JP2018519462A - 段階的クランクシャフトを用いたユニフロー掃気対向ピストンエンジン内の揺動ジャーナルリストピンの荷重伝達点オフセット - Google Patents

Abstract

段階的クランクシャフトを有するユニフロー掃気対向ピストンエンジンにおける揺動ジャーナル軸受の荷重伝達点オフセットは、対向するピストンの荷重伝達点に対して異なるオフセットを含む。より具体的には、第１のクランクシャフトが第２のクランクシャフトに先行する条件下では、第２のクランクシャフトに対する第１のクランクシャフトのオフセットに比例した、第１のクランクシャフトに結合されているピストンの揺動ジャーナルリストピンの角度オフセットが成されて、動力行程の間にピーク燃焼圧力を受けるときに、リストピンに対する十分な油膜厚さが保証される。【選択図】図７Ａ

Description

［関連出願］
本出願は、２０１４年８月２８日付で米国特許出願公開第２０１４／０２３８３６０号として公開されている、「Ｒｏｃｋｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｂｅａｒｉｎｇｓ ｆｏｒ Ｔｗｏ−Ｓｔｒｏｋｅ Ｃｙｃｌｅ Ｅｎｇｉｎｅｓ」と題する、２０１３年２月２５日に出願された、所有者が共通の米国特許出願第１３／７７６，６５６号の主題に関連する主題を有する。

本分野は、段階的クランクシャフトを用いたユニフロー掃気対向ピストンエンジンの揺動ジャーナル軸受を含む。

対向ピストンエンジンの構成はよく理解されている。図１において、エンジン８は、２行程サイクル対向ピストンエンジンの一例を示している。エンジン８は、シリンダ１０のような１つ以上のシリンダを含む。シリンダ１０は、シリンダブロック内に形成されたシリンダトンネルに保持されたライナ（「スリーブ」と呼ばれることもある）で構成されている。ライナは、ボア１２と、ライナ内のそれぞれの端部の近くに機械加工または形成されている、長手方向に変位した吸気ポート１４と排気ポート１６とを含む。吸気ポートおよび排気ポートの各々は、隣接する開口がシリンダ壁の中実部分（「ブリッジ」とも呼ばれる）によって分離されている１つ以上の周方向開口アレイを含む。いくつかの説明では、各開口を「ポート」と呼ぶ。しかしながら、このような「ポート」の周方向アレイの構成は、図１のポート構造と変わらない。

１つ以上の噴射ノズル１７が、吸気ポートと排気ポートとの間で、ライナの側壁を貫通して開口するねじ穴に固定されている。２つのピストン２０、２２が、シリンダライナのボア１２内に配置され、ピストンの端面２０ｅ、２２ｅは互いに対向している。便宜上、ピストン２０は、吸気ポート１４に近接し、吸気ポート１４を制御するため、「吸気」ピストンと呼ばれる。同様に、ピストン２２は、排気ポート１６に近接し、排気ポート１６を制御するため、「排気」ピストンと呼ばれる。エンジンは、ほぼ平行な関係で配置され、シリンダのそれぞれの吸気端および排気端の外側に配置された２つの回転可能なクランクシャフト３０および３２を含む。吸気ピストン２０は、シリンダ吸気ポートが位置するエンジン８の吸気端に沿って配置されたクランクシャフト３０（「吸気クランクシャフト」と呼ぶ）に結合されており、排気ピストン２２は、シリンダ排気ポートが位置するエンジン８の排気端に沿って配置されたクランクシャフト３２（「排気クランクシャフト」という）に結合されている。２つ以上のシリンダを有するユニフロー掃気対向ピストンエンジンでは、すべての排気ピストンが排気クランクシャフトに結合され、すべての吸気ピストンが吸気クランクシャフトに結合される。

１つ以上のシリンダを有する対向ピストンエンジンの動作はよく理解されている。一例としてエンジン８を使用すると、ピストン２０，２２の各々は、ピストンがライナに対して最も外側の位置にあるライナ１０のそれぞれの端部の近くの下心（ＢＣ）位置と、ピストンがライナに対して最も内側の位置にある上心（ＴＣ）位置との間でボア１２内で往復運動する。ＢＣにおいて、ピストンの端面は、シリンダのそれぞれの端部とそれに関連するポートとの間に位置決めされ、それによって、ガスの通過のためにポートが開く。ピストンがＢＣからＴＣに向かって離れるにつれて、ポートは閉じられる。圧縮行程の間、各ピストンはＢＣから離れてそのＴＣ位置に向かってボア１２内に移動する。ピストンがそのＴＣ位置に近づくにつれて、ピストンの端面間に形成された燃焼室内で空気が圧縮される。燃焼室に燃料が噴射される。圧縮空気の圧力および温度に応答して、燃料が点火し、続いて燃焼し、動力行程においてピストンを外方に駆動する。動力行程の間、対向するピストンはそれぞれのＴＣ位置から外方に動く。ＴＣから移動している間、ピストンはそれぞれのＢＣ位置に近づくまで、関連するポートを閉じたままにする。いくつかの例では、ピストンは、吸気ポート１４および排気ポート１６が一斉に開閉するように同相で動くことができる。しかし、一方のピストンが他方に同相で先行してもよく、この場合、吸気ポートと排気ポートとは異なる開閉時間を有する。

ピストンの動きに位相差を導入する１つの理由は、吸気ポートを通ってシリンダに入る加圧給気が燃焼生成物（排気ガス）を排気ポートを通ってシリンダから押し出すユニフロー掃気のプロセスを駆動することである。シリンダ内の給気によって排気ガスを置換することが「掃気（ｓｃａｖｅｎｇｉｎｇ）」である。掃気プロセスは、シリンダを通るガスの動きが給気から排気への一方向であるため、ユニフローである。ユニフロー掃気プロセスを最適化するために、排気ピストン２２の運動は、吸気ピストン２０の運動に対して前進される。この点で、排気ピストンは吸気ピストンに「先行（リード、ｌｅａｄ）する」と言われている。このような整相は、吸気ポート１４が開く前に排気ポート１６が開き始めるようにし、吸気ポートの前に閉じ始めるようにする。このようにして、加圧給気の流入が開始される前に排気ガスがシリンダから流出し（この間隔を「ブローダウン（ｂｌｏｗ ｄｏｗｎ）」と呼ぶ）、排気ガスの流出が止まった後も加圧給気がシリンダ内に流入し続ける。これらのイベントの間に、両方のポートは開いている（このとき清掃が発生する）。掃気は、排気ポート１６が閉じると終了する。ここで、出口がない場合には、排気ポート１６の閉鎖時と吸気ポート１４の閉鎖時との間にシリンダ１０内に流入し続ける給気がシリンダ１０内に捕捉され、吸気ポート１４が閉じるとその中に保持される。最後のポート閉鎖によってシリンダ内に保持された給気のこの保持された部分は、「閉じ込められた空気」と呼ばれ、圧縮行程中に圧縮されるのは、この閉じ込められた空気である。

燃焼に応答したピストンの運動は、クランクシャフト３０および３２に結合され、クランクシャフトを回転させる。クランクシャフトに結合されているピストンに対するクランクシャフトの回転位置は、クランク角（ＣＡ）と呼ばれる。クランク角は、クランクシャフトの位置からピストンが動くボアの中心線までの角度として与えられ、ピストンがＴＣにあるときＣＡ＝０°である。対向ピストンエンジン８がユニフロー掃気のために構成されていると仮定すると、排気クランクシャフト３２の回転位置を吸気クランクシャフト３０に対して、一般的にはクランクシャフトの回転度における「位相オフセット」として表現される、一定の固定量だけ前進させることによって、図２のようにピストン位相差が確立される。これにより、排気ピストン２２は、動作サイクル全体を通して対応する量だけ吸気ピストン２０に先行する。エンジン動作中に、位相オフセットはクランクシャフトが回転するにつれて維持され、クランクシャフトは「段階的」であると言われる。 より広義には、「段階的クランクシャフト」という用語は、図１のように構成された対向ピストンの２つのクランクシャフトを指し、一方のクランクシャフトの回転運動が、エンジン動作のサイクル全体を通じて固定度数だけ、他方のクランクシャフトの回転運動に先行する。

図１において、ピストン２０および２２は、ジャーナル軸受４２を含むそれぞれの結合機構４０によってクランクシャフト３０，３２に接続されている。２行程サイクルエンジン動作のいくつかの態様では、サイクルの性質に起因して、エンジンの通常の速度および荷重範囲の動作中にジャーナル軸受の荷重反転が起こることは決してあり得ず、または、荷重逆転の持続時間が比較的短くなり得る。このような状況において、軸受に油を補充することは困難である。さらに、軸受の角振動が制限されているとすると、軸受面の間に導入される油は軸受を完全に充填しない。結局、軸受は境界層潤滑モード（「境界潤滑モード（ｂｏｕｎｄａｒｙ ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｅ）」とも呼ばれる）で動作し始め、過剰な摩擦、磨耗、および軸受の不具合を招く。関連する特許文献１は、図１のエンジン８に組み込まれる揺動リストピン軸受（「２軸軸受」とも呼ばれる）を含む非反転圧縮荷重の問題に対する解決策を記載および例示している。これに関して、エンジン８の各結合機構４０は、特許文献１に記載され、図３に示されたように構成することができる。図１および図３を参照すると、結合機構４０は、軸受面４７およびリストピン４８を有する軸受スリーブ４６を含む揺動ジャーナル軸受（ｒｏｃｋｉｎｇ−ｊｏｕｒｎａｌ ｂｅａｒｉｎｇ）４２によってピストン２０または２２を支持する。スリーブ４６は、従来の手段によってピストンの内部構造に固定される。リストピン４８は、スリーブの軸受面上で揺動振動（揺動オシレーション、ｒｏｃｋｉｎｇ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）するために、ねじ留め具５１によってコネクティングロッド５０の小端部４９に保持される。コネクティングロッド５０の大端部５３は、従来の締結具（図示せず）によって、それぞれのクランクシャフト３０，３２のクランクピン５４の関連するクランクピン５４に固定される。この構造が好ましいが、リストピンが固定され、スリーブがリストピン上の揺動振動のためにコネクティングロッド上に保持される他の構造を限定することや排除するものではない。どちらの場合でも、相対的な揺動が、リストピン４８とスリーブ４６との間で生じる。

図４に見られるように、リストピン４８は、軸方向に離間され、偏心して配置された複数のジャーナルセグメントを含む円筒状部品である。第１のジャーナルセグメントＪ_１は、２つのジャーナルセグメントＪ_２の間のリストピンの中間部分に形成された環状軸受面を含む。２つのジャーナルセグメントＪ_２は、ジャーナルセグメントＪ_１のそれぞれの側の、リストピンの対向する両端に形成された環状軸受面を含む。ジャーナルセグメントＪ_１は、中心線Ａを有する。ジャーナルセグメントＪ_２は、中心線Ａからオフセットされた中心線Ｂを共有する。図５に示すように、中心線ＡおよびＢは、コネクティングロッド５０の長手方向軸６２に直交する線６０上で互いから等しい距離だけオフセットされている。図４に見られるように、スリーブ４６は、軸方向に離間され、偏心して配置された複数の表面セグメントを含むセグメント化された軸受面を有する半円筒形の部品である。第１の表面セグメントＪ_１´は、２つの表面セグメントＪ_２´の間のリストピンの中間部分に形成された円弧軸受面を含む。２つの表面セグメントＪ_２´は、表面セグメントＪ_１´のそれぞれの側の、スリーブの対向する両端に形成された円弧軸受面を含む。表面セグメントＪ_１´は、中心線Ａ´を有する。表面セグメントＪ_２´は、表面セグメントＪ_１´の中心線Ａ´からオフセットされた中心線Ｂ´を共有する。図５に示すように、中心線Ａ´およびＢ´は、コネクティングロッド５０の長手方向軸６２に直交する線６０´上で互いに等しい距離だけオフセットされている。リストピン４８は、コネクティングロッド５０の小端部４９に取り付けられ、スリーブ４６は、軸受面セットＪ_１−Ｊ_１´およびＪ_２−Ｊ_２´が対向するように、ピストンの内部構造に取り付けられる。

作動中、それらが取り付けられているピストンがＴＣ位置とＢＣ位置との間を往復運動するとき、リストピン４８とスリーブ４６との間の揺動振動運動は、軸受面セットＪ_１−Ｊ_１´とＪ_２−Ｊ_２´が圧縮荷重を交互に受けるようにする。荷重を受けるセグメントは一緒になり、セグメントは別個に荷重を解かれ、これによって、分離しているセグメント表面の間の空間に油膜が入ることが可能になる。軸受面セットが均等に荷重され、振動方向によって荷重が一方の軸受面セットから別の軸受面セットへとますます伝達されていくときに、軸受の振動中に「荷重伝達点」が生じる。２行程エンジンの１全サイクルの間、この点はピストンがＴＣからＢＣに移動するときに１回、および、ピストンがＢＣからＴＣに移動するときにもう１回の２回横切られる。図５に示すように、クランクシャフト間の角度オフセットが０°であることによって、ピストンの荷重伝達点は、０°（ピストンがそれぞれのＴＣ位置にあるとき）および１８０°（ピストンがそれぞれのＢＣ位置にあるとき）のクランクシャフト位置またはその付近に生じる。

荷重伝達点を位置決めすることは、ピーク周期強度を有する連続的な圧縮荷重を有する従来の２行程エンジンの動作において重要であることが認識されている。例えば、特許文献２は、軸受面間の油膜の最小化を回避するようにサイクルピーク荷重点（ピストンＴＣ位置の直後に生じる）に続いて生じるように荷重伝達点を位置決めすることを開示している。しかしながら、各シリンダ内に単一のクランクシャフトと単一のピストンがあることによって、各揺動ジャーナルインターフェースは、各サイクルで同時に同じ荷重伝達点に構成されている。

特許文献２が考慮していないことは、排気クランクシャフトが吸気クランクシャフトに先行する、２行程サイクル対向ピストンエンジンにおいて同じ荷重伝達点にすべてのピストン揺動ジャーナルを設定すると、排気ピストン内の同じリストピンセグメントがますます高い荷重状態にさらに移行し、その後、ピストンがＢＣに近づくにつれて荷重が減少することである。吸気リストピンセグメントと比較すると、排気リストピンセグメントの荷重のこのシフトは、動力行程中に影響を受けるリストピンセグメント（Ｊ_１またはＪ_２）上の最小油膜厚さ（ＭＯＦＴ）を低くし、圧縮行程中に荷重を受けるセグメント上のＭＯＦＴを高くし、これは揺動ジャーナル潤滑方式において望ましくない影響である。

段階的クランクシャフト（ｐｈａｓｅｄ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ）を有するユニフロー掃気対向ピストンエンジンにおける揺動ジャーナル軸受の荷重伝達点オフセットは、吸気ピストンの荷重伝達点と排気ピストンの荷重伝達点とに対して異なるオフセットを含む。例えば、排気クランクシャフトが吸気クランクシャフトに先行する条件下では、吸気クランクシャフトに対する排気クランクシャフトのオフセットに比例した排気揺動ジャーナルリストピンの角度オフセットが成されて、動力行程の間にピーク燃焼圧力を受けるときに、軸受ジャーナルのインターフェースに対する十分な油膜厚さが保証される。

場合によっては、荷重伝達点オフセットは、クランクシャフト先行に比例して荷重伝達点をオフセットするピストンとコネクティングロッドとの界面の小端部に対して揺動ジャーナルリストピンの円弧位置を選択することによって効果を発揮する。この荷重伝達点のオフセットにより、全エンジン動作サイクル中にピストンのＴＣの後、かつ最大荷重の前にリストピンに対するピーク荷重条件が発生する。荷重伝達点のこのオフセットは、揺動ジャーナル軸受の荷重状況（ｌｏａｄｉｎｇ ｒｅｇｉｍｅ）をクランクシャフトサイクルの後期にシフトさせ、それによって、動力行程および圧縮行程中に荷重されたジャーナルセグメントに適切な油膜厚さが提供される。

「従来技術」と適切にラベリングされている、２行程サイクル対向ピストンエンジンの概略図である。

「従来技術」と適切にラベリングされている、対向ピストンエンジンの２つのクランクシャフト間の位相オフセットを示すグラフ図である。

「従来技術」と適切にラベリングされている、揺動ジャーナル軸受を含むピストン結合機構の分解斜視図である。

「従来技術」と適切にラベリングされている、図３の揺動ジャーナルの軸受面を示す概略図である。

「従来技術」と適切にラベリングされている、第１の荷重伝達点を有する揺動ジャーナルを備えたピストン結合機構の図である。

第２の荷重伝達点が第１の荷重伝達点からオフセットされている揺動ジャーナルを備えたピストン結合機構の図である。

エンジン動作サイクルにおける連続点における吸気および排気ピストン結合機構の相対位置を示す概略図である。 エンジン動作サイクルにおける連続点における吸気および排気ピストン結合機構の相対位置を示す概略図である。

エンジン動作サイクル中の図７Ａおよび図７Ｂの吸気および排気ピストンに作用する力を示すグラフ図である。

軸受に対する荷重伝達点オフセットが０°である、様々な排気クランクシャフト先行の吸気および排気ピストン揺動ジャーナルリストピンの軸受セグメントに対する最小油膜厚さ（ＭＯＦＴ）の値を示すグラフ図である。

軸受に対する荷重伝達点オフセットが０°および２°である、様々な排気クランクシャフト先行の排気ピストン揺動ジャーナルリストピンの軸受セグメントに対するＭＯＦＴの値を示すグラフ図である。

軸受に対する荷重伝達点オフセットが０°および２．５°である、様々な排気クランクシャフト先行の排気ピストン揺動ジャーナルリストピンの軸受セグメントに対するＭＯＦＴの値を示すグラフ図である。

固定クランクシャフト位相調整：図１によるユニフロー掃気対向ピストンエンジンの対向する一対の排気および吸気ピストンのためのピストン結合機構が、図５に示すような揺動ジャーナル軸受を用いて組み立てられると仮定する。排気クランクシャフトと吸気クランクシャフトとの間の角度オフセットが０°の場合、排気および吸気ピストンの荷重伝達点は、おおよそ、１８０°離れたクランクシャフト位置（例えば、０°および１８０°）で生じる。ここで、排気クランク軸が吸気クランクシャフトに対してｘのクランク角だけ位相が前進されていると仮定する。この場合、図６に示すように、固定角度オフセットΦが排気ピストンの揺動ジャーナル軸受のリストピンに加えられ、その結果、排気ピストンの荷重遷移点が遅れる。換言すれば、排気揺動ジャーナル軸受の荷重伝達点は、角度オフセットΦだけシフトされる。この点に関して、オフセットΦは、結合ロッドの長手方向軸と、リストピンの中心線ＡおよびＢを結ぶ線６０との間で測定される。したがって、排気ピストンがＴＣまたはＢＣにあるとき、Ｊ_１−Ｊ_２リストピンジャーナルセグメントは、Ｊ_１´−Ｊ_２´軸受面セグメントに対してΦだけ回転される。このオフセットは、例えば、ねじ留め具５１を受け入れるねじ付き凹部５２（図３に最もよく示されている）の周方向の位置決めによってもたらされてもよい。図６に示される角度オフセットのＣＣＷ方向は限定であるようには意図されていないことは明らかである。

固定角度オフセットΦを排気ピストンの揺動ジャーナル軸受のリストピンに適用する効果が、図７Ａおよび図７Ｂに示されている。角度オフセットの原理を単に示すものであって、限定することを意図していないこれらの図では、視点はエンジンの後部から前部に向かっており、クランクシャフト３０および３２は両方とも時計回り方向に回転している。排気クランクシャフト３２がＣＡ＝０°にあるとき、排気ピストン２２はＴＣにあり、そのリストピンはまだ荷重伝達点まで回転していない。このとき、吸気クランクシャフト３０はＣＡ＝（０−ｘ）°にあり、吸気ピストン２０はＴＣに迫っており、そのリストピンはまだ荷重伝達点まで回転していない。その後、排気クランクシャフト３２がＣＡ＝（０＋ｘ）°まで前進すると、排気ピストン２２はＴＣを過ぎており、そのリストピンは荷重伝達点まで回転している。このとき、吸気クランクシャフト３０はＣＡ＝０°にあり、吸気ピストン２０はＴＣにあり、そのリストピンは荷重伝達点まで回転している。燃焼は、ピストンがそれぞれのＴＣ位置を通って移動した後短時間で発生すると仮定すると、シリンダ圧力、および結果としてのピストンに対する荷重は、圧縮行程から動力行程への移行時にピークに達する。図８は、固定角度オフセットΦを排気ピストンの揺動ジャーナル軸受のリストピンに適用した所望の結果を示す。曲線７０は、吸気クランクシャフト３０のＣＡに対する吸気ピストン２０の端面２０ｅに作用する燃焼圧力を示し、曲線７２は、排気クランクシャフト３２のＣＡに対する排気ピストン２２の端面２２ｅに作用する燃焼圧力を示す。好ましくは、揺動ジャーナルの各々における対向する軸受セグメントの一方のセットから他方の軸受セグメントセットへの圧縮荷重伝達は、周期的ピーク荷重の発生に近接して先行する各サイクル中に生じる。吸気ピストン２０に関しては、これは、ＣＡ＝０°またはそれに非常に近い位置（吸気ピストンがＴＣにあるかまたはそれに非常に近いとき）において生じる。排気ピストンが先行するとき、ＴＣ（ＣＡ＝０°）の十分後に周期的ピーク荷重が発生し、したがって、角度オフセットなしに、排気ピストンの荷重伝達点が、排気ピストンが周期的ピーク荷重を受ける十分前に生じる。本開示による角度オフセットによって、排気ピストンの荷重伝達点は、曲線７２上で７５°で生じ、これはピストンのＴＣに続くが、吸気ピストンと同程度に、周期的ピーク荷重の発生に先行する。

実施例：エンジン仕様が、排気クランクシャフトと吸気クランクシャフトとの間の好ましい位相差ｘを示すと仮定すると、好ましい角度オフセットΦは、例えばロッキングジャーナル特有の質量保存有限要素モデルによって経験的に決定することができる。この実施例によれば、位相差は４°≦ｘ≦１２°の範囲内の固定値であり、すなわち、排気クランクシャフト３２が吸気クランクシャフト３０にｘだけ先行する。図９〜図１１はこの実施例を示し、排気クランクシャフト先行がこの範囲内で変化するときに、吸気ピストンリストピン（ＭＯＦＴ Ｊ_１ ＩＮＴおよびＭＯＦＴ Ｊ_２ ＩＮＴ）および排出ピストンリストピン（ＭＯＦＴ Ｊ_１ ＥＸおよびＭＯＦＴ Ｊ_２ ＥＸ）上のＪ_１およびＪ_２ジャーナルセグメント上のＭＯＦＴがどのように影響され得るかを示す。限定であるようには意図されていないこの実施例では、吸入および排気ピストン揺動ジャーナルは、動力行程中にＪ_１セグメントが荷重され、圧縮行程中にＪ_２セグメントが荷重されるように組み立てられる。

図９に示すように、４°の排気クランクシャフト先行の吸気ピストン揺動軸受ジャーナルについて、Ｊ_１ジャーナルセグメントはＪ_２セグメントよりも約０．２μｍ少ないＭＯＦＴを有する。これは、ジャーナルセグメント間の伝達がＴＣの近くで行われるためである。４°の排気クランクシャフト先行では、吸気ピストンのピークシリンダ圧力は、より高い排気クランクシャフト先行よりもさらにそのサイクル内で生じる。Ｊ_２セグメントは、低荷重におけるＢＣからＴＣに近づくまで荷重を伝達および運搬する。その後、荷重伝達は、Ｊ_１セグメントに対して行われ、Ｊ_１セグメントは、初期の高荷重を感知し、ピークシリンダ圧力（ＰＣＰ）まで荷重を増加させる。より高い排気クランクシャフト先行では、吸気ピストンのピーク荷重は、サイクル内で早期に、伝達点のより近くに発生する。Ｊ_２セグメントは荷重をＰＣＰのより近くに運搬し、結果としてＭＯＦＴが減少し、Ｊ_１セグメントはＰＣＰにより近い点で荷重を受け入れ、その結果ＭＯＦＴが増加する。１２°の排気クランクシャフト先行においてＪ_２セグメントは最高ピーク荷重を受け、ＭＯＦＴが最も低くなり、Ｊ_１伝達は、ＰＣＰの非常に近くで生じ、高い初期スクイズ、および、８度の排気クランクシャフト先行よりもわずかに低いＭＯＦＴを引き起こす。全体的に、Ｊ_１およびＪ_２ジャーナル上の吸気ピストンピンＭＯＦＴは、試験に必要な排気クランクシャフト先行の範囲全体にわたって十分であり、合理的にバランスが取れている。伝達点を変更するためのリストピンの初期半径方向位置の操作は、吸気ピストンにとって必要でもなく、有益でもない。

図９に示されているように、排気ピストンリストピン上のＭＯＦＴはあまりバランスがとれていない。排気クランクシャフト先行が増加するにつれて、Ｊ_１およびＪ_２セグメント上のＭＯＦＴは発散する。ＰＣＰがサイクルの早期に発生する吸気ピストンとは異なり、排気クランクシャフトの先行が増加すると、排気ピストンＰＣＰはサイクルの後期に発生する。排気Ｊ_２セグメントは、排気クランクシャフト先行の増加に伴ってピーク荷重の減少を受け、Ｊ_１セグメントは、排気クランクシャフト先行の増加に伴ってＰＣＰまで、より長い正の荷重傾斜に移行する。変動する荷重状況の結果、Ｊ_２セグメント上のＭＯＦＴが増加し、排気ピストンリストピンのＪ_１セグメント上のＭＯＦＴが減少する。Ｊ_１セグメントのＭＯＦＴを向上させ、排気ピストンリストピン上のＪ_１セグメントとＪ_２セグメントとの間のＭＯＦＴのバランスをより均等にするために、固定角度オフセットがリストピンに適用され、結果として伝達点が遅れてＪ_２セグメントがより高い荷重を受け入れるようにし、結果としてＭＯＦＴがより低くなり、Ｊ_１セグメントはより短い圧力傾斜を有し、結果としてＭＯＦＴはより高くなる。

排気ピストンピンに２°の初期ピストンリストピン角度オフセットを加える効果を図１０に示す。図に示すように、排気ピストンリストピンに２°の初期角度回転を加えることの効果は、Ｊ_１セグメント上のＭＯＦＴがより高くなり、排気クランクシャフトの先行範囲にわたってＪ_２セグメント上のＭＯＦＴがより低くなることである。排気ピストンリストピン上の２°の角度オフセットによって、Ｊ_１およびＪ_２セグメントのＭＯＦＴは４°の排気クランクシャフト先行でよくバランスがとれ、排気クランクシャフト先行が増加するにつれて、ＭＯＦＴは発散する。２．５°の排気クランクシャフト先行のより大きい排気ピストンリストピン初期角度位置の効果を図１１に示す。排気ピストンピンの角度オフセットを２°から２．５°に増加させる結果として、８°および１２°の排気クランクシャフト先行におけるよりバランスのとれたＭＯＦＴが得られるが、４°の先行におけるＪ_２セグメント上の全体的な最小のＭＯＦＴはわずかに低くなる。排出ピストンピンの荷重点伝達オフセットがさらに増加する結果として、Ｊ_２セグメントＭＯＦＴがさらに減少し、これは望ましくない。図９〜図１１の例が示唆するように、排気ピストンリストピンの荷重伝達点の最適な初期オフセットがある。具体的には、この例は、４°〜１２°の排気クランク先行に対して、最適値が２°と２．５°の間にあることを示唆している。当然のことながら、この例で使用される範囲および値は例示的なものであり、限定的であると見なされるべきではない。

可変クランクシャフト位相調整：２重クランクシャフト動作のいくつかの態様では、動的に可変のクランクシャフト位相調整のために対向ピストンエンジンを装備することが望ましい場合がある。これに関しては、例えば、２０１４年１０月９日付で米国特許出願公開第２０１４／０２９９１０９号明細書として公開されている「Ｄｕａｌ Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ， Ｏｐｐｏｓｅｄ−Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｓ Ｗｉｔｈ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｃｒａｎｋ Ｐｈａｓｉｎｇ」と題する、２０１３年４月８日付で出願された、所有者が共通の米国特許出願第１３／８５８，９４３号を参照されたい。例えば、エンジン速度、エンジン荷重、給気流量、給気組成、または可能性として他のエンジン条件などの可変エンジン条件に応じてエンジン性能を最適化するために、一方のクランクシャフトのクランク角を他方のクランクシャフトに対して動的に位置決めまたは変更することができる。そのような場合、第１の揺動ジャーナル軸受の荷重伝達点は、一定範囲のクランクシャフト先行、例えば図９〜図１１に示す４°〜１２°の範囲にわたって有効であるように選択することができる。そのような場合、リストピンの角度オフセットは、何らかの範囲のクランクシャフト先行内の設計および性能要件に従って選択された何らかのＣＡで固定されたままである。したがって、揺動ジャーナル要素（例えば、リストピン）の角度オフセットは、所定のＣＡ範囲にわたって固定クランクシャフト位相調整または動的クランクシャフト位相調整のいずれかに適用することができる。

本開示は、段階的クランクシャフトを備えた対向ピストンエンジンにおける揺動ジャーナルリストピンの荷重伝達点オフセットの特定の実施形態を記載しているが、これらの実施形態は、本開示の基本原理の単なる例として述べられている。したがって、実施形態はいかなる限定的な意味においても考慮されるべきではない。

米国特許出願第１３／７７６，６５６号明細書 米国特許第３，７６２，３８９号明細書

Claims (8)

1. 第１の回転可能なクランクシャフトおよび第２の回転可能なクランクシャフト（３２，３０）と、
   第１のコネクティングロッド（４０，５０）によって前記第１のクランクシャフト（３２）にそれぞれ相互接続されている第１のピストン（２２）、および、前記第１のピストンに対向し、第２のコネクティングロッド（４０、５０）によって前記第２のクランクシャフト（３０）と相互接続されている第２のピストン（２０）を有する１つ以上のシリンダ（１０）と、
   前記第１のピストンと前記第１のコネクティングロッドとの間に配置されており、軸受面（Ｊ_１、Ｊ_１´、Ｊ_２、Ｊ_２´）の複数のセットを含む、第１の揺動ジャーナル軸受（４２）と、
   前記第２のピストンと前記第２のコネクティングロッドとの間に配置されており、対向する軸受面（Ｊ_１、Ｊ_１´、Ｊ_２、Ｊ_２´）の複数のセットを含む、第２の揺動ジャーナル軸受（４２）であって、各揺動ジャーナル軸受は、エンジン動作の連続的なサイクルの間に、軸受面の１つのセットから、対向する軸受面の別のセットへと圧縮荷重伝達が行われるそれぞれの荷重伝達点を有する、第２の揺動ジャーナル軸受（４２）と、を有し、
   前記第１のクランクシャフト（３２）は、クランク角ｘだけエンジン動作中に前記第２のクランクシャフト（３０）に先行するように位置決めされている、ユニフロー掃気対向ピストンエンジン（８）において、
   前記第１の揺動ジャーナル軸受の前記荷重伝達点（７５）は、対向する軸受面の１つのセットから別のセットへの荷重伝達が周期的ピーク荷重の発生に近接して先行する各サイクル中に生じるように選択され、
   前記第２の揺動ジャーナル軸受の前記荷重伝達点は、対向する軸受面の１つのセットから別のセットへの荷重伝達が前記周期的ピーク荷重の発生に近接して先行する各サイクル中に生じるように選択されることを特徴とするユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
2. 前記第１のクランクシャフトが前記第２のクランクシャフトに先行する前記クランク角は、４°≦ｘ≦１２°の範囲内の値ｘを有することを特徴とする請求項１に記載のユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
3. 前記第１の揺動ジャーナルの前記軸受面の複数のセットは、リストピン（４８）上に形成されている、複数の軸方向に離間され、偏心して配置されたジャーナルセグメント（Ｊ_２、Ｊ_１、Ｊ_２）と、スリーブ（４６）のセグメント化された軸受面上に形成されている、複数の対応する軸方向に離間され、偏心して配置された表面セグメント（Ｊ_２ ^´、Ｊ_１ ^´、Ｊ_２ ^´）とを含み、前記リストピンジャーナルセグメントは、前記軸受面セグメントに対して角度オフセットΦだけ回転されていることを特徴とする請求項２に記載のユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
4. 角度オフセットΦが２°≦Φ≦４°の範囲内の値を有することを特徴とする請求項３に記載のユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
5. 前記リストピンは、前記スリーブの前記セグメント化された表面に対して揺動振動するように、前記第１のコネクティングロッドの小端部に取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載のユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
6. 前記クランク角ｘが固定または可変であることを特徴とする請求項１に記載のユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
7. 前記第１のクランクシャフトが排気クランクシャフトであり、前記第２のクランクシャフトが吸気クランクシャフトであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のユニフロー掃気対向ピストンエンジン。
8. 前記第１のクランクシャフトおよび前記第２のクランクシャフトに、前記端面の間で前記第１のピストンの端面と前記第２のピストンの端面との間でユニフロー掃気対向ピストンエンジン内に形成された燃焼室での燃焼に応答して回転させるステップと、
   前記第２のクランクシャフトの回転に先行するように、前記第１のクランクシャフトを回転させるステップと、
   前記第１の揺動ジャーナルの前記荷重伝達点を、前記第１のクランクシャフトの回転に対して測定される第１のクランク角において発生させるステップと、
   前記第２の揺動ジャーナルの前記荷重伝達点を、前記第２のクランクシャフトの回転に対して測定される第２のクランク角において発生させるステップと
   によって、ユニフロー掃気対向ピストンエンジンを動作させる方法であって、
   前記第１のクランク角は、前記第２のクランク角よりも大きい、
   請求項１に記載のユニフロー掃気対向ピストンエンジンを動作させる方法。

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