JP2013241922A

JP2013241922A - 複リンク式内燃機関

Info

Publication number: JP2013241922A
Application number: JP2012117052A
Authority: JP
Inventors: Eiji Takahashi; 英二高橋
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-05-23
Publication date: 2013-12-05
Anticipated expiration: 2032-05-23
Also published as: US9121341B2; US20130312697A1; JP5949148B2

Abstract

【課題】バランスウェイトの鋳込みなどによらずにピストン１の重心Ｇの位置を所望の位置に片寄らせる。
【解決手段】複リンク式内燃機関のピストン１は、クランク軸の時計回りの回転方向に対応して、ピストンピン２の中心位置がピストン中心線Ｌ１よりも右側に位置する。燃焼室３２はペントルーフ型をなすが、その頂点位置がピストン中心線Ｌ１よりも左側にある。吸気弁３４用のバルブリセス４２に比較して排気弁３６用のバルブリセス４３は小径であり、その深さも浅い。吸気弁３４が一対あるのに対し、排気弁３６は１個である。これにより、ピストンピン２中心を通る基準面Ｍからピストン１冠面各部までシリンダ６軸方向に測った距離Ｘについて、ピストンピン往復線Ｌ２よりも右側の領域における距離Ｘの平均値より、左側の領域における平均値の方が大きい。
【選択図】図２

Description

この発明は、ピストンとクランクシャフトとを複リンク式ピストン−クランク機構を介して連結した複リンク式内燃機関に関する。

クランクシャフトのクランクピンとピストンのピストンピンとを複数のリンクでもって連結した複リンク式内燃機関が、本出願人らによって種々提案されており、既に公知となっている。

そして特許文献１には、このような複リンク式ピストン−クランク機構を前提として、ピストンピン中心位置をピストン中心軸から一方へオフセットさせるとともに、ピストン重心位置を、このピストンピン中心を通ってシリンダ軸方向に延びるピストンピン往復線に対し、反対側へオフセットさせて、スラスト力を受ける際のピストンの姿勢を制御するようにした技術が開示されている。すなわち、ピストンに対し燃焼荷重や慣性荷重が作用する点の位置やリンクの傾きの方向などを工夫することで、剛性が高いピストン上端部がシリンダ壁面に衝突することを抑制し、摩擦損失や騒音の低減を図っている。

特許第３９１１９７７号公報

しかしながら、上記の公知文献においては、ピストンの重心位置をどのようにしてオフセットさせるかについては具体的に開示されていない。例えば、軽合金からなるピストンに比重の大きな金属からなるバランスウェイトを鋳込むような方法では、ピストンの重量が増加し、振動が悪化するなどの問題が生じてしまう。

この発明は、クランクシャフトのクランクピンと、シリンダ内を昇降するピストンのピストンピンと、を、一端が上記ピストンピンに連結される第１リンクと、この第１リンクの他端に連結される第２リンクと、を含む複数本のリンクで連結した複リンク式内燃機関を前提としており、ピストン上死点が上、ピストン下死点が下となり、かつクランクシャフトが時計方向に回転するクランク軸方向視で、上記ピストンピン中心が、ピストン冠面の中心を通ってシリンダの軸方向に延びるピストン中心線よりも右側に位置し、かつ、ピストン往復動作に伴う上記第１リンクと第２リンクとのリンク連結中心の移動軌跡が、上記ピストンピン中心を通ってシリンダの軸方向に延びるピストンピン往復線よりも左側に位置し、さらに、ピストン重心が上記ピストンピン往復線よりも左側に位置している。そして、本発明では、上記のようにピストン重心を配置するために、ピストンピン中心を通ってシリンダの軸方向と直交する基準面からピストン冠面各部までのシリンダ軸方向の距離について、上記ピストンピン往復線の右側の領域における上記距離の平均値に比較して、左側の領域における上記距離の平均値が相対的に大きい。

ピストンピン中心を通ってシリンダの軸方向と直交する基準面からピストン冠面各部までのシリンダ軸方向に沿った距離は、ピストン冠面の凹凸を表し、ピストン冠面全面に亘るその平均値は、ピストン冠面の凹凸による燃焼室容積の増減分に相当する。つまり、シリンダヘッド側燃焼室容積や上死点でのピストンピンのシリンダ軸方向位置などピストン冠面形状以外の寸法等を一定とした場合、所定の機械的圧縮比に設計すると、上記の平均値は一定の値（つまり機械的圧縮比に対応した値）となる。

本発明のように、ピストンピン中心を通ってシリンダの軸方向と直交する基準面からピストン冠面各部までのシリンダ軸方向の距離について、上記ピストンピン往復線の右側の領域における平均値よりも左側の領域における平均値を大きくすれば、ピストン重心はピストンピン往復線よりも左側に片寄る。特に、ピストン全面に亘る平均値を所定の機械的圧縮比に対応した値に保つように左側の領域における平均値を右側の領域における平均値よりも相対的に大きくすれば、機械的圧縮比を目標値に設計しつつピストン重心を左側に片寄らせることができ、バランスウェイトの追加等によるピストンの重量増加を抑制しつつ摩擦損失や騒音の低減を行うことができる。

この発明によれば、ピストンの冠面の凹凸形状によってピストン重心を一方へ片寄らせるようにしているので、ピストンの重量増加による振動の悪化等がなく、ピストンピン位置のオフセットおよび第１リンクの特定方向への傾斜と組み合わせることで、スラスト力によるピストン上端部とシリンダ壁面との衝突の抑制を図ることができる。

本発明に係る複リンク式内燃機関の基本的な構成を示す構成説明図。本発明の一実施例を示す（Ａ）燃焼室およびピストンの縦断面図および（Ｂ）燃焼室底面図。吸気弁および排気弁のリフト特性図。本発明の第２の実施例を示す（Ａ）燃焼室およびピストンの縦断面図および（Ｂ）燃焼室底面図。

図１は、本発明に係る複リンク式内燃機関の基本的な構成の一例を示している。これは、特に、複リンク式ピストン−クランク機構を可変圧縮比機構として利用した例であって、図示するように、シリンダブロック５に形成されたシリンダ６内に、ピストン１が摺動可能に配設されており、このピストン１に、アッパリンク１１（本発明の第１リンクに相当する）の一端がピストンピン２を介して揺動可能に連結されている。このアッパリンク１１の他端は、アッパピン１２を介してロアリンク１３（本発明の第２リンクに相当する）の一端部に回転可能に連結されている。このロアリンク１３は、その中央部においてクランクシャフト３のクランクピン４に揺動可能に取り付けられている。なお、ロアリンク１３は、上下ないし左右に２分割して構成され、かつ図示せぬボルトにより一体化されている。

また、クランクシャフト３は、クランク軸受ブラケット７によってシリンダブロック５に回転可能に支持されており、ピストン１の昇降動作に伴って図の時計回り方向に回転する。従って、図１は、ピストン上死点が上、ピストン下死点が下となり、かつクランクシャフト３が時計回り方向に回転するクランク軸方向視の図に相当する。

上記ロアリンク１３の他端部には、コントロールリンク１５の一端がコントロールピン１４を介して回転可能に連結されている。このコントロールリンク１５の他端は、内燃機関本体の一部に揺動可能に支持されている。なお、この例では、圧縮比の変更のために、その揺動支点１６の位置が内燃機関本体に対して変位可能となっている。具体的には、クランクシャフト３と平行に延びたコントロールシャフト１８を備え、このコントロールシャフト１８に偏心して設けられた偏心軸１９に上記コントロールリンク１５の他端が回転可能に嵌合している。上記コントロールシャフト１８は、上記のクランク軸受ブラケット７と制御軸受ブラケット８との間に回転可能に支持されており、適宜なアクチュエータ機構２０に連係している。

なお、図１は、複リンク式内燃機関全体の基本的構成を概略的に示したものに過ぎず、ピストンピン２の位置等は、本発明の構成を必ずしも反映していない。

図２は、本発明の第１実施例の具体的なピストン１の構成およびシリンダヘッド３１側の燃焼室３２の構成を示している。図２の（Ａ）図は、シリンダ６および燃焼室３２をシリンダ６の中心軸線に沿って断面とした断面図であり、ピストン−クランク機構を省略しているものの、図１と同じクランク軸方向視の図である。つまり、ピストン上死点が上、ピストン下死点が下となり、かつクランクシャフト３が時計回り方向に回転するクランク軸方向視となっている。また、図２の（Ｂ）図は、ピストン１を取り除いて燃焼室３２を下方から見た平面図であり、各部の図左右方向の位置関係は、（Ａ）図と互いに対応している。

図２において、符号Ｌ１で示す線は、ピストン１の冠面中心を通ってシリンダ６の軸方向に延びるピストン中心線である。このピストン中心線Ｌ１は、シリンダ６の中心軸線と実質的に一致している。

また、符号Ｌ２で示す線は、ピストンピン２の中心を通ってシリンダ６の軸方向に延びるピストンピン往復線である。つまり、ピストンピン２は、このピストンピン往復線Ｌ２に沿って図の上下に往復運動する。ここで、ピストンピン２は、その中心位置が、図１，図２（Ａ）のクランク軸方向視において、ピストン中心線Ｌ１よりも右側にオフセットして配置されている。従って、ピストンピン往復線Ｌ２は、ピストン中心線Ｌ１よりも右側にある。

また、図２にはピストン−クランク機構を図示していないが、前述したアッパリンク１１とロアリンク１３とを連結するアッパピン１２の中心（つまりリンク連結中心）の移動軌跡は、ピストンピン往復線Ｌ２よりも左側に位置している。この移動軌跡は、上下に細長い楕円形に近似した形状をなすが、その全体がピストンピン往復線Ｌ２よりも左側となる。従って、アッパリンク１１は、常に一定の方向に傾斜した状態に維持され、その傾斜方向が反転することはない。

そして、ピストン１の重心Ｇは、図示するようにピストンピン往復線Ｌ２よりも左側に位置している。

以上のようなピストンピン２中心のオフセット、アッパリンク１１の特定方向への傾き、およびピストン１の重心Ｇのオフセット、の組み合わせにより、ピストン１の昇降の間、該ピストン１の姿勢が所望の状態に制御され、剛性の高いピストン１上端部がスラスト力によってシリンダ６壁面に衝突する現象が抑制される。このような作用のメカニズムは、前述した特許文献１において詳細に説明されており、本発明のものもこの点は特に変わりはないので、その説明は省略する。

本発明においては、ピストン１の重心Ｇをピストンピン往復線Ｌ２よりも左側に片寄らせるために、基本的に、ピストン１冠面の凹凸形状を変更しており、以下、これを説明する。

図２に示す実施例では、燃焼室３２は、２つの傾斜面３２ａ，３２ｂを具備したペントルーフ型の構成であり、図右側の傾斜面３２ａに吸気ポート３３および吸気弁３４が配置され、図左側の傾斜面３２ｂに排気ポート３５および排気弁３６が配置されている。また、２つの傾斜面３２ａ，３２ｂが合わさるペントルーフの頂点位置に点火プラグ３７が配置され、かつ吸気ポート３３下部となる燃焼室３２側部に燃料噴射弁３８が配置されている。

ピストン１冠面には、上記のペントルーフ型燃焼室３２の傾斜面３２ａ，３２ｂにそれぞれ対応した傾斜面４１ａ，４１ｂを有する凸部４１が設けられている。この凸部４１は、ピストン上死点位置では、燃焼室３２の傾斜面３２ａ，３２ｂとの間で所望の圧縮比に対応した比較的小さな間隙が残存するように、シリンダヘッド３１側の燃焼室３２内に入り込むようになっている。そして、吸気弁３４および排気弁３６との干渉を回避するために、円盤状の凹部つまりバルブリセス４２，４３が各々の傾斜面４１ａ，４１ｂに設けられている。

ここで、上記のピストン１においては、ピストンピン２中心を通ってシリンダ６の軸方向と直交する面を基準面Ｍとすると、該基準面Ｍからピストン１冠面各部までシリンダ６軸方向に測った距離Ｘについて、上記ピストンピン往復線Ｌ２よりも右側の領域における上記距離Ｘの平均値に比較して、ピストンピン往復線Ｌ２よりも左側の領域における上記距離Ｘの平均値の方が相対的に大きなものとなっている。これにより、上述したように、ピストン１の重心Ｇは、ピストンピン往復線Ｌ２よりも左側に位置している。

より具体的には、図２に示す実施例の燃焼室３２およびピストン１は、下記のようないくつかの特徴を有している。

まず、燃焼室３２のペントルーフの頂点位置（ひいてはピストン１の凸部４１の頂点位置）がピストンピン往復線Ｌ２よりも左側にあり、特にこの実施例では、ピストン中心線Ｌ１よりも左側にオフセットしている。なお、図２における線Ｌ３は、ペントルーフの頂点を通ってシリンダ６の軸方向に延びるペントルーフ頂点線である。この頂点位置のオフセットに伴い、２つの傾斜面３２ａ，３２ｂの傾斜角は互いに異なっており、吸気弁３４の中心軸線とピストン中心線Ｌ１とがなす角に比較して、排気弁３６の中心軸線とピストン中心線Ｌ１とがなす角の方が、相対的に大きい。つまり排気弁３６に比較して吸気弁３４の方が直立に近い姿勢となっている。

また、吸気弁３４が一対設けられているのに対し、排気弁３６は１個のみである。さらに、吸気弁３４の径に比較して、排気弁３６の径は小さい。ピストン１に設けられるバルブリセス４２，４３は、これらの吸気弁３４および排気弁３６に対応した形状をなし、従って、吸気弁３４用のバルブリセス４２の径に比較して排気弁３６用のバルブリセス４３の径は小さい。そして吸気弁３４用のバルブリセス４２は２個あり、排気弁３６用のバルブリセス４３は１個のみである。

上記バルブリセス４２，４３は、ピストン１が上死点近傍にあるときにピストン１との干渉を回避するためのものであるが、図３にバルブリフト特性を示すように、ピストン上死点での各々のリフト量を比較すると、吸気弁３４のリフト量に比較して排気弁３６のリフト量の方が小さくなっている。さらに、吸気弁３４の開期間とピストン上死点とのオーバラップ量（換言すれば吸気弁３４開時期からピストン上死点までのクランク角）に比較して、排気弁３６の開期間とピストン上死点とのオーバラップ量（換言すればピストン上死点から排気弁３６閉時期までのクランク角）が小さなものとなっている。

このようなバルブリフト特性に基づき、ピストン１に設けられるバルブリセス４２，４３の深さとしては、吸気弁３４用のバルブリセス４２の深さに比較して、排気弁３６用のバルブリセス４３の深さの方が小さなものとなっている。

このように、上記実施例では、いくつかの特徴の組み合わせにより、ピストン１の重心Ｇがピストンピン往復線Ｌ２よりも左側に配置される。このような実施例では、不必要なピストン１の重量増加を招くことなく重心Ｇを所望の配置とすることができる。また、ピストン１冠面の凹凸形状としても、バルブリセス４２，４３以外に不必要な凹凸を設ける必要がないので、ピストン１冠面の表面積の不必要な増加がなく、従って、冷却損失の増加を回避することができる。

なお、上記実施例では、複数の特徴を組み合わせてあるが、その中の一つあるいはいくつかの組み合わせでもって所望の重心Ｇの配置を実現することも可能である。

次に、図４は、この発明の第２の実施例を示している。図４の（Ａ）図は、シリンダ６および燃焼室１３２をシリンダ６の中心軸線に沿って断面とした断面図であり、ピストン−クランク機構を省略しているものの、図１と同じクランク軸方向視の図である。つまり、ピストン上死点が上、ピストン下死点が下となり、かつクランクシャフト３が時計回り方向に回転するクランク軸方向視となっている。また、図４の（Ｂ）図は、ピストン１を取り除いて燃焼室１３２を下方から見た平面図であり、各部の図左右方向の位置関係は、（Ａ）図と互いに対応している。

前述した図２と同じく、符号Ｌ１で示す線は、ピストン１の冠面中心を通ってシリンダ６の軸方向に延びるピストン中心線である。このピストン中心線Ｌ１は、シリンダ６の中心軸線と実質的に一致している。また、符号Ｌ２で示す線は、ピストンピン２の中心を通ってシリンダ６の軸方向に延びるピストンピン往復線である。つまり、ピストンピン２は、このピストンピン往復線Ｌ２に沿って図の上下に往復運動する。ここで、ピストンピン２は、その中心位置が、図１，図４（Ａ）のクランク軸方向視において、ピストン中心線Ｌ１よりも右側にオフセットして配置されている。従って、ピストンピン往復線Ｌ２は、ピストン中心線Ｌ１よりも右側にある。

また、図４にはピストン−クランク機構を図示していないが、前述したアッパリンク１１とロアリンク１３とを連結するアッパピン１２の中心（つまりリンク連結中心）の移動軌跡は、ピストンピン往復線Ｌ２よりも左側に位置している。この移動軌跡は、上下に細長い楕円形に近似した形状をなすが、その全体がピストンピン往復線Ｌ２よりも左側となる。従って、アッパリンク１１は、常に一定の方向に傾斜した状態に維持され、その傾斜方向が反転することはない。

この図４に示す実施例においては、燃焼室１３２は、傾斜面１３２ａ，１３２ｂを有するペントルーフ型をなすが、その頂点位置は、ピストン中心線Ｌ１上にある。そして、図右側の傾斜面１３２ａに吸気ポート１３３および吸気弁１３４が配置され、図左側の傾斜面１３２ｂに排気ポート１３５および排気弁１３６が配置されている。本実施例では、吸気弁１３４および排気弁１３６がそれぞれ１対ずつ設けられている。また、点火プラグ１３７は、２つの傾斜面１３２ａ，１３２ｂが合わさるペントルーフの頂点位置よりも図右側つまり吸気弁１３４寄りに僅かに片寄って配置されている。燃料噴射弁１３８は、吸気ポート１３３下部となる燃焼室１３２側部に、斜め下方へ向かって燃料を噴射するように配置されている。

ピストン１の冠面には、上記燃料噴射弁１３８からの燃料噴霧を受け止めるように窪んだキャビティ１５１が設けられている。なお、このキャビティ１５１以外の部分においては、図示例では、ピストン１の冠面はほぼ平坦面をなしているが、図２の実施例と同様に燃焼室１３２へ向かって隆起した形状としてもよい。上記キャビティ１５１は、ピストン中心線Ｌ１よりも右側の領域に設けられており、その大部分は、ピストンピン往復線Ｌ２よりも右側にある。また、このキャビティ１５１は、点火プラグ１３７との干渉を回避するリセスを兼ねており、従って、上記点火プラグ１３７の直下の位置を含む範囲に形成されている。

上記のようなピストン１冠面の凹凸形状により、ピストンピン２中心を通ってシリンダ６の軸方向と直交する基準面Ｍからピストン１冠面各部までシリンダ６軸方向に測った距離Ｘについて、上記ピストンピン往復線Ｌ２よりも右側の領域における上記距離Ｘの平均値に比較して、ピストンピン往復線Ｌ２よりも左側の領域における上記距離Ｘの平均値の方が相対的に大きなものとなっている。これにより、上述したように、ピストン１の重心Ｇは、ピストンピン往復線Ｌ２よりも左側に位置する。

以上、本発明の一実施例を説明したが、本発明は、上死点位置でのピストンの絶対的な位置や、シリンダヘッド側の燃焼室の容積などを変化させることで、機械的圧縮比を変更できるようにした可変圧縮比機構を備えた内燃機関においても、同様に適用が可能である。

１…ピストン
２…ピストンピン
１１…アッパリンク
１２…アッパピン
１３…ロアリンク
３２…燃焼室
３４…吸気弁
３６…排気弁
４２，４３…バルブリセス
１５１…キャビティ

Claims

クランクシャフトのクランクピンと、シリンダ内を昇降するピストンのピストンピンと、を、一端が上記ピストンピンに連結される第１リンクと、この第１リンクの他端に連結される第２リンクと、を含む複数本のリンクで連結した複リンク式内燃機関であって、
ピストン上死点が上、ピストン下死点が下となり、かつクランクシャフトが時計回り方向に回転するクランク軸方向視で、上記ピストンピン中心が、ピストン冠面の中心を通ってシリンダの軸方向に延びるピストン中心線よりも右側に位置し、かつ、ピストン往復動作に伴う上記第１リンクと第２リンクとのリンク連結中心の移動軌跡が、上記ピストンピン中心を通ってシリンダの軸方向に延びるピストンピン往復線よりも左側に位置し、さらに、ピストン重心が上記ピストンピン往復線よりも左側に位置する複リンク式内燃機関において、
ピストンピン中心を通ってシリンダの軸方向と直交する基準面からピストン冠面各部までのシリンダ軸方向の距離について、上記ピストンピン往復線の右側の領域における上記距離の平均値に比較して、左側の領域における上記距離の平均値が相対的に大きいことを特徴とする複リンク式内燃機関。
上記クランク軸方向視で、上記ピストンピン往復線の右側の領域にあるバルブリセスの径に比較して左側の領域にあるバルブリセスの径が小さいことを特徴とする請求項１に記載の複リンク式内燃機関。
上記クランク軸方向視で、上記ピストンピン往復線の右側に位置するバルブのピストン上死点におけるリフト量に比較して左側に位置するバルブのピストン上死点におけるリフト量が小さいことを特徴とする請求項１に記載の複リンク式内燃機関。
上記クランク軸方向視で、上記ピストンピン往復線の右側に位置するバルブの開期間とピストン上死点とのオーバラップ量に比較して、左側に位置するバルブの開期間とピストン上死点とのオーバラップ量が小さいことを特徴とする請求項１に記載の複リンク式内燃機関。
上記クランク軸方向視で、上記ピストンピン往復線の右側の領域にあるバルブリセスの個数に比較して左側の領域にあるバルブリセスの個数が少ないことを特徴とする請求項１に記載の複リンク式内燃機関。
燃焼室がペントルーフ型燃焼室であり、ペントルーフの頂点が、上記クランク軸方向視で、上記ピストンピン往復線の左側に位置することを特徴とする請求項１に記載の複リンク式内燃機関。
上記クランク軸方向視で、上記ピストンピン往復線の右側に位置するバルブのバルブ中心軸線と上記ピストン中心線とのなす角に比較して、左側に位置するバルブのバルブ中心軸線と上記ピストン中心軸とのなす角が大きいことを特徴とする請求項１に記載の複リンク式内燃機関。
筒内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を有し、
該燃料噴射弁からの燃料噴霧を受け止めるようにピストン冠面に設けられるキャビティの少なくとも一部が、上記クランク軸方向視で、上記ピストンピン往復線よりも右側に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の複リンク式内燃機関。
上記クランク軸方向視で、上記ピストンピン往復線よりも右側に上記燃料噴射弁が配置されていることを特徴とする請求項８に記載の複リンク式内燃機関。
上記クランク軸方向視で、上記ピストンピン往復線よりも右側に点火プラグが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の複リンク式内燃機関。