JP5089771B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンの往復直線運動をクランクシャフトの回転運動に変換して出力軸から回転動力を取り出す内燃機関に関し、特にクランクシャフトに連結されたピニオン部材と内歯ギヤ部材を介してクランクピンを往復直線運動させるように構成した内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、シリンダボアとピストンで形成された燃焼室と、出力軸の軸心から偏心したクランクピンを備えたクランクシャフトと、クランクピンに回転可能に外嵌され且つピストンの往復直線運動に応じて揺動するコンロッドを備えたレシプロ型内燃機関は公知である。
【０００３】
前記のエンジンでは、クランクピンが出力軸の軸心からクランクアームの長さ分偏心した偏心位置に形成されるため、ピストンの往復直線運動に応じてコンロッドが所定角度揺動しつつ上下運動して、ピストンの往復直線運動をクランクシャフトの回転運動に変換し、出力軸に回転運動を与える。
【０００４】
コンロッドが左右に揺動しつつ上下運動する構造であるため、コンロッドとピストンとの連結部は回転摺動部となり、コンロッドとクランクピンとの連結部も回転摺動部となり、４気筒の内燃機関では、ステーション箇所の回転摺動部が設けられている。しかも、コンロッドが揺動するため、４つのピストンには側圧も作用する。
【０００５】
ここで、エンジンの効率が低いのは、理論熱効率によるとの認識が一般的である。しかし、膨張力にピストンの微小移動距離を乗じて積分を行った源泉出力と軸出力との比較計測結果があれば、理論熱効率だけの問題でないことは容易に判断することができる。
従来の内燃機関の問題点として、排気損失等による熱効率の低さも問題であるが、摩擦や振動による損失が大きいことも問題であるが、多くの技術者はこれ以上大きく改善することは困難であると考えている。
【０００６】
回転体は、その角速度に変化がなければ、外部からのエネルギー供給を必要としないが、一般的な自動車用の内燃機関では、大きなエネルギーを必要とする。つまり、アイドリングを含む空転時に多量の燃料を消費している。以下に、排気量１７００ｍＬのエンジンにおいて、エアコンをオフとし、Ｐモードにおいて測定した燃料消費量を示す。
１０００ｒｐｍのとき、１０．４ｋＷに相当する燃料消費量
２０００ｒｐｍのとき、１７．６ｋＷに相当する燃料消費量
３０００ｒｐｍのとき、２６．４ｋＷに相当する燃料消費量
４０００ｒｐｍのとき、３５．２ｋＷに相当する燃料消費量
５０００ｒｐｍのとき、４７．２ｋＷに相当する燃料消費量
【０００７】
自動車の通常運転時における、その瞬時の燃料消費量と、回転数のデータを蓄積した。 具体的には、例えば、走行中の瞬時における燃料消費量が１７．６ｋＷ相当であり、回転数が２０００ｒｐｍであった場合、エンジンは全く出力しておらず、空走状態にあると言える。同様に、同回転数における燃料消費量が３０ｋＷ相当であれば、差分１２．４ｋＷがほぼ走行エネルギーに寄与していることになる。この場合、３０ｋＷのうちの１２．４ｋＷ（約４１％）だけが走行に寄与していることになる。但し、実際の軸出力は、熱効率の関係でさらに大きく低下する。
【０００８】
このようなデータ収集を３ケ月間実行した結果、燃料消費量のうち４５％がエンジンの回転を維持するのに消費され、残りの５５％が走行のために消費されている。仮に、理論効率が３０％であれば、燃料消費量のうちの１６％しか走行に役立っていない。尚、変速機効率を加味すると、走行に役立っているのは更に低い値になってしまう。
上記のようになる原因としては、摩擦と振動とを挙げることができる。前記の摩擦としては、ピストンとシリンダ間に作用する側圧に起因する摩擦、ピストンピンとコンロッド間に作用する摩擦、コンロッドとクランクピン間に作用する摩擦、クランク軸とハウジング間に作用する摩擦などを挙げることができる。往復摺動部や回転摺動部に、十分な油膜を確保できないため、摩擦損失が必然的に大きくなるものと考えられる。
【０００９】
振動について、膨張行程のトルク変動に伴う振動は止むを得ないが、回転系における振動は看過できず、最終的に熱となって失われる。回転系以外に問題となっているのは、エネルギー振動があることである。４気筒エンジンの場合、全てのピストンとコンロッドは、同時に加速と減速を繰り返えす。上死点と下死点におけるピストンとコンロッドの運動エネルギーはゼロであるが、それ以外の時には、その速度の二乗に比例した運動エネルギーを有している。しかも、一般的な４気筒エンジンにおいては、４個のピストンは同時に速度を失い、同時に加速するのである。
【００１０】
上記の加速は、１回転に夫々２度繰り返され、その運動エネルギーはコンロッドを含むリンク機構を介して、クランクシャフトとピストン間で授受され、常時移動している。そのため、クランクシャフトの角速度に影響を与えて振動となっていると同時に、運動エネルギーが往復して移動する度に４組のリンク機構において摩擦となって多くのエネルギーが失われるのである。
【００１１】
特許文献１の水平対向２気筒エンジン（図８参照）は、回転出力用の主軸を含むクランク軸と、水平に対向する１対のピストンに一体的に連結された共通コンロッドと、この共通コンロッドと１対のクランク軸の間に設けられた１対の遊星機構とを備え、各遊星機構はクランク軸の回転中心と同心状の太陽歯車（固定内歯ギヤ）と太陽歯車の内歯の直径の１／２の外径を備えた遊星歯車を備え、遊星歯車が前記クランク軸のクランクピンに回転可能に枢支され、各遊星機構において遊星歯車の側部外周部に共通コンロッド側へ延びる歯車ピンが一体形成され、１対の歯車ピンが一体形成されて共通コンロッドに連結されている。
【００１２】
上記のエンジンにおいては、ピストンが往復直線運動するとき、遊星歯車の転動に応じて、共通コンロッドに連結された歯車ピンが、クランク軸の回転軸心を含む水平面上を往復直線運動するため、コンロッドの揺動動作がなく、ピストンに側圧が作用しない。
【００１３】
【特許文献１】
特許第２６８３２１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特許文献１の水平対向２気筒エンジンにおいては、共通の歯車ピンの両端部を軸受部で支持する構造ではなく、１対の遊星歯車で支持し、これら遊星歯車をクランク軸のクランクピンで夫々支持する構造になっている。そのため、ピストンから作用する大きな荷重が歯車ピンに作用したとき、クランクピンが弾性変形し、遊星歯車と太陽歯車との噛み合いが不良になり、摩擦抵抗が増し、作動確実性が得られず、遊星機構の耐久性を確保することができない。しかも、上記の歯車ピンはピストンの軸心と平行方向へ往復直線運動するため、上記の歯車ピンを軸受部でもって支持することは困難である。
【００１５】
本発明の目的は、クランクピンが往復直線運動する内燃機関であってクランクシャフトとその周辺の支持剛性と耐久性を確保できる内燃機関を提供すること、小型化可能で燃費を著しく低減可能な高効率の内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る内燃機関は、シリンダボア内を摺動可能なピストンと、このピストンに連接部材を介して連動連結されたクランクシャフトを備え、前記ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換してケース部材に支持された出力軸から回転動力を出力可能な内燃機関において、前記クランクシャフトの両側に対向状に配置された２対のシリンダボア及びピストンであって、片方の１対のピストンの中心線と他方の１対のピストンの中心線とを含む平面が前記クランクシャフトに対して直交する２対のシリンダボア及びピストンを設けると共に前記２対のピストンに夫々連動連結されると共に一体的に構成された連接部材とを設け、前記クランクシャフトに、前記連接部材に連結されたクランクピンと、１対のクランクアーム及びカウンタウエイトと、１対のクランクジャーナルと、少なくとも１つのクランクジャーナルから同軸状に延びる少なくとも１つのクランク軸部を設け、前記出力軸の軸心から偏心した回転軸心回りに回転可能に前記クランク軸部を支持し且つ前記出力軸と一体形成され前記ケース部材に出力軸と同心状に回転可能に支持された少なくとも１つの出力部材と、前記出力部材と同心状に形成された内歯ギヤを有し且つ前記ケース部材に固定された少なくとも１つの内歯ギヤ部材と、前記内歯ギヤ部材の内径の１／２の外径を有し且つ前記内歯ギヤ部材の内周に沿って転動可能に噛合し、前記クランクジャーナルに隣接する位置で前記クランク軸部に同心状且つ相対回転不能に外嵌された少なくとも１つのピニオン部材と、前記１対のクランクジャーナルを前記出力軸の軸心から偏心した軸心回りに回転可能に支持する軸受部を夫々有し且つ前記出力部材と同心状に回転可能にケース部材に支持された１対のジャーナル支持部材とを備え、前記クランクピンの両側端部に１対のクランクアームの片側端部が夫々接続され且つ１対のクランクアームの他側端部に１対のクランクジャーナルの片側端部が夫々接続されるよう前記クランクピンと１対のクランクアームと１対のクランクジャーナルが一体形成されると共に、前記連接部材は、前記クランクピンに回転可能に外嵌された環状連接部と、４つのピストンを前記環状連接部に夫々連結する４本の内側ストレート連接部と、前記２対の対向するピストン同士を夫々直接的に連結する２本の外側ストレート連接部とを備え、前記シリンダボア内でピストンが往復運動するとき、前記ピストンの往復運動を前記ピニオン部材の自転回転と公転回転とを介して前記クランクピンがシリンダボアの軸心と平行方向へ往復直線運動するように構成し、このピニオン部材の公転回転を前記出力部材の自転回転に変換して前記出力軸の回転動力として出力することを特徴としている。
【００１７】
【発明の効果】
【００１８】
本発明の内燃機関によれば、ピニオン部材は内歯ギヤ部材の内径の１／２の外径を有し且つ内歯ギヤ部材の内周に沿って転動可能であり、クランク軸部に相対回転不能に外嵌されているため、ピストン部材の往復直線運動により、クランクシャフトが回転運動する際に、ピニオン部材と内歯ギヤ部材を介して、クランクピンが往復直線運動することになる。 このように、ピストンの往復運動をクランクシャフトと内歯ギヤ部材を介してピニオン部材の自転と公転に変換し、ピニオン部材の公転を出力部材の自転回転に変換し、出力部材の自転回転をケース部材に支持された出力軸の回転動力として出力することができる。
【００１９】
クランクピンと連接部材とを連結する構造が簡単化し、連接部材とピストンとの連結部や連接部材とクランクピンとの連結部のための回転摺動部の数が減るため、また、ピストンに側圧が作用しなくなるため、摩擦損失を格段に低減でき、内燃機関の出力特性や振動特性を向上させることができる。
【００２０】
１対のクランクジャーナルを出力軸の軸心から偏心した軸心回りに回転可能に支持する軸受部を夫々有し且つ出力部材と同心状に回転可能にケース部材に支持された１対のジャーナル支持部材を設けたため、クランクピンの両端の１対のクランクジャーナルを１対の軸受部及びジャーナル支持部材によって両端支持することができるから、クランクピンを支持する構造の剛性、強度、耐久性を確保することができる。
【００２１】
しかも、上記の軸受部とクランクピンとの間の距離を小さくし、上記の軸受部を含むコンパクトなジャーナル支持部材でもってクランクジャーナルを効果的に支持することができる。しかも、ピニオン部材をクランクジャーナルとクランク軸部とで両端支持することができるため、ピニオン部材を支持する構造の剛性、強度、耐久性を確保することができる。
【００２２】
上記の構成に加えて、適宜、次のような構成を採用してもよい。
（１）前記出力部材は、前記内歯ギヤ部材に対して前記ジャーナル支持部材と反対側の部位に前記クランク軸部を回転可能に支持する軸受部を備え、前記ジャーナル支持部材は、前記クランクアームと前記ピニオン部材の間に位置する前記クランクジャーナルを回転可能に支持する軸受部を備えた。
【００２３】
【００２４】
（２）前記出力部材にバランサウェイトを一体的に設けた。
（３）前記クランク軸部に対する前記クランクピンの偏心量は前記ピニオン部材の外径の１／２に設定された。
（４）前記バランサウエイトは、前記内歯ギヤ部材の内側空間のうち前記出力軸の軸心に対して前記ピニオン部材と反対側の内側空間に形成された。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施例１に係るエンジン（ハウジング省略状態）の概略斜視図である。
【図２】エンジンの要部断面図である。
【図３】クランクシャフトとピニオン部材と内歯ギヤ部材と出力部材と出力軸とジャーナル支持部材とハウジングの断面図である。
【図４】クランクシャフトの斜視図である。
【図５】クランクシャフトの側面図である。
【図６】クランクシャフトの正面図である。
【図７】クランクシャフトと内歯ギヤ部材とピニオン部材と出力部材の分解斜視図である。
【図８】出力部材の正面図である。
【図９】出力部材の側面図である。
【図１０】ピストンと連接部材の正面図である。
【図１１】クランクシャフトとピニオン部材と内歯ギヤ部材の作動説明図である。
【図１２】参考技術に係る図３相当図である。
【図１３】ピストンと連接部材の斜視図である。
【符号の説明】
【００２６】
Ｅ エンジン
Ｂ１，Ｂ２ シリンダボア
Ｈ ハウジング（ケース部材）
１ クランクシャフト
１ａ クランクピン
１ｂ クランクジャーナル
１ｃ クランクアーム
１ｄ クランク軸部
１ｅ カウンタウェイト
２ ピストン
４ 連接部材
４ａ 環状連接部
１６ 出力軸
１７ａ ジャーナル支持部材
１７ 出力部材
１７ｂ クランク軸支持部
１７ｃ バランサウェイト
１９ 内歯ギヤ部材
２０ ピニオン部材
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００２８】
以下、実施例１に係るエンジンＥについて図１〜図１１に基づいて説明する。
図１〜図３に示すように、エンジンＥは上下対向型の４気筒の４サイクル往復動型内燃機関である。このエンジンＥは、ケース部材としてのハウジングＨと、ハウジングＨの上部に形成された１対のシリンダボアＢ１及びハウジングＨの下部に形成された１対のシリンダボアＢ２と、シリンダボアＢ１の上端を塞ぐ上側シリンダヘッドＣＨ及びシリンダボアＢ２の下端を塞ぐ下側シリンダヘッドＣＨと、１対のシリンダボアＢ１に摺動可能に装着された１対のピストン２と、１対のシリンダボアＢ２に摺動可能に装着された１対のピストン２と、動弁機構ＶＤと、４つのピストン２に連結されたＸ型の連接部材４と、この連接部材４に連動連結されたクランクシャフト１を含む出力取出し機構Ｔなどを有する。
【００２９】
ハウジングＨには、クランクシャフト１や出力軸１６を含む出力部材１７等が軸受を介して回転可能に支持されている。上側の１対のシリンダボアＢ１と下側の１対のシリンダボアＢ２は、上下に対向しており、上下に対向するシリンダボアＢ１，Ｂ２の軸心は同心になっている。上側の１対のシリンダボアＢ１は隣接状に形成され、下側の１対のシリンダボアＢ２は隣接状に形成されている。４つのシリンダボアＢ１，Ｂ２の軸心を含む共通の平面、つまり、４つのピストン２の軸心を含む共通の平面は、クランクシャフト１の軸心及び出力軸１６の軸心と直交している。このエンジンＥにおいて、例えば、ピストン２の直径が６０ｍｍ、ストロークが１２５ｍｍ、総排気量が約１４００ｍｌに設定されている。
【００３０】
シリンダボアＢ１，Ｂ２には、夫々、ピストン２が往復直線運動可能に装着され、シリンダボアＢ１，Ｂ２とシリンダヘッドＣＨ，ＣＨとピストン２，２とで燃焼室が夫々形成されている。ピストン２は、その直径よりも長さが短く形成されている。４つのピストン２はＸ型の連接部材４を介してクランクシャフト１のクランクピン１ａに連結されている。
上記の連接部材４が鉛直方向に直線運動する構造になっているため、ピストン２に側圧が作用しない。そのため、ピストン２のスカート部を極端に短く形成してもよいし、スカート部を省略してもよい。
【００３１】
このエンジンＥの上側半分の構造と下側半分の構造とが、クランクシャフト１以外は、上下にほぼ対称になっているため、以下の説明は主として上側半分の構造と、クランクシャフト１を含む出力取出し機構Ｔの構造について説明する。図２に示すように、ハウジングＨにおける燃焼室３の周囲の壁部内には、ウォータポンプ（図示略）から送られて来る冷却水が導入されるウォータジャケット５が形成されている。
【００３２】
シリンダヘッドＣＨには、各シリンダボアの燃焼室３に連なる吸気ポート１２及び吸気弁６と、燃焼室３に連なる排気ポート１３及び排気弁７がクランクシャフト１の軸心と平行方向に並べて配置されている。吸気弁６と排気弁７は、夫々バルブガイドによりバルブ軸方向に移動可能に支持され、スプリングリテーナとスプリングシート部との間に介装されたバルブスプリング６ａ，７ａによって閉弁方向に付勢されている。
【００３３】
シリンダヘッドＣＨには、１対の燃焼室３に燃料を噴射可能な１対のインジェクタ（図示略）と、１対の点火プラグ１１と、１対の吸気ポート１２に連なる１対の吸気通路と、１対の排気ポート１３に連なる排気通路と、冷却水が導入されるウォータジャケット１４などが設けられている。
【００３４】
次に、上記の吸気弁６と排気弁７をクランクシャフト１と同期して予め設定されたタイミングで開閉するように駆動する動弁機構ＶＤについて簡単に説明する。
シリンダヘッドＣＨには、１対のシリンダボアＢ１の中間位置の上方に配設され且つクランクシャフト１の軸心と平行に延びるカムシャフト８と、１対のロッカーアームシャフト９とが設けられている。
【００３５】
カムシャフト８の途中部には、１対の吸気カム８ａと、１対の排気カム８ｂとが形成されている。一方の燃焼室３に対応する吸気カム８ａと排気カム８ｂは、それらの間に、他方の燃焼室３に対応する吸気カム８ａと排気カム８ｂを挟むようにカムシャフト８に形成されている。カムシャフト８はシリンダヘッドＣＨに回転可能に支持されている。
【００３６】
１対のロッカーアームシャフト９は、カムシャフト８の上側近傍の左右両側に平行に配置されている。これらロッカーアームシャフト９には、１対の吸気カム８ａに対応する吸気用ロッカーアーム１０ａと、１対の排気カム８ｂに対応する１対の排気用ロッカーアーム１０ｂが設けられている。吸気用ロッカーアーム１０ａの途中部がロッカーアームシャフト９に回動可能に支持され、一端側の下面が吸気カム８ａに当接し、他端側の下面が吸気弁６の弁軸端部に当接している。上記のカムシャフト８と一体回転する吸気カム８ａにより吸気用ロッカーアーム１０ａを介して吸気弁６が昇降駆動される。排気用ロッカーアーム１０ｂも同様に構成され、上記のカムシャフト８と一体回転する排気カム８ｂにより排気用ロッカーアーム１０ｂを介して吸気弁７が昇降駆動される。
【００３７】
図１、図２に示すように、カムシャフト８の一端部にはカムプーリ８Ａが装着されている。カムプーリ８Ａには、クランクシャフト１によって回転駆動されるタイミングベルト１５ａが掛装されている。タイミングベルト１５ａがカムプーリ８Ａを回転駆動するとき、カムシャフト８に形成された吸気カム８ａと排気カム８ｂが回転駆動され、吸気カム８ａと吸気用ロッカーアーム１０ａにより吸気弁６が予め設定されたタイミングで開閉され、また、排気カム８ｂと排気用ロッカーアーム１０ｂにより排気弁７が予め設定されたタイミングで開閉される。ここで、図２に図示の状態において、エンジンＥの上半部において、例えば、左側のシリンダは圧縮上死点、右側のシリンダは排気上死点である。このとき、エンジンＥの下半部において、例えば、左側のシリンダは吸入下死点、右側のシリンダは膨張下死点である。
【００３８】
このエンジンＥは、２つのシリンダボアＢ１に対して１本のカムシャフト８と２本のロッカーアームシャフト９を設けたロッカーアーム式エンジンであるが、ＳＯＨＣ式エンジンに構成してもよいし、また、各シリンダボアＢ１，Ｂ２に対応するカムシャフトを夫々設け各カムシャフトに吸気カムと排気カムとカムプーリを設置したＤＯＨＣ式エンジンに構成してもよい。
【００３９】
次に、クランクシャフト１を含む出力取出し機構Ｔについて説明する。
図３に示すように、出力取出し機構Ｔは、クランクシャフト１と、出力軸１６と一体形成されて出力軸１６と同心回転可能な１対の出力部材１７と、１対のジャーナル支持部材１７ａと、出力軸１６と同心状に形成されハウジングＨに固定された１対の内歯ギヤ部材１９と、内歯ギヤ部材１９に噛合し且つ内歯ギヤ部材１９の内周に沿って転動可能な１対のピニオン部材２０などを備えている。
【００４０】
図４〜図６に示すように、クランクシャフト１は、長さ方向中央部に位置して連接部材４に連結されるクランクピン１ａと、クランクピン１ａと平行に形成されクランクシャフト１を回転可能にハウジングＨに支持する１対のクランクジャーナル１ｂと、クランクピン１ａの両側端部と１対のクランクジャーナル１ｂとを夫々接続する１対のクランクアーム１ｃと、クランクジャーナル１ｂからクランクシャフト１の長さ方向に延びクランクジャーナル１ｂよりも小径の１対のクランク軸部１ｄと、クランクアーム１ｃと一体的に形成されクランクジャーナル１ｂに対してクランクピン１ａと反対方向に延びた１対のカウンタウェイト１ｅなどを備えている。図３〜図６に示すように、クランクシャフト１は、クランクピン１ａの両側端部に１対のクランクアーム１ｃの片側端部が夫々接続されるよう一体形成され、１対のクランクアーム１ｃの他側端部に１対のクランクジャーナル１ｂの片側端部が夫々接続されるよう一体形成されている。クランクシャフト１は、図３においてクランクピン１ａに対して左右対称に形成されている。
【００４１】
クランク軸部１ｄのクランクジャーナル１ｂ側の基部は、所定長さのスプライン軸１ｆに形成され、ピニオン部材２０の中心部にはスプライン軸穴が形成され、ピニオン部材２０はスプライン軸１ｆに同心状且つ相対回転不能にスプライン嵌合されている。スプライン軸１ｆの直径は、クランクジャーナル１ｂの直径よりも小さく、クランク軸部１ｄの直径よりも大きく形成されている。
【００４２】
図３、図１１に示すように、内歯ギヤ部材１９の内径（ピッチ円直径）をＬ１とし、ピニオン部材２０の外径（ピッチ円直径）をＬ２とすると、Ｌ１＝２×Ｌ２であり、クランクジャーナル１ｂ及びクランク軸部１ｄの軸心は、出力軸１６の軸心から 0．5 ×Ｌ２だけ偏心し、クランクピン１ａは、クランクジャーナル１ｂ及びクランク軸部１ｄの軸心から 0．5 ×Ｌ２だけ偏心している。図６に示すように、カンウタウェイト１ｅの重心Ｇｃは、クランクジャーナル１ｂ及びクランク軸部１ｄの軸心からＬ３（＝ 0．5 ×Ｌ２）だけ偏心している。
【００４３】
各出力部材１７の端部には出力軸１６が一体形成されている。出力軸１６はハウジングＨにベアリングｂ５を介して回転自在に支持され、各出力部材１７はハウジングＨにベアリングｂ２を介して回転自在に支持されている。各出力部材１７は、クランク軸支持部１７ｂとバランサウェイト１７ｃとを一体形成したものである。各出力部材１７のクランクピン１ａ側の、クランクアーム１ｃとカウンタウェイト１ｅに隣接する位置には、クランクアーム１ｃとピニオン部材２０の間に位置するクランクジャーナル１ｂを回転自在に支持する軸受部ｂ３を有するジャーナル支持部材１７ａが設けられ、このジャーナル支持部材１７ａは出力部材１７と一体的に形成されている。
【００４４】
各出力部材１７のうちの、内歯ギヤ部材１９に対してジャーナル支持部材１７ａと反対側の部位には、クランク軸部１ｄを回転可能に支持する軸受部ｂ４を有するクランク軸支持部１７ｂが形成されている。各出力部材１７のうちの内歯ギヤ部材１９に対応する部位には、ジャーナル支持部材１７ａとクランク軸支持部１７ｂとを一体的に連結するバランサウェイト１７ｃが形成されている。ジャーナル支持部材１７ａとクランク軸支持部１７ｂとは、出力軸１６の軸心を中心とする円形板の形状に形成され、ジャーナル支持部材１７ａはベアリングｂ１によりハウジングＨに支持され、クランク軸支持部１７ｂはベアリングｂ２によりハウジングＨ（ケース部材）に出力軸１６と同心状に回転自在に支持されている。
【００４５】
前記バランサウェイト１７ｃは、内歯ギヤ部材１９の内側空間のうち出力軸１６の軸心に対してピニオン部材２０と反対側の内側空間を貫通する断面半円形の部材に形成されている。尚、ジャーナル支持部材１７ａと出力部材１７とを一体構造にする場合においても、組み立て可能とする為に、ジャーナル支持部材１７ａと出力部材１７の境界面またはバランサウェイト１７ｃとクランク軸支持部１７ｂとの境界面において分割可能な一体構造とすることが望ましい。例えば、ジャーナル支持部材１７ａを出力部材１７とは別体の部材とし、複数のボルトによりバランサウェイト１７ｃに一体的に結合してもよい。
【００４６】
図３に示すように、一方の出力部材１７の出力軸１６は駆動力を出力し、他方の出力部材１７の出力軸１６は動弁機構ＶＤを駆動する駆動力や補機類を駆動する駆動力を取り出すよう構成されている。それ故、他方の出力部材１７の出力軸１６の先端側部分には、タイミングベルト１５ａ，１５ｂと夫々噛合可能で且つカムプーリ８Ａの径の１／２に設定されたスプロケット２１ａ，２１ｂや補機駆動用のプーリ（図示略）が装着されている。
【００４７】
図３に示すように、円環状の内歯ギヤ部材１９は、ベアリングｂ１とベアリングｂ２の間においてハウジングＨに固定されている。内歯ギヤ部材１９は、ピニオン部材２０の外歯２０ｔと噛合可能な複数の内歯１９ｔであって出力部材１７の軸心と同心状に環状に配置された複数の内歯１９ｔを備えている。ピニオン部材２０の外歯２０ｔは、内歯ギヤ部材１９の内歯１９ｔに噛合したまま内歯１９ｔに沿って公転転動可能に設けられている。
【００４８】
図１、図１０に示すように、連接部材４は、クランクピン１ａに回転可能に外嵌可能な環状連接部４ａと、上下方向に対応するピストン２同士を連結し環状連接部４ａを挟んで平行に配置された１対の外側ストレート連接部材４ｂと、１対の外側ストレート連接部材４ｂに挟まれた領域において各外側ストレート連接部材４ｂの上端部及び下端部と環状連接部４ａを連結する４本の内側ストレート連接部材４ｃと、連接部材４の剛性を増すため環状連接部４ａと外側ストレート連接部材４ｂと内側ストレート連接部材４ｃとで囲まれた領域に設けられた三角形状の１対の薄肉部４ｄなどを有する。
【００４９】
外側ストレート連接部材４ｂと内側ストレート連接部材４ｃの上端側の接続部は、上側のシリンダボアＢ１内のピストン２の中心部の下端部にリジッドに又は可動に連結されている。外側ストレート連接部材４ｂと内側ストレート連接部材４ｃの下端側の接続部は、下側のシリンダボアＢ２内のピストン２の中心部の上端部にリジッドに又は可動に連結されている。上下に対向するピストン２は外側ストレート連接部材４ｂにより直接的に連結され、上下方向に対向しないピストン２は環状連接部４ａと２本の内側ストレート連接部材４ｃにより連結されている。尚、ピストン２の外周には、例えば３つのピストンリング２ａが装着されている。
【００５０】
４つのピストン２が上下方向に往復運動するとき、クランクシャフト１の回転に応じてピニオン部材２０が１回自転して内歯ギヤ部材１９の内歯１９ｔ上を１回公転し、クランクピン１ａは、ピニオン部材２０の転動に伴って、出力軸１６の回転軸心を含む鉛直面に沿って往復直線運動するよう構成されている。
【００５１】
前記構成によって、上側のピストン２の１つが圧縮上死点に位置するとき、図１１に示すように、ピニオン部材２０が内歯１９ｔの上端に対応する位置２０ａに位置し、クランクピン１ａの軸心は上端位置Ｖａに位置する。点火プラグ１１により圧縮混合気に点火すると、燃焼ガスの膨張行程が開始される。膨張行程においてクランクピン１ａが押し下げられると、ピニオン部材２０が図において内歯１９ｔ上を右方向に転動して位置２０ｂに移動する。このとき、クランクピン１ａの軸心は、軸心回りの自転運動とピニオン部材２０による内歯１９ｔ上の転動運動とを合わせた運動を行った結果、鉛直線Ｖ上の中間位置Ｖｂに位置する。
【００５２】
ピニオン部材２０が１８０度自転して位置２０ｃに位置したとき、クランクピン１ａの軸心は、鉛直線Ｖに沿って更に下降運動を行なって、中間位置Ｖｃに位置する。ピストン２が下死点に達して、ピニオン部材２０が３６０度自転したとき、ピニオン部材２０が内歯１９ｔの下端位置に対応した位置２０ｄに位置し、クランクピン１ａの軸心は下端位置Ｖｄに位置する。
【００５３】
排気行程では、ピニオン部材２０が下端位置２０ｄから上端位置２０ａまで内歯１９ｔに沿って転動し、クランクピン１ａの軸心は鉛直線Ｖ上を膨張行程（燃焼行程）と逆方向の軌跡で移動する。上記の説明は、１つのシリンダ内のピストン２が上死点、下死点、上死点の順に上下運動する場合を例にして説明したが、その他のピストン２が上死点、下死点、上死点の順に上下運動する場合にも上記と同様である。このエンジンＥは４サイクルの４気筒エンジンであるため、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の４行程が、４つのシリンダにおいて並行的に実行され、また、各シリンダにおいては吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程の４行程が順次実行されるように構成されている。
【００５４】
このエンジンＥにおいては、ピニオン部材２０の回転中心（クランク軸部１ｄの軸心）を中心とした質量配分（モーメント不釣り合い）をバランスさせると共に、出力軸１６の回転中心（出力部材１７の軸心）を中心とした質量配分（モーメント不釣り合い）をバランスさせるように構成してある。
そこで、図６、図８に示すように、クランク軸部１ｄの軸心からカウンタウェイト１ｅの重心Ｇｃまでの距離Ｌ３、出力軸１６の軸心からバランサウェイト１７ｃの重心Ｇｓまでの距離Ｌ４としたとき、以下の関係式が成り立つように、距離Ｌ３、距離Ｌ４、カウンタウェイト１ｅの質量Ｗ１ｅ及びバランサウェイト１７ｃの質量Ｗ１７ｃが設定されている。
【００５５】
（Ｗ２＋Ｗ４）×０．５×（Ｌ２）＝Ｗ１ｃ×Ｌ３ （１）
（（Ｗ２＋Ｗ４）＋Ｗ１ｅ＋Ｗ２０）×０．５×（Ｌ１−Ｌ２）
＝Ｗ１７ｃ×Ｌ４ （２）
尚、Ｗ２：４つのピストン２の質量、Ｗ４：連接部材４の質量、Ｗ２０：１対のピニオン部材２０の質量である。式（１）及び式（２）を満たすように各部材の質量や距離が設定されているため、ピストン２と連接部材４とを含む往復運動部と、往復運動部とカウンタウェイト１ｅとピニオン部材２０とを含む回転運動部の質量バランスを平衡化することができる。
【００５６】
図１１において、前述のように、エンジンＥの運転中、クランクピン１ａが上端位置Ｖａと下端位置Ｖｄとの間の線分Ｖｃｐに沿って往復直線運動し、４つのピストン２及び連接部材４の速度および運動エネルギーは、上端位置Ｖａと下端位置Ｖｄで最少となり、中間位置Ｖｃで最大になる。他方、カウンタウェイト１ｅの重心Ｇｃ（図６参照）は、線分Ｖｃｐと直交する線分Ｈｃｗに沿って往復直線運動し、２つのカウンタウェイト１ｅの速度および運動エネルギーは、左端位置Ｖｍと右端位置Ｖｎで最少となり、中間位置Ｖｃで最大になる。しかも、クランクピン１ａが上端位置Ｖａ又は下端位置Ｖｄにあるとき、カウンタウェイト１ｅの重心Ｇｃは中間位置Ｖｃになり、また、クランクピン１ａが中間位置Ｖｃにあるとき、カウンタウェイト１ｅの重心Ｇｃは左端位置Ｖｍ又は右端位置Ｖｎになる。
【００５７】
それ故、このエンジンＥにおいては、燃焼ガス圧による力を除外して考えると、４つのピストン２及び連接部材４の鉛直方向の往復直線運動の運動エネルギーと、２つのカウンタウェイト１ｅの重心Ｇｃの水平方向の往復直線運動の運動エネルギーの合計がほぼ一定となっており、鉛直方向の往復直線運動の運動エネルギーと水平方向の往復直線運動の運動エネルギーの間で、運動エネルギーの移転又は交換がなされる。そのため、エンジン振動や熱エネルギーとして発散するエネルギー量が格段に低減し、出力特性が著し改善される。
【００５８】
次に、バランサウェイト１７ｃの動的バランサ機能について説明する。
図７に示すように、エンジンＥの運転中には、クランクシャフト１とピニオン部材２０等が出力軸１６の軸心の回りに回転運動するため、図示のような遠心力Ｆｒが発生する。他方、バランサウェイト１７ｃも出力軸１６の軸心の回りに回転運動するため、図示のような遠心力Ｆｂが発生する。ここで、出力軸１６の軸心に対して、バランサウェイト１７ｃはピニオン部材２０と反対側に位置しているため、遠心力Ｆｂが遠心力Ｆｒを相殺し、エンジン振動が著しく低減する。尚、遠心力Ｆｂが遠心力Ｆｒを相殺するように、バランサウェイト１７ｃの大きさを予め設定しておくものとする。
【００５９】
次に、本エンジンＥの作用・効果について説明する。
このエンジンＥにおいては、出力部材１７がクランク軸部１ｄを出力軸１６の軸心から偏心した回転軸心回りに回転可能に支持し、出力部材１７と一体形成された出力軸１６と同心回転可能にハウジングＨに支持したため、クランク軸部１ｄの回転運動を出力軸１６から回転動力として出力することができる。
【００６０】
内歯ギヤ部材１９は出力部材１７と同心状に形成されてハウジングＨに固定されたため、クランク軸部１ｄの回転運動に従ってピニオン部材２０を回転させることができる。ピニオン部材２０は内歯ギヤ部材１９の内径Ｌ１の１／２の外径Ｌ２を有し内歯ギヤ部材１９の内周に沿って転動可能であって、クランク軸部１ｄに一体回転可能に外嵌されてクランクジャーナル１ｂに隣接する位置に配設されたため、クランクピン１ａの運動軌跡を往復直線運動としながら、ピニオン部材２０を内歯ギヤ部材１９の内周に沿って噛合して転動させることができる。このように、ピストン２の往復運動をクランクシャフト１と内歯ギヤ部材１９を介してピニオン部材２０の自転と公転に変換し、ピニオン部材２０の公転を出力部材１７及びジャーナル支持部材１７ａの自転回転に変換し、出力部材１７及びジャーナル支持部材１７ａの自転回転を出力軸１６の回転として出力することができる。
【００６１】
ジャーナル支持部材１７ａはピニオン部材２０とクランクアーム１ｃとの間に位置するクランクジャーナル１ｂを回転可能に支持する軸受部ｂ３を有し、クランク軸支持部１７ｂと同心状に一体的に回転可能にハウジングＨに支持されたため、クランクピン１ａに近接したクランクジャーナル１ｂを軸受部ｂ３でもって支持することができ、クランクジャーナル１ｂをジャーナル支持部材１７ａを介してベアリングｂ１によってハウジングＨに支持することができる。それ故、クランクジャーナル１ｂを支持する支持剛性、強度を確保し、耐久性を確保できる。
【００６２】
内歯ギヤ部材１９とピニオン部材２０によって、クランクピン１ａの運動軌跡を往復直線運動に規制することができるから、連接部材４からピストン２に側圧が作用することがなく、ピストン２に作用する摩擦抵抗を著しく低減することができる。 そして、クランクピン１ａと連接部材４とを連結する構造が簡単化することができ、連接部材４とピストン２との連結部にも、連接部材４とクランクピン１ａとの連結部にも、回転摺動部がなくなるから、それらの連結部の摩擦抵抗を著しく低減することができ、燃料消費率を格段に小さくし、燃料消費量を格段に低減し、エンジンＥの出力特性や振動特性を向上させることができる。
【００６３】
出力部材１７と一体のジャーナル支持部材１７ａに、ピニオン部材２０とクランクアーム１ｃとの間に位置するクランクジャーナル１ｂを回転可能に支持する軸受部ｂ３を設けたため、クランクピン１ａを１対のクランクジャーナル１ｂと上記の軸受部ｂ３とによって両端支持できるから、クランクピン１ａを支持する構造の剛性、強度、耐久性を確保することができる。しかも、上記の軸受部ｂ３とクランクピン１ａとの間の距離を小さくし、上記の軸受部ｂ３を含むコンパクトな構造でもってクランクジャーナル１ｂを効果的に支持することができる。しかも、各ピニオン部材２０をクランクジャーナル１ｂとクランク軸部１ｄとで両端支持できるため、ピニオン部材２０を支持する構造の剛性、強度、耐久性を確保することができる。
【００６４】
連接部材４が、クランクピン１ａに回転可能に外嵌された環状連結部４ａを備え、複数のピストン２に夫々連動連結された複数の内側ストレート連接部材４ｃの端部が環状連結部４ａに固定されるため、複数のピストン２に連結された複数のストレート連接部材４ｃを、その環状連結部４ａを介してクランクピン１ａに連結することができる。複数のピストン２の中心線を含む平面がクランクピン１ａに対して直交状に配置されたため、クランクピン１ａを短く構成することができる。４つのピストン２は出力軸１６に対して１８０度対称に配置されたため、エンジンＥのコンパクト化を図ることができる。
【００６５】
軸受部ｂ３は出力軸１６の軸心から偏心した位置に配置され、ジャーナル支持部材１７ａと、クランク軸軸支持部１７ｂと、バランサウェイト１７ｃとが一体的に形成され、出力軸１６の軸心の回りのモーメントのバランスを取るためのバランサウェイト１７ｃを出力部材１７に設けたため、エンジンＥの振動、騒音等を著しく低減することができる。クランク軸部１ｄに対するクランクピン１ａの偏心量をピニオン部材２０の外径Ｌ２の１／２に設定したため、クランクピン１ａの運動軌跡を確実に往復直線運動に設定することができる。
【００６６】
次に、参考技術に係るエンジンＥＡについて図１２、図１３に基づいて説明する。尚、前記実施例１のエンジンＥと異なる構成についてのみ説明し、実施例１と同一の部材には同一の符号を付して説明を省略する。
【００６７】
このエンジンＥＡは例えば水平対向型エンジンである。このエンジンＥＡにおいては、４つのピストン２の軸心を含む共通の水平面が、出力軸１６の軸心を含む水平面と共通の水平面をなすように構成されている。クランクシャフト１Ａは、長さ方向の中央部分に形成されて連接部材４Ａが連結されるクランクピン１Ａａと、１対のクランクジャーナル１ｂと、１対のクランクアーム１ｃと、クランクジャーナル１ｂよりも小径の１対のクランク軸部１ｄと、クランクアーム１ｃと一体的に形成されクランクジャーナル１ｂに対してクランクピン１Ａａと反対方向に延設された１対のカウンタウェイト１ｅなどを有する。図１２において、クランクピン１Ａａに対して左右対称の構造となっている。
【００６８】
図１３に示すように、連接部材４Ａは、クランクピン１Ａａに回転可能に外嵌可能な環状連接部４Ａａと、図１３における左右方向に対向するピストン２同士を連接し且つ環状連接部４Ａａを挟んで直線状に配置された左右２対の外側ストレート連接部材４Ａｂと、各外側ストレート連接部材４Ａｂの端部と環状連接部４Ａａを連接する４本の内側ストレート連接部材４Ａｃと、連接部材４Ａの剛性を増すため環状連接部４Ａａと外側ストレート連接部材４Ａｂと内側ストレート連接部材４Ａｃとで囲まれた領域に設けられた三角形状の薄肉部４Ａｄとから構成されている。
【００６９】
次に、このエンジンＥＡの作用・効果について説明する。
このエンジンＥＡによれば、実施例１と同様の効果を奏する。しかも、４つのピストン２の中心線を含む平面がクランクピン１Ａａの軸心と平行に配置されたため、エンジンＥＡの全体の高さ寸法を小さく構成することができる。自動車用のエンジンとして好適なエンジンＥＡとなる。
【実施例３】
【００７０】
【００７１】
【実施例４】
【００７２】
【００７３】
【００７４】
次に、前記実施例を部分的に変更した変形例について説明する。
１］前記実施例１では、立型の上下対向型エンジンを例として説明したが、前記エンジンＥは、シリンダボアＢ１，Ｂ２を水平方向へ向け且つ出力軸１６を鉛直方向へ向けた水平対向型エンジン、又は、シリンダボアＢ１，Ｂ２を水平方向へ向け且つ出力軸１６を水平方向へ向けた水平対向型エンジンとして構成するのに好適のものである。
更に、２気筒の水平対向エンジン、クランクシャフトの片側のみにシリンダボアを配置した単気筒エンジン又は多気筒エンジンとして構成することも可能である。
【００７５】
２］前記実施例１のエンジンＥの出力取出し機構Ｔでは、クランクシャフト１のクランクピン１ａに対して図３にて左右対称の構造に構成したが、左右非対称の構造に構成してもよい。即ち、例えば、図３の左側半分における、クランク軸部１ｄ、ピニオン部材２０、内歯ギヤ部材１９、出力部材１７などを省略し、左側半分には軸受部ｂ３を有するジャーナル支持部材１７ａ、ベアリングｂ１等を設けた構造のエンジンに構成してもよい。
【００７６】
３］前記実施例１では、ジャーナル支持部材１７ａと出力部材１７をバランサウェイト１７ｃによって連結した例について説明したが、バランサウェイト１７ｃを省略し、ジャーナル支持部材１７ａとクランク軸支持部１７ｂを分断した構造にしてもよく、また、バランサウェイト１７ｃをジャーナル支持部材１７ａと出力部材１７の一方に一体的に設けてもよい。
【００７７】
４］前記実施例１の動弁機構ＶＤは一例であり、種々の動弁機構を採用可能である。
５］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能で、本発明はそのような変更形態も包含するものである。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明は、ピストンの往復直線運動をクランクシャフトの回転運動に変換して出力軸から回転動力を取り出す内燃機関において、特にピニオン部材と内歯ギヤ部材を介して、クランクシャフトのクランクピンの運動軌跡をピストンと同様の往復直線運動に制限するように構成した内燃機関を提供する。

Claims (5)

1. シリンダボア内を摺動可能なピストンと、このピストンに連接部材を介して連動連結されたクランクシャフトを備え、前記ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換してケース部材に支持された出力軸から回転動力を出力可能な内燃機関において、
   前記クランクシャフトの両側に対向状に配置された２対のシリンダボア及びピストンであって、片方の１対のピストンの中心線と他方の１対のピストンの中心線とを含む平面が前記クランクシャフトに対して直交する２対のシリンダボア及びピストンを設けると共に前記２対のピストンに夫々連動連結されると共に一体的に構成された連接部材とを設け、
   前記クランクシャフトに、前記連接部材に連結されたクランクピンと、１対のクランクアーム及びカウンタウエイトと、１対のクランクジャーナルと、少なくとも１つのクランクジャーナルから同軸状に延びる少なくとも１つのクランク軸部を設け、
   前記出力軸の軸心から偏心した回転軸心回りに回転可能に前記クランク軸部を支持し且つ前記出力軸と一体形成され前記ケース部材に出力軸と同心状に回転可能に支持された少なくとも１つの出力部材と、
   前記出力部材と同心状に形成された内歯ギヤを有し且つ前記ケース部材に固定された少なくとも１つの内歯ギヤ部材と、
   前記内歯ギヤ部材の内径の１／２の外径を有し且つ前記内歯ギヤ部材の内周に沿って転動可能に噛合し、前記クランクジャーナルに隣接する位置で前記クランク軸部に同心状且つ相対回転不能に外嵌された少なくとも１つのピニオン部材と、
   前記１対のクランクジャーナルを前記出力軸の軸心から偏心した軸心回りに回転可能に支持する軸受部を夫々有し且つ前記出力部材と同心状に回転可能にケース部材に支持された１対のジャーナル支持部材とを備え、
   前記クランクピンの両側端部に１対のクランクアームの片側端部が夫々接続され且つ１対のクランクアームの他側端部に１対のクランクジャーナルの片側端部が夫々接続されるよう前記クランクピンと１対のクランクアームと１対のクランクジャーナルが一体形成されると共に、
   前記連接部材は、前記クランクピンに回転可能に外嵌された環状連接部と、４つのピストンを前記環状連接部に夫々連結する４本の内側ストレート連接部と、前記２対の対向するピストン同士を夫々直接的に連結する２本の外側ストレート連接部とを備え、
   前記シリンダボア内でピストンが往復運動するとき、前記ピストンの往復運動を前記ピニオン部材の自転回転と公転回転とを介して前記クランクピンがシリンダボアの軸心と平行方向へ往復直線運動するように構成し、このピニオン部材の公転回転を前記出力部材の自転回転に変換して前記出力軸の回転動力として出力することを特徴とする内燃機関。
2. 前記出力部材は、前記内歯ギヤ部材に対して前記ジャーナル支持部材と反対側の部位に前記クランク軸部を回転可能に支持する軸受部を備え、
   前記ジャーナル支持部材は、前記クランクアームと前記ピニオン部材の間に位置する前記クランクジャーナルを回転可能に支持する軸受部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記出力部材にバランサウエイトを一体的に設けたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
4. 前記クランク軸部に対する前記クランクピンの偏心量は前記ピニオン部材の外径の１／２に設定されたことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記バランサウエイトは、前記内歯ギヤ部材の内側空間のうち前記出力軸の軸心に対して前記ピニオン部材と反対側の内側空間に形成されたことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。