(57)【要約】【課題】シリンダに対してピストンを円滑に往復動させることができるスコッチヨーク式エンジンを提供する。【解決手段】スコッチヨーク式エンジン１は、４本のヨークエレメント１１〜１４を備えており、それらの先端部には、シリンダに対して往復動するピストン３１〜３４が取り付けられている。第一ヨークエレメント１１と第一ピストン３１、および第三ヨークエレメント１３および第三ピストン３３は、それぞれ偏心ピン４１を介して接続されており、シリンダに対するピストン３１〜３４の変位量を吸収している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに隣接しかつ平行に設けられた第一シリンダおよび第二シリンダと、前記第一シリンダおよび前記第二シリンダに対向する位置に設けられ、互いに隣接しかつ平行に設けられた第三シリンダおよび第四シリンダと、第一シリンダから第四シリンダのそれぞれに往復動可能に設けられる第一ピストン、第二ピストン、第三ピストン、および第四ピストンと、前記第一ピストンから前記第四ピストンがそれぞれ設けられた４本のヨークエレメントを備え、前記各ピストンの往復運動をクランク軸のクランクピンに伝達するヨークと、を備えるスコッチヨーク式エンジンにおいて、
前記第一ピストンおよび前記第二ピストンの少なくとも一方、並びに前記第三ピストンと前記第四ピストンのうちの少なくとも一方に、前記第一シリンダから前記第四シリンダのそれぞれに対する前記第一ピストンから前記第四ピストンの変位量を吸収する変位量吸収部材が設けられていることを特徴とするスコッチヨーク式エンジン。
【請求項２】
前記変位量吸収部材が、前記変位量吸収部材が設けられるピストンと前記ヨークのヨークエレメントとを接続し、前記ピストンおよび前記ヨークエレメントに対して、前記ピストンに往復動方向に直交する直交軸周りに回動可能であるとともに、前記ピストンの回動軸と前記ヨークエレメントの先端の回動軸とをずらす偏心ピンである請求項１に記載のスコッチヨーク式エンジン。
【請求項３】
前記変位量吸収部材が、前記ピストンに形成されたかぎ状孔部と、前記ヨークエレメントの先端に形成されたブッシュとを備え、
前記かぎ状孔部は、大径孔とこの大径孔と連続する直線状のレール孔とを備え、前記レール孔における反前記大径孔側が、前記ピストンの中心位置よりもずれた位置に設定されており、
前記ブッシュは、前記かぎ状孔部に形成された前記レール孔に沿って移動する細径部と、前記大径部よりも小径であり前記レール孔の幅よりも大径である係止部と、を備え、
前記ブッシュにおける前記細径部が、前記かぎ状孔部における前記レール孔の反前記大径部側に設置されている請求項１に記載のスコッチヨーク式エンジン。
【請求項４】
前記変位量吸収部材が、それぞれ対向する前記第一シリンダおよび前記第三シリンダ、または前記第二シリンダおよび前記第四シリンダに設けられている請求項１または請求項２に記載のスコッチヨーク式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スコッチヨーク式エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等に使用されるエンジンとして、一般的なピストンおよびクランク軸等を用いたもの以外に、スコッチヨーク機構を利用したスコッチヨーク式エンジンがある。このスコッチヨーク式エンジンは、一対の連接棒（以下「ヨークエレメント」という）を有し、ヨークエレメントの延在方向に直交する長孔が形成されたヨーク本体を有する。この長孔に、偏心させたクランク軸を挿入し、このクランクピンを長孔内で転がしながら往復運動させる機構を備えたものである。このスコッチヨーク式エンジンでは、クランク軸と接続されるヨークは往復運動を行うのみであるので、ヨークエレメントとシリンダボア壁スカート部との干渉が無くなるので、クランク軸とピストンの間を短くすることができる。このようなスコッチヨーク式エンジンのうち、４本のヨークエレメントを備えるものがあり、その例として、たとえば独国特許出願公開第１０１０７９２１号明細書に開示されたものがある。
【０００３】
このスコッチヨーク式エンジンは、互いに隣接し、かつ平行に設けられた２つのシリンダと、この２つのシリンダに対向する位置において、互いに隣接し、かつ平行に設けられた２つのシリンダを有する。また、スコッチヨーク式エンジンは、これらの４つのシリンダには対して、それぞれ往復動可能に設けられた４本のピストンがそれぞれ取り付けられた４つのヨークエレメントを有するヨークを有している。また、ヨークには、長孔が形成されており、この長孔に出力軸となるクランク軸が偏心した状態で挿入されている。そして、各シリンダで通常のエンジンサイクルを順次経ることにより、ヨークを往復動させて、クランク軸を回転させるものである。
【０００４】
【特許文献１】
独国特許出願公開第１０１０７９２１号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に開示されたスコッチヨーク式エンジンは、ヨークの往復動にあわせて、各シリンダに対して各ピストンが往復動する。このとき、寸法公差程度の加工誤差などにより、シリンダの軸心方向とこのシリンダに対して往復動するピストンの往復動方向とがわずかでもずれてしまうと、ピストンがシリンダに対して円滑に往復動することができなくなるという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、加工誤差等によってシリンダの軸心方向とピストンの往復動方向とが僅かにずれてしまった場合でも、シリンダに対してピストンを円滑に往復動させることができるスコッチヨーク式エンジンを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明に係るスコッチヨーク式エンジンは、互いに隣接しかつ平行に設けられた第一シリンダおよび第二シリンダと、第一シリンダおよび第二シリンダに対向する位置に設けられ、互いに隣接しかつ平行に設けられた第三シリンダおよび第四シリンダと、第一シリンダから第四シリンダのそれぞれに往復動可能に設けられる第一ピストン、第二ピストン、第三ピストン、および第四ピストンと、第一ピストンから第四ピストンの往復運動をクランク軸のクランクピンに伝達するヨークと、を備えるスコッチヨーク式エンジンにおいて、第一ピストンおよび第二ピストンの少なくとも一方、並びに第三ピストンと第四ピストンのうちの少なくとも一方に、第一シリンダから第四シリンダのそれぞれに対する第一ピストンから第四ピストンの変位量を吸収する変位量吸収部材が設けられているものである。
【０００８】
本発明に係るスコッチヨーク式エンジンにおいては、第一ピストンおよび第二ピストンの少なくとも一方、並びに第三ピストンと第四ピストンのうちの少なくとも一方に、第一シリンダから第四シリンダのそれぞれに対する第一ピストンから第四ピストンの変位量を吸収する変位量吸収部材が設けられている。このため、たとえば加工誤差によってシリンダの軸心方向とこのシリンダに対応するピストンの往復動方向がわずかにずれている場合でも、そのずれを変位量吸収部材で吸収することができるので、ピストンを円滑に往復動させることができる。
【０００９】
ここで、変位量吸収部材が、変位量吸収部材が設けられるピストンとヨークのヨークエレメントとを接続し、ピストンおよびヨークエレメントに対して、ピストンに往復動方向に直交する直交軸周りに回動可能であるとともに、ピストンの回動軸とヨークエレメントの先端の回動軸とをずらす偏心ピンである態様とするのが好適である。
【００１０】
このようなピストンの回動軸とヨークエレメントの先端の回動軸とをずらす偏心ピンを用いることにより、変位量吸収部材を好適に構成することができる。
【００１１】
また、変位量吸収部材が、ピストンに形成されたかぎ状孔部と、ヨークエレメントの先端に形成されたブッシュとを備え、かぎ状孔部は、大径孔とこの大径孔と連続する直線状のレール孔とを備え、レール孔における反大径孔側が、ピストンの中心位置よりもずれた位置に設定されており、ブッシュは、かぎ状孔部に形成されたレール孔に沿って移動する細径部と、大径部よりも小径でありレール孔の幅よりも大径である係止部と、を備え、ブッシュにおける細径部が、かぎ状孔部におけるレール孔の反大径部側に設置されている態様とすることができる。
【００１２】
このようなかぎ状孔部をピストンに設け、ブッシュをヨークエレメントの先端に設けることによって、変位量吸収手段を好適に形成することができる。
【００１３】
さらに、変位量吸収部材が、それぞれ対向する第一シリンダおよび第三シリンダ、または第二シリンダおよび第四シリンダに設けられている態様とするのが好適である。
【００１４】
このように、変位量吸収部材が、それぞれ対向するシリンダに形成されていることにより、変位量吸収部材の数を少なくしても、エンジンサイクルによって生じる燃焼圧を安定して吸収することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るスコッチヨーク式エンジンの要部分解斜視図である。図１に示すように、本実施形態に係るスコッチヨーク式エンジン１は、ヨーク２を備えている。ヨーク２は、４本のヨークエレメント１１，１２，１３，１４が設けられており、これらのうち、第一ヨークエレメント１１および第二ヨークエレメント１２が互いに隣接し、かつ平行に設けられている。また、第三ヨークエレメント１３および第四ヨークエレメント１４が互いに隣接し、かつ平行に設けられている。また、第一ヨークエレメント１１および第二ヨークエレメント１２に対して、第三ヨークエレメント１３および第四ヨークエレメント１４が対向する位置に設けられている。
【００１７】
第一ヨークエレメント１１および第二ヨークエレメント１２と、第三ヨークエレメント１３と第四ヨークエレメント１４との間には、本発明の長孔であるレール１５が形成されている。このレール１５は、ヨーク２の往復動方向に直交する方向に沿って形成されており、レール１５には、図示しないクランク軸に設けられたスライダが挿入される。このスライダは、クランク軸の軸心から偏心した位置に形成されており、ヨーク２が往復動することにより、レール１５に沿ってスライドが移動し、スライダの移動に伴ってクランク軸が回転する。
【００１８】
また、各ヨークエレメント１１〜１４の先端部１１Ａ〜１４Ａには、ホール２１〜２４が形成されている。ホール２１〜２４は、それぞれヨーク２の往復動方向に直交し、かつレール１５の形成方向に直交する方向を向いて形成されている。さらに、各ヨークエレメント１１〜１４の先端部１１Ａ〜１４Ａには、それぞれピストン３１〜３４が取り付けられている。これらの各ピストン３１〜３４は、ヨーク２の往復動方向を向いて配置されている。
【００１９】
このうちの第一ヨークエレメント１１と第一ピストン３１とは、本発明の変位量吸収手段である偏心ピン４１によって接続されている。偏心ピン４１は、図２にも示すように、ホール２１に嵌め込まれる円筒状の中央胴部４１Ａと、その上下に設けられ、ブッシュ５１，５１を介してピストン３１に形成された嵌合孔３１Ａ，３１Ｂに嵌め込まれる円筒状の上下胴部４１Ｂ，４１Ｃとを備えている。このうちの上胴部４１Ｂと下胴部４１Ｃとは同一の形状をなすために同一の径を有しており、これらの上下胴部４１Ｂ，４１Ｃよりも中央胴部４１Ａは大きな径を有している。また、上胴部４１Ｂと下胴部４１Ｃとは、それらの軸心が一致しており、上下胴部４１Ｂ，４１Ｃの軸心は、中央胴部４１Ａの軸心からずれて配置されている。さらに、第一ヨークエレメント１１に対向する位置に形成された第三ヨークエレメント１３に対しても、同様にして偏心ピン４１を用いることによって第三ピストン３３が接続される。
【００２０】
また、第二ヨークエレメント１２と第二ピストン３２とは、ピストンピン４２によって接続されている。ピストンピン４２は円筒形状をなしており、第二ヨークエレメント１２の先端部１２Ａに形成されたホール２２と、ピストン３２に形成された嵌合孔にそれぞれ嵌め込まれる。このピストンピン４２により、第二ヨークエレメント１２と第二ピストン３２とが接続される。さらに、第四ヨークエレメント１４と第四ピストン３４とは、同様に、ピストンピン４２によって接続される。
【００２１】
一方、図示しないシリンダヘッドには、各ヨークエレメント１１〜１４に取り付けられた各ピストン３１〜３４がそれぞれ嵌め込まれて往復動する第一シリンダ〜第四シリンダが形成されている。第一ピストン３１が往復動する第一シリンダおよび第二ピストンが往復動する第二シリンダは、互いに隣接し、かつ平行に設けられている。また、第三ピストン３３が往復動する第三シリンダおよび第四ピストン３４が往復動する第四シリンダは、互いに隣接し、かつ平行に設けられている。これらの各シリンダには、たとえば点火プラグやインジェクタなどが設けられており、所定のエンジンサイクル、本実施形態では４サイクルを行う。
【００２２】
以上の構成を有する本実施形態に係るスコッチヨーク式エンジンの動作について説明する。
【００２３】
本実施形態に係るスコッチヨーク式エンジン１において、図３に示すように、第一工程Ｉでは第一ピストン３１が往復動する第一シリンダでは燃焼工程、第二ピストン３２が往復動する第二シリンダでは吸入工程、第三ピストン３３が往復動する第三シリンダでは排気工程、第四ピストン３４が往復動する第四シリンダでは圧縮工程、の各工程が行われる。ここで、第一ピストン３１には、燃焼圧として比較的大きな圧力が掛かり、第二ピストン３２は吸入負圧により、圧力から開放される。また、第三ピストン３３には、排気圧として比較的小さな圧力が掛かり、第四ピストン３４には圧縮圧として中間的な圧力が掛かる。各ピストン３１〜３４は、ヨーク２に形成されたスライダに設けられたクランクピンＳを介してクランク軸Ｃを回転させる。
【００２４】
続く第二工程ＩＩでは、第一シリンダで排気工程、第二シリンダで圧縮工程、第三シリンダで吸入工程、第四シリンダで燃焼行程が行われる。また、第三工程ＩＩＩでは、第一シリンダで吸入工程、第二シリンダで燃焼工程、第三シリンダで圧縮工程、第四シリンダで排気行程が行われる。さらに、第四工程ＩＶでは、第一シリンダで圧縮工程、第二シリンダで排気工程、第三シリンダで燃焼工程、第四シリンダで吸入行程が行われる。
【００２５】
４サイクルエンジンでは、このような第一工程Ｉ〜第四工程ＩＶを繰り返す。したがって、各気筒（シリンダおよびピストン）では、必ず異なる工程の動作が行われている。このため、クランクピンに掛かる大きな圧力となる燃焼圧は、他の気筒で発生する吸入負圧、排気圧、圧縮圧によって相殺されるので、クランクピンＳに掛かる圧力を小さくすることができる。特に、圧力が最も大きい燃焼行程が行われている気筒に対向する気筒では、排気工程または圧縮工程が行われているので、クランクピンＳに掛かる圧力をさらに小さくすることができる。
【００２６】
また、本実施形態に係るスコッチヨーク式エンジン１では、各ヨークエレメント１１〜１４と各ピストン３１〜３４との間に偏心ピン４１を設けており、ヨークエレメント１１〜１４の先端部１１Ａ〜１４Ａの回動軸と各ピストン３１〜３４の回動軸とをずらしている。このため、ヨーク２がシリンダに対してずれた場合でも、そのずれを吸収することができる。
【００２７】
ここで、シリンダ軸間の距離が加工精度や膨張熱の影響で変化した場合のピストン位置の変化と偏心ピンの回転角について図４を参照して説明する。
【００２８】
偏心ピンのない側のピストンがシリンダに追従してＸ方向の位置を変えると、ヨーク全体もＸ方向に移動することになる。一方、偏心ピンのある側のピストンもそれに対応したシリンダのＸ方向に対する位置が決まる。それぞれ独立した動きによって生じるＸ方向のピストン間距離を偏心ピンの回転で吸収する。
【００２９】
図４（ａ）に示すように、第一ヨークエレメント１１（図１）と第一ピストン３１とを接続する偏心ピン４１における中央胴部４１Ａの中心を中央中心Ｏと、上下胴部４１Ｂ，４１Ｃの中心を偏心中心Ｐとし、中央中心Ｏと偏心中心Ｐの距離を偏心量ｅとする。いま、偏心ピン４１でなくピストンピン４２で第二ピストン３２と接続された第二ヨークエレメント１２が、シリンダヘッドＨに対して相対的に左に変位したとする。すると、図４（ｂ）に示すように、第一ヨークエレメント１１も同様にシリンダヘッドＨに対して相対的に左に変位する。このとき、第一ヨークエレメント１１に接続された第一ピストン３１は、偏心ピン４１が回転して左に移動する。したがって、シリンダヘッドＨに対して第一ピストン３１がシリンダヘッドＨに形成されたシリンダでスムーズに往復動することができる。
【００３０】
また、第三ヨークエレメント１３と第四ヨークエレメント１４との関係は、第一ヨークエレメント１１と第二ヨークエレメント１２との関係と同様のものとなり、第三ピストン３３と第四ピストン３４との関係は第一ピストン３１と第二ピストン３２と同様のものとなる。
【００３１】
ここで、中央中心Ｏと偏心中心Ｐとの距離が偏心量ｅであることから、偏心ピン４１が最大９０度回転したとき、すなわち第二ヨークエレメント１２のシリンダヘッドＨに対する左側への変位量が、偏心量ｅ以下である場合に、その変位を吸収することができる。また、第二ヨークエレメント１２のシリンダヘッドＨに対する右側への移動の場合は、図４（ｃ）に示すように、偏心ピン４１が反対側に回転することにより、第二ヨークエレメント１２の変位量が偏心量ｅ以下の場合に、その変位を吸収することができる。したがって、全体的に、偏心量ｅの２倍である２ｅまでの変位を吸収することができる。
【００３２】
ただし、第一ピストン３１の往復動方向をＹ方向、このＹ方向に直交する方向をＸ方向として、ピストンのＸ方向変位差は、通常±０．１ｍｍ程度以内に納まるものである。これに対して、偏心量ｅをたとえば２ｍｍ程度で設計することにより、図５に示すように、偏心ピン４１が最大移動した際にＰ１，Ｐ２の位置に移動したとして、偏心ピン４１の回転角θの最大値は、下記（１）式で表すことができる。
【００３３】
θ＝Ｓｉｎ−１（０．１／２）…（１）
この（１）式より、偏心ピン４１の回転角θは２．８度程度以内となる。このときの第一ピストン３１がＹ方向へ変位する際の変位量ｙは、下記（２）式で表すことができる。
【００３４】
ｙ＝ｅ（１−ｃｏｓθ）…（２）
上記（２）式に、ｅ＝２、θ＝２．８を代入するとｙ＝０．００２４として算出される。このように、第一ピストン３１のｙ方向への変位量は最大２．４μｍと非常に小さなもので住むので気筒の圧縮比に与える影響がほとんどないようにすることができる。
【００３５】
ここまで、第一ピストン３１について説明したが、他のピストン３２〜３４についても同様のことが言える。
【００３６】
このようにして、本実施形態に係るスコッチヨーク式エンジン１では、加工誤差等によってシリンダの軸心方向とピストンの往復動方向とが僅かにずれてしまった場合でも、シリンダに対してピストンを円滑に往復動させることができる。しかも、そのときの圧縮比にほとんど影響を与えないようにすることができる。
【００３７】
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。
【００３８】
図６は、本実施形態に係るスコッチヨーク式エンジンの要部分解斜視図、図７は組立後の図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【００３９】
図６および図７に示すように、本実施形態に係るスコッチヨーク式エンジン６０は、ヨークエレメント１１に接続されるピストン６１を備えている。ピストン６１におけるヨークエレメント１１との接続面側には、かぎ状孔部６２が形成されている。このかぎ状孔部６２は、大径の挿入孔と、この挿入孔と連通する直線状のレール孔とを備えている。レール孔部の反挿入孔側の端部は、ピストン６１の中心からずれた位置に設定されている。
【００４０】
また、ヨークエレメント１１の先端部には、ブッシュ６３が設けられている。ブッシュ６３は、細径部を備え、この細径部の先端に係止部が設けられている。細径部の径は、かぎ状孔部６２に形成されたレール孔の幅と略同一とされている。また、ブッシュ６３の先端部に設けられている係止部は、かぎ状孔部６２の挿入孔よりも小径であり、レール部の幅よりも大径である。これらのブッシュ６３およびかぎ状孔部６２によって、本発明の変位量吸収部材が形成される。そして、ブッシュ６３における細径部が、かぎ状孔部６２のレール孔における反大径部側の端部に配置されている。
【００４１】
このような変位量吸収部材が、上記第１の実施形態と同様の４つのヨークエレメントを備えるヨークの第一ヨークエレメントと第三ヨークエレメント、および第一ピストンと第三ピストンにそれぞれ形成されている。また、第二ヨークエレメントと第四ヨークエレメントには、上記第１の実施形態と同様に、ピストンピンによって第二ピストンと第四ピストンがそれぞれ接続されている。
【００４２】
以上の構成を有する本実施形態に係るスコッチヨーク式エンジン６０は、ピストン６１の中心位置に対して、ヨークエレメント１１がずれた位置に配置されるように取り付けられている。このため、加工誤差等によってシリンダの軸心方向とピストンの往復動方向とが僅かにずれてしまった場合でも、ピストン６１が回転することにより、ずれを吸収することができる。したがって、シリンダに対してピストンを円滑に往復動させることができる。また、ピストン６１とシリンダとのクリアランスを、隣接するヨークエレメントにおけるブッシュ６３間の距離の寸法公差より大きく設定することにより、ピストンスカートに過度のサイドフォースが掛からないようにすることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、加工誤差等によってシリンダの軸心方向とピストンの往復動方向とが僅かにずれてしまった場合でも、シリンダに対してピストンを円滑に往復動させることができるスコッチヨーク式エンジンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るスコッチヨーク式エンジンの分解斜視図である。
【図２】組立後の図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】スコッチヨーク式エンジンにおけるエンジンサイクルを示す工程図である。
【図４】ピストンの偏心量とシリンダの偏心量との関係を説明するための図である。
【図５】ピストンの偏心量とシリンダの偏心量との関係を説明するためのグラフである。
【図６】第２の実施形態に係るスコッチヨーク式エンジンのピストン部分の拡大分解斜視図である。
【図７】組立後の図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線断面図である。
【符号の説明】
１，６０…スコッチヨーク式エンジン、２…ヨーク、１１…第一ヨークエレメント、１２…第二ヨークエレメント、１３…第三ヨークエレメント、１４…第四ヨークエレメント、１５…レール、２１〜２４…ホール、３１…第一ピストン、３２…第二ピストン、３３…第三ピストン、３４…第四ピストン、４１…偏心ピン、４１Ａ…中央胴部、４１Ｂ…上胴部、４１Ｃ…下胴部、４２…ピストンピン、５１…ブッシュ、６１…ピストン、６２…かぎ状孔部、６３…ブッシュ、Ｃ…クランク軸、Ｈ…シリンダヘッド、Ｏ…中央中心、Ｐ…偏心中心、Ｓ…クランクピン。
【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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