JP2007009834A - ストローク可変往復動シリンダ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 往復動内燃機関におけるピストン往復動の圧縮比を簡単で且つ寸法増加が少なく且つ騒音が小さな機構により連続的に変化させる。
【解決手段】 クランク軸３のクランクピン３１に偏心カム部材５を取り付ける。偏心カム部材５は、クランクピン３１に対して回転可能に適合する内面５１と、クランクピン３１に平行で且つそれから偏心した対称中心Ｃ３をもつジャーナル部５２と、クランクピン３１と同心の第１スプロケット５３とを備えている。ジャーナル部５２にコネクティングロッド４の一端部に設けられた軸受部４２を回転可能に適合する。更に、クランク軸３に対して同軸にて回動可能な第２スプロケット６を配置し、その歯６１の数を第１スプロケット５３の歯数の２倍とする。第２スプロケット６に巻き付け固定されたリング状チェーン６５には内側から第１スプロケット５３が噛み合っている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ピストンがシリンダ内で往復移動することで該シリンダ内の容積が変動する往復動シリンダ装置に関するものであり、特に、ピストンの往復動ストロークを可変となした往復動シリンダ装置に関するものである。このようなストローク可変往復動シリンダ装置は、例えば往復動内燃機関または往復動圧縮機として利用することができる。

往復動内燃機関の一種であるガソリンエンジンにおいては、燃料混合気体の一定供給条件下では、ピストン往復動により変化するシリンダ内容積の最大値と最小値との比である圧縮比を高めた方が一般的には高出力が得られる。しかし、圧縮比が高すぎると、ノッキングが生ずる。このノッキングが発生しない圧縮比の範囲は、機関の回転数に応じて変化する。このため、実際には、全ての回転数領域でノッキングを発生しないような一定の圧縮比が採用されている。許容される圧縮比に余裕のある回転数において適宜圧縮比を高めることができれば、エンジンの出力を高めることが可能となる。

また、往復動内燃機関の他の一種であるディーゼルエンジン特に高加給ディーゼルエンジンにおいては、燃費改善の観点からは、点火時前後の比較的短い時間においてのみ高圧縮を行うことが好ましい。従って、エンジンの動作サイクルにおいて、点火の前後の比較的狭い時間範囲においてのみ特別に高圧縮が得られるようにすれば、エンジンの燃費を改善することが可能となる。

また、往復動圧縮機においては、需要機器側からの圧縮気体の要求に応じて、稼働条件を変更する必要がある。そのため、回転数制御機能付きのモータを用いた圧縮機を使用し、需要機器側の要求量が低減した場合には、モータの回転数を低下させることで単位時間当たりの圧縮気体の吐出量を低下させることがなされている。しかし、このような回転数制御によらずに、圧縮比を変化させて単位時間当たりの圧縮気体吐出量を変化させることができれば、モータとして単純な定速回転のものを使用することができる。

上記目的に使用可能な可変圧縮比の往復ピストン型内燃機関が、特表平１１−５０６５１１号公報（特許文献１）に記載されている。
特表平１１−５０６５１１号公報

しかるに、上記特許文献１に記載の内燃機関では、圧縮比を変化させるために、エキセントリッククランクピンを調整するコントロール手段が内歯ギアと外歯ギアとの噛み合いを利用したものであるため、特に外歯ギアに起因して装置寸法が大きくなり、また発生する騒音が大きいという不利があった。

本発明は、以上の如き技術的課題に鑑みて、上記のような往復動内燃機関または往復動圧縮機のような往復動シリンダ装置における圧縮比を簡単で且つ寸法増加が少なく且つ騒音が小さな機構により連続的に変化させることを目的とするものである。

更に、本発明の目的は、より一般的にいえば、往復動シリンダ装置におけるピストン往復動のストロークを簡単で且つ寸法増加が少なく且つ騒音が小さな機構により連続的に変化させることにある。

本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
シリンダと、該シリンダ内にて往復移動するピストンと、クランク軸と、該クランク軸と前記ピストンとの間で駆動力を伝達するためのコネクティングロッドとを備えている往復動シリンダ装置であって、
前記クランク軸のクランクピンには偏心カム部材が取り付けられており、該偏心カム部材は、前記クランクピンに対して回転可能に適合する内面と、前記クランクピンに平行で且つ該クランクピンから偏心した対称中心をもつジャーナル部と、前記クランクピンと同心の第１スプロケットとを備えており、前記ジャーナル部には前記コネクティングロッドの一端部に設けられた軸受部が回転可能に適合しており、
前記クランク軸に対して同軸にて回動可能な第２スプロケットが配置されており、該第２スプロケットの歯数は前記第１スプロケットの歯数の２倍であり、
前記第２スプロケットにはリング状チェーンが巻き付けられて固定されており、該チェーンには内側から前記第１スプロケットが噛み合っていることを特徴とするストローク可変往復動シリンダ装置、
が提供される。

本発明の一態様においては、前記第２スプロケットにはストローク制御部材が設けられており、該ストローク制御部材を介して前記クランク軸に対する前記第２スプロケットの回動位置を設定することにより、前記シリンダ内での前記ピストンの往復移動のストロークを設定するようにしてなる。

本発明のストローク可変往復動シリンダ装置によれば、クランクピンに取り付けられた偏心カム部材にクランクピンと同心の第１スプロケットを設け、他方でクランク軸に対して同軸回動可能で第１スプロケットの２倍の歯数の第２スプロケットを配置し、第２スプロケットに巻き付け固定されたリング状チェーンに内側から第１スプロケットを噛み合わせているので、装置寸法の増加を少なくし、低騒音にて、簡単な機構によりピストン往復動のストローク更には圧縮比を大幅且つ連続的に変化させることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明によるストローク可変往復動シリンダ装置の一実施形態としての内燃機関の部分斜視図であり、図２はその分解斜視図であり、図３〜図８はいずれもその断面図である。

図３〜図８に示されているように、上下方向に配置されたシリンダ１内にピストン２が上下方向に往復移動可能に適合されている。図１〜図８に示されているように、ピストン２は、水平方向のピストンピン２１を有する。尚、シリンダ１の上部には、燃料混合気体を導入するための配管及び燃焼ガスを排出するための配管がそれぞれ吸気弁及び排気弁を介して接続されており、シリンダ１内の圧縮燃料混合気体に点火するための点火装置が配置されるが、これらについては図示を省略する。

一方、内燃機関の回転出力を得るためのクランク軸３がシリンダ１の下方に水平に配置されている。クランク軸３は、回転中心Ｃ１を中心として回転可能なように不図示の手段により支持されており、該回転中心Ｃ１から適宜の距離隔てられて位置するクランクピン３１を有する。クランクピンの回転対称中心はＣ２である。

ピストン２からクランク軸３へと駆動力を伝達するために、コネクティングロッド４が設けられている。該コネクティングロッド４は一方の端部（上端部）及び他方の端部（下端部）にそれぞれ互いに平行な軸受部４１，４２を有しており、一方の軸受部４１はピストンピン２１に適合している。

クランクピン３１には偏心カム部材５が取り付けられている。該偏心カム部材５は、クランクピン３１に対して回転可能に適合する内面５１と、クランクピン３１に平行で且つ該クランクピンから偏心した対称中心Ｃ３をもつジャーナル部５２と、クランクピン３１と同心の第１スプロケット５３とを備えている。ジャーナル部５２にはコネクティングロッド４の他方の軸受部４２が回転可能に適合している。

また、第２スプロケット６が、支持部材８により回動可能に支持されて配置されている。この第２スプロケット６は、クランク軸３に対して同軸にて回動可能である。第２スプロケット６は、第１スプロケット５３より大径であり、その歯６１の数は第１スプロケット５３の歯数の２倍とされている。

第２スプロケット６の歯６１には、リング状チェーン６５が巻き付けられて固定されている。このチェーン６５はダブルチェーンであり、その一方の列に第２スプロケット６の歯６１が噛み合っている。ダブルチェーン６５の他方の列には、内側から上記第１スプロケット５３の歯が噛み合っている。

第２スプロケット６には、径方向外方へと突出せるストローク制御部材６２が設けられている。該ストローク制御部材６２は、支持部材８に形成された周方向の溝８１を貫通している。クランク軸３に対する第２スプロケット６の回動位置を設定することでシリンダ１内でのピストン２の往復移動のストロークを設定することができる。そのため、ストローク制御部材６２をクランク軸３の回転中心Ｃ１の周りで周方向に移動させる。このストローク制御部材６２の移動角度範囲は、図１、図３及び図５に示される第１の角度位置Ｐ１から第２の角度位置Ｐ２までとされている。角度位置Ｐ１と角度位置Ｐ２との差は９０°である。ストローク制御部材６２は、不図示の制御手段の作用部分と係合しており、シリンダ内におけるピストン位置との関係で予め決められた様式に従って制御手段からの指令により角度位置を変化させることができる。

以下、本実施形態の動作を説明する。

図３〜図６は、図３及び図５に示されるように、ストローク制御手段によりストローク制御部材６２が角度位置Ｐ１に設定されている最大ストローク即ち最大圧縮比の場合を示す。この場合において、図３及び図４に示されるようにピストン２がシリンダ１内の上死点に位置すると、第２スプロケット６の歯６１と第１スプロケット５３の歯とのリング状チェーン６５を介した係合関係に基づき、ジャーナル部５２の対称中心Ｃ３はクランクピン３１の回転対称中心Ｃ２の真上に位置し、クランク軸３の回転中心Ｃ１とクランクピン３１の回転対称中心Ｃ２とジャーナル部５２の対称中心Ｃ３とは同一平面内に位置する。一方、図５及び図６に示されるようにピストン２がシリンダ１内の下死点に位置すると、第２スプロケット６の歯６１と第１スプロケット５３の歯とのリング状チェーン６５を介した係合関係に基づき、ジャーナル部５２の対称中心Ｃ３はクランクピン３１の回転対称中心Ｃ２の真下に位置し、クランク軸３の回転中心Ｃ１とクランクピン３１の回転対称中心Ｃ２とジャーナル部５２の対称中心Ｃ３とは同一平面内に位置する。上記のように、第２スプロケット６の歯６１の歯数は第１スプロケット５３の歯数の２倍とされているので、ピストン２が上死点と下死点との間にあるときにも、回転中心Ｃ１と回転対称中心Ｃ２と対称中心Ｃ３とは同一平面内に位置する。かくして、ジャーナル部５２の対称中心Ｃ３は、クランク軸３の回転中心Ｃ１からの距離を一定に維持しつつ、該回転中心Ｃ１の周りを回転することになる。これにより、ピストン２は、図４に示されるようなシリンダヘッドからの距離がＳ１である上死点位置と図６に示されるようなシリンダヘッドからの距離がＳ２である下死点位置との間で往復移動し、即ちピストン往復移動のストロークは（Ｓ２−Ｓ１）となる。このストロークは、回転中心Ｃ１と回転対称中心Ｃ２との間の距離に回転対称中心Ｃ２と対称中心Ｃ３との間の距離を加えたものの２倍に相当する。

図７及び図８は、ストローク制御手段によりストローク制御部材６２が図３及び図５に示される角度位置Ｐ２に設定されている最小ストローク即ち最小圧縮比の場合を示す。この場合において、図７に示されるようにピストン２がシリンダ１内の上死点に位置すると、第２スプロケット６の歯６１と第１スプロケット５３の歯とのリング状チェーン６５を介した係合関係に基づき、ジャーナル部５２の対称中心Ｃ３はクランクピン３１の回転対称中心Ｃ２の真下に位置し、クランク軸３の回転中心Ｃ１とクランクピン３１の回転対称中心Ｃ２とジャーナル部５２の対称中心Ｃ３とは同一平面内に位置する。一方、図８に示されるようにピストン２がシリンダ１内の下死点に位置すると、第２スプロケット６の歯６１と第１スプロケット５３の歯とのリング状チェーン６５を介した係合関係に基づき、ジャーナル部５２の対称中心Ｃ３はクランクピン３１の回転対称中心Ｃ２の真上に位置し、クランク軸３の回転中心Ｃ１とクランクピン３１の回転対称中心Ｃ２とジャーナル部５２の対称中心Ｃ３とは同一平面内に位置する。上記のように、第２スプロケット６の歯６１の歯数は第１スプロケット５３の歯数の２倍とされているので、ピストン２が上死点と下死点との間にあるときにも、回転中心Ｃ１と回転対称中心Ｃ２と対称中心Ｃ３とは同一平面内に位置する。かくして、ジャーナル部５２の対称中心Ｃ３は、クランク軸３の回転中心Ｃ１からの距離を一定に維持しつつ、該回転中心Ｃ１の周りを回転することになる。これにより、ピストン２は、図７に示されるようなシリンダヘッドからの距離がＳ３である上死点位置と図８に示されるようなシリンダヘッドからの距離がＳ４である下死点位置との間で往復移動し、即ちピストン往復移動のストロークは（Ｓ４−Ｓ３）となる。このストロークは、回転中心Ｃ１と回転対称中心Ｃ２との間の距離から回転対称中心Ｃ２と対称中心Ｃ３との間の距離を減じたものの２倍に相当する。

ストローク制御手段によりストローク制御部材６２が角度位置Ｐ１と角度位置Ｐ２との間の角度位置に設定される場合には、最大ストロークまたは最大圧縮比と最小ストロークまたは最小圧縮比との間のストロークまたは圧縮比が得られる。

本実施形態では、最大ストロークと最小ストロークとの差は回転対称中心Ｃ２と対称中心Ｃ３との間の距離（即ち偏心カム部材のジャーナル部偏心量）の２倍であり、この距離を適宜設定することで、ストローク変動ひいては圧縮比変動の幅を大きなものとすることが容易である。

以上のように、簡単な機構で、ストロークを自由に且つ連続的に変化させることができるので、出力回転数などの機関の運転条件をストローク制御手段に入力し、この運転条件に応じて、ノッキングを発生させない範囲で圧縮比を高めた運転が可能となり、機関出力の向上が実現される。また、ストローク変化のための手段において、第１スプロケット及び第２スプロケットとこれらに噛み合うリング状チェーンとの組み合わせを用いているので、互いに噛み合うギヤを用いたものに比べて、装置寸法の増加が少なく、低騒音である。

尚、ストローク及び圧縮比は、上記のように、往復動の１サイクルにつき決定されるのが典型的である。しかし、往復動の１サイクルの結果としてのストローク及び圧縮比とは別に、往復動の１サイクル内においても変動可能な仮想的なストローク及び圧縮比を定義することができる。即ち、ストローク制御部材６２の角度位置を変化させることで状態変化を実現することができるので、ストローク制御部材６２の各角度位置にて往復動の１サイクルを実行したときのストローク及び圧縮比を当該角度位置での仮想的なストローク及び圧縮比として定義することができる。本発明においては、往復動の１サイクル内においてストローク制御部材６２の角度位置を変化させることで仮想的なストローク及び圧縮比を変化させることも可能である。従って、例えば、高加給ディーゼルエンジンにおいて、１サイクル毎に点火時前後の比較的短い時間においてのみ高圧縮比となし且つ他の時間においては圧縮比を適宜低下させることで、燃費を改善することが可能となる。

以上の実施形態では、ストローク可変往復動シリンダ装置としてシリンダ内で燃料混合気体の燃焼爆発が行われる往復動内燃機関が採用されており、ここでは、コネクティングロッドは、ピストンの往復移動の駆動力を偏心カム部材を介してクランク軸へと伝達し、これにより該クランク軸を回転させている。

しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、その他のストローク可変往復動シリンダ装置への適用が可能である。そのような装置としては、例えば、シリンダ内での吸入気体の圧縮により得られた圧縮気体が吐出される往復動圧縮機を挙げることができる。この場合、コネクティングロッドは、回転駆動源によるクランク軸の回転運動の駆動力を偏心カム部材を介してピストンへと伝達し、これにより該ピストンをシリンダ内で往復移動させる。尚、シリンダの上部には、被圧縮気体を導入するための配管及び圧縮気体を排出するための配管がそれぞれ弁を介して接続される。このストローク可変往復動圧縮機によれば、装置寸法の増加が少なく、低騒音である簡単な機構で、ストローク制御手段によりストロークを自由且つ連続的且つ大幅に変化させることができるので、回転駆動源として単純な定速回転のモータを使用して、需要機器側からの圧縮気体の要求をストローク制御手段に入力し、これに応じて適切な単位時間当たりの吐出量を実現することができる。

更に、本発明は非圧縮性の流体を送給するポンプなど、各種の往復動シリンダ装置に適用することが可能である。

本発明によるストローク可変往復動シリンダ装置の一実施形態としての内燃機関の部分斜視図である。 図１の実施形態の分解斜視図である。 図１の実施形態の断面図である。 図１の実施形態の断面図である。 図１の実施形態の断面図である。 図１の実施形態の断面図である。 図１の実施形態の断面図である。 図１の実施形態の断面図である。

符号の説明

１ シリンダ
２ ピストン
２１ ピストンピン
３ クランク軸
３１ クランクピン
４ コネクティングロッド
４１，４２ 軸受部
５ 偏心カム部材
５１ 内面
５２ ジャーナル部
５３ 第１スプロケット
６ 第２スプロケット
６１ 第２スプロケットの歯
６２ ストローク制御部材
６５ リング状ダブルチェーン
８ 支持部材
８１ 溝
Ｃ１ クランク軸の回転中心
Ｃ２ クランクピンの回転対称中心
Ｃ３ ジャーナル部の対称中心

Claims (4)

1. シリンダと、該シリンダ内にて往復移動するピストンと、クランク軸と、該クランク軸と前記ピストンとの間で駆動力を伝達するためのコネクティングロッドとを備えている往復動シリンダ装置であって、
   前記クランク軸のクランクピンには偏心カム部材が取り付けられており、該偏心カム部材は、前記クランクピンに対して回転可能に適合する内面と、前記クランクピンに平行で且つ該クランクピンから偏心した対称中心をもつジャーナル部と、前記クランクピンと同心の第１スプロケットとを備えており、前記ジャーナル部には前記コネクティングロッドの一端部に設けられた軸受部が回転可能に適合しており、
   前記クランク軸に対して同軸にて回動可能な第２スプロケットが配置されており、該第２スプロケットの歯数は前記第１スプロケットの歯数の２倍であり、
   前記第２スプロケットにはリング状チェーンが巻き付けられて固定されており、該チェーンには内側から前記第１スプロケットが噛み合っていることを特徴とするストローク可変往復動シリンダ装置。
2. 前記第２スプロケットにはストローク制御部材が設けられており、該ストローク制御部材を介して前記クランク軸に対する前記第２スプロケットの回動位置を設定することにより、前記シリンダ内での前記ピストンの往復移動のストロークを設定するようにしてなることを特徴とする、請求項１に記載のストローク可変往復動シリンダ装置。
3. 前記ストローク可変往復動シリンダ装置は前記シリンダ内で燃料混合気体の燃焼爆発が行われる内燃機関であって、前記コネクティングロッドは、前記ピストンの往復移動の駆動力を前記偏心カム部材を介して前記クランク軸のクランクピンへと伝達し、これにより前記クランク軸を回転させるものであることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載のストローク可変往復動シリンダ装置。
4. 前記ストローク可変往復動シリンダ装置は前記シリンダ内での吸入気体の圧縮により得られた圧縮気体が吐出される圧縮機であって、前記コネクティングロッドは、回転駆動源による前記クランク軸の回転運動の駆動力を前記偏心カム部材を介して前記ピストンへと伝達し、これにより該ピストンを前記シリンダ内で往復移動させるものであることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載のストローク可変往復動シリンダ装置。

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