JP6409476B2

JP6409476B2 - エンジン

Info

Publication number: JP6409476B2
Application number: JP2014205740A
Authority: JP
Inventors: 宗篤柿木
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-10-06
Filing date: 2014-10-06
Publication date: 2018-10-24
Anticipated expiration: 2034-10-06
Also published as: JP2016075208A

Description

本発明はエンジンに関し、更に詳しくは、ピストンの移動速度を圧縮上死点の近傍で遅くすることで燃費に有利な高等容度の燃焼を可能にした駆動機構を備えるとともに、部品の増加による機械損失を抑制しつつ、振動の発生を低減することができるエンジンに関する。

一般的に、レシプロエンジンにおいては、シリンダ内を往復動するピストンの移動速度を圧縮上死点近傍で遅くすることにより、燃費に有利な高等容度の燃焼が可能になる。ここで、等容度とは、上死点で等容燃焼したときの熱効率を１とした場合の実際の図示熱効率割合をいう。

このようなピストンの移動速度を可変にする技術として、ピストンピンとクランクピンとをマルチリンク機構によって連結した機関や装置が提案されている（例えば、特許文献１、２を参照）。

しかしながら、上記の特許文献１、２記載の技術では、ピストンピンとクランクピンとをコンロッドで連結するような一般的なエンジンよりも部品点数が増加するため、構造が複雑になるという問題がある。また、特許文献２に記載の装置では、マルチリンク機構を構成する揺動節（スイングアーム）の一端を固定しているため、揺動節が固定されていないリンク機構に比べ、クランク部の回転によって生じる慣性力の変動が大きくなるおそれがある。

このような問題を解決するため、発明者は、図１に示すような、遊星歯車を利用することで、ピストンの移動速度を圧縮上死点の近傍で遅くする駆動機構を備えたエンジンを考案した。

この駆動機構１は、ピストン２の往復動を出力軸３の回転駆動力として出力するものであり、往復動部４と、遊星歯車部５と、それら往復動部４と遊星歯車部５とを連結する直線動変換部６とから構成されている。

往復動部４は、中空円筒状のシリンダ７と、そのシリンダ７内を往復動自在なピストン２とを備えている。

遊星歯車部５は、出力軸３と同軸であって回転不能に固定された一対の円環状の内歯車８ａ、８ｂと、それらの内歯車８ａ、８ｂとそれぞれ噛合する一対の遊星歯車９ａ、９ｂと、一方の遊星歯車９ａの側面に同軸に固定された第１出力外歯車１０と、出力軸３に同軸に設けられて第１出力外歯車１０と噛合する第２出力外歯車１１とを備えている。これらの第１出力外歯車１０及び第２出力外歯車１１は、太陽歯車を構成している。また、遊星歯車９ａ、９ｂの対向する側面における軸心から離間（オフセット）した位置には、出力軸３と平行に伸びるクランクピン１２が固定されている。

直線動変換部６は、第１及び第２コンロッド１３、１４と、内歯車８ａ、８ｂの軸心と平行に延びるガイドシャフト１５と、ガイドシャフト１５の両端部をピストン２の移動方向に直線動自在に支持するシャフトガイド部材１６とを備えている。

往復動部４と直線動変換部６とは、第１コンロッド１３を介して接続されている。この第１コンロッド１３の一端部は、ピストンピン１７を介してピストン２に回転自在に軸支される一方で、他端部をガイドシャフト１５によって回転自在に軸支されている。

また、遊星歯車部５と直線動変換部６とは、第２コンロッド１４を介して接続されている。この第２コンロッド１４は、一端部をガイドシャフト１５によって回転自在に軸支される一方で、他端部をクランクピン１２によって回転自在に軸支されている。

クランクピン１２がオフセットされる位置は、ピストン２が上死点又は下死点にある時に内歯車８ａ、８ｂの軸心と最も近くなり、ピストン２が上死点と下死点との中間位置にある時に内歯車８ａ、８ｂの軸心から最も離れる位置である。

この駆動機構１における各構成部材の寸法条件は、次の（１）式及び（２）式を満たしている。
Ｒｍ＜Ｒｍ＋Ｒｄ＜Ｒｃ（＝２×Ｒｍ）（１）
０＜Ｒｓ、Ｒｍ＋Ｒｄ＋Ｒｓ＜Ｒｃ（＝２×Ｒｍ）（２）

ここで、Ｒｃは内歯車８ａ、８ｂの半径を、Ｒｍは遊星歯車９ａ、９ｂの半径を、Ｒｄは遊星歯車９ａ、９ｂの軸心とクランクピン１２の軸心とのオフセット量を、Ｒｏは第１出力外歯車１０の半径を、Ｒｓはクランクピン１２の半径を、それぞれ示す。

また、第１コンロッド１３の軸方向長さは、第２コンロッド１４の軸方向長さの２倍に設定されることが好ましい。また、内歯車８ａ、８ｂと遊星歯車９ａ、９ｂとの歯数比は、２：１にすることが好ましい。

上記の駆動機構１では、図２に示すように、ピストンピン１７、出力軸３及びガイドシャフト１５は、第１コンロッド１３に平行に延びる垂直軸上を移動する。そして、クランクピン１２が遊星歯車９ａ、９ｂと一体となって内歯車８ａ、８ｂの軸心まわりを自転しながら公転すると、その公転軌道はピストン２が上死点と下死点との中間位置にある時が長径となり、ピストン２が上死点又は下死点にある時が短径となる楕円軌道Ｅとなる。つまり、クランクピン１２の公転軌道が真円軌道を描く一般的なエンジンに比べて、ピストン２の圧縮上死点の近傍の移動速度を遅くすることが可能になって、圧縮上死点でピストン２の頂面に爆発力が効果的に作用するので、燃費に有利な高等容度の燃焼を実現できるのである。

しかしながら、このような駆動機構１を備えたエンジンでは、振動の発生を抑制するためにバランスウェイトを設置すると、部品の増加による機械損失が発生してしまうという問題がある。

特開２０１２−９２８４３号公報特開２０１３−３６４４９号公報

本発明の目的は、ピストンの移動速度を圧縮上死点の近傍で遅くすることで燃費に有利な高等容度の燃焼を可能にした駆動機構を備えるとともに、部品の増加による機械損失を抑制しつつ、振動の発生を低減することができるエンジンを提供することにある。

上記の目的を達成する本発明のエンジンは、第１コンロッドの一端部で回転自在に軸支されてシリンダ内を往復動するピストンと、駆動機構と、を有するエンジンにおいて、前記駆動機構は、内歯車と、前記内歯車と噛合する遊星歯車と、前記遊星歯車と噛合して出力軸に動力を伝達する太陽歯車と、前記遊星歯車の側面における該遊星歯車の軸心から離間した位置で第２コンロッドの一端部を回転自在に軸支するクランクピンとを有する遊星歯車部と、直線動変換部と、を備え、前記直線動変換部は、前記第１コンロッド及び前記第２コンロッドと、前記第１コンロッド及び前記第２コンロッドの他端部を回転自在に軸支するガイドシャフトと、前記ガイドシャフトを前記ピストンの往復動方向に直線動自在に支持するシャフトガイド部材と、を有し、前記クランクピンが前記遊星歯車と一体となって前記内歯車の軸心まわりを自転しながら公転すると、前記クランクピンの公転軌道が、前記ピストンが上死点と下死点との中間位置になる時が長径となり、前記ピストンが前記上死点又は前記下死点にある時が短径となる楕円軌道となり、一対の前記駆動機構を、一対の前記シリンダが同軸であってかつ一対の前記ピストンの頂面がそれぞれ外側又は内側を向くようにして配置するとともに、一対の前記出力軸と平行に延びる共通出力軸を設け、一対の前記出力軸と前記共通出力軸とを、前記ピストンの行程を同期させる回転同期手段を介して接続したことを特徴とするものである。

本発明のエンジンによれば、一対の駆動機構におけるピストンの往復動に伴う慣性力を、バランスウェイトを増加させることなく、一対のピストン同士を対向配置することで打ち消し合わせるようにしたので、部品の増加による機械損失を抑制しつつ、振動の発生を低減することができる。

駆動機構の構成を示す斜視図である。駆動機構の動作を説明する模式図である。本発明の実施形態からなるエンジンの構成を示す斜視図である。回転同期手段の別の例を示す斜視図である。本発明の別の実施形態からなるエンジンの構成を示す斜視図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図３は、本発明の実施形態からなるエンジンを示す。なお、これ以降の図面においては、図１と同一の箇所には同一の符号（Ａ、Ｂ文字を除く）を付し、その説明を省略する。

このエンジンは、図１に示す駆動機構１を偶数備えており、一対の駆動機構１Ａ、１Ｂ同士を、シリンダ７Ａ、７Ｂが同軸であってかつ一対のピストン２Ａ、２Ｂの頂面がそれぞれ外側を向くようにして配置したものである。また、一対の出力軸３Ａ、３Ｂ間に、それらの出力軸３Ａ、３Ｂと平行に延びるとともに、一対の第１コンロッド１３Ａ、１３Ｂに平行に延びる垂直軸上に軸心が位置する共通出力軸１８を設けている。更に、一対の出力軸３Ａ、３Ｂと共通出力軸１８とは、ピストン２Ａ、２Ｂの行程を同期させる回転同期手段１９を介して接続している。つまり、一対の出力軸３Ａ、３Ｂ及び共通出力軸１８は、同一の方向に回転するとともに、出力軸３Ａ、３Ｂ同士は共通出力軸１８に対して対称に回転する。

この回転同期手段１９は、一対の出力軸３Ａ、３Ｂと共通出力軸１８とに掛け回された無端状のチェーン又はベルト２０から構成されている。

なお、回転同期手段１９は、図４に示すように、出力軸３Ａ、３Ｂのそれぞれと共通出力軸１８とに噛合する平歯車２１Ａ、２１Ｂから構成することもできる。この平歯車２１Ａ、２１Ｂの枚数は、図４の例のように、出力軸３Ａ、３Ｂと共通出力軸１８との間に１枚ずつに限るものではなく、２枚以上としても良い。

このように一対の駆動機構１Ａ、１Ｂを配置することで、一対のピストン２Ａ、２Ｂの往復動により慣性力が打ち消し合わされるので、部品の増加による機械損失を抑制しつつ、振動の発生を低減することができるのである。また、一対の駆動機構１Ａ、１Ｂの出力が共通出力軸１８に共通化されるので、車両などへの適用が容易になる。

図５は、本発明の別の実施形態からなるエンジンを示す。

このエンジンは、一対の駆動機構１Ａ、１Ｂ同士を、シリンダ７Ａ、７Ｂが同軸であってかつ一対のピストン２Ａ、２Ｂの頂面がそれぞれ内側を向くようにして配置したものである。

このように一対の駆動機構１Ａ、１Ｂを配置することによっても、上記の実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、４台以上の偶数台の駆動機構１を有するエンジンの場合には、一対の駆動機構１Ａ、１Ｂを同一の共通出力軸１８に沿って平行に複数配置する。

１、１Ａ、１Ｂ駆動機構
２ピストン
３出力軸
７シリンダ
８ａ、８ｂ内歯車
９ａ、９ｂ遊星歯車
１０第１出力外歯車
１１第２出力外歯車
１８共通出力軸
１９回転同期手段
２０チェーン又はベルト
２１Ａ、２１Ｂ平歯車

Claims

第１コンロッドの一端部で回転自在に軸支されてシリンダ内を往復動するピストンと、
駆動機構と、を有するエンジンにおいて、
前記駆動機構は、内歯車と、前記内歯車と噛合する遊星歯車と、前記遊星歯車と噛合して出力軸に動力を伝達する太陽歯車と、前記遊星歯車の側面における該遊星歯車の軸心から離間した位置で第２コンロッドの一端部を回転自在に軸支するクランクピンとを有する遊星歯車部と、直線動変換部と、を備え、
前記直線動変換部は、前記第１コンロッド及び前記第２コンロッドと、前記第１コンロッド及び前記第２コンロッドの他端部を回転自在に軸支するガイドシャフトと、前記ガイドシャフトを前記ピストンの往復動方向に直線動自在に支持するシャフトガイド部材と、を有し、
前記クランクピンが前記遊星歯車と一体となって前記内歯車の軸心まわりを自転しながら公転すると、前記クランクピンの公転軌道が、前記ピストンが上死点と下死点との中間位置になる時が長径となり、前記ピストンが前記上死点又は前記下死点にある時が短径となる楕円軌道となり、
一対の前記駆動機構を、一対の前記シリンダが同軸であってかつ一対の前記ピストンの頂面がそれぞれ外側又は内側を向くようにして配置するとともに、一対の前記出力軸と平行に延びる共通出力軸を設け、
一対の前記出力軸と前記共通出力軸とを、前記ピストンの行程を同期させる回転同期手段を介して接続したことを特徴とするエンジン。
前記回転同期手段が、一対の前記出力軸及び前記共通出力軸に掛け回された無端状のチェーン若しくはベルト、又は該出力軸及び該共通出力軸と噛合する平歯車である請求項１に記載のエンジン。