JPH10220547A

JPH10220547A - 振動の少ない運動変換機構、内燃機関及びレシプロ型圧縮機

Info

Publication number: JPH10220547A
Application number: JP5821997A
Authority: JP
Inventors: Hajime Suzuki; 一鈴木
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-02-06
Filing date: 1997-02-06
Publication date: 1998-08-21

Abstract

(57)【要約】【課題】往復直線運動と円運動を変換する振動の少な
い運動変換機構、及びこの運動変換機構を利用した振動
が少なく、シリンダーとピストンの摩擦、摩耗の少ない
内燃機関及びレシプロ型圧縮機を提供する。【解決手段】往復直線運動する部分と２本の連結棒に
よってつながった、等しい慣性モーメントを持った２つ
の円運動をする部分よりなり、２つの円運動が互いに逆
向き等速度であることを特徴とする往復直線運動と円運
動を変換する運動変換機構並びにこの運動変換機構を有
する内燃機関及びレシプロ型圧縮機。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は往復直線運動と円運
動を変換する振動の少ない運動変換機構、およびこの運
動変換機構を利用した振動が少なく、シリンダーとピス
トンの摩擦の少ない内燃機関およびレシプロ型圧縮機に
関する。

【０００２】

【従来の技術】往復直線運動と円運動を変換することは
現在広く一般に行われている。とりわけ、内燃機関、レ
シプロ型のポンプまたは圧縮機には必須的に用いられて
いる。ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのような
内燃機関の場合は、燃料の燃焼による気体の膨脹をシリ
ンダーとピストンによって直線運動エネルギーに変え、
この直線運動をさらに運動変換機構によって円運動に変
換するものである。レシプロ型のポンプまたは圧縮機の
場合はその逆で、円運動を運動変換機構によって往復直
線運動に変え、これによって流体を輸送、圧縮するもの
である。

【０００３】特に内燃機関及びレシプロ型の圧縮機にお
いて深刻な問題は、稼働時の振動が大きいこと、ピスト
ンとシリンダーの摩擦、摩耗が大きいことである。この
振動を減少させるために、一般に４気筒、６気筒、Ｖ８
気筒などの多気筒化が行われるが、構造が複雑になり重
量が増加する。また、ピストンとシリンダーの摩擦、摩
耗を防ぐためには、材質、潤滑に多大の工夫が必要であ
る。

【０００４】本発明者はこの振動および摩擦、摩耗が、
従来の往復直線運動と円運動の変換方法に起因している
ことに着目し本発明に達したものである。以下、内燃機
関を例にとって、従来の運動変換機構による問題点を説
明する。

【０００５】図１は従来の内燃機関を示したものであ
る。今燃料が燃焼し、燃焼ガスが黒矢印のようにピスト
ンを押し下げようとすると、ピストンからシリンダーに
対して白矢印の力が発生する。この白矢印の横向きの力
は直線運動が円運動に与えるトルクに比例する。４サイ
クルエンジンを例にとれば、一周期のうち燃焼、ガス膨
脹時のみこの大きな白矢印の力が加わり、吸入、圧縮、
排気の時にはむしろ小さい逆方向の力が加わる。このよ
うな１周期内の横向きの力の変動、換言すればトルクの
変動が、エンジンの横方向の振動の大きな原因となって
いる。

【０００６】振動のもう一つの原因は、直線運動を回転
運動に換えるために生じる、ピストンと連結棒（以下
「ピストン等」という。）の周期的な往復直線運動に伴
う加速度の変化で、これがエンジンの縦方向の振動を起
こす。

【０００７】また上記の横向きの力によって生じるピス
トンとシリンダーの摩擦、摩耗は、特にトルクの大きい
ディーゼルエンジンにおいて深刻である。この横向きの
力に耐えるようにシリンダー、ピストンの材質を選び、
形状を工夫し、高度な潤滑を施さなければならない。

【０００８】レシプロ型圧縮機においても、逆に円運動
を往復直線運動に変換するだけで、同様の問題のあるこ
とは、図１の入力側と出力側を逆にして考えれば明らか
である。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の運動
変換機構が持つこれらの多くの問題点を解決するため、
新規な往復直線運動と円運動を変換する機構を提供し、
これを利用した振動が少なく、ピストン、シリンンダー
の摩擦、摩耗の少ない内燃機関やレシプロ型圧縮機等を
提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の一つの目的であ
る、上記横向きの力を無くすることは、往復直線運動す
る部分と２本の連結棒によってつながった、等しい慣性
モーメントを持った２つの円運動をする部分よりなり、
２つの円運動が互いに逆向き等速度であることを特徴と
する往復直線運動と円運動を変換する運動変換機構を用
いることによって達成される。

【００１１】またもう一つの目的である、ピストン等の
加速度変化による振動を防ぐことも、本発明の機構に若
干の改造を加えた機構を用いることにより、すなわち２
つの円運動する部分と共に回転する２つの偏心重りを有
し、これらの偏心重りの往復直線運動と平行な成分の加
速度は往復直線運動の加速度を相殺し、往復直線運動と
垂直な成分の加速度は２つの偏心重り同志で相殺するよ
うに改造した運動変換機構を用いることによって達成さ
れる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下まず内燃機関を例にとり、図
によって詳細に本発明の実施の形態および作用を説明す
る。図２は本発明の内燃機関の主要部分の図である。１
０はピストンと棒２をつなぐジョイントであり、１１
ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂはピンの回りを自由に回転
できるジョイントである。１ａ、１ｂはピストン３の往
復運動を、２本のシャフト６ａ、６ｂの円運動に変換す
る連結棒である。２は連結棒１ａ１ｂがシリンダー４に
当たるのを防ぐため、ピストンの運動の位置を下に下げ
るための棒である。２本のシャフト６ａ、６ｂは互いに
噛み合う歯車７ａ、７ｂによって逆方向、同回転速度で
回転すると共に等しい慣性モーメントを持っている。図
３は本発明の内燃機関を下から見た図であるが、１６
ａ、１６ｂが弾み車を表し、１４ａ、１４ｂ、１５ａ、
１５ｂは軸６ａ、６ｂの軸受けを表している。本発明の
運動変換機構は、往復直線運動をするピストン３、棒
２、２本の連結棒１ａ、１ｂ、円運動するクランク５
ａ、５ｂ、円運動を調整する歯車７ａ、７ｂ、適当な慣
性モーメントを与える弾み車１６ａ、１６ｂより成り立
っている。

【００１３】今、このエンジンを稼働させたとき、図２
中の黒矢印で示した燃焼ガスの圧力によって、図１の従
来の内燃機関にみられた横向きの白矢印の力が全くかか
らないのは明らかである。軸６ａ、６ｂにどのようなト
ルクがかかっても、歯車７ａ、７ｂ間には力がかかる
が、シリンダー、ピストン間には全く力がかからない。

【００１４】ピストン３とクランク５をつなぐ機構につ
いて更に詳細に述べる。まず、ジョイント１０は、ピス
トン３と棒２を固定的につないでも良いが、何らかの事
故などで左右のバランスが少し狂ったような時、ジョイ
ント１０がピンの回りを回転可能な方がピストンに無理
な力を与えないという利点がある。しかし、ジョイント
１０が回転可能であると、ジョイント１１ａ、１１ｂが
横方向に動き本発明のエンジンの機能を根本から損なう
可能性がある。この横方向の動きは、連結棒１ａ、１
ｂ、棒２の長さ、ジョイント１１ａ、１１ｂ、ジョイン
ト１２ａ、１２ｂの中心間距離の幾何学的関係を考慮し
て、ジョイント１２ａ、１２ｂの最も近付いた時の中心
間距離をジョイント１１ａ、１１ｂの中心間距離より必
要なだけ広くとることで防止できる。

【００１５】また、ジョイント１０がピンの回りを回転
可能であるとき、ジョイント１１ａ、１１ｂが横方向に
動くことを防止するもう一つの方法は、ジョイント１１
ａ、１１ｂ、連結棒１ａ、１ｂの動きの左右対称性をよ
り確実なものとすることである。例えばジョイント１１
ａ、１１ｂに同形の歯車を配し、これらを互いに噛み合
わせることで左右対称性を確保し、横方向の動きを防ぐ
ことができる。例として、ジョイント１１ａ、１１ｂの
互いに向き合う面に互いに噛み合う歯を設けることによ
り、本発明の運動変換機構の左右対称性をより確実にで
き、横方向の動きを防止することができる。

【００１６】あるいは、ジョイント１０の回転可能、不
可能にかかわらず、棒２の保持装置を設けることもでき
る。ジョイント１１ａ、１１ｂを２つに分けずに一体と
してもかまわない。この場合、ジョイント１０が回転可
能であってもジョイント１１が横方向に動くことはな
い。しかし、図４（イ）に横から見た図を示すように、
ピストン３に捩じり方向の力が働かないようにするため
構造が若干複雑になる。

【００１７】ジョイント１０が固定されていていたり、
棒２に保持装置を設けたりした場合、左右のバランスの
狂いを修正するため、図４（ロ）のように棒２と、ジョ
イント１１ａ、１１ｂの間に回転可能なジョイント１３
を設けてもよい。

【００１８】またストロークの長さに比べシリンダーの
径が十分大きく、連結棒１ａ、１ｂがシリンダーに当た
らない場合は棒２を用いる必要はなく、図４（ハ）のよ
うにジョイント１１を直接ピストンに取り付けてもよ
い。

【００１９】また２本の連結棒という意味は、同じ働き
をする連結棒が２組という意味で、例えば図４（イ）、
（ハ）の連結棒１ｂのようにそれぞれの連結棒が２本に
別れて同じ働きをしても良い。

【００２０】図３には弾み車１６ａ、１６ｂを設けてい
るが、歯車７ａ、７ｂの重量を増やしてこれらを弾み車
と兼用してもよい。

【００２１】２つの等しい重量の偏心重り９ａ、９ｂを
ピストン等の加速度を相殺するように、位置および重量
を調整して軸６ａ、６ｂに取り付けることで、ピストン
等の加速度による振動を防ぐことができる。図１のよう
な従来の内燃機関であってもこのような偏心重りによっ
てピストン等の縦方向の加速度を相殺することができ
る。従来の内燃機関では一般に、図１の８のようなクラ
ンクと連結棒の偏心運動を補償する補償重りを設けてク
ランク等の偏心運動を補償している。しかし、それ以上
にピストン等の縦方向の加速度を補償する図１の９のよ
うな偏心重りを設けると、縦方向の加速度は補償できる
が、新たにこの偏心重りによる横向きの加速度が生じ、
これが新たな振動の原因となる。本発明の場合は、両偏
心重りの動きが本発明のエンジンの対称面に対して鏡面
対象であるから、横向きの加速度は互いに相殺し合うた
め横向きの振動を生じず上下の振動を防ぐことができ
る。

【００２２】但し、厳密に議論すれば、ピストン等の重
心の上下動は、連結棒１ａ、１ｂの長さが短い程、時間
に対して正弦曲線から外れ、一方、偏心重りの上下動成
分は時間に対して正弦曲線を描くため、完全に両者が補
償し合うことはない。しかしそれでも、偏心重りによっ
て上下振動の大部分を相殺することができる。なお偏心
重りはクランク部分に直接付ける必要はなく、弾み車な
ど別の場所に取り付けても良い。

【００２３】シリンダーとピストンを２組持ち、それぞ
れが周期を同じくして、互いに反対方向で同回転速度の
２本の軸を回す場合も、構造は複雑となるが本発明の範
疇に入る。この場合には、ピストンにかかる力の周期を
正確に合わせる調整が必要である。

【００２４】本発明の運動変換機構を用いた内燃機関、
レシプロ型圧縮機等は、さらに振動を押さえるために軸
に沿って多気筒化してもよいことはいうまでもない。

【００２５】

【実施例】本発明の運動変換機構を応用した内燃機関お
よびレシプロ型圧縮機の実施例を以下に示す。本発明の
運動変換機構を応用した内燃機関を、最も振動少なく用
いる方法は、２本の軸６ａ、６ｂから等しい動力を得る
ことである。ただしこの場合、動力を受ける側は両方と
も等しい慣性モーメントを持っていなければならない。
この場合は、内燃機関をアイドリングさせた時と同様、
互いに噛み合う歯車７ａ、７ｂ間には理論上力が掛から
ない。このような使用例を以下の実施例で説明する。

【００２６】本発明の実施の形態の項で説明した図２お
よび図３は、本発明の運動変換機構を使用した最も典型
的な内燃機関の実施例である。この内燃機関の運転中の
振動は従来のものに比べて少なく、ピストン、シリンン
ダーの摩擦、摩耗も少ない

【００２７】図５は、本発明の運動変換機構を船舶用の
エンジンに使用した実施例である。エンジン１８の軸６
ａ、６ｂからクラッチ兼回転方向変換装置１９ａ、１９
ｂを通し、ユニバーサルジョイント２０ａ、２１ａ、２
０ｂ、２１ｂを経由して２つのスクリュー２２ａ、２２
ｂを回すものである。エンジンの２本の軸で直接、対称
型の同形の２本のスクリューを回すことによって振動の
少ない運転ができる。

【００２８】図６は図２と同様の構造を持つ内燃機関に
おいて、図２の歯車７ａ、７ｂの代わりに、同じ軸間距
離を持つギアーポンプ２３を軸６ａ、６ｂに取り付けた
ものである。このギアーポンプは軸６ａ、６ｂを逆方
向、同速度に回転させると共に、エンジンの動力を油圧
エネルギーに変換する。

【００２９】図７は図２の内燃機関の軸６ａ、６ｂで同
容量の油圧ポンプ２４ａ、２４ｂを回し、しかもそれぞ
れのポンプの出口と入り口を共通として、両軸に等しい
トルクがかかるようにした実施例である。

【００３０】実施例５図８は図２の内燃機関の軸６ａ、６ｂで同容量の２台の
発電機２５ａ、２５ｂを回し、それぞれから等しい電力
を得るようにした実施例である。

【００３１】一方、本発明の内燃機関の一方の軸からの
み動力を取り出す場合、あるいは両軸から等しくない動
力を取り出す場合には、互いに噛み合う歯車間に力がか
かることになる。内燃機関の２本の軸を中心とする回転
部分の慣性モーメントに比べ、動力を受け取る側の慣性
モーメントが十分小さくない場合には、この歯車間にか
かる力は内燃機関から発生するトルクの脈動に従って変
化し、これが内燃機関を回転させる方向、すなわち横向
きの振動を発生する。これを防ぐためには次のような方
法をとることができる。

【００３２】一つの方法は、動力を受け取る側の慣性モ
ーメントに等しい慣性モーメントの弾み車を、出力軸で
ない方の軸に取り付けるものである。すなわち全体とし
ては両軸が等しい慣性モーメントを持つようにするもの
である。このような実施例を次に示す。

【００３３】図９は、図２の内燃機関の一方の出力軸６
ａによって発電機２５を回し、この発電機の回転子など
の慣性モーメントに等しい慣性モーメントを持つ弾み車
１７をもう一方の軸６ｂに取り付けた使用例である。こ
の場合両歯車間には、動力消費量に従って力がかかる。

【００３４】もう一つの方法は、出力軸と動力を受け取
る軸の間に、内燃機関のトルクの脈動に由来する出力軸
の回転速度の脈動を吸収できる程度の、例えばバネのよ
うな緩衝装置を設けることである。こうすることで、回
転速度の脈動の反作用としての振動を抑えることができ
る。この場合も動力消費量に従って力が両歯車にかか
る。

【００３５】図１０は図２の内燃機関の一方の出力軸６
ａから緩衝装置２６を通して動力を取り出す使用例を示
したものである。

【００３６】図１１は本発明の運動変換機構を利用した
２サイクルエンジンの実施例を示す図である。本発明の
２サイクルエンジンの特徴は、シリンダーの下部に棒２
の貫通した壁２７を設け、気体の予備圧縮室２９を設け
ることである。棒２と壁２７の間は気密が保たれ、気密
を保つため棒２の断面は円形であることが望ましい。こ
の２サイクルエンジンは従来の２サイクルエンジンと異
なり、圧縮室２９が連結棒、クランク等の構造部分と分
離しており、その体積を自由に変えることができるた
め、室２９の気体の圧力を自由に調整できる。またその
構造部分を自由に設計、潤滑することができる。またピ
ストンとシリンダー間の横向きの力が生じないため容易
に高圧縮比が得られ、燃料噴射ノズル３３を設けること
で２サイクルディーゼルエンジンに好ましく用いられ
る。このタイプの２サイクルエンジンはピストンにつな
がる棒２が横向きの動きをしない運動変換機構を有する
限り応用可能であるが、特に本発明の運動変換機構を利
用した場合、同時に振動も大幅に減らすことができる。

【００３７】図１２は、本発明の運動変換機構を利用し
た内燃機関１８によって、クラッチ１９ａ、１９ｂを通
して本発明の運動変換機構を利用したレシプロ型圧縮機
を、振動が少なく、摩耗も少ない運転を行う実施例であ
る。なお、この例に限って言えば、両軸を逆向き同回転
速度で回す歯車、弾み車は、エンジンのみに設置し、圧
縮機の歯車、弾み車を省くことができる。この場合は圧
縮機のシリンダー径をエンジンのシリンダー径より大き
くしているが、ストロークは同じにしている。

【００３８】

【発明の効果】本発明の運動変換機構は往復直線運動と
回転運動を滑らかに変換し、内燃機関やレシプロ型圧縮
機に利用して、振動を少なくし、シリンダーやピストン
の摩擦、摩耗を少なくすることができる。さらにより効
率的な２サイクルエンジンに応用することもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の内燃機関の図である。

【図２】内燃機関の実施例を示す図である。

【図３】図２の内燃機関を下から見た図である。

【図４】ピストンとクランクをつなぐ機構の実施態様を
示す図である。

【図５】船舶用エンジンの実施例を示す図である。

【図６】歯車の代わりに、ギアーポンプを軸に取り付け
た内燃機関の実施例を示す図である。

【図７】同容量の２台のポンプを回す内燃機関の実施例
を示す図である。

【図８】同容量の２台の発電機を回す内燃機関の実施例
を示す図である。

【図９】１台の発電機を回す弾み車を有する内燃機関の
実施例を示す図である。

【図１０】一方の出力軸から緩衝装置を通して動力を取
り出す内燃機関の実施例を示す図である。

【図１１】２サイクルエンジンの実施例を示す縦断面図
である。

【図１２】内燃機関によりレシプロ型圧縮機を運転する
実施例を示す図である。

【符号の説明】

１、１ａ、１ｂ連結棒２棒３ピストン４シリンダー５、５ａ、５ｂクランク６、６ａ、６ｂ軸７ａ、７ｂ歯車８補償重り９、９ａ、９ｂ偏心重り１０ジョイント１１、１１ａ、１１ｂ、１２、１２ａ、１２ｂ、１３
ピンの回りを自由に回るジョイント１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ軸受け１６ａ、１６ｂ、１７弾み車１８内燃機関１９ａ、１９ｂクラッチ兼回転方向転換装置２０ａ、２０ｂ、２１ａ、２１ｂユニバーサルジョイ
ント２２ａ、２２ｂスクリュー２３ギアーポンプ２４ａ、２４ｂ油圧ポンプ２５、２５ａ、２５ｂ発電機２６緩衝装置２７壁２８シール２９予備圧縮室３０排気管３１吸入管３２気体導入通路３３燃料噴射装置３４気体圧縮機

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】往復直線運動する部分と２本の連結棒に
よってつながった、等しい慣性モーメントを持った２つ
の円運動をする部分よりなり、２つの円運動が互いに逆
向き等速度であることを特徴とする往復直線運動と円運
動を変換する運動変換機構。
【請求項２】２つの円運動する部分と共に回転する２
つの偏心重りを有し、これらの偏心重りの往復直線運動
と平行な成分の加速度は往復直線運動の加速度を相殺
し、往復直線運動と垂直な成分の加速度は２つの偏心重
り同志で相殺することを特徴とする請求項１の運動変換
機構。
【請求項３】請求項１または請求項２の運動変換機構
を有する内燃機関。
【請求項４】請求項１または請求項２の運動変換機構
を有するレシプロ型圧縮機。