JP2013520612A

JP2013520612A - クランク構造の動力伝達装置

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Publication number: JP2013520612A
Application number: JP2012554893A
Authority: JP
Inventors: ヨンヒイ
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-25
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2013-06-06
Also published as: KR101126316B1; US8739759B2; CN102713201B; KR20110097198A; WO2011105707A2; US20120318087A1; CN102713201A; WO2011105707A3

Abstract

内燃機関のクランクアームを楕円形歯車３で代替し、同じ大きさで同じ形態の楕円形歯車４に噛み合って回転するように組み立て、噛み合った楕円形歯車３、４の回転中心５、７から動力伝達地点６までの距離が動力伝達方向に応じて交互に変更されるように、楕円形の中心点８、９から楕円の長軸に沿って一定距離だけ移動した位置が楕円形歯車３、４の回転中心５、７となるようにすることにより、同じ大きさのピストン爆発行程でより大きな回転力を発生させ、圧縮及び排気行程に必要な動力をより小さな回転力から発生させ、同一排気量の内燃機関からより大きな回転力を発生させて加速力及び登板能力を改善し、損失動力を減らしてより大きな有効出力（実馬力）を発生させる、内燃機関の改善された動力伝達構造の発明に関する。

Description

本発明は、ピストン往復運動をクランク軸の回転運動に変換して駆動力を発生させる内燃機関の動力伝達構造を改善し、同一排気量の内燃機関においてより大きな回転力（Torque）を発生させて加速及び登板能力を向上させ、より大きな有効出力（実馬力）を発生させることにより、内燃機関の燃費を改善できる動力伝達構造に関する。

内燃機関とは、吸気、圧縮、爆発、排気の４行程を順次繰り返してピストンが往復運動し、ピストンとクランクアームをコネクティングロッドに連結してピストンの往復運動をクランク軸の回転運動に変換して回転力を発生する装置であるが、内燃機関の行程のうち爆発行程で発生する動力のみが回転力を発生し、爆発行程を除く残りの行程（吸気，圧縮，排気）は他のピストンの爆発行程で発生する回転力やフライホイールの回転慣性により動力が伝達されて行程が進む。

従って、内燃機関においては、爆発行程ではエンジン出力に必要な動力が発生するが、爆発行程を除く残りの行程（吸気，圧縮，排気）ではむしろ他のピストンから発生する動力を消費することになる。

すなわち、内燃機関の爆発行程ではピストンの動力がクランク軸の回転力に変換されるように動力が伝達されるが、爆発行程を除く残りの行程（吸気，圧縮，排気）ではクランク軸の回転力がピストンの行程進行に必要な動力に変換されるように動力伝達方向が変わる。

ガソリンエンジンの場合、爆発行程で発生するエネルギーの２５〜３０％のみエンジン出力の発生に有効な動力に変換され、残りの７０〜７５％のエネルギーは損失してしまう。
そこで、本発明は、内燃機関の爆発行程で発生するピストン動力はより大きな回転力に変換される一方、動力伝達方向が変わる圧縮行程・排気行程に必要な動力はより小さな回転力から変換されるように動力伝達構造を改善することで、内燃機関が発生する回転力を向上させて加速力及び登板能力を改善し、有効出力（実馬力）の発生を向上させ、その結果として内燃機関の燃料消費量に対する有効出力を発生させること、すなわち燃費の改善を目的とする。

内燃機関のクランクアームを図２に示す楕円形歯車３で代替することで、同じ大きさの楕円形歯車４に噛合って回転するように組立て、それぞれの楕円形歯車は回転中心５、７から動力伝達地点６までの距離が動力の伝達方向に応じて交互に変更されるように、図２に示す楕円の中心点８、９から楕円の長軸に沿って一定距離だけ移動した位置が楕円形歯車３、４の回転中心５、７となるように組立てる。

よって、内燃機関の爆発行程においてピストンが上死点から下死点へと動く間は、クランクアームを代替する楕円形歯車３の回転中心５から動力が伝達される地点６までの距離は短くなるようにし、これに噛合って回転する楕円形歯車４の回転中心７から動力が伝達される地点６までの距離は長くなるようにする。これにより、ピストン動力がより大きな回転力に変換されるようにする。
また、内燃機関の吸気行程又は排気行程でピストンが下死点から上死点へと動く間は、クランクアームを代替する楕円形歯車３の回転中心５から動力が伝達される地点６までの距離は長くなるようにし、これに噛合って回転する楕円形歯車４の回転中心７から動力を伝達する地点６までの距離は短くなるようにする。これにより、ピストン行程に必要な動力がより小さな回転力から発生するようにする。

ここで、クランク軸はピストンの運動位置に応じて異なる速度で回転するので、クランクアームを代替する楕円形歯車３はピストン毎に分離してそれぞれ異なる速度で回転できる構造で固定し、クランクアームを代替する楕円形歯車３に噛合って回転する楕円形歯車４は回転軸と共に同じ速度で一体に回転するように一体化して組み立てる。

ピストン動力から変換されるクランク軸の回転力が同一であるとすれば、改善された動力伝達構造により楕円形歯車４に発生する最大回転力は、ピストン行程が図２の状態にあるときに生じる。しかし、クランクアームを代替する楕円形歯車３の回転中心点５から動力を伝達する地点６までの距離と、噛合って回転する楕円形歯車４の回転中心点７から動力が伝達される地点６まで距離との比率に応じて、伝達される回転力の大きさは変化する。

例えば、８気筒内燃機関に対して、改善された動力伝達構造を適用した場合（図３・図４を参照。）について計算する。このとき、クランクアームを代替する楕円形歯車３の回転中心点５から動力を伝達する地点６までの距離と、噛合って回転する楕円形歯車４の回転中心点から動力が伝達される地点６までの距離との比率は、「１：２．４１４２１６５」になる。

また、図２に示すように、クランクアームを代替する楕円形歯車３の楕円長軸に沿って、回転中心点５から出来るだけ遠い地点をコネクティングロッドの下端部結合地点１０とすればよいが、このとき、クランクアームを代替する楕円形歯車３の回転中心点５から動力を伝達する地点６までの距離と、回転中心点５からコネクティングロッドの下端部地点１０までの距離との比率は「１．９０２０８４」になる。

従って、改善された内燃機関の爆発行程で発生する最大回転力は、従来の内燃機関の爆発行程で発生する最大回転力の２．４１４２１６５倍（１．９０２０８４Ｆ×１．２６９２４８１Ｌ）の大きさとなる。

ところが、４気筒以上の内燃機関においては、爆発行程による回転力の発生周期がクランク軸の７２０度の回転の間均一となるようにピストン行程周期を調整される。
そのため、従来の８気筒内燃機関の爆発行程で発生する最大回転力は、２つのピストンで同時に爆発行程で発生することに鑑みると、１つのピストン動力から変換される最大回転力の２倍になると推論することができる。

よって、動力伝達構造が改善された８気筒内燃機関の爆発行程で発生する最大回転力は、従来の８気筒内燃機関の爆発行程で発生する最大回転力の１．２０７１０８２５倍（２．４１４２１６５÷２）であると推論することができる。

従って、改善された動力伝達構造の８気筒内燃機関はより大きな最大回転力を発生させることができ、より大きな最大回転力が発生するということは加速力及び登板能力の改善に必然的につながる。
そのため、内燃機関の爆発行程で発生するエネルギーからより大きな回転力を発生させる改善効果、及び、圧縮及び排気行程に必要なピストン動力をより小さな回転力から発生させてそれだけ損失動力を少なくする改善効果により、大きな有効出力（実馬力）を発生させることが可能となる。

改善された動力伝達構造の作動概要図である。内燃機関の行程進行によるピストンの上下運動状態とピストンの位置に応じて楕円形歯車が噛合って３６０°回転する過程を回転角度４５°毎に作成した改善された動力伝達構造の作動概要図である。改善された動力伝達構造の楕円形歯車の組立図である。内燃機関の動力発生及び伝達方向に応じて回転力（Torque）発生率を最大化するための２つの楕円形歯車とコネクティングロッドの下端部の組立方法を示す図であり、ピストンが上下運動範囲の中央に位置するときにクランクアームを代替する楕円形歯車３に噛合って回転する楕円形歯車４の楕円長軸とコネクティングロッドの下端部結合地点が一直線上にあるように組立てなければならない。楕円形歯車の回転中心の決定方法を説明するための図である。楕円の長軸に沿って位置を移動させ、円周長−１０と円周長−１１が一致する回転中心点５、７を決定する。楕円形歯車の形態決定方法を説明するための図である。それぞれの楕円形の中心点８、９を結ぶ直線と回転中心点５、７を結ぶ直線の交差点で楕円形歯車３、４の２つの楕円が接するように楕円の短軸長を決定すると、２つの楕円形歯車３、４が円滑に噛合って回転することができる。従来の内燃機関及び改善された８気筒内燃機関の回転力の発生周期図である。８気筒内燃機関の爆発行程で発生する回転力の大きさを従来のエンジンのピストン別、８気筒の従来のエンジン、改善された動力伝達構造にそれぞれ区分して行程周期毎に示すグラフである。

内燃機関のピストンに連結されたコネクティングロッドと結合されてクランク軸を回転させるクランクアームを楕円形歯車３で代替し、同じ大きさで同一形状の他の楕円形歯車４に噛合って回転できるように組立てる。
この組立は、図２のように、ピストンが上下運動範囲の中央に位置するときに楕円形歯車３、４のそれぞれの楕円長軸が水平に一直線を成し、楕円の向きが同一方向となるようにする。

また、クランクアームを代替する楕円形歯車３は、それぞれ異なる速度で回転できるようにクランク軸をピストン毎に分離して回転できる構造で固定しなければならず、これに噛合って回転する他の楕円形歯車４は、全てが同じ速度で回転するように回転軸と一体化し、この回転軸の回転力が内燃機関の有効出力（実馬力）となるようにする。

上記の動力伝達構造においては、ピストンが上死点から下死点まで運動する間にクランク軸は１８０°回転するものの、一方、クランク軸の回転力が伝達される被動歯車４は１８０°よりも小さく回転することになる。そのため、内燃機関の爆発行程における動力発生の連続性を維持するには、少なくとも５つのピストンで内燃機関を構成する必要がある。

従って、内燃機関を構成するピストン数に応じて、クランク軸と駆動歯車３が１８０°回転する間の被動歯車４の最小回転角度（７２０°／ピストン構成数）が定まり、さらに、このように決定された被動歯車４の最小回転角度に応じて楕円形の中心８、９から歯車の回転中心５、７までの偏心距離が決定される。
そのため、図３及び図４に示す方法により、２つの楕円形歯車３、４が偏心の回転中心５、７を軸として円滑に噛合って回転できるように楕円の長軸と短軸の長さの比率を決定し、楕円形歯車３、４の形状を決定すればよい。

内燃機関のピストンに連結されたコネクティングロッドと結合されクランク軸を回転させるクランクアームを楕円形歯車３で代替し、同じ大きさで同一形状の他の楕円形歯車４に噛合って回転できるように組立てる。
なお、図２のように、楕円形歯車３、４の組立は、それぞれの楕円形歯車３、４が楕円の中心から楕円の長軸に沿って一定の距離だけ移動した偏心軸を中心に噛合って回転することにより動力を伝達できるようにすると共に、ピストンが上下運動範囲の中央に位置するときにそれぞれの楕円形長軸が水平に一直線を成し、楕円の向きが同一方向となるようにする。

また、クランク軸に結合されている楕円形歯車３はそれぞれ異なる速度で回転できるようにクランク軸をピストン毎に分離して回転できる構造で固定しなければならない。
また、これに噛合って回転する他の楕円形歯車４は、全てが同じ速度で回転するように回転軸と一体化し、この回転軸の回転力が内燃機関の有効出力（実馬力）となるようにする。

８気筒内燃機関の改善された動力伝達構造においては、クランク軸及び駆動歯車３が１８０°回転する間の動力が伝達される被動歯車４の最小回転角度は、７２０°の１／８である９０°以上とならなければならない。
そのため、楕円形の中心８、９から楕円長軸長の０．２０７１０６８倍の距離だけ楕円長軸に沿って移動し、図３の円周長−１０と円周長−１１とが同一となる地点を楕円形歯車の回転中心５、７として定め、また図４に示す方法により、楕円形歯車の中心８、９を結ぶ直線と、回転中心５、７を結ぶ直線とが交差する点で楕円の円周が接するように、楕円形の短軸長を決定すればよい。
しかし、図４に示す方法により楕円形の短軸長が調整されると、図３に示す方法による回転中心の偏心距離を再調整しなければならなくなる。
そこで、図３・図４に示す方法を交互に適用して、楕円形歯車の短軸長を決定する。８気筒内燃機関の改善された動力伝達構造に適用するための楕円形歯車は、短軸と長軸の長さの比率が「１：１．０９８６８３９５０５１」となるように形状を決定すればよい。

自動車や船舶用のエンジンに適用すると、燃費や有効出力を改善することができ、産業用発電機などの内燃機関を動力発生器として適用する産業用機械に適用しても出力や燃費を改善することができる。

１ピストン
２コネクティングロッド
３楕円形歯車（クランクアームを代替）
４楕円形歯車（被動歯車）
５楕円形歯車３の回転中心
６楕円形歯車の動力伝達接点
７楕円形歯車４の回転中心
８楕円形歯車３の楕円形の中心
９楕円形歯車４の楕円形の中心
１０楕円形歯車３とコネクティングロッドの結合接点

Claims

４サイクル内燃機関の動力伝達構造のうちクランクアームを楕円形歯車で代替することと、
クランクアームを代替する楕円形歯車が他の楕円形歯車に噛み合って回転するように組み立てて動力を伝達することと、
を特徴とする４サイクル内燃機関の動力伝達構造の改善。