JP2015010501A - 内燃機関のピストン・クランク機構 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、内燃機関の冷却損失を低減することのできる内燃機関のピストン・クランク機構を提供する。【解決手段】ピストン(3)とクランクシャフト(7)との間を第１リンク部材(4)と第２リンク部材(5)と支持部材(6)とで構成する。そして、第１リンク部材(4)と第２リンク部材(5)と支持部材(6)の各々の一端と他端との間の距離とシリンダブロック(2)の支持部(2b)の位置を、ピストン(3)が上死点にある時にクランクピン(7a)の位置がクランクシャフト(7)の軸中心を中心として回転した時の最上点Ｔよりクランクシャフト(7)の回転方向に角度Ｄ１移動した位置であって、ピストン(3)が下死点にある時にクランクピン(7a)の位置がクランクシャフト(7)の軸中心を中心として回転した時の最下点Ｂよりクランクシャフト(7)の反回転方向に角度Ｄ２移動した位置にあるように設定する。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のピストン・クランク機構に係り、特に、複数のリンクを有する内燃機関のピストン・クランク機構の構造に関する。

従来より、内燃機関（エンジン）の燃費を向上させるために、エンジンの冷却損失や機械損失の低減を行っている。
例えば、特許文献１のように、ピストン・クランク機構を複数のリンクで構成し、且つピストン中心とクランクシャフト中心とをオフセットして配設している。そして、ピストンが上死点と下死点との中間位置にある時のピストンに加わるスラスト力を低減して、ピストンとシリンダとの間に発生する摩擦を減らすことでエンジンの機械損失を低減するものがある。

特開２００１−５０３６２号公報

上記特許文献１のピストン・クランク機構では、ピストン・クランク機構を複数のリンクで構成し、且つピストン中心とクランクシャフト中心とをオフセットして配設することで、ピストンが上死点と下死点との中間位置にある時のピストンに加わるスラスト力を低減している。
しかしながら、一般的なエンジンでは、シリンダ壁の周囲に冷却水通路を形成し、エンジンのシリンダ壁を冷却しており、膨張行程において燃焼ガスの熱量がシリンダ壁を介して冷却水に奪われることでエンジンの冷却損失が発生する。

したがって、特許文献１の技術が適用されたエンジンに於いても、シリンダ壁の周囲に冷却水通路が形成されると、膨張行程の期間に燃焼ガスの熱量がシリンダ壁を介して冷却水に奪われ冷却損失が発生しエンジンの燃費悪化に繋がる。
本発明は、この様な問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、内燃機関の冷却損失を低減することのできる内燃機関のピストン・クランク機構を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１の内燃機関のピストン・クランク機構では、内燃機関のシリンダ内を往復運動するピストンと、回転自在に支持されたクランクシャフトと、前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、を備え、前記コネクティングロッドは、少なくとも前記ピストン側に回動可能に連結する第１リンク部材と、前記クランクシャフト側に回動可能に連結する第２リンク部材と、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材とを回動可能に連結するリンク連結部とからなるリンク機構で構成され、前記リンク機構は、圧縮行程での前記ピストンの移動速度に対して、膨張行程での前記ピストンの移動速度が早くなるように形成されることを特徴とする。

また、請求項２の内燃機関のピストン・クランク機構では、請求項１において、前記第２リンク部材と前記クランクシャフトとが連結するクランクシャフト連結部は、前記ピストンが上死点にあるときに、前記クランクシャフトの中心軸を通る前記ピストン運動方向と平行な直線上の位置より前記クランクシャフト連結部の回転方向に移動した位置に設定され、前記ピストンが下死点にあるときに、前記クランクシャフトの中心軸を通る前記ピストン運動方向と平行な直線上の位置より前記クランクシャフト連結部の反回転方向に移動した位置に設定されることを特徴とする。

また、請求項３の内燃機関のピストン・クランク機構では、請求項２において、前記ピストンが上死点にあるときに、前記クランクシャフト連結部と前記リンク連結部を結ぶ直線が、前記ピストン運動方向に対し平行となることを特徴とする。
また、請求項４の内燃機関のピストン・クランク機構では、請求項１または２において、前記リンク機構は、一端が前記リンク連結部に回動可能に連結されるとともに、他端が前記内燃機関の本体に回動可能に連結される支持部材を備えることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、圧縮行程でのピストンの速度に対して、膨張行程でのピストンの移動速度が速くなるようにリンク機構を形成することで、圧縮行程の期間に対して膨張行程の期間を短くすることができる。
したがって、膨張行程において燃焼ガスの熱量がシリンダ壁を介して冷却水に奪われることを抑制することができるので、内燃機関の冷却損失を低減することができる。

よって、内燃機関の燃費を向上させることができる。
また、請求項２の発明によれば、ピストンが上死点にあるときに、クランクシャフトの中心軸を通るピストン運動方向と平行な直線上の位置よりクランクシャフト連結部の回転方向に移動した位置に設定されるとともに、ピストンが下死点にあるときに、クランクシャフト中心軸を通るピストン運動方向に平行な直線上の位置よりクランクシャフト連結部の反回転方向に移動した位置となるように第２リンク部とクランクシャフトとが連結するクランクシャフト連結部を設定することで、ピストンが上死点以降で最も燃焼室内の圧力が高くなる際に、第１リンク部とリンク連結部とを結んだ線とピストン運動方向とのなす角度が０度とすることができ第１リンク部によってピストンに付加されるサイドフォースを減少させることができる。

また、請求項３の発明によれば、ピストンが上死点にあるときに、クランクシャフト連結部とリンク連結部とを結ぶ直線をピストン運動方向に対し平行とすることで、混合気の燃焼によりピストンに加わる力をピストンスピードを低下させることなく、効率よくクランクシャフト７に伝達することができる。
また、請求項４の発明によれば、リンク機構に一端がリンク連結部に回動可能に連結されるとともに、他端が内燃機関の本体に回動可能に連結される支持部材を備えることによって、ピストン中心とクランクシャフト中心とをオフセットして配設することなく、圧縮行程の期間に対して膨張行程の期間を短くすることができる。したがって、従来構造に対して大きな変更を加えることなく膨張行程において燃焼ガスの熱量がシリンダ壁を介して冷却水に奪われることを抑制することができるので、内燃機関の冷却損失を低減することができる。

本発明に係る内燃機関のピストン・クランク機構が適用されたエンジンの概略構成図である。 本発明に係る内燃機関のピストン・クランク機構が適用されたエンジンの作動を示す図である。 クランク角に対するピストン変位の変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、内燃機関のピストン・クランク機構が適用されたエンジンの概略構成図である。図１中の実線は、ピストンが上死点にある状態を、破線はピストンが下死点にある状態をそれぞれ示す。また、Ｄ１は、上死点における従来のエンジンのクランクシャフトとクランクピンの位置と本実施例のクランクシャフトのクランクピンとの位相差、即ち角度を示す。そして、Ｄ２は、下死点における従来のエンジンのクランクシャフトとクランクピンの位置と本実施例のクランクシャフトのクランクピンとの位相差、即ち角度を示す。

図１に示すように、本発明に係るピストン・クランク機構が適用されたエンジン１は、シリンダブロック（本発明の内燃機関の本体に相当）２と、ピストン３と、第１リンク部材４と、第２リンク部材５と、支持部材６と、クランクシャフト７とで構成される。
シリンダブロック２は、ピストン３が往復摺動可能なシリンダ２ａと、支持部材６が連結される支持部２ｂとが形成されている。

ピストン３は、シリンダブロック２のシリンダ２ａ内に往復摺動可能に配設されている。
第１リンク部材４は、一端をピストン３にピストンピン３ａを介して回動可能に連結されている。そして、第１リンク部材４の他端には、第２リンク部材５の一端と支持部材６の一端とが第１連結部材８を介して回動可能に連結されている。

第２リンク部材５は、一端を第１リンク部材４のピストン３に連結されない他端と第１連結部材（本発明のリンク連結部に相当）８を介して、第１連結部材を軸に第１リンク部材４に対して相対回転可能に連結されている。また、第２リンク部材５の他端は、クランクシャフト７のクランクピン７ａに回動可能に連結される。
支持部材６は、一端を第１リンク部材４のピストン３に連結されない他端と第１連結部材８を介して、第２リンク部材５の他端と共に回動可能に連結されている。また、支持部材６の他端は、シリンダブロック２の支持部２ｂに第２連結部材９を介して回動可能に連結される。

そして、第１リンク部材４と第２リンク部材５と支持部材６の各々の一端と他端との間の距離とシリンダブロック２の支持部２ｂの位置は、ピストン３が上死点にある時にクランクシャフト７の中心軸を通るピストン運動方向と平行な直線上の位置よりクランクシャフト７の回転方向に角度Ｄ１移動した位置、即ちクランクシャフト７のクランクピン７ａ（本発明のクランクシャフト連結部に相当）の位置がクランクシャフト７の軸中心を中心として回転した時の最上点Ｔよりクランクシャフト７の回転方向に角度Ｄ１移動した位置であって、ピストン３が下死点にある時にクランクシャフト７の中心軸を通るピストン運動方向と平行な直線上の位置よりクランクシャフト７の反回転方向に角度Ｄ２移動した位置、即ちクランクシャフト７のクランクピン７ａの位置がクランクシャフト７の軸中心を中心として回転した時の最下点Ｂよりクランクシャフト７の反回転方向に角度Ｄ２移動した位置にあるように設定される。

次に、このように内燃機関のピストン・クランク機構が適用されたエンジン１の作用及び効果について説明する。
図２は、本発明に係る内燃機関のピストン・クランク機構が適用されたエンジン１の作動を示す図である。図２は、左側よりピストン３が上死点にある場合を、ピストン３が上死点から下死点に向かう中間位置にある場合を、ピストン３が下死点にある場合を、ピストン３が下死点から上死点に向かう中間位置にある場合をそれぞれ示す。図３は、クランク角に対するピストン変位の変化を示す図である。図３は、上段より従来エンジンの行程を、本実施例の行程を、ピストン変位を示す。そして、図３のピストン変位の実線は、本実施例のピストン変位を示し、破線は、従来エンジンのピストン変位を示す。なお、ここでの従来エンジンとは、コンロッドをピストンにピストンピンを介して連結し、当該コンロッドとクランクシャフトのクランクピンとを連結させたエンジンを表している。

図２及び図３に示すように、ピストン３が上死点にある時には、第２リンク部材５は、ピストン４の運動方向に対して平行で、且つクランクシャフト７のクランクピン７ａは、クランクシャフト７の軸中心を中心として回転した時の最上点Ｔよりクランクシャフト７の回転方向に角度Ｄ１移動した位置にある。そして、ピストン３が下死点にある時には、クランクシャフト７のクランクピン７ａは、クランクシャフト７の軸中心を中心として回転した時の最下点Ｂよりクランクシャフト７の反回転方向に角度Ｄ２移動した位置にある。

このように、第１リンク部材４と第２リンク部材５と支持部材６の各々の一端と他端との間の距離とシリンダブロック２の支持部２ｂの位置を設定することで、図３に示すようにピストン３が上死点から下死点に向かう中間位置、即ち膨張行程におけるクランク角に対するピストン変位が大きくなり、ピストン３の移動速度、所謂ピストンスピードが、ピストン３が下死点から上死点に向かう中間位置、即ち圧縮行程におけるピストンスピードより早くなる。

したがって、従来構造に対して大きな変更を加えることなく従来エンジンの圧縮行程の期間と膨張行程の期間より、圧縮行程の期間に対して膨張行程の期間を短くすることができるので燃焼ガスの熱量がシリンダ２ａの壁を介して冷却水に奪われることを抑制することができる。
よって、エンジン１の冷却損失を低減することができ、エンジン１の燃費を向上させることができる。

また、ピストン３が上死点にある時には、クランクシャフト７の軸中心を中心として回転した時の最上点Ｔよりクランクシャフト７の回転方向に角度Ｄ１移動した位置にクランクシャフト７のクランクピン７ａがあるように、そして、ピストン３が下死点にある時には、クランクシャフト７の軸中心を中心として回転した時の最下点Ｂよりクランクシャフト７の反回転方向に角度Ｄ２移動した位置にクランクシャフト７のクランクピン７ａがあるように、第１リンク部材４と第２リンク部材５と支持部材６の各々の一端と他端との間の距離とシリンダブロック２の支持部２ｂの位置を設定することで、ピストン３が上死点以降で最も燃焼室内の圧力が高くなる際に、第１リンク部材４とピストン運動方向とのなす角度を０度とすることができ、第１リンク部材４によってピストン３に付加されるサイドフォースを減少させることができる。

以上で発明の実施形態の説明を終えるが、発明の形態は本実施形態に限定されるものではない。
例えば、本実施例では、第１リンク部材４と第２リンク部材５と支持部材６の各々の一端と他端との間の距離とシリンダブロック２の支持部２ｂの位置を、ピストン３が上死点にある時にクランクシャフト７のクランクピン７ａの位置がクランクシャフト７の軸中心を中心として回転した時の最上点Ｔよりクランクシャフト７の回転方向に角度Ｄ１移動した位置であって、ピストン３が下死点にある時にクランクシャフト７のクランクピン７ａの位置がクランクシャフト７の軸中心を中心として回転した時の最下点Ｂよりクランクシャフト７の反回転方向に角度Ｄ２移動した位置にあるように設定して、エンジン１の膨張行程の期間を短くしているが、これに限定されるものではなく、例えばウィットフォース機構を用いて、圧縮行程に対して膨張行程でのピストンスピードを速くし、圧縮行程の期間に対して膨張行程の期間を短くしてもよい。

また、第１リンク部材４と第２リンク部材５と支持部材６の各々の一端と他端との間の距離とシリンダブロック２の支持部２ｂの位置を、ピストン３が上死点にある時にクランクシャフト７のクランクピン７ａの位置がクランクシャフト７の軸中心を中心として回転した時の最上点Ｔよりクランクシャフト７の回転方向に角度Ｄ１移動した位置であって、ピストン３が下死点にある時にクランクシャフト７のクランクピン７ａの位置がクランクシャフト７の軸中心を中心として回転した時の最下点Ｂよりクランクシャフト７の反回転方向に角度Ｄ２移動した位置にあるように設定しているが、これに限定されるものではなく、ピストン３が上死点にある時、或いはピストン３が下死点にある時のいずれかにおいて、クランクシャフト７のクランクピン７ａを上述の位置になるように、第１リンク部材４と第２リンク部材５と支持部材６の各々の一端と他端との間の距離とシリンダブロック２の支持部２ｂの位置を設定するようにしても、膨張行程でのピストンスピードを速くして、圧縮行程の期間に対して膨張行程の期間を短くすることができる。

また、本実施例では、第１リンク部材４と第２リンク部材５とを第１連結部材８を介して、第１連結部材８を軸に第１リンク部材４と第２リンク部材５とが相対回転可能に連結するようにしているが、これに限定されるものではなく、例えば、第１リンク部材４と第２リンク部材５との間に一つ以上のリンク部材を、ピストン３の上死点にある時に、当該リンク部材とクランクシャフト７のクランクピン７ａとを結ぶ直線をピストン運動方向に対し平行となるように設けることで、混合気の燃料によりピストン３に加わる力をピストンスピードを低下させることなく効率よくクランクシャフト７に伝達することができる。

１ エンジン（内燃機関）
２ シリンダブロック（本体）
２ｂ 支持部
３ ピストン
４ 第１リンク部材
５ 第２リンク部材
６ 支持部材
７ クランクシャフト
８ 第１連結部材（リンク連結部）

Claims (4)

1. 内燃機関のシリンダ内を往復運動するピストンと、
   回転自在に支持されたクランクシャフトと、
   前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、を備え、
   前記コネクティングロッドは、少なくとも前記ピストン側に回動可能に連結する第１リンク部材と、前記クランクシャフト側に回動可能に連結する第２リンク部材と、前記第１リンク部材と前記第２リンク部材とを回動可能に連結するリンク連結部とからなるリンク機構で構成され、
   前記リンク機構は、圧縮行程での前記ピストンの移動速度に対して、膨張行程での前記ピストンの移動速度が早くなるように形成されることを特徴とする内燃機関のピストン・クランク機構。
2. 前記第２リンク部材と前記クランクシャフトとが連結するクランクシャフト連結部は、前記ピストンが上死点にあるときに、前記クランクシャフトの中心軸を通る前記ピストン運動方向と平行な直線上の位置より前記クランクシャフト連結部の回転方向に移動した位置に設定され、前記ピストンが下死点にあるときに、前記クランクシャフトの中心軸を通る前記ピストン運動方向と平行な直線上の位置より前記クランクシャフト連結部の反回転方向に移動した位置に設定されることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関のピストン・クランク機構。
3. 前記ピストンが上死点にあるときに、前記クランクシャフト連結部と前記リンク連結部を結ぶ直線が、前記ピストン運動方向に対し平行となることを特徴とする、請求項２に記載の内燃機関のピストン・クランク機構。
4. 前記リンク機構は、
   一端が前記リンク連結部に回動可能に連結されるとともに、他端が前記内燃機関の本体に回動可能に連結される支持部材を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の内燃機関のピストン・クランク機構。

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