(57)【要約】      （修正有）【課題】２つの燃焼気筒と１つの膨張気筒を構成単位として有する二段膨張式エンジンの小型化を図る。【解決手段】シリンダブロックには、２つの燃焼気筒と、１つの膨張気筒とが形成されている。燃焼気筒は、吸気、圧縮、膨張および排気の４行程を繰り返す４サイクル式の気筒である。膨張気筒は、膨張および排気の２行程を繰り返す２サイクル式の気筒である。燃焼気筒の配列方向は、クランクシャフトの軸中心に対して直交している。膨張気筒のシリンダ軸は、クランクシャフトの軸中心と直交している。クランクシャフトは、燃焼気筒のピストンが共有するクランクピンを有している。クランクシャフトと、燃料気筒のピストンとは、スコッチヨーク機構を介して接続されている。【選択図】図１
2020101155.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
４ストロークを１サイクルとして往復運動する第１ピストンを収容する第１気筒と、
前記第１ピストンに対して実質的に３６０度の位相差を保ち、４ストロークを１サイクルとして往復運動する第２ピストンを収容する第２気筒と、
前記第１および第２気筒からのガスが交互に流入する第３気筒であって、前記第１または第２ピストンに対して所定の位相差を保ち、且つ、２ストロークを１サイクルとして往復運動する第３ピストンを収容する第３気筒と、
前記第１、第２および第３ピストンに連結されるクランクシャフトと、
備える二段膨張式エンジンであって、
前記第１および第２気筒の配列方向は、前記クランクシャフトの軸方向と直交し、
前記クランクシャフトは、前記第１および第２ピストンに共有される第１クランクピンを有し、
前記第１および第２ピストンと、前記第１クランクピンとが、前記第１および第２ピストンの往復運動を前記クランクシャフトに伝達するスコッチヨーク機構を介して接続される
ことを特徴とする二段膨張式エンジン。
【請求項２】
前記第１、第２および第３気筒のシリンダ軸に対して垂直な平面と、前記シリンダ軸との間で形成される３つの交点が、二等辺三角形を形成する
ことを特徴とする請求項１に記載の二段膨張式エンジン。
【請求項３】
前記第１気筒のガス出口に接続された第１ガス通路と、
前記第２気筒のガス出口に接続された第２ガス通路と、
前記第１および第２ガス通路の合流部と、前記第３気筒のガス入口とを接続する第３ガス通路と、
を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の二段膨張式エンジン。
【請求項４】
前記第３気筒のガス入口に、逆止弁が設けられる
ことを特徴とする請求項１乃至３何れか１項に記載の二段膨張式エンジン。
【請求項５】
前記第１気筒のガス入口を開閉する第１吸気弁と、
前記第１吸気弁を駆動する第１吸気ロッカーアームと、
前記第２気筒のガス入口を開閉する第２吸気弁と、
前記第２吸気弁を駆動する第２吸気ロッカーアームと、
前記第１および第２吸気弁に共有され、１回転中に第１および第２吸気ロッカーアームを揺動させる吸気カムと、
を備えることを特徴とする請求項１乃至４何れか１項に記載の二段膨張式エンジン。
【請求項６】
前記第１気筒のガス出口を開閉する第１送気弁と、
前記第１送気弁を駆動する第１送気ロッカーアームと、
前記第２気筒のガス出口を開閉する第２送気弁と、
前記第２送気弁を駆動する第２送気ロッカーアームと、
前記第１および第２送気弁に共有され、１回転中に第１および第２送気ロッカーアームを揺動させる送気カムと、
を備えることを特徴とする請求項１乃至５何れか１項に記載の二段膨張式エンジン。
【請求項７】
前記クランクシャフトは、前記第３ピストンに専有される第２クランクピンを備え、
前記第３ピストンと、前記第２クランクピンとが、前記第３ピストンの往復運動を前記クランクシャフトに伝達するスコッチヨーク機構を介して接続される
ことを特徴とする請求項１乃至６何れか１項に記載の二段膨張式エンジン。
【請求項８】
前記第１および第２気筒のシリンダ軸の中間線が、前記クランクシャフトの軸中心に対して所定量だけずらして配置される
ことを特徴とする請求項１乃至７何れか１項に記載の二段膨張式エンジン。
【請求項９】
４ストロークを１サイクルとして往復運動する第４ピストンを収容する第４気筒と、
前記第４ピストンに対して実質的に３６０度の位相差を保ち、且つ、４ストロークを１サイクルとして往復運動する第５ピストンを収容する第５気筒と、
前記第４および第５気筒からのガスが交互に流入する第６気筒であって、前記第４または第５ピストンに対して前記所定の位相差を保ち、且つ、２ストロークを１サイクルとして往復運動する第６ピストンを収容する第６気筒と、
を備え、
前記第４、第５および第６ピストンは、前記クランクシャフトに連結され、
前記第１および第４気筒は、前記クランクシャフトの左右に水平に配置され、
前記第２および第５気筒は、前記クランクシャフトの左右に水平に配置され、
前記第３および第６気筒は、前記クランクシャフトの左右に水平に配置され、
前記第４および第５ピストンは、前記第１および第２ピストンと前記第１クランクピンを共有し、
前記第４および第５ピストンと、前記第１クランクピンとが、前記第４および第５ピストンの往復運動を前記クランクシャフトに伝達するスコッチヨーク機構を介して接続される
ことを特徴とする請求項１乃至８何れか１項に記載の二段膨張式エンジン。
【請求項１０】
前記クランクシャフトは、前記第３ピストンに専有される第２クランクピンを備え、
前記第６ピストンは、前記第３ピストンと前記第２クランクピンを共有し、
前記第６ピストンと、前記第２クランクピンとが、前記第６ピストンの往復運動を前記クランクシャフトに伝達するスコッチヨーク機構を介して接続される
ことを特徴とする請求項９に記載の二段膨張式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二段膨張式エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
特開昭５９−１１３２３９号公報は、二段膨張式エンジンを開示する。この従来のエンジンは、２つの燃焼気筒と、１つの膨張気筒と、を有している。燃焼気筒は、吸気、圧縮、膨張および排気の４行程を繰り返す４サイクル式の気筒である。膨張気筒は、膨張および排気の２行程を繰り返す２サイクル式の気筒である。膨張気筒には、燃焼気筒からの燃焼ガスが流入する。
【０００３】
燃焼気筒のピストンは、互いに３６０度の位相差を保って動作する。膨張気筒のピストンは、燃焼気筒のピストンに対して約１９０度の位相差を保って動作する。このようなエンジンによれば、燃焼気筒で膨張させた燃焼ガスを、膨張気筒で再度膨張させることができる。したがって、燃焼ガスのエネルギを二段階で取り出して、エンジンの動力に変換することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５９−１１３２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した動力変換を実現するためには、全ての気筒のピストンを単一のクランクシャフトに取り付ける必要がある。上記従来のエンジンでは、クランクシャフトの軸方向に全ての気筒を一列に配置している。しかしながら、この場合は、エンジンのサイズが大きくなる。そのため、車両への適用を考慮した場合、エンジンの小型化の観点から改善の余地がある。
【０００６】
本発明の１つの目的は、２つの燃焼気筒と１つの膨張気筒を構成単位として有する二段膨張式エンジンの小型化を図ることのできる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の観点は、二段膨張式エンジンである。
前記二段膨張式エンジンは、第１気筒と、第２気筒と、第３気筒と、クランクシャフトとを備える。
前記第１気筒は、第１ピストンを収容する。前記第１ピストンは、４ストロークを１サイクルとして往復運動する。
前記第２気筒は、第２ピストンを収容する。前記第２ピストンは、前記第１ピストンに対して実質的に３６０度の位相差を保ち、且つ、４ストロークを１サイクルとして往復運動する。
前記第３気筒には、前記第１および第２気筒からのガスが交互に流入する。前記第３気筒は、第３ピストンを収容する。前記第３ピストンは、前記第１または第２ピストンに対して所定の位相差を保ち、２ストロークを１サイクルとして往復運動する。
前記クランクシャフトは、前記第１、第２および第３ピストンに連結される。
前記第１および第２気筒の配列方向は、前記クランクシャフトの軸方向と直交する。
前記クランクシャフトは、第１クランクピンを有する。前記第１クランクピンは、前記第１および第２ピストンに共有される。
前記第１および第２ピストンと、前記第１クランクピンとは、スコッチヨーク機構を介して接続される。前記スコッチヨーク機構は、前記第１および第２ピストンの往復運動を前記クランクシャフトに伝達する。
【０００８】
第２の観点は、第１の観点において、更に次の特徴を有する。
前記第１、第２および第３気筒のシリンダ軸に対して垂直な平面と、前記シリンダ軸との間で形成される３つの交点が、二等辺三角形を形成する。
【０００９】
第３の観点は、第１または第２の観点において、更に次の特徴を有する。
前記二段膨張式エンジンは、第１ガス通路と、第２ガス通路と、第３ガス通路と、を備える。
前記第１ガス通路は、前記第１気筒のガス出口に接続されている。
前記第２ガス通路は、前記第２気筒のガス出口に接続されている。
前記第３ガス通路は、前記第１および第２ガス通路の合流部と、前記第３気筒のガス入口とを接続する。
【００１０】
第４の観点は、第１乃至第３の観点の何れかにおいて、更に次の特徴を有する。
前記第３気筒のガス入口に、逆止弁が設けられる。
【００１１】
第５の観点は、第１乃至第４の観点の何れかにおいて、更に次の特徴を有する。
前記二段膨張式エンジンは、第１吸気弁と、第１吸気ロッカーアームと、第２吸気弁と、第２吸気ロッカーアームと、吸気カムと、を備える。
前記第１吸気弁は、前記第１気筒のガス入口を開閉する。
前記第１吸気ロッカーアームは、前記第１吸気弁を駆動する。
前記第２吸気弁は、前記第２気筒のガス入口を開閉する。
前記第２吸気ロッカーアームは、前記第２吸気弁を駆動する。
前記吸気カムは、前記第１および第２吸気弁に共有される。前記吸気カムは、１回転中に第１および第２吸気ロッカーアームを揺動させる。
【００１２】
第６の観点は、第１乃至第５の観点の何れかにおいて、更に次の特徴を有する。
前記二段膨張式エンジンは、第１送気弁と、第１送気ロッカーアームと、第２送気弁と、第２送気ロッカーアームと、送気カムと、を備える。
前記第１送気弁は、前記第１気筒のガス出口を開閉する。
前記第１送気ロッカーアームは、前記第１送気弁を駆動する。
前記第２送気弁は、前記第２気筒のガス出口を開閉する。
前記第２送気ロッカーアームは、前記第２送気弁を駆動する。
前記送気カムは、前記第１および第２送気弁に共有される。前記送気カムは、１回転中に第１および第２送気ロッカーアームを揺動させる。
【００１３】
第７の観点は、第１乃至第６の観点の何れかにおいて、更に次の特徴を有する。
前記クランクシャフトは、第２クランクピンを備える。前記第２クランクピンは、前記第３ピストンに専有される。
前記第３ピストンと、前記第２クランクピンとは、スコッチヨーク機構を介して接続される。前記スコッチヨーク機構は、前記第３ピストンの往復運動を前記クランクシャフトに伝達する。
【００１４】
第８の観点は、第１乃至第７の観点の何れかにおいて、更に次の特徴を有する。
前記第１および第２気筒のシリンダ軸の中間線が、前記クランクシャフトの軸中心に対して所定量だけずらして配置される。
【００１５】
第９の観点は、第１乃至第８の観点の何れかにおいて、更に次の特徴を有する。
前記二段膨張式エンジンは、第４気筒と、第５気筒と、第６気筒と、を備える。
前記第４気筒は、第４ピストンを収容する。前記第４ピストンは、４ストロークを１サイクルとして往復運動する。
前記第５気筒は、第５ピストンを収容する。前記第５ピストンは、前記第４ピストンに対して実質的に３６０度の位相差を保ち、且つ、４ストロークを１サイクルとして往復運動する。
前記６気筒には、前記第４および第５気筒からのガスが交互に流入する。前記第６気筒は、第６ピストンを収容する。前記第６ピストンは、前記第４または第５ピストンに対して前記所定の位相差を保ち、且つ、２ストロークを１サイクルとして往復運動する。
前記第４、第５および第６ピストンは、前記クランクシャフトに連結される。
前記第１および第４気筒は、前記クランクシャフトの左右に水平に配置される。
前記第２および第５気筒は、前記クランクシャフトの左右に水平に配置される。
前記第３および第６気筒は、前記クランクシャフトの左右に水平に配置される。
前記第４および第５ピストンは、前記第１および第２ピストンと前記第１クランクピンを共有する。
前記第４および第５ピストンと、前記第１クランクピンとは、スコッチヨーク機構を介して接続される。前記スコッチヨーク機構は、前記第４および第５ピストンの往復運動を前記クランクシャフトに伝達する。
【００１６】
第１０の観点は、第９の観点において、更に次の特徴を有する。
前記クランクシャフトは、第２クランクピンを備える。前記第２クランクピンは、前記第３ピストンに専有される。
前記第６ピストンは、前記第３ピストンと前記第２クランクピンを共有する。
前記第６ピストンと、前記第２クランクピンとが、スコッチヨーク機構を介して接続される。前記スコッチヨーク機構は、前記第６ピストンの往復運動を前記クランクシャフトに伝達する。
【発明の効果】
【００１７】
第１の観点によれば、第１および第２気筒が、クランクシャフトの軸方向に対して直交配置される。そのため、第１および第２気筒を軸方向と平行配置する場合に比べて、エンジンの長さを短くすることができる。また、第１の観点によれば、第１および第２ピストンと、第１クランクピンとがスコッチヨーク機構を介して接続される。そのため、第１および第２ピストンと、クランクシャフトとをコンロッドを介して接続する場合に比べて、エンジンの高さを短くすることができる。よって、エンジンを小型化することができる。
【００１８】
第２の観点によれば、第１、第２および第３気筒のシリンダ軸に対して垂直な平面と、これらのシリンダ軸との間で形成される３つの交点が、二等辺三角形を形成する。そのため、第１、第２および第３気筒をバランスよくクランクシャフトに連結できる。
【００１９】
第３の観点によれば、第１および第２気筒のガス出口と、第３気筒のガス入口とを接続するガス通路を、三足で構成することができる。ガス通路を三足で構成した場合は、ガス通路を二足で構成する場合に比べてガス通路の全長を短くすることができる。よって、第１または第２気筒のガス出口から流出した燃焼ガスの温度が、ガス通路を流れる間に低下するのを抑えることができる。
【００２０】
第４の観点によれば、第１または第２気筒のガス出口から第３気筒のガス入口に向かう方向とは逆方向にガスが流れるのを防止することができる。
【００２１】
第５の観点によれば、第１および第２吸気弁を別々の吸気カムで駆動する場合に比べて、部品数を削減することができる。
【００２２】
第６の観点によれば、第１および第２送気弁を別々の送気カムで駆動する場合に比べて、部品数を削減することができる。
【００２３】
第７の観点によれば、第３ピストンと、第２クランクピンとがスコッチヨーク機構を介して接続される。そのため、第３ピストンと、クランクシャフトとをコンロッドを介して接続する場合に比べて、エンジンの振動を小さくすることができる。
【００２４】
第８の観点によれば、第１気筒と第１ピストンの間に生じる摩擦力と、第２気筒と第２ピストンの間に生じる最大摩擦力とに差が生じるのを抑えることができる。よって、第１および第２ピストンをスムーズに往復運動させることができる。
【００２５】
第９の観点によれば、エンジンの排気総量を増やすことができる。
【００２６】
第１０の観点によれば、第６ピストンと、第２クランクピンとがスコッチヨーク機構を介して接続される。そのため、第６ピストンと、クランクシャフトとをコンロッドを介して接続する場合に比べて、エンジンの振動を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施の形態１に係るエンジンの要部を示す平面図である。
【図２】図１の矢印IIの方向から見たエンジンの要部を示す側面図である。
【図３】図１の矢印IIIの方向から見たエンジンの要部を示す側面図である。
【図４】図１の矢印IVの方向から見たエンジンの要部を示す側面図である。
【図５】実施の形態１に係るエンジンの燃焼気筒の動作を説明する図である。
【図６】実施の形態１に係るエンジンの膨張気筒の動作を説明する図である。
【図７】実施の形態１に係るエンジンでの二段膨張を説明する図である。
【図８】実施の形態１に係るエンジンの構成による第１の効果を説明する図である。
【図９】実施の形態１に係るエンジンの構成による第１の効果を説明する図である。
【図１０】実施の形態１に係るエンジンの構成による第２の効果を説明する図である。
【図１１】実施の形態２に係るエンジンの要部を示す平面図である。
【図１２】実施の形態２に係るエンジンの構成による効果を説明する図である。
【図１３】実施の形態３に係るエンジンの要部を示す平面図である。
【図１４】実施の形態４に係るエンジンの要部を示す平面図である。
【図１５】図１４の矢印XVの方向から見たエンジンの要部を示す側面図である。
【図１６】実施の形態５に係るエンジンの要部を示す平面図である。
【図１７】図１６の矢印XVIIの方向から見たエンジンの要部を示す側面図である。
【図１８】実施の形態６に係るエンジンの要部を示す平面図である。
【図１９】実施の形態７に係るエンジンの要部を示す側面図である。
【図２０】実施の形態７に係るエンジンの構成による効果を説明する図である。
【図２１】実施の形態８に係るエンジンの要部を示す側面図である。
【図２２】実施の形態８に係るエンジンの構成による効果を説明する図である。
【図２３】実施の形態８に係るエンジンの構成による効果を説明する図である。
【図２４】実施の形態９に係るエンジンの要部を示す側面図である。
【図２５】実施の形態９に係るエンジンの要部を示す側面図である。
【図２６】実施の形態９に係るエンジンの燃焼気筒の動作を説明する図である。
【図２７】位相差を進角側にずらしたときの二段膨張に関係する作動ガスの容積の推移を示した図である。
【図２８】位相差を遅角側にずらしたときの二段膨張に関係する作動ガスの容積の推移を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００２９】
１．実施の形態１
先ず、本発明の実施の形態１について、図１乃至１０を参照しながら説明する。
【００３０】
１．１  エンジンの構成
実施の形態１に係る二段膨張式エンジン（以下、単に「エンジン」と称す。）は、動力源として車両に搭載される。図１は、実施の形態１に係るエンジン１の要部を示す平面図である。図１に示すように、エンジン１は、シリンダブロック１０を備えている。シリンダブロック１０には、燃焼気筒１２ａおよび１２ｂと、膨張気筒１４ａと、が形成されている。
【００３１】
燃焼気筒１２ａおよび１２ｂは、吸気、圧縮、膨張および排気の４行程を繰り返す４サイクル式の気筒である。燃焼気筒１２ａのシリンダ軸上には、点火栓１６ａが取り付けられている。点火栓１６ａは、燃焼気筒１２ａ内の混合ガスを点火する。燃焼気筒１２ｂのシリンダ軸上には、点火栓１６ｂが取り付けられている。点火栓１６ａと点火栓１６ｂは、３６０度の位相差を保って駆動される。燃焼気筒１２ａおよび１２ｂの外周には、ウォータジャケット１８が形成されている。ウォータジャケット１８内には、冷却水が流通する。
【００３２】
膨張気筒１４ａは、膨張および排気の２行程を繰り返す２サイクル式の気筒である。膨張気筒１４ａには、点火栓が取り付けられていない。膨張気筒１４ａの外周には、断熱材２０が設けられている。断熱材２０は、膨張気筒１４ａでの冷却損失を抑えるために設けられている。
【００３３】
燃焼気筒１２ａおよび１２ｂの配列方向は、クランクシャフトの軸中心Ｃ５０に対して直交している。燃焼気筒１２ａのシリンダ軸から軸中心Ｃ５０までの距離は、燃焼気筒１２ｂのシリンダ軸から軸中心Ｃ５０までの距離と等しい。膨張気筒１４ａのシリンダ軸は、軸中心Ｃ５０と直交している。ここで、燃焼気筒１２ａ、１２ｂおよび膨張気筒１４ａのシリンダ軸に対して垂直な平面を考える。そうすると、この垂直平面と、これらのシリンダ軸との３つの交点は、二等辺三角形の頂点を形成する。
【００３４】
燃焼気筒１２ａのガス入口は、吸気ポート２２ａに繋がっている。このガス入口には、吸気弁２４ａが設けられている。吸気弁２４ａは、ガス入口を開閉する。ガス入口が開くと、ガス（吸気）が燃焼気筒１２ａ内に流入する。この吸気と、インジェクタ（不図示）からの燃料とが混合すると、燃焼気筒１２ａ内に混合ガスが形成される。燃焼気筒１２ｂのガス入口は、吸気ポート２２ｂに繋がっている。吸気ポート２２ｂには、吸気弁２４ｂが設けられている。
【００３５】
燃焼気筒１２ａのガス出口は、送気管２６ａの一端に繋がっている。送気管２６ａの他端は、膨張気筒１４ａのガス入口に繋がっている。燃焼気筒１２ａのガス出口には、送気弁２８ａが設けられている。送気弁２８ａは、燃焼気筒１２ａのガス出口を開閉する。このガス出口が開くと、燃焼気筒１２ａ内のガス（燃焼ガス）が送気管２６ａ内に流入する。燃焼気筒１２ｂのガス出口は、送気管２６ｂの一端に繋がっている。送気管２６ｂの他端は、膨張気筒１４ａのガス入口に繋がっている。燃焼気筒１２ｂのガス出口には、送気弁２８ｂが設けられている。
【００３６】
膨張気筒１４ａのガス入口は、常時、送気管２６ａおよび２６ｂと連通している。そのため、燃焼気筒１２ａまたは１２ｂのガス出口が開くと、何れかの気筒からの燃焼ガスが膨張気筒１４ａ内に流入する。送気管２６ａおよび２６ｂの外周には、燃焼ガスを保温するための断熱材が設けられていることが望ましい。
【００３７】
膨張気筒１４ａのガス出口は、排気ポート３０に繋がっている。このガス出口には、排気弁３２ａが設けられている。排気弁３２ａは、ガス出口を開閉する。ガス出口が開くと、膨張気筒１４ａ内のガス（排気ガス）が排気ポート３０内に流入する。排気ポート３０に流入したガスは、排気ポート３０の下流において浄化された後、車両外に排出される。なお、ガスの浄化は、膨張気筒１４ａよりも上流において行ってもよい。この場合は、送気管２６ａおよび２６ｂの内部に、ハニカムまたは格子状の内壁を追加して、ここに三元触媒を担持させればよい。
【００３８】
図２は、図１の矢印IIの方向から見たエンジン１の要部を示す側面図である。図２に示すように、エンジン１は、ピストン４０ａおよび４０ｂを備えている。ピストン４０ａは、燃焼気筒１２ａ内に収容されている。ピストン４０ａのピストンピンは、台形状の第２フレーム４４ａを介して、角の丸い四角形状の第１フレーム４２に接続されている。ピストン４０ｂは、燃焼気筒１２ｂ内に収容されている。ピストン４０ｂのピストンピンは、第２フレーム４４ｂを介して第１フレーム４２に接続されている。第１フレーム４２、第２フレーム４４ａおよび４４ｂは、一体化された枠部材である。
【００３９】
第１フレーム４２は、第１フレーム４２内を左右方向（燃焼気筒１２ａおよび１２ｂの配列方向）に移動するスライダ４６を有している。第１フレーム４２の両側には、ガイド４８ａおよび４８ｂが設けられている。ガイド４８ａおよび４８ｂは、第１フレーム４２の上下方向（ピストン４０ａおよび４０ｂの移動方向）の移動を補助する部材である。ガイド４８ａおよび４８ｂは、スライダ４６の移動による第１フレーム４２の左右方向への移動を制止する部材でもある。
【００４０】
また、図２に示すように、エンジン１は、クランクシャフト５０を備えている。クランクシャフト５０は、クランクピン５２を有している。クランクピン５２は、スライダ４６に回転自在に結合されている。クランクピン５２は、また、クランクアーム５４ａを介してクランクシャフト５０と繋がっている。なお、図２では省略しているが、クランクピン５２は、クランクアーム５４ａと、クランクアーム５４ａとは別のクランクアーム（図３に示すクランクアーム５４ｂ）との間に設けられている。
【００４１】
第１フレーム４２、第２フレーム４４ａおよび４４ｂは、ヨーク（Yoke）と称される。このヨーク、スライダ４６、ガイド４８ａおよび４８ｂを含んだ組立機構は、スコッチヨーク機構と称される。スコッチヨーク機構の動作については、後で詳しく説明される。
【００４２】
また、図２に示すように、エンジン１は、カムシャフト６０ａ、ロッカーシャフト７０ａおよび７０ｂを備えている。これらのシャフトは、クランクシャフト５０と平行に設けられている。カムシャフト６０ａは、クランクシャフト５０が二回転する間に一回転する。カムシャフト６０ａは、また、吸気カム６２ａを有している。ロッカーシャフト７０ａは、ロッカーアーム７２ａを有している。吸気カム６２ａは、ロッカーアーム７２ａを介して吸気弁２４ａを駆動する。ロッカーシャフト７０ｂは、ロッカーアーム７２ｂを有している。吸気カム６２ａは、ロッカーアーム７２ｂを介して吸気弁２４ｂを駆動する。
【００４３】
図３は、図１の矢印IIIの方向から見たエンジン１の要部を示す側面図である。つまり、図３は、膨張気筒１４ａ側から見た燃焼気筒１２ａおよび１２ｂの周辺の要部の側面図である。図３に示すように、クランクピン５２は、クランクアーム５４ｂを有している。クランクアーム５４ｂは、クランクアーム５４ａと同一の形状を有している。
【００４４】
また、図３に示すように、カムシャフト６０ａは、送気カム６４を有している。ロッカーシャフト７０ａは、ロッカーアーム７４ａを有している。送気カム６４は、ロッカーアーム７４ａを介して送気弁２８ａを駆動する。ロッカーシャフト７０ｂは、ロッカーアーム７４ｂを有している。送気カム６４は、ロッカーアーム７４ｂを介して送気弁２８ｂを駆動する。
【００４５】
図４は、図１の矢印IVの方向から見たエンジン１の要部を示す側面図である。図４に示すように、エンジン１は、ピストン８０ａを備えている。ピストン８０ａは、膨張気筒１４ａ内に収容されている。ピストン８０ａのピストンピンは、コンロッド８２を介してクランクピン５６に接続されている。クランクピン５６は、クランクピン５２に対して１８０度の位相差をもって設けられている。そのため、ピストン８０ａは、ピストン４０ａまたは４０ｂに対して１８０度の位相差を保って往復運動する。クランクピン５６は、クランクアーム５８を介してクランクシャフト５０と繋がっている。なお、図４では省略しているが、クランクピン５６は、クランクアーム５８と同一の形状を有する別のクランクアームと、クランクアーム５８との間に設けられている。
【００４６】
また、図４に示すように、カムシャフト６０ａは、排気カム６６ａを有している。排気カム６６ａは、１８０度の位相差をもって設けられる２つのノーズ部分を有している。排気カム６６ａは、バルブリフタ６８ａを介して排気弁３２ａを駆動する。
【００４７】
１．２  エンジンの動作
図５は、燃焼気筒１２ａおよび１２ｂの動作を説明する図である。図５には、図２に示した側面図と同様の４つの側面図が示されている。これらの側面図は、クランク角θ＝０°、９０°、１８０°および２７０°のときに、それぞれ対応している。図５において、クランクシャフト５０は３／４回転し、カムシャフト６０ａは３／８回転している。
【００４８】
既に説明したように、第１フレーム４２、第２フレーム４４ａおよび４４ｂ（すなわち、ヨーク）は、一体化されている。そのため、クランクシャフト５０の回転に伴いヨークが往復運動すると、ピストン４０ａおよび４０ｂも一緒に往復運動する。ただし、吸気弁２４ａおよび２４ｂは、１つのノーズ部分を有する吸気カム６２ａを共有する。そのため、吸気カム６２ａが１回転すると、吸気カム６２ａによってロッカーアーム７２ａおよび７２ｂが揺動する。これより、吸気弁２４ａおよび２４ｂが駆動される。
【００４９】
図５では、吸気カム６２ａのノーズ部分によってロッカーアーム７２ｂが揺動し、これより吸気弁２４ｂが駆動されている。図５に示した状態からカムシャフト６０ａが更に回転すると、吸気カム６２ａのノーズ部分によって今度はロッカーアーム７２ａが揺動し、これより吸気弁２４ａが駆動される。このように、ピストン４０ａおよび４０ｂは一緒に往復運動しており、これらのピストンの間には位相差が存在しないように見える。しかしながら、エンジン１の４行程で見ると、これらのピストンの間には実質的な位相差が存在している。実質的な位相差は、３６０度である。
【００５０】
吸気弁２４ａおよび２４ｂと同様に、図３で説明した送気弁２８ａおよび２８ｂは、１つのノーズ部分を有する送気カム６４を共有する。そのため、送気カム６４が１回転すると、送気カム６４によってロッカーアーム７４ａおよび７４ｂが揺動する。これより、送気弁２８ａおよび２８ｂが駆動される。
【００５１】
また、送気カム６４のノーズ部分は、吸気カム６２ａのそれに対して２７０度の位相差をもって設けられている。そのため、送気弁２８ａは、吸気弁２４ａに対して２７０度の位相差を保って駆動される。また、送気弁２８ｂは、吸気弁２４ｂに対して２７０度の位相差を保って駆動される。
【００５２】
図６は、膨張気筒１４ａの動作を説明する図である。図６には、図４に示した側面図と同様の４つの側面図が示されている。これらの側面図は、クランク角θ＝０°、９０°、１８０°および２７０°のときに、それぞれ対応している。つまり、これらのクランク角は、図５に示した４つのクランク角にそれぞれ対応している。
【００５３】
既に説明したように、排気カム６６ａは、１８０度の位相差をもって設けられる２つのノーズ部分を有している。そのため、排気カム６６ａが１／２回転するたびに、バルブリフタ６８ａが２つのノーズ部分の何れかによって上下動する。これより、排気弁３２ａが駆動される。排気カム６６ａの一方のノーズ部分は、吸気カム６２ａのノーズ部分と同位相で設けられている。排気カム６６ａの他方のノーズ部分は、吸気カム６２ａのノーズ部分に対して１８０度の位相差をもって設けられている。そのため、排気弁３２ａは、吸気弁２４ａと同位相で駆動され、且つ、吸気弁２４ａに対して１８０度の位相差を保って駆動される。
【００５４】
１．３  二段膨張
図７は、エンジン１での二段膨張を説明する図である。図７の太線は、燃焼気筒１２ａおよび膨張気筒１４ａに着目したときの、二段膨張に関係する作動ガスの容積Ｖｇａｓ（太線）の推移を表している。図７の破線は、燃焼気筒１２ａの容積Ｖ１２ａの推移、および膨張気筒１４ａの容積Ｖ１４ａの推移をそれぞれ表している。
【００５５】
図７では、ピストン４０ａが上死点に位置するクランク角θ＝０°において燃焼気筒１２ａ内の混合ガスへの点火が行われている。そうすると、容積Ｖｇａｓは、燃焼気筒１２ａ内でのガスの膨張（１段目の膨張）に伴って増加する。クランク角θ＝０°からクランク角θ＝１８０°までの間、容積Ｖｇａｓは、容積Ｖ１２ａの最大値と等しい値まで増加する。
【００５６】
次のクランク角区間（１８０〜３６０°）では、送気弁２８ａの開弁動作（ＴＶＯ〜ＴＶＣ）が行われる。これに伴い、燃焼気筒１２ａのガス出口が送気管２６ａを介して膨張気筒１４ａと繋がる。また、クランク角θ＝１８０°では、ピストン８０ａが上死点に位置している。そのため、容積Ｖｇａｓは、膨張気筒１４ａ内でのガスの膨張（２段目の膨張）に伴って増加する。クランク角θ＝１８０°からクランク角θ＝３６０°までの間、容積Ｖｇａｓは、送気管２６ａの容積と容積Ｖ１４ａの最大値の総和と等しい値まで増加する。
【００５７】
次のクランク角区間（３６０〜５４０°）では、排気弁３２ａの開弁動作（ＥＶＯ〜ＥＶＣ）が行われる。これに伴い、作動ガスが膨張気筒１４ａから排出される。また、排気弁３２ａが開かれる（ＥＶＯ）のと同時に送気弁２８ａが閉じられる（ＴＶＣ）ため、容積ｇａｓが一気に減少する。ただし、このクランク角区間では、吸気弁２４ａの開弁動作（ＩＶＯ〜ＩＶＣ）が行われる。また、このクランク角区間では、ピストン４０ａが上死点から下死点まで移動する。そのため、クランク角θ＝３６０°からクランク角θ＝５４０°までの間、容積Ｖｇａｓは、容積Ｖ１２ａの最大値と等しい値まで増加する。
【００５８】
次のクランク角区間（５４０〜７２０°）では、ピストン４０ａが下死点から上死点まで移動する。そのため、クランク角θ＝５４０°からクランク角θ＝７２０°までの間、容積Ｖｇａｓは、容積Ｖ１２ａの最小値と等しい値まで減少する。そして、ピストン４０ａが上死点に位置するクランク角θ＝７２０°において、燃焼気筒１２ａ内の混合ガスへの点火が行われる。
【００５９】
１．４  効果
図８および９は、エンジン１の構成による第１の効果を説明する図である。図８は、比較用の従来のエンジンＥの要部を示した斜視図である。図９は、エンジン１の要部を示した斜視図である。図８に示すエンジンＥは、シリンダブロック１１を備えている。シリンダブロック１１には、燃焼気筒１３ａおよび１３ｂ、および、膨張気筒１５が形成されている。燃焼気筒１３ａおよび１３ｂの直径は、図９に示すエンジン１の燃焼気筒１２ａおよび１２ｂと等しくｒ１である。膨張気筒１５の直径は、膨張気筒１４ａと等しくｒ２である。
【００６０】
エンジンＥとエンジン１の相違点は次のとおりである。すなわち、エンジン１では、燃焼気筒１２ａおよび１２ｂが、クランクシャフト５０の軸方向に対して直交配置されている。これに対し、エンジンＥでは３つの気筒がクランクシャフト５１の軸方向に並んで配置されている。また、エンジン１では、ピストン４０ａおよび４０ｂがヨークを介してクランクシャフト５０と接続されている。これに対し、エンジンＥでは、ピストン４１ａおよび４１ｂが、コンロッド４３ａおよび４３ｂを介してクランクシャフト５１と接続されている。
【００６１】
図８および９を比較すると分かるように、シリンダブロック１０の長さＬ１０は、シリンダブロック１１の長さＬ１１よりも短くなる。この理由は、クランクシャフト５０の軸方向における燃焼気筒１２ａ（または燃焼気筒１２ｂ）と膨張気筒１４ａの重複分だけ、長さＬ１０を短く設計することができるためである。その代わり、シリンダブロック１０の幅Ｗ１０は、シリンダブロック１１の幅Ｗ１１よりも長く設計する必要がある。
【００６２】
しかしながら、エンジンＥには、コンロッド４３ａおよび４３ｂが用いられている。ここで、コンロッド４３ａおよび４３ｂは、シリンダブロック１１との干渉を避けるために大きな連桿比を設定する必要がある。ここで、連桿比の値が大きいということは、長いコンロッドが使用されることを意味する。そのため、シリンダブロック１１の高さＨ１１は必然的に大きくなる。
【００６３】
これに対し、エンジン１には、コンロッドではなくヨークが用いられる。そのため、シリンダブロック１０の高さＨ１０は、高さＨ１１よりも短く設計することができる。以上のことから、エンジン１によれば、エンジンＥよりもエンジンのサイズを小さくすることができる。
【００６４】
図１０は、エンジン１の構成による第２の効果を説明する図である。既に説明したように、エンジンＥには、コンロッド４３ａおよび４３ｂが用いられている。また、エンジンＥには、コンロッド８３が用いられている。そのため、図１０に破線で示すように、エンジンＥでは、シリンダ軸方向に比較的大きな不釣り合い力が生じる。不釣合い力は、ピストン８０ａ、８０ｂおよびピストン８１の慣性力が合成された合成慣性力を意味する。
【００６５】
この点、エンジン１では、燃焼気筒１２ａおよび１２ｂにスコッチヨーク機構が適用されている。そのため、図１０に実線で示すように、エンジン１によれば、シリンダ軸方向の不釣合い力を低減することができる。したがって、エンジン１によれば、エンジンＥよりもエンジンの振動を小さくすることもできる。
【００６６】
エンジン１の第３の効果は、吸気カム６２ａおよび送気カム６４の構成に基づくものである。すなわち、吸気弁２４ａおよび２４ｂは、これらが共有する吸気カム６２ａによって駆動される。したがって、これらの吸気弁を別々の吸気カムで駆動する場合に比べて、部品数を削減することができる。また、送気弁２８ａおよび２８ｂは、これらが共有する送気カム６４によって駆動される。したがって、これらの送気弁を別々の送気カムで駆動する場合に比べて、部品数を削減することができる。
【００６７】
１．５  実施の形態１と観点との対応関係
上記実施の形態１では、燃焼気筒１２ａが第１の観点における「第１気筒」に相当している。ピストン４０ａが同観点における「第１ピストン」に相当している。燃焼気筒１２ｂが同観点における「第２気筒」に相当している。ピストン４０ｂが同観点における「第２ピストン」に相当している。膨張気筒１４ａが同観点における「第３気筒」に相当している。膨張気筒１４ａが同観点における「第３ピストン」に相当している。クランクピン５２が同観点における「第１クランクピン」に相当している。
【００６８】
上記実施の形態１では、吸気弁２４ａが第５の観点における「第１吸気弁」に相当している。ロッカーアーム７２ａが同観点における「第１吸気ロッカーアーム」に相当している。吸気弁２４ｂが同観点における「第２吸気弁」に相当している。ロッカーアーム７２ｂが同観点における「第２吸気ロッカーアーム」に相当している。
【００６９】
上記実施の形態１では、送気弁２８ａが第６の観点における「第１送気弁」に相当している。ロッカーアーム７４ａが同観点における「第１送気ロッカーアーム」に相当している。送気弁２８ｂが同観点における「第２送気弁」に相当している。ロッカーアーム７４ｂが同観点における「第２送気ロッカーアーム」に相当している。
【００７０】
２．実施の形態２
次に、本発明の実施の形態２について、図１１および１２を参照しながら説明する。なお、上記実施の形態１の説明と重複する説明については適宜省略する。
【００７１】
２．１  エンジンの構成
図１１は、実施の形態２に係るエンジン２の要部を示す平面図である。図１１に示すように、エンジン２は、送気管３４ａを備えている。送気管３４ａの一端は、送気管２６ａと送気管２６ｂの合流部Ｍ１に繋がっている。送気管３４ａの他端は、膨張気筒１４ａのガス入口に繋がっている。エンジン２のその他の構成は、エンジン１の構成と同じである。送気管３４ａの外周には、送気管２６ａおよび２６ｂと同様に断熱材が設けられていることが望ましい。
【００７２】
エンジン２において、燃焼気筒１２ａ（または燃焼気筒１２ｂ）のガス出口の中心から、膨張気筒１４ａのシリンダ軸中心までの距離ｄ１は既知である。また、燃焼気筒１２ａのシリンダ軸中心から燃焼気筒１２ｂのシリンダ軸中心までの距離ｄ２も既知である。
【００７３】
２．２  効果
図１２は、エンジン２の構成による効果を説明する図である。図１２の横軸は、膨張気筒１４ａのシリンダ軸中心から合流部Ｍ１までの長さｌ１を表している。図１２の縦軸は、燃焼気筒１２ｂのシリンダ軸中心から合流部Ｍ１までの長さｌ２を表している。長さｌ１およびｌ２が変数である。長さｌ１およびｌ２と、距離ｄ１およびｄ２の間には、三平方の定理から次の関係が成立する。
ｌ２＝｛（ｄ２／２）２＋（ｄ１−ｌ１）２｝１／２・・・（１）
【００７４】
図１２の縦軸の値は、式（１）において長さｌ１を変化させることで得られる。そして、図１２から分かるように、長さｌ２の値は、長さｌ１＝ｌａにおいて最小値ｌ２＿ｍｉｎを取る。そして、この最小値ｌ２＿ｍｉｎを用いて送気管２６ａ、２６ｂおよび３４ａを設計すると、これらの送気管の全長ｌｔ２は次式（２）で表される。
ｌｔ２＝２×ｌ２＿ｍｉｎ＋（ｄ１−ｌａ）  ・・・（２）
【００７５】
ここで、実施の形態１の送気管２６ａおよび２６ｂの全長ｌｔ１と、距離ｄ１およびｄ２との間には、三平方の定理から次の関係が成立する。
ｌｔ１＝２×｛（ｄ２／２）２＋ｄ１２）｝１／２  ・・・（３）
【００７６】
距離ｄ１およびｄ２は既知であることから、全長ｌｔ１に対する全長ｌｔ２の比ｌｔ２／ｌｔ１は容易に計算される。そして、この比ｌｔ２／ｌｔ１は、約０．８である。以上のことから、エンジン２によれば、エンジン１よりも送気管の全長を短くすることができる。したがって、燃焼気筒１２ａまたは１２ｂのガス出口から流出した燃焼ガスの温度が、送気管を流れる間に低下するのを抑えることができる。
【００７７】
２．３  実施の形態２と観点との対応関係
上記実施の形態２では、送気管２６ａが第３の観点における「第１ガス通路」に相当している。送気管２６ｂが同観点における「第２ガス通路」に相当している。送気管３４ａが同観点における「第３ガス通路」に相当している。
【００７８】
３．実施の形態３
次に、本発明の実施の形態３について、図１３を参照しながら説明する。なお、上記実施の形態１の説明と重複する説明については適宜省略する。
【００７９】
３．１  エンジンの構成
図１３は、実施の形態３に係るエンジン３の要部を示す平面図である。図１３に示すように、エンジン３は、逆止弁３６を備えている。逆止弁３６は、膨張気筒１４ａのガス出口に設けられている。逆止弁３６は、ガス出口を開閉する。逆止弁３６は、膨張気筒１４ａ内の圧力と、送気管２６ａまたは２６ｂ内の圧力との差に応じて作動するチェックバルブから構成される。ただし、逆止弁３６は、排気弁３２ａと同様の構成の動弁機構によって駆動されてもよい。
【００８０】
３．２  効果
上記実施の形態１および２においては、膨張気筒１４ａのガス出口が開放されていた。そのため、膨張気筒１４ａのガス出口が開かれたときに排気ポート３０から膨張気筒１４ａに流入する低温のガスが、送気管２６ａおよび２６ｂに到達する可能性がある。この点、エンジン３によれば、逆止弁３６によってガス出口を開閉できる。そのため、送気管２６ａまたは２６ｂから、膨張気筒１４ａに流入する燃焼ガスの温度が低下するのを抑えることができる。したがって、燃焼ガスのエネルギを効率よく取り出すことができる。
【００８１】
４．実施の形態４
次に、本発明の実施の形態４について、図１４および１５を参照しながら説明する。なお、上記実施の形態１の説明と重複する説明については適宜省略する。
【００８２】
４．１  エンジンの構成
図１４は、実施の形態４に係るエンジン４の要部を示す平面図である。図１４に示すように、エンジン４は、吸気ポート２２ｃおよび２２ｄを備えている。吸気ポート２２ｃは、吸気ポート２２ａから分岐して燃焼気筒１２ａのガス入口に繋がっている。このガス入口には、吸気弁２４ｃが設けられている。吸気ポート２２ｄは、吸気ポート２２ｂから分岐して燃焼気筒１２ａのガス入口に繋がっている。このガス入口には、吸気弁２４ｄが設けられている。
【００８３】
図１５は、図１４の矢印XVの方向から見たエンジン４の要部を示す側面図である。図１５に示すように、エンジン４は、バルブリフタ７６ａおよび７６ｂを備えている。吸気カム６２ａは、ロッカーアーム７２ａおよびバルブリフタ７６ａを介して、吸気弁２４ａおよび２４ｃを一緒に駆動する。吸気カム６２ａは、ロッカーアーム７２ｂおよびバルブリフタ７６ｂを介して、吸気弁２４ｂおよび２４ｄを一緒に駆動する。エンジン４のその他の構成は、エンジン１の構成と同じである。
【００８４】
４．２  効果
エンジン４によれば、燃焼気筒当たりの吸気弁の総数が増えた場合であっても、エンジン１と同様の効果を得ることができる。
【００８５】
５．実施の形態５
次に、本発明の実施の形態５について、図１６および１７を参照しながら説明する。なお、上記実施の形態１、２または４の説明と重複する説明については適宜省略する。
【００８６】
５．１  エンジンの構成
図１６は、実施の形態５に係るエンジン５の要部を示す平面図である。図１５に示すように、エンジン５は、送気管２６ｃ、２６ｄおよび３４ｂを備えている。送気管２６ｃは、送気管２６ａ、２６ｂ、２６ｃおよび２６ｄの合流部Ｍ２から分岐して、燃焼気筒１２ａのガス出口に繋がっている。このガス入口には、送気弁２８ｃが設けられている。
【００８７】
送気管２６ｄは、合流部Ｍ２から分岐して燃焼気筒１２ａのガス出口に繋がっている。このガス出口には、送気弁２８ｄが設けられている。送気管３４ｂの一端は、合流部Ｍ２に繋がっている。送気管３４ｂの他端は、膨張気筒１４ａのガス入口に繋がっている。送気管２６ｃ、２６ｄおよび３４ｂの外周には、送気管２６ａおよび２６ｂと同様に断熱材が設けられていることが望ましい。
【００８８】
図１７は、図１６の矢印XVIIの方向から見たエンジン５の要部を示す側面図である。図１７に示すように、エンジン５は、バルブリフタ７８ａおよび７８ｂを備えている。送気カム６４は、ロッカーアーム７４ａおよびバルブリフタ７８ａを介して、送気弁２８ａおよび２８ｃを一緒に駆動する。送気カム６４は、ロッカーアーム７４ｂおよびバルブリフタ７８ｂを介して、送気弁２８ｂおよび２８ｄを一緒に駆動する。エンジン５のその他の構成は、エンジン１、２または４の構成と同じである。
【００８９】
５．２  効果
エンジン５によれば、燃焼気筒当たりの送気弁の総数が増えた場合であっても、エンジン１と同様の効果を得ることができる。
【００９０】
６．実施の形態６
次に、本発明の実施の形態６について、図１８を参照しながら説明する。なお、上記実施の形態１、２、４または５の説明と重複する説明については適宜省略する。
【００９１】
６．１  エンジンの構成
図１８は、実施の形態６に係るエンジン６の要部を示す平面図である。図１６に示すように、エンジン６は、送気管３４ｃおよび３４ｄを備えている。送気管３４ｃの一端は、送気管２６ａと送気管２６ｃの合流部Ｍ３に繋がっている。送気管３４ｃの他端は、膨張気筒１４ａのガス入口に繋がっている。
【００９２】
送気管３４ｄの一端は、送気管２６ｂと送気管２６ｄの合流部Ｍ４に繋がっている。送気管３４ｄの他端は、膨張気筒１４ａのガス入口に繋がっている。エンジン６のその他の構成は、エンジン１、２、４または５の構成と同じである。送気管３４ｃおよび３４ｄの外周には、送気管２６ａおよび２６ｂと同様に断熱材が設けられていることが望ましい。
【００９３】
６．２  効果
エンジン６によれば、膨張気筒当たりのガス入口の総数が増えた場合であっても、エンジン１と同様の効果を得ることができる。
【００９４】
７．実施の形態７
次に、本発明の実施の形態７について、図１９および２０を参照しながら説明する。なお、上記実施の形態１の説明と重複する説明については適宜省略する。
【００９５】
７．１  エンジンの構成
図１９は、実施の形態７に係るエンジン７の要部を示す側面図である。図１９に示すように、エンジン７は、ピストン８０ａを備えている。ピストン８０ａのピストンピンは、台形状の第２フレーム８６ａを介して、四角形状の第１フレーム８４に接続されている。第１フレーム８４および第２フレーム８６ａは、一体化された枠部材である。第１フレーム８４および第２フレーム８６ａは、ヨークを構成する。
【００９６】
第１フレーム８４は、第１フレーム８４内を左右方向に移動するスライダ８８を有している。第１フレーム８４の両側には、ガイド９０ａおよび９０ｂが設けられている。ガイド９０ａおよび９０ｂの機能は、図２で説明したガイド４８ａおよび４８ｂの機能と同じである。スライダ８８は、クランクピン５６と一体化されている。クランクピン５６のその他の構成については、図４で説明したとおりである。第１フレーム８４、第２フレーム８６ａ、スライダ８８、ガイド９０ａおよび９０ｂを含んだ組立機構は、スコッチヨーク機構を構成する。
【００９７】
７．２  効果
図２０は、エンジン７の構成による効果を説明する図である。図２０の破線は、図１０で説明したエンジン１の不釣合い力を示している。図１０で説明したように、エンジン１には、燃焼気筒１２ａおよび１２ｂにスコッチヨーク機構が適用されている。エンジン７には、膨張気筒１４ａにもスコッチヨーク機構が適用されている。そのため、図２０に実線で示すように、エンジン７によれば、シリンダ軸方向の不釣合い力を一層低減することができる。したがって、エンジン７によれば、エンジン１よりもエンジンの振動を小さくすることができる。なお、燃焼気筒１２ａまたは１２ｂの往復質量と、膨張気筒１４ａのそれとを揃えれば、不釣合い力を無くすことができる。
【００９８】
７．３  実施の形態７と観点との対応関係
上記実施の形態７では、クランクピン５６が第７の観点における「第２クランクピン」に相当している。
【００９９】
８．実施の形態８
次に、本発明の実施の形態８について、図２１を参照しながら説明する。なお、上記実施の形態１の説明と重複する説明については適宜省略する。
【０１００】
８．１  エンジンの構成
図２１は、実施の形態８に係るエンジン８の要部を示す側面図である。図２１に示すエンジン８の基本的な構成は、エンジン１と同じである。エンジン１とエンジン８の相違点は、次のとおりである。すなわち、エンジン１では、燃焼気筒１２ａのシリンダ軸と、燃焼気筒１２ｂのシリンダ軸との中間線Ｉ１２が軸中心Ｃ５０と一致する。これに対し、エンジン７では、中間線Ｉ１２が軸中心Ｃ５０に対してずらして配置されている。以下、軸中心Ｃ５０から中間線Ｉ１２までの距離ｅ１２を、オフセット量ともいう。
【０１０１】
オフセット量は、燃焼気筒１２ａまたは１２ｂ内が燃焼状態になった直後のクランク角において、クランクピン５２の軸中心が中間線Ｉ１２の位置と一致するように設定されている。このクランク角としては、燃焼気筒１２ａまたは１２ｂの点火タイミングよりも所定クランク角αだけ遅角側のクランク角が例示される。
【０１０２】
８．２  効果
図２２および２３は、エンジン８の構成による効果を説明する図である。図２２は、比較用のエンジン１の側面図である。図２３は、エンジン８の側面図である。図２２および２３の左側には、燃焼気筒１２ａが燃焼状態になった直後のクランク角θ＝（０＋α）°において、ピストン４０ａに作用する側圧（サイドストラト）の反作用ＦＳＡ１およびＦＳＡ８が描かれている。図２２および２３の右側には、燃焼気筒１２ｂが燃焼状態になった直後のクランク角θ＝（３６０＋α）°において、ピストン４０ｂに作用する側圧の反作用ＦＳＢ１およびＦＳＢ８が描かれている。
【０１０３】
既に説明したように、エンジン１では、中間線Ｉ１２が軸中心Ｃ５０と一致している。そのため、図２２に示すように、クランク角θ＝（０＋α）°および（３６０＋α）°では、クランクピン５２の軸中心が中間線Ｉ１２に対してずれる。そうすると、ピストン４０ａの中心（例えば、ピストンピンの軸中心）とクランクピン５２の軸中心とを結ぶ線分が、燃焼気筒１２ａのシリンダ軸となす狭角γに差が生じる。すなわち、クランク角θ＝（０＋α）°での狭角γＡ１は、クランク角θ＝（３６０＋α）°での狭角γＢ１よりも大きくなる。よって、反作用ＦＳＡ１は、反作用ＦＳＢ１よりも大きくなる。
【０１０４】
この点、エンジン８では、オフセット量が設定されている。そのため、クランク角θ＝（０＋α）°および（３６０＋α）°において、狭角γが等しくなる。すなわち、クランク角θ＝（０＋α）°での狭角γＡ８が、クランク角θ＝（３６０＋α）°での狭角γＢ８と等しくなる。したがって、反作用ＦＳＡ８と反作用ＦＳＢ８が一致する。反作用ＦＳＡ８と反作用ＦＳＢ８が一致すれば、燃焼気筒とピストンの間に生じる最大摩擦力の偏りを抑えることができる。よって、ピストン４０ａおよび４０をスムーズに往復運動させることができる。
【０１０５】
９．実施の形態９
次に、本発明の実施の形態９について、図２４乃至２６を参照しながら説明する。なお、上記実施の形態１および７の説明と重複する説明については適宜省略する。
【０１０６】
９．１  エンジンの構成
実施の形態９に係るエンジンは、クランクシャフト５０の左右に気筒が水平に配置される水平対向式エンジンである。図２４および２５は、実施の形態９に係るエンジン９の要部を示す側面図である。図２４に示すように、エンジン９は、燃焼気筒１２ａおよび１２ｂに加えて、燃焼気筒１２ｃおよび１２ｄを有している。燃焼気筒１２ｃおよび１２ｄの構成は、燃焼気筒１２ａおよび１２ｂの構成と同じである。
【０１０７】
また、図２４に示すように、エンジン９は、ピストン４０ｃおよび４０ｄを備えている。ピストン４０ｃは、燃焼気筒１２ｃ内に収容されている。ピストン４０ｃのピストンピンは、第２フレーム４４ｃを介して第１フレーム４２に接続されている。ピストン４０ｄは、燃焼気筒１２ｄ内に収容されている。ピストン４０ｄのピストンピンは、第２フレーム４４ｄを介して第１フレーム４２に接続されている。第２フレーム４４ｃおよび４４ｄの構成は、第２フレーム４４ａおよび４４ｂの構成と同じである。
【０１０８】
第１フレーム４２、第２フレーム４４ａ、４４ｂ、４４ｃおよび４４ｄは一体化されている。これらのフレームは、ヨークを構成する。また、このヨークおよびスライダ４６を含んだ組立機構は、スコッチヨーク機構を構成する。
【０１０９】
また、図２４に示すように、エンジン９は、カムシャフト６０ａおよび６０ｂ、ロッカーシャフト７０ａ、７０ｂ、７０ｃおよび７０ｄを備えている。カムシャフト６０ａ、ロッカーシャフト７０ａおよび７０ｂの構成については、図２で説明したとおりである。カムシャフト６０ｂ、ロッカーシャフト７０ｃおよび７０ｄは、クランクシャフト５０と平行に設けられている。カムシャフト６０ｂは、クランクシャフト５０が二回転する間に一回転する。カムシャフト６０ｂは吸気カム６２ｂを有している。ロッカーシャフト７０ｃは、ロッカーアーム７２ｃを有している。吸気カム６２ｂは、ロッカーアーム７２ｃを介して吸気弁２４ｃを駆動する。ロッカーシャフト７０ｄは、ロッカーアーム７２ｄを有している。吸気カム６２ｂは、ロッカーアーム７２ｄを介して吸気弁２４ｄを駆動する。
【０１１０】
図２５に示すように、エンジン９は、膨張気筒１４ａに加えて膨張気筒１４ｂを有している。膨張気筒１４ｂの構成は、膨張気筒１４ａの構成と同じである。また、図２５に示すように、エンジン９は、ピストン８０ｂを備えている。ピストン８０ｂは、膨張気筒１４ｂ内に収容されている。ピストン８０ｂのピストンピンは、第２フレーム８６ｂを介して第１フレーム８４に接続されている。第２フレーム８６ｂの構成は、第２フレーム８６ａの構成と同じである。
【０１１１】
第１フレーム８４、第２フレーム８６ａおよび８６ｂは一体化されている。これらのフレームは、ヨークを構成する。また、このヨークおよびスライダ８８を含んだ組立機構は、スコッチヨーク機構を構成する。
【０１１２】
また、図２５に示すように、カムシャフト６０ａは排気カム６６ａを有している。排気カム６６ａの構成については、図４で説明したとおりである。カムシャフト６０ｂは、排気カム６６ｂを有している。排気カム６６ｂは、１８０度の位相差をもって設けられる２つのノーズ部分を有している。排気カム６６ｂは、バルブリフタ６８ｂを介して排気弁３２ｂを駆動する。
【０１１３】
エンジン１または７と異なり、エンジン９は、ガイド４８ａ、４８ｂ、９０ａまたは９０ｂに相当する部材を有していない。この理由は、水平対向式エンジンでは、ピストン４０ａ、４０ｂ、８０ａおよび８０ｂの往復運動が安定化するので、これらのピストンに繋がっているヨークの往復運動も安定化するためである。
【０１１４】
９．２  エンジンの動作
図２６は、燃焼気筒１２ａ、１２ｂ、１２ｃおよび１２ｄの動作を説明する図である。図２６には、図２４に示した側面図と同様の４つの側面図が示されている。ただし、図２６では、図２４に示した動弁系が省略されている。これらの側面図は、クランク角θ＝０°、９０°、１８０°および２７０°のときに、それぞれ対応している。図２６おいて、クランクシャフト５０は３／４回転している。
【０１１５】
既に説明したように、第１フレーム４２、第２フレーム４４ａ、４４ｂ、４４ｃおよび４４ｄ（すなわち、ヨーク）は一体化されている。そのため、クランクシャフト５０の回転に伴いヨークが往復運動すると、ピストン４０ａ、４０ｂ、４０ｃおよび４０ｄも一緒に往復運動する。なお、図５で説明した実質的な位相差は、これらのピストンの間にも存在する。すなわち、エンジン８の４行程で見ると、ピストン４０ａおよび４０ｃを含む第１ピストン群と、ピストン４０ｂおよび４０ｄを含む第２ピストン群との間には、実質的な位相差が存在している。実質的な位相差は、３６０度である。
【０１１６】
９．３  効果
エンジン９によれば、エンジンの排気総量を増やすことができる。また、ガイド４８ａ、４８ｂ、９０ａまたは９０ｂに相当する部材の使用を省略できるので、シリンダブロック１０の幅を短くすることもできる。
【０１１７】
９．４  実施の形態９と観点との対応関係
上記実施の形態９では、燃焼気筒１２ｃが第９の観点における「第４気筒」に相当している。ピストン４０ｃが同観点における「第４ピストン」に相当している。燃焼気筒１２ｄが同観点における「第５気筒」に相当している。ピストン４０ｄが同観点における「第５ピストン」に相当している。膨張気筒１４ｂが同観点における「第６気筒」に相当している。ピストン８０ｂが同観点における「第６ピストン」に相当している。
【０１１８】
１０．その他の実施の形態
上記実施の形態１−９で説明したエンジン１−９は、以下のように変形することもできる。
【０１１９】
１０．１  第１の変形例
上記実施の形態１では、クランクピン５６が、クランクピン５２に対して１８０度の位相差をもって設けられた。また、送気カム６４のノーズ部分が、吸気カム６２ａのノーズ部分に対して２７０度の位相差をもって設けられた。また、排気カム６６ａのノーズ部分が、吸気カム６２ａのノーズ部分に対して０または１８０度の位相差をもって設けられた。しかしながら、これらの位相差は、エンジン全体の熱効率を考慮して進角側または遅角側にずらしてもよい。
【０１２０】
図２７は、位相差を進角側にずらしたときの二段膨張に関係する作動ガスの容積Ｖｇａｓ（太線）の推移を示した図である。図２７に示すように、位相差を進角側にずらしたときは、クランク角θ＝１８０°よりも進角側で２段目の膨張が始まる。また、クランク角θ＝３６０°よりも進角側で容積Ｖｇａｓが最大値に到達し、その直後から容積Ｖｇａｓが一気に減少する。
【０１２１】
図２８は、位相差を遅角側にずらしたときの二段膨張に関係する作動ガスの容積Ｖｇａｓ（太線）の推移を示した図である。図２８に示すように、位相差を遅角側にずらしたときは、クランク角θ＝１８０°よりも遅角側で２段目の膨張が始まる。また、クランク角θ＝３６０°よりも遅角側で容積Ｖｇａｓが最大値に到達し、その直後から容積Ｖｇａｓが一気に減少する。
【０１２２】
エンジン１の実際の運転では、送気弁２８ａおよび２８ｂ、および、排気弁３２ａが一瞬で開閉する訳ではなく、また、燃焼ガスにも慣性がある。この点、位相差を進角側にずらした場合は、高負荷高回転域での運転中に燃焼気筒１２ａまたは１２ｂから膨張気筒１４ａへ燃焼ガスをスムーズに送ることが可能となる。一方、位相差を遅角側にずらした場合は、低負荷低回転域での運転中、かつ、燃焼ガスの送気量が少ないときに、送気管２６ａまたは２６ｂでの燃焼ガスの逆流を防ぐことが可能となる。
【０１２３】
１０．２  第２の変形例
上記実施の形態で説明したエンジン１−９の構成は、適宜組み合わせることができる。例えば、実施の形態２の送気管３４の三足構造を、実施の形態３、４、６、７〜９の送気管３４に適用してもよい。実施の形態３で説明した逆止弁３６を、実施の形態２、４〜９の膨張気筒１４ａのガス入口、および、実施の形態９の膨張気筒１４ｂのガス入口に設けてもよい。実施の形態７の膨張気筒１４ａが有するスコッチヨーク機構を、実施の形態２〜６および８のエンジン２〜６および８に適用してもよい。実施の形態１の膨張気筒１４ａが有するコンロッド８２を、実施の形態９の膨張気筒１４ａおよび１４ｂが有するスコッチヨーク機構の代わりに用いてもよい。
【符号の説明】
【０１２４】
１，２，３，４，５，６，７，８，９  二段膨張式エンジン
１０  シリンダブロック
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ  燃焼気筒
１４ａ，１４ｂ  膨張気筒
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ  吸気ポート
２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ  吸気弁
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ  送気管
２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ  送気弁
３０  排気ポート
３２ａ，３２ｂ  排気弁
３６  逆止弁
４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ，８０ａ，８０ｂ  ピストン
４２，８４  第１フレーム
４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ，８６ａ，８６ｂ  第２フレーム
４６，８８  スライダ
４８ａ，４８ｂ，４８ｃ，４８ｄ，９０ａ，９０ｂ  ガイド
５０  クランクシャフト
５２，５６  クランクピン
５４ａ，５４ｂ，５８  クランクアーム
６０ａ，６０ｂ  カムシャフト
６２ａ，６２ｂ  吸気カム
６４  送気カム
６６ａ，６６ｂ  排気カム
６８ａ，６８ｂ，７６ａ，７６ｂ，７８ａ，７８ｂ  バルブリフタ
７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ  ロッカーシャフト
７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ，７４ａ，７４ｂ  ロッカーアーム
８２  コンロッド
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４  合流部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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