JP4405361B2

JP4405361B2 - レシプロ機構

Info

Publication number: JP4405361B2
Application number: JP2004301496A
Authority: JP
Inventors: 潤一郎石村
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2003-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2024-10-15
Also published as: JP2005140108A

Description

本発明は、シリンダに摺動自在に嵌合するピストンをコネクティングロッドを介してクランクシャフトに接続したレシプロ機構に関し、特にピストンの上・下死点およびストロークを共に変更可能なレシプロ機構に関する。

排気量あるいは圧縮比を変更可能なレシプロ機構が、下記特許文献１および下記特許文献２により公知である。

特許文献１に記載されたレシプロ機構は、クランクケースに対してシリンダブロックをアクチュエータで揺動させるものであり、シリンダブロックを揺動させてシリンダ軸線に対するクランクシャフト軸線のオフセット量を増加させ、それに応じてピストンのストロークを増加させることで、排気量および圧縮比を変更するようになっている。

特許文献２に記載されたレシプロ機構は、クランクピンに第１のコネクティングロッドの中間部を接続し、第１のコネクティングロッド一端部とピストンとを浮動レバーで接続し、第１のコネクティングロッド他端部と偏心軸とを第２のコネクティングロッドで接続したもので、アクチュエータで偏心軸を回転させて第２のコネクティングロッド、第１のコネクティングロッドおよび浮動レバーを介してピストンの上下位置を調整することで、圧縮比を変更するようになっている。
特開平６−１３７１７６号公報特開２０００−７３８０４号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたものは、クランクケースに対してシリンダブロックを揺動させるため、極めて大出力のアクチュエータが必要になるだけでなく、揺動するシリンダブロックが他部材と干渉するのを回避するためにレシプロ機構のレイアウトが困難になるという問題がある。

また特許文献２に記載されたものは、圧縮比の変更は可能であるが排気量の変更は不可能であり、しかもアクチュエータを必要とするために部品点数およびコストが増加する問題がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、特別のアクチュエータを必要とせずにピストンの上・下死点およびストロークを変更することが可能なレシプロ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、請求項１に記載された発明によれば、シリンダと、シリンダに摺動自在に嵌合するピストンと、シリンダ軸線に対するオフセット量が変更可能なガイド部材と、一端がピストンに接続されて他端がガイド部材に摺動自在に支持された第１コネクティングロッドと、一端が第１コネクティングロッドに接続されて他端がクランクシャフトに接続された第２コネクティングロッドとを備え、ガイド部材は、クランクシャフト軸線に直交する平面内で少なくとも一部が湾曲していることを特徴とするレシプロ機構が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、シリンダと、シリンダに摺動自在に嵌合するピストンと、シリンダ軸線に対するオフセット量が変更可能なガイド部材と、一端がピストンに接続されて他端がガイド部材に摺動自在に支持された第１コネクティングロッドと、一端が第１コネクティングロッドに接続されて他端がクランクシャフトに接続された第２コネクティングロッドとを備え、ガイド部が所定位置にあるとき、クランクシャフトの回転に伴って、ピストンが停止した状態で第１、第２コネクティングロッドが揺動することを特徴とするレシプロ機構が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項２の構成に加えて、ガイド部材は円弧状であり、前記円弧の半径は第１コネクティングロッドの両端間の距離に等しく、かつ前記円弧の中心はシリンダ軸線上に移動可能であることを特徴とするレシプロ機構が提案される。

請求項１または請求項２の構成によれば、一端がピストンに接続された第１コネクティングロッドの他端を、シリンダ軸線に対するオフセット量を変更可能なガイド部材に摺動自在に案内するとともに、一端が第１コネクティングロッドに接続された第２コネクティングロッドの他端をクランクシャフトに接続したので、前記オフセット量の変更に基づいてピストンの上死点の位置および下死点の位置を変化させて排気量および圧縮比を変更することができる。また第２コネクティングロッドがシリンダ軸線に対して傾斜したときの偏荷重をガイド部材で受けてピストンの傾斜を防止することで、ピストンの側圧を効果的に低減することができる。しかも特別のアクチュエータを必要とせずにレシプロ機構の運転状態に応じてガイド部材のオフセット量が自動的に変化するので、部品点数およびコストの削減が可能となる。更に、ガイド部材をオフセットさせたことで、所定のピストンストロークを確保するためのクランク半径を小さくすることができるので、クランクシャフトの小型軽量化を図ることができる。

特に請求項１の構成によれば、クランクシャフト軸線に直交する平面内でガイド部材の少なくとも一部が湾曲しているので、ピストンの下死点の位相遅れを解消し、下死点から上死点へのピストンの移動速度と上死点から下死点へのピストンの移動速度とを均一化したり、上死点および下死点の中間位置でのピストンの最大速度を低下させたりすることができる。

特に請求項２の構成によれば、ガイド部を所定位置に固定すると、クランクシャフトが回転して第１、第２コネクティングロッドが揺動してもピストンが停止状態に維持されるので、可動部のうちで最も質量および摩擦が大きいピストンを停止させて振動の低減および摩擦損失の低減を図ることができるだけでなく、ピストンのストロークをゼロから最大値まで任意に変化させることができる。

請求項３の構成によれば、円弧状のガイド部材の円弧の半径を第１コネクティングロッドの両端間の距離に等しく設定したので、前記円弧の中心をシリンダ軸線上に移動させると、第１コネクティングロッドの一端を前記円弧の中心に一致させてピストンを停止させることができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施例および参考例に基づいて説明する。

図１〜図７は本発明の第１参考例を示すもので、図１は排気量および圧縮比の可変機構を備えたエンジンの縦断面図、図２は高負荷時における上死点および膨張・吸気行程の作用説明図、図３は高負荷時における下死点および圧縮・排気行程の作用説明図、図４は低負荷時における上死点および膨張・吸気行程の作用説明図、図５は低負荷時における下死点および圧縮・排気行程の作用説明図、図６は高負荷時および低負荷時におけるクランクアングルに対するピストン位置の関係を示すグラフ、図７はエンジンの負荷状態に応じた排気量および圧縮比の変化を示すグラフである。

図１に示すように、レシプロ機構の一例としての４サイクル単気筒エンジンＥはクランクケース１１と、シリンダブロック１２と、シリンダヘッド１３とを備えており、シリンダブロック１２の内部に設けたシリンダ１４に摺動自在に嵌合するピストン１５と、クランクケース１１に回転自在に支持したクランクシャフト１６とが、第１コネクティングロッド１７および第２コネクティングロッド１８を介して接続される。

シリンダヘッド１３の下面にピストン１５の上面に臨む燃焼室１９が形成されており、燃焼室１９に連なる吸気ポート２０および排気ポート２１がそれぞれ吸気バルブ２２および排気バルブ２３で開閉される。これらの吸気バルブ２２および排気バルブ２３は、図示せぬ動弁機構により駆動される。

軸線Ｌ２を有するレール状のガイド部材２４がクランクシャフト軸線Ｌ３と平行な支軸２４ａを支点としてクランクケース１１の内部に揺動可能に枢支されており、このガイド部材２４にスライダ２５が摺動自在に嵌合する。第１コネクティングロッド１７は「く」字状に屈曲した部材であり、その上端がピストン１５の下面にピストンピン２６を介して枢支されるとともに、その下端がスライダ２５に第１ピン２７を介して枢支される。ガイド部材２４の支軸２４ａにはブレーキ機構２８が設けられており、支軸２４ａを回転可能な自由状態と回転不能な拘束状態とに切り替えることができる。

クランクシャフト１６はジャーナル１６ａと、クランクウエブ１６ｂと、クランクピン１６ｃとを備えており、直線状の第２コネクティングロッド１８は、その上端が第１コネクティングロッド１７の中間部に第２ピン２９を介して枢支されるとともに、その下端がクランクシャフト１６のクランクピン１６ｃに枢支される。

シリンダ軸線Ｌ１に対して、ガイド部材２４の軸線Ｌ２は左側にオフセットしており、クランクシャフト軸線Ｌ３、つまりジャーナル１６ａの軸線は右側にオフセットしている。このガイド部材２４は、第１コネクティングロッド１７のガイド部材２４側の端部の移動軌跡の、シリンダ軸線Ｌ１に対するオフセット量を変更可能である。

次に、上記構成を備えた本発明の第１参考例の作用について説明する。

エンジンＥの運転中にブレーキ機構２８を作動させて支軸２４ａを拘束することで、ガイド部材２４は所定の角度に固定される。エンジンＥの排気量および圧縮比を変更したいときにブレーキ機構２８を解除すると、そのときのエンジンＥの運転状態（例えば負荷状態）に応じてガイド部材２４が自動的に支軸２４ａまわりに揺動するので、任意の位置でブレーキ機構２８を作動させてガイド部材２４を新たな角度に固定する。

図２および図３はエンジンＥの高負荷時に対応するもので、ガイド部材２４は支軸２４ａを支点として時計方向に揺動しており、図２（Ａ）は上死点、図２（Ｂ）は膨張・吸気行程、図３（Ｃ）は下死点、図３（Ｄ）は圧縮・排気行程を示している。図４および図５はエンジンＥの低負荷時に対応するもので、ガイド部材２４は支軸２４ａを支点として反時計方向に揺動しており、図４（Ａ）は上死点、図４（Ｂ）は膨張・吸気行程、図５（Ｃ）は下死点、図５（Ｄ）は圧縮・排気行程を示している。

このようなガイド部材２４の角度の制御は、エンジンＥの運転状態を検出する運転状態検出手段と、ガイド部材２４の実角度を検出する角度検出手段とを設け、電子制御ユニットでエンジンＥの運転状態からガイド部材２４の目標角度を決定し、角度検出手段で検出したガイド部材２４の実角度が前記目標角度に一致したときに、ブレーキ機構２８を作動させてガイド部材２４の角度を固定することで実現される。

図６は高負荷時および低負荷時におけるクランクアングルに対するピストン位置の関係を示すものである。図２および図３に示す高負荷時と図４および図５に示す低負荷時とで、ピストン１５の上死点の位置およびタイミングは殆ど同じである。それに対して、図４および図５に示す低負荷時に比べて、図２および図３に示す高負荷時には、ピストン１５の下死点の位置が低くなり、かつ下死点のタイミングが遅れている。このことは、図３（Ｃ）に示す高負荷時の下死点状態と、図５（Ｃ）に示す低負荷時の下死点状態とを比較すると明らかであり、図３（Ｃ）の方が図５（Ｃ）に比べてピストン１５の下死点の位置が低く、かつクランクシャフト１６の位相が進んでいる。

図７はエンジンＥの負荷状態に応じた排気量および圧縮比の変化を示すものである。ピストン１５の上死点の位置が高負荷時と低負荷時とで殆ど変化せず、ピストン１５の下死点の位置が高負荷時の方が低負荷時よりも低くなることで、高負荷時に排気量および圧縮比が共に増加し、低負荷時に排気量および圧縮比が共に減少している。

このように、ピストン１５の上死点の位置を殆ど変えずに下死点の位置を下げることができるので、燃焼室１９の形状を変化させることなく排気量および圧縮比を変更することができ、エンジンＥの熱効率を高い値に保持しながら高負荷時に出力を増加させることができる。しかも簡単な構造で、かつ特別のアクチュエータを必要とせずに排気量および圧縮比を変更することができるので、極めて低コストで実現可能である。

更に、本参考例によればピストン１５の側圧を低減する効果を達成することができる。即ち、エンジンＥの膨張行程および圧縮行程では第１、第２コネクティングロッド１７，１８に大きな圧縮荷重が作用する。第１コネクティングロッド１７のピストンピン２６および第２ピン２９に挟まれた部分は概ねシリンダ軸線Ｌ１に沿って移動するのに対し、第２コネクティングロッド１８のシリンダ軸線Ｌ１に対する傾斜角はクランクシャフト１６の回転に伴って連続的に変化する。

特に、本参考例では、図３（Ｄ）および図５（Ｄ）およびに示す圧縮行程において、第２コネクティングロッド１８がシリンダ軸線Ｌ１に対して大きく傾斜するため、第２コネクティングロッド１８に作用する圧縮荷重の反力で第１コネクティングロッド１７の第２ピン２９が左側に付勢される。しかしながら、この付勢力は第１コネクティングロッド１７の下端の第１ピン２７およびスライダ２５を介してガイド部材２４により支持されるため、ピストン１５に作用する偏荷重による側圧を大幅に低減し、偏摩耗の発生による耐久性の低下を防止することができる。このピストン１５の側圧の低減効果は、程度の差は存在するものの、全てのクランクアングルにおいて達成される。

またクランクシャフト軸線Ｌ３がシリンダ軸線Ｌ１上にあると仮定すると、ピストン１５のストローク（上死点および下死点間の距離）はクランクシャフト軸線Ｌ３とクランクピン１６ｃの中心との距離の２倍になるが、本参考例の如くクランクシャフト軸線Ｌ３をシリンダ軸線Ｌ１から偏心させると、ピストン１５のストロークを所定の大きさに確保するための前記距離を小さくすることができ、これによりクランクシャフト１６の小型化および重量軽減を達成することができる。

次に、図８に基づいて本発明の第１実施例を説明する。

図６で説明したように、上述した第１参考例は高負荷時にピストン１５の下死点の位相が遅れる特性があり、そのためにピストン１５が下死点から上死点に移動する速度が速くなって摩擦抵抗の増加する可能性がある。そこで第１実施例ではガイド部材２４の軸線Ｌ２をピストン１５の上死点側に比べて下死点側でシリンダ軸線Ｌ１側に接近するように湾曲させている。これにより、高負荷時のピストン１５の下死点の位相を図６に矢印ａで示すように進ませることで、ピストン１５が下死点から上死点に移動する速度と、ピストン１５が上死点から下死点に移動する速度とを均一化することができる。

またガイド部材２４の両端部を一直線状として中間部だけを湾曲させれば、上死点および下死点の中間位置でのピストン１５の最大速度を低下させることができる。

図９〜図１１は本発明の第２参考例を示すもので、図９は排気量および圧縮比の可変機構を備えたエンジンの縦断面図、図１０は高負荷時および低負荷時におけるクランクアングルに対するピストン位置の関係を示すグラフ、図１１はエンジンの負荷状態に応じた排気量および圧縮比の変化を示すグラフである。

図１（第１参考例）と図９（第２参考例）とを比較すると明らかなように、第２参考例ではガイド部材２４の支軸２４ａの位置が第１参考例よりも下方に下がっており、その他の構成は全て第１参考例と同じである。

ガイド部材２４の支軸２４ａの位置を下げたことにより、図１０および図１１から明らかなように、ピストン１５の下死点の位置は高負荷時に低負荷時に比べて大きく下がるのに対し、ピストン１５の上死点の位置は高負荷時に低負荷時に比べて若干下がっている。その結果、排気量はピストン１５の下死点の位置が下がる高負荷時ほど大きくなるのに対し、圧縮比は高負荷時にピストン１５の上死点の位置が若干下がって燃焼室１９の容積が増加することにより、負荷の大小に関わらずに略一定に保持される。

図１２〜図１４は本発明の第３参考例を示すもので、図１２は排気量および圧縮比の可変機構を備えたエンジンの縦断面図、図１３は高負荷時および低負荷時におけるクランクアングルに対するピストン位置の関係を示すグラフ、図１４はエンジンの負荷状態に応じた排気量および圧縮比の変化を示すグラフである。

図９（第２参考例）と図１２（第３参考例）とを比較すると明らかなように、第３参考例ではガイド部材２４の支軸２４ａの位置が第２参考例よりも更に下方に下がっており、その他の構成は全て第２参考例と同じである。

ガイド部材２４の支軸２４ａの位置を更に下げたことにより、図１３および図１４から明らかなように、ピストン１５の下死点の位置は高負荷時に低負荷時に比べてやや多めに下がるのに対し、ピストン１５の上死点の位置は高負荷時に低負荷時に比べてやや少なめに下がっている。その結果、排気量はピストン１５の下死点の位置が下がる高負荷時ほど大きくなるのに対し、圧縮比は高負荷時にピストン１５の上死点の位置が下がって燃焼室１９の容積が増加することにより、高負荷時ほど低下している。

図１５〜図１７は本発明の第４参考例を示すもので、図１５は排気量および圧縮比の可変機構を備えたエンジンの縦断面図、図１６は高負荷時および低負荷時におけるクランクアングルに対するピストン位置の関係を示すグラフ、図１７はエンジンの負荷状態に応じた排気量および圧縮比の変化を示すグラフである。

図１（第１参考例）と図１５（第４参考例）とを比較すると明らかなように、第４参考例ではガイド部材２４の支軸２４ａの位置が第１参考例よりも上方に上がっており、その他の構成は全て第１参考例と同じである。

ガイド部材２４の支軸２４ａの位置を上げたことにより、図１６および図１７から明らかなように、ピストン１５の下死点の位置は高負荷時に低負荷時に比べてかなり多めに下がるのに対し、ピストン１５の上死点の位置は高負荷時に低負荷時に比べて全く変化していない。その結果、第１参考例とほぼ同様に、高負荷時に排気量および圧縮比が共に増加し、低負荷時に排気量および圧縮比が共に減少している。

また本参考例では圧縮比および排気量が可変であるが、ピストン１５の上死点の位置は全く変化しない。従って、圧縮比および排気量を変化させても、燃焼室１９の形状が変化しないために燃焼状態を安定させることが可能となる。

図１８および図１９は本発明の第２実施例を示すもので、図１８は排気量および圧縮比の可変機構を備えたエンジンの縦断面図、図１９はピストン停止時の作用を説明する図である。

第２実施例は湾曲したガイド部材２４を持つ第１実施例と、下端を枢支したガイド部材２４を有する第３参考例とを組み合わせたものである。下端を支軸２４ａで枢支したガイド部材２４は円弧状をなしており、そこに「く」字状に屈曲した第１コネクティングロッド１７の下端のスライドピン１７ａが、スライダ２５を介さずに摺動自在かつ揺動自在に案内される。支軸２４ａをブレーキ機構２８で拘束することで、ガイド部材２４を回転不能に固定することができる。

第１コネクティングロッド１７の長さＲ、つまりピストンピン２６およびスライドピン１７ａ間の距離Ｒが、円弧状のガイド部材２４の円弧の半径Ｒに等しく設定される。ガイド部材２４が支軸２４ａまわりに揺動するとガイド部材２４の円弧の中心Ｏは円弧Ａ上を移動する。図１８には、ガイド部材２４の円弧の中心Ｏがシリンダ軸線Ｌ１上にある状態、つまり前記円弧の中心Ｏが第１コネクティングロッド１７の上端のピストンピン２６の位置に一致している状態が示されており、この状態でクランクシャフト１６が回転してもピストン１５は停止状態に維持される。
即ち、図１９（ａ）〜（ｄ）に示すように、クランクシャフト１６が回転すると、第２コネクティングロッド１８に押し引きされて第１コネクティングロッド１７が揺動するが、第１コネクティングロッド１７の揺動中心となるピストンピン２６の位置がガイド部材２４の円弧の中心Ｏに一致しているため、第１コネクティングロッド１７はスライドピン１７ａをガイド部材２４に案内させながらピストンピン２６の位置を中心として揺動することができ、クランクシャフト１６が回転してもピストン１５を停止状態に維持することができる。

このように、第２実施例によれば、クランクシャフト１６が回転してもピストン１５が停止状態に維持されるので、第１、第２コネクティングロッド１７，１８に比べて質量および摩擦が大きいピストン１５を停止させて振動の低減および摩擦損失の低減を図ることができるだけでなく、ピストン１５のストロークをゼロから最大値まで無段階に変化させて圧縮比や排気量を任意に変化させることができる。またバルブ停止をせずに気筒休止が可能になるので、部品点数を大幅に削減することができる。

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施例では４サイクル単気筒エンジンＥを例示したが、本発明は気体あるいは液体を作動媒体とするモータ、ポンプ、コンプレッサ等の任意のレシプロ機構に対しても適用することができ、しかもシリンダの数やシリンダの配置も任意である。

また実施例ではクランクシャフト軸線Ｌ３をシリンダ軸線Ｌ１に対して偏心させているが、クランクシャフト軸線Ｌ３をシリンダ軸線Ｌ１上に配置しても良い。

また実施例ではガイド部材２４を支軸２４ａまわりに揺動させてオフセット量を変更しているが、ガイド部材２４を平行移動させて、あるいは平行移動および揺動を組み合わせてオフセット量を変更しても良い。

また本発明を多気筒エンジンに適用する場合に、複数の気筒のガイド部材２４の角度を一括して変更あるいは設定することができる。

またガイド部材２４の位置および支軸２４ａの位置を変化させることによって、ピストン１５の上死点および下死点の設定自由度を増加させることができる。

第１参考例の排気量および圧縮比の可変機構を備えたエンジンの縦断面図高負荷時における上死点および膨張・吸気行程の作用説明図高負荷時における下死点および圧縮・排気行程の作用説明図低負荷時における上死点および膨張・吸気行程の作用説明図低負荷時における下死点および圧縮・排気行程の作用説明図高負荷時および低負荷時におけるクランクアングルに対するピストン位置の関係を示すグラフエンジンの負荷状態に応じた排気量および圧縮比の変化を示すグラフ第１実施例の排気量および圧縮比の可変機構を備えたエンジンの縦断面図第２参考例の排気量および圧縮比の可変機構を備えたエンジンの縦断面図高負荷時および低負荷時におけるクランクアングルに対するピストン位置の関係を示すグラフエンジンの負荷状態に応じた排気量および圧縮比の変化を示すグラフ第３参考例の排気量および圧縮比の可変機構を備えたエンジンの縦断面図高負荷時および低負荷時におけるクランクアングルに対するピストン位置の関係を示すグラフエンジンの負荷状態に応じた排気量および圧縮比の変化を示すグラフ第４参考例の排気量および圧縮比の可変機構を備えたエンジンの縦断面図高負荷時および低負荷時におけるクランクアングルに対するピストン位置の関係を示すグラフエンジンの負荷状態に応じた排気量および圧縮比の変化を示すグラフ第２実施例の排気量および圧縮比の可変機構を備えたエンジンの縦断面図ピストン停止時の作用を説明する図

１４シリンダ
１５ピストン
１６クランクシャフト
１７第１コネクティングロッド
１８第２コネクティングロッド
２４ａ支軸
２５スライダ
Ｌ１シリンダ軸線
Ｌ３クランクシャフト軸線

Claims

シリンダ（１４）と、
シリンダ（１４）に摺動自在に嵌合するピストン（１５）と、
シリンダ軸線（Ｌ１）に対するオフセット量が変更可能なガイド部材（２４）と、
一端がピストン（１５）に接続されて他端がガイド部材（２４）に摺動自在に支持された第１コネクティングロッド（１７）と、
一端が第１コネクティングロッド（１７）に接続されて他端がクランクシャフト（１６）に接続された第２コネクティングロッド（１８）と、
を備え、
ガイド部材（２４）は、クランクシャフト軸線（Ｌ３）に直交する平面内で少なくとも一部が湾曲していることを特徴とするレシプロ機構。
シリンダ（１４）と、
シリンダ（１４）に摺動自在に嵌合するピストン（１５）と、
シリンダ軸線（Ｌ１）に対するオフセット量が変更可能なガイド部材（２４）と、
一端がピストン（１５）に接続されて他端がガイド部材（２４）に摺動自在に支持された第１コネクティングロッド（１７）と、
一端が第１コネクティングロッド（１７）に接続されて他端がクランクシャフト（１６）に接続された第２コネクティングロッド（１８）と、
を備え、
ガイド部材（２４）が所定位置にあるとき、クランクシャフト（１６）の回転に伴って、ピストン（１５）が停止した状態で第１、第２コネクティングロッド（１７，１８）が揺動することを特徴とするレシプロ機構。
ガイド部材（２４）は円弧状であり、前記円弧の半径は第１コネクティングロッド（１７）の両端間の距離に等しく、かつ前記円弧の中心はシリンダ軸線（Ｌ１）上に移動可能であることを特徴とする、請求項２に記載のレシプロ機構。