JP5334782B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本願発明は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンのようにピストンの往復動を回転動力として取り出すレシプロ内燃機関に関するもので、より詳しくは、連接棒が回動せずに往復動のみするタイプの内燃機関に関するものである。

内燃機関において、ピストンの往復動を回転動力として取り出す手段としては一般にクランク機構が採用されており、通常の内燃機関ではクランク軸は機関本体に回転自在に保持されていて、回転軸心から偏心したクランクピンとピストンとが連接棒で連結されている。従って、連接棒は角度を変えながら往復動するが、連接棒の角度が変わることでピストンにはこれを倒そうとする外力が作用することになるため、ピストン及びシリンダボアに磨耗が発生し易い点や摺動抵抗（エネルギロス）が大きい等の問題があった。

そこで、連接棒を往復動のみさせて回転運動を得る機構が考えられている。その一例として特許文献１には、連接棒の大端部に大径の自転カラー（一種の回転ダンパで、本願の遊転ロータに該当）を回転自在に嵌め込み、自転カラーをクランク軸のクランク部に偏心した状態で連結し、自転カラーの偏心寸法をクランク部の偏心寸法と同じ寸法に設定することにより、自転カラーがクランク軸の回転中心軸回りに公転しながらクランク部の軸心回りに回転することを許容し、更に、自転カラーにはクランク部と同心の遊星ギアを設け、この遊星ギアを機関本体に固定した内歯ギアに噛み合わせることにより、自転カラーがクランク部の回動方向と逆方向に回転するように規制し、以て、連接棒が回動せずに往復動のみする機構が開示されている。

特公昭５０−３９２０３号公報

特許文献１ではクランク軸における左右両端の回転中心軸はボールベアリングで回転自在に保持しているが、耐久性やコスト等の点からメタル軸受け方式とするのが好ましい。複数気筒の内燃機関でクランク軸に回転中心軸が３つ以上存在する場合は軸受けを割り方式にせねばならない場合があり、この場合の軸受けは必然的にメタル軸受けになる。また、特許文献１の図面ではクランク部に自転カラーを直接に嵌め込んだ状態が描かれているが、実際には自転カラーに軸受けを嵌着して、この軸受けでクランク部を支持するのが好ましい。

そこで本願発明者たちはクランクの回転中心軸をメタル式の第１ジャーナルと成すと共に、クランク部の軸受けもメタル式の第２ジャーナルと成した内燃機関を試作したところ、遊転ロータ（自転カラー）の重量が大きくて往復動の慣性力が大きいためと推測されるが、クランク軸のこじれや遊星ギアが内歯ギアに強く押し付けられるような現象が見られ、このためエネルギロスが大きくなる場合があることがあった。

そこで本願発明者たちが研究したところ、クランク軸のこじれや遊星ギアと内歯ギアとの強い押圧作用は第１ジャーナルと第２ジャーナルとの箇所でのクリアランスと密接に関連していることが判明した。本願発明はこのような知見に基づいて成されたものであり、連接棒が往復動のみするタイプの内燃機関において、簡単な構成によってエネルギロスを低減することを目的とするものである。

本願発明は内燃機関に係るもので、この内燃機関は、シリンダボアを往復動するピストンと、前記ピストンに一端を連結した連接棒と、クランク軸と、前記連接棒の往復動をクランク軸の回転に変換する遊転ロータとを備えており、前記クランク軸は、軸方向に離れた複数の回転中心軸と、前記回転中心軸の回転中心から偏心した状態で隣り合った回転中心軸の間に位置したクランク部と、前記回転中心軸とクランク部とをつなぐクランクアームとを有しており、前記クランク軸の各回転中心軸は第１ジャーナルを介して機関本体に回転自在に保持されている。

一方、前記遊転ロータは、前記クランク部よりも大径で前記連接棒が回転自在に嵌まったクランクピン部を有していると共に、前記クランクピン部の軸心から偏心した位置において第２ジャーナルを介してクランク部に回転自在に嵌まっており、前記遊転ロータには前記クランク部と同心の遊星ギアを取り付けて、前記機関本体には前記遊星ギアが噛み合った内歯ギアを前記回転中心軸の回転軸心と同心に設けており、前記クランク軸の回転中心線からクランク部が偏心している寸法とクランク部の軸心からクランクピン部の軸心が偏心している寸法とを同じ寸法に設定することにより、遊転ロータがクランク部の公転方向と逆方向に回転して連接棒が回動はせずに往復動のみすることが許容されている。

そして、請求項１の発明は、上記の基本構成において、前記第１ジャーナルと回転中心軸との間には第１クリアランスを設けて、前記第２ジャーナルとクランク部との間には前記第１クリアランスより大きい寸法の第２クリアランスを設けている。

請求項２の発明は請求項１の発明を好適に具体化してもので、この発明では、前記遊転ロータに、前記クランク部と同心の遊星ギアを、前記連接棒の外側に位置するように取り付けている一方、前記機関本体には、前記遊星ギアが噛み合った内歯ギアを回転中心軸の回転軸心と同心に設けている。

請求項３の発明は請求項１，２の発明を複数気筒（多気筒）内燃機関に適用したもので、この発明は、複数のシリンダボア及びピストンを備えており、前記クランク軸には、３つ以上の回転中心軸と、前記回転中心軸の個数より１つ少ない個数のクランク部とが設けられており、各クランク部にそれぞれ遊転ロータを介して連接棒が連結されている。

さて、ピストンの押圧力は連接棒を介して遊転ロータに作用し、遊転ロータからクランク軸のクランク部に作用するが、クランク部に撓みが生じると、当該クランク部と遊転ロータとの間にこじれ（片当たり）が発生し、これが回転に対する抵抗となってエネルギロスが発生する。

更に述べると、クランク部の全長にわたって遊転ロータの押圧力が均等に作用している場合は、遊転ロータはクランク部のうち軸心を挟んだ片方の部分だけに当接していてこじれは生じないが、クランク部に撓みが生じると、クランク部はその軸心を挟んだ一方の側と他方の側とに不均一な状態で遊転ロータが当接し、このためクランク部と遊転ロータとの間に大きな摩擦抵抗（こじれ）が生じる。

そして本願発明では、クランク軸の回転中心軸をクランク部より大径とすることで、第１ジャーナルでこじれなく回転自在に保持され得るため、仮にクランク部に撓みが生じても、クランク部には軸心を挟んだ一方の側だけに第２ジャーナルが当接して他方の側には隙間が残った状態を保持することができ、その結果、第２ジャーナルとクランク部との間のこじれを無くしてエネルギロス（摩擦抵抗）を著しく抑制できる。

見方を変えて述べると、第２ジャーナルの押圧力によってクランク部に撓みが生じても、第２ジャーナルのうち押圧力が作用している反対側がクランク部に当たるよりも前に、回転中心軸が第１ジャーナルに当接するのであり、その結果、第１ジャーナルによる回転中心軸のスムースな回転を保持しつつ、第２ジャーナルとクランク部との間にこじれが生じてエネルギロスが発生することを著しく抑制できるのである。

なお、第１ジャーナル部は第２ジャーナル部と比べて半分の回転数で軸との摺動が発生しているため、第１ジャーナル部の方が第２ジャーナル部に比べてクランク軸の撓みによる摩耗が発生し難い。

さらに、第１クリアランスが第２クリアランスに比べて小さいため、クランク軸自体が第１ジャーナル内において第１クリアランスの分だけ動くことがあっても、遊星ギアが内歯ギアに強く押圧されるよりも前に回転中心軸が第１ジャーナルにその全長にわたって当接することになり、その結果、遊星ギアが内歯ギアに強く押圧されることに起因したエネルギロスを著しく抑制できる。

また、遊星ギアと内歯ギアとを設けると連接棒が往復動のみ行うようにしっかりと規制できるが、遊星ギアは遊転ロータから離れた部位に設けることになるため、クランク部の撓みの影響が強く顕れる傾向があり、このため例えば第１クリアランスと第２クリアランスとが同じであると、第１ジャーナルで回転中心軸を支持するよりも前に遊星ギアが内歯ギアに強く押し付けられる傾向を呈し、このためエネルギロスが顕著に顕れる。

これに対して本願発明では、遊星ギアと内歯ギアとを設けたものでありながら、仮にクランク部に撓みが発生しても、遊星ギアが内歯ギアに強く押圧されるよりも前に回転中心軸が第１ジャーナルにその全長にわたって当接することになり、その結果、遊星ギアが内歯ギアに強く押圧されることに起因したエネルギロスを著しく抑制できる。請求項２のように遊星ギアと内歯歯車を設けると、遊星ギアと内歯ギアとの位置がクランク軸に設けた第１ジャーナルの位置に近くなるため、言換えるとクランク軸の撓みの支点位置に近くなるため、クランク軸に撓みが発生した場合でも当該撓みに起因した遊星ギアの移動量が少なくなり、その結果、遊星ギアが内歯ギアに強く押圧されることや、遊星ギアが傾いた状態で内歯ギアと噛み合うことに起因したエネルギロスやギアの偏摩耗を著しく抑制できる。

また、本願発明は、多気筒内燃機関についても、請求項３のように複数のクランク部を設けることで容易に適用できる。

実施形態の縦断正面図である。 要部の縦断正面図である。 （Ａ）は図２のＡ−Ａ視断面図、（Ｂ）は図２のＢ−Ｂ視断面図、（Ｃ）は図２のＣ−Ｃ視断面図である。 （Ａ）はクランク軸の軸受け構造を示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ視断面図であり、（Ｂ）（Ｃ）ではクリアランスを誇張して表示している。

次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明で方向を特定するため「左右」「前後」の文言を使用するが、これは、クランク軸の軸線と直交した方向から見た状態（すなわち図１を正視した状態）を基準にしている。

本実施形態の内燃機関は２気筒４サイクル方式であり、従って、機関本体（シリンダブロック）１には２つのシリンダボア２が平行に形成されており、各シリンダボア２にはピストン３が摺動自在に嵌まっている。

ピストン３の下方には、当該ピストン３の並び方向に沿って延びるクランク軸４が配置されている。クランク軸４は、その一端寄りと他端寄りとに位置したサイド回転中心軸５と略左右中間部に位置したセンター回転中心軸６との３本の回転中心軸を有しており、隣り合った回転中心軸５，６の間の部位には当該回転中心軸５，６の回転軸心Ｏ１から寸法Ｅだけ偏心した状態でクランク部７が配置されており、回転中心軸５，６とクランク部７とはサイドクランクアーム８及びセンタークランクアーム９を介して一体に繋がっている。

各回転中心軸５，６は、機関本体１に固定した第１ジャーナル（メタル軸受け）１０に回転自在に保持されている。また、左右のサイド回転中心軸５のうち一方の回転中心軸５にはプーリやギアが固定されるメインボス部１１を設け、他方のサイド回転中心軸５にはフライホイールが固定されるサブボス部１２を設けている。各クランクアーム８，９には偏心方向と反対方向に突出したバランスウエイト１３，１４を一体に設けている。

左右のクランク部７とセンタークランクアーム９とセンター回転中心軸６とは一体構造品になっており、左右のサイド回転中心軸５及びサイドクランクアーム８とはそれぞれ一体構造品になっている。従って、本実施形態のクランク軸４は３つの部材で構成されており、左右クランク部７の先端部をサイドクランクアーム８に嵌め込んで固定している。もとより、クランク軸４の全体を一体構造品とすることも可能である。クランク部７は真円に形成されており、その外径Ｄ２は回転中心軸５，６の外径Ｄ１の半分程度に設定されている。

クランク部７には第２ジャーナル１６を介して遊転ロータ１７が外側から嵌まっている。遊転ロータ１７は回転中心軸５，６よりも大径で溝形のクランクピン部１８を有しており、このクランクピン部１８を連接棒１９の大端部（軸受け部）１９ａで外側から相対回転自在に抱持している。連接棒１９における大端部１９ａの下半分は別パーツの下部材１９ｂで構成し、これをボルト２０で上部に締結している。連接棒１９の上端はピストン３にピストンピン等で連結されているが、図面では連結構造は省略している。

遊転ロータ１７は、クランクピン部１８の回転中心Ｏ３に対して偏心した状態でクランク部７に嵌まっている。クランク部７に対する遊転ロータ１７の偏心寸法と、回転中心軸５，６に対するクランク部７の偏心寸法とは同じ寸法Ｅに設定されている。遊転ロータ１７には、センタークランクアーム９に近接した状態でバランスウエイト２１を一体に設けている。バランスウエイト２１はクランク部７を挟んで遊転ロータ１７の軸心Ｏ３と反対側に向いて突出している。

左右の遊転ロータ１７には、センタークランクアーム９と反対側（すなわち外側）に突出した小径の筒部２２を一体に設けており、この筒部２２に遊星ギア２３を固定している（遊星ギア２３は遊転ロータ１７に一体に加工してもよい。）。他方、機関本体１には、遊星ギア２３が噛み合う内歯ギア２４を固定している。内歯ギア２４の歯数は、遊星ギア２３の歯数の２倍に設定している。

そして、図４に示すように、回転中心軸５，６と第１ジャーナル１０との間には第１クリアランスＥ１があり、かつ、クランク部７と第２ジャーナル１６との間にも第２クリアランスＥ２があるが、Ｅ１＜Ｅ２に設定している。具体的な数値としては、Ｅ１は１７μ
±８μ、Ｅ２は２５μ以上とするのが好適であった。より厳密に述べると、Ｅ２はＥ１よりも３０〜４０μ程度大きいのが好適であった。

クランク部７は遊転ロータ１７と遊星ギア２３とを設けているためにある程度の長さ（スパン）が必要であるが、回転中心軸５はその機能を果たす上で必要最小限度の長さがあれば足りる。このため、クランク部７の長さは回転中心軸５の長さの数倍になっている。また、図示は省略しているが、クランク軸４にはジャーナル１０，１６に給油するためのオイル通路を設けている。

(2).第１実施形態のまとめ
以上の構成において、１つのシリンダボア２ではピストン３が２往復する４サイクルごとに爆発・排気・吸気・圧縮の行程が行われ、かつ、２つのシリンダボア２の爆発行程・排気工程は２サイクルずつずれている。

そして、連接棒１９の押圧・引っ張り作用により、クランク部７が回転中心軸５の軸心Ｏ１の回りに公転すると共に、遊転ロータ１７はクランク部７と一緒に回転中心軸５の軸心Ｏ１回りに公転しつつ、クランク部７の軸心Ｏ２の回りに自転する。そして、遊星ギア２３と内歯ギア２４との噛み合いによる規制機能により、クランク部７の公転方向と遊転ロータ１７の自転方向とが逆方向になる。このことと、回転中心軸５の軸心Ｏ１に対するクランク部７の偏心寸法Ｅと、クランク部７に対する遊転ロータ１７の偏心寸法Ｅとが同じであることにより、連接棒１９は往復動のみする。

さて、図４に点線７′で誇張して示すように、遊転ロータ１７による押圧力によってクランク部７が撓み変形することが想定される。このようにクランク部７が撓み変形すると、図４を基準にして見ると、仮に第２ジャーナル１６とクランク部７との間にクリアランスがないと、クランク部７はＸの箇所で第２ジャーナル１６で下向きに強く押され、Ｙの箇所では第２ジャーナル１６によって上向きに強く押される傾向を呈する。このためクランク部７と第２ジャーナル１６との間にこじれが生じて摩擦抵抗が増大すると共に、遊星ギア２３が内歯ギア２４に強く押されてここでも摩擦抵抗が増大する。

これに対して本願発明では、回転中心軸５と第１ジャーナル１０との間の第１クリアランスＥ１よりもクランク部７と第２ジャーナル１６との間の第２クリアランスＥ２が大きいため、仮にクランク部７に撓みが発生しても、図４に符号Ｚで示すように、クランク部７がＹの箇所で第２ジャーナル１６で突き上げられるよりも前に回転中心軸５が第１ジャーナル１０の下面に当接し、これにより、クランク部７の下面と第２ジャーナル１６の間に隙間が空いた状態を保持でき、その結果、片当たり現象と遊星ギア２３が内歯ギア２４に強く押される現象とを回避できるのである。

そして、回転中心軸５はクランク部７よりも大径でかつ軸方向の長さはクランク部７より遙かに短いため、回転中心軸５と第１ジャーナル１０との間にはこじれ（片当たり）は発生しない。

また、クランク軸４自体が第１ジャーナル１０内において第１クリアランスＥ１の分だけ動くことがあっても、遊星ギア２３が内歯ギア２４に強く押圧されるよりも前に回転中心軸５，６が第１ジャーナル１０にその全長にわたって当接することになり、その結果、遊星ギア２３が内歯ギア２４に強く押圧されることに起因したエネルギロスを著しく抑制できる。

さらに、遊転ロータ１７に、前記クランク部７と同心の遊星ギア２３を、連接棒１９の外側に位置するように取り付けている一方、機関本体１には、遊星ギア２３が噛み合った内歯ギア２４を回転中心軸５，６の回転軸心と同心に設けているため、遊星ギア２３と内歯ギア２４との位置がクランク軸の両端に設けた第１ジャーナル１０の位置に近くなり、言換えるとクランク軸４の撓みの支点位置に近くなるため、クランク軸４に撓みが発生した場合でも当該撓みに起因した遊星ギア２３の移動量が少なくなり、その結果、遊星ギア２３が内歯ギア２４に強く押圧されることや、遊星ギア２３が傾いた状態で内歯ギア２４と噛み合うことに起因したエネルギロスを著しく抑制できる。なお、この場合、第２クリアランスＥ２は、第１クリアランスＥ１より小さくならない範囲で小さくすることが可能になる。

(3).その他
本願発明は上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば気筒数は２気筒に限らず、単気筒又は３気筒以上の内燃機関にも適用できる。２気筒２サイクルの内燃機関に適用した場合は、２本のクランク部の位相を１８０度ずらしたらよい。１本のクランク部に複数の連接棒を連結することも可能である。

本願発明は内燃機関に適用してその有用性を発揮できる。従って産業上利用できる。

１ 機関本体
２ シリンダボア
３ ピストン
４ クランク軸
５，６ 回転中心軸
７ クランク部
８，９ クランクアーム
１０ 第１ジャーナル
１６ 第２ジャーナル
１８ クランクピン部
１９ 連接棒
２３ 遊星ギア
２４ 内歯ギア

Claims (3)

1. シリンダボアを往復動するピストンと、前記ピストンに一端を連結した連接棒と、クランク軸と、前記連接棒の往復動をクランク軸の回転に変換する遊転ロータとを備えており、
   前記クランク軸は、軸方向に離れた複数の回転中心軸と、前記回転中心軸の回転中心から偏心した状態で隣り合った回転中心軸の間に位置したクランク部と、前記回転中心軸とクランク部とをつなぐクランクアームとを有しており、前記クランク軸の各回転中心軸は第１ジャーナルを介して機関本体に回転自在に保持されている一方、
   前記遊転ロータは、前記クランク部よりも大径で前記連接棒が回転自在に嵌まったクランクピン部を有していると共に、前記クランクピン部の軸心から偏心した位置において第２ジャーナルを介してクランク部に回転自在に嵌まっており、前記遊転ロータには前記クランク部と同心の遊星ギアを取り付けて、前記機関本体には前記遊星ギアが噛み合った内歯ギアを前記回転中心軸の回転軸心と同心に設けており、
   前記クランク軸の回転中心線からクランク部が偏心している寸法とクランク部の軸心からクランクピン部の軸心が偏心している寸法とを同じ寸法に設定することにより、遊転ロータがクランク部の公転方向と逆方向に回転して連接棒が回動はせずに往復動のみすることが許容されている、
   という構成であって、
   前記第１ジャーナルと回転中心軸との間には第１クリアランスを設けて、前記第２ジャーナルとクランク部との間には前記第１クリアランスより大きい寸法の第２クリアランスを設けている、
   内燃機関。
2. 前記遊転ロータに、前記クランク部と同心の遊星ギアを、前記連接棒の外側に位置するように取り付けている一方、前記機関本体には、前記遊星ギアが噛み合った内歯ギアを回転中心軸の回転軸心と同心に設けている、
   請求項１に記載した内燃機関。
3. 複数のシリンダボア及びピストンを備えており、前記クランク軸には、３つ以上の回転中心軸と、前記回転中心軸の個数より１つ少ない個数のクランク部とが設けられており、各クランク部にそれぞれ遊転ロータを介して連接棒が連結されている、
   請求項１又は２に記載した内燃機関。

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