(57)【要約】【課題】ピストンの往復運動と揺動軸の揺動運動とを相互に変換する機構に関して、シリンダー側壁にかかるスラスト荷重を低減し連続負荷運転が可能な動力変換装置を提供すること。【解決手段】ピストンの往復運動と揺動軸の揺動運動とを相互に変換する機構に関して、少なくとも２つのシリンダー（Ｃ１）,（Ｃ２）を、揺動軸（Ｒ２）を中心とした放射状に設置し、各シリンダー内を往復運動するピストン（Ｐ１）,（Ｐ２）と、揺動軸に固定されたロッキングシャフトアーム（ＲＡ１）とを、コネクティングロッド（ＣＲ１）,（ＣＲ２）を介して連結している。これにより、コネクティングロッドとロッキングシャフトアームの長さ比率が任意に設定可能であり、スラスト荷重を低減し、連続運転が可能な動力変換装置を提供することを実現した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関又は空気圧縮機などの動力変換装置であって、ピストンの往復運動から揺動運動を経て出力軸の回転運動に変換すること、又は、逆に入力軸の回転運動から揺動運動を経てピストンの往復運動に変換することを特徴とする動力変換装置中の、回転運動と揺動運動とを相互に変換する機構においては、回転軸（Ｚクランク軸：Ｓ２）と揺動軸（Ｒ２）とを、Ｚクランク（Ｚ２）により連結し、往復運動と揺動運動とを相互に変換する機構においては、少なくとも２つのシリンダー（Ｃ１）,（Ｃ２）を、揺動軸（Ｒ２）を中心とした放射状に設置し、各シリンダー内を往復運動するピストン（Ｐ１）,（Ｐ２）と、揺動軸に固定されたロッキングシャフトアーム（ＲＡ１）とを、コネクティングロッド（ＣＲ１）,（ＣＲ２）を介して連結してなることを特徴とする、難燃性燃料の燃焼に適し、シリンダー側壁にかかるスラスト荷重を低減した動力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関又は空気圧縮機などで、ピストンの往復運動から揺動運動を経て出力軸の回転運動に変換すること、又は、入力軸の回転運動から揺動運動を経てピストンの往復運動に変換することを特徴とする動力変換装置に関し、より詳しくは、難燃性燃料の燃焼に適した動力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のピストン・クランク機構に代わる動力変換機構として、「同一軸線上に対向して配置した各１対のシリンダーの各軸線が同一平面で直交するごとく４つのシリンダー（Ｃ１）,（Ｃ２）,（Ｃ３）,（Ｃ４）を十文字状に配置し、各シリンダー内を摺動する各ピストン（Ｐ１）,（Ｐ２）,（Ｐ３）,（Ｐ４）のピストンピン（ｐ１）,（ｐ２）,（ｐ３）,（ｐ４）のそれぞれに、隣り合うピン間を連結するごとく等辺の４本のリンク（Ｌ１）,（Ｌ２）,（Ｌ３）,（Ｌ４）の各端部を関着せしめ、対向する各１対のリンク（Ｌ１）,（Ｌ３）及び（Ｌ２）,（Ｌ４）の各中点にＸ状に交叉するクロスアーム（Ａ１）,（Ａ２）の端部をそれぞれ関着せしめて、該クロスアームの交点でアームの作動面に垂直に一方のクロスアーム（Ａ１）に揺動軸（Ｒ１）を固設して該揺動軸（Ｒ１）を回動自在に設け、その軸端にヨークを固着し、揺動軸の軸線方向に軸線が直交するごとくＺクランク軸（Ｓ１）を設け、その回転軸間の軸線に斜交するクランクピンと摺嵌するごとく直交軸受を設けて、該直交軸受の軸線に直交方向の両側の揺動ピンを上記ヨークの１対のアーム間に軸支せしめてなり、ピストンの往復運動から揺動運動を取り出し、ヨーク，直交軸受を介してＺクランク軸で回転運動に変換できるようにしたことを特徴とするエンジン等における運動変換装置」（参照：特公平６−２３５２１）が提案されている。各符号は図３及び図４に示すものとする。
Ｚクランク機構を用いることにより、燃焼室内の環境を高温高圧に設定することが可能となり、また、ピストン速度が上死点近傍で遅くなり燃焼時間を充分に確保することが可能となるため、難燃性燃料や天然ガスの燃焼に有効である。
しかし、この運動変換装置における、クロスアームを中心とした往復運動と揺動運動とを相互に変換する部位は、シリンダー側壁にかかるスラスト荷重が大きいために、長時間の連続負荷運転が難しいなどの問題点があった。
【特許文献１】特公平６−２３５２１号  公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明者は、上記問題点を解消するために鋭意検討した結果、本発明に到達した。即ち、本発明の目的は、往復運動から揺動運動を経て回転運動に変換すること、又は、回転運動から揺動運動を経て往復運動に変換することを特徴とした動力変換装置において、難燃性燃料や天然ガスの燃焼に有効であり、かつ、シリンダー側壁にかかるスラスト荷重を低減し連続負荷運転が可能な動力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の請求項１の動力変換装置は、「内燃機関又は空気圧縮機などで、ピストンの往復運動から揺動運動を経て出力軸の回転運動に変換すること、又は、入力軸の回転運動から揺動運動を経てピストンの往復運動に変換することを特徴とする動力変換装置中の、回転運動と揺動運動とを相互に変換する機構においては、回転軸（Ｚクランク軸：Ｓ２）と揺動軸（Ｒ２）とを、Ｚクランク（Ｚ２）により連結し、往復運動と揺動運動とを相互に変換する機構においては、少なくとも２つのシリンダー（Ｃ１）,（Ｃ２）を、揺動軸（Ｒ２）を中心とした放射状に設置し、各シリンダー内を往復運動するピストン（Ｐ１）,（Ｐ２）と、揺動軸に固定されたロッキングシャフトアーム（ＲＡ１）とを、コネクティングロッド（ＣＲ１）,（ＣＲ２）を介して連結することにより、難燃性燃料の燃焼に適し、シリンダー側壁にかかるスラスト荷重を低減したことを特徴とした動力変換装置」に関する。各符号は図１及び図２に示すものとする。
【発明の効果】
【０００５】
ピストンの往復運動と揺動軸の揺動運動とを相互に変換する機構に関して、特公平６−２３５２１においては、「４つのシリンダー（Ｃ１）,（Ｃ２）,（Ｃ３）,（Ｃ４）を十文字状に配置し、各シリンダー内を摺動する各ピストン（Ｐ１）,（Ｐ２）,（Ｐ３）,（Ｐ４）のピストンピン（ｐ１）,（ｐ２）,（ｐ３）,（ｐ４）のそれぞれに、隣り合うピン間を連結するごとく等辺の４本のリンク（Ｌ１）,（Ｌ２）,（Ｌ３）,（Ｌ４）の各端部を関着せしめ、対向する各１対のリンク（Ｌ１）,（Ｌ３）及び（Ｌ２）,（Ｌ４）の各中点にＸ状に交叉するクロスアーム（Ａ１）,（Ａ２）の端部をそれぞれ関着せしめて、該クロスアームの交点でアームの作動面に垂直に一方のクロスアーム（Ａ１）に揺動軸（Ｒ１）を固設して該揺動軸（Ｒ１）を回動自在に設け」ている。従って、特公平６−２３５２１においては、リンクおよびクロスアームの各構成要素が等しい長さに限定されるため、シリンダーにかかるスラスト荷重が大きく、長時間の連続運転が難しいなどの問題点があった。
これに対して本発明においては、「少なくとも２つのシリンダー（Ｃ１）,（Ｃ２）を、揺動軸（Ｒ２）を中心とした放射状に設置し、各シリンダー内を往復運動するピストン（Ｐ１）,（Ｐ２）と、揺動軸に固定されたロッキングシャフトアーム（ＲＡ１）とを、コネクティングロッド（ＣＲ１）,（ＣＲ２）を介して連結し」ている。これにより、コネクティングロッドとロッキングシャフトアームの長さ比率が任意に設定可能であり、スラスト荷重を低減し、連続運転が可能な動力変換装置を提供することを実現した。
以下、コネクティングロッドとロッキングシャフトアームの長さ比率をλと表記する。λ＝コネクティングロッド長／ロッキングシャフトアーム長である。ただし、ロッキングシャフトアーム長はコネクティングロッドとロッキングシャフトアームの関着部から揺動軸中心までの長さと定義する。
図５に、回転軸角度θとスラスト荷重の変動を理論的に算出したグラフを示す。特公平６−２３５２１における機構は、λ＝１に相当するものとした。λの値を増加することにより、スラスト荷重が低減されることが明白である。
【０００６】
Ｚクランク機構を利用することにより、燃焼室内の環境を高温高圧に設定することが可能となり、また、ピストン速度が上死点近傍で遅くなり燃焼時間を充分に確保することが可能となるため、難燃性燃料や天然ガスの燃焼に有効である。
【０００７】
特公平６−２３５２１と比べ、構成要素が簡易であり部品点数が少ないために、慣性質量が小さく高速運転に適し、また、コストダウンや小型化が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の動力変換装置を内燃機関に用いた際の稼働の様子を図１及び図２に基づいて説明するが、本発明は下記の実施の形態に限定されるものではない。
揺動軸（Ｒ２）を中心に対向するようにシリンダー（Ｃ１）,（Ｃ２）を配置し、各シリンダー内部のピストン（Ｐ１）,（Ｐ２）は、同期した燃焼により往復運動を行う。
各ピストンは、揺動軸（Ｒ２）に固定されたロッキングシャフトアーム（ＲＡ１）と、コネクティングロッド（ＣＲ１）,（ＣＲ２）を介して連結されており、各構成要素の長さを適宜設定することにより、ピストンの往復運動は揺動軸の揺動運動に変換される。さらに、揺動軸（Ｒ２）と、揺動軸に直交するように配置したＺクランク軸（Ｓ２）とを、Ｚクランク（Ｚ２）を介して連結することにより、揺動軸の揺動運動からＺクランク軸の回転運動に変換される。なお、Ｚクランクの原理については特公平６−２３５２１と同様である。
【０００９】
シリンダーの数は２つ以上であることが好ましく、より好ましくは２つあるいは４つである。
【００１０】
長さ比率λは１．５以上であることが好ましく、より好ましくは２〜４である。
【００１１】
コネクティングロッドは動力を伝達し得るものであれば良く、強度や耐久性などを充分に満たしていれば、形状や材質は限定されるものではない。
【００１２】
ロッキングシャフトアームは動力を伝達し得るものであれば良く、強度や耐久性などを充分に満たしていれば、形状や材質は限定されるものではない。
【実施例１】
【００１３】
シリンダーの数を２つ、長さ比率λ＝２．１７とした場合の機構を図６に示す。この機関を作成し、当量比を０．９とし、回転数と点火時期（θｉ）をそれぞれ、１２００ｒｐｍ、θｉ＝−７．５°ＡＴＤＣ），（９００ｒｐｍ、θｉ＝−５°ＡＴＤＣ），（６００ｒｐｍ、θｉ＝−６°ＡＴＤＣ）として運転した際の、燃焼室内の圧力履歴（ＭＰａ）と熱発生率（Ｊ／ｄｅｇ）を図７に示す。
【実施例２】
【００１４】
シリンダーの数を３つ、λ＝２とした場合の機構の模式図を図８に示す。
【実施例３】
【００１５】
シリンダーの数を４つ、λ＝２とした場合の機構の模式図を図９に示す。
【実施例４】
【００１６】
シリンダーの数を４つ、λ＝２とし、ロッキングシャフトアームの一端にコネクティングロッド２つを連結した場合の機構の模式図を図１０に示す。ロッキングシャフトアームの一端を介して連動する２つのピストンの位相は逆転している。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】請求項１における機構の説明図
【図２】コネクティングロッド及びロッキングシャフトアームの可動形態の模式図
【図３】特公平６−２３５２１における機構の説明図
【図４】特公平６−２３５２１におけるクロスアーム部分の可動形態の模式図
【図５】回転軸角度とスラスト荷重の変動を示すグラフ
【図６】実施例１の機構の説明図
【図７】実施例１の圧力履歴と熱発生率
【図８】実施例２の機構の模式図
【図９】実施例３の機構の模式図
【図１０】実施例４の機構の模式図
【符号の説明】
【００１８】
Ａ１,Ａ２                       ：クロスアーム
Ｌ１,Ｌ２,Ｌ３,Ｌ４             ：リンク
Ｃ１,Ｃ２,Ｃ３,Ｃ４             ：シリンダー
Ｐ１,Ｐ２,Ｐ３,Ｐ４             ：ピストン
ｐ１,ｐ２,ｐ３,ｐ４             ：ピストンピン
Ｒ１,Ｒ２                       ：揺動軸
Ｚ１,Ｚ２                       ：Ｚクランク
Ｓ１,Ｓ２                       ：Ｚクランク軸
ＣＲ１,ＣＲ２,ＣＲ３,ＣＲ４     ：コネクティングロッド
ＲＡ１                          ：ロッキングシャフトアーム
θ                              ：回転軸角度（ピストン上死点を０°とする）
【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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