WO2023238418A1 - 対向ピストン内燃機関 - Google Patents

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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine using an opposed piston crank mechanism.
  • Opposing piston crank mechanisms can convert combustion gas pressure into kinetic energy with opposing pistons. Energy that would otherwise escape as heat to the cylinder head and its components in conventional heat engines is recovered as kinetic energy, leading to improved thermal efficiency.
  • the part corresponding to the cylinder head of a conventional engine becomes a piston on the opposite side, so it is not possible to form an overhead type valve mechanism that is widely adopted.
  • each process of intake, compression, combustion, expansion, and exhaust is carried out in the same cylinder, so parts necessary for each process, such as the valve train, spark plug, and fuel injector, are concentrated in the cylinder head. .
  • efficient arrangement of these devices is important.
  • the mechanism is designed to balance the inertia by arranging the connecting rod and crank symmetrically, and further arranging them facing each other.
  • the piston is connected to the connecting rod due to dimensional variations in the engine's components, dimensional variations between parts, gear gaps, etc. Misalignment occurs. This misalignment prevents the piston from moving smoothly.
  • a cylinder 1 for intake compression and a cylinder 2 for expansion and exhaust are provided in parallel. Further, a rotary perforated cylindrical valve 3 and an ignition combustion chamber 4 are provided between the intake compression cylinder 1 and the expansion/exhaust cylinder 2 for introducing and sealing compressed air.
  • the intake air compression cylinder 1 and the ignition combustion chamber 4 have an introduction hole 27 . With the rotary perforated cylindrical valve 3 open, high-pressure air compressed by the intake compression cylinder 1 passes through the introduction hole 27 and the rotary perforated cylindrical valve 3 and is introduced into the ignition combustion chamber 4.
  • the rotary perforated cylindrical valve 3 includes seamless ring-shaped seals 5 and 6 that seal the outer periphery of the introduction hole, and ring seals 20 and 21 that are arranged in a concave shape on the side surface of the cylinder of the rotary perforated cylindrical valve 3. Provide airtightness.
  • the seals 5 and 6 are brought into close contact with the cylindrical side surface from the back side by a leaf spring 22 and lubricating oil pressure.
  • the rotary perforated cylindrical valve 3 has a ring groove 23 that holds a ring seal 20 and a ring seal 21 to ensure airtightness, lubrication, and cooling.
  • a lubricating oil supply hole 24 is provided inside the groove, and lubricating oil is supplied to the ring seal 20 and the seal ring 21.
  • a fuel injection device 25 and a spark plug 26 are installed in the ignition combustion chamber 3. It has a combustion gas injection hole 44 for introducing combustion gas generated within the combustion chamber of the ignition combustion chamber 4 into the expansion exhaust cylinder 2.
  • a multistage fuel injection device 28 is set in the cylinder 2 for expansion and exhaust when supporting multistage fuel injection. Combustion by this mechanism occurs once per crank rotation, contributing to securing output.
  • a cylindrical disk cam 7 that rotates in synchronization with the crankshaft and has an uneven shape on its disk surface is provided. This amount of unevenness has an uneven shape not only in the circumferential direction but also in the diametrical direction.
  • the rocker arm 8 has a contact roller 9 at the point of contact with the disk cam 7, and swings according to this principle according to the unevenness of the disk cam 7.
  • a rocker arm holder 11 that holds the rocker arm 8 has a rocker arm pin 12 that serves as a fulcrum when rocking the rocker arm, and has a gear shape that meshes with an input gear 13 that operates to adjust intake and exhaust air. It moves linearly on the guide rail 29.
  • the contact point between the disk cam 7 and the contact roller 9 moves due to the operation of the input gear 13, and since the amount of unevenness of the disk cam changes also in the diametrical direction, the rocking amount of the rocker arm changes accordingly.
  • the piston pin is divided into two parts, a piston pin 18 and a piston pin 30, which are arranged at both ends of the pin center axis. It also has two circular holes that connect with the connecting rod connecting pin 17 and the connecting rod connecting pin 32, and connects with the two symmetrically arranged connecting rods 16 and 31.
  • the connecting rod connects with cranks 19 and 35, which are also arranged symmetrically.
  • the outer periphery of piston pins 18 and 30 is circular and rotates relative to the piston.
  • the two connected connecting rods each have different parts in the process of transmitting power to the output shaft, so the positions of the connecting rod connecting pin 17 and connecting pin 31 may vary due to dimensional variations in each component or gears in the engine. Although a deviation occurs, this deviation is absorbed by the rotation of the piston pin 18 and the piston pin 30, and the influence of the above-mentioned variation is minimized.
  • the rotary perforated cylindrical valve 3 performs the introduction and shutoff of compressed air through rotational operation, it is possible to separate the cylinder 1 for intake compression and the cylinder 2 for expansion and exhaust with a simple structure and with little power loss.
  • Each cylinder can have its own optimal volume for the required engine output, making it possible to set the volumes on the intake and exhaust sides without using complicated mechanisms or controls, leading to improved combustion efficiency.
  • the output is improved and output pulsation during low-speed operation is also reduced.
  • the ignition combustion chamber 4 can now take on a spherical shape, and combustion results in ideal flame propagation. Reduces unburned fuel, contributes to high output and cleaner exhaust gas.
  • the combustion chamber has a small and simple structure, and the material in this part can be easily replaced with heat-resistant, pressure-resistant, corrosion-resistant, or highly heat-insulating materials when necessary, making it compatible with high-temperature, high-pressure combustion and a variety of fuels. It becomes easy to do.
  • the valve mechanism with a movable fulcrum rocker arm can change the valve opening/closing timing and valve lift amount according to accelerator operation and engine load conditions, reducing fuel consumption and ensuring output when needed.
  • the simple and compact mechanism makes it easy to place the valve opening/closing mechanism on the side of the cylinder, contributing to the creation of an opposed piston crank mechanism.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of the mechanism layout related to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram in which the cylinder center axis is vertical. The crank angle is at the top dead center of the piston, and the hole in the rotating perforated cylindrical valve 3 is aligned with the communication hole 27 between the intake compression cylinder 2 and the ignition combustion chamber 4, and compressed gas is introduced into the ignition combustion chamber 4.
  • FIG. 2 is a sectional view taken along line AA in FIG. 1 when the rotary cylindrical perforated valve 3 is open. Air pressurized by the intake compression cylinder 1 is introduced into the ignition combustion chamber 4 . The black line arrow represents the flow of high pressure air.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line AA in FIG.
  • FIG. 1 in an ignition combustion state, which is a state in which the process has progressed from the state in FIG. 2.
  • the rotary perforated cylindrical valve 3 is closed, the fuel injection device 25 and the spark plug 26 are activated, and ignition combustion is in progress.
  • Black line arrows represent burning fuel.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1 during intake, expansion stroke, and multistage fuel injection in a state where the process has progressed from the state shown in FIG. 3.
  • the white arrow represents the intake air.
  • Black line arrows represent burning fuel.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1 when the process has progressed from the state shown in FIG. 4, the crank angle has passed the piston bottom dead center, and the compression and exhaust processes have begun.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a rotary perforated cylindrical valve and an ignition combustion chamber. The center half of the ignition combustion chamber is omitted for ease of understanding.
  • Figure 7 is an exploded view of the rotary perforated cylindrical valve and ignition combustion chamber. The center half of the ignition combustion chamber is omitted for ease of understanding.
  • FIG. 8 is a configuration diagram of the valve mechanism. The disc cam 7 is integrated with the gear 38.
  • FIG. 9 is an exploded view of the valve mechanism when the cam contact roller 9 is used.
  • FIG. 10 is an exploded view of the valve mechanism when the cam contact ball 14 is used.
  • FIG. 11 is a diagram of the valve operating mechanism when the crank angle is such that the valve opening is large and the cam contact roller 9 is in contact with the largest convex portion of the disk cam 7.
  • FIG. 12 shows that as the rocker arm holder 11 moves due to the operation of the input gear 13, the cam contact position also moves, and the cam contact roller 9 contacts the disk cam 7 when the cam protrusion amount of the disk cam 7 is small. are in contact.
  • 12 is a diagram of the valve mechanism in a state where the valve opening/closing amount is reduced at the same crank angle as FIG. 11.
  • FIG. FIG. 13 is a configuration diagram of the piston pin and peripheral parts.
  • Figure 14 is an exploded view of the piston pin and surrounding parts.
  • FIG. 15 is an embodiment diagram seen from the exhaust valve side.
  • FIG. 16 is an embodiment diagram seen from the intake valve side.
  • the present invention can be implemented as a power source using an internal combustion engine such as an automobile or a generator. Embodiments are illustrated in the following examples.
  • FIGS. 15 and 16 Examples are shown in FIGS. 15 and 16. To make the configuration easier to understand, the crankcase and the cylinder it forms are omitted.
  • the intake compression cylinder and expansion and exhaust cylinder are arranged horizontally.
  • Two intake pistons 15 are arranged facing each other, and two pistons 37 are arranged facing each other for the expansion and exhaust stroke, and each piston is connected to two connecting rods.
  • gears 38 and 39 There are a total of four cranks in symmetrical and opposing positions, and they are interlocked by gears 38 and 39.
  • Disk cams 7 and 40 are placed at the end of the crank, and the valve mechanism is placed on the side of the cylinder.
  • the input gear 13 is operated by an engine operation control device. If the driving environment is monotonous, operate in conjunction with throttle operation.
  • this engine can replace conventional internal combustion engines used in automobiles and other vehicles that require reductions in carbon dioxide emissions.

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Abstract

対向ピストン機構において吸気圧縮用シリンダ（１）と膨張排気用シリンダ（２）を個別に設け、その間に回転有孔円柱バルブ（３）と点火燃焼室（４）を構成する。動弁機構はシリンダ側面側に配置し、クランク回転に連動する円盤カム（７）にて可動支点式のロッカーアーム（８）を介しシリンダ側面の吸気バルブ（３３）、排気バルブ（３４）を作動させる。機関の運転状況に合わせた吸気バルブ（３３）、排気バルブ（３４）の開閉量もロッカーアームの可動構造により実現する。ピストンピン（１８），ピストンピン（３０）は一つのピストンに２つのコンロッドが連接する場合に生じる機関のばらつきを吸収できるので、容易に１つのピストンに対し２つのコンロッドの連接ができるようになる。

Description

対向ピストン内燃機関
　本発明は対向ピストンクランク機構を用いた内燃機関に関する。
　対向ピストンクランク機構は燃焼ガスの圧力を対向するピストンで運動エネルギーへ変換できる。従来の熱機関においてシリンダヘッドおよびその構成部品へ熱として逃げていたエネルギーを運動エネルギーとして回収するので熱効率向上につながる。しかし、対向ピストンクランク機構では従来機関が有するシリンダヘッドに当たる部分は対向側のピストンとなるため広く採用されているオーバーヘッド型動弁機構を形成できない。対向ピストン機構を構成するには従来内燃機関でシリンダヘッドが有する吸排気バルブ、点火プラグ、燃料噴射器の配置や構造を大きく変える必要がある。
　消費燃料削減に対し低回転での機関運転は時間当たりの燃焼回数を減らすので効果あるものになる。しかし、低回転での運転はピストン、コンロッドの不平衡慣性力に起因する振動が機関運転時の不快感や機関へのダメージにつながる。この不平衡慣性力に対しては対向するピストンやクランクやコンロッドを追加し対称配置することで往復運動を回転運動際に発生する慣性偶力を打ち消す方法が考案されている。しかし、構成部品が多くなり、対称性確保のための部品や部品間の高い寸法精度が必要で、機構も複雑なものになっている。
先行技術文献
特許文献
特許公報（Ｂ２）　平２—２５０６２
　従来機構では同一シリンダで吸気、圧縮、燃焼、膨張、排気の各工程を行っているため、各工程で必要な動弁機構や点火プラグ、燃料噴射器などの部品がシリンダヘッドに集中している。シリンダヘッドの無い対向ピストン機構の場合、これらの機器の効率的な配置が重要になる。
　コンロッド、クランクを対称に配置し、さらにそれらを対向に配置した慣性の均衡を図った機構は、機関の構成部品が持つ寸法ばらつきや部品間の寸法ばらつき、ギヤ隙間などによりピストンがコンロッドと連接する位置にずれが生じる。このずれはピストンの円滑な運動を妨げてしまう。
　吸気圧縮用のシリンダ１と膨張排気用のシリンダ２を平行に設ける。また、吸気圧縮用のシリンダ１と膨張排気用のシリンダ２の間に圧縮空気を導入密閉するための回転有孔円柱弁３と点火燃焼室４を設ける。吸気圧縮用のシリンダ１および点火燃焼室４は導入孔２７を有す。回転有孔円柱弁３が開いた状態で吸気圧縮用のシリンダ１で圧縮された高圧の空気は導入孔２７と回転有孔円柱弁３を通過し点火燃焼室４へ導入される。回転有孔円柱弁３は導入孔の外周を密閉する切れ目のないリング状のシール５およびシール６と回転有孔円柱弁３の円柱側面面の凹形状に配置されるリングシール２０およびリングシール２１により気密性を持たせる。シール５およびシール６は背面より板バネ２２と潤滑油圧により円柱側面に密着させる。回転有孔円柱弁３は気密性確保と潤滑および冷却のため、リングシール２０、リングシール２１を保持するリング溝２３を有する。溝内部に潤滑油供給孔２４を有し、リングシール２０、シールリング２１へ潤滑油を供給する。点火燃焼室３には燃料噴射装置２５と点火プラグ２６を設定する。点火燃焼室４の燃焼室内で発生した燃焼ガスを膨張排気シリンダ２へ導入するための燃焼ガス噴出孔４４を有する。必要時、多段燃料噴射に対応する場合は膨張排気用のシリンダ２に多段燃料噴射装置２８を設定する。この機構による燃焼はクランク回転１に対し１回となり、出力確保に貢献する。
　吸気、排気の動弁機構のために、クランク軸と同期して回転する円柱の円盤面に凹凸形状をもつ円盤カム７を有する。この凹凸量は円周方向に加え直径方向にも凹凸形状をもつ。ロッカーアーム８は円盤カム７との接触点に接触ローラー９を有し、円盤カム７の凹凸応じてこの原理で揺動する。ロッカーアーム８を保持するロッカーアームホルダー１１はロッカーアームを揺動運動させるときの支点の役割を果たすロッカーアームピン１２を有し、吸気や排気の調整のため作動する入力ギヤ１３に噛み合うギヤ形状を有しガイドレール２９上を直線的に移動する。入力ギヤ１３の作動により円盤カム７と接触ローラー９の接触点が移動し、円盤カムは直径方向でも凹凸量が変化しているので、これ従いロッカーアームの揺動量は変化する。同時にバルブ接触点と支点間距離も変化するので、これもバルブの移動量を変化させる効果を持つ。入力ギヤ１３を操作することによりバルブ開閉量を変化させることができる。
　ピストンピンはピストンピン１８およびピストンピン３０に２分割され、ピン中心軸の両端に配置する。またコンロッド連接ピン１７、コンロッド連接ピン３２と接合する２つの円孔を有し、２つの対称配置されたコンロッド１６、コンロッド３１と連接する。コンロッドは同じく対称の配置クランク１９、クランク３５と連接する。ピストンピン１８および３０の外周は円形状でピストンに対し回転する。連接する２つのコンロッドはそれぞれ動力の出力軸まで伝達する過程で関連する部品が異なる部分があるため各部品の寸法ばらつきや機関内の歯車の寸法ばらつきなどでコンロッド連接ピン１７と連接ピン３１の位置にずれが生じるが、ピストンピン１８，およびピストンピン３０の回転によりこのずれを吸収し前述のばらつきの影響を最小限にする。
　回転有孔円柱弁３は回転動作にて圧縮空気の導入遮断を行うので、簡単な構造でかつわずかな動力損失で吸気圧縮用のシリンダ１と膨張排気用のシリンダ２の分離が可能となる。各シリンダは必要機関出力に対しそれぞれで最適な容積とすることができ、複雑な機構や制御を用いず吸気側、排気側の容積の設定が可能になり、燃焼効率向上につながる。また、クランク１回転あたり燃焼回数が１回となるので出力向上、低回転運転時の出力の脈動も軽減される。
点火燃焼室４は球状の形状を取ることが可能になり、燃焼は理想的な火焔伝搬となる。未燃焼燃料を低減し、高出力、排気ガスの清浄化に貢献する。燃焼室は小型で簡素な構造となり、必要時この部分の材料を耐熱耐圧性材料や耐蝕性材料、高断熱材料へ置換することが容易にできるので、高温高圧燃焼や様々な燃料への対応が容易にできるようになる。
　可動支点式ロッカーアームの動弁機構はアクセル操作や、機関の負荷状況に合わせバルブの開閉タイミングとバルブのリフト量を変更でき、燃料消費低減と必要時の出力確保を両立する。シンプルでコンパクトな機構はシリンダ側面側にバルブ開閉機構の配置を容易にし、対向ピストンクランク機構の成立に貢献する。
　一つのピストンに対しコンロッドを複数持つ機関では各部品の寸法の許容差、内部ギヤの隙間などの要因でコンロッドのピストン連接ポイントに生じる位置ずれを生じるが、ピストンに対しピストンピン１８、ピストンピン３０が回転により吸収することでピストンはシリンダに対し前述のばらつきに影響なく従来機関同様に滑らかに直線運動できるようになる。
　図１は本発明に関する機構配置概念図。シリンダ中心軸を縦にした図である。クランク角度はピストン上死点状態で、回転有孔円柱弁３の孔が吸気圧縮シリンダ２と点火燃焼室４の導通孔２７と一致し圧縮気体を点火燃焼室４に導入している状態である。
　図２は回転円柱有孔弁３が開いた時の図１におけるＡ—Ａ断面図である。吸気圧縮シリンダ１により加圧された空気が点火燃焼室４に導入されている。黒線矢印は高圧空気の流れを表す。
　図３は図２の状態から工程が進んだ状態で、点火燃焼状態時の図１におけるＡ—Ａ断面図である。回転有孔円柱弁３は閉まり、燃料噴射装置２５、点火プラグ２６が作動し、点火燃焼の状態。黒線矢印は燃焼中の燃料を表す。
　図４は図３の状態から工程が進んだ状態で、吸気、膨張行程および多段燃料噴射時の図１におけるＡ—Ａ断面図。白抜きの矢印は吸気を
　表す。黒線矢印は燃焼中の燃料を表す。
　図５は図４の状態から工程が進んだ状態で、クランク角度はピストン下死点を通過し、圧縮、排気工程となった時の図１におけるＡ—Ａ断面図である。白抜きの矢印は排気を表す。この後、図２に戻り、クランク１回転で１サイクルとなる。
　図６は回転有孔円柱弁、点火燃焼室の構成図。点火燃焼室は理解しやすくするため中心より半分を省略。
　図７は回転有孔円柱弁、点火燃焼室の分解図。点火燃焼室は理解しやすくするため中心より半分を省略。
　図８は動弁機構の構成図。円盤カム７はギヤ３８と一体化させている。
　図９はカム接触ローラー９を使用時の動弁機構の分解図である。
　図１０はカム接触球１４を使用した時の動弁機構の分解図である。
　図１１はバルブ開度が大ききなるクランク角度でかつカム接触ローラー９が円盤カム７の最も大きい凸部に接触している時の動弁機構図である。
　図１２は図１１の状態に対し、入力ギヤ１３の作動によりロッカーアームホルダー１１が移動することでカム接触位置も移動し円盤カム７のカム突出量が少ないところでカム接触ローラー９が円盤カム７に接触している。図１１と同じクランク角においてバルブ開閉量が小さくなった状態の動弁機構図である。
　図１３はピストンピンと周辺部品の構成図。
　図１４はピストンピンと周辺部品の分解図。
　図１５は排気弁側から見た実施例図。
　図１６は吸気弁側から見た実施例図。
　本発明は自動車や発電機などの内燃機関を用いる動力として実施が可能である。実施形態を以下の実施例で示す。
　図１５および図１６に実施例を表す。構成を理解しやすくするためクランクケースとそれが形成するシリンダは省略している。吸気圧縮シリンダと膨張排気シリンダは水平に配置。対向配置で吸気ピストン１５が２個、同じく対向配置で膨張排気工程用にピストン３７を２個配置していて、各ピストンはそれぞれ２個のコンロッドと連接している。クランクは対称および対向位置に合計４本あり、ギヤ３８、３９にて連動している。クランクの端末に円盤カム７，４０を配置し、動弁機構はシリンダ側面側に配置している。入力ギヤ１３は機関運転コントロール機器で動作される。運転環境が単調な場合はスロットル操作と連結して動作させる。従来機関で振動の原因になるピストン、コンロッドの不均衡慣性による振動は本実施例では対称配置となって打ち消されるので、バランサーは設置していない。出力軸は出力軸４１と出力軸４２の２本確保可能で、一方を走行駆動軸の負荷などに接続し、もう一方を余剰出力を電力変換する発電機に接続する構成も容易に可能になる。また、従来機構がベルトやチェーンにて動力連結しているコンプレッサや発電機などの機関補機は、本発明では従来機構より多くあるクランク軸に直接連結することが可能で、部品数や機関運転抵抗の削減になる。本発明により内燃機関はコンパクトで効率の良い構成が可能となる。
　高価で貴重なカーボンニュートラル燃料を低回転で高効率に燃焼させることで燃料消費を低減することが可能で加えて低回転運転時でも振動低減が可能になり快適性も両立できるので、地球環境保全のため二酸化炭素排出削減を必要とする自動車などに用いている従来の内燃機関を本機関に置き換えることができる。
　１　吸気圧縮用シリンダ　　　　２　膨張排気用シリンダ
　３　回転有孔円柱弁　　　　　　４　点火燃焼室
　５　シール　　　　　　　　　　６　シール
　７　円盤カム　　　　　　　　　８　ロッカーアーム
　９　カム接触ローラー　　　　　１０　往復開閉弁
　１１　ロッカーアームホルダー　１２　ロッカーアームピン
　１３　入力ギヤ　　　　　　　　１４　カム接触球
　１５　ピストン　　　　　　　　１６　コンロッド
　１７　コンロッド連接ピン　　　１８　ピストンピン
　１９　クランク　　　　　　　　２０　リングシール
　２１　リングシール　　　　　　２２　板バネ
　２３　リング溝　　　　　　　　２４　潤滑油供給孔
　２５　燃料噴射装置　　　　　　２６　点火プラグ
　２７　導入孔　　　　　　　　　２８　多段燃料噴射装置
　２９　ガイドレール　　　　　　３０　ピストンピン
　３１　コンロッド　　　　　　　３２　コンロッド連接ピン
　３３　吸気バルブ　　　　　　　３４　排気バルブ
　３５　クランク　　　　　　　　３６　クランク
　３７　ピストン　　　　　　　　３８　ギヤ
　３９　ギヤ　　　　　　　　　　４０　円盤カム
　４１　出力軸　　　　　　　　　４２　出力軸
　４３クランク　　　　　　　　　４４　燃焼ガス噴出孔

Claims (5)

  1. 　対向ピストンクランク機構において吸気圧縮用シリンダ１と膨張排気用シリンダ２を個別に設け、その間に回転有孔円柱弁３と点火燃焼室４を有する内燃機関。
  2. 　上記吸気圧縮シリンダおよび点火燃焼室の空気導入孔外周を密閉する切れ目のないリング状のシール５，６を有する内燃機関。
  3. 　クランク回転に連動し回転する円盤の円盤面側に円周方向に加え直径方向でも連続的にカム凹凸量が変化する円盤カム７を有し、これに押されるロッカーアーム８は片端に設定されたカム接触ローラー９を有し円盤カム７と接触する。もう一端は往復開閉弁１０と接触する。ロッカーアームを保持しているロッカーアームホルダー１１はガイドレール２９により直線上を移動が可能で、外部入力によりこれを移動させることで往復開閉弁の開閉量の調整を可能にする動弁機構。
  4. 　上記動弁機構においてカム接触ローラー９をカム接触球１４とした動弁機構。
  5. 　ピストン１５に対しピストンピン軸での回転が可能で、かつ２分割し、２つのピストンピン間で２つのコンロッド１６、コンロッド３１と連接した連接ピン１７、連接ピン３２と接合するための円孔を２つ有するピストンピン１８およびピストンピン３０。
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