(57)【要約】本発明は、連接棒機構を改善し、ピストン構造を変更することによって、燃料使用効率を高め、排ガスの放出レベルを最小にできる環境に優しい高速の内燃機関に関する。【選択図】図１
2013525659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の使用効率が高く,摩擦損失が最小化されるエンジン(1)において、少なくとも１つのシリンダ(2)と、運動中の表面摩擦をなくすための突起(6)または凹部(6)の少なくともいずれかを含んで上記シリンダ(2)内で動く少なくとも１つのピストン(3)と、上記シリンダ(2)の軸から所定距離(x)だけ偏心するとともに、上記ピストン(3)に対して所定角度(α)を成して連結される連接棒(4)と、両端がシリンダ(2)の軸に対して成す角度γ°によってストロークに沿う上記ピストン(3)の速度を効果的に調整する少なくとも１つのクランク(5)とを備えたことを特徴とするエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンにおいて、ピストン(3)とクランク(5)の間に配置されてピストン(3)をクランク(5)に連結し、シリンダ(2)の軸から所定距離(x)だけ偏心して角度(α)を成してピストン(3)に取り付けられた上記連接棒(4)は、ピストンに角度αを成して連結される頂部端(A)とクランク(5)軸に取り付けられる底部端(B)とが、一直線を成すか、これと異なる湾曲,波形または折れ曲がった形状を成すことを特徴とするエンジン。
【請求項３】
請求項１または２に記載のエンジンにおいて、上記連接棒(4)は、上記ピストン(3)が上死点にあるとき、シリンダ(2)軸に対して角度γ°を成し、クランク(5)の回転軸をシリンダ(2)軸から距離eだけ偏心させて、効率を増加させるように吸入,圧縮,燃焼,排気の各サイクルが調整できるようになっていることを特徴とするエンジン。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１つに記載のエンジンにおいて、上記クランク(5)は、クランクの回転軸がシリンダ(2)軸から距離eだけ偏心し、かつ、ピストン(3)が上死点(TDC)に達したとき、シリンダ(2)軸に対して角度θ°を成して、クランク(5)に効果的なモーメントアームが有益に形成されるようになっていることを特徴とするエンジン。
【請求項５】
請求項１に記載のエンジン(1)において、上記連接棒(4)は、燃焼サイクル中にクランク(5)角が０°のとき、クランク(5)回転軸に作用する力の効果によってピストン(3)の速度を要望どおり調整することができることを特徴とするエンジン。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１つに記載のエンジンにおいて、上記連接棒(4)は、シリンダ(2)軸に対する上記クランク(5)の角がθ°〜９０°のとき、上記ピストン(3)の速度を減少させて、燃料の完全な燃焼を可能にすることを特徴とするエンジン。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１つに記載のエンジンにおいて、上記クランクは、シリンダ(2)に対するクランク角が１８０°＋λ°であるとき、上記ピストン(3)を下死点に到達させることを特徴とするエンジン。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１つに記載のエンジンにおいて、上記連接棒(4)は、上記クランク(5)がシリンダ(2)に対して１８０°〜２７０°の角度で回転するとき、吸気弁,排気弁の開,閉時期の調整を可能にして、エンジン(1)の速度,出力,トルクを増加させるとともに、ピストン(3)をストロークの半分未満で移動させることを特徴とするエンジン。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１つに記載のエンジンにおいて、上記連接棒(4)は、上記クランク(5)がシリンダ(2)に対して２７０°〜３６０°の角度で回転するとき、ピストン(3)をストロークの半分を超えて移動させ、吸気弁,排気弁の開,閉時期の調整を可能にして、エンジン(1)速度に応じてエンジン(1)の出力とトルクを増加させるようになっていることを特徴とするエンジン。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１つに記載のエンジンにおいて、上記連接棒(4)は、シリンダ(2)中心からｘだけ偏心していて、ピストン(3)がシリンダ(2)内を動く際にピストン(3)の側面に生じる摩擦力を、クランク(5)に有益に形成される力の効果によって均衡させることを特徴とするエンジン。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか１つに記載のエンジンにおいて、上記連接棒(4)は、ピストン(3)がシリンダ(2)内を動く際にピストン(3)の側面に生じる摩擦力を、クランク(5)に有益に形成される力の効果によって均衡させるため、凸部(6)または凹部(9)の少なくともいずれかを備えることを特徴とするエンジン。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか１つに記載のエンジンにおいて、上記ピストン(3)は、ピストン(3)がシリンダ(2)内を動く際にピストン(3)の側面に生じる摩擦力を、クランク(5)に有益に形成される力の効果によって均衡させるため、短い突起または長い突起(6)あるいは突起と反対側の一直線または湾曲した凹部(7)の少なくともいずれかを備えることを特徴とするエンジン。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１つに記載のエンジンにおいて、上記ピストン(3)は、ピストン(3)がシリンダ(2)内を動く際にピストン(3)の側面に生じる摩擦力を、クランク(5)に有益に形成される力の効果によって均衡させるため、凸面(8)または凹面(9)の少なくともいずれかを備えることを特徴とするエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連接棒機構を改善し、ピストン構造を変更することによって燃料使用効率を高め、排ガスの放出レベルを最小にできる環境に優しい高速の内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関は、オットーによって発明されて以来、燃料消費を減じ、摩擦によるロスを低減することを意図し、クランク,連接棒,ピストン機構を改善することによってエンジン出力の増大を意図する研究が行われてきている。
【０００３】
公知技術である米国特許出願 US702270 B1号には、曲がった連接棒によって、連接棒の運動をピストンストロークに沿って最大化し、鉛直なシリンダ軸から偏心(オフセット)したクランク軸を備えることで、クランクが上死点を通過した後に最大圧が達せられるようにして高効率と高トルクを狙った内燃機関が開示されている。
【０００４】
公知技術である国際特許出願 CA1170927 号には、植え込みボルトによって扇状のピストンを連結したピストンを備えて、エンジンの馬力を増大できるようにした内燃機関が開示されている。
【０００５】
公知技術である米国特許出願 US2005051128号には、ピストンの頂部に膨脹ガスを取り込む溝を設けて、摩擦によるロスを抑えることを狙った内燃機関が開示されている。
【０００６】
しかし、古い従来技術による現存のオットー(等容サイクル)エンジンや他の古いエンジンにおける主な問題は、シリンダ内で燃焼し,膨脹する燃料によって与えられる圧力が、タスクに不適切な方法でクランク軸に伝達されているため、エンジン効率が非常に低く、効率のロスが非常に大きいことである。このエンジンでピストンが上死点にあるとき、圧力は最大であるが、クランクを回転させるモーメントアームは零である。クランクが回転を続け、ピストンが上死点から下死点へ動き出すと、シリンダ容積はクランク角が0°〜90°の間で拡大し、モーメントアームが形成され始めるが、等式ＰＶ＝Ｐ1Ｖ1によって同時にガス圧が急激に減少する。その結果、効率的圧力を与え,効率を決定する因子である燃焼時間が、短くなる。ガス圧力×モーメントアームの関係から、モーメントアームが増加してもガス圧力が減少するので、適切な回転モーメントおよび所望の燃焼効率は達成できない。さらに、シリンダ内のピストンの針路を通して、シリンダ内面とピストンの接触が圧力変化の際に増加し、摩擦ロスが増加し、エンジン効率は更に低下し、エンジンの寿命が短縮する。
【０００７】
上記国際特許出願 CA1170927 号、米国特許出願 US2005051128号および公知の従来技術では、ピストン頂部の設計を異ならせて摩擦を低減することを意図するが、クランク-連接棒機構がシリンダ軸上にあったので、クランク-連接棒機構がシリンダ軸から偏心した例は、開示もなく、含まれてもいない。
【０００８】
米国特許出願 US702270 B1は、クランク-連接棒機構がシリンダ軸から偏心したエンジンに関し、連接棒の形状によってのみ、クランクに形成されるべき回転モーメントを増加させようとしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、高圧力のとき大きいモーメントアームをもち、製造されて,ピストンに所定の角度(α)で連結される連接棒によってクランク軸に加わる力の方向を可変にすることによって、完全で効率的な燃焼を得ることができる高トルク,高出力,高速なエンジンを提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、連接棒をシリンダ軸から所定距離(x)だけ偏心させて、摩擦ロスを減少させ、ピストン頂部を変更して、シリンダ内のコース中でピストンを均衡状態に保つことを可能にする寿命の長いエンジンを提供することである。
【００１１】
更なる本発明の目的は、燃焼時間によって燃料が完全に燃やされて、排ガスの放出を最小に抑えた環境に優しいエンジンを提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、小さいシリンダ容積で高い出力を得ることによって安価で燃料効率のより良いエンジンを提供することである。
【００１３】
更なる本発明の目的は、エンジン製造中の異なった場所でシリンダ内のピストン速度の調整を可能にし、点火および圧縮時間ならびに給気弁および排気弁の開閉タイミングを有利に調整可能にする高速,高トルク,高出力のエンジンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の目的を達成するためのエンジンの実施形態は、添付の図面に示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、本発明のエンジンのシリンダを示す概略図である。
【図２】図２は、本発明のエンジンのシリンダ系における連接棒とクランクの相対位置を示す概略図である。
【図３】図３は、ピストンが上死点にあるときの本発明のエンジンのシリンダ系における力の分布およびシリンダとクランクに対する連接棒の角度を示す図である。
【図４】図４は、ピストンが上死点にあるときの本発明のエンジンのシリンダ系における力の分布を示す図である。
【図５】図５は、ピストンが上死点にあるときの本発明のエンジンのシリンダ系における力の分布を示し、ピボットピンがシリンダ軸から偏心していて、ピストンが釣り合っている状態を示す図である。
【図６】図６は、従来例のエンジンにおけるシリンダ内のピストンのコースに沿ったピストンのコースとクランクの位置を示す概略図である。
【図７】図７は、本発明のエンジンにおけるシリンダ内のピストンのコースに沿ったピストンのコースとクランクの位置を示す概略図である。
【図８】図８は、本発明のエンジンの好ましい実施形態におけるピストン構造の概略図である。
【図９】図９は、本発明のエンジンの好ましい実施形態におけるピストン構造の概略図である。
【図１０】図１０は、本発明のエンジンの好ましい実施形態におけるピストン構造の概略図である。
【図１１】図１１は、本発明のエンジンの好ましい実施形態におけるピストン構造の概略図である。
【図１２】図１２は、本発明のエンジンの好ましい実施形態におけるピストン構造の概略図である。
【図１３】図１３は、本発明のエンジンの好ましい実施形態におけるピストン構造の概略図である。
【図１４】図１４は、本発明のエンジンの好ましい実施形態におけるピストン構造の概略図である。
【図１５】図１５は、本発明のエンジンの好ましい実施形態におけるピストン構造の概略図である。
【符号の説明】
【００１６】
１  エンジン
２  シリンダ
３  ピストン
４  連接棒
５  クランク
６  突起
７  凹部
８  凸面
９  凹面
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明のエンジン(1)は、シリンダ(2)と、運動中の表面摩擦をなくすための突起(6)または凹部(6)の少なくともいずれかを含んで上記シリンダ(2)内で動くピストン(3)と、上記シリンダ(2)の中心から所定距離(x)だけ偏心(オフセット)し、上記ピストン(3)に対して所定角度(α)を成す連接棒(4)と、ストローク中に両端がシリンダ(2)軸に対して成す角度γ°によって上記ピストン(3)の速度を効果的に調整するクランク(5)とのいずれをも少なくとも１つ備える。
【００１８】
本発明のエンジン(1)では、ピストン(3)とクランク(5)の間にあってピストン(3)をクランク(5)に連結する連接棒(4)は、シリンダ(2)の中心から所定距離(x)だけ偏心して角度(α)を成してピストン(3)に取り付けられている。連接棒(4)のピストンに角度αで載っている頭部(A)とクランク(5)に取り付けられた底部(B)とは、真っ直ぐでもよく、これと異なった湾曲,波形,折れ曲がりなどの形状でもよい(図２)。
【００１９】
従来のエンジンにおいては、ピストン(3)が上死点にあるとき、クランク(5)に作用するモーメントアームは零で、クランク自身は上死点にある。クランク角が９０°に向かって進むと、ピストン(3)室の体積は急激に膨脹し、シリンダ(2)圧を急激に減少する。ピストンの運動に伴って、クランク(5)に作用するモーメントアームは増加するが、回転モーメント＝モーメントアーム×シリンダ圧という等式により、クランク(5)への有効な回転モーメントは得られない。
【００２０】
本発明のエンジン(1)では、連接棒の両端がシリンダ(2)軸に対して角度γ°を成し、クランク(5)の中心がシリンダ軸から所定距離(e)だけ偏心しているので、角度γ°は、ストロークに沿って初めは緩やかに,次いで急速に変化して、吸入,圧縮,燃焼,排気の間にエンジン(1)の効率を増加させるようにピストン(3)の速度が調整できる。
【００２１】
本発明のエンジン(1)では、シリンダ(2)に対する連接棒(4)の角度α°と連接棒(4)がシリンダ(2)中心からｘだけ偏心していることによって、クランク(5)に有益に得られる力の効果に起因して、シリンダ(2)内のピストン(3)の針路に沿ってピストン(3)の側面に生じる摩擦力を均衡させるために、ピストン(3)に突起を形成している。ピストン(3)上の突起(6)および連接棒(4)が連結されるピストン穴をｘ,ｙ方向へ変更およびオフセットさせることによって得られる力は、ピストンに作用する圧力の効果によってシリンダ(2)表面に働く力を均衡させ、ピストン(3)は、シリンダ(2)内で均衡を維持する(図５)。こうして、シリンダ内のピストンの針路に沿ってシリンダ表面に生じる摩擦が抑えられ、出力のロス(損失)が防がれ、エンジンの効率が上がり,寿命が延びる。
【００２２】
本発明のエンジン(1)の好ましい実施形態では、連接棒(4)をシリンダ(2)中心から距離ｘだけ偏心させることで生じる力に加えて、シリンダ(2)表面に接するピストン(3)によって生じる摩擦力を抑えるため、夫々少なくとも１つの短い突起,長い突起(6),ピストンの突起(6)と反対側の直線状の凹部(7)または湾曲した凹部の少なくともいずれかが、ピストン(3)に形成されている(図８,９,１１,１２,１３,１５)。
【００２３】
本発明のエンジン(1)の好ましい実施形態では、連接棒(4)をシリンダ(2)中心から距離ｘだけ偏心させることによって得られる力に加えて、シリンダ(2)表面に接するピストン(3)によって生じる摩擦力を抑えるため、凸部(8)または凹部(9)の少なくともいずれかがピストンに形成されている(図１０,１４)。
【００２４】
従来公知のエンジン(1)では、吸入サイクル中でピストン(3)が上死点にあるとき、クランク(5)角は、０°である。本発明のエンジン(1)では、連接棒(4)がシリンダ(2)軸に対して角度α°を成すので、クランク(5)は上死点に達した(クランク角０°)後も回転を続け、角度がθ°になると、ピストンが上死点に達する。従来公知の上記エンジンとは対照的に、吸入サイクルは、クランク角が０°でなくθ°になったときに、上死点に達する。吸入サイクル中に、クランク(5)が角度β°まで回転すると、ピストン(3)は、シリンダ(2)内で緩やかに動き始め、距離ｚだけ移動し、クランク(3)角が９０°になると、ピストン(3)は、ストロークの半分未満を移動して点ｚ2に達する。クランク(5)が９０°〜１８０°の間で回転するとき、ピストン(3)は、急速に動いて(ｚ2)よりも長い距離を移動する。こうして、クランク(5)の最初の０°〜９０°におけるピストン(3)の遅い運動によって作られる真空によって、燃料は、ピストン(3)内に完全に吸引される。クランクの９０°〜１８０°間の回転において、ピストン(3)の速度および圧力差による慣性によって、ピストン(3)内により多くの空気が吸引されるから、完全な混合を行うことができる。クランク(5)角が１８０°に達したとき、クランク(5)は、作用する回転モーメントによって回転を続け、クランク角が１８０＋λになってピストン(3)が下死点に達すると、吸入サイクルは完了する(図７)。
【００２５】
本発明のエンジン(1)でクランク(5)角が(１８０°＋λ)〜２７０°の間は、圧縮サイクルであり、ピストン(3)は、ストローク長の半分未満を移動し、その移動距離は、同じクランク角範囲内での従来のエンジン(1)の移動距離よりも短い。クランク(5)角が２７０°〜３６０°間では、ピストン(3)は、ストロークの半分を超えて移動し、クランク角がθ°に達すると、圧縮サイクルが完了する。
【００２６】
作業サイクル中の本発明のエンジン(1)では、クランク(5)がθ°〜９０°間で動くとき、ピストン(3)は、シリンダに対して連接棒(4)の成す角度に起因して非常に遅く動き、これによってピストン(3)に作用する圧力は、長時間高いレベルに維持される。この過程でピストン(3)が移動する距離は、ストロークの半分未満であり、十分な時間が与えられるので完全で効率的な燃焼が得られる(図７)。
【００２７】
クランク(5)角が９０°〜１８０°の間で変化するとき、ピストン(3)は、クランク(5)角が０°〜９０°の間にあるときの移動距離以上,つまりストロークの半分の距離を超えて移動し、クランク(5)角が１８０°＋λ°に達すると、ピストン(3)は下死点に達する。ピストン(3)が、クランク(5)角が０°〜９０°の間にあるときの移動距離を超えて移動し、かつ、従来のエンジンに比して遙かに高い出力,トルク,速度が得られるので、熱力学的効率が増加する(図７)。
【００２８】
クランク(5)角が(１８０°＋λ°)〜２７０°の間にあるとき、ピストン(3)は、ストロークの半分未満を移動し、移動距離は、同じクランク角範囲における従来のエンジンの移動距離に比して、遙かに少ない。クランク角が２７０°〜３６０°の間では、ピストン(3)は、ストロークの半分を超えて移動し、作用する回転モーメントの効果によってθ°余分に回転して排気サイクルが終了する。こうして、エンジン(1)を製造する際、クランク(5)の位置に対して吸気弁,排気弁の開,閉時期を調整することができ、ピストン(3)速度に比してエンジン(1)の速度,出力,トルクを増加させることができる。従って、クランク(5)角が１８０°になる前に排気弁を開き、クランク(5)角が２７０°〜３６０°の間はピストン(3)が緩慢に動くので、排気ガスは、大気圧に近づく。それ故、ピストン室の圧力は急速に減少し、低圧の排気ガスは容易に排出できるので、エンジン(1)の消費エネルギは減少する。
【００２９】
これまでに開示した基礎的原理に基づいて、種々の実施形態を発展させることができる。本発明のエンジン(1)は、請求の範囲に記載の事項に限定され、上述の実施形態に限定されない。
【図１】
2013525659.tif 000003
【図２】
2013525659.tif 000004
【図３】
2013525659.tif 000005
【図４】
2013525659.tif 000006
【図５】
2013525659.tif 000007
【図６−７】
2013525659.tif 000008
【図８】
2013525659.tif 000009
【図９．１３】
2013525659.tif 000010
【図１０】
2013525659.tif 000011
【図１１】
2013525659.tif 000012
【図１２】
2013525659.tif 000013
【図１４】
2013525659.tif 000014
【図１５】
2013525659.tif 000015
【国際調査報告】
2013525659.tif 000016
2013525659.tif 000017
2013525659.tif 000018