JP2019148260A

JP2019148260A - レシプロエンジンのピストン往復運動を回転運動に変換するカム及びカム機構

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Publication number: JP2019148260A
Application number: JP2018225589A
Authority: JP
Inventors: 高橋　哲; Satoru Takahashi; 哲高橋
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Current assignee: Individual
Priority date: 2018-11-30
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2019-09-05
Anticipated expiration: 2038-11-30
Also published as: JP6582170B2

Abstract

【課題】レシプロエンジンにおいてピストン往復運動と出力軸回転運動の連絡・変換に使用されてきたクランクを、極力シンプルな構成でカム・カム機構に置き換えると同時に熱効率の向上を図る。【解決手段】カム１０に２本のカムプロファイル１６，１８を形成し、ピストン３２と連結し往復直線運動する接触子２０がどちらかのカムプロファイルをなぞるようにする。膨張行程におけるカムプロファイルと接触子の圧力角は、膨張行程の極初期と極末期を除いて４５度以上となるカムプロファイルにする。吸気・圧縮・膨張・排気の４つの行程に対応するカムプロファイルの各行程回転角の割り当ては、膨張行程の回転角を最も小さくする。正面カムを使用し、ピストンから見てカム回転中心軸１２を越えた反対側の位置で、接触子を２本のカムプロファイルの間に収めるカム機構とし、カムの回転方向側にカム回転中心軸線をシリンダ軸線からオフセット配置するカム機構とする。【選択図】図１

Description

本発明は、レシプロエンジンにおけるピストンの往復運動と出力軸の回転運動の連絡に用いるカム及びカム機構に関するものです。

クランクを用いないレシプロエンジンとしてはREVETECエンジン（オーストラリア・http://www.revetec.com/index.htm）等が考案・開発中ですが、熱効率が低かったり構造が複雑だったりで実用化は進んでいません。レシプロエンジンにおいてピストン往復運動と出力軸回転運動の連絡・変換に使用されてきたクランクを、極力シンプルな構成でカム・カム機構に置き換えると同時に熱効率の向上を図る事が解決しようとする課題です。

カムに２本のカムプロファイルを形成し、ピストンと連結し往復直線運動する接触子がどちらかのカムプロファイルをなぞります。膨張行程におけるカムプロファイルと接触子の圧力角は、膨張行程の極初期と極末期を除いて４５度以上となるカムプロファイルにします。吸気・圧縮・膨張・排気の４つの行程に対応するカムプロファイルの各行程回転角の割り当ては、膨張行程の回転角を最も小さくします。正面カムを使用し、ピストンから見てカム回転中心軸を越えた反対側の位置で、接触子を２本のカムプロファイルの間に収めるカム機構とします。正面カムを使用し、カムの回転方向側にカム回転中心軸線をシリンダ軸線からオフセット配置するカム機構とします。

カム及びカム機構の正面図カム及びカム機構の側面図カム及びカム機構の平面図吸気行程の動作説明図圧縮行程の動作説明図膨張行程の動作説明図排気行程の動作説明図膨張行程における圧力角を示す説明図膨張行程におけるアームを示す説明図圧縮行程における圧力角を示す説明図

本発明のカムは、吸・排気バルブ駆動用のカムと混乱しないように、ここではパワーカムと表記させて頂きます。パワーカムは平面カム・立体カムどちらの形式でもエンジンＡＳＳＹとして構成できますが、ここでは平面カムの正面カムを採用したもので説明します。正面カムは請求項記載の四つ全部を実施することができます。ここでは４サイクルガソリンエンジン（単気筒）でパワーカム及びカム機構を使用する場合について説明します。ベースにする単気筒４サイクルガソリンエンジンは現在市販中の汎用エンジンで、構成が分かり易いようにシリンダ軸線は鉛直方向、パワーカムの回転中心軸線は水平方向とします。パワーカムの回転方向は正面から向かって見て左回転（反時計回り）です。

正面カムのパワーカム１０に回転中心軸線を同一とする出力軸１２を固着します。パワーカム１０は回転中心軸に垂直な平面を有し、その平面にカム溝１４（空間）を形成します。当然ながら、これによりパワーカム１０は２本のカムプロファイルを備えることになります。そして、ローラー２０を接触子としてカム溝１４（空間）の中に収めます。また当然ながら、２本のカムプロファイルの間隔をローラー２０直径より大きく取ってバックラッシュを与えます。ローラー２０はその軸受２２をビッグエンドピース２４に圧入し、ビッグエンドピース２４はコネクティングロッド２６・スモールエンドピース２８・ピストンピン３０を介してピストン３２に連結しています。そして、ビッグエンドピース２４がシリンダ５０軸線と同一方向に直線運動するようにビッグエンドガイド４０を設置します。ローラー２０・軸受２２・ビッグエンドピース２４・コネクティングロッド２６・スモールエンドピース２８・ピストンピン３０・ピストン３２はパワーカム１０に対する１つの従動節としてシリンダ５０軸線と同一方向に往復直線運動できる事になります。

吸気・圧縮・膨張・排気の４つの行程は、パワーカム１０の１回転（３６０度）で対応します。２本のカムプロファイルはパワーカム１０の外周側を外カムプロファイル１６、回転中心軸側を内カムプロファイル１８と呼ぶことにします。エンジン運転中の「シリンダ内圧力」（燃焼室圧力）は、圧縮行程・膨張行程・排気行程の連なりの大部分で正圧、吸気行程の大部分で負圧になっていますので、ピストン３２と連結している接触子のローラー２０は、圧縮行程・膨張行程・排気行程では外カムプロファイル１６を、吸気行程では内カムプロファイル８を走る事になります。

膨張行程において、外カムプロファイル１６と接触子たるローラー２０の圧力角は、膨張行程の極初期と極末期を除いて４５度以上の圧力角となるように外カムプロファイル１６をデザインします。一般的なカム・カム機構では使用することが稀な圧力角領域を設定しています。この圧力角を図８に示します。パワーカム１０の回転角が例えば２３３度の場面（膨張行程半ば）での圧力角は４５度を越える５６.６度になっています、という説明の図です。

吸気・圧縮・膨張・排気の４つの行程に対応する外・内カムプロファイル１６・１８のパワーカム１０各行程回転角の割り当ては、膨張行程のパワーカム１０回転角を最も小さくします。図４・図５・図６・図７はそれぞれ、吸気行程・圧縮行程・膨張行程・排気行程の始まりを示しています。各行程の回転角は、吸気行程＝１０６度（０°〜１０６°）・圧縮行程＝１０５度（１０６°〜２１１°）・膨張行程＝４４度（２１１°〜２５５°）・排気行程＝１０５度（２５５°〜０°）です。

接触子たるローラー２０は、ピストン３２から見てパワーカム１０回転中心軸を越えた反対側（下側）の位置で、パワーカム１０のカム溝１４（空間）に収めてカム機構を構成します。（図１・図２参照）

パワーカム１０の設置では、パワーカム１０の回転方向側にパワーカム１０回転中心軸線をシリンダ５０軸線からオフセット配置してカム機構を構成します。向かって見た時にパワーカム１０が左回転（反時計回り）ですので、同じく向かって見た時にシリンダ５０軸線の左側に、パワーカム１０回転中心軸線がきます。（図１・図２・図３参照）

以上、構成について動作説明も一部交えながら述べましたので、ここからは主に動作・作用について説明します。パワーカム１０の回転方向は、向かって見た時に左回転（反時計回り）です。
膨張行程において、燃焼室圧力により下降するピストン３２の力はそのままローラー２０に伝わり、ローラー２０が外カムプロファイル１６を押すため、パワーカム１０が回転運動を起こします。一般のカム機構では常に「従動節」である「ローラー」ですが、この時は「原動節」として機能します。反対に、吸気行程・圧縮行程・排気行程では、「ローラー」は「従動節」として機能します。ローラー２０とその軸受２２については、一体となった市販のカムフォロアを利用しています。

膨張行程において、外カムプロファイル１６とローラー２０の圧力角は、膨張行程の極初期と極末期を除いて４５度以上の圧力角を確保する外カムプロファイル１６デザインとしており、この大きく採った圧力角設定によりローラー２０の下向き力はスムーズな動作でパワーカム１０の回転力に変換されます。しかし、圧力角を大きく採るにつれてパワーカム１０単位回転角当たりのカム変位量がどんどん増加してパワーカム１０の外寸自体がどんどん大きくなってしまうため、実際上エンジンＡＳＳＹのサイズを思えば、おのずと圧力角の大きさには限度があります。また、ローラー２０の下向き力がパワーカム１０の回転力に変換される際は、ビッグエンドガイド４０の向かって見て左側「ガイド面」からの「反力」をビッグエンドピース２４が受け取っているので、ビッグエンドガイド４０は十分な強度・剛性・硬度を備えていることが重要です。（図８・図１参照）

パワーカム１０のカムプロファイルデザインにおいて最優先すべき膨張行程に対応する外カムプロファイル１６のパワーカム１０回転角は、吸気行程・圧縮行程・膨張行程・排気行程それぞれに対応する外・内カムプロファイル１６・１８のパワーカム１０回転角の中で最も小さく割り当てます。こうすることで、膨張行程における外カムプロファイル１６とローラー２０の圧力角を大きく採れると同時に、残る吸気行程・圧縮行程・排気行程のためのパワーカム１０回転角をより多く確保できることになります。また、図４・図５・図６・図７の右上に示しているパワーカム１０によるピストン３２ストローク量（すなわちローラー２０移動量）は、吸気行程＝圧縮行程＜膨張行程＝排気行程であり、ひとまず、膨張・排気行程のピストン３２ストローク量を吸気・圧縮行程のピストン３２ストローク量（１００％とする）の１.５２倍（１５２％）にしています。燃焼による燃焼室圧力を可能な限り回転力として生かすことが狙いです。

繰り返しになりますが、ローラー２０は、ピストン３２から見てパワーカム１０回転中心軸を越えた反対側（下側）の位置で、パワーカム１０のカム溝１４（空間）に収めてカム機構を構成します。燃焼による燃焼室最大圧力は膨張行程の初期にマークされ、その後はピストン３２下降による燃焼室容積の拡大にほぼ反比例して燃焼室圧力は低下して行きます。この時、外カムプロファイル１６を走るローラー２０はパワーカム１０回転中心軸から遠ざかる方向に移動して行くため、「アーム」（パワーカム１０回転中心軸〜外カムプロファイル１６とローラー２０の接点）は伸び続けます。（図９参照）。これにより、減少して行くピストン３２の下向き力も効果的にパワーカム１０の回転力に変換することができます。膨張行程のピストン３２ストローク量を、吸気・圧縮行程のピストン３２ストローク量の１.５２倍（１５２％）にしていることと相まって、パワーカム１０とカム機構ならクランク機構では拾うことのできなかった低い燃焼室圧力域も有効に生かしてパワーカム１０の回転力に変換することができます。

パワーカム１０の設置では、パワーカム１０の回転方向側にパワーカム１０回転中心軸線をシリンダ５０軸線からオフセット配置してカム機構を構成します。向かって見た時にパワーカム１０が左回転（反時計回り）ですので、同じく向かって見てシリンダ５０軸線の左側に、パワーカム１０回転中心軸線がきます。このオフセット配置により、オフセットゼロの場合と比較して圧縮行程での外カムプロファイル１６とローラー２０の圧力角が好転する（圧力角が小さくなる）効果が生まれます。圧縮行程ではピストン３２駆動によるパワーカム１０＋出力軸１２（＋その他の回転マス）回転エネルギーの消耗が特に大きく、回転エネルギーの温存のために圧力角は小さいほど有利だからです。（仮に反対側、シリンダ５０軸線の右側にオフセット配置した場合には、圧力角は逆に大きくなってしまいます。）オフセット量は圧縮比などを考慮して適宜セッティングします。（図１０参照）。パワーカム１０へのピストン３２による入力時（膨張行程）と、パワーカム１０からのピストン３２駆動のための出力時（排気行程吸気行程圧縮行程）では、望ましい圧力角が大きく異なります。（先述した、「残る吸気行程・圧縮行程・排気行程のためのパワーカム１０回転角をより多く確保、、、」も、圧力角をより小さくするものです。）

図４・図５・図６・図７の左上にはピストン３２変位を示しています。言うまでもなくピストン３２変位と「カム曲線」は同じです。このピストン３２変位（カム曲線）は、パワーカム１０オフセットゼロの場合とは当然異なる、オフセット配置・オフセット量（各図で示すパワーカム１０とカム機構の総合）におけるピストン３２変位（カム曲線）です。なお、オフセットゼロの配置であってもエンジンは運転可能です。

その他、カムプロファイルデザインについて書き添えるならば、圧縮行程に対応する外カムプロファイル１６は、パワーカム１０回転角＝圧縮行程ピストン上死点前５度〜ピストン上死点０度の区間ではピストン３２変位がゼロの外カムプロファイル１６デザインとしており、これにより点火時期と燃焼の計画を立て易くしています。また、吸気行程・排気行程では、パワーカム１０の単位回転角に対してほぼ一定のピストン３２変位としており、ほぼ一定の「ピストンスピード」による吸気排気の効率（充填効率掃気効率）の向上が期待できます。

以上に説明したパワーカム１０とカム機構を他の４サイクルガソリン（ディーゼル）エンジンで使用する際は、希望する「ピストンストローク量」に合わせて各図をスケール調整すれば良いでしょう。言うまでもなく必要な部分はオイル等で潤滑を行います。クランク・クランクケースを除いた大部分のエンジンパーツは再び使用することができます。当然ながら、バルブタイミングについてはノーマルからの大きな変更が必要になります。パワーカム１０とカム機構を用いるエンジンの目標はあくまでも熱効率の向上であり、排気量（吸気量？）当たりの最高出力ではありません。出力当たりの二酸化炭素等排出量の減少を目的としています。

なお、パワーカム１０とカム機構を使ったエンジンは既に完成し、試運転を済ませています。今後は、バルブタイミング・点火時期・キャブレター・圧縮比・パワーカム１０オフセット量等の細かいセッティングを詰めたのち、熱効率の計測を行なう予定です。熱効率の目標値は７０％前後を想定しています。

１０パワーカム
１２出力軸
１４カム溝
１６外カムプロファイル
１８内カムプロファイル
２０ローラー
２２軸受
２４ビッグエンドピース
２６コネクティングロッド
２８スモールエンドピース
３０ピストンピン
３２ピストン
４０ビッグエンドガイド
５０シリンダ
６０ケース

本発明のカムは、吸・排気バルブ駆動用のカムと混乱しないように、ここではパワーカムと表記させて頂きます。ここでは４サイクルガソリンエンジン（単気筒）でパワーカム及びカム機構を使用する場合について説明します。ベースにする単気筒４サイクルガソリンエンジンは現在市販中の汎用エンジンで、構成が分かり易いようにシリンダ軸線は鉛直方向、パワーカムの回転中心軸線は水平方向とします。パワーカムの回転方向は正面から向かって見て左回転（反時計回り）です。

なお、パワーカム１０とカム機構を使ったエンジンは既に完成し、試運転を済ませています。今後は、バルブタイミング・点火時期・キャブレター・圧縮比・パワーカム１０オフセット量等の細かいセッティングを詰めたのち、熱効率の計測を行なう予定です。

カムに２本のカムプロファイルを形成し、ピストンと連結し往復直線運動する接触子がどちらかのカムプロファイルをなぞります。膨張行程におけるカムプロファイルと接触子の圧力角は、膨張行程の極初期と極末期を除いて４５度以上となるカムプロファイルにします。吸気・圧縮・膨張・排気の４つの行程に対応するカムプロファイルの各行程回転角の割り当ては、膨張行程の回転角を最も小さくし、吸気・圧縮・排気の３つの行程は各々近似する各行程回転角です。ピストンストローク量が「吸気行程＝圧縮行程＜膨張行程＝排気行程」となるカムプロファイルとします。正面カムを使用し、ピストンから見てカム回転中心軸を越えた反対側の位置で、接触子を２本のカムプロファイルの間に収めるカム機構とします。正面カムを使用し、カムの回転方向側にカム回転中心軸線をシリンダ軸線からオフセット配置するカム機構とします。

Claims

４サイクルエンジンにおける吸気・圧縮・膨張・排気の２往復ピストン動作を、
ピストンと連結し往復直線運動する接触子を挟む２本のカムプロファイルにより、
カムの１回転（３６０度）で対応するカムにおいて、
膨張行程におけるカムプロファイルと接触子の圧力角は、
膨張行程の極初期と極末期を除いて４５度以上となるカムプロファイルを有するカム。
４サイクルエンジンにおける吸気・圧縮・膨張・排気の２往復ピストン動作を、
ピストンと連結し往復直線運動する接触子を挟む２本のカムプロファイルにより、
カムの１回転（３６０度）で対応するカムにおいて、
吸気・圧縮・膨張・排気の４つの行程に対応するカムプロファイルの各行程回転角の割り当ては、
膨張行程の回転角を最も小さくすることを特徴とするカム。
４サイクルエンジンにおける吸気・圧縮・膨張・排気の２往復ピストン動作を、
ピストンと連結し往復直線運動する接触子を挟む２本のカムプロファイルにより、
カムの１回転（３６０度）で対応する正面カムを使用するカム機構において、
ピストンから見てカム回転中心軸を越えた反対側の位置で、
接触子を２本のカムプロファイルの間に収めるカム機構。
４サイクルエンジンにおける吸気・圧縮・膨張・排気の２往復ピストン動作を、
ピストンと連結し往復直線運動する接触子を挟む２本のカムプロファイルにより、
カムの１回転（３６０度）で対応する正面カムを使用するカム機構において、
カムの回転方向側にカム回転中心軸線をシリンダ軸線からオフセット配置するカム機構。