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特許7422391ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体および内燃機関
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-18
(45)【発行日】2024-01-26
(54)【発明の名称】ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体および内燃機関
(51)【国際特許分類】
   F02B 75/32 20060101AFI20240119BHJP
   F02F 3/00 20060101ALI20240119BHJP
   F16C 7/02 20060101ALI20240119BHJP
   F16J 1/14 20060101ALI20240119BHJP
【FI】
F02B75/32 B
F02F3/00 K
F16C7/02
F16J1/14
【請求項の数】 4
(21)【出願番号】P 2020017404
(22)【出願日】2020-02-04
(65)【公開番号】P2021124051
(43)【公開日】2021-08-30
【審査請求日】2022-11-15
(73)【特許権者】
【識別番号】502036619
【氏名又は名称】株式会社アイドマプランニング
(74)【代理人】
【識別番号】100103517
【弁理士】
【氏名又は名称】岡本 寛之
(74)【代理人】
【識別番号】100149607
【弁理士】
【氏名又は名称】宇田 新一
(72)【発明者】
【氏名】坂田 洋介
【審査官】西山 智宏
(56)【参考文献】
【文献】特開平11-117805(JP,A)
【文献】特開平07-113415(JP,A)
【文献】実公昭47-022255(JP,Y1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F02B 75/32
F02F 3/00
F16C 7/02
F16J 1/14
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ピストン部材と、
スモールエンド部を有するコネクティングロッド部材と、
前記ピストン部材および前記スモールエンド部を連結し、前記スモールエンド部に固定される連結部材とを備え、
前記ピストン部材と前記スモールエンド部とのそれぞれは、互いに対向する第1対向面と第2対向面とのそれぞれを有し、
前記連結部材と、前記ピストン部材とのそれぞれは、互いに対向する第3対向面と第4対向面とのそれぞれを有し、
前記第1対向面~前記第4対向面は、中心が共通する円弧面であり、
前記第1対向面と前記第2対向面とは、前記円弧面に沿って揺動可能に対向配置され、
前記第3対向面と前記第4対向面とは、対向配置され、
前記ピストン部材は、前記第3対向面と前記第4対向面との揺動を案内可能で、前記第4対向面によって形成される案内壁を含み、
前記ピストン部材は、
有底円筒形状を有するピストン本体と、
前記ピストン本体に連続する前記案内壁とを一体的に有することを特徴とする、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体。
【請求項2】
前記コネクティングロッド部材は、さらにビッグエンド部を有し、
前記ピストン部材は、前記スモールエンド部に対する前記ビッグエンド部の反対側に位置する一方面を有し、
前記中心が、前記一方面上または前記一方面より一方側に位置することを特徴とする、
請求項1に記載のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体。
【請求項3】
請求項1または2に記載のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体を備えることを特徴とする、内燃機関。
【請求項4】
レシプロエンジンであることを特徴とする、請求項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体および内燃機関に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、ピストンと、コネクティングロッドとが一体となったピストン一体型コネクティングロッド連結構造体がエンジンに搭載されることが知られている(例えば、下記非特許文献1参照。)。
【0003】
非特許文献1において、コネクティングロッドは、円筒形状を含むスモールエンドを有しており、かかるスモールエンドが、ピストンピンを介して、ピストンと連結される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【文献】自動車用語辞典、自動車用語編集委員会編、2000年、第5版、第154頁上段のコネクティング・ロッドの図
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
近年、内燃機関の静粛性が求められ、そのため、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体には、高い連桿比が求められる。連桿比は、コネクティングロッドのビッグエンドに連結されるクランクの半径に対するコネクティングロッドの有効長の比である。コネクティングロッドの有効長は、スモールエンドの回転中心と、ビッグエンドの回転中心との間の長さである。連桿比を高くするには、コネクティングロッドの有効長を長くすることが試案される。
【0006】
しかし、内燃機関のサイズが限られていることから、コネクティングロッドの有効長を長くするには、限界がある。つまり、スモールエンドの回転中心は、ピストンピンの内側に必ず配置されることから、スモールエンドの回転中心をビッグエンドの回転中心から離隔するには、限界がある。
【0007】
本発明は、連桿比を高くできるピストン一体型コネクティングロッド連結構造体、および、静粛性に優れる内燃機関を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明(1)は、ピストン部材と、スモールエンド部を有するコネクティングロッド部材と、前記ピストン部材および前記スモールエンド部を連結し、前記ピストン部材および前記スモールエンド部のうちのいずれか一方に固定される連結部材とを備え、前記ピストン部材と前記スモールエンド部とのそれぞれは、互いに対向する第1対向面と第2対向面とのそれぞれを有し、前記連結部材と、前記ピストン部材および前記スモールエンド部のうちの他方とのそれぞれは、互いに対向する第3対向面と第4対向面とのそれぞれを有し、前記第1対向面~前記第4対向面は、中心が共通する円弧面であり、前記第1対向面と前記第2対向面とは、前記円弧面に沿って揺動可能に対向配置され、前記第3対向面と前記第4対向面とは、対向配置され、前記他方は、前記第3対向面と前記第4対向面との揺動を案内可能で、前記第4対向面によって形成される案内壁を含む、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体を含む。
【0009】
このピストン一体型コネクティングロッド連結構造体では、他方が、第3対向面と第4対向面との揺動を案内可能で、第4対向面によって形成される案内壁を含むので、第3対向面と第4対向面とが、案内壁に案内されながら、円弧面に沿って揺動できる。円弧面の中心は、非特許文献1のような円周面の中心より配置の自由度が高いため、コネクティングロッド部材の外側に配置でき、コネクティングロッド部材の有効長を長くできる。
【0010】
その結果、連桿比を高くすることができる。
【0011】
本発明(2)は、前記コネクティングロッド部材は、さらにビッグエンド部を有し、前記ピストン部材は、前記スモールエンド部に対する前記ビッグエンド部の反対側に位置する一方面を有し、前記中心が、前記一方面上または前記一方面より一方側に位置する、(1)に記載のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体を含む。
【0012】
このピストン一体型コネクティングロッド連結構造体では、中心が、一方面上または一方面より一方側に位置するので、コネクティングロッド部材の有効長を確実に長くできる。
【0013】
本発明(3)は、前記一方が、前記スモールエンド部であり、前記他方が、前記ピストン部材である、(1)または(2)に記載のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体を含む。
【0014】
しかるに、ピストンは、機械強度の観点から、スペースが狭く、そのため、連結部材を固定しくい場合がある。
【0015】
一方、このピストン一体型コネクティングロッド連結構造体によれば、連結部材が、ピストン部材ではなく、スペースに余裕のあるスモールエンド部に固定できながら、ピストン部材の機械強度を確保できる。
【0016】
本発明(4)は、(1)~(3)のいずれか一項に記載のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体を備える、内燃機関を含む。
【0017】
この内燃機関は、連桿比が高められたピストン一体型コネクティングロッド連結構造体を備えるので、静粛性に優れる。
【0018】
本発明(5)は、レシプロエンジンである、(4)に記載の内燃機関を含む。
【発明の効果】
【0019】
本発明のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体は、連桿比を高くできる。
【0020】
本発明の内燃機関は、静粛性に優れる。
【図面の簡単な説明】
【0021】
図1図1は、本発明のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の一実施形態の正面図である。
図2図2は、図1に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の正断面図である。
図3図3は、図1に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の分解斜視図である。
図4図4は、図2に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の横断面図である。
図5図5は、図4に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の分解断面図である。
図6図6は、図2に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の動きを説明する図である。
図7図7は、図2に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の変形例である。
図8図8は、図4に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の変形例である。
図9図9は、図4に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の変形例である。
図10図10は、図4に示すピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の変形例である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
本発明のピストン一体型コネクティングロッド連結構造体の一実施形態を図1図6を参照して説明する。なお、図2は、図4のX-X線の矢視断面図である。図3において、ピストン部材2、コネクティングロッド部材3および連結部材4(後述)の相対配置を明確に把握するために、第1ベアリング部材91(後述)を省略している。
【0023】
図1および図2に示すように、このピストン一体型コネクティングロッド連結構造体1は、ピストン部材2と、コネクティングロッド部材3と、連結部材4とを備える。さらに、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体1は、ねじ80と、ベアリング部材90とを備える。
【0024】
ピストン部材2は、ピストン本体5と、ピストン連結部6とを一体的に有する。
【0025】
ピストン本体5は、ピストン部材2の移動方向(以下、単に移動方向という場合がある。)に沿う軸線を有する有底円筒形状を有する。具体的には、ピストン本体5は、平板部7と、円筒部8とを一体的に有する。円筒部8は、平板部7の周縁部から移動方向他方側(図2における上側に相当)に延びる。
【0026】
ピストン連結部6は、平板部7の移動方向他方面の中央部から移動方向他方側に延びる。ピストン連結部6は、コネクティングロッド部材3のスモールエンド部15(後述)の揺動方向およびピストン部材2の移動方向に沿う断面(以降、正断面という場合がある)に、略扇形状を有する。一方、図4に示すように、ピストン連結部6は、スモールエンド部15の揺動方向および移動方向に直交する方向に沿う断面(以降、横断面という場合がある)において、略T字形状を有する。ピストン連結部6は、案内壁の一例としてのピストン壁9と、支持壁10とを一体的に有する。ピストン連結部6は、支持壁10と、支持壁10の移動方向他端部の周端縁に連続するピストン壁9とを備える。ピストン壁9は、支持壁10から横方向外側に突出する部分を有する。
【0027】
図2に示すように、ピストン壁9は、正面視において、略円弧形状を有する。ピストン壁9の円弧の中心Cは、ピストン本体5に対して、例えば、移動方向一方側に位置する。ピストン壁9の中心角αは、本実施形態では、例えば、180度未満、例えば、165度以下、また、135度以下、また、120度以下であり、また、例えば、30度超過、好ましくは、45度超過、より好ましくは、60度超過である。図4に示すように、ピストン壁9は、横断面視において、所定厚みを有する平帯形状を有する。ピストン壁9は、第1対向面12と、第4対向面13と、ピストン側面19とを一体的に備える。
【0028】
第1対向面12は、ピストン壁9における移動方向一方面である。第1対向面12は、ピストン壁9における横方向全部にわたって形成されている。
【0029】
第4対向面13は、ピストン壁9における移動方向他方面である。第4対向面13は、ピストン壁9における横方向両端部に形成されている。
【0030】
ピストン側面19は、第1対向面12の横方向両端縁と、第4対向面13の横方向両端縁とに連続する。
【0031】
支持壁10は、ピストン壁9の第4対向面13の横方向内端縁と、平板部7の一方面とに連続する。支持壁10は、移動方向に投影したときに、第1対向面12と重なるが、第4対向面13と重ならない。
【0032】
コネクティングロッド部材3は、ピストン部材2のピストン壁9に対して、移動方向他方側に対向配置されている。図1に示すように、コネクティングロッド部材3は、ロッド部14と、スモールエンド部15と、ビッグエンド部16とを一体的に備える。
【0033】
ロッド部14は、移動方向に長く延びる。
【0034】
スモールエンド部15は、ロッド部14に対して、移動方向一方側に配置されている。図2図4に示すように、スモールエンド部15は、エンド壁17を含む。
【0035】
エンド壁17は、ピストン壁9と対向配置されている。エンド壁17は、中心角βが小さい以外は、ピストン壁9に対してやや大きい相似形状を有する。但し、エンド壁17は、移動方向に投影したときに、その横方向両端縁が、ピストン壁9より突出する。エンド壁17は、第2対向面18と、対向面20と、エンド側面21とを一体的に有する。
【0036】
第2対向面18は、第1対向面12と対向配置されている。第2対向面18は、図2に示すように、正断面において、第1対向面12と略同一の円弧形状を有する。つまり、第2対向面18と第1対向面12とは、中心Cを共有する。
【0037】
また、第2対向面18は、第1対向面12の中心角αより小さい中心角βを有する。そのため、第2対向面18の全部は、第1対向面12と対向する一方、第1対向面12は、その一部(具体的には、両端部)が、第2対向面18と対向する。対向面18の中心角βは、例えば165度未満、好ましくは、135度未満、より好ましくは、120未満であり、また、例えば、30度以上、好ましくは、45度以上、より好ましくは、60度以上である。ピストン壁9の中心角αに対する第2対向面18の中心角βの比(β/α)は、例えば、0.2以上、好ましくは、0.4以上であり、また、例えば、0.8以下、好ましくは、0.6以下である。
【0038】
図3および図4に示すように、対向面20は、第2対向面18の横方向両端部に対向配置される。対向面20は、第2対向面18に対して移動方向他方側に間隔が隔てられる。第2対向面18がエンド壁17に含まれるので、エンド壁17は、ロッド部14に対して横方向両外側に出張る。
【0039】
エンド側面21は、第2対向面18の横方向両端縁と、対向面20の横方向両端縁とを接続する。エンド側面21には、雌ねじ26が形成されている。
【0040】
図1に示すように、ビッグエンド部16は、ロッド部14に対して、スモールエンド部15の反対側に配置されている。ビッグエンド部16は、軸線が横方向に沿う略円筒形状を有する。
【0041】
図4に示すように、連結部材4は、1つのピストン一体型コネクティングロッド連結構造体1に、2つ設けられる。2つの連結部材4のそれぞれは、コネクティングロッド部材3に固定されている。連結部材4は、横断面視において、略コ字形状を有する。図3に示すように、連結部材4は、側壁22と、係止壁23と、対向壁24とを一体的に備える。
【0042】
側壁22は、エンド側面21およびピストン側面19の横方向外側に対向配置される。側壁22は、移動方向に延びる。図3に示すように、側壁22は、略円弧帯形状を有する。図4に示すように、側壁22における移動方向他方側部分は、エンド側面21に接触する。一方、側壁22における移動方向一方側部分は、ピストン側面19とわずかな間隔が隔てられる。また、側壁22における移動方向一方側部分には、厚み方向を貫通する貫通孔25が形成されている。貫通孔25は、雌ねじ26に対応する位置に形成されている。
【0043】
係止壁23は、側壁22における移動方向一端部に連続する。係止壁23は、横断面視において、横方向に延びる。係止壁23は、第3対向面27を含む。第3対向面27は、ピストン壁9の第4対向面13と対向配置される。
【0044】
対向壁24は、側壁22における移動方向他端部に連続する。対向壁24は、係止壁23に対して移動方向他方側に間隔を隔てて配置される。対向壁24は、横断面視において、横方向に延びる。対向壁24は、ピストン壁9の対向面20と接触する。
【0045】
ねじ80は、1つの連結部材4に対して複数設けられる。複数のねじ80のそれぞれは、貫通孔25を貫通し、雌ねじ26に螺着されている。
【0046】
ベアリング部材90は、例えば、ベアリングメタルである。ベアリングメタルは、ピストン部材2、コネクティングロッド部材3および連結部材4に比べて、摩擦に優れる金属からなる。ベアリング部材90は、第1ベアリング91と、第2ベアリング92とを含む。
【0047】
第1ベアリング91は、第2対向面18と第1対向面12との間に介在する。
【0048】
第2ベアリング92は、第3対向面27と第4対向面13との間に介在する。
【0049】
次に、このピストン一体型コネクティングロッド連結構造体1の組み付けを説明する。
【0050】
まず、ピストン部材2とコネクティングロッド部材3とのそれぞれを準備し、ピストン部材2の第2対向面18と、コネクティングロッド部材3の第1対向面12とを、図3および図5に示すように、第1ベアリング91を介して、互いに押し付ける。
【0051】
次いで、連結部材4を、側壁22がエンド壁17に接触するように、ピストン部材2およびコネクティングロッド部材3に対して組み付ける。この際、第3対向面27および第4対向面13の間に、第2ベアリング92を介在させる。
【0052】
その後、ねじ80を、貫通孔25を貫通させ、雌ねじ26に螺着する。これにより、連結部材4をコネクティングロッド部材3のスモールエンド部15に固定する。
【0053】
次に、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体1を備えるエンジン70を図1の仮想線および図6を参照して説明する。
【0054】
エンジン70は、例えば、レシプロエンジンである。エンジン70は、シリンダ71と、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体1と、クランク72とを備える。
【0055】
シリンダ71は、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体1のピストン部材2を移動可能に収容する。
【0056】
クランク72は、コネクティングロッド部材3のビッグエンド部16に回転可能に連結されている。
【0057】
このエンジン70では、ピストン部材2がシリンダ71に対して移動する。エンジン70が、例えば、4サイクルエンジンであれば、吸入工程、圧縮工程、燃焼(膨張)工程、排気工程の4工程のうち、圧縮工程、および、排気工程において、ピストン部材2が移動方向一方側に移動する。この際、スモールエンド部15の第2対向面18が、ピストン部材2の第1対向面12を移動方向一方側に向かって加圧しながら、第2対向面18および第1対向面12が互いに揺動する。同時に、ピストン部材2の第4対向面13が、スモールエンド部15の第3対向面27を移動方向他方側に向かって加圧しながら、第3対向面27および第4対向面13が互いに揺動する。
【0058】
対して、吸入工程および燃焼工程において、ピストン部材2が移動方向他方側に移動する。この際、ピストン部材2の第1対向面12が、スモールエンド部15の第2対向面18を移動方向他方側に向かって加圧しながら、第2対向面18および第1対向面12が互いに揺動する。同時に、第3対向面27および第4対向面13が互いに揺動する。
【0059】
上記した揺動では、係止壁23とエンド壁17とが、ピストン壁9によって揺動方向が規定(案内)されながら、揺動する。
【0060】
<一実施形態の作用効果>
そして、このピストン一体型コネクティングロッド連結構造体1では、ピストン部材2が、ピストン壁9を含むので、第3対向面27と第4対向面13とが、ピストン壁9によって案内されながら、円弧面(円周面ではなく、中心角が360度未満である円弧形状の面)に沿って揺動できる。円弧面の中心Cは、特許文献1のような円周面の中心より配置の自由度が高いため、例えば、コネクティングロッド部材3の外側に配置でき、コネクティングロッド部材3の有効長を長くできる。なお、本実施形態の連桿比は、クランク72の半径Rに対するコネクティングロッド部材3の有効長Lの比(L/R)である。
【0061】
従って、ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体1を備えるエンジン70は、静粛性に優れる。
【0062】
<変形例>
以下の各変形例において、上記した一実施形態と同様の部材および工程については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略する。また、各変形例は、特記する以外、一実施形態と同様の作用効果を奏することができる。さらに、一実施形態およびその変形例を適宜組み合わせることができる。
【0063】
図7に示すように、中心Cをピストン部材2のピストン本体5上に配置することもできる。この場合には、ピストン壁9の中心角αは、例えば、180度である。
【0064】
図7に示す変形例よりも、一実施形態が好ましい。一実施形態であれば、中心Cが、ピストン本体5に対して移動方向一方側に位置するので、コネクティングロッド部材3の有効長Lをより長くできる。
【0065】
また、図示しないが、中心角αは、180度を超え、360度未満であってもよい。
【0066】
図8に示すように、連結部材4は、ピストン部材2のスモールエンド部15に固定されている。
【0067】
連結部材4において、係止壁23および対向壁24は、一実施形態のそれらと移動方向に逆転して配置されている。つまり、係止壁23は、側壁22における移動方向他端部に連続する。対向壁24は、側壁22における移動方向一端部に連続する。
【0068】
また、エンド壁17では、対向面20が、第4対向面の一例となる。そして、エンド壁17が、案内壁の一例となる。
【0069】
この変形例では、エンド壁17によって、エンド壁17の対向面20と、連結部材4の第3対向面27とが、エンド壁17によって案内されながら円弧面に沿って揺動する。
【0070】
図9Bに示すように、連結部材4を、スモールエンド部15の内側に配置することもできる。
【0071】
スモールエンド部15は、エンド壁17の横方向両端部から移動方向一方側に延びる延び壁28をさらに備える。延び壁28の移動方向長さは、ピストン壁9の移動方向長さより長い。
【0072】
連結部材4は、延び壁28の移動方向一端部から横方向内側に向かって延びる。連結部材4は、係止壁23のみを備える。係止壁23は、帯状切片である。係止壁23には、雌ねじ26が形成されている。
【0073】
係止壁23は、第3対向面27を備える。第3対向面27は、第4対向面13に沿って揺動可能である。
【0074】
このピストン一体型コネクティングロッド連結構造体1を組み付けるには、図9Aに示すように、まず、連結部材4を、ピストン壁9の第4対向面13に対して対向配置する。
【0075】
その後、図9Bに示すように、コネクティングロッド部材3の第2対向面18を、第1対向面12と対向配置させる。その後、ねじ80を、貫通孔25を貫通させ、雌ねじ26に螺着する。これにより、連結部材4をスモールエンド部15に固定する。
【0076】
一方、図10Bに示す変形例では、連結部材4は、ピストン部材2に固定される。
【0077】
ピストン部材2のピストン連結部6は、ピストン壁9の横方向両端部から移動方向一方側に延びる第2延び壁31をさらに備える。第2延び壁31の移動方向長さは、エンド壁17の移動方向長さより長い。
【0078】
連結部材4は、第2延び壁31の移動方向他端部から横方向内側に向かって延びる。連結部材4は、係止壁23のみを備える。係止壁23は、第3対向面27を備える。第3対向面27は、対向面20と円弧面に沿って揺動可能である。
【0079】
レシプロエンジンの型は、上記に限定されず、例えば、2サイクルエンジンであってもよい。
【0080】
ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体1を備える装置の一例としてレシプロエンジンなどの内燃機関を例示しているが、蒸気機関などの外燃機関であってよい。
【0081】
また、往復運動および回転運動を互いに変換できる装置であれば、特に限定されず、例えば、プレス機などを例示することもできる。
【0082】
また、ベアリング部材90として、ベアリングニードルを挙げることもできる。
【符号の説明】
【0083】
1 ピストン一体型コネクティングロッド連結構造体
2 ピストン部材
3 コネクティングロッド部材
4 連結部材
12 第1対向面
13 第4対向面
15 スモールエンド部
16 ビッグエンド部
18 第2対向面
20 対向面
27 第3対向面
70 エンジン
C 中心
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10