JP2019520513A - ツインクランクシャフトエンジン - Google Patents

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Abstract

【課題】 ツインクランクシャフトエンジンを提供すること。【解決手段】 ピストン（３）と、ダブルクランク機構を構成する２本のクランクシャフト（１）と、気筒本体（５−１）とクランクシャフト支持部（５−２）とを包括するシリンダーブロック（５）と、を含み；ピストン（３）の下端は、ピストンロッドガイド（３−５）であり、シリンダーブロック（５）内にピストンロッドガイド溝（５−３）を有し、ピストン（３）の下端の開口部にピストンエンドキャップ（３−６）が取り付けられ、ピストンエンドキャップ（３−６）とピストンロッドガイド（３−５）の間が取り外し可能に固結し；前記ピストン（３）は、ピストンガイド側とピストン密封側を分離するスカートレスピストンであり、前記ピストン（３）密封側が前記ピストンヘッド（３−１）であり、前記ピストンガイド側が前記ピストンロッドガイド（３−５）及びピストンロッドガイド溝（５−３）であり、前記ピストン（３）は、応力均一化の設計が用いられているため、強度を増し、連接棒（４）とピストン（３）の連結部が耐摩耗設計となり、耐摩耗性とマシンの信頼性も向上する。【選択図】 図１０

Description

本発明は、エンジン技術分野に関し、特に、ツインクランクシャフトエンジンに関する。
現在、ガソリンエンジン又はディーゼルエンジンを問わず、いずれも実際の熱効率が理論熱効率よりもかなり低く、この現象の主な原因の一つは高温燃焼ガスと直接接触するシリンダライナ、ピストン等の部品が断熱効果の低い金属材料で製造され、金属材料の動作信頼性の継続は冷却システムを通じて密閉燃焼室から吸収した熱エネルギーを継続して冷却する必要がある。セラミック材料が断熱効果に優れた材料であり、シリンダライナ、ピストン等部品の高温燃焼ガスと直接接触する部分は、セラミック材料を用いて製造された場合、実際の熱効率をアップできる。ただし、セラミック材料の脆性による低信頼性は、エンジン上に活用される技術的障害となっている。
本発明者がすでに出願している特許文献１では、一定程度において上記問題を解決したが、その加工製造工程が比較的複雑で、相対運動の摩擦表面の摩損が比較的著しいため、幾つかの細かい問題が解決及び改良する必要があった。
中国特許出願番号第ＣＮ ２０１４１０６５３９６４．６号
上記従来技術の不足を克服するため、本発明は、ダブルクランク機構エンジンを改良し、ピストンと気筒ライナの摩耗及び衝撃を効果的に低減し、セラミック材料をエンジンに活用する信頼性を向上し、実際の熱効率を上げるツインクランクシャフトエンジンを提供することである。同時に、本発明は、可変圧縮比の設計を用い、ピストンの可変長の調整を通じて、ピストンの上死点のタイミングにそのエンジンの圧縮比を変更させる。エンジンが中小負荷状態にあった時、高圧縮比で熱効率を上げ；エンジンが全負荷状態にあった時、低圧縮比でノッキングを防止する。
本発明は、下記の技術的手段を通じて実現する。
気筒と、気筒内で直線往復運動できるピストンとを含むツインクランクシャフトエンジンであって、
前記気筒の両側に平行に設けられた２本のクランクシャフトに配置され、２本のクランクシャフトの対応するクランクピン間に連接棒がヒンジ結合されることで、ダブルクランク機構を構成し；
前記気筒を形成する気筒本体と、前記ダブルクランク機構を格納及び支持するクランクシャフト支持部とを含むシリンダーブロックを更に包括し；
前記ピストンの最上部はピストンヘッドであり、ピストンヘッドの下端がネック部であり、ネック部の下端が柱状のピストンロッドガイドであり、ピストンロッドガイド上にスロットを有し、前記連接棒が前記スロット内に摺動可能に挿入され、前記シリンダーブロック内に前記ピストンロッドガイドとマッチするピストンロッドガイド溝を有し、前記スロットの下端の開口部にピストンエンドキャップが取り付けられ、ピストンエンドキャップとピストンロッドガイドの間が取り外し可能に固結し；
前記ピストンは、ピストンガイド側とピストン密封側を分離するスカートレスピストンであり、前記ピストン密封側が前記ピストンヘッドであり、前記ピストンガイド側が前記ピストンロッドガイド及びピストンロッドガイド溝であり；
前記気筒は、複数あり、複数の気筒が直線状に１列又は２列配列し、前記ピストン、連接棒、ピストンロッドガイド及び各クランクシャフト上のクランクピンが気筒の数量及び位置に対応する。
前記ピストン、気筒の高温燃焼ガスと直接接触する部分は、セラミック材料が用いられる。
前記連接棒は、前記スロット内に位置する連接棒本体を含み、連接棒本体の両端に連接棒キャップが取り付けられ、連接棒キャップ及び連接棒本体とクランクピンとのヒンジ結合部が取り外し可能な固結となり；前記連接棒本体の前記スロットと接触する上下エッジに耐摩耗層が設けられる。
前記耐摩耗層は、前記連接棒本体の表面にめっきした耐摩耗層或いは個々に製造された瓦状の耐摩耗層或いは個々に製造された円弧形ブロック状の耐摩耗層である。
前記ピストンロッドガイドは、円柱状である。
前記各クランクシャフトの端部には、駆動歯車が取り付けられ、２個の駆動歯車間に出力歯車が噛合するよう取り付けられ、出力歯車がシリンダーブロックの主軸上に取り付けられ、前記シリンダーブロック上に前記駆動歯車を格納するための筐体を有する。
前記シリンダーブロック内には、前記クランクシャフトの主軸が挿通するための軸孔を有し、各軸孔の下端にキャップが取り付けられる。
前記ネック部は、４個のリブから成る十字柱状であり、４個のリブの外側はほぼ応力均一化の円弧形を呈し；或いは前記ネック部の外輪郭は、ほぼ応力均一化の曲面を備えた回転体形状である。
前記ピストンは、可変圧縮比ピストンであり、前記ネック部と前記ピストンロッドガイドとの間にガイドスライダが連結され、ガイドスライダが前記ネック部と摺動可能に連結すると共に制限手段が設けられ、前記ガイドスライダと前記ピストンロッドガイドが取り外し可能に固結され、前記ネック部内に弾性部材用溝を有し、弾性部材用溝内に弾性部材が取り付けられ、前記ネック部と前記ピストンロッドガイドとの間に圧縮隙間を残している。
前記弾性部材は、複数の皿ばねである。
本発明は、力を受ける作用点を高温、高圧及び高速のピストンと気筒ライナの往復作用エリアから他の低温で潤滑し易いエリアに移し、ピストンと気筒の間がピストンリングの背圧を除きその他の作用力の存在を無くし、セラミック材料で製造された気筒ライナ、ピストン等の部品は高温燃焼ガスの圧力荷重のみに耐えることを実現し、またセラミック材料の靭性及び製造コストを増やさないという前提において、その信頼性の向上及び寿命の延長を実現する。同時に、本発明のピストンと連接棒の連結、連接棒とクランクシャフトの連結はいずれも取り外し可能な構造であるため、加工性に優れ、ピストンが応力均一化の設計が用いられているため、強度を増し、連接棒とピストンの連結部が耐摩耗設計となり、耐摩耗性とマシンの信頼性も向上する。更に次のような利点も持っている。
１、往復慣性力と遠心慣性力が完全にバランスをとれることができ、マシンが対外的に転倒モーメントだけあり、振動が小さい。
２、横力がなく、ピストンのスラップ騒音がないため、騒音が小さい。
３、往復重量が小さく、往復加速度も小さいことから往復慣性力が小さく；横力がないことでピストンと気筒ライナの摩損が小さいため、エンジン外の性能曲線を改善でき、排気量１リットルあたりの出力も高い。
４、全ての運動表面が低温で潤滑しやすい環境になるため、機械効率をアップできる。
５、２本のクランクシャフトの存在は、気筒内の耐圧性を大幅に向上するため、発展できる潜在能力が非常に大きい。
６、機構の利点は、セラミック使用の信頼性を確保し、セラミックの使用により燃焼温度を大幅に上げ、その後熱回収のために条件を提供している。
７、圧縮ストロークに常温の水を注入し、混合ガスの温度を下げ、圧縮比も１５（可変圧縮比と合算すると、１５〜２６である）まで引き上げることができる。
８、点火前に高圧飽和水を注入し、蒸気を膨張して仕事をさせ、同時に蒸気の存在は、可燃ガスの気筒壁面に対する伝熱損失を下げることができることで、熱効率を上げる。
９、本発明の可変ピストン機構を用いると、圧縮比を１１〜１８．６の範囲で変えられ、高負荷下でノッキングしないことを保証する前提下で、中小負荷の熱効率を上げ、従って燃費を２０％節減できる。
１０、排気段階において、ピストンが最伸長状態にあるため、残留排ガスを大幅に下げることができることで、更に圧縮比を上げて熱効率を向上する。
以下に、添付図面及び実施例を基に本発明を更に説明する
本発明の構造を示す模式図 図１の左側面図 図１の右側面図 図１の上面図 図１の底面図 図１のＡ−Ａ線断面図 図１のＢ−Ｂ線断面図 図１のＣ−Ｃ線断面図 本発明の外部構造立体図 本発明の内部構造立体図 本発明のピストン立体図 本発明の連接棒構造図 本発明の可変圧縮比ピストンの構造を示す模式図（図１４のＤ−Ｄ線断面図） 本発明の可変圧縮比ピストンの構造を示す模式図
以下に、実施例を組み合わせて本発明を更に説明する。
図１〜１０に示すツインクランクシャフトエンジンは、気筒２と、気筒２内で直線往復運動できるピストン３とを含み；
前記気筒２の両側に平行に設けられた２本のクランクシャフト１に配置され、２本のクランクシャフト１の対応するクランクピン１−１間に連接棒４がヒンジ結合されることで、ダブルクランク機構を構成し；
前記気筒２を形成する気筒本体５−１と、前記ダブルクランク機構を格納及び支持するクランクシャフト支持部５−２とを含むシリンダーブロック５を更に包括し；
前記ピストン３の最上部はピストンヘッド３−１であり、ピストンヘッド３−１の下端がネック部３−２であり、ネック部３−２の下端が柱状のピストンロッドガイド３−５であり、ピストンロッドガイド３−５上にスロット３−４を有し、前記連接棒４が前記スロット３−４内に摺動可能に挿入され、前記シリンダーブロック５内に前記ピストンロッドガイド３−５とマッチするピストンロッドガイド溝５−３を有し、前記スロット３−４の下端の開口部にピストンエンドキャップ３−６が取り付けられ、ピストンエンドキャップ３−６とピストンロッドガイド３−５の間が取り外し可能に固結し；前記ピストンロッドガイド３−５は、円柱状であることが好ましく、力を受けることが均一で、加工性に優れ、構造が簡略化される。
前記ピストン３は、ピストンガイド側とピストン密封側を分離するスカートレスピストンであり、前記ピストン密封側が前記ピストンヘッド３−１であり、前記ピストンガイド側が前記ピストンロッドガイド３−５及びピストンロッドガイド溝５−３であり；
前記気筒２は、複数あり、複数の気筒２が直線状に１列又は２列配列し、前記ピストン３、連接棒４、ピストンロッドガイド３−５及び各クランクシャフト１上のクランクピン１−１が気筒２の数量及び位置に対応する。
前記ピストン３、気筒２の高温燃焼ガスと直接接触する部分は、セラミック材料が用いられる。
前記連接棒４は、前記スロット３−４内に位置する連接棒本体４−１を含み、連接棒本体４−１の両端に連接棒キャップ４−２が取り付けられ、連接棒キャップ４−２及び連接棒本体４−１とクランクピン１−１とのヒンジ結合部が取り外し可能な固結となり；前記連接棒本体４−１の前記スロット３−４と接触する上下エッジに耐摩耗層４−３が設けられる。
前記耐摩耗層４−３は、前記連接棒本体４−１の表面にめっきした耐摩耗層或いは個々に製造された瓦状の耐摩耗層或いは個々に製造された円弧形ブロック状の耐摩耗層である。
前記各クランクシャフト１の端部には、駆動歯車６が取り付けられ、２個の駆動歯車６間に出力歯車７が噛合するよう取り付けられ、出力歯車７がシリンダーブロック５の主軸上に取り付けられ、前記シリンダーブロック５上に前記駆動歯車６を格納するための筐体を有する。
前記シリンダーブロック５内には、前記クランクシャフト１の主軸が挿通するための軸孔を有し、各軸孔の下端にキャップ５−２が取り付けられる。
図６、図７、図１１に示すように、前記ネック部３−２は、４個のリブ３−７から成る十字柱状であり、４個のリブ３−７の外側はほぼ応力均一化の円弧形を呈し；或いは前記ネック部３−２の外輪郭は、ほぼ応力均一化の曲面を備えた回転体形状である。当業者であれば、応力均一化の設計が理想的な状態であり、工程の応用にほぼ達成できるため、用語「ほぼ」の意味をはっきりと理解している。本発明にとって、ピストンが一定のモーメントを受け、ネック部３−２の上部が受けるモーメントは比較的大きいため、４個のリブ３−７の外側の円弧形が上から下に向かって漸縮する円弧線であり；回転体の形状は、上が太く下が細い回転体である。
図１３、１４に示すように、前記ピストン３は、可変圧縮比ピストンであり、前記ネック部３−２と前記ピストンロッドガイド３−５との間にガイドスライダ３−９が連結され、ガイドスライダ３−９が前記ネック部３−２と摺動可能に連結すると共に制限手段３−１０が設けられ、前記ガイドスライダ３−９と前記ピストンロッドガイド３−５が取り外し可能に固結され、前記ネック部３−２内に弾性部材用溝３−８を有し、弾性部材用溝３−８内に弾性部材８が取り付けられ、前記ネック部３−２と前記ピストンロッドガイド３−５との間に圧縮隙間３−１１を残している。本発明の可変ピストン機構を用いると、圧縮比を１１〜１８．６の範囲で変えられ、高負荷下でノッキングしないことを保証する前提下で、中小負荷の熱効率を上げ、従って燃費を２０％節減できる。
前記弾性部材８は、複数の皿ばねを組み立ててから成り、大荷重に耐えられ、取り付けに便利で、安全性も高い。
ダブルクランク機構内において、ピストンと連接棒の摩擦力によってピストンの横力が発生し、ピストンは、ガイドブロックに沿って往復摺動し、ピストンの横力が完全にピストンガイド溝で受けることで、ピストンと気筒ライナの衝撃摩擦が起きない。ピストンと連接棒の摩擦、又はピストンとピストンガイド溝の摩擦を問わず、いずれも低温で潤滑しやすい環境にある。実施例において、ここで摩擦係数は、０．０２〜０．０６であり、エンジンの回転数が４０００ｒ／ｍｉｎの時、従来のクランクスライド機構の最大横力が３５００Ｎであり、ピストン速度が１６ｍ／ｓであり、ピストンと気筒ライナの間の摩損、密封、ガス漏れ、機械的騒音等の問題に伴って生じる。本発明のピストンは、ガイドと密封を分離させ、ガイド側は全負荷を受け、かつ低温で潤滑し易いエリアにあり、密封側が無負荷で、かつ高温エリアにあるという独自の設計を有するため、上記問題を良好に解決できる。往復直列４気筒１．８Ｌの最大出力トルク：２２５Ｎｍ＠４０００ｒ／ｍｉｎ、最高出力：１１８ＫＷ＠５５００ｒ／ｍｉｎであり、最大トルクタイミング４０００ｒ／ｍｉｎ上昇を制限する主な要因の一つがピストンと気筒の摩損であり、そのタイミング以降エンジンが自動的に燃料噴射量を減らして摩損を軽減する。本発明のツインクランクシャフトエンジンのピストンガイド機構は、低温で潤滑し易い環境にあるため、その対偶点の圧力潤滑方式がすでにかなり成熟しており、摩損量も非常に小さいことにより、この最大トルクに対応する回転数のタイミングを５５００ｒ／ｍｉｎ程度まで延長できる。
また、本発明は、エンジンの高さや寸法を減らすことができ；従来の対向横置エンジンの横向き寸法が自動車全体配置を制限する１つの重要寸法であり、クランクスライダ機構がピストンと気筒ライナの横力を減らすため、連接棒の穴中心間距が一般的にクランクシャフト回転半径の３．２〜４倍となり、本発明がダブルクランク機構を用いるため、その要因の制限を受けない。
１ クランクシャフト
１−１ クランクピン
１−２ 油路
２ 気筒
３ ピストン
３−１ ピストンヘッド
３−２ ネック部
３−３ 耐摩損キャップ
３−４ スロット
３−５ ピストンロッドガイド
３−６ ピストンエンドキャップ
３−７ リブ
３−８ 弾性部材用溝
３−９ ガイドスライダ
３−１０ 制限手段
３−１１ 圧縮隙間
４ 連接棒
４−１ 連接棒本体
４−２ 連接棒キャップ
４−３ 耐摩耗層
４−４ ライトニングホール
５ シリンダーブロック
５−１ 気筒本体
５−２ クランクシャフト支持部
５−３ ピストンロッドガイド溝
５−４ キャップ
６ 駆動歯車
７ 出力歯車
８ 弾性部材

Claims (10)

  1. 気筒(２)と、前記気筒(２)内で直線往復運動できるピストン(３)とを含むツインクランクシャフトエンジンであって、
    前記気筒(２)の両側に平行に設けられた２本のクランクシャフト(１)に配置され、前記２本のクランクシャフト(１)の対応するクランクピン(１−１)間に連接棒(４)がヒンジ結合されることで、ダブルクランク機構を構成し；
    前記気筒(２)を形成する気筒本体(５−１)と、前記ダブルクランク機構を格納及び支持するクランクシャフト支持部(５−２)とを含むシリンダーブロック(５)を更に包括し；
    前記ピストン(３)の最上部は、ピストンヘッド(３−１)であり、前記ピストンヘッド(３−１)の下端がネック部(３−２)であり、前記ネック部(３−２)の下端が柱状のピストンロッドガイド(３−５)であり、前記ピストンロッドガイド(３−５)上にスロット(３−４)を有し、前記連接棒(４)が前記スロット(３−４)内に摺動可能に挿入され、前記シリンダーブロック(５)内に前記ピストンロッドガイド(３−５)とマッチするピストンロッドガイド溝(５−３)を有し、前記スロット(３−４)の下端の開口部にピストンエンドキャップ(３−６)が取り付けられ、前記ピストンエンドキャップ(３−６)と前記ピストンロッドガイド(３−５)の間が取り外し可能に固結し；
    前記ピストン(３)は、ピストンガイド側とピストン密封側を分離するスカートレスピストンであり、前記ピストン密封側が前記ピストンヘッド(３−１)であり、前記ピストンガイド側が前記ピストンロッドガイド(３−５)及び前記ピストンロッドガイド溝(５−３)であり；
    前記気筒(２)は、複数あり、複数の前記気筒(２)が直線状に１列又は２列配列し、前記ピストン(３)、連接棒(４)、前記ピストンロッドガイド(３−５)及び各前記クランクシャフト(１)上の前記クランクピンが前記気筒(２)の数量及び位置に対応する
    ことを特徴とするツインクランクシャフトエンジン。
  2. 前記ピストン(３)、前記気筒(２)の高温燃焼ガスと直接接触する部分は、セラミック材料が用いられる
    請求項１に記載のツインクランクシャフトエンジン。
  3. 前記連接棒(４)は、前記スロッ(３−４)内に位置する連接棒本体(４−１)を含み、前記連接棒本体(４−１)の両端に連接棒キャップ(４−２)が取り付けられ、前記連接棒キャップ(４−２)及び前記連接棒本体(４−１)と前記クランクピン(１−１)とのヒンジ結合部が取り外し可能な固結となり；前記連接棒本体(４−１)の前記スロット(３−４)と接触する上下エッジに耐摩耗層(４−３)が設けられる
    請求項１に記載のツインクランクシャフトエンジン。
  4. 前記耐摩耗層(４−３)は、前記連接棒本体(４−１)の表面にめっきした耐摩耗層或いは個々に製造された瓦状の耐摩耗層或いは個々に製造された円弧形ブロック状の耐摩耗層である
    請求項３に記載のツインクランクシャフトエンジン。
  5. 前記的ピストンロッドガイド（３−５）は、円柱状である
    請求項１に記載のツインクランクシャフトエンジン。
  6. 前記各クランクシャフト(１)の端部には、駆動歯車(６)が取り付けられ、２個の前記駆動歯車(６)間に出力歯車(７)が噛合するよう取り付けられ、前記出力歯車(７)が前記シリンダーブロック(５)の主軸上に取り付けられ、前記シリンダーブロック(５)上に前記駆動歯車(６)を格納するための筐体を有する
    請求項１に記載のツインクランクシャフトエンジン。
  7. 前記シリンダーブロック(５)内には、前記クランクシャフト(１)の主軸が挿通するための軸孔を有し、各軸孔の下端にキャップ(５−２)が取り付けられる
    請求項１に記載のツインクランクシャフトエンジン。
  8. 前記ネック部(３−２)は、４個のリブ(３−７)から成る十字柱状であり、４個のリブ(３−７)の外側はほぼ応力均一化の円弧形を呈し；或いは前記ネック部(３−２)の外輪郭は、ほぼ応力均一化の曲面を備えた回転体形状である
    請求項１に記載のツインクランクシャフトエンジン。
  9. 前記ピストン(３)は、可変圧縮比ピストンであり、前記ネック部(３−２)と前記ピストンロッドガイド(３−５)との間にガイドスライダ(３−９)が連結され、前記ガイドスライダ(３−９)が前記ネック部(３−２)と摺動可能に連結すると共に制限手段(３−１０)が設けられ、前記ガイドスライダ(３−９)と前記ピストンロッドガイド(３−５)が取り外し可能に固結され、前記ネック部(３−２)内に弾性部材用溝(３−８)を有し、前記弾性部材用溝(３−８)内に弾性部材(８)が取り付けられ、前記ネック部(３−２)と前記ピストンロッドガイド(３−５)との間に圧縮隙間(３−１１)を残している
    請求項１に記載のツインクランクシャフトエンジン。
  10. 前記弾性部材(８)は、複数の皿ばねを組み立ててから成る
    請求項９に記載のツインクランクシャフトエンジン。
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