JP2006183695A - 内燃機関のクランク機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 内燃機関の音振性能を向上させるクランク機構を提供する。
【解決手段】 複リンク式のクランク機構において、ピストン加速度のクランク回転速度を基準とした各次数成分の加速度振幅の中で、３次成分の加速度振幅が、６次以下の他の次数成分の加速度振幅よりも小さくなるよう設定されている。これによって、ピストン加速度の３次振動成分の振幅を積極的に低減することができ、ピストン加速度の３次振動成分が原因となる内燃機関の音振性能の悪化を防止することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関のクランク機構に関する。

クランクシャフトのクランクピンと、ピストンのピストンピンとを、複数のリンクを介して連係させたいわゆる複リンク式のクランク機構が従来から知られている。（例えば、特許文献１を参照）
特２００１−２２７３６７号公報

しかしながら、公知の複リンク式のクランク機構においては、ピストン加速度のクランク回転速度（クランクシャフトの回転速度）を基準とした各次数成分の加速度振幅の中で、３次成分の加速度振幅に関して着目しておらず、３次成分の加速度振幅が悪化している（加速度振幅が大きい）ものを直列３気筒エンジンや、Ｖ型６気筒エンジンに適用した場合に、内燃機関の音振性能が極めて悪化してしまう虞がある。

そこで、本発明は、複リンク式のクランク機構において、ピストン加速度のクランク回転速度を基準とした各次数成分の加速度振幅の中で、３次成分の加速度振幅が、６次以下の他の次数成分の加速度振幅よりも小さ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、ピストン加速度の３次振動成分の振幅を積極的に低減することができるので、ピストン加速度の３次振動成分が原因となる内燃機関の音振性能の悪化を防止することができる。

本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施形態における内燃機関のクランク機構１を模式的に示した説明図であって、ピストン上死点時における状態を示している。また、図２は、この第１実施形態における内燃機関のクランク機構１のピストン上死点時におけるリンク配置を模式的に示したリンク図である。尚、クランク機構１は、複数のリンクにより構成されたいわゆる複リンク式のものである。

クランクシャフト２は、複数のクランクジャーナル３とクランクピン４とを備えており、シリンダブロック（図示せず）の主軸受（図示せず）に、クランクジャーナル３が回転自在に支持されている。クランクピン４は、クランクジャーナル３から所定量偏心しており、ここにロアリンク５が回転自在に連結されている。

アッパーリンク６は、下端側がアッパーピン７によりロアリンク５の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン８によりピストン９に回動可能に連結されている。ピストン９は、燃焼圧力を受け、シリンダブロックのシリンダ内を往復動する。

コントロールリンク１０は、上端側がコントロールピン１１によりロアリンク５の他端に回動可能に連結され、下端側がコントロールシャフト１２を介して機関本体の一部となるシリンダブロック（図示せず）の下部に回動可能に連結されており、コントロールシャフト１２を中心に揺動運動を行いつつ、ロアリンク５の運動を拘束する。また、第１実施形態におけるコントロールシャフト１２は、内燃機関本体に対して静止しているものである。

コントロールシャフト１２は、クランクシャフト２の斜め下方に位置している。すなわち、クランクジャーナル軸心Ｏａを通り、かつピストンピン軸心Ｏｂの往復軸線Ｌｂ（ピストンピン８の往復軸線）に平行な直線からオフセットし、ピストン往復方向でクランクシャフト２よりもピストン下死点側（図１及び図２における下方）となる位置にコントロールシャフト１２は配置されている。

尚、図２中のＬｃはアッパーピン軸心Ｏｃの運動軌跡であるアッパーピン運動軌跡、Ｌｄはクランクピン軸心Ｏｄの運動軌跡であるクランクピン運動軌跡、Ｌｅはコントロールピン軸心Ｏｅの運動軌跡である略円弧状のコントロールピン運動軌跡である。また、Ｏｆはコントロールシャフト１２の軸心である
ここで、この第１実施形態におけるクランク機構１は、ピストンピン軸心Ｏｂの往復軸線Ｌｂに対して、コントロールシャフト１２と、クランクジャーナル軸心Ｏａとが同じ側に位置するよう構成されている。換言すれば、コントロールシャフト１２とクランクジャーナル軸心Ｏａとがピストンピン８の往復軸線Ｌｂの左側（図２における左側）に位置している。

また、クランクピン軸心Ｏｄはクランクジャーナル軸心Ｏａの周りを公転するが、図１及び図２に示すように、ピストン上死点時において、クランクジャーナル軸心Ｏａ、クランクピン軸心Ｏｄ、アッパーピン軸心Ｏｃ及びピストンピン軸心Ｏｂが略一直線上に並ぶよう構成されている。

さらに、円弧状のコントロールピン運動軌跡Ｌｅの反クランクシャフト側端部Ｐ１（図２における左側端部）のピストン往復方向（図２における上下方向）での高さが、クランクシャフト側端部Ｐ２（図２における右側端部）のピストン往復方向での高さよりも高く、かつピストン上死点時のコントールピン軸心０ｅの位置が、ピストン往復方向で、反クランクシャフト側端部Ｐ１とクランクシャフト側端部Ｐ２との間に位置するよう構成されている。換言すれば、コントロールピン運動軌跡Ｌｅのピストン往復方向で見た高さは、反クランクシャフト側が高く、クランクシャフト側が低くなるよう設定されている。

図３〜図５は、比較例としての一般的な内燃機関のクランク機構８０を示している。尚、上述した第１実施形態のクランク機構１と同一の構成要素については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

この比較例のクランク機構８０は、上述した第１実施形態のクランク機構１と略同一構成となっているが、図３に示すように、ピストン上死点時において、クランクジャーナル軸心Ｏａ、クランクピン軸心Ｏｄ、アッパーピン軸心Ｏｃ及びピストンピン軸心Ｏｂとが略一直線上に並ぶようには構成されておらず、またクランクシャフト２の回転に伴うコントロールピン軸心Ｏｅの略円弧状のコントロールピン運動軌跡Ｌｅの両端点、すなわち反クランクシャフト側端部Ｐ１（図３における左側端部）とクランクシャフト側端部Ｐ２（図３における右側端部）とが、ピストン往復方向（図３における上下方向）で略同じ高さとなるよう構成されている。

本発明の第１実施形態においては、ピストン上死点時において、クランクジャーナル軸心Ｏａ、クランクピン軸心Ｏｄ、アッパーピン軸心Ｏｃ及びピストンピン軸心Ｏｂが略一直線上に並ぶよう構成されているので、ピストン上死点付近でのピストン９の上昇行程と下降行程とを類似させることができる。

図４に示すように、ピストン上死点時において、クランクジャーナル軸心Ｏａ、クランクピン軸心Ｏｄ、アッパーピン軸心Ｏｃ及びピストンピン軸心Ｏｂとが略一直線上に並ぶように構成されておらず、折れ線状態になってしまうと、ピストン９の行程を決めているクランクジャーナル軸心Ｏａとピストンピン軸心Ｏｂとの距離が、各リンクの向く方向が多少変化しただけで大きく変動してしまうため、ピストン上死点付近でのピストン上昇行程とピストン下降行程の間に大きな差異が発生することになる。

しかしながら、本発明の第１実施形態のように、ピストン上死点時に、クランクジャーナル軸心Ｏａ、クランクピン軸心Ｏｄ、アッパーピン軸心Ｏｃ及びピストンピン軸心Ｏｂが略一直線上に並んでいると、図６に示すように、各リンク端点は、ピストン９の行程を決めているクランクジャーナル軸心Ｏａとピストンピン軸心Ｏｂの方向で見ると、円弧の頂点付近を左右に振れるだけになるため、各リンクの向く方向が多少変化したとしても、ピストン９の行程を決めているクランクジャーナル軸心Ｏａとピストンピン軸心Ｏｂの距離の変化は、上述の比較例に比べて非常に小さくなり、結果として、ピストン上死点付近でのピストン９の上昇行程と下降行程の間の差異は小さくなる。

また、本発明の第１実施形態において、ピストン上死点から９０度ずれた２つのリンク配置を見ると、図７に示すように、クランクピン軸心Ｏｄが水平右方向を向いている状態（図７の右側に点線で示すリンク配置）のアッパーリンク６は、クランクピン軸心Ｏｄが水平左方向を向いている状態（図７の左側に実線で示すリンク配置）に比べて大きく傾斜しアッパーピン軸心Ｏｃがピストンピン軸心Ｏｂの往復軸線Ｌｂから離れている。そしてアッパーリンク６の長さは不変であるため、その分、アッパーリンク６のみで考えると、ピストンピン軸心Ｏｂは下方へ引き下げられてしまうはずであるが、コントロールピン軸心Ｏｅのピストン往復方向で見た高さは、クランクピン軸心Ｏｄが水平左方向を向いている状態よりもクランクピン軸心Ｏｄが水平右方向を向いている状態の方が下方に位置しているため、ロアリンク５がクランクピン軸心Ｏｄを中心に反時計回りにより回転させることになり、その結果、アッパーピン軸心Ｏｃ自体はより上方へ持ち上げられ、アッパーピン軸心Ｏｃがピストンピン軸心Ｏｂの往復軸線から離れていることによるピストンピン軸心Ｏｂの下方への移動が補正されることになる。これにより、ピストン上死点から９０度ずれた２つのリンク配置におけるピストンピン軸心Ｏｂの高さ、すなわちピストン位置、を近い位置に設定することができ、ピストン上死点を境としたピストン９の上昇行程と下降行程の対称性を向上させることができる。そのため、本実施形態においては、ピストン加速度のクランク回転速度を基準とした各次数成分の加速度振幅のうち３次成分の加速度振幅を積極的に低減することができる。換言すれば、ピストン運動のクランクシャフト回転同期に対する３次振動成分の振幅を積極的に低減することができる。つまり、ピストン加速度の３次成分の加速度振幅が、６次以下の他の加速度振幅よりも小さくなるよう設定されることになるので、エンジン振動性能を悪化させることなく、直列３気筒エンジンやＶ型６気筒エンジンへ適用することが可能になる。

ここで、図８は本発明の第１実施形態におけるピストン加速度波形とそのフーリエ展開波形を示す特性線図であり、図９は比較例におけるピストン加速度波形とそのフーリエ展開波形を示す特性線図である。

本発明の第１実施形態においては、比較例に対してピストン加速度の２次成分の加速度振幅や４次成分の加速度振幅がむしろ増大しているが（図８及び図９を参照）、直列３気筒エンジンやＶ型６気筒エンジンでは、気筒間の位相差により打ち消し合うことになるので問題にはならない。比較例においては、図５に示すように、コントロールピン軸心Ｏｅのピストン往復方向で見た高さは、クランクピン軸心Ｏｄが水平左方向を向いている状態（図５の左側に実線で示すのリンク配置）と、クランクピン軸心が水平右方向を向いている状態（図５の右側に点線で示すリンク配置）とでほぼ同程度であるため、アッパーピン軸心Ｏｃがピストンピン軸心Ｏｂの往復軸線から離れていることによるピストンピン軸心Ｏｂの高さの低下が補正されていない。

以上、説明してきたように、本発明の第１実施形態におけるクランク機構１は、ピストン上死点時に各リンクが直列化するよう構成され、かつコントロールピン運動軌跡Ｌｅのピストン往復方向で見た高さを、反クランクシャフト側が相対的に高く、クランクシャフト側が相対的に低くなるよう設定されているため、ピストン上死点を境としたピストン９の上昇行程と下降行程との対称性を向上させることができ、ピストン加速度の３次振動成分の振幅を積極的に低減することができる。そのため、特に、直列３気筒エンジンやＶ型６気筒エンジンに適用した場合に内燃機関の音振性能の向上を図ることができる。

次に本発明の第２実施形態における内燃機関のクランク機構２０について説明する。尚、以下に説明する各実施形態においては、上述した第１実施形態と同一構成要素については、同一の符号を付し説明を省略する。

第２実施形態における内燃機関のクランク機構２０は、上述した第１実施形態のクランク機構１と略同一構成となっているが、図１０及び図１１に示すように、ピストンピン軸心Ｏｂの往復軸線Ｌｂがクランクジャーナル軸心Ｏａを通るように構成されている。

このような第２実施形態においては、上述した第１実施形態における作用効果に加え、クランクオフセットが無い通常エンジンのマルチリンク化にも対応可能である。

図１２及び図１３は、本発明の第３実施形態における内燃機関のクランク機構３０を示している。

この第３実施形態における内燃機関のクランク機構３０は、上述した第１実施形態のクランク機構と略同一構成となっているが、ピストンピン軸心Ｏｂの往復軸線Ｌｂに対して、クランクジャーナル軸心Ｏａがコントロールシャフト１２（コントロールシャフト軸心Ｏｆ）とは、反対側に位置している。このようなリンク配置においても、ピストン９の上昇行程と下降行程の対称性を高めることが可能である。このようなリンク配置では、ピストン上死点直後の最大燃焼圧力タイミングにおいてクランクピン４を支点と考えた場合のレバーとしての役割を有するロアリンク５のレバー比を低減できるため、上述した第１実施形態の作用効果に加え、クランクピン４への荷重を大幅に低減することができる。

図１４は、本発明の第４実施形態における内燃機関のクランク機構を示している。

この第４実施形態における内燃機関のクランク機構は、上述した第１実施形態のクランク機構と略同一構成となっているが、コントロールシャフト１２が内燃機関本体に対して回転可能に支持された主軸部１２ａと、この主軸部１２ａの回転中心から所定量偏心した偏心軸部１２ｂと、から構成されている。そして、コントロールリンク１０の下端側は、コントロールシャフト１２の偏心軸部１２ｂに対して回動可能に連結されている。また、コントロールシャフト１２の主軸部１２ａの機関本体に対する回転姿勢は、電動モータ駆動あるいは油圧駆動のアクチュエータ（図示せず）により内燃機関の運転条件に応じて変化させることが可能となっている。さらに、内燃機関の圧縮比は、このアクチュエータにより主軸部１２ａの機関本体に対する回転姿勢を変化させることで可能となっている。

この第４実施形態においては、内燃機関の圧縮比を決めているクランクジャーナル軸心Ｏａとピストンピン軸心Ｏｂの間の距離が最大、すなわちピストン上死点位置が最も高くなるのが、クランクジャーナル軸心Ｏａ、クランクピン軸心Ｏｄ、アッパーピン軸心Ｏｃ及びピストンピン軸心Ｏｂが一直線上に並ぶ状態であるため、ピストン上死点時に、クランクジャーナル軸心Ｏａ、クランクピン軸心Ｏｄ、アッパーピン軸心Ｏｃ及びピストンピン軸心Ｏｂがほぼ直線上に並ぶコントロールシャフト１２の回転姿勢時が、内燃機関の最高圧縮比であるよう設定されている。

上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１） 一端がピストンピンを介してピストンに連結されたアッパーリンクと、アッパーリンクの他端にアッパーピンを介して揺動可能に連結されていると共に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たロアリンクと、一端がコントロールピンを介してロアリンクに揺動可能に連結されていると共に他端が内燃機関本体に対して支持されたコントロールシャフトに揺動可能に支持されたコントロールリンクと、を有する内燃機関のクランク機構において、ピストン加速度のクランク回転速度を基準とした各次数成分の加速度振幅の中で、３次成分の加速度振幅が、６次以下の他の次数成分の加速度振幅よりも小さくなるよう設定されている。これによって、ピストン加速度の３次振動成分の振幅を積極的に低減することができるので、ピストン加速度の３次振動成分が原因となる内燃機関の音振性能の悪化を防止することができる。

（２） 上記（１）に記載の内燃機関のクランク機構は、具体的には、アッパーピン軸心とコントロールピン軸心との間の距離が、アッパーピン軸心とクランクピン軸心との距離及びコントロールピン軸心とクランクピン軸心との距離、のいずれよりも大きくなるよう設定され、クランクシャフトの回転に伴うコントロールピン軸心の略円弧状のコントロールピン運動軌跡の反クランクシャフト側端部の位置は、このコントロールピン運動軌跡のクランクシャフト側端部の位置に対して、ピストン往復方向のピストン上死点側に位置し、かつピストン上死点時におけるコントロールピンの軸心位置が、ピストン往復方向で、コントロールピン運動軌跡の反クランクシャフト側端部とクランクシャフト側端部との間に位置するよう構成されている。

（３） 上記（１）または（２）に記載の内燃機関のクランク機構は、より具体的には、ピストン上死点時に、クランクシャフトのクランクジャーナル軸心、クランクピン軸心、アッパーピン軸心及びピストンピン軸心が略直線上に並ぶよう構成されている。

（４） 上記（３）に記載の内燃機関のクランク機構は、ピストンピンの往復軸線に対して、クランクジャーナル軸心とコントロールシャフトとが同じ側に位置する。

（５） 上記（３）に記載の内燃機関のクランク機構は、ピストンピンの往復軸線が、クランクジャーナル軸心を通る。

（６） 上記（３）に記載の内燃機関のクランク機構は、ピストンピンの往復軸線に対して、クランクシャフトジャーナル軸心がコントロールシャフトとは反対側に位置する。

（７） 上記（１）〜（６）のいずれかに記載の内燃機関のクランク機構において、コントロールシャフトは、内燃機関本体に回転支持される主軸部と、主軸部の軸心と偏心関係にある偏心軸部により構成され、偏心軸部にコントロールリンクの他端が揺動可能に支持されたものであって、内燃機関の運転条件に応じて、所定回転姿勢までコントロールシャフトを内燃機関本体に対して回転させ、保持することが可能なアクチュエータを有している。

（８） 上記（７）に記載の内燃機関のクランク機構において、ピストン上死点時に、クランクシャフトのクランクジャーナル軸心、クランクピン軸心、アッパーピン軸心及びピストンピン軸心が略直線上に並ぶコントロールシャフトの回転姿勢時が、内燃機関の最高圧縮比である。

本発明の第１実施形態における内燃機関のクランク機構を模式的に示した説明図。 本発明の第１実施形態における内燃機関のクランク機構のピストン上死点時におけるリンク配置を模式的に示したリンク図。 比較例の内燃機関のクランク機構のピストン上死点時におけるリンク配置を模式的に示したリンク図。 比較例の内燃機関のクランク機構のピストン上死点時におけるリンク配置を模式的に示したリンク図。 比較例の内燃機関のクランク機構のピストン上死点時からクランク角で９０度前後にずれたタイミングにおけるリンク配置を模式的に示したリンク図。 本発明の第１実施形態における内燃機関のクランク機構のピストン上死点時におけるリンク配置を模式的に示したリンク図。 本発明の第１実施形態における内燃機関のクランク機構のピストン上死点時からクランク角で９０度前後にずれたタイミングにおけるリンク配置を模式的に示したリンク図。 本発明の第１実施形態におけるピストン加速度波形とそのフーリエ展開波形を示す特性線図。 比較例におけるピストン加速度波形とそのフーリエ展開波形を示す特性線図。 本発明の第２実施形態における内燃機関のクランク機構のピストン上死点時におけるリンク配置を模式的に示したリンク図。 本発明の第２実施形態における内燃機関のクランク機構のピストン上死点時からクランク角で９０度前後にずれたタイミングにおけるリンク配置を模式的に示したリンク図。 本発明の第３実施形態における内燃機関のクランク機構のピストン上死点時におけるリンク配置を模式的に示したリンク図。 本発明の第３実施形態における内燃機関のクランク機構のピストン上死点時からクランク角で９０度前後にずれたタイミングにおけるリンク配置を模式的に示したリンク図。 本発明の第４実施形態における内燃機関のクランク機構を模式的に示した説明図。

符号の説明

１…クランク機構
２…クランクシャフト
３…クランクジャーナル
４…クランクピン
５…ロアリンク
６…アッパーリンク
７…アッパーピン
８…ピストンピン
１０…コントロールリンク
１１…コントロールピン
１２…コントロールシャフト

Claims (8)

1. 一端がピストンピンを介してピストンに連結されたアッパーリンクと、アッパーリンクの他端にアッパーピンを介して揺動可能に連結されていると共に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たロアリンクと、一端がコントロールピンを介してロアリンクに揺動可能に連結されていると共に他端が内燃機関本体に対して支持されたコントロールシャフトに揺動可能に支持されたコントロールリンクと、を有する内燃機関のクランク機構において、
   ピストン加速度のクランク回転速度を基準とした各次数成分の加速度振幅の中で、３次成分の加速度振幅が、６次以下の他の次数成分の加速度振幅よりも小さくなるよう設定されていることを特徴とする内燃機関のクランク機構。
2. アッパーピン軸心とコントロールピン軸心との間の距離が、アッパーピン軸心とクランクピン軸心との距離及びコントロールピン軸心とクランクピン軸心との距離、のいずれよりも大きくなるよう設定され、
   クランクシャフトの回転に伴うコントロールピン軸心の略円弧状のコントロールピン運動軌跡の反クランクシャフト側端部の位置は、このコントロールピン運動軌跡のクランクシャフト側端部の位置に対して、ピストン往復方向のピストン上死点側に位置し、かつピストン上死点時におけるコントロールピンの軸心位置が、ピストン往復方向で、コントロールピン運動軌跡の反クランクシャフト側端部とクランクシャフト側端部との間に位置するよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のクランク機構。
3. ピストン上死点時に、クランクシャフトのクランクジャーナル軸心、クランクピン軸心、アッパーピン軸心及びピストンピン軸心が略直線上に並ぶよう構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関のクランク機構。
4. ピストンピンの往復軸線に対して、クランクジャーナル軸心とコントロールシャフトとが同じ側に位置することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のクランク機構。
5. ピストンピンの往復軸線が、クランクジャーナル軸心を通ることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のクランク機構。
6. ピストンピンの往復軸線に対して、クランクシャフトジャーナル軸心がコントロールシャフトとは反対側に位置することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のクランク機構。
7. コントロールシャフトは、内燃機関本体に回転支持される主軸部と、主軸部の軸心と偏心関係にある偏心軸部により構成され、偏心軸部にコントロールリンクの他端が揺動可能に支持されたものであって、
   内燃機関の運転条件に応じて、所定回転姿勢までコントロールシャフトを内燃機関本体に対して回転させ、保持することが可能なアクチュエータを有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関のクランク機構。
8. ピストン上死点時に、クランクシャフトのクランクジャーナル軸心、クランクピン軸心、アッパーピン軸心及びピストンピン軸心が略直線上に並ぶコントロールシャフトの回転姿勢時が、内燃機関の最高圧縮比であることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関のクランク機構。

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