(57)【要約】【課題】簡素な構成で、ピストンが上死点に位置する時間を効果的に確保する。【解決手段】シリンダ１３と、シリンダ１３内に往復移動可能に収容されたピストン２０と、ピストン２０にピストンピン２１を介して連結されたコネクティングロッド４１とを含む内燃機関１０において、ピストンピン２１は、ピストン２０を回転可能に軸支する第１軸支部２２，２３と、コネクティングロッド４１を回転可能に軸支する第２軸支部２４とを有すると共に、第２軸支部２４の軸心が第１軸支部２２，２３の軸心に対して径方向に偏心して設けられている。【選択図】図３
2019183725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、シリンダと、該シリンダ内に往復移動可能に収容されたピストンと、該ピストンにピストンピンを介して連結されたコネクティングロッドと、を含む内燃機関において、
前記ピストンピンは、前記ピストンを回転可能に軸支する断面円形状の第１軸支部と、前記コネクティングロッドを回転可能に軸支する断面円形状の第２軸支部とを有すると共に、前記第２軸支部の軸心が前記第１軸支部の軸心に対して径方向に偏心して設けられている
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記ピストンピンは、クランク角０度よりも進角側の所定の進角位置にて、前記第２軸支部の軸心が前記第１軸支部の軸心よりも下死点側に位置し、クランク角が０度に進むに伴い第一方向に回転することで、前記第２軸支部の軸心が前記第１軸支部の軸心に対して下死点側から上死点側に変位するように設けられている
請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記ピストンピンは、クランク角が０度から遅角側の所定の遅角位置への進角に伴い、前記第一方向とは逆方向に回転するように設けられている
請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記第２軸支部が前記第１軸支部よりも小径の円柱状に形成されている
請求項１から３の何れか一項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、内燃機関に関し、特に、偏心機構を備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、内燃機関（以下、エンジンとも称する）のピストンとコネクティングロッドとは、単純な略円柱状をなすピストンピンを介して互いに揺動可能に連結されており、ピストンが上死点付近に位置する時間は短くなる。このため、特に高負荷運転時には、燃焼室内に多量に噴射された燃料が完全燃焼するまでに時間を要することになり、エンジン回転速度が高くなるほどエンジンの熱効率は低下するといった課題がある。
【０００３】
このようなエンジンの熱効率を向上し得る技術として、例えば特許文献１，２には、ピストンとクランクシャフトとをリンク機構で連結し、該リンク機構の一部を動かすことによりピストンの上死点位置を可変にする構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１７−０１５０１８号公報
【特許文献２】特開２００４−１２４７７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記特許文献に開示の構造では、ピストンとクランクシャフトとを複雑なリンク機構を介して連結している。このため、信頼性の低下やコストの上昇等を招く可能性がある。
【０００６】
本開示の技術は、簡素な構成で、ピストンが上死点に位置する時間を効果的に確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の技術は、少なくとも、シリンダと、該シリンダ内に往復移動可能に収容されたピストンと、該ピストンにピストンピンを介して連結されたコネクティングロッドと、を含む内燃機関において、前記ピストンピンは、前記ピストンを回転可能に軸支する断面円形状の第１軸支部と、前記コネクティングロッドを回転可能に軸支する断面円形状の第２軸支部とを有すると共に、前記第２軸支部の軸心が前記第１軸支部の軸心に対して径方向に偏心して設けられていることを特徴とする。
【０００８】
また、前記ピストンピンは、クランク角０度よりも進角側の所定の進角位置にて、前記第２軸支部の軸心が前記第１軸支部の軸心よりも下死点側に位置し、クランク角が０度に進むに伴い第一方向に回転することで、前記第２軸支部の軸心が前記第１軸支部の軸心に対して下死点側から上死点側に変位するように設けられていることが好ましい。
【０００９】
また、前記ピストンピンは、クランク角が０度から遅角側の所定の遅角位置への進角に伴い、前記第一方向とは逆方向に回転するように設けられていることが好ましい。
【００１０】
また、前記第２軸支部が前記第１軸支部よりも小径の円柱状に形成されてもよい。
【発明の効果】
【００１１】
本開示の技術によれば、簡素な構成で、ピストンが上死点に位置する時間を効果的に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態に係る内燃機関を示す模式的な断面図である。
【図２】本実施形態に係るピストンピンを示す模式的な斜視図である。
【図３】本実施形態に係るピストンのピストンピン軸方向の模式的な縦断面図である。
【図４】本実施形態に係る偏心機構によるピストンの上死点前後の動作を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付図面に基づいて、本実施形態に係る内燃機関について説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。
【００１４】
［全体構成］
図１に示すように、内燃機関１０は、例えば直噴式エンジンであって、シリンダブロック１１と、シリンダブロック１１の上部に設けられたシリンダヘッド１２とを備えている。シリンダブロック１１には、ピストン２０を往復移動可能に収容するシリンダ１３が設けられている。また、シリンダブロック１１の下端側には、クランクケース１４が設けられ、クランクケース１４の下部には、エンジンオイルを貯留するオイルパン１５が取り付けられている。
【００１５】
シリンダヘッド１２には、吸気ポート３０及び、排気ポート３１が設けられている。また、シリンダヘッド１２には、ピストン２０頂面（例えばキャビティ）とシリンダ１３内壁面（例えばライナ）とシリンダヘッド１２下面とにより区画された燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタ３２が設けられている。さらに、シリンダヘッド１２には、開閉作動により吸気ポート３０から燃焼室に新気を導入させる吸気バルブ３３及び、開閉作動により燃焼室から排気ポート３１に排気を導出させる排気バルブ３４が設けられている。これら吸気バルブ３３及び排気バルブ３４は、シリンダヘッド１２の上部に配置された動弁機構３５，３６により開閉作動される。
【００１６】
ピストン２０のヘッド部外周には、ピストンリング２９が装着されている。また、ピストン２０には、ピストンピン２１を介してコネクティングロッド４１の小端部４２が連結されている。コネクティングロッド４１の大端部４３には、クランクピン４４を介してクランクシャフト４５が連結されている。ピストン２０がシリンダ１３内を往復運動すると、この往復運動がコネクティングロッド４１により回転運動に変換されて、クランクシャフト４５を回転させるように構成されている。
【００１７】
［偏心機構］
次に、図２及び図３に基づいて、本実施形態に係る偏心機構の詳細について説明する。図２は、本実施形態に係るピストンピン２１を示す模式的な斜視図であり、図３は、本実施形態に係るピストン２０のピストンピン軸方向の模式的な縦断面図である。
【００１８】
図２に示すように、ピストンピン２１は、ピン軸方向の両端部に設けられた略円柱状の一対の第１摺動軸支部２２，２３と、これら第１摺動軸支部２２，２３の間に設けられた略円柱状の第２摺動軸支部２４とを有している。第２摺動軸支部２４は、その外径を第１摺動軸支部２２，２３よりも小径に形成されている。また、第２摺動軸支部２４は、その中心軸心を第１摺動軸支部２２，２３の中心軸心に対して径方向に偏心させて設けられている。
【００１９】
図３に示すように、ピストン２０の頂部には、燃焼室の一部を構成するキャビティ２０Ａが凹設されている。また、ピストン２０のスカート部には、互いに対向する一対のピンボス部２５Ａ，２５Ｂが形成されている。これら一対のピンボス部２５Ａ，２５Ｂには、ピン挿入孔２６Ａ，２６Ｂがピストン２０の径方向に貫通形成されている。各ピン挿入孔２６Ａ，２６Ｂには、ピストンピン２１の第１摺動軸支部２２，２３が挿入されている。コネクティングロッド４１の小端部４２には、ピストンピン２１の第２摺動軸支部２４を挿通させるピン挿通孔４２Ａが貫通形成されている。すなわち、ピストンピン２１の第１摺動軸支部２２，２３によってピストン２０が回転可能に軸支されると共に、ピストンピン２１の第２摺動軸支部２４によってコネクティングロッド４１の小端部４２が回転可能に軸支されるように構成されている。
【００２０】
次に、図４に基づいて、本実施形態に係る偏心機構によるピストン２０の上死点前後の動作について説明する。
【００２１】
図４中において、（Ａ）−（ａ）は、ピストン２０が上死点に向けて上昇するクランク角度約−４５度（上死点前）の状態を示し、（Ａ）−（ｂ）は、ピストン２０が上死点に達したクランク角度約−３０度の状態を示し、（Ａ）−（ｃ）は、ピストン２０が上死点に位置するクランク角度約０度の状態を示し、（Ａ）−（ｄ）は、ピストン２０が上死点に保持されるクランク角度約３０度の状態を示し、（Ａ）−（ｅ）は、ピストン２０が下死点に向けて降下するクランク角度約４５度（上死点後）の状態を示している。また、図４（Ｂ）は、クランク回転角度とピストン２０の位置変化を示す特性線であり、実線は偏心機構を有する本実施形態の特性線、破線は偏心機構を有しない一般的な内燃機関の特性線をそれぞれ示している。なお、これらクランク角度の範囲、或は第１摺動軸支部２２，２３の中心軸心Ｘ１及び、第２摺動軸支部２４の中心軸心Ｘ２の位置関係は一例であって、本開示の技術範囲を限定するものではない。
【００２２】
図４（Ａ）−（ａ）に示すように、ピストン２０が上死点に達するよりも前のクランク角度約−４５度の状態において、ピストンピン２１の第２摺動軸支部２４の中心軸心Ｘ２は、第１摺動軸支部２２，２３の中心軸心Ｘ１に対して下死点方向（中心軸心Ｘ１よりもピストン軸方向Ｙ１の下死点側）に位置される。この状態から、図４（Ａ）−（ｂ）に示す、ピストン２０が上死点に達するクランク角度約−３０度（所定の進角位置）の状態になると、第２摺動軸支部２４の中心軸心Ｘ２は、コネクティングロッド４１の移動に伴い、第１摺動軸支部２２，２３の中心軸心Ｘ１よりも反スラスト方向の下死点側（中心軸心Ｘ１の図中斜め右下側）に位置される。
【００２３】
図４（Ａ）−（ｂ）に示すピストン２０が上死点に達した状態から、コネクティングロッド４１が図中矢印Ｚで示す反時計回り回転すると、ピストンピン２１には図中矢印Ｆで示すモーメント力が作用する。すると、図４（Ａ）−（ｃ）に示すクランク角度約０度の状態に進むに従い、ピストンピン２１が図中反時計回りに回動し、第２摺動軸支部２４の中心軸心Ｘ２は、第１摺動軸支部２２，２３の中心軸心Ｘ１に対して反スラスト方向（中心軸心Ｘ１よりもピストン径方向Ｙ２の反スラスト側）に位置されるようになる。さらに、クランク角度が約３０（所定の進角位置）まで進む図４（Ａ）−（ｄ）の状態になると、ピストンピン２１が図中時計回りに回動することで、第２摺動軸支部２４の中心軸心Ｘ２は、第１摺動軸支部２２，２３の中心軸心Ｘ１よりも反スラスト方向の下死点側（中心軸心Ｘ１の図中斜め右下側）に位置される。
【００２４】
すなわち、図４（Ａ）−（ｂ）から（Ａ）−（ｃ）に示す、クランク角度が約−３０度から約０度に進む期間は、ピストンピン２１の図中反時計回りへの回転動に伴い、第２摺動軸支部２４の中心軸心Ｘ２がコネクティングロッド４１の移動に追従して下死点側から上死点側に移動することで、コネクティングロッド４１の上死点方向への移動が吸収されるようになっている。さらに、図４（Ａ）−（ｃ）から（Ａ）−（ｄ）に示す、クランク角度が約０度から約−３０度に進む期間は、ピストンピン２１の図中時計回りへの回転動に伴い、第２摺動軸支部２４の中心軸心Ｘ２がコネクティングロッド４１の移動に追従して上死点側から下死点側に移動することで、コネクティングロッド４１の下死点方向への移動が吸収されるようになっている。これにより、クランク角度が約−３０度から約３０度の期間に亘ってピストン２０を上死点位置に効果的に保持することが可能になる。
【００２５】
その後、図４（Ａ）−（ｅ）に示すクランク角度が約４５度まで進むと、第２摺動軸支部２４の中心軸心Ｘ２が第１摺動軸支部２２，２３の中心軸心Ｘ１に対して下死点方向（中心軸心Ｘ１よりもピストン軸方向Ｙ１の下死点側）に位置され、ピストン２０は下死点に向けて降下するよう構成されている。
【００２６】
以上詳述した本実施形態によれば、コネクティングロッド４１の小端部４２を軸支する第２摺動軸支部２４の中心軸心Ｘ２が、ピストン２０を軸支する第１摺動軸支部２２，２３の中心軸心Ｘ１に対して偏心（オフセット）して設けられている。そして、クランク角度約−３０度から約０度の期間は、第２摺動軸支部２４の中心軸心Ｘ２が第１摺動軸支部２２，２３の中心軸心Ｘ１に対して下死点側から上死点側に変位することで、コネクティングロッド４１の上死点方向への移動量が吸収され、クランク角度約０度から約３０度の期間は、第２摺動軸支部２４の中心軸心Ｘ２が第１摺動軸支部２２，２３の中心軸心Ｘ１に対して上死点側から下死点側に変位することで、コネクティングロッド４１の下死点方向への移動量が吸収されるようになっている。これにより、ピストン２０をクランク角度約−３０度から約３０度の長期に亘って上死点位置に効果的に保持することが可能になる。
【００２７】
また、ピストン２０が上死点位置に長期に亘って保持されることで、燃焼室内に噴射された燃料をピストン２０が上死点に位置する状態で効果的に燃焼させることが可能になる。これにより、燃料の燃焼により生成された熱エネルギが圧力エネルギに効果的に変換されるようになり、エンジンの熱効率を確実に向上することができる。
【００２８】
また、ピストン２０が上死点位置に長期に亘って保持されることで、エンジンの運転状態（負荷や回転速度）に影響を受けることなく、例えば、キャビティ２０Ａに燃料噴霧を衝突させることによる新気との混合や、キャビティ２０Ａに燃料噴霧を衝突させないことによる熱損失低減等、これらキャビティ２０Ａと燃料噴霧との位置関係を考慮した燃焼を実現させることが可能となり、燃費性能や排気エミッション性能を効果的に向上させることができる。
【００２９】
また、コネクティングロッド４１から伝わるモーメント力がピストンピン２１の回転動に変換されるため、ピストン２０からシリンダ１３の内壁面（ライナ）に作用するスラスト方向及び反スラスト方向の力が抑えられるようになり、フリクションを効果的に低減することが可能になる。
【００３０】
なお、本開示は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜に変形して実施することが可能である。
【００３１】
例えば、上記実施形態において、ピストン２０はクランク角度約−３０度から約３０度の期間に亘って上死点位置に保持されるものとして説明したが、ピストンピン２１の第２摺動軸支部２４と第１摺動軸支部２２，２３との偏心量を調整することにより、ピストン２０が上死点位置に保持される期間（クランク角度範囲）を内燃機関１０の仕様等に応じて他の範囲に適宜に設定してもよい。
【００３２】
また、ピストピン２１の第２摺動軸支部２４は、第１摺動軸支部２２，２３よりも小径に形成されるものとして説明したが、第２摺動軸支部２４を第１摺動軸支部２２，２３よりも大径に形成してもよい。また、これら第２摺動軸支部２４及び第１摺動軸支部２２，２３の形状は略円柱状に限定されず、断面円形状の円筒形であってもよい。
【００３３】
また、内燃機関１０は、直噴式エンジンに限定されず、予混合式エンジン等、他の内燃機関にも広く適用することが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  内燃機関
１１  シリンダブロック
１２  シリンダヘッド
１３  シリンダ
２０  ピストン
２１  ピストンピン
２２，２３  第１摺動軸支部
２４  第２摺動軸支部
４１  コネクティングロッド
４２  小端部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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