JP2023151341A - 内燃エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】往復回転変換機構を用いながらも簡易な構成にする。【解決手段】ピストン４３２の周囲をピストン４３２と同軸上で回転可能に配置された回転部材４３３と、ピストン４３２と回転部材４３３との間に介在され、ピストン４３２の往復を回転部材４３３の回転に変換する変換機構４５０を備える。また、シリンダ４３１に配置され、燃焼室４０５に連通可能で、連通により外部から空気を吸入する吸入路と、シリンダ４３１に配置され、燃焼室４０５に連通可能で、連通により外部に排出ガスを排出する排出路と、回転部材４３３の回転により駆動され、空気の吸入時には、吸入路と燃焼室４０５とを連通し、かつ、排出路と燃焼室４０５とを遮断し、排出ガスの排出時には、排出路と燃焼室４０５とを連通し、かつ、吸入路と燃焼室４０５とを遮断する切替機構４７３を備える。【選択図】図１

Description

この技術は、燃焼室で燃料を燃焼して駆動力を出力する内燃エンジンに関する。

従来、電動モータの回転をピストンの往復運動に変換して空気を吸引して加圧し、吐出するポンプ装置が普及している。近年では、モータにより回転される略円筒形状の回転部材の内側にピストンを配置し、回転部材の回転軸線方向とピストンの往復方向とを一致させたポンプ装置が開発されている（特許文献１参照）。このポンプ装置では、回転部材の回転をピストンの往復に変換するために、変換機構が用いられている。

このような変換機構を内燃エンジンに適用し、ピストンの往復を回転に変換して駆動力として外部に出力させることが考えられる。一方、燃焼室の吸排気を切り替えるバルブは、従来はクランク軸に平行な回転軸を利用したカム機構により開閉される。

特開２００８－２２３５１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の変換装置を内燃エンジンに単に適用しようとしても、エンジンの出力部材はピストンに同軸の回転部材になり、回転部材の回転によって燃焼室のバルブを開閉するカム機構を駆動するためには、回転部材の中心軸から９０度変換した駆動力が必要になり、構成が複雑になってしまうという課題がある。

そこで、往復回転変換機構を用いながらも簡易な構成にできる内燃エンジンを提供することを目的とする。

本内燃エンジンは、シリンダと、前記シリンダ内を軸方向に往復可能に配置され、燃料を燃焼させる燃焼室を前記シリンダとともに形成するピストンと、前記ピストンの周囲を前記ピストンと同軸上で回転可能に配置された回転部材と、前記ピストンと前記回転部材との間に介在され、前記ピストンの往復を前記回転部材の回転に変換する第１変換機構であって、前記ピストン及び前記回転部材の一方に配置され、かつ、前記回転部材の回転方向の全周に亘って前記軸方向に交互に変位した波形状である波形溝と、前記ピストン及び前記回転部材の他方に配置され、かつ、前記波形溝に嵌合して案内されるローラ部と、を有する第１変換機構と、前記シリンダに配置され、前記燃焼室に連通可能で、連通により外部から空気を吸入する吸入路と、前記シリンダに配置され、前記燃焼室に連通可能で、連通により外部に排出ガスを排出する排出路と、前記回転部材の回転により駆動され、空気の吸入時には、前記吸入路と前記燃焼室とを連通し、かつ、前記排出路と前記燃焼室とを遮断し、排出ガスの排出時には、前記排出路と前記燃焼室とを連通し、かつ、前記吸入路と前記燃焼室とを遮断する切替機構と、を備える。

本内燃エンジンによると、往復回転変換機構を用いながらも簡易な構成にできる。

第１の実施形態に係る内燃エンジンを示す断面図である。 （ａ）は波形溝を示す展開図であり、（ｂ）は変換機構を示す水平断面図であり、（ｃ）は燃料燃焼機構を示す平面図である。 第２の実施形態に係る内燃エンジンを示す断面図である。 第２の実施形態に係る燃料燃焼機構を示す水平断面図である。 第３の実施形態に係る内燃エンジンを示す断面図である。 （ａ）は燃料燃焼機構を示す平面図であり、（ｂ）は切替溝の展開図である。 第４の実施形態に係る内燃エンジンを示す断面図である。 （ａ）は燃料燃焼機構を示す平面図であり、（ｂ）は変形例に係る燃料燃焼機構を示す平面図であり、（ｃ）は（ｂ）に示す燃料燃焼機構の切替溝の展開図である。

＜第１の実施形態＞
以下、本開示の第１の実施形態を、図１及び図２（ａ）～（ｃ）を参照しながら詳細に説明する。まず、内燃エンジン４００について、図１を用いて概要を説明する。内燃エンジン４００は、４ストロークエンジンであって、ケース４１０と、第１ユニット４０１と、第２ユニット４０２と、第３ユニット４０３とを有している。各ユニット４０１，４０２，４０３には１つずつピストンが設けられ、全体で３気筒の内燃エンジン４００となっている。各ユニット４０１，４０２，４０３は回転部材４３３の位相が１２０度（２４０度）ずつずれている他は同様の構成であるので、第１ユニット４０１について説明し、他のユニット４０２，４０３については詳細な説明を省略する。

第１ユニット４０１は、往復回転変換機構４３０と、燃料燃焼機構４７０とを有している。本実施形態では、往復回転変換機構４３０のピストン４３２の中心線と回転部材４３３の回転中心とが一致しており、これを中心線Ｃ１とし、この中心線Ｃ１に沿った方向を軸方向Ｄ１とする。また、説明の便宜上、軸方向Ｄ１は、上方向Ｄｕと下方向Ｄｄとを向いているものとする。尚、軸方向Ｄ１は、上下方向を向いていることには限られないのは勿論である。また、ピストンの中心線Ｃ１に直交する方向を、ピストン４３２の径方向Ｄ２とする。

往復回転変換機構４３０は、ケース４１０に固定されたシリンダ４３１と、シリンダ４３１内（シリンダ内）を軸方向Ｄ１に往復可能に配置されたピストン４３２と、円筒形状の回転部材４３３と、ピストン４３２と回転部材４３３との間に介在され、ピストン４３２の往復と回転部材４３３の回転とを変換する第１変換機構の一例である変換機構４５０と、ピストン４３２がシリンダ４３１に対して回転することを規制する規制機構４６０と、を有している。往復回転変換機構４３０の詳細は後述する。

ケース４１０は、シリンダケース４１１と、シリンダケース４１１を閉塞するシリンダカバー４１２と、シリンダケース４１１の底部を閉塞する底カバー４１３とを有している。シリンダケース４１１は、シリンダ４３１を形成する円筒形状の穴部を有している。ピストン４３２は、シリンダケース４１１とシリンダカバー４１２とともに燃焼室４０５を形成する。

［往復回転変換機構］
次に、往復回転変換機構４３０について、詳細に説明する。回転部材４３３は、ピストン４３２の周囲を同軸上に回転可能に配置されている。変換機構４５０は、回転部材４３３に形成された波形溝４５１と、ピストン４３２に支持されたローラ部４５２とを有している。回転部材４３３には、ケース４１０の下方向Ｄｄ側から突出した出力軸４０６が一体化して設けられている。波形溝４５１は、回転部材４３３の回転方向の全周に亘って軸方向Ｄ１に交互に変位した波形状である（図２（ａ）参照）。ピストン４３２の軸方向Ｄ１の下部には、径方向Ｄ２の片方に突出した回転可能な軸状のローラ部４５２と、ローラ部４５２をピストン４３２に対して径方向Ｄ２を中心に回転可能に支持する軸受４５３とが、一対設けられている（図２（ｂ）参照）。即ち、ピストン４３２の径方向Ｄ２の両側に、別々のローラ部４５２の先端部が突出しており、それぞれ波形溝４５１に嵌合して案内される。

尚、本実施形態では、波形溝４５１が回転部材４３３に形成され、ローラ部４５２がピストン４３２に設けられた場合について説明しているが、これには限られず、波形溝４５１がピストン４３２に形成され、ローラ部４５２が回転部材４３３に設けられるようにしてもよい。即ち、波形溝４５１は、ピストン４３２及び回転部材４３３の一方に配置され、ローラ部４５２は、ピストン４３２及び回転部材４３３の他方に配置される。

規制機構４６０は、ピストン４３２に形成された軸方向溝４６１と、シリンダ４３１に配置された軸４６３と、軸４６３に設けられた転動部材４６２とを有している。軸方向溝４６１は、軸方向Ｄ１が長手方向となるように、かつ、ピストン４３２を径方向Ｄ２に貫通して形成されている。軸４６３は、シリンダ４３１に対して、軸方向Ｄ１及び回転方向への相対移動を規制され、かつ、軸方向溝４６１に係合して軸方向Ｄ１に案内される。転動部材４６２は、軸４６３に対して回転可能に取り付けられた例えばボール軸受やローラ軸受であり、軸４６３と軸方向溝４６１との間で摩擦を低減する。

尚、本実施形態では、軸方向溝４６１がピストン４３２に形成され、軸４６３がシリンダ４３１に設けられた場合について説明しているが、これには限られず、軸方向溝４６１がシリンダ４３１に形成され、軸４６３がピストン４３２に設けられるようにしてもよい。即ち、軸方向溝４６１は、シリンダ４３１及びピストン４３２の一方に配置され、軸４６３は、シリンダ４３１及びピストン４３２の他方に配置される。

上述した往復回転変換機構４３０では、ピストン４３２が往復することで、ローラ部４５２を軸方向Ｄ１に移動させ、波形溝４５１が回転し、回転部材４３３が回転し、出力軸４０６から駆動力が出力される。尚、本実施形態では、往復回転変換機構４３０は、往復を回転に変換する場合について説明したが、これには限られず、回転を往復に変換することも可能である。例えば、内燃エンジン４００が車両の車輪に駆動連結されて走行に使用される場合は、エンジンブレーキを使用する場合に出力軸４０６側から動力が入力され、回転部材４３３が回転して波形溝４５１及びローラ部４５２を介してピストン４３２を往復させることができる。

回転部材４３３の外周面にはギヤ部４３３ａが形成されている。各ユニット４０１，４０２，４０３は、軸方向Ｄ１から視て直線状に配置され、ギヤ部４３３ａが順に噛合して、同期して回転するようになっている。このとき、同期の位相は、１２０°（２４０°）ごとにずれるように噛合される。

［燃料燃焼機構］
次に、燃料燃焼機構４７０について、図１及び図２（ｃ）を用いて詳細に説明する。尚、ここでは、図１を用いた説明において、便宜上、第３ユニット４０３の燃料燃焼機構４７０を用いて説明するが、第１ユニット４０１の燃料燃焼機構４７０も同様の構成である。燃料燃焼機構４７０は、シリンダ４３１の内部において燃料を燃焼することでピストン４３２を押圧して出力を得る。燃料燃焼機構４７０は、空気を外部から燃焼室４０５に吸入するための吸入路４７１と、排気ガスを燃焼室４０５から外部に排出するための排出路４７２と、吸気及び排気を切り替える切替機構４７３と、を有している。吸入路４７１は、シリンダカバー４１２に形成された軸方向Ｄ１に貫通した透孔からなり、燃焼室４０５に連通可能で、連通により外部から空気を吸入するようになっている。排出路４７２は、シリンダカバー４１２に形成された軸方向Ｄ１に貫通した透孔からなり、燃焼室４０５に連通可能で、連通により外部に排出ガスを排出するようになっている。即ち、吸入路４７１及び排出路４７２は、それぞれシリンダ４３１のヘッドを軸方向Ｄ１に貫通して燃焼室４０５に連通可能に設けられている。シリンダカバー４１２において、燃焼室４０５の中央部に相当する位置には、燃焼室４０５に露出したインジェクション４７７が設けられている。

切替機構４７３は、円板状部材の一例であるロータリバルブ４７４を有している。ロータリバルブ４７４は、燃焼室４０５において、軸方向Ｄ１に関してピストン４３２と反対側の端部に設けられ、回転部材４３３と同軸上で同期して回転する。ロータリバルブ４７４の外周面にはギヤ部４７４ａが形成されている。本実施形態では、第３ユニット４０３の径方向Ｄ２に並んで、軸方向Ｄ１を長手方向として伝達軸４７５が設けられている。伝達軸４７５は、シリンダカバー４１２と底カバー４１３に回転可能に支持され、回転部材４３３のギヤ部４３３ａに噛合するギヤ部４７５ａと、ロータリバルブ４７４のギヤ部４７４ａに噛合するギヤ部４７５ｂとを有している。回転部材４３３が回転すると、伝達軸４７５が回転し、ロータリバルブ４７４も同期して回転する。尚、回転部材４３３とロータリバルブ４７４とを同期回転させる手段としては、伝達軸４７５のような別部材をもちいることには限られず、回転部材４３３とロータリバルブ４７４とを一体化させてもよい（第４の実施形態参照）。

ロータリバルブ４７４は、軸方向Ｄ１に貫通する貫通孔４７６を有している。貫通孔４７６は、ロータリバルブ４７４の回転によって、吸入路４７１及び排出路４７２のそれぞれに連通可能になっている。従って、ロータリバルブ４７４が回転して、貫通孔４７６が吸入路４７１に重なったときに、吸入路４７１と燃焼室４０５とを連通し、かつ、排出路４７２と燃焼室４０５とを遮断する。また、貫通孔４７６が排出路４７２に重なったときに、排出路４７２と燃焼室４０５とを連通し、かつ、吸入路４７１と燃焼室４０５とを遮断する。

次に、内燃エンジン４００の動作について説明する。吸入工程では、ロータリバルブ４７４及び回転部材４３３が同期して回転することで、貫通孔４７６が吸入路４７１に重なると共に、ピストン４３２が下降する。これにより、外部から空気が燃焼室４０５に吸入される。圧縮工程では、ロータリバルブ４７４及び回転部材４３３が同期して回転することで、貫通孔４７６が吸入路４７１及び排出路４７２のいずれにも重ならない位置になり、ピストン４３２が上死点まで上昇して空気を圧縮し、インジェクション４７７から燃料が噴射される。燃焼工程では、貫通孔４７６が吸入路４７１及び排出路４７２のいずれにも重ならないまま、点火プラグにより混合気が点火されて燃焼し、燃焼ガスが膨張してピストン４３２が下死点まで押し下げられる。排気工程では、ロータリバルブ４７４及び回転部材４３３が同期して回転することで、貫通孔４７６が排出路４７２に重なると共に、ピストン４３２が上昇して排気ガスを排出する。

以上説明したように、本実施形態の内燃エンジン４００によれば、吸排気を切り替えるロータリバルブ４７４がピストン４３２の中心線Ｃ１を中心に回転可能に設けられている。このため、従来のクランク軸と平行な回転軸を用いて吸排気を切り替える場合に比べて、往復回転変換機構４３０を用いながらも内燃エンジン４００を簡易な構成にすることができる。

また、本実施形態の内燃エンジン４００によれば、ロータリバルブ４７４を使用しているので、ポペットバルブのようなばね反力が発生することはなく、燃費を向上することができる。

また、本実施形態の内燃エンジン４００によれば、規制機構４６０において、軸４６３と軸方向溝４６１との間に転動部材４６２が設けられているので、転動部材４６２が設けられていない場合に比べて、規制機構４６０における摩擦抵抗を抑制することができる。このため、回転と往復の変換効率を向上することができ、内燃エンジン４００の燃費を向上することができる。

尚、本実施形態の内燃エンジン４００は、例えば、車両に搭載して発電用に使用したり、駆動力を用いて走行用に使用することができ、用途は限定されない。

＜第２の実施形態＞
次に、本開示の第２の実施形態を、図３及び図４を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、環状部材５３４が吸入路５７１及び排出路５７２に対して軸方向Ｄ１ではなく径方向Ｄ２に連通している点で、第１の実施形態と構成を異にしている。

内燃エンジン５００は、４ストロークエンジンであって、ケース５１０と、第１ユニット５０１と、第２ユニット５０２と、第３ユニット５０３とを有している。各ユニット５０１，５０２，５０３には１つずつピストンが設けられ、全体で３気筒の内燃エンジン５００となっている。各ユニット５０１，５０２，５０３は回転部材５３３の位相が１２０度（２４０度）ずつずれている他は同様の構成であるので、第１ユニット５０１について説明し、他のユニット５０２，５０３については詳細な説明を省略する。

第１ユニット５０１は、往復回転変換機構５３０と、燃料燃焼機構５７０とを有している。往復回転変換機構５３０は、ケース５１０に固定されたシリンダ５３１と、シリンダ５３１内を軸方向Ｄ１に往復可能に配置されたピストン５３２と、円筒形状の回転部材５３３と、ピストン５３２と回転部材５３３との間に介在され、ピストン５３２の往復と回転部材５３３の回転とを変換する変換機構５５０と、ピストン５３２がシリンダ５３１に対して回転することを規制する規制機構５６０と、を有している。往復回転変換機構５３０の詳細は後述する。

ケース５１０は、ケース本体５１１と、ケース本体５１１に取り付けられたカバー５１２と、カバー５１２に取り付けられたシリンダケース５１３とを有している。シリンダケース５１３は、シリンダ５３１を形成する円筒部５１３ａ及びヘッド部５１３ｂを有している。ピストン５３２は、シリンダケース５１３とともに燃焼室５０５を形成する。

［往復回転変換機構］
次に、往復回転変換機構５３０について説明する。回転部材５３３は、ピストン５３２の周囲を同軸上に回転可能に配置されている。回転部材５３３は、シリンダケース５１３の円筒部５１３ａ及びヘッド部５１３ｂの外部を覆うように設けられている。回転部材５３３には、ケース５１０の下方向Ｄｄ側から突出した出力軸５０６が一体化して設けられている。変換機構５５０は、回転部材５３３に形成された波形溝５５１と、ピストン５３２に支持されたローラ部５５２とを有している。波形溝５５１は、回転部材５３３の回転方向の全周に亘って軸方向Ｄ１に交互に変位した波形状である（図２（ａ）参照）。ピストン５３２の軸方向Ｄ１の下部には、径方向Ｄ２の片方に突出した回転可能な軸状のローラ部５５２と、ローラ部５５２をピストン５３２に対して径方向Ｄ２を中心に回転可能に支持する軸受５５３とが、一対設けられている（図２（ｂ）参照）。

規制機構５６０は、ピストン５３２に形成された軸方向溝５６１と、シリンダ５３１に配置された軸５６３と、軸５６３に設けられた転動部材５６２とを有している。軸方向溝５６１は、軸方向Ｄ１が長手方向となるように、かつ、ピストン５３２を径方向Ｄ２に貫通して形成されている。軸５６３は、シリンダ５３１に対して、軸方向Ｄ１及び回転方向への相対移動を規制され、かつ、軸方向溝５６１に係合して軸方向Ｄ１に案内される。転動部材５６２は、軸５６３に対して回転可能に取り付けられた例えばボール軸受やローラ軸受であり、軸５６３と軸方向溝５６１との間で摩擦を低減する。

本実施形態では、波形溝５５１とローラ部５５２との接触面は、径方向Ｄ２の外径側が大径（拡張）になるような勾配を有するようにしている。これにより、接触部分の内径側と外径側との回転差による滑りの発生を軽減できるので、摩擦抵抗を小さくすることができる。往復回転変換機構５３０の作用については、第１の実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。

［燃料燃焼機構］
次に、燃料燃焼機構５７０について、図３及び図４を用いて詳細に説明する。尚、ここでは、図３を用いた説明において、便宜上、第３ユニット５０３の燃料燃焼機構５７０を用いて説明するが、第１ユニット５０１の燃料燃焼機構５７０も同様の構成である。燃料燃焼機構５７０は、シリンダ５３１の内部において燃料を燃焼することでピストン５３２を押圧して出力を得る。燃料燃焼機構５７０は、空気を外部から燃焼室５０５に吸入するための吸入路５７１と、排気ガスを燃焼室５０５から外部に排出するための排出路５７２と、吸気及び排気を切り替える切替機構５７３と、を有している。吸入路５７１は、シリンダケース５１３の外部に設けられ、シリンダケース５１３の円筒部５１３ａに形成された吸入孔５１３ｃを介して燃焼室５０５に連通可能で、連通により外部から空気を吸入するようになっている。排出路５７２は、シリンダケース５１３の外部に設けられ、シリンダケース５１３の円筒部５１３ａに形成された排出孔５１３ｄを介して燃焼室５０５に連通可能で、連通により外部に排出ガスを排出するようになっている。即ち、吸入路５７１及び排出路５７２は、それぞれシリンダ５３１において内周側面に開口して燃焼室５０５に連通可能に設けられている。シリンダケース５１３の燃焼室４０５の中央部に相当する位置には、燃焼室５０５に露出したインジェクション５７７が設けられている。

切替機構５７３は、吸入孔５１３ｃ及び排出孔５１３ｄと、環状部材５３４と、貫通孔５３４ａとを有している。吸入孔５１３ｃ及び排出孔５１３ｄは、シリンダ５３１を径方向Ｄ２に貫通して燃焼室５０５に開口する透孔である。環状部材５３４は、シリンダ５３１の外周側において回転部材５３３と同軸上で同期して回転する部材であり、本実施形態では、回転部材５３３と一体化されている。但し、一体化されていることには限られず、第１の実施形態のように軸部材などの伝達部材を用いて同期回転するようにしてもよい。

貫通孔５３４ａは、環状部材５３４に形成され、径方向Ｄ２に貫通する。貫通孔５３４ａは、環状部材５３４の回転によって、吸入路５７１と吸入孔５１３ｃとを連通可能であり、また、排出路５７２と排出孔５１３ｄとを連通可能である。従って、環状部材５３４が回転して、貫通孔５３４ａが吸入孔５１３ｃに重なったときに吸入路５７１と燃焼室５０５とを連通し、かつ、排出路５７２と燃焼室５０５とを遮断し、貫通孔５３４ａが排出孔５１３ｄに重なったときに排出路５７２と燃焼室５０５とを連通し、かつ、吸入路５７１と燃焼室５０５とを遮断する、

次に、内燃エンジン５００の動作について説明する。吸入工程では、環状部材５３４及び回転部材５３３が同期して回転することで、貫通孔５３４ａが吸入路５７１に重なると共に、ピストン５３２が下降する。これにより、外部から空気が燃焼室５０５に吸入される。圧縮工程では、環状部材５３４及び回転部材５３３が同期して回転することで、貫通孔５３４ａが吸入路５７１及び排出路５７２のいずれにも重ならない位置になり、ピストン５３２が上死点まで上昇して空気を圧縮し、インジェクション５７７から燃料が噴射される。燃焼工程では、貫通孔５３４ａが吸入路５７１及び排出路５７２のいずれにも重ならないまま、点火プラグにより混合気が点火されて燃焼し、燃焼ガスが膨張してピストン５３２が下死点まで押し下げられる。排気工程では、環状部材５３４及び回転部材５３３が同期して回転することで、貫通孔５３４ａが排出路５７２に重なると共に、ピストン５３２が上昇して排気ガスを排出する。

以上説明したように、本実施形態の内燃エンジン５００によれば、吸排気を切り替える環状部材５３４がピストン５３２の中心線Ｃ１を中心に回転可能に設けられている。このため、従来のクランク軸と平行な回転軸を用いて吸排気を切り替える場合に比べて、往復回転変換機構５３０を用いながらも内燃エンジン５００を簡易な構成にすることができる。

また、本実施形態の内燃エンジン５００によれば、環状部材５３４を使用しているので、ポペットバルブのようなばね反力が発生することはなく、燃費を向上することができる。また、環状部材５３４は軸方向Ｄ１に押圧されずに回転可能であるので、例えば燃焼工程のような軸方向Ｄ１に大きな力が作用する場合であっても、環状部材５３４は円滑に回転でき、軸受の負荷を減らすことができる。

また、本実施形態の内燃エンジン５００によれば、規制機構５６０において、軸５６３と軸方向溝５６１との間に転動部材５６２が設けられているので、転動部材５６２が設けられていない場合に比べて、規制機構５６０における摩擦抵抗を抑制することができる。また、変換機構５５０において、波形溝５５１とローラ部５５２とに勾配を設けているので、摩擦抵抗を更に抑制することができる。このため、回転と往復の変換効率を向上することができ、内燃エンジン５００の燃費を向上することができる。

＜第３の実施形態＞
次に、本開示の第３の実施形態を、図５及び図６（ａ），（ｂ）を参照しながら詳細に説明する。内燃エンジン７００について、図５を用いて概要を説明する。内燃エンジン７００は、４ストロークエンジンであって、ケース７１０と、第１ユニット７０１と、第２ユニット７０２と、第３ユニット７０３とを有している。各ユニット７０１，７０２，７０３には１つずつピストンが設けられ、全体で３気筒の内燃エンジン７００となっている。各ユニット７０１，７０２，７０３は回転部材７３３の位相が１２０度（２４０度）ずつずれている他は同様の構成であるので、第１ユニット７０１について説明し、他のユニット７０２，７０３については詳細な説明を省略する。尚、図５を用いた説明の便宜上、ユニット７０２，７０３の構成を用いて説明する場合もある。

第１ユニット７０１は、往復回転変換機構７３０と、燃料燃焼機構７７０とを有している。往復回転変換機構７３０は、ケース７１０に固定されたシリンダ７３１と、シリンダ７３１内を軸方向Ｄ１に往復可能に配置されたピストン７３２と、円筒形状の回転部材７３３と、ピストン７３２と回転部材７３３との間に介在され、ピストン７３２の往復と回転部材７３３の回転とを変換する変換機構５５０と、ピストン７３２がシリンダ７３１に対して回転することを規制する規制機構５６０と、を有している。変換機構５５０と規制機構５６０とは、第２の実施形態と同様であるので、同符号を付して詳細な説明は省略する。

ケース７１０は、ケース本体７１１と、ケース本体７１１に取り付けられたカバー７１２と、カバー７１２に取り付けられたシリンダケース７１３とを有している。シリンダケース７１３は、シリンダ７３１を形成する円筒部７１３ａ及びヘッド部７１３ｂを有している。ピストン７３２は、シリンダケース７１３とともに燃焼室７０５を形成する。

回転部材７３３は、ピストン７３２の周囲を同軸上に回転可能に配置されている。回転部材７３３は、シリンダケース７１３の円筒部７１３ａの外周部を覆うように設けられている。回転部材７３３には、ケース７１０の下方向Ｄｄ側から突出した出力軸７０６が一体化して設けられている。往復回転変換機構７３０の作用については、第１の実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。

［燃料燃焼機構］
燃料燃焼機構７７０は、シリンダ７３１の内部において燃料を燃焼することでピストン７３２を押圧して出力を得る。燃料燃焼機構７７０は、図５及び図６（ａ）に示すように、空気を外部から燃焼室７０５に吸入するための吸入路７７１と、排気ガスを燃焼室７０５から外部に排出するための排出路７７２と、吸気及び排気を切り替える切替機構７７３と、を有している。吸入路７７１は、ヘッド部７１３ｂに形成され、燃焼室７０５に連通可能で、連通により外部から空気を吸入するようになっている。排出路７７２は、ヘッド部７１３ｂに形成され、燃焼室７０５に連通可能で、連通により外部に排出ガスを排出するようになっている。

図６（ａ）に示すように、カバー７１２には、軸方向Ｄ１に貫通した吸入口７１２ａと排出口７１２ｂとが形成されている。吸入口７１２ａは、ヘッド部７１３ｂとの間の流路（吸入路７７１の一部）を介して吸入弁７７４に連通している。排出口７１２ｂは、ヘッド部７１３ｂとの間の流路（排出路７７２の一部）を介して排出弁７７５に連通している。吸入路７７１と排出路７７２との間には、隔壁７１３ｃが設けられている。また、ヘッド部７１３ｂの中央部には、燃焼室７０５に露出したインジェクション７７６が設けられている。

切替機構７７３は、吸入弁７７４と、排出弁７７５と、第２変換機構の一例である変換機構７８０とを有している。吸入弁７７４は、ヘッド部７１３ｂに設けられたポペット弁であり、軸方向Ｄ１に往復することで吸入路７７１を開放及び閉塞する。排出弁７７５は、ヘッド部７１３ｂに設けられたポペット弁であり、軸方向Ｄ１に往復することで排出路７７２を開放及び閉塞する。変換機構７８０は、吸入弁７７４及び排出弁７７５と回転部材７３３との間に介在され、回転部材７３３の回転を吸入弁７７４及び排出弁７７５の開閉に変換する。変換機構７８０は、切替溝７８１と、吸入ローラ部７８２と、不図示の排出ローラ部とを有している。切替溝７８１は、回転部材７３３に形成され、かつ、回転部材７３３の回転方向の全周に亘って軸方向Ｄ１に交互に変位した波形状のカム溝である。切替溝７８１の一例を図６（ｂ）に示す。吸入ローラ部７８２は、吸入弁７７４から径方向Ｄ２に突出して設けられ、切替溝７８１に嵌合して案内される軸状の部材である。排出ローラ部は、排出弁７７５から径方向Ｄ２に突出して設けられ、切替溝７８１に嵌合して案内される軸状の部材である。

図６（ａ）に示す矢印は、切替機構７７３の回転方向を示す。この切替機構７７３では、回転部材７３３を回転し、空気の吸入時には、吸入弁７７４が開放して排出弁７７５が閉塞し、吸入路７７１と燃焼室７０５とを連通し、かつ、排出路７７２と燃焼室７０５とを遮断する。回転部材７３３を回転し、排気ガスの排出時には、排出弁７７５を開放して吸入弁７７４が閉塞したときに、排出路７７２と燃焼室７０５とを連通し、かつ、吸入路７７１と燃焼室７０５とを遮断する。

次に、内燃エンジン７００の動作について説明する。吸入工程では、回転部材７３３が回転することで、吸入弁７７４が開くと共に、ピストン５３２が下降する。これにより、外部から空気が燃焼室７０５に吸入される。圧縮工程では、回転部材７３３が回転することで、吸入弁７７４及び排出弁７７５のいずれも閉じ、ピストン７３２が上死点まで上昇して空気を圧縮し、インジェクション７７６から燃料が噴射される。燃焼工程では、吸入弁７７４及び排出弁７７５のいずれも閉じたまま、点火プラグにより混合気が点火されて燃焼し、燃焼ガスが膨張してピストン７３２が下死点まで押し下げられる。排気工程では、回転部材７３３が回転することで、排出弁７７５が開くと共に、ピストン７３２が上昇して排気ガスを排出する。

以上説明したように、本実施形態の内燃エンジン７００によれば、吸排気を切り替える回転部材７３３がピストン７３２の中心線Ｃ１を中心に回転可能に設けられている。このため、従来のクランク軸と平行な回転軸を用いて吸排気を切り替える場合に比べて、往復回転変換機構７３０を用いながらも内燃エンジン７００を簡易な構成にすることができる。

＜第４の実施形態＞
次に、本開示の第４の実施形態を、図７及び図８（ａ）～（ｃ）を参照しながら詳細に説明する。本実施形態では、燃料燃焼機構８７０において、ポペットバルブとロータリバルブとを併用している点で、第３の実施形態と構成を異にする。内燃エンジン８００について、図７を用いて概要を説明する。内燃エンジン８００は、４ストロークエンジンであって、ケース８１０と、第１ユニット８０１と、第２ユニット８０２と、第３ユニット８０３とを有している。各ユニット８０１，８０２，８０３には１つずつピストンが設けられ、全体で３気筒の内燃エンジン８００となっている。各ユニット８０１，８０２，８０３は回転部材８３３の位相が１２０度（２４０度）ずつずれている他は同様の構成であるので、第１ユニット８０１について説明し、他のユニット８０２，８０３については詳細な説明を省略する。

第１ユニット８０１は、往復回転変換機構８３０と、燃料燃焼機構８７０とを有している。往復回転変換機構８３０は、ケース８１０に固定されたシリンダ８３１と、シリンダ８３１内を軸方向Ｄ１に往復可能に配置されたピストン８３２と、円筒形状の回転部材８３３と、ピストン８３２と回転部材８３３との間に介在され、ピストン８３２の往復と回転部材８３３の回転とを変換する変換機構５５０と、ピストン８３２がシリンダ８３１に対して回転することを規制する規制機構５６０と、を有している。変換機構５５０と規制機構５６０とは、第２の実施形態と同様であるので、同符号を付して詳細な説明は省略する。

ケース８１０は、ケース本体８１１と、ケース本体８１１に取り付けられたカバー８１２と、カバー８１２に取り付けられたシリンダケース８１３とを有している。シリンダケース８１３は、シリンダ８３１を形成する円筒部８１３ａ及びヘッド部８１３ｂを有している。ピストン８３２は、シリンダケース８１３とともに燃焼室８０５を形成する。

回転部材８３３は、ピストン８３２の周囲を同軸上に回転可能に配置されている。回転部材８３３は、シリンダケース８１３の円筒部８１３ａ及びヘッド部８１３ｂの外部を覆うように設けられている。回転部材８３３には、ケース８１０の下方向Ｄｄ側から突出した出力軸８０６が一体化して設けられている。往復回転変換機構８３０の作用については、第１の実施形態と同様であるので詳細な説明を省略する。

［燃料燃焼機構］
燃料燃焼機構８７０は、シリンダ８３１の内部において燃料を燃焼することでピストン８３２を押圧して出力を得る。燃料燃焼機構８７０は、図７及び図８（ａ）に示すように、空気を外部から燃焼室８０５に吸入するための吸入路８７１と、排気ガスを燃焼室８０５から外部に排出するための排出路８７２と、吸気及び排気を切り替える切替機構８７３と、を有している。吸入路８７１は、ヘッド部８１３ｂに形成され、燃焼室８０５に連通可能で、連通により外部から空気を吸入するようになっている。排出路８７２は、ヘッド部８１３ｂに形成され、燃焼室８０５に連通可能で、連通により外部に排出ガスを排出するようになっている。

図８（ａ）に示すように、カバー８１２には、軸方向Ｄ１に貫通した吸入口８１２ａと排出口８１２ｂとが形成されている。吸入口８１２ａは、軸方向Ｄ１から視て吸入弁８７４と重なる位置に配置され、吸入弁８７４に連通している。排出口８１２ｂは、軸方向Ｄ１から視て排出弁８７５と重なる位置に配置され、排出弁８７５に連通している。吸入路８７１と排出路８７２との間には、隔壁８１３ｃが設けられている。また、ヘッド部８１３ｂの中央部には、燃焼室８０５に露出したインジェクション８７６が設けられている。

切替機構８７３は、吸入弁８７４と、排出弁８７５と、変換機構８８０と、ロータリバルブ８７７とを有している。吸入弁８７４は、ヘッド部８１３ｂに設けられたポペット弁であり、軸方向Ｄ１に往復することで吸入路８７１を開放及び閉塞する。排出弁８７５は、ヘッド部８１３ｂに設けられたポペット弁であり、軸方向Ｄ１に往復することで排出路８７２を開放及び閉塞する。変換機構８８０は、吸入弁８７４及び排出弁８７５と回転部材８３３との間に介在され、回転部材８３３の回転を吸入弁８７４及び排出弁８７５の開閉に変換する。変換機構８８０は、切替溝８８１と、吸入ローラ部８８２と、不図示の排出ローラ部とを有している。切替溝８８１は、回転部材８３３に形成され、かつ、回転部材８３３の回転方向の全周に亘って軸方向Ｄ１に交互に変位した波形状のカム溝である（図６（ｂ）参照）。吸入ローラ部８８２は、吸入弁８７４から径方向Ｄ２に突出して設けられ、切替溝８８１に嵌合して案内される軸状の部材である。排出ローラ部は、排出弁８７５から径方向Ｄ２に突出して設けられ、切替溝８８１に嵌合して案内される軸状の部材である。

ロータリバルブ８７７は、ヘッド部８１３ｂの上側に設けられ、回転部材４３３と一体化されて同軸上で同期して回転する。図８（ａ）に示す矢印は、ロータリバルブ８７７の回転方向を示す。ロータリバルブ８７７は、軸方向Ｄ１に貫通する貫通孔８７７ａを有している。貫通孔８７７ａは、ロータリバルブ８７７の回転によって、吸入口８１２ａ及び排出口８１２ｂのそれぞれに連通可能になっている。尚、図８（ａ）における貫通孔８７７ａの位置は、上死点着火時の位置を示す。

この切替機構８７３では、空気の吸入時には、吸入弁８７４が開放して排出弁８７５が閉塞し、かつ、貫通孔８７７ａが吸入口８１２ａに重なったときに、吸入路８７１と燃焼室８０５とを連通し、かつ、排出路８７２と燃焼室８０５とを遮断する。一方、空気の排出時には、排出弁８７５が開放して吸入弁８７４が閉塞し、かつ、貫通孔８７７ａが排出口８１２ｂに重なったときに、排出路８７２と燃焼室８０５とを連通し、かつ、吸入路８７１と燃焼室８０５とを遮断する。

以上説明したように、本実施形態の内燃エンジン８００によれば、吸排気を切り替える回転部材８３３がピストン８３２の中心線Ｃ１を中心に回転可能に設けられている。このため、従来のクランク軸と平行な回転軸を用いて吸排気を切り替える場合に比べて、往復回転変換機構８３０を用いながらも内燃エンジン８００を簡易な構成にすることができる。

尚、本実施形態では、吸入弁８７４及び排出弁８７５の２つのポペットバルブを適用した場合について説明したが、これには限られず、ロータリバルブ８７７を併用することで、吸排気のポペットバルブを１つの吸排弁で兼用することができる。この構成について、以下で説明する。

この場合、例えば、図８（ｂ）に示すように、切替機構８７３は、シリンダ８３１に形成され燃焼室８０５に開口した連通孔８７８と、軸方向Ｄ１に往復することで連通孔８７８を開放及び閉塞するポペットバルブからなる吸排弁８７９と、変換機構８８０と、ロータリバルブ８７７と、貫通孔８７７ａとを有する。変換機構８８０は、吸排弁８７９と回転部材８３３との間に介在され、回転部材８３３の回転を吸排弁８７９の開閉に変換する。変換機構８８０は、切替溝８８３と、吸排ローラ部とを有する。切替溝８８３は、図８（ｃ）に示すように、回転部材８３３に配置され、かつ、回転部材８３３の回転方向の全周に亘って軸方向Ｄ１に交互に変位した波形状である。吸排ローラ部は、吸排弁８７９に配置され、かつ、切替溝８８３に嵌合して案内される。

この切替機構８７３では、空気の吸入時には、吸排弁８７９が開放して、かつ、貫通孔８７７ａが吸入口８１２ａに重なったときに、吸入路８７１と燃焼室８０５とを連通し、かつ、排出路８７２と燃焼室８０５とを遮断する。一方、空気の排出時には、吸排弁８７９が開放して、かつ、貫通孔８７７ａが排出口８１２ｂに重なったときに、排出路８７２と燃焼室８０５とを連通し、かつ、吸入路８７１と燃焼室８０５とを遮断する。

４００，５００，７００，８００…内燃エンジン、４０５，５０５，７０５，８０５…燃焼室、４３１，５３１，７３１，８３１…シリンダ、４３２，５３２，７３２，８３２…ピストン、４３３，５３３，７３３，８３３…回転部材、４５０，５５０…変換機構（第１変換機構）、４５１，５５１…波形溝、４５２，５５２…ローラ部、４７１，５７１，７７１，８７１…吸入路、４７２，５７２，７７２，８７２…排出路、４７３，５７３，７７３，８７３…切替機構、４７４…ロータリバルブ（円板状部材）、４７６…貫通孔、５１３ｃ…吸入孔、５１３ｄ…排出孔、５３４…環状部材、５３４ａ…貫通孔、７７４，８７４…吸入弁、７７５，８７５…排出弁、７８０，８８０…変換機構（第２変換機構）、７８１，８８１…切替溝、７８２，８８２…吸入ローラ部、Ｄ１…軸方向、Ｄ２…径方向

Claims (6)

1. シリンダと、
   前記シリンダ内を軸方向に往復可能に配置され、燃料を燃焼させる燃焼室を前記シリンダとともに形成するピストンと、
   前記ピストンの周囲を前記ピストンと同軸上で回転可能に配置された回転部材と、
   前記ピストンと前記回転部材との間に介在され、前記ピストンの往復を前記回転部材の回転に変換する第１変換機構であって、前記ピストン及び前記回転部材の一方に配置され、かつ、前記回転部材の回転方向の全周に亘って前記軸方向に交互に変位した波形状である波形溝と、前記ピストン及び前記回転部材の他方に配置され、かつ、前記波形溝に嵌合して案内されるローラ部と、を有する第１変換機構と、
   前記シリンダに配置され、前記燃焼室に連通可能で、連通により外部から空気を吸入する吸入路と、
   前記シリンダに配置され、前記燃焼室に連通可能で、連通により外部に排出ガスを排出する排出路と、
   前記回転部材の回転により駆動され、空気の吸入時には、前記吸入路と前記燃焼室とを連通し、かつ、前記排出路と前記燃焼室とを遮断し、排出ガスの排出時には、前記排出路と前記燃焼室とを連通し、かつ、前記吸入路と前記燃焼室とを遮断する切替機構と、を備える、
   内燃エンジン。
2. 前記吸入路及び前記排出路は、それぞれ前記シリンダにおいて内周側面に開口して前記燃焼室に連通可能に設けられ、
   前記切替機構は、
   前記シリンダを径方向に貫通して前記燃焼室に開口する吸入孔及び排出孔と、
   前記シリンダの外周側において前記回転部材と同軸上で同期して回転する環状部材と、
   前記環状部材に形成され、前記径方向に貫通する貫通孔と、を有し、
   前記環状部材が回転して、前記貫通孔が前記吸入孔に重なったときに前記吸入路と前記燃焼室とを連通し、かつ、前記排出路と前記燃焼室とを遮断し、前記貫通孔が前記排出孔に重なったときに前記排出路と前記燃焼室とを連通し、かつ、前記吸入路と前記燃焼室とを遮断する、
   請求項１に記載の内燃エンジン。
3. 前記吸入路及び前記排出路は、それぞれ前記シリンダを前記軸方向に貫通して前記燃焼室に連通可能に設けられ、
   前記切替機構は、
   前記燃焼室において、前記軸方向に関して前記ピストンと反対側の端部で、前記回転部材と同軸上で同期して回転する円板状部材と、
   前記円板状部材に形成され、前記軸方向に貫通する貫通孔と、を有し、
   前記円板状部材が回転して、前記貫通孔が前記吸入路に重なったときに前記吸入路と前記燃焼室とを連通し、かつ、前記排出路と前記燃焼室とを遮断し、前記貫通孔が前記排出路に重なったときに前記排出路と前記燃焼室とを連通し、かつ、前記吸入路と前記燃焼室とを遮断する、
   請求項１に記載の内燃エンジン。
4. 前記切替機構は、
   前記軸方向に往復することで前記吸入路を開放及び閉塞する吸入弁と、
   前記軸方向に往復することで前記排出路を開放及び閉塞する排出弁と、
   前記吸入弁及び前記排出弁と前記回転部材との間に介在され、前記回転部材の回転を前記吸入弁及び前記排出弁の開閉に変換する第２変換機構であって、前記回転部材に配置され、かつ、前記回転部材の回転方向の全周に亘って前記軸方向に交互に変位した波形状である切替溝と、前記吸入弁に配置され、かつ、前記切替溝に嵌合して案内される吸入ローラ部と、前記排出弁に配置され、かつ、前記切替溝に嵌合して案内される排出ローラ部と、を有する第２変換機構と、を有し、
   前記回転部材が回転して、前記吸入弁が開放して前記排出弁が閉塞したときに、前記吸入路と前記燃焼室とを連通し、かつ、前記排出路と前記燃焼室とを遮断し、前記排出弁が開放して前記吸入弁が閉塞したときに、前記排出路と前記燃焼室とを連通し、かつ、前記吸入路と前記燃焼室とを遮断する、
   請求項１に記載の内燃エンジン。
5. 前記切替機構は、
   前記シリンダに配置され、前記燃焼室に開口した連通孔と、
   前記軸方向に往復することで前記連通孔を開放及び閉塞する吸排弁と、
   前記吸排弁と前記回転部材との間に介在され、前記回転部材の回転を前記吸排弁の開閉に変換する第２変換機構であって、前記回転部材に配置され、かつ、前記回転部材の回転方向の全周に亘って前記軸方向に交互に変位した波形状である切替溝と、前記吸排弁に配置され、かつ、前記切替溝に嵌合して案内される吸排ローラ部と、を有する第２変換機構と、
   前記軸方向において、前記吸排弁と前記吸入路及び前記排出路との間に介在され、前記回転部材と同軸上で同期して回転する円板状部材と、
   前記円板状部材に形成され、前記軸方向に貫通する貫通孔と、を有し、
   前記回転部材及び前記円板状部材が回転して、
   前記吸排弁が開放して、かつ、前記貫通孔が前記吸入路に重なったときに、前記吸入路と前記燃焼室とを連通し、かつ、前記排出路と前記燃焼室とを遮断し、
   前記吸排弁が開放して、かつ、前記貫通孔が前記排出路に重なったときに、前記排出路と前記燃焼室とを連通し、かつ、前記吸入路と前記燃焼室とを遮断する、
   請求項１に記載の内燃エンジン。
6. 前記回転部材は、駆動力を外部に出力する出力部材である、
   請求項１乃至５のいずれか１項に記載の内燃エンジン。

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