JP4031857B2 - 内燃機関直結型ポンプ及びクランク装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関を利用したポンプ装置及び内燃機関のクランク装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関を動力源とするポンプ装置は、例えば、レシプロガソリンエンジンの直線往復運動からコンロッド、クランク装置を介して回転運動を取出し、この回転運動から再び直線運動を得るなどしてポンプ装置を駆動させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成のポンプ装置は、直線往復運動から回転運動を取出す点や、クランク装置等が内燃機関におけるシリンダとピストンとの摩擦損失（ピストンスラップ等）が生じる点において、動力伝達効率に改良の余地があるがある。
【０００４】
そこで、本発明は、従来のポンプ装置における上記のような問題点を解決することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明のポンプ装置は、一端部に原動側内燃機関の燃焼室が形成されると共に、他端部に従動側ポンプの圧力室が形成されたシリンダと、シリンダ内に往復動可能に配設されたピストンと、ピストンの中間部に形成され、かつ、シリンダの側壁に臨んで開口した横孔と、横孔内においてピストンの軸線方向に対向する一対の平行壁面から成る第１ガイド部と、第１ガイド部によって摺動自在に挟まれた第１摺動子と、ピストンの往復動中立位置を含む前記シリンダの側壁に形成された開口部と、ピストンの往復動中立位置での第１摺動子を通過し、かつ、シリンダの軸線と垂直をなす直線を挟んで、第１ガイド部の平行壁面と平行をなすようにシリンダの外側に配設された一対の平行壁面から成る第２ガイド部と、第２ガイド部によって摺動自在に挟まれた第２摺動子と、シリンダの開口部を貫通してシリンダの内外に延在し、シリンダ内側の内端部が第１摺動子に枢着されると共に、シリンダ外側の外端が第２摺動子に枢着された揺動アームと、揺動アームの中間部に突設されたクランクピンと、クランクピンにクランクアームを介して連結され、揺動アームの揺動により回転される回転軸と、回転軸に取付けられたフライホイールとを有する内燃機関直結型ポンプである。
【０００６】
また、上述の構成において、回転軸、及びフライホイールから回転動力を抽出する内燃機関のクランク装置を構成すれば、内燃機関の直線往復運動から効率よく回転動力を抽出することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第一実施形態について図面に基づき説明する。
【０００８】
本発明のポンプ装置は、図１に示すように、中空のＴ字形状のハウジングＨ内に、シリンダ部Ｈ１と、クランクケース部Ｈ２とが設けられている。
【０００９】
シリンダ部Ｈ１は、Ｔ字状ハウジングＨの水平領域に形成され、シリンダ１と、シリンダ１内に往復動可能に配設されるピストン２とを有する。クランクケース部Ｈ２は、Ｔ字状ハウジングＨの垂直領域に形成され、ピストン２と連設されるクランク装置３を有する。
【００１０】
シリンダ１は、シリンダ部Ｈ１に水平に内挿配置された略円筒状の部材である。シリンダ１の側壁１ａは、ピストン２の往復運動中立位置ｃを含む下側に開口した開口部１ｂを有している。このシリンダ１の開口部１ｂはＴ字状ハウジングＨのクランクケース部Ｈ２と連通する。ここで、シリンダ１を水平に配設しているのは、シリンダ１に内装されるピストン２がシリンダ内を往復直線運動する際に、ピストン２の自重によって、エネルギ損失が生じるのを抑えるためである。
【００１１】
ピストン２は、両側にピストンヘッドを有した２連ピストンであり、シリンダ１とピストン２とが形成する一端側の領域に、原動側内燃機関Ｏの燃焼室Ａが形成され、他端側の領域に、従動側ポンプＰの圧力室Ｂが形成される。ピストン２の中間部には、上述のシリンダ１の開口部１ｂに臨んで開口した横孔２ａが形成される。この横孔２ａ内には、シリンダ１の軸線ｄ方向に対向する一対の平行壁面で構成される第１ガイド部２ｂが形成される。第１ガイド部２ｂは、ガイド部２ｂ内に上下方向に摺動可能に保持されるローラ状の第１摺動子２ｃを有している。
【００１２】
クランクケース部Ｈ２の下端部には、ピストン２の往復運動中立位置ｃでの第１摺動子２ｃを通過し、かつ、シリンダ１の軸線ｄと垂直を為す直線ｃ１を挟んで、第１ガイド部２ｂの平行壁面と平行をなすように配設された一対の平行壁面から成る第２ガイド部２ｅが形成される。第２ガイド部２ｅは、ガイド部２ｅ内に上下方向に摺動可能に保持されるローラ状の第２摺動子２ｆを有している。
【００１３】
各ガイド部（２ｂ、２ｅ）の平行間隔は、各摺動子（２ｃ、２ｆ）の転動が容易なものとなるように、摺動子（２ｃ、２ｆ）の直径より大きな間隔を有する。
【００１４】
本実施形態においてクランク装置３は、クランクケース部Ｈ２内にフライホイール４、回転軸５、クランクピン６、図示されないクランクアーム（図２参照：７）、及び、揺動アーム８を有している。
【００１５】
フライホイール４は、回転軸５の一端において、回転軸５と一体に構成された円盤状の部材で、回転軸５の回転力（慣性力）を保持し、回転軸５の回転を円滑にするものである。回転軸５は両端がハウジングＨによって回転自在に支持されたもので、揺動アーム８との係合部にクランクアームが一体的に構成されたものである。クランクアームは回転軸５から垂直に突出した部材で、その先端部にクランクピン６を取付ける取付け部を有する。揺動アーム８は、シリンダ１の開口部１ｂを貫通して、シリンダ部Ｈ１の第１ガイド部２ｂから、クランクケース部Ｈ２の第２ガイド部２ｅに至る棒状の部材である。揺動アーム８の第１ガイド部２ｂにおける内端部８ａは、第１摺動子２ｃの中心に枢着され、揺動アーム８の第２ガイド部２ｅにおける外端部８ｂは、第２摺動子２ｆの中心に枢着される。揺動アーム８の中間部８ｃはクランクピン６が突設される。クランクピン６は、クランクアームの先端部の取付け部に回動可能に枢着される。
【００１６】
シリンダ１の一端側に設けられる内燃機関Ｏは、本実施形態において通常の４サイクルエンジンに使用されるものと同様の構成を有したものが用いられる。
【００１７】
４サイクルエンジンは、燃焼室Ａに吸入管２１、吸入バルブ２２、点火プラグ２３、排気管２４、排気バルブ２５を有している。吸入バルブ２２、排気バルブ２５には、開閉期をピストン２の移動に連動させるために、それぞれカム機構（２６、２７）が配されている。
【００１８】
この４サイクルエンジンは、ピストン２が燃焼室Ａ側から圧縮室Ｂ側に移動する際に吸入バルブ２２を開き、燃焼室Ａに生じる負圧によって、吸入管２１からガソリンと空気の混合ガスを燃焼室Ａ内に吸入する吸気行程と、ピストン２が圧縮室Ｂ側から燃焼室Ａ側に移動する際に燃焼室Ａの混合ガスを押込む圧縮行程と、ピストン２が最も燃焼室Ａ側に移動した際に点火プラグ２３から火花を飛ばすことによって、圧縮された混合ガスを爆発、膨張させてピストン２を圧縮室Ｂ側に押込む爆発行程と、ピストン２が爆発行程によって、最も圧縮室Ｂ側に移動したときに排気バルブ２５を開いて燃焼室Ａ内の廃ガスを排気管２４に押出す排気行程との４行程から成る。
【００１９】
本実施形態では、シリンダ１の他端側に設けられるポンプ装置Ｐは、いわゆるコンプレッサ（圧縮機）を構成している。
【００２０】
このポンプ装置Ｐは、圧縮室Ｂの一端に、吸気管９と排気管１０とが取付けられており、吸気管９と排気管１０に吸気弁１１と排気弁１２とが備えられたものである。
【００２１】
吸気弁１１は、ポンプ装置Ｐの吸気管９と圧縮室Ｂとの間に配設されるものであって、シリンダ１の内側に設けられる弁部１１ａと、弁部１１ａからシリンダ１の外側方向に突出した端部１１ｂとを有する。吸気弁１１の端部１１ｂには、吸気弁１１を閉鎖方向に付勢するようにばね１４が配設されている。そして、ピストン２の動きに連動してポンプ装置Ｐの吸気を確実に行わせるカム機構１５が、吸気弁１１の端部１１ｂに当接するように形成されている。吸気弁１１は、内燃機関の爆発行程の際にばね１４の付勢によって閉じられ、他の行程ではカム機構１５の作用によって強制的に開かれる。
【００２２】
排気弁１２は、ポンプ装置Ｐの排気管１０と圧縮室Ｂとの間に配設されるものであって、シリンダ１の外側に設けられる弁部１２ａと、弁部１２ａからシリンダ１の外側方向に突出した端部１２ｂとで構成される。排気弁１２の端部１２ｂは排気弁１２を閉鎖方向に付勢するようにばね１６が配設されている。従って、排気弁１２は、圧縮室Ｂ内の空気圧がばね１６の付勢圧力を超えたときに開かれ、所定圧力の空気を排気管１０に送り出すものである。
【００２３】
以下、本実施形態のポンプ装置Ｐの作動を説明する。
【００２４】
上記ポンプ装置Ｐは、内燃機関Ｏの吸気行程、圧縮行程、排気行程において、吸気弁１１が開かれ、内燃機関Ｏの爆発行程において吸気弁１１が閉じられる。内燃機関Ｏの吸気行程、圧縮行程、排気行程においては、ピストン２が圧縮室Ｂ側から燃焼室Ａ側に移動することによって、空気が吸気管９から圧縮室Ｂの内部に吸込まれる。圧縮室Ｂに吸込まれた空気は、内燃機関Ｏの爆発行程においてピストン２が燃焼室Ａ側から圧縮室Ｂ側に移動するときに、吸気弁１１が閉じられていることにより圧縮される。そして、圧縮室Ｂ内の空気が所定の圧力となったときに排気弁１２が押開かれ、圧縮空気が排気管１０に排出される。
【００２５】
すなわち、内燃機関Ｏの吸気→圧縮→爆発→排気の４行程において、ポンプ装置Ｐは、吸気→吸気→排気→吸気の行程を行う。
【００２６】
上述のように本実施形態におけるポンプ装置Ｐは、内燃機関Ｏの動力をそのままポンプ装置Ｐの動力とすることができるので、従来のポンプ装置に比べて、動力伝達効率を良くすることができる。
【００２７】
次に、クランク装置３の作用について説明する。
【００２８】
図２は、本実施形態において、それぞれ揺動アーム８に枢着された第１摺動子２ｃの軌跡ｓ、回転軸５に一体形成されクランクアーム７に枢着されたクランクピン６の軌跡ｔ、第２摺動子２ｆの軌跡ｕを示す。なお、図２中の２重下線の付された同数字の符号は、それぞれの同期での位置を示す。
【００２９】
本実施形態におけるクランク装置３は、ピストン２の移動（内燃機関Ｏの作動）によって、第１摺動子２ｃ、揺動アーム８、クランクピン６、第２摺動子２ｆがそれぞれ移動する。第１摺動子２ｃは、揺動アーム８によって動きが規制されつつ、ピストン２の第１ガイド部２ｂ内を上下に摺動し、かつ、ピストン２の動きに伴ってが水平方向に移動する。第１摺動子２ｃの動きを決定付ける揺動アーム８は、中間部８ｃにクランクピン６が突設され、外端部８ｂが第２摺動子２ｆに枢着される。クランクピン６は、回転軸５の軸心ｅから所定量ｒ離れたクランクアーム７の取付け部に回動自在に枢着されているので、回転軸５の軸心ｅを回転中心とし、かつ、回転軸５との偏心量ｒを回転半径として回転軌跡ｔを描く。そして、第２摺動子２ｆは、揺動アームに動きが規制されてクランクピン６の回転運動に合せて、クランクケース部Ｈ２の第２ガイド部２ｅ内を上下に往復する軌跡ｕを描く。このため、揺動アーム８は、中間部８ｃの回転に合せて外端部８ｂが上下動して揺動するので、揺動アーム８の内端部８ａに位置する第１摺動子２ｃが楕円軌跡ｓを描きつつ移動する。
【００３０】
本実施形態におけるクランク装置３において、第１摺動子２ｃは、ローラ状の部材でピストン２と係合する。第１摺動子２ｃの位置は、ピストン２のガイド部２ｂを転動しながらシリンダ１の軸線ｄに対して直交する方向で変化する。このとき、第１摺動子２ｃを押圧するガイド部２ｂの壁面がシリンダ１の軸線ｄと垂直に形成されているので、ピストン２が第１摺動子２ｃを押圧する際にピストン２にかかる反力は、シリンダ１の軸線ｄ方向にかかるようになり、ピストン２に対してシリンダ１の軸線ｄと直交する方向への反力の作用が低減する。このため、特に、内燃機関Ｏの爆発行程においてシリンダ１の側壁１ａにかかっていたピストン２の側圧（サイドスラスト）を低減させることができ、摩擦損失（ピストンスラップ）も低減させることができる。
【００３１】
本発明は上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。上記の実施形態は、内燃機関Ｏとして、４サイクルエンジンと同様の構成のものを用いているが、内燃機関としては、ディーゼルエンジンや、２サイクルエンジンなど、４サイクル以外のものを適用することができる。また、採用する内燃機関の構成、ポンプ装置Ｐの出力、及び、装置の大きさ等に応じて種々の設計変更を行うものである。また、上記実施形態では、ポンプ装置Ｐは空気を吸気して圧縮空気として送り出すコンプレッサを構成しているが、ある閉鎖領域から内部の空気を吸出し外部に排出する真空ポンプとして用いることもできる。また、上記実施形態ではポンプ装置Ｐによって圧縮空気を排出するが、空気以外の気体、液体等の種々の流体に適用できる。
【００３２】
本発明は、上述のように、内燃機関を動力源とするポンプの動力伝達効率の向上を主目的としたものであるが、本発明のクランク装置は揺動アームが揺動する際に回転軸、及び、フライホイールを廻すので、そこから、従来のエンジン機構と同様、回転動力を抽出することが可能である。
【００３３】
以下、本発明を応用したエンジンのクランク装置にかかる実施形態を図３に示す。なお、図３中において図１と同じ符号で示す部材は、図１の部材と同様のものである。
【００３４】
本実施形態は、ハウジングＫ内に、シリンダ部Ｋ１と、クランクケース部Ｋ２とが設けられている。ハウジングＫは、図１に示すＴ字状ハウジングＨのポンプＰ側を切取った形状を有する。シリンダ部Ｋ１は、ハウジングＫの上部水平領域に形成され、シリンダ３１と、シリンダ３１内に往復動可能に配設されるピストン３２とを有する。クランクケース部Ｋ２は、ハウジングＫの垂直領域に形成され、ピストン２と連設されるクランク装置３を有する。
【００３５】
シリンダ３１は、シリンダ部Ｋ１に水平に内挿配置された略円筒状の部材である。シリンダ３１の側壁３１ａは、ピストン３２の往復運動中立位置ｃを含む下側に開口した開口部３１ｂを有している。このシリンダ３１の開口部３１ｂはハウジングＫのクランクケース部Ｋ２と連通する。ここで、シリンダ３１を水平に配設しているのは、シリンダ３１に内装されるピストン３２の自重によって、エネルギ損失が生じるのを抑えるためである。
【００３６】
ピストン３２は、片側にピストンヘッドを有する単一ピストンであり、シリンダ３１とピストン３２とが形成する領域に、原動側内燃機関の燃焼室Ａを形成する。ピストン３２の端部には、上述のシリンダ３１の開口部３１ｂに臨んで開口した横孔３２ａが形成される。この横孔３２ａ内には、シリンダ３１の軸線ｄ方向に対向する一対の平行壁面で構成される第１ガイド部２ｂが形成される。第１ガイド部２ｂは、ガイド部２ｂ内に上下方向に摺動可能に保持されるローラ状の第１摺動子２ｃを有している。
【００３７】
クランクケース部Ｋ２の下端部には、ピストン３２の往復運動中立位置ｃでの第１摺動子２ｃを通過し、かつ、シリンダ３１の軸線ｄと垂直を為す直線ｃ１を挟んで、第１ガイド部２ｂの平行壁面と平行をなすように配設された一対の平行壁面から成る第２ガイド部２ｅが形成される。第２ガイド部２ｅは、ガイド部２ｅ内に上下方向に摺動可能に保持されるローラ状の第２摺動子２ｆを有している。各ガイド部（２ｂ、２ｅ）の平行間隔は、各摺動子（２ｃ、２ｆ）の転動が容易なものとなるように、摺動子（２ｃ、２ｆ）の直径より大きな間隔を有する。
【００３８】
本実施形態においてクランク装置３、及び、内燃機関Ｏは、図１に示す実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００３９】
以下、クランク装置３の作用について説明する。
【００４０】
図２は、本実施形態において、それぞれ揺動アーム８に枢着された第１摺動子２ｃの軌跡ｓ、回転軸５に一体形成されクランクアーム７に枢着されたクランクピン６の軌跡ｔ、第２摺動子２ｆの軌跡ｕを示す。なお、図２中の２重下線の付された同数字の符号は、それぞれの同期での位置を示す。
【００４１】
本実施形態におけるクランク装置３は、ピストン３２の移動（内燃機関Ｏの作動）によって、第１摺動子２ｃ、揺動アーム８、クランクピン６、第２摺動子２ｆがそれぞれ移動する。第１摺動子２ｃは、揺動アーム８によって動きが規制されつつ、ピストン３２の第１ガイド部２ｂ内を上下に摺動し、かつ、ピストン３２の動きに伴ってが水平方向に移動する。第１摺動子２ｃの動きを決定付ける揺動アーム８は、中間部８ｃにクランクピン６が突設され、外端部８ｂに第２摺動子２ｆに枢着される。クランクピン６は、回転軸５の軸心ｅから所定量ｒ離れたクランクアーム７の取付け部に回動自在に枢着されているので、回転軸５の軸心ｅを回転中心とし、かつ、回転軸５との偏心量ｒを回転半径として回転軌跡ｔを描く。そして、第２摺動子２ｆは、揺動アーム８に動きが規制されてクランクピン６の回転運動に合せて、クランクケース部Ｈ２の第２ガイド部２ｅ内を上下に往復摺動する軌跡ｕを描く。このため、揺動アーム８は、中間部８ｃの回転に合せて外端部８ｂが上下動して揺動するので、揺動アーム８の内端部８ａに位置する第１摺動子２ｃが楕円軌跡ｓを描きつつ移動する。
【００４２】
本実施形態におけるクランク装置３において、第１摺動子２ｃは、ローラ状の部材でピストン３２と係合する。第１摺動子２ｃの位置は、ピストン３２のガイド部２ｂを転動しながらシリンダ３１の軸線ｄに対して直交する方向で変化する。このとき、第１摺動子２ｃを押圧するガイド部２ｂの壁面がシリンダ３１の軸線ｄと垂直に形成されているので、ピストン３２が第１摺動子２ｃを押圧する際にピストン３２にかかる反力は、シリンダ３１の軸線ｄ方向にかかるようになり、ピストン３２に対してシリンダ３１の軸線ｄと直交する方向への反力の作用が低減する。このため、特に、内燃機関Ｏの爆発行程においてシリンダ３１の側壁１ａにかかっていたピストン３２の側圧（サイドスラスト）を低減させることができ、摩擦損失（ピストンスラップ）も低減させることができるので、本発明のクランク装置３を内燃機関のクランク装置として用いることによって、内燃機関の直線往復運動から効率よく回転動力を抽出することができる。
【００４３】
本発明は、図１の実施形態と同様、種々の変形が可能である。
【００４４】
【発明の効果】
本発明は、内燃機関の動力をそのままポンプ装置の動力としているので、動力伝達効率を良くすることができる。さらに、クランク装置は、ピストンの動きに合わせて、ピストンと係合する第１摺動子の位置が変化し、併せて、他の支点（クランクピン、第２摺動子）の位置が変化し、揺動アームを揺動させるので、特に、内燃機関の爆発行程においてシリンダの側壁にかかっていたピストンの側圧や摩擦損失を低減させることができ動力伝達効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態に係る内燃機関直結型ポンプの縦断面図。
【図２】 本発明の一実施形態に係る内燃機関直結型ポンプにおけるクランク装置の各支点の軌跡を。
【図３】 本発明のクランク装置を有する内燃機関の縦断面図。
【符号の説明】
１ シリンダ
２ ピストン
２ｂ 第１ガイド部
２ｃ 第１摺動子
２ｅ 第２ガイド部
２ｆ 第２摺動子
３ クランク装置
４ フライホイール
５ 回転軸
６ クランクピン
８ 揺動アーム
Ａ 内燃機関の燃焼室
Ｂ ポンプの圧力室
ｃ ピストンの往復運動中立位置
ｄ シリンダの軸線
Ｏ 内燃機関
Ｐ ポンプ装置

Claims (2)

1. 一端部に原動側内燃機関の燃焼室が形成されると共に、他端部に従動側ポンプの圧力室が形成されたシリンダと、
   前記シリンダ内に往復動可能に配設されたピストンと、
   前記ピストンの中間部に形成され、かつ、前記シリンダの側壁に臨んで開口した横孔と、
   前記横孔内において前記ピストンの軸線方向に対向する一対の平行壁面から成る第１ガイド部と、
   前記第１ガイド部によって摺動自在に挟まれた第１摺動子と、
   前記ピストンの往復動中立位置を含む前記シリンダの側壁に形成された開口部と、
   前記ピストンの往復動中立位置での前記第１摺動子を通過し、かつ、前記シリンダの軸線と垂直をなす直線を挟んで、前記第１ガイド部の平行壁面と平行をなすように前記シリンダの外側に配設された一対の平行壁面から成る第２ガイド部と、
   前記第２ガイド部によって摺動自在に挟まれた第２摺動子と、
   前記シリンダの開口部を貫通して前記シリンダの内外に延在し、前記シリンダ内側の内端部が前記第１摺動子に枢着されると共に、前記シリンダ外側の外端部が前記第２摺動子に枢着された揺動アームと、
   前記揺動アームの中間部に突設されたクランクピンと、
   前記クランクピンにクランクアームを介して連結され、前記揺動アームの揺動により回転される回転軸と、
   前記回転軸に取付けられたフライホイールと、
   を有することを特徴とする内燃機関直結型ポンプ。
2. 一端部に原動側内燃機関の燃焼室が形成されたシリンダと、
   前記シリンダ内に往復動可能に配設されたピストンと、
   前記ピストンの中間部に形成され、かつ、前記シリンダの側壁に臨んで開口した横孔と、
   前記横孔内において前記ピストンの軸線方向に対向する一対の平行壁面から成る第１ガイド部と、
   前記第１ガイド部によって摺動自在に挟まれた第１摺動子と、
   前記ピストンの往復動中立位置を含む前記シリンダの側壁に形成された開口部と、
   前記ピストンの往復動中立位置での前記第１摺動子を通過し、かつ、前記シリンダの軸線と垂直をなす直線を挟んで、前記第１ガイド部の平行壁面と平行をなすように前記シリンダの外側に配設された一対の平行壁面から成る第２ガイド部と、
   前記第２ガイド部によって摺動自在に挟まれた第２摺動子と、
   前記シリンダの開口部を貫通して前記シリンダの内外に延在し、前記シリンダ内側の内端部が前記第１摺動子に枢着されると共に、前記シリンダ外側の外端部が前記第２摺動子に枢着された揺動アームと、
   前記揺動アームの中間部に突設されたクランクピンと、
   前記クランクピンにクランクアームを介して連結され、前記揺動アームの揺動により回転される回転軸と、
   前記回転軸に取付けられたフライホイールと、
   を有することを特徴とする内燃機関のクランク装置。

Images