JPS6035542B2 - ２本のコンロツドを連結したピストンを有する往復動内燃機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、１つのピストンをクランク軸の軸方向に離れ
た位置に設けられた２本のコンロツドで支えるようにし
た往復動内燃機関に関するもので、特に、機関本体に形
成したシリンダ孔及びそのシリンダ孔内に摺動自在に隊
合されるピストンを、いずれもその横断面すなわちその
平面図が小判形もしくは楕円形となるように形成した往
復動内燃機関に関するものである。

従来、往復動内燃機関は、そのシリンダ孔及びピストン
の横断面がいずれも円形のものに限られていた。

しかしながら、本発明の発明者は、従来の多シリンダ型
内燃機関に比べて、複数の円形シリンダ孔を連結した形
の横断面小判形もしくは楕円形にシリンダ孔及びピスト
ンを形成した方が、単位重量当たりの出力を増大させる
ことができるということに着目して、横断面小判形もし
くは楕円形のシリンダ孔及びピストンを有する往復敷内
燃機関の開発を進めてきた。第１図はそのような内燃機
関を示すもので、機関本体のシリンダブロツク１‘こは
、シリンダ孔２が形成されている。

このシリンダ孔２は、横断面すなわち平面図において、
左右両側の円弧部分とそれらを結ぶ直線又は曲線部分と
より形成される左右対称の小判形もしくは左右方向に偏
平な楕円形に形成されている。このシリンダ孔２に摺動
自在に鉄合されるピストン３も、その横断面すなわち平
面図が同様の小判形もしくは楕円形となる左右対称形に
形成されている。ピストン３の上部外周にはピストンリ
ング４が鉄着され、このピストンリング４がシリンダ孔
２の壁面に摺接されるようになっている。ピストン３に
は、その長軸方向すなわち左右方向に２対のピンボス５
，５；６，６が設けられ、これらのピンボス５，５；６
，６に、ピストン３の長軸方向すなわち左右方向に沿っ
てピストンピン７が構架されている。

ピストンピン７には、各対のピンボス５，５及び６，６
間において、２本のコンロツド８，９の小端部が回転自
在に支承され、これらコンロッド８，９の大端部はクラ
ンク軸１０のクランクピン１１に連結されている。した
がって、左右方向に長いピストン３は、クランク軸１０
の軸方向すなわち左右方向に離れた位置で、２本のコン
ロッド８，９によって支えられる。このようなものにお
いて、機関が運転されるときには、ピストン３の頭部全
面に燃焼ガス圧が加わり、ピストン３が押し下げられる
。

このときピストン３には２本のコンロッド８，９から圧
力が加わる。この反力と燃焼ガス圧とは、ピストン３全
体でみるときには、コンロッド８，９の位置に関係なく
釣り合っている。しかしながら、左右方向の長軸に垂直
な左右対称面（第１図Ａ−Ａ線）によってピストン３を
分割してみると、その左側半分及び右側半分においては
、そのコンロッド８あるいは９から加えられる反力とピ
ストン３の頭部左半面あるいは右半面に加わるガス圧と
は一般には釣り合っていない。そして、そのアンバラン
ス分により、ピストン３の左右対称面において互し、に
他の半分側に対して方向が反対で大きさが等しい曲げモ
ーメントが作用している。ピストン３及びピストンピン
７を１本の梁として考えると、このときの榛みは第３図
ａのようになる。すなわち、ピストン３及びピネトンピ
ン７からなる梁の上面全体に燃焼ガス圧が分布荷重ｗと
して加わり、これがコンロッド８，９によってａ，ａ点
で支えられているとすると、梁の中央から左側及び右側
でそれぞれ単独に釣り合っていない限り、ａ，ａ点での
梁の傾斜角度８‘ま０とならない。したがって、ａ，ａ
点で連結されているコンロッド８，９は傾斜しようとす
る。その結果、コンロッド８，９の大端部側面はクラン
ク軸１０１こ押圧され、糠付きや摩耗を生じさせること
になる。また、このとき梁に加えられる曲げモーメント
は、第３図ｃの実線で示すように、中央部で比較的大き
なものとなる。すなわち、ピストン３とピストンピン７
の中央部には大きな曲げモーメントが働くので、この部
分の強度を十分に大きくしなければならない。このよう
な問題を解決するためには、梁の中央から左側及び右側
の各重心位置とａ，ａ点とを一致させればよいことがわ
かった。

すなわち、コンロッド８，９のピストンピン７への連結
部の中心をピストン３の平面図上に投影した位置が、ピ
ストン３の平面図を左右対称面（第１図Ａ−Ａ線）で分
割した左右の平面図形の各重心と一致するようにすれば
、この各重心に対するピストン３の頭部のそれぞれ左、
右半分に加わる燃焼ガス圧の曲げモーメントの総和が０
になり、この重心位置におけるピストン３及びピストン
ピン７の操みによる後斜が０となるとともに、ピストン
３の左、右側半分におけるガス圧とコンロッド８，９の
反力がそれぞれ釣り合うようになるので、ピストン３及
びピストンピン７の中央部の曲げモーメントが０となる
。その結果、コンロッド８，９の傾斜が防止され、その
大端部側面の焼付きや摩耗が発生することはなくなり、
また、ピストン３及びピストンピン７の中央部の強度や
剛性はほとんど必要とならなくなる。このようにコンロ
ッド８，９の位置を定めることによって、ガス圧に対す
るピストン３の強度及び榛みは理想的なものとすること
ができるのである。しかしながら、機関の運転時には、
燃焼ガス圧のほかにピストンの往復運動による慣性力が
生ずる。そして、機関の高速運転時には、燃焼ガス圧よ
りも慣性力の方が強度上問題となるということは、よく
知られていることである。これを第３図ａを用いて説明
すると、ピストン３が下降から上昇に転じるときのよう
に大きな加速度を生じるとき、ピストン３及びピストン
ピン７の微小質量部分には、その質量と加速度の積に等
しい大きな荷重が加わる。したがって、ピストン３及び
ピストンピン７を１本の梁として考えると、その梁の上
面全体に慣性力が分布荷重ｗとして加わり、これをａ，
ａ点にあるコンロッド８，９によって支えていることに
なる。この場合、一般には梁の中央から左右両側の各部
分においてコンロッド８，９による支持力と慣性力によ
る分布荷重ｗの総和とは釣り合っていない。そのために
、ガス圧による榛みの場合と同様に、コンロッド８，９
の連結点すなわちａ，ａ点における梁の傾斜角度のま０
とならず、コンロツド８，９の大端部は側方へ移動し、
その側面がクランク軸１０に押圧されて、焼付きや摩耗
を生じることになる。また、梁の中央部には第３図ｃの
実線で示すように大きな曲げモーメントが加わるので、
ピストン３及びピストンピン７の中央部の強度を十分に
大きくしなければならず、その結果、ピストン３及びピ
ストンピン７の重量が増大し、機関の単位重量当たりの
出力を増大させることが困難となる。本発明は、以上の
ような諸問題に鑑みてなされたものであって、ガス圧に
よるピストンの髭みの傾斜角度がコンロッドの連結部分
で０となるようにするとともに、ピストンの中央部分に
おける燃焼ガス圧による曲げモーメントも０となるよう
にコンロツドを配置し、しかも、そのコンロツドの配置
状態で、慣性力によるピストンの榛みの傾斜角度がコン
ロッドの連結部分で０となり、ピストンの中央部分にお
ける慣性力による曲げモーメントも０となるようにし、
それによって低速から高速までの運転においてもコンロ
ッド大端部の焼付きや摩耗を防止することができ、しか
も単位重量当たりの出力の大きい、２本のコンロツドを
連結したピストンを有する往復動内燃機関を提供するこ
とを目的とするものである。本発明の上記目的は、２本
のコンロッドのピストンピンへの各連結部中心及びピス
トンの左右対称面の両側部分の各重心をそれぞれピスト
ンの平面図上に投影した位置が、いずれもピストンの平
面図において左右対称軸により分割される各平面図形の
各重心と一致するようにすることによって達成される。

ピストンの左右対称面の両側部分の各重心位置は、各部
分の肉厚を変えたりバランスウェイトを取り付けたりす
ることによって、移動させることができるのである。次
に、本発明の原理について説明する。

ピストン３の平面図を示す第２図において、ピストン３
の左右対称面（平面図では左右対称軸）Ａ−Ａの左側に
形成される平面図形の重心位置をＧ，とする。

この重心○，からこの平面図形の任意の微小面積ｄＦま
での距離をｒとするとき、重心の定義から、ＪｒｄＦ＝
０ この式の両辺に、単位面積当たりの燃焼ガス圧ｐを掛け
ると、ノｒｐｄＦ＝０ ここで、ｐｄＦは微小面積帆に作用するガス圧であるか
ら、ｒ（ｐ帆）はそのガス圧の重心ｏ，に対するモーメ
ントを意味する。

すなわち、上式は、重心Ｇ，のまわりのガス圧によるモ
ーメントの総和が０であることを示している。したがっ
て、第１図におけるコンロツド８のピストンピン７への
連結部中心を、第２図の平面図上に投影したとき、それ
が重心Ｇ，と一致するようにコンロッド８の位置を定め
れば、コンロッド８による支持点上でのピストン３及び
ピストンピン７の傾斜角は０となる。このときの孫み状
態は第３図ｂで示される。また、このピストン３の左側
半分におけるガス圧とコンロツド８による反力とは完全
に釣り合うから、左右対称面Ａ−Ａにおける曲げモーメ
ントは０となる。このときの曲げモーメントは第３図ｃ
の点線で示される。ピストン３の右側についても同様で
ある。次に、ピストン３の左右対称面Ａ−Ａで切断した
左側半分の質量中心すなわち重心を第２図の平面図上に
投影した位置をＧ２とする。

この位置Ｇ，から、この平面図上に投影される任意の微
小質量ｄｍまでの距離をｒとするとき、ガス圧の場合と
同様に、′ｒｄｍ＝０ が成り立つ。

この式の両辺に単位質量当たりの慣性力ｐｉを掛けると
、′ｒｐｉｄｍ＝０ ここで、ｐｉｄｍは微小質量ｄｍの慣性力であるかり、
ｒ（ｐｉｄｍ）はその慣性力の重心投影位置Ｇ２に対す
るモーメントを意味する。

すなわち、上式は、位置Ｇ２のまわりの慣性力の総和が
０であることを示している。したがって、第１図におけ
るコンロッド８のピストンピン７への連結部中心を、第
２図の平面図上に投影したとき、それが重心投影位置Ｃ
２と一致するようにすれば、第３図ｂで示すようにコン
ロッド８による支持点すなわちａ点におけるピストン３
及びピストンピン７の煩斜角は０となる。また、このと
きピストン３の左側半分における慣性力とコンロツド８
にる反力とは完全に釣り合うから、第３図ｃの点線で示
すように、ピストン３及びピストンピン７の中央部分に
おける曲げモーメントも０となる。ピストン３の右側に
ついても同様である。以上の原理から、重心Ｇ，と重心
投影位置Ｇ２とを一致させることができれば、ガス圧に
対しても慣性力に対しても理想的なコンロッド８，９の
位置を定めることができる。

ところで、ピストン３の平面図を左右対称軸（Ａ−Ａ線
）により分割した平面図形の重心Ｇ，は、ピストン３あ
るいはシリンダ孔２の形状によって定められるものであ
るから、この位置を移動させることはほとんど不可能と
言ってよい。しかしながら、ピストン３の左右対称面の
両側部分の重心は、各部の肉厚を変えたりバランスウェ
イトを付加したりすることによって、その位置を変える
ことは容易である。したがって、その重心を平面図上に
投影した位置Ｇ２を移動させることも容易である。その
ようにすることによって、その位置Ｇ２を重心Ｇ，と一
致させることができる。したがって、２本のコンロツド
８，９のピストンピン７への連結部中心を、ピストンの
平面図上に投影したそれぞれの位置が、その平面図の左
右両側半分の各重心○，と一致するようにコンロッド８
，９の位置を定めた後、ピストン３の左右両側半分の重
心位置を調整し、その重心の平面図上への投影位置Ｇ２
が重心Ｇ，と一致するようにすれば、これら３者の位置
を一致させることができるのである。

以上のように、本発明によれば、ピストンの左右対称面
の両側部分の各重心及び２本のコンロッドとピストンピ
ンとの各連結部中心をそれぞれピストンの平面図上に投
影した位置が、いずれもピストンの平面図において左右
対称軸により分割される各平面図形の各重０と一致する
ようにしたので、ガス圧及び慣性力のいずれが加わって
も、コンロッドーこよる支持点上におけるピストン及び
ピストンピンの傾斜角は０に保たれ、コンロッドの大端
部側面が焼付きや摩耗を生ずることがなくなるとともに
、ピストン及びピストンピンの中央部における曲げモー
メントも０に保たれ、その部分の剛性もほとんど必要が
なくなる。

したがって、低速から高速までのいずれにも通し、しか
も単位重量当たりの出力の大きい往復勤内燃機関を得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１，２図は、本発明が適用される往復勤内燃機関の一
例を示すもので、第１図はその断面側面図、第２図はそ
のピストンの平面図、第３図は本発明による効果を示す
線図であって、ａは本発明によらない場合のピストン孫
み線図、ｂは本発明によるピストン孫み線図、ｃはピス
トンモーメント線図である。 ２……シリンダ孔、３……ピストン、７……ピストンピ
ン、８”””コンロツド、９“””コンロツド、１０・
・…・クランク軸、Ａ−Ａ・・・・・・左右対称面（軸
）、ａ……コンロッド連結部、Ｇ，……ピストン平面図
の左右半分の平面図形の重心、Ｇ２・・…・ピストン左
右半分の重心を平面図上に投影した位置。 第１図 第２図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 機関本体に形成したシリンダ孔及びそのシリンダ孔
   内に摺動自在に嵌合されるピストンを、いずれもその平
   面図が小判形もしくは楕円形となる左右対称形に形成し
   、前記ピストンに左右方向に横架したピストンに、クラ
   ンク軸に連なる２本のコンロツドを連結してなる往復動
   内燃機関において、前記ピストンの左右対称面の両側部
   分の各重心及び前記２本のコンロツドとピストンピンと
   の各連結部中心をそれぞれ前記ピストンの平面図上に投
   影した位置が、いずれも前記ピストンの平面図において
   左右対称軸により分割される各平面図形の各重心位置と
   一致するようにしてなる、２本のコンロツドを連結した
   ピストンを有する往復動内燃機関。