JP2008025493A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の内燃機関と同様にピストンの往復運動と出力軸の回転運動とを同期させつつ、トルク変動の発生原因を直接的に低減することができる内燃機関を提供する。
【解決手段】本発明の内燃機関は、クロスヘッド４に接続されたラック１１と、ラック１１と噛合する歯を部分的に備えたカム歯車１２と、カム歯車１２に接続された出力軸１３と、から構成される動力出力機構により、クロスヘッド４（ピストン２）の往復運動を回転運動に直接的に変換して出力するとともに、クロスヘッド４（ピストン２）の往復運動（１往復）とカム歯車１２の回転運動（１回転）とを同期させる同期機構を備える。同期機構は、例えば、カム歯車１２、駆動歯車１４、中間歯車１７、従動歯車１５及びリンク機構１６から構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、海洋や陸上の推進用、発電用等に用いられる内燃機関に関し、特に、固有のトルク変動を低減することができる内燃機関に関する。

図５は、クロスヘッド型のピストン形状を備えた２サイクル内燃機関の模式図である。
２サイクル内燃機関は、吸気と圧縮、膨張と排気の２工程で動力を生み出す機関である。具体的には、図５に示すように、シリンダ１内に吸気弁（図示せず）より空気を吸入し、これを急激に圧縮して高温になった状態で燃料を燃料噴射弁（図示せず）より噴射してシリンダ１内で燃焼させ、燃焼ガスがシリンダ１内で膨張してピストン２を押し下げた後、排気弁（図示せず）より排気ガスとなって大気中に放出され、再びシリンダ１内に新しい空気が吸入される、という行程を繰り返すことにより動力を取り出している。なお、図５において、排気孔は省略してある。

また、前記ピストン２の往復運動は、ピストン２に接続されたピストン棒３を介してクロスヘッド４に伝達され、該往復運動は、連接棒５及びクランクアーム６から構成されるリンク機構を介してクランク軸７に伝達され、回転運動に変換される。クランク軸７には、被駆動体であるプロペラや発電機等が接続される。

かかる従来の内燃機関では、図５に示したように、クロスヘッド４において、燃料の爆発によってピストン２に生じる力Ｆｐが生じ、その連接棒５の方向には力Ｆが生じる。この力Ｆはクランク軸７において、クランク接線力Ｆｔ（クランク軸７の回転方向の接線方向成分）とクランク半径力Ｆｒ（クランク軸７の回転半径方向成分）とに分力される。これらの力Ｆｔ，Ｆｒは、クランク軸７が１回転する間に大きく周期的に変化する。その結果、クランク軸７はトルク変動を生じ、クランク軸系の捩り振動や縦振動を発生する（例えば、非特許文献１参照）。これらの振動は、致命的な軸系の損傷を生じることもある。また、連接棒５の水平分力Ｆｈと、その反力がジャーナル軸受（図示せず）に作用して、内燃機関の架構（図示せず）を横方向に周期的に揺らす起振モ−メントとなり、横振れ振動を発生する。かかる横振れ振動は、前記捩り振動及び縦振動と相俟って、船舶の場合においては、船体構造そのものや乗組員が居住又は作業する居住区の振動や騒音、艤装品の振動等がたびたび問題となることがある。
日本マリンエンジニアリング学会誌 第４０巻 第５号（２００５） Ｐ．４２〜Ｐ．５０ 梶原 修平著 「舶用推進軸系の捩り振動」

これらの弊害を解消するために、クランク軸７に釣合錘、チューニングホイール（フライホイール）、ダンパーの装備、プロペラ翼数の変更又はシリンダの着火順序や着火タイミング（間隔・角度）の調節等のバランシング対策がとられている。また、前記捩り振動が結果として避けられない場合は、クランク軸７の直径を変更する等の方法で捩り振動の共振点（回転数）と軸系の固有振動数をずらし、トルク変動の影響を極力小さくしている。しかしながら、かかる対策においては、クランク軸７に発生するトルク変動を部分的に減じることができるに留まり、トルク変動の発生原因（クランク接線力Ｆｔ、クランク半径力Ｆｒ、水平分力Ｆｈ等）を直接的に低減する対策とはなっていない。

また、図５に示したような従来の内燃機関の効率性を改善する発明として、特許文献１に記載された内燃機関が提案されている。かかる特許文献１に記載された内燃機関は、クランク機構の代わり、ピストンのスカート側にピストンの往復運動に連動して往復運動を行うラック２条をそれぞれ向かい合わせに設け、その２条のラックに同一形状のピニオンをそれぞれ噛み合わせるとともに、各ピニオン軸の他端に別に取り付けた歯車を回転駆動軸（内燃機関の外部へ回転運動を伝達する歯車の軸）の歯車に噛み合わせ、しかもピストンの往復運動を連続的に回転運動に変換できるように各ピニオンとそのピニオン軸の間などにピストンの運動方向に連動して機能するフリー機構を介在させたものである。かかる内燃機関においては、前記捩り振動や横振れ振動の問題は生じないが、ピストンの往復運動と回転駆動軸との同期をとる機構がなく、回転出力の制御上の問題が生ずる。
特開平１１−１５９３３９号公報

本発明は上述した問題に鑑み、従来の内燃機関と同様にピストンの往復運動と出力軸の回転運動とを同期させつつ、トルク変動の発生原因（クランク接線力Ｆｔ、クランク半径力Ｆｒ、水平分力Ｆｈ等）を直接的に低減することができる内燃機関を提供することを目的とする。

本発明によれば、シリンダ内で摺動するピストンの往復運動を回転運動に変換して出力する内燃機関であって、前記ピストンに接続されたラックと、該ラックと噛合する歯を部分的に備えたカム歯車と、該カム歯車に接続された出力軸と、前記ピストンの往復運動と前記カム歯車の回転運動とを同期させてピストンの往路時に前記ラックと前記カム歯車とを噛合させる同期機構とを備えたことを特徴とする内燃機関が提供される。

前記同期機構は、前記カム歯車と同軸に設けられた駆動歯車と、該駆動歯車によって回転される従動歯車と、該従動歯車と前記ピストンを連結するリンク機構とから構成するようにしてもよいし、さらに、前記駆動歯車と前記従動歯車との間には中間歯車を設けるようにしてもよい。また、前記シリンダを複数備えている場合には、各シリンダの前記従動歯車には同軸にクランク軸が接続されており、各シリンダのクランク軸どうしは連結されないように構成してもよい。

また、前記同期機構は、前記カム歯車と同軸に設けられた駆動カサ歯車と、該カサ歯車によって回転される従動カサ歯車と、該従動カサ歯車と同軸に設けられたウォームと、該ウォームに連結されたウォーム歯車と、該ウォーム歯車に連結された立体カムと、該立体カムの溝を摺動するとともに前記ピストンに接続された従動ピンとから構成してもよい。

さらに、前記ピストンにクロスヘッドを連結し該クロスヘッドに前記ラックを接続してもよいし、該クロスヘッドに第二のクロスヘッドを連結し該第二のクロスヘッドに前記ラックを接続してもよいし、前記カム歯車の歯を前記ピストンが上死点から下死点まで移動する間だけ前記ラックと噛合する範囲に形成してもよいし、前記同期機構を前記ピストンの１往復と前記カム歯車の１回転とを同期させる機構としてもよい。

上述した本発明によれば、従来のリンク機構そのものから、トルク変動の発生原因であるクランク接線力Ｆｔ、クランク半径力Ｆｒ、水平分力Ｆｈ等を大幅に低減することができるため、クランク軸系の捩り振動、縦振動、横振れ振動及び騒音を大幅に減らすことができる。また、出力軸とピストンの同期機構を設けたため、往復運動と回転運動とを同期させることができ、制御上の問題も生じない。

また、トルク変動の発生原因そのものを低減したことにより、例えば、本発明の内燃機関を採用した船舶では、居住区の構造及び振動対策として求められる補強を少なくすることができるとともに、居住区の設計自由度が増えることとなる。さらに、ピストンを押し下げる力から直接的に動力を出力しているため、トルク伝達効率を向上させることができ、燃料消費量を削減することもできる。したがって、例えば、本発明の内燃機関を採用した船舶では、燃料消費量が減った分だけ燃料タンクの容量を削減でき、貨物の量をその分だけ多く積み込むことができる。

また、内燃機関のシリンダ数は伝達トルクの増加率に逆比例して削減することができ、その分だけ内燃機関と機関室の長さを短くすることができ、内燃機関そのものの製造コストを削減することができるとともに、船舶等の内燃機関を使用している装置全体の長さも短くすることができる。

その他に、（１）出力軸を直線的な一本ものの軸とすることができ、従来のようにクランク状に成形する必要がなく、加工が簡単で、内燃機関の可動部のバランスをとるための釣合錘やフライホイ−ルなどを設ける必要がない、（２）出力軸は、内燃機関の架構の中ではなく内燃機関の側面に取り付けられ、連接棒と連結していないので、簡単に取り外すことができ、保守・点検や修理が容易である、（３）クランク軸は、従来のように全シリンダ一体の大型鍛鋼品ではなく、一つのシリンダ用を分割製作すれば良いので、製造が容易であり、容易かつ安価に調達することができる、（４）クランク軸は１シリンダごとに取り付け又は取り外しすることができ、保守・点検や修理が容易となる等の効果も奏する。

以下、本発明の実施形態について図１〜図４を用いて説明する。図１は、本発明を採用した２サイクル内燃機関の第一実施形態を示す説明図であり、（Ａ）は部分断面正面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ矢視図である。なお、図５に示した従来の内燃機関と同じ部品については同じ符号を付し重複した説明は省略する。

図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、本発明の内燃機関は、シリンダ１内を摺動するピストン２の往復運動を回転運動に変換して動力を出力する内燃機関であって、ピストン２にはピストン棒３を介してクロスヘッド４が接続されており、クロスヘッド４を介して動力を取り出すものである。この動力は、クロスヘッド４に接続されたラック１１と、ラック１１と噛合する歯１２ａを部分的に備えたカム歯車１２と、カム歯車１２に接続された出力軸１３と、から構成される動力出力機構により、クロスヘッド４（ピストン２）の往復運動を回転運動に変換されて出力される。

本発明は、さらにクロスヘッド４（ピストン２）の往復運動とカム歯車１２の回転運動とを同期させる同期機構を備えている。同期機構は、少なくともカム歯車１２と同軸に出力軸１３に設けられた駆動歯車１４と、駆動歯車１４によって回転される従動歯車１５と、従動歯車１５とクロスヘッド４を連結するリンク機構１６と、から構成され、図１に示す第一実施形態においては、駆動歯車１４と従動歯車１５との間に中間歯車１７が設けられており、中間歯車１７は、駆動歯車１４及び従動歯車１５の両方に噛合するように配置されている。この従動歯車１５及び中間歯車１７は、それぞれクランク軸１５ａ及び中間歯車軸１７ａを有し、各軸１５ａ，１７ａは所定の軸受１５ｂ，１７ｂに支持されている。なお、中間歯車１７は必ずしも必要ではなく、駆動歯車１４と従動歯車１５とを直接噛合させるようにしてもよい。

また、リンク機構１６は、一端がクランク軸１５ａに固定されたクランクアーム１６ａと、クランクアーム１６ａの他端及びクロスヘッド４の中心部とピン結合された連接棒１６ｂとから構成されている。このリンク機構１６は、いわゆる往復スライダクランク機構をなしており、クランク軸１５ａとクロスヘッド４の中心部は略一直線上に並ぶ位置に配置され、クランクアーム１６ａが１回転（３６０°）する間にクロスヘッド４がシリンダ１内を１往復する関係にある。また、図１（Ｂ）に示すように、クランク軸１５ａ及びクランクアーム１６ａは対をなしており、一方のクランク軸１５ａのみが従動歯車１５に固定されており、一対のクランクアーム１６ａは、連接棒１６ｂを連結するピン１６ｃにより連結されている。なお、図１（Ａ）において、リンク機構１６の図は、理解しやすくするために実線で透過して表示している。

カム歯車１２には、図１（Ａ）に示すように、外周の一部分にのみ歯１２ａが切られており、この歯１２ａがラック１１と噛合するようになっている。歯１２ａが設けられる範囲は、ラック１１がクロスヘッド４とともに往復運動をするため、ラック１１の往路（ラック１１が上死点から下死点に移動する間）時のみラック１１の歯と噛合するように設定される。また、ラック１１は、シリンダ１内を摺動するように設けられており、ラック１１とカム歯車１２の歯１２ａとが噛合する部分のシリンダ１の外壁は切り欠かかれている。なお、ラック１１をシリンダ１の外側で摺動するように配置してもよい。

かかる構成により、ラック１１の往路（ラック１１が上死点から下死点に移動する間）時には、カム歯車１２がラック１１の移動に伴って回転する。このカム歯車１２の回転により、出力軸１３及び駆動歯車１４も回転し、出力軸１３の回転により出力が得られる。また、駆動歯車１４の回転により中間歯車１７が回転し、さらに従動歯車１５が回転する。ここで、従動歯車１５とラック１１（クロスヘッド４）とは、リンク機構１６を介して連結されているが、リンク機構１６は、従動歯車１５とラック１１（クロスヘッド４）の運動を同期させるように設定されているため、互いの運動が阻害されることはない。

次に復路（ラック１１が下死点から上死点に移動する間）について説明する。復路では、ラック１１とカム歯車１２とは噛合していないので、ラック１１の移動に伴ってカム歯車１２に動力が伝達されることはない。しかし、ラック１１（クロスヘッド４）と従動歯車１５とはリンク機構１６を介して連結されているため、従動歯車１５を回転させれば、ラック１１（クロスヘッド４）を移動させることができる。図１では図示していないが、内燃機関は一般に複数のシリンダが出力軸１３に連接されており、各シリンダのピストン２の駆動を適宜調整することによって、連接された他のシリンダから出力軸１３の駆動力を得ることができる。この出力軸１３の駆動力は、駆動歯車１４及び中間歯車１７を介して従動歯車１５に伝達され、クランクアーム１６ａを回転させ、クロスヘッド４及びラック１１を下死点から上死点に移動させる。その結果、ラック１１（クロスヘッド４）が復路の終点（上死点）に到達し、再び往路に移行しようとするときには、ラック１１とカム歯車１２の歯１２ａが再び噛合する位置に到達している。すなわち、ラック１１（クロスヘッド４）の１往復とカム歯車１２の１回転が同期するように構成されている。かかる運動を繰り返すことにより、ピストン２の往復運動は出力軸１３の回転運動に変換されて動力を得ることができる。

かかる内燃機関では、駆動歯車１４から連接棒１６ｂまでの部分は、出力軸１３に動力を伝達するものではなく、出力軸１３の１回転とピストン２の１往復を同期させるとともに、クロスヘッド４からピストン２までの部分を駆動させるための動力を伝達するものであるため、従来のものよりも強度を必要とせず、軽量化することができる。また、リンク機構１６と出力軸１３との位置関係から、出力軸１３に反作用するトルク変動を大幅に低減することができる。さらに、第一実施形態の変形例として、出力軸１３の軸端（プロペラや発電機等の被駆動体側）に駆動歯車と被駆動歯車を追加して設け、被駆動歯車の回転中心に出力軸を設けることで軸心の位置を下げることができ、従来の内燃機関を採用している推進用又は発電用の設備に使用することもできる。

上述したように本発明の内燃機関では、シリンダ１内で発生させた燃料の爆発力でピストン２、ピストン棒３、クロスヘッド４及びラック１１を下方に押し下げ、カム歯車１２を回転させている。したがって、カム歯車１２は、常に回転半径が一定の状態で出力軸１３を回転させる力を受けることとなり、ピストン２を押し下げる力（ピストン２の下降とともに変化するシリンダ１内の燃焼ガス圧力）の変化分を除いたトルク変動を大幅に低減することができる。

例えば、図５に示す従来の内燃機関では、ピストン２から連接棒５に伝わる力Ｆはピストン２が下端（下死点）に達するまでの間に連接棒５とクランクアーム６のなす角度（α＋β）が変化するため、クランク接線力ＦｔがＦ・ｓｉｎ（α＋β）となり、クランク軸７を回転させる伝達トルクはＦ・ｒ・ｓｉｎ（α＋β）となる。連接棒５に伝わる力Ｆ自体もその間変化するが、Ｆ＝一定としてピストン２の上死点から下死点までの伝達トルクを積分するとおよそ２・Ｆ・ｒとなる。ところが、本発明の内燃機関の場合は、図１（Ａ）に示すように、従来の内燃機関における正弦成分（ｓｉｎ（α＋β））がないため、伝達トルクはＦｐ・ｒとなる。同様にＦｐ＝一定としてピストン２が下端に達するまでの間を積分するとおよそπ・Ｆｐ・ｒとなり、Ｆ≒Ｆｐとすれば、従来の内燃機関との伝達トルクの比率はπ・Ｆｐ・ｒ／（２・Ｆ・ｒ）≒１．５となり、トルクの伝達効率を向上させることができる。したがって、内燃機関のシリンダ数を伝達トルクの増加率に逆比例して削減することでき、内燃機関と機関室の長さを短くすることでき、内燃機関そのものの製造コストを抑えることができ、船舶等の設備全体の長さを短くすることもできる。

また、本発明の内燃機関では、クロスヘッド４の往復運動をラック１１とカム歯車１２によって直接的に回転運動に変換し出力しているため、出力軸１３を直線的な一本ものの軸とすることができ、従来のようにクランク状に成形する必要がなく、加工が簡単で、内燃機関の可動部のバランスをとるための釣合錘やフライホイ−ルなどを設ける必要がない。さらに、出力軸１３は、内燃機関の架構の中ではなく内燃機関の側面に取り付けられ、連接棒１６ｂと連結していないので、簡単に取り外すことができ、保守・点検や修理が容易である。

また、クランク軸１５ａは、複数のシリンダ１を備えた内燃機関であっても、各シリンダ１のクランク軸１５ａどうしは連結されていないため、従来のように全シリンダ一体の大型鍛鋼品として製作する必要はなく、一つのシリンダ用のクランク軸１５ａを分割製作すれば良いので、製造が容易であり、容易かつ安価に調達することができる。また、１シリンダごとにクランク軸１５ａを取り付け又は取り外しすることができ、保守・点検や修理が容易となる。

図２は、本発明を採用した２サイクル内燃機関の第ニ実施形態を示す説明図であり、（Ａ）は部分断面正面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ矢視図である。なお、図１と同じ部品に関しては同じ符号を付し、重複した説明を省略する。

図２に示した第二実施形態は、図１に示した第一実施形態と同期機構の構成が異なるものである。第二実施形態における同期機構は、第一実施形態と同様に、駆動歯車１４、従動歯車１５、中間歯車１７及びリンク機構２１を備えているが、従動歯車１５及び中間歯車１７の配置ならびにリンク機構２１の構成が第一実施形態とは異なっている。

リンク機構２１は、クランク軸１５ａの従動歯車１５とは反対側に設けられた円板２１ａ（第一実施形態のクランクアーム１６ａに相当する部品）と、円板２１ａの縁部近傍にピン結合された第一連接棒２１ｂと、第一連接棒２１ｂの先端に中間部分がピン結合されるとともに一端がクロスヘッド４にピン結合された第二連接棒２１ｃと、第二連接棒２１ｃの他端に一端がピン結合されるとともに他端が軸支された第三連接棒２１ｄとから構成されている。本発明の内燃機関では、駆動歯車１４から連接棒１６ｂまでの部分は、出力軸１３に動力を伝達するものではなく、出力軸１３の１回転とピストン２の１往復を同期させるとともに、クロスヘッド４からピストン２までの部分を駆動させるための動力を伝達するものであるため、従来のものよりも強度を必要とせず、軽量化することができることに着目し、第二実施形態では、内燃機関そのものを小型化・軽量化することを目的としている。なお、図２（Ａ）において、リンク機構２１の図は、理解しやすくするために実線で透過して表示している。

第二実施形態のリンク機構２１では、円板２１ａの回転により第一連接棒２１ｂの後端（円板２１ａにピン結合された側の端部）が回転し、それにともなって第一連接棒２１ｂが第二連接棒２１ｃを引っ張り、第三連接棒２１ｄを軸２１ｅを中心に揺動させるようになっている。このリンク機構２１により、カム歯車１２の１回転（すなわち、従動歯車１５の１回転）と第三連接棒２１ｄの１揺動が同期され、さらにこれらの１揺動と第二連接棒２１ｃに接続されたクロスヘッド４の１往復とが同期されるようになっている。なお、駆動歯車１４、従動歯車１５、中間歯車１７及び円板２１ａの回転半径の大きさや歯数、各連接棒２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの長さ、第一連接棒２１ｂと第二連接棒２１ｃとの連結位置、第三連接棒２１ｄの軸２１ｅの配置位置等は、各内燃機関又はシリンダに合わせて適宜調整・設定される。なお、図２（Ｂ）において、図を見やすくするために、軸２１ｅの図は省略してある。

図３は、本発明を採用した２サイクル内燃機関の第三実施形態を示す説明図であり、（Ａ）は部分断面正面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ矢視図である。なお、図１と同じ部品に関しては同じ符号を付し、重複した説明を省略する。

図３に示した第三実施形態は、上述した第一実施形態及び第二実施形態と同期機構の構成が異なるものである。第三実施形態における同期機構では、リンク機構を用いていない点が上述した実施形態とは異なっている。

第三実施形態における同期機構は、カム歯車１２と同軸に設けられた駆動カサ歯車３１と、駆動カサ歯車３１によって回転される従動カサ歯車３２と、従動カサ歯車３２と同軸に設けられたウォーム３３と、ウォーム３３に連結されたウォーム歯車３４と、ウォーム歯車３４に連結された立体カム３５と、立体カム３５の溝３５ａを摺動するとともにクロスヘッド４に接続された従動ピン３６とから構成される。かかる構成によっても、第二実施形態と同様に、内燃機関そのものを小型化・軽量化することができる。

第三実施形態の同期機構では、出力軸１３の駆動力は、駆動カサ歯車３１、従動カサ歯車３２、ウォーム３３、ウォーム歯車３４、立体カム３５へと順次伝達され、立体カム３５を軸心を中心に回転させることができる。立体カム３５の溝３５ａには、従動ピン３６が連結されているため、立体カム３５の回転に伴って溝３５ａ内を従動ピン３６が摺動し、クロスヘッド４をシリンダ１内で摺動させることができる。このとき、駆動カサ歯車３１の１回転と従動カサ歯車３２・ウォーム３３・ウォーム歯車３４・立体カム３５の１回転とが同期されるようになっており、さらに立体カム３５の１回転はクロスヘッド４の１往復と同期されるようになっている。なお、駆動カサ歯車３１・従動カサ歯車３２・ウォーム３３・ウォーム歯車３４の回転半径の大きさや歯数、立体カム３５の溝３５ａの形状等は、各内燃機関又はシリンダに合わせて適宜調整・設定される。

図４は、本発明を採用した２サイクル内燃機関の第四実施形態を示す説明図であり、（Ａ）は部分断面正面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ矢視図である。なお、図１と同じ部品に関しては同じ符号を付し、重複した説明を省略する。

図４に示した第四実施形態は、出力軸１３を図５に示す従来の内燃機関と同じ位置になるように構成したものである。このような構成を採用することにより、従来の内燃機関を採用している推進用又は発電用の設備に本発明の内燃機関を使用することができる。

第四実施形態における内燃機関では、図１に示した第一実施形態に加えて、クロスヘッド４に第二クロスヘッド４１がクロスヘッド棒（連接棒）４２を介して連結されており、第二クロスヘッドにラック１１が接続されている。ラック１１の往復運動は、第一実施形態と同様に、カム歯車１２によって出力軸１３に回転運動に変換されて伝達される。第四実施形態における同期機構は、第一実施形態と同様に、駆動歯車４３、従動歯車４４、中間歯車４５及びリンク機構４６を備えているが、各歯車４３，４４，４５の配置及びリンク機構４６の構成が第一実施形態とは異なっている。なお、図４（Ａ）において、リンク機構４６の図は、理解しやすくするために実線で透過して表示している。

駆動歯車４３は、出力軸１３の所定の位置に同軸に配置され、駆動歯車４３と横並びの位置に従動歯車４４が配置され、その間に中間歯車４５が配置される。したがって、図５（Ｂ）では、駆動歯車４３の奥側に従動歯車４４が隠れていることになる。この従動歯車４４にはクランク軸４４ａが同軸に接続されており、従動歯車４４とともに回転するようになっている。また、リンク機構４６は、一端がクランク軸４４ａに接続されたクランクアーム４６ａと、一端がクランクアーム４６ａの先端にピン結合されるとともに他端がクロスヘッド４に連結された連接棒４６ｂとから構成され、連接棒４６ｂはクロスヘッド棒４２と干渉しないように湾曲してシリンダ１の外部に延設されるようになっている。なお、連接棒４６ｂが駆動する範囲のシリンダ１の外壁は切り欠かれている。

第四実施形態の同期機構では、出力軸１３の駆動力は、駆動歯車４３、中間歯車４５、従動歯車４４、クランク軸４４ａ、クランクアーム４６ａ、連接棒４６ｂへと順次伝達され、クロスヘッド４をシリンダ１内で摺動させることができる。このとき、駆動歯車４３の１回転と従動歯車４４の１回転とが同期されるようになっており、さらに従動歯車４４の１回転はクロスヘッド４の１往復と同期されるようになっている。なお、駆動歯車４３、中間歯車４５、従動歯車４４の回転半径の大きさや歯数、クランクアーム４６ａや連接棒４６ｂの長さ等は、各内燃機関又はシリンダに合わせて適宜調整・設定される。

本発明は上述した実施形態に限定されず、（１）駆動歯車から従動歯車の歯車式伝達機構に替えて、伝達力の大小によりベルトやチェーン式の伝達機構を使用してもよい、（２）２サイクル内燃機関に限らず４サイクル内燃機関にも適用してもよい、（３）クロスヘッドのない内燃機関の場合には、ピストンとラックの接続部がシリンダの燃焼室と重ならないようにピストンとラックを連結アーム等で接続すればよい等、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。

本発明を採用した２サイクル内燃機関を示す説明図であり、（Ａ）は部分断面正面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ矢視図である。 本発明を採用したマルチリンク式２サイクル内燃機関を示す説明図であり、（Ａ）は部分断面正面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ矢視図である。 本発明を採用した立体カム式２サイクル内燃機関を示す説明図であり、（Ａ）は部分断面正面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ矢視図である。 本発明を採用した２サイクル内燃機関を示す説明図であり、（Ａ）は部分断面正面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＢ矢視図である。 クロスヘッド型のピストン形状を備えた２サイクル内燃機関の模式図である。

符号の説明

１ シリンダ
２ ピストン
３ ピストン棒
４ クロスヘッド
５ 連接棒
６ クランクア−ム
７ クランク軸
１１ ラック
１２ カム歯車
１３ 出力軸
１４，４３ 駆動歯車
１５，４４ 従動歯車
１６，２１，４６ リンク機構
１７，４５ 中間歯車
３１ 駆動カサ歯車
３２ 従動カサ歯車
３３ ウォーム
３４ ウォーム歯車
３５ 立体カム
３６ 従動ピン
４１ 第二クロスヘッド
４２ クロスヘッド棒（連接棒）

Claims (9)

1. シリンダ内で摺動するピストンの往復運動を回転運動に変換して出力する内燃機関であって、前記ピストンに接続されたラックと、該ラックと噛合する歯を部分的に備えたカム歯車と、該カム歯車に接続された出力軸と、前記ピストンの往復運動と前記カム歯車の回転運動とを同期させてピストンの往路時に前記ラックと前記カム歯車とを噛合させる同期機構と、を備えたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記同期機構は、前記カム歯車と同軸に設けられた駆動歯車と、該駆動歯車によって回転される従動歯車と、該従動歯車と前記ピストンを連結するリンク機構と、からなることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記駆動歯車と前記従動歯車との間には中間歯車が設けられている、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 前記シリンダを複数備えた内燃機関であって、各シリンダの前記従動歯車には同軸にクランク軸が接続されており、各シリンダのクランク軸どうしは連結されていない、ことを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関。
5. 前記同期機構は、前記カム歯車と同軸に設けられた駆動カサ歯車と、該カサ歯車によって回転される従動カサ歯車と、該従動カサ歯車と同軸に設けられたウォームと、該ウォームに連結されたウォーム歯車と、該ウォーム歯車に連結された立体カムと、該立体カムの溝を摺動するとともに前記ピストンに接続された従動ピンと、からなることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
6. 前記ピストンには、ピストン棒を介してクロスヘッドが連結され、該クロスヘッドに前記ラックが接続されている、ことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の内燃機関。
7. 前記クロスヘッドには、連接棒を介して第二のクロスヘッドが連結され、該第二のクロスヘッドに前記ラックが接続されている、ことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関。
8. 前記カム歯車の歯は、前記ピストンが上死点から下死点まで移動する間だけ前記ラックと噛合する範囲に形成されている、ことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の内燃機関。
9. 前記同期機構は、前記ピストンの１往復と前記カム歯車の１回転とを同期させる機構である、ことを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の内燃機関。