JP3672564B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の技術分野】
本発明は、内燃機関に関する。
一般的に、レシプロエンジン及びロータリーエンジンと称される、２つの主要なタイプの内燃機関がある。レシプロエンジンは、各々往復動ピストンを収容するシリンダー又は複数のシリンダーからなり、シリンダー及びピストンは、断面が実質的に円形である。各ピストンは、ピストンピンによって、連接棒を介して、クランクシャフトの一部を形成するクランクピンに連結される。ガスの燃焼によって、ピストンより上のシリンダー内に圧力を発生させたときに生じるピストンの往復運動は、クランクシャフトによって、回転運動に変換される。
レシプロ内燃機関は、まだ、ガソリン／ガス機関と石油機関の、２つの主な種類に分類される。ガソリン／ガス機関について、ガソリンのような高い揮発性燃料又は一般的に石油製品から得られるガスが、空気と混合さえ、そして、圧縮され、燃焼室内で電気的に点火される。かかるタイプのエンジンは、一般的に火花点火エンジンとして知られている。
石油機関は、一般的に不揮発性の燃料を使用し、燃焼室内で空気を圧縮した後、燃料が注入され、圧縮の結果、空気の温度は、燃料を点火するのに十分である。このタイプのエンジンは、一般的に圧縮点火エンジンとして知られている。
これらの２種類のエンジンの各々は、４サイクルエンジン又は２サイクルエンジンにさらに分けることができる。本発明は、２サイクルガソリン／ガスエンジンに特に関するが、以下に明らかになるように、構成原理は、上述のタイプのエンジンのどれにも適用できる。
【発明の背景】
２サイクル火花点火エンジンは、絶えず開発されているが、以下のようないくつかの欠点があることがわかっている。
過剰な石油消費。これは、エンジンの可動部品に十分な潤滑を与えるために、気化前に、潤滑油をガソリンと混合し、或いは潤滑油を吸込口に直接注入することが必要だからである。実際にはガソリン／潤滑油混合物内の小さい割合の潤滑油しか、潤滑を必要とするエンジンの領域に到達しないので、十分な潤滑を確保するのに必要であるよりも多い潤滑油を、ガソリンと混合しなければならない。その結果、２サイクルエンジンは、煙による過剰な排気汚染をもたらす傾向がある。
さらなる欠点は、シリンダーへのガスの吸気及びシリンダーからのガスの排気が、シリンダー壁の口を通して行われ、該口がピストンの往復運動中に、連続的に開閉されるようになった通常の構成から生じる。十分なガスの流れを得るために、口は、必然的にその面積が比較的大きく、これは、両ピストンリング及びピストンリングの下のピストンのスカートの過剰な磨耗の問題を提供する。
既知の口の構成についてのさらなる欠点は、シリンダー領域を通るガスの経路が、最適な燃焼を得るように最適化しにくいことである。
さらなる欠点は、燃焼ガスの満足のいく掃気を得るためには、移送口及び排気口の位置決めが、入ってくる吸入の大部分が出ていく燃焼ガスと混合されるようになされなければならず、これは効率を悪くする。
【発明の目的】
従って、本発明の目的は、上述の欠点を最小限にし、少なくとも公衆に有用な選択を提供するレシプロ内燃機関の設計を提供することである。
【発明の要旨】
従って、本発明の１つの形態は、燃焼室、ブースト室及びピボット軸線を中心に揺動するピストンを含むエンジンブロックを有し、
前記ピストンが、第一円弧状密封面及び該密封面から半径方向にずらされた第二円弧状密封面を有し、前記両密封面は、前記ピボット軸線を中心に円周に経路を描き、前記ピストンが、第一円弧状密封面と第二円弧状密封面との間に実質的に半径方向に延びる床部を有し、
前記燃焼室が、４つの壁を有し、前記壁のうちの２つは対向し、かつ対向する側を形成し、ピストンの対応する側が−対向する壁を密封し、
燃焼室の前記第三の壁が、円弧の形態のもので、前記ピボット軸線から円周経路を描き、ピストンの前記第一円弧状密封面が前記第三の壁を密封し、
燃焼室の前記第四の壁が、前記ピストンの前記第二円弧状密封面によって形成され、
ピストンの前記第二円弧状密封面が、燃焼室をブースト室から密封する、内燃機関からなるもの言える。
変形例では、ピストンは、ピストンが燃焼室内で所定位置まで揺動したとき、該ピストン内に形成されていて、吸気室を燃焼室と連通させる第二移送ダクトを含んでもよい。
さらなる変形例では、エンジンは、燃焼ガスを前記燃焼室から排出する１つのポペットバルブ装置又は複数のポペットバルブの装置を含んでもよい。
さらなる変形例では、エンジンは、新しい吸入の吸込口及び燃焼ガスの排出のためのポペットバルブ装置を含んでもよい。
さらなる変形として、ブースト室は、吸気室及び／又は燃焼室と連通し、ブースト室内でのピストンの揺動で、交互にガスを吸い込み、前記ブースト室内のガスを排出する。排出されたガスは、前記ブースト室から前記吸気室及び／又は燃焼室内へ送られてもよい。
【図面の簡単な説明】
本発明の好ましい形態を、添付図面を参照して説明する。
図１は、下死点の位置にあるピストンを示すエンジンの概略部分断面図である。
図２は、ピストンが上死点の位置にある、図１と同様の図である。
図３は、図１及び図２に示されるようなピストンの適当な構成の概略部分側面図である。
図４は、上死点の位置でのエンジンの概略図である。
図５は、点火後、排気口が開いている状態のエンジンの概略図である。
図６は、排気ガスが排出されている状態の、下死点でのエンジンの概略図である。
図７は、排気口が閉じている状態の、上死点前のエンジンの概略図である。
図８は、燃焼ガスの排気を制御するポペットバルブを利用する構成の概略図である。
【実施形態】
本発明の好ましい形態を説明するにおいて、燃焼室の壁に形成された吸込口及び排気口を備えた２ストローク火花点火エンジンとして構成される本発明の形態を参照する。以下の説明からわかるように、これは、好ましい形態であり、そして本発明のピストン装置を使用するエンジンは、圧縮点火エンジン又は火花点火エンジンのどちらにも形成されることができる。図面からわかるように、ピストン１０は、連接棒１２の端部を受ける適当なピストンピン１１を備え、連接棒１２の他方の端部は、クランクシャフトのクランクピン１３にジャーナルされ、クランクピストン１３は、エンジンブロック２１の一部を形成するクランクケース１４内に適当にジャーナルされる。取り外し可能ヘッド２３が、エンジンブロック２１内を通るスタッド２４のようなものによって、ブロック２１に適当に取り付けられる。燃焼室２０は、ヘッド２３に形成される半円球状又は他の形状のキャビティ２２を含み、番号２６によって示される火花プラグのような点火手段を備える。
リード又は他の適当なバルブ３２を備えてもよい吸込口３１が、キャブレター（図示せず）からエンジンブロック２１のクランクケースの内部の一部を形成する吸気室へ燃料／空気混合物を送る。吸込口３１は、空気／燃料混合物が、吸気室３０に入ることができるように、吸気ダクトアダプター３４を受け、保持するための雌ねじのような適当な連結手段を有してもよい。吸気室は、また、それを燃焼室と連通させる第一移送ダクト３６を含む。第一移送ダクト３６は、燃焼室２０の壁の移送口３７で終わり、さらに後述するように、ピストンが移送口３７を開けると、圧縮空気／燃料混合物を吸気室３０から燃焼室２０に通すことを可能にする。
図３に特に図示するように、ピストンは、円弧状の第一密封面４１及びそれから半径方向にずれている円弧状の第二密封面４２を有する。両密封面４１及び４２は、共通ピボット軸線６０を中心に円周方向の経路を描く。第一密封面４１は密封手段（図示せず）を受けるための適当な密封用溝４３を有し、ピストンの運動中、円弧状の第一密封面４１は、燃焼室２０の対応する円弧状の壁５１に対してガス密封される。円弧状の第二密封面４２は、また、壁５２に形成された溝５４によって、ブースト室５３の対応する円弧状の壁５２に対してガス密封され、溝５４の中には、前記円弧状の第二密封面に対してガス密封するための適当な密封手段がある。ピストンは、また、円弧状の密封面４１と４２との間に延びる床部４４を含む。非常に好ましい形態では、床部は、ピストンのピボット軸線６０の実質的に半径方向にある表面を形成する。図面に示すように、床部４４は、平らな表面を形成するが、これは、凸状又は凹状又は必要とされる他の適当な形状でもよい。床部４４の表面はピボット軸線６０の実質的半径方向の線上にあることが好ましいが、表面は、半径方向に対して角度をなす線上にあってもよい。
ピストン１０は、エンジンブロック２１の一部を形成する室壁内に適当に収容されるピボットピン６１と関連している適当な軸受からなるピボット軸線６０によって燃焼室２０内で揺動する。ピボット軸線６０は、ピストンの軸（図面に示さず）に当接するシールのような適当な密封手段を含んでもよく、ピストン１０の揺動中、吸気室３０はブースト室から密封される。２つの室間の密封の他の形態は、また、既知の技術として利用され、その一つのかかる方法は、例えば、ピボット６０から遠位に位置決めされたスクレーピングシールである。円弧状の密封面の及びピボット軸線の又はピボット軸線に隣接した密封手段に加えて、既知の技術として知られる適当なスクレーピング密封手段が、ピストンの側とそこに隣接した燃焼室との間に設けられる。
円弧状密封面４１及び４２は、各々、ピボット点６０から一定の半径方向寸法を有する。ピストン１０が、図１に示すように下死点にあるとき、移送口３７は、燃焼室２０へ開けられ、圧縮空気／燃料混合物は、吸気室３０から燃焼室２０を通ることができる。図４は、圧縮された空気／燃料混合物の点火が起きる、まさに上死点でのエンジンの状態を概略的に示す。この点では、リードバルブ３２は、まだ開いたままであり、吸気室３０は、吸入で満たされ、ピストン面４１によって排気口から密封される。燃焼力は、ピストンに反応し、ピストン及び連接棒を下方に駆動し、図面に矢印で示すように反時計方向にクランクシャフトを回転させる。
図５は、上死点の後約９５°でのエンジンの状態を示し、この状態では、排気口口６５が開き始め、吸気室３０内の新しい吸入が圧縮され始めている。リードバルブ３２は閉じられている。
図６は、およそ下死点でのエンジンの状態を示す。この状態では、排気ガスは、排気口６５から排出部６６を通って排出される。新しい吸入は、第一移送ダクト３６及び移送口３７を通って、燃焼室を満たし始める。リードバルブ３２は、まだ閉じられたままである。
図７は、燃焼室内の吸入が圧縮され、燃焼室は掃気されている、圧縮ストロークを示す。移送口は、吸込口３１から今開いたリードバルブ３２を通って、新しい吸入を吸い込み始めている吸気室に対して閉じられる。このサイクルの間、使用された吸入の適当な掃気が、移送口及び排気口の適当に位置により達成される。
図面からわかるように、ピストンは、好ましくは、ピストンの本体に形成された追加の移送口を含む。その口の一つの好ましい形態は、ピストンのクランクシャフト側で、吸気室３０に対して開いている第二移送ダクト６８である。第二移送ダクト６８は、円弧状の第二密封面４２を通って出て行き、第二移送口６９（図３を特に参照）を形成する。ピストンが、図１のように下死点付近にあるとき、第二移送口６９及びダクト６８は、それゆえ、吸気室３０を燃焼室２０と連通させる。燃焼室内への二重の吸入は、燃焼室内での空気／燃料に渦巻き効果を作るのを補助する。口の既知の形状では、移送口は、斜角である必要があったが、吸入が燃焼室内へ直接流れることによって、本発明の移送口は、燃焼室２０の最適な充填を提供する。さらに、新しい吸入は、燃焼室の対角に対向するコーナーに移送口を通って移送されるので、新しい吸入が移動しなければならない距離は、最小化され、結果的に、距離の制御及びガスの流れる方向の制御は、燃焼室内のきれいな吸入を保持することを補助する。
燃焼室の外側半径方向壁５１の排気口の位置決めは、優れた掃除(swept)領域を提供し、それゆえ、移送口が開く前に、排気口を最適に開くことが可能であることが図面より明らかになるだろう。結果的に、口のある壁にわたって広く、ピストンピンと直列である燃焼室と組み合わさって口の有効面積についての大きな進歩が得られる。
比較的真直ぐな排気口６５により、排気口のための有効可変タイミング機構を提供することができる。
エンジンは、また、第二密封面と密封接触している壁５２によって形成される室５３を含み、該室の残部は、適当な側壁及び口５７を含む頂壁５６を備える。図面からわかるように、エンジンの非常に好ましい形態では、ブースト室の壁５２は、その軸としてピボット点６１を有する円周方向の経路を描くように形作られる。ピストンの揺動中、周囲の空気が、室５３から口５７を通って吸入され、そして排出される。室５３及びその口５７は、また、口を、ダクト５５を通してリードバルブ３２の上流の吸込口３１に連結することによって、ブースト室として利用される。ピストンの往復運動中、燃料空気混合物は、ブースト室に吸引され、口５７を通って吸込口３１に排出される。ブースト室を必要とされるようなこの方法で利用してもしなくてもよいが、かかるブースト室の提供は、ピストンを記載された方法で作動させるのに必要である。ブースト室を吸込口に連結しないならば、汚れ又は他のごみがブースト室への進入を最小源にするために提供される手段が非常に望まれる。当業者にとって明らかな如何なる手段も、この目的のために使用される。
ブースト室の形態の変形として、ブースト室の壁５２は、ピボット点６１から円周方向の経路を描かない。この変形では、密封手段は、円弧状の密封面に形成されず、代わりに、適当な線シールが、ブースト室内に形成され、ブースト室に対して、ピストンの円弧状の密封面４２は密封する。もちろん、線シールの位置決め及び特定の条件に依存して、ピストンは、第二移送ダクト６８を含まないことが理解されるだろう。
好ましい形態のブースト室の特定の作動を、図４乃至図７の概略図とともに説明する。図４では、ブースト室５３内の新しい吸入が、ダクト５５を通り、開いているリードバルブ３２を通過し、吸気室３０に排出され、その時点火が起きる。図５に示すように、ピストンが、燃焼行程によって、下方に押されると、リードバルブ３２は閉じられ、ブースト室５３は、吸込口３１と連通するダクト５５によって、新しい吸入で満たされる。エンジンが、図６で示す下死点の位置へ回転している時間の間、ブースト室は、キャブレターから空気／燃料混合物からなる新しい吸入で満たされ続ける。図７に示すように、エンジンが下死点の位置を過ぎて回転した後、吸気室は、リードバルブを開ける負圧を受け、燃料／空気混合物が、吸込口３１から吸気室に流れ始める。同時に、ブースト室５３内の吸入は、ダクト５５を通って排出され、キャブレターから今開いたリードバルブを通って吸気室３０に入る吸入を増やす。
ブースト室の位相のずれの作用により、以前よりもより一様なキャブレターを通るガスの流れを得られるので、この追加は、キャブレターを効率良く機能させる。
ここに記載されるエンジンによって示される特別の利点は、ピストンが回動するので、ピストンによって室壁に加えられるスラスト荷重が最小化させることである。さらに、角度のついた連接棒に加えられた荷重によって作られたピストンピボットの荷重は、燃焼室の半径方向内壁を構成するピストンの一部に加えられた力によって、ほとんど打ち消される。さらに、室壁がピストンを保持するという要件の欠如は、ピストンの既知の状態に必要な潤滑の範囲を減少させる。軸受及びシールは、計量された潤滑によって直接与えられ、レシプロ２ストロークエンジンに必要とされる潤滑油の消費量をかなり減らすことができる。
取り囲んでいるピストンスカートの欠如によって、及びピストンの複数の機能によって、ピストンの十分な冷却が得られ、ピストンクラウンの下側を横切り、ピストン移送口を通る新しい吸入の流れは、ピストンクラウンの過熱が起こる前に、ピストンの可能な仕事率を増大させる。
特に、室５３をブースト室として利用するとき、ブースト室が吸気室３０と逆に作動するので、吸気室３０の高速充填が得られ、リードバルブの押し引き作用は、最大の吸入を高速で吸気室に吸引することを確保する。
本エンジンの設計によって示される更なる利点は、ピストンピンによって描かれる半径方向の経路は、最適にピストンを加速し及びパワーストロークの早い段階でのクランクシャフトへの機械的てこ及び駆動を発生させる、好ましいクランクシャフトの回転方向を作る。さらに、ピストンピンの半径方向の経路は、ピストンが排気口を開ける点で、クランクシャフトの上死点及び下死点の線に対してずれた位置にピストンピンを置く。これは、上死点と下死点との間の１８０°の分離を依然として維持しながら、排気口のタイミングの“早い開放、早い閉鎖”効果を作る。この効果は、移送口の閉鎖と排気口の閉鎖との間と比較して、排気口の開放と移送口の開放との間の、角度におけるタイミングに達する。
本発明のエンジンによって示される更なる利点は、特に、エンジンが高速で作動しているとき、燃焼室２０の掃気領域より大きい吸気室３０の掃気領域が、新しい吸入の移送を容易にし、燃焼室の最適な充填を補助することである。
前述では、室壁の排気口と一緒に、室壁の移送口及びピストンの移送口を利用する２ストローク火花エンジンに特に関する構成を説明したが、これは、一つの好ましい実施形態にすぎないことが理解されるだろう。図８に示すように、エンジンは、２ストローク圧縮点火エンジン又は火花点火エンジンの燃焼ガスの排気を制御するための排気口６１とともに、１つ又は複数のポペットバルブ６０を有してもよい。この構成では、燃焼室の壁に形成される吸込口６２が、適当なダクトを通り、燃料／空気混合物の供給源に連結される。同様に、ブースト室６４は、ピストン１０に形成された口６５を介して、燃焼室に連結される。室６４は、燃料／空気供給への連結のためのダクト６６を備え、その供給源は、吸込口６２に送る供給と同じでも異なっても良い。燃料空気供給源は、正常に吸引され、又は従来技術の適当な圧縮機を介して、強制的に吸引される。
さらなる変形では、燃焼室の吸込口及びピストンの口が不要となり、既知の吸気及び排気ポペットバルブ装置が使われる。この変形では、スカート４１ａ（図８参照）を形成する円弧状の密封面４１の一部は、不要となるか、又は寸法をかなり小さくされる。圧縮点火エンジンのような適当な変更を有するどんな形態も満足に作用することが理解されるだろう。
当業者又は本発明の原理及び指針を理解した者は、ここに開示され説明された本発明の好ましい形態の変更及び改良を思いつくかもしれない。かかる全ての変更及び改良は、本発明の範囲に含まれ、本発明の範囲は、ここに記載された実施形態に限定されず、発明が技術を促進させ、以下の請求の範囲で要求されるような進歩によってのみ限定される。

Claims (9)

1. 第一室(20)と、第二室(53、74)と、ピストン(10)とを備えたエンジンブロック(21)を有する内燃機関であって、
   前記ピストン(10)が、ピボット軸線(60)を中心として揺動運動するように前記エンジンブロック(21)内に拘束され、前記第一室(20)は燃焼室(20)であり、
   前記ピストン(10)は、第一円弧状密封面(41)と、前記第一円弧状密封面(41)から半径方向にずらされた第二円弧状密封面(42)とを有し、前記両密封面は前記ピボット軸線(60)を中心とする円周経路を描き、前記ピストン(10)は、前記第一円弧状密封面(41)と第二円弧状密封面(42)との間で実質的に半径方向に延びる床部(44)を備え、
   前記燃焼室(20)は４つの壁を有し、該４つの壁のうちの２つの壁は、対向し、対向側部を形成し、該対向側部は、これらに対応するピストンの側部によって密封され、
   前記燃焼室の第三壁(51)が、円弧の形態のものであり、前記ピボット軸線から円周経路を描き、前記第三壁(51)は前記ピストンの前記第一円弧状密封面(41)によって密封され、
   前記第三壁(51)は、流入口(37、72)と、排気口(65)とを備え、該排気口(65)は、前記外排気口(65)が前記ピストンで覆われないときに、前記燃焼室(20)と連通して燃焼ガスが前記燃焼室を出ることができるようにし、
   前記燃焼室の第四壁(42)が、前記ピストンの前記第二円弧状密封面(42)によって形成され、
   前記ピストン（10)の前記第二円弧状密封面(42)は燃焼室(20)を前記第二室（53;
   74)から密封する、
   内燃機関。
2. 前記第三壁(51)の前記流入口(37)が前記ピストン(10)で覆われないときに、第一移送ダクト(36)が、前記ピストン(10)の下に位置した吸気室(30)と燃焼室(20)とを前記流入口(37)を介して連通し、空気/燃料混合物が前記吸気室から前記燃焼室(20)へ流入できるようにする、請求項１記載の内燃機関。
3. 前記ピストン(10)が前記燃焼室内の所定位置まで揺動したときに、前記吸気室(30)を前記燃焼室(20)と連通させる第二移送ダクト(68)が前記ピストン(10)に形成されている、請求項２記載の内燃機関。
4. 前記ピストン(10)の前記第一円弧状密封面(41)が、前記燃焼室の前記第三壁(51)を密封するようになった密封体を受け入れる密封用溝(43)を有する、請求項１に記載の内燃機関。
5. 前記第二室(53、74)が、前記ピボット軸線(60)から円周経路を描く円弧状壁(52)を有するブースト室(53、74)であり、前記円弧状壁(52)が、前記ピストンの前記第二円弧状密封面(42)を密封するようになった密封体を備える、請求項１記載の内燃機関。
6. 前記ブースト室(53、74)が、ダクト(55、75)を介して前記燃料/空気混合物の流入口(31)に連結される、請求項５記載の内燃機関。
7. リードバルブ(32)が前記流入口(31)と前記内燃機関との間の連通を制御する、請求項６記載の内燃機関。
8. 前記燃料混合物をポペットバルブ装置によって前記燃焼室(20)に移送するようになった流入口(72)を有する、請求項１記載の内燃機関。
9. ポペットバルブ装置(70)によって、排気口を介して前記燃焼室に連通する排気口(71)を有する、請求項１記載の内燃機関。

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