JP2011214547A - ピストンクランク機構 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、要求性能に合わせてピストンのストローク量とピストンの上死点位置を同時に変更可能とし、ピストンクランク機構の性能を低下させずに駆動ロスを低減することを目的とする。
【解決手段】この発明は、ピストンとクランク軸との間を、ピストンのストロークを変更可能なリンク機構を介して連結したピストンクランク機構において、リンク機構を、本体に一端部が揺動自在に連結される第１アームと、一端部が連結ピンを介して第１アームの他端部に揺動自在に連結されるとともに他端部がクランク軸のクランクピンに回転自在に連結される第２アームと、第２アーム上をスライド移動可能なスライダと、その両端部がピストンおよびスライダにピンによって回転自在に連結されるコネクティングロッドと、スライダを移動させるスライダ移動機構とによって構成したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明はピストンクランク機構に係り、特に、ピストンクランク機構を備えた装置の性能を低下させずに、駆動ロスの低減を図ったピストンクランク機構に関する。

本体のシリンダ内を往復移動するピストンを備えた装置には、ガソリンエンジンなどの内燃機関、スターリングエンジンなどの外燃機関、オイルポンプやコンプレッサなどの流体圧送装置がある。
ガソリンエンジンなどの内燃機関は、本体のシリンダ内をピストンが往復移動しており、また、シリンダ内にピストンで区画された燃焼室の圧力をシールする必要があるため、ピストンの摺動抵抗（メカロス）が大きい問題がある。また、自動車用の内燃機関は、加速時や高速走行時の性能に合わせて排気量を決めているが、実際には中、低速走行や渋滞による断続走行、アイドリング状態など、能力の一部しか使わない状況が多く、能力の一部しか使っていないため、効率が悪いという問題がある。
その対策として、内燃機関の気筒数の一部を休止させる可変排気量システムがある。しかし、休止時のショックや、休止している気筒のピストンも摺動していることから、摺動抵抗（メカロス）が減少しないなどの問題がある。

これに対して、特開平２−１９６２１号公報には、内燃機関のピストンのストローク量を変更可能なピストンクランク機構により、アクセル開度に応じてピストンストロークを連続的に変更可能な装置が提案されている。（特許文献１）

特開平２−１９６２１号公報

ところが、上記特許文献１に記載のピストンクランク機構は、ピストンストロークを変更すると、ピストンの上死点位置が移動してしまう構造であるため、圧縮比が変化して性能低下を招く不都合があった。

この発明は、要求性能に合わせてピストンのストローク量とピストンの上死点位置を同時に変更可能とし、ピストンクランク機構の性能を低下させずに駆動ロスを低減することを目的とする。

この発明は、本体のシリンダ内を往復移動するピストンと前記本体に回転自在に支持したクランク軸の間を、前記ピストンのストロークを変更可能なリンク機構を介して連結したピストンクランク機構において、前記リンク機構を、前記本体に一端部が揺動自在に連結される第１アームと、一端部が連結ピンを介して前記第１アームの他端部に揺動自在に連結されるとともに他端部が前記クランク軸のクランクピンに回転自在に連結される第２アームと、前記第２アーム上をスライド移動可能なスライダと、その両端部が前記ピストンおよび前記スライダにピンによって回転自在に連結されるコネクティングロッドと、前記スライダを移動させるスライダ移動機構とによって構成したことを特徴とする。

この発明のピストンクランク機構は、ピストンの往復運動をコネクティングロッドとスライダを介して第１アームとの連結点を中心に揺動する第２アームに伝え、第２アームの揺動によりクランク軸を回転させる。この際、スライダを第２アームの揺動中心に対して移動させることで、ピストンのストロークを変更できる。
そのため、この発明のピストンクランク機構は、ピストンを備えた装置である内燃機関の出力やオイルポンプの吐出量の減少に応じてピストンのストロークを減少させ、ピストンクランク機構の駆動ロスを低減することができる。
また、この発明のピストンクランク機構は、第２アームをシリンダ軸線に直交する方向から適宜傾斜させることにより、ピストンの上死点の位置をピストンストロークとは独立して設定できる。
そのため、この発明のピストンクランク機構は、ピストンのストロークを減少させる場合に、ピストンを備えた装置である内燃機関の圧縮比やオイルポンプの吐出圧の低下を防止でき、内燃機関やオイルポンプの性能低下を防止できる。

内燃機関に適用したピストンクランク機構の構成図である。（実施例） ストローク大時のコネクティングロッド軌跡を示すピストンクランク機構の動作を説明する図である。（実施例） ストローク小時のコネクティングロッド軌跡を示すピストンクランク機構の動作を説明する図である。（実施例） ピストンクランク機構を適用可能なスターリングエンジンの構成図である。（変形例）

以下、図面に基づいて、この発明の実施例を説明する。

図１〜図３は、この発明の実施例を示すものである。図１において、１はガソリンエンジンなどの内燃機関、２は本体、３はシリンダ、４はピストン、５は燃焼室、６はクランク軸である。内燃機関１は、本体２のシリンダ３内にピストン４を往復移動可能に保持し、本体２にクランク軸６のジャーナル部７を回転自在に支持している。クランク軸６は、ジャーナル部７から径方向外側に突出するクランクアーム８を備え、クランクアーム８の先端にクランクピン９を備え、ジャーナル部７からクランクアーム８と反対の径方向外側に突出させたバランスウエイト１０を備えている。
内燃機関１は、ピストン４の往復運動をクランク軸６の回転運転に変換するピストンクランク機構１１を備えている。ピストンクランク機構１１は、本体２のシリンダ３内を往復移動するピストン４と本体２に回転自在に支持したクランク軸６との間を、ピストン４のストロークを変更可能なリンク機構１２を介して連結している。
前記ピストンクランク機構１１は、リンク機構１２を、第１アーム１３と、第２アーム１４と、スライダ１５と、コネクティングロッド１６と、スライダ移動機構１７とによって構成している。第１アーム１３は、クランク軸６下方一側の本体２に一端部がピン１８で揺動自在に連結される。第２アーム１４は、一端部が連結ピン１９を介して前記第１アーム１３の他端部に揺動自在に連結されるとともに、他端部がクランク軸６のクランクピン９に回転自在に連結される。
スライダ１５は、例えば、第２アーム１４に形成した溝部２０にスライダ１５の係合部２１を摺動自在に係合することで、第２アーム１４上をスライド移動可能に設けている。コネクティングロッド１６は、その両端部がピストン４およびスライダ１５にピストンピン２２およびピン２３によって回転自在に連結される。スライダ移動機構１７は、スライダ１５を第２アーム１４の長手方向にスライド移動させる。

前記スライダ１５をスライド移動させるスライダ移動機構１７は、アクチュエータ２４と、レバー２５と、ベルクランク２６と、第３アーム２７と、第４アーム２８とを備えている。アクチュエータ２４は、回転力を発生するモータなどからなり、回転するウォーム２９を備え、第１アーム１３のピン１８近傍の本体２に取り付けられている。レバー２５は、第１アーム１３のピン１８とアクチュエータ２４のウォーム２９との間の本体２にピン３０で揺動自在に支持され、一端部にアクチュエータ２４のウォーム２９に噛み合うウォームホイール３１を備えている。レバー２５は、ウォーム２９およびウォームホイール３１の噛み合いで伝達されるアクチュエータ２４の回転力により、ピン３０を中心に揺動される。
ベルクランク２６は、第２アーム１４の一端部の連結ピン１９近傍にピン３２で中央部を揺動自在に支持している。第３アーム２７は、一端部をピン３３でレバー２５の他端部に揺動自在に連結し、他端部をピン３４でベルクランク２６の一端部に揺動自在に連結することで、レバー２５とベルクランク２６との間を連絡している。第４アーム２８は、一端部をピン３５でベルクランク２６の他端部に揺動自在に連結し、他端部をピン３６でスライダ１５の一端部に揺動自在に連結することで、ベルクランク２６とスライダ１５との間を連絡している。スライダ移動機構１７は、スライダ１５のスライド移動により第１アーム１３の連結ピン１９とコネクティングロッド１６下端のピン２３との距離Ｌを変化させる。
前記第２アーム１４は、クランク軸６の中心を通り、シリンダ軸線Ｃ１に対して直交する直交線Ｃ２を描出した場合に、ピストン４が上死点にある状態において、直交線Ｃ２からシリンダ軸線Ｃ１方向でピストン４側に向かって、第１アーム１３との連結点である連結ピン１９が離間する距離Ｄ１と、クランク軸６との連結点であるクランクピン９が離間する距離Ｄ２との関係を、Ｄ１＞Ｄ２に設定している。
これにより、第２アーム１４は、ピストン４が図１に示す上死点にある場合、第１アーム１３との連結点である連結ピン１９が、クランク軸６との連結点であるクランクピン９よりも、シリンダ軸線Ｃ１方向でピストン４側に位置するように、傾けられている。

ピストンクランク機構１１は、連結ピン１９による第１アーム１３と第２アーム１４との間のはさみ角が小さくなった時の干渉を防ぐために、この実施例では第１アーム１３のベルクランク２６が支持されるピン３２の部分よりも連結ピン１９側を第１アーム１３側に向かって折り曲げている。
また、ピストンクランク機構１１は、第１アーム１３のピン１８と第３アーム２７のピン３３、および、第１アーム１３の連結ピン１９と第３アーム２７のピン３４を、クランク軸線Ｃ３方向から見た側面視において一致させて配置する。なお、図１においては、各部の連結関係が明確に把握できるように、第１アーム１３のピン１８と第３アーム２７のピン３３、および、第１アーム１３の連結ピン１９と第３アーム２７のピン３４を、夫々一致させずにずらした状態で図示している。
これは、第１アーム１３のピン１８と第３アーム２７のピン３３、および、第１アーム１３の連結ピン１９と第３アーム２７のピン３４が側面視で一致していれば、クランク軸６が回転して第１アーム１３と第２アーム１４とのはさみ角が変わってても、第１アーム１３とベルクランク２６の位置関係は変わらないが、側面視でずれていると第１アーム１３とベルクランク２６の位置関係が変わり、スライダ１５の位置が変わってしまうからである。

次に、作用を説明する。
ピストンクランク機構１１は、図２に示すように、アクチュエータ２４によりレバー２５を矢印Ａ方向に回転させると、第３アーム２７、ベルトクランク２６、第４アーム２８を介してスライダ１５が第１アーム１３の連結ピン１９から離れる矢印Ｂ方向に移動し、第１アーム１３の連結ピン１９とコネクティングロッド１６の下端のスライダ１５が連結されたピン２３との距離Ｌ１が大きくなる。
ピストンクランク機構１１は、この状態でクランク軸６が回転し、ピストン４が図２に示す下死点に移動すると、第２アーム１４の図２における左端が下がるので、第１アーム１３の連結ピン１９から離れたコネクティングロッド１６の下端のピン２３の位置が下がることになり、ピストン４のストロークが大きくなって排気量が増大する。
一方、ピストンクランク機構１１は、図３に示すように、アクチュエータ２４によりレバー２５を矢印Ｃ方向に回転させると、第３アーム２７、ベルトクランク２６、第４アーム２８を介してスライダ１５が第１アーム１３の連結ピン１９に近付く矢印Ｄ方向に移動し、第１アーム１３の連結ピン１９とコネクティングロッド１６の下端のスライダ１５が連結されたピン２３との距離Ｌ２が図２の距離Ｌ１よりも小さくなる。
ピストンクランク機構１１は、この状態でクランク軸６が回転し、ピストン４が図３に示す下死点に移動すると、第２アーム１４の図３における左端が下がるが、距離Ｌ１が距離Ｌ２よりも小さいので、第１アーム１３の連結ピン１９から離れたコネクティングロッド１６の下端のピン２３の位置が上がることになり、ピストン４のストロークが小さくなって排気量が減少する。
ピストンクランク機構１１は、アクチュエータ２４によりレバー２５を矢印Ａ方向・矢印Ｃ方向に回転させることで、内燃機関１の運転中でも連続的に排気量を変更することができる。

このように、ピストンクランク機構１１は、ピストン４の往復運動をコネクティングロッド１６とスライダ１５を介して第１アーム１３との連結点である連結ピン１９を中心に揺動する第２アーム１４に伝え、第２アーム１４の揺動によりクランク軸６を回転させる。この際、スライダ１５を第２アーム１４の揺動中心である連結ピン１９に対して移動させることで、ピストン４のストロークを変更することができる。
そのため、このピストンクランク機構１１は、内燃機関１の出力（オイルポンプの場合は吐出量）の減少に応じて、ピストン４のストロークを減少させ、ピストンクランク機構１１の駆動ロスを低減することができる。
また、このピストンクランク機構１１は、ピストン４が上死点にある場合、第２アーム１４は第１アーム１３との連結ピン１９による連結点がクランク軸６とのクランクピン９による連結点よりもシリンダ軸線Ｃ１方向でピストン４側に位置するように傾けられている。
これにより、このピストンクランク機構１１は、第２アーム１４をシリンダ軸線Ｃ１に直交する方向から適宜傾斜させることにより、ピストン４の上死点の位置をピストンストロークとは独立して設定でき、スライダ１５を第１アーム１３との連結点である連結ピン１９に近づけてピストンストロークを小さくするにつれ、ピストン４の上死点位置を上昇させ、小ストローク時に圧縮比の低下を防止できる。
そのため、このピストンクランク機構１１は、ピストン４のストロークを減少させる場合に、内燃機関１の圧縮比（オイルポンプの場合は吐出圧）の低下を防止でき、内燃機関１（オイルポンプ）の性能低下を防止できる。
さらに、スライダ移動機構１７は、アクチュエータ２４によって回転するレバー２５と、第２アーム１４に揺動自在に支持されるベルクランク２６と、レバー２５とベルクランク２６の間を連絡する第３アーム２７と、ベルクランク２６とスライダ１５の間を連絡する第４アーム２８とを備えている。
これにより、このピストンクランク機構１１は、ベルクランク２６によりスライダ１５の移動量の調整が容易になる。

なお、上述実施例においては、ピストンクランク機構１１を内燃機関１に適用したが、オイルポンプやコンプレッサに適用することができる。
自動車用の内燃機関のオイルポンプは、駆動力として内燃機関のクランク軸を使っている。オイルポンプの吐出量は、クランク軸の回転数により変わるが、必ずしも必要量と一致している訳ではなく、余ったオイルをリリーフバルブから捨てている状況である。
このピストンクランク機構１１は、オイルポンプへの適用により、ストロークを変えて吐出量を調整することで、エンジン回転数に関わらず最適な吐出量とすることができるため、駆動力の無駄な損失を無くすことができる。なお、ピストンクランク機構１１は、オイルポンプだけでなく、コンプレッサなどの流体圧送装置に適用が可能である。

また、上述実施例においては、ガソリンエンジンなどの内燃機関１に適用したが、スターリングエンジンなどの外燃機関にも適用が可能である。
スターリングエンジン１０１は、図４に示すように、本体１０２内のディスブレーサピストン１０３が上下することにより冷却、加熱が繰り返される気体の体積変化により、パワーピストン１０４が上下し、クランク軸１０５を回転させることで動力を得る外燃機関である。
スターリングエンジン１０１で動力を得るための気体の体積変化量は熱源と冷却源の温度差により変わるが、パワーピストン１０４のストローク（排気量）と気体の体積変化量のバランスが取れていないと効率の良い運転ができない。
このピストンクランク機構１１は、スターリングエンジン１０１への適用により、パワーピストン１０４のストロークを可変とすることで、熱源、冷却源の条件が変わった場合でも効率の良い運転が可能となる。

さらに、このピストンクランク機構１１は、ミラーサイクルエンジンヘの適用も可能である。ガソリンエンジンの熱効率は、膨張比が高いほど良くなる。しかし、通常のエンジンでは圧縮比＝膨張比であり、圧縮比を上げるとノッキングが起こりやすくなることから、膨張比はノッキングが起こらない範囲までしか上げられない。ミラーサイクルエンジンは、圧縮比を上げずに膨張比を上げて効率を良くしたエンジンである。
このピストンクランク機構１１は、吸入行程ではストロークを短く、膨張行程では長くすることで、ミラーサイクルとすることができ、ミラーサイクルエンジンへの適用が可能となる。また、吸入行程のストロークを短くすることは、長いストローク時と比較してピストンの速度が遅くなることになる（同じ回転数で比較して）。
これは、吸人気をゆっくり吸うことになるので、充填効率が良くなる（空気をたくさん吸うことが出来る）という利点もある。

一般的に、ガソリンエンジンではスロットルバルブを使い吸入空気量を絞ることでエンジンの出力を制御している。スロットルバルブを絞っている時には、吸い込み難い空気を無理に吸込んでいることから、マイナスの仕事（スロットルロス）をしていることになる。通常の自動車の運転条件では、常に吸気を絞っていることになるため（アクセルを全開にしている条件は非常に少ない）、このスロットルロスによる効率の低下が問題となっている。
この対策例として、吸気バルブのタイミングを可変とし、吸入空気量を制御することでスロットルロスを減らす案が実用化されている。
このピストンクランク機構１１は、スロットルバルブを備えたガソリンエンジンへの適用により、出力の制御を吸入空気量を絞ることで行うのでは無く、排気量を変えることにより行うことができ、スロットルロスを減らすことができる。

この発明は、内燃機関の出力やオイルポンプの吐出量などの減少に応じて、ピストンのストロークを減少させ、ピストンクランク機構の駆動ロスを低減することができるものであり、本体のシリンダ内を往復移動するピストンを備えた装置に適用することができる。

１ 車両
２ 本体
３ シリンダ
４ ピストン
５ 燃焼室
６ クランク軸
９ クランクピン
１１ ピストンクランク機構
１２ リンク機構
１３ 第１アーム
１４ 第２アーム
１５ スライダ
１６ コネクティングロッド
１７ スライダ移動機構
１９ 連結ピン
２２ ピストンピン
２４ アクチュエータ
２５ レバー
２６ ベルクランク
２７ 第３アーム
２８ 第４アーム

Claims (3)

1. 本体のシリンダ内を往復移動するピストンと前記本体に回転可能に支持したクランク軸との間を、前記ピストンのストロークを変更可能なリンク機構を介して連結したピストンクランク機構において、
   前記リンク機構を、前記本体に一端部が揺動自在に連結される第１アームと、一端部が連結ピンを介して前記第１アームの他端部に揺動自在に連結されるとともに他端部が前記クランク軸のクランクピンに回転自在に連結される第２アームと、前記第２アーム上をスライド移動可能なスライダと、その両端部が前記ピストンおよび前記スライダにピンによって回転自在に連結されるコネクティングロッドと、前記スライダを移動させるスライダ移動機構とによって構成したことを特徴とするピストンクランク機構。
2. 前記ピストンが上死点にある場合、前記第２アームは前記第１アームとの連結点が前記クランクピンとの連結点よりシリンダ軸線方向でピストン側に位置するように傾けられていることを特徴とする請求項１に記載のピストンクランク機構。
3. 前記スライダ移動機構は、アクチュエータによって回転するレバーと、前記第２アームに揺動自在に支持されるベルクランクと、前記レバーと前記ベルクランクの間を連絡する第３アームと、前記ベルクランクと前記スライダの間を連絡する第４アームとを備えることを特徴とする請求項１に記載のピストンクランク機構。

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