JP2016522346A - 1行程内燃機関{one−stroke internal combustion engine} - Google Patents

1行程内燃機関{one−stroke internal combustion engine} Download PDF

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Abstract

1行程内燃機関は線形やロータリー型の往復ピストンを含む。1行程機関が作動するには、4個のチャンバーを作り、これらのチャンバーに機能を割り当て、ピストンを一体に動くようにする3つの原理が必要である。このような機能は単一行程にのみ割り当てられるが、オットーサイクルが反復的な4行程サイクルを生成する。1行程の間4つの機能が同時に行われるため、毎行程が動力行程となり、実際に1行程機関は物理的に再配列された4行程機関である。線形とロータリー型1行程機関がOPOC機関であってもよい。1行程ピストンの往復出力がクランク軸によって回転出力に連続して変わる。1行程機関はクランク軸が1個のみ必要であるため、部品数を減らし、比出力は増やすことができる。【選択図】図14

Description

本発明は毎行程ごとに動力行程をするサイクルを有する1行程内燃機関に関し、具体的には、1行程サイクルを共有する吸気、圧縮、点火/燃焼および排気チャンバーを実現する線形、ロータリーまたは対向ピストン構造の往復ピストンを備えて清掃が簡単な内燃機関に関する。
往復4行程線形ピストンはよく知られている。図1は点火行程中に点火される従来の点火プラグ1を示す。バルブ2はチャンバー9に燃料を入れるための吸気バルブであり、バルブ3は未燃焼燃料や炭素酸化物などを排出するための排気バルブである。専用チャンバーのない2行程ピストン機関は効率がより落ちる。ロッカアーム4はピボットし、バルブリフター6はプッシュロッドを上げてロッカアーム4を動かして吸気バルブ2を上昇させる。一般的に、タイミングベルト8は吸気バルブ2の上昇を調節し、クランク軸14を回転させる。シリンダー10とリング11とピストン12とコネクティングロッド13があり、クランク軸14は吸気、圧縮、点火/燃焼および排気の4行程に応答して出力軸を回転させる。
図2は図1の4行程ピストンの作動順序を示す。左側の吸気行程において、吸気バルブ2が開けられてチャンバー9に燃料/空気が入って膨張し、排気バルブ3は閉じられる。2番目の圧縮行程において、バルブ2、3が閉じられ、クランク軸14が矢印方向に回転して、チャンバー9は燃料の圧縮を始める。3番目の点火行程において、燃料/空気混合物が圧縮される時、点火プラグ1が点火され、ピストン12が内部燃焼によって下降する。クランク軸14が回転する。4番目の排気行程においては、排気バルブ3が開けられ、燃焼の結果、その矢印方向に排出される。チャンバー9は4個の行程の各々に対して圧縮と膨張を繰り返し、各行程に専用で用いられる。図3のように、4行程ピストン4個を用いる時、各ピストンが各々異なる行程を実行してクランク軸14が動き、図面の左側から順に点火のための圧縮待機、排気のための点火待機、圧縮のための吸気待機および吸気のための排気待機を示す。
図4は従来の2行程ピストンを示す。左側は上昇行程であり、右側は下降行程である。上昇行程の間、燃料の圧縮点火が生じ、ポートがカバーされ、コネクティングロッドがピストンを上昇させ、バルブが開けられて、燃料混合物がクランクケース内に入る。下降行程の間、ポートが開けられ、燃料混合物が入り、(黒色ドットで表示された)燃焼した燃料が圧縮された燃料混合物によって押し出される。ピストンが完全に下降すれば、クランク軸/コネクティングロッドは下の位置にある。出力軸は反時計方向に回転する。
図5はチャンバーが1つであるターボチャージャー付けの従来の2行程機関を示す。空気は左側から入り、インジェクターによって燃料が注入され、クランクケース内に燃料と空気混合物が入って圧縮された後に点火され、燃焼した燃料がターボチャージャーに排気される。
図6はオットーサイクルを有する従来のバンケル型ロータリー機関を示す。吸気口と排気口を備えた楕円形チャンバーの中央に軸Bがあり、三角形ロータリーピストンAが軸Bを回転させて吸気、圧縮、点火、排気動作をする。チャンバーの右側に2個の点火プラグがある。ピストンAが点火プラグ付近の内容物を圧縮すれば、点火されて燃焼が起こり、ロータリーピストンAが軸Bを回転させる。
このような公知の2行程機関は、クランク軸が360°回転する間、1動力行程をし、上昇と下降の2行程をするものとして知られている。特許文献1は特許文献2から特許文献3までのいわゆる「複動」2行程機関の歴史について説明しており、いわゆる「複動」システムが特許文献4と特許文献5と特許文献6と特許文献7および特許文献3に記述されていると紹介する。特許文献2の図1はピストン6、7を、図2は自由ピストン機関1内で前後に動く追加圧縮ピストン11、12を示す。特許文献4は燃料噴射システムを含む自由ピストン機関の改善事項を紹介し、特許文献5は「ファン型2行程サイクル」を介した清掃を紹介する。
「複動」2行程システムは、静的燃焼のためのHCCI(homogenous charge compression ignition)を利用する(図7参照)。図7は特許文献1の図8〜10の実施形態を示しており、ここで、第1および第2ピストンはコネクティングロッドを介して互いに固定され、円筒形ケースの両端の間で振動をする。
特許文献8は図10のようなスーパーチャージOPOC(opposed piston、opposed cylinder)内燃機関を紹介する。クランク軸回転軸がプッシュロッドとプルロッドによって駆動される。機関車と似た内部動作をする駆動アームが多い。特許文献8のOPOC機関は従来の排気システムを採択する。一方、特許文献9は吸気室と排気室が燃焼室と通じる改善されたOPOCシステムを紹介する。
図7は、Schwiesow機関として、複動2行程ピストンが、点火が交互に発生する時に、一方から他方に動く。
図8は、特許文献10に紹介された、2行程ピストンが4個であるBourke機関を示す。
図9は1行程Massey−Harrisガソリン機関であって、往復ロータリー2行程ピストン機関である。1行程ピストンは180°の動力行程を有するピストンであるが、この機関はロータリー2行程ピストンを有する機関とみたす。その結果、1行程ピストンが上死点から左側に動いて停止した後、右側に動いて停止して1行程を完成するか、前後に動いて180°動力行程をなす。1行程内燃機関が特許文献11に紹介されている。ピストンブロック20が燃焼室と圧縮室を形成する。作動アセンブリー40が円筒部46、圧縮パドル50およびピストン48を含むブロック20内で回転する。アーチ型燃焼室28と圧縮室30もある。ドライブロッド90が第1および第2ピストンブロック20を連結してドライブブロック22の要素を駆動する。
図11の表は開発中の4個の機関の比較表である。
米国特許第8127544号明細書 米国特許第1785643号明細書 米国特許第7258086号明細書 米国特許第2963008号明細書 米国特許第4205528号明細書 米国特許第6199519号明細書 米国特許第6700229号明細書 米国特許第6170443号明細書 米国特許第8490380号明細書 英国特許第0514842号明細書 米国特許出願公開第2003/0121482号明細書 米国特許第8485933号明細書 米国特許第8641570号明細書 米国特許第8388481号明細書
以上、2行程内燃機関と他の従来の機関について説明したが、燃料効率や出力と、180°動力行程を有するロータリー/線形往復内燃機関の清掃のような事項に依然として改善しなければならない点がある。
図12は内燃機関の仕様表であって、従来の内燃機関と図14に示された本発明の1行程機関を比較するためのものである。
4行程機関は、出力軸を連続して回転させたり全体サイクルを完成するのに4個の動力行程、すなわち4個の4行程ピストンアセンブリーを必要とする。2行程機関は、同一な動作に2個の動力行程や2個の2行程ピストンを必要とする。1行程機関は、1個の動力行程や1個の1行程ピストンのみ必要とする。1サイクルを完成するのに必要な動力行程数において、本発明と従来の機関の間に差がある。ピストン当たり動力行程は180°である。ピストンアセンブリー数は4行程、2行程、本発明の1行程に行くほど4、2、1に減り、クランク軸も同様である。
現在の4行程機関はピストン数が4個以上で、部品数も最大500個程度であり、2行程機関はその半分で、DDモーション機関は200個程度である。4行程機関は1サイクルの間4個のチャンバーを形成する。本発明の1行程機関も4個のチャンバーを形成するが、2行程機関はチャンバーが1個のみである。4行程機関は本発明の1行程機関と同様に燃料効率が高いが、2行程機関は燃料効率が低い。4行程と1行程DDモーション機関は排気量が低いが、2行程機関は排気量が相対的に高い。4行程機関の比出力を基準点にして1.0とする。2行程機関とDDモーション1行程機関の比出力は各々1.5および1.5より大きい。4行程機関は乗用車に、2行程機関は小型エンジンと動力車に、1行程機関は乗用車と小型エンジンと動力車は勿論、トラクターと船舶にも用いられる。
バンケル型ロータリー機関は、ピストンが3個であり、部品数が250個程度であり、専用チャンバーを有し、360°の動力行程を有しており、Mazda RX−7、RX−8のような乗用車に主に用いられる。
本発明の1行程内燃機関を線形とロータリー型の2種類について説明する。線形は2個以上のピストンが線形に配置されたものであり、ロータリー型は2個以上のピストンを有する。一方、本発明の内燃機関は200個の部品と専用チャンバーを有しており、燃料効率は高く、排気量は低い。ピストンが出力軸を180°回転させる。比出力は1.5以上であり、用途が制限されないため、トラック、乗用車、雪上車、芝刈り機、モーターサイクル、機関車は勿論、複数のプロペラ付きの大型船舶にも用いられる。
特許文献12と特許文献13に紹介された1方向回転ギアであるスプラグ、ギア、ドライバー、クランク軸制御装置も1行程DDモーション機関において出力軸を所望の方向に連続回転することができる。180°動力行程サイクルの間、4個のチャンバー各々が燃料/空気混合物で満たされ、点火および排気されて燃料効率が高い。図14、19、23の機関は、クランク軸方式で、ギアとスプラグ調節や他の調節方式を採択する。スプラグは1方向クラッチやラチェットベアリング、または2個の回転入力から1方向出力を提供することをいう。
DDモーション1行程/多行程や対向ピストン機関にはスプラグのようなラチェットベアリングや1方向クラッチベアリングを用いる。スプラグはこのようなベアリングの商標名であって、市中で買うことができる。スプラグは一方では自由に回転し、反対方向には回転しないベアリングであり、180°動力行程を有する内燃機関に用いられる出力ギアである。
このようなスプラグの外部ハウジングにはニードルローラを受けるノッチがあって、外輪が1方向に動く時に外部ハウジングも一方の方向に動き、これはニードルローラがノッチにおいて回転するためである。一方、内輪が外部ハウジングとは異なる方向に回転すれば、ニードルローラは内輪とノッチの間の位置に回転して、ハウジングは内輪とは反対方向に回転する。特許文献14にもスプラグが記載されている。
本発明の出力軸は2行程の360°や4行程の720°に比べて180°回転する。また、ロータリースイッチや電子装置で制御をして、ロータリー機関のサイクルが簡単である。このサイクルはソレノイドで遠隔制御が可能であり、ロータリー機関や線形機関にも可能である。以上で説明した出力制御はスプラグ、クランク軸、ロータリー出力部、ドライバーおよび出力軸を時計方向や反時計方向に回転させる他のギアによってなされる。線形とロータリーの両方とも対向ピストンデザインを適用することができる。
従来の4行程線形ピストンの断面図である。 図1のピストンの4行程サイクルを示す図である。 図1の4行程ピストン4個を備えた従来の内燃機関の断面図である。 従来の2行程ピストンが上昇と下降状態にある時の断面図である。 ターボチャージャー付きの従来の2行程機関の断面図である。 従来のバンケル型ロータリー機関の断面図である。 複動2行程ピストンを備えた従来のSchwiesow機関の断面図である。 2行程ピストンが4個である従来のBourke機関の断面図である。 ロータリー2行程ピストンを備えた従来のMassey−Harris機関の断面図である。 スーパーチャージOPOC 2行程内燃機関である従来のHofbauer機関の斜視図である。 従来の機関の長短所を比較した表である。 本発明と従来の機関の仕様を示す表である。 1行程機関に4個のチャンバーを生成する原理を示す状態図である。 中心共通軸で連結された2個のダブルヘッドピストンで4個のチャンバーを作る2番目の原理を示す状態図である。 4個のチャンバーに各機能を割り当てる3番目の原理を示す状態図である。 1サイクルの間1行程機関のチャンバーとその機能を示す表である。 従来の4行程機関と1行程機関の差を説明する状態図である。 従来の4行程機関と2行程機関とDDモーション1行程機関の他の比較表である。 専用チャンバーが4個で、ダブルヘッドピストンが2個である線形1行程DDモーションピストンの2つの例の作動原理を示す断面図である。 OPOC機関の作動原理を示す断面図である。 ピストンが5個であるOPOC 1行程機関の断面図である。 ダブルヘッドピストン4個とチャンバー4個が正方形ハウジングを形成するDDモーションOPOC機関の断面図である。 ハウジングが円形であり、2個のピストンが中心部で連結された1行程DDモーションロータリー機関の断面図である。 OPOCロータリー機関の作動原理を示す断面図である。 1行程機関の原理に従うN行程ピストンの例を示す状態図である。 1行程中心軸2620を出力軸2645に結合する他の手段を示す断面図である。 クランク軸を介して出力軸に対するドライバーとギア制御ピストン出力をする装置の側面図と平面図である。 DDモーション1行程や他機関のギアとピストン出力部の側面図と平面図である。 中心軸で連結された2個のダブルヘッド線形ピストンを示す側面図と正面図である。 トランスギア制御部を備えた本発明の1行程ロータリーピストンを示す横断面図と側断面図である。 ロータリーピストンの密封部を示す断面図である。
以下、図12〜31を参照して本発明を説明する。図12は本発明の一般エンジンであり、図13〜15は1行程DDモーションの原理を示し、図16は1行程エンジンサイクルを示す。図17は4行程エンジンを1行程エンジンに再配列する方法を示し、図18はピストンとエンジンテーブルであり、図19〜31は直線型およびロータリー型1行程とN行程対向ピストンの機械的な原理を示す。
図12は現在用いられる4行程/2行程機関と本発明の1行程機関の比較表である。往復ダブルヘッドピストンが共通の中心軸で連結され、一般の1行程DDモーション機関のようにエンドプレート付きのシリンダー内に図14の専用チャンバーA〜Dを形成する。図12の比較表の左側は現在用いられる内燃機関である4行程/2行程ピストン機関のデータであり、右側データは図14に示された本発明の1行程機関のデータである。
4行程機関は出力軸を連続回転させたり1サイクルを完成するのに4個の行程を必要とし、2行程機関は2個の行程を必要とする。1行程機関は1サイクルを完成するのに1個の行程のみ必要とする。1サイクルを完成するのに必要な行程数は本発明と従来の機関の間の重要な差異点である。機関の行程は同一な180°行程であり、ピストン数は従来の4行程、2行程、1行程に行くほど4個、2個、1個に減り、クランク軸も同様である。
現在の4行程機関は通常4個以上のピストンと最大500個の部品からなり、2行程機関はその半分であり、DDモーション機関は200個程度の部品からなる。4行程機関はピストンサイクルの間専用チャンバーを形成する。本発明の1行程機関も専用チャンバーを形成するが、2行程機関は1個の専用チャンバーのみを形成する。4行程機関は本発明の1行程機関のように高い燃料効率を有するが、2行程機関は燃料効率が低い。4行程と1行程DDモーション機関は排気量が少ないが、2行程機関は排気量が相対的に多い。4行程機関の出力比1.0を基準に、2行程機関とDDモーション1行程機関の出力比は1.5および1.5以上である。4行程機関は主に自動車に用いられ、2行程機関は小型機関と自動車に用いられ、1行程DDモーション機関は小型機関と自動車には勿論、トラクターや複数のプロペラ付の船舶にも用いられる。
バンケル型ロータリーエンジンは、ピストンが3個であり、200個程度の部品からなり、専用チャンバーと360°行程を有し、マツダRX−7/8のような自動車に多く用いられる。
図14の本発明の1行程内燃機関を直列型とロータリー型の2種類について説明する。直列型は2個以上のピストンが線形に配列されたものであり、ロータリー型はピストンが1〜2個以上である。本発明の内燃機関は200個程度の部品と専用チャンバーを有し、高い燃料効率と低い排気量を示す。出力軸を180°回転させるか、またはハウジング内でピストンを一方向に動かす。出力比は従来のエンジンより高くて1.5以上2.0に達する。その用途は制限がなく、例えば、(トラックや乗用車のような)自動車、雪上車、芝刈り機、モーターサイクル、機関車、船舶などに用いることができる。
図13〜15は1行程機関の3つの原理を示す。図13(A)は1行程機関の4個の専用チャンバーを生成する1番目の原理を示しており、先ず、中心板1315によって分離された2個のチャンバー(#1〜2)がシリンダーハウジング内に生じ、各チャンバーのダブルヘッドピストンによって総4個のチャンバーA〜Dが生じる(図13(B)参照)。シリンダーハウジング1300は左右エンドプレート1310−1〜2によって端部が密封され、断面が通常は円形であるが、ピストンによっては楕円形や正方形や長方形をとることもできる。中心板1315がハウジング1300を2個のチャンバー(#1〜2)に分け、チャンバーに1つずつ2個のダブルヘッドピストン(#1〜2)があり、第1ピストン(#1)は第1チャンバー(#1)を2個の(圧縮された)チャンバーAと(膨張された)チャンバーBに、第2ピストン(#2)は第2チャンバー(#2)を2個の(圧縮された)チャンバーCと(膨張された)チャンバーDに分ける。
図14は1行程機関の2番目の原理を示しており、ここでは、チャンバーA〜Dが同時に作動する。第1〜第2チャンバー(#1〜2)に各々投入された第1〜第2ダブルヘッドピストン(#1〜2)は共通軸1410で連結される。軸1410によって同時に作動する2個のピストンによって2個のチャンバー(#1〜2)が4個のチャンバーA〜Dに分離し、これらの4個のチャンバーは3番目の原理に従って作動する。
2個のピストンを共通軸1410のような固定手段で連結して4個のチャンバーA〜Dを作り、この軸1410を左側や右側または両側に延長して往復運動をするようにすることができる。一方、図19(B)に示された外部ハウジングロッドで軸を代替したり補完することもできる。同様に、左側や右側や両側に外部ロッドを延長することもできる。ピストン(#1〜2)は軸1410によって左右に往復運動する。あるチャンバーで点火が発生すれば、両側ピストンが動く。4つの機能(吸気、排気、点火および圧縮)が(例えば、左側や右側に動く)1行程ごとに同時に起こり、これが1行程機関の3番目の原理である。
図14では、2個のピストンを軸1410で連結して4個のチャンバーA〜Dが同時に作動する。いずれか1つのチャンバーで点火が発生すれば、両側ピストンが左側や右側に同時に動き、この時、4個のチャンバーA〜Dが毎行程当たり4つの機能を行うことができる。
図15は、例えば、チャンバーAは吸気、Bは排気、Cは点火、Dは圧縮のように各機能を4個のチャンバーに割り当てることを示す状態図であり、「吸気」は、チャンバーAが膨張する間、燃料/空気混合物で満たし、「排気」は、ピストンが圧縮して、チャンバーBから燃焼した燃料を排出し、「点火」は、チャンバーCの圧縮された燃料−空気混合物を点火プラグで点火させ、「圧縮」は、チャンバーDに満たされた燃料−空気混合物を圧縮することを意味する。ここでは、ピストンが左側に動く。しかし、エンジンを始動する時には、ピストンが左右側の末端間のどこに存在してもよい。よって、チャンバーCで点火が発生すれば、2個のピストンが右側末端を除いたどこに存在しても点火によって右側に動く。チャンバーが他の機能をすることもでき、例えば、Aは点火、Bは排気、Cは吸気、Dは圧縮機能をすることもできる。
図16は、1行程機関が膨張する時のサイクル(オットーサイクル)を示す状態図である。1番目の行程においてチャンバーCで点火になった後、2番目の行程においてDで点火が発生すると同時にAは圧縮、Bは吸気、Cは排気が発生して従来の4行程のオットーサイクルが完成し、4行程サイクルが繰り返される。1番目の行程では2個の連結したピストンが右側に動き、2番目の行程では左側に動き、引続き、3番目の行程ではAで点火、Bで圧縮、Cで吸気、Dで排気が起こる。オットーサイクルの最後の4番目の行程では、Bで点火、Aで排気、Cで圧縮、Dで吸気が起こる。4行程のオットーサイクルは繰り返される。
図13(B)のチャンバーAとCをピストンが完全に占めず、AとCは圧縮中であり、BとDは膨張中である。AやCで点火が発生すれば、軸1410で連結された2つのピストンが同時に右側に動く。
図17は、従来の4行程機関からDDモーション1行程機関に変換する一連のステップを示す状態図である。図17(A)において第2〜第3ピストン(#2〜3)は下降(チャンバー膨張)し、第1、第4ピストン(#1、#4)は上昇(チャンバー圧縮)した従来の4行程内燃機関を示す。第2ピストンのチャンバーは空気−気体混合物で充填され、#4は空気−気体混合物が点火されて右側に排気していることを示す。チャンバー#1は空気−気体混合物が圧縮されて点火待機状態にある。
図17(B)は図17(A)と同一な状態を単純に表現したものであり、図17(C)は、図17(A)(B)の4行程機関を再配列する1ステップとして、ピストン#1と#4が出力軸の両側に動いて底部にあり、#2と#3は上段に位置してピストンが#1、#3、#2#4の順にある。図17(D)ではピストン#1−#3と#2−#4が互いに反対に位置して中心軸が2対のピストンを連結した状態であり、出力軸は見られない。図17(E)は、チャンバーを割り当てる最後のステップとして、ピストン#1−#3と#2−#4が互いに線形に連結されてDDモーション1行程線形機関を形成する。
図18は、1)従来の4行程機関、2)従来の2行程機関、3)DDモーション1行程機関の他の比較表であって、2行はピストン数、3行はクランク軸数、4行はクランクケース数、5行はチャンバー数、6行は共有チャンバー数、7行はピストンアセンブリー数を示す。1行は2種類の従来のピストンと、図14のようなDDモーション1行程ピストンの側面図を示す。7行において、ピストンアセンブリー数は、4行程は4個、2行程は2個、DDモーションは1個である。
図19(A)は、図14に示された中央軸1410で2個のダブルヘッドピストン#1〜2が連結されており、チャンバーがA〜Dの4個である線形1行程DDモーションピストンアセンブリーの第1実施形態を示す。図19(A)のエンドプレート1310−1〜2には軸1410がハウジング1300の外部に往復運動するようにする孔が穿孔されており、図19(B)のハウジング1300には外部ロッド1905−1〜2がピストンを往復運動するようにする側面スロットが形成されている。図19(A)では、ピストン#1〜2が左側位置にあり、軸1410は左側に延びて右側に行程を始める状態にある。
図19(B)は、DDモーションピストンアセンブリーの実施形態であって、軸1410の代わりに外部の側面ロッド1905−1〜2を用いて2個のピストンを連結した第2実施形態を示す。ロッド1905セットは左側、右側または両側に出力を提供する。ここでは、両側ロッド1905−1〜2で直角形態で2つのピストンを連結したが、応力軽減のために右側出力が必要な時には右側に、左側出力が必要な時には左側にロッド1905に曲率をおいて連結することもできる。または、ロッド1905を1つのみ用いてもよい。軸1410と同様に1対の外部ロッドが前後に往復できるようにシリンダーハウジング1300の両側に線形スロットを形成する。図19の2つの実施形態を結合して軸と外部ロッドに2つのピストンを連結することもできる。
図20は、ピストンが5個で、チャンバーが4個であるOPOC機関の断面図であり、図20(A)は図19(A)の1行程機関の単純化した図面であって、同一な図面符号を付ける。図20(A)において、軸1410は左側や右側に往復運動せず、両側で出力部に連結される。図20(B)は本発明のOPOC機関に向かった次のステップを示し、ここで、外部ハウジング2000内に内部ハウジング1300があり、外部ロッド2005−1〜2が外部ハウジング2000を通過して図20(A)の機関の運動を許容することによって、1行程線形2−ピストンOPOC機関を形成する。図20(B)の軸1410はピストンに連結されるかまたは一体であり、中央板1315と、ハウジング1300のエンドプレートと外部ハウジング2000のエンドプレートを貫通して延びる。
図20(C)では、シングルヘッドピストン#3、#5と中央のダブルヘッドピストン#4が外部ロッド2005によって互いに連結され、内部ハウジング1300はなく、ダブルヘッドピストン#1、#2を含めてピストン数が5個に増える。ピストン#1、#2は軸1410に連結され、軸1410はピストン#3〜5とハウジング2010のエンドプレートを介して外部に延び、可能な限り摩擦なしで円滑に往復運動が起こる。図20(C)の機関を、5個のピストンのうち3個の#3〜5を外部ロッドに連結し、#1〜2は軸1410に連結して1行程線形5−ピストンOPOC機関に再構成することもできる。このようなOPOC機関のチャンバーA〜Dにおいて、AとCは圧縮され、BとDは膨張される。ロッド2005が右側に動いてから反対に動いて往復出力を起こす時、軸1410が左側に動く。外部ロッドが固定され、軸1410のみ左右に動くか、その逆であってもよい。
図21は、5−ピストンOPOC 1行程DDモーション機関として、中心軸1410と連結部2120と2個の外部ロッド2005−1〜2を介して出力軸2125に連結され、ピストン#3〜5は側面ロッド2005に、ピストン#1〜2は軸1410に連結される。軸1410はダブルヘッドピストン#1〜2に連結される。ピストン#3〜5はローラベアリングや潤滑剤などによって軸1410に乗って容易に滑ることができる。4個のチャンバーA〜DのうちAとCは圧縮中である。ピストン2115−1、3、5はロッド2005によって固定され、連結部2120は左右に往復し、軸1410とロッド2005は連結部2120を介して出力軸に連結される。チャンバーは図16のサイクルに従って機能を実行する。これらのチャンバーもオットーサイクルを実行する。
図22は、正方形ハウジング2200内で4個のピストンとチャンバーが正方形の断面を形成する実施形態を示す。ハウジング2200の外壁に第1〜第4ダブルヘッドピストン2210−1〜4が接しており、各々のピストンが専用チャンバーと、該チャンバーで駆動されるギアを有する。第1ピストン2210−1はチャンバーA(2205−1)と第1ギア2215−1を、第2ピストン2210−2はチャンバーB(2205−2)と第2ギア2215−2を、第3ピストン2210−3はチャンバーC(2205−3)と第3ギア2215−3を、第4ピストン2210−4はチャンバーD(2205−4)と第4ギア2215−4を有する。4個のギアも正方形をなし、互いに噛み合っており、どのピストンが点火されても全てのギアが往復運動する。このエンジンのチャンバーA〜Dも図16のオットーサイクルを実行する。
図23は、1行程ロータリーピストン機関として、ハウジング2300が円形である。ハウジング2300の2個の隔壁2325−1〜2は中心軸2322を囲んだ円形区間2318と一体であるかまたは連結された第1〜第2ピストンの往復運動を制限する。このエンジンのA〜DチャンバーのうちAとCは、BとDが膨張する時に圧縮されるかその逆である。各々のチャンバーは図15〜16のオットーサイクルの表に従って機能する。第1〜第2ピストンは隔壁の間を往復運動する。第1〜第2ピストンの1行程は、時計方向に停止状態から動いて隔壁付近で停止することでなされる。他の行程は、線形1行程と同様に、第1〜第2ピストンの反時計方向の運動である。バルブと点火プラグは隔壁2325やハウジング2300に設けられる。
図23のロータリー機関の第1〜第2ピストンは(圧縮室や膨張室でない)上死点付近で停止することができる。チャンバーCで点火が発生すれば、このチャンバーの空気−気体混合物の点火で第2ピストンが第1ピストンと共に矢印の反時計方向に動いて、機関が始動される。図23の機関も図16のオットーサイクルに従う。
この機関に対して始動から説明する。ロータリー1行程内燃機関のピストンリングをシリンダーハウジングに設ける。図16と同様に、2個のチャンバーB、Dが先に開けられ(膨張され)、AとCは図23の右上/左下の往復ロータリーピストンによって閉じられる(圧縮される)。
始動されれば、1)Bが開けられて排気動作をし、2)吸気室であるサイクル表の左上部のチャンバーAに燃料が充填され、3)ロータリーピストンが反時計方向に回転してBを圧縮し、4)行程2においてBが空気−燃料混合物で充填され、5)Dが点火され、初めての反時計方向の行程に続く時計方向の行程を起こす。燃料−空気混合物の点火で第1ピストンが左上位置から右上位置に動いてオットーサイクルを始め、下方の第2ピストンも右下位置から左下位置に時計方向に動く。
点火には点火プラグのような従来の手段を用いる。図16の実施形態では、圧縮された燃料−空気混合物を点火するのに便利などの地点でも点火が発生しうる。しかし、時計方向に点火、吸気、排気をするようにし、バルブやシールのような装置はハウジングの外部から接近できるようにした方が良い。機械式カムの代わりに、ソレノイドを用いて開閉(吸/排気)することもできる。燃料噴射システムは従来のものを用いることができる。吸気と排気が反復サイクルの4ステップの各々で起こることができるので、開閉タイミングが2行程やロータリー機関に比べては改善され、4行程機関とは類似する。下表は図15の例であって、A〜Dチャンバーのどれも点火されることができ、1行程機関のピストン対の位置が点火位置に応じて変わることを示す。
(図15、16の1番目の行程が初めての行程である場合のチャンバーの機能)
本発明の1行程機関を前述したように4行程内燃機関に改造することができる。4個のチャンバーの機能はオットーサイクルに従う。表2は、チャンバーAのサイクルとして、Aは最初に「吸気」を選択することができる。表3は全てのチャンバーのサイクルや1行程線形サイクルのロータリーを示す。
(Aのサイクル)
下表3は、完全なサイクルとして、行程別に与えられた機能が対角線方向に動く。例えば、吸気はAからDへ行くことにつれて対角線に、点火はCからBへ行くことにつれて対角線に動く。すなわち、全ての機能が行程が遷移するほど対角線方向に割り当てられる。
(1行程ロータリーサイクル(全てのチャンバーのサイクル))
図24は、DDモーションロータリーOPOC機関の断面図であって、断面が環状であるシリンダーハウジング2400内の環状の内部ハウジング2405が第3〜第4ピストン2420−1〜2を有し、これらは図23の機関の隔壁と類似する。第3〜第4ピストンは、内部の第1〜第2ピストン2415−1〜2とは反対方向に往復運動することができる。ピストン2415−1〜2は中心軸2422に連結され、円形断面部2418を共有し、その中心の軸2422は出力軸である。4個のピストンで形成された4個のチャンバーのうちAとCは圧縮中であり、BとDは膨張中である。第3〜第4ピストンは内部ハウジング2400と一体であるかまたは連結され、第1〜第2ピストンは中心部2418とクランク軸2422に連結されてチャンバーA〜Dを形成する。従来のバルブと点火プラグは外部ハウジング2400のエンドプレート(図示せず)に取り付けられる。線形OPOC機関と同様に、内部の第3〜第4ピストンがロッドを介して出力軸に連結され、中心軸2422が反対方向の出力を供給して、内部ハウジング2405と軸2422の間に往復運動が発生することもできる。外部ハウジング2400が固定され、内部部材が時計/反時計方向の往復運動をすることもできる。ロータリーOPOC機関もオットーサイクルに従う。
図25は、1行程機関の原理に従うN行程ピストンの例を示す。図25(A)は、シングルヘッド第1〜第4ピストンを備えた4行程ピストン機関の概略図であって、各々のピストンが出力軸2510まで続いた別途のハウジング2501〜4内に入っている。ハウジング2501〜4が各々チャンバーA〜Dを形成し、共通の出力軸2510に連結された共通の中心軸を有する。第1と第3ピストンは第2と第4ピストンに対してクランク軸2510の両側に位置する。ピストンは全てシングルヘッドピストンである。すなわち、この機関は4個のシングルヘッドピストンを有する4行程ピストン機関である。
図25(B)は、ダブルヘッドピストン2個が各々2個ずつ4個のチャンバーA〜Dを形成する2行程ピストン機関の概略図であって、ハウジング2511〜2が中心出力軸2520の両側に配置される。各ピストンの中心軸は出力軸2520を回転させるクランク軸を駆動する。これは第1〜第2ピストンを有する2行程機関である。
図25(C)は、クランク軸を介して出力軸2530を回転させるようにシリンダーハウジング内に2個のダブルヘッド第1〜第2ピストンが入っているDDモーション1行程機関の概略図である。このエンジンは線形エンジンであり、4個のチャンバーA〜DのうちAとCは圧縮され、BとDは膨張される。図25は本発明の原理を示しており、DDモーション1行程機関がN行程機関に拡張され、ここで、Nは1、2、4またはそれ以上のシングルまたはダブルヘッドピストンであり、専用チャンバーを有する。中心板を有する1つのシリンダーハウジング内にダブルヘッドピストンが2個の対向シリンダーハウジングを有する2個のダブルヘッドピストンから4個のシングルヘッドピストンに変わることができ、ピストンの各々が自己のシリンダーハウジングを有し、1行程ダブルヘッド2個のピストン機関から4行程ピストン機関まで動く。
図26は、1行程中心軸2620を出力軸2645に結合する他の手段を示す。図26(A)と(C)はクランク軸方式で出力軸2645にコネクター2630と軸2635を介して往復軸2620が連結される状態の側面図と平面図である。図26(B)と(D)は、出力軸2645を生成するために1行程機関を連結するクランクギア軸ベアリングの側面図と平面図である。コネクター2630が中心軸2620を有する円形クランクギア軸ベアリング2640に対して軸2635を往復運動させて出力軸2645を駆動する。
図27は、クランク軸を介して出力軸に対するドライバーとギア制御のピストン出力をする装置の側面図と平面図である。図27(A)は、ドライバーとギア出力制御部に連結された1行程DDモーションロータリー機関(図23)を含む概略図である。図27〜28と30(C)の実施形態において、本発明の線形/ロータリー1行程やOPOCを含めて全ての往復入力部を制御することができる。図27(B)は、図27(A)のクランク軸を往復駆動するドライバーとギア制御部をさらに詳しく示す側面図であって、図20のロータリー内燃機関のギア制御部とドライバー2707が示される。軸2701は、往復ロータリー内燃機関の出力部として、180°サイクルで往復運動する。ギア2702は往復軸2701に設けられ、ギア2703はベアリング2704を備えたアイドルギアである。下段部においてラックギア2705がギア2703に噛み合わされる。ドライバー2707は半分幅のラックギア(2705〜6)を備え、ギア2702〜3と選択的に噛み合わされる。ドライバー2707の出力部は前後に往復運動し、クランク軸を介して出力軸に連結される。ドライバー2707はクランク軸の往復運動を図27(A)の出力軸の一方向の回転運動に変換する。
図28は、DDモーション1行程や他機関のギアとピストン出力部の側面図と平面図であって、Aはギアとスプラグを、Bはピストンの往復軸2801と一方向出力軸2806Bと他の出力軸2806Aを示す。ギアとスプラグは出力軸2806Bにおいてエンジン出力を一方向に制御する。エンジン2800はピストンの往復軸2801と一方向出力軸2806Bを有する。ギア2802は往復軸2801に設けられ、ギア2803A〜Bと噛み合わされる。ギア2803Aはギア2802に噛み合わされ、スプラグ2804Aに設けられる。スプラグは1方向回転ギアである。レース2805Aはスプラグ2803Aのレースである。軸2806Aはレース2805Aに付着される。ギア2807Aは軸2806Aに付着される。ギア2803B〜2807Bはギア2803A〜2803Bと同じセットである。ギア2807A〜Bは互いに噛み合わされる。軸2806Bはギアとスプラグによる一方向出力軸である。前後進運動は従来の方式でなされる。スプラグ2804A〜Bが往復軸2801に反対方向に噛み合わされて軸2806Bが一方向運動する。
図29は、中心軸で連結された2個のダブルヘッド線形ピストン2915−1〜2を示す側面図と正面図であって、(A)にはDDモーション1行程機関のチャンバーA〜D(AとCは膨張、BとDは圧縮)を形成する2個のピストンと中心出力軸2940を備えたハウジング内にある吸気バルブ、点火プラグおよび排気バルブが示され、(B)では軸2940がハウジングから右側に延び、出力ギア2942に連結されていることが分かる。
図29は、2個のピストンが従来の4−ピストン作用をすることを示す。従来の4−ピストン内燃機関は720°の行程を有する。図29によれば、チャンバーAとCが膨張し、続いてBとDが圧縮し、ピストン2915−1〜2が180°の行程を実現して従来の内燃機関のように動作する。中間にある出力軸2940と出力ギア2942の両側に全ての4個のダブルヘッドピストンに対する点火点がある。このような位置は各チャンバーにおいて順に点火が起こる限り変わってもよい。2個のピストン2915−1〜2は軸2940の上下に配置され、これらのピストンの上下にベアリング2945が位置する。チャンバーAとCが膨張し、BとDが圧縮して、図16のオットーサイクルに従う。
図30はトランスギア制御部を備えた本発明の1行程ロータリーピストンを示しており、第1〜第2ピストンが形成するチャンバーA〜DのうちBとDは初期に図30(A)のように圧縮されてから図30(B)のように膨張する。図30(C)に示された往復入力軸、第1〜第2スプラグおよび出力サンギアは、本発明のトランスギア制御の往復運動ロータリー対向ピストンの一方向出力を制御し供給する。
図30(A)において、チャンバーAとCは膨張され、BとDは圧縮されており、これらのA〜Dチャンバーは図16のオットーサイクルを行う。図30(B)のように第1〜第2ピストンが側面に回転して、BとDは膨張され、AとCは圧縮される。図30(C)は断面図であって、第1〜第2ピストンが中心軸と出力ギアと出力軸を囲む。左側上下段位置にアイドルギアがある。左右側サンギアは互いに同一であり、左側サンギアは軸と一体であるかまたは軸に設けられる。第1〜第2スプラグを含む軸で駆動される出力区間が右側に位置する。出力ギアは軸と一体であるかまたは軸に連結される。スプラグギアが出力ギアを出力軸に連結し、出力ギアは出力軸と一体であるかまたは連結される。
図31はロータリーピストンの密封部を示しており、Aは本発明の1行程ロータリー機関に設けられた密封板、ピストン型密封部およびC型密封部を示し、B〜Dは各々ピストン型密封部とC型密封部と密封板を詳しく示す。図23は、(隔壁を代替する)C型密封部や密封板を使用できる上死点のピストンを示す。密封板はシリンダーハウジングの直径部を密封する。図31(A)のように、密封板はピストン下部のピストンパドルの両側に存在してもよい。

Claims (21)

  1. 動力行程が180°であるかまたは一方向であり、
    中心軸を中心に時計方向や反時計方向に往復運動するように第1および第2ピストンが設けられてロータリー1行程機関を形成するか、または中心の共通軸や外部ロッドのうち1つによって第1ピストンが第2ピストンに縛られてシリンダーハウジングの内部で線形往復運動をし、
    シリンダーハウジングは第1〜第4チャンバーを有し、各々のチャンバーはピストンがチャンバーをカバーする時の圧縮状態とピストンがチャンバーをカバーしない時の膨張状態を有することができ、前記動力行程内で第1および第2膨張されたチャンバーは排気と圧縮機能のうち1つを行い、第3および第4圧縮されたチャンバーは吸気と点火機能のうち1つを行い、第1ピストンと第2ピストンがシリンダーハウジング内で共に動きながら往復運動をし、4個のチャンバーが4行程サイクルの4個の動力行程の各々の吸気、排気、点火および圧縮を行うことを特徴とする往復ロータリー/線形内燃機関。
  2. 繰り返される機関サイクルの4行程の各々の間に前記4個のチャンバーが吸気、圧縮、点火/燃焼および排気機能を各々行い、このような4個のチャンバーが第1ピストンのチャンバーAとBおよび第2ピストンのチャンバーCとDであり、1番目の動力行程中に排気チャンバーBと圧縮チャンバーDは膨張され、吸気チャンバーAと点火チャンバーCは圧縮され、2番目の動力行程中に圧縮チャンバーAと排気チャンバーCは膨張され、吸気チャンバーBと点火チャンバーDは圧縮され、3番目の動力行程中に圧縮チャンバーBと排気チャンバーDは膨張され、点火チャンバーAと吸気チャンバーCは圧縮され、4番目の動力行程中に排気チャンバーAと圧縮チャンバーCは膨張され、点火チャンバーBと吸気チャンバーDは圧縮されて、ロータリー/線形1行程機関の1サイクルを完成することを特徴とする、請求項1に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  3. 前記機関が線形構造であり、第1および第2ピストンは中心の共通軸と外部ロッドのうち1つによって連結されたダブルヘッドピストンであり、シリンダーハウジングは中心板によって2つに分離し、中心の共通軸と外部ロッドのうち1つが出力軸回転のためにクランク軸に連結されることを特徴とする、請求項1または2に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  4. 前記機関がロータリー構造であり、第1および第2ピストンは中心軸を囲んだ中心円形断面ピストンの両側にあり、互いに連結され、シリンダーハウジングは断面が円形であり、第1および第2対向隔壁を有し、これらの隔壁は第1および第2ロータリーピストンの運動を時計方向と反時計方向の往復運動に制限することを特徴とする、請求項1または2に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  5. 前記線形構造の機関がOPOC(opposed piston、opposed cylinder)構造であり、シリンダーハウジングが第2外部ハウジングを有し、中心の共通軸は第1および第2ダブルヘッドピストンに連結されるかまたは一体であり、第2外部ハウジングを介して延び、シリンダーハウジングが外部ロッドによって中心板に連結され、中心の共通軸と外部ロッドが各々クランク軸を介して出力軸に連結されることを特徴とする、請求項3に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  6. 前記線形構造の機関がOPOC構造であり、シリンダーハウジング内に5個のピストンがあり、そのうち、第1および第2ピストンはダブルヘッドピストンとして中心の共通軸に連結されるかまたは一体であり、第3および第5ピストンはシングルヘッドピストンとして外部ロッドによって互いに連結されて同時に運動し、第4ピストンはダブルヘッドピストンであり、第1および第2ピストンは第3〜第5ピストンに対して往復運動し、中心の共通軸と外部ロッドが各々クランク軸に連結されて出力軸を回転させることを特徴とする、請求項3に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  7. 前記ロータリー構造がロータリーOPOC構造であり、第1および第2ピストンは中心軸を囲んだ中心円形断面部の両側にあり、互いに連結され、第3および第4ロータリーピストンがシリンダーハウジングに連結されるかまたは一体であり、シリンダーハウジングが外部ハウジング内で第1および第2ピストンと反対方向に回転往復運動をすることを特徴とする、請求項4に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  8. 中心の共通軸がクランクギア軸ベアリングへの連結のための連結軸にコネクターを介して連結され、クランクギア軸ベアリングは断面が円形であり、出力軸に連結されることを特徴とする、請求項3に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  9. 前記機関は四角形ハウジングの内部で第1および第2ピストンが中心の共通軸によって互いに連結された並列線形構造であり、第1および第2ピストンは第3および第4ピストンに並んでおり、第3および第4ピストンが第3膨張チャンバーと第4圧縮チャンバーを有する時、第1および第2ピストンは第1膨張チャンバーと第2圧縮チャンバーを有し、出力軸が時計方向と反時計方向に往復運動することを特徴とする、請求項1または2に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  10. 前記機関がロータリー構造であり、シリンダーハウジング内の第1および第2ピストンを有し、A〜Dのチャンバーを形成し、第1および第2ピストンは、1番目の動力行程では膨張されたチャンバーAとCおよび圧縮されたチャンバーBとDを形成する一方、2番目の動力行程では圧縮されたチャンバーAとCおよび膨張されたチャンバーBとDを形成することを特徴とする、請求項1または2に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  11. 第1および第2スプラグ、第1および第2出力ギア、左右側サンギア、アイドルギアおよびスプラグギアが中心軸に付いており、スプラグギアは第1および第2スプラグと出力部との間に結合されて中心軸の往復回転運動から一方向出力を提供することを特徴とする、請求項10に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  12. 出力軸の一方向運動を提供する少なくとも1つのスプラグをさらに含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  13. 往復入力運動から出力軸の一方向回転運動を提供するドライバーとギアをさらに含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  14. 出力軸の一方向運動のためのクランク軸をさらに含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  15. シリンダーハウジングの第1および第2ダブルヘッドピストンの第1〜第4チャンバーの各々の端部に点火点が位置することを特徴とする、請求項3に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  16. 第1および第2ピストンが互いに並んでおり、第3および第2ピストンが互いに並んで、第1〜第4ギアを囲み、第3および第4ピストンは正方形断面のハウジング内に位置し、第1〜第4ピストンがチャンバーA〜Dを形成し、チャンバーBとDが圧縮される時にチャンバーAとCが膨張され、第1〜第4ピストンが第1〜第4ギアに各々結合されて往復運動出力を提供することを特徴とする、請求項1または2に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  17. ピストン運動を制限する対向密封板、シリンダーハウジングの内部に設けられるC型密封部、およびC型密封部の反対側のピストン型密封部をさらに含むことを特徴とする、請求項10に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  18. 互いに時計方向と反時計方向に動く1対の第1および第2ピストンの各々が180°動力行程を有し、往復運動する対向ピストン付近にチャンバーが形成されることを特徴とする、請求項10に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  19. 第1および第2ピストンに連結された往復運動入力軸に対して出力軸の一方向回転をするように制御されるトランスギアである出力軸をさらに含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  20. トランスギア制御が往復入力軸に連結されるかまたは一体である左側サンギアによって行われ、往復入力軸は出力側において右側サンギアで囲まれ、左右側サンギアが関連のアイドルギアを有することを特徴とする、請求項19に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
  21. 互いに噛み合わされる第1および第2ギアを備えた出力制御アセンブリーをさらに含み、第2ギアは往復入力軸から一方向出力をするためにスプラグギアを備えることを特徴とする、請求項1または2に記載の往復ロータリー/線形内燃機関。
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