JPH11159339A - ラックとピニオン機構によりピストンの往復運動を回転運動に 変換させる内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピストンの往復運動を利用した内燃機関は、
ピストンの往復運動をクランク機構で回転運動に変換し
ているが、クランク機構は駆動力の伝達において効率性
が悪いので、この効率性を改善し効率的な内燃機関とす
る。 【解決手段】 クランク機構のかわりに、ピストンのス
カート側にピストンの往復運動に連動して往復運動を行
うラック２条（ラック４、５）をそれぞれ向かい合わせ
に設け、その２条のラックに同一形状のピニオン（ピニ
オン６、７）をそれぞれ噛み合わせるとともに、各ピニ
オン軸の他端に別に取り付けた歯車（歯車１０、１１）
を回転駆動軸（内燃機関の外部へ回転運動を伝達する歯
車の軸をいう。以下同じ）の歯車（歯車１２）に噛み合
わせ、しかもピストンの往復運動を連続的に回転運動に
変換できるように各ピニオン（ピニオン６、７）とその
ピニオン軸の間などにピストンの運動方向に連動して機
能するフリー機構を介在させた内燃機関とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ピストンの往復
運動を利用する内燃機関において、ピストンの往復運動
を回転運動に変換する方法としてクランク機構のかわり
にラックとピニオンを利用し、しかもこれにフリー機構
を介在させて連続的にピストンの往復運動を回転運動に
変換する（正確に言えばピストンの膨張行程（４サイク
ル機関では膨張行程、２サイクル機関では下降行程とい
うが、総称して膨張行程という。）ではピストンの原動
力がラック、ピニオンなどを通じて回転駆動軸（内燃機
関の外部へ回転駆動力を伝達する歯車の軸をいう。以下
同じ）を回転させ、機関外部へ動力を伝達するが、逆に
その他の行程ではフライホイールなどを取り付けた回転
駆動軸の慣性力などがピニオンを回転させ、ラックを通
じてピストンを動かす）内燃機関に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のピストンの往復運動を利用した内
燃機関では、クランク機構によりピストンの往復運動と
クランク軸の回転運動とを相互に変換する機構となって
いる。

【０００３】

【発明が解決しょうとする課題】クランク機構を介して
往復運動を回転運動に変換する従来の方法は、膨張行程
（４サイクル機関では膨張行程、２サイクル機関では下
降行程というが、総称して膨張行程という。以下同じ）
においてピストンが上死点から下死点に向かう力のかな
りの部分がクランク軸の回転駆動力に変換されず、クラ
ンク軸とシリンダー内壁に吸収されるなどの欠点があ
る。これは、膨張行程においてピストンが上死点から下
死点に至るまでのピストンにかかる圧力の変化と、その
時々のピストンの運動方向と連接棒とのなす角度及び連
接棒とクランクアームとのなす角度の変化に着目し、ベ
クトルを計算すれば明らかである。特に、ピストンが上
死点から下死点に向かって運動を開始したピストンを押
し下げる圧力の最も強い時期は連接棒及びクランクアー
ムがピストン中心とクランク軸を結ぶ線上に直線的に又
は直線に近い形で並んだ状態にあり、ピストンの力の多
くがクランク軸に吸収される欠点がある。また、反対に
クランク軸の回転駆動力でピストンを下死点から上死点
に押し上げる際にも構造上同様に効率性が悪い。本発明
は従来の自動車、船舶、機関車等の内燃機関に利用され
ているピストンの往復運動をクランク機構で回転運動に
変換しクランク軸より動力を取り出す構造の非効率性に
着目しこれを改善する目的で開発したものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】ピストンの往復運動を利
可する内燃機関においてクランク機構のかわりに、ピス
トンのスカート側にピストンの往復運動に連動して往復
運動を行う同一形状のラック２条をそれぞれ向かい合わ
せに設け、その２条のラックに同一形状のピニオンをそ
れぞれ噛み合わせるとともに、それぞれのピニオン軸は
互いに平行になるように設ける。（この機構ではピスト
ンの往復運動に合わせて２つのピニオンは回転すること
となるが、一方のピニオンは他方のピニオンと常に反対
方向の回転を行うこととなる。）さらに、一方のピニオ
ンはピストンが上死点から下死点に向かう時のみピニオ
ンとピニオン軸が連結するように、他方のピニオンはピ
ストンが下死点から上死点に向う時のみピニオンとピニ
オン軸が連結するようにピニオンとピニオン軸の間にフ
リー機構を介在させ、また、各ピニオン軸には上記のピ
ニオンとは別にそのピニオン軸を歯車軸とする同一形状
の歯車をそれぞれ取付け、その双方の歯車を双方の歯車
が互いに接触しないように回転駆動軸（内燃機関の外部
へ回転駆動力を伝達する歯車の軸をいう。以下同じ）に
取り付けた歯車にそれぞれ噛み合わせることによりピス
トンの往復運動と回転駆動軸の回転運動とを相互に変換
する内燃機関とすればよい。

【０００５】本機構において、ピストンが上死点から下
死点に向かう時に左回転する一方のピニオンとそのピニ
オン軸をフリー機構により連結すれば、そのピニオン軸
及びそのピニオン軸に連結した歯車も左回転し、回転駆
動軸に取り付けた歯車を通じて回転駆動軸に右回転運動
を発生させる。この時他方のピニオンは反対の右回転運
動、そのピニオン軸は左回転運動を行っているが、その
ピニオンとそのピニオン軸はフリー機構により連結され
ていないので回転駆動軸の右回転運動に支障を与えな
い。なお、膨張行程以外のその他の行程でフライホイー
ルの慣性力などを利用した回転駆動軸の回転駆動力でピ
ストンを上死点から下死点に向かせる時は、上記とは力
の伝達順序が逆になるだけである。また、ピストンを下
死点から上死点に向かわせるには、フライホイールの慣
性力などを利用した回転駆動軸の回転駆動力でピストン
に上昇直線運動を発生させることが必要となるが、この
時ピニオン軸に連結されるピニオンは上記記述の他方の
ピニオンであり、このピニオンは回転駆動軸の回転駆動
力から左回転運動を得るが、このピニオンの左回転運動
はラックを通じてピストンに上昇直線運動を発生させる
こととなる。以上の繰り返しにより、ピストンの往復運
動と回転駆動軸の回転運動とを相互に変換する内燃機関
とすることができる。

【０００６】なお、本機構ではラックが往復運動を行う
構造となっているので、２個のピストンを対としこれら
のスカート側を連杆で連結し、連杆上に上記のラックを
設け両方のピストンで共用する構造とすれば、一方のピ
ストンの膨張行程（４サイクル機関では膨張行程、２サ
イクル機関では下降行程というが、総称して膨張行程と
いう。）の力を他方のピストンのその他の行程に必要な
駆動力として直接利用することができるので非常に効率
的な内燃機関とすることができる。その方法としては、
２個のピストンを対とし一方のピストンのスカート側と
他方のピストンのスカート側を連杆で連結し、その連杆
上に同一形状のラック２条をそれぞれ向かい合わせに設
け、その２条のラックに同一形状のピニオンをそれぞれ
噛み合わせるとともに、それぞれのピニオン軸は互いに
平行になるように設ける。さらに、一方のピニオンは一
方のピストンが上死点から下死点に（他方のピストンが
下死点から上死点に）向かう時のみピニオンとピニオン
軸が連結するように、他方のピニオンは一方のピストン
が下死点から上死点に（他方のピストンが上死点から下
死点に）向う時のみピニオンとピニオン軸が連結するよ
うに各ピニオンとピニオン軸の間にそれぞれフリー機構
を介在させ、また、各ピニオン軸には上記のピニオンと
は別にそのピニオン軸を歯車軸とする同一形状の歯車を
それぞれ取付け、その双方の歯車を双方の歯車が互いに
接触しないように回転駆動軸に取り付けた歯車にそれぞ
れ噛み合わせることによりピストンの往復運動と回転駆
動軸の回転運動とを相互に変換する内燃機関とする。

【０００７】また、ピストンと回転駆動軸間の運動伝達
機構に設けるフリー機構を上記においてはピニオンとピ
ニオン軸の間に設けたが、ピニオンとピニオン軸の間に
フリー機構を介在させるかわりに、各ピニオン軸に取り
付けた歯車とそのピニオン軸の間に上記と同様の効果を
持つフリー機構を介在させるまたは上記ピニオン軸に取
り付けた歯車をピニオン軸ではなくピニオン軸方向に設
けた独自の歯車軸に取り付けるとともに各ピニオン軸と
そのピニオン軸方向にある各歯車軸を上記と同様の効果
のフリー機構を持つ軸継手でそれぞれ連結するまたは上
記と同様の効果のフリー機構を持たせるため欠歯ピニオ
ンもしくは欠歯歯車を利用する方法などがある。

【０００８】本機関では往復運動と回転運動を相互変換
する伝達機構にラックとピニオンを利用しているので、
非常に少ないロスで運動の相互変換ができることから、
従来より大幅に効率性の高い内燃機関とすることができ
る。また、上記のラックとピニオン機構による内燃機関
において、上死点・下死点の位置を狂わせないため、上
死点・下死点のピストンの慣性力に耐えうる構造とする
ため及び上死点・下死点のタイミングに合わせて正確に
吸排気弁を駆動するためのカム軸駆動の動力源などに限
定してクランク機構を取り入れたとしても、クランク機
構を駆動する負荷を適当に低く設定すれば、ほとんど同
様の効果が得られ従来より効率性の高い内燃機関とする
ことができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下本発明の内燃機関の実施例に
ついて図１から図６において説明する。

【００１０】（１）図１のとおり、ピストンの往復運動
を利用する内燃機関において、ピストン１のスカート側
にピストン１の往復運動に連動して往復運動を行う摺動
体２を止着し、その摺動体２の摺動部分は内燃機関の本
体に設けた中空３を摺動する構造とする。

【００１１】また、その摺動体２に同一形状のラック２
条（ラック４、ラック５）をそれぞれ向かい合わせに設
け、その２条のラックに同一形状のピニオン（ピニオン
６、ピニオン７）をそれぞれ噛み合わせるとともに、そ
れぞれのピニオン軸（ピニオン軸８、ピニオン軸９）は
互いに平行になるように設ける。（この機構ではピスト
ンの往復運動に合わせて２つのピニオンは回転すること
となるが、一方のピニオンは他方のピニオンと常に反対
方向の回転を行うこととなる。）

【００１２】さらに、一方のピニオンはピストン１が上
死点から下死点に向かう時のみピニオンとピニオン軸が
連結するように、他方のピニオンはピストン１が下死点
から上死点に向う時のみピニオンとピニオン軸が連結す
るように各ピニオンとピニオン軸の間にそれぞれフリー
機構を介在させ、また、各ピニオン軸には上記のピニオ
ンとは別にそのピニオン軸を歯車軸とする同一形状の歯
車（歯車１０、歯車１１）をそれぞれ取付け、その双方
の歯車を双方の歯車が互いに接触しないように回転駆動
軸（内燃機関の外部へ回転駆動力を伝達する歯車の軸を
いう。以下同じ）に取り付けた歯車（歯車１２）にそれ
ぞれ噛み合わることによりピストンの往復運動と回転駆
動軸の回転運動とを相互に変換する内燃機関の構造を基
本とする。なお、回転駆動軸にはスムーズな回転エネル
ギーを取り出せるようにフライホイール１３を取り付け
る。

【００１３】本機構において、ピストンが上死点から下
死点に向かう時に左回転するピニオン６をピニオン軸８
と連結するようにフリー機構を設定すれば、ピニオン軸
８に連結された歯車１０も左回転し、回転駆動軸に取り
付けた歯車１２を通じて回転駆動軸に右回転運動を発生
させる。この時ピニオン７は反対の右回転運動、そのピ
ニオン軸９は左回転運動を行っているが、ピニオン７と
ピニオン軸９はフリー機構により連結されていないので
回転駆動軸の右回転運動に支障を与えない。なお、膨張
行程以外のその他の行程でピストンを下死点から上死点
に向かわせるには、フライホイールの慣性力などを利用
した回転駆動軸の回転駆動力でピストンに上昇直線運動
を発生させることが必要となるが、この時ピニオン軸に
連結されるピニオンはピニオン７であり、このピニオン
７は回転駆動軸の回転駆動力から左回転を得るが、ピニ
オン７の左回転運動はラックを通じてピストン１に上昇
直線運動を発生させることとなる。以上の繰り返しによ
り、ピストンの往復運動と回転駆動軸の回転運動とを相
互に変換する内燃機関とすることができる。

【００１４】（２）上記（１）の基本原理を効果的に利
用する方法として図２のとおり、２個のピストン（ピス
トン１４、ピストン１５）を対とし一方のピストンのス
カート側と他方のピストンのスカート側を連杆で連結
し、その連杆上に同一形状のラック２条（ラック１６、
ラック１７）をそれぞれ向かい合わせに設け、その２条
のラックに同一形状のピニオン（ピニオン１８、ピニオ
ン１９）をそれぞれ噛み合わせるとともに、それぞれの
ピニオン軸（ピニオン軸２０、ピニオン軸２１）は互い
に平行になるように設ける。

【００１５】さらに、一方のピニオンはピストン１４が
上死点から下死点に（ピストン１５が下死点から上死点
に）向かう時のみピニオンとそのピニオン軸が連結する
ように、他方のピニオンはピストン１４が下死点から上
死点に（ピストン１５が上死点から下死点に）向う時の
みピニオンとそのピニオン軸が連結するように各ピニオ
ンとピニオン軸の間にそれぞれフリー機構を介在させ、
また、各ピニオン軸には上記のピニオンとは別にそのピ
ニオン軸を歯車軸とする同一形状の歯車（歯車２２、歯
車２３）をそれぞれ取付け、その双方の歯車を双方の歯
車が互いに接触しないように回転駆動軸に取り付けた歯
車（歯車２４）にそれぞれ噛み合わせることによりピス
トンの往復運動と回転駆動軸の回転運動とを相互に変換
する内燃機関の構造とする。なお、回転駆動軸にはスム
ーズな回転エネルギーを取り出せるようにフライホイー
ル２５を取り付ける。

【００１６】（３）上記（１）及び上記（２）におい
て、ピニオンとピニオン軸の間にフリー機構を介在させ
るかわりに、各ピニオン軸に取り付けた歯車とそのピニ
オン軸の間に同様の効果を持つフリー機構をそれぞれ介
在させる。または、各ピニオン軸に取り付けた歯車をピ
ニオン軸ではなくそのピニオン軸方向に設けた独自の歯
車軸にそれぞれ取り付け、ピニオンとピニオン軸の間に
フリー機構を介在させるかわりに各ピニオン軸とそのピ
ニオン軸方向にある上記の各歯車軸とを同様の効果のフ
リー機構を持つ軸継手でそれぞれ連結する。または、ピ
ニオンとピニオン軸の間にフリー機構を介在させるかわ
りに、ピニオンを欠歯ピニオンとし同様のフリー効果を
持たせる。または、ピニオンとピニオン軸の間にフリー
機構を介在させるかわりに、各ピニオン軸に連結した歯
車を欠歯歯車とし同様のフリー効果を持たせても良い。

【００１７】（４）上記（１）、上記（２）でのピニオ
ンとピニオン軸間でのフリー機構の実施例の一つを図３
及び図４において説明する。

【００１８】図３はピニオンとピニオン軸の断面図（ピ
ニオンの歯の凹凸の表示は省略）であり、ピニオン２６
の内面と、ピニオン軸２７に固定され突出部を持つカム
２８の間に漸変空隙２９を設けて、これに直径を異にす
るローラー３０を適当数入れる。

【００１９】このとき漸変空隙２９は偶数個とし最大部
と最大部が最小部と最小部が隣合わせになるよう配置す
る。しかも油などの液体（以下油という。）がピニオン
軸２７に設けた中空３１から各漸変空隙２９の最大部に
通じるようにカム２８にそれぞれ中空３２を設け、さら
に油が各漸変空隙２９の最大部から最小部を通じてピニ
オン軸２７に設けた中空の他端（図３の背面（図４の中
空３４））に通じるようにカム２８にそれぞれ中空３３
を設ける。

【００２０】このときピニオン軸に設けた中空３１、３
４及びカム２８に設けた中空３２、中空３３と漸変空隙
２９の配置関係をローラー３０を省略した状況で、図３
の３５…３５′部分で矢印方向に捉えた一部断面図を表
示すると図４のとおりであり、矢印は油圧を漸変空隙２
９の最大部から最小部へ向けてかけた場合において、油
が流れようとする方向を図示したものである。

【００２１】漸変空隙２９の最大部から最小部にかけて
油圧をかけても、漸変空隙２９にはローラー３０が挿入
されているので、油はほとんど流れず、油圧はローラー
３０を最大部から最小部に向けて圧することとなる。こ
の時適当な油圧をかけるとピニオン２６の回転運動が原
動力の場合は、最大部と最小部が同一方向に並んでいる
半数の漸変空隙２９とその中のローラー３０の働きによ
りピニオン軸２７が連動し回転する。逆にピニオン軸２
７の回転運動が原動力の場合は反対方向に並んでいる半
数の漸変空隙２９とその中のローラー３０の働きにより
ピニオン２６が連動し回転する。つまり、ピニオン２６
とピニオン軸２７が固定されたとほぼ同様の効果が発生
する。

【００２２】逆に漸変空隙２９の最小部から最大部にか
けて油圧をかけるとピニオン２６とピニオン軸２７は常
にフリーとなる。従って、本装置において、ピニオン軸
２７の一端と他端とを管（管及びホースを総称してい
う。以下同じ）で連結し途中の中空３１、３２、３３、
３４及び漸変空隙２９を油で満たしピニオン軸２７の一
端の中空から適当な油圧かけ他端の中空には同時に適当
な負圧かける機構とし、状況に応じて油圧の方向を操作
することにより本内燃機関でのフリー機構を実現でき
る。

【００２３】また、本機構は上記（３）での歯車とピニ
オン軸（歯車軸として利用）の間のフリー機構及び軸継
手のフリー機構としても直ちに利用可能である。

【００２４】以上のことから明らかのように、本フリー
機構は従来のフリー機構と異なり、各対象回転物体間の
速度及び回転方向とは無関係に任意にフリーと連結を繰
り返し設定することが可能であるとともに、回転駆動力
で簡単に等速直線往復運動などを起こさせる事ができる
ので、内燃機関のほかにも印刷機械など新しい応用範囲
が期待できる。

【００２５】（５）本発明の内燃機関の基本原理を利用
した内燃機関の構造の実施方法としては各種の方法が考
えられるが、その一例としてピストンの上死点及び下死
点の位置を狂わせないため、上死点・下死点のピストン
の慣性力に耐えうる構造とするため及び上死点・下死点
のタイミングに合わせて正確に吸排気弁などを駆動する
ためのカム軸駆動の動力源としてクランク機構を取り入
れた２気筒エンジンの実施例を図５に基づき説明する。
なお、４気筒エンジンなどのその他の多気筒エンジンに
も本実施例はそのまま応用できる。

【００２６】ピストン３６及びピストン３７のスカート
側にピストンの往復運動に連動して往復運動を行う摺動
体３８、摺動体３９をそれぞれ止着し、各摺動体の摺動
部分は上記（１）た内燃機関の本体に設けた中空を摺動
させると内燃機関の高さが高くなるので、本実施例では
内燃機関の高さを低く設定するため次に述べる各摺動体
に設けたラックと直角方向にある摺動体の両面に突起部
分を設け、この突起部分が内燃機関本体（エンジンブロ
ックなど）に設けた溝に噛み合いピストンの運動に合わ
せて摺動する構造とし各摺動体にピストンの運動方向と
ズレのない正確な往復運動を行わせる。なお、突起部分
については図５で省略しており図６で後述する。

【００２７】各摺動体の他端（ピストンに止着されてい
ない部分）にはその摺動体の往復運動に連動して機能す
るクランク機構４０、クランク機構４１をそれぞれ設
け、そのクランク軸４２にはクランク軸の回転方向を一
定とするため適当なフライホイール４３を取付ける。

【００２８】なお、本実施例は２気筒エンジンのためピ
ストン３６とピストン３７の運動行程上の位相は１８０
゜ずらして設定する。また、各摺動体に同一形状のラッ
ク２条（ラック４４、ラック４５及びラック４６、ラッ
ク４７）をそれぞれ向かい合わせに設け、各２条のラッ
クに同一形状のピニオン（ピニオン４８、ピニオン４９
及びピニオン５０、ピニオン５１）をそれぞれ噛み合わ
せるとともに、それぞれのピニオン軸（ピニオン軸５
２、ピニオン軸５３）は互いに平行になるように設ける
とともに、各ピニオンの両側にピニオン軸受（図面上は
省略）を設け、各ピニオンとそのピニオン軸との間には
上記（４）のピニオンとピニオン軸間とのフリー機構を
介在させる。

【００２９】本実施例での上記（４）のフリー機構の実
施方法としては各ピニオンの両側にあるピニオン軸受を
対として利用し、油が一方のピニオン軸受の外部、軸受
内部、ピニオン軸内部に設けた一方の中空、カムの一方
の中空、漸変空隙、カムの他方の中空、ピニオン軸内部
に設けた他方の中空、他方の軸受内部、他方の軸受外部
に通じるように仕掛けし、あとは上記（４）のフリー機
構の実施例に準じて機能させればよい。

【００３０】この機構では各ピストンの往復運動に合わ
せて回転運動を行うそれぞれ２つのピニオンは一方のピ
ニオン（ピニオン４８またはピニオン５０）と他方のピ
ニオン（ピニオン４９またはピニオン５１）とは常に反
対方向の回転運動を行うこととなるので、上記ピニオン
とピニオン軸との間のフリー機構によりピニオン４８及
びピニオン５０はピストンが上死点から下死点に向かう
時のみピニオンとピニオン軸が連結するように、ピニオ
ン４９及びピニオン５１はピストンが下死点から上死点
に向う時のみピニオンとピニオン軸が連結するように設
定する。

【００３１】また、各ピニオン軸には上記のピニオンと
は別にそのピニオン軸を歯車軸とする同一形状の歯車
（歯車５４、歯車５５）をそれぞれ取付け、その双方の
歯車を双方の歯車が互いに接触しないように回転駆動軸
に取り付けた歯車（歯車５６）にそれぞれ噛み合わせ
る。

【００３２】また、歯車５６の軸にはスムーズな回転運
動エネルギーを取り出せるように適当なフライホイール
５７を取付けるとともに、歯車５６の軸（回転駆動軸）
の回転運動より内燃機関としての駆動力を取り出す。こ
の機構では歯車５６を矢印方向に回転させることとなる
が、歯車５６を反対方向に回転させるには上記ピニオン
とピニオン軸の固定とフリーの関係を逆にすればよい。

【００３３】ピストン３６の上死点においてはピニオン
４８がピニオン軸に対しフリーから固定に、ピニオン４
９が固定からフリーに変換するので、瞬間的に２つのピ
ニオンとピニオン軸間がフリーの状態になる。（下死点
の場合も同様に２つのピニオンとピニオン軸間がフリー
の状態になる）これはピストン３７の上死点及び下死点
の場合も同様である。従って、ピストンの上死点及び下
死点の位置を狂わせないため、上死点・下死点のピスト
ンの慣性力に耐えうる構造とするため及び上死点・下死
点のタイミングに合わせて正確に吸排気弁などを駆動す
るためのカム軸駆動の動力源として本実施例ではクラン
ク機構４０、クランク機構４１を設けたものである。な
お、上記の目的などに限定しクランク機構を取り入れ、
しかもクランク機構を駆動させるための負荷を適当に低
く設定すれば本発明の目的である効率的な内燃機関の製
造は可能である。

【００３４】本内燃機関を始動する方法としては、始動
電動機でフライホイール５７またはフライホイール４３
などを回転させればよいが、フライホイール５７から始
動した場合は何か別に工夫しないとフライホイール４３
の始動時の回転方向が定まらない。逆に、フライホイー
ル４３から始動した場合はフライホイール５７の回転方
向はフライホール４３の回転方向に関わらず、フリー機
構の設定の仕方により回転方向が常に決まっているので
問題ない。

【００３５】本実施例で明らかのように、本発明を多気
筒エンジンに応用する場合は各ピストンの行程に応じて
各ピストンの往復運動に連動して回転する各ピニオンと
そのピニオン軸の間のフリー機構を上記の方法に従って
働くようにすれば良い。

【００３６】（６）上記（５）の２気筒エンジンの実施
例において、クランク機構の取り付け方法を変更し内燃
機関の高さを低くする方法と、図５では省略した摺動体
上にラックと直角方向に設けた突起部分を図６に基づき
そのイメージを説明するが、４気筒エンジンなどのその
他の多気筒エンジンにも本実施例はそのまま応用でき
る。

【００３７】図６はピストンと、ピストンのスカート側
に止着した摺動体と、摺動体に取り付けたクランク機構
と、摺動体がピストンの運動方向と同じ方向で運動する
ように摺動体に設けた突起部分を図示したものであり、
図６（１）は正面図（摺動体のみ断面図）にしたもので
あり、図６（２）は図６（１）の側面図である。

【００３８】内燃機関の高さを低くするため、ピストン
５８に止着した摺動体５９に設けたピン機構６０にクラ
ンク機構６１を接続する構造としてはピン機構６０を可
能な限りピストン側に近い位置に設ける。

【００３９】摺動体５９に設けたラック６２、ラック６
３の直角方向の摺動体５９の面に突起部分６４、突起部
分６５を設ける。また各突起部分（突起部分６４、突起
部分６５）は内燃機関の本体（エンジンブロックなど）
に設けた溝に噛み合う構造とし、ピストン５８の往復運
動に合わせて摺動体５９が往復運動をする際に溝と突起
部分間はすべらかに摺動する構造とする。本構造により
摺動体５９はブレもなく正確にピストンの往復運動に合
わせて往復運動を行うことができる。

【００４０】

【発明の効果】本発明の実施例は以上のような構造で、
内燃機関の膨張行程における膨張力をピストン及びラッ
クとピニオン機構を通じて、従来より非常に効率的に歯
車軸から同一方向の回転駆動力として取り出せることか
ら、本発明の応用により従来より非常に効率的な内燃機
関を製造できる。例えば、自動車の内燃機関に本機構を
取り入れると排気量当たりの駆動トルクを従来より大幅
に改善できることから、自動車重量当たりの排気量を従
来より小さくでき燃費効率の良い自動車とすることがで
きる。また、膨張行程におけるピストンにかかる圧力に
ほぼ比例しして歯車軸から回転駆動力が得られることか
ら、アクセルの動きに敏感に反応するレスポンスの高い
自動車とすることができる。また、本機構が世界中の自
動車の内燃機関に取り入れられれば、膨大な石油資源の
節約にもつながる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本特許の単気筒内燃機関実施例の主な機構部分
にかかる斜視図（イメージ図）である。

【図２】本特許の２気筒内燃機関（ピストン対向型）実
施例の主な機構部分にかかる斜視図（イメージ図）であ
る。

【図３】ピニオンとピニオン軸のフリー機構ににかかる
実施例の断面図（イメージ図）であり、ピニオンの歯の
凹凸の表示は省略している。

【図４】図３のピニオン機構の３５…３５′部分で矢印
方向にみた一部断面図（イメージ図）であり、図３のロ
ーラー３０と、ピニオンの歯の凹凸の表示は省略してい
る。

【符号の説明】

図１ １ ピストン ２ 摺動体 ３ 中空 ４ ラック ５ ラック ６ ピニオン ７ ピニオン ８ ピニオン軸 ９ ピニオン軸 １０ 歯車 １１ 歯車 １２ 歯車 １３ フライホイール 図２ １４ ピストン １５ ピストン １６ ラック １７ ラック １８ ピニオン １９ ピニオン ２０ ピニオン軸 ２１ ピニオン軸 ２２ 歯車 ２３ 歯車 ２４ 歯車 ２５ フライホイール 図３及び図４ ２６ ピニオン ２７ ピニオン軸 ２８ カム ２９ 漸変空隙 ３０ ローラー ３１ 中空 ３２ 中空 ３３ 中空 ３４ 中空 ３５…３５′は図４の断面位置 図５ ３６ ピストン ３７ ピストン ３８ 摺動体 ３９ 摺動体 ４０ クランク機構 ４１ クランク機構 ４２ クランク軸 ４３ フライホイール ４４ ラック ４５ ラック ４６ ラック ４７ ラック ４８ ピニオン ４９ ピニオン ５０ ピニオン ５１ ピニオン ５２ ピニオン軸 ５３ ピニオン軸 ５４ 歯車 ５５ 歯車 ５６ 歯車 ５７ フライホイール 図６ ５８ ピストン ５９ 摺動体 ６０ ピン機構 ６１ クランク機構 ６２ ラック ６３ ラック ６４ 突起部分 ６５ 突起部分

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１０年１０月２０日

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００４

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００４】

【課題を解決するための手段】ピストンの往復運動を利
用する内燃機関において、クランク機構のかわりにピス
トンのスカート側にピストンの往復運動に連動して往復
運動を行うラックを適当数設け、ピニオンとピニオン軸
間を任意に連結したりフリーにしたりすることができる
フリー機構を持つピニオンをそのラックに適当数（ピニ
オンの総数は最低２個は必要、従ってラックが１条の場
合は同一ラック上に適当な間隔を設けて最低２個のピニ
オンを配置する。）噛み合わせ、ピストンの各行程にお
ける各ピニオンの回転方向を考慮しそのピニオン軸と回
転駆動軸（内燃機関の外部へ回転駆動力を伝達する歯車
の軸をいう。以下同じ）間に適当な力の伝達機構を設け
るとともに各ピニオンとそのピニオン軸間のフリー機構
を適当に働かせることにより各ピニオンの役割を２グル
ープ化し、一方のグループのピニオンはピストンが上死
点から下死点に向かう時のみピニオンとピニオン軸を連
結させピストンが膨張行程（４サイクル機関では膨張行
程、２サイクル機関では下降行程というが総称して膨張
行程という。）の時はピストンを押し下げる力がラック
とピニオンを通じてこれらのピニオン軸に回転運動を行
わせさらにこれらのピニオン軸の回転運動が回転駆動軸
に求めている方向の回転運動を行わせその他の行程の時
はフライホイールなどの慣性力を利用した回転駆動軸の
回転駆動力でこれらのピニオン軸に回転運動を行わせさ
らにこれらのピニオン軸の回転運動がピニオン、ラック
を通じてピストンに上死点から下死点への直線運動を行
わせる構造とし、他方のグループのピニオンはピストン
が下死点から上死点に向かう時のみピニオンとピニオン
軸を連結させフライホイールなどの慣性力を利用した回
転駆動軸の回転駆動力でこれらのピニオン軸に回転運動
を行わせさらにこれらのピニオン軸の回転運動がピニオ
ン、ラックを通じてピストンに下死点から上死点への直
線運動を行わせる構造としピストンの往復運動と回転駆
動軸の回転運動とを相互に変換する内燃機関とすればよ
い。なお、上記基本原理を利用した構造の具体事例を次
に述べる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】ピストンの往復運動を利用する内燃機関に
おいてクランク機構のかわりに、ピストンのスカート側
にピストンの往復運動に連動して往復運動を行う同一形
状のラック２条をそれぞれ向かい合わせに設け、その２
条のラックに同一形状のピニオンをそれぞれ噛み合わせ
るとともに、それぞれのピニオン軸は互いに平行になる
ように設ける。（この機構ではピストンの往復運動に合
わせて２つのピニオンは回転することとなるが、一方の
ピニオンは他方のピニオンと常に反対方向の回転を行う
こととなる。）さらに、一方のピニオンはピストンが上
死点から下死点に向かう時のみピニオンとピニオン軸が
連結するように、他方のピニオンはピストンが下死点か
ら上死点に向う時のみピニオンとピニオン軸が連結する
ようにピニオンとピニオン軸の間にフリー機構を介在さ
せ、また、各ピニオン軸には上記のピニオンとは別にそ
のピニオン軸を歯車軸とする同一形状の歯車をそれぞれ
取付け、その双方の歯車を双方の歯車が互いに接触しな
いように回転駆動軸（内燃機関の外部へ回転駆動力を伝
達する歯車の軸をいう。以下同じ）に取り付けた歯車に
それぞれ噛み合わせることによりピストンの往復運動と
回転駆動軸の回転運動とを相互に変換する構造を基本的
構造とすれば簡単な構造で内燃機関として実施できる。
本機構において、膨張行程（４サイクル機関では膨張行
程、２サイクル機関では下降行程というが、総称して膨
張行程という。以下同じ）でピストンが上死点から下死
点に向かう時に左回転する一方のピニオンとそのピニオ
ン軸をフリー機構により連結すれば、そのピニオン軸及
びそのピニオン軸に連結した歯車も左回転し、回転駆動
軸に取り付けた歯車を通じて回転駆動軸に右回転運動を
発生させる。この時他方のピニオンは反対の右回転運
動、そのピニオン軸は左回転運動を行っているが、その
ピニオンとそのピニオン軸はフリー機構により連結され
ていないので回転駆動軸の右回転運動に支障を与えな
い。なお、膨張行程以外のその他の行程でフライホイー
ルの慣性力などを利用した回転駆動軸の回転駆動力でピ
ストンを上死点から下死点に向かせる時は、上記とは力
の伝達順序が逆になるだけである。また、ピストンを下
死点から上死点に向かわせるには、フライホイールの慣
性力などを利用した回転駆動軸の回転駆動力でピストン
に上昇直線運動を発生させることが必要となるが、この
時ピニオン軸に連結されるピニオンは上記記述の他方の
ピニオンであり、このピニオンは回転駆動軸の回転駆動
力から左回転運動を得るが、このピニオンの左回転運動
はラックを通じてピストンに上昇直線運動を発生させる
こととなる。以上の繰り返しにより、ピストンの往復運
動と回転駆動軸の回転運動とを相互に変換する内燃機関
とすることができる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】なお、本機構ではラックが往復運動を行う
構造となっているので、２個のピストンを対としこれら
のスカート側を連杆で連結し、連杆上に上記のラックを
設け両方のピストンで共用する構造とすれば、一方のピ
ストンの膨張行程の力を他方のピストンのその他の行程
に必要な駆動力として直接利用することができるので非
常に効率的な内燃機関とすることができる。その方法と
しては、２個のピストンを対とし一方のピストンのスカ
ート側と他方のピストンのスカート側を連杆で連結し、
その連杆上に同一形状のラック２条をそれぞれ向かい合
わせに設け、その２条のラックに同一形状のピニオンを
それぞれ噛み合わせるとともに、それぞれのピニオン軸
は互いに平行になるように設ける。さらに、一方のピニ
オンは一方のピストンが上死点から下死点に（他方のピ
ストンが下死点から上死点に）向かう時のみピニオンと
ピニオン軸が連結するように、他方のピニオンは一方の
ピストンが下死点から上死点に（他方のピストンが上死
点から下死点に）向う時のみピニオンとピニオン軸が連
結するように各ピニオンと各ピニオン軸の間にそれぞれ
フリー機構を介在させ、また、各ピニオン軸には上記の
ピニオンとは別にそのピニオン軸を歯車軸とする同一形
状の歯車をそれぞれ取付け、その双方の歯車を双方の歯
車が互いに接触しないように回転駆動軸に取り付けた歯
車にそれぞれ噛み合わせることによりピストンの往復運
動と回転駆動軸の回転運動とを相互に変換する内燃機関
とする。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】なお、上記具体事例においてラックは２条
としたが、当然ラックは適当数で良いので例えばラック
は１条にしても良く、この時は同一ラック上に適当な間
隔を設けて適当数（最低２個は必要）のピニオンを噛み
合わせる構造とし、各ピニオン軸が回転駆動軸と同一方
向に回転するものと、回転駆動軸と逆方向に回転するも
のに分かれるように仕掛けを設け、この２グループのピ
ニオンとピニオン軸間のフリー機構をグループ毎に適当
に交互に機能させれば良い。（同一方向に回転する回転
駆動軸からピニオン軸に回転方向の異なる機能を持たせ
る方法としては各種の方法が考えられるが、その一例を
上げると一方のグループのピニオン軸はピニオン軸に設
けた歯車を直接回転駆動軸の歯車に噛み合わせ、他方の
グループのピニオン軸はピニオン軸に設けた歯車を回転
駆動軸の歯車に噛み合わせた別の歯車に噛み合わせれる
事により可能である。） また、ピストンと回転駆動軸間の運動伝達機構に設ける
フリー機構を上記においてはピニオンとピニオン軸の間
に設けたが、ピニオンとピニオン軸の間にフリー機構を
介在させるかわりに、各ピニオン軸に取り付けた歯車と
そのピニオン軸の間に上記と同様の効果を持つフリー機
構を介在させるまたは上記ピニオン軸に取り付けた歯車
をピニオン軸ではなくピニオン軸方向に設けた独自の歯
車軸に取り付けるとともに各ピニオン軸とそのピニオン
軸方向にある各歯車軸を上記と同様の効果のフリー機構
を持つ軸継手でそれぞれ連結するまたは上記と同様の効
果のフリー機構を持たせるため欠歯ピニオンを利用する
方法などがある。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１６

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１６】（３）上記（１）及び上記（２）におい
て、ピニオンとピニオン軸の間にフリー機構を介在させ
るかわりに各ピニオン軸に取り付けた歯車とそのピニオ
ン軸の間に同様の効果を持つフリー機構をそれぞれ介在
させる。または、各ピニオン軸に取り付けた歯車をピニ
オン軸ではなくそのピニオン軸方向に設けた独自の歯車
軸にそれぞれ取り付け、ピニオンとピニオン軸の間にフ
リー機構を介在させるかわりに各ピニオン軸とそのピニ
オン軸方向にある上記の各歯車軸とを同様の効果のフリ
ー機構を持つ軸継手でそれぞれ連結する。または、ピニ
オンとピニオン軸の間にフリー機構を介在させるかわり
にピニオンを欠歯ピニオンとし同様のフリー機能効果を
持たせても良い。

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３９】摺動体５９に設けたラック６２、ラック６
３の直角方向の摺動体５９の面に突起部分６４、突起部
分６５を設ける。また、各突起部分（突起部分６４、突
起部分６５）は内燃機関の本体（エンジンブロックな
ど）に設けた溝に噛み合う構造とし、ピストン５８の往
復運動に合わせて摺動体５９が往復運動をする際に溝と
突起部分間はすべらかに摺動する構造とする。本構造に
より摺動体５９はブレもなく正確にピストンの往復運動
に合わせて往復運動を行うことができる。なお、当然な
がら逆に内燃機関の本体（エンジンブロックなど）に突
起部分を設け、摺動体５９に溝を設ける構造としても同
じ効果が得られる。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４０】

【発明の効果】本発明の実施例は以上のような構造で、
内燃機関の膨張行程における膨張力をピストン及びラッ
クとピニオン機構を通じて従来より非常に効率的に歯車
軸から同一方向の回転駆動力として取り出せることか
ら、本発明の応用により従来より非常に効率的な内燃機
関を製造できる。例えば、自動車の内燃機関に本機構を
取り入れると排気量当たりの駆動トルクを従来より大幅
に改善できることから、自動車重量当たりの排気量を従
来より小さくでき燃費効率の良い自動車とすることがで
きる。また、膨張行程におけるピストンにかかる圧力に
ほぼ比例して歯車軸から回転駆動力が得られることか
ら、アクセルの動きに敏感に反応するレスポンスの高い
自動車とすることができる。また、本機構が世界中の自
動車の内燃機関に取り入れられれば膨大な石油資源の節
約にもつながる。

【手続補正書】

【提出日】平成１０年１１月１３日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図面の簡単な説明

【補正方法】変更

【補正内容】

【図面の簡単な説明】

【図１】本特許の単気筒内燃機関実施例の主な機構部分
にかかる斜視図（イメージ図）である。

【図２】本特許のピストン対向型２気筒内燃機関実施例
の主な機構部分にかかる斜視図（イメージ図）である。

【図３】ピニオンとピニオン軸のフリー機構にかかる実
施例の断面図（イメージ図）であり、ピニオンの歯の凹
凸の表示は省略している。

【図４】図３のピニオン機構の３５…３５′部分で矢印
方向にみた一部断面図（イメージ図）であり、図３のロ
ーラー３０と、ピニオンの歯の凹凸の表示は省略してい
る。

【図５】本特許の直列２気筒内燃機関で、上死点・下死
点のピストンの慣性力に耐えうる構造とするため及び上
死点・下死点のタイミングに合わせて正確に吸排気弁な
どを駆動するためのカム軸駆動の動力源などに限定して
クランク機構を取り入れた実施例の主な機構部分にかか
る斜視図（イメージ図）である。

【図６】図５における実施例において、クランク機構の
取り付け方法を変更し内燃機関の高さを低くする方法と
図５において省略した摺動体上にラックと直角方向に設
けた突起部分を図示したピストン、摺動体及びクランク
機構の正面図（一部断面図）と側面図のイメージ図であ
る。

【符号の説明】

【図１】 １ ピストン ２ 摺動体 ３ 中空 ４ ラック ５ ラック ６ ピニオン ７ ピニオン ８ ピニオン軸 ９ ピニオン軸 １０ 歯車 １１ 歯車 １２ 歯車 １３ フライホイール

【図２】 １４ ピストン １５ ピストン １６ ラック １７ ラック １８ ピニオン １９ ピニオン ２０ ピニオン軸 ２１ ピニオン軸 ２２ 歯車 ２３ 歯車 ２４ 歯車 ２５ フライホイール

【図３】及び

【図４】 ２６ ピニオン ２７ ピニオン軸 ２８ カム ２９ 漸変空隙 ３０ ローラー ３１ 中空 ３２ 中空 ３３ 中空 ３４ 中空 ３５…３５′は図４の図３における断面位置、←（矢
印）は断面方向

【図５】 ３６ ピストン ３７ ピストン ３８ 摺動体 ３９ 摺動体 ４０ クランク機構 ４１ クランク機構 ４２ クランク軸 ４３ フライホイール ４４ ラック ４５ ラック ４６ ラック ４７ ラック ４８ ピニオン ４９ ピニオン ５０ ピニオン ５１ ピニオン ５２ ピニオン軸 ５３ ピニオン軸 ５４ 歯車 ５５ 歯車 ５６ 歯車 ５７ フライホイール

【図６】 ５８ ピストン ５９ 摺動体 ６０ ピン機構 ６１ クランク機構 ６２ ラック ６３ ラック ６４ 突起部分 ６５ 突起部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｆ１６Ｈ 19/04 Ｆ１６Ｈ 19/04 Ｊ

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ピストンの往復運動を利用する内燃機関
   において、ピストンのスカート側に、ピストンの往復運
   動に連動して往復運動を行う同一形状のラック２条をそ
   れぞれ向かい合わせに設け、その２条のラックに同一形
   状のピニオンをそれぞれ噛み合わせるとともに、それぞ
   れのピニオン軸は互いに平行になるように設ける。（こ
   の機構ではピストンの往復運動に合わせて２つのピニオ
   ンは回転することとなるが、一方のピニオンは他方のピ
   ニオンと常に反対方向の回転を行うこととなる。）さら
   に、一方のピニオンはピストンが上死点から下死点に向
   かう時のみピニオンとピニオン軸が 連結するように、
   他方のピニオンはピストンが下死点から上死点に向う時
   のみピニオンとピニオン軸が連結するように各ピニオン
   とピニオン軸の間にそれぞれフリー機構を介在させ、ま
   た、各ピニオン軸には上記のピニオンとは別にそのピニ
   オン軸を歯車軸とする同一形状の歯車をそれぞれ取付
   け、その双方の歯車を双方の歯車が互いに接触しないよ
   うに回転駆動軸（内燃機関の外部へ回転駆動力を伝達す
   る歯車の軸をいう。以下同じ）に取り付けた歯車にそれ
   ぞれ噛み合わせることによりピストンの往復運動と回転
   駆動軸の回転運動とを相互に変換する内燃機関
2. 【請求項２】 上記請求項１における基本原理を効果的
   に利用する方法として、２個のピストンを対とし一方の
   ピストンのスカート側と他方のピストンのスカート側を
   連杆で連結し、連杆上に同一形状のラック２条をそれぞ
   れ向かい合わせに設け、その２条のラックに同一形状の
   ピニオンをそれぞれ噛み合わせるとともに、それぞれの
   ピニオン軸は互いに平行になるように設ける。さらに、
   一方のピニオンは一方のピストンが上死点から下死点に
   （他方のピストンが下死点から上死点に）向かう時のみ
   ピニオンとピニオン軸が連結するように、他方のピニオ
   ンは一方のピストンが下死点から上死点に（他方のピス
   トンが上死点から下死点に）向う時のみピニオンとピニ
   オン軸が連結するように各ピニオンとピニオン軸の間に
   それぞれフリー機構を介在させ、また、各ピニオン軸に
   は上記のピニオンとは別にそのピニオン軸を歯車軸とす
   る同一形状の歯車をそれぞれ取付け、その双方の歯車を
   双方の歯車が互いに接触しないように回転駆動軸に取り
   付けた歯車にそれぞれ噛み合わせることによりピストン
   の往復運動と回転駆動軸の回転運動とを相互に変換する
   内燃機関
3. 【請求項３】 上記請求項１、請求項２において、ピニ
   オンとピニオン軸の間にフリー機構を介在させるかわり
   に、各ピニオン軸に取り付けた歯車とそのピニオン軸の
   間にピストンと回転駆動軸間の運動伝達において上記請
   求項１、請求項２と同様の効果を持つフリー機構をそれ
   ぞれ介在させピストンの往復運動と回転駆動軸の回転運
   動とを相互に変換する内燃機関
4. 【請求項４】 上記請求項１、請求項２において、各ピ
   ニオン軸に取り付けた歯車をピニオン軸ではなくそのピ
   ニオン軸方向に設けた独自の歯車軸にそれぞれ取り付
   け、ピニオンとピニオン軸の間にフリー機構を介在させ
   るかわりに各ピニオン軸とそのピニオン軸方向にある上
   記の各歯車軸とをピストンと回転駆動軸間の運動伝達に
   おいて上記請求項１、請求項２と同様の効果のフリー機
   構を持つ軸継手でそれぞれ連結しピストンの往復運動と
   回転駆動軸の回転運動とを相互に変換する内燃機関
5. 【請求項５】 上記請求項１、請求項２において、ピニ
   オンとピニオン軸の間にフリー機構を介在させるかわり
   に、各ピニオンをピストンと回転駆動軸間の運動伝達に
   おいて上記請求項１、請求項２のフリー機構と同様の効
   果を持つ欠歯ピニオンとしピストンの往復運動と回転駆
   動軸の回転運動とを相互に変換する内燃機関
6. 【請求項６】 上記請求項１、請求項２において、ピニ
   オンとピニオン軸の間にフリー機構を介在させるかわり
   に、各ピニオン軸に連結した歯車をピストンと回転駆軸
   間の運動伝達において上記請求項１、請求項２のフリー
   機構と同様の効果を持つ欠歯歯車としピストンの往復運
   動と回転駆動軸の回転運動とを相互に変換する内燃機関
7. 【請求項７】 上記請求項１、請求項２の基本原理を利
   用するため、ピストン、ラック、フリー機構を介在させ
   たピニオンまたはフリー機構を介在させた歯車またはフ
   リー機構を介在させた軸継手または欠歯ピニオンまたは
   欠歯歯車を適当に設け、ピストンの往復運動と回転駆動
   軸の回転運動とを相互に変換する内燃機関
8. 【請求項８】 上記請求項１、請求項２、請求項３、請
   求項４、請求項５、請求項６、請求項７の基本原理を利
   用した蒸気機関などのその他の機関