JP2003172101A - 内燃機関のクランク機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】内燃機関のクランク機構において、燃費上の要
求から必要とされる大幅なオフセットを可能とする。 【解決手段】オフセットクランク機構において、コンロ
ッド１０の外形を概略く字状に屈曲させる。コンロッド
１０の外形を全体的に屈曲させてもよいが、側面形状を
各側で異ならせ、一方（オフセットされた側に面する側
面）を凹状に屈曲させるだけでもよい。このようなく字
状コンロッド１０は、Ｖ型多気筒機関にも適用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、クランク軸中心線
を気筒中心線に対してオフセットさせた内燃機関のクラ
ンク機構に関し、詳細には、このようなクランク機構に
おいて、燃費上の要求から必要とされる量のオフセット
を実現するためのコンロッド形状の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関において、従来より、ピストン
とシリンダブロックとの間の摩擦抵抗を低減するため
に、クランク軸中心線を気筒中心線に対してオフセット
する方法が採用されている。すなわち、燃焼圧力が最大
となるタイミングでコンロッドが気筒中心線とほぼ平行
となるように（気筒中心線に対するコンロッドの傾斜角
を極力小さくするように）クランク軸中心線をオフセッ
トすることで、膨張行程においてピストンに対して横方
向に働く外力の発生を極力抑制するのである（特開２０
０１−２０７８５４号公報参照）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記公報に開示のオフ
セットクランク機構によれば、摩擦抵抗の低減により、
ピストンリングやシリンダブロックの摩耗を防止すると
ともに、シリンダブロック内面（場合により、ライナー
内面）への側圧が低減され、燃焼圧力が効率良くトルク
に変換されることとなるので、燃費を向上させることが
できる。

【０００４】ところで、気筒中心線に対するクランク軸
中心線のオフセット量（換言すれば、クランク軸中心線
に対する気筒中心線のオフセット量）は、燃費上の要求
からは、ある程度大きく設定する必要があることが分か
っている。しかしながら、オフセット量を大きくすれ
ば、それだけコンロッドがシリンダに近づけられること
となる。このため、直線状のコンロッドによりピストン
ピンとクランクピンとが真っ直ぐに接続された従来のオ
フセットクランク機構では、コンロッドとシリンダとが
相互に干渉し合うようになり、コンロッドの運動が制限
されるという問題が生じる。従って、現状では、燃費上
の要求から必要とされる量のオフセットを完全には実現
できていない。

【０００５】また、シリンダを新規に設計するとして
も、吸排気系統のレイアウト等の他の機関構成要素から
の要求により、シリンダ形状には一定の制約が課され
る。このため、オフセットに対応してシリンダ側にコン
ロッドとの衝突回避のための逃げを新たに設けてオフセ
ット量の拡大を図ることも困難である。また、特開昭５
０−１２５３０５号公報には、往復式圧縮機のピストン
を駆動するコンロッドとして、く字状に屈曲されたもの
が開示されている。

【０００６】しかしながら、上記公報に開示の屈曲構造
をオフセットクランク機構に適用すると、コンロッドを
屈曲させる方向が、一方のコンロッドについてはシリン
ダブロックとの衝突が回避される方向であるが、他方に
ついてはシリンダブロックとの干渉度合いが却って大き
くなる方向であるため、オフセット量を大きく設定する
ことができない。

【０００７】本発明は、以上の実情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、内燃機関のクランク機構におい
て、コンロッドを形状の面で改良して大幅なクランクオ
フセットを可能とする点にある。本発明は、特に、燃費
上の要求から必要とされる量のクランクオフセットを実
現することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このため、請求項１に記
載の発明では、クランク軸中心線を気筒中心線に対して
オフセットさせた内燃機関のクランク機構において、コ
ンロッドの外形のうちオフセットさせた側に面する側面
を、そのコンロッドの小端部と大端部との間で、凹状に
屈曲させることとした。

【０００９】既述の通り、従来のクランク機構では、オ
フセットによりコンロッドとシリンダブロックとが相互
に干渉し合い、オフセット量が小さく制限されていた。
そこで、本発明は、上記のようにコンロッドの特定側面
を断面凹状に屈曲させ、コンロッドがシリンダを避けて
運動するようにして、オフセットに対する制限が緩和
（解除される場合を含む。）されるようにした。

【００１０】請求項２に記載の発明では、コンロッドの
特定側面を断面凹状に屈曲させることに加えて、コンロ
ッド自体をオフセットの方向とは反対方向に凸となるよ
うに屈曲させることとした。請求項３に記載の発明で
は、クランク軸中心線を気筒中心線に対してオフセット
させた内燃機関のクランク機構において、コンロッドの
中心軸をオフセットの方向とは反対方向に凸となるよう
に屈曲させて、このコンロッドを概略く字状に成形する
こととした。

【００１１】既述の通り、従来のクランク機構では、コ
ンロッドとシリンダとの相互干渉のためにオフセット量
が小さく制限されていたが、本発明は、上記のようにコ
ンロッド自体の形状を概略く字状とし、コンロッドがシ
リンダを避けて運動するようにして、オフセットに対す
る制限が緩和（解除される場合を含む。）されるように
した。

【００１２】請求項４に記載の発明では、オフセットの
方向を、クランクピン中心線が膨張行程期間中に気筒中
心線と交わる方向に設定することとした。請求項５に記
載の発明では、以上のクランク機構を、複数の気筒がＶ
字状に配列された多気筒機関に適用するとともに、クラ
ンク軸中心線を、各気筒中心線に対してオフセットさせ
ることとした。

【００１３】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、コンロッ
ドの特定側面を断面凹状に屈曲させたことにより、クラ
ンクオフセットに対する制限が緩和されるので、オフセ
ット量をこれまでよりも大きくとることができる。そし
て、延いては、燃費上の要求から必要とされる大幅なオ
フセットを実現することも可能である。

【００１４】また、（レイアウト上許容される場合に
は）シリンダ側に設けられるべきコンロッドの逃げのた
めのスペースを縮小したり、あるいはこのスペース自体
を設けずにオフセットさせることができる。従って、追
加加工が不要なため、製造コストを削減でき、また内燃
機関（特に、シリンダブロック）をコンパクトに構成で
きる。

【００１５】請求項２に係る発明によれば、コンロッド
全体を屈曲させて特定側面を屈曲させることで、コンロ
ッドの幅を一様に確保することが可能であるので、コン
ロッドの強度を確保できる。請求項３に係る発明によれ
ば、コンロッドを概略く字状としたことにより、オフセ
ット量をこれまでよりも大きくとることができ、また、
シリンダ側に設けられるべきコンロッドの逃げのための
スペースを縮小（省略する場合を含む。）して、省スペ
ース化を図れる。

【００１６】請求項４に係る発明によれば、燃焼圧力に
よりピストンに対して横方向に働く外力を極めて小さく
抑えることが可能となるので、燃費を一層向上するとと
もに、シリンダブロック等の摩耗を抑制できる。請求項
５に係る発明によれば、以上の効果をＶ型多気筒機関に
おいて得ることが可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
の実施の形態について説明する。図１は、本発明の一実
施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という。）
Ｅ１のクランク機構の構成を示す断面図である。エンジ
ンＥ１は、複数の気筒が一列に配置された火花点火機関
であり、ここでは、これらの気筒のうち１つのみを例示
している。

【００１８】エンジン本体１は、シリンダブロック２
と、その上に固定されたシリンダヘッド３とから構成さ
れる。ここで、軽量化のためにシリンダブロック２とし
てアルミ合金製のものが使用されているため、シリンダ
ブロック２にライナー４が嵌め込まれている。なお、本
実施形態では、耐摩耗性向上のために鋳鉄製のライナー
４が使用されている。しかしながら、ライナー４の代わ
りにシリンダブロック２内壁にクロムメッキを施した
り、あるいはシリンダブロック２自体を鋳鉄製としたも
のであっても、本発明に係るクランク機構と組み合わせ
て使用することが可能である。

【００１９】シリンダヘッド３には、気筒中心線Ｌ１を
基準として一側に吸気通路５が、また他側に排気通路６
が形成されており、各通路５，６のポート部５ａ，６ａ
には、吸気弁７及び排気弁８が介装されている。そし
て、シリンダブロック２にピストン９が挿入され、シリ
ンダヘッド３下面とピストン９冠面とにより燃焼室が形
成される。

【００２０】膨張行程において、燃焼圧力は、ピストン
９から、クランク機構を構成するコンロッド（コネクテ
ィングロッド）１０を介してクランク軸１１（簡略し
て、軸の断面のみを示す。）に伝達され、回転動力とし
て取り出される。コンロッド１０は、小端部（スモール
エンド）１０ａにピストンピン１２が挿し込まれて、ピ
ストン９と連結されている。その一方で、大端部（ビッ
グエンド）１０ｂは上下に分割して形成されており、ク
ランクアーム先端に形成されたクランクピン１３を適宜
な軸受けを介して挟み込ませて、ボルトにより締結され
ている。

【００２１】ここで、コンロッド１０は、従来より使用
されてきた典型的なコンロッドとは外形が相違してい
る。すなわち、後述するようにクランク軸中心線Ｃ１
（断面のため、点として示されている。）が気筒中心線
Ｌ１に対してオフセットされる方向とは反対方向に凸と
なるように、小端部１０ａと大端部１０ｂとの間で屈曲
されている。図１では、クランク軸中心線Ｃ１が左方向
にオフセットされているので、その反対の右方向に凸と
なるように屈曲されている。このため、コンロッド１０
は、全体として概略く字状に成形されている。

【００２２】図１には、参照のために、一点鎖線により
コンロッド１０の中心線Ｌ２を示している。コンロッド
１０が上記のように全体としてく字状とされたことで、
この中心線Ｌ２もく字状に屈曲している。なお、コンロ
ッド１０の横断面は、剛性が向上されるように、一般的
なものと同じくＩ字状とされるとよい。クランク軸中心
線Ｃ１のオフセットは、気筒中心線Ｌ１に対して、クラ
ンク軸１１の回転方向Ｄとは反対の方向に（図１では、
クランク軸１１が右回りに回転するので、その反対の左
方向に）なされている。所望とする燃費を達成するオフ
セット量（オフセット幅ｗ；例えば、１８．５ｍｍ程
度）であるとよい。

【００２３】なお、符号１４は、電子制御される点火プ
ラグであり、符号１５は、エンジン冷却水を流通させる
ためのウォータージャケットである。シリンダーブロッ
ク２のライナー４は、湿式及び乾式のいずれの形式のも
のを使用してもよい。また、ピストンピン１２の中心を
符号Ｃ２で、またクランクピン１３の中心を符号Ｃ３で
示している。二点鎖線Ｔは、クランク軸１１の回転に伴
ってクランクピン中心Ｃ３が辿る軌跡を示している。

【００２４】図２は、以上のように構成されるエンジン
１のクランク機構の動作を概念的に示したものであり、
（ａ）〜（ｅ）により、この一連の動作を時系列順に示
している。圧縮行程のある時点において、クランクアー
ム１１ａ及びコンロッド１０の位置関係は（ａ）に示す
ようであり、そこからクランク軸１１が回転すると、更
に移動してピストン９を上方に押し上げる。この過程
で、コンロッド１０がく字状に屈曲していることによ
り、（ｂ）に示すように、コンロッド１０とシリンダブ
ロック２（ライナー４）との衝突が回避される。

【００２５】ここで、参照のために、典型的な直線状の
コンロッド１０’による場合が点線で示されている。こ
の場合には、オフセット幅ｗが大きくされたためにコン
ロッド１０’とシリンダブロック２とが近づき過ぎてし
まい、コンロッド１０’がシリンダブロック２に衝突す
ることが分かる。その後、圧縮上死点での位置関係を示
す（ｃ）では、上からピストンピン中心Ｃ２、クランク
ピン中心Ｃ３及びクランク軸中心線Ｃ１とが一列に並ん
でいる。ここから更に回転が進んで、圧縮上死点後の所
定の点火時期に至ると、点火プラグ１４が作動して燃料
に点火される。

【００２６】燃焼圧力が最大となるときには、各接続点
の位置関係は（ｄ）に示すようである。ピストンピン中
心Ｃ２とクランクピン中心Ｃ３を結ぶ直線が、気筒中心
線Ｌ１とほぼ平行となっている（換言すれば、クランク
ピン中心Ｃ３が大方、気筒中心線Ｌ１上に位置してい
る）。最大燃焼圧力発生時における位置関係をこのよう
に設定することで、燃焼圧力に基づいてピストン９が横
方向に受ける外力（スラスト力）が極力抑制され、ライ
ナー４内面への側圧が低減される。従って、ピストンリ
ングやライナー４の摩耗を抑えるとともに、燃焼圧力が
効率良くクランク軸１１に伝達され、大きな回転動力を
得ることが可能となる。

【００２７】また、クランク軸中心線Ｃ１のオフセット
幅ｗが大きく設定されたことで、（ｄ）に示すように、
最大燃焼圧力発生時にクランクピン中心Ｃ３とクランク
軸中心線Ｃ１との間の横方向距離（作用点距離；オフセ
ット幅ｗに等しい。）が長くなる。このため、等しい燃
焼圧力に対して得られるモーメントが増大されるので、
トルクを増大できる。

【００２８】そして、膨張行程及び排気行程を経て次の
圧縮行程に至ると、（ｅ）に示す圧縮下死点直後の状態
から回転が進み、再び（ａ）の状態に戻って以上と同様
な動作を繰り返すこととなる。図３は、本実施形態によ
り得られる効果を説明するものであり、オフセット幅ｗ
（横軸）と、ピストン９及びライナー４の間の摩擦抵抗
Ｆ（縦軸）との関係を示している。

【００２９】摩擦抵抗Ｆを極力低減して所望の燃費を実
現するためには、ｗ２（例えば、１８．５ｍｍ）の幅で
オフセットする必要があるところ、典型的な直線状のコ
ンロッドでは、シリンダブロック２との間の干渉のため
に、オフセット幅ｗはｗ１（ｗ１＜ｗ２であり、例え
ば、８ｍｍ）以下に制限されていた。従って、そのよう
なコンロッドでは、燃費上の要求を満たすだけのオフセ
ットを実現することはできない。

【００３０】これに対して、本実施形態に係るく字状コ
ンロッド１０によれば、コンロッド１０とシリンダブロ
ック２との衝突を起こさずに、オフセット幅ｗを大きく
設定することが可能である。このため、燃費上の要求か
ら必要とされる幅ｗ２でオフセットして、燃費を向上で
きる。これに加えて、コンロッド１０によれば、コンロ
ッド自体でシリンダブロック２との衝突が回避されるの
で、シリンダ側に衝突回避のための逃げを設ける必要も
ない。このため、エンジン１（シリンダブロック２）の
大型化を避け、コンパクトに仕上げることができる。

【００３１】図４は、以上に述べたく字状コンロッド１
０をＶ型気筒エンジンＥ２のクランク機構に適用したも
のの構成を、概念的に示している。このように、本発明
に係るコンロッドは、複数の気筒がＶ字状に配置された
ものに適用することも可能であり、そのように構成され
たエンジンＥ２おいても同様に摩擦抵抗の低減、及び出
力の向上といった効果が得られる。このとき、クランク
軸中心線Ｃ１のオフセットの方向は、クランク軸中心線
Ｃ１が、その垂直平面において、それぞれの気筒中心線
Ｌ１に対して一方の側にのみ配置する方向とする。具体
的に図４について述べると、クランク軸中心線Ｃ１は、
全ての気筒中心線Ｌ１に対して左側に位置している。

【００３２】図５は、本発明に係るコンロッドの変更例
を幾つか示しており、（ａ）が典型的な直線状のコンロ
ッドを、また（ｂ）〜（ｄ）が本発明に係るコンロッド
を示している。図５（ｂ）のものは、先に述べたく字状
コンロッド１０であり、ここでの説明は省略する。

【００３３】図５（ｃ）のものは、（ｂ）のものと同様
にコンロッドを一方に向かって凸に屈曲させたものでは
あるが、全体として円弧状に滑らかに屈曲させた点が異
なっている。このような円弧状コンロッド１０１によっ
ても、オフセットの方向とは反対の方向に凸となるよう
にすることで、オフセット幅ｗを大きく設定した場合
に、コンロッド１０１とシリンダブロック２（ライナー
４）との衝突を回避できる。

【００３４】図５（ｄ）のものは、コンロッドが全体的
には屈曲されておらず、概略直線状であるが、側面形状
が各側で異なっている。すなわち、側面のうち一方が、
オフセットの方向に平行な縦断面（図の表面に平行な断
面）で凹状に屈曲されている。このように一部を切り欠
いたような外形を有するコンロッド１０２によっても、
コンロッド１０２とシリンダブロック２との衝突を回避
できる。このとき、コンロッド１０２は、切欠きＮを含
む側面１０２ｃがオフセットされた側に面するように配
置される。

【００３５】以上に説明したように、本発明によれば、
内燃機関のクランク機構において、独特な形状のコンロ
ッド１０，１０１又は１０２を使用することで、より大
幅なクランクオフセットが可能とされる。このため、ピ
ストン９への摩擦抵抗が低減されて、燃焼圧力が効率良
く回転動力に変換されるので、燃費を向上するととも
に、出力を増大できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関のクランク
機構の構成図

【図２】同上クランク機構の動作の概念図

【図３】オフセット幅ｗと、ピストン９及びライナー４
の間に働く摩擦抵抗Ｆとの関係図

【図４】上記クランク機構を備えるＶ型気筒エンジンＥ
２の概略的な構成図

【図５】本発明の他の幾つかの実施形態に係る内燃機関
のクランク機構を構成するコンロッドの正面図

【符号の説明】

１…エンジン本体 ２…シリンダブロック ３…シリンダヘッド ４…ライナー ９…ピストン １０…コンロッド １１…クランク軸 １２…ピストンピン １３…クランクピン Ｌ１…気筒中心線 Ｌ２…コンロッド中心線 Ｃ１…クランク軸中心線 Ｃ２…ピストンピン中心 Ｃ３…クランクピン中心 ｗ…オフセット幅

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】クランク軸中心線を気筒中心線に対してオ
   フセットさせた内燃機関のクランク機構において、 コンロッドの外形のうちオフセットさせた側に面する側
   面を、該コンロッドの小端部と大端部との間で、凹状に
   屈曲させたことを特徴とする内燃機関のクランク機構。
2. 【請求項２】前記コンロッドをオフセットの方向とは反
   対方向に凸となるように屈曲させた請求項１に記載の内
   燃機関のクランク機構。
3. 【請求項３】クランク軸中心線を気筒中心線に対してオ
   フセットさせた内燃機関のクランク機構において、 コンロッドの中心線をオフセットの方向とは反対方向に
   凸となるように屈曲させて、該コンロッドを概略く字状
   に成形したことを特徴とする内燃機関のクランク機構。
4. 【請求項４】オフセットの方向を、クランクピン中心線
   が膨張行程期間中に気筒中心線と交わる方向に設定した
   請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関のクラン
   ク機構。
5. 【請求項５】複数の気筒がＶ字状に配列された多気筒機
   関に適用され、クランク軸中心線を各気筒中心線に対し
   てオフセットさせた請求項１〜４のいずれか１つに記載
   の内燃機関のクランク機構。