JP2019027362A

JP2019027362A - ４サイクルエンジン

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Publication number: JP2019027362A
Application number: JP2017147491A
Authority: JP
Inventors: 利雄塩島; Toshio Shiojima
Original assignee: HKS Co Ltd
Current assignee: HKS Co Ltd
Priority date: 2017-07-31
Filing date: 2017-07-31
Publication date: 2019-02-21
Anticipated expiration: 2037-07-31
Also published as: JP6990059B2

Abstract

【課題】コンパクトな構成によって、ピストンの膨張行程のストロークが圧縮行程のストロークより長くなるように設定可能にすること。【解決手段】４サイクルエンジン１００であって、クランクジャーナル４１に同軸的に固定される第１歯車６１と、第１歯車６１と連動可能にされ、クランクピン４２に同軸的に枢支される第２歯車６２と、第２歯車６２に固着されてクランクピン４２に枢支され、クランクピン４２と偏心量ｅをなす外周円７０Ａを備える偏心ピン７０とを有し、コンロッド５０の大端部５１に設けた大端孔５１Ａが偏心ピン７０の外周円７０Ａに枢支され、ピストン３０の膨張行程のストロークが吸入行程のストロークより長くなるように設定されてなるもの。【選択図】図１

Description

本発明は４サイクルエンジンに関する。

４サイクルエンジンは、シリンダと、クランクケースと、シリンダ内を摺動するピストンと、クランクケースに枢支されるクランクジャーナルを備えたクランクシャフトと、クランクシャフトのクランクピンに大端部が連結され、ピストンに小端部が連結されるコンロッドとを有して構成されている。

特許文献１に記載の４サイクルエンジンは、シリンダ軸線に対するオフセット量が変更可能なガイド部材と、ガイド部材に摺動自在に案内されるスライダと、一端がピストンに接続されて他端がスライダに接続された第１コンロッドと、一端が第１コンロッドに接続されて他端がクランクシャフトに接続された第２コンロッドと、ガイド部材のオフセット量を膨張行程のストロークが圧縮行程のストロークよりも長くなるようにクランクシャフトの回転位相に応じて変更するオフセット量変更手段とを備えることとしている。

特許文献１に記載の４サイクルエンジンによれば、ピストンの膨張行程のストロークが圧縮行程のストロークより長くなるように設定される。従って、圧縮行程で圧縮された混合気が爆発燃焼して生ずる燃焼ガスの圧力・温度エネルギーを、膨張行程においてより長時間に渡ってクランクジャーナルの回転力として取り出すことができ、エンジンの熱効率を向上できる。

特開2007-71107号公報

しかしながら、特許文献１に記載の４サイクルエンジンでは、ピストンの膨張行程のストロークが圧縮行程のストロークより長くなるように設定可能にするために、クランクシャフトの周辺に、ガイド部材と、スライダと、第１コンロッドと、第２コンロッドと、オフセット量変更手段とからなるリンク機構を備える必要があり、構成複雑である。

本発明の課題は、コンパクトな構成によって、ピストンの膨張行程のストロークが圧縮行程のストロークより長くなるように設定可能にすることにある。

請求項１に係る発明は、シリンダと、クランクケースと、シリンダ内を摺動するピストンと、クランクケースに枢支されるクランクジャーナルを備えたクランクシャフトと、クランクシャフトのクランクピンに大端部が連結され、ピストンに小端部が連結されるコンロッドとを有してなる４サイクルエンジンであって、クランクジャーナルに同軸をなすように配置され、クランクケースの側に固定される第１歯車と、第１歯車と連動可能にされ、クランクピンに同軸的に枢支される第２歯車と、第２歯車に固着されてクランクピンに枢支され、クランクピンと偏心量ｅをなす外周円を備える偏心ピンとを有し、コンロッドの大端部に設けた大端孔が偏心ピンの外周円に枢支され、ピストンが吸入行程の終了時又は膨張行程の終了時の下死点にあるとき、コンロッドの大端孔の中心とクランクピンの中心が、コンロッドの大端部と小端部を結ぶ中心線上、かつシリンダの中心線上に位置付けられ、ピストンの膨張行程のストロークが吸入行程のストロークより長くなるように設定されてなるようにしたものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において更に、前記第１歯車の歯数が第２歯車の歯数の１／２であるようにしたものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に係る発明において更に、前記第１歯車と第２歯車が伝動媒体を介して接続され、前記クランクシャフトのクランクジャーナルが１回転するときに、偏心ピンが１／２回転するように設定されたものである。

請求項４に係る発明は、請求項２に係る発明において更に、前記第１歯車と第２歯車が直接的に噛合い接続され、前記クランクシャフトのクランクジャーナルが１回転するときに、偏心ピンが1.5回転するように設定されたものである。

(a)コンロッドの大端部（大端孔）は、クランクピンと偏心量ｅをなす偏心ピンの外周円に枢支される。従って、ピストンが２往復（クランクシャフトが２回転）して吸入行程、圧縮行程、膨張行程、排出行程の４行程（１サイクル）を完了する過程で、クランクシャフトのクランクピンがクランクジャーナルまわりを２回転するとき、コンロッドの大端部の中心（大端孔の中心）の回転軌道Ｋは図１（又は図８）に１点鎖線で示す通りになる。

(b)ピストンが吸入行程の開始時にあるときのコンロッドの大端孔の中心とクランクピンの中心の各位置と、ピストンが膨張行程の開始時にあるときのコンロッドの大端孔の中心とクランクピンの中心の各位置とは、上述の回転軌道Ｋによれば、シリンダの中心線に関して互いに線対称をなす。従って、ピストンの膨張行程の開始時の上死点位置Ｃ（図５、図１２）と、ピストンの吸入行程の開始時の上死点位置Ａ（図３、図１０）は、同一高さ位置になる。

(c)ピストンが吸入行程の終了時又は膨張行程の終了時の下死点にあるとき、上述の回転軌道Ｋによれば、コンロッドの大端孔の中心とクランクピンの中心は、コンロッドの大端部と小端部を結ぶ中心線上にあり、かつシリンダの中心線上にある。従って、ピストンの膨張行程の終了時のピストンの下死点位置Ｄ（図６、図１３）は、ピストンの吸入行程の終了時のピストンの下死点位置Ｂ（図４、図１１）よりも２ｅだけ下方に長く、低い位置になる。

(d)上述(b)、(c)によれば、ピストンの膨張行程のストローク（膨張行程の開始時の上死点Ｃ乃至膨張行程の終了時の下死点Ｄ）は、ピストンの吸入行程のストローク（吸入行程の開始時の上死点Ａ乃至吸入行程の終了時の下死点Ｂ）より、２ｅだけ長くなる。

(e)第１歯車をクランクジャーナルに同軸的に固定し、第２歯車をクランクピンに同軸的に枢支し、第２歯車に固着した偏心ピンをクランクピンに枢支し、コンロッドの大端部を偏心ピンの外周縁に枢支したことにより、コンパクトな構成によって、ピストンの膨張行程のストロークが圧縮行程のストロークより長くなるように設定できる。

図１は実施例１の４サイクルエンジンを示す模式正面図である。図２は図１の模式断面図である。図３は吸入行程開始時の上死点状態を示す模式図である。図４は吸入行程終了時の下死点状態を示す模式図である。図５は膨張行程開始時の上死点状態を示す模式図である。図６は膨張行程終了時の下死点状態を示す模式図である。図７は１サイクルにおけるピストンの上死点からの変位を示す模式図である。図８は実施例２の４サイクルエンジンを示す模式正面図である。図９は図８の模式断面図である。図１０は吸入行程開始時の上死点状態を示す模式図である。図１１は吸入行程終了時の下死点状態を示す模式図である。図１２は膨張行程開始時の上死点状態を示す模式図である。図１３は膨張行程終了時の下死点状態を示す模式図である。図１４は１サイクルにおけるピストンの上死点からの変位を示す模式図である。

（実施例１）（図１乃至図７）
実施例１に係る４サイクルエンジン１００は、図１、図２（点火機構及び給排気バルブ機構等は省略してある）に示す如く、シリンダ１０と、クランクケース２０と、シリンダ１０内を摺動するピストン３０と、クランクケース２０に枢支されるクランクジャーナル４１を備えたクランクシャフト４０と、クランクシャフト４０のクランクピン４２に大端部５１が連結され、ピストン３０に小端部５２が連結されるコンロッド５０とを有して構成される。クランクシャフト４０は、クランクジャーナル４１とクランクピン４２をクランクウエブ４３によってつないでいる。

４サイクルエンジン１００にあっては、ピストン３０が２往復（クランクシャフト４０が２回転）して、図３に示す吸入行程の開始乃至図４に示す吸入行程の終了までの吸入行程、図４に示す圧縮行程の開始乃至図５に示す圧縮行程の終了までの圧縮行程、図５に示す膨張行程の開始乃至図６に示す膨張行程の終了までの膨張行程、図６に示す排出行程の開始乃至図３に示す排出行程の終了までの排出行程の４行程（１サイクル）を完了する。

しかるに、４サイクルエンジン１００は、第１歯車６１と第２歯車６２と中間歯車６３を有する。第１歯車６１は、クランクジャーナル４１に同軸をなすように配置され、クランクケース２０の側に固定されていて、クランクケース２０に対して不動とされる。第２歯車６２は、伝動媒体としての中間歯車６３を介して第１歯車６１と連動可能に接続され、クランクピン４２に同軸的に枢支される。尚、本実施形態では、第１歯車６１は、支軸６１Ａがクランクジャーナル４１の中心軸上に設けた中空孔に貫通配置され、該支軸６１Ａの一端に結合した取付部６１Ｂがクランクケース２０の側に固定される。中間歯車６３はクランクウエブ４３に設けた支軸４３Ａに枢支される。

４サイクルエンジン１００は、偏心ピン７０を有する。偏心ピン７０は、第２歯車６２に固着されてクランクピン４２に枢支され、クランクピン４２と偏心量eをなす外周円７０Ａを備える。

４サイクルエンジン１００は、コンロッド５０の大端部５１に設けた大端孔５１Ａが偏心ピン７０の外周円７０Ａに枢支される。そして、４サイクルエンジン１００は、ピストン３０が吸入行程の終了時（図４）又は膨張行程の終了時（図６）の下死点Ｂ、Ｄにあるとき、コンロッド５０の大端孔５１Ａの中心５１ｃとクランクピン４２の中心４２ｃが、コンロッド５０の大端部５１と小端部５２を結ぶ中心線上、かつシリンダ１０の中心線上に位置付けられる。これにより、４サイクルエンジン１００は、ピストン３０の膨張行程のストローク（図５に示した膨張行程の開始時の上死点Ｃ乃至図６に示した膨張行程の終了時の下死点Ｄの距離）が、吸入行程のストローク（図３に示した吸入行程の開始時の上死点Ａ乃至図４に示した吸入行程の終了時の下死点Ｂの距離）より長くなるように設定される。

このとき、クラックシャフト４０のクランクジャーナル４１に同軸をなすように配置され、クランクケース２０の側に固定されている第１歯車６１の歯数が、クランクピン４２に枢支されている第２歯車６２の歯数の１／２とされ、クラックシャフト４０がθ1回転するときに、クランクピン４２に枢支されている第２歯車６２及び偏心ピン７０はθ1／２回転する。また、クラックシャフト４０の回転方向に対し、クランクピン４２に枢支されている第２歯車６２及び偏心ピン７０の回転方向は中間歯車６３の介在によって逆向きとなる。従って、クランクシャフト４０の回転角θ1に対し、偏心ピン７０の回転角θ2はθ2＝θ1−θ1／２＝θ1／２になる。

本実施例の４サイクルエンジン１００によれば以下の作用効果を奏する。
(a)コンロッド５０の大端部５１（大端孔５１Ａ）は、クランクピン４２と偏心量ｅをなす偏心ピン７０の外周円７０Ａに枢支される。従って、ピストン３０が２往復（クランクシャフト４０が２回転）して吸入行程、圧縮行程、膨張行程、排出行程の４行程（１サイクル）を完了する過程で、クランクシャフト４０のクランクピン４２がクランクジャーナル４１まわりを２回転するとき、コンロッド５０の大端部５１の中心（大端孔５１Ａの中心５１ｃ）の回転軌道Ｋは図１に１点鎖線で示す通りになる。

(b)ピストン３０が吸入行程の開始時にあるときのコンロッド５０の大端孔５１Ａの中心５１ｃとクランクピン４２の中心の各位置と、ピストン３０が膨張行程の開始時にあるときのコンロッド５０の大端孔５１Ａの中心５１ｃとクランクピン４２の中心の各位置とは、上述の回転軌道Ｋによれば、シリンダの中心線に関して互いに線対称をなす。従って、ピストン３０の膨張行程の開始時の上死点位置Ｃ（図５）と、ピストン３０の吸入行程の開始時の上死点位置Ａ（図３）は、同一高さ位置になる。

(c)ピストン３０が吸入行程の終了時又は膨張行程の終了時の下死点にあるとき、上述の回転軌道Ｋによれば、コンロッド５０の大端孔５１Ａの中心５１ｃとクランクピン４２の中心は、コンロッド５０の大端部５１と小端部を結ぶ中心線上にあり、かつシリンダの中心線上にある。従って、ピストン３０の膨張行程の終了時のピストン３０の下死点位置Ｄ（図６）は、ピストン３０の吸入行程の終了時のピストン３０の下死点位置Ｂ（図４）よりも２ｅだけ下方に長く、低い位置になる。

(d)上述(b)、(c)によれば、ピストン３０の膨張行程のストローク（膨張行程の開始時の上死点Ｃ乃至膨張行程の終了時の下死点Ｄ）は、ピストン３０の吸入行程のストローク（吸入行程の開始時の上死点Ａ乃至吸入行程の終了時の下死点Ｂ）より、２ｅだけ長くなる。

従って、圧縮行程で圧縮された混合気が爆発燃焼して生ずる燃焼ガスの圧力・温度エネルギーを、膨張行程においてより長時間に渡ってクランクジャーナル４１の回転力として取り出すことができ、エンジン１００の熱効率を向上できる。

(e)第１歯車６１をクランクジャーナル４１に同軸的に固定し、第２歯車６２をクランクピン４２に同軸的に枢支し、第２歯車６２に固着した偏心ピン７０をクランクピン４２に枢支し、コンロッド５０の大端部５１を偏心ピン７０の外周縁に枢支したことにより、コンパクトな構成によって、ピストン３０の膨張行程のストロークが圧縮行程のストロークより長くなるように設定できる。

(f)第１歯車６１と第２歯車６２の間に中間歯車６３を介在させたことにより、クランクジャーナル４１に対するクランクピン４２の回転半径が定まっているときの第１歯車６１と第２歯車６２の歯数（歯車径）の設計の自由度、又は第１歯車６１と第２歯車６２の歯数（歯車径）が定まっているときのクランクジャーナル４１に対するクランクピン４２の回転半径の設計の自由度をそれぞれ高めることができる。

尚、図１に示す如く、クランクシャフト４０のクランクジャーナル４１の中心ｏを原点とし、シリンダ１０の中心線をＹ軸、原点を通ってＹ軸に直交する直線をＸ軸とするＸＹ座標上で、４サイクルエンジン１００の１サイクルにおいて移動する、コンロッド５０の大端部５１の位置（大端孔５１Ａの中心５１ｃの位置）（Ｘ，Ｙ）を算定し、更にはシリンダ１０の中心線上におけるコンロッド５０の小端部５２の位置Ｙ´をピストン３０の位置として算定すれば以下の通りになる。

クランクシャフト４０におけるクランクピン４２の回転半径をＲ1、クランクシャフト４０の回転角をθ1とするとき、クランクピン４２の位置（Ｘ1，Ｙ1）は、
Ｘ1＝Ｒ1・sin …(1)
Ｙ1＝Ｒ1・cosθ1 …(2)
となり、クランクピン４２に対する偏心ピン７０の偏心量をｅ、偏心ピン７０の回転角をθ2（θ2＝θ1／２）とするとき、クランクピン４２の位置（Ｘ1，Ｙ1）に対するコンロッド５０の大端部５１の位置ずれ量（Ｘ2，Ｙ2）は、
Ｘ2＝e・sinθ2 …(3)
Ｙ2＝e・cosθ2 …(4)
となる。このとき、コンロッド５０の大端部５１の位置（Ｘ，Ｙ）は、
Ｘ＝Ｘ1＋Ｘ2 …(5)
Ｙ＝Ｙ1＋Ｙ2 …(6)
となり、コンロッド５０の大端部５１乃至小端部５２の中心間距離をＬ、シリンダ１０の中心線に対するコンロッド５０の首振角をφ（φ＝sin（-1）(Ｘ／Ｌ)）とするとき、シリンダ１０の中心線上におけるコンロッド５０の小端部５２の位置（換言すれば、ピストン３０の位置）Ｙ´は、
Ｙ´＝Ｌ・cosφ＋Ｙ …(7)
となる。

上述(1)式乃至(7)式において、例えば、Ｒ1＝41.78mm、ｅ＝10mm、Ｌ＝120.00mmとしたとき、θ1が0.0度（図６の下死点位置Ｄ）、45.0度（図１）、180.0度、188.6度（図３の上死点位置Ａ）、360.0度（図４の下死点位置Ｂ）、531.4度（図５の上死点位置Ｃ）、540.0度、720.0度（図６の下死点位置Ｄ）にあるときのＹ1、Ｘ1、θ2、Ｙ2、Ｘ2、Ｙ、Ｘ、φ、Ｙ´は表１に示す通りとなり、ピストン３０の上死点からの位置ＹPは図７に示した通りになる。

表１、図７によれば、ピストン３０の膨張行程の開始時の上死点位置Ｃは162.00mm、ピストン３０の吸入行程の開始の上死点位置Ａは162.00mmであり、それらの上死点位置Ａ、Ｃは同一高さ位置になることが検証された。

また、ピストン３０の膨張行程の終了時の下死点位置Ｄは、68.22mmであり、ピストン３０の吸入行程の終了時の下死点位置Ｂ＝88.22mmよりも２ｅ＝20mmだけ下方に長く、低い位置になることが検証された。

（実施例２）（図８乃至図１４）
実施例２に係る４サイクルエンジン２００が、実施例１に係る４サイクルエンジン１００と異なる点は、図８、図９に示す如く、第１歯車６１と第２歯車６２を直接的に噛合い接続させたことにある。

この４サイクルエンジン２００では、クラックシャフト４０のクランクジャーナル４１に同軸をなすように配置され、クランクケース２０の側に固定されている第１歯車６１の歯数が、クランクピン４２に枢支されている第２歯車６２の歯数の１／２とされ、クラックシャフト４０がθ1回転するときに、クランクピン４２に枢支されている第２歯車６２及び偏心ピン７０はθ1／２回転する。また、クラックシャフト４０の回転方向に対し、クランクピン４２に枢支されている第２歯車６２及び偏心ピン７０の回転方向は、両歯車６１，６２の直接的な噛合い接続によって同一向きとなる。従って、クランクシャフト４０の回転角θ1に対し、偏心ピン７０の回転角θ2はθ2＝θ1＋θ1／２＝1.5θ1になる。

従って、４サイクルエンジン２００にあっても、４サイクルエンジン１００と同様に、ピストン３０が２往復（クランクシャフト４０が２回転）して、図１０に示す吸入行程の開始乃至図１１に示す吸入行程の終了までの吸入行程、図１１に示す圧縮行程の開始乃至図１２に示す圧縮行程の終了までの圧縮行程、図１２に示す膨張行程の開始乃至図１３に示す膨張行程の終了までの膨張行程、図１３に示す排出行程の開始乃至図１０に示す排出行程の終了までの排出行程の４行程（１サイクル）を完了する。

そして、４サイクルエンジン２００によれば、４サイクルエンジン１００における前述(a)乃至(e)と同様の作用効果を奏する。

また、４サイクルエンジン２００において、図８に示す如く、クランクシャフト４０のクランクジャーナル４１の中心ｏを原点とする、４サイクルエンジン１００におけると同様のＸＹ座標上で、４サイクルエンジン２００の１サイクルにおいて移動する、コンロッド５０の大端部５１の位置（大端孔５１Ａの中心５１ｃの位置）（Ｘ，Ｙ）を算定し、更にはシリンダ１０の中心線上におけるコンロッド５０の小端部５２の位置Ｙ´をピストン３０の位置として前述(7)式によって算定すれば、表２、図１４を得るものになる（但し、θ2＝1.5θ1）。

即ち、前述(1)式乃至(7)式において、例えば、Ｒ1＝41.78mm、ｅ＝10mm、Ｌ＝120.00mmとしたとき、θ1が0.0度（図１３の下死点位置Ｄ）、45.0度（図８）、162.9度（図１０の上死点位置Ａ）、180.0度、360.0度（図１１の下死点位置Ｂ）、540.0度、557.1度（図１２の上死点位置Ｃ、720.0度（図１３の下死点位置Ｄ）にあるときのＹ1、Ｘ1、θ2、Ｙ2、Ｘ2、Ｙ、Ｘ、φ、Ｙ´は表２に示す通りとなり、ピストン３０の上死点からの位置ＹPは図１４に示した通りになる。

表２、図１４によれば、ピストン３０の膨張行程の開始時の上死点位置Ｃは164.22mm、ピストン３０の吸入行程の開始の上死点位置Ａは164.22mmであり、それらの上死点位置Ａ、Ｃは同一高さ位置になることが検証された。

以上、本発明の実施例を図面により詳述したが、本発明の具体的な構成はこの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。

本発明によれば、コンパクトな構成によって、ピストンの膨張行程のストロークが圧縮行程のストロークより長くなるように設定できる。

１００、２００４サイクルエンジン
１０シリンダ
２０クランクケース
３０ピストン
４０クランクシャフト
４１クランクジャーナル
４２クランクピン
５０コンロッド
５１大端部
５１Ａ大端孔
５２小端部
６１第１歯車
６２第２歯車
７０偏心ピン
７０Ａ外周面

Claims

シリンダと、
クランクケースと、
シリンダ内を摺動するピストンと、
クランクケースに枢支されるクランクジャーナルを備えたクランクシャフトと、
クランクシャフトのクランクピンに大端部が連結され、ピストンに小端部が連結されるコンロッドとを有してなる４サイクルエンジンであって、
クランクジャーナルに同軸をなすように配置され、クランクケースの側に固定される第１歯車と、
第１歯車と連動可能にされ、クランクピンに同軸的に枢支される第２歯車と、
第２歯車に固着されてクランクピンに枢支され、クランクピンと偏心量ｅをなす外周円を備える偏心ピンとを有し、
コンロッドの大端部に設けた大端孔が偏心ピンの外周円に枢支され、ピストンが吸入行程の終了時又は膨張行程の終了時の下死点にあるとき、コンロッドの大端孔の中心とクランクピンの中心が、コンロッドの大端部と小端部を結ぶ中心線上、かつシリンダの中心線上に位置付けられ、ピストンの膨張行程のストロークが吸入行程のストロークより長くなるように設定されてなる４サイクルエンジン。
前記第１歯車の歯数が第２歯車の歯数の１／２である請求項１に記載の４サイクルエンジン。
前記第１歯車と第２歯車が伝動媒体を介して接続され、前記クランクシャフトのクランクジャーナルが１回転するときに、偏心ピンが１／２回転するように設定される請求項２に記載の４サイクルエンジン。
前記第１歯車と第２歯車が直接的に噛合い接続され、前記クランクシャフトのクランクジャーナルが１回転するときに、偏心ピンが1.5回転するように設定される請求項２に記載の４サイクルエンジン。