JP4882913B2 - マルチリンクエンジンのリンクジオメトリ - Google Patents

Description

この発明は、マルチリンクエンジンのリンクジオメトリに関する。

ピストンとクランクシャフトとを複数のリンク(アッパリンク及びロアリンク)で連結する機構(以下「マルチリンク機構」という)のエンジン(以下「マルチリンクエンジン」という)が開発されつつある。ところで直列４気筒のマルチリンクエンジンにおいて、＃２気筒ピストン及び＃３気筒ピストンが下死点付近にあるときの＃３クランクジャーナルへの入力荷重が大きい、という課題が見いだされた。

本件発明者らは、この課題を解決すべく、鋭意研究を進めることで以下の知見を得た。すなわち、ピストンとクランクシャフトとをひとつのリンク(すなわちコンロッド)で連結するエンジン(これは通常のエンジンであるが、このようなエンジンをマルチリンクエンジンに対比して以下では「シングルリンクエンジン」と称する)では、クランクシャフトの回転に対するピストンストローク特性が一意的に決まってしまうが、マルチリンクエンジンでは、各リンクや各支点のアライメントを調整することで、このようなピストンストローク特性を調整変更可能である。

また本件発明者らの研究によれば、ピストンストロークに起因する悪影響(ピストンストロークに起因した振動による乗り心地悪化など)を改善するには、クランクシャフトの回転に対してピストンが単振動することが望ましい、ということが知見された。

そこで本件発明者らは、マルチリンクエンジンにおいては、上死点から下死点までのピストンストローク量が同一のシングルリンクエンジンに比べて、ピストンの往復運動が単振動運動に近い特性となるように、各リンクや各支点のアライメントを設定したのである。具体的には、シングルリンクエンジンのピストン−クランク機構に比べて、上死点前から上死点にかけては、ピストンを引き下げる方向にロアリンクがコントロールリンクの揺動によってクランクピン回りに揺動し、上死点から上死点後にかけては、ピストンを引き上げる方向にロアリンクがコントロールリンクの揺動によってクランクピン回りに揺動し、下死点前から下死点にかけては、ピストンを引き下げる方向にロアリンクがコントロールリンクの揺動によってクランクピン回りに揺動し、下死点から下死点後にかけては、ピストンを引き上げる方向にロアリンクがコントロールリンクの揺動によってクランクピン回りに揺動するように設定したのである。

そして単振動特性についてさらに説明すると、図８(Ａ)に示されているように、上死点前後におけるピストンストローク特性と、下死点前後におけるピストンストローク特性と、がほぼ同じである。すなわち、上死点前後におけるピストンストローク特性を上下ひっくり返すと、下死点前後におけるピストンストローク特性にほぼ重なる。これに対して、シングルリンクエンジンでは、上死点前後におけるピストンストローク特性のほうが下死点前後におけるピストンストローク特性よりも鋭角になっている。

すなわち、ピストンストローク特性を見ると、上死点前後では、マルチリンクエンジンのほうがシングルリンクエンジンよりも広がっている。また下死点前後では、マルチリンクエンジンのほうがシングルリンクエンジンよりも狭まっている。

言い換えると、上死点から下死点までのピストンストローク量が同一のマルチリンクエンジンとシングルリンクエンジンとを比較すると、所定クランク角度変化に対するピストン移動量は、ピストンが上死点前後にあるときはマルチリンクエンジンのほうがシングルリンクエンジンよりも小さい。またピストンが下死点前後にあるときはマルチリンクエンジンのほうがシングルリンクエンジンよりも大きい。

これをピストンストローク速度で表現すると、ピストンが上死点前後にあるときはマルチリンクエンジンのほうがシングルリンクエンジンよりも遅い。またピストンが下死点前後にあるときはマルチリンクエンジンのほうがシングルリンクエンジンよりも速いのである。

そしてピストンストローク加速度は、図８(Ｂ)のようになる。すなわちマルチリンクエンジンでは、シングルリンクエンジンに比べて、上死点前後ではピストン移動加速度が小さくなり、下死点前後ではピストン移動加速度が大きくなっており単振動に近い特性になっているのである。

またマルチリンクエンジンでは、シングルリンクエンジンに比べて構成部品点数が増加しており、慣性マスが増えている。

これらに起因して本件発明者らが開発しているマルチリンクエンジンでは、ピストンが下死点付近にあるときにクランクジャーナルへの入力荷重がシングルリンクエンジンに比べて大きいのである。

また図９に示すように、直列４気筒エンジンの＃３クランクジャーナル３３ａ−３は、＃２気筒と＃３気筒との間に存在する。

＃２気筒ピストン及び＃３気筒ピストンが上死点付近にあって上昇から下降に転じるときは、いずれか一方のピストンには必ず燃焼圧がかかっているので、＃３クランクジャーナル３３ａ−３は、そのピストンの下方向荷重と、他方のピストンの上方向荷重と、を受けることとなる。両荷重の向きが反対なので、両荷重同士の相殺がある。

しかしながら、＃２気筒ピストン及び＃３気筒ピストンが下死点付近にあって下降から上昇に転じるときは、＃３クランクジャーナル３３ａ−３は、＃２気筒ピストンからの下方向荷重と、＃３気筒ピストンからの下方向荷重と、の両方の下方向荷重を、受けることとなる。このため、＃３クランクジャーナル３３ａ−３への入力荷重が過大なのである。

また近時は、マルチリンク機構を利用してピストンストロークをロングストローク化することが研究されている。ロングストローク化するには、クランクピン３３ｂからコントロールピン２３までの距離Ｌ２に対するクランクピン３３ｂからアッパピン２２までの距離Ｌ４の値(すなわちＬ４／Ｌ２、なおこのＬ４／Ｌ２を以下では適宜「てこ比」と呼ぶ)を大きくする必要がある(特許文献１参照)。
特開２００１−３１７３８３号公報

しかし、マルチリンク機構を利用して直列４気筒エンジンのピストンストロークをロングストローク化すると、＃３クランクジャーナル３３ａ−３への入力荷重がますます増大してしまう。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、ピストンが下死点付近にあるときのクランクジャーナルへの入力荷重を小さく抑制するマルチリンクエンジンのリンクジオメトリを提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、シリンダ内を往復動するピストン(３２)にピストンピン(２１)を介して連結されるアッパリンク(１１)と、クランクシャフト(３３)のクランクピン(３３ｂ)に回転自由に装着されるとともに、前記アッパリンク(１１)にアッパピン(２２)を介して連結されるロアリンク(１２)と、前記ロアリンク(１２)にコントロールピン(２３)を介して連結され、揺動中心ピン(２４)を中心として揺動するコントロールリンク(１３)と、を有するマルチリンクエンジンのリンクジオメトリであって、ピストン(３２)が下死点付近にあるときに次式(１)の関係が成立することを特徴とする。

本発明によれば、荷重増加率がピストン下死点付近で小さくなり、クランクジャーナルへの入力荷重を小さく抑制できるのである。

以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。

まず最初に図１を参照してマルチリンクエンジンについて説明する。

マルチリンクエンジン１０は、ピストン３２とクランクシャフト３３とが２つのリンク(アッパリンク１１、ロアリンク１２)で連結される。またロアリンク１２には、コントロールリンク１３が連結される。

アッパリンク１１は、上端をピストンピン２１を介してピストン３２に連結し、下端をアッパピン２２を介してロアリンク１２の一端に連結する。ピストン３２は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック３１のシリンダ３１ａ内を往復動する。

ロアリンク１２は、一端をアッパピン２２を介してアッパリンク１１に連結し、他端をコントロールピン２３を介してコントロールリンク１３に連結する。また、ロアリンク１２は、ほぼ中央の連結孔に、クランクシャフト３３のクランクピン３３ｂを挿入し、クランクピン３３ｂを中心軸として回転する。ロアリンク１２は左右の２部材に分割可能に構成される。クランクシャフト３３は、複数のクランクジャーナル３３ａとクランクピン３３ｂとを備える。クランクジャーナル３３ａは、シリンダブロック及びラダーフレームによって回転自在に支持される。クランクピン３３ｂは、クランクジャーナル３３ａから所定量偏心しており、ここにロアリンク１２が回転自在に連結する。

コントロールリンク１３は、先端にコントロールピン２３を挿入し、ロアリンク１２に回動可能に連結する。またコントロールリンク１３は、他端を揺動中心ピン２４を介してシリンダブロック３１に連結する。コントロールリンク１３は、この揺動中心ピン２４を中心として揺動する。そしてたとえば揺動中心ピン２４を偏心軸にして揺動中心ピン２４の偏心位置を移動すればコントロールリンク１３の揺動中心が変更し、ピストン３２の上死点位置が変更される。これによって圧縮比を機械的に調整することが可能である。

そしてマルチリンクエンジン１０においては、上死点から下死点までのピストンストローク量が同一のシングルリンクエンジンに比べて、ピストンの往復運動が単振動運動に近い特性となるように、各リンクや各支点のアライメントを設定した。具体的には、シングルリンクエンジンのピストン−クランク機構に比べて、上死点前から上死点にかけては、ピストン３２を引き下げる方向にロアリンク１２がコントロールリンク１３の揺動によってクランクピン３３ｂを中心に揺動し、上死点から上死点後にかけては、ピストン３２を引き上げる方向にロアリンク１２がコントロールリンク１３の揺動によってクランクピン３３ｂを中心に揺動し、下死点前から下死点にかけては、ピストン３２を引き下げる方向にロアリンク１２がコントロールリンク１３の揺動によってクランクピン３３ｂを中心に揺動し、下死点から下死点後にかけては、ピストン３２を引き上げる方向にロアリンク１２がコントロールリンク１３の揺動によってクランクピン３３ｂを中心に揺動するように設定したのである。

このようにすることで、上死点前後におけるピストンストローク特性と、下死点前後におけるピストンストローク特性と、がほぼ同じ単振動特性になっているのである。すなわち、特性図において上死点前後におけるピストンストローク特性を上下ひっくり返すと、下死点前後におけるピストンストローク特性にほぼ重なる。これに対して、シングルリンクエンジンでは、上死点前後におけるピストンストローク特性のほうが下死点前後におけるピストンストローク特性よりも鋭角になっている。これをピストンストローク特性で見ると、上死点前後では、マルチリンクエンジンのほうがシングルリンクエンジンよりも広がっている。また下死点前後では、マルチリンクエンジンのほうがシングルリンクエンジンよりも狭まっている。言い換えると、上死点から下死点までのピストンストローク量が同一のマルチリンクエンジンとシングルリンクエンジンとを比較すると、所定クランク角度変化に対するピストン移動量は、ピストン３２が上死点前後にあるときはマルチリンクエンジンのほうがシングルリンクエンジンよりも小さい。またピストン３２が下死点前後にあるときはマルチリンクエンジンのほうがシングルリンクエンジンよりも大きいのである。これをピストンストローク速度で表現すると、ピストン３２が上死点前後にあるときはマルチリンクエンジンのほうがシングルリンクエンジンよりも遅い。またピストン３２が下死点前後にあるときはマルチリンクエンジンのほうがシングルリンクエンジンよりも速いのである。

このように、マルチリンクエンジン１０のピストン−クランク機構は、上死点から下死点までのピストンストローク量がピストン−クランク機構における上死点から下死点までのピストンストローク量と同一のシングルリンクエンジンのピストン−クランク機構に比べて、ピストンの往復運動が単振動運動に近い特性となるよう、上死点と下死点におけるピストンストローク特性が略対称で、シングルリンクエンジンのピストン−クランク機構に比べてピストン下死点前後のピストンストローク速度が大きく、かつピストン上死点前後のピストンストローク速度が小さくなるように、上死点前から上死点にかけて、及び下死点前から下死点にかけてはシングルリンクエンジンのピストン−クランク機構に比べてピストンを引き下げる方向にロアリンクがコントロールリンクの揺動によってクランクピン回りに揺動し、上死点から上死点後にかけて、及び下死点から下死点後にかけてはシングルリンクエンジンのピストン−クランク機構に比べてピストンを引き上げる方向にロアリンクがコントロールリンクの揺動によってクランクピン回りに揺動するように、各リンクや各支点のアライメントが設定されている。

ところでマルチリンクエンジンでは上述のように、下死点付近でのクランクジャーナルへの入力荷重が大きくなる。特にマルチリンク機構を利用してピストンストロークをロングストローク化した直列４気筒エンジンでは、下死点付近での＃３クランクジャーナル３３ａ−３への入力荷重が過大となる。

そこで本発明では、下死点付近でのクランクジャーナルへの入力荷重をできる限り低減するように、ジオメトリを設定した。

図２は、ロアリンクに作用する荷重を示した図である。

ピストン３２からアッパピン２２にかかる荷重がアッパピン荷重Ｆ６である。またクランクピン３３ｂにかかるクランクピン荷重Ｆ０、コントロールピン２３にかかるクランクピン荷重Ｆ３、とすると、次式(２)の関係がある。

またアッパピン荷重Ｆ６に対するクランクピン荷重Ｆ０の比率Ｆ０／Ｆ６を荷重増加率と定義する。クランクピン荷重Ｆ３の方向とアッパピン荷重Ｆ６の方向とは、ほぼ同じであるので、ベクトルＦ３の大きさとベクトルＦ６の大きさとの和を、ベクトルＦ３とベクトルＦ６との和と考えてよい。したがって次式(３)の関係が成立する。

上式から明らかなように、クランクピン３３ｂにかかるクランクピン荷重Ｆ０を小さくするにはコントロールピン荷重Ｆ３、アッパピン荷重Ｆ６を小さくすればよい。ところがアッパピン荷重Ｆ６は燃焼圧などによって決まるので、調整することはできない。そこで本発明では、ピストン下死点におけるコントロールピン荷重Ｆ３が小さくなるようにジオメトリを設定したのである。

具体的には以下のようにした。コントロールピン荷重Ｆ３は以下の式(５)のように表される。

初めに、コントロールピン荷重Ｆ３及びアッパピン荷重Ｆ６のクランクピン回りのモーメントの釣り合いにより次式(４)が成立する。

これを変形して次式(５)が得られるのである。

Ｌ４／Ｌ２は、上述のてこ比であり、このてこ比Ｌ４／Ｌ２が大きいほどクランクシャフト半径に対するピストンストローク量が大きくなる。すなわちロングストローク化できるのである。逆に言えばピストンストロークをロングストローク化するには、てこ比Ｌ４／Ｌ２を大きくする必要がある。しかし、てこ比Ｌ４／Ｌ２が大きくなると式(５)に示されているようにコントロールピン荷重Ｆ３が大きくなって、クランクピン荷重Ｆ０が大きくなってしまい、ひいてはクランクジャーナルへの荷重が大きくなってしまう。

そこで本発明では、ピストン下死点付近においてcos(θ_l＋α)をできる限り小さくすることでコントロールピン荷重Ｆ３を小さくし、クランクピン荷重Ｆ０を小さくするジオメトリを提案する。

本件発明者らによって、クランク角と荷重増加率との間には、図３に示す特性があることが見いだされた。ここで点線は、ロアリンク開き角α＝π(rad)のときである。ロアリンク開き角α＝π(rad)のときは、クランク角にかかわらず荷重増加率は一定である。これに対して、クランクピン３３ｂからアッパリンク１１までの距離が、このときの距離Ｌ４×cos(θ_l＋π)よりも離れるようにロアリンク開き角αを設定すると(このときロアリンク１２のジオメトリは図４の一点鎖線のようになる)、クランク角と荷重増加率とは図３に一点鎖線で示した特性になり、荷重増加率は、ピストン上死点付近では小さくなるもののピストン下死点付近では大きくなる。

逆にクランクピン３３ｂからアッパリンク１１までの距離が、距離Ｌ４×cos(θ_l＋π)よりも近づくようにロアリンク開き角αを設定すると(このときロアリンク１２のジオメトリは図４の実線のようになる)、クランク角と荷重増加率とは図３に実線で示した特性になり、荷重増加率は、ピストン上死点付近では大きくなるもののピストン下死点付近では小さくなる。

＃２気筒ピストン及び＃３気筒ピストンが下死点付近にあるときの＃３クランクジャーナルへの入力荷重が大きい、という課題を解決するには、上死点付近よりも下死点付近におけるクランクピン荷重Ｆ０を小さくすることを優先したい。そこで本発明では、cos(θ_l＋α)＜cos(θ_l＋π)が成立するようにロアリンク姿勢角θ_l及びロアリンク開き角αを設定するようにしたのである。このように本実施形態によれば、cos(θ_l＋α)＜cos(θ_l＋π)が成立するようにロアリンク姿勢角θ_l及びロアリンク開き角αを設定することで、クランクピン荷重Ｆ０を小さくすることができ、ピストン下死点におけるクランクジャーナルへの荷重を低減できるのである。

なおクランクピン荷重Ｆ０が極大となるのはピストン加速度が最大となるタイミングである。そこでピストン下死点付近であって特にピストン加速度が最大となるタイミングでcos(θ_l＋α)＜cos(θ_l＋π)が成立するようにロアリンク姿勢角θ_l及びロアリンク開き角αを設定することがさらに望ましい。

またcos(θ_l＋α)＜cos(θ_l＋π)は、α＜πのときのみならず、α＞πでも成立しうる(図５の一点鎖線)。このようにすれば、ロアリンク１２を小形化できる。ただし図５に実線で示したα＜πの形状のほうがピストンピン２１の位置が下方に存在する。したがってエンジンの全高は低くできる。両者の特性を考慮して適宜設計すればよい。

またα＜πの形状のとき、アッパピンの移動軌跡は図６のようになる。このように楕円軌跡上の任意の２点を結んだ線分が最長となる方向が、ピストンストローク方向と略一致するときは、ピストンストロークがロングストローク化されており、本発明を適用するのに好適である。

さらに、図６(Ａ)に示すように、クランクジャーナル３３ａを原点とし、ピストンストローク方向に平行かつエンジン上部方向を正とする軸をＹ軸、クランク回転方向でＹ軸に対して−９０°回転した軸をＸ軸とした場合に、揺動中心ピン２４を第３象限(Ｘ＜０かつＹ＜０)の領域に配置するとよい。このようにすることで、ピストン加速度のストローク方向２次振動成分が減少し、ピストンストロークのロングストローク化にともなうエンジン２次振動が低減されるからである。

またクランクピンの回転半径をＲ０，アッパリンク幅の半分の値をＤ４とした場合に、ロアリンク開き角αを次式(６)を満足する範囲にすればよい。

このようにすれば、ピストン下死点において、クランクピン３３ｂとアッパリンク１１との干渉を避けるためにボア中心線に対するアッパリンク倒れ角度を大きくせずに構成することが可能となり、下死点付近でのピストンサイドスラストを低減できるからである。

またピストンスカートの一部がシリンダボアより下側に露出するエンジンに適用すれば、ボア下端からピストンが露出しているタイミングにおいて、ブロックへの入力が低減されるので、ブロック・クランク系の変形を抑制できる。したがって、このような変形によるピストンスカートとボア下端と接触荷重を低減でき、ピストンの耐久性が高まる。

さらにピストン上死点付近にあるときに、図７に示すように、クランクピン３３ｂとコントロールピン２３とを結んだ線分と、コントロールリンク１３と、のなす劣角をθ２、クランクピン３３ｂとアッパピン２２とを結んだ線分と、アッパリンク１１と、のなす劣角をθ４、とすると、Ｒ３，Ｒ６は、次式(7-1)(7-2)で表される。

したがって次式(８)のようにすることでＲ６をできる限り小さめにすることが望ましい。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

マルチリンクエンジンの構造を示す図である。 ロアリンクに作用する荷重を示す図である。 クランク角と荷重増加率との関係を示す図である。 ロアリンクのジオメトリを示す図である。 ロアリンクのジオメトリを示す図である。 アッパピンの移動軌跡を示す図である。 ピストンが上死点付近にあるときのリンクジオメトリを示す図である。 クランク角に対するピストン変位及びピストン加速度を示す図である。 クランクシャフトを説明する図である。

符号の説明

１０ マルチリンクエンジン
１１ アッパリンク
１２ ロアリンク
１３ コントロールリンク
２１ ピストンピン
２２ アッパピン
２３ コントロールピン
２４ 揺動中心ピン
３２ ピストン
３３ クランクシャフト
３３ａ クランクジャーナル
３３ｂ クランクピン

Claims (8)

1. シリンダ内を往復動するピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、
   クランクシャフトのクランクピンに回転自由に装着されるとともに、前記アッパリンクにアッパピンを介して連結されるロアリンクと、
   前記ロアリンクにコントロールピンを介して連結され、揺動中心ピンを中心として揺動するコントロールリンクと、
   を有するマルチリンクエンジンのリンクジオメトリであって、
   前記ピストンが下死点付近にあるときに次式(１)の関係が成立する、
   

   

   ことを特徴とするマルチリンクエンジンのリンクジオメトリ。
2. 前記ピストンが下死点付近にあってピストン加速度が最大となるタイミングで前記式(１)の関係が成立する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のマルチリンクエンジンのリンクジオメトリ。
3. 前記ロアリンク開き角αがπよりも小さい、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマルチリンクエンジンのリンクジオメトリ。
4. 前記アッパピンの移動軌跡上の任意の２点を結んだ線分が最長となる方向が、ピストンストローク方向と略一致する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のマルチリンクエンジンのリンクジオメトリ。
5. 前記クランクシャフトのクランクジャーナルを原点とし、ピストンストローク方向に平行かつエンジン上部方向を正とする軸をＹ軸、クランク回転方向でＹ軸に対して−９０°回転した軸をＸ軸とした場合に、前記揺動中心ピンが第３象限(Ｘ＜０かつＹ＜０)の領域に配置される、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のマルチリンクエンジンのリンクジオメトリ。
6. 次式(２)の関係がさらに成立する、
   

   

   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のマルチリンクエンジンのリンクジオメトリ。
7. 前記ピストンのスカートの一部がシリンダボアより下側に露出する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のマルチリンクエンジンのリンクジオメトリ。
8. 前記ピストンが上死点付近にあるときに次式(３)の関係がさらに成立する、
   

   

   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のマルチリンクエンジンのリンクジオメトリ。

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