JP2022523419A - ピストン機構 - Google Patents

Abstract

ピストンと、軸の周りに回転可能であり、第１の係合プロフィールを有する回転要素と、ピストンに連結された第１の連結要素、固定点の周りに枢動可能であり、第１の連結要素に枢動式に連結された第２の連結要素、および第１および／または第２の連結要素に結合され、回転要素の第１の係合プロフィールと機械的に係合および係合解除するように構成された第２の係合プロフィールを備える機構とを具備するピストン機構を提供する。

Description

本発明は、ピストン機構に関し、当該機構を取り入れた内燃機関に関する。

流体の膨張を利用してピストンを駆動するエンジンの殆どが、コネクティングロッドを介してピストンに結合されたクランクシャフトを用いて、ピストンの往復運動を回転運動に変換する。ピストンから回転シャフトへ動力を伝達する別の機構が、開示されており、この開示では、ピストンが、フォロアによってトラック（ｔｒａｃｋ）に連結されている（特許文献１参照）。しかしながら、ピストンから回転シャフトへの動力伝達の向上が可能である。

国際公開第２０１５／１０７３３０号

本発明の態様によれば、請求項１で定義されるピストン機構が提供される。

そのような機構によって、ピストンと回転要素とは、ピストンの駆動行程のより多くの部分について結合することができ、すなわち、ピストンからの動力のより多くの部分を回転要素に伝達することができる。これによって、全体として、より高効率の動力伝達を達成することができる。

第２の係合プロフィールが、複数の第２の歯を備え得る。そのような機構は、第２の係合プロフィールの摩耗を低減させることができる。

当該歯の少なくとも２つが、異なる寸法を有し得る。そのような構成によって、表面は、それぞれが第２の係合プロフィールと最適な角度で係合するように構成することができる。

同様に、第１の係合プロフィールは、複数の第１の歯を備え得る。複数の第２の歯は、各歯の摩耗を低減させることを可能にする。

第１および第２の係合プロフィールは、ラックおよび扇形歯車機構を形成することができる。

第１の係合プロフィールと第２の係合プロフィールとが係合するとき、係合が、固定点と回転要素の回転軸との間の箇所で行われるようにすることができる。そのような配置は、２つの係合プロフィールをより確実に係合状態に保つために、第２の連結要素を圧縮することを可能にする。

第１の係合プロフィールと第２の係合プロフィールとが係合したとき、第２の連結部材が、固定点周りに第１の角度方向に回転することができ、回転要素が、軸周りに第２の角度方向に回転することができ、第１の角度方向が第２の角度方向とは反対である。そのような機構によって、２つの係合プロフィールは円弧状に動くことができ、それら円弧は、ピストンサイクル中、必要な箇所でのみ係合し、その結果、２つのプロフィールの係合の向上を達成することができる。

ピストン機構は、トラック軸の周りに回転するように配置されたトラックをさらに備え得、ピストンが前記トラックに結合され、トラックと回転要素とは共に回転する。そのような機構によって、トラックは、駆動行程以外の行程中のピストンをよりカスタマイズして動かすことを可能にする。

ピストンが、第１および／または第２の連結要素に結合されたフォロアを介してトラックに結合され得、フォロアは、トラックの表面に沿って走行するように配置される。トラックをピストンに結合するのに第１の連結要素を使用することは、ピストンをトラックに結合するために固有の追加部材を必要とせず、したがって、そのような機構が重量軽減を実現することができることを意味する。

フォロアは、第１の連結要素と第２の連結要素との間の枢動結合部において第１の連結要素および第２の連結要素に結合されるように配置され得る。別法として、フォロアは、第１の連結要素と第２の連結要素との間の枢動連結部から離れた点において、第２の連結要素に連結され得る。

ピストン機構は、別の複数のフォロアをさらに備え得、各フォロアは、単一のトラックおよび／または複数の同軸トラックの表面に沿って走行するように配置される。複数のフォロアおよび複数のトラックを用いることによって、各トラックおよび各フォロアの摩耗を低減することを可能にすることができる。

ピストン機構は、半径方向外側トラックと半径方向内側トラックとの間に配置された単一のフォロアを有し得、または、半径方向外側表面および半径方向内側表面を有する単一のトラックと、そのトラックの各表面に沿って少なくとも１つのフォロアが走行する２つの以上のフォロアとを有し得る。

トラックは、プレートからの細長い突起として形成することができ、プレートは、トラック軸に対して垂直な面内で実質的に平坦である。したがって、トラックは、弾性的に形成することができる。別法として、トラックは、プレート内に陥凹させたチャネルとして形成してもよい。

トラックは、トラックに結合されたピストンの運動が実質的に非単調和になるように形状設定することができる。これにより、ピストンの運動をよりカスタマイズすることを可能にすることができる。

ピストンは、回転要素の回転毎に往復運動を２回行うことができる。これにより、本ピストン機構を４行程エンジンに使用することを可能にすることができる。

上記ピストンが第１のピストンであり得、ピストン機構が、それぞれのシリンダ内で運動可能な第２のピストンと、第２のピストンに連結された別の第１の連結要素と、第２の固定点の周りに枢動可能な別の第２の連結要素とをさらに備え、回転要素が、両第１の連結要素のそれぞれと機械的に係合および係合解除するように構成される。

第２のピストンと第１のピストンとは、対向関係に配置され得る。そのような配置によって、バランス状態のピストン機構を形成することができる。

本発明の第２の態様によれば、第１の態様によるピストン機構を備える内燃機関が提供される。

本発明の第３の態様によれば、ピストンと、トラックを備え、軸の周りに回転可能な回転要素と、ピストンに連結された第１の連結要素、固定点の周りに枢動可能であり、第１の連結要素に枢動式に連結された第２の連結要素、およびトラックを辿るように配置され、第２の連結要素に結合された第１のフォロアを備える機構とを具備するピストン機構が提供される。

そのような機構では、ピストン機構の回転要素は、連結要素と係合および係合解除する要素を有さなくてよい。その代わり、回転要素への力の伝達は、一回転全体に亘ってトラックと係合するフォロアによって行うことができる。

本発明の第３の態様は、必要に応じ、本発明の第１の態様のいかなる特徴も組み込むことができる。

エンジンの図である。 様々な構成要素を省略したエンジンの図である。 第１のピストン機構の図である。 第２のピストン機構の図である。 第３のピストン機構の図である。 第４のピストン機構の図である。 第５のピストン機構の図である。 第６のピストン機構の図である。

次いで、本発明の諸実施形態が、添付図面を参照して説明される。

図１は、シリンダブロックアセンブリ１２および２つのヘッドアセンブリ１４を備える内燃機関１０を示す。ブロックアセンブリ１２は、複数のケーシング部材またはプレートを備え、それらケーシング部材またはプレートは、組み合わされるとシリンダブロック１２を形成するように、様々な形状を有する。

図２は、ヘッドアセンブリ１４が取り除かれたエンジン１０を示す。ヘッドアセンブリはシリンダボアを有し、各シリンダボアは、それぞれのシリンダライナを受け入れ、各シリンダライナは、それぞれのピストンを受け入れる。この図では、ピストン１８が、シリンダブロック１２から突出しているところを見ることができる。エンジン１０は、２つのトラックに対向関係で連結された（図２では示されず）合計４つのピストンを有する。したがって、エンジン１０は、４つのピストンアセンブリを備え、第１のピストンアセンブリの構造および機能が詳細に説明されるが、第２、第３、および第４のピストンアセンブリが、構造上も機能上も第１のピストンアセンブリと同様であることを理解されたい。４つのピストン１８が図２に示されているが、任意の他の数のピストン、たとえば２つのピストンまたは８つのピストンを使用してもよいことを理解されたい。

図３は、本発明によるピストン機構を示す。図３には、シリンダ内で往復運動をするピストン１１８が示される。ピストン１１８は、枢動ピン１１９を介して第１の連結部材１２０に結合される。第１の連結部材１２０の反対側の端部で、細長い連結部材１２０は、第２の摺動ピン１２１によって第２の連結部材１３０に結合される。第２の連結部材１３０は、点１３２において枢動的に固定され、それによって、第１の連結部材１２０およびピストン１１８と共に一機構を形成する。

点１３２は、ピストン１１８がその中で往復運動をするシリンダに対して固定される。エンジンは、車両内などで動くことができるが、点１３２とシリンダとは相対運動をしないことを理解されたい。

第１の連結部材１２０は、第２の係合プロフィール１２４と係合する係合プロフィール１２２をさらに備え、第２の係合プロフィール１２４は、軸Ａ１周りに回転可能な回転要素１２３に結合される。

点１３２と軸Ａ１とは相対的に動かない。

第１の係合プロフィール１２２は、複数の係合面１２２Ａおよび１次係合面１２２Ｂを備える。見て分かるように、係合面１２２Ａは、様々なピッチで分離され、様々な大きさ、および第１の連結要素１２０に対して様々な傾斜を有する。係合プロフィールの両端間でのこの特性の変化は、ピストン１１８、第１の連結部材１２０、および第２の連結部材１３０によって形成される機構が、ピストン駆動ストアによって動くとき、第１の係合プロフィール１２２と第２の係合プロフィール１２４とが係合状態を保つことを可能にする。第１の１次係合面１２２Ｂが、第１の連結部材１２０の最も端の箇所にあり、その結果、第２の１次係合プロフィール１２４Ａとの係合および動力伝達を、ピストンの駆動または膨張行程内の早い段階で生じることができることも見ることができる。

回転要素１２３は、第１の係合プロフィールのそれぞれの係合面１２２Ａと係合する複数の第２の係合面１２４Ａを備える第２の係合プロフィール１２４を具備する。係合プロフィール１２４は、また、第１の係合プロフィールの１次係合面１２２Ｂと係合する第２の１次係合面１２４Ｂを備える。第２の係合プロフィール１２２は、回転要素１２３の外周の約２５％を廻って延在することを見ることができる。

図示の係合プロフィールはそれぞれ複数の係合面を有するが、単一の歯およびスロット機構など、第１の連結部材１２０上の単一の係合面および回転要素１２３上の単一の係合面でも動力伝達を行うのに十分であり得る。

本ピストン機構は、また、トラック１２６と、トラック１２６に沿って転動するように構成されたフォロア１２８とを備える。トラック１２６に沿って摺動する摺動フォロアを使用することもできる。フォロア１２８は、第１の連結部材１２０に結合され、トラック１２６とフォロア１２８との作用によって、戻り行程においてピストン１１８を動かすことができ、トラック１２６は、サイクルの様々な行程に対して様々な速度を持たせるようにどのようにでも形状設定することができる。たとえば、ピストンの実質的な非単調和運動が、当該トラックおよびフォロア機構によって可能になる。

図４は、図３に示されたピストン機構のさらに別の発展形態を示す。この機構では、同様な部品は対応する参照番号を付し、簡潔にするために、変わっていない部品の説明はここでは繰り返さない。

軸Ａ２の周りに回転する回転要素２２３は、係合プロフィール２２４と一体に作られている。ただし、図３の回転要素１２３を、この場合にも同様に使用することができる。

第２の連結要素２３０は、第３の係合プロフィール２２５を有するように変更されている。第３の係合プロフィール２２５および第１の係合プロフィール２２２が第１の係合プロフィール２２４と係合する時点で、第３の係合プロフィール２２５は、第１の係合プロフィール２２２と整合する。それによって、回転要素２２３に掛かる力は、第２および第３の係合プロフィール２２２、２２５の両方に分散させることができる。

連結部２１９は、ピン結合部として示されているが、結合部を、回転式でなく、ピストンの運動方向に垂直な方向の並進運動式にすることも、同様に可能である。

図５に移ると、図４に示された機構が、第３の係合プロフィール３２５のみが、軸Ａ３周りに回転可能な回転要素３２３と係合するように改造されている。第２の連結部材３３０は、個々の３つの部材から形成される。第１の部材３３０ａは、枢動点３３２から、第１の連結部材３２０に連結するピン結合部まで延在し、第２の部材３３０ｂは、枢動点３３２と第３の係合プロフィール３２５との間に延在し、第３の部材３３０ｃは、係合プロフィール３２５と、第１の連結部材３２０と第２の連結部材３３０との間の結合点３２１との間に延在する。重量を軽減するために、第１、第２、および第３の部材３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃの間には中空の空間がある。第２の連結部材３３０の枢動点３３２は、軸Ａ３において測った角度で、ピストンから約４５°離れている。枢動点３３２をピストン３１８に近づけると、ピストン３１８の駆動行程が始まる時点でのレバーアームが長くなる。

図５から分かるように、回転要素３２３の第１の係合部分３２４が、第３の係合部分３２５と係合するように変えられている。

図６に示される機構では、第２の連結部材４３０が、第３の係合部分４２５を持つ中央ブロックを有するように形状を変えられ、第１の部材４３０ａが中央部分から枢動点４３２まで延在し、第２の部材４３０ｂが中央部分からピン結合部４２１まで延在する。また、フォロア４２８が、第１の連結部材４２０ではなく、第２の部材４３０に配置されていることにも留意されたい。

第１の係合部分４２５は、第２の係合部分４２４に適合できるように形状を変えられ、第２の係合部分４２４は、実質的に円筒ベアリングとして形成されている。

第１の係合部分４２５をローラとして形成し、第２の係合部分４２４をトラックとして形成してもよい。

上記の実施形態のいずれにおいても、フォロアは、第１の連結部材と第２の連結部材との間の枢動ピンに配置された１つまたは複数のローラの形態にすることができる。フォロアは、２つのトラック（すなわち、半径方向内側のトラックおよび半径方向外側のトラック）の間に配置される単一のローラにすることができ、または１つがトラックの半径方向内面と係合し、１つが半径方向外側のトラックに係合する２つのローラにすることができる。

たとえば、図７は、枢動点５２１で第２の連結部材５３０に枢動可能に結合された第１の連結部材５２０と、枢動点５２１に配置されたフォロア５２８とを有し、フォロアがトラック５２６を辿るように配置されている、ピストン機構を示す。フォロア５２８は、枢動ピンに装着された車輪またはローラでよく、枢動ピンは、第１および第２の連結部材５２０、５３０も通って延在する。

第２の連結部材５３０は、また、係合プロフィール５２４と係合する係合プロフィール５２５を有し、係合プロフィール５２４は、軸Ａ５周りにトラック５２６と共に回転する。

第２の連結部材５３０は、固定枢動点５３２周りに枢動可能であり、穴５３１によって重量を軽減することができる。

図８は、第１もしくは第２の連結要素または回転要素に係合プロフィールを有さないピストン機構を示す。図８に示された機構では、回転要素とピストン６１８との間の力の伝達は、フォロア６２８、６２８ａおよびトラック６２６によって行われる。

第１のフォロア６２８は、第１の連結部材６２０と第２の連結部材６３０との間の枢動結合部６２１に配置され、第２のフォロア６２８ａは、第２の連結部材６３０に配置され、第２の部材６３０を貫通して延在する枢動ピン６２９を介して装着される。枢動ピン６２９が第１の連結部材６２０を貫通して延在していないことに留意されたい。

当該ピストン機構は、単一のトラック６２６を有し、このトラックには、両側に第１のおよび第２のフォロア６２８、６２８ａが配置されている。本発明が、上記で、１つまたは複数の好ましい実施形態を参照して説明されてきたが、添付特許請求の範囲で定義される本発明の範囲を逸脱することなく様々な変更または改変を加えることができることを理解されたい。

Claims (19)

1. ピストンと、
   軸の周りに回転可能であり、第１の係合プロフィールを有する回転要素と、
   前記ピストンに連結された第１の連結要素、
   固定点の周りに枢動可能であり、前記第１の連結要素に枢動式に連結された第２の連結要素、及び
   前記第１および／または第２の連結要素に結合され、前記回転要素の前記第１の係合プロフィールと機械的に係合および係合解除するように構成された第２の係合プロフィール
   を有する
   機構と、
   を備えているピストン機構。
2. 前記第２の係合プロフィールが、複数の第２の歯を備えている請求項１に記載のピストン機構。
3. 前記第２の歯の少なくとも２つが、異なる寸法を有している請求項２に記載のピストン機構。
4. 前記複数の第２の歯が、ラックとして配置されている請求項１から３のいずれか一項に記載のピストン機構。
5. 前記第１の係合プロフィールが、複数の第１の歯を備えている請求項１から４のいずれか一項に記載のピストン機構。
6. 前記回転要素が扇形歯車とされている請求項１から５のいずれか一項に記載のピストン機構。
7. 前記第１の係合プロフィールと前記第２の係合プロフィールとが、前記固定点と前記軸との間の箇所で係合している請求項１から６のいずれか一項に記載のピストン機構。
8. 前記第１の係合プロフィールと前記第２の係合プロフィールとが係合したとき、前記第２の連結部材が前記固定点周りに第１の角度方向に回転し、前記回転要素が前記軸周りに第２の角度方向に回転し、前記第１の角度方向が前記第２の角度方向とは反対である請求項１から７のいずれか一項に記載のピストン機構。
9. トラック軸の周りに回転するように配置されたトラックをさらに備え、
   前記ピストンが前記トラックに結合され、
   前記トラックと前記回転要素とが、共に回転する請求項１から８のいずれか一項に記載のピストン機構。
10. 前記ピストンが、前記第１および／または第２の連結要素に結合されたフォロアを介して前記トラックに結合され、
    前記フォロアが、前記トラックの表面に沿って走行するように配置されている請求項９に記載のピストン機構。
11. 前記フォロアが、前記第１の連結要素と前記第２の連結要素との間の前記枢動連結部において前記第１の連結要素および前記第２の連結要素に結合されている請求項１０に記載のピストン機構。
12. 前記トラックが、前記トラックに結合された前記ピストンの運動が実質的に非単調和になるように形状設定されている請求項９から１１のいずれか一項に記載のピストン機構。
13. 前記ピストンが、前記回転要素の回転毎に往復運動を２回行う請求項１から１２のいずれか一項に記載のピストン機構。
14. 前記ピストンが第１のピストンであり、
    第２のピストンと、
    前記第２のピストンに連結された別の第１の連結要素と、
    第２の固定点の周りに枢動可能であり、前記別の第１の連結要素に枢動式に連結された別の第２の連結要素と、
    をさらに備え、
    前記回転要素が、両前記第１の連結要素のそれぞれと機械的に係合および係合解除するように構成されている請求項１から１３のいずれか一項に記載のピストン機構。
15. 前記第２のピストンと前記第１のピストンとが、対向関係に配置されている請求項１４に記載のピストン機構。
16. 請求項１から１５のいずれか一項に記載のピストン機構を備えている内燃機関。
17. ピストンと、
    トラックを備え、軸の周りに回転可能な回転要素と、
    前記ピストンに連結された第１の連結要素、
    固定点の周りに枢動可能であり、前記第１の連結要素に枢動式に連結された第２の連結要素、及び
    前記トラックを辿るように配置され、前記第２の連結要素に結合された第１のフォロア
    を有する
    機構と、
    を備えているピストン機構。
18. 前記第１のフォロアが、前記トラックの半径方向内側表面に係合することによって前記トラックを辿り、
    前記第１および／または第２の連結要素に結合された第２のフォロアをさらに備え、
    前記第２のフォロアが、前記トラックの半径方向外側表面上で前記トラックを辿る請求項１７に記載のピストン機構。
19. 前記第２のフォロアが、前記第１の連結要素と前記第２の連結要素との間の前記枢動連結部において前記第１の連結要素および前記第２の連結要素に結合されている請求項１８に記載のピストン機構。

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