JP4411779B2 - レシプロ式内燃機関のクランク機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ピストンの往復動に伴ってクランクシャフトが回転するレシプロ式内燃機関のクランク機構に関し、特に、可変圧縮比機構を備えた内燃機関に好適なクランク機構の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レシプロ式内燃機関の可変圧縮比機構として、図１に示すような複リンク式のクランク機構を利用したものが近年提案されている（類似構造として特開２０００−７３８０４号公報参照）。これは、シリンダブロック１のシリンダ２内を摺動するピストン３にピストンピン２５を介して一端が連結されたアッパリンク２１と、このアッパリンク２１の他端に連結ピン２６を介して連結されるとともに、クランクシャフト１０のクランクピン１１に連結されたロアリンク２２と、このロアリンク２２と内燃機関本体とを連結して、ロアリンク２２の自由度を制限するコントロールリンク２３と、を備えており、上記コントロールリンク２３の揺動支持位置が偏心カム２４によって制御される構成となっている。このものでは、上記偏心カム２４の回動位置によってコントロールリンク２３下端の揺動支持位置が変化し、これに伴ってピストン３の上死点位置、ひいては圧縮比が変化する。
【０００３】
ここで、上記クランクシャフト１０は、一般的な単リンク式のクランク機構の場合と同じく、クランクピン１１と反対側に延びたカウンタウエイト１２を備えている。このカウンタウエイト１２は、クランクピン１１とクランクジャーナル１４とを接続するクランクアーム１５に一体に形成されており、略扇形をなすとともに、その外縁１３が、クランクジャーナル１４の回転中心を中心とした円弧に加工されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図２は、上記のように構成されたクランク機構において、ピストン３が下死点に達したときの状態を示しているが、このとき、クランクピン１１は最下点付近にあり、逆に、カウンタウエイト１２は、上方つまりシリンダ２の下端に対向する位置にある。従って、この位置において、カウンタウエイト１２の外縁１３とピストン３との間の間隙が最小（ｃ２）となり、両者の干渉が問題となる。図３は、干渉が問題となるピストン３の下端の点（通常は中央のピンボス部の下端）と、外縁１３の各々の運動軌跡を展開した形で示したものであり、ピストン３のストローク方向に沿った上下位置で見ると、外縁１３の位置は、その円弧の半径ｒによって定まる一定の位置となり、ピストン３の下降に伴って、両者の間隙が狭まり、下死点位置で最小（ｃ２）となる。
【０００５】
そして、可変圧縮比機構により低圧縮比とする際には、上死点位置が下降するのに伴って下死点位置も下降するので、このサイクル中の最小間隙ｃ２が、さらに小さくなる。従って、種々の制約により内燃機関の全高が所定値に規定されるとすると、ピストン３の下死点位置におけるカウンタウエイト１２の外縁１３との間の間隙によって、可変制御可能な圧縮比範囲が制限されることになる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、シリンダ内を往復動するピストンと、このピストンに連結されたクランクシャフトと、を備え、かつ、上記クランクシャフトが、クランクアームから延びたカウンタウエイトを備えてなるレシプロ式内燃機関のクランク機構において、
上記カウンタウエイトの外縁が、クランクジャーナルの回転中心を中心とした円弧の基本形状を有するとともに、ピストンが下死点に達したときに該ピストンと上記円弧との間隔が最も小さくなる周方向位置の付近で、上記円弧よりも内周側に後退した形状をなしていることを特徴としている。
特に、上記内燃機関が、圧縮比の可変制御に伴ってピストンの下死点位置が変化する可変圧縮比機構を備えており、この可変圧縮比機構は、ピストンのピストンピンに一端が連結されたアッパリンクと、このアッパリンクとクランクシャフトのクランクピンとを連結するロアリンクと、上記ロアリンクに一端が連結されるとともに他端が内燃機関の本体部に揺動可能に支持されたコントロールリンクと、このコントロールリンクの揺動支持位置を変化させる制御機構と、を備えて構成されている。
【０００８】
すなわち、この発明では、カウンタウエイトの外縁は、従来のようなクランクジャーナルの回転中心を中心とした仮想の円弧に近似しているものの、この仮想の円弧に対し、ピストンとの干渉が問題となる領域で、部分的に内周側に後退している。従って、ピストンが下死点に達したときにカウンタウエイトの外縁との間に生じる間隙を、比較的大きく確保することができる。換言すれば、ピストンの下死点位置を、クランクジャーナルの回転中心に近づけることが可能となる。そして、カウンタウエイト全体を小径化する場合に比較して、慣性モーメントの確保は容易となる。
【０００９】
また、圧縮比の可変制御に伴って下死点位置がクランクジャーナルに近付いても、カウンタウエイトと干渉することを回避でき、圧縮比の可変範囲をより大きく確保できる。
【００１１】
また、請求項２の発明では、上記クランクジャーナルの回転中心がシリンダの中心軸上に位置しているとともに、上記クランクジャーナルの回転中心から上記カウンタウエイトの外縁各部までの半径距離について、ピストンが下死点に達したときのクランクシャフトの姿勢でシリンダの中心軸に一致する方向の半径距離（ｒｃ）が、該中心軸よりも進み側となる部分および遅れ側となる部分の半径距離よりも短い。
【００１２】
一般に、ピストンとカウンタウエイト外縁との干渉は、ピストンの中央に位置するピンボス部で生じる虞があるので、これに対応する部分を内周側に後退させておくことにより、その干渉が確実に回避される。そして、その両側の部分は、クランクジャーナルの回転中心を中心として、相対的に大きな半径距離を有するので、慣性モーメントは大きく確保される。
【００１３】
この請求項２の発明をさらに減縮した請求項３の発明は、ピストンが下死点に達したときにクランクピンが最下点よりも遅れ側に位置するように構成されているとともに、ピストンが下死点に達したときのクランクシャフトの姿勢でシリンダの中心軸よりも進み側となる部分の半径距離が、上記中心軸よりも遅れ側となる部分の半径距離よりも短いことを特徴としている。
【００１４】
ピストンとクランクシャフトとの間のリンク機構の構成によっては、ピストンが下死点に達したときにクランクピンが最下点になく、最下点にまだ達しない位置つまり最下点よりも遅れ側に位置する場合がある。請求項３の発明は、このような構成を前提としたものであって、クランクピンが最下点に達した時点では、ピストンは下死点を過ぎて上昇に転じている。そのため、これに対応するカウンタウエイト外縁部分は、相対的に外周側に位置させることができる。
【００１５】
また、請求項４の発明は、ピストンが下死点に達したときにクランクピンが最下点よりも進み側に位置するように構成されているとともに、ピストンが下死点に達したときのクランクシャフトの姿勢でシリンダの中心軸よりも遅れ側となる部分の半径距離が、上記中心軸よりも進み側となる部分の半径距離よりも短いことを特徴としている。
【００１６】
これは、請求項３とは逆に、ピストンが下死点に達したときにクランクピンが最下点を過ぎた位置つまり最下点よりも進み側に位置する場合がある。請求項４の発明は、このような構成を前提としたものであって、クランクピンが最下点に達した時点では、ピストンはまだ下死点に到達しない。そのため、これに対応するカウンタウエイト外縁部分は、相対的に外周側に位置させることができる。
【００１７】
次に請求項５の発明は、可変圧縮比機構を備えた請求項３の発明をさらに減縮したものであって、クランクジャーナルの回転中心がシリンダの中心軸に対して一方にオフセットしている構成を前提としており、ピストンの上記オフセット方向の外周端におけるスカート部最下端位置が、反対側の外周端におけるスカート部最下端位置よりも相対的に上方に位置していることを特徴としている。
【００１８】
クランクジャーナルの回転中心が一方にオフセットしていると、このオフセットしている側のピストンスカート部最下端がカウンタウエイト外縁と干渉しやすくなる。従って、スカート部最下端位置を非対称とし、オフセットしている側で相対的に上方に配置することにより、この干渉を回避できる。
【００１９】
また、請求項６に係る発明では、上記外縁が、上記クランクジャーナルの回転中心以外の点を中心とする円弧形をなしている。例えば、クランクピンを中心とした一定半径の円弧とすることができる。このような円弧形とすれば、旋削加工等の加工が容易である。
【００２０】
さらに、請求項７に係る発明では、上記外縁が、多角形をなしている。この場合、多角形の複数の辺に相当する面を直線的に平面加工すればよく、加工が容易である。しかも、その平面部を、他の加工の位置決め基準面として利用することができる。
【００２１】
また、請求項８に係る発明では、上記外縁が、ピストンが下死点に達したときに該ピストンに対向する直線部分と、その両側の円弧部分と、から形成されている。上記円弧部分は、例えば、従来のクランクシャフトと同様に、クランクジャーナルの回転中心を中心とした円弧とすることができる。従って、円弧の１カ所を直線的に平面加工すればよく、加工が容易である。しかも、その平面部を、他の加工の位置決め基準面として利用することができる。
【００２２】
【発明の効果】
この発明によれば、カウンタウエイトを小型化することなく、ピストンとカウンタウエイト外縁との間の最小間隙を相対的に大きく確保することができ、カウンタウエイトに必要な慣性モーメントを十分に大きく確保しつつ、余裕代の拡大あるいは内燃機関の全高の小型化などを実現できる。
【００２３】
特に、可変圧縮比機構を備えた内燃機関において、圧縮比の可変制御に伴って下死点位置がクランクジャーナルに近付いても、カウンタウエイトと干渉することを回避でき、圧縮比の可変範囲をより大きく確保することができる。
【００２４】
また、請求項３あるいは請求項４の発明によれば、ピストンが下死点に達するタイミングとクランクピンが最下点となるタイミングとがずれている場合に、このタイミングのずれを考慮した形で、ピストンとカウンタウエイト外縁との間の間隙を大きく確保することができる。
【００２５】
さらに、請求項５の発明によれば、クランクジャーナルの回転中心がシリンダの中心軸に対して一方にオフセットしている場合に、ピストンスカート部最下端とカウンタウエイト外縁との干渉を確実に回避でき、圧縮比の可変範囲を大きく確保することができる。
【００２６】
また、請求項６の発明によれば、カウンタウエイト外縁を一定半径の円弧形とすることにより、旋削加工等の加工が容易となる。
【００２７】
請求項７の発明によれば、カウンタウエイト外縁を多角形とすることにより、直線的な平面加工となり、加工が容易であるとともに、平面部を、他の加工の位置決め基準面として利用することが可能となる。
【００２８】
同様に請求項８の発明によれば、円弧の１カ所を直線的に平面加工すればよく、加工が容易であるとともに、平面部を、他の加工の位置決め基準面として利用することが可能となる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００３０】
図４は、この発明を、可変圧縮比機構を備えたレシプロ式内燃機関に適用した一実施例を示している。このクランク機構は、シリンダブロック１のシリンダ２内を摺動するピストン３と、シリンダブロック１に回転自在に支持されたクランクシャフト１０と、上記ピストン３にピストンピン２５を介して一端が連結されたアッパリンク２１と、このアッパリンク２１の他端に連結ピン２６を介して連結されるとともに、クランクシャフト１０のクランクピン１１に連結されたロアリンク２２と、このロアリンク２２に連結ピン２７を介して一端が連結されるとともに、他端が内燃機関本体に揺動可能に支持されたコントロールリンク２３と、を備えており、上記コントロールリンク２３の揺動支持位置が偏心カム２４によって制御される構成となっている。なお、上記偏心カム２４は、クランクシャフト１０のクランクジャーナル１４を支持するベアリングキャップ２０の下側部に支持されている。また、この実施例では、クランクジャーナル１４の回転中心が、シリンダ２の中心軸Ｌ上に位置しているとともに、図示するように、ピストン３が下死点に達したときに、ちょうどクランクピン１１が最下点に位置するように構成されている。
【００３１】
上記クランクシャフト１０は、クランクアーム１５と一体に、クランクピン１１とは反対側に延びたカウンタウエイト１２を備えている。このカウンタウエイト１２の外縁１３は、連続した曲線からなり、クランクジャーナル１４の回転中心を中心とした円弧に近似した基本形状を有しているが、クランクジャーナル１４の回転中心から外縁１３各部までの半径距離は完全に一定ではなく、中央部分の半径距離ｒｃが、両側部分の半径距離ｒｓよりも短くなっている。詳しくは、図示するように、ピストン３が下死点に達したときのクランクシャフト１０の姿勢において、シリンダ中心軸Ｌに一致する位置での半径距離が最も短く（ｒｃ）、これよりも進み側となる部分ならびに遅れ側となる部分での半径距離ｒｓは、いずれも、相対的に大きい。なお、図の状態で、カウンタウエイト１２は、シリンダ中心軸Ｌを挟んで対称形状をなしている。
【００３２】
図５は、このような実施例の構成における図３と同様の説明図であって、ピストン３のピンボス部の下端が最も下方となるピストン３の下死点において、外縁１３の位置が半径距離ｒｃとして示すように下方に位置することになるので、下死点位置における両者の間隙ｃが拡大する。そのため、余裕代が大きくなるとともに、圧縮比の可変範囲が大きくなる。また、このようにピストン３に最接近する部分を除いて、カウンタウエイト１２の半径距離ｒｓを大きく確保できるので、その慣性モーメントが十分に大きく得られる。特に、一般的な単リンク式のクランク機構におけるピストン下死点付近におけるストローク変化は、回転２次成分の影響によって下死点付近での停滞時間が長いのに対し、この実施例の複リンク式クランク機構では、ピストン３の動きを単振動に近づけることが可能であるため、両側の半径距離ｒｓを単リンク式の場合よりも大きく設定することが可能である。
【００３３】
次に、図６は、上記のような外縁１３のより具体的な形状を示したものであって、この第２実施例では、図示するように、クランクピン１１の中心から一定半径Ｒの円弧形をなすように外縁１３が形成されており、これによって、クランクジャーナル１４の回転中心からの半径距離が、中央部では短く（ｒｃ）、両側部では長く（ｒｓ）なっている。このような構成によれば、クランクピン１１を中心とした旋削加工が可能となり、その加工が容易となる。
【００３４】
図７は、外縁１３の異なる形状を示しており、この第３実施例では、外縁１３が、基本的にクランクジャーナル１４を中心とした半径ｒｓの円弧に沿った形状をなすとともに、その中央部分が接線方向に平行な平面部１３ａとして切り落とされた形状をなしている。このような構成によれば、一定半径の円弧の一部を平面に削除すればよいので、加工が容易であり、また平面部１３ａを、他の加工の際の位置決め基準面として利用することができる。
【００３５】
また、図８は、外縁１３を、３つの平面部１３ａ，１３ｂ，１３ｃによって多角形に形成した第４実施例を示している。図示するように、平面部１３ａの中央部が最も短い半径距離ｒｃとなり、４つの頂点が最も長い半径距離ｒｓとなる。この構成によれば、平面加工のみで外縁１３を形成でき、その加工が容易であるとともに、各平面部１３ａ，１３ｂ，１３ｃを、他の加工の際の位置決め基準面として利用することができる。
【００３６】
次に、図９および図１０は、ピストン３が下死点に達したときに、クランクピン１１がまだ最下点に達しないようなリンク構成を有するクランク機構に適用した第５実施例を示している。なお、クランクシャフト１０の回転方向は、矢印ωで示すように、図の時計回り方向である。すなわち、図９は、ピストン３が下死点位置にあるときの状態を示しているが、このときに、クランクピン１１は、最下点よりも僅かに遅れ側にある。従って、ピストン３が下死点に達したときに、ピストン３中央のピンボス部が最接近する位置は、カウンタウエイト１２外縁１３の中央ではなく、カウンタウエイト１２中央よりも進み側に片寄った位置となる。図１０にも示すように、この位置において、外縁１３の半径距離は最も短い（ｒｃ）。つまり、ピストン３が下死点に達したときのクランクシャフト１０の姿勢でもって、シリンダ中心軸Ｌに一致する位置の半径距離ｒｃが最も短い。そして、その両側部において、これよりも半径距離が長くなっているが、特に、シリンダ中心軸Ｌよりも進み側となる部分の半径距離ｒｓ１が、遅れ側となる部分の半径距離ｒｓ２よりも短い。
【００３７】
従って、図１０に明らかなように、サイクル中に、ピストン３下端の移動軌跡に対応した形で外縁１３の高さ位置が変化することになり、ピストン３下死点の付近で一層適切に間隙ｃを確保することができる。
【００３８】
また、図示は省略するが、逆に、ピストン３が下死点に達したときに、クランクピン１１が最下点を過ぎているようなリンク構成を有するクランク機構に適用する場合には、逆に、シリンダ中心軸Ｌよりも進み側となる部分の半径距離ｒｓ１が、遅れ側となる部分の半径距離ｒｓ２よりも相対的に長く設定されることになる。
【００３９】
次に、図１１は、クランクジャーナル１４の回転中心がシリンダ中心軸Ｌから図の右側へオフセットしている場合の第６実施例を示している。この第６実施例では、カウンタウエイト１２の外縁１３の形状は、前述した第２実施例と同様であり、クランクピン１１を中心とした半径Ｒの円弧形をなしている。このようにクランクシャフト１０がオフセットした構成では、ピストン３における図右側のスカート部最下端５が、カウンタウエイト１２と干渉しやすくなる。図１２は、比較例として示したものであり、図示するように、ピストン３が下死点に達したときに、両者間の間隙がｃ６として示すように、非常に小さくなってしまう。そのため、図１１の第６実施例では、ピストン３の図右側のスカート部最下端５の位置が、図左側のスカート部最下端４の位置よりも、相対的に上方に位置するようになっている。つまり、スカート部の長さが、図左側の部分に比べて図右側の部分で相対的に短くなっている。このような構成によれば、両者間の間隙がｃ７として示すように、大きく確保され、この位置での干渉を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のクランク機構の一例を示す断面図。
【図２】ピストンが下死点に達したときの状態を示す断面図。
【図３】ピストン下端とカウンタウエイト外縁の運動軌跡を展開して示す説明図。
【図４】この発明の第１実施例を示す断面図。
【図５】この実施例におけるピストン下端とカウンタウエイト外縁の運動軌跡を示す図３と同様の説明図。
【図６】この発明の第２実施例を示す断面図。
【図７】第３実施例を示す断面図。
【図８】第４実施例を示す断面図。
【図９】第５実施例を示す断面図。
【図１０】この第５実施例における図３と同様の説明図。
【図１１】第６実施例を示す断面図。
【図１２】第６実施例に関連した比較例を示す断面図。
【符号の説明】
３…ピストン
１０…クランクシャフト
１１…クランクピン
１２…カウンタウエイト
１３…外縁
１４…クランクジャーナル
２１…アッパリンク
２２…ロアリンク
２３…コントロールリンク

Claims (8)

1. シリンダ内を往復動するピストンと、このピストンに連結されたクランクシャフトと、を備え、かつ、上記クランクシャフトが、クランクアームから延びたカウンタウエイトを備えてなるレシプロ式内燃機関のクランク機構において、
   上記カウンタウエイトの外縁が、クランクジャーナルの回転中心を中心とした円弧の基本形状を有するとともに、ピストンが下死点に達したときに該ピストンと上記円弧との間隔が最も小さくなる周方向位置の付近で、上記円弧よりも内周側に後退した形状をなしており、
   上記内燃機関が、圧縮比の可変制御に伴ってピストンの下死点位置が変化する可変圧縮比機構を備えており、この可変圧縮比機構は、ピストンのピストンピンに一端が連結されたアッパリンクと、このアッパリンクとクランクシャフトのクランクピンとを連結するロアリンクと、上記ロアリンクに一端が連結されるとともに他端が内燃機関の本体部に揺動可能に支持されたコントロールリンクと、このコントロールリンクの揺動支持位置を変化させる制御機構と、を備えて構成されていることを特徴とするレシプロ式内燃機関のクランク機構。
2. 上記クランクジャーナルの回転中心がシリンダの中心軸上に位置しているとともに、上記クランクジャーナルの回転中心から上記カウンタウエイトの外縁各部までの半径距離について、ピストンが下死点に達したときのクランクシャフトの姿勢でシリンダの中心軸に一致する方向の半径距離（ｒｃ）が、該中心軸よりも進み側となる部分および遅れ側となる部分の半径距離よりも短いことを特徴とする請求項１に記載のレシプロ式内燃機関のクランク機構。
3. ピストンが下死点に達したときにクランクピンが最下点よりも遅れ側に位置するように構成されているとともに、ピストンが下死点に達したときのクランクシャフトの姿勢でシリンダの中心軸よりも進み側となる部分の半径距離が、上記中心軸よりも遅れ側となる部分の半径距離よりも短いことを特徴とする請求項２記載のレシプロ式内燃機関のクランク機構。
4. ピストンが下死点に達したときにクランクピンが最下点よりも進み側に位置するように構成されているとともに、ピストンが下死点に達したときのクランクシャフトの姿勢でシリンダの中心軸よりも遅れ側となる部分の半径距離が、上記中心軸よりも進み側となる部分の半径距離よりも短いことを特徴とする請求項２記載のレシプロ式内燃機関のクランク機構。
5. 上記クランクジャーナルの回転中心がシリンダの中心軸に対して一方にオフセットしているとともに、ピストンの上記オフセット方向の外周端におけるスカート部最下端位置が、反対側の外周端におけるスカート部最下端位置よりも相対的に上方に位置していることを特徴とする請求項１記載のレシプロ式内燃機関のクランク機構。
6. 上記外縁が、上記クランクジャーナルの回転中心以外の点を中心とする円弧形をなしていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレシプロ式内燃機関のクランク機構。
7. 上記外縁が、多角形をなしていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレシプロ式内燃機関のクランク機構。
8. 上記外縁が、ピストンが下死点に達したときに該ピストンに対向する直線部分と、その両側の円弧部分と、から形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレシプロ式内燃機関のクランク機構。

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