JPH11509290A - 対向ピストン形内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 この内燃機関（１）は、連結棒（６ａ、６ｂ）で連結された１対の対向ピストン（４、５）によって駆動され、互いに逆方向に回転する多葉カムローター（８、９）を備えている。カムローター（８、９）の逆回転を制御するために差動ギヤ装置が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 対向ピストン形内燃機関 技術分野 本発明は内燃機関に関する。特に、本発明はエンジン運転時の各行程が制御さ れた内燃機関に関する。本発明は、又、トルク特性が改善された内燃機関に関す る。 背景技術 自動車などに搭載される内燃機関は、一般に、シリンダー内を往復するピスト ンが連結棒を介してクランク軸を駆動する往復動型内燃機関である。従来の往復 動型内燃機関には多くの欠点があり、その大部分はピストンと連結棒との往復運 動に起因する。 従来の往復動型内燃機関の制約や欠点を克服するための数多くのエンジンが開 発されている。その中には、バンケルエンジンとしてよく知られたロータリーエ ンジンがあり、このエンジンでは、少なくともクランク軸の代わりに、又場合に よっては連結棒の代わりに１個又は複数個のカムローターが使用されている。 クランク軸の代わりにカムローターを使用したものが、例えば、米国特許第4, 848,282号及びオーストラリア特許出願第17897/76号に開示されている。この種 のエンジンは従来の往復動型内燃機関の欠点を克服できるが、クランク軸の代わ りにカムローターを使用したエンジンは、まだ充分に利用されていない。 互いに連結された対向ピストンを有する内燃機関も知られている。この配置は オーストラリア特許出願第36206/86号に記載されている。しかし、対向ピストン をクランク軸以外の部材で連結する思想、及びそれに類似する思想は開示されて いない。 発明の概要 本発明は、トルク及びエンジン行程の特性を改善した、カムローター型の内燃 機関を提供することを目的とする。また、従来の内燃機関の欠点のいくつかを克 服した内燃機関を提供することを目的とする。 全体的には、本発明の内燃機関は、少なくとも１つのシリンダユニットを有し 、このシリンダユニットが： 差動ギヤ装置によって同軸上で近接し、互いに逆方向に回転する第１多葉カム ローターと第２カムローターを取り付けた軸； 前記多葉カムローターを取り付けた軸に対称に配置された、少なくとも１対の シリンダー；及び 前記各シリンダー内に配置され互いに連結された１対のピストン；を備え、 前記多葉カムローターの葉数が３＋ｎ（但しｎはゼロ又は偶数）であり、 前記各ピストンと前記各多葉カムローターのカム面との接触により、シリンダ ー内でのピストンの往復運動を、前記軸の回転運動に変換することを特徴として いる。 これにより、本発明の内燃機関では、従来の内燃機関のクランク軸と連結棒と が直線状の連結棒と多葉カムローターに置き換えられていることがわかる。連結 棒とクランク軸とをカムローターに置き換えることにより、エンジンの全行程を 通じてピストンの動きを大きく制御することができる。例えば、ピストンの上死 点(ＴＤＣ)での停止時間を延長することができる。 本発明の全体的説明では、少なくとも１対のシリンダーに２つのシリンダーが 使用されているが、連結ピストンを有する対向シリンダーに復動式ピストンシリ ンダーを設けることも効果的である。ピストンの連結により、ねじり運動を防止 してピストンとシリンダー内壁の摩擦を低減することができる。 逆回転する２つのカムローターにより、従来の内燃機関に比べて大きなトルク が得られる。これはピストンの爆発行程の開始時に得られ、カムローターの最大 の利点となる。 本発明の内燃機関をさらに詳細に検討すると、このエンジンは前記のように１ つのシリンダーユニットを有している。１つのシリンダーユニットだけでなく、 このエンジンには２から６組のシリンダーユニットを設けることができる。多シ リンダーユニットのエンジンでは、１本の軸が全てのユニットに延び、この軸は 一体軸であっても組立軸であってもよい。同様に、多シリンダーユニットエンジ ンのシリンダブロックは一定構造であっても組立構造であってもよい。 シリンダーユニットは、通常、一対のシリンダーで構成される。しかし、本発 明のエンジンでは、シリンダーユニットを複数対のシリンダーで構成することも できる。シリンダーユニットが２対のシリンダーで構成される場合は、各対のシ リンダーが通常９０°に配置される。 本発明のエンジンの多葉カムローターについては、通常、３葉のカムローター が望ましい。２サイクルエンジンでは、このカムローターの１回転当たり６つの 燃焼サイクルが行われる。しかし、このエンジンでは、５、７、９又はそれ以上 の葉数を有するカムローターを使用することもできる。 サイクルの特定段階でのピストン速度を制御するため、カムローターの葉面を 非対称とすることができる。例えば、上死点又は下死点(ＢＤＣ)でのピストンの 停止時間を延長するカム面とすることができる。当業者には、上死点での停止が 燃焼特性を改善し、下死点での停止が掃気特性を改善することが理解できるであ ろう。カム面の形状を変えてピストン速度を制御することにより、ピストンの加 速度とトルク発生状況を改善することができる。これにより、特に、従来のエン ジンに比べて上死点の直後で発生するトルクを増加させることができる。ピスト ン速度を制御することにより、さらに、ポートの閉鎖速度に対する開放速度、及 び燃焼速度に応じた圧縮比を制御することもできる。 第１多葉カムローターは公知の手段で軸に固定される。なお、軸と多葉カムロ ーターとを一体に製作することもできる。 第１、第２多葉カムローターを互いに逆回転させる差動ギヤ装置は、逆回転の タイミングを制御する。差動ギヤ装置は公知のギヤ配列で構成される。例えば、 第１、第２カムローターの対向面にそれぞれ傘歯車を配置し、各傘歯車の間に少 なくとも１つの小型傘歯車を配置する。小型傘歯車は対称に配置することが望ま しい。軸を内部で回転させ支持部材には、支持用小型歯車を設けておくことが望 ましい。 ピストンは、通常、ピストンの裏側で周緑寄りに設けた少なくとも２本の棒に よって連結される。この連結棒は、ピストンの周縁に沿って振り分けられた４本 の連結棒であることが望ましい。シリンダーユニットにはピストンを連結した連 結棒を案内する案内スリーブが設けられる。案内スリーブは、ピストンの膨張、 収縮行程に応じて連結棒が内部で長手方向に運動できるように形成されている。 ピストンと、カムローターのカム面との接触は、振動及び摩擦が少ないやり方 で行われる。カム面に接触するピストンの裏側にローラーベアリングを設けてお くことが望ましい。 対向するピストンの連結により、ピストンに付属したローラーベアリング、ス ライドベアリングなどとカム面との接触面の隙間を調整することができる。さら に、この接触構造では、他のエンジンで必要となることがある、連結棒を受ける 溝などが不要となる。他の類似のエンジンで過回転時に発生する摩耗や騒音は、 本発明のエンジンでは殆ど発生しない。 本発明のエンジンは、２サイクルであっても４サイクルであってもよい。２サ イクルの場合は、給気時に混合燃料が使用されるが、４サイクルの場合は、燃料 と空気を任意のやり方で供給できる。 本発明のエンジンのシリンダーユニットは、空気又はガス圧縮機としても使用 できる。 本発明のその他の点は公知の構造である。しかし、多葉カムローターの差動ギ ヤ装置に低圧で給油する必要があるため、オイルポンプの運転動力が消費される 。ピストンその他の部材の潤滑はオイルの跳ねかけによって行われる。遠心力に よるピストンへのオイルの跳ねかけは、ピストン冷却の役割も果たす。 本発明のエンジンの利点は下記のとおりである。 可動部材が少ないためエンジンが小型化できる。 対称形の葉を使うことにより、エンジンをいずれの方向にも回転させることが できる。 従来の往復動型内燃機関に比べて軽量である。 従来のエンジンに比べて製造、組立が簡単である。 通常のエンジンに比べて低圧縮比にできるため、ピストンの停止時間を延長す ることができる。そして、 クランク軸や連結棒などの往復動部材が不要となる。 このエンジンに使用される多葉カムローターは、クランク軸に比べて製造が容 易であり、より優れた運動量を有するフライホイールの機能を持つためバランス ウェイトが不要である。 以上で本発明の概要を述べたが、実施形態の説明については、図面に基づく以 下の説明で明らかとなる。 図面の簡単な説明 図１は、単一のシリンダーユニットを備えた２サイクルエンジンのシリンダ軸 に沿ってエンジン軸を横断する方向の断面図である。 図２は、図１のＡ−Ａ線方向に見た部分断面図である。 図３は、図１のＢ−Ｂ線方向に見た部分断面図であり、ピストン下面の詳細を 示す。 図４は、１個の非対称カムローターの動きに対するピストン上のある点の動き を示すグラフである。 図５は、単一のシリンダーユニットを備えた別の２サイクルエンジンのエンジ ン中心軸を含む平面での断面図である。 図６は、図５のエンジンの駆動ギヤ列の端面図である。 図７は、互いに逆回転する３葉カムローターに接するピストンの略示図であり 、互いに逆回転するカムローターとの接触位置を示す。 図８は、カムローターに接するベアリングを変位させたピストンの詳細図であ る。 各図において、類似の部材に共通の符号が付けてある。 最適の実施例 図１には、シリンダー２及び３で形成された単一のシリンダーユニットを有す る２サイクルエンジン１が図示されている。各シリンダー２、３の内部にそれぞ れピストン４、５があり、ピストン４、５は４本のロッドで連結されており、そ のうち２本のロッド６ａ、６ｂが図示されている。 またエンジン１の中心軸７には３葉カムローター８、９が取り付けられている 。カムローター９は、ピストンが上死点及び下死点にあるとき、図示にようにカ ムローター９と重なり合う。ピストン４、５は、符号１０、１１で位置を示すロ ーラーベアリングを介してそれぞれカムローター８、９に接している。 エンジン１は、他の構成として、水冷ジャケット１２、点火プラグ１３、１４ 、オイル受け１５、オイル吸引口１９、２０、及びバランス軸１７、１８を備え ている。吸気ポート１９、２０の位置が図示されており、この位置は排気ポート の 位置と一致する。 次に図２には、軸７に取り付けられたカムローター８、９、及び後述の差動ギ ヤ装置がより詳細に示されている。図２の断面は、図１の断面を９０°回転して 示しており、カムローターの葉の位置が図１と若干異なっている。 差動ギヤ装置、又はタイミングギヤ装置、第１カムローター８に付属した傘歯 車２１、第２ローター９に付属した傘歯車２２、及びピニオン２３、２４で構成 されている。ピニオン２３、２４は軸ハウジング２６に固定された取付部２５に 支持されている。ハウジング２６はシリンダーユニットの一部であることがわか る。図２にはフライホイール２７、プーリー２８及びベアリング２９、３５が示 されている。 第１カムローター８は軸７と実質上一体である。しかし第２カムローター９は 第１カムローター８に対して逆方向に回転し、差動ギヤによりローター８の回転 に同調して逆回転する。 図３は、図１のピストン３の下部を示し、ローラーベアリングの詳細が判る。 図３では、ピストン３のボス３７、３８の間のピン３６が見える。図１で符号１ ０、１１で示したローラーベアリング３９、４０が、このピン３６に支持されて いる。 図３ではまた１本を符号４ａで示す連結棒の断面が見られる。また連結棒を囲 むスリーブの１つが符号４１で示されている。 図３は、図１に比べてやや寸法が大であるため、エンジン運転中に、図２のロ ーラー８、９のカム面４２、４３がローラーベアリング３９、４０に接すること がわかる。 エンジン１の運転は図１よりわかる。シリンダー２内が膨張行程にあるとき、 ピストン４、５が左から右へ移動しローラーベアリング１０を介してカムロータ ー８、９を回転させる。実質上、挟みのような作用が発生する。カムローター８ は軸７を回転させ、ローター９も差動ギアを介して軸７を回転させる(図２参照) 。 挟みの作用により、従来のエンジンに比べて、膨張行程でより大きなトルクが 得られる。事実、図１に図示した工程／ピストン径は、適切なトルクを得ながら も著しくオーバースクエア形状にできる。 図１に示す本発明のエンジンの別の特徴は、従来の２サイクルエンジンのクラ ンクケースに該当する部分がシリンダーに対して密閉されていることである。こ れにより燃料への潤滑油の混入が不要となり、ミッションの構成部材を減らすこ とができる。 図４に示した非対称カムによって、ピストン速度と上死点及び下死点でのピス トン停止時間を調節することができる。図４は、中間点４５、上死点４６及び下 死点４７の間を往復移動するピストン上のある点の動きをプロットしたものであ る。カムローターの葉を非対称とすることにより、ピストンの速度を調節するこ とができる。先ず、ピストンが上死点４６で一定時間停止していることがわかる 。４８の部分でのピストンの急激な加速により爆発行程で大きなトルクを発生さ せることができ、爆発行程の終わりに当たる４９の部分でピストン速度を小さく することによりポートの開閉操作が良好となる。一方、圧縮行程５０の初期にお いてピストン速度を大きくするとポートが速く閉じて燃料の節約となり、その行 程の終わりに当たる５１の部分でピストン速度を小さくすることは機械的に有利 である。 図５には、単一のシリンダユニットを有する別の２サイクルエンジンが図示さ れている。このエンジンは部分断面で示されている。事実、内部の詳細を図示す るためにエンジンブロックの半分を除去して示している。断面はエンジンの中心 軸を含む平面上にある(下記参照)。このようにエンジンブロックは中心線で分割 されている。しかし、ピストン６２、６３、ベアリング・ボス６６、７０、３葉 カムローター６０、６１、及びカム６１に付属するスリーブ８３等のエンジン構 成部材についても断面で示してある。これらの部材については後に述べる。 図５に示すエンジン５２は、ブロック５３、シリンダヘッド５４、５５及びシ リンダー５６、５７で構成されている。各シリンダには点火プラグが付属してい るが簡略化のため図示省略してある。軸５８はブロック５３内で回転し、ローラ ーベアリングで支持されており、その１つが５９で示されている。軸５８には第 １の３葉カムローター６０が取り付けられ、逆回転する３葉カムローター６１に 接近配置されている。エンジン５２は強固に連結された１対のピストンを有して おり、ピストン６２はシリンダ５６内にあり、ピストン６３はシリンダ５７内に ある。ピストン６２、６３は４本の連結棒で連結されその内の２本６４、６５が 図示されている。（連結棒６４、６５は図の他の断面とは別の平面上にある。同 様に、ピストン６２、６３に対する連結棒の接触箇所も他の部分の断面とは別の 平面上にある。連結棒とピストンの関係は、図１〜図３に示すエンジンの場合と 同様である。）ブロック５３の内部にウェブ５３ａが延びており、このウェブに 連結棒を通すための開口が設けられている。このウェブは連結棒を保持し、それ によりピストンをシリンダユニットの中心線上に保持する。 ピストンの下面と、３葉カムローターのカム面の間にローラーベアリングが設 けられている。ピストン６２については、ピストン裏面のボス６６が保持するピ ン６７にローラーベアリング６８、６９が設けられている。ベアリング６８はカ ム６０に接し、ベアリング６９はカム６１に接している。ピストン６３はピンと ベアリングを取り付けるための同一のベアリングボス７０を有していることがわ かる。また、ウェブ５３ｂにベアリングボス７０を通過させる適当な開口が設け られている。ウェブ５３ａにも同様の開口が設けられているが、ウェブの一部は 連結棒６４、６５と同一平面上に図示されている。 カムローター６１は、エンジンブロックの外面に設けら差動ギヤ装置７１によ ってカムローター６０に対して逆方向に回転する。差動ギヤ装置の各部材はハウ ジング７２に支持されカバーされている。図５ではハウジング７２は断面で示さ れ、ギヤ装置７１及び軸５８は断面で示されていない。 ギヤ装置７１は、軸５８に取り付けられた中心ギヤ７３を有している。中心ギ ヤ７３は、駆動ギヤ７４、７５を介して遊星ギヤ７６、７７と連結している。遊 星ギヤ７６、７７は軸７８、７９を介して第２群の遊星ギヤ８０、８１と連結し 、スリーブ８３の中心ギア８３と噛み合っている。スリーブ８３は軸５８と同軸 で、スリーブの先端がカム６１に固定されている。 ギヤ装置７１の一部が図６に図示されている。図６は、図５を下方から見た軸 ５８の端面を示す。 図６では、軸５７の周りに中心ギヤ７３が設けられている。駆動ギヤ７４が、 軸７８上の遊星ギヤ７６と噛み合った状態を示している。この図では、また、第 ２の遊星ギヤ８０がスリーブ８３上の中心ギヤ８２と噛み合った状態を示してい る。 図６より、例えば、駆動ギヤ７４及び遊星ギヤ７６、８０により、軸５８と中 心ギヤ７３の時計方向回転が、中心ギヤ８２とスリーブ８３に反時計方向回転を 引き起こすことがわかる。こうしてカム６０、６１は反対方向に回転する。 エンジンの一つの形態が図５に図示され、エンジンの作動原理は図１、図２の エンジンと同一である。特に、ピストンの下向き力が、差動ギヤ装置によって逆 方向に回転する２つのカムローターに挟みのような作用を引き起こす。 図５に図示したエンジンでは差動ギヤ装置に平歯車を使用しているが、傘歯車 を使用することもできる。同様に、図１及び２に示したエンジンの差動ギヤ装置 に平歯車を使用することもできる。 図１〜３及び５に例示したエンジンでは、３葉カムローターに接するローラー ベアリングの軸が同軸上にあるが、ローラーベアリングの軸を変位させてトルク 特性を改善することもできる。 ベアリングと変位して接触するカムローターを有するエンジンが図７に略示さ れている。エンジンの中心軸方向に見たこの図では、カムローター８６、反対方 向に回転するカムローター８７、及びピストン８８が示されている。ピストン８ ８には、ローラーベアリング９１、９２を支持するベアリングボス８９、９０が 含まれており、ベアリング９１、９２はそれぞれ３葉カムローター８６、８７の 葉９３，９４に接している。 図７から、ベアリング９１、９２の軸９５、９６がピストン軸から変位してい ることがわかる。ベアリングをピストン軸から離すことによりトルクが増加し、 機械的に有利となる。 変位したベアリングを裏面に有するピストンの詳細が図８に図示されている。 ピストン９７は、その下部のハウジング１００、１０１に支持されたベアリング ９８、９９と共に図示されている。ベアリング９８、９９の軸１０２、１０３は 図７のベアリングほど変位していない。図７に示すようにベアリング間隔を大き くするほどトルクが増加する。 以上では、２サイクルエンジンの実施形態について説明したが、この一般原理 は２サイクルエンジンにも４サイクルエンジンにも適用することができる。さら に、本発明の広い範囲から逸脱しないで、例示のエンジンに種々の改良を加える ことができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，Ｂ Ｙ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ， ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ， ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．少なくとも１つのシリンダユニットを有する内燃機関であって、こ のシリンダユニットが： 差動ギヤ装置によって同軸上で近接して互いに逆方向に回転する第１多 葉カムローターと第２多葉カムローターを取り付けた軸； 前記多葉カムローターを取り付けた軸に対称に配置された、少なくとも １対のシリンダー；及び 各シリンダ内に配置され互いに連結された１対のピストン；を備え、 前記各多葉カムローターの葉数が３＋ｎ（但しｎはゼロ又は偶数）であ り、 前記各ピストンと前記多葉カムローターのカム面との接触により、ピス トンのシリンダー内での往復運動を前記軸の回転運動に変換することを特徴とす る内燃機関。 ２．２〜６シリンダユニットを有する請求項１記載の内燃機関。 ３．１シリンダユニット当たり２対のシリンダーを有する請求項１記載 の内燃機関。 ４．前記各対のシリンダが９０°に配置されている請求項３記載の内燃 機関。 ５．前記カムローターが３葉である請求項１記載の内燃機関。 ６．前記カムローターの葉が非対称である請求項１記載の内燃機関。 ７．対のピストンが、ピストンの周縁に均等に振り分けられた４本の連 結棒で連結されている請求項１記載の内燃機関。 ８．前記連結棒に案内スリーブが設けられている請求項７記載の内燃機 関。 ９．前記カムローターを互いに逆回転させる差動ギヤ装置がエンジン内 部に設けられている請求項１記載の内燃機関。 １０．前記差動ギヤ装置がエンジンの外部に設けられている請求項１記 載の内燃機関。 １１．前記内燃機関が２サイクルエンジンである請求項１記載の内燃機 関。 １２．前記ピストンと前記多葉カムローターのカム面とが、ローラーベ アリングを介して接触している請求項１記載の内燃機関。 １３．前記各ローラーベアリングが同軸上にある請求項１２記載の内燃 機関。 １４．ピストン軸に対して前記各ベアリングが変位している請求項１２ 記載の内燃機関。