JPH0144892B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、往復ピストン型エンジンに関し、
特に、往復ピストンがそのスラストを、駆動シヤ
フトに取付けられたカムに係合するローラによ
り、駆動シヤフトへ伝達するようにしたエンジン
に関する。

一般的タイプの往復ピストン型エンジンにおい
ては、ピストンは連結ロツドを介して、クランク
シヤフトのクランクへ連結されている。このピス
トンはクランクシヤフトが180゜回転する間に、シ
リンダ内で一方向へ移動し、次の180゜の回転時
に、反対方向に移動する。４サイクル式内燃エン
ジンにおいては、クランクシヤフトは、ピストン
の吸気行程時に180゜、ピストンの圧縮行程時に
180゜、ピストンの燃焼または動力行程時に180゜、
そしてピストンの排気行程時に最後の180゜を順次
回転する。ピストンの各行程は本来クランクシヤ
フトの180゜の回転に限定される。このような構成
のものはそのエンジンのサイクルにおいて、特に
比較的遅い燃料燃焼度においては、最大効率をも
たらさない。

別の型式の往復ピストン型内燃エンジン；たと
えば米国特許第1765713号明細書に記載されるよ
うなエンジンにおいては、シリンダは駆動シヤフ
トの周囲に半径方向に配置されている。シリンダ
内の各ピストンはローラに取付けられ、前記ロー
ラは駆動シヤフトに取付けられた第１カムと接触
状態に保持されている。リンク装置と、駆動シヤ
フト上の第２カム上に載置される第２組のローラ
とにより、ピストンに取付けられたローラが第１
カムと接触状態に保持されている、ピストンが往
復動すると、カムが回転して駆動シヤフトを回転
するようになつている。ピストンに取付けられた
ローラを、カムとの接触状態に維持するために、
第２カムは第１カムと異なる輪郭を有している。
この型式のエンジンの別の例は、米国特許第
1863877号明細書に記載されており、その場合に
は、スプリング負荷を受けるストラツプが組をな
すローラ上に延びて、ピストンに取付けられたロ
ーラをカムに対して接触状態に保持するようにな
つている。この米国特許明細書に記載されたカム
は、大径部および小径部を有しており、これら大
径部および小径部は相互に90゜より小さい角度で
変位されており、したがつて、ピストンの動力行
程および吸気行程が35゜を越えるシヤフト回転角
度範囲にわたつて行なわれ、またピストンの圧縮
および排気行程が；55゜を越えるシヤフト回転角
度範囲にわたつて行なわれるようになつている。
この構成のものは、通常のエンジン、すなわち往
復運動を回転運動に変換するクランクシヤフトを
備えてエンジンにおいては、サイクルのうちの吸
気および動力行程が、圧縮および排出サイクル部
分より、サイクル全体に対して小さい割合でしか
行なわれないので、効率が低くなる。さらに、ピ
ストンに取付けられたローラをカムに対して接触
保持するために、複雑な機構が必要になる。

この発明によれば、回転駆動シヤフトと、該駆
動シヤフトから半径方向に延びた少なくとも一つ
のシリンダと、該シリンダ内で往復運動するピス
トンとを有する往復型エンジンにおいて、 該駆動シヤフトに取りつけられ、最大の直径を
有する部分すなわち大径部および最小の直径を有
する部分すなわち小径部を有する周辺カム面を備
え、該大径部の直径と小径部の直径が前記駆動シ
ヤフトの回転軸線上で交差しているカムと、 前記のカム表面に接触し隔置された少なくとも
６個のカム従動子であつて、前記カム従動子の内
の少なくと４個のものは前記カムと回転シヤフト
が回転するときに前記回転軸線から間隔を置いた
閉じた巡回環状路内を移動すること、 ほぼ等しい長さの少なくとも６個のリンクであ
つて、前記リンクの各一つは前記カムの回りの隣
接する二つのカム従動子の間で延びており、 前記リンクは前記カムと駆動シヤフトが回転す
るときに前記カム従動子が前記カムのカム面との
接触を維持すること、および 前記ピストンを前記カム従動子の一つに連結す
るための手段であつて、前記カムが回転し、前記
一つのカム従動子が前記ピストンと共軸の放射方
向の直線路内を移動するときに該ピストンが往復
運動すること、 からなり、前記カムの大径部および小径部が90度
以外の角度だけ互いに変位しており、90度以下の
駆動シヤフトの回転範囲にわたつてピストンが駆
動シヤフトから外方向に移動し、90度以上の駆動
シヤフトの回転範囲にわたつてピストンが駆動シ
ヤフトから内方向に移動し、これによつてピスト
ンの内方向の移動時間がピストンの外方向の移動
時間より長いことを特徴とする４サイクル往復ピ
ストン型内燃エンジンを提供することである。

この発明の別の目的および利点は、図面を参照
した以下の詳細な説明から明らかになるであろ
う。

第１図には、この発明の往復ピストン型内燃エ
ンジン１０の概略横断面図が示されている。この
エンジン１０は、駆動シヤフト１１を包含し、こ
のシヤフト１１には、カム１２がキー１３により
取付けられている。シヤフト１１は、これに取付
けられたカム１２と共に、複数のベアリング１４
上で回転する。エンジン１０は、シヤフト１１か
ら半径方向外方へ延びる少なくとも二つのシリン
ダ１５を包含していることが、好ましい。別々の
ピストン１６が、この各シリンダ１５内に配置さ
れて、このピストンは、シヤフト１１への方向お
よびそれから離れる方向に往復動するようになつ
ている。各ピストン１６は、ピン１７を介してロ
ーラ１８に連結され、このローラ１８は、カム１
２上に載置されている。４サイクルエンジンに対
しては、シヤフト１１とカム１２が回転すると、
カム１２は、圧縮行程および排気行程において、
ピストン１６をシヤフト１１から外方へ離れる方
向へ動かし、また吸気行程においては、前記カム
がピストン１６をシヤフト１１の方向にその半径
方向内方へと引張り、かつ動力行程時には、ピス
トン１６がカム１２を回転させるようになつてい
る。

エンジン１０には、適当な通常のバルブ機構が
設けられており、このバルブ機構により、ピスト
ン１６の吸気行程時には、空気／燃料混合気がシ
リンダ１５へ供給され、またピストン１６の排気
行程時には、排気ガスがシリンダ１５から排出さ
れる。第１図に示される例示エンジン１０におい
ては、それぞれ空気／燃料混合気を二つのシリン
ダへ供給し、あるいは排気ガスを二つのシリンダ
から排出するバルブ２１，２２を個々に作動さす
ための２個のカム１９，２０を設けてある。もち
ろん、エンジン１０は、別のエンジン、たとえば
デイーゼルエンジンとすることもでき、その場合
は、燃料がシリンダへ直接噴射される。

第２図に示すエンジン１０の概略部分図にはシ
ヤフト１１を回転し且つピストン１６を動かすた
めのカム１２の形状および作動が示されている。

図面で上方位置に示してあるピストン１６は、
カム１２に載置されたローラ１８に取付けられて
おり、また下方に示してあるピストン１６は一部
のみが図示されているが、これもカム１２に載置
されたローラ１８に取付けられている。６本のリ
ンク２５〜３０が、カム１２の周囲に延びている
状態が図示されている。リンク２５〜３０はそれ
ぞれ同一長さを有し、かつリンク２５〜３０の隣
接し合うリンクは、相互に枢動自在に連結されて
いる。隣接し合うリンク２５，２６は、相互に連
結されると共に、カム１２上に載置された遊転ロ
ーラ３１に枢動自在に取付けられている。同様
に、他の隣接し合うリンク２６，２７も相互に枢
動自在に連結され、かつカム１２に載置された遊
転ローラ３２に連結されている。また隣接し合う
リンク２８，２９も、相互に枢動自在に連結さ
れ、かつカム１２上に載置された遊転ローラ３３
に連結されており、また隣接し合うリンク２９，
３０は、相互に枢動自在に連結され、かつカム１
２上に載置された遊転ローラ３４に連結されてい
る。隣接し合うリンク２５，３０は、相互に枢動
自在に連結され、かつ一つのローラ１８に連結さ
れており、このローラ１８は、ピストン１６へ連
結されている。また隣接し合うリンク２７，２８
は、相互に枢動自在に連結され、かつ他方のピス
トン１６に連結された他方のローラ１８に連結さ
れている。カム１２は、リンク２５〜３０と組合
わせて設計されており、したがつてカム１２が回
転すると、各ローラ１８および３１〜３４はカム
１２と接触状態にある。ここで、カム１２が回転
したときの遊転ローラ３１，３２，３３，３４の
軌跡は、巡回環状路となる。すなわち、巡回環状
路はカム１２の駆動シヤフト１１の回転軸線の半
径方向の直線路とは異なり、該回転軸線に接近し
その後戻り、その間回転軸線を中心とする周方向
にも移動し、結果的に一つの閉曲線となる。この
閉曲線の形状はカム１２の形状によつて決まる。

カム１２の形状は、第２，３図に示されてい
る。カム１２は、シヤフト１１とカム１２の回転
中心３５の回りに対称であることが好ましい。言
いかえると、回転中心３５がカム１２の各直径の
中間点に配置されていることが好ましい。このよ
うな構成により、カム１２が高速回転する際に動
的バランスが得られる。しかし、カム１２を非対
称にして、高速作動のために必要な動的バランス
用重りを得るようにすることもできる。このカム
形状は、カム１２が回転する時における任意の二
つの対向ローラ、たとえば二つのローラ１８の軸
心間の最大距離に相当する大径部と、カム１２が
回転する時における二つの対向ローラ１８の軸心
間の最小距離に相当する小径部と、を有してい
る。前記大径部は半直径長Ａを有し、また小径部
は半直径長Ｂを有する（第２図参照）。各ピスト
ン１６の行程は、大径部での半直径Ａおよび小径
部での半直径Ｂ間で相違する。

大径部半直径Ａおよび小径部半直径Ｂは、90°
以外の角度で相互に変位している。この変位は、
４サイクルエンジンにおいて、圧縮および排気行
程のための時間より長い時間を吸気および動力行
程に対してもたらす方向に行なわれている。たと
えば、図示のカム１２においては、大径部半直径
および小径部半直径は、吸気行程に対しては120゜
のシヤフト回転を与え、圧縮行程に対しては60゜
のシヤフト回転を与え、動力行程に対しては120゜
のシヤフト回転を、また排気行程に対しては60゜
のシヤフト回転を与えるようになつている。この
構成により、特に、比較的ゆつくりと燃料を燃焼
させてエンジンを高速運転する場合に、効率が大
きくなる。

往復ピストン型エンジンにおいては、サイクル
の吸入部分においてバルブが開かれて、ピストン
がシリンダ内を下方に移動する時に、新鮮な空気
または空気／燃料混合気がシリンダ内に吸入され
る。非過給型エンジンにおいては、サイクルの吸
気部分で新鮮な空気または空気／燃料混合気をシ
リンダ内へ流入させるための圧力差は、比較的小
さい。この吸気サイクル部分に長い時間を与える
ことにより、エンジンは、より効率的に新鮮な空
気または空気／燃料混合気を吸入できる。このこ
とは、吸入のための時間が非常に少ない高速運転
のエンジンにおいて、特に正しい現象である。サ
イクルの動力部分に対しても長い時間が与えられ
る。この長い時間間隔により、作動圧がシヤフト
回転の広い角度にわたつて解放されることにな
る。さらに、サイクルの動力部分に追加の時間帯
を与えることにより、燃焼を完了させるためのさ
らに長い時間帯が与えられることになるから、動
力行程の終了時にピストンに対して大きな圧力が
作用することになる。他方、サイクルの圧縮およ
び排気部分が必要な時間帯は、厳密なものではな
く、これらのサイクル部分に対する時間を短縮さ
せることにより、サイクルの吸気および動力部分
に対しての時間を更に長くすることができる。

カム１２の形状は、第２図と、第３図のグラフ
に示されている。第３図の破線４０は、クランク
シヤフトを備えた通常の往復ピストン型エンジン
における駆動シヤフトと回転角度に対するピスト
ン位置を示している。しかし、図の底部に沿つて
表示した角度は、実際値の半分の数値になつてい
る、その理由はクランクシヤフトは１完全サイク
ルに対して、720゜回転するか、完全２回転するた
めである。言いかえると、サイクルの吸気、圧
縮、動力、および排気部分に対して、それぞれ
180゜のクランクシヤフトの回転が必要になる。実
線４１は、シヤフト１１とカム１２が360゜回転し
た時のピストンの位置を示している。図示の実施
例においては、シヤフト１１とカム１２は、吸気
行程においては120゜回転し、動力行程においては
120゜回転し、最後に排気行程においては60゜回転
する。動力行程時には、ピストンは最初非常に小
さい移動を行ない、圧力の上昇を行なわせて、そ
の圧力が行程の後半部分にわたつて解放される。
動力行程に対する実際の曲線は、エンジンに対し
て所望の作動特性をもたらすように選択される。

カム１２の形状を設計する場合、その第１段階
は往復ピストン１６の所望移動量を決定すること
である。この選定された移動量から、大径部の半
直径Ａと小径部分の半直径Ｂが選定される。カム
１２の回転角度に対するピストンの所望位置を表
わす幾つかの点、たとえば点４２〜４４を第３図
のグラフの実線４１上にマークしてある。これら
の点４２〜４４はサイクルの一部分、たとえば図
示の動力サイクル部分に対してのカム形状４５を
創生するために利用される。実際のカム輪郭４６
はローラ１８および３１〜３４の半径を許容し
て、カム形状４５から形成される。言いかえる
と、カム輪郭４６はカム形状４５に対応するが、
ローラ１８および３１〜３４の半径分だけ小さく
形成されている。

リンク２５〜３０は、均一長さに構成されると
共に、通常は回転中心３５の回りに60゜隔置され
た大径部半直径Ａおよび小半直径Ｂを相互に連結
する直線に等しい。たとえば第２図におけるリン
ク３０はその点を示しており、リンク３０の両端
はそれぞれ、カム１２の大径部半直径の値の半径
Ａを有し、回転中心３５の回りに形成された円弧
上と、カム１２の小径部の半直径の値の半径Ｂを
有する円弧上に載置されている。

動力行程に対するカム輪郭４６を確定してか
ら、吸気行程部分を好ましくは同一に確定して、
カムのこの部分の各直径が、回転中心３５に一致
する中間点を有するようにする。サイクルの圧縮
および排気部分は、カム１２が回転し、かつロー
ラ１８，３１および３３がカム１２の動力および
吸気曲線上を移動する際、ローラ３２，３４によ
り創生される。このようにして、エンジンの圧縮
および排気サイクル部分に対するカム輪郭を創生
することにより、カム１２が360゜回転する時、ロ
ーラ１８，３１〜３４はすべてカム２１に接触し
た状態に維持される。

最初冷却状態のエンジンを始動し、その正常運
転温度に達しない場合、カム１２およびリンク２
５〜３０は短時間にわたり熱応力を受けることに
なり、それによりカム１２および／またはリンク
２５〜３０に、一時的に不均一な熱膨張が生じ
る。所望により、すべてのリンク、または二つの
対向リンク、たとえばリンク２６および２９を膨
張自在なリンク、たとえば第４図に示すリンク５
０に代えることができる。リンク５０の端部５１
はピボツトピン５２により、ローラ５３および隣
接リンク５４に連結されており、また第２端部５
５はピボツトピン５６により、ローラ５７および
隣接リンク５８に連結されている。リンク５０に
はスプリング材料から形成されている二つの凸状
側部５９，６０が形成されている。リンク５０を
伸長させようとする力がピン５１，５６に作用す
ると、凸状側部５９，６０は矢印に示されるよう
に相互方向に移動し、ローラ５３，５７を離間さ
す方向に少し移動させる。したがつて、リンク５
０は、エンジンの初期暖機運転時の不均一熱膨張
状態においても、ローラをカム１２に接触した状
態に維持する。膨張自在なリンク、たとえばリン
ク５０は、エンジンの長期使用によりカムおよび
ローラが摩耗した際、たるみを吸収するためにも
利用できる。

前述のように、６本のリンクはカムの回転中心
の回りの60゜の扇形部分における大径部半直径お
よび小径部半直径により形成される円弧間に延び
るように選定配置されている。カム輪郭はエンジ
ンの作動サイクルの一部分、たとえば動力部分に
対して選定され、そして前記輪郭はサイクルの次
の部分、たとえば排気部分に対して、ローラによ
り創生される。この創生された円弧は、リンク２
５〜３０の長さを少し、同等調整することによ
り、いくらか修正できる。各場合において、創生
されたサイクル部分は、ローラがカム面に接触維
持されるように、選定される。初期設計における
カム寸法の確定においては、行程すなわち大径部
半直径と小半直径との間の差は、リンクの長さを
短縮しない限り、通常は小径部半直径を越えるこ
とはできない。行程が小径部半直径を越え、リン
クが短縮されない場合は、二つの隣接し合うリン
クはサイクル中のある時点において直線に近くな
り、不安定状態を生じる結果、カムとの接触状態
からはずれる方向に移動することになる。場合に
よつては、行程は小径部半直径に等しく選定され
ることがある。リンクの長さを少し減少させてカ
ム形状の創生部分を修正することにより、不安定
状態は除去できる。

前述のエンジン１０は従来の往復ピストン型エ
ンジンに優る幾つかの利点を有している。吸気行
程の期間を増大することにより、吸気のための時
間割合が大きくなることにより、容積効率が増大
する。作動または動力行程の期間を増大すること
により、作動圧力はシヤフトの一層広範囲の回転
角度にわたつて解放され、かつ高圧が動力行程の
大部分にわたつて維持される。さらに、ピストン
に作用する圧力が最高の時は、ピストン速度およ
びピストンリング用シールの速度は最小である。
最後に、このエンジンは、エンジンの作動サイク
ルの部分において、ピストンの所望移動量を変更
し選定することができるように設定することがで
きる。クランクシヤフトを備える型式のエンジン
に優る別の利点としては、エンジン１０のシヤフ
トが通常のエンジンシヤフトの正常速度の半分で
あり、したがつてエンジンにおける摩耗が減少す
ることである。

この発明の範囲内において、種々の修正および
変更が前述のエンジンに対してなし得ることは明
らかであろう。たとえば、この発明は４サイクル
エンジンに具体化した状態で説明してきたが、こ
の発明は２サイクルエンジンにも；同様に適用で
きる。エンジン１０は、吸気および動力行程に対
しては、120゜のシヤフト回転角度を有し、また圧
縮および排気行程に対しては、60゜のシヤフト回
転角度を有することを説明した。しかしカムは別
のシヤフト回転角度になるように修正することが
でき、たとえば吸気および動力行程に対して
115゜、また圧縮および排気行程に対して65°にす
ることができる。一般に、吸気および動力行程に
対しては、約135゜のシヤフト回転角度を越えるこ
とは望ましくないと見られている。しかし、この
発明においては、動力行程は90゜を越えるシヤフ
ト回転角度を有して、従来のクランクシヤフト型
エンジンより、効率を高めることができる。

エンジン１０はピストン１６を移動するにあた
り、単一のカムを備えているものとして説明され
ている。明らかなように、この種のカムの回りに
複数ピストン、たとえば３本のピストンまたは６
本のピストンを配置することができ、そのピスト
ンを駆動するために複数のカムをシヤフト１１に
取付けることができる。さらに、単一カム１２を
シヤフト１１に沿つて隔置された三つのカムに置
き換えることができ、その場合には二つの外側の
カムは同一にすると共に、シヤフト１１にキー止
めし、また内側に設けられたカムを反対方向にギ
ア駆動して、三つのカムがピストン１６を往復動
させるべく、同時にピストンローラ１８に係合す
るようにする。このように構成することにより、
ピストン１６またはその接続ロツドに対して、横
方向負荷は何ら作用しない。リンクに関連する限
りは、この発明のエンジンでは；ローラとカムの
間に適切な接触関係を維持するために少なくとも
六つのリンクが必要である。所望により、多数の
リンクを設けることができる。しかし、六つを越
えるリンクが利用する場合には、隣接し合うリン
クがカムの回転時に不安定直線状態で接近するこ
とを防止するため、エンジンの行程を減少させる
か、または小直径部を増大させなければならな
い。

この発明の範囲内において、別の種々の修正お
よび変更が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の往復ピストン型内燃エンジ
ンの断面図、第２図は往復運動を回転運動に変換
するためのカム輪郭、リンクおよびローラを示
す、この発明の一実施例における内燃エンジンの
部分的概略図、第３図はこの発明のエンジンの例
示サイクルを示すグラフ、第４図はこの発明のエ
ンジンに利用する膨張リンクの側立面図である。 １０……エンジン、１１……駆動シヤフト、１
２……カム、１５……シリンダ、１６……ピスト
ン、１８，３１〜３４……ローラ、２５〜３０…
…リンク、Ａ……大径部、Ｂ……小径部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転駆動シヤフトと、該駆動シヤフトから半
   径方向に延びた少なくとも一つのシリンダと、該
   シリンダ内で往復運動するピストンとを有する往
   復型エンジンにおいて、 該駆動シヤフトに取りつけられ、最大径部と最
   小径部を有する周辺カム面を備え、該最大径部の
   直径と最小径部の直径が前記駆動シヤフトの回転
   軸線上で交差しているカムと、 前記のカム面に接触し間隔を置いて配置された
   少なくとも６個のカム従動子であつて、前記カム
   従動子の内の少なくとも４個のものは前記カムと
   回転シヤフトが回転するときに前記回転軸線から
   間隔を置きかつ閉じた巡回環状路内を移動するこ
   と、 ほぼ等しい長さの少なくとも６個のリンクであ
   つて、前記リンクの各一つは前記カムの回りの隣
   接する二つのカム従動子の間で延びており、前記
   リンクは前記カムと駆動シヤフトが回転するとき
   に前記カム従動子が前記カムのカム面との接触を
   維持すること、および 前記ピストンを前記カム従動子の一つに連結す
   るための手段であつて、前記カムが回転し、前記
   一つのカム従動子が前記ピストンと上記駆動シヤ
   フトの半径方向の直線路内を移動するときに該ピ
   ストンが往復運動すること、 からなり、前記カムの最大径部および最小径部が
   90度以外の角度だけ互いに変位しており、排気行
   程及び圧縮行程において90度より小さい駆動シヤ
   フトの回転範囲にわたつてピストン駆動シヤフト
   から外方向に移動し、吸気行程及び動力行程にお
   いて90度より大きい駆動シヤフトの回転範囲にわ
   たつてピストンが駆動シヤフトから内方向に移動
   し、これによつてピストンの内方向の移動時間が
   ピストンの外方向の移動時間より長いことを特徴
   とする往復ピストン型エンジン。 ２ 前記ピストンが、前記回転シヤフトの回転中
   に吸気行程、圧縮行程、動力行程および排気行程
   を前記駆動シヤフトの回転中に順次移動し、前記
   カムが、吸気行程および動力行程について同一の
   カム面を有し、該カムの90度より大きく135度以
   下の角度にわたつて延びており、さらに前記カム
   の圧縮行程および排気行程について同一のカム面
   を有し、前記カムの90度より小さい角度にわたつ
   て延びている特許請求の範囲第１項に記載の往復
   ピストン型エンジン。