JP2009036030A - 高膨張比エンジンのクランクシャフト構造 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構造で吸気下死点と膨張下死点とを異ならせ、水平対向型多気筒エンジンにおいては遊星歯車機構の数を削除し、比較的容易に多気筒エンジンにも適用でき、エンジン設計の自由度が高くできる高膨張比エンジンのクランクシャフト構造を提供する。
【解決手段】クランクシャフト１２の左右端部をクランクケース１７に左右一対の偏心軸受１３，１４を介して偏心回転可能に支持させ、一方の偏心軸受１４にエンジン動力を変速装置に伝達する出力軸１８を連ねる。他方の偏心軸受１３に軸支されたクランクシャフト１２のクランクジャーナル１２０を出力軸１８から遠ざかる方向に向かって延設すると共に遊星歯車機構１５のサンギヤ１５０を結合し、ギヤ比１：１のインターナルギヤ１５１とサンギヤ１５０を互いに非同軸上に配置し、サンギヤ１５０をインターナルギヤ１５１の中心位置を回転中心としてピニオンギヤ１５２のギヤ径状に応じて偏心回転させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、高膨張比エンジンのクランクシャフト構造に関し、特に、吸気行程のＢＤＣ（下死点）と膨張行程のＢＤＣとを異ならせて圧縮比に対して膨張比を高めた高膨張比エンジンのクランクシャフト構造に関する。

従来、吸気行程のＢＤＣ（以下、吸気下死点）と膨張行程のＢＤＣ（以下、膨張下死点）とを異ならせて圧縮比に対して膨張比を高めることにより、燃焼効率の向上を図った４ストロークの高膨張比エンジンが知られている。
このような高膨張比エンジンとしては、図７に示されるように、クランクケースに軸支されたクランク軸(28)の回転中心に固定歯車(26)を軸支させると共に、この固定歯車(26)の外周に沿って自転しつつ回転する遊星歯車(30)を配設し、さらに、この固定歯車(26)の回転中心と遊星歯車(30)の回転中心とを主クランクアーム(32)によって連接すると共に、遊星歯車(30)の回転中心と、ピストン(22)に連なったコンロッド(24)とをクランクピン(c')で連接することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、図８（ａ），（ｂ）に示されるように、クランクケース(7)に軸支されたクランク軸(1)の２つのジャーナル部(2),(2)間に左右一対の遊星歯車(5),(5)を偏心させた状態で軸支させ、この左右の遊星歯車(5),(5)の対向面内で、遊星歯車(5),(5)の回転中心(5a)から偏心した位置に、シリンダ(12)内を往復移動するピストン(11)に連なったコンロッド(9)をクランクピン(6)を介して摺動可能に連接すると共に、遊星歯車(5),(5)が噛み合う内歯歯車(10)をクランクケース(7)内に形成することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
さらには、図９に示されるように、クランク軸(1)の第１クランク(2),(2)間に偏心して設けられたクランクピン(3)に、図示しないクランクケースに固定された左右一対のリングギヤ(9),(9)に噛み合う遊星ギヤ(8),(8)を軸支させると共に、これら遊星ギヤ(8),(8)の回転中心から偏心した位置に、ピストン(13)に連なったコンロッド(12)を連ねることが提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開平０６−７４０５９号公報 特開平０７−２１７４４３号公報 特表２００２−５１７６７９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のものにあっては、図７に示されるように、クランク軸(28)に固定された固定歯車(26)の外周に沿って、コンロッド(24)に連なった遊星歯車(30)が自転しつつ公転するため、クランクシャフト構造が複雑化するという問題がある。しかも、このようなクランクシャフト構造は気筒毎に必要なので、多気筒エンジンに適用することは困難である。

また、上記特許文献２に記載のものにあっても、図８に示されるように、コンロッド(9)が連なる遊星歯車(5),(5)は、クランク軸(1)の２つのジャーナル部(2),(2)に軸支された状態で、クランクケース(7)内に形成された内歯歯車(10)に噛み合いながら回転するため、クランクシャフト構造が複雑化するという問題がある。しかも、このようなクランクシャフト構造は気筒毎に必要なので、多気筒エンジンに適用することは困難である。
また、上記特許文献３に記載のものにあっては、図９に示されるように、図示しないクランクケースに固定されたリングギヤ(9),(9)に係合する遊星ギヤ(8),(8)によってクランク軸(1)を軸支する構造なので、クランク軸(1)の回転周期と遊星ギヤ(8),(8)の回転周期との設定や、これに伴うピストンストロークの変化量の設定を考えた場合に、各ギヤの歯数や歯車径等の設定に制限があり、エンジン設計が困難となってしまうという問題がある。

そこで、この発明は、上記した従来技術が有している問題点を解決するためになされたものであって、簡素な構造で吸気下死点と膨張下死点とを異ならせること、水平対向型多気筒エンジンにおいては遊星歯車機構の数を削除すること、比較的容易に多気筒エンジンにも適用できること、エンジン設計の自由度が高いこと、等が可能な高膨張比エンジンのクランクシャフト構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、吸気行程の下死点におけるピストンの位置と膨張行程の下死点におけるピストンの位置とを異ならせて圧縮比に対して膨張比を高めた高膨張比エンジンのクランクシャフト構造において、
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の左右端部をクランクケースに左右一対の偏心軸受を介して偏心回転可能に支持させ、前記一方の偏心軸受にエンジン動力を変速装置に伝達する出力軸を連ね、前記他方の偏心軸受に軸支されたクランクシャフトの主軸受部を前記出力軸から遠ざかる方向に向かって延設すると共に遊星歯車機構のサンギヤを結合し、かつ前記サンギヤとインターナルギヤとのギヤ比を１：１とすると共に、前記インターナルギヤを前記サンギヤと非同軸上に配置し、さらに、前記インターナルギヤの中心位置を前記出力軸の回転中心上に配置した状態で前記クランクケースに固定支持させ、かつピニオンギヤを前記サンギヤと前記インターナルギヤとの間に介設し、前記サンギヤを前記インターナルギヤの中心位置を回転中心として前記ピニオンギヤのギヤ径状に応じて偏心回転させることを特徴とする。

上記目的を達成するため請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の構成において、前記クランク軸の偏心量は、前記ピニオンギヤの歯元円直径＋（前記ピニオンギヤの歯先円直径−前記ピニオンギヤの歯元円直径）／２、であることを特徴とする。

上記目的を達成するため請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の発明の構成において、前記サンギヤは、２回自転する間に前記インターナルギヤの中心位置を回転中心として１回公転することを特徴とする。

上記目的を達成するため請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載の発明の構成において、水平対向多気筒エンジンに適用されることを特徴とする。

上記目的を達成するため請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れか１項に記載の発明の構成において、前記ピストンの軸をピストンが圧縮上死点にある時のクランクシャフトの中心方向にオフセットさせたことを特徴とする。

請求項１乃至５に記載の発明によれば、クランク軸が一体的に連なっているサンギヤが自転しながらインターナルギヤの中心位置を回転中心として公転する際に、サンギヤとピニオンギヤとの自転中心を結んだ線分が、シリンダ中心軸に対して直交している場合にあってはピストンの高さ位置は変わらないのに対し、シリンダ中心軸上に位置している場合はピストンの高さ位置が交互に高低となるように変化する。すなわち、クランク軸が２回転してピストンがシリンダ内を２往復する間に、排気上死点と圧縮上死点とにおけるピストンの高さ位置を変えることなく、吸気下死点と膨張下死点とにおけるピストンの高さ位置を変化させることができる。これにより、高膨張比エンジンを簡素なクランクシャフト構造で達成することができるようになる。しかも、このような遊星歯車機構は、特に水平対向型の多気筒エンジンに適用することで気筒毎に設ける必要はなく、２気筒毎に設ければよい。また、クランク軸の偏心量は、ピニオンギヤのギヤ径状に基づいて設定されることとなるので、エンジン設計の自由度を高めることができる。
更に、ピストン軸をピストンが圧縮上死点にある時のクランクシャフトの中心方向にオフセットすることで、圧縮上死点と排気上死点のピストン位置を相違させることが可能となり、排気時のバルブとの干渉を避ける為のバルブリセスを不要とすることで、より良好な燃焼室形状を得ることができる。

本発明の高膨張比エンジンのクランクシャフト構造によれば、クランク軸を偏心回転可能にクランクケースに支持させると共に、クランク軸の左右両端部のいずれか一方に、クランク軸を偏心回転させる遊星歯車機構を設けたので、簡素な構造で吸気下死点と膨張下死点とを異ならせること、水平対向型多気筒エンジンにおいては遊星歯車機構の数を削除可能であり、比較的容易に多気筒エンジンにも適用できること、エンジン設計の自由度が高いこと、等が可能となる。

本発明の実施の形態に係る高膨張比エンジンのクランクシャフト構造を図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る高膨張比エンジンのクランクシャフト構造を示したスケルトン図である。

図１に示されるように、本発明の一実施形態に係る高膨張比エンジンのクランクシャフト構造は、４ストロークエンジンに適用されるものであって、ピストン１０、コネクティングロッド（以下、コンロッド）１１、クランクシャフト（以下、クランク軸）１２、偏心軸受１３，１４、遊星歯車機構１５を備えて構成されている。

ピストン１０は、シリンダブロック（図示せず）に形成されたシリンダ１６内を往復運動する部材である。ピストン１０は、コンロッド１１によってクランク軸１２と連接されており、シリンダブロックとシリンダヘッド（図示せず）とによって形成された燃焼室内において燃焼ガスが発生した力をコンロッド１１を介してクランク軸１２に伝達する。

コンロッド１１は、ピストン１０とクランク軸１２とを連接する連接棒である。このコンロッド１１の小端部１１０は、ピストン１０の内部に挿嵌されるピストンピン１００に摺動可能に連接されている。また、コンロッド１１の大端部１１１は、クランク軸１２のクランクピン１２２に薄板のコンロッドベアリング（図示せず）を介して摺動可能に連接されている。

クランク軸１２は、コンロッド１１により伝達されたピストン１０の往復運動を回転運動に変換して動力を取り出す動力伝達軸であって、シリンダブロック下側のクランクケース１７に回転可能に支持されている。クランク軸１２は、クランク軸１２の主軸受部としての２つのクランクジャーナル１２０，１２１、コンロッド１１の大端部１１１が連接される偏心軸受部としてのクランクピン１２２、振動を防止するためのカウンタウェイト１２３及びアーム１２４（いずれも図３に図示）を備えている。

通常、圧縮と膨張との容積変化が同じエンジンにあっては、ピストンがシリンダ内の最上端にきたときの位置が上死点、最下端にきたときの位置が下死点である。これに対し、本発明が適用された高膨張比エンジンのクランクシャフト構造にあっては、遊星歯車機構によって吸気／圧縮行程と膨張／排気行程とのピストンストロークを変化させて吸気下死点と膨張下死点とを異ならせている。

具体的には、２つのクランクジャーナル１２０，１２１は、クランクケース１７にそれぞれ偏心軸受１３，１４を介して偏心回転可能に支持されている。一方（図中右側）の偏心軸受１４には、エンジン動力を変速装置（図示せず）に伝達するための出力軸１８が一体的に連なっている。この出力軸１８の回転中心は、偏心軸受１３，１４の回転中心と一致し、かつ遊星歯車機構１５のインターナルギヤ１５１の中心位置上に位置するように設定されている。他方（図中左側）の偏心軸受１３に軸支されたクランクジャーナル１２０は、偏心軸受１３に支持された状態で、出力軸１８から遠ざかる方向（図中左方向）に向かって延設されていると共に、延設されたクランクジャーナル１２０とクランクケース１７との間には遊星歯車機構１５が設けられている。そして、これら偏心軸受１３，１４に軸支されたクランク軸１２の偏心量は、遊星歯車機構１５のピニオンギヤ１５２のギヤ径状（ギヤ歯元円直径と歯先円直径）に応じて設定されている。

遊星歯車機構１５は、吸気／圧縮行程と膨張／排気行程とのピストンストロークを変化させて吸気下死点と膨張下死点とを異ならせるようにクランク軸１２を偏心回転動作させるための機構である。この遊星歯車機構１５は、サンギヤ１５０、インターナルギヤ１５１、ピニオンギヤ１５２、プラネタリキャリア１５３を備えている。

サンギヤ１５０は、クランクジャーナル１２０の軸端部に一体的に設けられている共に、このサンギヤ１５０の図中左側方にオフセットした位置には、クランクケース１７に固定支持されたインターナルギヤ１５１が配置されている。インターナルギヤ１５１の中心位置は、出力軸１８の軸心上に位置するように設定されているが、サンギヤ１５０の軸心とはずれている。また、サンギヤ１５０とインターナルギヤ１５１との間には、出力軸１８を回転中心としてクランク軸１２自体を偏心回転させるための１つのピニオンギヤ１５２が、サンギヤ１５０に噛み合いながらインターナルギヤ１５１の内周歯面に沿って転動するように設けられている。このピニオンギヤ１５２を支持するクランク状のプラネタリキャリア１５３は、その基部がクランクケース１７に回転可能に片持ち支持されている。
なお、同図中、ギヤ同士の噛み合っている箇所はハッチングで示してある。

ここで、本発明が適用された高膨張比エンジンの動作について図２を用いて説明する。図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明が適用された高膨張比エンジンの動作を説明するための図である。

サンギヤ１５０とインターナルギヤ１５１とは、歯数比が１：１に設定されている。つまり、サンギヤ１５０の歯先円（図中破線で示す）の大きさとインターナルギヤ１５１の歯元円（図中実線で示す）の大きさとがほぼ一致すると共に、サンギヤ１５０の歯元円（図中実線で示す）の大きさとインターナルギヤ１５１の歯先円（図中破線で示す）の大きさとがほぼ一致するように設定されている。さらに、ピニオンギヤ１５２の歯先円の直径は、インターナルギヤ１５１の歯元円の直径のほぼ１／２に設定されている。

サンギヤ１５０とピニオンギヤ１５２とは、見かけ上、インターナルギヤ１５１の中心位置を回転中心として互いに逆方向（サンギヤ１５０は図中時計回り方向、ピニオンギヤ１５２は図中反時計回り方向）に自転しながら同一方向（図中時計回り方向）に公転する。また、サンギヤ１５０及びピニオンギヤ１５２がインターナルギヤ１５１の中心位置を回転中心として１回公転する間に、サンギヤ１５０は２回自転するように設定されている。そして、これら各ギヤが公転している状態にあっては、サンギヤ１５０の歯元円とピニオンギヤ１５２の歯先円とが、常にインターナルギヤ１５１の中心位置を挟んで対向するようになっている。また、インターナルギヤ１５１の中心位置を回転中心としてクランク軸１２が偏心回転する際の偏心量は、ピニオンギヤ１５２のギヤ径状としての歯元円直径と歯先円直径とを次式に代入することによって求められる。

クランク軸１２の偏心量＝ピニオンギヤ１５２の歯元円直径＋（ピニオンギヤ１５２の歯先円直径−ピニオンギヤ１５２の歯元円直径）／２

そして、図２（ａ）の状態からクランク軸が１回転すると図２（ｃ）の状態となり、図２（ｂ）の状態からクランク軸が１回転すると図２（ｄ）の状態となる。すなわち、サンギヤ１５０とピニオンギヤ１５２との自転中心を結んだ線分が、シリンダ中心軸Ｚ−Ｚに直交している場合（図中左右方向）にあっては、ピストン１０は排気行程または圧縮行程における上死点に位置するようになっている。特に、図２（ａ）に示されるように、サンギヤ１５０の自転中心がピニオンギヤ１５２の自転中心よりも図中左側に位置する状態にあっては排気行程における上死点である。また、図２（ｃ）に示されるように、サンギヤ１５０の自転中心がピニオンギヤ１５２の自転中心よりも図中右側に位置する状態にあっては、圧縮行程における上死点である。図２（ａ），（ｃ）に示されるように、これら上死点におけるピストン１０の位置は変わらない。

また、サンギヤ１５０とピニオンギヤ１５２との自転中心を結んだ線分が、シリンダ中心軸Ｚ−Ｚ上に位置している場合にあっては、ピストン１０は吸気下死点または膨張下死点の何れかに位置するようになっている。特に、図２（ｂ）に示されるように、サンギヤ１５０の自転中心がピニオンギヤ１５２の自転中心よりも図中上側（ピストン側）に位置する状態にあっては吸気下死点である。また、図２（ｄ）に示されるように、サンギヤ１５０の自転中心がピニオンギヤ１５２の自転中心よりも図中下側（反ピストン側）に位置する状態にあっては膨張下死点である。図２（ｂ），（ｄ）に示されるように、これら下死点におけるピストン１０の位置は異なっており、膨張下死点におけるピストン１０の位置が吸気下死点におけるピストン１０の位置よりも低くなるように設定されている。すなわち、クランク軸１２が自転すると、下死点におけるピストン１０の高さ位置が交互に高低となるように変化する。

詳述すると、図２（ａ）に示されるように、排気行程での上死点位置にあっては、サンギヤ１５０とピニオンギヤ１５２との自転中心を結んだ線分は、シリンダ中心軸Ｚ−Ｚに対して直交していると共に、サンギヤ１５０はインターナルギヤ１５１の中心位置よりも図中左側、ピニオンギヤ１５２はインターナルギヤ１５１の中心位置よりも図中右側に位置している。すなわち、クランク軸１２は、ピニオンギヤ１５２の歯元円直径と歯先円直径とに基づいて算出される偏心量分だけ、インターナルギヤ１５１の中心位置よりも図中左側に向かって偏心している状態でクランクケース１７に支持されている。そして、この状態から、クランク軸１２が図中時計回り方向に偏心回転すると、ピストン１０が下降して吸気行程を開始する。すると、サンギヤ１５０は、ピニオンギヤ１５２に噛み合いながら図中時計回り方向に自転しつつ、インターナルギヤ１５１の中心位置を回転中心として図中時計回り方向に公転する。また、ピニオンギヤ１５２は、サンギヤ１５０とインターナルギヤ１５１とに噛み合いながら図中反時計回り方向に自転しつつ、インターナルギヤ１５１の内周歯面に沿って図中時計回り方向に公転する。

そして、図２（ａ）の状態からクランク軸１２が１／２回転すると、図２（ｂ）に示されるように、ピストン１０が吸気下死点に達すると共に、ギヤ比の関係上、サンギヤ１５０とピニオンギヤ１５２との自転中心を結んだ線分は、シリンダ中心軸Ｚ−Ｚ上に位置していると共に、サンギヤ１５０の自転中心がピニオンギヤ１５２の自転中心よりもピストン側に位置する。すなわち、クランク軸１２は、ピニオンギヤ１５２の歯元円直径と歯先円直径とに基づいて算出される偏心量分だけ、インターナルギヤ１５１の中心位置よりもピストン側に向かって偏心している状態でクランクケース１７に支持されている。これにより、吸気下死点におけるピストン１０の位置が高めに設定されることとなる。そして、この状態から、クランク軸１２が図中時計回り方向に回転すると、ピストン１０が上昇して圧縮行程を開始する。

図２（ｂ）の状態からクランク軸１２が１／２回転すると、図２（ｃ）に示されるように、ピストン１０が圧縮行程での上死点位置に到達する。この状態にあっては、サンギヤ１５０とピニオンギヤ１５２との自転中心を結んだ線分は、シリンダ中心軸Ｚ−Ｚに直交していると共に、サンギヤ１５０はインターナルギヤ１５１の中心位置よりも図中右側、ピニオンギヤ１５２はインターナルギヤ１５１の中心位置よりも図中左側に位置している。このため、クランク軸１２は、ピニオンギヤ１５２の歯元円直径と歯先円直径とに基づいて算出される偏心量分だけインターナルギヤ１５１の中心位置よりも図中右側に向かって偏心している状態でクランクケース１７に支持されているので、排気行程での上死点位置と同じ高さにピストン１０が位置することとなる。

燃焼室内で混合気を燃焼させるとピストン１０が押し下げられて、図２（ｃ）の状態からクランク軸１２が１／２回転すると、図２（ｄ）に示されるように、ピストン１０が膨張下死点に到達する。サンギヤ１５０とピニオンギヤ１５２との自転中心は、シリンダ中心軸Ｚ−Ｚ上に位置していると共に、サンギヤ１５０の自転中心がピニオンギヤ１５２の自転中心よりも反ピストン側（クランクピン側）に位置する。すなわち、クランク軸１２は、ピニオンギヤ１５２の歯元円直径と歯先円直径とに基づいて算出される偏心量分だけインターナルギヤ１５１の中心位置から反ピストン側に向かって偏心している状態でクランクケース１７に支持されているので、膨張下死点におけるピストン１０の位置が吸気下死点におけるピストン１０の位置よりも低くなる。このように、圧縮比に対して膨張比を高めると、燃焼室で燃焼したガスが十分に膨張するようになるので燃焼効率が向上することとなる。

以上述べたように本発明の高膨張比エンジンのクランクシャフト構造によれば、クランク軸１２が一体的に連なっているサンギヤ１５０が自転しながらインターナルギヤ１５１の中心位置を回転中心として公転する際に、サンギヤ１５０とピニオンギヤ１５２との自転中心を結んだ線分が、シリンダ中心軸Ｚ−Ｚに対して直交している場合にあってはピストン１０の高さ位置は変わらないのに対し、シリンダ中心軸Ｚ−Ｚ上に位置している場合はピストン１０の高さ位置が交互に高低となるように変化する。すなわち、クランク軸１２が２回転してピストン１０がシリンダ内を２往復する間に、排気上死点と圧縮上死点とにおけるピストン１０の高さ位置を変えることなく、吸気下死点と膨張下死点とにおけるピストン１０の高さ位置を変化させることができる。これにより、高膨張比エンジンを簡素なクランクシャフト構造で達成することができるようになる。図３は、本発明が適用された水平対向２気筒エンジンのクランクシャフト構造を示した図である。このように、多気筒エンジンの高膨張比エンジン化が容易、かつ簡素な構成で達成することができる。また、２気筒エンジンを１ユニットとして、２つ繋げて４気筒エンジン、３つ繋げて６気筒エンジンを容易に構成することができる。

また、クランク軸１２の偏心量は、ピニオンギヤ１５２のギヤ径状に基づいて設定されるので、エンジン設計の自由度を高めることができる。
なお、上述した構成にあっては、遊星歯車機構１５のピニオンギヤは１つとしたが、これに限定されるものではなく、ピニオンギヤを複数備えるようにしてもよい。

ここで、複数のピニオンギヤを備えた遊星歯車機構について図４を用いて説明する。図４（ａ）は、本発明の他の実施形態に係る高膨張比エンジンのクランクシャフト構造を示したスケルトン図、（ｂ）は、同例における各ギヤの噛み合い状態を示したスケルトン図である。

図４（ａ）に示されるように、本発明の他の実施形態に係る高膨張比エンジンのクランクシャフト構造は、ピストン１０、コンロッド１１、クランク軸１２、偏心軸受１３，１４、遊星歯車機構１５を備えて構成されている。なお、以下にあっては、上述した本発明の一実施形態に係る高膨張比エンジンのクランクシャフト構造との違いのみを説明することとする。

すなわち、クランク軸１２の２つのクランクジャーナル１２０，１２１は、クランクケース１７にそれぞれ偏心軸受１３，１４を介して偏心回転可能に支持されている。これら偏心軸受１３，１４に軸支されたクランク軸１２の偏心量は、遊星歯車機構１５の第１〜第３のピニオンギヤ１５２１〜１５２３のギヤ径状（歯元円直径と歯先円直径）に応じて設定されている。一方（図中右側）のクランクジャーナル１２１には、サンギヤ１９０が一体的に結合固定されていると共に、このサンギヤ１９０と噛み合うようにクランクケース１７に回転可能に軸支されたインターナルギヤ１９１の回転中心に、エンジン動力を変速装置（図示せず）に伝達するための出力軸１８が一体的に連なっている。この出力軸１８の回転中心は、偏心軸受１３，１４の回転中心と一致し、かつ遊星歯車機構１５のインターナルギヤ１５１の中心位置上に位置するように設定されている。また、他方（図中左側）の偏心軸受１３に軸支されたクランクジャーナル１２０は、偏心軸受１３に支持された状態で、出力軸１８から遠ざかる方向（図中左方向）に向かって延設されていると共に、延設されたクランクジャーナル１２０とクランクケース１７との間に遊星歯車機構１５が設けられている。

遊星歯車機構１５は、サンギヤ１５０、インターナルギヤ１５１、第１〜第３のピニオンギヤ１５２１〜１５２３、プラネタリキャリア１５３を備えている。
サンギヤ１５０は、クランクジャーナル１２０の軸端部に一体的に設けられている共に、このサンギヤ１５０の図中左側方にオフセットした位置には、クランクケース１７に固定支持されたインターナルギヤ１５１が配置されている。インターナルギヤ１５１の中心位置は、出力軸１８の軸心上に位置するように設定されているが、サンギヤ１５０とは軸心がずれている。また、サンギヤ１５０とインターナルギヤ１５１とは歯数比１：１に設定されている。つまり、図４（ｂ）に示されるように、サンギヤ１５０の歯先円（図中破線で示す）の大きさとインターナルギヤ１５１の歯元円（図中実線で示す）の大きさとがほぼ一致すると共に、サンギヤ１５０（図中実線で示す）の歯元円の大きさとインターナルギヤ１５１の歯先円（図中破線で示す）の大きさとがほぼ一致するように設定されている。また、サンギヤ１５０とインターナルギヤ１５１との間には、出力軸１８を回転中心としてクランク軸１２自体を偏心回転させるための第１〜第３のピニオンギヤ１５２１〜１５２３が設けられている。

同図に示されるように、サンギヤ１５０と第１のピニオンギヤ１５２１とが噛み合い、第１のピニオンギヤ１５２１と第２のピニオンギヤ１５２２とが噛み合い、かつ第２のピニオンギヤ１５２２と第３のピニオンギヤ１５２３とが噛み合い、かつ第３のピニオンギヤ１５２３とインターナルギヤ１５１とが噛み合うように設定されている。これら第１〜第３のピニオンギヤ１５２１〜１５２３は、図４（ｂ）に示されるように、ほぼ同じ歯元円直径及び歯先円直径であると共に、第１〜第３のピニオンギヤ１５２１〜１５２３の各回転中心が直角二等辺三角形の各頂点に位置した状態で一塊になって自転しながらインターナルギヤ１５１の内周歯面に沿って公転するようになっている。また、サンギヤ１５０及び第１〜第３のピニオンギヤ１５２１〜１５２３がインターナルギヤ１５１の中心位置を回転中心として１回公転する間に、サンギヤ１５０は２回自転するように各ギヤ比が設定されていると共に、これら第１〜第３のピニオンギヤ１５２１〜１５２３の組合せによってクランク軸１２の偏心量を変えることができるようになっている。なお、第１〜第３のピニオンギヤ１５２１〜１５２３を回転可能に支持するプラネタリキャリア１５３は、その基端部がクランクケース１７に回転可能に支持されている。また、同図中、ギヤ同士の噛み合っている箇所はハッチングで示した。

かかる構成によれば、クランク軸１２が２回転してピストン１０がシリンダ内を２往復する間に、上死点におけるピストン１０の高さ位置を変えることなく、吸気下死点と膨張下死点におけるピストン１０の高さ位置を変化させることが、簡素なクランクシャフト構造で達成できるようになる。さらには、３つのピニオンギヤ１５２１〜１５２３を組み合わせることでクランク軸１２の偏心量の設定を容易化することができる。しかも、このような遊星歯車機構１５は、水平対向型多気筒エンジンにおいては、気筒毎に設ける必要はなく、２気筒毎に設けらればよいので比較的容易に適用することができる。

本実施形態を水平対向型多気筒エンジンに適用した場合について図５を用いて説明する。図５は、本発明が適用された水平対向４気筒エンジンのクランクシャフト構造を示した図である。

同図に示されるように、この水平対向４気筒エンジンは、ユニット化された水平対向２気筒エンジンを２つ直列に連結することによって構成されている。ユニット化された水平対向２気筒エンジンは、クランク軸１２の左右両端部がクランクケース１７に偏心軸受１３，１４を介して偏心回転可能に軸支されていると共に、左右のクランク軸１２，１２は、連結部を挟んで位相が９０度ずらされている。また、図中左側のクランク軸１２の右端部にはサンギヤ２００が一体的に結合固定されていると共に、図中右側のクランク軸１２の左端部にもサンギヤ２０１が一体的に結合固定されている。そして、これら２つのサンギヤ２００，２０１が噛み合うインターナルギヤ２０２を連結部に回転可能に設けることによって、２つのクランク軸１２，１２の回転同期をとるようになっている。

さらに、図中右側のクランク軸１２の右端部にはサンギヤ２１０が一体的に結合固定されていると共に、このサンギヤ２１０に噛み合うインターナルギヤ２１１に出力軸１８が一体的に結合固定されている。
かかる構成によれば、高膨張比エンジンの多気筒化が容易、かつ簡素な構成で達成することができる。

本発明の他の実施形態について図６を用いて説明する。図６（ａ）〜（ｄ）は、先の実施形態の図２に対応する図であり、本実施形態は先の実施形態に対してピストン軸をピストン１０が圧縮状態にある時のクランク軸１２の中心方向にオフセットさせたものである。なお、先の実施形態とほぼ同様な構成部材については、同一の符号を付している。
すなわち、ピストン軸の代わりにシリンダ軸Ｚ−Ｚを用いて説明すると、図２に記載のクランクシャフト構造において、ピストン１０が圧縮上死点にある時のサンギヤ１５０の回転中心及びコンロッド１１が、クランク軸１２の軸端部からみてシリンダ軸Ｚ−Ｚ上に位置するように（図６（ｃ）参照）、クランク軸１２及び遊星歯車機構１５をオフセットさせたものである。オフセット量は、サンギヤ１５０の歯元円直径の１／２である。つまり、図２（ａ）〜（ｄ）に示された排気、吸入、圧縮、膨張におけるシリンダ軸Ｚ−Ｚ軸を、ピストン１０が圧縮上死点にある時のサンギヤ１５０（クランク軸１２）の回転中心側となる図中右側に向かってサンギヤ１５０の歯元円直径の１／２をオフセットさせたのが図６（ａ）〜（ｄ）である。

このピストン軸をオフセットすることで、排気上死点ではクランク中心がピストン軸から離れることとなり、排気上死点のピストン位置が圧縮上死点のピストン位置より低くなる。このように構成することで、圧縮上死点と排気上死点のピストン位置を相違させることが可能となり、排気時のバルブとの干渉を避ける為のバルブリセスが不要となるため、より良好な燃焼室形状を得ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る高膨張比エンジンのクランクシャフト構造を示したスケルトン図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明が適用された高膨張比エンジンの動作を説明するための図である。 本発明が適用された水平対向２気筒エンジンのクランクシャフト構造を示す図である。 （ａ）は、本発明の他の実施形態に係る高膨張比エンジンのクランクシャフト構造を示したスケルトン図、（ｂ）は、同例における各ギヤの噛み合い状態を示したスケルトン図である。 本発明が適用された水平対向４気筒エンジンのクランクシャフト構造を示した図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明が適用された高膨張比エンジンの他の実施形態の動作を説明するための図である。 従来の高膨張比エンジンのクランクシャフト構造の一実施形態を説明するための図である。 従来の高膨張比エンジンのクランクシャフト構造の一実施形態を説明するための図である。 従来の高膨張比エンジンのクランクシャフト構造の一実施形態を説明するための図である。

符号の説明

１０…ピストン
１１…コンロッド（コネクティングロッド）
１２…クランク軸（クランクシャフト）
１２０，１２１…クランクジャーナル（主軸受部）
１２２…クランクピン
１３，１４…偏心軸受
１５…遊星歯車機構
１５０…サンギヤ
１５１…インターナルギヤ
１５２…ピニオンギヤ
１７…クランクケース

Claims (5)

1. 吸気行程の下死点におけるピストンの位置と膨張行程の下死点におけるピストンの位置とを異ならせて圧縮比に対して膨張比を高めた高膨張比エンジンのクランクシャフト構造において、
   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の左右端部をクランクケースに左右一対の偏心軸受を介して偏心回転可能に支持させ、前記一方の偏心軸受にエンジン動力を変速装置に伝達する出力軸を連ね、前記他方の偏心軸受に軸支されたクランクシャフトの主軸受部を前記出力軸から遠ざかる方向に向かって延設すると共に遊星歯車機構のサンギヤを結合し、かつ前記サンギヤとインターナルギヤとのギヤ比を１：１とすると共に、前記インターナルギヤを前記サンギヤと非同軸上に配置し、さらに、前記インターナルギヤの中心位置を前記出力軸の回転中心上に配置した状態で前記クランクケースに固定支持させ、かつピニオンギヤを前記サンギヤと前記インターナルギヤとの間に介設し、前記サンギヤを前記インターナルギヤの中心位置を回転中心として前記ピニオンギヤのギヤ径状に応じて偏心回転させることを特徴とする高膨張比エンジンのクランクシャフト構造。
2. 前記サンギヤの偏心量は、前記ピニオンギヤの歯元円直径＋（前記ピニオンギヤの歯先円直径−前記ピニオンギヤの歯元円直径）／２、であることを特徴とする請求項１に記載の高膨張比エンジンのクランクシャフト構造。
3. 前記サンギヤは、２回自転する間に前記インターナルギヤの中心位置を回転中心として１回公転することを特徴とする請求項１または２に記載の高膨張比エンジンのクランクシャフト構造。
4. 水平対向多気筒エンジンに適用されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の高膨張比エンジンのクランクシャフト構造。
5. 前記ピストンの軸をピストンが圧縮上死点にある時のクランクシャフトの中心方向にオフセットさせたことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の高膨張比エンジンのクランクシャフト構造。

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