特開 2022-181003 内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022181003

(43)【公開日】2022-12-07

(54)【発明の名称】内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F16C 3/14 20060101AFI20221130BHJP

   F16C 17/02 20060101ALI20221130BHJP

   F01M 1/06 20060101ALI20221130BHJP

【ＦＩ】

F16C3/14

F16C17/02 Z

F01M1/06 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021087815

(22)【出願日】2021-05-25

(71)【出願人】

【識別番号】000003137

【氏名又は名称】マツダ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100127797

【弁理士】

【氏名又は名称】平田 晴洋

(72)【発明者】

【氏名】宮内 勇馬

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 るな

【テーマコード（参考）】

3G313

3J011

3J033

【Ｆターム（参考）】

3G313BA01

3G313BC01

3G313FA05

3J011AA07

3J011BA02

3J011KA02

3J011MA23

3J011NA01

3J011SB01

3J033AA02

3J033BA01

3J033CD02

3J033GA05

(57)【要約】

【課題】クランクジャーナルの軸受部分における潤滑性を維持しつつ、クランクシャフトの変形に伴うクランクジャーナルの摩耗を抑制する。
【解決手段】エンジン１は、気筒２及びピストン２１を備えたエンジン本体１０と、クランクシャフト３と、潤滑油を介してクランクシャフト３を軸支する主軸受４とを備える。クランクシャフト３は、主軸受４のジャーナルメタル４３で軸支されるクランクジャーナル３１と、クランクジャーナル３１の軸方向端部から径方向外側へ延出するカウンタウェイト３３とを含む。クランクジャーナル３１は、カウンタウェイト３３の延出位置に対応する部分に形成され、径方向内側へ窪む凹部５を備える。凹部５は、クランクジャーナル３１の軸方向中央側よりも軸方向端部の方が深い凹部である。
【選択図】図６

【特許請求の範囲】

【請求項1】

気筒及び該気筒に往復摺動可能に収容されたピストンを備えたエンジン本体と、
前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトと、
潤滑油を介して前記クランクシャフトを軸支する軸受部材と、を備え、
前記クランクシャフトは、前記軸受部材で軸支されるクランクジャーナルと、前記クランクジャーナルの軸方向端部から径方向外側へ延出するカウンタウェイトとを含み、
前記クランクジャーナルは、前記カウンタウェイトの延出位置に対応する部分に形成され、径方向内側へ窪む凹部を備え、
前記凹部は、前記クランクジャーナルの軸方向中央側よりも前記軸方向端部の方が深い凹部であることを特徴とする内燃機関。

【請求項2】

請求項１に記載の内燃機関において、
前記凹部は、前記クランクジャーナルの軸方向中央側から前記軸方向端部に向けて徐々に深さが深くなる凹部である、内燃機関。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の内燃機関において、
前記凹部は、前記クランクジャーナルの軸方向及び周方向において所定の軸方向幅及び周方向幅を有し、
前記凹部の前記軸方向幅は、前記クランクシャフトの回転方向上流側の方が下流側よりも幅広である、内燃機関。

【請求項4】

請求項３に記載の内燃機関において、
前記クランクジャーナルを周方向に展開した平面形状における、前記凹部の平面視の形状は、
前記周方向幅の回転方向上流端近傍において急峻な曲線で軸方向中央側に膨らむ膨出部と、前記膨出部から前記周方向幅の回転方向下流端へ緩い曲線で至る緩曲部と、
を有する形状である、内燃機関。

【請求項5】

請求項４に記載の内燃機関において、
前記凹部は、前記軸方向幅が長い部分ほど、前記軸方向端部における深さが深い、内燃機関。

【請求項6】

請求項１～５のいずれか１項に記載の内燃機関において、
前記凹部は、前記クランクジャーナルの軸方向及び周方向において所定の軸方向幅及び周方向幅を有し、
前記凹部の深さは、前記周方向幅の回転方向上流端から下流側に向けて第１の傾きで深くなり、回転方向中央部よりも上流側に最深部が形成され、前記最深部から回転方向下流端に向けて第２の傾きで浅くなるプロファイルを有し、
前記第１の傾きは、前記第２の傾きよりも大きい傾きである、内燃機関。

【請求項7】

請求項１～６のいずれか１項に記載の内燃機関において、
前記エンジン本体は、所定の配列方向に一列に並ぶ複数の気筒を有し、
２つの気筒間に位置する前記クランクジャーナルは、
軸方向の一端側端部から径方向外側へ延出する第１カウンタウェイトと、
前記第１カウンタウェイトと周方向に対向する位置又は周方向の同位置において、軸方向の他端側端部から径方向外側へ延出する第２カウンタウェイトと、
前記第１カウンタウェイトの延出位置に対応する部分に形成され、前記軸方向の一端側端部から前記軸方向の中央に向けて凹設された第１凹部と、
前記第２カウンタウェイトの延出位置に対応する部分に形成され、前記軸方向の他端側端部から前記軸方向の中央に向けて凹設された第２凹部と、
を備える内燃機関。

【請求項8】

請求項１～６のいずれか１項に記載の内燃機関において、
前記エンジン本体は、所定の配列方向に一列に並ぶ複数の気筒を有し、
前記配列方向の一端側又は他端側の気筒よりも軸方向外側に位置する前記クランクジャーナルは、
軸方向の内側端部から径方向外側へ延出する端部カウンタウェイトと、
前記端部カウンタウェイトの延出位置に対応する部分に形成され、前記内側端部から前記軸方向の外側に向けて凹設された配列端凹部と、
を備える内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、クランクシャフトのクランクジャーナルを、潤滑油を介して軸受部材で軸支する構造を備えた内燃機関に関する。

【背景技術】

【0002】

内燃機関は、気筒に往復摺動可能に収容されたピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトを備える。クランクシャフトのクランクジャーナルは、潤滑油を介して滑り軸受で軸支される。特許文献１には、クランクジャーナルの外表面に複数の凹部を設け、潤滑油の保持性を高めるようにした内燃機関が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２１－２５６５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

内燃機関の燃費向上には、各種の機械的損失の低減が求められる。上記の潤滑油についても、粘度が低い低粘度油を使用することが、摺動面の摩擦損失の抑制の観点から望ましい。しかし、低粘度油を使用した場合、クランクジャーナルの軸受部分で潤滑不良が発生し、クランクジャーナルに摩耗が発生する懸念がある。また、クランクシャフトには、ピストンが燃焼圧力を受けたときに軸方向と交差する方向に押圧されるため、変形力が作用する。このため、クランクジャーナル自体の変形による摩耗の発生も問題となる。

【0005】

本発明の目的は、クランクジャーナルの軸受部分における潤滑性を維持しつつ、クランクシャフトの変形に伴うクランクジャーナルの摩耗を抑制できる内燃機関を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一局面に係る内燃機関は、気筒及び該気筒に往復摺動可能に収容されたピストンを備えたエンジン本体と、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトと、潤滑油を介して前記クランクシャフトを軸支する軸受部材と、を備え、前記クランクシャフトは、前記軸受部材で軸支されるクランクジャーナルと、前記クランクジャーナルの軸方向端部から径方向外側へ延出するカウンタウェイトとを含み、前記クランクジャーナルは、前記カウンタウェイトの延出位置に対応する部分に形成され、径方向内側へ窪む凹部を備え、前記凹部は、前記クランクジャーナルの軸方向中央側よりも前記軸方向端部の方が深い凹部であることを特徴とする。

【0007】

ピストンが燃焼圧力を受けると、クランクシャフトには軸方向と交差する方向の押圧力が作用する。一方、カウンタウェイトは相応の重量物であって、一般に慣性力の軽減のためピストンとクランクシャフトとの連結部の対極位置に配置される。このため、ピストンからの押圧力がクランクシャフトに加わると、カウンタウェイトがクランクジャーナル側に倒れ込むような変形力（荷重）が発生する。この変形力は、カウンタウェイトの延出位置に対応するクランクジャーナルの周面を、軸受部材に接近させる方向に作用する。つまり、カウンタウェイトの延出位置において、クランクジャーナルの周面が軸受部材に接触し易い状態を形成する。

【0008】

上記の内燃機関によれば、カウンタウェイトの延出位置に対応する部分に凹部が形成され、且つ、前記凹部はクランクジャーナルの軸方向中央側よりも前記軸方向端部の方が深い凹部である。このため、ピストンからの押圧力が加わっても、カウンタウェイトの延出位置に対応するクランクジャーナルの周面と軸受部材との間のクリアランスは前記凹部によって確保され、両者の接触を回避することができる。一方、前記凹部が設けられない領域では、クランクジャーナルの周面と軸受部材との間のクリアランスを小さく設定することが可能である。このため、低粘度油を潤滑油として用いても、油抜けが生じ難く、潤滑性を確保することができる。従って、クランクジャーナルの軸受部分で潤滑性の維持と、クランクジャーナルの摩耗防止とを両立することができる。

【0009】

上記の内燃機関において、前記凹部は、前記クランクジャーナルの軸方向中央側から前記軸方向端部に向けて徐々に深さが深くなる凹部であることが望ましい。

【0010】

ピストンからの押圧力がクランクシャフトに加わると、カウンタウェイトの延出位置において、クランクジャーナルの軸方向端部が最も軸受部材に接近する方向に変形し、軸方向中央に向かうに連れて変形量が少なくなる。上記の内燃機関によれば、このようなクランクジャーナルの変形態様にマッチした深さ分布を有する凹部とすることができ、より好適に潤滑性を確保と摩耗防止とを図ることができる。

【0011】

上記の内燃機関において、前記凹部は、前記クランクジャーナルの軸方向及び周方向において所定の軸方向幅及び周方向幅を有し、前記凹部の前記軸方向幅は、前記クランクシャフトの回転方向上流側の方が下流側よりも幅広であることが望ましい。

【0012】

とりわけ、前記クランクジャーナルを周方向に展開した平面形状における、前記凹部の平面視の形状は、前記周方向幅の回転方向上流端近傍において急峻な曲線で軸方向中央側に膨らむ膨出部と、前記膨出部から前記周方向幅の回転方向下流端へ緩い曲線で至る緩曲部と、を有する形状であることがより望ましい。

【0013】

本発明者らの解析によれば、カウンタウェイトの倒れ込みによりクランクジャーナルに作用する荷重は、カウンタウェイトの延出位置において、回転方向上流側部分の方が下流側の部分よりも大きい傾向があることが判明した。より詳しくは、回転方向上流端近傍において最も大きな荷重が加わり、回転方向下流端に向かうに連れて前記荷重が漸減してゆくことが判明した。上記の内燃機関によれば、このような荷重傾向に沿った軸方向幅を有する凹部とすることができ、クランクジャーナルと軸受部材との接触をより確実に防止することができる。

【0014】

上記の内燃機関において、前記凹部は、前記軸方向幅が長い部分ほど、前記軸方向端部における深さが深いことが望ましい。

【0015】

この内燃機関によれば、凹部の軸方向幅が長い部分において、軸受部材とのクリアランスを大きくすることができる。このような、軸方向幅が長く且つ窪みが深い部分を、クランクジャーナルにおいてカウンタウェイトから最も倒れ込み荷重を受ける部分に配置することで、クランクジャーナルの接触摩耗を的確に回避することができる。

【0016】

上記の内燃機関において、前記凹部は、前記クランクジャーナルの軸方向及び周方向において所定の軸方向幅及び周方向幅を有し、前記凹部の深さは、前記周方向幅の回転方向上流端から下流側に向けて第１の傾きで深くなり、回転方向中央部よりも上流側に最深部が形成され、前記最深部から回転方向下流端に向けて第２の傾きで浅くなるプロファイルを有し、前記第１の傾きは、前記第２の傾きよりも大きい傾きであることが望ましい。

【0017】

本発明者らの解析によれば、クランクシャフトの変形に伴うクランクジャーナルと軸受部材との直接接触によるエネルギー損失は、接触の前半期間が比較的急峻に立ち上がり、後半期間は比較的に緩やかに下降する特性を示す。前記直接接触は、クランクジャーナルの摩耗要因となるので、接触の前半期間では摩耗量が大きく、後半期間では摩耗量が小さいということになる。従って、上記の深さプロファイルを有する凹部をクランクジャーナルに設けることで、上記のエネルギー損失特性に即した接触摩耗回避対策を施すことができる。

【0018】

上記の内燃機関において、前記エンジン本体は、所定の配列方向に一列に並ぶ複数の気筒を有し、２つの気筒間に位置する前記クランクジャーナルは、軸方向の一端側端部から径方向外側へ延出する第１カウンタウェイトと、前記第１カウンタウェイトと周方向に対向する位置又は周方向の同位置において、軸方向の他端側端部から径方向外側へ延出する第２カウンタウェイトと、前記第１カウンタウェイトの延出位置に対応する部分に形成され、前記軸方向の一端側端部から前記軸方向の中央に向けて凹設された第１凹部と、前記第２カウンタウェイトの延出位置に対応する部分に形成され、前記軸方向の他端側端部から前記軸方向の中央に向けて凹設された第２凹部と、を備える構成とすることができる。

【0019】

この内燃機関によれば、フルカウンタ型のカウンタウェイトを有するクランクシャフトのクランクジャーナルについて、潤滑性の維持と摩耗防止とを両立することができる。上記の形態では、燃焼圧力がピストンに加わると、クランクジャーナルを挟むように立設されている第１、第２カウンタウェイト間が狭くなるような変形挙動が生じる。このような変形挙動に伴うクランクジャーナルと軸受部材との接触を、第１凹部及び第２凹部の形成によって未然に防止することができる。

【0020】

上記の内燃機関において、前記エンジン本体は、所定の配列方向に一列に並ぶ複数の気筒を有し、前記配列方向の一端側又は他端側の気筒よりも軸方向外側に位置する前記クランクジャーナルは、軸方向の内側端部から径方向外側へ延出する端部カウンタウェイトと、前記端部カウンタウェイトの延出位置に対応する部分に形成され、前記内側端部から前記軸方向の外側に向けて凹設された配列端凹部と、を備える構成とすることができる。

【0021】

フルカウンタ型のカウンタウェイトを有するクランクシャフトでも、配列方向の一端側又は他端側の気筒よりも軸方向外側に位置する前記クランクジャーナルについては、軸方向の内側端部にから延出する端部カウンタウェイトしか存在しない。この内燃機関によれば、クランクシャフトの端部に位置するクランクジャーナルについて、端部カウンタウェイトに対応した配列端凹部のみが形成される。従って、無用にクランクジャーナルと軸受部材との間にクリアランスが形成されることはなく、潤滑性の確保とクランクジャーナルの摩耗防止とを両立させることができる。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、クランクジャーナルの軸受部分における潤滑性を維持しつつ、クランクシャフトの変形に伴うクランクジャーナルの摩耗を抑制できる内燃機関を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】図１は、本発明に係る内燃機関の一例であるエンジンの外観を示す斜視図である。

【図2】図２は、上記エンジンの気筒列方向に沿った縦断面図である。

【図3】図３は、４気筒エンジンのクランクシャフトの側面図である。

【図4】図４は、クランクジャーナルの変形を説明するための模式図である。

【図5】図５は、燃焼圧力によりクランクジャーナルに加わる荷重を示す図である。

【図6】図６（Ａ）は、クランクジャーナルに設けられる凹部の一例を示す簡略断面図、図６（Ｂ）は、前記凹部の作用を示す図である。

【図7】図７は、前記凹部の配置箇所を付記したクランクシャフトの側面図である。

【図8】図８（Ａ）～（Ｃ）は、前記凹部を有するクランクジャーナルの具体例を示す側面図である。

【図9】図９は、前記凹部の軸方向プロファイルを示す、クランクジャーナル表面の展開図である。

【図10】図１０は、前記凹部の深さ方向プロファイルを示す、クランクジャーナルの側面図である。

【図11】図１１は、６気筒エンジンのクランクシャフトの側面図である。

【図12】図１２（Ａ）～（Ｃ）は、前記凹部の変形例を示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係る内燃機関を詳細に説明する。本実施形態では、内燃機関の一例として、自動車等の車両の走行駆動用の動力源として前記車両に搭載されるエンジンを例示する。

【0025】

［エンジンの構造］
図１は、本実施形態に係るエンジン１の外観を示す斜視図である。図２は、エンジン１の気筒列方向に沿った縦断面図である。エンジン１は、４サイクル直列４気筒のエンジンである。図１及び他のいくつかの図には、エンジン１の前側、後側を各々示すＦ、Ｒの方向表示が付されている。エンジン１は、エンジン本体１０と、エンジン本体１０内に組み込まれたクランクシャフト３と、クランクシャフト３を軸支する主軸受４とを含む。

【0026】

エンジン本体１０は、シリンダブロック１１、シリンダヘッド１２及びロアシリンダブロック１３を備える。シリンダブロック１１は、エンジン前後方向Ｆ－Ｒ（所定の配列方向）に沿って一列に並ぶ４つの気筒２を有する。各気筒２の内部には、ピストン２１が往復摺動可能に収容されている。シリンダブロック１１は、さらに多くの気筒２を含んでいても良く、例えば直列６気筒のエンジン用であっても良い。

【0027】

シリンダヘッド１２は、シリンダブロック１１の上面に取り付けられ、気筒２の上部開口を塞いでいる。シリンダヘッド１２には、気筒２内に吸気を取り入れる吸気ポート１４と、図１及び図２には現れない排気ポートとが形成されている。各気筒２は、吸気２バルブ×排気２バルブの４バルブ形式にて、吸気系及び排気系と接続されている。図１及び図２には、第１吸気ポート１４Ａ及び第２吸気ポート１４Ｂのペアからなる吸気ポート１４が４セット、気筒配列方向に並んでいる様子が表出している。さらに、シリンダヘッド１２には、吸気弁を動作させる吸気弁用カムシャフト１５と、排気弁を動作させる排気弁用カムシャフト１６とが組み込まれている。シリンダヘッド１２の上面には、図略のシリンダヘッドカバーが取り付けられる。

【0028】

ロアシリンダブロック１３は、シリンダブロック１１の下面に取り付けられ、クランクシャフト３を支持するブロックである。ロアシリンダブロック１３は、クランクシャフト３を支持する部分がエンジン前後方向に並ぶラダーフレーム構造を有している。

【0029】

クランクシャフト３は、ピストン２１の往復運動を回転運動に変換する、エンジン１の回転出力軸である。図３は、クランクシャフト３の側面図であり、図示している回転方向の位相は、図２の断面図と同じである。クランクシャフト３は、クランクジャーナル３１、クランクピン３２、カウンタウェイト３３及びクランクアーム３４を含む。ここで例示しているクランクシャフト３は、フルカウンタウェイト型である。

【0030】

クランクジャーナル３１は、クランクシャフト３の回転軸となる部分であって、主軸受４にて軸支される部分である。クランクピン３２は、コンロッド２２を介してピストン２１と連結される部分である。コンロッド２２は、上端側に小端部２３を、下端側に大端部２４を備える。小端部２３は、ピストンピン２５を介してピストン２１と結合されている。大端部２４は、クランクピン３２に結合されている。クランクアーム３４は、クランクジャーナル３１とクランクピン３２とを繋ぐ部分である。

【0031】

カウンタウェイト３３は、ピストン２１及びコンロッド２２の運動に伴う慣性力を軽減する部材である。カウンタウェイト３３は、クランクジャーナル３１の軸方向（Ｆ－Ｒ方向）端部から径方向外側へ延出するように配置されている。カウンタウェイト３３が配置される周方向位置は、クランクピン３２の対極位置である。換言すると、クランクアーム３４において、クランクピン３２と連結されている部分とは反対側の部分から、カウンタウェイト３３が径方向外側へ延出している。

【0032】

クランクシャフト３は、直列４気筒のエンジン１に対応したものである。図３に示す＃１、＃２、＃３、＃４の矢印は、４つの気筒２の各コンロッド２２が配置される位置を示している。＃１気筒２は、軸方向（気筒配列方向）の先端側（一端側）気筒、＃４気筒２は、気筒配列方向の後端側（他端側）気筒である。＃１～＃４気筒２の各々に対応して、クランクシャフト３はクランクピン３２として、第１、第２、第３、第４クランクピン３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄを備えている。

【0033】

クランクジャーナル３１としては、＃１気筒２よりも軸方向のＦ側に位置する第１クランクジャーナル３１Ａと、第１～第４クランクピン３２Ａ～３２Ｄの各ピン間に位置する第２、第３、第４クランクジャーナル３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄと、＃４気筒２よりも軸方向のＲ側に位置する第５クランクジャーナル３１Ｅとが備えられている。カウンタウェイト３３としては、第１クランクピン３２Ａを挟むように配置された第１、第２カウンタウェイト３３Ａ、３３Ｂと、第２クランクピン３２Ｂを挟むように配置された第３、第４カウンタウェイト３３Ｃ、３３Ｄと、第３クランクピン３２Ｃを挟むように配置された第５、第６カウンタウェイト３３Ｅ、３３Ｆと、第４クランクピン３２Ｄを挟むように配置された第７、第８カウンタウェイト３３Ｇ、３３Ｈとが備えられている。

【0034】

主軸受４は、ジャーナル支持部４１及びキャップ４２を含む。ジャーナル支持部４１は、ロアシリンダブロック１３にラダー状に複数配置されたフレームに形成された半円状のキャビティ部分であり、クランクジャーナル３１を下方から支持している。キャップ４２は、各ジャーナル支持部４１に対して上側から被せるように取り付けられる半円形の凹部である。ジャーナル支持部４１とキャップ４２との係合により作られる軸支体により、クランクジャーナル３１が保持されている。

【0035】

ジャーナル支持部４１及びキャップ４２とクランクジャーナル３１との間には、ジャーナルメタル４３（軸受部材）が介在されている。ジャーナルメタル４３は、滑り軸受であり、潤滑油を介してクランクジャーナル３１の外周面を直接軸支する軸受部材である。ジャーナルメタル４３は、二つ割れの環状金属片の組み合わせからなる円環体からなる。ジャーナルメタル４３の内周面とクランクジャーナル３１の外周面との間には潤滑油が供給される。クランクシャフト３（クランクジャーナル３１）が軸回りに回転すると前記潤滑油の油膜圧力が発生し、その油膜によってクランクジャーナル３１の回転が支えられる。

【0036】

コンロッド２２の大端部２４とクランクピン３２との間にも、ジャーナルメタル４３と同様な滑り軸受からなるコンロッドメタル４４が介在されている。コンロッドメタル４４の内周面とクランクピン３２の外周面との間にも潤滑油が供給される。

【0037】

［クランクジャーナルへ加わる荷重］
次に、クランクシャフト３の回転時にクランクジャーナル３１に加わる荷重について説明する。図４は、図３の第１クランクピン３２Ａ（クランクピン３２）及び第２クランクジャーナル３１Ｂ（クランクジャーナル３１）を拡大した模式図であって、ジャーナルメタル４３の断面を付記した図である。上述の通り、ジャーナルメタル４３とジャーナルメタル４３との間には、潤滑油の油膜ＬＢが形成されている状態を示している。

【0038】

第２クランクジャーナル３１Ｂは、＃１気筒２と＃２気筒２との間に位置するクランクジャーナルである（図３）。第２クランクジャーナル３１ＢのＦ側端部３１ｆ（軸方向の一端側端部）からは、第２カウンタウェイト３３Ｂが径方向外側の下方に向かうように延出している。一方、第２カウンタウェイト３３Ｂと周方向に１８０°対向する位置において、第２クランクジャーナル３１ＢのＲ側端部３１ｒ（軸方向の他端側端部）からは、第３カウンタウェイト３３Ｃが径方向外側の上方へ延出している。なお、第３クランクジャーナル３１ＣのＦ側端部３１ｆ、Ｒ側端部３１ｒから径方向外側に延出している第４、第５カウンタウェイト３３Ｄ、３３Ｅは、周方向の同位置に配置されたカウンタウェイト対の例である。

【0039】

第１クランクピン３２Ａには、＃１気筒２のピストン２１が受ける燃焼圧力が、コンロッド２２の大端部２４から入力される。図４の矢印は、燃焼圧力が第１クランクピン３２Ａに加わった場合の力線Ｆを模式的に示している。力線Ｆは、第１クランクピン３２Ａからクランクアーム３４を通り、第２クランクジャーナル３１Ｂに向かう。力線Ｆに沿って燃焼圧力が第２クランクジャーナル３１Ｂに加わると、第１クランクピン３２Ａと対極位置にある第２カウンタウェイト３３Ｂが第２クランクジャーナル３１Ｂ側に倒れ込むような変形力（荷重）が発生する。換言すると、第１クランクピン３２Ａを挟んで配置されている第１カウンタウェイト３３Ａ（図３）と第２カウンタウェイト３３Ｂとの間隔が拡開させるような変形力が発生する。図４において、そのような第２カウンタウェイト３３Ｂの変形を誇張して、点線で示している。

【0040】

上記の変形力は、第２カウンタウェイト３３Ｂの延出位置に対応する第２クランクジャーナル３１Ｂの外周面、つまりＦ側端部３１ｆ付近の外周面を、ジャーナルメタル４３の内周面に接近させる方向に作用する。つまり、第２カウンタウェイト３３Ｂの延出位置において、第２クランクジャーナル３１ＢのＦ側端部３１ｆがジャーナルメタル４３に接触し易い状態が形成されてしまう。

【0041】

機械抵抗の抑制には、クランクジャーナル３１とジャーナルメタル４３との間の隙間を小さく、これにより油膜ＬＢを可及的に薄くすることが望ましい。しかし、前記隙間を小さくすると、燃焼圧力の荷重が加わることに起因するクランクジャーナル３１の変形により、クランクジャーナル３１とジャーナルメタル４３との接触が生じ、かえって機械抵抗の増大、摩耗の促進を招来することになりかねない。

【0042】

図５は、燃焼圧力によりクランクジャーナル３１に加わる荷重の測定例を示すグラフである。前記グラフは、クランクジャーナル３１の外周面を展開し、その外周面に加わる荷重を濃度分布で示している。濃い濃度の部分程、高い荷重が作用していることを示す。前記グラフの横軸はクランクジャーナル３１の軸方向幅、縦軸は周方向幅に相当する。また、縦軸にはクランクジャーナル３１の回転方向が付記されている。図５で示しているクランクジャーナル３１は、周方向の同位置から第４、第５カウンタウェイト３３Ｄ、３３Ｅが延出している第３クランクジャーナル３１Ｃを想定している。

【0043】

荷重の高い高荷重箇所ＰＡは、回転方向の１８０度付近に生じている。回転方向＝１８０度付近では、第４、第５カウンタウェイト３３Ｄ、３３Ｅが下方に位置し、且つ、第２、第３クランクピン３２Ｂ、３２Ｃに燃焼圧力が加わる。このような回転方向のタイミングに、第４、第５カウンタウェイト３３Ｄ、３３Ｅから第３クランクジャーナル３１Ｃに高荷重が作用していることが、図５から判る。

【0044】

高荷重箇所ＰＡは、単純な半円状の波紋を描く荷重分布ではなく、重心が回転方向上流側に偏心した滴型の荷重分布を備えている。これは、気筒２内において圧縮上死点付近で主に発生する燃焼により生じる大きな燃焼圧力が、ピストン２１及びコンロッド２２を介して一気に第３クランクジャーナル３１Ｃに加わることに依ると考えられる。すなわち、前記燃焼圧力が一気に加わる高荷重箇所ＰＡの回転方向上流側では、第３クランクジャーナル３１Ｃに加わる荷重が比較的大きくなる。そして、回転が進み回転方向下流側に向かうに連れて、徐々に荷重が小さくなってゆく。当然、高荷重箇所ＰＡにおいて、より大きな荷重が加わる回転方向上流側の方が、第３クランクジャーナル３１Ｃの変形量が大きくなる。つまり、回転方向上流側の方が、より第３クランクジャーナル３１Ｃがジャーナルメタル４３へ接近し易い状態となる。

【0045】

［本実施形態のクランクジャーナル］
本実施形態では、上記のような高荷重箇所ＰＡが生じたとしても、クランクジャーナル３１とジャーナルメタル４３との接触を回避出来ると共に、潤滑油の維持性を損なわないようにした、クランクジャーナル３１の具体例を示す。図６を参照して、本実施形態のクランクジャーナル３１は、径方向内側へ窪む凹部５を備える。凹部５は、カウンタウェイト３３の延出位置に対応する部分に形成される。また、凹部５は、クランクジャーナル３１の軸方向中央側よりも前記軸方向端部の方が深い凹部である。

【0046】

図６（Ａ）は、第２クランクジャーナル３１Ｂ（クランクジャーナル３１）に設けられる凹部５の一例を示す簡略断面図、図６（Ｂ）は、凹部５の作用を示す図である。第２クランクジャーナル３１Ｂでは、図４に示したように、Ｆ側端部３１ｆにおける第２カウンタウェイト３３Ｂの延出位置付近に、図５に示したような高荷重箇所ＰＡが発生する。凹部５は、第２クランクジャーナル３１Ｂにおける前記延出位置に対応する部分を凹没させるように設けられている。

【0047】

凹部５は、第２クランクジャーナル３１Ｂの軸方向中央側からＦ側端部３１ｆ（軸方向端部）に向けて徐々に深さが深くなる傾きを持つ断面形状を有している。すなわち、Ｆ側端部３１ｆにおいて凹部５は、最も径方向内側へ深く窪んでいる。これは、図５の荷重分布において説明した通り、燃焼圧力が加わると、Ｆ側端部３１ｆにおける第２カウンタウェイト３３Ｂの延出位置付近の荷重が最も大きくなる、つまりＦ側端部３１ｆ付近の変形量が最も大きくなることに対応したものである。なお、図６では凹部５の深さが誇張して描かれており、実際の凹部５の最深部の深さは、数ミクロン～数十ミクロン程度である。

【0048】

図６（Ａ）には、ジャーナルメタル４３の内周面と第２クランクジャーナル３１Ｂの外周面との間のクリアランスＧ１、Ｇ２が示されている。凹部５が形成されていないＲ側端部３１ｒ寄りの箇所のクリアランスＧ１は、滑り軸受の潤滑油粘度等を考慮して設定される標準クリアランスに設定されている。一方、凹部５が形成されているＦ側端部３１ｆ寄りの箇所のクリアランスＧ２は、Ｇ１に比べて大きく、Ｆ側端部３１ｆ付近で最も大きくなっている。

【0049】

図６（Ｂ）には、燃焼圧力が加わったときの、第２カウンタウェイト３３Ｂ及び第２クランクジャーナル３１Ｂの変形態様が点線で示されている。燃焼圧力が第１クランクピン３２Ａに加わると、第２カウンタウェイト３３Ｂが第２クランクジャーナル３１ＢのＲ側端部３１ｒの方向に倒れ込むように変形する。これに呼応して、第２クランクジャーナル３１ＢのＦ側端部３１ｆ寄りの部分がジャーナルメタル４３に接近する方向に変形する。

【0050】

このような変形が生じた場合、凹部５が存在しないと、第２クランクジャーナル３１ＢのＦ側端部３１ｆ付近がジャーナルメタル４３に接触し得る。しかし、凹部５が存在していると、前記変形が生じてもなお、第２クランクジャーナル３１Ｂとジャーナルメタル４３との間のクリアランスＧ３が確保されることとなり、両者の接触を回避することができる。

【0051】

凹部５は、第２クランクジャーナル３１ＢにおけるＦ側端部３１ｆ寄りの部分の全周に設けられるのではなく、高荷重箇所ＰＡに対応する箇所だけを凹没させるように設けられる。凹部５を第２クランクジャーナル３１Ｂに形成することは、対峙するジャーナルメタル４３との間のクリアランスを拡張することとなり、潤滑油が前記クリアランスから逃げ出す油抜けを生じさせる。本実施形態では、高荷重箇所ＰＡに対応する箇所だけに凹部５が設けられ、凹部５が設けられない領域では、第２クランクジャーナル３１Ｂの周面とジャーナルメタル４３との間は標準のクリアランスＧ１に設定される。従って、前記油抜けは最小限に抑制される。

【0052】

また、図４に点線で示したように、燃焼圧力が第１クランクピン３２Ａに加わった場合、Ｆ側端部３１ｆが最もジャーナルメタル４３に接近する方向に変形し、軸方向中央に向かうに連れて変形量が少なくなる。この変形傾向にマッチするように、凹部５は、第２クランクジャーナル３１Ｂの軸方向中央側からＦ側端部３１ｆに向けて徐々に深さが深くなるプロファイルを有する。この点においても、前記クリアランスが徒に拡張しない工夫が為されている。このため、例えば０Ｗ２０クラスの低粘度油を潤滑油として用いても、前記油抜けが生じ難く、潤滑性を確保することができる。従って、ジャーナルメタル４３における潤滑性の維持と、クランクジャーナル３１の摩耗防止とを両立することができる。

【0053】

［凹部の配置位置と具体的形状］
続いて、クランクシャフト３に対する凹部５の配置位置と、凹部５の具体的形状について説明する。図７は、直列４気筒用のフルカウンタ型クランクシャフト３の、クランクジャーナル３１に対する凹部５の配置箇所を付記した側面図である。図８（Ａ）～（Ｃ）は、凹部５を有するクランクジャーナル３１の具体例を示す側面図である。

【0054】

クランクシャフト３が備える第１～第５クランクジャーナル３１Ａ～３１Ｅには、それぞれ１個又は２個の凹部５が配設されている。詳しくは、気筒配列方向のＦ側端の＃１気筒２の配置位置よりも軸方向外側（Ｆ側）に位置する第１クランクジャーナル３１Ａについては、第１カウンタウェイト３３Ａ（端部カウンタウェイト）が、軸方向の内側端部（Ｒ側端部３１ｒ）から径方向外側へ延出している。図８（Ａ）は、第１クランクジャーナル３１Ａ単体の側面図である。第１クランクジャーナル３１Ａには、第１カウンタウェイト３３Ａの延出位置に対応する部分に、一つの凹部５（配列端凹部）が設けられている。凹部５は、Ｒ側端部３１ｒから軸方向の中央側（Ｆ側）に向けて凹設されている。凹部５は、Ｒ側端部３１ｒにおいて最も深く、Ｆ側に向けて徐々に浅くなる形状を有している。

【0055】

気筒配列方向のＲ側端の＃４気筒２の配置位置よりも軸方向外側（Ｒ側）に位置する第５クランクジャーナル３１Ｅについては、第１クランクジャーナル３１Ａとは対称に凹部５が配置される。第５クランクジャーナル３１Ｅには、第８カウンタウェイト３３Ｈ（端部カウンタウェイト）が、軸方向の内側端部（Ｆ側端部３１ｆ）から径方向外側へ延出している。第５クランクジャーナル３１Ａは、第８カウンタウェイト３３Ｈの延出位置に対応する部分に、一つの凹部５（配列端凹部）が形成されている。

【0056】

このように、一つのカウンタウェイト３３Ａ、３３Ｈだけを備える第１、第５クランクジャーナル３１Ａ、３１Ｅについては、当該カウンタウェイト３３Ａ、３３Ｈに対応した一つの凹部５のみが形成される。従って、無用にクランクジャーナル３１Ａ、３１Ｅとジャーナルメタル４３との間に大きなクリアランスが形成されないので潤滑性を確保でき、且つ、クランクジャーナル３１Ａ、３１Ｅの摩耗防止を図ることができる。

【0057】

第２クランクジャーナル３１Ｂは、そのＦ側端部３１ｆから第２カウンタウェイト３３Ｂが、Ｒ側端部３１ｒから第３カウンタウェイト３３Ｃが、周方向に互いに１８０度位相を異ならせて、径方向外側へ延出している。図８（Ｂ）は、第２クランクジャーナル３１Ｂ単体の側面図である。第２クランクジャーナル３１Ｂは、２つの凹部５を有している。すなわち、第２カウンタウェイト３３Ｂの延出位置に対応して、一つの凹部５（第１凹部）が、Ｆ側端部３１ｆから軸方向の中央に向けて凹設されている。また、第３カウンタウェイト３３Ｃの延出位置に対応して、他の一つの凹部５（第２凹部）が、Ｒ側端部３１ｒから軸方向の中央に向けて凹設されている。第４クランクジャーナル３１Ｄも、第２クランクジャーナル３１Ｂと同様な２つの凹部５を備えている。

【0058】

第３クランクジャーナル３１Ｃは、そのＦ側端部３１ｆから第４カウンタウェイト３３Ｄが、Ｒ側端部３１ｒから第５カウンタウェイト３３Ｅが、周方向の同位置において、径方向外側へ延出している。図８（Ｃ）は、第３クランクジャーナル３１Ｃ単体の側面図である。第３クランクジャーナル３１Ｃも、２つの凹部５を有している。すなわち、第４カウンタウェイト３３Ｄの延出位置に対応して、一つの凹部５（第１凹部）が、Ｆ側端部３１ｆから軸方向の中央に向けて凹設されている。また、第５カウンタウェイト３３Ｅの延出位置に対応して、他の一つの凹部５（第２凹部）が、Ｒ側端部３１ｒから軸方向の中央に向けて凹設されている。

【0059】

次に、凹部５の具体的形状について説明する。図９は、凹部５の軸方向プロファイルを示す、クランクジャーナル３１の表面の展開図、すなわちクランクジャーナル３１を周方向に展開した平面形状を示す図である。ここに示すクランクジャーナル３１は、図７に示す第２クランクジャーナル３１Ｂ又は第４クランクジャーナル３１Ｄに対応する、２つの凹部５が１８０度位相を異ならせて配置されるタイプを例示している。

【0060】

凹部５は、クランクジャーナル３１の軸方向（幅方向）及び周方向（回転方向）において所定の軸方向幅及び周方向幅を有している。凹部５の前記軸方向幅は、クランクシャフト３の回転方向上流側の方が下流側よりも幅広である形状を有している。つまり、凹部５の平面視の形状を、回転方向において上流側と下流側（回転方向の前半側と後半側と同義）との二つに区分した場合、凹部５は前記下流側より前記上流側の方が比較的広い前記軸方向幅を有している。なお、軸方向幅は、クランクジャーナル３１のＦ側端部３１ｆ又はＲ側端部３１ｒから凹部５の軸方向中央側のエッジまでの長さである。また、周方向幅は、回転方向に沿った凹部の幅である。

【0061】

より詳しくは、クランクジャーナル３１を周方向に展開した平面視の形状において、凹部５は、回転方向上流側の膨出部５１と、回転方向下流側の緩曲部５２とを備える滴型の形状を有している。膨出部５１は、凹部５の前記周方向幅の回転方向上流端近傍において、急峻な曲線で軸方向中央側に膨らむ部分である。緩曲部５２は、膨出部５１から前記周方向幅の回転方向下流端へ緩い曲線で至る部分である。つまり、凹部５の軸方向中央側のエッジは、回転方向上流端からＦ側端部３１ｆ又はＲ側端部３１ｒに対して急峻に立ち上がり、回転方向上流側の領域において最大幅となるピーク位置に至り、以降は緩やかにＦ側端部３１ｆ又はＲ側端部３１ｒに接近する曲線形状を有している。

【0062】

このような凹部５の平面視形状は、図５に示したクランクジャーナル３１の高荷重箇所ＰＡの平面視形状に対応している。既述の通り、カウンタウェイト３３の倒れ込みによりクランクジャーナル３１に作用する荷重は、カウンタウェイト３３の延出位置において、回転方向上流側部分の方が下流側の部分よりも大きい傾向がある。詳しくは、回転方向上流端近傍において最も大きな荷重が加わり、回転方向下流端に向かうに連れて前記荷重が漸減してゆく傾向がある。このため、高荷重箇所ＰＡは、回転方向上流側に荷重重心が偏心した滴型の分布を有する。このような高荷重箇所ＰＡの荷重傾向に沿うように、凹部５の軸方向プロファイルもまた、回転方向上流側が幅広となるような滴型の形状を有している。これにより、クランクジャーナル３１とジャーナルメタル４３との接触を確実に防止することができる。

【0063】

凹部５の窪み深さも、高荷重箇所ＰＡの荷重傾向に沿うように設定される。つまり、クランクジャーナル３１において荷重が大きく加わる部分ほど、凹部５の深さが深く設定される。図１０は、回転方向に沿った凹部５の深さ方向プロファイルを示す、クランクジャーナル３１の側面図である。このプロファイルは、Ｆ側端部３１ｆ又はＲ側端部３１ｒにおける凹部５の深さ方向プロファイルである。なお、このプロファイルも、深さ方向のサイズを誇張している。

【0064】

凹部５は、窪み形状において、回転方向上流側の上流傾斜部５３と、回転方向下流側の下流傾斜部５４とを備えている。上流傾斜部５３は、凹部５の周方向幅の回転方向上流端から回転方向中央部ＬＣに向かう方向に第１の傾きＬ１で深くなる傾斜面を有する。凹部５の最深部ＭＤは、回転方向中央部ＬＣよりも上流側に位置している。下流傾斜部５４は、最深部ＭＤから回転方向下流端に向けて第２の傾きＬ２で浅くなる傾斜面を有する。第１の傾きＬ１と第２の傾きＬ２との関係は、両者の傾き方向を揃えた場合、Ｌ１＞Ｌ２の関係にある。つまり、凹部５は、回転方向の上流側で急峻に深くなり、最深部ＭＤよりも下流側では緩やかに浅くなる窪み形状を有している。例えば、Ｌ１，Ｌ２をクランクジャーナル３１の周面の接線に対してなす角で比較する場合、Ｌ１は、Ｌ２の１．２倍～３倍程度に設定することができる。

【0065】

本発明者らの解析によれば、クランクシャフト３の変形に伴うクランクジャーナル３１とジャーナルメタル４３との直接接触によるエネルギー損失は、接触の前半期間が比較的急峻に立ち上がり、後半期間は比較的に緩やかに下降する特性を示す。前記直接接触は、クランクジャーナル３１の摩耗要因となるので、接触の前半期間では摩耗量が大きく、後半期間では摩耗量が小さいということになる。従って、第１の傾きＬ１及び第２の傾きＬ２を備えた深さプロファイルを有する凹部５をクランクジャーナル３１に設けることで、上記のエネルギー損失特性に即した接触摩耗回避対策を施すことができる。

【0066】

上記の凹部５の回転方向の深さプロファイルを、図９に示した軸方向プロファイルに関連付けると、凹部５の軸方向幅が長い部分ほど、凹部５の軸方向端部（Ｆ側端部３１ｆ又はＲ側端部３１ｒ）における深さが深いという関係となる。なお、軸方向の深さプロファイルは、軸方向中央側（滴型のエッジ）からＦ側端部３１ｆ又はＲ側端部３１ｒに向けて徐々に深さが深くなる凹部５である点は、図６に示した基本例と同様である。

【0067】

つまり、高荷重箇所ＰＡの荷重分布に沿って、荷重が大きい箇所は比較的深く、荷重が小さい所は比較的浅くなるように、凹部５の深さプロファイルが設定される。この実施形態によれば、凹部５の軸方向幅が長く且つ窪みが深い部分が、クランクジャーナル３１においてカウンタウェイト３３から最も倒れ込み荷重を受ける部分に配置される。従って、クランクジャーナル３１のジャーナルメタル４３への接触による摩耗を的確に回避することができる。

【0068】

［変形例］
以上、本発明の実施形態につき説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような変形実施形態を取ることができる。

【0069】

（１）上記実施形態では、フルカウンタ型のカウンタウェイト３３を有するクランクシャフト３を例示した。クランクシャフト３は、ハーフカウンタ型のものであっても良い。図７に示したクランクシャフト３をハーフカウンタ型に改変する場合、例えば、第３、第５、第７カウンタウェイト３３Ｃ、３３Ｅ、３３Ｇが省かれる。このようなハーフカウンタ型のクランクシャフト３においても、図７と同様の箇所において第１～第５クランクジャーナル３１Ａ～３１Ｅに凹部５を設ければ良い。なお、カウンタウェイトが省かれている箇所について、凹部５の軸方向幅、周方向幅及び窪み深さを小さく設定する、或いは、凹部５の形成自体を省いても良い。

【0070】

（２）上記実施形態では、直列４気筒のエンジン１に対応したクランクシャフト３を例示した。図１１は、直列６気筒のエンジン１に対応したフルカウンタ型のクランクシャフト３Ａを示す側面図である。直列６気筒用のクランクシャフト３Ａでも、凹部５の配置の考え方は上掲のクランクシャフト３と同様である。クランクジャーナル３１の、カウンタウェイト３３の延出位置に対応する部分に、凹部５が各々形成される。なお、図１１において点線で示している凹部５は、クランクジャーナル３１の表出部分の背面側に配置されていることを示す。

【0071】

（３）上記実施形態では、クランクジャーナル３１の軸方向中央側から軸方向端部（Ｆ側端部３１ｆ又はＲ側端部３１ｒ）に向けて徐々に深さが深くなる凹部５を例示した。凹部５は、クランクジャーナル３１の軸方向中央側よりも軸方向端部の方が深いという関係を満たす限りにおいて、種々の変形実施形態を取ることができる。図１２（Ａ）～（Ｃ）に、変形例に係る凹部５Ａ、５Ｂ、５Ｃを示す。

【0072】

図１２（Ａ）は、階段型の窪み形状を有する凹部５Ａを示す第２クランクジャーナル３１Ｂの概略断面図である。凹部５Ａは、傾斜のない水平部５５と、下方に傾斜する下り傾斜部５６とが交互に連なる窪み形状を有し、第２クランクジャーナル３１Ｂの軸方向中央側よりも軸方向端部の方が窪み深さが深くなっている。図１２（Ｂ）は、一つの水平部５７と一つの下り傾斜部５８とで構成された凹部５Ｂを示している。下り傾斜部５８は、第２クランクジャーナル３１Ｂの軸方向中央側に配置され、水平部５７は下り傾斜部５８の最深端から軸方向端部に至っている。図１２（Ｃ）は、凹凸傾斜部５９を有する凹部５Ｃを示している。凹凸傾斜部５９は、出没を繰り返しながら第２クランクジャーナル３１Ｂの軸方向中央側から軸方向端部へ、全体としては深くなる傾斜部である。このような凹部５Ａ、５Ｂ、５Ｃであっても、上述の凹部５と同様の作用効果を奏する。

【符号の説明】

【0073】

１ エンジン（内燃機関）
１０ エンジン本体
２ 気筒
２１ ピストン
２２ コンロッド
３ クランクシャフト
３１、３１Ａ～３１Ｅ クランクジャーナル
３１ｆ Ｆ側端部（軸方向の一端側端部）
３１ｂ Ｒ側端部（軸方向の他端側端部）
３３ カウンタウェイト
３３Ａ 第１カウンタウェイト（端部カウンタウェイト）
３３Ｅ 第４カウンタウェイト（端部カウンタウェイト）
４ 主軸受
４３ ジャーナルメタル（軸受部材）
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ 凹部
５１ 膨出部
５２ 緩曲部
５３ 上流傾斜部
５４ 下流傾斜部
５５ 水平部
５６ 下り傾斜部
５７ 水平部
５８ 下り傾斜部
５９ 凹凸傾斜部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】