JPH0742869B2 - 往復動ピストン機械 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は１つ以上のシリンダ内に往復動ピストンを備え
た機械、とくに内燃エンジン（以下、エンジンと称す
る。）に関する。本発明は、とくに燃料経済、制御およ
び運転の安定性が一層良く、しかも、摩耗および有害な
排出物が一層少ないように構成されたエンジンに関す
る。

〔従来の技術〕

この分野の技術において、シリンダ内を往復動する１つ
以上のピストンを有し、その運動は連結ロツドを介して
クランク軸を回転運動させ、またはクランク軸の運動に
よつてピストンの運動を生ずる多くの型の機械が存在す
る。そのような機械群の１つは内燃エンジンで、内燃エ
ンジンは種々の形状に配置された種々の形状の１つ以上
のシリンダを有し、異種燃料、種々の燃料噴射器または
気化器、または電気点火装置もしくは圧縮点火装置で運
転され、かつ、２または４衝程サイクルで運転される。

本発明の新規な特徴は、当該技術水準において、１つ以
上の連結ロツドおよび同様の装置を備えたすべての種類
の機械に応用することができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

通常その最大定格負荷の状態で運転する機械、とくにエ
ンジンは、長時間部分負荷で運転することがしばしばあ
る。これらの状態において高出力保持が必要であるが、
しかしながら、常に多くの内部損失を伴い、機械の効率
を低くする。

本発明の主要な目的は、その内部損失を減少するととも
にその出力保持をすることにより、機械の部分負荷効率
を改善することである。エンジンの場合、排気ガスを一
層少なくかつ清浄にすることがその目的である。本発明
の別の目的は、簡単な装置を使用することにより、エン
ジンの燃料供給および気化器に対する要求を簡単化にし
て、エンジンの速度および負荷の範囲全体にわたつて円
滑かつ安定したエンジン運転を可能にし、また多種燃料
運転を可能にすることである。

他の目的および利点は下記の明細書および図面から明ら
かになる。

〔課題を解決するための手段および作用〕

エンジンの機械的出力は実際シリンダ内のピストンの運
動から得られるけれども、この運動、従つてガスの運動
から生ずる摩擦損失は、エンジン内部の機械的損失の主
要な原因となる。公知技術において、ピストンは剛性コ
ネクテイングロツドによりクランク軸のクランクピンに
接合される。クランク軸の回転は、必然的に連結された
ピストンの対応する往復衝程を生ずる。本発明は連結ロ
ツドを新規な３要素の組合わせ、すなわち、（ａ）軸受
ブロツク、（ｂ）連結アーム、（ｃ）ロツク装置の組合
わせによつて置換えることができる。本発明は、これら
要素の使用によつて、ゼロまたは小さなピストン衝程が
エンジンから必要な動力を安定した状態で発生する部分
負荷状態において、ピストンの中の一つまたはあるもの
もしくは全部を運動させることなく、エンジンのクラン
ク軸を回転させることが可能である。本発明によれば、
エンジンが運転中であつても、シリンダ内のピストン往
復運動を、ピストンをシリンダ内のその通常の衝程の一
端に停止させることにより中止することができる。所要
の部分出力は、摩擦を少なくして、また絞りまたは過剰
空気の添加に対する要求を一層少なくして、一層有効な
動力学的サイクルから得ることができる。本発明エンジ
ンは現行のエンジンより、無負荷または部分負荷状態に
おいて、すべての速度および負荷で一層有効に運転し、
通常のエンジンのように出力を保持する。その理由は、
必要なときはいつも、ほとんど直ちに、そのすべてのシ
リンダをすべてのサイクルに対して実働化することがで
きるからである。このことは他の機械の場合にも同様に
明らかである。

本発明エンジンの一実施例において、高過剰空気比に絞
り、または維持する必要性は完全に解消され、エンジン
の出力は実働化されたシリンダの数を調節することによ
り、効果的に制御される。この数は運転要求に応じて一
定に評価される。平衡実働化されたシリンダは、その速
度でそれらの個々のピーク付近の出力で運転される。空
気は各実働化シリンダにその各実働化性サイクルにおい
て自由に供給され、また一定量の燃料が、出力または経
済性における相対的応力によつて決定される所要、たと
えば0.8ないし1.3の過剰空気係数で、これらのサイクル
の圧縮衝程中に噴射される。閉回路式フイードバツク制
御装置はエンジン速度を感知し、それを所要の速度と比
較する。エンジン負荷、または所要の加速または減速に
比例して実働衝程数は自動的に増減する。

別の実施例においては、実働衝程をすべてのシリンダに
均等に分配することにより、部分負荷運転のもとで、す
べてのシリンダにおける摩耗、亀裂および熱発生が均等
になる。さらに、別の実施例において、実働衝程をすべ
てのシリンダに均等に分配することにより、部分負荷運
転のもとで、すべてのシリンダにおける摩耗、亀裂およ
び熱発生が均等になる。さらに、別の実施例において、
非実働サイクルにおいて、シリンダの吸排気弁は閉鎖さ
れたままで電気着火は停止され、エンジンの補助的内部
摩擦は減少する。

なお別の実施例において、エンジンシリンダを別の圧縮
比にする装置は、ピストンをその停止状態から作動する
とき、軸受ブロツクを連結アームにロツクする１つ以上
の別の位置を備える。さらに別の実施例において、電気
着火を実働サイクルにおいて発生しまた抑制する装置、
および異種の燃料をシリンダに供給する装置が設けられ
る。このように変型されたエンジンは、同じまたは異な
つたシリンダにおいて、石油、ケロシン、デイーゼル油
等広範囲の燃料で運転することができる。

変型エンジンの一実施例において、エンジンピストンの
あるもの、またはすべては、サイクルの異なつた数たと
えば“X"に対して停止され、サイクルの他の異なつた数
たとえば“Y"に対して作動となる。負荷サイクルまたは
比Y/（Ｘ＋Ｙ）はサイクル（Ｘ＋Ｙ）に対応する期間に
わたつて所要の平均出力を生ずるように制御される。こ
の切換モード運転の方法は、本発明の単気筒エンジンを
制御するため使用される。別の実施例において、エンジ
ンの各ピストンは、エンジン負荷がある基準レベル以上
になるとき作動となり、それ以外は非作動となる。その
ため、ある瞬間における実働シリンダの数はエンジンの
瞬間的負荷にいくぶん比例する。この実施例において、
作動の度合に従つて異なつたシリンダに対して異なつた
構成を有するのが好ましい。たとえば、最も軽負荷で作
動となるシリンダは最小直径を有し、摩耗抵抗が大き
く、小さい気化器に接続され、低圧縮比を有し、サイク
ルにおいて等間隔にされている。一方、最大直径を有す
る最高負荷において作動となる最後の蓄積シリンダは、
大きい気化器に接続され、短い運転寿命を規定され、一
層多くの弁を有し、一層冷却を促進され、ターボ過給さ
れる。

本発明のなお別の実施例において、エンジンはブロワ装
置または同様の装置を備え、付加的空気をエンジンの排
気マニホルドに供給して１つ以上の作動シリンダによつ
て運転されるとき、排気ガスの容積を減少するため部分
的に、完全にまたは過剰補償して凝縮を防止し、掃気を
改善し、排気ガス中の汚染物質の濃縮割合を減少する。
本発明を一層よく理解するため、それがどのようにして
実施されるかを示すため、図面に基づき、電気着火、直
列４気筒、燃料噴射、無過給かつ気化器のない４衝程石
油運転自動車エンジンの実施例を説明する。

第１図は本発明エンジンの一実施例における代表的エン
ジン要素の形状を示す、中心線に沿う連結アーム、軸受
ブロツク、ニードル軸受および中心線に沿うクランク軸
のクランクピンを断面にした、１シリンダのいくぶん線
図的断面図である。図示のように、ピストンは上死点に
停止し、クランクピンが中間位置にある。軸受ブロツク
は連結アームの中間にあり、その中で自由に摺動するこ
とができる。軸受ブロツクの軸方向孔は、オイルをクラ
ンクピンからこの運動部材の潤滑のため輸送する。第２
図はクランクピンの同じ角度位置に対する実働ピストン
の場合の同様の図。第３図は孔内の垂直逃げ溝およびソ
レノイド集合体を備えたピストン、ロツクフレームおよ
びシリンダブロツクを示す第１図のＡ−Ａ線に沿う断面
図である。この溝の頂部に、横孔がシリンダブロツクか
ら開き、ソレノイドコイルが付勢されるときはいつもソ
レノイドプランジヤはこの溝に入ることができる。プラ
ンジヤの十字ハツチング部分は磁性材料から作られ、一
方その残りは非磁性材料から構成されている。

第４図は連結アーム、軸受ブロツク、ロツクレバー、ロ
ツクピンおよびロツク板を含むロツク機構およびアーム
を伸長したピストンを示す。第５図は電子回路の略線図
である。

第２、３図は作動モードのピストンを示す。ソレノイド
コイルは消勢され、プランジヤは、ばねによりシリンダ
から引出されている。この位置において、プランジヤに
取付けられたシフタは、すべてのロツカアームの垂下し
た部分をそれぞれ押棒と一線上に設置し、弁の通常の運
動を可能にしている。ピストンの延長アームに自由に支
持されたロツク板は、また全衝程を通じてピストンとと
もに自由に移動することができる。この状態で、圧縮ば
ね11はピン９を押し、ロツク板の上端部はサークリツプ
内面に押付けられ、引張りばね12は、ロツクレバー８の
頂部を、軸受ブロツクの押込孔にその頂部テーパ面が楔
入するまで引張り、その一方、連結アームの底面は軸受
ブロツクの肩面と一致して、通常のエンジンのコネクテ
イングロツドとは異つた軸受ブロツクおよび連結アーム
の組合わせの外観および作用のものとなる。

第１図のようにピストンを停止するため、ソレノイド17
は付勢され、プランジヤ18をシリンダの逃がし溝に引張
り込む。ロツク板の上向き運動の終り頃に溝に突入し、
ピボツトピン13の軸線と同じ水平面内にある頂面は、こ
のプランジヤによつて阻止される。これは、同時にその
下端をシリンダ孔の凹所に進入させ、その上端部をロツ
クピンしたがつてロツクレバーの底部を押す。前の作用
はピストンをシリンダ孔に保持させ、後の作用はロツク
レバーを回転させてそれを軸受ブロツクから引出し、軸
受ブロツクと連結アームとを分離する。ピストンの上死
点までにこの作用は終了し、クランクピンのそれ以上の
作用は、連結アームを除いて軸受ブロツクのみを輸送
し、ピストンをその上端位置に残し、連結アームを固定
ガジヨンピンの周りに旋回する振子のように振動させ、
その軸線はクランクピン中心と整合する。減摩ニートル
軸受５は、連結アームと軸受ブロツクとの間の相対運動
の摩擦を減少する。プランジヤが引込むと同時にロツカ
アームの垂下部分を押棒との整合から外し、ピストン停
止中、弁運動を停止する。ピストン集合体とシリンダと
の間の摩擦を、連結アームと軸受ブロツクとの低摩擦に
よつて置換えると、往復動質量によつて生ずる小さい内
力のため、主ジヤーナルおよびクランク軸のクランクピ
ン軸受の摩擦力を減少し、ガス交換および弁歯車の機械
的損失は、１つ以上のシリンダを停止した変型エンジン
では通常のエンジンより一層有効な作用を奏する。

サイクルのクランクピン上死点位置の前またはその位置
で起るソレノイドコイルの消勢は、上記作用を逆転し、
連結アームをふたたび軸受ブロツクに係合させ、ピスト
ンをシリンダ内で自由にする。ロツカアームの垂下部分
は押棒と整合し、最後に通常のエンジンのようにシリン
ダのすべての作動機能を回復する。

上記４衝程エンジンにおいて、ピストンは下記に説明す
る装置により、吸気衝程と排気衝程との間で上死点にお
いて活性化される。

第５図はエンジンを制御する電子回路を示す。電位差計
24は加速ペダルによつて機械的に駆動され、その変位に
比例する電圧信号を発生する。エンジン速度に比例する
フイードバツク電圧がこの入力電圧から導かれ、その結
果は増幅される。ブレーキペダルの押下げは増幅器への
別の入力を生じ、最大の正の出力電圧を発生する。

増幅器からのアナログ信号はA/D変換器において、順に
重要度が増加するＬφ、L1、L2、L3およびL4と指示され
たビツトによつて、４ビツト２進コードに変換される。
負またはゼロ入力は出力φφφφを生じ、ある値以上の
またはその正の大きさは最高の２進出力1111を生ずる。
中間のアナログ値は、プログラムされた出力の中間の２
進値に変換される。この４ビツト出力はラツチ保持さ
れ、ラツチ出力φ４のフオーリングエツジにおいてだけ
変更される。この16サイクルの期間は、さらにそれぞれ
４サイクルのサブ期間に分割される。

パルスはエンジンからサイクル毎に得られ、かつ12段２
進デバイダ／カウンタに伝達される。それぞれQ3および
Q4の２進コード出力の４つの可能な組合わせが、４サイ
クルサブ期間を限定する。これらの出力をラツチの４ビ
ツト２進出力と一緒に使用することにより、下記の４つ
の論理数が得られる。すなわち、 C1＊＝L1・Ｌφ＋（L1＋Ｌφ）・Q4＋Ｌφ・Q3・Q4 C2＊＝L2＋L3 C3＊＝L3 C4＊＝L2・L3 これらの４つの信号はエンジンの実際のシリンダ制御信
号となる。論理１はシリンダが作動モードにあることを
意味し、論理φはシリンダが停止モードにあることを意
味する。

この基準における４つの実際のシリンダ運転によるエン
ジンの負荷サイクルおよび指示出力は、第１表に示され
ている。

実際のシリンダの論理値は、回転基準における実際のシ
リンダに割当てられる。エンジンの512番目毎および102
4番目毎のサイクルに対応する、２進デバイダ／カウン
タからの出力Q1φおよびQ11は、それぞれの異なつた組
合せによつて、４つの各マルチプレクサの異なつた出力
を共通の入力−C1＊、C2＊、C3＊およびC4＊から選択
し、それらは第２表のように個々のシリンダの制御論理
変数となる。

指定されたソレノイドは別々のＤフリツプ−フロツプを
通り、マルチプレクサの出力によつて付勢される。エン
ジンカム軸のシヤフトエンコーダはタイミングパルス
を、排気衝程の終りに、各ピストンの上死点位置前10゜
で個々の導線に伝達する。これらのパルスは対応するＤ
フリツプ−フロツプにクロツク信号を送り、フリツプ−
フロツプの状態変化が対応するシリンダの個々の作動サ
イクルと確実に同期させる。

別々のソレノイド作動プランジヤ（図示せず）は、燃料
を吸気および圧縮サイクル中シリンダ内に供給する。こ
の電気着火に先行する燃料噴射は、シリンダに（１）ピ
ストンが実働下であり、（２）ブレーキペダルが押下げ
されていないときだけ生ずる。噴射される燃料量はプラ
ンジヤ衝程によつて制御され、衝程は混合物の所要の富
度に従つて調節される。

本発明の利点を適用し得る多くの型の機械が存在する
が、実際異なつた機械に対して本発明を実施する多くの
異なつた方法および手段が存在する。本明細書において
個々に与えられた名称は単にその機能を示唆するための
ものに過ぎず、各要素の構造、形状または大きさを制限
するものでない。

〔発明の効果〕

本発明は、往復動ピストン機械において、軸受ブロツク
と連結アームの相対運動を、ロツク装置の使用により、
機械の１運転モードにおいて停止またはほゞ制限する装
置、軸受ブロツクと連結アームとの相対運動を機械の第
２運転モードにおいて可能にする装置、およびピストン
ならびにクランクピンが上下死点付近にあるとき前記運
転モードを変更する装置を備えたことにより、無負荷ま
たは部分負荷において、その内部損失を減少するととも
にその動力を維持することによつて、機械の運転効率を
改善し、とくにエンジンの場合、排気ガスを一層少なく
かつ清浄にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明エンジンのいくぶん線図的側断面図、第
２図はクランクピンの同じ角度位置に対する作動ピスト
ンの場合の同様の図、第３図は第１図のＡ−Ａ線に沿う
断面図、第４図はロツク機構およびアームを伸長したピ
ストンを示し、第５図は電子回路の線図である。 １……シリンダブロツク、２……ピストン、３……ガジ
ヨンピン、４……連結アーム、５……ニードル軸受、６
……クランク軸、７……軸受ブロツク、８……ロツクレ
バー、９……ロツクピン、10……ロツク板、11,12……
ばね、13,14……ピボツトピン、15……バイメタルブツ
シユ、16……サークリツプ、17……ソレノイドコイル、
18……プランジヤ、19……ロツカアーム、20……押棒、
21……弁、22……シフタ、23……加速装置電位差計、24
……振動数−電圧変換器、25……加算増幅器、26……ア
ナログ−デジタル変換器、27……12段２進計数器、28…
…４ビツトラツチ、29……フリツプ−フロツプ、30……
ブレーキスイツチ、31……４チヤンネルマルチプクサ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１つ以上のシリンダに対してピストン
   （２）と、このピストンに直接または間接に接合された
   連結アーム（４）と、クランク軸の周りに組立てられ上
   記連結アームに連結する軸受ブロツク（７）と、ロツク
   装置を含む要素とを備えた往復動ピストン機械におい
   て、軸受ブロツクと連結アームとの相対運動をロツク装
   置の使用により該機械の１運転モードにおいて停止また
   は制限する装置と、軸受ブロツクと連結アームとの相対
   運動を該機械の第２運転モードにおいて自由にする装置
   と、ピストンならびにクランクピンが上下死点位置付近
   にあるとき前記運転モードを切替える装置とを備えた往
   復動ピストン機械。
2. 【請求項２】軸受ブロツクと連結アームとの相対運動が
   第２運転モードにおいて往復直線運動である請求項１記
   載の往復動ピストン機械。
3. 【請求項３】シリンダ内のピストン位置を第２運転モー
   ドにおいて上下死点のいずれかにおいてまたその付近に
   おいて位置決めし保持しまたは制限する装置を備えた請
   求項１記載の往復動ピストン機械。
4. 【請求項４】前記機械の負荷を見積り測定しまたは予想
   する装置を備え、この負荷がどのシリンダをこの第２運
   転モードで運転すべきかを決定する唯一または多くの基
   準の一つとして使用される請求項１ないし３のいずれか
   １項に記載の往復動ピストン機械。
5. 【請求項５】ピストンが１つ以上のガジオンピンまたは
   同様の回転継手によつて連結アームに連結され、軸受ブ
   ロツクの一部はピストンの凹所内に延び第１運転モード
   において連結アームに沿つて内部をまたはその周りを移
   動し、ロツク装置の少なくとも１部分は前記ガジオンピ
   ンまたは回転継手のいずれかの内部に、またはその周り
   にあるいはその付近に設置される請求項１ないし４のい
   ずれか１項に記載の往復動ピストン機械。