JP2023060794A - クランク構造及び当該クランク構造を備えたレシプロエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】容易にロングストローク化することが可能であって、簡潔な構造のクランク構造を提供すると共に、当該クランク構造を組み込んだレシプロエンジンを提供する。【解決手段】クランク構造１０は、コンロッド１１の基端側に内歯車１５ａを備えた円環部１５を設け、当該円環部内に内歯車と噛合する歯車１６が転動自在に配され、当該歯車と同軸上で重合された円盤状の偏心フリーローター１７が円環部内に滑動かつ回動自在に嵌合されている。歯車の直径と内歯車の内径との比は１：２であり、歯車を軸支しているクランクピン１２とクランク軸間の距離、クランクアーム１３の回転半径と、内歯車の内径の比は１：４である。これによって、コンロッドが往復運動するとき、内歯車の内径と同径でクランクアームが１回転する従来のクランク構造と比較して、コンロッドは従来の２倍の利得を得ることができるので、容易にロングストローク化させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、コンロッドの往復運動を所定のリンク機構を介して回転運動へ変換するクランク構造と、当該クランク構造を備えたレシプロエンジンに関するものである。

レシプロエンジンは、吸気、圧縮、爆発、排気の各工程によってピストンを動かし、当該ピストンに連結されているコンロッドの往復運動を所定のリンク機構でクランク軸の回転運動に変換して、回転動力を出力するように構成されている。
従来、ピストンはコンロッドの先端で回動自在に軸支され、ピストン及びコンロッド先端部の往復運動が、コンロッド基端部の回転運動に変換され、クランクピン、クランクアームからなるリンク機構を介してクランク軸の回転運動が伝達されている。

また、特開２０１５－２２４７４５号に開示されているレシプロエンジンに於けるピストン運動の回転変換構造は、ピストンに固定したコンロッドと、直線運動を回転運動に変換する遊星歯車機構部と、その内歯車の中心位置で軸支される駆動軸と、から少なくとも構成し、遊星歯車機構部が、一対の内歯車と、各内歯車内で噛合すると共にそのピッチ円直径が内歯車の１／２である遊星歯車と、コンロッドとピンを介して軸支すると共に遊星歯車に固着した連結杆と、遊星歯車に固着すると共に駆動軸に固着した固定杆と、から成され、且つ、ピンの中心が常にコンロッドの軸心線上に位置するように配置されるように構成されている。これによって、ピストンの側圧がシリンダーに殆ど生じないものとなり、摩擦損失が軽減されると共に、エンジンの小型化や軽量化が可能なものとなり、更に振動や騒音の発生が減少するようにしている。

特開２０１５－２２４７４５号公報

従来のクランク構造の場合、コンロッドの基端側大径部がクランクアームの長さを半径とする円周に沿って回転している。そのため、コンロッドの上死点と下死点間の往復距離は、クランクアームの直径と等しい。これによって、往復距離を長くする、すなわち、ロングストローク化した場合、クランクアームを長くしなければならず、クランクケースが大型化する等の問題が生じるため、現状ではエンジンの設計段階でクランクアームの長さに制限がかかってしまうおそれがある。

上記の問題に対して、上記の特開２０１６－０７５２０８号に開示されているピストン運動の回転変換構造は、クランクアームに替えて内歯車と遊星歯車機構からなる変換機構を設けて、従来のクランク構造におけるクランクアームの回転動作を、内歯車に内接して転動する遊星歯車の回転に変換し、ピストンを直線的に往復運動させると共に、当該往復運動にクランクアームの長さが影響しないように構成している。
しかしながら、上記の回転変換構造によれば、内歯車に内接している遊星歯車がピストンに加わる圧力によって内歯車からズレたり、滑ったりして正しく力を変換することができないおそれがある。また、回転返還構造に係る部品点数が多いことから、装置が複雑化して組立に手間暇及びコストがかかるおそれがある。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、容易にロングストローク化することが可能であって、簡潔な構造のクランク構造を提供すると共に、当該クランク構造を組み込んだレシプロエンジンを提供することを目的とする。

請求項１に記載のクランク構造は、棒体状のコンロッドと、
当該コンロッドと係合するクランクピンを先端で回動自在に軸支するクランクアームと、
当該クランクアームの基端に接続されたクランク軸とからなり、
前記コンロッドの往復運動が、前記クランクアームを介して前記クランク軸の回転運動に変換されるクランク構造であって、
前記コンロッドの基端に、所定の内径を有する内歯車を備えた円環部を設け、
当該円環部内に、前記内歯車と噛合する歯車と、当該歯車に重ね合わせた円盤状で前記内歯車と略同径の偏心フリーローターを配設して、
前記クランクピンが、前記歯車と前記偏心フリーローターを回動自在に軸支し、
前記コンロッドを往復運動させたとき、前記歯車が前記内歯車に沿って転動し、
前記クランクピンを先端に有する前記クランクアームが、前記円環部内で周回して、
前記クランクアームの基端に接続している前記クランク軸を回動させると共に、
前記偏心フリーローターが、前記クランクアームが回転する方向と相反する方向へ、前記円環部内で回転するようにしたことを特徴とする。

請求項２に記載のクランク構造は、請求項１に記載の発明において、前記内歯車の内径と前記歯車の直径の比が２対１であることを特徴とする。

請求項３に記載のクランク構造は、請求項１に記載の発明において、前記偏心フリーローターの軸心を、短径と長径の比が１対３となる位置に設けたことを特徴とする。

請求項４に記載のレシプロエンジンは、ヘッド部に点火プラグと吸気口、排気口を備えた筒状のシリンダーと、
当該シリンダーに嵌合する円柱状のピストンと、
当該ピストンが先端に連結された棒体状のコンロッドと、
当該コンロッドと係合するクランクピンを先端で回動自在に軸支するクランクアームと、
当該クランクアームの基端に接続されたクランク軸とを有し、
前記吸気口から可燃性ガスを前記シリンダー内へ取り込む吸気工程と、
前記ピストンが前記可燃性ガスを前記シリンダーの前記ヘッド部側へ圧縮する圧縮工程と、
前記点火プラグが圧縮された前記可燃性ガスに点火して爆発又は燃焼させる爆発燃焼行程と、
前記可燃性ガスが爆発又は燃焼した後の排気ガスを前記排気口から排気する排気工程とからなる工程によって、
前記シリンダー内の前記ピストンの往復運動が、前記コンロッドの往復運動へ伝達され、
当該コンロッドの往復運動が、前記クランクアームを介して前記クランク軸の回転運動に変換されて、回転動力として出力されるようにしたレシプロエンジンにおいて、
前記コンロッドの基端に、所定の内径を有する内歯車を備えた円環部を設け、
当該円環部内に、前記内歯車と噛合する歯車と、当該歯車に重ね合わせた円盤状で前記内歯車と略同径の偏心フリーローターを配設して、
前記クランクピンが、前記歯車と前記偏心フリーローターを回動自在に軸支し、
前記コンロッドを往復運動させたとき、前記歯車が前記内歯車に沿って転動し、
前記クランクピンを先端に有する前記クランクアームが、前記円環部内で周回して、
前記クランクアームの基端に接続している前記クランク軸を回動させると共に、
前記偏心フリーローターが、前記クランクアームが回転する方向と相反する方向へ、前記円環部内で回転するようにしたことを特徴とする。

請求項５に記載のレシプロエンジンは、請求項４に記載の発明において、前記内歯車の内径と前記歯車の直径の比が２対１であることを特徴とする。

請求項６に記載のレシプロエンジンは、請求項４に記載の発明において、前記偏心フリーローターの軸心を、短径と長径の比が１対３となる位置に設けたことを特徴とする。

請求項７に記載のレシプロエンジンは、請求項４に記載の発明において、前記コンロッドが、前記円環部を挟んで対向配置された一対のロッド部を有し、当該ロッド部の先端にそれぞれ前記ピストンが連結されていることを特徴とする。

請求項８に記載のレシプロエンジンは、請求項７に記載の発明において、一対の前記ロッド部を備えた前記コンロッドと、当該ロッド部の先端にそれぞれ接続された一対の前記ピストン、及び当該ピストンを収めた一対の前記シリンダーからなる２気筒ユニットを備えていることを特徴とする。

請求項９に記載のレシプロエンジンは、請求項８に記載の発明において、２つの前記２気筒ユニットからなる水平対向４気筒エンジンであることを特徴とする。

請求項１０に記載のレシプロエンジンは、請求項８に記載の発明において、４つの前記２気筒ユニットからなる水平対向８気筒エンジンであることを特徴とする。

請求項１１に記載のレシプロエンジンは、請求項７に記載の発明において、前記シリンダーの内径であるボアに対して、前記ピストンの上死点と下死点間の距離であるストロークを長く構成したロングストローク型であることを特徴とする。

請求項１２に記載のレシプロエンジンは、請求項７に記載の発明において、前記シリンダーの内径であるボアに対して、前記ピストンの上死点と下死点間の距離であるストロークを短く構成したショートストローク型であることを特徴とする。

請求項１３に記載のレシプロエンジンは、請求項７に記載の発明において、前記シリンダーの内径であるボアに対して、前記ピストンの上死点と下死点間の距離であるストロークを同長に構成したスクエア型であることを特徴とする。

請求項１４に記載のレシプロエンジンは、請求項１１乃至請求項１３のいずれかに記載の発明において、前記シリンダーを対向配置して一体成形したハウジング内に、前記ロッド部対を備えた前記コンロッドが収納されていることを特徴とする。

本発明に係るクランク構造によれば、コンロッドの基端側に内歯車を備えた円環部を設け、当該円環部内に内歯車と噛合する歯車と、歯車に重ね合わせた円盤状で内歯車と略同径の偏心フリーローターを配設した。歯車と偏心フリーローターは、クランクピンで回動自在に軸支されている。そして、コンロッドが往復運動したとき、内歯車に沿って歯車が転動してクランクアームを回してクランク軸を回転させるように構成した。
ここで、内歯車の内径と歯車の直径の比を２対１とすることが好ましい。このように構成したとき、従来のクランク構造は、コンロッドの上死点と下死点間の往復距離は、クランクアームの回転半径に制限され、これは本発明に係るクランク構造に鑑みると内歯車の半径に相当する。一方、本発明に係るクランク構造によれば、クランクアームは、その先端が歯車の中心軸の描く円に沿って回転するように構成されている。したがって、従来のクランク構造に係るクランクアームの長さと、本発明に係るクランクアームの長さとの比は、２対１となる。すなわち、円環部の半径を従来のクランクアームの回転半径と同程度の大きさに形成した場合は、本発明に係るクランクアームの長さを半分にすることができる。一方、本発明に係るクランクアームの長さを従来のクランクアームの長さと同程度の大きさに形成した場合は、従来のクランク構造に対して本発明に係るクランク構造は、内歯車の内径分、すなわち２倍の利得を得ることができ、コンロッドを大きく動かすことができる。そのため、コンロッド先端のストローク距離を伸ばすことができるので、これをエンジンに適用した場合、容易にロングストローク化することができる。また、ロングストロークを実現することができることから、エンジンの燃焼効率を改善し、低速トルクを増大して燃費を改善することができる。
また、コンロッドの往復運動時に、円環部内に配設された偏心フリーローターは、クランクアームの回転方向に対して、相反する方向へ回転するように設けた。偏心フリーローターの径を内歯車の内径と略同径としたことから、当該偏心フリーローターは、円環部内で滑動かつ回動自在に嵌合されている。これによって、コンロッドのロッド部から往復運動によって円環部に向かって加わる圧力を、偏心フリーローターで受けることができる。これによって、円環部の歪みを防止することができ、コンロッドに大きな力が加わった場合であっても内歯車に対して歯車が滑ってしまうことを防止することができ、内歯車又は歯車の破損を防止することができる。さらに、偏心フリーローターの軸心の位置は、短径と長径の比が１対３となる位置とすることが好ましい。これによって、偏心フリーローターと歯車とを同軸に重ね合わせて、クランクピンで回動自在に軸支することができる。

本発明に係るレシプロエンジンによれば、シリンダー内のピストンを往復運動させるクランク構造について、コンロッドの基端側に内歯車を備えた円環部を設け、当該円環部内に内歯車と噛合する歯車と、歯車に重ね合わせた円盤状で内歯車と略同径の偏心フリーローターを配設した。歯車と偏心フリーローターは、クランクピンで回動自在に軸支されている。そして、コンロッドが往復運動したとき、内歯車に沿って歯車が転動してクランクアームを回してクランク軸を回転させるように構成した。
ここで、内歯車の内径と歯車の直径の比を２対１とすることが好ましい。このように構成したとき、従来のレシプロエンジンは、ピストンの上死点と下死点間の往復距離は、クランクアームの回転半径に制限され、これは本発明に係るレシプロエンジンに鑑みると内歯車の半径に相当する。一方、本発明に係るレシプロエンジンによれば、クランクアームは、その先端が歯車の中心軸の描く円に沿って回転するように構成されている。したがって、従来のレシプロエンジンに係るクランクアームの長さと、本発明に係るクランクアームの長さとの比は、２対１となる。すなわち、円環部の半径を従来のクランクアームの回転半径と同程度の大きさに形成した場合は、本発明に係るクランクアームの長さを半分にすることができる。一方、本発明に係るクランクアームの長さを従来のクランクアームの長さと同程度の大きさに形成した場合は、従来のレシプロエンジンに対して本発明に係るレシプロエンジンは、内歯車の内径分、すなわち２倍の利得を得ることができ、コンロッドを大きく動かすことができる。そのため、ピストンのストローク距離を伸ばすことができるので、容易にロングストローク化することができる。また、ロングストロークを実現することができることから、燃焼効率を改善し、低速トルクを増大して燃費を改善することができる。
また、コンロッドの往復運動時に、円環部内に配設された偏心フリーローターは、クランクアームの回転方向に対して、相反する方向へ回転するように構成した。偏心フリーローターの径を内歯車の内径と略同径としたことから、当該偏心フリーローターは、円環部内で滑動かつ回動自在に嵌合されている。これによって、コンロッドのロッド部から往復運動によって円環部に向かって加わる圧力を、偏心フリーローターで受けることができるので、円環部の歪みを防止することができ、ピストンを介しコンロッドに大きな力が加わった場合であっても内歯車に対して歯車が滑ってしまうことを防止することができ、内歯車又は歯車の破損を防止することができる。さらに、偏心フリーローターの軸心の位置は、短径と長径の比が１対３となる位置とすることが好ましい。これによって、偏心フリーローターと歯車とを同軸に重ね合わせて、クランクピンで回動自在に軸支することができる。
そして、本発明に係るレシプロエンジンは、コンロッドが長手方向に沿って直線的に往復運動するように構成したので、当該コンロッドは、シリンダーの開口端に接触するおそれがない。そのため、ロングストローク化にあわせてシリンダー長を伸ばし、シリンダー内の燃焼効率を向上させることができ、燃料消費を抑えて省エネ化することができる。また、ロングストローク化によって、低速トルクを容易に増大させることができる。
さらに、コンロッドが長手方向に沿って直線的に往復運動することによって、ピストンがシリンダー内壁を押圧するピストンの側圧を抑制することができるのでピストンの摩擦損失を軽減させることができる。その結果、ピストンとシリンダーの接触に伴う振動の発生或いは騒音の発生を抑制することができる。

また、コンロッドが、円環部を挟んで対向配置された一対のロッド部を有していることが好ましい。これによって、シリンダー及びピストンを水平方向に対向配置させた、いわゆる水平対向２気筒ユニットを構成することができる。すなわち、一方のロッド部がシリンダー内でピストンを押し上げている間、他方のロッド部はシリンダー内でピストンを引き下げている。このとき、円環部は回転せずに水平方向に沿って直線的な往復運動を行い、さらには、吸気、圧縮、爆発、排気の一連の工程を一方のロッド部と他方のロッド部で交互に行うことができ、上下方向の微振動を抑制することができる。
そして、２気筒ユニットを２組以上連接配置して、２気筒以上、偶数気筒の水平対向エンジンを構成可能とすることが好ましく、より好ましくは、４組又は８組、すなわち水平対向４気筒エンジン、又は水平対向８気筒エンジンであることが好ましい。これによって、水平対向４気筒エンジン又は水平対向８気筒エンジンにおいて、これらを構成する各２気筒ユニットが互いに水平方向に沿った往復運動に基づく振動を相殺することができる。

さらに、本発明に係るレシプロエンジンによれば、コンロッドが備えるロッド部対の長さを任意に設定すると共に、シリンダーの内径を任意に設計し、当該シリンダーの内径であるボアと、ロッド部が往復運動させるピストンのストローク長を任意に設定することによって、ロングストローク型、ショートストローク型、或いはスクエア型へ任意に設計することができるので、高燃費化、高出力化等の用途・目的に合わせてレシプロエンジンを構成することができる。
また、上記のようにクランクアームを短くしつつ、コンロッド、すなわちピストンを大きく動かすことができるので、シリンダーを対向配置して一体成形したハウジング内に、クランク構造とピストンを収納することによって、レシプロエンジンをコンパクトにまとめることができる。

第１実施例に係るクランク構造の構成の概略を示す説明図である。 第１実施例に係るクランク構造の構成の概略を示す部品展開図である。 第１実施例に係るクランク構造のコンロッドとクランクアームの動作の概略を示す説明図である。 第１実施例に係る単気筒エンジンの構成の概略を示す説明図である。 第１実施例に係る単気筒エンジンのピストンの動作の概略を示す説明図である。 第２実施例に係る２気筒ユニットの構成の概略を示す説明図である。 第２実施例に係る水平対向４気筒エンジンの構成の概略を示す説明図である。 第３実施例に係る水平対向８気筒エンジンの構成の概略を示す説明図である。 第４実施例に係る２気筒ユニットについて一の構成の概略を示す説明図である。 第４実施例に係る２気筒ユニットについて他の構成の概略を示す説明図である。

本発明に係るクランク構造及び当該クランク構造を備えたレシプロエンジンの実施例を、添付した図面にしたがって以下説明する。図１は、本実施例に係るクランク構造の構成の概略を示した説明図であり、図２は、本実施例に係るクランク構造の動作の概略を示した説明図である。

クランク構造１０は、図１に示すように、コンロッド１１と、クランクピン１２と、クランクアーム１３と、クランク軸１４を有している。
コンロッド１１は、棒体状のロッド部１１ａを有している。ロッド部１１ａは先端側に小径の係合環部１１ｂを有し、基端側に係合環部１１ｂよりも大径の円環部１５を有している。
当該円環部１５は、所定の内径を備え、円環部１５の軸方向に沿って刻まれた歯が内周面の周方向に沿って配された内歯車１５ａを有している。
また、円環部１５内には、内歯車１５ａと噛合する歯車１６と、当該歯車と重ね合わされた円盤状で内歯車１５ａと略同径の偏心フリーローター１７が配設されている。歯車１６は、内歯車に沿って転動し、偏心フリーローター１７は、円環部内で滑動かつ回動自在に嵌合されている。

クランクピン１２は、歯車１６と偏心フリーローター１７を回動自在に軸支している。歯車１６は所定の外径を備え、軸方向に沿って歯が刻まれている。そして、円環部１５の内歯車１５ａと噛合した歯車１６が、内歯車１５ａに沿って転動することによって、当該歯車１６を軸支しているクランクピン１２は円環部１５内を回動する。クランクピン１２はクランクアーム１３の先端に連結されている。
ここで、内歯車１５ａの内径Ｒと、歯車１６の外径ｒの比は２対１であることが好ましい。これによって、図２に示すようにコンロッド１１が一往復する間に歯車１６を内歯車１５ａ内で２周させて、クランクアーム１３を円環部１５内で一周させることができる。
一方、偏心フリーローター１７は、上記の内歯車１５ａの内径Ｒと歯車１６の外径ｒの比に基づき、歯車１６と同軸となるように構成されているので、円盤状のフリーローターの軸心は、短径を１としたとき、長径が３となる位置、すなわち、短径側と長径側との比が１対３となる位置に設けられている。そして、クランクアーム１３を回転させたとき、クランクピン１２の変位に伴って、軸心が変位し、図３に示すように、歯車１６が矢印Ｔにしたがって右回転するとき、偏心フリーローターは矢印Ｆにしたがって左回転するように構成されている。

クランクアーム１３は、先端に歯車１６と偏心フリーローター１７を軸支しているクランクピン１２が嵌合固定され、基端に棒体状のクランク軸１４が連結されている。また、図１及び図２に示すように、歯車１６と偏心フリーローターを挟んで一対のクランクアーム１３が対向配置され、一方のクランクアーム１３は一方のクランク軸１４に、他方のクランクアーム１３は他方のクランク軸１４に連結されている。
コンロッド１１の往復運動は、当該往復運動に伴って変位する円環部１５の内歯車１５ａに沿って歯車１６が転動して、クランクアーム１３を円環部１５内で回動させる回転運動へ変換することができ、当該クランクアーム１３の回動がクランク軸１４の回転運動へ伝導される。
なお、本実施例に係るクランク構造１０では、クランクピン１２が軸支している歯車１６を、コンロッド１１の円環部１５の内歯車１５ａと噛合させて転動させる構成としたが、これに限定されるものでは無く、内歯車１５ａと歯車１６との間に1つ又は２つ以上の遊星歯車からなる遊星ギヤを噛ませて内歯車１５ａに対するクランクアーム１３、クランク軸１４のギヤ比を自在に調整する構成としても良い。
一方、コンロッド１１が往復運動するとき、ロッド部１１ａの長手方向に沿ってロッド部１１ａから円環部１５へ圧力が加えられたとき、また円環部１５がロッド部１１ａの方向へ引っ張られたとき、円環部１５が歪むおそれがある。このとき、偏心フリーローター１７が円環部１５内に滑動かつ回動自在に嵌合されているので、円環部が大きく歪むことを防止することができ、そして、円盤で円環部１５へ加えられた力を受けて分散させるので、内歯車１５ａに沿って転動している歯車１６が内歯車１５ａ上を滑ることなく往復運動を確実に回転運動へ変換することができる。

上記の構成を備えたクランク構造１０は、次に説明するように動作する。添付した図面にしたがって以下説明する。図３は、内歯車１５ａに沿って歯車１６が回転するときの両者の位置関係を示す説明図である。
円環部１５の内周に形成した内歯車１５ａの内径Ｒと、クランクピン１２が軸支している歯車１６の外径ｒの比は、２対１に構成されている。そのため、以下のように内歯車１５ａ、すなわち円環部１５を備えたコンロッド１１の往復運動に対してクランクアーム１３が回転する。ここで、図２に示すように、円環部１５の移動距離をｌとし、下端をｌ０、上端をｌ１とする。
図２（ａ）は、内歯車１５ａ下端と歯車１６の下端が接している場合であって、これを歯車１６の回転が始まる初期位置とする。ここで、図２（ａ）に示すように、歯車１６とクランクアーム１３は矢印イが示すとおり、時計回りに回転する。
図２（ｂ）は、歯車１６が時計回りに半回転した場合であって、内歯車１５ａの右端に接している場合である。このとき、クランクアーム１３は１／４回転し、円環部１５は往路途中半分の位置にある。
図２（ｃ）は、歯車１６が時計回りに一回転した場合であって、内歯車１５ａの上端に接している場合である。このとき、クランクアーム１３は１／２回転し、円環部１５は往路から復路へ折り返す。
図２（ｄ）は、歯車１６が時計回りに３／２回転した場合であって、内歯車１５ａの左端に接している場合である。このとき、クランクアーム１３は３／４回転し、円環部１５は復路途中半分の位置にある。
そして、図２（ａ）の初期位置に帰還したとき、クランクアーム１３は一回転し、円環部１５は往復する。
これを繰り返すことによって、コンロッドが１往復するとき、クランク軸が１回転する２対１の比でコンロッドの直線的な往復運動をクランク軸の回転運動へ変換することができる。
一方、偏心フリーローター１７は、歯車１６の回転軸と同軸でクランクピン１２に軸支されているので、短径側と長径側の比が１対３に構成されている。そして、図２（ａ）から図２（ｄ）に示したように、クランクアーム１３の回転に伴って変位するクランクピン１２に従動して反時計回りに回転する。このようにして、コンロッドが１往復するとき、円環部１５内で偏心フリーローター１７はクランクピン１２の変位に同期して回転し、歯車１６の回転方向とは相反する方向へ回転する。

本実施例に係るクランク構造１０によれば、コンロッド１１が直線的に往復運動するように構成した。これによって、従来のようにコンロッド１１の基端側がクランクケース内でリンクされたクランクアームと共に回転して揺動しないので往復運動に対して交差する向きの振動を抑制することができる。また、揺動せず、余計な振動が抑制されることから、当該振動を相殺するためのバランスウェイトを取り付けなくても良いので、コンロッド１１の基端部側、クランクアーム１３及びクランク軸１４等を軽量化することができる。
ここで、従来のクランク構造の場合、コンロッドの基端に接続されたクランクアームの回転半径がコンロッドの往復距離となる。すなわち、従来のクランクアームが回転するときの直径は、本実施例に係るクランク構造１０における円環部１５の直径に等しい。これに対して、本実施例に係るクランク構造１０によれば、クランクアーム１３のクランク軸１４とクランクピン１２の軸心間の回転半径は、歯車１６の中心軸が描く円であって、当該回転半径と内歯車１５ａの内径との比が１；２に構成されている。したがって、クランクアーム１３の長さを従来のクランクアームと同長にした場合、コンロッド１１は２倍の利得を得て往復運動を行うことになる。そのため、従来のクランク構造と比較すると、本実施例に係るクランク構造１０の係合環部１１ｂの往復距離を２倍にすることができる。これによって、容易にロングストローク化させることができ、これをレシプロエンジンに適用した場合には、容易に燃費を向上させることができると共に低速トルクの増大を図ることができる。レシプロエンジンへの適用例を次に説明する。

続いて、上記のクランク構造１０を備えた本実施例に係るレシプロエンジンの実施例を、添付した図面にしたがって以下説明する。
本実施例に係るレシプロエンジンは、図４に示すように、上記のクランク構造１０に加えてシリンダー２０とピストン２１を有する単気筒エンジン１０Ａである。
なお、本実施例に係る単気筒エンジン１０Ａは、空気中にガソリン又はアルコールを噴霧して形成した可燃性の混合気体を用いた内燃機関であるがこれに限定されたものでは無く、高温の圧縮空気に燃料を噴霧して燃焼させるディーゼル機関、天然ガス、水素ガス或いはバイオマス等から抽出される可燃性ガスを爆発又は燃焼させる内燃機関であっても良い。

シリンダー２０は、ヘッド部２０ａを備えた筒体状に形成されている。ヘッド部２０ａには、点火プラグ２２と、吸気口２３、排気口２４が形成され、吸気口２３と排気口２４はバルブ（図示略）で開閉可能に構成されている。
吸気口２３は、バルブが開いたとき、ヘッド部２０ａ内には、キャブレター又はインジェクションから噴霧された燃料を空気と所定の割合で混合して形成された可燃性混合気体を吸い込むように構成されている。
点火プラグ２２は、ヘッド部２０ａ内へ吸気された可燃性混合気体がピストン２１で圧縮されたとき、通電され点火し、火花を飛ばすように構成されている。当該火花が可燃性混合気体を爆発させて、ピストン２１を押し下げるように構成されている。
排気口２４は、バルブが開いたとき、ヘッド部２０ａ内に残留している爆発後の排気ガスを排気するように構成されている。

ピストン２１は、略円柱状に形成され、ピストン２１側面がシリンダー２０内壁に沿って摺動可能にシリンダー２０内へ収納されている。ピストン２１は、コンロッド１１の係合環部１１ａとコネクテッドピン２５で連結されている。これによって、ピストン２１がシリンダー２０内で往復運動したとき、当該往復運動をコンロッド１１へ伝達することができる。
なお、本実施例において、ピストン２１とコンロッド１１をコネクテッドピン２５で連結する別体構成としたが、本実施例では後述するようにコンロッド１１もまた直線的に往復運動を行うため、ピストン２１とコンロッド１１を一体成形するようにしても良い。この場合は、一体成形することによってコネクテッドピン２５を省略して軽量化することができ、また連結部分の強度を上げることできる。
なお、シリンダー２０及びピストン２１は、公知の構成であるから、詳細な説明は省略する。さらに、図４に示したコンロッド１１、クランクアーム１３、クランク軸１４等のクランク構造１０については、上記の構成であるから説明を省略する。

上記の構成を備えた単気筒エンジン１０Ａは、次に説明するように動作する。添付した図面にしたがって以下説明する。図５は、シリンダー２０内のピストン２１の動きと、コンロッド１１の往復運動をクランク軸１４の回転運動に変換するときの状態変化を示す説明図である。
ここで、内歯車１５ａの内径Ｒと、歯車１６の外径ｒの比は、上記し、図３に示したように２対１に構成され、図４に示すように、ピストン２１上端縁の移動距離をＬとし、ピストン２１の下死点をＬ０、上死点をＬ１とする。

図５（ａ）は、歯車１６が内歯車１５ａの下端に接する位置にある場合である。このとき、クランク軸１４に対して、コンロッド１１のロッド部１１ａの長さに内歯車の内径Ｒが加えられ、コンロッド１１の見かけ上の長さが最も長くなることから、ピストン２１はシリンダー２０内で押し上げられて上死点Ｌ１に位置している。
図５（ｂ）は、歯車１６が半回転して内歯車１５ａの右端に接する位置にある場合である。このとき、クランクアーム１３とクランク軸１４は１／４回転している。そして、内歯車１５ａに沿って転動する歯車によって円環部１５が引き下げられ、ピストン２１の上端縁はＬ／２の往路途中半分の位置にある。
図５（ｃ）は、歯車１６が１回転して内歯車１５ａの上端に接する位置にある場合である。このとき、クランクアーム１３とクランク軸１４は１／２回転している。そして、クランク軸１４に対して、コンロッド１１のロッド部１１ａの長さのみであって、図４（ａ）と比べて内歯車の内径Ｒ分、コンロッド１１の見かけ上の長さが最も短くなることから、ピストン２１はシリンダー２０内で引き下げられて下死点Ｌ０に位置している。
図５（ｄ）は、歯車１６が３／２回転して内歯車１５ａの左端に接する位置にある場合である。このとき、クランクアーム１３とクランク軸１４は３／４回転している。そして、内歯車１５ａに沿って転動する歯車１６によって円環部１５が押し上げられ、ピストン２１の上端縁はＬ／２の復路途中半分の位置にある。
この後、クランクアーム１３と歯車１６は、図５（ａ）に示す初期位置へ帰還する。このとき、ピストン２１の上端縁は上死点Ｌ１の位置にあって、上記図５（ａ）～（ｂ）に示したように、ピストン２１は一往復して２Ｌの距離を移動する。
これを繰り返すことによって、シリンダー２０内で往復するピストン２１の動きを、コンロッド１１の直線的な往復運動として伝導し、クランクアーム１３の回転運動、クランク軸１４の回転運動へ変換することができる。
一方、偏心フリーローター１７は、歯車１６の回転軸と同軸でクランクピン１２に軸支されているので、短径側と長径側の比が１対３に構成されている。そして、図５（ａ）から図５（ｄ）に示したように、クランクアーム１３の回転に伴って変位するクランクピン１２に従動して反時計回りに回転する。このようにして、コンロッドが１往復するとき、円環部１５内で偏心フリーローター１７はクランクピン１２の変位に同期して回転し、歯車１６の回転方向とは相反する方向へ回転する。

本実施例に係る単気筒エンジン１０Ａは、吸気工程と圧縮工程でピストン２１がシリンダー２０内を１往復し、爆発工程と排気工程でピストン２１がシリンダー２０内を１往復する４サイクルエンジンで構成されている。
吸気工程は、図５（ａ）から図５（ｂ）を経て図５（ｃ）の状態へピストン２１が引き下げられるとき、シリンダー２０内のヘッド部２０ａへ可燃性混合気体を吸気する工程である。
圧縮工程は、図５（ｃ）から図５（ｄ）を経て図５（ａ）の状態へピストン２１が押し上げられるとき、シリンダー２０内のヘッド部２０ａに満たされた可燃性混合気体を圧縮する工程である。
爆発工程は、ピストン２１が、図５（ａ）の上死点Ｌ１にあるとき、点火プラグ２２が火花を飛ばして可燃性混合気体を爆発させる工程である。このとき、当該爆発工程によって押し下げられたピストン２１は、図５（ａ）から図５（ｂ）を経て図５（ｃ）の下死点Ｌ０まで移動する。
排気工程は、下死点Ｌ０まで移動したピストン２１が、図５（ｃ）から図５（ｄ）を経て図５（ａ）の上死点Ｌ１へ押し上げられるとき、ヘッド部２０ａから爆発燃焼後の排気ガスを排気する工程である。
単気筒エンジン１０Ａは、上記の吸気工程、圧縮工程、爆発工程、排気工程を繰り返すことによって、ピストン２１をシリンダー２０内で往復運動させて、コンロッド１１を通じてクランク軸１４の回転出力を得ることができる。
なお、本実施例では単気筒エンジン１０Ａを４サイクルエンジンとして構成したがこれに限定されず、２サイクルエンジンとして構成しても良い。

本実施例に係る単気筒エンジン１０Ａによれば、図５の各図に示すように、いずれの場合であっても、本実施例に係る単気筒エンジン１０Ａを構成するコンロッド１１は軸に沿って直線的に往復運動するように構成されている。これによって、ピストン２１もまたシリンダー２０内で直線的に往復運動することができ、ピストン２１の側壁がシリンダー２０内壁を押圧して発生する側圧を抑制することができ、ピストン２１の摩擦損失を軽減させることができる。その結果、ピストン２１がシリンダー２０で摺動するときの振動の発生或いは騒音の発生を抑制することができる。そして、摩擦損失を軽減させることにより、エンジンの発熱を抑えて熱変換効率を上げることができ、燃費の抑制に効果がある。
また、コンロッド１１が軸に沿って直線的に往復運動することから、コンロッド１１がシリンダー２０内壁に接触することが無いため、シリンダー２０の長さを伸ばしてピストン２１をロングストローク化させることができる。これによって、低速トルクを容易に増大させ、燃費を改善し省エネ化することができる。さらに、ロングストローク化した場合であっても、軸に沿って直線的に動くコンロッド１１には曲げ応力、捻じれ応力等の負荷がかからないのでコンロッド１１の耐久性を向上させることが容易である。
さらに、従来のコンロッド１１とクランクアーム１３では、クランクアーム１３長とコンロッド１１長を加えた長さのとき、ピストン２１が上死点に位置し、コンロッド長からクランクアーム１３長を引いた長さのとき、ピストン２１が下死点に位置するように構成されている。
一方、本実施例に係るコンロッド１１とクランクアーム１３は、図４（ａ）に示すようにクランクアーム１３がクランク軸１４を挟んでコンロッドと相反する方向にあるとき、すなわち、コンロッド１１のロッド部１１の長さに、内歯車１５ａの内径Ｒが足された長さのとき、ピストン２１が上死点Ｌ１に位置し、図４（ｃ）に示すようにクランクアーム１３がコンロッド１１の軸線と重なり合うとき、すなわち、コンロッド１１のロッド部１１の長さのとき、ピストン２１が下死点Ｌ０に位置するように構成されている。そのため、ピストン２１の上死点Ｌ１と下死点Ｌ０間の距離Ｌは、内歯車１５ａの内径Ｒの長さに依拠していることから、コンロッド１１のロッド部１１ａの長さを短くして円環部１５を大径化する、すなわち従来のエンジンが備えるクランクアームと本実施例に係るクランクアーム１３の長さを同程度の長さにすることによって、従来のエンジンと比較して、２倍の利得でロングストローク化することができる。そして、ロングストローク化によって低速トルクの向上と燃焼効率を向上させることができ、これらの相乗効果によって、燃費を向上させることができる。
また、従来のクランク構造と比較すると、本実施例に係るクランク構造１０は、上記のように２倍の利得を得てコンロッド１１を大きく動かすことができることから、図６に示すように、一対のロッド部１１ａ，１１ａが円環部１５を挟むように対向配置されたコンロッド対１１Ａを構成することによって、一方でピストン２１を上死点に押し上げ、他方でピストン２１を下死点に引き下げる互い違いの動作を実行可能な２気筒ユニット１０Ｂを構成することができる。当該２気筒ユニット１０Ｂについては、以下の実施例で説明する。

次に、偶数個の気筒数を備えたレシプロエンジンに係る実施例を、添付した図面にしたがって以下説明する。
本実施例に係るレシプロエンジンは、図７に示すように、二つの２気筒ユニットを連接してなる４気筒水平対向エンジン１０Ｃである。シリンダー２０及びピストン２１については、第１実施例で説明したので詳細な説明を省略する。本実施例に係る４気筒水平対向エンジン１０Ｃが、第１実施例に係る単気筒エンジン１０Ａと相違している点は、２気筒ユニット１０Ｂを構成するコンロッド１１Ａの形状である。

２気筒ユニット１０Ｂは、図６に示すように、水平方向に伸びる略棒体状のコンロッド対１１Ａを有している。
コンロッド対１１Ａは、一対のロッド部１１ａ，１１ａがそれぞれ基端側で円環部１５を挟むように対向配置されている。一方のロッド部１１ａの先端には、コネクテッドピン２５を介して第１ピストン２１ａが接続され、シリンダー２０内に収納されている。他方のロッド部１１ａの先端にもまたコネクテッドピン２５を介して第２ピストン２１ｂが接続され、シリンダー２０内に収納されている。第１ピストン２１ａと第２ピストン２１ｂは、図５（ａ）～（ｄ）に示した往復運動を互い違いに行うように構成されている。これによって、水平対向２気筒エンジンに係る２気筒ユニット１０Ｂが構成される。当該２気筒ユニット１０Ｂを基本構成として、以下、本実施例においては、第１ユニット３０と第２ユニット３１の二つの２気筒ユニット１０Ｂからなる水平対向４気筒エンジン１０Ｃを例示し、第３実施例においては、第１ユニット３０、第２ユニット３１、第３ユニット３２、第４ユニット３３の四つの２気筒ユニット１０Ｂからなる水平対向８気筒エンジン１０Ｄを例示する。

図７に示すレシプロエンジンは、第１ユニット３０と第２ユニット３１の二つの２気筒ユニット１０Ｂからなる水平対向４気筒エンジン１０Ｃである。第１ユニット３０の両端部には一方にピストン２１ａ、他方にピストン２１ｂが設けられ、第２ユニット３１の両端部には、一方にピストン２１ｃ、他方にピストン２１ｄが設けられている。
第１ユニット３０に係る第１クランクアーム１３ａと、第２ユニット３１に係る第２クランクアーム１３ｂは、図７に示すように、クランク軸１４を挟んで相反する方向に対向配置され、互いに１８０度（π）のクランク角を成すように構成されている。

上記の構成を備えた水平対向４気筒エンジン１０Ｃは、次に説明するように動作する。添付した図面にしたがって以下説明する。
水平対向４気筒エンジン１０Ｃの第１クランクアーム１３ａと第２クランクアーム１３ｂのクランク角の位相差が１８０度（π）であるから、図７に示すように、第１ユニット３０のピストン２１ａが下死点に位置し、ピストン２１ｂが上死点に位置している場合に、第２ユニット３１のピストン２１ｃは上死点に位置し、ピストン２１ｄは下死点に位置している。このように、第１ユニット３０と第２ユニット３１が互い違いに相反する方向へ入れ替わるように直線的な往復運動をするとともに、第１ユニット３０のピストン２１ａとピストン２１ｂ、第２ユニット３１のピストン２１ｃとピストン２１ｄもまた互い違いに相反する方向へ直線的な往復運動を行い、第１実施例で説明した吸気工程、圧縮工程、爆発工程、排気工程を行う。
各ユニット３０，３１が有するピストン２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの各工程における関係を下記の表１に表す。表中の矢印はクランクアーム１３ａ，１３ｂの位相の向きを表し、たとえば、第１ユニット３０で矢印が「→」の場合、位相差が１８０度（π）である第２ユニット３１は反対方向の「←」へ進んでいるものとする。

表１によれば、たとえば、項番１行目において、ピストン２１ａが吸気をしているとき、第１ユニット３０のコンロッド対１１Ａはピストン２１ｂの方へ向かって水平移動するので、ピストン２１ｂ側では圧縮工程が行われる。このとき、位相差が１８０度（π）である第２ユニット３１では、ピストン２１ｄで爆発工程が行われて、コンロッド対１１Ａはピストン２１ｃの方へ向かって水平移動し、ピストン２１ｃでは排気工程が行われる。
そして、項番１行目ではピストン２１ｄが爆発工程を行い、項番２行目ではピストン２１ｂ、項番３行目でピストン２１ａ、項番４行目でピストン２１ｃと示したように爆発工程が順次行われる。
このように、爆発工程を４つのピストン２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄが順次行うように振り分けることによって、第１ユニット３０と第２ユニット３１の両端に設けた４気筒がそれぞれ実行する各工程において、いずれかのシリンダー２０内で常に爆発工程が行われるように構成することができる。そのため、水平対向４気筒エンジン１０Ｃ全体としては等間隔で爆発を起こすことができるので、当該エンジン１０Ｃ自体の振動を抑制することができる。
また、第１ユニット３０と第２ユニット３１が、互いに相反する方向へ交互に直線的な往復運動を行うので、各コンロッド対１１Ａの動作に起因する振動を相殺することができ、コンロッド対１１Ａの先端に設けたピストン２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの側壁がシリンダー２０内壁を押圧して発生する側圧を抑制することができ、ピストン２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの摩擦損失を軽減させることができる。その結果、ピストン２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄとシリンダー２０の接触に伴う振動の発生或いは騒音の発生を抑制することができる。
また、コンロッド対１１Ａが軸に沿って直線的に往復運動することから、コンロッド対１１Ａのロッド部１１ａ，１１ａがシリンダー２０内壁に接触することが無いため、シリンダー２０の長さを伸ばしてピストン２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄをロングストローク化させることができる。これによって、低速トルクを容易に増大させ、燃費を改善し省エネ化することができる。さらに、ロングストローク化した場合であっても、軸に沿って直線的に動くコンロッド対１１Ａには曲げ応力、捻じれ応力等の負荷がかからないのでコンロッド対１１Ａの耐久性を向上させることが容易である。

次に、偶数個の気筒数を備えたレシプロエンジンに係る他の実施例を、添付した図面にしたがって以下説明する。
本実施例に係るレシプロエンジンは、第２実施例に記載した２気筒ユニット１０Ｂを４つ、第１ユニット３０、第２ユニット３１、第３ユニット３２，第４ユニット３３からなる水平対向８気筒エンジン１０Ｄである。
シリンダー２０及びピストン２１、並びにコンロッド対１１Ａの構成については、第１実施例及び第２実施例で説明したので詳細な説明を省略する。
第３実施例に係る水平対向８気筒エンジンの相違点は、第２実施例では二つの２気筒ユニット３０，３１から水平対向４気筒エンジン１０Ｃを構成したことに対して、四つの２気筒ユニット３０，３１，３２，３３から水平対向８気筒エンジン１０Ｄを構成した点である。

本実施例に係る水平対向８気筒エンジン１０Ｄは、図８に示すように、第１ユニット３０、第２ユニット３１、第３ユニット３２、第４ユニット３３からなる。第１ユニット３０を構成するコンロッド対１１Ａの両端にはピストン２１ａとピストン２１ｂが連結されている。第２ユニット３１を構成するコンロッド対１１Ａの両端にはピストン２１ｃとピストン２１ｄが連結されている。第３ユニット３２を構成するコンロッド対１１Ａの両端にはピストン２１ｅとピストン２１ｆが連結されている。第４ユニット３３を構成するコンロッド対１１Ａの両端にはピストン２１ｇとピストン２１ｈが連結されている。
第１ユニット３０に係る第１クランクアーム１３ａと、第２ユニット３１に係る第２クランクアーム１３ｂは、図８に示すように、クランク軸１４を中心に９０度のクランク角を成すように構成されている。同様に第２ユニット３１に係る第２クランクアーム１３ｂと第３ユニット３２に係る第３クランクアーム１３ｃ、第３ユニット３２に係る第３クランクアーム１３ｃと第４ユニット３３に係る第４クランクアーム１３ｄ、及び第４ユニット３３に係る第４クランクアーム１３ｄと第１ユニット３０に係る第１クランクアーム１３ａが成すクランク角も９０度（π／２）となるように構成されている。

上記の構成を備えた水平対向８気筒エンジン１０Ｄは、次に説明するように動作する。添付した図面にしたがって以下説明する。
水平対向８気筒エンジン１０Ｄのクランクアーム１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄは、互いに隣り合うクランクアーム１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄと成すクランク角の位相差が９０度（π／２）であるから、第１ユニット３０と第３ユニット３２のクランク角の位相差が１８０度（π）、第２ユニット３１と第４ユニット３３のクランク角の位相差が１８０度（π）であり、また第１ユニット３０及び第３ユニット３２の奇数ユニット組と、第２ユニット３１及び第４ユニット３３の偶数ユニット組は９０度の位相差（π／２）を有している。
これによって、第１ユニット３０と第３ユニット３２が互い違いに相反する方向へ入れ替わるように直線的な往復運動を行い、その往復運動の合間を縫って第２ユニット３１と第４ユニット３３が互い違いに相反する方向へ入れ替わるように直線的な往復運動を行う。すなわち第２実施例の表１に記載した各爆発工程の合間に、さらに４つの爆発工程が組み込まれるように構成することができる。これを表したのが下記の表２である。
ここで、表中の矢印はクランクアーム１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄの位相の向きを表し、たとえば、第１ユニット３０で矢印が「→」の場合、第３ユニット３２は反対方向の「←」へ進んでいるものとし、そのとき、第２ユニットのクランクアーム１３ｂはクランク角が９０度（π／２）であるから「↑」、第４ユニット３３は第３ユニット３２に対してクランク角が９０度（π／２）であるから「↓」と表している。
なお、本実施例においては、各ユニット間の位相差を９０度（π／２）としたが、これに限定せず、たとえば位相差を１８０度（π）とする等して、一次振動、偶力振動、二次振動を相殺することが望ましい。

上記のように、爆発工程を８つのピストン２１ａ～２１ｈが順次行うように振り分けることによって、第１ユニット３０～第４ユニット３３の両端に設けた８気筒のうち、いずれかのシリンダー２０内で常に爆発工程が行われるように構成することができる。そのため、等間隔で爆発を起こすことができるので、エンジン自体の振動を抑制することができる。
また、第１ユニット３０と第３ユニット３２の奇数ユニット組、或いは９０度の位相差で、第２ユニット３１と第４ユニット３３の偶数ユニット組が備える各コンロッド対１１Ａが互いに相反する方向へ交互に直線的な往復運動を行うので、コンロッド対１１Ａの動作に起因する振動を相殺することができ、コンロッド対１１Ａの先端に設けたピストン２１ａ～２１ｈの側壁がシリンダー２０内壁を押圧して発生する側圧を抑制することができ、ピストン２１ａ～２１ｈの摩擦損失を軽減させることができる。その結果、ピストン２１ａ～２１ｈとシリンダー２０の接触に伴う振動の発生或いは騒音の発生を抑制することができる。
また、コンロッド対１１Ａが軸に沿って直線的に往復運動することから、コンロッド対１１Ａのロッド部１１ａ，１１ａがシリンダー２０内壁に接触することが無いため、シリンダー２０の長さを伸ばしてピストン２１ａ～２１ｈをロングストローク化させることができる。これによって、低速トルクを容易に増大させ、燃費を改善し省エネ化することができる。さらに、ロングストローク化した場合であっても、軸に沿って直線的に動くコンロッド対１１Ａには曲げ応力、捻じれ応力等の負荷がかからないのでコンロッド対１１Ａの耐久性を向上させることが容易である。

なお、上記第２実施例と第３実施例において水平対向４気筒エンジン１０Ｃ、水平対向８気筒エンジン１０Ｄについて例示したが、水平対向エンジンに係る気筒数はこれらに限定されるものでは無く、図６に示したように、基本となる２気筒ユニット１０Ｂを増減して６気筒、１０気筒、１２気筒、１６気筒等の水平対向エンジンを構成するようにしても良い。この場合、各ユニット間の位相差を、たとえば、１２０度（４π／３）、７２度（π／５）、６０度（π／３）、４５度（π／４）等、所定の角度、好ましくは各ユニットが備えるクランクアーム１３がクランク軸１４を中心に円周に対してバランスよく配置されるように設定することによって、一次振動、偶力振動、二次振動等の振動を各ユニット間で互いに相殺するようにすることができる。また、図６に示した２気筒ユニット１０Ｂ単独で、すなわち水平対向２気筒エンジンを構成しても良い。そして、上記のいずれの場合であっても、クランク軸１４にバランスウェイトを取り付けて振動を抑制するようにしても良い。このとき、クランク軸１４を周回するクランクアーム１３の長さが従来のクランク構造で用いられるクランクアームの長さよりも短くすることができるので、クランク軸１４を周回する慣性モーメントを打ち消すバランスウェイトを軽量化させることができる。さらに、従来、先端が往復運動を行い、基端が回転運動を行うコンロッドには往復運動に因る振動と回転運動に因る振動が発生するが、本実施例に係るレシプロエンジン１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ、及び上記の多気筒水平対向エンジンによれば、コンロッド１１又はコンロッド対１１Ａに生じる振動から回転運動に因る振動成分を除去することができる。これによって、レシプロエンジンに生じる一次振動、偶力振動、二次振動等の振動のうち、コンロッド１１又はコンロッド対１１Ａの回転運動に因る振動を軽減することができる。

第１実施例乃至第３実施例に記載した単気筒エンジン１０Ａ、水平対向４気筒エンジン１０Ｃ、水平対向８気筒エンジン１０Ｄによれば、コンロッド１１の基端側に内歯車１５ａを備えた円環部１５を形成し、当該内歯車１５ａをクランクピン１２が軸支する歯車１６が転動するように構成した。これによって、コンロッド１１を軸に沿って直線的に往復運動させたとき、内歯車１５ａに沿って回転するクランクアーム１３を介してクランク軸１４の回転運動へ変換することができる。
そして、コンロッド１１が直線的に往復運動することから、コンロッド１１先端にピストン２１を連結して、当該ピストン２１をシリンダー２０内で往復させたとき、ピストン２１の側壁がシリンダー２０内壁を押圧する側圧を抑制することができ、コンロッド１１の揺動によってシリンダー２０内でピストン２１が往復運動に対して交差する方向へ動き、余分な振動を発生させることを防止することができる。そのため、当該振動等に伴うピストン２１の摩擦損失を軽減することができることから、シリンダー２０に発生する熱を抑制することができる。これによって、単気筒エンジン１０Ａ、水平対向４気筒エンジン１０Ｃ、水平対向８気筒エンジン１０Ｄの熱変換効率を改善することができることから、各エンジンの出力特性を改善し、燃費を改善することができる。
さらに、従来のクランク構造であれば、コンロッドの基端に接続されたクランクアームの回転半径がコンロッドの往復距離となる。すなわち、本実施例に係るクランク構造１０の構成に鑑みると、円環部１５の中心にクランク軸があり、クランクアームの先端が当該円環部１５の円周に沿って回転していると言える。ここで換言すれば、従来のクランク構造に係るクランクアームの長さに対して、本実施例に係るクランク構造１０のクランクアーム１３の長さは半分に抑えられているので、クランクアーム１３の慣性モーメントを抑制して、クランク軸にかかる負荷を軽減することができる。
一方、従来のクランク構造に係るクランクアームに対し、本実施例に係るクランクアーム１３は２倍の利得でコンロッド１１を往復させることができ、コンロッドを大きく動かすことができることから、従来のクランク構造に係るクランクアームの長さと、本実施例に係るクランク構造１０のクランクアーム１３の長さを同程度にした場合は、ピストン２１の移動距離が２倍になるので、容易にロングストローク化して、低速トルクの増大と燃焼効率の向上に伴う燃費改善を行うことができ、さらには、図６に示すように、一対のロッド部１１ａ，１１ａが円環部１５を挟むように対向配置されたコンロッド対１１Ａを構成することによって、従来のクランク構造では実現できなかった、クランク軸１４及び円環部１５を挟んで一対のロッド部１１ａを対向配置した２気筒ユニット１０Ｂを構成することができる。

本実施例に係る２気筒ユニット１０Ｂによれば、コンロッド対１１Ａが水平方向に沿って往復運動のみ行うように構成した。ここで、従来のエンジンに係るクランク構造であれば、コンロッドが揺動するために、シリンダーに対してピストンに横方向の力、本実施例においては図６に示す縦方向への力が発生し、ピストン２１がシリンダー２０の内壁を打つピストンスラップ現象が発生していたが、これを防止するため、ピストンの下方にピストンスカートが形成されていた。しかしながら、本実施例に係る２気筒ユニット１０Ｂにおいては、ピストン２１がシリンダー２０内を直線的に往復運動するので、ピストンスカートの長さを最小限に抑えることができ、ピストンの長さを短くすることができる。また、ピストン２１がシリンダー２０内でコンロッド１１によって傾くことが無いため、ピストン２１とシリンダー２１間のクリアランスをより一層狭くし、ピストンリングの遊びを無くすことができ、ピストン冠部の長さを短くすることができるので、短くしたピストンスカートと合わせて、ピストン２１自体をコンパクトに構成することができる。
さらには、従来の水平対向２気筒エンジンと比較して、少なくとも片側のクランクアームの重量を軽量化することができ、また中心のクランクアームを短縮して慣性モーメントを軽減してバランスウェイトを軽量化し、エンジン全体を軽量化することができる。

また、第２実施例又は第３実施例に記載した４気筒又は８気筒の水平対向エンジンによれば、第１実施例に記載した直線的に往復運動するコンロッドに基づいて、ロッド部の基端に設けた円環部を共有し、当該円環部を挟んで相反する方向へ対向配置された一対のロッド部を備えたコンロッド対を構成した。そして、当該コンロッド対の両端にそれぞれピストンを連結して、シリンダーに収納した水平対向の２気筒ユニットを基本構成とし、４気筒又は８気筒を備える水平対向エンジンを構成した。これによって、水平方向に往復運動するコンロッドを用いて左右交互に吸気工程、圧縮工程、爆発工程、排気工程を繰り返すエンジンを構成することができる。
本実施例に係るコンロッドは基端の円環部が回転せず、直進的な往復運動を行うように構成したので、円環部を共有し、一のロッド部に相反する水平方向へ伸ばした他のロッド部もまた水平方向へ直進的に往復するように構成される。そのため、たとえば、一のロッド部に連結されているピストンがシリンダー内の爆発によって押し下げられるとき、その力を利用して、他のロッド部に連結したピストンをシリンダー内で押し上げて圧縮または排気に係る工程を行うことができる。このように、構造を簡単にすると共に、一方の力を利用して他方を動作させることでエンジンの効率を改善し、燃費の消費を抑えることができる。

さらに、本実施例に係るクランク構造１０、並びに単気筒エンジン１０Ａ、２気筒ユニット１０Ｂ、水平対向４気筒エンジン１０Ｃ、水平対向８気筒エンジン１０Ｄによれば、コンロッド１１が直線的に往復運動を行うことから、従来のエンジンでは無しえなかったボア×ストロークの新たな設計を取り入れることができ、大径のボアに対して、さらにストローク長を長くして、ヘッド部２２ａ内の燃焼効率を向上させることができ、熱損失に対する大きな改善が見込める。また、従来のエンジンではクランクアームとコンロッドの動きに伴ってピストン２１がシリンダー２０の内壁に衝突し、コンロッドとクランクアームに対して互いに応力が加わることによって、可燃性混合気体の爆発に伴う発熱のみならず、エンジンの構造物の動作によってもまた大きく発熱していたが、本実施例に係るクランク構造１０、並びに単気筒エンジン１０Ａ、２気筒ユニット１０Ｂ、水平対向４気筒エンジン１０Ｃ、水平対向８気筒エンジン１０Ｄによれば、ピストン２１がシリンダー２０の内壁に衝突し、振動することによるシリンダー２０に対するピストンの摩擦損失を大きく減らすと共に、コンロッド１１とクランクアーム１３にかかる負荷についても軽減することができることから、摩擦等によるエンジン自体の余計な発熱を抑えて、燃焼効率を向上させることができ、熱損失に対する大きな改善が見込める。

なお、本実施例に係るクランク構造１０、並びに単気筒エンジン１０Ａ、２気筒ユニット１０Ｂ、水平対向４気筒エンジン１０Ｃ、水平対向８気筒エンジン１０Ｄは、自動車に搭載される場合に限定されず、船舶、航空機、機関車等、内燃機関を備える乗り物に適用することができ、また、内燃機関を備えたポンプ、発電機等に適用しても良い。いずれの場合であっても、上記の効果を見込めることができ、燃料消費の改善のみならず、環境に対する負担も大きく軽減することができる。

次に、レシプロエンジンについて、シリンダー２０のボアと、ピストン２１のストロークの関係に着目した他の実施例を、添付した図面にしたがって以下説明する。
２気筒ユニット１０Ｂは、図６に示したように、ボアに対してストロークが大きいロングストローク型に構成されている。ここで、ボアとは、シリンダーの内径を言い、ストロークとは、ピストン２１の上死点と下死点間の距離を言う。
ここで、２気筒ユニット１０Ｂに係るシリンダー２０のボアとピストン２１のストロークの関係は、図６に示すように、シリンダー２０を細長く形成して、ボアに対してストロークが大きくなるように構成されている。なお、上記の他の実施例に記載したように、ピストン２１の移動距離を大きく稼ぐクランク構造としたことから、ロッド部１１ａを従来のエンジンよりも短くして、コンロッド対１１Ａの長手方向の長さを短く構成してもなおストロークを大きく稼ぐことができる。これによって、エンジンをコンパクトに構成することができる。
これによって、図６に示した２気筒ユニット１０Ｂのように、ロングストローク型に構成した場合は、低回転時の冷却損失を小さくして熱効率を改善することができ、燃費を向上させることができる。また、本実施例に係るクランク構造の場合、クランクアームの回転によるコンロッドの振れ角が無いので、容易にピストンスピードを高くすることができ、低回転時のトルクを大きくすることができる。

一方、図９に示した２気筒ユニット１０Ｅは、図６に示した構成と対照的に、ボアに対してストロークが小さいショートストローク型又は、ボアとストロークが等しいスクエア型として構成したものである。
上記の他の実施例に記載したように、ピストン２１の移動距離を大きく稼ぐクランク構造としたことから、ロッド部１１ａを従来のエンジンよりも短くして、コンロッド対１１Ａの長手方向の長さを短く構成してもなおストロークを大きく稼ぐことができ、ピストンスカートの長さを最小限に抑えることができるので、ロッド部１１ａの長さを従来のクランク構造よりも極端に短くし、かつ、シリンダー２０の内径を拡げてピストンを大径化することができる。
そのように、ピストンを大径化してショートストロークに構成した場合は、シリンダー２０に設けた吸気口２３、排気口２４の径を大きくすることができる。吸気口２３又は排気口２４の径を大きくした場合、吸排気に要する時間を短くすることができ、かつ、ストロークを短くしているので、ピストンスピードを上げずに、高回転化することができる。そのため、ショートストロークに構成した場合は、排気量あたりの出力を容易に大きくすることができる。また、従来のショートストローク型エンジンでは、高出力を実現するためにボアを大径化するに伴って必然的にピストンも大きくなり、当該ピストンに係る部品、特にコンロッド又はクランクアームを頑丈にする必要があったが、本実施例に係る２気筒ユニット１０Ｅによれば、コンロッド対が直線的に運動するため、従来ほどの剛性は必要が無く軽量化することができ、かつ、エンジンをコンパクトに設計することができる。

そして、シリンダー２０のボアとピストン２１のストロークを略等しくしてスクエア型に構成した場合は、従来、ロングストローク化する際にボアを小さくするためにシリンダー２０を細くするために、吸気口２３又は排気口２４の大きさに制限が課せられていたが、本実施例に係る２気筒ユニット１０Ｅでは、ボアを大きくすることに合わせてストローク長を自在に設計することができることから、吸排気に係る時間を短くする共にピストンスピードを上げることができ、高回転化すると共に燃焼効率を改善するといった、ロングストローク型とショートストローク型の双方のメリットを容易に達成できるレシプロエンジンを設計することが可能である。

また、シリンダー形状について、図１０に示したように、各２気筒ユニット１０Ｂ，１０Ｅを基にして、対向配置されたシリンダー２０の基端開口部をつなぎ合わせて一つのハウジング２０Ａ内に、コンロッド対１１Ａと、ピストン対２１，２１が収納されている２気筒ユニット１０Ｆを構成しても良い。
ここで、従来、公知のエンジンによれば、ロータリーエンジンがハウジング内に略三角形状のローターを収納する構成となっている。当該ロータリーエンジンでは、ローターとハウジング壁面で区画される空間を密閉するアペックスシールがローターの回転に伴って異常摩耗することが大きな問題となっていた。これに対して、本実施例に係る２気筒ユニット１０Ｆは、ロータリーエンジンのように回転動機構による容積変化を利用するエンジンでは無く、ピストン２１とシリンダー２０を用いた往復動機構による容積変化でエネルギーを生み出すのエンジンであることから、シール性を高く維持したまま、エンジンをコンパクトに構成することができる。
さらに、図１０に示す２気筒ユニット１０Ｆによれば、上記したように振動を抑制することができるため、ロータリーエンジンの優れた特性である低振動、低騒音化を実現することができる。
また、ロータリーエンジンにおいて、低回転域での燃焼が不安定であることから、トルクが細く、排出ガスがクリーンではない大きなデメリットは、たとえば、２気筒ユニット１０Ｆのシリンダー２０を細径化し、ピストン２１のストローク長を伸ばして、ロングストローク化することによって、低速トルクを大きくして、燃焼効率を上げることによって解決することができる。さらには、２気筒ユニット１０Ｆによれば、ロングストローク型、ショートストローク型、スクエア型と用途・目的に合わせてボアとストロークを自由に設計することができるので汎用性に優れている。

第４実施例に係るレシプロエンジンの構成によれば、上記他の実施例に記載したクランク構造を採用し、シリンダー２０の内径とピストン２１のストローク量をロングストローク型、ショートストローク型或いはスクエア型と呼ばれる大きさ、長さへ任意に設計することができる。また、対向配置されたシリンダー２０の基端開口部を連接させてハウジング２０Ａに構成することによって、ロータリーエンジンに似たメリットを備え、当該ロータリーエンジンのデメリットを極力排したレシプロエンジンを構成することができる。

１０…クランク構造、１０Ａ…単気筒エンジン、１０Ｂ，１０Ｅ，１０Ｆ…２気筒ユニット、１０Ｃ…水平対向４気筒エンジン、１０Ｄ…水平対向８気筒エンジン、
１１…コンロッド、１１ａ…ロッド部、１１ｂ…係合環部、
１２…クランクピン、１３…クランクアーム、１４…クランク軸、
１５…円環部、１５ａ…内歯車、１６…歯車、１７…偏心フリーローター、
２０…シリンダー、２１…ピストン、
２２…点火プラグ、２３…吸気口、２４…排気口
３０…第１ユニット、３１…第２ユニット、３２…第３ユニット、３３…第４ユニット。

Claims (14)

1. 棒体状のコンロッドと、
   当該コンロッドと係合するクランクピンを先端で回動自在に軸支するクランクアームと、
   当該クランクアームの基端に接続されたクランク軸とからなり、
   前記コンロッドの往復運動が、前記クランクアームを介して前記クランク軸の回転運動に変換されるクランク構造であって、
   前記コンロッドの基端に、所定の内径を有する内歯車を備えた円環部を設け、
   当該円環部内に、前記内歯車と噛合する歯車と、当該歯車に重ね合わせた円盤状で前記内歯車と略同径の偏心フリーローターを配設して、
   前記クランクピンが、前記歯車と前記偏心フリーローターを回動自在に軸支し、
   前記コンロッドを往復運動させたとき、前記歯車が前記内歯車に沿って転動し、
   前記クランクピンを先端に有する前記クランクアームが、前記円環部内で周回して、
   前記クランクアームの基端に接続している前記クランク軸を回動させると共に、
   前記偏心フリーローターが、前記クランクアームが回転する方向と相反する方向へ、前記円環部内で回転するようにしたことを特徴とするクランク構造。
2. 前記内歯車の内径と前記歯車の直径の比が２対１であることを特徴とする請求項１に記載のクランク構造。
3. 前記偏心フリーローターの軸心を、短径と長径の比が１対３となる位置に設けたことを特徴とする請求項１に記載のクランク構造。
4. ヘッド部に点火プラグと吸気口、排気口を備えた筒状のシリンダーと、
   当該シリンダーに嵌合する円柱状のピストンと、
   当該ピストンが先端に連結された棒体状のコンロッドと、
   当該コンロッドと係合するクランクピンを先端で回動自在に軸支するクランクアームと、
   当該クランクアームの基端に接続されたクランク軸とを有し、
   前記吸気口から可燃性ガスを前記シリンダー内へ取り込む吸気工程と、
   前記ピストンが前記可燃性ガスを前記シリンダーの前記ヘッド部側へ圧縮する圧縮工程と、
   前記点火プラグが圧縮された前記可燃性ガスに点火して爆発又は燃焼させる爆発燃焼行程と、
   前記可燃性ガスが爆発又は燃焼した後の排気ガスを前記排気口から排気する排気工程とからなる工程によって、
   前記シリンダー内の前記ピストンの往復運動が、前記コンロッドの往復運動へ伝達され、
   当該コンロッドの往復運動が、前記クランクアームを介して前記クランク軸の回転運動に変換されて、回転動力として出力されるようにしたレシプロエンジンにおいて、
   前記コンロッドの基端に、所定の内径を有する内歯車を備えた円環部を設け、
   当該円環部内に、前記内歯車と噛合する歯車と、当該歯車に重ね合わせた円盤状で前記内歯車と略同径の偏心フリーローターを配設して、
   前記クランクピンが、前記歯車と前記偏心フリーローターを回動自在に軸支し、
   前記コンロッドを往復運動させたとき、前記歯車が前記内歯車に沿って転動し、
   前記クランクピンを先端に有する前記クランクアームが、前記円環部内で周回して、
   前記クランクアームの基端に接続している前記クランク軸を回動させると共に、
   前記偏心フリーローターが、前記クランクアームが回転する方向と相反する方向へ、前記円環部内で回転するようにしたことを特徴とするレシプロエンジン。
5. 前記内歯車の内径と前記歯車の直径の比が２対１であることを特徴とする請求項４に記載のレシプロエンジン。
6. 前記偏心フリーローターの軸心を、短径と長径の比が１対３となる位置に設けたことを特徴とする請求項４に記載のレシプロエンジン。
7. 前記コンロッドが、前記円環部を挟んで対向配置された一対のロッド部を有し、当該ロッド部の先端にそれぞれ前記ピストンが連結されていることを特徴とする請求項４に記載のレシプロエンジン。
8. 一対の前記ロッド部を備えた前記コンロッドと、当該ロッド部の先端にそれぞれ接続された一対の前記ピストン、及び当該ピストンを収めた一対の前記シリンダーからなる２気筒ユニットを備えていることを特徴とする請求項７に記載のレシプロエンジン。
9. ２つの前記２気筒ユニットからなる水平対向４気筒エンジンであることを特徴とする請求項８に記載のレシプロエンジン。
10. ４つの前記２気筒ユニットからなる水平対向８気筒エンジンであることを特徴とする請求項８に記載のレシプロエンジン。
11. 前記シリンダーの内径であるボアに対して、前記ピストンの上死点と下死点間の距離であるストロークを長く構成したロングストローク型であることを特徴とする請求項７に記載のレシプロエンジン。
12. 前記シリンダーの内径であるボアに対して、前記ピストンの上死点と下死点間の距離であるストロークを短く構成したショートストローク型であることを特徴とする請求項７に記載のレシプロエンジン。
13. 前記シリンダーの内径であるボアに対して、前記ピストンの上死点と下死点間の距離であるストロークを同長に構成したスクエア型であることを特徴とする請求項７に記載のレシプロエンジン。
14. 前記シリンダーを対向配置して一体成形したハウジング内に、前記ロッド部対を備えた前記コンロッドが収納されていることを特徴とする請求項１１乃至請求項１３のいずれかに記載のレシプロエンジン。

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