JP2001012250A5 - - Google Patents

Description

【書類名】明細書
【発明の名称】ピストン・ポンプ式エンジン
【特許請求の範囲】
【請求項１】吸気シリンダと、この吸気シリンダ内を往復運動する予備圧縮ピストンと、ワークシリンダと、このワークシリンダ内を往復運動するワークピストンと、前記予備圧縮ピストンおよび前記ワークピストンからそれぞれ延在するピストンロッドが連接棒を介して連結されるクランクと、このクランクを収容するクランク室と、吸気シリンダ内で予備圧縮された圧縮気体をワークシリンダに送気するための送気路と、を備えるピストン・ポンプ式エンジンであって、
クランク室と吸気シリンダおよびワークシリンダとを部材を介して隔てるとともに、この部材の、前記ピストンロッドが貫通する部分にピストンロッドパッキンを設け、前記予備圧縮ピストンの上死点側と下死点側とのそれぞれに吸気室を形成し、前記ワークピストンの上死点側と下死点側とのそれぞれに燃焼室を形成したことを特徴とするピストン・ポンプ式エンジン。
【請求項２】一方の燃焼室において気体が燃焼し膨張する間に、他方の燃焼室において排気と掃気と気体の吸入と圧縮とが行なわれる請求項１記載のピストン・ポンプ式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気シリンダを備えたピストン・ポンプ式エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピストン・ポンプ式エンジンは、ワークシリンダとは別に吸気シリンダを設け、この吸気シリンダ内を往復運動する予備圧縮ピストンの作用によって吸気と予備圧縮を行なう。予備圧縮ピストンは、ワークピストンが連結されているクランクに連結されておりワークピストンに連動して作用する。従ってクランクとそれぞれのピストンから延在するピストンロッドとの連結具合によって、ワークピストンと予備圧縮ピストンとの相対的位置が決定される。ピストン・ポンプ式エンジンは、吸気シリンダ側に吸気ポートが形成され、ワークシリンダ側に排気ポートが形成され、かつそれぞれのシリンダに送気ポートが形成される１シリンダ２ポート式エンジンであるため、それぞれのポートに吸気バルブ、排気バルブ、送気バルブを設け、ピストン位置に応じてバルブタイミングを調節し、燃焼効率を制御することも可能である。さらに、ピストン・ポンプ式エンジンは、クランク室圧縮式エンジンのようにクランク室を気密にする必要がないので軸受け部分の潤滑法やクランク形状を自由に設定することができ、またワークシリンダよりも吸気シリンダの容積を大きくするなどして、より多くの圧縮気体をワークシリンダに供給することも可能である。
【０００３】
このように、ピストン・ポンプ式エンジンでは、バルブタイミングの調節やクランクの形状など構成の自由度が高く、吸気シリンダで予備圧縮された圧縮気体を燃焼室に供給するため吸入効率にも優れるため、高出力を得やすいという利点を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ピストン・ポンプ式エンジンは、ワークシリンダとは別途に吸気シリンダを備えるため、ワークシリンダのみで動作するエンジンと比較して機関体積が大きく、また構造が複雑で機関重量も重いという欠点をも有する。このことが、ピストン・ポンプ式エンジンの効率を低下させる大きな原因となっていた。
【０００５】
従って、本発明の主たる課題は、ピストン・ポンプ式エンジンにおいて、機関重量および機関体積を増加させることなく高効率化を図ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本願発明請求項１記載の発明は、吸気シリンダと、この吸気シリンダ内を往復運動する予備圧縮ピストンと、ワークシリンダと、このワークシリンダ内を往復運動するワークピストンと、前記予備圧縮ピストンおよび前記ワークピストンからそれぞれ延在するピストンロッドが連接棒を介して連結されるクランクと、このクランクを収容するクランク室と、吸気シリンダ内で予備圧縮された圧縮気体をワークシリンダに送気するための送気路と、を備えるピストン・ポンプ式エンジンであって、
クランク室と吸気シリンダおよびワークシリンダとを部材を介して隔てるとともに、この部材の、前記ピストンロッドが貫通する部分にピストンロッドパッキンを設け、前記予備圧縮ピストンの上死点側と下死点側とのそれぞれに吸気室を形成し、前記ワークピストンの上死点側と下死点側とのそれぞれに燃焼室を形成したことを特徴とするピストン・ポンプ式エンジンである。
【０００７】
予備圧縮ピストンの上死点側と下死点側とのそれぞれに吸気室を形成し、ワークピストンの上死点側と下死点側とのそれぞれに燃焼室を形成したことで、１つのシリンダと１つのピストンで、２シリンダ分の仕事を行なうことができる。
【０００８】
請求項２記載の発明は、一方の燃焼室において気体が燃焼し膨張する間に、他方の燃焼室において排気と掃気と気体の吸入と圧縮とが行なわれる請求項１記載のピストン・ポンプ式エンジンである。
【０００９】
ワークシリンダ内では、ワークピストンが上死点から下死点または下死点から上死点へと向かう１行程の間に、一方の燃焼室で気体が燃焼して膨張する間に、他方の燃焼室で掃気と排気と気体の吸入と圧縮とが行なわれるため、１行程で１サイクルを完了することができ非常に効率的である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しながら具体的に説明する。
図１に示されるように、円筒形のワークシリンダ１および吸気シリンダ２が近接して平行に並べて配置されている。ワークシリンダ１は、このワークシリンダ内を往復運動するワークピストン１０によって、上死点側燃焼室１Ａと下死点側燃焼室１Ｂとに分けられており、同様に吸気シリンダ２は、この吸気シリンダ内を往復運動する予備圧縮ピストン２０によって、上死点側吸気室２Ａと下死点側吸気室２Ｂとに分けられている。
【００１１】
上死点側および下死点側のそれぞれの燃焼室１Ａ，１Ｂには、排気ポート１１Ａ，１１Ｂが設けられており、この排気ポート１１Ａ，１１Ｂの開閉は排気バルブ１２Ａ，１２Ｂによって行なわれる。また上死点側および下死点側のそれぞれの吸気室２Ａ，２Ｂには、吸気ポート２１Ａ，２１Ｂが設けられており、この吸気ポートの開閉は吸気バルブ２２Ａ，２２Ｂによって行なわれる。排気バルブ１２Ａ，１２Ｂおよび吸気バルブ２２Ａ，２２Ｂは、図示されないカム等によって動作させることができる。
【００１２】
前記下死点側燃焼室１Ｂおよび前記下死点側吸気室２Ｂとクランク室４Ｒとは、底板部材３を介して隔てられている。それぞれのピストンから延在するピストンロッド１０ｒ，２０ｒは、この底板部材３を貫通し、クランク室４Ｒ内において連接棒１０ｃ，２０ｃを介して同一のクランク４に連結されている。前記ピストンロッド１０ｒ，２０ｒは、ピストン１０，２０に固定されるかまたはピストンと一体的に形成されるかしており、ピストンと同様に上下運動のみを行なう。前記底板部材３に形成されたピストンロッド１０ｒ，２０ｒが貫通する貫通孔１０ｈ，２０ｈには、下死点側燃焼室１Ｂおよび下死点側吸気室２Ｂの気密性を保つためのピストンロッドパッキン１０ｐ，２０ｐが設けられている。ワークピストン１０の上下運動は、ピストンロッド１０ｒによってクランク室４Ｒ内の連接棒１０ｃへと伝達され、連接棒１０ｃは伝達されたワークピストン１０の往復運動をクランク４の回転運動に変換する。それぞれのピストン１０，２０とクランク４とは、従来のピストン・ポンプ式エンジンと同様に、ワークピストン１０が予備圧縮ピストン２０よりも遅れて動作するように連結されている。
【００１３】
一方、吸気シリンダ２で吸気された気体をワークシリンダ１内へ供給するための送気路６Ａ，６Ｂが形成されている。送気路６Ａ，６Ｂは、上死点側燃焼室１Ａと上死点側吸気室２Ａとの間、および下死点側燃焼室１Ｂと下死点側吸気室２Ｂとの間、にそれぞれ形成されている。送気路６Ａ，６Ｂの途中にはこれら送気路６Ａ，６Ｂの開閉を行なう送気弁７Ａ、７Ｂが取付けられており、これらの送気弁７Ａ，７Ｂが開いたときに気体が燃焼室１Ａ，１Ｂへと送気され、閉じたときに送気が停止される。送気弁７Ａ，７Ｂはピストンが所定位置に移動し、上死点側または下死点側の吸気室２Ａ，２Ｂ内の圧力が所定圧力になると開くように構成されている。送気弁も吸気バルブおよび排気バルブ同様に図示されないカム等によって動作させることができる。
【００１４】
上死点側および下死点側の燃焼室１Ａ，１Ｂには、それぞれ燃料噴射用のインジェクション１３Ａ，１３Ｂおよび点火プラグ１４Ａ，１４Ｂが設けられている。インジェクション１３Ａ，１３Ｂは、それぞれの燃焼室の側壁に設けられている。これらのインジェクション１３Ａ，１３Ｂは、噴射された燃料が効率良く混合気となるように上死点側燃焼室１Ａではワークシリンダ１の下円方向に、そして下死点側燃焼室１Ｂでは上円方向に配置することが好ましい。また、シリンダ壁にインジェクションを設けずに、混合気として各燃焼室へ燃料を供給してもよい。ワークピストン１０が上死点に到達したときに上死点側燃焼室１Ａで、下死点に到達したときに下死点側燃焼室１Ｂでそれぞれ点火爆発を行なえるように、点火プラグ１４Ａ、１４Ｂがワークシリンダ１の気筒頂上部と底部に設けられている。この点火プラグは、ディーゼル機関のように圧縮爆発型のエンジンとする場合には設けなくてもよい。また、初期始動のためにどちらか一方の燃焼室のみに点火プラグを設けることもできる。
【００１５】
その他、従来のピストン・ポンプ式エンジンの燃焼室に設けられていた構成は、本願発明に係るピストン・ポンプ式エンジンの上死点側および下死点側の燃焼室においても、特別の変更をせずに設けることができる。同様に、従来のピストン・ポンプ式エンジンの吸気室に設けられていた構成は、上死点側および下死点側の吸気室に同じように設けることができる。
【００１６】
上記構成とすることで、予備圧縮ピストン２０が上死点方向に向かって移動する際に、下死点側吸気室２Ｂで吸気を行なうとともに上死点側吸気室２Ａで予備圧縮と送気とを行なうことができ、また、前記予備圧縮ピストン２０が下死点方向に向かって移動する際には、上死点側吸気室２Ａで吸気を行なうとともに下死点側吸気室２Ｂで予備圧縮と送気を行なうことができる。従って、吸気と送気とをピストンの１行程で行なうことが可能である。従って、吸気室で圧縮された気体をワークシリンダ１内にタイミング良く供給することにより、ワークシリンダ１内では、ワークピストン１０が上死点に向かって移動する際、すなわち下死点側燃焼室１Ｂで燃焼と膨張とが行なわれている間に、上死点側燃焼室１Ａで排気と掃気と気体の吸入と圧縮とを行なうことができ、前記ワークピストン１０が下死点方向に向かって移動しているとき、すなわち上死点側燃焼室１Ａで燃焼と膨張とが行なわれている間に、下死点側燃焼室１Ｂで排気と掃気と気体の吸入と圧縮とを行なうことができる。
【００１７】
また、本願発明に係るエンジンは、一方の燃焼室のみで仕事をすることも可能である。例えば、低出力で運転する場合には上死点側または下死点側のどちらか一方の燃焼室と吸気室とで仕事をし、高出力を必要とする場合には上死点側および下死点側の両方の燃焼室と吸気室とで仕事をさせることも可能である。
【００１８】
次いで、本願発明に係るエンジンの動作を概略図をもとに説明する。
図２に示されるように、予備圧縮ピストン２０が上死点付近に移動し、上死点側吸気室２Ａ内の圧力が所定圧力に到達すると上死点側送気弁７Ａが開き上死点側燃焼室１Ａと上死点側吸気室２Ａとが連通する。このときワークピストン１０は予備圧縮ピストン２０よりも遅れて動作するためワークシリンダ１の中程に位置し上死点に向かって移動している。上死点側燃焼室１Ａの排気ポート１１Ａは開いており、上死点側吸気室の吸気ポート２１Ａは閉じている。上死点側吸気室２Ａで予備圧縮された予備圧縮済気体Ｇは、上死点側送気路６Ａを通って上死点側燃焼室１Ａに送気される。上死点側燃焼室１Ａでは、掃気工程が行なわれる。このとき、下死点側送気弁７Ｂは閉じたままであり、下死点側吸気室２Ｂと下死点側燃焼室１Ｂとは連通していない。下死点側燃焼室１Ｂの排気ポート１１Ｂは閉じており、下死点側燃焼室１Ｂでは燃焼ガスが膨張している。下死点側吸気室２Ｂの吸気ポート２１Ｂは開いており、下死点側吸気室２Ｂには新気Ｎが吸気されている。
【００１９】
続いて、図３に示されるように、予備圧縮ピストン２０が上死点に移動すると、上死点側吸気室２Ａ内から上死点側燃焼室１Ａへ予備圧縮済気体Ｇの送気は完了する。完了と同時に上死点側送気弁７Ａが閉じ、上死点側吸気室２Ａでは吸気ポート２１Ａが開いて新気Ｎが吸気され始める。上死点側燃焼室１Ａの排気ポート１１Ａは送気弁７Ａが閉じる前に閉じられ、上死点に向かって移動するワークピストン１０によって送気された予備圧縮済気体Ｇが更に圧縮される。一方、このとき下死点側の送気弁７Ｂが閉じたまま、下死点側吸気室２Ｂの吸気ポート２１Ｂが閉じ、吸気されていた新気Ｎが予備圧縮されはじめる。下死点側燃焼室１Ｂでは、ひきつづき燃焼ガスの膨張がおきている。
【００２０】
続いて、図４に示されるように、ワークピストン１０が上死点に到達すると上死点側燃焼室１Ａで点火爆発が行なわれる。このとき予備圧縮ピストン２０は既に吸気シリンダ２の中程に位置し下死点に向かって移動している。上死点側の吸気ポート２１Ａは開いたままであり、上死点側吸気室２Ａには新気Ｎの吸気が行なわれている。一方、このとき下死点側送気弁７Ｂが閉じられ、下死点側吸気室２Ｂで予備圧縮が開始される。同時に下死点側燃焼室１Ｂの排気ポート１１Ｂが開き、下死点側燃焼室１Ｂでは排気が開始される。
【００２１】
図５に示されるように、予備圧縮ピストン２０が下死点付近に移動し、下死点側吸気室２Ｂ内の圧力が所定圧力に到達すると下死点側送気弁７Ｂが開いて下死点側燃焼室１Ｂと下死点側吸気室２Ｂとが連通する。このときワークピストン１０は予備圧縮ピストン２０よりも遅れて動作するためワークシリンダ１の中程に位置し下死点に向かって移動している。下死点側燃焼室１Ｂの排気ポート１１Ｂは開いており、下死点側吸気室２Ｂの吸気ポート２１Ｂは閉じている。下死点側吸気室２Ｂで予備圧縮された予備圧縮済気体Ｇは、下死点側送気路６Ｂを通って下死点側燃焼室１Ｂに送気される。下死点側燃焼室１Ｂでは掃気工程が行なわれる。一方、上死点側送気弁７Ａは閉じたままであり、上死点側吸気室２Ａと上死点側燃焼室１Ａとは連通していない。上死点側燃焼室１Ａの排気ポート１１Ａは閉じており、上死点側燃焼室１Ａでは燃焼ガスが膨張している。上死点側吸気室２Ａの吸気ポート２１Ａは開いており、上死点側吸気室２Ａでは新気Ｎの吸気がおこなわれている。これは、図２に示された状態の下死点側と上死点側が入れ替わった状態である。
【００２２】
従って、続いては図３に示された状態の上死点側と下死点側とが入れ代わった状態である図６に示される状態となる。予備圧縮ピストン２０は下死点に移動し、下死点側吸気室２Ｂ内から下死点側燃焼室１Ｂへ予備圧縮済気体Ｇの送気が完了し、完了と同時に下死点側送気弁７Ｂが閉じ、下死点側吸気室２Ｂでは吸気ポート２１Ｂが開いて新気Ｎの吸気が開始される。このとき下死点側燃焼室１Ｂの排気ポート１１Ｂは下死点側送気弁７Ｂが閉じる前に閉じられ、下死点に向かって移動するワークピストン１０によって送気された予備圧縮済気体Ｇが更に圧縮される。一方、このとき上死点側の送気弁７Ａが閉じたまま、上死点側吸気室２Ａの吸気ポート１１Ａが閉じ、吸気されていた新気Ｎが予備圧縮ピストン２０の作用により予備圧縮されはじめる。上死点側燃焼室１Ａでは、引き続き燃焼ガスの膨張がおきている。
【００２３】
続いて、図７に示されるように、ワークピストン１０が下死点に到達すると下死点側燃焼室１Ｂで点火爆発が行なわれる。このとき予備圧縮ピストン２０は既に吸気シリンダ２の中程に位置し上死点に向かって移動している。下死点側の吸気ポート２１Ｂは開いたままであり、下死点側吸気室２Ｂでは新気Ｎの吸気が行なわれている。一方、このとき送気弁７Ａによって上死点側送気路６Ａが閉じられ、上死点側吸気室２Ａでは予備圧縮が開始される。同時に上死点側燃焼室１Ａの排気ポート１１Ａが開き、上死点側燃焼室１Ａでは排気が開始される。
【００２４】
続いて、予備圧縮ピストン２０は、吸気シリンダ２の上死点付近に移動し、それに遅れて、ワークピストン１０はワークシリンダ１の中程に移動し、図２の状態へと戻り一巡する。このようにそれぞれのピストンが各シリンダ内をくり返し往復運動する。ワークシリンダ１内では、ワークピストン１０が１行程する間に、吸入、圧縮、膨張、排気の１サイクル全てが行なわれるため非常に効率的である。
【００２５】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明のよれば、２シリンダ分の仕事を１つのピストンと１シリンダとで行なう。また、ワークピストンが１行程する間に吸気、排気、掃気、圧縮、爆発の１サイクルすべてが完了するためピストンの仕事には無駄がない。従って、機関重量および機関体積を増加させることなく高出力を得ることが可能であり、もってピストン・ポンプ式エンジンの高出力化、高効率化、小スペース化などの利点がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るピストン・ポンプ式エンジンの断面図である。
【図２】本発明に係るピストン・ポンプ式エンジンの動作を説明するための第１の状態図である。
【図３】本発明に係るピストン・ポンプ式エンジンの動作を説明するための第２の状態図である。
【図４】本発明に係るピストン・ポンプ式エンジンの動作を説明するための第３の状態図である。
【図５】本発明に係るピストン・ポンプ式エンジンの動作を説明するための第４の状態図である。
【図６】本発明に係るピストン・ポンプ式エンジンの動作を説明するための第５の状態図である。
【図７】本発明に係るピストン・ポンプ式エンジンの動作を説明するための第６の状態図である。
【符号の説明】
１…ワークシリンダ、１Ａ…上死点側燃焼室、１Ｂ…下死点側燃焼室、２…吸気シリンダ、２Ａ…上死点側吸気室、２Ｂ…下死点側吸気室、３…底板部材、４…クランク、４Ｒ…クランク室、５…シリンダヘッド、６Ａ…上死点側送気路、６Ｂ…下死点側送気路、７Ａ…上死点側送気弁，７Ｂ…下死点側送気弁、８…ピストンリング、１０…ワークピストン、１０ｃ，２０ｃ…連接棒、１０ｈ，２０ｈ…貫通孔、１０ｐ，２０ｐ…ピストンロッドパッキン、１０ｒ，２０ｒ…ピストンロッド、１０ｓ，２０ｓ…ピストンリング、１１Ａ…上死点側排気ポート，１１Ｂ…下死点側排気ポート、１２Ａ…上死点側排気バルブ，１２Ｂ…下死点側排気バルブ、１３Ａ…上死点側インジェクション，１３Ｂ…下死点側インジェクション、１４Ａ，１４Ｂ…点火プラグ、２１Ａ…上死点側吸気ポート、２１Ｂ…下死点側吸気ポート、２２Ａ…上死点側吸気バルブ、２２Ｂ…下死点側吸気バルブ。