(57)【要約】【課題】サイドフォースを低減でき、摺動摩擦に起因する損失を小さくすることが可能なクランク軸オフセットエンジンを提供する。【解決手段】クランク軸オフセットエンジン１０は、シリンダ１Ｓが内側に形成されたシリンダブロック１と、ピストン２と、クランク直径Ｓを有するクランク３と、コンロッド４とを備える。シリンダの軸心１Ｔは、半径Ｒの曲線形状を有し、ピストンの上端面２Ｍの中心２Ｃは、円弧状の軌跡２Ｕを描きながら往復移動し、ピストンが上死点に位置している時のピストンの上端面の中心２Ｃを通る軌跡２Ｕの接線を基準線７とすると、クランク軸の軸心３Ｃは、基準線７から軌跡２Ｕが位置する側に向かってオフセット量ａでオフセットする位置に配置されており、オフセット量ａは、クランク直径Ｓの１０％以上４５％以下であり、半径Ｒ／クランク直径Ｓの値は、５．０以上９．０以下である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダが内側に形成されたシリンダブロックと、
前記シリンダ内で往復移動するピストンと、
クランク直径Ｓを有するクランクと、
前記ピストンと前記クランクとを連結し、前記ピストンの往復運動を前記クランクの軸回転運動に変換するコンロッドと、を備え、
前記シリンダの軸心は、半径Ｒの曲線形状を有しており、
前記ピストンの上端面の中心は、前記シリンダ内で円弧状の軌跡を描きながら往復移動し、
前記ピストンが上死点に位置している時の前記ピストンの前記上端面の前記中心を通る前記軌跡の接線を基準線とすると、前記クランク軸の軸心は、前記基準線から前記軌跡が位置する側に向かってオフセット量ａでオフセットする位置に配置されており、
オフセット量ａは、クランク直径Ｓの１０％以上４５％以下であり、
半径Ｒ／クランク直径Ｓの値は、５．０以上９．０以下である、
クランク軸オフセットエンジン。
【請求項２】
前記コンロッドが前記ピストンに連結している部分を連結部とすると、前記連結部も、前記シリンダ内で円弧状の他の軌跡を描きながら往復移動し、
前記ピストンが下死点に位置している時の前記連結部を通る前記他の軌跡の接線を他の基準線とすると、前記ピストンが下死点に位置している時の前記コンロッドは、前記他の基準線に対して前記他の軌跡が位置する側とは反対側に位置している、
請求項１に記載のクランク軸オフセットエンジン。
【請求項３】
半径Ｒ／クランク直径Ｓの値は、６．０以上７．０以下である、
請求項１または２に記載のクランク軸オフセットエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クランク軸オフセットエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
特開昭５６−０９８５３１号公報（特許文献１）に開示されているように、クランク軸オフセットエンジンが知られている。この公報に開示されたクランク軸オフセットエンジンは、膨張行程時にピストンをシリンダの内周面に押し付けるサイドフォースの向きにクランク軸の軸心をシリンダの中心線からオフセットし、そのオフセット量をピストンストロークの１０％以下でかつ４５％以下の距離に設定するという構成を備えている。同公報は、この構成によれば、オフセットされていないクランク軸を有するエンジンに比べてサイドフォースを低減でき、摺動摩擦に起因する損失を小さくすることができると述べている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５６−０９８５３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
クランク軸をオフセットした場合には、クランク軸をオフセットしない場合に比べて、ピストンが上昇する行程におけるコンロッド揺動角φが大きくなる。ピストンが上昇する行程においては、コンロッド揺動角φが大きくなることに伴ってサイドフォースも大きくなり、クランク軸をオフセットしない場合に比べて摺動摩擦損失が増加する。
【０００５】
本発明は、従来に比してサイドフォースを低減でき、摺動摩擦に起因する損失を小さくすることが可能なクランク軸オフセットエンジン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】
【０００６】
本発明に基づくクランク軸オフセットエンジンは、シリンダが内側に形成されたシリンダブロックと、上記シリンダ内で往復移動するピストンと、クランク直径Ｓを有するクランクと、上記ピストンと上記クランクとを連結し、上記ピストンの往復運動を上記クランクの軸回転運動に変換するコンロッドと、を備え、上記シリンダの軸心は、半径Ｒの曲線形状を有しており、上記ピストンの上端面の中心は、上記シリンダ内で円弧状の軌跡を描きながら往復移動し、上記ピストンが上死点に位置している時の上記ピストンの上記上端面の上記中心を通る上記軌跡の接線を基準線とすると、上記クランク軸の軸心は、上記基準線から上記軌跡が位置する側に向かってオフセット量ａでオフセットする位置に配置されており、オフセット量ａは、クランク直径Ｓの１０％以上４５％以下であり、半径Ｒ／クランク直径Ｓの値は、５．０以上９．０以下である。
【０００７】
好ましくは、上記コンロッドが上記ピストンに連結している部分を連結部とすると、上記連結部も、上記シリンダ内で円弧状の他の軌跡を描きながら往復移動し、上記ピストンが下死点に位置している時の上記連結部を通る上記他の軌跡の接線を他の基準線とすると、上記ピストンが下死点に位置している時の上記コンロッドは、上記他の基準線に対して上記他の軌跡が位置する側とは反対側に位置している。
【０００８】
好ましくは、半径Ｒ／クランク直径Ｓの値は、６．０以上７．０以下である。
【発明の効果】
【０００９】
上記の構成によれば、サイドフォースを低減でき、摺動摩擦に起因する損失を小さくすることが可能なクランク軸オフセットエンジンを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態におけるクランク軸オフセットエンジンを模式的に示す図である。
【図２】実施の形態におけるクランク軸オフセットエンジンに関し、ピストンがシリンダ内で往復移動している様子を模式的に示す図である。
【図３】実施の形態におけるクランク軸オフセットエンジンに関し、ピストンが下死点に位置している様子を模式的に示す図である。
【図４】実施の形態におけるクランク軸オフセットエンジンの作用および効果を説明するための図である。
【図５】比較例におけるクランク軸オフセットエンジンを模式的に示す図である。
【図６】比較例におけるクランク軸オフセットエンジンの作用および効果を説明するための図である。
【図７】実験例１に関して、実施例および比較例のそれぞれについて、クランク角とサイドフォースとの関係を測定した結果を示すグラフである。
【図８】実験例１に関して、比較例および実施例のそれぞれについて、クランク角が０°から７２０°まで変化する際に生じる摺動摩擦損失（１サイクルの総和）を示したグラフである。
【図９】実験例１に関して、実施例の構成において、Ｒ／Ｓの値と摺動摩擦損失との関係を示すグラフである。
【図１０】実験例２に関して、実施例Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３および比較例Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３のそれぞれについて、Ｒ／Ｓの値と、摺動摩擦損失との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態について、以下、図面を参照しながら説明する。同一の部品および相当部品には同一の参照番号を付し、重複する説明は繰り返さない場合がある。
【００１２】
図１は、実施の形態におけるクランク軸オフセットエンジン１０を模式的に示す図である。クランク軸オフセットエンジン１０は、シリンダブロック１、ピストン２、クランク３およびコンロッド４を備える。
【００１３】
シリンダブロック１の内側には、シリンダ１Ｓが形成されている。シリンダ１Ｓの軸心１Ｔは、半径Ｒ（曲率半径）の曲線形状を有している。ピストン２は、シリンダ１Ｓ内で往復移動する。本実施の形態のピストン２の外周面は、円柱面の形状（円柱の側周面の形状）を有している。本実施の形態のピストン２の外周面は、シリンダ１Ｓの内周面の形状に対応するように、湾曲した形状を有していてもよい。
【００１４】
クランク３は、クランク直径Ｓを有しており、軸心３Ｃの回りを矢印ＡＲ１方向に軸回転する。コンロッド４は、ピストン２とクランク３とを連結している。コンロッド４の一端は、連結部５を介してピストン２に回転自在に接続されている。連結部５は、コンロッド４がピストン２に連結している部分である。コンロッド４の他端は、連結部６（クランクピン）を介してクランク３に回転自在に接続されている。コンロッド４は、ピストン２の往復運動をクランク３の軸回転運動に変換する。
【００１５】
図２は、ピストン２がシリンダ１Ｓ内で往復移動している様子を模式的に示す図である。ピストン２が矢印ＡＲ２に示すように往復移動する際、ピストン２の上端面２Ｍの中心２Ｃも、シリンダ１Ｓ内で円弧状の軌跡２Ｕを描きながら往復移動する。図２中において中心２Ｃ（２Ｃ１）として示されている位置は、中心２Ｃの往復移動により描かれる軌跡２Ｕの上端（上死点）の位置を示している。図２中において中心２Ｃ（２Ｃ２）として示されている位置は、中心２Ｃの往復移動により描かれる軌跡２Ｕの下端（下死点）の位置を示している。本実施の形態においては、軌跡２Ｕは、シリンダ１Ｓの軸心１Ｔと同一線上に位置している。換言すると、ピストン２の上端面２Ｍの中心２Ｃの往復移動により描かれる軌跡２Ｕは、シリンダ１Ｓの軸心１Ｔに一致している。
【００１６】
ピストン２が矢印ＡＲ２に示すように往復移動する際、連結部５も、シリンダ１Ｓ内で円弧状の軌跡５Ｕ（他の軌跡）を描きながら往復移動する。図２中において連結部５（５Ａ）として示されている位置は、連結部５の往復移動により描かれる軌跡５Ｕの上端（上死点）の位置を示している。図２中において連結部５（５Ｂ）として示されている位置は、連結部５の往復移動により描かれる軌跡５Ｕの下端（下死点）の位置を示している。
【００１７】
図３は、ピストン２が下死点に位置している様子を模式的に示す図である。ピストン２が下死点に位置している時の連結部５（５Ｂ）を通る軌跡５Ｕの接線を描き、その接線を基準線９（他の基準線）と定義したとする。本実施の形態においては、ピストン２が下死点に位置している時のコンロッド４は、基準線９（他の基準線）に対して軌跡５Ｕ（他の軌跡）が位置する側とは反対側に位置している。本実施の形態においては、ピストン２が下死点に位置している時、基準線９は、軸心１Ｔとコンロッド４との間に位置している。
【００１８】
図１を再び参照して、図１の中では、上死点に位置しているピストン２が図示されている。ピストン２が上死点に位置している時のピストン２の上端面２Ｍの中心２Ｃ（２Ｕ１）を通る軌跡２Ｕ（図２参照）の接線を描き、その接線を基準線７と定義したとする。さらに、クランク３の軸心３Ｃを通りかつ基準線７に対して平行な直線８を描いたとする。本実施の形態においては、基準線７（直線８）に直交する方向における基準線７と直線８との間の寸法が、オフセット量ａとして定義される。すなわち、クランク３の軸心３Ｃは、基準線７から軌跡２Ｕ（シリンダ１Ｓの軸心１Ｔ）が位置する側に向かってオフセット量ａでオフセットする位置に配置されている。
【００１９】
本実施の形態のクランク軸オフセットエンジン１０においては、オフセット量ａは、クランク直径Ｓの１０％以上４５％以下である。さらに、半径Ｒ／クランク直径Ｓの値は、５．０以上９．０以下である。
【００２０】
（作用および効果）
図４を参照して、ピストン２が下死点に位置している時、基準線９に対するコンロッド４のなす角度を揺動角φＡと定義したとする。本実施の形態のクランク軸オフセットエンジン１０によれば、ピストン２が上死点付近に位置している時には、クランク３の軸心３Ｃをオフセット量ａでオフセットしていることによるメリット（サイドフォースの低減というメリット）を享受することができる。すなわち、ピストン２が下降する際に発生するサイドフォースを小さくすることができ、ひいては、クランク軸（クランク３の軸心３Ｃ）をオフセットしない場合に比べて摺動摩擦損失を低減することが可能となる。さらに、シリンダ１Ｓの軸心１Ｔが半径Ｒ（曲率半径）の曲線形状を有していることにより、揺動角φＡ（図４）の値を小さくすることができるため、ピストン２が下死点付近に位置している時にもメリット（サイドフォースの低減というメリット）を享受することができる。すなわち、ピストン２が上昇する際に発生するサイドフォースを小さくすることができ、ひいては、シリンダ１Ｓの軸心１Ｔが直線である場合に比べて摺動摩擦損失を低減することが可能となる。
【００２１】
［比較例］
図５は、比較例におけるクランク軸オフセットエンジン１０Ｚを模式的に示す図である。クランク軸オフセットエンジン１０Ｚは、シリンダ１Ｓの軸心１Ｔが直線形状を有しているという点において、実施の形態におけるクランク軸オフセットエンジン１０と相違している。すなわち、クランク軸オフセットエンジン１０Ｚにおいては、ピストン２の上端面２Ｍの中心２Ｃも、連結部５も、軸心１Ｔに沿って直線状に往復移動する。
【００２２】
比較例におけるオフセット量ａは、次のように定義される。クランク３の軸心３Ｃを通りかつシリンダブロック１のシリンダ１Ｓの軸心１Ｔに対して平行な直線８を描いたとする。比較例においては、軸心１Ｔ（直線８）に直交する方向における軸心１Ｔと直線８との間の寸法が、オフセット量ａとして定義される。
【００２３】
図６を参照して、ピストン２が下死点に位置している時、軸心１Ｔに対するコンロッド４のなす角度を揺動角φＢと定義したとする。上述の実施の形態におけるオフセット量ａと、本比較例におけるオフセット量ａとが同一の値である場合には、揺動角φＢは、実施の形態における揺動角φＡよりも大きな値となる。比較例の構成では、ピストン２が上死点付近に位置している時には、クランク３の軸心３Ｃをオフセット量ａでオフセットしていることによるメリット（サイドフォースの低減というメリット）を享受することができる。しかしながら、ピストン２が下死点付近に位置している時には揺動角φＢ＞揺動角φＡとなるため、比較例の構成では、上述の実施の形態の場合に比べてサイドフォースの低減というメリットを享受できず、摺動摩擦損失を低減することもできない。
【００２４】
これに対して上述の実施の形態においては、オフセット量ａがクランク直径Ｓの１０％以上４５％以下となるようにオフセットした位置にクランク３の軸心３Ｃが配置されており、さらに、シリンダ１Ｓの軸心１Ｔの半径Ｒと、クランク直径Ｓとの間には、Ｒ／Ｓの値が５．０以上９．０以下であるという関係が成立している。当該構成により、ピストン２が上死点付近に位置している時には、クランク３の軸心３Ｃをオフセット量ａでオフセットしていることによるメリット（サイドフォースの低減というメリット）を享受することができる。すなわち、ピストン２が下降する際に発生するサイドフォースを小さくすることができ、ひいては、クランク軸（クランク３の軸心３Ｃ）をオフセットしない場合に比べて摺動摩擦損失を低減することが可能となる。さらに、シリンダ１Ｓの軸心１Ｔが半径Ｒ（曲率半径）の曲線形状を有していることにより、揺動角φＡ（図４）の値を小さくすることができるため、ピストン２が下死点付近に位置している時にもメリット（サイドフォースの低減というメリット）を享受することができる。すなわち、ピストン２が上昇する際に発生するサイドフォースを小さくすることができ、ひいては、シリンダ１Ｓの軸心１Ｔが直線である場合に比べて摺動摩擦損失を低減することが可能となる。
【００２５】
［実験例１］
図７〜図９を参照して、ＣＡＥ（Computer  Aided  Engineering）を使用して行なった実験例１について説明する。実験例１は、実施例および比較例を含み、実施例の構成および比較例の構成は、それぞれ、上述の実施の形態および比較例に基づいている。
【００２６】
図７を参照して、実施例および比較例のそれぞれについて、クランク角とサイドフォースとの関係を測定したところ、図７に示すような結果が得られた。クランク角が０°から７２０°まで変化することに伴って、エンジンは、膨張、排気、吸気および圧縮の各工程を実施する。排気工程では、ピストンは上昇移動する。さらに、圧縮工程でも、ピストンは上昇移動する。図７に示すように、実施例の構成においては、これらの上昇移動の際に、比較例よりもサイドフォースが小さくなっていることがわかる。
【００２７】
図８は、比較例および実施例のそれぞれについて、クランク角が０°から７２０°まで変化する際に生じる摺動摩擦損失（１サイクルの総和）を示したグラフである。図８に示すように、実施例の構成によれば、比較例の構成に比べて、摺動摩擦損失を１１％低減できることがわかる。
【００２８】
図９は、実施例の構成において、Ｒ／Ｓの値と摺動摩擦損失との関係を示すグラフである。Ｒ／Ｓの値を約４．０から約１１．０まで変化させた時、図９に示すような結果が得られた。Ｒ／Ｓの値が５．０以上９．０以下であれば、摺動摩擦損失を一定程度低減することが可能であり、６．０以上７．０以下であれば、摺動摩擦損失をより一層低減することが可能であることがわかる。
【００２９】
［実験例２］
図１０を参照して、ＣＡＥ（Computer  Aided  Engineering）を使用して行なった実験例２について説明する。実験例２は、実施例Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３および比較例Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を含み、実施例Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の構成および比較例Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の構成は、それぞれ、上述の実施の形態および比較例に基づいている。比較例Ｃ０においては、オフセットされていないクランク軸が用いられている。
【００３０】
比較例Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３において、オフセット量ａはクランク直径Ｓに対してそれぞれ１０％、２０％、２５％である。実施例Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３においても、オフセット量ａはクランク直径Ｓに対してそれぞれ１０％、２０％、２５％である。クランク直径Ｓは、実施例Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３および比較例Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３のいずれにおいても同一の値としている。
【００３１】
図１０は、Ｒ／Ｓ（つまり、シリンダ１Ｓの軸心１Ｔの半径Ｒ／クランク直径Ｓ）の値と、摺動摩擦損失との関係を示したグラフである。比較例Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の場合、シリンダ１Ｓの軸心１Ｔが直線形状を有しているため、Ｒ／Ｓの値に関係なく摺動摩擦損失は一定の値をとる。便宜上のため、比較例Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の結果も図１０中に記載している。比較例Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の中では、比較例Ｃ０が最も摺動摩擦損失が大きくなり、比較例Ｃ２が最も摺動摩擦損失が小さくなることがわかる。
【００３２】
実施例Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の場合には、Ｒ／Ｓの値を変化させることで、摺動摩擦損失も変化する。図１０に示す結果によると、Ｒ／Ｓの値が５．０以上であると、いずれの比較例よりも摺動摩擦損失が小さくなることがわかる。図９（実験例１）および図１０（実験例２）に示す結果を総合的に判断すると、Ｒ／Ｓの値が５．０以上９．０以下であれば、摺動摩擦損失を一定程度低減することが可能であり、６．０以上７．０以下であれば、摺動摩擦損失をより一層低減することが可能であることがわかる。
【００３３】
以上、実施の形態および実施例について説明したが、上記の開示内容はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３４】
１  シリンダブロック、１Ｓ  シリンダ、１Ｔ，３Ｃ  軸心、２  ピストン、２Ｃ  中心、２Ｍ  上端面、２Ｕ，５Ｕ  軌跡、３  クランク、４  コンロッド、５，６  連結部、７，９  基準線、８  直線、１０，１０Ｚ  クランク軸オフセットエンジン、Ｒ  半径、Ｓ  クランク直径、ａ  オフセット量。
【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】
2017075585.tif 000010
【図９】
2017075585.tif 000011
【図１０】
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