JPH10280902A - 往復ピストン機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明はエンジン運転時の排気，圧縮工程が
フライホイ−ル７からエネルギ−を取り出す際に必要な
出力軸５のトルクを小さくし、膨張工程がフライホイ−
ル７にエネルギ−を与える際に必要なクランク軸３のト
ルクを小さくして、エンジン出力の高効率化，低回転時
の滑らかな運転，回転数のす速い応答性を得ることが出
来る往復ピストン機関を提供することを目的とする。 【解決手段】 クランク軸３に歯車４を偏心させて取付
け、前記クランク軸３と平行に出力軸５を配置し、且つ
歯車４と噛合すると共にピストン１が上昇時に遅く下降
時に速くなるように歯車４と同様な歯車６を出力軸５に
偏心させて取付けると共にその出力軸５にフライホイ−
ル７を設けた構造と成す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はクランク軸の回転が
ピストンの上昇時と下降時で異なる往復ピストン機関に
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の往復ピストン機関は、フライホイ
−ルがクランク軸に直接取付けられ、一体となってクラ
ンク軸と共にフライホイ−ルが回転する構造であった。
またエンジン運転時には、吸気，圧縮，膨張，排気の全
ての工程は、同じ周期速度で繰り返されていた。又、一
般にフライホイ−ルのエネルギ−は膨張工程で蓄えら
れ、その蓄えられたエネルギ−は排気，吸気，圧縮の工
程において使われていた。この場合には特に、エンジン
の低回転運転時に於いては、フライホイ−ルに蓄えられ
るエネルギ−に対し、排気，吸気，圧縮の工程により消
費されるエネルギ−の比率が高回転運転時よりも大きく
なり、回転の滑らかさが損なわれ、振動として外部に伝
わったり、或いは正常な運転が出来ず且つエンジン効率
が低下する恐れがあった。このため、従来から低回転で
も大きなエネルギ−を蓄えることが出来るように、フラ
イホイ−ルの慣性モ−メントを大きくしたり、或いはエ
ンジンを多気筒に構成させて、排気，吸気，圧縮に必要
なエネルギ−を他のシリンダの膨張工程から得る方法が
行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記フ
ライホイ−ルの慣性モ−メントを大きくする方法では、
最大出力が低下し、且つ回転数の立ち上がり、つまり、
加速性が悪くなり、応答性の悪化を引き起こす等の問題
点が生じていた。また前記エンジンを多気筒に構成する
方法は、シリンダとピストンとの摩擦損失が増加し、エ
ンジンの重量が大幅に増加すると共にコストも上昇する
等の問題点があった。

【０００４】本発明はエンジン運転時の排気，圧縮工程
がフライホイ−ルからエネルギ−を取り出す際に必要な
出力軸のトルクを小さくし、膨張工程がフライホイ−ル
にエネルギ−を与える際に必要なクランク軸のトルクを
小さくして、エンジン出力の高効率化，低回転時の滑ら
かな運転，回転数のす速い応答性を得ることが出来る往
復ピストン機関を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明は成されたものであり、つまり、クランク軸
に歯車を偏心させて取付け、前記クランク軸と平行に出
力軸を配置し、且つ前記歯車と噛合すると共にピストン
が上昇時に遅く下降時に速くなるように前記歯車と同様
な歯車を出力軸に偏心させて取付けると共にその出力軸
にフライホイ−ルを設けた構造と成す。又、偏心して取
付けた２個の歯車の噛合位置を可変したり或いはピスト
ンの上下速度比を可変可能とするための位相調整手段を
具備させても良い。尚、本発明で言う「前記歯車と同様
な歯車」とは、同ピッチで且つ同じ歯数の偏心歯車を指
す。

【０００６】

【発明の実施の形態】図１，図２は本発明の実施形態を
示す図であり、これに基づき説明する。（１）は直線運
動するピストンであり、（２）はコネクティングロッド
で、（３）はクランク軸である。（４）はクランク軸
（３）に偏心させて取付けた歯車であり、この偏心量
（ｓ）としてはピッチ半径の五分の一程度が良好である
が、この比率に限定されるものではない。（図２参
照）。（５）はクランク軸（３）と平行に配置した出力
軸である。（６）は歯車（４）と噛合すると共にピスト
ン（１）が上昇時に遅く下降時に速くなるように出力軸
（５）に偏心させて取付けた歯車であり、該歯車（６）
は歯車（４）と同径のピッチ円，同ピッチ，同じ歯数の
ものを使用する。又、偏心量（ｓ）も歯車（４）と同じ
とする。尚、この時、歯車（４）と歯車（６）の偏心量
（ｓ）が中心位置から大きくずれるに従ってピストン
（１）の上昇はより遅くなり、下降はより速くなるの
で、超低回転のものに対応できるエンジンとなる。一
方、偏心量（ｓ）が中心に近付いて小さくなるに従って
普通のエンジンに近付くのである。（７）は出力軸
（５）に設けたフライホイ−ルである。

【０００７】図６は歯車（４）をクランク軸（３）に取
付ける角度によってピストン（１）の上昇時に遅く下降
時に速くなるタイミングの範囲を示したものであり、こ
れについて説明する。前記歯車（４）の偏心位置として
は、図中の矢印のように歯車（４）が回転し、ピストン
（１）が上死点に達した時点に於いて、歯車（４）の中
心（ｏ）位置は、クランク軸（３）の真上に来た（ａ）
位置から、（ｂ）を通過し、クランク軸（３）の真下に
来た（ｃ）位置の範囲でセットされる。つまり、図６
（ｄ）に示すβ（１８０度）の範囲であれば良いが、一
般にはα（９０度）の範囲でセットすれば良い。

【０００８】図３は本発明の別実施形態を示す図であ
り、これは図１の実施形態に比べて、歯車（４）と歯車
（６）との噛合位置を可変可能とするための位相調整手
段（８）を具備したものである。この位相調整手段
（８）としては、コネクティングロッド（２）の下端を
連結したクランク軸（３）の位置と歯車（４）を取付け
た位置の間に設けた差動歯車装置である位相調整機（8
1）と、該位相調整機（81）に取付けた歯車付きステッ
プモ−タである位相調整用のアクチュエ−タ（82）と、
出力軸（５）の回転数，シリンダ内圧，吸気圧，スロッ
ト弁開度などの検出デ−タに基づいて前記位相調整機
（81）の作動を制御するＥＣＵ（83）とから構成する。
また前記アクチュエ−タ（82）の歯車（82a）は位相調
整機（81）のリング歯車（81a）と噛合し、前記ＥＣＵ
（83）に入力する検出装置としては、出力軸（５）に取
付けた回転数センサ（84）と、シリンダに取付けたシリ
ンダ内圧センサ（85）と、吸気管に設けた吸気圧センサ
（86）と、スロット弁開度センサ（87）などを用いる。
尚、前記ＥＣＵ（83）は電子制御装置を指す。又、前記
位相調整機（81）は差動歯車装置に限定されるものでは
ない。

【０００９】図４は図３の別実施形態に比べて、歯車
（４）と歯車（６）との噛合位置を可変可能とする以外
にピストン（１）の上下速度比も可変可能とするための
位相調整手段（８）を具備したものである。この構造に
ついて詳細に説明すれば、クランク軸（３）と出力軸
（５）との中間で且つ平行に配置した中間軸（９）と、
該中間軸（９）の両側には前記歯車（４）及び歯車
（６）のそれぞれに噛合するように偏心させて取付けた
中間歯車（10）,（11）とが設けられている。この位相
調整手段（８）としては、コネクティングロッド（２）
の下端を連結したクランク軸（３）の位置と歯車（４）
を取付けた位置の間に設けた差動歯車装置である位相調
整機（81）と、前記中間歯車（10）,（11）の中間位置
に設けた差動歯車装置である位相調整機（81'）と、前
記位相調整機（81）,（81'）にそれぞれ取付けた歯車付
きステップモ−タであるアクチュエ−タ（82）,（82'）
と、前記出力軸（５）の回転数，シリンダ内圧，吸気
圧，スロット弁開度などの検出デ−タに基づいて前記位
相調整機（81）,（81'）の作動を制御するＥＣＵ（83）
と、出力軸（５）に取付けた回転数センサ（84）と、シ
リンダに取付けたシリンダ内圧センサ（85）と、吸気管
に設けた吸気圧センサ（86）と、スロット弁開度センサ
（87）とから構成されている。また前記アクチュエ−タ
（82）,（82'）の歯車（82a）,（82'a）は位相調整機
（81）,（81'）のリング歯車（81a）,（81'a）と噛合し
ている。尚、前記位相調整機（81）,（81'）は差動歯車
装置に限定されるものではない。

【００１０】次に本発明の作用を図５に基づいて説明す
る。予め歯車（４）の偏心量（ｓ）はそのピッチ半径の
五分の一とし、且つ偏心位置は図６の（ｂ）とする。先
ずピストン（１）が上死点に達した図５（ａ）位置から
下降する際には、クランク軸（３）の中心から噛合位置
までの距離が、出力軸（５）の中心から噛合位置までの
距離よりも短くなるので、歯車（４）の回転が速まり、
ピストン（１）の下降は従来のものよりも速くなるので
ある。そして図５（ｂ）位置に達するまで下降速度は徐
々に速まって最大となる。その後、徐々に下降速度は弱
まり、下死点に達した図５（ｃ）位置に於いては、歯車
（４）と歯車（６）との噛合位置が同じ長さとなる。下
死点である図５（ｄ）位置から上昇する際、歯車（４）
の回転が徐々に遅くなると共に出力軸（５）からピスト
ン（１）を押し上げる力は歯車（４）と歯車（６）との
噛合位置の変化によって従来のものよりも小さくて済
み、図５（ｅ）の位置で歯車（４）の回転が一番遅くな
り、その後は徐々に元に戻って図５（ｆ）位置に達す
る。以後は上記の工程を繰返し行われるのである。

【００１１】前記図５（ａ）〜（ｃ）位置にピストン
（１）が下降する場合は、膨張工程と吸気工程であり、
前記図５（ｄ）〜（ｆ）位置にピストン（１）が上昇す
る場合は、圧縮工程と排気工程である。このため、前記
膨張工程に於いては、歯車（４）と歯車（６）とが偏心
状態で噛合されることにより、ピストン（１）がフライ
ホイ−ル（７）を回転させるために必要なトルクが小さ
くて済む。吸気工程に於いては膨張工程と同じ位相であ
り、ピストン（１）を下死点まで引き下げるために大き
なトルクが必要となり、期待できる効果は殆どないが、
ディ−ゼル機関の場合には吸気弁がないので、吸気抵抗
は小さく、過給機付きエンジンの場合には吸気が正圧の
ため抵抗は小さくなり、問題はない。前記圧縮工程，排
気工程では膨張工程から位相が１８０度ずれ、この工程
は逆入力となり、フライホイ−ル（７）側からピストン
（１）に向けての回転は減速されると共に小さな力でピ
ストン（１）を上死点まで押し上げることが可能となる
のである。

【００１２】図３，図４の本実施形態のものを使用する
際の位相調整手段（８）の動きについて説明する。先ず
図３の歯車（４）と歯車（６）との噛合位置が可変され
る際の動きについて説明すれば、ＥＣＵ（83）により運
転状況に応じた最良の噛合位置が演算されてアクチュエ
−タ（82）に指示が入力される。するとアクチュエ−タ
（82）の歯車（82a）は必要な角度だけ回転し、該歯車
（82a）に噛合した位相調整機（81）のリング歯車（81
a）も回転するので、差動歯車装置である位相調整機（8
1）全体が回転され、クランク軸（３）のクランクが傾
斜する。従って、ピストン（１）が上死点に達した時点
の歯車（４）と歯車（６）との噛合位置はずれて変化す
るのである。次に図４の歯車（４）と歯車（６）との噛
合位置を可変させる際の動きとしては、ＥＣＵ（83）の
指示によってアクチュエ−タ（82）を作動させて位相調
整機（81）全体が回転されることで、図３の状態と同様
にクランク軸（３）のクランクが傾斜するので、結果的
にピストン（１）が上死点に達した時点の歯車（４）と
歯車（６）との噛合位置が変化するのである。又、ピス
トン（１）の上下速度比を可変とする際の動きについて
説明すれば、ＥＣＵ（83）により運転状況に応じた最良
の噛合位置が演算されてアクチュエ−タ（82）,（82'）
に指示が入力され、アクチュエ−タ（82）,（82'）の歯
車（82a）,（82'a）は必要な角度だけ回転し、該歯車
（82a）,（82'a）に噛合した位相調整機（81）,（81'）
のリング歯車（81a）,（81'a）も回転しその位相調整機
（81）,（81'）全体が回転すると共にクランク軸（３）
と出力軸（５）との回転速度比が変動する。この結果、
前記歯車（４）と中間歯車（10）の噛合位置及び歯車
（６）と中間歯車（11）の噛合位置もずれて変化するた
め、ピストン（１）の上下速度比が可変となるのであ
る。

【００１３】このように歯車（４）と歯車（６）の噛合
により、１回転で１周期の減速比の増加及び減少として
は、ピストン（１）の動きが、上昇時で従来品よりも遅
く、下降時で従来品よりも速くなる動きが繰り返され
る。つまり、排気，圧縮工程がフライホイ−ル（７）か
らエネルギ−を取り出す際に必要な出力軸（５）のトル
クは小さく、膨張工程がフライホイ−ル（７）にエネル
ギ−を与える際に必要なクランク軸（３）のトルクは小
さくなるため、本発明品と従来品と同じ重量のフライホ
イ−ル（７）を用いた際のエンジン性能は、同じ回転時
であれば、従来品よりも高トルクが発生するので、排気
量を小さくすることが出来る。またフライホイ−ル
（７）の慣性モ−メントを小さくすることができるの
で、応答性が向上すると共に低回転でも滑らかな運転が
可能となり、しかも超低回転でのエンジンの運転も出来
るため、低燃費となるのである。一方、２サイクル機関
の場合は、吸気と排気（掃気）が短時間に遂行され、膨
張と圧縮が全工程の殆どを占めると共にピストン（１）
が上死点から下死点に行くまでに膨張，排気（掃気），
吸気まで行うので本発明品を利用すると極めて有効なも
のとなり、且つ、小さな膨張力で出力軸（５）を回転さ
せ、小さなトルクで圧縮を行うことが出来るため、小さ
なフライホイ−ル（７）や少ない気筒数のエンジンにお
いて、滑らかな運転と、高出力、低燃費が実現できる。
またエンジン全体の軽量化が可能となる。特にエンジン
としては多気筒に構成する必要はなく、単気筒のものに
於いてはその効果が大いに発揮できものとなる。例えば
４サイクルの６６０ｃｃのアイドリングは一般に７００
ｒｐｍ前後であるが、本発明品を用いると、４００ｒｐ
ｍの超低回転のアイドリングも可能となる。また２サイ
クルの５０ｃｃの場合に於いては、そのアイドリングは
一般に１２００ｒｐｍ前後であるが、本発明品を用いる
と、６００ｒｐｍの超低回転のアイドリングも可能とな
る。

【００１４】

【発明の効果】本発明はこのように構成させたことによ
り、下記に記載する効果を有する。

【００１５】請求項１のようにクランク軸（３）に歯車
（４）を偏心させて取付け、クランク軸（３）と平行に
出力軸（５）を配置し、且つ前記歯車（４）と噛合する
と共にピストン（１）が上昇時に遅く下降時に速くなる
ように前記歯車（４）と同様な歯車（６）を出力軸
（５）に偏心させて取付けると共に前記出力軸（５）に
フライホイ−ル（７）を設ける構造とすることにより、
従来のような最大出力が低下したり、回転数の立ち上が
り悪く加速性や応答性の悪化を引き起こす恐れが無くな
った。また前記エンジンを多気筒に構成する必要がない
ので、エンジンの重量が大幅に増加したりコストが上昇
することもなくなる。更に従来のエンジンと比べ、同回
転数時に於ける出力は、本発明品の方が高くなり、エン
ジン出力の高効率化が可能である。又、低回転時に於い
ては、滑らかな運転が可能となると共に回転数のす速い
応答性を確保することも出来る。しかも排気量を小さく
且つ低燃費で重量が軽量化可能なエンジンが生産でき、
そのエンジンが４サイクル及び２サイクルの往復ピスト
ン機関として利用出来るものとなる。特にエンジンとし
ては単気筒及び２サイクルのものに於いてもその効果が
大いに発揮できるものとなる。

【００１６】請求項２のように歯車（４）と歯車（６）
との噛合位置を可変したり或いは前記ピストン（１）の
上下速度比を可変可能とするための位相調整手段（８）
を具備することにより、運転状況を検出し、適切な減速
比の大きさと減速比の位相に調節することが可能とな
る。従って、エンジンの運転が低回転，高回転，低負
荷，高負荷等のさまざまな状況に対して、エンジンの特
性に合った効率の良い出力を引き出すことが出来るた
め、トランスミッションを不要とすることも可能とな
る。

【００１７】請求項３に示すように位相調整手段（８）
として、コネクティングロッド（２）の下端を連結した
クランク軸（３）の位置と歯車（４）を取付けた位置の
間に設けた位相調整機（81）と、該位相調整機（81）に
取付けた位相調整用のアクチュエ−タ（82）と、前記出
力軸（５）の回転数，シリンダ内圧，吸気圧，スロット
弁開度などの検出デ−タに基づいて前記アクチュエ−タ
（82）を介して前記位相調整機（81）の作動を制御する
ＥＣＵ（83）とから少なくとも成すことにより、位相調
整機（81）の制御が電子制御化され、エンジンの運転状
況をより正確に管理し、迅速に対応出来ると共に低価格
で精度の良い位相調整手段（８）として提供出来るもの
となる。

【００１８】請求項４に示すように位相調整手段（８）
として、クランク軸（３）と出力軸（５）との中間で且
つ平行に配置した中間軸（９）と、該中間軸（９）の両
側には前記歯車（４）及び歯車（６）のそれぞれに噛合
するように偏心させて取付けた中間歯車（10）,（11）
と、前記コネクティングロッド（２）の下端を連結した
クランク軸（３）の位置と歯車（４）を取付けた位置の
間に設けた位相調整機（81）と、前記中間歯車（10）,
（11）の中間位置に設けた位相調整機（81'）と、前記
位相調整機（81）,（81'）にそれぞれ取付けたアクチュ
エ−タ（82）,（82'）と、前記出力軸（５）の回転数，
シリンダ内圧，吸気圧，スロット弁開度などの検出デ−
タに基づいて前記アクチュエ−タ（82）,（82'）を介し
て前記位相調整機（81）,（81'）の作動を制御するＥＣ
Ｕ（83）とから少なくとも成すことにより、微小な調整
が可能となると共に幅広い調整が可能となる。従って、
基本的なエンジンの構造を変えないで、本発明品の要部
を付加するだけで大きな効果が期待出来るものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の要部を示す説明図である。

【図２】図１の側面図である。

【図３】本発明の別実施形態の要部を示す説明図であ
る。

【図４】本実施形態の別の位相調整手段が用いられた要
部を示す説明図である。

【図５】本発明の作用を示す説明図である。

【図６】本実施形態の歯車の偏心位置について示す説明
図である。

【符号の説明】

１ ピストン ２ コネクティングロッド ３ クランク軸 ４,６ 歯車 ５ 出力軸 ７ フライホイ−ル ８ 位相調整手段 81,81' 位相調整機 82,82' アクチュエ−タ 83 ＥＣＵ ９ 中間軸 10,11 中間歯車 ｓ 偏心量

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直線運動するピストン（１）の下部とコ
   ネクティングロッド（２）の上端を連結し、且つその下
   端をクランク軸（３）に連結する往復ピストン機関に於
   いて、前記クランク軸（３）に歯車（４）を偏心させて
   取付け、前記クランク軸（３）と平行に出力軸（５）を
   配置し、且つ前記歯車（４）と噛合すると共に前記ピス
   トン（１）が上昇時に遅く下降時に速くなるように前記
   歯車（４）と同様な歯車（６）を出力軸（５）に偏心さ
   せて取付けると共に前記出力軸（５）にフライホイ−ル
   （７）を設けたことを特徴とする往復ピストン機関。
2. 【請求項２】 前記歯車（４）及び歯車（６）の噛合位
   置を可変したり或いは前記ピストン（１）の上下速度比
   を可変可能とするための位相調整手段（８）を具備して
   成す請求項１記載の往復ピストン機関。
3. 【請求項３】 前記位相調整手段（８）が、コネクティ
   ングロッド（２）の下端を連結したクランク軸（３）の
   位置と歯車（４）を取付けた位置の間に設ける位相調整
   機（81）と、該位相調整機（81）に取付ける位相調整用
   のアクチュエ−タ（82）と、前記出力軸（５）の回転
   数，シリンダ内圧，吸気圧，スロット弁開度などの検出
   デ−タに基づいて前記アクチュエ−タ（82）を介して前
   記位相調整機（81）の作動を制御するＥＣＵ（83）とか
   ら少なくとも成す請求項２記載の往復ピストン機関。
4. 【請求項４】 前記位相調整手段（８）が、前記クラン
   ク軸（３）と出力軸（５）との中間で且つ平行に配置し
   た中間軸（９）と、該中間軸（９）の両側には前記歯車
   （４）及び歯車（６）のそれぞれに噛合するように偏心
   させて取付けた中間歯車（10）,（11）と、前記コネク
   ティングロッド（２）の下端を連結したクランク軸
   （３）の位置と歯車（４）を取付けた位置の間に設けた
   位相調整機（81）と、前記中間歯車（10）,（11）の中
   間位置に設けた位相調整機（81'）と、前記位相調整機
   （81）,（81'）にそれぞれ取付けたアクチュエ−タ（8
   2）,（82'）と、前記出力軸（５）の回転数，シリンダ
   −内圧，吸気圧，スロット弁開度などの検出デ−タに基
   づいて前記アクチュエ−タ（82）,（82'）を介して前記
   位相調整機（81）,（81'）の作動を制御するＥＣＵ（8
   3）とから少なくとも成す請求項２記載の往復ピストン
   機関。