JP5595476B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本出願は、２００５年１２月１６日付け出願の米国特許出願第１１／３０４，６０８号のパリ条約による優先権を主張するものであり、その全開示文を参照用として本明細書に組み込む。

本発明は、内燃機関に関し、この内燃機関は、第１の燃焼室を画定する第１の壁部を含むエンジンハウジングと、第１のピストンヘッドにより前記第１の燃焼室を同じく画定する第１のピストンと、第１のクランクシャフトとを備えている。

この型の機関は、１００年間以上にわたり知られており、定置駆動装置（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｄｒｉｖｅ）として、また車両用に使用される。これらの機関では、燃焼室を画定する壁部は、円筒形の壁部であり、片側がシリンダヘッドで閉じられている。もう一方の側では、燃焼ガスが膨張するとき連接棒を介して駆動力をクランクシャフトに伝達するために、円筒内でピストンが運動可能に案内される。この原理に従って動作する燃焼機関は、オットー機関およびディーゼル機関など、２サイクルまたは４サイクルで機能することができる。しかし、これらの機関の効率は、非常に低い。

本発明の基本的な目的は、より高い効率を有する燃焼機関を提供することである。

この目的は、上述の型の燃焼機関を有する本発明によって達成され、第２のピストンヘッドとともに前記第１の燃焼室を同じく画成する第２のピストンと、第２のクランクシャフトと、前記第２のピストンと前記第２のクランクシャフトとの間に連接された第２の連接棒とを設けることによる、前記第１の壁部は、トーラスの少なくとも一区間を画成し、前記ピストンは、トーラスの前記区間によって画成される湾曲通路に沿って案内される。

本発明の燃焼機関は、従来の燃焼機関とは対照的に、エンジンハウジングの壁部および第１のピストンのピストンヘッドのみによってではなく、第２のピストンの第２のピストンヘッドによっても画成される燃焼室を備える。エンジンハウジングの壁部は、トーラスの少なくとも一区間を画成し、その内部で、ピストンが湾曲通路に沿って移動するようにピストンが案内される。燃焼ガスが、上記のように画成された燃焼室内で点火されるとき、２つのピストンがそれぞれ反対方向に駆動され、すなわち強制分離され、それらの連接ロッドを通じてそれらの運動をクランクシャフトに伝達する。したがって、燃焼室内で膨張するガスは、１つだけではなく２つのピストンを駆動して、機関の効率を大幅に上昇させる。これにより、燃料消費が減少し、排出値が改善される。

ピストンは、湾曲通路に沿って移動するので、本発明の燃焼機関は、所与の燃焼室体積としては非常に小型である。

有利なこととして、上記ピストンは、燃焼ガスの膨張期間に同時に動き、故に、発生した力とモーメントとが、大きく補償し合い、したがって、振動がほぼ完全に吸収され、そのため、たとえばバランサー（釣合器）軸などの特別な装置は必要とされない。

好ましい一実施形態では、第１のピストンは、第３のピストンヘッドを備え、第２のピストンは、第４のピストンヘッドを備え、第３のピストンヘッドおよび第４のピストンヘッドは、第２の燃焼室を画定する。この構成は、２つの燃焼室の非常に小型の配列を可能にする。そして、各ピストンは、一方の端部にて第１の燃焼室を、もう一方の端部にて第２の燃焼室を画成する。したがって、一方の燃焼室のサイズを減少させる１ストロークは、他方の燃焼室のサイズの増大に相当し、逆の場合も同様である。よって、ピストンのアイドルストロークを回避することができ、かつ、それに相当する摩擦による損失を最小化することができる。

トーラス形状を有する壁部が、第１および第２の燃焼室を画成することができる。トーラスの少なくとも一区間を同様に画成する、別個の第２の壁部によって、第２の燃焼室を画成することも可能である。本発明の範囲内では、トーラスとは環状体を意味し、たとえば円形、正方形、矩形、または楕円形など、任意の断面形状を有することができることを理解されたい。

本発明の好ましい一実施形態によれば、燃焼室は、円錐形を有することができる。これは、良好な空燃混合を支援し、それによって清浄かつ効率的な燃焼を促進する。

本発明の別の態様では、少なくとも部分的に螺旋通路に沿って延びる凹部を有する、燃焼室を提案する。これらの凹部は、エンジンハウジングの壁部によって、かつ／または燃焼室を画定するピストンヘッドによって、設けることができる。同凹部は、燃焼室内に在るガス対して渦流を生ぜしめ、従って空燃混合気の点火可能な部分が燃焼室内に均等に配置されるように、これによって、本発明の内燃機関を直接噴射モードで動作させることが容易になる。

２つのピストンは、共通の枢動軸の周りで枢動することができる。これは、機関のサイズを低減し、ピストンの位置決めに必要とされる部品点数を最小数にする。本実施形態では、燃料噴射ユニットおよび／または吸気弁および／または排気弁および／または点火プラグは、好ましくはエンジンハウジングの壁部の諸区間内に配設され、それらの諸区間は、前記枢動軸と同軸である。換言すると、上述の部品は、枢動軸に対して略径方向（ラジアル方向）の一方向に配設することができる。

２つの燃焼室および２つの介挿されたピストンは、好ましくは対称に配列される。したがって、第１の連接棒は、第１の接合軸を備える接合部にて第１のピストンに接合され、第２の連接棒は、第２の接合軸を備える接合部にて第２のピストンに接合され、第１の接合軸、第２の接合軸、および枢動軸は、相互に平行であり共通一平面内に配置されている。換言すると、枢動軸を座標系の原点として規定するとき、接合軸は、その座標系の１つの軸の両側に配列される。

ピストンの運動を効率的なやり方でクランクシャフトに伝達するために、第１のクランクシャフトは、好ましくは第１の回転軸を備え、第２のクランクシャフトは、第２の回転軸を備え、第１の回転軸および第１の接合軸は、互いに平行であり第１の平面内で配置され、第２の回転軸および第２の接合軸は、互いに平行であり第２の平面内で配置合され、前記ピストンの中間点、第１の平面、および第２の平面は、上述したように、共通平面に対して垂直を成している。

本発明の燃焼機関は、２サイクルまたは４サイクル機関とすることができ、オットーの原理ならびにディーゼルの原理を使用することもできる。

本発明によれば、２つのクランクシャフトが、伝達ホイールなどによってフライホイールへと結合させられ、同方向に回転する。クランクシャフトはまた、チェーンまたは歯付ベルトを用いて、フライホイールに結合させることができる。

フライホイールは２つのクランクシャフト間に直接間置することができるので、第１のクランクシャフトおよび第２のクランクシャフトが同じ方向に回転する場合、フライホイールへの結合は非常に容易である。

本発明のさらなる利点、特徴、および詳細は、請求項における従属項の記載と、図面を参照して以下に行う特に好ましい実施形態の詳細な説明の記載とから理解することができよう。図面に示され、かつ特許請求の範囲および詳細な説明において述べられる特徴類は、それら個別に、またはそれらの任意の組合せで、本発明にとって必要不可欠な事柄であると理解することができよう。

本発明による内燃機関を示す概略上面図（または側面図）である。 様々な角度を示す図である。 図１による区域ＩＩＩを示す拡大図である。 トーラスの前記区間によって画成されるピストンヘッドを示す正面図である。

図１は、本発明に係る内燃機関２の主要な部品類を示している。この機関は、２つの燃焼室、すなわち第１の燃焼室４および第２の燃焼室６を備える。第１のピストン８および第２のピストン１０は、各燃焼室を画成する。ピストン８および１０は、トーラス形状を有し、それぞれ２つのピストンヘッドを備える。第１のピストン８は、第１のピストンヘッド１２を備え、第２のピストン１０は、第１のピストンヘッド１２と対向して配設される、第２のピストンヘッド１４を備える。
その別の端部には、第１のピストン８は、第３のピストンヘッド１６を備え、第３のピストンヘッド１６は、第２のピストン１０上に設けられた第４のピストンヘッド１８と対向して配設される。

第１の燃焼室４は、ピストンヘッド１２および１４だけでなく、エンジンハウジングによって設けられる第１の壁部２０によっても画成される（図３により詳細に示す）。従って、第２の壁部２２は、第２の燃焼室６を画成する。上記壁部２０および２２は、トーラスの一区間の形状を有し、これらの区間の端部は、ピストン８および１０の端部を案内し、それらの端部にピストンヘッド１２から１８がそれぞれ設けられている。

ピストン８は、枢動アーム２４を有し、同アームは、機関２の中心に向かってラジアル（径）方向に延びている。ピストン１０は、対応する枢動アーム２６を有する。枢動アーム２４および２６は、共通の枢動軸心２８の周りで枢動する。枢動軸心２８は、図面の平面に対して垂直の方向に延び、同軸心２８はまた、図２に座標系の原点として示される。

枢動アーム２４の一端部は、接合軸線３０を有した接合部を担持し、同接合部が第１の連接棒３４とピストン８を結合する。枢動アーム２６は、枢動アーム２４の後方の平面内に延在し、したがって、部分的に破線で示される。第２の接合軸線３２の一端部は、第２の連接棒３６をピストン１０と連接する。

連接棒３４および３６は、それぞれ軸受け３８および４０を介して、それぞれ第１のクランクシャフト４２および第２のクランクシャフト４４に結合されている。第１のクランクシャフト４２は、第１の回転軸心４６の周りで回転し、第２のクランクシャフト４４は、第２の回転軸心４８の周りで回転する。

図１では、中間点にある、ピストン８および１０を示す。これらの位置での、枢動軸心２８、接合軸線３０および３２ならびに回転軸心４６および４８の配設を、図２に示す。図示されるすべての軸心類は、互いに平行であり、図面の平面に対して垂直の方向に延びる。

枢動軸心２８、ならびに接合軸線３０および３２は、共通の平面５０内に配置されている。枢動軸心２８と第１の接合軸線３０との間の距離は、枢動軸心２８と第２の接合軸３２との間の距離と同じである。

第１の接合軸線３０および第１の回転軸心４６は、共通平面５０に対して垂直な平面５２内に配設される。したがって、第２の接合軸線３２および第２の回転軸心４８は、同様に共通平面５０に対して垂直な共通平面５４内に置かれる。

軸線３０と軸心４６の間の距離と、軸線３２と軸心４８の間の距離は、同じである。これらの距離は、軸２８と軸３０の間の距離、および／または軸２８と軸３２の間の距離と、同じにすることができる。

中間点にあるピストン８および１０が図示された図１をさらに参照すると、ピストンヘッド１２および１４は、角度５６に亘って相互に離隔されており、この角度５６は、ピストンヘッド１６とピストンヘッド１８の間の第２の燃焼室６に対応する、角度５８と同じ値を有する。

第１のピストンヘッド１２は、その上死点位置とその下死点位置との間を移動するとき、角度６０に沿って移動する。したがって、同様にピストン８に属する第３のピストンヘッド１６は、角度６０と等しい角度６２に亘って移動する。ピストン１０のピストンヘッド１４および１８もまた、角度６４および６６に沿って移動する。図示の実施形態では、すべての角度表示５６から６６のサイズは、同じである。

ピストン８が、参照番号６８で指示される方向に動くとき、ピストンヘッド１２は、その下死点位置からその上死点位置へと動く。したがって、ピストンヘッド１４は、方向７０で、その下死点位置からその上死点位置へと動く。ピストン８および１０の両方が、第１の燃焼室４に関するそれらの上死点に到達した後に、ピストン８および１０は、それぞれの方向７２および７４に沿って動くことになり、それによって、第２の燃焼室６に関して、ピストンヘッド１６および１８は、それらの下死点位置からそれらの上死点位置へと動く。

図３では、ピストン８および１０を、燃焼室４に関するそれらの上死点位置において示す。図３はまた、壁部２０が内部に設けられたエンジンハウジング７６の部品を示し、壁部２０は、トーラスの一区間の形状を有し、その内部で、トーラス形状のピストン８および１０が円形通路に沿って案内される。

ピストン８および１０は、少なくとも部分的に中空とすることができ、または炭素複合材など軽量材料で作製することができる。それらそれぞれのピストンヘッド１２および１４に隣接して、ピストン８および１０は、ピストンリング７８を担持し、ピストンリング７８は、ピストン８および１０をエンジンハウジング７６の壁部２０に対して封止する。ピストンヘッド１２および１４は、円錐形状を有する燃焼室４を画成する。ピストン８のピストンヘッド１２は、図１の破線および図４の正面図において示されるように、円錐形壁部８０を備える。したがって、ピストン１０のピストンヘッド１４は、円錐形壁部８２を有する。円錐形壁部８０および８２は、少なくとも部分的に螺旋通路に沿って延びる凹部を有する。これらの凹部８４もまた、図４に示される。凹部８４は、燃焼室４内で渦流を生起させ、故に清浄かつ効率的な燃焼が行われる。

燃料噴射器８６が、円錐形燃焼室４の先端に設けられ、エンジンハウジング７６内に取り付けられている。点火プラグ８８が、燃料噴射器８６の反対側で、エンジンハウジング７６内に収容されている。二重火花点火システムを設けることもできる。

吸気弁９０および排気弁９２が、点火プラグ８８に隣接して設けられる。これらの弁は、円形底板９４内に一体化され、円形底板９４は、壁部２０に合流する。

クランクシャフト４２および４４に設けられた葉部は、弁９０および９２を駆動することができる。弁はまた、電磁的に動作させることもでき、それによって、より柔軟な弁のタイミングが可能になる。

エンジンは、４サイクル原理に従って動作させることができる。本発明のエンジンを２サイクル原理に従って動作させる場合には、強制空気導入システムの利用が推奨される。このシステムは、空気圧縮器、空気保管タンク、および中間冷却器を備える。圧縮器は、中間冷却器を通して空気保管タンク内へと、外気を押し進める。空気保管タンクが、その最大容量、圧力、および体積に到達したとき、弁は、空気保管タンクから空気圧縮器へと、空気の戻りを切り換える。これにより空気は、中間冷却システムを通る循環を再開する。

Claims (15)

1. 第１の燃焼室を画成すると共にトーラスの少なくとも一区間を画成する第１の壁部を有したエンジンハウジングと、
   第１のピストンヘッドを有し、前記第１の燃焼室を同じく画成する、第１のピストンと、
   第１のクランクシャフトと、
   前記第１のピストンと前記第１のクランクシャフトとの間に結合された第１の結合手段と、
   前記第１の燃焼室を同じく画成する第２のピストンヘッドを有した第２のピストンと、
   第２のクランクシャフトと、
   前記第２のピストンと前記第２のクランクシャフトとの間に結合された第２の結合手段とを備え、前記第１および前記第２のピストンが、トーラスの前記区間によって画成された湾曲通路に沿って案内され、
   前記第１のピストンがさらに、第３のピストンヘッドを備え、前記第２のピストンがさらに、第４のピストンヘッドを備え、前記第３のピストンヘッドおよび前記第４のピストンヘッドが、第２の燃焼室を画成するように構成され、前記第２の燃焼室が、前記第１の燃焼室の向かい側にあり、前記第１の燃焼室の膨張が、向かい側の前記第２の燃焼室の圧縮と同時に起こることを特徴とする内燃機関。
2. 前記第１および前記第２のピストンが、反対方向に動くように構成された請求項１に記載の燃焼機関。
3. 前記第１および前記第２のピストンは同時に動くように構成された請求項１に記載の燃焼機関。
4. 前記第２の燃焼室が、前記第１の壁部によって画成される構成を有した請求項１に記載の燃焼機関。
5. 前記第２の燃焼室が、トーラスの少なくとも一区間を画成する前記第２の壁部によって画成される構成を有した請求項１に記載の燃焼機関。
6. 前記第１の燃焼室が円錐形である構成を有した請求項１に記載の燃焼機関。
7. 前記第１の燃焼室が、少なくとも部分的に螺旋通路に沿って延びる凹部を有する構成を備えた請求項１に記載の燃焼機関。
8. 前記第１および前記第２のピストンが、共通の枢動軸心の周りで枢動する構成を備えた請求項１に記載の燃焼機関。
9. 少なくとも１つの燃料噴射ユニットと、吸気弁と、排気弁と、前記第１の壁部の区間内に配置された点火プラグとをさらに備え、前記区間が前記枢動軸と同軸である構成を有した請求項８に記載の燃焼機関。
10. 前記第１の結合手段が、第１の接合軸線を備える接合部にて前記第１のピストンに接合され、前記第２の結合手段が、第２の接合軸線を備える第２の接合部にて前記第２のピストンに接合され、前記第１の接合軸線、前記第２の接合軸線、および前記枢動軸心が、それぞれ互いに平行であり共通平面内で位置合せされる構成を有した請求項９に記載の燃焼機関。
11. 前記第１のクランクシャフトが、第１の回転軸心を備え、前記第２のクランクシャフトが、第２の回転軸心を備え、前記第１の回転軸心および前記第１の接合軸線が、相互に平行に配設され第１の平面内に配置され、前記第２の回転軸心および前記第２の接合軸線が、相互に平行であって第２の平面内に配置され、前記第１および前記第２のピストンが中間点にあるときに、前記第１の平面、ならびに前記第２の平面が、前記共通平面に対して垂直配置である構成を有した請求項１０に記載の燃焼機関。
12. 前記機関が、２サイクル機関、４サイクル機関、オットー機関、およびディーゼル機関のうちの１つである請求項１に記載の燃焼機関。
13. 前記第１および前記第２のクランクシャフトが、フライホイールに結合された構成を有する請求項１に記載の燃焼機関。
14. 前記第１および前記第２のクランクシャフトは、同方向に回転する構成を有した請求項１３に記載の燃焼機関。
15. 前記第１の結合手段および／または前記第２の結合手段が、連接棒を備えた構成を有する請求項１０に記載の燃焼機関。