JP2006200375A - ２サイクル内燃機関のクランク機構 - Google Patents

Abstract

【課題】機関の全長を長くすることなく十分なピストンストロークを確保することができる２サイクル内燃機関のクランク機構を提供する。
【解決手段】シリンダ１２の側面に形成された掃気ポート１１と、シリンダ内を往復動し、下死点付近で掃気ポート１１を開口するピストン１５と、ピストン１５の往復運動を回転運動に変換するクランクシャフト９とを備え、クランクシャフト９のクランクジャーナル９ａは、ピストンピン中心の往復軌跡線８に対して偏倚し、掃気ポート１１は、ピストンピン中心の往復軌跡線８を挟んでクランクジャーナル９ａに対して反対側のシリンダ側面に形成され、ピストン１５は、上死点付近においても掃気ポート１１を閉塞可能に延設されたピストンスカート１５ａを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は２サイクル内燃機関のクランク機構に関する。

従来の２サイクル内燃機関のクランク機構としては例えば特許文献１がある。このクランク機構について図１２を参照して説明する。

この２サイクル内燃機関は、シリンダ１２内を往復動するピストン１５と、このピストン１５にコネクティングロッド２４を介して連結され、ピストン１５の往復運動を回転運動に変換するクランクシャフト９とを含むクランク機構を有する。

ピストン１５の冠面の上方には排気バルブが配置されている。

シリンダ１２の側面には掃気ポート１１が形成されている。掃気ポート１１はピストン１５の側面によって開閉する。掃気ポート１１は、ピストン１５の上昇時に閉じ、ピストン１５の下降時に開く。シリンダ１２の中心線８は、クランクシャフト９のクランクジャーナル９ａの中心を通る。
特開昭５８−１７２４１４号公報

ところで、このような従来の２サイクル内燃機関のクランク機構においては、掃気ポート１１をピストン１２の側面によって開閉するために、ピストン１５のスカート１５ａを延長する必要がある。

しかし、ピストン１５の下方にはクランクシャフト９のカウンタウエイト９ｃが通過するので、その延長したスカート１５ａの下端とカウンタウエイト９ｃとの干渉を避けるとともに、十分なピストンストロークを確保するには、クランクシャフト９のクランクジャーナル９ａから、シリンダ１２の上端面までの高さを拡大する必要があり、内燃機関の全長が拡大してしまう。

特に、図１３に示すように、シリンダ１２の中心線８が、クランクシャフト９のクランクジャーナル９ａの中心からオフセットしたタイプでは、延長したいピストンスカートとシリンダ下端はクランクシャフトのさらに、真上に配置されてしまうために、ますますクランクシャフトとその延長部位との干渉が拡大してしまい、この干渉を回避するために、内燃機関全高がさらに拡大される。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、機関の全長を長くすることなく十分なピストンストロークを確保することができる２サイクル内燃機関のクランク機構を提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、シリンダ（１２）の側面に形成された掃気ポート（１１）と、シリンダ内を往復動し、下死点付近で前記掃気ポート（１１）を開口するピストン（１５）と、前記ピストン（１５）の往復運動を回転運動に変換するクランクシャフト（９）とを備え、前記クランクシャフト（９）のクランクジャーナル（９ａ）は、ピストンピン中心の往復軌跡線（８）に対して偏倚し、前記掃気ポート（１１）は、前記ピストンピン中心の往復軌跡線（８）を挟んで前記クランクジャーナル（９ａ）に対して反対側のシリンダ側面に形成され、前記ピストン（１５）は、上死点付近においても前記掃気ポート（１１）を閉塞可能に延設されたピストンスカート（１５ａ）を有することを特徴とする。

本発明によれば、クランクシャフトのクランクジャーナルをピストンピン中心の往復軌跡線に対して偏倚させ、掃気ポートをピストンピン中心の往復軌跡線を挟んでクランクジャーナルに対して反対側のシリンダ側面に形成し、上死点付近においても掃気ポートを閉塞可能に延設されたピストンスカートをピストンに形成した。このような構成にしたので、ピストン下端がカウンタウエイトに干渉しにくくなり、上死点の位置を上げることなく、下死点の位置を下げることができるので、機関の全長を長くすることなく十分なピストンストロークを確保することができる。

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第１実施形態を示す図である。図１（Ａ）は下死点付近の状態を示し、図１（Ｂ）は上死点付近の状態を示す。

本実施形態では、複リンク式ピストンストローク機構を使用する。

この複リンク式ピストンストローク機構では、ピストン１５とクランクシャフト９がアッパリンク（第１リンク）３、ロアリンク（第２リンク）４の２つのリンクを介して連結され、さらにこのロアリンク４には、その挙動を制約するコントロールリンク（第３リンク）１６が連結されている。

クランクシャフト９は、複数のクランクジャーナル９ａとクランクピン９ｂとを有する。クランクジャーナル９ａは、シリンダブロックの主軸受に回転自在に支持される。クランクピン９ｂは、クランクジャーナル９ａから所定量偏心しており、ここにロアリンク４が回転自在に連結されている。ロアリンク４は、二部材に分割可能に構成されているとともに、略中央の連結孔にクランクピン９ｂが嵌合している。

アッパリンク３は、下端側がアッパピン５によってロアリンク４の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン１によりピストン１５に回動可能に連結されている。ピストン１５は、燃焼圧力を受け、シリンダ１２内を往復軌跡線８方向に往復動（上下動）する。

コントロールリンク１６は、上端側がコントロールピン６によってロアリンク４の他端に回動可能に連結され、下端側がコントロールシャフト７を中心として回動可能になっている。

ピストンピン１の往復軌跡線８に対してクランクジャーナル９ａと反対側のシリンダ１２の側面には、掃気ポート１１が形成されている。また掃気ポート１１には、吸気管２０を介して外気を圧送するブロア２３が配置されている。

またピストン１５と内燃機関本体によって形成される燃焼室内へ直接に燃料噴霧を噴射する噴射弁１７を有する。

ブロア２３によって圧送された空気は、ピストン１５が下死点付近にあるときに開口する掃気ポート１１からシリンダ１２内に供給され、噴射弁１７から噴射された燃料と混合する（図１（Ａ））。掃気ポート１１は、ピストンが上死点付近にあるときにはピストン１５のピストンスカート１５ａによって閉塞されており、この状態で点火される（図１（Ｂ））。

図２は図１のリンクを線分で省略表示した図である。図２（Ａ）は図１（Ａ）に対応し、図２（Ｂ）は図１（Ｂ）に対応する。

アッパピン５の中心とピストンピン１の中心を結ぶ直線３と、ピストンピン１の中心の往復軌跡線８とがなす角は、アッパピン５の中心とクランクピン９ｂの中心を結ぶ直線４と、ピストンピン１の中心の往復軌跡線８がなす角よりも常に小さい。さらに、アッパピン５の中心の運動軌跡とピストンピン１の中心の往復軌跡線８が交差している。これに加えて、シリンダ１２の側面に設けられた掃気ポート１１に面したピストンスカート１５ａが、その反対側のピストンスカート１５ｂよりも延長されており、かつこれに対応して、延長されたピストンスカート１５ａが摺接する側のシリンダ１２の下端が、反対側に比べて延長されている。また、上死点後の膨張行程において、アッパピン５は、ピストンピン１の中心の往復軌跡線８に対して掃気ポート１１と反対側に位置している。

本実施形態によれば以下の効果が得られる。

本実施形態では、クランクシャフト９はシリンダ１２の直下（ピストンピン１の往復軌跡線８）よりも、右方向にオフセットして配置されている。したがって、クランクシャフト９から遠い側のシリンダ１２の下方には、カウンタウエイト９ｃとの干渉が生じないスペースが拡大し、シリンダ１２の下端を延設することができる。またピストンスカート１５ａを延設することができる。このようにクランクシャフト９をシリンダ１２の直下よりもオフセットした位置に配置することで、クランクジャーナル９ａからシリンダ１２の上端面までの高さを拡大させず、シリンダブロック高さを上昇させることなく、延長したスカート１５ａの下端とカウンタウエイト９ｃとの干渉を避けるとともに、十分なピストンストロークを確保することができる。

またシリンダ１２の下端が延設されているので、下死点付近であってもピストンスカート１５ａがシリンダ１２にガイドされている。したがって、下死点付近であってもピストンスカート１５ａのシリンダ１２からの露出量が少ないので、ピストン１５がシリンダ１２内で姿勢が乱れて、ピストンスカート１５ａの表面がシリンダ１２の下端で削り取られてしまって、シリンダ１２とピストンスカート１５ａの間の潤滑状態が悪化してしまうことが防止される。

また図２（Ｂ）に示すようにクランクシャフト９が右回転するときは、ピストン１５が往復軌跡線８に沿って上下動するのに対して、アッパピン５は、図２（Ｂ）の矢印Ａ方向に回転する。上死点後の膨張行程では、図２（Ｂ）に示すように、アッパピン５の中心は、ピストンピン１の中心の往復軌跡線８よりも右側（掃気ポート１１と反対側）にある。したがって、膨張行程でピストン１５が下方に移動すると、アッパピン５は往復軌跡線８よりも右方向を移動し、その反力によってピストン１５は、シリンダ１２の左方向の内壁に押し付けられることとなる。

本実施形態では、クランクシャフト９の中心と反対側のシリンダ１２内壁に掃気ポート１１を形成してあるので、ピストンスカート１５ａによって掃気ポート１１の高いシール性を得ることができる。

また、この膨張行程において作用するピストンサイドスラスト荷重を延長したピストンスカート１５ａで受けることとなる。ピストンスカート１５ａが延設されているので、受圧面積が拡大し、ピストンスカート１５ａの荷重面圧が低減し、ピストンスカート１５ａの耐荷重性を向上させることができる。

一方、図３に示すようにクランクシャフト９が左回転するときは、ピストン１５が往復軌跡線８に沿って上下動するのに対して、アッパピン５は、図３の矢印Ｂ方向に回転する。このようなときは、上死点後の膨張行程において、ピストンピン１の中心の往復軌跡線８に対して、アッパピン５の中心は掃気ポート１１と同じ側に位置している。したがって、最もシリンダ１２にピストン１５が押し付けられる膨張行程において、ピストンスカート１５ａの掃気ポート１１に対する接触圧を低減することができる。

この場合は、ピストン１５のシリンダ１２に対する組み込みクリアランスが小さく、運転時のような温度上昇時においてピストン１５とシリンダ１２との熱膨張差により、両者間のクリアランスが縮小するので、掃気ポート１１の口元部がピストンスカート１５ａをかじり易いような設定の内燃機関においても、ピストンスカート１５ａと掃気ポート１１との口元部分の潤滑状態を良好に保つことができる。

（第２実施形態）
図４は、本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第２実施形態を示す図である。

本実施形態では、ピストンピン１の中心の往復軌跡線８に対するクランクシャフト９の右方向オフセット量をさらに拡大し、アッパピン５の運動軌跡のすべてが、往復軌跡線８よりも右側になるようにした。

このようなクランク機構では、クランクシャフト９が右回転するときであっても（図４（Ａ））、左回転するときであっても（図４（Ｂ））、アッパピン５の運動軌跡のすべてが、往復軌跡線８に対して掃気ポート１１と反対側に位置する。

２サイクル内燃機関ではピストンに常に下向きの荷重が作用する。すなわち、ピストン下死点付近では、ピストン１５に対して下向きの慣性力が作用する。ピストン上昇時及び上死点付近ではガス圧縮による反力をピストン１５の冠面に対して下向きに受ける。ピストン下降時には、燃焼ガスの爆発圧力をピストン１５の冠面に対して下向きに受ける。このようにピストンに常に下向きの荷重が作用する２サイクル内燃機関において、アッパピン５の運動軌跡のすべてが往復軌跡線８の右側になるようにすることで、ピストン１５の左外周面がシリンダ１２の左内周面に摺接することとなる。

そして掃気ポート１１をピストン１５の上下動で開閉するためにピストンスカート１５ａを延長しているので、ピストンスカート１５ａの受圧面積が拡大する。このようなピストンスカート１５ａがシリンダ１２に摺接するので、ピストン側面に作用するピストンサイドスラスト荷重は、ピストンスカート１５ａで常に受けられることとなる。これにより、ピストン側面の潤滑状態を向上させることができる。さらに、常にピストンスカート１５ａとシリンダ１２とが常に接触するので、全行程を通して、掃気ポート１１をピストンスカート１５ａで確実にシールすることが可能である。

（第３実施形態）
図５は、本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第３実施形態を示す図である。

本実施形態では、ピストンピン１の中心の往復軌跡線８に対するクランクシャフト９の右方向オフセット量を縮小し、アッパピン５の運動軌跡のすべてが往復軌跡線８よりも左側になるようにした。

このようにした場合には、ピストン１５の右側ピストンスカート１５ｂがシリンダ１２と常に摺接する。ピストン１５のシリンダ１２に対する組み込みクリアランスが小さく、運転時のような温度上昇時にピストン１５とシリンダ１２との熱膨張差により、両者間のクリアランスが縮小し、掃気ポート１１の口元部でピストンスカート１５ａをかじり易いような設定の内燃機関においても、ピストンスカート１５ａと掃気ポート１１との口元部分の潤滑状態を良好に保つことができる。

（第４実施形態）
図６及び図７は、本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第４実施形態を示す図である。

本実施形態のコントロールリンク１６は、コントロールシャフト７の偏心軸部７ａに連結されている。コントロールシャフト７が回転すると偏心軸部７ａが上下動し、それにともないコントロールリンク１６が上下動して揺動中心が変えられる。このようにコントロールリンク１６の揺動中心を変えることで、内燃機関圧縮比を変更することができるとともに、掃気ポート１１の開口面積をも変化させることができる。

低負荷運転時には図６に示すようにコントロールシャフト７を回転して上死点時のピストン高さが高い高圧縮比状態にする。なお図６（Ａ）はそのときの下死点付近の状態を示す図であり、図６（Ｂ）は上死点付近の状態を示す図である。このように上死点付近ではピストンを高位置にして機関圧縮比を高めて熱効率を高められるとともに、下死点付近では、掃気ポート１１の開口面積が狭められるので、吸入される空気量を制限し、かつシリンダ内に残留ガスを多く残すことができる。したがって、内燃機関のポンプロスを低減することができ、燃費も向上する。

高負荷運転時には図７に示すようにコントロールシャフト７を回転して上死点時のピストン高さが低い低圧縮比状態にする。なお図７（Ａ）はそのときの下死点付近の状態を示す図であり、図７（Ｂ）は上死点付近の状態を示す図である。このように上死点付近ではピストンを低位置にして機関圧縮比を低めてノッキングの発生を防止できるとともに、下死点付近では、掃気ポート１１の開口面積が拡大するので、吸入される空気量を増大させることができ、機関出力を増大させることができる。

（第５実施形態）
図８は、本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第５実施形態を示す図である。

本実施形態では、クランクシャフト９のカウンタウエイト９ｃの回転最外径軌跡の内側までピストンピン１が下降するようにした（図８（Ａ））。これにより、十分にピストンストロークを確保でき、膨張比を大きくすることができ、機関効率を向上させることができる。

（第６実施形態）
図９は、本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第６実施形態を示す図である。

本実施形態では、掃気ポート１１の上流にクランクケース１９を配置し、クランクシャフト９の回転によって吸気をシリンダ１２内へ圧送する。

このような構成にすればブロアが不要であるので、コスト、機関サイズを低減できる。

（第７実施形態）
図１０は、本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第７実施形態を示す図である。

本実施形態では、噴射弁１７が掃気ポート１１の入り口付近の吸気管２０に配置されており、吸気管２０内へ燃料噴霧を噴射する。

この場合は、燃料を高圧の燃焼室内に噴射しないので、噴射弁１７を低圧仕様のものを使用することができる。

（第８実施形態）
図１１は、本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第８実施形態を示す図である。

本実施形態では、ピストンピン１とクランクピン９ｂをコネクティングロッド２４で連係している。

この場合は、構造が簡素であり、生産性に優れる。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第１実施形態を示す図である。 図１のリンクを線分で省略表示した図である。 クランクシャフトが左回転するときを示した図である。 本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第２実施形態を示す図である。 本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第３実施形態を示す図である。 本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第４実施形態の高圧縮比状態を示す図である。 本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第４実施形態の低圧縮比状態を示す図である。 本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第５実施形態を示す図である。 本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第６実施形態を示す図である。 本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第７実施形態を示す図である。 本発明による２サイクル内燃機関のクランク機構の第８実施形態を示す図である。 従来の２サイクル内燃機関のクランク機構を示す図である。 従来のオフセットタイプの２サイクル内燃機関のクランク機構を示す図である。

符号の説明

１ ピストンピン
３ アッパリンク（第１リンク）
４ ロアリンク（第２リンク）
５ アッパピン
６ コントロールピン
７ コントロールシャフト
８ 往復軌跡線
９ クランクシャフト
９ａ クランクジャーナル
９ｂ クランクピン
９ｃ カウンタウエイト
１１ 掃気ポート
１２ シリンダ
１５ ピストン
１５ａ ピストンスカート
１６ コントロールリンク（第３リンク）
１７ 噴射弁
１９ クランクケース
２０ 吸気管

Claims (15)

1. シリンダ側面に形成された掃気ポートと、
   シリンダ内を往復動し、下死点付近で前記掃気ポートを開口するピストンと、
   前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトと、
   を備え、
   前記クランクシャフトのクランクジャーナルは、ピストンピン中心の往復軌跡線に対して偏倚し、
   前記掃気ポートは、前記ピストンピン中心の往復軌跡線を挟んで前記クランクジャーナルに対して反対側のシリンダ側面に形成され、
   前記ピストンは、上死点付近においても前記掃気ポートを閉塞可能に延設されたピストンスカートを有する、
   ことを特徴とする２サイクル内燃機関のクランク機構。
2. 前記ピストンに揺動自由に連結する第１リンクと、
   前記第１リンクにアッパピンによって回動自由に連結されるとともに、前記クランクシャフトのクランクピンに回転自由に装着された第２リンクと、
   を備え、
   前記アッパピンの中心と前記ピストンピンの中心と結ぶ直線と、前記ピストンピン中心の往復軌跡線とがなす角は、前記アッパピンの中心と前記クランクピンの中心とを結ぶ直線と、前記ピストンピン中心の往復軌跡線とがなす角よりも常に小さい、
   ことを特徴とする請求項１に記載の２サイクル内燃機関のクランク機構。
3. 前記ピストンに揺動自由に連結する第１リンクと、
   前記第１リンクにアッパピンによって回動自由に連結されるとともに、前記クランクシャフトのクランクピンに回転自由に装着された第２リンクと、
   前記クランクシャフトと平行にシリンダブロックに回転自由に支持され、その回転軸心に対して偏心した偏心軸部を有するコントロールシャフトと、
   前記第２リンクに連結ピンを介して回転自由に連結されるとともに、前記コントロールシャフトの偏心軸部を揺動軸心として揺動可能な第３リンクと、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の２サイクル内燃機関のクランク機構。
4. 前記アッパピンの運動軌跡は、前記ピストンピン中心の往復軌跡線と交差する、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の２サイクル内燃機関のクランク機構。
5. 前記アッパピンの全運動軌跡は、前記ピストンピン中心の往復軌跡線よりもクランクシャフト側に位置する、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の２サイクル内燃機関のクランク機構。
6. 前記アッパピンの全運動軌跡は、前記ピストンピン中心の往復軌跡線よりも掃気ポート側に位置する、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の２サイクル内燃機関のクランク機構。
7. 前記掃気ポートに面したピストンスカートは、その反対側のピストンスカートよりも長く延設されており、
   前記延設されたピストンスカートの摺接側のシリンダ下端は、その反対側に比べて長く形成されている、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の２サイクル内燃機関のクランク機構。
8. ピストン上死点後の膨張行程において、前記アッパピンの中心は、前記ピストンピン中心の往復軌跡線を挟んで掃気ポートに対して反対側に位置する、
   ことを特徴とする請求項２から請求項７までのいずれか１項に記載の２サイクル内燃機関のクランク機構。
9. ピストン上死点後の膨張行程において、前記アッパピンの中心は、前記ピストンピン中心の往復軌跡線よりも掃気ポート側に位置する、
   ことを特徴とする請求項２から請求項７までのいずれか１項に記載の２サイクル内燃機関のクランク機構。
10. 前記コントロールシャフトを内燃機関の運転条件に応じて回転して前記第３リンクの揺動中心を変化させて掃気ポートの開口面積を変化させる、
    ことを特徴とする請求項３から請求項９までのいずれか１項に記載の２サイクル内燃機関のクランク機構。
11. 前記クランクシャフトのカウンタウエイトの回転最外径軌跡の内側まで前記ピストンピンが下降する、
    ことを特徴とする請求項２から請求項１０までのいずれか１項に記載の２サイクル内燃機関のクランク機構。
12. 前記掃気ポートの上流に設けられ、空気をシリンダに圧送するブロアを有する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の２サイクル内燃機関のクランク機構。
13. 前記掃気ポートの上流にクランクケースが位置し、前記クランクシャフトの回転によって空気をシリンダに圧送する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の２サイクル内燃機関のクランク機構。
14. シリンダ内に直接燃料を噴射する噴射弁を有する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の２サイクル内燃機関のクランク機構。
15. 掃気ポート入り口付近の吸気管内へ燃料を噴射する噴射弁を有する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の２サイクル内燃機関のクランク機構。
    

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