JP2011247112A - Reciprocating one-cycle engine - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To simplify a structure related to the selective introduction of compressed air to two cylinder chambers, and the selective discharge of remaining air from the two cylinder chambers, in an engine having the two cylinder chambers.SOLUTION: The engine 10 includes an introduction passage 34 which introduces the compressed air to the first and second cylinder chambers 14, 16, and a discharge passage 36 which discharges the remaining air in the first and second cylinder chambers 14, 16. Furthermore, the engine 10 is characterized by comprising the first and second cylinder chambers 14, 16, and an on-off valve 38 which is arranged between the introduction passage 34 and the discharge passage 36, and switches a connecting relationship between and among the first and second cylinder chambers 14, 16, the introduction passage 34, and the discharge passage 36 on the basis of first and second strokes.

Description

本発明は、圧縮気体により動作するピストン機構を有し、ピストンの1往復運動を1サイクルとする往復動型1サイクルエンジンの改良に関する。   The present invention relates to an improvement of a reciprocating one-cycle engine having a piston mechanism that operates by compressed gas and having one reciprocating motion of a piston as one cycle.

従来から、シリンダと、このシリンダを2つの空間に隔てるように収容されるピストンとを含むピストン機構を有するエンジンが知られている。このエンジンにおいては、ピストンの2つの空間に交互に導入される圧縮気体によりピストン機構を動作させ、圧縮気体の圧力エネルギを運動エネルギに変換して出力することができる。   Conventionally, an engine having a piston mechanism including a cylinder and a piston that is accommodated so as to separate the cylinder into two spaces is known. In this engine, the piston mechanism can be operated by the compressed gas alternately introduced into the two spaces of the piston, and the pressure energy of the compressed gas can be converted into kinetic energy and output.

下記特許文献1には、シリンダに導入された圧縮空気でピストンを往復運動させてクランク軸を回転させる気圧機関が記載されている。この気圧機関においては、シリンダがピストンにより2つのシリンダ室に隔てられている。そして、これらの2つのシリンダ室には、圧縮空気を給気する給気口と、給気された圧縮空気を、残留空気として排気する排気口とがそれぞれ接続され、これらの4箇所の口に開閉装置がそれぞれ設けられている。開閉装置は、ピストンのストロークに応じて開閉される。   Patent Document 1 below describes a pneumatic engine that rotates a crankshaft by reciprocating a piston with compressed air introduced into a cylinder. In this atmospheric pressure engine, a cylinder is separated into two cylinder chambers by a piston. These two cylinder chambers are connected to an air supply port for supplying compressed air and an exhaust port for exhausting the supplied compressed air as residual air, respectively. Each switchgear is provided. The opening / closing device is opened and closed according to the stroke of the piston.

特開2001−132403号公報JP 2001-132403 A

上記特許文献1に記載される機関においては、2つのシリンダ室に給気口と排気口がそれぞれ接続され、しかも、それらの計4個の口に全て開閉装置が設けられている。このような構成では、部品点数が多くなり、構造が複雑になってしまう。そうすると、故障の発生回数の増加、装置の大型化および重量化、さらに製造コストの増大を招いてしまうという問題がある。   In the engine described in Patent Document 1, an air supply port and an exhaust port are connected to two cylinder chambers, respectively, and a total of four ports are provided with opening / closing devices. In such a configuration, the number of parts increases and the structure becomes complicated. In this case, there are problems that the number of occurrences of failures increases, the size and weight of the apparatus increase, and the manufacturing cost increases.

本発明の目的は、2つのシリンダ室を有するエンジンにおいて、2つのシリンダ室への圧縮気体の択一的な導入と、2つのシリンダ室からの残留気体の択一的な排気とに関する構造の簡素化を図ることができる往復動型1サイクルエンジンを提供することにある。   An object of the present invention is to simplify a structure related to alternative introduction of compressed gas into two cylinder chambers and alternative exhaust of residual gas from the two cylinder chambers in an engine having two cylinder chambers. An object of the present invention is to provide a reciprocating one-cycle engine that can be realized.

本発明は、シリンダと、シリンダを第1及び第2シリンダ室に隔てるように収容されて往復移動するピストンと、を有し、第1シリンダ室に圧縮気体を導入し、第2シリンダ室の残留気体を排気する第1ストロークと、第1シリンダ室の残留気体を排気し、第2シリンダ室に圧縮気体を導入する第2ストロークとからなる、ピストンの1往復運動を1サイクルとする往復動型1サイクルエンジンにおいて、各シリンダ室に圧縮気体を導入する導入路と、各シリンダ室の残留気体を排気する排気路と、各シリンダ室と、導入路及び排気路との間に設けられ、第1及び第2ストロークに基づいて、各シリンダ室と、導入路及び排気路との接続関係を切り換える切換弁と、を有することを特徴とする。   The present invention has a cylinder and a piston that is reciprocated so as to be separated from the first and second cylinder chambers, introduces compressed gas into the first cylinder chamber, and retains the remaining in the second cylinder chamber. A reciprocating motion type in which one reciprocating motion of the piston is one cycle, which includes a first stroke for exhausting gas and a second stroke for exhausting residual gas in the first cylinder chamber and introducing compressed gas into the second cylinder chamber. In the one-cycle engine, the first passage is provided between an introduction passage for introducing compressed gas into each cylinder chamber, an exhaust passage for exhausting residual gas in each cylinder chamber, each cylinder chamber, and the introduction passage and the exhaust passage. And a switching valve for switching the connection relationship between each cylinder chamber and the introduction path and the exhaust path based on the second stroke.

また、切換弁は、第1ストロークの所定期間、第1シリンダ室と導入路を接続するとともに第2シリンダ室と排気路を接続し、第2ストロークの所定期間、第1シリンダ室と排気路を接続するとともに第2シリンダ室と導入路を接続することができる。   The switching valve connects the first cylinder chamber and the introduction path for a predetermined period of the first stroke and connects the second cylinder chamber and the exhaust path, and connects the first cylinder chamber and the exhaust path for a predetermined period of the second stroke. In addition to the connection, the second cylinder chamber and the introduction path can be connected.

また、切換弁は、第1シリンダ室に通じる第1シリンダ室口と、第2シリンダ室に通じる第2シリンダ室口と、導入路に通じる導入口と、排気路に通じる排気口とを有する弁箱と、弁箱に収容され、各シリンダ室口と、導入口及び排気口との間を開閉する弁体と、第1及び第2ストロークに基づいて、弁体を2つの位置に移動させる弁体移動部材と、を有し、弁体が第1の位置である場合、第1シリンダ室口と導入口、そして第2シリンダ室口と排気口がそれぞれ開弁状態になり、弁体が第2の位置である場合、第1シリンダ室口と排気口、そして第2シリンダ室口と導入口がそれぞれ開弁状態になることが好適である。   The switching valve has a first cylinder chamber port that communicates with the first cylinder chamber, a second cylinder chamber port that communicates with the second cylinder chamber, an introduction port that communicates with the introduction path, and an exhaust port that communicates with the exhaust path. A valve body, a valve body which is accommodated in the valve box and opens and closes between each cylinder chamber port, the inlet port and the exhaust port, and a valve which moves the valve body to two positions based on the first and second strokes A body moving member, and the valve body is in the first position, the first cylinder chamber port and the inlet port, and the second cylinder chamber port and the exhaust port are opened, and the valve body is in the first position. In the case of position 2, it is preferable that the first cylinder chamber port and the exhaust port, and the second cylinder chamber port and the inlet port are opened.

また、弁箱は、第1シリンダ室口、排気口、そして第2シリンダ室口の順に並んで形成された面である弁座を有し、弁体移動部材は、弁体の位置が、それらの口が順に並ぶ方向に沿って、第2の位置、第1の位置の順になるように、弁体を弁座に接触させながら往復移動させ、導入口は、導入路から供給される圧縮気体の圧力により、往復移動する弁体を弁座に押圧することができる場所に配置されることが好適である。   The valve box has a valve seat which is a surface formed in the order of the first cylinder chamber port, the exhaust port, and the second cylinder chamber port, and the valve body moving member has the position of the valve body The valve body is reciprocated while contacting the valve seat so that the second position and the first position are arranged in the order in which the mouths are arranged in order, and the introduction port is a compressed gas supplied from the introduction passage. It is preferable that the reciprocating valve element is disposed at a position where the reciprocating valve element can be pressed against the valve seat.

また、弁体は、弁座に対向する面の中央に窪み部を有し、弁体が第1の位置のとき、第1シリンダ室口が開弁されて導入口に接続し、第2シリンダ室口と排気口とが窪み部を介して連通し、弁体が第2の位置のとき、第1シリンダ室口と排気口が窪み部を介して連通するとともに、第2シリンダ室口が開弁されて導入口に接続することができる。   The valve body has a recess in the center of the surface facing the valve seat, and when the valve body is in the first position, the first cylinder chamber port is opened and connected to the introduction port, and the second cylinder When the chamber port and the exhaust port communicate with each other through the recess, and the valve body is in the second position, the first cylinder chamber port and the exhaust port communicate with each other through the recess, and the second cylinder chamber port opens. Valved and can be connected to the inlet.

また、ピストンに接続されるクランクシャフトを有し、弁体移動部材は、クランクシャフトの回転運動を往復運動に変換して弁体を移動させることができる。   Moreover, it has the crankshaft connected to a piston, and the valve body moving member can convert the rotational motion of a crankshaft into reciprocating motion, and can move a valve body.

また、第2シリンダ室に隣接して、クランクシャフトを収容するクランクシャフト室が設けられ、第2シリンダ室とクランクシャフト室を隔てる壁に形成され、シリンダとクランクシャフトを結ぶ連結棒が貫通する孔には、第2シリンダ室の気密を保持するシール部材が設けられることが好適である。   In addition, a crankshaft chamber for accommodating the crankshaft is provided adjacent to the second cylinder chamber, a hole formed in a wall separating the second cylinder chamber and the crankshaft chamber, through which a connecting rod connecting the cylinder and the crankshaft passes. It is preferable that a seal member for maintaining the airtightness of the second cylinder chamber is provided.

本発明の往復動型1サイクルエンジンによれば、2つのシリンダ室を有するエンジンにおいて、2つのシリンダ室への圧縮気体の択一的な導入と、2つのシリンダ室からの残留気体の択一的な排気とに関する構造の簡素化を図ることができる。   According to the reciprocating one-cycle engine of the present invention, in an engine having two cylinder chambers, alternative introduction of compressed gas into the two cylinder chambers and alternative selection of residual gas from the two cylinder chambers. Simplification of the structure with respect to simple exhaust.

本実施形態に係る往復動型1サイクルエンジンの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the reciprocating type 1 cycle engine which concerns on this embodiment. 第1ストローク時におけるエンジンの状態を示す図である。It is a figure which shows the state of the engine at the time of a 1st stroke. 第2ストローク時におけるエンジンの状態を示す図である。It is a figure which shows the state of the engine at the time of a 2nd stroke. クランクシャフトの回転角度と切換弁の動作タイミングとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the rotation angle of a crankshaft, and the operation timing of a switching valve.

以下、本発明に係る往復動型1サイクルエンジンの実施形態について、図を用いて説明する。このエンジンは、車両などの移動体に搭載される原動機、または他の用途で使用される原動機に適用することができる。本実施形態の往復動型1サイクルエンジンには、圧縮気体として、圧縮空気が使用される。しかし、本発明はこの構成に限定されず、大気圧より高圧状態の気体であれば、圧縮気体として水蒸気またはその他の気体を用いることができる。   Embodiments of a reciprocating one-cycle engine according to the present invention will be described below with reference to the drawings. This engine can be applied to a prime mover mounted on a moving body such as a vehicle or a prime mover used for other purposes. In the reciprocating one-cycle engine of the present embodiment, compressed air is used as the compressed gas. However, the present invention is not limited to this configuration, and water vapor or other gas can be used as the compressed gas as long as it is a gas at a pressure higher than atmospheric pressure.

図1は、本実施形態に係る往復動型1サイクルエンジン10の構成を示す図である。往復動型1サイクルエンジン10は、シリンダ12と、シリンダ12を2つのシリンダ室、すなわち第1シリンダ室14と第2シリンダ室16に隔てるように収容されたピストン18とを有する。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a reciprocating one-cycle engine 10 according to the present embodiment. The reciprocating one-cycle engine 10 includes a cylinder 12 and a piston 18 accommodated so as to separate the cylinder 12 into two cylinder chambers, that is, a first cylinder chamber 14 and a second cylinder chamber 16.

往復動型1サイクルエンジン10は、ピストン18の1往復運動を1サイクルとするエンジンであり、圧縮空気を運動エネルギに変換して出力するピストン機構を含む装置である。ピストン18の1往復運動とは、第1シリンダ室14に圧縮空気を導入し、第2シリンダ室16の残留空気を排気する第1ストロークと、第1シリンダ室14の残留空気を排気し、第2シリンダ室16に圧縮空気を導入する第2ストロークとからなる2ストロークのことである。残留空気とは、各シリンダ室14,16に導入され、その後、各シリンダ室14,16の膨張により圧力が低下した圧縮空気のことである。   The reciprocating one-cycle engine 10 is an engine that uses one reciprocating motion of the piston 18 as one cycle, and includes a piston mechanism that converts compressed air into kinetic energy and outputs the kinetic energy. One reciprocating motion of the piston 18 means that a first stroke that introduces compressed air into the first cylinder chamber 14 and exhausts residual air in the second cylinder chamber 16, exhausts residual air in the first cylinder chamber 14, It is a two stroke consisting of a second stroke for introducing compressed air into the two cylinder chamber 16. Residual air refers to compressed air that has been introduced into the cylinder chambers 14 and 16 and thereafter has been reduced in pressure due to expansion of the cylinder chambers 14 and 16.

往復動型1サイクルエンジン(以下、単に「エンジン」と記す)10は、シリンダ12と、シリンダ12に収容されて往復運動するピストン18と、ピストン18に連結棒20とコンロッド22を介して接続され、ピストン18の往復運動を回転運動に変換するクランクシャフト24とを有する。クランクシャフト24には、これの回転角度を検出する回転角度センサ(図示せず)が設けられる。   A reciprocating one-cycle engine (hereinafter simply referred to as “engine”) 10 is connected to a cylinder 12, a piston 18 that is housed in the cylinder 12 and reciprocates, and a piston 18 through a connecting rod 20 and a connecting rod 22. And a crankshaft 24 for converting the reciprocating motion of the piston 18 into a rotational motion. The crankshaft 24 is provided with a rotation angle sensor (not shown) for detecting the rotation angle thereof.

ピストン18は、シリンダ12を第1及び第2シリンダ室14,16に隔てるように配置される。本実施形態においては、第1シリンダ室14が上死点側(紙面上側)に形成され、第2シリンダ室16が下死点側(紙面下側)、すなわちクランクシャフト24側に形成される。   The piston 18 is disposed so as to separate the cylinder 12 into the first and second cylinder chambers 14 and 16. In the present embodiment, the first cylinder chamber 14 is formed on the top dead center side (upper side of the drawing), and the second cylinder chamber 16 is formed on the bottom dead center side (lower side of the drawing), that is, on the crankshaft 24 side.

第2シリンダ室16には、クランクシャフト24を収容するクランクシャフト室26が隣接して設けられる。そして、第2シリンダ室16とクランクシャフト室26を隔てる壁28には、連結棒20が貫通する貫通孔30が形成される。この貫通孔30には、第2シリンダ室16の気密性を保持するシール部材32、例えばOリングが設けられる。このような気密構造により、第2シリンダ室16からクランクシャフト室26への圧縮空気の侵入を防ぐことができる。また、エンジン10に使用される圧縮気体が水蒸気であっても、その水蒸気の侵入が防止されるので、その水蒸気が、クランクシャフト室26に貯留する潤滑油上に溜まってしまい、その油の潤滑性能を低下させてしまうことを防止することができる。   The second cylinder chamber 16 is provided with a crankshaft chamber 26 that accommodates the crankshaft 24 adjacent thereto. A through hole 30 through which the connecting rod 20 passes is formed in the wall 28 that separates the second cylinder chamber 16 and the crankshaft chamber 26. The through hole 30 is provided with a seal member 32 that maintains the airtightness of the second cylinder chamber 16, for example, an O-ring. Such an airtight structure can prevent compressed air from entering the crankshaft chamber 26 from the second cylinder chamber 16. Further, even if the compressed gas used in the engine 10 is water vapor, the invasion of the water vapor is prevented, so that the water vapor is accumulated on the lubricating oil stored in the crankshaft chamber 26 and the oil is lubricated. It is possible to prevent the performance from being deteriorated.

また、エンジン10は、各シリンダ室14,16に圧縮空気を導入する導入路34と、各シリンダ室14,16の残留空気を排気する排気路36とを有する。圧縮空気は、圧縮気体発生源、例えばコンプレッサー(図示せず)により生成され、このコンプレッサーから導入路34を介して各シリンダ室14,16に供給される。   The engine 10 also has an introduction path 34 for introducing compressed air into the cylinder chambers 14 and 16 and an exhaust path 36 for exhausting residual air in the cylinder chambers 14 and 16. The compressed air is generated by a compressed gas generation source, for example, a compressor (not shown), and is supplied from the compressor to the cylinder chambers 14 and 16 via the introduction path 34.

そして、本実施形態のエンジン10は、各シリンダ室14,16と、導入路34及び排気路36との間に設けられた切換弁38を有する。切換弁38は、第1及び第2ストロークに基づいて、各シリンダ室14,16と、導入路34及び排気路36との接続関係を切り換える。具体的には、切換弁38は、各シリンダ室14,16への圧縮気体の導入を択一的に切り換えるとともに、各シリンダ室14,16からの残留気体の排気を択一的に切り換える。この構成により、各シリンダ室14,16に対応する開閉装置が、従来技術で述べた計4個から1個へと低減するので、エンジン10の構造の簡素化を図ることができる。その結果、故障の発生回数の減少、装置の小型化および軽量化、さらに製造コストの低減を実現することができる。以下、切換弁38の構成について説明する。   The engine 10 according to this embodiment includes a switching valve 38 provided between the cylinder chambers 14 and 16 and the introduction path 34 and the exhaust path 36. The switching valve 38 switches the connection relationship between the cylinder chambers 14 and 16 and the introduction path 34 and the exhaust path 36 based on the first and second strokes. Specifically, the switching valve 38 selectively switches the introduction of the compressed gas into the cylinder chambers 14 and 16 and selectively switches the exhaust of the residual gas from the cylinder chambers 14 and 16. With this configuration, the number of open / close devices corresponding to the cylinder chambers 14 and 16 is reduced from four to one as described in the prior art, so that the structure of the engine 10 can be simplified. As a result, it is possible to reduce the number of occurrences of failures, reduce the size and weight of the device, and reduce the manufacturing cost. Hereinafter, the configuration of the switching valve 38 will be described.

切換弁38は、弁箱40と、弁箱40に収容される弁体42と、弁体42に接続され、弁体42を移動させる弁体移動部材44とを有する。   The switching valve 38 includes a valve box 40, a valve body 42 accommodated in the valve box 40, and a valve body moving member 44 that is connected to the valve body 42 and moves the valve body 42.

弁箱40は、第1シリンダ室14に通じる第1シリンダ室口46と、第2シリンダ室16に通じる第2シリンダ室口48と、導入路34に通じる導入口50と、排気路36に通じる排気口52とを有する。このように、各シリンダ室14,16に接続する通路を、従来技術で述べた計4個から2個(第1及び第2シリンダ室口46,48)へと低減することで、エンジン10の構造の簡素化を図ることができる。   The valve box 40 communicates with the first cylinder chamber port 46 that communicates with the first cylinder chamber 14, the second cylinder chamber port 48 that communicates with the second cylinder chamber 16, the introduction port 50 that communicates with the introduction path 34, and the exhaust path 36. And an exhaust port 52. In this way, the number of passages connected to the cylinder chambers 14 and 16 is reduced from the total of four described in the prior art to two (first and second cylinder chamber ports 46 and 48). The structure can be simplified.

また、弁箱40は、弁体42に対応する弁座54を有する。本実施形態の切換弁38は、一方向に弁体42をスライドさせて接続関係を切り換える弁装置である。よって、弁座54には、第1シリンダ室口46、排気口52、第2シリンダ室口48が、一列に並んで配置される。具体的には、第1シリンダ室口46、排気口52、第2シリンダ室口48が、ピストン18が往復運動する方向の上死点から下死点側に向かって順に配置される。一方、導入口50は、導入路34から供給される圧縮空気の圧力により、弁体42を弁座54に押圧することができるような場所に配置される。具体的には、導入口50が、図に示されるように、弁座54を含む面とは異なる面に配置される。   Further, the valve box 40 has a valve seat 54 corresponding to the valve body 42. The switching valve 38 of the present embodiment is a valve device that switches the connection relationship by sliding the valve element 42 in one direction. Therefore, the first cylinder chamber port 46, the exhaust port 52, and the second cylinder chamber port 48 are arranged in a row in the valve seat 54. Specifically, the first cylinder chamber port 46, the exhaust port 52, and the second cylinder chamber port 48 are sequentially arranged from the top dead center to the bottom dead center side in the direction in which the piston 18 reciprocates. On the other hand, the introduction port 50 is disposed at a location where the valve body 42 can be pressed against the valve seat 54 by the pressure of the compressed air supplied from the introduction passage 34. Specifically, as shown in the drawing, the introduction port 50 is disposed on a surface different from the surface including the valve seat 54.

この構成により、弁体42と弁座54との接触面に封止部材を設けなくても、圧縮空気の圧力を利用して弁体42と弁座54との気密性を確保することができる。なお、本実施形態においては、導入口50が、弁座54を含む面とは異なる面に配置される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。導入口50が弁体42により塞がれなければ、導入口50を、弁座54を含む面に配置することもできる。   With this configuration, even if a sealing member is not provided on the contact surface between the valve body 42 and the valve seat 54, the airtightness between the valve body 42 and the valve seat 54 can be ensured using the pressure of the compressed air. . In the present embodiment, the case where the introduction port 50 is disposed on a surface different from the surface including the valve seat 54 has been described, but the present invention is not limited to this configuration. If the introduction port 50 is not blocked by the valve body 42, the introduction port 50 can be arranged on the surface including the valve seat 54.

弁体42は、各シリンダ室口46,48と、導入口50及び排気口52との間を開閉する部材である。弁体42は、弁座54に対向する面の中央に窪み部56を有する。この窪み部56は、後述するように、弁座54に配置される各シリンダ室口46,48と、排気口52とを連通させる機能を有する。図1に示される弁体42の位置は、閉弁状態の位置(後述する第3の位置)である。この位置では、弁座54に対向する弁体42の面が第1及び第2シリンダ室口46,48を塞ぎ、窪み部56が排気口52を覆っている。つまり、4つの口がいずれの口とも接続しない閉弁状態である。   The valve body 42 is a member that opens and closes between the cylinder chamber ports 46 and 48 and the introduction port 50 and the exhaust port 52. The valve body 42 has a recess 56 in the center of the surface facing the valve seat 54. As will be described later, the recessed portion 56 has a function of communicating the cylinder chamber ports 46 and 48 disposed in the valve seat 54 with the exhaust port 52. The position of the valve body 42 shown in FIG. 1 is a valve-closed position (a third position described later). At this position, the surface of the valve body 42 facing the valve seat 54 closes the first and second cylinder chamber ports 46 and 48, and the recessed portion 56 covers the exhaust port 52. That is, the four ports are in a closed state where none of the ports is connected.

弁体移動部材44は、弁体42に弁軸58を介して連結して、弁体42を動作させるカム60及びスプリング62を有する。弁箱40には、ピストン18が往復運動する方向に対して平行に、弁軸58が貫通する孔が形成され、この孔には、弁箱40の気密性を保持する弁軸シール部材63、例えばOリングが設けられる。このような気密構造により、弁箱40と弁軸58との隙間を通って、圧縮空気が流出してしまうことを防ぐことができる。カム60は、カムシャフト64に同期して回転するように設けられる。カムシャフト64は、タイミングベルトまたは歯車などの動力伝達機構(図示せず)を介してクランクシャフト24に接続される。この動力伝達機構は、エンジン10のサイクルが2ストローク1サイクルであるので、クランクシャフト24が1回転するうちに、カムシャフト64が1回転するように構成される。この1サイクル内で、すなわち第1及び第2ストローク内で、弁体移動部材44は、クランクシャフト24の回転運動を往復運動に変換して弁体42を移動させることができる。すなわち、弁体移動部材44は、弁体42を、2つの位置の間を往復させるように移動させることができる。なお、弁体42の2つの位置であって、ピストン18が往復運動する方向の下死点側の位置を、以降、第1の位置と記す。一方、弁体42の2つの位置であって、ピストン18が往復運動する方向の上死点側の位置を、以降、第2の位置と記す。そして、第1及び第2の位置の間であって、図1に示されるように閉弁状態となる位置を、以降、第3の位置と記す。弁体42が第3の位置であるとき、弁箱40は、導入口50から導入される圧縮空気で充填される。   The valve body moving member 44 has a cam 60 and a spring 62 that are connected to the valve body 42 via a valve shaft 58 and operate the valve body 42. In the valve box 40, a hole through which the valve shaft 58 passes is formed in parallel to the direction in which the piston 18 reciprocates, and in this hole, a valve shaft seal member 63 that maintains the airtightness of the valve box 40, For example, an O-ring is provided. With such an airtight structure, it is possible to prevent the compressed air from flowing out through the gap between the valve box 40 and the valve shaft 58. The cam 60 is provided to rotate in synchronization with the camshaft 64. The camshaft 64 is connected to the crankshaft 24 via a power transmission mechanism (not shown) such as a timing belt or a gear. This power transmission mechanism is configured such that the camshaft 64 makes one rotation while the crankshaft 24 makes one rotation because the cycle of the engine 10 is one cycle of two strokes. Within this one cycle, that is, within the first and second strokes, the valve body moving member 44 can convert the rotational motion of the crankshaft 24 into reciprocating motion to move the valve body 42. That is, the valve body moving member 44 can move the valve body 42 so as to reciprocate between two positions. In addition, the two positions of the valve body 42 and the positions on the bottom dead center side in the direction in which the piston 18 reciprocates are hereinafter referred to as a first position. On the other hand, the two positions of the valve body 42 and the positions on the top dead center side in the direction in which the piston 18 reciprocates are hereinafter referred to as second positions. The position between the first position and the second position that is in the closed state as shown in FIG. 1 is hereinafter referred to as a third position. When the valve body 42 is in the third position, the valve box 40 is filled with compressed air introduced from the introduction port 50.

このように構成されるエンジン10の動作および、そのときの切換弁38の動作について、図2から4を用いて説明する。図2は、第1ストローク時におけるエンジン10の状態を示す図であり、図3は、第2ストローク時におけるエンジン10の状態を示す図であり、図4は、クランクシャフト24の回転角度と切換弁38の動作タイミングとの関係を示す図である。これらの図においては、一例として、サイクルが図中の時計回り方向である場合について説明する。   The operation of the engine 10 configured as described above and the operation of the switching valve 38 at that time will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a diagram illustrating the state of the engine 10 during the first stroke, FIG. 3 is a diagram illustrating the state of the engine 10 during the second stroke, and FIG. 4 is a diagram illustrating the rotation angle and switching of the crankshaft 24. It is a figure which shows the relationship with the operation timing of the valve. In these drawings, as an example, the case where the cycle is the clockwise direction in the drawings will be described.

図4には、クランクシャフト24の回転角度が0度のとき、ピストン18が上死点であり、その回転角度が180度のとき、ピストン18が下死点であることが示される。そして、上述のように、サイクルが時計回り方向であるので、図4においては、クランクシャフト24の回転角度が0から180度のとき、第1ストロークであり、その回転角度が180から360度のとき、第2ストロークであることが示される。   FIG. 4 shows that when the rotation angle of the crankshaft 24 is 0 degrees, the piston 18 is at the top dead center, and when the rotation angle is 180 degrees, the piston 18 is at the bottom dead center. Since the cycle is clockwise as described above, in FIG. 4, when the rotation angle of the crankshaft 24 is 0 to 180 degrees, the first stroke, and the rotation angle is 180 to 360 degrees. Is shown to be the second stroke.

まず、第1ストローク時におけるエンジン10の状態について説明する。第1ストローク時においては、切換弁38は、所定の期間、第1シリンダ室14と導入路34を接続するとともに、第2シリンダ室16と排気路36を接続する。この期間においては、弁体42が矢印70方向に移動して、図2に示されるような第1の位置であり、第1シリンダ室口46と導入口50、そして第2シリンダ室口48と排気口52がそれぞれ開弁状態になる。具体的には、図1に示される弁体42の状態から矢印70方向への移動により、弁体42に塞がれていた第1シリンダ室口46が開弁されて導入口50に接続する。一方、弁体42の矢印70方向への移動により、弁体42に塞がれていた第2シリンダ室口48が窪み部56を介して排気口52と連通する。   First, the state of the engine 10 during the first stroke will be described. During the first stroke, the switching valve 38 connects the first cylinder chamber 14 and the introduction path 34 and connects the second cylinder chamber 16 and the exhaust path 36 for a predetermined period. During this period, the valve element 42 moves in the direction of the arrow 70 to the first position as shown in FIG. 2, and the first cylinder chamber port 46, the introduction port 50, and the second cylinder chamber port 48 The exhaust ports 52 are each opened. Specifically, the movement of the valve body 42 shown in FIG. 1 in the direction of the arrow 70 opens the first cylinder chamber port 46 closed by the valve body 42 and connects it to the introduction port 50. . On the other hand, the movement of the valve body 42 in the direction of the arrow 70 causes the second cylinder chamber port 48 closed by the valve body 42 to communicate with the exhaust port 52 via the recess 56.

第1シリンダ室口46と導入口50の接続に伴って、圧縮空気が導入路34から第1シリンダ室14に導入される。第1シリンダ室14に導入された圧縮空気の圧力により、ピストン18が矢印70方向に押圧され下降する。一方、このピストン18の移動と、第2シリンダ室口48と排気口52の接続とに伴って、残留空気が第2シリンダ室16から排気路36に排気される。このようなピストン18の直線運動により、クランクシャフト24が時計回り方向に回転する。   Along with the connection between the first cylinder chamber port 46 and the introduction port 50, compressed air is introduced from the introduction path 34 into the first cylinder chamber 14. Due to the pressure of the compressed air introduced into the first cylinder chamber 14, the piston 18 is pressed in the direction of the arrow 70 and descends. On the other hand, with the movement of the piston 18 and the connection between the second cylinder chamber port 48 and the exhaust port 52, residual air is exhausted from the second cylinder chamber 16 to the exhaust path 36. Due to the linear movement of the piston 18, the crankshaft 24 rotates in the clockwise direction.

この第1ストロークにおいて弁体42が第1の位置である状態は、図4に示されるように、クランクシャフト24の回転角度が5から175度の間であることが好適である。このようなタイミングで弁体42を第1の位置とすることで、導入される圧縮空気量をより多く確保することができ、出力の増大を図ることができる。また、このようなタイミングで弁体42を第1の位置とすることで、排気される残留空気量が確実に確保されて、ピストン18の運動に対する抵抗が低減でき、結果として運転効率の向上を図ることができる。   In the state where the valve body 42 is in the first position in the first stroke, it is preferable that the rotation angle of the crankshaft 24 is between 5 and 175 degrees as shown in FIG. By setting the valve body 42 to the first position at such timing, it is possible to secure a larger amount of compressed air to be introduced and increase the output. In addition, by setting the valve body 42 to the first position at such timing, the amount of residual air to be exhausted is ensured and resistance to the movement of the piston 18 can be reduced, resulting in improved operating efficiency. You can plan.

次に、第2ストローク時におけるエンジン10の状態について説明する。第2ストローク時においては、切換弁38は、所定の期間、第1シリンダ室14と排気路36を接続するとともに、第2シリンダ室16と導入路34を接続する。この期間においては、弁体42が矢印72方向に移動して、図3に示されるような第2の位置であり、第1シリンダ室口46と排気口52、そして第2シリンダ室口48と導入口50がそれぞれ開弁状態になる。具体的には、図1に示される弁体42の状態から矢印72方向への移動により、弁体42に塞がれていた第1シリンダ室口46が窪み部56を介して排気口52と連通する。一方、弁体42の矢印70方向への移動により、弁体42に塞がれていた第2シリンダ室口48が、開弁されて導入口50に接続する。   Next, the state of the engine 10 during the second stroke will be described. During the second stroke, the switching valve 38 connects the first cylinder chamber 14 and the exhaust passage 36 and connects the second cylinder chamber 16 and the introduction passage 34 for a predetermined period. During this period, the valve element 42 moves in the direction of the arrow 72 to the second position as shown in FIG. 3, and the first cylinder chamber port 46, the exhaust port 52, and the second cylinder chamber port 48 Each inlet 50 is opened. Specifically, the movement of the valve body 42 shown in FIG. 1 from the state of the valve body 42 in the direction of arrow 72 causes the first cylinder chamber port 46 closed by the valve body 42 to be connected to the exhaust port 52 via the recess 56. Communicate. On the other hand, the movement of the valve body 42 in the direction of the arrow 70 causes the second cylinder chamber port 48 closed by the valve body 42 to be opened and connected to the introduction port 50.

第2シリンダ室口48と導入口50の接続に伴って、圧縮空気が導入路34から第2シリンダ室16に導入される。第2シリンダ室16に導入された圧縮空気の圧力により、ピストン18が矢印72方向に押圧され上昇する。一方、このピストン18の移動と、第1シリンダ室口46と排気口52の接続とに伴って、残留空気が第1シリンダ室14から排気路36に排気される。このようなピストン18の直線運動により、クランクシャフト24が時計回り方向に回転する。   Along with the connection between the second cylinder chamber port 48 and the introduction port 50, compressed air is introduced into the second cylinder chamber 16 from the introduction path 34. Due to the pressure of the compressed air introduced into the second cylinder chamber 16, the piston 18 is pressed in the direction of arrow 72 and rises. On the other hand, with the movement of the piston 18 and the connection between the first cylinder chamber port 46 and the exhaust port 52, residual air is exhausted from the first cylinder chamber 14 to the exhaust path 36. Due to the linear movement of the piston 18, the crankshaft 24 rotates in the clockwise direction.

この第2ストロークにおいて弁体42が第2の位置である状態は、図4に示されるように、クランクシャフト24の回転角度が185から355度の間であることが好適である。このようなタイミングで弁体42を第2の位置とすることで、導入される圧縮空気量をより多く確保することができ、出力の増大を図ることができる。また、このようなタイミングで弁体42を第2の位置とすることで、排気される残留空気量が確実に確保されて、ピストン18の運動に対する抵抗が低減でき、結果として運転効率の向上を図ることができる。   In the state where the valve body 42 is in the second position in the second stroke, the rotation angle of the crankshaft 24 is preferably between 185 and 355 degrees as shown in FIG. By setting the valve body 42 to the second position at such timing, it is possible to secure a larger amount of compressed air to be introduced, and to increase the output. In addition, by setting the valve body 42 to the second position at such timing, it is possible to ensure the amount of residual air to be exhausted and reduce the resistance to the movement of the piston 18, and as a result, improve the operation efficiency. Can be planned.

本実施形態によれば、各シリンダ室14,16に通じる通路をそれぞれ1個にし、かつ、各シリンダ室14,16と、導入路34および排気路36との接続を切り換える機構を1個にすることで、エンジン10の構造の簡素化を図ることができる。その結果、上述したように、故障回数の減少、装置の小型化および軽量化、さらに製造コストの低減を実現することができる。   According to the present embodiment, one passage is connected to each cylinder chamber 14, 16, and one mechanism for switching the connection between each cylinder chamber 14, 16 and the introduction passage 34 and the exhaust passage 36 is used. As a result, the structure of the engine 10 can be simplified. As a result, as described above, it is possible to reduce the number of failures, reduce the size and weight of the device, and reduce the manufacturing cost.

本実施形態においては、弁体42の第1の位置が、クランクシャフト24の回転角度が5から175度の間であり、弁体42の第2の位置が、クランクシャフト24の回転角度が185から355度の間である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。第1及び第2ストロークにおいては、ともに、圧縮空気の圧力によりピストン18を駆動させるので、第1および第2の位置の期間をより長くし、より多くの圧縮空気を各シリンダ室14,16に導入するようにしてもよい。これにより、ピストン18の運動抵抗となる残留空気を、各シリンダ室14,16からより多く排気することもできる。   In the present embodiment, the first position of the valve body 42 is that the rotation angle of the crankshaft 24 is between 5 and 175 degrees, and the second position of the valve body 42 is that of the rotation angle of the crankshaft 24 is 185. However, the present invention is not limited to this configuration. In both the first and second strokes, since the piston 18 is driven by the pressure of the compressed air, the period of the first and second positions is lengthened, and more compressed air is supplied to the cylinder chambers 14 and 16. You may make it introduce. Thereby, it is possible to exhaust a larger amount of residual air that becomes the movement resistance of the piston 18 from the cylinder chambers 14 and 16.

また、本実施形態においては、切換弁38が、一方向に弁体42をスライドさせて接続関係を切り換える弁装置である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。切換弁38が、弁軸58を中心に弁体42を回転させて、4つのポートの接続を切り換える弁装置、すなわち四方弁であってもよい。   In the present embodiment, the switching valve 38 is a valve device that switches the connection relationship by sliding the valve body 42 in one direction, but the present invention is not limited to this configuration. The switching valve 38 may be a valve device that rotates the valve body 42 about the valve shaft 58 to switch the connection of the four ports, that is, a four-way valve.

10 往復動型1サイクルエンジン、12 シリンダ、14 第1シリンダ室、16 第2シリンダ室、18 ピストン、20 連結棒、24 クランクシャフト、26 クランクシャフト室、28 壁、30 貫通孔、32 シール部材、34 導入路、36 排気路、38 切換弁、40 弁箱、42 弁体、44 弁体移動部材、46 第1シリンダ室口、48 第2シリンダ室口、50 導入口、52 排気口、54 弁座、56 窪み部、58 弁軸、60 カム、62 スプリング、63 弁軸シール部材、64 カムシャフト。   10 reciprocating 1-cycle engine, 12 cylinder, 14 first cylinder chamber, 16 second cylinder chamber, 18 piston, 20 connecting rod, 24 crankshaft, 26 crankshaft chamber, 28 walls, 30 through hole, 32 seal member, 34 Inlet path, 36 Exhaust path, 38 Switching valve, 40 Valve box, 42 Valve element, 44 Valve element moving member, 46 First cylinder chamber port, 48 Second cylinder chamber port, 50 Inlet port, 52 Exhaust port, 54 Valve Seat, 56 Recessed portion, 58 Valve shaft, 60 cam, 62 Spring, 63 Valve shaft seal member, 64 Cam shaft.

また、切換弁は、第1ストロークの所定期間、第1シリンダ室と導入路を接続するとともに第2シリンダ室と排気路を接続し、第2ストロークの所定期間、第1シリンダ室と排気路を接続するとともに第2シリンダ室と導入路を接続し、第1ストロークの前記所定期間と第2ストロークの前記所定期間との間であって、第1ストロークと第2ストロークの移り変わりを含む期間、閉弁状態になることができる。 The switching valve connects the first cylinder chamber and the introduction path for a predetermined period of the first stroke and connects the second cylinder chamber and the exhaust path, and connects the first cylinder chamber and the exhaust path for a predetermined period of the second stroke. Closed and connected to the second cylinder chamber and the introduction path, between the predetermined period of the first stroke and the predetermined period of the second stroke, including a transition between the first stroke and the second stroke. Can be in a valve state .

Claims (7)

シリンダと、
シリンダを第1及び第2シリンダ室に隔てるように収容されて往復移動するピストンと、
を有し、
第1シリンダ室に圧縮気体を導入し、第2シリンダ室の残留気体を排気する第1ストロークと、第1シリンダ室の残留気体を排気し、第2シリンダ室に圧縮気体を導入する第2ストロークとからなる、ピストンの1往復運動を1サイクルとする往復動型1サイクルエンジンにおいて、
各シリンダ室に圧縮気体を導入する導入路と、
各シリンダ室の残留気体を排気する排気路と、
各シリンダ室と、導入路及び排気路との間に設けられ、第1及び第2ストロークに基づいて、各シリンダ室と、導入路及び排気路との接続関係を切り換える切換弁と、
を有することを特徴とする往復動型1サイクルエンジン。
A cylinder,
A piston reciprocatingly accommodated so as to separate the cylinder into first and second cylinder chambers;
Have
A first stroke for introducing compressed gas into the first cylinder chamber and exhausting residual gas in the second cylinder chamber, and a second stroke for exhausting residual gas in the first cylinder chamber and introducing compressed gas into the second cylinder chamber In a reciprocating one-cycle engine in which one reciprocating motion of a piston is one cycle,
An introduction path for introducing compressed gas into each cylinder chamber;
An exhaust passage for exhausting residual gas in each cylinder chamber;
A switching valve that is provided between each cylinder chamber and the introduction path and the exhaust path, and switches the connection relationship between each cylinder chamber and the introduction path and the exhaust path based on the first and second strokes;
A reciprocating one-cycle engine characterized by comprising:
請求項1に記載の往復動型1サイクルエンジンにおいて、
切換弁は、第1ストロークの所定期間、第1シリンダ室と導入路を接続するとともに第2シリンダ室と排気路を接続し、第2ストロークの所定期間、第1シリンダ室と排気路を接続するとともに第2シリンダ室と導入路を接続する、
ことを特徴とする往復動型1サイクルエンジン。
The reciprocating one-cycle engine according to claim 1,
The switching valve connects the first cylinder chamber and the introduction path for a predetermined period of the first stroke, connects the second cylinder chamber and the exhaust path, and connects the first cylinder chamber and the exhaust path for a predetermined period of the second stroke. And connecting the second cylinder chamber and the introduction path,
A reciprocating one-cycle engine characterized by the above.
請求項2に記載の往復動型1サイクルエンジンにおいて、
切換弁は、
第1シリンダ室に通じる第1シリンダ室口と、第2シリンダ室に通じる第2シリンダ室口と、導入路に通じる導入口と、排気路に通じる排気口とを有する弁箱と、
弁箱に収容され、各シリンダ室口と、導入口及び排気口との間を開閉する弁体と、
第1及び第2ストロークに基づいて、弁体を2つの位置に移動させる弁体移動部材と、
を有し、
弁体が第1の位置である場合、第1シリンダ室口と導入口、そして第2シリンダ室口と排気口がそれぞれ開弁状態になり、
弁体が第2の位置である場合、第1シリンダ室口と排気口、そして第2シリンダ室口と導入口がそれぞれ開弁状態になる、
ことを特徴とする往復動型1サイクルエンジン。
The reciprocating one-cycle engine according to claim 2,
The switching valve
A valve box having a first cylinder chamber port that communicates with the first cylinder chamber, a second cylinder chamber port that communicates with the second cylinder chamber, an introduction port that communicates with the introduction path, and an exhaust port that communicates with the exhaust path;
A valve body that is accommodated in the valve box and opens and closes between each cylinder chamber opening and the inlet and exhaust ports;
A valve body moving member that moves the valve body to two positions based on the first and second strokes;
Have
When the valve body is in the first position, the first cylinder chamber port and the introduction port, and the second cylinder chamber port and the exhaust port are opened,
When the valve body is in the second position, the first cylinder chamber port and the exhaust port, and the second cylinder chamber port and the inlet port are opened.
A reciprocating one-cycle engine characterized by the above.
請求項3に記載の往復動型1サイクルエンジンにおいて、
弁箱は、第1シリンダ室口、排気口、そして第2シリンダ室口の順に並んで形成された面である弁座を有し、
弁体移動部材は、弁体の位置が、それらの口が順に並ぶ方向に沿って、第2の位置、第1の位置の順になるように、弁体を弁座に接触させながら往復移動させ、
導入口は、導入路から供給される圧縮気体の圧力により、往復移動する弁体を弁座に押圧することができる場所に配置される、
ことを特徴とする往復動型1サイクルエンジン。
The reciprocating one-cycle engine according to claim 3,
The valve box has a valve seat that is a surface formed in the order of the first cylinder chamber port, the exhaust port, and the second cylinder chamber port,
The valve body moving member reciprocates while the valve body is in contact with the valve seat so that the position of the valve body is in the order of the second position and the first position along the direction in which the mouths are arranged in order. ,
The introduction port is arranged at a place where the valve body that reciprocates can be pressed against the valve seat by the pressure of the compressed gas supplied from the introduction path.
A reciprocating one-cycle engine characterized by the above.
請求項4に記載の往復動型1サイクルエンジンにおいて、
弁体は、弁座に対向する面の中央に窪み部を有し、
弁体が第1の位置のとき、第1シリンダ室口が開弁されて導入口に接続し、第2シリンダ室口と排気口とが窪み部を介して連通し、
弁体が第2の位置のとき、第1シリンダ室口と排気口が窪み部を介して連通するとともに、第2シリンダ室口が開弁されて導入口に接続する、
ことを特徴とする往復動型1サイクルエンジン。
The reciprocating one-cycle engine according to claim 4,
The valve body has a recess in the center of the surface facing the valve seat,
When the valve body is in the first position, the first cylinder chamber port is opened and connected to the introduction port, and the second cylinder chamber port and the exhaust port communicate with each other through the recess,
When the valve body is in the second position, the first cylinder chamber port and the exhaust port communicate with each other through the recess, and the second cylinder chamber port is opened and connected to the introduction port.
A reciprocating one-cycle engine characterized by the above.
請求項4または5に記載の往復動型1サイクルエンジンにおいて、
ピストンに接続されるクランクシャフトを有し、
弁体移動部材は、クランクシャフトの回転運動を往復運動に変換して弁体を移動させる、
ことを特徴とする往復動型1サイクルエンジン。
The reciprocating one-cycle engine according to claim 4 or 5,
A crankshaft connected to the piston,
The valve body moving member moves the valve body by converting the rotational movement of the crankshaft into a reciprocating movement.
A reciprocating one-cycle engine characterized by the above.
請求項1から6のいずれか1つに記載の往復動型1サイクルエンジンにおいて、
第2シリンダ室に隣接して、クランクシャフトを収容するクランクシャフト室が設けられ、
第2シリンダ室とクランクシャフト室を隔てる壁に形成され、シリンダとクランクシャフトを結ぶ連結棒が貫通する孔には、第2シリンダ室の気密を保持するシール部材が設けられる、
ことを特徴とする往復動型1サイクルエンジン。
The reciprocating one-cycle engine according to any one of claims 1 to 6,
A crankshaft chamber that houses the crankshaft is provided adjacent to the second cylinder chamber,
A hole formed in a wall that separates the second cylinder chamber and the crankshaft chamber and through which a connecting rod that connects the cylinder and the crankshaft passes is provided with a seal member that keeps the airtightness of the second cylinder chamber.
A reciprocating one-cycle engine characterized by the above.
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