7401328 内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-11

(45)【発行日】2023-12-19

(54)【発明の名称】内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02B 75/02 20060101AFI20231212BHJP

   F01N 5/00 20060101ALI20231212BHJP

   F02B 33/22 20060101ALI20231212BHJP

   F16J 1/01 20060101ALI20231212BHJP

【ＦＩ】

F02B75/02 Z

F01N5/00 B

F02B33/22

F16J1/01

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020015064

(22)【出願日】2020-01-31

(65)【公開番号】P2021121737

(43)【公開日】2021-08-26

【審査請求日】2022-11-04

(73)【特許権者】

【識別番号】000002967

【氏名又は名称】ダイハツ工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099966

【弁理士】

【氏名又は名称】西 博幸

(74)【代理人】

【識別番号】100134751

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 隆一

(72)【発明者】

【氏名】藤川 洋之

(72)【発明者】

【氏名】江原 達哉

【審査官】家喜 健太

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１７４２１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第０２１４３３（ＪＰ，Ｃ１）

【文献】特許第１１２２５５（ＪＰ，Ｃ２）

【文献】米国特許出願公開第２００２／００５０２５３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開昭５６－１３１８５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭６３－０６３５３６（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｂ ７５／０２

Ｆ０２Ｂ ３３／２２ ， ４１／００

Ｆ０１Ｎ ５／０２

Ｆ１６Ｊ １／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃焼ガスで駆動されるメインピストンが摺動自在に嵌挿された複数の燃焼用気筒と、前記複数の燃焼用気筒から排出された燃焼ガスで駆動される補助ピストンが嵌挿された１つの補助気筒とを備えており、前記メインピストンと補助ピストンとは往復動の位相が１８０°相違している構成であって、
前記メインピストンはアルミ又は他の軽合金製である一方、
前記補助ピストンは、全体が前記メインピストンよりも比重が大きい金属から成っていて、頂面の側に位置してシールリングを介して前記補助気筒と摺接する大径部と、前記補助気筒との間に空間が空いた肉盗み部とで構成されており、前記肉盗み部にピストンピンが配置されている、
内燃機関。

【請求項2】

前記メインピストンには前記燃焼用気筒に摺接する複数本のシールリングが装着されており、前記メインピストンに装着されたシールリングの本数よりも前記補助ピストンに装着されたシールリングの本数が少なくなっている、
請求項１に記載した内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃焼用気筒の他にエネルギ回収用の補助気筒を有する内燃機関に関するものである。

【背景技術】

【0002】

レシプロ式内燃機関において、ピストンは燃焼ガスによって上死点から下死点に向けて移動するが、ピストンが下死点まで移行し切った状態でも燃焼ガスは正圧を保っており、このため、エネルギが無駄に捨てられている。そこで、燃焼用気筒の他にエネルギ回収用の補助気筒を設けて、燃焼用気筒が排気行程のときに燃焼ガスを補助気筒に移動させて、補助気筒に嵌まった補助ピストンを燃焼ガスで駆動することが提案されている。

【0003】

この内燃機関は、燃焼用気筒の４つの行程に加えて補助気筒による動力取り出しの行程が付加されることから、５ストローク内燃機関又は５サイクル内燃機関とも呼ばれている。

【0004】

この５ストローク内燃機関の例としては、例えば特許文献１，２がある。このうち特許文献１には、２つの燃焼用気筒と１つの補助気筒とを直列に配置して、両燃焼用気筒のメインピストンと補助気筒の補助ピストンとがそれぞれ連接棒を介してクランク軸に連結された構成が開示されている。他方、特許文献２には、補助気筒を燃焼用気筒の列からずらして配置しつつ、メインピストンと補助ピストンとを共通のクランク軸に連結した構造が開示されている。

【0005】

いずれにしても、２つの燃焼用気筒は３６０°間隔で駆動する必要があるため、２つの燃焼用気筒のピストンは同期して往復動しており、メインピストンと補助ピストンとは、位相がクランク角において１８０度相違している。従って、クランク軸の回転バランスをとるために、補助ピストンの質量は２個のメインピストンの総和と同じ質量になっている。すなわち、補助ピストンは、メインピストンの質量の２倍の質量になっている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】実公昭１７－８０９号公報

【文献】特開２０１３－１７４２１５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

５ストローク内燃機関において、補助ピストンの質量をメインピストンの質量の２倍に設定することは不可避であるが、補助ピストンの質量が増大すると体積が大きくなって軸方向の長さも長くなるため、補助ピストンのスカート部が補助気筒の内周面に接触しやすくなってフリクションが増大し、エネルギ回収効率を低下させてしまうことが懸念される。

【0008】

内燃機関において、ピストンの外径をシリンダボアの内径よりも若干小径に設定して、クリアランスはピストンリング及びオイルリングで調整しているが、補助気筒には高い燃焼圧が作用することがないため、補助ピストンと補助気筒とのクリアランスはできるだけ小さくして燃焼ガスの漏洩を阻止するのが好ましいと云えるが、補助ピストンと補助気筒との間のクリアランスを小さくすると、補助ピストンと補助気筒とが摺動（接触）しやすくなるため、フリクションが増大しやすくなると云える。

【0009】

本願発明はこのような現状を背景に成されたものであり、構造を複雑化することなく補助ピストンの摺動抵抗を低減してエネルギ回収効率を向上させようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本願発明の内燃機関は、
「燃焼ガスで駆動されるメインピストンが摺動自在に嵌挿された複数の燃焼用気筒と、前記複数の燃焼用気筒から排出された燃焼ガスで駆動される補助ピストンが嵌挿された１つの補助気筒とを備えており、前記メインピストンと補助ピストンとは往復動の位相が１８０°相違している」
という構成において、
「前記メインピストンはアルミ又は他の軽合金製である一方、
前記補助ピストンは、全体が前記メインピストンよりも比重が大きい金属から成っていて、頂面の側に位置してシールリングを介して前記補助気筒と摺接する大径部と、前記補助気筒との間に空間が空いた肉盗み部とで構成されており、前記肉盗み部にピストンピンが配置されている」
という構成になっている。

【0011】

本願発明において、補助ピストンは、その全体を鋳鉄製とすることができる。
また、請求項２のように、
「前記メインピストンには前記燃焼用気筒に摺接する複数本のシールリングが装着されており、前記メインピストンに装着されたシールリングの本数よりも前記補助ピストンに装着されたシールリングの本数が少なくなっている」
という構成を採用できる。
メインピストンには３本又は２本のリングを嵌着していることが殆どであるが、補助ピストンのリングは１本のみでも足りる。

【発明の効果】

【0012】

本発明では、補助ピストンはメインピストンよりも比重が大きいため、従来よりも体積を減少させつつ必要な質量を確保できる。従って、シリンダボア（補助気筒）との摺動面の軸方向長さ（上下幅）を短くして、ピストンとシリンダボアとのフリクション（摺動抵抗）を抑制できる。これにより、メカロスを低減してエネルギ回収効率を向上でき、延いては燃費の向上に貢献できる。

【0013】

特に、補助ピストンを鋳鉄製とすると、製造は簡単であるため、コストアップを防止又は大きく抑制できて好適である（素材価格から見ると鉄はアルミより安価であることが普通であるため、コストを低減できる可能性もある。）。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態を示す図で、（Ａ）は模式的な平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ視断面図である。

【図2】図１のII-II視断面図である。

【図3】図１のIII-III視断面図である。

【図4】図１のIV-IV視断面図である。

【図5】各気筒の行程を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

(1).実施形態の構造
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、内燃機関は、シリンダブロック１とシリンダヘッド２とを主要要素とする機関本体を備えており、機関本体には、第１及び第２の燃焼用気筒３，４と、両者の間に挟まれた１つの補助気筒５とが直列に形成されている。

【0016】

各気筒３，４，５は、シリンダブロック１に形成されたシリンダボア６，７と、シリンダヘッド２に形成されたペントルーフ形凹所８，９とを有しており、燃焼用気筒３，４にはメインピストン１０が摺動自在に嵌め入れられて、補助気筒５には補助ピストン１１が摺動自在に嵌め入れられている。各ピストン１０，１１は、コンロッド１２を介して１本のクランク軸１３に連結されている。

【0017】

念のために述べると、コンロッド１２の小端部はピストン１０，１１にピストンピン１４を介して連結されて、コンロッド１２の大端部はクランクアーム１５にクランクピン１６を介して連結されている。また、クランク軸１３の各ジャーナル部１７は、クランクキャップ１８を介してシリンダブロック１に回転自在に保持されている。

【0018】

補助気筒５の容積は燃焼用気筒３，４の容積の約２倍になっている。従って、補助気筒５の内径は、燃焼用気筒３，４の内径の約１．２５倍になっている。また、２個のメインピストン１０は同期して上下動している一方、補助ピストン１１の位相はメインピストン１０の位相と１８０°ずれている。また、２個のメインピストン１０の質量の総和と１個の補助ピストン１１の質量とは一致している。これにより、クランク軸１３の回転バランスが取られている。

【0019】

メインピストン１０はアルミを材料にした鋳造品又はダイキャスト品であり、外周面のうち頂面側の部位に３本のシールリング（ピストンリング、オイルリング）が嵌め込まれている。他方、補助ピストン１１は鋳鉄製であり、頂面と反対側の部位に大きな肉盗み部１１ａを形成することにより、シリンダボア７と近接した大径部（摺動部）１１ｂを頂面側に寄せて形成し、かつ、大径部１１ｂに、ピストンリングとオイルリングを兼用した１本のシールリング１１ｃを嵌め込んでいる（シールリング１１ｃは２本あってもよい。）。

【0020】

従って、大径部１１ｂの上下幅（厚さ）Ｅは、補助ピストン１１の軸方向長さの数分の１になっている。また、補助ピストン１１には、燃焼による圧力は作用しないので、大径部１１ｂとシリンダボア７との間のクリアランスを極く僅かな寸法に設定してシール性を確保している。なお、シールリング１１ｃは、シール性の点からは、補助ピストン１１の軸方向から見て継ぎ目部分が重なっているタイプが好ましい。

【0021】

鉄の比重はアルミの比重の約２．９倍あるので、補助ピストン１１を鋳鉄製とすることにより、補助ピストン１１は必要な質量を確保しつつ体積を約１／３近くに低減できる。従って、補助ピストン１１は、大径部１１ｂの外径をできる限り大きくすると共に上下幅Ｅを可能な限り小さくしつつ、１本のシールリング１１ｃでしっかりとシールできる。これにより、大径部１１ｂがシリンダボア７に接触することを防止して摺動抵抗（フリクション）を大幅に抑制できる。

【0022】

実施形態のように、大径部１１ｂに１本だけのシールリング１１ｃを嵌着すると、シリンダボア７との接触面積が小さくなるため、摺動抵抗の抑制効果を更に向上できる。

【0023】

(2).動力取り出し構造
次に、燃焼用気筒３，４と補助気筒５との関連を、念のために説明しておく。図１（Ａ）に示すように、シリンダヘッド２のうち燃焼用気筒３，４の箇所には、クランク軸線方向（気筒列方向）の長手中心線Ｏ１を挟んで吸気側面２ａの側に位置した２つの吸気ポート２０と、長手中心線Ｏ１を挟んで排気側面２ｂの側に位置した１つの排気ポート２１とが開口している。吸気ポート２０の始端はシリンダヘッド２の吸気側面に開口しており、吸気マニホールド（図示せず）から吸気が供給される。

【0024】

燃焼用気筒３，４の排気ポート２１は、長手中心線Ｏ１と直交した短手中心線Ｏ２を挟んで補助気筒５の側に寄せて配置されている。正確に述べると、排気ポート２１は、長手中心線Ｏ１と短手中心線Ｏ２とで区画される４つのエリアのうち、補助気筒５に寄ると共に排気側に寄ったエリアに開口している。

【0025】

補助気筒５には、第１燃焼用気筒３の排気ポート２１から燃焼ガスが送られる第１流入ポート２２と、第２燃焼用気筒４の排気ポート２１から燃焼ガスが送られる第２流入ポート２３とが開口している。

【0026】

第１流入ポート２２は、平面視において、長手中心線Ｏ１を挟んで排気側面２ｂの側でかつ短手中心線Ｏ２を挟んで第１燃焼用気筒３に寄った部位に開口しており、第２流入ポート２３は、平面視において、長手中心線Ｏ１を挟んで排気側面２ｂの側でかつ短手中心線Ｏ２を挟んで第２燃焼用気筒４に寄った部位に開口している。そして、第１燃焼用気筒３の排気ポート２１と補助気筒５の第１流入ポート２２、及び、第２燃焼用気筒４の排気ポート２１と補助気筒５の第２流入ポート２３とは、それぞれ縦断側面視で弓形に湾曲した取り込み通路２４（図４参照）を介して連通している（図４参照）。

【0027】

また、補助気筒５には、燃焼ガスを排出する第１及び第２の２つの排出ポート２５，２６が形成されている。２つの排出ポート２５，２６は、長手中心線Ｏ１を挟んだ両側でかつ短手中心線Ｏ２上に位置するように形成されている。また、吸気側面２ａの側に位置した第１排出ポート２５は、排気側面２ｂの側に位置した第２排出ポート２６よりも大径になっている。これは、排気側面２ｂの側には２つの流入ポート２２，２３があって、第２排出ポート２６はスペースが制約されているからである。排出ポートは、例えば補助気筒５の軸心のあたりに１箇所だけ形成することも可能である。

【0028】

各ポート２０，２１，２２・・・はバルブで開閉される。図２では、第１燃焼用気筒３における吸気ポート２０と排気ポート２１との開閉構造を表示している。すなわち、通常の内燃機関と同様に、吸気ポート２０は、吸気用カム軸２７で駆動される吸気バルブ２８で開閉され、排気ポート２１は、排気用カム軸２９で駆動される排気バルブ３０で開閉される。バルブ２８，３０はスリーブ（バルブガイド）３１にスライド自在に嵌まっており、ばね３２によって閉じ方向に付勢されている。

【0029】

なお、図２，３において、カム軸２７，２９は円形に簡略表示しているが、実際にはカム部が形成されている。また、カム軸２７，２９はカムキャップによって回転自在に保持されているが、これも省略している。更に、吸気ポート２０にはインジェクタが臨んでいるが、図では省略している。図１（Ｂ）に示すように、燃焼用気筒３，４における凹所８の頂部には点火プラグ３３が露出している。

【0030】

図３において、補助気筒５における排出ポート２５，２６の開閉構造を表示している。両排出ポート２５，２６は、短手中心線Ｏ２の方向に延びる１つの排出通路３４に集合しており、出通路３４はシリンダヘッド２の排気側面２ｂに開口している。

【0031】

そして、第１排出ポート２５は、吸気用カム軸２７で駆動される第１排出バルブ３５によって開閉操作されて、第２排出ポート２６は、排気用カム軸２９で駆動される第２排出バルブ３６で開閉操作される。この場合、第２排出ポート２６の上方に排出通路３４があって第２排出バルブ３６の露出長さが長いため、スリーブ３１の嵌め代を確保するため、シリンダヘッド２に筒状の上向きボス３７を形成している。

【0032】

補助気筒５の流入ポート２２，２３は、図４に示す流入バルブ３８によって開閉される。流入バルブ３８は排気弁用カム軸２９によって駆動される。図２，３に示すように、シリンダヘッド２には冷却水ジャケット３９を形成している。

【0033】

各気筒３，４，５の動きは従来と同様であり、図５に示すように、第１燃焼用気筒３と第２燃焼用気筒４とは、位相を３６０°ずらした状態で４つの行程が行われる一方、補助気筒５には、第１燃焼用気筒３と第２燃焼用気筒４とから３６０°間隔で燃焼ガスが交互に供給されて、燃焼ガスは３６０°間隔で排出される。従って、流入バルブ３８及び排出バルブ３６，３５を駆動するカムは、カム軸２７，２９に、軸心を挟んだ両側に一対ずつ形成されている。

【0034】

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、補助ピストンにはメインピストンに対するような圧力と熱は作用しないことから単純な構造でもよいため、鍛造品も使用可能である。防錆等の点から、アルミに鉄材を鋳込むといったことも可能である。内燃機関の全体構造としては、２つの燃焼用気筒と１つの補助気筒とを１つのユニットとして、複数のユニットを直列配置した形態を採用することもできる。

【産業上の利用可能性】

【0035】

本願発明は、エネルギ回収用補助気筒を備えた内燃機関（５ストローク内燃機関）に具体化できる。従って、産業上利用できる。

【符号の説明】

【0036】

１ シンリダブロック
２ シリンダヘッド
３ 第１燃焼用気筒
４ 第２燃焼用気筒
５ 補助気筒
６，７ シリンダボア
１０ メインピストン
１１ 補助ピストン
１１ａ 肉盗み部
１１ｂ 大径部（摺動部）
１１ｃ シールリング
１３ クランク軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】