JPH11141348A - クランクレスエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来のクランク構造エンジンの構成では、クラ
ンクが上死点下死点では有効圧力はほぼ０％である。し
かし、クランクがシリンダーに対して９０度上昇した状
態では有効圧力は１００％となる。従って、ピストンの
爆発行程ではエネルギーはカロリーの半分しか利用され
ていないのが現状である。また技術文献に開示されてい
るダブルピストンのクランク機構を採用するエンジンは
機構・構造の複雑化を伴い、実用化されていない。 【解決手段】本発明は、吸気・排気弁及び燃料・酸素ノ
ズル並びに外側シリンダー、外側ピストンとピストン棒
を有する燃焼室と、前記各ピストン棒にそれぞれ連設さ
れる内底ピストンを収容する数本の流路チャンバーを包
囲するチャンバーでなるエンジンと、エンジンのピスト
ン棒に設けたフライホイールと、エンジンのチャンバー
からの作動媒体を供給し、かつエンジンに送り流路を介
して連通される弁を備えた集合流路チャンバーと、ター
ビンに設けた伝導軸と、で構成されるクランクレスエン
ジンである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、燃料及び酸素を
爆発させて発生する膨張力によりピストンを昇降させ、
作動媒体に圧縮エネルギーを与え、その圧縮エネルギー
をタービンで均一な動力に変換できるようにしたクラン
クレスエンジンの改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】クランク機構を採用するエンジンについ
ては、従来より出力性能の向上手段としてダブルピスト
ンとする構成が考えられている。この原理を基とした技
術文献としては、特開平4-295136号の「エンジン用のダ
ブルピストンとクランクシャフト」が挙げられる。その
内容を概説すると、２本のクランクシャフトにそれぞれ
ピストンを設け、それらのピストンを一体化した構成で
ある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前述の技術文
献に示す如く、ダブルピストンの原理によるクランク機
構を採用するエンジンでは機構・構造の複雑化を伴い、
実用化されていないのが現状である。

【０００４】従来のクランク構造によるエンジンは、ク
ランクが上死点下死点では有効圧力はほぼ０％である。
しかし、クランクがシリンダーに対して９０度上昇した
状態では有効圧力は１００％となる。従って、ピストン
の爆発行程ではエネルギーはカロリーの半分しか利用さ
れていないのが現状である。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、燃料の
完全燃焼及び振動や騒音が少なくピストンの側圧による
摩耗を低減し、運転効率がよくシリンダー内で発生した
爆発力によるピストンの往復運動を回転運動に変換する
ことのできる上死点下死点を経由しない構造のクランク
レスエンジンを提供することを目的とする。

【０００６】即ち、本発明のクランクレスエンジンは、
各外側シリンダーの上方空間に設けた燃焼室、この燃焼
室に設けた吸気・排気弁及び燃料・酸素ノズル、及び前
記各外側シリンダーにそれぞれ気密に嵌挿した外側ピス
トン、この各外側ピストンの底端面にそれぞれ設けたピ
ストン棒、及びこの各外側ピストンにそれぞれ設けられ
た内側シリンダー内に気密に嵌挿される対の内側ピスト
ン、この対の一方の内側ピストン同志及び他方の内側ピ
ストンにそれぞれ連結する数本の流路、並びに前記各ピ
ストン棒にそれぞれ設けられた内底ピストンを収容する
各流路チャンバー、及び前記チャンバーとこの各流路チ
ャンバーの間にそれぞれ設けた吸込弁、前記各流路チャ
ンバーを包囲するチャンバーで構成するエンジンと、こ
のエンジンのピストン棒に設けたフライホイールと、前
記エンジンの流路チャンバーに設けた送り流路に接続す
る弁を備えた集合流路チャンバーと、この集合流路チャ
ンバーと前記エンジンのチャンバーを連通する戻り流路
と、前記送り流路及び戻り流路が接続されるタービン
と、このタービンに設けた伝導軸と、で構成される。

【０００７】

【発明の実施の形態】代表例として、油（作動媒体の一
種である。）を使用するクランクレスエンジンについて
説明する。エンジンを始動すると、シリンダー内に燃料
と酸素を所定のタイミングをもって順次噴射点火し、吸
気行程、圧縮行程、爆発行程、排気行程を繰り返し、外
側ピストン、内側ピストン及び内底ピストンを上下に昇
降運動させる。この爆発行程において、燃料の爆発力に
よって外側ピストン、内側ピストン及び内底ピストンが
降下する際に、シリンダーの油が内底ピストンの降下に
より圧縮され、この圧縮された油（圧縮作動油、この圧
縮作動油は、圧縮作動媒体の一種である。）は、当該集
合流路チャンバーを経由してタービン（油圧タービン、
又は水圧タービン、蒸気タービン等への応用も可能であ
る。）に圧送され、当該タービンに設けた回転翼を高速
回転し、この回転翼の回転を伝導軸に付与する。このタ
ービンの伝導軸の回転は、自動車、動体、駆動装置（動
力装置）等に一定の回転動力を付与し、この自動車等に
駆動力を与える構造となっている。

【０００８】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。

【０００９】図１は、クランクレスエンジン１が四気筒
を備える場合の概念図であり、各気筒２の上方空間は燃
焼室９であり、燃焼室９には吸気弁３及び排気弁４並び
に燃料ノズル７及び酸素ノズル８を設ける。燃料ノズル
７からは燃料タンク５に蓄積された燃料を噴射し、同時
に酸素ノズル８からは酸素タンク６に高圧縮された酸素
を噴射する。燃料として、例えば軽油を用いる。そし
て、エンジンを始動させると、気筒２内に燃料と酸素を
所定のタイミングをもって順次噴射点火し、吸気行程、
圧縮行程、爆発行程、排気行程を繰り返し、外側ピスト
ン１１、内側ピストン１２ａ、１２ｂ及び内底ピストン
２０を上下に昇降運動させる。前記気筒２、即ち、外側
シリンダー１０には外側ピストン１１が気密に嵌挿され
る。さらに外側ピストン１１には２つの内側シリンダー
１３が設けられ、当該内側シリンダー１３内へは対の内
側ピストン１２ａ、１２ｂが気密に嵌挿される。一方の
内側ピストン１２ａ（以下、内側ピストン１２ａとす
る。）は他方の内側ピストン１２ｂ（以下、内側ピスト
ン１２ｂとする。）と流路１５により連結され、一方の
外側シリンダー１０が吸気行程、爆発行程の場合、他の
外側シリンダー１０は圧縮行程、排気行程となるように
構成され、内側ピストン１２ａの昇降を制御する。外側
ピストン１１の底端面には、ピストン棒１６を延設す
る。当該ピストン棒１６と内底ピストン２０を固定す
る。内底ピストン２０の下止点の下の位置に空気パイプ
を設け、当該空気パイプに弁を設ける。これにより、吸
気行程で空気を吸入し、吸気行程の終わりに空気弁を締
め、圧縮行程で油を吸わせる。シリンダー噴射式ポンプ
を設け、オイル（潤滑油）を外側ピストン上昇時にシリ
ンダーに吹きかける。尚、外側シリンダー１０の下に油
受層を設けて、前記吹きかけたオイルを回収した後、噴
射式ポンプへと循環する。ピストン棒１６にはフライホ
イール１７を延設し、他の外側シリンダー１０との連
動、即ち、吸気弁３、排気弁４、燃料及び酸素の噴射、
点火の作用を制御する。内底ピストン２０にはシリンダ
ー２１を備え、当該シリンダー２１には蓄積されるエネ
ルギーを減衰させることなく伝導するため集合流路チャ
ンバー３０を設ける。集合流路チャンバー３０には他の
外側シリンダー１０の行程に影響を及ぼさないための弁
３１を設け、爆発行程以外は開かない構成とする。集合
流路チャンバー３０から送り流路４０を経由して圧油が
タービン４１（油圧タービン、又は水圧タービン、蒸気
タービン等への応用も可能である。）に送られる。この
圧油を独立した室４１ａに送り、この室４１ａ内に設け
た水車状の回転翼４２を回転し、この回転翼４２が設け
られている伝導軸５０に回転動力を付与する構成であ
る。したがって、この回転翼４２は扇形形状とするとと
もに、その側端を立ち上げ袋状にして、圧送された油を
確実に受け止め得る構成とする（一例である。）。この
各室４１ａは各搬送路４３で連結されている。またター
ビン４１で働きを終えた油は戻り流路４４を介してチャ
ンバー２７に循環される。図中２３は流路チャンバー２
２の下端に設けた吸込弁で、この吸込弁２３は内底ピス
トン２０の上昇により真空吸引で開放される。この開放
でチャンバー２７の油が流路チャンバー２２に充填され
る。尚、チャンバー２７には油が補充される場合も有り
得る。

【００１０】図２（ａ）、（ｂ）はフライホイールの模
式図であり、一つの外側シリンダー１０に設けたピスト
ン棒１６にフライホイール１７の部材が連結され、他の
外側シリンダー１０に設けた吸気弁３、排気弁４、燃料
及び酸素の噴射、点火の作用をそれぞれ制御する。尚、
一体化した内底ピストン２０は外側シリンダー１０にお
ける次行程の爆発行程の際に、外側ピストン１１及びピ
ストン棒１６に作用するエネルギーを内底ピストン２０
に確実に伝達する。このフライホイール１７は、各シリ
ンダーに、それぞれ薄いフライホイール１７を連結する
ことが理想である。そして、フライホイール１７の押棒
１７ａの取付け位置は、フライホイール軸１７ｂの上死
点よりずらす構成とする。尚、各フライホイール１７は
同調するように連結杆１７ｃで一体構造となっている。

【００１１】また、内側シリンダー１３内には作動油１
４が充填されている。作動油１４の不足により内側ピス
トン１２ａ、１２ｂが定位置まで上がらないときは、コ
ンピュータ等の感知手段で感知し、作動油ポンプ１８で
作動油１４を内側シリンダー１３に補充する（一例であ
る。）。内底ピストン２０が内設される下方の空間はシ
リンダー２１であり、シリンダー２１で生成された圧縮
作動油２５（圧油）によりタービン４１へエネルギーを
伝達する。

【００１２】図３は外側ピストン１１、内側ピストン１
２ａ、１２ｂ及びピストン棒１６との関係を示す断面図
であり、外側シリンダー１０に外側ピストン１１は気密
に嵌挿され、外側ピストン１１に設けた内側シリンダー
１３内へ対の内側ピストン１２ａ、１２ｂが気密に嵌挿
される。前記各外側ピストン１１の下端面にピストン棒
１６を延設し、当該ピストン棒１６は内底ピストン２０
と一体形成される。また内側ピストン１２ｂは関連する
内側ピストン１２ａと流路１５を介して連結されてお
り、従来と同様、一方の内側シリンダー１３が圧縮行程
又は排気行程のときには他方の内側シリンダー１３が爆
発行程又は吸気行程となるため、内側ピストン１２ａの
昇降動作に伴う動力損失が無い。シリンダーの高温対策
はラジェーターを併設するか、又は冷凍機で強制冷却す
るか、適宜選択する。この高温対策を利用してシリンダ
ーを適温に保つ構成である。外側ピストン１１の昇降動
作と内側ピストン１２ａの昇降動作は一体である。内底
ピストン２０は、外側ピストン１１の下端面より延設し
たピストン棒１６と一体化する。外側シリンダー１０に
おける吸気行程の終わりの際に引き上げれられる。尚、
内側ピストン１２ａ、１２ｂにはそれぞれ弁１２ａ１、
１２ｂ１が設けられている。図中１２、１２´は内側ピ
ストン１２ａ、１２ｂのケーシングを示す。

【００１３】図４及び図５は集合流路チャンバー３０の
側面図及び斜視図をそれぞれ示しており、集合流路チャ
ンバー３０には、外側シリンダー１０の爆発行程にのみ
作用するように設定された弁３１があり、この爆発で生
成される（エネルギーが蓄積された）圧縮作動油２５
（圧油）が弁３１の開きにより集合流路チャンバー３０
に圧送された後、送り流路４０を介してタービン４１へ
圧送される。この集合流路チャンバー３０には外側シリ
ンダー１０が爆発行程中のみ開くように設定された弁３
１を設け、他方のシリンダー２１への圧縮作動油２５の
逆流を防止する。流路系統は、タービン４１へ圧縮作動
油２５を圧送する送り流路４０とタービン４１から排出
された油が戻る戻り流路４４と、で構成される。このタ
ービン４１には伝導軸５０が設けられている。

【００１４】図６は本発明のタービン４１を示す模式図
であり、圧縮作動油２５が回転翼４２を作動させながら
順次移動する構成である。また、個々の回転翼４２に対
応してタービン室内を各室４１ａに区切ったことを特徴
とする。

【００１５】図７及び図８はタービン４１の側面視した
断面図及び正面視した断面図であり、タービン４１内に
設けられる回転翼４２を扇形に形成し、かつ回転端を立
ち上げ袋状（一例である。）にすることにより、圧縮作
動油２５のエネルギーを確実に伝導軸５０に伝達する構
成となっている。

【００１６】図中６０は空気パイプを示す。

【００１７】尚、本発明は、用途は自家発電に限らな
い。またタービン４１を動力源として、例えば、他のタ
ービンを駆動すること、他のタービンの効率化に寄与で
きること、等の特徴がある。また各シリンダー（総称す
るので、番号は省略する。）は長めの構造とする。更に
二次研究は、水素燃料を用いて本発明のエンジンを回転
させることを意図する。

【００１８】次にエンジンにおけるピストンの作動行程
を、４シリンダーで４サイクルのクランクレスエンジン
に用いた場合について説明する。

【００１９】図に示す４箇のシリンダーは、いずれも
（Ａ）吸気、（Ｂ）圧縮、（Ｃ）爆発、（Ｄ）排気の各
行程を順次行うものである。

【００２０】（Ａ）吸気行程 排気弁４を閉じた状態で吸気弁３を開き、空気を吸込む
とともに、外側ピストン１１及び内側ピストン１２ａが
下止点まで下降する。尚、内底ピストン２０はピストン
棒１６と一体となっているので、内側ピストン１２ａの
下降により、内底ピストン２０も下止点まで下降する。

【００２１】（Ｂ）圧縮行程 燃焼室９内への吸気が終了した時点で吸気弁３が閉じ、
他の外側シリンダー１０の内側ピストン１２ａ内の内側
ピストン１２ａ、１２ｂ（同調するので、以下、内側ピ
ストン１２ａとする。）が動力により押し上げられ、こ
れに連動するように外側ピストン１１も押し上げられ
る。そして、上止点前で燃焼室９内に燃料ノズル７及び
酸素ノズル８より希釈燃料を充填する。その後、後述の
如く、上止点で点火爆発される。高温対策として、酸素
と燃料の割合を調整する。

【００２２】（Ｃ）爆発行程 圧縮行程で外側ピストン１１及び内側ピストン１２ａの
上端面が上止点近傍まで上昇すると、燃焼室９内に充填
されている希釈燃料が点火爆発される。この爆発によ
り、外側ピストン１１及び内側ピストン１２ａの上端面
に爆発による体積の急膨張気圧が作用して、外側ピスト
ン１１及び内側ピストン１２ａが一体となって降下し内
底ピストン２０を強力に押し下げる。そして、外側ピス
トン１１及び内側ピストン１２ａ並びに内底ピストン２
０は、シリンダー２１内の油を圧縮し圧縮作動油２５を
生成するとともに、シリンダー２１の集合流路チャンバ
ー３０に設けた弁３１が連動して開き、爆発により圧縮
された圧縮作動油２５（エネルギーを加えられた圧縮作
動油２５）は送り流路４０を経由して、タービン４１に
圧送される。

【００２３】（Ｄ）排気行程 外側ピストン１１及び内側ピストン１２ａを押し上げて
燃焼室９内の燃焼ガスを排気弁４から排出するととも
に、弁３１を閉じて、シリンダー２１への圧縮作動油２
５の逆流を防止する。

【００２４】前述のようにして１サイクルを終了するの
であるが、前記の各行程が、各気筒において順次繰り返
される。

【００２５】

【発明の効果】本発明によるクランクレスエンジンは、
上死点下死点をなくした構成である。従って、カロリー
を１００％近くエネルギーとして利用して、完全燃焼を
達成できること、極めて運転効率がよいこと、又はエン
ジンの騒音や振動の発生を押さえることが可能となるこ
と、また地球環境の保護に役立つこと、等の特徴があ
る。またピストン摩擦、或いは片寄った摩擦等の解消に
役立つこと、現在の羽根タービンに比べ効率は、約１．
７〜２．５倍の能力が発揮できること、等の特徴があ
る。

【００２６】本発明では軽油の使用も可能となるので、
この軽油を使用することにより、ガソリンエンジンに比
べて、熱効率が向上すること、燃料費の軽減が図れるこ
と、等経済的効果は抜群である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のクランクレスエンジンを示す概念図で
ある。

【図２】本発明のフライホイールの概念図であり、
（ａ）は側面視した概念図、（ｂ）は正面視した概念図
である。

【図３】外側ピストン、内側ピストン及びピストン棒と
の関係を示すＡ−Ａ´断面図である。

【図４】集合流路チャンバーの側面図である。

【図５】集合流路チャンバーの斜視図である。

【図６】タービンの模式図である。

【図７】タービンにおけるＢ−Ｂ′断面図である。

【図８】タービンにおけるＣ−Ｃ′断面図である。

【符号の説明】

１ クランクレスエンジン ２ 気筒 ３ 吸気弁 ４ 排気弁 ５ 燃料タンク ６ 酸素タンク ７ 燃料ノズル ８ 酸素ノズル ９ 燃焼室 １０ 外側シリンダー １１ 外側ピストン １２ ケーシング １２´ ケーシング １２ａ 内側ピストン １２ａ１ 弁 １２ｂ 内側ピストン １２ｂ１ 弁 １３ 内側シリンダー １４ 作動油 １５ 流路 １６ ピストン棒 １７ フライホイール １７ａ 押棒 １７ｂ 軸 １７ｃ 連結杆 １８ 作動油ポンプ ２０ 内底ピストン ２１ シリンダー ２２ 流路チャンバー ２３ 吸込弁 ２５ 圧縮作動油 ２７ チャンバー ３０ 集合流路チャンバー ３１ 弁 ４０ 送り流路 ４１ タービン ４１ａ 室 ４２ 回転翼 ４３ 搬送路 ４４ 戻り流路 ５０ 伝導軸 ６０ 空気パイプ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 各外側シリンダーの上方空間に設けた燃
   焼室、この燃焼室に設けた吸気・排気弁及び燃料・酸素
   ノズル、及び前記各外側シリンダーにそれぞれ気密に嵌
   挿した外側ピストン、この各外側ピストンの底端面にそ
   れぞれ設けたピストン棒、及びこの各外側ピストンにそ
   れぞれ設けられた内側シリンダー内に気密に嵌挿される
   対の内側ピストン、この対の一方の内側ピストン同志及
   び他方の内側ピストンにそれぞれ連結する数本の流路、
   並びに前記各ピストン棒にそれぞれ設けられた内底ピス
   トンを収容する各流路チャンバー、及び前記チャンバー
   とこの各流路チャンバーの間にそれぞれ設けた吸込弁、
   前記各流路チャンバーを包囲するチャンバーで構成する
   エンジンと、 このエンジンのピストン棒に設けたフライホイールと、 前記エンジンの流路チャンバーに設けた送り流路に接続
   する弁を備えた集合流路チャンバーと、 この集合流路チャンバーと前記エンジンのチャンバーを
   連通する戻り流路と、前記送り流路及び戻り流路が接続
   されるタービンと、 このタービンに設けた伝導軸と、 で構成されるクランクレスエンジン。
2. 【請求項２】 前記タービンが、多数区画されたチャン
   バーと、この各チャンバーに設けた回転翼と、前記各チ
   ャンバーを連通する搬送路と、でなる請求項１に記載の
   クランクレスエンジン。