JPS6069237A - 補助ピストンを備えた内燃機関を運転するための四サイクル式作動方法および機関 - 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】 本発明は、特許請求の範囲第１項の上位概念に記載した
四サイクル式作動方法およびこの方法を実施するだめの
ピストン機関に関する。

この種の方法およびこの方法を実施するだめのピストン
機関は例えば米国特許第２．０１ａ９４４号明細書によ
って知られている。この方法は上記ピストン機関の使用
下で、それ以前の機関と比べて機関のトルクを増大させ
るがしかし、機関の効率が比較的に悪く、かつ有害物質
を多量に排出する。なぜなら、機関の負荷が変わったと
きに、掃気できない比較的姉多量の残留ガスが機関内に
残るからである。更に、この機関はいろいろな燃料で動
かすには適していない。補助ピストンを強制操作するこ
とによって、主ピストンの圧縮行程の後で補助ピストン
を主ピストンに追随させて下降させ、その際上死点で得
られた圧縮室の容積が変わらないようにすることができ
る。それによって、所望のクランク角で点火を行うこと
ができる。

ニサイクル式作動方法を実施するための類似の装置が英
国特許第１５１６９８２号明細書によって知られている
。この装置の場合には、あふれ通路が補助ピストンによ
って開閉され、そ［７て点火の後で最大ガス圧が達成さ
れるまで補助ピストンが主ピストンの下降行程に追随す
る。

これは爆発力に関しては不利である。この場合にもトル
クがいくらか増大するが、排ガスが多量の有害物質を含
み、かついろいろな種類の燃料を用いることができない
。

本発明の課題は、固体（微粉炭）を含むいろいろな性質
の燃料を使用することができかつその消費が節約され、
同時に低回転数で大トルクが得られ、かつ排気が環境を
汚染しない、補助ピストンを備えた四サイクル機関を運
転するだめの作動方法を提供することである。

本発明の他の課題は、上記方法を実施するための機関を
提供することである。

この課題は、冒頭に述べた種の方法において、本発明に
従い、排気相の終シにおいて、遅くとも主ピストンが上
死点に達するまでに、圧縮室が補助ピストンによってほ
とんど零になり、かつ次の吸気相で、遅くとも主ピスト
ンが下死点に達するまでに、最大になジ、次の圧縮相で
主ピストンが上死点にあるときにこの主ピストンが補助
ピストンと共に圧縮室を取囲み、点火が行われる前に１
この圧縮室が、次の下降行程で所望のクランク軸回転角
度までに、所望の太きさまで迅速に縮小されることによ
って解決される。排気相において圧縮室をほとんど零壕
で縮小することによって、燃焼したすべての残留ガスが
排出されるので、残留ガスのない状態で新たな充てんが
行われる。従って、排気ガス中の有害物質量が著しく減
少する。次の吸気相で補助ピストンが反対方向に動くこ
とによって、充てん可能なシリンダ容積が増大するので
、一層好ましい充てんが達成される。主ピストンの次の
圧縮行程は比較的に広い圧縮室に抗して主ピストンの上
死点まで行われるので、圧縮作業による不所望な反対向
きのトルクが小さくなる。

主ピストンが上死点を越えると、圧縮圧力は所望の回転
方向に作用する。この状態で圧縮室は補助ピストンによ
って迅速に縮小され、圧縮が強まるが、これが所望の回
転方向で主ピストンに作用するので作動を妨害しない。

圧縮室を迅速に縮小するために、補助ピストンは主ピス
トンよりも早く主ピストンの方へ移動する。この相対速
度は、所望の大きさの圧縮室ひいては所望の圧縮がクラ
ンク軸の所望の回転角度位置で達成され、補助ピストン
の静止時に点火が行われるように１定められる。とれに
よって非常に大きなトルクが得られる。更に、小さくな
る前の最初の圧縮室が大きいので、例えば微粉炭のよう
な固体を含む任意の燃料を使用することができる。圧縮
室の最初の大きさが大であることによって、例えば、ク
ランク軸の不所望な回転角度位置での燃料混合物の自己
発火が確実に防止される。圧縮室の上記の変化、すなわ
ち圧縮室をほとんど零まで縮小し、続いて圧縮室を最大
の太きさまで増大し、次に圧縮室を縮小し、この縮小し
た圧縮室をずらすと同時にそれ以上の縮小を迅速に行い
、その後すぐに点火を行うことによって、前記の課題が
完全に解決される。

本発明の他の課題は、本発明による方法を実施するだめ
のピストン機関を提供することである。

との課題は、実質的に、可動の主ピストンを内蔵する少
なく共１つのシリンダと、クランク軸と、主ピストンと
クランク軸の間に設けられたピストンロッドとからなり
、クランク軸の状態に応じて機構によって操作される補
助ピストンが、クランク軸とは反対の主ピストンの側で
シリンダの延長部分内に設けられ、この主ピストンと補
助ピストンの間に燃焼室が形成され、この燃焼室が、燃
焼媒体または排ガスの供給または排出のための吸気口ま
たは排気口と連通しているピストン機関において、操作
機構が、クランク軸に対して適当な変速比でこのクラン
ク軸によって駆動されるカム軸からなり、このカム軸が
各補助ピストンにつき１つのカムを有し、このカムが二
叉部材状のカム従動子と協働し、カムと二叉部材がほぼ
半径方向に延びる当接面を有することによって解決され
る。上記構造の機関により、補助ピストンは必要な運動
と加速された運動を正確に行うことができ、それにも拘
らず補助ピストンは主ピストンに対して正確に相対案内
される。これと同時に、カムと二叉部材が特殊な所定の
形をしているので、燃焼または爆発の際に補助ピストン
に作用する圧力を確実に受け止めることができ、その際
出力の損失はほとんど生じない。

この装置の他の実施形は特許請求の範囲第３〜１２項に
記載されている。特に特許請求の範囲第７項には、補助
ピストンを備えているかまたは備えていない弁操作型機
関における弁の操作のための、カムとカム従動子の本発
明による実施形が記載されている。これによって、今ま
で必要であった長い弁才−バーラップ時間が著しく短く
なるので、機関の効率が良くなる。更に、可燃性混合物
の組成が改善されるので、燃焼ガス中の有害物質量が減
少する。

添付の図を参照して本発明の詳細な説明する。

図において同じ部材には同じ参照番号が付けられている
。

シリンダ１内には主ピストン２が設けられている。この
主ピストンは周知の如くシリンダ１内で往復運動可能で
ある。この主ピストン２はピストンロッド３を介してク
ランク軸４に連結されている。シリンダ１は通常の方法
でクランクケース５に取付けられている。クランク軸４
とは反対の主ピストン２の側においてシリンダ１が補助
ピストン８を備えている。両ピストン２．８の間には燃
焼室６が形成されている。

補助ピストン８はその上面に二叉部材１０を備えている
。仁の二叉部材は補助ピストン８に固定されている。二
叉部材の上方にはカム１１が回転可能に取付けられてい
る。カム１１は軸１２の一部として形成され、この軸は
エンジンケースに支承され、かつ一方の側に歯車１３を
備えている。歯車１３は無端の要素１４、特にチェーン
によって歯車１５に接続されている。

この歯車１５はクランク軸４のジャーナルに連結されて
いる。室７の上側と二叉部材１０の下面の間に設けられ
た圧縮ばね１６は、二叉部材１０とカム１１を常に接触
させる働きをする。

第３図を参照して、第１．２図に示した機関の作動を説
明する。

主ピストン２が補助ピストン８に接触している位置ａか
ら下降することによって、シリンダ室は可燃性混合物を
吸込んで充てんされる。この場合、補助ピストン８はば
ね１６によって上方位置に保持され、それによって二叉
部材１０はカム１１０円筒部分に接している。

次の圧縮行穆では、位置Ｃで示されているように、比較
的に広い圧縮室が生じる。というのは補助ピストン８が
まだ最上位置にあるからである。主ピストン２の次の下
降運動のときに、主ピストンに補助ピストン８が追随す
る。しかし、補助ピストンが主ピストン２よりも速い速
度で移動するので、圧縮室が狭くなる。この位置におい
て、可燃性混合物が点火されて、主ピストンが可燃性混
合物の全爆発圧力により付勢される。この状態でクラン
ク軸４は所望の回転角度を占め、主ピストン２からピス
トンロッド３を経てクランク軸４へ力が伝達される。所
望される場合には、点火装置例えば点火プラグをエンジ
ンに備え付けてもよい。

位置θでは、主ピストン２はその全動作ストロークを移
動し終って下死点にある。この場合補助ピストン８も同
様にその最下位置にある。

次の位置ｆにおいて主ピストンは燃焼したすべてのガス
をシリンダ１から押出す。これは完壁に行われる。とい
うのは、主ピストン２の頂面が補助ピストン８の下面に
接触するからである。

今や次の作動サイクルを開始することができる。

燃焼すべき媒体または燃焼したガスの流入と排出は通常
の方法で行うととができ、本発明の対象ではない。第２
図は、弁１７を付設した吸気口を略示している。この弁
１７は通常の如く、クランク軸４の回転角度に依存して
弁操作機構１８によって操作可能である。

第４図：（は機関の他の実施例が示されている。

この場合、垂直なシリンダ１が往復動する主ピストン２
を備え、この主ピストンはピストンロッド３を介して、
クランクケース５に支承されたクランク軸４と連結され
ている。シリンダ１けその上側が延長している。すなわ
ち、クランク軸と反対のピストン２の側が、室１９だけ
延長している。この室１９の中に補助ピストン８′が往
復動可能に設けられている。補助ピストン８′は同様に
カム１１によって操作可能である。

このカムの回転はクランク軸の回転位置に依存する。カ
ムはロッカーアーム２１の二叉状端部と協働し、その他
端は補助ピストンのピストンピン２２によって担持され
ている。シリンダ１のヘッドは点火装置２０を備えてい
る。この点火装置は点火プラグまたは類似の装置である
。

乙の作動方法は第１．２図の機関の作動方法と実質的に
同じであるが、ピストン８′の直径が小さいのでピスト
ン８′のストロークを幾分長くすべきである。このため
にはロッカーアーム２１の長さを考慮すべきである。

第５．６図は、制御カムと、これと協働する二叉部材１
０を詳細に示している。この両部材は半径方向またはほ
ぼ半径方向に向いた当接面２３゜２４を備えている。こ
の当接面によって、カム１１のその都度の回転速度が前
記の方法を実施するのに必要な態様で、補助ピストン８
に往復運動として伝達されるので、前もって圧縮された
混合物がきわめて迅速に圧縮される。

カム１１が更に回転すると、このカム１１の表面２５は
二叉部材の表面２６に接触する。この場合、表面圧域が
ほぼ円筒状であるので、この接触は大きな面積で行われ
、従って、燃焼または爆発による反作用力が補助ピスト
ンで確実に受止められる。

カム１１が二叉部材の表面２７の方へ更に回転すると、
主ピストンは第３図の位置すから位置Ｃへ移動する。こ
の場合、補助ピストン８が上方へ引込むので、最適の行
程容積が得られる。

上記の本発明による機関およびその作動方法は、微粉炭
の燃焼に非常に適していることが経験によって判明した
。これと同様に、メタンまたけ他のガス状燃料と微粉炭
の混合物を使用する場合にもすぐれた結果が得られる。

本発明による方法を実施する際に、周知の不利なノッキ
ングまたは典型的なディーゼルノッキングを発生しない
で、本発明によるエンジンを上記燃料で運転することが
できる。純粋な微粉炭を燃焼する場合、灰残渣がシリン
ダ内に残らない程度に、微粉炭が完全燃焼することが判
った。

本発明による方法の実施は当然、上記の本発明によるエ
ンジンに限定されない。

例えば、カムと二叉部材の構造的な変形が第７図に示さ
れている。第７図では、傾倒モーノ　。

ントを減少させるために、二叉部材１０の軸が距離２８
だけ当接面２４の方へ側方にずれている。更に、当接面
２へ２４が交換可能な被覆層２ｚ３０の表面として形成
されているので、摩耗が生じたときにも上記被覆層を交
換することができる。

更に、第７図に示すように、例えば交換可能な被覆層３
０の下に弾性的なベース３１を設けることかできる。こ
のペースは摩耗を小さくしかつ衝撃を緩和するものであ
る。勿論、このような弾性ベースを、交換可能な被覆層
２９の下にも設けることができる。

本発明による機関に用いられる本発明による方法によっ
て初めて、粉末状の固体燃料を含む質が異なる燃料を利
用することが可能となり、その際ノッキングが発生せず
、同時に燃焼すべき混合物の点火が最適の圧縮状態でし
かもこの圧縮にとって所望のクランク軸回転角度で行わ
れるので、大きなトルクが得られ、それにも拘らず、上
昇行程時の大きな圧縮作業による出力の損失が回避され
る。というのは、点火のための所望の圧縮が主ピストン
の次の下降行程のときに初めて行われるからである。従
って、本発明による方法に沿って運転される機関は、き
わめて大きなトルクを有する緩速回転の機関であると好
都合である。排気行程のときにシリンダが完全に空にさ
れるので、次の作動行程の際に、有害成分が少ないきれ
いな燃焼が達成される。

従って、本発明の方法に従って運転される機関は作動時
に環境を汚染しない。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による機関の第１の実施例の縦断面図
、第２図は第１図の機関を９０度回転させて切断した縦
断面図、第３図は本発明による機関の個々の方法段階を
示すグラフ、第４図は機関の変形例の第１図と同様な縦
断面図、第５，６図は、カム軸を備えた二叉状カム従動
部材を軸方向に見た図と側面図、第７図は転置した二叉
状軸と変形された半径方向面を有するカム従動部材の第
５図と同様な図である。 １・・・・シリンダ ２・・・・主ピストン ３・・・・ピストンロッド ４・・・・クランク軸 ５・・・・クランクケース ６・・・・燃焼室 ７・・・・室 ８．８′・・・・補助ピストン ９・・・・ピストンリング １０・・−二叉部材 １１・・・・カム １２・・・・軸 １３・・・・歯　車 １４・・−無端要素 １５・・・・歯　車 １６・−・圧縮ばね １７・・・・弁 １８−弁操作機構 １９・・−室 ２０・・・・点火装置 ２１・・−ロッカーアーム ２２・・・・ピストンピン ２へ２４・・−当接面 ２５１２へ２７・・・・表面 ２８・・−距　離 ２ｚ３０・・−交換可能な被覆層 ３１・・−弾性的なベース 第７図 １１ 昭和ｔり年／ρ月　２２日 特許庁長官　志　賀　学　殿 １、事件の表示 昭和９′ニア年特許願第　／２ρρ／７Ｐ号３、補正を
する者 事件との関係　出願人 ４、代理人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　主ピストンがピストンロッドを介してクランク軸
   に連結され、圧縮室の容積が可動の補助ピストンによっ
   て可変であシ、点火の後に膨張相、排気相、吸気相およ
   び圧縮相が続き、そして新たに点火が行われる、内燃機
   関を運転するための四サイクル式作動方法において、排
   気相の終シにおいて、遅くとも主ピストンが上死点に達
   するまでに、圧縮室が補助ピストンによってほとんど零
   になり、かつ次の吸気相で、遅くとも主ピストンが下死
   点に達するまでに、最大になり、次の圧縮相で主ピスト
   ンが上死点にあるときにこの主ピストンが補助ピストン
   と共に圧縮室を取囲み、点火が行われる前に、この圧縮
   室が、次の下降行程で所望のクランク軸回転角度までに
   、所望の大きさまで迅速に縮小されることを特徴とする
   四サイクル式作動方法。 ｚ　主ピストンがピストンロッドを介してクランク軸に
   連結され、圧縮室の容積が可動の補助ピストンによって
   可変であり、点火の後に膨張相、排気相、吸気相および
   圧縮相が続き、そして新たに点火が行われる、内燃機関
   を運転するための四サイクル式作動方法にして、排気相
   の終りにおいて、遅くとも主ピストンが上死点に達する
   までに、圧縮室が補助ピストンによってほとんど零にな
   り、かつ次の吸気相で、遅くとも主ピストンが下死点に
   達するまでに、最大になり、次の圧縮相で主ピストンが
   上死点にあるときにこの主ピストンが補助ピストンと共
   に圧縮室を取囲み、点火が咎われる前に、この圧縮室が
   、次の下降行程で所望のクランク軸回転角度までに、所
   望の大きさまで迅速に縮小される四サイクル式作動方法
   を実施するためのピストン機関であって、実質的に、可
   動の主ピストンを内蔵する少なく共１つのシリンダと、
   クランク軸と、主ピストンとクランク軸の間に設けられ
   たピストンロッドとからなり、クランク軸の状態に応じ
   て機構によって操作される補助ピストンが、クランク軸
   とは反対の主ピストンの側でシリンダの延長部分内に設
   けられ、この主ピストンと補助ピストンの間に燃焼室が
   形成され、この燃焼室が、燃焼媒体または排ガスの供給
   または排出のための吸気口または排気口と連通している
   ピストン機関において、操作機構が、クランク軸（４）
   に対して適当々変速比でこのクランク軸によって駆動さ
   れるカム軸（１１，１２）からなシ、このカム軸が各補
   助ピストンにつき１つのカム（１１）を有し、このカム
   が二叉部材状のカム従動子（１０）と協働し、カム（１
   １）と二叉部材（１０）がほぼ半径方向に延びる当接面
   （２３，２４）を有することを特徴とするピストン機関
   。 五　主ピストン（２）が上死点にあるときもしくはその
   後で互に当接するように、当接面（２３，２４）が設け
   られているととを特徴とする特許請求の範囲第２項記載
   のピストン機関。 ４、　傾倒モーメントを小さくするために、二叉部材（
   １０）の軸が当接面（２４）に対しである用船だけ側方
   へずらして設けられていることを特徴とする特許請求の
   範囲第２項または第３項記載のピストン機関。 ５　当接面（２３，２４）の少なく共一方が変換可能な
   被覆層（２２５０）上に形成されていることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項から第４項までのいずれか１つ
   に記載のピストン機関。 ６、　被覆層（５０）が弾性的なベース（３１）の上に
   設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第５項
   記載のピストン機関。 Ｚ　主ピストンがピストンロッドを介してクランク軸に
   連結され、圧縮室の容積が可動□の補助ピストンによっ
   て可変であり、点火の後に膨張相、排気相、吸気相およ
   び圧縮相が続き、そして新たに点火が行われる、内燃機
   関を運転するための四サイクル式作動方法にして、排気
   相の終りにおいて、遅くとも主ピストンが上死点に達す
   る１でに、圧縮室が補助ピストンによってほとんど零に
   な斡、かつ次の吸気相で、遅くとも主ピストンが下死点
   に達するまでに、最大にカシ、次の圧縮相で主ピストン
   が上死点にあるときにこの主ピストンが補助ピストンと
   共に圧縮室を取囲み、点火が行われる前に、この圧縮室
   が、次の下降行程で所望のクランク軸回転角度までに、
   所望の大きさまで迅速に縮小される四サイクル式作動方
   法を実施するためのピストン機関であって、実質的に、
   可動のピストンを内蔵する少なく共１つのシリンダと、
   クランク軸と、ピストンとクランク軸の間に設けられた
   ピストンロッドと、クランク軸の状態に応じて操作され
   る少なく共１つのカム操作型の弁とから々るピストン機
   関において、カムが弁軸に設けられた二叉部材状のカム
   従動子と協働し、このカムと二叉部材がそれぞれ、はぼ
   半径方向に延びる当接面（２４２４）を有することを特
   徴とするピストン機関。 ａ　ピストン（２）が上死点にあるときもしくはその後
   で互に当接するように、当接面（２３゜２４）が設けら
   れていることを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の
   ピストン機関。 ９、　傾倒モーメントを小さくするために、二叉部材（
   １０）の軸が当接面（２４）に対しである距離だけ側方
   へずらして設けられていることを特徴とする特許請求の
   範囲第７項または第８項記載のピストン機関。 １０、当接面（２３，２４）の少々く共一方が交換可能
   な被覆層（２９，５０）に形成されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第７項から第９項までのいずれか１
   つに記載のピストン機関。 １１、被覆層（３０）が弾性的なベース（３１）の上に
   設けられていることを特徴とする特許請求の範囲第１０
   項記載のピストン機関。