JP2000515599A - プリングピストンエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ピストンがピストンロッドを備え、かつ燃焼がピストンクラウンの下面の下方でのみ限定的に行われる場合には、ストロークＳのクランクシャフトと長さＬのコネクティングロッドの往復動ピストンエンジンは、従来型のエンジンにおいてそれぞれ利用可能な時間の（１＋Ｓ／２Ｌ）倍に実質的に等しい燃料の燃焼のために利用可能な時間に増加させることができる。ピストンクラウンの下方に閉じた空間を形成すると、このエンジンはシリンダヘッドの代わりにシリンダボトムを有し、現在の従来型のエンジンにおけると同様の燃焼室のコンパクト性を達成するために、このエンジンはオーバーヘッドバルブにより従来型のエンジンにもたらされるのと同じ利益を実質的に享受するためにアンダーボトムポペットバルブを有している。なぜならばピストンロッドの横断面は面積Ａ＝Ｐ／ｆのみだからである。ここでＰはガスからの力であり、ｆはピストンロッドの材料の実質的な単純引張りにおける疲労強度である。シリンダにはいかなる軸方向力も作用しないので、シリンダはかなり薄く軽量である。空気はボア壁に向かってダイレクトに流れ、内部から油膜を冷却する。

Description

【発明の詳細な説明】 プリングピストンエンジン １．発明の分野 本発明はクランクシャフト、コネクティングロッド及びピストンロッドユニッ トを有する往復動エンジンに関する。 ２．従来技術の説明 ＦＲ８１４９８７及びＦＲ８２８３０６は、ピストンの両側において燃焼がな されるエンジンを開示している。これらのエンジンには、ピストンの冷却の困難 さ、潤滑剤の減失及び容量の大きさなどのいくつかの不利益がある。 さらに、ピストンロッドの存在によりバルブサイズ及びバルブ位置について制 約が課されており、この不利益がこれらのエンジンを従来型のエンジンに比べて 劣ったものにしている。現在の従来型のエンジンにおけるＬヘッド、Ｆヘッド及 びＴヘッドエンジンの燃焼室の見地からの不利益がそれらを時代遅れのものにし ていることを考慮に入れても、たとえ従来型のオーバーヘッドバルブエンジンに おいて制約される以上にバルブサイズもしくはバルブ位置の制約を強いられてい ようと、現代のポペットバルブエンジンのバルブサイズとバルブ位置の圧倒的な 有効性その他の総合的な特性により、このエンジンはそれぞれの従来型のエンジ ンよりも劣っていると結論することができる。体積効率において代替物は存在し ない。 複動ピストン(double action pistons)においてピストンロッド内部の必要な 横断面モーメント(cross section moment)は、Ｊ＝（４／ａπ²）Ｐ_cｌ²／Ｅと いう垂直荷重理論(column loading theory)により与えられ、丸ロッド(round ro d)については以下の式でもたらされる。すなわち ｄ⁴＝ｂＰ_cｌ²／Ｅ （１） ここでｂはロッド支持のタイプにより定まり、片持ちばりロッドではｂ＝１であ る。 （１）によると、丸ロッドの直径ｄは、その長さ１の根に比例し、材料の弾性 係数の四重根に反比例し、材料の強度には無関係である。実際にはこの状態は不 利である。なぜならばこれは、少なくともクランクシャフト−シリンダ軸平面上 においては、垂直荷重のもとでピストンロッドとコネクティングロッドの連結し た長さだからである。 従って材料における進歩はｂが値を持たずかつＥが低い材料を指向しており、 可動エンジン部品として魅力的なその高い強度／重量比にも拘らず、チタン合金 などは有用とされない。 ＵＳ５１６７２０８は、限定的にクランクシャフトに面するピストンの側部に おいて燃焼が行なわれるエンジンを示す。しかしながら、このエンジンは、バル ブのために利用可能なスペースを制限する比較的大きな直径のピストンロッドを 使用しており、そのため可能な吸気及び排気ガスの流れを制限してしまう。ここ ではピストンロッドに強い曲げモーメントが発生し、これは軸方向力のみに対抗 する場合よりも何倍も太いロッドを必要とする。 複動ピストンのさらなる不利益は、ピストンの２つの面について形成される２ つのタイプのシリンダと燃焼室の不同性にある。これらは幾何学的に異なるだけ でなく、燃焼の完了のためにそれぞれが利用可能な時間においてかなりの相違が ある。なぜならば上死点付近のクランク−コネクティングロッド機構のピストン 運動は、係数（１＋Ｓ／２Ｌ）倍だけ、下死点付近のピストン運動よりも速くな るからである。ここでＳはストロークであり、Ｌはコネクティングロッドの有効 長さである。例えばＬ＝２Ｓの場合、下死点のドウェル、すなわちシリンダのク ランクシャフト側の端部から近い方に形成された燃焼室について利用可能な時間 は、上死点のドウェルよりも１．２５倍長くなり、その燃焼を完了するにはシリ ンダのクランクシャフト側の端部から遠い方に形成された燃焼室について利用可 能な時間よりも１．２５倍長い。また複動ピストンの２組の異なる燃焼室の間に 効率及び性能における同様の差異を生じさせる。現在の実施の動向は、ディーゼ ルエンジンのみならず火花点火エンジンについても、この利用可能な時間(avail able time)における差異が、これらエンジンの効率及び性能における相当な効果 を有するようであることを示している。 発明の概要 従って本発明の目的は、従来型のエンジンと同様のコンパクトな燃焼室と、ピ ストンロッドによりそれぞれのサイズとそれぞれの位置のいずれも制限されるこ とのないバルブとを備えたエンジンを提供することにある。なぜならば従来型の 往復動エンジンをして他のあらゆるタイプの熱機関を凌駕させているその特長と は、その単純さを除けば、シリンダヘッドに配置できる大型のオーバーヘッドポ ペットバルブに由来する満足なガスフロー効率に結びつく、その燃焼室のコンパ クト性にほかならないからである。 本発明のさらなる目的は、幾何学的に同一であるのみならず、燃焼の完了のた めに利用可能な時間に関してさえも同一である複数シリンダからなるエンジンを 提供することにある。 本発明のさらなる目的は、燃焼が終了するまでに十分な時間が与えられている エンジンを提供することにある。なぜなら従来型のエンジンにおいて、発火遅れ （特にディーゼルエンジンにおいて）及び相対的に不十分な火炎速度が燃焼の効 果的な完了のための時間の不足を招き、従って従来型のエンジンにおけるよりも 燃焼の間のピストン運動を遅くすれば効率が上昇するからである。この目的に応 じ、本発明は従来のエンジンが燃焼のために利用可能としていた時間の（１＋Ｓ ／２Ｌ）倍の固有の燃焼時間を利用可能にしている。 さらに本発明の目的は、少なくとも従来型のエンジンにおけると同様に効率的 かつ使い易い潤滑及び冷却を備えたエンジンを提供することにある。 さらに本発明の目的は、従来型のエンジンよりも体積が小さく重量も少ないエ ンジンを提供することにある。 さらに本発明の目的は、本体の連結部（もしあったとしても）が、エンジン本 体部品を押圧して分離させるような、いずれの相当なガス圧力をも回避すること により、ガス圧力を受けることのないエンジンを提供することにある。 本発明の上記及びその他の目的に応じて、ピストンは他の面よりもコネクティ ングロッドピンに近い一つの面を有し、他端よりもクランクシャフトに近い一端 を有するシリンダ内を往復運動する。シリンダのクランクシャフト側の端近くに は気密カバーが連結されており、コネクティングロッドピンに近い方のピストン の面とクランクシャフトに近い端であるシリンダの端のカバーとの間に気密室が 形成されている。シリンダの他端には気密カバーはなく、すなわちコネクティン グロッドピンやピストン面から遠い方には何の圧力も作用せず、よって第１コネ クティングロッドには考慮すべき垂直荷重が作用することはない。従って、コネ クティングロッドピンに近い方のピストン面に作用するガスの圧力によりロッド に伝わるのは単なる引張り力だけである。このような伸長ロッド(oblong rod)の 単純な張力においては、必要な直径は ｄ＝（４Ｐ／πｔ）^1/2 （２） に過ぎない。すなわち、実質的に正の引張りにおいて、ロッドの直径は負荷の根 に比例し、材料の疲労強度ｔの根に反比例する。 ピストンロッド製造のために使用されるような材料の合理的な強さと、ボアと ストロークの合理的な大きさと、熱力学サイクルの合理的な最大圧力とに対し、 式（２）はボアの１０％の範囲内あるいはそれよりなお小さいロッドの直径を導 出する。これは、２バルブエンジンにおいてはごく僅かの制約となるが、複数バ ルブエンジンにおいて、バルブのサイズや位置に何らの制約をも課すものではな い。さらにまた、材料の疲労強度ｔがさらに進歩すればｄは減少し、これは燃焼 室壁領域及びロッドシール長さの減少や、機械効率を改善する運動部品の軽量化 に貢献する。 図面の説明 図１から８において、複動ピストンエンジンのシリンダの理論上劣っている組 の除去がいかにして実現されたかを示し、従って残ったものは、理論上より効率 的な組のシリンダのみからなるエンジンであることを示す。 図１及び２は、本発明の２つの断面図を示し、一つの垂直面はクランクシャフ ト４に達し、一つはクランクシャフト−シリンダ３の軸平面上にある。 コネクティングロッドピン６には、図５、６及び７によく示されているように 第１コネクティングロッド７の一端が連結され、また第２コネクティングロッド ５の小型端５２が接合されている。第１コネクティングロッド７の反対側の端は ピストン７３に連結され、また第２コネクティングロッド５の大型端５１はクラ ンクシャフト４のクランクピン４１に接合されている。図４によく示されている 案内面１０には、図５，６及び７によく示されているコネクティングロッドピン スライダ６１がスライドする。 シリンダ３の端のクランクシャフト４から遠い方のシリンダ３の端３２は、図 ４によく示されており、クランクシャフトから遠い遠シリンダ端３２と称され、 一方シリンダ３の端のクランクシャフト４に近い方のシリンダ３の端３１は、ク ランクシャフトに近い近シリンダ端３１と称される。 コネクティングロッドピン６に近い方のピストンの面は、図５，６，７及び８ によく示されており、コネクティングロッドピンに近い近ピストン面７３１と称 され、一方コネクティングロッドピンから遠い方のピストン面７３２は、コネク ティングロッドピンから遠い遠ピストン面７３２と称される。プレート２は、図 ４によく示されているが、第１コネクティングロッド７が通過する開口２１とバ ルブ９用の口とを有する。 前述の説明により、このエンジンにおけるただ一つの気密室は、コネクティン グロッドピンに近い方の近ピストン面７３１と、プレート２と、ボアの面とによ り取り囲まれた空間として形成されていることは指摘した。また、コネクティン グロッドピンから遠い方の遠ピストン面７３２には何らの圧力も存在し得ないこ とも指摘した。従って、第１コネクティングロッド７には、ピストン面７３１に 対するガス圧力により作用する引張り荷重よりも、高速時でさえ数倍小さいピス トン７３の慣性が働く以外には、圧縮力が及ばない。公知のように、通常の長さ のコネクティングロッドについて、最大圧縮慣性力は最大引張り慣性力の約０． ６倍である。 図３には、２つのバンク(bank)に対して通常のクランクシャフトを利用したボ クサーエンジン(boxer engine)の実施例が示されている。 図４には、４シリンダエンジンのケーシングのクランクシャフト主軸受４４， クランクシャフト軸受８２，案内面１０及びプレート２が示されている。 図５には、運動変換機構の部品とガス圧力が作用する唯一のピストン面７３１ との透視図が示されている。 図７には、バルブ９の位置に関して、限定的に燃焼が起きるバルブ９とピスト ン面７３１との間の空間を示すようにピストンの面７３１が示されており、一方 図６には、燃焼が生じることのないピストン面７３２が示されている。 図８には、ピストン運動により駆動され、コネクティングロッドピンから遠い 方の遠ピストン面７３２と、内側からシリンダボアとを冷却する冷却流体流動の ための配管が示されている。シリンダ壁の温度について課せられる制約のいくつ かは、温度における油膜耐久限度によることは明らかなようである。この冷却材 の流動は、シリンダの内壁にダイレクトに向かっているが、熱損失の減少を目的 として、従来型のエンジンに比較してより熱い壁面にも拘わらず、油膜冷却を維 持することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジョン パタコス ギリシャ、ピレウス、ニケア ジーアール ―184 52、ラムプラキ 356番 (72)発明者 エマヌエル パタコス ギリシャ、ピレウス、ニケア ジーアール ―184 52、ラムプラキ 356番 【要約の続き】 から油膜を冷却する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ケーシングと、 クランクシャフトと、 その内部に往復動可能なピストンを有するシリンダと、 前記クランクシャフトに近いシリンダ端と前記クランクシャフトから遠いシリ ンダ端とを有する前記シリンダと、 前記クランクシャフトに近い前記シリンダ端に連結されたプレートと、 コネクティングロッドピンと、 前記プレートの穴を密封的に通過し、一端が前記ピストンに、反対の端が前記 コネクティングロッドピンに連結された第１コネクティングロッドと、 一端が前記クランクシャフトに、反対の端が前記コネクティングロッドピンに 接合された第２コネクティングロッドと、 前記コネクティングロッドピンに近いピストン面と前記コネクティングロッド ピンから遠いピストン面とを有する前記ピストンとを含み、 燃焼は、前記コネクティングロッドに近い前記ピストン面と前記プレートとの 間に形成された室で限定的に起こる往復動ピストン内燃エンジンにおいて、 コネクティングロッドピンは、前記ケーシングに設けられた案内面上をスライ ドするスライダ手段を含み、 前記クランクシャフトから遠い前記シリンダの端は加圧されておらず、これに より第１コネクティングロッドの直径は最小に維持され、 前記プレートは、前記プレート近くのシリンダボア突出部から外に向かって実 質的に延びることのないバルブを含むことを特徴とする往復動ピストン内燃エン ジン。 ２．前記クランクシャフトから遠い前記シリンダの前記端は、前記シリンダの内 壁に向かって、及び前記コネクティングロッドピンから遠い前記ピストン面に向 かって、冷却流体を導く開口手段として適用されている請求項１に記載の往復動 ピストン内燃エンジン。 ３．前記ケーシングは、２ストロークサイクルエンジンの一次慣性力及び一次慣 性モーメントを釣り合わせるカウンタウエイトウェブ(counterweights webs)を 含む少なくとも一つのカムシャフトを含む請求項１に記載の往復動ピストン内燃 エンジン。