JP2015038319A - One-cycle engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、圧縮気体によりピストン機構を動作させるエンジンの改良に関する。 The present invention relates to an improvement in an engine that operates a piston mechanism with compressed gas.
従来から、シリンダ内に形成されるシリンダ室に導入される圧縮気体、例えば圧縮空気のエネルギを運動エネルギに変換して出力するピストン機構を有するエンジンが知られている。 2. Description of the Related Art Conventionally, an engine having a piston mechanism that converts the energy of compressed gas, for example, compressed air introduced into a cylinder chamber formed in a cylinder, into kinetic energy and outputs the same is known.
下記特許文献1には、シリンダ内に導入された圧縮空気でピストンを下降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、シリンダ内に圧縮空気を給気する給気口と、シリンダ内から圧縮空気を排気する排気口とがシリンダに接続され、これらの口に開閉装置がそれぞれ設けられている。 Patent Document 1 below discloses a pneumatic engine that lowers a piston with compressed air introduced into a cylinder to rotate a crankshaft. In this atmospheric pressure engine, an air supply port for supplying compressed air into the cylinder and an exhaust port for exhausting compressed air from the cylinder are connected to the cylinder, and an opening / closing device is provided at each of these ports.
上記特許文献1に記載される機関においては、シリンダ内に導入された圧縮空気でピストンを1ストローク分作動させてクランク軸を回転させることができる。しかしながら、シリンダ内の圧縮空気を、残留空気として排出するタイミングが設定されていないので、その機関の運転効率が低下してしまう可能性がある。また、上述の機関においては、給気口と排気口の両方に開閉装置がそれぞれ設けられるので、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, the crankshaft can be rotated by operating the piston for one stroke with compressed air introduced into the cylinder. However, since the timing for discharging the compressed air in the cylinder as residual air is not set, there is a possibility that the operating efficiency of the engine will be reduced. Further, in the above-described engine, since opening / closing devices are provided at both the air supply port and the exhaust port, 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.
本発明の目的の一つは、タイミング良く圧縮気体をシリンダ室に導入して、その圧縮気体を残留気体として排気することで、運転効率を向上させることができる1サイクルエンジンを提供することにある。 One of the objects of the present invention is to provide a one-cycle engine that can improve the operating efficiency by introducing compressed gas into the cylinder chamber in a timely manner and exhausting the compressed gas as a residual gas. .
また、本発明の目的の一つは、排気に対応する開閉装置を無くして構造の簡素化を図ることができる1サイクルエンジンを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a one-cycle engine capable of simplifying the structure by eliminating an opening / closing device corresponding to exhaust.
本発明は、シリンダ内に形成されるシリンダ室に圧縮気体を導入する圧縮気体導入ストロークと、シリンダ室に導入された圧縮気体を、残留気体として排気する排気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1サイクルエンジンにおいて、シリンダ室に接続され、圧縮気体をシリンダ室に導入する導入路と、シリンダ室に接続され、シリンダ室の残留気体を排気する排気路と、前記2つのストロークに基づいて導入路と排気路をそれぞれ開閉する開閉機構と、を有することを特徴とする。 The present invention relates to a reciprocating motion of a piston comprising a compressed gas introduction stroke for introducing a compressed gas into a cylinder chamber formed in the cylinder and an exhaust stroke for exhausting the compressed gas introduced into the cylinder chamber as a residual gas. In the one-cycle engine having one cycle, the two strokes are connected to the cylinder chamber and introduces a compressed gas into the cylinder chamber, the exhaust passage is connected to the cylinder chamber and exhausts the residual gas in the cylinder chamber, and the two strokes. And an opening / closing mechanism that opens and closes the introduction path and the exhaust path, respectively.
また、別の発明は、シリンダ内に形成されるシリンダ室に圧縮気体を導入する圧縮気体導入ストロークと、シリンダ室に導入された圧縮気体を、残留気体として排気する排気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1サイクルエンジンにおいて、シリンダ室に接続され、圧縮気体をシリンダ室に導入する導入路と、シリンダ室に接続され、シリンダ室の残留気体を排気する排気路と、前記2つのストロークに基づいて導入路を開閉する導入バルブと、を有し、排気路は、シリンダ室への圧縮気体の導入が完了して導入バルブが閉じたとき、ピストンの移動によってシリンダ室と導通するようにシリンダ室の側壁に接続されることを特徴とする。 Another invention is a piston comprising a compressed gas introduction stroke for introducing a compressed gas into a cylinder chamber formed in the cylinder, and an exhaust stroke for exhausting the compressed gas introduced into the cylinder chamber as a residual gas. In a one-cycle engine in which one reciprocating motion is one cycle, an introduction path that is connected to a cylinder chamber and introduces compressed gas into the cylinder chamber, an exhaust path that is connected to the cylinder chamber and exhausts residual gas in the cylinder chamber, An introduction valve that opens and closes the introduction path based on two strokes, and the exhaust path is electrically connected to the cylinder chamber by movement of the piston when the introduction of the compressed gas to the cylinder chamber is completed and the introduction valve is closed. It connects to the side wall of a cylinder chamber so that it may do.
本発明の1サイクルエンジンによれば、タイミング良く圧縮気体をシリンダ室に導入して、シリンダ室の残留気体を排気することで、運転効率を向上させることができる。 According to the one-cycle engine of the present invention, the operation efficiency can be improved by introducing the compressed gas into the cylinder chamber with good timing and exhausting the residual gas in the cylinder chamber.
また、別の発明の1サイクルエンジンによれば、排気に対応する開閉装置を無くして構造の簡素化を図ることができる1サイクルエンジンを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a one-cycle engine capable of simplifying the structure by eliminating an opening / closing device corresponding to exhaust.
以下、本発明に係る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。 Hereinafter, an embodiment of a one-cycle engine according to the present invention will be described 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 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1サイクルエンジン10の構成を示す図である。1サイクルエンジン10は、シリンダ12内に形成されるシリンダ室14に圧縮空気を導入する圧縮空気導入ストロークと、シリンダ室14の残留空気を排気する排気ストロークとからなる2ストローク、言い換えればピストン16の1往復運動を1サイクルとするエンジンであり、圧縮空気のエネルギ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。残留空気とは、シリンダ室14の膨張により圧力が低下した、シリンダ室14の圧縮空気のことである。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a one-
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16と、ピストン16にコンロッド18を介して接続され、ピストン16の往復運動を回転運動に変換するクランクシャフト20とを有する。クランクシャフト20には、これに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。シリンダ12内部には、これとピストン16の頂面とにより囲まれたシリンダ室14が形成される。
A one-cycle engine (hereinafter simply referred to as “engine”) 10 is connected to a
また、エンジン10は、シリンダ室14に通じ、このシリンダ室14に圧縮空気を導入する導入路22と、同じくシリンダ室14に通じ、このシリンダ室14の残留空気を排気する排気路24とを有する。圧縮空気は、コンプレッサー(図示せず)などにより生成され、このコンプレッサーから導入路22を介してシリンダ室14に供給される。
The
また、エンジン10は、導入路22と排気路24をそれぞれ開閉する開閉機構を有する。開閉機構は、上述した圧縮空気導入ストロークと排気ストロークに基づいて導入路22と排気路24をそれぞれ開閉する。このように、各ストローク応じて開閉機構を動作させてタイミング良く圧縮空気をシリンダ室14に導入して、かつシリンダ室14の残留空気を排気することで、エンジン10の運転効率を向上させることができる。
The
開閉機構は、導入路22を開閉する導入バルブ26と、排気路24を開閉する排気バルブ28と、これらのバルブ26,28の動作を制御するバルブシステム30とを有する。バルブシステム30は、導入バルブ26を動作させるカム32及びスプリング34と、排気バルブ28を動作させるカム36及びスプリング38とを有する。カム32,36は、カムシャフト40,42にそれぞれ同期して回転するように設けられ、カムシャフト40,42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20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20が1回転するうちに、カムシャフト40,42が1回転するように構成され、その1サイクル内で、導入及び排気バルブ26,28の開閉動作がそれぞれ1回行なわれる。
The opening / closing mechanism includes an
本実施形態においては、バルブシステム30が2本のカムシャフト40,42を有するシステム、すなわちDOHC式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ず、バルブシステム30が、1本のカムシャフトを介して導入及び排気バルブ26,28を動作させるSOHC式であってもよい。
In the present embodiment, the case where the
このように構成されるエンジン10の動作および、そのときの開閉機構の動作について、図2,3を用いて説明する。図2は、ピストン16のストローク毎のエンジン10の状態を示す図であり、図3は、クランクシャフト20の回転角度と開閉機構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
本実施形態のエンジン10は、上述したように2ストローク1サイクルのエンジンであるので、図2では、圧縮空気導入ストローク(左側)時と排気ストローク(右側)時におけるエンジン10の状態をそれぞれ示す。また、図3においては、クランクシャフト20の回転角度が0度のとき、ピストン16が上死点であり、その回転角度が180度のとき、ピストン16が下死点である。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3においては、クランクシャフト20の回転角度が0から180度のとき、圧縮空気導入ストロークであり、その回転角度が180から360度のとき、排気ストロークである。
Since the
まず、圧縮空気導入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。このストローク時においては、導入バルブ26は、所定の期間、開弁状態になり、排気バルブ28は閉弁状態である。導入バルブ26の開弁に伴って圧縮空気がシリンダ室14に導入される。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16が矢印44方向に押圧され下降する。このピストン16の直線運動により、クランクシャフト20が時計回り方向に回転する。
First, the state of the
この圧縮空気導入ストロークにおける導入バルブ26の開弁状態は、図3に示されるように、クランクシャフト20の回転角度が30から105度の間のみであることが好適である。このようなタイミングで導入バルブ26を開弁状態とすることで、エンジン10の出力の低下を抑制しつつ、導入される圧縮空気量を低減することができ、結果として運転効率の向上を図ることができる。
In the open state of the
次に、排気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。このストローク時においては、導入バルブ26が閉弁状態であり、排気バルブ28が、所定の期間、開弁状態になる。残留空気は、排気バルブ28の開弁に伴って外部に排気される。さらに、排気バルブ28が開弁状態であるとき、クランクシャフト20の回転(慣性)に伴い、矢印46方向に上昇するピストン16の運動により、残留空気が押し出されるようにして外部に排気される。
Next, the state of the
この排気ストロークにおける排気バルブ28の開弁状態は、図3に示されるように、クランクシャフト20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排気バルブ28を開弁状態とすることで、ピストン16の運動に対する抵抗を低減することができ、結果として運転効率の向上を図ることができる。
As shown in FIG. 3, the open state of the
本実施形態によれば、各ストロークにおいて、クランクシャフト20の回転角度に基づく適切なタイミングで開閉機構を動作させることで、エンジン10の運転効率の向上を図ることができる。
According to the present embodiment, the operating efficiency of the
本実施形態においては、導入バルブ26の開弁状態は、クランクシャフト20の回転角度が30から105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。圧縮空気導入ストロークにおいては、圧縮空気の圧力によりピストン16を駆動させるので、導入バルブ26の開弁状態の期間をより長くし、より多くの圧縮空気をシリンダ室14に導入することもできる。
In the present embodiment, the open state of the
また、本実施形態では、排気バルブ28の開弁状態は、クランクシャフト20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、この回転角度の範囲は一例であり、本発明はこの回転角度の範囲、185から355度に限定されない。例えば、圧縮空気導入ストローク中に、クランクシャフト20の回転角度が105度を過ぎてから、すなわち導入バルブ26が閉じてから排気バルブ28を開弁することもできる。
Further, in the present embodiment, the
次に、別の実施形態の1サイクルエンジン(これも、以下、単に「エンジン」と記す)50について、図4を用いて説明する。図4は、別の態様のエンジン50の構成を示す図である。なお、上記実施形態と同じ構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
Next, a one-cycle engine (hereinafter also simply referred to as “engine”) 50 according to another embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of an
この実施形態のエンジン50には、上記実施形態のエンジン10のような、排気路24を開閉する開閉機構、すなわち排気バルブ28と、これを動作させる機構に相当する構成が設けられていない。このように、排気路24に対応する開閉装置を無くすことで、エンジン50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下を実現することができる。以下、排気路24の構成について説明する。
The
排気路24は、シリンダ室14の側壁14aであって、ピストン16の側面16aに接触する領域の側壁14aに接続される。ピストン16の側面16aに接触する領域とは、上死点および下死点において側面16aに接触する側壁14aの各部分を結ぶ領域のことであり、ピストン16の可動域に対応する領域のことである。
The
具体的には、排気路24は、シリンダ室14への圧縮空気の導入が完了して導入バルブ26が閉じたとき、ピストン16の移動によってシリンダ室14と導通するように側壁14aに接続される。この構成により、上述したように、排気路24に対応する開閉装置が無くなるので、エンジン50の構造の簡素化を図ることができる。
Specifically, the
このように構成されるエンジン50の動作および、そのときの導入バルブ26の動作について、図5,6を用いて説明する。図5は、ピストン16のストローク毎のエンジン50の状態を示す図であり、図6は、クランクシャフト20の回転角度と導入バルブ26の動作タイミングとの関係を示す図である。また、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
この実施形態のエンジン50は、上述した実施形態と同様に、2ストローク1サイクルのエンジンであるので、図5では、圧縮空気導入ストローク(左側)時と排気ストローク(右側)時におけるエンジン50の状態をそれぞれ示す。また、図6においては、クランクシャフト20の回転角度が0度のとき、ピストン16が上死点であり、その回転角度が180度のとき、ピストン16が下死点である。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6においては、クランクシャフト20の回転角度が0から180度のとき、圧縮空気導入ストロークであり、その回転角度が180から360度のとき、排気ストロークである。
Since the
まず、圧縮空気導入ストローク時におけるエンジン50の状態について説明する。このストローク時においては、導入バルブ26は、所定の期間、開弁状態になり、導入バルブ26の開弁に伴って圧縮空気がシリンダ室14に導入される。この導入バルブ26の開弁期間、排気路24は、図5に示されるように、シリンダ16の側面16aにより塞がれており、シリンダ室14との導通が遮断されている。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16が矢印44方向に押圧され下降する。このピストン16の直線運動により、クランクシャフト20が時計回り方向に回転する。
First, the state of the
この圧縮空気導入ストロークにおける導入バルブ26の開弁状態は、図6に示されるように、クランクシャフト20の回転角度が30から105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導入バルブ26を開弁状態とすることで、エンジン50の出力の低下を抑制しつつ、導入される圧縮空気量を低減することができ、結果として運転効率の向上を図ることができる。
In the open state of the
そして、この圧縮空気導入ストロークの後半においては、残留空気の排気が行なわれる。すなわち、クランクシャフト20の回転角度が105度になり導入バルブ26が閉じた後、ピストン16の下降によって側面16aに塞がれていた排気路24がシリンダ室14に導通する。この導通により、シリンダ室14の残留空気が外部に排気される。
In the latter half of the compressed air introduction stroke, residual air is exhausted. That is, after the rotation angle of the
次に、排気ストローク時におけるエンジン50の状態について説明する。このストローク時においては、導入バルブ26が閉弁状態である。クランクシャフト20の回転(慣性)に伴い、ピストン16が矢印46方向に上昇する。このピストン16の移動で、排気路24が側面16aによって塞がれるまでの間、排気路24とシリンダ室14は導通しているので、その間、シリンダ室14の残留空気が外部に排気される。
Next, the state of the
つまり、排気路24がシリンダ室14に導通して残留空気を排気可能な状態は、図6に示されるように、クランクシャフト20の回転角度が105から255度の間である。なお、この回転角度の範囲は一例であり、本発明はこの角度の範囲、105から255度に限定されない。排気路24とシリンダ室14とが、導入バルブ26が閉じた後に導通するのであれば、例えば、排気路24と側壁14aの接続位置をより下方(下死点側)にすることもできる。この場合には、排気可能な状態がより短時間になってしまうが、導入バルブ26の開弁時間を長くすることができる。一方、排気路24と側壁14aの接続位置をより上方(上死点側)にすることもできる。この場合には、排気可能な状態を長くすることができるが、導入バルブ26の開弁時間が短くなってしまう。
That is, the state in which the
この実施形態によれば、排気に対応する開閉装置を無くすことで、エンジン50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下を実現することができる。
According to this embodiment, the structure of the
10,50 1サイクルエンジン、12 シリンダ、14 シリンダ室、16 ピストン、20 クランクシャフト、22 導入路、24 排気路、26 導入バルブ、28 排気バルブ。 10, 50 1-cycle engine, 12 cylinders, 14 cylinder chambers, 16 pistons, 20 crankshafts, 22 introduction paths, 24 exhaust paths, 26 introduction valves, 28 exhaust valves.
本発明は、シリンダ内に形成されるシリンダ室に圧縮空気を導入する圧縮空気導入ストロークと、シリンダ室に導入された圧縮空気を、残留空気として排気する排気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1サイクルエンジンにおいて、シリンダ室に接続され、圧縮空気をシリンダ室に導入する導入路と、シリンダ室に接続され、シリンダ室の残留空気を排気する排気路と、前記2つのストロークに基づいて導入路を開閉する導入バルブと、を有し、排気路は、圧縮空気導入ストロークの途中でシリンダ室への圧縮空気の導入が完了して導入バルブが閉じた時点からシリンダ室の導通が開始するようにシリンダ室の側壁に接続されることを特徴とする。 The present invention provides a single reciprocating motion of a piston comprising a compressed air introduction stroke for introducing compressed air into a cylinder chamber formed in the cylinder and an exhaust stroke for exhausting the compressed air introduced into the cylinder chamber as residual air. In the one-cycle engine having one cycle, the two passages are connected to the cylinder chamber and introduces compressed air into the cylinder chamber, the exhaust passage is connected to the cylinder chamber and exhausts residual air in the cylinder chamber, and the two strokes. anda inlet valve to open and close the introduction passage based on the exhaust path, conductive cylinder chamber from the middle when the introduction of compressed air to the cylinder chamber is completed to inlet valve is closed the compressed air introduction stroke Is connected to the side wall of the cylinder chamber so as to start .
Claims (2)
シリンダ室に接続され、圧縮気体をシリンダ室に導入する導入路と、
シリンダ室に接続され、シリンダ室の残留気体を排気する排気路と、
前記2つのストロークに基づいて導入路と排気路をそれぞれ開閉する開閉機構と、
を有することを特徴とする1サイクルエンジン。 One reciprocating motion of the piston, consisting of a compressed gas introduction stroke for introducing compressed gas into a cylinder chamber formed in the cylinder and an exhaust stroke for exhausting the compressed gas introduced into the cylinder chamber as a residual gas, is defined as one cycle. In a one-cycle engine that
An introduction path connected to the cylinder chamber for introducing compressed gas into the cylinder chamber;
An exhaust passage connected to the cylinder chamber for exhausting residual gas in the cylinder chamber;
An opening and closing mechanism for opening and closing the introduction path and the exhaust path based on the two strokes, respectively.
1 cycle engine characterized by having.
シリンダ室に接続され、圧縮気体をシリンダ室に導入する導入路と、
シリンダ室に接続され、シリンダ室の残留気体を排気する排気路と、
前記2つのストロークに基づいて導入路を開閉する導入バルブと、
を有し、
排気路は、シリンダ室への圧縮気体の導入が完了して導入バルブが閉じたとき、ピストンの移動によってシリンダ室と導通するようにシリンダ室の側壁に接続される、
ことを特徴とする1サイクルエンジン。 One reciprocating motion of the piston, consisting of a compressed gas introduction stroke for introducing compressed gas into a cylinder chamber formed in the cylinder, and an exhaust stroke for exhausting the compressed gas introduced into the cylinder chamber as a residual gas, is defined as one cycle. In a one-cycle engine that
An introduction path connected to the cylinder chamber for introducing compressed gas into the cylinder chamber;
An exhaust passage connected to the cylinder chamber for exhausting residual gas in the cylinder chamber;
An introduction valve for opening and closing the introduction path based on the two strokes;
Have
The exhaust path is connected to the side wall of the cylinder chamber so as to be electrically connected to the cylinder chamber by the movement of the piston when the introduction of the compressed gas into the cylinder chamber is completed and the introduction valve is closed.
A one-cycle engine characterized by that.
Priority Applications (3)
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