(57)【要約】      （修正有）【課題】動力伝達損失を低減して効率向上する往復動内燃機関のクランク構造を提供する。【解決手段】クランクシャフト１２に固着され、一双の第１クランクアーム１４の先端部を連結するクランクピン中心材２１と、回転軸中心に対して仮想中心点が偏心するように固定部材に固定された一双の偏心円形カム１８に係合して先端部が第１クランクアームに沿って伸縮滑動をもたらすように配置された第２クランクアーム２０の先端付近に固着されクランクピン中心材を貫通させる長穴が形成された滑動クランクピン部材２３とを備え、回転軸を中心とする第１クランクアームの回転運動に伴う真円状軌跡と前記仮想中心点を中心として回転する第２クランクアームにより形成される偏心した円状軌跡とによって合成される合成偏心軌跡に従ってクランクシャフトの周囲を偏心回転運動する滑動クランクピン部材の周縁部をコンロッド２４の大端部が滑動可能に包囲連接されている。【選択図】図１
2013083277.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランクシャフトの回転軸に対して直角に固着された一双の第１のクランクアームと、これら一双の第１のクランクアームの先端部がコ字状を形成するように強固に連結するためのクランクピン中心材と、前記クランクシャフトの回転軸の周囲にあって適宜厚さ及び強度を有し、該回転軸の中心に対してその仮想中心点が偏心するように両側固定部材にそれぞれ被着せしめられた一双の偏心円形カムと、これら一双の偏心円形カムのそれぞれに係合し、かつその先端部が前記一双の第１のクランクアームに沿って相対的な伸縮滑動をもたらすように配置された第２のクランクアームと、該第２のクランクアームの先端付近に固着され、かつ前記第１のクランクアームとの間を連結している前記クランクピン中心材を滑動可能に貫通させるための長穴が形成された滑動クランクピン部材と、を備え、
前記第１のクランクアーム及び第２のクランクアームの双方に係合し、前記クランクシャフトの回転軸を中心とする前記第１のクランクアームの回転運動に伴う真円状軌跡と、前記偏心円形カムの仮想中心点を中心として回転する前記第２のクランクアームによって形成される偏心した円状軌跡との両軌跡によって合成される合成偏心軌跡に従って前記クランクシャフトの周囲を偏心回転運動する、前記滑動クランクピン部材の周縁部をコネクティングロッドの大端部が滑動可能に包囲連接される、ことを特徴とする往復動内燃機関のクランク構造。
【請求項２】
前記偏心円形カムの中心位置が該往復動内燃機関のピストンの上死点通過後であって、燃焼行程ないし吸気行程に移行するタイミングで第１のクランクアーム先端のクランクピンを回転中心から離隔させる側に変位移動させる構造である、ことを特徴とする請求項１に記載の往復動内燃機関のクランク構造。
【請求項３】
前記偏心円形カムの中心位置が該往復動内燃機関のピストンが下死点通過後であって、排気行程ないし圧縮行程に移行するタイミングで第１のクランクアーム先端のクランクピンを回転中心に接近させる側に変位移動させる構造である、ことを特徴とする請求項１に記載の往復動内燃機関のクランク構造。
【請求項４】
前記内燃機関が火花点火式往復動内燃機関である、ことを特徴とする請求項１に記載の往復動内燃機関のクランク構造。
【請求項５】
前記内燃機関がディーゼル式往復動内燃機関である、ことを特徴とする請求項１に記載の往復動内燃機関のクランク構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリンダ内を往復運動するピストンによって加圧圧縮された可燃気体を爆発的に燃焼させることにより動力を発生する往復動内燃機関（レシプロエンジン）に適用可能なクランク構造に関する。液体燃料ないしは気体燃料を使用し、ピストンの往復運動をクランク構造により回転運動に変換して動力を得る往復動内燃機関は、百数十年に及ぶ歴史があり、その利用範囲は車両、船舶、航空機等の各種運輸機関、工業・農林漁業・製造業・加工業等のように極めて多くの分野における動力源として広く活用されている。
【背景技術】
【０００２】
一般的な往復動内燃機関は、シリンダ内を往復動するピストンの直線運動を回転運動に変換する構造が必須となる。このような直線運動を回転運動に変換する装置の基本原理は、ピストンの直線運動をコネクティングロッド（連接棒とも呼ばれるが、以下「コンロッド」と略記する。）を介してクランクシャフトに連接する回転軸を回転させる構造である。かかる直線運動から回転運動への変換過程における損失は、長期間かつ多方面にわたる研究および改良を重ねているにもかかわらず高効率化を阻害する根源となっている。
【０００３】
このような運動変換の過程で発生する損失を低減するために、往復運動するピストンを使用せず、長円形断面を有するロータリーハウジング内でおむすび型をした略三角形ローターを回転させるロータリーエンジンも開発されてはいるが、限られた自動車用動力源として使用されているに過ぎず、すべての内燃機関を置換することは技術的並びに経済性の見地からも極めて困難であるものと解されている。
【０００４】
往復動内燃機関は周知のように長い歴史を経て改良が重ねられた動力発生機構である。その動力発生原理から、ピストンがシリンダ内を２往復する間に吸入−圧縮−燃焼（爆発）−排気を繰り返す４サイクルエンジンと、１往復の間に吸入−圧縮および燃焼−排気を行う２サイクルエンジンとがある。また、現用の往復動内燃機関には燃焼の開始に電気火花を使用する火花点火式エンジンと気体の高圧縮変化に伴って発生する高熱を利用して爆発的燃焼を生起させるディーゼル式エンジンとがあることもよく知られている。かかる往復動原動機における動力発生機構を改良するための先行技術として、コンロッドの形状および寸法比、運動機構、コンロッドとクランクシャフトとの連結構造の改良など数多くの提案がなされている。
【０００５】
特許文献１は、ピストン２へのコンロッド４の取付け部位を、燃焼行程時の動力伝達が良好となるように変位させ、またはクランクシャフト５の回転軸をシリンダ１の中心軸よりも変位させることにより、燃焼行程時の動力伝達機能の改善案を提案している。しかしながら、かかる構造は高速かつ強力なピストン運動に伴って動力の不均衡が生じるため、例えば振動、異音、片減り等が発生し易くなることが想起される。低速の往復動（ピストン）ポンプなどの用途であればともかく、高速回転と共に強力な動力の発生および伝達が不可欠であるレシプロエンジンへの適用は困難であるものと解される。
【０００６】
特許文献２は、クランクアーム５の一端に（遊星）歯車３を取り付け、この遊星歯車３を内接させる内歯車４をクランクケース内面に形成し、コンロッド２の上下動にしたがって遊星歯車３の歯が内歯車４と噛み合って内接しながら回転する構成を開示している。かかる構造は、ポンプやレシプロエンジンに使用可能である旨開示しているものの、低速回転で足りるポンプの場合はともかく、爆発的燃焼行程に伴って生ずる強力な衝撃力を伴うエンジンの回転に対応することは物理的に困難であるものと解される。
【０００７】
特許文献３は、クランクアーム４の大端部は、遊星歯車５と、この遊星歯車５の中心から偏心した位置に連結され、かつ小端部はピストン１１の内部において首振り自在に連結されている。そしてピストンの往復動に応じてクランクケース７の内面に形成された内歯車１０に噛み合いながら前記遊星歯車５が転動する構成を開示している。シリンダ内の燃焼行程に伴い遊星歯車５とクランクケース内面の内歯車１０との係合によって燃焼行程に伴う強力な動力伝達には、多大の無理が生ずるものと解される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−１４４７８０号公報
【０００９】
【特許文献２】特開平８−２１８８８８号公報
【００１０】
【特許文献３】特開平７−２１７４４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、往復動内燃機関における動力伝達損失を低減することにより効率向上を可能にするための往復動内燃機関のクランク構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
請求項１に記載の発明は、クランクシャフト１２の回転軸に対して直角に固着された一双の第１のクランクアーム１４と、これら一双の第１のクランクアームの先端部がコ字状を形成するように強固に連結するためのクランクピン中心材２１と、前記クランクシャフトの回転軸の周囲にあって適宜厚さ及び強度を有し、該回転軸の中心に対してその仮想中心点Ｃ２が偏心するように両側固定部材１０、１１にそれぞれ被着せしめられた一双の偏心円形カム１８と、これら一双の偏心円形カムのそれぞれに係合し、かつその先端部が前記一双の第１のクランクアーム１４に沿って相対的な伸縮滑動をもたらすように配置された第２のクランクアーム２０と、該第２のクランクアームの先端付近に固着され、かつ前記第１のクランクアームとの間を連結している前記クランクピン中心材を滑動可能に貫通させるための長穴が形成された滑動クランクピン部材２３と、を備え、前記第１のクランクアーム１４及び第２のクランクアーム２０の双方に係合し、前記クランクシャフトの回転軸を中心とする前記第１のクランクアームの回転運動に伴う真円状軌跡１と、前記偏心円形カムの仮想中心点Ｃ２を中心として回転する前記第２のクランクアームによって形成される偏心した円状軌跡２と、の両軌跡によって合成される合成偏心軌跡に従って前記クランクシャフトの周囲を偏心回転運動する前記滑動クランクピン部材の周縁部を、コネクティングロッド（コンロッド）２４の大端部が滑動可能に包囲連接される、往復動内燃機関のクランク構造であることを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の往復動内燃機関のクランク構造において、前記偏心円形カム１８の中心位置が、該往復動内燃機関のピストンの上死点通過後であって、燃焼行程ないし吸気行程に移行するタイミングで第１のクランクアーム１４先端のクランクピンを回転中心から離隔させる側に変位移動させる構造である往復動内燃機関のクランク構造であることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の往復動内燃機関のクランク構造において、前記偏心円形カム１８の中心位置が、該往復動内燃機関のピストンが下死点通過後であって、排気行程ないし圧縮行程に移行するタイミングで第１のクランクアーム１４先端のクランクピンを回転中心に接近させる側に変位移動させる構造である往復動内燃機関のクランク構造であることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の往復動内燃機関のクランク構造において、前記内燃機関が火花点火式往復動内燃機関である往復動内燃機関のクランク構造であることを特徴とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の往復動内燃機関のクランク構造において、前記内燃機関がディーゼル式往復動内燃機関である往復動内燃機関のクランク構造であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る往復動内燃機関のクランク構造は、往復動内燃機関における基本構造での第１のクランクアーム１４と、そして該第１のクランクアームに沿っていて固定部材１１に被着された偏心円形カム１８によって伸縮運動する第２のクランクアーム２０と、の両クランクアーム部材が摺動可能に組み合わされた複合構造であり、クランク軸の回転角度に応じて複合構造のクランクアーム先端に位置する滑動クランクピン部材２３が伸縮を伴いつつ回転するように構成されている。このような第１及び第２の両クランクアーム同士の伸縮は、往復動内燃機関の基本構造におけるクランクアームが、燃焼行程並びに吸気行程の間のクランクアームの押下力を有効利用するために伸長せしめられ、そして排気行程並びに圧縮行程の間には反対に短縮する構造となっている。
【００１８】
往復動内燃機関が動力発生に直接寄与する燃焼行程の間においてクランクアームが所定長さだけ伸長することにより、コンロッドからの押下力が効率よくクランクシャフトに伝達される結果エンジンの効率向上が期待できる。反対に、排気行程並びに圧縮行程の間は、クランクアームは相対的に短縮し元来の長さに戻るが、これらの行程にあっては燃焼行程の間にフライホイールに蓄勢されたエネルギーを活用するに過ぎず、内燃機関における燃料消費の多寡、したがって熱効率の増減には殆ど関与しないものと解されている。
【００１９】
本発明に係る往復動内燃機関におけるクランクアームは、クランクシャフトの中心軸から直角に伸長している一双の第１のクランクアーム１４と固定部材１０、１１に取り付けられた偏心円形カムに支承されていてクランクシャフト軸の回転角度に応じて長さが変化する一双の第２のクランクアーム２０の組み合わせとして構成されている。コンロッドの大端部（大連結部）が、前記第1のクランクアーム（主クランクアーム）並びに第２のクランクアーム（補助クランクアーム）の組み合わせとして形成された前記滑動クランクピン部材２３の周縁を回転可能に包囲して連結される。
【００２０】
このような構造から、第１のクランクアームはクランクシャフト（クランク軸）中心の周囲で真円状軌跡１に従って回転しようとする。これに対して第２のクランクアームは、偏心円形カムの仮想中心点Ｃ２の周囲を回転するため、クランク軸の中心を基準とすれば偏心円形カム中心の偏心状態に応じてクランクアーム先端が変位することになる。したがって、第２のクランクアームの先端付近の運動と第１のクランクアーム先端の運動とを合成した軌跡を描くように相対的に伸縮変動しながら回転する。このような第１のクランクアーム及び第２のクランクアームそれぞれの先端の相対長さの変化並びに中心軸の変位量等は、往復動内燃機関の規模、構造並びに用途に応じて最適範囲となるように考慮しながら設計および製造する必要がある。その結果、効率および燃費の向上、すなわち省エネルギー効果が期待でき、エネルギーコストの低減が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る往復動内燃機関の基本構成例を示す概略平面図である。
【図２】図１に示した往復動内燃機関の基本構造を示す概略正面図である。
【図３】本発明に係る第１及び第２のクランクアームの係合状態の構成例を示す概略側面図である。
【図４】本発明に係るクランク軸中心点Ｃ１を中心とする第１のクランクアームの真円状軌跡１並びに偏心円形カムの仮想中心点Ｃ２を中心とする第２のクランクアームの円状軌跡２の変動軌跡を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図を参照しつつ本発明に係る往復動内燃機関のクランク構造の実施の形態について説明する。図１はシリンダーブロックのロアケース１０上に配設されたクランクシャフト１２の２気筒分を上方から視た概略図であり、図２は図１の同一部分を正面から視た概略図である。
【００２３】
クランクシャフト１２には第１のクランクアーム（クランク腕）１４が直角方向に固着されており、第１のクランクアーム１４の対向側にはバランスウェイト（平衡錘）１６が取り付けられ、可能な限り平滑回転を期している。偏心円形カム固定部材としてのシリンダーブロックのロアケース１０の壁と第１のクランクアーム１４との間には、水平の平行線で上側を小さく下側を大きく図示した偏心円形カム１８がロアケース１０の壁面に固着されている。この偏心円形カム１８の外周を包囲するように第２クランクアーム２０が取り付けられ、その解放端側は第１のクランクアーム１４と破線で示すように係合している。
【００２４】
このような構造によって、クランクシャフト回転軸１２の中心を基準とする第１のクランクアーム１４の実効長さ、言い換えればクランクピン２２の位置の実効部位を回転軸１２の回転角度に応じて可変とするものである。したがって、２点鎖線によって略記したコネクティングロッド２４からの押下力の伝達は、クランクシャフト回転軸１２の回転角度によって決まる第１のクランクアーム１４の可変長さによって効率よく実現されることになる。
【００２５】
第１のクランクアーム１４の実質的な長さの制御は、以下のように行われる。水平の平行線で図示したそれぞれの偏心円形カム１８は、図では一方がシリンダーブロックロアケース１０である偏心円形カム固定部材１１のそれぞれの固定壁に固着されている。それぞれの偏心円形カム１８の周囲に係合している第２のクランクアーム２０は第１のクランクアーム１４と密接して回転するから、偏心円形カム１８の偏心割合に従ってクランクピン２２の位置を変位させる。なお、クランクピン２２は、左右に位置する第１のクランクアーム１４に固着されるクランクピン中心材としての芯部２１を備え、芯部の周囲にはクランクピンの変動を許容する滑動クランクピン部材としての可変部材２３が配設され、可変部材の変動に応じてコンロッド２４の運動が制御される構造となっている。このような構造によって、燃焼行程にある当該ピストンにおける押下力を、偏心円形カム１８、クランクピンの変位を生じさせる第２のクランクアーム２０の作用によってテコの原理により効率よくクランクピンに伝達し得ることになり、駆動伝達の効率向上が達せられる。
【００２６】
図３は本発明に係る第１及び第２のクランクアームの係合状態の１実施例を示す図である。シリンダーブロックのロアケース１０その他類似の偏心円形カム固定部材１１に固着される偏心円形カム１８は、第２のクランクアーム２０の回転中心となる仮想中心点Ｃ２がクランク軸回転中心点Ｃに対して偏心するように形成される。第１のクランクアーム１４と密接して回転する第２のクランクアーム２０には、芯部２１を備え、芯部の周囲にはクランクピンの変動を許容する滑動クランクピン部材としての可変部材２３が配設されている。可変部材２３にコネクティングロッド２４の大端部が滑動可能に包囲連接される。
【００２７】
偏心円形カム１８の偏心状態は、エンジンの規模、用途、使用燃料等々のエンジンの条件に応じて決定される。自動車等に使用される４気筒、６気筒、さらに大型の８気筒等にあっては設計上のトルク特性等を考慮する必要がある。実際の偏心状態は、例えば図４に示すように、第１のクランクアーム回転中心点Ｃ1による真円状軌跡１から、少なくとも燃焼行程の開始後の早い時期に、回転中心となる第２のクランクアーム回転中心点Ｃ２（仮想中心点）のような円状軌跡２に移行するような変位が生起するように設定される。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
本発明に係る往復動内燃機関のクランク構造によれば、ピストンの往復運動をクランクシャフトによって回転運動に変換する際に、クランクアームの長さを最適状態に変化させることにより、燃焼に伴うピストンの押下力を効率よく回転運動に変換することができる。
【００２９】
クランクアームの伸縮運動は本来の真円運動を行う第１のクランクアームと偏心円形カムによって支承される結果、クランクシャフトの回転角度に応じて合理的にかつ自動的に変化する第２のクランクアームとの合成力として達成されるものである。したがって、燃料の燃焼行程時のエネルギー効率向上が顕著なレシプロエンジンの改善によって達成され、省エネルギー効果、地球温暖化防止効果等に資することが期待できる。
【符号の説明】
【００３０】
１      真円状軌跡
２      円状軌跡
１０    シリンダーブロックロアケース（偏心円形カム固定部材）
１１    偏心円形カム固定部材
１２    クランクシャフト（クランク軸、クランクシャフト回転軸）
１４    第１のクランクアーム
１６    バランスウェイト
１８    偏心円形カム
２０    第２のクランクアーム
２１    クランクピン中心材（芯部）
２２    クランクピン
２３    滑動クランクピン部材（可変部材）
２４    コネクティングロッド（コンロッド）
Ｃ      クランク軸回転中心点
Ｃ１    第１のクランクアーム回転中心点
Ｃ２    第２のクランクアーム回転中心点（仮想中心点）
【図１】
2013083277.tif 000003
【図２】
2013083277.tif 000004
【図３】
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【図４】
2013083277.tif 000006