JP2009525426A - 引き棒型エンジン - Google Patents

Abstract

ピストンは、連接棒を介してクランク軸に連結され一方、クランク軸は、ピストンピンと燃焼室の間に配置されている。これにより、燃焼は、遅い死点に移動させられ、ディーゼルエンジンでは、一層高回転での予備形成を可能にし、火花点火エンジンでは、効率を改善し、ＨＣＣＩでは、燃焼を一層容易にする。クランク軸は、一体であるが、１個のピストンのために複数本の連接棒を使用することができる。対向ピストンのように、ＰＲＥエンジンは、最高比出力と、最高熱効率と、組込み掃気ポンプと、コンパクト性を組み合わせて生じる。
【選択図】図６

Description

最も近い従来技術である特許文献１、特許文献２及び特許文献３の特許における目的は、燃焼時に燃料と空気の混合気の定容度の増大によって、熱効率を高めることである。

図２１は、最も近い従来技術による慣用のエンジンと本発明によるエンジンを対比している。特許文献１では、燃焼室がピストンピンとピストンの間に配置されている。特許文献２の特許は、クランク軸とピストンの間に配置された「燃焼室／シリンダヘッド」を請求している。特許文献３の特許は、クランク軸の単一性を破棄し、ピストンスライド軌道の外側に配置された同期「クランク軸半部」を備えている。引き棒型エンジン（Pulling Rod Engine）すなわちＰＲＥでは、クランク軸は燃焼室とピストンピンの間に配置されている。

図６は、左から右へ、提案した構造から従来の構造への移行を示している。左側で、エンジンが組み立てられ、そしてシリンダ−ケーシングが取り外され、そしてピストンがそのピストンピンの回りに１８０度だけ回転させられ、最後に、最も右側に示すように、慣用の機構を生じるためにピストンの長さが縮まる。これにより、燃焼は、速い「死点」から遅い「死点」に移動する。

慣用の場合のように、ＰＲＥの連接棒は、一端がクランク軸のクランクピンに取付けられ、他端は、ピストンピンによって往復部材すなわちピストンに取付けられている。慣用のものと異なり、ＰＲＥのクランク軸は、燃焼室とピストンピンの間に配置されている。
米国特許第６，０６２，１８７号明細書 米国特許第６，７６３，７９６号明細書 米国特許第６，７８６，１８９号明細書

本発明の目的は、燃焼時の燃料と空気の混合気の定容度を増大させることによって、すなわち混合気を準備及び燃焼させるために良好な状態で一層長い時間を提供することによって、燃焼を改善することである。

他の目的は、慣用のエンジンの単純さと、最も近い従来技術で提案された機構の効率とを組み合わせることである。

他の目的は、特別な用途に適した幾つかのＰＲＥ構造を提案することである。

提案した解決策は、簡単であるにもかかわらず、明白ではない。この解決策は、最も近い従来技術の特許で提案された解決策を見ると明らかになる。最も近い従来技術の特許で提案された解決策では、互いにギヤをかみ合わせた一対のクランク軸半部、一対の長い連接棒、長いピストンピン等がピストン毎に必須である。

図１〜１２において、（１）はクランク軸、（２）はシリンダ、（３）はピストン、（４）はピストンクラウン、（５）は連接棒、（６）はピストンピン、（７）はクランクピン、（８）はクランク軸の回転軸線、（９）はスラスト荷重用のスライダ手段、（１０）はクランク軸のバランスウェブである。図１３〜２０は、「対向ピストン」仕様と幾つかの適用を示す。

図１及び２は、簡単化した思想を示している。

図３〜６は、単気筒エンジンと四気筒エンジンにおける思想の適用を示している。ピストンは、組み立て上の理由から、（１５）及び（１６）で相互にロックされた２つの部品からなっている。ピストン本体は、連接棒の運動を可能にするためにスロット（１７）を有する。ピストンは、ピストンピン側に、従来のピストンスカートに類似するスライダ手段（９）を備えている。クランクピン（７）とバランスウェブ（１０）の間にあるクランク軸の狭まり部（１１）は、ピストンの適正な寸法、慣性及び強度をもたらす。

図７及び８は、レーシングエンジンのようなショートストロークエンジンに適用可能な他の具現を示す。図１１は、同じ部品に基づく２シリンダＶ９０を示し一方、図１２は、８シリンダＶ９０エンジンの可動部品を示している。

図７のピストンは、一層長いストロークのために図９に示すピストンに変更可能である。図９では、三角形の形状が剛性と軽量をもたらす。図９において、スラスト荷重は、ローラ（９）によって支持される。

ピストンが上死点に近接した状態にある時間の点から見た、連接棒長さの重要性が、図１０に示した表によって明らかになる。短い連接棒を使用し、引き棒型エンジンを約５５００ｒｐｍで作動させると、作動媒体は、時間−容積状態から見て、４０００ｒｐｍ（５６００＝１．４×４０００）で回転する長い棒型の従来のエンジンの内側で燃焼しているような感じがする。これに基づいて、特にディーゼルエンジン及び天然ガスエンジンの出力集中はかなり上昇し得る。

ピストンは、長いが、エンジンを短くすることができ、かつシリンダヘッドとクランク軸の間隔を、同じストロークの従来のものと比べてかなり短くすることができる。

低い圧縮比は、効率を低下させずに、特にディーゼルエンジンの部品応力を低減するために使用可能である。というのは、考慮されるものが呼び圧縮比ではなく、燃焼中の平均圧縮比であるからである。

レーシングエンジンの頑強性、コンパクト性及び出力を改善することができる。

短い連接棒は、一層軽量であり、一層剛性があり、高回転に一層適しており、そして燃焼のために一層長い時間を提供する。

スラスト荷重は、燃焼室近くの高温シリンダ壁ではなく、ピストンの他端で、慣用のスライダ手段又は転動手段等によってケーシングに伝達される。ピストンのこの領域のクリアランス及び潤滑は、制御が一層容易で、一層信頼性があり、燃焼力及び慣性力からの衝撃荷重を一層抑制する。短い又は非常に短い連接棒を使用する場合、改良された燃焼から得られるものと比べれば、付加的なスラスト荷重は、機械的な摩擦及び振動の点では大したことはない。

図１３〜２０の「対向ピストン」ＰＲＥは、一層少ない重量及び一層小さなかさで、自立的及び効率的な作動を達成する。燃焼時の作動媒体の定容度の増大により、熱効率が高まる。高圧縮における付加的な時間は、特に圧縮点火エンジンについて、有効燃焼レブリミットを一層高い回転に移動させることができる。それによって、出力集中が増大する。ピストンは、両端にクラウンを有する。エンジンの中心から離れたクラウンは、一方向弁と協働して、エンジンのはずれで、掃気ポンプ又は圧縮機を形成し、他方のクラウンは中央に燃焼室を形成し、直通の掃気を達成する。２個のショートストローク対向ピストンは、長い中央シリンダを生じ、従ってコンパクトで効率的な燃焼室を生じる。各クランクシャフトは、それと組み合わせられるピストンピンと燃焼室との間に位置している。もちろん、ピストンピンは、ピストンの他の側、すなわち燃焼クラウンの側に配置可能であるが、これは、有効燃焼のために供される時間を短縮する。

図１５及び１６において、同期して反対向きに回転する２本のクランク軸の各々は、可搬式飛行機を形成するために、傾斜羽根を有するロータ／ヘリックスを駆動する。傾斜羽根を有するロータは、まだ一般的ではない。

図１７及び１８において、対向ピストンＰＲＥは、２個の従来のロータを駆動する。各ロータは、定速連結部又はカルダン連結部によって、それと組み合わせられるクランク軸に連結され、そしてそれと組み合わせられるクランク軸の軸線と比べて小さな傾斜で、エンジンのケーシングに回転可能に取付けられている。これにより、平行で互いに接近した２本のクランク軸は、衝突することなく「傾斜した」大径の２個の慣用ロータを駆動する。この構造は、可搬式飛行機にとって理想的に思える。

図１５〜１８の飛行機において、フライヤ／パイロットは、エンジンの回転／負荷を変更することによって、及びエンジン／ロータセットと相対的にその体を移動させることによって、制御を維持する。純ホバリングから航空機のような飛行まで運動が可能である。補正のためにロータからのトルクもないし、慣性も燃焼振動もないし、そして騒音が抑制される。というのは、羽根が互いに徐々に通過するからである。www.pattakon.comのウェブサイトでアニメーションを見ることができる。

可搬式フライヤの問題は、原動機の重量、発生するリアクショントルク、振動及び消費量であった。一層高い高度での飛行を可能にするために、あるいは対向ピストンＰＲＥを過給するために、圧縮機レッサクラウンの直径は、図１４に示すように増大可能であり、それによって空気密度の低下を補償することができる。カム軸、タイミングベルト、ポペット弁等が設けられていないので、エンジンは信頼性が高く、軽量である。類似する回転抵抗を有する２個のロータによって、図１３において一点鎖線で示した４個の同期ギヤは、ほとんど負荷されない。

図１５〜１８に示した装置は、航空機やヘリコプタの推進装置として使用可能であり、振動やリアクショントルクから航空機本体を解放する。明らかなように、ピストンクラウンは、同じ大きさである必要はなく、一方のピストンは、慣用の弁又はスリーブ弁であってもよいし、そして通過掃気はオプションである。

図１５〜１８の２個のロータを２個の発電機に置き換えると、ハイブリッドカー、振動感知用途、定置用途等のための図１９に示すような、慣性振動や燃焼振動のない発電装置を生じることができる。

図２０は、バイク、自動車、トラック等に適用可能な他の対向ピストンＰＲＥ装置を示している。２本のクランク軸が、中央の平歯車によって同じ方向に同期して回転する。出力は、２本のクランク軸から中央の平歯車へ、そしてクラッチを経てトランスミッション又は負荷へ伝達される。

本発明を詳細に説明及び図示したが、この発明は、図示及び例のためのものであり、限定のためのものではない。本発明の精神及び範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限される。

図１は、本発明の簡単化した思想を示す斜視図である。 図２は、本発明の簡単化した思想を示す斜視図である。 図３は、単気筒エンジンと四気筒エンジンにおける思想の適用を示す斜視図である。 図４は、単気筒エンジンと四気筒エンジンにおける思想の適用を示す斜視図である。 図５は、単気筒エンジンと四気筒エンジンにおける思想の適用を示す斜視図である。 図６は、単気筒エンジンと四気筒エンジンにおける思想の適用を示す斜視図である。 図７は、レーシングエンジンのようなショートストロークエンジンに適用可能な他の具現を示す斜視図である。 図８は、レーシングエンジンのようなショートストロークエンジンに適用可能な他の具現を示す図である。 図９は、三角形の形状が剛性と軽量をもたらし、スラスト荷重がローラ（９）によって支持されることを示す正面図である。 図１０は、従来の（押し棒型）エンジンの場合のクランク角に対する引き棒型エンジン（ＰＲＥ）の場合のクランク角の比と、上死点からのピストン移動距離（ピストン行程のパーセンテージ）との関係を示すグラフである。 図１１は、同じ部品に基づく２シリンダＶ９０を示す斜視図である。 図１２は、８シリンダＶ９０エンジンの可動部品を示す斜視図である。 図１３は、「対向ピストン」ＰＲＥであって、一層少ない重量及び一層小さなかさで、自立的及び効率的な作動を達成することを示す斜視図である。 図１４は、「対向ピストン」ＰＲＥであって、一層少ない重量及び一層小さなかさで、自立的及び効率的な作動を達成することを示す斜視図である。 図１５は、航空機やヘリコプタの推進装置として使用可能なことを示す正面図である。 図１６は、航空機やヘリコプタの推進装置として使用可能なことを示す斜視図である。 図１７は、航空機やヘリコプタの推進装置として使用可能なことを示す斜視図である。 図１８は、航空機やヘリコプタの推進装置として使用可能なことを示す正面図である。 図１９は、「対向ピストン」ＰＲＥであって、一層少ない重量及び一層小さなかさで、自立的及び効率的な作動を達成することを示す斜視図である。 図２０は、バイク、自動車、トラック等に適用可能な他の対向ピストンＰＲＥ装置を示す斜視図である。 図２１は、最も近い従来技術による慣用のエンジンと、本発明によるエンジンを対比した斜視図である。

Claims (10)

1. 少なくとも、
   燃焼室と、
   第１クランク軸と、
   シリンダ内に滑動可能に嵌め込まれた第１ピストンと、
   クランクピンで前記第１クランク軸に取付けられ、前記第１ピストンのピストンピンで前記第１ピストンに取付けられた第１連接棒と、
   前記第１クランク軸と同期して回転する第２クランク軸と、
   シリンダ内に滑動可能に嵌め込まれた第２ピストンと、
   クランクピンで前記第２クランク軸に取付けられ、前記第２ピストンのピストンピンで前記第２ピストンに取付けられた第２連接棒と、
   前記第１ピストンと前記第２ピストンが前記燃焼室の両側をシールしている、往復内燃機関において、
   燃焼を遅い死点に移動させるために、第１クランク軸が燃焼室と第１ピストンのピストンピンの間に配置され、
   燃焼を遅い死点に移動させるために、第２クランク軸が燃焼室と第２ピストンのピストンピンの間に配置されていることを特徴とする往復内燃機関。
2. 前記の２個のピストンのうちの少なくとも一方の、燃焼室とは反対の側が、ポンプ又は圧縮機又は掃気ポンプの圧縮室の片側をシールしている、請求項１記載の往復内燃機関。
3. エンジンが対向ピストン構造である、請求項１記載の往復内燃機関。
4. エンジンが対向ピストン構造であり、前記の２個のピストンのうちの少なくとも一方の、燃焼室とは反対の側が、掃気ポンプの圧縮室をシールし、
   それによって、組込み掃気ポンプ型対向ピストンエンジンによる自立性が、燃焼の増大した定容部分による高められた熱効率を生じ、かつ高回転による増大した出力集中を生じ、燃焼時の付加的なピストンドウェルによって燃料が効率的に燃焼可能であり、２本のクランク軸の短い間隔によるコンパクトで軽量の同期装置を生じ、ピストンの燃焼側とシリンダの高温領域から離れたところからスラスト荷重を取り出すことによる小さな摩擦と改良された潤滑を生じる、請求項１記載の往復内燃機関。
5. 少なくとも、
   クランク軸（１）と、
   シリンダ（２）と、
   前記シリンダ（２）内に滑動可能に嵌め込まれたピストン（３）とを具備し、このピストン（３）がピストンクラウン（４）を有し、このピストンクラウン（４）が燃焼室の一方の側をシールし、
   さらに、連接棒（５）を具備し、この連接棒（５）がピストンピン（６）で前記ピストン（３）に取付けられ、前記連接棒（５）がクランクピン（７）で前記クランク軸（１）に取付けられている、往復内燃機関において、
   燃焼がピストンの片側でのみ行われ、
   速い死点から遅い死点へ燃焼を移動させるために、クランク軸が燃焼室とピストンピンの間に配置され、
   ピストンが少なくとも１本の連結棒によって、一方のクランク軸にのみ取付けられ、
   スラスト荷重が慣用のスライダ手段によってあるいはピストンと一緒に往復するローラによって取り出され、
   それによって、慣用のエンジンの単純性と、燃焼の増大した定容部分による改良された熱効率とを組み合わせ、同期クランク軸半部と、不つり合いなほど長い連接棒と、同じピストンに作用する二重クランク軸と、異なるタイムボリューム膨張特性の異なる燃焼室と、スラスト荷重を取り出す定置ホイールと、クロスヘッドとを備えずに、従来技術の複雑さをなくした、連接棒が燃焼圧力によって引張り方向にのみ負荷され、スラスト荷重がピストンの低温側とシリンダの低温側を押す、エンジンを生じることを特徴とする往復内燃機関。
6. クランク軸がピストンを通過している、請求項５記載の往復内燃機関。
7. 第２クランク軸がクランク軸（１）と同期して回転し、第２ピストンが第２連接棒によって第２クランク軸に取付けられ、対向ピストン引き棒型エンジンを形成するために、ピストン（３）と第２ピストンが燃焼室の両側をシールしている、請求項５記載の往復内燃機関。
8. 第２クランク軸がクランク軸（１）と同期して回転し、第２ピストンが第２連接棒によって第２クランク軸に取付けられ、対向ピストン引き棒型エンジンを形成するために、ピストン（３）と第２ピストンが燃焼室の両側をシールし、ピストン（３）と第２ピストンがエンジンの掃気ポンプを形成する第２ピストンクラウンを有する、請求項５記載の往復内燃機関。
9. エンジンが多気筒エンジンであり、そのシリンダが一列又は複数列をなして配置され、単一性を保持し、一体部品として作用するユニークなクランク軸が、多気筒エンジンのすべてのシリンダのために働く、請求項５記載の往復内燃機関。
10. 連接棒と往復部材との回転継手回りに往復部材を半回転だけ回転させることによって、及び往復部材によって片側をシールされた燃焼室と、往復部材と連接棒の回転継手との間にクランク軸を配置することによって、慣用の「往復部材−連接棒−クランク軸」機構から生じ、それによって、燃焼がエンジンの遅い「死点」のところに簡単、かつ、機能的な方法で移動し、混合気又は噴射の準備や燃焼のために良好な状態で一層長い時間を提供する、往復内燃機関。

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