JP7340782B1 - 対向ピストン内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクトで効率の良い構成の対向ピストン内燃機関を提供する。【解決手段】対向ピストン機構において吸気圧縮用シリンダ１と膨張排気用シリンダ２を個別に設け、その間に回転有孔円柱バルブ３と点火燃焼室４を構成する。動弁機構はシリンダ２側面側に配置し、クランク回転に連動する円盤カムにて可動支点式のロッカーアームを介しシリンダ２側面の吸気バルブ３３、排気バルブ３４を作動させる。機関の運転状況に合わせた吸気バルブ３３、排気バルブ３４の開閉量もロッカーアームの可動構造により実現する。ピストンピンは一つのピストン１５、３７に２つのコンロッド１６が連接する場合に生じる機関のばらつきを吸収できるので、容易に１つのピストン１５、３７に対し２つのコンロッド１６の連接ができるようになる。さらにピストン１５、３７同様にコンロッド１６も対向配置することで不均衡慣性を打ち消す。【選択図】図１

Description

本発明は対向ピストンクランク機構を用いた内燃機関に関する。

対向ピストンクランク機構は燃焼ガスの圧力を対向するピストンで運動エネルギーへ変換できる。従来の熱機関においてシリンダヘッドおよびその構成部品へ熱として逃げていたエネルギーを運動エネルギーとして回収するので熱効率向上につながる。しかし、対向ピストンクランク機構では従来機関が有するシリンダヘッドに当たる部分は対応側のピストンとなるため広く採用されているオーバーヘッド型動弁機構を形成できない。対向ピストン機構を構成するには従来内燃機関でシリンダヘッドが有する吸排気バルブ、点火プラグ、燃料噴射器の配置や構造を大きく変える必要がある。

消費燃料削減に対し低回転での機関運転は時間当たりの燃焼回数を減らすので効果あるものになる。しかし、低回転での運転はピストン、コンロッドの不平衡慣性力に起因する振動が機関運転時の不快感や機関へのダメージにつながる。この不平衡慣性力に対しては対向するピストンやクランクやコンロッドを追加し対称配置することで往復運動を回転運動際に発生する慣性偶力を打ち消す方法が考案されている。しかし、構成部品が多くなり、対称性確保のための部品や部品間の高い寸法精度が必要で、機構も複雑なものになっている。

特許公報（Ｂ２） 平２―２５０６２

従来機構では同一シリンダで吸気、圧縮、燃焼、膨張、排気の各工程を行っているため、各工程で必要な動弁機構や点火プラグ、燃料噴射器などの部品がシリンダヘッドに集中している。シリンダヘッドの無い対向ピストン機構の場合、これらの機器の効率的な配置が重要になる。

コンロッド、クランクを対称に配置し、さらにそれらを対向に配置した慣性の均衡を図った機構は、機関の構成部品が持つ寸法ばらつきや部品間の寸法ばらつき、ギヤ隙間などによりピストンがコンロッドと連接する位置にずれが生じる。このずれはピストンの円滑な運動を妨げてしまう。

吸気圧縮用のシリンダ１と膨張排気用のシリンダ２を平行に設ける。また、吸気圧縮用のシリンダ１と膨張排気用のシリンダ２の間に圧縮空気を導入密閉するための回転有孔円柱弁３と点火燃焼室４を設ける。吸気圧縮用のシリンダ１および点火燃焼室４は導入孔２７を有す。回転有孔円柱弁３が開いた状態で吸気圧縮用のシリンダ１で圧縮された高圧の空気は導入孔２７と回転有孔円柱弁３を通過し点火燃焼室４へ導入される。回転有孔円柱弁３は導入孔の外周を密閉する切れ目のないリング状のシール５およびシール６と回転有孔円柱弁３の円柱側面面の凹形状に配置されるリングシール２０およびリングシール２１により気密性を持たせる。シール５およびシール６は背面より板バネ２２と潤滑油圧により円柱側面に密着させる。回転有孔円柱弁３は気密性確保と潤滑および冷却のため、リングシール２０、リングシール２１を保持するリング溝２３を有する。溝内部に潤滑油供給孔２４を有し、リングシール２０、シールリング２１へ潤滑油を供給する。点火燃焼室３には燃料噴射装置２５と点火プラグ２６を設定する。点火燃焼室４の燃焼室内で発生した燃焼ガスを膨張排気シリンダ２へ導入するための燃焼ガス噴出孔４４を有する。必要時、多段燃料噴射に対応する場合は膨張排気用のシリンダ２に多段燃料噴射装置２８を設定する。この機構による燃焼はクランク回転１に対し１回となり、出力確保に貢献する。

吸気、排気の動弁機構のために、クランク軸と同期して回転する円柱の円盤面に凹凸形状をもつ円盤カム７を有する。この凹凸量は円周方向に加え直径方向にも凹凸形状をもつ。ロッカーアーム８は円盤カム７との接触点に接触ローラー９を有し、円盤カム７の凹凸応じてこの原理で揺動する。ロッカーアーム８を保持するロッカーアームホルダー１１はロッカーアームを揺動運動させるときの支点の役割を果たすロッカーアームピン１２を有し、吸気や排気の調整のため作動する入力ギヤ１３に噛み合うギヤ形状を有しガイドレール２９上を直線的に移動する。入力ギヤ１３の作動により円盤カム７と接触ローラー９の接触点が移動し、円盤カムは直径方向でも凹凸量が変化しているので、これ従いロッカーアームの揺動量は変化する。同時にバルブ接触点と支点間距離も変化するので、これもバルブの移動量を変化させる効果を持つ。入力ギヤ１３を操作することによりバルブ開閉量を変化させることができる。

ピストンピンはピストンピン１８およびピストンピン３０に２分割され、ピン中心軸の両端に配置する。またコンロッド連接ピン１７、コンロッド連接ピン３２と接合する２つの円孔を有し、２つの対称配置されたコンロッド１６、コンロッド３１と連接する。コンロッドは同じく対称の配置クランク１９、クランク３５と連接する。ピストンピン１８および３０の外周は円形状でピストンに対し回転する。連接する２つのコンロッドはそれぞれ動力の出力軸まで伝達する過程で関連する部品が異なる部分があるため各部品の寸法ばらつきや機関内の歯車の寸法ばらつきなどでコンロッド連接ピン１７と連接ピン３１の位置にずれが生じるが、ピストンピン１８，およびピストンピン３０の回転によりこのずれを吸収し前述のばらつきの影響を最小限にする。

回転有孔円柱弁３は回転動作にて圧縮空気の導入遮断を行うので、簡単な構造でかつわずかな動力損失で吸気圧縮用のシリンダ１と膨張排気用のシリンダ２の分離が可能となる。各シリンダは必要機関出力に対しそれぞれで最適な容積とすることができ、複雑な機構や制御を用いず吸気側、排気側の容積の設定が可能になり、燃焼効率向上につながる。また、クランク１回転あたり燃焼回数が１回となるので出力向上、低回転運転時の出力の脈動も軽減される。

点火燃焼室４は球状の形状を取ることが可能になり、燃焼は理想的な火焔伝搬となる。未燃焼燃料を低減し、高出力、排気ガスの清浄化に貢献する。燃焼室は小型で簡素な構造となり、必要時この部分の材料を耐熱耐圧性材料や耐蝕性材料、高断熱材料へ置換することが容易にできるので、高温高圧燃焼や様々な燃料への対応が容易にできるようになる。

可動支点式ロッカーアームの動弁機構はアクセル操作や、機関の負荷状況に合わせバルブの開閉タイミングとバルブのリフト量を変更でき、燃料消費低減と必要時の出力確保を両立する。シンプルでコンパクトな機構はシリンダ側面側にバルブ開閉機構の配置を容易にし、対向ピストンクランク機構の成立に貢献する。

一つのピストンに対しコンロッドを複数持つ機関では各部品の寸法の許容差、内部ギヤの隙間などの要因でコンロッドのピストン連接ポイントに生じる位置ずれを生じるが、ピストンに対しピストンピン１８、ピストンピン３０が回転により吸収することでピストンはシリンダに対し前述のばらつきに影響なく従来機関同様に滑らかに直線運動できるようになる。

本発明に関する機構配置概念図。シリンダ中心軸を縦にした図である。クランク角度はピストン上死点状態で、回転有孔円柱弁３の孔が吸気圧縮シリンダ２と点火燃焼室４の導通孔２７と一致し圧縮気体を点火燃焼室４に導入している状態である。 回転円柱有孔弁３が開いた時の図１におけるＡ―Ａ断面図である。吸気圧縮シリンダ１により加圧された空気が点火燃焼室４に導入されている。黒線矢印は高圧空気の流れを表す。 図２の状態から工程が進んだ状態で、点火燃焼状態時の図１におけるＡ―Ａ断面図である。回転有孔円柱弁３は閉まり、燃料噴射装置２５、点火プラグ２６が作動し、点火燃焼の状態。黒線矢印は燃焼中の燃料を表す。 図３の状態から工程が進んだ状態で、吸気、膨張行程および多段燃料噴射時の図１におけるＡ―Ａ断面図。白抜きの矢印は吸気を表す。黒線矢印は燃焼中の燃料を表す。 図４の状態から工程が進んだ状態で、クランク角度はピストン下死点を通過し、圧縮、排気工程となった時の図１におけるＡ―Ａ断面図である。白抜きの矢印は排気を表す。この後、図２に戻り、クランク１回転で１サイクルとなる。 回転有孔円柱弁、点火燃焼室の構成図。点火燃焼室は理解しやすくするため中心より半分を省略。 回転有孔円柱弁、点火燃焼室の分解図。点火燃焼室は理解しやすくするため中心より半分を省略。 動弁機構の構成図。円盤カム７はギヤ３８と一体化させている。 カム接触ローラー９を使用時の動弁機構の分解図 カム接触球１４を使用した時の動弁機構の分解図 バルブ開度が大ききなるクランク角度でかつカム接触ローラー９が円盤カム７の最も大きい凸部に接触している時の動弁機構図。 図１１の状態に対し、入力ギヤ１３の作動によりロッカーアームホルダー１１が移動することでカム接触位置も移動し円盤カム７のカム突出量が少ないところでカム接触ローラー９が円盤カム７に接触している。図１１と同じクランク角においてバルブ開閉量が小さくなった状態の動弁機構図。 ピストンピンと周辺部品の構成図。 ピストンピンと周辺部品の分解図。 排気弁側から見た実施例図。 吸気弁側から見た実施例図。

本発明は自動車や発電機などの内燃機関を用いる動力として実施が可能である。実施形態を以下の実施例で示す。

図１５および図１６に実施例を表す。構成を理解しやすくするためクランクケースとそれが形成するシリンダは省略している。吸気圧縮シリンダと膨張排気シリンダは水平に配置。対向配置で吸気ピストン１５が２個、同じく対向配置で膨張排気工程用にピストン３７を２個配置していて、各ピストンはそれぞれ２個のコンロッドと連接している。クランクは対称および対向位置に合計４本あり、ギヤ３８、３９にて連動している。クランクの端末に円盤カム７，４０を配置し、動弁機構はシリンダ側面側に配置している。入力ギヤ１３は機関運転コントロール機器で動作される。運転環境が単調な場合はスロットル操作と連結して動作させる。従来機関で振動の原因になるピストン、コンロッドの不均衡慣性による振動は本実施例では対称配置となって打ち消されるので、バランサーは設置していない。出力軸は出力軸４１と出力軸４２の２本確保可能で、一方を走行駆動軸の負荷などに接続し、もう一方を余剰出力を電力変換する発電機に接続する構成も容易に可能になる。また、従来機構がベルトやチェーンにて動力連結しているコンプレッサや発電機などの機関補機は、本発明では従来機構より多くあるクランク軸に直接連結することが可能で、部品数や機関運転抵抗の削減になる。本発明により内燃機関はコンパクトで効率の良い構成が可能となる。

１ 吸気圧縮用シリンダ ２ 膨張排気用シリンダ
３ 回転有孔円柱弁 ４ 点火燃焼室
５ シール ６ シール
７ 円盤カム ８ ロッカーアーム
９ カム接触ローラー １０ 往復開閉弁
１１ ロッカーアームホルダー １２ ロッカーアームピン
１３ 入力ギヤ １４ カム接触球
１５ ピストン １６ コンロッド
１７ コンロッド連接ピン １８ ピストンピン
１９ クランク ２０ リングシール
２１ リングシール ２２ 板バネ
２３ リング溝 ２４ 潤滑油供給孔
２５ 燃料噴射装置 ２６ 点火プラグ
２７ 導入孔 ２８ 多段燃料噴射装置
２９ ガイドレール ３０ ピストンピン
３１ コンロッド ３２ コンロッド連接ピン
３３ 吸気バルブ ３４ 排気バルブ
３５ クランク ３６ クランク
３７ ピストン ３８ ギヤ
３９ ギヤ ４０ 円盤カム
４１ 出力軸 ４２ 出力軸
４３クランク ４４ 燃焼ガス噴出孔

Claims (3)

1. 対向ピストンクランク機構において、吸気圧縮用シリンダ１と膨張排気用シリンダ２を有し、前記吸気圧縮用シリンダ１と前記膨張排気用シリンダ２の間に回転有孔円柱弁３と点火燃焼室４とを有し、ピストン１５は前記吸気圧縮用シリンダ１の側面にある吸気バルブ３３から所定のタイミングで空気を吸入圧縮し、回転有孔円柱弁３はクランク軸の半分の回転数で回転し、前記回転有孔円柱弁３は圧縮空気を通すための直線状の導入孔２７を有し、前記導入孔２７は所定のタイミングで吸気圧縮シリンダにて圧縮された空気を点火燃焼室４へ導入し、前記導入孔２７より前記点火燃焼室４に導入された圧縮空気は前記点火燃焼室４に設置された燃料噴射装置２５により供給された燃料と混合され、前記点火燃焼室４に設置された点火プラグ２６の点火により燃焼を開始し、前記点火燃焼室４は前記燃焼にて発生した燃焼ガスを膨張排気用シリンダ２へ導入するための燃焼ガス噴出孔４４を有し、前記燃焼ガスは燃焼ガス噴出孔４４より膨張排気用シリンダ２へ供給され膨張し、前記膨張排気用シリンダ２は前記燃焼ガスへ燃料を噴射する多段燃料噴射装置２８有し、前記多段燃料噴射装置２８は所定のタイミングで膨張排気用シリンダ２内の燃焼ガスへ燃料噴射することで燃焼ガス圧を増大させ、前記燃焼のガス膨張エネルギーはピストンクランク機構にて動力に変換され、燃焼後のガスは前記膨張排気用シリンダ２の側面にある排気バルブ３４より排気として所定のタイミングで排出する内燃機関であって、クランク １９，３５による１回転で吸気、圧縮、燃焼膨張、排気の各工程を完了し、ピストン１５はコンロッド１６およびコンロッド１６に対し対称配置されたコンロッド３１と結合し吸気圧縮用シリンダ１に対向配置され、ピストン３７はコンロッド１６およびコンロッド１６に対し対称配置されたコンロッド３１と結合し膨張排気用シリンダ２に対向配置され、前記各々のコンロッドは対称に配置されたクランク１９、３５と前記クランク１９、３５に対し対向配置されたクランク３６、４３に連接し、クランク１９、３５、３６、４３はそれぞれに直接取り付けられたギヤ３８と、出力軸４１および４２を有する対称配置のギヤ３９により連動し、上記出力軸を有するギヤ３９は回転有孔円柱弁３を駆動する回転軸を機関内部側に有し、ギヤにて回転動力を回転有孔円柱弁３へ伝達させる対向ピストン内燃機関。
2. シリンダ側面側にロッカーアームを配置する動弁機構であって、クランク回転に連動し回転する円盤の円盤面側に円周方向に加え直径方向でも連続的にカム凹凸量が変化するカム形状をもつ円盤カム７を有し、前記円盤カム７に押されるロッカーアーム８はてこ原理で動作し、前記ロッカーアーム８は片端に前記円盤カム７と接触するカム接触ローラー９を有し、前記ロッカーアーム８は円盤カム７上にある所定のカム凹凸形状に連動することで揺動し、前記ロッカーアーム８のもう一つの片端は揺動により接する往復開閉弁１０を開閉し、ロッカーアーム８を保持しているロッカーアームホルダー１１は入力ギヤ１３と噛み合うギヤ部分を有し、ガイドレール２９上を入力ギヤ１３の回転により直線上の移動が可能であり、入力ギヤ１３の回転を外部入力することで、カム接触ローラー９と円盤カム７の接触点を移動させ円盤カム上の異なるカム形状による揺動へ移行させ、同時に、前記カム接触ローラー９が円盤カム７に接する点からロッカーアーム８の揺動支点までの距離およびロッカーアーム８の揺動支点から往復開閉弁１０とロッカーアーム８が接する作用点までの距離を変化させ、往復開閉弁１０の開閉量と開閉タイミングの調整を可能にする動弁機構を有する請求項１に記載の対向ピストン内燃機関。
3. 請求項２に記載の動弁機構においてカム接触ローラー９をカム接触球１４とした請求項１に記載の対向ピストン内燃機関。