(57)【要約】【課題】ピストンリングの偏摩耗を好適に抑制することができる。【解決手段】ピストンピン３０は、その軸線方向における一端（上側端部３０ａ）が他端（下側端部３０ｂ）よりもシリンダ３ａの軸線方向Ｙにおいて燃焼室６側に位置するようにクランクシャフト１の軸線方向Ｘに対して傾斜している。また、コネクティングロッド１０においてピストンピン３０に連結される小端部１２の内周面はピストンピン３０の外周面に沿っている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクシャフトに連結されたコネクティングロッドと、コネクティングロッドにピストンピンを介して連結されるとともにシリンダ内を往復動可能なピストンと、ピストンの外周面に形成されたリング溝に嵌合されたピストンリングとを備え、クランクシャフトの回転に伴いシリンダ内をピストンが往復動することによってピストンの頂面とシリンダ内壁とによって区画される圧縮室内の流体を圧縮する圧縮機において、
前記ピストンピンは、その軸線方向における一端が他端よりもシリンダの軸線方向において前記圧縮室側に位置するようにクランクシャフトの軸線方向に対して傾斜しており、
前記コネクティングロッドにおいて前記ピストンピンが挿入される挿入孔の内周面は前記ピストンピンの外周面に沿っている、
ことを特徴とする圧縮機。
【請求項２】
請求項１に記載の圧縮機において、
前記ピストンピンは前記ピストンの周壁に形成された軸受孔に挿通されており、
前記軸受孔において前記ピストンピンの両端部の外周側には、同ピストンピンからの力を同ピストンに伝える伝達部材が設けられている、
ことを特徴とする圧縮機。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の圧縮機において、
前記ピストンピンの端面は前記ピストンの軸線方向に沿っている、
ことを特徴とする圧縮機。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の圧縮機において、
前記ピストンピンの端面は同ピストンピンの中心軸線に対して直交している、
ことを特徴とする圧縮機。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の圧縮機のピストンによって前記圧縮室としての燃焼室内に供給される空気と燃料とが混合された混合気を圧縮するとともに、この圧縮された混合気が燃焼する際に発生する燃焼圧によって変位する前記ピストンによって前記コネクティングロッドを介して前記クランクシャフトを回転駆動する、内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クランクシャフトの回転に伴いシリンダ内をピストンが往復動することによって圧縮室内の流体を圧縮する圧縮機、及び往復動式の内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、往復動式の内燃機関（以下、内燃機関と称する）が周知である（例えば特許文献１参照）。内燃機関は、機関出力軸であるクランクシャフト、クランクシャフトに連結されたコネクティングロッド、及びコネクティングロッドにピストンピンを介して連結されるとともにシリンダ内を往復動可能なピストンを備えており、クランクシャフトの回転に伴いピストンがシリンダ内を往復動するようになっている。
【０００３】
また、ピストンの頂面とシリンダ内壁とによって燃焼室が区画され、この燃焼室には吸気通路を通じて空気が供給されるようになっている。そして、ピストンによって、燃焼室内に供給される空気と燃料噴射弁から噴射供給される燃料とが混合された混合気が圧縮されるとともに、この圧縮された混合気が燃焼する際に発生する燃焼圧によってピストンが下降し、ピストンに連結されたコネクティングロッドを介してクランクシャフトが回転駆動される。
【０００４】
ピストンの外周面には複数のリング溝が形成されており、このリング溝にはピストンリングが嵌合されている。こうしたピストンリングとしては、燃焼室内の機密性を確保するためのコンプレッションリングやシリンダ内壁に付着している不要なオイルをオイルパンに掻き落とすためのオイルリングがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０―１８０７２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、こうした内燃機関においては、ピストンが往復動する際にピストンリングの外周面における特定の部位がシリンダ内壁に衝突する。そのため、ピストンリングの偏摩耗が進行しやすく、ピストンリングの耐久性を向上させる上で改善の余地を残すものとなっている。
【０００７】
尚、こうした問題は、上述した往復動式の内燃機関に限られるものではなく、クランクシャフトの回転に伴いシリンダ内をピストンが往復動することによってピストンの頂面とシリンダ内壁とによって区画される圧縮室内の流体を圧縮する圧縮機であれば共通して生じる。
【０００８】
本発明の目的は、ピストンリングの偏摩耗を好適に抑制することのできる圧縮機及び内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明に従う圧縮機は、クランクシャフトに連結されたコネクティングロッドと、コネクティングロッドにピストンピンを介して連結されるとともにシリンダ内を往復動可能なピストンと、ピストンの外周面に形成されたリング溝に嵌合されたピストンリングとを備え、クランクシャフトの回転に伴いシリンダ内をピストンが往復動することによってピストンの頂面とシリンダ内壁とによって区画される圧縮室内の流体を圧縮する。また、前記ピストンピンは、その軸線方向における一端が他端よりもシリンダの軸線方向において前記圧縮室側に位置するようにクランクシャフトの軸線方向に対して傾斜しており、前記コネクティングロッドにおいて前記ピストンピンが挿入される挿入孔の内周面は前記ピストンピンの外周面に沿っている。
【００１０】
ピストンが下死点から上死点に向けて変位する際、ピストンが下死点と上死点との中央位置よりも下死点側にあるときには、クランクシャフト及びコネクティングロッドによって同ピストンが反スラスト側に押されることが周知である。
【００１１】
またこのとき、コネクティングロッドの挿入孔からピストンピンに対してシリンダの軸線方向において圧縮室側に向けて力が与えられる。ここで、上記構成によれば、ピストンピン及びコネクティングロッドにおいてピストンピンが挿入される挿入孔の内周面がクランクシャフトの軸線方向に対して傾斜しているため、コネクティングロッドからの力はピストンピンの外周面に直交する方向に対して作用する。そして、この力がピストンに対して伝達されるため、この力におけるクランクシャフトの軸線方向に沿った方向への分力によってピストンがシリンダ内壁に向けて押される。その結果、ピストンには上記反スラスト側への力とクランクシャフトの軸線方向に沿った方向への分力との合力が作用する。更に、この合力の向き及び大きさはピストンの位置によって変化する。
【００１２】
一方、ピストンが上死点から下死点に向けて変位する際、ピストンが上死点と下死点との中央位置よりも上死点側にあるときには、クランクシャフト及びコネクティングロッドによって同ピストンがスラスト側に押されることが周知である。
【００１３】
またこのとき、ピストンピンからコネクティングロッドの挿入孔に対してシリンダの軸線方向においてクランクシャフト側に向けて力が与えられる。ここで、上記構成によれば、ピストンピン及びコネクティングロッドにおいてピストンピンが挿入される挿入孔の内周面がクランクシャフトの軸線方向に対して傾斜しているため、ピストンピンからの力はピストンピンの外周面に直交する方向に対して作用する。そして、この力がピストンに対して伝達されるため、この力におけるクランクシャフトの軸線方向に沿った方向への分力によってピストンがシリンダ内壁に向けて押される。この力の向きは、ピストンの上昇開始時とは反対向きとなる。その結果、ピストンには上記スラスト側への力とクランクシャフトの軸線方向に沿った方向への分力との合力が作用する。更に、この合力の向き及び大きさはピストンの位置によって変化する。
【００１４】
このように、シリンダ内壁に対してピストンの外周面が押し付けられる向きが同ピストンの位置によって変化する。そして、ピストンリングはピストンとシリンダ内壁との間に位置してピストンから力を受けることから、ピストンリングにはピストンに対して同ピストンリングを回転させる力が作用する。このため、ピストンが往復動する際にピストンリングが回転することでこれらの外周面における特定の部位がシリンダ内壁に衝突し続けることが抑制される。
【００１５】
従って、本発明によれば、ピストンリングの偏摩耗を好適に抑制することができる。
この場合、前記ピストンピンは前記ピストンの周壁に形成された軸受孔に挿通されており、前記軸受孔において前記ピストンピンの両端部の外周側には、同ピストンピンからの力を同ピストンに伝える伝達部材が設けられている、といった態様が好ましい。こうした態様によれば、軸受孔からのピストンピンの抜け出しを伝達部材によって好適に防止することができる。
【００１６】
また、前記ピストンピンの端面は前記ピストンの軸線方向に沿っている、といった態様が好ましい。
また、前記ピストンピンの端面は同ピストンピンの中心軸線に対して直交している、といった態様が好ましい。
【００１７】
同構成によれば、ピストンピンの構造を簡易なものとすることができ、ピストンピンを容易に形成することができる。
また、上記圧縮機のピストンによって前記圧縮室としての燃焼室内に供給される空気と燃料とが混合された混合気を圧縮するとともに、この圧縮された混合気が燃焼する際に発生する燃焼圧によって変位する前記ピストンによって前記コネクティングロッドを介して前記クランクシャフトを回転駆動する、内燃機関といった態様が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の断面構造を示す断面図。
【図２】同実施形態における内燃機関についてピストン及びクランクシャフトを中心とした断面構造を拡大して示す拡大断面図。
【図３】（ａ）はクランクシャフトの軸線方向に直交する方向から視た内燃機関の模式図であって、ピストンの上昇開始時におけるピストンとクランクシャフトとの関係を模式的に示す模式図、（ｂ）はクランクシャフトの軸線方向に沿った方向におけるピストンの断面構造であって、（ａ）と同じときのピストンの断面構造を示す断面図。
【図４】（ａ）はクランクシャフトの軸線方向に直交する方向から視た内燃機関の模式図であって、ピストンの下降開始時におけるピストンとクランクシャフトとの関係を模式的に示す模式図、（ｂ）はクランクシャフトの軸線方向に沿った方向におけるピストンの断面構造であって、（ａ）と同じときのピストンの断面構造を示す断面図。
【図５】ピストン上昇開始時及び下降開始時においてピストンリングに作用する力の向きを説明するための説明図。
【図６】機関回転速度とピストンリングの回転速度との関係を示すグラフ。
【図７】本発明の変形例に係る内燃機関についてピストン及びクランクシャフトを中心とした断面構造を拡大して示す拡大断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図１〜図６を参照して、本発明に係る内燃機関を直列多気筒内燃機関として具体化した一実施形態について説明する。
図１及び図２に示すように、内燃機関は、シリンダヘッド２、シリンダブロック３、クランクケース４、及びオイルパン５を備えている。
【００２０】
シリンダヘッド２には、吸気通路の一部をなすとともに燃焼室６に接続される吸気ポート２ａと、排気通路の一部をなすとともに燃焼室６に接続される排気ポート２ｂとが形成されている。
【００２１】
シリンダブロック３に形成されたシリンダ３ａ内にはピストン２０が往復動可能に収容されている。尚、ピストン２０の頂面２０ａとシリンダ内壁３ｂとによって燃焼室６が区画される。
【００２２】
オイルパン５内にはオイルが貯留されている。また、クランクケース４はオイルパン５とシリンダブロック３との間に介設されており、その内部には機関出力軸であるクランクシャフト１が収容されている。
【００２３】
クランクシャフト１とピストン２０とはコネクティングロッド１０によって連結されている。
すなわち、コネクティングロッド１０の大端部１１に形成された挿入孔１１ａには、クランクシャフト１のクランクピン１ａが挿入されている。従って、大端部１１はクランクピン１ａに対して回動可能に連結されている。
【００２４】
図２に示すように、コネクティングロッド１０の小端部１２に形成された挿入孔１２ａには、ピストン２０を構成する円筒状のピストンピン３０が挿入されている。従って、小端部１２はピストンピン３０に対して回動可能に連結されている。ピストンピン３０の両端面はピストン２０の軸線方向、すなわちシリンダ３ａの軸線方向Ｙに沿っている。
【００２５】
ピストン２０は頂面２０ａを有する筒状をなしており、その外周面には３つのリング溝（燃焼室６側から順に、第１リング溝２７、第２リング溝２８、第３リング溝２９）が形成されている。これらリング溝２７，２８，２９にはピストンリング（第１ピストンリング４１、第２ピストンリング４２、第３ピストンリング４３）がそれぞれ嵌合されている。第１、２ピストンリング４１，４２はコンプレッションリングとされ、第３ピストンリング４３はオイルリングとされている。
【００２６】
ピストン２０の周壁には一対の軸受孔（上側軸受孔２１、下側軸受孔２２）が同ピストン２０の中心軸線を挟んで形成されており、これら軸受孔２１，２２には上記ピストンピン３０が挿通されている。
【００２７】
ここで、ピストンピン３０の中心軸線Ｐは、その軸線方向におけるピストン２０の一端（上側端部３０ａ）が他端（下側端部３０ｂ）よりもシリンダ３ａの軸線方向Ｙにおいて燃焼室６側に位置するように、すなわち同図において上側に位置するように、クランクシャフト１の軸線方向Ｘに対して所定角度α（＞０）だけ傾斜している。
【００２８】
所定角度αは、ピストン２０がシリンダ３ａに干渉して機関運転に支障を来す角度よりも小さい角度とされ、具体的には以下の式（１）を満足するように設定されている。
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ここで、「Ｌ」はコネクティングロッド１０の大端部１１と小端部１２との中心間の距離であり、「ｒ」はクランクピン１ａの回転半径であり、「ｅ」はシリンダ３ａの内径であり、「ｄ」はピストン２０の最大外径であり、「ｃ」はピストン２０の頂面２０ａから同ピストン２０の最大外径となる部位までの距離である。
【００２９】
各軸受孔２１，２２の中心軸線Ｂ及びコネクティングロッド１０の小端部１２の挿入孔１２ａの中心軸線Ｒはピストンピン３０の中心軸線Ｐと平行をなしている。すなわち、小端部１２の挿入孔１２ａの内周面はピストンピン３０の外周面に沿っている。
【００３０】
各軸受孔２１，２２においてピストンピン３０の両端部３０ａ，３０ｂの外周側には、略円盤状の伝達部材（上側伝達部材３１、下側伝達部材３２）が圧入されており、これら伝達部材３１，３２によってピストンピン３０が回転不能に固定されている。
【００３１】
次に、本実施形態の作用について説明する。
こうした内燃機関においては、吸気ポート２ａを通じて燃焼室６内に供給される空気と燃料噴射弁から噴射供給される燃料とが混合された混合気をピストン２０によって圧縮する。そして、圧縮された混合気が燃焼する際に発生する燃焼圧によって下降するピストン２０によってコネクティングロッド１０を介してクランクシャフト１が回転駆動される。
【００３２】
さて、図３（ａ）に示すように、ピストン２０の上昇開始時、すなわちピストン２０が下死点から上死点に向けて変位する際、ピストン２０が下死点と上死点との中央位置よりも下死点側にあるときには、クランクシャフト１及びコネクティングロッド１０によって同ピストン２０が反スラスト側（同図における右側）に押されることが周知である。
【００３３】
またこのとき、図３（ｂ）に示すように、コネクティングロッド１０の小端部１２からピストンピン３０に対してシリンダ３ａの軸線方向Ｙにおいて燃焼室６側（同図における上側）に向けて力が与えられる。
【００３４】
ここで、ピストンピン３０及びコネクティングロッド１０においてピストンピン３０が挿入される挿入孔１２ａの内周面がクランクシャフト１の軸線方向Ｘに対して所定角度α傾斜しているため、コネクティングロッド１０からの力Ｆ１はピストンピン３０の外周面に直交する方向（同図における斜め左上方向）に対して作用する。
【００３５】
そして、この力Ｆ１が下側伝達部材３２を介してピストン２０に力Ｆ２として伝達されるため、この力Ｆ２におけるフロント側（同図における左側）への分力Ｆｆｒによってピストン２０がシリンダ内壁３ｂに対してフロント側に押される。
【００３６】
その結果、図５に矢印にて示すように、ピストン２０の上昇開始時には同ピストン２０には上記反スラスト側への力Ｆｍｉｎｏｒとフロント側への分力Ｆｆｒとの合力が作用する。更に、この合力の向き及び大きさはピストン２０の位置によって変化する。
【００３７】
一方、図４（ａ）に示すように、ピストン２０の下降開始時、すなわちピストン２０が上死点から下死点に向けて変位する際、ピストン２０が上死点と下死点との中央位置よりも上死点側にあるときには、クランクシャフト１及びコネクティングロッド１０によって同ピストン２０がスラスト側（同図における左側）に押されることが周知である。
【００３８】
またこのとき、図４（ｂ）に示すように、ピストンピン３０からコネクティングロッド１０の小端部１２に対してシリンダ３ａの軸線方向Ｙにおいてクランクシャフト１側（同図における下側）に向けて力が与えられる。
【００３９】
ここで、ピストンピン３０及びコネクティングロッド１０においてピストンピン３０が挿入される挿入孔１２ａの内周面がクランクシャフト１の軸線方向Ｘに対して所定角度α傾斜しているため、ピストンピン３０からの力Ｆ３はピストンピン３０の外周面に直交する方向（同図における斜め右下方向）に対して作用する。
【００４０】
そして、この力Ｆ３が上側伝達部材３１を介してピストン２０に力Ｆ２として伝達されるため、この力Ｆ３におけるリア側（同図における右側）への分力Ｆｒｒによってピストン２０がシリンダ内壁３ｂに対してリア側に押される。
【００４１】
その結果、図５に矢印にて示すように、ピストン２０の下降開始時には同ピストン２０には上記スラスト側ｍａｊｏｒへの力Ｆｍａｊｏｒとリア側への分力Ｆｒｒとの合力が作用する。更に、この合力の向き及び大きさはピストン２０の位置によって変化する。
【００４２】
このように、ピストン２０がシリンダ３ａ内を往復動する際、シリンダ内壁３ｂに対してピストン２０の外周面が押し付けられる向きが同ピストン２０の位置によって変化する。そして、各ピストンリング４１〜４３はピストン２０とシリンダ内壁３ｂとの間に位置してピストン２０から力を受けることから、各ピストンリング４１〜４３にはピストン２０に対してこれらピストンリング４１〜４３を回転させる力が作用する。
【００４３】
このため、ピストン２０が往復動する際に各ピストンリング４１〜４３が回転する。
図６に破線にて示すように、ピストンピンがクランクシャフトの軸線方向に対して平行に設けられる従来の内燃機関の場合には、ピストンリングがほとんど回転しないのに対して、本実施形態によれば、図６に実線にて示すように、各ピストンリング４１〜４３が好適に回転することが明らかである。
【００４４】
更に、燃焼圧の変動によっても各ピストンリング４１〜４３の回転方向が不規則に変化する。
これらのことから、これらの外周面における特定の部位がシリンダ内壁３ｂに衝突し続けることが抑制される。
【００４５】
以上説明した本実施形態に係る内燃機関によれば、以下に示す効果が得られるようになる。
（１）ピストンピン３０は、その軸線方向における一端（上側端部３０ａ）が他端（下側端部３０ｂ）よりもシリンダ３ａの軸線方向Ｙにおいて燃焼室６側に位置するようにクランクシャフト１の軸線方向Ｘに対して傾斜している。また、コネクティングロッド１０においてピストンピン３０に連結される小端部１２の内周面はピストンピン３０の外周面に沿っている。こうした構成によれば、ピストン２０が往復動する際に各ピストンリング４１〜４３が回転することでこれらの外周面における特定の部位がシリンダ内壁３ｂに衝突し続けることが抑制される。従って、各ピストンリング４１〜４３の偏摩耗を好適に抑制することができる。また、ピストン２０の偏摩耗についても好適に抑制することができる。
【００４６】
（２）ピストンピン３０はピストン２０の周壁に形成された軸受孔（上側軸受孔２１、下側軸受孔２２）に挿通されている。また、これら軸受孔２１，２２においてピストンピン３０の両端部３０ａ，３０ｂの外周側には、同ピストンピン３０からの力を同ピストン２０に伝える伝達部材（上側伝達部材３１、下側伝達部材３２）が介設されている。こうした構成によれば、ピストンピン３０からの力を伝達部材３１，３２を介してピストン２０に好適に伝達することができる。また、各軸受孔２１，２２からのピストンピン３０の抜け出しを各伝達部材３１，３２によって好適に防止することができる。
【００４７】
（３）ピストン２０が往復動する際に各ピストンリング４１〜４３が回転することでこれらの外周面における特定の部位がシリンダ内壁３ｂに衝突し続けることが抑制される。従って、第３リング溝２９内におけるオイルの流動性が高められることから、ピストン２０が往復動する際のフリクションを低下させることができる。
【００４８】
＜変形例＞
尚、本発明に係る圧縮機及び内燃機関は、上記実施形態にて例示した構成に限定されるものではなく、これを適宜変更した例えば次のような形態として実施することもできる。
【００４９】
・上記実施形態における各伝達部材３１，３２の外周面をピストン２０の外周面に沿って曲面状に形成してもよい。
・上記実施形態では、ピストンピン３０の端面がピストン２０の外周面に沿っているものについて例示したが、これに代えて、図７に示すように、ピストンピン１３０の端面がピストンピン１３０の中心軸線Ｐに対して直交しているものを採用することもできる。また、ピストンピン１３０が挿入される一対の軸受孔１２１，１２２の内径は同軸受孔１２１，１２２の軸線方向において同一とされている。また、これら軸受孔１２１，１２２の内周面とピストンピン１３０の両端部１３０ａ，１３０ｂとの間には円盤状の伝達部材１３１，１３２が圧入されている。こうした構成によれば、ピストンピン１３０が単純な円筒状或いは円柱状となるため、その構造が簡易なものとなる。従って、ピストンピン１３０を容易に形成することができる。
【００５０】
・上記変形例では、ピストンの外周面と各伝達部材１３１，１３２の外周面とによって凹部が形成される。こうした凹部が形成されないように各伝達部材の形状を適宜変更するようにしてもよい。
【００５１】
・上記実施形態では、ピストンピン３０がピストン２０に対して回転不能に固定される構成について例示したが、ピストンピンがピストンに対して回転可能に設けられるものとすることもできる。
【００５２】
・上記実施形態では、本発明を往復動式の内燃機関に対して適用したが、本発明の適用対象はこれに限られるものではなく、燃焼を伴わない単なる圧縮機に対して本発明を適用することもできる。
【符号の説明】
【００５３】
１…クランクシャフト、１ａ…クランクピン、１ｂ…クランクアーム、１ｃ…バランスウェイト、２…シリンダヘッド、２ａ…吸気ポート、２ｂ…排気ポート、３…シリンダブロック、３ａ…シリンダ、３ｂ…シリンダ内壁、４…クランクケース、５…オイルパン、６…燃焼室、１０…コネクティングロッド、１１…大端部、１１ａ…挿入孔、１２…小端部、１２ａ…挿入孔、２０，１２０…ピストン、２０ａ…頂面、２１，１２１…上側軸受孔、２２，１２２…下側軸受孔、２７，１２７…第１リング溝、２８，１２８…第２リング溝、２９，１２９…第３リング溝、３０，１３０…ピストンピン、３０ａ，１３０ａ…上側端部、３０ｂ，１３０ｂ…下側端部、３１，１３１…上側伝達部材、３２，１３２…下側伝達部材、４１…第１ピストンリング、４２…第２ピストンリング、４３…第３ピストンリング。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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