JP2001207801A - ピストンポンプ式エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】機関体積および機関重量を増加させることなく
高出力化を達成し、かつ低振動を達成したピストンポン
プ式エンジンを提供することにある。 【解決手段】ワークシリンダ１内の第１ワークピストン
１０Ａと第2ワークピストン１０Ｂとが相対的に反対方
向に往復運動し、かつ前記第１ワークピストン１０Ａの
上死点側および前記第１ワークピストン１０Ａと第２ワ
ークピストン１０Ｂとの間のそれぞれに燃焼室が形成さ
れ、さらにポンプシリンダ２内の第１ポンプピストン２
０Ａと第2ポンプピストン２０Ｂとが相対的に反対方向
に往復運動し、かつ前記第１ポンプピストン２０Ａの上
死点側および前記第１ポンプピストン２０Ａと第２ワー
クピストン２０Ｂとの間のそれぞれに吸気室を形成した
ピストンポンプ式エンジンによって解決される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポンプシリンダを
備えたピストンポンプ式エンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】ピストンポンプ式エンジンは、ワークシ
リンダとは別にポンプシリンダを設け、このポンプシリ
ンダ内を往復運動するポンプピストンの作用によって吸
気と予備圧縮が行なう。ポンプピストンは、ワークピス
トンが連結さるクランクと同一のクランクに連結されて
おりワークピストンに連動して作用する。従ってクラン
クとそれぞれのピストンから延在するピストンロッドと
の連結具合によって、ワークピストンとポンプピストン
との相対的位置が決定される。ピストンポンプ式エンジ
ンは、ポンプシリンダ側に吸気ポートが形成され、ワー
クシリンダ側に排気ポートが形成され、かつそれぞれの
シリンダに送気ポートが形成されるエンジンであるた
め、それぞれのポートに吸気バルブ、排気バルブ、送気
バルブを設け、ピストン位置に応じてバルブタイミング
を調節し、燃焼効率を制御することも可能である。また
ピストン位置によって各ポートが開閉するように構成し
たものもある。さらに、ピストンポンプ式エンジンは、
クランク室圧縮式エンジンのようにクランク室を気密に
する必要がないので軸受け部分の潤滑法やクランク形状
を自由に設定することができ、またワークシリンダより
もポンプシリンダの容積を大きくするなどして、より多
くの圧縮気体をワークシリンダに供給することも可能で
ある。

【０００３】このように、ピストンポンプ式エンジンで
は、バルブタイミングの調節やクランクの形状など構成
の自由度が高く、ポンプシリンダで予備圧縮された圧縮
気体を燃焼室に供給するため吸入効率にも優れるため、
高出力を得やすいという利点を有する。しかし、ピスト
ンポンプ式エンジンは、ワークシリンダとは別途にポン
プシリンダを備えるため、ワークシリンダのみで動作す
るエンジンと比較して機関体積が大きく、また構造が複
雑で機関重量も重いという欠点をも有しており、このこ
とが、ピストンポンプ式エンジンの効率を低下させる大
きな原因となっていた。そこで、本発明者は、先に特願
平１１−１８４６３９（以下、先行例１と記載）におい
てシリンダの底部に底板材を設け、シリンダ内を往復運
動するピストンの上下に燃焼室および吸気室を形成する
ことで、高効率化を図るピストンポンプ式エンジンを発
明した。先行例１のピストンポンプ式エンジンは、機関
重量および機関体積の大半をしめるシリンダブロックの
構造をほとんど変更しないため重量および体積の増加が
少ない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、一つの
ピストンの上下に燃焼室を形成した場合、エンジンの振
動が大きくなるという欠点を有する。

【０００５】従って、本発明の主たる課題は、ピストン
ポンプ式エンジンにおいて、機関重量および機関体積の
増加を抑えて高効率化を図るとともに、エンジンの振動
を低減させることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決した本願
請求項１記載の発明は、ワークシリンダと、ワークシリ
ンダ内を往復運動するワークピストンと、ポンプシリン
ダと、ポンプシリンダ内を往復運動するポンプピストン
と、前記ワークピストンおよび前記ポンプピストンから
それぞれ延在するピストンロッドが連結されるクランク
とを備え、ポンプシリンダ内の圧縮室で予備圧縮した圧
縮気体をワークシリンダ内の燃焼室に送気路を介して供
給するとともに、燃焼室内に燃料を噴射して前記燃焼室
内で混合気を生成し、生成された混合気を前記ワークピ
ストンによってさらに圧縮するとともに点火爆発させ
る、ピストンポンプ式エンジンであって、前記ワークシ
リンダ内に２つのワークピストンが上下に配置され、ワ
ークシリンダ内に前記２つのワークピストンの間と上側
に位置するワークピストンの上死点側に燃焼室が形成さ
れ、それらの２つのワークピストンは相対的に反対方向
に往復運動するように、２つのワークピストンからそれ
ぞれ延在するピストンロッドが連結部材を介してクラン
クに連結されており、かつ、ポンプシリンダ内に２つの
ポンプピストンが上下に配置され、ポンプシリンダ内に
前記２つのポンプピストンの間と上側に位置するポンプ
ピストンの上死点側に吸気室が形成され、それらの２つ
のポンプピストンは相対的に反対方向に往復運動するよ
うに、２つのポンプピストンからそれぞれ延在するピス
トンロッドが連結部材を介して前記クランクに対して連
結されている、ことを特徴とするピストンポンプ式エン
ジンである。

【０００７】上記構成とすることで、２つのピストン間
に形成された燃焼室で爆発がおきるときには、２つピス
トンに加わる力がほぼ均等となり、かつ２つのピストン
は反対方向に動くように構成されているため反動により
両ピストンの振動が打ち消されて振動が低減される。ま
た、クランクに押す力と引く力とが均等に加わるのでス
ムーズな回転運動が得られる。また、第１ワークピスト
ンの上側に形成された燃焼室でも仕事を行なうので、１
つシリンダで２つのシリンダ分の仕事をするため効率的
である。

【０００８】請求項２記載の発明は、前記ワークシリン
ダ内およびポンプシリンダ内において、一方のピストン
のピストンロッドが、他方のピストンのピストンヘッド
を貫通してクランクに対して連結され、前記ピストンヘ
ッドの貫通孔にピストンロッドパッキンが設けられて燃
焼室の気密性が保持されている請求項１記載のピストン
ポンプ式エンジンである。

【０００９】請求項３記載の発明は、ワークシリンダ内
において、一方のピストンはシリンダ形ピストンであ
り、他方のピストンがその内側を往復運動するように構
成されている請求項１または２に記載のピストンポンプ
式エンジンである。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照しながら具体的に説明する。図１に示されるよう
に、ワークシリンダ１とポンプシリンダ２とが近接して
平行に並べて配置されている。前記ワークシリンダ内に
は、このワークシリンダ内を往復運動する第１ワークピ
ストン１０Ａと第２ワークピストン１０Ｂとが配置され
ており、前記第１ワークピストン１０Ａの上死点側に第
１燃焼室１Ａが形成され、前記第1ワークピストン１０
Ａと前記第２ワークピストン１０Ｂとの間に第２燃焼室
１Ｂが形成されている。一方、ポンプシリンダ２内に
は、このポンプシリンダ２内を往復運動する第１ポンプ
ピストン２０Ａと第２ポンプピストン２０Ｂが配置され
ており、前記第１ポンプピスト２０Ａの上死点側に第１
吸気室２Ａが形成され、前記第1ポンプピストンと前記
第２ポンプピストンとの間に第２吸気室２Ｂが形成され
ている。

【００１１】前記第１燃焼室１Ａと前記第１吸気室２Ａ
との間には第１送気路６Ａが形成され、前記第２燃焼室
１Ｂと前記第2吸気室２Ｂとの間に第２送気路６Ｂが形
成されている。前記吸気室２Ａ，２Ｂで予備圧縮された
気体は、前記送気路６Ａ，６Ｂを通って燃焼室１Ａ，１
Ｂ内へと供給される。前記第１送気路６Ａの途中には第
１送気弁７Ａが設けられており、前記第２送気路の途中
には第１送気弁が設けられており、これら送気弁７Ａ，
７Ｂによって送気路６Ａ，６Ｂの開閉が行なわれる。前
記送気弁は７Ａ，７Ｂは、前記吸気室２Ａ，２Ｂ内の圧
力が所定の圧力に到達すると開くように、カム等によっ
て動作させればよい。

【００１２】一方、第１燃焼室１Ａには第１排気ポート
１１Ａが、そして第２燃焼室１Ｂには第２排気ポート１
１Ｂが、それぞれ設けられており、これら排気ポート１
１Ａ，１１Ｂの開閉はそれぞれのポートに設けられた排
気バルブ１２Ａ，１２Ｂによって行なわれる。また第１
吸気室には第１吸気ポート２１Ａが、そして第２吸気室
２Ｂには第2吸気ポート２１Ｂが、それぞれ設けられて
おり、これら吸気ポートの開閉はそれぞれの吸気ポート
に設けられている吸気バルブ２２Ａ，２２Ｂによって行
なわれる。排気バルブ１２Ａ，１２Ｂおよび吸気バルブ
２２Ａ，２２ｂは、図示されないカム等によって動作さ
せることができる。

【００１３】また、第１ワークピストン１０Ａおよび第
１ポンプピストン２０Ａのピストンロッド１０ｄ，２０
ｄは、クランク側に位置する第２ワークピストン１０Ｂ
および第２ポンプピストン２０Ｂのピストンヘッドを貫
通して、クランク４に連結されている。貫通孔には前記
第２燃焼室１Ｂおよび第２吸気室２Ｂの気密性を保つた
めのピストンロッドパッキン１０ｐ，２０ｐが設けられ
ている。それぞれのピストンロッドから延在するピスト
ンロッド１０ｄ，２０ｄは、クランク室４Ｒ内において
連結部材としてコネクティングロッド１０ｃ，２０ｃを
介して同一のクランク４に連結されている。少なくと
も、第１ワークピストンおよび第１ポンプピストンから
延在する前記ピストンロッドは、ピストンヘッドに固定
されるかまたはピストンヘッドと一体的に形成されてお
り、ピストンヘッドと同様に上下運動のみを行なう。ワ
ークピストン１０Ａ，１０Ｂの上下運動は、前記ピスト
ンロッド１０ｄによってクランク室内のコネクティング
ロッド１０ｃへと伝達され、コネクティングロッド１０
ｃは伝達されたワークピストンの往復運動をクランク４
の回転運動に変換する。

【００１４】また、図示はしないが、燃料噴射用のイン
ジェクション等は、ワークシリンダの側壁に設ければよ
い。

【００１５】点火プラグも、前記インジェクションと同
様にワークシリンダ１の側壁に設ければよい。第１およ
び第２ワークピストンが上死点に到達したときに第１燃
焼室１Ａおよび第２燃焼室１Ｂでそれぞれ点火爆発を行
なえる位置に設ければよい。

【００１６】図２に示されるような、シリンダ形のピス
トンとした場合には、シリンダ形ピストン内に混合気を
供給するための供給孔６Ｓよび燃焼後の排ガス排出する
ための排気孔１２Ｓをシリンダ形ピストンに設ける。さ
らに、図示はしないが、点火プラグをピストン内部に設
けるとともに、その点火プラグにシリンダ形ピストンと
シリンダとの接点を介して通電するように構成し、シリ
ンダ形ピストン内の燃焼室で点火と爆発を行なう。

【００１７】また、初期始動のためだけに両方の燃焼室
に点火プラグを設けてもよい。

【００１８】その他、従来のピストンポンプ式エンジン
の燃焼室に設けられていた構成は、本願発明に係るピス
トンポンプ式エンジンの第１燃焼室および第２燃焼室に
おいても設けることができる。同様に、従来のピストン
ポンプ式エンジンの吸気室に設けられていた構成は、第
１吸気室および第２吸気室に同じように設けることがで
きる。

【００１９】本発明に係るピストンポンプ式エンジン
は、少なくとも第２燃焼室で燃焼がおきるときには、２
つピストンに加わる力がほぼ均等となり、反動により両
ピストンの振動が打ち消されて振動が低減される。ま
た、そのときはクランクに押す力と引く力とが均等に加
わるのでスムーズな回転運動が得られる。また、第１燃
焼室でも仕事を行なうようにしたので、１つシリンダで
２つのシリンダ分の仕事ができ、効率的である。

【００２０】次いで、本願発明に係るエンジンの動作
を、図３〜図８を参照して説明する。

【００２１】図３に示されるように、第１ポンプピスト
ン２０Ａが上死点付近に移動し、第１吸気室２Ａ内の圧
力が所定圧力に到達すると第１送気弁７Ａが開き第１燃
焼室１Ａと第１吸気室２Ａとが連通する。第１ワークピ
ストン１０Ａはポンプピストン２０Ａよりも遅れて動作
するため上死点に向かって移動している。第１燃焼室１
Ａの排気ポート１１Ａは開いており、第１吸気室の吸気
ポート２１Ａは閉じている。第１吸気室２Ａで予備圧縮
された予備圧縮済気体Ｇは、第１送気路６Ａを通って第
１燃焼室１Ａに送気される。第１燃焼室１Ａでは、掃気
工程が行なわれる。このとき、第２ポンプピストン２０
Ｂは下死点付近に移動し、第２ワークピストン１０Ｂは
第２ポンプピストン２０Ｂよりも遅れて動作するため下
死点に向かって移動している。第２送気弁７Ｂは閉じた
ままであり、第２吸気室１Ｂと第２燃焼室２Ｂとは連通
していない。第２燃焼室１Ｂの排気ポート１１Ｂは閉じ
ており、第２燃焼室１Ｂでは燃焼ガスが膨張している。
第２吸気室２Ｂの吸気ポート２１Ｂは開いており、第２
吸気室２Ｂには新気Ｎが吸気されている。

【００２２】続いて、図４に示されるように、第１ポン
プピストン２０Ａが上死点に移動すると、第１吸気室２
Ａ内から第１燃焼室１Ａへ予備圧縮済気体の送気は完了
する。完了と同時に第１送気弁７Ａが閉じ、第１吸気室
２Ａでは吸気ポート２１Ａが開いて新気Ｎが吸気され始
める。第１燃焼室１Ａの第１排気ポート１１Ａは前記第
１送気ポート７Ａが閉じる前に閉じられ、上死点に向か
って移動する第１ワークピストンによって送気された予
備圧縮済気体が更に圧縮される。一方、このとき第２ポ
ンプピストンは下死点に移動する。第２ポンプピストン
が下死点に移動すると第２送気弁７Ｂが閉じたまま、第
２吸気室の吸気ポート２１Ｂが閉じ、吸気された気体の
予備圧縮が始まる。第２ワークピストン１０Ｂは引き続
き下死点に移動中で第２燃焼室１Ｂでは、ひきつづき気
体の膨張がおきている。

【００２３】続いて、図５に示されるように、第１ワー
クピストン１０Ａが上死点に到達すると第１燃焼室１Ａ
で点火爆発が行なわれる。このとき第１ポンプピストン
２０Ａは既に下死点に向かって移動している。第１吸気
ポート２１Ａは開いたままであり、第１吸気室２Ａには
新気Ｎの吸気が行なわれている。一方、このとき第２ポ
ンプピストン２０Ｂは上死点に向かって移動している。
第２送気弁７Ｂは閉じたままであり、第２吸気室２Ｂで
予備圧縮がおこなわれる。このとき第２ワークピストン
１０Ｂは下死点に達し、第２燃焼室１Ｂの排気ポート１
１Ｂが開き、第２燃焼室１Ｂでは排気が開始される。

【００２４】続いて、図６に示されるように、第１ポン
プピストン２０Ａが下死点付近に移動すると、相対的に
逆方向に移動する第２ポンプピストン２０Ｂが上死点付
近に移動する。このとき両ピストン間に形成された第２
吸気室２Ｂ内の圧力は所定圧力に到達し、第２送気弁７
Ｂが開いて第２燃焼室１Ｂと第２吸気室２Ｂとが連通す
る。第２燃焼室１Ｂの第２排気ポート１１Ｂは開いてお
り、第２吸気室２Ｂの吸気ポート２１Ｂは閉じている。
第２吸気室２Ｂで予備圧縮された予備圧縮済気体Ｇは、
第２送気路６Ｂを通って第２燃焼室１Ｂに送気される。
第２燃焼室１Ｂでは掃気工程が行なわれる。一方、この
とき第１ワークピストン１０Ａは第１ポンプピストン２
０Ａよりも遅れて動作するためワークシリンダ２内を下
死点に向かって移動している。第１送気弁６Ａは閉じた
ままであり、第１吸気室２Ａと第１燃焼室１Ａとは連通
していない。第１燃焼室の排気ポート１１Ａは閉じてお
り、第１燃焼室１Ａでは燃焼ガスが膨張している。第１
吸気室２Ａの吸気ポート２１Ａは開いており、第１吸気
室２Ａでは新気Ｎの吸気がおこなわれている。

【００２５】続いて、図７に示されるように、第１ポン
プピストン２０Ａは下死点に移動し、第２ポンプピスト
ン２０Ｂは上死点に到達する。第２吸気室２Ｂ内から第
２燃焼室２Ｂへ予備圧縮済気体の送気が完了し、完了と
同時に第２送気弁６Ｂが閉じ、第２吸気室２Ｂでは吸気
ポート２１Ｂが開いて新気Ｎの吸気が開始される。この
とき第２排気ポート１１Ｂは第２送気路６Ｂが閉じる前
に閉じられ、下死点に向かって移動する第１ワークピス
トン１０Ａおよび上死点に向かって移動する第２ワーク
ピストン１０Ｂによって、送気された予備圧縮済気体が
更に圧縮される。一方、このとき第１送気路６Ａが閉じ
たまま、第１吸気室２Ａの吸気ポート１１Ａが閉じ、吸
気されていた気体が第１ポンプピストン２０Ａの作用に
より予備圧縮されはじめる。第１燃焼室１Ａでは、引き
続き気体の膨張がおきている。

【００２６】続いて、図８に示されるように、第１ワー
クピストン１０Ａが下死点に到達し、第２ワークピスト
ン１０Ｂが上死点に到達すると第２燃焼室１Ｂで点火爆
発が行なわれる。このとき第１ポンプピストン２０Ａは
既に上死点に向かって移動し、第２ポンプピストン２０
Ｂは下死点に向かって移動している。第２吸気ポート２
１Ｂは開いたままであり、第２吸気室２Ｂでは新気Ｎの
吸気が行なわれている。一方、このとき第１送気弁７Ａ
によって第１送気路６Ａが閉じらており、第１吸気室２
Ａでは予備圧縮がおこなわれている。それと同時に第１
燃焼室の排気ポート１１Ａが開き、第１燃焼室１Ａでは
排気が開始される。

【００２７】続いて、第１ポンプピストン２０Ａは上死
点付近に移動し、それに遅れて第１ワークピストン１０
Ｂはシリンダの上死点に向かって移動する。一方、第２
ポンプピストン２０Ｂは下死点付近に移動し、それに遅
れて第２ワークピストン１０Ｂは下死点に向かって移動
する。つまり図２の状態へと戻り一巡する。このように
それぞれのピストンが各シリンダ内をくり返し往復運動
する。

【００２８】

【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、１シリ
ンダ内で２つのピストンを動作させることができるた
め、機関重量および機関体積を増加させることなく高出
力を得ることが可能である。従って、ピストンポンプ式
エンジンの高出力化、高効率化、および小スペース化な
どの利点がもたらされる。また前記２つのピストンが相
対的に反対方向に動くように構成したのでエンジンの振
動が打ち消される。

【図面の簡単な説明】

【図１】ピストンポンプ式エンジンの第１具体例を示す
断面図である。

【図２】第２の具体例を示す一部断面図である。

【図３】第１の具体例における第１の状態図である。

【図４】第２の状態図である。

【図５】第３の状態図である。

【図６】第４の状態図である。

【図７】第５の状態図である。

【図８】第６の状態図である。

【符号の説明】

１…ワークシリンダ、１Ａ…第１燃焼室、１Ｂ…第２燃
焼室、２…ポンプシリンダ、２Ａ…第１吸気室、２Ｂ…
第２吸気室、３…底板部材、４…クランク、４Ｒ…クラ
ンク室、６Ａ…第１送気路、６Ｂ…第２送気路、７Ａ…
第１送気バルブ、７Ｂ…第２送気バルブ、１０Ａ…第１
ワークピストン、１０Ｂ…第２ワークピストン、１０
ｄ，２０ｄ…ピストンロッド、１０ｃ，２０ｃ…コネク
ティングロッド、１０ｈ，２０ｈ…貫通孔、１０ｐ，２
０ｐ…ピストンロッドパッキン、１０ｓ，２０ｓ…ピス
トンリング、１１Ａ…第１排気ポート，１１Ｂ…第２排
気ポート、１２Ａ…第１排気バルブ，１２Ｂ…第２排気
バルブ、２０Ａ…第１ポンプピストン、２０Ｂ…第２ポ
ンプピストン、２１Ａ…第１吸気ポート、２１Ｂ…第２
吸気ポート、２２Ａ…第１吸気バルブ、２２Ｂ…第２吸
気バルブ、

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ワークシリンダと、ワークシリンダ内を往
   復運動するワークピストンと、ポンプシリンダと、ポン
   プシリンダ内を往復運動するポンプピストンと、前記ワ
   ークピストンおよび前記ポンプピストンからそれぞれ延
   在するピストンロッドと、このピストンロッドが連結さ
   れるクランクとを備え、 前記ポンプシリンダ内の吸気室で予備圧縮した圧縮気体
   を前記ワークシリンダ内の燃焼室に送気路を介して供給
   し、その圧縮気体を前記ワークピストンによってさらに
   圧縮して点火爆発させる、ピストンポンプ式エンジンで
   あって、 前記ワークシリンダ内に２つのワークピストンが上下に
   配置され、ワークシリンダ内に前記２つのワークピスト
   ンの間と上側に位置するワークピストンの上死点側に燃
   焼室が形成され、それらの２つのワークピストンは相対
   的に反対方向に往復運動するように、ワークピストンか
   らそれぞれ延在するピストンロッドが連結部材を介して
   クランクに連結されており、 かつ、ポンプシリンダ内に２つのポンプピストンが上下
   に配置され、ポンプシリンダ内に前記２つのポンプピス
   トンの間と上側に位置するポンプピストンの上死点側に
   吸気室が形成され、それらの２つのポンプピストンは相
   対的に反対方向に往復運動するように、２つのポンプピ
   ストンからそれぞれ延在するピストンロッドが連結部材
   を介して前記クランクに対して連結されている、 ことを特徴とするピストンポンプ式エンジン。
2. 【請求項２】前記ワークシリンダ内およびポンプシリン
   ダ内において、一方のピストンのピストンロッドが、他
   方のピストンのピストンヘッドを貫通してクランクに対
   して連結されており、前記ピストンヘッドの貫通孔には
   ピストンロッドパッキンが設けられて燃焼室の気密が保
   持されている請求項１記載のピストンポンプ式エンジ
   ン。
3. 【請求項３】ワークシリンダ内において、一方のピスト
   ンはシリンダ形ピストンであり、他方のピストンがその
   内側を往復運動するように構成されている請求項１また
   は２に記載のピストンポンプ式エンジン。