JPH0641728B2 - 機関本体が回転する燃料噴射内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、２サイクル燃料噴射内燃機関に関し、詳し
くはクランク機構を用いることなく、回転往復動するピ
ストンの回転を、シリンダに相当する内燃機関本体に伝
達することによって、機関本体の回転を動力として利用
する内燃機関に関する。

即ち、機関本体を回転させることにより、通常の空気回
転流に加えて燃焼室内の空気回転速度を機関本体の回転
数とともに増大させ、回転中心に固定した燃料噴射器よ
り燃料を噴射する。これにより、遠心力という新しい力
が加えて燃料を拡散燃焼させて理想の燃焼を行なわせ、
無公害の排気ガスを得ることを主たる目的とする。

「従来の技術」 従来の内燃機関は、ピストンの往復動をクランク機構を
介して動力軸の回転に変換する構成をとっている。その
ためクランク機構による排気損失が３０％を越えるとも
いわれているうえ，多量の窒素酸化物、黒煙等を排出し
て環境汚染の元凶の一つとされている。

クランク機構を具備する内燃機関のこれらの欠点を解消
するため、クランク機構は用いない内燃機関が提案され
てきた。

例えば、 (1) 特許第１６３９４９号明細書記載の「内燃機関 (2) 特公昭４５−２３２４１号公報記載の「流体エネ
ルギ変換装置」 (3) 特開昭５５−３７５３１号公報記載の「クランク
軸がなくピストン自体が回転する内燃機関」 などが挙げられる。

(1)の「内燃機関」は、シリンダ内で回転往復動するピ
ストンの回転で回転円筒を回転させ、この回転で中空横
軸を回転させて動力を得るものである。

(2)の「流体エネルギ変換装置」は、非回転往復ピスト
ンの往復動で、駆動機構を介して回転部材を回転させて
動力を得るようにしたことに特徴を有する。

又、(3)の「クランク軸がなくピストン自体が回転する
内燃機関」では、ギヤーシャフトをさしこんだピストン
を回転往復動させ、ギヤーシャフトの回転を動力とする
ものである。

「発明が解決しようとする問題点」 しかし、いずれもシリンダを回転させるものではないた
め、シリンダを効果的に均一冷却できない欠点があっ
た。従って、機関の冷却には別途複雑な手段を採る必要
がある。

さらに、ピストンの回転を動力として取り出す手段が複
雑である。

ところで、燃料、とくにディーゼル油のような低質油を
燃焼させる方法として、従来の圧縮点火機関では、圧縮
による高圧、高温下の空気中に、燃料を噴射して爆発さ
せる構成がとられている。そして限られた空間に噴霧粒
径のできるだけ小さい燃料を、限られた時間内に均一に
分散される必要がある。

しかしながら、従来方法では、燃料の噴霧粒径を小さく
すれば分散特性が悪くなり、分散特性を向上させるため
噴霧粒径を大きくすれば燃焼が悪くなってしまう。

ディーゼルトラックのＮｏｘの排出量は、普通乗用車の
１０倍から３５倍にも達するといわれており、黒煙の発
生を含め公害の元凶となっている。

この発明は、回転往復動するピストンでシリンダに対応
する機関本体を回転させることによって、燃料噴霧に遠
心力を与えて燃焼効率の向上を図るとともに、無害の排
気ガスを得ることを目的とする。かつ冷却を均一に効果
的に行なうことも目的とする。

「問題点を解決するための手段」 上記目的を達成するため、この発明は次の構成を要旨と
する。

固定軸の外側に設けた機関本体と前記固定軸との間に、
対向してピストンを収容することにより、ピストン間に
燃焼室を形成する。

回転自在の機関本体に外嵌され、かつ固定された曲溝筒
の内周面には、ピストンが２往復する間に１回転するよ
う、曲溝を対向して凹設する。

ピストンにそれぞれ突設したピストンピンを、機関本体
に設けたピストン案内穴を通して曲溝へそれぞれ嵌めこ
む。

そして、それぞれ回転自在に、固定軸に外嵌され、かつ
曲溝筒に内嵌されて、燃焼室へ給気する給気室をピスト
ン後部にそれぞれ形成する給気室蓋を、機関本体に対向
して固定する。

又、固定軸には、燃焼室へ燃料を噴射する燃料噴射器
を、給気室蓋には動力軸をそれぞれ設ける。

「作用」 ピストンが機関本体のピストン案内穴に嵌めこまれてお
り、又、ピストンピンが曲溝筒の曲溝に嵌めこまれてい
るため、燃料噴射器の燃料噴射による混合気の爆焼で、
ピストンが２往復する間に１回転し、ピストンのこの回
転往復動にともなって機関本体も１回転する。

給気室蓋は機関本体に固定され、かつそれぞれ固定され
ている固定軸及び曲溝筒に対して回転自在であるから、
給気室蓋も機関本体の回転にともなって回転し、動力軸
も回転する。

「発明の効果」 この発明の効果を列挙すれば以下のとおりである。

(1) 機関本体が高速回転することにより、燃焼室で空
気を高速回転させることができる。又、燃料噴射器は、
機関本体の回転軸に対し燃焼室より内側に位置するの
で、噴射された燃料の噴霧は遠心力により半径方向へよ
く拡散し、高速回転する空気によく混合する。このた
め、燃料噴霧の粒径を小さくして燃焼効率を向上させる
ことができる。

ここで「燃料噴射装置入門」（昭和５４年１月２０日
株式会社 山海堂発行、著者 大久保義雄）に基づき、
回転往復部分の燃料噴射圧縮点火燃焼について説明す
る。

噴射された燃料が燃焼を完了するまでの必要時間は、燃
料油粒の総表面積の大きさに反比例するため、一定量の
燃料をなるべく短時間に燃焼させるためには、燃料をで
きるだけ小さい粒にする必要がある（２９５頁８．５．
２ 燃料の霧化）。

噴射された燃料油粒が静止したままでいると燃料ガスに
包まれて、燃焼が進行しないから、油粒は燃焼を終わる
まで空気中を突き進んでいく力を持っていることが必要
である。このためには油粒自身の持つ運動量が大きくな
ければならない。霧化が良くてあまり油粒が小さいと貫
通力は小さくなり、噴射しても、ノズルの先端部付近に
油粒が集まり、この部分の混合比が濃い状態となり、部
分的に不完全燃焼することになる。すなわち油粒の運動
量は油粒の直径の３乗に比例し、進行中の空気抵抗はほ
ぼ直径の２乗に比例するから貫通力は油粒の大きい程よ
く、前記８．５．２の霧化と相反する性質をもつ（２９
７頁８．５．４ 燃料油粒の貫通力）。

以上のように霧化と貫通力とが相反する性質を持つた
め、通常の方法では超高性能内燃機関の要求には対応で
きない。できるだけ短時間にできるだけ広範囲に拡散し
て燃焼を完了させるには、遠心力を使うのがよい。遠心
力は速度の２乗に比例して大きくなるので、空気の回転
速度は速いほどよく、又、燃料はできるだけ小さい油粒
にして回転中心より半径方向へ噴射し、油粒の貫通力と
遠心力とにより拡散燃焼させる。この場合油粒は小さい
ほど空気流に乗りやすく、燃焼しながら貫通力と遠心力
とにより空気中を突き進み、理想の燃焼を得られる。

この発明が機関本体を回転させることにより、吸入時か
ら空気に回転運動を与え、燃焼室へ給気するときさらに
通常の回転速度を与えて高速回転させ、その回転中心の
固定軸に燃料噴射器を設け、燃料を半径方向へ噴射する
よう構成したのは、上記の説明の如く理想の燃焼を行な
わせるためであって、無公害、超高性能で、飛躍的に熱
効率の高い内燃機関を得るために欠くことのできない構
成であり、大きな効果をあげることができる。

(2) 又、機関本体を回転させることにより、均一で効
果的に空気冷却できることは周知の事実であって、超高
性能の内燃機関を得るためには欠かせない構成であり、
大きな効果がある。

(3) 機関本体を回転させることによって、ピストンの
回転往復運動を滑らかにできる効果がある。又、ピスト
ンの構成を簡単にできるため、ピストンピンがあたかも
時計のバネ振子のように働いて、動力を吸収、放出し、
理想の省エネルギ往復運動が得られる。加えて容易にコ
ンパクトに対向ピストンが構成できる効果があり、この
構成は、無振動で、飛躍的に熱効率の高い内燃機関を得
るために欠かせない構成であって、大きな効果がある。

以上説明した如く、あらゆる部品が理想的に働くため、
無公害、無振動で超高性能の飛躍的に熱効率の高い、機
関本体が回転する燃料噴射内燃機関を得ることができ、
大きな効果がある。

(4) なお、クランク機構を要しないので、コンパクト
かつ軽量な内燃機関を得る効果もある。

「実施例」 以下、図示する実施例に基づいてこの発明を詳細に説明
する。

第３図及び第１、２図に示すように、１は円筒状の機関
本体で、従来の内燃機関のシリンダに対応するものであ
り、内部の中央部は燃焼室２を形成する。３はピストン
案内穴で、機関本体１の軸方向及び直径方向へ対向して
設けられている。

４は機関本体１の中央部外周に突設された冷却ひれ群で
あって、外側の冷却ひれ４は幅広に形成され、機関本体
１の内周面と連通して外周面に開口する排気穴５がそれ
ぞれ設けられている。

６は給気溝で、機関本体１の内周面に凹設されている。

一対のうち左側を示す第４図及びその背面図の第５図に
示すように、７はピストンで、外筒７ａ及び内筒７ｂか
らなる二重の円筒状に形成されており、ピストンヘッド
７ｃで閉塞されて内部は機関本体１内と連通する。８は
直径方向のピストンピン穴９を有する突起であって、前
記ピストン案内穴３に摺動自在に嵌めこまれる。１０は
掃気溝、１１は掃気溝１０と直角方向の排気溝で、それ
ぞれピストンヘッド７ｃの外周面に凹設されている。１
２は給気穴で、外筒７ａに貫設されている。なお、１３
は給油孔である。

１４は固定軸であり、その一端部に、延出して図外床な
どへ固定される固定アーム１５と、固定アーム１５に対
して直角方向へそれぞれ延出する一対の取付アーム１６
とを具備する。１７は固定軸１４の内部に設けられた冷
却兼潤滑油供給路であって、図外冷却兼潤滑油供給ポン
プへ接続される。１８は給油路で、ピストン７の移動に
より冷却兼潤滑油供給路１７から前記ピストン７の給油
孔１３へ連通する（第２図参照）。

１９は一対（又は複数対）の燃料噴射器であって、前記
機関本体１の燃焼室２へディーゼル油などの燃料を噴射
するものであり、接続された燃料供給路２０によって図
示しない燃料ポンプから燃料を供給される（第１図参
照）。

２１は一対の油溝筒で、それぞれ内周面にはサイン曲線
状に曲溝２２が凹設されている。２３は曲溝筒２１の外
端部にそれぞれ凹設された吸気穴である。この吸気穴２
３と機関本体１のピストン案内穴３とは、一種の回転弁
を構成し、ピストン７の前進時（圧縮時）には吸気穴２
３は開放され、ピストン７後退時（給気時）には閉塞さ
れる。又、２４は曲溝筒２１に突設されたアームで、前
記取付アーム１６に曲溝筒２１の取付位置を、ナットで
圧縮比を、それぞれ調整可能に固定されている。この曲
溝筒２１の取付位置の調整は、油圧を用いることもでき
る。

２５はピストンピンで、前記ピストン７のピストンピン
穴９へそれぞれ嵌めこまれており、転動輪２６を具備す
る。

ここで、一対のピストン７は固定軸１４に摺動自在に外
嵌されており、曲溝筒２１は、回転自在の機関本体１に
外嵌されている。又、ピストンピン２５の転動輪２６
が、曲溝２２へそれぞれ転動自在に嵌めこまれている。
そして、機関本体１内でピストン７が２往復する間に、
固定された曲溝筒２１の曲溝２２に案内されて、１回転
するよう構成されている。従って機関本体１もピストン
７の２往復にともなって１回転する。

次に２７ａ、２７ｂは一つの給気室蓋であって、それぞ
れ機関本体１の外端部に固定されているとともに、それ
ぞれ回転自在に、固定軸１４に外嵌、曲溝筒２１に内嵌
されている。２８は一方の給気室蓋２７ｂに突設された
動力軸である。２９は給気室で、機関本体１のピストン
案内穴３、ピストン７及び給気室蓋２７ａ、２７ｂ間に
形成され、又、吸気穴２３と連通可能である。

なお、ピストン７が後退したとき、前記機関本体１の排
気穴５が開口し、次いで機関本体１の給気溝６がピスト
ン７の給気穴１２を介して給気室２９に連通するよう構
成しておく。

又、図示しないが、気密を要する部分にはシールを、回
転部分にはベアリングを適宜選択して取付ける。

この機関本体１が回転する燃料噴射内燃機関の作動につ
いて説明する。

いま、ピストン７が上死点付近にあって、燃料混合気が
爆発すると、ピストン７は回転しつつ後退して排気穴５
が開き、排気が排気穴５から噴射される。

排気の噴射にやや遅れて、曲溝筒２１の吸気穴２３から
吸入された給気室２９内の空気は、まず給気室２９から
給気穴１２、給気溝６、掃気溝１０、次いで排気溝１１
を経て燃焼室２へ流入し、排気を排気穴５から排出する
とともに給気する。

さらにピストン７が下死点から前進すると、燃焼室２内
の空気は圧縮されて高圧、高温となり、燃料噴射器１９
から燃料が燃焼室２へ噴射されて爆焼する。

又、ピストン７の回転往復運動により冷却兼潤滑油供給
路１７から給油路１８を経て、給油路１８と連通したピ
ストン７の給油孔１３から、ピストンピン２５へ潤滑油
が供給される。

即ち、ピストン７の回転往復運動中に、給油孔１３と固
定軸１４に設けた給油路１８とが連通するとき、冷却兼
潤滑油供給ポンプから送られる冷却兼潤滑油は、冷却兼
潤滑油供給路１７、給油路１８、給油孔１３を通ってピ
ストン２５へ供給される。

【図面の簡単な説明】

第１図はピストンが上死点にあるときの内燃機関の中心
軸を通る鉛直方向断面図で、ピストンピン、ピストン案
内穴、排気穴、燃料噴射器等の断面を示す。 第２図はピストンが上死点にあるときの内燃機関の中心
軸を通る水平方向断面図で、曲溝、冷却兼潤滑油供給
路、給油路、給気穴、給気溝、排気溝等の断面を示す。 第３図は機関本体の平面図、第４図は左右一対のうち左
側のピストンの一部欠截平面図、第５図は第４図の背面
図である。 １……機関本体 ２……燃焼室 ３……ピストン案内穴 ５……排気穴 ７……ピストン １４……固定軸 ２１……曲溝筒 ２２……曲溝 ２５……ピストンピン ２７ａ、２７ｂ……給気室蓋 ２８……動力軸 ２９……給気室

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定軸１４の外側に設けた機関本体１と固
   定軸１４との間に対向してピストン７を収容することに
   より、ピストン７間に燃焼室２が形成されており、回転
   自在の機関本体１に対向して外嵌され、かつ固定された
   曲溝筒２１の内周面には、ピストン７が２往復する間に
   １回転するよう、曲溝２２を対向してそれぞれ凹設し
   て、ピストン７にそれぞ突設したピストンピン２５を、
   機関本体１に設けたピストン案内穴３を通して曲溝２２
   へそれぞれ嵌めこむとともに、それぞれ回転自在に、固
   定軸１４に外嵌、曲溝筒２１に内嵌されて、燃焼室２へ
   給気する給気室２９をピストン７後部にそれぞれ形成す
   る給気室蓋２７ａ、２７ｂを機関本体１に対向して固定
   して、固定軸１４には燃焼室２へ燃料を噴射する燃料噴
   射器１９を、給気室蓋２７ｂには動力軸２８を、それぞ
   れ配設したことを特徴とする機関本体が回転する燃料噴
   射内燃機関。
2. 【請求項２】固定軸１４には、冷却兼潤滑油供給路１７
   及び燃料供給路２０が配設されている特許請求の範囲第
   １項記載の機関本体が回転する燃料噴射内燃機関。