、エンジン１０によって形成された環状ボア１４（例えば、燃焼チャンネル）の下方に軸線方向に、そして、これと実質的に平行に配置された第２の環状圧縮チャンネル２７０を形成している。この空気圧縮アセンブリ２３０はまた、１組の圧縮ピストン２２７を含んでおり、これらは、フライホイール２２に連結され、そして、第２の環状圧縮チャンネル２７０内に配置されている。このフライホイール２２は、それぞれのチャンネル２４２、２７０内の１組の圧縮ピストン２４０、及び、チャンネル１４内の１組の燃焼ピストンの双方を回転させるように構成されている。従って、運転中、すべての組のピストン２４、２４０、２７０は、同一速度で回転する。図示したように、各々の圧縮ピストン２４０は、それぞれの各ピストン２４に対して近位のオフセット距離Ｄの位置に配置されている。このオフセット距離は、単一の開口１００を有する単一のロータリーバルブ３０が、すべてのチャンネル１４、２４２、２７０のためのロータリーバルブとして作用することを可能にする。
【００７９】
２つの圧縮チャンネル２４２、２７０を空気圧縮アセンブリ２３０の一部として含ませることによって、この空気圧縮アセンブリ２３０は、エンジンの運転のための比較的大量の空気を生成することができる。さらに、２つの圧縮チャンネル２４２、２７０を燃焼チャンネル１４の上方及び下方に配置することにより、これらの圧縮チャンネル２４２、２７０は、運転中（例えば、燃焼事象が生じている間）圧縮チャンネル１４の温度を減少させることができる。
【００８０】
この発明の様々な実施形態を特に示し、説明したが、添付した請求項によって特定された発明の精神及び範囲から逸脱することなく、構造や詳細について様々な変更を行ってもよいことは当業者であれば明らかである。
【００８１】
図１Ｂ、２Ａ、及び２Ｂに示したように、ロータリーバルブ３０は、実質的に矩形状の横断面を有しているものとして示されている。さらに、ハウジング１２によって形成された、対向する開口１０４、１０６は、矩形状の構造を有するものとして示されている。このような図示は、単なる一例に過ぎない。１つの配置構造においては、ロータリーバルブ３０は、実質的に円形状の横断面を有するものとして構成されており、また、対応する開口１０４、１０６の各々は、このロータリーバルブの円形状の横断面の幾何学的形状に対応する、実質的に円形状の幾何学的形状を有するものとして構成されている。このような幾何学的形状によって、ロータリーバルブ３０及び対応する開口１０４、１０６は、それらの間のシールを容易に提供するように構成されている。さらに、ロータリーバルブ３０の実質的に円形状の横断面は、運転中におけるロータリーバルブ３０内の内部応力を減少することに役立ち、そして、駆動機構との相互作用を可能にする。
【００８２】
図５−６Ｄを参照すると、上述したように、空気圧縮アセンブリ２３０は、別の燃焼アセンブリを有するエンジン１０に統合されていてもよい。このような記述は単なる一例に過ぎない。１つの配置構造においては、空気圧縮アセンブリ２３０は、燃焼アセンブリを伴うことなく、独立型の装置の一部として構成することも可能である。
【００８３】
上述において示したように、エンジン１０を、４つのピストン２４のうちの２つ（例えば、ピストン２４−１及び２４−３）が、１回転の間で２回の燃焼事象を受けるところの２ストロークエンジンとして構成することも可能である。このような構造では、環状ボア１４内の圧縮された燃焼ガスにより、ピストン２４上に提供される動力を拡張するために、エンジン１０は、上述したロータリーバルブ３０と連動して動作する、１組のバイパスアセンブリ１９０を備えるように構成されている。このような記述は単なる一例に過ぎない。１つの配置構造においては、エンジン１０の環状ボア１４内に移動可能に配置されて、対応するピストン２４に対する一時的な燃焼室２６を形成するところの、何らかのバルブアセンブリと共に、バイパスアセンブリ１９０を使用することも可能である。例えば、引用により、内容及び教示がここに組み入れられた、「循環ピストンエンジン」という名称の、２０１３年１２月３０日付で出願された、出願中の米国出願第１４／１４３９９５に記載されたように、運転中における循環するピストンとバルブとの間の機械的な接触を制限し、又は、回避するための同期作動機構を用いて、第１の開放されたポジションと、第２の閉塞されたポジションとの間で、旋回するように構成されたバルブを、このバルブアセンブリは含んでいてもよい。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図１Ｇ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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