JP2008038885A - 圧縮室を持つスコッチヨーク式ガソリンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 ２サイクルエンジンでありながら４サイクルエンジン並の燃焼効率を持つ内燃機関を提供する。
【解決手段】 シリンダの両側に圧縮室を設け、ヨークに形成されたクランクピンは前記ヨーク運動方向に対して０°から６０°あるいは１２０°から１８０°のオフセット角を持ち、前記クランクピン先端の前記長穴との当接する摺動部には回転自在の回転軸受手段が設けられ、ピストンのピストンヘッドには前記シリンダに連通する圧縮室が形成され、双頭ピストンの片方が前記圧縮室の容積を拡大する方向に移動する時に、２つある前記圧縮室内の空気を圧縮し、前記圧縮室のひとつは燃焼後の前記圧縮室の排気に、もうひとつの前記圧縮室は、前記燃料供給路から供給された燃料と前記空気を混合した混合気を、次の燃焼前に排気済みの圧縮室に供給するようにした。
【選択図】図２

Description

本発明は、芯違い双頭ピストンを使い、圧縮室を時差連動させることにより、４サイクルエンジンの燃焼効率を２サイクルで提供する圧縮室を持つスコッチヨーク式ガソリンエンジンに関する。

従来、スコッチヨーク式エンジンにおいては、シリンダ内に送気された燃料は、ピストンの上昇と共に圧縮されて高圧となり、ピストン上死点において点火されて、その爆発によりピストンを降下させる力でヨークを押し下げ、クランクシャフトにより直線運動を回転運動に変換して出力軸に大きな回転力を与えるメカニズムとなっていた。

特許文献１に記載されたピストンの側圧低減機構はスコッチヨーク機構を使ったもので、ピストンに接続されたコネクティングロッドが揺動せずにシリンダ軸線上を往復動するように拘束されており、コネクティングロッドの大端部にシリンダ軸線と直交する方向に形成された長溝に、クランクシャフトのクランクピンが摺動自在に係合している。このスコッチヨーク機構によれば、コネクティングロッドが常にシリンダ軸線上を往復動することで、ピストンの側圧の発生を防止することができる。

特許文献２に記載されたスコッチヨーク式エンジンは、ヨークを備え、前記ヨークには、第一ピストンおよび第二ピストンが取り付けられている。前記第一ピストンおよび第二ピストンは、それぞれ対向する位置に互いに平行に設けられた第一シリンダおよび第二シリンダに対して往復動可能に設けられている。第一ピストンおよび第二ピストンは、各ピストンの往復運動方向に直交し、かつクランク軸の軸方向に直交する方向に相対的にオフセットされた位置に配置されている。

特許文献３には、４本のピストンが設けられたヨークを有し、このヨークが往復運動することにより、クランク軸が回転する。また、前記クランク軸の回転とともにバランサのバランサ軸が回転し、このバランサ軸に取り付けられたバランスウェイトおよび前記ヨークに設けられたカウンタウェイトの遠心力によって、前記ヨークの移動に伴う慣性力をキャンセルする。また、第一バランスウェイトと第一ヨークとの離間距離と、第二バランスウェイトと第二ヨークとの離間距離が一致しており、クランク軸に掛かるモーメントを相殺するエンジンが開示されている。
特公昭６３−５６４０８号公報 特許公開２００４−３１６５７６ 特許公開２００５−６１３０１

上記の特許文献１乃至３においては、いずれもヨークがピストンの往復運動方向と直角に運動していて、溝部の両端において死点が生じ、２サイクルエンジンとすると燃焼効率が低下してしまった。

解決しようとする問題点は、メカニカルロスの少ないスコッチヨーク式エンジンを改良して、燃焼効率がサイクルエンジン同等で、エンジン出力は２サイクルエンジン同等のレシプロエンジンを提供することである。

本発明は、頭部に点火手段を持つシリンダヘッドと、空気弁と前記シリンダヘッドとの連通路を持つ圧縮室、空気弁と燃料供給口と前記シリンダヘッドとの連通路を持つ圧縮室、前記圧縮室とは前記連通路を通じて連通させた主室を構成する燃焼室部材、及び１本の共通ヨークで２個のピストンを連結し、前記ピストンは各々のシリンダ内を往復動する双頭ピストン式スコッチヨーク機構を具備したスコッチヨーク式ガソリンエンジンにおいて、
ヨークに形成されたクランクピンは前記ヨーク運動方向に対して０°から６０°あるいは１２０°から１８０°のオフセット角を持ち、前記クランクピン先端の前記長穴との当接する摺動部には回転自在の回転軸受手段が設けられ、前記ピストンのピストンヘッドには前記主室の一部を構成する圧縮室が形成され、前記双頭ピストンの片方が前記圧縮室の容積を拡大する方向に移動する時に、２つある前記圧縮室内の空気を圧縮し、前記圧縮室のひとつは燃焼後の前記圧縮室の排気に、もうひとつの前記圧縮室は、前記燃料供給路から供給された燃料と前記空気を混合した混合気を、次の燃焼前に排気済みの圧縮室に供給するようにした。

本発明では、ピストンの上死点時に、円框体へ取り付けたコンロッドの他端部における軸部が、円框体においてピストンの降下回転方向に位置するように軸支させたものであり、オフセット角およびクランクピン先端に配置した回転軸受手段により前記クランクピンの移動方向変換時でも滑らかな動きとなるから、ピストン上面にかかる燃焼室の爆発力は、直ちに出力軸の回転力となって、内燃機関のトルク力の増大と燃費向上となると共に、エンジンの低速回転において安定出力が得られる特有の効果を奏するものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一機能を有するものは同一の符号とし、その繰り返しの説明は省略する。

本発明は、１本の芯違い双頭ピストンだけで構成したレシプロエンジンを基本としていて、図１は、芯違い双頭ピストンの断面図を示している。第１ピストン２を支える第１コンロッド３の中心線４と第２ピストン５を支える第２コンロッド６の中心線７は距離Ｘだけ離れている。また、ヨーク８内を往復動するクランクピン９の軌跡延長線１０は各ピストンの往復運動方向にオフセット角θを持ち、このオフセット角θは３０°から６０°が好ましい。

図２は、本発明の双頭芯違い双頭ピストンをクランクシャフトに嵌合した状態を図示している。クランクピン９はヨーク溝８ａに嵌合しながら溝に沿って摺動する。

図３は、ヨーク８およびクランクピン９をクランク軸方向に切断した断面図である。クランクピン９の先端には回転軸受手段９ａが設けられている。回転軸受手段９ａとしては、回転ベアリング、フッ素樹脂、流体軸受などが考えられる。この回転軸受手段９ａの機能としては、クランクピン９がヨーク溝８ａ内の摺動運動において、方向転換をスムーズにする支援的な機能を持っている。

図４は、本発明の芯違い双頭ピストン２、５をシリンダ１０、１１に組み込んだ時のクランク軸１２から見た正面図である。クランクピン９はヨーク８の溝９ａに嵌合され、クランク軸１２に設けられたクランク板１３、１４に挟まれた状態で摺動自在となっている。

図５は、シリンダ１０およびシリンダ１０の左右に設けた圧縮室１５、１９の断面図である。圧縮室１５にはシリンダ１０に当接した第１吸入バルブ１６、第１排気バルブ１７、および外気導入手段と連通した第１吸気バルブが設けられている。

また圧縮室１９には、シリンダ１０に当接した第２吸入バルブ２０、第２排気バルブ２１、外気導入手段と連通した第２吸気バルブおよび燃料噴射バルブ２２が設けられている。

上記の各種バルブについては、従来型のバルブも使えるが、トンネル形状の孔を持つ筒状のケース内に、この長孔の直径よりやや小さな直径を持ち、外径と内径を連通する孔を持つパイプを通し、前記パイプを回転させることにより、前記ケースの孔と前記パイプの孔が一致した時に前記パイプ内を流れる空気や燃料がケース内部に噴出する仕組みになっている。

図６（ａ）〜（ｅ）は、本発明の芯違い双頭ピストンを図５の第１及び第２圧縮室を使った２サイクル動作の例を示している。動作としては、（ａ）→（ｂ）→（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）→（ａ）という循環を繰り返す。この時、不図示の反対側のピストンにおいては、（ｃ）→（ｄ）→（ｅ）→（ａ）→（ｂ）→（ｃ）という循環を繰り返す。

下記において、排気バルブ２５は、図６（ｄ）においてのみ開かれていて、（ｄ）以外においては閉じられている。

まず、図６（ａ）は第１ピストン２は上死点に達していて、第１圧縮室１５の第１吸入バルブ１６、第１排出バルブ１７、第１吸気バルブ１８は閉まっていて、第２圧縮室１９の第２吸入バルブ２０、第２排出バルブ２１，第２吸気バルブ２２、燃料噴射バルブ２３も全て閉まっている。

点火プラグ２４に点火されると第１シリンダ１０内で圧縮された混合気に点火されて爆発が起きる。第１ピストン２には押し下げる力が加えられ、同時に第２ピストン５は第２シリンダ１１内で押し上げられる。

次に、図６（ｂ）において、第１シリンダ１０内の第１ピストン下部の空気は第１吸入バルブ１６から第１圧縮室１５内に圧縮流入すると同時に、第２吸入バルブ２０から第２圧縮室１９内にも圧縮流入する。この時、第１圧縮室１５内の第１排気バルブ１７及び第１吸気バルブ１８は密閉されている。また第２圧縮室１９内の第２排気バルブ２１及び第２吸気バルブ２３も密閉されている。

更に、図６（ｃ）においては、第１シリンダ１０は下死点に近づき、第１圧縮室１５の第１吸入バルブ１６および第２圧縮室１９の第２吸入バルブ２０は閉鎖される。この時、第１圧縮室１５内の第１排気バルブ１７及び第１吸気バルブ１８は密閉されている。また第２圧縮室１９内の第２排気バルブ２１及び第２吸気バルブ２３も密閉されている。

上記において、第２シリンダ１１では、第２ピストン５は上死点に近づき、圧縮率は最高点に達する。

次に、図６（ｄ）において、第１ピストン２は第１シリンダ１０内で上昇を始めると同時に第１排気弁２５が開き排気工程になる。この後、第１圧縮室の第１排気バルブ１７が解放され、第１圧縮室１０内で圧縮されていた圧縮空気が第１シリンダ１０内に流入するので、爆発における汚れた空気が前記圧縮空気による強制排気で急速にシリンダ外に排気される。

上記において、第２シリンダ１１内の第２ピストン５は下降し、第２ピストン下部の空気付図示の圧縮室に空気が圧縮流入する。

更に、図６（ｅ）においては、第１圧縮室１５の排出バルブ１７は閉鎖され、第２圧縮室１９の排出バルブ２１が開口されることにより、第２圧縮室に密閉圧縮されていた空気および燃料の混合気が第１シリンダ１０内に流入する。

前記混合気が第１シリンダ１０内に収納されると、第１圧縮室１５においては、第１吸入バルブ１６と第１排出バルブ１７が閉じられると同時に第１吸気バルブ１８が開かれるので第１圧縮室１５に外部の空気が吸入される。

また、第２圧縮室１９においては、第２吸入バルブ２０と第２排出バルブ２１も閉じられると同時に、第２吸気バルブ２２が開かれるので第２圧縮室１９内に外部の空気が吸入される。

上記は１本の芯違い双頭ピストンを使った２気筒エンジンの動作原理であるが、２本の芯違い双頭ピストンを直交させると４気筒エンジンを構成することが出来る。これらのシリンダ芯線の位置の差は図１のオフセット値Ｘだけであるので、従来の直列４気筒エンジンやＶ字型４気筒エンジンに比較してクランク軸の長さ方向において非常に短いエンジンとすることが出来るので、例えばハイブリッドエンジンなどの用途に適する。

また、芯違い双頭ピストンを６０°ずつ角度を違えて３組で構成することにより６気筒エンジンが出来る。

更に、２本の芯違い双頭ピストンを直交させた４気筒エンジンを２組直列に配置し、間にクラッチ機構を設けることにより、８気筒エンジンを構成することが出来る。この８気筒エンジンは前記クラッチ機構を使うことにより、馬力が必要な時には前記クラッチをつないで８気筒全てを駆動させ、あまり馬力が必要でない時には前記クラッチ機構を解除することにより４気筒エンジンとして経済走行することが可能となる。

本発明によるエンジンは、１本の双頭ピストン構成、２本を直交配置した十字型構成を一つ以上連接した構成、複数の双頭ピストンを水平に並べた構成など用途や車体設計に合わせた構成が可能であり、しかも従来コンロッドのように回転要素がなく、従来のバルブ挟み角が０になるのでコンロッド格納部分が小型化となりエンジン全体も小型化されるので、例えばハイブリッドエンジンなどへの利用することにより、自動車産業の省エネ化に寄与することが出来る。

本発明の芯違い双頭ピストンの縦断正面図 図１にシリンダとドライブシャフトを取り付けた図 ドライブシャフトとコンロッドの断面図 ２気筒エンジンの断面図 第１シリンダに第１及び第２圧縮室を取り付けた図 （ａ）〜（ｅ）２気筒エンジンの動作説明図

符号の説明

１…芯違い双頭ピストン、 ２…第１ピストン、 ３…第１コンロッド、 ４…第１コンロッドの芯線、 ５…第２ピストン、 ６…第２コンロッド、 ７…第２コンロッドの芯線、 ８…ヨーク、 ９…クランクピン、 ９ａ…ヨーク溝、 １０…第１シリンダ、
１１…第２シリンダ、 １２…クランクシャフト、 １３…クランクピンベースプレート、 １４…クランクピンベースプレート、 １５…第１圧縮室、 １６…第１吸入バルブ、 １７…第１排出バルブ、 １８…第１吸気バルブ、 １９…第２圧縮室、 ２０…第２吸入バルブ、 ２１…第２排出バルブ、 ２２…第２吸出バルブ、 ２３…燃料噴射バルブ、 ２４…点火プラグ、 ２５…排気バルブ。

Claims (1)

1. 頭部に点火手段を持つシリンダヘッドと、空気弁と前記シリンダヘッドとの連通路を持つ圧縮室、空気弁と燃料供給口と前記シリンダヘッドとの連通路を持つ圧縮室、前記圧縮室とは前記連通路を通じて連通させた主室を構成する燃焼室部材、及び１本の共通ヨークで２個のピストンを連結し、前記ピストンは各々のシリンダ内を往復動する双頭ピストン式スコッチヨーク機構を具備したスコッチヨーク式ガソリンエンジンにおいて、
   ヨークに形成されたクランクピンは前記ヨーク運動方向に対して０°から６０°あるいは１２０°から１８０°のオフセット角を持ち、前記クランクピン先端の前記長穴との当接する摺動部には回転自在の回転軸受手段が設けられ、前記ピストンのピストンヘッドには前記主室の一部を構成する圧縮室が形成され、前記双頭ピストンの片方が前記圧縮室の容積を拡大する方向に移動する時に、２つある前記圧縮室内の空気を圧縮し、前記圧縮室のひとつは燃焼後の前記圧縮室の排気に、もうひとつの前記圧縮室は、前記燃料供給路から供給された燃料と前記空気を混合した混合気を、次の燃焼前に排気済みの圧縮室に供給することを特徴とする圧縮室を持つスコッチヨーク式ガソリンエンジン。

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