JPH0450426A - ピストンエンジン - 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、動力発生用として一般に使用されているガ
ソリンエンジン、ジーゼルエンジン等のピストンエンジ
ンに関し、特に燃焼ガスの膨張を十分に行なわせること
のできるピストンエンジンに関する。

（従来の技術） ピストンエンジンは、シリンダ内でガス圧により押下げ
られるピストンの往復直線運動をクランクを介して回転
運動に変えて取出す動力装置であって、車輌、船舶、航
空機等の各方面に広く利用されている。

先ず従来のピストンエンジンの動作を、第４図の４サイ
クルジーゼルエンジンの基本的指圧線図を例として説明
する。

上死点Ａ、下死点Ｂの間でシリンダ内を往復動するピス
トンが、上死点である８点にあるとき吸気弁を開き（排
気弁は閉）、ピストンを下死点であるｂ点まで下降させ
ると、空気がシリンダ内に吸入される（吸入行程）。

次に吸気弁を閉じ、ピストンを上昇させると、吸入空気
はシリンダ内で圧縮される（圧縮行程）。

圧縮行程の終期の０点でシリンダ内に燃料を噴射し、Ｃ
−ｄの間で燃焼させて高温高圧のガスを造り、このガス
でピストンを押して８点に向けて下降させ（膨張行程）
、このガスで押し下げられるピストンの力でクランクを
介して出力軸を回転させる。

ピストンが下死点に到達すると排気弁を開き排気行程が
始まり、ａ位置で排気行程を終り、続いて次の吸入行程
が始まる。

膨張行程を終ったｅ点でのガスは未だかなりの高温高圧
であり、多くのエネルギを持っているので排気騒音も大
きくなる。

（発明が解決しようとする課題） 膨張行程においてｄ−ｅ線に沿って膨張し、ｅ点で排出
されるときの燃焼ガスは、未だかなりの高温高圧状態に
あるが、現在ではこれを更に膨張させることなく排出し
てしまっている。このガスをなおｅ　−ｘ　ｆ線に沿っ
て膨張させ、ガス圧を大気圧又はその近くまで低下させ
ることができれば、燃焼ガス中の残存エネルギを十分に
利用でき、排気騒音も小さくなる訳であるが、現在のピ
ストンエンジンでは、これが行なわれていない。

排出される燃焼ガスの持つ残存エネルギを利用するには
、排気タービン、熱交換器等の別個の機器を利用しなけ
ればならず、エンジン自体で燃焼ガスの残存エネルギを
有効に利用することは行なわれていない。

（課題を解決するための手段） コノ発明は、ピストンエンジン自体で燃焼ガスのエネル
ギを十分に利用できるようにすることを考えたもので、
膨張行程を圧縮行程より長く、逆にいえば圧縮行程を膨
張行程より短かくしたものである。そのために、吸入行
程から圧縮行程に移ったときに、圧縮行程の初期を遊び
行程としてこの間では吸気弁を開いたままにしておいて
圧縮を行なわず、吸気の一部を吸気管に戻してしまい、
圧縮行程を膨張行程より相対的に短かくしたものである
。

（作　用） 吸入行程において下降するピストンが下死点から上昇に
転じると、従来は吸入弁を閉じてしまい、吸入した吸気
全部を圧縮していたが、本発明では、ピストンが上昇に
転じても暫くは吸気弁を開いたままにした遊び行程を設
け、シリンダに入れた吸気の一部を吸気管に戻してしま
うものである。これにより圧縮行程に対する膨張行程の
割合が大きくなり、燃焼ガスに十分の膨張を行なわせる
ことができ、燃焼ガスの持つ残存エネルギを高度に回収
することができて排気騒音も小さくなる。

（実施例） 第１図は４サイクルジーゼルエンジンの基本的指圧線図
を例示する。

Ａはピストンの上死点、Ｂは下死点の位置である。ａ→
ｂの間は吸入行程、ｂ−ｇの間は遊び行程、ｇ→Ｃの間
は圧縮行程、ｃ−＋ｄの間は燃焼行程、ｄ−ｂの間は膨
張行程、ｂ−ａの間は排気行程である。通常のエンジン
ではｂ−ｈＣの全行程が圧縮行程となるが、この実施例
ではｂ→Ｃの間の初期のｂ−ｇの間の遊び行程では吸気
弁は開いておくから、ａ−ｈｂの吸入行程でシリンダに
吸入した空気の一部は吸気管へ押戻されてしまい、概略
ａ→ｇの間で吸入した空気が圧縮されてこれに見合う量
の燃料を噴射して燃焼させることになる。

このように吸入行程が実質的には減少するのに対して膨
張行程はｄ−ｂまで長いから、燃焼ガスは十分に膨張す
ることができ、ガスの有するエネルギを十分に利用する
ことができる。即ち、ｈ点を下死点としピストンがこの
下死点から上昇に転じると直ちに圧縮を開始する通常の
エンジンに比べて、ｂ−ｇ−ｈの線で囲まれた三角形の
部分に相当する仕事量が回収できることになる。

このようにしてピストン行程が同じ場合に膨張行程に対
する吸入行程の割合が小さくなると、出力が低下するが
、第１図のａ−ｇの実質的吸入行程での吸入空気量を、
シリンダ径を大きくして従来と同じにすれば、膨張行程
中のｄ−ｈの間で従来同様の出力が得られ、ｈ→ｂの間
の付加膨張行程により更に出力が回収できるのである。

但しこうすると、従来方式のエンジンと同じ出力を得る
のにシリンダ径やピストン行程を大きくしなければなら
ず、エンジンが大型化するようになるという不利が生じ
る。

ピストンが下死点に近づくに従ってｈ−ｂの膨張による
回収の仕事量は小さくなるから、実用的には下死点を例
えばｉ位置に移し、１−ｂ−ｊの三角形部分に相当する
仕事量を廃棄することにより、エンジンの余分な大型化
を避けてしかも排棄エネルギの多くの部分の回収を行な
うことができる。

なお、排気弁の開弁時期を変えて遊び行程の長さを変え
れば、吸入行程と膨張行程との割合が変わってエンジン
の動作を変えることができる。例えば排気弁を早く閉じ
て遊び行程を短かくすれば、エンジンは通常のエンジン
の動作に近くなり、大型化の程度も小さくなる代りに、
回収できるエネルギ量は少なく、排気騒音は大きくなる
。

第２図は、排気弁の閉鎖時期を変えて遊び行程を変更す
るための機構例を略示するもので、排気弁４を開かせる
ロッカーアーム１３の軸を偏心軸１４とし、偏心軸を回
動させることにより駆動カム１５がロッカーアーム１３
を介して排気弁４を押し開く時期を変えるものである。

これにより遊び行程の長さを変更することができる。

このような機構により、下死点を過ぎて直ちに排気弁を
閉じれば、エンジンは多量の空気を圧縮し、これに対応
する多量の燃料を燃焼させて大ぎな動力を発生するよう
になる。このとぎの指圧線図は第１図に釦、線で示すｂ
−ｂ＋　　　ｂ２　　ｂ、−ｂ４−ｂｓ−ｂ線のように
なる。遊び行程を長くするに従って指圧線図はｂ−ｃ−
ｄ−ｂの線図に近づく。

ジーゼルエンジンの他のガソリンエンジン、ガスエンジ
ン等の場合も同様である。

以上は４サイクエンジンについて述べたが、２サイクル
の場合も同様である。

第３図は２サイクル排気弁式ジーゼルエンジンに本発明
を実施する態様を示す。

シリンダ１の下部にはボート２より掃気管３が開口して
おり、シリンダ上部には排気弁４が設けられている。ピ
ストン５の上死点位置Ａとボート２の下縁位置Ｂとの間
の長さしがピストン行程である。

通常のエンジンでは、排気弁４を閉じた状態で、ピスト
ンがボート上縁位置Ｃを過ぎてシリンダ内の空気を圧縮
しつつ上死点付近に来ると、昇温した空気中に燃料が噴
射され燃焼して高温高圧の燃焼ガスを生じ、このガスに
押されてピストンが下降しピストンの上面がボート２の
上縁位置Ｃに来るまでガスは膨張し、ピストン上面がＣ
位置を過ぎるとボート２が開き同時に排気弁４が開かれ
て燃焼ガスは排出されると共に新しい空気がシリンダ内
に吹込まれる。このようにピストンがＣ位置より上昇す
ると、従来の２サイクルエンジンでは、排気弁４を閉じ
てこの空気を圧縮し始めたのであるが、本発明では、ピ
ストンがＣ位置より上のＤ位置に上昇するまでは排気弁
４を開いておき、ピストンがＤ位置に来ると閉じるよう
にする。従ってシリンダに吹込まれた空気の一部は排気
弁から排出されＤ位置の上方に残った空気だけが圧縮さ
れる。ピストンが上死点付近に来たとき、この空気に燃
料を噴射して燃焼させ、燃焼ガスの膨張によりピストン
をＣ位置まで押下げるのである。

この場合の膨張行程は、Ａ−Ｃ間の長さ！であり、圧縮
行程はＤ−Ａの間の長さρ′　となり、膨張行程は圧縮
行程より長くなる。

従ってＤ−Ｃの間の膨張分だけ燃焼ガスの残存エネルギ
を回収して動力とすることができる。

以上は内燃式エンジンを例として説明したが、シリンダ
外の燃焼器で燃料を燃焼させて高温高圧の燃焼ガスを造
り、この燃焼ガスをシリンダに送ってピストンを駆動す
る外燃式エンジンにおいても同様にして燃焼ガスの残存
エネルギ回収を行なうことができる。

第４図は外燃式４サイクルジーゼルエンジンに本発明を
適用した例を示すもので、これの指圧線図をも併せ示し
ている。

排気行程において、排気弁６のみを開いた状態でピスト
ン５が上昇すると、膨張を終って未だ高温のシリンダ１
内の燃焼ガスは排気弁６を通フて蓄熱式の熱交換器１０
へ送られ、保有熱を熱交換器１０に移し低温となって廃
棄される。

次にピストンが吸入行程に入ると、吸気弁８のみが開か
れ、ピストンの下降と共にシリンダ１内に外気を吸入す
る。

次の圧縮行程では、従来は全部の弁を閉じ、上昇するピ
ストンにより吸入空気を圧縮したのであるが、本発明で
は上昇するピストンが死下点のＢ位置からＤ位置に来る
まで吸気弁８を開いておく。このため既にシリンダ内に
吸入された空気の一部は吸気弁を通って大気中に押出さ
れ、残った空気がＤ−Ａの間を上昇するピストンにより
圧縮され、この圧縮行程の終期に高圧空気弁９を開き圧
縮されて温度上昇した空気を熱交換器１０を通して蓄熱
により更に予熱し、バーナ１１に入れて燃料１２を燃焼
させ、高温高圧の燃焼ガスとしてガス弁７からシリンダ
１へ流入させる。入替りに高圧空気弁９は閉じられる。

これにより膨張行程が始まり、ピストンは高温高圧の燃
焼ガスの膨張により死下点に向けて押下けられて動力を
発生する。

このようにしてピストンがＤ−Ａ間を上昇する間でのみ
圧縮が行なわれるようになり、Ａ−Ｂ間の膨張行程より
も圧縮行程が短かくなって、前述の内燃式エンジンの場
合と同様に排気の持つ残存エネルギを回収することがで
きる。

外燃式２サイクルエンジンの場合も、同様ニして圧縮行
程の初めの部分に吸気弁を開いておく遊び行程を設けて
、シリンダ内に一旦吸入した空気の一部を排出して圧縮
される空気量を少なくし、圧縮行程を膨張行程よりも短
かくして排気中の残存エネルギを回収することができる
。

以上はジーゼルエンジンを例として説明したが、ガソリ
ンエンジン、ガスエンジン等一般のエンジンにも本発明
を適用することができる。

何れの場合も、遊び行程を設けない従来のエンジンと同
じ動力を発生するには、シリンダ径を大きくするか、シ
リンダ径が同じならば遊び行程分だけピストン行程を長
くして吸気量を従来エンジンと同じにすることになるか
ら、エンジンが大型になるのが避けられない。エンジン
の大型化を少なくするために遊び行程中のピストン下死
点に近い回収エネルギの少ない部分（例えば第１図のｂ
−ｊ−ｉの三角部分）を切棄てるのが有効である。

又、排気弁の閉鎖時期を変えられるようにすれば、エン
ジンの動作を変えられることは、前述した４サイクルジ
ーゼルエンジンの場合と同様である。

（発明の効果） １）圧縮行程に比べて膨張行程を長くすることにより、
燃焼ガスを十分に膨張させて従来はシリンダ外に排出さ
れていた燃焼ガスのエネルギを、エンジン内で回収し、
排気騒音をも小さくすることができる。

２）各種の内燃式及び外燃式のエンジンに利用すること
ができる。

３）　同等動力を発生させるために、従来方式のエンジ
ンよりシリンダ径を大きくしたりピストン行程を長くす
る不利があるが、燃料の熱効率を高められることにより
、この不利は補なわれる。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施態様を示し、第１図は４サイクルジ
ーゼルエンジンの基本的指圧線図、第２図は遊び行程を
変えるための弁機構の略図、第３図は２サイクル排気弁
式ジーゼルエンジンのシリンダ部縦断面略図、第４図は
外燃式４サイクルエンジンのシリンダ部縦断面と指圧線
図とを示す略図、第５図は従来の４サイクルジーゼルエ
ンジンの基本的指圧線図を例示する。 １ニジリンダ、２：ボート、３掃気管、４：排気弁、５
：ピストン、６：排気弁、７：ガス弁、８：吸気弁、９
：高圧空気弁、１０：熱交換器、１１：バーナ、１２：
燃料、１３：ロッカーアーム、１４：偏心軸、１５：駆
動カム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）シリンダ内を上昇するピストンにより吸気を圧縮す
   る圧縮行程と、シリンダ内で膨張する燃焼ガスによりピ
   ストンを押下げる膨張行程とを持つピストンエンジンに
   おいて、圧縮行程の初期に吸気弁を開いておく遊び行程
   を設けて、圧縮行程を膨張行程より短かくしたことを特
   徴とするピストンエンジン。