JPH03500079A - 回転‐往復運動変換装置及びこれを利用した内燃機関 - 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】 回転−往復運動変換装置及びこれを利用した内燃機関 技術分野 本発明は往復部と回転部との間に連結された回転往復運動変換装置を採用した往 復内燃機関に関するもので、特にラック−ビニオン機構を利用した内燃機関の回 転−往復運動変換装置に関する。

背景技術 従来の回転−往復運動変換装置は産業革命以後、機械工学、機械工業及びその他 の関連分野に多く寄与してきた。

一方、当分野の設計者らは従来の回転−往復運動変換装置を脱皮してもっと良い 運動特性を有するメカニズムの回転−往復運動変換装置では変更が不可能なもの と間違って認識されてきたのも事実である。

従来のエンジンにおいて、回転−往復運動変換装置は、ピストンとクランクシャ フトとの間に位置した連接棒とクランクとが介在することにより次のような限定 的な運動特性を有している。

第１に、ピストンの加速は死点付近で非常に遅い。

第２に、ピストン速度や速度変化はクランクの回転位置に従って決められるので 、行程全般を通じて任意的な調節が不可能である。

第３に、ピストンに加えられる力の分力がクランクシャフトの回転中心方向とシ リンダの側壁方向に連続作用することにより、ピストンの運動が不安定であり摩 擦が大きくなる。

このように制限された特徴のためにピストンの最適運動を得るのに多くの制限を 受けているので、作動室の燃焼条件を制御するのに限界があり、エンジンの出力 と効率の向上において大きく制約を受けている。

本発明の目的は、ピストンの減速／加速が調節することができ、ピストンに加わ る力が回転軸に対し接線方向に作用するような回転−往復運動変換装置を提供す ることにある。

本発明の他の目的は、燃焼室内でガス温度の相対的な急上昇を調節することがで き、熱輻射又は熱伝達によって発生される熱損失と、ガスの比熱の上昇又は熱解 離による熱損失を、燃焼行程初期のピストン速度を調節することにより最小化す ることができる往復運動内燃機関を提供することにある。

更に本発明の他の目的は、燃焼行程初期のピストンの速度を調節して、ガス圧力 の急上昇を制御することにより最も理想的な定圧サイクル機関に接近させること ができるので、高圧縮比と高過給とを得ることができる内燃機関を提供すること にある。

また本発明の他の目的は圧縮行程末期のピストン速度調節によって燃料−空気混 合、ガスの温度と圧力及びガスの渦と等を燃料−空気混合条件を調節することに よりガスの着火前の発火遅延を調節することができる内燃機関を提供することに ある。

また本発明の他の目的は、ピストン速度調節によって燃焼行程中の燃焼速度を調 節することにより、燃焼行程末期のガスの異常燃焼を制御することができる内燃 機関を提供することにある。

また本発明の他の目的は、発火遅延及び燃焼速度等の調節でノック又は異常燃焼 を制御することができるために燃料の範囲を拡大して使用することができる内燃 機関を提供することにある。

また本発明の他の目的は、従来の内燃機関より小型、軽量化が可能な内燃機関を 提供することにある。

本発明のまた他の目的は圧縮機、ポンプ、切削機械、その他等においても使用す ることができる回転−往復運動変換装置を提供することにある。

図面の簡単な説明 本発明の目的とその他の利点は、下記に図面を参照して本発明の好ましい具体例 を詳しく説明することにより、より明らかになる。

第１図は本発明による回転−往復運動変換装置の一実施例の図式的平面図であっ て、往復運動子が上昇して下降する直前までの状態を示す。

第２図は第１図に図示された回転−往復運動変換装置の作動状態図であって、往 復運動子が上昇運動を終えて下降運動を開始するのを示す。

第３図は段状歯を追加した本発明による回転−往復運動変換装置の他の実施例の 一部を示す平面図である。

第４図は本発明による回転−往復運動変換装置の往復子を減速又は加速するため の一歯形変形原理図である。

第５図は第４図に図示された歯形変形原理に立脚して歯形変形となったラックと ビニオンの歯形例示図である。

第６図は本発明による回転−往復運動変換装置の往復運動子を減速／加速させる ために使用された減速／加速カムの基本構造原理図である。

第７図は逆進防止手段の一例であって、逆進防止ローラー軌跡と逆進防止カムの 湾曲面との関係を図示した図式的平面図である。

第８図は本発明による回転−往復運動変換装置の他の実施例の概略平面図であっ て、第４．　５．６及び７図にそれぞれ言及された歯形変形原理図に立脚した減 速／加、速手段。

減速／加速カムの形式と逆進防止手段を追加している。

第９図はビニオンのすべての要素はそれ自体の運動平面を有・するとの事実を示 す第８図のビニオンの側面図である。

第１０図は第８図に図示された回転−往復運動変換装置の逆進防止ローラーとビ ニオンとが互いに干渉することなく運動するという事実を説明するための回転− 往復運動変換装置の平面図である。

第１１図は本発明による直進型往復動内燃機関の一実施例の図式的平面図であっ て、本発明の回転−往復運動変換装置の往復運動子が内燃機関シリンダ内部に挿 入されたことを示すものである。

第１２図は本発明による直進型往復動内燃機関の他の実施例の図式的平面図であ って、回転−往復運動変換装置の往復運動子が内燃機関の外部で往復するように なったことを示す。

第１３図は複数個の回転−往復運動変換装置が直列連結された状態を図式的に示 す。

第１４図は本発明による揺動型往復動内燃機関の一実施例の概略平面図である。

第１５図は第１４図の線Ａ−Ａによる断面図である。

第１６図は第１４図に図示された線Ａ−Ａによる断面図であって、第１４図の揺 動軸、揺動軸とピストン基台（ｂａｓｅ　ｗｈｅｅｌ）を連結する連結要素を除 去することによりドーナツ型の内燃機関を形成することを示す。

第１７図は本発明による揺動型往復動内燃機関の他の実施例の概略平面図であっ て、第１４図又は第１６図のピストン基台の揺動軸とピニオン軸とを互いに直交 配置するこ第１８図は第１７図の線Ｂ−Ｂによる断面図である。

第１９図は安定ヘッド（ｓｔａｂｉｌｉｚｉｎｇ　ｈｅａｄ）を使用した従来の 往復動圧縮機の概略構造図である。

第２０図は本発明の回転−往復運動変換装置を採用した往復動圧縮機の概略構造 図である。

好適な実施例の説明 上記の目的を達成するために本発明による回転−往復運動変換装置は、固定され た往復運動ガイドに基づいて定められた行程を垂直に滑り、かつ上記往復運動ガ イドによって支持される四角形の往復運動子と、 前記往復運動子の両側内面に形成された一対のラックと、上記ラック間の空間に 固定位置で回転しながら、毎行程つど１／２回転ずつ両側のラックを交互に噛み 合わせることができるように、その外周の一部分に歯が形成されているビニオン から構成されており、 本発明の機能を拡大させるために、回転−往復運動変換装置は往復運動子と、ビ ニオンのための減速／加速手段、往復運動子が往復運動の死点付近で定常的作動 から離脱するのを防止する逆進防止手段を備える点に特徴がある。

更に本発明の往復動内燃機関はピストンと回転軸との間に本発明の上記回転−往 復運動変換装置を介在させる。

次の叙述において、叙述の便宜上、別設の言及がなければ回転−往復運動装置の 推進軸はビニオンであり、またビニオンは反時計方向に回転することと仮定する 。

まず、本発明の回転−往復運動変換装置の一具体例を第１図を参照して叙述する 。

第１図は、往復運動ガイド１，１によって支持されながら往復運動ガイド１，１ に沿って上・下垂直に摺動する直四角形往復運動子２； 往復運動子２０対向する内側に往復運動子歯３１．３１を有する一対のラック３ ．３： 上記ラック３．３間のスペースにおいて回転し、固定回転位置０を有し、その外 周面の一部分にピニオン歯４１を有するピニオン４； 第１摺動面５１，５１を有する往復運動子上にある一対の第１摺動部材５，５； 第１摺動面５１．５１と接触して摺動する第２摺動面６１を有するピニオン上の 第２摺動部材６を示している。

ここでのピニオン歯４１と往復運動子歯３１の形成範囲は第１番目のピニオン歯 ４２と一側のラック３の第１番目の往復運動子歯３４とが他側のラック３の最後 の往復運動子歯３３と最後のピニオン歯４３とが互いに接触から外れる瞬間に噛 み合いを始めるように決定されなければならない。

一方、第１摺動面５１，５１と第２摺動面６１とは全行程を通じて継続接触する 。

最後の往復運動子歯３３と最後のピニオン歯４３とが互いに接触から外れる瞬間 に、往復運動子歯２は第１番目のピニオン歯４２と第１番目の往復運動子歯３４ との間の接触開始によって下方運動を始めなければならないので、歯相互間の干 渉を避けるために第１番目又は最後の歯３４゜４２．３３．４３又はそれらの付 近にある歯に一部修正を加えることができる。

一方、上記第１番目の歯４２．３４の間の噛み合いが不安定である場合、第３図 に示された如く、往復運動子２上の段状歯３６とピニオン４上の段状歯４６とを 導入すれば有用である。

一方、これらの段状歯３６．４６は互いに２つ又はそれ以上の段を有する歯の形 態に設けることができる。

今から本発明の回転−往復運動変換装置の作動を説明する。

第１図に示された如き往復運動子２の下方運動直前に、最後のピニオン歯４３は 最後の往復運動子歯３３の歯の間から抜は出て、第１番目のピニオン歯４２は第 １番目の往復運動子歯３４の歯の間に進入するようになる。

ピニオンが反時計方向の回転をもう少し進行して第２図の如く往復運動子が下方 運動を開始する瞬間に、最後のピニオン歯４３は最後の往復運動子歯３３の歯の 間で完全に抜は出すのであり、一方策１番目のピニオン歯４２と第１番目の往復 運動子歯３４は接触を開始する。

を開始する。

ピニオンを更に回転して左側の往復運動子歯３１がピニオン４１と本格的に噛み 合いされる間、右側の往復運動子歯３１はピニオン歯４１が形成されていないビ ニオン部と対向するようになるので往復運動子の下方運動は干渉を受けないで継 続される。

しばらくの後、往復運動子２は下方運動の終り、すなわち、下死点の直前に到達 すると、上記に言及した作動が繰り返され、往復運動子２は上方に方向を変えて 運動する。

従って、往復運動子２は上記の作動を繰り返すことにより、定められた往復行程 を往復運動するようになるのである。

一方、上記において説明した具体例とそれに基づく往復運動子の動作を見れば、 往復運動子２は各死点においてその運動方向を瞬間的に逆転するので強力な機械 的慣性衝撃の発生が予想される。

それゆえ往復運動の質量や速度が慣性衝撃を無視するだけの場合でなければ、各 死点付近で往復運動子の速度を減速及び加速する対策を備える必要がある。

例えば上記対策は相当な質量のピストンが高速に往復運動する往復動内燃機関の 場合に特に必要となる。

本発明による回転−往復運動変換装置の往復運動子とピニオンの相互運動に対す る減速及び加速手段を説明する。

減速及び加速手段の具体例の１つとして、往復運動子とピニオン歯３１．４１の 歯形変形について説明することにする。

まず歯形３１．４１変形の原理は第４図を参照して説明されるが、インボリュー ト曲線を利用して作られるラック−ビニオン装置の原理を説明するとき普遍的に 使用される図面を利用して図示されている。

１ａ−１ｃは定常的なピニオン歯の接触面を示すインボリュート曲線であり、１ ｄはラックの歯接触面を示す。１ａ−１ｂは１ｄの速度を減らすために変形され た歯形を示す変形曲線である。

ピニオン４が回転しながらインボリュート曲線１ａ−ＩＣは１ｄと摺動接触をす れば、その接触点１ｋにおける共通法線１ｉ−１には常にピッチ点Ｐを通過し、 また１１点において基礎円１ｆと接線で接するのでラック３は一定の速度で右方 向に運動するようになる。もしインボリュート曲線１ａ−１ｃと接触面１ｄが相 互適切な方法で変形されれば、ラックの速度は減速又は加速されることができる 。

本明細書では説明の複雑性を避けるためにインボリュート曲線１ａ−１ｃの曲率 だけを変化させて１ｄは平面にしておく。

インポリニート曲線１ａ−１ｃは太さも弾性も有していないと仮定された糸が、 その端ＩＣを点１ａにおき、基礎円１ｆに巻かれていてから、緊張状態に解く時 に、糸の端ＩＣが描く軌跡である。

今解かれる糸に変化を与えてみる。

例えば、解かれる糸がある場合、例を挙げて線形変化率又は２次関数的な変化率 又はその他のいろいろな変化率で収縮し、この際の収縮は糸が解かれると同時に 起こると仮定する。そうすれば糸端１ｃの軌跡はインボリュート曲線１ａ−ＩＣ に比べて曲率が大きくなった１ａ−１ｂと同じ姿の異なった曲線に変形される。

このように変形された曲線１ａ−１ｂがラック歯１ｄと接触してラックを運動さ せる場合を説明する。

ビニオン４が第４図の位置に回転したとき、１ｄは１ｅの位置で変形された曲線 １ａ−１ｂと接触し、その接触点１ｍで立てた共通法線はビニオンの回転中心０ とピッチ点Ｐを連結する直線上の１ｐ点と半径１１−０上の１ｊ点を通過する。

すなわち、１ｄが変形された曲線１ａ−１ｂとの接触によっては、その進行が１ ｅの位置に遅延されており、同時にその瞬間のラック３又は１ｄの運動瞬間速度 も０１ｐ１０Ｐの割合に減速されたという点がたやすく分かる。

１ｄと１ａ−１ｂが１ａ点で初めて接触したあと、１ｍになるときまで数多い接 触点が発生し、上記の数多い接触点における共通法線とＯＰ直線との交差点等は ピッチ点Ｐから出発して１ｐ点に徐々に移動するようになり、従って、ラック３ は徐々に減速される。

反対に、解かれる糸がいかなる割合で伸長し、糸が解がれるのと同時に伸長され ると仮定する。

そうすれば糸端１ｃによって描かれる変形曲線はインボリュート曲線１ａ−１ｃ に比べて緩かな曲率を有するようになり、結局ラック３又は１ｄを加速するよう になる。従って、ビニオンと往復運動子との間の減速又は加速が歯形変形によっ て達成されることが分かる。

以上で、歯形変形の一例として理解が容易なインボリュート曲線に立脚したラッ ク−ビニオン機構を例を挙げて説明したが、歯形変形はサイクロイド歯車の基本 歯形、その他−膜化された基本歯車又は知られていないが、全く新たなものを基 本として変形が生じ得るために、その変形方法と変形された歯形は非常に多様に なり得るのである。

第５図は第４図の原理図に立脚した歯形の変形を、より具体的に図示したもので あり、その説明は次の通りである。

まず、変形されていない歯を正常ピニオン歯と正常往復運動子歯３１ａと称する 。

図面において、第１変形されたピニオン歯２ｂｂは、ラック３と接触を終える瞬 間にあり、第２変形されたピニオン歯２ｎｎはラック３と接触を開始する瞬間に ある。点線で示された仮想のピニオン歯２ａａは正常ピニオン歯４１ａの場合に おける如＜２ｆを基礎円としたインボリュート歯である。

第１変形歯２ｂｂから先に説明する。

２ａ−２ｂは第４図の場合と類似な変形方法によってインボリュ−ト曲線２ａ− ２ｃから作られ変形された曲線であって、ラック３を減速させる曲線である。

インポリニート曲線２ａ−２ｃが２ａ点で２ｄと接触開始する瞬間における２ｄ の進行位置と、変形曲線２ａ−２ｂが２ａ点で２ｅと接触開始する瞬間における ２ｅの進行位置とは相互に同じであり、同時に２ｄと２ｅは２８点における共通 法線が同一なピッチ点Ｐを通過するために同じ゛瞬間速度を有する。

ビニオン４が回転するに従って、２ａ−２ｂと２ａ間の接触点における共通法線 と直線ＯＰとの交差点は、ピッチ点Ｐで初めてビニオン回転中心０に向がって２ Ｐ点まで徐々に移動するので、２ｅ又はラック３の速度が減速され、結局その位 置は第５図に図示されたようになって表われるであろう。

一方、第１変形ビニオン歯２ｂｂの接触後面である変形曲線２ｇ−２には２に点 で始まってラック３と接触開始し、引き続きラック３と接触したあと、第５図に 図示された如＜２ｇ点でラック３と接触を終えるようになる。

従って、同時に発生する２つの接触点（１つは２ａ−２ｂ面にあり、他の１つは ２ｇ−２に面にある）に立てた２つの共通法線はＯＰ直線上の同一な点を通過す るようになり、その通過点は第５図に図示されたようにピニオン回転中心０に向 かって２Ｐ点まで徐々に移動される。

結局、後面の変形曲線２ｇ−２にの最終接触点２ｇは仮想のインボリュート歯２ ａａの後面の接触面２に−２１の最終接触点２ｈよりピニオン回転中心Ｏにより 近く位置する点となる。

従って、後面の変形曲線２ｇ−２ｋに続く底面２ｙと終り面２ｖは、それぞれ変 形曲線２ａ−２ｂ前方に位置した底面２Ｘと終り面２ｗよりピニオン回転中心Ｏ に前進する形になる。

第２変形歯２ｎｎについての説明は、第１変形歯２ｂｂの説明とほとんど同じで あるので、下記のように簡単に説明する。

仮想のインボリュート歯２ｍｍは２ｐ点をピッチ点とし、２ｆｆを基礎円とする ので、２ｆｆは第１変形歯２ｂｂの最終接触点２ｂ及び２ｇで立てられる共通法 線２ｂ−２ｐ及び２ｇ−２ｐとは接線方向に接する。

第２変形歯２ｎｎは仮想のインボリュート歯２ｍｍから変形される。変形歯２ｍ ｍの前後面で同時に発生する２つの接触点で立てる２つの共通法線がＯＰ直線上 の同じ点を通過し、かつその通過点はピニオン回転中心に向かって徐々に移動す るようになり結局ラック３はビニオン４が反時計方向に回転するに従って、徐々 に減速するようになる。

また変形歯２ｂｂと２ｎｎ相互間には共通法線とＯＰ直線の交差点の移動が２ｐ 点を前後してもおだやかに漸次的な移動になるようにしてラック３との接触が変 形歯２ｂｂから２ｎｎにおだやかに続くように歯形変形がおだやかな連結特性を もつようになる。

後面の変形曲線２ｓ−２ｔの最終接触点２ｓと後面２ｓ−２ｔにつながる底面２ ｚはそれぞれ２ｇと２ｙよりピニオン回転中心Ｏに一層近くなる。

換言すれば、ピニオン４がラック３の速度を減速する場合に、ピニオン４とラッ ク３の変形歯はピニオン回転中心Ｐに向かって漸次前進して行った位置にあるよ うになり、接触点における共通法線等はビニオン回転中心Ｏに向かっておだやか に又は徐々に移動する。

以上の説明は、便宜上第２変形歯２ｎｎは、第１変形歯２ｂｂがラック３との接 触が終わる瞬間に、ラック３との接触を開始するという仮定の下に行なわれる。

しかし、第１及び第２変形歯が、ある程度同時にラック３と接触するようになる 場合にあっても、上記の説明が適用される。

一方、ピニオン４がラック３を加速する場合は、例えば第５図のピニオン４が逆 方向又は時計方向に回転するという仮定で反対の場合を考えれば容易に理解する ことができる。

すなわち、このような仮定によってはラック３を左側に加速させ、共通法線等と 直線ＯＰとの交差点をピニオン回転中心Ｏからピッチ点Ｐ方向に漸次遠くなるよ うに移動させる結果となる。

説明の便宜上、後述する事項中いくつかを次のように指称する。

反時計方向に回転しながらラックを加速又は減速させるビニオン変形歯を、それ ぞれ加速又は減速ピニオン歯と称し、上記ピニオン変形歯と接触する変形された 往復運動子歯を、加速又は減速往復運動子歯と称し、ピニオン及びうツクの変形 されていない歯を、それぞれ正常ピニオン歯及び正常往復運動子歯と称する。

上記それぞれ分類された歯は自由に相互連結できる特徴を有するようになる。

上記のすべての説明は平歯車の概念に立脚して行なわれる。従って、歯の変形は 円周方向に沿ってのみ行なわれることに説明された。しかし段歯車、へりカル歯 車又はその他の歯車の如き場合には、ラックの減速と加速を達成する歯の変形は 歯の幅方向にも行なわれる。

本発明による回転−往復運動変換装置のピニオン及び往復運動子相互間の減速及 び加速のための他の手段は減加速カム及び第３の摺動部材を利用して提供される 。

第８図に示されているように、カム摺動面７１を有する減加速カム７がピニオン ４上に備えられ、第３の摺動面７２ａを有する第３摺動部材７２が往復運動子２ 上に備えられるが、これを詳しく説明すれば次の通りである。

往復運動子を減速、加速する原理は概略的に図示された第６図を参照して説明さ れる。

説明の便宜上、第３摺動面７２ａが往復運動子の運動方向と垂直になった平面で あることと仮定する。３ａ、３ｂ。

３ｃ、３ｄ、３ｅはピニオン４が回転するに従って回転するカム摺動面７１に対 する第３の摺動面７２ａの相対的位置を指す。図面では第３摺動面７２ａがカム 摺動面７１の代りに回転する如く示されている。

なお、３ｈ、３ｉ、３ｇ、３ｊはカム摺動面７１と第３摺動面７２ａとの間の接 触点を示す。

第５図と第６図を参照して説明すれば、第６図における第３摺動面７２ａの運動 方向が第５図におけ、るラック３の運動方向と一致するので、第５図におけるＯ Ｐ直線は第６図でカム摺動面７１と第３摺動面７２ａの接触点に立てる共通法線 に対しピニオンの回転中心Ｏから下げた垂直線０３ｐ、０４ｐと一致し、従って 第６図の３ｆは第５図の正常ピニオン歯４１ａのピッチ円と一致する。

３ａは往復運動子が上死点にある瞬間に第３の摺動部材７２の第３摺動面７２ａ の位置を示し、この瞬間にカム摺動面７１と第３摺動面７２ａの接触点３ｈに立 てた共通法線はピニオン回転中心Ｏを通過するので、結果的に往復運動子の速度 はゼロとなる。

今、接触点３１は３ｈと３ｇとの間の任意の点であり、３ｐはピニオン回転中心 Ｏから３１における共通法線に引いた垂直線の足だと仮定する。

ピニオン４が上記仮定の位置からもう少し回転する場合、ピニオン回転中心Ｏか らカム摺動面７１と第３摺動面７２ａとの間の接触点に立てる共通法線に下げた 垂直線の足が上記で仮定された垂直線の足３ｐに比べてピニオン回転中心０から 見たとき、もっと遠く離れた点となれば、カム摺動面７１は第３の摺動面７２ａ 又は第３の指動部材７２を加速させる。

接触点３ｊが３ｇ以後の任意の点であり、４ｐはピニオン回転中心Ｏから３１に 立てた共通法線まで下げた垂直線の足であると仮定する。

ピニオン４が上記仮想位置からもう少し回転したとき、カム摺動面７１と第３摺 動面７２ａの接触点に立てた共通法線にピニオン回転中心０から下げた垂直線の 足が仮定の垂直線の足に比べてピニオン回転中心Ｏに、より近い点になるとすれ ば、カム摺動面７１は第３摺動面７２ａ又は第３摺動部材７２を減速させること になる。

ここで、接触点３ｇに立てた共通法線が第６図に示された如く、ピッチ円３ｆに 接すると仮定し、また、第５図の正常ピニオン歯４１ａが第５図の正常往復運動 子歯３１ａと接触するときの、往復運動子の速度を正常速度だと指称するとすれ ば、第３摺動面７２ａ又は往復運動子は３ｈと３ｇとの間のカム摺動面７１によ ってゼロ速度から正常速度まで加速されてから、３ｇ以後のカム摺動面７１によ っては正常速度以下に減速されることになる。

一方、第６図の点線で示されたようにインボリュート曲線が３ｇ以後のカム摺動 面７１に連結されるとすれば、３ｇ以後のカム摺動面７１の接触によっては第３ 摺動面７２ａ又は往復運動子が定常速度を保つようになる。

勿論、上記２つのカム摺動面７１は、回転中心から共通法線に下げる垂直線であ るといえるＯＰ直線と共通法線との交差点の移動が連結点３ｇ点を前後してもお だやかになるように連結される。

今、往復運動子を減速するカム部分を減速カムと称し、往復運動子を加速するカ ム部分を加速カムと称する。減速及び加速カムを利用する減加速手段は往復運動 子の死点とその前後において有用に用いられる。

このようにして、カムを利用した手段及び歯形変形を利用した手段の２つの減／ 加速手段を一緒に結合して使用されることもできる。

第８図では、第４．５及び６図においてその基本構造が説明された減加速手段を 備えた本発明の回転−往復運動変換装置の−好ましい構成を示しており、図面で すべての要素は上死点位置におかれている。

加速ビニオン歯４１ｃ、正常ピニオン歯４１ａ及び減速ピニオン歯４１ｂがピニ オン４０円周部の一部に備えられており、減加速カム７はピニオン４の歯部と反 対の位置に備えられている。

今、減加速手段の実例が備えられた回転−往復運動変換装置の一実施例の作動を 第８図を参照して説明する。

第８図に図示された上死点位置で、ピニオン４が回転を進行するに応じて、往復 運動子２は加速カム７ｂと第３摺動面７２ａとの間の接触によってゼロ速度から 下方運動方向に加速し始める。

その後、往復運動子２の加速は、加速ピニオン歯４１ｃが加速往復運動子歯３１ ｃとの間の接触に続いてｍ　続さｈる。

そして、正常ピニオン歯４１ａと正常往復運動子歯３１ａとの間の接触が継続す れば、往復運動子２は正常速度を保つようになり、減速歯４１ｂ、３１ｂ間の接 触が行なわれると往復運動子２が減速され、更に減速カム７ａと第３の摺動面７ ２ａ間の接触によって減速が継続されることにより、最終的にゼロ速度の下死点 に到達する。

その後、往復運動子２は反対に上方運動を始め、上記のような加速及び減速を経 て往復運動子２は第８図の上死点位置に再び到達する。

結果的に往復運動子２は所定行程の往復運動を継続するようになる。しかし、カ ム摺動面７１と第３摺動面７２ａとの接触中に、往復運動子の運動がカム摺動面 ７１によってのみ拘束されており、カム摺動面７１の後側からの力に対しては拘 束されていない。従って、ある不意の外力が減加速カム７の後側から往復運動子 ２に作用する場合、カム摺動面７１と第３の摺動面７２ａとの摺動接続は絶たれ るようになり、結局回転−往復運動変換装置は正常な作動機能を失うようになる であろう。

従って、このような回転−往復運動変換装置の作動障害に対する防止手段が必要 になるが、その防止手段を逆進防止手段と称することにする。逆進防止手段４７ ．３８の一実施例が第８図に概略的に示され、下記の通り説明される。

図面で往復運動子２の両側フレームにかけられたブリッジ３９上に２つの逆進防 止ローラー３８．３８が備えられており、それらは往復運動子の中心に対して対 称的におかれている。

一方、ピニオン４上に逆進防止ローラー３８．３８と交代に接触する逆進防止面 ４８を有する逆進防止カム４７を備えている。

逆進防止面４８は回転するピニオン４上に描かれる逆進防止ローラー３８．３８ の軌跡から得られることができる。

すなわち、第７図に概略的に示された如く往復運動子が死点付近にあるとき逆進 防止ローラー３８．３８のピニオン４に対する軌跡の内側接線を適切に選べば、 上記の逆進防止面４８となる。

逆進防止ローラー３８．３８と逆進防止カム４７の作動の一例を第８図を参照し て下記の通り説明する。

逆進防止カム４７と逆進防止ローラー３８．３８とが減速歯４１ｂ、３１ｂ間の 接触が終わる前に接触を開始するようにすれば、逆進防止面４８は逆進防止ロー ラー３８を上方に押し上げて往復運動子２の上昇運動を助けるようになる。その 後、減速カム７ａと第３摺動部材７２だけが接触する区間にくると、減速歯４１ ｂ、３１ｂの助けがなくても逆進防止面４８が独りで往復運動子２の上方運動を 駆動するようになる。

加速カム７ｂが、第３摺動部材７２と接触する区間になれば、逆進防止ローラー ３８は逆進防止カム４７を下方に押し下げて、ピニオン４を反時計方向に回転さ れるように駆動する往復運動子２を補助するようになる。

更に、逆進防止ローラー３８．３８と逆進防止カム４７との接触は回転−往復運 動変換装置の作動中にカム摺動面７１と第３摺動面７２ａとの間の摺動接触が絶 たれないように防止する。

このような場合において、逆進防止ローラー３８．　３８と逆進防止カム４７と の接触点と第３摺動面７２ａとカム摺動面７１との接触点にそれぞれ立てる２つ の共通法線は直線ＯＰ上の１点で合うようになり、これは上記関連要素等の瞬間 速度が互いに同じであることを意味する。

上記装置の相互に対応される要素が相互干渉することなく自由に運動することが できるように、それぞれ独立の運動平面を有する例を説明しようとする。

説明の便宜上、第８図に図示されたピニオン４の側面図である第９図によってピ ニオン４の各要素等の運動平面に対して説明することにより、対応の往復運動子 ２上の各要素等に対する運動平面の説明を兼ねようとする。

第９図は、３つの独立の運動平面を示す。逆進防止カム４７と減加速カム７は１ つの運動平面を共同にもち、ピニオン歯４１と第２の摺動部材６はそれぞれ１つ ずつの独立の運動平面をもつ。逆進防止ローラー３８．３８、第３摺動部材７２ 、ラック３の往復運動子歯３１及び第１摺動部材５は、それぞれピニオン４上の 対応要素とともに同一の運動平面を共有することにより、干渉なしに運動するよ うになる。

第９図に例示されていないが、第８図の逆進防止ローラー３８．３８が位置した オーバーブリッジ３９も独立の１つの運動平面を有しながら、ビニオンシャフト ４９が設けられていないピニオン４の側面のスペースを触れて通り過ぎるように なる。従って回転一往復動変換装置の作動が全体的に自由に行なわれる。

逆進防止ローラー３８．３８の運動をもう少し詳しく考察してみれば、逆進防止 ローラー３８．３８によって描かれた軌跡の内側曲線は第１０図における点線曲 線の如くなり、外側曲線は減加速カム７の後面を触れて通り過ぎるようになる。

上記で説明した逆進防止手段の実施例以外に、逆にビニオン４上に逆進防止ロー ラー３８を、そして往復運動子２上に逆進防止カム４７を設けるか、又は往復運 動子２及びピニオン４上に、共に逆進防止カムを設けるか、又は適宜の溝を設け てローラやピンがその溝に沿って動くことができるようにする等その他のいろい ろな例が可能である。

第１図から始めて前述のすべての発明は１つの好ましい実施例によって説明され たために、本発明による回転−往復運動変換装置°の前述の根本思想を基に種々 の変化が可能であることは勿論である。

すなわち、第２摺動部材６を第１摺動部材５．　５（７）両方の間に直四角形ス ライダー形態に形成し、その中央カラ自由に回転することができるようにピニオ ン軸４９を挿入スるか、又は第１及び第２摺動部材５．　５．　６を除去しても 可能である。

以上で記述されたすべての説明において、往復運動子２が単なる直線の行程距離 だけを往復することに基いて説明した。

しかし、たとえ図示されていなくても往復運動子２は弧形に形成されることもで きる。このとき往復運動子２は側面で見れば弧形の軌道上を往復運動するように なる。

このような場合には、ラック３は弧形に変って、ベベルギヤ又はスパイラル歯車 等と類似な形態となり、ピニオン４も往復運動子２とすべての該当要素同士が相 互対応されるように変化される。

本発明の回転−往復運動変換装置の実施例は、単に本発明についての本発明の意 図する根本技術思想内容を可能な限り容易に理解することができるように示した のに過ぎないし、併せて本発明は従来の回転−往復運動変換装置が採用されるす べての機械分野に適用可能なものであるが、内燃機関、圧縮機、工作機械等その 他に有用なものである。

今、本発明の回転−往復運動変換装置を採用して作られる新たな体系の往復動内 燃機関の具体例を説明する。

まず、本発明の往復動内燃機関の一例として、従来の往復動内燃機関に本発明の 回転−往復運動変換装置が採用された直進型往復動内燃機関を第１１図及び第１ ２図の概略的図面を参照して説明する。

第１１図において、往復運動子２はシリンダ８に挿入され運動し、シリンダ８． ８とピストン９，９とが往復運動子２の両側に備えられている単位機関を示して いる。

第１２図において、往復運動子２がシリンダ８０径に比べて相当に大きいため、 シリンダに挿入できないのでシリンダ８内のピストン９が連結棒１０によってシ リンダ８の外部の往復運動子２と連結されており、シリンダ８とピストン９とが 往復運動子２の一側端にのみ備えられた単位機関を示している。

第１２図に示された連結棒１０の一実施例は、ヒンジがなく、往復運動子のフレ ームの端が延長された如くなっている。

ピストン９を往復運動子フレーム又は連結棒１０に結合す、る方式の一例が第１ １図と第１２図に示されている。

ピストン９が往復運動子フレームの端又は第１２図に例を挙げているように連結 棒と一体に形成されているときには、第１２図の点線のように、ピストンヘッド 下方の適切な部位に曲線のネットワークを設け、そこに加圧されたオイルを供給 することにより、ピストン９の高熱が往復運動子２又は連結棒１０に直接伝達さ れるのを遮断するようにすればよいのである。

第１１図に例を挙げて２重点線と小さい円で示されたように、ヒンジ又は類似な 要素を利用してピストン９を往復運動子２又は連結棒１０と面接触されるように 連結すれば、ピストン９と往復運動子２又は連結棒１０が面接触された間にオイ ルを供給することによりピストン９から往復運動子２又は連結棒１０に高熱が直 接流れるのを遮断することができるし、又はそこに別個の弾性体を挿入してシリ ンダ８内部の不均一なガス圧等によって生じ得るピストン９の振動を吸収するよ うにすることもできるのである。

一方、第１３図に示されたように、２つのピニオン４を１つのピニオン軸４９の 両端に設け、ピニオン軸４９と連結軸４９ｂ上に設けられた連結歯車４９ａ、４ ９ａを介してピニオン４と連結軸４９ｂとの機械的動力を伝達するようにすれば 、基本単位の往復動内燃機関が複数個直列に連結されることができるし、又はＶ 形、Ｘ形及びその他の方式で連結されることができる。

今、本発明の回転−往復運動変換装置を採用した新たな体系の揺動型往復動内燃 機関の一実施例を第１４図と第１５図を参照して説明する。

本発明の揺動型往復動内燃機関の特徴は、本発明の回転−往復運動変換装置を採 用した点のほかに、１つの基本単位機関に多数のピストンを設けるために、ピス トン基台１７を採用した点である。

周辺部の一部分に切欠部が設けられたリング状のビストン基台１７は形が丸く、 平たなケーシング１１の内部にケーシング１１中央に揺動軸１６を備えて設けら れる。

自由に回転可能な揺動軸１６はピストン基台１７の中心に設けられ、ピストン基 台１７と揺動軸１６はウェブ１７ａのような連結要素によって互いに連結される 。

３つの突出ピストン１２がピストン基台１７の外周面に設けられ、回転−往復運 動変換装置はピストン基台１７の切欠部に設けられ、連結ピン１４によってピス トン基台１７に連結されるので、ピストン基台１７と突出ピストン１２は共に揺 動往復運動をするようになる。

一方、図面に示された形を有し、ケーシング１１の内周面１１ａ、突出ピストン １２の一例面１２ａ、ピストン基台１７の外周面１７ｂ、ケーシング１１の隔壁 １５によって取り囲まれた複数個の密閉スペース１３は燃料の燃焼のための作動 室であり、 この作動室の体積は突出ピストン１２の揺動往復運動に応じて変る。また独立の 燃料−空気の供給システム、発火システム、排気システム等が設けられば、それ ぞれの作動室は独立された燃焼行程を行なう。

第１４図の連結ピン１４は直進往復運動を行なうのに反し、ピストン基台１７の 連結された孔は揺動往復運動を行なうので、連結ピン１４は連結ビン孔の中で摺 動を行なうようになる。

また、第１６図に示されたように、揺動軸１６と連結ウェブ１７ａを有しない上 記揺動往復動機関の一変形は、ピストン基台１７の内周面１７ｃをケーシング１ １が内側で支持するようにし、その支持するケーシング１１上をピストン基台１ ７の内周面が摺動接触するようにして、ピストン基台１７が揺動型往復運動をす るようにすることにより得られるのである。

上記変形された揺動型往復動内燃機関は第１６図に示されたようにドーナツ状に なる。

揺動型往復動内燃機関の他の一変形は第１７図と第１８図に示されたように、ピ ニオン軸４９は揺動軸１６と垂直であり、往復運動子２は弧形に形成され、その 両端がピストン基台の切欠部の両端と連結されて、ピストン基台１７の切欠部に 設けられる。

従って、往復運動子２は弧形の軌跡に沿って揺動往復運動を行なう一方、ラック ３．３はベベルギヤ又はスパイラル歯車と類似な形となる。

そしてこのとき、ビニオン４も往復運動子２の各対応要素が変化されるに従って 、対応されるようにその形が変化するようになる。

この場合においても揺動軸１６とウェブ１７ａをなくしドーナツ状の変形された 機関を得ることができる。

以上で本発明の回転−往復運動変換装置と往復動内燃機関に関する説明は、好ま しい実施例を通じて説明されたので、例えばピニオン軸又は揺動軸の方向を変化 させるか、ヘリカルギヤ又はスパイラル歯車又は他の一般化されていない歯を採 用してラックとピニオンの正常及び変形歯を作るとか、その他の各要素の形、又 はその設置位置を変化させるとか、ビニオン及び往復運動子歯の代りに摩擦部材 を利用する等、一般的常識に属するアイディアや技術によって変更可能であるこ とは本発明に属することであるのが分る。

機関の効率１機関の出力及び機関の小型軽量化における本発明の往復動内燃機関 の効果について簡単に説明すれば次の通りである。

第１に、行程全般を通じてピストンの速度を調節することができるので、相当な 機関の効率あるいは燃焼効率及び機関の出方向上が期待できる。

第２に、往復運動子２やピストン基台１７が往復運動子ガイド１．１やケーシン グ１１によって安定されるので、ピストン９．１２が安定された運動をするよう になり、ピストンとシリンダ壁との間の摩擦も減少する。

第３に、ピストン力がほとんど常にピニオン４又はピニオン軸４９の回転に対し て接線方向に作用するので動力の伝達が効果的である。

更に従来の機関の連接棒とクランクがなくなるので機関が小型化及び軽量化され る。

これをもう少し付言すれば、ピストン速度の調節を通じて初期燃焼室内の急激な ガス圧の上昇を吸収することができるので、ガソリンエンジンとディーゼルエン ジンを含むすべての往復動内燃機関を理想的な定圧サイクル機関に最大に誘導す ることができ、従って容易に圧縮比を高め燃料ガスを過給することにより、機関 の効率と出力が大きく高めることができるし、同時に燃焼準備期間及び燃焼期間 中にピストン速度を調節することにより、燃料燃焼速度を大きく向上させるとか 、非正常燃焼を制御することができるようになる。

更に燃焼行程初期において、速い燃料燃焼速度にも拘らずガスの最高温度を相対 的に低くすることができるので、熱伝達に起因する熱エネルギ損失、非熱上昇及 び燃焼ガスの熱解離作用に起因する熱エネルギの損失等を大きく軽減することが できる。

一方１１本発明の回転−往復運動変換装置は工作機械、ポンプ、圧縮機、その他 のエンジン等のような回転運動と往復運動相互間の回転−往復運動変換装置を要 求するほとんどのすべての分野で広範囲に使用できることと予想される。

第１９図と第２０図において、従来の往復動圧縮機と本発明の回転−往復運動変 換装置を採用した新たな体系の往復動圧縮機の概略的構成を例を挙げて比較して 示す第１９図は従来の往復動圧縮機を示すものであって、ピストン１０ａの運動 を安定させるために、ピストン１０ａのクランク一連結棒機構１０ｄ間に安定ヘ ッド１０ｃとピストンロッド１０ｂを使用している一方、第２０図はピストン１ ０ａ又は往復運動子２の往復運動自体が往復運動子ガイド１．１によって安定さ れるので、ピストン１０ａは他の特別な補助手段なしにピストンロッド１０ｂを 介して本発明の回転−往復運動変換装置上に直接装着された新たな体系の往復動 圧縮機を示されている。

第２０図に示されたような新たな体系の圧縮機は、ピストン速度を適切に調節す ることにより、圧縮効率に直接的に関連のある体積効率を向上させることができ るものと期待される。

もう１つの例として、切削機械のような場合、複雑な補助装置がなくても、本発 明の回転−往復運動変換装置を使用することにより直ちに均一な切削速度を容易 に得ることができるし、結果的に切削機械の大きさは小さくなる。

ＦＩＧ、１ ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、５ ＦＩＧ、６ ＦＩＧ　９ ＦＩＧ、１０ ＦＩＧ、１１　ＦＩＧ、１２ Ｆ　Ｉ　（３，１４ ＦＩＣｉ、１７ ＦＩＧ、１９　ＦＩＧ、２０ 国際調査報告

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．回転運動と往復運動の相互間に運動変換のため採用される回転一往復運動変 換装置において、回転運動と往復運動間に連結され往復運動を行い、またその両 側内側に沿って一対のラック３，３が設けられた矩形状の往復運動子２と、上記 往復運動子２がその内側で摺動し、かつ上記往復運動子２を支持する一対の往復 運動子ガイド１，１と、上記２つのラック３，３間に設けられ、また上記往復運 動子２の往復運動毎１行程つど１／２回転ずつ回転しながら、上記２つのラック ３，３を１つずつ交互に噛み合わせることができるように、その外周の一側部位 にだけピニオン歯４１が形成されているピニオン４から構成されることを特徴と する回転一往復運動変換装置。
2. ２．往復運動子２の上・下死点付近で往復運動子２を減速及び加速する減加速手 段が備えられていることを特徴とする請求項１記載の回転一往復運動変換装置。
3. ３．減加速手段を備えるに当たって、ピニオン４とラック３，３の歯４１，３１ を互いに対応するように変形し、ピニオン４の回転中心からラック３，３の進行 方向に対して下げた垂直線と、ピニオン４とラック３，３の変形歯４１，３１間 の接触点に立てる共通法線との交差点が上記垂直線上でピニオン４の回転に応じ ておだやかに徐々に移動されるように変形されたことを特徴とする請求項２記載 の回転一往復運動変換装置。
4. ４．上記減加速手段を備えるに当たって、カム摺動面７１を有する減加速カム７ はピニオン４上にピニオン４の中心から見て外側を向かっており、またピニオン ４の歯部の反対側の位置に備えられ、上記往復運動子２の上下死点付近で上記カ ム摺動面７１と交互に接触するように第３摺動面７２ａ，７２ａを有する第３摺 動部材７２，７２を往復運動子２の両端方向の位置で内側に向かって備え、ピニ オン４の回転中心からラック３，３の進行方向に対して下げられた垂直線と、上 記カム摺動面７１と上記第３の摺動面７２ａの接触点に立てる共通法線との交差 点が、上記の垂直線上においてピニオン４の回転に沿っておだやかに徐々に移動 するように備えられたことを特徴とする請求項２記載の回転一往復運動変換装置 。
5. ５．減加速手段が第３項の歯形変形による手段と、第４項の減加速カム７及び第 ３摺動部材７２，７２による手段を組合わせて備えられたことを特徴とする請求 項２記載の回転一往復運動変換装置。
6. ６．上記往復運動子２の上・下死点付近で往復運動子２とピニオン４とが正常運 動から離脱するのを防止するために逆進防止手段が備えられたことを特徴とする 請求項１記載の回転一往復運動変換装置。
7. ７．上記逆進防止手段を備えるに当たって、オーバーブリッジ３９を往復運動子 ２の両側フレームにまたがって位置させ、上記オーバーブリッジ３９上に逆進防 止ローラー３８を設け、ピニオン４上には逆進防止ローラー３８がその上で転が り運動をする逆進防止面４８を有する逆進防止カム４７を備えるか、又は上記オ ーバーブリッジ３９及びピニオン４上に共に逆進防止カムを備えて構成されたこ とを特徴とする請求項６記載の回転一往復運動変換装置。
8. ８．ピニオン４の歯４１とラック３の歯３１との間の噛み合わせの開始を補助す るため段状歯４６，３６がピニオン４とラック３上に備えられることを特徴とす る請求項１記載の回転一往復運動変換装置。
9. ９．上記往復運動子２、これを両側で支持する往復運動子ガイド１，１、往復運 動子２の両側内側を沿って形成されたラック３，３、そしてラック３，３間のス ペースに設けられるピニオン４等の要素等を相互連動可能に備えるに当たって、 往復運動子２とラック３，３を弧形に形成して側面から見れば、弧形を沿って運 動することにより、ラック３とピニオン４の歯３１，４１間の噛み合わせがベベ ルギヤの噛み合わせと類似な形態になるようにし、往復運動子２とラック３の変 形に対応されるようにすべての要素が変形されるようにしたことを特徴とする請 求項１ないし８のいずれかの項に記載の回転一往復運動変換装置。
10. １０．ピストンと回転軸との間に、上記請求項１ないし９のいずれかの項の回転 一往復運動変換装置が採用されたことを特徴とする往復動内燃機関。
11. １１．請求項１ないし８のいずれかの項の回転一往復運動変換装置の往復運動子 ２が直進往復運動するピストン９と結合されるか一体に形成され、ピニオン４の 軸４９を回転軸として直進型往復動内燃機関を形成することを特徴とする請求項 １０記載の往復動内燃機関。
12. １２．多数の突出ピストン１２がピストン基台１７の外周面から外側方向に向か って突出され、揺動軸１６は上記ピストンがその周囲で揺動することができるよ うにピストン基台の中心に設けられ、揺動軸１６とピストン基台１７との間をウ ェブ１７ａ等の連結要素で連結し、揺動軸１６はケーシング１１の内側両側壁に 回転自在に設けるか、又は揺動軸１６とウェブ１７ａは除去し、ケーシング１１ をしてピストン基台１７の内周面１７ｃを支持するようにしながら、その支持す るケーシング１１上をピストン基台１７が揺動往復運動を行なうようにし、回転 一往復運動変換装置の往復運動子２をピストン基台に連結することにより請求項 １ないし９のいずれかの項の回転一往復運動変換装置を設けることができるよう に、ピストン基台１７の周辺部上に切欠部が備えられ、ケーシング１１による多 数個の作動室，ピストン基台１７及び突出ピストン１２の一側面１２ａによって 多数個の作動室が備えられることにより、揺動型往復動内燃機関を形成すること を特徴とする請求項１０記載の往復動内燃機関。