JPH07504729A - 改良された内燃機関 - 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】 改良された内燃機関 発明の分野 本発明は一般に内燃機関に関する。より特定的には、本発明は、はぼ半径方向の レイ゛アウトで固定シリンダ内に収納されたピストンによって駆動され、中央回 転カム装置（以下ｒＲＣＵＪと称す）を用い、好ましくはピストンおよびバルブ 列を動かすために３つのレースウェイを有する内燃機関に関する。この回転ＲＣ Ｕは従来のクランク軸の代わりとなる。

発明の背景 あらゆる内燃機関（たとえばオツトーサイクル、ディーゼル、および２サイクル ）の歴史は１６７８年まで逆上ることができ、この年にフランス人アブーオート フィーユ（＾ｂｂｅ　Ｈａｕｌｅｌｅｉｌｌｅ）がピストンを動かして稼動させ るためにシリンダ中に火薬の力を用いることを提案した。彼の原理は今日でも飛 行機を空中へ推進させるために航空機のキャリアに用いられている。成功した最 初の作動エンジンは上送りビーム（ストリート（Ｓｌｕｅｔ）のエンジン１７９ ４）ならびにラックおよびギア配列（バーサンティおよびマテウッシ（Ｂａｒｓ ａｎｌｉ　ａｎｄ　Ｍａｌｅｕｃｃｉ　）　１８５６ならびにオツトーおよびラ ンガン（旧ｔｏ　ａｎｄ　Ｌａｎｇｅｎ　）　１８６６）を用いてピストンの往 復運動を回転運動に変換した。力学的な力を発生するものとしては当時は蒸気エ ンジンが最も一般的であり、蒸気エンジンのクランク軸が内燃機関の標準的な特 徴となるのに時間はかからなかった。クランク軸は蒸気エンジンで非常にうまく 稼動した。ピストンは有害となる頻度を十分に下回る１分間に数百ストローク以 上に往復運動することはめったになかった。冷却および潤滑は油性蒸気によって なされた。ピストンはボアに横圧ではなくスラストのみがかかるように整列させ られた。圧力の速度は緩慢で安定しており、大抵はピストンの両側にかけられた 。現在の内燃機関内側の環境と比較していただきたい。

圧力は緩慢ではなく爆発的である。熱は多くの金属を溶かすのに十分なほど高熱 である。作動流体は潤滑の役目を果たす油性蒸気だけではなく苛性酸を含むホワ イトホットフレームも含まれる。この高温のガスがピストンをブローバイし、オ イルをエツチング溶液に変える。

このことから、現在の内燃機関は非常に耐久性が高いということを認めなければ ならない。しがしながら、非常に進歩していると考えられる一方で、これらの内 燃機関は実際は達成可能な効率を下回っており、これはなぜなら熱エネルギの力 学的エネルギへの変換がピストン、接続ロッドおよびクランク軸によって行なわ れるためである。

熱エネルギから力学的エネルギへの変換の第１のステップは、パワーストローク 中のピストンの直線運動である。

この直線運動は次に接続ロッドの角運動に変換され、クランク軸の円運動を生出 す。変換のこの段階におけるピストンの摩滅はクランクの形状によってピストン にかけられる莫大な横圧によって引起こされる。だがこれはクランク軸を用いる ことによって生じる多数の問題点のうちの１つにすぎない。

クランク軸システムに固有の梃子の形状の効率が悪いため、かなりの量のエネル ギ、ひいては効率が燃焼工程から失われる。しかし、クランク軸エンジンの最低 の設計上の欠陥はその固有の不均衡さである。

相対的なダイナミックバランスの状態は補正重量または回転バランス軸を加える ことによって得られる。エンジンの速度が変化するに従って、これらの重量の共 振振動数が達成され、エンジンの振動を開始する。このことはエンジンの設計者 にとって解決の困難な問題を作り出す。現在のエンジンのあるものでは、この固 有の不均衡さを平滑化するために９つもの回転軸および反回転軸が必要である。

しかし、移動質量部材によって引起こされる不均衡さの問題に加えて、燃焼工程 自体が爆発性であるという問題点がある。オツトーサイクルエンジンのパワー発 生ストロークは約１６０度の持続期間があり、これは所与のシリンダにおいて一 度おきの回転（７２０度）でのみ発生する。これをパワー人力に変換すると時間 の約２２％にすぎない。

燃焼量が増大するにつれて圧力は減少するため、かつピストンの梃子はクランク の回転とともに変化するため、蒸気エンジンでのようには力は滑らかなスラスト で伝動しない。

パワーのパルスがこのように頻度が低く不均一であることはこれらのエンジンに 対する別の固有の設計上の問題点である。これを克服するために、設計者らは２ つの方法を追求してきた。第１に、爆発の動揺を低減し、運動量を次のパワース トロークに移すために、重いフライホイールが用いられた。これらのエンジンは そのパワー出力の割には非常に重量が重かった。初期の１馬力エンジンのあるも のは馬よりも重かった。その後設計が進み、それぞれのオフセットでクランク軸 上にいくつかのピストンが用いられた。

これによりパワーストロークが重なることが可能となった。

８シリンダエンジンは１回転当り４つの重なり合うパワーストロークを有する。

しかしこれによりさらなる不均衡の問題を克服しなければならなくなり、かつパ ワーを与えるためにより多くの回転および反回転重量軸およびギアまたはチェー ンが必要となった。この固有の不均衡さを克服するためにエンジン中に組込まれ なければならない過剰な動的重量のため、エンジンが克服しなければならない慣 性負荷および摩擦負荷を加えるだけの結果となった。クランク軸システムにおけ るこれらの摩擦損失は十分に認知され、その後何年にもわたって広範囲に研究さ れてきた。

標準的なオツトーサイクルエンジンにおける燃焼プロセスもまた改良を必要とし ている分野である。１８７３年まで逆上って、アメリカ人ブライトン（Ｂ＋ａ７ ｊｏｎ　）が燃焼ガス完全膨張のパワーを用いるという独特の特徴を有するエン ジンを開発し、これは海洋で蒸気船を実用的なものとしたマルチステージの蒸気 エンジンとよく似ていた。ここでは横に並んだ２つのシリンダと非常に複雑なバ ルブシステムが用いられた。一方のシリンダは混合気を事前に圧縮するために用 いられた。他方のシリンダは爆発したガスを大気圧まで完全に広げるのに十分な 大きさであった。多数のエンジンが製造されたが、クランクの摩擦および非効率 性、ならびに大規模で複雑なバルブ列のために、対抗するオツトーサイクルエン ジンに対してわずかな改良がなされたにすぎなかった。ブライトンの工程はピス トンエンジンについては完全に捨てさられたが、ガスタービンエンジン工程につ いてはなお用いられている。

過去５０年の間に、クランクシャフトエンジンの多数の欠陥のために数多くの研 究がなされ代替の設計が生出されてきた。この結果、ロータリー設計、タービン 、および他のタイプのコンパクトな動力装置がもたらされた。何らかの理由によ り、その多くは今日に至るまで世界中のエンジン製造業者の注目を集めることが できなかった。しがしながら、特に自動車業界においては、さらに良質なエンジ ンを開発することが強く必要とされている。当初は、重量１ボンド当りのパワー 出力を高めるための研究がなされた。

近年では、走行距離を向上させ汚染を低減させることに開発の焦点が置かれてい る。

しかしながら、自動車業界がこれらの新しいエンジンの設計を製造に移すことに 飛付かないのにはいくつかの根本的な理由がある。新しいエンジンの設計のほと んどは、従来のパワープラントよりも大規模で、重量が重く、より複雑でより高 価な装置を必要とする。また、最近の新しい設計はどれも、公知の保証された技 術からかけ離れている。

とくに外燃機関についてはそうである。しかしワンケル（Ｗａｎｋｅｌ）ロータ リエンジンまたはガスタービンエンジンのような、すぐに実用化できて合理的な 選択のことを考えてみると、どちらも明らかに欠点を有する。効率が悪いために これらは両方とも広く受入れられてはいない。これらの共有する他の問題点はこ れらの設計は世界中の自動車工場にある何十億ドルもの機械工具、特別な装置お よび労働力をもってしても簡単には製造できないということである。

税法および減価償却スケジュールのために製造工場が急激に変化するのは困難で ある。このため、これら２つのエンジンは航空機および小規模なスポーツカーの 製造においてはおそらく確実に使用されるであろうが、大量生産に使用されるこ とはまずないように思われる。

先に述べたように、従来の内燃機関は、クランク軸接続ロッドメカニズムに存在 するエネルギ損失のために、エネルギを往復運動するピストンからドライブシャ フトに効率的に移すことができない。また、このレイアウトはかなりのバランス 装置を必要とするためエンジンをより複雑化する。さらに、従来の内燃機関は燃 焼生成物を大気圧に至るまで減圧することができないため、燃焼による可能な出 力のかなりの割合を浪費していることになる。また、従来の内燃機関にはブロー パイ問題（燃焼ガスの漏れが直接クランクケース領域に入り汚染の原因となる） があり、燃料を完全燃焼しないため、燃料消費が多く、馬力が失われ、汚染が生 じる。

上述のように、ラジアルエンジンを含む先行技術の内燃機関は、ピストンおよび 接続ロッドに加えられるすべての力の処理が不適切であるため、非常に効率が悪 かった。先行技術のエンジンは、ピストンの中心線に平行に作用する力を用いる 一方で、その中心線に平行には作用しない、ピストンおよびロッド上に作用する 力の処理が不適切である。

ロッドが燃焼チャンバボアの中心線沿いにない場合にクランクロッド上に働くよ うな外部力は、典型的にはピストンまたはロッドに移される。ピストンに力が伝 動されると、ピストンは燃焼チャンバ壁に対して動かなくなる。ブシュを通過す るロッドに伝動されると、ロッドは動かなくなる傾向がある。いずれの場合も、 ピストンおよび／またはロッド上の摩擦力が増大するにつれて、外部力はエンジ ンの効率を低下させる。

したがって、改良された内燃機関が所望され、この内燃機関は（ａ）ピストンお よびロッドからの外部力を効果的に制御および消散し、（ｂ）燃焼ガスの膨張エ ネルギをより多（パワー出力に変換し、（ｃ）往復運動を効果的に回転運動に変 換し、（ｄ）汚染の発生を低減し、（ｅ）固有にダイナミックに均衡であり、（ ｆ）円滑に稼動するために１回転につき多数のパワーパルスを有し、（ｇ）構成 する部品を最小限にするために単純な設計であり、（ｈ）現在の大半のエンジン 工場にある既存の設備を用いて容易に製造できる。

関連すると思われる先行技術には、米国特許第３．４８２．５５４号（エヌ’？ −ティンズ（Ｎ、　Ｍａｒｊｈｉｎｓ　）　）　、第３．９４８゜２３０号（エ イ・バーンズ（＾、　Ｂａ「ｎｓ）　）　、および第４，３３４゜５０６号（エ イ−アルバート（＾、　ＡｌｂｅＮ　）　）がある。

マーティンズへの米国特許第３．４８２．５５４号は等間隔のカム４を有するロ ーブの付いたカムディスク３を含むｖ型の燃焼エンジンを開示する。ピストンロ ッド９は一方端部でピストン８に、かつ他方端部でローラ１０にきつく固定され る。カムディスク３の回転はピストン８の上向きの移動を生じ、下向きの移動は シリンダ中の燃焼スラストによって引起こされる。

バーンズへの米国特許第３．９４８．２３０号は、第１のロータ１４の３つのロ ーブ１６の各々上に回転可能に載置されるクローバ型の第２のロータ１５を有す る第１の三角形のロータ１４を含むロータリエンジンを開示する。第２のロータ １５は各ローブが第３のピストン１９のそれぞれのペースの窪み部分２９に係合 した状態で、反対方向に動く。

アルバートへの米国特許第４．３３４．５０６号は、楕円形のカム表面６２を有 する中空の固定ブロックを有する往復運動ロータリエンジンを開示する。ピスト ン２８はピストンロッド３０によってローラベアリング４２に結合される。楕円 形の表面により、１回転中にピストンが予め定められた数の回転度うちでストロ ークを完了することが可能となる。

しかしながら、上述の特許は、汚染ガスを低減し、構成部品を最小限にする単純 な設計を持ちながら、往復運動を回転運動に効率的に変換する改良された内燃機 関を開示していない。マーティンズおよびアルバートは両方とも、放射状のシリ ンダレイアウトのピストンを有するエンジンを開示していない。また、これらの 特許された発明はすべての不燃焼排気ガスを除去しない。

する単純な設計を与える一方で、往復運動を効率的に回転運動に変換するための ラジアル内燃機関を提供することによって、先行技術の制限を克服する。

本発明に従って、内燃機関は、 前記ドライブシャフトにほぼ垂直な面に放射状に配列された複数個のシリンダと 、 前記シリンダの各々につき１つ配置された複数個のピストンと、 各々第１の端部と第２の端部とを有する複数個の接続ロッドとを含み、前記ピス トンの各々は前記第１の端部で前記ロッドの１つに接続され、さらにこの内燃機 関は前記面において前記シャフトを中心に回転可能であり、かつそのまわりに複 数個のカム表面を有するカムを含み、前記表面のうちの第１の表面と第２の表面 とは前記ドライブシャフトへ向かって内側に向いており、前記表面のうちの第３ の表面は前記ドライブシャフトから外へ向かっており、前記第１および第２の表 面は前記第３の表面の両側にあり、この内燃機関はまた 前記第２の端部で前記ロッドの各々に結合される複数個のカムフォロアを含み、 前記フォロアのうちの第１のフォロアと第２のフォロアとはそれぞれ前記第１の カム表面と前記第２のカム表面とを係合するようにされ、第３のフォロアは前記 第３のカム表面を係合するようにされ、この結果、実用においては、前記カムが 回転すると、前記第１のカム表面と前記第２のカム表面とは前記第１のカムフォ ロアと前記第２のカムフォロアとを係合して、結合されている接続ロッドを引き 、かつ前記第３のカム表面は前記第３のカムフォロアと係合して前記接続ロッド を押す。

本発明はまたラジアル内燃機関を提供し、このラジアル内燃機関は エンジンブロックと、 エンジンブロックの中心線に沿って回転可能に配置されるドライブシャフトと、 回転可能なカム装置とを含み、前記回転可能なカム装置は複数個のカム拡張部を 有し、前記各カム拡張部はのぼり端縁とくだり端縁とを有し、前記回転可能なカ ム装置は前記ドライブシャフトに載置され、前記カムは前記ドライブシャフトに ほぼ垂直な面で回転可能であり、さらにこの内燃機関は 前記回転可能なカム装置のまわりに放射状に配置された複数個のシリンダと、 前記シリンダの各々に配置されたピストンと、多数の接続ロッドとを含み、前記 ロッドの数は前記ピストンの数に対応し、各ピストンには前記ロッドの１つの一 方端縁が接続され、さらにこの内燃機関は前記ピストンに取付けられた端部と対 向する位置の各ロッドの端部に結合された少なくとも１つのカムフォロアを含み 、前記カムフォロアは前記回転可能なカム装置上で前記カム拡張部と係合するよ うにされ、さらにこの内燃機関は 前記ロッドの整列を維持し、かつ長手方向の軸以外のすべての方向に各ロッドの 移動を制限するためのロッドガイド手段を含み、前記ガイド手段は雄係合部材お よび雌係合部材を含み、前記部材の一方領域は前記ロッドと関連してともに移動 し、前記部材の他方領域は前記ロッドに関して固定される。

本発明の他の実施例は、ピストンの往復運動をドライブシャフトの回転運動に変 換するための内燃機関用カムを提供し、このカムは、中央のカム本体と、前記カ ム本体上の中心の最も内部にあるカム表面と、前記カム本体上の２つの外部カム 表面とを含み、前記外部表面の各々は前記中心のカム表面の対向する側にある。

本発明はまた、内燃機関のピストンに取付けるための接続ロッドアセンブリを提 供し、このアセンブリでは前記ピストンの往復運動が前記ロッドによって回転可 能なカムに伝動され、前記アセンブリは、 その第１の端部を前記ピストンに取付けるようにされた２つの端部と、１つの長 手方向の軸とを有するシャフトと、複数個のカムフォロアとを含み、各カムフォ ロアは前記カムと係合するための表面を有し、かつ前記表面が前記軸にほぼ垂直 な状態で前記シャフトの前記第２の端部に載置され、前記フォロアは、前記ロッ ドの前記軸について対称的に載置された少なくとも１つの第１のカムフォロアと 、前記軸からずれた少なくとも１つの第２のカムフォロアとを含む。

より特定的には、好ましい実施例において、本発明は、ドライブシャフトに結合 された中心に位置決めされた回転カム装置（つまりＲＣＵ）を提供する。ＲＣＵ は外部端縁中に形成された一連のカム拡張部を有する。好ましい実施例では、Ｒ ＣＵは４つのピストンとともに稼動するように設計される。特定のＲＣＵの形は ピストンに等加速度を与えるように設計される。４つのシリンダはＲＣＵのまわ りに放射状に配置され、ピストンは各シリンダ中に置かれる。

ピストンのベースにはカムフォロアが置かれる。ＲＣＵが回転すると、ピストン はカム拡張部のうちの１つののぼり端縁によって上向きにシリンダ中に入れられ る。これによりピストンに混合気を圧縮させる。次にシリンダ中のスパークプラ グが混合気に点火し、これによって生じる燃焼がピストンを下に下げる。ピスト ンがその特定のシリンダ中で下に動くと、カムフォロアはカム拡張部のくだり端 縁と係合し、これによってＲＣＵおよび関連したドライブシャフトを横に変位さ せ、回転運動を誘起する。ピストンがストロークの底部で吸気孔および排気孔の 両方を露出すると冷却が行なわれ、空気を吸気コンプレッサからピストン中へ移 動させて排気孔から外に出す。この結果、本発明は低速度で高トルクを生出し、 ギアボックスの必要性をなくす。

本発明はまた、従来のエンジンと比べてドライブシャフトの回転当りのパワース トロークの数を増大し、クランク軸の必要性をなくすることによってＲＣＵを使 用してバランスを達成するために必要な装置の数を最小限にする。さらに、本発 明はわずか２つのベアリングしか必要としないため、摩擦による損失が最小限に される。代替の実施例として本発明のエンジンのディーゼル形式のものでは、燃 費のよい混合気を用いることによって不燃焼した排気ガスが除去される。

本発明は先行技術のエンジンに対して多数の利点を提供する。まず、独特のロッ ドガイドシステムを用いることによって接続ロッドとピストンとの摩擦および接 合を低減する。ピストンと反対のロッドの端部に置かれるカムフォロアはＲＣＵ 上のレースウェイと接触する。ＲＣＵが回転すると、これらのフォロアはレース ウェイに沿って回り、ロッドとＲＣＵとの間で力を伝動して、ピストンを燃焼チ ャンバ中で往復運動させる。

ピストンから離れた端部において、ロッドはロッドガイドと係合する細長い部材 を有する。ロッドガイドは好ましくは、エンジンブロックに取付けられるか、ま たはその一部として形成されるガイドプレートに取付けられるか、またはその一 部である。細長い部材は好ましくはリブおよびスロット配列でロッドガイドを係 合し、ピストンが往復運動する以外の全方向にロッドの動きを制限する。

ロッドが制限される独特の態様のために、破壊的な力（ピストンの中心線に沿っ ては作用しない力）がエンジンブロックに伝えられて消散させられる。この配列 により、これらの力がピストンまたはロッドに伝えられることが防止され、もし 伝えられればこれらの力は高い摩擦および接合を引起こしてエンジンの効率を下 げるであろう。

さらに、好ましい実施例において、本発明のエンジンは出力シャフトが回転する ごとに、１シリンダ当り２つのパワーストロークをイ乍り出す。これにより４シ リンダエンジンである本発明の実施例が１６シリンダのオツトーサイクルエンジ ンと同じ数の１回転当りのパワーストロークを有することが可能となる。好まし い実施例において、燃焼チャンバは、ブローパイがオイルを汚染したり汚染を引 起こしたすせずに、燃焼チャンバ中へ再循環して戻ってエンジンから出ていくよ うに、移動しているピストンのうしろ側に同サイズの圧縮チャンバを有する。ピ ストンは３つのレースウェイを有する前記ＲＣＵによって往復運動する。主カム 表面は、ピストンの方向に向いているＲＣＵの中心にあり、ピストンの力（下向 きの力）を直接シャフトに伝える。他の２つのカム表面はこの主カムの各側面上 にあり、ピストンから離れて中心シャフトの方へ向き、そのストロークの頂部へ 戻る間にピストンの動的な力を保持するために用いられる。ＲＣＵは、ピストン の接続ロッドアセンブリ上に均等な加速力および減速力を与えるような形状にさ れた２つのローブまたはカム拡張部を有する。

ＲＣＵのレースウェイ表面は特別に設計されたカムフォロアのローラーベアリン グによって移動する。より特定的には、好ましくは、ピストンに対向する各ロッ ドの端部上に３つのフォロアが位置する。１つの中心のフォロアは中心のレース ウェイを移動し、ピストンの下向きの力をＲＣＵに伝え、かつフォロアがカム拡 張部のうちの１つを横切って進むときにピストンを上向きに押し上げる。２つの 外部フォロアもまたロッドの端部上に載置される。これらのフォロアの各々はＲ ＣＵの外部レースウェイの１つの上を進む。これらのフォロアはピストンを下向 きのストロークに案内する助けとなり、かつシリンダの頂部へ戻る間にピストン を保持する。

ピストンおよびエンジンの頂部端部はブライトンのエンジンサイクルと幾分機能 が似通っているが、ただし部品が少なく、かつサイクルが１つ少ない。ブライト ンのエンジンでは、通常は２つのピストンおよび２つのシリンダがあった。ブラ イトンはまた２つのピストンの上およびその間に別個の燃焼チャンバを有してい た。１つのピストンは充填燃料空気を圧縮して爆発のために燃焼チャンバ中へ入 れた。その後パワーチャンバ中へ抜かれてこのパワーストロークを介してピスト ンを押し出す。このパワーストロークにおいて、充填ピストンは次の充填物を引 込んでいた。上部のストロークにおいて、パワーピストンは燃焼した充填物を排 気し、こうして工程が再び開始された。

本発明では、２つのピストンチャンバは上方のシリンダ中に存在し、これはピス トンの上にあたる。パワーストロークがピストンを押し下げるとき、ピストンの 下で充填空気を圧縮してピストンの横の事前燃焼チャンバ中へ押し込め、ここで ポートの覆いがとられると、爆発力によって燃焼チャンバ中へ勢いよく入る。こ のときまでに排気孔が開いており、燃焼した充填物は一部排気されている。した がって、パワーチャンバ中では排気ストロークはなく、圧縮およびパワーストロ ークのみが存在する。

こうして、本発明のエンジンでは、ピストンは従来の大半の２サイクルエンジン におけるようにクランクケース中ではなく、むしろピストンの横のチャンバ（事 前燃焼チャンバ）中へ空気を押し入れる。これにより標準的な２サイクルエンジ ンに対して本発明のエンジンの効率は改善され、ガスにオイルを加える必要性が 取除かれる。また、かかる従来の２サイクルエンジンによって引起こされる顕著 な排気の問題も除去される。弁の開閉はピストンおよび吸気孔のリードバルブに よってボートを覆ったり覆いを取除いたりすることの組合わせによってなされる 。

本発明の力学はもともと均衡がとれている。各ピストンは力学的に完全に同期し ている対応の部分を有する。さらに、好ましい実施例では、共通面内における両 方向の９０度のところにもう１つ別のピストンの対があり、これらは同じ態様で 移動するが位相が反対である。４つすべてのピストンの力学は時間および力の面 で等しい。エンジンのどの動きおよび力についても、それに反作用する等しくか つ正確に反対の力が存在する。これにより、１回転当り８パワーパルス（ｖ−８ の数の２倍）に結合されて、本発明は円滑さにおいて電気モータに匹敵すること ができる。

このバランスおよび円滑な力学的な性能は設計によるものであり、いくつかの動 力を奪うカウンタ重量またはカウンタ回転軸を加えることによって達成されるも のではない。

当然、ＲＣＵの高い極性軸により重いフライホイールの必要性は排除される。ま た、動力を奪うバルブ列がないためにエンジンの効率がさらに上昇する。本発明 の単純な形状によってエンジンの全体の重量が下がり、これはひいては乗物の重 量を低減しかつ乗物の効率を高める。

本発明は先行技術のエンジンに対して他の利点を有する。

好ましい実施例において、本発明は、標準的なＶ−８エンジンでは４０もの金属 間ベアリングを使用しているのに対して、１２の油圧ベアリングおよび２つの抗 摩擦ベアリングを使用する。さらに、本発明の好ましい実施例では、ＲＣＵ、４ つのピストン、および４つの接続ロッドといったわずか９つの主要な移動部分し か含まない。対照的に、平均的なＶ−８エンジンはクランク、８つのピストン、 ８つのロッド、２つのバルブ列スプロケット、タイミングチェーン、１つのカム シャフト、１６の油圧弁調整器、１６の押し棒、１６のロッカーアーム、１６の バルブばね、および１６のバルブを有し、これは本発明の主要な移動部分の約１ ０倍の数である。安価で軽量なエンジンの中に入る部品が少ないため、出力１馬 力当りの内部摩擦が少ない。

さらに、本発明のエンジンは従来のエンジンよりもわずかに遅い速度範囲で動作 する。これはなぜなら、ＲＣＵがピストンの力を受取る出力シャフトの中心から の距離が標準的な自動車エンジンの１．５から２インチよりもはるかに長いため である。ここでは、ピストンの力は負荷に対してより大きな梃子の力を有し、そ の結果非常に増大したトルク出力を生み出す。本発明のエンジンはサイズが小さ く重力の中心が低いため、数多くの応用に柔軟に対応できる。

もちろん本発明は、当業者であればだれでも行なうことができるようなわずかな 修正のみを行なって、標準的な伝動装置または変速装置に限定するように構成す ることができる。オイルがピストンの底部に対して飛散らないため、本発明のエ ンジンの他の構成は容易に設計することができる。

図面の簡単な説明 図１は本発明のエンジンの斜視図である。

図２はエンジンの４分の１の部分を取除いた場合の本発明のエンジンの切取図で ある。

図３は本発明のエンジンのための回転カム装置の斜視図である。

図４は本発明のエンジンのための回転カム装置の形状を示す図である。

図５は本発明のエンジンのための回転カム装置の他の形状を示す図である。

図６は本発明のエンジンのための回転カム装置の好ましい形状を示す図である。

図７は接続ロッド、フォロア、ロッドガイドおよびロッドガイド板を示す本発明 のエンジンの切取り斜視図である。

図８は本発明のエンジンのためのロッドおよびロッドガイドアセンブリの斜視図 である。

図９は本発明のエンジンのためのエンジンブロックの部分斜視図である。

図１０はフォロアに潤滑を与えるための通路を示す、ロッド、フォロアおよびＲ ＣＵのまわりの領域の側面の部分断面図である。

図１１はドライブシャフトに垂直に延びる面で見た本発明のエンジンの断面図で ある。

図１２はドライブシャフトに平行に延びる面で見た本発明のエンジンの断面図で ある。

図１３および図１４は本発明の４サイクルエンジンの代替の実施例の断面図であ る。

発明の詳細な説明 以下の説明では、特定の構成要素の形状および量などの様々な細部が、本発明を より詳しく説明するために説明される。その他の事例では、周知の構成要素およ び製造方法は、本発明を不必要に不明瞭にしないように一般的な用語で説明され る。

本発明は、ピストンを有する新規の２ストロ一クラジアル内燃機関に関し、ピス トンは軽量回転カム装置（ＲＣＵ）によって往復運動し、好ましい実施例におい ては、ＲＣＵは硬化された高炭素鋼から作られる。図１に見られるように、本発 明のエンジン１０は、好ましくは、４つの放射状に配置されたシリンダヘッド１ ２を有する。各シリンダヘッドは吸気孔１４および噴射孔１６を有する。吸気孔 １４は空気を取入れるために用いられ、一方、噴射孔１６は燃料を取入れるため に用いられる。必要な燃料噴射メカニズムおよび空気取入れハードウェアは当該 技術分野で公知であるため図面からは省略した。スパークプラグ１８は各シリン ダヘッド１２の頂部に位置決めされる。

図２に示される実施例において、当該技術分野で公知の、接続ベルトなどのため のアクセサリプーリ２０はシャフト３０に接続される。エンジンブロック２２の 一方端部にはベルハウジングアタッチメント２４が設けられ、これを介してシャ フト３０を他のシャフトはシャフト３０に対して９０度に載置される他のシャフ トに結合することによって動力が伝動され、かつ駆動システム５６によって結合 される。スタータアタッチメント領域２６はスタータをエンジン１０に載置する ためにベルハウジングアタッチメント２４上に置かれる。

図２はエンジン１０の４分の１の部分が切取られて、２つのシリンダヘッド１２ およびエンジンブロック２２の内部構造が見えるようになっている。図面に示さ れるように、本発明の好ましい実施例は、エンジンブロック２２の仮想の中心線 と同一の広がりを持つドライブシャフト３０を用いる。ドライブシャフト３０と 共軸的に載置されているのは回転カム装置３２であり、これは以後ＲＣＵと称す る。

中心レースウェイ３８ａおよび２つの外部レースウェイ３８ｂはＲＣＵ３２の上 に位置する。

各ピストン２８はドライブシャフト３０に対して放射状に配列され、半径方向に 往復運動する。接続ロッド３４は一方端部でピストン２８に接続され、かつ他方 端部には３つのカムフォロア４０ａおよび４０ｂを有する。カムフォロア４０ａ および４０ｂは好ましくはローラであり、ＲＣＵ３２のレースウェイ３８ａおよ び３８ｂの上を動いてピストン２８で駆動されたロッド３４の動きをＲＣＵ３２ に伝え、その逆もまた可である。好ましくは。各接続ロッド３４には、中心の主 フォロア４０ａおよび２つの外部フォロア４０ｂの３つのカムフォロアが存在す る。ロッドガイド３７をその上に有するロッドガイド板３６は、接続ロッド３４ が往復運動を行なうときにその位置合せを維持するように、接続ロッド３４の各 側に置かれる。

図３は、４つのシリンダを有する本発明の実施例のエンジン１０とともに用いた 場合のＲＣＵ３２の斜視図である。

ＲＣＵ３２は一般には、外向きの中心レースウェイ表面３８ａを有する中心核３ ３と、内向きの外部レースウェイ表面３８ｂを有する外部ウィング３５とを含む 。以下により詳細に説明するように、レースウェイ表面３８ａおよび３８ｂには 、ピストン２８に接続された各接続ロッド３４のベースに置かれたカムフォロア ４０ａおよび４０ｂが移動する。このため、中心のフォロア４０ａは外向きの表 面３８ａの上に乗り、外部フォロア４０ｂおよび４０ｂは内向きの表面３８ｂお よび３８ｂ上に乗る。

カムフォロア４０がＲＣＵ３２のレースウェイ３８ａおよび３８ｂの上に乗るた め、レースウェイ３８ａおよび３８ｂの形状はＲＣＵ３２が回転するときにピス トン１８の動きを決定する。このように、レースウェイ３８ａおよび３８ｂの具 体的な形状は、ピストン１８すべでの動きを決定するので重要である。図３なら びに図１１および図１３に示されるように、４つのピストン２８をＲＣＵ３２の １回転につき２サイクルで駆動するためには、ＲＣＵ３２はピストン２８を押し 上げる２つの上り領域、およびピストン２８がそのストロークの底部に達するこ とを可能にする２つの下り領域を持たなくてはならない。この場合、ＲＣＵ３２ は機種円形であり、ピストン２８がそのストロークの頂部に位置するＲＣＵ３２ の一部として作用する２つのカムローブまたは拡張部５８が存在する。

しかしながら、ピストン１８およびロッド３４が受ける横力を最小限にし、かつ 制御することが望まれる。これを達成するために、レースウェイ３８ａおよび３ ８ｂはピストン２８およびロッド３４を等加速度で動かせるカム形状を有するよ うに設計される。この態様で、ランダムなピーク力が排除され、等加速度が選択 されるために、結果として生じる力は所望の最大値よりも小さく、この最大値は エンジン１０が製造される材料の制約によって主として選択される。さらに、等 加速度（ピストンの移動の観点から見て）カムの形状は、そのストロークの頂部 および底部でピストン２８に「休止時間」を与える。この休止時間により、ピス トン２８のストロークの底部で排気ガスを燃焼ガスに交換し、かつピストン２８ のストロークの頂部で気体および燃料をより完全に点火するためにより多くの時 間が与えられる。休止時間を最大限にするためには他のカムの形状を設計するこ ともできるが、これらのカムは等加速度カムではないためにあまり望ましくない 。

等加速度カムとして設計される場合は、レースウェイ３８ａおよび３８ｂの正確 な形状は、カムフォロア４０ａおよび４０ｂの直径、ピストン１８のストローク 、ならびにＲＣＵ３２およびレースウェイ３８ａ、３８ｂの寸法の所望される最 大の直径との関数である。好ましい実施例では、ピストン１８のストロークは好 ましくは２インチである。

２インチのストロークは、ロッド３４上の力を最小にするが、なお、良好な燃焼 を達成するために燃焼チャンバ４２中に十分な体積の変動を与えるように選択さ れる。カムフォロア４０の直径は可能な限り小さく選択されるが、同時に、フォ ロア４０に与えられる力よりも大きな負荷に耐える能力を有するベアリング上に 位置決めされるのに十分な大きさである。ＲＣＵ３２　（したがって外部レース ウェイ３８ｂ）の最大外部寸法は、エンジン１０を可能な限り小さく保つために 最小にされる。

上記の３つのパラメータが選択されると、レースウェイ３８ａおよび３８ｂの正 確な形状は数学的にめられる。

これは手でポイントを書いてレースウェイ３８ａおよび３８ｂのカムの形状を作 ってもよいし、またはポイントを計算し、その後それらを絵に表わすコンピュー タプログラムを用いても行なうことができる。いずれの場合でも、４つのピスト ンを用いることが好ましいために、ＲＣＵ３２／レースウェイ３８ａおよび３８ ｂの形状の決定は単純化される。この場合、４つすべてのピストンについてＲＣ Ｕ３２の各回転ごとに正確に同一の動きをするために、ＲＣＵ３２の９０度セグ メントの各々は同一でなければならない。

したがって、ＲＣＵ３２の輪郭の１つの９０度セグメントだけをめて、その後３ ６０度の輪郭を作るためにそれを４度重畳すればよい。

もし手動の方法を用いる場合は、レースウェイ３８ａおよび３８ｂの形状はカム の輪郭を描くことによって決定される。まず、変位図が準備される。この図はｙ 軸にロッドおよびピストンの位置を示し、これに対してＸ軸にカム回転角度また は時間ｔをとったものである。言換えれば、この図はピストンおよびロッドの運 動を線形に描いたものである。

Ｘ軸がまず分割されるが、たとえば５度の増分ごとに多数の区分に分けられる。

ピストンは燃焼シリンダの底部から頂部まで、かつ頂部から底部まで動くことが 公知であり、好ましい実施例ではこの移動はそれぞれ９０度である。したがって 、ここでは好ましくは２インチであるピストンのストロークはｙ軸上に記される 。ピストンは０度では０インチに、かつ９０度では２インチでなければならない ことがわかっているので、これらのポイントはグラフ上に記される。

次に、軸の原点から鋭角で線が描かれる。ピストンは９０度の全ストローク距離 を上らなければならず、かつポイントは５度ごとに記されていることがわかって いるため、時間の１８増分において決定される変位点が存在する。ピストンは等 加速度で移動するため、ピストンが各時間または角度増分の間に進む距離は時間 を二乗したものに比例する。したがって、０から５度の間である時間増分１につ いては、ピストンは距離増分１だけ移動する。５から１０度の第２の時間増分の 間は、ピストンは４へ移動し、以下同様である。

したがって、０から４５度の間の９つの時間増分の間に、ピストンは８１増分だ け移動しなければならない。したがって８１の等間隔のマークが描かれたライン 上に置かれる。

８１番目のマークから２インチストロークに対応するｙ軸へ線が引かれる。その 後、この線に平行な線が第１、第４、第９などの増分点からｙ軸の第１、第４、 などの増分点へ引かれる。その後、Ｘ軸に平行な線がこれらの交点から５度、１ ０度、１５度等の線に当るまで引かれる。これらの交点は変位線上にある。それ から、各ポイントを通る１本の線が引かれ、変位を表わす。鋭い線が描かれ、同 じポイントプロット方法がグラフの４５度から９０度の部分についての変位曲線 を得るために用いられる。もちろん、４つのピストンとともにカムが用いられる ため、９０度セグメントの各々についての変位図は同じであり、したがって、こ の１つのセグメントだけをめればよい。

次に、変位図からカム（したがってレースウェイ）の輪郭が描かれる。まず、カ ム（したがって、レースウェイ３８ｂ）の最大外部寸法、たとえば１０インチを 選ぶ。上述のようにフォロアの直径が選択され、ここではたとえば２インチが用 いられる。ロッドおよびフォロアは一定の縮尺で描かれる。中心ポイント０はロ ッドの中心線に沿って置かれ、これはフォロアの周辺から４インチ離れている（ この距離はカムの最大寸法からストロークの２倍およびフォロアの半径の２倍を 減じることによって決定される）。ポイント０が置かれると、フォロアの中心を 通る円がその回りに描かれる。次に、この円は変位図で用いたものに対応する角 度増分に分割される。変位図から、フォロアの中心からロッドに沿って距離がマ ークされる。その後、弧の中心を０として、ポイント０から出る対応する角度線 に当るまで各増分点から弧が描かれる。これらの弧の各々は、ポイント０のまわ り３６０度に一連のポイントがプロットされるまで描かれる。これらのポイント を通る１本の線が描かれ、この線はロッドの端部の経路を規定する。レースウェ イの輪郭、したがってそれに沿ってフォロアが接触するポイントは、フォロアの 経路中心の内側のフォロアの半径に等しい距離に位置する。

もしコンピュータプログラムを用いれば、ポイントを決定するための上記の手動 方法は多数の公式に変換され、その結果、レースウェイ３８ａおよび３８ｂの形 状はｘｙ座標を有する多数のポイントによって規定される。これらのポイントは コンピュータによって図に描かれ、レースウェイ３８ａおよび３８ｂの形状が印 刷される。

まず、３６０度のカムは増分単位である単位Ｋに任意に分割される。た゛とえば 、カムは３６０組のカムの輪郭の点が発生するように１度ずつの増分に分割して もよい。もちろん増分Ｋが小さくなるにつれて輪郭はより正確になる。

ピストンはストローク底部から開始すると仮定しているため、Ｋが０の場合はフ ォロアＣの中心はＯに等しい。その後、次のカム増分点（Ｋ＝１）におけるフォ ロア（およびピストン）位置が計算される。この位置Ｃは、前のフォロアの位置 に、時間係数Ｔの二乗に任意の加速度インデックス係数Ｆを乗じたものを加えた ものに等しい。Ｔはピストンがそのストロークの底部から頂部へ、かつ頂部から 底部へ移動するのにかかる全時間を分割するために選択される、単なる増分の単 位である。この場合、もしＴが０．３３３と選択されれば、Ｔはカムの輪郭がＯ から９０度まで計算され、かつ増分Ｋが１度の場合は０から１５になる。その後 、Ｔは次の９０度の間に１５から０になる。任意のインデックス係数Ｆは等加速 度値を表わし、ピストンがそのストロークを完了する全９０度の回転の間、この 係数は全時間Ｔの二乗を乗じ、ピストンの全ストローク距離よりも少なくとも大 きい値の距離となるように十分小さく選択される。この例では、Ｔが０．３３か つＫが１度の場合、Ｆは０．０００２６９であればうまくいく。

次に、カムの中心からフォロアの中心までの距離Ｅが計算される。まず、この距 離Ｅは、設計されているエンジンに適合するカムの推定サイズに基づいて選択さ れた任意に選択された距離Ｘに等しい。時間の１増分の後、位置ＥはＸに上で計 算した距離Ｃを加えたものに等しい。

Ｅからは、特定の増分にでのフォロアの中心を規定する座標であるＸＣおよびＹ Ｃが決定される。ＩＸＣは、角度増分にで表わされるラジアンの数を乗じたＥの 余弦をとることによって見つけられる。ＩＹＣは、角度増分Ｋによって表わされ るラジアンの数を乗じたＥの正弦をとることによって見つけられる。

フォロアの中心の座標ＸＣおよびＹＣがわかれば、対応するカム輪郭の座標ＸＰ およびＹＰがそこから計算される。

これを行なうために、フォロアが新しい増分にで新しい位置へ移動したときにカ ムの中心からフォロア中心が移動した増分距離であるＦが、現在の半径位置Ｅか ら前の半径位［Ｅを減じることによって計算される。次に、フォロアの中心がそ こを通って移動したポイント間の直線とおおよその半径線との間の角度関係が計 算される。この角度ＡはＧをＦによって除算した値のアークタンジェントに等し く、ここでＧはラジアンで表わしたＥである。

増分Ｋにおけるカムの輪郭の座標ＸＰは、ＸＣからフォロアの半径（これは上述 のように予め選択される）で乗じたＡの余弦を引いたものである。増分Ｋにおけ るカムの輪郭の座標ＹＰは、ＹＣからフォロアの半径で乗じたＡの正弦を減じた ものである。この計算は中心レースウェイカム輪郭の座標位置を算出するもので あることに注目されたい。

もし半径によって乗じた角度Ａの余弦および正弦の値をＸＣおよびＹＣに加算す れば、外部レースウェイカムの輪郭についての座標が算出される。

上記のステップを３６０度分繰り返すことによって、ＸおよびＹによって表わさ れる１組のポイントが算出され、これらのポイントは所望されるレースウェイま たはカムの全輪郭を規定する。

図４は１つのレースウェイ３８ａおよび３８ｂの輪郭を示す。この図では１つの 中心レースウェイ３８ａの輪郭だけが示される。このレースウェイ３８ａは、レ ースウェイ３８ａの最大寸法が１４．５インチであり、ピストン２８のストロー クが２インチであり、かつフォロア４０ａおよび４０ｂの直径が１．３７５イン チのときに、ピストン１８に等加速度を与える。このＲＣＵ３２、ひいてはレー スウェイ３８ａおよび３８ｂの形状は性能の点からいえば受容可能であるが、こ の設計は最も好ましいとは言えない。

なぜなら、ＲＣＵ３２の外寸法が大きく、シたがって対応してエンジンのサイズ も相対的に大きいためである。図かられかるように、この輪郭は２つのカム拡張 部５８が存在する形状をなお保持している。

図５はレースウェイ３８ａおよび３８ｂの他の形状を示す。この図は円形のＲＣ Ｕ３２上のレースウェイ３８ａおよび３８ｂの両方の輪郭を示す。この形状でも 等加速度を与えることができるが、ＲＣＵ３２およびレースウェイ３８ｂの寸法 は最も広いところで１０．５インチしかない。

ストロークは２インチであり、直径１．３７５インチのフォロア４０ａおよび４ ０ｂが用いられる。このＲＣＵ３２上のレースウェイ３８ａおよび３８ｂの形状 はあまり好ましくない。これはなぜなら外寸法が小さいためにレースウェイ３８ ａおよび３８ｂが鋭角を有することになるからである。フォロア４０ａおよび４ ０ｂがＲＣＵ３２のレースウェイ４０　ａ、４０　ｂに沿って移動するとき、鋭 く曲がるためにフォロア４０ａおよび４０ｂには大きな力が加えられる。

図６はレースウェイ３８ａおよび３８ｂの好ましい形状を示す。この図は両方の レースウェイ３８ａおよび３８ｂの輪郭とともに円形の外部輪郭を有するＲＣＵ ３２を示す。

この外部周辺領域を加えることにより、ＲＣＵの製造を容易にする構造が得られ 、フライホイールを有効に使うことができる。ＲＣＵ３２およびレースウェイ３ ８ｂの最大幅が１２インチのときに、このレースウェイ３８ａおよび３８ｂの輪 郭のために等加速が与えられる。このレースウェイ３８ａおよび３８ｂは、ピス トン１８が２インチストロークを有し、かつフォロア４０の直径が１．３７５イ ンチのときに等加速度を与えるように設計される。このＲＣＵ３２の設計は、最 大外寸法を最小限にし、同時にレースウェイ３８ａおよび３８ｂの輪郭によって フォロア４０に過剰な力を加えないようにできているために好ましい。

ＲＣＵ３２はいくつかの異なる態様で製造し得る。１つの方法では、ＲＣＵ３２ は高炭素工具鋼から、核３３および２つの外部ウィング３５の３部分に鍛造され る（図３参照）。ウィング３５は示される形状で核３３上にレーザ溶接され、焼 鈍した後、ＲＣＵ３２は誘導硬化され焼戻される。その後ＲＣＵ３２は主ドライ ブシャフト３０上に締り嵌めされる。次に、ＲＣＵ３２のレースウェイ表面３８ ａおよび３８ｂは精密に研削され、こうして全装置が力学的に平衡するようにな る。

しかしながら、ＲＣＵ３２は２部分に鍛造されて、それらを後から接続するのが 好ましい。図６はこの態様で製造した場合のＲＣＵ３２の半分を示す。この実施 例では、ＲＣＵ３２の各半分は中心核３３の２分の１および１つのウィング３５ を含む。２つの半分部分はボルトなどで固定され、その後ＲＣＵ３２は主ドライ ブシャフト３０に嵌合される。ＲＣＵ３２は小さい公差を確保するように精密に 研削される。

図３に最もよく示されるように、ＲＣＵ３２の外部形状はレースウェイ３８ａお よび３８ｂの形状を反映したものであり得る。しかしながら、図６に示すように 、ＲＣＵ３２はその外寸法が円形であり、したがってレースウェイ３８ａおよび ３８ｂの概形状と同じにならないように鋳造されるのが好ましい。この態様では 、追加の質量部材がＲＣＵ３２に加えられるが、これはＲＣＵ３２を収納するの に必要なエンジンスペースの量に影響を及ぼさない。ＲＣＵ３２に加えられる余 分な重量のためにＲＣＵはフライホイールとして作用することが可能となり、よ り円滑な回転を与える。かかる円形のＲＣＵに設けられた切抜き領域３９によっ て、全体の質量を制限しながら最適なフライホイール特性が達成される。

図７はロッド３４およびＲＣＵ３２の相互作用の手段、および動作が制御されて いる間にロッド３４とＲＣＵ３２との境界においてロッド３４に力が伝動される メカニズムを示す。力の制御および消散はエンジン１０が円滑かつ効率的に動作 するために重要である。

図７かられかるが図８に最もよくよ示されるように、ＲＣＵ３２に最も近く、か つピストン２８に接続された端部に対向するロッド３４の端部は、二股フォーク とよく似た形状である。図７を再び参照して、二股７１および７２の間には中心 カムフォロア４０ａが載置され、二股の外部には外部カムフォロア４Ｑｂ、４０ ｂが載置される。これら３つのフォロア４０ａおよび４０ｂ、４０ｂは、ロッド ３４の二股部分を通過する異通の軸４１上にすべて載置されるのが好ましい。上 に議論したように、フォロア４０ａおよび４０ｂは直径１．５インチのローラで あることが好ましく、かつフォロア４０ａおよび４０ｂは中にニードルベアリン グを含むことが好ましい。フォロア４０ａおよび４０ｂがスキッドまたはソリの 形状をとることは可能だが、この場合より大きな摩擦抵抗が生じるためにそうい った実施例はあまり好ましくない。

図７および図８に示されるように、フォークの各々７１および７２には２つの細 長い部材または領域４３がその上に形成されるかまたはそこに取付けられている 。細長い部材４３はロッド３４の長手方向の軸に平行に配列され、前記部材がガ イド表面６８を各フォーク上に与えるように対になって対向している。図８には 、各フォークの対向する側に２つずつ４つのかかる表面が示される。表面６８は 好ましくはロッドガイド３７と係合するように持上げられている。これらの表面 ６８の各々は以下により詳細に説明するように、ロッドガイド板３６上に置かれ るか、またはそこに取付けられたロッドガイド３７と係合する。中心サポート７ ０は、ロッド３４に剛性を加え、かつベアリング能力を付加するためにロッド３ ４の２つのフォーク７１．７２の間に位置決めされ得る。

図７を再び参照して、ピストン２８（図示せず）は３つのカムフォロア４０ａお よび４０ｂと、ロッド３４のガイド表面６８と係合する４つのロッドガイド３７ とを用いることによって直線往復運動で維持される。中心フォロア４０ａはまわ りながら中心レースウェイ３８ａ上に乗る。ＲＣＵ３２がカム拡張部５８のひと つに近づくポイントへと回転するに従い、フォロア４０ａおよび接続された口・ ソド３４、ならびにピストン２８を燃焼チャンバ４２中へ押し上げる。

外部フォロア４０ｂ、４０ｂは外部レースウェイ３８ｂ。

３８ｂ上に乗る。外部レースウェイ３８ｂは内向きであるため、ＲＣＵ３２がカ ム拡張部５８の１つから離れてレースウェイ３８ａおよび３８ｂの直径が小さい 位置まで移動すると、フォロア４０ｂ、４０ｂはＲＣＵ３２の外部レースウェイ ３８ｂ、３８ｂによって引下げられ、こうしてピストン２８を燃焼チャンバ４２ の下方へ引下げ、これは中心フォロア４０ａおよび中心レースウェイ３８ａに伝 動されるピストン２８上にかかる爆発力によって助けられる。

図示されるように、ロッド３４の４つの部材４３の各々は、ロッドガイド板３６ 上に載置された口・ソドガイド３７と係合する。図９に最良に示されるように、 口・ソドガイド板３６はエンジン１０のブロック２２から延びるプレートである 。図９に示されるように、ロッドガイド板３６はブロック２２との取付部からＲ ＣｔＪ　３２のウィング３５間の空間中へ突出し、中心レースウェイ３８ａ近く のポイントに達する。プレート３６はドライブシャフト３０の長手方向の軸を横 切る２枚のプレートとして配置され、各ロッド３４が位置する領域の両側へとブ ロック２２に沿って延びる。

再び図７を参照して、各ロッドガイド３７はロッドガイド板３６に接続されるか 、またはその一部として形成される。ロッド３４上の部材４３から延びる対応す る突出部６８を受入れるように各ロッドガイド３７中にはスロット７３が置かれ る。締り嵌めが各ロッドガイド３７と部材４３との間に設けられ、このためロッ ド３４はガイド３７と接触して２方向に効果的に固定され、同時にロッド３４は ロッドガイド３７のスロット７２中で上下に摺動することが可能となる。

ロッド３４上のガイド３７および部材４３のこの配列により、ピストン２８およ び燃焼チャンバ４２の軸に平行な方向以外にロッド３４が移動することが効果的 に排除される。上述のように、ＲＣＵ３２が回転するときに、１組の力が上に説 明したようにカムフォロア４０ａおよび４０ｂならびにレースウェイ３８ａおよ び３８ｂの接続とともに、ロッド３４およびピストン２８を押し上げたり押し下 げたりする傾向がある。だが同時に、フォロア４０ａおよび４０ｂが回る方向と 平行な方向に、ロッド３４に接続されたフォロア４０ａおよび４０ｂを押したり 引いたりしようとする力がＲＣＵ３２のフォロア４０ａと４０ｂとの境界面で発 生する。これらの力はロッド３４およびそれに接続されたピストン２８を同じ平 行方向に押す傾向がある。この実施例では、これらの力は、ロッド３４がロッド ガイド手段３７を有することによって反作用を受けて制御され、かつロッドガイ ド板３６を介して効率的に消散する。

さらに、これらの力はまたロッド３４および接続されたピストン２８をフォロア ４０ａおよび４０ｂが回る方向に垂直な方向、つまりシャフト４１に平行な方向 に押したり引いたりする傾向がある。これらの力はまたロッド３４をロッドガイ ド板３６に接続することによって反作用を受けるが、これはなぜならロッドガイ ド３７は溝を設けられた配列であるためロッド３４がこの方向に移動することが できないためである。

図７に示されるように、重要な点は、ＲＣＵ３２、フォロア４０ａおよび４０ｂ の境界面で作られる外的な力はピストン２８を押し上げたり引き下げたりするよ うには作用せず、フォロア４０ａおよび４０ｂを介してロッド３４に、かつロッ ドガイド板３６上に伝動される。外的な力は加えられたのと同じポイントでフォ ロア４０ａおよび４０ｂに加えられたポイントから離れて配向されるため、この 設計は特に有用である。これらの力はロッドガイド板３６からブロック２２へ直 接伝動される。これにより摩耗および接合を防止するようにピストン２８または ロッド３４に力が伝動されることがなくなる。

図１０はＲＣＵ３２と係合するロッド３４の部分に潤滑が達する態様を示す。示 されるように、オイル経路４９はブロック２２の中心オイル経路（図示せず）か らロッドガイド板３６およびロッドガイド３７を介して延びる。これらのオイル 経路４９はロッドガイド板３６およびロッドガイド３７中にドリルで開けられて もよく、または小さな管をロッドガイド板３６を形成する金属中に鋳造すること によって形成されてもよい。これらの経路４９はロッドガイド３７と柱状部材４ ３との境界面を潤滑し摩擦を減らすようにオイルを分配するのに用いられる。

図１１は本発明のエンジン１０の断面平面図を示し、エンジン１０はドライブシ ャフト３０の軸に対しで適切な角度で延び、かつシリンダヘッド１２を切取る面 によって２分割されている。ＲＣＵ３２　（ここでは楕円形だが、上述のように 他のＲＣＵ形状が好ましい）は、カムフォロア４０、接続ロッド３４、ピストン ２８、エンジンブロック２２およびシリンダヘッド１２と関連して密封されたカ ムケース４６の内側に示される。ピストン２８の好ましい断面配列もまた示され る。

燃焼チャンバ４２中の混合気の異常爆発によりピストン２８はドライブシャフト ３０の方向に押しやられる。このパワーストロークはカムフォロア４０ａをＲＣ ｔ；　Ｌノースウェイ表面３８ａに抗して押させる。この結果、ＲＣＵ３２はド ライブシャフト３０を中心として回転を始める。ＲＣＵ３２の形状のため、ピス トン２８の各パワーストロークからの内向きの半径方向の圧力に応答した回転が 容易となる。もちろん、カム拡張部５８がカムフォロア４０ａと係合しているた め、カム拡張部５８は横に変位させられ、最終的にはＲＣＵ３２がドライブシャ フト３０を中心として回転することになる。また、カムフォロア４０ａおよび４ ０ｂをその中に保持するレースウェイ表面３８ａおよび３８ｂもこの図で明確に 示される。従来のエンジンと同様、各シリンダヘッド１２はスパークプラグ１８ 、排気孔４４、および燃焼チャンバ４２を有する。

好ましい実施例では、エンジン１０には４つのシリンダ１２および２つのカム拡 張部５８が含まれる。出願人はこのようにエンジン１０を配列することによって 円滑で効率的な動作が得られるということを発見している。これはなぜなら、は ぼ常にピストンが任意の所与の時間において力を出しているからである。当業者 には本発明の範囲から逸脱することなく、シリンダおよびカム拡張部の数を変え てもよいということが明らかである。

図１１をなお参照して、ブロック分離ライン６０が示される。このライン６０に 沿って、２分割されたエンジンブロックがアセンブリの間に接合される。

図１２は本発明の他の断面図を示し、主ドライブシャフト３０に平行に延びる面 で切取ったものである。図１２はＲＣＵ全体の断面図を最大寸法で表わしたもの である。ロッド３４の断面、ならびにＲＣＵ３２および他の部分の断面に対する ３つのカムフォロア４０ａおよび４０ｂの関係もまた示される。この図は各ロッ ド３４が真鍮のガイドおよびネオプレンシール５４を介して燃焼チャンバ４２中 へどのように往復運動するのかを示す。さらに、図面の底部には、オイルパン４ ８中にオイルポンプ５０の断面が示される。このポンプ５０はエンジン１０にオ イルを供給する。

図面の上部にはエンジン１０の他の実施例が示され、シャフト３０のエネルギを ９０度他のシャフトに配向し直すためにギアドライブシステム５６が用いられ、 かつアクセサリドライブプーリ２０がエンジン１０の最上部に置かれる。

しかしながら、上述のように、エンジン１０のシャフト３０は力の方向を変える ことなく直接的にトランスミッションに接続されることが好ましい。

図１２に示すように、燃料はリードバルブ６２を介して噴射孔１６から燃焼チャ ンバ４２中へ運ばれる。空気は吸気孔１４を介して燃焼チャンバ４２中へ導入さ れる。燃焼の後、排気ガスは排気孔４４を介してピストン２８によって押出され る。もちろん、典型的な２ストロークエンジンの場合と同じく、使用済のガスが 排出されると新しい混合気が燃焼チャンバ４２中へ導入される。

図１１は本発明の２ストロークサイクルの動作の間の様々なピストンの配置およ び上に述べたすべてのハードウェアをうまく示したものである。この図では、Ｒ ＣＵ３２はドライブシャフト３０を中心として時計方向に回転すると仮定する。

混合気が圧縮の後スパークプラグ１８によって点火される時、ピストン２８はシ リンダ１２の頂部の真中心に位置し、カムフォロア４０ａおよび４０ｂはカム拡 張部５８の頂部に位置する。混合気の爆発の直後、ピストン２８はシリンダ１２ 中で押し下げられ、カムフォロア４０ａはカム拡張部５８の下向きの傾斜端縁と 接触する。この動きにより、ＲＣＵ３２およびＲＣＵ３２がキーイングされるド ライブシャフト３０を、たとえば時計回りに回転させる。ピストン２８は底部の 真中心まで移動し、つまりこのときピストン２８および接続ロッド３４はドライ ブシャフト３０に最も近いポイントまで移動している。次に、混合気が爆発する 直前、かつＲＣＵ３２が同一方向に回転を続けているとき、ピストン２８はカム フォロア４０ａがカム拡張部５８の上り端縁と接触するとシリンダ１２中へ押し 上げられる。ピストン２８は一部ではＲＣＵ３２の回転の慣性によって押し上げ られ、また一部では頂部の真中心を通過したばかりの他のシリンダ１２中の燃焼 によって押し上げられる。

燃焼の後、ピストン２８が底部の真中心から離れると、ピストン２８は燃焼ガス をシリンダ１２から押出し、同時に新しく導入された混合気を圧縮する。より特 定的には、燃焼ガスは次の３つの力によってシリンダ１２の外に出され、それら は第１に排気システムによって作られた真空、第２に燃焼した充填物の圧力、そ して第３に入来する充填物の圧力である。サイクルは繰り返され新しい混合気を 爆発させ、そして再びピストン２８をシリンダ１２内で押し下げる。

ＲＣＵ３２が回転しているとき、カム拡張部５８の上り端縁は、カムフォロア４ ０ａおよび４０ｂならびに関連したピストン２８をシリンダ１２の外部端部中へ 押しやる。

ピストン２８は混合気を圧縮する。この時、燃焼チャンバ４２中の圧力が低いた め新しい空気がそこに引入れられる。

ピストン２８のストロークが終りに達すると、スパークプラグ１８は再び混合気 に点火し爆発を引起こす。ピストン２８はＲＣＵ３２の中心線に向けて押される 。接続ロッド３４およびカムフォロア４０ａを介してＲＣＵのカム拡張部５８の 下り端縁６４上へ力が伝動され、これによりＲＣＵ３２および相関したドライブ シャフト３ｏを回転させる。

この作用はまた次の空気の充填を燃焼チャンバ４２中へ圧縮する。ピストン２８ がストロークの底部にさしかかると、排気孔４４はシリンダ１２の底壁に露出し 、排気ガスが排出を始める。このとき、当該技術分野では公知の電子燃料インジ ェクタ（図示せず）がその燃料を燃焼チャンバ４２の噴射孔１６中へ出す。排気 ガスの圧力が事前燃焼圧力（７０ｐｓｉ）を下回ると、リードバルブ６２は混合 気を燃焼チャンバ４２へ入れ、サイクルが再び繰り返される。

任意の２つの対向するシリンダが同位相で、かつ適切な角度の任意の２つのシリ ンダが晟初の２つのシリンダと１８０度位相を異にしていることが望ましい。し たがって、対向して配置されたピストンが頂部の真中心にある真、２つの残りの ピストンは底部の真中心にある。

好ましい実施例では、ＲＣＵには４つのシリンダと２つのローブまたはカム拡張 部とが含まれる。代替の実施例においては、１平面上にいくつシリンダが存在し てもなお設計パラメータの範囲内であるということがコンピュータによって証明 されている。あらゆる形状において、エンジンはより大きな動力のエンジンを提 供するように積重ねることができる。唯一の制約としては出力シャフトが取扱う ことのできるトルクの量であう。装置を積重ねることによって１層ごとにパワー パルスの数が増大するためエンジンの円滑さに好影響を及ぼすであろう。かかる 形状により、出力パワーが大きく、サイズが小さく、かつ重量の軽い標準的に吸 引されるエンジンが得られる。

本発明のエンジンは内燃機関によって一般に動力を与えられるいかなる装置にも 用いることができる。本発明のエンジン、または本発明のエンジンを規格化した り積重ねたりしたものを用いることのできる可能性のあるものとしては、自動車 、コンプレッサ、ポンプ、動力発生器、外部エンジン、および航空機などがある 。本発明では高出力対重量比を有し非常に円滑な性能であるエンジンが得られる ため、内燃機関をこれまで用いたことのない装置にも用いることができる。その −例としては、構造物を加熱冷却し電気的なエネルギを与える、天然ガスで稼動 する共発生プラントがある。過剰に発生した電力は、その後電力供給者に売渡さ れる。かかる使用法は今日状が国および他の国々の直面するエネルギ問題の多く に好ましい衝撃を与えるであろう。本発明のエンジンは非常にコスト効率のよい システムを作ることができ、その円滑な動作は無理なく受入れられるものである 。不動産所有者もまたこのシステムの使用で利益を得るであろう。ここに記され る説明を研究すれば、これ以外にも他の新しい適用法が当業者には明らかとなる であろう。

本発明の精神および範囲を逸脱することなく本発明のプロセスに対して様々な修 正および追加を行なうことが可能である。たとえば、積重ねられたエンジン装置 は、多くの特別の応用に適合する小さく軽量で高出力のエンジンを提供するため に縦１列にセットされてもよく、かつサイズを大きくまたは小さくすることもで きる。または、ＲＣＵは図１３および図１４に示されるように４サイクルエンジ ンまたはディーゼルエンジンに用いてもよい。図１３は図１１に対応する断面図 であるが、図１３は４サイクル内燃機関を示す。同様に、図１４は図１２に相当 するものである。

４サイクルの本発明の代替の実施例は２サイクルの好ましい実施例とほぼ同じ構 造を与える。たとえば、ｉ１３および図１４に示されるように、エンジンは放射 状に配置されたシリンダ１２′を有する。エンジンブロック２２′の中心線に沿 ってドライブシャフト３０′　がある。好ましい実施例と同じく、回転カム装置 （またはＲＣＵ）３２’がドライブシャフト３０′　に接続される。カムフォロ ア４０′はＲＣＵ３２’のレースウェイ表面３８′に沿って進む。

接続ロッド３４′はカムフォロア４０′をピストン２８′に接続する。こうして 、ピストン２８′の往復運動は前述の構造によってＲＣＵ３２’中で回転運動に 変換される。

図１４はシリンダ１２′中に位置する吸気孔１４′および排気孔４４′をより詳 しく示す。混合気の流入および排気ガスの排出をそれぞれ適切に制御するための バルブ６８′が加えられている。本発明の代替の実施例の動作は従来の４ストロ ークエンジンと同様であり、ピストン２８′は１つの完全なサイクルごとに二度 頂部の真中心に達する。

つまり、一度目は混合気を圧縮するため、かつ二度目は排気をするためである。

４サイクルエンジンの動作は当該技術分野では周知であるためこれ以上の議論は 必要としない。

さらに他の代替の実施例において、ＲＣＵはその上に放射状に配置されたカム拡 張部のアレイを特徴とする。さらに、代替の実施例のエンジンは過給すなわちタ ーボチャージされることができ、これら２つのプロセスはともに当該技術分野で 周知である。

さらに他の代替の実施例では、スパークプラグをエンジンから除去することがで き、このため圧縮比が燃料の自然発火点に達するまで増大する。つまり、本発明 はディーゼルエンジンとして動作するように容易に変換できる。前述の例は例示 として示すためだけに与えられたものであり、以下の請求の範囲を限定するもの ではない。

ＦＩＧ、　！； ＦＩＧ、４　。

＼　〜 ｎｃ、　ｔ。

−Ｎ−

Claims (30)

【特許請求の範囲】
1. １．内燃機関であって、 エンジンブロックと、 ドライブシャフトと、 前記ドライブシャフトにほぼ垂直な面に放射状に配列された複数個のシリンダと 、 前記シリンダの各々に１つ配置された複数個のピストンと、 各々第１の端部と第２の端部とを有する複数個の接続ロッドとを含み、前記ピス トンの各々は前記ロッドの１つに前記第１の端部で接続され、さらに 前記面で前記シャフトを中心として回転可能であり、かっ前記カムのまわりに複 数個のカム表面を有するカムを含み、前記表面のうちの第１の表面と第２の表面 とは前記ドライブシャフトに向かって内向きであり、前記表面のうちの第３の表 面は前記ドライブシャフトから外向きであり、前記第１の表面と前記第２の表面 とは前記第３の表面の両側にあり、さらに 前記ロッドの１つに前記第２の端部でそれぞれ結合された複数個のカムフォロア を含み、前記フォロアのうちの第１のフォロアと第２のフォロアとはそれぞれ前 記第１のカム表面と前記第２のカム表面とを係合するようにされ、かっ第３のフ ォロアは前記第３のカム表面と係合するようにされ、 この結果、使用中に前記カムが回転するとき、前記第１のカム表面と前記第２の カム表面とは前記第１のカムフォロアと前記第２のカムフォロアとに係合して結 合されている接続ロッドを引き、かつ前記第３のカム表面は前記第３のカムフォ ロアと係合して前記接続ロッドを押す、エンジン。
2. ２．前記フォロアはローラを含む請求項１に記載のエンジン。
3. ３．前記ローラは共通の軸を中心として回転するように載置される、請求項２に 記載のエンジン。
4. ４．前記ローラは同じ軸上に載置され、かつ前記接続ロッドは前記軸に取付けら れる、請求項３に記載のエンジン。
5. ５．前記フォロアはスキッドを含む、請求項１に記載のエンジン。
6. ６．フォロアは３つあり、前記フォロアのうちの１つは前記第３の中心カム表面 と係合し、かつ前記フォロアのうちの２つは前記第１および第２の外部カム表面 の各々と係合する、請求項１に記載のエンジン。
7. ７．前記ロッドの前記第２の端部はフォーク状であり、前記３つのフォロアは各 ロッドの前記フォーク状の端部に載置され、前記フォロアのうちの１つは前記ロ ッドの長手方向の軸に対称的に載置され、前記フォロアのうちの他のものの各々 は前記軸の両側に載置される、請求項６に記載のニシジン。
8. ８．混合気を前記シリンダの各々に導入するためのバルブ手段と、 前記カムの周辺面上に配置される複数個のカム拡張部とを含み、前記拡張部の各 々は上り端縁と下り端縁とを有し、これにより、使用中に前記カムが前記ドライ ブシャフトの前記軸を中心として回転するとき、前記カムフォロアは前記カム拡 張部の前記上り端縁によって変位されて前記ピストンを前記シリンダ中へ押し入 れ、かつ前記混合気の前記燃焼により前記ピストンを前記シリンダ中で押し下げ 、かつ前記カムフォロアを前記カム拡張部の前記下り端縁と係合させて前記カム を回転させる、請求項１に記載のエンジン。
9. ９．ラジアル内燃機関であって、 エンジンブロックと、 前記エンジンブロックの中心線に沿って回転可能に配置されたドライブシャフト と、 回転可能なカム装置とを含み、前記回転可能なカム装置は複数個のカム拡張部を 有し、前記カム拡張部の各々は上り端縁と下り端縁とを有し、前記回転可能なカ ム装置は前記ドライブシャフト上に載置され、前記カムは前記ドライブシャフト にほぼ垂直な面で回転可能であり、さらに前記回転可能なカム装置のまわりに放 射状に配列された複数個のシリンダと、 前記シリンダの各々中に配置された１つのピストンと、多数の接続ロッドとを含 み、前記ロッドの数は前記ピストンの数に対応し、各ピストンには前記ロッドの うちの１っの一方端部が接続しており、さらに 前記ピストンに取付けられた端部と対向する位置の各ロッドの端部に結合された 少なくとも１のカムフォロアを含み、前記各フォロアは前記回転可能なカム装置 上の前記カム拡張部と係合するようにされ、さらに前記ロッドの整列を維持し、 かつ各ロッドの移動を長手方向の軸に沿った方向以外の方向に制限するためのロ ッドガイド手段を含み、前記ガイド手段は雄係合部材および雌係合部材を含み、 前記部材の一方領域は前記ロッドと関連してともに移動し、前記部材の他方の領 域は前記ロッドに関して固定される、エンジン。
10. １０．前記雄係合部材は、その上に盛上がった部分を含む細長い部材を備え、か つ前記雌係合部材はその中に通路を有する細長い部材を備える、請求項９に記載 のエンジン。
11. １１．前記細長い部材の各々は前記ロッドの長手方向の軸にほぼ平行に配列され る、請求項１０に記載のエンジン。
12. １２．前記固定された部材は前記エンジンブロックに直接的または間接的に取付 けられる、請求項９に記載のエンジン。
13. １３．前記雄部材は前記ロッド上に位置し、かつ前記雌部材は前記エンジンブロ ックに直接的または間接的に固定される、請求項９に記載のエンジン。
14. １４．前記ガイド手段は各ロッドに取付けられた４つの細長い部材を含み、前記 部材は２つの対に配列され、各対のうちの一方の部材は他方の部材に対抗してい る、請求項９に記載のエンジン。
15. １５．前記ロッドガイド手段は前記エンジンに取付けられた少なくとも１つのガ イド板を含み、それにより前記ロッドの運動が前記ロッドの前記ガイド板との係 合によって制限される、請求項９に記載のエンジン。
16. １６．２列のガイド板を含み、各列は前記カム面の両側の面に置かれる、請求項 １５に記載のエンジン。
17. １７．前記一連のガイド板の各々は、前記ロッドの１つがその間で移動できる空 間を与えるように列のうちの隣接する部材から間隔をあけられ、前記隣接したプ レートは前記ロッドが係合しかつそれに沿って移動するように対向するガイド表 面を与える、請求項１６に記載のエンジン。
18. １８．ピストンの往復運動をドライブシャフトの回転運動に変換するための内燃 機関のためのカムであって、中央のカム本体と、 前記カム本体上の中心カム表面および前記カム本体上の２つの外部カム表面とを 含み、前記外部表面の各々は前記中心カム表面の対向する側に置かれる、カム。
19. １９．前記中心カム表面は前記本体から外へ向いており、かつ前記外部表面は前 記本体へ向かって内向きである、請求項１８に記載のカム。
20. ２０．前記外部表面は前記中心カム表面と比べてその周辺部が前記カム本体の中 心から離れた面にある、請求項１８に記載のカム。
21. ２１．前記カム本体は中心核とそこに取付けられた２つの外部ウィングとを含み 、前記中心カム表面は前記中心核上に位置し、かつ各前記外部カム表面は前記ウ ィングのうちの１つの上に位置する、請求項１８に記載のカム。
22. ２２．内燃機関のピストンに取付けるための接続ロッドアセンブリであって、前 記ピストンの往復運動は前記ロッドによって回転可能なカムに伝えられ、長手方 向の軸と２つの端部とを有するシャフトを含み、前記シャフトの第１の端部は前 記ピストンに取付けるようにされ、さらに 複数個のカムフォロアを含み、前記カムフォロアの端々は前記カムと係合するた めの表面を有し、かつ前記表面が前記軸にほぼ垂直な状態で前記シャフトの前記 第２の端部に載置され、前記フォロアは、前記ロッドの前記軸について対称的に 載置された少なくとも１つの第１のカムフォロアと、前記軸からずれた少なくと も１つの第２のカムフォロアとを含む、ロッドアセンブリ。
23. ２３．前記フォロアはローラーである、請求項２２に記載のロッドアセンブリ。
24. ２４．前記ロッドの前記第２の端部はフォーク状であり、前記第１のフォロアは 前記フォークの間に載置される、請求項２２に記載のロッドアセンブリ。
25. ２５．フォロアは３つあり、そのうち２つは第２のフォロアであり、前記第２の フォロアの各々は前記第１のフォロアの両側に載置される、請求項２２に記載の ロッドアセンブリ。
26. ２６．前記３つのフォロアは共通の軸上に載置される、請求項２２に記載のロッ ドアセンブリ。
27. ２７．内燃機関のピストンに接続するためのロッドアセンブリであって、 中心線と２つの端部とを有する接続ロッドを含み、前記接続ロッドの一方端部は ピストンに取付けられるようにされ、かつ前記ロッドの他方端部はフォーク状の 形状を有し、さらに 前記ロッドの前記フォーク状の端部に取付けられた複数個の細長いガイド部材を 含み、前記細長い部材の各々は前記ロッドの中心線にほぼ平行な長手方向の軸を 有する、ロッドアセンブリ。
28. ２８．前記細長い部材は前記中心線について対称的に配列される、請求項２７に 記載のロッドアセンブリ。
29. ２９．前記細長い部材を４つ含み、前記部材は２つの対に配列され、前記各対の 一方の部材は他方の部材と対向する方向を向いている、請求項２７に記載のロッ ドアセンブリ。
30. ３０．前記エンジン中でガイド手段を係合するための突出した表面を前記細長い 部材の各々上に含む、請求項２７に記載のロッドアセンブリ。