JPH01110801A - 変更形ピストンタイミングエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １１へＬ」 本発明は、変更形ブロック設計を組入れた往復動内燃機
関に関し、特にピストンシリンダの中心線およびクラン
クシャフトの軸線の間のずれ（オフセット）に関する。

この変更形幾何学上の関係はパワー（馬力）およびトル
クの増加、および振動の減少を与える。なお、本明細書
の記載は自動車およびトラック形式車両のエンジンに向
けられているが、本発明の適用は、シリンダの数、エン
ジン構成（インライン、■、水平方向、等）に限定され
るものではない、さらに、本発明は、一般にあらゆるタ
イプの輸送車両、海上用エンジン、重量設備、動力プラ
ント、コンプレッサ、流体ポンプ、しに−ジョン用車両
、底周メインテナンス設備（チェーンソー、ローンモワ
ー、等）、航空機、ホビークラフト、および往復動内燃
機関が用いられるすべての他の用途に適用できる。

九帆ユ１１ 過去において、内燃機関に対する主要な一致した設計目
標の１つはパワー（馬力）の増大であった。自動車およ
びトラック工業の分野において、この目標は、例えば加
速および性能の増加および荷重牽引能力の増加を与える
競争上の必要性から少なくとも部分的に生じていた。つ
い最近まで、実際にはここ２．３年前までは、エンジン
および付属品の寸法および（または）容量の単なる拡大
が容易な方法であり、多分これが目標を達成する最も容
易な方法であった。すなわち、馬力およびトルクは、単
にピストン変位、キャブレータの空気流量能力等を増加
することによって増加された。

しかしながら、１９７０年代のガソリンの価格の急速な
値上げに加えて、ガソリンの入手が困難であるという実
際の経験および将来の不安、さらに内燃機関によって生
ずる汚染への関心の結果として燃料節約の増加および汚
染物質の放出の減少が設計上の第一目標となり、実際に
は政府規制の設計要件となった。

一般に、これらの競合する目標および要件は、少ないシ
リンダの小さいエンジンの使用、燃料噴射の増加、点火
タイミングのコンピュータ制御、および−層技術的に複
雑なシステムおよび部品の使用によって達成されてきた
。

シリンダに対する多段吸気／排気バルブを用いるバルブ
システムのような他の開発と共に、燃料噴射を介するマ
イクロプロセッサ制御の燃料供給およびマイクロプロセ
ッサ制御の点火を含む最近のエンジン技術の開発は、政
府規制の燃料要件および低放出基準に対して失われたパ
ワーおよびトルクを再び多く得ることができる結果とな
った。

しかしながら、技術的前進の前述の部分的な記載に示す
ように、必要な燃料効率および低放出、およびパワーお
よびトルクの増加を得ることは費用が掛かることとなり
、この事実は最近の自動車およびトラックのコスト高に
反映されている。

ル」し１４カー 前述の記載を考慮して、本発明の１つの目的は、容積お
よび機械的効率の増加を与える往復動内燃機関の設計に
おける簡単で、比較的費用のかからない改良を提供する
ことにある。

関連する目的は、パワーの増加を与える改良したエンジ
ン設計を提供することにある。

他の関連する目的は、トルクの増加を与える改良したエ
ンジン設計を提供することにある。

さらに他の関連する目的は、低い振動作用の特徴を有す
る改良したエンジン設計を提供することにある。

さらに他の関連する目的は、異常爆発、すなわちノッキ
ングを受ける可能性が低い特徴を有する改良したエンジ
ンを提供することにある。

さらに他の目的は摩耗の少ない作動を持つ改良したエン
ジンを提供することにある。

他の目的は、本発明を組入れたエンジンが他の技術的な
改良を使用できる点において存在する技術に付加できる
改良したエンジン設計を提供することにある。

１つの態様において、本発明を実施し前述のおよび他の
目的を組入れた内燃機関は、少なくとも１つのシリンダ
と、連接棒を介して回転自在のクランクシャフトに、ク
ランクシャフトを回転するように、接続したピストンと
、を有する形式の往復動内燃機関において、前記シリン
ダの軸線が回転方向に少なくとも約２°クランクシャフ
トの回転軸線からずれていることを特徴とする内燃機関
である。好ましくは、全体のピストンタイミングの変更
は２°−６０′の範囲内にある。プロトタイプのエンジ
ンにおいては、全体のピストンタイミングの変更は１５
°であり、関連するシリンダの中心線のずれ（オフセッ
ト）は約７，５°であった。

他の態様においては、本発明は、複数のシリンダと、連
接棒を介して回転自在のクランクシャフトに、クランク
シャフトを回転するように、接続したピストンと、を有
する形式の多シリンダ内燃機関において、各シリンダの
軸線が回転方向に少なくとも２°クランクシャフトの回
転軸線からずれていることを特徴とする内燃機関に向け
られたものである。この変更形（変更した）ピストンタ
イミングの構成は、一般にインライン、■形状および対
向シリンダエンジンに適用できる。

さらに他の態様において、本発明は少なくとも１つのシ
リンダと、連接棒を介して回転自在のクランクシャフト
に、前記クランクシャフトを回転するように接続したピ
ストンと、を有する形式の往復動内燃機関の性能を増加
する方法において、回転方向にクランクシャフトの回転
軸線に対して少なくとも２°シリンダの中心線をずらす
ことを特徴とする方法を含むものである。

Ｂの；細な；Ｉ 次に、図面を参照して、本発明を説明する。

第１図を９照するに、関連部品としてピストン１１、ブ
ロックのシリンダ壁１２、クランクシャフト１３および
ピストンの連接棒（コンロッド）１４から成る先行技術
のエンジン１０の簡略化した概略図が示されている０図
示のように、シリンダ壁１２およびピストン１１の縦方
向軸線、すなわち中心線１６はクランクシャフトの回転
軸線１７と交差している。

連接棒の長さを増減してエンジンの性能特性を変更する
ことは知られている。比較的長い連接棒または比較的短
い連接棒のいずれかを選ぶかは、選択した重要と思われ
る作動特性は高め４れるが、性能の他の部分が悪影響を
受ける点で、妥協したものである。

最初に長い連接棒を考えると、容積上の効率は、シリン
ダに対する空気／燃料の流量を増加することによって、
または流量需要を下げることによってのいずれかで増加
される。長い連接棒を有するエンジンの場合、連接棒の
長さの増加は所定のｒｐｓ＋に対して遅いピストン速度
を与える。その結果、燃料／空気の流量需要（代表的に
はｃｆ＋ｎ　、毎分当りの立方フィートで測定される）
は減少され、点火に用いられる時間が長くなる。要約す
ると、遅いピストン速度は空気流量需要を下げる。

さらに、連接棒およびシリンダ軸線間の角度は、連接棒
の長さが増加すると、減少され、その結果小さい力成分
がシリンダ壁に対して加えられる。

その結果、シリンダ壁の摩耗および荷重が減少する。

これとは対照的に、短い連接棒の使用は、上死点直後の
効果的クランク半径を与え、効果的なレバーアーム作用
およびトルクを与える。この利点は、本明細書では”早
期トルク”と呼ぶ、しかし、前述のように、短い（また
は長い）連接棒の使用は、長い（短い）連接棒が性能を
増加する前述の部分における性能を短い（長い）連接棒
が減少することに対する妥協を含んでいる。

第２図を参照するに、変更形ピストンタイミング（ＡＰ
Ｔ）を組込んだ本発明者の内燃機関２０の好ましい実施
例の簡略化した図が示されている。

エンジン２０は、ピストン２１、シリンダ壁２２、クラ
ンクシャフト２３、ピストン連接棒２４を有している。

第１図に示す従来のエンジンのレイアウトとは対照的に
、シリンダ壁２２の中心線２６およびＡＰＴエンジン２
０のピストン２１はクランクシャフトの軸線１７に対し
てずらされている。

このずれは回転の方向にある。すなわち、時計（ＣＷ）
方向に回転する図示のＡＰＴエンジンに対して、ずれは
時計方向に、右側に対してである。

第２図において、シリンダ中心線のずれ距離は”ｄ　”
で示されており、それに関連するシリンダの中心線の角
度のずれはθ”で示されている。

シリンダの中心線のずれ（θ、ｄ）に関連する変更形の
全ピストンタイミングφは、測定量φに対するグラフと
して第６図に示されている。全ピストンタイミング角度
変化φは、従来の上死点からの角度のずれφ１と従来の
下死点からの角度のずれφ２との和である。ずれφｌお
よびφ２は、クランクシャフトの回転中心３５を通って
引かれた線３３および３４に対するクランクシャフト／
連接棒の回転軸跡１３または２３のそれぞれの交点３１
および３２によって決められる。

この比較的簡単な物理的ＡＰＴ変更の効果は多数ある。

第３図を参照すると、第１図の従来の内燃機関１０およ
び本発明者のＡＰＴエンジン２０の両方に対するピスト
ン移動、ピストン方向、クランクシャフト方向の概略図
が示されている。第３図において、シリンダ中心線１６
または２６に沿う各目盛はクランクシャフト１３または
２３の５°回転に対するピストンの移動を表す、第３図
に示すＡＰＴ構造に関連するＡＰＴエンジン２０のユニ
ークな特徴は、パワーおよび吸入ストローク中連接棒お
よびシリンダ軸線の間に比較的小さい角度を含み、点火
後通常のピストン速度より早く、または点火および膨張
サイクル中全体的に遅いピストン速度を含む０点火およ
び膨張サイクルは排気および圧縮サイクルより長い（第
４図も参照）、これらのファクタは改良した性能特性の
ユニークな組合わせを与える。すなわち、変更形のピス
トンタイミングは、長い連続棒の設計（遅いピストン速
度による容積効率の増加およびシリンダ壁の摩耗および
荷重の減少）および短い連接棒の設計（早いトルク）の
両方の前述した相互に排他的な利点を組合わせるもので
ある。さらに、ＡＰＴエンジン２０は極めて低い振動お
よびノッキングのない作動を与える。

従来のエンジンにおいては、異常爆発、すなわちノッキ
ングは上死点近くのパワーサイクル中の初期に生じる。

シリンダ圧力は、空気／燃料混合体の点火のために、急
速に増大するが、ピストンの移動が遅過ぎるために充分
な膨張ができない。

ＡＰＴエンジン２０に対しては、点火後の高速度が良好
な耐ノツキング能力を生じさせるものと考えられる。

再び第３図を参照すると、点火サイクル中、加速の際上
死点から２．３度離れると、ピストンの加速が減少し、
実際にはずれの程度に依存して、ピストン速度は安定し
、空気流量の需要を下げ容積効率を増加させる。パワー
サイクル中、遅いピストン速度は、ピストン加速が圧力
増加を追い越すことなしに、ピストンに力を加える圧力
増加を可能にする。

さらに、連接棒の小さい角度によってシリンダ壁の荷重
および摩擦熱損失を低くし、エンジンを駆動するように
クランクシャフトへのパワー伝達を増加する。

振動制御は変更形ピストンタイミングの予想外の利点で
ある。前述のように、自動車および軽トラツクに広く用
いられている４シリンダインライン内燃機関は、一般に
トルクの断続性および調和振動を受け、そのため過度の
振動を受けることにナル、過去において、５シリンダお
よび拡大外部シャフトのカウンタバランスのような種々
のアプローチが振動を制御するために使用されてきた。

ＡＰＴエンジン２０においては、シリンダのずれが点火
および膨張サイクルを１８０°以上に増加し、圧縮およ
び排気サイクルを１８０°以下に減少する。第４図を参
照するに、例示的な角度のずれφ＝７．５°　（距離の
ずれｄ＝０．フインチ＝１．７８ｃｍ）に対して点火お
よびパワーサイクルはほぼ１９４°をカバーするように
拡大され、−方圧縮および排気サイクルは約１６６゛に
減少される。このことは、１つのピストンが上死点にあ
るとき他のものが下死点にあるような代表的な４シリン
ダインライン、１８０°クランクシャフトエンジンとは
対照的である。ＡＰＴエンジン２０゛においては、上死
点および下死点の休止期間が重なると、トルクの断続性
が重なる結果となる。その結果、振動は、変更形ピスト
ンタイミングのない従来の非補償形のエンジンに比較し
てはるかに減少される。

鰺 本発明者の変更形ピストンタイミングエンジンの利点は
、はぼ９７，０００マイルの使用を持つ１９７６年形フ
オードの２．３リツトル４シリンダインライン１８０°
クランクシャフトエンジンを用いて試験された。ブロッ
クは典礼され、スリーブが取付けられてクランクシャフ
トの回転方向において各シリンダに対してφ＝７．５°
およびｄ＝０．フインチ（１，７８ｃｍ）のずれ（オフ
セット）を与えている。新しいエンジン性能を評価する
ために、エンジンには新しいピストン、リング、ベアリ
ング、オイルポンプおよび種々の付属部品が取付けられ
た。このエンジンのための性能が別表の表１に記載され
ており、第５図にグラフとして示されている０表のデー
タは７５°の大気温度および２９．８インチ水銀柱の大
気圧でエンジンを走行させることによって得られた。ア
イドル真空は１９インチであり、アイドルにおけるオイ
ル圧力は５５ボンドであった。エンジンがウオームアツ
プされ、冷却温度が約１９０°Ｆに達すると、馬力およ
びトルクの動力計の読みは表１に記載のｒｐｍ値に対し
てとられた。

表１および第４図は、このエンジンに対するフォードモ
ータカンパニー工場のピークまたは最大定格、３，００
０ｒｐｍにおける１２０フイートボンドのトルクおよび
４，８００ｒｐｍにおける８９馬力を記載している。こ
れとは対照的に、ＡＰＴエンジン２０は３，０００ｒｐ
ｍにおいて１３４フイートボンドのトルク、ピーク工場
トルク定格に対して１４フイートボンドまたは約１１．
７％の増加を与えた。実際には、測定したトルクは拡大
した範囲では標準ピーク、すなわち最大トルク定格を越
えており、少なくとも約２，５００ｒｐｍまでは以下で
あった。４，８００ｒｐｍにおける測定したＡＰＴ馬力
は９８，４であり、工、場ピーク定格の９．４、または
約１０．６％の増加であった。

ＡＰＴエンジンの馬力は拡大した範囲にわたって工場最
大馬力定格を越えて少なくとも約３．７００ｒｐｍまで
はそれ以下であった。

このような工場定格は一般に１０％程高いと考えられて
いる。正確に正しい工場定格と仮□定しても、１０．６
％の馬力増加、１１．７％のトルクの増加、トルクおよ
びピーク馬力範囲の拡大は極めて著しい改良を証明する
ものである。さらに。

工場定格は最適な工場点火タイミング等を用いて得られ
るものであり、前述のＡＰＴのデータはＡＰＴエンジン
に対しては最適ではない標準工場タイミングを用いて得
られたものである。最近、本発明者は、約５°が表およ
び第５図に示すものの約２倍のトルクおよび馬力の増加
を与えることを見出している。さらに、ＡＰＴ設計自体
が、例えばクランクシャフトタイミングチャージおよび
排気流量の増加となり、さらに性能の増加を与えること
である。

本発明者のＡＰＴエンジン２０の異常爆発／ノッキング
特性が約２２０°Ｆにエンジンをあたため、低オクタン
価ガソリン（８７オクタン定格）でエンジンを走行し、
約１．５００ないし２，０００ｒｐｍまで負荷を下げ、
動力計で測定することによって調査された。このアプロ
ーチを用いて、異常爆発（可聴の”ピーン”という音に
よって証明できる）は点火タイミングの約６０”で始ま
り、これは通常使用されるものより３０°以上であった
。

この結果およびこの実験のためのプロトタイプＡＰＴエ
ンジン２０を組込んだ自動車を走行する他の実験に基づ
いて、ＡＰＴ設計は、異常爆発／ノッキングを厳密に得
ることが困難であるという程度まで異常爆発を抑制する
という結論がでた。

さらに、プロトタイプＡＰＴエンジン２０を取付けた自
動車を走行する際の経験は、このエンジンが予想外に円
滑であり、振動がないことを示した。

このように、本発明者のプロトタイプエンジンは前述に
記載の利点のすべてを実証した。さらに、機械的効率の
増加のために、燃料消費が減少されていると予想される
。

現在使用された７、５°のずれは決して最適なものでは
ない、今までのところ、資金の制限がこのプロトタイプ
エンジンに対する最適値の決定を妨げている。しかしな
がら、変更形ピストンタイミング設計の簡単な性質が与
えられるならば、特定のエンジンに対する最適なずれは
当業者にとって容易に決定できる。変更形ピストンタイ
ミングの利点は、約６０°の最大ピストンタイミング変
化までの範囲にわたって多かれ少なかれ適用でき、２°
ないし３°またはそれ以下に対しても適用できるもので
ある。すなわち、有効なピストンタイミング変更に対す
る現在考えられる最大範囲は約２°ないし６０’であり
、これは、連接棒の長さ、ストロークの長さ、ブロック
の設計、シリンダヘッドの設計および他の関連するパラ
メータによって決められる。

要約すると、本発明者の往復動内燃機関に対する変更形
ピストンタイミング設計は、パワーストローク中のの早
期の効率的なトルク、異常爆発、すなわちノッキングの
固有の抑制、容積の増加、機械的効率、シリンダ上の低
いスラスト荷重、および振動の減少を与える。

これらの５つの改良した性能は、シリンダ軸線が回転方
向に対してずれているような変更形ピストンタイミング
によって与えられる。

表　　１ 変更形ピストンタイミングエンジン １９７６年形２．３リツトル４シリンダエンジン動力計
の読み（標準点火タイミングおよびクランクシャフトタ
イミングを用いて） 速度　　　　馬力　　　　　　トルク ＊工場定格 試験条件 空気温度　　　７５°Ｆ 気圧　　　　　２９．８ 冷却温度　　１９０°Ｆ アイドルにおける真空　　　　　　１９インチアイドル
におけるオイル圧力　　　５５　１ｂｓ

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の先行技術の内燃機関の簡略化した概略
図である。 第２図は、本発明の変更ピストンタイミング設計のエン
ジンの簡略化した概略図である。 第３図は、第１図の従来の内燃機関および第２図の変更
形ピストンタイミングエンジン２０に対するピストンの
移動およびピストンの方向の概略図である。 第４図は、１５°の変更形ピストンタイミングおよび７
．５°のシリンダ中心線のずれに基づく点火およびパワ
ーサイクルの増加した角度的径路および圧縮および排気
サイクルの減少した角度的径路を示す図である。 第５図は、本発明者のＡＰＴエン、ジンの作動実施例に
おけるｒｐｌの間数に対するトルクおよびパワーのグラ
フである。 第６図は、ピストンの移動およびピストンの方向の間の
関係および変更形ピストンタイミングの測定値を示す概
略図である。 １０・・・先行技術のエンジン、 １１・・・ピストン、 １２・・・シリンダ壁、 １３・・・クランクシャフト、 １４・・・ピストン連接棒、 ２０・・・本発明の内燃機関（エンジン）、２１・・・
ピストン、 ２２・・・シリンダ壁、 ２３・・・クランクシャフト、 ２４・・・ピストン連接棒。 手続補正書（方式）　多 よ　エ６３．Ｊ０．２４８ 特許庁長官　　吉　１）文　毅　　殿 １、事件の表示　　　昭和６３年特許願第７３０４４号
２、発明の名称　　　変更形ピストンタイミングエンジ
ン３、補正をする者 事件との関係　　出願人 氏名　　バーティン　アール　シャポット　ジュニア４
、代理人 ５、補正命令の日付　　　昭和６３年９月２７日６、補
正の対象　　　　　代理権を証明する書面全図面

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも１つのシリンダと、連接棒を介して回
   転自在のクランクシャフトに、クランクシャフトを回転
   するように、接続したピストンと、を有する形式の往復
   動内燃機関において、前記シリンダの軸線が回転方向に
   少なくとも約２°クランクシャフトの回転軸線からずれ
   ていることを特徴とする内燃機関。
2. （２）請求項１記載の内燃機関において、ピストンタイ
   ミングの変更が約２°−６０°の範囲内にあることを特
   徴とする内燃機関。
3. （３）請求項１記載の内燃機関において、ピストンタイ
   ミングの変更がほぼ１５°であることを特徴とする内燃
   機関。
4. （４）複数のシリンダと、連接棒を介して回転自在のク
   ランクシャフトに、クランクシャフトを回転するように
   、接続したピストンと、を有する形式の多シリンダ内燃
   機関において、各シリンダの軸線が回転方向に少なくと
   も２°クランクシャフトの回転軸線からずれていること
   を特徴とする内燃機関。
5. （５）請求項４記載の内燃機関において、ピストンタイ
   ミングの変更が２°−６０°の範囲内にあることを特徴
   とする内燃機関。
6. （６）請求項４記載の内燃機関において、ピストンタイ
   ミングの変更がほぼ１５°であることを特徴とする内燃
   機関。
7. （７）請求項４ないし６記載のいずれか１つに記載の内
   燃機関において、エンジンがインライン構成を有するこ
   とを特徴とする内燃機関。
8. （８）請求項７記載の内燃機関において、エンジン構成
   が４、５および６のシリンダから選択されるものである
   ことを特徴とする内燃機関。
9. （９）請求項４ないし６のいずれか１つに記載の内燃機
   関において、エンジンがＶ形状を有することを特徴とす
   る内燃機関。
10. （１０）請求項９記載の内燃機関において、エンジン構
    成が６、８、１２のシリンダから選択されるものである
    ことを特徴とする内燃機関。
11. （１１）請求項４ないし６のいずれか１つに記載の内燃
    機関において、エンジンが水平方向に対向している構成
    であることを特徴とする内燃機関。
12. （１２）請求項１１記載の内燃機関において、エンジン
    の構成が４および６のシリンダから選択されるものであ
    ることを特徴とする内燃機関。
13. （１３）少なくとも１つのシリンダと、連接棒を介して
    回転自在のクランクシャフトに、前記クランクシャフト
    を回転するように接続したピストンと、を有する形式の
    往復動内燃機関の性能を増加する方法において、回転方
    向にクランクシャフトの回転軸線に対して少なくとも２
    °シリンダの中心線をずらすことを特徴とする方法。