JP2011226340A - Four-cycle engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼室内で燃料を爆発させて駆動力を得る4サイクルエンジンに関する。 The present invention relates to a four-cycle engine that obtains driving force by exploding fuel in a combustion chamber.
近年、自動車などに用いられるエンジンにおいて、燃費性能の向上や環境保護の観点から、内燃機関に他の動力源を併用したハイブリッド型のエンジンが普及している。例えば、4サイクルエンジンと電気モータと組み合わせたものでは、発進、加速時等、エンジンに大きな負荷がかかる場合、電気モータにより駆動力をアシストすることにより、燃料消費を低減するようにしている。しかし、このようなエンジンは、電気モータ用の駆動電力を得るため、減速、制動時に運動エネルギを電気エネルギに回生しバッテリに蓄える構成を必要とし、構造が複雑でコスト高となる。 2. Description of the Related Art In recent years, hybrid engines using an internal combustion engine in combination with another power source have become widespread in engines used for automobiles and the like from the viewpoint of improving fuel efficiency and environmental protection. For example, in a combination of a four-cycle engine and an electric motor, fuel consumption is reduced by assisting the driving force with the electric motor when a heavy load is applied to the engine, such as when starting or accelerating. However, in order to obtain driving power for an electric motor, such an engine requires a configuration in which kinetic energy is regenerated into electric energy and stored in a battery during deceleration and braking, and the structure is complicated and expensive.
そこで、電気モータに代わる動力源として、磁石を用いて駆動力を得るようにした磁力エンジンが知られている(例えば、特許文献1及び2参照)。この磁力エンジンでは、ピストン上部に永久磁石を取り付けて、シリンダ内に別途設けた電磁石と反発させることでピストンを運動させクランクシャフトを回転駆動する構成となっている。しかしながら、この磁力エンジンは、磁力による反発力のみで駆動力を得るものであり、内燃機関の駆動をアシストするものではない。そのため、大きな駆動力を得ることは難しい。しかも、シリンダ内に電磁石を通電するための電気系統が必要となる。 Therefore, a magnetic engine that uses a magnet to obtain a driving force is known as a power source instead of an electric motor (see, for example, Patent Documents 1 and 2). In this magnetic engine, a permanent magnet is attached to the upper part of the piston, and the piston is moved by repelling an electromagnet separately provided in the cylinder to rotate the crankshaft. However, this magnetic engine obtains a driving force only by a repulsive force due to the magnetic force, and does not assist the driving of the internal combustion engine. For this reason, it is difficult to obtain a large driving force. Moreover, an electric system for energizing the electromagnet in the cylinder is required.
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、複雑な電気系統を用いることなく簡素な構造でありながら、駆動力を高めエンジン性能を向上することができる4サイクルエンジンを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and provides a four-cycle engine capable of increasing driving force and improving engine performance while having a simple structure without using a complicated electric system. For the purpose.
上記目的を達成するために請求項1の発明は、燃焼室を区画形成するシリンダ内に往復動自在に収容されたピストンと、前記ピストンにコンロッドを介して連結され、該ピストンの往復動によって回転駆動されるクランクシャフトとを備え、このクランクシャフトは、クランクアームの前記コンロッドが連結された側と反対側に重量バランスを取るためのクランクウエイトを有した4サイクルエンジンにおいて、前記ピストンのクランクシャフト側と前記クランクウエイト外周側のそれぞれに永久磁石が設置され、これら永久磁石は、前記ピストンが下死点に近付くに連れてこれら永久磁石の対向間隔が相対的に漸減するように配置され、かつ、互いに同極が向き合うものとされ、この同極間に生じる反発作用によって前記ピストンが下死点から離れる方向への運動と前記クランクシャフトの回転をアシストするものである。 In order to achieve the above object, the invention of claim 1 is characterized in that a piston reciprocally accommodated in a cylinder defining a combustion chamber and a piston connected to the piston via a connecting rod are rotated by the reciprocating motion of the piston. A crankshaft that is driven, wherein the crankshaft is a crankshaft side of the piston in a four-cycle engine having a crankweight for balancing the weight on the opposite side of the crankarm to which the connecting rod is connected. And permanent magnets are installed on each of the crank weight outer peripheral sides, and these permanent magnets are arranged so that the facing distance of these permanent magnets gradually decreases as the piston approaches the bottom dead center, and The same poles face each other, and the piston is bottom dead center due to the repulsive action that occurs between the same poles. Movement and rotation of the crankshaft to La away direction is intended to assist.
請求項2の発明は、請求項1に記載の発明において、前記クランクアーム及びクランクウエイトは、コンロッドを挟んで両側に設けられ、前記永久磁石はこれらクランクウエイトのそれぞれに対応して設置されているものである。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the crank arm and the crank weight are provided on both sides of the connecting rod, and the permanent magnet is installed corresponding to each of the crank weights. Is.
請求項3の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記ピストン側の永久磁石及びクランクウエイト側の永久磁石は、互いに対向する面が円弧状で、かつ前者が凹面、後者が凸面とされ、前記ピストンが運動して下死点を通過するときに、両永久磁石の回転方向先端側が互いに対向する状態となり、下死点を通過後においても所定回転範囲内はクランクウエイト側の永久磁石がピストン側の永久磁石と対向し続けるようにピストン側の永久磁石よりも長く形成されているものである。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, the piston-side permanent magnet and the crankweight-side permanent magnet have arcuate surfaces facing each other, the former being a concave surface, and the latter being a latter When the piston moves and passes through the bottom dead center, the leading ends of the rotation directions of the permanent magnets face each other, and even after passing through the bottom dead center, the predetermined rotation range is within the crank weight side. The permanent magnet is longer than the piston-side permanent magnet so as to continue to face the piston-side permanent magnet.
請求項1の発明によれば、ピストンとクランクウエイトとに永久磁石を設置し、ピストンが下死点通過時に両永久磁石の反発作用による反発力を発生させ、この反発力によってピストンの直線運動とクランクシャフトの回転運動の両方をアシストするようにしたので、複雑な電気系統を設けることなく、少なくとも2つの永久磁石を用いるだけで、エンジン性能を向上できる。また、既存の従来型エンジンに永久磁石を設置することにより、本エンジンを比較的簡単に製作することができるので、低コスト化が図れる。また、各構成部品同士に接触部位が少ないため、部品が磨耗して故障が発生することが少なく、安全率の高いものとなる。また、従来型のエンジンの場合、所定回転数(600〜1000rpm)に達するまでは低トルクとなるが、本エンジンでは、永久磁石による駆動アシストによって、電気モータのように、比較的低回転にあるときでも高トルクとなり、燃費性がよい。 According to the first aspect of the present invention, permanent magnets are installed on the piston and the crank weight, and when the piston passes the bottom dead center, a repulsive force is generated by the repulsive action of both permanent magnets. Since both the rotational movements of the crankshaft are assisted, the engine performance can be improved only by using at least two permanent magnets without providing a complicated electric system. Further, by installing a permanent magnet in an existing conventional engine, the engine can be manufactured relatively easily, so that the cost can be reduced. In addition, since there are few contact parts between the component parts, the parts are less likely to wear out and cause a failure, resulting in a high safety factor. Further, in the case of a conventional engine, the torque is low until a predetermined number of revolutions (600 to 1000 rpm) is reached. However, in this engine, a drive assist by a permanent magnet causes a relatively low revolution like an electric motor. Even when the torque is high, fuel efficiency is good.
請求項2の発明によれば、永久磁石の反発作用による反発力がコンロッドの両側で発生するので、ピストンをシリンダに沿って滑らかに運動でき、しかも、クランクシャフトをスムーズに回転することができる。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、永久磁石の反発力が必要なときだけ、かつ、より長い時間発生するようになっているので、エンジン性能をさらに向上できる。
According to the invention of
本発明の一実施形態に係る4サイクルエンジン(以下、エンジンという)について図面を参照して説明する。図1及び図2は本エンジン1の構成を示す。エンジン1は、ガソリンを燃料とするレシプロエンジンであって、吸入・圧縮・爆発・排気の4つの工程を経て駆動力を得るものである。エンジン1は、燃焼室2aを内部に有したシリンダ2と、シリンダ2の内部に往復動自在に収容されたピストン3と、ピストン3にコンロッド4を介して連結されたクランクシャフト5と、クランクシャフト5を収容し、かつ支持するクランクケース6とを備える。クランクケース6は、シリンダ2の下方にあってシリンダ2と一体構成されている。
A four-cycle engine (hereinafter referred to as an engine) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 and 2 show the configuration of the engine 1. The engine 1 is a reciprocating engine using gasoline as fuel, and obtains driving force through four processes of suction, compression, explosion, and exhaust. The engine 1 includes a
シリンダ2は、断面円形のシリンダボア上面にシリンダヘッド20を備え、このシリンダヘッド20とピストン3頂面との間に燃焼室2aを区画形成している。シリンダヘッド20は、燃焼室2aに燃料と空気との混合気を吸入するための吸気ポート21aと、燃焼室2aから燃焼ガスを排出するための排気ポート22aとを有し、各ポート21a、22aはそれぞれ吸気弁21及び排気弁22によって開閉されるようになっている。また、シリンダヘッド20は、燃焼室2a内の混合気を爆発させるための点火プラグ23を有している。吸気弁21は、コイルスプリングのバネ力で常時閉状態となっていて、カムノーズが回転してバルブエンドを押し下げることにより開状態となる。排気弁22についても上記同様の構成である。なお、吸気弁21、排気弁22及び点火プラグ23は、カバー24により覆われている。
The
ピストン3は、円筒状の外形を有し、外周面に複数のピストンリング31が設けられている。このピストンリング31は、燃焼室2aからのガス漏れを抑えるコンプレッションリングや、シリンダ2内周面の余剰油を掻き取るオイルリング等で構成される。ピストン3は、コンロッド4の一端とピストンピン32により回転自在に連結され、コンロッド4の他端はクランクシャフト5のクランクピン51と回転自在に連結されている。クランクシャフト5は、ピストン3の往復動によって回転駆動されるものであり、クランクピン51と、クランクジャーナル52と、クランクピン51とクランクジャーナル52とを繋ぐクランクアーム53とを有し、クランクジャーナル52が、クランクケース6の両壁にある軸受け61によって軸支されている。また、クランクシャフト5は、クランクアーム53のコンロッド4が連結された側(クランクピン51側)と反対側に、重量バランスを取るためのクランクウエイト54を有している。クランクアーム53及びクランクウエイト54は、コンロッド4を挟んで両側に設けられている。クランクジャーナル52の一端側にはフライホイール10が設けられ、このフライホイール10は、本エンジン1搭載の車両変速機等に駆動力を伝達する。
The
ここに、本実施形態のエンジン1は、ピストン3のクランクシャフト側とクランクウエイト54外周側のそれぞれに永久磁石7a、7bを備えている。これら永久磁石7a、7bは、ピストン3が下死点に近付くに連れて両磁石7a、7bの対向間隔が相対的に漸減するように配置され、かつ、互いに同極が向き合うもの(例えば、N極同士)とされる。永久磁石7a、7bは、上記同極が向き合うときに同極間に生じる反発作用により、ピストン3が下死点から離れる方向への運動とクランクシャフト5の回転をアシストする。永久磁石7a、7bは、磁束密度の高い磁石、例えばネオジム磁石から成り、両クランクウエイト54のそれぞれに対応して設置され、ここでは、ピストン3とクランクウエイト54とに2箇所ずつ設けられている。永久磁石7a、7bは互いに対向する面が円弧状で、かつ永久磁石7aが凹面、永久磁石7bが凸面とされている。永久磁石7a、7bは、ピストン3が運動して下死点を通過するときに、両磁石7a、7bの回転方向先端側が互いに対向する状態となり、下死点を通過後においても所定回転範囲内(下死点通過後45度とする(図3参照))は永久磁石7bが、永久磁石7aと対向し続けるように永久磁石7aよりも長く形成されている。
Here, the engine 1 of the present embodiment includes
図3を用いて、上記のように構成されたエンジン1における永久磁石7a、7bによりピストン3及びクランクシャフト5がアシストされる動作を説明する。図3(a)に示すように、ピストン3が下死点に近付くとクランクシャフト5はクランクウエイト54側がピストン3に向き合うように回転して、ピストン3とクランクウエイト54とが互いに接近するようになる。これに伴い、永久磁石7a、7bは、磁石7aが下方に変位し、かつ磁石7bがクランク回転方向に変位することにより互いの対向間隔が次第に小さくなり、まず、磁石7bの回転方向先端側が磁石7aの回転方向後端側に対向する(ここでは、下死点前30度付近)。ここに、永久磁石7a、7bは対向するまでは反発作用が生じることがないので、ピストン3が下死点に近付く運動とクランクシャフト5の回転運動を阻害しない。
The operation in which the
ピストン3が下死点を通過時には、図3(b)に示すように、永久磁石7a、7bは互いに回転方向先端側が対向し、このとき対向間隔が最も小さくなり、下死点通過後、永久磁石7a、7bの反発作用による反発力により、ピストン3の下死点から離れる運動とクランクシャフト5の回転運動がアシストされる。永久磁石7a、7bは、ピストン3が下死点を通過後においても互いに対向状態を保ったまま変位し、図3(c)に示すように、ピストン3が下死点後45度の位置に達したときに、両磁石7a、7bの回転方向後端側が互いに対向した状態となる。この間、ピストン3及びクランクシャフト5は、永久磁石7a、7bの反発力によるアシストを受け続ける。
When the
次に、本エンジン1の作用効果について説明する。エンジン1は、図4に示すように、吸入、圧縮、爆発、排気の4つの工程を、ピストン3が4ストロークすることにて行うものであるので、永久磁石の反発力によるアシスト(以下、磁石反発アシストという)は、ピストン3が下死点から上死点に向けて運動する圧縮及び排気の2工程にて生じることとなる。磁石反発アシストの発生区間は、下死点から下死点通過後45度までである。
Next, the function and effect of the engine 1 will be described. As shown in FIG. 4, the engine 1 performs the four steps of suction, compression, explosion, and exhaust by making the
図5は本エンジン1における上記各工程でのエンジン駆動能力の推移を示し、図6は比較例として従来型の4サイクルエンジンのものを示す。ここでは、吸入・圧縮・爆発・排気の各工程についてエンジン駆動を推進する力を正の値、エンジン駆動の妨げになる力を負の値として示している。これらの図に示されるように、本エンジンでは、爆発工程にて爆発圧力による駆動推進力が生じ、併せて、圧縮工程及び排気工程にて磁石反発アシストによる駆動推進力が生じており、これに対し、従来エンジンでは、爆発圧力による駆動推進力だけが生じており、本エンジンの駆動能力が従来エンジンより高いことが分かる。 FIG. 5 shows the transition of the engine driving capability in each of the above steps in the engine 1, and FIG. 6 shows a conventional four-cycle engine as a comparative example. Here, for each process of suction, compression, explosion, and exhaust, the force for driving the engine drive is shown as a positive value, and the force that hinders the engine drive is shown as a negative value. As shown in these figures, in this engine, a driving propulsion force is generated by an explosion pressure in the explosion process, and a driving propulsion force is generated by a magnet repulsion assist in the compression process and the exhaust process. On the other hand, in the conventional engine, only the driving propulsion force due to the explosion pressure is generated, and it can be seen that the driving ability of this engine is higher than that of the conventional engine.
このように本実施形態に係る4サイクルエンジン1によれば、ピストン3とクランクウエイト54とに永久磁石7a、7bを設置し、ピストン3が下死点通過時に両永久磁石7a、7bの反発作用による反発力を発生させ、この反発力によってピストン3の直線運動とクランクシャフト5の回転運動の両方をアシストするようにしたので、複雑な電気系統を設けることなく、少なくとも2つの永久磁石を用いるだけで、駆動力を高めエンジン性能を向上できる。
As described above, according to the four-cycle engine 1 according to the present embodiment, the
また、既存の従来型エンジンに永久磁石7a、7bを設置することにより、本エンジン1を比較的簡単に製作することができるので、低コスト化が図れる。また、各構成部品同士に接触部位が少ないため、部品が磨耗して故障が発生することが少なく、安全率の高いものとなる。また、従来型のエンジンの場合、所定回転数(600〜1000rpm)に達するまでは低トルクとなるが、本エンジン1では、永久磁石7a、7bによるアシストによって、電気モータのように、比較的低回転にあるときでも高トルクとなり、燃費性がよい。
In addition, by installing the
また、永久磁石7a、7bが両クランクウエイト54のそれぞれに対応して設置されていて、永久磁石7a、7bの反発作用による反発力がコンロッド4の両側で発生するので、ピストン3をシリンダ2に沿って滑らかに運動でき、しかも、クランクシャフト5をスムーズに回転することができる。
Further, since the
また、ピストン3が下死点通過時に、両永久磁石7a、7bの回転方向先端側が互いに対向する状態となり、下死点を通過後してから所定回転範囲内は永久磁石7bが永久磁石7aと対向し続けるので、永久磁石7a、7bの反発力が必要なときだけ、かつ、より長い時間発生するようになっているので、エンジン性能をさらに向上できる。
Further, when the
ここに、本エンジン1は、上記効果と別に、永久磁石7aの磁界作用により混合気の燃焼効率を向上する効果を有している。この効果について図7を用いて説明する。図7(a)に示すように、吸気ポート21aから空気と燃料との混合気を吸入すると、永久磁石7aによる磁界作用により、混合気は燃料分子結合体が分散微粒子化し、燃焼室2a内で規則正しく整列される(吸入工程)。次に、図7(b)に示すように、ピストン3が上死点へ運動すると、燃焼室2a内の混合気は、高圧縮されて火炎伝搬性が高くなる(圧縮工程)。次に、図7(c)に示すように、爆発工程において、高圧縮された混合気は点火プラグ23より着火されて完全燃焼し、これによりピストン3が押し下げられる(爆発工程)。最後に、図7(d)に示すように、燃焼ガスが排気ポート22aより排出される(排気工程)。このような燃焼効率向上効果によれば、燃費の節減とエンジン性能の向上が可能となる。
Here, the engine 1 has an effect of improving the combustion efficiency of the air-fuel mixture by the magnetic field action of the
なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上記では、クランクシャフトに対し1つピストン及びシリンダを設けた単気筒型のエンジン構成を示したが、ピストン及びシリンダを複数設けて多気筒構造としてもよい。 In addition, this invention is not restricted to the structure of the said embodiment, A various deformation | transformation is possible in the range which does not change the meaning of invention. For example, in the above description, a single-cylinder engine configuration in which one piston and a cylinder are provided for the crankshaft is shown, but a multi-cylinder structure may be provided by providing a plurality of pistons and cylinders.
1 4サイクルエンジン
2a 燃焼室
2 シリンダ
3 ピストン
4 コンロッド
5 クランクシャフト
53 クランクアーム
54 クランクウエイト
7a 永久磁石(ピストン側の永久磁石)
7b 永久磁石(クランクウエイト側の永久磁石)
1 4-
7b Permanent magnet (permanent magnet on the crank weight side)
Claims (3)
前記ピストンのクランクシャフト側と前記クランクウエイト外周側のそれぞれに永久磁石が設置され、
これら永久磁石は、前記ピストンが下死点に近付くに連れてこれら永久磁石の対向間隔が相対的に漸減するように配置され、かつ、互いに同極が向き合うものとされ、この同極間に生じる反発作用によって前記ピストンが下死点から離れる方向への運動と前記クランクシャフトの回転をアシストすることを特徴とする4サイクルエンジン。 A piston that is reciprocally accommodated in a cylinder that defines a combustion chamber, and a crankshaft that is connected to the piston via a connecting rod and that is driven to rotate by the reciprocating motion of the piston. In a 4-cycle engine having a crank weight for balancing the weight on the opposite side of the connecting side of the connecting rod of the crank arm,
Permanent magnets are installed on each of the crankshaft side of the piston and the crankweight outer peripheral side,
These permanent magnets are arranged so that the interval between the permanent magnets gradually decreases as the piston approaches the bottom dead center, and the same poles face each other, and are generated between the same poles. 4. A four-cycle engine characterized by assisting movement of the piston in a direction away from bottom dead center and rotation of the crankshaft by a repulsive action.
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