(57)【要約】【課題】タイミング良く圧縮気体をシリンダ室に導入して、シリンダ室の残留気体を排気することで、エンジンの運転効率を向上させる。【解決手段】１サイクルエンジン１０は、シリンダ室１４に圧縮空気を導入する圧縮空気導入ストロークと、シリンダ室１４の残留空気を排気する排気ストロークとからなる、ピストンの１往復運動を１サイクルとするエンジンである。このエンジン１０は、シリンダ室１４に接続され、圧縮空気をシリンダ室１４に導入する導入路２２と、シリンダ室１４に接続され、シリンダ室１４の残留空気を排気する排気路２４と、前記２つのストロークに基づいて導入路２２と排気路２４をそれぞれ開閉する開閉機構とを有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に形成されるシリンダ室に圧縮気体を導入する圧縮気体導入ストロークと、シリンダ室に導入された圧縮気体を、残留気体として排気する排気ストロークとからなる、ピストンの１往復運動を１サイクルとする１サイクルエンジンにおいて、
シリンダ室に接続され、圧縮気体をシリンダ室に導入する導入路と、
シリンダ室に接続され、シリンダ室の残留気体を排気する排気路と、
前記２つのストロークに基づいて導入路と排気路をそれぞれ開閉する開閉機構と、
を有することを特徴とする１サイクルエンジン。
【請求項２】
シリンダ内に形成されるシリンダ室に圧縮気体を導入する圧縮気体導入ストロークと、シリンダ室に導入された圧縮気体を、残留気体として排気する排気ストロークとからなる、ピストンの１往復運動を１サイクルとする１サイクルエンジンにおいて、
シリンダ室に接続され、圧縮気体をシリンダ室に導入する導入路と、
シリンダ室に接続され、シリンダ室の残留気体を排気する排気路と、
前記２つのストロークに基づいて導入路を開閉する導入バルブと、
を有し、
排気路は、シリンダ室への圧縮気体の導入が完了して導入バルブが閉じたとき、ピストンの移動によってシリンダ室と導通するようにシリンダ室の側壁に接続される、
ことを特徴とする１サイクルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮気体によりピストン機構を動作させるエンジンの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、シリンダ内に形成されるシリンダ室に導入される圧縮気体、例えば圧縮空気のエネルギを運動エネルギに変換して出力するピストン機構を有するエンジンが知られている。
【０００３】
下記特許文献１には、シリンダ内に導入された圧縮空気でピストンを下降させてクランク軸を回転させる気圧機関が記載されている。この気圧機関においては、シリンダ内に圧縮空気を給気する給気口と、シリンダ内から圧縮空気を排気する排気口とがシリンダに接続され、これらの口に開閉装置がそれぞれ設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１３２４０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に記載される機関においては、シリンダ内に導入された圧縮空気でピストンを１ストローク分作動させてクランク軸を回転させることができる。しかしながら、シリンダ内の圧縮空気を、残留空気として排出するタイミングが設定されていないので、その機関の運転効率が低下してしまう可能性がある。また、上述の機関においては、給気口と排気口の両方に開閉装置がそれぞれ設けられるので、部品点数が多くなり、構造が複雑になってしまう。そうすると、故障の発生回数の増加、装置の大型化および重量化、さらに製造コストの増大を招いてしまうという問題がある。
【０００６】
本発明の目的の一つは、タイミング良く圧縮気体をシリンダ室に導入して、その圧縮気体を残留気体として排気することで、運転効率を向上させることができる１サイクルエンジンを提供することにある。
【０００７】
また、本発明の目的の一つは、排気に対応する開閉装置を無くして構造の簡素化を図ることができる１サイクルエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、シリンダ内に形成されるシリンダ室に圧縮気体を導入する圧縮気体導入ストロークと、シリンダ室に導入された圧縮気体を、残留気体として排気する排気ストロークとからなる、ピストンの１往復運動を１サイクルとする１サイクルエンジンにおいて、シリンダ室に接続され、圧縮気体をシリンダ室に導入する導入路と、シリンダ室に接続され、シリンダ室の残留気体を排気する排気路と、前記２つのストロークに基づいて導入路と排気路をそれぞれ開閉する開閉機構と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、別の発明は、シリンダ内に形成されるシリンダ室に圧縮気体を導入する圧縮気体導入ストロークと、シリンダ室に導入された圧縮気体を、残留気体として排気する排気ストロークとからなる、ピストンの１往復運動を１サイクルとする１サイクルエンジンにおいて、シリンダ室に接続され、圧縮気体をシリンダ室に導入する導入路と、シリンダ室に接続され、シリンダ室の残留気体を排気する排気路と、前記２つのストロークに基づいて導入路を開閉する導入バルブと、を有し、排気路は、シリンダ室への圧縮気体の導入が完了して導入バルブが閉じたとき、ピストンの移動によってシリンダ室と導通するようにシリンダ室の側壁に接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の１サイクルエンジンによれば、タイミング良く圧縮気体をシリンダ室に導入して、シリンダ室の残留気体を排気することで、運転効率を向上させることができる。
【００１１】
また、別の発明の１サイクルエンジンによれば、排気に対応する開閉装置を無くして構造の簡素化を図ることができる１サイクルエンジンを提供することにある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係る１サイクルエンジンの構成を示す図である。
【図２】ピストンのストローク毎のエンジンの状態を示す図である。
【図３】クランクシャフトの回転角度と開閉機構の動作タイミングとの関係を示す図である。
【図４】別の実施形態に係る１サイクルエンジンの構成を示す図である。
【図５】ピストンのストローク毎のエンジンの状態を示す図である。
【図６】クランクシャフトの回転角度と導入バルブの動作タイミングとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る１サイクルエンジンの実施形態について、図を用いて説明する。このエンジンは、車両などの移動体に搭載される原動機、または他の用途で使用される原動機に適用することができる。本実施形態の１サイクルエンジンには、圧縮気体として、圧縮空気が使用される。しかし、本発明はこの構成に限定されず、大気圧より高圧状態の気体であれば、圧縮気体として水蒸気またはその他の気体を用いることができる。
【００１４】
図１は、本実施形態に係る１サイクルエンジン１０の構成を示す図である。１サイクルエンジン１０は、シリンダ１２内に形成されるシリンダ室１４に圧縮空気を導入する圧縮空気導入ストロークと、シリンダ室１４の残留空気を排気する排気ストロークとからなる２ストローク、言い換えればピストン１６の１往復運動を１サイクルとするエンジンであり、圧縮空気のエネルギを運動エネルギに変換して出力するピストン機構を含む装置である。残留空気とは、シリンダ室１４の膨張により圧力が低下した、シリンダ室１４の圧縮空気のことである。
【００１５】
１サイクルエンジン（以下、単に「エンジン」と記す）１０は、シリンダ１２と、シリンダ１２に収容されて往復運動するピストン１６と、ピストン１６にコンロッド１８を介して接続され、ピストン１６の往復運動を回転運動に変換するクランクシャフト２０とを有する。クランクシャフト２０には、これに回転角度を検出する回転角度センサ（図示せず）が設けられる。シリンダ１２内部には、これとピストン１６の頂面とにより囲まれたシリンダ室１４が形成される。
【００１６】
また、エンジン１０は、シリンダ室１４に通じ、このシリンダ室１４に圧縮空気を導入する導入路２２と、同じくシリンダ室１４に通じ、このシリンダ室１４の残留空気を排気する排気路２４とを有する。圧縮空気は、コンプレッサー（図示せず）などにより生成され、このコンプレッサーから導入路２２を介してシリンダ室１４に供給される。
【００１７】
また、エンジン１０は、導入路２２と排気路２４をそれぞれ開閉する開閉機構を有する。開閉機構は、上述した圧縮空気導入ストロークと排気ストロークに基づいて導入路２２と排気路２４をそれぞれ開閉する。このように、各ストローク応じて開閉機構を動作させてタイミング良く圧縮空気をシリンダ室１４に導入して、かつシリンダ室１４の残留空気を排気することで、エンジン１０の運転効率を向上させることができる。
【００１８】
開閉機構は、導入路２２を開閉する導入バルブ２６と、排気路２４を開閉する排気バルブ２８と、これらのバルブ２６，２８の動作を制御するバルブシステム３０とを有する。バルブシステム３０は、導入バルブ２６を動作させるカム３２及びスプリング３４と、排気バルブ２８を動作させるカム３６及びスプリング３８とを有する。カム３２，３６は、カムシャフト４０，４２にそれぞれ同期して回転するように設けられ、カムシャフト４０，４２はタイミングベルトまたは歯車などの動力伝達機構（図示せず）を介してクランクシャフト２０に接続される。この動力伝達機構は、エンジン１０のサイクルが２ストローク１サイクルであるので、クランクシャフト２０が１回転するうちに、カムシャフト４０，４２が１回転するように構成され、その１サイクル内で、導入及び排気バルブ２６，２８の開閉動作がそれぞれ１回行なわれる。
【００１９】
本実施形態においては、バルブシステム３０が２本のカムシャフト４０，４２を有するシステム、すなわちＤＯＨＣ式である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されず、バルブシステム３０が、１本のカムシャフトを介して導入及び排気バルブ２６，２８を動作させるＳＯＨＣ式であってもよい。
【００２０】
このように構成されるエンジン１０の動作および、そのときの開閉機構の動作について、図２，３を用いて説明する。図２は、ピストン１６のストローク毎のエンジン１０の状態を示す図であり、図３は、クランクシャフト２０の回転角度と開閉機構の動作タイミングとの関係を示す図である。これらの図においては、一例として、サイクルが図中の時計回り方向である場合について説明する。
【００２１】
本実施形態のエンジン１０は、上述したように２ストローク１サイクルのエンジンであるので、図２では、圧縮空気導入ストローク（左側）時と排気ストローク（右側）時におけるエンジン１０の状態をそれぞれ示す。また、図３においては、クランクシャフト２０の回転角度が０度のとき、ピストン１６が上死点であり、その回転角度が１８０度のとき、ピストン１６が下死点である。そして、上述のように、サイクルが時計回り方向であるので、図３においては、クランクシャフト２０の回転角度が０から１８０度のとき、圧縮空気導入ストロークであり、その回転角度が１８０から３６０度のとき、排気ストロークである。
【００２２】
まず、圧縮空気導入ストローク時におけるエンジン１０の状態について説明する。このストローク時においては、導入バルブ２６は、所定の期間、開弁状態になり、排気バルブ２８は閉弁状態である。導入バルブ２６の開弁に伴って圧縮空気がシリンダ室１４に導入される。シリンダ室１４に導入された圧縮空気の圧力により、ピストン１６が矢印４４方向に押圧され下降する。このピストン１６の直線運動により、クランクシャフト２０が時計回り方向に回転する。
【００２３】
この圧縮空気導入ストロークにおける導入バルブ２６の開弁状態は、図３に示されるように、クランクシャフト２０の回転角度が３０から１０５度の間のみであることが好適である。このようなタイミングで導入バルブ２６を開弁状態とすることで、エンジン１０の出力の低下を抑制しつつ、導入される圧縮空気量を低減することができ、結果として運転効率の向上を図ることができる。
【００２４】
次に、排気ストローク時におけるエンジン１０の状態について説明する。このストローク時においては、導入バルブ２６が閉弁状態であり、排気バルブ２８が、所定の期間、開弁状態になる。残留空気は、排気バルブ２８の開弁に伴って外部に排気される。さらに、排気バルブ２８が開弁状態であるとき、クランクシャフト２０の回転（慣性）に伴い、矢印４６方向に上昇するピストン１６の運動により、残留空気が押し出されるようにして外部に排気される。
【００２５】
この排気ストロークにおける排気バルブ２８の開弁状態は、図３に示されるように、クランクシャフト２０の回転角度が１８５から３５５度の間であることが好適である。このようなタイミングで排気バルブ２８を開弁状態とすることで、ピストン１６の運動に対する抵抗を低減することができ、結果として運転効率の向上を図ることができる。
【００２６】
本実施形態によれば、各ストロークにおいて、クランクシャフト２０の回転角度に基づく適切なタイミングで開閉機構を動作させることで、エンジン１０の運転効率の向上を図ることができる。
【００２７】
本実施形態においては、導入バルブ２６の開弁状態は、クランクシャフト２０の回転角度が３０から１０５度の間である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。圧縮空気導入ストロークにおいては、圧縮空気の圧力によりピストン１６を駆動させるので、導入バルブ２６の開弁状態の期間をより長くし、より多くの圧縮空気をシリンダ室１４に導入することもできる。
【００２８】
また、本実施形態では、排気バルブ２８の開弁状態は、クランクシャフト２０の回転角度が１８５から３５５度の間である場合について説明したが、この回転角度の範囲は一例であり、本発明はこの回転角度の範囲、１８５から３５５度に限定されない。例えば、圧縮空気導入ストローク中に、クランクシャフト２０の回転角度が１０５度を過ぎてから、すなわち導入バルブ２６が閉じてから排気バルブ２８を開弁することもできる。
【００２９】
次に、別の実施形態の１サイクルエンジン（これも、以下、単に「エンジン」と記す）５０について、図４を用いて説明する。図４は、別の態様のエンジン５０の構成を示す図である。なお、上記実施形態と同じ構成要素については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００３０】
この実施形態のエンジン５０には、上記実施形態のエンジン１０のような、排気路２４を開閉する開閉機構、すなわち排気バルブ２８と、これを動作させる機構に相当する構成が設けられていない。このように、排気路２４に対応する開閉装置を無くすことで、エンジン５０の構造の簡素化を図ることができる。その結果、故障の発生回数の減少、装置の小型化および軽量化、さらに製造コストの低下を実現することができる。以下、排気路２４の構成について説明する。
【００３１】
排気路２４は、シリンダ室１４の側壁１４ａであって、ピストン１６の側面１６ａに接触する領域の側壁１４ａに接続される。ピストン１６の側面１６ａに接触する領域とは、上死点および下死点において側面１６ａに接触する側壁１４ａの各部分を結ぶ領域のことであり、ピストン１６の可動域に対応する領域のことである。
【００３２】
具体的には、排気路２４は、シリンダ室１４への圧縮空気の導入が完了して導入バルブ２６が閉じたとき、ピストン１６の移動によってシリンダ室１４と導通するように側壁１４ａに接続される。この構成により、上述したように、排気路２４に対応する開閉装置が無くなるので、エンジン５０の構造の簡素化を図ることができる。
【００３３】
このように構成されるエンジン５０の動作および、そのときの導入バルブ２６の動作について、図５，６を用いて説明する。図５は、ピストン１６のストローク毎のエンジン５０の状態を示す図であり、図６は、クランクシャフト２０の回転角度と導入バルブ２６の動作タイミングとの関係を示す図である。また、これらの図においては、一例として、サイクルが図中の時計回り方向である場合について説明する。
【００３４】
この実施形態のエンジン５０は、上述した実施形態と同様に、２ストローク１サイクルのエンジンであるので、図５では、圧縮空気導入ストローク（左側）時と排気ストローク（右側）時におけるエンジン５０の状態をそれぞれ示す。また、図６においては、クランクシャフト２０の回転角度が０度のとき、ピストン１６が上死点であり、その回転角度が１８０度のとき、ピストン１６が下死点である。そして、上述のように、サイクルが時計回り方向であるので、図６においては、クランクシャフト２０の回転角度が０から１８０度のとき、圧縮空気導入ストロークであり、その回転角度が１８０から３６０度のとき、排気ストロークである。
【００３５】
まず、圧縮空気導入ストローク時におけるエンジン５０の状態について説明する。このストローク時においては、導入バルブ２６は、所定の期間、開弁状態になり、導入バルブ２６の開弁に伴って圧縮空気がシリンダ室１４に導入される。この導入バルブ２６の開弁期間、排気路２４は、図５に示されるように、シリンダ１６の側面１６ａにより塞がれており、シリンダ室１４との導通が遮断されている。シリンダ室１４に導入された圧縮空気の圧力により、ピストン１６が矢印４４方向に押圧され下降する。このピストン１６の直線運動により、クランクシャフト２０が時計回り方向に回転する。
【００３６】
この圧縮空気導入ストロークにおける導入バルブ２６の開弁状態は、図６に示されるように、クランクシャフト２０の回転角度が３０から１０５度の間であることが好適である。このようなタイミングで導入バルブ２６を開弁状態とすることで、エンジン５０の出力の低下を抑制しつつ、導入される圧縮空気量を低減することができ、結果として運転効率の向上を図ることができる。
【００３７】
そして、この圧縮空気導入ストロークの後半においては、残留空気の排気が行なわれる。すなわち、クランクシャフト２０の回転角度が１０５度になり導入バルブ２６が閉じた後、ピストン１６の下降によって側面１６ａに塞がれていた排気路２４がシリンダ室１４に導通する。この導通により、シリンダ室１４の残留空気が外部に排気される。
【００３８】
次に、排気ストローク時におけるエンジン５０の状態について説明する。このストローク時においては、導入バルブ２６が閉弁状態である。クランクシャフト２０の回転（慣性）に伴い、ピストン１６が矢印４６方向に上昇する。このピストン１６の移動で、排気路２４が側面１６ａによって塞がれるまでの間、排気路２４とシリンダ室１４は導通しているので、その間、シリンダ室１４の残留空気が外部に排気される。
【００３９】
つまり、排気路２４がシリンダ室１４に導通して残留空気を排気可能な状態は、図６に示されるように、クランクシャフト２０の回転角度が１０５から２５５度の間である。なお、この回転角度の範囲は一例であり、本発明はこの角度の範囲、１０５から２５５度に限定されない。排気路２４とシリンダ室１４とが、導入バルブ２６が閉じた後に導通するのであれば、例えば、排気路２４と側壁１４ａの接続位置をより下方（下死点側）にすることもできる。この場合には、排気可能な状態がより短時間になってしまうが、導入バルブ２６の開弁時間を長くすることができる。一方、排気路２４と側壁１４ａの接続位置をより上方（上死点側）にすることもできる。この場合には、排気可能な状態を長くすることができるが、導入バルブ２６の開弁時間が短くなってしまう。
【００４０】
この実施形態によれば、排気に対応する開閉装置を無くすことで、エンジン５０の構造の簡素化を図ることができる。その結果、上述したように、故障の発生回数の減少、装置の小型化および軽量化、さらに製造コストの低下を実現することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１０，５０  １サイクルエンジン、１２  シリンダ、１４  シリンダ室、１６  ピストン、２０  クランクシャフト、２２  導入路、２４  排気路、２６  導入バルブ、２８  排気バルブ。
【図１】
2015038319.tif 000003
【図２】
2015038319.tif 000004
【図３】
2015038319.tif 000005
【図４】
2015038319.tif 000006
【図５】
2015038319.tif 000007
【図６】
2015038319.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成23年4月6日(2011.4.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
本発明は、シリンダ内に形成されるシリンダ室に圧縮空気を導入する圧縮空気導入ストロークと、シリンダ室に導入された圧縮空気を、残留空気として排気する排気ストロークとからなる、ピストンの１往復運動を１サイクルとする１サイクルエンジンにおいて、シリンダ室に接続され、圧縮空気をシリンダ室に導入する導入路と、シリンダ室に接続され、シリンダ室の残留空気を排気する排気路と、前記２つのストロークに基づいて導入路を開閉する導入バルブと、を有し、排気路は、圧縮空気導入ストロークの途中でシリンダ室への圧縮空気の導入が完了して導入バルブが閉じた時点からシリンダ室の導通が開始するようにシリンダ室の側壁に接続されることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内に形成されるシリンダ室に圧縮空気を導入する圧縮空気導入ストロークと、シリンダ室に導入された圧縮空気を、残留空気として排気する排気ストロークとからなる、ピストンの１往復運動を１サイクルとする１サイクルエンジンにおいて、
シリンダ室に接続され、圧縮空気をシリンダ室に導入する導入路と、
シリンダ室に接続され、シリンダ室の残留空気を排気する排気路と、
前記２つのストロークに基づいて導入路を開閉する導入バルブと、
を有し、
排気路は、圧縮空気導入ストロークの途中でシリンダ室への圧縮空気の導入が完了して導入バルブが閉じた時点からシリンダ室の導通が開始するようにシリンダ室の側壁に接続される、
ことを特徴とする１サイクルエンジン。