JP2018087575A - 多角形振動ピストンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】高い出力対重量比を有し、低いエンジン回転速度で高いトルクを出力し、製造が容易で、ピストンシールの信頼性が高いエンジンを提供する。【解決手段】２つの振動ディスク３のうちの一方の上に複数のピストンを有する多角形振動ピストンエンジンが提供される。振動ディスクが中心シャフト４を中心に円弧状に動く一方で、それぞれのピストンは円筒形チャンバ内の多角形の側部のうちの１つに沿って直線状に動く。ピストンの直線運動と振動ディスクの角度運動との間の差異は、それぞれのディスクに取り付けられたペグまたは棒材上で摺動するピストン内の摺動スリーブにより吸収される。エンジンは、ディーゼル燃料、ガソリン、または天然ガスを使用する内燃機関として動作するよう構成されてもよく、または高圧高温ガスを回転力に変換する膨張機として構成されてもよい。このエンジンのコンパクトな設計により高い出力対重量比がもたらされる。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
本願は２０１２年４月１８日に出願された米国仮特許出願整理番号第６１／６２５，９４０号の利益を主張するものであり、同特許は参照することにより本願に援用される。

本発明は全般的には内燃機関の分野に関する。さらに詳細には、本発明は、振動ディスク方法体系を用いることによる、様々な石油製品の燃焼に起因する化学エネルギーから回転機械エネルギーへのエネルギー変換に関する。回転機械エネルギーは発電機を駆動して電気を生成するために、または稼働中の車両（例えば自動車、トラック、飛行機、または船舶）内のトランスミッションを駆動するために、用いられ得る。

多数の異なる構成の内燃機関が歴史的に導入され、その中でインライン構成およびＶ構成が主流となった。他の構成では、２つのピストンが単一の燃焼チャンバ内で組み合わされる対向ピストンが用いられる。より近年では、燃焼チャンバがトロイド形状を有し且つ複数のピストンが振動様式で動く構成が提案されている。１つの係るエンジンが、２０１１年３月２９日に出願された米国特許出願整理番号第１３／０７４５１０号に開示されており、同特許は引用することにより本明細書に援用される。これらのエンジンは、高い出力対重量比を有するという特長を有し、低いエンジン回転速度で高いトルクを提供する。一方、これらのエンジンは、製造が困難であるという欠点を有する他にも、ピストンが円弧状に動くためにピストンシールの信頼性が低いという欠点も有する。これらの諸問題を解決するエンジン設計が望まれる。

本明細書で説明する本実施形態は、特長を保持する一方でトロイド形エンジンの短所を克服する。直線状の側部を有する多角形状にピストンを配置することにより、このことが達成される。それぞれのピストンは従来のピストンリングを有する直線状シリンダ内で動く。燃焼チャンバは多角形の側部の交差部分にある。多角形の周りで近傍位置にあるピストンは互いに向かっておよび互いから離間するように動き、それにより、共通燃焼チャンバがその中間に存在する対向ピストン構成の特長が提供される。加えて振動ピストンを回転クランクシャフトに接続する駆動機構が簡略化され、それによりパーツ数が少なくなり、その結果、製作コストも軽減される。

このエンジンの出力対重量比は非常に高い。その理由はいくつかある。第１の理由は対向ピストンの使用である。対向ピストンに関して、ピストンの速度は同一排気量に対して従来のピストンエンジンの速度のおよそ半分である。このことにより、エンジンはおよそ２倍の回転速度での運転が可能となり、したがって先行技術に係るエンジンと略同一の排気量で約２倍の出力が生成されることとなる。第２の理由は２つの側部を有するピストンの使用である。このことは蒸気エンジンでは一般的であったが、ガソリンエンジンでは一般的ではない。この改良された設計では、閉多角形の形に配置された２つの側部を有するピストンが用いられる。第３の理由は、より一般的な４サイクル設計よりもむしろ２サイクル設計を所望により使用する点である。これらのうち最後の２項目は、各ピストンの各ストロークがパワーストロークになることを可能にする。この点は、各第４ストロークがパワーストロークとなる従来の自動車エンジンに対して、または各第２ストロークがパワーストロークとなる従来の２サイクルエンジンに対して、対照的である。最後に、従来の対向ピストンエンジンでは２つのピストンに対して１つの燃焼チャンバが存在するのに対し、本明細書における発明ではパワーを生成する燃焼チャンバの個数とピストンの個数とが同一であるという点で、対向ピストンエンジンと比較して重量が顕著に軽減される。

本明細書で説明するエンジン設計は、ピストンチャンバが多角形の側部として配置されたピストンベースのエンジンである。この多角形は４以上の任意の偶数個の側部を有する。本明細書で示す実施形態は６つの側部を有するが、８個、１０個、または１２個の側部を有するエンジンも可能であり、係るエンジンが、いくつかの用途で好適となり得る。側部の個数に関する制限はないが、開示する設計では偶数個の側部が用いられる。

１つの実施形態例に対しては、偶数個のピストンが一方のディスク上に取り付けられ奇数個のピストンが他方のディスク上に取り付けられる状態で、それぞれのピストンが２つのディスクのうちの一方に取り付けられる。それぞれのディスクは中央駆動シャフト上で枢動し得る。それぞれのディスクは、径方向に延長する１組のペグまたは棒材（各ディスクに対して１組）を有し、係る１組のペグまたは棒材は各ピストンの中心で枢動するスリーブ内で摺動する。ピストンのそのシリンダ内における前後方向の振動運動は、対応するディスクの角振動に変換される。

２つのディスクは互いに対して逆方向に振動する。第１ディスク上のピストンが時計回り方向に動くと第２ディスク上のピストンは反時計回り方向に動き、逆もまた成り立つ。これらのピストンが相互に対して接近すると、これらのピストンにより燃料空気混合物が圧縮される。最も近接する地点において燃焼が発生し、ピストンは離間する方向に押し戻される。次にそれぞれのディスク上のピストンが多角形の逆のコーナー部へと動き、このプロセスが反復される。２サイクルエンジンでは、２側部ピストンの各ストロークがパワーストロークとなる。このエンジンの動作は、２０１１年３月２９日に出願された「Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ」を発明の名称とする米国特許出願整理番号第１３／０７４，５１０号に記載のトロイド形エンジンの動作に極めて類似し、同特許は参照することにより本明細書に援用される。根本的な相違は、引用された先行技術に係る設計におけるピストンが円弧状に動くこととは対照的に、本明細書で説明するエンジンについてはピストンが有利に直線状に動くことである。

基本的構成は、偶数個の側部を有する多角形の構成である。ピストンが多角形の側部全部を占めるよう、エンジンに対して１つまたは複数のクランクシャフトが多角形内に提供されてもよく、またはピストンの合計個数が奇数となるよう、多角形の側部全部のうちの１つを実際に占めるクランクシャフトが提供されてもよい。最先端技術クランクシャフト設計を用いると、前者の構成は低出力用途に好適に機能し、その一方で、後者の構成は高出力用途に対して好適に機能するであろう。一方、前者の構成は、通常利用可能となるよりも強力なクランクシャフトが提供される高出力用途に対して実際的となり得る。両方の構成を用いる実施形態について本明細書で説明する。

本発明の性質に関するより完全な理解を得るために、以下の図面と組み合わせて以下の詳細に説明を参照されたい。

低出力・低圧縮比エンジン用のための６つのピストンを有する六角形の多角形振動ピストンエンジンの第１実施形態例のコア部を図示する概略図である。 多角形振動ピストンエンジンの第１例におけるピストンの半分のためのピストンペグを保持する２つのコアディスクのうちの１つを図示する概略図である。 ディスクをピストンに接続するピストンペグの１つの実施形態例を図示する概略図である。 コアディスクにおけるピストンペグの位置を図示する概略図である。 ピストンがシリンダ内で前後に動く際、ピストンペグ上で短距離だけ摺動するピストンペグカラー例を図示する概略図である。 ペグ例を図示する概略図である。 ペグ上におけるカラーの配置を図示する概略図である。 ピストンペグとともにピストンペグカラー上に取り付けられたピストンの１例を図示する概略図である。 多角形振動ピストンエンジンの六角形の実施形態例の六角形の実施形態に対して現れるであろう、ディスクのうちの両方の上に配置された６つのピストンを図示する概略図である。 多角形振動ピストンエンジンの六角形の実施形態例に対するコアピストンシリンダおよびコーナー部燃焼チャンバの例を図示する概略図である。 ピストンが内部にある状態の１つのピストンシリンダの破断と、ピストンのそれぞれの端部におけるそれぞれの燃焼チャンバの破断も図示する概略図である。 多角形振動ピストンエンジン例の２サイクルの実施形態に対するポートおよびスパークプラグの可能な位置の他に、４サイクルの実施形態における吸気弁および排気弁の可能な位置も図示する概略図である。 エンジン例の２サイクル構成に対するスパークプラグ、燃料インジェクタ、およびポートの配置の１例を図示する概略図である。 エンジン例に対して１組の駆動ギアを用いて接続された２つのクランクシャフトおよび１つの主要シャフトの１例を図示する概略図である。 ディスクのうちの一方の上の駆動スロットに配置されたクランクシャフトのうちの一方の上のカムの破断詳細を図示する拡大図である。 ディスク、クランクシャフトスロット、およびピストンに対する代替的形状を有する多角形振動ピストンエンジンの代替構成の破断図を図示する概略図である。 構築および組み立てが容易である代替的形状のピストン組立体の分解図を図示する概略図である。 平面から逸れた角度で取り付けられたピストンペグを有する代替的ディスクを図示する概略図である。 ピストンペグ上に取り付けられた３つの代替的構成のピストンを図示する概略図である。 ピストン全部が同一平面に提供された、６つの代替的構成のピストンを有する２つのディスクを図示する概略図である。 ピストンが直線状の様式で動く吸気ポートおよび排気ポートを有するピストンスリーブを図示する概略図である。 コーナー部燃焼チャンバと、ポートを閉塞するマニホールドカバーと、ディスクがそれに接して振動する中心シャフトと、を図１８に追加した図である。 クランクシャフトおよび中心シャフトに対する架台を有する内部エンジンケーシングおよび外部エンジンケーシングを図１９に追加した図である。 より高い燃焼圧力を有するより高い圧縮比エンジンに対して用いられるより大きい傾斜ブロックを有する代替的ピストン組立体の分解図を図示する概略図である。 クランクシャフトがピストンのうちの一方と置き換わったときのより高い出力のエンジンに対して用いられ得る代替的ディスク構成を図示する概略図である。 より高出力構成ディスクのための摺動棒材上に取り付けられた２つの代替的ピストンを図示する概略図である。 ２つのピストンが一方端において開放されている、３つのピストンを有する第２ディスクを図示する概略図である。 ２つのスリーブが排気ポートを有し他の３つのスリーブが吸気ポートを有する、代替的ピストン構成にピストンスリーブが追加された図である。 摺動ブロックがスコッチヨーク構成にある状態で振動ディスクが回転クランクシャフトに接続する様子の詳細を図示する概略図である。 摺動ブロックを有するクランクシャフトがエンジン構造により保持される様子の詳細を図示する概略図である。 多角形の側部のうちの１つがクランクシャフトにより置換された、高出力用途に対して用いられる多角形振動ピストンエンジンの代替的構成を図示する概略図である。

図１は６つのピストンを有する多角形振動エンジン例の中心コア部を図示する。これは多角形振動エンジンの１つの実施形態例である。他の代替品実施形態は任意の偶数個の側部を有する多角形に基づき得る。この実施形態における６つのピストンは六角形として配置された６つの直線状シリンダ１のうちのそれぞれにある。それぞれのシリンダは、６つのコーナー部燃焼チャンバ２のうちの１つにより、隣接シリンダに接続される。中心シャフト４を中心に前後に振動するディスク３がエンジンの中心にある。この前後運動は、この実施形態では、２つのクランクシャフト５および６により制御される。特定の寸法および用途に基づいて１つから４つ以上の範囲の様々な個数のクランクシャフトが利用され得る。

図２は２つの振動ディスク３の１つの実施形態を示す。この実施形態では、ピストンペグが取り付けられ得る３つの溝部７が存在する。それぞれのディスク３は中心シャフトに接触するベアリングを含む中心穴８を有する。ディスク３が前後に振動する間、中心主要シャフト（図示せず）がボア穴８内で自由に回転する。長円形の形状を有する２つのボア穴９および１０が提供される。これらの穴９および１０は、以下で説明するように、クランクシャフトの１部分であるカムに接触する。いくつかの実施形態では、穴９および１０の両方は同じであるが、他の実施形態では、一方の穴のみがカムに接触する長円形である一方で、他方の穴は他のクランクシャフトが接触することなく自由な通過が可能となるよう寸法過大である。当該クランクシャフトは他のディスクにおける長円形穴に接するであろう。

図３Ｂはピストンペグ１１の１つの実施形態を図示する。ピストンペグ１１は製造の容易化のためにディスク３とは別個に作られる。ピストンペグ１１はピストンに接続する滑らかな円筒形部分１２を有する。ペグは基部１３を有し、基部１３は矩形であり、ディスク３上の溝部７に強固に嵌合する。ペグは中心穴１４を有し、この中心穴１４はペグ１１の全長にわたって延長し、オイルが中心主要シャフト４からピストンにまで流れることを可能にする。穴１５は、図３Ａに示すようにペグ１１をディスク３に固定するためのネジを受容するためのものである。

図４Ａはピストンペグスリーブ１６を図示し、図４Ｃは、ピストンペグ１１の端部上に嵌合するペグスリーブ１６を図示する。スリーブ１６の両側部から延長する２つの円筒片１６ａおよび１６ｂはピストン内のベアリングに接続し、ペグ１１に対してピストンが傾斜することを可能にする。

図５は円筒片１６ａおよび１６ｂ（図示せず）がピストン１７に係合した状態にあるピストン１７とピストンスリーブ１６とピストンペグ１１との組み合わせの１例を図示する。ピストン１７はピストンペグ１１に接するピストンスリーブ１６上のシリンダ１６ａおよび１６ｂを中心に回転し得る。ピストン１７がそのシリンダ内で直線状に前後に動くと、ディスク３が中心シャフト４上で前後に振動する際にピストンペグ１１は小さい角度で回転する。それによりディスクが振動する際にピストン１７が直線状に動くことが可能となる。ディスクが振動する際のピストン１７の直線運動とピストンペグ１１の角度運動（および径方向運動）との間の分離は、ピストンスリーブ１６がピストンペグ１１の円筒形部分に接して径方向に摺動することにより吸収される。ピストンの両端上のピストン表面１８は他の実施形態ではドーム区域として図示される。ピストンの表面に対する他の形状も可能であり、当該形状はコーナー部燃焼チャンバ２の選択された形状により決定される。

図６は２つのディスク３および３’上の本実施形態における６つのピストン１７の配列を図示する。全部のうちの半分のピストンは前面ディスク３上にあり、残余の半分は背面ディスク３’上にある。なお背面ディスク３’は前面ディスク３と同等であるが、１８０度だけ反転している。ディスク３および３’は中心シャフト（図示せず）を中心にして逆方向に（異なる位相で）振動する。ピストンペグ（ディスクから直線状に延長する）が、この事例では、ピストン１７の中心に行かないことに留意されたい。このように中心から逸れることは、必ずしも必要ではないが、一方のディスクに取り付けられたピストンが、他方のディスクに取り付けられたピストンと同一平面となることを可能にする。ピストン全部が同一平面上にあると、コーナー部燃焼チャンバが燃焼生成物のための直線状の通路を有することとなり、ピストンが２つのずれた平面にあると、コーナー部燃焼チャンバは２つの隣接するピストン上方の領域を接続する角度を有する通路を有することとなる。

図７は、シリンダ１およびコーナー部燃焼チャンバ２に収容された６つのピストンの配列を図示する。ディスク３は、中心穴８を通る中心シャフト（図示せず）を中心に振動する。クランクシャフト（図示せず）は偏心穴９および１０を通って延長し、ディスクの前後運動を、中心シャフトに伝達するために回転運動に変換する。この実施形態例は、２サイクルエンジンとして容易に構成され得る。この２サイクル実施形態に対して、吸気ポートおよび排気ポートは、ピストンを収容するシリンダ１の側部に切られる。スパークプラグまたはグロープラグ（ディーゼル燃料を消費する実施形態に対して）はコーナー部燃焼チャンバ２に配置されるであろう。

図７のこの実施形態例は代替的に４サイクルエンジンとしても構成され得る。４サイクルエンジンの実施形態に関して、弁およびスパークプラグはコーナー部燃焼チャンバ２に配置される。

最後に、図７の実施形態例は、膨張機または圧縮機としても構成され得る。係る用途に関しては、吸気弁（電気式インジェクタであってもよい）および排気弁はコーナー部燃焼チャンバ２に配置される。

図８は、両端に２つの燃焼チャンバ２を有するシリンダ１内の単一のピストン１７を図示する破断図である。この実施形態では、ピストン１７はドーム型ヘッド部１８を有し、コーナー部燃焼チャンバ２内のチャンバはピストン端部を収容するよう成形されている。平坦表面から、湾曲表面、尖頭表面、凹状表面、またはさらにより複雑な形状までの範囲のピストン端部を収容する、燃焼チャンバの形状の他の実施形態も可能である。

図９は、多角形振動ピストンエンジンの２サイクルの実施形態に対して用いられ得るシリンダ１上のポート２０の可能な位置を図示する。ポート２０は、ピストンがシリンダ内で前後に動くにつれてピストンにより曝露される。この図面で図示されるポート２０は、両方が吸気ポートであってもよく、その一方で、排気ポート（図示せず）が多角形における次のシリンダの反対側部上にあってもよい。吸気ポートはシリンダのうちの半分上にのみ必要であり、排気ポートは残余の半分上にのみ必要である。これは、隣接するシリンダが接続するコーナー部燃焼チャンバ２を通して連通するためである。開口部２１は、ピストンに対する燃料フロー系統としてではなくむしろアクセスを提供し且つシリンダの軽量化を図るために提供され得る。開口部２１は省略可であり、多角形振動ピストンエンジンの必要不可欠部分ではない。スパークプラグ開口部２２の可能な位置もコーナー部燃焼チャンバ２の破断図に図示される。この位置は、エンジンの２サイクルまたは４サイクルの実施形態のいずれに対しても用いられ得る。最後に、４サイクルの実施形態に対して適切であり得る、または多角形振動エンジンの膨張機の実施形態に対して適切であり得る、吸気弁および排気弁を配置するための可能な位置２３がコーナー部燃焼チャンバ２の破断図に図示される。この吸気ポートは、所望により、インジェクタであり得る。

図１０は、コーナー部燃焼チャンバ２のうちのそれぞれの上にあり得るスパークプラグ２６および燃料インジェクタ２７の位置を有する多角形振動ピストンエンジンの２サイクル実施形態の１例である。排気ポート２５の可能な位置も図示され、当該位置は１つおきの（交互の）ピストンシリンダ１上にあり得る。２サイクル実施形態は、他の代替例の中でも、図９に示すように配置された吸気ポートおよび排気ポートの両方を有してもよく、または図１０に示すように燃料インジェクタのみを有する排気ポートを有してもよい。

図１１は、ディスク（図示せず）の振動運動を主要シャフト４の回転運動に変換する伝達構造の１つの実施形態例を図示する。ディスクが反対方向に振動する間、主要シャフト４はディスクを通って延長し自由に回転する。クランクシャフト５および６は、図２に示すディスク３に提供された長円形穴９および１０を通って延長する。クランクシャフト５および６のそれぞれの上の偏心カム３０および３１は、ディスクの長円形穴の縁部に沿ったベアリングに接する。ここで図示する実施形態では、上方クランクシャフトにおけるカム３０は前面ディスク３（図２参照）における長円形穴９の縁部に接し、下方クランクシャフト６上のカム３１は背面ディスク（図２参照）における長円形穴１０の縁部に接する。この実施形態に対する各ディスクにおける逆の穴は、ディスクが振動する間にクランクシャフトが自由に通過することが可能となるよう、拡大化される。例えば２つのカム３０が単一のクランクシャフト上に存在し、単一のクランクシャフトが両方のディスクのベアリングに接する、他の実施形態も可能である。また、１つから４つ以上の範囲の異なる個数のクランクシャフトを有することも可能である。ディスクがプッシュアームにより偏心カムに接続された異なる実施形態も可能である。プッシュアームの長さ、およびディスク上の取り付け点の位置は、両方の方向におけるピストンの動きが中間点を中心として対称となるよう、制約される。この制約については、２０１１年３月２９日に出願された「Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ Ｐｉｓｔｏｎ Ｅｎｇｉｎｅ」を発明の名称とする米国特許出願整理番号第１３／０７４，５１０号に詳細に記述される。なお同特許は参照することにより本明細書に援用される。

クランクシャフト５上のカム３０およびクランクシャフト６上のカム３１の偏心の寸法、ならび２におけるにコーナー部燃焼チャンバの形状が、エンジンの圧縮比を決定する。圧縮比は例えば、膨張機用途に対する２：１の低い値から高性能ディーゼル動作に対する２０：１を越える値までの範囲で変動し得る。

図１１では、主要シャフト４は主要ギア３４を有する。主要ギア３４はクランクシャフト５のギア３５およびクランクシャフト６のギア３６と噛み合う。この実施形態では、ギア比は１：１として図示されるが、クランクシャフト３５および３６上のギア全部が同一寸法であるという制約のもとで他のギア比も用いられ得る。

図１２は、ディスク３上の長円形穴９に接するクランクシャフト５上のカム３０の破断詳細である。クランクシャフト５が回転するにつれてディスク３は前後に振動する。

図１３は、上述した共通のパーツの多くを有する多角形振動ピストンエンジンの代替的な実施形態を図示する。ピストンシリンダ１、コーナー部燃焼チャンバ２、およびシャフト４、５、ならびに６は、図１および図１１におけるピストンシリンダ、コーナー部燃焼チャンバ、およびシャフトと同様である。この代替的な実施形態に関して、ディスク４０は下向きに傾斜したピストンペグを有し、第２ディスクは上向きに傾斜したペグを有し、それにより多角形のピストンは全部同一平面にあり、ペグはピストンの中心を通ることとなる。またピストン４１はドーム型に代わって、クサビ形状の端部を有する状態で図示される。係る構成は、ピストンボアが小さく、力がかなり小さく、ディスク上のペグの強度が非特殊材料を用いて適切である、低出力用途に適する。

図１４は、７つのパーツから構成されるピストンの代替的な実施形態を図示する。ピストン組立体５１の全体は２つの端部キャップ５５（平坦エリア５５ｂを有するドーム形状端部５５ａを有するものとして図示）を有し、これらの端部キャップ５５は２つの側部ブレース５２上に嵌合する。側部ブレース５２は、ピストンペグカラー５３を支持する２つの小さいジャーナルベアリング５４を保持するために、一緒に組み合わされる。この組立体を用いることにより、ピストンの製造および組み立てが容易となり、ピストン組立体の長さを変化させることが可能となる。その結果、単に側部ブレース５２の長さを変化させることにより、異なる圧縮比に対応することが可能となる。

図１５は、他の実施形態のピストンペグ５８を有する代替的な実施形態の振動ディスク５７を図示する。これらのピストンペグ５８はディスク５７の外辺部の周りの穴に螺合される。ピストンペグ５８はディスク５７の平面から逸れた角度で提供され、それによりピストンの全部が同一平面に配置されることが可能となる（図１７参照）。このディスク５７は、上述のディスク設計の長円形開口部よりもむしろ、クランクシャフトのためにスロット５９を有する。またこのディスクは、軽量化を図るために、貫通する穴５７aが提供されている。

図１６はディスク５７に接続されたピストンペグ５８に取り付けられた代替的なピストン組立体５１の全体を図示する。ピストンがそれぞれのシリンダ内で前後に動くと、ピストンはピストンペグ上で径方向にわずかな量だけ動く。

図１７は代替的な実施形態に対する第１ディスク５７の頂部上の第２ディスク６０およびピストン５１を図示する。ディスク６０は、１８０度反転していることを除き、ディスク５７と同等である。ピストンペグがディスクの平面から逸れた角度で提供されるため、ピストン全部が同一平面に配置され、ピストンディスクが中心主要シャフトのためのベアリングおよび支持構造体を収容するために十分に離間することが可能となる。

図１８は、他の代替的な実施形態に対する、６つのピストンのうちのそれぞれに追加されたシリンダスリーブを図示する。異なる種類のポートを有する２種類のスリーブがこの実施形態例に対して提供される。スリーブ６２は両端部に吸気ポート６２aを有し、スリーブ６４は両端部により大きい排気ポート６４aを有する。ディスクにおけるスロットを通って延長しスロットをカバーするクランクシャフト６５の位置も示される。同一種類のポートがスリーブの両端部に存在することは必ずしも要求されない。スリーブが一方端に吸気ポートを、他方端に排気ポートを有し、それにより６つのスリーブの全部が同等となってもよい。一方、図１８に図示する構成は、外部排気パイプの個数が６つから３つに減少するという利点と、外部吸気マニホールドの個数を６つから３つに減少するという利点と、を有する。なぜなら両方の場合において、単一シリンダのためのポートを単一のマニホールドに組み合わせることが可能となるためである。

図１９は多角形振動ピストンエンジンのこの実施形態例にさらなるポートを追加する。吸気マニホールド６８は吸気ポートを有するシリンダスリーブを収容し、排気マニホールド６９は排気ポートを有するシリンダスリーブを収容する。これらのマニホールドはシリンダスリーブの両端部におけるポートの機能を組み合わせる。外側ではこれら２種類のマニホールドは同等に見えるが、内側では、開口部がそれぞれのスリーブ上のポートと整列する。コーナー部燃焼チャンバ７０も図示される。内側では、これらのコーナー部燃焼チャンバは図８および図９で図示するコーナー部燃焼チャンバと同様である。外側では、これらのコーナー部燃焼チャンバ７０は、スパークプラグもしくはグロープラグ、またはインジェクタ（使用する場合）を収容するために１つまたは２つの穴（第２穴は背面上）を有する。ディスクがそれに接して振動する中心シャフト６６も図示される。このシャフトは、クランクシャフトが駆動シャフトとして用いられるかどうか、またはクランクシャフトが中心シャフトと噛み合うかどうかに基づいて、回転する場合もあり、または回転しない場合もある。

図２０は内側パーツの全部を収容するケース７２を図示する。このケースはマニホールド、スリーブ、およびコーナー部片を定位置に保持するために用いられる。中心シャフトおよびクランクシャフトの１部分を保持するディスク間の構造体も、視野外となっている中心部にある。ケース７２は、ケース７２が端部ケース構造体７３に接続されることを可能にするフランジを有する。端部ケース構造体７３も、クランクシャフトを保持するための構造体７４、および中心シャフトを保持するための構造体７６を有する。クランクシャフトおよび中心シャフトは、ジャーナルベアリングを保持するカバー７５を用いて固定される。

図２０において、ケース７２を有する基本的構造体は積み重ね可能である。図示する単一リングのピストンを用いると、エンジンは、クランクシャフトが１回転する毎に２回のパワーストロークを生じる。これは、ピストンの端部が二重であるという事実、およびこの事例ではエンジンが２サイクルエンジンであるという事実の特徴である。トルクが負となりフライホイールが動作のために必要となる、クランクサイクルの部分が存在する。しかし この多角形振動ピストンエンジン例がモジュール式であるため、複数リングのピストンが長尺クランクシャフトおよび中心シャフトを用いて積み重ね可能である。第２リングのピストンが第１リングに対して９０度となる２つのリングを用いると、トルクが負になることは決してなく、それにより重いフライホイールの必要性はなくなる。追加され得るモジュールの個数に関する唯一の制限は、クランクシャフトの最終的な強度である。これは次の実施形態例のエンジンにつながる。

高出力エンジンに対して、ピストンペグおよびクランクシャフトに対して用いられる物質の強度が制限となる。この難点は他の実施形態の多角形振動ピストンエンジンにより克服される。高出力エンジンのために設計されたピストンが図２１に図示される。ピストンのボアが大きくなると、燃焼比も大きくなり、ピストンペグに加わる力も大きくなる。例えば真の燃焼比が８．９である３インチピストン（２サイクルエンジンの場合、真の燃焼比は排気ポートの寸法のために幾何学的な燃焼比よりも小さい）を用いると、燃焼時の圧力はおよそ１，１５０ポンド／立方インチとなり、ピストンペグに加わる力は８，０００ポンドを越えることとなる。ピストンペグが図３および図１５に図示する円筒形である場合、ペグに要求される直径は、利用可能な空間に収容されるには過大な値となってしまう。

高出力用途に対しては、図２１に示すピストン組立体が提供され得る。図２１においてピストン端部５５およびピストン側部ブレース５２は図１４に示すピストン端部およびピストン側部ブレースと同一である。一方、ピストンピボットは新しい要素８２として図示される構造体を有する。ここで略矩形断面はこれらの高い力に対して必要となる追加的強度を可能にする。この形状のために、ピストンはより低い出力の用途に対する場合よりも長くなるであろう。

図２２は、高出力用途に対して設計された振動ディスクに対して加えられた変更を図示する。ここでディスク８４は２つのピストンに接続するための２つのアーム部８５のみを含む一方、クランクシャフトのためのスロットは第３ピストンの位置にあり、この位置は、より大きく且つより強力なクランクシャフト（図示せず）を受容するために、クランクシャフトスロット１００により置き換えられている。

図２３は、ディスク８４のアーム部８５の端部上に配置された高出力ピストン８１を図示する。

図２４は、この高出力実施形態例の多角形振動ピストンエンジンと図１〜図２０に図示する他の実施形態例との間の主な相違を図示する。図２４では、５つのピストン８１のみが六角形構成に対して提供される。最後のピストン８１の位置がクランクシャフトスロット１００により置き換えられている。これは多角形エンジンに存在する側部の個数に関わらず成り立つ。多角形の側部がＮ個であるならばピストンの個数はＮ−１個となるであろう。５つのピストン８１のうちの３つは同等であり、両端部に出力生成表面を有する。ピストン８３のうちの２つは、これら２つのみが出力を生成する１つの端部を有するという点で異なる（他方端１０１は開放されている）。

図２５では、ピストンにシリンダスリーブ８７が追加される。図２５では、スリーブ８７は排気ポート８７ａを含み、これら２つのスリーブは同等である。スリーブ８８は同一の吸気ポート８８ａを両端部に含む。２つのスリーブ８９も吸気ポート８８ａを含むが、吸気ポート８８ａが含まれるのはスリーブの一方端においてのみである。中心シャフト９１およびクランクシャフト９２の１部分も図示される。上述の実施形態におけるスコッチヨークのすべての場合におけるように、ただし図２５ではより明白にされているが、振動ディスクのスロット内で摺動する一方でクランクシャフトが回転することを可能にする摺動ブロック９３が存在する。

図２６は摺動ブロックの詳細を図示する。クランクシャフトのためのスロット１００付近におけるディスク８４および８５の部分が図示される。クランクシャフト９２は、クランクシャフトが回転する際、摺動ブロック９３内に位置する。これらの接合部に対する潤滑はディスクにおけるチャネルを通して提供される。

図２７はクランクシャフトが如何にしてケースにより支持され得るかに関する１例の詳細を図示する。架台１０５上のチャネル７４がクランクシャフト９５を担持する。カバー７５は、クランクシャフト９５を定位置に保持し潤滑を可能にするジャーナルベアリング（図示せず）を捕捉する。摺動ブロック９３は取り付けの容易化を可能にするために分割される（ジャーナルベアリングが分割されるのと同様に）。

最後に図２８は、多角形振動ピストンエンジン（この実施形態はアークエンジンと呼称されることもある）の本実施形態に係る組み立てられた基本的パーツを図示する。３つの吸気マニホールド６８および２つの排気マニホールド６９は図１９に示すマニホールドと同一である。４つのコーナー部燃焼チャンバ７０が存在する（１つのコーナー部燃焼チャンバ７０がケースにより隠されている）。コーナー部チャンバでカバーされないピストンの端部は端部キャップを有し、当該箇所では燃焼は生じない。したがって本実施形態は、多角形の側部の個数よりも２つだけ少ない燃焼チャンバを有する。全部を一緒に保持するケースは要素９９として図示され、組み立ての容易化のために２つのパーツからなる。ケースは、リングのピストンの積み重ねを可能にする図示のようなフランジを有する。前述のように、複数リングのピストンが同一の中心シャフトおよびクランクシャフトに取り付けられ得る。この積み重ねがなされるとき、別個のリング内のチャンバの燃焼のタイミングの位相は、滑らかに動くエンジンが生成されるよう、ずらされ得る。通常の実施形態では、少なくとも２リングのピストンが存在するであろうが、任意個数のリングが用いられ得る。

上述した最初の実施形態では、多角形エンジンは、任意の偶数Ｎ個の側部、Ｎ個のピストン、およびＮ個の燃焼チャンバを有し得る。高出力実施形態では、エンジンはＮ個の側部、Ｎ−１個のピストン、およびＮ−２個の燃焼チャンバを有する（燃焼チャンバがＮ個となるように端部ピストンの両端に燃焼チャンバを追加することは可能であるが、これらの最後の２チャンバは対向ピストンではなくなり、追加的なマニホールドおよび異なるポートが加えられることとなる。複雑度が大きくなることから得られ得る出力上の利点は、わずかに大きいピストンにより容易に吸収され得る）。燃焼チャンバが少ないにも関わらず、この高出力実施形態は、大きい負荷を担持するパーツの寸法を任意に大きくすることが可能であるため、高出力エンジンを可能にする。例えば３インチピストン、１．８インチのストローク、８．９の実際の圧縮比、３５００フィート／分のピストン速度（市販のエンジンのピストン速度は４０００フィート／分以上）、および２リングのピストン（ピストンは合計１０個）を有するエンジンは、１１，５００ｒｐｍ（これは最高速度ではない）でおよそ９８０馬力を生じ得る。図２８に図示するパーツの重量は２００ポンド未満であり得る。二重リングおよび端部カバーを用いると、重量は４５０ポンド未満となり、エンジン例は２．０を越える出力比を有することとなる（出力比は単位ポンド重量あたりの馬力である）。

本明細書で説明した実施形態では、機能するためにエンジンに通常は提供されるいくつかのパーツおよびシステムが省略されている。これらのパーツおよびシステムは、燃料供給システム、排気システム、およびバルブ・スパークプラグタイミングシステムを含む。これらのシステムの内のそれぞれは、いくつかの方法で具体化され得、係る方法のうちのそれぞれはレシプロエンジンに関して現在、一般的である。多角形振動ピストンエンジンにより課されるこれらのシステムに対する特定的な要件は必ずしも存在せず、これらのパーツおよびシステムのいくつかの異なる実施形態が利用され得る。

したがって以下が、これらの実施形態例のうちの１つまたは複数により提供される。

１．ピストンが多角形状に配置された振動ピストンエンジン。

２．多角形は任意の偶数個の側部を有し得る、振動ピストンエンジン。

３．多角形のコーナー部にある燃焼チャンバはピストンの両端部の形状を収容するために必要となる任意の形状を有し得る、振動ピストンエンジン。

４．２サイクルエンジン、４サイクルエンジン、または膨張機として構成され得る、振動ピストンエンジン。

５．燃焼はグロープラグ、スパークプラグ、またはディーゼルとしてプラグなしで点火され得る、振動ピストンエンジン。

６．ピストンによるディスクの振動はディスク上のスロット内で動く摺動ブロックにおいて回転するクランクシャフト上のカムにより回転運動に変換される、振動ピストンエンジン。

７．ピストンによるディスクの振動はクランクシャフト上のカムに接続されたディスク上のプッシュアームにより回転運動に変換される、振動ピストンエンジン（これは言語のみで説明されるが、摺動ブロックがこの設計に対する弱点であるために、これは重要である。摺動ブロックはプッシュアーム構成により置き換えられ得る。この点に関しては、トロイド上エンジンに関するわれわれの以前の特許出願において十分に論じられている）。

８．多角形におけるピストンの複数のリングが単一の主要シャフト上に配列された、振動ピストンエンジン。

９．多角形の１つの側部がクランクシャフトにより充填された、多角形振動ピストンエンジン（アークエンジン）。

１０．ピストンの複数のアークが、高出力を与えるために、単一のクランクシャフト上に組み合わされた、アークエンジン。

多数の他の実施形態例が上述の特徴の様々な組み合わせから提供され得る。上述の実施形態では特定的な事例および代替物が用いられたが、本願の意図する範囲から必ずしも逸脱することなく、本明細書で説明した要素および／またはステップに対して様々な追加的な代替物が用いられ得、均等物が代用され得ることは、当業者に理解されるであろう。本願の意図する範囲から逸脱することなく特定の状況または特定の必要に実施形態を適応させるために、改変例が必要となり得る。本明細書で説明した特定的な実装例および実施形態例に本願が限定されることは意図されず、請求項が、請求項により含まれる、逐語的なまたは均等な、開示されたまたは開示されない、全部の新規および非自明な実施形態を含むよう、最も広範な適切な解釈が加えられるべきであることは意図される。

Claims (20)

1. エンジンであって、
   第２ピストンに対向して配置された第１ピストンを含むピストン対と、
   前記ピストン対に対応する円筒形チャンバを形成するためのハウジングであって、それにより、前記第１ピストンおよび前記第２ピストンが前記円筒形チャンバ内において直線運動における移動のために構成されている状態で、前記第１ピストンと前記第２ピストンとの間に膨張空間を形成するために、前記第１ピストンおよび前記第２ピストンが前記チャンバ内に配置され、前記膨張空間の中心点は、前記エンジンの軸に対して一定の角度で設けられる、ハウジングと、
   主要シャフトと、
   その上に取り付けられた前記ピストンのうちの第１のものを有する第１振動構造体であって、前記第１のものは、前記膨張空間内の気体の膨張により前記第１振動構造体を振動させるように構成される、第１振動構造体と、
   その上に取り付けられた前記ピストンのうちの第２のものを有する第２振動構造体であって、前記第２のものは、前記膨張空間内の気体の膨張により前記第１振動構造体に対して逆方向に前記第２振動構造体を振動させるように構成される、第２振動構造体と、
   駆動シャフトと、
   それぞれの振動構造体の逆の振動運動を前記駆動シャフトの回転へと変換するための機構と、
   を備える、エンジン。
2. 前記エンジンは、前記主要シャフトから偏心している第１クランクシャフトを備え、前記第１クランクシャフトは、前記第１振動構造体内および前記第２振動構造体内に設けられた第１偏心穴を通り、前記第１クランクシャフトは、前記第１振動構造体の振動運動を前記第１クランクシャフトの回転へと変換するための様式で前記第１振動構造体に接続される、請求項１に記載のエンジン。
3. 前記第１クランクシャフトが回転するときに前記主要シャフトを回転させるために、前記第１クランクシャフトを前記主要シャフトに接続するための１つ以上の伝達機構をさらに備える、請求項２に記載のエンジン。
4. 前記エンジンは、前記第１振動構造体内および前記第２振動構造体内に設けられた第２偏心穴を通る第２クランクシャフトを備え、前記第２クランクシャフトは、前記第２クランクシャフトの回転を前記主要シャフトの回転へと変換するために前記主要シャフトに接続する、請求項２または３に記載のエンジン。
5. 前記第１ピストンおよび前記第２ピストンは、２つの端部キャップ、２つの側部ブレース、２つのジャーナルベアリング、およびピストンペグカラーをそれぞれ備え、前記端部キャップは平坦エリアを有するドーム形状端部を有し、前記端部キャップは前記側部ブレース上に嵌合するように構成され、前記側部ブレースは前記ジャーナルベアリングを保持するように構成され、前記ジャーナルベアリングは前記ピストンペグカラーを支持するように構成される、請求項１〜４の何れか一項に記載のエンジン。
6. 前記エンジンは複数の追加的なピストンを備え、それにより、前記追加的なピストンのうちのそれぞれ１つが、前記ピストンのうちのそれぞれ１つの直線運動を前記第１振動構造体および前記第２振動構造体のうちの接続されているものにおける振動運動へと変換するために、前記第１振動構造体および前記第２振動構造体のうちの一方または他方に接続するように配置される、請求項１〜５の何れか一項に記載のエンジン。
7. 前記第１クランクシャフトは、前記変換を実行するために前記主要シャフト上の対応するギアに接続するためのギアを有する、請求項２〜６の何れか一項に記載のエンジン。
8. 前記エンジンは第１接続機構をさらに備え、前記第１接続機構は、前記第１振動構造体の第１偏心穴に係合するために前記第１クランクシャフト上に設けられたクランクを含む、請求項２〜７の何れか一項に記載のエンジン。
9. 前記エンジンは、前記ピストンの運動により前記膨張空間を膨張させ、それにより、前記第１振動構造体にトルクを、および前記第２振動構造体にトルクを印加するために、前記膨張空間内にガスを噴射するように適応される、請求項１〜８の何れか一項に記載のエンジン。
10. 前記エンジンは、燃料／空気混合物の点火が対向するピストンを離れるように押すように前記膨張空間を膨張させるように、前記膨張空間内に前記燃料／空気混合物であるガスを噴射し、それにより、前記第１振動構造体および前記第２振動構造体の両方にトルクを印加するように適応される、請求項１〜９の何れか一項に記載のエンジン。
11. 前記エンジンは、前記第１ピストンおよび前記第２ピストンを少なくとも部分的に包含するためのチャンバを備え、それにより、前記第１振動構造体を有する第１ピストンおよび前記第２振動構造体を有する第２ピストンが、前記膨張空間を形成するために前記チャンバとともに配置される、請求項２〜１０の何れか一項に記載のエンジン。
12. 前記第１偏心穴のうちのそれぞれ１つは、前記第１偏心穴がその中に形成される振動構造体が、前記第１偏心穴を通るクランクシャフトを中心に自由に振動することができるように形成される、請求項２〜１１の何れか一項に記載のエンジン。
13. 第４ピストンに対向して配置された第３ピストンを含む第２ピストン対が形成され、前記エンジンは、前記第２ピストン対に対応する別のチャンバを形成するハウジングをさらに備え、それにより、前記第３ピストンおよび前記第４ピストンが、前記第３ピストンと前記第４ピストンとの間に膨張空間を形成するために前記別のチャンバ内に配置される、請求項１〜１２の何れか一項に記載のエンジン。
14. 前記別のチャンバは、前記第３ピストンおよび前記第４ピストンの直線運動を受容するための円形シリンダとして構成される、請求項１３に記載のエンジン。
15. 前記ハウジングは多角形に配置される、請求項１〜１４の何れか一項に記載のエンジン。
16. 前記第１偏心穴は、前記第１振動構造体の周縁上の開放スロットとして提供される、請求項２〜１５の何れか一項に記載のエンジン。
17. エンジンであって、
    第２ピストンに対向して配置された第１ピストンを含むピストン対と、
    前記ピストン対に対応する円筒形チャンバを形成するためのハウジングであって、それにより、前記第１ピストンおよび前記第２ピストンが前記円筒形チャンバ内において直線運動における移動のために構成されている状態で、前記第１ピストンと前記第２ピストンとの間に膨張空間を形成するために、前記第１ピストンおよび前記第２ピストンが前記チャンバ内に配置され、前記膨張空間の中心点は、前記エンジンの軸に対して一定の角度で設けられる、ハウジングと、
    主要シャフトと、
    その上に取り付けられた前記ピストンのうちの第１のものを有する第１振動構造体と、
    その上に取り付けられた前記ピストンのうちの第２のものを有する第２振動構造体と、
    前記主要シャフトから偏心している少なくとも１つのクランクシャフトであって、前記クランクシャフトは、前記振動構造体の振動運動を前記クランクシャフトの回転へと変換するための様式で前記振動構造体に接続される、クランクシャフトと、
    前記第１ピストンおよび前記第２ピストンのうちの一方または両方の直線運動を、前記膨張空間の膨張により引き起こされる、それぞれの振動構造体の逆の振動運動へと変換し、前記少なくとも１つのクランクシャフトの回転を結果的にもたらすための機構と、
    前記少なくとも１つのクランクシャフトが回転するときに前記主要シャフトを回転させるために、前記少なくとも１つのクランクシャフトを前記主要シャフトに接続するための１つ以上の伝達機構と、
    を備える、エンジン。
18. 複数の前記ピストン対は、前記主要シャフトの周りに分布されて提供される、請求項１７に記載のエンジン。
19. エンジンであって、
    その中を通して形成された第１軸方向穴および第１偏心穴を有する第１振動構造体であって、前記第１偏心穴は前記第１振動構造体の軸から偏心している、第１振動構造体と、
    その中を通して形成された第２軸方向穴および第２偏心穴を有する第２振動構造体であって、前記第２軸方向穴は前記第１軸方向穴と整列しており、前記第２偏心穴は前記振動構造体の軸から偏心し、前記第２偏心穴は、前記第１偏心穴が前記第１振動構造体の軸から離間して配置される距離に対応する距離だけ前記第２振動構造体の軸から離れて配置される、第２振動構造体と、
    複数のピストン対であって、前記ピストン対のうちのそれぞれは、前記第１振動構造体の周縁に取り付けられた第１ピストンと、前記第２振動構造体の周縁に取り付けられた第２ピストンとを含む、ピストン対と、
    前記第１軸方向穴および前記第２軸方向穴を通る主要シャフトと、
    前記第１偏心穴を通り且つ前記第２偏心穴も通るクランクシャフトであって、前記クランクシャフトは前記主要シャフトに機械的に接続され、それにより、前記クランクシャフトの回転は前記主要シャフトに回転を印加し、前記クランクシャフトは、前記振動構造体の回転を前記クランクシャフトの回転へと変換するように、前記第１振動構造体および前記第２振動構造体に機械的に接続される、クランクシャフトと、
    ハウジングであって、前記ハウジングは、前記複数のピストン対を少なくとも部分的に包含するための少なくとも１つのチャンバを形成し、それにより、前記ピストン対のうちのそれぞれ１つの第１ピストンおよび第２ピストンが、対応する膨張空間を前記ピストン対のそれぞれの第１ピストンと第２ピストンとの間に形成するために前記少なくとも１つのチャンバとともに配置され、各膨張空間は、前記エンジンの軸に対して異なる一定の角度で設けられる中心を有し、各膨張空間に対して、前記クランクシャフトの回転への変換のために前記第１振動構造体および前記第２振動構造体の逆方向の振動を生成し、それにより前記主要シャフトを回転させるために、対応するピストン対のピストンは前記ピストンの直線運動を通して前記膨張空間内の体積を交互に圧縮および膨張させる、ハウジングと、
    を備える、エンジン。
20. 前記第１偏心穴は前記第１振動構造体の周縁上の開放スロットとして提供され、前記第２偏心穴は前記第２振動構造体上の開放スロットとして提供される、請求項１９に記載のエンジン。

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