JP5266228B2 - 改良された対向ピストン燃焼エンジン - Google Patents

Description

本発明は、内燃エンジンに関する。詳細には、本発明は、本出願人の子会社であるＲｅｖｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｐｔｙ社の名前で出願された、国際出願第ＰＣＴ／ＡＵ９６／００４４９号（特許文献１）「Opposed Piston Combustion Engine」に記載されているエンジンのレイアウトおよびコンパクト性の改良に関する。特許文献１の内容全体は参照により本明細書に援用する。

内燃エンジン（例えば、自動車に使用されているエンジン）は、一般に、シリンダ内で往復運動するピストンがコネクティングロッドを介してクランクシャフトを駆動するレシプロ型である。従来のレシプロエンジンの設計には数多くの欠点が存在し、最大の欠点は、機械的有利性（mechanical advantage）の欠如、すなわち、コネクティングロッドが完全なストロークを通じてクランクシャフトにパワーを伝えなければならないことである。

コネクティングロッドは、上死点後（ＡＴＤＣ）約６０度において最大機械的伝達（maximum mechanical transfer）を達成する。特許文献１に記載されているエンジンでは、このような機械的伝達の欠如を、より広い回転範囲に最大機械伝達を広げることによって対処している。これにより、大きなＲＰＭ範囲にわたる高いトルクにつながり、極めて平坦なトルク曲線が提供される。

特許文献１に記載されているエンジンを航空機用途として開発することを目的としたプロジェクトにおいて、逆方向に回転する３ロブ式駆動カム設計（三葉状カム）ならば、６０度回転するごとにカムロブが重なることが見いだされた。この特徴により、エンジンの各モジュールにおいて、１つの逆方向回転式デュアル三葉状アセンブリ（counter rotating dual trilobate assembly）あたり二組のピストンアセンブリを組み込むことが可能になった。

国際公開第９７／０４２２５号パンフレット

本発明の目的は、前の段落において言及した特徴を利用することによって、特許文献１の主題におけるエンジンを改良することである。

広い形式において、本発明は、少なくとも１つのシリンダモジュールを備えている内燃エンジンであって、そのシリンダモジュールは、
シャフトであって、シャフトに固定されている第１の多葉状カムと、シャフトを軸として逆方向に回転するように第１の多葉状カムに差動歯車機構を介して結合されている（differentially geared）隣接する第２の多葉状カムと、を有する、シャフトと、
多葉状カムに関連付けられている二組のシリンダであって、各組のシリンダがシャフトを中心に正反対に対向配置されており、多葉状カムがシリンダの間に配置されている、二組のシリンダと、
シリンダそれぞれの中のピストンであって、一組のシリンダのピストンが相互に剛性的に連結されている、ピストンと、
を備えており、
多葉状カムのそれぞれが、（３＋ｎ）個のロブを備えており、ｎが０または偶数であり、シリンダの組の軸線が、互いに、３６０゜をカムのロブの数によって除することによって得られる数の１／２の角度をなしており、
シリンダの中のピストンの往復運動が、ピストンと多葉状カムの作用面との間の接触を介して、シャフトに回転運動を与える、
内燃エンジン、を提供する。

上述したように、逆方向に回転する三葉状カムの駆動システムを備えているエンジンにおいては、一般に、カム（具体的にはカムのロブ）が、６０度の回転ごとに互いに重なる。これにより、添付の図面のうちの図１に示したように、シリンダボアを６０度のＸ構造として構成する方法が考えられる。特許文献１に記載されているように、エンジンの駆動カムは、３個、５個、７個、または、３より大きい任意の奇数のカムロブを有することができる。一般に、５ロブのカムでは、３６度のＸ構造となるのに対し、７ロブのカムでは、２５．７１３度のＸ構造となり、以下、カムロブの数がさらに増したときも同様である。

特許文献１には、シリンダの組を、一般に互いに９０度に配置することが開示されている。本発明の主題における改良されたエンジンにおいては、一組のシリンダは、特許文献１のエンジンにおけるように、互いに１８０度に配置するが、二組のシリンダは、６０度、３６度、２５．７１３度（および以下同様）のいずれかにおいて互いにＸ構造に配置する。

改良されたエンジンは、特許文献１に開示されているエンジンと同様に、複数のモジュールを備えていることができ、各モジュールは二組のシリンダから成る。これらのモジュールは、互いに同一位相角（０度）に配置することができ、あるいは、任意の角度だけずらせて配置することができる。二組のデュアル三葉状カムアセンブリを備えている２モジュールのエンジンにおいては、２つのモジュールは、一般には互いに３０度をなすように構成される。

Ｘ構造を導入することによって、一般に、三葉状カムの間に取り付けられている２枚のオフセット連結プレート（offset connecting plate）を使用してピストンが連結される（図２および図４を参照）。三葉状カムは、三葉状カムの間に取り付けられている１枚のプレートと１つのピストンリンクとを使用してブリッジすることができる。

特許文献１に記載されているエンジンにおいては、差動歯車機構を使用して三葉状カムの逆方向回転を提供しており、任意の方式の差動歯車機構を、この技術分野において公知である任意の方式において組み込むことができる。本発明の改良されたエンジンにおいては、個別の出力シャフトを使用する。

前の段落において言及した出力シャフトは、必要なリバース歯車機構を提供しており、三葉状カムの１：３の比にある。これにより、従来のレシプロ内燃エンジンと同程度の出力シャフト速度が提供され、バランスシャフトを使用することができる。５ロブの駆動カムを備えているエンジンでは、出力シャフトに１：５の比を使用することが望ましい。しかしながら、任意の比を使用することができる。

出力シャフトを組み込む利点は、メインのカム駆動シャフトまたは出力シャフトのいずれかによってパワーを取り出すことができ、これにより、２つの速度／トルク範囲が提供されることである。

モジュールにおけるシリンダの組を６０度のＸ構造に構成することによって、ピストンアセンブリの往復質量のうちの２／３が、対向するピストンアセンブリによって打ち消される。これについて、図２を参照しながら後から説明する。これにより、ピストンアセンブリをバランスさせるために要求されるバランスウエイトの量が、特許文献１に記載されているエンジンにおいて要求されるバランスウエイトの１／３に減少する。バランスシャフトは図３に示してあり、バランスウエイトは図５に示してある。駆動カムのロブが増すと、要求されるバランスウエイトの量が減少する。

特許文献１のエンジンにおいては、ピストンはロッドおよびガイドスリーブを介して相互に連結されている。しかしながら、上述したように、改良されたエンジンの一対のピストンは、連結プレートを使用して連結することができる。連結プレートを採用するときには、ピストンのねじれおよびピストンの運動を制御する目的でガイドブッシュまたはガイドスライドを使用する。

前の段落において言及したピストンのガイドブッシュおよびガイドスライドは、連結プレートに取り付けられていることが好ましい。しかしながら、これらのガイドは、ピストン、ピストンガイドプレート（後述する）、ピストンベアリングシャフト、または、ピストンのねじれおよび運動を制御することのできる、アセンブリ内の任意のポジションに取り付けることができる。一般には、２つのガイドを使用するが、膨張および収縮行程を行えるように、ピストンに対して半径方向に取り付けられる４つのガイドを採用することもできる。しかしながら、ガイドブッシュを非半径方向に取り付けることもできる。

特許文献１の主題におけるエンジンの駆動カムは、非対称的なものとして記載されている。この特徴の利点は、駆動カムの設計を通じて任意のコネクティングロッド比をシミュレートできることである。従来のレシプロ内燃エンジンにおける一般的なコネクティングロッド比は１．６：１である。本発明および特許文献１の主題におけるエンジンにおける同等のコネクティングロッド比は、従来のレシプロ内燃エンジンよりも増大したブリージングおよび性能を提供する任意の比とすることができる。エンドレス／無限のコネクティングロッド比、またはほぼ定速のピストン速度をシミュレートすることができ、蒸気駆動ピストンのように外燃エンジンにおける良好な性能を提供する。

ここまで、本発明について概略的に説明した。以下では、改良されたエンジンの実施形態について、添付の図面を参照しながら簡潔に説明する。

改良されたエンジンの内側コンポーネントの正面図である。 図１に示したアセンブリの正面図であり、フロントの三葉状駆動カムを取り外した状態である。 図１に示したアセンブリの正面図であり、歯車機構およびシャフトを示してある。 図３に示したアセンブリの平面図である。 エンジンのコンポーネントの位置関係をより詳細に示した正面等角図である。 バランスシャフトにおけるバランスウエイトを示している背面等角図である。

図１を参照し、この図は、二組の対向シリンダを備えている４気筒４ストロークエンジンを示している。他の図面と同様に、内側のコンポーネントが見えるように外側のエンジンケーシングを省いてある。ピストンアセンブリ１ａおよび１ｂは、出力シャフト６を中心に互いに６０度の角度をなすように示してある。ピストンアセンブリは連結プレート４から構成されており、連結プレート４は、ピストンベアリング３を貫いているピンと、ピストン固定具の一部としてのドエルピンおよびボルトとによってピストンガイド２に固定されている。さらに、逆方向に回転する２つの三葉状駆動カム５ａおよび５ｂも示してある。

ピストンアセンブリ１ａは上死点（ＴＤＣ）にあって爆発行程にあり、ピストンアセンブリ１ｂの上側ピストンは、上死点（ＴＤＣ）にあり排気行程を終了して吸気行程に入るところである。駆動カムが互いに逆方向に回転するとき、ピストンアセンブリ１ａおよびベアリング３によって、はさみに似た動作により駆動カムが離れる。これにより、ピストンアセンブリ１ｂが吸気行程において下方に動く。両方のピストンは同じ速度で下方に動き、出力シャフトを中心に６０度の角度をなしており、対向するピストンアセンブリによって往復質量の２／３が打ち消される。

図２には、オフセットピストン連結プレート４を詳しく示してある。プレートにおけるオーバル（oval）のカットアウトにより、ピストンアセンブリは往復運動することができる。

図３には、歯車１０および歯車１１ａを示してある。これらの歯車は、従来の内燃エンジンにおけるように、１：３の比を与え、１回転あたり２ピストンストロークを提供する。図３には、バランスシャフト８ａおよび８ｂの駆動歯車と、逆方向の駆動を提供する駆動遊び歯車９も示してある。

さらに図３を参照し、駆動カム５ｂが左回り方向に動くと、メインシャフト６が回転し、それにより歯車１１ａが駆動される。歯車１１ａは、フロント歯車１０および出力シャフト７を右回り方向に回転させる。ピストンアセンブリ１ａおよび１ｂは、往復質量の２／３を打ち消し、その一方で、バランスシャフト８ａおよび８ｂもメインシャフト歯車１１ａによって回転し、往復質量の残りの１／３を相殺する。

図４を参照し、この図には、駆動カム５ａおよび５ｂの間のオフセットピストンプレート４ａおよび４ｂを示してある。さらに、リヤ駆動カム５ａが取り付けられているリバースハブ１３と、リヤリバースハブ歯車１１ｂも示してある。リヤ駆動カム５ａは、ピストンアセンブリによって右回り方向に駆動される。この駆動カムは、メインシャフト６を通じてリバースハブ／スリーブ１３に取り付けられている。リヤ駆動カム５ａによってスリーブ１３が回転し、これによりリヤ駆動歯車１１ｂが駆動される。

図５を参照すると、ピストンガイドプレート２は、エンジンブロックに取り付けられているガイドブッシュ（要オイル）によって保持されており、このガイドブッシュは、駆動カム５ａおよび５ｂを駆動するベアリング３によって生じるピストンのねじれを制御する。

図６には、バランスシャフト８ａおよび８ｂにおけるバランスウエイト１２を示してある。さらに、駆動遊び歯車９と噛み合っている出力シャフト／歯車７と、リバース歯車機構の一部であるリバースハブ１１ｂも示してある。リヤ駆動歯車によって遊び駆動歯車９が左回り方向に回転し、遊び歯車９によって出力シャフト７が右回り方向に駆動され、必要なリバース歯車機構が提供される。

上記の実施形態は、本発明の原理の説明のみを目的としており、当業者には、さまざまな修正および変更が明らかであろう。本発明は、さまざまな方法および別の実施形態において、実施、実行することができる。さらに、本文書において使用した専門用語は説明を目的としており、本発明を制限するようにはみなされないものと理解されたい。

用語「備えている」およびその活用形は、本文書においては、記載した１つまたは複数の整数が含まれるものとして使用しており、文脈または使用状況においてこの用語を排他的な意味として解釈する必要がない限りは、記載した以外の任意の１つまたは複数の整数を除外するものではない。

本明細書中に引用した公開文献の参照は、本開示内容がオーストラリアにおいて知られている知識を構成することを認めるものではない。

Claims (18)

1. 少なくとも１つのシリンダモジュールを備えている内燃エンジンであって、前記シリンダモジュールが、
   シャフトであって、前記シャフトに固定されている第１の多葉状カムと、前記シャフトを軸として逆方向に回転するように前記第１の多葉状カムに差動歯車機構を介して結合されている隣接する第２の多葉状カムと、を有する、前記シャフトと、
   前記多葉状カムに関連付けられている二組のシリンダであって、各組の前記シリンダが前記シャフトを中心に正反対に対向配置されており、前記多葉状カムが前記シリンダの間に配置されている、前記二組のシリンダと、
   前記シリンダそれぞれの中のピストンであって、一組のシリンダのピストンが相互に剛性的に連結されている、前記ピストンと、
   を備えており、
   前記多葉状カムのそれぞれが、（３＋ｎ）個のロブを備えており、ｎが０または偶数であり、前記シリンダの組の軸線が、互いに、３６０゜をカムのロブの数によって除することによって得られる数の１／２の角度をなしており、
   前記シリンダの中の前記ピストンの往復運動が、前記ピストンと前記多葉状カムの作用面との間の接触を介して、前記シャフトに回転運動を与え、
   前記ピストンが、互いに逆方向に回転する前記第１の多葉状カムと前記第２の多葉状カムとの間に取り付けられている２枚のオフセット連結プレートによって連結されており、
   前記カムのロブそれぞれが非対称である、
   内燃エンジン。
2. ピストンの組それぞれの前記ピストンが連結プレートによって相互に連結されている、請求項１に記載のエンジン。
3. ４ストロークエンジンである、請求項１に記載のエンジン。
4. ２〜６個のシリンダモジュールを備えている、請求項１に記載のエンジン。
5. 前記モジュールが互いに同一平面上（０度）に配置されている、または任意の角度だけずれて配置されている、請求項４に記載のエンジン。
6. 前記ピストンと前記多葉状カムの作用面との間の接触が、ローラーベアリングを介している、請求項１に記載のエンジン。
7. 前記ローラーベアリングが共通の軸線を有する、請求項６に記載のエンジン。
8. 前記ローラーベアリングの軸線が、互いに対してずれており、かつ前記ピストンの軸線に対してずれている、請求項６に記載のエンジン。
9. 前記カムが三葉状である、請求項１に記載のエンジン。
10. 前記シリンダの組の前記軸線が互いに６０度の角度をなしておりＸ構造を形成している、請求項６に記載のエンジン。
11. さらなる出力シャフトを備えている、請求項１に記載のエンジン。
12. 前記出力シャフトが前記多葉状カムの逆方向回転を提供する、請求項１１に記載のエンジン。
13. 前記カムが三葉状であるとき、前記シャフトが１：３の比におけるリバース歯車機構を提供する、請求項１１に記載のエンジン。
14. 前記カムが５ロブを備えているとき、前記シャフトが１：５の比におけるリバース歯車機構を提供する、請求項１１に記載のエンジン。
15. パワーが両方のシャフトから取り出されて、２つの速度／トルク範囲を提供する、請求項１１に記載のエンジン。
16. 前記ピストンの往復質量を打ち消すバランスシャフトもしくはバランスウエイト、またはその両方をさらに備えている、請求項１に記載のエンジン。
17. ピストンのねじれおよび運動を制御するガイドブッシュまたはガイドスライドを備えている、請求項１に記載のエンジン。
18. 前記ガイドブッシュまたはガイドスライドが前記連結プレートに取り付けられている、請求項１７に記載のエンジン。
    

Images