JP7112906B2 - 複リンク式ピストンクランク機構 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のピストンクランク機構、特に、複リンク式ピストンクランク機構に関する。

複リンク式ピストンクランク機構の一例として、特許文献１に記載のものが挙げられる。この複リンク式ピストンクランク機構は、ピストンにピストンピンを介して一端が連結されたアッパリンクと、このアッパリンクの他端にアッパピンを介して連結され、かつクランクシャフトのクランクピンに連結されたロアリンクと、一端が内燃機関本体に支持ピンを介して揺動可能に連結され、かつ他端がロアリンクにコントロールピンを介して連結されたコントロールリンクと、を備えている。このコントロールリンクは、棒状に形成されており、支持ピンが嵌合する支持ピン嵌合孔を有した大端部と、コントロールピンが嵌合するコントロールピン嵌合孔を有した小端部と、を有している。

コントロールリンクは、支持ピン嵌合孔の中心とコントロールピン嵌合孔の中心とを通る線に対して左右対称に形成されている。従って、コントロールリンクの重心は、上記２つの中心を通る線上に位置している。

特開２０１７－５３４１６号公報

特許文献１の複リンク式ピストンクランク機構では、ピストンおよびアッパリンクの上下運動に起因して上下方向の振動成分が生じる。この振動成分は、奇数気筒内燃機関、例えば３気筒内燃機関においては、相殺されずに依然として残存したままとなる。そして、上記振動成分により、内燃機関にヨー振動が生じ、内燃機関の音振性能が悪化する虞がある。

さらに、燃費向上を目的とした複リンク式ピストンクランク機構のロングストローク化により、内燃機関の音振性能がさらに悪化する虞がある。

本発明では、コントロールリンクの第１端部の外周において、支持ピン嵌合孔の中心とコントロールピン嵌合孔の中心とを通る線を挟んで前記クランクピン側に、相対的に比重の小さい材料からなる軽量部が設けられている。

従って、軽量部を含むコントロールリンクの重心が、支持ピン嵌合孔とコントロールピン嵌合孔とを通る線を挟んでクランクピンと反対側に位置している。これにより、アッパリンクの上下運動に伴う振動成分の発生が抑制される。

本発明によれば、内燃機関に生じるヨー振動が低減され、これにより、内燃機関の音振性能が向上する。

第１の実施例の複リンク式ピストンクランク機構の構成説明図である。 第１の実施例のロアリンクの斜視図である。 （ａ）は、第１の実施例のコントロールリンクの平面図であり、（ｂ）は、クランクピンと反対側から見たときの第１の実施例のコントロールリンクの側面図である。 第１の実施例のコントロールリンクを用いた場合におけるヨー振動の振幅に対し、重り部なしの比較例のコントロールリンクを用いた場合におけるヨー振動の振幅を比較したグラフである。 （ａ）は、第２の実施例のコントロールリンクの平面図であり、（ｂ）は、クランクピンと反対側から見たときの第２の実施例のコントロールリンクの側面図である。 （ａ）は、小端部を断面で示した第３の実施例のコントロールリンクの部分断面図であり、（ｂ）は、クランクピン側から見たときの第３の実施例のコントロールリンクの側面図である。 （ａ）は、小端部を断面で示した第４の実施例のコントロールリンクの部分断面図であり、（ｂ）は、クランクピン側から見たときの第４の実施例のコントロールリンクの断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。

図１は、奇数気筒内燃機関、例えば直列３気筒内燃機関の各気筒に適用される第１の実施例の複リンク式ピストンクランク機構を示している。この複リンク式ピストンクランク機構は、ピストン１にピストンピン２を介して一端が連結されたアッパリンク３と、このアッパリンク３の他端にアッパピン（連結ピン）４を介して連結され、かつクランクシャフトのクランクピン５に連結されたロアリンク６と、このロアリンク６の自由度を規制するコントロールリンク７と、を備えている。このコントロールリンク７は、一端が機関本体側の支持ピン８に揺動可能に支持され、他端がロアリンク６にコントロールピン（連結ピン）９を介して連結されている。なお、複リンク式ピストンクランク機構は、支持ピン８の位置を可変とすることで、可変圧縮比機構として構成することも可能である。

図２に示すように、ロアリンク６は、クランクピン５に嵌合する円筒形のクランクピン軸受部１０を中央に有し、かつこのクランクピン軸受部１０を挟んで互いにほぼ１８０°反対側となる位置に、互いに対向する２つのアッパピン用ピンボス部１１ａ，１１ａと、互いに対向する２つのコントロールピン用ピンボス部１２ａ，１２ａ（図２には１つのみを図示）と、がそれぞれ設けられている。このロアリンク６は、全体として、菱形に近い平行四辺形をなしており、クランクピン軸受部１０の中心を通る分割面１３において、アッパピン用ピンボス部１１ａ，１１ａを含むロアリンクアッパ６Ａと、コントロールピン用ピンボス部１２ａ，１２ａを含むロアリンクロア６Ｂと、の２部品に分割して形成されている。これらのロアリンクアッパ６Ａおよびロアリンクロア６Ｂは、クランクピン軸受部１０をクランクピン５に嵌め込んだ上で、図示せぬ２本のボルトによって互いに締結されている。

アッパピン用ピンボス部１１ａ，１１ａおよびコントロールピン用ピンボス部１２ａ，１２ａは、アッパリンク３やコントロールリンク７を軸方向中央部に挟むように構成されており、ロアリンク６の軸方向端面に沿って延びている。つまり、ピンボス部１１ａ，１１ａ，１２ａ，１２ａは、円筒状をなすクランクピン軸受部１０の軸方向両端部にそれぞれ接続されている。

図３は、第１の実施例のコントロールリンク７を示している。図３（ａ）に示すように、コントロールリンク７は、該コントロールリンク７の単品として必要な剛性を確保するとともにコントロールリンク７の重量を最少とするように構成された左右対称の基本形状に、この基本形状からコントロールピン嵌合孔１４の径方向外側に張り出した重り部１５を付加することで、コントロールピン９の軸方向に見て左右非対称に形成されている。コントロールリンク７は、金属材料、例えばＳＶｈ４０ＣＳ１によって形成されている。ここで、ＳＶｈ４０ＣＳ１の比重は、７．８である。

図３（ｂ）に示すように、コントロールリンク７は、その厚み方向には概ね対称に形成されている。

コントロールリンク７の上記基本形状は、断面矩形の棒状をなすロッド部１６と、このロッド部１６の一端と一体に形成され、概ね長方形の外形をなす環状の大端部（第２端部）１７と、ロッド部１６の他端と一体に形成され、図３（ａ）に実線および仮想線で示す概ね円形の外形をなす環状の小端部（第１端部）１８と、から構成されている。

大端部１７は、支持ピン８に組付可能な半割構造をなしており、ロッド部１６と一体に形成された本体１７Ａと、この本体１７Ａとの間に支持ピン８が嵌合する円形の支持ピン嵌合孔１９を形成するキャップ１７Ｂと、を備えている。キャップ１７Ｂは、図示せぬ一対のボルトによって、本体１７Ａに共締固定される。

小端部１８は、コントロールピン９が嵌合する円形のコントロールピン嵌合孔１４を有している。ここで、小端部１８の基本形状は、一部を仮想線で示すように、コントロールピン嵌合孔１４と同心の円環状をなしている。小端部１８の基本形状の外形は、クランクピン５側に形成され、かつコントロールピン嵌合孔１４と同心の円弧１８ｄと、コントロールピン嵌合孔１４と同心となるように円弧１８ｄの一端からクランクピン５と反対側に連続する円弧１８ｃ（仮想線で示す）と、によって構成されている。

図３（ａ）に示すように、小端部１８の基本形状においては、支持ピン嵌合孔１９の中心Ｃ１とコントロールピン嵌合孔１４の中心Ｃ２とを通る線Ａと直交し、かつ中心Ｃ２を通る線Ｂに沿った直径方向の寸法を幅ＷＡとすると、この幅ＷＡは、ロッド部１６の幅ＷＢよりも大きく、かつ大端部１７の幅ＷＣよりも小さくなっている。

コントロールピン９の軸方向に見たときのコントロールリンク７の基本形状の重心Ｇ１は、図３（ａ）に示すように、ロッド部１６において、支持ピン嵌合孔１９の中心Ｃ１とコントロールピン嵌合孔１４の中心Ｃ２とを通る線Ａ上に位置している。

また、コントロールリンク７の大端部１７の側部２０側から見たときのコントロールリンク７の基本形状の重心Ｇ１は、図３（ｂ）に示すように、ロッド部１６において、コントロールリンク７の厚みの中心線Ｃ上に位置している。

第１の実施例のコントロールリンク７においては、上記のような基本形状を有する小端部１８の外周の一部である円弧１８ｃに重り部１５が付加されている。この重り部１５は、上記基本形状の重心Ｇ１に対しコントロールリンク７の重心Ｇ２を線Ａを挟んでクランクピン５と反対側にずらし、アッパリンク３の上下運動に伴う振動成分や、この振動成分に起因する内燃機関のヨー振動を抑制するためのものである。重り部１５は、線Ａを挟んでクランクピン５と反対側の小端部１８の基本形状の円弧１８ｃよりもコントロールピン嵌合孔１４の径方向外側に張り出している。つまり、重り部１５は、中心Ｃ２を通り、かつ線Ａと直交する線Ｂの付近に比較的多く分布するように、円弧１８ｃから、コントロールピン嵌合孔１４の径方向外側へと概ね三角形状に張り出している。ここで、重り部１５の先端１５ａは、線Ｂに沿った方向の位置として、大端部１７の側部２０よりも外側に位置している。このように構成された重り部１５の形状は、コントロールリンク７が支持ピン８を支点として線Ａに対し左右に揺れるときに、重り部１５が図示せぬシリンダブロックに干渉しないようになっている。

また、コントロールピン嵌合孔１４を囲むコントロールリンク７の端面のうちクランクピン５側にある端面１８ａは、線Ａを挟んでクランクピン５と反対側にある端面１８ｂと同一平面上にある。端面１８ｂは、重り部１５の端面１５ｂと連続しており、この端面１５ｂと同一平面にある。

このように重り部１５を付加した結果、重り部１５を含むコントロールリンク７の重心Ｇ２は、ロッド部１６において線Ａ上に位置する基本形状の重心Ｇ１よりも、線Ａを挟んでクランクピン５と反対側にずれた位置にある。

また、コントロールリンク７の大端部１７の側部２０側から見たときの重り部１５を含むコントロールリンク７の重心Ｇ２は、基本形状の重心Ｇ１と同じ位置にある。

ここで、図１に示すように、ピストン１の摺動方向に沿った方向を「Ｙ軸方向」と定義し、Ｙ軸に直交する方向を「Ｘ軸方向」と定義し、さらに、Ｘ軸方向に沿った図１の左側を「Ｘ軸方向一端側」と定義する。

かかる複リンク式ピストンクランク機構において、ロアリンク６は、ピストン１が受けた燃焼圧力をアッパリンク３を介してアッパピン４により受け取り、コントロールピン９を支点とする揺動動作によりクランクピン５に力を伝達する。

ロアリンク６の回転時には、図１に示すように、アッパピン４が嵌合するアッパピン用孔２１の中心Ｃ３は、クランクピン軸受部１０の中心Ｃ４よりも常にＸ軸方向一端側に位置し、一方、クランクピン軸受部１０の中心Ｃ４は、コントロールピン嵌合孔１４の中心Ｃ２よりも常にＸ軸方向一端側に位置している。このようなリンクジオメトリに起因して、特有の振動が発生する。

図４は、第１の実施例のコントロールリンク７を用いた場合におけるヨー振動の振幅に対し、重り部なしの比較例のコントロールリンクを用いた場合におけるヨー振動の振幅を比較したグラフである。実線は、第１の実施例のコントロールリンク７を用いた場合のヨー振動の振幅を示しており、一方、破線は、重り部なしのコントロールリンクを用いた場合のヨー振動の振幅を示している。

図４に示すように、第１の実施例のコントロールリンク７を用いた場合のヨー振動の振幅は、重り部なしのコントロールリンクを用いた場合のヨー振動の振幅よりも小さくなっている。従って、コントロールリンク７の小端部１８に重り部１５を付加することにより、直列３気筒内燃機関に生じるヨー振動が低減したことが分かる。

上記のように、第１の実施例では、重り部１５は、線Ａを挟んでクランクピン５と反対側の小端部１８の円弧１８ｃよりもコントロールピン嵌合孔１４の径方向外側に概ね三角形状に張り出している。従って、重り部１５を含むコントロールリンク７の重心Ｇ２は、コントロールリンク７の最低限の剛性を確保するために設定された基本形状の重心Ｇ１に対して、線Ａを挟んでクランクピン５と反対側にずれた位置にある。これにより、アッパリンク３の上下運動に伴う振動成分の発生が抑制され、さらに、この振動成分に伴って直列３気筒内燃機関に生じるヨー振動が減少する。よって、ヨー振動に起因する直列３気筒内燃機関の音振性能が向上する。

また、燃費の向上を目的として、複リンク式ピストンクランク機構をロングストローク化する場合には、直列３気筒内燃機関の音振性能がさらに悪化する虞があるが、第１の実施例のコントロールリンク７は、上記のようなロングストローク化した複リンク式ピストンクランク機構に対しても音振性能を向上させることができる。

図５（ａ）および図５（ｂ）は、第２の実施例のコントロールリンク７の正面図および側面図をそれぞれ示している。

第２の実施例では、図５（ａ）に示すように、コントロールリンク７の重り部２２は、中心Ｃ２を通り、かつ線Ａと直交する線Ｂよりも大端部１７側に多く分布している。

これに伴い、重り部２２を含むコントロールリンク７の重心Ｇ３は、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、基本形状を有したロアリンクの重心Ｇ１よりも線Ａを挟んでクランクピン５と反対側にずれ、さらに、支持ピン嵌合孔１９側にずれて位置している。

コントロールリンク７は、支持ピン嵌合孔１９の中心Ｃ１を支点として線Ａに対し左右に揺れるように運動するものであり、重心Ｇ３が中心Ｃ１から遠くなるほど支持ピン嵌合孔１９に掛かる軸受荷重が大きくなる。

第２の実施例では、コントロールリンク７の重り部２２を線Ｂよりも大端部１７側に多く分布させて重心Ｇ３を支持ピン嵌合孔１９の中心Ｃ１に近づけることで、第１の実施例と比較して支持ピン嵌合孔１９に掛かる軸受荷重を低減することができる。

なお、第２の実施例のように重心Ｇ３を支持ピン嵌合孔１９の中心Ｃ１に近づけてもヨー振動の低減作用は、第１の実施例と同様に作られ、直列３気筒内燃機関の音振性能の向上が図れる。

図６（ａ）は、小端部１８を断面で示した第３の実施例のコントロールリンク７の部分断面図であり、図６（ｂ）は、クランクピン５側から見たときの第３の実施例のコントロールリンク７の側面図である。なお、図６（ａ）では、軽量部２３を樹脂用の断面ハッチングで示し、図６（ｂ）では、軽量部２３をドットで示してある。

第３の実施例では、コントロールリンク７は、該コントロールリンク７の単品として必要な剛性を確保するとともにコントロールリンク７の重量を最少とするように構成された上述の左右対称の基本形状に形成されている。コントロールリンク７では、中心Ｃ１および中心Ｃ２を通る線Ａよりもクランクピン５側に、線Ａを挟んでクランクピン５と反対側（比重が７．８であるＳＶｈ４０ＣＳ１によって構成されている）よりも比重の小さい材料から形成された軽量部２３が設けられている。この軽量部２３は、合成樹脂材料、例えばコウベライトＫＭ－９０００によって構成されている。ここで、コウベライトＫＭ－９０００の比重は、１．３２である。

小端部１８の厚み方向における中央位置には、図６（ｂ）に長方形の破線で示す凹部２４が開口形成されている。図６（ａ）に示すように、凹部２４は、線Ａよりもクランクピン５側に設けられており、コントロールピン９の径方向に切断したときの断面が概ね扇形状をなしている。凹部２４は、コントロールピン嵌合孔１４の内周面から径方向外側に離間した位置で円弧面状に連続した底面２４ａと、該底面２４ａの周方向両端部に設けられ、線Ａ付近に位置する一対の周方向端面２４ｂ，２４ｂと、底面２４ａおよび周方向端面２４ｂ，２４ｂに接続され、互いに対向する一対の軸方向端面２４ｃ，２４ｃと、を有している。このように構成された凹部２４内に、コウベライトＫＭ－９０００からなる軽量部２３が充填される。

底面２４ａ、周方向端面２４ｂ，２４ｂおよび軸方向端面２４ｃ，２４ｃと軽量部２３との間の結合は、周知の異種材料結合方法によって行われる。

なお、凹部２４からの軽量部２３の脱落を抑制するために、軸方向端面２４ｃ，２４ｃに凹凸を設けるようにしても良い。

また、小端部１８の厚み方向両端部、つまり図６（ｂ）の軽量部２３の両側では、ＳＶｈ４０ＣＳ１からなる金属部分が小端部１８の全周にわたって連続している。

このように軽量部２３を付加した結果、軽量部２３を含むコントロールリンク７の重心Ｇ４は、ロッド部１６において、線Ａ上に位置する基本形状の重心Ｇ１よりも、線Ａを挟んでクランクピン５と反対側にずれた位置にある。

また、クランクピン５側から見たときの軽量部２３を含むコントロールリンク７の重心Ｇ４は、基本形状の重心Ｇ１と同じ位置にある。

上記のように、第３の実施例では、コントロールリンク７の線Ａよりもクランクピン５側に、線Ａを挟んでクランクピン５と反対側よりも比重の小さい材料からなる軽量部２３が設けられている。従って、軽量部２３を含むコントロールリンク７の重心Ｇ４は、コントロールリンク７の最低限の剛性を確保するために設定された基本形状の重心Ｇ１に対して、線Ａを挟んでクランクピン５と反対側にずれた位置にある。これにより、アッパリンク３の上下運動に伴う振動成分の発生が抑制され、さらに、この振動成分に伴って直列３気筒内燃機関に生じるヨー振動が減少する。よって、ヨー振動に起因する直列３気筒内燃機関の音振性能が向上する。

図７（ａ）は、小端部１８を断面で示した第４の実施例のコントロールリンク７の部分断面図であり、図７（ｂ）は、クランクピン５側から見たときの第４の実施例のコントロールリンク７の側面図である。

第４の実施例のコントロールリンク７は、第３の実施例のコントロールリンク７の小端部１８の線Ａを挟んでクランクピン５と反対側に、第１の実施例の重り部１５よりも外形が小さい重り部２５を付加したものである。従って、軽量部２３および重り部２５を含むコントロールリンク７の重心Ｇ５は、第３の実施例の重心Ｇ４よりも線Ａを挟んでクランクピン５と反対側にずれた位置にある。

第４の実施例のように、軽量部２３および小型の重り部２５を含むコントロールリンク７によっても、線Ａを挟んでクランクピン５と反対側に重心Ｇ５がずれた構成が得られる。従って、小型の重り部２５により、重り部２５とシリンダブロックとの干渉を効果的に抑制しながら、直列３気筒内燃機関に生じるヨー振動を減少させることができる。

１・・・ピストン
３・・・アッパリンク
６・・・ロアリンク
７・・・コントロールリンク
８・・・支持ピン
９・・・コントロールピン
１４・・・コントロールピン嵌合孔
１５・・・重り部
１７・・・大端部
１８・・・小端部
１９・・・支持ピン嵌合孔
２２・・・重り部
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４・・・中心
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４，Ｇ５・・・重心
２３・・・軽量部
２４・・・凹部
２５・・・重り部

Claims (4)

1. ピストンにピストンピンを介して一端が連結されたアッパリンクと、このアッパリンクの他端にアッパピンを介して連結され、かつクランクシャフトのクランクピンに連結されたロアリンクと、一端が内燃機関本体に支持ピンを介して揺動可能に連結され、かつ他端が前記ロアリンクにコントロールピンを介して連結されたコントロールリンクと、を備えた複リンク式ピストンクランク機構において、
   前記コントロールリンクは、前記コントロールピンが嵌合するコントロールピン嵌合孔を有した第１端部と、前記支持ピンが嵌合する支持ピン嵌合孔を有した第２端部と、を備え、
   前記支持ピン嵌合孔の中心と前記コントロールピン嵌合孔の中心とを通る線を挟んで前記クランクピン側に、相対的に比重の小さい材料からなる軽量部が設けられていることを特徴とする複リンク式ピストンクランク機構。
2. 前記軽量部は、合成樹脂材料によって形成されており、前記軽量部以外の前記コントロールリンクの部位は、金属材料によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の複リンク式ピストンクランク機構。
3. 前記軽量部を含む前記コントロールリンクの重心は、前記支持ピン嵌合孔の中心と前記コントロールピン嵌合孔の中心とを通る線を挟んで前記クランクピンと反対側にずれた位置にあることを特徴とする請求項１または２に記載の複リンク式ピストンクランク機構。
4. 前記コントロールリンクは、奇数気筒内燃機関に用いられることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の複リンク式ピストンクランク機構。

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