JP2000310126A - 円弧状ピストン機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動及び騒音がほとんど発生せず、摩擦損失
が少なくて機械効率がよく、しかも小型，軽量に構成で
きる往復動ピストン機関に利用可能な円弧状ピストン機
関を提供することを課題とする。 【解決手段】 断面円形の円弧状シリンダーを設け、そ
の内部において、ローター２に、釣り合いを保持して取
り付けた複数の円弧動円形ピストン１、１ａを往復円弧
運動可能に保持させ、前記ローター２に２本のコネクテ
ィングロッド６、６ａを設置してそれらに前記ローター
の揺動動力を均等に振り分け、この動力を更に２本のク
ランクシャフト１０、１０ａに均等に振り分け伝動さ
せ、前記２本のクランクシャフト１０、１０ａの回転動
力をギア機構を介して合成して出力回転軸から出力す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術】本発明は円弧状ピストン機関、よ
り詳細には、往復動内燃機関、往復動外燃機関、往復動
圧縮機関等に利用可能な円弧状のシリンダーと往復円弧
運動をする円形ピストンを有する円弧状ピストン機関に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ピストン機関の代表例として往復動内燃
機関を例にとると、これは、シリンダ内を直線的に往復
動する円筒形ピストンとピストンピンを介して一端が円
筒形ピストンに回動自在に取り付けられるコネクティン
グロッド（以後コンロッドと呼ぶ）と、コンロッドの他
端に回動自在に取り付けられるクランクシャフトとによ
ってすべり子クランク機構として構成され、コンロッド
を介して伝わる円筒形ピストンの直線的な往復運動を回
転運動に変換する。

【０００３】この従来のピストン機関の場合は、円筒形
ピストンを上下動させるに際しコンロッドが円筒形ピス
トンの往復直線運動方向に対し傾斜するために、円筒形
ピストンに加わる力により、円筒形ピストンとシリンダ
の衝突ならびに摩擦（ピストンスラップ）が発生し、振
動及び騒音と摩擦損失の大きな要因となっている。

【０００４】また、円筒形ピストン，ピストンピン，コ
ンロッドといった往復運動部分からの不釣り合い慣性力
により、振動及び騒音が発生する。

【０００５】そして、多気筒往復動内燃機関では、燃
焼，排気，吸入，圧縮の各行程による回転トルクの変動
により、クランクシャフトのねじり振動及び騒音が発生
し、円筒形ピストン，ピストンピン，コンロッド，クラ
ンクシャフト等の慣性偶力により、クランクシャフトの
偶力振動及び騒音が発生する。

【０００６】このような欠点は、往復動内燃機関に限ら
ず、往復動外燃機関、往復動圧縮機関、並びに、各種ア
クチュエータについても指摘されることである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の往復動ピストン
機関には上述したような欠点があったので、本発明はそ
のような欠点のない、即ち、振動及び騒音がほとんど発
生せず、摩擦損失が少なくて機械効率がよく、しかも小
型，軽量に構成できる往復動ピストン機関に利用可能な
円弧状ピストン機関を提供することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、断面円形の円
弧状シリンダーを設け、その内部において、ローター
に、釣り合いを保持して取り付けた複数の円弧動円形ピ
ストンを往復円弧運動可能に保持させ、前記ローターに
２本のコネクティングロッドを設置してそれらに前記ロ
ーターの揺動動力を均等に振り分け、この動力を更に２
本のクランクシャフトに均等に振り分け伝動させ、前記
２本のクランクシャフトの回転動力をギア機構を介して
合成して出力回転軸から出力することを特徴とする円弧
状ピストン機関、を以て上記課題を解決した。

【０００９】上記手段においては、円弧動円形ピストン
の往復円弧運動におけるピストン側圧がなくなり、ピス
トンスラップによる振動，騒音，摩擦損失がなくなる。

【００１０】また、円弧動円形ピストンに取り付けたロ
ーターの揺動動力を、２本のコンロッドによって均等に
振り分けて、２本のクランクシャフトに回転動力を伝動
することにより、往復質量による慣性力が完全に釣り合
うので、慣性力による振動，騒音がなくなる。

【００１１】そして、内燃機関の場合は燃焼、排気、吸
気、圧縮の各行程による作動トルクが同一平面上で作用
するので、ローターにねじりが発生せず、２本のコンロ
ッドから２本のクランクシャフトへの動力の伝達も同一
平面上で行われるので、クランクシャフトに偶力が発生
しない。

【００１２】更に、クランクシャフトのクランク回転半
径が小径化されることにより、クランクピンとクランク
シャフトのオーバーラップ部分が増大して剛性が強化さ
れるため、クランクピン及びクランクシャフトを小径化
でき、また、コンロッドが２本（従来の４気筒単動往復
ピストン機関では、コンロッドは４本となる。）になる
ので、摩擦損失が大幅に低減することが可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】先ず、図１乃至図１１に示された
実施形態について説明する。この実施形態は円弧動円形
ピストン１，１ａが往復円弧運動をするエンジンに関す
るもので、４サイクルで２気筒のエンジン（従来の４サ
イクル４気筒エンジンに相当する。）を示す。それは、
両側に対称的に燃焼室を備えるので複動式機関であっ
て、燃料供給方法及び点火方法は、従来技術の場合と同
様である。

【００１４】円弧動円形ピストン１，１ａは、ローター
２に固定状態に取り付けられる。より詳細には、円弧動
円形ピストン１，１ａのローター側端部は平面視におい
て楔形を呈していて、ローター２のピストン取付部に
は、その楔形部分５６に対応する蟻溝５７が形成され
る。かくして円弧動円形ピストン１，１ａは、その楔形
部分５６を上方又は下方から蟻溝５７内に嵌入すること
によって、ローター２に取り付けられる（図５乃至図７
参照）。

【００１５】そして、円弧動円形ピストン１，１ａは、
その楔形部分５６の上面及び下面に形成された弧状壁５
８を、外方に押圧し得る状態にてローター２の上下面に
密嵌された押えリング５９によって押さえ止められ、蟻
溝５７からの抜けを防止される（図７及び図８参照）。

【００１６】円弧動円形ピストン１，１ａの上面から下
面にかけて、円弧状シリンダー部を有するシリンダーブ
ロック４０の該円弧状シリンダー部４１の内壁に摺接す
るピストンリング６０が埋設される。ローター２の上面
及び下面には、弧状壁５８に連なるように、弧状壁５８
と同心円のフランジ６１が形成される（図７参照）。

【００１７】ローター２と円弧動円形ピストン１，１ａ
の対向面には、連通するオイル流路７０、７１がそれぞ
れ形成され、そこからのオイル漏れを防ぐために、ロー
ター２と円弧動円形ピストン１，１ａとの対向面間に、
オイルシ−ル７２が配装される（図８参照）。

【００１８】円弧動円形ピストン１，１ａ内には、オイ
ル流路７１が開口するオイル室７３が設けられ、また、
オイル室７３内のオイルを流出させる流出口７４と、流
出口７４から出たオイルの帰路７５と、帰路７５内のオ
イルの一部を円形ピストン外に流出させる排出口７６と
が形成される。

【００１９】円弧動円形ピストン１，１ａは上記のよう
にしてローター２に取り付けられ、押えリング５９によ
って強固に押さえ止められる。そのため、円弧動円形ピ
ストン１，１ａに作用する応力、並びに、ローター２と
円弧動円形ピストン１，１ａとに作用する熱応力の影響
が押えリング５９によって吸収される。

【００２０】ローター２は、その中心部に設置された揺
動回転軸３によって軸支され、揺動回転軸３は、円弧動
円形ピストン１，１ａの円弧状の動きに伴って、ロータ
ー２を介して揺動回転駆動される。ローター２及び揺動
回転軸３は、質量的にも形状的にも左右対称に構成され
る。

【００２１】揺動回転軸３には揺動回転アーム４，４ａ
が一体的且つ対称的に設けられ、揺動回転アーム４，４
ａの端部には、揺動回転アームピン５，５ａを介してコ
ンロッド６，６ａの一端部が回動自在に取り付けられる
（図１、図２参照）。揺動回転アーム４と揺動回転アー
ム４ａの揺動回転半径は等しく、また、コンロッド６と
コンロッド６ａの質量及び形状もそれぞれ等しくする。

【００２２】コンロッド６，６ａの他端は、クランクピ
ン７，７ａに回動自在に取り付けられる。このクランク
ピン７，７ａは、それを挾んで対称的に配置される円板
クランク８，８ａ及び円板クランクギア９，９ａに偏心
的且つ回動自在に取り付けられる。かくして、コンロッ
ド６，６ａの他端が、円板クランク８，８ａ及び円板ク
ランクギア９，９ａに対し偏心的に連結されることにな
る。

【００２３】円板クランク８，８ａ及び円板クランクギ
ア９，９ａは、それらの中心部に取り付けられたクラン
クシャフト１０，１０ａによって軸支され、クランクシ
ャフト１０，１０ａを均等なトルクにて振分回転駆動す
る。クランクシャフト１０，１０ａには駆動ギア１１，
１１ａが取り付けられ、各駆動ギア１１，１１ａは出力
回転軸１３に設置された被動ギア１２に噛合し、これを
回転駆動する（図１及び図３参照）。

【００２４】円弧動円形ピストン１，１ａに設置される
ピストンリング６０の両端部は完全に円弧動円形ピスト
ン１，１ａ内に埋入されて隠れていて、そこに埋設され
ている押圧バネ７７によって常時押圧される（図９参
照）。その結果、ピストンリング６０が、シリンダーブ
ロック４０の円弧状シリンダ−部４１の内壁に密着状態
に押し付けられる。また、シリンダーヘッド３１，３１
ａの、各ローター２の曲面状に窪んだ側面に当接する部
分に、それぞれシリンダーヘッドリング７９が１本又は
数本埋設される（図10、図11参照）。

【００２５】そして、ピストンリング６０と同様に、シ
リンダーヘッドリング７９の両端部にも押圧バネ８０が
埋設され、シリンダーヘッドリング７９はこれに押圧さ
れることにより、ローター２の湾曲側面に密着する。か
くして、円弧動円形ピストン１，１ａの両側の室間の気
密性が保持される。

【００２６】ローター２のフランジ６１と円弧動円形ピ
ストン１，１ａの弧状壁５８を取り囲むように、断面Ｌ
字形のローターリング８１が取り付けられる。このロー
ターリング８１とフランジ６１並びに弧状壁５８との間
に押さえバネ８２が配装され、ローターリング８１はこ
の押さえバネ８２によってローター２に押し付けられる
と共に、自らの張力によってシリンダーブロック４０の
内壁に密着状態となる。

【００２７】図８において記号ａはピストンリング６０
を潤滑するためのオイルの、記号ｂはシリンダーヘッド
リング７９を潤滑するためのオイルの、そして記号ｃは
ローターリング８１を潤滑するためのオイルのそれぞれ
の流路を示している。

【００２８】出力回転軸１３の内部に圧送されたオイル
は、ローター２の内部からオイル流路７０、７１を経て
円弧動円形ピストン１，１ａの内部に流入し、流出口７
４からオイル帰路７５に出て回収され、その間にロータ
ー２と円弧動円形ピストン１，１ａの熱が吸収されて冷
却される。

【００２９】本発明に係るピストン機関を内燃機関に適
用した場合において、円板クランクギア９，９ａは、そ
れぞれ２つの円板クランク被動ギア１４，１４ａ，１４
ｂ，１４ｃに噛合させ、これらを回転駆動させる。円板
クランク被動ギア１４〜１４ｃは、それらの中心部に取
り付けられたカムリンクシャフト１５，１５ａ，１５
ｂ，１５ｃによって軸支される。

【００３０】カムリンクシャフト１５〜１５ｃにはカム
シャフト駆動ギア１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃが取り
付けられ、それらはカムシャフト１８，１８ａ，１８
ｂ，１８ｃに設置されたカムシャフト被動ギア１７，１
７ａ，１７ｂ，１７ｃに噛合してこれらを回転駆動し、
以て吸気弁機構１９，１９ａ，１９ｂ，１９ｃ及び排気
弁機構２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃを作動させる（図
５，図６参照）。その時、カムシャフト１８〜１８ｃの
回転速度は、出力回転軸１３の半分となるように設定さ
れる。

【００３１】上記構成は、シリンダーヘッド３１，３１
ａとこれに連設されるクランクケース３２並びにオイル
ケース３３内に組み込まれる（特に図１参照）。シリン
ダーヘッド３１，３１ａには、４つの吸気口３４、３４
ａ、３４ｂ、３４ｃと４つの排気口３５、３５ａ、３５
ｂ、３５ｃが穿設され、各吸気口３４〜３４ｃ及び各排
気口３５〜３５ｃに、吸気弁機構１９〜１９ｃ及び排気
弁機構２０〜２０ｃが設置される。吸気弁機構１９〜１
９ｃと排気弁機構２０〜２０ｃは、上記カムシャフト１
８〜１８ｃの回転に伴って同期的に動作し、吸気口３４
〜３４ｃ並びに排気口３５〜３５ｃを開閉する。

【００３２】図５及び図６に示す状態においては、燃焼
室Ａは吸気工程にあって吸気口３４が開いて排気口３５
が閉じ、燃焼室Ｂは圧縮工程にあって吸気口３４ｂ、排
気口３５ｂが共に閉じ、燃焼室Ｃは燃焼工程にあって吸
気口３４ｃ、排気口３５ｃが共に閉じ、燃焼室Ｄは排気
工程にあって吸気口３４ａが閉じて排気口３５ａが開い
ている。その結果、ローター２は実線矢視方向、換言す
れば、反時計回りに回転する。

【００３３】なお、図１及び図４における符号３７は出
力回転軸１３に取り付けられたフライホイールを、符号
３８はオイルケース３３内のオイルを、また、符号３９
はローター２を軸支するためのベアリングを示す。

【００３４】上記構成の動作について説明すると、円弧
動円形ピストン１，１ａが互いに反対方向に円弧動する
に伴い、ローター２が揺動回転軸３を軸にシーソー運動
をし、その結果、揺動回転軸３が揺動型回転運動をす
る。そして、この揺動回転軸３の揺動型回転運動は揺動
回転アーム４，４ａを介してコンロッド６側とコンロッ
ド６ａ側とに均等に振分伝動され、それぞれ円板クラン
ク８，８ａと円板クランクギア９，９ａの回転運動に変
換される。更に、円板クランクギア９，９ａの回転運動
は駆動ギア１１，１１ａに伝達され、合成されて被動ギ
ア１２並びにこれと一体となった出力回転軸１３を回転
駆動する。

【００３５】また、円板クランクギア９，９ａは、円板
クランク被動ギア１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃを回転
駆動し、それらのカムリンクシャフト１５，１５ａ，１
５ｂ，１５ｃに取り付けられたカムシャフト駆動ギア１
６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃを回転させる。そして、カ
ムシャフト１８，１８ａ，１８ｂ，１８ｃに設置された
カムシャフト被動ギア１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃを
回転駆動して、吸気弁機構１９，１９ａ，１９ｂ，１９
ｃ及び排気弁機構２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃを作動
させ、以て燃焼，排気，吸気，圧縮の各行程を制御す
る。

【００３６】上記動作においては、円弧動円形ピストン
１，１ａの往復円弧運動に際してのピストン側圧はなく
なり、ピストン側圧が大きいことに起因する振動及び騒
音と摩擦損失がなくなり、機械効率が大幅に向上する。

【００３７】また、左右の円弧動円形ピストン１，１ａ
及びローター２の不釣り合い運動はなく、揺動回転運動
を回転運動に変換する機構の動作においては、揺動回転
軸３の動力がコンロッド６，６ａによって均等にクラン
クシャフト１０，１０ａに伝達され、駆動ギア１１，１
１ａと被動ギア１２を介して出力回転軸１３が回転駆動
されるので、慣性力が完全に釣り合い、慣性力の不釣合
いに起因する振動，騒音がなくなる。

【００３８】そして、燃焼，排気，吸気，圧縮の各行程
による作動トルクが同一平面上で作用するので、ロータ
ー２にねじりが発生せず、コンロッド６，６ａからクラ
ンクシャフト１０，１０ａへの動力の伝達も同一平面上
で行なわれるので、クランクシャフト１０，１０ａに偶
力が発生しない。

【００３９】更に、クランクシャフト１０，１０ａのク
ランク回転半径が小径化される結果、クランクピン７，
７ａとクランクシャフト１０，１０ａのオーバーラップ
部分が増大して剛性が強化されるので、クランクピン
７，７ａ及びクランクシャフト１０，１０ａを小径化す
ることができ、また、コンロッド６，６ａが２本になる
ことにより、摩擦損失を大幅に低減することができる。

【００４０】本発明においては上記作用により、ピスト
ン側圧がなくなるのと、コンロッドが２本になり、クラ
ンクピン及びクランクシャフトの小径化とカウンターウ
エイト不要によるオイル攪拌損失がなくなるため、機械
効率が大幅に向上する。また、不釣り合い慣性力による
振動及び騒音と偶力による振動及び騒音がなくなり、ク
ランクシャフトのねじり振動が大幅に低減される。

【００４１】そして、円弧動円形ピストンなどの往復質
量を従来の円筒形ピストンなどの往復質量の４分の１以
下に設計することができるので、出力性能が大幅に向上
する。更に、複動式により従来の往復動内燃機関の容積
の３分の１以下に設計することができるので、小型，軽
量，低コストになる。

【００４２】次に図１２に示された実施形態について説
明する。この実施形態は、図１乃至図１１に示した実施
形態と大体同じであるが、出力部の機構を異にする。

【００４３】即ち、この実施形態においては、クランク
シャフト１０，１０ａに駆動ベベルギア２１，２１ａが
取り付けられ、駆動ベベルギア２１，２１ａは、オイル
ケース３３において軸支される出力回転軸１３に設置さ
れた被動ベベルギア２２，２２ａに噛合し、以て出力回
転軸１３が回転駆動されるという構造で、出力回転軸１
３の出力方法と位置及びフライホイールの取り付け位置
が上記実施形態と異なる。

【００４４】本発明に係るピストン機関は上述したよう
な内燃機関に限らず、往復動外燃機関、往復動圧縮機関
その他、円弧動円形ピストン１，１ａの両側に交互に油
圧又は空気圧を供給する、油圧アクチュエータ又は空気
圧アクチュエータにも適用できる。

【００４５】

【発明の効果】本発明は上述した通りであって、本発明
に係るピストン機関によれば、ピストン側圧がなくなる
のと、コンロッドが２本になり、クランクピン及びクラ
ンクシャフトを小径化でき、また、カウンターウエイト
が不要となることによるオイル攪拌損失がなくなるため
に、機械効率が大幅に向上する。また、不釣り合い慣性
力による振動及び騒音と偶力による振動及び騒音がなく
なり、クランクシャフトのねじり振動が大幅に低減され
る。

【００４６】そして、円弧動円形ピストンなどの往復質
量を従来の円筒形ピストンなどの往復質量の４分の１以
下に設計することができるので、出力性能が大幅に向上
する。更に、複動式であるため、従来のピストン機関の
容積の３分の１以下に設計することができるので、小型
化，軽量化，及び低コスト化が可能となる。そのため、
生産材料が少量になり、生産工場の電力消費を大幅に抑
制し、また、内燃機関の場合の燃料消費も大幅に抑制し
て、ＣＯ2 排出削減に多大に貢献し得るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る円弧状ピストン機関の部分断面
正面図である。

【図２】 本発明に係る円弧状ピストン機関のクランク
ケース部における縦断面図である。

【図３】 本発明に係る円弧状ピストン機関のオイルケ
ース部における縦断面図である。

【図４】 図１におけるＡ−Ａ線方向の断面図である。

【図５】 本発明に係る円弧状ピストン機関のシリンダ
ーヘッド部の吸気弁機構部分における縦断面図である。

【図６】 本発明に係る円弧状ピストン機関のシリンダ
ーヘッド部の排気弁機構部分における縦断面図である。

【図７】 本発明に係る円弧状ピストン機関のローター
と円弧状円形ピストンを示す斜視図である。

【図８】 本発明に係る円弧状ピストン機関におけるオ
イル流路を示す断面図である。

【図９】 本発明に係る円弧状ピストン機関における、
主にピストンリング部を示す断面図である。

【図10】 本発明に係る円弧状ピストン機関の気密方法
を示す断面図である。

【図11】 本発明に係る円弧状ピストン機関における、
主にシリンダ−ヘッドリング部を示す断面図である。

【図12】 本発明に係る円弧状ピストン機関の他の実施
形態の部分断面正面図である。

【符号の説明】

１ 円弧動円形ピストン １ａ 円弧動円形ピストン ２ ローター ３ 揺動回転軸 ４ 揺動回転アーム ４ａ 揺動回転アーム ６ コンロッド ６ａ コンロッド 10 クランクシャフト 10ａ クランクシャフト 11 駆動ギア 11ａ 駆動ギア 12 被動ギア 13 出力回転軸 14 円板クランク被動ギア 15 カムリンクシャフト 18 カムシャフト 21 駆動ベベルギア 22 被動ベベルギア

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 399045020 株式会社石原木材 茨城県古河市東４−19−30 (72)発明者 真下 速美 埼玉県日高市旭が丘25−３ (72)発明者 伊藤 左市 茨城県古河市大山1740−121

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 断面円形の円弧状シリンダーを設け、そ
   の内部において、ローターに釣り合いを保持して取り付
   けた複数の円弧動円形ピストンを往復円弧運動可能に保
   持させ、前記ローターに２本のコネクティングロッドを
   設置してそれらに前記ローターの揺動動力を均等に振り
   分け、この動力を更に２本のクランクシャフトに均等に
   振り分け伝動させ、前記２本のクランクシャフトの回転
   動力をギア機構を介して合成して出力回転軸から出力す
   ることを特徴とする円弧状ピストン機関。
2. 【請求項２】 前記ギア機構が、前記２本のクランクシ
   ャフトにそれぞれ取り付けられた平歯車と、前記出力回
   転軸に固定されていて前記２つの平歯車に同時に噛合す
   る平歯車とで構成される請求項１に記載の円弧状ピスト
   ン機関。
3. 【請求項３】 前記ギア機構が、前記２本のクランクシ
   ャフトにそれぞれ取り付けられたベベルギアと、前記出
   力回転軸に固定されていて前記２つのベベルギアに同時
   に噛合するベベルギアとで構成される請求項１に記載の
   円弧状ピストン機関。
4. 【請求項４】 前記円弧動円形ピストンはローター取付
   側端部が楔形であって、その楔形部が前記ローターに形
   成した蟻溝に嵌合されることにより前記ローターに固定
   される請求項１乃至３のいずれかに記載の円弧状ピスト
   ン機関。
5. 【請求項５】 前記円弧動円形ピストンの楔形部に弧状
   壁を設け、前記弧状壁を外方に押圧する押さえリングを
   前記弧状壁間に圧入した請求項１乃至４のいずれかに記
   載の円弧状ピストン機関。
6. 【請求項６】 前記円弧動円形ピストンのシリンダー内
   壁対向曲面に複数本のピストンリングを埋設した請求項
   １乃至５のいずれかに記載の円弧状ピストン機関。
7. 【請求項７】 前記ローターの上面及び下面に、前記円
   弧動円形ピストンの楔形部に設けた弧状壁と同心円にな
   るようなフランジを設け、そのフランジと弧状壁を取り
   囲むように上下にローターリングを取り付けた請求項１
   乃至６のいずれかに記載の円弧状ピストン機関。
8. 【請求項８】 前記ローターの内部に圧送したオイルを
   前記円弧動円形ピストン内部に導入することにより、前
   記ローター及び円弧動円形ピストンを冷却可能にした請
   求項１乃至７のいずれかに記載の円弧状ピストン機関。
9. 【請求項９】 前記ローターの内部に圧送したオイルを
   前記円弧動円形ピストン内部に導入することにより、前
   記ピストンリング及び前記ローターリングを潤滑可能に
   した請求項１乃至８のいずれかに記載の円弧状ピストン
   機関。