JP2009079585A - ピストン往復運動と出力軸回転運動の橋渡しを担う、クランクに代わる機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンとクランクシャフト間をコネクティングロッドで連結し、ピストンの直線運動をクランクシャフトの回転運動に変換するレシプロエンジンの動力伝達効率を高めてエンジン効率を向上させる。
【解決手段】クランクシャフトとコネクティングロッドに代えてローラと回転カムを組み合わせた動力伝達機構使用することにより、ピストンから出力主軸へのエネルギー伝達効率を高める。
【選択図】図７

Description

本発明は４サイクル内燃機関に於いて、その膨張行程でピストンに託されるエネルギーを、現状を上回る効率で回転エネルギーに変換する技術に関する。

地球温暖化が急速に進行している。ある人は「もっと燃費の良い自動車を買おう」と言う。それにしても４サイクル内燃機関（以下、エンジン）の効率は相当に悪いようなので、これを改善したいと考えた。まずは効率がどれ位に悪くて、その理由が何なのかを探った。以下に述べる考察は筆者（発明者）独自のもので異論があるかも知れないが、ひとつの見方として捉えていただいて結構である。結論を先に言うなら、エンジン出力の源はピストンを押し下げる力そのもの（燃焼圧力もしくはシリンダー内圧力）であって、この力に不足はなく、要はクランクがいけないのである。

まず最初に現行エンジンの効率を、燃焼圧力もしくはシリンダー内圧力（以下、圧力）とクランク軸トルク（以下、トルク）の関係から眺めてみる。図１は横軸がクランク回転角（度）で、膨張行程におけるピストン上死点は０度、下死点は１８０度である。Ｐ は圧力の変化を示すが、やや理論的に整形されている。Ｔ はトルクを示し、ＰとＴはいずれも現行ガソリンエンジンの一例を出処にしている。ＰとＴについてそれらの大きさの単位及び目盛を省いているが、縦軸を上に行くほどそれらの大きさは増す。見ての通り圧力（Ｐ）はクランク回転角０度付近で既に大きく、その後クランク回転角１０度〜１５度付近で最大値をマークしている。しかしながら、この最もエネルギーに富む領域においてトルク（Ｔ）は僅かしか発生していない。ＰとＴを全体に見渡す時、関連が殆ど感じられないほどである。なんなんだこれは、なんと勿体ないと思った筆者は、ピストンからクランク軸に至る、圧力が回転力に変換移行するルートにおけるエネルギーの伝達効率を点検してみる事にした。

膨張行程においてエネルギー（力）の伝わるルートは、ピストン→ピストンピン→コンロッドスモールエンド→コンロッド→コンロッドビッグエンド→クランクピン→クランク軸である。ピストンピンとクランクピンをクランク軸方向から見た時、直線運動しているピストンピンに対して、クランクピンはクランク回転軸を中心に弧を描いて回転運動しているので、力の作用点としてのクランクピン位置はピストンピンにおける力の方向から常にそれている。であるから、それている量（角度）に応じてピストンピンからクランクピンに伝わる力は変化を伴いながら減少している事になる。この変化し続ける減少の度合を、クランク回転角０度から１８０度について調べた。力を伝える時にその方向がそれて力が減少する場所は、ピストンピン→コンロッドスモールエンドとコンロッドビッグエンド→クランクピンの２ヵ所である。このそれぞれについて、昔学校で習った力の分解（分力）の手法を用い、有効分力（％）を算出したのち、それぞれの有効分力（％）を乗算する事でピストンからクランク軸に届くエネルギーの伝達効率（％）とした。この伝達効率をクランク回転力効率と呼ぶ事にする。

図２は、クランク軸方向から見るピストンピンとクランクピンが、とある一瞬の位置にいる時の、前記２ヶ所における有効分力を表わしており、クランク回転角５度刻みで有効分力（％）の算出作業を行なった。なお、ピストンピン→コンロッドスモールエンドにおいて１００％効率となるのはクランク回転角０度丁度と１８０度丁度の位置、コンロッドビッグエンド→クランクピンにおいて１００％効率となるのは、クランクピン中心が描く円軌道の接線と、ピストンピン中心とクランクピン中心を結ぶ直線とが重なる一瞬のみである。

こうして得られたクランク回転力効率（％）が図３のＣ−Ｐｅｒであり、圧力により押し下げられるピストンが有する力（当然ながら大きさは常に変化している）の内のどれだけがクランク軸を回転させる力に変換されているかという効率の変化を表わしている。ただし、エンジン運転時においてピストンからクランク軸に至る各パーツが受ける諸々の抵抗は一切無視しているので、得られたクランク回転力効率は現実には達成される事のない最大値となる。図３には図１のＰとＴも転記し、Ｃ−Ｐｅｒについてのみ％単位で目盛をふった。

そして図３で見直してみると、トルク（Ｔ）がピークとなるクランク回転角５５度付近ではクランク回転力効率（Ｃ−Ｐｅｒ）もピーク付近にあって、これらのピーク位置は概ね一致している。クランク回転角０度〜１５度付近に至る、圧力（Ｐ）は大きいもののトルク（Ｔ）は出ないという問題の領域においては、この領域に該当するクランク回転力効率（Ｃ−Ｐｅｒ）があまりに低く、トルク（Ｔ）の立上がりが悪いのも至極当然という事がわかる。よって、トルク（Ｔ）はクランク回転力効率（Ｃ−Ｐｅｒ）の強い影響を受けていると言えよう。結論として、クランクは圧力を回転力に変換する能力が低く、エンジン効率向上の足かせとなっているのである。クランクは、どげんかせんといかん。

往復直線運動する従動ローラー等の原動たる回転カムに於いて、回転カムを回転軸方向から見る時、回転軸の周りに周回する内輪郭と外輪郭の２本の輪郭があり、２本の輪郭は相似形でなく、２本の輪郭が成す間隔は一定でない。この２本の輪郭に挟まれた領域を凹部として、従動ローラー等の収まる空間にする。回転カムの回転による従動ローラー等の往復直線運動がピストンの駆動源となり、外輪郭は吸気行程を担い、内輪郭は圧縮行程と排気行程を担う。膨張行程は内輪郭がこれを受け持つ。

本発明は数多くの効果を有する。筆頭として挙げるのは、クランク使用に比較して、大きい圧力の領域において高効率で回転力を生み出す能力を備えており、トルクの向上すなわちエンジン効率向上に絶大な効果をもたらす点である。また、現行エンジンではクランクを除く各系統の機能及び性能は高度に洗練されており、これら各系統は無理なく本発明と連係する事が可能であって、高効率エンジンの開発に要するコストと時間を節約できる。この他の効果については「発明を実施するための最良の形態」の中で折に触れて述べる事とする。

本発明の回転カムについて詳しく説明する。図４は回転カムの回転軸方向形状を示し、この方向を正面とする。日本一の誉れ高い福島名産の桃に形が似ているように感じるので、この回転カムを「ピーチ」と呼ぶ事にする。図中の斜線領域が凹部であり、ここに従動ローラー等が収まる。図中の２点鎖線は、凹部に収まった従動ローラー等の中心（回転軸）が描く軌道を表わしている。ショートカットしている軌道部分は膨張行程時のみ通過する。実際にはピーチの方がピーチ回転軸を中心として回転し、従動ローラー等が往復直線運動する。

図５はピーチを使用する際のピストンに連なる構成を示す正面図である。ピーチは図に向かって右回転で使用する。左回転では動作不能である。図５は吸気行程途中の場面である。ピストンとコンロッドは基本的に固着で良いが、経時変形の可能性その他を考えれば、現行エンジンと同様にピストンピン〜コンロッド（スモールエンド部）で回転可能にしておく方が手堅いであろう。コンロッドビッグエンド部には従動ローラー等を取り付ける。従動ローラー等の軸受保持は強固でなければならない。コンロッドをピストンと一緒に往復直線運動させるため、コンロッドの左右にガイドを設置する。ガイドは金属製のローラーが相応しい。ガイドの設置には強度及び剛性において十分なものが要求される。後述するが、さもないとエンジン効率が低下する。ピーチは従動ローラー等を挟む形で２枚を一組として使用するのが好ましい。この方が多気筒化にも素直に対応できるであろう。ただし、同一形状のピーチを一組としてはならない。それでは動作不能となる。と言うより壊れる。それぞれのピーチは鏡で見る如くに形状を反転させて用いる事。ピーチ軸はベアリングにて支持する。図６で、ピーチを２枚一組として使用する場合のピストンに連なる構成の側面図を示した。

図７はピーチのアレンジ例を示す正面図である。金属等を材料とする均等な厚みの円盤に凹部を形成し、ピーチの回転（質量）バランスも考慮した場合の一例である。凹部の深さが変われば、当然ながらピーチの正面形状も違ったものとなる。外輪郭及び内輪郭には補助線を引いて、吸気・圧縮・膨張・排気の各行程に対応する、従動ローラー等と輪郭の接触位置の移動ゾーンを示した。吸気は外輪郭の該当するゾーン（ＩＺ）、圧縮と排気は内輪郭の共通して該当するゾーン（Ｐ／ＥＺ）、膨張は内輪郭の該当するゾーン（ＦＺ）である。これらのゾーンデザインによる吸気・圧縮・膨張・排気の各行程容積は全て同じであり、それぞれの行程に対応するピーチ回転角は全て１８０度である。

次に、エンジンの効率向上に際して最も重要な膨張行程から説明を加える。ここで予め確認しておく事がある。圧力の変化はシリンダー容積の変化との関係が密であり、ピーチ回転角（クランク回転角もまた然り）との関係で見るべきでないという事である。よって圧力については、これをピストン変位（ピストンストローク量）との関係から認識するものとする。現行エンジンは回転数（ＲＰＭ）その他の条件にもよるが、ピストン上死点前の点火による燃焼反応で圧力はピストン上死点において既に最大圧力の７０％程度をマークし、ピストンストローク量５％前後までには最大圧力をマークしたのち、ピストンストローク量６０％付近で最大圧力の３０％程度まで低下して殆ど利用できなくなる。この状況設定は、ひとつのタタキ台としてのものである。

従動ローラー等から圧力を受け取るＦＺのデザインは、ピストンストローク量５％から７０％付近までをターゲットとして、高い効率で圧力を回転力に変換できるものとしている。このターゲット区間においてピーチが圧力を回転力に変換する効率は、概ね１００％〜２２０％であり、クランク回転力効率の最大値８９％を大きく凌ぐ。図８は、ピストンストローク量５５％付近における従動ローラー等の位置と、ピーチ回転力効率（ピーチが圧力を回転力に変換する効率）を求めるための、力の分解（分力）の手法による有効分力を表わしている。有効分力の算出はピーチ回転角３度刻みで行なった。有効分力（％）がそのままピーチ回転力効率（％）となる、と言いたい所であるが、内輪郭と従動ローラー等の接触位置からピーチ回転軸までの距離がいわゆるトルクの腕の長さ（以下、トルク腕）に当たり、トルク腕は常に変化するのでトルク腕が短くなるにつれてピーチ回転力効率を割り引かなくてはならない。このＦＺデザインにおいて有効分力が最大となるのはピーチ回転角１２度であり、この時のトルク腕を１として順次割り引く事にした。有効分力はその多くをコンロッド経由でガイドから得ており、ガイド軸受と軸受支持は強度及び剛性が必須である。

図９は、横軸がピーチ回転角（度）で、Ｐｅ−Ｐｅｒがピーチ回転力効率（％）の変化を示している。ピーチ回転力効率はクランク回転力効率と同様、現実には達成し得ない。図９には、膨張行程におけるピストン変位（ピストンストローク量％）も記入しておいた。

続いて、ピーチ軸トルク（のカーブ）を予想してみる。図９で見る通り、ピーチが０度から２０度回転する時、ピストンは上死点から６０％ストロークする。この間に圧力は急激に低下する訳であるから、先のタタキ台に従って、ピーチ回転角２０度すなわちピストンストローク量６０％において圧力が最大値の３０％をマークしているものと仮定した。（実際の残存圧力はもっと大きいように思うが遠慮した。） 図１０に、予想されるピーチ軸トルク（Ｐｅ−Ｔ）を示した。横軸がピーチ回転角（度）である。ピーチ使用時における圧力の変化（Ｐ′）は、上述の仮定に基づいて図１及び図３のＰを変形しているが、その正しさは保証できない。ピーチ軸トルク（Ｐｅ−Ｔ）の予想方法は次の通りである。図３のクランク使用の場合では、クランク回転角５４度において、クランク回転力効率がピーク付近たる約８９％かつピーク比約４８％の圧力のもとで、トルクがピークを迎えている。この状況を図１０にも当てはめれば、ピーチ回転角１２度において、ピーチ回転力効率はピークたる２２０％かつ圧力はピーク比約７５％なので、
〔２．２０×０．７５〕÷〔０．８９×０．４８〕≒３．８６ となり、図３のトルクピークを３．８６倍したものを図１０に記入して、これをピーチ軸トルクのピークという事にした。ピークを決めたあとは順次、ピーチ回転力効率（％）とピーク比圧力（％）の乗算により、線を描いてみた。しかしながら、実際のピーチ軸トルク（のカーブ）が Ｐｅ−Ｔからどの程度ずれるかは、正直な所わからない。

ピーチ軸トルクは強大かつ変化が大きいので、ピーチの回転角速度も変動が大きくなる。これによって不都合が生じる場合は、まず第一にピーチ質量の増大で対応するのが妥当であろう。フライホイール等の質量も見直す。しかしエンジンの重量増加は好ましい事ではないので、適所に何らかのトルク平坦化装置を設置するのも一考であろう。多気筒化は当然の事望ましい。

膨張行程の前後、圧縮行程と排気行程について説明を加える。この２つの行程におけるピストン駆動は、共に内輪郭のＰ／ＥＺが担う。（図７）ピストン駆動に要するエネルギー（言い換えるならポンピングロス）は排気行程よりも圧縮行程の方が数倍大きいので、圧縮行程を優先してＰ／ＥＺデザインを決めている。圧縮行程ではピストンが上死点に近付くほどピストン駆動に要するエネルギーは増大するので、トルク腕に留意しつつ、圧縮行程の進行につれピーチ回転角あたりのピストンストローク量を小さなものとしている。これによりピーチ軸回転質量（慣性）の温存を図る。

残る吸気行程について説明を加える。吸気行程におけるピストン駆動は外輪郭のＩＺがこれを担う。（図７）吸気行程におけるピストンスピードについてであるが、クランク使用の場合にはピストンストローク中央付近のスピードに比べて上死点及び下死点近隣でのスピードは数段遅く、これでは吸気効率が今一である。ピーチではピストンスピードを平均化し、かつ下死点ぎりぎりまでピストンスピードの落ちないＩＺデザインにより、吸気効率の向上を図っている。

図１１に、ピーチのアレンジ例をもうひとつ提示する。このピーチは、図７（及び図８）で示したピーチの外輪郭についてデザインを変更している。変更個所はＩＺ及びその付近であり、判り易いように変更前のＩＺ及びその付近を破線で表わした。排気行程においてピストン駆動に要するエネルギーは吸気行程とほぼ同じ小さなものであるから、ピストン・コンロッド・従動ローラー等を合計した質量の慣性を生かす事で、排気行程終了時のピストン上死点位置をより上方へ移行する事ができる。つまり、隙間容積をより小さくできるのである。このピーチでは、従動ローラー等とピーチ回転軸の距離を規制する外輪郭について、その規制を緩めたデザインとしている。これにより、排気効率が向上すると共に、吸気効率もまた向上する。排気行程と吸気行程の境界（ピストン上死点）に補助線を引いて、Ｅ〜Ｉ Ｔｏｐ で示している。
このピーチによる各行程容積は、 排気＝吸気＞圧縮＝膨張 となる。
各行程に対応するピーチ回転角は、排気＝２００度 吸気＝１６０度 圧縮＝１８０度 膨張＝１８０度となる。このアレンジの如くに、ピーチは機械要素として自由度の高い事も美点である。

ピーチ使用上の注意等について補足する。
膨張行程に対応するＦＺデザインは必ずしも理想形でない。
コンロッドのガイドは、ローラーであればその径と巾は大きいほど良い。ローラーの軸受支持等において不安がある場合は適当なリニア軸受を用いると良い。
コンロッド断面形状は思い切ったＨ形もしくは中空の楕円形が良い。
従動ローラー等の径はピーチ回転力効率に影響を及ぼすので、これは大きくしない方が良い。
潤滑で問題が生じた場合は、異なる材料の組み合わせによって解決する。
バルブタイミング・点火タイミング（ガソリンエンジンの場合）・燃料噴射タイミングとその量は適宜変更する。
ピーチ使用のエンジンは高圧縮比化の余地が生まれる可能性があるので、トライしてみたい。
現行エンジンのコンロッドビッグエンドとクランクピン周りを眺める時これらは異様にごつく、風景としてあまりに不自然である。
また、いわゆる熱勘定は、エンジン効率向上の方策を練るに際してあまり役立っていると思えない。むしろキーポイントを長らく覆い隠してきたように感じられる。熱勘定は日銀短観同様の、言わば後講釈である。
エンジン効率の向上は緊急の課題であり、本発明が失敗に終わろうとも近々クランク革命が訪れるに違いない。

最後に。
自動車は百余年に亘って有害なガスを大量に排出してきたばかりでなく、無数の事故を引き起こしてきた。中国における交通事故の死者数は直近で年間１０万人に達する。自動車メーカーは事故についても余程真剣に取り組まねばなるまい。
今後のエンジン効率向上を自動車の速度の向上や大型化に使ってしまっては元も子もない。自動車は、その価値において進化しなくてはならない。

圧力とトルクのグラフ。 有効分力を表わす。 クランク回転力効率と圧力とトルクのグラフ。 正面図。 正面図。 側面図。 正面図。 正面図。 ピーチ回転力効率とピストン変位のグラフ。 ピーチ軸トルクとピーチ回転力効率と圧力のグラフ。 正面図。

Claims (1)

1. 往復直線運動する従動ローラー等の原動たる回転カムに於いて、回転カムを回転軸方向から見る時、回転軸の周りに周回する内輪郭と外輪郭の２本の輪郭があり、２本の輪郭は相似形でなく、２本の輪郭が成す間隔は一定でない。この２本の輪郭に挟まれた領域を凹部として、従動ローラー等の収まる空間にする。回転カムの回転による従動ローラー等の往復直線運動がピストンの駆動源となり、外輪郭は吸気行程を担い、内輪郭は圧縮行程と排気行程を担う。膨張行程は内輪郭がこれを受け持つ。以上の回転カム構成を請求項１とする。

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