JP3216899U - エンジンの筒内圧調整装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筒内圧の上昇を抑制し、かつ、ピストンの温度の影響を受けにくいエンジンの筒内圧調整装置を提供する。【解決手段】筒内圧調整装置５１は、レシプロエンジンの燃焼行程における燃焼室２１の筒内圧を調整する。筒内圧調整装置５１は、ピストン２０に接続されるコネクティングロッド小端２を有する第一部材４と、第一部材４に嵌り合い、クランクシャフト４０に接続されるコネクティングロッド大端３を有する第二部材６と、第一部材４と第二部材６との間に設けられたバネ５とを備える。バネ５のバネ力によって筒内圧を調整する。【選択図】図２

Description

本考案は、エンジンの筒内圧調整装置に関し、より特定的には、コネクティングロッドに関連するエンジンの筒内調整装置に関するものである。

従来のエンジンの筒内圧調整装置は、たとえば特開平６−１７６６５号公報（特許文献１）に開示されている。

特許文献１では、ピストンはインナーピストンと、インナーピストンの外側に嵌合するアウターピストンとを有する。インナーピストンがコネクティングロッドに接続される。アウターピストンが燃焼室に向かい合う。インナーピストンはアウターピストンに対してスライド可能に配置される。アウターピストンはシリンダライナに嵌り合う。

インナーピストンとアウターピストンとの間に皿バネが挿入されている。アウターピストンがインナーピストンに近づく方向に移動すると、インナーピストンとアウターピストン間の皿バネが圧縮される。

筒内圧（燃焼室内の圧力）に応じてピストンの見かけのヤング率が変化する。即ち、筒内圧が設定圧力よりも高くなると筒内圧によりアウターピストンがインナーピストンに近づく方向に移動する。このとき、皿バネが圧縮される。アウターピストンがインナーピストン側に移動することで、筒内の体積が増加し、筒内圧の上昇を抑制することができる。

特開平６−１７６６５号公報

しかしながら、熱負荷の高いピストン内にバネを挿入するため、バネの耐久性が問題となる。ピストン内は高温部分であるために耐熱性のある材料が必要である。たとえば、バネ鋼（ＳＵＰ）は製造時に焼入れがされるが、高温のピストン内でバネ鋼が高温になると、冷却されて焼きなましされるため、バネ鋼の組織が変化する。

インナーピストンおよびアウターピストンの間に設けられる皿バネは熱膨張して、温度によって皿バネのバネ定数が変化する。また、ピストン自体も熱膨張するため寸法が変化してしまう。このため、ピストンの冷間時と高温時とでは皿バネのバネ定数が異なったり、ピストン内部の寸法が異なったりするため、運転条件によって設定圧力が異なる可能性がある。

そこで、この考案は上記の課題を解決するためになされたものであり、筒内圧の上昇を抑制し、かつ、ピストンの温度の影響を受けにくいエンジンの筒内圧調整装置を提供することを目的とするものである。

この考案に従ったエンジンの筒内圧調整装置は、レシプロエンジンの燃焼行程における燃焼室の筒内圧を調整する、エンジンの筒内圧調整装置であって、ピストンに接続されるコネクティングロッド小端を有する第一部材と、第一部材に嵌り合い、クランクシャフトに接続されるコネクティングロッド大端を有する第二部材と、第一部材と第二部材との間に設けられ、コネクティングロッド小端から加えられる力によって変位するバネとを備え、バネのバネ力によって筒内圧を調整する。

このように構成された筒内圧の調整装置においては、コネクティングロッド大端とコネクティングロッド小端との間に設けられたバネによって筒内圧を調整することができる。その結果、筒内圧の上昇抑制することができる。さらに、バネはコネクティングロッド小端とコネクティングロッド大端との間に設けられるため、バネがピストン内部に設けられる場合と比較してピストンの温度の影響をバネが受けにくくなる。これにより、バネの組織構造がピストンの熱によって変化することを防止できる。ピストン内にバネを設けた従来技術と比較してバネが熱膨張しにくくなるため、ピストンの冷間時と高温時とでもバネ定数が変化せず、設定圧力安定する。

さらに、ピストンは従来と同様の構造とすることができるため、ピストンの質量が増加することが無い。バネには第一部材およびピストンが接続されるため、バネにアウターピストンのみが接続される従来技術と比較して、バネに接続される部材の質量が大きくなる。その結果、ピストンが単周期で振動する、いわゆるハンチングを抑制することができる。

好ましくは、第一部材には凹部が設けられており、その凹部に第二部材が嵌り合う。この場合、第一部材と第二部材とが嵌り合う部分では第一部材が大径となるため、第一部材の質量が増加する。その結果、第一部材およびピストンの合計の質量を大きくしてハンチングを抑制できる。

好ましくは、第二部材にはオイル通路が設けられており、コネクティングロッド大端から供給されたオイルをオイル通路が凹部へ送る。この場合、凹部へオイルが送られるため、凹部内にオイルが溜まりやすくなる。第一部材が第二部材に対して振動する場合には凹部内のオイルを攪拌する必要があり、オイルがダンパ効果を有する。その結果、ハンチングを防止できる。

この考案に従えば、筒内圧の上昇を抑制し、かつ、ピストンの温度の影響を受けにくいエンジンの筒内圧調整装置を提供することができる。

実施の形態１に従った筒内圧調整装置５１の模式図である。 エンジン１０内で用いられる実施の形態１に従った筒内圧調整装置５１の模式図である。 実施の形態１に従った筒内圧調整装置５１の内部構造を詳細に示す図である。 図３中の矢印ＩＶで示す方向から見た先端部７平面図である。 図３中の矢印Ｖで示す方向から見た第一部材４の底面図である。 筒内圧を調圧しない場合のクランク角と筒内圧との関係を示すグラフである。 筒内圧を調圧した場合のクランク角と筒内圧との関係を示すグラフである。 噴射量中および噴射量大におけるクランク角とバネ５の変位との関係を示すグラフである。 ディーゼルエンジンにおける噴射量とトルクとの関係を示すグラフである。 ディーゼルエンジンにおける噴射量と筒内の最大圧との関係を示すグラフである。 実施の形態２に従った筒内圧調整装置５１の模式図である。

以下、各実施形態に係る筒内圧調整装置について図を参照して説明する。以下の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。

（実施の形態１）
（構成）
図１は、実施の形態１に従った筒内圧調整装置５１の模式図である。図１で示すようにコネクティングロッド１は、コネクティングロッド小端２を有する第一部材４と、コネクティングロッド大端３とを有する第二部材６とを有する。

コネクティングロッド小端２にはピストンが回動可能に取り付けられる。コネクティングロッド大端３は分割構造とされており、クランクシャフトと係合する。シリンダライナ内においてピストンが往復運動をし、この往復運動がコネクティングロッド小端２に伝達される。コネクティングロッド１により往復運動が回転運動に変換されて、コネクティングロッド大端３はクランクシャフトと共に回転する。

第一部材４は矢印１ｂで示す長手方向に延びるように構成されている。第一部材４は制御室１３を有している。制御室１３は筒状に形成されている。制御室１３内にバネ５が配置されている。第一部材４の端部が爪部９である。爪部９は内側に延びるように構成されている。第一部材４の筒状部分１４に制御室１３が形成されている。筒状部分１４の先端に爪部９が設けられている。

第二部材６は矢印１ｂで示す長手方向に延びるように構成されている。第二部材６の先端部７に隣接するように環状の溝８が設けられている。溝８に爪部９が嵌り合うことで溝８に爪部９が係合している。爪部９は少なくとも２つ設けられている。さらに多くの爪部９が設けられてもよい。

爪部９の厚みが溝８の厚みよりも小さいため、爪部９および第一部材４は第二部材６に対して矢印１ｂで示す長手方向に移動することが可能である。第一部材４が移動することで第一部材４と第二部材６との距離が変化すると、第一部材４および第二部材６間に設けられたバネ５が伸縮する。バネ５は圧縮された状態で制御室１３に封入されている。そのため、所定の力｛（バネ５の自然長−制御室１３内でのバネ５の長さ）×バネ定数｝を超える力がコネクティングロッド小端２に加わると、この力でバネ５を圧縮することができる。所定の力以下力がコネクティングロッド小端２に加わった場合には、バネ５を圧縮することができない。

制御室１３には、コネクティングロッド大端３および第二部材６からオイルが供給される。第一部材４が第二部材６に対して移動するときには制御室１３内のオイルが移動の抵抗となるため、オイルがダンパ１ａとして機能する。

第一部材４、バネ５、および第二部材６が筒内圧調整装置５１を構成する。コネクティングロッド小端２に接続されるピストンが燃焼室の一部分を構成するため、燃焼室の圧力がピストンを経由してコネクティングロッド小端２に伝わる。コネクティングロッド小端２に伝わる力が所定値を超えるとバネ５が圧縮されてコネクティングロッド小端２およびピストンがコネクティングロッド大端３に近づく方向に移動する。これにより燃焼室の体積が大きくなり、筒内圧の上昇を抑制できる。

図２は、エンジン１０内で用いられる実施の形態１に従った筒内圧調整装置５１の模式図である。エンジン１０は、シリンダライナ３０、シリンダライナ３０に嵌合するピストン２０、ピストン２０に接続されるコネクティングロッド１、コネクティングロッド１に接続される。

コネクティングロッド１の両端がコネクティングロッド小端２およびコネクティングロッド大端３である。コネクティングロッド小端２にピストン２０が係合している。ピストン２０はシリンダライナ３０に嵌合している。ピストン２０はシリンダライナ３０内で往復運動をする。コネクティングロッド大端３にクランクシャフト４０が接続されている。

ピストン２０およびシリンダライナ３０で囲まれた空間が燃焼室２１である。燃焼室では燃料が燃焼し、その際の体積膨張が燃焼圧となって矢印１１で示す向きおよび大きさの力をピストン２０およびコネクティングロッド小端２に加える。

コネクティングロッド１の第一部材４と第二部材６との間にバネ５が設けられている。バネ５は圧縮されているため、矢印１２で示す方向および大きさの力を第一部材４に加える。

矢印１１で示す力と矢印１２で示す力は、互いに反対向きであるため、矢印１１で示す力の大きさが矢印１２で示す力の大きさよりも大きくなるとバネ５を圧縮することができる。バネ５が圧縮されるとピストン２０が下方向へ移動するため燃焼室２１の体積が拡張する。その結果、筒内圧の上昇を抑制することができる。

筒内圧調整装置５１は、レシプロエンジンの燃焼行程における燃焼室２１の筒内圧を調整する。筒内圧調整装置５１は、ピストン２０に接続されるコネクティングロッド小端２を有する第一部材４と、第一部材４に嵌り合い、クランクシャフト４０に接続されるコネクティングロッド大端３を有する第二部材６と、第一部材４と第二部材６との間に設けられたバネ５とを備える。バネ５のバネ力によって筒内圧を調整する。第一部材４には凹部としての制御室１３が設けられており、その制御室１３に第二部材が嵌り合う。

図３は、実施の形態１に従った筒内圧調整装置５１の内部構造を詳細に示す図である。図３で示すように、第二部材６には矢印１ｂで示す長手方向に延びるオイル孔６１が設けられている。オイル孔６１は制御室１３に到達している。

コネクティングロッド大端３からオイル孔６１にオイルが供給される。供給されたオイルはオイル孔６１を経由して制御室１３に到達する。制御室１３内のオイルは、バネ５および、爪部９と溝８との接触部分を潤滑および冷却する。

バネ５は、たとえばコイルバネで構成される。バネ５が複数設けられていてもよい。複数設ける場合には、小径バネの外側に大径バネを設けてもよい。なお、バネ５はコイルバネに限られず、板バネであってもよい。

溝８の厚みＬが爪部９の厚みｔよりも大きいので、その差（Ｌ−ｔ）だけ第一部材４は第二部材６に対して移動することができる。第二部材６に対する第一部材４の移動量を大きくするためには溝８の厚みＬを大きくするか、爪部９の厚みを小さくするか、のいずれかの方法がある。爪部９の厚みを小さくすると剛性が低下するため、溝８の厚みを大きくすることが好ましい。

図４は、図３中の矢印ＩＶで示す方向から見た先端部７の平面図である。図５は、図３中の矢印Ｖで示す方向から見た第一部材４の底面図である。図４で示すように、先端部７の一部には切欠７１が設けられている。先端部７の中心にはオイル孔６１が設けられている。

図５で示すように、環状の筒状部分１４に２つの爪部９が互いに対向するように配置されている。２つの爪部９と２つの切欠７１は互いに対応する位置に配置されており、切欠７１に爪部９が嵌合可能である。

筒内圧調整装置５１の組立時には、制御室１３内にバネ５を配置した状態で切欠７１に爪部９を嵌合させる。この状態でバネ５を圧縮して溝８内に爪部９を入れる。その後爪部９を切欠７１に対して回転させ、爪部９が切欠７１に嵌合しないようにする。これにより図３で示す筒内圧調整装置５１を組み立てることができる。切欠７１が存在することで切欠７１から制御室１３内のオイルが漏れる可能性があるが、たとえば組立終了後に切欠７１にキャップを設けることでオイルの漏れを防止できる。

図６は、筒内圧を調圧しない場合のクランク角と筒内圧との関係を示すグラフである。直噴式のディーゼルにおいて燃料の噴射量を三種類（噴射量小、中、大）として、燃料を筒内で燃焼させてクランク角に応じて筒内圧がどのように変化するかを測定した。図１から３で示す筒内圧調整装置５１は、筒内圧を調圧しない図６のディーゼルエンジンのコネクティングロッド１には、設けられていない。

図６で示すように、噴射量小（二点鎖線）、噴射量中（一点鎖線）、噴射量大（実線）における筒内圧はクランク角によって変化する。上死点付近で最大圧となる。点線はエンジンの許容筒内圧である。噴射量大および噴射量中では、筒内圧がエンジン許容筒内圧を超過していることが分かる。

図７は、筒内圧を調圧した場合のクランク角と筒内圧との関係を示すグラフである。直噴式のディーゼルにおいて燃料の噴射量を三種類（噴射量小、中、大）として、燃料を筒内で燃焼させてクランク角に応じて筒内圧がどのように変化するかを測定した。図１から３で示す筒内圧調整装置５１は、筒内圧を調圧する図７のディーゼルエンジンのコネクティングロッド１に設けられている。｛（バネ５の自然長−制御室１３内でのバネ５の長さ）×バネ定数｝が（エンジン許容筒内圧）×（ピストンの頂面の往復運動方向への投影面積）となるように、すなわち筒内圧がエンジン許容筒内圧を超えるとバネ５が縮むようにバネ定数およびバネ５の自然長などを調整した。

図７で示すように、噴射量小（二点鎖線）、噴射量中（一点鎖線）、噴射量大（実線）における筒内圧はクランク角によって変化する。図６との相違は、筒内圧がエンジン許容筒内圧をわずかに超えるとバネ５が縮むため燃焼室２１の体積が大きくなり、筒内圧が上昇しない。その結果、筒内圧がエンジン許容筒内圧を超えない。点線はエンジンの許容筒内圧である。

図８は、噴射量中および噴射量大におけるクランク角とバネ５の変位との関係を示すグラフである。噴射量大の場合には、筒内圧が大きく変化するので、バネ５が大きく変位する。これに対して、噴射量中の場合には筒内圧の変化が小さいため、バネ５の変位も小さい。

（効果１：筒内圧の上昇抑制）
図６で示すようにエンジン許容筒内圧を超える場合には、これに耐えうるようにエンジンを補強する必要があり、コストおよび質量が増加する。さらに高い筒内圧に耐えるように各部（たとえばピストンリング）の摩擦を大きくする必要があった。これに対して、図７および８で示すように、実施の形態１に従った筒内圧調整装置５１を設けることで、筒内圧がエンジン許容筒内圧を超えようとするとバネ５が変位するため燃焼室２１の体積が増加する。その結果、筒内圧がエンジン許容筒内圧を超えないため、エンジンを補強する必要がない。これにより、エンジンを軽量化することができる。さらに、各部の摩擦を小さくすることができる。その結果、燃費を向上させることができる。

（効果２：高トルク化）
図９は、ディーゼルエンジンにおける噴射量とトルクとの関係を示すグラフである。図１０は、ディーゼルエンジンにおける噴射量と筒内の最大圧との関係を示すグラフである。

図９における「調圧なし」は図６の噴射量小および噴射量中に従って筒内圧調整装置５１が設けられていないエンジンにおいて燃料を噴射した場合の噴射量とエンジンのトルクとの関係を示す。図１０における「調圧なし」は図６の噴射量小および噴射量中に従って筒内圧調整装置５１が設けられていないエンジンにおいて燃料を噴射した場合の噴射量と筒内の最大圧との関係を示す。点線はエンジンが許容する筒内圧を示す。

図９における「調圧あり」は図７の噴射量小、噴射量中および噴射量大に従って筒内圧調整装置５１が設けられたエンジンにおいて燃料を噴射した場合の噴射量とエンジンのトルクとの関係を示す。図１０における「調圧あり」は図７の噴射量小、噴射量中および噴射量大に従って筒内圧調整装置５１が設けられたエンジンにおいて燃料を噴射した場合の噴射量と筒内の最大圧との関係を示す。

図９および図１０で示されるように、筒内圧調整装置５１を設けることで、噴射量大であっても筒内の最大圧はエンジンの許容筒内圧を超えることが無い。その結果、噴射量に応じた高いトルクを発生させることができる。筒内圧調整装置５１を設けない場合は噴射量を大きくするとエンジン許容筒内圧を超えるため噴射量を大きくすることができない。

（効果３：特開平６−１７６６５号公報との対比）
特開平６−１７６６５号公報に記載のピストンではインナーピストンとアウターピストンとの間に皿バネが挿入され、インナーピストンがアウターピストンに近づく方向に移動すると、インナーピストンとアウターピストン間の皿バネが圧縮される。しかしながらピストンは高温になるため皿バネの特性が温度により変化して、所望の性能を発揮できない可能性がある。これに対して実施の形態１の考案では、ピストンよりも低温のコネクティングロッド１に筒内圧調整装置５１を設けているため、ピストンの温度の影響を受けることなく筒内圧を確実に調整することができる。

特開平６−１７６６５号公報に記載のピストンでは、ピストンの強度および剛性を確保するためにピストンを薄肉化できず、質量が増加する。これに対して実施の形態１では従来のピストンを用いることができるため軽量化を図ることができる。

皿バネのみを設けるとピストンの変位がハンチングしてアウターピストンがインナーピストンに対して短周期で振動する。その結果、音および振動性能が悪化し、信頼性が低下する。これに対して、実施の形態１では、バネ５の上側に第一部材４、コネクティングロッド小端２およびピストン２０が設けられるため、バネ５の上側の質量が大きくなる。その結果、ピストン２０のハンチングを防止することができる。さらに、制御室１３にオイルが存在するため、オイルがダンパとして機能するためハンチングを防止できる。さらに、第一部材４の制御室１３に第二部材６の先端部７が嵌り合うため、第一部材４が大径となる。その結果、第一部材４の質量が増加してハンチングを防止できる。

（効果４：特開２０１０−２３００００号公報との対比）
特開２０１０−２３００００号公報では、内燃機関の燃焼室で発生する燃焼圧力を、ピストンで受けてピストンピンに連結されたコネクティングロッドを介して、クランクシャフトへ駆動力として伝達する内燃機関において、コネクティングロッドに潤滑油の弾性を利用した機構を具備することにより、燃焼圧力の上昇を抑制することが可能になり、火花点火機関を低負荷時に圧縮比を高くして、高負荷時にノッキングを回避すると共に、圧縮着火機関の摩擦損失を低減して、内燃機関の効率を向上させることができる。しかしながら、特開２０１０−２３００００号公報の内燃機関では潤滑油の弾性を利用した機構であるため、潤滑油の状態（たとえば潤滑油の量、潤滑油の成分）によって燃焼圧力の上昇を抑制する機能が異なり、運転条件によって最大筒内圧がばらつくという問題がある。これに対して実施の形態１ではバネ５によって最大筒内圧を制御しているため、安定して最大筒内圧が決定される。特開２０１０−２３００００号公報の方法ではオイルのみで筒内圧を調整するため十分に筒内圧を調整することができず、燃費が悪化するおそれがある。

（実施の形態２）
図１１は、実施の形態２に従った筒内圧調整装置５１の模式図である。図１１で示すように、実施の形態２に従った筒内圧調整装置５１はコネクティングロッド大端３側に設けられる。コネクティングロッド大端３にはクランクシャフトに挿入される環状部材１０２が存在する。環状部材１０２の外周でコネクティングロッド大端３の内側にバネ１０１が設けられている。

コネクティングロッド１は実施の形態１では上下分割構造とされていたが、実施の形態２では分割構造とされておらず、一体形状である。コネクティングロッド１は図示しないコネクティングロッド小端を有する。コネクティングロッド小端はピストンに回動可能に接続されている。

ピストンを経由してコネクティングロッド１に燃焼時の圧力が加わると、この圧力がバネ１０１に伝達される。バネ１０１が伸縮することでコネクティングロッド１が矢印１ｃで示す下方向に移動する。その結果、ピストンがコネクティングロッド大端３側に移動するため、燃焼室の体積が増加し、筒内圧を調整することができる。

以上、実施の形態について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本考案の技術的範囲は実用新案登録請求の範囲によって示され、実用新案登録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。

この考案は、たとえばレシプロエンジンにおいて用いることができる。

１ コネクティングロッド、１ａ ダンパ、２ コネクティングロッド小端、３ コネクティングロッド大端、４ 第一部材、５，１０１ バネ、６ 第二部材、７ 先端部、８ 溝、９ 爪部、１０ エンジン、１３ 制御室、１４ 筒状部分、２０ ピストン、２１ 燃焼室、３０ シリンダライナ、４０ クランクシャフト、５１ 筒内圧調整装置、６１ オイル孔、７１ 切欠、１０２ 環状部材。

Claims (3)

1. レシプロエンジンの燃焼行程における燃焼室の筒内圧を調整する、エンジンの筒内圧調整装置であって、
   ピストンに接続されるコネクティングロッド小端を有する第一部材と、
   前記第一部材に嵌り合い、クランクシャフトに接続されるコネクティングロッド大端を有する第二部材と、
   前記第一部材と前記第二部材との間に設けられ、前記コネクティングロッド小端から加えられる力によって変位するバネとを備え、
   前記バネのバネ力によって筒内圧を調整する、エンジンの筒内圧調整装置。
2. 前記第一部材には凹部が設けられており、前記凹部に前記第二部材が嵌り合う、請求項１に記載のエンジンの筒内圧調整装置。
3. 前記第二部材にはオイル通路が設けられており、前記コネクティングロッド大端から供給されたオイルを前記オイル通路が前記凹部へ送る、請求項２に記載のエンジンの筒内圧調整装置。

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