JP4816587B2 - 内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のピストンとクランクシャフトのクランクピンとを複数のリンクにより連係した複リンク式ピストン−クランク機構に関する。

特許文献１に記載されているように、内燃機関のピストン−クランク機構として、本出願人は、ピストンとクランクシャフトのクランクピンとを複数のリンクにより連係した複リンク式ピストン−クランク機構（以下、単に「複リンク機構」とも呼ぶ）を以前に提案している。この複リンク機構は、クランクピンに回転可能に取り付けられたロアリンクとピストンとをアッパリンクにより連結し、かつ、ロアリンクには、その運動を拘束するコントロールリンクが連結されている。このような複リンク機構によれば、ピストンとクランクピンとを一本のコネクティングロッドにより連係した単リンク式ピストン−クランク機構（以下、単にに「単リンク機構」とも呼ぶ）に比して、ピストンストローク特性の設定の自由度が高く、例えばピストンストローク特性を単振動に近づけることで大幅な振動低減化等を図ることができる。また、このような複リンク機構では、コントロールリンクの機関本体側の揺動支点の位置を変更することで、ピストンの上死点位置や下死点位置の変化を伴う内燃機関の幾何学的な圧縮比（以下、単に「機関圧縮比」とも呼ぶ）を変更することができ、容易に可変圧縮比機構として機能させることができる。
特開２００４−１６２８９５号公報

このような複リンク機構において、高圧縮比化や排気量を拡大するためにピストンストロークを拡大すると、必然的に、ピストンが往復動するシリンダの高さ方向寸法の増加、ひいては内燃機関の大型化を招く傾向にある。このようなピストンストロークの拡大に伴うシリンダの高さ方向寸法の増加を軽減・回避するために、ピストン下死点ではピストンのスカート部がシリンダ（ボア）の下端に位置する下縁部よりも下方まで下降・露出するように設定することを本出願人は検討している。

但し、このようにピストンのスカート部が、シリンダ内壁面より折曲する隅角形状（エッジ形状）のシリンダ下縁部よりも下方に露出するものでは、この隅角形状のシリンダ下縁部にピストンのスカート部が接触すると、スカート部の損傷を招くおそれがある。特に、複リンク機構により機関圧縮比を変更可能な構成とした場合、低圧縮比側ではピストン上死点位置を低くすることに伴ってピストン下死点位置が低くなる傾向にあり、また、高回転時にはノッキングを回避するために低圧縮比で運転することが多いので、下死点近傍での慣性力やシリンダからピストンへ作用するスラスト−反スラスト方向のスラスト荷重が大きくなることから、シリンダ下縁部と接触した場合にスカート部が損傷を受けるおそれが高い。

また、上記の複リンク機構においては、アッパリンクの運動が単リンク機構とは異なる特有の軌跡を描くことから、予期せぬタイミングでピストン外周とシリンダとが強く接触して打音（スラップ音）を発生するという課題がある。このような打音の発生を軽減・回避するために、ピストンピン中心やピストン重心をスラスト−反スラスト方向にオフセットする技術を本出願人は以前に提案しているが（特開２００２−６１５０１号公報参照）、これら従来のものは上述したようなシリンダ下縁部とピストンスカート部との接触を考慮したものではない。

本発明は、このような特有の技術的課題に鑑みてなされたものであり、ピストンストロークの拡大に伴うシリンダの高さ方向寸法の増加を軽減・回避しつつ、ピストンのスカート部とシリンダの下縁部との接触を防止し得る新規な内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構を提供することを主たる目的としている。

本発明に係る内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構は、内燃機関のシリンダ内を往復動するピストンにピストンピンを介して一端が連結されたアッパリンクと、このアッパリンクの他端にアッパピンを介して連結され、かつクランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられたロアリンクと、一端がシリンダブロック等の機関本体側に揺動可能に支持され、かつ他端が上記ロアリンクにコントロールピンを介して連結されたコントロールリンクと、を備えてなり、上述したようにピストンストローク特性の自由度が高く、単リンク機構に比して大幅な振動低減化やスラスト荷重の軽減化等を図ることができるものである。また、上記コントロールリンクの一端の機関本体側の支持位置を変更することによって機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比手段を設けることで、この複リンク機構を容易に可変圧縮比機構として機能させることができる。

そして本発明では、ピストン下死点でピストンのスカート部の一部がシリンダの下縁部よりも下方に位置するように、リンクディメンションやピストンストローク特性を設定している。これによって、ピストンストロークの拡大に伴うシリンダの高さ方向寸法の増加を軽減し、ひいては内燃機関の大型化を抑制することができる。

更に本発明では、上記ピストンピン中心に対し、ピストンの重心を、スラスト−反スラスト方向にオフセットさせるとともに、少なくともピストン下死点では、アッパピンがスラスト−反スラスト方向でピストン重心側と反対側へオフセットするように設定されている。つまり、ピストン下死点近傍では、アッパリンクがピストンと接続するピストンピン側へ向けてピストン重心側へ傾斜し、ピストンがピストン重心側のシリンダの壁面に押し付けられることとなる。また、このピストン下死点近傍では、ピストン重心に下向きの慣性力が作用することから、ピストンピン周りにピストン重心側へ回転する方向のモーメントが作用し、シリンダと接するピストン重心側では、ピストン上部がシリンダへ近づく方向へモーメントが作用することとなり、ピストン上部がシリンダと強く接する状態に維持されるので、ピストン下部のスカート部とシリンダの下縁部との接触を確実に防止・回避することができる。

また、ピストン上死点を含めた上死点近傍では、アッパピンがピストンピン中心に対してピストン重心側と反対側へオフセットするように設定されている。このピストン上死点近傍では、ピストン重心に上向きの慣性力が作用するとともに、ピストン冠面に大きな燃焼圧力が作用することから、ピストンには、ピストンピン周りに反ピストン重心側へ回転する方向のモーメントが作用し、シリンダと接するピストン重心側では、スカート部が設けられたピストン下部でシリンダと強く接触することとなり、このピストン下部はピストン上部に比して相対的に薄肉・軟質であるために、シリンダとの衝突による打音が軽減・抑制される。

本発明によれば、ピストンストロークの拡大に伴うシリンダの高さ方向寸法の増加を軽減・回避しつつ、ピストンのスカート部とシリンダの下縁部との接触を有効に防止することができる。

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。なお、本明細書においては、基本的に、ピストン往復方向を「上下」方向とし、ピストン上死点へ向かう方向を「上」方向、ピストン下死点へ向かう方向を「下」方向としている。

図１〜図６は、この発明の一実施例に係る内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構を示し、図１及び図２はピストンが下死点にあるときの状態、図３及び図４はピストンが上死点にあるときの状態を示している。なお、図１〜図６では、理解を容易にするためにピストンの傾きやシリンダとのクリアランス等を誇張して描いており、実際の形状・寸法を正確に描いたものではない。

この複リンク式ピストン−クランク機構は、シリンダブロック１０に設けられたシリンダ１１内を往復動するピストン１２にピストンピン１３を介して一端が連結されたアッパリンク１４と、このアッパリンク１４の他端にアッパピン１５を介して連結され、かつクランクシャフトのクランクピン１６に回転可能に取り付けられたロアリンク１７と、一端が機関本体としてのシリンダブロック１０側に揺動可能に支持され、かつ他端がロアリンク１７にコントロールピン１８を介して連結されたコントロールリンク１９と、を備えている。ロアリンク１７は、クランクピン１６に組み付け可能なように２部材１７Ａ，１７Ｂに分割して構成されている。

コントロールリンク１９の一端はシリンダブロック側に回転可能に支持される制御軸の偏心カム部２０に回転可能に取り付けられている。偏心カム部２０の外周円筒面の軸心は制御軸の回転中心に対して偏心しており、制御軸の回転位置を適宜なアクチュエータにより機関運転状態に応じて変更することで、偏心カム部２０の位置、つまりコントロールリンク１９の揺動支点の位置が変化する。これに伴って、コントロールリンク１９によるロアリンク１７の運動拘束条件が変化して、ピストン上死点位置やピストン下死点位置が変化し、内燃機関の幾何学的な圧縮比（機関圧縮比）が変化する。これらの制御軸やアクチュエータが、上記の複リンク機構を可変圧縮比機構として機能させる可変圧縮比手段を構成している。

このような可変圧縮比機構としての複リンク式ピストン−クランク機構においては、機関運転状態に応じて機関圧縮比を変更可能であることに加え、単リンク機構とは異なりピストンストローク特性の設定の自由度が高く、そのリンクディメンジョンを適切に選定することにより、単リンク機構に比して単振動に近い特性で、かつ、ピストンピン１３の往復軸線に対するアッパリンク１４の傾斜角度がピストン上昇行程よりもピストン下降行程で小さくなるように設定することができる。これにより、特にピストン上死点近傍での慣性力を大幅に低減しつつ、大きな燃焼荷重が作用するピストン上死点近傍でのピストン下降行程で、シリンダからピストンへ作用するスラスト−反スラスト方向のスラスト荷重を軽減することができる。

ピストン１２は、例えばアルミニウムダイカスト製であり、ピストン上部にはピストンリング（図示省略）が嵌合する複数のリング溝２１とランド部２２とが交互に形成されている。また、図５にも示すように、ピストン下部には、ピストンピン１３が嵌合するピン孔２３Ａが形成された２つの略円筒形状のピストンピンボス部２３がピストンピン方向に並設されており、両ピンボス部２３の間にアッパリンク１４の上端部が介装される。また、ピストン下部には、ピストンピン１３の中心線１３Ａと直交するスラスト−反スラスト方向（図１〜６の左右方向）の外周部分に、ピストン最下端までのびる２つのスカート部２４（２４Ｒ，２４Ｌ）が形成されている。

そして、ピストン１２の重心１２Ａを、ピストンピン１３の中心（線）１３Ａ（つまり、ピストンピンボス部２３の中心）に対してスラスト−反スラスト方向にオフセットさせている。なお、スラスト−反スラスト方向でピストンピン中心１３Ａに対するピストン重心１２Ａのオフセット方向（図１〜６の左側）を「ピストン重心側Ｌ」と呼び、その反対方向（図１〜６の右側）を「反ピストン重心側Ｒ」と呼ぶ。また、必要に応じて、ピストン重心側Ｌの構成には参照符号の後に「Ｌ」を付し、反ピストン重心側Ｒの構成には参照符号の後に「Ｒ」を付して、両者を区別する。

スラスト−反スラスト方向に形成される２つのスカート部２４Ｒ，２４Ｌのうちで、ピストン重心側Ｌのスカート部２４Ｌの径方向厚さ２５Ｌが、反ピストン重心側Ｒのスカート部２４Ｒの径方向厚さ２５Ｒよりも大きく設定されている。つまりピストン重心側Ｌのスカート部２４Ｌが相対的に厚肉化されている。

更に、ピストン下死点近傍及びピストン上死点近傍を含むピストン往復行程の大半で、ピストンピン中心１３Ａに対して、アッパリンク１４の下端部に設けられるアッパピン１５がスラスト−反スラスト方向で反ピストン重心側Ｒへオフセットするように、ピストンストローク特性が設定されている。つまり、アッパリンク１４が上方へ向かってピストン重心側Ｌへ傾斜するように設定されている。これによって、ピストン上死点近傍やピストン下死点近傍を含めた大半のピストン往復行程において、ピストン１２がピストン重心側Ｌのシリンダ１１の壁面に押し付けられることとなり、ピストン１２のスラスト−反スラスト方向の移動に伴うシリンダ１１の壁面との衝突を有効に低減・回避することができる。

図１及び図２に示すように、少なくともピストン下死点を含む下死点近傍では、ピストンスカート部２４の一部がシリンダ１１の下端に位置する隅角形状をなす下縁部２６よりも下方に位置し、つまりシリンダ１１よりも下方に露出するように、ピストンストローク特性が設定されている。これによって、ピストンストロークの拡大に伴うシリンダの高さ方向寸法の増加を抑制することができる。

また、シリンダ１１の下縁部２６の高さ位置を、スラスト−反スラスト方向で異なるものとしている。具体的には、少なくともピストン下死点近傍でピストン１２と接触するピストン重心側Ｌのシリンダ下縁部２６Ｌに対し、反ピストン重心側Ｒのシリンダ下縁部２６Ｒを上方に配置している。つまり、反ピストン重心側Ｒでは、最下段のリンク溝２１がシリンダ下縁部２６Ｒの近傍まで下降するように（図１参照）、反ピストン重心側のシリンダ１１Ｒを可能な限り短縮化し、小型化・軽量化を図っている。

ピストン下死点近傍では、ピストン重心１２Ａにピストン下方への慣性力Ｆｉが作用することから、ピストン１２には、ピストンピン中心１３Ａ周りに反ピストン重心側Ｌへの回転方向、つまり図２の反時計周り方向のモーメントＭＬが作用する。この結果、図２に誇張して描いているように、ピストン重心側Ｌでは、ピストン上部がシリンダ１１Ｌへ近づくように傾斜してピストン上部がシリンダ１１Ｌと強く接触する一方、ピストン下部がシリンダ１１の下縁部２６Ｌから離れることとなり、シリンダ下縁部２６Ｌとピストン１２との接触を確実に防止・回避することができる。

しかも、シリンダ１１Ｌと接触するピストン重心側Ｌのスカート部２４Ｌが相対的に厚肉化されているために、反ピストン重心側Ｒのスカート部２４Ｒの薄肉化による軽量化と、ピストン重心側Ｌのスカート部２４Ｌの厚肉化による耐荷重性の向上と、を両立することができる。また、このようにスラスト−反スラスト方向の２つのスカート部２４Ｒ，２４Ｌの厚さを異ならせることで、ピストンピン中心１３Ａをピストン中心に対してスラスト−反スラスト方向にオフセットさせることなく、このピストン中心１３Ａに対してピストン重心１２Ａをスラスト−反スラスト方向に容易にオフセットさせることが可能となる。

図３及び図４に示すように、ピストン上死点近傍においては、ピストン重心１２Ａに上向きの慣性力が作用するとともにピストン冠面に大きな燃焼圧力Ｆｃが作用することから、ピストンピン中心１３Ａ周りに反ピストン重心側Ｒへの回転方向、つまり図３，図４で時計回り方向のモーメントＭＲが作用し、ピストン重心側Ｌにおけるピストン下部のスカート部２４Ｌがシリンダ１１Ｌと強く接触することとなる。ここで、ピストン下部はピストン上部に比して薄肉・軟質であるため、ピストン上部で接触する場合に比して、衝突の際の打音や振動を有効に軽減することができる。

図６（Ａ）を参照して、ピストンのスカート部２４は、樽状に外周側へ張り出しており、その外径が最大となる高さ位置２７が、ピストンピン中心１３Ａよりも上方に設定されている。従って、図６（Ｂ）に誇張して描いているように、ピストン下死点近傍においては、仮にピストン重心側Ｌのスカート部２４Ｌがシリンダ１１Ｌと接触するとしても、その接触位置が、最大外径位置２７又はその近傍の比較的高い位置となり、かつ、この最大外径位置２７から下方へ向かうほどスカート部２４Ｌが内側へ湾曲し、シリンダ１１Ｌとのクリアランスが増加することから、シリンダ１１Ｌの下縁部２６Ｌとの接触をより確実に回避することができる。また、最大外径位置２７から下方へ向かうほどスカート部２４Ｌの厚さが短くなることから、ピストン上死点近傍での衝突による打音や振動を更に軽減・回避することができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施例とは異なり、ピストンの２つのスカート部の厚さを同一とし、ピストンピン中心をピストン中心に対してオフセットすることにより、ピストン重心をピストンピン中心に対してオフセットさせるようにしても良い。

本発明の一実施例に係る内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構を示すピストン下死点での断面対応図。 ピストン下死点でのピストンの姿勢を示す断面対応図。 上記実施例の複リンク式ピストン−クランク機構を示すピストン上死点での断面対応図。 ピストン上死点でのピストンの姿勢を示す断面対応図。 上記実施例のピストンを示す下面対応図。 （Ａ）が上記ピストンのスカート部の外周形状を示す説明図で、（Ｂ）が下死点近傍でのピストンの姿勢を示す断面対応図。

符号の説明

１１…シリンダ
１２…ピストン
１３…ピストンピン
１４…アッパリンク
１５…アッパピン
１６…クランクピン
１７…ロアリンク
１８…コントロールピン
１９…コントロールリンク
２４…スカート部
２６…シリンダ下縁部

Claims (6)

1. 内燃機関のシリンダ内を往復動するピストンにピストンピンを介して一端が連結されたアッパリンクと、このアッパリンクの他端にアッパピンを介して連結され、かつクランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられたロアリンクと、一端が機関本体側に揺動可能に支持され、かつ他端が上記ロアリンクにコントロールピンを介して連結されたコントロールリンクと、を備えてなる内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構において、
   上記ピストンの重心をピストンピンの中心に対してスラスト−反スラスト方向にオフセットさせ、
   かつ、少なくともピストン下死点では、上記ピストンの下部に設けられるスカート部の一部がシリンダの下縁部よりも下方に位置するとともに、上記アッパピンがピストンピン中心に対してスラスト−反スラスト方向でピストン重心側と反対側へオフセットするように設定されていることを特徴とする内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構。
2. 少なくともピストン上死点では、上記アッパピンがピストンピン中心に対してピストン重心側と反対側へオフセットするように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構。
3. 少なくともピストン重心側のスカート部は、外周側へ樽状に張り出しており、その最大外径となる高さ位置が、上記ピストンピン中心よりも上方に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構。
4. 上記ピストン重心側のスカート部の厚さが、ピストン重心側と反対側のスカート部の厚さよりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構。
5. スラスト−反スラスト方向で、上記ピストン重心側のシリンダの下縁部に比して、上記ピストン重心側と反対側のシリンダの下縁部が上方に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構。
6. 上記コントロールリンクの一端の支持位置を変更することによって、機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比手段を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構。

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