JP6330048B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関する。本発明は、特に大型車、例えば、トラック等の車両に適用可能である。しかし、本発明は、主にトラックとの関連で説明されるが、内燃機関は、勿論、他の種類の車両、例えば、乗用車、産業建設機械、ホイールローダー等にも適用可能である。

長年、内燃機関への要求は、着実に高まってきており、エンジンは、市場からの様々な要求を満たすよう絶えず開発されている。排ガスの削減、機関の効率の向上、つまり燃料消費の低減、及び機関からの騒音レベルの低下は、車両エンジンを選ぶ際に重要な局面となる基準の一部である。また、トラックの分野では、例えば、排ガス汚染の最大許容量を決定してきた適用法令がある。更にまた、車両の全体的な費用削減が重要であり、エンジンは、総費用の比較的大部分を占めるので、エンジン部品の費用も削減されるは当然である。

上記の需要を満たすため、長年に渡り様々なエンジン構想が展開されてきた。そこでは、従来の作動シリンダは、例えば、先行圧縮段階及び／又は膨張段階と組み合わせられてきた。

特許文献１には、化学エネルギーの回生による熱力学的効率を向上させることによって、エンジン排気を削減することを目的とする内燃機関が記載されている。特許文献１に開示されている内燃機関は、第１作動シリンダ及び第２作動シリンダと上流側で流体連結する圧縮機シリンダを備えている。次に、作動シリンダは、上流側で膨張機シリンダと流体連結する。

米国特許出願公開第２０１０／０３００３８５号明細書

特許文献１に開示されている内燃機関は、熱力学的効率を向上させることが可能で、エンジン排気を削減するが、費用効率及び機能性等、依然として更に改善が必要である。

本発明は、部品点数が少なくても均衡の取れたエンジンを提供する内燃機関を提供することを目的とする。本発明の目的は、請求項１に係る内燃機関によって少なくとも部分的に達成される。

本発明の第１の態様によると、第１セットのシリンダを備える内燃機関が提供され、該第１セットのシリンダは、第１クランク軸に連結される第１圧縮ピストンを収容する２ストローク第１圧縮シリンダと、第２クランク軸に連結される第１燃焼ピストンを収容する４ストローク第１燃焼シリンダで、前記２ストローク第１圧縮シリンダから圧縮ガスを受け取るよう構成される４ストローク第１燃焼シリンダと、前記第１クランク軸に連結される第１膨張ピストンを収容する２ストローク第１膨張シリンダで、前記４ストローク第１燃焼シリンダから排ガスを受け取るよう構成される２ストローク第１膨張シリンダとを含んでおり、前記第１燃焼ピストンが前記第１燃焼シリンダ内で下端位置に達すると、前記第１圧縮ピストンは、前記第１圧縮シリンダ内で下端位置に達するよう配置され、前記第１膨張ピストンは、前記第１膨張シリンダ内で上端位置に達するよう配置され、前記第２クランク軸は、前記第１クランク軸の速度の少なくとも２倍の速度で回転するよう構成される、内燃機関である。

圧縮シリンダは、以下の説明及び全体を通して、圧縮ピストンを収容するシリンダと解釈されるべきであって、該シリンダは、圧縮された吸入ガスを燃焼シリンダへ供給するよう配置される。従って、圧縮ピストンは、圧縮シリンダ内部のガスを圧縮し、その後、圧縮されたガスは、燃焼シリンダの吸気口に送られる。その後、圧縮ガスの圧力レベルは、大気圧を上回る。第１圧縮シリンダは、２ストローク形式で作動する。これは、圧縮ピストンが、シリンダの上死点としても知られているシリンダの上端位置にある時、シリンダの下死点としても知られている圧縮シリンダの下端位置へ圧縮ピストンが下降する間に、シリンダ内にガスが供給されることを指す。その後、圧縮ピストンがシリンダの上端位置へ向かって上昇すると、圧縮ピストンの往復移動に起因するシリンダ内の容量の減少により、シリンダ内に供給されたガスは圧縮される。ある所望の時点で、圧縮ガスは、圧縮シリンダから排出され燃焼シリンダの吸気口へ排出される。これを制御する方法を以下により詳しく説明する。圧縮シリンダによって圧縮されたガスは、例えば、外気でもよい。

膨張シリンダは、以下の説明及び全体を通して、膨張ピストンを収容するシリンダと解釈されるべきであって、該シリンダは、燃焼シリンダから排ガスを受け取ってから、更に排ガスを膨張シリンダから供給するよう配置される。第１膨張シリンダは、２ストローク形式で作動する。これは、膨張ピストンがシリンダの上端位置にある時、膨張シリンダの下端位置に膨張ピストンが下降する間に、燃焼シリンダからの排ガスが膨張シリンダ内に供給されることを指す。従って、膨張ピストンの往復移動の際のシリンダボア内の容量の増加により、排ガスは膨張される。その後、膨張ピストンがシリンダの上端位置に向かって上昇すると、膨張シリンダ内に供給された排ガスは、膨張シリンダから直接大気に排出される、若しくは、例えば、触媒等の処理システムを通過した後、何らかのガスに供給される。

燃焼シリンダは、上記のように、４ストローク燃焼シリンダである。つまり、第２クランク軸が２回転する度に動力行程１回及び排気行程１回を行う。燃焼シリンダ内の燃焼ピストンが、シリンダの下死点に向かって下降移動している際、圧縮シリンダからの圧縮ガスは、燃焼シリンダ内に送り込まれる。その後、燃焼ピストンが燃焼シリンダの上死点に向かって上昇移動している際、燃焼シリンダ内のガスは圧縮される。上死点では、ピストンが上死点に達してからまもなく、燃焼工程が実行されると好ましい。その後、燃焼ピストンは、ピストンの生成作業のため下死点に向かって再び下降移動する。最終的に、燃焼ピストンが上昇移動している際、排ガスは、燃焼シリンダから排出され、膨張シリンダ内に送り込まれる。

本発明は、ピストンをそれぞれのシリンダ内で往復運動するよう、特定の構造において互いに関連して配置することによって、ピストン及びそれぞれの連結ロッドの動作により、内燃機関構造のバランス作用が高められるという洞察に基づいている。より詳しくは、４ストローク燃焼ピストンは、内燃機関の１次的アンバランスを引き起こす一方、２ストローク圧縮ピストン及び２ストローク膨張ピストンは、内燃機関の２次的アンバランスを引き起こす。２次的アンバランスは、１次的アンバランスの２倍の頻度で生じる。２ストローク圧縮及び膨張シリンダに関連して、４ストローク燃焼シリンダを別のクランク軸に配置し、第１クランク軸の速度の少なくとも２倍の速度で回転するよう第２クランク軸を設けることで、内燃機関の１次的アンバランスが２次的アンバランスを弱めるよう、２ストローク圧縮及び膨張シリンダ及び４ストローク燃焼シリンダは、互いに調和する。詳しくは、２ストローク圧縮及び膨張シリンダからの２次的アンバランスは、上記の構造では、４ストローク燃焼シリンダからの１次的アンバランスと同調、対抗、及び一致することで、その後アンバランスは、ほぼ同じ振幅となり、互いを打ち消し合うのに使用され得る。このため、２次的アンバランスのバランスウェイトとして作用する速度の速い４ストローク燃焼ピストンを用いて、１次的アンバランスは、少なくとも部分的に第２アンバランスを打ち消す。また、逆の場合も同様である。第１燃焼ピストンは、第１圧縮ピストンと第１膨張ピストンとの間に配置されていると好ましい。上記の構造では、従って、本発明は、１次的アンバランスが２次的アンバランスを打ち消すことができるよう、ピストンの動きに合ったピストンの配置を提供する。

「少なくとも２倍の速度」とは、第２クランク軸が少なくとも整数２の倍数の速度で回転すると解釈すべきである。第２クランク軸が第１クランク軸の速度の２倍の速度で回転すると、４ストローク燃焼ピストンは、全燃焼サイクルを完了する。これは、上記の通り、圧縮ピストン及び膨張ピストン各々の全圧縮サイクル及び全膨張サイクルの完了時の７２０度のクランク角である。第１クランク軸及び第２クランク軸から、例えば、ギアボックストランスミッションへトルクを伝達するため、及びクランク軸を同期させるため、例えば適切なトランスミッションを利用して、第１クランク軸を第２クランク軸に連結してもよい。また、「上端位置」及び「下端位置」は、シリンダ内の絶対上端及び絶対下端位置ではなく、むしろ、上端及び下端位置それぞれとの標準的な公差に基づいて判断され得る位置と解釈すべきである。

本発明の効果は、内燃機関のアンバランスを少なくとも部分的に打ち消すことによって、従来のバランス軸の数を削減することが可能なことである。従って、バランス軸の削減により、必要とされる部品がより少なくなるので、機関の費用削減につながる。内燃機関のバランス軸の削減により、例えば、摩擦損失等の観点から動力損失も低減される。また、エンジンルーム内のスペースが比較的制限されているので、バランス軸の数を減らすことで、機関のサイズを小さくすることが可能となり、例えば多数のホース等、他の部品をエンジンルーム内に収容することができる。

ある実施形態によると、前記内燃機関は、更に第２セットのシリンダを備え、該第２セットのシリンダは、前記第１クランク軸に連結される第２圧縮ピストンを収容する２ストローク第２圧縮シリンダで、前記第１圧縮ピストンが前記第１圧縮シリンダ内で下端位置に達すると、第２圧縮ピストンは、前記第２圧縮シリンダ内で上端位置に達するよう配置されるものと、前記第２クランク軸に連結される第２燃焼ピストンを収容する４ストローク第２燃焼シリンダで、前記２ストローク第２圧縮シリンダから圧縮ガスを受け取るよう構成される４ストローク第２燃焼シリンダであって、前記第１燃焼ピストンが前記第１燃焼シリンダ内で上端位置に達すると、該第２燃焼ピストンは、前記第２燃焼シリンダ内で上端位置に達するよう配置されるものと、前記第１クランク軸に連結する第２膨張ピストンを収容する２ストローク第２膨張シリンダで、前記４ストローク第２燃焼シリンダから排ガスを受け取るよう構成される２ストローク第２膨張シリンダであって、前記第１膨張ピストンが前記第１膨張シリンダ内で下端位置に達すると、該第２膨張ピストンは、前記第２膨張シリンダ内で上端位置に達するよう配置されるものとを含む、内燃機関である。

従って、第２セットのシリンダを備える内燃機関を提供することで、異なるピストンの特定の相互往復運動が、エンジン使用中に生じるアンバランスを更に弱めるので、機関のバランス作用は、より一層高められる。また、前記実施形態により、連続エンジントルクの向上のみならず、内燃機関の動力能力も向上することになる。

ある実施形態によると、第１セット及び第２セットのシリンダを互いに対してＶ形構造に配置してよい。ある実施形態によると、該Ｖ形状は、垂直配置に設けられてもよい。

効果として、ピストンのそれぞれのシリンダ内でのストロークは、互いに関連して更に制御され得るので、アンバランスが更に削減可能である。ピストン及びそれぞれのクランク軸の動きのパターンは、予期せず、内燃機関のバランスを更に向上させたので、機関用バランス軸の必要性が更に大きく減る。また、力の所望の釣り合いをもたらすよう、シリンダからの力が調整されるので、内燃機関のＶ形構造により、１次的及び２次的アンバランスの制御性が更に上がる。また、シリンダを斜めに配置することで、２ストロークシリンダによって、そこで相互から生じる１次的アンバランスを打ち消すことが可能になる。更にまた、内燃機関のＶ形構造により、小型のエンジンが提供される。これは、エンジンルーム内の利用可能なスペースが限られているため、有益な効果である。本発明は、上記の垂直配置に限定されず、例えば、０度から１２０度の距離等、他の構造も勿論あり得る。

ある実施形態によると、第１膨張ピストンが第１膨張シリンダ内で下端位置に達すると、第１圧縮ピストンは、第１圧縮シリンダ内で上端位置に達するよう配置されてもよい。これによって、第２圧縮ピストン及び第１膨張ピストンがそれぞれの下端位置に配置されると、第１圧縮ピストン及び第２膨張ピストンは、それぞれの上端位置に配置される。効果として、上記Ｖ形状と組み合わせたピストン構造で、Ｖ形状の各「脚」は、１つの２ストロークピストンをその上端位置に、１つの２ストロークピストンをその下端位置に備えるため、異なるピストンの慣性荷重の制御によるバランス作用がもたらされる。

ある実施形態によると、第１燃焼ピストン及び第２燃焼ピストンは、それぞれの燃焼シリンダ内でほぼ同時に上端位置に達するよう、かつ、第２燃焼シリンダ内でガスの吸入を開始するために第２燃焼ピストンが該第２燃焼シリンダ内の上端位置にある時、第１燃焼ピストンは、第１燃焼シリンダ内の上端位置で点火するように構成されるよう配置される。

「クランク角オフセット」は、以下の説明及び全体を通して、異なるピストンのクランク角度の回転差、即ち、クランク軸上のピストン間のクランク角度（ＣＡＤ）として解釈されるべきである。例として、４ストローク燃焼ピストンは、７２０度のクランク角サイクルを有し、２ストローク圧縮ピストン及び膨張ピストンは、それぞれ３６０度のクランク角サイクルを有する。

上記の方法で、即ち、互いに対して約３６０度のオフセットで、燃焼ピストンを配置することの効果として、第２クランク軸が回転する度に燃焼ストロークが生じるので、エンジントルクが連続して供給される。３６０度オフセットから僅かにずれがあっても、内燃機関は、勿論十分作動するので、そのオフセットは、第１燃焼ピストンおよび第２燃焼ピストン間の内的関係の絶対値としてみなされるべきではない。

ある実施形態によると、第１膨張ピストンが第１膨張シリンダ内で上方位置及び下方位置に達する時、第１燃焼シリンダ及び第２燃焼シリンダ内で、それぞれ第１燃焼ピストン及び第２燃焼ピストンを下端位置に達するよう配置してもよい。上記ピストンの位置関係と組み合わせたこの配置は、内燃機関のバランスを更にもっと向上させる可能性がある。

ある実施形態によると、第１圧縮シリンダ及び第１膨張シリンダは、互いに対して平行に配置され、第２圧縮シリンダ及び第２膨張シリンダは、互いに対して平行に配置されていてもよい。

この構造は、特に、限定的ではないが、上記の機関のＶ形構造に適している。従って、第１圧縮シリンダ及び第１膨張シリンダは、Ｖ形状の一方の脚側に配置され、第２圧縮シリンダ及び第２膨張シリンダは、Ｖ形状のもう一方の脚側に配置される。上記の説明の通り往復運動するようそれぞれのピストンを配置するだけでなく、第１圧縮シリンダ及び第１膨張シリンダを互いに平行に、かつ第２圧縮シリンダ及び第２膨張シリンダを互いに平行に配置することで、内燃機関は、更にもっと釣り合いがとれる。また、特定のシリンダを平行に設けることで、シリンダ間の後述する通路を比較的小さくすることが可能となり、これらの通路内の動力損失を低減する。

ある実施形態によると、第１燃焼シリンダ及び第２燃焼シリンダは、第１Ｖ形構造を形成し、第１圧縮シリンダ及び第２圧縮シリンダは、第２Ｖ形構造を形成してもよい。

ある実施形態によると、第２Ｖ形構造が第１Ｖ形構造の上方に及びこれと平行に配置されるよう、第１クランク軸を第２クランク軸と平行に配置してもよい。詳しくは、第１クランク軸の軸方向の延長線は、第２クランク軸の軸方向の延長線と平行に配置されている。

内燃機関を２つのＶ形状で設けることで、かつ第２Ｖ形状を第１Ｖ形状の上方に及びこれと平行に配置することで、第１燃焼シリンダ及び第１膨張シリンダ間の距離のみならず、第１圧縮シリンダ及び第１燃焼シリンダ間の距離を比較的短くすることができるので、シリンダ間の後述する通路が短くなり、通路内での動力損失が低減する。このため、内燃機関の効率が上昇する。また、Ｖ形状の配置により、内燃機関のバランス特性が更に向上するので効果的である。これは、Ｖ形状により、４ストロークピストン及び２ストロークピストン間の質量力が適切に調整されるので達成される。

更にまた、第１Ｖ形状及び第２Ｖ形状間の相対的な位置を説明する際の「上方に」とは、それぞれのＶ形状の端の位置が互いにオフセットして設けられるとみなされるべきである。従って、第２Ｖ形状は、第１Ｖ形状のほぼ内部に収容されている。

ある実施形態によると、第１クランク軸と第２クランク軸との間に、バランス軸を配置してもよい。機関内で生じる可能性のあるアンバランスを更にもっと取り除くための部品として、バランス軸を内燃機関に配置してもよい。勿論、バランス軸を内燃機関の他の場所に配置してもよく、上記の位置に限定されない。しかし、第２クランク軸から生じるアンバランスを弱めるために、バランス軸を第２クランク軸に極めて近接して配置することが効果的な場合もある。

ある実施形態によると、第１圧縮シリンダは、第１通路によって第１燃焼シリンダと流体連結してもよい。ある実施形態によると、第１燃焼シリンダは、第２通路によって第１膨張シリンダと流体連結してもよい。ある実施形態によると、第２圧縮シリンダは、第３通路によって第２燃焼シリンダと流体連結してもよい。ある実施形態によると、第２燃焼シリンダは、第４通路によって第２膨張シリンダと流体連結してもよい。ある実施形態によると、第１通路は、第１圧縮シリンダ及び第１燃焼シリンダ間を通過する流体を冷却するための冷却手段を備えていてもよい。ある実施形態によると、第３通路は、第２圧縮シリンダ及び第２燃焼シリンダ間を通過する流体を冷却するための冷却手段を備えていてもよい。従来の周知の機関と比べ、冷却手段の圧力レベルを上げることができるので、備えられている冷却手段を利用して、例えば、圧縮シリンダの動力消費を削減することができる。また、全体の圧縮作業が低減される。より低温の内燃機関も設けられる。冷却手段は、例えば、熱交換器等であってもよい。

ある実施形態によると、各シリンダは、各シリンダ内外への流体の移動を調整するための弁付き吸気口及び弁付き排出口を備えていてもよく、弁付き吸気口及び弁付き排出口の各々は、共通のカム軸で制御される。

異なるシリンダ用のクランク軸の速度が異なるため、２ストロークシリンダ用カム軸は、２ストローククランク軸の速度で回転し、４ストロークシリンダ用カム軸は、４ストローククランク軸の半分の速度で回転するので、使用するのは１つの共通のカム軸で十分である。従って、上記の第１クランク軸及び第２クランク軸間の速度比により、１つの共通のカム軸を使用するだけで恐らく十分である。

ある実施形態によると、圧縮シリンダは、リード弁又はチェック弁を備えていてもよい。この場合、恐らくこれらのシリンダをカム軸で制御する必要はない。

従って、適切な間隔で弁付き排出口を開閉することで、流体の移動を制御することができる。例えば、第１圧縮シリンダ内の圧力が所定の圧力限度に達すると、第１圧縮シリンダの弁付き排出口を開放状態に制御することができる。異なる種類の弁付き口は、当業者には周知であるので、詳しい説明は省略する。機関の既に使用可能な制御装置又は機関が搭載される車両の既に使用可能な制御装置を利用して、弁付き口を制御することができる。

本発明の第２の態様によると、上記の形態のいずれかに係る内燃機関を備えている車両が提供される。

この第２の態様の効果及び特徴は、本発明の第１の態様に関連して上記の形態と大部分が類似している。

また、本発明の特徴及び効果は、添付の請求項及び以下の説明を検討すると明らかになる。当業者は、本発明の異なる特徴を組み合わせて、本発明の範囲を逸脱することなく、以下に説明される実施形態以外の実施形態を作成できるということを理解している。

追加の目的のみならず、本発明の上記の特徴及び効果は、本発明の実施形態の以下の具体的及び非限定的な詳細な説明を通してよりよく理解される。

本発明の実施形態に係る内燃機関を備える車両の側面図である。 本発明の実施形態に係る内燃機関の斜視図である。 図２に示されている実施形態のシリンダ間の相互接続を示す概略上面図である。 図２及び図３に示されている実施形態の各シリンダ内のピストンの動きをす概略側面図である。 本発明の他の実施形態に係るシリンダ構造を示す側面図である。 本発明の更に他の実施形態に係るシリンダ構造を示す側面図である。 図６に示されている実施形態の別の構造を示す側面図である。

本発明の実施形態を示す添付図面を参照し、本発明について以下により詳しく説明する。しかし、本発明は、多くの異なる形式で具体化されるものであって、ここに説明される実施形態に限定されるように解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、徹底かつ完全を期すため提示される。同様の参照符号は、本明細書全体において同様の構成要素を示す。

特に図１で示すように、本発明に係る内燃機関１００を備える車両１が提供されている。図１に示されている車両１は、以下に詳細に説明される本発明の内燃機関１００が特に適するトラックである。

図３と共に図２を参照すると、本発明の実施形態に係る内燃機関１００が示されている。図１に示されている内燃機関は、６つの異なるシリンダから成るＶ形状に形成されており、このＶ形状に関連して説明される。しかし、本発明は、図５から図７に関連して以下に説明するように、シリンダを互いに平行に配置しても同様に適用可能である。それぞれピストンを収容するシリンダは、本発明を容易に理解できるよう、図２から省略されているが、代わりに、図３の概略上面図にピストン構造を示している。

図２及び図３に示すように内燃機関は、第１燃焼シリンダ１０６及び第２燃焼シリンダ１０８とそれぞれ流体連結する第１圧縮シリンダ１０２及び第２圧縮シリンダ１０４を備えている。第１燃焼シリンダ１０６及び第２燃焼シリンダ１０８は、次に、第１膨張シリンダ１１０及び第２膨張シリンダ１１２とそれぞれ流体連結する。

第１圧縮シリンダ１０２及び第２圧縮シリンダ１０４は、各圧縮シリンダ内で、下死点とも称される下端位置１１８と上死点とも称される上端位置１２０との間で往復運動する第１圧縮ピストン１１４及び第２圧縮ピストン１１６をそれぞれ収容している。第１圧縮ピストン１１４及び第２圧縮ピストン１１６は、次に内燃機関１００の第１クランク軸１２２に連結されるそれぞれの連結ロッドに連結されている。

同様に、第１燃焼シリンダ１０６及び第２燃焼シリンダ１０８は、各燃焼シリンダ内で、下端位置１２８と上端位置１３０との間で往復運動する第１燃焼ピストン１２４及び第２燃焼ピストン１２６をそれぞれ収容している。第１燃焼ピストン１２４及び第２燃焼ピストン１２６は、次に内燃機関１００の第２クランク軸１３２に連結されるそれぞれの連結ロッドに連結されている。

最終的に、かつ圧縮シリンダ及び燃焼シリンダに関連して説明されるよう対応する形で、第１膨張シリンダ１１０及び第２膨張シリンダ１１２は、各膨張シリンダ内で、下端位置１３８と上端位置１４０との間で往復運動する第１膨張ピストン１３４及び第２膨張ピストン１３６をそれぞれ収容している。第１膨張ピストン１３４及び第２膨張ピストン１３６は、次に内燃機関１００の第１クランク軸１２２に連結されるそれぞれの連結ロッドに連結されている。

特に図２に見られるように、かつ上記の通り、シリンダは、Ｖ形構造で配置されている。更に詳しくは、内燃機関１００は、第１Ｖ形構造及び第２Ｖ形構造から構成され、該第１Ｖ形状は、圧縮シリンダ１０２、１０４及び膨張シリンダ１１０、１１２によって配置されている。該第２Ｖ形状は、第１燃焼シリンダ１０６及び第２燃焼シリンダ１０８によって配置されている。

第１Ｖ形構造において、第１圧縮シリンダ１０２は、第１膨張シリンダ１１０と平行に配置され、第２圧縮シリンダ１０４は、第２膨張シリンダ１１２と平行に配置されている。従って、第１圧縮シリンダ１０２及び第１膨張シリンダ１１０は、第１Ｖ形構造の２脚の一方の脚を形成し、第２圧縮シリンダ１０４及び第２膨張シリンダ１１２は、第１Ｖ形構造のもう一方の脚を形成する。

第１燃焼シリンダ１０６は、第２Ｖ形構造の２脚の一方の脚を形成し、第２燃焼シリンダ１０８は、第２Ｖ形構造のもう一方の脚を形成する。第１Ｖ形構造及び第２Ｖ形構造は、互いに平行に配置されている。従って、第２クランク軸１３２は、第１クランク軸１２２の上方に及びこれと平行に配置されている。また、第１Ｖ形状及び第２Ｖ形状は、同様又はほぼ同じ角度で隔てて配置されていると好ましい。よって、第１燃焼シリンダ１０６は、第１圧縮シリンダ１０２及び第１膨張シリンダ１１０と平行に又はほぼ平行に配置されている。

第２クランク軸１３２は、第１クランク軸１２２と比べ、少なくとも整数２の倍数の速度で回転するよう構成されている。理解し易いよう、第２クランク軸１３２が第１クランク軸１２２の速度の２倍で回転する事例のみ以下に説明する。

第２クランク軸１３２は、第１クランク軸１２２の速度の２倍で回転する。そのため、２ストローク圧縮及び膨張シリンダが、完全２ストロークサイクル、つまり３６０度クランク角サイクルを行うと、第２クランク軸１３２に連結される４ストローク燃焼シリンダは、完全４ストロークサイクル、つまり７２０度クランク角サイクルを行う。第１クランク軸１２２及び第２クランク軸１３２は、例えば、車両１のギアボックスにエンジントルクを伝達する１：２の比率を有する適切なトランスミッション１５０によって相互に連結されている。図２に示されているトランスミッションは、第１クランク軸１２２に連結する第１歯車１５２及び第２クランク軸１３２に連結する第２歯車１５４を有するギアトランスミッションであり、第１歯車１５２及び第２歯車１５４は、互いに噛み合って連結している。別のタイプのトランスミッション、例えば、ベルト式トランスミッション、又は当業者に周知の他のタイプ等、その他の種類のトランスミッションも勿論あり得る。

また、トランスミッションは、内燃機関のカム軸１５６に更に連結されている。カム軸１５６は、異なるシリンダの様々な弁を制御する。弁の機能については後述する。図２に示されている実施形態には、内燃機関の全シリンダ用の弁を制御する単一のカム軸がある。これは、ピストン及びそれらの対応するクランク軸の互いの速度／ストローク構造により達成可能である。

異なるシリンダの移動パターン及び内燃機関の使用時の異なるシリンダ間の伝達を説明するため、図４と組み合わせて図３を参照する。図３に示すように、第１圧縮シリンダ１０２は、第１通路３０２によって、第１燃焼シリンダ１０６と流体連結し、第１燃焼シリンダは、第２通路３０４によって、第１膨張シリンダ１１０と流体連結する。同様に、第２圧縮シリンダ１０４は、第３通路３０６によって、第２燃焼シリンダ１０８と流体連結し、第２燃焼シリンダ１０８は、第４通路３０８によって、第２膨張シリンダ１１２と流体連結する。第１通路３０２及び第３通路３０６は、そこを通過して運ばれるガスを冷却するための冷却手段（不図示）を備えていてもよい。

図４に示すように、内燃機関の作動中、第２圧縮ピストン１１６が第２圧縮シリンダ１０４内で上端位置１２０に達すると、第１圧縮ピストン１１４は、第１圧縮シリンダ１０２内で下端位置１１８に達するよう第１圧縮シリンダ１０２内に配置される。第２燃焼ピストン１２６が第２燃焼シリンダ１０８内で下端位置１２８に達すると、第１燃焼ピストン１２４は、第１燃焼シリンダ１０６内で下端位置１２８に達するよう、第１燃焼シリンダ１０６内に配置される。第２膨張ピストン１３６が第２膨張シリンダ１１２内で下端位置１３８に達すると、第１膨張ピストン１３４は、第１膨張シリンダ１１０内で上端位置１４０に達するよう配置される。

内燃機関の圧縮・燃焼・膨張サイクルに関する内容を理解し易くするため、共に第１セットのシリンダを形成する第１圧縮シリンダ１０２、第１燃焼シリンダ１０６、及び第１膨張シリンダ１１０に関連してのみ以下に説明する。

また、第１圧縮ピストン１１４が、第１圧縮シリンダ１０２内でその下端位置１１８に配置されると、第１燃焼ピストン１２４は、第１燃焼シリンダ１０６内で下端位置１２８に配置され、第１膨張ピストン１３４は、第１膨張シリンダ１１０内で上端位置１４０に配置される。

圧縮・燃焼・膨張サイクルにおける各４ストロークを以下に説明する。

第１段階において、第１圧縮ピストン１１４は、第１圧縮シリンダ１０２内で下端位置１１８にあり、第１圧縮シリンダ１０２の上端位置１２０に向かって上昇する。従って、第１圧縮シリンダ１０２内で圧縮段階が開始される。第１燃焼ピストン１２４は、下端位置１２８に配置されており、第１燃焼シリンダ１０６内で上端位置１３０に向かって上昇する。第１燃焼ピストン１２４が上昇する間、第１燃焼シリンダ１０６内の排ガスが第１膨張シリンダ１１０内へ送り込まれるよう、第１燃焼シリンダ１０６の排気弁４０８は、開放状態に配置される。また、第１段階の間、第１膨張ピストン１３４は、第１膨張シリンダ１１０内で上端位置１４０に配置されており、下端位置１３８に向かって下降する。また、第１膨張シリンダの吸気弁４１０は、開放状態に配置されおり、第１燃焼シリンダ１０６からの排ガスが第１膨張シリンダ１１０内へ送り込まれる。一実施形態によると、第１膨張シリンダは、排気弁のみを備え、即ち、吸気弁４１０を備えていない。従って、第１燃焼シリンダ１０６からの排ガスは、排気弁４１２を介して第１膨張シリンダ１１０内へ送り込まれる。後述する後の段階において、膨張された排ガスは、排気弁４１２を介して第１膨張シリンダ１１０から排出される。このため、排気弁４１２は、第１膨張シリンダの吸気弁及び排気弁として作用する。これは、更に以下で説明される第２膨張シリンダ１１２に同様に当てはまる。

第２段階において、第１圧縮ピストン１１４は、第１圧縮シリンダ１０２の中間位置に達する。下端位置１１８から中間位置へ上昇する間、第１圧縮シリンダのガスは、シリンダボアの容量が小さくなる分、圧縮される。圧縮シリンダ１０２の排気弁４０４は、開放状態に配置され、圧縮ガスが第１燃焼シリンダ１０６に入る。このため、第１燃焼シリンダ１０６は、第１圧縮シリンダ１０２から圧縮ガスを受け取るよう、第１燃焼シリンダ１０６の吸気弁４０６は、開放状態である。第１燃焼シリンダ１０６の排気弁４０８は、閉鎖状態に配置されている。第１燃焼ピストン１２４は、この第２段階では、第１燃焼シリンダ１０６の上端位置１３０に配置されており、下端位置１２８に向かって下降する。この下降中に第１燃焼シリンダ１０６は、第１圧縮シリンダ１０２から圧縮ガスを受け取る。第１膨張ピストン１３４は、第２段階では、第１膨張シリンダ１１０の中間位置に配置されており、吸気弁４１０及び排気弁４１２が閉鎖された状態で、下端位置１３８に向かって下降する。

第３段階において、第１圧縮ピストン１１４は、第１圧縮シリンダ１０２内で上端位置１２０に配置されており、下端位置１１８に向かって下降する。吸気弁４０２は開放状態で、排気弁４０４は閉鎖状態である。このように、圧縮シリンダ１０２は、シリンダ内へのガスの吸入を開始する。第１燃焼ピストン１２４は、第１燃焼シリンダの下端位置１２８に配置されており、上端位置１３０に向かって上昇する。第１燃焼シリンダ１０６の吸気弁４０６と排気弁４０８とも閉鎖状態である。第１膨張ピストン１３４は、第１膨張シリンダ１１０の下端位置１３８に配置されており、第１膨張シリンダ１１０の上端位置１４０に向かって上昇する。第１膨張シリンダ１１０の排気弁４１２は、開放状態にあり、そこから膨張された排ガスが排出される。

最終的に、第４段階において、第１圧縮ピストン１１４は、第１圧縮シリンダ１０２の中間位置に配置されており、第１圧縮シリンダ１０２の下端位置１１８に向かって下降する。第１圧縮シリンダの吸気弁４０２は、開放状態のままであって、更にガスがシリンダ内へ入る。第１燃焼ピストン１２４は、第１燃焼シリンダ１０６内で上端位置１３０に配置されている。燃焼ピストン１２４が下端位置１２８に向かって下降することによって、動力行程になる。第１燃焼シリンダの吸気弁４０６も排気弁４０８も閉鎖状態に配置されている。第１膨張ピストン１３４は、第１膨張シリンダ１１０の中間位置に配置されており、上端位置１４０に向かって上昇する。第１膨張シリンダの排気弁４１２は、開放状態のままであって、そこから膨張された排ガスが排出される。

上記では、図２に示すようにＶ型エンジンと関連して主に説明してきた。内燃機関の全ての異なるシリンダが互いに平行に配置されている本発明の異なる実施形態を示す図５から図７に関連する発明を以下に説明する。

まず、本発明に係る内燃機関の一実施形態に係るシリンダ構造を示す側面図である図５から参照すると、内燃機関は、上記の第１セットのシリンダからのみ、つまり、第１圧縮シリンダ１０２、第１燃焼シリンダ１０６、及び第１膨張シリンダ１１０から構成される。図５に示されている実施形態のピストンの配置は、上記の配置と類似している。つまり、第１圧縮ピストン１１４が第１圧縮シリンダ１０２の下端位置１１８に配置されている時、第１燃焼ピストン１２４は、第１燃焼シリンダ１０６内で下端位置１２８に配置され、第１膨張ピストン１３４は、第１膨張シリンダ１１０内で上端位置１４０に配置されている。また、上記の４ストローク構造は、図５に示されている実施形態にも同様に適用できる。

また、第１圧縮シリンダ１０２、第１燃焼シリンダ１０６、及び第１膨張シリンダ１１０は、互いに平行に配置されている。上記の第２クランク軸に連結される第１燃焼シリンダ１０６は、双方ともに上記の第１クランク軸に連結される第１圧縮シリンダ１０２と第１膨張シリンダ１１０との間に配置されている。内燃機関の側面から見て、第２クランク軸１３２は、第１クランク軸１２２の上方に配置されている。シリンダは、平行に配置されているので、第２クランク軸１３２の長さは、第１クランク軸１２２を第１圧縮ピストン１１４及び第１膨張ピストン１３４のそれぞれに連結する連結ロッド間の距離よりも短い。適切なトランスミッションにより、第１クランク軸１２２と第２クランク軸１３２は相互連結される。

本発明に係る内燃機関の別の実施形態に係るシリンダ構造を示す側面図である図６を参照すると、内燃機関は、上記のように第１セット及び第２セットのシリンダから構成される。図６のシリンダの配置は、図５と関連して説明したのと同様に、第１圧縮シリンダ１０２、第１燃焼シリンダ１０６、及び第１膨張シリンダ１１０から構成される。図６に示されている内燃機関は、更に第２セットのシリンダを備えており、即ち、Ｖ型エンジンと関連して上記のように、第２圧縮シリンダ１０４、第２燃焼シリンダ１０８、及び第２膨張シリンダ１１２から構成される。従って、第２セットのシリンダのピストン構造は、上記のように、即ち、第１圧縮ピストン１１４が第１圧縮シリンダ１０２内で下端位置に配置されている時、第２圧縮ピストン１１６は、第２圧縮シリンダ１０４内で上端位置に配置され、第１燃焼ピストン１２４が第１燃焼シリンダ１０６内で下端位置に配置されている時、第２燃焼ピストン１２６は、第２燃焼シリンダ１０８内で下端位置に配置され、更に、第１膨張ピストン１３４が第１膨張シリンダ１１０内で上端位置に配置されている時、第２膨張ピストン１３６は、第２膨張シリンダ１１２内で下端位置に配置されているということを除いては、図６のシリンダの配置は、図５のシリンダの配置２つを隣同士に置いたものと説明することができる。

また、図６のシリンダの配置は、２本の別体の第２クランク軸１３２と１本の第１クランク軸１２２とを備えている。第２クランク軸１３２は２本とも、図５に関連して説明される第２クランク軸と同様に配置されている。つまり、第２クランク軸の長さは、第１クランク軸１２２を圧縮ピストン及び膨張ピストンのそれぞれに連結する連結ロッド間の距離よりも短い。従って、適切なトランスミッションにより、２本の第２クランク軸それぞれを第１クランク軸に連結させる。

次に、図６の実施形態の変形形態を示す図７を参照する。図７の実施形態と図６の実施形態との違いは、第１燃焼シリンダ１０６及び第２燃焼シリンダ１０８が、それぞれ、各圧縮シリンダと各膨張シリンダとの中間に配置されている代わりに、両燃焼圧縮シリンダが、圧縮シリンダ（複数）と膨張シリンダ（複数）との間に配置されていることである。ピストン構造は、上記のように明細書全体において同じである。図７のようにシリンダを位置付けすることの効果は、第１燃焼ピストン及び第２燃焼ピストンが同じ第２クランク軸を共有できることである。つまり、図７の実施形態は、１本の第１クランク軸１２２と１本の第２クランク軸１３２とから構成される。

例えば、図３及び図４は、第１燃焼シリンダ１０６及び第２燃焼シリンダ１０８からの燃焼ガスは、吸気弁４１０及び４２２を介して、それぞれの膨張シリンダ１１０、１１２へ送り込まれることを示しているが、本発明は、単一の弁のみから成る膨張シリンダを備えることでも同様に適用可能である。これによって、弁４１０及び４２２は取り外され、燃焼ガスは、排気弁４１２及び４２４を介してそれぞれの膨張シリンダへ供給され、更に膨張されたガスは該それぞれの膨張シリンダ１１０、１１２から排出される。

本発明は、上記及び図面に示す実施形態に限定されることなく、添付の請求項の範囲内で多くの変更及び修正を加えることができることを当業者は認識するであろう。また、本発明は、Ｖ形構造に平行に配置されるシリンダに関連して説明されているので、対応するピストンも平行かつＶ形状に配置されることは、そのように明確に説明されていなくても、容易に理解されるであろう。

Claims (15)

1. 第１セットのシリンダを備える内燃機関（１００）であって、該第１セットのシリンダは、
   −第１クランク軸（１２２）に連結される第１圧縮ピストン（１１４）を収容する２ストローク第１圧縮シリンダ（１０２）と、
   −第２クランク軸（１３２）に連結される第１燃焼ピストン（１２４）を収容する４ストローク第１燃焼シリンダ（１０６）で、前記２ストローク第１圧縮シリンダ（１０２）から圧縮ガスを受け取るよう構成される４ストローク第１燃焼シリンダ（１０６）と、
   −前記第１クランク軸（１２２）に連結される第１膨張ピストン（１３４）を収容する２ストローク第１膨張シリンダ（１１０）で、前記４ストローク第１燃焼シリンダ（１０６）から排ガスを受け取るよう構成される２ストローク第１膨張シリンダ（１１０）と、を含んでおり、
   前記第１燃焼ピストン（１２４）が前記第１燃焼シリンダ（１０６）内で下端位置に達すると、前記第１圧縮ピストン（１１４）は、前記第１圧縮シリンダ（１０２）内で下端位置に達するよう配置され、前記第１膨張ピストン（１３４）は、前記第１膨張シリンダ（１１０）内で上端位置に達するよう配置され、前記第２クランク軸（１３２）は、前記第１クランク軸（１２２）の速度の少なくとも２倍の速度で回転するよう構成され、前記内燃機関は更に第２セットのシリンダを備え、該第２セットのシリンダは、
   −前記第１クランク軸（１２２）に連結される第２圧縮ピストン（１１６）を収容する２ストローク第２圧縮シリンダ（１０４）であって、前記第１圧縮ピストン（１１４）が前記第１圧縮シリンダ（１０２）内で下端位置に達すると、第２圧縮ピストン（１１６）は、前記第２圧縮シリンダ（１０４）内で上端位置に達するよう配置される２ストローク第２圧縮シリンダ（１０４）と、
   −前記第２クランク軸（１３２）に連結される第２燃焼ピストン（１２６）を収容する４ストローク第２燃焼シリンダ（１０８）で、前記２ストローク第２圧縮シリンダ（１０４）から圧縮ガスを受け取るよう構成される４ストローク第２燃焼シリンダ（１０８）であって、前記第１燃焼ピストン（１２４）が前記第１燃焼シリンダ（１０６）内で上端位置に達すると、前記第２燃焼ピストン（１２６）は、前記第２燃焼シリンダ（１０８）内で上端位置に達するよう配置される４ストローク第２燃焼シリンダ（１０８）と、
   −前記第１クランク軸（１２２）に連結する第２膨張ピストン（１３６）を収容する２ストローク第２膨張シリンダ（１１２）で、前記４ストローク第２燃焼シリンダ（１０８）から排ガスを受け取るよう構成される２ストローク第２膨張シリンダ（１１２）であって、前記第１膨張ピストン（１３４）が前記第１膨張シリンダ（１１０）内で下端位置に達すると、前記第２膨張ピストン（１３６）は、前記第２膨張シリンダ（１１２）内で上端位置に達するよう配置される２ストローク第２膨張シリンダ（１１２）とを含み、前記第１燃焼シリンダ（１０６）及び前記第２燃焼シリンダ（１０８）は、第１Ｖ形構造を形成し、前記第１圧縮シリンダ（１０２）及び前記第２圧縮シリンダ（１０４）は、第２Ｖ形構造を形成する、
   内燃機関（１００）。
2. 前記第１燃焼ピストン（１２４）及び前記第２燃焼ピストン（１２６）は、前記それぞれの燃焼シリンダ内でほぼ同時に上端位置に達するよう、かつ、前記第２燃焼シリンダ内で燃料の吸入を開始するために前記第２燃焼ピストンが該第２燃焼シリンダの上端位置にある時、前記第１燃焼ピストン（１２４）は、前記第１燃焼シリンダ内の上端位置で点火するように構成されるよう配置される、請求項１に記載の内燃機関（１００）。
3. 前記第１膨張ピストン（１３４）が前記第１膨張シリンダ（１１０）内で上方及び下方位置に達すると、前記第１燃焼ピストン（１２４）及び前記第２燃焼ピストン（１２６）は、それぞれ前記第１燃焼シリンダ（１０６）及び前記第２燃焼シリンダ（１０８）内で、下端位置に達するよう配置される、請求項１又は２に記載の内燃機関（１００）。
4. 前記第１圧縮シリンダ（１０２）及び前記第１膨張シリンダ（１１０）は、互いに対して平行に配置され、前記第２圧縮シリンダ（１０４）及び前記第２膨張シリンダ（１１２）は、互いに対して平行に配置されている、請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関（１００）。
5. 前記第２Ｖ形構造が前記第１Ｖ形構造の上方に及びこれと平行に配置されるよう、前記第１クランク軸（１２２）は、前記第２クランク軸（１３２）と平行に配置されている、請求項１乃至４のいずれかに記載の内燃機関（１００）。
6. バランス軸が、前記第１クランク軸（１２２）及び前記第２クランク軸（１３２）間に配置されている、請求項１乃至５のいずれかに記載の内燃機関（１００）。
7. 前記Ｖ形状は垂直配置で設けられている、請求項１乃至６のいずれかに記載の内燃機関（１００）。
8. 前記第１圧縮シリンダ（１０２）は、第１通路（３０２）によって前記第１燃焼シリンダ（１０６）と流体連結する、請求項１乃至７のいずれかに記載の内燃機関（１００）。
9. 前記第１燃焼シリンダ（１０４）は、第２通路（３０４）によって前記第１膨張シリンダ（１０６）と流体連結する、請求項１乃至８のいずれかに記載の内燃機関（１００）。
10. 前記第２圧縮シリンダ（１０４）は、第３通路（３０６）によって前記第２燃焼シリンダ（１０８）と流体連結する、請求項１乃至９のいずれかに記載の内燃機関（１００）。
11. 前記第２燃焼シリンダ（１０８）は、第４通路（３０８）によって前記第２膨張シリンダ（１１２）と流体連結する、請求項１乃至１０のいずれかに記載の内燃機関（１００）。
12. 前記第１通路（３０２）は、そこを通過する流体を冷却するための冷却手段を備えている、請求項８に記載の内燃機関（１００）。
13. 前記第３通路（３０６）は、そこを通過する流体を冷却するための冷却手段を備えている、請求項１０に記載の内燃機関（１００）。
14. 前記シリンダの各々は、該各シリンダ内外への流体の移動を調整するための弁付き吸気口（４０２，４０６，４１４，４１８）及び弁付き排出口（４０４，４０８，４１２，４１６，４２０，４２４）を備え、前記弁付き吸気口及び前記弁付き排出口の各々は、共通のカム軸で制御される、請求項１乃至１３のいずれかに記載の内燃機関（１００）。
15. 請求項１乃至１４のいずれかに記載の内燃機関（１００）を備える車両（１）。

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