JP2008038885A - Scotch yoke type gasoline engine with compression chambers - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、芯違い双頭ピストンを使い、圧縮室を時差連動させることにより、4サイクルエンジンの燃焼効率を2サイクルで提供する圧縮室を持つスコッチヨーク式ガソリンエンジンに関する。 The present invention relates to a scotch yoke type gasoline engine having a compression chamber that provides the combustion efficiency of a four-cycle engine in two cycles by using a double-head piston with a center misalignment and interlocking the compression chamber with a time difference.
従来、スコッチヨーク式エンジンにおいては、シリンダ内に送気された燃料は、ピストンの上昇と共に圧縮されて高圧となり、ピストン上死点において点火されて、その爆発によりピストンを降下させる力でヨークを押し下げ、クランクシャフトにより直線運動を回転運動に変換して出力軸に大きな回転力を与えるメカニズムとなっていた。 Conventionally, in a Scotch yoke engine, the fuel supplied into the cylinder is compressed as the piston rises and becomes high pressure, and is ignited at the top dead center of the piston. The crankshaft is a mechanism for converting a linear motion into a rotational motion and giving a large rotational force to the output shaft.
特許文献1に記載されたピストンの側圧低減機構はスコッチヨーク機構を使ったもので、ピストンに接続されたコネクティングロッドが揺動せずにシリンダ軸線上を往復動するように拘束されており、コネクティングロッドの大端部にシリンダ軸線と直交する方向に形成された長溝に、クランクシャフトのクランクピンが摺動自在に係合している。このスコッチヨーク機構によれば、コネクティングロッドが常にシリンダ軸線上を往復動することで、ピストンの側圧の発生を防止することができる。 The piston side pressure reducing mechanism described in
特許文献2に記載されたスコッチヨーク式エンジンは、ヨークを備え、前記ヨークには、第一ピストンおよび第二ピストンが取り付けられている。前記第一ピストンおよび第二ピストンは、それぞれ対向する位置に互いに平行に設けられた第一シリンダおよび第二シリンダに対して往復動可能に設けられている。第一ピストンおよび第二ピストンは、各ピストンの往復運動方向に直交し、かつクランク軸の軸方向に直交する方向に相対的にオフセットされた位置に配置されている。 The Scotch yoke engine described in
特許文献3には、4本のピストンが設けられたヨークを有し、このヨークが往復運動することにより、クランク軸が回転する。また、前記クランク軸の回転とともにバランサのバランサ軸が回転し、このバランサ軸に取り付けられたバランスウェイトおよび前記ヨークに設けられたカウンタウェイトの遠心力によって、前記ヨークの移動に伴う慣性力をキャンセルする。また、第一バランスウェイトと第一ヨークとの離間距離と、第二バランスウェイトと第二ヨークとの離間距離が一致しており、クランク軸に掛かるモーメントを相殺するエンジンが開示されている。
上記の特許文献1乃至3においては、いずれもヨークがピストンの往復運動方向と直角に運動していて、溝部の両端において死点が生じ、2サイクルエンジンとすると燃焼効率が低下してしまった。 In the
解決しようとする問題点は、メカニカルロスの少ないスコッチヨーク式エンジンを改良して、燃焼効率がサイクルエンジン同等で、エンジン出力は2サイクルエンジン同等のレシプロエンジンを提供することである。 The problem to be solved is to provide a reciprocating engine having an improved combustion efficiency equivalent to that of a cycle engine and engine output equivalent to that of a two-cycle engine by improving a Scotch yoke type engine with less mechanical loss.
本発明は、頭部に点火手段を持つシリンダヘッドと、空気弁と前記シリンダヘッドとの連通路を持つ圧縮室、空気弁と燃料供給口と前記シリンダヘッドとの連通路を持つ圧縮室、前記圧縮室とは前記連通路を通じて連通させた主室を構成する燃焼室部材、及び1本の共通ヨークで2個のピストンを連結し、前記ピストンは各々のシリンダ内を往復動する双頭ピストン式スコッチヨーク機構を具備したスコッチヨーク式ガソリンエンジンにおいて、
ヨークに形成されたクランクピンは前記ヨーク運動方向に対して0°から60°あるいは120°から180°のオフセット角を持ち、前記クランクピン先端の前記長穴との当接する摺動部には回転自在の回転軸受手段が設けられ、前記ピストンのピストンヘッドには前記主室の一部を構成する圧縮室が形成され、前記双頭ピストンの片方が前記圧縮室の容積を拡大する方向に移動する時に、2つある前記圧縮室内の空気を圧縮し、前記圧縮室のひとつは燃焼後の前記圧縮室の排気に、もうひとつの前記圧縮室は、前記燃料供給路から供給された燃料と前記空気を混合した混合気を、次の燃焼前に排気済みの圧縮室に供給するようにした。The present invention includes a cylinder head having an ignition means at a head, a compression chamber having a communication path between an air valve and the cylinder head, a compression chamber having a communication path between an air valve, a fuel supply port, and the cylinder head, A compression chamber is a double-headed piston type scotch that reciprocates in each cylinder by connecting two pistons with a combustion chamber member composing a main chamber communicated through the communication passage and one common yoke. In the scotch yoke type gasoline engine equipped with a yoke mechanism,
The crank pin formed on the yoke has an offset angle of 0 ° to 60 ° or 120 ° to 180 ° with respect to the direction of movement of the yoke, and rotates on the sliding portion that contacts the elongated hole at the tip of the crank pin. A free rotation bearing means is provided, and a compression chamber constituting a part of the main chamber is formed in the piston head of the piston, and when one of the double-headed pistons moves in the direction of expanding the volume of the compression chamber. Two compression chambers compress the air, one of the compression chambers is exhausted from the compression chamber after combustion, and the other compression chamber is the fuel and air supplied from the fuel supply path. The mixed gas mixture was supplied to an exhausted compression chamber before the next combustion.
本発明では、ピストンの上死点時に、円框体へ取り付けたコンロッドの他端部における軸部が、円框体においてピストンの降下回転方向に位置するように軸支させたものであり、オフセット角およびクランクピン先端に配置した回転軸受手段により前記クランクピンの移動方向変換時でも滑らかな動きとなるから、ピストン上面にかかる燃焼室の爆発力は、直ちに出力軸の回転力となって、内燃機関のトルク力の増大と燃費向上となると共に、エンジンの低速回転において安定出力が得られる特有の効果を奏するものである。 In the present invention, at the top dead center of the piston, the shaft portion at the other end of the connecting rod attached to the circular body is pivotally supported so as to be positioned in the downward rotation direction of the piston in the circular body. Since the rotating bearing means arranged at the corners and the tip of the crankpin makes a smooth movement even when the moving direction of the crankpin is changed, the explosive force of the combustion chamber on the piston upper surface immediately becomes the rotational force of the output shaft, and the internal combustion engine In addition to increasing the torque force of the engine and improving fuel efficiency, it has a unique effect of obtaining a stable output at low engine speed.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一機能を有するものは同一の符号とし、その繰り返しの説明は省略する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the following description, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof is omitted.
本発明は、1本の芯違い双頭ピストンだけで構成したレシプロエンジンを基本としていて、図1は、芯違い双頭ピストンの断面図を示している。第1ピストン2を支える第1コンロッド3の中心線4と第2ピストン5を支える第2コンロッド6の中心線7は距離Xだけ離れている。また、ヨーク8内を往復動するクランクピン9の軌跡延長線10は各ピストンの往復運動方向にオフセット角θを持ち、このオフセット角θは30°から60°が好ましい。 The present invention is based on a reciprocating engine composed of only one misaligned double-headed piston, and FIG. 1 shows a cross-sectional view of the misaligned double-headed piston. The center line 4 of the first connecting
図2は、本発明の双頭芯違い双頭ピストンをクランクシャフトに嵌合した状態を図示している。クランクピン9はヨーク溝8aに嵌合しながら溝に沿って摺動する。 FIG. 2 shows a state where the double-headed double-headed piston of the present invention is fitted to the crankshaft. The
図3は、ヨーク8およびクランクピン9をクランク軸方向に切断した断面図である。クランクピン9の先端には回転軸受手段9aが設けられている。回転軸受手段9aとしては、回転ベアリング、フッ素樹脂、流体軸受などが考えられる。この回転軸受手段9aの機能としては、クランクピン9がヨーク溝8a内の摺動運動において、方向転換をスムーズにする支援的な機能を持っている。 FIG. 3 is a cross-sectional view of the
図4は、本発明の芯違い双頭ピストン2、5をシリンダ10、11に組み込んだ時のクランク軸12から見た正面図である。クランクピン9はヨーク8の溝9aに嵌合され、クランク軸12に設けられたクランク板13、14に挟まれた状態で摺動自在となっている。 FIG. 4 is a front view seen from the
図5は、シリンダ10およびシリンダ10の左右に設けた圧縮室15、19の断面図である。圧縮室15にはシリンダ10に当接した第1吸入バルブ16、第1排気バルブ17、および外気導入手段と連通した第1吸気バルブが設けられている。 FIG. 5 is a cross-sectional view of the
また圧縮室19には、シリンダ10に当接した第2吸入バルブ20、第2排気バルブ21、外気導入手段と連通した第2吸気バルブおよび燃料噴射バルブ22が設けられている。 The
上記の各種バルブについては、従来型のバルブも使えるが、トンネル形状の孔を持つ筒状のケース内に、この長孔の直径よりやや小さな直径を持ち、外径と内径を連通する孔を持つパイプを通し、前記パイプを回転させることにより、前記ケースの孔と前記パイプの孔が一致した時に前記パイプ内を流れる空気や燃料がケース内部に噴出する仕組みになっている。 For the above-mentioned various valves, conventional valves can also be used, but in a cylindrical case with a tunnel-shaped hole, it has a diameter slightly smaller than the diameter of this long hole, and has a hole that communicates the outer diameter and the inner diameter. By passing the pipe and rotating the pipe, when the hole of the case and the hole of the pipe coincide with each other, air or fuel flowing through the pipe is jetted into the case.
図6(a)〜(e)は、本発明の芯違い双頭ピストンを図5の第1及び第2圧縮室を使った2サイクル動作の例を示している。動作としては、(a)→(b)→(c)→(d)→(e)→(a)という循環を繰り返す。この時、不図示の反対側のピストンにおいては、(c)→(d)→(e)→(a)→(b)→(c)という循環を繰り返す。 6 (a) to 6 (e) show an example of a two-cycle operation in which the misaligned double-headed piston of the present invention uses the first and second compression chambers of FIG. As an operation, a cycle of (a) → (b) → (c) → (d) → (e) → (a) is repeated. At this time, in the piston on the opposite side (not shown), the cycle of (c) → (d) → (e) → (a) → (b) → (c) is repeated.
下記において、排気バルブ25は、図6(d)においてのみ開かれていて、(d)以外においては閉じられている。 In the following, the
まず、図6(a)は第1ピストン2は上死点に達していて、第1圧縮室15の第1吸入バルブ16、第1排出バルブ17、第1吸気バルブ18は閉まっていて、第2圧縮室19の第2吸入バルブ20、第2排出バルブ21,第2吸気バルブ22、燃料噴射バルブ23も全て閉まっている。 First, in FIG. 6A, the
点火プラグ24に点火されると第1シリンダ10内で圧縮された混合気に点火されて爆発が起きる。第1ピストン2には押し下げる力が加えられ、同時に第2ピストン5は第2シリンダ11内で押し上げられる。 When the
次に、図6(b)において、第1シリンダ10内の第1ピストン下部の空気は第1吸入バルブ16から第1圧縮室15内に圧縮流入すると同時に、第2吸入バルブ20から第2圧縮室19内にも圧縮流入する。この時、第1圧縮室15内の第1排気バルブ17及び第1吸気バルブ18は密閉されている。また第2圧縮室19内の第2排気バルブ21及び第2吸気バルブ23も密閉されている。 Next, in FIG. 6B, the air below the first piston in the
更に、図6(c)においては、第1シリンダ10は下死点に近づき、第1圧縮室15の第1吸入バルブ16および第2圧縮室19の第2吸入バルブ20は閉鎖される。この時、第1圧縮室15内の第1排気バルブ17及び第1吸気バルブ18は密閉されている。また第2圧縮室19内の第2排気バルブ21及び第2吸気バルブ23も密閉されている。 Further, in FIG. 6C, the
上記において、第2シリンダ11では、第2ピストン5は上死点に近づき、圧縮率は最高点に達する。 In the above, in the second cylinder 11, the
次に、図6(d)において、第1ピストン2は第1シリンダ10内で上昇を始めると同時に第1排気弁25が開き排気工程になる。この後、第1圧縮室の第1排気バルブ17が解放され、第1圧縮室10内で圧縮されていた圧縮空気が第1シリンダ10内に流入するので、爆発における汚れた空気が前記圧縮空気による強制排気で急速にシリンダ外に排気される。 Next, in FIG. 6D, the
上記において、第2シリンダ11内の第2ピストン5は下降し、第2ピストン下部の空気付図示の圧縮室に空気が圧縮流入する。 In the above, the
更に、図6(e)においては、第1圧縮室15の排出バルブ17は閉鎖され、第2圧縮室19の排出バルブ21が開口されることにより、第2圧縮室に密閉圧縮されていた空気および燃料の混合気が第1シリンダ10内に流入する。 Further, in FIG. 6 (e), the
前記混合気が第1シリンダ10内に収納されると、第1圧縮室15においては、第1吸入バルブ16と第1排出バルブ17が閉じられると同時に第1吸気バルブ18が開かれるので第1圧縮室15に外部の空気が吸入される。 When the air-fuel mixture is stored in the
また、第2圧縮室19においては、第2吸入バルブ20と第2排出バルブ21も閉じられると同時に、第2吸気バルブ22が開かれるので第2圧縮室19内に外部の空気が吸入される。 In the
上記は1本の芯違い双頭ピストンを使った2気筒エンジンの動作原理であるが、2本の芯違い双頭ピストンを直交させると4気筒エンジンを構成することが出来る。これらのシリンダ芯線の位置の差は図1のオフセット値Xだけであるので、従来の直列4気筒エンジンやV字型4気筒エンジンに比較してクランク軸の長さ方向において非常に短いエンジンとすることが出来るので、例えばハイブリッドエンジンなどの用途に適する。 The above is the principle of operation of a two-cylinder engine using a single misaligned double-headed piston, but a four-cylinder engine can be constructed by orthogonally crossing two misaligned double-headed pistons. Since the difference in the positions of these cylinder core lines is only the offset value X in FIG. 1, the engine is much shorter in the length direction of the crankshaft than the conventional in-line four-cylinder engine or V-shaped four-cylinder engine. For example, it is suitable for applications such as hybrid engines.
また、芯違い双頭ピストンを60°ずつ角度を違えて3組で構成することにより6気筒エンジンが出来る。 Moreover, a 6-cylinder engine can be formed by configuring three pairs of misaligned double-headed pistons at different angles by 60 °.
更に、2本の芯違い双頭ピストンを直交させた4気筒エンジンを2組直列に配置し、間にクラッチ機構を設けることにより、8気筒エンジンを構成することが出来る。この8気筒エンジンは前記クラッチ機構を使うことにより、馬力が必要な時には前記クラッチをつないで8気筒全てを駆動させ、あまり馬力が必要でない時には前記クラッチ機構を解除することにより4気筒エンジンとして経済走行することが可能となる。 Further, an 8-cylinder engine can be configured by arranging two sets of 4-cylinder engines in which two misaligned double-headed pistons are orthogonal to each other in series and providing a clutch mechanism therebetween. This 8-cylinder engine uses the clutch mechanism to connect the clutch to drive all 8 cylinders when horsepower is needed, and to release the clutch mechanism when less horsepower is needed, thereby driving economically as a 4-cylinder engine. It becomes possible to do.
本発明によるエンジンは、1本の双頭ピストン構成、2本を直交配置した十字型構成を一つ以上連接した構成、複数の双頭ピストンを水平に並べた構成など用途や車体設計に合わせた構成が可能であり、しかも従来コンロッドのように回転要素がなく、従来のバルブ挟み角が0になるのでコンロッド格納部分が小型化となりエンジン全体も小型化されるので、例えばハイブリッドエンジンなどへの利用することにより、自動車産業の省エネ化に寄与することが出来る。 The engine according to the present invention has a single-headed piston configuration, a configuration in which two or more cross-shaped configurations arranged orthogonally are connected, a configuration in which a plurality of double-headed pistons are arranged horizontally, and a configuration tailored to the application and vehicle design. It is possible, and since there is no rotating element like the conventional connecting rod and the conventional valve pinching angle becomes 0, the connecting rod storage part is downsized and the entire engine is downsized. For example, it is used for a hybrid engine etc. Can contribute to energy saving in the automobile industry.
1…芯違い双頭ピストン、 2…第1ピストン、 3…第1コンロッド、 4…第1コンロッドの芯線、 5…第2ピストン、 6…第2コンロッド、 7…第2コンロッドの芯線、 8…ヨーク、 9…クランクピン、 9a…ヨーク溝、 10…第1シリンダ、
11…第2シリンダ、 12…クランクシャフト、 13…クランクピンベースプレート、 14…クランクピンベースプレート、 15…第1圧縮室、 16…第1吸入バルブ、 17…第1排出バルブ、 18…第1吸気バルブ、 19…第2圧縮室、 20…第2吸入バルブ、 21…第2排出バルブ、 22…第2吸出バルブ、 23…燃料噴射バルブ、 24…点火プラグ、 25…排気バルブ。DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... 2nd cylinder, 12 ... Crankshaft, 13 ... Crankpin baseplate, 14 ... Crankpin baseplate, 15 ... 1st compression chamber, 16 ... 1st intake valve, 17 ... 1st discharge valve, 18 ... 1st intake valve , 19 ... second compression chamber, 20 ... second intake valve, 21 ... second discharge valve, 22 ... second intake valve, 23 ... fuel injection valve, 24 ... ignition plug, 25 ... exhaust valve.
Claims (1)
ヨークに形成されたクランクピンは前記ヨーク運動方向に対して0°から60°あるいは120°から180°のオフセット角を持ち、前記クランクピン先端の前記長穴との当接する摺動部には回転自在の回転軸受手段が設けられ、前記ピストンのピストンヘッドには前記主室の一部を構成する圧縮室が形成され、前記双頭ピストンの片方が前記圧縮室の容積を拡大する方向に移動する時に、2つある前記圧縮室内の空気を圧縮し、前記圧縮室のひとつは燃焼後の前記圧縮室の排気に、もうひとつの前記圧縮室は、前記燃料供給路から供給された燃料と前記空気を混合した混合気を、次の燃焼前に排気済みの圧縮室に供給することを特徴とする圧縮室を持つスコッチヨーク式ガソリンエンジン。A cylinder head having an ignition means at the head, a compression chamber having a communication path between an air valve and the cylinder head, a compression chamber having a communication path between the air valve, a fuel supply port, and the cylinder head, and the compression chamber Combustion chamber members composing a main chamber communicated through the communication passage and two pistons are connected by one common yoke, and the piston has a double-headed piston type scotch yoke mechanism that reciprocates in each cylinder. In the scotch yoke type gasoline engine
The crank pin formed on the yoke has an offset angle of 0 ° to 60 ° or 120 ° to 180 ° with respect to the direction of movement of the yoke, and rotates on the sliding portion that contacts the elongated hole at the tip of the crank pin. A free rotation bearing means is provided, and a compression chamber constituting a part of the main chamber is formed in the piston head of the piston, and when one of the double-headed pistons moves in the direction of expanding the volume of the compression chamber Two compression chambers compress the air, one of the compression chambers is exhausted from the compression chamber after combustion, and the other compression chamber is the fuel and air supplied from the fuel supply path. A scotch yoke type gasoline engine having a compression chamber, wherein the mixed gas mixture is supplied to an exhausted compression chamber before the next combustion.
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Cited By (3)
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JP7450785B1 (en) | 2023-05-06 | 2024-03-15 | 森内 アツ子 | Multipurpose swing and twist triple piston engine |
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2006
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Legal Events
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