JP6028571B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

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伝達するレシプロ式の内燃機関に関し、特に内燃機関が有するピストン−クランク機構のリンク部材に関する。

本出願人が先に出願した特許文献１には、支点を中心に揺動可能なロッカアームと、このロッカアームの一端とピストンとを繋ぐ第１リンクと、ロッカアームの他端とクランクシャフトのクランクピンとを繋ぐ第２リンクと、有する複リンク式のピストン−クランク機構を備え、クランクシャフトの回転中心がシリンダの側方に配置された内燃機関が開示されている。

この特許文献１における内燃機関は、シリンダの側方にクランクシャフトの回転中心を配置することで、内燃機関の機関全高を低く抑制し、内燃機関を全体としてコンパクトに構成して車両搭載性を向上させている。

特開２００６−５２６６７号公報

しかしながら、この特許文献１に開示されるような構成の内燃機関においては、トルク変動の低減を図る上で、更なる改善の余地がある。

本発明の内燃機関は、揺動可能なロッカアームと、一端がピストンのピストンピンと回転可能に連結され、他端が上記ロッカアームに回転可能に連結される第１リンクと、一端がクランクシャフトのクランクピンに回転可能に連結され、他端が上記ロッカアームに回転可能に連結される第２リンクと、を有するピストン−クランク機構を備え、上記第１リンクの重量が上記ロッカアームの重量よりも軽くなるよう設定されていることを特徴としている。

本発明によれば、第１リンクが相対的に軽量となり、第１リンクが発生させる慣性力を相対的に小さくできるので、ロッカアーム及び第２リンクに入力される荷重が相対的に小さくなり、内燃機関のトルク変動を相対的に効率よく低減することができる。

本発明に係る内燃機関を模式的に示した説明図。 本発明に係る内燃機関の第１リンクを示す説明図。 トルク変動とリンク部材の軽量化との相関を示した特性図。 低回転状態において、最大燃焼荷重がピストンに作用した際のロッカアーム及び第２リンクの入力荷重を、第１リンクの軽量化代毎に示した特性図。 高回転状態において、最大燃焼荷重がピストンに作用した際のロッカアーム及び第２リンクの入力荷重を、第１リンクの軽量化代毎に示した特性図。 高回転状態において、ピストンが下死点位置のときのロッカアーム及び第２リンクの入力荷重を、第１リンクの軽量化代毎に示した特性図。 高回転状態において、ピストンが排気上死点位置のときのロッカアーム及び第２リンクの入力荷重を、第１リンクの軽量化代毎に示した特性図。 本発明に係る内燃機関の第１リンクの他例を示す説明図。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明に係る内燃機関１の一例を模式的に示した説明図であって、クランクシャフト軸方向視での内燃機関１の断面に相当する説明図である。

図１に示すように、レシプロ式の内燃機関１は、ピストン２が摺動可能に収容されたシリンダ３の側方に、クランクシャフト４が配置された構成となっている。

ここで、「シリンダ３の側方」の「側方」とは、機関幅方向に沿う方向での側方を意味している。従って、シリンダ３とクランクシャフト４とが機関幅方向に沿って並んで配置されている。「機関幅方向」とは、クランクシャフト４の軸線に沿う機関前後方向に直交すると共に、機関上下方向に直交する方向である。「機関上下方向」とは、直列式内燃機関ではシリンダ中心軸線に沿う方向であり、Ｖ型内燃機関ではバンク角を２等分するバンク中心線に沿う方向である。

この内燃機関１は、ピストン２とクランクシャフト４のクランクピン５とを複数のリンク部材により機械的に連係し、ピストン２のシリンダ３内での往復直線運動をクランクシャフト４の回転運動に変換する複リンク式のピストン−クランク機構６を有している。

このピストン−クランク機構６は、揺動支点７を中心に揺動可能な細長いロッカアーム１０と、このロッカアーム１０の一端とピストン２とを繋ぐ細長い第１リンク１１と、ロッカアーム１０の他端とクランクシャフト４のクランクピン５とを繋ぐ細長い第２リンク１２と、を有している。

ロッカアーム１０は、例えば、内燃機関１のシリンダブロック（図示せず）に固定された揺動支軸１３に、その中央部分が回転可能に取り付けられ、揺動支軸１３の軸心を揺動支点７として揺動するものである。

第１リンク１１の一端は、ピストンピン１４を介して、ピストン２に回転可能に連結されている。第１リンク１１の他端は、第１連結ピン１５を介して、ロッカアーム１０の一端に回転可能に連結されている。

この第１リンク１１は、図２に示すように、細長い棒状の軸部２１と、軸部２１の一端に形成された一端側貫通穴２２と、軸部２１の他端に形成された他端側貫通穴２３と、を有している。一端側貫通穴２２には、ピストンピン４が挿入され、他端側貫通穴２３には、第１連結ピン１５が挿入される。

第２リンク１２の一端は、クランクピン５に回転可能に連結されている。第２リンク１２の他端は、第２連結ピン１６を介して、ロッカアーム１０の他端に回転可能に連結されている。

そして、一連に接続された第１リンク１１、ロッカアーム１０、及び第２リンク１２は、クランクシャフト軸方向視で、全体として略Ｕ字形状に配置され、ピストン２と、クランクシャフト４との間に位置するシリンダ壁部１７が、これらリンク部材によって三方より囲まれている。なお、図１中の１８は吸気弁、図１中の１９は排気弁である。

ここで、内燃機関１のトルク変動を低減するためには、内燃機関１の主運動部品の軽量化による慣性荷重の低減が有効である。

図３は、単気筒の内燃機関１に燃料を供給して燃焼させ、所定回転数で回転させた状態におけるトルク変動と、ピストン−クランク機構６を構成するリンク部材（第１リンク１１、第２リンク１２、ロッカアーム１０）の軽量化との相関を示した特性図である。図３におけるトルク変動は、ピストン−クランク機構６を上記所定回転数で回転させた際にクランクシャフト４に作用する最大トルクと最小トルクの差である。図３中の特性線Ａは、第１リンク１１のみを軽量化した場合の傾向を示しており、特性線Ａ上のプロットは、第１リンク１１の軽量化代とそのときのトルク変動の大きさを示している。図３中の特性線Ｂは、ロッカアーム１０のみを軽量化した場合の傾向を示しており、特性線Ｂ上のプロットは、ロッカアーム１０の軽量化代とそのときのトルク変動の大きさを示している。図３中の特性線Ｃは、第２リンク１２のみを軽量化した場合の傾向を示していおり、特性線Ｃ上のプロットは、第２リンク１２の軽量化代とそのときのトルク変動の大きさを示している。なお、軽量化代とは、部品毎の基準となる所定重量（例えば、既存の各部品のの重量）に対する減少量である。

図３に示すように、ピストン−クランク機構６のリンク部品を軽量化するにあたっては、ピストン２からクランクシャフト４へ向かう動力伝達経路上で、ピストン２に近いリンク部材を軽量化するのが効果的である。すなわち、ピストン−クランク機構６の重量を所定量Ｍだけ軽くする場合、第１リンク１１の重量のみを所定量Ｍだけ軽くする（第１リンク１１の軽量化代を所定量Ｍとする）のが相対的に最もトルク変動を低減することができる。なお、多気筒内燃機関であっても、所定回転数で回転させた状態におけるトルク変動と、ピストン−クランク機構６を構成するリンク部材（第１リンク１１、第２リンク１２、ロッカアーム１０）の軽量化との相関は、上述した図３と略同じような傾向となる。

そこで、本実施例では、第１リンク１１の重量がロッカアーム１０及び第２リンク１２の重量よりも軽くなるように、第１リンク１１を軽量化する。

これによって、第１リンク１１が相対的に軽量となり、第１リンク１１が発生させる慣性力を相対的に小さくできるので、ロッカアーム１０及び第２リンク１２に入力される荷重（入力荷重）が相対的に小さくなり、内燃機関１のトルク変動を相対的に効率よく低減することができる。

図４〜図７は、第１リンク１１の軽量化代を「０」、「所定量Ｍ１」、「所定量Ｍ２」とした際のロッカアーム１０及び第２リンク１２の入力荷重を、内燃機関１の運転状態毎に示したものである。なお、軽量化代Ｍ１、Ｍ２の大小関係は、０＜Ｍ１＜Ｍ２、となっている。また、図４〜図７中に○で示すプロットは、ロッカアーム１０への入力荷重を示し、△で示すプロットは第２リンク１２への入力荷重を示している。

図４は、機関回転数が低い状態で最大燃焼荷重がピストン２に作用した際のロッカアーム１０及び第２リンク１２の入力荷重を、第１リンク１１の軽量化代毎に示している。

図４に示すように、機関回転数が低い状態で最大燃焼荷重がピストン２に作用する状況では、第１リンク１１の軽量化によるロッカアーム１０及び第２リンク１２の入力荷重の低減効果はほとんどあらわれない。これは、機関回転数が低い状態では、ピストン２の往復運動が相対的に遅くなり、ピストン加速度が相対的に小さくなるため、第１リンク１１の軽量化による第１リンク１１の慣性力低減効果の影響が小さくなるためである。

図５は、機関回転数が高い状態で最大燃焼荷重がピストン２に作用した際のロッカアーム１０及び第２リンク１２の入力荷重を、第１リンク１１の軽量化代毎に示している。

図５に示すように、機関回転数が高い状態で最大燃焼荷重がピストン２に作用する状況では、第１リンク１１を軽量化するほど、ロッカアーム１０及び第２リンク１２の入力荷重の低減効果が大きくなる。これは、機関回転数が高い状態では、ピストン２の往復運動が相対的に速くなり、ピストン加速度が相対的に大きくなるため、第１リンク１１の軽量化による第１リンク１１の慣性力低減効果の影響が大きくなるためである。なお、機関回転数が高い状態ほど第１リンク１１の慣性力は大きくなるが、燃焼荷重がピストン２に作用する際には、第１リンク１１の慣性力の向き（上記機関上下方向の上向き）とは逆向きに燃焼荷重がピストン２に作用することになるため、燃焼荷重が同じであれば、各リンクの入力荷重の絶対量は、機関回転数が低い状態に比べて、相対的に小さくなる。

図６は、機関回転数が高い状態でピストン２が下死点位置のときのロッカアーム１０及び第２リンク１２の入力荷重を、第１リンク１１の軽量化代毎に示している。

図６に示すように、機関回転数が高い状態でピストン２が下死点位置となる状況では、第１リンク１１を軽量化するほど、ロッカアーム１０及び第２リンク１２の入力荷重の低減効果が大きくなる。これは、機関回転数が高い状態では、ピあため、第１リンク１１の軽量化による第１リンク１１の慣性力低減効果の影響が大きくなるためである。

図７は、機関回転数が高い状態でピストン２が排気上死点位置のときのロッカアーム１０及び第２リンク１２の入力荷重を、第１リンク１１を軽量化代毎に示している。

図７に示すように、機関回転数が高い状態でピストン２が排気上死点位置となる状況では、第１リンク１１を軽量化するほど、ロッカアーム１０及び第２リンク１２の入力荷重の低減効果が大きくなる。これは、機関回転数が高い状態では、ピストン２の往復運動が相対的に速くなり、ピストン加速度が相対的に大きくなるため、第１リンク１１の軽量化による第１リンク１１の慣性力低減効果の影響が大きくなるためである。

これら図４〜図７に示すように、第１リンク１１の軽量化により、ロッカアーム１０及び第２リンク１２の入力荷重が低減されることがわかる。

また、内燃機関１のトルク変動を低減するためには、上述したように、ピストン２からクランクシャフト４へ向かう動力伝達経路上で、ピストン２に近いリンク部材を軽量化するのが効果的なので、ロッカアーム１０の重量が第２リンク１２の重量よりも軽くなるように設定すれば、内燃機関１のトルク変動を低減する上で一層好適なリンク構成となる。

さらに、ピストン２の重量が、第１リンク１１の重量よりも軽くなるように設定するようにしてもよい。

そして、第１リンク１１を軽量化するにあたっては、例えば、図８に示すように、第１リンク１１の軸部２１に、凹部２４を設定することによって実現するようにしてもよい。

１…内燃機関
２…ピストン
３…シリンダ
４…クランクシャフト
５…クランクピン
６…ピストン−クランク機構
７…揺動支点
１０…ロッカアーム
１１…第１リンク
１２…第２リンク
１３…揺動支軸
１４…ピストンピン
１５…第１連結ピン
１６…第２連結ピン
１７…シリンダ壁部
１８…吸気弁
１９…排気弁

Claims (4)

1. 支点を中心に揺動可能なロッカアームと、一端がピストンのピストンピンと回転可能に連結され、他端が上記ロッカアームに回転可能に連結される第１リンクと、一端がクランクシャフトのクランクピンに回転可能に連結され、他端が上記ロッカアームに回転可能に連結される第２リンクと、を有するピストン−クランク機構を備えた内燃機関において、
   上記第１リンクの重量が上記ロッカアームの重量よりも軽くなるよう設定されていることを特徴とする内燃機関。
2. 上記第１リンクの重量が上記第２リンクの重量よりも軽くなるよう設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 上記ロッカアームの重量が上記第２リンクの重量よりも軽くなるよう設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関
4. 上記ピストンの重量が上記第１リンクの重量よりも軽くなるよう設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関。

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