JP2011069300A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】連接棒が往復動のみするタイプの内燃機関において、高速回転適応性をアップさせる。
【解決手段】内燃機関は、ピストン３が嵌め込まれたシリンダボア２と、ピストン３で駆動される主軸４とを有する。主軸４は第１クランク部５と第２クランク部７とを有し、第１クランク部５は、クランクロータ１２に回転可能な状態で連結されている。クランクロータ１２は機関本体１に軸受け１３で回転自在に支持されており、軸受け１３の外側にバランスウエイト１４を設け、更に、遊星ギア１６と内歯ギア１７はクランクロータ１２の外側に配置している。第２クランク部７のうち左右のクランクピン部８の間の部位にバランスウエイト１１を設けている。部材配置が単純化されるため実機適応性が高く、クランクロータ１２にバランスウエイト１４を設けることも簡単であるため高速回転にも対応できる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンのようにピストンの往復動を回転動力として取り出すレシプロ内燃機関に関するもので、より詳細には、連接棒が回動せずに往復動のみするタイプの内燃機関に関するものである。

内燃機関において、ピストンの往復動を回転動力として取り出す手段としては一般にクランク機構が採用されており、通常の内燃機関ではクランク軸は機関本体に回転自在に保持されていて、回転軸心から偏心したクランクピンとピストンとが連接棒で直接に連結されている。従って、連接棒は角度を変えながら往復動するが、連接棒の角度が変わることでピストンにはこれを倒そうとする外力が作用することになるため、ピストン及びシリンダボアに磨耗が発生し易い点や摺動抵抗（エネルギロス）が大きい等の問題があった。

そこで、連接棒を往復動のみさせて回転運動を得る機構が考えられており、その一例として特許文献１には、連接棒の下端に遊星ギアを歯車ピンで回転自在に取り付けて、この遊星ギアを主軸に設けた内歯ギアに噛合させると共に、遊星ギアは主軸の軸心回りに回動するクランクアームにクランクピンで回転自在に取り付け、クランクピン７と歯車ピンとを逆方向に回転同期して回動させるようにした機構が開示されている。

他方、特許文献２には、特にコンプレッサに適用されるクランク機構として、ケースの内部に回転式の第１歯車とこれを外側から抱持する筒状の固定式太陽部材とを配置すると共に、第１歯車のうちその回転中心から偏心した部位にクランク軸の主軸を貫通させ、クランク軸のうち第１歯車の外側に露出した箇所に遊星ギアを設けてこれを太陽部材に設けた太陽歯車（内歯ギア）に噛み合わせ、更に、クランク軸のクランクピンに連接棒を連結した構成が開示されている。この特許文献２では、第１歯車にはモータ等で駆動される第２歯車（主動ギア）を噛み合わせている。

特開平９−３０５６０１号公報 特開平９−１７７９２２号公報

特許文献１も特許文献２もいわばクランクピンを２段偏心式にして、１段目のクランクピンと２段目のクランクピンとを逆方向に回動（公転）させることで連接棒が往復動のみするように規制したものであるが、特許文献１では、例えばその図１らか推測できるように、内歯ギアの外側で連接棒が往復動するため、主軸を片持ち梁の状態にしてその先端に内歯ギアを設けねばならず、このため高速回転には不安が残ると言える。

他方、特許文献２ではクランク軸は両端支持の状態になっているため安定性に優れていると言えるが、内燃機関に適用するには無理があると思われる。すなわち、特許文献２はクランク機構をコンパクト化することを目的として部材群の全体のケースに内蔵しているが、内燃機関では各部材に大きな荷重が掛かるためコンパクト化し過ぎると各部材の強度を確保できなくなるおそれがある。特に、特許文献２の第１ギアはその回転中心から偏心した部位にクランク軸が連結されるので、バランスウエイトを設けて遠心力を打ち消さないと高速運転に危険であるが、特許文献２の構成では十分な質量のバランスウエイトをケース内に設けることが困難である。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものであり、連接棒が往復動のみする内燃機関を改良された形態で提供せんとするものである。

本願発明は内燃機関に係るもので、この内燃機関は、シリンダボアを往復動するピストンと、前記ピストンの往復動で駆動される主軸とを有しており、前記主軸は、仮想回動中心線から偏心した複数の第１クランク部と、隣り合った前記第１クランク部の間に位置してクランクアームを介して前記第１クランク部に繋がった第２クランク部とを有しており、前記仮想回動中心線に対する第２クランク部の偏心寸法を前記仮想回動中心線に対する前記第１クランク部の偏心寸法の２倍の寸法と成している。

また、前記各第１クランク部は、前記主軸の仮想回動中心線回りに回転するように機関本体の軸受け部で回転自在に保持されたクランクロータにそれぞれ回転可能に連結されており、従って、前記クランクロータが回転すると第１クランク部は自転しつつクランクロータの回転中心線回りに公転して、前記第２クランク部は第１クランク部の軸心回りに公転しつつ前記クランクロータの回転中心線回りに公転するようになっている。

加えて、前記主軸における第１クランク部の少なくとも１つは前記クランクロータの外側に露出しており、この露出部に取付けた遊星ギアを内歯ギアに噛合させることにより、前記クランクロータの回転方向と第２クランク部の公転方向とが逆方向になって前記連接棒が往復動のみするように規制されている。

本願発明は複数の構成を含んでいる。その例として請求項２の発明では、請求項１において、前記クランクロータと第２クランク部とにバランスウエイトを設けている。また、請求項３の発明では、請求項２の展開例として、複数のシリンダボア及びピストンを有していて前記第２クランク部には複数本の連接棒が軸方向に並んだ状態で連結されており、前記第２クランク部のうち隣り合った連接棒の間の部位に前記バランスウエイトを設けている。

本願発明はクランクロータが実質的に出力軸として機能するが、クランクロータは第２クランク部の両側に配置されていて主軸は両端支持の上体になっているため、高速回転であっても高い安定性を確保できる。また、第２クランク部に複数の連接棒を連結することや、複数の第２クランク部を設けることも容易であるため、多気筒内燃機関にも簡単に適用できる。

更に、遊星ギアと内歯ギアとはクランクロータの外側に配置しているため、各部材は主軸の軸方向に並べて配置されることになり、このため各部材は他の部材に邪魔されることなく必要な強度を得る大きさに設定できるのであり、このため、各部材に大きな荷重が掛かる内燃機関にも簡単に適用できる。また、クランクロータには主軸の回動（公転）に伴う遠心力が作用するが、他の部材に規制されることなく大きな質量のバランスウエイトを設けることできるため、高速回転にも簡単に対応できる。

請求項３の構成を採用すると、クランクロータ及び主軸に遠心力が作用すること防止できるため、実機への適応性が高くて特に好適である。

さて、特許文献２の図６には２気筒方式にした場合においてクランクピンの位相を１８０度ずらすことが開示されているが、これでは全体の構成が著しく複雑になる。

これに対して本願請求項４の構成を採用すると、１本の第２クランク部に複数の連接棒を連結しているため、多気筒（複数気筒）の内燃機関でありながら構想を簡単化することができる。更に、隣り合った連接棒の間にバランスウエイトを設けているため、第２クランク部と第１クランク部との間隔（すなわちクランクアームの厚さ）を必要最小限度に抑えることができ、その結果、機関の小型化や軽量化に貢献することができる。また、第２クランク部はバランスウエイトを設けたことで断面積が大きくなるため曲げに対する剛性を格段に向上させることができる利点もある。

（Ａ）は実施形態の縦断正面図、（Ｂ）は構造の模式図、（Ｃ）は動きを示す模式図である。 （Ａ）は図１（Ａ）の図２のＡ−Ａ視図、（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図、（Ｃ）は図１（Ａ）のＣ−Ｃ視断面図である。 （Ｄ）は図１（Ａ）のＤ−Ｄ視断面図、（Ｅ）は図１（Ａ）のＥ−Ｅ視断面図、（Ｆ）は図１（Ａ）のＦ−Ｆ視断面図である。 図１（Ａ）の IV-IV視断面図である。 第２実施形態の縦断正面図である。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１〜図４に示す第１実施形態から説明する。なお、以下の説明で方向を特定するため「左右」「前後」の文言を使用するが、これは、主軸及びシリンダボアの軸線と直交した方向から見た状態（すなわち図１（Ａ）や図２を正視した状態）を基準にしている。

(1).第１実施形態の構造
本実施形態の内燃機関は２気筒４サイクル方式であり、従って、機関本体（シリンダブロック）１には２つのシリンダボア２が平行に形成されており、各シリンダボア２にピストン３が摺動自在に嵌まっている。敢えて説明するまでもないが、ピストン３にはピストンリングやオイルリングを装着することが可能である。

ピストン３の下方には、当該ピストン３の並び方向に沿って延びる軸線を有する主軸４が配置されている。主軸４は、その端部を包含する左右の第１クランク部５と、左右の第１クランク部５にクランクアーム６を介して繋がった１本の第２クランク部７とを有している。従って、第２クランク部７は左右の第１クランク部５の間に位置しており、この第２クランク７に左右一対のクランクピン部８を形成し、このクランクピン部８とピストン３とが連接棒９で連結されている。

連接棒９の下端部はクランクピン部８を抱持する大径の下軸受け部（大端部）９ａになっており、下軸受け部９ａの下半分を別パーツの下部材９ｂで構成し、この下部材９ｂをボルト１０で上部材に締結している。連接棒９の上端はピストン３にピストンピン（図示せず）で連結されている。

主軸４における第２クランク部７のうち、左右のクランクピン部８で挟まれた部分はクランクピン部８よりもやや大きい大径部７ａになっており、この大径部７ａの部分に第１バランスウエイト１１を一体に設けている。第１バランスウエイト１１は、第２クランク部５の軸心Ｏ３から見てクランクアーム６の突出方向と同じ方向に突出している（第１クランク部５を基準にして見ると、第１バランスウエイト１１は、第１クランク部５からクランクアーム６が突出している方向と逆の方向に向いて突出している。）。

主軸４の左右第１クランク部５は、機関本体１に回転自在に保持されたクランクロータ１２に回転自在に偏心した状態で嵌まっている。すなわち、クランクロータ１２はその軸心回りに回転するように軸受け１３を介して機関本体１に取り付けられており、第１クランク部５は、クランクロータ１２の回転軸心Ｏ１からＥの寸法だけ偏心した状態でクランクロータ１２に回転自在に嵌まっている。従って、第１クランク部５は、自転すると共にクランクロータ１２の軸心Ｏ１の回りを公転する。

第１クランク部５の軸心Ｏ２がクランクロータ１２の軸心Ｏ１から偏心している寸法Ｅと、第２クランク部７の軸心Ｏ３が第１クランク部５の軸心Ｏ２から偏心している寸法Ｅとは同じ寸法に設定されている。従って、Ｏ３がＯ１から偏心している寸法は、Ｏ２がＯ１から偏心している寸法Ｅの２倍になっている。敢えて述べるまでもないが、クランクロータ１２の軸心が請求項に記載した仮想回動中心線になる。

左右のクランクロータ１２は軸受け１３の外側にはみ出した露出部を有しており、この露出部に第２バランスウエイト１４と主動ギア１５とを設けている。図面では第２バランスウエイト１４が内側に位置して主動ギア１５が外側に位置しているが、これらは内外逆に配置することも可能である。第２バランスウエイト１４は、クランクロータ１２の軸心を挟んで第１クランク部５と反対側に向いて突出している。

一方の第１クランク部５（図１（Ａ）及び図２で右側の第１クランク部５）の先端部はクランクロータ１２に完全に隠れているが、他方の（左側の）第２クランク部５の先端部はクランクロータ１２から突出した露出部５ａになっており、この露出部５ａに遊星ギア１６を相対回転不能に固定し、遊星ギア１７を内歯ギア１７に噛合させている（遊星ギア１６と内歯ギア１７とを左右に一対ずつ配置することも可能である。）。内歯ギア１７はクランクロータ１２と同心に配置されており、機関本体１に回転不能に固定されている。また、内歯ギア１７の歯数は遊星ギア１６の歯数の２倍になっている。

左右の主動ギア１５にはそれぞれ従動ギア１８が噛合しており、左右の従動ギア１８は等速軸１９で一体に連結されている（図４参照）。従って、等速軸１９に左右の従動ギア１８を固定したギア機構により、左右の主動ギア１５を正確に同期して回転させる等速機構が構成されている。本実施形態では、等速軸１９の一端部にプーリやギア等を設けて動力を取り出すことができる。等速軸１９は機関本体１に軸支されている。遊星ギア１６と反対側に位置したクランクロータ１２には主動ギア１５の外側に位置するボスを設け、これにフライホイール２０を固定している。

(2).第１実施形態のまとめ
以上の構成において、１つのシリンダボア２ではピストン３が２往復する４サイクルごとに爆発・排気・吸気・圧縮の行程が行われ、かつ、２つのシリンダボア２の行程は２サイクルずつ（クランクロータ１２の回転角度で３６０度ずつ）ずれている。

そして、連接棒９による押圧・引っ張り作用により、第１クランク部５は自転しながらクランクロータ１２の軸心回りに公転するが、遊星ギア１６と内歯ギア１７との噛み合いによる規制作用により、クランクロータ１２の回転方向と第１クランク部５の公転方向とが逆方向になる。このことと、クランクロータ１２の軸心に対する第１クランク部５の偏心寸法Ｅと、第１クランク部５に対する第２クランク部７の偏心寸法Ｅとが同じであることにより、図１（Ｃ）に示すように、第２クランク部７は公転しつつ自転する。これにより、連接棒９の往復動のみによって回転動力を得ることができる。

そして、第１バランスウエイト１１を起点にして、クランクピン部８、クランクアーム６、軸受け１３、第２バランスウエイト１４、主動ギア１５、遊星ギア１６及び内歯ギア１７が順番に並んでおり、このため、各部材は他の部材に邪魔されることなく必要な強度を得る大きさに設計することができる。特に、クランクロータ１２を設けた第２バランスウエイト１４は軸受け１３の外側に配置されているため、主軸４の曲がりを著しく抑制することができ、よって、安定した回転を得るのに好適である。また、安定した回転を得るためには内歯ギア１７はある程度の外径があるのが好ましいが、本実施形態では内歯ギア１７は最も外に配置されていてその大きさは任意に設定できるため、特に好適である。

また、第２クランク部７の第１バランスウエイト１１は左右のクランクピン部８の間に設けているため、クランクアーム６はその強度を得るための必要最小限度の厚さ寸法があれば足り、従って、左右のシリンダボア２の間隔Ｐをできるだけ小さくして機関の小型化・軽量化を図ることができる。図３（Ｆ）に示すように、第１バランスウエイト１１を先端に頭がある錨形やＴ形に形成することも可能であり、このような形態を採用すると、軽くてもバランス効果を向上できる利点があり、結果として機関の軽量化に貢献できる。

(3).第２実施形態
図５に示す第２実施形態は既述の第１実施形態と殆ど同じであり、相違点は第１バランスウエイト１１をクランクアーム６に一体化している点のみである。シリンダボア２の内径との関係でクランクアーム６に十分な厚さを確保・できる場合は、このようにクランクアーム６に第１バランスウエイト１１を設けても特段の問題は生じない。クランクアーム６と第２クランク部７とにそれぞれバランスウエイト１１を設けることも可能である。

(4).その他
本願発明は上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば気筒数は２気筒に限らず、単気筒又は３気筒以上の内燃機関にも適用できる。また、第１クランク部とクランクアームと第２クランク部とは全体を一体構造にする必然性はなく、別々に製造したものを固定して組み立ててもよい。多気筒内燃機関の場合、複数の第２クランク部を設けることも可能である（この場合は回転中心軸は３つ以上設けることになる。）。

なお、主軸には機関本体で軸支される回転中心軸を一体に設けることも可能であり、この場合はクランクロータ１２は必ずしも必要ないと言えるが、この場合でも、隣り合ったクランクピン部の間にバランスウエイトを設けることでシリンダボアの間隔を可能な限り狭め得るという利点は担保される。

本願発明は内燃機関に適用してその有用性を発揮できる。従って産業上利用できる。

１ 機関本体
２ シリンダボア
３ ピストン
４ 主軸
５ 第１クランク部
６ クランクアーム
７ 第２クランク部
８ クランクピン部
９ 連接棒
１１ 第１バランスウエイト
１２ クランクロータ
１３ クランクロータの軸受け
１４ 第２バランスウエイト
１５ 主動ギア
１６ 遊星ギア
１７ 内歯ギア

Claims (3)

1. シリンダボアを往復動するピストンと、前記ピストンの往復動で駆動される主軸とを有しており、
   前記主軸は、仮想回動中心線から偏心した複数の第１クランク部と、隣り合った前記第１クランク部の間に位置してクランクアームを介して前記第１クランク部に繋がった第２クランク部とを有しており、前記仮想回動中心線に対する第２クランク部の偏心寸法を前記仮想回動中心線に対する前記第１クランク部の偏心寸法の２倍の寸法と成しており、
   前記各第１クランク部は、前記主軸の仮想回動中心線回りに回転するように機関本体の軸受け部で回転自在に保持されたクランクロータにそれぞれ回転可能に連結されており、従って、前記クランクロータが回転すると第１クランク部は自転しつつクランクロータの回転中心線回りに公転して、前記第２クランク部は第１クランク部の軸心回りに公転しつつ前記クランクロータの回転中心線回りに公転するようになっている一方、
   前記ピストンには当該ピストンと一緒に往復動のみ連接棒が連結されており、前記連接棒と前記主軸の第２クランク部とは、第２クランク部が相対的に回転し得る状態で連結されており、
   更に、前記主軸における第１クランク部の少なくとも１つは前記クランクロータの外側に露出しており、この露出部に取付けた遊星ギアを内歯ギアに噛合させることにより、前記クランクロータの回転方向と第２クランク部の公転方向とが逆方向になって前記連接棒が往復動のみするように規制されている、
   内燃機関。
   内燃機関。
2. 前記クランクロータと第２クランク部とにバランスウエイトを設けている、
   請求項１に記載した内燃機関。
3. 複数のシリンダボア及びピストンを有していて前記第２クランク部には複数本の連接棒が軸方向に並んだ状態で連結されており、前記第２クランク部のうち隣り合った連接棒の間の部位に前記バランスウエイトを設けている、
   請求項２に記載した内燃機関。

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