JP4337426B2 - Piston engine with approximate linear mechanism - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関や外燃機関などのピストン機関に用いられるピストン・クランク機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、ピストンとシリンダとの間の摩擦は、ピストン機関の摩擦全体の半分以上を占めている。そこで、従来から、ピストンとシリンダとの間の摩擦を低減するために種々の工夫がなされている。例えば、下記の特許文献１に記載されたピストン・クランク機構では、ピストンピンとクランクピンとの間をフリーリンクで連結した構成が開示されている。この機構は、ピストンの往復運動の中間点において、フリーリンクの軸線のピストン中心軸線に対する傾斜が少なく維持されるように構成されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−５０３６２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来知られている機構では、摩擦を充分に低減するには構成が大型化してしまうため、ピストンとシリンダとの間の摩擦を充分に低減できないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、ピストンとシリンダとの間の摩擦を低減できる技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１のピストン機関は、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転するクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制するグラスホッパの近似直線機構と、
を備え、
前記近似直線機構は、第１と第２の横方向リンクと、縦方向リンクとを有しており、
前記第１の横方向リンクの第１の端部は、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部に回動可能に連結されており、
前記第１の横方向リンクの第２の端部は、前記縦方向リンクの第１の端部と回動可能に連結されており、
前記縦方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの第１の端部は、前記第１の横方向リンクの中間の所定の位置において前記第１の横方向リンクに回動可能に連結されており、
前記第２の横方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの前記第１の端部は二股構造になっており、前記第１の横方向リンクの前記第１の端部が前記二股構造の間を通り抜けるように構成されている。
【０００７】
グラスホッパの直線近似機構は、近似直線上を移動する点が機構の一方の端部近傍に偏っているので、ピストン機関のピストンの運動を規制するのに特に適しており、また、コンパクトな機構で良好な直線性を得ることが可能である。従って、ピストンとシリンダとの間の摩擦を大幅に低減することができる。また、第２の横方向リンクの第１の端部は二股構造になっており、第１の横方向リンクの第１の端部が二股構造の間を通り抜けるように構成されているので、コネクティングロッドを短くしても、第１と第２の横方向リンク同士が干渉することが無く、ピストン機関の縦方向の寸法の増大を抑制できるという効果がある。
【０００８】
本発明の第２のピストン機関は、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転するクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制するグラスホッパの近似直線機構と、
を備え、
前記近似直線機構は、前記ピストンの上死点における前記連結部の前記シリンダの軸方向中心線からの第１のズレ量が、前記ピストンの下死点における前記連結部の前記シリンダの軸方向中心線からの第２のズレ量よりも小さな値となるように構成されており、
前記近似直線機構は、第１と第２の横方向リンクと、縦方向リンクとを有しており、
前記第１の横方向リンクの第１の端部は、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部に回動可能に連結されており、
前記第１の横方向リンクの第２の端部は、前記縦方向リンクの第１の端部と回動可能に連結されており、
前記縦方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの第１の端部は、前記第１の横方向リンクの中間の所定の位置において前記第１の横方向リンクに回動可能に連結されており、
前記第２の横方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの前記第１の端部は二股構造になっており、前記第１の横方向リンクの前記第１の端部が前記二股構造の間を通り抜けるように構成されている。
【０００９】
このピストン機関では、ピストンとコネクティングロッドとの連結部が、近似直線運動するように規制されているので、ピストンとシリンダとの間の摩擦を低減することができる。また、特に、ピストンの上死点における第１のズレ量が、下死点における第２のズレ量よりも小さな値となるように近似直線機構が構成されているので、上死点近傍における爆発力によってピストンに大きな横方向の力（スラスト）が掛かることを防止できる。この結果、ピストンとシリンダとの間の摩擦を大幅に低減することができる。また、第２の横方向リンクの第１の端部は二股構造になっており、第１の横方向リンクの第１の端部が二股構造の間を通り抜けるように構成されているので、コネクティングロッドを短くしても、第１と第２の横方向リンク同士が干渉することが無く、ピストン機関の縦方向の寸法の増大を抑制できるという効果がある。
【００１０】
本発明の第３のピストン機関は、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転するクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制するグラスホッパの近似直線機構と、
を備え、
前記ピストンは、
前記ピストンの頂部を構成するピストンヘッド部と、
前記ピストンヘッド部の下方に前記シリンダの軸方向中心線に沿って伸びるピストン支柱部と、
を有し、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部は、前記ピストン支柱部の下端に設けられており、
前記近似直線機構は、第１と第２の横方向リンクと、縦方向リンクとを有しており、
前記第１の横方向リンクの第１の端部は、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部に回動可能に連結されており、
前記第１の横方向リンクの第２の端部は、前記縦方向リンクの第１の端部と回動可能に連結されており、
前記縦方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの第１の端部は、前記第１の横方向リンクの中間の所定の位置において前記第１の横方向リンクに回動可能に連結されており、
前記第２の横方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの前記第１の端部は二股構造になっており、前記第１の横方向リンクの前記第１の端部が前記二股構造の間を通り抜けるように構成されている。
【００１１】
このピストン機関においても、ピストンとコネクティングロッドとの連結部が、近似直線運動するように規制されているので、ピストンとシリンダとの間の摩擦を低減することができる。また、近似直線機構とピストンとが、ピストン支柱部の下端で連結されているので、近似直線機構とシリンダとの干渉の可能性を低減することができる。この結果、近似直線機構をよりコンパクトに構成することが可能である。また、第２の横方向リンクの第１の端部は二股構造になっており、第１の横方向リンクの第１の端部が二股構造の間を通り抜けるように構成されているので、コネクティングロッドを短くしても、第１と第２の横方向リンク同士が干渉することが無く、ピストン機関の縦方向の寸法の増大を抑制できるという効果がある。
【００１２】
前記ピストンヘッド部と前記ピストン支柱部とが一体に形成されているものとしても良い。
【００１３】
この構成では、仮にピストンヘッド部がシリンダに対して傾きかけた場合にも、ピストン支柱部が近似直線運動を行うときにその傾きが矯正されるという効果がある。
【００１４】
前記ピストンヘッド部と前記ピストン支柱部は回動可能に連結されていてもよい。
【００１５】
この構成では、ピストン支柱部の下端の軌跡が直線から多少ズレた場合にも、そのズレがピストンヘッド部にほとんど影響を与えないようにすることができる。また、ピストンヘッド部とピストン支柱部とが一体に形成されている場合に比べて、ピストンを直線近似機構およびコネクティングロッドと組み付ける作業が容易である。
【００１６】
前記ピストンは、さらに、前記シリンダの内壁面近傍に設けられた横方向の位置ずれ防止用の複数のサポート部を有するものとしてもよい。また、これらの複数のサポート部は、前記ピストン支柱部から外側に向けて前記シリンダの内壁面近傍まで伸びるようにしてもよい。
【００１７】
このようなサポート部を設けるようにすれば、ピストンの姿勢をより正しく保つことが可能であり、摩擦を更に低減することができる。
【００１８】
前記シリンダの内壁面の下端部は、前記ピストンが下死点にある位置において前記複数のサポート部に対向する内壁面部分を構成するサポート用タブを有しているとともに、前記シリンダの内壁面の下端部において前記複数のサポート部に対向しない内壁面の少なくとも一部が削除されているものとしてもよい。
【００１９】
この構成では、シリンダの内壁面の一部が削除されているので、ピストン機関がより軽量化され、また、直線近似機構のリンク部材とシリンダとの干渉を避けてコンパクトな設計が可能となる。
【００２０】
前記ピストンヘッド部の上端から前記ピストン支柱部の下端にある前記連結部までの距離は、前記ピストンのストロークの１／２倍以上で１倍未満の値に設定されていることが好ましい。
【００２１】
この距離をピストンのストロークの１／２倍未満に設定するよりも１／２倍以上に設定する方が、シリンダと近似直線機構とが干渉する可能性が低い。また、この距離をピストンのストロークの１倍以上に設定するよりも１倍未満に設定する方がピストンを軽量化できる。
【００２２】
本発明の第４のピストン機関は、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転するクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制するグラスホッパの近似直線機構と、
を備え、
前記ピストンは、前記ピストンの下部に設けられスカート部を有しており、
前記スカート部は、前記ピストン機関とほぼ同一のシリンダ内部寸法を有する同一種類のピストン機関に用いられる従来のピストンに用いられるスカート部よりもサイドフォースへの耐圧能力が小さく構成されており、
前記近似直線機構は、第１と第２の横方向リンクと、縦方向リンクとを有しており、
前記第１の横方向リンクの第１の端部は、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部に回動可能に連結されており、
前記第１の横方向リンクの第２の端部は、前記縦方向リンクの第１の端部と回動可能に連結されており、
前記縦方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの第１の端部は、前記第１の横方向リンクの中間の所定の位置において前記第１の横方向リンクに回動可能に連結されており、
前記第２の横方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの前記第１の端部は二股構造になっており、前記第１の横方向リンクの前記第１の端部が前記二股構造の間を通り抜けるように構成されている。
【００２３】
このピストン機関においても、ピストンとコネクティングロッドとの連結部が、近似直線運動するように規制されているので、ピストンとシリンダとの間の摩擦を低減することができる。また、近似直線機構を利用すれば、スカート部をこのような小さな構成にすることが可能であり、これによってピストンを軽量化することが可能である。また、第２の横方向リンクの第１の端部は二股構造になっており、第１の横方向リンクの第１の端部が二股構造の間を通り抜けるように構成されているので、コネクティングロッドを短くしても、第１と第２の横方向リンク同士が干渉することが無く、ピストン機関の縦方向の寸法の増大を抑制できるという効果がある。
【００２９】
また、前記第１の横方向リンクの前記第１の端部と、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部とが、１つのピストンピンで連結されていてもよい。
【００３０】
この構成によれば、第１の横方向リンクとピストンとコネクティングロッドとが１つのピストンピンで連結されるので、連結部の構造が単純になる。
【００３１】
前記第１の横方向リンクの前記第１の端部と、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部における前記ピストンの端部および前記コネクティングロッドの端部と、の３つの端部のうちの２つの端部がそれぞれ二股構造を有しており、残りの１つの端部が前記２つの端部の二股構造の中心に配置されるようにしてもよい。
【００３２】
この構成によれば、第１の横方向リンクとピストンとコネクティングロッドとの連結部分が対称な形になるので、非対称な形状とすることによるサイドフォースが発生することを防止できる。
【００３３】
前記ピストンのピストンヘッド部の頂部の横断面は、常温でほぼ真円となるように形成されていることが好ましい。
【００３４】
ピストンがピストンヘッド部とピストン支柱部とに分かれているので、ピストンヘッド部の頂部の横断面が常温でほぼ真円となるように形成しても、高温の運転時においても充分なシール性を確保することができる。
【００３５】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ピストン・クランク機構、ピストン機関、そのピストン機関を備える移動体等の態様で実現することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．ピストン・クランク機構の概要：
Ｂ．具体的形状例：
Ｃ．変形例：
【００３７】
Ａ．ピストン・クランク機構の概要：
図１（Ａ），（Ｂ）は、従来の内燃機関におけるピストン・クランク機構と本発明の一実施例の内燃機関におけるピストン・クランク機構とを比較して示す説明図である。図１（Ａ）に示すように、従来の機構は、シリンダ１１０と、ピストン１２０と、コネクティングロッド１３０と、クランクシャフト１４０とを備えている。ピストン１２０とコネクティングロッド１３０は、ピストン１２０の中央部付近においてピストンピン１６０で互いに連結されている。コネクティングロッド１３０とクランクシャフト１４０は、クランクピン１６２で連結されている。ピストン１２０が上下に往復運動すると、クランクシャフト１４０がその軸１４２（「駆動軸」とも呼ぶ）を中心に回転する。ピストン１２０の下部にはスカート１２１が設けられている。このスカート１２１は、ピストン１２０の上死点付近において燃料が爆発したときに、ピストン１２０に掛かる横方向の力（スラスト）を受けるためのものである。
【００３８】
図１（Ｂ）は、本発明の一実施例としてのピストン・クランク機構の概略構成を示している。この機構は、シリンダ１０と、ピストン２０と、コネクティングロッド３０と、クランクシャフト４０とを備えており、さらに、近似直線機構５０も備えている。
【００３９】
ピストン２０は、略板状のピストンヘッド部２２と、ピストンヘッド部２２の下方に伸びるピストン支柱部２４とを有している。ピストンヘッド部２２とピストン支柱部２４とは一体として形成されていてもよい。ピストン２０とコネクティングロッド３０は、ピストン支柱部２４の下端においてピストンピン６０で互いに連結されている。コネクティングロッド３０とクランクシャフト４０は、クランクピン６２で連結されている。ピストン２０が上下に往復運動すると、クランクシャフト４０がその軸４２（「駆動軸」とも呼ぶ）を中心に回転する。なお、後述するように、このピストン２０にはスラストがほとんど掛からないので、従来のピストン１２０に設けられていたスカート１２１は不要である。
【００４０】
近似直線機構５０は、２つの横方向リンク５２，５４と、１つの縦方向リンク５６とを有している。第１の横方向リンク５２の一端は、ピストンピン６０の位置においてピストン支柱部２４の下端に回動可能に連結されている。第２の横方向リンク５４の一端は、第１の横方向リンク５２の中間の所定の位置において第１の横方向リンク５２に回動可能に連結されている。第２の横方向リンク５４の他端は、ピストン・クランク機構の所定の位置に回動可能に固定されている。縦方向リンク５６の一端は、第１の横方向リンク５２のピストンピン６０とは反対側の端部において、第１の横方向リンク５２と回動可能に連結されている。縦方向リンク５６の他端は、ピストン・クランク機構の所定の位置に回動可能に固定されている。
【００４１】
図１（Ａ），（Ｂ）において、黒丸で表されている連結部（駆動軸４２など）は、その軸を中心に回転または回動するが、シリンダ１０との相対位置が変化しない連結点（以下「支点」と呼ぶ）である。また、白丸で表されている連結部（ピストンピン６０など）は、その軸を中心に回転または回動するとともに、シリンダ１０との相対位置が変化する連結点（以下「移動連結点」と呼ぶ）である。ここで、「回転」とは３６０度以上の範囲で回ることを意味しており、「回動」とは３６０度未満の範囲で回ることを意味している。
【００４２】
なお、本実施例の内燃機関は、通常の内燃機関と同じ種々の構成要素（バルブや吸気管、排気管等）を含んでいるが、図１（Ａ），（Ｂ）ではピストン・クランク機構とシリンダ１０以外は図示が省略されている。
【００４３】
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例のピストン・クランク機構のリンク構成を示す説明図である。図２（Ａ）は、シリンダ１０と、ピストン２０と、コネクティングロッド３０と、クランクシャフト４０のみを示している。また、図２（Ｂ）は、近似直線機構５０のみを示している。図２（Ｃ）は、図１（Ｂ）に示した機構と同じものであり、図２（Ａ），（Ｂ）の構成を組み合わせたものである。なお、本実施例の近似直線機構５０は、グラスホッパの近似直線機構と呼ばれている。
【００４４】
図２（Ａ）〜（Ｃ）においては、以下のように各種の連結点が表されている。
（１）移動連結点Ａ：ピストンピン６０（図１（Ｂ））の中心軸。
（２）移動連結点Ｂ：第１の横方向リンク５２の移動連結点Ａとは反対側の端部にある連結点。
（３）移動連結点Ｃ：コネクティングロッド３０の移動連結点Ａとは反対側の端部にある連結点。
（４）移動連結点Ｍ：第１の横方向リンク５２の中間点にある連結点。
（５）支点Ｐ：クランクシャフト４０の中心軸（駆動軸）。
（６）支点Ｑ：第２の横方向リンク５４の移動連結点Ｍと反対側の端部にある連結点。
（７）支点Ｒ：縦方向リンク５６の移動連結点Ｂと反対側の端部にある連結点。
【００４５】
移動連結点Ａはピストンピン６０の中心軸であり、ピストン２０の往復運動に伴って上下方向Ｚ（図２（Ｂ））に沿って移動する。本明細書において、上下方向Ｚとは、シリンダ１０の軸方向中心線（「軸中心」とも呼ぶ）に沿った方向を意味する。移動連結点Ａ，Ｂは、第１の横方向リンク５２の両端の連結点である。移動連結点Ｂは、縦方向リンク５６が支点Ｒを中心に回動するのに従って、円弧状の軌跡上を移動する。また、この移動連結点Ｂは、第２の横方向リンク５４の支点Ｑの上下方向位置Ｘとほぼ同じ上下方向位置を取るように設定されている。
【００４６】
なお、仮想的に縦方向リンク５６の長さを無限大に設定し、移動連結点Ｂが、支点Ｑと同一の上下方向位置Ｘ上を直線的に移動するようにすれば、移動連結点Ａは上下方向Ｚに沿って完全な直線に近い運動を行う。現実には、縦方向リンク５６の長さは有限なので、移動連結点Ａは直線運動からわずかにずれた軌跡上を移動する（これについては後述する）。ほぼ完全な直線運動機構は、縦方向リンク５６の代わりに、移動連結点Ｂを直線的に案内するガイド部を採用すれば実現可能であるが、このガイド部と移動連結点Ｂとの摩擦が増大する。従って、摩擦の低減の観点からは、本実施例の近似直線機構５０の方が完全な直線運動機構よりも好ましい。
【００４７】
第１の横方向リンク５２の中間にある移動連結点Ｍの位置は、以下の関係を満足するように設定されている。
ＡＭ×ＱＭ＝ＢＭ2
【００４８】
ここで、ＡＭは連結点Ａ，Ｍ間の距離を意味し、ＱＭは連結点Ｑ，Ｍ間の距離、ＢＭは連結点Ｂ，Ｍ間の距離をそれぞれ意味している。
【００４９】
図３（Ａ）〜（Ｄ）は、ピストン２０の移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示している。近似直線機構５０の３つの移動連結点Ａ，Ｂ，Ｍのうちで、移動連結点Ａ，Ｍはピストン２０の移動に伴ってかなり大きく移動するが、縦方向リンク５６の上端の移動連結点Ｂはあまり移動しないことが解る。図３（Ａ）には、近似直線機構５０の形状変化の程度を表す指標として利用できる２つの角度θ、φが示されている。第１の角度θは、横方向Ｘから測った第２の横方向リンク５４の角度∠ＭＱＸである。また、第２の角度φは、上下方向Ｚからの縦方向リンク５６の傾き角で∠ＢＲＺである。これらの角度θ，φの値が取る範囲は、移動連結点Ａの移動範囲（すなわちピストン２０のストローク）の設定と、近似直線機構５０の各リンクの長さとに依存する。
【００５０】
図４（Ａ），（Ｂ）は、実施例におけるピストン・クランク機構の具体的な寸法の一例と、移動連結点Ａの軌跡とを示す説明図である。図４（Ａ）に示されている寸法は、上述した関係（ＡＭ×ＱＭ＝ＢＭ2 ）を満足していることが解る。図４（Ｂ）に示されているように、移動連結点Ａの軌跡は、近似的な直線部分を含んでおり、この近似的な直線部分がピストン２０のストロークの範囲として利用される。このとき、ピストン２０のストロークの範囲は、上死点における直線からのズレ量が、下死点における直線からのズレ量よりも小さくなるように設定される。ここで、「直線からのズレ量」の「直線」とは、シリンダ１０の軸方向中心線を意味している。図４（Ｂ）の例では、上死点におけるズレ量は約５μｍであり、下死点におけるズレ量は約２０μｍである。なお、この数値は常温で測定したものである。
【００５１】
上死点における移動連結点Ａの直線からのズレ量が、下死点におけるズレ量よりも小さくなるように設定する理由は、上死点近傍では燃料の爆発力がピストン２０に掛かるためである。すなわち、上死点におけるズレ量が小さければ、爆発力によってピストン２０に掛かるスラスト（横方向の力）が小さくなるので、ピストン２０とシリンダ１０との摩擦を低減することができる。一方、下死点では爆発力が掛からないので、多少のズレがあっても上死点に比べて摩擦への影響は小さい。なお、移動連結点Ａの軌跡における近似的直線部分は、各リンク５２，５４，５６の長さを大きくすることによって大きくすることが可能であるが、リンクを長くすると近似直線機構５０のサイズが大きくなるという問題がある。換言すれば、上死点や下死点における直線からのズレ量と、近似直線機構５０のサイズとは、トレードオフの関係にある。これらの点を考慮すると、ピストン２０の上死点における移動連結点Ａの直線からのズレ量は、常温で測定して約１０μｍ以下になるように近似直線機構５０を構成することが好ましい。また、下死点におけるズレ量は、約２０μｍ以下になるようすることが好ましい。
【００５２】
図４（Ｂ）に示すようにピストン２０のストロークの範囲を設定した場合には、横方向リンク５４の角度θは、８．８°〜−１７．９°の範囲の値を取る（図４（Ａ））。角度θの最大値（８．８°）はピストン２０が上死点にある場合（図３（Ａ））に相当し、最小値（−１７．９°）はピストン２０が下死点にある場合（図３（Ｃ））に相当する。縦方向リンク５６の角度φは、０°〜２．２°の範囲の値を取る。角度φの最小値（０°）は、連結点Ｑ，Ａ，Ｍ，Ｂがほぼ一直線上に並ぶ場合に相当し、最大値（２．２°）は、角度θの絶対値が最も大きくなる場合（この例では下死点）に相当する。なお、これらの角度θ、φの値の範囲は、近似直線機構５０の各リンクの寸法と、ピストン２０のストローク範囲の設定に依存する。
【００５３】
Ｂ．具体的形状例：
図５および図６は、本実施例におけるピストン・クランク機構の具体的な形状の一例を示している。図５に示されているように、ピストンヘッド部２２は全体として皿状の形状を有しており、凹状の上面を有する略板状の上面部２２ａと、この上面部２２ａの周囲に一体として設けられたリング取り付け部２２ｂとを有している。よく知られているように、ピストン２０の頂面の形状は、単純な凹状以外の種々の形状が採用可能である。リング取り付け部２２ｂは、略円環状の形状を有しており、その外周面にはピストンリング（図示せず）用の溝２３が形成されている。このリング取り付け部２２ｂには、従来のスカートは設けられていない。この理由は、上死点付近においてスラストがほとんど掛からないので、スラストを受けるためのスカートが無くても良いからである。
【００５４】
このリング取り付け部２２ｂは、その横断面が常温でほぼ真円となるように形成されている。本明細書において、ある物が「ほぼ真円となるように形成されている」という文言は、その物の製造誤差を含む設計値が真円を含んでいることを意味している。リング取り付け部２２ｂの横断面をほぼ真円にできる理由は、上述したようにピストン２０に掛かるスラストが小さいためである。また、ピストンピン６０は、ピストン２０の頂部からかなり離れた位置（ピストン支柱部２４の下端）に設けられているので、ピストン２０の頂部近傍が従来のピストンに比べて単純な形状を有している。従来は、ピストンが複雑な形状を有していたため、高温時の膨張に伴う複雑な変形を考慮して、常温ではピストンの横断面を楕円形状にするのが普通である。一方、本実施例のピストン２０は、その頂部近傍が従来のピストンに比べて単純な形状を有しているので、温度上昇に伴う複雑な変形を考慮する必要がなく、常温においてもリング取り付け部２２ｂの横断面をほぼ真円に設定することが可能である。リング取り付け部２２ｂの横断面をほぼ真円にすれば、シール性が向上するので、ピストンリングの張力を従来よりも弱くすることができる。この結果、ピストンリングによる摩擦も低減することが可能である。また、リング取り付け部２２ｂの横断面をほぼ真円にすれば、ピストン２０の製造がより容易になるという利点もある。
【００５５】
ピストン支柱部２４の上端近傍には、ピストン支柱部２４から外側に向けてサポート部２６が伸びている。図６に示すように、本実施例では、４本のサポート部２６がシリンダ１０の内壁面近傍まで伸びている。実際にはサポート部２６とシリンダ内壁との間には隙間が形成されているが、図６では隙間が省略されて描かれている。これらのサポート部２６は、ピストン２０が直立姿勢を保ちながらシリンダ内壁面に沿って滑らかに移動するのを案内するためのものである。但し、近似直線機構５０によって、ピストンピン６０（移動連結点Ａ）の軌跡が充分直線に近いものに規制されている場合には、サポート部２６を省略できる場合もある。但し、サポート部２６を設けた方が、ピストン２０をより円滑に移動させることができる。
【００５６】
ピストン支柱部２４の長さは、ピストン２０の上端からピストンピン６０までの長さが、ピストン２０のストロークの約１／２倍以上で１倍未満の範囲の値になるように設定されていることが好ましい。この理由は、ピストン支柱部２４の長さが過度に短いと、上死点において近似直線機構５０がシリンダ１０に衝突する可能性があるためである。また、ピストン支柱部２４の長さが過度に長いと、ピストン２０の重量が増加してエネルギ損失が増すためである。
【００５７】
図５に示すように、シリンダ１０の下部には、サポート用タブ１２が設けられている。このサポート用タブ１２は、ピストン２０が下死点に到達したときにサポート部２６に対向する位置にあるシリンダ内壁面部分である。また、サポート用タブ１２以外のシリンダ内壁面部分は、不要なので切除されている。このように、本実施例の機構では、不要なシリンダの内壁面部分を切除することができるので、切除部分の間にグラスホッパー機構のリンク５２，５４を配置することができ、小型・軽量化が可能である。このようにシリンダ１０の内壁面の一部を削除しなくても良いが、軽量化の観点からは、シリンダ１０の内壁面の下端部においてサポート部２６に対向しない内壁面の少なくとも一部が削除されていることが好ましい。
【００５８】
図６に示すように、ピストン支柱部２４と、コネクティングロッド３０と、水平方向リンク５２，５４とは、ピストン２０が上下動したときにも互いに干渉しないように構成されている。具体的には、図６の例では、ピストン支柱部２４はシリンダ１０の軸方向中心に設けられており、ピストン支柱部２４の両側が、コネクティングロッド３０の２枚の板状部材で挟まれている。コネクティングロッド３０の外側には、第１の横方向リンク５２の２枚の板状部材が配置されている。これらの３種類の部材２４，３０，５２は、ピストンピン６０で連結されている。また、第１の横方向リンク５２の更に外側には、第２の横方向リンク５４の２枚の板状部材が設置されている。すなわち、この例では、コネクティングロッド３０と２つの横方向リンク５２，５４とは、端部が２つの板状部材に分かれた二股構造をそれぞれ有しており、中央のピストン支柱部２４を両側から挟むような位置にそれぞれ配置されている。
【００５９】
図７は、図５からクランクが回転し、横方向リンク５２，５４が水平になった位置における要部縦断面図であり、図８は、図７のＣ−Ｃ断面図である。なお、図８では、図示の便宜上、コネクティングロッド３０とピストン支柱部２４とにハッチングをそれぞれ付している。
【００６０】
図９ないし図１３は、ピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０と第１の横方向リンク５２が取り得る種々の形状および位置関係（連結状態）を示している。図９の配置は、図８の配置からコネクティングロッド３０とピストン支柱部２４の位置関係を逆にしたものである。すなわち、図９では、中央にコネクティングロッド３０が配置されており、その外側にピストン支柱部２４の二股構造部分が配置され、さらにその外側に第１の横方向リンク５２の二股構造部分が配置されている。また、第２の横方向リンク５４の二股構造部分は、最も外側に配置されている。
【００６１】
図１０の配置は、図８の配置からコネクティングロッド３０と第１の横方向リンク５２の位置関係を逆にしたものである。すなわち、図１０では、中央にピストン支柱部２４が配置されており、その外側に第１の横方向リンク５２の二股構造部分が配置され、さらにその外側にコネクティングロッド３０の二股構造部分が配置されている。
【００６２】
図１１の配置は、図９の配置からピストン支柱部２４と第１の横方向リンク５２の位置関係を逆にしたものである。すなわち、図１１では、中央にコネクティングロッド３０が配置されており、その外側に第１の横方向リンク５２の二股構造部分が配置され、さらにその外側にピストン支柱部２４の二股構造部分が配置されている。
【００６３】
図１２の配置は、図１０の配置からピストン支柱部２４と第１の横方向リンク５２の位置関係を逆にしたものである。すなわち、図１２では、中央に第１の横方向リンク５２が配置されており、その外側にピストン支柱部２４の二股構造部分が配置され、さらにその外側にコネクティングロッド３０の二股構造部分が配置されている。
【００６４】
図１３の配置は、図１２の配置からピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０の位置関係を逆にしたものである。すなわち、図１３では、中央に第１の横方向リンク５２が配置されており、その外側にコネクティングロッド３０の二股構造部分が配置され、さらにその外側にピストン支柱部２４の二股構造部分が配置されている。
【００６５】
図８〜図１３のいずれの構成においても、第２の横方向リンク５４の端部は二股構造になっており、他の部材２４，３０，５２，６０の外側に配置されている。そして、近似直線機構が動作する際には、第２の横方向リンク５４の二股構造の間を、第１の横方向リンク５２の端部が二股構造の間を通り抜けるように構成されている。このような構成によれば、コネクティングロッド３０を短くしても、第１の横方向リンク５２の端部と第２の横方向リンク５４の端部とが干渉することが無いので、ピストン・クランク機構の縦方向の寸法の増大を抑制することができる。
【００６６】
また、図８〜図１３に示す構成では、第１の横方向リンクの端部と、ピストン支柱部２４の下端（ピストンの下端）と、コネクティングロッド３０の上端とが、１つのピストンピン６０で連結されている。このような構成によれば、第１の横方向リンク５２とピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０とが１つのピストンピン６０で連結されるので、この連結部分の構造が単純になり、コンパクトにできるという利点がある。
【００６７】
さらに、図８〜図１３に示す構成では、第１の横方向リンク５２の端部と、ピストン支柱部２４の下端と、コネクティングロッド３０の上端と、の３つの端部のうちの２つの端部がそれぞれ二股構造を有しており、残りの１つの端部が前記２つの端部の二股構造の中心に配置されている。このような構成によれば、第１の横方向リンク５２とピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０との連結部分が対称な形になるので、非対称な形状とすることによるサイドフォースが発生することを防止できるという利点がある。
【００６８】
なお、これらの部材２４，３０，５２，５４の位置関係は、図８ないし図１３に示したもの以外の他の位置関係を取ることも可能である。
【００６９】
図１４（Ａ）〜（Ｃ）は、ピストン・クランク機構の変形例を示す説明図である。図１４（Ａ）の機構は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示した実施例の機構の縦方向リンク５６を連結点Ｂの上側に配置したものであり、他の構成は上記実施例と同じである。図１４（Ａ）の機構によっても、上記実施例と同一の効果が得られる。
【００７０】
図１４（Ｂ）の機構は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示した実施例の機構の支点Ｑを移動連結点Ｂ側に移動して、移動連結点Ａ（ピストンピン）と支点Ｐ（クランク軸）とを結ぶ直線上に配置したものであり、他の構成は上記実施例と同じである。図１４（Ｃ）の機構は、支点Ｑをさらに右側に配置したものである。図１４（Ｂ）、（Ｃ）の機構では、第２の横方向リンク５４の長さが上記実施例よりも短くなっており、上記実施例の機構よりもコンパクトであるという利点がある。図１４（Ｂ）の機構は、図１４（Ａ），（Ｃ）の機構に比べて直線性が良いという利点がある。
【００７１】
図１５は、ピストン・クランク機構の他の変形例を示す説明図である。図１（Ｂ）の機構ではピストンヘッド部２２とピストン支柱部２４とが一体に形成されていたのに対して、図１５の機構では、ピストンヘッド部２２ａとピストン支柱部２４とが別体として形成されている点が異なる。このピストンヘッド部２２ａの下端部とピストン支柱部２４の上端部は、ピン２３によって互いに回動可能に連結されている。図１５構成では、ピストン支柱部２４ａの下端の軌跡が直線から多少ずれた場合にも、そのズレが、ピストンヘッド部２２ａを傾かせる力として働かない（すなわち、ピストン支柱部２４ａの下端のズレがピストンヘッド部２２ａにほとんど影響を与えない）という利点がある。また、ピストンヘッド部とピストン支柱部とが一体に形成されている場合に比べて、ピストンを直線近似機構およびコネクティングロッドと組み付ける作業が容易になるという利点もある。一方、図１（Ｂ）の機構では、仮に何らかの原因でピストンヘッド部２２がシリンダ１０に対して傾きかけた場合にも、ピストン支柱部２４が近似直線運動を行うときに、その傾きが矯正されるという利点がある。
【００７２】
以上のように、上述した実施例やその変形例では、ピストン・クランク機構に近似直線機構５０を設けることによって、ピストン２０の下端がシリンダ１０の軸中心に沿った近似的な直線状軌跡を移動するようにしたので、ピストン２０とシリンダ１０との間の摩擦を大幅に低減することが可能である。
【００７３】
Ｃ．その他の変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７４】
Ｃ１．変形例１：
本発明は、グラスホッパの近似直線機構に限らず、他の任意の近似直線機構を採用することが可能であり、例えばワットの近似直線機構を採用することも可能である。この場合にも、上死点におけるシリンダ中心軸からのズレ量が下死点におけるズレ量よりも小さくなるように近似直線機構の構成が設定されることが好ましい。なお、上記実施例で説明したグラスホッパの近似直線機構は、近似直線上を移動する点（移動連結点Ａ）が機構の一方の端部近傍に偏っているので、内燃機関のピストンの運動を規制するのに特に適しており、また、コンパクトな機構で良好な直線性を得ることが可能である。
【００７５】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、ピストンヘッド部２２とピストン支柱部２４とを有するピストン２０を利用するものとしていたが、従来のピストン１２０（図１（Ａ））と同様な構成のピストンを用いることも可能である。但し、ピストンヘッド部２２とピストン支柱部２４とを有するピストン２０を利用すれば、近似直線機構５０とシリンダ１０との干渉を防止し易いので、近似直線機構５０をよりコンパクトにできるという利点がある。
【００７６】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、サポート部２６がピストン支柱部２４に接続されていたが、この代わりに、ピストンの他の部分（例えばピストンヘッド２２の下端）にサポート部２６が接続されるようにしても良い。換言すれば、ピストンの横方向の位置ずれ防止用のサポート部は、シリンダ内壁近傍に設けられていればよい。なお、サポート部の代わりに、従来よりも小さなスカート部を設けるようにしても良い。このようなスカート部としては、同一のシリンダ内部寸法を有する同一種類のピストン機関に用いられる従来のピストン設計（直線近似機構を用いないピストン設計）におけるスカート部よりも、スラスト（サイドフォース）への耐圧能力が小さいもの（例えばサイドフォースへの耐圧能力が約１／２以下のもの）を使用することができる。具体的には、例えば、従来のピストン設計におけるスカート部の面積の約１／２以下の面積を有するスカート部を使用することが可能である。
【００７７】
Ｃ４．変形例４：
本発明のピストン・クランク機構は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの種々の内燃機関や、スターリングエンジンなどの外燃機関を含む任意のピストン機関に利用可能である。また、本発明は、このようなピストン機関を備える車両や移動体としても実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のピストン・クランク機構と本発明の一実施例のピストン・クランク機構とを比較して示す説明図。
【図２】 実施例のピストン・クランク機構のリンク構成を示す説明図。
【図３】 ピストン２０の移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示す説明図。
【図４】 実施例におけるピストン・クランク機構の具体的な寸法の一例と、移動連結点Ａの軌跡とを示す説明図。
【図５】 実施例におけるピストン・クランク機構の具体的な形状の一例を示す要部縦断面図。
【図６】 図５の状態におけるピストン・クランク機構の要部横断面図。
【図７】 図５からクランクが回転した位置におけるピストン・クランク機構の要部縦断面図。
【図８】 図７の状態におけるピストン・クランク機構の要部横断面図。
【図９】 ピストン・クランク機構の連結部の変形例を示す要部横断面図。
【図１０】 ピストン・クランク機構の連結部の変形例を示す要部横断面図。
【図１１】 ピストン・クランク機構の連結部の変形例を示す要部横断面図。
【図１２】 ピストン・クランク機構の連結部の変形例を示す要部横断面図。
【図１３】 ピストン・クランク機構の連結部の変形例を示す要部横断面図。
【図１４】 ピストン・クランク機構の他の変形例を示す説明図。
【図１５】 ピストン・クランク機構の他の変形例を示す説明図。
【符号の説明】
１０…シリンダ
１２…サポート用タブ
２０…ピストン
２２…ピストンヘッド部
２２ａ…上面部
２２ｂ…リング取り付け部
２３…溝
２４…ピストン支柱部
２６…サポート部
３０…コネクティングロッド
４０…クランクシャフト
４２…駆動軸
５０…近似直線機構
５２…第１の横方向リンク
５４…第２の横方向リンク
５６…縦方向リンク
６０…ピストンピン
６２…クランクピン
１１０…シリンダ
１２０…ピストン
１２１…スカート
１３０…コネクティングロッド
１４０…クランクシャフト
１４２…駆動軸
１６０…ピストンピン
１６２…クランクピン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a piston / crank mechanism used in a piston engine such as an internal combustion engine or an external combustion engine.
[0002]
[Prior art]
Generally, the friction between the piston and the cylinder accounts for more than half of the total friction of the piston engine. Therefore, various devices have been conventionally made to reduce the friction between the piston and the cylinder. For example, in a piston / crank mechanism described in Patent Document 1 below, a configuration in which a piston pin and a crank pin are connected by a free link is disclosed. This mechanism is configured to maintain a small inclination of the free link axis with respect to the piston center axis at an intermediate point of the reciprocating motion of the piston.
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2001-50362 A
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventionally known mechanism has a problem in that the friction between the piston and the cylinder cannot be sufficiently reduced because the configuration becomes large in order to sufficiently reduce the friction.
[0005]
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object thereof is to provide a technique capable of reducing friction between a piston and a cylinder.
[0006]
[Means for solving the problems and their functions and effects]
  In order to achieve at least a part of the above object, the first piston engine of the present invention includes:
  A cylinder,
  A piston that reciprocates in the cylinder;
  A crankshaft that rotates around a drive shaft;
  A connecting rod connecting the piston and the crankshaft;
  An approximate linear mechanism of a grasshopper that is coupled to a coupling portion between the piston and the connecting rod, and that regulates the movement of the coupling portion so that the coupling portion performs an approximate linear movement along an axial center line of the cylinder;
With,
The approximate linear mechanism has first and second lateral links and a longitudinal link;
A first end of the first lateral link is rotatably connected to the connecting portion between the piston and the connecting rod;
A second end of the first lateral link is pivotally connected to a first end of the longitudinal link;
A second end of the longitudinal link is pivotally fixed at a predetermined position of the piston engine;
A first end of the second lateral link is pivotally connected to the first lateral link at a predetermined position in the middle of the first lateral link;
A second end of the second lateral link is pivotally fixed at a predetermined position of the piston engine;
The first end of the second lateral link has a bifurcated structure, and the first end of the first lateral link is configured to pass between the bifurcated structures..
[0007]
  The grasshopper linear approximation mechanism is particularly suitable for regulating the piston motion of a piston engine because the point of movement on the approximate straight line is biased near one end of the mechanism, and it is also a compact mechanism. Good linearity can be obtained. Therefore, the friction between the piston and the cylinder can be greatly reduced.In addition, the first end of the second lateral link has a bifurcated structure, and the first end of the first lateral link is configured to pass between the bifurcated structures. Even if the rod is shortened, the first and second lateral links do not interfere with each other, and it is possible to suppress an increase in the longitudinal dimension of the piston engine.
[0008]
  The second piston engine of the present invention is
  A cylinder,
  A piston that reciprocates in the cylinder;
  A crankshaft that rotates around a drive shaft;
  A connecting rod connecting the piston and the crankshaft;
  It is connected to a connecting portion between the piston and the connecting rod, and restricts the movement of the connecting portion so that the connecting portion performs an approximate linear motion along the axial center line of the cylinder.GrasshopperAn approximate linear mechanism;
With
  In the approximate linear mechanism, the first shift amount from the axial center line of the connecting portion at the top dead center of the piston is the center of the cylinder in the connecting portion at the bottom dead center of the piston. Configured to be smaller than the second deviation from the line.And
The approximate linear mechanism has first and second lateral links and a longitudinal link;
A first end of the first lateral link is rotatably connected to the connecting portion between the piston and the connecting rod;
A second end of the first lateral link is pivotally connected to a first end of the longitudinal link;
A second end of the longitudinal link is pivotally fixed at a predetermined position of the piston engine;
A first end of the second lateral link is pivotally connected to the first lateral link at a predetermined position in the middle of the first lateral link;
A second end of the second lateral link is pivotally fixed at a predetermined position of the piston engine;
The first end of the second lateral link has a bifurcated structure, and the first end of the first lateral link is configured to pass between the bifurcated structures..
[0009]
  In this piston engine, the coupling portion between the piston and the connecting rod is restricted so as to perform an approximately linear motion, so that friction between the piston and the cylinder can be reduced. In particular, since the approximate linear mechanism is configured such that the first displacement amount at the top dead center of the piston is smaller than the second displacement amount at the bottom dead center, the explosion near the top dead center The force can prevent a large lateral force (thrust) from being applied to the piston. As a result, the friction between the piston and the cylinder can be greatly reduced.In addition, the first end of the second lateral link has a bifurcated structure, and the first end of the first lateral link is configured to pass between the bifurcated structures. Even if the rod is shortened, the first and second lateral links do not interfere with each other, and it is possible to suppress an increase in the longitudinal dimension of the piston engine.
[0010]
  The third piston engine of the present invention is
  A cylinder,
  A piston that reciprocates in the cylinder;
  A crankshaft that rotates around a drive shaft;
  A connecting rod connecting the piston and the crankshaft;
  It is connected to a connecting portion between the piston and the connecting rod, and restricts the movement of the connecting portion so that the connecting portion performs an approximate linear motion along the axial center line of the cylinder.GrasshopperAn approximate linear mechanism;
With
  The piston is
  A piston head part constituting the top of the piston;
  A piston strut extending along the axial center line of the cylinder below the piston head;
Have
  The connecting portion between the piston and the connecting rod is provided at a lower end of the piston strut portion.And
The approximate linear mechanism has first and second lateral links and a longitudinal link;
A first end of the first lateral link is rotatably connected to the connecting portion between the piston and the connecting rod;
A second end of the first lateral link is pivotally connected to a first end of the longitudinal link;
A second end of the longitudinal link is pivotally fixed at a predetermined position of the piston engine;
A first end of the second lateral link is pivotally connected to the first lateral link at a predetermined position in the middle of the first lateral link;
A second end of the second lateral link is pivotally fixed at a predetermined position of the piston engine;
The first end of the second lateral link has a bifurcated structure, and the first end of the first lateral link is configured to pass between the bifurcated structures..
[0011]
  Also in this piston engine, since the connecting portion between the piston and the connecting rod is restricted so as to perform an approximate linear motion, the friction between the piston and the cylinder can be reduced. In addition, since the approximate linear mechanism and the piston are connected at the lower end of the piston support, the possibility of interference between the approximate linear mechanism and the cylinder can be reduced. As a result, the approximate linear mechanism can be configured more compactly.In addition, the first end of the second lateral link has a bifurcated structure, and the first end of the first lateral link is configured to pass between the bifurcated structures. Even if the rod is shortened, the first and second lateral links do not interfere with each other, and it is possible to suppress an increase in the longitudinal dimension of the piston engine.
[0012]
The piston head part and the piston support part may be integrally formed.
[0013]
In this configuration, even when the piston head portion is inclined with respect to the cylinder, there is an effect that the inclination is corrected when the piston column portion performs approximate linear motion.
[0014]
The piston head part and the piston column part may be connected so as to be rotatable.
[0015]
In this configuration, even when the locus of the lower end of the piston column part is slightly deviated from the straight line, the deviation can be made to hardly affect the piston head part. Further, the operation of assembling the piston with the linear approximation mechanism and the connecting rod is easier than in the case where the piston head portion and the piston support portion are integrally formed.
[0016]
The piston may further include a plurality of support portions for preventing lateral displacement in the vicinity of the inner wall surface of the cylinder. Further, the plurality of support portions may extend outward from the piston strut portion to the vicinity of the inner wall surface of the cylinder.
[0017]
If such a support portion is provided, the posture of the piston can be maintained more correctly, and the friction can be further reduced.
[0018]
The lower end portion of the inner wall surface of the cylinder has a support tab that constitutes an inner wall surface portion that faces the plurality of support portions at a position where the piston is at a bottom dead center. At least a part of the inner wall surface that does not face the plurality of support portions at the lower end portion may be deleted.
[0019]
In this configuration, since a part of the inner wall surface of the cylinder is deleted, the weight of the piston engine is further reduced, and a compact design is possible by avoiding interference between the link member of the linear approximation mechanism and the cylinder.
[0020]
It is preferable that the distance from the upper end of the piston head part to the connecting part at the lower end of the piston column part is set to a value that is 1/2 times or more and less than 1 time of the stroke of the piston.
[0021]
Setting this distance to ½ times or more than setting the distance to less than ½ times the stroke of the piston is less likely to cause interference between the cylinder and the approximate linear mechanism. In addition, it is possible to reduce the weight of the piston by setting this distance to less than 1 time rather than setting it to 1 time or more of the stroke of the piston.
[0022]
  The fourth piston engine of the present invention is
  A cylinder,
  A piston that reciprocates in the cylinder;
  A crankshaft that rotates around a drive shaft;
  A connecting rod connecting the piston and the crankshaft;
  It is connected to a connecting portion between the piston and the connecting rod, and restricts the movement of the connecting portion so that the connecting portion performs an approximate linear motion along the axial center line of the cylinder.GrasshopperAn approximate linear mechanism;
With
  The piston has a skirt portion provided at a lower portion of the piston,
  The skirt portion is configured to have a smaller pressure resistance against side force than a skirt portion used in a conventional piston used in the same kind of piston engine having the same cylinder internal dimensions as the piston engine.And
The approximate linear mechanism has first and second lateral links and a longitudinal link;
A first end of the first lateral link is rotatably connected to the connecting portion between the piston and the connecting rod;
A second end of the first lateral link is pivotally connected to a first end of the longitudinal link;
A second end of the longitudinal link is pivotally fixed at a predetermined position of the piston engine;
A first end of the second lateral link is pivotally connected to the first lateral link at a predetermined position in the middle of the first lateral link;
A second end of the second lateral link is pivotally fixed at a predetermined position of the piston engine;
The first end of the second lateral link has a bifurcated structure, and the first end of the first lateral link is configured to pass between the bifurcated structures..
[0023]
  Also in this piston engine, since the connecting portion between the piston and the connecting rod is restricted so as to perform an approximate linear motion, the friction between the piston and the cylinder can be reduced. Moreover, if an approximate linear mechanism is utilized, it is possible to make a skirt part into such a small structure, and it is possible to reduce a weight of a piston by this.In addition, the first end of the second lateral link has a bifurcated structure, and the first end of the first lateral link is configured to pass between the bifurcated structures. Even if the rod is shortened, the first and second lateral links do not interfere with each other, and it is possible to suppress an increase in the longitudinal dimension of the piston engine.
[0029]
The first end portion of the first lateral link and the connecting portion between the piston and the connecting rod may be connected by a single piston pin.
[0030]
According to this configuration, since the first lateral link, the piston, and the connecting rod are connected by one piston pin, the structure of the connecting portion is simplified.
[0031]
Of the three ends of the first end of the first lateral link and the end of the piston and the end of the connecting rod at the connecting portion of the piston and the connecting rod Each of the two end portions may have a bifurcated structure, and the remaining one end portion may be arranged at the center of the bifurcated structure of the two end portions.
[0032]
According to this structure, since the connection part of a 1st horizontal link, a piston, and a connecting rod becomes a symmetrical shape, it can prevent that the side force by making it an asymmetrical shape generate | occur | produces.
[0033]
It is preferable that the cross section of the top part of the piston head part of the piston is formed to be a perfect circle at room temperature.
[0034]
Since the piston is divided into a piston head part and a piston support part, even if it is formed so that the cross section of the top part of the piston head part is almost a perfect circle at room temperature, sufficient sealing performance can be obtained even at high temperature operation. Can be secured.
[0035]
The present invention can be realized in various modes, for example, in a mode of a piston / crank mechanism, a piston engine, a moving body including the piston engine, and the like.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in the following order based on examples.
A. Outline of piston / crank mechanism:
B. Specific shape examples:
C. Variations:
[0037]
A. Outline of piston / crank mechanism:
1A and 1B are explanatory views showing a comparison between a piston / crank mechanism in a conventional internal combustion engine and a piston / crank mechanism in an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1A, the conventional mechanism includes a cylinder 110, a piston 120, a connecting rod 130, and a crankshaft 140. The piston 120 and the connecting rod 130 are connected to each other by a piston pin 160 near the center of the piston 120. The connecting rod 130 and the crankshaft 140 are connected by a crank pin 162. When the piston 120 reciprocates up and down, the crankshaft 140 rotates about its axis 142 (also referred to as “drive shaft”). A skirt 121 is provided below the piston 120. The skirt 121 is for receiving a lateral force (thrust) applied to the piston 120 when the fuel explodes near the top dead center of the piston 120.
[0038]
FIG. 1B shows a schematic configuration of a piston / crank mechanism as an embodiment of the present invention. This mechanism includes a cylinder 10, a piston 20, a connecting rod 30, and a crankshaft 40, and further includes an approximate linear mechanism 50.
[0039]
The piston 20 has a substantially plate-like piston head part 22 and a piston support part 24 extending below the piston head part 22. The piston head part 22 and the piston column part 24 may be formed integrally. The piston 20 and the connecting rod 30 are connected to each other by a piston pin 60 at the lower end of the piston support 24. The connecting rod 30 and the crankshaft 40 are connected by a crank pin 62. When the piston 20 reciprocates up and down, the crankshaft 40 rotates around its axis 42 (also referred to as “drive shaft”). As will be described later, since the thrust is hardly applied to the piston 20, the skirt 121 provided in the conventional piston 120 is unnecessary.
[0040]
The approximate linear mechanism 50 has two lateral links 52 and 54 and one longitudinal link 56. One end of the first lateral link 52 is rotatably connected to the lower end of the piston support 24 at the position of the piston pin 60. One end of the second lateral link 54 is rotatably connected to the first lateral link 52 at a predetermined position in the middle of the first lateral link 52. The other end of the second lateral link 54 is rotatably fixed at a predetermined position of the piston / crank mechanism. One end of the longitudinal link 56 is rotatably connected to the first lateral link 52 at the end of the first lateral link 52 opposite to the piston pin 60. The other end of the longitudinal link 56 is rotatably fixed to a predetermined position of the piston / crank mechanism.
[0041]
In FIGS. 1A and 1B, a connecting portion (such as the drive shaft 42) represented by a black circle rotates or pivots about the axis but does not change its relative position to the cylinder 10. (Hereinafter referred to as “fulcrum”). Further, a connecting portion (piston pin 60 or the like) represented by a white circle rotates or rotates around its axis and changes its relative position with respect to the cylinder 10 (hereinafter referred to as “moving connecting point”). ). Here, “rotation” means turning in a range of 360 degrees or more, and “turning” means turning in a range of less than 360 degrees.
[0042]
The internal combustion engine of the present embodiment includes various components (valves, intake pipes, exhaust pipes, etc.) that are the same as those of a normal internal combustion engine. In FIGS. The illustration is omitted except for the cylinder 10.
[0043]
2A to 2C are explanatory views showing a link configuration of the piston / crank mechanism of the embodiment. FIG. 2A shows only the cylinder 10, the piston 20, the connecting rod 30, and the crankshaft 40. FIG. 2B shows only the approximate linear mechanism 50. FIG. 2 (C) is the same as the mechanism shown in FIG. 1 (B), and is a combination of the configurations of FIGS. 2 (A) and 2 (B). The approximate linear mechanism 50 of this embodiment is called an approximate linear mechanism of a grasshopper.
[0044]
2A to 2C, various connection points are represented as follows.
(1) Moving connection point A: the central axis of the piston pin 60 (FIG. 1B).
(2) Moving connection point B: A connection point at the end of the first lateral link 52 opposite to the moving connection point A.
(3) Moving connecting point C: A connecting point at the end of the connecting rod 30 opposite to the moving connecting point A.
(4) Moving connection point M: A connection point at the midpoint of the first lateral link 52.
(5) The fulcrum P: the central axis (drive shaft) of the crankshaft 40.
(6) Support point Q: A connection point at the end of the second lateral link 54 opposite to the moving connection point M.
(7) Support point R: A connection point at the end of the vertical link 56 opposite to the moving connection point B.
[0045]
The moving connection point A is the central axis of the piston pin 60 and moves along the vertical direction Z (FIG. 2B) as the piston 20 reciprocates. In the present specification, the vertical direction Z means a direction along the axial center line (also referred to as “axial center”) of the cylinder 10. The moving connection points A and B are connection points at both ends of the first lateral link 52. The moving connection point B moves on an arcuate locus as the vertical link 56 rotates about the fulcrum R. In addition, the moving connection point B is set so as to have substantially the same vertical position as the vertical position X of the fulcrum Q of the second lateral link 54.
[0046]
If the length of the vertical link 56 is virtually set to infinity, and the moving connection point B moves linearly on the same vertical position X as the fulcrum Q, the movement connection point A Performs a movement close to a perfect straight line in the vertical direction Z. Actually, since the length of the longitudinal link 56 is finite, the moving connection point A moves on a locus slightly deviated from the linear motion (this will be described later). An almost complete linear motion mechanism can be realized by adopting a guide portion that linearly guides the moving connection point B instead of the longitudinal link 56. However, the friction between the guide portion and the moving connection point B is reduced. Increase. Therefore, from the viewpoint of reducing friction, the approximate linear mechanism 50 of the present embodiment is preferable to a complete linear motion mechanism.
[0047]
The position of the moving connection point M in the middle of the first lateral link 52 is set so as to satisfy the following relationship.
AM × QM = BM2
[0048]
Here, AM means the distance between the connection points A and M, QM means the distance between the connection points Q and M, and BM means the distance between the connection points B and M, respectively.
[0049]
3A to 3D show changes in the shape of the piston / crank mechanism accompanying the movement of the piston 20. Of the three moving connection points A, B, and M of the approximate linear mechanism 50, the movement connection points A and M move considerably with the movement of the piston 20, but the moving connection point B at the upper end of the longitudinal link 56 is not limited. I understand that does not move much. FIG. 3A shows two angles θ and φ that can be used as indices indicating the degree of change in the shape of the approximate linear mechanism 50. The first angle θ is an angle ∠ MQX of the second lateral link 54 measured from the lateral direction X. The second angle φ is the inclination angle of the vertical link 56 from the vertical direction Z and is ∠BRZ. The range that the values of these angles θ and φ take depends on the setting of the moving range of the moving connection point A (that is, the stroke of the piston 20) and the length of each link of the approximate linear mechanism 50.
[0050]
4A and 4B are explanatory views showing an example of specific dimensions of the piston / crank mechanism and the locus of the moving connection point A in the embodiment. The dimension shown in FIG. 4 (A) is the relationship described above (AM × QM = BM).2 ) Is understood. As shown in FIG. 4B, the trajectory of the moving connection point A includes an approximate straight line portion, and this approximate straight line portion is used as the stroke range of the piston 20. At this time, the stroke range of the piston 20 is set so that the amount of deviation from the straight line at the top dead center is smaller than the amount of deviation from the straight line at the bottom dead center. Here, the “straight line” of the “deviation amount from the straight line” means the axial center line of the cylinder 10. In the example of FIG. 4B, the amount of deviation at the top dead center is about 5 μm, and the amount of deviation at the bottom dead center is about 20 μm. This numerical value is measured at room temperature.
[0051]
The reason why the amount of deviation from the straight line of the moving connection point A at the top dead center is set to be smaller than the amount of deviation at the bottom dead center is that the explosive force of the fuel is applied to the piston 20 near the top dead center. . That is, if the amount of deviation at the top dead center is small, the thrust (lateral force) applied to the piston 20 by the explosive force becomes small, so that the friction between the piston 20 and the cylinder 10 can be reduced. On the other hand, since the explosive force is not applied at the bottom dead center, the effect on friction is small compared to the top dead center even if there is some deviation. Note that the approximate straight line portion in the locus of the moving connection point A can be increased by increasing the length of each link 52, 54, 56, but the length of the link increases the size of the approximate straight line mechanism 50. There is a problem of growing. In other words, the amount of deviation from the straight line at the top dead center or the bottom dead center and the size of the approximate linear mechanism 50 are in a trade-off relationship. Considering these points, it is preferable to configure the approximate linear mechanism 50 so that the deviation from the straight line of the moving connection point A at the top dead center of the piston 20 is about 10 μm or less when measured at room temperature. The amount of deviation at the bottom dead center is preferably about 20 μm or less.
[0052]
When the range of the stroke of the piston 20 is set as shown in FIG. 4B, the angle θ of the lateral link 54 takes a value in the range of 8.8 ° to −17.9 ° (FIG. 4). (A)). The maximum value (8.8 °) of the angle θ corresponds to the case where the piston 20 is at the top dead center (FIG. 3A), and the minimum value (−17.9 °) is at the bottom dead center. This corresponds to the case (FIG. 3C). The angle φ of the longitudinal link 56 takes a value in the range of 0 ° to 2.2 °. The minimum value (0 °) of the angle φ corresponds to the case where the connection points Q, A, M, and B are arranged substantially in a straight line, and the maximum value (2.2 °) has the largest absolute value of the angle θ. Corresponds to the case (bottom dead center in this example). The range of the values of the angles θ and φ depends on the dimensions of the links of the approximate linear mechanism 50 and the setting of the stroke range of the piston 20.
[0053]
B. Specific shape examples:
5 and 6 show an example of a specific shape of the piston / crank mechanism in the present embodiment. As shown in FIG. 5, the piston head portion 22 has a dish-like shape as a whole. The piston head portion 22 has a substantially plate-like upper surface portion 22a having a concave upper surface, and is integrally formed around the upper surface portion 22a. And a ring mounting portion 22b provided. As is well known, various shapes other than a simple concave shape can be adopted as the shape of the top surface of the piston 20. The ring attachment portion 22b has a substantially annular shape, and a groove 23 for a piston ring (not shown) is formed on the outer peripheral surface thereof. The ring attachment portion 22b is not provided with a conventional skirt. The reason is that almost no thrust is applied in the vicinity of the top dead center, so there is no need to have a skirt for receiving the thrust.
[0054]
The ring attachment portion 22b is formed so that its cross section is substantially a perfect circle at room temperature. In this specification, the phrase “a product is formed so as to be almost a perfect circle” means that a design value including a manufacturing error of the product includes a perfect circle. The reason why the cross section of the ring mounting portion 22b can be made substantially circular is that the thrust applied to the piston 20 is small as described above. Further, since the piston pin 60 is provided at a position that is considerably separated from the top of the piston 20 (the lower end of the piston support column 24), the vicinity of the top of the piston 20 has a simple shape as compared with the conventional piston. Yes. Conventionally, since the piston has a complicated shape, it is normal to make the cross section of the piston elliptical at room temperature in consideration of complicated deformation accompanying expansion at high temperature. On the other hand, the piston 20 of the present embodiment has a simple shape near the top of the piston 20 as compared with the conventional piston. The cross section of 22b can be set to a substantially perfect circle. If the cross section of the ring mounting portion 22b is made substantially circular, the sealing performance is improved, so that the tension of the piston ring can be made weaker than before. As a result, it is possible to reduce the friction caused by the piston ring. In addition, if the cross section of the ring mounting portion 22b is made substantially circular, there is an advantage that the manufacturing of the piston 20 becomes easier.
[0055]
In the vicinity of the upper end of the piston column 24, a support portion 26 extends outward from the piston column 24. As shown in FIG. 6, in the present embodiment, the four support portions 26 extend to the vicinity of the inner wall surface of the cylinder 10. Actually, a gap is formed between the support portion 26 and the cylinder inner wall, but in FIG. 6, the gap is omitted. These support portions 26 are for guiding the piston 20 to move smoothly along the cylinder inner wall surface while maintaining an upright posture. However, when the locus of the piston pin 60 (moving connection point A) is restricted to a sufficiently close straight line by the approximate linear mechanism 50, the support portion 26 may be omitted. However, the piston 20 can be moved more smoothly when the support portion 26 is provided.
[0056]
The length of the piston support 24 is set so that the length from the upper end of the piston 20 to the piston pin 60 is a value in a range of about 1/2 times or more and less than 1 time of the stroke of the piston 20. It is preferable. This is because if the length of the piston support 24 is excessively short, the approximate linear mechanism 50 may collide with the cylinder 10 at the top dead center. Further, if the length of the piston support 24 is excessively long, the weight of the piston 20 increases and energy loss increases.
[0057]
As shown in FIG. 5, a support tab 12 is provided at the bottom of the cylinder 10. The support tab 12 is a cylinder inner wall surface portion at a position facing the support portion 26 when the piston 20 reaches the bottom dead center. Further, the inner wall surface of the cylinder other than the support tab 12 is cut away because it is unnecessary. As described above, in the mechanism of the present embodiment, unnecessary inner wall surface portions of the cylinder can be cut off, so that the links 52 and 54 of the glass hopper mechanism can be disposed between the cut portions, and the size and weight can be reduced. Is possible. As described above, it is not necessary to delete a part of the inner wall surface of the cylinder 10, but from the viewpoint of weight reduction, at least a part of the inner wall surface that does not face the support portion 26 at the lower end portion of the inner wall surface of the cylinder 10 is deleted. It is preferable that
[0058]
As shown in FIG. 6, the piston support 24, the connecting rod 30, and the horizontal links 52 and 54 are configured not to interfere with each other even when the piston 20 moves up and down. Specifically, in the example of FIG. 6, the piston support 24 is provided at the center in the axial direction of the cylinder 10, and both sides of the piston support 24 are sandwiched between two plate-like members of the connecting rod 30. Yes. On the outside of the connecting rod 30, two plate-like members of the first lateral link 52 are arranged. These three types of members 24, 30, 52 are connected by a piston pin 60. Further, two plate-like members of the second lateral link 54 are installed on the outer side of the first lateral link 52. That is, in this example, the connecting rod 30 and the two lateral links 52 and 54 each have a bifurcated structure in which the end portion is divided into two plate-like members, and the central piston strut portion 24 is provided from both sides. It is arranged at each position to sandwich.
[0059]
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of the main part at a position where the crank rotates from FIG. 5 and the horizontal links 52 and 54 become horizontal, and FIG. 8 is a sectional view taken along the line CC in FIG. In FIG. 8, for convenience of illustration, the connecting rod 30 and the piston support 24 are hatched.
[0060]
9 to 13 show various shapes and positional relationships (connected states) that the piston support 24, the connecting rod 30, and the first lateral link 52 can take. The arrangement of FIG. 9 is obtained by reversing the positional relationship between the connecting rod 30 and the piston support 24 from the arrangement of FIG. That is, in FIG. 9, the connecting rod 30 is disposed at the center, the bifurcated structure portion of the piston support 24 is disposed on the outer side, and the bifurcated structure portion of the first lateral link 52 is disposed on the outer side. ing. The bifurcated portion of the second lateral link 54 is disposed on the outermost side.
[0061]
The arrangement of FIG. 10 is obtained by reversing the positional relationship between the connecting rod 30 and the first lateral link 52 from the arrangement of FIG. That is, in FIG. 10, the piston support 24 is disposed at the center, the bifurcated structure portion of the first lateral link 52 is disposed on the outer side, and the bifurcated structure portion of the connecting rod 30 is disposed on the outer side. ing.
[0062]
The arrangement of FIG. 11 is obtained by reversing the positional relationship between the piston support 24 and the first lateral link 52 from the arrangement of FIG. That is, in FIG. 11, the connecting rod 30 is disposed at the center, the bifurcated structure portion of the first lateral link 52 is disposed on the outer side, and the bifurcated structure portion of the piston support 24 is disposed on the outer side. ing.
[0063]
The arrangement of FIG. 12 is obtained by reversing the positional relationship between the piston support 24 and the first lateral link 52 from the arrangement of FIG. That is, in FIG. 12, the first lateral link 52 is disposed at the center, the bifurcated structure portion of the piston support 24 is disposed on the outer side, and the bifurcated structure portion of the connecting rod 30 is disposed on the outer side. ing.
[0064]
The arrangement in FIG. 13 is obtained by reversing the positional relationship between the piston strut portion 24 and the connecting rod 30 from the arrangement in FIG. That is, in FIG. 13, the first lateral link 52 is disposed at the center, the bifurcated structure portion of the connecting rod 30 is disposed on the outer side, and the bifurcated structure portion of the piston strut portion 24 is disposed on the outer side. ing.
[0065]
8 to 13, the end portion of the second lateral link 54 has a bifurcated structure, and is disposed outside the other members 24, 30, 52, 60. When the approximate linear mechanism operates, the end portion of the first lateral link 52 passes between the bifurcated structures between the bifurcated structures of the second lateral link 54. According to such a configuration, even if the connecting rod 30 is shortened, the end of the first lateral link 52 and the end of the second lateral link 54 do not interfere with each other. An increase in the vertical dimension of the mechanism can be suppressed.
[0066]
8 to 13, the end of the first lateral link, the lower end of the piston column 24 (the lower end of the piston), and the upper end of the connecting rod 30 are formed by one piston pin 60. It is connected. According to such a configuration, the first lateral link 52, the piston strut 24, and the connecting rod 30 are connected by the single piston pin 60, so that the structure of this connecting portion is simplified and can be made compact. There is an advantage.
[0067]
Further, in the configuration shown in FIGS. 8 to 13, two of the three end portions of the end portion of the first lateral link 52, the lower end of the piston strut portion 24, and the upper end of the connecting rod 30 are used. Each of the portions has a bifurcated structure, and the remaining one end is disposed at the center of the bifurcated structure of the two ends. According to such a configuration, the connecting portion of the first lateral link 52, the piston strut portion 24, and the connecting rod 30 has a symmetric shape, so that side forces due to the asymmetric shape are generated. There is an advantage that it can be prevented.
[0068]
It should be noted that the positional relationship between these members 24, 30, 52, and 54 can be other than the positional relationship shown in FIGS.
[0069]
14 (A) to 14 (C) are explanatory views showing modifications of the piston / crank mechanism. The mechanism shown in FIG. 14 (A) is obtained by arranging the longitudinal link 56 of the mechanism of the embodiment shown in FIGS. 2 (A) to (C) above the connection point B, and the other configuration is the above embodiment. Is the same. The same effect as that of the above embodiment can be obtained by the mechanism of FIG.
[0070]
The mechanism of FIG. 14B moves the fulcrum Q of the mechanism of the embodiment shown in FIGS. It is arranged on a straight line connecting (crankshaft), and the other configuration is the same as the above embodiment. In the mechanism of FIG. 14C, the fulcrum Q is further arranged on the right side. 14B and 14C has an advantage that the length of the second lateral link 54 is shorter than that of the above embodiment and is more compact than the mechanism of the above embodiment. The mechanism shown in FIG. 14B has an advantage that the linearity is better than the mechanisms shown in FIGS.
[0071]
FIG. 15 is an explanatory view showing another modification of the piston / crank mechanism. In the mechanism of FIG. 1 (B), the piston head part 22 and the piston support part 24 are integrally formed, whereas in the mechanism of FIG. 15, the piston head part 22a and the piston support part 24 are separated. It differs in that it is formed. A lower end portion of the piston head portion 22a and an upper end portion of the piston support portion 24 are connected to each other by a pin 23 so as to be rotatable. In the configuration of FIG. 15, even when the locus of the lower end of the piston column part 24a is slightly deviated from the straight line, the deviation does not work as a force for tilting the piston head part 22a (that is, the deviation of the lower end of the piston column part 24a is not There is an advantage that the piston head portion 22a is hardly affected. Further, there is an advantage that the work of assembling the piston with the linear approximation mechanism and the connecting rod is facilitated as compared with the case where the piston head part and the piston support part are integrally formed. On the other hand, in the mechanism shown in FIG. 1B, even if the piston head portion 22 is inclined with respect to the cylinder 10 for some reason, the inclination is corrected when the piston column portion 24 performs an approximate linear motion. There is an advantage that.
[0072]
As described above, in the above-described embodiment and its modifications, the piston / crank mechanism is provided with the approximate linear mechanism 50 so that the lower end of the piston 20 moves along the approximate linear locus along the axial center of the cylinder 10. Thus, the friction between the piston 20 and the cylinder 10 can be greatly reduced.
[0073]
C. Other variations:
The present invention is not limited to the above-described examples and embodiments, and can be implemented in various modes without departing from the gist thereof. For example, the following modifications are possible.
[0074]
C1. Modification 1:
The present invention is not limited to the approximate linear mechanism of the grasshopper, and any other approximate linear mechanism can be employed. For example, a watt approximate linear mechanism can also be employed. Also in this case, it is preferable that the configuration of the approximate linear mechanism is set so that the amount of deviation from the cylinder center axis at the top dead center is smaller than the amount of deviation at the bottom dead center. In the approximate linear mechanism of the grasshopper described in the above embodiment, the point of movement on the approximate straight line (moving connection point A) is biased near one end of the mechanism, so that the movement of the piston of the internal combustion engine is restricted. In particular, it is possible to obtain good linearity with a compact mechanism.
[0075]
C2. Modification 2:
In the above embodiment, the piston 20 having the piston head portion 22 and the piston support portion 24 is used. However, a piston having the same configuration as that of the conventional piston 120 (FIG. 1A) can also be used. is there. However, if the piston 20 having the piston head part 22 and the piston column part 24 is used, it is easy to prevent the interference between the approximate linear mechanism 50 and the cylinder 10, so that the approximate linear mechanism 50 can be made more compact. .
[0076]
C3. Modification 3:
In the above embodiment, the support portion 26 is connected to the piston support 24, but instead, the support portion 26 may be connected to another portion of the piston (for example, the lower end of the piston head 22). . In other words, the support portion for preventing the displacement of the piston in the lateral direction may be provided in the vicinity of the cylinder inner wall. In place of the support portion, a skirt portion smaller than the conventional one may be provided. As such a skirt portion, a thrust (side force) is more than a skirt portion in a conventional piston design (piston design not using a linear approximation mechanism) used for the same type of piston engine having the same cylinder internal dimensions. Those having a small withstand voltage capability (for example, having a withstand voltage capability to a side force of about 1/2 or less) can be used. Specifically, for example, it is possible to use a skirt portion having an area of about ½ or less of the area of the skirt portion in the conventional piston design.
[0077]
C4. Modification 4:
The piston / crank mechanism of the present invention can be used for various piston engines including various internal combustion engines such as gasoline engines and diesel engines, and external combustion engines such as Stirling engines. The present invention can also be realized as a vehicle or a moving body including such a piston engine.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing a comparison between a conventional piston / crank mechanism and a piston / crank mechanism according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing a link configuration of the piston / crank mechanism of the embodiment.
FIG. 3 is an explanatory view showing a change in shape of a piston / crank mechanism accompanying movement of a piston 20;
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of specific dimensions of a piston / crank mechanism and a locus of a moving connection point A in the embodiment.
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of an essential part showing an example of a specific shape of a piston / crank mechanism in the embodiment.
6 is a cross-sectional view of the main part of the piston / crank mechanism in the state of FIG. 5;
FIG. 7 is a longitudinal sectional view of a main part of the piston / crank mechanism at a position where the crank is rotated from FIG. 5;
FIG. 8 is a cross-sectional view of the main part of the piston / crank mechanism in the state of FIG. 7;
FIG. 9 is a cross-sectional view of the main part showing a modification of the connecting part of the piston / crank mechanism.
FIG. 10 is a cross-sectional view of an essential part showing a modification of the connecting part of the piston / crank mechanism.
FIG. 11 is a cross-sectional view of the main part showing a modification of the connecting portion of the piston / crank mechanism.
FIG. 12 is a cross-sectional view of the main part showing a modification of the connecting part of the piston / crank mechanism.
FIG. 13 is a cross-sectional view of the main part showing a modification of the connecting part of the piston / crank mechanism.
FIG. 14 is an explanatory view showing another modification of the piston / crank mechanism.
FIG. 15 is an explanatory view showing another modification of the piston / crank mechanism.
[Explanation of symbols]
10 ... Cylinder
12 ... Support tab
20 ... Piston
22 ... Piston head
22a ... Upper surface portion
22b ... Ring attachment part
23 ... Groove
24 ... Piston support
26 ... Support Department
30 ... Connecting rod
40 ... Crankshaft
42 ... Drive shaft
50 ... Approximate linear mechanism
52. First lateral link
54 ... Second lateral link
56 ... Vertical link
60 ... Piston pin
62 ... Crankpin
110 ... Cylinder
120 ... Piston
121 ... Skirt
130 ... Connecting rod
140 ... Crankshaft
142 ... Drive shaft
160 ... Piston pin
162 ... Crankpin

Claims (13)

ピストン機関であって、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転するクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制するグラスホッパの近似直線機構と、
を備え、
前記近似直線機構は、第１と第２の横方向リンクと、縦方向リンクとを有しており、
前記第１の横方向リンクの第１の端部は、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部に回動可能に連結されており、
前記第１の横方向リンクの第２の端部は、前記縦方向リンクの第１の端部と回動可能に連結されており、
前記縦方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの第１の端部は、前記第１の横方向リンクの中間の所定の位置において前記第１の横方向リンクに回動可能に連結されており、
前記第２の横方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの前記第１の端部は二股構造になっており、前記第１の横方向リンクの前記第１の端部が前記二股構造の間を通り抜けるように構成されている、ピストン機関。A piston engine,
A cylinder,
A piston that reciprocates in the cylinder;
A crankshaft that rotates around a drive shaft;
A connecting rod connecting the piston and the crankshaft;
An approximate linear mechanism of a grasshopper that is coupled to a coupling portion between the piston and the connecting rod, and that regulates the movement of the coupling portion so that the coupling portion performs an approximate linear movement along an axial center line of the cylinder;
Equipped with a,
The approximate linear mechanism has first and second lateral links and a longitudinal link;
A first end of the first lateral link is rotatably connected to the connecting portion between the piston and the connecting rod;
A second end of the first lateral link is pivotally connected to a first end of the longitudinal link;
A second end of the longitudinal link is pivotally fixed at a predetermined position of the piston engine;
A first end of the second lateral link is pivotally connected to the first lateral link at a predetermined position in the middle of the first lateral link;
A second end of the second lateral link is pivotally fixed at a predetermined position of the piston engine;
The first end of the second lateral link has a bifurcated structure, and the first end of the first lateral link is configured to pass between the bifurcated structures. , Piston engine. ピストン機関であって、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転するクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制するグラスホッパの近似直線機構と、
を備え、
前記近似直線機構は、前記ピストンの上死点における前記連結部の前記シリンダの軸方向中心線からの第１のズレ量が、前記ピストンの下死点における前記連結部の前記シリンダの軸方向中心線からの第２のズレ量よりも小さな値となるように構成されており、
前記近似直線機構は、第１と第２の横方向リンクと、縦方向リンクとを有しており、
前記第１の横方向リンクの第１の端部は、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部に回動可能に連結されており、
前記第１の横方向リンクの第２の端部は、前記縦方向リンクの第１の端部と回動可能に連結されており、
前記縦方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの第１の端部は、前記第１の横方向リンクの中間の所定の位置において前記第１の横方向リンクに回動可能に連結されており、
前記第２の横方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの前記第１の端部は二股構造になっており、前記第１の横方向リンクの前記第１の端部が前記二股構造の間を通り抜けるように構成されている、ピストン機関。A piston engine,
A cylinder,
A piston that reciprocates in the cylinder;
A crankshaft that rotates around a drive shaft;
A connecting rod connecting the piston and the crankshaft;
An approximate linear mechanism of a grasshopper that is coupled to a coupling portion between the piston and the connecting rod, and that regulates the movement of the coupling portion so that the coupling portion performs an approximate linear movement along an axial center line of the cylinder;
With
In the approximate linear mechanism, the first shift amount from the axial center line of the connecting portion at the top dead center of the piston is the center of the cylinder in the connecting portion at the bottom dead center of the piston. It is configured to be smaller than the second deviation amount from the line ,
The approximate linear mechanism has first and second lateral links and a longitudinal link;
A first end of the first lateral link is rotatably connected to the connecting portion between the piston and the connecting rod;
A second end of the first lateral link is pivotally connected to a first end of the longitudinal link;
A second end of the longitudinal link is pivotally fixed at a predetermined position of the piston engine;
A first end of the second lateral link is pivotally connected to the first lateral link at a predetermined position in the middle of the first lateral link;
A second end of the second lateral link is pivotally fixed at a predetermined position of the piston engine;
The first end of the second lateral link has a bifurcated structure, and the first end of the first lateral link is configured to pass between the bifurcated structures. , Piston engine. ピストン機関であって、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転するクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制するグラスホッパの近似直線機構と、
を備え、
前記ピストンは、
前記ピストンの頂部を構成するピストンヘッド部と、
前記ピストンヘッド部の下方に前記シリンダの軸方向中心線に沿って伸びるピストン支柱部と、
を有し、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部は、前記ピストン支柱部の下端に設けられており、
前記近似直線機構は、第１と第２の横方向リンクと、縦方向リンクとを有しており、
前記第１の横方向リンクの第１の端部は、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部に回動可能に連結されており、
前記第１の横方向リンクの第２の端部は、前記縦方向リンクの第１の端部と回動可能に連結されており、
前記縦方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの第１の端部は、前記第１の横方向リンクの中間の所定の位置において前記第１の横方向リンクに回動可能に連結されており、
前記第２の横方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの前記第１の端部は二股構造になっており、前記第１の横方向リンクの前記第１の端部が前記二股構造の間を通り抜けるように構成されている、ピストン機関。A piston engine,
A cylinder,
A piston that reciprocates in the cylinder;
A crankshaft that rotates around a drive shaft;
A connecting rod connecting the piston and the crankshaft;
An approximate linear mechanism of a grasshopper that is coupled to a coupling portion between the piston and the connecting rod, and that regulates the movement of the coupling portion so that the coupling portion performs an approximate linear movement along an axial center line of the cylinder;
With
The piston is
A piston head part constituting the top of the piston;
A piston strut extending along the axial center line of the cylinder below the piston head;
Have
The connecting portion between the piston and the connecting rod is provided at the lower end of the piston strut portion ,
The approximate linear mechanism has first and second lateral links and a longitudinal link;
A first end of the first lateral link is rotatably connected to the connecting portion between the piston and the connecting rod;
A second end of the first lateral link is pivotally connected to a first end of the longitudinal link;
A second end of the longitudinal link is pivotally fixed at a predetermined position of the piston engine;
A first end of the second lateral link is pivotally connected to the first lateral link at a predetermined position in the middle of the first lateral link;
A second end of the second lateral link is pivotally fixed at a predetermined position of the piston engine;
The first end of the second lateral link has a bifurcated structure, and the first end of the first lateral link is configured to pass between the bifurcated structures. , Piston engine. 請求項３記載のピストン機関であって、
前記ピストンヘッド部と前記ピストン支柱部とが一体に形成されている、ピストン機関。A piston engine according to claim 3,
A piston engine in which the piston head part and the piston support part are integrally formed. 請求項３記載のピストン機関であって、
前記ピストンヘッド部と前記ピストン支柱部は回動可能に連結されている、ピストン機関。A piston engine according to claim 3,
The piston engine, wherein the piston head part and the piston column part are rotatably connected. 請求項３ないし５のいずれかに記載のピストン機関であって、
前記ピストンは、さらに、前記シリンダの内壁面近傍に設けられた横方向の位置ずれ防止用の複数のサポート部を有する、ピストン機関。A piston engine according to any one of claims 3 to 5,
The piston further includes a plurality of support portions provided in the vicinity of an inner wall surface of the cylinder for preventing lateral displacement. 請求項６記載のピストン機関であって、
前記複数のサポート部は、前記ピストン支柱部から外側に向けて前記シリンダの内壁面近傍まで伸びている、ピストン機関。A piston engine according to claim 6,
The plurality of support portions are piston engines that extend outward from the piston struts to the vicinity of the inner wall surface of the cylinder. 請求項７記載のピストン機関であって、
前記シリンダの内壁面の下端部は、前記ピストンが下死点にある位置において前記複数のサポート部に対向する内壁面部分を構成するサポート用タブを有しているとともに、前記シリンダの内壁面の下端部において前記複数のサポート部に対向しない内壁面の少なくとも一部が削除されている、ピストン機関。A piston engine according to claim 7,
The lower end portion of the inner wall surface of the cylinder has a support tab that constitutes an inner wall surface portion that faces the plurality of support portions at a position where the piston is at a bottom dead center. A piston engine in which at least a part of an inner wall surface that does not face the plurality of support portions at a lower end portion is deleted. 請求項３または５記載のピストン機関であって、
前記ピストンヘッド部の上端から前記ピストン支柱部の下端にある前記連結部までの距離は、前記ピストンのストロークの１／２倍以上で１倍未満の値に設定されている、ピストン機関。The piston engine according to claim 3 or 5,
A piston engine, wherein a distance from an upper end of the piston head portion to the connecting portion at a lower end of the piston column portion is set to a value that is 1/2 times or more and less than 1 time of the stroke of the piston. ピストン機関であって、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転するクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制するグラスホッパの近似直線機構と、
を備え、
前記ピストンは、前記ピストンの下部に設けられスカート部を有しており、
前記スカート部は、前記ピストン機関とほぼ同一のシリンダ内部寸法を有する同一種類のピストン機関に用いられる従来のピストンに用いられるスカート部よりもサイドフォースへの耐圧能力が小さく構成されており、
前記近似直線機構は、第１と第２の横方向リンクと、縦方向リンクとを有しており、
前記第１の横方向リンクの第１の端部は、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部に回動可能に連結されており、
前記第１の横方向リンクの第２の端部は、前記縦方向リンクの第１の端部と回動可能に連結されており、
前記縦方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの第１の端部は、前記第１の横方向リンクの中間の所定の位置において前記第１の横方向リンクに回動可能に連結されており、
前記第２の横方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの前記第１の端部は二股構造になっており、前記第１の横方向リンクの前記第１の端部が前記二股構造の間を通り抜けるように構成されている、ピストン機関。A piston engine,
A cylinder,
A piston that reciprocates in the cylinder;
A crankshaft that rotates around a drive shaft;
A connecting rod connecting the piston and the crankshaft;
An approximate linear mechanism of a grasshopper that is coupled to a coupling portion between the piston and the connecting rod, and that regulates the movement of the coupling portion so that the coupling portion performs an approximate linear movement along an axial center line of the cylinder;
With
The piston has a skirt portion provided at a lower portion of the piston,
The skirt portion is configured to have a smaller pressure resistance to side force than a skirt portion used in a conventional piston used in the same type of piston engine having substantially the same cylinder internal dimensions as the piston engine ,
The approximate linear mechanism has first and second lateral links and a longitudinal link;
A first end of the first lateral link is rotatably connected to the connecting portion between the piston and the connecting rod;
A second end of the first lateral link is pivotally connected to a first end of the longitudinal link;
A second end of the longitudinal link is pivotally fixed at a predetermined position of the piston engine;
A first end of the second lateral link is pivotally connected to the first lateral link at a predetermined position in the middle of the first lateral link;
A second end of the second lateral link is pivotally fixed at a predetermined position of the piston engine;
The first end of the second lateral link has a bifurcated structure, and the first end of the first lateral link is configured to pass between the bifurcated structures. , Piston engine. 請求項１ないし１０のいずれかに記載のピストン機関であって、
前記第１の横方向リンクの前記第１の端部と、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部とが、１つのピストンピンで連結されている、ピストン機関。A piston engine according to any one of claims 1 to 10 ,
The piston engine, wherein the first end portion of the first lateral link and the connecting portion of the piston and the connecting rod are connected by a single piston pin. 請求項１ないし１１のいずれかに記載のピストン機関であって、
前記第１の横方向リンクの前記第１の端部と、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部における前記ピストンの端部および前記コネクティングロッドの端部と、の３つの端部のうちの２つの端部がそれぞれ二股構造を有しており、残りの１つの端部が前記２つの端部の二股構造の中心に配置されている、ピストン機関。A piston engine according to any one of claims 1 to 11 ,
Of the three ends of the first end of the first lateral link and the end of the piston and the end of the connecting rod at the connecting portion of the piston and the connecting rod A piston engine in which two ends each have a bifurcated structure, and the remaining one end is arranged at the center of the bifurcated structure of the two ends. 請求項１ないし１２のいずれかに記載のピストン機関であって、
前記ピストンのピストンヘッド部の頂部の横断面は、常温でほぼ真円となるように形成されている、ピストン機関。A piston engine according to any one of claims 1 to 12 ,
A piston engine in which a cross section of a top portion of a piston head portion of the piston is formed to be a substantially perfect circle at room temperature.
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