JP2011017329A - 遊星歯車複偏心盤を用いた2気筒1クランクピン型多気筒サイクロイド往復動機関 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 静止内歯車と遊星歯車の歯数比が2:1のハイポサイクロイド遊星歯車機構が創成する遊星歯車の基準ピッチ円上の任意点が直線往復運動することに着目し,この機構において,V配置2気筒サイクロイド往復動機関に遊星歯車複偏心盤と1クランクピンで対応する方法を考案した.そして,この方法により,遊星歯車複偏心盤として中央遊星歯車複偏心盤を用いた多気筒往復動機関用の2気筒1クランクピン型ハイポサイクロイド遊星歯車機構の構造を考案し,それを利用して2n(nは自然数)気筒2ストローク及び4ストロークサイクロイド往復動機関の機構を構成した.
さらに,この機構のいろいろな用途への適応性を高めるため,遊星歯車複偏心盤として,端部遊星歯車複偏心盤及び割型中央遊星歯車複偏心盤を考案している.
【選択図】図4
Description
以後,簡明な記述とするため,とくに必要な場合を除き,機関及び機構の名称を下記のように略記する.
1)往復動機械用のハイポサイクロイド遊星歯車機構をサイクロイド機構と略記する.
2)サイクロイド機構を用いた往復動機関をサイクロイド機関と略記する.
3)遊星歯車複偏心盤を用いた2気筒1クランクピン型多気筒サイクロイド機関を遊星 歯車複偏心盤2気筒1クランクピン多気筒サイクロイド機関と略記する.
4)遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピン多気筒サイクロイド機関の機構を遊星歯車 複偏心盤2気筒1クランクピン多気筒サイクロイド機構と略記する.
5)ピストンクランク機構を用いた往復動機関をピストン機関と略記する.
図1を用いて,サイクロイド機構の単位である基本構造を説明する,クランクケース1に固定した基準ピッチ円直径4eの静止内歯車10とクランクピン付クランクウェブ6bのクランクピン上にクランクピン軸受7で回転自在に支えられた基準ピッチ円直径2eの遊星歯車9bがかみあい、遊星歯車9bはクランクピン軸心O2周りに角速度ωで自転するとともに、クランク軸心O1周りに逆向きに角速度ωで公転する。このとき、遊星歯車9bのピッチ円筒面上にある偏心盤9aの軸心O3は、シリンダ中心線C上をストローク4eの直線往復運動を行う。そして、この直線往復運動が,偏心盤9a上に偏心盤軸受11を介して回転自在に支えられシリンダ2に案内されたピストン4の運動となる。このように,ピストン4の直線往復運動は,互いに逆向きの2つの等速回転運動,即ち,偏心量eの偏心盤9aがクランクピン軸心O2周りに自転すると同時に,クランク半径eのクランク軸6がクランク軸心O1周りに逆向きに同じ角速度で公転することにより創成される。したがって,サイクロイド機構の往復質量M3及び自転質量M2に生じる慣性力及びそのモーメントは,等速で自転と公転を行う回転体の場合と同様に,自転つりあい錘質量MA及び公転つりあい錘質量MBL及びMBRにより,式(1)から(3)に示す条件のもとで完全につりあわせることができる。これをサイクロイド機構の完全つりあい理論という。
「ピストンの直線往復運動は、サイクロイド機構では静止内歯車と遊星歯車の歯数比が2:1の等速運動機構である遊星歯車機構により創成され,ピストンクランク機構ではシリンダによるピストンの強制案内と不等速運動機構であるリンク機構により創成される。このため、サイクロイド機関では,ピストン機関で不可避のシリンダ側圧(ピストン側圧)および慣性不つりあいを,除去できる。」
この特長に拠り、ピストン機関に比べて、シリンダ及びクランクケースの剛性、摩擦損失、ピストンスラップ,振動および燃焼ガス漏れの低減、上下死点近傍の低ピストン速度,適切なロングストロークと燃焼室形状の最適化などに拠る燃焼状態の改善、さらなる高圧・ロングストローク化による高トルク化と低速化を期待できるなど、サイクロイド機関の実用可能性は高く評価できる。また,ピストン側圧が発生せず連接棒が不要なこと及びクランク半径がピストンストロークの1/4と小さいことを利用して,図1に示すように,長円筒のピストン4及びシリンダ2と,クランクウェブ軸受8を採用して,機構の軸方向寸法やシリンダ高さ方向寸法を低減できる.
ピストンは直線往復運動し側圧を受けないので,ピストン形状は,ピストン機関に実用されている円筒に制約される必要がない.そこで,軸方向寸法及び機関高さの低減と燃焼改善のため,長円筒ピストンが提案されている.しかし,その製作性と燃焼性能への影響は今後の検討課題なので,本発明ではピストン形状については特定せず,図面でも長円筒または円筒ピストンを適宜使用する.(特許文献3及び非特許文献2〜3参照)
以上のように,機関、ポンプ、コンプレッサの分野で応用の可能性を有しているものの、図1のように,サイクロイド機関は,自動車の機関としては,構造が複雑で,寸法・重量が大きくなり,さらに,軸受直径の増大と,クランクピン直径及び遊星歯車のピッチ円直径が制約され十分な強度を与えるのが困難などの問題があり,その普及が進んでいないだけでなく,実用に向けた取り組みすらほとんど見当たらないのが現状である。
この問題を解決するため,高圧,低速及びロングストロークの水平対向多気筒サイクロイド機関を提案しているが,機構の滑らかな動きへの懸念及びシリンダ高さの増加による搭載性低下への対応が課題として残されている.(特許文献3及び非特許文献2〜3参照)
本発明は,前記課題を解決して、高圧、低速,ロングストローク,多気筒と燃焼室形状の最適化による燃焼改善,高強度,シリンダ及びクランクケースの低剛性、低摩擦損失、低振動,低燃費,清浄な排気ガスの高品質な往復動機関の可能性を高めるものである。
図2は,遊星歯車と一体の空間にハイポサイクロイド運動を与えて,ピストンの直線往復運動を創成する遊星歯車機構の説明図であり,機構の初期位置と静止座標系01−xyを示している.基準ピッチ円直径2eの遊星歯車は基準ピッチ円直径4eの静止内歯車とかみあい,遊星歯車の自転軸心であるクランクピン軸心O2回りに角速度ωで自転すると同時に遊星歯車の公転軸心であるクランク軸心O1回りに逆向きに同じ角速度ωで公転するこのとき,遊星歯車の基準ピッチ円上の任意点は,軸心O1を通るストローク4eの直線往復運動を行う.
そして,遊星歯車の基準ピッチ円上に,x軸及びそれと角γをなす直線上を直線往復運動する点P1及びP2を選ぶと,それぞれ,A1とB1間及びA2とB2間でストローク4eの直線往復運動を行う.
図3は,これに基づき角γで配置した気筒1及び2に遊星歯車複偏心盤と1クランクピンで対応する構成で,クランク軸心O1,クランク半径eにクランクピン軸心O2をもつクランクと,偏心盤9a1及び9a2の中心O31及びO32から偏心量eだけ偏心した回転軸心O2(偏心盤9a1及び9a2の回転軸心O21及びO22はクランクピン軸心O2である.)まわりに自転する偏心盤9a1及び9a2で構成している,気筒1が上死点である初期位置から,クランクが角γ回転したとき,気筒2が上死点となる.なお,遊星歯車9b12,偏心盤9a1及び9a2は一体構造の遊星歯車複偏心盤である.
これは,クランクピン配列が気筒1に対してδ1(deg),気筒2に対してδ2(deg)のクランク軸を有する直列配置2気筒において,気筒1及び2における上死点をクランク回転角Y=(δ1〜δ2)の間隔で具現するのと同じ機能の創出である.
ここで,任意の2気筒の爆発に対応するクランク回転角の間隔を,両気筒のクランク角間隔ε(deg)と定める.
この角γで配置した気筒1及び2に遊星歯車複偏心盤と1クランクピンで対応する手法を機関の機構に適用して,水平対向多気筒サイクロイド機関(特許文献3及び非特許文献2〜3参照)の特長を損なうことなく,前項の課題を解決する.なお,気筒配置の角γ(deg)は,0≦γ≦180とする.
1.2気筒機関 γ=180
2.4気筒機関 γ=90 または 180
3.6気筒機関 γ=60 または 180
一例として,上記の6気筒機関において,任意に選定した基準気筒(ε=0)に対する,遊星歯車複偏心盤と1クランクピンで対応する2気筒のクランク角間隔ε(deg)の組を以下に示す.例えば,角ε(deg)が0及び60の気筒の組を,0/60と表示する.
3a.γ=60の場合
ε= 0/ 60,120/180,240/300
3b.γ=180の場合
ε= 0/180, 60/240,120/300
1.2気筒機関 γ=0
2.4気筒機関 γ=0 または 180
3.6気筒機関 γ=0 または 120
4.8気筒機関 γ=0 または 90 または 180
5.10気筒機関 γ=0 または 72
6.12気筒機関 γ=0 または 60 または 120 または 180
一例として,上記の12気筒機関において,任意に選定した基準気筒(ε=0)に対する,遊星歯車複偏心盤と1クランクピンで対応する2気筒のクランク角間隔εの組を以下に示す.例えば,角εが0及び60の気筒の組を,0/60と表示する.
6a.γ=0の場合
ε= 0/360, 60/420,120/480,180/540, 240/600,300/660
6b.γ=60の場合
ε= 0/ 60,120/180,240/300,360/420, 480/540,600/660
6c.γ=120の場合
ε= 0/120, 60/180,240/360,300/420, 480/600,540/660
6d γ=180の場合
ε= 0/180, 60/240,120/300,360/540, 420/600,480/660
る.また,4ストロークまたは2ストロークなどの仕様態様に応じたシリンダヘッド部の吸排気弁,シリンダ部の掃排気ポート,点火プラグ,燃料噴射ノズルなど並びにオイルシール,油道,潤滑ポンプ及びシリンダヘッドとシリンダのねじ締結なども周知であり,発明の本質に直接関わらないので説明を省略している。
図1の基本構造においてクランクピン配列の間隔が90degの4基のクランク軸を軸方向に連結して構成できる2ストローク直列4気筒サイクロイド機構と,この機構が基本的に異なる点は遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピンと気筒配置角に伴うものである.
構造と運動について,つぎに述べる.
クランクケース1とこれにクランクウェブ軸受8を介して回転支持されたクランク角間隔ε(deg)が,0及び90の気筒1及び2のペアと,180及び270の気筒3及び4のペアのそれぞれに対応する2つのクランクピンを持つクランク半径eのクランク軸6,及びクランクケースに取り付けられたシリンダ内をストローク4eで直線往復運動し偏心盤9aに偏心盤軸受11を介して回転自在に支持されたピストン4,及びそれとクランク軸6との間に介在する,クランクピン付クランクウェブ6bのクランクピンにクランクピン軸受7を介して回転自在に支持された偏心の向きが90(deg)間隔の偏心量eの偏心盤9aと遊星歯車9bが一体となった2つの中央遊星歯車複偏心盤9と,クランクケース1に固定された2つの静止内歯車10を主要部材とする。なお,気筒1,2,3及び4のそれぞれに対応して偏心盤9a,偏心盤軸受11,ピストン4が,また,気筒1及び2と気筒3及び4にそれぞれ中央遊星歯車偏心盤9と1クランクピンが構成されている.
つぎに,ピストン4の大端部軸心O3をシリンダ中心線C上でストローク4eの直線往復運動させる遊星歯車機構について説明する。中央遊星歯車複偏心盤9は,クランクピン軸受7を介してクランクピン付クランクウェブ6bのクランクピンに対して回転自在に外嵌されるとともに,偏心盤9aが偏心盤軸受11を介してピストン大端部4cに回転自在に内嵌されている。そして,遊星歯車9bは,クランクケースに固定された静止内歯車10とかみあって,中央遊星歯車複偏心盤9に,クランクピン軸心O2周りの角速度ωの自転と同時にクランク軸心O1周りの逆向きの角速度ωの公転を与えている。なお,遊星歯車9bと静止内歯車10の基準ピッチ円直径はそれぞれ2eと4eであり,クランク軸6のクランク半径及び偏心盤9aの偏心量は,それぞれ,eである。ピストン4はシリンダ中心線C上をストローク4eで直線往復運動する偏心盤9aの軸心O3と共に運動する.
この構造から明らかなように,水平対向サイクロイド機関の軸方向寸法及び部品数の低減という特長をほとんど損なわずに,気筒配置角による搭載性向上と,1クランクピンに2つのピストン,遊星歯車複偏心盤の軸方向長さの増加及び歯車の中央配置により,機構の滑らかな動きが保証されている.(特許文献3及び非特許文献2〜3参照).
基本的には,図4の中央遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピン2ストローク4気筒サイクロイド機構と気筒の気筒配置角γが異なることに伴う構造変更であり,この構造と運動は前項を拡張して理解できるので,説明を省略する.
この構造から明らかなように,水平対向サイクロイド機関の軸方向寸法及び部品数の低減という特長をほとんど損なわずに,気筒配置角による搭載性向上と,1クランクピンに2つのピストン,遊星歯車複偏心盤の軸方向長さの増加及び歯車の中央配置により,機構の滑らかな動きが保証されている.(特許文献3及び非特許文献2〜3参照).
2 シリンダ
3 シリンダヘッド
4K 気筒Kのピストン
4aK 気筒Kのピストンヘッド
4bK 気筒Kのピストンロッド
4cK 気筒Kのピストン大端部
5 ピストンリング
6 クランク軸
6a クランクウェブ
6b クランクピン付クランクウェブ
7 クランクピン軸受
8 クランクウェブ軸受
9 従来の遊星歯車偏心盤
9K 気筒Kの中央遊星歯車複偏心盤
9aK 気筒Kの偏心盤
9bK 気筒Kの遊星歯車/気筒Kの遊星歯車の基準ピッチ円
10K 気筒Kの静止内歯車/気筒Kの静止内歯車の基準ピッチ円
11K 気筒Kの偏心盤軸受
12 割型中央遊星歯車偏心盤の組付けねじ
CK 気筒Kのシリンダ中心線
L2/LBL/LBR 質量M2/MBL/MBR重心のシリンダ中心線からの軸方向距離
M2/M3 自転質量/往復質量
MA 自転つりあい錘の質量
MBL/MBR 公転つりあい錘の質量
O1 クランク軸心
O2K 気筒Kのクランクピン軸心
O3K 気筒Kの偏心盤軸心
O−xyz 基準右手直角座標系
RA/RBL/RBR 質量M2/MBL/MBR重心の自転または公転軸心からの半径距離
S 割型中央遊星歯車複偏心盤の上部と下部の接合面
x シリンダ軸心方向の座標軸
z クランク軸心の座標軸
γ 気筒配置角(deg)/遊星歯車複偏心盤と1クランクピンで対応する2気筒のクランク角間隔(deg)
ε 任意の2気筒における爆発に対応するクランク回転角の間隔を示す両気筒のクランク角間隔(deg)
ω クランク角速度
下添数字 K 機関の点火順序を示す気筒番号
上添字 L 割型中央遊星歯車複偏心盤の下部
上添字 U 割型中央遊星歯車複偏心盤の上部
なお,気筒番号を示す下添数字Kについては,必要な場合のみ表示する.また,気筒2及び3のように,2気筒に係わる場合はKを23と表示する.
Claims (4)
- ハイポサイクロイド遊星歯車機構を用いた高圧・低速・ロングストローク・多気筒のサイクロイド往復動機関において,小型軽量な構造及び滑らかな動きを保証するとともに機械への搭載性を高めるために考案したV型2気筒サイクロイド往復動機関用の遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピン型サイクロイド機構を利用した等クランク回転角間隔で爆発する中央遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピン型2n(nは自然数)気筒2ストローク及び4ストロークサイクロイド往復動機関.
- 中央遊星歯車複偏心盤に代えて,端部遊星歯車複偏心盤を用いた請求項1記載の2気筒1クランクピン型2n(nは自然数)気筒2ストローク及び4ストロークサイクロイド往復動機関
- 中央遊星歯車複偏心盤に代えて,割型中央遊星歯車複偏心盤を用いた請求項1記載の2気筒1クランクピン型2n(nは自然数)気筒2ストローク及び4ストロークサイクロイド往復動機関.
- 請求項1,2及び3記載の遊星歯車複偏心盤2気筒1クランクピン型2n(nは自然数)気筒2ストロークサイクロイド往復動機関の機構を用いることを特徴とするポンプ装置.
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