JP2000328901A - クランクレスエンジン機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が簡単であり、作動効率が高く、実用的
なクランクレスエンジンを容易に実現する。 【解決手段】 各外周結合部３１をピストン８に連結す
る揺動部材３と、揺動部材３を揺動可能に支持する球面
軸受４と、揺動部材３の揺動運動によって回転する出力
軸１とを設ける。揺動部材３は、複数のピストン８を順
に作動させることにより球面軸受４を介して揺動し、出
力軸１を回転させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、作動効率が良好
な実用的なクランクレスエンジンを容易に実現すること
ができるクランクレスエンジン機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】クランクシャフトを使用しないクランク
レスエンジンとして、円筒カム形や斜板式の他、筒形ク
ランクレスエンジンが考案されている（たとえば大道寺
達、クランクレス機関、日刊工業新聞社（昭和３６年５
月２５日））。

【０００３】また、クランクレスエンジンとして唯一実
用化されているものは、マツダ社のロータリーエンジン
である。このエンジンは、通常のレシプロエンジンに比
して、回転の円滑性、小形軽量化、少ない部品点数、構
造の単純化などの点において優れているが、アペックス
シールやサイドシールのガス漏れに起因する燃料消費量
の悪さに大きな問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】かかる従来技術による
ときは、クランクレスエンジンは、各種のものが考案さ
れているが、ロータリーエンジンを除く殆どのものが実
用化に至っておらず、ロータリーエンジンも、必ずしも
満足すべきものとはいい難い。

【０００５】クランクレスエンジンが実用化されない理
由は、たとえば次のような点にあると考えられる。 （１）円筒カムとローラーとの組合せのように、当り面
が点接触または線接触の箇所が生じ、摩耗が早く、実用
に耐えられない。 （２）滑り速度が大きいために高速回転が得られず、性
能向上が望めない。 （３）同じ排気量の従来形のエンジンに比して、全体体
積や重量が過大になり易い。 （４）部品加工が困難であり、生産に支障を来たす。 （５）構造が複雑に過ぎ、製造コストが高く、採算性に
問題がある。

【０００６】そこで、この発明の目的は、かかる従来技
術の問題に鑑み、揺動部材と自在軸受と出力軸とを組み
合わせることによって、構造が簡単であり、作動効率が
高く、実用的なクランクレスエンジンを容易に実現する
ことができるクランクレスエンジン機構を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めのこの発明の構成は、ジョイントを介して各外周結合
部をピストンに連結する揺動部材と、揺動部材を揺動可
能に支持する自在軸受と、揺動部材の揺動運動によって
回転する出力軸とを備えてなり、揺動部材のピン部は、
シリンダーヘッドと同一側に配設する出力軸の軸端の斜
め穴に挿入することをその要旨とする。

【０００８】なお、ピン部は、球面軸受を介して斜め穴
に挿入し、揺動部材は、自在軸受を介し、ピストンの作
動方向に移動可能であってもよい。

【０００９】

【作用】かかる発明の構成によるときは、揺動部材は、
各外周結合部を介して複数のピストンに連結され、自在
軸受を介して揺動自在に支持されている。そこで、揺動
部材は、複数のピストンを順に作動させることにより、
自在軸受を介して揺動し、出力軸を回転させることがで
きる。

【００１０】なお、揺動部材は、それ自体が自転するこ
とがなく、揺動運動のみによって出力軸に動力を伝達す
るため、滑り速度が低く、伝達効率がよくなる上、従来
のクランクシャフトが小形の揺動部材に置き替えられる
ので、全体として小形軽量となり、軸受数が多くて作動
効率を悪くするクランクシャフトを排除するので、燃料
消費量を節約することができる。また、従来の多気筒エ
ンジンにおいては、クランクシャフトが長くなるために
ねじり振動が生じ、それを防ぐためにダンパーを設ける
などの対策が必要であるのに対し、揺動部材は、多気筒
であっても長くする必要がなく、振動発生の原因となる
こともない。

【００１１】ただし、この発明において、自在軸受と
は、球面軸受の他、十字形自在軸受を含むものとする。
自在軸受は、揺動部材をシリンダーの作動方向に拘束
し、したがって、揺動部材は、出力軸に対し、不要なス
ラスト荷重を負荷させることなく、ラジアル荷重のみを
伝達することができる。

【００１２】なお、揺動部材をピストンの作動方向に移
動可能とすることにより、燃焼室の圧縮比を可変し、作
動効率を一層向上させることができる。一般に、エンジ
ンは、圧縮比を高めることにより熱効率を向上させて出
力を上げるとともに、燃料消費量の低減を図ることがで
きるが、高圧縮比において低速回転時に高負荷をかけた
場合、異常燃焼によるノッキングが発生して出力が低下
したり、エンジンを損傷したりすることがある。そこ
で、圧縮比を可変し得る構造とすれば、高圧縮比と低圧
縮比との双方の利点を生かし、性能を向上させて燃料消
費量を低減させることができる。

【００１３】また、この発明は、外部の駆動源によって
出力軸を回転駆動することにより、揺動部材を介して複
数のピストンを順に作動させることができ、コンプレッ
サーや真空ポンプなどとして作動させることも可能であ
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を以って発明の実施の
形態を説明する。

【００１５】クランクレスエンジン機構は、複数のピス
トン８に連結する揺動部材３と、球面軸受４と、出力軸
１とを備えてなる（図１）。

【００１６】出力軸１は、ベアリング１１１、１１２を
介し、ケース１１内に回転自在に支持されている。出力
軸１の先端は、ケース１１の内側に突出しており、出力
軸１の先端面には、斜め穴１１３が設けられ、斜め穴１
１３には、ベアリング２が挿入されている。また、出力
軸１の先端面には、揺動部材３の偏心運動によって生じ
る遠心力をバランスするために、バランサー１１４が斜
め穴１１３の軸対称位置に形成されている。一方、ケー
ス１１の外側に突出する出力軸１の出力取出部１１５に
は、スプライン、セレーション、キー溝などが加工され
ている。また、出力軸１の中間部には、カムシャフト駆
動用のねじ歯車１１６が形成されている。なお、ねじ歯
車１１６は、補機駆動用としても利用することができ
る。

【００１７】揺動部材３は、球面軸受４を介し、全方向
に揺動可能に支持されている。また、球面軸受４は、ブ
ラケット５に取り付けられている。揺動部材３は、出力
軸１側にピン部３２が突設されており、ピン部３２は、
ベアリング２を介し、斜め穴１１３に回転自在に挿入さ
れている。

【００１８】揺動部材３の外周結合部３１には、球面軸
受７２を介してジョイント７が取り付けられている。ま
た、ジョイント７の他端には、球面軸受６２、ピストン
ピン６を介してピストン８が連結されている。ピストン
８は、シリンダー９内に摺動可能に収納されており、シ
リンダー９を塞ぐシリンダーヘッド９２には、点火プラ
グ９１、吸・排気弁９３が付設されている。ピストン８
は、シリンダー９内において往復運動可能である。

【００１９】なお、ピストン８は、図１に示すように、
シリンダー９の両側に燃焼室９０を有するもの、図５の
ように、片側にのみ燃焼室９０を有するもののいずれで
あってもよく、前者は、後者の２倍の気筒数を有する。
ただし、出力軸１は、揺動部材３のピン部３２ととも
に、シリンダーヘッド９２と同一側に配設されている。

【００２０】図１の補機用出力軸１０は、揺動部材３を
介し、出力軸１とは別の系統に回転力を取り出すことが
できる。すなわち、揺動部材３は、補機用出力軸１０側
にピン２２を有し、ピン２２は、補機用出力軸１０の先
端のピン受２３を介し、補機用出力軸１０の先端面に斜
めに挿入されている。補機用出力軸１０は、冷却ファ
ン、発電機、ポンプ、冷房用コンプレッサー等の駆動用
として利用することができ、軸端には、プーリー１０１
が取り付けられている。

【００２１】なお、揺動部材３には、各摺動面に潤滑油
を注油するための油穴２０が形成されている。

【００２２】４サイクルガソリンエンジンに適用すると
して、図１の作動は、次のようになる。

【００２３】ピストン８により圧縮されたガスは、点火
プラグ９１によって点火されて燃焼膨脹し、その圧力に
よってピストン８を押圧し、対向する燃焼室９０側へピ
ストン８を移動させる。ピストン８の押圧力は、ジョイ
ント７を介して揺動部材３の外周結合部３１を押す力に
なるが、球面軸受４を支点にしている揺動部材３のピン
部３２は、出力軸１の回転方向にのみ動き得るように拘
束されているので、揺動部材３は、ピストン８の押圧力
を出力軸１を回転させる回転力に変換することになる。
そこで、このような燃焼行程を他の燃焼室９０において
順に行ない、一つの燃焼室９０においては、燃焼行程−
排気行程−吸気行程−圧縮行程を順に１サイクルとして
作動させる。すなわち、一方の燃焼室９０で燃焼圧力を
受けて押されるピストン８は、他方の燃焼室９０におい
て圧縮行程または排気行程を行なうことができる。

【００２４】出力軸１に形成するねじ歯車１１６には、
カムシャフト９４上のねじ歯車１１７が直交して噛み合
っている。カムシャフト９４は、吸・排気弁９３を直接
作動させたり、ロッカーアームを介して作動させたりす
る。カムシャフト９４には、タイミングギヤー１１９が
固着されており、タイミングギヤー１１９は、図示しな
いチェーンまたはタイミングベルトを介して別のタイミ
ングギヤー１１９に連結し、対向するシリンダーヘッド
１２０側の弁機構を作動させる。なお、ねじ歯車１１
６、１１７の歯数比は、１対２とする。４サイクルエン
ジンでは、出力軸１に対してカムシャフト９４の回転数
を１／２にする必要があるからである。ただし、２サイ
クルエンジンでは、ねじ歯車１１６、１１７の歯数比は
１対１でよい。

【００２５】なお、シリンダー９には、水冷用のウオー
タージャケットが形成されている。また、出力軸１の軸
端には、フライホイール１８が付設されており、フライ
ホイール１８には、スターターモータのピニオンと噛み
合う始動用のリングギヤー１９が固定されている。

【００２６】図１のジョイント７は、ピン１５、スライ
ダー１４を組み合わせて構成してもよい（図２）。ピス
トン８には、スライド穴８１が形成されており、スライ
ド穴８１には、ピストン８の作動方向（図２の矢印方
向）に直角にスライド可能な円筒形のスライダー１４が
収納されている。この方式は、図３（Ａ）、（Ｂ）のシ
リンダー配列に適しているが、同図（Ｃ）、（Ｄ）にも
使用可能である。ただし、後者の場合は、揺動部材３の
外周結合部３１がピン１５の軸方向にも移動可能にする
ものとする。なお、図３（Ｂ）は、なるべくフラットな
形状にして多くのシリンダー数を有するエンジンであ
り、たとえばエンジンルームに制限を受ける高級乗用車
に装着し易いように構成されている。このものは、同図
（Ａ）のエンジンを２段に重ね、出力軸１、１ｂに取り
付ける歯車１ｃ、１ｃを介して各段のエンジン回転位相
を９０度ずらせて連結することにより、エンジンルーム
内にコンパクトに収納し得る４気筒または８気筒エンジ
ンを構成している。

【００２７】図４は、揺動部材３を揺動可能に支持する
自在軸受として、球面軸受４に代えて、十字形自在軸受
を採用する例である。十字形自在軸受は、十字主軸１２
と、ブラケット５によって支持する十字副軸１３とを組
み合わせて構成されている。

【００２８】揺動部材２８には、軸受２９を介して十字
主軸１２が貫通しており、揺動部材２８は、十字主軸１
２のまわりに揺動自在である。したがって、揺動部材２
８は、十字主軸１２、十字副軸１３の交点を支点とし
て、全方向に揺動可能に支持されている。なお、ピスト
ン８は、十字主軸端部３０に対し、ジョイント７、ピス
トンピン６を介して連結されている。

【００２９】図５は、燃焼室９０をピストン８の片側だ
けに配設する例であり、７〜９気筒またはそれ以上の筒
形多気筒エンジンを構成することができる。出力軸１の
斜め穴１１３に挿入しているピン部３２の軸受外面を球
面軸受からなるベアリング２１とすることにより、揺動
部材３が力を受けたときに生ずる歪や工作精度誤差を吸
収することができ、ベアリング２１の内面とピン部３２
との当りがよくなり、耐久性を向上させることができ
る。また、揺動部材３は、安定な揺動運動を実現するた
めに、傘歯車からなる安定用歯車１６を使用している。

【００３０】なお、揺動部材３は、傘歯車からなる安定
用歯車１６を使用するに代えて、各球面軸受７２の頭部
に円筒歯７３を設けてもよい（図７）。円筒歯７３は、
歯車の歯の役目をし、９シリンダーの場合、歯数９枚の
歯車に匹敵するから、それに噛みあうリング状のクラウ
ンギヤー７４をシリンダースカート部５０に取り付けて
噛み合わせることにより、揺動部材３の揺動運動を安定
化することができる。

【００３１】また、特定の球面軸受７２にスライドピン
７５を突設してもよい（図８）。スライドピン７５は、
ピストン８の作動方向に配設するガイド７６に係合し、
揺動部材３の揺動運動を安定させることができる。な
お、このときのスライドピン７５は、ガイド７６に対す
る当り面を平面にしたスライダー７９を付設することに
より、耐久性を一層向上させることができる。

【００３２】さらに、図９は、図８のガイド７６と同様
なガイド７８を設け、円弧面を有するスライド面７７を
揺動部材３に形成し、ガイド７８に沿ってスライドさせ
て安定な揺動運動を得る方式を示す。

【００３３】一方、図５のピストン８は、従来のエンジ
ンのものとほぼ同じであるが、ピストン８とジョイント
７との連結部、揺動部材３とジョイント７との連結部に
は、それぞれ球面軸受６２、７２が使用されている。ま
た、出力軸１には、ピニオン３５が直接形成されてい
る。

【００３４】ギヤー３６は、ピニオン３５と噛み合って
おり、第２ピニオン３７は、ギヤー３６と一体の第２ギ
ヤー３８と噛み合っている。また、カムシャフト９４に
固着するベベルピニオン９５は、第２ギヤー３８と一体
のベベルギヤー３９と噛み合っている。そこで、４サイ
クルエンジンの場合、出力軸１に対してカムシャフト９
４の回転数を１／２にする必要があるので、第２ピニオ
ン３７と第２ギヤー３８の歯数比をベベルギヤー３９と
ベベルピニオン９５の歯数比と同一にすれば、ピニオン
３５とギヤー３６の歯数比を１対２にすることにより、
カムシャフト９４の回転数を１／２に落すことができ
る。ただし、ベベルギヤー３９とベベルピニオン９５は
増速方向であるから、第２ピニオン３７と第２ギヤー３
８は減速方向とすればよい。

【００３５】なお、図５の例は、シリンダーヘッド９２
が片側のみの方式であるため、吸気管、排気管をまとま
りよく取り付けることができ、総体的に小形化すること
ができるから、エンジンルームが小さい乗用車などに適
している。また、同図において、補機用出力軸３４は、
図１の補機用出力軸１０と同様にして揺動部材３に連結
されている。

【００３６】揺動部材３、球面軸受４は、その構造を簡
略化することができる（図６）。すなわち、揺動部材３
が球面軸受４から脱落することを防ぐため、図５の球面
抑え５１に代えて、球面摺動面５２をケース１１、揺動
部材３に形成することにより、組立てやメンテナンスを
容易にすることができる。球面摺動面５２は、燃焼によ
る膨張圧力によって揺動部材３が球面軸受４側に押し付
けられることにより、過大な滑り損失や摩耗を生じるお
それがない。

【００３７】図１、図５、図６において、球面軸受４
は、耐焼付性があること、摩耗が少なく、耐久性のある
材質を選択することが重要である。たとえば、ファイン
セラミックス材料を利用し、濡れ性が少なく焼付き難い
ことや耐摩耗性が大きいことを生かすとともに、適正な
油圧を与えることにより安定な長寿命の軸受を作ること
ができる。また、摩耗係数の少ない材質であることも大
切であり、炭化ケイ素のファインセラミックス材料は、
資料によれば、摩耗係数０．０４程度のものもできてい
る（日経メカニカル、１９８９年９月１８日付、日経Ｂ
Ｐ社）。

【００３８】ファインセラミックスの欠点といわれる脆
性の問題は、たとえば母体を靭性のある特殊鋼とし、表
面に厚さ数ミリの多角形小片形のファインセラミックス
を並べて張り付けることにより解決し得る。これによれ
ば、外形の精度がよくなり、仕上げ時間を短縮すること
ができる上、間隙が油の通路にもなり、高度の耐摩耗性
と高精度とを実現することができる。また、超硬合金や
特殊合金鋼を浸炭焼入れしたものなども使用可能である
が、相手材料を選ぶことが重要である。

【００３９】次に、ジョイント７の結合方法について説
明する。

【００４０】図３（Ｃ）、（Ｄ）のようにシリンダー９
が３か所以上にある場合、図１、図５、図６の揺動部材
３の外周結合部３１の揺動運動は、ピストン８の作動方
向の動きだけでなく、同図（Ｃ）、（Ｄ）の矢印Ｋ方向
にも僅かな動きをする。そこで、ジョイント７は、２次
元的な動きしか出来ないピン結合ではなく、球面軸受７
２のような球面形状のものを採用する必要がある。一
方、図３（Ａ）、（Ｂ）のシリンダー配列によれば、揺
動部材３の外周結合部３１は、ピストン８の作動方向に
のみ揺動運動し、同図の矢印Ｊ方向の動きがなく、２次
元的な動きをする。よって、この場合は、ピン結合を採
用することができる。

【００４１】すなわち、揺動部材３、ジョイント７の取
合い部分は、シリンダー９の配列が図３（Ａ）、（Ｂ）
の場合、その断面Ｍ−Ｎ上におけるピストン８の作動方
向のみの動きになってピン結合を採用することができ、
図３（Ｃ）、（Ｄ）のような多気筒形の場合、球面軸受
による球面結合を採用する必要がある。なお、図３
（Ａ）〜（Ｄ）に示すシリンダー９の配列は偶数のみを
図示しているが、２サイクルの場合はこれでよいとして
も、４サイクルの場合は、奇数のシリンダー９を配列す
る方がガスの点火順序の流れがよくなり、シリンダー９
を奇数にすることが好ましい。

【００４２】揺動部材３は、球面軸受４を介し、ピスト
ン８の作動方向に移動可能としてもよい（図１０、図１
１）。

【００４３】球面軸受４は、それを可動形とするため
に、筒状の軸４５に対して摺動可能に嵌合されている。
一方、球面軸受４には、ピストンロッド４６を一体的に
設け、ピストンロッド４６は、軸４５の中央部に摺動自
在に貫通させ、シリンダー４４に摺動自在に収納するピ
ストン４３に連結する。なおシリンダー４４は、シリン
ダーカバー４７によって閉蓋し、作動油口４８、４９を
連通しておく。作動油口４８から油圧をかけて作動油口
４９から排油すると、ピストン４３が前進し、球面軸受
４は、揺動部材３を介してピストン８を最も高い圧縮比
となる位置にまで移動させることができる（図１０）。
一方、作動油口４８から排油し、作動油口４９に油圧を
かけると、ピストン４３が後退し（図１１）、ピストン
８は、揺動部材３、球面軸受４を介して図示の位置に移
動するから、圧縮比が最も低い状態になる。

【００４４】なお、図１０、図１１において、揺動部材
３のピン部３２は、球面軸受２１を介し、出力軸１の軸
端の斜め穴１１３に前後動可能に挿入されている（図５
参照）。

【００４５】このように、油圧によって高低の圧縮比を
任意に制御することが可能であり、エンジンの回転と、
回転を制御するアクセルの状態とを検知し、負荷の程度
により油圧を介してピストン８の位置を自動的にコント
ロールすることによりエンジンの圧縮比を可変し、快適
な状態で高出力を得るとともに燃料消費量を低減するこ
とができる。また、ピストンロッド４６は、シリンダー
カバー４７を貫通して外部に突出しているため、この部
分の出入り量によって圧縮比がどの様な状態であるかの
検知も容易である。さらに、多気筒のエンジンであって
も、１か所にのみシリンダー４４、ピストン４３、ピス
トンロッド４６を含む球面軸受４、揺動部材３の可動機
構を設ければよく、揺動部材３の位置を移動制御するの
みの単純な構造になるので、圧縮比の可変装置を簡単に
付加することができる。

【００４６】以上の説明において、ピストン８、燃焼室
９０、点火プラグ９１、吸・排気弁９３、カムシャフト
９４は、従来の技術をそのまま応用できるので、ロータ
リーエンジンのようなガス漏れによる燃料消費率の悪さ
がない。また、この発明は、４サイクルガソリンエンジ
ンの他、ディーゼルエンジン、２サイクルエンジンにも
応用可能である。

【００４７】さらに、この発明は、シリンダー９内の吸
・排気弁９３を輪形弁、フラッパー弁のような自動弁と
し、圧縮機や真空ポンプとして使用することができ、気
筒数を多くすることができるので、大形高圧多段のコン
プレッサーや真空ポンプとしても好適である。ただし、
このときの出力軸１は、外部の駆動源により回転駆動す
るものとする。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、揺動部材と、揺動部材を支持する自在軸受と、出力
軸とを組み合わせることによって、出力軸以外を回転運
動させず、揺動部材のみを揺動運動させるから、回転滑
り軸受部が少なく、滑り損失が減少し、作動効率が向上
して燃料消費量の低減を図ることができる上、構造が簡
単であり、全体として大幅な小形軽量化が可能であり、
したがって、実用的なクランクレスエンジンを容易に実
現することができるという優れた効果がある。

【００４９】なお、自在軸受を介して揺動部材をピスト
ンの作動方向に移動可能とすれば、燃焼室の圧縮比を任
意に可変して高圧縮比、低圧縮比の双方の利点を有効に
実現することができる上、多気筒エンジンであっても、
共通の揺動部材のみを移動制御すればよいから、極めて
簡単な構造により圧縮比可変形のエンジンを構成するこ
とができるという優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 全体構成縦断面図

【図２】 要部断面図

【図３】 シリンダー配列例を示す概略説明図

【図４】 図１相当図（１）

【図５】 図１相当図（２）

【図６】 要部断面図（１）

【図７】 要部断面図（２）

【図８】 要部断面図（３）

【図９】 要部断面図（４）

【図１０】 要部断面図（５）

【図１１】 図１０の作動説明図

【符号の説明】

１…出力軸 ３、２８…揺動部材 ７…ジョイント ８…ピストン ２１…球面軸受 ３１…外周結合部 ３２…ピン部 ９２…シリンダーヘッド １１３…斜め穴

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ジョイントを介して各外周結合部をピス
   トンに連結する揺動部材と、該揺動部材を揺動可能に支
   持する自在軸受と、前記揺動部材の揺動運動によって回
   転する出力軸とを備えてなり、前記揺動部材のピン部
   は、シリンダーヘッドと同一側に配設する前記出力軸の
   軸端の斜め穴に挿入することを特徴とするクランクレス
   エンジン機構。
2. 【請求項２】 前記ピン部は、球面軸受を介して前記斜
   め穴に挿入し、前記揺動部材は、前記自在軸受を介し、
   ピストンの作動方向に移動可能であることを特徴とする
   請求項１記載のクランクレスエンジン機構。