JP2018119444A - レシプロケーティングエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】単純な構造で信頼性に優れる圧縮比可変機構を備えるレシプロケーティングエンジンを提供する。【解決手段】コンロッド３、ピストン２、および圧縮比可変機構５を備えるレシプロケーティングエンジン１である。ピストンピン４は、ピストン２に支持される内側ピン４０と、内側ピン４０とコンロッド３の間に配置される外側スリーブ４１と、を備える。内側ピン４０の軸線を含むピストン２の縦断面において、内側ピン４０の外周面および外側スリーブ４１の外周面のうち、一方がピストン２の往復方向に直交する仮想平面に平行で、他方が仮想平面に対して傾斜している。圧縮比可変機構５は、外側スリーブ４１と、外側スリーブ４１を内側ピン４０の軸方向に沿って移動させ、内側ピン４０の軸方向の所定位置に外側スリーブ４１を保持するスリーブ駆動装置５０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レシプロケーティングエンジンに関する。

レシプロケーティングエンジンは、ピストンの往復運動を、コンロッドを介してクランクシャフトの回転運動に変換する内燃機関である。コンロッドは、その一端に形成される環状のスモールエンドと、他端に形成される環状のビックエンドとを備える。スモールエンドは、ピストンピンを介してピストンに連結され、ビックエンドは、クランクシャフトのクランクピンに連結される。このレシプロケーティングエンジンにおける圧縮比は、エンジンの出力や燃費に影響を与える。そのため、従来から、必要に応じて圧縮比を変化させる構成が検討されている。

例えば、特許文献１には、ピストンを、ピストンピンが取り付けられるピストン基部と、ピストンヘッド（頂面）を有するピストン移動部とで構成し、磁力を用いた圧縮比可変機構（磁力調整機構）によってピストン基部に対するピストン移動部の位置を変化させる構成が開示されている。この構成では、磁力によってピストン基部に近い位置にピストン移動部が配置されることで、コンプレッションハイトが低くなり、圧縮比が小さくなる。一方、磁力によってピストン基部から遠い位置にピストン移動部が配置されることで、コンプレッションハイトが高くなり、圧縮比が大きくなる。

特開２０１４−１９０２９３号公報

特許文献１を含む従来の圧縮比可変機構の構成は複雑で、コストを含めた生産性に課題がある。また、ピストンは、高圧・高温環境下にあるため、複雑な構成の圧縮比可変機構は故障し易く、信頼性の点でも課題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、単純な構造で信頼性に優れる圧縮比可変機構を備えるレシプロケーティングエンジンを提供することにある。

本発明の一形態に係るレシプロケーティングエンジンは、
クランクシャフトに回動自在に取り付けられるコンロッドと、前記コンロッドの端部に設けられるピン挿通孔に挿通されるピストンピンを介して前記コンロッドに連結されるピストンと、前記ピストンのコンプレッションハイトを変化させる圧縮比可変機構と、を備えるレシプロケーティングエンジンであって、
前記ピストンピンは、前記ピストンに支持される内側ピンと、前記内側ピンの外周面に摺接する内周面および前記ピン挿通孔の内周面に摺接する外周面を備える外側スリーブと、を備え、
前記内側ピンの軸線を含む前記ピストンの縦断面において、前記内側ピンの外周面および前記外側スリーブの外周面のうち、一方が前記ピストンの往復方向に直交する仮想平面に平行で、他方が前記仮想平面に対して傾斜しており、
前記圧縮比可変機構は、前記外側スリーブと、前記外側スリーブを前記内側ピンの軸方向に沿って移動させ、前記内側ピンの軸方向の所定位置に前記外側スリーブを保持するスリーブ駆動装置と、を備える。

上記構成によれば、内側ピンの外部に外側スリーブを配置して、外側スリーブを内側ピンに対して移動させるという単純な構成で、コンプレッションハイトを可変とする、即ち圧縮比を可変とすることができる。特に、後述する実施形態２に示すように、内側ピンの外周面が仮想平面（ピストンの往復方向に直交する面）に平行な構成では、従来の形状のピストンをそのまま利用して、本発明のレシプロケーティングエンジンを作製することができる。

コンプレッションハイトを変化させるにあたり、外側スリーブを内側ピンの軸方向に移動させるだけで良いため、圧縮比可変機構の動作が確実で、その信頼性が高い。しかも、圧縮比を連続的に変化させることができるため、走行条件に応じた圧縮比の細かな調整が可能となる。

図２を参照する後述する変形例１に示すように、ピストンの往復方向に直交する方向に内側ピンの軸線を傾けることで、コンプレッションハイトの変化に伴い、ピンオフセット量も変化させることができる。

実施形態１に係るレシプロケーティングエンジンの一部縦断面図であって、（Ａ）は低圧縮比の状態を、（Ｂ）は高圧縮比の状態を示す図である。 変形例１に記載の内側ピンの軸線の傾きを示す図である。 実施形態２に係るレシプロケーティングエンジンの一部縦断面図であって、（Ａ）は低圧縮比の状態を、（Ｂ）は高圧縮比の状態を示す図である。 （Ａ）は実施形態３に係るレシプロケーティングエンジンの一部縦断面図、（Ｂ）は（Ａ）を紙面左側から見た図、（Ｃ）は（Ａ）を紙面右側から見た図である。

以下、本発明のレシプロケーティングエンジンの実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明は、これらの例示に限定されず、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

＜実施形態１＞
≪全体構成≫
図１の一部縦断面図には、実施形態のレシプロケーティングエンジン１のうち、コンロッド３のスモールエンド３Ｓ側の一部と、当該スモールエンド３Ｓに設けられるピストン２が示されている。本例のレシプロケーティングエンジン１は、ピストン２のコンプレッションハイトを変化させることで、圧縮比を変化させる圧縮比可変機構５を備えることを特徴の一つとする。図示を省略しているコンロッド３のビックエンドは、クランクシャフトのクランクピンに連結される。クランクシャフトの軸線は図１の紙面左右方向に延びており、その軸線に直交する平面上をコンロッド３のビックエンドが回転する。以下、レシプロケーティングエンジン１の各構成を個別に説明する。

≪ピストン≫
ピストン２は略円筒の部材で、圧縮面となる頂面２０を備える。本例のピストン２の頂面２０は、ピストン２の往復方向に直交する仮想平面と平行になっている。頂面２０は、仮想平面に平行な面で無くても良く、例えば山型に盛り上がった形状でも良いし、中央部に窪みがある形状であっても良い。このピストン２には、ピストン２の径方向に延びるピン挿通孔２ｈが形成されている。本例のピン挿通孔２ｈは、頂面２０に平行な仮想平面に対して傾斜しており、そのピン挿通孔２ｈには、後述するピストンピン４の一部を構成する内側ピン４０が挿通され、固定されている。

≪コンロッド≫
本例のコンロッド３は、ピストン２の往復方向に直交する仮想平面（頂面２０から延長された二点鎖線を参照）に平行な軸線を有し、ピン挿通孔２ｈよりも大径のピン挿通孔３ｈを備える。また、本例のコンロッド３の内部には、油圧装置６に繋がる油路３０，３１が形成されている。油圧装置６と油路３０，３１は、後述する圧縮比可変機構５に備わるスリーブ駆動装置５０を構成する。

≪ピストンピン≫
本例のピストンピン４は、ピストン２のピン挿通孔２ｈに挿通される内側ピン４０と、内側ピン４０の外部に配置される外側スリーブ４１と、を備える。本例の内側ピン４０は、ピストン２のピン挿通孔２ｈに固定され、回動不能となっている。内側ピン４０の外径は一様であり、内側ピン４０が固定されるピン挿通孔２ｈは二点鎖線で示す仮想平面に対して傾斜しているため、内側ピン４０の軸線および外周面は共に上記仮想平面に対して傾斜している。

一方、外側スリーブ４１は、その内周面が内側ピン４０の外周面に摺接し、外周面がコンロッド３のピン挿通孔３ｈの内周面に摺接するように構成されている。つまり、外側スリーブ４１の外周面の軸線は、ピストン２の上記仮想平面に平行で、外側スリーブ４１の内周面の軸線は、ピストン２の頂面２０に対して傾いている。外側スリーブ４１の軸方向長さ（外側スリーブ４１の外周面の軸方向長さ）は、ピン挿通孔３ｈよりも短く、ピン挿通孔３ｈの軸方向の半分以上、特に半分超の長さとなっている。外側スリーブ４１が短すぎないことで、外側スリーブ４１を内側ピン４０又はスモールエンド３Ｓに対して安定して摺接でき、後述するコンプレッションハイトの可変が行ない易い。そのため、外側スリーブ４１は、ピン挿通孔３ｈの軸方向長さの範囲内で内側ピン４０の軸方向に沿って移動可能となっている。この構成では、外側スリーブ４１は、内側ピン４０に対して回転することは無く、外側スリーブ４１に対してコンロッド３のスモールエンド３Ｓが回転する。

≪圧縮比可変機構≫
本例の圧縮比可変機構５は、ピストンピン４の外側スリーブ４１と、スリーブ駆動装置５０とを備える。スリーブ駆動装置５０は、外側スリーブ４１を内側ピン４０の軸方向に沿って移動させ、内側ピン４０の軸方向の所定位置に外側スリーブ４１を保持する装置であって、本例では油圧を用いた構成である。なお、スリーブ駆動装置５０は、油圧を用いたものに限定されるわけではなく、例えば電磁気的に外側スリーブ４１を移動させる構成であっても構わない。

本例のスリーブ駆動装置５０は、コンロッド３に設けられる油路３０，３１と、油路３０，３１にオイルを送り出す油圧装置６とを備える。また、外側スリーブ４１の外周面の両端部には、油圧を受ける切欠き部４１ｘ，４１ｙが設けられている。切欠き部４１ｘ，４１ｙは外側スリーブ４１の軸方向に分断されており、それぞれが油路３０，３１の油圧を効率的に受けることができるように構成されている。具体的には、図１（Ｂ）に示すように、外側スリーブ４１が左端に配置されたときには、切欠き部４１ｘが、ピン挿通孔３ｈに面する油路３０の開口に対向し、切欠き部４１ｙは、油路３１の開口からずれる。また、図１（Ａ）に示すように、外側スリーブ４１が右端に配置されたときには、切欠き部４１ｙが油路３１の開口に対向し、切欠き部４１ｘは、油路３０の開口からずれる。

上記構成を備える圧縮比可変機構５の油圧装置６によって、図１（Ａ）に示すように、油路３０に油圧をかけると、外側スリーブ４１の外周面に形成される切欠き部４１ｘを介してピン挿通孔３ｈにオイルが浸入し、そのオイルが外側スリーブ４１を紙面右側に移動させる。本例の外側スリーブ４１は、その軸方向の右端側における頂面２０側の肉厚が、軸方向の左端側における頂面２０側の肉厚よりも薄くなっているため、紙面右側に外側スリーブ４１が移動することで、コンプレッションハイトは低くなり、圧縮比は小さくなる。

一方、図１（Ｂ）に示すように、油圧装置６によって油路３１に油圧をかけると、切欠き部４１ｙを介してピン挿通孔３ｈにオイルが浸入し、そのオイルが外側スリーブ４１を紙面左側に移動させる。本例の外側スリーブ４１は、その軸方向の左端側における頂面２０側の肉厚が厚くなっているため、紙面左側に外側スリーブ４１が移動することで、コンプレッションハイトは高くなり、圧縮比は大きくなる。コンプレッションハイトの差については、頂面２０から延びる二点鎖線を参照のこと。

ここで、油路３０，３１にはオイルが満ち、外側スリーブ４１はその軸方向の一端側と他端側の両方からオイルの圧力を受けている。そのため、外側スリーブ４１は、図１（Ａ）に示す右端と図１（Ｂ）に示す左端との間の位置に配置することも可能である。

外側スリーブ４１の移動は、ピストン２が下死点付近にあるときに行なうことが好ましい。下死点ではピストン２の加速度がゼロとなるし、下死点の前後であってもピストン２の加速度が非常に小さくなり、ピストンピン４にかかる荷重もゼロもしくは非常に小さくなるからである。

≪効果≫
［１］内側ピン４０の外部に外側スリーブ４１を配置して、外側スリーブ４１を内側ピン４０に対して移動させるという単純な構成で、コンプレッションハイトを変化させることで、圧縮比を変化させることができる。例えば、高速走行などの高負荷時には圧縮比を下げてノッキングの発生を抑制し、低速走行などの低負荷時には圧縮比を上げて燃費の向上を図ることができる。

［２］コンプレッションハイトを変化させるにあたり、外側スリーブ４１を内側ピン４０の軸方向に移動させるだけで良いため、圧縮比可変機構５の動作が確実で、その信頼性が高い。しかも、圧縮比を連続的に変化させることができるため、走行条件に応じた圧縮比の細かな調整を行なうことができる。

＜変形例１＞
変形例１では、実施形態１の内側ピン４０の軸線を、ピストン２の往復方向に直交する方向に傾けることで、コンプレッションハイトの変化に伴い、ピンオフセット量も変化させることができるレシプロケーティングエンジン１を図２に基づいて説明する。

図２は、クランクシャフトの軸線９回りに回転するコンロッド３（図１）のビックエンドの中心の回転軌跡９Ｂを含む軌跡平面９ＢＰを、図１（Ａ），（Ｂ）を紙面左方向から垂直視したときの内側ピン４０の傾きを示す図である。図２の実線で示す丸印は内側ピン４０の左端面を示し、点線で示す丸印は内側ピン４０の右端面を示す。黒点で示す左端面の中心と右端面の中心とを結ぶ直線が、内側ピン４０の軸線となる。また、図２の紙面右側で上下方向に延びる両端矢印は、ピストンの往復方向である。

実施形態１では、図１（Ａ），（Ｂ）に示すように、内側ピン４０の軸線が、ピストン２の往復方向（図１の紙面上下方向）に傾くように、内側ピン４０をピストン２に取り付けていた。これに対して、図２を参照する変形例では、内側ピン４０の軸線がピストンの往復方向（両端矢印参照）に傾くだけでなく、往復方向と直交する方向（図２の左右方向）にも傾いている。そのため、内側ピン４０に沿って外側スリーブ４１を移動させれば、コンプレッションハイトの変化に伴い、ピンオフセット量も変化する。図２に示す構成では、コンプレッションハイトが低いときにピンオフセット量が大きくなり、コンプレッションハイトが高いときにピンオフセット量が小さくなる。つまり、圧縮比が高い低負荷時にピンオフセット量が小さくなるように構成されている。

低速時などの低負荷時にはロードノイズが小さいため、エンジン音が耳につき易い。これに対して、上述した本例の構成によれば、低負荷時にピンオフセット量を小さくすることで、ピストンとシリンダライナとのフリクションを低減し、スラップ音を減じて車両の静粛性を向上させることができるので、運転時の快適性を向上させることができる。また、ピンオフセット量を可変することで、ピストンスカートの特定領域のみが摩耗することを抑制できる。

なお、変形例１の構成は、後述する実施形態２，３にも適用することができる。

＜実施形態２＞
実施形態２では、内側ピン４０の軸線を、ピストン２の頂面２０に平行に配置したレシプロケーティングエンジン１の一例を図３に基づいて説明する。

実施形態２のレシプロケーティングエンジン１は、ピン挿通孔２ｈと内側ピン４０がピストン２の往復方向に直交する仮想平面（頂面２０を延長した二点鎖線参照）に平行であること、外側スリーブ４１の外周面が上記仮想平面に対して傾き、外側スリーブ４１の内周面が上記仮想平面に平行であること以外は、実施形態１のレシプロケーティングエンジン１と同様の構成を備える。この構成では、内側ピン４０に対して外側スリーブ４１は回転するが、外側スリーブ４１に対してコンロッド３のスモールエンド３Ｓは回転しない。つまり、本例の構成は、内側ピン４０に対して、外側スリーブ４１ごとスモールエンド３Ｓが回転する構成である。

本例の構成によれば、図２（Ａ）に示すように、外側スリーブ４１を右端に移動させることで、コンプレッションハイトを低くでき、図２（Ｂ）に示すように、外側スリーブ４１を左端に移動させることで、コンプレッションハイトを高くすることができる。

本例の構成では、ピン挿通孔２ｈの軸線が頂面２０に平行なピストン２、即ち従来の形状のピストン２をそのまま利用することができ、生産性に優れる。

＜実施形態３＞
実施形態３では、内側ピン４０と外側スリーブ４１とをネジ嵌合することで、内側ピン４０の軸方向に対して外側スリーブ４１を移動可能にしたレシプロケーティングエンジン１の一例を図４に基づいて説明する。

図４（Ａ）に示すように、本例の内側ピン４０は、ピストン２の往復方向に直交する頂面２０に平行なピストン２のピン挿通孔２ｈに回転可能に支持されている。内側ピン４０のうち、コンロッド３のピン挿通孔３ｈに配置される部分にはネジ部４０ｓが形成されている。一方、外側スリーブ４１の内周面には、内側ピン４０のネジ部４０ｓに螺合するネジ部４１ｓが設けられている。そのため、内側ピン４０を回転させれば、ネジの送り出しによって、外側スリーブ４１が内側ピン４０に沿って移動する。

本例の圧縮比可変機構５は、一対のオイルジェット装置６０，６１と、一対の羽根車６２，６３とを備える。羽根車６２と羽根車６３はそれぞれ、ピン挿通孔２ｈから突出する内側ピン４０の一端側と他端側に設けられている。図４（Ｂ）に示すように、オイルジェット装置６０からオイルを噴射すると、オイルを受けた羽根車６２が回転し、図１（Ａ）に示す内側ピン４０も回転して、外側スリーブ４１が紙面右側に送り出される。一方、図４（Ｃ）に示すように、オイルジェット装置６１からオイルを噴射すると、オイルを受けた羽根車６３が、羽根車６２の回転方向と逆方向に回転する。そのため、オイルジェット装置６１を動かせば、外側スリーブ４１は紙面左側に送り出される。このように、本例の構成によっても、必要に応じて圧縮比を変化させることができる。

なお、ネジの送り出しによって外側スリーブ４１を移動させる構成は、実施形態１に示すような内側ピン４０が仮想平面に対して傾斜する構成にも適用することができる。この構成によれば、外側スリーブ４１に対するコンロッド３のスモールエンド３Ｓの回転に伴ってネジの送り出しが生じないため、スモールエンド３Ｓの回転に伴う外側スリーブ４１の移動を抑制できる。

１ レシプロケーティングエンジン
２ ピストン ２ｈ ピン挿通孔
２０ 頂面
３ コンロッド ３ｈ ピン挿通孔
３Ｓ スモールエンド ３０，３１ 油路
４ ピストンピン
４０ 内側ピン ４０ｓ ネジ部
４１ 外側スリーブ ４１ｘ，４１ｙ 切欠き部 ４１ｓ ネジ部
５ 圧縮比可変機構
５０ スリーブ駆動装置
６ 油圧装置 ６０，６１ オイルジェット装置 ６２，６３ 羽根車
９ クランクシャフトの軸線 ９Ｂ ビックエンドの回転軌跡 ９ＢＰ 軌跡平面

Claims (1)

1. クランクシャフトに回動自在に取り付けられるコンロッドと、前記コンロッドの端部に設けられるピン挿通孔に挿通されるピストンピンを介して前記コンロッドに連結されるピストンと、前記ピストンのコンプレッションハイトを変化させる圧縮比可変機構と、を備えるレシプロケーティングエンジンであって、
   前記ピストンピンは、前記ピストンに支持される内側ピンと、前記内側ピンの外周面に摺接する内周面および前記ピン挿通孔の内周面に摺接する外周面を備える外側スリーブと、を備え、
   前記内側ピンの軸線を含む前記ピストンの縦断面において、前記内側ピンの外周面および前記外側スリーブの外周面のうち、一方が前記ピストンの往復方向に直交する仮想平面に平行で、他方が前記仮想平面に対して傾斜しており、
   前記圧縮比可変機構は、前記外側スリーブと、前記外側スリーブを前記内側ピンの軸方向に沿って移動させ、前記内側ピンの軸方向の所定位置に前記外側スリーブを保持するスリーブ駆動装置と、を備えるレシプロケーティングエンジン。

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