JP4832580B1

JP4832580B1 - 往復動型１サイクルエンジン

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Publication number: JP4832580B1
Application number: JP2010118818A
Authority: JP
Inventors: 久慶 ▲ふく▼楊
Original assignee: 久慶 ▲ふく▼楊
Priority date: 2010-05-24
Filing date: 2010-05-24
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2030-05-24
Also published as: JP2011247112A; WO2011149034A1; CN102261264A

Abstract

【課題】２つのシリンダ室を有するエンジンにおいて、２つのシリンダ室への圧縮気体の択一的な導入と、２つのシリンダ室からの残留気体の択一的な排気とに関する構造の簡素化を図る。
【解決手段】エンジン１０は、第１及び第２シリンダ室１４，１６に圧縮気体を導入する導入路３４と、第１及び第２シリンダ室１４，１６の残留気体を排気する排気路３６とを有する。また、エンジン１０は、第１及び第２シリンダ室１４，１６と、導入路３４及び排気路３６との間に設けられ、第１及び第２ストロークに基づいて、第１及び第２シリンダ室１４，１６と、導入路３４及び排気路３６との接続関係を切り換える切換弁３８とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮気体により動作するピストン機構を有し、ピストンの１往復運動を１サイクルとする往復動型１サイクルエンジンの改良に関する。

従来から、シリンダと、このシリンダを２つの空間に隔てるように収容されるピストンとを含むピストン機構を有するエンジンが知られている。このエンジンにおいては、ピストンの２つの空間に交互に導入される圧縮気体によりピストン機構を動作させ、圧縮気体の圧力エネルギを運動エネルギに変換して出力することができる。

下記特許文献１には、シリンダに導入された圧縮空気でピストンを往復運動させてクランク軸を回転させる気圧機関が記載されている。この気圧機関においては、シリンダがピストンにより２つのシリンダ室に隔てられている。そして、これらの２つのシリンダ室には、圧縮空気を給気する給気口と、給気された圧縮空気を、残留空気として排気する排気口とがそれぞれ接続され、これらの４箇所の口に開閉装置がそれぞれ設けられている。開閉装置は、ピストンのストロークに応じて開閉される。

特開２００１−１３２４０３号公報

上記特許文献１に記載される機関においては、２つのシリンダ室に給気口と排気口がそれぞれ接続され、しかも、それらの計４個の口に全て開閉装置が設けられている。このような構成では、部品点数が多くなり、構造が複雑になってしまう。そうすると、故障の発生回数の増加、装置の大型化および重量化、さらに製造コストの増大を招いてしまうという問題がある。

本発明の目的は、２つのシリンダ室を有するエンジンにおいて、２つのシリンダ室への圧縮気体の択一的な導入と、２つのシリンダ室からの残留気体の択一的な排気とに関する構造の簡素化を図ることができる往復動型１サイクルエンジンを提供することにある。

本発明は、シリンダと、シリンダを第１及び第２シリンダ室に隔てるように収容されて往復移動するピストンと、を有し、第１シリンダ室に圧縮気体を導入し、第２シリンダ室の残留気体を排気する第１ストロークと、第１シリンダ室の残留気体を排気し、第２シリンダ室に圧縮気体を導入する第２ストロークとからなる、ピストンの１往復運動を１サイクルとする往復動型１サイクルエンジンにおいて、各シリンダ室に圧縮気体を導入する導入路と、各シリンダ室の残留気体を排気する排気路と、各シリンダ室と、導入路及び排気路との間に設けられ、第１及び第２ストロークに基づいて、各シリンダ室と、導入路及び排気路との接続関係を切り換える切換弁と、を有することを特徴とする。

また、切換弁は、第１ストロークの所定期間、第１シリンダ室と導入路を接続するとともに第２シリンダ室と排気路を接続し、第２ストロークの所定期間、第１シリンダ室と排気路を接続するとともに第２シリンダ室と導入路を接続し、第１ストロークの前記所定期間と第２ストロークの前記所定期間との間であって、第１ストロークと第２ストロークの移り変わりを含む期間、閉弁状態になることができる。

また、切換弁は、第１シリンダ室に通じる第１シリンダ室口と、第２シリンダ室に通じる第２シリンダ室口と、導入路に通じる導入口と、排気路に通じる排気口とを有する弁箱と、弁箱に収容され、各シリンダ室口と、導入口及び排気口との間を開閉する弁体と、第１及び第２ストロークに基づいて、弁体を２つの位置に移動させる弁体移動部材と、を有し、弁体が第１の位置である場合、第１シリンダ室口と導入口、そして第２シリンダ室口と排気口がそれぞれ開弁状態になり、弁体が第２の位置である場合、第１シリンダ室口と排気口、そして第２シリンダ室口と導入口がそれぞれ開弁状態になることが好適である。

また、弁箱は、第１シリンダ室口、排気口、そして第２シリンダ室口の順に並んで形成された面である弁座を有し、弁体移動部材は、弁体の位置が、それらの口が順に並ぶ方向に沿って、第２の位置、第１の位置の順になるように、弁体を弁座に接触させながら往復移動させ、導入口は、導入路から供給される圧縮気体の圧力により、往復移動する弁体を弁座に押圧することができる場所に配置されることが好適である。

また、弁体は、弁座に対向する面の中央に窪み部を有し、弁体が第１の位置のとき、第１シリンダ室口が開弁されて導入口に接続し、第２シリンダ室口と排気口とが窪み部を介して連通し、弁体が第２の位置のとき、第１シリンダ室口と排気口が窪み部を介して連通するとともに、第２シリンダ室口が開弁されて導入口に接続することができる。

また、ピストンに接続されるクランクシャフトを有し、弁体移動部材は、クランクシャフトの回転運動を往復運動に変換して弁体を移動させることができる。

また、第２シリンダ室に隣接して、クランクシャフトを収容するクランクシャフト室が設けられ、第２シリンダ室とクランクシャフト室を隔てる壁に形成され、シリンダとクランクシャフトを結ぶ連結棒が貫通する孔には、第２シリンダ室の気密を保持するシール部材が設けられることが好適である。

本発明の往復動型１サイクルエンジンによれば、２つのシリンダ室を有するエンジンにおいて、２つのシリンダ室への圧縮気体の択一的な導入と、２つのシリンダ室からの残留気体の択一的な排気とに関する構造の簡素化を図ることができる。

本実施形態に係る往復動型１サイクルエンジンの構成を示す図である。第１ストローク時におけるエンジンの状態を示す図である。第２ストローク時におけるエンジンの状態を示す図である。クランクシャフトの回転角度と切換弁の動作タイミングとの関係を示す図である。

以下、本発明に係る往復動型１サイクルエンジンの実施形態について、図を用いて説明する。このエンジンは、車両などの移動体に搭載される原動機、または他の用途で使用される原動機に適用することができる。本実施形態の往復動型１サイクルエンジンには、圧縮気体として、圧縮空気が使用される。しかし、本発明はこの構成に限定されず、大気圧より高圧状態の気体であれば、圧縮気体として水蒸気またはその他の気体を用いることができる。

図１は、本実施形態に係る往復動型１サイクルエンジン１０の構成を示す図である。往復動型１サイクルエンジン１０は、シリンダ１２と、シリンダ１２を２つのシリンダ室、すなわち第１シリンダ室１４と第２シリンダ室１６に隔てるように収容されたピストン１８とを有する。

往復動型１サイクルエンジン１０は、ピストン１８の１往復運動を１サイクルとするエンジンであり、圧縮空気を運動エネルギに変換して出力するピストン機構を含む装置である。ピストン１８の１往復運動とは、第１シリンダ室１４に圧縮空気を導入し、第２シリンダ室１６の残留空気を排気する第１ストロークと、第１シリンダ室１４の残留空気を排気し、第２シリンダ室１６に圧縮空気を導入する第２ストロークとからなる２ストロークのことである。残留空気とは、各シリンダ室１４，１６に導入され、その後、各シリンダ室１４，１６の膨張により圧力が低下した圧縮空気のことである。

往復動型１サイクルエンジン（以下、単に「エンジン」と記す）１０は、シリンダ１２と、シリンダ１２に収容されて往復運動するピストン１８と、ピストン１８に連結棒２０とコンロッド２２を介して接続され、ピストン１８の往復運動を回転運動に変換するクランクシャフト２４とを有する。クランクシャフト２４には、これの回転角度を検出する回転角度センサ（図示せず）が設けられる。

ピストン１８は、シリンダ１２を第１及び第２シリンダ室１４，１６に隔てるように配置される。本実施形態においては、第１シリンダ室１４が上死点側（紙面上側）に形成され、第２シリンダ室１６が下死点側（紙面下側）、すなわちクランクシャフト２４側に形成される。

第２シリンダ室１６には、クランクシャフト２４を収容するクランクシャフト室２６が隣接して設けられる。そして、第２シリンダ室１６とクランクシャフト室２６を隔てる壁２８には、連結棒２０が貫通する貫通孔３０が形成される。この貫通孔３０には、第２シリンダ室１６の気密性を保持するシール部材３２、例えばＯリングが設けられる。このような気密構造により、第２シリンダ室１６からクランクシャフト室２６への圧縮空気の侵入を防ぐことができる。また、エンジン１０に使用される圧縮気体が水蒸気であっても、その水蒸気の侵入が防止されるので、その水蒸気が、クランクシャフト室２６に貯留する潤滑油上に溜まってしまい、その油の潤滑性能を低下させてしまうことを防止することができる。

また、エンジン１０は、各シリンダ室１４，１６に圧縮空気を導入する導入路３４と、各シリンダ室１４，１６の残留空気を排気する排気路３６とを有する。圧縮空気は、圧縮気体発生源、例えばコンプレッサー（図示せず）により生成され、このコンプレッサーから導入路３４を介して各シリンダ室１４，１６に供給される。

そして、本実施形態のエンジン１０は、各シリンダ室１４，１６と、導入路３４及び排気路３６との間に設けられた切換弁３８を有する。切換弁３８は、第１及び第２ストロークに基づいて、各シリンダ室１４，１６と、導入路３４及び排気路３６との接続関係を切り換える。具体的には、切換弁３８は、各シリンダ室１４，１６への圧縮気体の導入を択一的に切り換えるとともに、各シリンダ室１４，１６からの残留気体の排気を択一的に切り換える。この構成により、各シリンダ室１４，１６に対応する開閉装置が、従来技術で述べた計４個から１個へと低減するので、エンジン１０の構造の簡素化を図ることができる。その結果、故障の発生回数の減少、装置の小型化および軽量化、さらに製造コストの低減を実現することができる。以下、切換弁３８の構成について説明する。

切換弁３８は、弁箱４０と、弁箱４０に収容される弁体４２と、弁体４２に接続され、弁体４２を移動させる弁体移動部材４４とを有する。

弁箱４０は、第１シリンダ室１４に通じる第１シリンダ室口４６と、第２シリンダ室１６に通じる第２シリンダ室口４８と、導入路３４に通じる導入口５０と、排気路３６に通じる排気口５２とを有する。このように、各シリンダ室１４,１６に接続する通路を、従来技術で述べた計４個から２個（第１及び第２シリンダ室口４６，４８）へと低減することで、エンジン１０の構造の簡素化を図ることができる。

また、弁箱４０は、弁体４２に対応する弁座５４を有する。本実施形態の切換弁３８は、一方向に弁体４２をスライドさせて接続関係を切り換える弁装置である。よって、弁座５４には、第１シリンダ室口４６、排気口５２、第２シリンダ室口４８が、一列に並んで配置される。具体的には、第１シリンダ室口４６、排気口５２、第２シリンダ室口４８が、ピストン１８が往復運動する方向の上死点から下死点側に向かって順に配置される。一方、導入口５０は、導入路３４から供給される圧縮空気の圧力により、弁体４２を弁座５４に押圧することができるような場所に配置される。具体的には、導入口５０が、図に示されるように、弁座５４を含む面とは異なる面に配置される。

この構成により、弁体４２と弁座５４との接触面に封止部材を設けなくても、圧縮空気の圧力を利用して弁体４２と弁座５４との気密性を確保することができる。なお、本実施形態においては、導入口５０が、弁座５４を含む面とは異なる面に配置される場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。導入口５０が弁体４２により塞がれなければ、導入口５０を、弁座５４を含む面に配置することもできる。

弁体４２は、各シリンダ室口４６，４８と、導入口５０及び排気口５２との間を開閉する部材である。弁体４２は、弁座５４に対向する面の中央に窪み部５６を有する。この窪み部５６は、後述するように、弁座５４に配置される各シリンダ室口４６，４８と、排気口５２とを連通させる機能を有する。図１に示される弁体４２の位置は、閉弁状態の位置（後述する第３の位置）である。この位置では、弁座５４に対向する弁体４２の面が第１及び第２シリンダ室口４６，４８を塞ぎ、窪み部５６が排気口５２を覆っている。つまり、４つの口がいずれの口とも接続しない閉弁状態である。

弁体移動部材４４は、弁体４２に弁軸５８を介して連結して、弁体４２を動作させるカム６０及びスプリング６２を有する。弁箱４０には、ピストン１８が往復運動する方向に対して平行に、弁軸５８が貫通する孔が形成され、この孔には、弁箱４０の気密性を保持する弁軸シール部材６３、例えばＯリングが設けられる。このような気密構造により、弁箱４０と弁軸５８との隙間を通って、圧縮空気が流出してしまうことを防ぐことができる。カム６０は、カムシャフト６４に同期して回転するように設けられる。カムシャフト６４は、タイミングベルトまたは歯車などの動力伝達機構（図示せず）を介してクランクシャフト２４に接続される。この動力伝達機構は、エンジン１０のサイクルが２ストローク１サイクルであるので、クランクシャフト２４が１回転するうちに、カムシャフト６４が１回転するように構成される。この１サイクル内で、すなわち第１及び第２ストローク内で、弁体移動部材４４は、クランクシャフト２４の回転運動を往復運動に変換して弁体４２を移動させることができる。すなわち、弁体移動部材４４は、弁体４２を、２つの位置の間を往復させるように移動させることができる。なお、弁体４２の２つの位置であって、ピストン１８が往復運動する方向の下死点側の位置を、以降、第１の位置と記す。一方、弁体４２の２つの位置であって、ピストン１８が往復運動する方向の上死点側の位置を、以降、第２の位置と記す。そして、第１及び第２の位置の間であって、図１に示されるように閉弁状態となる位置を、以降、第３の位置と記す。弁体４２が第３の位置であるとき、弁箱４０は、導入口５０から導入される圧縮空気で充填される。

このように構成されるエンジン１０の動作および、そのときの切換弁３８の動作について、図２から４を用いて説明する。図２は、第１ストローク時におけるエンジン１０の状態を示す図であり、図３は、第２ストローク時におけるエンジン１０の状態を示す図であり、図４は、クランクシャフト２４の回転角度と切換弁３８の動作タイミングとの関係を示す図である。これらの図においては、一例として、サイクルが図中の時計回り方向である場合について説明する。

図４には、クランクシャフト２４の回転角度が０度のとき、ピストン１８が上死点であり、その回転角度が１８０度のとき、ピストン１８が下死点であることが示される。そして、上述のように、サイクルが時計回り方向であるので、図４においては、クランクシャフト２４の回転角度が０から１８０度のとき、第１ストロークであり、その回転角度が１８０から３６０度のとき、第２ストロークであることが示される。

まず、第１ストローク時におけるエンジン１０の状態について説明する。第１ストローク時においては、切換弁３８は、所定の期間、第１シリンダ室１４と導入路３４を接続するとともに、第２シリンダ室１６と排気路３６を接続する。この期間においては、弁体４２が矢印７０方向に移動して、図２に示されるような第１の位置であり、第１シリンダ室口４６と導入口５０、そして第２シリンダ室口４８と排気口５２がそれぞれ開弁状態になる。具体的には、図１に示される弁体４２の状態から矢印７０方向への移動により、弁体４２に塞がれていた第１シリンダ室口４６が開弁されて導入口５０に接続する。一方、弁体４２の矢印７０方向への移動により、弁体４２に塞がれていた第２シリンダ室口４８が窪み部５６を介して排気口５２と連通する。

第１シリンダ室口４６と導入口５０の接続に伴って、圧縮空気が導入路３４から第１シリンダ室１４に導入される。第１シリンダ室１４に導入された圧縮空気の圧力により、ピストン１８が矢印７０方向に押圧され下降する。一方、このピストン１８の移動と、第２シリンダ室口４８と排気口５２の接続とに伴って、残留空気が第２シリンダ室１６から排気路３６に排気される。このようなピストン１８の直線運動により、クランクシャフト２４が時計回り方向に回転する。

この第１ストロークにおいて弁体４２が第１の位置である状態は、図４に示されるように、クランクシャフト２４の回転角度が５から１７５度の間であることが好適である。このようなタイミングで弁体４２を第１の位置とすることで、導入される圧縮空気量をより多く確保することができ、出力の増大を図ることができる。また、このようなタイミングで弁体４２を第１の位置とすることで、排気される残留空気量が確実に確保されて、ピストン１８の運動に対する抵抗が低減でき、結果として運転効率の向上を図ることができる。

次に、第２ストローク時におけるエンジン１０の状態について説明する。第２ストローク時においては、切換弁３８は、所定の期間、第１シリンダ室１４と排気路３６を接続するとともに、第２シリンダ室１６と導入路３４を接続する。この期間においては、弁体４２が矢印７２方向に移動して、図３に示されるような第２の位置であり、第１シリンダ室口４６と排気口５２、そして第２シリンダ室口４８と導入口５０がそれぞれ開弁状態になる。具体的には、図１に示される弁体４２の状態から矢印７２方向への移動により、弁体４２に塞がれていた第１シリンダ室口４６が窪み部５６を介して排気口５２と連通する。一方、弁体４２の矢印７０方向への移動により、弁体４２に塞がれていた第２シリンダ室口４８が、開弁されて導入口５０に接続する。

第２シリンダ室口４８と導入口５０の接続に伴って、圧縮空気が導入路３４から第２シリンダ室１６に導入される。第２シリンダ室１６に導入された圧縮空気の圧力により、ピストン１８が矢印７２方向に押圧され上昇する。一方、このピストン１８の移動と、第１シリンダ室口４６と排気口５２の接続とに伴って、残留空気が第１シリンダ室１４から排気路３６に排気される。このようなピストン１８の直線運動により、クランクシャフト２４が時計回り方向に回転する。

この第２ストロークにおいて弁体４２が第２の位置である状態は、図４に示されるように、クランクシャフト２４の回転角度が１８５から３５５度の間であることが好適である。このようなタイミングで弁体４２を第２の位置とすることで、導入される圧縮空気量をより多く確保することができ、出力の増大を図ることができる。また、このようなタイミングで弁体４２を第２の位置とすることで、排気される残留空気量が確実に確保されて、ピストン１８の運動に対する抵抗が低減でき、結果として運転効率の向上を図ることができる。

本実施形態によれば、各シリンダ室１４，１６に通じる通路をそれぞれ１個にし、かつ、各シリンダ室１４，１６と、導入路３４および排気路３６との接続を切り換える機構を１個にすることで、エンジン１０の構造の簡素化を図ることができる。その結果、上述したように、故障回数の減少、装置の小型化および軽量化、さらに製造コストの低減を実現することができる。

本実施形態においては、弁体４２の第１の位置が、クランクシャフト２４の回転角度が５から１７５度の間であり、弁体４２の第２の位置が、クランクシャフト２４の回転角度が１８５から３５５度の間である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。第１及び第２ストロークにおいては、ともに、圧縮空気の圧力によりピストン１８を駆動させるので、第１および第２の位置の期間をより長くし、より多くの圧縮空気を各シリンダ室１４，１６に導入するようにしてもよい。これにより、ピストン１８の運動抵抗となる残留空気を、各シリンダ室１４，１６からより多く排気することもできる。

また、本実施形態においては、切換弁３８が、一方向に弁体４２をスライドさせて接続関係を切り換える弁装置である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。切換弁３８が、弁軸５８を中心に弁体４２を回転させて、４つのポートの接続を切り換える弁装置、すなわち四方弁であってもよい。

１０往復動型１サイクルエンジン、１２シリンダ、１４第１シリンダ室、１６第２シリンダ室、１８ピストン、２０連結棒、２４クランクシャフト、２６クランクシャフト室、２８壁、３０貫通孔、３２シール部材、３４導入路、３６排気路、３８切換弁、４０弁箱、４２弁体、４４弁体移動部材、４６第１シリンダ室口、４８第２シリンダ室口、５０導入口、５２排気口、５４弁座、５６窪み部、５８弁軸、６０カム、６２スプリング、６３弁軸シール部材、６４カムシャフト。

Claims

シリンダと、
シリンダを第１及び第２シリンダ室に隔てるように収容されて往復移動するピストンと、
を有し、
第１シリンダ室に圧縮気体を導入し、第２シリンダ室の残留気体を排気する第１ストロークと、第１シリンダ室の残留気体を排気し、第２シリンダ室に圧縮気体を導入する第２ストロークとからなる、ピストンの１往復運動を１サイクルとする往復動型１サイクルエンジンにおいて、
各シリンダ室に圧縮気体を導入する導入路と、
各シリンダ室の残留気体を排気する排気路と、
各シリンダ室と、導入路及び排気路との間に設けられ、第１及び第２ストロークに基づいて、各シリンダ室と、導入路及び排気路との接続関係を切り換える切換弁と、
を有し、
切換弁は、第１ストロークの所定期間、第１シリンダ室と導入路を接続するとともに第２シリンダ室と排気路を接続し、第２ストロークの所定期間、第１シリンダ室と排気路を接続するとともに第２シリンダ室と導入路を接続し、第１ストロークの前記所定期間と第２ストロークの前記所定期間との間であって、第１ストロークと第２ストロークの移り変わりを含む期間、閉弁状態になり、
切換弁は、
第１シリンダ室に通じる第１シリンダ室口と、第２シリンダ室に通じる第２シリンダ室口と、導入路に通じる導入口と、排気路に通じる排気口とを有する弁箱と、
弁箱に収容され、各シリンダ室口と、導入口及び排気口との間を開閉する弁体と、
第１及び第２ストロークに基づいて、弁体を２つの位置に移動させる弁体移動部材と、
を有し、
弁体が第１の位置である場合、第１シリンダ室口と導入口、そして第２シリンダ室口と排気口がそれぞれ開弁状態になり、
弁体が第２の位置である場合、第１シリンダ室口と排気口、そして第２シリンダ室口と導入口がそれぞれ開弁状態になり、
弁箱は、第１シリンダ室口、排気口、そして第２シリンダ室口の順に並んで形成された面である弁座を有し、
弁体移動部材は、弁体の位置が、それらの口が順に並ぶ方向に沿って、第２の位置、第１の位置の順になるように、弁体を弁座に接触させながら往復移動させ、
導入口は、導入路から供給される圧縮気体の圧力により、往復移動する弁体を弁座に押圧することができる場所に配置される、
ことを特徴とする往復動型１サイクルエンジン。
請求項１に記載の往復動型１サイクルエンジンにおいて、
弁体は、弁座に対向する面の中央に窪み部を有し、
弁体が第１の位置のとき、第１シリンダ室口が開弁されて導入口に接続し、第２シリンダ室口と排気口とが窪み部を介して連通し、
弁体が第２の位置のとき、第１シリンダ室口と排気口が窪み部を介して連通するとともに、第２シリンダ室口が開弁されて導入口に接続する、
ことを特徴とする往復動型１サイクルエンジン。
請求項１または２に記載の往復動型１サイクルエンジンにおいて、
ピストンに接続されるクランクシャフトを有し、
弁体移動部材は、クランクシャフトの回転運動を往復運動に変換して弁体を移動させる、
ことを特徴とする往復動型１サイクルエンジン。
請求項１から３のいずれか１つに記載の往復動型１サイクルエンジンにおいて、
第２シリンダ室に隣接して、クランクシャフトを収容するクランクシャフト室が設けられ、
第２シリンダ室とクランクシャフト室を隔てる壁に形成され、シリンダとクランクシャフトを結ぶ連結棒が貫通する孔には、第２シリンダ室の気密を保持するシール部材が設けられる、
ことを特徴とする往復動型１サイクルエンジン。