JP2009047065A - オットサイクルで連続作動するピストンを有する楕円形エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】オットサイクルで連続作動するピストンを有する楕円形エンジンを提供すること。
【解決手段】オットサイクルで連続作動する楕円形エンジンにおいて、静止シリンダーがＸ字形状に配置された４つのピストンを有し、燃料の燃焼によりピストンと連結したコネクティングロッド（９）を順次外方に移動させ、先端にプッシュベアリング（１２）を有するコネクティングロッド（９）は、シリンダーを外周に設けた楕円形状のリムに対して、ガイドアーム（１０）によって楕円形状のリムと弧状軌跡の中で接触を保持し、その結果、ピストンから生み出された全てのパワーを引き出して、楕円形状のリムを回転させて出力として取り出すことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般的に回転装置に関するものであって、特に、ロータリーエンジン、圧力ポンプ、真空ポンプ、圧縮機、及び、機械的パワーが化石燃料の燃焼により取り出せるいかなる形態に関するものである。

通常のエンジンの慣用の４サイクル内燃ピストンは、クランクシャフト回転中、常時パワーを伝達している。大部分のエンジンは、効率よく作動するために潤滑が必要である少なくとも１２０から１５０の可動部材を有しており、エンジンには常時、摩擦損失、熱損失による負荷と、慣性負荷がかかっている。しかし、回転中常時パワーを伝達している以上、１回転あたりの有効な機械伝動軸のパワーとしては、エンジンの効率を損なうものである。

一方、２サイクルエンジンは、１回転あたり１回の爆発工程を生み出すことができるが、４サイクルよりパワー効率が低い。

また、バンケル式ロータリーエンジンは、１回転あたり３回の爆発工程を有しており、慣用のピストンエンジンに比較して、より軽量で、より少ない可動部材からなっているが、保守の困難さと、不完全燃焼による有害ガスを大気中に放出するものであって、しかも、燃焼室の形状が原因で燃焼燃料のパワー回収が貧弱であり、シールの設計と製造に問題がある。

本発明は、１回転あたり４回の爆発工程を有し、慣用のピストン配置のエンジンよりより高いパワーを伝達する「タービン類似機関（Quasiturbine）」（米国特許第６８９９０７５号明細書等参照）に酷似している。しかし、このタービン類似機関は、製造に困難が伴い、部材の入手可能性に乏しく、保守の習熟性に欠け、エンジンの中で大きなブロックを回転させることでパワーロスが生じ、エンジンの可動部材を本来的でない燃焼力の方向に運動させるものである。

一般的に、これまでのところ、ロータリーエンジンの全ては、次の欠陥のいくつか、もしくは全てを有している。

（ａ）複雑性
（ｂ）エネルギーを熱や慣性力で消費する多くの可動部材を有している。
（ｃ）シールの困難性
（ｄ）燃焼室が長手形状であるため、燃焼で生じる膨張容積のパワー回収において貧弱である。
（ｅ）燃焼室でのガス容積の膨張で生み出されるパワーは、有効な機械的パワーとして変換できる一方向の運動に向けられていない。
（ｆ）多くの国における現在の排ガス規制に適合していない。
（ｇ）相互に関連運動をするいくつかの部材への潤滑が非実用的である。
（ｆ）発生する熱の冷却が困難。（冷却上の問題点）
（ｈ）新規の研究途上にある燃焼方法であり、一般に実用化されて保守維持されるようになるには多くの時間と研究が必要である。
（ｉ）組み立てや走行中にエンジンの多くの部材を同期して作動させるためには極めて長い時間の努力が必要である。
米国特許第６８９９０７５号明細書 米国特許第６１６４２６３号明細書

本発明の課題は、化学エネルギーを、容積膨張による燃料燃焼から、有効な機械的パワーに変換する際に、一般によく用いられ、充分に研究され、慣用技術とされた、標準的な４サイクルピストンエンジンによる方法を用いたエンジンに対して、新規なエンジンコンセプトを設計することである。そして、本発明の課題は、このエンジンの製造、使用方法、及び保守を、慣用のエンジンやピストンの形状、配置を改良することで簡単に得られるようにすることである。

また、本発明の課題は、ピストンの配置手段にあって、ピストンを中央でＸ字形状に配置して、立方体の接近した両側に膨張する運動を生じるように背中合わせに配置したことで、部材を収容するエンジンブロックの容量を削減しており、それにより、さらに冷却を容易にし、大きな金属ブロックに大量の熱を溜めないようにしている。

上記問題点を解決するため、請求項１の発明によれば、オットサイクルで連続作動するピストンを有する楕円形エンジンにおいて、シリンダーと楕円体を有する楕円形エンジンとしている。

上記問題点を解決するため、請求項２の発明では、請求項１に記載の楕円形エンジンの前記シリンダーにおいて、前記シリンダーが、Ｘ字形状に配置された４つのピストンを有し、該ピストンが、鋳造、又はアルミ合金（ジュラルミン等）からなることを特徴とするシリンダーとしている。

上記問題点を解決するため、請求項３の発明では、請求項２に記載の前記シリンダー（２）において、前記シリンダー（２）が、静止しており、さらに、前記シリンダー（２）が、１）単一のシリンダーブロックにおいて、オットサイクルで作動するピストンが、Ｘ字形状に配置された配置と、２）冷却媒体導入穴（４３）、及び冷却媒体排出穴（４２）と、３）バルブケース（１５）を有する、シリンダー内にバルブを設置するための手段（４９、５０）と、４）コネクティングロッド（９）、ガイドアーム（１０）、及びピストンの往復動自体で飛沫される潤滑油によって行われるピストンの潤滑手段（２９）と、５）シリンダーに設けられた点火プラグ設置手段（３６）と、６）前記楕円体を回転させる弧状軌跡と接触する、コネクティングロッド（９）とガイドアーム（１０）との接合部（２９）と、７）点火プラグの配線が通る点火プラグ配線穴（３３）と、８）圧力逃がし通路（４６）と、９）ガイドアーム（１０）を連結する、シリンダーのガイド深溝（２５）又はシリンダーの外方突起（５１）と、からなることを特徴とするシリンダーとしている。

上記問題点を解決するため、請求項４の発明では、請求項１に記載の前記楕円体において、前記楕円体が、１）吸気工程中ピストンを引き上げたり押し下げたりするための内部楕円状のガイド（６）と、２）バルブの開閉を同期させる前記楕円体におけるカム歯形（７）と、３）前記楕円体に潤滑油が流入し、前記楕円体の反対側に流出する油穴（２４，２４）と、からなることを特徴とする楕円体としている。

本発明によれば、パワー効率が高く、製造、使用、保守が容易で、容積効率、冷却効率の高いエンジンが提供される。

本発明の主要部分は、楕円形状のリム（楕円体）であって、該リムは、ピストンの垂直方向の動きを回転トルクに変換することに加えて、また、エンジンの全ての部材を相互に同期させるものである。このエンジンの内部体（シリンダー（２））は、静止しており、リムが回転部材となっている。該リムには、フライホイールの取り付け面（３１）が設けられており、該リムは、適宜手段で入出力軸と連結している。該リムは、バルブに対するカムシャフトのように機能し、タイミングベルトもギアも不要なエンジンのカムシャフトのようなものとして働くものである。さらに、エンジンブロックにおいて潤滑の必要な部材に可動部材が潤滑油を跳ねかけるので、オイルポンプを必要としない。

図１には、通常のオットサイクルのピストンが、それぞれ背中合わせに位置して、Ｘ字形状の状態で配置されており、燃料の燃焼による膨張容積の有する力は、外方に向けられるようになされている。そして、先端にプッシュベアリング（１２）を有するコネクティングロッド（９）は、楕円形状のリムを時計方向で、外方に押し出し、ガイドアーム（１０）によって楕円形状のリムと弧状軌跡の中で接触を保持し、その結果、ピストンから生み出された全てのパワーを引き出して、楕円形状のリムの回転に変換する。

コネクティングロッド（９）とガイドアーム（１０）は、楕円形状のリムと共にピストンの往復運動を回転トルクに変換し、該リムをクランクシャフトのように作動させる。該リムの１回転で、全てのピストンが、完全なオットサイクルを終了する。図１において、ピストン１は圧縮工程にあり、ピストン２は膨張行程にあり、ピストン３は吸気工程にあり、ピストン４は排気工程にある。

前記リムにトルクとして与えられるパワーは、毎回転４膨張行程で与えられる。楕円形状のリムの内面と接触するプッシュベアリング（１２）は、ピストンの膨張行程において、摩擦を最小化しつつ楕円形状のリムと接触を保ち、コネクティングロッド（９）の両側にあるプルベアリング（１３）は、ピストンの吸気工程中ピストンを引き上げるため内部楕円状のガイド（６）と接触を保つ。位置１、４は、順次圧縮工程、排気工程であり、それらの工程は、楕円形状のリム（ガイド（６））が、プッシュベアリング（１２）とコネクティングロッド（９）によりピストンを押し下げることで行われる。

図２において、バルブは、ベアリング（１９）、（１９′）によって、所定のオットサイクルに同調するように作動させられる。ベアリング（１９）に対してはカム歯形（７）と協働して吸気バルブを開放し、ベアリング（１９′）に対してはカム歯形（７′）と協働して排気バルブを開放し、各バルブの閉鎖はスプリング（１６）で行われる。カム歯形（７）は、騒音を最小にすべくベアリング（１９）の曲率半径を考慮して図２のように作成されると共に、カム歯形の末端も、騒音を減少し、前記ベアリングと前記バルブがスムーズに開閉するように作成されている。これは、バルブが長い間開放することはなく、緩慢に開放し、開放のピークを迎えるとまた閉鎖し始めるような従来のエンジンにおけるカムシャフトを用いたバルブとは異なっており、本発明で用いられる方法では、前記バルブは、吸気工程、排気工程期間のピークではほぼ７０％近くか、それ以上を完全に開放したままとすることができ、小さな開放部を通じても楽にピストンがシリンダーを充満させ、あるいは、排気させることができるものであって、このようにカムシャフトやタイミングベルトを使用することなく、オットサイクルのより容易なバルブ制御の利点を与えることができる。

吸気バルブと排気バルブを制御する歯形位相差は、オットサイクルの最大効率を得るために必要とされるバルブ開閉時期を考慮したベアリング（１９）、（１９′）間の距離と等しくされている。従来のバルブと本発明のバルブとを比較すると、２曲線の下方面積が、一吸気工程、あるいは一排気工程で達成された総開放量を示し、本発明の制御が従来の２個のカムシャフト方式のバルブより優れていることが明らかである。

図３に示すように、混合気は、吸気バルブが開放していれば通路（４０）を通してピストンに至る。排気ガスは、通路（４１）を通して排気バルブが開放していればピストンの内方向移動により排出される。

図４に示すように、通常用いられる点火プラグ（２２）が、ワイヤーを点火プラグ配線穴（３３）に通すことで設置されている。

ピストンスリーブには、表面積を増加させるためにフランジが設けられており、その結果、冷却媒体導入穴（４３）と冷却媒体排出穴（４２）を通して外部に熱を伝える水をベースとする冷却媒体への熱伝導を良好にしている。

楕円形状のリム内面とプッシュベアリング（１２）の潤滑は、潤滑油にリム内面に留まるように作用する遠心力によって維持される。ピストンの潤滑は、コネクティングロッド（９）、ガイドアーム（１０）及びピストンの往復動自体で飛沫される潤滑油によって行われる。潤滑油は油穴（２４）を通って楕円形状のリムに流入し、反対側の油穴（２４）から流出される。

本発明は、ロータリーエンジン、圧力ポンプ、真空ポンプ、圧縮機に適用して、好適である。

ピストンの配置を示す断面図である。 本発明の実施態様を示す下方から見た分解図である。 本発明の実施態様を示す上方から見た分解図である。 本発明の実施態様を示す斜視図である。 本発明の別の実施態様を示す斜視図である。

符号の説明

１ 楕円状リム背面
２ シリンダー
３ 楕円状リム前面
４ ベアリング
５ オイルリング
６ ガイド
７ カム歯形（カムシャフト相当部）
８ ピストン
９ コネクティングロッド
１０ ガイドアーム
１１ コネクティングロッドのベアリングピン
１２ プッシュベアリング
１３ プルベアリング
１４ バルブ
１５ バルブケーシング
１６ バルブスプリング
１７ バルブスプリング止めワッシャー
１８ ロッカーアーム
１９ ロッカーアームベアリング
２０ バルブアジャスター
２１ ガイドアームピン
２２ 点火プラグ
２３ ピストンピン
２４ 油穴
２５ ガイド深溝
２６ 前面ベアリングセット
２７ 後面ベアリングセット
２８ ライナー
２９ ピストンセット
３０ バルブセット
３１ フライホイール取り付け面
３２ ボルト穴
３３ 点火プラグ配線穴
３５ 楕円状リム結合具
３６ 点火プラグ座面
４０ 混合気吸入通路
４１ 排気通路
４２ 冷却媒体排出穴
４３ 冷却媒体導入穴
４４，４６ 圧力逃がし通路
４５ ロッカーアーム固定部
４７ 点火プラグ配線
４９ 排気弁部
５０ 吸気弁部
５１ 外方突起

Claims (4)

1. オットサイクルで連続作動するピストンを有する楕円形エンジンにおいて、シリンダーと楕円体を有する楕円形エンジン。
2. 請求項１に記載の楕円形エンジンの前記シリンダーにおいて、前記シリンダーが、Ｘ字形状に配置された４つのピストンを有し、該ピストンが、鋳造、又はアルミ合金からなることを特徴とするシリンダー。
3. 請求項２に記載の前記シリンダー（２）において、前記シリンダー（２）が、静止しており、さらに、前記シリンダー（２）が、
   １）単一のシリンダーブロックにおいて、オットサイクルで作動するピストンが、Ｘ字形状に配置された配置と、
   ２）冷却媒体導入穴（４３）、及び冷却媒体排出穴（４２）と、
   ３）バルブケース（１５）を有する、シリンダー内にバルブを設置するための手段（４９、５０）と、
   ４）コネクティングロッド（９）、ガイドアーム（１０）、及びピストンの往復動自体で飛沫される潤滑油によって行われるピストンの潤滑手段（２９）と、
   ５）シリンダーに設けられた点火プラグ設置手段（３６）と、
   ６）前記楕円体を回転させる弧状軌跡と接触する、コネクティングロッド（９）とガイドアーム（１０）との接合部（２９）と、
   ７）点火プラグの配線が通る点火プラグ配線穴（３３）と
   ８）圧力逃がし通路（４６）と、
   ９）ガイドアーム（１０）を連結する、シリンダーのガイド深溝（２５）又はシリンダーの外方突起（５１）と、
   からなることを特徴とするシリンダー。
4. 請求項１に記載の前記楕円体において、前記楕円体が、
   １）吸気工程中ピストンを引き上げたり押し下げたりするための内部楕円状のガイド（６）と、
   ２）バルブの開閉を同期させる前記楕円体におけるカム歯形（７）と、
   ３）前記楕円体に潤滑油が流入し、前記楕円体の反対側に流出する油穴（２４，２４）と、
   からなることを特徴とする楕円体。

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