JP3172366B2 - カム式エンジン - Google Patents

カム式エンジン

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/32Engines characterised by connections between pistons and main shafts and not specific to preceding main groups
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
    • F02B75/16Engines characterised by number of cylinders, e.g. single-cylinder engines
    • F02B75/18Multi-cylinder engines
    • F02B75/22Multi-cylinder engines with cylinders in V, fan, or star arrangement

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、従来の往復式内燃機関
におけるクランクシャフトおよびコネクティングロッド
を廃し、ピストンの往復運動を直接カムの回転運動に変
換するカム式エンジンに関する。
【0002】
【従来の技術】従来のガソリンエンジンやディーゼルエ
ンジンにおいては、シリンダ内を摺動するピストンの往
復運動をコネクティングロッドを介してクランクシャフ
トの回転運動に変換している。4ストロークサイクルエ
ンジンの場合は、ピストンの2回の往復運動に対しクラ
ンクシャフトが2回転し、その間に吸入、圧縮、膨張、
排気の4ストロークサイクルが行なわれる。
【0003】このような往復式の内燃機関とは別にロー
タリ式のエンジンが知られている。これは往復式のピス
トンに相当する部分が三角形のロータになっており、こ
のロータと繭型のロータハウジングとの間に3つの燃焼
室が形成され、ロータが偏心しながら 1/3 回転する間
に各燃焼室において吸入、圧縮、膨張、排気の4サイク
ルが行なわれる。したがって、このロータリ式エンジン
の場合は、クランクシャフトもコネクティングロッドも
必要なく、ロータの回転を、偏心シャフトや遊星ギヤ等
を介して出力軸に伝えてそれを回転させる。すなわちロ
ータの回転から回転出力が得られるので、回転がスムー
ズで騒音も少ない特徴がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の往復式エンジンにおいては、ピストンが2回往復運
動する間に爆発が1回しか行なわれないので、大きな出
力を得るには限界があった。また、出力トルクの反力以
外にもコネクティングロッドの慣性力がピストンに側圧
として作用するために、その側圧の最大値は大きくな
り、シリンダに対する摩耗や衝撃が大きくなる。またコ
ネクティングロッドとピストンやクランクシュフトとの
連結部にも絶えず異なる方向の力が加わるので、これら
の強度や剛性および仕上げには高い品質が要求され、低
コストを実現することが難しかった。さらに、コネクテ
ィングロッドおよびクランクシャフトを使用する関係か
ら、エンジンを小型軽量化する上で限界があった。
【0005】一方、ロータリ式エンジンの場合は、燃費
の点で若干不利なため往復式エンジンのようには普及し
ておらず、往復式エンジンがこれまでに培ってきた優れ
た技術を利用できないという問題があった。
【0006】本発明は、このような従来の問題を解決す
るものであり、小型軽量で大きな出力が得られる低コス
トのカム式エンジンを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、カムケースの周囲に周方向に90度の等
間隔に4個のシリンダを一体に形成したケーシングと、
カムケース内に延びる出力軸を中心部に有して180度
方向に2個のカム山を有する確動カムと、各シリンダ内
に摺動可能に設けられたピストンと、各ピストンに設け
られて確動カムに従動するカムフォロワおよび隣接する
各ピストンを連結するリンクと、各シリンダに設けられ
た給排気手段および着火手段とを備え、180度方向に
ある2個のシリンダを1対として考えたときに、それぞ
れの対のシリンダ内のピストンが180度対称の運動を
する構成にしたものである。
【0008】
【作用及び効果】したがって、本発明によれば、ピスト
ンの往復運動をカムフォロワおよびリンクを介して確動
カムの回転運動に変換するので、動作が確実に機械効率
がよく小型軽量で低コストのエンジンを実現することが
できる。また、確動カムが1回転する間に、各ピストン
が2往復して吸入、圧縮、膨張、排気の4ストロークサ
イクルを行ない、4回の爆発を行なうので、大きな出力
トルクが得られる。また、4個のシリンダが90度の等
間隔に配置され、また、カム形状は180度対称で、1
80度方向にある2個のシリンダを1対として考える
と、それぞれの対のシリンダ内のピストンは180度対
称の運動をすることになり、動的バランスがよく、振動
が少ない。さらに、各ピストンの往復運動に対して出力
軸が減速されているので、出力回転数および発熱や振動
が抑えられ、エネルギー変換効率が向上する。さらにま
た、吸入、圧縮、膨張、排気のすべての行程で、リンク
条件を考慮して、所望の運動および変位を与えることが
できるので、エンジンの最適化を図ることができ、エネ
ルギー変換効率の改善および振動や運転性能等の動特性
を最適化することができる。さらに、本発明のカム式エ
ンジンにおいては、隣接する各ピストンを連結するリン
クの慣性力はそれぞれ打ち消されるために、ピストンに
は実質的に出力トルクの反力以外の側圧は作用せず、従
って、コネクティングロッドの慣性力が側圧として作用
する従来の往復式エンジンにおける既述の欠点を解消す
ることができる。
【0009】
【実施例】図1は本発明の一実施例を示すガソリン式4
ストロークサイクルエンジンの概略断面正面図であり、
図2は同エンジンの概略断面側面図である。図1および
図2において、符号1はケーシングであり、カムケース
2とその周囲に90度間隔に一体に形成された4個のシ
リンダ3(本実施例では、カムケース2を中心に180
度対称になっているので、同一の要素には同一の符号を
用いてある。)とからなる。カムケース2内には、確動
カムである小判型のカム4が収容されており、このカム
4は、180度方向に、即ち互に180度隔てられた位
置に2個のカム山4a,4bを有し、中心部には出力軸
5が一体に形成されている。出力軸5は、カムケース2
にベアリング6により回転可能に支持されているが、多
連構造の場合は、その両側でベアリングにより支持され
る。また出力軸5は、カム4と別体で形成して後で一体
化するようにしてもよい。各シリンダ3内には、内部が
空洞のピストン7が摺動可能に設けられており、各ピス
トン7は、それぞれ上部外周部にピストンリング8が嵌
装され、下部内部にはピストンピン9によりカムフォロ
ワ即ちローラフォロワ10が回転可能に取り付けられて
カム4の周面にころがり接触している。ピストン9の両
端部のそれぞれには、各シリンダ3内の各ピストン7を
連結するための同じ長さの4本のリンク11の一端部が
回転可能に連結され、各カムフォロワ10とカム4の周
面との間にクリアランスが生じないようにしている。図
示実施例では、ピストン9の両端部のそれぞれに各4本
で合計8本のリンク11があるが、4つのピストン7を
連結するリンク11の必要最小数が4本であることは、
明らかである。これら4本のリンク11は平行四辺形の
形状に配列されていて、4つのカムフォロワ10を、カ
ム4の周面に隙間を生じないように接触させている。カ
ム4の形状は、4つのカムフォロワ10とカム4の周面
とが隙間を生じないように接触した状態で、カム4の回
転と4つのピストン7の往復とを、後記するタイミング
で生じさせることができるようなものになっている。ま
た、各シリンダ3の上部には、吸気管に接続される吸気
通路12および排気管に接続される排気通路13が形成
され、吸気通路12および排気通路13のシリンダ内上
部に開口する部分には、それぞれ吸気弁14および排気
弁15が設けられており、吸気弁14と排気弁15との
間には、着火手段である点火プラグ16がシリンダ3内
に向けて取り付けられている。その他、図示しない部分
は、従来の4ストロークサイクルガソリンエンジンと同
様な構成を備えている。
【0010】次に上記実施例の動作について説明する。
以下の説明では、図の上側のピストン7に着目して説明
するが、図4に示すように、上側のピストン7と対をな
す下側のピストン7も同じ動きをし、左右のピストン7
は上下のピストン7に対し1行程遅れた動きをする。ま
ずスタータにより出力軸5が回転を始め、カム4が反時
計回り方向に回転すると、カムフォロワ10およびリン
ク11によりピストン7が図1の状態からカム山4aを
上昇し、前の吸入行程で吸気弁14を介して吸入ガソリ
ンと空気の混合気を圧縮し、ピストン7は、図3のよう
に上死点に至る。ここで点火プラグ16により着火して
爆発膨張し、ピストン7が押し下げられ、ピストン7は
カム山4aと4bとの間の下死点に至る。この状態から
再びピストン7がカム山4bを上昇すると、シリンダ3
内の排気ガスが排気弁15を通して排気され、ピストン
7がカム山4bを下降するときに、吸気弁14から混合
気を吸入して図1の状態に戻る。これでカム4が1回転
する間に各ピストン7が2往復し、吸入、圧縮、膨張、
排気の4ストロークサイクルが完了する。
【0011】この間、下側のピストン7も上側のピスト
ン7と同じ動きをし、左右のピストン7は、上下のピス
トン7よりも1行程遅れた動きをする。したがって、上
下のピストン7が圧縮行程を行なっているときは、左右
のピストン7は吸入行程を行ない、膨張行程のときは圧
縮行程、排気行程のときは膨張行程、吸入行程のときは
排気行程を行なう。これにより、カム4が1回転する間
に、各シリンダ3において爆発が連続して2回行なわれ
ることになる。
【0012】このように、上記実施例によれば、カム4
の1回転で各ピストン7が2往復して、爆発が連続して
2回行なわれるので、小型軽量で大きな出力が得られ
る。また、各シリンダ3が十字型に配置され、カム4も
180度対称で、各対向するピストン7の往復運動も対
称となるので、動的バランスがよく振動も少ない。また
各ピストン7の2回の往復運動に対してカム4が1回転
するので、出力軸5の回転が減速され、出力回転数およ
び発熱や振動が抑えられ、エネルギー変換効率がよい。
さらに、カムフォロワ10およびリンク11を用いてい
るので、滑り対偶を少なくすることができ、機械効率が
よい。さらにまた、4ストロークサイクルエンジンのす
べての行程に所望の運動と変位を与えることができ、エ
ンジンの最適化を図ることができるので、エネルギー変
換効率の改善および振動や運転性能等の動特性を最適化
することができる。
【0013】図5は、上記実施例において、リンク11
をピストンピン9に連結するのでなく、ピストン9の両
側に設けた連結ピン17,18にそれぞれ同じ長さのリ
ンク19を回転可能に連結したものである。このように
しても、カムフォロワ10を確実にカム4の外周面に従
動させることができる。また、上記実施例では、図4に
示すように、一方の対向する2個のピストン7と他方の
対向する2個のピストン7の行程を90度ずらして動作
させているが、4個のピストン7のすべてをそれぞれ9
0度ずつずらすように制御することもできる。この場
合、カム4が1回転する間に、異なるタイミングで4回
の爆発を行なわせることができる。また、上記実施例の
カム式エンジンを多連構造にする場合には、動的バラン
スおよび制振効果を考慮して各ピストンにおける爆発順
序を定めるとよい。また、振動および騒音吸収のため
に、バランサやフライホイールを用いることができる。
【0014】さらに、上記実施例において、吸気通路1
2からシリンダ3内には混合気ではなく空気のみを吸入
して、点火プラグ16の代わりに着火手段として燃料噴
射ノズルを設けることにより、ガソリンエンジンをディ
ーゼルエンジンに変更することができる。また、本発明
は、従来の4ストロークサイクルエンジンにおける近年
の成果である排気ガス対策や燃費向上のための各種の技
術、例えば空燃比制御、点火制御、燃料噴射制御、EG
R制御、給排気制御等の電子制御技術や、副室燃焼技
術、渦流室燃焼技術等を適宜応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示すカム式エンジンの概略
正面断面図。
【図2】同エンジンの概略側面断面図。
【図3】同エンジンの動作を説明するための概略正面断
面図。
【図4】同エンジンの動作を説明するための概略カム線
図。
【図5】同エンジンを一部変更した概略側面正面図。
【符号の説明】
1 ケーシング 2 カムケース 3 シリンダ 4 カム 4a,4b カム山 5 出力軸 6 ベアリング 7 ピストン 8 ピストンリング 9 ピストンピン 11 リンク 12 吸気通路 13 排気通路 14 吸気弁 15 排気弁 16 点火プラグ 17,18 連結ピン 19 リンク

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 カムケースの周囲に周方向に90度の等
    間隔に4個のシリンダを一体化したケーシングと、前記
    カムケース内に延びる出力軸を中心部に有して180度
    方向に2個のカム山を有する確動カムと、前記各シリン
    ダ内に摺動可能に設けられたピストンと、前記各ピスト
    ンに設けられて前記確動カムに従動するカムフォロワお
    よび隣接する各ピストンを連結するリンクと、前記各シ
    リンダに設けられた給排気手段および着火手段とを備
    、180度方向にある2個のシリンダを1対として考
    えたときに、それぞれの対のシリンダ内のピストンが1
    80度対称の運動をする構成になっているカム式エンジ
    ン。
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