JP3677058B2 - ４サイクルピストン式内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、円筒状のピストンを封止状−摺動状に受けいれる少くとも１つのシリンダと、該シリンダの一つの端壁と該ピストンの隣接した端壁との間に画定された仕事スペースと、燃焼ガスを該仕事スペースに供給するために入口通路に連結された入口開口と、該仕事スペースから排出ガスを排出するために出口通路に連結された排出開口と、該入口開口及び排出開口をサイクル式に開閉するための弁手段とを備えた、４サイクルピストン式内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
往復ピストン式の内燃機関は、高度に開発されている。しかし、クランク軸機構によって駆動軸にピストンの往復運動を伝達しなければならない点が不具合である。そのため、往復ピストン式の機関は、構造が比較的複雑で、重量が大きく、スペース要求が高く、それによりコスト及び燃料消費率が高くなる。
【０００３】
回転ピストン式の内燃機関は、回転ピストンの回転運動が直接に出力軸に伝達されうるため、カム軸機構を必要としない。しかし、回転ピストン式の内燃機関は、封止上の問題、３倍の負荷変動による過大な燃料消費率その他の欠陥のため、成功が制限される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の一目的は、新しい原理に従って作動する４サイクルピストン式のユニークな内燃機関を提供することにある。
【０００５】
本発明の別の目的は、構造が簡単で、軽量であると共に、燃料消費率が最小の、４サイクルピストン式の内燃機関を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の内燃機関によれば、ピストンは、次の４サイクル即ちａ）吸引、ｂ）圧縮、ｃ）膨張及びｄ）ピストンが約３６０°回転する間の排出、の各サイクルに従って、４行程即ち２回の往復運動を行う。ピストンの回転運動は、回転出力手段に直接に伝達することができる。シリンダ及びピストンの円周壁に形成されて点火時に互に補完して燃焼室を形成する燃焼室半部分は、ピストンの外周部に膨張する燃焼ガスによってトルクが及ぼされることを確実にする。従ってピストンに及ぼされる回転力は、ピストンに加えられる軸方向力を実質的に超過する。
【０００７】
本発明による内燃機関は、往復ピストン式の機関と回転ピストン式の機関とのそれぞれの利点を兼備している。クランク軸機構は不要なので、本発明の機関は、比較的簡単な構造とし、また軽量とすることができる。膨張する燃焼ガスによって及ぼされる力が一義的に回転方向に、そしてピストンの外面上に作用するので、機関が高効率とされ、それにより燃料の消費率を低くできる。これは、ピストンの回転運動に主に起因する燃焼室中においての燃料ガスの完全な旋回作用によって助長される。内燃機関は、その簡単な構造のため、高信頼性で長寿命である。
【０００８】
本発明の内燃機関は、オットー式にもディーゼル式にも適用できる。本発明の内燃機関は、限定的にではないが、好ましくは自動車用の機関として用いられる。
【０００９】
以下に本発明の構成を列挙する。
【００１０】
１．円筒状のピストンを封止状且つ摺動状に受けいれる少くとも１つのシリンダと、該シリンダの一つの端壁と該ピストンの隣接した端壁との間に画定された仕事スペースと、燃焼ガスを該仕事スペースに供給するために入口通路に連結された入口開口と、該仕事スペースから排出ガスを排出するために排出通路に連結された排出開口と、該入口開口及び排出開口をサイクル式に開閉するための弁手段とを備えた、４サイクルピストン式内燃機関であって、
（ａ）前記ピストンは、軸方向の運動及び回転運動を行うように、前記シリンダ中に取付けてあり、蛇行状の案内手段が、前記ピストンと前記シリンダとの間に取付けてあり、それにより前記ピストンが、内燃機関の４サイクルに従って、各々の回転について約３６０°に亘って、４行程を行うようにされ、
（ｂ）前記シリンダ及び前記ピストンは、互に向い合う端壁に隣接して、それぞれの円周に形成された燃焼室半部分を各々含み、これらの燃焼室半部分は、燃焼ガスの点火時に燃焼室中において膨張する燃焼ガスが前記ピストンに回転力を及ぼすように、燃焼ガスの点火時に相互に補完して１つの燃焼室を形成するようにされ、
（ｃ）前記ピストンは、前記ピストンの回転運動を出力手段に伝達するために同軸的に配された軸部材を含む
４サイクルピストン式内燃機関。
【００１１】
２．前記蛇行状の案内手段が、前記ピストンの円周壁中に形成された半円形の断面形状の蛇行状の溝と、該シリンダの該円周壁中の直径上に向い合った個所において、該ピストンの前記溝に係合するように取付けられた一対の球体とを有する上記１に記載の内燃機関。
【００１２】
３．前記燃焼室半部分が、前記シリンダの軸線に対して直交する平面内において実質的に三角形の形状をもち、互に補完して１つの実質的に矩形の燃焼室を形成し、この燃焼室が、前記ピストンの回転方向と実質的に横方向に延長する、前記ピストン中の駆動面と、該駆動面と実質的に平行な、前記シリンダ中の反力面とを含む上記１に記載の内燃機関。
【００１３】
４．前記軸部材が駆動軸中に、ピストンの往復運動及び該駆動軸への前記ピストンの回転運動の伝達を許容するように、軸方向に可動に、また該駆動軸に対して回動不可能に取付けてあり、前記駆動軸は、回動可能に、また軸方向には静止しているように前記シリンダ中に取付けてある上記１に記載の内燃機関。
【００１４】
５．前記軸部材及び前記駆動軸が多角形の断面形状を有する上記４に記載の内燃機関。
【００１５】
６．軸部材と駆動軸とが前記ピストンの各々の軸方向側に配設されている上記４に記載の内燃機関。
【００１６】
７．前記弁手段が弁フランジを含み、該弁フランジにはそれを貫通する弁オリフィスが形成してあり、該弁フランジは、前記シリンダの一方の端壁中に回動可能に取付けてあり、前記入口開口及び排出開口をサイクル式に開閉するように前記ピストンと共に回動しうるように該ピストンに連結されている上記１に記載の内燃機関。
【００１７】
８．ガスの漏洩を防止もしくは低減させるために、封止ディスクオリフィスを貫通形成した封止ディスクが、軸方向に可動に、前記弁フランジの凹み中に取付けてあり、該弁フランジに対して支持された弾性手段が、前記シリンダの隣接する端壁に向って該封止ディスクを付勢するように配置してあり、前記弁オリフィスを囲む前記弁フランジの軸方向の突起が前記封止ディスクの前記封止ディスクオリフィス中に摺動自在に取付けてある上記４又は７に記載の内燃機関。
【００１８】
９．前記仕事スペースから遠隔のピストンの軸方向側において該ピストンと該シリンダとの間に別のスペースを配設した上記１に記載の内燃機関。
【００１９】
１０．前記別のスペースがそれぞれの再供給導管手段によって前記入口通路及び前記排出通路に連結され、それにより排出ガスのある部分が該排出通路から前記別のスペースに、更にそこから新しい燃焼ガスと共に該入口通路を経て前記仕事スペースに再供給される上記９に記載の内燃機関。
【００２０】
１１．前記駆動軸が別のシリンダのピストンに連結されている上記４に記載の内燃機関。
【００２１】
１２．内燃機関がオットー式であり、点火手段が前記シリンダの前記燃焼室半部分中に配設されている上記１に記載の内燃機関。
【００２２】
【実施例】
各図には、オットープロセスに従って作動する４サイクル形式の内燃機関のシリンダ−ピストン組立体が示されている。図示してない内燃機関の各部例えば燃料空気混合手段（気化器手段又は燃料噴射手段）、電子制御手段、潤滑手段、点火手段その他は、従来の形式のものとすることができる。従って、これらは本発明の理解にとって必要でないため、ここでは説明しない。
【００２３】
図１に示したシリンダ−ピストン組立体は、円筒形の円周壁４及び一対の端壁６ａ、６ｂを備えた、シリンダ２として形成されたハウジングを備えている。端壁６ａ、６ｂは、シリンダ２中に円筒形のスペースを画定するように周囲壁４に固定的に、また封止状に連結されている。
【００２４】
円筒状のピストン１０は、この円筒状のスペースが図１の左側の仕事スペース８（仕事側）と右側の別のスペース９（再供給側）とに区画されるように、ピストンリング１２によって、前記円筒形スペース中に封止状に、また摺動自在に取付けられている。
【００２５】
図１に示したシリンダ−ピストン組立体は、ある点では、中心面III−IIIに関して対称である。従って、ピストン１０の両側に配置されて互に対応している部分は、同一の参照番号に英小文字ａ、ｂを付した記号により示されている。
【００２６】
ピストン１０は、その対向端面に、同軸的に延在している軸部材１４ａ、１４ｂを有し、これらの軸部材は、駆動軸１６ａ、１６ｂに、これらに対し回動不可能に、また軸方向に移動可能にそれぞれ連結されている。この目的のために、軸部材１４ａ、１４ｂは、多角形特に６角形もしくは８角形の横断面をもち、駆動軸１６ａ、１６ｂの嵌合形状の内側の多角形の凹み中に延在している。駆動軸１６ａ、１６ｂは、それぞれ前面壁６ａ、６ｂ中に、それぞれ軸受１８ａ、１８ｂによって、回動可能に、しかし軸方向には静止しているように取付けられている。
【００２７】
ピストン１０は、その結果として、回動運動と軸方向の往復運動とを行うことができる。ピストン１０は、図１に示すように、比較的大径である。円筒形スペースの軸方向の長さは、ピストン１０の軸方向の長さを約５０％超過している。
【００２８】
案内手段２０は、ピストン１０に回転運動と往復運動とを同時に行わせる（らせん運動）ように、ピストン１０とシリンダ２の周囲壁４との間に配設されている。案内手段２０は、ピストン１０の周囲壁に形成された蛇行状の溝２２を備えている。この溝２２は、半円形の断面形状をもち、ほぼ半正弦波の形状のらせん部分を備えている（図５の展開図参照）。一対の球体２４は、１対のボルト２６によって、シリンダ２の円周壁４中に、直径上に向い合った１対の個所に取付けてあり、球体２４は、各々の球体２４の半部分がピストン１０の溝２２中に係合するように、ピストン１０の溝２２に嵌合されている。そのためピストン１０は、以下に詳述するように、ピストン１０が１完全回転を行う間に、内燃機関の４サイクル、即ち吸引、圧縮、膨張及び排出行程の各サイクルに従って４行程を行う。
【００２９】
シリンダ−ピストン組立体の仕事側（図１で左側）において、シリンダ２の円周壁４とピストン１０の円周壁とは、それぞれシリンダ２とピストン１０とのそれぞれの端面に隣接して、燃焼室半部分３２、３４を各々備えている。燃焼室半部分３２、３４は、ピストン１０が図３ｂに破線によって示した位置にある時に、相互に補完して、燃焼室３０を形成する。図３ａ、図３ｂからわかるように、各々の燃焼室半部分３２、３４は、シリンダ軸線と直交する平面内において、実質的に三角形の形状を有する。燃焼室半部分３２、３４は、その内側の長手方向の側面において、仕事スペース８に開放され、また燃焼室半部分３４は、その軸方向の一方の端面に沿っても、仕事スペース８に開放されている。シリンダ２中の燃焼室半部分３２には、点火スパーク３５を含む点火手段が組合されている。燃焼室３０の作用については以下に一層詳細に説明する。
【００３０】
シリンダ２の端壁６ａは、燃焼ガスを仕事スペース８に供給するために仕事スペース８に対して開放された入口開口３８を有する入口通路３６を備えている（図３ａ、図３ｂ、図４参照）。更に、端壁６ａは、排出ガスを排出するために仕事スペース８に連結された排出開口４２を備えた排出通路４０を備えている。
【００３１】
入口開口３８と排出開口４２とを開閉するために、弁手段が設けられており、この弁手段は、図示した実施例では、駆動軸１６ａに配設された弁フランジ４８ａと、弁フランジ４８ａを貫通している弁オリフィス５４ａとを備えている（図１、図３ａ、図３ｂ、図６、図７参照）。端壁６ａの凹み中に回動可能に取付けられた弁フランジ４８ａは、駆動軸１６ａとピストン１０との間の駆動連結によって、ピストン１０と同一の回転運動を行うので、弁オリフィス５４ａは、４サイクル機関の４サイクルに従って入口開口３８と排出開口４２とを開閉するように、入口開口３８及び排出開口４２と順次整列される。
【００３２】
弁フランジ４８ａと端壁６ａとの間の漏れによる損失を防止又は減少させるために、封止ディスク５０ａが弁フランジ４８ａの凹み中に軸方向に摺動自在に取付けられている。封止ディスク５０ａは、弁オリフィス５４ａと同じ形状の、封止ディスク５０ａを貫通して延長する封止ディスクオリフィス５２ａを有し、弁フランジ４８ａの弁オリフィス５４ａを囲む軸方向の突部に対して、摺動状に案内される（図６、図７参照）。封止ディスク５０ａは、弁フランジ４８ａに対して支持された複数（例えば３個）の円弧状の板ばね５６ａによって、端壁６ａの端面に押付けられているため、封止ディスク５０ａは、漏れを防止するように、その封止機能を逐行することができる。
【００３３】
以上に説明した４サイクルオットー式内燃機関のシリンダ−ピストン組立体の操作は次の通りである。
【００３４】
ピストン１０がその吸引行程を今開始したものと想定する。ピストン１０は、この時には、オリフィス５２ａ、５４ａが入口開口３８と互に重なり始めた図３に示す回転位置にある。ピストン１０は、この時には、（図１において）左端の死位置にあるため、仕事スペース８の容積は、−燃焼室半部分３２、３４の容積を考慮しない場合−零となる。次にピストン１０が（図３でみて）時計方向に９０°回転すると、ピストン１０は、案内手段２０によって、（図１において）右端の、その死位置に向って同時に移動する。燃焼ガスは、それによって、開放された入口開口３８を経て、入口通路３６から仕事スペース８中に吸引される。
【００３５】
燃焼ガスは、気化器手段（図示せず）が設けられている場合、燃焼−空気混合物とすることができる。また、別の方法として、仕事スペース８に組合された燃料噴射手段（図示せず）があれば、燃焼ガスを空気としても良い。
【００３６】
ピストン１０は、次の９０°に亘って回転すると、（図１において）左端のその死位置に向って軸方向の行程を行うので、仕事スペース８及び燃焼室半部分３２、３４中の燃焼ガスは圧縮される。圧縮行程の終了時には、ピストン１０は、燃焼室半部分３２、３４が互に補完して燃焼室３０を形成する図３ｂ中破線で示した回転位置となっている。この時点では燃焼ガスの最大の圧縮が実現されている。実質的に全部の燃焼ガスは、燃焼室３０中にあり、点火スパーク３５によって点火される。
【００３７】
燃焼室３０ｂは、図３ａに示すように、実質的に矩形の形状を有する。ピストン１０の燃焼室半部分３４は、回転方向に対してほぼ直交する駆動面３４’を有し、シリンダ２の燃焼室半部分３２は、駆動面３４’とほぼ平行の反力面３２’を有する。膨張する燃焼ガスは、燃焼室３０の構造及び配置形態のため、ピストン１０に回転力を作用させ、これらの回転力は、実質的なトルクを供与するように、ピストン１０の外周面に対して作用する。
【００３８】
ピストン１０は、その結果として、燃焼ガスによって回転方向に駆動されると同時に、（図１の右方に向って）膨張行程を行う。ピストン１０の回転運動は、軸部材１４ａを経て駆動軸１６ａに直接伝達され、内燃機関のより効率的な作動を行わせる。
【００３９】
ピストン１０が９０°回転すると、その膨張行程（仕事行程）が終了するので、排出ガスを排出させることができる。ピストン１０は、排出サイクルの間に、案内手段２０によって再び（図１において）左方に移動し、弁オリフィス５２ａ、５４ａはその間に排出開口４２上において掃引する。そのため排出ガスはピストン１０によって排出通路４０中に排出される。排出行程の終了時点では、ピストン１０は、再び図３に破線で示した角度位置となり、オリフィス５２ａ、５４ａは、排出開口４２と入口開口３８との間の位置となる。
【００４０】
ピストン１０は、従って、４サイクル機関の特徴である４つの仕事サイクル即ち吸引、圧縮、膨張（仕事）及び排出の各サイクルを逐行し、各々のサイクルは、ピストン１０の約９０°の回転とその軸方向の行程とによって関連付けられている。ピストン１０は、４つの仕事サイクルの間に、約３６０°の１完全回転と、軸方向の４行程とを行う。
【００４１】
開口６４、６６を介して前記別のスペース９と連通する再供給導管６０、６２は、排出通路４０及び入口通路３６の各々から分岐している。開口６４、６６の開閉を制御するために、仕事側のものと同様の構成及び作用をもった弁フランジ４８ｂ、封止ディスク５０ｂ、オリフィス５２ｂ、５４ｂ、及びばね５６ｂから成る組立体が、再供給側に設けられている。
【００４２】
そのため、排出通路４０を通って流れる排出ガスの一部（例えば排出ガス容積の１／３ないし１／４）は、排出サイクルの間に、再供給導管６０を経て、前記別のスペース９に吸引される。次の吸引サイクルの間に、別のスペース９中の排出ガスは、再供給導管６２を経て入口通路３６に導かれ、新しい燃焼ガスと共に、入口開口３８を経て仕事スペース８に流入する。
【００４３】
そのため燃焼ガスは予加熱され、機関はすみやかにその作動温度に到達するように加熱されるため、最適の点火及び燃焼が得られ、汚染物質の放出量が対応して減少する。
【００４４】
再供給側で分流されるガスの比率は、再供給導管６０、６２のそれぞれの寸法決めによって計量することができる。なおこの計量は、それぞれの制御される弁手段（図示せず）によって行うことができることに留意すべきである。後者の場合、機関の冷機起動時のような不十分な温度の作動条件に排出ガスの再供給が制限されるという利点が得られる。
【００４５】
ピストン１０には、圧縮行程の間前記別のスペース９中に過度の真空が生ずることを防止するために、別のスペース９の容積を増すための凹み（図示せず）を設けることができる。その他に、又はそれに代るものとして、入口通路３６から空気を供給したり、直接に大気から空気を供給したりするための弁手段を用意しても良い。
【００４６】
なお、別のシリンダの駆動軸を、直接にか又は伝動手段を介して、駆動軸１６ａ、１６ｂに連結しても良い。
【００４７】
図３ａ、図３ｂ、図４には、シリンダを冷却するための冷却流体通路６８が示されている。本発明の理解にとって必要ではない内燃機関の詳細な構造部分、例えば潤滑方式については、特に説明は行わない。
【００４８】
しかし、案内手段２０即ち球体２４及び溝２２並びにピストン１０の正確な潤滑を可能とするために、長手方向の潤滑孔（図示せず）をボルト２６に形成しても差支えない。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、４サイクル式の内燃機関のシリンダ−ピストン組立体の概略的な縦断面図である。
【図２】図２は、図１に示したシリンダ−ピストン組立体の立面図である。
【図３】図３ａ、図３ｂは、図１の矢印IIIの方向にみた断面図であり、破線で示したピストンが互に対して１８０°ずらされた２つの位置にある状態を示す図である。
【図４】図４は、図１の矢印IVの方向にみた断面図である。
【図５】図５は、ピストンの円周面の縮小尺による展開図である。
【図６】図６は、図１〜５のシリンダ−ピストン組立体の弁手段を示す展開斜視図である。
【図７】図７は、図６に示した弁手段の弁フランジを示す端面図である。
【符号の説明】
２ シリンダ
８ 仕事スペース
１０ ピストン
１４ａ，１４ｂ 軸部材
２２ 溝（案内手段）
３０ 燃焼室
３２，３４ 燃焼室半部分
３８ 入口開口
４２ 排出開口

Claims (1)

1. 円筒状のピストンを封止状且つ摺動状に受けいれる少くとも１つのシリンダと、該シリンダの一つの端壁と該ピストンの隣接した端壁との間に画定された仕事スペースと、燃焼ガスを該仕事スペースに供給するために入口通路に連結された入口開口と、該仕事スペースから排出ガスを排出するために排出通路に連結された排出開口と、該入口開口及び排出開口をサイクル式に開閉するための弁手段とを備えた、４サイクルピストン式内燃機関であって、
   （ａ）前記ピストンは、軸方向の運動及び回転運動を行うように、前記シリンダ中に取付けてあり、蛇行状の案内手段が、前記ピストンと前記シリンダとの間に取付けてあり、それにより前記ピストンが、内燃機関の４サイクルに従って、各々の回転について約３６０°に亘って、４行程を行うようにされ、
   （ｂ）前記シリンダ及び前記ピストンは、互に向い合う端壁に隣接して、それぞれの円周に形成された燃焼室半部分を各々含み、これらの燃焼室半部分は、燃焼ガスの点火時に燃焼室中において膨張する燃焼ガスが前記ピストンに回転力を及ぼすように、燃焼ガスの点火時に相互に補完して１つの燃焼室を形成するようにされ、
   （ｃ）前記ピストンは、前記ピストンの回転運動を出力手段に伝達するために同軸的に配された軸部材を含む
   ４サイクルピストン式内燃機関。

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