JP2022172974A - 無人飛行体のエンジン装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】機体の重量バランスが良く、ジャイロ効果が相殺でき、プロペラのオートローテーションが可能な無人飛行体のエンジン装置を提供する。【解決手段】左右方向に対向して配置され、シリンダ内のピストンが互いに逆向きに進退する第１気筒及び第２気筒と、上下方向に配置され、第１気筒と第２気筒によってそれぞれ駆動され互いに逆向きに回転する第１クランクシャフト及び第２クランクシャフトと、互いに逆向きに回転する第１遠心クラッチ及び第２遠心クラッチと、プロペラシャフトを回転させる直交変換ギアからなるギア機構に回転力を伝達するファイナルドライブシャフトと、第１クランクシャフト及び第２クランクシャフトとファイナルドライブシャフトの間に配置され、第１クランクシャフト及び第２クランクシャフトの両方で駆動されるワンウェイクラッチと、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、無人飛行体のエンジン装置に関し、より詳しくは、左右の水平対向エンジンに設けられた２本のクランクシャフトに対応して、２つの遠心クラッチを取り付けた無人飛行体のエンジン装置に関する。
無人飛行体（ドローン）にレシプロエンジンが使用される場合が増えている。レシプロエンジンは、代表的には直列エンジンと水平対向エンジンが知られる。水平対向エンジンは、クランクシャフトの左右両側に、水平にピストンとシリンダのブロックが配置される。水平対向エンジンは、直列エンジンに比べエンジン振動が少なく、エンジンの前後方向の長さが短くできるとの利点がある。
特許文献１には、上下方向に縦向きに第１ピストンと第２ピストンを配置し、その下部に各ピストンに対応した第１クランクシャフトと第２クランクシャフトを水平に配置したエンジンが開示される。第１クランクシャフトと第２クランクシャフトは、回転方向が互いに逆で、機体のジャイロ効果を相殺するように構成される。
複数のプロペラを有する無人飛行体のレシプロエンジンでは、機体の安全性と姿勢制御を良好に保つため、以下が求められる。（１）機体の重量バランスを良くすること。具体的には、エンジンの出力軸が機体の中心にあり、エンジンの重心位置が機体の重心位置と一致していること。（２）エンジン内の回転部品は、そのジャイロ効果が、機体の制御性に悪影響を与えないこと。（３）トラブルによりエンジンが停止した場合でも、機体をより安全に着陸できること。すなわちエンジンが停止しても、プロペラが空気流を受けてオートローテーションできること。
特開２０１９－１４８１８６号公報
本発明の目的は、（１）機体の重量バランスが良く、（２）機体の制御に悪影響を与えるジャイロ効果が相殺でき、（３）エンジンが停止した場合でもプロペラのオートローテーションが可能な無人飛行体のエンジン装置を提供することにある。
本発明による無人飛行体のエンジン装置は、左右方向の軸線上に対向して水平に配置され、シリンダ内のピストンが互いに逆向きに進退する第１気筒及び第２気筒と、前記軸線と直交する上下方向に配置され、前記第１気筒と前記第２気筒のそれぞれによって駆動され互いに逆向きに回転する第１クランクシャフト及び第２クランクシャフトと、前記第１クランクシャフト及び第２クランクシャフトの上方に配置され、互いに逆向きに回転する第１遠心クラッチ及び第２遠心クラッチと、プロペラシャフトを回転させるギア機構に回転力を伝達するファイナルドライブシャフトと、前記第１クランクシャフト及び第２クランクシャフトと前記ファイナルドライブシャフトの間に配置され、前記第１クランクシャフト及び第２クランクシャフトの両方で駆動されるワンウェイクラッチと、が備えられることを特徴とする。
前記第１気筒からの排気管と前記第２気筒からの各排気管が、等長の箇所で結合され、Ｕターンして下部に配置されたマフラーに連結されることを特徴とする。（請求項２）
前記第１気筒及び第２気筒には、それぞれバルブを制御する第１カムシャフトと第２カムシャフトが設けられ、一方が前記第１クランクシャフトで駆動され、他方が前記第２クランクシャフトの反転ギアを介して駆動され、前記第１カムシャフトと前記第２カムシャフトが同じ方向に回転されることを特徴とする。（請求項３）
本発明による無人飛行体のエンジン装置によれば、
（１）第１遠心クラッチ及び第２遠心クラッチの２つを設け、慣性モーメントの大きな第１遠心クラッチ及び第２遠心クラッチを互いに逆向きに回転させるので、ジャイロ効果を相殺でき、姿勢制御が容易となる。
（２）半径が大きく高さもある１つの遠心クラッチを設ける場合より、遠心クラッチを２つ設けた方が高さを低くできる。また、第１遠心クラッチと第２遠心クラッチをエンジン中心の対称な位置に配置でき、重心を中央に維持できる。
（３）ワンウェイクラッチを設けたので、オートローテーションが可能になり、墜落の危険が大幅に低減できる。例としてエンジン故障となっても、ワンウェイクラッチのプロペラ側の軸は、回転を続けることができる。
（４）第１気筒及び第２気筒を左右方向の軸線上に水平に配置し、シリンダ内のピストンを互いに逆向きに進退させたので、ピストンの振動が相殺され、低振動にできる。
（５）第１クランクシャフト及び第２クランクシャフトを上下方向、縦向きに配置したので、エンジン装置の前後方向の長さを抑えることができる。
請求項２によれば、（１）マフラーをエンジンの下部に配置したので、エンジンの重心を中央付近に維持できる。（２）マフラーが１本なので、軽量かつコンパクトにできる。（３）等長の箇所で１本に絞ったので、排気管の容積を節約できる。
請求項３によれば、第１カムシャフトと第２カムシャフトが同じ方向に回転されるとしたので、第１気筒及び第２気筒のシリンダ、ピストン及びバルブ制御部を共通にできる。同じ方向の回転であってもジャイロ効果は、極めて小さいため無視できる。部材の共通化の効果の方が大きい。
本発明による無人飛行体のエンジン装置の斜視図である。 本発明による無人飛行体のエンジン装置の斜視図である。 無人飛行体のエンジン装置の主要部材の回転方向を示す図である。 補機を含む無人飛行体のエンジン装置の外観図である。 図４の左側面図である。
以下、図面に基づいて本発明の無人飛行体のエンジン装置を詳しく説明する。
図１は、本発明による無人飛行体のエンジン装置１００の斜視図である。右後方上部から斜め下方向を見た斜視図である。外側カバーを外して内部が見えるように図示した。エンジン装置１００は、２気筒のエンジンで、第１気筒１０及び第２気筒２０が左右方向の軸線上に対向して水平に配置される。第１気筒１０には第１ピストン１１が備えられ、第２気筒２０には第２ピストン２１が備えられる。例として第２気筒２０には、第２ベルト２８で駆動される第２ギア２７により、第２カムシャフト２６が回転し、排気バルブと給気バルブを制御している。
図１に示すように、第１クランクシャフト３０及び第２クランクシャフト４０は、軸線と直交する上下方向に立設される。第１クランクシャフト３０は、第１気筒１０の第１ピストン１１によって駆動され回転する。第２クランクシャフト４０は、第２気筒２０の第２ピストン２１によって駆動され回転する。第１クランクシャフト３０と第２クランクシャフト４０は、回転方向が互いに逆方向でジャイロ効果を相殺できる。第１クランクシャフト３０の下部には、第１発電機６４が設けられ、第２クランクシャフト４０の下部には、第２発電機６５が設けられる。第１発電機６４及び第２発電機６５は、第１クランクシャフト３０及び第２クランクシャフト４０の回転で電気を発電し、エンジンの点火装置、燃料供給装置及び無人飛行体の制御部などに給電する。スターター７５は、後方下側に設けられる。
第１遠心クラッチ８０及び第２遠心クラッチ９０は、第１クランクシャフト３０及び第２クランクシャフト４０の上方に配置される。第１遠心クラッチ８０には、第１クランクシャフト３０の回転力が伝達される。第２遠心クラッチ９０には第２クランクシャフト４０の回転力が伝達される。第１遠心クラッチ８０は、第１クランクシャフト３０の回転力が高くなると、内部の錘に遠心力が作用して、クラッチ板が結合し、図面下方向に突出する出力ギアを回転させる。第２遠心クラッチ９０も第２クランクシャフト４０の回転力が高くなると、同様に図面下方向に突出する出力ギアを回転させる。
ワンウェイクラッチ５０は、第１遠心クラッチ８０及び第２遠心クラッチ９０の下側に配置される。ワンウェイクラッチ５０は、外側のギアが第１遠心クラッチ８０及び第２遠心クラッチ９０の両方で駆動される。第１遠心クラッチ８０及び第２遠心クラッチ９０は、回転方向が互いに逆方向なので、この実施例では、第１遠心クラッチ８０の出力ギアが反転ギア３４で回転方向が反転され、ワンウェイクラッチ５０を駆動する。第２遠心クラッチ９０の出力ギアは、直接、ワンウェイクラッチ５０を駆動する。ワンウェイクラッチ５０は、第１遠心クラッチ８０及び第２遠心クラッチ９０の回転力が内部で爪により伝達され、出力軸が一方向に回転される。出力軸は、爪で一方向に駆動されなくても、一方向には回転でき、いわいるワンウェイクラッチとして作用する。
ワンウェイクラッチ５０の出力軸は、ギアを介して、回転力がファイナルドライブシャフト６０に伝達される。ファイナルドライブシャフト６０には、直交変換ギアからなるギア機構７０により、４方向のプロペラシャフト７１～７４に回転力が伝達される。
図２は、本発明による無人飛行体のエンジン装置１００の斜視図である。右後方の下部から斜め上方向を見た斜視図である。図１を補足する形で説明する。第１気筒１０及び第２気筒２０は、左右方向に対向して水平に配置される。第１クランクシャフト３０及び第２クランクシャフト４０は、第１気筒１０と第２気筒２０を結ぶラインに直交する上下方向に設けられる。
図２に示すように、第１気筒１０には、第１ベルト１８で駆動される第１ギア１７により、第１カムシャフト１６が回転し、排気バルブと給気バルブを制御している。第１ピストン１１は、第１シリンダ内にあって、コンロッドに連結され、第１クランクシャフト３０を回転させる。第２ピストン２１は、第２シリンダ内にあって、コンロッドに連結され、第２クランクシャフト４０を回転させる。第２気筒２０の第２ベルト２８は、第２クランクシャフト４０の回転方向が反転ギア２９で反転され、反転ギア２９の軸に設けたギアで駆動される。即ち第２カムシャフト２６の回転方向は、第２クランクシャフト４０の回転方向とは逆になる。
第１遠心クラッチ８０の下側は次のように構成される。ドリブンギア３１は、第１クランクシャフト３０のギアで駆動され、第１遠心クラッチシャフト３２を回転させる。第１遠心クラッチシャフト３２が回転し回転速度が高くなると、第１遠心クラッチ８０の内部の錘に遠心力が作用して、内部に設けたクラッチ板が結合する。これにより、第１遠心クラッチ８０下側の第１遠心クラッチ出力ギア３３を回転させる。第１遠心クラッチ出力ギア３３の回転は、シャフト３５に設けられた反転ギア３４で反転される。反転ギア３４は、ワンウェイクラッチ５０のワンウェイクラッチギア５１に噛み合って、ワンウェイクラッチ５０を回転させる。すると、ワンウェイクラッチ出力シャフト５２が回転する。ワンウェイクラッチ出力シャフト５２に設けられたドライブギア５３により、回転力がドリブンギア６３を介してファイナルドライブシャフト６０に伝達される。第２遠心クラッチ９０も同様の構造で、第２遠心クラッチ９０の出力は、第２遠心クラッチ出力ギア４３で示される。ただし、反転ギアはなく、第２遠心クラッチ出力ギア４３がワンウェイクラッチギア５１に噛み合って回転力が伝達される。
図３は、無人飛行体のエンジン装置１００の主要部材の回転方向を示す図である。右前方上部から斜め下方向を見た斜視図である。第１クランクシャフト３０を時計回りとし、第２クランクシャフト４０は反時計回りと定義する。ギアの配置から、第１遠心クラッチ８０が反時計回りで、第２遠心クラッチ９０は時計回りになる。いずれも回転方向が互いに逆方向なので、これによりジャイロ効果を相殺できる。第１カムシャフト１６と第２カムシャフト２６は共に時計回りとなるがジャイロ効果は極めて小さく無視できる。部材の共通化の効果の方が大きい。
図３を参照して、第１遠心クラッチ８０の下側の構造を補足して説明する。第１遠心クラッチ８０のドリブンギア３１は、第１クランクシャフト３０のドライブギア３７で駆動され、第１遠心クラッチシャフト３２を回転させる。第１遠心クラッチシャフト３２が回転すると、第１遠心クラッチ８０の内部の錘に遠心力が作用して、内部のクラッチ板が結合する。すると、第１遠心クラッチ８０下側の第１遠心クラッチ出力ギア３３（図２参照）を回転させる。
同様に第２遠心クラッチ９０のドリブンギア４１は、第２クランクシャフト４０のドライブギア４７で駆動され、第２遠心クラッチシャフト４２を回転させる。第２遠心クラッチシャフト４２が回転すると、第２遠心クラッチ９０の内部の錘に遠心力が作用して、内部のクラッチ板が結合する。すると、第２遠心クラッチ９０下側の第２遠心クラッチ出力ギア４３（図２参照）を回転させる。
図３に示すように、第１クランクシャフト３０と第２クランクシャフト４０の間に歯数が同じギア３６、３６を配置し、噛み合わせて回転させている。一方のギア３６は、第１クランクシャフト３０で駆動され、他方のギア３６は、第２クランクシャフト４０で駆動されるので、第１クランクシャフト３０と第２クランクシャフト４０が等回転速度となる。
図４は、補機を含む無人飛行体のエンジン装置１００の外観図で、図５は図４の左側面図である。図４に示すように、第１ラジエータ又はオイルクーラー６７と、第２ラジエータ又はオイルクーラー６８が、第１気筒１０と第２気筒２０の冷却に使用される。排気管５５は、第１排気管５６と第２排気管５７からなり、結合部５８に集めて１本に絞りＵターンさせてマフラー５９に至る。第１排気管５６と第２排気管５７は、結合部までの長さを等長とした。図５に示すように、マフラー５９はエンジンの下部の中央に配置したので、機体の重心位置を保つことができる。
本発明によれば、第１クランクシャフトと第２クランクシャフトに対応して、第１遠心クラッチと第２遠心クラッチを設け、互いに逆向きに回転させたので、ジャイロ効果を相殺でき姿勢制御が容易にでき、無人飛行体のエンジン装置として好適である。
１０ 第１気筒
１１ 第１ピストン
１６ 第１カムシャフト
１７ 第１ギア
１８ 第１ベルト
２０ 第２気筒
２１ 第２ピストン
２６ 第２カムシャフト
２７ 第２ギア
２８ 第２ベルト
２９ 反転ギア
３０ 第１クランクシャフト
３１ ドリブンギア
３２ 第１遠心クラッチシャフト
３３ 第１遠心クラッチ出力ギア
３４ 反転ギア
３５ シャフト
３６ ギア
３７ ドライブギア
４０ 第２クランクシャフト
４１ ドリブンギア
４２ 第２遠心クラッチシャフト
４３ 第２遠心クラッチ出力ギア
４７ ドライブギア
５０ ワンウェイクラッチ
５１ ワンウェイクラッチギア
５２ ワンウェイクラッチ出力シャフト
５３ ドライブギア
５５ 排気管
５６ 第１排気管
５７ 第２排気管
５８ 結合部
５９ マフラー
６０ ファイナルドライブシャフト
６３ ドリブンギア
６４ 第１発電機
６５ 第２発電機
６７ 第１ラジエータ又はオイルクーラー
６８ 第２ラジエータ又はオイルクーラー
７０ ギア機構（直交変換ギア）
７１、７２、７３、７４ プロペラシャフト
７５ スターター
８０ 第１遠心クラッチ
９０ 第２遠心クラッチ
１００ 無人飛行体のエンジン装置
前記第１気筒からの排気管と前記第２気筒からの排気管が、等長の箇所で結合され、Ｕターンして下部に配置されたマフラーに連結されることを特徴とする。

Claims (3)

  1. 左右方向の軸線上に対向して水平に配置され、シリンダ内のピストンが互いに逆向きに進退する第１気筒及び第２気筒と、
    前記軸線と直交する上下方向に配置され、前記第１気筒と前記第２気筒のそれぞれによって駆動され互いに逆向きに回転する第１クランクシャフト及び第２クランクシャフトと、
    前記第１クランクシャフト及び第２クランクシャフトの上方に配置され、互いに逆向きに回転する第１遠心クラッチ及び第２遠心クラッチと、
    プロペラシャフトを回転させる直交変換ギアからなるギア機構に回転力を伝達するファイナルドライブシャフトと、
    前記第１クランクシャフト及び第２クランクシャフトと前記ファイナルドライブシャフトの間に配置され、前記第１クランクシャフト及び第２クランクシャフトの両方で駆動されるワンウェイクラッチと、
    が備えられることを特徴とする無人飛行体のエンジン装置。
  2. 前記第１気筒からの排気管と前記第２気筒からの各排気管が、等長の箇所で結合され、Ｕターンして下部に配置されたマフラーに連結されることを特徴とする請求項１に記載の無人飛行体のエンジン装置。
  3. 前記第１気筒及び第２気筒には、それぞれバルブを制御する第１カムシャフトと第２カムシャフトが設けられ、一方が前記第１クランクシャフトで駆動され、他方が前記第２クランクシャフトの反転ギアを介して駆動され、前記第１カムシャフトと前記第２カムシャフトが同じ方向に回転されることを特徴とする請求項１に記載の無人飛行体のエンジン装置。
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