JPH03233139A - クランクレスエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、自動車、自動二輪車、軽飛行機、等の原動
機として使われるレシプロ型内燃機関に関するものであ
る。

［従来の技術］ 従来のクランク式エンジンは広い分野で内燃機関として
利用されている。

一方クランクを省略または改良したものとしては筒型ク
ランクレスエンジンが考案されている。

（例えば、大道寺達「クランクレス機関」昭和３６年５
月２５日、日刊工業新聞社刊Ｐ２３９）。

これは傾斜したクランクビンを有する構造であり、２型
クランクシヤフトとも言われている。

またこの種のエンジンとしては別に円筒カム型や斜板式
クランクレスエンジンがあるが、いずれも伝達部分の構
造が線接触や点接触であったり、滑り速度が高すぎると
いった点の耐久性及び製造上の難点があり、普及するま
でには至っていない。

そしてクランクレス式エンジンの中で実用化されている
ものにロータリーエンジンがある、（製造元マツダ社）
。

このエンジンはレシプロエンジンに比し回転の円滑性と
、小型軽量化、部品数が少なく、単純化している点にお
いて優れている。

しかしアペックスシールやサイドシールのガス漏れに起
因する燃料消費量の悪さに大きな問題ががある。

現行のレシプロエンジンにおいては一気筒当たり４〜５
本の吸気、排気弁を配設して性能向上と燃料消費量の改
善を計っているが、限界とも思われる程度にまで到達し
ている。

［発明が解決しようとする問題点］ レシプロエンジンは、高出力と、円滑な回転及び静粛性
の良い、より高性能のエンジンの開発が望まれていた。

特にクランクシャフトを有する、多気筒レシプロエンジ
ンにおいては形状か複雑なため、製作コストかかさみ、
クランクシャフト特有の二つ割軸受か多く必要であり、
エンジン全体も大きくなるという不具合があった。

その上軸受数が多ければ軸受の滑り損失が大きく機械効
率が悪くなり、燃料消費量も多くなるという問題点もあ
る。

またクランクシャフトの材料費、鍛造費、更に加工費、
が多くなり、そしてクランクケース軸受部の複雑な部分
の加工に時間を要し、生産コストの増大に対処する必要
に迫られている。

このため出力の増大と、円滑な回転を得る目的で、多気
筒化が要求され、それに矛盾するかのようにして小型軽
量化が求められている。

一方性能向上と共に燃料消費量を抑える必要があり、メ
ーカー各社も研究に熱心で、近年特に吸気、排気弁を増
すことが推進されているが、その方式も一応限界にまで
達した感かある。

この様な背景によりクランクレスエンジンとして前記し
た様に各種のものが考案されているが、そのほとんど全
てが実用化に至っていない。

クランクレスエンジンが実用化されない理由として次の
点が上げられる。

（１）円筒カムとローラーの組み合わせの様に当たり面
が点接触または線接触の箇所が生じ、摩耗が速く実用に
耐えられないものが多い。

（２）滑り速度が大きく高速回転が得られず、性能向上
が望めなかった。

（３）同じ排気量からいってエンジン全体の体積が大き
くなり過ぎて重量が重くなる。

（４）加工が困難で、生産に問題をきたすものが多い。

（５）構造が複雑すぎてコスト高となり採算面で問題か
ある。

［発明の構成］ 本発明はクランクシャフトを使用せず、揺動部材を使用
することにより、軸受数を減らしたりピストンの側圧を
少なくして摩擦を軽減し、さらに滑り速度を減少するこ
とで、軸受の損失が少なく、また圧縮比を可変する機構
が付加できる等で、高出力化と燃料消費量の低減を計る
ことを最大の目的とする。

本発明の揺動部材及び回転軸は従来のクランクシャフト
に相当し、球面軸受または十字形自在軸受を支点とする
揺動部材のビン部が回転軸に嵌め込まれて、回転軸を出
力軸として回転したり、逆に回転軸を人力軸にして回転
を与える装置である。

［問題点を解決するための手段］ 従来のレシプロ型エンジンでは気筒数が多くなるとクラ
ンクシャフトも複雑となり、軸受数も増えるので、これ
を減らすためクランクシャフトを使用せず、その替わり
に本発明では揺動部材によって回転軸に回転力を与える
構造とし、揺動部材に複数個のピストンを連結できるよ
うに球面軸受またはビン継手構造によるジヨイントを設
ける。

これによって多数のピストンを設けるものにあってもエ
ンジンは単純な構造とすることができる。

また従来のエンジンにおいて圧縮比を可変出来る機能を
有するものが、かなり強く望まれている。

これは出力の増大と燃料消費量の低減を目的とするため
のものであるが、従来のクランクシャフトエンジンでの
適用には多くの問題点があり、いまだに実用化に至って
いない。

本発明ではこの圧縮比を可変する機構を容易に付加する
ことが可能であり、高出力を得ること、燃料消費量を節
減する手段としては大変効果的な方法といえる。

本発明は揺動部材は自転することなく、揺動運動のみで
動力伝達するため、滑り速度が低く、伝達効率が良くな
り、更に従来のクランクシャフトは、小型の揺動部材に
置き替えられるので、軽量となり、また軸受数が多くて
機械効率を悪くする原因となるクランクシャフトを排除
したので、燃料消費量の節約ができるようになった。

また従来の多気筒エンジンではクランクシャフトも長く
なりねじり振動が生ずるので、その振動を防ぐためにダ
ンパーを設けるなどの対策が必要であるのにたいし、本
発明では、多気筒であっても短い揺動部材であるため、
振動には有利な構造である。

そして多気筒化されても構造が単純であるので、簡単に
製作することが可能となり、製作コストの低減も計るこ
とができる。

［作　用］ 各ピストンの頭部に燃焼室を形成し、該燃焼室の中に発
生した膨張エネルギーはピストンを押し、連結しである
ジヨイントを介して揺動部材の一部に伝達し、その力は
揺動部材を支えている球面軸受部を支点にして揺動部材
が揺動し、これによって該揺動部材の一部が回転軸に回
転を与えて、エンジンとして駆動力を発生させる。

［実施例］ 本発明を図面に基すいて説明する。

第１図は圧縮比可変機構を付加しないクランクレスエン
ジンの断面を示す。

回転軸１（以下出力軸１という）は、ケースｌｌ内にベ
アリング１１１，１１２を介して回転自在に支えられて
いる。

出力軸の一端部はケース１１の内側に突出され、該端部
には、傾斜した穴１１３が設けられ、芸大１１３にベア
リング２１が挿入しである。

出力軸１の斜め穴１１３に相対する位置には、揺動部材
３の偏心運動で生じる遠心力をバランス取るためのバラ
ンサー１１４が形成されている。

（第１図参照）。

一部ケース１１より外側の出力軸１のはみ出し部分１１
５は、出力取り出し部であり軸外周部にはスプラインや
セレーション或はキー溝が加工しである。

揺動部材３は球面軸受４に揺動可能な状態に嵌込まれて
いる。

出力軸ｌ側のピン部３２の先端は、ベアリング２１の内
部に挿入し回転できるように枢着されている。

揺動部材３の外周結合部３１に球面軸受７２を設け、そ
こにはジヨイント７が取り付けられている。

又ジヨイント７の他の一端はピストンピン６と球面軸受
６２とによる嵌め合いで連結される。

そしてジヨイント７を介して連結されるピストン８はシ
リンダー９内に摺動できる様に配設され、該シリンダー
９を塞ぐように取り付けられたシリンダーヘッド９２に
は、点火プラグ９Ｉ及び吸気・排気弁９３が設けられる
。

ピストン８は、シリンダー９内に収納されて往復運動で
きる様に嵌め込まれている。

袖穴２０は各摺動面に潤滑油を注油するための袖穴であ
る。

第１図は４サイクルガソリンエンジンの適用例で、この
作動は次のようになる。

ピストン８で圧縮されたガスは点火プラグ９１で点火さ
れて燃焼膨張し、その圧力でピストン８を押圧して対抗
する燃焼室９０側へ移動させることになる。

この押す圧力はジヨイント７を介して揺動部材３の外周
結合部７２を押すことになり、球面軸受４を支点にして
いる揺動部材３のビン部３２は出力軸１の回転方向にの
み動きつるように拘束されているので、結局ピストン８
の押す力は揺動部材３が球面軸受４に嵌合する部分を支
点にして出力軸１を回転させる運動として働くことにな
る。

上記燃焼工程を他の燃焼室９０において順に行ない、一
つの燃焼室９０においては、燃焼工程−排気工程−吸気
工程−圧縮工程を順に１サイクルとして作動する。

カムシャフト９４は吸・排気弁９３を直接作動させたり
、ロッカーアームを介して作動させたりする。

出力軸１の斜め穴１１３に挿入しである、球面軸受２１
の外面を球面にすれば、圧縮比可変機構の場合第２図に
示す傾斜角Ｙが変化してもこの球面の動きによりＹ角度
の姿勢に合うことになる。

また揺動部材３が力を受けたときに生ずる歪や、工作精
度誤差を吸収することもできるので、球面軸受２１の内
面における相手軸との当たりが良くなり、耐久性を増す
ことになる。

第１図に於ける揺動部材３は、安定した揺動運動を行な
はしめるための安定用歯車１６に傘歯車を使用している
。

圧縮比可変機構を有するものは、傘歯車を使用しないで
、揺動部材３の揺動運動を安定化する他の方法として、
第８図の球面軸受７２のうち−か所に円筒状の突起物ス
ライドビン７５を設け、ピストン８の押し引き方向にの
み動きうる、ガイド７６をシリンダースカート５０に取
り付け、スライドビン７５を、ガイド７６に沿って動か
して揺動運動を安定させることができる。

この場合ガイド７６の当たり面を平面にした、スライダ
ー７９をスライドビン７５に嵌め込んでおけば、耐久性
も増すことになる。

第１図のピストン８は、従来のエンジンのものとほぼ同
じであるが、ピストン８とジヨイント７の連結部及び揺
動部材３とジヨイント７の各連結部には球面軸受６２．
７２を使用している。

第１図に於て、ビニオン３５は、出力軸ｌに付いている
。

ギヤー３６は、ビニオン３５と噛みあっている。

第２ビニオン３７はギヤー３６と一体となっており、第
２ギヤー３８と噛みあっている。

カムシャフト９４に固着されているベベルビニオン９５
は第２ギヤー３８と一体のベベルギヤー３９と噛みあっ
ている。

例えば４サイクルエンジンでは、出力軸ｌに対しカムシ
ャフト９４の回転数が坏回転にする必要があるので、こ
の場合第２ビニオン３７と、第２ギヤー３８の歯数比を
ベベルギヤー３９とベベルビニオン９５の歯数と同一に
すれば、ビニオン３５とギヤー３６の歯数比を１対２に
することで、カムシャフト９４の回転数を坏回転に落す
ことができる。

この場合、ベベルギヤー３９とベベルビニオン９５の回
転は増速されているので、第２ビニオン３７と第２ギヤ
ー３８は回転数が減速するような組み合わせになってい
る。

補機用出力軸３４は、圧縮比可変機構を付けない場合に
応用するもので揺動部材３の揺動運動中で円運動をして
いるところより回転を取り出している。

第１図に示す球面軸受４において、注意を要することは
、この軸受部には耐焼付性のあることと、摩耗の少ない
耐久性のある材質を選択することが重要である。

例えば進歩の顕著なファインセラミックスを利用し、素
材の有する濡れ性が少なく焼は付きにくいことや耐摩耗
性が大きいことを生かすと共に、適正な油圧を与えるこ
とで安定した長寿命の軸受を作ることができる。

また摩擦係数の少ない材質゛であることも大切であり、
炭化ケイ素のファインセラミックスは資料によれば０．
０４程度の摩擦係数のものもできている。（文献［日経
メカニカルＪ　１９８９−９−１８、日経ＢＰ社） しかしファインセラミックスの欠点といわれる脆性の問
題があり、その解決策として母体は靭性のある特殊鋼と
し、表面に多角形で数ミリの厚みを有する、小片形のフ
ァインセラミックスを並べて張り付ける方法を取ると、
外形の精度が良くなり仕上げ時間の短縮が計れると共に
、間隙が油の通路にもなり、高い耐摩耗性と高精度の軸
受ができる。

そのほかの材料として超鋼合金や特殊合金鋼を侵炭焼き
入れしたものなども可能であるが、相手材料を選ぶこと
が重要である。

ピストン８、燃焼室９０、点火プラグ９１、吸排気弁９
３　カムシャフト９４は従来の技術をそのまま応用でき
るので、ロータリーエンジンのようなガス漏れによる燃
料消費率の悪さはない。

そして４サイクルガソリンエンジンのばかディーゼルエ
ンジン、２サイクルエンジン、にも応用できる。

次に第２図、第３図について説明する。

この図は、本発明のエンジンに圧縮比を可変出来る機構
を付加して、圧縮比を高めて熱効率を向上させ出力を上
げるとともに、燃料消費量の低減をはかり、また高圧縮
比では低速回転時に高負荷をかけた場合、異状燃焼によ
るノッキングが発生し出力か低下したり１、エンジンが
損傷することがあるので、それらを防ぐため高圧縮比か
ら低圧縮比に可変出来る構造とし、高圧縮比と低圧縮比
の双方の利点を生かして高性能と、燃料消費量の低減を
図ろうとするものである。

近年、各種の圧縮比を変える機構が考えれている。例え
ばコネクチングロッドの大端または小端部に偏心ブツシ
ュを組み込み、ブツシュを回してコネクチングロッドの
長さを変化させて圧縮比を加減する方法や、ピストンの
内部に油圧シリンダーを設けた構造とし、そのシリンダ
ー内の油圧にたいし燃焼圧力の強弱により生ずるピスト
ンの高さの変化で圧縮比を可変する方法等があるが、何
れもピストン−個毎に装置が必要となり多気筒型エンジ
ンには、かなり複雑な機構となり或はピストンの重量が
増し、期待する高速回転が得られないといった問題点も
ある。

本発明では多気筒であっても、−か所にのみこの装置を
設ければよく、本発明に於ける揺動部材３の位置を移動
制御するのみの単純な構造となるので、圧縮比の可変機
構を付加したエンジンとするには最適といえる。

第２図は、片側燃焼室型によるガソリンエンジンの圧縮
比可変機構付加方式の一部分を断面したものであり、球
面軸受４を可動型とするために、軸４５の外径に球面軸
受４の内面を軸方向に移動しうるように嵌め込んである
。

一方球面軸受４の内部にピストンロッド４６を結合させ
て軸４５の内部に貫通したピストンロット４６にピスト
ン４３を取り付けてあり、シリンダー４４内に収めてシ
リンダーカバー４７で蓋をしている。

第２図は、高圧縮比の位置を示すもので作動油口４８よ
り油圧をかけである状態である。（この場合作動油口４
９への圧力はＯに近い値とする）そして球面軸受４はピ
ストン８が最も高い圧縮比となる位置まで移動している
。

第３図は最も低圧縮比の位置にある状態を示す図であり
作動油口４８より圧力を抜き、作動油口４９に油圧をか
けることにより、ピストン４４は球面軸受４と共に図の
様な位置に移動する、従って揺動部材３．ジヨイント７
、ピストン８も同時に移動し図の様な位置になり、圧縮
比が最も低い状態になる。

このように高低の圧縮比を油圧によって思い通りの制御
を行なうことが可能であり、エンジンの回転と、回転を
制御するアクセルの状態を検知して、負荷の程度により
油圧でピストンの位置を自動的にコントロールすること
によりエンジンの圧縮比を可変して、快適な状態で高出
力を得ると共に燃料消費量の低減をすることができる。

またピストンロッド４６は、シリンダーカバー４７を貫
通して外側に出ているためこの部分の出入り量で圧縮比
がどの様な状態であるかの検知もできるとともに的確な
制御ができる。

［発明の効果］ 本発明は、以上のような構成とすることで次のような特
長がある。

本発明は、従来のクランクシャフトを、揺動部材に置き
換えて、出力軸以外は回転運動をさせず、揺動運動とす
る機構とし、圧縮比を可変する機構の装着が容易となり
次のような効果がある。

（１）単純な機構で圧縮比を可変する機構を付加して出
力を増大し、更に燃料消費量を低減することができる。

（２）圧縮比可変の制御を外部から行なうことが容易で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、圧縮比可変機構を付加しないクランクレスエ
ンジンの断面図である。 第２図は、圧縮比可変機構をもったクランクレスエンジ
ンの部分断面図である。（圧縮比の高い場合） 第３図は、圧縮比可変機構をもったクランクレスエンジ
ンの部分断面図である。（圧縮比の低い場合　） 第４図は揺動部材安定機構の部分断面図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）自在に揺動しうる支点をもつ揺動部材のまわりに
   幾つかのジョイントを設け、そのジョイントと、シリン
   ダー内の夫々のピストンと連結し、揺動部材の突出した
   部分にあるピン部を、回転軸に設けた斜め穴に回転しう
   るように挿入した構造に、揺動部材の支点の位置を移動
   できる機構により、ピストンの動きの範囲を変化させて
   、圧縮比を増減出来る構造としたクンクレスエンジン。