JPH07109931A

JPH07109931A - 往復運動を回転運動に変換する装置および該装置を用いたレシプロエンジン

Info

Publication number: JPH07109931A
Application number: JP27889693A
Authority: JP
Inventors: Kaizo Furukawa; 改造古川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-10-13
Filing date: 1993-10-13
Publication date: 1995-04-25
Also published as: EP0648917A1

Abstract

(57)【要約】【目的】往復運動をより効率的に回転運動に変換する
ことを目的とする。特に、レシプロエンジンにおけるピ
ストン往復運動を回転運動に変換するための装置につい
て、コンロッドとクランクシャフトとで構成する従来の
既成概念から脱却し、低燃費で高出力を得、製造コスト
が低廉で、しかもコンパクトな設計を可能とする。【構成】シリンダー１０および１０ａを９０度のバン
ク角をなして配置してなるＶ型２気筒エンジンである。
シリンダー１０のストローク室１４内を往復運動するピ
ストン１２には、上端が閉塞され下端が開口された内孔
１８がシリンダーと同心状に形成され、この内孔に円筒
状のシャフト２０が収容され得るよう構成されている。
シャフトの外周面には交差する一対の螺旋溝２２、２４
が刻設される。ピストンが図示上死点位置から下降する
と、該ピストンに固着されて一体的に下降するボス２
６、２８が一対のシャフト螺旋溝にそれぞれ嵌合してい
ることにより、シャフトを図示反時計方向に回転させ
る。シャフトの回転は、傘歯車３０、３２同士の噛合を
介してストレートシャフト３４に伝達される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、往復運動を回転運動に
変換する装置に関する。本発明は特に、各種交通機関や
産業用機械の動力源として利用されるレシプロエンジン
において該変換装置を適用することを提案するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ガソリンや軽油を燃料とする内燃機関と
してレシプロエンジンが主流を占めている。レシプロエ
ンジンは、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンおよ
び軽油を燃料とするディーゼルエンジンとに大別され、
前者は主として乗用車等の自動車や小型航空機に、後者
は乗用車や貨物自動車あるいは船舶に搭載され、動力源
として用いられている。これらレシプロエンジンは、燃
料と空気との混合気を圧縮状態で点火することにより爆
発的に燃焼させ、これに伴う膨張圧をピストンの往復運
動に変換して動力を得るものである。

【０００３】たとえば代表的な自動車用エンジンである
４サイクルエンジンにおいては、良く知られているよう
に、吸気、圧縮、爆発、排気の４行程を行う間にピスト
ンが２往復する。すなわち、シリンダー頂部に形成され
る燃焼室に通ずる吸気バルブを開いた状態でピストンが
下降することにより、シリンダー内に負圧が形成され、
吸気バルブを通じてガソリンと空気との混合気を燃焼室
に吸入した（吸気行程）後、吸気バルブが閉じられ、ピ
ストンが上昇に転じて燃焼室内の混合気を圧縮する（圧
縮行程）。ピストンが上死点に達する頃にスパークプラ
グを介して点火し、混合気を爆発的に燃焼させ、そのと
きの膨張圧がピストンを押し下げる（爆発行程）。ピス
トンは下死点に達した後に再び上昇に転ずるが、このと
きに排気バルブを開くことにより燃焼排ガスをシリンダ
ー外に排出する（排気行程）。以上の４行程が繰り返し
行われることにより、ピストンの往復運動が得られる。
そして、このピストン往復運動は、ピストン下端部に連
結されるコンロッドおよびクランクシャフトを介して回
転運動に変換され、自動車の駆動車輪を回転させるため
の動力が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来技
術によるレシプロエンジンにおいては、一般に、ピスト
ンの往復運動を回転運動に変換するためにコンロッドお
よびクランクシャフトが用いられており、吸気、圧縮、
爆発および排気の行程で２往復するピストンの往復運動
をこれらコンロッドおよびクランクシャフトを介して変
換して２回転の回転運動を得ている。したがって高回転
を得るためには、それに相応する速度でピストンを往復
運動させる必要があり、燃料消費量を増大させることに
なる。すなわち、省資源の観点から、低燃費で高出力を
得ることのできるエンジンの開発が切望される。

【０００５】また、クランクシャフトには、コンロッド
を介して作用するピストン往復運動に伴う大きな負荷に
対抗するための強度および剛性が要求され、更にバラン
スのとれたスムーズな高速回転を可能にするための諸特
性が要求される。これらの見地より、クランクシャフト
は一般に鍛造による一体成形品として製造されている
が、きわめて複雑な形状であることから製造コストが嵩
み、これがエンジン全体の製造コストを上昇させる一因
となっている。

【０００６】更に、乗用車における乗用部分や貨物車に
おける荷台部分の空間を確保するためにエンジンを極力
コンパクトに設計することが望まれ、このために多気筒
エンジンをＶ型や水平対向に配列することが行われてい
るが、クランクシャフトを用いる場合にはその回転中心
軸に対してシリンダーを対向配置する際に軸方向に所定
間隔を置く必要があるため、軸方向寸法の極小化には限
界があった。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、往復運
動をより効率的に回転運動に変換することのできる新規
な装置を提供することを目的とする。特に、レシプロエ
ンジンにおけるピストン往復運動を回転運動に変換する
ための装置について、コンロッドとクランクシャフトと
で構成する従来の既成概念から脱却し、全く斬新な発想
に基づいて構成することを提案するものである。

【０００８】すなわち本発明は、往復運動を回転運動に
変換する装置であって、往復運動する部材に対してその
往復運動方向には移動することができず且つそれ自体は
回転可能に支持される円筒状部材を有し、該円筒状部材
の外周面には該往復運動部材を嵌合する螺旋溝が螺旋状
に刻設されてなり、該往復運動部材が該螺旋溝に案内さ
れながら往復運動するにつれて該円筒状部材を回転させ
るよう構成されてなることを特徴とする。

【０００９】また本発明は、かかる往復運動を回転運動
に変換する装置をレシプロエンジンに適用して新規な構
成のレシプロエンジンを得るものであって、燃焼室を有
するシリンダーと、該燃焼室内で燃料が燃焼されること
により該シリンダー室内を往復運動するピストンと、該
シリンダー室の下方域において該シリンダーに対して相
対回転可能であると共に該ピストンの内孔に収容可能に
支持される円筒状部材と、該ピストンと一体的に該シリ
ンダー室内を往復運動すると共に該ピストン内孔に向け
て突出する突出部材と、該円筒状部材の外周面に螺旋状
に刻設されて該突出部材を嵌合する螺旋溝とを有してな
り、該突出部材が該螺旋溝に案内されながら該ピストン
と共に往復運動することにより該円筒状部材を回転させ
るよう構成されてなることを特徴とする。

【００１０】円筒状部材をシリンダーの底面を貫通して
下方に延長し、その下端に第１の歯車を固着し、該第１
の歯車と噛合する第２の歯車を固着するストレートシャ
フトを設け、該円筒状部材の回転を該ストレートシャフ
トに伝達するよう構成することができる。ストレートシ
ャフトにはフライホイールを取り付けて、従来のエンジ
ンと同様にセルモータによる始動を行うことができる。

【００１１】前記構成のシリンダーを複数設けて多気筒
化することができる。多気筒化するためのシリンダー配
列には、従来のエンジンと同様、直列配置、Ｖ型配置、
水平対向配置等を採用することができる。Ｖ型エンジン
とする場合、シリンダーあるいは歯車（傘歯車）同士が
干渉しない限りにおいて自由なバンク角に設定すること
ができる。

【００１２】ピストンはシリンダー室内において回転不
能として、円筒状部材の回転に対する干渉を防止するこ
とが望ましい。たとえば、ピストンを楕円形断面形状と
することによってこれを実現することができる。

【００１３】

【作用】本発明によるレシプロエンジンにおける運動変
換機構の作用を図１に基づいて説明する。シリンダー
（図示せず）内部の下方部分に回転シャフト１が配置さ
れる。回転シャフト１はピストン（図示せず）の中心孔
内に回転可能に挿入されている。

【００１４】回転シャフト１の外周面には図示されるよ
うな一対の螺旋溝２、３が刻設される。一方の螺旋溝２
は、上端地点ａから始まって、他方の螺旋溝３と交差す
る地点ｂを通り、中間地点ｃを通った後、回転シャフト
１の反対側外周面上を徐々に下降し、その中間地点ｄで
他方の螺旋溝３と交差した後更に下降して下端地点ｅに
到達し、その後上昇に転じて、他方の螺旋溝３と交差す
る地点ｅを通り、再び中間地点ｃを通った後、反対側外
周面上を徐々に上昇し、その中間地点ｇで他方の螺旋溝
３と交差した後更に上昇して上端地点ａに戻る。すなわ
ち、螺旋溝２は、上端地点ａからｂ、ｃ、ｄの各地点を
通って下端地点ｅに到達する間に回転シャフト１の外周
面上を１回転し、下端地点ｅからｆ、ｃ、ｇの各地点を
通って上端地点ａに戻るまでに同様に回転シャフト１の
外周面上を１回転している。

【００１５】他方の螺旋溝３は上記螺旋溝２に対して１
８０度ずらした位置に形成されており、上端の地点ｈ、
反対側外周面上の交差点ｇ、中間地点ｉ、交差点ｆ、下
端地点ｊ、反対側外周面上の交差点ｄ、中間地点ｉ、交
差点ｂの順に通過して地点ｈに戻る。この螺旋溝３にお
いても、上端地点ｈから下端地点ｊに至るまでに回転シ
ャフト１の外周面上を１回転し、下端地点ｊから上端地
点ｈに戻るまでに回転シャフト１の外周面上を１回転す
る。

【００１６】これら螺旋溝２、３内に突入する一対のボ
ス４、５が対向配置される。これらボス４、５はピスト
ンと共に上下に往復移動し、ピストンが上死点にあると
きはボス４が螺旋溝２の上端地点ａに突入すると共にボ
ス５が螺旋溝３の上端地点ｈに突入している。この状態
からピストンが下降して上死点と下死点との間の中間点
に来ると、ボス４は螺旋溝２に案内されながら地点ａか
ら地点ｃを経由して地点ｃに移動すると共に、ボス５は
螺旋溝３に案内されながら地点ｈから地点ｇを経由して
地点ｉに移動する。この間のボス４、５の下降移動によ
って、回転シャフト１が図示反時計方向に１８０度回転
する。引き続きピストンが下降して下死点に到達する
と、ボス４は螺旋溝２内を地点ｃから地点ｄを経由して
下端地点ｅに移動すると共にボス５は螺旋溝３内を地点
ｉから地点ｆを経由して下端地点ｊに移動し、かかるボ
ス４、５の下降移動によって回転シャフト１が更に反時
計方向に１８０度回転する。すなわち、ピストンが上死
点から下死点まで下降する間に回転シャフト１は１回転
する。同様にピストンが下死点から上死点まで上昇する
間に回転シャフトは１回転する。

【００１７】以上のようにしてピストンの往復運動が回
転シャフトの回転運動に変換され、クランクシャフトを
用いる必要なしに所望の回転運動が得られる。

【００１８】

【実施例】図２は本発明をＶ型２気筒エンジンに適用し
た実施例を示す。この実施例では、シリンダー１０およ
び１０ａが９０度のバンク角をなしてＶ型に配置されて
いる。

【００１９】シリンダー１０および１０ａの構成は略同
一であるので、以下シリンダー１０の構成について説明
する。シリンダー１０の内部には、ピストン１２を収容
して所定ストロークの往復運動を許容するためのストロ
ーク室１４と、頂部の燃焼室１６とが設けられる。この
例において燃焼室１６は略半球形型の燃焼室として示さ
れているが、これに限定されることなく、多球形型、ウ
エッジ型、ペンタルーフ型等の燃焼室として構成される
ものであっても良い。

【００２０】燃焼室１６には、ガソリンと空気との混合
気を吸入するためのインテークマニホールドおよび燃焼
排ガスを排気するためのエキゾーストマニホールドが連
通され、更にこれらインテークマニホールドおよびエキ
ゾーストマニホールドにはそれぞれ吸気および排気を制
御するための吸気バルブおよび排気バルブが配置される
が、これら各部材は公知であるので特に説明を要せず、
したがって図示省略されている。

【００２１】ピストン１２はシリンダー１０のストロー
ク室１４内を軸方向に往復運動する。すなわち前述した
ように吸気、圧縮、爆発、排気の４行程の間に２往復す
る。図２においてシリンダー１０内のピストン１２は上
死点にあるものとして示されており、この状態において
他方のシリンダー１０ａ内のピストン１２ａは下死点に
位置している。

【００２２】ピストン１２には、上端が閉塞され下端が
開口された内孔１８がシリンダー１０と同心状に形成さ
れ、この内孔１８に円筒状のシャフト２０が収容され得
るよう構成されている。シャフト２０は、シリンダー１
０の軸方向には移動不能であって、このための軸方向移
動規制手段（図示せず）が設けられる。また、シャフト
２０はピストン１２に対して回転可能であって、シャフ
ト２０と摺接する内孔１８の内面およびシリンダー１０
の底面開口１１の内面には、潤滑油やベアリングあるい
はホワイトメタル等の相対回転を円滑に許容するための
手段（図示せず）が設けられる。

【００２３】シャフト２０の外周面には交差する一対の
螺旋溝２２、２４が刻設されている。この一対の螺旋溝
２２、２４は前述した図１の例における螺旋溝２、３と
実質的に同一であるものとして示されている。すなわ
ち、螺旋溝２２はその上端点２２ａから下端点２２ｂに
至るまでにシャフト２０の外周面を一周し、下端点２２
ｂから上端点２２ａに戻るまでにシャフト２０の外周面
を同一方向にもう一周する。同様に螺旋溝２４はその上
端点２４ａから下端点２４ｂに至るまでにシャフト２０
の外周面を一周し、下端点２４ｂから上端点２４ａに戻
るまでにシャフト２０の外周面を同一方向にもう一周す
る。

【００２４】ピストン１２の底面部１３には内孔１８に
向けて突出するボス２６，２８が１８０度間隔に対向配
置されている。ボス２６、２８は螺旋溝２２、２４にそ
れぞれ離脱不能に突入嵌合している。ピストン１２が図
示の上死点に位置しているとき、ボス２６は螺旋溝２２
の上端点２２ａに嵌合され、ボス２８は螺旋溝２４の上
端点２４ａに嵌合されている。ボス２６、２８はピスト
ン底面部１３に固定されており、したがってピストン１
２と共にシリンダー１０のストローク室１４内を往復移
動する。

【００２５】シャフト２０はシリンダー１０の底面開口
１１を貫通し、その下端には傘歯車３０が固着されてい
る。傘歯車３０は、ストレートシャフト３４に固着され
る傘歯車３２と噛合し、シャフト２０の回転をストレー
トシャフト３４に伝達して回転させる。

【００２６】以上の構成から明らかなように、ピストン
１２が図２に示される上死点位置からストローク室１４
内を下降すると、該ピストン１２に固着されて一体的に
下降するボス２６、２８がシャフト２０の螺旋溝２２、
２４にそれぞれ嵌合していることにより、シャフト２０
を図示反時計方向に回転させる。螺旋溝２２、２４はそ
の上端点２２ａ、２４ａから下端点２２ｂ、２４ｂに到
達するまでにシャフト２０の外周面を一周しているの
で、ピストン１２が上死点位置から下死点位置に下降移
動する間に、シャフト２０は１回転する。同様に螺旋溝
２２、２４はその下端点２２ｂ、２４ｂから上端点２２
ａ、２４ａに復帰するまでにシャフト２０の外周面を一
周しているので、ピストン１２が下死点から上死点まで
上昇移動する間に、シャフト２０は１回転する。

【００２７】したがって、４サイクルエンジンにおいて
吸気、圧縮、爆発および排気の一連の行程の間に２往復
するピストン１２に対し、シャフト２０は４回転する。
このシャフト２０の回転は、傘歯車３０および３２を介
してストレートシャフト３４に伝達され、これら傘歯車
間の速比に応じた回転数でストレートシャフト３４を回
転させる。たとえば駆動歯車である傘歯車３０の歯数が
２０、被動歯車である傘歯車３２の歯数が１０であると
き、速比は２となり、吸気、圧縮、爆発および排気の一
連の行程でピストン１２が２往復する間にストレートシ
ャフト３４は８回転する。

【００２８】以上に述べたと同様の動作が他方のシリン
ダー１０ａについても行われ、ストローク室１４ａ内に
おけるピストン１２ａの往復運動がシャフト２０ａの回
転運動に変換され、更に傘歯車３０ａと３２との噛合を
介してストレートシャフト３４を回転させる。

【００２９】ストレートシャフト３４には更にフライホ
イール３６が固着される。従来構成のエンジンにおける
と同様に、フライホイール３６の外周にはスタータギア
（図示せず）が噛合していて、セルモータ（図示せず）
によるエンジン始動を可能にしている。

【００３０】図３に示されるように、ピストン１２を楕
円形の断面形状とすると、シリンダー１０内におけるピ
ストン１２の回転を防止し、シャフト２０の回転に対す
る干渉を防止することができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、往復運動を効率よく回
転運動に変換することができる。

【００３２】本発明は特に自動車等の動力源として用い
られるレシプロエンジンに好適に適用され、ピストンの
往復運動を回転運動に変換するための機構として従来の
コンロッドおよびクランクシャフトで構成するに代えて
採用することができる。

【００３３】本発明では、ピストンと共に往復運動する
部材をシャフト外周面に刻設された螺旋溝に突入嵌合さ
せ、これを介して該シャフトを回転させ、更に歯車同士
の噛合を介してストレートシャフトを回転させる。螺旋
溝の回転数と歯車間の速比とを適宜選択することによ
り、ピストンの往復運動に対してストレートシャフトの
回転数を広範な範囲において自由に得ることができ、低
燃費で高出力を発生させることができる。

【００３４】本発明のレシプロエンジンにおいては現行
エンジンと同じ形状および構造のエンジンブロックを用
い、冷却機関、潤滑系統、電気系統、排気系統等の関連
装置についても現行エンジンと同じものを用いることが
できるので、エンジン加工や組立においても現行の設備
を利用することができ、経済効率に優れている。

【００３５】更に、特殊鍛造鋼鉄を用いて高度の加工組
立技術を要して製造されるクランクシャフトが不要とな
り、安価に製造可能なストレートシャフトに置換するこ
とができるので、エンジン全体としての製造コストを大
幅に低減させる。

【００３６】また、エンジンの小型化が達成され、乗用
や貨物搭載のためのスペースを増大させることが可能で
ある。たとえば本発明の技術思想を基にＶ型８気筒エン
ジンを設計する場合、その軸方向寸法は直列４気筒エン
ジンと同等程度に縮小が可能であり、従来の多気筒エン
ジンに比して大幅なコンパクト化を達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の動作原理を示す説明図である。

【図２】本発明の一実施例によるＶ型２気筒レシプロエ
ンジンの概略構成を示す縦断面図である。

【図３】図２のエンジンにおける一方のシリンダーにつ
いて３−３切断線で示す横断面図である。

【符号の説明】

１回転シャフト２、３螺旋溝４、５ボス１０シリンダー１２ピストン１８内孔２０シャフト２２、２４螺旋溝２６、２８ボス３０傘歯車３２傘歯車３４ストレートシャフト

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】往復運動を回転運動に変換する装置で
あって、往復運動する部材に対してその往復運動方向に
は移動することができず且つそれ自体は回転可能に支持
される円筒状部材を有し、該円筒状部材の外周面には該
往復運動部材を嵌合する螺旋溝が螺旋状に刻設されてな
り、該往復運動部材が該螺旋溝に案内されながら往復運
動するにつれて該円筒状部材を回転させるよう構成され
てなることを特徴とする往復運動を回転運動に変換する
装置。
【請求項２】燃焼室を有するシリンダーと、該燃焼
室内で燃料が燃焼されることにより該シリンダー室内を
往復運動するピストンと、該シリンダー室の下方域にお
いて該シリンダーに対して相対回転可能であると共に該
ピストンの内孔に収容可能に支持される円筒状部材と、
該ピストンと一体的に該シリンダー室内を往復運動する
と共に該ピストン内孔に向けて突出する突出部材と、該
円筒状部材の外周面に螺旋状に刻設されて該突出部材を
嵌合する螺旋溝とを有してなり、該突出部材が該螺旋溝
に案内されながら該ピストンと共に往復運動することに
より該円筒状部材を回転させるよう構成されてなること
を特徴とするレシプロエンジン。
【請求項３】前記円筒状部材が前記シリンダーの底
面を貫通して下方に延長しており、その下端に第１の歯
車が固着され、該第１の歯車と噛合する第２の歯車を固
着するストレートシャフトが設けられ、該円筒状部材の
回転を該ストレートシャフトに伝達するよう構成されて
なることを特徴とする請求項２のレシプロエンジン。
【請求項４】前記シリンダーが複数設けられて多気
筒化されてなることを特徴とする請求項２または３のレ
シプロエンジン。
【請求項５】前記ピストンが前記シリンダー室内に
おいて回転不能であることを特徴とする請求項２ないし
４のいずれかのレシプロエンジン。
【請求項６】前記ピストンが楕円形断面を有するこ
とを特徴とする請求項５のレシプロエンジン。