(57)【要約】【課題】ピストンとシリンダとの間の摩擦を低減する。【解決手段】ピストン２０とコネクティングロッド３０との連結部にあるピストンピン６０に、近似直線機構５０が連結されている。この近似直線機構５０は、ピストンピン６０がシリンダ１０の軸方向中心線に沿って近似直線運動するようにピストンピン６０の動きを規制する。また、近似直線機構５０は、ピストン２０の上死点におけるピストンピン６０のシリンダ軸線からのズレ量が、下死点におけるズレ量よりも小さな値となるように構成されている。【選択図】  図１
2004176712.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストン機関であって、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転するクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制するグラスホッパの近似直線機構と、
を備えることを特徴とするピストン機関。
【請求項２】
ピストン機関であって、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転するクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制する近似直線機構と、
を備え、
前記近似直線機構は、前記ピストンの上死点における前記連結部の前記シリンダの軸方向中心線からの第１のズレ量が、前記ピストンの下死点における前記連結部の前記シリンダの軸方向中心線からの第２のズレ量よりも小さな値となるように構成されていることを特徴とするピストン機関。
【請求項３】
ピストン機関であって、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転するクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制する近似直線機構と、
を備え、
前記ピストンは、
前記ピストンの頂部を構成するピストンヘッド部と、
前記ピストンヘッド部の下方に前記シリンダの軸方向中心線に沿って伸びるピストン支柱部と、
を有し、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部は、前記ピストン支柱部の下端に設けられている、ピストン機関。
【請求項４】
請求項３記載のピストン機関であって、
前記ピストンヘッド部と前記ピストン支柱部とが一体に形成されている、ピストン機関。
【請求項５】
請求項３記載のピストン機関であって、
前記ピストンヘッド部と前記ピストン支柱部は回動可能に連結されている、ピストン機関。
【請求項６】
請求項３ないし５のいずれかに記載のピストン機関であって、
前記ピストンは、さらに、前記シリンダの内壁面近傍に設けられた横方向の位置ずれ防止用の複数のサポート部を有する、ピストン機関。
【請求項７】
請求項６記載のピストン機関であって、
前記複数のサポート部は、前記ピストン支柱部から外側に向けて前記シリンダの内壁面近傍まで伸びている、ピストン機関。
【請求項８】
請求項７記載のピストン機関であって、
前記シリンダの内壁面の下端部は、前記ピストンが下死点にある位置において前記複数のサポート部に対向する内壁面部分を構成するサポート用タブを有しているとともに、前記シリンダの内壁面の下端部において前記複数のサポート部に対向しない内壁面の少なくとも一部が削除されている、ピストン機関。
【請求項９】
請求項３または５記載のピストン機関であって、
前記ピストンヘッド部の上端から前記ピストン支柱部の下端にある前記連結部までの距離は、前記ピストンのストロークの１／２倍以上で１倍未満の値に設定されている、ピストン機関。
【請求項１０】
ピストン機関であって、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転するクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制する近似直線機構と、
を備え、
前記ピストンは、前記ピストンの下部に設けられスカート部を有しており、
前記スカート部は、前記ピストン機関とほぼ同一のシリンダ内部寸法を有する同一種類のピストン機関に用いられる従来のピストンに用いられるスカート部よりもサイドフォースへの耐圧能力が小さく構成されている、ピストン機関。
【請求項１１】
請求項２ないし１０のいずれかに記載のピストン機関であって、
前記近似直線機構は、グラスホッパの近似直線機構である、ピストン機関。
【請求項１２】
請求項１または１１記載のピストン機関であって、
前記近似直線機構は、第１と第２の横方向リンクと、縦方向リンクとを有しており、
前記第１の横方向リンクの第１の端部は、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部に回動可能に連結されており、
前記第１の横方向リンクの第２の端部は、前記縦方向リンクの第１の端部と回動可能に連結されており、
前記縦方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されており、
前記第２の横方向リンクの第１の端部は、前記第１の横方向リンクの中間の所定の位置において前記第１の横方向リンクに回動可能に連結されており、
前記第２の横方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されている、ピストン機関。
【請求項１３】
請求項１２記載のピストン機関であって、
前記第２の横方向リンクの前記第１の端部は二股構造になっており、前記第１の横方向リンクの前記第１の端部が前記二股構造の間を通り抜けるように構成されている、ピストン機関。
【請求項１４】
請求項１２記載のピストン機関であって、
前記第１の横方向リンクの前記第１の端部と、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部とが、１つのピストンピンで連結されている、ピストン機関。
【請求項１５】
請求項１２記載のピストン機関であって、
前記第１の横方向リンクの前記第１の端部と、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部における前記ピストンの端部および前記コネクティングロッドの端部と、の３つの端部のうちの２つの端部がそれぞれ二股構造を有しており、残りの１つの端部が前記２つの端部の二股構造の中心に配置されている、ピストン機関。
【請求項１６】
請求項１ないし１５のいずれかに記載のピストン機関であって、
前記ピストンのピストンヘッド部の頂部の横断面は、常温でほぼ真円となるように形成されている、ピストン機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関や外燃機関などのピストン機関に用いられるピストン・クランク機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に、ピストンとシリンダとの間の摩擦は、ピストン機関の摩擦全体の半分以上を占めている。そこで、従来から、ピストンとシリンダとの間の摩擦を低減するために種々の工夫がなされている。例えば、下記の特許文献１に記載されたピストン・クランク機構では、ピストンピンとクランクピンとの間をフリーリンクで連結した構成が開示されている。この機構は、ピストンの往復運動の中間点において、フリーリンクの軸線のピストン中心軸線に対する傾斜が少なく維持されるように構成されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−５０３６２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来知られている機構では、摩擦を充分に低減するには構成が大型化してしまうため、ピストンとシリンダとの間の摩擦を充分に低減できないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、ピストンとシリンダとの間の摩擦を低減できる技術を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上記目的の少なくとも一部を達成するために、本発明の第１のピストン機関は、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転するクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制するグラスホッパの近似直線機構と、
を備えることを特徴とする。
【０００７】
グラスホッパの直線近似機構は、近似直線上を移動する点が機構の一方の端部近傍に偏っているので、ピストン機関のピストンの運動を規制するのに特に適しており、また、コンパクトな機構で良好な直線性を得ることが可能である。従って、ピストンとシリンダとの間の摩擦を大幅に低減することができる。
【０００８】
本発明の第２のピストン機関は、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転するクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制する近似直線機構と、
を備え、
前記近似直線機構は、前記ピストンの上死点における前記連結部の前記シリンダの軸方向中心線からの第１のズレ量が、前記ピストンの下死点における前記連結部の前記シリンダの軸方向中心線からの第２のズレ量よりも小さな値となるように構成されていることを特徴とする。
【０００９】
このピストン機関では、ピストンとコネクティングロッドとの連結部が、近似直線運動するように規制されているので、ピストンとシリンダとの間の摩擦を低減することができる。また、特に、ピストンの上死点における第１のズレ量が、下死点における第２のズレ量よりも小さな値となるように近似直線機構が構成されているので、上死点近傍における爆発力によってピストンに大きな横方向の力（スラスト）が掛かることを防止できる。この結果、ピストンとシリンダとの間の摩擦を大幅に低減することができる。
【００１０】
本発明の第３のピストン機関は、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転するクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制する近似直線機構と、
を備え、
前記ピストンは、
前記ピストンの頂部を構成するピストンヘッド部と、
前記ピストンヘッド部の下方に前記シリンダの軸方向中心線に沿って伸びるピストン支柱部と、
を有し、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部は、前記ピストン支柱部の下端に設けられている。
【００１１】
このピストン機関においても、ピストンとコネクティングロッドとの連結部が、近似直線運動するように規制されているので、ピストンとシリンダとの間の摩擦を低減することができる。また、近似直線機構とピストンとが、ピストン支柱部の下端で連結されているので、近似直線機構とシリンダとの干渉の可能性を低減することができる。この結果、近似直線機構をよりコンパクトに構成することが可能である。
【００１２】
前記ピストンヘッド部と前記ピストン支柱部とが一体に形成されているものとしても良い。
【００１３】
この構成では、仮にピストンヘッド部がシリンダに対して傾きかけた場合にも、ピストン支柱部が近似直線運動を行うときにその傾きが矯正されるという効果がある。
【００１４】
前記ピストンヘッド部と前記ピストン支柱部は回動可能に連結されていてもよい。
【００１５】
この構成では、ピストン支柱部の下端の軌跡が直線から多少ズレた場合にも、そのズレがピストンヘッド部にほとんど影響を与えないようにすることができる。また、ピストンヘッド部とピストン支柱部とが一体に形成されている場合に比べて、ピストンを直線近似機構およびコネクティングロッドと組み付ける作業が容易である。
【００１６】
前記ピストンは、さらに、前記シリンダの内壁面近傍に設けられた横方向の位置ずれ防止用の複数のサポート部を有するものとしてもよい。また、これらの複数のサポート部は、前記ピストン支柱部から外側に向けて前記シリンダの内壁面近傍まで伸びるようにしてもよい。
【００１７】
このようなサポート部を設けるようにすれば、ピストンの姿勢をより正しく保つことが可能であり、摩擦を更に低減することができる。
【００１８】
前記シリンダの内壁面の下端部は、前記ピストンが下死点にある位置において前記複数のサポート部に対向する内壁面部分を構成するサポート用タブを有しているとともに、前記シリンダの内壁面の下端部において前記複数のサポート部に対向しない内壁面の少なくとも一部が削除されているものとしてもよい。
【００１９】
この構成では、シリンダの内壁面の一部が削除されているので、ピストン機関がより軽量化され、また、直線近似機構のリンク部材とシリンダとの干渉を避けてコンパクトな設計が可能となる。
【００２０】
前記ピストンヘッド部の上端から前記ピストン支柱部の下端にある前記連結部までの距離は、前記ピストンのストロークの１／２倍以上で１倍未満の値に設定されていることが好ましい。
【００２１】
この距離をピストンのストロークの１／２倍未満に設定するよりも１／２倍以上に設定する方が、シリンダと近似直線機構とが干渉する可能性が低い。また、この距離をピストンのストロークの１倍以上に設定するよりも１倍未満に設定する方がピストンを軽量化できる。
【００２２】
本発明の第４のピストン機関は、
シリンダと、
前記シリンダ内を往復運動するピストンと、
駆動軸を中心に回転するクランクシャフトと、
前記ピストンと前記クランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと、
前記ピストンと前記コネクティングロッドとの連結部に連結され、前記連結部が前記シリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動するように前記連結部の動きを規制する近似直線機構と、
を備え、
前記ピストンは、前記ピストンの下部に設けられスカート部を有しており、
前記スカート部は、前記ピストン機関とほぼ同一のシリンダ内部寸法を有する同一種類のピストン機関に用いられる従来のピストンに用いられるスカート部よりもサイドフォースへの耐圧能力が小さく構成されている。
【００２３】
このピストン機関においても、ピストンとコネクティングロッドとの連結部が、近似直線運動するように規制されているので、ピストンとシリンダとの間の摩擦を低減することができる。また、近似直線機構を利用すれば、スカート部をこのような小さな構成にすることが可能であり、これによってピストンを軽量化することが可能である。
【００２４】
前記近似直線機構は、グラスホッパの近似直線機構とすることが好ましい。
【００２５】
グラスホッパの近似直線機構は、近似直線上を移動する点が機構の一方の端部近傍に偏っているので、ピストン機関のピストンの運動を規制するのに特に適しており、また、コンパクトな機構で良好な直線性を得ることが可能である。
【００２６】
前記グラスホッパの近似直線機構は、第１と第２の横方向リンクと、縦方向リンクとで構成される。前記第１の横方向リンクの第１の端部は、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部に回動可能に連結されており、前記第１の横方向リンクの第２の端部は、前記縦方向リンクの第１の端部と回動可能に連結されている。また、前記縦方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されている。前記第２の横方向リンクの第１の端部は、前記第１の横方向リンクの中間の所定の位置において前記第１の横方向リンクに回動可能に連結されており、前記第２の横方向リンクの第２の端部は、前記ピストン機関の所定の位置に回動可能に固定されている。
【００２７】
前記第２の横方向リンクの前記第１の端部は二股構造になっており、前記第１の横方向リンクの前記第１の端部が前記二股構造の間を通り抜けるように構成されていてもよい。
【００２８】
この構成によれば、コネクティングロッドを短くしても、第１の横方向リンクの第１の端部と第２の横方向リンクの第１の端部とが干渉することが無いので、ピストン機関の縦方向の寸法の増大を抑制することができる。
【００２９】
また、前記第１の横方向リンクの前記第１の端部と、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部とが、１つのピストンピンで連結されていてもよい。
【００３０】
この構成によれば、第１の横方向リンクとピストンとコネクティングロッドとが１つのピストンピンで連結されるので、連結部の構造が単純になる。
【００３１】
前記第１の横方向リンクの前記第１の端部と、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの前記連結部における前記ピストンの端部および前記コネクティングロッドの端部と、の３つの端部のうちの２つの端部がそれぞれ二股構造を有しており、残りの１つの端部が前記２つの端部の二股構造の中心に配置されるようにしてもよい。
【００３２】
この構成によれば、第１の横方向リンクとピストンとコネクティングロッドとの連結部分が対称な形になるので、非対称な形状とすることによるサイドフォースが発生することを防止できる。
【００３３】
前記ピストンのピストンヘッド部の頂部の横断面は、常温でほぼ真円となるように形成されていることが好ましい。
【００３４】
ピストンがピストンヘッド部とピストン支柱部とに分かれているので、ピストンヘッド部の頂部の横断面が常温でほぼ真円となるように形成しても、高温の運転時においても充分なシール性を確保することができる。
【００３５】
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、ピストン・クランク機構、ピストン機関、そのピストン機関を備える移動体等の態様で実現することができる。
【００３６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を実施例に基づいて以下の順序で説明する。
Ａ．ピストン・クランク機構の概要：
Ｂ．具体的形状例：
Ｃ．変形例：
【００３７】
Ａ．ピストン・クランク機構の概要：
図１（Ａ），（Ｂ）は、従来の内燃機関におけるピストン・クランク機構と本発明の一実施例の内燃機関におけるピストン・クランク機構とを比較して示す説明図である。図１（Ａ）に示すように、従来の機構は、シリンダ１１０と、ピストン１２０と、コネクティングロッド１３０と、クランクシャフト１４０とを備えている。ピストン１２０とコネクティングロッド１３０は、ピストン１２０の中央部付近においてピストンピン１６０で互いに連結されている。コネクティングロッド１３０とクランクシャフト１４０は、クランクピン１６２で連結されている。ピストン１２０が上下に往復運動すると、クランクシャフト１４０がその軸１４２（「駆動軸」とも呼ぶ）を中心に回転する。ピストン１２０の下部にはスカート１２１が設けられている。このスカート１２１は、ピストン１２０の上死点付近において燃料が爆発したときに、ピストン１２０に掛かる横方向の力（スラスト）を受けるためのものである。
【００３８】
図１（Ｂ）は、本発明の一実施例としてのピストン・クランク機構の概略構成を示している。この機構は、シリンダ１０と、ピストン２０と、コネクティングロッド３０と、クランクシャフト４０とを備えており、さらに、近似直線機構５０も備えている。
【００３９】
ピストン２０は、略板状のピストンヘッド部２２と、ピストンヘッド部２２の下方に伸びるピストン支柱部２４とを有している。ピストンヘッド部２２とピストン支柱部２４とは一体として形成されていてもよい。ピストン２０とコネクティングロッド３０は、ピストン支柱部２４の下端においてピストンピン６０で互いに連結されている。コネクティングロッド３０とクランクシャフト４０は、クランクピン６２で連結されている。ピストン２０が上下に往復運動すると、クランクシャフト４０がその軸４２（「駆動軸」とも呼ぶ）を中心に回転する。なお、後述するように、このピストン２０にはスラストがほとんど掛からないので、従来のピストン１２０に設けられていたスカート１２１は不要である。
【００４０】
近似直線機構５０は、２つの横方向リンク５２，５４と、１つの縦方向リンク５６とを有している。第１の横方向リンク５２の一端は、ピストンピン６０の位置においてピストン支柱部２４の下端に回動可能に連結されている。第２の横方向リンク５４の一端は、第１の横方向リンク５２の中間の所定の位置において第１の横方向リンク５２に回動可能に連結されている。第２の横方向リンク５４の他端は、ピストン・クランク機構の所定の位置に回動可能に固定されている。縦方向リンク５６の一端は、第１の横方向リンク５２のピストンピン６０とは反対側の端部において、第１の横方向リンク５２と回動可能に連結されている。縦方向リンク５６の他端は、ピストン・クランク機構の所定の位置に回動可能に固定されている。
【００４１】
図１（Ａ），（Ｂ）において、黒丸で表されている連結部（駆動軸４２など）は、その軸を中心に回転または回動するが、シリンダ１０との相対位置が変化しない連結点（以下「支点」と呼ぶ）である。また、白丸で表されている連結部（ピストンピン６０など）は、その軸を中心に回転または回動するとともに、シリンダ１０との相対位置が変化する連結点（以下「移動連結点」と呼ぶ）である。ここで、「回転」とは３６０度以上の範囲で回ることを意味しており、「回動」とは３６０度未満の範囲で回ることを意味している。
【００４２】
なお、本実施例の内燃機関は、通常の内燃機関と同じ種々の構成要素（バルブや吸気管、排気管等）を含んでいるが、図１（Ａ），（Ｂ）ではピストン・クランク機構とシリンダ１０以外は図示が省略されている。
【００４３】
図２（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例のピストン・クランク機構のリンク構成を示す説明図である。図２（Ａ）は、シリンダ１０と、ピストン２０と、コネクティングロッド３０と、クランクシャフト４０のみを示している。また、図２（Ｂ）は、近似直線機構５０のみを示している。図２（Ｃ）は、図１（Ｂ）に示した機構と同じものであり、図２（Ａ），（Ｂ）の構成を組み合わせたものである。なお、本実施例の近似直線機構５０は、グラスホッパの近似直線機構と呼ばれている。
【００４４】
図２（Ａ）〜（Ｃ）においては、以下のように各種の連結点が表されている。
（１）移動連結点Ａ：ピストンピン６０（図１（Ｂ））の中心軸。
（２）移動連結点Ｂ：第１の横方向リンク５２の移動連結点Ａとは反対側の端部にある連結点。
（３）移動連結点Ｃ：コネクティングロッド３０の移動連結点Ａとは反対側の端部にある連結点。
（４）移動連結点Ｍ：第１の横方向リンク５２の中間点にある連結点。
（５）支点Ｐ：クランクシャフト４０の中心軸（駆動軸）。
（６）支点Ｑ：第２の横方向リンク５４の移動連結点Ｍと反対側の端部にある連結点。
（７）支点Ｒ：縦方向リンク５６の移動連結点Ｂと反対側の端部にある連結点。
【００４５】
移動連結点Ａはピストンピン６０の中心軸であり、ピストン２０の往復運動に伴って上下方向Ｚ（図２（Ｂ））に沿って移動する。本明細書において、上下方向Ｚとは、シリンダ１０の軸方向中心線（「軸中心」とも呼ぶ）に沿った方向を意味する。移動連結点Ａ，Ｂは、第１の横方向リンク５２の両端の連結点である。移動連結点Ｂは、縦方向リンク５６が支点Ｒを中心に回動するのに従って、円弧状の軌跡上を移動する。また、この移動連結点Ｂは、第２の横方向リンク５４の支点Ｑの上下方向位置Ｘとほぼ同じ上下方向位置を取るように設定されている。
【００４６】
なお、仮想的に縦方向リンク５６の長さを無限大に設定し、移動連結点Ｂが、支点Ｑと同一の上下方向位置Ｘ上を直線的に移動するようにすれば、移動連結点Ａは上下方向Ｚに沿って完全な直線に近い運動を行う。現実には、縦方向リンク５６の長さは有限なので、移動連結点Ａは直線運動からわずかにずれた軌跡上を移動する（これについては後述する）。ほぼ完全な直線運動機構は、縦方向リンク５６の代わりに、移動連結点Ｂを直線的に案内するガイド部を採用すれば実現可能であるが、このガイド部と移動連結点Ｂとの摩擦が増大する。従って、摩擦の低減の観点からは、本実施例の近似直線機構５０の方が完全な直線運動機構よりも好ましい。
【００４７】
第１の横方向リンク５２の中間にある移動連結点Ｍの位置は、以下の関係を満足するように設定されている。
ＡＭ×ＱＭ＝ＢＭ2
【００４８】
ここで、ＡＭは連結点Ａ，Ｍ間の距離を意味し、ＱＭは連結点Ｑ，Ｍ間の距離、ＢＭは連結点Ｂ，Ｍ間の距離をそれぞれ意味している。
【００４９】
図３（Ａ）〜（Ｄ）は、ピストン２０の移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示している。近似直線機構５０の３つの移動連結点Ａ，Ｂ，Ｍのうちで、移動連結点Ａ，Ｍはピストン２０の移動に伴ってかなり大きく移動するが、縦方向リンク５６の上端の移動連結点Ｂはあまり移動しないことが解る。図３（Ａ）には、近似直線機構５０の形状変化の程度を表す指標として利用できる２つの角度θ、φが示されている。第１の角度θは、横方向Ｘから測った第２の横方向リンク５４の角度∠ＭＱＸである。また、第２の角度φは、上下方向Ｚからの縦方向リンク５６の傾き角で∠ＢＲＺである。これらの角度θ，φの値が取る範囲は、移動連結点Ａの移動範囲（すなわちピストン２０のストローク）の設定と、近似直線機構５０の各リンクの長さとに依存する。
【００５０】
図４（Ａ），（Ｂ）は、実施例におけるピストン・クランク機構の具体的な寸法の一例と、移動連結点Ａの軌跡とを示す説明図である。図４（Ａ）に示されている寸法は、上述した関係（ＡＭ×ＱＭ＝ＢＭ2 ）を満足していることが解る。図４（Ｂ）に示されているように、移動連結点Ａの軌跡は、近似的な直線部分を含んでおり、この近似的な直線部分がピストン２０のストロークの範囲として利用される。このとき、ピストン２０のストロークの範囲は、上死点における直線からのズレ量が、下死点における直線からのズレ量よりも小さくなるように設定される。ここで、「直線からのズレ量」の「直線」とは、シリンダ１０の軸方向中心線を意味している。図４（Ｂ）の例では、上死点におけるズレ量は約５μｍであり、下死点におけるズレ量は約２０μｍである。なお、この数値は常温で測定したものである。
【００５１】
上死点における移動連結点Ａの直線からのズレ量が、下死点におけるズレ量よりも小さくなるように設定する理由は、上死点近傍では燃料の爆発力がピストン２０に掛かるためである。すなわち、上死点におけるズレ量が小さければ、爆発力によってピストン２０に掛かるスラスト（横方向の力）が小さくなるので、ピストン２０とシリンダ１０との摩擦を低減することができる。一方、下死点では爆発力が掛からないので、多少のズレがあっても上死点に比べて摩擦への影響は小さい。なお、移動連結点Ａの軌跡における近似的直線部分は、各リンク５２，５４，５６の長さを大きくすることによって大きくすることが可能であるが、リンクを長くすると近似直線機構５０のサイズが大きくなるという問題がある。換言すれば、上死点や下死点における直線からのズレ量と、近似直線機構５０のサイズとは、トレードオフの関係にある。これらの点を考慮すると、ピストン２０の上死点における移動連結点Ａの直線からのズレ量は、常温で測定して約１０μｍ以下になるように近似直線機構５０を構成することが好ましい。また、下死点におけるズレ量は、約２０μｍ以下になるようすることが好ましい。
【００５２】
図４（Ｂ）に示すようにピストン２０のストロークの範囲を設定した場合には、横方向リンク５４の角度θは、８．８°〜−１７．９°の範囲の値を取る（図４（Ａ））。角度θの最大値（８．８°）はピストン２０が上死点にある場合（図３（Ａ））に相当し、最小値（−１７．９°）はピストン２０が下死点にある場合（図３（Ｃ））に相当する。縦方向リンク５６の角度φは、０°〜２．２°の範囲の値を取る。角度φの最小値（０°）は、連結点Ｑ，Ａ，Ｍ，Ｂがほぼ一直線上に並ぶ場合に相当し、最大値（２．２°）は、角度θの絶対値が最も大きくなる場合（この例では下死点）に相当する。なお、これらの角度θ、φの値の範囲は、近似直線機構５０の各リンクの寸法と、ピストン２０のストローク範囲の設定に依存する。
【００５３】
Ｂ．具体的形状例：
図５および図６は、本実施例におけるピストン・クランク機構の具体的な形状の一例を示している。図５に示されているように、ピストンヘッド部２２は全体として皿状の形状を有しており、凹状の上面を有する略板状の上面部２２ａと、この上面部２２ａの周囲に一体として設けられたリング取り付け部２２ｂとを有している。よく知られているように、ピストン２０の頂面の形状は、単純な凹状以外の種々の形状が採用可能である。リング取り付け部２２ｂは、略円環状の形状を有しており、その外周面にはピストンリング（図示せず）用の溝２３が形成されている。このリング取り付け部２２ｂには、従来のスカートは設けられていない。この理由は、上死点付近においてスラストがほとんど掛からないので、スラストを受けるためのスカートが無くても良いからである。
【００５４】
このリング取り付け部２２ｂは、その横断面が常温でほぼ真円となるように形成されている。本明細書において、ある物が「ほぼ真円となるように形成されている」という文言は、その物の製造誤差を含む設計値が真円を含んでいることを意味している。リング取り付け部２２ｂの横断面をほぼ真円にできる理由は、上述したようにピストン２０に掛かるスラストが小さいためである。また、ピストンピン６０は、ピストン２０の頂部からかなり離れた位置（ピストン支柱部２４の下端）に設けられているので、ピストン２０の頂部近傍が従来のピストンに比べて単純な形状を有している。従来は、ピストンが複雑な形状を有していたため、高温時の膨張に伴う複雑な変形を考慮して、常温ではピストンの横断面を楕円形状にするのが普通である。一方、本実施例のピストン２０は、その頂部近傍が従来のピストンに比べて単純な形状を有しているので、温度上昇に伴う複雑な変形を考慮する必要がなく、常温においてもリング取り付け部２２ｂの横断面をほぼ真円に設定することが可能である。リング取り付け部２２ｂの横断面をほぼ真円にすれば、シール性が向上するので、ピストンリングの張力を従来よりも弱くすることができる。この結果、ピストンリングによる摩擦も低減することが可能である。また、リング取り付け部２２ｂの横断面をほぼ真円にすれば、ピストン２０の製造がより容易になるという利点もある。
【００５５】
ピストン支柱部２４の上端近傍には、ピストン支柱部２４から外側に向けてサポート部２６が伸びている。図６に示すように、本実施例では、４本のサポート部２６がシリンダ１０の内壁面近傍まで伸びている。実際にはサポート部２６とシリンダ内壁との間には隙間が形成されているが、図６では隙間が省略されて描かれている。これらのサポート部２６は、ピストン２０が直立姿勢を保ちながらシリンダ内壁面に沿って滑らかに移動するのを案内するためのものである。但し、近似直線機構５０によって、ピストンピン６０（移動連結点Ａ）の軌跡が充分直線に近いものに規制されている場合には、サポート部２６を省略できる場合もある。但し、サポート部２６を設けた方が、ピストン２０をより円滑に移動させることができる。
【００５６】
ピストン支柱部２４の長さは、ピストン２０の上端からピストンピン６０までの長さが、ピストン２０のストロークの約１／２倍以上で１倍未満の範囲の値になるように設定されていることが好ましい。この理由は、ピストン支柱部２４の長さが過度に短いと、上死点において近似直線機構５０がシリンダ１０に衝突する可能性があるためである。また、ピストン支柱部２４の長さが過度に長いと、ピストン２０の重量が増加してエネルギ損失が増すためである。
【００５７】
図５に示すように、シリンダ１０の下部には、サポート用タブ１２が設けられている。このサポート用タブ１２は、ピストン２０が下死点に到達したときにサポート部２６に対向する位置にあるシリンダ内壁面部分である。また、サポート用タブ１２以外のシリンダ内壁面部分は、不要なので切除されている。このように、本実施例の機構では、不要なシリンダの内壁面部分を切除することができるので、切除部分の間にグラスホッパー機構のリンク５２，５４を配置することができ、小型・軽量化が可能である。このようにシリンダ１０の内壁面の一部を削除しなくても良いが、軽量化の観点からは、シリンダ１０の内壁面の下端部においてサポート部２６に対向しない内壁面の少なくとも一部が削除されていることが好ましい。
【００５８】
図６に示すように、ピストン支柱部２４と、コネクティングロッド３０と、水平方向リンク５２，５４とは、ピストン２０が上下動したときにも互いに干渉しないように構成されている。具体的には、図６の例では、ピストン支柱部２４はシリンダ１０の軸方向中心に設けられており、ピストン支柱部２４の両側が、コネクティングロッド３０の２枚の板状部材で挟まれている。コネクティングロッド３０の外側には、第１の横方向リンク５２の２枚の板状部材が配置されている。これらの３種類の部材２４，３０，５２は、ピストンピン６０で連結されている。また、第１の横方向リンク５２の更に外側には、第２の横方向リンク５４の２枚の板状部材が設置されている。すなわち、この例では、コネクティングロッド３０と２つの横方向リンク５２，５４とは、端部が２つの板状部材に分かれた二股構造をそれぞれ有しており、中央のピストン支柱部２４を両側から挟むような位置にそれぞれ配置されている。
【００５９】
図７は、図５からクランクが回転し、横方向リンク５２，５４が水平になった位置における要部縦断面図であり、図８は、図７のＣ−Ｃ断面図である。なお、図８では、図示の便宜上、コネクティングロッド３０とピストン支柱部２４とにハッチングをそれぞれ付している。
【００６０】
図９ないし図１３は、ピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０と第１の横方向リンク５２が取り得る種々の形状および位置関係（連結状態）を示している。図９の配置は、図８の配置からコネクティングロッド３０とピストン支柱部２４の位置関係を逆にしたものである。すなわち、図９では、中央にコネクティングロッド３０が配置されており、その外側にピストン支柱部２４の二股構造部分が配置され、さらにその外側に第１の横方向リンク５２の二股構造部分が配置されている。また、第２の横方向リンク５４の二股構造部分は、最も外側に配置されている。
【００６１】
図１０の配置は、図８の配置からコネクティングロッド３０と第１の横方向リンク５２の位置関係を逆にしたものである。すなわち、図１０では、中央にピストン支柱部２４が配置されており、その外側に第１の横方向リンク５２の二股構造部分が配置され、さらにその外側にコネクティングロッド３０の二股構造部分が配置されている。
【００６２】
図１１の配置は、図９の配置からピストン支柱部２４と第１の横方向リンク５２の位置関係を逆にしたものである。すなわち、図１１では、中央にコネクティングロッド３０が配置されており、その外側に第１の横方向リンク５２の二股構造部分が配置され、さらにその外側にピストン支柱部２４の二股構造部分が配置されている。
【００６３】
図１２の配置は、図１０の配置からピストン支柱部２４と第１の横方向リンク５２の位置関係を逆にしたものである。すなわち、図１２では、中央に第１の横方向リンク５２が配置されており、その外側にピストン支柱部２４の二股構造部分が配置され、さらにその外側にコネクティングロッド３０の二股構造部分が配置されている。
【００６４】
図１３の配置は、図１２の配置からピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０の位置関係を逆にしたものである。すなわち、図１３では、中央に第１の横方向リンク５２が配置されており、その外側にコネクティングロッド３０の二股構造部分が配置され、さらにその外側にピストン支柱部２４の二股構造部分が配置されている。
【００６５】
図８〜図１３のいずれの構成においても、第２の横方向リンク５４の端部は二股構造になっており、他の部材２４，３０，５２，６０の外側に配置されている。そして、近似直線機構が動作する際には、第２の横方向リンク５４の二股構造の間を、第１の横方向リンク５２の端部が二股構造の間を通り抜けるように構成されている。このような構成によれば、コネクティングロッド３０を短くしても、第１の横方向リンク５２の端部と第２の横方向リンク５４の端部とが干渉することが無いので、ピストン・クランク機構の縦方向の寸法の増大を抑制することができる。
【００６６】
また、図８〜図１３に示す構成では、第１の横方向リンクの端部と、ピストン支柱部２４の下端（ピストンの下端）と、コネクティングロッド３０の上端とが、１つのピストンピン６０で連結されている。このような構成によれば、第１の横方向リンク５２とピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０とが１つのピストンピン６０で連結されるので、この連結部分の構造が単純になり、コンパクトにできるという利点がある。
【００６７】
さらに、図８〜図１３に示す構成では、第１の横方向リンク５２の端部と、ピストン支柱部２４の下端と、コネクティングロッド３０の上端と、の３つの端部のうちの２つの端部がそれぞれ二股構造を有しており、残りの１つの端部が前記２つの端部の二股構造の中心に配置されている。このような構成によれば、第１の横方向リンク５２とピストン支柱部２４とコネクティングロッド３０との連結部分が対称な形になるので、非対称な形状とすることによるサイドフォースが発生することを防止できるという利点がある。
【００６８】
なお、これらの部材２４，３０，５２，５４の位置関係は、図８ないし図１３に示したもの以外の他の位置関係を取ることも可能である。
【００６９】
図１４（Ａ）〜（Ｃ）は、ピストン・クランク機構の変形例を示す説明図である。図１４（Ａ）の機構は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示した実施例の機構の縦方向リンク５６を連結点Ｂの上側に配置したものであり、他の構成は上記実施例と同じである。図１４（Ａ）の機構によっても、上記実施例と同一の効果が得られる。
【００７０】
図１４（Ｂ）の機構は、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示した実施例の機構の支点Ｑを移動連結点Ｂ側に移動して、移動連結点Ａ（ピストンピン）と支点Ｐ（クランク軸）とを結ぶ直線上に配置したものであり、他の構成は上記実施例と同じである。図１４（Ｃ）の機構は、支点Ｑをさらに右側に配置したものである。図１４（Ｂ）、（Ｃ）の機構では、第２の横方向リンク５４の長さが上記実施例よりも短くなっており、上記実施例の機構よりもコンパクトであるという利点がある。図１４（Ｂ）の機構は、図１４（Ａ），（Ｃ）の機構に比べて直線性が良いという利点がある。
【００７１】
図１５は、ピストン・クランク機構の他の変形例を示す説明図である。図１（Ｂ）の機構ではピストンヘッド部２２とピストン支柱部２４とが一体に形成されていたのに対して、図１５の機構では、ピストンヘッド部２２ａとピストン支柱部２４とが別体として形成されている点が異なる。このピストンヘッド部２２ａの下端部とピストン支柱部２４の上端部は、ピン２３によって互いに回動可能に連結されている。図１５構成では、ピストン支柱部２４ａの下端の軌跡が直線から多少ずれた場合にも、そのズレが、ピストンヘッド部２２ａを傾かせる力として働かない（すなわち、ピストン支柱部２４ａの下端のズレがピストンヘッド部２２ａにほとんど影響を与えない）という利点がある。また、ピストンヘッド部とピストン支柱部とが一体に形成されている場合に比べて、ピストンを直線近似機構およびコネクティングロッドと組み付ける作業が容易になるという利点もある。一方、図１（Ｂ）の機構では、仮に何らかの原因でピストンヘッド部２２がシリンダ１０に対して傾きかけた場合にも、ピストン支柱部２４が近似直線運動を行うときに、その傾きが矯正されるという利点がある。
【００７２】
以上のように、上述した実施例やその変形例では、ピストン・クランク機構に近似直線機構５０を設けることによって、ピストン２０の下端がシリンダ１０の軸中心に沿った近似的な直線状軌跡を移動するようにしたので、ピストン２０とシリンダ１０との間の摩擦を大幅に低減することが可能である。
【００７３】
Ｃ．その他の変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。
【００７４】
Ｃ１．変形例１：
本発明は、グラスホッパの近似直線機構に限らず、他の任意の近似直線機構を採用することが可能であり、例えばワットの近似直線機構を採用することも可能である。この場合にも、上死点におけるシリンダ中心軸からのズレ量が下死点におけるズレ量よりも小さくなるように近似直線機構の構成が設定されることが好ましい。なお、上記実施例で説明したグラスホッパの近似直線機構は、近似直線上を移動する点（移動連結点Ａ）が機構の一方の端部近傍に偏っているので、内燃機関のピストンの運動を規制するのに特に適しており、また、コンパクトな機構で良好な直線性を得ることが可能である。
【００７５】
Ｃ２．変形例２：
上記実施例では、ピストンヘッド部２２とピストン支柱部２４とを有するピストン２０を利用するものとしていたが、従来のピストン１２０（図１（Ａ））と同様な構成のピストンを用いることも可能である。但し、ピストンヘッド部２２とピストン支柱部２４とを有するピストン２０を利用すれば、近似直線機構５０とシリンダ１０との干渉を防止し易いので、近似直線機構５０をよりコンパクトにできるという利点がある。
【００７６】
Ｃ３．変形例３：
上記実施例では、サポート部２６がピストン支柱部２４に接続されていたが、この代わりに、ピストンの他の部分（例えばピストンヘッド２２の下端）にサポート部２６が接続されるようにしても良い。換言すれば、ピストンの横方向の位置ずれ防止用のサポート部は、シリンダ内壁近傍に設けられていればよい。なお、サポート部の代わりに、従来よりも小さなスカート部を設けるようにしても良い。このようなスカート部としては、同一のシリンダ内部寸法を有する同一種類のピストン機関に用いられる従来のピストン設計（直線近似機構を用いないピストン設計）におけるスカート部よりも、スラスト（サイドフォース）への耐圧能力が小さいもの（例えばサイドフォースへの耐圧能力が約１／２以下のもの）を使用することができる。具体的には、例えば、従来のピストン設計におけるスカート部の面積の約１／２以下の面積を有するスカート部を使用することが可能である。
【００７７】
Ｃ４．変形例４：
本発明のピストン・クランク機構は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの種々の内燃機関や、スターリングエンジンなどの外燃機関を含む任意のピストン機関に利用可能である。また、本発明は、このようなピストン機関を備える車両や移動体としても実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のピストン・クランク機構と本発明の一実施例のピストン・クランク機構とを比較して示す説明図。
【図２】実施例のピストン・クランク機構のリンク構成を示す説明図。
【図３】ピストン２０の移動に伴うピストン・クランク機構の形状変化を示す説明図。
【図４】実施例におけるピストン・クランク機構の具体的な寸法の一例と、移動連結点Ａの軌跡とを示す説明図。
【図５】実施例におけるピストン・クランク機構の具体的な形状の一例を示す要部縦断面図。
【図６】図５の状態におけるピストン・クランク機構の要部横断面図。
【図７】図５からクランクが回転した位置におけるピストン・クランク機構の要部縦断面図。
【図８】図７の状態におけるピストン・クランク機構の要部横断面図。
【図９】ピストン・クランク機構の連結部の変形例を示す要部横断面図。
【図１０】ピストン・クランク機構の連結部の変形例を示す要部横断面図
。
【図１１】ピストン・クランク機構の連結部の変形例を示す要部横断面図。
【図１２】ピストン・クランク機構の連結部の変形例を示す要部横断面図。
【図１３】ピストン・クランク機構の連結部の変形例を示す要部横断面図。
【図１４】ピストン・クランク機構の他の変形例を示す説明図。
【図１５】ピストン・クランク機構の他の変形例を示す説明図。
【符号の説明】
１０…シリンダ
１２…サポート用タブ
２０…ピストン
２２…ピストンヘッド部
２２ａ…上面部
２２ｂ…リング取り付け部
２３…溝
２４…ピストン支柱部
２６…サポート部
３０…コネクティングロッド
４０…クランクシャフト
４２…駆動軸
５０…近似直線機構
５２…第１の横方向リンク
５４…第２の横方向リンク
５６…縦方向リンク
６０…ピストンピン
６２…クランクピン
１１０…シリンダ
１２０…ピストン
１２１…スカート
１３０…コネクティングロッド
１４０…クランクシャフト
１４２…駆動軸
１６０…ピストンピン
１６２…クランクピン
【図１】
2004176712.tif 000003
【図２】
2004176712.tif 000004
【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】
2004176712.tif 000009
【図８】
2004176712.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2004176712.tif 000013
【図１２】
2004176712.tif 000014
【図１３】
2004176712.tif 000015
【図１４】
2004176712.tif 000016
【図１５】
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