JP5902729B2 - 等角等方配置型レシプロエンジン - Google Patents

Description

本発明は、レシプロエンジンのクランク機構に関し、詳しくは、従来のクランクシャフトを傘歯車に変えることで、ピストンを同一ピッチ円上の等角等方位地に配置し、小型軽量化を中心に、多出力軸化、エンジンマウントレイアウトの自由度等を向上させる等角等方配置型レシプロエンジン技術に関する。

自動車、船舶、或いは航空機に代表される輸送機等の原動機、若しくは発電機や揚水ポンプ等の動力として、従来からレシプロエンジンに代表される内燃機関が広く普及している。自動車における原動機としては、その多くが４サイクルレシプロエンジンであり、大出力化のため、大排気量化、低振動化に対応すべく気筒数の増加が図られてきた。

また、レシプロエンジンの多気筒化においては、シリンダの配置により、直列エンジン、Ｖ型エンジン、Ｗ型エンジン、水平対抗エンジン、星型エンジン等の呼称があるように、搭載性や用途に応じてシリンダレイアウトに工夫がなされ、それぞれの特性を生かせるものが選択され、実用化が図られている。

しかしながら、これまでのレシプロエンジンは、各気筒のクランク間の回転力の集約や振動対策のため、クランク構造を同一軸上ないしは複数軸上に設けている。そのためピストンの往復運動の軸は、クランク軸に直交する面内に配置せざるを得ないことから、多気筒化した場合はクランクシャフトが長尺化し、レシプロエンジンの車両搭載時のレイアウト設計の制約となる。即ち、エンジンルームの狭い小型車両では、エンジンの搭載レイアウトが横置きで、ミッション一体型のＦＦ駆動方式（前輪駆動車）となる選択を余儀なくされ、動力系や駆動系の設計自由度、並びに車体デザインの自由度が低くなってしまっている。また、ミッドシップ型のスポーツカーに代表されるように、重量物であるエンジンは、運動性能の面から、できるだけ車体の中心に配置したいところであるが、クランクシャフトの長い直列エンジンを車体中心に寄せることは、同時に室内空間を犠牲にすることと直結するため、問題がある。更に、発電装置、空調装置、冷却装置、潤滑装置、並びに燃料供給装置等の補助機器を駆動するため、出力軸から動力を得るが、通常のレシプロエンジンでは一方向の出力軸から全てを得ているため、動力伝達のため複数のベルトが一軸に集中するなど、メンテナンス性の問題と、回転方向を歯車等で変更する必要が生じる場合があるなど、エンジンルーム内の設置位置やレイアウトの制約には、種々の問題が存在する。

なお、クランク軸長さに着目し、歯車を用いた技術として、「直線往復運動の支点を有するカルダン歯車機構を応用し、クランクが揺動することなく並列の四対の水平八気筒構成のクランクレスレシプロエンジンを構成したもの」（参考文献１）や、「２本の平行な回転支持軸に取着された平歯車と平歯車併設された間欠歯車が、ピストンに接続されたラックつきロッドの往復運動を回転運動に変換したもの」（参考文献２）がある。

また、歯車を用いるものではないが、関連技術として、「シリンダ毎にクランクシャフトを設け、これらシャフトにローラーチェーン等を取り付け、回転力をとりだす」構造を用いたもの（参考文献３）がある。

しかし、これらの技術は、シリンダ配置の都合上、シリンダ配置がクランクシャフトに沿ってしか配置できないことのほか、クランク軸方向にしか駆動軸を設けられないこと、またクランク軸の長手方向の長さが外形寸法の制約になるという課題を解決できていない。

また、近年の我が国の自動車開発では、排出ガスの環境問題やガソリン等の化石燃料の枯渇の問題等から、モーターのみで走行可能な電気自動車や、内燃機関とモーターとを組み合わせた所謂ハイブリッドカーの研究が進んでいる。将来的には完全な電気自動車に移行するものと思われる。しかしながら、現段階の電気自動車では、ハイブリッドと比較すると、一回の充電で走行可能な距離は短く、また、出力的にもハイブリッドには及ばないのが現状である。

上記の通り、ガソリンエンジン等の内燃機関とモーターとを組み合わせた、いわゆるハイブリットカーの開発は日進月歩進められており、その技術の向上は、次第にモーターがアシストする配分、即ち、電気エネルギーによる駆動力の配分が多くなってきている。これに伴って内燃機関が小型化（排気量の減少）しているが、高速道路での加速時や登坂時などでの十分な出力特性を備えようとすると、内燃機関の小型化には限界がある。従って、従来の構造とは異なる技術によって発電装置や内燃機関の小型化を実現させる技術が求められているといえる。

特開２００８−２５５９０９ 特開平１０−１０３４４１ 特開平７−３３２１０７

従来のレシプロエンジンにおけるクランク構造では、例えば直列の場合だと、クランクシャフトの長手方向にエンジン本体が長くなり、Ｖ型の場合では、シリンダやカムシャフト等の部品数が増加してしまう。そこで本願発明は、これらの問題を回避して、大幅な小型化と部品点数の削減を図ると共に、複数方向への出力軸を備えることを可能とするレシプロエンジンの技術提供を課題とする。

本発明に係る等角等方配置型４気筒レシプロエンジンは、傘歯車式クランク機構を備え、ピストンレイアウトがシリンダ中心から等角等方位置に配置される４気筒レシプロエンジンであって、前記傘歯車式クランク機構は、傘歯車の偏心位置に設けたクランクピンとコネクティングロッドを介してピストンの往復運動を回転運動に変換すると共に、隣設される該傘歯車の歯部を其々噛み合わせて基台部に回転自在に軸支し、前記基台部は前記傘歯車の外側に配置され、前記コネクティングロッドは前記傘歯車の内側に配置され、前記各傘歯車を同期して連動する機構であり、各前記ピストンはシリンダ中心から等角等方位置に配列され、該各傘歯車の中心から外側に突出する出力軸によって回転動力を得る手段を採用した。

傘歯車式クランク機構を備え、ピストンレイアウトがシリンダ中心から等角等方位置に配置される４気筒レシプロエンジンであって、前記傘歯車式クランク機構は、傘歯車の偏心位置に設けたクランクピンとコネクティングロッドを介してピストンの往復運動を回転運動に変換すると共に、隣設される前記傘歯車の其々の歯部が噛み合わないように離隔距離を有して基台部に回転自在に軸支し、前記基台部は前記傘歯車の外側に配置され、前記コネクティングロッドは前記傘歯車の内側に配置され、前記各傘歯車の全ての歯部と噛み合う出力用傘歯車を設け、各前記ピストンはシリンダ中心から等角等方位置に配列され、該出力用傘歯車から突出した出力軸により、回転動力を得ることを特徴とする等角等方配置型４気筒レシプロエンジン。

また、本発明に係る等角等方配置型４気筒レシプロエンジンは、前記基台部が、前記傘歯車の外側に配置され、前記コネクティングロッドが、前記傘歯車の内側に配置される手段を作用することもできる。

また、本発明に係る等角等方配置型４気筒レシプロエンジンは、前記基台部が前記傘歯車の内側に配置され、前記コネクティングロッドが前記傘歯車の外側に配置される手段を採用することもできる。

また、本発明に係る等角等方配置型レシプロエンジンは、前記傘歯車式クランク機構が４組から構成される４気筒であって、ピストンレイアウトがシリンダの中心からスクエア状に配列されている手段を採用することもできる。

また、本発明に係る等角等方配置型４気筒レシプロエンジンは、その吸排気機構が、
前記クランク軸の２分の１回転に減速された1枚の回転ディスクに設けられたカムにより、多気筒全ての吸排気バルブを駆動する構成を採用することもできる。

また、本発明に係る等角等方配置型４気筒レシプロエンジンは、前記出力用傘歯車の出力用傘歯車出力軸が、シリンダ領域の中央に延長され、該出力軸上にはモーター又は発電機、若しくはこれらの両方を備える構成を採用することもできる。

本発明に係る等角等方配置型レシプロエンジンによれば、従来のレシプロエンジンに比べ、クランク軸を用いることによるシリンダ配置の制約を低減させ、シリンダ配置の集中と、多軸方向からの出力により動力源として小型化できるという優れた効果を発揮する。

また、本発明に係る等角等方配置型レシプロエンジンによれば、小型軽量化が可能なので、自動車等における原動機や発電装置としてのみならず、農機具や船舶などの原動機とするメリットは大きく、更には、一般家庭における緊急時用の発電装置や、持ち運びができるポータブル発電機などとしても適用可能となる優れた効果を発揮する。

また、本発明に係る等角等方配置型レシプロエンジンによれば、基本的構成部材の多くが中心から等方的に配置されるため、重量バランスに優れており、車両等の重量バランス等に対する影響力が少なく、エンジンマウントレイアウトにおける設計の自由度が大きくなるという優れた効果を奏する。

本発明に係るクランク機構の構成を説明する構成説明斜視図である。 本発明に係るクランク機構の構成を説明する構成説明平面図である。 本発明に係るクランク機構の多気筒構成を説明する構成説明図である。 本発明に係るクランク機構の構成を説明するコネクティングロッド内側構成説明断面側面図である。 本発明に係るクランク機構の構成を説明するコネクティングロッド外側構成説明断面側面図である。 セルモーター・発電機等の組込型の実施例説明図である。 本発明に係る一枚ディスク型吸排気弁機構の実施例説明図である。 燃焼室及び吸排気弁機構の他の実施例説明図である。

本発明は、レシプロエンジン１の動力出力構造について、特に車両への搭載性を制約する長尺なクランクシャフト構造に着目し、いかにすれば従来のクランクシャフトによらず、動力を取り出すことができ、更に従来よりも部品点数の減少と大幅な小型化の実現ができるかという着想の下、各気筒の出力を傘歯車の組み合わせにより連結したクランク構成と、ピストンレイアウトを等角等方位置に配置にする構成にしたこととの組合せにより、大幅な小型化を可能にしたことを最大の特徴とするものである。以下、本願発明を実現する場合の形態を例示した実施例を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係るクランク機構の構成を説明する構成説明斜視図であり、傘歯車１０が組み合わされ、歯部が噛み合った状態で回転が同期する構成を図１（ａ）及び図１（ｂ）に例示し、各々の傘歯車１０は組み合わずに、各歯部が出力用傘歯車５０と噛み合うことで回転が同期する構成を図１（ｃ）と図１（ｄ）に例示している。また、図１（ａ）及び図１（ｃ）は、コネクティングロッド１４が傘歯車１０の内側に配置される場合の実施例を示し、図１（ｂ）及び図１（ｄ）は、コネクティングロッド１４が傘歯車１０の内側に配置される場合の実施例を示している。

傘歯車１０は、偏心位置にクランクピン１２が設けられ、該クランクピン１２は、コネクティングロッド１４とピストンピン２２を介して、ピストン２０と接続し、ピストン２０の往復運動を回転運動に変えるクランク機構３０により、従来のクランクシャフト相当する部材となっている。そして、図１に示すように、隣接されるそれぞれの前記傘歯車１０が噛み合うか、もしくは出力用傘歯車５０に噛み合うように基台部６０に回転自在に軸支され、出力用傘歯車５０の出力用傘歯車回転軸５２、又は各傘歯車１０の出力軸１６により回転動力を得る構造を備える。

次に、図２に基づいて説明する。図２は本発明に係るクランク機構の構成を説明する構成説明平面図であり、本発明に係る等角等方配置型レシプロエンジン１を上方から下方に向けて見た状態を示している。なお、４つの傘歯車クランク機構３０を組み合わせた場合の一例であり、請求項５で特定している発明を除いては、特にこの数に限定されるものではない。図２に示されるように、ピストンレイアウトがシリンダ中心からスクエア状に配列され、エンジン全体の外周が中心から等方な等角等方形状である。従って、従来技術と比較して搭載する向きを変えても重量バランスを崩しにくい等の利点を有する。

また、傘歯車クランク機構３０は、基台部６０によって保持され、該基台部６０は、図４、図５、及び図６に示すように、コネクティングロッド１４が傘歯車１０の外側に備える構成の場合と、内側に備える構成の場合とで、保持位置が異なっている。なお、図２では傘歯車１０の外側にコネクティングロッド１４が設けられる構成を採用した場合を示しており。係る構成の場合、ボアがストロークに対して大きな比率となりやすく、高回転向きとなる。但し、高回転型としてショートストローク化すると、シリンダピッチ桿が小さい汎用エンジンなどでは耐用年数の問題や騒音の問題もあるため、ボアストローク比は十分に検討をして決定すべきである。他方、ストロークを大きくとった場合は、低回転でトルクが太くなるが回転数は上がりにくくなる傾向となる。従って、本発明に係る等角等方配置型レシプロエンジンにおける、コネクティングロッドのクランクジャーナル部分を内側とするか外側とするかで、特性が異なるため、その相違をうまく利用することが望ましい。

図３は、本発明に係るクランク機構３０の構成例を説明する説明図であり、図３（ａ）は本発明に係るクランク機構３０を６個連結し、該６個の傘歯車１０同士が其々の歯部によって噛み合う６気筒エンジンのレイアウトを示し、図３（ｂ）は本発明に係るクランク機構３０を６個連設し、該６個の傘歯車１０同士は離隔距離によって歯部は噛み合わせずに出力用傘歯車５０に噛み合うことで回転が同期する６気筒エンジンのレイアウトを示し、図３（ｃ）は、図３（ａ）と同一構成の８気筒エンジンのレイアウトを示し、図３（ｄ）は、図３（ｂ）と同一構成の５気筒エンジンのレイアウトを示している。なお、（ａ）、（ｂ）の構成のように傘歯車１０の歯部が噛み合って連結する構成では、傘歯車１０の数は偶数でなければならない。係る理由については説明する余地はないため省略する。

図４は、本発明に係るクランク機構の構成を説明する構成説明断面側面図である。図４は、下部に傘歯車１０のすべての歯部とかみ合う出力用歯車５０を設ける構成で示している。該出力用歯車５０から突出した出力軸５２により回転動力を得る構造であるが、この場合、傘歯車１０が４つの場合であれば、４つの出力軸１６と合わせる事で出力軸を６方向で得ることが可能となる。ただし、この場合は傘歯車１０が歯部の噛み合いにより相互に支え合う関係とならないように離隔距離を有するため、各軸受け部の潤滑や基台部６０の剛性等の設計に際しては十分注意する。

図５は、本発明に係るクランク機構の構成を説明する構成説明断面側面図である。図５は、傘歯車１０の全てが、隣設する傘歯車１０の歯部と噛み合う構成で示している。この場合、傘歯車１０が４つの場合であれば、４つの出力軸１６から動力を得ることが可能である。

次に、吸排気機構８０について説明する。図４に示したものは、前記等角等方配置型レシプロエンジン１における吸排気機構８０についての駆動方法の一例として例示したものであり、本願発明がすべてこの形式を採用するものと限定するものではない。４サイクルエンジンとしての吸排気系にはサイドバルブのような古い形式のものから、図８に示すような、バルブのリフト量やタイミングが可変式のダブルオーバーヘッドカムシャフト式など様々な形式があるため、適宜選択すればよい。

図４の例では、前記傘歯車１０の回転を２分の１に減速する１／２減速機構８４により減速された１／２減速ディスク８３上に設けられたカム８２によって、プッシュロッド８１を駆動し、ローカーアーム８５を介して各気筒すべての吸排気バルブ８６を駆動することを示している。なお、前述のとおり、係る給排気機構８０に限定されるものではなく、図５に示すように、傘歯車１０の出力軸１６の一端にカムを設け、プッシュロッド８１をを駆動し、ローカーアーム８５を介して各気筒すべての吸排気バルブ８６を駆動してもよい。

また、本願発明の特徴である等角等方配置のメリットを生かして、図７に示すように、１／２減速ディスク８３を用いれば、給排気弁８６の駆動系が回転運動であるため、往復運動を回転運動に変換する損失が少なく、振動の原因が少ないことから静粛性も良い。係る構成を採用する場合には、１／２減速ディスク８３に直接カムを備え、ダイレクトに吸排気弁８６をリフトすれば、プッシュロッド８１・ロッカーアーム８５・カムシャフト等も不要になり、大幅な部品点数の削減が可能となる。

また更に、図８に示すダブルオーバーヘッドカムシャフト方式の給排気機構を採用した場合は、給排気バルブ８６を傾斜させて燃焼室を半球型やペントルーフ型として燃焼効率を高め、可変バルブリフト機構等を用いてより燃焼効率の高い内燃機関とすることも有効である。この場合において、出力用傘歯車５０の回転に対して２分の1となる前記１／２減速機構減速機構を介してもよく、又は図８に示したようなタイミングベルトとプーリーの組合せでもよく、特に限定するものではない。

図６は、前記出力用傘歯車の出力用傘歯車出力軸５２を中心に、等角等方位置に配置されたシリンダ７０領域の中央に空いた空間領域を利用して、ここに、モーターＭ、発電機Ｇのいずれか、もしくはこれらの両方の機能を備えるモーターＭ等を設ける構成を示している。係る構成によれば、内燃機関とモーターＭ当とが一体物となるため、ボンネット内への収納に関する設計の自由度が広くなり、また、ケース類などの部品数を減らせるため、軽量化やコスト低減にも繋がる。

本発明に係る等角等方配置型レシプロエンジン１は、小型軽量化が可能であるため、自動車等における原動機や発電装置としてのみならず、農機具や船舶などの原動機として利用できる可能性の有る分野は広く、また、一般家庭における緊急時用の発電装置としてや、持ち運びができるポータブル発電機などとして大量に生産される可能性もあるため、その産業上利用可能性は大きいものと解される。

１ 等角等方配置型レシプロエンジン
１０ 傘歯車
１２ クランクピン
１４ コネクティングロッド
１６ 出力軸
２０ ピストン
２２ ピストンピン
３０ クランク機構
５０ 出力用傘歯車
５２ 出力用傘歯車回転軸
６０ 基台部
７０ シリンダ
８０ カム構造
８１ プッシュロッド
８２ カム
８３ １／２減速ディスク
８４ １／２減速機構
８５ ロッカーアーム
８６ 吸排気弁
Ｍ モーター
Ｇ 発電機

Claims (1)

1. 傘歯車式クランク機構を備え、ピストンレイアウトがシリンダ中心から等角等方位置に配置される４気筒レシプロエンジンであって、
   前記傘歯車式クランク機構は、
   傘歯車の偏心位置に設けたクランクピンとコネクティングロッドを介してピストンの往復運動を回転運動に変換すると共に、
   隣設される該傘歯車の歯部を其々噛み合わせて基台部に回転自在に軸支し、
   前記基台部は前記傘歯車の外側に配置され、
   前記コネクティングロッドは前記傘歯車の内側に配置され、
   前記各傘歯車を同期して連動する機構であり、
   各前記ピストンはシリンダ中心から等角等方位置に配列され、
   該各傘歯車の中心から外側に突出する出力軸によって回転動力を得ることを特徴とする等角等方配置型４気筒レシプロエンジン。