JPS61129401A - 液圧による動力伝達機構を有するフリ−ピストン機関 - 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】 ■　動作原理 往復ピストン機関におい１はピストへの動きを連結棒に
よってクランク軸に伝達する方法が標準的に確立してい
る。

本発明はこの連結棒の代シに液圧を利用して動力を伝達
するフリーピストン機関に関するものである。その原理
は液体の非圧縮性を利用する事によシピストンの往復運
動をクランク軸の回転運動に変換し又はその逆変換を行
うものである。

この往復運動をするピストンはフリーピストンとし、そ
の片側のピストン面は作動液、例えば作動油、１＆：密
封するための７タの役割をする０又後に■で述べるエピ
トロコイド回転ピストンはクランク軸を回転させると擬
似往復運動を行ない、その出入９容積は正弦波的に変化
する。

又このエピトロコイド回転ピストンに圧力がかかると圧
力を減少させる方向にクランク軸は回転する。

今、チューブ状の空間の両開端の片側を回転ピストンで
塞ぎ、他側をフリーピストンで塞ぐことによプできる閉
鎖空間が作動液で満されていると考える。フリーピスト
ンが常に作動液を押しつける様に働き、且つ作動液量が
一定であれば、７リーピストンの往復運動はクランク軸
の回転連動に変換させる事ができる。これは従来の連結
棒と同じ働きである。

■　エピトロコイド回転ピストン クランク軸のクランクピンの回ｂｔ−回転するエピトロ
コイド１臓から成る断面形状を有する回転体１考えると
、クランク軸の回転数とエピトロコイド回転体の回転数
の比、回転方向を位相歯車によっである決まった関係に
保ち、且つエピトロコイド回転体の偏心量とクランクピ
ンの偏心量を等しくすれば、エピトロコイド回転体は回
転ピストンとしての働きをする。第１図は一節エビトロ
コイ上゛回転体をクランク軸のクランクピンに回転可能
に取付けた場合を示し、・印はクランク軸の回転中心、
０印はエピトロコイド回転体の回転中心を示す。又Ｒ％
　のは夫夫エピトロコイドの創成半径、偏位量１示す。

クランク軸が（イ）〜（ホ）のように時計回シに１回転
すると回転体はクランクピンの回９ｔ−２回転反時計方
向に回転する。換言すれば、クランク軸は時計回シに、
エピトロコイド回転体は反時計回シに、同じ童だけ回転
している。この時、エピトロコイド回転体はクランク軸
に対して一樵の往復運動を行っている。このようなエピ
トロコイド回転体も、以下、エピトロコイド回転ピスト
ン又は回転ピストンと称することとする。

この回転ピストンにおけるシール片は、すでに知られで
いるように、回転ピストン上ではなく、それをとシ巻く
ハウジング側に設けられている。

■　位相歯車 上記のように、クランク軸の回転数とエピトロコイド回
転ピストンの回転数を相互に関連させるため、位相歯車
が設けられる。

第２図に示すように、ピッチ円の直径がｄｊの固定した
大歯車（内歯歯車）に対し、ピッチ円の直径が１／２　
ｄｊ　　の小歯車（外歯歯車）を内接回転させた場合、
小歯車にエピトロコイド回転ピストンが連結されている
とすれば、小歯車は第２図（イ）〜（ホ）のように回転
するので、この小歯車の運動は第１図のエピトロコイド
回転ピストンの連動を満足することができる０　（換言
すれば、第２図におけるクランク軸と小歯車の位相関係
は、第１図におけるクランク軸とエピトロコイド回転ピ
ストンの位相関係と全く符号している。）。この場合、
大歯車のピッチ円直径ｄｊと小歯車のピッチ円直径ｄ８
の差は、エピトロコイド回転体の偏心量ｅの２倍となっ
ておシ、またそれが必須の条件でもある。

すなわち、 ｄｊ　−ｄａ　＝　２ｅ　−−−−−−−−−（１）ｄ
ｉ　＝　２ｄｇ　　・・・・・・・・・・・・（２）こ
こに、ｄｓはクランク軸のビンの直径よシ大きくなけれ
ばならないので、下限側の制度があるｏ　ｄａが決まれ
ば、上記の（１）、（２）式から自動的に偏心量ｅも決
まってくる。

しかしながら、このように、ｄｊ、ｄｓおよびｅを決め
た時、以下に述べるようにエピトロコイド回転ピストン
の設計（％に軸方向のロータの厚み）ｆ、制約すること
になって、必らずしも理想的な回転ピストンの寸法が得
られない事が有シ得る。この問題を克服する対策につい
て下記に述べる。

元来、エピトロコイド回転ピストンの排油量或は変位体
積Ｖは、エピトロコイド回転ピストンとシリンダとの間
に２個の作動室が形成される場合、次式で表わされるこ
とが知られている（例えば、Ｒ，Ｆ、アンスゾール著、
大道寺達訳、「入門ロータリー機関設計法」Ｍ６７頁参
照）。゛ ここに　ｅ：偏心量 Ｒ：エピトロコイドの創成半径 Ｂ：軸方向の長さく幅） エピトロコイド回転ピストンが第１図に示す一節エピト
ロコイド回転ピストンである場合は、Ｚ＝２であるから
、（３）式は次のようになる。

Ｖ＝８・ｅ、Ｒ，Ｂ　・・・・・・・・・・（４）した
がって、（４）式において偏心量ｅが決まればトロコイ
ド定数Ｋ（＝Ｒ／ｅ）ｔ−実際上載る値似上にする必要
があるためＲの値も決まってくる。それ故、排油量Ｖが
与えられたとき、Ｂの値が製作上の観点から小さ過ぎる
ことが起シ得る０ この難点を解決するためには、大歯車のピッチ円の直径
ｄｌが小歯車のピッチ円の直径ｄａの必ずしも２倍でな
くても、エピトロコイド回転ピストンが第１図のように
運動することができればよい。このことは、大歯車を固
定とせずにクランク軸に対して成る割合で回転させるこ
とＫよって実現することができる。但しその場合、（１
）式のｄｊ　−ｄａ　＝　２ｅなる関係はどこまでも保
持することが必要である。

そうすると、クランク軸の大きさから小歯車のピッチ円
の直径ｄａｔ−決め、排油量からｅｔ−決めた場合、（
１）式の関係を満足する必要があることから自動的に大
歯車の直決ｄ７が決まつ工くる。

そして、（２）式の関係はもはや成立たないので、第２
図に示す小歯車とクランク軸との関係を保持するため、
大歯車をクランク軸に対してどのような割合で回転させ
たらよいか決めることになる。

以下第３図を参照してその一例を説明する。

例えば、大歯車（内歯歯車）のピッチ円の直径ｄＪと小
歯車のピッチ円の直径ｄｓの比をｄｌ：ｄｓ＝５：４ にした場合、大歯車をクランク軸とは反対方向すなわち
反時計方向にり２ンク軸の回転数の３／４倍の回転数で
回転させることによシｄＪ：ｄｓ＝２：１ とし、且つ大歯車を固定し九場合と同じ結果が得られる
。すなわち、小歯車のピッチ円の円周ｔ−４等分する点
ｔ”Ｐｘ、Ｐ２、Ｐｇ、　Ｐ４とし、大歯車のピッチ円
の円周を５等分する点をＰＢ　Ｐ宜、ＰａＰ：、Ｐ；と
すると、 とｒ）　≦＝）　どｒ）　ζ−）　と−下＝　　ＰｔＰ
ｍ＝　　ＰｍＰｓ＝　　Ｐ３Ｐ４＝　　Ｐ４ＰＩ＝　　
ＰＩＰＩであるから、クランク軸が時計方向に回転する
と、小歯車はクランクピンの回ｂｔ反時計方向に回転す
る。第３図（イ）から（ロ）に移ると、クランク軸は中
心Ｃ“の回プに３６０°÷５＝７２°回転し、小歯車は
クランクビンＣの周シに７２”　−９０”　＝−１８”
、すなわち反時計方向Ｋ　１８”回転する。

クランク軸がさらに回転を続けて一回転したとき、小歯
車は１８”　Ｘ　５　＝　９０”だけ反時計方向に回転
することになる。一方、第１図においては、クランク軸
が１回転すると小歯車は１回転（３６０＠）回転してい
るので、第１図のものにおける両歯車の関係と第３図に
おける両歯車の関係を一致させるためには、第３図の大
歯車をクランク軸が時計方向に１回転する間に大歯車を
反時計方向に２７０’すなわち３／４回転させればよい
ことになる。なお、大小の歯車のピッチ円の直径の比を
上記とは別の値に選んだときは、大歯車を別の割合で回
転させることが必要になる。

このようにして、任意の大小歯車のピッチ円の直径の比
に対し夫々対応する適当な割合で大歯車を回転させるこ
とによシ、第１図のものと同じ結果が得られる。

■　油圧回路 本発明におい又は、往復動するフリービストンとエピト
ロコイド回転ピストンの間に油を充満したチューブ体が
介在し、フリーピストンと回転ピストンの間で動力の授
受をする。このチューブ体およびその両開端をフリーピ
ストン及び回転ビス）ｙで閉じられた空間を「作動油室
」と称することにすると、この「作動油室」は、次の２
点を満足するものでなければならない〇−）　フリーピ
ストンがつねに作動油を押圧するように作用し、油圧が
つねに一定値以上に保たれること。

（ｂ）　　作動油が一定量づつ新しい油と入れ替ること
。

これらの条件は下記の構成から達成することが可能であ
る。すなわち、 （ロ））　フリーピストンの中間胴体部の直径を両端の
ピストン面の直径より細くシ、この中間胴体部が中間壁
の孔を貫通するようにし工油圧シリンダ内壁とフリーピ
ストンの中間胴体部との間に空間を形成し、そこにアキ
ュムレータ等から一定圧力の油圧を供給すれば、フリー
ピストンはつねに作動油を押圧する方向に力を受け、（
ａ）の条件が満足される。この一定圧力の油圧が加わる
Ｘｔ−「一定油圧室」と称することにする０ （ｇ）　　いま、（ｂ）の条件を満足するために「作動
油室」の油をメータリングポンプによって一定量づつ抜
いてゆくとき、フリーピストンの下端は徐々にエピトロ
コイド回転ピストン側に下降してくる。成る限界に達し
たときシリンダに設けた油溝によシ「一定漕圧呈」とｉ
動油室」とを連通させるようにすると、各室の油圧は同
一となり、フリーピストンはガス圧に対抗する圧力を生
じ停止する。そこで一定量の油がフリーピスト点 ンの下間近で「一定油圧室」から「作動油室」に流れ込
み、（ｂ）の条件が満足されるＯＶ　実施例 これまでに述べた機構は広範囲にわたシ既存の往復ピス
トン機−に適用可能でめる０ここでは対向ピストン配置
のニサイクルディーゼル機関に適用した例を取υ上げる
。本来、ニサイクルディーゼル機関は、弁機構を必要と
しない、動バランスが良好である、掃気特性が良い、対
向ピストンの相対的位相を調節することによシ過給が可
能である、等の優れた特徴を有している。一方、欠点と
しては、クランク軸が２本必要であ夛、かつこれを連結
するための歯車列を必要とする事である。しかしこの欠
点もこれまでに述べた本発明の油圧機構を応用すること
により除く事ができる。

以下第４図ないし第７図に示す実施例について説明する
。

シリンダハウジング１０にはシリンダ１２ａ１１２ｂが
嵌合し、給排気孔はそれぞれ掃気管１３、排気管１４に
連通し１いる。シリンダ１２ａ　ｓ　１２ｂの中央部分
は冷却水通路１５によって包囲されると共に、それぞれ
燃料噴射弁１６ａ、１６ｂが設けられた予燃焼室１７ａ
、１７ｂと連通している。

シリンダハウジング１０の上端には中間壁１９ａ１トツ
プハウジング５０およびトップカバー５１が順に設置さ
れている。一方、シリンダＩ・ウジング１０の下端には
中間壁１９ｂおよび出力部ノ・ウジング３０が順に設置
している。これらのトップカバー５１、トップハウジン
グ５０、中間壁１９ａ１シリンダハウジング１０、中間
壁１９ｂ１出力部ハウジング３０は、締付ボルト５３に
よシ一体に結合されている。トップハウジング５０およ
び出力部ハウジング３０には、それぞれシリンダ１２ａ
　、　１２ｂと同心にシリンダ孔５（ｌａ　、　５０ｂ
　、　３０ｍ　、　３０ｂが形成されている。

シリンダ１２ａ、１２ｂ内にはそれぞれフリーピストン
のガス圧を受けるピストン部分１１ａ’、１１ｂ　、　
ｌｌｃ　、　ｌｉｄが、またトップハウジング５０およ
び出力部ハウジング３０のシリンダ５０１Ｌ％５０ｂ　
−３０ｇ　、ａｏｂ内にはそれぞれフリーピストンの油
圧が作用す′るピストン部分１１ａ　％　ｌｌｂ　ｓ分
は中間胴体部１１ａｏ、ｌｌｂｇｓｌｌｃｏ、１１ｄＯ
によって連結され、それぞれフリーピストン１１ａ１１
１ｂ　、　ｌｌｃ　、　ｌｉｄを形成し工いる。

中間壁１９ａ、　１９ｂに”はこれらの中間胴体部１１
ａ０．１１ｂ０．１１ｃ０．１１ｄ０が貫通摺動する孔
が穿設され、漏洩防止のため、０リングが設置されてい
る。

シリンダ３０ａ　、　３０ｂ　、　５０ａ　、　５０ｂ
内の中間胴体部１１ａ０．１１ｂ０．１１ｃ０．１ｌｄ
ｏの周囲は一定油圧室３５ヲ形成し、これらの室３５に
は、アキュームレータ等の一定油圧源に連通ずる油圧供
給口１８からの管路３５“がシリンダハウジング１０ｔ
−上下に走つ工連通している。

出力ハウジング３０には出力軸３１が貫通しこの出力軸
３１のクランク部にエピトロコイド回転ピストン３３ａ
、３３ｂが回転可能に嵌合している。

回転ピストン３３ａはフリーピストンｌｌｂおよびｌｉ
ｄとの間にそれぞれ３４ａ及び３４ｂの作−動油室を形
成する。

１　　　　もう一つの回転ピストン３３ｂはフリーピス
トン１１ａおよびｌｉｅとの間にそれぞれ３４ａ　、　
３４ｄの作動室を形成する。

作動油室３４ａ、３４ｃの油はメータリングポンプ４０
ａによシ油の劣化を防止するため、一定量づつ抜き取ら
れ、作動油室３４ｂ　、　３４ｄもメータリングポンプ
４０ｂにより同様の動作が行なわれる０ メータリングポンプ４０ｍ、４０ｂによって一定量づつ
３４ａ、３４ｂの油を抜いてゆく時、フリーピストンｌ
ｌｂ、ｌｌｄは回転ピストン側に下降してくる。ある限
界に達した時、油の導孔３９ａＪ　５３９ｂｊ／ｌ−通
って油が一定油圧室３Ｓから作動油室３４ａ、３４ｂに
流れ込み、油圧が等しくなつ１、れ油の逆流を防いでい
る。同様の機構はフリーピストン１ｌａｓ　ｌｉｅにも
設けられている。

なお２０＆　、２０ｂ　、　２０ｃ　、　２０ｄはフリ
ーピストンｌｌａ　、　ｌｌｂ　、　ｌｉｅ　、　ｌｉ
ｄ用の機械的ストッパーであ）、フリーピストンがこれ
以上、下がらないようにしている。

メータリングポンプによって抜き取られるフリーピスト
ンの一すイクル当シの油は作動油室の体積に比べるとわ
ずかであるため、−サイクルにおける油量はほぼ一定と
考えることができる。従って、７リーピストンの動きは
回転ピストンの変位、即ちクランク軸の回転に正確に変
換される。回転ピストン３３ａ、３３ｂが過給のための
若干の位相差があるが、はぼ同相に動作すると考えられ
るので、相対するフリーピストン１１ａとｌｌｂは同時
に近づくか、遠ざかるかの動作上する。

回転ピストン３３１１　％　３３　ｂはそれぞれの軸方
向延長部の端部に位相歯車である。小歯車３８ａ。

３８ｂを備え工いる。これらの小歯車３８ａ、　３８ｂ
は出力軸３１に相対回転可能に嵌合した位相歯車（大歯
車）　　３７ａ、　３７ｂにそれぞれ内接噛合している
。大歯車３７ａ、３７ｂはそれぞれ出力軸３１と平行に
設置された補助軸３２に固定された歯車３６ｄ、３６ｅ
と噛合う。補助軸３２に固定された別の歯車３６ｃｔ″
ｊ中間歯車３６ｂを介して出力軸３１上に固定された歯
車３６ａと噛合う。これらの減速歯車は作動油室サイド
カバー４１ａ、　４１ｂ　トｘンドカパ−４２ｍ、４２
ｂの間忙収容される。

歯車の減速比は既に説明した理論に基づいて決める事が
できる。

■　発明の効果 本発明の効果は次のとお）である。

■　Ｖで述べたエンジンは在米の対向ピストン２サイク
ルデイーゼル機関に比べると次の長所がある。（１）ク
ランク軸を２本から１本に減らすことができ、かつり乏
ンク部の変位量がバンケル機関と同じく小さいので表作
上、強度上有利である。（２）在来機関で必要としてい
たクランク軸間の連結歯車が不要である。（３）連結棒
が不要である。（４）回転ピストンの容積変化は正弦波
的であるので、７リピストンの往復運動において、高調
波成分がなくなシ振ｉｔｂが減少する。

■　本発明の動力伝達機構を通常の直列４気筒機関に応
用した場合、１個の回転ピストンにつき、２個の７リー
ピストンが対応するので、シリンダー配置は４直列では
なく、２並列２直列にできる０そのため、出力軸方向の
長さを大幅に減らすことができ、又振動対策上も有利で
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は一節エピトロコイド回転体の作用を説明するた
めの線図的説明図、第２図は内接噛合音する大、小歯車
のピッチ円の比が２＝１であるときの作用を説明するた
めの線図的説明図、第３図は同じく５：４であるときの
作用を説明するための線図的説明図、第４図は本発明の
一実施例である対向ピストン配置二すイクル直線状往復
動機関とエピトロコイド回転ピストンを組合わせた動力
装置の縦断正面図、第５図は第４図のＡ−Ａ’線におけ
る縦断側面図、第６図および第７図はそれぞれ第４図の
Ｂ　−Ｂ’線およびｃ　−ｃ’線における横断面図であ
る。 １０、・・シリンダハウジング １１ａ、１１ｂ、１１ｃ１１１ｄ、・、フリーピストン
１１ａ′、ｌｌｂ’ｘ　ｌｉｅ’、ｌｌｄ’、、、ピス
トンのガス圧をうける部分 １１ａ　ｓ　ｌｌｂ　ｓ　ｌｌｃ　％ｌｉｄ”・・、ピ
ストンの液圧をうける部分 １１ａ、、１ｌｂｏ、１ｌｃｏ、１１ｄＯ、、、連結杆
１２ａ、　１２ｂ　、、、シリンダ　　１３　、、、　
措気管１４・・・排気管　　　　　１５．・・冷却水通
路１６ａ、　１６ｂ　・−燃料噴射弁 １７ａ　、　１７ｂ・・・予燃焼室 １８・・・一定油圧供給口　１９ａ、　１９ｂ・・、中
間壁２０ａ　、　２０ｂ　、　２０ｃ　、　２０ｄ−０
−ストッパー３０、、、出力部ハウジング ３０ａ、　３０ｂ　−−−液圧シリンダ　　３１．、、
出力軸３２、・・補助軸 ３３ａ、　３３ｂ−−−エピトロコイド回転ピストン３
４ａ、　３４ｂ−−、作動油室 ３４ｃ　、　３４ｄ−−−作動油通路　３５．、、一定
油圧室３５、、、一定油圧管路 ３６ａ　、　３６ｂ　、　３６ｃ　、　３６ｄ　−・−
減速雪車３７ａ、３７ｂ・・・位相歯車（大歯車）３８
ａ、　３８ｂ−−１位相歯車（小歯車）３９ａ、　３９
ｂ−−−逆止弁（リード弁）４０ａ、　４０ｂ−−・メ
ータリングポンプ４１ａ、　４１ｂ　、−作動油室サイ
ドカバー４２ａ　％　４２ｂ　、、、　ｘ　ｙドカバー
４３、、、ボルト孔　　　５０．、、）ツブハウジング
５０ａ、５０ｂ・・・シリンダ　５１１．・トップカバ
ー５３・・・締付ボルト

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. シリンダ内に直線状往復動自在に設けられ、一側に燃焼
   又は圧縮によるガス圧力を受けるピストン面を有しそし
   て他側に液圧が作用するピストン面を有するフリーピス
   トンと、クランク軸のクランクピンの周りを回転自在に
   設けられエピトロコイド曲線の輪郭を有する回転ピスト
   ンとを備え、前記フリーピストンの液圧が作用するピス
   トン面と前記回転ピストンとの間に動力伝達を行う作動
   液を密封的に介在させて、フリーピストンの直線往復運
   動とクランク軸の回転運動との間に動力伝達を行なうフ
   リーピストン機関。