(57)【要約】【課題】燃焼の際の筒内圧力が高筒内に設定され且つ高剛性タイプ軸受けキャップが構成要素として適用されたとしても、内燃機関稼働中においてクランク軸を円滑に作動させることができ、排気量を増大させることなく内燃機関の高出力化を図ることを可能とするクランク軸を軸支する内燃機関の軸受け装置を提供すること。【解決手段】内燃機関の稼働中におけるピストンの往復運動をコンロッドを介して回転運動に変換するクランク軸を軸支する軸受け面により画成される軸受け開口を有する、本発明に係る内燃機関の軸受け装置は、クランク軸の回転軸線に対して垂直な軸受け開口の断面形状が、ピストンの往復運動方向を長軸として、ピストンの往復運動方向と直交する方向を短軸とする楕円形状である、ことを特徴とする。【選択図】図６
2007170516.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の稼働中におけるピストンの往復運動をコンロッドを介して回転運動に変換するクランク軸を軸支する軸受け面により画成される軸受け開口を有する内燃機関の軸受け装置において、
前記クランク軸の回転軸線に対して垂直な前記軸受け開口の断面形状は、前記ピストンの往復運動方向を長軸として、前記ピストンの往復運動方向と直交する方向を短軸とする楕円形状である、
ことを特徴とする内燃機関の軸受け装置。
【請求項２】
前記長軸の寸法は、内燃機関の稼働中における前記軸受け開口周りの軸受け装置の部分の前記長軸方向への変形量に基づいて決定される、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の軸受け装置。
【請求項３】
前記長軸の寸法および前記短軸の寸法は、内燃機関の稼働中に前記軸受け開口周りの軸受け装置の部分が前記長軸方向へ変形した時に、前記軸受け開口が軸支しているクランク軸の部分の断面形状に前記軸受け開口の断面形状がほぼ一致する寸法とされる、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の軸受け装置。
【請求項４】
前記短軸の寸法は、内燃機関の稼働中における前記軸受け面と前記クランク軸との間の潤滑を維持するように、前記クランク軸の外径に対して僅かに大きく形成される、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つの請求項に記載の内燃機関の軸受け装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の稼働中におけるピストンの往復運動をコンロッドを介して回転運動に変換するクランク軸を軸支する内燃機関の軸受け装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
クランク軸は、内燃機関の稼働中にピストンの往復運動をコンロッドを介して回転運動に変換し、ピストンにもたらされる圧力をトルクに変換する役割を果すものである。従来、このようなクランク軸を軸支する軸受け装置としては、一対の半割り軸受け構造体から構成されるものが広く知られている。具体的には、シリンダブロックに形成されたシリンダブロック側軸受け部と、該シリンダブロック側軸受け部に取り付けられる軸受けキャップとで、一対の半割り軸受け構造体を構成し、クランク軸の回転軸線を形成する主軸となるクランク軸ジャーナル部と協働してクランク軸を軸支する軸受け面（以下、ジャーナル軸受け面と称する）及び該ジャーナル軸受け面により画成される軸受け開口を形成し、クランク軸を軸支する内燃機関の軸受け装置が知られている。
【０００３】
軸受け装置の軸受け面は、一般に、軸受け面と係合する軸と軸受け面との間の潤滑を円滑に行って軸受け面と軸との焼付きを防止すべく、高精度に加工されることが必要とされる。このことはクランク軸を軸支する軸受け装置においても同様であり、高速で回転するクランク軸ジャーナル部とジャーナル軸受け面との摩擦を低減し焼き付けを防止すべく、ジャーナル軸受け面は高精度に加工される。
【０００４】
例えば、シリンダブロックに形成されたシリンダブロック側軸受け部と、該シリンダブロック側軸受け部に取り付けられる軸受けキャップとで、一対の半割り軸受け構造体を構成し、クランク軸の回転軸線を形成する主軸となるクランク軸ジャーナル部と協働してクランク軸を軸支するジャーナル軸受け面を形成してクランク軸を軸支する軸受け装置においては、シリンダブロック側軸受け部と軸受けキャップとをボルト等の締結材により締結して組み立てる際のジャーナル軸受け面の変形を考慮して、シリンダブロック側軸受け部と軸受けキャップとが組み立てられた状態でジャーナル軸受け面が一次加工され、更に、ボルト等の締結材による組立作業が繰り返し行われる際の影響を考慮して、ボルト等の締結材による締め付け／緩め作業を数回繰り返し実行した後にジャーナル軸受け面の二次加工を行うことで、クランク軸の回転軸線に垂直な断面形状が円形状のクランク軸ジャーナル部と協働してクランク軸を軸支するジャーナル軸受け面を高い真円度で形成する提案がなされている。
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−３４３１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年の排ガス規制が進む中で、排気量を増大させることなく内燃機関の高出力化を図るために、燃焼の際の筒内圧力すなわち内燃機関本体のシリンダー内で燃料が燃焼する際のシリンダー内圧力を、現状において適用されている燃焼の際の筒内圧力よりも高い圧力に設定して燃焼を行わせる技術検討が進められている。
【０００７】
内燃機関の高出力化を図るべく燃焼の際の筒内圧力を高い圧力に設定する場合、内燃機関本体のシリンダー内で燃料が燃焼する際にクランク軸ジャーナル部にもたされる力（以下、爆発力と称する）は増大する。また、爆発力が増大することは、同時に、クランク軸ジャーナル部にもたらされる熱の影響も大きくなることが想定される。従って、排気量を増加させることなく燃焼の際の筒内圧力を高い圧力に設定することで内燃機関の高出力化の実現を図る場合、より大きな爆発力や熱の影響がもたらされたとしても、内燃機関稼働中のクランク軸の円滑な作動を可能とするような軸受け装置を実現することが一つの重要な課題になると考える。
【０００８】
シリンダブロックに形成されたシリンダブロック側軸受け部と、該シリンダブロック側軸受け部に取り付けられる軸受けキャップとで構成される軸受け装置においては、軸受けキャップが爆発力の影響を最も強く受けることが想定され、より大きな爆発力がクランク軸ジャーナル部にもたらされたとしても、内燃機関稼働中のクランク軸の円滑な作動を可能とする一つの方策として、軸受けキャップの剛性を現状のものよりも高くすることが考えられる。
【０００９】
そこで、本出願人は、現状適用されている軸受けキャップの剛性よりも高い剛性を有する軸受けキャップを構成要素として有するクランク軸を軸支する軸受け装置についての試作評価試験および解析評価を実践し、軸受けキャップの剛性を高くした場合における内燃機関稼働中のクランク軸を軸支する軸受け装置にもたらされる影響、具体的には、クランク軸ジャーナル部と協働してクランク軸を軸支するジャーナル軸受け面の挙動について、種々の見地からの検討を行った。
【００１０】
その結果、軸受けキャップの剛性を高くしていくと、クランク軸ジャーナル部と協働してクランク軸を軸支するジャーナル軸受け面の変形挙動が変化し、すなわち、現状適用されている剛性を有する軸受けキャップにより形成されるジャーナル軸受け面に対して考えられていた変形挙動とは異なる変形挙動がジャーナル軸受け面にもたらされ、組立時にジャーナル軸受け面が高い真円度を有して形成されたとしても、内燃機関稼働時において、爆発力による爆発変形、熱の影響による熱変形、および、組み付け時のボルト軸力のバランス状態の影響による組み付け変形などが絡んだ複雑な変形メカニズムがジャーナル軸受け面にもたらされ、真円度の高いジャーナル軸受け面が確実に維持されないことを突き止めた。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑み、燃焼の際の筒内圧力が、現状において適用されている燃焼の際の筒内圧力よりも高い圧力に設定され、且つ、現状適用されている軸受けキャップが有する剛性よりも高い剛性を有する軸受けキャップが当該軸受け装置の構成要素として適用されたとしても、内燃機関稼働中においてクランク軸を円滑に作動させることができ、排気量を増大させることなく内燃機関の高出力化を図ることを可能とする、クランク軸を軸支する内燃機関の軸受け装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の稼働中におけるピストンの往復運動をコンロッドを介して回転運動に変換するクランク軸を軸支する軸受け面により画成される軸受け開口を有する内燃機関の軸受け装置において、前記クランク軸の回転軸線に対して垂直な前記軸受け開口の断面形状は、前記ピストンの往復運動方向を長軸として、前記ピストンの往復運動方向と直交する方向を短軸とする楕円形状である、ことを特徴とする内燃機関の軸受け装置が提供される。
【００１３】
本出願人による試作評価試験の結果によれば、燃焼の際の筒内圧力が現状において適用されている燃焼の際の筒内圧力よりも高い圧力に設定され、且つ、現状適用されている軸受けキャップが有する剛性よりも高い剛性を有する軸受けキャップが当該軸受け装置の構成要素として適用された場合、内燃機関稼働中において、クランク軸を軸支する軸受け面には、当初円形状であった軸受け開口のクランク軸の回転軸線に対して垂直な断面形状がピストンの往復運動方向を短軸としてピストンの往復運動方向と直交する方向を長軸とする楕円形状となるような変形であって、主として、ピストンの往復運動方向の軸受け開口の開口径が短縮されるような塑性変形がもたらされる傾向があることが判明した。
【００１４】
この試作評価試験結果に基づいて、請求項１の発明では、クランク軸の回転軸線に対して垂直な軸受け開口の断面形状を、ピストンの往復運動方向を長軸として、ピストンの往復運動方向と直交する方向を短軸とする楕円形状に予め形成しておくことで、内燃機関稼働中において、ピストンの往復運動方向の軸受け開口の開口径が短縮されるような変形が軸受け面にもたらされることで発生するクランク軸と該クランク軸を軸支する軸受け面との間の摩擦の悪化を防止することができ、内燃機関の出力の低下や燃費の悪化を防止が可能になるとともに、軸受け面とクランク軸との焼付けを防止することが可能となる。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、前記長軸の寸法は、内燃機関の稼働中における前記軸受け開口周りの軸受け装置の部分の前記長軸方向への変形量に基づいて決定される、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の軸受け装置が提供される。
【００１６】
すなわち、請求項２の発明では、長軸の寸法すなわちピストンの往復動運動方向の軸受け開口の開口径が、内燃機関の稼働中における軸受け開口周りの軸受け装置の部分の長軸方向への変形量すなわちピストンの往復運動方向の変形量に基づいて決定される。尚、内燃機関の稼働中における軸受け開口周りの軸受け装置の部分の長軸方向への変形量は、試作評価試験や解析評価により特定あるいは推定されることが想定される。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、前記長軸の寸法および前記短軸の寸法は、内燃機関の稼働中に前記軸受け開口周りの軸受け装置の部分が前記長軸方向へ変形した時に、前記軸受け開口が軸支しているクランク軸の部分の断面形状に前記軸受け開口の断面形状がほぼ一致する寸法とされる、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の軸受け装置が提供される。
【００１８】
すなわち、請求項３の発明では、長軸の寸法すなわちピストンの往復運動方向の軸受け開口の開口径、および、短軸の寸法すなわちピストンの往復運動方向と直交する方向の軸受け開口の開口径は、それぞれ、内燃機関の稼働中に軸受け開口周りの軸受け装置の部分が長軸方向すなわちピストンの往復運動方向へ変形した時に、軸受け開口が軸支しているクランク軸の部分の断面形状に軸受け開口の断面形状がほぼ一致する寸法とされる。ここで、軸受け開口が軸支しているクランク軸の部分とは、具体的には、クランク軸の回転軸線を形成する主軸となるクランク軸ジャーナル部を想定している。また、クランク軸の回転軸線に対して垂直なクランク軸ジャーナル部の断面形状は円形状であることが想定されており、軸受け開口が軸支しているクランク軸の部分の断面形状に軸受け開口の断面形状がほぼ一致するとは、軸受け開口の断面形状が楕円形状から略円形状になることを意図している。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、前記短軸の寸法は、内燃機関の稼働中における前記軸受け面と前記クランク軸との間の潤滑を維持するように、前記クランク軸の外径に対して僅かに大きく形成される、ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つの請求項に記載の内燃機関の軸受け装置が提供される。
【発明の効果】
【００２０】
各請求項の発明によれば、クランク軸の回転軸線に対して垂直な軸受け開口の断面形状を、ピストンの往復運動方向を長軸として、ピストンの往復運動方向と直交する方向を短軸とする楕円形状に予め形成しておくことで、燃焼の際の筒内圧力が、現状において適用されている燃焼の際の筒内圧力よりも高い圧力に設定され、且つ、現状適用されている軸受けキャップが有する剛性よりも高い剛性を有する軸受けキャップが当該軸受け装置の構成要素として適用されたとしても、内燃機関稼働中においてクランク軸を円滑に作動させることができ、排気量を増大させることなく内燃機関の高出力化を図ることが可能となる共通の効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明に係るクランク軸を軸支する内燃機関の軸受け装置（以下、クランク軸用軸受け装置と称する）の実施形態を説明するに当たって、まず、燃焼の際の筒内圧力が現状において適用されている燃焼の際の筒内圧力よりも高い圧力（以下、高筒内圧力と称する）に設定され、且つ、軸受けキャップの剛性を高くした場合における内燃機関稼働中のクランク軸用軸受け装置にもたらされる影響、具体的には、クランク軸ジャーナル部と協働してクランク軸を軸支するジャーナル軸受け面の挙動を見極めるべく、現状適用されている軸受けキャップの剛性よりも高い剛性を有する軸受けキャップ（以下、高剛性タイプ軸受けキャップと称する）を構成要素として有するクランク軸用軸受け装置に対して本出願人が試作評価試験および解析評価を実践して得られた結果について述べる。
【００２２】
まず、高剛性タイプ軸受けキャップを構成要素として有するクランク軸用軸受け装置に対して試作評価試験を実践して得られた結果について述べる。
【００２３】
図１は、試作評価試験に使用されたクランク軸用軸受け装置の概略図である。図１において、１はシリンダブロック、２はシリンダブロック側軸受け部、３は高剛性タイプ軸受けキャップ、４は軸受けキャップ側軸受け部、５はジャーナル軸受け面、６はクランク軸ジャーナル部、７は軸受け開口、８はボルト、９はピストン、１０はクランク軸の回転軸線、１１はピストンの往復動軸線、をそれぞれ示す。ここで、ジャーナル軸受け面５は、クランク軸の回転軸線を形成する主軸となるクランク軸ジャーナル部６を軸支する軸受け面を意図しており、シリンダブロック１に形成されたシリンダブロック側軸受け部２と、該シリンダブロック側軸受け部２に取り付けられる高剛性タイプ軸受けキャップ３の軸受けキャップ側軸受け部４とで形成される。
【００２４】
試作評価試験におけるジャーナル軸受け面５の形成にあたっては、真円度の高いジャーナル軸受け面を形成すべく、まず、シリンダブロック１と高剛性タイプ軸受けキャップ３とをボルト８により締結して組み立てる際の変形を考慮して、シリンダブロック１のシリンダブロック側軸受け部２と高剛性タイプ軸受けキャップ３とが組み立てられた状態でジャーナル軸受け面５の一次加工がなされ、更に、組立作業が繰り返し行われる際の影響を考慮して、ボルト８による締め付け／緩め作業を数回繰り返し実行した後にジャーナル軸受け面５の仕上げ加工となる二次加工がなされた。
【００２５】
また、高剛性タイプ軸受けキャップ３については、試作評価試験において設定された燃焼の際の高筒内圧力下においてもたらされる爆発力を受けた場合においても、ジャーナル軸受け面５の変形モードが弾性変形域内の変形モードとなるように、応力解析に基づいて最適設計された軸受けキャップが使用された。
【００２６】
試作評価試験は、図１に示されたクランク軸用軸受け装置に対して、燃焼の際の筒内圧力が高筒内圧力に設定された状態で、実際に内燃機関を稼働して行われた。図２は、図１に示されたクランク軸用軸受け装置に対して、燃焼の際の筒内圧力が高筒内圧力に設定された状態で、実際に内燃機関を稼働して行われた耐久試験後の、クランク軸の回転軸線に対して垂直な軸受け開口７の断面形状（以下、軸受け開口断面形状と称す）の変形状態を示す図である。
【００２７】
試作評価試験の結果として、図２から理解されるごとく、燃焼の際の筒内圧力が高筒内圧力に設定され、且つ、高剛性タイプ軸受けキャップ３がクランク軸用軸受け装置の構成要素として適用された場合、内燃機関の稼働中にもたらされる何らかの力に起因して、ジャーナル軸受け面５には、当初円形状であった軸受け開口断面形状が楕円形状になるような塑性変形がもたらされてしまい、内燃機関稼働中において、真円度の高いジャーナル軸受け面５が確実に維持されないことが判明した。
【００２８】
上記試作評価試験結果において留意すべき第一の点は、燃焼の際の高筒内圧力下においてもたらされる爆発力を受けた場合においても、ジャーナル軸受け面５の変形モードが弾性変形域内の変形モードとなるように最適設計された高剛性軸受けキャップ３を適用したにもかかわらず、ジャーナル軸受け面５に塑性変形がもたらされたことである。
【００２９】
また、上記試作評価試験結果において留意すべき第二の点は、ジャーナル軸受け面５にもたらされた塑性変形は、当初円形状であった軸受け開口断面形状がピストンの往復運動方向すなわち往復動軸線方向を短軸としてピストンの往復動軸線方向と直交する方向を長軸とする楕円形状となるような変形であることである。更には、ジャーナル軸受け面５にもたらされた塑性変形は、ピストンの往復動軸線方向の変形であって軸受け開口７の開口径を短縮するような変形が主となり、ピストンの往復動軸線と直交する方向の変形は僅かであることである。試作評価試験を行う前の事前の想定においては、燃焼の際の高筒内圧力下においてもたらされる爆発力をジャーナル軸受け面５が受けた場合、ジャーナル軸受け面５にもたらされる変形は、当初円形状であった軸受け開口断面形状がピストンの往復動軸線方向を長軸としてピストンの往復動軸線方向と直交する方向を短軸とする楕円形状となるような変形となることが想定されたが、評価試験結果においては想定とは逆の変形を起こすことが判明した。
【００３０】
上記のような試作評価試験により得られた結果を受けて、本出願人は、どのようなメカニズムで試作評価試験より得られたようなジャーナル軸受け面５の挙動がもたらされるのかを解明すべく、試作評価試験に使用したクランク軸用軸受け装置の構造に相当する解析モデルを作成し解析評価を行った。該解析評価により得られた結果を、以下に述べる。
【００３１】
まず、ボルト８によるシリンダブロック１と高剛性タイプ軸受けキャップ３との組立ての際にもたらされるジャーナル軸受け面５の変形挙動について解析評価を行った。具体的には、現状適用されている軸受けキャップが有する剛性に相当する剛性を有する軸受けキャップ（以下、通常タイプ軸受けキャップと称する）を解析モデルとした場合におけるジャーナル軸受け面の変形挙動と、試作評価試験において使用された高剛性タイプ軸受けキャップ３を解析モデルとした場合におけるジャーナル軸受け面５の変形挙動とを比較するための解析評価を行った。
【００３２】
図３は、クランク軸用軸受け装置に対して通常タイプ軸受けキャップを適用した場合と高剛性タイプ軸受けキャップ３を適用した場合とにおける、シリンダブロックと軸受けキャップとがボルトにより組みつけられる際にもたらされるジャーナル軸受け面５の変形挙動の解析結果を示した図である。
【００３３】
図３に示される解析評価結果から理解されるごとく、通常タイプ軸受けキャップを適用した場合と高剛性タイプ軸受けキャップ３を適用した場合とでは、シリンダブロックと軸受けキャップとがボルトにより組みつけられる際にもたらされるジャーナル軸受け面５の変形挙動が相違することが判明した。具体的には、ジャーナル軸受け面５にもたらされる変形は、通常タイプ軸受けキャップが適用された場合においては、当初円形状であった軸受け開口断面形状がピストンの往復動軸線方向を長軸としてピストンの往復動軸線方向と直交する方向を短軸とする楕円形状となるような変形となり、これに対して、高剛性タイプ軸受けキャップ３が適用された場合においては、当初円形状であった軸受け開口断面形状がピストンの往復動軸線方向を短軸としてピストンの往復動軸線方向と直交する方向を長軸とする楕円形状となるような変形となることが判明した。
【００３４】
試作評価試験に適用されたクランク軸用軸受け装置おけるジャーナル軸受け面５の形成にあたっては、上述したように、真円度の高いジャーナル軸受け面５を形成すべく、シリンダブロック１のシリンダブロック側軸受け部２と高剛性タイプ軸受けキャップ３とが組み立てられた状態でジャーナル軸受け面５の一次加工がなされ、ボルト８による締め付け／緩め作業を数回繰り返し実行した後にジャーナル軸受け面５の仕上げ加工がなされた。従って、シリンダブロック１と高剛性タイプ軸受けキャップ３との組み付け時においては、高い真円度を有するジャーナル軸受け面５が形成されているはずであり、シリンダブロック側軸受け部２と高剛性タイプ軸受けキャップ３との組み付け変形が、試作評価試験においてもたらされたジャーナル軸受け面５の塑性変形に直接的に関与することは少ないことが考えられる。
【００３５】
しかしながら、シリンダブロック１と高剛性タイプ軸受けキャップ３とがボルト８により組みつけられる際にもたらされるジャーナル軸受け面５の組み付け変形と、試作評価試験後のジャーナル軸受け面５の塑性変形とが、当初円形状であった軸受け開口断面形状がピストンの往復動軸線方向を短軸としてピストンの往復動軸線方向と直交する方向を長軸とする楕円形状となるような共通の変形であることから、試作評価試験においてもたらされたジャーナル軸受け面５の塑性変形に対するシリンダブロック側軸受け部２と高剛性タイプ軸受けキャップ３との組み付け変形の関与を完全に否定することはできない。
【００３６】
いずれにしても、図３に示す解析評価結果からは、少なくとも、高剛性タイプ軸受けキャップ３が適用されボルト軸方向の力がもたらされた場合には、ジャーナル軸受け面５は、当初円形状であった軸受け開口断面形状がピストンの往復動軸線方向を短軸としてピストンの往復動軸線方向と直交する方向を長軸とする楕円形状となるような変形を起こしやすい傾向があることが推察されうる。
【００３７】
次に、爆発力すなわち内燃機関本体のシリンダー内で燃料が燃焼する際にクランク軸ジャーナル部６にもたされる力を受けた際のジャーナル軸受け面５の変形挙動について解析評価を行った。具体的には、通常タイプ軸受けキャップを解析モデルとした場合におけるジャーナル軸受け面５の変形と、試作評価試験において使用された高剛性タイプ軸受けキャップ３を解析モデルとした場合におけるジャーナル軸受け面５の変形とを比較するための解析評価を行った。
【００３８】
図４は、クランク軸用軸受け装置に対して通常タイプ軸受けキャップを適用した場合と高剛性タイプ軸受けキャップ３を適用した場合とにおける、ジャーナル軸受け面５が爆発力を受けることによりもたらされるジャーナル軸受け面５の変形挙動の解析結果を示した図である。
【００３９】
図４に示される解析評価結果から理解されるごとく、通常タイプ軸受けキャップを適用した場合と高剛性タイプ軸受けキャップ３を適用した場合とでは、爆発力によりもたらされるジャーナル軸受け面５の変形挙動が相違することが判明した。具体的には、ジャーナル軸受け面５にもたらされる変形は、通常タイプ軸受けキャップが適用された場合においては、当初円形状であった軸受け開口断面形状がピストンの往復動軸線方向を長軸としてピストンの往復動軸線方向と直交する方向を短軸とする楕円形状となるような変形となり、これに対して、高剛性タイプ軸受けキャップが適用された場合においては、当初円形状であった軸受け開口断面形状がピストンの往復動軸線方向を短軸としてピストンの往復動軸線方向と直交する方向を長軸とする楕円形状となるような変形となることが判明した。
【００４０】
高剛性タイプ軸受けキャップ３が適用された場合の解析評価から得られた爆発力によりもたらされるジャーナル軸受け面５の爆発変形と、試作評価試験によりもたらされたジャーナル軸受け面５の塑性変形とが、当初円形状であった軸受け開口断面形状がピストンの往復動軸線方向を短軸としてピストンの往復動軸線方向と直交する方向を長軸とする楕円形状となるような共通の変形であることから、試作評価試験においてもたらされたジャーナル軸受け面５の塑性変形に対して、爆発力が大きく関与していることが推定される。
【００４１】
しかしながら、試作評価試験に適用された軸受け装置における高剛性タイプ軸受けキャップ３は、上述したように、該評価試験において設定された燃焼の際の高筒内圧力下においてもたらされる爆発力を受けた場合においても、ジャーナル軸受け面５の変形モードが弾性変形域内の変形モードとなるように、応力解析に基づいて最適設計されたものであったことを考慮すると、爆発力のみの関与だけでジャーナル軸受け面５に塑性変形がもたらされたのではなく、爆発力以外の何らかの他の要因が、試作評価試験においてもたらされたジャーナル軸受け面５の塑性変形に対して関与していると考えることが妥当であると考える。
【００４２】
内燃機関稼働中におけるジャーナル軸受け面５の変形に大きく関与すると考えられる爆発力以外の要因としては、熱の関与が考えられる。内燃機関の高出力化を図るべく燃焼の際の筒内圧力を高筒内圧力に設定する場合、爆発力が増大するとともに、ジャーナル軸受け面５にもたらされる熱の影響も大きくなることが想定される。
【００４３】
そこで、熱の影響によるジャーナル軸受け面５の変形挙動について解析評価を行った。具体的には、試作評価試験において使用された高剛性タイプ軸受けキャップ３を解析モデルとした場合におけるジャーナル軸受け面５の熱変形挙動の解析評価を行った。
【００４４】
図５は、クランク軸用軸受け装置に対して高剛性タイプ軸受けキャップ３を適用した場合における、ジャーナル軸受け面５が熱の影響を受けることによりもたらされるジャーナル軸受け面５の変形挙動の解析結果を示した図である。
【００４５】
図５に示される解析評価結果から理解されるごとく、クランク軸用軸受け装置に対して高剛性タイプ軸受けキャップ３が適用された場合、熱の影響によりもたらされるジャーナル軸受け面５の変形は、当初円形状であった軸受け開口断面形状がピストンの往復動軸線方向を短軸としてピストンの往復動軸線方向と直交する方向を長軸とする楕円形状となるような変形であり、爆発力によりもたらされるジャーナル軸受け面５の爆発変形と共通の変形であることが判明した。この結果から、試作評価試験においてもたらされたジャーナル軸受け面５の塑性変形に対して、熱の影響が大きく関与していることが推定される。
【００４６】
内燃機関稼働中にジャーナル軸受け面５が熱の影響を受けると、該ジャーナル軸受け面５には熱膨張変形がもたらされるとともに、ジャーナル軸受け面５は高温状態となるが故に、容易に変形しやすい状態にあることが推定される。このようなジャーナル軸受け面５が高温状態となり容易に変形しやすい状態にある際に爆発力による影響を受けると、ジャーナル軸受け面５の変形メカニズムは、熱による熱膨張変形と爆発力による爆発変形とが絡んだ複雑な変形メカニズムになることが推定される。また、ジャーナル軸受け面５の変形メカニズムに、シリンダブロック１のシリンダブロック側軸受け部２と高剛性タイプ軸受けキャップ３との組み付け時のボルト軸力のバランス状態の影響による組み付け変形の関与を考慮に加えると、ジャーナル軸受け面５の変形メカニズムは更に複雑となることが推定される。
【００４７】
本出願人は、以上のような解析評価結果に基づいて、試作評価試験により得られたジャーナル軸受け面５の変形挙動、すなわち、軸受け開口断面形状がピストンの往復動軸線方向を短軸としてピストンの往復動軸線方向と直交する方向を長軸とする楕円形状となるようなジャーナル軸受け面５の塑性変形は、燃焼の際の筒内圧力を高筒内圧力に設定し且つ高剛性タイプ軸受けキャップ３を適用したことによりもたらされたものであり、ジャーナル軸受け面５が高温状態にあるときの熱膨張変形と爆発変形と組み付け変形とが絡んだ複雑な変形メカニズムによりもたらされるものとして結論付けた。
【００４８】
以下に、燃焼の際の筒内圧力が高筒内圧力設定され、且つ、高剛性タイプ軸受けキャップがクランク軸用軸受け装置の構成要素として適用されたとしても、内燃機関稼働中にクランク軸を円滑に作動させることを可能とするクランク軸用軸受け装置であって、上述した試作評価試験結果および解析評価結果を根拠として創作された本発明に係るクランク軸用軸受け装置の一実施形態について説明する。
【００４９】
図６は、本発明に係るクランク軸用軸受け装置の一実施形態を示す図である。図６において、２１はシリンダブロック、２２はシリンダブロック側軸受け部、２３は高剛性タイプ軸受けキャップ、２４は軸受けキャップ側軸受け部、２５はジャーナル軸受け面、２６は軸受け開口、２７はボルト、２８はピストン、２９はクランク軸の回転軸線、３０はピストンの往復動軸線、をそれぞれ示す。
【００５０】
本実施形態におけるクランク軸用軸受け装置は、主として、一対の半割れ軸受け構造体を有して構成され、該一対の半割れ構造体に該当するシリンダブロック２１に形成されたシリンダブロック側軸受け部２２と、該シリンダブロック側軸受け部２２に取り付けられる高剛性タイプ軸受けキャップ２３とは、ボルト２７で締結されることにより組み立てられる。
【００５１】
ジャーナル軸受け面２５は、クランク軸の回転軸線に垂直な断面形状が円形状のクランク軸ジャーナル部と協働してクランク軸を軸支する部分であり、シリンダブロック２１に形成されたシリンダブロック側軸受け部２２と、該シリンダブロック側軸受け部２２に取り付けられる軸受けキャップ２３の軸受けキャップ側軸受け部２４とで形成される。
【００５２】
ジャーナル軸受け面２５の形成に当たっては、好適には、シリンダブロック２１と高剛性タイプ軸受けキャップ２３とをボルト２７により締結して組み立てる際の変形を考慮して、シリンダブロック２１と軸受けキャップ２３とが組み立てられた状態でジャーナル軸受け面２５が加工され、更に、ボルト２７による組立作業が繰り返し行われる際の影響を考慮して、ボルト２７による締め付け／緩め作業を数回繰り返し実行した後にジャーナル軸受け面２５の仕上げ加工を行うことで形成される。但し、組立後の軸受け面２５により画成される軸受け開口２６の開口径の寸法精度が高精度に確保されるのであれば、シリンダブロック側軸受け部２２と軸受けキャップ側軸受け部２４とが別々に加工された後に組み立てられることにより、ジャーナル軸受け面２５が形成されてもよい。
【００５３】
また、ジャーナル軸受け面２５は、クランク軸の回転軸線に対して垂直な軸受け開口２６の断面形状が、ピストン２８の往復運動方向すなわち往復動軸線方向を長軸として、ピストン２８の往復運動方向と直交する方向すなわち往復動軸線と直交する方向を短軸とする楕円形状となるように形成される。
【００５４】
長軸の寸法すなわちピストン２８の往復動軸線方向の軸受け開口２６の開口径、および、短軸の寸法すなわちピストン２８の往復動軸線と直交する方向の軸受け開口２６の開口径は、それぞれ、内燃機関の稼働中における軸受け開口２６周りの軸受け装置の部分が長軸方向へ変形した時に、軸受け開口２６が軸支しているクランク軸の部分となるクランク軸ジャーナル部と軸受け開口２６とのクランク軸の回転軸線に対して垂直な断面形状が、ほぼ一致する寸法とされる。
【００５５】
具体的には、短軸の寸法すなわちピストン２８の往復動軸線と直交する方向の軸受け開口２６の開口径は、ジャーナル軸受け面２５とクランク軸ジャーナル部との間の潤滑を維持すべく、クランク軸ジャーナル部の外径に対して僅かに大きく形成される。一方、長軸の寸法すなわちピストン２８の往復動軸線方向の軸受け開口２６の開口径は、ジャーナル軸受け面２５とクランク軸ジャーナル部との間の潤滑、および、内燃機関稼働中の爆発力や熱等の影響によりもたらされるジャーナル軸受け面２５の変形を考慮して、内燃機の稼働中における軸受け開口２６周りの軸受け装置の部分の長軸方向への変形量に基づいて、クランク軸ジャーナル部の外径に対して適当に大きく形成される。
【００５６】
ピストン２８の往復動軸線方向の軸受け開口２６の開口径の決定にあたっては、試作評価試験結果や解析評価結果から特定あるいは推定される内燃燃機の稼働中における軸受け開口２６周りの軸受け装置の部分の長軸方向への変形量に基づいて適当に決定されることが考えられる。具体的には、ピストン２８の往復動軸線方向の軸受け開口２６の開口径は、実際の内燃機関の稼働状態を想定した試作評価試験において得られたデータであって、軸受け開口２６おけるピストン２８の往復動軸線方向の開口径の最大変形量のデータに基づいて、少なくとも、内燃機関稼働中においてジャーナル軸受け面２５とクランク軸ジャーナル部との潤滑が維持されるように隙間を確保できるように適当に決定されることが考えられる。また、ピストン２８の往復動軸線方向の軸受け開口２６の開口径は、例えば内燃機関稼働状態が高負荷高回転領域にある場合のような実際の内燃機関の稼働状態において想定されうる最高温度状態にジャーナル軸受け面２５があることを条件とした解析評価から得られたデータであって、軸受け開口２６おけるピストン２８の往復動軸線方向の開口径の最大変形量のデータに基づいて、少なくとも、内燃機関稼働中においてジャーナル軸受け面２５とクランク軸ジャーナル部との潤滑が維持されるように隙間を確保できるように適当に決定されることも考えられる。
【００５７】
以下に、このように構成されたクランク軸用軸受け装置による作用効果について説明する。
本明細書を作成するに当たって本出願人により実行された試作評価試験の結果によれば、上述したように、燃焼の際の筒内圧力が高筒内圧力に設定され、且つ、高剛性タイプ軸受けキャップ２３がクランク軸用軸受け装置の構成要素として適用された場合、ジャーナル軸受け面２５には、当初円形状であった軸受け開口２６のクランク軸の回転軸線に対して垂直な断面形状がピストン２８の往復運動方向を短軸としてピストン２８の往復運動方向と直交する方向を長軸とする楕円形状となるような変形であって、主として、ピストン２８の往復運動方向の軸受け開口２６の開口径が短縮されるような塑性変形がもたらされる傾向があることが判明している。
【００５８】
また、本明細書を作成するに当たって本出願人により実行された解析評価の結果によれば、上述したように、高剛性タイプ軸受けキャップ２３が当該軸受け装置の構成要素として適用された場合、シリンダブロック２１に形成されたシリンダブロック側軸受け部２２と、該シリンダブロック側軸受け部２２に取り付けられる軸受けキャップ２３とをボルト２７より組み立てる際にジャーナル軸受け面２５にもたらされる組み付け変形、爆発力によりジャーナル軸受け面２５にもたらされる爆発変形、および、熱の影響によりジャーナル軸受け面２５にもたらされる熱変形のどの変形も、当初円形状であった軸受け開口２６のクランク軸の回転軸線に対して垂直な断面形状がピストン２８の往復運動方向を短軸としてピストン２８の往復運動方向と直交する方向を長軸とする楕円形状となるような変形であって、主として、ピストン２８の往復運動方向の軸受け開口２６の開口径が短縮されるような変形であることが判明している。
【００５９】
本発明に係るクランク軸用軸受け装置によれば、ジャーナル軸受け面２５とクランク軸ジャーナル部との間の潤滑、および、内燃機関稼働中の爆発力や熱等の影響によりもたらされるジャーナル軸受け面２５の変形を考慮して、ジャーナル軸受け面２５は、クランク軸の回転軸線に対して垂直な軸受け開口２６の断面形状が、ピストン２８の往復運動方向すなわち往復動軸線方向を長軸として、ピストン２８の往復運動方向と直交する方向すなわち往復動軸線と直交する方向を短軸とする楕円形状となるようにジャーナル軸受け面２５が予め形成されることで、組み付け変形時、爆発変形時および熱変形時の、どの場面においても、クランク軸ジャーナル部と軸受け開口２６との、クランク軸の回転軸線に対して垂直な断面形状がほぼ一致するように、軸受け開口２６の断面形状を楕円形状から円形状に近づけるように変形モードとすることができる。
【００６０】
これにより、燃焼の際の筒内圧力が高筒内圧力に設定され、且つ、高剛性タイプ軸受けキャップ２３が当該軸受け装置の構成要素として適用された場合において、内燃機関稼働中にピストンの往復運動方向の軸受け開口の開口径が短縮されるような変形が軸受け面にもたらされることで発生するクランク軸と該クランク軸を軸支する軸受け面との間の摩擦の悪化を防止することができ、内燃機関稼働中におけるクランク軸の円滑な作動を可能とすることが可能となる。
【００６１】
また、軸受け開口２６におけるピストンの往復動軸線方向の開口径の大きさの決定にあたっては、予め実行される試作評価試験や解析評価の結果に基づいて、少なくとも、内燃機関稼働中においてジャーナル軸受け面２５とクランク軸ジャーナル部との潤滑が維持されるように隙間を確保できるように適当に決定されるため、内燃機関稼働中におけるジャーナル軸受け面２５とクランク軸ジャーナル部との間に発生する摩擦の悪化を防止することができ、内燃機関出力の低下や燃費の悪化を防止が可能になるとともに、ジャーナル軸受け面とクランク軸ジャーナル部との焼付けを防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】試作評価試験に使用されたクランク軸用軸受け装置の概略図である。
【図２】図１に示されたクランク軸用軸受け装置に対して、燃焼の際の筒内圧力が高筒内圧力に設定された状態で、実際に内燃機関を稼働して行われた耐久試験後の、クランク軸の回転軸線に対して垂直な軸受け開口７の断面形状の変形状態を示す図である。
【図３】クランク軸用軸受け装置に対して通常タイプ軸受けキャップを適用した場合と高剛性タイプ軸受けキャップを適用した場合とにおける、シリンダブロックと軸受けキャップとがボルトにより組みつけられる際にもたらされるジャーナル軸受け面の変形挙動の解析結果を示した図である。
【図４】クランク軸用軸受け装置に対して通常タイプ軸受けキャップを適用した場合と高剛性タイプ軸受けキャップ３を適用した場合とにおける、ジャーナル軸受け面５が爆発力を受けることによりもたらされるジャーナル軸受け面５の変形挙動の解析結果を示した図である。
【図５】クランク軸用軸受け装置に対して高剛性タイプ軸受けキャップ３を適用した場合における、ジャーナル軸受け面５が熱の影響を受けることによりもたらされるジャーナル軸受け面５の変形挙動の解析結果を示した図である。
【図６】本発明に係るクランク軸用軸受け装置の一実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１    シリンダブロック
２    シリンダブロック側軸受け部
３    高剛性タイプ軸受けキャップ
４    軸受けキャップ側軸受け部
５    ジャーナル軸受け面
６    クランク軸ジャーナル部
７    軸受け開口
８    ボルト
９    ピストン
１０    クランク軸の回転軸線
１１    ピストンの往復動軸線
２１    シリンダブロック
２２    シリンダブロック側軸受け部
２３    高剛性タイプ軸受けキャップ
２４    軸受けキャップ側軸受け部
２５    ジャーナル軸受け面
２６    軸受け開口
２７    ボルト
２８    ピストン
２９    クランク軸の回転軸線
３０    ピストンの往復動軸線
【図１】
2007170516.tif 000003
【図２】
2007170516.tif 000004
【図３】
2007170516.tif 000005
【図４】
2007170516.tif 000006
【図５】
2007170516.tif 000007
【図６】
2007170516.tif 000008