JP2010230000A - 内燃機関及び内燃機関用コネクティングロッド - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関のコネクティングロッド及び当該コネクティングロッドを備えた内燃機関に関し、高負荷時のノッキングや燃焼室の過大なピーク圧の発生を回避することにより、高負荷時及び低負荷時において効率が良くかつ振動や騒音も低減可能な技術手段を得る。
【解決手段】内燃機関の燃焼室３で発生する燃焼圧力を、ピストン６で受けてピストンピン７に連結されたコネクティングロッド９を介して、クランクシャフト８へ駆動力として伝達する内燃機関において、コネクティングロッド９に潤滑油の弾性を利用した機構を具備することにより、燃焼圧力の上昇を抑制することが可能になり、火花点火機関を低負荷時に圧縮比を高くして、高負荷時にノッキングを回避すると共に、圧縮着火機関の摩擦損失を低減して、内燃機関の効率を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関のコネクティングロッド及び当該コネクティングロッドを備えた内燃機関に関する。

内燃機関の従来のコネクティングロッドは、ピストンに接続される小端部とクランクシャフトに接続される大端部とそれらを連結する軸部とが一体構造とされている。

内燃機関の圧縮比を高くすることにより、機関の効率を向上させることができる。しかし、ガソリンエンジンのような火花点火機関では、主としてノッキングの問題があり、圧縮比を高くするには制約がある。また、ディーゼルエンジンのような圧縮着火機関では、圧縮比を高くすると燃焼圧力が上昇するので機関の強度向上を必要とし、摩擦損失が増大して高回転域で取出せる軸出力が低減する問題がある。

この種の問題を解決する試みとして、特許文献１は、コネクティングロッドに可変手段をもたせることにより、圧縮比を所定の領域で可変させてエンジンの性能向上及び耐久性向上などを両立させることを提案している。特許文献１は、その具体的手段として、コネクティングロッドの軸部を湾曲させて、燃焼圧力が作用したときに湾曲した軸部が撓んでコネクティングロッドの軸方向長さを収縮させ、燃焼室のピーク圧を抑制することを提案している。また他の具体的手段として、コネクティングロッドの軸部を形状記憶金属で形成することにより、温度や圧力に応じてコネクティングロッドの軸方向長さを変化させることを提案している。

更に特許文献２には、ピストンの上死点における内燃機関の振動や騒音を低減することを課題として、コネクティングロッドの軸部と大端部とを弾性的に連結する第１弾性部及び第２弾性部を備え、この第２弾性部の弾性係数を第１弾性部の弾性係数よりも高く設定した内燃機関用コネクティングロッドが提案されている。

特開２０００−２０４９６３号公報 特開平８−２８５４３号公報

内燃機関の圧縮比を最適化して燃焼効率を向上させることを課題として、従来から、可変圧縮比機構が多種考案されているが、実用化が困難であり、今後の課題となっている。例えば、特許文献１に提案されている湾曲構造のコネクティングロッドや特許文献２で提案されているコネクティングロッドでは、コネクティングロッドに作用する繰返し応力に充分耐える耐久性を付与しようとすると燃焼効率を改善するのに必要な程度の軸方向収縮量が得られない問題がある。

すなわち、火花点火機関において、出力調整のために低負荷時はスロットルバルブで吸気量を制限しなければならないが、そのため低負荷時は実質の圧縮比が低くなり、機関の効率を低下させている。

過給機を備えた火花点火機関では、高負荷時のノッキングを避けるため自然吸気機関より圧縮比を低く設定しなければならず、低負荷時の効率を更に低下させている。

圧縮着火機関においては、圧縮比を高くすると高負荷時の燃焼圧力が高くなり大きな強度を必要とし、そのため運動部分の質量が増加して、高回転域での摩擦損失等が増大するので効率が低下する。

過給機を備えた圧縮着火機関では、高負荷時燃焼圧力が更に高くなり、それに耐えうる機関の強度を必要とするので、摩擦損失が増大して、過給の効果が充分には生かされていない。

この発明は、高負荷時のノッキングや燃焼室の過大なピーク圧の発生を回避することにより、高負荷時及び低負荷時において効率が良くかつ振動や騒音も低減可能な技術手段を得ることを課題としている。

この発明では、燃焼室にピーク圧が発生するときに、その燃焼圧力をコネクティングロッド９に形成した空洞９ｆに封入した潤滑油の弾性圧縮で吸収して、コネクティングロッド９を軸方向に収縮させ、燃焼圧力の低減と共に当該収縮を弾性回復させる構造を採用することにより、上記課題を解決している。

すなわちこの発明では、ピストンに接続する小端部とクランクシャフトに接続する大端部と当該両端部を連結する軸部とを備えた内燃機関用コネクティングロッドにおいて、前記軸部９ｅに軸方向に長い空洞９ｆを設けると共に、当該空洞９ｆを設けた部分の軸部を軸方向に伸縮可能な可撓構造ないし摺動構造とし、前記大端部９ｂ側から空洞９ｆに潤滑油を充填するための逆止弁１３を備えた潤滑油供給路１２を設けた内燃機関用コネクティングロッドを提供することにより、また、そのような構造のコネクティングロッドと前記潤滑油供給路１２へ潤滑油を供給する手段とを備えた内燃機関を提供することにより、上記課題を解決している。

具体的には例えば、内燃機関のコネクティングロッドをピストンピンに接続する小端部とクランクピンに接続する大端部の２分割構造として、嵌合摺動する内筒と外筒を具備し、内筒と外筒の空間に潤滑油を封入せしめ、燃焼圧力に応じて前記潤滑油の弾性により、前記コネクティングロッドが軸方向に収縮して燃焼室容積が増大することにより、燃焼圧力の上昇を抑制することにより、上記課題を解決している。

軸方向に伸縮可能な摺動構造のコネクティングロッドは、請求項２に記載のように、空洞９ｆを設けた部分で軸部９ｅが小端部９ａ側と大端部９ｂ側とに分割されてその分割部において互いに嵌合摺動する内筒９ｃと外筒９ｄとで形成されている構造である。

この発明の内燃機関は、上記構造のコネクティングロッド９と、このコネクティングロッドの小端部９ａが連結されているピストン６の反コネクティングロッド側に形成されている燃焼室３と、定位置に軸支されてコネクティングロッド９の大端部９ｂに接続されているクランクシャフト８と、前記空洞９ｆに潤滑油を充填する潤滑油供給手段とを備えており、ピストン６から作用する燃焼室３のピーク圧が空洞９ｆに充填された潤滑油を弾性圧縮させることにより、軸部９ｅが軸方向に収縮して燃焼室容積を増大させて燃焼圧力のピーク圧の過度な上昇が抑制されることを特徴とするものである。

この発明によれば、燃焼効率を改善するのに必要な程度の、燃焼圧に対応した軸方向収縮量をコネクティングロッドに付与できる。そのため、火花点火機関に本願発明を採用した場合は、燃焼圧力に応じてコネクティングロッド９が軸方向に収縮するので、圧縮比を高く設定することが可能になり、低負荷で吸気量が少ないときでも効率が改善され、高負荷時での燃焼圧力の上昇が抑制されるので、ノッキングの問題が無くなり、効率が改善される。燃焼圧力は圧縮比を高くしても変わらないので機関の強度は上げなくても良い。

また、火花点火機関において過給した場合、燃焼室でのピーク圧発生時に前記コネクティングロッドが軸方向に収縮し、燃焼室の圧力が低減するにつれて前記収縮した長さが回復するので、圧縮比を高く設定することが可能になり、低負荷時に実質の圧縮比が高くなり始動性も良くなり効率も改善される。高負荷時には燃焼圧力の上昇が抑制され、過給してもノッキングを回避できるので効率が良くなる。

圧縮着火機関においては、燃焼圧力に応じて前記コネクティングロッドが軸方向に収縮するので、圧縮比を高く設定しても高負荷時の燃焼圧力の上昇が抑制されることにより、その分の機関の強度を必要としないので、摩擦損失等が増大されず効率が改善される。また、始動性を考慮した範囲で圧縮比を低く設定した場合には、高負荷時、従来より燃焼圧力が低くなるので機関の強度を低くすることが可能になり、摩擦損失が低減され効率が良くなる。

圧縮着火機関を過給した場合でも、圧縮比は始動性を確保する範囲に設定すれば良い。高負荷時前記コネクティングロッドが軸方向に収縮するので、燃焼圧力の上昇が抑制されることにより、過給しても機関の強度を上げなくて良いので、摩擦損失が増大することが無く効率が改善される。

圧縮着火機関の排出ガス中のＮＯｘも、前記コネクティングロッドが軸方向に収縮するので、燃焼圧力が低減され燃焼温度が下がるのでＮＯｘの排出量が少なくなる。

前記コネクティングロッドは、燃焼圧力の上昇に応じて軸方向に収縮するとき、潤滑油が圧縮され弾性により体積が減少しエネルギーが蓄えられる。膨張工程でピストンが上死点を過ぎるに従い燃焼圧力が下がり、それに呼応して蓄えられたエネルギーから損失を差し引いた分が回収される。

内燃機関の一気筒の構成を示す概略図 実施例のコネクティングロッドの断面図 火花点火機関の低負荷時のＰ−Ｖ線図 火花点火機関の高負荷時のＰ−Ｖ線図 圧縮着火機関の低負荷時のＰ−Ｖ線図 圧縮着火機関の高負荷時のＰ−Ｖ線図

以下、この発明の実施の形態を実施例を示す図面に基づいて説明する。

図１は、内燃機関の一気筒を模式的に示す図である。図１において、内燃機関の一気筒は、シリンダブロック１と、シリンダヘッド２と、シリンダブロック１及びシリンダヘッド２で形成される燃焼室３と、外部から燃料の混合気を吸入する吸気弁４及び燃焼室３の燃焼ガスを排出する排気弁５と、燃焼室３の燃焼圧力を受けてシリンダブロック１内で往復摺動するピストン６と、ピストン６に嵌合されるピストンピン７と、ピストンピン７に接続されクランクシャフト８に駆動力を伝達するコネクティングロッド９と、クランクシャフト８の一部を構成するクランクピン１０と、コネクティングロッド９とクランクピン１０とを連結する軸受１１とで構成される。軸受１１には、クランクシャフト８に連結されて回転駆動されるオイルポンプ２０から、クランクシャフト８及びクランクピンに設けた通孔を通って、潤滑油が供給されている。

図２は、コネクティングロッド９の断面図であり、便宜上、組立クランクシャフト対応のものを示す。図２において、コネクティングロッド９は、ピストンピン７に接続する小端部９ａと、クランクピン１０に接続する大端部９ｂと、小端部９ａと大端部９ｂとを連結する軸部９ｅとで構成されている。軸部９ｅは、小端部９ａと一体の内筒９ｃと、大端部９ｂと一体の外筒９ｄとを備え、内筒９ｃと外筒９ｄとは、軸方向摺動自在に、かつ、その一方（図では内筒９ｃ）に固着されて他方に設けた軸方向に長い孔１６に遊嵌するストップピン１４で軸方向の摺動ストロークを規定されて、嵌合されている。嵌合する内筒９ｃと外筒９ｄの内側には、空洞９ｆが形成されている。

コネクティングロッド９の大端部９ｂには、空洞９ｆ内に潤滑油を導く流入路１２が設けられている。この流入路１２は、軸受１１と空洞９ｆとを連通しており、その途中には、空洞９ｆ内の潤滑油の逆流（空洞から軸受側に流れる流れ）を止めるチェックバルブ１３が設けられている。また、コネクティングロッド９の小端部９ａには、内燃機関の組立時に空洞９ｆ内の潤滑油に混入する空気を抜くエア抜きバルブ１５が設けられている。図のエア抜きバルブ１５は、空洞９ｆとピストンピン７を挿通するピン孔１７とを連通するエア抜き孔の途中に設けたボールバルブで、エア抜きのあとプラグ１８で閉止される。図のプラグ１８には、エア抜きバルブ１５から漏れた潤滑油をピン孔１７に流出させる細孔１９が設けられている。

図２の、コネクティングロッド９の内筒９ｃと外筒９ｄとは、高精度のはめあい公差で軸方向に摺動自在に嵌合されるが、その嵌合部の一端は潤滑油が充填される空洞９ｆに連通しているため、潤滑の条件は良く、比較的高粘度の油が用いられるために嵌合部を通る漏れの条件も良く、微量の漏れを許容する程度に隙間を設定することができる。空洞９ｆからの潤滑油の微量の漏れは、軸受１１内から流入路１２を通って空洞９ｆに補充される。

すなわち、空洞９ｆは、オイルポンプ２０から潤滑油の圧送を受けている軸受１１に流入路１２及びチェックバルブ１３を経由して連通しているので、機関の運転により油漏れが生じても、逐次供給される。漏れた潤滑油は、内筒９ｃと外筒９ｄの摺動部を潤滑する。

燃焼圧力を受けて空洞９ｆ内の潤滑油の圧力が上昇しても、流入路１２に設けられたチェックバルブ１３が潤滑油の逆流を防止する。ばね２１で設定されるチェックバルブ１３のクラッキング圧力は、オイルポンプ２０の吐出圧力よりも低く設定することになる。

本実施例を実施した試験機は、火花点火機関であり、圧縮比は１４．５：１とし、点火時期は通常の機関の点火時期より若干遅らせている。また、内筒９ｃと外筒９ｄの直径を、最大燃焼圧力時に空洞９ｆに封入された潤滑油に加わる圧力が１００ＭＰａ（メガパスカル）になるように設定した。

図２の、コネクティングロッド９は、便宜上、組立クランクシャフト対応であり、軸受１１はオイルポンプ２０から潤滑油の圧送を受けているニードル軸受であるが、一体クランクシャフト対応のコネクティングロッドでクランクピン１０が滑り軸受で軸支されているものでも、滑り軸受のくさび効果により軸と軸受メタルとの間の潤滑油に圧力上昇が生じるので、流入路１２を軸受メタルの適切な位置に開口させることにより、空洞９ｆに潤滑油を圧送することが可能である。

空洞９ｆに封入される潤滑油は、従来使用されている一般的な潤滑油（エンジンオイル）で対応可能である。従来使用されている潤滑油は、一般に使用される鉱物油と特定用途の合成油がある。圧縮率は鉱物油より合成油の方が若干高い傾向があり、圧力を受けたとき合成油の方が体積の収縮が少ないことになる。封入する油量は、圧縮率の高い油を基準にして設定することにより、広範囲に対応することができる。

図２に示すコネクティングロッド９は、二分割構造となるので部品数が増しコストも上がるが、コネクティングロッド９の変更のみで内燃機関の最大燃焼圧を抑制して機関効率の向上を図ることができる。シリンダブロックを始めとしてピストン及びピストンピン、クランクシャフト及びクランクピンなどの機関を構成するその他の部材は、基本的には従来品で良い。空洞９ｆからの潤滑油の漏れ量も微小であり、オイルポンプも大きくする必要はない。コネクティングロッド９の質量については、材質、形状等を最適化することにより、従来の一体構造とほぼ同等にすることができる。

コネクティングロッド９に封入される潤滑油は、燃焼圧力に応じて軸方向に自動的に収縮するので、燃焼室の容積を可変するためのアクチュエータやＥＣＵ（電子制御ユニット）等による制御が不要であり、アクチュエータの駆動損失も生じない。

図３は、火花点火機関の低負荷時のＰ−Ｖ線図であり、従来のＰ−Ｖ線図を実線で示し、破線は本発明のＰ−Ｖ線図を示す。破線で示すように、圧縮比を高くすることにより燃焼圧力が上昇し、Ｐ−Ｖ線図の面積が増し低負荷時の効率が上がる。

図４は、火花点火機関の高負荷時のＰ−Ｖ線図であり、従来のＰ−Ｖ線図を実線で示し、破線は本発明のＰ−Ｖ線図を示す。破線で示すように、圧縮比を高くしても燃焼圧力は実施前と同等で、Ｐ−Ｖ線図の面積が増し高負荷時の効率が上がる。

図５は、圧縮着火機関の低負荷時のＰ−Ｖ線図であり、従来のＰ−Ｖ線図を実線で示し、破線は本発明のＰ−Ｖ線図を示す。破線で示すように、燃焼圧力が少し低下して定圧燃焼の傾向となるが、低負荷時の効率の変化はあまり見られない。

図６は、圧縮着火機関の高負荷時のＰ−Ｖ線図であり、従来のＰ−Ｖ線図を実線で示し、破線は本発明のＰ−Ｖ線図を示す。破線で示すように、燃焼圧力は実施前より低下して、定圧燃焼の傾向となり、Ｐ−Ｖ線図の面積が増し高負荷時の効率が上がる。

１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
３ 燃焼室
６ ピストン
７ ピストンピン
８ クランクシャフト
９ コネクティングロッド
９ａ 小端部
９ｂ 大端部
９ｃ 内筒
９ｄ 外筒
９ｅ 軸部
９ｆ 空洞
１０ クランクピン
１１ 軸受
１２ 流入路
１３ チェックバルブ

Claims (3)

1. ピストンに接続する小端部とクランクシャフトに接続する大端部と当該両端部を連結する軸部とを備えた内燃機関用コネクティングロッドにおいて、
   軸方向の空洞を有しかつ当該空洞を有する部分において軸方向に伸縮可能な前記軸部を備え、前記大端部側から前記空洞に潤滑油を充填するときの通路となる潤滑油供給路を備えている、内燃機関用コネクティングロッド。
2. 前記空洞を有する前記伸縮可能な軸部が、小端部側と大端部側とに分割されてその分割部において互いに嵌合摺動する内筒と外筒とで形成されている、請求項１記載の内燃機関用コネクティングロッド。
3. 請求項１又は２記載のコネクティングロッドと、前記ピストンの反コネクティングロッド側に形成されている燃焼室と、定位置に軸支された前記クランクシャフトと、前記空洞に潤滑油が充填する潤滑油供給手段とを備え、
   前記ピストンから作用する前記燃焼室の燃焼圧力が前記空洞に充填された潤滑油を弾性圧縮させることにより、前記軸部が軸方向に収縮して前記燃焼室容積を増大させて、前記燃焼圧力の上昇が抑制されることを特徴とする、内燃機関。

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