JPS6312833A - 対向ピストンエンジン - 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］ 本発明は、一対のピストンが対向して対称的に運動する
形式のエンジンで通常のクランク、コンロッド機構に比
べ、よりバランスを良くし、小型軽量化し、更に、対向
したピストンが下死点にきた時、ピストン裏側の空間の
占める容積が非常に小ざくなる事を利用して、これを過
給器として用いた２気筒エンジンを２組使用して各々の
ヨークしてリングヨークとし、４気筒エンジンに発展さ
せたものに関する。

［従来の技術および発明が解決しようとする問題点コ 従来のレシプロ式４気筒エンジンは殆どが直列式であり
、一部に水平対向式やＶ型が使われている。直列式はま
とまりが良く動弁機構がシンプルとなりコスト面でも有
利である。しかし、振動に関しては２次の慣性不釣合い
が大きく、その振動を減らすためエンジンマウントやエ
ンジンルームに工夫をしており、場合によっては複雑な
バランサーで２次慣性不釣合いやローリングを相殺によ
り減少させる例があるが、これらはコストがかかり本来
のメリットを活かすことができない。また、水平対向式
やＶ型は撮動は少ないがトータルコストの点でメリット
が少ない。これらの形式の問題点を解決するため先の本
人出願による特願昭６０−２５９３３６号のエンジンで
は菱形状のリンク機構の４個の頂点にピストンピンを配
置して十字型のピストン配列とし、ピストンやリンクが
対称的に運動するので極めてバランスが良く、リンク機
構から取出した揺動運動を回転運動に変換する機構もコ
ンパクトで剛性が高く本質的に振動の極めて少ないエン
ジンにすることが出来る。

４等辺の菱形リンク機構を利用したエンジンの例として
Ｕ、Ｓ、Ｐ２，０５０．６０３号やアメリカのカミネの
カムエンジン「内燃機関の歴史、昭和４４年１２月２５
日三栄書房発行、２６０頁」等がおり、これらは菱形状
リンク機構の各関節に設けたローラーが、両型のカムに
内捜または外接して高速で転がる形式であり、バランス
や１辰動の点で優れているが接触部分での摩耗が大きく
エンジンとしては耐久性に問題があった。

更に、従来の揺動斜板機構はコンプレッサーとして多く
使用されているが、これをエンジンに使用した例えば特
許２３６５４０号ではピストンの直線運動を揺動斜板に
伝える時のジヨイント部分が複雑になり、他の例でも殆
ど全てにスラスト軸受けを必要とし潤滑条件が厳しく構
造も複雑となりコストも高くなる。これらは前記「内燃
機関の歴史２６６〜２７３頁」に詳説されている。

これに対し、前述の本人出願の発明例では、ヨークの偶
力を直交軸受を介してトルクに変換するのでスラスト軸
受けが不要で構造が極めて簡単になり、主な１ｆｆｉ動
部分が全てビンジヨイントとラジアル軸受けから構成さ
れているので耐久性に関しても優れた構造で必る。この
発明の十字型ピストン配置の対向する一対のピストンは
、そのピストンが下死点に来た時、その裏側の空間容積
が極めて小さくなるのを利用してそれを過給器とする発
明は特願昭６１−０４６７５３＠とじて出願しており、
これは前述の出願例に対し比出力つまりＨＰ／に’ｌの
点で優れており、エンジンとして見た場合極めて小型軽
量でパワフルなものである。但し、機構上２気筒エンジ
ンに制約されており、自動重用としてはトルク変動や騒
音の点で難点がある。

そこで本発明では前出願の２気筒エンジンを２組使って
そのヨーク部分を共通化してリングヨークとし、４気筒
エンジンにしてトルク変動や騒音を更に低減したもので
ある。

現在のエンジンは過給する場合、エンジンと別個に過給
器を備える必要があり、過給器自体に耐久性や体積効率
の点で問題が多く、過給器の最も必要とされる小排気量
のエンジンに対しコストの占める比重も大きくなる。

本発明はエンジン本体に過給器を内装しているので耐久
性やコストの点で極めて優れており、過給器の一種とし
て現在主流のターボチャージャーと比べても低速トルク
やレスポンス等の欠点を解消している。

［問題を解決するための手段］ 本発明の技術的手段は、ピストンピン（ｐｌ）（ｐ２）
及びジヨイントピン（ｊ１）（ｊ２）で菱形状に連結さ
れた等辺のリンク（Ｌｌ）〜（Ｌ２）の対向したリンク
（Ｌ１）（Ｌ３）及び（Ｌ２）（Ｌ４）の各中点にＸ状
に交叉したクロスアーム（Ａ１）　（Ａ２）の端部をそ
れぞれ関着させ、クロスアーム中央の交点でクロスアー
ム（Ａ１）の作動平面に垂直に揺動軸（１）を設け、菱
形状リンクとピストン（Ｐ１）（Ｐ２）をピストンピン
（ｐｌ）（ｐ２）で連結する。これと同一構造のもう一
組の機構の揺動輪（１°）と前記揺動軸（１）をリング
ヨークを介して同一軸線上に連結し、その連結状態は一
方のピストンが下死点にある時もう一方は上死点にある
ようになっている。リングヨークの内側に揺動軸に直角
に７クランク軸（３）を配置し、十字状の直交軸受（６
）を介してリングヨークと連結されている。

シリンダー（Ｃ１）〜（Ｃ４）の底部にはピストンが下
死点に来たときにリンクがはみだす逃げ空間（Ｓｌ）を
設け、リンクの残された空間を埋めるように突起（Ｓａ
）　（Ｓｂ）がある。更に、ポートフランジ（１０）と
ジャーナルフランジ（９）にはピストン裏側の空間を埋
めるように突起（１０ａ、）（１０’ａ）（９ａ）（９
’ａ）　をｍけ−Ｃいる。従ッテ一対のピストンが下死
点に来たときの裏側の隙間容積は極めて小さく出来るの
で過給器としての容積効率は高い。現在のエンジンでは
２サイクルエンジンがピストン裏側の空間の容積変化を
利用して掃気作用をしているが、ピストンが下死点に来
たときのクランク室の空間の占める容積、即ち、隙間容
積は構造上ピストンの行程容積に比べて相当大きく、ク
ランク室の圧縮比、即ち（隙間容積士ピストン行程容積
）÷（隙間容積）＝１．３〜１．４である。「自動車工
学講座［内燃機関（構造編）」明現社１９８４年３月３
０日発行１０４頁」従って現在のレシプロエンジンでは
これ以上圧縮比を上げることは困鐘であり、過給器とし
て必要な圧力の空気を発生することはできず、ここで実
用的に扱われる気体の圧力はほぼ大気圧に限定されてい
る。

一方、本発明では一対のピストンが下死点に来たときに
その裏側の隙間容積は構造上非常に小さくでき、圧縮比
を大ぎくできるので過給器として充分な圧縮空気を効率
よく発生できる。

次に、ピストンの往復により得られる揺動軸の揺動運動
は第３図Ｉ　（ｂ）〜ＩＶ（ｂ）に示すようにリングヨ
ークの揺動が直交軸受（６）の章動運動（ミソスリ運動
）を発生しＺクランク軸（３）で回転運動に変換してい
る。第２図のようにピストンの位置は一対が下死点に来
たときは他の一対は上死点にあり、Ｚクランク軸（３）
の位相角にして互いに１８０度ずれており、１回転あた
りの爆発回数は２回になるので、２気筒エンジンに比べ
て滑らかなトルク変動がえられる。又、動弁機構は第６
図に示す構造でカム軸を作動し、カムでタイミングをと
りロッカーアームを経て吸気弁、排気弁を開いている。

［作　　用］ 上記の構成によりピストンが往動または復動すると、交
叉状態にあるクロスアーム（ＡＩ）　（Ａ２）は互いに
逆に揺動し、クロスアーム（Ａ１）に固着して連結され
たリングヨーク（２）の揺動で直交軸受（６）に章動運
動を発生し、直交軸受（６）に’ｉｎ欣されているクラ
ンクピン（５）も同様に動き主軸（４ａ）副軸（４ｂ）
から成るＺクランク軸（３）を回転する。この時、一対
のピストンやリンクｉ構はその構成する菱形の対角線の
交点に関し対称的に動くのでバランスは極めて良い。又
、Ｚクランク軸く３）は主軸（４ａ）副軸（４ｂ）に付
設されたバランスウェイト（４°ａ）（４°ｂ）により
偶力の不つりあいを相殺し、更に、直交軸受く６）の動
きはクランクピンまわりの章動運動と揺動ピン（６ａ）
付近の揺動運動の成分に分解され、各成分は前記バラン
スウェイト（４’ａ）（４°ｂ）とリングヨークと逆方
向に揺動するクロスアーム（Ａ２）などに必要に応じて
付加された揺動バランスウェイトでバランスをとり、全
体として非常にバランス良く構成できる。次に、過給器
のポンプ作用に関し、一対のピストンが下死点から上死
点に動くとき、一対のシリンダーの底部を密閉するとピ
ストンの裏側の密閉室は気圧が下がる。そこで密閉室に
連通して吸入弁を設けるとそこから空気を吸入する。逆
にピストンが上死点から下死点に動くとき気圧が上がる
ので吐出弁を設けるとそこから空気がでる。その際、ピ
ストンが往復する時のピストン裏側の空間容積はくピス
トン−個当りの行程容積Ｘ２＞＋（逃げ空間Ｓ１にリン
クが入る時に押し退ける容積）だけ変化する。ここで得
られた空気または混合気は１気筒当りの１回の吸入量と
なるので充填効率は極めて高くなる。その際、吐出側の
圧力は大気圧よりも相当高くなり、充分な空気を送り出
すため隙間容積を小さくする必要がある為、吸入弁と吐
出弁は密閉室になるべく近接して設ける必要がある。第
４図と第５図は弁機構の一例である。

［実　施　例コ 第１図は一対のエンジンの主要部を断面した平面図、第
２図はエンジン全体の主要部を断面した側面図で、平行
な等辺のリンク（＋　２）　（Ｌ４）をリンク（＋　１
）　（Ｌ３）各２本で上下より挟む形で菱形状に連結し
、ビス１−ン（Ｐｌ）（Ｐ２）とピストンピン（ｐｌ）
（ｐ２）で関着され、他の関節はジヨイントピン（ｊｌ
Ｈｊ２）で連結されている。各リンクの中点にはアーム
ピン（７）（７）及び（８）（８）が配置され、Ｘ状に
交叉したクロスアーム（Ａ２ＨＡ２）及び（Ａ１）が連
結されている。ピストンの往復によりクロスアームの交
叉角が変わり１ヱ動軸（１）を中心にして揺動する。

゛第２図のように一対のエンジンと他の一対のエンジン
の揺動軸（１Ｈｌ　’）を向かい合わせて同一軸線上に
配置し、リングヨーク（２）で連結する。上下のピスト
ンは互いに逆方向に動きＺクランク軸（３）の位相で１
８０度ずれている。

第６図に示すカム軸駆動機構によりカム軸（１１）（１
２＞が回されロッカーアーム（１３）〜（１６）を介し
カムでタイミングをとり吸気弁（Ｖｌ）（Ｖ３）排気弁
（Ｖ２）（ｖ４）を開いている。

上下のエンジンはＺクランク軸の半回転毎に交互に爆発
を繰返しリングヨークの正逆方向の揺動トルクを発生し
、直交軸受（６）の章動運動（ミソスリ運動）を経てＺ
クランク軸の回転トルクに変換される。その変換のメカ
ニズムは第３図Ｉ　（ｂ）〜ＩＶ（ｂ）に示されており
、その特徴は通常の揺動斜板機構が回転軸に平行な軸力
をトルクに換えるためスラスト軸受けを必要とするのに
対し、これはリングヨークの揺動による偶力を回転トル
クに換えるのでラジアル軸受けだけで済み、機構上非常
にシンプルになる。

次に、本発明の構造上の特徴は一対のピストンが下死点
に来たときその裏側の隙間容積が非常に小さくなるが、
一対のシリンダーの底部にリンク機構の逃げ空間（Ｓｔ
）（Ｓｌ）を設け、ジャーナルフランジ（９）ボートフ
ランジ（１０）を包含するように接合し密閉構造にする
。ボートフランジ（１０）に第４図、第５図に示すよう
な弁機構を付設し、連通穴（１０ｂ）をあける。更に、
ピストンが下タヒ点にきたとき隙間容積を小さくする為
、リンクとピストン裏側の隙間を埋めるように突起（Ｓ
ａ　）（Ｓｂ　）（９ａ　）（１０ａ＞を設けＴ（、Ｎ
る。

今、一対のピストンが下死点から上死点に動くとき密閉
室の気圧が下がり第５図（Ａ＞のように吸入弁（１７）
のり一ド（１７°）が聞き矢印のように空気が連通穴（
１０ｂ）を通って入る。逆に、上死点から下死点に動く
とき吐出弁（１８）のり−ド（１８°）が開き矢印のよ
うにシリンダーに空気を送り込／νでいる。密閉室の囲
動部分の潤滑は２サイクルのように潤滑油との混合ガス
を吸入したり、空気と潤滑油を混合したり、直接囲動部
分に潤滑油を送るなど種々の方法がある。又、気化器も
密閉室の前や債に配置できるが、燃料噴射やディーゼル
などでは気化器は不要となる。

第３図は一対のエンジンの主要部分の動きを示す平面図
で、Ｉ　（ｂ）〜ＩＶ（ｂ）は１ヱ動軸から下方を見た
作動状態を示し、左の図面の状態と同期している。Ｉ（
ａ）はシリンダー（Ｃ１）が吸気路わり、シリンダー（
Ｃ２）が爆発終わりで、爆発力によりクロスアーム（Ａ
１）が左回転の揺動トルクを発生し、リングヨーク（２
）に伝える。直交軸受（６）は揺動運動を章動運動に変
換し直交軸受に′ｔｉ嵌されたクランクビン（６）をも
った７クランク軸（３〉の回転トルクに変換する。

第３図Ｉ［（ａ）ＩＩ　（ｂ）はシリンダー（Ｃ１）が
圧縮終わり、シリンダー（Ｃ２）が排気路わりを示し、
その時、第２図下側の他の一対のエンジンの爆発行程で
リングヨーク（２）の右回転の揺動トルクを発生し、Ｚ
クランク軸（３）の回転トルクを得ている。　第３図Ｉ
［１（ａ）はシリンダー（Ｃ１）が爆発終わりで上記の
ような方法でトルクに変換される。

このようにして上と下のエンジンが順次交互に爆発を繰
返し回転トルクを発生している。

本発明は２気筒エンジンに比べ１回転当りの爆発回数が
２倍になりトルク変動が小ざく滑らかで静かなエンジン
に出来る。

本発明と前述した特願昭６０−２５９３３６号との相違
点はシリンダーの構造で、前特願は十字型シリンダーで
一対のピストンが下死点に来たときそのスカート部分が
シリンダーからはみだし、サイドスラストを受けたとき
にピストンが傾くが、他の一対のピストンが上死点にあ
りリンク機構がピストンピンの位置を規定するので傾き
を防いでいる。

一方、本発明はピストンが下死点に来た時、ピストンス
カート部分までシリンダーを延長しているので、下死点
でもサイドスラストに対して傾きを防止している。

次に、動弁機構は第６図（Ｂ）の副軸（４ｂ）から傘歯
車機構で中間軸（１９）を回し、そこに固着したスプロ
ケット（２０）からカム軸（１１）（１２）に設けたス
プロケット（２１）（２２＞をチェーン又はタイミング
ベルトを介してＺクランク軸（３）の１７２の回転数で
カム軸に凸設したカムを回している。

カムでタイミングをとりロッカーアーム（１３）〜（１
６）を介して吸気弁（Ｖｌ）　（Ｖ３）や排気弁（Ｖ２
）　（Ｖ４）を開いている。

動弁機構は本発明に限らず種々の方法があり、例えばロ
ッカーアームを形状変更する事で１気筒当りの弁の数を
３〜４本にし、高速、高出力化に対応することができる
。又、Ｚクランク軸を直列に連結してエンジンを増設す
る場合は、カム軸を７クランク軸と平行にし、より簡単
な動弁機構に変更できる。

［発明の効果］ 本発明は、上記の説明のように、従来の４サイクル４気
筒レシプロエンジンに比べ、バランス、重量、剛性、形
状などの点で優れており、最も汎用性の高い直列４気筒
に比ベクランク軸の軸受けの間隔が７クランク軸のため
約半分になり、現在主流のフロントエンジン、フロント
ドライブ車への搭載に最適である。又、エンジンを構成
している機械要素は、前記「内燃機関の歴史」で述べら
れている各種新型エンジンに比べ、耐久性で問題となる
潤滑条件の厳しい部分や、ガスシールの困難な構造を使
わず、摺動部分は実績のあるビンジヨイントやラジアル
軸受けで構成されている。

更に、エンジンに内装された過給器は、エンジンとは別
個に過給器を備えた時、ガス漏れによる容積効率の低下
や周動抵抗による機械効率の低さや耐久性等の問題点が
あり、現在主流のターボチャージャーに比べ低速トルク
が高い点や応答が速い等のメリットを活かす事ができな
い。

本発明の過給器は耐久性や機械損失、及び漏れ損失は全
てエンジン本体に依存し、極めて実用性が高い。また、
エンジン重量に対する比出力が非常に大きく１ランク大
型のエンジンに置換えることが出来る。

更に、圧縮比の高いディーゼルエンジンに適用すれば、
低速から充分な過給圧力を得られる為、より小排気量の
エンジンまでディーゼルを実用化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は一対のエンジンの主要部の断面図、第２図は主
要部を断面した側面図、 第３図は一対のエンジンの作動状態を示す平面図で、１
（ｂ）〜Ｉｖ（ｂ）ハ揺動軸（１）から下の７クランク
＋ＩＩ（３）の運動変換状態を示す、第４図はジャーナ
ルフランジ（９）とボートフランジ（１０〉に付設した
弁機構の断面斜視図、第５図は主として吸入弁と吐出弁
の空気の流れを示す作動状態図、 第６図（△）はカム軸（１１Ｈ１２）を作動さぜる動弁
機構の平面図、（Ｂ）はその側面図、１．１’　　：揺
１４　　　２：リングヨーク３：Ｚクランク軸　　　６
：直交軸受 １０；ボートフランジ　　　１１．１２：カム軸１３〜
１６；ロッカーアーム　　　１７：吸入弁　　　１８；
吐出弁　　　Ａ１．Ａ２　　：クロスアーム　　　Ｌ１
〜Ｌ４　フランジ　　　Ｐ１〜Ｐ４；ピストン　　　Ｃ
１〜Ｃ４，シリンダート１１〜ト１４；シリンダヘッド
　　　Ｖｌ　、　Ｖ３；吸気弁　　　Ｖ２．Ｖ４；排気
弁　　　９ａ、　１０ａ、Ｓａ、Ｓｂ；突起

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）同一軸線上に対向して一対のシリンダー（Ｃ１）
   （Ｃ２）を配置し、各シリンダーに内捜された各ピスト
   ン（Ｐ１）（Ｐ２）のピストンピン（ｐ１）（ｐ２）と
   ジョイントピン（ｊ１）（ｊ２）により、等辺のリンク
   （Ｌ２）（Ｌ４）を（Ｌ１）（Ｌ３）各２本で上下より
   挟む形で菱形状に連結し、その対角線の交点でクロスア
   ーム（Ａ１）を２本のクロスアーム（Ａ２）（Ａ２）が
   上下より挟む形でＸ状に交叉させ、その端部をアームピ
   ン（７）（７）及び（８）（８）でそれぞれ（Ｌ２）（
   Ｌ４）及び（Ｌ１）（Ｌ３）の各中点で関着させ、該ク
   ロスアームの交点でその作動面に垂直にクロスアーム（
   Ａ１）に揺動軸（１）を固着し、上記と同一構造のもう
   一対の機構に設けた揺動軸（１′）と前記揺動軸（１）
   とをリングヨーク（２）を介して同一軸線上に連結し、
   揺動軸（１）（１′）に直交してリングヨーク（２）の
   内側にＺクランク軸（３）を配置し、その主軸（４ａ）
   、副軸（４ｂ）間の中心線に斜交したクランクピン（５
   ）を遊嵌して十字状の直交軸受（６）を設け、その十字
   状の直交したもう一方の両端に設けた揺動ピン（６ａ）
   （６ａ）は揺動軸に直交して設けたリングヨーク（２）
   の穴にはまり、ピストンの往復運動から菱形状リンク機
   構によりリングヨーク（２）の揺動運動をとりだし、直
   交軸受（６）で章動運動に変換し、Ｚクランク軸（３）
   の回転運動に変換することを特徴とする対向ピストンエ
   ンジン。
2. （２）対向した一対のピストン（Ｐ１）（Ｐ２）及び（
   Ｐ３）（Ｐ４）の裏側の空間を密閉し、その密閉室に近
   接して吸入弁と吐出弁を付設し、ピストン（Ｐ１）（Ｐ
   ２）及び（Ｐ３）（Ｐ４）の往復による密閉室の容積変
   化で得られた圧縮空気または混合気をシリンダー（Ｃ１
   ）〜（Ｃ４）に送り込み、過給器として利用することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の対向ピストンエ
   ンジン。
3. （３）揺動軸（１）（１′）に平行なカム軸（１１）（
   １２）をシリンダヘッド（Ｈ１）（Ｈ３）及び（Ｈ２）
   （Ｈ４）に備え、副軸（４ｂ）から傘歯車機構とチェー
   ン又はタイミングベルトから成る減速機構を介して１／
   ２の回転を前記カム軸に伝え、各カム軸に凸設したカム
   でロッカーアームを介して吸気弁と排気弁を作動させる
   ような動弁機構を備えた特許請求の範囲第１項記載の対
   向ピストンエンジン。