JP2016504518A

JP2016504518A - 非対称ポートタイミングによる内燃機関

Info

Publication number: JP2016504518A
Application number: JP2015543212A
Authority: JP
Inventors: スカルゾ，ジョセフ
Original assignee: Scalzo Automotive Research Pty Ltd
Current assignee: Scalzo Automotive Research Pty Ltd
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2016-02-12
Anticipated expiration: 2033-11-21
Also published as: EP2923053B1; US9631550B2; CN104919155A; US20150300242A1; AU2013350310B2; EP2923053A4; AU2013350310A1; JP6242909B2; EP2923053A1; WO2014078894A1; CN104919155B

Abstract

非対称ポートタイミングを可能にする内燃機関はエンジン機構を有し、エンジン機構は、クランクピンを有するクランクシャフトを含み、対向する一対のピストンの各ピストンはクランクピンに接続され、それによってピストンは、軸方向に直列のシリンダのうちそれぞれ１つにおいて往復運動可能である。当該機構は、対向端を有するクロスヘッドも含み、対向端の各々上にそれぞれのピストンが搭載され、さらに、クロスヘッドとクランクピンとの間に連結部も含み、それによってピストンは、ピストンが駆動されて往復運動するにつれて周方向に振動させられる。

Description

本発明は概して２ストローク内燃機関に関し、より具体的には、上死点から下死点に移動する際にピストンがシリンダ内で楕円運動を生じることを可能にするクランクピストン機構に関する。ピストンのこの楕円運動により、非常に効率的な２ストローク内燃機関のための必須条件である、非対称ポートタイミングを実現することが可能となる。

発明の背景
移植された２ストローク内燃機関において、ピストンは、シリンダ内に周方向に配置された吸気口ポートおよび排気口ポートを開閉するように機能する。これらのポートの１つ以上は、新たに充填された空気または空気／燃料混合物をシリンダに通過させ、1つ以上の他のポートは燃焼ガスを排出させる。ピストンの下方移動によって排気口がまず露出され、高圧ガスを排気管によって大気に逃がしてブローダウンを実現することを可能にするように、吸気口ポートおよび排気口ポートがシリンダの周りに配置される。ピストンのさらなる下方移動によって吸気口ポートが露出され、新たに充填された加圧空気または空気／燃料混合物が圧縮サイクルを経た後で燃焼のためにシリンダに送達されることが可能となる。加圧されたガスは、燃焼ガスをシリンダから追い出すようにも機能する。これは掃気として知られているプロセスである。

従来の２ストローク内燃機関では、排気口ポートおよび吸気口ポートの開口は対称的である。これは、ピストンの下方移動によって排気口ポートがまず開き、次いで吸気口ポートが開き、ピストンの上方移動によって吸気口ポートがまず閉じ、次いで排気口ポートが閉じることを意味する。この動作によって、排気口ポートが開いている間に加圧された新鮮な空気または空気／燃料混合物の一部を逃がすことが可能となる。このプロセスは、２ストローク内燃機関がスーパーチャージャーによって過給されるかまたはターボチャージャーによって過給され得ることを防ぐ。

最新のエンジンは、低燃費であることと排気ガスが少ないこととが要求される。２ストロークエンジンがこれらの２つの基準を満たすことに成功するには、非対称ポートタイミングを実現することが重要である。これは、ブローダウンプロセスのために排気口がまず開き、続いて掃気および充填プロセスのために吸気口ポートが開口しなければならないことを意味する。ピストンの上方移動中に、掃気が完了した後で新たな充填が漏出するのを防ぐために排気口がまず閉じ、次いで吸気口ポートが閉じる。排気口ポートの閉鎖と吸気口ポートの閉鎖との間の期間を用いて充填サイクルを完了させ、所望であればスーパーチャージャーによる過給を行う。スーパーチャージャーとして一般に知られているエンジン駆動型送風機の使用によって、掃気および充填を行うことがさらに望ましい。またこれにより、４ストローク内燃機関と同様にエンジンがウエットサンプを有することが可能となる。

２ストローク中に非対称ポートタイミングを実現する様々な既知の形態がある。しかしこれらは一般に、２つの対向するピストンが１つのシリンダ内で動作し、一方のピストンが吸気口ポートを露出させ、他方のピストンが排気口ポートを露出させるように各ピストンを他方に対して同期させる米国特許番号第６３１７０，４４３号に記載されているような複雑な配置を伴う。別の対向型ピストンエンジンはユンカースユモエンジンであり、２本のクランクシャフトがエンジンのいずれかの端部上で用いられ、互いにわずかに位相外れのチェーンまたはギヤリングによって互いに連結され、ポート非対称を実現する。ネイピア（登録商標）デルティック２ストロークエンジンおよびルーツ式２ストロークエンジンにおいて同様の配置が用いられた。別の形態は、ポートおよびポペットバルブの組合せを吸気口および排気口にそれぞれ用いた。他の形態は、Ｕ型気筒、スリーブバルブ配置、および対向型カムエンジンを含む。これらの代替的な配置の各々では、付加的な複雑な機構が付加的な摩擦損失および容積に寄与し、２ストロークエンジンの利点が打ち消される。

本発明は、２ストローク内燃機関に適しているが、４ストローク内燃機関での使用にも適合可能な対向型シリンダ機構を提供することを目的とする。

したがって、本発明はエンジン機構を提供する。エンジン機構は、クランクピンを有するクランクシャフトを含み、対向する一対のピストンの各ピストンはクランクピンに接続され、それによってピストンは、軸方向に直列のシリンダのうちそれぞれ１つにおいて往復運動可能である。機構はさらに、対向端を有する細長いクロスヘッドを含み、対向端の各々上にピストンのそれぞれ１つが搭載され、機構はさらに、クロスヘッドとクランクピンとの間に連結部を含み、それによってピストンは、ピストンが駆動されて往復運動するにつれて周方向に振動される。

クロスヘッドとクランクピンとの間の連結部は、クランクシャフトの形態に部分的に依存して、様々な形態を取ることができる。連結部は、クランクピン上に嵌合され、クランクピンに沿って移動することができる部材によって提供され得る。一形態では、当該部材は、クランクピンがそこを通って延在するヨークの形態であり得、ヨークを通るボアとクランクピンとの間に軸受が設けられる。クランクシャフトがクランクピンの各端部を越えてシャフトセクションによる回転のために支持されることができるように、ヨークは、クランクピン上に嵌合されることを可能にする２つの部品からなる形態であり得る。しかし、クランクピンの一方端のみにおけるそのようなシャフトセクションによる回転のために支持可能であるクランクシャフトがクランクシャフトの一方端を規定することにより、ヨークは一体型構造であり、クランクピンを縦に収容することができるボアを規定することができる。しかし、クロスヘッドとクランクピンとの間の連結部を提供する部材が取ることができるさらに他の形態がある。当該部材のための原則要件は、クランクピンに沿って可逆的に移動可能であることと、ピストンが往復運動する軸に平行でありかつ当該軸から横方向にオフセットされる軸上のクロスヘッドに対して可逆的に回転可能であるようにクロスヘッドと係合することとである。したがって、たとえば、クランクシャフトが回転するとそれ自身の軸上で回転可能なクランクピンをクランクシャフトが有することにより、クロスヘッドとクランクピンとの間の連結部を提供する部材は、クランクピンの長手スロットを通って延在し、対向端を有する細長い本体部分を有する形態であり得、細長い本体部分は、対向端によってクロスヘッドの相補的な面に当接して、ピストンが往復運動する軸に平行であり、かつ当該軸から横方向にオフセットされた軸上で、連結部材とクロスヘッドとの間の相対回転を可能にする。

発明に係るエンジン機構は、単連クランクシャフトなどのクランクシャフトを利用し得る。クランクシャフト上で、対向する少なくとも１対のピストンが堅くまたは柔軟に接続され、オフセットされたクロスヘッドを形成し、ピストンがジャーナル支持される。ヨーク部材は、球面、円錐または平坦な軸受面によってクロスヘッドと係合し得る。オフセットされたクロスヘッド−ヨーク形状により、ピストンが共通の同じ軸上で対向型シリンダ内で往復運動する際、ピストンに部分的な回転運動が与えられる。ピストンが往復運動する際の部分的な回転運動に起因するピストンの全体的な動作により、それぞれのシリンダにおいて各ピストンのための楕円経路が生じる。その結果、配置は、非対称ポートタイミングが生じ得るように、各シリンダの充填ポートおよび排気口ポートの開閉をもたらすかまたは制御するように適合されることができる。非対称ポートタイミングは、ターボチャージャーの補助の有無に関わらずスーパーチャージャーを利用することを可能性にし、２ストロークエンジンについて長く求められてきた利点であるエンジン効率を高めるという重要な利点を有する。

ボクサー構造において２の倍数を有する多気筒機関を製造することができる。各構成は異なる均衡配置を必要とする。２気筒対向型機関では、シリンダの面において力の均衡が必要とされる。この構成では、エンジン回転数で反対方向に動作している２本のバランスシャフトがシリンダ面に対して垂直な面に位置決めされ、実質的に完全な均衡を生じる。４気筒構成では、たとえば、１つの面における偶不釣り合いを打ち消すために必要とされるバランスシャフトは１本だけである。発明の詳細な説明は、各構成についての均衡要件を包含する。しかし、ある用途において、かつヨーク部材と共にピストン質量および部分クロスヘッドを慎重に設計することによって、特に小容量エンジンではバランスシャフトが必要でない場合がある。

本発明は主として２ストロークエンジンに向けられるが、ピストンとクランクシャフトとの間の機械的配置は、ポペットバルブおよびカムシャフト駆動装置を含む適切なヘッドと組合せた４ストロークエンジンに適用することもできる。

発明に係る２ストローク内燃機関は、匹敵する寸法の現在の４ストロークエンジンに対して匹敵する性能特性を有することができる。しかし、２ストローク内燃機関は、効率向上、寸法減少、および重量低下という向上した利点によって、これらの匹敵する特性を実現することができる。少なくとも好ましい形態において、発明は、スーパーチャージャーによる高度な過給およびダイレクトフューエルインジェクションシステムの適合性、実質的に全体的なダイナミックバランス、および製造費用削減のための機械的簡略化を可能にする。

非対称ポートタイミングの実現を容易にするため、楕円のピストン動作と共同して機能する変更されたクラウン構造がピストンに設けられる。ある配置では、当該構造は、クラウンを越えて突出し、クラウンの周囲に設けられて、２つのアーチ形の周方向に離間されたスカートを形成するセグメント化されたスカート構造を含むかまたは備える。スカートはクラウンの対向する側にあるが、一方は他方よりアーチ度が小さくてもよい。一方のスカートは約１４０〜１７０度のアーチ度を有してもよく、他方のスカートは約７０〜８５度のアーチ度を有するが、多くの用途ではアーチ度が小さい方のスカートをなくすことができる。クラウンは１対の対向する開口部を有し、各々は、シャツの２組の周方向に近い端部のそれぞれ１つの間にある。対向する開口部は、同様のアーチ度であってもよい。開口部の一方は吸気口ポートと共働する吸気口であり、他方の開口部は排出口であり、排気口ポートと共働する。スカートの高さは、エンジンに必要とされる非対称性によって決定される。クラウンは、スカートから内方に、シャツの端部を横切って延在するディフレクタバーを有し得る。シャツの端部の間には吸気開口部が形成され、当該バーは、エンジンに嵌合させた任意のスカベンジングポンプからの流入空気をそらすのに十分な高さを有する。

発明に係るエンジンは、別個のエンジン駆動型スーパーチャージャーの必要性をなくすため、パワーピストンを一方側に、コンプレッサピストンを反対側に有して構成してもよい。当該構成では、コンプレッサの排出口はエアダクトによってパワーシリンダの吸気口に結合される。コンプレッサピストンは、スーパーチャージャーによる過給をもたらすために、パワーピストンより直径が大きくてもよい。したがって、対向する一対のピストンの一方はパワーピストンとして動作可能であり得、対の他方のピストンは、パワーピストンのシリンダよりボア径が大きいシリンダを有するコンプレッサピストンなどのコンプレッサピストンとして動作可能であり、コンプレッサシリンダは、吸気口ポートおよび排出口ポートを任意に有し、コンプレッサシリンダのポートの各々はリード弁によって制御される。そのような配置において、吸入ストローク中のコンプレッサシリンダの吸気口ポートは大気に対して開かれ、その排出口ポートは閉じられ、圧縮ストローク中にその吸気口ポートは閉じられ得、その排出口ポートは圧縮空気がパワーシリンダの吸気口に運ばれることが可能であり、ダクトは、パワーシリンダの吸気口ポートが閉じた後で圧縮空気溜まりとして作用することが可能となる容積を有する。

図面の簡単な説明
添付の図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を説明する。

本発明の２気筒対向型２ストローク内燃機関構成の第１の実施の形態の外観図である。図１のエンジンの部分的に区分された斜視図である。図１のエンジンの断面図である。図１のエンジンのそれぞれの構成要素の等角図である。図１のエンジンのそれぞれの構成要素の等角図である。図１のエンジンのそれぞれの構成要素の等角図である。図１のエンジンのそれぞれの構成要素の等角図である。発明の第２の実施の形態に係るエンジン機構のためのサブアセンブリの断面図である。図８のエンジンのそれぞれの構成要素の等角図である。図８のエンジンのそれぞれの構成要素の等角図である。図８のエンジンのそれぞれの構成要素の等角図である。発明の第３の実施の形態に係るエンジン機構のためのサブアセンブリの断面図である。図９のエンジンのサブアセンブリの等角断面図である。図９のエンジンの構成要素の等角図である。図９ａに示されたサブアセンブリの等角断面図である。点火サイクルにおける連続した９０度間隔で構成要素の位置を示す、発明に係るエンジンの背面図である。点火サイクルにおける連続した９０度間隔で構成要素の位置を示す、発明に係るエンジンの背面図である。点火サイクルにおける連続した９０度間隔で構成要素の位置を示す、発明に係るエンジンの背面図である。点火サイクルにおける連続した９０度間隔で構成要素の位置を示す、発明に係るエンジンの背面図である。発明に係るエンジンの好ましい形態による好ましい操作のグラフ表示である。発明の第４の実施の形態に係る４気筒２ストロークエンジンを示す図である。発明の第５の実施の形態に係るエンジンの等角断面図である。図１６のエンジンの構成要素の等角斜視図である。発明に係る２ストロークエンジンの第６の実施の形態についての組立てられていない構成要素の等角斜視図である。組立て後の図１８の構成要素の等角断面図である。図１９に対応するが、発明に係る２ストロークエンジンの第７の実施の形態についての図１８の配置の変形例の組立てられた構成要素を示す図である。発明に係る２ストロークエンジンの第８の実施の形態の断面図である。図２１に対応するが、異なる位置決めで第８の実施の形態のエンジンを示す図である。

詳細な説明
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るエンジン１０の外側配置を例示する。エンジン１０は、一体型ヘッドを有する２つのシリンダ１４および１６が、水平に配置されたボクサー配置で対向面１８および２０上にそれぞれ搭載されたクランクケース１２を有する。前面カバー２２は、バランスギヤ（図示せず）を包囲し、クランクシャフト２４を密閉する。送風機またはスーパーチャージャー２６を適切な位置に搭載して、分岐したマニホルド２８によってシリンダ１４および１６のそれぞれの吸気口ポート３０および３２に空気を充填することを可能にする。スーパーチャージャー２６は、通常はベルトまたはチェーン（図示せず）によってエンジン１０のクランクシャフト２４によって駆動され得る駆動軸３４を有する。しかし、そのような駆動装置の代わりに、軸３４の独立駆動のために電動モータまたは油圧モータが使用され得る。オイルサンプ３６は、エンジン１０の包囲を完成させる。点火プラグ３８およびダイレクトフューエルインジェクタ４０は、各シリンダ１４および１６のヘッドに嵌合される。

図２〜図７は、内部駆動アセンブリおよびエンジン１０の主要な構成要素を共同して例示する。これらの図は、ジャーナル軸受４２および４４によってクランクケース１２にジャーナル支持され、クランクケース１２に対抗してスラスト軸受４６および４８によって軸方向に配置されるクランクシャフト２４を示す。外側球面軸受面５２を有する分割型ヨーク５０は、クランクシャフト２４のクランクピン５４上でジャーナル支持される。ヨーク５０の部品５０ａおよび５０ｂは、部品５０ａおよび５０ｂの位置合せされたボア５０ｃに挿入されたピン（図示せず）によって分割面上で接合される。ヨーク５０は、軸受５６によって、クランクシャフト２４のクランクピン５４上で回転可能であり、かつクランクピン５４に沿って摺動可能である。ヨーク５０は、ヨーク５０の球面５２に相補的な、中心に配置された球状の噛合い面６０を有する２つの部品からなるクロスヘッド５８内に接近して嵌合される。ピン６２および６４はヨーク５０とクロスヘッド５８とを連結し、エンジンシリンダ１４および１６の中心線軸Ｂ−Ｂと平行に、かつ距離Ｘだけ中心線軸Ｂ−Ｂからオフセットされた軸Ａ−Ａに沿って、クロスヘッド５８に対してヨーク５０が旋回することを可能にする。ピン６２および６４は、クロスヘッド５８の対向端上に固定され、ヨーク５０のピン接続６６および６８にジャーナル支持されてもよい。軸Ａ−Ａは、軸Ｂ−Ｂと平行であり、かつクランクピン５４に対して垂直な面内にある。

ある配置では、ヨークは球状の外面を有し、クロスヘッドによって規定される相補的な球状形態のキャビティに収容可能である。当該配置では、ヨークは、横からキャビティに収容可能であってもよく、その場合ヨークは、クランクピンによってヨークのボアの位置合せに必要なだけ回転される。

クロスヘッド５８は、反対方向に延在するアーム７０および７２を有し、各々の上にそれぞれのピストン７４および７６が搭載される。ピストン７４および７６の各々は、各アームの外端をピストン７４および７６上に固定されたそれぞれの搭載ブロック８２および８４に旋回可能に結合するそれぞれのガジョンピン７８および８０によって互いに対向する関係で搭載される。ガジョンピン７８および８０の軸は互いに平行であり、クランクシャフト２４の軸に対して垂直である。ガジョンピン７８および８０、ならびにピストン７４および７６への接続それぞれにより、クランクシャフト２４に対して垂直な面内でのパワーストローク中のクロスヘッドのなんらかの歪曲または曲げが可能となり、過重負荷がピストン７４および７６のスカート上にかかるのを防ぐ。

各ピストン７４および７６は、図７のピストン７４について最も明白に分かる形態のクラウン８６を有する。ピストン７４および７６の各々について、クラウン８６の周囲は、２つの正反対に対向するアーチ形のスカート８８を有し、スカート８８は、エンジンにおいて所望される非対称性によって決まる、クラウン８６上方におけるある高さを有する。２つのスカート８８のうちアーチ形の短い方のスカートは、後で本明細書に記載され、図１８に示されるように、ある設計では除去され得る。スカート８８どうしの間には吸気口スロット９０と、スロット９０に正反対に対向して排出口スロット９２とがある。またクラウン８６は、スロット９０から径方向内方に、かつスロット９０を横切って、半円として示されるディフレクタバー９４を有するが、線形などの他の細長い形態とすることができる。バー９４は吸気口ポート９０の反対側に配置され、スカベンジングポンプ（スーパーチャージャー）２６からの流入給気をそらせて、排気ガスを掃気することと、それぞれのシリンダに新鮮な空気を充填することとを支援する。スロット９０および９２いずれかの側のスカート８８は、所望の非対称性に応じて異なる高さを有することができる。

動作の際、ピストン７４および７６の各々は、クランクシャフト２４の軸からのクランクピン５４の行程によって決まるストロークを有する。ピストン７４および７６はクロスヘッド５８によって接続され、軸Ｂ−Ｂに沿って連動してそれぞれのシリンダ１４および１６内で振動する。ピストン７４および７６の動きは、ヨーク５０を介して、かつヨーク５０の軸Ｂ−Ｂと軸Ａ−Ａとの間のオフセットＸによって、クランクシャフト２４に伝えられる。この動きにより、ピストン７４および７６が上死点から下死点位置まで移動するにつれて、ピストン７４および７６の対称的な楕円経路が生じる。実際には、ピストン７４および７６は、それらが軸Ｂ−Ｂに沿った往復運動のサイクルを完了すると、オフセットＸによって決まる角度によって軸Ｂ−Ｂの周りを周方向に振動する。この動きによって、各ピストン７４および７６の各吸気口スロット９０が吸気口ポート３０および３２上を回転可能かつ直線的に掃引し、移動することが可能となり、同様に、排出口スロット９２が、シリンダ１４および１６の下部部分に配置されたそれぞれの排気口ポート９６および９８上を回転可能かつ直線的に掃引することが可能となる。ピストンスロット９０および９２の位置決めに関連したシリンダ１４の吸気口ポート３０および排気口ポート９６の位置決めは、２ストロークエンジン１０が所望の非対称ポートタイミングを実現し、かつそれによって最適な燃費およびパワーアウトプットの増大を実現することが可能となるように選択される。望ましい非対称ポートタイミングにより、ピストンの下り経路上の吸気口ポートの排気が可能となる。ピストンの上り経路上では、排気口ポートがまず閉じ、次いで吸気口ポートが閉じる。この動作によって、シリンダを完全に空気で充填することができることが確実となり、エンジンをスーパーチャージャーによって過給することが可能となる。次いで、ダイレクトフューエルインジェクションを適用し、従来のエンジン管理システムによって点火プラグから点火することができる。

図１３を参照して、非対称ポートタイミングをさらに説明する。
図８、図８ａ、図８ｂ、および図８ｃは、発明の第２の実施の形態に係る２ストロークエンジンのためのサブアセンブリ９９を例示する。サブアセンブリ９９の全体的な細部は、先の図のエンジン１０に関連する説明から理解されるであろう。エンジン１０の対応する構成要素と比較して、サブアセンブリ９９の主な相違は、クランクシャフト２４へのピストン接続とクロスヘッドおよびヨークの形態とについての代替的な配置にある。他の点では、第２の実施の形態に係るエンジンはエンジン１０と同じとすることができる。

サブアセンブリ９９において、ピストン１００および１０２は、ピストン１００および１０２が往復運動する軸Ｃ−Ｃに沿って、一対のポスト１０６および１０８のそれぞれの上で、２つの部品からなる対称的なクロスヘッド１０４に、ボルトなどによって堅く接続される。クロスヘッド１０４は、互いから離間された対向する一対のオフセットされた雌円錐面１１０を有し、それらの軸は、ピストン１００および１０２が往復運動することができる軸Ｃ−Ｃに平行であり、かつ軸Ｃ−Ｃからオフセットされた軸Ｄ−Ｄと一致する。表面１１０は、ヨーク１１２がクロスヘッド１０４に対して回転可能となるように、２つの部品からなる円錐形のヨーク１１２の、対向して面する相補的な円錐面１１２ａと噛合う。円錐形のヨーク１１２は、クランクピン６８上で回転することができ、かつクランクピン６８に沿って摺動することができる軸受１１４によって、クランクシャフト２４上でジャーナル支持される。クロスヘッドの一方側の形作られた開口部１１６により、クランクシャフト２４の回転とともにクロスヘッド１０４が垂直および水平に揺動するため、クランクシャフト２４の曲がった延長部分１１８のための遊隙が可能となる。

サブアセンブリ９９のピストン１００および１０２は、エンジン１０のピストン７４および７６と同様であり、機能的に同じである。サブアセンブリ９９に基づく第２の実施の形態に係るエンジンの作用および利点は、エンジン１０と同じである。

図９ａ、図９ｂ、図９ｃ、および図９ｄは、本発明の第３の実施の形態に係る２ストロークエンジンのためのサブアセンブリ１１７を示す。全体的な細部はエンジン１０の説明から理解されるであろう。エンジン１０の構成要素と比較した主な相違は、クランクシャフトへのピストン接続と、クロスヘッドおよびヨークの形態とのための代替的な配置にある。他の点では、第３の実施の形態に係るエンジンは、エンジン１０と同じであり得る。

第３の実施の形態のサブアセンブリ１１７において、ピストン１２０および１２２は、ピストン１２０および１２２が往復運動することができる軸Ｅ−Ｅに沿って、２つの部品からなる対称的なクロスヘッド１２４のそれぞれのアーム１２６および１２８に接合されたピンである。クロスヘッド１２４は、対向する一対のオフセットされた雌型円筒状軸受面１３０を有し、雌型円筒状軸受面１３０は各々、２つの部品からなるヨーク１３２の対向して延在するスタブアクスル１３２ａのそれぞれ一方と回転可能に噛合う。ヨーク３２の各スタブアクスル１３２ａは、クロスヘッド１２４の表面１３０に相補的な部分円筒面を有する。クロスヘッド１３２は、軸Ｅ−Ｅに平行であり、かつ軸Ｅ−Ｅから距離Ｘだけオフセットされた軸Ｆ−Ｆ上で、かつ軸Ｆ−Ｆに沿って回転可能となるように、ヨーク１３２と回転可能に噛合う。クランクピン６８上で回転することができ、かつクランクピン６８に沿って摺動することができる軸受１３４によって、ヨーク１３２がクランクシャフト２４上でジャーナル支持される。

図９ｃはさらに、クロスヘッド１２４の大きな開口部１３６を補強して、クランクシャフト２４の曲がった延長部分１１８の揺動を可能にする方法を例示する。第２および第３の実施の形態に記載されるクロスヘッドの質量を最小化するために、アルミニウムといった軽量材料でクロスヘッド１０４および１２４を作製することができる。しかし、クロスヘッド１２４の開口部の周囲は、ピストン動作の中心線に直接沿っており、軸Ｃ−ＣおよびＥ−Ｅは、鋼またはチタニウム合金といった、より強い材料による補強を必要とし得る。図示のように、軸Ｅ−Ｅに対して垂直にクロスヘッド１２４の固体部分に挿入された２つの鋼管１３８および１４０によって補強が行われる。鋼で作製することもできる２本のサイドバー１４２および１４４が、一体型のピン１４６とともに管１３８および１４０の中空セクションに挿入され、ねじ１４８によってクロスヘッド１２４の側面に取付けられ、補強「リング」を完成させる。

球状のヨーク、円錐形のヨークおよび平坦なヨーク、ならびにクロスヘッドの相補的な噛合い面の他の組合せを、発明に係るエンジンの実施の形態または構成において用いてもよい。また、多様な異なる配置を用いて、ピストンとクロスヘッドとの間に接続をもたらすことができる。

図２、図４、および図１０〜図１３は、対向する２気筒ボクサーエンジンのための均衡要件を例示する。この種類のエンジンについての一般的な要件は、２本のバランスシャフトに関するものであり、２本のバランスシャフトは、エンジン回転数でクランクシャフトの反対方向に動作しており、ピストン移動の面に対して垂直な面においてクランクシャフトの反対側に配置される。

図２、図３および図１０に示されるように、ギヤ１５０はクランクシャフト２４の前面に固定され、同じ直径の２つの他のギヤ１５２および１５４を駆動する。ギヤ１５２および１５４は、それぞれのバランスシャフト１５６および１５８に取付けられており、クランクシャフト２４の反対側においてクランクケース（図示せず）上でジャーナル支持される。バランスウエイト１６２および１６２は、それぞれのバランスシャフト１５６および１５８と一体である。クランクシャフト２４は、クランクピン５４の反対側に一体型のバランスウエイト１６４および１６６を有する。バランスウエイト１６４および１６６は、クランクピン５４の効果と、ヨーク５０、クロスヘッド５８、ピストン７４および７６、搭載ブロック８２および８４、ガジョンピン７８および８０を備える往復運動する構成要素に加えて、いずれかのジャーナル軸受、往復運動するアセンブリの一部を形成するピニング要素またはボルト締め要素の揺れる力をオフセットするために必要とされるバランスの半分とを均衡させるように設計される。なお、揺れる力は軸Ｂ−Ｂにのみ沿って作用し、したがって、クランクシャフト２４が軸Ｂ−Ｂから９０度離れる方に移動すると、バランスウエイト１６４および１６６の効果は打ち消されなければならないことに注目すべきである。

図１０〜図１３は、これらの図に見られる方位における左回り方向への９０度ごとのクランクシャフト２４の回転を表し、クランクシャフト２４上のバランスウエイトの位置と、バランスシャフト１５６および１５８の位置とを示す。図１０は、ピストン７４が上死点にある時、Ｆ４で示される往復運動する構成要素の組合された力は、それぞれＦ２、Ｆ３およびＦ１（１６４プラス１６６）で表わされるバランスウエイト１６０、１６２、１６４、および１６６の組合された力によって均衡されることを示す。なお、ウエイト１６４および１６６によって表わされるＦ１は、Ｆ２＋Ｆ３と等しい。また、バランスウエイト１６０および１６２は大きさが等しい。

図１１に示されるように、ピストン７４がストローク中であり、クランクシャフト２４が図１０の位置から９０度だけ左回りに回転した状態では、往復運動力Ｆ４はゼロであり、したがってバランスウエイトの効果もゼロとなるはずである。この位置では、バランスウエイト１６０および１６２は、クランクシャフト２４上でバランスウエイト１６４および１６６に対して右回りに移動しており、Ｆ１−Ｆ２−Ｆ３の総効果はゼロに等しい。

図１２に示されるように、ピストン７４が下死点にあり、クランクシャフトが図１１の位置からさらに９０度回転した状態では、往復運動力Ｆ４は反対方向においてその最大値にある。この位置では、バランスウエイト１６０および１６２はさらに９０度右回りに回転しており、バランス力Ｆ２およびＦ３の方向は、力Ｆ１と一致し、力Ｆ４を打ち消す。

図１３は、クランクシャフト２４が図１２の位置からさらに９０度回転した後のストローク中のピストン７４を例示し、ピストン７４はストローク中である。往復運動する構成要素の力Ｆ４はゼロであり、力Ｆ１は、力Ｆ３＋力Ｆ２との組合せによって均衡される。

いくつかの用途では、クロスヘッドとヨークとの界面の質量が２本のピストンの組合せた質量に近似する場合、収容可能なレベルの不均衡を依然として実現しつつバランスシャフトの必要性をなくすことが可能である。

図１４は、エンジンの１回転と吸気口ポートおよび排気口ポートの開閉位置とによる本発明に係るエンジンにおける各ピストンの真の正弦波状の運動を示す。ピストンの楕円運動と、ピストンクラウンの周りに吸気スロットおよび排気スロットを位置決めすることとにより、吸気口ポートおよび排気口ポートの開閉期間が決まる。これらの位置は、ピストンの下方運動時に吸気口ポートより先に排気口ポートが開き、ピストンの上方運動時に吸気口ポートより先に排気口ポートが閉じるように設計される。この条件は非対称ポートタイミングと称され、効率的な２ストロークエンジンについての必要な特徴である。

図１５は、本発明のエンジン２１０の４気筒バージョンであり、エンジン１０において説明したような２つの完全なエンジンが背中合わせに接続され、それぞれのクランクシャフト３２４のクランクピン３６８は１８０度変位されている。この配置では、バランスウエイト３６０を有する１本のバランスシャフト３５６のみが必要である。

多気筒構成は、正面どうしの取り付けと、さらなるシリンダバンクとによって実現することもできる。

２ストロークエンジンを参照して本発明を説明したが、４ストロークエンジンに当該機構を適用して、小型ボクサーエンジンレイアウトを製造することもできると理解されるべきである。そのような４ストロークエンジンでは、ポペットバルブおよびカムシャフト駆動装置と関連付けられたヘッドを従来のやり方で設けることができる。

さらなる実施の形態では、図１６はエンジン２１０を示し、クランク２２４はクランクピン２２６を有し、クランクピン２２６は、クロスヘッド２３０のアーム２３６およびヨーク２２８によってピストン２３２および２３４に接続する。先の実施の形態から明らかなように、そのような接続を実現する多数の構造的な方法がある。図１６によって例示される主な相違は、図１７により完全に示されるクランクシャフト２２４がクランクケース２４０において一端においてのみ支持される点である。図１７に見られるように、クランクシャフト２２４は、クランクピン２２６がそこから突出する１つのジャーナル支持された端部セクションのみを有し、当該端部セクションは、離間されて適切な支持をもたらす２つのジャーナル軸受２４２および２４４によって支持される。その上、２つのジャーナル軸受２４２と２４４との間の空間は、エンジン１０において説明したのと同様のやり方で２つのバランスシャフトに駆動ギヤを提供するために用いられる。

図１６の片側だけの実施の形態についてのさらなる構造的な方法を、図１８〜図２０に示す。図１８および図１９は、通常のやり方でガジョンピン２５０によってピストン２４８に連結された一体型のクロスヘッド２４６を示す。同様のピストン（図示せず）が反対側に取付けられている。部分的に球状の外面２５２ａを有する一体型の環状ヨーク２５２は、クロスヘッド２４６のキャビティ２５４の部分的に球状の内面２５４ａに途中まで切込まれた２本のスロット２５６によってクロスヘッド２４６のキャビティ２５４に、図示されるように横から挿入される。ヨーク２５２がクロスヘッド２４６のキャビティ２５４に挿入されると、次いでヨーク２５２が回転して、ヨーク２５２のボア２５８をクランクシャフト（図示せず）と整列させる。この位置では、ヨーク２５２は球状のキャビティ２５４に取込まれ、エンジンにおけるクロスヘッド２４６の移動によって必要とされるように、全方向に移動することが可能とされる。

図２０は、図１９の配置の代替例を示す。図２０の配置は、図１９の配置のように、２本のピストン（図示せず）に連結された一体型のクロスヘッド２６２を有する。しかし、このインスタンスでは、図１９の球状ヨーク２５２は、所要角度だけ移動し、ピン２６４および２６６によってクロスヘッド２６２に配置されることができる平坦な軸受ヨーク２６０で置換されている。

図２１および図２２のさらなる実施の形態では、一方側にパワーピストン４１２を、反対側に、別個のエンジン駆動型スーパーチャージャーの必要性をなくすコンプレッサピストン４１４とを有するエンジン４１０が示される。パワーピストン４１２の機能は図１〜図７に記載したエンジン１０と同様である。コンプレッサピストン４１４はボア４１６内で振動し、パワーピストン４１２のボアよりボア径が大きくてもよい。コンプレッサシリンダ４１６のヘッド４１８は、２つのポート４２０および４２２を含む。ポート４２０は吸気口ポートであり、ポート４２２は排出口ポートである。ポート４２０およびポート４２２の開閉は、リード弁４２４および４２６によってそれぞれ制御される。

吸入ストローク中に、吸気口ポート４２０におけるリード弁４２４が開かれ、排出口ポート４２２におけるリード弁４２６が閉じられる。次いで、好適なフィルタ（図示せず）によって（図２２において矢印Ａで示されるように）大気を誘導する。図２１に示される圧縮ストローク中に、リード弁４２４が閉じられ、排出口ポート４２２におけるリード弁４２６が圧縮空気の圧力下で開かれる。（矢印Ｂによって示される）ダクト４３２に沿った流れによって、パワーシリンダ４３０の吸気口ポート４２８に圧縮空気が運ばれる。パワーシリンダ４３０の吸気口ポート４２８が閉じた後、ダクト４３２の内部の容積が圧縮空気溜まりとしても作用する。この構成では、外部スカベンジングポンプおよびスーパーチャージャーを使用することなく小型エンジンが構成される。

本明細書に記載した様々な実施の形態は、２ストローク内燃機関に適した対向型シリンダ機構の提供を可能にするが、４ストローク内燃機関での使用にも適合可能である。各々の場合、発明は、非対称ポートタイミングの実現を容易にしつつ、エンジンの用途の範囲を拡大する多くの比較的単純な配置でこれを実現する。

Claims

エンジン機構を有する内燃であって、前記エンジン機構は、クランクピンを有するクランクシャフトを含み、対向する一対のピストンの各ピストンは前記クランクピンに接続され、それによって前記ピストンは、軸方向に直列のシリンダのうちそれぞれ１つにおいて往復運動可能であり、前記エンジン機構はさらに、対向端を有するクロスヘッドを含み、前記対向端の各々上に前記ピストンのそれぞれ１つが搭載され、前記エンジン機構はさらに、前記クロスヘッドと前記クランクピンとの間に連結部を含み、それによって前記ピストンは、前記ピストンが駆動されて往復運動するにつれて周方向に振動させられる、内燃。
前記クロスヘッドと前記クランクピンとの間の連結部は、前記クランクピン上に嵌合され、前記クランクピンに沿って移動することができる連結部材によって提供される、請求項１に記載の機関。
前記連結部材は、前記クランクピンがそこを通って延在するボアを規定するヨークの形態であり、前記ヨークと前記クランクピンとの間のボアに軸受が設けられる、請求項２に記載の機関。
前記ヨークは、前記クランクピン上に嵌合されることを可能にする２つの部品からなる形態である、請求項３に記載の機関。
前記ヨークは一体型構造であり、前記クランクピンを縦に収容することができるボアを規定する、請求項３に記載の機関。
前記クロスヘッドと前記クランクピンとの間の連結部は、前記ピストンが往復運動することができる軸に平行でありかつ、当該軸から横方向にオフセットされた軸上で前記クロスヘッドに対して可逆的に回転可能となるように、前記クランクピンに沿って可逆的に移動可能であり、かつ前記クロスヘッドと係合する、請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の機関。
前記機構は、オフセットされたクロスヘッドによって堅く接続された１対のピストンを有し、前記ピストンは、前記ピストンの往復運動軸からオフセットされたヨーク部材によって前記クランクシャフト上でジャーナル支持される、請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の機関。
前記機構は、単連クランクシャフトなどのクランクシャフトを有し、前記クランクシャフト上で、対向する少なくとも１対のピストンは、オフセットされたクロスヘッドによって柔軟に接続され、前記ピストンは、前記ピストンが往復運動する軸からオフセットされたヨーク部材によって前記クランクシャフト上でジャーナル支持される、請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の機関。
前記ヨーク部材は、球面軸受面によって前記クロスヘッドと係合する、請求項７または請求項８に記載の機関。
前記ヨーク部材は、円錐ころ軸受面によって前記クロスヘッドと係合する、請求項７または請求項８に記載の機関。
前記ヨーク部材は、平坦な軸受面によって前記クロスヘッドと係合する、請求項７または請求項８に記載の機関。
前記クロスヘッドおよび前記連結部は、前記直列のシリンダ内で往復運動するにつれて前記ピストンに部分的な回転運動を与えるように動作可能であり、それにより前記ピストンの全体的な動作は、それぞれのシリンダにおいて各ピストンのための楕円経路を生じさせる、請求項１〜１１のうちいずれか１項に記載の機関。
複数の対の直列のシリンダのボクサー配置を有し、前記複数の対のインラインシリンダは各々、それぞれのクロスヘッドおよび連結部によって前記クランクシャフトの少なくとも１つのクランクピンに接続されたそれぞれの対の対向するピストンを有する、請求項１〜１２のうちいずれか１項に記載の機関。
前記機関は２ストロークモードで動作可能である、請求項１〜１３のうちいずれか１項に記載の機関。
前記機関は４ストロークモードで動作可能である、請求項１〜１３のうちいずれか１項に記載の機関。
各ピストンはクラウンを有し、吸気口ポートおよび排気口ポートと共働して非対称ポートタイミングを可能にする構造を有する、請求項１〜１５のうちいずれか１項に記載の機関。
前記構造は、前記クラウンを越えて突出し、前記クラウンの対向する側において２つのアーチ形の周方向に離間されたスカートをもたらすセグメント化されたスカート構造を含み、対向する開口部は吸気口および排出口を形成し、各開口部は、２組の前記スカートの近い方の端部のうちそれぞれ１つの間にある、請求項１６に記載の機関。
前記ヨークは、前記クロスヘッドによって規定されたキャビティに横から収容可能であり、次いで前記クランクピンによって前記ヨークのボアの位置合せのために必要なだけ回転される、請求項９に記載の機関。
前記対向する一対のピストンの一方はパワーピストンとして動作可能であり、前記対の他方のピストンは、前記パワーピストンのシリンダよりボア径が大きいシリンダを有するコンプレッサピストンなどのコンプレッサピストンとして動作可能であり、前記コンプレッサシリンダは、吸気口ポートおよび排出口ポートを任意に有し、前記コンプレッサシリンダのポートの各々はリード弁によって制御される、請求項１〜１８のうちいずれか１項に記載の機関。
吸入ストローク中のコンプレッサシリンダの吸気口ポートは大気およびその排出口ポートに対して開かれ、圧縮ストローク中にその吸気口ポートは閉じられ、その排出口ポートは圧縮空気の圧力下で開かれ、前記機関は、圧縮空気をパワーシリンダの吸気口ポートに伝えることができるダクトを含み、前記ダクトは、前記パワーシリンダの吸気口ポートが閉じた後で圧縮空気溜まりとして作用することが可能となる容積を有する、請求項２０に記載の機関。