JP2017067151A - 内燃機関のクランクシャフト支持構造 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的な簡単な構造でクランクシャフトの軸受けの油膜切れを防止して液体潤滑状態を維持する。【解決手段】内燃機関のクランクシャフト支持構造（１００）は、メインジャーナル（１１）およびピンジャーナル（１２）を有するクランクシャフト（１０）と、メインジャーナル（１１）を回転自由に支持するクランクシャフト軸受け（２２）と、ピンジャーナル（１２）を回転自由に支持するコンロッド軸受け（５２）と、クランクシャフト軸受け（２２）およびコンロッド軸受け（５２）に潤滑油を供給する油路（５３）とを備え、メインジャーナル（１１）およびピンジャーナル（１２）の少なくとも一方が、軸方向垂直断面が楕円形の楕円ジャーナルであり、ピストン（４０）が死点位置にある状態で、楕円ジャーナルの断面楕円形の短軸とピストン往復運動方向軸とのなす角が、当該軸を０°として楕円ジャーナルの回転方向に−５０°以上２０°以下の範囲にある。【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関のクランクシャフト支持構造に関し、特に、クランクシャフトの軸受けの油膜切れを防止して液体潤滑状態を維持する技術に関する。

一般に、内燃機関のクランクシャフトの軸受けには潤滑油が供給されて軸受けの内周面に薄い油膜が形成される。この油膜は、クランクシャフトと軸受けの摺動面の摩擦を低減するとともに、摩擦により発生する熱を冷却する役割を果たす。もし油膜切れを起こすと、クランクシャフトと軸受けの摺動面の摩擦熱で焼き付きを起こしてしまうおそれがある。したがって、内燃機関のクランクシャフトの軸受けでは、油膜切れによる固体潤滑を回避し、油膜が形成される液体潤滑状態を維持することが求められる。

従来、クランクシャフトの軸受けの油膜切れを防止するために、軸受けに十分な流量の潤滑油を供給する軸受け装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−３０４１９号公報

従来の軸受け装置では、潤滑油の供給量を増大させるためのオイルポンプの仕事が大きくなり、内燃機関全体としての機械抵抗が大きくなるという問題がある。一方で、過給エンジンや高圧縮比エンジンにおいては、内燃機関のクランクシャフトの軸受けに掛かる荷重が増大傾向にあり、軸受けでの油膜切れが懸念される。それにともない軸受けの負荷能力（耐摩耗性や耐焼き付き性など）を増大させる必要がある。

上記問題に鑑み、本発明は、潤滑油の供給量を増大させるための機構を用いることなく、比較的な簡単な構造でクランクシャフトの軸受けの油膜切れを防止して液体潤滑状態を維持することを課題とする。

本発明の一局面に従った内燃機関のクランクシャフト支持構造は、メインジャーナルおよびピンジャーナルを有するクランクシャフトと、メインジャーナルを回転自由に支持するクランクシャフト軸受けと、ピンジャーナルを回転自由に支持するコンロッド軸受けと、クランクシャフト軸受けおよびコンロッド軸受けに潤滑油を供給する油路とを備え、メインジャーナルおよびピンジャーナルの少なくとも一方が、軸方向垂直断面が楕円形の楕円ジャーナルであるものである。

これによると、楕円ジャーナルの外周面下端とその軸受けの内周面下端との間に形成される最小油膜厚領域を大きく確保することができ、従来よりもジャーナルと軸受けとの摩擦力を小さくしてジャーナルの負荷能力を増大させることができる。

上記内燃機関のクランクシャフト支持構造において、ピストンが死点位置にある状態で、楕円ジャーナルの断面楕円形の短軸とピストンの往復運動方向軸とのなす角が、ピストンの往復運動方向軸を０°として、楕円ジャーナルの回転方向に−５０°以上２０°以下の範囲にあることが好ましい。

これによると、摩擦損失平均有効圧を小さくすることができ、摩擦損失低減効果を得ることができる。

上記内燃機関のクランクシャフト支持構造において、前記楕円ジャーナルの断面楕円形の短軸が前記楕円ジャーナルの回転方向に−３０°以上０°未満の範囲で傾いていることがより好ましい。

これによると、摩擦損失平均有効圧を最も小さくすることができ、最大の摩擦損失低減効果を得ることができる。

楕円ジャーナルの軸受けが、軸方向垂直断面が楕円形の楕円軸受けであってもよい。

これによると、楕円ジャーナルの外周面下端とその軸受けの内周面下端との間に形成される最小油膜厚領域をより大きく確保することができる。

さらに、楕円ジャーナルの最小曲率部分の曲率と楕円軸受けの最小曲率部分の曲率とを等しくすることが好ましい。

これによると、楕円ジャーナルの外周面下端とその軸受けの内周面下端との間に形成される最小油膜厚領域をさらに大きく確保することができる。

本発明によると、潤滑油の供給量を増大させるための機構を用いることなく、比較的な簡単な構造でクランクシャフトの軸受けの油膜切れを防止して液体潤滑状態を維持することができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関のクランクシャフト支持構造の側面断面図 下部構造体（ロアブロック）を取り外した状態のクランクシャフト支持構造の斜視図 上部構造体（シリンダブロック）を取り外した状態のクランクシャフト支持構造の斜視図 クランクシャフトの斜視図 図１のＶ−Ｖ断面図 真円ジャーナル（従来例）と楕円ジャーナル（実施形態）の最小油膜厚領域を比較する図 ジャーナル軸受け周りの油膜圧力分布を示す模式図 楕円ジャーナルの傾きと摩擦損失平均有効圧の関係を示すグラフ

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、発明者（ら）は、当業者が本発明を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。また、図面に描かれた各部材の寸法、厚み、細部の詳細形状などは実際のものとは異なることがある。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関のクランクシャフト支持構造１００の側面断面図である。クランクシャフト支持構造１００はクランクシャフト１０の軸中心で上部構造体（シリンダブロック２０）と下部構造体（ロアブロック３０）に分かれている。図２は、下部構造体（ロアブロック３０）を取り外した状態のクランクシャフト支持構造１００の斜視図である。図３は、上部構造体（シリンダブロック２０）を取り外した状態のクランクシャフト支持構造１００の斜視図である。

本実施形態に係る内燃機関のクランクシャフト支持構造１００は、４つの気筒（シリンダ２１）が直列配置された直列４気筒４ストロークエンジン（内燃機関）のクランクシャフト支持構造である。クランクシャフト支持構造１００の前方（図１の左側）から１番気筒、２番気筒、３番気筒、４番気筒の順に並んでおり、図１ないし図３は、１番気筒と４番気筒のピストン４０が上死点位置にあり、２番気筒と３番気筒のピストン４０が下死点位置にある状態（クランク角度０°の状態）を表している。

ピストン４０はシリンダ２１内を摺動して往復運動する。ピストン４０にはコンロッド（コネクティングロッド）５０の小端部が連結され、コンロッド５０の大端部はクランクシャフト１０のピンジャーナル１２（図４参照）に連結されている。これにより、ピストン４０の往復運動がコンロッド５０を介してクランクシャフト１０の回転運動に変換される。なお、ピストン４０が死点位置（上死点または下死点）にあるとき、コンロッド５０はピストン４０の往復運動方向に対して真っ直ぐな状態、すなわち、直立した状態になる。

シリンダブロック２０は、４つのシリンダ２１と外壁を一体成型した構造体である。シリンダブロック２０の下部にはクランクシャフト１０を支持するための半円状の切り欠きが設けられている。当該切り欠き部分に半割り型の平軸受け（軸受けメタル）２２ａが設けられている。

ロアブロック３０は、クランクシャフト１０の軸受けと外壁を一体成型した構造体である。ロアブロック３０の上部にはクランクシャフト１０を支持するための半円状の切り欠きが設けられている。当該切り欠き部分に半割り型の平軸受け（軸受けメタル）２２ｂが設けられている。

シリンダブロック２０側の軸受けメタル２２ａとロアブロック３０側の軸受けメタル２２ｂが上下に組み合わさってクランクシャフト軸受け２２が形成される。クランクシャフト軸受け２２は、クランクシャフト１０のメインジャーナル１１（図４参照）を回転自在に支持する軸受けである。

コンロッド５０の大端部はコンロッド本体５１とコンロッドキャップ５３で上下に分割されている。コンロッド本体５１に半割り型の平軸受け（軸受けメタル）５２ａが設けられている。コンロッドキャップ５３に半割り型の平軸受け（軸受けメタル）５２ｂが設けられている。コンロッド本体５１側の軸受けメタル５２ａとコンロッドキャップ５３側の軸受けメタル５２ｂが上下に組み合わさってコンロッド軸受け５２が形成される。コンロッド軸受け５２は、クランクシャフト１０のピンジャーナル１２（図４参照）を回転自在に支持する軸受けである。

なお、クランクシャフト支持構造１００の下部構造体として、ロアブロック３０に代えてクランクケースを用いることもできる。その場合、当該クランクケースに軸受けビームと軸受けキャップを設けて、当該軸受けキャップに軸受けメタル２２ｂが設けられる。

図４は、クランクシャフト１０の斜視図である。クランクシャフト１０は、５個のメインジャーナル１１と４個のピンジャーナル１２が交互に連なってできている。メインジャーナル１１は、シリンダブロック２０とロアブロック３０が上下に組み合わさって形成される軸受け（クランクシャフト軸受け２２）に支持される。ピンジャーナル１２は、コンロッド４１の大端部に形成される軸受け（コンロッド軸受け４２）に支持される。コンロッド４１の小端部にはピストン４０が連結される（図１、図３参照）。

メインジャーナル１１とピンジャーナル１２とはクランクアーム１３で連結される。なお、一部のクランクアーム１３に、ピンジャーナル１２とは反対側にカウンターウェイト１４が設けられている。

メインジャーナル１１およびピンジャーナル１２の外周面に給油孔１５が設けられている。メインジャーナル１１の給油孔１５とその隣のピンジャーナル１２の給油孔１５の２つはクランクシャフト１０の内部において油路１６（図１参照）でつながっており、油路１６の端部はブラインドプラグ１７（図１参照）で塞がれている。

シリンダブロック２０に設けられた図略のメインギャラリから油路２３（図５参照）を通ってメインジャーナル１１の軸受け（クランクシャフト軸受け２２）に潤滑油が圧送供給される。そして、その潤滑油の一部がメインジャーナル１１の給油孔１５に入り、油路１６を通ってピンジャーナル１２の給油孔１５から噴出することで、ピンジャーナル１２の軸受け（コンロッド軸受け４２）にも潤滑油が供給されるようになっている。

クランクシャフト１０の前端にはスプロケットまたはクランクギアとしてのカムシャフト駆動部１８が取り付けられている。クランクシャフト１０の前端部は各種補機を駆動するための図略のクランクプーリが取り付け可能になっている。一方、クランクシャフト１０の後端部には図略のフライホイールが締結されるフランジ１９が設けられている。

図５は、図１のＶ−Ｖ断面図である。同図に示したように、クランクシャフト１０のメインジャーナル１１の軸方向垂直断面は楕円形をしている。具体的には、メインジャーナル１１の軸方向断面の形状は、５０ｍｍの真円の上下を５μｍずつ短くし（短軸）、左右を５μｍずつ長くした（長軸）ような楕円形である。また、後述するように、メインジャーナル１１は、ピストン４０が死点位置にある状態で軸方向垂直断面の楕円形がクランクシャフト１０の回転軸回りにわずかに傾くように調整されている。なお、クランクシャフト１０のピンジャーナル１２もメインジャーナル１１と同様に軸方向垂直断面を楕円形にしてもよい。

以下、便宜のため、本実施形態のような軸方向垂直断面が楕円形のジャーナルを「楕円ジャーナル」と称する。これに対して、従来例のような軸方向垂直断面が円形のジャーナルを「真円ジャーナル」と称する。図６は、真円ジャーナル（従来例）と楕円ジャーナル（実施形態）の最小油膜厚領域を比較する図である。なお、便宜のため、ジャーナル（メインジャーナル１１またはピンジャーナル１２）と軸受け（クランクシャフト軸受け２２またはコンロッド軸受け５２）との間の空間を極端に広く描いている。また、同図に示したように、ジャーナル軸受け（クランクシャフト軸受け２２またはコンロッド軸受け５２）の軸方向垂直断面も楕円形にしてもよい。以下、これを「楕円軸受け」と称する。

シリンダ２１内への混合気の吸気および圧縮が終わった段階でピストン４０は上死点位置にある。そして、混合気が点火されて燃焼すると、燃焼ガスが膨張してピストン４０が下死点まで押し下げられる。このとき、クランクシャフト１０に爆発荷重が掛かり、メインジャーナル１１を支持するクランクシャフト軸受け２２の内周面下端部に最も大きな荷重が掛かる。メインジャーナル１１の外周面とクランクシャフト軸受け２２の内周面との間隙に潤滑油の油膜が形成されるが、大きな荷重を受けるクランクシャフト軸受け２２の内周面下端部の油膜厚が最も薄くなる（最小油膜厚領域）。

従来の真円ジャーナルと本実施形態に係る楕円ジャーナルとを比較すると、真円ジャーナルはどの部分も曲率が同じであるため最小油膜厚領域が比較的小さいのに対して、楕円ジャーナルの場合、クランクシャフト１０に爆発荷重が掛かるときに楕円ジャーナルの最小曲率部分がクランクシャフト軸受け２２の内周面下端に接するようにすることで最小油膜厚領域を比較的大きく確保することができる。したがって、本実施形態によると、メインジャーナル１１とクランクシャフト軸受け２２とが摩擦する箇所の油膜切れを防止しつつ、従来よりもメインジャーナル１１とクランクシャフト軸受け２２との摩擦力を小さくしてメインジャーナル１１の負荷能力を増大させることができる。

特に、ジャーナル軸受け（クランクシャフト軸受け２２またはコンロッド軸受け５２）を楕円軸受けにして、楕円ジャーナルの最小曲率部分の曲率と楕円軸受けの最小曲率部分の曲率とを等しくすることが好ましい。これにより、最小油膜厚領域をより大きく確保することができ、メインジャーナル１１とクランクシャフト軸受け２２との摩擦力をより小さくしてメインジャーナル１１の負荷能力をより増大させることができる。

メインジャーナル１１およびクランクシャフト軸受け２２を例に説明したが、ピンジャーナル１２およびコンロッド軸受け５２についても同様のことが言える。すなわち、ピンジャーナル１２を楕円ジャーナルにすることで、ピンジャーナル１２とコンロッド軸受け５２とが摩擦する箇所の油膜切れを防止しつつ、従来よりもピンジャーナル１２とコンロッド軸受け５２との摩擦力を小さくしてピンジャーナル１２の負荷能力を増大させることができる。さらに、コンロッド軸受け５２を楕円軸受けにすることで、ピンジャーナル１２とコンロッド軸受け５２との摩擦力をより小さくしてピンジャーナル１２の負荷能力をより増大させることができる。

図７は、ジャーナル軸受け周りの油膜圧力分布を示す模式図である。楕円ジャーナル（メインジャーナル１１またはピンジャーナル１２）が回転しているとき、楕円ジャーナルの外周面と軸受け（クランクシャフト軸受け２２またはコンロッド軸受け５２）の内周面との間にある潤滑油は、その粘性によってジャーナルの回転方向の先細りの隙間に引き込まれる。これにより、軸受けの内周面下端部において潤滑油に図示したような圧力（くさび油膜圧力）が生じる。上述したように、クランクシャフト１０に爆発荷重が掛かるときに楕円ジャーナルの最小曲率部分近傍が軸受けの内周面下端に接するようにすることで、油膜圧力が発達する領域で油膜厚さが小さい面積が増加して、最小油膜厚領域を増大させることができる。

ここで、楕円ジャーナルは、ピストン４０の往復運動方向軸をＡｘ＿ｒｅｃ、ピストン４０が死点位置にある状態での楕円ジャーナルの断面楕円形の短軸をＡｘ＿ｍｒ、Ａｘ＿ｒｅｃとＡｘ＿ｍｒとのなす角をφとして、φを±９０°以外にすることが好ましい。φの具体的な範囲は後述する。

図８は、楕円ジャーナルの傾きと摩擦損失平均有効圧（ＦＭＥＰ）の関係を示すグラフである。摩擦損失平均有効圧はジャーナルの摩擦損失に関連性があり、摩擦損失平均有効圧が小さいほどジャーナルの摩擦損失低減効果が大きい。なお、比較のため、真円ジャーナルの摩擦損失平均有効圧も示している。

真円ジャーナルはどの部分も曲率が同じであるから摩擦損失平均有効圧は一定である。一方、楕円ジャーナルの場合には部分部分によって曲率が異なる。負値のφは、ピストン４０が死点位置にある状態で楕円ジャーナルが回転逆方向に傾いていることを表す。正値のφは、ピストン４０が死点位置にある状態で楕円ジャーナルが回転方向に傾いていることを表す。同図のグラフから、φが−５０°から２０°（両端値を含む）の範囲内のとき、従来例（真円ジャーナル）よりも摩擦損失平均有効圧が小さくなることがわかる。特に、φが−３０°以上０°未満の範囲内のとき、摩擦損失平均有効圧を最も小さくすることができる。このことから、ピストン４０の往復運動方向軸を０°として、楕円ジャーナルの断面楕円形の短軸とピストン４０の往復運動方向軸とのなす角を楕円ジャーナルの回転方向に−５０°以上２０°以下の範囲にすることが好ましく、さらに、楕円ジャーナルの断面楕円形の短軸を楕円ジャーナルの回転方向に−３０°以上０°未満の範囲で傾けることがより好ましいと言える。

以上のように、本発明における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施の形態は、本発明における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

１０ クランクシャフト
１１ メインジャーナル（楕円ジャーナル）
１２ ピンジャーナル（楕円ジャーナル）
２２ クランクシャフト軸受け（楕円軸受け）
４０ ピストン
５２ コンロッド軸受け（楕円軸受け）
５３ 油路
１００ クランクシャフト支持構造

Claims (5)

1. メインジャーナルおよびピンジャーナルを有するクランクシャフトと、
   前記メインジャーナルを回転自由に支持するクランクシャフト軸受けと、
   前記ピンジャーナルを回転自由に支持するコンロッド軸受けと、
   前記クランクシャフト軸受けおよび前記コンロッド軸受けに潤滑油を供給する油路とを備え、
   前記メインジャーナルおよび前記ピンジャーナルの少なくとも一方が、軸方向垂直断面が楕円形の楕円ジャーナルである
   ことを特徴とする内燃機関のクランクシャフト支持構造。
2. ピストンが死点位置にある状態で、前記楕円ジャーナルの断面楕円形の短軸と前記ピストンの往復運動方向軸とのなす角が、前記ピストンの往復運動方向軸を０°として、前記楕円ジャーナルの回転方向に−５０°以上２０°以下の範囲にある、請求項１に記載の内燃機関のクランクシャフト支持構造。
3. 前記楕円ジャーナルの断面楕円形の短軸が前記楕円ジャーナルの回転方向に−３０°以上０°未満の範囲で傾いている、請求項２に記載の内燃機関のクランクシャフト支持構造。
4. 前記楕円ジャーナルの軸受けが、軸方向垂直断面が楕円形の楕円軸受けである、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の内燃機関のクランクシャフト支持構造。
5. 前記楕円ジャーナルの最小曲率部分の曲率と前記楕円軸受けの最小曲率部分の曲率とが等しい、請求項４に記載の内燃機関のクランクシャフト支持構造。

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