JPH04119212A

JPH04119212A - ピストンクランク機構

Info

Publication number: JPH04119212A
Application number: JP23942190A
Authority: JP
Inventors: Tadao Takamizawa; 高見澤　匡夫
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-09-10
Filing date: 1990-09-10
Publication date: 1992-04-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明はピストンクランク機構に関し、特に、ストロー
ク長を可変にでき、またはストロークの位相を変更でき
るようにしたピストンクランク機構に関する。

［従来の技術］従来から、ポンプ、コンプレッサー、内燃機関、蒸気機
関等には広くピストンクランク機構が使用されている。

このピストンクランク機構は、クランク軸と、クランク
軸によって駆動されるコ字状のクランクアームおよびク
ランクピンと、クランクピンに連接棒を介して接続され
たピストンとを備えている。

［発明が解決しようとする課題］このようなピストンクランク機構では下記のような難点
がある。

■、水ポンプコンプレッサー等においては、ストローク
、回転数が同じならば吐出量は大喜一定である。従って
、供給量（吐出量）と消費量のバランスをとるためには
通常次に示すような方法に依る。

（イ）吐出側に気蓄器を設ける。気蓄器圧力上昇（供給
過多）によりプレッシャースイッチを動作（ｏｆｆ）し
て運転停止させ、気蓄器圧力下降（供給不足）によりプ
レッシャースイッチ復帰（ｏｎ）して再運転させる。こ
の方法では動力の損失が多く、主に小型機に採用される
。

（ロ）同じく気蓄器を設け、気蓄器圧力上昇にてリリー
フ弁を動作させて吐出側ガスを吸入側へ還流させる。気
蓄器圧力が下がればリリーフ弁は閉じ正常運転に入る。

ポンプは主としてこの方法をとる。この方法では動力の
損失か多い。

（ハ）同じ（気蓄器を設け、気蓄器の圧力上昇にてアン
ローダ−を動作させて吸入弁を開放し圧縮行程を遊ばせ
るので、この間圧縮は行なわれない。気蓄器の圧力低下
によりアンローダ−は復帰して正常運転に入る。アンロ
ーダ−は消費側必要圧力十αに設定されるので吐出圧力
は高くなり動力の損失を生じる。

（ニ）無段変速機、モータのインバーター制御により回
転数を変えて容量を制御する。設備費が嵩み、動力の損
失も多く、大容量機には適さない。

Ｉｌ、　　４サイクルエンジンにおいては、圧縮比の関
係上ピストンの上死点にてこれに見合った頂隙を有して
いるため、排気行程に際しこの頂隙に排気ガスが残留し
、残留ガスは吸入ガスと混合して爆発行程時燃焼を妨げ
燃焼効率を落とすと共に、一部下完全燃焼による有害ガ
スの発生を助長している。また、排気行程においては、
排気の残量を減らすため吸入弁、排気弁の開閉時期をオ
ーバーラツプさせているので、これによる損失も生じて
いる。

■、エアーコンプレッサーにおいては、ビストンストロ
ーク、シリンダの項隙が一定（ビストンストロークの位
相が一定）であり回転数が一定でも、気温、湿度等の吸
入条件（四季、日中、夜間等の気象の変化）により容量
は１０％前後変動する。従って、常に一定量の空気を連
続して供給する場合には次の方法をとる。

（イ）大容量の気蓄器を吐出側に設け、アンローダ−を
備える。アンローダーを間歇作動させて気蓄器出口の流
量を一定にする。この方法ではアンローダ−による制御
なので動力の損失を伴う。

（ロ）無段変速機、モータのインバーター制御により回
転数を制御して吐出量を一定に保つ方式の場合、設備費
が嵩み、同じく動力の損失も生じ、また大容量機には適
さない。

［発明の目的］本発明は上記従来の難点に鑑みなされたもので、その目
的とするところは、ストローク長を随時無段階に可変に
でき、および／またはストロークの位相を変更でき運転
中随時無段階に適量の容量調節ができる動力の損失も少
ないピストンクランク機構を提供せんとするものである
。

また、本発明の他の目的は、燃焼効率が改善され、エン
ジンの性能を向上することができるピストンランク機構
を提供せんとするものである。

［課題を解決する手段］この目的を達成するため、本発明のピストンクランク機
構は、クランク軸と、前記クランク軸によって駆動され
るコ字状のクランクアームおよびクランクピンと、前記
クランクピンに連接棒を介して接続されシリンダ内を往
復摺動するピストンとを備えたピストンクランク機構に
おいて、前記クランクピンには従動遊星歯車と、前記従
動遊星歯車に固定された偏芯輪とを支承し、前記連接棒
をその外輪によって前記偏芯輪外周に枢着し、前記クラ
ンクアームに設けられて前記従動遊星歯車に噛み合う駆
動遊星歯車を備えたものである。

また、本発明のピストンクランク機構は、クランク軸と
、クランク軸によって駆動されるコ字状のクランクアー
ムおよびクランクピンと、クランクピンに連接棒を介し
て接続されシリンダ内を往復摺動するピストンとを備え
たピストンクランク機構において、クランクピンには従
動遊星歯車と、従動遊星歯車に固定された偏芯輪とを支
承し、連接棒をその外輪によって偏芯輪外周に枢着し、
クランクアームに設けられて従動遊星歯車に噛み合う駆
動遊星歯車と、駆動遊星歯車を回動して従動遊星歯車を
介して偏芯輪と外輪との円周方向の相対的位置を変更す
る調節手段とを備えたものである。

［作用］このように構成されたピストンクランク機構において、
このピストンクランク機構をポンプ、コンプレッサーに
適用した場合、外部原動機や電動機よりクランク軸が回
転駆動され、クランクアームおよびクランクピンが回転
することにより連接棒を介してシリンダ内をピストンが
往復摺動する。

これにより吸入弁、排出弁がピストンの往復運動に応じ
て交互に開閉し容積型ポンプ、コンプレッサー機構を構
成する。駆動遊星歯車と従動遊星歯車の歯数比を２：１
にすれば、調節手段により駆動遊星歯車の円周方向の相
対的位置、即ち角度を調節することにより、駆動遊星歯
車に噛み合う従動遊星歯車は角度変位するので、これに
固定された偏芯輪もクランクピンのセンターに対して同
じく角度変位するから、外輪、連接棒を介してピストン
のストロークは、固有のクランク半径をＲ１偏芯輪Ｅの
偏芯距離をＥｃとすると、２（Ｒ＋Ｅｃ）〜２（Ｒ−Ｅ
ｃ）の範囲を随時無段階に増減でき、動力の損失は極め
て少ない。

また、このピストンクランク機構をエアーコンプレッサ
ーに適用した場合、駆動遊星歯車と従動遊星歯車の歯数
比を１：１にすれば、調節手段により駆動遊星歯車の円
周方向の相対的位置、即ち角度を調節することにより、
駆動遊星歯車に噛み合う従動遊星歯車は角度変位するの
で、これに固定された偏芯輪もクランクピンのセンター
に対して同じく角度変位するが、外輪、連接棒を介して
ピストンのストロークは一定で、そのストロークの位相
、即ち位置が０〜Ｅｃだけ移動する。即ち、この範囲で
ピストンの填隙を運転中随時無段階に適量の容量調節が
できる。ガスコンプレッサーにおいては、この填隙を調
節することにより、１０％程度の小幅の容量調節が可能
であり、また、動力の損失も少ない。流量（圧力）セン
サーを用いて調節手段を自動調節すれば、容易にしかも
動力の損失も極めて少なくして流量（実容量）を一定に
制御できる。

さらに、このピストンクランク機構を４サイクルエンジ
ンに適用した場合、駆動遊星歯車と従動遊星歯車の歯数
比を１：２とし、駆動遊星歯車を固定すれば、クランク
軸の回転ゝにより従動遊星歯車は固定された駆動遊星歯
車上を転勤するので、クランク軸の２回転（ピストン２
往復）に対して１回転の周期で従動遊星歯車は偏芯輪と
一体でクランクピンのセンターに対して回転する。従っ
て、ストロークは最大２Ｒ＋Ｅｃ〜最小２Ｒ−Ｅｃの範
囲を周期的に変化する。ストローク最小時の填隙が圧縮
行程の圧縮比に見合った填隙となり、ストローク最大時
の排気行程の填隙が僅少となるように偏芯距離Ｅｃの値
を定めれば、排気行程時の排気ガスを充分に排出し残留
排気ガスを従来の排気行程の場合に比べて最小限に抑え
ることができる。

従って、燃焼効率が改善され、また吸入弁、排気弁のバ
ルブタイミングもこの状態のサイクルに適合するよう改
善されるので、相乗効果をもたらしエンジンの性能を向
上することができる。

［実施例］以下、本発明の好ましい実施例を図面により説明する。

第１図〜第３図に示すように、一般に、ピストンクラン
ク機構は、フロア−１０上のベース１１に載架されるク
ランクケース１２に軸承されたクランク軸１４と、クラ
ンク軸１４によって駆動されるコ字状のクランクアーム
１５およびクランクピン１６と、クランクピン１６に連
接棒１７を介して接続されシリンダ取り付は台２０に載
架されたシリンダ１８内を往復摺動するピストン１９と
を備えている。なお、クランク軸１４はクランクケース
１２によってベアリング１４ａを介して軸承されている
。

このようなピストンクランク機構において、本発明のピ
ストンクランク機構は、クランクピン１６には従動遊星
歯車２１と、従動遊星歯車２１に固定された偏芯輪２２
とを支承し、連接棒１７をその外輪２３によって偏芯輪
外周２４に枢着し、クランクアーム１５の内側（第２図
）に設けられて従動遊星歯車２１に噛み合う駆動遊星歯
車２５とを備えている。

なお、ここで連接棒１７とは、ガスコンプレッサー、蒸
気機関等ストロークが長い場合、クロスヘツドおよびこ
れに連結したピストン棒を含むものとして解釈される。

さらに、このピストンクランク機構は、ポンプ、コンプ
レッサーに適用される場合に、駆動遊星歯車２５を回動
して従動遊星歯車２１を介して偏芯輪２２と外輪２３と
の円周方向の相対的位置を変更する調節手段２６を備え
ている。

この調節手段２６は、図示の例において、クランク軸１
４を貫通して駆動遊星歯車２５を固定する軸２７に固定
されたウオームホイール２８と、ウオームホイール２８
に噛み合ってウオーム軸支え３１によって軸承されたウ
オーム２９とから成る。なお、軸２７はクランクケース
１２および支柱１３によってそれぞれベアリング１４ａ
およびベアリング２７ａを介して軸承されている。３０
はウオーム軸支え３１によって軸承されたウオーム２９
を回転させるハンドルまたはノブである。

別法として、調節手段２６は、ウオームホイール２８を
ピニオンに代えて、このピニオンにラックを噛み合わせ
て軸２７の回転角を調節するように構成することができ
る。また、調節手段２６は、軸２７にレバーを取り付け
、このレバーをリンクを介して軸２７の回転角を調節す
るように構成してもよい。

フラホイール３２がクランク軸１４に固定されている。

また、ピストン１９が往復摺動するシリンダ１８の頂壁
３７には吸入弁３５、排出弁３６がそれぞれ設けられて
いる。

本発明のピストンクランク機構かポンプ、コンプレッサ
ーに適用される場合は、外部原動機や電動機よりフラホ
イール３２からクランク軸１４が駆動され、内燃機関、
蒸気機関等に適用される場合は、シリンダ１８、ピスト
ン１９が原動機となってクランク軸１４が駆動されフラ
ホイール３２から動力が取り出される。

このように構成されたピストンクランク機構の動作につ
いて以下に詳述する。

■９本発明のピストンクランク機構をポンプ、コンプレ
ッサーに適用した場合、外部原動機や電動機よりフラホ
イール３２からクランク軸１４が回転駆動され、クラン
クアーム１５およびクランクピン１６が回転することに
より連接棒１７を介してシリンダ１８内をピストン１９
が往復摺動する。これにより吸入弁３５、排出弁３６が
ピストン１９の往復運動に応じて交互に開閉し容積型ポ
ンプ、コンプレッサー機構を構成する。

ここで、駆動遊星歯車２５と従動遊星歯車２１の歯数比
を２：１にすれば、調節手段２６のノ１ンドルまたはノ
ブ３０を回動してウオーム２９からウオームホイール２
８を介して軸２７を回動し駆動遊星歯車２５の円周方向
の相対的位置、即ち角度を調節（この場合、０°〜９０
°）させることにより、駆動遊星歯車２５に噛み合う従
動遊星歯車２１は０°〜１８０°角度変位するので、こ
れに固定された偏芯輪２２もクランクピン１６のセンタ
ー４０に対して同じく０°〜１８０°角度変位するから
、外輪２３、連接棒１７を介してピストン１９のストロ
ークは、固有のクランク半径をＲ１偏芯輪Ｅの偏芯距離
をＥｃとすると、第４図（ａ）から（ｄ）に示す２（Ｒ
＋Ｅｃ）−第４図（ｅ）から（ｈ）に示す２（Ｒ−Ｅｃ
）の範囲を随時無段階に増減できる。また、従来の容量
調節の方法に比べて直接仕事量を増減することができる
ので動力の損失は極めて少ない。

■、エアーコンプレッサーに適用した場合、駆動遊星歯
車２５と従動遊星歯車２１の歯数比を１＝１にすれば、
調節手段２６のハンドルまたはノブ３０を回動してウオ
ーム２９からウォームホイ−ル２８を介して軸２７を回
動し駆動遊星歯車２５の円周方向の相対的位置、即ち角
度を調節（この場合、０°〜１８０°）することにより
、駆動遊星歯車２５に噛み合う従動遊星歯車２１は０゜
〜１８０°角度変位するので、これに固定された偏芯輪
２２もクランクピン１６のセンターを芯として同じく０
°〜１８０°角度変位するが、第５図（ａ）から（ｈ）
に示すように、外輪２３、連接棒１７を介してピストン
１９のストロークは一定（２Ｒ）で、そのストロークの
位相、即ち位置が０〜Ｅｃだけ移動する。即ち、この範
囲でピストンの填隙３８を運転中随時無段階に適量の容
量調節ができる。

ガスコンプレッサーにおいては、填隙３８を調節するこ
とにより、１０％程度の小幅の容量調節が可能であり、
また、従来の容量調節の方法に比べて直接仕事量を増減
することができるので動力の損失も少ない。

流量（圧力）センサーを用いて調節手段２６のウオーム
ホイール２８、ウオーム２９を自動調節すれば、容易に
しかも動力の損失も極めて少なくして流量（実容量）を
一定に制御できる。

■、４サイクルエンジンに適用した場合、駆動遊星歯車
２５と従動遊星歯車２１の歯数比を１＝２とし、駆動遊
星歯車２５を固定すれば、クランク軸１４の回転により
従動遊星歯車２１は固定された駆動遊星歯車２５上を転
勤するので、クランク軸１４の２回転（ピストン２往復
）に対して１回転の周期で従動遊星歯車２１は偏芯輪２
２と一体でクランクピン１６のセンター４０の周りで回
転する。従って、ストロークは実質的に最大２Ｒ＋Ｅｃ
〜最小２Ｒ−Ｅｃの範囲を周期的に変化する（第６図（
ａ）〜（ｅ））。

いま、ストローク最小時の填隙が圧縮行程の圧縮比に見
合った填隙Ｃ１（第７図（ａ））となり、ストローク最
大時の排気行程の填隙Ｃ８（第７図（ｂ））が僅少とな
るように偏芯距離Ｅｃの値を定めれば、排気行程時の排
気ガスを充分に排出し残留排気ガスを第７図（Ｃ）〜（
ｄ）に示す従来の圧縮行程後の排気行程時の填隙Ｃに比
べて最小限に抑えることができる。従って、燃焼効率が
改善され、また吸入弁、排気弁のバルブタイミングもこ
の状態のサイクルに適合するよう改善されるので、相乗
効果をもたらしエンジンの性能を向上することができる
。

［発明の効果］以上の実施例からも明らかなように、本発明のピストン
クランク機構によれば、クランク軸と、前記クランク軸
によって駆動されるコ字状のクランクアームおよびクラ
ンクピンと、前記クランクピンに連接棒を介して接続さ
れシリンダ内を往復摺動するピストンとを備えたピスト
ンクランク機構において、前記クランクピンには従動遊
星歯車と、前記従動遊星歯車に固定された偏芯輪とを支
承し、前記連接棒をその外輪によって前記偏芯輪外周に
枢着し、前記クランクアームに設けられて前記従動遊星
歯車に噛み合う駆動遊星歯車を備えたことにより、４サ
イクルエンジンに適用した場合、燃焼効率が改善され、
また吸入弁、排気弁のバルブタイミングもこの状態のサ
イクルに適合するよう改善されるので、相乗効果をもた
らしエンジンの性能を向上することができる。

また、本発明のピストンクランク機構によれば、クラン
ク軸と、前記クランク軸によって駆動されるコ字状のク
ランクアームおよびクランクピンと、前記クランクピン
に連接棒を介して接続されシリンダ内を往復摺動するピ
ストンとを備えたピストンクランク機構において、前記
クランクピンには従動遊星歯車と、前記従動遊星歯車に
固定された偏芯輪とを支承し、前記連接棒をその外輪に
よって前記偏芯輪外周に枢着、し、前記クランクアーム
に設けられて前記従動遊星歯車に噛み合う駆動遊星歯車
と、前記駆動遊星歯車を回動して前記従動遊星歯車を介
して前記偏芯輪と前記外輪との円周方向の相対的位置を
変更する調節手段とを備えたことにより、ポンプ、コン
プレッサーに適用した場合、ストロークは、固有のクラ
ンク半径をＲ１偏芯輪Ｅの偏芯距離をＥｃとすると、２
（Ｒ＋Ｅｃ）〜２（Ｒ−Ｅｃ）の範囲を随時無段階に増
減でき、動力の損失は極めて少なくなり、エアーコンブ
レッサーに適用した場合、ストロークは一定で、そのス
トロークの位相がＯ−Ｅ　ｃだけ移動し、この範囲でピ
ストンの填隙を運転中随時無段階に適量の容量調節がで
き、ガスコンプレッサーにおいては、填隙を調節するこ
とにより、１０％程度の小幅の容量調節が可能であり、
また、動力の損失も少なく、流量（圧力）センサーを用
いて調節手段を自動調節すれば、容易にしかも動力の損
失も極めて少なくして流量（実容量）を一定に制御でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わるピストンクランク機構の側面図
、第２図は第１図のピストンクランク機構の正面図、第
３図は第１図のピストンクランク機構の斜視図、第４図
（ａ）〜（ｈ）は第１図に示すピストンクランク機構を
ポンプ、コンプレッサーに適用した場合の動作図、第５
図（ａ）〜（ｈ）は第１図に示すピストンクランク機構
をエアーコンプレッサーに適用した場合の動作図、第６
図（ａ）〜（ｅ）は第１図のピストンクランク機構を４
サイクルエンジンに適用した場合の動作図、第７図（ａ
）〜（ｂ）は第１図のピストンクランク機構を４サイク
ルエンジンに適用した場合の動作図、第７図（ｃ）〜（
ｄ）は従来の４サイクルエンジンの動作図である。１４・・・・・・クランク軸１５・・・・・・クランクアーム１６・・・・・・クランクピン１７・・・・・・連接棒１８・・・・・・シリンダ１９・・・・・・ピストン２１・・・・・・従動遊星歯車２２・・・・・・偏芯輪２８・・・・・・外輪２５・・・・・・駆動遊星歯車２６・・・・・・調節手段

Claims

【特許請求の範囲】１、クランク軸と、前記クランク軸によって駆動される
コ字状のクランクアームおよびクランクピンと、前記ク
ランクピンに連接棒を介して接続されシリンダ内を往復
摺動するピストンとを備えたピストンクランク機構にお
いて、前記クランクピンには従動遊星歯車と、前記従動
遊星歯車に固定された偏芯輪とを支承し、前記連接棒を
その外輪によって前記偏芯輪外周に枢着し、前記クラン
クアームに設けられて前記従動遊星歯車に噛み合う駆動
遊星歯車を備えたことを特徴とするピストンクランク機
構。２、クランク軸と、前記クランク軸によって駆動される
コ字状のクランクアームおよびクランクピンと、前記ク
ランクピンに連接棒を介して接続されシリンダ内を往復
摺動するピストンとを備えたピストンクランク機構にお
いて、前記クランクピンには従動遊星歯車と、前記従動
遊星歯車に固定された偏芯輪とを支承し、前記連接棒を
その外輪によって前記偏芯輪外周に枢着し、前記クラン
クアームに設けられて前記従動遊星歯車に噛み合う駆動
遊星歯車と、前記駆動遊星歯車を回動して前記従動遊星
歯車を介して前記偏芯輪と前記外輪との円周方向の相対
的位置を変更する調節手段とを備えたことを特徴とする
ピストンクランク機構。