(57)【要約】【課題】エンジン作動工程毎にシリンダ内の作動容積を適正化してエンジン出力を効率化させ、エンジンの始動停止の迅速性や出力変化の応答性に優れるとともに、特別な弁構造や流路制御構造を要せずコンパクトで小型化に適したエンジンを提供する。【解決手段】（ａ）燃料供給部及びその排気部をシリンダ周壁に備えたシリンダ１１と、（ｂ）シリンダ１１内にそれぞれのピストン面が対向配置され動力が取り出される駆動ピストン１４及び燃料が供給されるシリンダ空間を制御する制御ピストン１５と、（ｃ）駆動ピストン１４の回転する動力軸１４ｂにカムを介して連結され制御ピストン１５を所定のカム曲線で駆動させるリンク機構と、を有するようにエンジン１０を構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）燃料供給部及びその排気部をシリンダ周壁に備えたシリンダと、（ｂ）前記シリンダ内にそれぞれのピストン面が対向配置され動力が取り出される駆動ピストン及び燃料が供給されるシリンダ空間を制御する制御ピストンと、（ｃ）前記駆動ピストンの回転する動力軸にカムを介して連結され前記制御ピストンを所定のカム曲線で駆動させるリンク機構と、を有することを特徴とするエンジン。
【請求項２】
前記駆動ピストンの上死点と下死点との間の前記シリンダ周壁に燃料点火部が配置されていることを特徴とする請求項１記載のエンジン。
【請求項３】
前記制御ピストンの動作状態を表すカム曲線が、吸気−圧縮−燃焼−排気のエンジン作動工程において前記制御ピストンを前記シリンダ内の定位置にキープさせる複数の平坦領域を有していることを特徴とする請求項１又は２記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はシリンダ内で互いに往復運動する対向ピストンを備えたエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用などのエンジンは、ガソリン，軽油等の燃料油やプロパンガス等の燃料ガスをシリンダ内でピストンにより加圧して燃焼させる内燃機関方式が多用されている。
従来、このような内燃機関方式などにおいて、シリンダ内に対向配置した一対のピストンを用いてエンジン出力などを増加させるようにしたエンジンが開発されている。このようなエンジンに関連して、例えば以下のような技術のものが知られている。
【０００３】
特許文献１には、シリンダ毎に複数のピストンを設けたエンジンであって、各ピストンが燃料の吸気工程では外側に押し広げられるようにして動き、圧縮工程では各ピストンが互いに接近するようにして動き、爆発工程では各ピストンが外側に押し広げられるようにして動き、排気工程では各ピストンが互いに接近するようにした４サイクルエンジンが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、ピストン上面端部に平面或は曲面にて切欠き凹部を設けたピストンを、水平とし燃料噴射弁を中央部に設けたシリンダ内で凹部が下方となるよう対向設置するとともに、シリンダ両端にクランク室を設けて密室とし、シリンダ両端或はクランク室適位置に排出口・吸入口を設け、室内圧力調整或は大気の送入を可能とした空気圧タンクと供給口と排出口を連結し、各出入口に流れを調整制御する弁を設けた水平対向エンジンが記載されている。
【０００５】
特許文献３には、シリンダ内でそれぞれが独自のクランク部によって往復運動する第１ピストンと第２ピストンを備え、第１ピストンとシリンダによって形成される第１圧縮室と、第２ピストンとシリンダによって形成される第２圧縮室とを、互いの上死点側で連通させると共に、第１ピストンと第２ピストンの上死点に位相を設けてピストンサイクルを同期させることにより、第１ピストンと第２ピストンの往復運動を回転運動に変換するようにしたエンジンが記載されている。
【特許文献１】特開平６−２００７８３号公報
【特許文献２】特開平８−９３４９８号公報
【特許文献３】特開平１１−２５７０９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の技術では以下のような課題があった。
（１）特許文献１に記載のシリンダごとに複数のピストンを設けた４サイクルエンジンでは、複数のピストン同士がそのシリンダ中心に対してそれぞれ対称に往復運動されるので、シリンダにピストンを１基配置した通常のエンジンを単に連結したものにすぎず、各工程毎にシリンダ内の作動容積を適正化してエンジン出力を効率化させるようなことができず、燃費があがったり排気ガス量が増えたりするなどの課題があった。
（２）特許文献２に記載の水平対向エンジンは、圧力調整などを行う空気圧タンクとシリンダの供給口と排出口を連結し、各出入口に流れを調整制御する弁を設けるので、シリンダにおける制御弁や燃料流路などの構造が複雑化してその制御が困難となる上に、エンジンが大型化してしまうという実用上の課題があった。
（３）特許文献３に記載の第１ピストンと第２ピストンのピストンサイクルを同期させるようにしたエンジンでは、両ピストン間をリンク構造を介して連結しているだけなので、各ピストンのストローク長さを異ならせたとしても、各吸気から排気に至るエンジンサイクルで基本的に両ピストンが同様に機能させるため、エンジン出力を適正かつ効率的に取り出すことができない上、エンジンの始動停止の迅速性や出力変化の応答性に欠ける等の課題があった。
【０００７】
本発明は前記従来の課題を解決するためになされたもので、エンジン作動工程毎にシリンダ内の作動容積を適正化してエンジン出力を効率化させ、エンジンの始動停止の迅速性や出力変化の応答性に優れるとともに、従来のように特別な弁構造や流路制御構造を要せずコンパクトで小型化に適したエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）本発明のエンジンは、（ａ）燃料供給部及びその排気部をシリンダ周壁に備えたシリンダと、（ｂ）前記シリンダ内にそれぞれのピストン面が対向配置され動力が取り出される駆動ピストン及び燃料が供給されるシリンダ空間を制御する制御ピストンと、（ｃ）前記駆動ピストンの回転する動力軸にカムを介して連結され前記制御ピストンを所定のカム曲線で駆動させるリンク機構と、を有して構成されている。
【０００９】
（２）本発明のエンジンは、前記（１）において、前記駆動ピストンの上死点と下死点との間の前記シリンダ周壁に燃料点火部が配置されていることにも特徴を有している。
【００１０】
（３）本発明のエンジンは、前記（１）又は（２）において、前記制御ピストンの動作状態を表すカム曲線が、吸気−圧縮−燃焼−排気のエンジン作動工程において前記制御ピストンを前記シリンダ内の定位置にキープさせる複数の平坦領域を有して構成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のエンジンによれば、それぞれのピストン面がシリンダ内に対向配置された駆動ピストン及び制御ピストンと、前記駆動ピストンの回転する動力軸にカムを介して連結され前記制御ピストンを所定のカム曲線で駆動させるリンク機構と、を有するので、エンジン作動工程毎にシリンダ内の作動容積を適正化してエンジン出力を効率化させることができる。さらに、エンジンの始動停止の迅速性や出力変化の応答性に優れるとともに、従来のように特別な弁構造や流路制御構造を要せず小型化に適している。
【００１２】
本発明のエンジンによれば、駆動ピストンの上死点と下死点との間のシリンダ周壁に燃料点火部が配置されているので、吸気工程などの燃焼工程以外で燃料点火部が駆動ピストン自体によって遮蔽保護され、燃料点火部の作動不良などを効果的に防ぐことができるとともに、メンテナンス性にも優れている。
【００１３】
本発明のエンジンによれば、前記制御ピストンの動作状態を表すカム曲線が吸気−圧縮−燃焼−排気のエンジン作動工程において前記制御ピストンを前記シリンダ内の定位置にキープさせる複数の平坦領域を有するので、制御ピストンと駆動ピストンのそれぞれのピストン面の間で形成されるシリンダ空間をそのエンジン作動工程毎に適切に制御しながらエンジンサイクルを実行することができ、駆動ピストンの動力軸を介してエンジン出力をさらに効率的に取り出してにエンジンを稼働させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、それぞれのピストン面が対向配置された駆動ピストン及び制御ピストンをシリンダ内に配置し、この駆動ピストンの動力軸に、制御ピストンをリンク機構を介して連結して、所定のカム曲線で駆動させるようにしたものである。これによってエンジンのサイクル毎にシリンダ内の作動容積を適正化してエンジン出力の効率化を図るようにしている。さらに、エンジンの始動停止の迅速性や出力変化の応答性に優れるとともに、小型化にも適している。
以下図面に基づいて、さらに具体的に本実施の形態のエンジンについて説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係るエンジンの模式構成図である。
図１において、１０は実施の形態１のエンジンであり、シリンダ１１はその上部及び下部にピストン嵌合部を備え略円筒状に形成されている。燃料供給部１２からシリンダ１１の周壁に設けられガソリンや軽油などの燃料がシリンダ１１内に供給され、排気部１３から燃焼爆発後に生成した排気ガスが排出される。
駆動ピストン１４はシリンダ１１内に配置され、クランク軸１４ａに連結された動力軸１４ｂを介して動力を取り出す。
制御ピストン１５は駆動ピストン１４に対向してシリンダ１１内に同じく配置され、駆動ピストン１４の動力軸１４ｂに図示しないカムを備えたリンク機構を介してクランク軸１５ａが連結され、所定のカム曲線で駆動される。
点火プラグなどの燃料点火部１６は、駆動ピストン１４の上死点及び下死点との間のシリンダ周壁に設けられている。
【００１６】
エンジン１０は、シリンダ１１内を往復動される駆動ピストン１４及びそのシリンダ作動空間を制御する制御ピストン１５とを有する４サイクルエンジンである。なお、エンジンとしては自動車用やトラック用のもの、産業用機械における動力源としてのものなどが含まれる。
また、エンジン１０には図示しない吸気システム、排気システム、潤滑および冷却システム、ターボおよびスーパチャージャシステム、トランスミッション等のような公知のサブシステムを含む。
シリンダ１１はその軸が水平方向又は垂直方向等に保持されて適用でき、その両端の開口部に駆動ピストン１４と制御ピストン１５とがそれぞれのピストン面を対向させて配置されるようにしている。
燃料供給部１２は、燃料インジェクタ１２ａと、図示しないアクセルに連動して駆動され燃焼用空気などを調整する弁部１２ｂとを有している。
排気部１３は、駆動ピストン１４の動力軸１４ｂに連動して開閉駆動される図示しない弁部を備え、シリンダ１１内で燃焼された燃料排ガスを所定のタイミングで外部に排気するようにしている。
【００１７】
駆動ピストン１４には、クランク軸１４ａの基端側が回動自在に取り付けられ、クランク軸１４ａの他端側が、回転駆動される動力軸１４ｂの連接部１４ｃに固定されている。これによって、駆動ピストン１４がその吸気〜排気工程のサイクルで往復駆動されると、往復運動の動力が回転運動に変換されて、動力軸１４ｂを介してエンジン出力が得られる。
制御ピストン１５は、図示しないカムを有したリンク機構によって駆動ピストン１４の動力軸１４ｂに接続されている。なお、制御ピストン１５には、クランク軸１５ａの基端が接続され、その他端が連接部１５ｂに回動自在に取り付けられるとともに、連接部１５ｂの基部には回動軸１５ｃが配置されている。この回動軸１５ｃが前記リンク機構に連設されて所定の角度範囲β、例えば７０〜９０°好ましくは８５°±２°などの範囲で駆動されることにより制御ピストン１５が所定のカム曲線でシリンダ内を上下動するようにしている。
【００１８】
カムは所定の輪郭形状を有して回転する機械要素であって、その直接接触によって相手側となる従節に所定の運動を与える。カムによって運動を与えらる従節としては、カムフォロアー、レバー、リンク等があり、その最終従節である従節作動端の運動がカム曲線として表される。このカム曲線としては、それぞれ公知である変形台形曲線、変形正弦曲線、変形等速度曲線、あるいはこれらを適宜組み合わせたようなものなどをエンジン作動工程に応じて適用することができる。
【００１９】
図２は、実施の形態１のエンジンにおける作動状態の一例を示す説明図であり、図３（Ａ）は制御ピストンにおけるカム曲線の説明図であり、図３（Ｂ）はこの制御ピストンに同期される駆動ピストンの動作状態図である。
図３（Ｂ）に示すように、エンジン１０は４サイクルエンジンであって、駆動ピストン１４の動力軸１４ｂが２回転（７２０°）する間に(1)吸気→(2)圧縮→(3)燃焼→(4)排気によるエンジン作動工程が実行される。
また、図３（Ａ）は駆動ピストン１４の動力軸１４ｂの回転角度（θ）の時間変化に対応してシリンダ１１内を上下動される制御ピストン１５の位置の変化、すなわちカムを有したリンク機構により動作される制御ピストン１５のカム曲線を示している。このカム曲線においては、制御ピストン１５をシリンダ１１内の高中低の３位置にそれぞれキープさせる平坦領域（Ｈ、Ｍ、Ｌ）を有しており、シリンダ内に保持される作動空間をエンジン作動工程毎に適切に制御することができるようにしている。
【００２０】
以上のエンジン１０の各作動工程における駆動ピストン１４と制御ピストン１５との動作状態を図２を参照しながら説明する。
図２（ａ）〜（ｃ）は動力軸１４ｂの回転角度（θ）がそれぞれθ＝０°、θ＝２２５°、θ＝４５０°における制御ピストン１５の動作状態を表す説明図である。
図３に示すように、回転角度θ＝０°〜１８０°の吸気工程においては、制御ピストン１５は、初期において高位置を維持する平坦領域Ｈにセットされているが、回転角度θ＝１２０°に位置に達すると、制御ピストン１５は下降し始め中位置を維持する平坦領域Ｍに移行する。
これによって、初期状態において両ピストン間に形成される空間を広く確保するようにして、吸気体積を十分確保するようにしている。
また、回転角度θ＝１８０°〜４２０°の圧縮工程においては、制御ピストン１５を中位置の平坦領域Ｍに維持した状態から低位置となる平坦領域Ｌに下降させ、上下のピストンで空間を圧縮し、高圧縮率を確保し、制御ピストン１５が低位置となる平坦領域Ｌに達した時点である回転角度θ＝４２０°の位置で点火する。
さらに、回転角度θ＝４２０°〜５４０°の燃焼工程では、制御ピストン１５を低位置となる平坦領域Ｌに保持させて、駆動ピストン１４を押し下げるようにしている。
そして、回転角度θ＝５４０°〜７２０°の排気工程では、制御ピストン１５を低位置の平坦領域Ｌから、中位置の平坦領域Ｍを経過して高位置の平坦領域Ｈに移行させるとともに、駆動ピストン１４を押し上げるようにしている。
【００２１】
以上のように実施の形態１のエンジン１０は、シリンダ１１内に対向配置された駆動ピストン１４及び制御ピストン１５とを備え、駆動ピストン１４の動力軸１４ｂにカムを介して連結され、制御ピストン１５を所定のカム曲線で駆動させるリンク機構を有し、さらに、制御ピストン１５のカム曲線が、吸気−圧縮−燃焼−排気のエンジン作動工程において、制御ピストン１５をシリンダ１１内の定位置にキープさせる、Ｈ、Ｍ、Ｌの平坦領域を有するので、制御ピストン１５と駆動ピストン１４のそれぞれのピストン面の間で形成されるシリンダ空間を、そのエンジン作動工程毎に適切に制御でき、駆動ピストン１４の動力軸１４ｂを介して、エンジン１０をさらに効率的に稼働させることができる。
また、駆動ピストン１４の上死点と下死点との間のシリンダ周壁に、燃料点火部１６が配置されているので、吸気工程などの燃焼工程以外で、燃料点火部１６が駆動ピストン１４自体によって遮蔽保護され、燃料点火部１６の作動不良などを効果的に防ぐことができ、メンテナンス性にも優れている。
【００２２】
（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２に係るエンジンの模式構成図であり、図５（ａ）は制御ピストンにおけるカム曲線の説明図であり、図５（ｂ）はこの制御ピストンに同期される駆動ピストンの動作状態図である。
図４において、２０は実施の形態２のエンジンであり、支持部２１は、駆動ピストン１４の動力軸１４ｂに、図示しないカムを備えたリンク機構を介して連結され、所定のカム曲線で制御ピストン１５のクランク軸１５ａを上下動させる。
なお、実施の形態２のエンジン２０は、その主要部が実施の形態１のエンジン１０と同様なので、同様の機能を有するものについては同一の符号を付してその説明を省略する。
エンジン２０は図５（Ｂ）に示すように、駆動ピストン１４の動力軸１４ｂが３６０°回転する間に、吸気−圧縮−燃焼（爆発）−排気の各エンジン作動工程が進行する２サイクルエンジンであり、この動力軸１４ｂの回転に対応する制御ピストン１５のカム曲線は、図５（Ａ）のように示される。
なお、このようなカム曲線は一例であって、変形台形曲線、変形正弦曲線、変形等速度曲線などの公知のものが適用でき、これら速度、加速度の値から実際の速度、加速度を計算し、カム機構が適正であるかどうかを判断することができる。
【００２３】
ここで図６は、エンジン２０の制御ピストンの変形例における一部拡大構成図である。
図６において、３０は実施の形態２における変形例の制御ピストンであり、
気道３１は、制御ピストン３０の上下面に貫通して形成され、制御ピストン３０下部と駆動ピストン１４上部との間の下部シリンダ空間１１ａで気化された燃料ガスを、制御ピストン３０上部のシリンダ上部空間１１ｂに導入する。
蓋部３２は、シリンダ上部空間１１ｂを形成するためのシリンダ１１上端部に設けられ、制御ピストン３０のクランク軸１５ａが気密性を保持して上下に挿通される。弁バルブ３３が気道３１に設けられている。
この変形例のエンジン２０においては、シリンダ下部空間１１ａで気化された燃料ガスは、制御ピストン３０が下がるにつれて、先ずシリンダ上部空間１１ｂに導入される。そして、制御ピストン３０が上がると、シリンダ上部空間１１ｂ内の燃料ガスが圧縮されるとともに、シリンダ上部空間１１ｂからシリンダ下部空間１１ａに通ずる弁バルブ３３が開いて、燃料ガスは気道３１を通って制御ピストン３０下部のシリンダ下部空間１１ａ内へ移動されて圧縮されるようになっている。
そして、制御ピストン３０が低位置となる平坦領域Ｌに達した時点で点火される。
なお、シリンダ１１には、必要に応じてシリンダ上部空間１１ｂ内の燃料ガスを排気するための図示しない排気通路や排気バルブ系などを設けることによって、エンジン作動工程における各サイクルが円滑に進行されるようにしている。
このように、変形例の制御ピストン３０を備えたエンジン２０は、制御ピストンの上部及び下部にそれぞれ連通したシリンダ空間１１ｂ、１１ａをそれぞれ有しており、エンジン２０の駆動ピストン１４を作動させるためのシリンダ空間を、制御ピストン３０を介して２段に分割して、サイクル工程を適正に調整可能な２サイクルエンジンが実現される。
【００２４】
実施の形態２のエンジン２０は以上のように構成され、制御ピストン１５のクランク軸１５ａを所定のカム曲線で上下動させるための支持部２１を備えるので、前記実施の形態１の作用に加えて、機械的強度や耐久性に優れるとともに、エンジンの始動停止の迅速性や出力変化の応答性に優れている。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は自動車用などのエンジンに適用でき、エンジン作動工程毎にシリンダ内の作動容積を適正化してエンジン出力を効率化させることができるとともに、コンパクトで小型化に適したエンジンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】実施の形態１に係るエンジンの模式構成図である。
【図２】実施の形態１のエンジンにおける作動状態説明図である。
【図３】（Ａ）制御ピストンにおけるカム曲線のグラフである。（Ｂ）駆動ピストンの動作状態図である。
【図４】実施の形態２に係るエンジンの模式構成図である。
【図５】（Ａ）制御ピストンにおけるカム曲線の説明図である。（Ｂ）駆動ピストンの動作状態図である。
【図６】実施の形態２の変形例におけるエンジンの模式構成図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  実施の形態１のエンジン
１１  シリンダ
１１ａ  シリンダ下部空間
１１ｂ  シリンダ上部空間
１２  燃料供給部
１２ａ  燃料インジェクタ
１２ｂ  弁部
１３  排気部
１４  駆動ピストン
１４ａ  クランク軸
１４ｂ  動力軸
１４ｃ  連接部
１５  制御ピストン
１５ａ  クランク軸
１５ｂ  連接部
１５ｃ  回動軸
１６  燃料点火部
２０  実施の形態２のエンジン
２１  支持部
３０  変形例の制御ピストン
３１  気道
３２  蓋部
３３  弁バルブ
【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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