(57)【要約】【課題】圧縮比変更のために変位する部材の動きを制御する確実性を向上させる技術を提供する。【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には、シリンダの軸方向中心線に沿って連結部を直線運動させるための近似直線機構５０が連結されている。ピストンピン６０には偏心ベアリング７０が併設されており、偏心ベアリング７０の偏心位置を調整することで圧縮比が変更される。偏心ベアリング７０の偏心位置は、偏心ベアリング７０がピストン２０に固定される第１の状態と、偏心ベアリング７０がコネクティングロッド３０に固定される第２の状態とを切り替えることによって変更される。【選択図】        図５
2004239202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関であって、
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、前記ピストンの動きに伴って揺動する揺動部材を備え、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、
前記連結部に設けられた偏心ベアリングであって、偏心位置の変更に伴って前記シリンダと前記ピストンのストロークとの相対的な位置関係を変更して圧縮比を変更する偏心ベアリングと、
前記偏心ベアリングが前記ピストンに固定された第１の状態と、前記偏心ベアリングが前記コネクティングロッドまたは前記揺動部材のいずれかに固定された第２の状態と、を切り替えることで、前記偏心ベアリングの偏心位置を変更する調節部と
を備える内燃機関。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関であって、
前記調節部は、
前記第１の状態と第２の状態との切り替えに利用するための油圧機構と、
前記油圧機構に接続された油圧経路と
を有し、
前記油圧経路は、前記コネクティングロッドを通ることなく前記近似直線機構を通るように構成されている
内燃機関。
【請求項３】
請求項２記載の内燃機関であって、
前記調節部は、
前記偏心ベアリングを前記ピストンに固定するための第１の係合機構と、前記偏心ベアリングを前記コネクティングロッドまたは前記揺動部材に固定するための第２の係合機構と、を備え、
前記油圧機構において印可される油圧を変更することによって、前記第１の係合機構が働いて前記偏心ベアリングを前記ピストンに固定する前記第１の状態と、前記第２の係合機構が働いて前記偏心ベアリングを前記コネクティングロッドまたは前記揺動部材に固定する前記第２の状態と、を切り替える
内燃機関。
【請求項４】
請求項３記載の内燃機関であって、
前記第１の係合機構は、前記ピストンに固定された第１の係合ピンと、前記偏心ベアリングに設けられて前記第１の係合ピンと係合可能に形成された複数の第１の係合受け部と、を備え、
前記第２の係合機構は、前記偏心ベアリングを固定するための前記コネクティングロッドまたは前記揺動部材に固定された第２の係合ピンと、前記偏心ベアリングに設けられて前記第２の係合ピンと係合可能に形成された複数の第２の係合受け部と、を備え、
前記第１の係合ピンと前記第１の係合受け部との係合状態、あるいは、前記第２の係合ピンと前記第２の係合受け部との係合状態のうち、一方が解除されるときには、他方が係合する状態となる
内燃機関。
【請求項５】
請求項４記載の内燃機関であって、
前記偏心ベアリングの内周と外周のうちの一方に、前記複数の第１の係合受け部が形成され、他方に前記複数の第２の係合受け部が形成されている
内燃機関。
【請求項６】
請求項５記載の内燃機関であって、
前記複数の第１の係合受け部および前記複数の第２の係合受け部が設けられる間隔は、前記コネクティングロッドが揺動する際の振幅に対応する距離以下である
内燃機関。
【請求項７】
請求項６記載の内燃機関であって、
前記複数の第１の係合受け部および前記複数の第２の係合受け部が設けられる間隔は、前記コネクティングロッドが揺動する際の振幅に対応する距離に等しい
内燃機関。
【請求項８】
請求項６または７記載の内燃機関であって、
前記複数の第１の係合受け部と前記複数の第２の係合受け部とは、前記偏心ベアリングの内周と外周とのうちの互いに異なる側において、等間隔に設けられている
内燃機関。
【請求項９】
請求項３ないし８いずれか記載の内燃機関であって、
前記油圧経路はオリフィスを有し、
前記油圧機構は、
前記連結部に設けられて前記ピストンが動くのに伴って回動すると共に、油圧を供給されることで前記第１の係合機構および／または前記第２の係合機構を駆動する油圧印加部と、
前記油圧印加部が回動して所定の位置状態となったときに、前記油圧印加部に供給されている油を排出して前記油圧印加部における油圧を低下させる油圧調節孔と
を有し、
前記油圧印加部が前記所定の位置状態となったときに、前記油圧印加部における油圧を低下させることによって、前記第１の係合機構が働く前記第１の状態と、前記第２の係合機構が働く前記第２の状態と、を切り替える
内燃機関。
【請求項１０】
請求項４ないし８いずれか記載の内燃機関であって、
前記第１および第２の係合ピンは、前記油圧機構において印可される油圧によって駆動されると共に、印可された油圧に逆らう方向に係合ピンを付勢する弾性部を備え、
前記内燃機関は、さらに、前記弾性部から油を抜くためのドレイン孔を備える内燃機関。
【請求項１１】
請求項１ないし１０いずれか記載の内燃機関であって、
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
内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧縮比を変更可能な内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、圧縮比を変更可能な内燃機関として、種々のものが提案されている。例えば、特許文献１では、ピストンを支持するピストンピンとコンロッドの間に、ピストンストロークを変更するための偏心スリーブが嵌挿されており、偏心スリーブとコンロッドとの位置関係を変更し、両者をロックピンを用いて固定することによって、圧縮比の変更が行なわれる。
【０００３】
【特許文献１】
実開昭６３−８６３５１号公報
【特許文献２】
実開平３−１３４３８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の内燃機関では、圧縮比を変更するために偏心スリーブとコンロッドとの位置関係を変更する動作を、充分に正確に制御することが困難であるという問題があった。すなわち、内燃機関の動作に伴い各部材が速いスピードで動く際に、部材間の係合位置を所望の状態に変更する動作を安定して制御することは困難であった。
【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、圧縮比変更のために変位する部材の動きを制御する確実性を向上させ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】
上記目的を達成するために、本発明の内燃機関は、
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、前記ピストンの動きに伴って揺動する揺動部材を備え、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、
前記連結部に設けられた偏心ベアリングであって、偏心位置の変更に伴って前記シリンダと前記ピストンのストロークとの相対的な位置関係を変更して圧縮比を変更する偏心ベアリングと、
前記偏心ベアリングが前記ピストンに固定された第１の状態と、前記偏心ベアリングが前記コネクティングロッドまたは前記揺動部材のいずれかに固定された第２の状態と、を切り替えることで、前記偏心ベアリングの偏心位置を変更する調節部と
を備えることを要旨とする。
【０００７】
このような内燃機関によれば、近似直線運動を行なう連結部に偏心ベアリングを設けているため、回転運動を行なう部分に設けられている場合に比べて、偏心ベアリングの偏心位置を変更する動作を制御する確実性を向上させることができる。すなわち、圧縮比変更のために変位する部材の動きを制御する確実性を向上させることができる。
【０００８】
本発明の内燃機関において、
前記調節部は、
前記第１の状態と第２の状態との切り替えに利用するための油圧機構と、
前記油圧機構に接続された油圧経路と
を有し、
前記油圧経路は、前記コネクティングロッドを通ることなく前記近似直線機構を通るように構成されていることが好ましい。
【０００９】
近似直線機構は、一般に、コネクティングロッドに比べて加速度変動が小さい。そのため、近似直線機構に油圧経路を設けるようにすれば、油圧をより安定的に制御し、偏心ベアリングの偏心位置を変更するための動作を制御する確実性をより向上させることができる。
【００１０】
このような内燃機関において、
前記調節部は、
前記偏心ベアリングを前記ピストンに固定するための第１の係合機構と、前記偏心ベアリングを前記コネクティングロッドまたは前記揺動部材に固定するための第２の係合機構と、を備え、
前記油圧機構において印可される油圧を変更することによって、前記第１の係合機構が働いて前記偏心ベアリングを前記ピストンに固定する前記第１の状態と、前記第２の係合機構が働いて前記偏心ベアリングを前記コネクティングロッドまたは前記揺動部材に固定する前記第２の状態と、を切り替えることが好ましい。
【００１１】
このような構成とすれば、油圧の印加状態の変更という簡単な動作によって第１の状態と第２の状態とを切り替え、偏心ベアリングの偏心位置を変更することができる。
【００１２】
このような内燃機関において、
前記第１の係合機構は、前記ピストンに固定された第１の係合ピンと、前記偏心ベアリングに設けられて前記第１の係合ピンと係合可能に形成された複数の第１の係合受け部と、を備え、
前記第２の係合機構は、前記偏心ベアリングを固定するための前記コネクティングロッドまたは前記揺動部材に固定された第２の係合ピンと、前記偏心ベアリングに設けられて前記第２の係合ピンと係合可能に形成された複数の第２の係合受け部と、を備え、
前記第１の係合ピンと前記第１の係合受け部との係合状態、あるいは、前記第２の係合ピンと前記第２の係合受け部との係合状態のうち、一方が解除されるときには、他方が係合する状態となることが好ましい。
【００１３】
このような構成とすれば、油圧の印加状態を変更して係合ピンの係合状態を切り替えるという簡単な動作によって、偏心ベアリングの偏心位置を変更することができる。
【００１４】
このような内燃機関において、
前記偏心ベアリングの内周と外周のうちの一方に、前記複数の第１の係合受け部が形成され、他方に前記複数の第２の係合受け部が形成されていることとしても良い。
【００１５】
これにより、偏心ベアリングの構成を簡素化することができる。
【００１６】
前記複数の第１の係合受け部および前記複数の第２の係合受け部が設けられる間隔は、前記コネクティングロッドが揺動する際の振幅に対応する距離以下であることが好ましい。
【００１７】
これにより、偏心ベアリングの偏心位置を変更する動作の確実性を確保することができる。
【００１８】
さらに、前記複数の第１の係合受け部および前記複数の第２の係合受け部が設けられる間隔は、前記コネクティングロッドが揺動する際の振幅に対応する距離に等しいこととしても良い。
【００１９】
これにより、偏心ベアリングの偏心位置を変更する動作の確実性を、さらに向上させることができる。
【００２０】
また、前記複数の第１の係合受け部と前記複数の第２の係合受け部とは、前記偏心ベアリングの内周と外周とのうちの互いに異なる側において、等間隔に設けられていることとしても良い。
【００２１】
このような構成によっても、偏心ベアリングの偏心位置を変更する動作の確実性を向上させることができる。
【００２２】
また、本発明の内燃機関において、
前記油圧経路はオリフィスを有し、
前記油圧機構は、
前記連結部に設けられて前記ピストンが動くのに伴って回動すると共に、油圧を供給されることで前記第１の係合機構および／または前記第２の係合機構を駆動する油圧印加部と、
前記油圧印加部が回動して所定の位置状態となったときに、前記油圧印加部に供給されている油を排出して前記油圧印加部における油圧を低下させる油圧調節孔と
を有し、
前記油圧印加部が前記所定の位置状態となったときに、前記油圧印加部における油圧を低下させることによって、前記第１の係合機構が働く前記第１の状態と、前記第２の係合機構が働く前記第２の状態と、を切り替えることとしても良い。
【００２３】
このような構成とすれば、第１の係合機構が働く状態と第２の係合機構が働く状態とを切り替える際に、油圧印加部に対して油圧を印可する動作を継続していればよい。したがって、油圧の印加状態を細かく制御する必要が無く、油圧を印可し続けるという簡単な構成により、偏心ベアリングの偏心位置を変更する動作を正確に行なうことが可能となる。
【００２４】
また、本発明の内燃機関において、
前記第１および第２の係合ピンは、前記油圧機構において印可される油圧によって駆動されると共に、印可された油圧に逆らう方向に係合ピンを付勢する弾性部を備え、
前記内燃機関は、さらに、前記弾性部から油を抜くためのドレイン孔を備えることとしても良い。
【００２５】
このような構成とすれば、弾性部からは適宜油抜きがおこなわれるため、油圧機構と弾性体とを用いて第１および第２の係合ピンの係合状態を制御する動作を、良好に継続することができる。
【００２６】
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。
【００２７】
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、内燃機関のピストン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。
【００２８】
なお、本発明は、上記以外の種々の形態で実現可能であり、例えば、内燃機関を備える移動体等の態様で実現することが可能である。
【００２９】
【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．実施例の具体的形状および動作：
Ｃ．効果：
Ｄ．他の実施例：
Ｅ．変形例：
【００３０】
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。
【００３１】
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と偏心ベアリング７０も備えている。
【００３２】
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る。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。
【００３３】
ピストンピン６０は、ピストン支柱部２４の下端に設けられた偏心ベアリング７０で保持されている。後で詳述するように、偏心ベアリング７０の偏心位置を変更することによって、ピストン２０のストロークとシリンダ１０との相対関係が変わり、これによって内燃機関の圧縮比が変更される。
【００３４】
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は、ピストンピン６０の位置においてピストン支柱部２４に連結されている。第２の横方向リンク５４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に連結されている。縦方向リンク５６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と連結されている。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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に沿って略直線運動を行う。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）。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し、且つ、ＡＭ＝ＢＭ＝ＭＱ（図２参照）と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。
【００４１】
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
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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とが好ましい。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。
【００４５】
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。
【００４６】
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、第２の横方向リンク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。
【００４７】
Ｂ．実施例の具体的形状および動作：
図５は、第１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であり、図６は、その要部横断面図である。また、図７，図８は、偏心位置の変更に関わる構成を拡大して示す要部縦断面図である。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。しかしながら、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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、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。
【００５３】
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、横方向リンク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、第１の横方向リンク５２の２枚の板状部材で挟まれている。第１の横方向リンク５２の外側には、コネクティングロッド３０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２４，５２，３０は、ピストンピン６０で連結されている。また、コネクティングロッド３０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の端部は、それぞれ２つの板状部材に分かれており、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。なお、これらの部材２４，３０，５２，５４の位置関係は、単なる一例であり、他の位置関係を取ることも可能である。
【００５４】
図５に示すように、偏心ベアリング７０は、環状の部材であって、ピストン支柱部２４の端部近傍においてピストンピン６０を挿入するために設けた穴と、ピストンピン６０との間に配設されている。本実施例では、ピストンピン６０はコネクティングロッド３０に圧入されており、ピストンピン６０とコネクティングロッド３０とは一体となって動く。また、偏心ベアリング７０は、ピストン支柱部２４とピストンピン６０との間に、摺動可能にはめ込まれており、後述する係合部の係合状態に応じて、ピストン支柱部２４あるいはピストンピン６０のいずれか一方に対して固定される。
【００５５】
偏心ベアリング７０の外周には、複数（本実施例では８つ）の第１の係合受け部７２が等間隔に形成されている。また、偏心ベアリング７０の内周には、複数（本実施例では８つ）の第２の係合受け部７４が等間隔に形成されている。ピストン支柱部２４には、上記第１の係合受け部７２と係合可能な第１の係合ピン７６が設けられており、ピストンピン６０内には、上記第２の係合受け部７４と係合可能な第２の係合ピン７８が設けられている。
【００５６】
上記複数の第１の係合受け部７２と第１の係合ピン７６とは、第１の係合機構を形成している。この第１の係合機構において、複数の係合受け部７２のうちのいずれかに第１の係合ピン７６が係合しているときには、偏心ベアリング７０は、ピストン支柱部２４に対して、すなわちピストン２０に対して固定された状態となる。したがって、第１の係合機構が係合状態となっているときには、偏心位置の変更は行なわれない。なお、図７，８に示すように、第１の係合ピン７６は、バネ７７によって、第１の係合受け部７２側に付勢されており、このバネ７７の力によって、第１の係合受け部７２との係合状態を保つことが可能となっている。
【００５７】
また、上記複数の第２の係合受け部７４と第２の係合ピン７８とは、第２の係合機構を形成している。この第２の係合機構において、複数の係合受け部７４のうちのいずれかに第２の係合ピン７８が係合しているときには、偏心ベアリング７０は、ピストンピン６０に対して、すなわちコネクティングロッド３０に対して固定された状態となる。したがって、第２の係合機構が係合状態となっているときには、偏心ベアリング７０はコネクティングロッド３０が揺動するのに伴って回動し、偏心位置の変更が行なわれる。なお、後述するように本実施例では、内燃機関が運転されているときには、第１の係合機構と第２の係合機構とのうちの一方のみが、係合状態となることが可能となっている。
【００５８】
ピストンピン６０には、Ｔ字型の油圧印加部８０（図７）が形成されている。この油圧印加部８０に対しては、縦方向リンク５６と第１の横方向リンク５２にそれぞれ設けられた油圧経路５６ａ，５２ａを介して、図示しない油圧ポンプから油圧を印加することが可能となっている。油圧印加部８０において、Ｔ字型の３つの端部のうちの一つの端部の近傍に、上記した第２の係合ピン７８が配設されている。油圧印加部８０に対して油圧が印可されると、第２の係合ピン７８は外側に向けて押しつけられて、複数の第２の係合受け部７４のうちの１つに挿入可能となる。また、第２の係合ピン７８は、バネ７９によって油圧と反対方向に付勢されており、油圧を印可しない場合には、第２の係合ピン７８は、バネ７９によって第２の係合受け部７４を外れた位置に戻る。なお、油圧印加部８０において、３つの端部のうち、第２の係合ピン７８が配設される端部とは反対側の第２の端部８０ｂと、残りの第３の端部８０ｃとは、ピストンピン６０の外周において開口している。
【００５９】
既述したように、複数の第１の係合受け部７２は偏心ベアリング７０の外周に等間隔に設けられており、複数の第２の係合受け部７４は偏心ベアリング７０の内周に等間隔に設けられている。ここで、第１の係合受け部７２と第２の係合受け部７４とは、それぞれ同じ数ずつ形成されると共に、１つずつが対を成しており、対を成す係合受け部７２と係合受け部７４とは、互いに近接して設けられている。図７，図８に示すように、これら対を成す係合受け部７２と係合受け部７４との間には、両者を連通させる連通路７３が設けられている。また、偏心ベアリング７０が嵌め込まれているピストン支柱部２４端部には、偏心ベアリング７０と接する摺動面と、ピストン支柱部２４の外周面とを連通させる油圧調節孔７５が形成されている。
【００６０】
さらに、ピストン支柱部２４の端部には、第１の係合ピン７６を付勢するバネ７７が設けられる空間と、ピストン支柱部２４の外周面とを連通させる第１のドレイン孔８４が形成されている。また、ピストンピン６０内には、第２の係合ピン７８を付勢するバネ７９が設けられる空間と、ピストンピン６０の外周面とを連通させる第２のドレイン孔８６が形成されている。これらのドレイン孔８４，８６は、バネ７７，７９が設けられる空間から油抜きをするための構造である。第２のドレイン孔８６は、図７のように、第２のドレイン孔８６と油圧調節孔７５とが連通するする状態となる所定のタイミングにおいて、油ぬきを行なうことができる。なお、バネ７９が設けられる空間に溜まる油は、偏心ベアリング７０との間の摺動面からも漏れ出すことができるため、このように漏れ出すことで充分に油ぬきが可能であれば第２のドレイン孔８６を設けないこととしても良い。
【００６１】
偏心ベアリング７０の偏心位置は、以下のようにして調整される。偏心位置が固定されているときには、図８に示すように、バネ７７によって付勢される第１の係合ピン７６が、第１の係合受け部７２のいずれかと係合している。一方、第２の係合ピン７８は、バネ７９に付勢されて係合状態が解除されている。このように、偏心ベアリング７０がピストン２０に対して固定されることで、偏心ベアリング７０の偏心位置は固定された状態となっている。
【００６２】
偏心ベアリング７０の偏心位置を変更する際には、まず、油圧印加部８０に対して油圧が印可される。このとき、コネクティングロッド３０が揺動するのに伴ってピストンピン６０が回動すると、ピストン２０が所定の第１の位置（例えば上死点）に来たときに、図７に示すように、第２の係合ピン７８がいずれかの第２の係合受け部７４に対向して位置するようになる。このとき、第２の係合ピン７８は、油圧で押されて移動して（図７中の矢印Ａ方向）、上記対向する第２の係合受け部７４に係合する。また、それと同時に、油圧印加部８０は、第２の端部８０ｂにおいて、上記第２の係合ピン７８が係合する第２の係合受け部７４に対して１８０°の位置にある第２の係合受け部７４と連通するようになる。これによって、この新たに連通するようになった第２の係合受け部７４と対を成す第１の係合受け部７２に係合している第１の係合ピン７６は、第２の係合受け部７４および連通路７３を介して油圧印加部８０から油圧を印可され、係合状態が解除される。その結果、偏心ベアリング７０は、コネクティングロッド３０と一体化して回動可能な状態となる。
【００６３】
この状態でピストン２０が上下に運動すると、偏心ベアリング７０はピストン支柱部２４に対して相対的に回動し（図７中の矢印Ｂ方向）、これに伴って偏心ベアリング７０の偏心位置が変化する。そして、ピストン２０が所定の第２の位置（例えば下死点）に来ると、図８に示すように、油圧印加部８０の第３の端部８０ｃは、所定の第２の係合受け部７４とこれと対を成す第１の係合受け部７２とを介して、油圧調節孔７５と連通するようになる。これによって、油圧印加部８０からは油圧調節孔７５を介して油が排出される。ここで、第１の横方向リンク５２に設けられた油圧経路５２ａにはオリフィス８２が設けられているため、油圧印加部８０から油が排出されることによって、油圧印加部８０内の油圧が低下する。これによって、第２の係合ピン７８は、バネ７９に付勢されて移動し（図８中の矢印Ａ方向）、係合状態を解除する。また、このとき、第１の係合ピン７６は、先ほどまで係合していた第１の係合受け部７２と隣り合う第１の係合受け部７２と対向して位置する状態となり、バネ７７に付勢されてこの対向する第１の係合受け部７２に新たに係合するようになる。これによって、偏心ベアリング７０は、再びピストン支柱部２４に固定された状態となる。こうして偏心ベアリング７０の偏心位置が変化すると、ピストンピン６０の中心からピストン２０の上端までの距離が変化し、これに応じて圧縮比が変化する。
【００６４】
このように、偏心ベアリング７０がピストン支柱部２４に再び固定された状態となった後は、ピストン２０が再び所定の第１の位置に来るのに伴い、コネクティングロッド３０およびピストンピン６０は偏心ベアリング７０に対して摺動して（図８の矢印Ｂ方向）、図７の状態に戻る。さらに偏心位置を変化させる場合には、油圧印加部８０に対して油圧の印加を続けることで、上記動作を繰り返すことができる。偏心位置を所望の状態に変更した後には、油圧経路５２ａ，５６ａから油を抜いて、油圧印加部８０に対する油圧の印加を停止することで、偏心位置を所望の状態に保つことができる。
【００６５】
図９は、偏心ベアリング７０近傍の構成を示す要部縦断面図であり、図９（Ａ）は圧縮比が小さい場合、図９（Ｂ）は圧縮比が大きい場合に相当する。図９（Ａ）の状態では、ピストンピン６０の中心が偏心ベアリング７０の中心よりも高いところにあり、図９（Ｂ）の状態では、ピストンピン６０の中心が偏心ベアリング７０の中心よりも低いところにある。図９（Ｂ）の場合は、上死点において、ピストン２０の頂部が燃焼室の上端により近いところに達する。従って、図９（Ｂ）では上死点における燃焼室の容積が図９（Ａ）よりも小さくなり、圧縮比がより大きくなる。本実施例では、複数の第１の係合受け部７２と複数の第２の係合受け部７４とを、それぞれ８つずつ等間隔に形成しているため、５段階の圧縮比を選択することが可能となっている。
【００６６】
Ｃ．効果：
このように、本実施例では、ピストンピン６０をシリンダの軸方向中心線に沿って近似直線運動させる近似直線機構を設け、ピストンピン６０近傍に設けた偏心ベアリング７０において、ピストン２０と係合する状態とコネクティングロッド３０と係合する状態とを切り替えることによって偏心位置の変更を行なうため、圧縮比変更のために変位する部材の動きを制御する確実性を向上させることができる。特に、本実施例では、油圧経路をコネクティングロッド３０を通らずに、近似直線機構５０を通るようにしたので、油圧経路に過度に大きな加速度が掛かることが無く、偏心位置を安定して制御できるという利点がある。
【００６７】
また、本実施例によれば、油圧経路５２ａにオリフィス８２を設け、ピストン支柱部２４に油圧調節孔７５を設けることにより、圧縮比変更の動作をより容易に行なうことが可能となっている。油圧を利用して係合ピンの係合状態を制御する場合には、油圧制御弁によってエンジンの動作に合わせたタイミングで油圧制御する構成も考えられるが、エンジンの速い動作に合わせて制御を行なうのは困難であり、実際的ではない。本実施例のように、オリフィスと油圧調節孔を設けることによって、油圧制御弁では油圧を印可した状態を保ちつつ、所望の圧縮比となるまで偏心ベアリングを変位させる動作を容易に繰り返すことができる。
【００６８】
なお、偏心ベアリング７０において、第１の係合受け部７２と第２の係合受け部７４との対（以下、「係合受け部ペア」と呼ぶ）の配置の間隔は、コネクティングロッド３０が揺動する際の振幅（揺動角度）に対応する距離以下とすればよい。このような間隔に形成することで、油圧経路５２ａ，５６ａに油圧を印可するときには、コネクティングロッド３０が揺動するのに伴い第１の係合機構と第２の係合機構との係合状態の切り替えを支障無く行なうことができ、圧縮比を変更できる。特に、係合受け部ペアの間隔を、上記揺動角度に対応する距離と略等しくする、あるいは揺動角度に対応する距離よりもわずかに小さくなるように設定することが好ましい。このようにすれば、第１の係合機構と第２の係合機構とにおける係合状態の切り替えの動作を、より正確に行なうことが可能となる。
【００６９】
また、本実施例では、偏心ベアリング７０の周に沿った係合受け部ペアの間隔を等間隔としたが、必ずしも等間隔である必要はない。
【００７０】
Ｄ．他の実施例：
上記第１実施例では、偏心ベアリング７０がピストン２０に固定される第１の状態と、偏心ベアリング７０がコネクティングロッド３０に固定される第２の状態とを切り替えることによって、偏心ベアリングの偏心位置を変更した。これに対して、偏心ベアリング７０がピストン２０に固定される第１の状態と、偏心ベアリング７０が第１の横方向リンク５２に固定される第２の状態とを切り替えることによって、偏心ベアリングの偏心位置を変更することとしても良い。このような構成を第２実施例として説明する。第２実施例では、図５に示した第１実施例と同様の構成において、ピストンピン６０を、コネクティングロッド３０に代えて第１の横方向リンク５２に固定する。また、係合受け部ペア７２，７４の間隔は、第１の横方向リンク５２が揺動する際の振幅（揺動角度）に対応する距離以下とすればよい。そして、第１および第２の状態を切り替える制御を第１実施例と同様に行なうことで、第１実施例と同様の効果を得ることができる。
【００７１】
このように、第２の状態において偏心ベアリングが固定される部材としては、コネクティングロッド以外の部材を用いることとしても良い。近似直線機構を備えるピストン・クランク機構は種々の変形が可能であるが、ピストンとコンロッドとの連結部においてこれらに連結され、ピストンの動きに伴って揺動すると共に近似直線機構を構成する揺動部材であれば、同様に用いることができる。
【００７２】
また、上記第１および第２実施例では、ピストンピン６０は、コネクティングロッド３０あるいは揺動部材と一体で動くこととしたが、ピストンピン６０とピストン２０とが一体で動くように構成することも可能である。このような場合であっても、偏心ベアリングがピストンに固定される第１の状態と、偏心ベアリングがコネクティングロッドあるいは揺動部材に固定される第２の状態とを同様に切り替えることによって、偏心ベアリングの偏心位置を変更することができる。
【００７３】
Ｅ．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】
Ｅ１．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。ここで、既述した第２の状態において、偏心ベアリングが揺動部材に固定される構成とする場合には、近似直線機構に備えられる部材を上記揺動部材とすればよい。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】
Ｅ２．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】
Ｅ３．変形例３：
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である。
【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である。
【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である。
【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である。
【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である。
【図６】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横断面図である。
【図７】偏心位置の変更に関わる構成を拡大して示す要部縦断面図である。
【図８】偏心位置の変更に関わる構成を拡大して示す要部縦断面図である。
【図９】偏心ベアリング７０近傍の構成を示す要部縦断面図である。
【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
５２ａ，５６ａ…油圧経路
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
７０…偏心ベアリング
７２…第１の係合受け部
７３…連通路
７４…第２の係合受け部
７５…油圧調節孔
７６…第１の係合ピン
７７，７９…バネ
７８…第２の係合ピン
８０…油圧印加部
８０ｂ…第２の端部
８０ｃ…第３の端部
８２…オリフィス
８４…第１のドレイン孔
８６…第２のドレイン孔
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】
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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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【図８】
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【図９】
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