JPS63295821A - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は弁機構のない内燃機関の改良に関し、特に往復
運動するピストンがいずれの方向に運動する行程に於て
も爆発行程にあり、しかもシリンダーの燃焼ガスと新気
とが一方向に流動される内燃機関に関する。

［従来の技術並びにその問題点コ 従来の２サイクルエンジンは弁機構がなく、構造が簡単
な特長がある。２サイクルエンジンの特性を向上する為
に特に大切なことは、残留ガスを少なくして、新気の吹
き抜けを少なくすることである。ピストンが上下して排
気口と掃気口とを開閉する２サイクルエンジンは、４サ
イクルエンジンのように、弁の開閉をカム等で制御でき
ない。

残留ガスの排気効率をよくする為に、排気タイミングを
早くすると、新気の吹き抜けが起こり易く、また、燃焼
ガスがピストンを押圧する時間が短くなって全体の効率
が低下する。反対に、排気口が閏くタイミングを遅くす
ると、残留ガスが多くなる。この為、高速回転用のエン
ジンは、燃料消費率を多少犠牲にし、最高回転数を増加
させる為に排気口が開くタイミングを早くし、低速用の
エンジンは、高速回転を犠牲にして、排気口の開口タイ
ミングを遅くしている。

残留ガスと新気の吹き抜けとは互いに相反する特性であ
って、２サイクルエンジンは、両方の特性を同時に満足
することは極めて難しい。可能な限り両特性を向上する
掃気方式として、排気口の両側と、排気口の反対側から
シリンダー内に新気を吹き込む反転掃気、即ちシュニー
レ式の掃気方式が提案されている。この方式は、ピスト
ンの頭部にディフレクタ−を有する横断掃気方式に比べ
ると優れた掃、排気効率を実現し、オートバイエンジン
を始め多くの２サイクルエンジンに採用されている。

しかしながら、この掃気方式にしても、４サイクルエン
ジンに近い理想の掃排気状態を実現することができず、
また、掃排気口の開口方向、大きさ、タイミング等の設
定が極めて難しい欠点がある。

更に、２サイクルエンジンの掃気効率を向上する方式と
して、シリンダーの頭部に排気弁を設けたユニフロ一式
の掃気方式が開発されている。この構造のエンジンは、
燃焼ガスが上方に排気され、下部から新気が流入して、
シリンダー内でガス流が下から上の単方向に流動するの
で、掃排気効率が良く、大型のデーゼルエンジンに採用
されている。しかしながら、この構造の２サイクルエン
ジンは、排気弁を必要とする為、２サイクルエンジンの
特長である簡単な構造のエンジンとならず、小型のエン
ジンに採用されていない。

ところで、２サイクルエンジンは、クランクシャフトが
１回転するのに１回爆発し、４サイクルエンジンに比べ
ると単位気筒容積当りの出力が１゜２ないし１．５倍と
相当に大きくなる。

しかしながら、２サイクルエンジンといえどもピストン
が押し下げられる片方の運動方向が仕事工程（爆発行程
）であって、ピストンが押し上げられる行程は仕事工程
とならない。ピストンが押し下げられ、また、押し上げ
られる両行程が仕事工程にできるなら、更に単位気筒容
積当りの出力を増強できる。

［発明の目的］ 本発明はこの欠点を解決することを目的に開発されたも
ので、この発明の重要な目的は、弁機構を必要としない
にもかかわらず、ユニフロ一方式と同様の優れた掃排気
状態が実現でき、しかもピストンが往復運動する両運勤
行程が仕事工程で、単位気筒容積当りの出力を著しく増
大できる内燃機関を提供するにある。

また、本発明の他の重要な目的は、燃料消費が良好で、
小型、軽量にして大出力が可能である内燃間を提供する
にある。

［従来の問題点を解決する為の手段］ 本発明の内燃機関は、環状に形成されたシリンダーと、
この環状シリンダー内に摺動自在に内蔵された複数のピ
ストンと、このピストンの往復運動を回転運動に変換す
る往復回転運動変換手段と、点火手段とを備える。

ピストンは、２の整数倍あって、互いに隣接するピスト
ンは接近、又は遠ざかる方向に往復運動しており、隣接
ピストンの接近、遠ざかる方向に往復運動する往復運動
行程の一端に掃気口が、他端に排気口が開口されている
。

排気口は、隣接ピストンが互いに遠ざかる方向に運動す
るときに掃気口よりも先とこ開口する位置に開口されて
おり、往復運動行程の中央に位置して隣接ピストンが最
も接近した位置で、両ピストン間に燃焼させる点火手段
が配設されており、隣接ピストンは最も離れた位置で往
復運動行程内に新気を吸入し、最も接近した位置で両ピ
ストン間に点火燃焼させ、それぞれのピストンは往復運
動の開運動方向に於て、いずれか片方が爆発行程にある
。

［作用効果］ 本発明の内燃機関は、隣接するピストンが互いに接近又
は遠ざかる方向に往復運動する。互いに接近するピスト
ン間は圧縮行程にあり、互いに遠ざかるピストン間は爆
発行程にある。一つのピストンについて考えるとき、ピ
ストンの一端は隣接するピストンに接近して圧縮行程に
あり、別の一端は隣接ピストンから遠ざかる方向に運動
して爆発行程にある。互いに遠ざかるピストン間は、ピ
ストンが所定の距離能れて排気口が開くまで爆発行程に
あり、排気口が開くと、燃焼ガスが排気され、排気口よ
りも多少遅れて掃気口が開かれて、両ピストン間に新気
が吹き込まれる。このとき、燃焼ガスと新気の流動方向
は、単方向で、互いに混合されることなく、ピストン間
が新気で満たされる。

本発明のエンジンは、ガソリンエンジンと、ディーゼル
エンジンの両方に採用できる。

ガソリンエンジンの場合、燃料を混合の新気を両ピスト
ン間に充填し、点火手段を点火栓として、最も接近され
たピストン間の燃料に点火して爆発させる。ディーゼル
エンジンの場合、空気のみを新気として両ピストン間に
充填し、両ピストンを接近させて、空気を断熱圧縮して
高温にしたところで、点火手段である噴射ノズルから燃
料を高圧噴射して点火する。

シリンダー内で往復運動するピストンの運動は、往復回
転運動変換手段で回転運動に変換する。

［好ましい実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。但し
、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化する
為の構造を例示すものであって、本発明の内燃機関を下
記の構造に特定するものでない。本発明の内燃機関は、
特許請求の範囲の記載に於て、種々の変更が加えられる
。

第１図ないし第４図に示す内燃機関は、環状のシリンダ
ー１と、このシリンダーｌ内を往復運動する４つのピス
トン２と、ピストン２間に点火する点火手段３と、ピス
トン２の往復運動を回転運動に変換する往復回転運動変
換手段とからなる。

シリンダー１は、横断面の形状が円筒状で、これが円形
環状に形成され、相対向する位置に、排気口４と掃気口
５とが開口されている。シリンダー１の外周は、従来の
内燃機関と同様に、水冷または空冷で冷却される。

排気口４と掃気口５とは、ピストンの長さと閏ロタイミ
ングとて決定される。排気口と掃気口が閏くタイミング
は、ユニフロ一式の内燃機関とほぼ同程度に決定される
。

第１図に於て、隣接ピストン２が最も接近する位置を０
度、隣接ピストンが最も遠ざかる位置を１８０度とする
とき、排気口４が開くタイミングは通常９０度より遅く
即ち、９０度以上に決定する。

掃気口５は、排気口４が先に開いて両ピストン２間の高
圧燃焼ガスが排気された後に開口されて、ここからシリ
ダ−１内に新気を吹き込む。

シリンダー内に開口さる排気口４と掃気口５とは、シリ
ンダーの全周、シリンダーの外周または内周にも設ける
ことが可能である。第１図ないし第４図のシリンダーｌ
は内周に排気口４と掃気口５とが開口されている。この
構造は、エンジン全体をコンパクトにできる。シリンダ
ーｌに開口された排気口４と掃気口５の横断面図を第５
図と第６図とに示す。

これ等の図に示すように、排気口４と掃電口；３とは、
相対向位置のピストンを連結するコンロット６が交差し
て移動する。コンロット６は、両端部分が排気口４と掃
気口５内を移動する。シリンダー１に開口された排気口
４と掃気口５とは、シリンダーｌの内側にあって、シリ
ンダーブロック７の排気路８と掃気路９とに連通されて
いる。図示しないが、相対向位置の排気！ｌ＠８は互い
に連通され、掃気路９も互いに連通されている。しかし
ながら、排気路８と掃気路９とは連通していない。

シリンダーブロック７には、排気路８と掃気路９とに連
通して、コンロッドの往復運動路１０が穿設される。コ
ンロッド６の往復運動路１０は、シリンダーブロック７
の中心に円柱状に穿設された軸孔１１に連通されている
が、この軸孔１１には、コンロッド６の回転軸１２が密
着して回転し、排気路８と掃気路９の中心部分を閉塞し
ている。

第５図と第６図とに示すように、２本のコンロッド６は
これ等の図に於て上下に離されて配設され、排気路８も
掃気路９も上下に位置して穿設されている。

掃気路９には、必要ならば、図示しないが新気の加圧空
気ポンプが連結され、加圧空気ポンプで加圧された新気
を掃気路９に供給することもできる。ただ、加圧空気ポ
ンプは必ずしも必要なく、排気路８が開いて勢いよく排
気路８に流出される燃焼ガスの流動慣性によって、シリ
ンダー１内に発生する負圧で新気を吸入することもでき
る。ただ、加圧空気ポンプを使用することによって新気
の充填効率を高くできる。加圧空気ポンプは、スーパー
チャージャと同様に、往復回転運動変換手段の出力軸で
回転運動するか、又は排気ガスで回転駆動する。

ピストン２は、円形シリンダーＩ内をガス漏れなく移動
する。従って、ピストンは両端にピストンリング（図示
せず）を有し、このピストンリングがシリンダーに密着
して摺動してガス漏れを防止し、それ自体は、円形のシ
リンダーと同一の曲率半径で湾曲されている。

ピストン２の全長は、両ピストン２が互いに接近して圧
縮行程のあるとき、排気口４と掃気口５とを閉塞出来る
長さを有し、かつ、両ピストン２が互いに遠ざかる時、
排気口４と掃気口５とが開口する全長に決定される。円
形のシリンダー１に４個のピストン２が設けられるとき
、１個のピストンの全長は、シリンダ−１／４周の約半
分程度に決定される。

ピストン２とシリンダー１との潤滑は、従来の２サイク
ルエンジンと同様に、新気に混合される燃料または燃料
噴射弁から噴射される燃料に潤滑油を混合することで実
現できる。ただ、ピストン２をコンロッド６で連結する
場合、コンロッド６からピストンに給油することができ
る。この場合、コンロットを中空バイブ状とすると共に
ピストン内に油路を穿設し、この油路をコンロッドの中
空部に連通して、リングの溝内に開口するなら、コンロ
ッド６からピストンリングに潤滑油が給油できる。コン
ロッドは回転軸から給油されろように、回転軸を中空状
として、この中空部にコンロッドの中空部を連通ずる。

回転軸の中空部へは、給油ポンプから加圧された潤滑油
を供給する。高速回転時に、リングは遠心力で外側に振
り出される。

従って、ピストンの全周でピストンリングが均一にシリ
ンダーの内面に接触しない。しかしながら、ピストンリ
ングと同様に、潤滑油も遠心力で外周に向けて振り出さ
れて外側部分に多量に供給さる。

この為、ピストンリングがシリンダーに強く押圧される
外周部分に多量の潤滑油が供給されて潤滑性がよくなり
、焼き付き等の弊害が防止される。

点火手段３は、互いに接近したピストンの間で燃料に点
火する。点火手段は、ディーゼルエンジンの場合、燃料
噴射ノズルで、これでもって圧縮された高温の空気中に
燃料を高圧力で噴射して燃焼させる。ガソリンエンジン
の場合、点火手段は点火栓で、両ピストン２間で圧縮さ
れた混合気に点火する。点火手段３は、等間隔に４個配
設され、最も接近するピストンの中央に配設されている
。

点火手段３の燃料噴射時間、又は火花放電時間は、ピス
トンの位置に同期して制御される。燃料噴射時期又は火
花放電時間である点火時期は、従来のエンジンと同様に
、上死点前数度から３０度以内に設定され、又、回転数
が早くなるに従って、点火時期を早めるのも従来のエン
ジンと同様である。

点火時期のタイミングは、コンロッドの位置を接触又は
非接触センサーで検出して決定する。例えば、コンロッ
ドに永久磁石を固定し、この永久磁石が接近したことを
検出するセンサーコイルを永久磁石通路の近傍に配設し
て、コンロッドが定位置にきたとき、即ち、ピストンが
上死点に接近したときに燃料を噴射し、又は、火花放電
させる。

往復回転運動変換手段は、所定の角度範囲内で回動して
往復運動するコンロッドの回転軸を回転運動に変換でき
る全ての機構が採用できる。

第１図ないし第７図に示す往復回転運動変換手段は、相
対向するピストンをコンロッド６で連結し、このコンロ
ッド６を回転軸１２に固定し、回転軸１２でもって、こ
れと直角に支承された円筒カム１３を回転駆動している
。回転軸１２の端には、半径方向に延長して駆動ピン１
４が固定され、一方、円筒カム１３は、この駆動ピン１
４が案内されるガイド溝１５が外周に刻設されている。

円筒カム１３の外周面は、回転軸１２の駆動ピン１４が
常時ガイド溝に案内されるように、第７図に示す如く、
軸方向に沿って切断した外形が、回転軸の駆動ピン１４
先端の回動軌跡に近い曲率半径で中央口に湾曲して中央
が細い糸巻状に形成されている。

ガイド溝１５は、駆動ピン１４が軸方向に往復運動する
ことによって、円筒カム１３が一定の方向に回転するよ
うに、回転方向に傾斜して軸方向に延長されている。ガ
イド溝１５の上下の振幅は、駆動ピン１４の往復運動範
囲に決定される。このガイド溝５は、第７図に示すよう
に、軸方向にジグザグ状に形成される。ジグザグ状のガ
イド溝１５は、第７図に於て上側の折曲点が２、下側折
曲点が２の場合、回転軸が２往復して円筒カム１３が１
回転する。ジグザグ状のガイド溝１５は、上端と下端の
折曲点の数、即ち、傾斜角を変更して回転軸の往復回転
数に対する円筒カム１３の回転数を調整できる。

第８図に別の構造の往復回転運動変換手段を示す。この
往復回転運動変換手段は、互いに噛み合うギヤ１６．１
７と、２つの一方クラッチ１８．１９と、２個のチェー
ンホイール２０．２１とチェーン２２とを有する。一方
のギヤ１６は回転軸１２に固定され、この回転軸１２と
平行に反転軸２３が支承されている。反転軸２３は、ギ
ヤ１６．１７を回して回転軸１２と反対方向に回転され
る。

二つの一方クラッチ１８．１９は、出力側が矢印に回転
される方向にのみ回転トルクを伝達する。

この往復回転運動変換手段は、回転軸１２が実線で示す
矢印の方向に回転されるとき、この回転力は、回転軸１
２の一方クラッチ１８を介して出力側に伝達される。こ
のとき、反転軸２３は回転軸１２と、反対に回転され、
反転軸２３の一方クラッチ１９は出力側に回転力を伝達
しない。回転軸１２が鎖線の矢印の方向に逆転するとき
、回転軸１２の一方クラッチ１８は断、反転軸２３の一
方クラッチ１９が接続状態となり、反転軸２３の出力側
を矢印の方向に回転する。回転軸１２と反転軸２３の出
力側は、チェーンホイール２０．２１とチェーン２２と
を介して同方向に回転される。

従って、回転軸１２がいずれの方向に回転しても、出力
側は矢印の方向にのみ回転駆動される。

第１図ないし第４図に示すエンジンは、互いに反対方向
に回動する２本の回転軸１２を有する。

それぞれの回転軸１２は、往復回転運動変換手段によっ
て一定方向の回転運動に変換し、これをギヤチェーンで
連結して単一の出力軸とする。

第９図に示すエンジンは、４本のシリンダー１が方形状
に連通された環状シリンダーで、中間にラックを有する
４絹のピストン２とを備えている。

このエンジンのピストン２は、両端に設けられているピ
ストンブロック２Ａ、２Ｂがコンロッド２４で連結され
、コンロッド２４がラックで、このラックがビニオン２
５に噛み合っている。往復回転運動変換手段は、ラック
とビニオン２５と、ビニオン２５に固定されているチェ
ーンホイール２６と、４個のチェーンホイール２６にか
けられたチェーン２７て駆動される回転軸２８を備える
。

回転軸２８はピストン２が往復運動すると、所定の角度
範囲で往復回転運動する。回転軸２８の往復回転運動は
、第８図に示す機構で一定方向の回転に変換する。

この構造のエンジンは、各ピストン２が、片方のピスト
ンブロック２Ａが互いに接近し、他方のピストンブロッ
ク２Ｂが互いに離れる方向に往復運動する。最も接近し
た隣接ピストンブロックの間に、燃料を噴射し、あるい
は火花放電して燃料に点火する。

直線状のシリンダー１には、排気口４と掃気口５とが開
口されており、排気口４と掃気口５とは、爆発行程で互
いにピストンが遠ざかるとき、先に排気口４が開口し、
その後掃気口５が開口する位置に開口されている。第９
図に於て、上下のシリンダーに排気口４が、左右のシリ
ンダーに掃気口５が開口されている。

４つのビニオンは、第９図の矢印で示す方向に各ピスト
ンが運動するとき、全て同方向に回転するように、コン
ロッド２４の外側又は内側に配設されている。ビニオン
２５は、コンロット２４の外側と内側に配設することに
よって回転方向が反対になる。従って第９図に示すよう
に、両側のピストン２はコンロッド２４の外側、上下の
ピストンはコンロッド２４の内側にビニオン２５を配設
すると、全てのビニオン２５は同方向に回転する。

同方向に回転するビニオン２５は、チェーン２７で回転
軸２８に連結して回転軸２８を同方向に回転するので、
全体のピストン２を同期して往復運動させる構造を簡単
にできる。

ところで、この構造のエンジンはピストンのストローク
が往復回転運動変換手段で規制されない。

通常のエンジンは、クランクアームの長さでピストンの
ストロークが規制される。このことはガソリンエンジン
に使用した場合、軽負荷時の燃料消費率を著しく向−卜
することに効果がある。というのはストロークが一定の
ガソリンエンジンは、スロットルを絞ったときには、シ
リンダー内に吸入される混合気の電が減少し、爆発時に
於けるシリンダー内最高圧力が相当に低くなる。通常の
ガソリンエンジンは、スロットルを全開した全負荷の状
態では、爆発時のシリンダー内最高圧が約４０ｋ　ｇ　
／　ｃ　ｍ２以上になるか、スロットルを最も紋ったＯ
負荷のアイドリング状態ては、最高圧が１０１＜ｇ／ｃ
ｍ”以下となる。即ち、スロットルを紋った状態では、
シリンダーの実質的な圧縮比が低くなり、熱効率を著し
く悪化させる。この為、ガソリンエンジンは、全負荷の
状態では、ディーセルエンジンに比へてそれ程燃料消費
が悪くならないが、スロットルを紋った状態では燃料消
費率が著しく低下する。自動車用のエンジン等では、全
負荷状態での走行は少なく、殆ど多少スロットルを絞っ
た状態である為、全体の燃料消費率がディーゼルエンジ
ンに比べて低下する。

ところが、第９図に示すエンジンは、ピストン２が最接
近する位置が規制されない。従って、ピストンが互いに
接近して所定の圧力になったときに点火栓に火花放電さ
せることによって、０負荷のときと、全負荷のときの爆
発圧を同一にできる。

即ち、０負荷のときには吸入混合気量が少ないので、ピ
ストンをより近くまで接近させて点火し、全負荷の時に
は、吸入混合気型が多いので、間隔が広いときに点火す
れは、爆発力を同一にできる。

軽負荷時の爆発圧力を大きくすることによって熱効率を
高くして、燃料消費率を向上できる。

更に、第１０図は、２本のシリンダーｌを並列に配設し
て両端を連結している。各シリンダー１内には、第９図
と同様の形状のピストンが内蔵されている。上側のシリ
ンダーｌには排気口４が、下側のシリンダー１には掃気
口５が開口されている。このエンジンは、ピストンが左
右同方向に運動する。ところで、この構造のエンジンは
、ふたつのピストン２が往復運動するとき、ピストン２
間の相対位置は変わらない。しか゛しながら、第１Ｏ図
の鎖線で示すように、ピストン２が移動する軌跡を想定
するとき、ピストンが圧縮行程にあるとき鎖線で示す距
離は短くなる。従って、本明細書に於てピストンが互い
に接近するとは、ピストンの移動軌跡を想定するとき、
その移動軌跡に沿う全長が短くなる状態を意味するもの
とし、必ずしもピストンの最短距離が短くなる状態に特
定するものでない。

第１０図のエンジンは、両ピストン２のコンロッド２４
であるラックによってピニオンを回動する構造は第９図
のエンジンと同様である。両ビニオン２５はチェーンホ
イールとチェーンで連結されて互いに同方向に同期して
回動される。同方向に回動されるピニオンは、図示しな
いが第８図と第９図とに示す機構で回転運動に変換でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第４図はこの発明の実施例を示す内燃機関
の概略断面図、第５図ないし第７図は往復回転運動変換
手段の一例を示す断面図および平面図、第８図は往復回
転運動変換手段の他の実施例を示す概略平面図、第９図
および第１Ｏ図は本発明の他の実施例に係る内燃機関の
概略断面図である。 １・・シリンダー、　　　２・・ピストン、３・・点火
手段、　　　４・・排気口、５・・掃気口、　　　　６
・・コンロッド、７・・シリンダーブロック、 ８・・排気路、　　　　　９・・掃気路、１０・・往復
運動路、　　１１・・軸孔、１２・・回転軸、　　　　
１３・・円筒カム、１４・・駆動ビン、　　　１５・・
ガイド溝、１６・◆ギヤ、　　　　　１７・・ギヤ、１
８・・一方クラッチ、１９・・一方クラッチ、２０・Φ
チェーンホイール、 ２１・・チェーンホイール、 ２２・・チェーン、　　　２３・・反転軸、２４・・コ
ンロッド、　２５・・ピニオン、２６・・チェーンホイ
ール、

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）環状に形成されたシリンダーと、この環状シリン
   ダー内に摺動自在に内蔵された複数のピストンと、この
   ピストンの往復運動を回転運動に変換する往復回転運動
   変換手段と、点火手段とを備え、２の整数倍あって、互
   いに隣接するピストンは互いに接近、遠ざかる方向に往
   復運動しており、隣接ピストンの接近、遠ざかる方向に
   往復運動する往復運動行程の一端に掃気口が、他端に排
   気口が開口されており、排気口は、隣接ピストンが互い
   に遠ざかる方向に運動するときに掃気口よりも先に開口
   する位置に開口されており、往復運動行程の中央に位置
   して隣接ピストンが最も接近した位置で、両ピストン間
   に燃焼させる点火手段が配設されており、隣接ピストン
   は最も離れた位置で往復運動行程内に新気を吸入し、最
   も接近した位置で両ピストン間に点火燃焼させ、それぞ
   れのピストンは往復運動の両運動方向に於て、いずれか
   片方が爆発行程にある内燃機関。
2. （２）点火手段が燃焼噴射ノズルである特許請求の範囲
   第１項記載の内燃機関。
3. （３）点火手段が点火栓である特許請求の範囲第１項記
   載の内燃機関。
4. （４）シリンダーが円形環状でピストンが４つで、相対
   向するピストンが互いに連結されている特許請求の範囲
   第１項記載の内燃機関。