JP5185974B2

JP5185974B2 - ４サイクルエンジン

Info

Publication number: JP5185974B2
Application number: JP2010095276A
Authority: JP
Inventors: 忠弘篠原
Original assignee: 中特建機株式会社
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: JP2011226340A

Description

本発明は、燃焼室内で燃料を爆発させて駆動力を得る４サイクルエンジンに関する。

近年、自動車などに用いられるエンジンにおいて、燃費性能の向上や環境保護の観点から、内燃機関に他の動力源を併用したハイブリッド型のエンジンが普及している。例えば、４サイクルエンジンと電気モータと組み合わせたものでは、発進、加速時等、エンジンに大きな負荷がかかる場合、電気モータにより駆動力をアシストすることにより、燃料消費を低減するようにしている。しかし、このようなエンジンは、電気モータ用の駆動電力を得るため、減速、制動時に運動エネルギを電気エネルギに回生しバッテリに蓄える構成を必要とし、構造が複雑でコスト高となる。

そこで、電気モータに代わる動力源として、磁石を用いて駆動力を得るようにした磁力エンジンが知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。この磁力エンジンでは、ピストン上部に永久磁石を取り付けて、シリンダ内に別途設けた電磁石と反発させることでピストンを運動させクランクシャフトを回転駆動する構成となっている。しかしながら、この磁力エンジンは、磁力による反発力のみで駆動力を得るものであり、内燃機関の駆動をアシストするものではない。そのため、大きな駆動力を得ることは難しい。しかも、シリンダ内に電磁石を通電するための電気系統が必要となる。

特開２０００−２４０５５９号公報特開平５−３１２１４２号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、複雑な電気系統を用いることなく簡素な構造でありながら、駆動力を高めエンジン性能を向上することができる４サイクルエンジンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、燃焼室を区画形成するシリンダ内に往復動自在に収容されたピストンと、前記ピストンにコンロッドを介して連結され、該ピストンの往復動によって回転駆動されるクランクシャフトとを備え、このクランクシャフトは、クランクアームの前記コンロッドが連結された側と反対側に重量バランスを取るためのクランクウエイトを有した４サイクルエンジンにおいて、前記ピストンのクランクシャフト側と前記クランクウエイト外周側のそれぞれに永久磁石が設置され、これら永久磁石は、前記ピストンが下死点に近付くに連れてこれら永久磁石の対向間隔が相対的に漸減するように配置され、かつ、互いに同極が向き合うものとされ、この同極間に生じる反発作用によって前記ピストンが下死点から離れる方向への運動と前記クランクシャフトの回転をアシストするものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、前記クランクアーム及びクランクウエイトは、コンロッドを挟んで両側に設けられ、前記永久磁石はこれらクランクウエイトのそれぞれに対応して設置されているものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記ピストン側の永久磁石及びクランクウエイト側の永久磁石は、互いに対向する面が円弧状で、かつ前者が凹面、後者が凸面とされ、前記ピストンが運動して下死点を通過するときに、両永久磁石の回転方向先端側が互いに対向する状態となり、下死点を通過後においても所定回転範囲内はクランクウエイト側の永久磁石がピストン側の永久磁石と対向し続けるようにピストン側の永久磁石よりも長く形成されているものである。

請求項１の発明によれば、ピストンとクランクウエイトとに永久磁石を設置し、ピストンが下死点通過時に両永久磁石の反発作用による反発力を発生させ、この反発力によってピストンの直線運動とクランクシャフトの回転運動の両方をアシストするようにしたので、複雑な電気系統を設けることなく、少なくとも２つの永久磁石を用いるだけで、エンジン性能を向上できる。また、既存の従来型エンジンに永久磁石を設置することにより、本エンジンを比較的簡単に製作することができるので、低コスト化が図れる。また、各構成部品同士に接触部位が少ないため、部品が磨耗して故障が発生することが少なく、安全率の高いものとなる。また、従来型のエンジンの場合、所定回転数（６００〜１０００ｒｐｍ）に達するまでは低トルクとなるが、本エンジンでは、永久磁石による駆動アシストによって、電気モータのように、比較的低回転にあるときでも高トルクとなり、燃費性がよい。

請求項２の発明によれば、永久磁石の反発作用による反発力がコンロッドの両側で発生するので、ピストンをシリンダに沿って滑らかに運動でき、しかも、クランクシャフトをスムーズに回転することができる。

請求項３の発明によれば、永久磁石の反発力が必要なときだけ、かつ、より長い時間発生するようになっているので、エンジン性能をさらに向上できる。

本発明の一実施形態に係る４サイクルエンジンの斜視図。上記エンジンの断面図。（ａ）は上記エンジンの下死点通過前３０度での断面図、（ｂ）同エンジンの下死点通過時での断面図、（ｃ）同エンジンの下死点通過後４５度での断面図。上記エンジンの動作タイミングを示す図。上記エンジンの駆動能力の推移図。従来のエンジンの駆動能力の推移図。（ａ）乃至（ｄ）は本エンジンにおける混合気微粒子化作用を説明する図。

本発明の一実施形態に係る４サイクルエンジン（以下、エンジンという）について図面を参照して説明する。図１及び図２は本エンジン１の構成を示す。エンジン１は、ガソリンを燃料とするレシプロエンジンであって、吸入・圧縮・爆発・排気の４つの工程を経て駆動力を得るものである。エンジン１は、燃焼室２ａを内部に有したシリンダ２と、シリンダ２の内部に往復動自在に収容されたピストン３と、ピストン３にコンロッド４を介して連結されたクランクシャフト５と、クランクシャフト５を収容し、かつ支持するクランクケース６とを備える。クランクケース６は、シリンダ２の下方にあってシリンダ２と一体構成されている。

シリンダ２は、断面円形のシリンダボア上面にシリンダヘッド２０を備え、このシリンダヘッド２０とピストン３頂面との間に燃焼室２ａを区画形成している。シリンダヘッド２０は、燃焼室２ａに燃料と空気との混合気を吸入するための吸気ポート２１ａと、燃焼室２ａから燃焼ガスを排出するための排気ポート２２ａとを有し、各ポート２１ａ、２２ａはそれぞれ吸気弁２１及び排気弁２２によって開閉されるようになっている。また、シリンダヘッド２０は、燃焼室２ａ内の混合気を爆発させるための点火プラグ２３を有している。吸気弁２１は、コイルスプリングのバネ力で常時閉状態となっていて、カムノーズが回転してバルブエンドを押し下げることにより開状態となる。排気弁２２についても上記同様の構成である。なお、吸気弁２１、排気弁２２及び点火プラグ２３は、カバー２４により覆われている。

ピストン３は、円筒状の外形を有し、外周面に複数のピストンリング３１が設けられている。このピストンリング３１は、燃焼室２ａからのガス漏れを抑えるコンプレッションリングや、シリンダ２内周面の余剰油を掻き取るオイルリング等で構成される。ピストン３は、コンロッド４の一端とピストンピン３２により回転自在に連結され、コンロッド４の他端はクランクシャフト５のクランクピン５１と回転自在に連結されている。クランクシャフト５は、ピストン３の往復動によって回転駆動されるものであり、クランクピン５１と、クランクジャーナル５２と、クランクピン５１とクランクジャーナル５２とを繋ぐクランクアーム５３とを有し、クランクジャーナル５２が、クランクケース６の両壁にある軸受け６１によって軸支されている。また、クランクシャフト５は、クランクアーム５３のコンロッド４が連結された側（クランクピン５１側）と反対側に、重量バランスを取るためのクランクウエイト５４を有している。クランクアーム５３及びクランクウエイト５４は、コンロッド４を挟んで両側に設けられている。クランクジャーナル５２の一端側にはフライホイール１０が設けられ、このフライホイール１０は、本エンジン１搭載の車両変速機等に駆動力を伝達する。

ここに、本実施形態のエンジン１は、ピストン３のクランクシャフト側とクランクウエイト５４外周側のそれぞれに永久磁石７ａ、７ｂを備えている。これら永久磁石７ａ、７ｂは、ピストン３が下死点に近付くに連れて両磁石７ａ、７ｂの対向間隔が相対的に漸減するように配置され、かつ、互いに同極が向き合うもの（例えば、Ｎ極同士）とされる。永久磁石７ａ、７ｂは、上記同極が向き合うときに同極間に生じる反発作用により、ピストン３が下死点から離れる方向への運動とクランクシャフト５の回転をアシストする。永久磁石７ａ、７ｂは、磁束密度の高い磁石、例えばネオジム磁石から成り、両クランクウエイト５４のそれぞれに対応して設置され、ここでは、ピストン３とクランクウエイト５４とに２箇所ずつ設けられている。永久磁石７ａ、７ｂは互いに対向する面が円弧状で、かつ永久磁石７ａが凹面、永久磁石７ｂが凸面とされている。永久磁石７ａ、７ｂは、ピストン３が運動して下死点を通過するときに、両磁石７ａ、７ｂの回転方向先端側が互いに対向する状態となり、下死点を通過後においても所定回転範囲内（下死点通過後４５度とする（図３参照））は永久磁石７ｂが、永久磁石７ａと対向し続けるように永久磁石７ａよりも長く形成されている。

図３を用いて、上記のように構成されたエンジン１における永久磁石７ａ、７ｂによりピストン３及びクランクシャフト５がアシストされる動作を説明する。図３（ａ）に示すように、ピストン３が下死点に近付くとクランクシャフト５はクランクウエイト５４側がピストン３に向き合うように回転して、ピストン３とクランクウエイト５４とが互いに接近するようになる。これに伴い、永久磁石７ａ、７ｂは、磁石７ａが下方に変位し、かつ磁石７ｂがクランク回転方向に変位することにより互いの対向間隔が次第に小さくなり、まず、磁石７ｂの回転方向先端側が磁石７ａの回転方向後端側に対向する（ここでは、下死点前３０度付近）。ここに、永久磁石７ａ、７ｂは対向するまでは反発作用が生じることがないので、ピストン３が下死点に近付く運動とクランクシャフト５の回転運動を阻害しない。

ピストン３が下死点を通過時には、図３（ｂ）に示すように、永久磁石７ａ、７ｂは互いに回転方向先端側が対向し、このとき対向間隔が最も小さくなり、下死点通過後、永久磁石７ａ、７ｂの反発作用による反発力により、ピストン３の下死点から離れる運動とクランクシャフト５の回転運動がアシストされる。永久磁石７ａ、７ｂは、ピストン３が下死点を通過後においても互いに対向状態を保ったまま変位し、図３（ｃ）に示すように、ピストン３が下死点後４５度の位置に達したときに、両磁石７ａ、７ｂの回転方向後端側が互いに対向した状態となる。この間、ピストン３及びクランクシャフト５は、永久磁石７ａ、７ｂの反発力によるアシストを受け続ける。

次に、本エンジン１の作用効果について説明する。エンジン１は、図４に示すように、吸入、圧縮、爆発、排気の４つの工程を、ピストン３が４ストロークすることにて行うものであるので、永久磁石の反発力によるアシスト（以下、磁石反発アシストという）は、ピストン３が下死点から上死点に向けて運動する圧縮及び排気の２工程にて生じることとなる。磁石反発アシストの発生区間は、下死点から下死点通過後４５度までである。

図５は本エンジン１における上記各工程でのエンジン駆動能力の推移を示し、図６は比較例として従来型の４サイクルエンジンのものを示す。ここでは、吸入・圧縮・爆発・排気の各工程についてエンジン駆動を推進する力を正の値、エンジン駆動の妨げになる力を負の値として示している。これらの図に示されるように、本エンジンでは、爆発工程にて爆発圧力による駆動推進力が生じ、併せて、圧縮工程及び排気工程にて磁石反発アシストによる駆動推進力が生じており、これに対し、従来エンジンでは、爆発圧力による駆動推進力だけが生じており、本エンジンの駆動能力が従来エンジンより高いことが分かる。

このように本実施形態に係る４サイクルエンジン１によれば、ピストン３とクランクウエイト５４とに永久磁石７ａ、７ｂを設置し、ピストン３が下死点通過時に両永久磁石７ａ、７ｂの反発作用による反発力を発生させ、この反発力によってピストン３の直線運動とクランクシャフト５の回転運動の両方をアシストするようにしたので、複雑な電気系統を設けることなく、少なくとも２つの永久磁石を用いるだけで、駆動力を高めエンジン性能を向上できる。

また、既存の従来型エンジンに永久磁石７ａ、７ｂを設置することにより、本エンジン１を比較的簡単に製作することができるので、低コスト化が図れる。また、各構成部品同士に接触部位が少ないため、部品が磨耗して故障が発生することが少なく、安全率の高いものとなる。また、従来型のエンジンの場合、所定回転数（６００〜１０００ｒｐｍ）に達するまでは低トルクとなるが、本エンジン１では、永久磁石７ａ、７ｂによるアシストによって、電気モータのように、比較的低回転にあるときでも高トルクとなり、燃費性がよい。

また、永久磁石７ａ、７ｂが両クランクウエイト５４のそれぞれに対応して設置されていて、永久磁石７ａ、７ｂの反発作用による反発力がコンロッド４の両側で発生するので、ピストン３をシリンダ２に沿って滑らかに運動でき、しかも、クランクシャフト５をスムーズに回転することができる。

また、ピストン３が下死点通過時に、両永久磁石７ａ、７ｂの回転方向先端側が互いに対向する状態となり、下死点を通過後してから所定回転範囲内は永久磁石７ｂが永久磁石７ａと対向し続けるので、永久磁石７ａ、７ｂの反発力が必要なときだけ、かつ、より長い時間発生するようになっているので、エンジン性能をさらに向上できる。

ここに、本エンジン１は、上記効果と別に、永久磁石７ａの磁界作用により混合気の燃焼効率を向上する効果を有している。この効果について図７を用いて説明する。図７（ａ）に示すように、吸気ポート２１ａから空気と燃料との混合気を吸入すると、永久磁石７ａによる磁界作用により、混合気は燃料分子結合体が分散微粒子化し、燃焼室２ａ内で規則正しく整列される（吸入工程）。次に、図７（ｂ）に示すように、ピストン３が上死点へ運動すると、燃焼室２ａ内の混合気は、高圧縮されて火炎伝搬性が高くなる（圧縮工程）。次に、図７（ｃ）に示すように、爆発工程において、高圧縮された混合気は点火プラグ２３より着火されて完全燃焼し、これによりピストン３が押し下げられる（爆発工程）。最後に、図７（ｄ）に示すように、燃焼ガスが排気ポート２２ａより排出される（排気工程）。このような燃焼効率向上効果によれば、燃費の節減とエンジン性能の向上が可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上記では、クランクシャフトに対し１つピストン及びシリンダを設けた単気筒型のエンジン構成を示したが、ピストン及びシリンダを複数設けて多気筒構造としてもよい。

１４サイクルエンジン
２ａ燃焼室
２シリンダ
３ピストン
４コンロッド
５クランクシャフト
５３クランクアーム
５４クランクウエイト
７ａ永久磁石（ピストン側の永久磁石）
７ｂ永久磁石（クランクウエイト側の永久磁石）

Claims

燃焼室を区画形成するシリンダ内に往復動自在に収容されたピストンと、前記ピストンにコンロッドを介して連結され、該ピストンの往復動によって回転駆動されるクランクシャフトとを備え、このクランクシャフトは、クランクアームの前記コンロッドが連結された側と反対側に重量バランスを取るためのクランクウエイトを有した４サイクルエンジンにおいて、
前記ピストンのクランクシャフト側と前記クランクウエイト外周側のそれぞれに永久磁石が設置され、
これら永久磁石は、前記ピストンが下死点に近付くに連れてこれら永久磁石の対向間隔が相対的に漸減するように配置され、かつ、互いに同極が向き合うものとされ、この同極間に生じる反発作用によって前記ピストンが下死点から離れる方向への運動と前記クランクシャフトの回転をアシストすることを特徴とする４サイクルエンジン。
前記クランクアーム及びクランクウエイトは、コンロッドを挟んで両側に設けられ、前記永久磁石はこれらクランクウエイトのそれぞれに対応して設置されていることを特徴とする請求項１に記載の４サイクルエンジン。
前記ピストン側の永久磁石及びクランクウエイト側の永久磁石は、互いに対向する面が円弧状で、かつ前者が凹面、後者が凸面とされ、前記ピストンが運動して下死点を通過するときに、両永久磁石の回転方向先端側が互いに対向する状態となり、下死点を通過後においても所定回転範囲内はクランクウエイト側の永久磁石がピストン側の永久磁石と対向し続けるようにピストン側の永久磁石よりも長く形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の４サイクルエンジン。