JP2015224568A - 単発駆動内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼式釘打機などの熱効率を格段に高める。【解決手段】予混合ガスを閉じ込めた主ピストン７とシリンダー５との間に形成される燃焼室において、予混合ガスを燃焼させ、主ピストンを駆動し、エネルギーを得る熱機関において、予混合ガスの全量を一度に燃焼させるのでは無く、主ピストン７とシリンダー５との間に前駆ピストン９を配置し、燃焼室を、主予混合ガスを閉じ込める主燃焼室１１と、前駆予混合ガスを閉じ込める前駆燃焼室１３とに分け、前駆予混合ガスをはじめに着火させ、その燃焼圧力により前駆ピストン９を移動させ、主予混合ガスを圧縮し、最大圧縮が達成された状態で、前駆ピストン９を固定し、主予混合ガスを着火させ、主予混合ガスの膨張により主ピストン７を駆動し、高効率・高出力を得ることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、単発駆動型でピストン方式の内燃機関に関するものである。

従来この種の技術としては、主として押し出し出力用の主ピストンとシリンダーとから成り、両者の間に形成される空間に閉じ込められた作動流体（空気および燃料の混合気）の燃焼によって、作動流体が膨張する際に（燃焼膨張）、作動流体が主ピストンを押し出することによって、押し出し出力を得るものがあった（特許文献１、非特許文献１参照）。

特開２００６−２２４２６８号公報

「等身大ヒューマノイド型跳躍ロボット用の力学エネルギー蓄積式直動燃焼アクチュエータの開発」石野 洋二郎、齋木悠、柴田 遼平、大澤 明日菜、前田一樹、大岩 紀生、日本機械学会論文集（Ｂ編）、７６巻７６１号２０１０ｐｐ１２３−１２８

本発明に係る単発駆動型のピストン方式（容積型）内燃機関の場合、従来技術では、燃焼前の作動流体の予圧縮が困難であるため、低熱効率である無圧縮サイクル（ルノアール・サイクル）により動作を実現し、低熱効率であるのが現状である。

前記問題を解決するため、請求項１に記載の発明は、主ピストン（７）とシリンダー（５）との間の燃焼室を、前駆ピストン（９）を配置することにより主燃焼室（１１）および前駆燃焼室（１３）に分割し、前記前駆燃焼室（１３）内の前駆作動流体を加熱し膨張させ、前記前駆ピストン（９）を移動させ、前記主燃焼室（１１）内の主作動流体を圧縮し、前記主燃焼室（１１）内が最大圧縮の状態で、前駆ピストン（９）を固定し、前記主燃焼室（１１）内の主作動流体を加熱し膨張させ、
前記主ピストン（９）を駆動することを特徴とする単発駆動内燃機関である。
請求項２に記載の発明は、主ピストン（７）とシリンダー（５）との間の燃焼室を、前駆ピストン（９）を配置することにより主燃焼室（１１）および前駆燃焼室（１３）に分割し、前記前駆燃焼室（１３）内の予混合ガスを着火し燃焼膨張させ、前記前駆ピストン（９）を移動させ、前記主燃焼室（１１）内の主予混合ガスを圧縮し、前記主燃焼室（１１）内が最大圧縮の状態で、前駆ピストン（９）を固定し、前記主燃焼室（１１）内の主予混合ガスを着火し燃焼膨張させ、前記主ピストン（９）を駆動することを特徴とする単発駆動内燃機関である。
請求項３に記載の発明は、前駆イグナイター（３）により、前記前駆燃焼室（１３）内の予混合ガスを着火し、主イグナイター（１）により、前記主燃焼室（１１）内の主予混合ガスを着火することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単発駆動内燃機関である。
請求項４に記載の発明は、主ピストンバネ２９を、前記前駆ピストン（９）に、前記主燃焼室（１１）内の主予混合ガスを着火し燃焼膨張させる際に、圧縮するように設置したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の単発駆動内燃機関である。
請求項５に記載の発明は、主ピストン７は、主燃焼室１１の圧力が一定圧力（臨界主燃焼室圧力）以下では移動せず、主燃焼室１１の圧力が一旦、一定圧力（臨界主燃焼室圧力）を超えた場合に、
移動し始めることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の単発駆動内燃機関である。

なお、上記および特許請求の範囲における括弧内の符号は、特許請求の範囲に記載された用語と後述の実施形態に記載される当該用語を例示する具体物等との対応関係を示すものである。

本発明に係る単発駆動内燃機関によれば、最大圧縮が達成された状態で、前記前駆ピストンを固定し、前記主予混合ガスを着火させ、前記主予混合ガスの膨張により前記主ピストンを駆動させるため、従来製品に比べ、高効率・高出力を得られる効果を奏する。

図１は本発明に係る単発駆動内燃機関の基本作動および構成を示す説明図である。 図２は同、給排気系（共通排気系）を考慮した作動構成を示す説明図であり、状態１から状態６を示す図である。 図３は同、状態７から状態１１並びに状態１に復帰することを示す図である。 図４は本発明に係る単発駆動内燃機関の別の例である給排気系（別個排気系）を考慮した作動構成の説明図であり、状態１から状態５を示す図である。 図５は同、状態６から状態１１並びに状態１に復帰することを示す図である。 図６は本発明に係る単発駆動内燃機関を、燃焼式釘打機とした例を示す正面図である。 図７は同、燃焼式釘打機の使用状態を示す説明図であり、状態１から状態６を示す図である。 図８は同、状態７から状態１１を示す図である。

以下、図に基づいて、本発明に係る単発駆動内燃機関の実施例について説明する。

図１により、本発明に係る単発駆動内燃機関の基本的構成を説明する。

主イグナイター１および前駆イグナイター３を備えたシリンダー５に、主ピストン７および前駆ピストン９がはめ込まれ、主燃焼室１１と前駆燃焼室１３が形成されている。なお、主イグナイター１および前駆イグナイター３は主ピストン７および前駆ピストン９と干渉しない位置に設置する。

主燃焼室１１には、主作動流体１５が閉じ込められている。また、同様に、前駆燃焼室１３には前駆作動流体１５が閉じ込められている。燃料混合および燃焼促進のために、主作動流体１５および前駆作動流体１７を撹拌するためのファンを設けても良い。

主ピストン７は、ストッパー（図示せず）などの機構により、主燃焼室１１の圧力が一旦、一定圧力（臨界主燃焼室圧力）以上になった場合に、移動し始めることができる構造となっている。

主ピストン７には、主ピストン棒１９が接続されている。

シリンダー５の内径は、主ピストン７通過部と前駆ピストン９通過部とで異なっていても良い。

なお、図中、黒丸印はシール部材２１を示す。

図１に基づいて、本発明に係る単発駆動内燃機関の基本作動を説明する。

（状態１）
主作動流体１５および前駆作動流体１７は、常温常圧の予混合ガス（通常は空気・燃料の予混合ガス）である。本説明では、予混合ガスに対してイグナイター１、３により点火を行うことで、作動流体の加熱を実施するが、空気あるいは希薄予混合ガスを作動流体とし、作動の途中で燃料インジェクターから燃料を噴霧し、自着火あるいは点火により、作動流体の加熱を実施しても良い。また、伝熱面からの伝熱により作動流体の加熱を実施しても良い。
主作動流体１５および前駆作動流体１７に対する前駆作動流体１７の体積割合および質量割合を「前駆割合」とする。
状態１において、前駆作動流体１７に前駆イグナイター３により点火を行う。
（行程１−２）
行程１−２では、前駆作動流体は燃焼し、加熱する。

（状態２）
状態２では、前駆作動流体１７は、高温高圧の前駆燃焼ガスである。
（行程２−３）
行程２−３では、前駆ピストン９が高圧の前駆燃焼ガスによって押され、主作動流体１７を圧縮しながら移動する。前駆ピストン９は、前駆ピストン９の移動による慣性により、前駆作動流体１７の圧力より高い圧力まで主作動流体１５を圧縮し、主作動流体１５が最も圧縮された状態（以下、「最大圧縮状態」）で静止する。図示していないラチェットなどの機構により、最大圧縮状態の位置で、前駆ピストン９は固定される。なお、この行程では、主燃焼室１１の圧力は、前記臨界主燃焼室圧力を越えず、主ピストン７は移動しない。

（状態３）
状態３では、最大圧縮状態にある主予混合ガスに対して、主イグナイター１によって点火が行われる。
（行程３−４）
行程３−４では、主予混合ガスが燃焼し、加熱する。

（状態４）
状態４では、主作動流体１５は、高温高圧の主燃焼ガスとなる。主燃焼室１１の圧力は、前記臨界主燃焼室圧力を越えるため、主ピストン７は移動可能となる。
（行程程４−５）
行程４−５では、主燃焼ガスの膨張により、主ピストン７が駆動され、移動する。この移動により、主ピストン棒１９から出力が取り出される。装置が釘打ち機の場合、主ピストン棒１９により、釘を建材などに打ち付けることができる。

（状態５）
状態５では、主ピストン７が押し出された状態となる。

図２および図３に、本発明に係る単発駆動内燃機関の主燃焼室１１と前駆燃焼室１３とに共通の給排気系を配置した例を示してある。

図２および図３により、構成を説明する。

主イグナイター１、前駆イグナイター３、給気機構（本例では給気バルブ）２３および排気機構（本例では排気バルブ）２５を備えたシリンダー２７に、主ピストン７および前駆ピストン９がはめ込まれ、主燃焼室１１と前駆燃焼室１３が形成されている。なお、主イグナイター１および前駆イグナイター３は主ピストン７および前駆ピストン９と干渉しない位置に設置する。

主燃焼室１１には、主作動流体１５が閉じ込められている。また、同様に、前駆燃焼室１３には前駆作動流体１７が閉じ込められている。燃料混合および燃焼促進のために、主作動流体１５および前駆作動流体１７を撹拌するためのファンを設けても良い。

主ピストン７は、押し引き動作、などの動作制御をすることができる。たとえば、引き動作のために、主ピストンバネ２９を設置し、主ピストン７を前駆ピストン９方向に移動するように力を掛けてもよい。また、前記動作制御のため、ならびに、押力出力のために、主ピストン７には、主ピストン棒１９が接続されていてもよい。前記動作制御のために主ピストン７に接続する主ピストン棒１９は、前駆ピストン９、前駆ピストン棒３１、シリンダー端面を貫いてもよく、この場合、前記動作制御を、シリンダー端面側から行うことができる。

また、主ピストン７は、主燃焼室１１の圧力が一定圧力（臨界主燃焼室圧力）以下では移動せず、主燃焼室１１の圧力が一旦、一定圧力（臨界主燃焼室圧力）を超えた場合に、移動し始めることができる機能が具備されている。このための構造は、たとえば、図２、３では、主ピストンストッパー３３および主ピストン棒凸部３５である。

また、前駆ピストン９は、押し引き動作、最大到達場所での固定、などの動作制御をすることができる。たとえば、図２、３では、前駆ピストン９に接続された前駆ピストン棒３１がシリンダー２７端面を貫いており、前駆ピストン９の前記動作制御をシリンダー２７の外部から行うことができる。

なお、図中、黒丸印はシール部材２１を示す。

以下に、図２および３により本例の作動状況を説明する。
（状態１）
主燃焼室１１には、主作動流体１５が閉じ込められている。また、同様に、前駆燃焼室１３には前駆作動流体１７が閉じ込められている。主ピストン７は、主ピストン棒凸部３５および主ピストンストッパー３３などの機構により、主燃焼室圧力が前記臨界主燃焼室圧力を超えるまで、シリンダー２７端面の反対側（図２、図３においては左側）へ移動しない状態にある。
主作動流体１５および前駆作動流体１７は、常温常圧の予混合ガス（通常は空気・燃料の予混合ガス）である。本説明では、予混合ガスに対してイグナイターにより点火を行うことで、作動流体の加熱を実施するが、空気あるいは希薄予混合ガスを作動流体とし、作動の途中で燃料インジェクターから燃料を噴霧し、自着火あるいは点火により、作動流体の加熱を実施しても良い。また、伝熱面からの伝熱により作動流体の加熱を実施しても良い。
状態１において、給気バルブ２３および排気バルブ２５は閉の状態とし、前駆作動流体１７に前駆イグナイター３により点火を行う。
（行程１−２）
行程１−２では、前駆作動流体１７は燃焼し、加熱する。

（状態２）
状態２では、前駆作動流体１７は、高温高圧の前駆燃焼ガスである。
（行程２−３）
行程２−３では、前駆ピストン９が高圧の前駆燃焼ガスによって押され、主作動流体１５を圧縮しながら移動する。前駆ピストン９は、前駆ピストン９の移動による慣性により、前駆作動流体１７の圧力より高い圧力まで主作動流体１５を圧縮し、最大圧縮状態で静止する。図示していないラチェットなどの機構により、最大圧縮状態の位置で、前駆ピストン９は固定される。なお、この行程では、主燃焼室１１の圧力は、前記臨界主燃焼室圧力を越えず、主ピストン７は移動しない。
ここで、最大圧縮状態とは、実施例１と同じである。

（状態３）
状態３では、最大圧縮状態にある主予混合ガスに対して、主イグナイター１によって点火が行われる。
（行程３−４）
行程３−４では、主予混合ガスが燃焼し、加熱する。

（状態４）
状態４では、主作動流体１５は、高温高圧の主燃焼ガスとなる。主燃焼室１１の圧力は、前記臨界主燃焼室圧力を越えるため、主ピストン７は移動可能となる。
（行程４−５）
行程４−５では、主燃焼ガスの膨張により、主ピストン７が駆動され、移動する。
この移動により、主ピストン棒１９から出力が取り出される。装置が釘打ち機の場合、主ピストン棒１９により、釘を建材などに打ち付けることができる。装置が物体発射装置の場合、主ピストン棒１９により、物体を撃ち出すことができる。

（状態５）
状態５では、主ピストン７が押し出された状態となる。給気バルブ２３および排気バルブ２５は、状態１から状態５まで、閉じている。
（行程５−６）
行程５−６では、主燃焼室１１の主燃焼ガスが冷却され、主冷却燃焼ガスとなる過程で、主ピストン７が引き戻される。

（状態６）
状態６では、排気バルブ２５が開く。主ピストンバネ２９の力により、主ピストン７および前駆ピストン９は、シリンダー２７端面に押しつけられる。
（行程６−７）
行程６−７では、前駆ピストン棒３１を介した外力、あるいは主作動流体１５を介した主ピストンバネ２９の力により、主ピストン７および前駆ピストン９は移動する。前駆ピストン９の厚さより排気バルブ２５領域を幅広に設定するなどして、前駆ピストン９の通過に際し、排気バルブ２５は前駆ピストン９で閉鎖されない構造である。前駆ピストン９はシリンダー２７端面に押しつけられ、前駆作動流体１７の全てが、排気バルブ２５から排出される。

（状態７）
状態７では、前駆ピストン９がシリンダー２７端面に押しつけられた状態である。このとき、排気バルブ２５から主作動流体１５が排出できる構造となっている。
（行程７−８）
行程７−８では、主ピストンバネ２９の力により、主ピストン７が前駆ピストン９に押しつけられる。主作動流体１５の全てが、排気バルブ２５から排出される。

（状態８）
状態８は、給気バルブ２３が閉、排気バルブ２５が開、主ピストン７および前駆ピストン９がシリンダー２７端面方向に押しつけられた状態である。
（行程８−９）
行程８−９では、給気バルブ２３が閉から開、排気バルブ２５が開から閉に、状態が変化する。

（状態９）
状態９は、給気バルブ２３が開、排気バルブ２５が閉、の状態である。
（行程９−１０）
行程９−１０では、主燃焼室１１に含まれる主作動流体（主予混合ガス）１５の体積および質量が状態１と同じになる位置まで主ピストン７を移動させる。給気バルブ２３が開であるので、主燃焼室１１に主作動流体１５が流入する。

（状態１０）
状態１０は、主燃焼室１１に状態１と同じ量の主作動流体１５が存在する状態である。
（行程１０−１１）
行程１０−１１では、前駆燃焼室１３に含まれる前駆作動流体（前駆予混合ガス）１７の量が状態１と同じになる位置まで前駆ピストン９を移動させる。また、主ピストン７も主燃焼室１１の体積が状態１と同じになるように移動させる。

（状態１１）
状態１１は、バルブの状態以外は、状態１と同じ状態である。また、状態１１では、給気バルブ２３は開、排気バルブ２５は閉である。
（行程１１−１）
行程１１−１では、給気バルブ２３が開から閉へ、排気バルブ２５が閉から開へと変化する。
これにより、状態は状態１となる。

図４および図５に、本発明に係る単発駆動内燃機関の主燃焼室１１と前駆燃焼室１５とに対して個別に給排気系を配置した例を示してある。ただし、ここでは、はじめ、空気を作動流体とし、作動の途中で燃料噴射管から燃料を噴霧し、自着火あるいは点火により、作動流体の加熱を実施する場合について説明を行う．

図４および図５により、構成を説明する。

主イグナイター１、前駆イグナイター３、主換気機構（本例では主バルブ）３７、前駆換気機構（本例では前駆バルブ）３９、主燃料噴射管４１、前駆燃料噴射管４３、を備えたシリンダー４５に、主ピストン７および前駆ピストン９がはめ込まれ、主燃焼室１１と前駆燃焼室１３が形成されている。なお、主イグナイター１、前駆イグナイター３、主燃料噴射管４１および前駆燃料噴射管４３、は主ピストン７および前駆ピストン９と干渉しない位置に設置する。

主燃焼室１１には、主作動流体（主空気）１５が閉じ込められている。また、同様に、前駆燃焼室１３には前駆作動流体（前駆空気）１７が閉じ込められている。燃料混合および燃焼促進のために、主作動流体１５および前駆作動流体１７を撹拌するためのファンを主燃焼室１１および前駆燃焼室１３に設けても良い。また、前駆ピストン９の移動により主作動流体１５を撹拌し、燃料混合および燃焼促進を促す、乱流発生器を前駆ピストン９の主燃焼室１１側に設置してもよい。

たとえば、引き動作のために、主ピストンバネ２９を設置し、主ピストン７を前駆ピストン９方向に移動するように力を掛けてもよい。また、前記動作制御のため、ならびに、押力出力のために、主ピストン７には、主ピストン棒１９が接続されていてもよい。前記動作制御のために主ピストン７に接続する主ピストン棒１９は、前駆ピストン９、前駆ピストン棒３１、シリンダー４５端面を貫いてもよく、この場合、前記動作制御を、シリンダー４５端面側から行うことができる。

また、主ピストン７は、主燃焼室１１の圧力が一定圧力（臨界主燃焼室圧力）以下では移動せず、主燃焼室１１の圧力が一旦、一定圧力（臨界主燃焼室圧力）を超えた場合に、移動し始めることができる機能が具備されている。このための構造は、たとえば、図２、３のような、主ピストンストッパー３３および主ピストン棒凸部３５である。

また、前駆ピストン９は、押し引き動作、最大到達場所での固定、などの動作制御をすることができる。たとえば、本例では、前駆ピストン９に接続された前駆ピストン棒３１がシリンダー４５端面を貫いており、前駆ピストン９の前記動作制御をシリンダー４５の外部から行うことができる。

シリンダー４５の内径は、主ピストン７通過部と前駆ピストン９通過部とで異なっていても良い。
本例のように、シリンダー４５の内壁に凸部を設けて、ピストンのストッパーとしても良い。

以下に、図４および図５により、本例の作動状況を説明する。
（状態１）
主燃焼室１１には、主作動流体１５が閉じ込められている。また、同様に、前駆燃焼室１３には前駆作動流体１７が閉じ込められている。主ピストン７は、主ピストン棒凸部３５および主ピストンストッパー３３などの機構により、主燃焼室圧力が前記臨界主燃焼室圧力を超えるまで、シリンダー４５端面の反対側（図４、５においては左側）へ移動しない状態にある。
主作動流体１５および前駆作動流体１７は、常温常圧の空気である。本説明では、空気に対して燃料噴射管から燃料を噴射し、イグナイターにより点火を行うことで、作動流体の加熱を実施するが、予混合気を作動流体とし、作動の途中でイグナイターによる点火により、作動流体の加熱を実施しても良い。また、伝熱面からの伝熱により作動流体の加熱を実施しても良い。
状態１において、主バルブ３７および前駆バルブ３９は閉の状態とし、主燃料噴射管４１および前駆燃料噴射管４３から燃料を噴射し、前駆作動流体１７に前駆イグナイター３により点火を行う。（行程１−２）
行程１−２では、前駆作動流体１７は燃焼し、加熱する。

（状態２）
状態２では、前駆作動流体１７は、高温高圧の前駆燃焼ガスである。
（行程２−３）
行程２−３では、前駆ピストン９が高圧の前駆燃焼ガスによって押され、主作動流体１５を圧縮しながら移動する。前駆ピストン９は、前駆ピストン９の移動による慣性により、前駆作動流体１７の圧力より高い圧力まで主作動流体１５を圧縮し、最大圧縮状態で静止する。図示していないラチェットなどの機構により、最大圧縮状態の位置で、前駆ピストン９は固定される。なお、この行程では、主燃焼室１１の圧力は、前記臨界主燃焼室圧力を越えず、主ピストン７は移動しない。
ここで、最大圧縮状態とは、実施例１と同じである。

（状態３）
状態３では、最大圧縮状態にある主予混合ガスに対して、主イグナイター１によって点火が行われる。
（行程３−４）
行程３−４では、主予混合ガスが燃焼し、加熱する。

（状態４）
状態４では、主作動流体１５は、高温高圧の主燃焼ガスである。主燃焼室１１の圧力は、前記臨界主燃焼室圧力を越えるため、主ピストン７は移動可能となる。
（行程４−５）
行程４−５では、主燃焼ガスの膨張により、主ピストン７が駆動され、移動する。
この移動により、主ピストン棒１９から出力が取り出される。装置が釘打ち機の場合、主ピストン棒１９により、釘を建材などに打ち付けることができる。装置が物体発射装置の場合、主ピストン棒１９により、物体を撃ち出すことができる。
また、前駆作動流体１７は、壁面での冷却のため冷却燃焼ガスとなり、前駆燃焼室１３は負圧となる。しかし、前駆ピストン９は固定されている。

（状態５）
状態５では、主ピストン７が押し出された状態となる。
（行程５−６）
行程５−６では、主燃焼室１１の主燃焼ガスが冷却され、冷却燃焼ガスとなる過程で、主ピストン７が引き戻され、状態１と同じ位置となる。この動作をより確実にするため、図２、図３の例と同様、バネにより主ピストン７に力を加えてもよい。

（状態６）
状態６では、主ピストン７が引き戻され、状態１と同じ位置である。主作動流体１５および前駆作動流体１７は、冷却燃焼ガスである。主バルブ３７および前駆バルブ３９は、状態１から状態６まで、閉じている。
（行程６−７）
行程６−７では、主バルブ３７が開く。

（状態７）
状態７では、主バルブ３７が開いている。前駆燃焼室１３は、前駆作動流体１７が冷却燃焼ガスであり、負圧である。
（行程７−８）
行程７−８では、前駆燃焼室１３の負圧により、前駆ピストン９がシリンダー４５壁側に移動する。このとき、主燃焼室１１に、主バルブ３７から外気（空気）が流入する。

（状態８）
状態８は、前駆ピストン９がシリンダー４５壁側に移動した状態である。状態１と同じ位置となる。
（行程８−９）
行程８−９では、前駆バルブ３９が閉から開に、状態が変化する。

（状態９）
状態９は、前駆バルブ３９が開であり、前駆燃焼室１３は、前駆ファン（図示略）により換気され、外気（空気）が充填される。
（行程９−１）
行程９−１では、主バルブ３７および前駆バルブ３９が閉じられ、状態は状態１に戻る。

図６、図７および図８に、本発明に係る単発駆動内燃機関を釘打機とした設計例を示す。

以下、その構成を図６により説明する。

本例の釘打機は、主として主ユニット４７と前駆ユニット４９から成る。
主ユニット４７は、主筒体５１、主ピストン７、主ピストン棒１９、緩衝体５３、主ピストンバネ２９、主イグナイター１、主ピストンストッパー３３、により構成される。主筒体５１の主シリンダー部には主ピストン７がはめられ、主ピストン７に接続された主ピストン棒１９により主筒体５１の先端に装填された釘を撃つことで、釘を建材などに打ち付けることができる。主筒体５１には、掃気および換気のための主排気穴５５および主換気開口５７が開けられている。

一方、前駆ユニット４９は、前駆筒体５９、乱流生成体６１、前駆ピストン９、前駆ピストン棒３１、ファン６３、ファン回転モーター６５、前駆燃料噴射管４３、前駆イグナイター３、前駆ラチェット歯列６７、前駆ラチェット爪６９、前駆ラチェット爪レバー、前駆ラチェット爪バネ７１、ハンドル７３、引金７５、前駆バネ７７、主点火スイッチ７９、前駆点火スイッチ８１、本体ラチェット爪８５、本体ラチェット爪バネ８７、本体ラチェット爪駆動棒、から構成される。

前駆筒体５９の前駆シリンダー部には、前駆ピストン９がはめられる。前駆ピストン９に接続された前駆ピストン棒３１は、前駆筒体５９の端面を貫き、前駆ピストン棒３１を前駆バネ７７が押す。このため、無負荷時には、前駆ピストン９は前駆筒体５９の端面側（図６では右側）に寄せられる。また、前駆筒体５９の前駆シリンダー部は、前駆筒体５９の端面付近には前駆シリンダー部はなく、内径が拡大しており、前駆ピストン９と前駆筒体５９との間隙には、ファン６３が配置される。前駆筒体５９には、前駆換気開口９１が開けられている。前駆筒体５９の端面には前駆イグナイター３と前駆燃料噴射管４３が配置される。
前駆筒体５９に回転接続された前駆ラチェット爪６９と、前駆ピストン棒３１に設けられた前駆ラチェット歯列６７により、前駆ピストン９を最大押し出し位置で固定することができる。
引金７５は、前駆ピストン棒３１と、本体ラチェット爪駆動棒を駆動する。

主ユニット４７と前駆ユニット４９の両者は、本体バネ９３で反発するが、人力により、前駆ユニット４９の前駆筒体５９の主ユニット４７側を主ユニット４７に押し込むことができる。このとき、主筒体５１の本体ラチェット歯８９と、前駆ユニット４９の本体ラチェット爪８５が噛み合い、主ユニット４７と前駆ユニット４９は結合され、前駆筒体５９で主換気開口５７が閉ざされ、主筒体５１により前駆換気開口９１が閉ざされ、主ユニット４７と前駆ユニット４９との間に閉鎖空間が形成される。

点火タイミングは、主点火スイッチ７９および前駆点火スイッチ８１により制御される。主点火スイッチ７９および前駆点火スイッチ８１の場所を、前駆ピストン棒３１の凸部が通過したときに、主イグナイター１および前駆イグナイター３が、それぞれ、火花を発生し、点火を行う。

図７、図８に基づいて、本例の作動状況を説明する。
状態（１）から状態（１０）までが１作動サイクルであり、状態（１１）は状態（１）と同等である。

状態（１）は、初期状態である。この状態では、主ユニット４７と前駆ユニット４９とが、離れている状態である。このとき、ファン６３の回転により、外気（空気）が主換気開口５７から流入し、前駆換気開口９１から排出され、前サイクルの残留燃焼ガスも排出される。

状態（２）は、ハンドル７３に力を加え、前駆ユニット４９を主ユニット４７に押し込んだ状態である。主ユニット４７と前駆ユニット４９は、本体ラチェット爪８５と本体ラチェット歯８９により固定される。状態（２）では、閉鎖空間が形成され、空気が充填されている。この空気に対して燃料噴射管から燃料を噴射し、ファン６３で撹拌し、作動流体を予混合ガスとする。

状態（３）は、状態（２）から引金７５を引いた状態である。
状態（２）から引金７５を引くと、前駆ピストン棒３１が押され、前駆ピストン９が前駆シリンダー部にはまり、主燃焼室１１と前駆燃焼室１３が形成される。

状態（４）は、前駆点火スイッチ８１を前駆ピストン棒３１の凸部が通過することで前駆イグナイター３が火花を発生し、ファン６３の回転により乱流状態となっている前駆燃焼室１３の予混合ガスに急速点火する。

状態（５）は、前駆燃焼室１３での燃焼により、前駆ピストン９が押され、主燃焼室１１の予混合ガスを圧縮し、前駆ラチェット歯列６７および前駆ラチェット爪６９により、前駆ピストン９が最大圧縮位置で固定される。ただし、この主燃焼室圧力では、主ピストンストッパー３３は主ピストン７を固定している。

状態（６）では、主点火スイッチ７９を前駆ピストン棒３１の凸部が通過することで、主イグナイター１が火花を発生し、前駆ピストン９の移動と乱流生成体６１により乱流状態となっている主燃焼室１１の予混合ガスに急速点火する。主燃焼室１１で発生する燃焼により、主燃焼室圧力は上昇し、主ピストン７が主ピストンストッパー３３から外れ、主ピストン７は動きはじめる。

状態（７）では、主燃焼室１１の圧力が主ピストン７を駆動し、高速で主ピストン棒１９を押しだし、釘を打ち付ける。

状態（８）では、主ピストンバネ２９および主燃焼室１１の燃焼ガスの冷却により、主ピストン７が状態（１）の位置に戻る。

状態（９）は、本体ラチェット爪８５と本体ラチェット歯８９の結合が解除された状態である。これは、状態（８）から、さらに引金７５を引くことで、本体ラチェット爪駆動棒を引き、本体ラチェット爪８５を回転させることで実現する。

状態（１０）は、主ユニット４７と前駆ユニット４９が離れた状態である。この状態は、状態（９）で本体ラチェット爪８５と本体ラチェット歯８９の結合が解除され、本体バネ９３が、主ユニット４７と前駆ユニット４９とを引き離すことで実現される。状態（１０）では、主ユニット４７と前駆ユニット４９の距離が離れるため、前駆ラチェット爪駆動棒が前駆ラチェット爪レバーを引き、前駆ラチェット爪６９が前駆ラチェット歯列６７から離れる。

状態（１１）は、前駆バネ７７が前駆ピストン９を状態（１）と同じ位置まで押し戻した状態である。状態（１１）は状態（１）と同じ状態である。

本発明に係る単発駆動内燃機関は、釘打機の他、物体を高速に打ち出す機器にも用途にも適用できる。

１ 主イグナイター
３ 前駆イグナイター
５ シリンダー
７ 主ピストン
９ 前駆ピストン
１１ 主燃焼室
１３ 前駆燃焼室
１５ 主作動流体
１７ 前駆作動流体
１９ 主ピストン棒
２１ シール部材
２３ 給気機構
２５ 排気機構
２７ シリンダー
２９ 主ピストンバネ
３１ 前駆ピストン棒
３３ 主ピストンストッパー
３５ 主ピストン棒凸部
３７ 主換気機構（主バルブ）
３９ 前駆換気機構（前駆バルブ）
４１ 主燃料噴射管
４３ 前駆燃料噴射管
４５ シリンダー
４７ 主ユニット
４９ 前駆ユニット
５１ 主筒体
５３ 緩衝体
５５ 主排気穴
５７ 主換気開口
５９ 前駆筒体
６１ 乱流生成体
６３ ファン
６５ ファン回転モーター
６７ 前駆ラチェット歯列
６９ 前駆ラチェット爪
７１ 前駆ラチェット爪バネ
７３ ハンドル
７５ 引金
７７ 前駆バネ
７９ 主点火スイッチ
８１ 前駆点火スイッチ
８３ 主ピストン溝
８５ 本体ラチェット爪
８７ 本体ラチェット爪バネ
８９ 本体ラチェット歯
９１ 前駆換気開口
９３ 本体バネ

Claims (5)

1. 主ピストン（７）とシリンダー（５）との間の燃焼室を、前駆ピストン（９）を配置することにより主燃焼室（１１）および前駆燃焼室（１３）に分割し、
   前記前駆燃焼室（１３）内の前駆作動流体を加熱し膨張させ、
   前記前駆ピストン（９）を移動させ、
   前記主燃焼室（１１）内の主作動流体を圧縮し、
   前記主燃焼室（１１）内が最大圧縮の状態で、前駆ピストン（９）を固定し、
   前記主燃焼室（１１）内の主作動流体を加熱し膨張させ、
   前記主ピストン（９）を駆動することを特徴とする単発駆動内燃機関。
2. 主ピストン（７）とシリンダー（５）との間の燃焼室を、前駆ピストン（９）を配置することにより主燃焼室（１１）および前駆燃焼室（１３）に分割し、
   前記前駆燃焼室（１３）内の予混合ガスを着火し燃焼膨張させ、
   前記前駆ピストン（９）を移動させ、
   前記主燃焼室（１１）内の主予混合ガスを圧縮し、
   前記主燃焼室（１１）内が最大圧縮の状態で、前駆ピストン（９）を固定し、
   前記主燃焼室（１１）内の主予混合ガスを着火し燃焼膨張させ、
   前記主ピストン（９）を駆動することを特徴とする単発駆動内燃機関。
3. 前駆イグナイター（３）により、前記前駆燃焼室（１３）内の予混合ガスを着火し、
   主イグナイター（１）により、前記主燃焼室（１１）内の主予混合ガスを着火することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の単発駆動内燃機関。
4. 主ピストンバネ２９を、前記前駆ピストン（９）に、
   前記主燃焼室（１１）内の主予混合ガスを着火し燃焼膨張させる際に、
   圧縮するように設置したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の単発駆動内燃機関。
5. 主ピストン７は、主燃焼室１１の圧力が一定圧力（臨界主燃焼室圧力）以下では移動せず、
   主燃焼室１１の圧力が一旦、一定圧力（臨界主燃焼室圧力）を超えた場合に、
   移動し始めることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の単発駆動内燃機関。