JP4149621B2

JP4149621B2 - 対向ピストン式２サイクルユニフロー型機関

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Publication number: JP4149621B2
Application number: JP25012799A
Authority: JP
Inventors: 邦彦奥平
Original assignee: 邦彦奥平
Priority date: 1999-09-03
Filing date: 1999-09-03
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2019-09-03
Also published as: JP2001073780A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は対向ピストン式２サイクルユニフロー型機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリンダー内に開口した吸気ポートと排気ポートの開閉を、それぞれシリンダー内に対向配置された吸気ポート開閉用ピストンと排気ポート開閉用ピストンの往復動により行なう対向ピストン式２サイクルユニフロー機関の従来例として、１９６９年１２月２５日株式会社三栄書房発行、著者：富塚清の「内燃機関の歴」の第１７１〜１７４ぺージにおいて、ユンカース式２サイクルディーゼル機関が紹介されている。
【０００３】
ところで、圧縮着火機関であるディーゼル機関の燃焼は、吸入行程によってシリンダー内に流入する掃気（空気）を次の圧縮行程による圧縮によって掃気の温度上昇を誘い、それによって生ずる高温の掃気に燃料を噴射することによって、燃料は高温の掃気と混じり合いながら自己燃焼を開始する。
【０００４】
【発明が解決しょうとする課題】
ところが、寒冷状態における機関の始動において、吸入行程によりシリンダー内に流入する掃気は低温で、さらに圧縮行程により生ずる掃気の温度上昇は、冷えたシリンダーと燃焼室を形成するピストン、シリンダー、シリンダーヘッドに熱を奪われて、到達温度は低下する。
【０００５】
それが、燃料の自己燃焼不可能な温度なら、機関は始動不能なので、燃料の気化、着火を促進するグロープラグ等が必要となるが、寒冷時においてグロープラグを使用しても始動は困難である。従って、圧縮比を必要以上に高めに設定することで、掃気の到達温度を高め、エンジンの始動を容易にしていた。
【０００６】
しかし、始動後は、燃料の燃焼による加熱によってシリンダーおよび燃焼室の温度は上昇し、それに伴い圧縮行程によるシリンダー内の掃気は到達温度を上昇させる。また、到達温度の上昇によって到達圧力も増加し、さらに到達温度の上昇と到達圧力の増加によって、それぞれ燃焼温度の上昇および燃焼圧力が増加する。ところが、燃焼温度の上昇によって公害の窒素酸化物（ＮＯｘ）の合成は促進され、また燃焼圧力と燃焼温度の増加によりエンジン破損の危険性が増大するので、その対策として、機関の丈夫な設計と製作が必要となる問題点があった。
【０００７】
それらの対策として、始動性の向上には圧縮比の増加が、しかし始動後機関の加熱に伴って、圧縮比の低減が上記の問題点の解決に効果的となる。そこで、任意に圧縮比を変更可能な機構が願望され、特開昭５５−１４６２３１で示す対向ピストン式２サイクルユニフロー機関では、シリンダー内に対向配置され往復動する２つのピストンの位相を同調させる手段として、上記ピストンと同調して回転する２つのクランク軸をチェーンによって連動させ、達成する方法が公開されていた。
【０００８】
この構造によると、回転するクランク軸に固定された２つのスプロケット間を連動させるチェーンの２方向の直線運動部分の長さの変化によって、２つのクランク軸の位相が可変可能となり、従ってシリンダー内を対向して往復動する２つのピストンによる上死点タイミングの違いによって、圧縮比の可変が可能となる。
【０００９】
しかし、上記の公開された技術のように、２つのクランク軸の位相を同調させる手段として、チェーンやベルトを使用すると、２つのクランク軸間で発生する出力や負荷の違いにより、チェーンやベルトは上下で張りを大幅に変化させる。
【００１０】
従って、２つのクランク軸間をチェーンやベルトの張りによって位相を同調させる機構では、チェーンやベルトの張りに必要な弛みの変化による２つのクランク軸間の位相の同調は困難で、さらに位相の差により変化する２つのクランク軸間の出力や負荷の違いによって発生するチェーンやベルトの伸びの違いによって、目標の達成は困難である。
【００１１】
また、図１は従来の公知の技術として、ユンカース式２サイクルディーゼル機関のピストンの構造および圧縮行程末期における燃焼室の形状を示している。この図でも示すように、燃焼室の一部分がシリンダーによって形成されるために、シリンダー露出部分の加熱によるシリンダーの温度上昇によってシリンダーに付着したピストンの往復動の潤滑に必要なオイルが蒸発し、その結果、シリンダーおよびピストンリングの摩耗が促進される問題があった。
【００１２】
この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、燃焼室の形状変更により、シリンダー露出部分の減少と、さらにシリンダー内に開口した吸気ポートと排気ポートの開閉タイミングと開口面積の変更と２つのクランク軸の位相を可変制御することによって、圧縮比および圧縮、膨張行程を作動状況により任意に変更し、それによる性能の向上と燃料消費量および公害の削減を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の請求項１は、シリンダー内に開口した掃気ポートと排気ポートを開閉するそれぞれシリンダー両端からシリンダー内に対向配置された掃気ポート開閉用ピストンと排気ポート開閉用ピストンを往復動させる２つのクランク軸間の同調された位相を任意に変更可能な手段を設けた対向ピストン方式の内燃機関において、
シリンダーを形成するスリーブがモーター１１Ａで駆動されるスリーブ摺動装置１２Ａで任意の位置に摺動可能な構造としたことを特徴とする対向ピストン式２サイクルユニフロー型機関である。
【００１４】
また、本発明の請求項２は、シリンダー内に開口した掃気ポートと排気ポートを開閉するそれぞれシリンダー両端からシリンダー内に対向配置された掃気ポート開閉用ピストンと排気ポート開閉用ピストンを往復動させる２つのクランク軸間の同調された位相を任意に変更可能な手段を設けた対向ピストン方式の内燃機関において、
シリンダー内に開口した掃気ポート上端および排気ポート上端に掃気バルブ２０Ａおよび排気バルブ２０Ｂをそれぞれ設けたことを特徴とする対向ピストン式２サイクルユニフロー型機関である。ここに、掃気ポート上端とは、掃気ポートの上死点側を意味し、排気ポート上端とは、排気ポートの上死点側を意味している。
【００１５】
【作用】
請求項１の構成では、対向ピストン式２サイクルユニフロー型機関におけるシリンダー内に対向配置された掃気ポート開閉用ピストンと排気ポート開閉用ピストンの位相を任意に可変可能とする機構（図２の１２Ｂ、図６）と同時にシリンダーを形成するスリーブ（図２の９）がモーター（図２の１１Ａ）でスリーブ摺動装置（図２の１２Ａ）によって任意の位置に摺動可能なことから、例えば出力向上のため（図２参照）上記掃気ポートの開閉タイミングおよび開口面積を拡大したい場合、モーター１１Ａがスリーブ摺動装置１２Ａを作動させて図２の位置にあるスリーブ９をクランク２Ａ方向からクランク２Ｂ方向へ摺動させて上記掃気ポートの開閉タイミングと開口面積が拡大する。反対にモーター１１Ａがスリーブ摺動装置１２Ａを逆に作動させた場合、スリーブ９は、クランク２Ｂ方向からクランク２Ａ方向へ摺動し、その結果、掃気ポートの開閉タイミングと開口面積は減少する。
【００１６】
さらに、上記スリーブ９は、クランク２Ｂ方向からクランク２Ａ方向へ摺動した場合、掃気ポートの開閉タイミングおよび開口面積を減少させる一方で、逆に排気ポートの開閉タイミングおよび開口面積を拡大させる。このことはスリーブ９内で下死点から上死点へ移動中の排気ポート開閉用ピストン３Ｂがスリーブ９内に開口した排気ポート５Ｂを閉鎖して開始される圧縮行程を遅らせて実際の排気量と同時に圧縮比を減少させる効果があり、上記位相だけを任意に可変可能とする機構で実現困難だった可変圧縮比および可変排気量の制御が可能となる。
【００１７】
以上のように、例えば掃気ポート開閉用ピストンの位相を排気ポート開閉用ピストンの位相よりも先行させた場合の排気ポート開閉用ピストンがシリンダー内に開口した排気ポートを開口した後に掃気ポート開閉用ピストンが掃気ポートを開口するまでのタイミングが接近する課題において、本発明の請求項１では、モーター１１Ａがスリーブ摺動装置１２Ａでシリンダーを形成するスリーブ９をクランク軸２Ｂ方向へ摺動させることから、排気ポートは、その開口から閉口までの作動角を拡大し開口タイミングを早める一方、掃気ポートは、その開口から閉口までの作動角が減少することから開口タイミングが遅れる結果、前記の排気ポート開閉用ピストンがシリンダー内に開口した排気ポートを開口した後に掃気ポート開閉用ピストンが掃気ポートを開口するまでのタイミング拡大に有効な手段となる。
【００１８】
また逆に、排気ポート開閉用ピストンの位相を掃気ポート開閉用ピストンの位相よりも先行させた場合の膨張行程が終了するタイミングにおいて掃気ポート開閉用ピストンの位置が排気ポート開閉用ピストンの位置よりも膨張行程を減少させる上死点側に遅れて出力と熱効率を悪化させる課題に関し本発明の請求項１では、モーター１１Ａがスリーブ摺動装置１２Ａでシリンダーを形成するスリーブ９をクランク軸２Ａ方向へ摺動させて掃気ポートの開口から閉口までの作動角を拡大させることから、より多くの掃気がシリンダー内に流入可能となる上に、排気ポートは、その開口から閉口までの作動角を減少させて膨張行程が終了する開口タイミングを遅らせることから膨張行程も拡大し、前記の課題だった出力と熱効率の向上に有効な手段となる。
【００１９】
同様に請求項２（図７参照）でも、シリンダー内に対向配置された掃気ポート開閉用ピストン５Ａと排気ポート開閉用ピストン５Ｂの位相の差は、位相可変装置２７をモーター１１Ｃで可動させることで達成し、また同時にシリンダー内に開口した掃気ポート５Ａおよび排気ポート５Ｂの開口部に設けた掃気バルブ２０Ａおよび排気バルブ２０Ｂが独立して上下する機構によって掃気ポート５Ａおよび排気ポート５Ｂの開口面積および開閉タイミングは、任意に可変制御可能なことから前記請求項１に記載の効果は、請求項２に記載の機構でも達成可能となる。
【００２０】
このように、請求項２でも、シリンダー内に開口した排気ポート上端に設けた排気バルブ２０Ｂが排気ポート上端の高さ位置を上げて、その開口タイミングを早める一方で掃気ポートは、その上端に設けた掃気バルブ２０Ａが掃気ポート上端の高さ位置を下げて開口タイミングを遅らせる結果、前記の本発明の請求項１と同様に排気ポート開閉用ピストンがシリンダー内に開口した排気ポートを開口した後に掃気ポート開閉用ピストンが掃気ポートを開口するまでのタイミング拡大の課題に有効な手段となる。
【００２１】
また逆に、排気ポート開閉用ピストンの位相を掃気ポート開閉用ピストンの位相よりも先行させた場合の膨張行程が終了するタイミングにおいて掃気ポート開閉用ピストンの位置が排気ポート開閉用ピストンの位置よりも膨張行程を減少させる上死点側に遅れて出力と熱効率を悪化させる課題に関し、本願の請求項２の発明では、シリンダー内に開口した掃気ポートの上端に設けた掃気バルブ２０Ａが掃気ポート上端の高さ位置を上げて、その開口から閉口までの作動角および開口面積を拡大させることから、掃気ポートからシリンダー内に流入可能な掃気を増加させるので、出力向上に効果的となる上に、排気ポートは、その上端に設けた排気バルブ２０Ｂが排気ポート上端の高さ位置を下げて、前記の膨張行程が終了する排気ポートの開口タイミングを遅らせて膨張行程を拡大させる結果、出力および熱効率を向上させる有効な手段となる。
【００２２】
なお本発明は、対向ピストン方式の内燃機関におけるシリンダー内に対向配置された掃気ポート開閉用ピストンおよび排気ポート開閉用ピストンの位相を任意に可変制御する機構が、その位相の変化で要求される掃気ポートおよび排気ポートの開口から閉口までの作動角および開口面積の変化に対応できない課題を解決する手段の提供であり、前記シリンダー内に対向配置された掃気ポート開閉用ピストンおよび排気ポート開閉用ピストンの位相を任意に可変制御する機構と請求項１に記載されたシリンダーを形成するスリーブをモーター１１Ａで駆動されるスリーブ摺動装置１２Ａで任意の位置に摺動可能な機構または請求項２に記載されたシリンダー内に開口した掃気ポート上端に設けた掃気バルブと排気ポート上端に設けた排気バルブを作動させる機構との組み合わせの相乗効果で発揮される効果を特徴とするのである。
【００２３】
【実施形態】
以下、添付された図面を参照して実施形態を説明する。図２は、本発明による対向ピストン式２サイクルエンジンの実施状態を示す鉛直断面図である。図において、本体１内には、スリーブ摺動装置１２Ａにより摺動可能なスリーブ９が挿置されてシリンダーを形成し、そのスリーブ摺動装置１２Ａは、モーター１１Ａの作動によって制御される。
【００２４】
スリーブ９内には、掃気ポート開閉用ピストン３Ａと排気ポート開閉用ピストン３Ｂが対向配設され、それぞれシリンダー内に開口した掃気ポート５Ａと排気ポート５Ｂを開閉する。
【００２５】
また、ピストン３Ａ、３Ｂは、コンロッド４Ａ、４Ｂを介してクランク軸２Ａ、２Ｂに連結されクランク軸を回転させる。そのクランク軸２Ａ、２Ｂの一端に固定された傘歯車６Ａ、６Ｂと噛み合う傘歯車７Ａ、７Ｂを位相可変装置１２Ｂにより同調された軸２３Ａ、２３Ｂによって、２つのクランク軸の位相は同調される。なお、位相可変装置１２Ｂは、モーター１１Ｂの作動によるシフトフォーク２７の位置移動により、軸２３Ａ、２３Ｂの位相を任意に変更可能なことを特徴とする。
【００２６】
低温での始動において、モーター１１Ａの作動により、スリーブ摺動装置１２Ａが、シリンダーを形成するスリーブ９をクランク軸２Ａ方向からクランク軸２Ｂ方向へ少し摺動する。それにより、掃気ポート５Ａは、開口から閉口までの作動角と開口面積が拡大し、反対に排気ポート５Ｂでは、開口から閉口までの作動角と開口面積は減少する。
【００２７】
そして、掃気ポート５Ａの開閉タイミングを進めて、排気ポート５Ｂの開閉タイミングを遅らせるために、モーター１１Ｂが、図６で示す位相可変装置１２Ｂをシフトフォーク２７で軸２３Ｂ方向から軸２３Ａ方向へ少し移動させることによって、軸２３Ａと軸２３Ｂの位相を、掃気ポート開閉用ピストン３Ａに連結されたクランク軸２Ａのタイミングを少し進め、排気ポート開閉用ピストン３Ｂに連結されたクランク軸２Ｂのタイミングを少し遅らせる。
【００２８】
上記の構成によれば、シリンダーを構成するスリーブ９内を往復するピストン３Ａ、３Ｂが最も接近する上死点付近における位相の違いの差は少なく、圧縮比は高めの設定が可能となる。
【００２９】
また、膨張行程終了における排気ポート開閉用ピストン３Ｂが排気ポート５Ｂを開口した時点での掃気ポート開閉用ピストン３Ａの位置と、圧縮行程開始における排気ポート開閉用ピストン３Ｂが排気ポート５Ｂを閉口した時点での掃気ポート開閉用ピストン３Ａの位置との違いにより、膨張行程は減少し、熱効率は低下する。しかし、圧縮行程の増加によって、実際の圧縮比は向上するので、本機関の低温での始動は容易となる。
【００３０】
この構成による作動において、シリンダーを構成するスリーブ９内を往復するピストン３Ａ、３Ｂは、膨張行程の終了後、先ず排気ポート開閉用ピストン３Ｂが排気ポート５Ｂを開口する。それにより、前サイクルの燃焼済みガスは、急激にシリンダー外へ排出される。
【００３１】
その後、掃気ポート開閉用ピストン６Ｂが掃気ポート２を開口することにより過給装置１３で過給され冷却装置１４で冷却された掃気は、掃気通路１０Ａを通過し、スリーブ９内に開口した螺旋方向に角度が付いた掃気ポート５Ａによってスリーブ９内へスワールを発生させながら流入し、その掃気の流入によりスリーブ９内に残留した燃焼済みガスの大部分は、排気ポート５Ｂよりシリンダー外へ排出される。
【００３２】
下死点を経過後、上死点方向に摺動する２つのピストンは、先ず掃気ポート開閉用ピストン３Ａが掃気ポート５Ａを閉口し、次に排気ポート開閉用ピストン３Ｂによって排気ポート５Ｂを閉口して、圧縮行程が開始される。
【００３３】
次に圧縮行程の進行に従い、ピストン３Ａ、３Ｂが接近すると、スリーブ９内の掃気は、スワールの流れを低下させることなく、ピストン頂面に形成されたキャビティ１６Ａ，１６Ｂ内に流入する。
【００３４】
さらに、ピストン３Ａ、３Ｂの接近によって、図５で示すようにピストン頂面に形成されたキャビティ１６Ａ，１６Ｂと溝１７Ａ，１７Ｂによって、燃焼室および燃焼室とスリーブ内周面と燃焼室内を連通する連通路が形成される。
【００３５】
上記ピストン３Ａ、３Ｂが最も接近する直前の圧縮行程末期より燃料噴射ノズル８にて噴射された燃料は、スリーブ９に開口した燃料噴射ポート１５を通過し、ピストン頂面の溝１７Ａ，１７Ｂによって形成された燃焼室と連通する連通路を通過して、燃焼室内に流入し、燃焼室内のスワールによって燃料の気化・拡散が促進され、燃料は自己燃焼を開始する。
【００３６】
始動後、従来の機関では、燃料の燃焼による機関の加熱に従って圧縮行程によるシリンダー内の掃気の到達温度と到達圧力が増加し、それに伴って、燃焼温度と燃焼圧力が増加する。
【００３７】
しかし、燃焼温度の上昇により、窒素酸化物（ＮＯｘ）の合成が促進され、燃焼温度と燃焼圧力の増加による機関破損の危険性のために、機関を丈夫に製作する必要があった。
【００３８】
そこで本発明は、低負荷作動時において、機関が加熱するに従いモーター１１Ｂを作動させて、シフトフォーク２７に連結した位相可変装置１２Ｂを軸２３Ａ方向から軸２３Ｂ方向へ移動させる。
【００３９】
その、位相可変装置１２Ｂの移動距離によって任意に掃気ポート５Ａの開閉タイミングを進めて、排気ポート５Ｂの開閉タイミングを遅らせる設定が可能となるが、２つのピストンが開閉する吸・排気ポートの開口タイミングの接近によって正確な機関の作動が困難となるので、スリーブ摺動装置１２Ａが、モーター１１Ａの作動によって、スリーブ９をクランク軸２Ｂ方向からクランク軸２Ａ方向へ摺動させると、排気ポート５Ｂでは、開口面積と開口タイミングの拡大が、反対に掃気ポート５Ａは開口面積と開口タイミングの減少によって、上記の補正が容易となる。
【００４０】
上記の設定変更に従って、膨張行程終了での排気ポート開閉用ピストン３Ｂが排気ポート５Ｂを開口した時点における掃気ポート開閉用ピストン３Ａの位置が、下死点側へ移行することで、膨張行程は増加する。
【００４１】
また反対に、圧縮行程開始での排気ポート開閉用ピストン３Ｂが排気ポート５Ｂを閉口した時点における掃気ポート開閉用ピストン３Ａの位置が、上死点側へ移行することで、圧縮行程は減少する。
【００４２】
その結果、圧縮行程の減少により機関排気量および圧縮比を低下させ、上記の必要以上の高圧縮による問題点を解決し、さらに掃気ポートの開口面積の減少によるシリンダー内に流入可能な掃気量の減少に伴う、シリンダー内に残留する燃焼済みガスの割合の増加による燃焼温度の低下は、窒素酸化物（ＮＯｘ）の減少に効果的となる。また膨張行程の増加によって熱効率は向上し、それによる二酸化炭素（ＣＯ₂）および燃料消費量の削減に有効となる利点が発生した。
【００４３】
ところで上記の設定では、一定以上の出力が必要な場面において対応が困難となる。そこで本発明では、モーター１１Ｂの作動によって、シフトフォーク２７と連結した位相可変装置１２Ｂを、軸２３Ｂ方向から軸２３Ａ方向へ移動させる。その移動距離に比例して、排気ポート開閉用ピストン３Ｂが排気ポート５Ｂを開閉するタイミングは進み、反対に掃気ポート開閉用ピストン３Ａが掃気ポートを開閉するタイミングは遅れることになる。
【００４４】
そこで、モーター１１Ａの作動に伴って、スリーブ摺動装置１２Ａが、スリーブ９をクランク軸２Ｂ方向からクランク軸２Ａ方向へ摺動させる。それにより、掃気ポート５Ａでは、開口面積と開口タイミングの拡大と、さらに、排気ポート５Ｂの開口面積と開口タイミングの減少によって、圧縮行程が開始されるシリンダー内の排気ポート開閉用ピストンが排気ポート５Ｂを閉口する閉口タイミングが進み、圧縮行程が拡大される。
【００４５】
上記の設定変更に従って、膨張行程終了での排気ポート開閉用ピストン３Ｂが排気ポート５Ｂを開口した時点における掃気ポート開閉用ピストン３Ａの位置が上死点側へ移行することにより、膨張行程は減少する。
【００４６】
しかし、圧縮行程開始での排気ポート開閉用ピストン３Ｂが排気ポート５Ｂを閉口した時点における掃気ポート開閉用ピストン３Ａの位置が下死点側へ移行することによって、圧縮行程は拡大するので、実際の排気量は増加する。
【００４７】
さらに、掃気ポートの開口面積の増加によって、シリンダー内に流入する掃気量は増加され、掃気量の増加によって、シリンダー内に残留する燃焼済みガスは減少する。その結果、膨張行程の減少に伴い、熱効率は低下するが、ある一定以上の出力が必要な場面においての対応が容易となった。
【００４８】
さらに、もっと出力を必要とする場面において、上記の設定に従って、２つのクランク軸２Ａ、２Ｂの位相をさらに変化させると、掃気ポート開閉用ピストン３Ａが掃気ポート５Ａを閉口するタイミングと、排気ポート開閉用ピストン３Ｂが排気ポート５Ｂを閉口するタイミングが逆転し、それにより排気ポート開口後も掃気ポートが開口し続け、その間は過給装置１３で過給され、冷却装置１４で冷却された掃気はシリンダー内に流入し続けるので、過給可能となる。また、対向して往復動する２つのピストンにおける上死点タイミングの不一致により、圧縮比は低下する。
【００４９】
かかる構成において、熱効率は膨張行程の減少により低下する。しかし、圧縮行程の拡大および過給による排気量の増加によって、出力の向上は容易となり、さらに、燃焼室内は掃気によるスワールによって、燃料の気化および掃気との混合が促進されるため、不完全燃焼によって発生する粒子状物質（ＰＭ）の削減が可能となる。また粒子状物質（ＰＭ）の減少によって、燃料消費量の削減が可能となった。
【００５０】
ところが、上記の燃焼の改善による燃焼効率の向上によって、燃焼温度が上昇し、それにより窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生量が増加する問題が発生する。しかし、上記設定による本機関の作動によると、シリンダー内を往復動する２つのピストンの上死点タイミングの不一致による圧縮比の低下に伴う、燃焼温度の低下が可能で、さらにシリンダー内に残留する燃焼済みガスによる燃焼温度の低下による、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量の削減も可能となった。
【００５１】
次に、図７で示す実施形態では、シリンダー内に開口した掃気ポート５Ａと排気ポート５Ｂを開閉する掃気ポート開閉用ピストン３Ａと、排気ポート開閉用ピストン３Ｂの往復動と、連動して回転するクランク軸２Ａ、２Ｂの位相を同調させる手段として、平歯車１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃの歯車の噛み合せによる構造におけるクランク軸２Ａの軸端に螺刻されたスプラインと螺接によって連動回転する平歯車１９Ａを、モーター１１Ｃが位相可変装置１２Ｃを作動させてクランク軸の前後方向へ移動可能とする。
【００５２】
さらに、シリンダー内に対向配置された掃気ポート開閉用ピストン３Ａと排気ポート開閉用ピストン３Ｂが開閉するシリンダー内に開口した掃気ポート５Ａと排気ポート５Ｂに独立した掃気バルブ２０Ａと排気バルブ２０Ｂを設け、開口面積と開閉タイミングを任意に変更可能とした。
【００５３】
この構造によると、平歯車１９Ａをモーター１１Ｃが位相可変装置１２Ｃを作動させてクランク軸前後方向へ移動させることによって、クランク軸２Ａと平歯車１９Ａに螺刻されたスプラインの螺接によってクランク軸２Ａは回動方向へ角度を変更可能で、従ってそれは回転するクランク軸２Ａとクランク軸２Ｂで同調した位相の回転タイミングを任意に変更可能となる。
【００５４】
さらに、シリンダー内に開口した掃気ポート５Ａと排気ポート５Ｂに設けた掃気バルブ２０Ａと排気バルブ２０Ｂの作動位置によって、シリンダー内の掃気ポート開閉用ピストン３Ａと排気ポート開閉用ピストン３Ｂの往復動によって開閉するシリンダー内に開口した掃気ポート５Ａと排気ポート５Ｂの開口面積と開閉タイミングを自在に可変可能となり、その結果、この構成によっても上記の図１で示す実施例と同様の効果が実現可能となった。
【００５５】
ところで、上記の２つのクランク軸の位相差を発生する機構は、２つのクランク軸のどちらでも設定可能である。
【００５６】
また、図８の実施形態では、上記の実施形態で示すクランク軸２Ａ、２Ｂの位相を同調させる平歯車１９Ａ、１９Ｂ、１９Ｃの歯車の噛み合せを、はすば歯車２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの歯車の噛み合せによる構造に変更し、またクランク軸２Ａと連動して回転するはすば歯車２１Ａをクランク軸２Ａの前後方向に摺接可能な構造に変更した。
【００５７】
この構造によると、モーター１１Ｄの作動によって、シフトフォーク２７が歯車２１Ａをクランク軸２Ａの前後方向に摺接させる。その摺接によって歯車２１Ａと噛み合った歯車２１Ｃでは回動角が変化し、さらに歯車２１Ｂの角度が移動するので、歯車の噛み合せによって同調されたクランク軸２Ａとクランク軸２Ｂの位相は可変可能である。
【００５８】
なお、上記の機構は、２つのクランク軸のどちらでも設定可能で、さらに２つのクランク軸を連動させる中間のはすば歯車を偶数にすると、上記の機構は全てのはすば歯車のどちらかの一つの設定で可能となる。
【００５９】
さらに、図１０で示す実施形態のピストンの頂面に形成されたキャビティおよび溝の形状によると、対向する２つのピストンが最も接近する圧縮行程末期から膨張行程開始のタイミングにおいて、円環状の燃焼室とグロープラグ２２および燃料噴射ポート２８と燃焼室を連通する連通路の形成が可能となった。
【００６０】
ところで、図５で示す実施形態のピストンでは、さらにキャビティと溝を含むピストン頂面に、金属およびセラミックスの層を蒸着およびメッキによって付着させ、キャビティと溝を含むピストン頂面で発生する燃焼による加熱からピストンを断熱構造になっている。
【００６１】
なお、図７〜図１０は、アルコール系および液化石油ガス系の燃料で作動する機関である。従来のアルコール系燃料機関は、アルコール系燃料が低沸点分を含有しないため、低温始動が困難で不完全燃焼による有害のホルムアルデヒドが発生する問題があり、また液化石油ガス系燃料の機関では、低温による燃料の気化が困難なことと、シリンダー外の気化で体積を増加した掃気（吸気）がシリンダー内に流入することによる排気量の減少で、出力が低下する問題があった。
【００６２】
しかし、本発明の機関によると、低温始動において、２つのピストンが掃気、排気ポートを閉口後の圧縮行程開始後に燃料噴射ノズル（図示せず）よりシリンダー内に燃料を噴射するので、出力低下の問題は発生しない。
【００６３】
また、燃料はシリンダー内のスワールによって撹拌され、グロープラグ２２および点火プラグ（図示せず）で着火・燃焼を開始させるが、一旦燃焼を開始すれば、２サイクル機関特有の現象であるシリンダー内に残置する燃焼済みガスによって、燃焼の継続は容易となり、アルコール系燃料の問題点である不完全燃焼による有害のホルムアルデヒドの発生量は大幅に減少する。
【００６４】
さらに、圧縮比の変更が容易にできるので、一つの機関で種類の違う燃料が使用可能となる。
【００６５】
また、シリンダー内を往復動する掃気ポート開閉用ピストンと掃気ポート開閉用ピストンによって、ピストンのストロークとシリンダーのボア径の違う設定が可能である。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の対向ピストン式２サイクルユニフロー型機関の構造によると、シリンダー内に開口する掃気ポートと排気ポートを開閉する２つのピストンの位相の変化と、さらに掃・排気ポートの開口面積および開閉タイミングの設定を自在に変更することで、圧縮行程と膨張行程の長さと圧縮比の設定が変更可能となる。
【００６７】
その結果、要求する出力の変化により最適な圧縮比および排気量の増減による最大出力の向上および燃料消費量の削減による二酸化炭素の削減と、さらに２サイクル機関の問題点とされてきたシリンダー内に残留する燃焼済みガスが窒素酸化物（ＮＯｘ）低減の対策として有効で、また過給された掃気はシリンダー内に強い渦（スワール）を発生させながら流入するので、燃料の気化拡散が容易で、粒子状物質（ＰＭ）の排出量が削減可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のユンカース式２サイクルディーゼル機関の圧縮行程末期における燃焼室の形状およびシリンダーとピストンの断面図である。
【図２】本発明の一実施形態の対向ピストン式２サイクルユニフロー型機関の縦断面図である。
【図３】図２の実施形態における掃気ポートの断面図である。
【図４】図２の実施形態における掃気ポート開閉用ピストンの斜視図である。
【図５】図２の実施形態の圧縮行程末期におけるシリンダーと２つのピストンの断面図である。
【図６】図２の実施形態における位相可変装置の斜視断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態を示す縦断面図である。
【図８】本発明のさらに別の実施形態を示す縦断面図である。
【図９】図８の実施形態における排気バルブの斜視図である。
【図１０】図８の実施形態における排気ポート開閉用ピストンの斜視図である。
【図１１】本発明の他の位相可変装置の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１本体
２Ａ、Ｂクランク軸
３Ａ、Ｂピストン
４Ａ、Ｂコンロッド
５Ａ掃気ポート
５Ｂ排気ポート
８燃料噴射ノズル
９スリーブ
１０Ｂ排気通路
１１Ａ、Ｂモーター
１２Ａスリーブ摺動装置
１２Ｂ位相可変装置
１３過給装置
１４冷却装置
１５出力軸
１６Ａ，Ｂキャビティ
１７Ａ，Ｂ溝
２０Ｂ排気バルブ
２２グロープラグ
２３Ａ、Ｂ、Ｃ軸
２４ピストンピン
２５ピストンリング
２６フライホイール
２７シフトフォーク
２９セラミック層
３１セクター
３２灼熱板

Claims

シリンダー内に開口した掃気ポートと排気ポートを開閉するそれぞれシリンダー両端からシリンダー内に対向配置された掃気ポート開閉用ピストンと排気ポート開閉用ピストンを往復動させる２つのクランク軸間の同調された位相を任意に変更可能な手段を設けた対向ピストン方式の内燃機関において、
シリンダーを形成するスリーブがモーター１１Ａで駆動されるスリーブ摺動装置１２Ａで任意の位置に摺動可能な構造としたことを特徴とする対向ピストン式２サイクルユニフロー型機関。
シリンダー内に開口した掃気ポートと排気ポートを開閉するそれぞれシリンダー両端からシリンダー内に対向配置された掃気ポート開閉用ピストンと排気ポート開閉用ピストンを往復動させる２つのクランク軸間の同調された位相を任意に変更可能な手段を設けた対向ピストン方式の内燃機関において、
シリンダー内に開口した掃気ポート上端および排気ポート上端に掃気バルブ２０Ａおよび排気バルブ２０Ｂをそれぞれ設けたことを特徴とする対向ピストン式２サイクルユニフロー型機関。