JP4148144B2 - 近似直線機構を有するピストン機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関や外燃機関などのピストン機関に用いられるピストン・クランク機構に関する。

一般的に、ピストンとシリンダとの間の摩擦は、ピストン機関の摩擦全体の半分以上を占めている。そこで、従来から、ピストンとシリンダとの間の摩擦を低減するために種々の工夫がなされている。例えば、下記の特許文献１に記載されたピストン・クランク機構では、ピストンピンとクランクピンとの間をフリーリンクで連結した構成が開示されている。この機構は、ピストンの往復運動の中間点において、フリーリンクの軸線のピストン中心軸線に対する傾斜が少なく維持されるように構成されている。

特開２００１−５０３６２号公報

しかし、従来知られている機構では、摩擦を充分に低減するには構成が大型化してしまうため、ピストンとシリンダとの間の摩擦を充分に低減できないという問題があった。また、従来の機構ではピストンへの組み付けがかなり複雑になるという問題もあった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、ピストンとシリンダとの間の摩擦を低減するための機構であって、ピストンへの組み付けが過度に複雑にならないような構成を有する機構を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明による第１のピストン機関は、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転する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、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制する近似直線機構と、
を備え、
前記近似直線機構は、複数の直線近似リンクを有しており、
前記複数の直線近似リンクの相互の係合端部、および、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部と係合する１つの直線近似リンクの係合端部は、それぞれ所定の一方向から係合しつつ回動可能に連結された片持ち構造を有することを特徴とする。

この構成では、２つの係合端部がそれぞれ片持ち構造を有しており、組み付けの際に一方向から嵌め合わせればよいので組み付けが容易である。

本発明による第２のピストン機関は、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転する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、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制する近似直線機構と、
を備え、
前記近似直線機構は、第１と第２の横方向リンクと、縦方向リンクとを有するグラスホッパの近似直線機構であり、
前記第１の横方向リンクの第１の端部は、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部に所定の第１の方向から係合しつつ回動可能に連結された片持ち構造を有しており、
前記第１の横方向リンクの第２の端部は、前記縦方向リンクの第１の端部と回動可能に連結されており、
前記縦方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの第１の端部は、前記第１の横方向リンクの中間に設けられた係合部に所定の第２の方向から係合しつつ回動可能に連結された片持ち構造を有しており、
前記第２の横方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されていることを特徴とする。

この構成によれば、第１と第２の横方向リンクの第１の端部が片持ち構造を有しており、組み付けの際に一方向から嵌め合わせればよいので組み付けが容易である。

なお、前記第１の横方向リンクの前記第１の端部と前記第２の横方向リンクの前記第１の端部とは、いずれも先端部が分岐しない未分岐構造を有するようにしてもよい。

この構成では、片持ち構造を容易に形成することができ、また、分岐構造に比べて高い強度を得ることができる。

前記第２の横方向リンクの前記第１の端部および前記第１の横方向リンクの係合部は、一方が回動軸を構成し他方が軸受け部を構成するようにしてもよい。

この構成によれば、連結ピンが不要なので、部品点数を低減でき、構成も単純になる。

前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部は、前記ピストンの往復方向から見たとき、前記第１の横方向リンクと前記第２の横方向リンクとの間に配置されていてもよい。

この構成は、第１と第２の横方向リンクの力学的なバランスが良好である。

前記第１の横方向リンクの前記第１の端部が前記連結部に係合する前記第１の方向と、前記第２の横方向リンクの前記第１の端部が前記係合部に係合する前記第２の方向とが、互いに逆平行であるものとしてもよい。

この構成では、第１と第２の横方向リンクの間に、ピストンとコネクティングロッドとの連結部を配置する構造を容易に実現することができる。

前記ピストンの往復方向から見たとき、
前記第１の横方向リンクの前記第２の端部と前記縦方向リンクの前記第１の端部との間の連結位置と、
前記第１の横方向リンクの前記係合部の位置と、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部の位置と、
前記第２の横方向リンクの前記第２の端部と前記ピストン機関の前記所定の位置との間の連結位置と、
の４つの位置が一直線上に配列されているようにしてもよい。

この構成は、近似直線機構の力学的なバランスが良好である。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ピストン・クランク機構、ピストン機関、そのピストン機関を備える移動体等の態様で実現することができる。

次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．ピストン・クランク機構の概要：
Ｂ．具体的形状例：
Ｃ．変形例：

Ａ．ピストン・クランク機構の概要：
図１（Ａ），（Ｂ）は、従来の内燃機関におけるピストン・クランク機構と本発明の一実施例の内燃機関におけるピストン・クランク機構とを比較して示す説明図である。図１（Ａ）に示すように、従来の機構は、シリンダ１１０と、ピストン１２０と、コネクティングロッド１３０と、クランクシャフト１４０とを備えている。ピストン１２０とコネクティングロッド１３０は、ピストン１２０の中央部付近においてピストンピン１６０で互いに連結されている。コネクティングロッド１３０とクランクシャフト１４０は、クランクピン１６２で連結されている。ピストン１２０が上下に往復運動すると、クランクシャフト１４０がその軸１４２（「駆動軸」とも呼ぶ）を中心に回転する。ピストン１２０の下部にはスカート１２１が設けられている。このスカート１２１は、ピストン１２０の上死点付近において燃料が爆発したときに、ピストン１２０に掛かる横方向の力（スラスト）を受けるためのものである。

図１（Ｂ）は、本発明の一実施例としてのピストン・クランク機構の概略構成を示している。この機構は、シリンダ１０と、ピストン２０と、コネクティングロッド３０と、クランクシャフト４０とを備えており、さらに、近似直線機構５０も備えている。

ピストン２０は、略板状のピストンヘッド部２２と、ピストンヘッド部２２の下方に伸びるピストン支柱部２４とを有している。ピストンヘッド部２２とピストン支柱部２４とは一体として形成されていてもよい。ピストン２０とコネクティングロッド３０は、ピストン支柱部２４の下端において互いに連結されている。コネクティングロッド３０とクランクシャフト４０は、クランクピン６２で連結されている。ピストン２０が上下に往復運動すると、クランクシャフト４０がその軸４２（「駆動軸」とも呼ぶ）を中心に回転する。なお、後述するように、このピストン２０にはスラストがほとんど掛からないので、従来のピストン１２０に設けられていたスカート１２１は不要である。

近似直線機構５０は、２つの横方向リンク５２，５４と、１つの縦方向リンク５６とを有している。第１の横方向リンク５２の一端は、ピストン支柱部２４の下端に回動可能に連結されている。第２の横方向リンク５４の一端は、第１の横方向リンク５２の中間の所定の位置において第１の横方向リンク５２に回動可能に連結されている。第２の横方向リンク５４の他端は、ピストン・クランク機構の所定の固定位置に回動可能に固定されている。縦方向リンク５６の一端は、第１の横方向リンク５２と回動可能に連結されている。縦方向リンク５６の他端は、ピストン・クランク機構の所定の固定位置に回動可能に固定されている。

図１（Ａ），（Ｂ）において、黒丸で表されている連結部（駆動軸４２など）は、その軸を中心に回転または回動するが、シリンダ１０との相対位置が変化しない連結点（以下「支点」と呼ぶ）である。また、白丸で表されている連結部は、その軸を中心に回転または回動するとともに、シリンダ１０との相対位置が変化する連結点（以下「移動連結点」と呼ぶ）である。ここで、「回転」とは３６０度以上の範囲で回ることを意味しており、「回動」とは３６０度未満の範囲で回ることを意味している。

なお、本実施例の内燃機関は、通常の内燃機関と同じ種々の構成要素（バルブや吸気管、排気管等）を含んでいるが、図１（Ａ），（Ｂ）ではピストン・クランク機構とシリンダ１０以外は図示が省略されている。

図２（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例のピストン・クランク機構のリンク構成を示す説明図である。図２（Ａ）は、シリンダ１０と、ピストン２０と、コネクティングロッド３０と、クランクシャフト４０のみを示している。また、図２（Ｂ）は、近似直線機構５０のみを示している。図２（Ｃ）は、図１（Ｂ）に示した機構と同じものであり、図２（Ａ），（Ｂ）の構成を組み合わせたものである。なお、本実施例の近似直線機構５０は、グラスホッパの近似直線機構と呼ばれている。

図２（Ａ）〜（Ｃ）においては、以下のように各種の連結点が表されている。
（１）移動連結点Ａ：ピストン２０とコネクティングロッド３０の連結点。
（２）移動連結点Ｂ：第１の横方向リンク５２の移動連結点Ａとは反対側の端部にある連結点。
（３）移動連結点Ｃ：コネクティングロッド３０の移動連結点Ａとは反対側の端部にある連結点。
（４）移動連結点Ｍ：第１の横方向リンク５２の中間点にある連結点。
（５）支点Ｐ：クランクシャフト４０の中心軸（駆動軸）。
（６）支点Ｑ：第２の横方向リンク５４の移動連結点Ｍと反対側の端部にある連結点。
（７）支点Ｒ：縦方向リンク５６の移動連結点Ｂと反対側の端部にある連結点。

移動連結点Ａは、ピストン２０の往復運動に伴って上下方向Ｚ（図２（Ｂ））に沿って移動する。本明細書において、上下方向Ｚとは、シリンダ１０の軸方向中心線（「軸中心」とも呼ぶ）に沿った方向を意味する。移動連結点Ａ，Ｂは、第１の横方向リンク５２の両端の連結点である。移動連結点Ｂは、縦方向リンク５６が支点Ｒを中心に回動するのに従って、円弧状の軌跡上を移動する。また、この移動連結点Ｂは、第２の横方向リンク５４の支点Ｑの上下方向位置Ｘとほぼ同じ上下方向位置を取るように設定されている。

なお、仮想的に縦方向リンク５６の長さを無限大に設定し、移動連結点Ｂが、支点Ｑと同一の上下方向位置Ｘ上を直線的に移動するようにすれば、移動連結点Ａは上下方向Ｚに沿って完全な直線に近い運動を行う。現実には、縦方向リンク５６の長さは有限なので、移動連結点Ａは直線運動からわずかにずれた軌跡上を移動する（これについては後述する）。ほぼ完全な直線運動機構は、縦方向リンク５６の代わりに、移動連結点Ｂを直線的に案内するガイド部を採用すれば実現可能であるが、このガイド部と移動連結点Ｂとの摩擦が増大する。従って、摩擦の低減の観点からは、本実施例の近似直線機構５０の方が完全な直線運動機構よりも好ましい。

第１の横方向リンク５２の中間にある移動連結点Ｍの位置は、以下の関係を満足するように設定されている。
ＡＭ×ＱＭ＝ＢＭ²

ここで、ＡＭは連結点Ａ，Ｍ間の距離を意味し、ＱＭは連結点Ｑ，Ｍ間の距離、ＢＭは連結点Ｂ，Ｍ間の距離をそれぞれ意味している。

図３（Ａ）〜（Ｄ）は、ピストン２０の移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示している。近似直線機構５０の３つの移動連結点Ａ，Ｂ，Ｍのうちで、移動連結点Ａ，Ｍはピストン２０の移動に伴ってかなり大きく移動するが、縦方向リンク５６の上端の移動連結点Ｂはあまり移動しないことが解る。図３（Ａ）には、近似直線機構５０の形状変化の程度を表す指標として利用できる２つの角度θ、φが示されている。第１の角度θは、横方向Ｘから測った第２の横方向リンク５４の角度∠ＭＱＸである。また、第２の角度φは、上下方向Ｚからの縦方向リンク５６の傾き角で∠ＢＲＺである。これらの角度θ，φの値が取る範囲は、移動連結点Ａの移動範囲（すなわちピストン２０のストローク）の設定と、近似直線機構５０の各リンクの長さとに依存する。

図４（Ａ），（Ｂ）は、実施例におけるピストン・クランク機構の具体的な寸法の一例と、移動連結点Ａの軌跡とを示す説明図である。図４（Ａ）に示されている寸法は、上述した関係（ＡＭ×ＱＭ＝ＢＭ² ）を満足していることが解る。図４（Ｂ）に示されているように、移動連結点Ａの軌跡は、近似的な直線部分を含んでおり、この近似的な直線部分がピストン２０のストロークの範囲として利用される。このとき、ピストン２０のストロークの範囲は、上死点における直線からのズレ量が、下死点における直線からのズレ量よりも小さくなるように設定されることが好ましい。ここで、「直線からのズレ量」の「直線」とは、シリンダ１０の軸方向中心線を意味している。図４（Ｂ）の例では、上死点におけるズレ量は約５μｍであり、下死点におけるズレ量は約２０μｍである。なお、この数値は常温で測定したものである。

上死点における移動連結点Ａの直線からのズレ量が、下死点におけるズレ量よりも小さくなるように設定する理由は、上死点近傍では燃料の爆発力がピストン２０に掛かるためである。すなわち、上死点におけるズレ量が小さければ、爆発力によってピストン２０に掛かるスラスト（横方向の力）が小さくなるので、ピストン２０とシリンダ１０との摩擦を低減することができる。一方、下死点では爆発力が掛からないので、多少のズレがあっても上死点に比べて摩擦への影響は小さい。なお、移動連結点Ａの軌跡における近似的直線部分は、各リンク５２，５４，５６の長さを大きくすることによって大きくすることが可能であるが、リンクを長くすると近似直線機構５０のサイズが大きくなるという問題がある。換言すれば、上死点や下死点における直線からのズレ量と、近似直線機構５０のサイズとは、トレードオフの関係にある。これらの点を考慮すると、ピストン２０の上死点における移動連結点Ａの直線からのズレ量は、常温で測定して約１０μｍ以下になるように近似直線機構５０を構成することが好ましい。また、下死点におけるズレ量は、約２０μｍ以下になるようすることが好ましい。

図４（Ｂ）に示すようにピストン２０のストロークの範囲を設定した場合には、横方向リンク５４の角度θは、８．８°〜−１７．９°の範囲の値を取る（図４（Ａ））。角度θの最大値（８．８°）はピストン２０が上死点にある場合（図３（Ａ））に相当し、最小値（−１７．９°）はピストン２０が下死点にある場合（図３（Ｃ））に相当する。縦方向リンク５６の角度φは、０°〜２．２°の範囲の値を取る。角度φの最小値（０°）は、連結点Ｑ，Ａ，Ｍ，Ｂがほぼ一直線上に並ぶ場合に相当し、最大値（２．２°）は、角度θの絶対値が最も大きくなる場合（この例では下死点）に相当する。なお、これらの角度θ、φの値の範囲は、近似直線機構５０の各リンクの寸法と、ピストン２０のストローク範囲の設定に依存する。

Ｂ．具体的形状例：
図５は、本実施例におけるピストン・クランク機構の具体的な形状の一例を示している。ピストンヘッド部２２は全体として皿状の形状を有しており、凹状の上面を有する略板状の上面部２２ａと、この上面部２２ａの周囲に一体として設けられたリング取り付け部２２ｂとを有している。よく知られているように、ピストン２０の頂面の形状は、単純な凹状以外の種々の形状が採用可能である。リング取り付け部２２ｂは、略円環状の形状を有しており、その外周面にはピストンリング（図示せず）用の溝２５が形成されている。このリング取り付け部２２ｂには、従来のスカートは設けられていない。この理由は、上死点付近においてスラストがほとんど掛からないので、スラストを受けるためのスカートが無くても良いからである。

このリング取り付け部２２ｂは、その横断面が常温でほぼ真円となるように形成されている。本明細書において、ある物が「ほぼ真円となるように形成されている」という文言は、その物の製造誤差を含む設計値が真円を含んでいることを意味している。リング取り付け部２２ｂの横断面をほぼ真円にできる理由は、上述したようにピストン２０に掛かるスラストが小さいためである。また、ピストン２０とコネクティングロッド３０との連結点は、ピストン２０の頂部からかなり離れた位置（ピストン支柱部２４の下端）に設けられているので、ピストン２０の頂部近傍が従来のピストンに比べて単純な形状を有している。従来は、ピストンが複雑な形状を有していたため、高温時の膨張に伴う複雑な変形を考慮して、常温ではピストンの横断面を楕円形状にするのが普通である。一方、本実施例のピストン２０は、その頂部近傍が従来のピストンに比べて単純な形状を有しているので、温度上昇に伴う複雑な変形を考慮する必要がなく、常温においてもリング取り付け部２２ｂの横断面をほぼ真円に設定することが可能である。リング取り付け部２２ｂの横断面をほぼ真円にすれば、シール性が向上するので、ピストンリングの張力を従来よりも弱くすることができる。この結果、ピストンリングによる摩擦も低減することが可能である。また、リング取り付け部２２ｂの横断面をほぼ真円にすれば、ピストン２０の製造がより容易になるという利点もある。

ピストン支柱部２４の上端近傍には、ピストン支柱部２４から外側に向けてサポート部２６が伸びている。本実施例では、９０度間隔で放射状に設けられた４本のサポート部２６が、シリンダ１０の内壁面近傍まで伸びている。これらのサポート部２６は、ピストン２０が直立姿勢を保ちながらシリンダ内壁面に沿って滑らかに移動するのを案内するためのものである。但し、近似直線機構５０によって、ピストン２０とコネクティングロッド３０の連結点移動連結点Ａ）の軌跡が充分直線に近いものに規制されている場合には、サポート部２６を省略できる場合もある。但し、サポート部２６を設けた方が、ピストン２０をより円滑に移動させることができる。

ピストン支柱部２４の長さは、ピストン２０の上端からコネクティングロッド３０との連結点までの長さが、ピストン２０のストロークの約１／２倍以上で１倍未満の範囲の値になるように設定されていることが好ましい。この理由は、ピストン支柱部２４の長さが過度に短いと、上死点において近似直線機構５０がシリンダ１０に衝突する可能性があるためである。また、ピストン支柱部２４の長さが過度に長いと、ピストン２０の重量が増加してエネルギ損失が増すためである。

シリンダ１０の下部には、サポート用タブ１２が設けられている。このサポート用タブ１２は、ピストン２０が下死点に到達したときにサポート部２６に対向する位置にあるシリンダ内壁面部分である。また、サポート用タブ１２以外のシリンダ内壁面部分は、不要なので切除されている。このように、本実施例の機構では、不要なシリンダの内壁面部分を切除することができるので、切除部分の間にグラスホッパー機構のリンク５２，５４を配置することができ、小型・軽量化が可能である。このようにシリンダ１０の内壁面の一部を削除しなくても良いが、軽量化の観点からは、シリンダ１０の内壁面の下端部においてサポート部２６に対向しない内壁面の少なくとも一部が削除されていることが好ましい。

図６は、比較例としての近似直線機構５０ｐを用いたピストン・クランク機構の要部横断面図である。この比較例の近似直線機構５０ｐは、主要な連結部に二股構造を採用しており、一方、後述する各種の実施例の近似直線機構は主要な連結部に片持ち構造を採用している点でこの比較例と異なっている。

この比較例では、ピストン支柱部２４ｐと、コネクティングロッド３０ｐと、水平方向リンク５２ｐ，５４ｐとは、ピストンが上下動したときにも互いに干渉しないように構成されている。具体的には、ピストン支柱部２４ｐはシリンダ１０の軸方向中心に設けられており、ピストン支柱部２４ｐの両側が、コネクティングロッド３０ｐの２枚の板状部材で挟まれている。コネクティングロッド３０ｐの外側には、第１の横方向リンク５２ｐの２枚の板状部材が配置されている。これらの３種類の部材２４ｐ，３０ｐ，５２ｐは、ピストンピン６０で連結されている。また、第１の横方向リンク５２ｐの更に外側には、第２の横方向リンク５４ｐの２枚の板状部材が設置されている。このように、比較例では、コネクティングロッド３０と２つの横方向リンク５２ｐ，５４ｐとは、端部が２つの板状部材に分かれた二股構造をそれぞれ有しており、中央のピストン支柱部２４ｐを両側から挟むような位置にそれぞれ配置されている。

図７は、本発明の第１実施例における近似直線機構の連結部の構成を示す要部横断面図であり、図６に対応するものである。但し、図７では図示の便宜上、ピストンのサポート部２６とシリンダ１０の図示が省略されており、また、第１と第２の横方向リンク５２，５４のハッチングが省略されている。

第１の横方向リンク５２は、その両端に、第１の連結端部２１０と第２の連結端部２１８とを有している。第１の連結端部２１０は、ピストン支柱部２４およびコネクティングロッド３０の連結部に連結されている。第２の連結端部２１８は、縦方向リンク５６の端部に連結されている。本実施例では、第１の連結端部２１０は段付きの回動軸（「係合凸部」とも呼ぶ）として構成されており、ピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０は、第１の連結端部２１０が挿入される軸受け部（「係合凹部」とも呼ぶ）として構成されている。また、第２の連結端部２１８と縦方向リンク５６の端部のそれぞれは軸受け部として構成されており、連結ピン８４によって互いに連結されている。第１と第２の連結端部２１０，２１８の間には、屈曲部２１２（「湾曲部」とも呼ぶ）と直線部２１６とが設けられている。直線部２１６には、連結穴２１４（軸受け部）が設けられている。この連結穴２１４には、第２の横方向リンク５４の連結端部２３０が挿入される。直線部２１６は、ピストン往復方向視（図の紙面に垂直な方向から見たとき）において、第１と第２の連結端部２１０，２１８を結ぶ直線上に配置されている。また、第１の連結端部２１０は、図の上から下に向かう方向に沿って、ピストン支柱部２４およびコネクティングロッド３０の連結部に挿入されている。そこで、この第１の連結端部２１０と直線部２１６とを接続するために、屈曲部２１２が設けられている。

第２の横方向リンク５４は、その両端に、第１の連結端部２３０と第２の連結端部２３８とを有している。第１の連結端部２３０は、段付きの回動軸として構成されており、第１の横方向リンク５２の連結穴２１４に挿入されている。第２の連結端部２３８は、軸受け部として構成されており、ピストン機関の所定の位置に設けられた回動固定部７０とともに、連結ピン８２によって貫通されて連結されている。第１と第２の連結端部２３０，２３８の間には、第１の屈曲部２３２と、直線部２３４と、第２の屈曲部２３６とが設けられている。直線部２３４は、第１の横方向リンク５２の直線部２１６と異なり、ピストン往復方向視において、第１と第２の連結端部２３０，２３８を結ぶ直線からオフセットした位置に配置されている。また、第１の連結端部２３０は、図の下から上に向かう方向に沿って、第１の横方向リンク５２の連結穴２１４に挿入されている。そこで、この第１の連結端部２３０と直線部２３４とを接続するために、９０度で屈曲する第１の屈曲部２３２が設けられている。また、第１の直線部２３４は、２つの連結端部２３０，２３８を結ぶ直線からオフセットしているので、第１の直線部２３４と第２の連結端部２３８とを接続するために、第２の屈曲部２３６が設けられている。

第１実施例では、ピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０の先端部が、軸受け部を構成している。コネクティングロッド３０の先端部は、さらに、二股構造を有しており、ピストン支柱部２４の先端部を両側から挟み込むように構成されている。但し、ピストン支柱部２４の先端部とコネクティングロッド３０の先端部の構造と位置関係は、図７と逆の構造および位置関係にすることも可能である。すなわち、ピストン支柱部２４の先端部を二股構造にして、コネクティングロッド３０の先端部を両側から挟み込むようにしてもよい。いずれの構造でも、ピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０がピストンの往復方向視において対称な形になるので、非対称な形状とすることによりサイドフォースが発生することを防止できる。

図７に示す第１実施例の構造は、以下のような種々の特徴と利点を有している。第１の特徴点は、第１の横方向リンク５２の第１の連結端部２１０が、ピストン支柱部２４およびコネクティングロッド３０の連結部に、所定の一方側から係合する片持ち構造を有している点である。同様に、第２の横方向リンク５４の第１の連結端部２３０も、第１の横方向リンク５２の連結穴２１４に、所定の一方側から係合する片持ち構造を有している。このような片持ち構造を採用すると、近似直線機構の組み付けが容易になるという利点がある。特に、第１実施例では、第１と第２の横方向リンク５２の第１の連結端部２１０，２３０は、いずれも先端部が分岐しない未分岐構造を有している。このような未分岐構造を採用すれば、近似直線機構の組み付けがさらに容易である。図６に示した比較例では、第１と第２の横方向リンク５２ｐ，５４ｐが両方ともに二股構造を有していたので、組み付けがかなり困難である。これに対して、第１実施例では、第１と第２の横方向リンク５２，５４の第１の連結端部２１０，２３０が未分岐構造を有しているので、比較例に比べて組み付けが容易である。また、未分岐構造では、二股構造などのような分岐構造に比べて高い強度が得られるという利点もある。

第２の特徴点は、第１と第２の横方向リンク５２，５４の第１の連結端部２１０，２３０が、回動軸として構成されている点である。この構成により、これらの連結部においては連結ピンが不要になる。この結果、比較例に比べて近似直線機構の部品点数を低減でき、構造もより単純となっている。

第３の特徴点は、ピストン支柱部２４およびコネクティングロッド３０の連結部が、ピストン往復方向視において、第１と第２の横方向リンク５２，５４との間に配置されている点である。より具体的に言えば、ピストン支柱部２４およびコネクティングロッド３０の連結部は、第１の横方向リンク５２の屈曲部２１２と、第２の横方向リンク５４の直線部２３４との間に配置されている。このような配置を採用することにより、力学的な釣り合いが取れるので、各部材を軽量化でき、また、摩擦を低減することができる。なお、この第３の特徴点を実現するために、第１と第２の横方向リンク５２，５４の第１の連結端部２１０，２３０は、逆平行な方向からそれぞれの連結部に係合している。すなわち、第１の横方向リンク５２の第１の連結端部２１０は、ピストン支柱部２４およびコネクティングロッド３０の連結部に、図中の上から下に向かう方向に挿入されている。一方、第２の横方向リンク５４の第１の連結端部２３０は、第１の横方向リンク５２の連結穴２１４に、図中の下から上に向かう方向に挿入されている。２つの連結端部２１０，２３０の係合方向を逆平行にする必然性は無いが、逆平行にすれば、「ピストン支柱部２４およびコネクティングロッド３０の連結部を、ピストン往復方向視において、第１と第２の横方向リンク５２，５４との間に配置する」という構成を容易に実現することができるという利点がある。

第４の特徴点は、近似直線機構の４つの連結部（連結位置）が、ピストン往復方向視において一直線上に配置されている点である。具体的には、第１の横方向リンク５２と縦方向リンク５６との間の連結部と、第１と第２の横方向リンク５２，５４の間の連結部と、ピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０と第１の横方向リンク５２との間の連結部と、第２の横方向リンク５４とピストン機関の回動固定部７０との間の連結部と、の４つの連結部が一直線上に配置されている。このような構成を採用すれば、力学的な釣り合いが取れるので、部材を軽量化でき、摩擦を低減することができる。なお、図７および後述する他の実施例の図では、ピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０と第１の横方向リンク５２との間の連結部の軸を通る直線Ｌ−Ｌを示している。

図８は、本発明の第２実施例における近似直線機構の連結部の構成を示す要部横断面図である。図７に示した第１実施例との違いは、第１の横方向リンク５２ａと縦方向リンク５６ａとの連結部の構造、および、第２の横方向リンク５４ａとピストン機関の回動固定部７０ａとの連結部の構造にあり、他の構造は第１実施例と同じである。

第１の横方向リンク５２ａの第２の連結端部２１８ａは、回動軸として構成されており、縦方向リンク５６ａの端部は軸受け部として構成されている。これらの連結部では連結ピンが不要なので、第１実施例よりも部品点数が少なくなる点で好ましい。また、連結端部２１８ａは、図の下から上に向かう方向に縦方向リンク５６ａに挿入されており、片持ち構造を有している。そこで、この連結端部２１８ａと直線部２１６ａとを接続するために屈曲部２２０が設けられている。この点では、第１の横方向リンク５２ａは第１実施例よりも複雑な形状を有している。

第２の横方向リンク５４ａの第２の連結端部２３８ａも、回動軸として構成されている。この連結端部２３８ａとピストン機関の回動固定部７０ａとの間の連結部では、連結ピンが不要なので、第１実施例よりも部品点数が少なくなる点で好ましい。また、この第２の連結端部２３８ａは、第１の連結端部２３０と同じ方向から軸受け部に挿入される片持ち構造を有している。この結果、第２の連結端部２３８ａと直線部２１６ａとを接続するための屈曲部２３６ａは、９０度に曲がる単純な形状となっている。この第２実施例も、上述した第１実施例とほぼ同様な効果を得ることができる。

図９は、本発明の第３実施例における近似直線機構の連結部の構成を示す要部横断面図である。この第３実施例の第１の横方向リンク５２は図７に示した第１実施例と同じであり、第２の横方向リンク５４ａは図８に示した第２実施例と同じである。但し、縦方向リンク５６ｂの連結端部の形状は、第１，第２実施例と異なっている。すなわち、縦方向リンク５６ｂの連結端部は、先端に回動軸８６ｂが突出した構造を有しており、この回動軸８４ｂが第１の横方向リンク５２の連結端部２１８（軸受け部）に挿入されている。従って、第１の横方向リンク５２と縦方向リンク５６ｂとの間の連結部における連結ピンが不要である。この第３実施例も、第１実施例や第２実施例とほぼ同様な効果を得ることができる。

図１０は、本発明の第４実施例における近似直線機構の連結部の構成を示す要部横断面図である。この第４実施例は、第１と第２の横方向リンク５２ｃ，５４ｃが、上述したいずれの実施例とも異なる形状を有している。第１の横方向リンク５２ｃの直線部２１６ｃは、４つの連結部を結ぶ直線からオフセットした位置に配置されている。また、直線部２１６ｃの中間位置には、第２の横方向リンク５４ｃと連結する連結軸２１５ｃが突出している。この連結軸２１５ｃと、第１および第２の連結端部２１０ｃ，２１８ｃは、いずれも図中の上から下向きに突出する回動軸である。第２の連結端部２１８ｃは、縦方向リンク５６ｃの連結端部（軸受け部）に挿入されている。第２の横方向リンク５４ｃは、その第１の連結端部２３０ｃが軸受け部として構成されている点で図８に示した第２実施例と異なる。この第４実施例も、第１〜第３実施例とほぼ同様な効果を得ることができる。また、第４実施例では、第１と第２の横方向リンク５２ｃ，５４ｃの直線部２１６ｃ，２３４ｃが、ピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０の連結部を挟んで互いに反対側にオフセットしているので、第１〜第３実施例よりも全体のバランスが良いという利点がある。

図１１は、本発明の第５実施例における近似直線機構の連結部の構成を示す要部横断面図である。この第５実施例の第１の横方向リンク５２および縦方向リンク５６ｂは図９に示した第３実施例と同じであり、第２の横方向リンク５４ｄが第３実施例と異なっている。第２の横方向リンク５４ｂの第１の連結端部２３０ｂは、軸受け部として構成されており、第１の横方向リンク５２の連結穴２１４とともに連結ピン８６で貫通されて連結されている。この第５実施例も、第１〜第４実施例とほぼ同様な効果を得ることができる。

図１２は、本発明の第６実施例における近似直線機構の連結部の構成を示す要部横断面図である。この第６実施例は、第１と第２の横方向リンク５２ｅ，５４ｅのそれぞれの第２の連結端部２１８ｅ，２３８ｅの構成が、図１０に示した第４実施例と異なる。すなわち、第１の横方向リンク５２ｅの第２の連結端部２１８ｅは、直線部２１６ｅの先端に設けられた軸受け部として構成されている。この第２の連結端部２１８ｅと縦方向リンク５６との連結部の構造は、図７に示した第１実施例と同じであり、連結ピン８４によって連結されている。第２の横方向リンク５４ｅの第２の連結端部２３８ｅも、直線部２３４ｅの先端に設けられた軸受け部として構成されている。この第２の連結端部２３８ｅとピストン機関の回動固定部７０ｅとの連結部の構造も、図７に示した第１実施例と同じであり、連結ピン８２ｅによって連結されている。第６実施例が他の実施例と大きく異なる点は、４つの連結位置が一直線上に存在していない点である。このような配置は、全体の力学的なバランスを取るのがやや困難な場合があるので、前述した第１〜第５実施例における一直線状の配置の方が好ましい。但し、第６実施例では、第４実施例と同様に、２つの横方向リンク５２ｅ，５４ｅが、ピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０の連結部を挟んで互いに反対側にオフセットしている点では好ましい。

図１３は、本発明の第７実施例における近似直線機構の連結部の構成を示す要部横断面図である。この第７実施例の第２の横方向リンク５４および縦方向リンク５６ｂは図７に示した第１実施例と同じであり、第１の横方向リンク５２ｆが第１実施例と異なっている。第１の横方向リンク５４ｆの第１の連結端部２１０ｆは段付きの回動軸として構成されており、ピストン支柱部２４およびコネクティングロッド３０の連結部に対して下から上向きの方向に挿入される。このため、直線部２１６ｆと第１の連結端部２１０ｆとを接続する屈曲部２１２ｆは、９０度に曲がる形状となっている。この第７実施例では、ピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０と第１の横方向リンク５２ｆとの間の連結位置が、他の３つの連結位置を結ぶ直線からオフセットしている点で第１ないし第６実施例とは異なる。換言すれば、第７実施例では、２つの横方向リンクが、ピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０の間の連結位置から見て同じ方向にオフセットしている。従って、ピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０に対する２つの横方向リンクの力学的なバランスの点からは第７実施例よりも第１〜第６実施例の方が好ましい。

図１４（Ａ）〜（Ｃ）は、ピストン・クランク機構の変形例を示す説明図である。図１４（Ａ）の機構は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示した機構の縦方向リンク５６を連結点Ｂの上側に配置したものであり、他の構成は図２（Ａ）〜（Ｃ）の機構と同じである。図１４（Ａ）の機構によっても、図２（Ａ）〜（Ｃ）の機構と同一の効果が得られる。

図１４（Ｂ）の機構は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示した機構の支点Ｑを移動連結点Ｂ側に移動して、移動連結点Ａ（ピストンピン）と支点Ｐ（クランク軸）とを結ぶ直線上に配置したものであり、他の構成は図２（Ａ）〜（Ｃ）の機構と同じである。図１４（Ｃ）の機構は、支点Ｑをさらに右側に配置したものである。図１４（Ｂ）、（Ｃ）の機構では、第２の横方向リンク５４の長さが図２（Ａ）〜（Ｃ）の機構よりも短くなっており、よりコンパクトであるという利点がある。図１４（Ｂ）の機構は、図１４（Ａ），（Ｃ）の機構に比べて直線性が良いという利点がある。図１４（Ｂ）や図１４（Ｃ）の機構を採用する場合には、上述した図１２のように、ピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０の間の連結位置に対して、第２の横方向リンク５４ｅとピストン機関の連結部７０ｅとの間の連結位置がオフセットしているような構成が採用される。

図１５は、ピストン・クランク機構の他の変形例を示す説明図である。図１（Ｂ）の機構ではピストンヘッド部２２とピストン支柱部２４とが一体に形成されていたのに対して、図１５の機構では、ピストンヘッド部２２ａとピストン支柱部２４とが別体として形成されている点が異なる。このピストンヘッド部２２ａの下端部とピストン支柱部２４の上端部は、ピン２３によって互いに回動可能に連結されている。図１５の構成では、ピストン支柱部２４ａの下端の軌跡が直線から多少ずれた場合にも、そのズレが、ピストンヘッド部２２ａを傾かせる力として働かない（すなわち、ピストン支柱部２４ａの下端のズレがピストンヘッド部２２ａにほとんど影響を与えない）という利点がある。また、ピストンヘッド部とピストン支柱部とが一体に形成されている場合に比べて、ピストンを直線近似機構およびコネクティングロッドと組み付ける作業が容易になるという利点もある。一方、図１（Ｂ）の機構では、仮に何らかの原因でピストンヘッド部２２がシリンダ１０に対して傾きかけた場合にも、ピストン支柱部２４が近似直線運動を行うときに、その傾きが矯正されるという利点がある。

以上のように、上述した実施例やその変形例では、ピストン・クランク機構に近似直線機構５０を設けることによって、ピストン２０の下端がシリンダ１０の軸中心に沿った近似的な直線状軌跡を移動するようにしたので、ピストン２０とシリンダ１０との間の摩擦を大幅に低減することが可能である。

Ｃ．その他の変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

Ｃ１．変形例１：
本発明は、グラスホッパの近似直線機構に限らず、他の任意の近似直線機構を採用することが可能であり、例えばワットの近似直線機構を採用することも可能である。この場合にも、近似直線機構が、複数の直線近似リンクを有することが好ましい。また、図７〜図１３に示した各実施例と同様に、複数の直線近似リンク相互の係合端部（例えば図７の連結端部２３０に相当する部分）、および、ピストンおよびコネクティングロッドの連結部と係合する１つの直線近似リンクの係合端部（図７の連結端部２１０に相当する部分）が、それぞれ所定の一方向から係合しつつ回動可能に連結された片持ち構造を有することが好ましい。また、上死点におけるシリンダ中心軸からのズレ量が下死点におけるズレ量よりも小さくなるように近似直線機構の構成が設定されることが好ましい。なお、上記実施例で説明したグラスホッパの近似直線機構は、近似直線上を移動する点（移動連結点Ａ）が機構の一方の端部近傍に偏っているので、内燃機関のピストンの運動を規制するのに特に適しており、また、コンパクトな機構で良好な直線性を得ることが可能である。

Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、ピストンヘッド部２２とピストン支柱部２４とを有するピストン２０を利用するものとしていたが、従来のピストン１２０（図１（Ａ））と同様な構成のピストンを用いることも可能である。但し、ピストンヘッド部２２とピストン支柱部２４とを有するピストン２０を利用すれば、近似直線機構５０とシリンダ１０との干渉を防止し易いので、近似直線機構５０をよりコンパクトにできるという利点がある。

Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、サポート部２６がピストン支柱部２４に接続されていたが、この代わりに、ピストンの他の部分（例えばピストンヘッド部２２の下端）にサポート部２６が接続されるようにしても良い。換言すれば、ピストンの横方向の位置ずれ防止用のサポート部は、シリンダ内壁近傍に設けられていればよい。なお、サポート部の代わりに、従来よりも小さなスカート部を設けるようにしても良い。このようなスカート部としては、同一のシリンダ内部寸法を有する同一種類のピストン機関に用いられる従来のピストン設計（直線近似機構を用いないピストン設計）におけるスカート部よりも、スラスト（サイドフォース）への耐圧能力が小さいもの（例えばサイドフォースへの耐圧能力が約１／２以下のもの）を使用することができる。具体的には、例えば、従来のピストン設計におけるスカート部の面積の約１／２以下の面積を有するスカート部を使用することが可能である。

Ｃ４．変形例４：
本発明のピストン・クランク機構は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの種々の内燃機関や、スターリングエンジンなどの外燃機関を含む任意のピストン機関に利用可能である。また、本発明は、このようなピストン機関を備える車両や移動体としても実現可能である。

従来のピストン・クランク機構と本発明の一実施例のピストン・クランク機構とを比較して示す説明図。 実施例のピストン・クランク機構のリンク構成を示す説明図。 ピストンの移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示す説明図。 実施例におけるピストン・クランク機構の具体的な寸法の一例と、移動連結点Ａの軌跡とを示す説明図。 実施例におけるピストン・クランク機構の具体的な形状の一例を示す要部縦断面図。 比較例の近似直線機構を用いたピストン・クランク機構を示す図。 本発明の第１実施例における近似直線機構の連結部の構成を示す図。 本発明の第２実施例における近似直線機構の連結部の構成を示す図。 本発明の第３実施例における近似直線機構の連結部の構成を示す図。 本発明の第４実施例における近似直線機構の連結部の構成を示す図。 本発明の第５実施例における近似直線機構の連結部の構成を示す図。 本発明の第６実施例における近似直線機構の連結部の構成を示す図。 本発明の第７実施例における近似直線機構の連結部の構成を示す図。 ピストン・クランク機構の他の変形例を示す説明図。 ピストン・クランク機構の他の変形例を示す説明図。

符号の説明

１０…シリンダ
１２…サポート用タブ
２０…ピストン
２２…ピストンヘッド部
２３…リング溝
２４…ピストン支柱部
２５…ピン
２６…サポート部
３０…コネクティングロッド
４０…クランクシャフト
４２…駆動軸
５０…近似直線機構
５２…第１の横方向リンク
５２…第２の横方向リンク
５６…縦方向リンク
６２…クランクピン
７０…回動固定部
８２…連結ピン
８４…連結ピン
８６…連結ピン
１１０…シリンダ
１２０…ピストン
１２１…スカート
１３０…コネクティングロッド
１４０…クランクシャフト
１６０…ピストンピン
１６２…クランクピン
２１０…第１の横方向リンク５２の第１の連結端部
２１２…屈曲部
２１４…連結穴
２１５ｃ…連結軸
２１６…直線部
２１８…第１の横方向リンク５２の第２の連結端部
２２０…屈曲部
２３０…第２の横方向リンク５４の第１の連結端部
２３２…屈曲部
２３４…直線部
２３６…屈曲部
２３８…第２の横方向リンク５４の第２の連結端部

Claims (4)

1. ピストン機関であって、
   シリンダと、
   前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
   駆動軸を中心に回転する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、
   前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制する近似直線機構と、
   を備え、
   前記ピストンの往復方向を縦方向として定義したとき、
   前記近似直線機構は、第１と第２の横方向リンクと、縦方向リンクとを有するグラスホッパの近似直線機構であり、
   前記第１の横方向リンクの第１の端部は、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部に係合しつつ回動可能に連結された片持ち構造を有しており、
   前記第１の横方向リンクの第２の端部は、前記縦方向リンクの第１の端部と回動可能に連結されており、
   前記縦方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
   前記第２の横方向リンクの第１の端部は、前記第１の横方向リンクの中間に設けられた係合部に係合しつつ回動可能に連結された片持ち構造を有しており、
   前記第２の横方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
   前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部は、前記ピストンの往復方向から見たとき、前記第１の横方向リンクと前記第２の横方向リンクとの間に配置されている、ピストン機関。
2. 請求項１記載のピストン機関であって、
   前記第１の横方向リンクの前記第１の端部と前記第２の横方向リンクの前記第１の端部とは、いずれも先端部が分岐しない未分岐構造を有する、ピストン機関。
3. 請求項１又は２記載のピストン機関であって、
   前記第２の横方向リンクの前記第１の端部および前記第１の横方向リンクの係合部は、一方が回動軸を構成し他方が軸受け部を構成する、ピストン機関。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載のピストン機関であって、
   前記ピストンの往復方向から見たとき、
   前記第１の横方向リンクの前記第２の端部と前記縦方向リンクの前記第１の端部との間の連結位置と、
   前記第１の横方向リンクの中間に設けられた前記係合部の位置と、
   前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部の位置と、
   前記第２の横方向リンクの前記第２の端部と前記ピストン機関の前記所定の位置との間の連結位置と、
   の４つの位置が一直線上に配列されている、ピストン機関。

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