(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング（１２）と；
当該ハウジングに対する回転のために当該ハウジングに取り付けられたシャフト（１６）と；
前記ハウジング内で上記シャフトに固定された３つの突出部を有するカム（２０）と；
上記シャフト手段回りに等間隔の関係で上記ハウジングに取り付けられた４個の一次ピストン手段（２８）と；
を備えてなるエンジン（１０）にして；各一次ピストン手段がシリンダ（３０）と、当該シリンダ内で独立した往復動の動きのために取り付けられたピストン（４０）と当該ピストンに連結されたカム従動部（４６）とを備えており；
当該カム従動部と連関するガイド軸受手段（５０）と；上記ピストンがそのシリンダ内で往復動するにつれて上記ガイド軸受手段が沿って可動である上記ハウジングから支持されたトラック手段（５４）を備えてなり；
上記ガイド軸受手段が、上記ピストンをそのシリンダと接触するように推すのに役立つ上記カム従動部とカムとの間に生じた反力を上記トラック手段に伝えるのに供するようになったエンジンにおいて、
前記ガイド軸受手段が前記カム従動部の軸線方向に相対する辺にそれぞれ配設された１対のガイド軸受を有し、前記の各カム従動部とその連関のガイド軸受手段が回転可能で、回転の共線軸線を有することを特徴とするエンジン。
【請求項２】
前記の各シリンダが前記シャフトの軸線を横切るシリンダ軸線を有することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記カムが本質的に約６ｍｍの半径で丸まった頂点を有した正三角形の形状であることを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項４】
前記カム手段が、各突出部に隣接してそのような突出部の少なくとも一辺で凸状に湾曲していることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のエンジン。
【請求項５】
前記カム手段が、その各辺のの中間域に隣接して凸状に湾曲していること、及び当該中間域が、隣接する対の突出部の頂点を相互連結する線の内側に向かって配設されていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のエンジン。
【請求項６】
前記の各ピストンがそれにしっかりと固定されたピストンロッド（４２）を有し、前記カム従動部と前記ガイド軸受手段とが前記ピストンロッドから取り付けられていることを特徴とする請求項１、２又は３に記載のエンジン。
【請求項７】
前記エンジンが、前記一次ピストン手段と対称関係で前記ハウジングから取り付けられた前記一次ピストン手段に概ね等しい４個の二次ピストン手段を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のエンジン。
【請求項８】
前記ハウジングが１対の間隔を有して相対する側壁（１４）を有し、前記トラック手段（５４）が当該側壁における隙間として形成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のエンジン。
【請求項９】
前記隙間が取り替え可能なライナー（５６）を備えることを特徴とする請求項８に記載のエンジン。
【請求項１０】
前記の各シリンダが流入口（７４）を有し、当該各流入口にバルブ手段（６０）が連関していることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のエンジン。
【請求項１１】
前記バルブ手段が機械的に作動することを特徴とする請求項１０に記載のエンジン。
【請求項１２】
前記バルブ手段がタイミングカム（６８）によって機械的に作動し、当該タイミングカムが前記シャフト上に反転可能に取り付けられ、前記エンジンの逆回転を可能とする請求項１０に記載のエンジン。
【請求項１３】
前記バルブ手段が電気的に作動することを特徴とする請求項１０に記載のエンジン。
【請求項１４】
前記バルブ手段が前記カム手段によって作動するスイッチ手段で電気的に作動することを特徴とする請求項１３に記載のエンジン。
【請求項１５】
前記スイッチ手段が反転スイッチを有することを特徴とする請求項１４に記載のエンジン。
【請求項１６】
前記シリンダを前記ハウジングに装着するために前記シリンダが貫通する開口を備えた架台（１３３）を有しており、当該架台は前記シリンダのピストンよりも小さな径であることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか一項に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、３つの突出部（ローブ、丸みのある突出部）のあるカム（トリローブドカム）を有した往復動ピストンエンジンに関するもので、当該エンジンがモータモードで使用されるかコンプレッサーモードで使用されるかに応じて往復動ピストンの動きを回転動作に変換し、あるいはその逆に変換する。
発明の背景
往復動ピストンの３つの突出部のあるカムエンジンは次の特許に開示されている：
米国特許        793270号    1810688号    4727749号
1765237号    1825417号    5035221号
1792062号    2124604号    5281104号
4697552号
フランス特許    2037132号
上記特許の各々においては、伸びないリンクによってプッシュプル関係で互いに連結された一対の直径方向に対向するピストンが備えられている。各ピストンはカム従動部を有し、上記リンクは、カムと接触してその回転の全ての位置で上記カム従動部を保持するのに供される。このようにしてピストンを一緒に連結することは、直径方向に対向する部分の間の寸法が実質上接触するように３つの突出部を有したカムを形作ることを要する。一般的に言って、そのような形作りは、カムの突出部の平坦化と隣接する対の突出部の間の凹所の形成とを有している。これらエンジンは、外部燃焼エンジンとして作動する場合に自動スタートできない比較的大きな角度の間隔を有している。
米国特許第１２０３８５５号明細書においては、ピストンが互いに連結しておらず、それによってそれらが自由に動くようになった３つの突出部を有したカムエンジンが開示されている。このエンジンのカムは非対称に形作られ、それで当該エンジンが一方向にのみ作動されるのに適することとなる。更にカム従動部とカムとの間の相互作用が、往復動し急速な摩耗を助長するシリンダの壁との接触をピストンに強いる激しい反力を発生することとなる。
米国特許第３６４８５２８号明細書は、１対のローラがカム従動部の回転軸の上方でピストンロッドに取り付けられ、当該ローラが固定ガイドに当接する回転カムピストンエンジンを記載する。この配置はピストンに伝わる横反力を減少するけれども、すっかり除くものではない。更に１個のローラだけがピストン行程中に所定時間、ガイドにのっている。
ＷＯ 93／11342は、横反力を収容すべく、スライド軸受がカム従動部の回転軸の上方と下方の両方で取り付けられた回転カムピストンエンジンを記載する。
改良された３つの突出部を有したカムエンジンをもたらすことが本発明の目的である。
自由に動くピストンを用いピストンとシリンダ壁との間の相互反力を減らした３つの突出部を有したカムエンジンをもたらすことが本発明の別の目的である。
エンジン特性を変更すべく、他の変更を必要とすることなく異なった輪郭のカムが代用できる３つの突出部を有したカムエンジンをもたらすことが本発明の更に別の目的である。
シンプルなモジュール構造を有しシリンダの数とサイズを容易に変えることができる３つの突出部を有したカムエンジンをもたらすことが本発明のなお別の目的である。
外部燃焼モータとして作動する場合に自動スタートすることができる３つの突出部を有したカムエンジンをもたらすことが本発明の更なる目的である。
発明の概要
本発明の一つのアスペクトによれば、エンジンはシャフトを備えたハウジングと３つの突出部を有したカムと等間隔の関係において上記ハウジングに配設された４つの浮動性ピストン手段とを備えてなっている。各ピストン手段はシリンダと当該シリンダ内で往復動する浮動性ピストンと各ピストンに連関したカム従動部とを有する。カム従動部はそれと連関したガイド軸受手段を有し、上記ハウジングはトラック手段を有し、これに沿って上記ガイド軸受手段が動きうる。
カム従動部は回転可能で、ガイド軸受手段はこれと共線的な軸線関係においてカム従動部の軸線方向に対向した側でそれぞれ配設された１対の回転可能な軸受を備えてなっている。したがって、カム従動部で生じた横反力は、ピストンに何ら著しい側方力を伝えることなく、トラック手段に伝わりうる。更に、対の軸受の各々は常に横反力をトラック手段に伝え、組立品におけるストレス負荷を減少する。
好ましくはガイド軸受手段は、カム従動部の軸線方向に対向する両側に配設された１対のガイド軸受を有し、エンジンの軸線方向がエンジンシャフトの軸線方向であるように考慮される。同じく好ましくは、ガイド軸受手段とカム従動部は回転可能で、適応して回転の共線的な軸線を有する。
ピストン-シリンダの相互作用の減少及びカム従動部と連関ガイド軸受手段の回転運動で、エンジンは特にフード加工業における使用のための高トルクで本質的にオイルフリーのエアモータとしての使用に適合する。
好適な実施形態にしたがえば、４つのピストン手段が２つの直径方向に対向した対を形成するように配置され、エンジンの方向の対称性と逆転性をもたらすように、対のシリンダの柱筒軸線がエンジンシャフトの軸線で相交わる。
エンジンの汎用使用にふさわしく、カム手段は正三角形の形状であり、その辺は本質的に直線である。カム手段の突出部（ローブ）は約６ｍｍ（０．２５インチ）の適切な半径を有して比較的急激に丸まっている。外部燃焼モータとして作動する場合、エンジンは自動スタートし、逆動することができる。しかしながらカム手段の形状はエンジンのトルクや他の特性に影響を及ぼし、特有な状況下では曲がりくねって形成された辺を有する三角形のカム手段が好ましく、特に当該辺はカム突出部への接近に関し凸形状を有する。
好適な実施形態に更にしたがえば、ハウジングはその周囲に対称的に配置された８つの開口を備える。都合のよいことには各開口は連関したトラック手段を有する。４つの開口は一次ピストン手段と称されうる上記ピストン手段で閉鎖され、残りの４つの開口は覆われていない。そのようなエンジンは、単にキャップを取り除き、それらを本質的に一次ピストン手段と同じである二次ピストン手段で取り替えて８気筒エンジンを形成すべく容易に変更される。
本発明の上述の目的とアスペクトは、その目的、アスペクト及び利点と共に添付の図面に関連した好適な実施態様の以下の記載の考察から一層はっきりと理解できよう。
【図面の簡単な説明】
図面において：
図１は、本発明に係る４気筒エンジンの概略的な中心横断断面図であり；
図２は、バルブコンポーネントを追加図示した図１のエンジンの１つのシリンダを通る概略的な軸線方向中心断面図であり；
図３は、点線でのアウトラインで示された隠れた詳細を共にバルブ配置装置の更に詳細を示した概略的な軸線方向正面図であり；
図４は、図３のシリンダの平面図であり；
図５／６は、それぞれ図３及び４に類似するが、改良されたシリンダを示すものであり；
図７は、図１に類似するが、８気筒形状のエンジンを示すものであり；
図８は、シリンダに連関し電気的に作動するバルブ配置装置の概略図であり；
図９Ａ〜９Ｃは、図１のエンジンと共に使用するためのカム手段の変形例を示し、基本的な三角形の形状は比較の目的で点線でのアウトラインで示される。
好適な実施形態の説明
エンジン１０は、回転のために軸受１８によってそこから装着されたシャフト１６と共に１対の対向し間隔をおいた側方プレート（サイドプレート）１４を有したハウジング１２を備えてなっている。カム２０がシャフト１６に取り付けられ、それとともに回転するようになっている。ハウジング１２は、シャフト１６の回転の軸線に中心においた円上に等間隔で配設された８つの切子面形成マウント２２を有し、補剛スペーサ２６がそれぞれ隣接する対のマウンドで側方プレート１４の間に配設される。シリンダ３０を有するピストン手段２８がマウント２２の互い違いのマウント上に配設され、都合よくは側方プレート１４内にねじ込まれるボルト３２によって当該マウントに固定される。シリンダを配設されないマウント２２は蓋３４によって普通は閉じられる。ピストン手段２８はまた、ピストンロッド４２がリジッドに従属するピストン４０を有する。各ピストンロッド４２はＵ字形開口４４を有し、この範囲内でカム従属部４６がピストンロッドの遠位側端部に近接する軸受ピン４８に取り付けられる。当該軸受ピン４８はＵ字形開口４４の向き合う側（辺）で外側に向かって突き出て、カム従動部４６の軸線方向で向き合った側に配設された１対のガイド軸受５０のためのマウンドをもたらす。各マウント２２は、それと連関して側方プレート１４に都合よくは機械加工された１対のトラック５４を有する。ピストン４０がそのシリンダ３０内を往復動するにつれて当該トラックに沿ってガイド軸受５０は回転することになる。シリンダ３０とトラック５４と軸受ピン４８はすべて、シャフト１６の回転軸線を通る直径上に中心をおいていると理解されよう。
外部燃焼モータの形状でのエンジン１０は、各シリンダ３０に関連したハウジング１２の外側に配設されたプッシュロッドアセンブリ６４によって作動される回転振動流入バルブ６２の形状を便宜的にしたバルブアセンブリ６０を有し、エンジンシャフト１６に配設されキー７０によってこれに取り付けられたタイミングバルブカム６８によって駆動されるプッシュロッド６６を有する。排気口７２は各シリンダ３０の壁に配設され、流入口７４はそのヘッド部に配設される。
カム２０は一般的に直進する辺８０と突出部８２を備えた二等辺三角形の形状をし、上記突出部はほぼ６ｍｍの半径８４で急激に丸まっており、その寸法は少なくとも辺８０が約５ｃｍから約５０ｃｍ（２インチから２０インチ）の範囲の寸法を有する範囲においてカム２０のサイズとは相対的に無関係である。タイミングカム６８はメインカム２０の形状に対して概して補足的である形状を有する。即ち、タイミングカムは、その突出部８６が以下に記載するように実質的に平らであるが、二等辺三角形の形状をしている。
エンジン１０が膨張性ガスのソース（図示せず）からのモータとして作動すると考慮して、以下の記載の目的のためにシリンダ３０を文字Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄで且つ図１に示された始動のそれらの相対位置でのコンポーネントで区別して、シャフト１６の時計回りに動きをもたらすべくエンジンバルブカムが調整されると仮定して、シリンダＡのピストン４０はその上死点を僅かに越えることになる。シリンダＡに対する流入バルブ６２が僅かに開き、シリンダＢ，Ｃ，Ｄに対するベルブが閉じる。したがってシリンダＡのピストン４０はシリンダＡ内に導入された膨張性ガスによって下方へ推され、カム２０とシャフト１６を時計方向に回転させる。シリンダＡのピストン４０がそのストロークのほぼ３分の１に降下して、したがって突出部８６が定まると、シリンダＡのバルブ６２は適切に閉じることとなる。シリンダＡのピストンの下方への動きに付随して、シリンダＢのピストンは下方に推されることになり、シリンダ内でガスを捕捉する。結局、シリンダＢのピストン４０は図１に示されたシリンダＡのピストン４０の位置をとることとなり、膨張性ガスはシリンダＢ内に導入される。この時点でエンジン１０は力学的に作動しており、ワーク出力は、そのストロークで底に向かって動くにつれてシリンダＡのピストン４０及びシリンダＢのピストンによって発生することになる。シリンダＣとＤのピストンはピストンＡとＢに類似するようにして作動する。一般的にエンジン１０がモータとして力学的に動かされるようになっている場合、２つの隣接するピストンは拡張ストロークについてパワーをもたらし、２つの隣接するピストンはカム２０によって駆動されることになる。
エンジン２０からの比較的高いトルク出力を考慮して、しばしば中間のギヤボックスなしで駆動されるべきユニットに直接的にシャフト１６は連結する。図１のエンジンが反時計回りの方向に作動されることが望まれる場合、タイミングカム６８を１８０°ひっくり返すことが単に必要とされる。エンジンの回転の方向を逆転すべくシャフト１６に対してタイミングカム６８をシフトするために他の幾らか複雑なバリエーションが用いられうることが理解されよう。
反時計回りの方向に回転するモータとしてエンジン１０を作動するようにバルブカム６８が調整されると考慮し、始動で図１に示されるような相対位置に各パーツがあると考慮して、シリンダＡのピストン４０は上死点の僅か前の位置にあり、シリンダＡ，Ｃ，Ｄに対する流入バルブ６２は閉じることになる。シリンダＢに対する流入バルブ６２は開き、そのピストン４０を下方に推し、それによってカム２０を反時計回りの方向に回転し、それとともにシャフト１６も回転する。カム２０がシリンダＡのピストン４０をその上死点に推すための位置に回転する場合、シリンダＡに対する流入バルブ６２は開き、時計回りの方向に動かす場合のエンジンに関する上記した操作シーケンスが逆に繰り返される。
カム従動部４６とガイド軸受５２の回転作用とピストン４０に関する側方力の減少によってエンジン１０は或る条件下で注油なしに、又はシールされた軸受の使用を介してのみもたらされる注油で作動することが可能となり、これは反対方向に動く条件下では非常に有利である。
エンジン１０のメンテナンスはピストン４０の浮動作用のために特に容易になり、これによってシリンダ３０とピストン４０はボルト３２の取外しによって簡単に取り外すことができる。したがって、シリンダ３０は例えば図５及び６に示されるような当該シリンダ３０よりも十分に大きな内径を有するシリンダ１３０に取り替えることができる。この例において、固定ボルト１３２はハウジング１２の側方プレート１４を横切らない。したがって、シリンダ１３０はマウント２２から当該シリンダ１３０よりも小さな内径を有した架台（受台）１３３を介して支持され、それによって外側に向いたフランジ１３５を貫通するボルト３２がシリンダ３０の代わりにハウジング１２０に上記シリンダを固定するのに供される。
８気筒エンジンにエンジン１０を転換することは等しく簡単で、図７のエンジン１１０を形成するために、図１のエンジン１０から蓋３４を取り除くこと及びシリンダ３０とその位置での関連のコンポーネントの固定を有する。
４気筒モータ１０はシャフト１６の一回転当たり１２回のパワーストローク（動力行程）を有し、これは８気筒モータ１１０について２倍になる。したがって、これは非常に高いトルクとスムーズな動作を有したモータとなることが認識されよう。
エンジン１０の構造の材料は重大ではないけれども、ハウジング１０を含むその構成の多くは特にプラスチック材料から製造することに従い、メンテナンスを容易にするためにトラック５４を交換可能なライナー５６に沿って並べることが企図される。
図８に示されるように、本発明のエンジンは、先に記載した機械的に作動するバルブアセンブリ６０に代えて、各シリンダ１３０と連関する電気的に作動するバルブアセンブリ１６０を有していてもよい。バルブアセンブリ１６０は、ロータ１２０によって作動するスイッチ接触子１６４ａ，１６４ｂと、当該スイッチ接触子１６４ａ，１６４ｂのいずれかを選択することができる逆転スイッチ１６６とを有する連関のスイッチメカニズム１６２を有する。
図９Ａに関して、メインカム２０の第２実施形態はそこで数字１２０Ａによって確認され、文字Ｏで示された点線でのアウトラインで重ね合わされたカム２０の形状に類似する基礎的に等辺で直進する辺形状を有する。カム１２０Ａは突出部１８２、隣接する対の突出部の間に延在する辺１８０を有する。当該辺１８０は、突出部と文字Ｍで示された辺の中間域の間に延在する第１部分１８１Ａと、上記中間域と隣接する突出部の間に延在する第２部分１８３Ａとを有する。この第２実施形態において、カムの辺部分１８１Ａと１８３Ａは同様に形作られており、辺１８０は完全に対称で、カム１２０Ａは何れかの方向に回転することができる。反時計回りの方向を仮定して、カムの辺部分１８１Ａはエンジンのパワーストロークに関してピストン４０のようなピストンの動きを制御し、カムの辺部分１８３Ａは排気ストローク（排出行程）に関する動きを制御することとなる。部分１８１Ａは始めに凸状に湾曲した薄いS形状を有し；これはカム２０を有して生じる加速に対してパワーストロークに関して突出部１８２の近傍におけるピストン４０の加速を減らす効果を有し；同様に最大トルク出力が出力ストロークにおける後のインターバルで生じ増加するインターバルで持続するトルク出力曲線を平らにする効果を有する。カムの辺部分１８１Ａは中間域Ｍに近づくにつれて凹状の形状に変化する。この中間域は対応するカム２０でのものよりもカム１２０Ａの回転中心に近く配設される。これはパワーストロークの長さが増す効果を有し、また比較的高いトルク出力が出力ストロークにおいて維持される角度インターバルを増す効果を有する。カムの辺部分１８３Ａもまた薄いＳ形状を有する。いくらかのガスが排気ストロークに関しシリンダ内でピストンのためのクッションとして供されるべく当該シリンダ内で捕捉され、当該ガスが符号４６で示されたピストン従動部のようなものを介してもたらされる作用力によって圧縮される場合、カムの辺部分１８３Ａのこの形状は、最大トルクがエンジンの他のシリンダから出力される角度インターバルに対し概して直径方向で反対位置に最大作用力がもたらされる角度インターバルを配置するのに供され、そのスムーズな作動を援助するのに供される。加えて、排気ストロークに関して突出部１８２に近づくにつれてピストンを減速するのを少なくするのに供される。
図９Ａに示された形状を有するカムは適度に高速で逆転可能なエンジン１０に望まれうる。しかしながら、別のカム形状、例えば図９Ｂに示されるようなカム１２０Ｂの始めの部分１８１Ｂが基礎三角形形状に比べて平坦で際立った特徴のない中間的な形状を有するカム形状が望まれることも認められる。この形状のカムは中間速度の動作に適する。図９Ｃにおいて、始めの部分が負の傾斜を有し、低速で高トルクのエンジンに最も適するカム１２０Ｃが示される。
本発明の範囲内において、図示された実施形態に対して多くの変更をなすことができることが明らかであり、そのような変更の全てを請求の範囲でカバーするつもりである。
【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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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