JP2009036143A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 複リンク式ピストン−クランク機構によりピストンスラップ現象の発生を低減・回避し、マグネシウム合金製のピストン８の採用を実現して軽量化を図る。
【解決手段】 一端がピストン８にピストンピン７を介して連結されたアッパリンク５と、クランクピン３に回転可能に取り付けられたロアリンク４と、をアッパ−ロア連結ピン６により連結する。ピストン８の往復移動に伴うアッパ−ロア連結ピン６の移動範囲６Ａを、実質的にピストンピン７の中心を通ってシリンダ軸方向に延びる基準軸線７Ａに対して一方の側に制限し、ピストン８をアルミニウムに比して比重の小さいマグネシウムを主体とする合金製とする。
【選択図】図３

Description

この発明は、ピストン−クランク機構によりピストンが往復動する内燃機関に関し、特に、ピストンの軽量化を図る技術に関する。

特許文献１は、本出願人が先に提案したものであり、複リンク式ピストン−クランク機構を用いた内燃機関の可変圧縮比機構を開示している。これは、一端がピストンにピストンピンを介して連結されたアッパリンクと、このアッパリンクの他端がアッパ−ロア連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、によって、ピストンとクランクピンとが連係されているとともに、上記ロアリンクの運動を拘束するように、ロアリンクにロア−コントロール連結ピンを介してコントロールリンクの一端が連結された構成となっており、コントロールリンクの他端が、例えばシリンダブロック下部に支持されている。そして、このコントロールリンクの他端の揺動中心をカム機構により変位させることで、ピストン上死点位置ひいては機関の圧縮比を変化させることができる。
特開２００１−２２７３６７号公報

このような複リンク式ピストン−クランク機構を内燃機関に適用することにより、単リンク式ピストン−クランク機構を用いる場合に比して、ピストンストローク特性を望ましい特性（例えば単振動）とすることにより、音振性能等を著しく向上でき、また、上述したように機関圧縮比を変更する機能を容易に実現できるといった多大な利点が得られる反面、部品点数の増加に伴う重量の増加が特に大きな課題となる。

そこで、本出願人はピストンの軽量化を図るために、ピストンの材料として良く用いられているアルミニウム（以下、「Ａｌ」とも記す）を主体とするＡｌ合金製のものからマグネシウム（以下、「Ｍｇ」とも記す）を主体とするＭｇ合金製に変更することを検討しているが、この場合、次のような問題がある。

図１３は、アルミニウム（Ａｌ）とマグネシウム（Ｍｇ）との材料の特性を示している。同図に示すように、マグネシウムはアルミニウムに比して比重が小さく、ピストン重量を約３０％低減可能である反面、熱膨張率が大きいことから、ピストンのスカート部とシリンダ間の隙間を大きく確保する必要がある。ここで、一般的な単リンク式のピストン−クランク機構では、ピストンの往復移動に伴ってコネクティングロッドからピストンへ作用する荷重は、コネクティングロッドがピストンピンの中心を通ってシリンダ軸線に平行な基準軸線に対して左右へ振れる構造であるために、スラスト−反スラスト方向に繰り返し向きを変える交番荷重となる。このため、上記のようにピストン−シリンダ間の隙間を大きく確保した場合、熱膨張前の冷機時のようにピストンとシリンダ間の隙間が大きく残されている状態では、上記の交番荷重によりピストンスカート部繰り返しシリンダ壁面に強く衝突する、いわゆるピストンスラップ現象が頻繁に生じることとなり、好ましくない振動や騒音を招くとともに、高い耐久性が要求されるという問題があった。

図１４を参照して、ピストンは、高温時には潤滑性能を確保できない潤滑ＮＧ領域、冷機時にはピストンスラップ現象が問題となるスラップ音ＮＧ領域とならないように設計される。なお、高温時には設計寸法を基準とすると上記の隙間がマイナスとなる条件も許容されているが、実際にはピストンスカート部の弾性変形によって摺動面の油膜厚さ分の隙間が確保される。同図に示すように、Ａｌ合金製のピストンでは、冷機時と高温時の双方でＮＧ領域とならないように設計することが可能である。しかしながら、Ａｌよりも熱膨張率が大幅に（約１５％）高いＭｇを主体とするＭｇ合金製のピストンでは、従来、潤滑側とスラップ側の双方でＮＧ領域を避けることは困難であった。また、Ｍｇは熱伝導率が低いため、ピストン内の熱が抜けにくい問題もあり、運転中のピストン温度がＡｌに比べ高くなるため、上記の問題がさらに悪化する傾向にあった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものである。つまり、本発明の内燃機関では、シリンダ内を往復動するピストンとクランクシャフトとを連結するピストン−クランク機構が、一端がピストンピンを介してピストンに連結されるアッパリンクと、このアッパリンクの他端がアッパ−ロア連結ピンを介して連結されるロアリンクと、を有する複リンク式のものである。このために、単リンク式のピストン−クランク機構に比して、ピストンストローク特性の設定の自由度が高く、例えば単振動に近い特性とすることで、ピストン加速度が平準化されて上死点付近の最大慣性力が低減し、ピストンピンおよびピンボス部の小型化の上で有利となる。しかも騒音振動特性の上で有利となり、例えば、直列４気筒機関のピストンストローク拡大に伴う、ピストンの慣性２次振動の悪化を回避できる。

そして本発明では、ピストンがマグネシウムを主体とする合金から形成されている。これによって、アルミニウム合金製のピストンに比して、ピストンの大幅な軽量化（例えば３０％の軽量化）が可能となるため、機関の高回転化など、大幅な出力性能向上効果とともに、振動低減効果が得られる。

このようなピストンのマグネシウム化を可能とするために、本発明では、ピストンの往復移動に伴うアッパ−ロア連結ピンの移動範囲を、実質的にピストンピンの中心を通ってシリンダ軸方向に延びる基準軸線に対して一方の側に制限している。

このように、アッパリンクが基準軸線に対して常に片側に振れるように設定することで、ピストンの挙動としては常にシリンダの片側に摺動することとなる。これによって、ピストンスラップと呼ばれるシリンダとの隙間内でのピストンのスラスト−反スラスト方向の首振り動作を著しく低減又は解消することができる。この結果、上述したように熱膨張率の大きいＭｇを主体とするＭｇ合金製のピストンを採用可能とし、ピストンの軽量化を図ることができるものである。

以上のように発明によれば、ピストンストローク特性の最適化や機関圧縮比の可変制御を容易に実現可能な複リンク式ピストン−クランク機構を採用した内燃機関において、ピストンとシリンダとの隙間に起因するピストンスラップ現象の発生を大幅に低減・解消することを可能とし、これによって、ピストンを比重の小さいマグネシウムを主体とするＭｇ合金により形成することができる。このために、複リンク式ピストン−クランク機構を採用する上で特に重要な課題である内燃機関の重量増加を大幅に軽減・抑制することができる。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明に係る内燃機関、例えば筒内直接噴射式ガソリン機関に用いられる可変圧縮比機構の構成を示す構成説明図である。この機構は、ロアリンク４とアッパリンク５とコントロールリンク１０とを主体とした複リンク式ピストン−クランク機構から構成されている。

クランクシャフト１は、複数のジャーナル部２とクランクピン３とを備えており、シリンダブロック１８の主軸受に、ジャーナル部２が回転自在に支持されている。上記クランクピン３は、ジャーナル部２から所定量偏心しており、ここにロアリンク４が回転自在に連結されている。カウンタウェイト１５は、ジャーナル部２とクランクピン３とを接続するクランクウェブ１６からクランクピン３とは反対側へ延びている。このカウンタウェイト１５は、クランクピン３を挟んで両側に互いに対向するように設けられており、その外周部は、ジャーナル部２を中心とした円弧形に形成されている。

上記ロアリンク４は、左右の２部材に分割可能に構成されているとともに、略中央の連結孔に上記クランクピン３が嵌合している。アッパリンク５は、下端側がアッパ−ロア連結ピン６によりロアリンク４の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン７によりピストン８に回動可能に連結されている。上記ピストン８は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック１８のシリンダ１９内を往復動する。ロアリンク４の運動を拘束するコントロールリンク１０は、上端側がロア−コントロール連結ピン１１によりロアリンク４の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸１２を介して機関本体の一部となるシリンダブロック１８の下部に回動可能に連結されている。詳しくは、制御軸１２は、回転可能に機関本体に支持されているとともに、その回転中心から偏心している偏心カム部１２ａを有し、この偏心カム部１２ａに上記コントロールリンク１０下端部が回転可能に嵌合している。上記制御軸１２は、図示せぬエンジンコントロールユニットからの制御信号に基づいて作動する図示せぬ圧縮比制御アクチュエータによって回動位置が制御される。

上記のような複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構においては、上記制御軸１２が圧縮比制御アクチュエータによって回動されると、偏心カム部１２ａの中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク１０の下端の揺動支持位置が変化する。そして、上記コントロールリンク１０の揺動支持位置が変化すると、ピストン８の行程が変化し、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン８の位置が高くなったり低くなったりする。これにより、機関圧縮比を変えることが可能となる。

図２は、上記の複リンク式ピストン−クランク機構の基本的な動作説明図であって、クランクシャフト１が１回転（３６０°ＣＡ）する間の各部の動作を、９０°ＣＡ毎に示している。図の（ｂ）がピストン上死点位置に相当し、この図（ｂ）から明らかなように、コントロールリンク１０の下端の位置が変化すれば、ピストン８が上下に変位して、圧縮比が変化することになる。

ここで本実施形態では、ピストン８をマグネシウムを主体とするマグネシウム合金により形成している。上述したように、このようなマグネシウム合金製のピストンは、アルミニウム合金製のピストンに比して、ピストン８の大幅な軽量化が可能となる一方、熱膨張率が大きいことから、ピストン８とシリンダ１９との隙間を大きく確保する必要があり、この隙間に起因するピストンスラップ現象の発生を如何に抑制するかが問題となる。

この問題を解決し得る複リンク式ピストン−クランク機構の実施例１と実施例２を図３及び図４に示している。なお、図４には比較例に係る単リンク式ピストン−クランク機構におけるピストンストローク特性を併せて示している。実施例１，２ともに、アッパリンク５の揺動角特性が、ピストンピン７の中心を通ってシリンダ軸方向に延びる基準軸線７Ａに対して、実質的に片側（図３の右側）のみに振れるように設定されている。つまり、ピストン８の往復移動に伴うアッパ−ロア連結ピン６の移動範囲（移動軌跡）６Ａを、基準軸線７Ａに対して実質的に一方の側に制限している。特に、これらの実施例では、燃焼行程において、アッパリンク５の基準軸線７Ａに対する傾きが燃焼行程において小さくなるように設定されている。従って、ピストン８をシリンダ１９に対して常にスラスト−反スラスト方向で一方の側に摺動させることができる。これによって、単リンク式ピストン−クランク機構のようにピストンの往復移動に伴ってスラスト−反スラスト方向で繰り返し荷重の向きがかわることがなく、このような交番荷重に起因するピストンスラップと呼ばれるシリンダ１９との隙間の中でのピストンの首振り動作を著しく低減又は解消することができる。このため、熱膨張率の大きいＭｇを主体とする合金でピストン８を造った場合でも、冷機時に隙間が大きくなることに起因するスラップ現象の発生を大幅に低減・解消できるのである。

なお、実施例１では、クランクシャフトの回転中心２Ａが基準軸線７Ａ上に配置されている一方、実施例２では、基準軸線７Ａを、クランクシャフトの回転中心２Ａに対してスラスト−反スラスト方向で一方の側、より詳しくはアッパリンク５の移動範囲６Ａが存在する側（図３の右側）へ所定量Δαだけオフセットさせている。このように実施例２では基準軸線７Ａをオフセットさせることによって、アッパリンク５の傾斜方向を完全に一方の側に制限することができ、ピストン８は確実に一方のシリンダ壁に押し付けられた状態で往復動する。これに対して実施例１の場合、実施例２に比して、ピストン８をシリンダ１９へ押し付ける角度を緩和しているため、膨張行程の半ばで若干反対側に傾斜する特性となっているが（符号６Ｂ参照）、その角度の絶対値はわずかであり、その期間も極短いので、ピストンを反対側に移動できるエネルギーは無視できるほどに小さい（中間行程で筒内圧も下がっており、慣性力もほぼ０の条件である）。従って、このような実施例１でも、ピストンを片側に押し付ける状態が圧倒的に多いことから、ピストンスラップの発生を十分に低減することができる。

また、上記の複リンク式可変圧縮比機構においては、リンクディメンジョンを適切に選定することにより、単振動に近いピストンストローク特性が得られる。特に、図１２に示すように、一般的な単リンク式ピストン−クランク機構のピストンストローク特性に比べて、より単振動に近い特性とすることが可能である。そして、ピストン加速度が平準化され、ピストン上死点付近での最大慣性力が大幅に低減する。なお、上記の単振動に近いピストンストローク特性によれば、上死点付近でのピストン８の速度が、単リンク式ピストン−クランク機構のものに比べて、２０％近く遅くなる。

次に、上記のピストン８およびアッパリンク５の構造について説明する。図５〜図８は、本発明の内燃機関に用いられるピストン８の構造を示している。このピストン８は、上述したようにマグネシウムを主体とするＭｇ合金により一体に鋳造され、比較的厚肉な円盤状をなすピストン頭部２１の外周面に、複数本、例えば３本のピストンリング溝２２が形成されているとともに、ピストン８のスラスト−反スラスト方向となる周方向の一部に、上記外周面から円筒面に沿って延びるように、スカート部２３が形成されている。このスカート部２３は、図８に示すように、ピストンピン７と直交する方向から見た投影形状が略矩形状をなし、そのピストンピン軸方向に沿った幅は、ピストンピン７の全長と略等しいか、あるいはピストンピン７の全長よりも短いものとなっている。つまり、スカート部２３は、周方向の非常に小さな範囲に設けられている。

また、上記ピストン８の中心部つまり円盤状をなすピストン頭部２１の裏面中心部に、一対のピンボス部２４が形成されており、該ピンボス部２４に、ピストンピン７の端部が回転自在に嵌合するピン孔２５が貫通形成されている。上記ピン孔２５の内周には、軸方向に沿った一対の油溝２６が形成されている。

一方、アッパリンク５は、鋼製のものであり、図９に示すように、ピストン８側の一端にピストンピン７が圧入されている。また、ロアリンク４と連結されるアッパリンク５の他端は、図１０に示すように、二股状に分岐し、上記アッパ−ロア連結ピン６の両端部を支持している。

ここで、アッパリンク５における上方のピストンピン７の軸長と、下方のアッパ−ロア連結ピン６の軸長とは、互いに等しい。また、ピストンピン７が受ける荷重とアッパ−ロア連結ピン６が受ける荷重とは基本的に等しいので、ピストンピン７とアッパ−ロア連結ピン６とは、互いに等しい径とすることができる。

また、図９および図１１に示すように、一対のピンボス部２４およびピストンピン７からなるピストン連結構造のピストンピン軸方向の寸法は、ピストン８ないしはシリンダ１９の直径に比べて、かなり小さなものとなっている。

そして、ピストン８が下死点近傍にあるときに、クランクシャフト１のカウンタウェイト１５の最外径部が、図示するように、ピストンピン７を軸方向へ延長した延長線と交差するようになっている。換言すれば、ピストン８が下死点近傍にあるときに、ピストンピン７を保持したピンボス部２４の側方を、カウンタウェイト１５の最外径部が通過する。なお、図２の（ｄ）は、単に動作を説明するためのものであるので、ピストンピン７とカウンタウェイト１５とが上下に離れて描かれているが、上記のように構成することで、図２（ｄ）の構成よりも、さらにピストン８をクランクシャフト１中心に近付けた構成とすることができる。

図１０は、対比のために、従来の一般的な単リンク式ピストン−クランク機構１０１とピストン１０２とを組み合わせた場合の上死点から下死点までのピストンストロークを示している。これと図１１とを比較すれば明らかなように、本実施形態の構成では、上死点から下死点までのピストンストロークが大幅に拡大し、排気量の拡大が可能である。例えば、２０％程度のピストンストロークの拡大が図れる。

また、図１１から明らかなように、スカート部２３も小型化されていることから、上記のようにカウンタウェイト１５がピンボス部２４の側方を通過する際に、スカート部２３と干渉することはない。このようにスカート部２３を小型化すると、その剛性を大きく確保することは困難であるが、上述したように、本実施形態ではアッパリンク５が基準軸線７Ａに対して実質的に一方の側のみに振れるように設定しので、ピストン８を傾けようと作用するサイドスラスト荷重は、一般の単リンク式ピストン−クランク機構の場合に比して極めて小さなものとなるので、スカート部２３は最小の大きさで済む。具体的には、ピストン８に最大燃焼圧が作用するのは、膨張行程の前半であり、図２の（ｃ）の付近でピストン頭部２１が最大荷重を受けることになるが、このとき、図示するように、アッパリンク５は、垂直に近い姿勢であり、シリンダ１９の軸線に対する傾きが非常に小さい。特に、単リンク式ピストン−クランク機構の場合のコネクティングロッドの姿勢に比べて、シリンダ１９の軸線に対する傾きを、より小さくすることが可能である。従って、サイドスラスト荷重が低減し、スカート部２３の小型化が可能となる。

さらに、上記の複リンク式ピストン−クランク機構の利点として、単振動に近いピストン−ストローク特性とすることで、ピストン加速度が平準化され、ピストン上死点付近での最大慣性力が大幅に低減する。従って、上記のピストンスラップの防止効果と併せて、ピストンピン７を保持するピンボス部２４の小型化が可能となる。

なお、図１０に示した単リンク式ピストン−クランク機構１０１を用いた構成において、仮に、クランクピンのクランク半径を大きくしてピストンストロークをロングストローク化したとすると、ピストン１０２に作用するサイドスラスト荷重は一層大きくなり、スカート部の小型化が到底困難であるばかりか、実用機関としての成立が難しくなる。

また、本発明は、直列４気筒機関に好適である。一般に、直列４気筒機関の場合、ピストン８の慣性２次振動がピストンストローク拡大に伴い急増するため、ストロークの拡大で大排気量化を図ると、騒音振動特性が悪化し、品質を著しく損ねる問題があったが、本発明で用いる複リンク式ピストン−クランク機構では、単振動に近いピストンストローク特性となるため、このような騒音振動特性の悪化を回避できる。

しかも、単振動に近いピストンストローク特性とすれば、上死点付近でのピストン８の速度が、単リンク式ピストン−クランク機構のものに比べて遅くなることから、同じ燃焼速度に対し十分に時間的な余裕が与えられることになり、気筒当たりの排気量が大きな燃焼室でも、良好な燃焼を確保できる。

なお、図５〜図８に例示したピストン８は、ピストンリングとして圧縮リングが２本の形式であるのに対し、図９に例示したピストン８は、圧縮リングが１本の構成となっている。本発明のピンボス部２４やピストンピン７を小型化したピストン８は、その下半分の重量が非常に軽くなるので、圧縮リングを１本とした構成は、ピストンピン７回りのピストン８の挙動安定の上で有利である。また、本発明のそもそもの目的であるピストンストローク拡大の上でも有利となる。

この発明に係る内燃機関の可変圧縮比機構の全体を示す構成説明図。 その基本的な動作を示す動作説明図。 本発明の実施例１（Ａ）及び実施例２（Ｂ）に係る複リンク式ピストン−クランク機構の作動特性を示す説明図。 上記実施例１，２及び比較例に係るピストンストローク特性を示す特性図。 クランクシャフトと直交する面に沿ったピストンの断面図。 クランクシャフト軸方向に沿ったピストンの断面図。 ピストンの一部を切り欠いて示す斜視図。 ピストンの側面図。 下死点におけるピストンとカウンタウェイトとの位置関係を示す説明図。 従来のピストン−クランク機構におけるピストンストロークの説明図。 本実施形態におけるピストンストロークの説明図。 本実施形態のピストン−ストローク特性を示す特性図。 アルミニウムとマグネシウムの材料特性の比較を示す説明図。 ピストン温度−ピストンスカート部とシリンダとの隙間との関係を示す説明図。

符号の説明

４…ロアリンク
５…アッパリンク
６…アッパ−ロア連結ピン
７…ピストンピン
７Ａ…基準軸線
８…ピストン
１０…コントロールリンク
１５…カウンタウェイト
２３…スカート部
２４…ピンボス部

Claims (7)

1. シリンダ内を往復動するピストンとクランクシャフトとを連結するピストン−クランク機構を有する内燃機関において、
   上記ピストン−クランク機構は、一端がピストンピンを介してピストンに連結されるアッパリンクと、このアッパリンクの他端がアッパ−ロア連結ピンを介して連結されるロアリンクと、を有する複リンク式のものであり、
   上記ピストンは、マグネシウムを主体とする合金からなり、
   かつ、上記ピストンの往復移動に伴うアッパ−ロア連結ピンの移動範囲を、実質的にピストンピンの中心を通ってシリンダ軸方向に延びる基準軸線に対して一方の側に制限したことを特徴とする内燃機関。
2. 上記ロアリンクがクランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられており、
   かつ、上記ピストン−クランク機構が、上記ロアリンクにロア−コントロール連結ピンを介して一端が連結されるとともに、他端が内燃機関本体に対して揺動可能に支持されるコントロールリンクを備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 上記コントロールリンクの上記他端の内燃機関本体に対する揺動支持位置を変位させる支持位置可変手段をさらに備え、上記揺動支持位置の変位により機関圧縮比を可変制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
4. 燃焼行程において、上記アッパリンクの基準軸線に対する傾きが燃焼行程において小さくなるように設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関。
5. クランクシャフトの回転に対する上記ピストンのピストンストローク特性が、単リンクのピストン−クランク機構における特性よりも単振動に近い特性となるように、上記ピストン−クランク機構のリンク構成が設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関。
6. 上記ピストンは、周方向の中のスラスト−反スラスト側となる部分に、それぞれスカート部を備えており、このスカート部のピストンピン軸方向に沿った幅が、ピストンピンの全長と略等しいか、あるいはピストンピンの全長よりも短いことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関。
7. クランクシャフトのカウンターウエイトの最外径部が、下死点近傍において、上記ピストンピンを回転可能に保持するピストンのピンボス部の側方を通過する構成としたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関。

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