JPH01240701A - 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重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。

そして、この種の往復動内燃機関等においては、吸気弁
、排気弁からなる動弁機構が、タイミングベルトやチェ
ーンを介してクランクシャフトにより駆動され、所定の
開閉時期に開閉されるようになっている。

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る可変容量型
往復ピストン装置を提供することを目的としている。そ
して、特にこの発明は、容量を増減変化させた際の圧縮
比の変動を抑制し、かつ同時に、吸気弁、排気弁の開閉
時期を容量変化に拘わらず常に最適時期に保ち得るよう
に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ＯＩ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Ｏ２が上記第１主軸の回転中心ＯＩ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に構成さ
れ、かつ両回転中心Ｏ１，０２間の距離の減少に伴って
０３．〇−を結ぶ線の傾きが増加するように、回転中心
Ｏ２の移動軌跡を設定してなる可動軸受部材と、上記第
１主軸にタイミングベルトもしくはチェーンを介して従
動する動弁機構と、上記タイミングベルトもしくはチェ
ーンの中間部の移動軌跡を規制する一対のガイド部材を
有し、該ガイド部材の位置が上記第２主軸の回転中心Ｏ
，の移動に伴って変化する弁開閉時期補正機構とを備え
て構成されている。

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Ｏ１と第２主軸の回転中心Ｏｘ’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両回
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０．０２間の距離が最大となっている
ときには、０．．０．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．。

０１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
。

また、上記の第２主軸の回転中心Ｏ２の移動に伴って、
タイミングベルト、チェーンのガイド部材の位置が変化
する。これにより、タイミングベルトもしくはチェーン
の張り側長さと緩み側長さの一方が増大し、他方が減少
する。この結果、動弁機構における位相と第１主軸の位
相とが相対変化し、弁開閉時期が遅進する。すなわち、
上記のようにＯｌ、Ｏｔを結ぶ線が傾くことによって生
じる動弁機構と現実のピストン位置との位相のズレを、
相殺することができる。

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、ｌは主軸ケースであり、この主軸ケースｌ
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。尚、
上記シリンダブロック２の上部には、吸気弁４１と排気
弁４２（第２図参照）を備えた動弁機構が設けられてい
るが、第１図ではその詳細は省略しである。

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１０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、Ｉ２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ば、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２３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ｌ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２３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Ｏ２が第１主軸１２の
回転中心ＯＩの略直下に位置し、ここから軸受レバー２
２を上方へ回動すると両回転中心０１．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１に固定されている。

次に、第２図、第３図に基づいて動弁機構の構成につい
て説明する。

第２図に示すように、この実施例の動弁機構は、１本の
カムシャフト４３を有し、ロッカアーム４４．４５を介
して吸気弁４！、排気弁４２を開閉駆動するようになっ
ている。そして、上記カムシャフト４３は、第３図に示
すように、一端にタイミングプーリ４６が固着されてお
り、第１主軸１２端部に固定したタイミングプーリ４７
との間にタイミングベルト４８が巻き掛けられていて、
これにより第１主軸１２に従動している。尚、このオル
ダム継手を応用した往復ピストン装置では、ピストン３
の２往復で第１主軸１２が一回転するので、４サイクル
内燃機関として構成する場合には、両タイミングプーリ
４６，４７の歯数は等しいものとなる。

また、この動弁機構は、両タイミングプーリ４６．４７
の位相を変化させるための弁開閉時期補正機構を備えて
いる。第３図において、５１，５２はガイド部材として
の回転自在なガイドプーリ、５３．５４はそれぞれ上記
のガイドプーリ５１゜５２が先端部に回転自在に装着さ
れるとともに、それぞれカムシャフト４３．第１主軸１
２を中心として揺動可能に構成された揺動レバー、５５
は両ガイドプーリ５１，５２の回転軸５６．５７を互い
に連結したリンク部材である。すなわち、両ガイドプー
リ５１．５２は、それぞれタイミングベルト４８の中間
部背面に外側から圧接して適宜　　゛な張力を付与する
と同時に、タイミングベルト４８中間部の移動軌跡を規
制する機能を有しており、かつリンク部材５５の連係に
より、一方が内側に移動すると他方が外側に移動する関
係にある。また、例えば、タイミングベルト４８のガイ
ドプーリ５１側部分が略直線状態にあるときは、他方の
ガイドプーリ５２側部分では、該ガイドプーリ５２がか
なり内側に位置し、タイミングベルト４８が比較的大き
く折曲された状態となっている。

そして、上記リンク部材５５は、その中心部が更にリン
ク部材５８を介して略し字状のレバー５９の一端５９ａ
に連係している。上記レバー５９は、固定された軸６０
を中心として回動可能に支持されたもので、他端５９ｂ
に、図示せぬリンク機構等を介して軸受レバー２２の動
作が伝達される構成となっている。すなわち、軸受レバ
ー２２が回動すれば、その移動量に応じて上記レバー５
９が回動し、最終的にはガイドプーリ５１，５２が左右
に移動するのである。

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大端部が連係している。

第４図に示すように、第１主軸Ｉ２の回転中心を０１％
第２主軸！８の回転中心をＯ７、中間節部材６（ピンｇ
５７）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の王
者が全く同位相で回転するとともに、中間節部材６の回
転中心Ｏ１は、線分ＯＩＯｔ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０３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！８がビン部
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４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Ｏｔ、Ｏｘ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Ｏ
ｌ、Ｏｘ間の距離りを小とすれば、往復ストローク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
０１．Ｏｘ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中央
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。

ところで、第４図において、仮に両回転中心Ｑ＋、Ｏｔ
がシリンダ軸心Ｍ、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０３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、この発明では、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５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０．．０１とし、そのときの公転内
をＲ８、該公転内Ｒ，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
Ｉとなり、これは円Ｒ１の直径に略等しい。なお、この
実施例では所謂オフセット量がＯであるので、最大スト
ロークＳＩと円Ｒ，の直径とは全く等しい。

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０３がシリンダ軸心Ｍ１上の点
Ｔ、つまり点Ｏ１に来たときに規定され、かつ下死点位
置は、点Ｏ２が線Ｍ、上の点Ｂ、つまり点Ｏ１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、、Ｐ、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０．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Ｒｔは、点０．と点０
．′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Ｒ，よりも図上方
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、ビン部７中心Ｏ１が点Ｔ、に来たときに
規定され、かつ下死点位置は、点Ｏ５が点Ｂ、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Ｐ、−として示し
である。

従って、上死点を規定する点Ｔ、と点Ｔｄの位置関係か
ら明らかなように、往復ストロークを、　　Ｓ！、：し
たときのピストン３上死点位置は、往復ストロークがＳ
ｌ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、、Ｔｔのシリン
ダ軸心Ｍ１方向に沿った距離に近似管るので、点０＋、
Ｏｔ−を結ぶ線Ｍ、と線Ｍ、とのなす角をφとして、 α＝Ｓ（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（つまり公転内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。

一方、上記のように上死点の位置が変化すると、そのま
までは動弁機構の位相がずれることになる。

すなわち、第２主軸１８の回転中心が０ｆｆｉ″に位置
する場合の実際の上死点は、上述したように、ビン部７
中心Ｏｓが点Ｔ、に来たときであるが、動弁機構を第１
主軸１２と同位相で駆動したとすると、ピン部７中心０
３が点Ｔｓに来たときに第１主軸１２のガイド溝１５が
線分０，Ｏ１に直交した状態となるので、動弁機構にお
ける位相ではこの点Ｔ３位置が上死点位置となる。従っ
て、ピン部７等が第５図で時計回り方向に回転するもの
とすれば、角θだけ弁開閉時期が早まってしまうことに
なる。

これに対し、上記構成の動弁機構においては、そのタイ
ミングベルト４８に対し設けられた弁開閉時期補正機構
によって、上述した位相のずれが相殺される。

第６図は、この位相の補正を説明するための説明図であ
って、図中破線が、ピストン３の往復ストロークＳが最
大ストロークＳｌの場合、つまり第５図において第２主
軸１８の中心が点Ｏ１に位置する場合のタイミングベル
ト４８等の状態を示す。また実線が、往復ストロークＳ
が小さくなった場合、つまり第５図において第２主軸１
８の中心が点０！−に位置する場合のタイミングベルト
４８等の状態を示す。尚、両タイミングプーリ４６．４
７は、例えば第５図と同様に時計回り方向へ回転するも
のとする。

すなわち、上記の回転方向では、ガイドプーリ５１側が
ベルトの張り側、ガイドプーリ５８側がベルトの緩み側
となるが、破線で示した最大ストロークＳｌの状態では
、ガイドプーリ５１が内側に押し込まれた位置にあり、
張り側のベルト基が大きく、これに比して緩み側のベル
ト基は小さい。

この状態から、往復ストロークＳの減少に伴い両ガイド
プーリ５１，５２が実線に示した位置に移動すると、つ
まり張り側のガイドプーリ５１が外側に、緩み側のガイ
ドプーリ５２が内側にそれぞれ移動してくると、張り側
のベルト基が減少し、緩み側のベルト基が増大する。

従って、このベルト基の変化に伴って、従動側プーリで
あるカムシャフト４３側のタイミングプーリ４６は、駆
動側のタイミングプーリ４７に対し反時計回り方向に回
動することになり、図示するように角θ１だけ位相が遅
れる。そこで、前述した上死点位置変化に伴う位相の進
みθと、この位相の遅れθ、とが略等しくなるように各
部を設定すれば、前述した上死点位置変化に伴う位相の
変化θの影響を相殺でき、弁開閉時期の狂いを防止でき
るのである。

尚、上記の弁開閉時期の補正量θ、は、ガイドプーリ５
１，５２の位置を連続的に変化させることで、ビストン
ストロークＳの変化と同様に連続的に変化させることが
できる。

そのため、ビストンストロークＳをどのように変化させ
ても、これに応じて常に最適な弁開閉時期を確保できる
。また、カムシャフト４３の位相によって点火時期を制
御する場合には、その点火時期も常に最適状態に維持で
きる。

尚、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。

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かで°きる。

また同時に、このピストン上死点位置の変化に伴う位相
のずれを相殺する形で動弁機構の位相を補正することが
でき、吸気弁、排気弁の弁開閉時期を常に適正時期に保
つことができる・

【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図はその動弁機構の断
面図、第３図は動弁機構および弁開閉時期補正機構の分
解斜視図、第４図は上記ピストン装置の作動原理を説明
するための説明図、第５図は更に詳細に作動原理を説明
するための説明図、第６図は弁開閉時期補正機構の作動
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、Ｉ６・・・固定軸受、１８・・・第
２主軸、２１・・・ガイド溝、２２・・−軸受レバー、
４３・・・カムシャフト、４６．４７・・・タイミング
プーリ、４８・・・タイミングベルト、５１．５２・・
・ガイドプーリ。 ４３・・・カムシャフト 第４図

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
   移動可能に構成され、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の移動軌跡を設定して
   なる可動軸受部材と、上記第１主軸にタイミングベルト
   もしくはチェーンを介して従動する動弁機構と、上記タ
   イミングベルトもしくはチェーンの中間部の移動軌跡を
   規制する一対のガイド部材を有し、該ガイド部材の位置
   が上記第２主軸の回転中心Ｏ＿２の移動に伴って変化す
   る弁開閉時期補正機構とを備えてなる可変容量型往復ピ
   ストン装置。