JPH01190901A - 可変容量型往復ピストン装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は、往復動内燃機関あるいは往復動コンプレッ
サとして用いられる可変容量型往復ピストン装置に関す
る。

従来の技術 往復ピストン装置の代表的なものとして往復動内燃機関
がある。これは、燃焼圧力によって往復運動するピスト
ンの直線運動をコネクティングロッドを介してクランク
シャフトに伝達し、該クランクシャフトの回転運動に変
換させる構成となっている。

また、往復ピストン装置は、コンプレッサとしても用い
られる。この場合には、逆にクランクシャフトの回転運
動がコネクティングロッドを介してピストンの往復直線
運動に変換され、流体の吸入、圧縮を行うことになる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記のようなピストンクランク機構を利
用した従来の往復ピストン装置にあっては、ピストンの
往復ストロークは、クランクシャフトにおけるクランク
ピンの偏心量のみで固定的に定まってしまい、この結果
、ピストン装置の容量つまり内燃機関としての排気量や
コンプレッサとしての吐出量は常に一定のものとなり、
変化させることができない。

従って、例えばガソリン機関にあっては、低負荷運転時
に吸気通路中の絞弁を絞って出力調節を行う必要があり
、これに伴うボンピングロスによって燃費の悪化を来す
不具合がある。

また、コンプレッサとして用いる場合には、流体の流量
や圧力を調節するために、該コンプレッサをオン、オフ
制御したり、駆動回転数を可変制御したりする必要があ
った。

そこで、この発明は、極めて簡単な構成でピストンの往
復ストロークひいては容量を可変制御でき、しかも容量
の変化に拘わらず、圧縮比は略−定に保ち得本可変容量
型往復ピストン装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段 この発明に係る可変容量型往復ピストン装置は、往復運
動するピストンにコネクティングロッドを介して連結さ
れるピン部を存し、かつ両端面に、スライダもしくはガ
イド溝が互いに直交する方向に沿って形成された中間節
部材と、上記中間節部材の一方の端面に密接し、かつそ
の接合面に径方向にガイド溝もしくはスライダが形成さ
れるとともに、その回転中心Ｏ２が固定された第１主軸
と、上記中間節部材の他方の面に密接し、かつその接合
面にガイド溝もしくはスライダが形成された第２主軸と
、この第２主軸を回転可能に軸支するとともに、その回
転中心Ｏ１が上記第１主軸の回転中心Ｏ９に対し接近離
間可能なように所定の軌跡に沿って移動可能な可動軸受
部材とを備えて構成され、かつ両回転中心０＋、Ｏｔ間
の距離の減少に伴って０．．０．を結ぶ線の傾きが増加
するように、回転中心Ｏ１の移動軌跡が設定されている
ことを特徴としている。

作用 上記構成においては、第１主軸と第２主軸と両者間の中
間節部材とによって、いわゆるオルダム継手が構成され
ることになり、ピストンはその中間節である中間節部材
に連結される。

従って、ピストンの往復ストロークは、第１主軸の回転
中心０１と第２主軸の回転中心０．との間の距離に略等
しいものとなる。つまり、可動軸受の移動により自回転
中心０＋、Ｏｔ間の距離が大となれば容量は増大し、そ
の距離が逆に小となれば容量は減少する。

一方、両回転中心Ｏｔ、Ｏｔ間の距離が最大となってい
るときには、０１．Ｏｆを結ぶ線の傾きは小さく、ピス
トン運動方向（つまりシリンダ軸心）に略沿っている。

そして、容量減少時つまり０＋。

０、間の距離を小さくしたときには、０．．０．を結ぶ
線の傾きは大となる。この結果、後者のときのピストン
上死点位置は前者のときの上死点位置よりも上方となる
。そのため、容量減少に伴う圧縮比の変動が小さくなる
。

実施例 第１図は、この発明に係る可変容量型往復ピストン装置
の一実施例を分解状態で示した斜視図である。

図において、１は主軸ケースであり、この主軸ケース１
の上面にはシリンダブロック２が載置固定されている。

上記シリンダブロック２は、その内部にシリンダ（図示
せず）を有し、ここにピストン３が摺動可能に嵌装され
ている。このピストン３は、ピストンピン４を介してコ
ネクティングロッド５の小端部に連結されている。

６は、いわゆるオルダム継手における中間節に相当する
中間節部材であり、この中間節部材６は短円筒状のピン
部７と、このピン部７の両端面に形成された第１．第２
スライダ８．９とから構成されている。上記ピン部７は
、コネクティングロッド５大端部に、キャップボルト１
１にて締結されたキャップＩＯを介して回転可能に保持
されている。上記第１スライダ８．第２スライダ９は、
断面矩形の棒状をなし、かつ互いに直交する方向に沿っ
て形成されている。

次に、１２はオルダム継手の一方の節に相当する第１主
軸を示している。この第１主軸１２は、上記ピン部７の
端面に密接する円盤部１３と、この円盤部１３の背面に
突出形成された軸部１４とからなり、かつ上記円盤部１
３の表面に、径方向に沿ったガイド溝１５が凹設されて
いる。このガイド溝１５は、上記中間節部材６の第１ス
ライダ８と嵌合し、両者の相対運動の方向を一方向にの
み規制している。そして、上記軸部１４は、主軸ケース
１にボルト１７にて固定された固定軸受１６によって、
回転可能に軸支されるようになっている。

またＩ８は、オルダム継手の他方の節に相当する第２主
軸を示している。この第２主軸１８は、第１主軸１２と
同様に、ピン部７の他方の端面に密接する円盤部１９と
、その背面に形成された軸部２０とからなり、かつ円盤
部１９表面には径方向に沿ってガイド溝２１が凹設され
ている。上記ガイド溝２１は、中間節部材６の第２スラ
イダ９に嵌合し、やはり両者の相対運動の方向を一方向
にのみ規制している。そして、上記第２主軸１８の軸部
２０は、可動軸受部材である軸受レバー２２の軸受部２
３に回転可動に軸支されている。この軸受レバー２２は
、一端の支点部２４が主軸ケースＩの支持軸２５に回動
可能に支持されているもので、他端の操作部に長孔状の
係合孔２６が形成されている。すなわち、上記軸受部２
３が円弧状の軌跡を描いて移動するようになっており、
これに対応して主軸ケースｌに円弧状の開口部２７が設
けられている。なお、軸受レバー２２を最も下方に押し
下げたときに第２主軸１８の回転中心０、が第１主軸１
２の回転中心Ｏ０の略直下に位置し、ここから軸受レバ
ー２２を上方へ回動すると両回転中心０＋、Ｏｔが接近
する構成となっている。

また上記軸受レバー２２を駆動する駆動機構として、こ
の実施例では複動型油圧シリンダ２８が用いられている
。上記油圧シリンダ２８は、主軸ケース１のフランジ部
２９に取り付けられるシリンダケース３０と、該シリン
ダケース３０内に嵌合して上下に油圧室を隔成するピス
トン３１と、このピストン３１に一端が固定されるとと
もに他端が軸受レバー２２の係合孔２６に連結されたロ
ッド３２とから構成されている。また３３は、上記複動
型油圧シリンダ２８の上下油圧室に対する油圧供給を制
御するスプール弁であり、このスプール弁３３は、油圧
シリンダ２８のシリンダケース３０に直接装着されたバ
ルブケース３４と、弁体３５とから構成されている。そ
して、上記弁体３５の下端に、コントロールレバー３６
の先端が連繋しており、該コントロールレバー３６を揺
動操作することによってスプール弁３３の切り換えが行
われる構成となっている。なお、上記コントロールレバ
ー３６を支点支持した支持プレート３７は、上記主軸ケ
ースｌに固定されている。

さて上記構成においては、前述したように第１主軸１２
と第２主軸１８と中間節部材６とによって、いわゆるオ
ルダム継手が構成されることになり、このオルダム継手
の中間節に相当する中間節部材６にコネクティングロッ
ド５大端部が連繋している。

第２図に示すように、第１主軸１２の回転中心を０１、
第２主軸１８の回転中心をＯ２、中間節部材６（ピン部
７）の回転中心をＯ８とすれば、良く知られているよう
に、第１主軸１２と第２主軸！８と中間節部材６の三者
が全く同位相で回転ずとともに、中間節部材６の回転中
心０．は、線分０．。

０、を直径とする円Ｒ上を公転する。

従って、例えばコンプレッサとして第１主軸１２もしく
は第２主軸１８を外部から回転駆動すれば、この回転中
心Ｏ１の公転に伴ってピストン３が往復直線運動するこ
とになる。また、逆に内燃機関としてピストン３が往復
直線運動すれば、第１主軸１２や第２主軸１８がピン部
７の公転に伴って回転運動することになる。

そして、上記ピストン３の往復直線運動の際の往復スト
ロークＳは、第２図に明らかなように、円Ｒの直径つま
り第１．第２主軸１２．１８の回転中心Ｏ１，Ｏ２間の
距離りと略等しいものとなる。

従って、軸受レバー２２を第１図の上方に回動させて０
．．０．間の距離りを小とすれば、往復ストローフＳは
短くなり、また逆に軸受レバー２２を下方に回動させて
Ｏｒ、Ｏｒ間の距離りを大とすれば、往復ストロークＳ
は長くなる。これにより、ピストン装置の容量つまり内
燃機関としての排気量やコンプレッサとしての吐出量が
変化することになる。

第１図に示した実施例では、軸受レバー２２の移動はス
プール弁３３および油圧シリンダ２８を用いた油圧制御
機構によって行われる。すなわち、スプール弁３３中夫
の供給ボート３８に図示せぬ油圧ポンプから所定の油圧
が導かれており、コントロールレバー３６の操作により
スプール弁３３を切り換えて複動型油圧シリンダ２８を
上方もしくは下方に動作させることによって、容量の可
変制御がなされるのである。そして、この容量の可変制
御はピストン装置の運転を停止することなく任意のタイ
ミングで行うことができる。

従って、例えばこれをガソリン機関として用いた場合に
は、排気量の可変制御に上り絞弁を用いずに機関出力を
調節することが可能である。そのため、ボンピングロス
が低減し、特に低負荷運転時において燃費の大幅な向上
が図れる。

また、コンプレッサとして用いた場合には、装置のオン
、オフ制御や駆動軸の回転数制御を行うことなく流量や
圧力を制御することが可能となる。

ところで、第２図において、仮に両回転中心Ｏ１，Ｏｔ
がシリンダ軸心Ｍ１上に位置するものと仮定すれば、円
Ｒの中心は常に上記シリンダ軸心Ｍ、上にあるので、ピ
ストン３の上死点位置はピン部７の回転中心Ｏ０が点Ｏ
１上に合致したときのピストン３位置となる。つまり、
ピストン３上死点位置が固定的に与えられることになる
が、このことは、装置全体の容量が変化しても上死点で
の残容量が変化しないことを意味し、圧縮比の変動を来
してしまう。そこで、この実施例では、同時に上死点位
置を変化させて、圧縮比の変動を抑制している。これを
、第３図の説明図を参照して更に説明する。

先ず、軸受レバー２２が最も下方に押し下げられている
ときの各回転中心をＯｒ、Ｏｘとし、そのときの公転内
をＲ９、該公転内Ｒｔの中心を０４とする。この状態で
は、ピストン３の往復ストロークＳは最大ストロークＳ
１となり、これは円Ｒ＋の直径に略等しい。なお、この
実施例では所謂オフセットクランク形式とするために、
回転中心Ｏ１゜０、はシリンダ軸心Ｍ、から僅かに離れ
ており、０＋、Ｏｓを結ぶ線Ｍ、は線Ｍ、に対しθの角
度を有するとともに、公転内Ｒ１の中心０４付近で交わ
っている。勿論オフセットクランク形式としない場合に
は、上記θが０であっても良い。

上記の最大ストロークＳ、の場合に、ピストン３の上死
点位置は、ビン部７中心Ｏ２がシリンダ軸心Ｍ、上の点
Ｔ＋に来たときに規定され、かつ下死点位置は、点０３
が線Ｍ、上の点Ｂ、に来たときに規定される。図には、
この上死点、下死点におけるピストンピン４の中心をＰ
＋、Ｐｇとして示しである。

一方、軸受レバー２２を上方へ回動操作すると、第２主
軸１８の回転中心Ｏ２は円弧状の軌跡Ａに沿って移動す
る。図には、ある回動位置での回転中心をＯｔ−とじて
示しであるが、このときの公転内Ｒ，は、点０１と点Ｏ
ｔ−とを結んだ線分を直径とする円として描かれるので
、図で明らかなように、当初の公転内Ｒ１よりも図上力
へはみ出た形となる。そして、この場合のピストン３の
上死点位置は、ピン部７中心Ｏ２が点Ｔ、に来たときに
規定され、かつ下死点位置は、点０３が点Ｂ２に来たと
きに規定される。また、ピストン３の往復ストロークＳ
、は、公転内Ｒ２の直径に略等しい値となる。なお上死
点位置におけるピストンピン４中心をＰ１″として示し
である。

従って、上死点を規定する点Ｔ１と点Ｔ、との位置関係
から明らかなように、往復ストロークをＳ、としたとき
のピストン３上死点位置は、往復ストロークがＳｌであ
るときの上死点位置よりも上方に移動することになる。

つまり、それだけ上死点での残容量が減少する。換言す
れば、全容量の減少に伴う圧縮比の低下が抑制される。

上記の上死点位置の移動量αは、点Ｔ、、Ｔ、のシリン
ダ軸心Ｍ１方向に沿った距離に近似するので、角θの影
響を無視すれば、点０＋、Ｏｔ−を結ぶ線Ｍ、と線Ｍ、
とのなす角をφとして、α＃５（１−ｃｏｓφ）／２ として求めることができる。

要するに、往復ストロークＳ（つまり公厭円Ｒの直径）
が小さくなるに従って角φが大となるように回転中心Ｏ
２の移動軌跡Ａを設定すれば、容量が小さくなる捏上死
点が上方に移動することになり、圧縮比の変動を小さな
範囲に抑制できるのである。

尚、理想的な移動軌跡Ａは、シリンダ上部の形状や圧縮
比をどの程度に設定するか等によって異なるものとなる
。従って、上記実施例では、円弧状の軌跡としであるが
、これに限定されないことは言うまでもない。

また、上記実施例では中間節部材６側に第１゜第２スラ
イダ８．９を突設し、第１主軸１２．第２主軸１８側に
ガイド溝１５．２１を凹設しであるが、この関係は適宜
に変更することができる。

つまり、中間節部材６と第１．第２主軸１２．１８との
運動方向がそれぞれ一方向に規制できれば良い。

また、上記実施例では単気筒のピストン装置の実施例を
説明したが、これを複数気筒連結して用いることができ
るのは勿論である。

発明の効果 以上の説明で明らかなように、この発明に係る可変容量
型往復ピストン装置によれば、運転を継続したままピス
トンの往復ストロークを変化させることができ、その容
量を任意のタイミングで可変制御することができる。従
って、例えば内燃機関に適用することにより、ボンピン
グロスの低減が図れ、特に低負荷運転時における燃費を
大幅に低減することができる。また、コンプレッサに適
用すれば、運転を滑らかに継続したまま流量や圧力を制
御することが可能となる。

そして、ピストン往復ストロークが減少すると、これと
同時にピストン上死点位置が上方に変化するため、容量
変化に伴う圧縮比の変動を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る可変容量型往復ピストン装置の
一実施例を示す分解斜視図、第２図はその作動原理を説
明するための説明図、第３図は更に詳細に作動原理を説
明するための説明図である。 ３・・・ピストン、５・・・コネクティングロッド、６
・・・中間節部材、７・・・ピン部、８・・・第１スラ
イダ、９・・・第２スライダ、１２・・・第１主軸、１
５・・・ガイド溝、１６・・・固定軸受、１８・・・第
２主軸、２１・・・ガイド溝、２２・・・軸受レバー、
２８・・・複動型油圧シリンダ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）往復運動するピストンにコネクティングロッドを
   介して連結されるピン部を有し、かつ両端面に、スライ
   ダもしくはガイド溝が互いに直交する方向に沿って形成
   された中間節部材と、上記中間節部材の一方の端面に密
   接し、かつその接合面に径方向にガイド溝もしくはスラ
   イダが形成されるとともに、その回転中心Ｏ＿１が固定
   された第１主軸と、上記中間節部材の他方の面に密接し
   、かつその接合面にガイド溝もしくはスライダが形成さ
   れた第２主軸と、この第２主軸を回転可能に軸支すると
   ともに、その回転中心Ｏ＿２が上記第１主軸の回転中心
   Ｏ＿１に対し接近離間可能なように所定の軌跡に沿って
   移動可能な可動軸受部材とを備えて構成され、かつ両回
   転中心Ｏ＿１，Ｏ＿２間の距離の減少に伴ってＯ＿１，
   Ｏ＿２を結ぶ線の傾きが増加するように、回転中心Ｏ＿
   ２の移動軌跡が設定されていることを特徴とする可変容
   量型往復ピストン装置。