エンジン
【課題】エンジンに関し、部品の汎用性及び耐久性を向上させつつ軽量化を図り、燃費改善に係るコストを削減する。
【解決手段】シリンダの内部で摺動自在に設けられたピストン１と、ピストン１をクランクシャフトに接続するコネクティングロッド２とを備える。
また、ピストン１側に支持された第一軸部４及びコネクティングロッド２側に支持された第二軸部５を有し、ピストン１とコネクティングロッド２とを接続する軸部材３を備える。
さらに、第一軸部４及び第二軸部５間に介装され、ピストン１に作用する圧力に応じて第一軸部４を第二軸部５に対してピストン１の摺動方向に変位させる弾性部材６を備える。
【解決手段】シリンダの内部で摺動自在に設けられたピストン１と、ピストン１をクランクシャフトに接続するコネクティングロッド２とを備える。
また、ピストン１側に支持された第一軸部４及びコネクティングロッド２側に支持された第二軸部５を有し、ピストン１とコネクティングロッド２とを接続する軸部材３を備える。
さらに、第一軸部４及び第二軸部５間に介装され、ピストン１に作用する圧力に応じて第一軸部４を第二軸部５に対してピストン１の摺動方向に変位させる弾性部材６を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮比を可変としたエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンで燃焼する混合気の圧縮比を可変とした可変圧縮比エンジンが開発されている。圧縮比とは、混合気の圧縮後の容積に対する圧縮前の容積の比であり、典型的にはシリンダの最小容量に対する最大容量の比として算出される。また、吸気慣性や吸排気弁の作動状態を考慮して、動的な圧縮比を演算する手法も知られている。
【０００３】
一般に、圧縮比が高いほど燃焼室内の混合気が高温，高圧となり、エンジンの熱効率が上昇する。そのため、例えばエンジンが低負荷，低回転の状態では、圧縮比を上昇させることで燃焼安定性及び燃費を改善できる。一方、圧縮比が高いほど混合気の燃焼反応性の上昇に伴いノッキング（異常燃焼）が発生しやすくなる。そのため、例えばエンジンが高負荷，高回転の状態では、圧縮比を低下させることで燃焼安定性を確保できる。
【０００４】
このように、従来の可変圧縮比エンジンでは、エンジンの作動状態に応じて圧縮比が変更される。例えば、特許文献１には、エンジンの動作サイクルの各行程で燃焼室の容積を変更する技術が開示されている。この技術では、ピストンピンからピストン上端面までのピストン長さが変化するピストン長可変型ピストンが例示されており、ピストン長は燃焼室内の圧力とばね部材の付勢力とに応じて変化している。
【０００５】
また、特許文献２には、ピストンの往復摺動の速度に応じてピストン頂面のキャビティの容積を変更する技術が開示されている。この技術では、ピストンの頂面に凹設されたキャビティ内に可変ピストンを配置し、可変ピストンの下方に潤滑油が充填された圧力室及びばねを設けた構造が例示されている。ピストンの慣性力を利用して圧力室内の潤滑油を排出することで可変ピストンをキャビティ内で下降させ、キャビティの容積を可変としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−５００６７号公報
【特許文献２】特開平５−２７２４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の可変圧縮比エンジンは、ピストンの形状を変更することによって圧縮比を可変としている。したがって、ピストンの内部構造が複雑化し、耐久性の高い製品を製造することが難しい。
また、可変圧縮比でないエンジンに可変圧縮比ピストンを適用する場合には、ピストンだけでなくコネクティングロッドやピストンピンの設計も変更する必要が生じ、実質的に既存のエンジンへの適用性に乏しいという課題がある。
さらに、ピストンを駆動するための機構がピストン自体の重量を増加させるため、エンジンの燃焼効率を向上させにくいという課題もある。
【０００８】
本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑み創案されたもので、可変圧縮比エンジンにおける部品の汎用性及び耐久性を向上させつつ軽量化を図り、燃費改善に係るコストを削減することである。
なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）ここで開示するエンジンは、シリンダの内部で摺動自在に設けられたピストンと、前記ピストンをクランクシャフトに接続するコネクティングロッドとを備える。また、前記ピストン側に支持された第一軸部及び前記コネクティングロッド側に支持された第二軸部を有し、前記ピストンと前記コネクティングロッドとを接続する軸部材を備える。さらに、前記第一軸部及び前記第二軸部間に介装され、前記ピストンに作用する圧力に応じて前記第一軸部を前記第二軸部に対して前記ピストンの摺動方向に変位させる弾性部材を備える。
【００１０】
前記弾性部材の付勢力は、前記ピストンに作用する圧力（燃焼圧力，筒内圧力）に対抗するように第一軸部及びピストンに作用する。つまり、前記ピストンの前記コネクティングロッドに対する相対位置は、前記弾性部材の付勢力と燃焼圧力とに応じて変化する。
なお、前記弾性部材としては、例えば板ばねや皿ばね，コイルばねといった金属ばねや、耐熱樹脂ばね，セラミックばねといった非金属ばねや、空気ばね、磁気ばね等を用いることが考えられる。
【００１１】
（２）また、前記弾性部材が、前記第一軸部を前記ピストンのヘッド側に付勢し、前記第二軸部を前記クランクシャフト側に付勢することが好ましい。この場合、前記ピストンに作用する圧力が大きいほど、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの距離が減少することになる。
（３）また、前記第一軸部が、前記ピストンの摺動方向に平行な第一ガイド面を有し、前記第二軸部が、前記第一ガイド面に対向する第二ガイド面を有することが好ましい。
【００１２】
（４）また、前記第一軸部が、前記ピストンの摺動方向に非平行な第一ストッパ面を有し、前記第二軸部が、前記第一ストッパ面に対向する第二ストッパ面を有することが好ましい。
（５）また、前記第二軸部が、前記コネクティングロッドに対して揺動自在に支持されることが好ましい。
【００１３】
（６）また、前記第一軸部が、前記ピストンに対して固定支持されることが好ましい。
（７）また、前記第一軸部及び前記第二軸部が、中空に形成され、前記弾性部材が、前記第一軸部及び前記第二軸部の前記中空に内挿されていることが好ましい。
【００１４】
（８）また、前記弾性部材が、第一当接部，第二当接部及び第三当接部を有することが好ましい。
前記第一当接部とは、前記第一軸部の内筒面に当接し、前記第一軸部を前記ピストンのヘッド側へと付勢するものである。また、前記第二当接部とは、前記第二軸部の内筒面に当接し、前記第二軸部を前記コネクティングロッド側へと付勢するものである。さらに、前記第三当接部とは、前記第一軸部又は前記第二軸部の内筒面に当接し、前記第一軸部に対する前記第二軸部の変位の最大値を制限するものである。
【発明の効果】
【００１５】
開示のエンジンによれば、第一軸部と第二軸部との間に弾性部材を介装することで、燃焼室内の圧力に応じて圧縮比を変更することができる。また、ピストン及びコネクティングロッドを変更する必要がないため、構成が簡素であり、エンジンの重量増加を回避することができるとともに、ピストンの耐久性を確保することができる。さらに、軸部材で変位が生じる構造のため汎用性が高く、従来のピストン及びコネクティングロッドに対して容易に適用することができ、コストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施形態に係るエンジンに適用されたピストン及びピストンピンを切断して内部構造を例示する斜視図である。
【図２】ピストンの断面図である。
【図３】ピストンピンを示す図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ），（ｃ）はアウタ部及びインナ部の側面図である。
【図４】ピストン及びピストンピンの縦断面を例示する断面図であり、（ａ）は低燃焼圧力時の状態を示し、（ｂ）は高燃焼圧力時の状態を示す。
【図５】筒内圧力とアウタ部及びインナ部間の相対変位との関係を例示するグラフである。
【図６】変形例としてのエンジンに適用されたピストン及びピストンピンを切断して内部構造を例示する斜視図である。
【図７】ピストン及びピストンピンの縦断面を例示する断面図であり、（ａ）は低燃焼圧力時の状態を示し、（ｂ）は高燃焼圧力時の状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図面を参照して制御装置について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。
【００１８】
［１．部品構造］
［１−１．ピストン］
本実施形態のエンジンに適用されるピストン１及びコネクティングロッド２（以下コンロッドと呼ぶ）の接続構造を、図１に示す。ここでは、ピストン１の摺動方向を鉛直に配置した姿勢を基準の姿勢とした構造を説明する。この接続構造は、スプリング６を内蔵したピストンピン３でピストン１及びコンロッド２を揺動自在に接続するものである。図１では、ピストン１を縦に切断した状態を示す。
ピストン１は、エンジンのシリンダ内を上下に往復摺動する筒状の部材であり、例えば鍛造されたアルミニウム系合金で形成される。このピストン１には、燃焼室側に設けられるヘッド部１ａと、ピストン１にコンロッド２を接続するためのピンボス部１ｂと、ヘッド部１ａの下方の側面をなすスカート部１ｃとが設けられる。
【００１９】
ヘッド部１ａは、燃焼室の底面となる部位であり、外形はほぼ円筒状である。図１中の符号C1はヘッド部１ａの筒面の中心軸を示す。ピストン１は、中心軸C1の延在方向に沿って往復摺動する。ヘッド部１ａの筒面には、図示しないピストンリングを取り付けるためのリング溝１ｄが刻設されている。ピストンリングとは、ピストン１とシリンダとの隙間を塞ぐための部材であり、ピストン１の熱をシリンダ側へ伝達するとともに燃焼室の圧力低下やオイル漏れを抑制するように機能する。また、ヘッド部１ａの下面はヘッド部１ａの内側（図１中の上方）に向かって凹設され、コンロッド２との干渉が防止されている。
【００２０】
ピンボス部１ｂは、コンロッド２に接続される一対の中空円筒状の部位である。図１中の符号C2は、各ピンボス部１ｂの内筒面の中心軸を示す。一方のピンボス部１ｂの中心軸C2は、他方のピンボス部１ｂの中心軸C2に一致している。ピンボス部１ｂの内径は、後述するピストンピン３の外径に応じた大きさであり、各ピンボス部１ｂの内筒面にピストンピン３が挿通される。これらのピンボス部１ｂは、図２に示すように、その中心軸C2がヘッド部１ａの中心軸C1からわずかにオフセットした位置を通るように配置されている場合もある。なお、ピンボス部１ｂの中心軸C2からヘッド部１ａの頂面までの距離をh1とする。
【００２１】
スカート部１ｃは、ヘッド部１ａから下方に向かって延設された部位であり、シリンダの内周面上を摺動する筒面をなす部位である。図２に示すように、スカート部１ｃは、ピンボス部１ｂの中心軸C2を挟んで互いに対向して一対設けられる。なお、ピストン１のシリンダに対する面圧は、ピンボス部１ｂの中心軸C2に対して垂直な方向に強く作用する傾向がある。そのため、図２中に破線で示すヘッド部１ａの筒面の輪郭のうちピンボス部１ｂの中心軸C2と交差する部位の近傍では、スカート部１ｃの形成が省略され、ピストン１の軽量化が図られている。
【００２２】
［１−２．コンロッド］
コンロッド２は、ピストン１をエンジンのクランクシャフトに接続するリンク部材であり、例えばニッケルクロム鋼やクロムモリブデン鋼等の特殊鋼を型打鍛造して形成される。ピストン１のシリンダ内での往復運動は、コンロッド２を介してクランクシャフトの回転運動に変換される。
コンロッド２の上端部（スモールエンド）には、中空円筒状のピンボス孔２ａが穿孔される。このピンボス孔２ａの内径は、後述するピストンピン３の外径に応じた大きさであり、ピンボス孔２ａの内筒面にピストンピン３が挿通される。以下、ピンボス孔２ａの内筒面の中心軸をC3と表記する。
【００２３】
［１−３．ピストンピン］
ピストンピン３（軸部材）は、ピストン１とコンロッド２とを接続する軸状の部材であり、ピストン１及びコンロッド２間に軸装される。このピストンピン３は、ピンボス部１ｂ及びピンボス孔２ａの内部に挿通され、ピストン１とコンロッド２とを互いに回動自在に軸支するように機能する。図３（ａ）に分解して示すように、本実施形態のピストンピン３は三つの部位に分割形成されており、両端部に位置する一対のアウタ部４とこれらの間に設けられるインナ部５とを備えている。
【００２４】
アウタ部４及びインナ部５は、ピストン１とコンロッド２との距離を変更するように互いに相対変位する部位である。これらのアウタ部４及びインナ部５はともに中空の円筒形状に形成され、その外径は同一である。また、内筒面の中心軸と外筒面の中心軸は一致している。以下、アウタ部４の中心軸をC4と表記し、インナ部の中心軸をC5と表記する。
【００２５】
アウタ部４（第一軸部）は、ピストン１におけるピンボス部１ｂの内筒面に支持される部位である。一対のアウタ部４は同一形状である。アウタ部４のインナ部５側の端面４ａは、中心軸C4に対して垂直かつ平滑に形成される。また、アウタ部４の端面４ａには、図３（ｂ）に示すように、二つのへこみ部４ｂ，４ｃが設けられる。
【００２６】
一方のへこみ部４ｂは、アウタ部４の内筒面側から外筒面側へ向かって凹設された形状であり、中心軸C4を通る平面に対して平行な平面として形成された一対の第一ガイド面４ｄと、第一ガイド面４ｄに対して垂直な平面として形成された第一ストッパ面４ｅとを有する。一対の第一ガイド面４ｄ間の寸法はd1である。なお、一対の第一ガイド面４ｄはピストン１の摺動方向（ピストン１の中心軸C1の延在方向）と平行に配置され、第一ストッパ面４ｅはピストン１の摺動方向に対して非平行に配置される。
【００２７】
これに対し、他方のへこみ部４ｃは、アウタ部４の内筒面側から外筒面側まで貫通するように凹設された形状であり、第一ガイド面４ｄに平行な一対の第三ガイド面４ｆのみを有する。また、他方のへこみ部４ｃは、中心軸C4を挟んで一方のへこみ部４ｂに対向する位置に配置されている。第三ガイド面４ｆ間の寸法はd2である。
【００２８】
インナ部５（第二軸部）は、コンロッド２におけるピンボス孔２ａの内筒面に支持される部位である。インナ部５のアウタ部４側の端面５ａには、アウタ部４のへこみ部４ｂ，４ｃのそれぞれに対応するように突出部５ｂ，５ｃが設けられる。
【００２９】
一方の突出部５ｂは、インナ部５の内筒面に連続する曲面から外筒面側に向かって突設された形状であり、中心軸C5を通る平面に平行な平面として形成された一対の第二ガイド面５ｄと、第二ガイド面５ｄに対し垂直な平面として形成された第二ストッパ面５ｅとを有する。第二ガイド面５ｄは、アウタ部４の第一ガイド面４ｄに対向する部位であり、第二ストッパ面５ｅは第一ストッパ面４ｅに対向する部位である。第二ガイド面５ｄ間の寸法は、第一ガイド面４ｄ上を円滑に滑動しうるように、d1よりもわずかに小さく設定することが好ましい。なお、図１に示す例では、この突出部５ｂの下端面５ｇが後述するスプリング６の形状に合わせて傾斜した形状に形成されている。
【００３０】
また、他方の突出部５ｃは、インナ部５の内筒面に連続する曲面から、外筒面に連続する曲面にかけて突設された形状であり、第二ガイド面５ｄに平行な一対の第四ガイド面５ｆのみを有する。一対の第四ガイド面５ｆ間の寸法は、d2よりもわずかに小さく形成することが好ましい。
【００３１】
これらの一対のアウタ部４及びインナ部５は、それぞれの端面４ａ，５ａ同士が面接触した状態で組み合わされて、ピストン１のピンボス部１ｂとコンロッド２のピンボス孔２ａとに挿通される。これにより、ピストンピン３のアウタ部４はインナ部５に対して滑動自在に変位する。このとき、ピンボス部１ｂの中心軸C2はアウタ部４の中心軸C4に一致し、ピンボス孔２ａの中心軸C3はインナ部の中心軸C5に一致する。また、アウタ部４の第一ストッパ面４ｅとインナ部５の第二ストッパ面５ｅとが面接触した状態のとき、アウタ部４の中心軸C4はインナ部の中心軸C5に一致する。
【００３２】
また、アウタ部４及びインナ部５同士の相対変位の方向は、それぞれの端面４ａ，５ａに沿った方向であって、第一ガイド面４ｄ及び第二ガイド面５ｄに沿った方向（第三ガイド面４ｆ及び第四ガイド面５ｆに沿った方向と同一）である。したがって、第一ガイド面４ｄ及び第二ガイド面５ｄがピストン１の中心軸C1に平行であれば、アウタ部４がインナ部５に対して中心軸C1方向に滑動可能となる。
【００３３】
［１−４．スプリング］
スプリング６（弾性部材）は、アウタ部４とインナ部５との間に介装される部材であり、ピストンピン３の中空の内部に挿入されている。このスプリング６は、図１に示すように、棒状の部材を波形に屈曲させた形状であり、ピストンピン３の内部で各アウタ部４の内周面上部に接触する第一当接部６ａと、インナ部５の内周面下部に第二当接部６ｂとを有する。
【００３４】
第一当接部６ａは、波形の極大点に相当する部位であり、アウタ部４に対してピストン１側（ピストン１のヘッド側）への押圧力を作用させる。一方、第二当接部６ｂは、波形の極小点に相当する部位であり、インナ部５に対してコンロッド２側（クランクシャフト側）への押圧力を作用させる。二つの第一当接部６ａを通る直線と第二当接部６ｂとの距離は、アウタ部４及びインナ部５の内径よりも大きく形成される。これにより、アウタ部４はインナ部５に対してピストン１の方向に向かって付勢され、他の外力が加えられない限りインナ部５との間に変位を生じさせる。一方、スプリング６の付勢力に対抗する外力が作用した場合には、その外力とスプリング６の付勢力とに応じて変位の大きさが変化する。したがって、スプリング６は、ピストン１に作用する圧力に応じてアウタ部４をインナ部５に対してピストン１の滑動方向に変位させる弾性部材として機能する。
【００３５】
また、スプリング６の第一当接部６ａよりも第二当接部６ｂ側の位置には、アウタ部４とインナ部５との変位の最大値を制限する第三当接部６ｃが設けられる。この第三当接部６ｃは、アウタ部４に対してコンロッド２側へと変位したインナ部５と接触する部位である。図１に示す例では、突出部５ｂの下端面５ｇがスプリング６の第三当接部６ｃに当接した状態が示されている。アウタ部４とインナ部５との変位の最大値h0は、アウタ部４及びインナ部５の滑動方向についての第一当接部６ａから第三当接部６ｃまでの距離に相当する。
【００３６】
［２．接続構造］
ピストンピン３のピストン１及びコンロッド２に対する接続の態様としては、以下の三通りが考えられる。上記のピストン１及びコンロッド２間の接続構造では、何れの接続態様も利用可能である。
〔１〕ピストン１に対して浮動、かつ、コンロッド２に対して浮動
〔２〕ピストン１に対して固定、かつ、コンロッド２に対して浮動
〔３〕ピストン１に対して浮動、かつ、コンロッド２に対して固定
【００３７】
例えば、上記の〔１〕は、アウタ部４の外筒面とピンボス部１ｂの内筒面とを摺動自在に設け、かつ、インナ部５の外筒面とピンボス孔２ａの内筒面とを摺動自在に設けたもの（すなわち、フルフロートタイプのもの）である。また、上記の〔２〕はアウタ部４をピンボス部１ｂに圧入し、コンロッド２とインナ部５との結合をルーズにしたものである。これらの場合、コンロッド２の揺動がインナ部５との摺動面で吸収されるため、ピストンピン３自体の揺動が抑制される。
上記の〔３〕は、ピストン１とピストンピン３との結合をルーズにし、インナ部５をピンボス孔２ａに圧入したものである。この場合、ピストンピン３はコンロッド２とともに揺動するが、この揺動はピンボス部１ｂとの摺動面で吸収される。
【００３８】
［３．作用］
［３−１．圧縮比の変更］
図４（ａ），（ｂ）を用いて、上記の〔１〕の接続態様が適用されたピストンピン３を備えたエンジンにおけるピストン１の動作を説明する。なお、ここでは摺動面の軸受やピストンピン３の抜け落ちを防止するためのサークリップ等の記載を省略する。
【００３９】
燃焼室内の圧力が比較的低圧である場合には、ピストン１の上面に作用する筒内圧力が低く、スプリング６の付勢力の方が優位に作用する。これにより、図４（ａ）に示すように、ピストンピン３のアウタ部４がインナ部５に対して図中の上方向に押圧される。このとき、アウタ部４では第一ストッパ面４ｅがインナ部５の第二ストッパ面５ｅから離間し、インナ部５では突出部５ｂの下端面５ｇがスプリング６に当接した状態となる。インナ部５の中心軸C5（すなわち、コンロッド２のピンボス孔２ａの中心軸C3）からピストン１の頂面までの距離は、h1+h0となる。
【００４０】
一方、燃焼室内の圧力が上昇すると、ピストン１の上面に作用する筒内圧力が増加するため、スプリング６の付勢力よりも筒内圧力の方が優位となる。これにより、図４（ｂ）に示すように、ピストンピン３のアウタ部４がインナ部５に対して図中の下方向に押圧される。このとき、筒内圧力が十分に大きければ、アウタ部４の第一ガイド面４ｄがインナ部５の第二ガイド面５ｄに沿って滑動し、アウタ部４の第一ストッパ面４ｅがインナ部５の第二ストッパ面５ｅに当接した状態となる。したがって、インナ部５の中心軸C5からピストン１の頂面までの距離は、h1となる。
【００４１】
これにより、図４（ａ）に示す状態と比較して、燃焼室の容積がシリンダの断面積に距離h0を乗じた分だけ増大し、圧縮比が減少する。なお、圧縮比の減少量は距離h0及びシリンダ断面積に依存する。車両用の典型的なエンジン（例えば、自動車用エンジン）を想定した試算では、距離h0を0.5〜1.0[mm]とすることで、圧縮比が1〜2程度減少することが確認された。
【００４２】
［３−２．アウタ部とインナ部との滑動性］
ピストンピン３がピストン１及びコンロッド２の双方に対して浮動する接続構造では、コンロッド２の揺動がピストンピン３に入力されない。これにより、アウタ部４の第一ガイド面４ｄとインナ部５の第二ガイド面５ｄとの面圧が低下し、アウタ部４とインナ部５との円滑な滑動性が確保される。また、仮に中心軸C5を中心とした回転方向の力がインナ部５に作用したとしても、その力がコンロッド２側に伝達されるおそれがない。アウタ部４においても同様であり、仮に中心軸C4を中心とした回転方向の力がアウタ部４に作用したとしても、その力はピストン１側に伝達されない。
【００４３】
なお、アウタ部４とピストン１との結合をルーズとした場合、アウタ部４及びインナ部５の滑動方向がピストン１の摺動方向（上下方向）に対して傾く可能性がある。しかしながら、ピストンピン３はフルフロートの状態であるから、スプリング６の付勢力によってアウタ部４及びインナ部５の変位が増大する方向にピストンピン３が回転し、傾きが修正される。したがって、ピストンピン３のアウタ部４及びインナ部５の位置は、図４（ａ），（ｂ）に示すような状態へと自動的に修正される。
【００４４】
［４．効果］
このように、上記のエンジンによれば、ピストンピン３のアウタ部４とインナ部５との間にスプリングを介装することで、燃焼室内の圧力に応じて圧縮比を変更することができる。また、ピストン１及びコンロッド２を変更する必要がないため、エンジンの重量増加を回避することができるとともに、ピストン１の耐久性を確保することができる。さらに、ピストンピン３の内部で変位が生じる構造のため、汎用性が高く、従来のピストン１及びコンロッド２に対して容易に適用することができ、エンジンの製造コストを削減することができる。
【００４５】
また、上記のエンジンでは、アウタ部４がピストン１のヘッド部１ａ側に付勢され、インナ部５がクランクシャフト側に付勢されている。これにより、燃焼室の圧力が低い状態では、圧縮比が高い状態を維持して燃焼安定性及び燃費を改善でき、燃焼室の圧力が高くなると、圧縮比を低下させてノッキングの発生を抑制し燃焼安定性を確保することができる。
【００４６】
また、上記のエンジンでは、ピストンピン３のアウタ部４，インナ部５のそれぞれに、ピストン１の摺動方向に平行な第一ガイド面４ｄ，第二ガイド面５ｄが形成されている。これにより、インナ部５に対するアウタ部４の相対変位の方向をピストン１の摺動方向に矯正することができ、確実に圧縮比を変更することができる。
なお、前述の通り、ピストンピン３がフロフロートタイプである場合には、第一ガイド面４ｄ，第二ガイド面５ｄの傾斜方向がピストン１の摺動方向に平行でなかったとしても、スプリング６の付勢力によって自動的に傾斜を補正することができ、確実に圧縮比を変更することができる。
【００４７】
また、上記のエンジンでは、ピストンピン３のアウタ部４，インナ部５のそれぞれに、ピストン１の摺動方向に垂直な第一ストッパ面４ｅ，第二ストッパ面５ｅが形成されている。これにより、インナ部５に対するアウタ部４の相対変位の上限を設定することができ、圧縮比を正確に変更することができる。例えば、燃焼室内の圧力が比較的低圧である低負荷状態での圧縮比を固定することができる。
さらに、上記の〔１〕の接続態様が適用されたピストンピン３を備えたエンジンでは、コンロッド２とインナ部５との摺動面でコンロッド２側の揺動が吸収されるため、ピストンピン３の揺動を確実に防止することができる。これにより、アウタ部４とインナ部５との相対変位をより確実に、ピストン１の摺動方向に矯正することができる。
【００４８】
また、上記のピストンピン３は、アウタ部４及びインナ部５の双方が中空に形成されており、その中空部分にスプリングを挿入した形状であるから、ピストン１やコンロッド２の設計変更や加工が不要であり、簡素な構成で容易にアウタ部４及びインナ部５に付勢力を与えることができる。
さらに、上記のピストンピン３は、スプリング６に三種類の当接部６ａ，６ｂ及び６ｃを形成することで、容易に圧縮比を変更する構造を実現することができる。すなわち、第一当接部６ａ及び第二当接部６ｂにより燃焼室容積を減少させておくことができるとともに、燃焼圧力の上昇時に燃焼室容積を増大させることができる。また、第三当接部６ｃにより、燃焼室容積を増大させたときの変位を固定することができ、圧縮比を維持することができる。
【００４９】
なお、筒内圧力とアウタ部４の第一ストッパ面４ｅ及びインナ部５の第二ストッパ面５ｅの距離（すなわち、アウタ部４とインナ部５との間の相対変位）との関係は、図５に例示するように、スプリング６の付勢力に応じて変化する。したがって、筒内圧力の増加に対して距離が減少し始める圧力P1や距離が0となる圧力P2，距離の変化勾配等は、エンジンの筒内圧力に係るパラメータを考慮してスプリング６の付勢力を定めることで、任意に設定することができる。
【００５０】
［５．変形例］
［５−１．第二スプリング］
上述した実施形態に関わらず、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。本実施形態の各構成は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。
図６に示すピストン１及びコンロッド２の接続構造は、図１に示すスプリング６の形状を変更したものである。ここで使用されている第二スプリング７は、棒状の部材を側面視におけるドアノブの輪郭状に屈曲した形状の弾性部材であり、第一拡径部７ａ，くびれ部７ｂ及び第二拡径部７ｃを備えて構成される。
【００５１】
第一拡径部７ａは、アウタ部４に内挿される部位であり、アウタ部４の内周面を拡径方向に付勢する部位である。これにより、第一拡径部７ａはアウタ部４内に固定される。一方、第二拡径部７ｃは、インナ部５に内挿され、インナ部５の内周面を拡径方向に付勢する部位である。これにより、第二拡径部７ｃはインナ部５内に固定される。
また、くびれ部７ｂは、第一拡径部７ａによって固定されるアウタ部４の中心軸C4の位置と、第二拡径部７ｃによって固定されるインナ部５の中心軸C5の位置とを相違させたまま、第一拡径部７ａと第二拡径部７ｃとを接続する部位である。また、くびれ部７ｂは、弾性変形により第一拡径部７ａと第二拡径部７ｃとの相対変位を許容するように機能する。これにより、第二スプリング７が内挿されたピストンピン３は、他の外力が作用しない限りアウタ部４及びインナ部５の各中心軸C4，C5が変位した状態で固定される。
【００５２】
第二スプリング７が適用されたエンジンにおけるピストン１の動作を図７（ａ），（ｂ）に示す。燃焼室内の圧力が比較的低圧である場合には、くびれ部７ｂによって与えられるアウタ部４とインナ部５との間の変位が維持される。変位量は、図７（ａ）中に示すように、第一拡径部７ａとアウタ部４の内周面上部との接触部から、第二拡径部７ｃとインナ部５の内周面上部との接触部までの距離に対応する。またこの距離は、くびれ部７ｂによって許容される変位方向について、第二スプリング７の成形時における第一拡径部７ａから第二拡径部７ｃまでの距離に相当する。つまり、第二スプリング７の成形形状に応じた大きさの変位がアウタ部４とインナ部５との間に維持される。
【００５３】
これにより、アウタ部４の第一ストッパ面４ｅがインナ部５の第二ストッパ面５ｅから離間し、アウタ部４によってピストン１が燃焼室側に押し上げられた姿勢となる。アウタ部４とインナ部５との変位量をh0とおくと、インナ部５の中心軸C5からピストン１の頂面までの距離は、上述の実施形態と同様に、h1+h0と表現することができる。
【００５４】
一方、燃焼室内の圧力が上昇すると、第一拡径部７ａと第二拡径部７ｃとのずれを減少させる方向の外力がくびれ部７ｂに作用し、筒内圧力が十分に大きければアウタ部４とインナ部５との変位量が0となる。すなわち、アウタ部４の第一ストッパ面４ｅがインナ部５の第二ストッパ面５ｅに面接触し、インナ部５の中心軸C5からピストン１の頂面までの距離は、h1となる。これにより、図７（ａ）に示す状態と比較して、燃焼室の容積がシリンダの断面積に距離h0を乗じた分だけ増大し、圧縮比が減少する。
【００５５】
このように、第二スプリング７が適用されたエンジンにおいても、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。また、第二スプリング７は、アウタ部４及びインナ部５のそれぞれの内周面を付勢するようにばね力を作用させる形状であるから、スプリング６と比べてピストンピン３内での固定状態を維持しやすいというメリットがある。
【００５６】
［５−２．その他］
なお、上記の何れの接続態様においても、筒面同士の摺動面には任意の軸受を介装することで浮動させることが可能である。また、固定面には、圧入や嵌入，溶接といった任意の固定手段を適用することができるほか、外形を筒面形状とする代わりに角柱形状にしてもよく、あるいは予め一体形成しておくことも可能である。例えば、上記の〔２〕の接続態様を適用する際に、ピストンピン３のアウタ部４とピストン１とを一体形成してもよい。
【００５７】
このような構成により、ピストン１とアウタ部４と間の相対回転が確実に防止され、すなわちアウタ部４の揺動を防止できる。これにより、アウタ部４のインナ部５に対する滑動方向をピストン１の摺動方向に一致させやすくすることができ、アウタ部４とインナ部５との相対変位をより確実に、ピストン１の摺動方向に矯正することができる。
【００５８】
また、上述の実施形態では、棒状の部材を屈曲形成したスプリング６を例示したが、これに代えて、あるいは加えて、アウタ部４及びインナ部５間に相対変位を生じさせる任意の弾性部材を用いることができる。例えば、板ばねや皿ばね，コイルばねといった金属ばねや、耐熱樹脂ばね，セラミックばねといった非金属ばねや、空気ばね、磁気ばね等を用いてもよい。
【００５９】
なお、上記のピストン１及びコンロッド２間の接続構造の適用対象となるエンジンの種類は任意であり、ガソリンエンジン，ディーゼルエンジンの双方に適用することができる。少なくとも、コンロッド２を介してピストン１の往復摺動をクランクシャフトの回転運動に変換する形式のエンジンであれば、ピストン１及びコンロッド２間に上記のピストンピン３を軸装することで、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。
【符号の説明】
【００６０】
１ ピストン
２ コネクティングロッド（コンロッド）
３ ピストンピン（軸部材）
４ アウタ部（第一軸部）
４ｄ 第一ガイド面
４ｅ 第一ストッパ面
５ インナ部（第二軸部）
５ｄ 第二ガイド面
５ｅ 第二ストッパ面
６ スプリング（弾性部材）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮比を可変としたエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンで燃焼する混合気の圧縮比を可変とした可変圧縮比エンジンが開発されている。圧縮比とは、混合気の圧縮後の容積に対する圧縮前の容積の比であり、典型的にはシリンダの最小容量に対する最大容量の比として算出される。また、吸気慣性や吸排気弁の作動状態を考慮して、動的な圧縮比を演算する手法も知られている。
【０００３】
一般に、圧縮比が高いほど燃焼室内の混合気が高温，高圧となり、エンジンの熱効率が上昇する。そのため、例えばエンジンが低負荷，低回転の状態では、圧縮比を上昇させることで燃焼安定性及び燃費を改善できる。一方、圧縮比が高いほど混合気の燃焼反応性の上昇に伴いノッキング（異常燃焼）が発生しやすくなる。そのため、例えばエンジンが高負荷，高回転の状態では、圧縮比を低下させることで燃焼安定性を確保できる。
【０００４】
このように、従来の可変圧縮比エンジンでは、エンジンの作動状態に応じて圧縮比が変更される。例えば、特許文献１には、エンジンの動作サイクルの各行程で燃焼室の容積を変更する技術が開示されている。この技術では、ピストンピンからピストン上端面までのピストン長さが変化するピストン長可変型ピストンが例示されており、ピストン長は燃焼室内の圧力とばね部材の付勢力とに応じて変化している。
【０００５】
また、特許文献２には、ピストンの往復摺動の速度に応じてピストン頂面のキャビティの容積を変更する技術が開示されている。この技術では、ピストンの頂面に凹設されたキャビティ内に可変ピストンを配置し、可変ピストンの下方に潤滑油が充填された圧力室及びばねを設けた構造が例示されている。ピストンの慣性力を利用して圧力室内の潤滑油を排出することで可変ピストンをキャビティ内で下降させ、キャビティの容積を可変としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−５００６７号公報
【特許文献２】特開平５−２７２４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の可変圧縮比エンジンは、ピストンの形状を変更することによって圧縮比を可変としている。したがって、ピストンの内部構造が複雑化し、耐久性の高い製品を製造することが難しい。
また、可変圧縮比でないエンジンに可変圧縮比ピストンを適用する場合には、ピストンだけでなくコネクティングロッドやピストンピンの設計も変更する必要が生じ、実質的に既存のエンジンへの適用性に乏しいという課題がある。
さらに、ピストンを駆動するための機構がピストン自体の重量を増加させるため、エンジンの燃焼効率を向上させにくいという課題もある。
【０００８】
本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑み創案されたもので、可変圧縮比エンジンにおける部品の汎用性及び耐久性を向上させつつ軽量化を図り、燃費改善に係るコストを削減することである。
なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）ここで開示するエンジンは、シリンダの内部で摺動自在に設けられたピストンと、前記ピストンをクランクシャフトに接続するコネクティングロッドとを備える。また、前記ピストン側に支持された第一軸部及び前記コネクティングロッド側に支持された第二軸部を有し、前記ピストンと前記コネクティングロッドとを接続する軸部材を備える。さらに、前記第一軸部及び前記第二軸部間に介装され、前記ピストンに作用する圧力に応じて前記第一軸部を前記第二軸部に対して前記ピストンの摺動方向に変位させる弾性部材を備える。
【００１０】
前記弾性部材の付勢力は、前記ピストンに作用する圧力（燃焼圧力，筒内圧力）に対抗するように第一軸部及びピストンに作用する。つまり、前記ピストンの前記コネクティングロッドに対する相対位置は、前記弾性部材の付勢力と燃焼圧力とに応じて変化する。
なお、前記弾性部材としては、例えば板ばねや皿ばね，コイルばねといった金属ばねや、耐熱樹脂ばね，セラミックばねといった非金属ばねや、空気ばね、磁気ばね等を用いることが考えられる。
【００１１】
（２）また、前記弾性部材が、前記第一軸部を前記ピストンのヘッド側に付勢し、前記第二軸部を前記クランクシャフト側に付勢することが好ましい。この場合、前記ピストンに作用する圧力が大きいほど、前記ピストンと前記コネクティングロッドとの距離が減少することになる。
（３）また、前記第一軸部が、前記ピストンの摺動方向に平行な第一ガイド面を有し、前記第二軸部が、前記第一ガイド面に対向する第二ガイド面を有することが好ましい。
【００１２】
（４）また、前記第一軸部が、前記ピストンの摺動方向に非平行な第一ストッパ面を有し、前記第二軸部が、前記第一ストッパ面に対向する第二ストッパ面を有することが好ましい。
（５）また、前記第二軸部が、前記コネクティングロッドに対して揺動自在に支持されることが好ましい。
【００１３】
（６）また、前記第一軸部が、前記ピストンに対して固定支持されることが好ましい。
（７）また、前記第一軸部及び前記第二軸部が、中空に形成され、前記弾性部材が、前記第一軸部及び前記第二軸部の前記中空に内挿されていることが好ましい。
【００１４】
（８）また、前記弾性部材が、第一当接部，第二当接部及び第三当接部を有することが好ましい。
前記第一当接部とは、前記第一軸部の内筒面に当接し、前記第一軸部を前記ピストンのヘッド側へと付勢するものである。また、前記第二当接部とは、前記第二軸部の内筒面に当接し、前記第二軸部を前記コネクティングロッド側へと付勢するものである。さらに、前記第三当接部とは、前記第一軸部又は前記第二軸部の内筒面に当接し、前記第一軸部に対する前記第二軸部の変位の最大値を制限するものである。
【発明の効果】
【００１５】
開示のエンジンによれば、第一軸部と第二軸部との間に弾性部材を介装することで、燃焼室内の圧力に応じて圧縮比を変更することができる。また、ピストン及びコネクティングロッドを変更する必要がないため、構成が簡素であり、エンジンの重量増加を回避することができるとともに、ピストンの耐久性を確保することができる。さらに、軸部材で変位が生じる構造のため汎用性が高く、従来のピストン及びコネクティングロッドに対して容易に適用することができ、コストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一実施形態に係るエンジンに適用されたピストン及びピストンピンを切断して内部構造を例示する斜視図である。
【図２】ピストンの断面図である。
【図３】ピストンピンを示す図であり、（ａ）は分解斜視図、（ｂ），（ｃ）はアウタ部及びインナ部の側面図である。
【図４】ピストン及びピストンピンの縦断面を例示する断面図であり、（ａ）は低燃焼圧力時の状態を示し、（ｂ）は高燃焼圧力時の状態を示す。
【図５】筒内圧力とアウタ部及びインナ部間の相対変位との関係を例示するグラフである。
【図６】変形例としてのエンジンに適用されたピストン及びピストンピンを切断して内部構造を例示する斜視図である。
【図７】ピストン及びピストンピンの縦断面を例示する断面図であり、（ａ）は低燃焼圧力時の状態を示し、（ｂ）は高燃焼圧力時の状態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図面を参照して制御装置について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。
【００１８】
［１．部品構造］
［１−１．ピストン］
本実施形態のエンジンに適用されるピストン１及びコネクティングロッド２（以下コンロッドと呼ぶ）の接続構造を、図１に示す。ここでは、ピストン１の摺動方向を鉛直に配置した姿勢を基準の姿勢とした構造を説明する。この接続構造は、スプリング６を内蔵したピストンピン３でピストン１及びコンロッド２を揺動自在に接続するものである。図１では、ピストン１を縦に切断した状態を示す。
ピストン１は、エンジンのシリンダ内を上下に往復摺動する筒状の部材であり、例えば鍛造されたアルミニウム系合金で形成される。このピストン１には、燃焼室側に設けられるヘッド部１ａと、ピストン１にコンロッド２を接続するためのピンボス部１ｂと、ヘッド部１ａの下方の側面をなすスカート部１ｃとが設けられる。
【００１９】
ヘッド部１ａは、燃焼室の底面となる部位であり、外形はほぼ円筒状である。図１中の符号C1はヘッド部１ａの筒面の中心軸を示す。ピストン１は、中心軸C1の延在方向に沿って往復摺動する。ヘッド部１ａの筒面には、図示しないピストンリングを取り付けるためのリング溝１ｄが刻設されている。ピストンリングとは、ピストン１とシリンダとの隙間を塞ぐための部材であり、ピストン１の熱をシリンダ側へ伝達するとともに燃焼室の圧力低下やオイル漏れを抑制するように機能する。また、ヘッド部１ａの下面はヘッド部１ａの内側（図１中の上方）に向かって凹設され、コンロッド２との干渉が防止されている。
【００２０】
ピンボス部１ｂは、コンロッド２に接続される一対の中空円筒状の部位である。図１中の符号C2は、各ピンボス部１ｂの内筒面の中心軸を示す。一方のピンボス部１ｂの中心軸C2は、他方のピンボス部１ｂの中心軸C2に一致している。ピンボス部１ｂの内径は、後述するピストンピン３の外径に応じた大きさであり、各ピンボス部１ｂの内筒面にピストンピン３が挿通される。これらのピンボス部１ｂは、図２に示すように、その中心軸C2がヘッド部１ａの中心軸C1からわずかにオフセットした位置を通るように配置されている場合もある。なお、ピンボス部１ｂの中心軸C2からヘッド部１ａの頂面までの距離をh1とする。
【００２１】
スカート部１ｃは、ヘッド部１ａから下方に向かって延設された部位であり、シリンダの内周面上を摺動する筒面をなす部位である。図２に示すように、スカート部１ｃは、ピンボス部１ｂの中心軸C2を挟んで互いに対向して一対設けられる。なお、ピストン１のシリンダに対する面圧は、ピンボス部１ｂの中心軸C2に対して垂直な方向に強く作用する傾向がある。そのため、図２中に破線で示すヘッド部１ａの筒面の輪郭のうちピンボス部１ｂの中心軸C2と交差する部位の近傍では、スカート部１ｃの形成が省略され、ピストン１の軽量化が図られている。
【００２２】
［１−２．コンロッド］
コンロッド２は、ピストン１をエンジンのクランクシャフトに接続するリンク部材であり、例えばニッケルクロム鋼やクロムモリブデン鋼等の特殊鋼を型打鍛造して形成される。ピストン１のシリンダ内での往復運動は、コンロッド２を介してクランクシャフトの回転運動に変換される。
コンロッド２の上端部（スモールエンド）には、中空円筒状のピンボス孔２ａが穿孔される。このピンボス孔２ａの内径は、後述するピストンピン３の外径に応じた大きさであり、ピンボス孔２ａの内筒面にピストンピン３が挿通される。以下、ピンボス孔２ａの内筒面の中心軸をC3と表記する。
【００２３】
［１−３．ピストンピン］
ピストンピン３（軸部材）は、ピストン１とコンロッド２とを接続する軸状の部材であり、ピストン１及びコンロッド２間に軸装される。このピストンピン３は、ピンボス部１ｂ及びピンボス孔２ａの内部に挿通され、ピストン１とコンロッド２とを互いに回動自在に軸支するように機能する。図３（ａ）に分解して示すように、本実施形態のピストンピン３は三つの部位に分割形成されており、両端部に位置する一対のアウタ部４とこれらの間に設けられるインナ部５とを備えている。
【００２４】
アウタ部４及びインナ部５は、ピストン１とコンロッド２との距離を変更するように互いに相対変位する部位である。これらのアウタ部４及びインナ部５はともに中空の円筒形状に形成され、その外径は同一である。また、内筒面の中心軸と外筒面の中心軸は一致している。以下、アウタ部４の中心軸をC4と表記し、インナ部の中心軸をC5と表記する。
【００２５】
アウタ部４（第一軸部）は、ピストン１におけるピンボス部１ｂの内筒面に支持される部位である。一対のアウタ部４は同一形状である。アウタ部４のインナ部５側の端面４ａは、中心軸C4に対して垂直かつ平滑に形成される。また、アウタ部４の端面４ａには、図３（ｂ）に示すように、二つのへこみ部４ｂ，４ｃが設けられる。
【００２６】
一方のへこみ部４ｂは、アウタ部４の内筒面側から外筒面側へ向かって凹設された形状であり、中心軸C4を通る平面に対して平行な平面として形成された一対の第一ガイド面４ｄと、第一ガイド面４ｄに対して垂直な平面として形成された第一ストッパ面４ｅとを有する。一対の第一ガイド面４ｄ間の寸法はd1である。なお、一対の第一ガイド面４ｄはピストン１の摺動方向（ピストン１の中心軸C1の延在方向）と平行に配置され、第一ストッパ面４ｅはピストン１の摺動方向に対して非平行に配置される。
【００２７】
これに対し、他方のへこみ部４ｃは、アウタ部４の内筒面側から外筒面側まで貫通するように凹設された形状であり、第一ガイド面４ｄに平行な一対の第三ガイド面４ｆのみを有する。また、他方のへこみ部４ｃは、中心軸C4を挟んで一方のへこみ部４ｂに対向する位置に配置されている。第三ガイド面４ｆ間の寸法はd2である。
【００２８】
インナ部５（第二軸部）は、コンロッド２におけるピンボス孔２ａの内筒面に支持される部位である。インナ部５のアウタ部４側の端面５ａには、アウタ部４のへこみ部４ｂ，４ｃのそれぞれに対応するように突出部５ｂ，５ｃが設けられる。
【００２９】
一方の突出部５ｂは、インナ部５の内筒面に連続する曲面から外筒面側に向かって突設された形状であり、中心軸C5を通る平面に平行な平面として形成された一対の第二ガイド面５ｄと、第二ガイド面５ｄに対し垂直な平面として形成された第二ストッパ面５ｅとを有する。第二ガイド面５ｄは、アウタ部４の第一ガイド面４ｄに対向する部位であり、第二ストッパ面５ｅは第一ストッパ面４ｅに対向する部位である。第二ガイド面５ｄ間の寸法は、第一ガイド面４ｄ上を円滑に滑動しうるように、d1よりもわずかに小さく設定することが好ましい。なお、図１に示す例では、この突出部５ｂの下端面５ｇが後述するスプリング６の形状に合わせて傾斜した形状に形成されている。
【００３０】
また、他方の突出部５ｃは、インナ部５の内筒面に連続する曲面から、外筒面に連続する曲面にかけて突設された形状であり、第二ガイド面５ｄに平行な一対の第四ガイド面５ｆのみを有する。一対の第四ガイド面５ｆ間の寸法は、d2よりもわずかに小さく形成することが好ましい。
【００３１】
これらの一対のアウタ部４及びインナ部５は、それぞれの端面４ａ，５ａ同士が面接触した状態で組み合わされて、ピストン１のピンボス部１ｂとコンロッド２のピンボス孔２ａとに挿通される。これにより、ピストンピン３のアウタ部４はインナ部５に対して滑動自在に変位する。このとき、ピンボス部１ｂの中心軸C2はアウタ部４の中心軸C4に一致し、ピンボス孔２ａの中心軸C3はインナ部の中心軸C5に一致する。また、アウタ部４の第一ストッパ面４ｅとインナ部５の第二ストッパ面５ｅとが面接触した状態のとき、アウタ部４の中心軸C4はインナ部の中心軸C5に一致する。
【００３２】
また、アウタ部４及びインナ部５同士の相対変位の方向は、それぞれの端面４ａ，５ａに沿った方向であって、第一ガイド面４ｄ及び第二ガイド面５ｄに沿った方向（第三ガイド面４ｆ及び第四ガイド面５ｆに沿った方向と同一）である。したがって、第一ガイド面４ｄ及び第二ガイド面５ｄがピストン１の中心軸C1に平行であれば、アウタ部４がインナ部５に対して中心軸C1方向に滑動可能となる。
【００３３】
［１−４．スプリング］
スプリング６（弾性部材）は、アウタ部４とインナ部５との間に介装される部材であり、ピストンピン３の中空の内部に挿入されている。このスプリング６は、図１に示すように、棒状の部材を波形に屈曲させた形状であり、ピストンピン３の内部で各アウタ部４の内周面上部に接触する第一当接部６ａと、インナ部５の内周面下部に第二当接部６ｂとを有する。
【００３４】
第一当接部６ａは、波形の極大点に相当する部位であり、アウタ部４に対してピストン１側（ピストン１のヘッド側）への押圧力を作用させる。一方、第二当接部６ｂは、波形の極小点に相当する部位であり、インナ部５に対してコンロッド２側（クランクシャフト側）への押圧力を作用させる。二つの第一当接部６ａを通る直線と第二当接部６ｂとの距離は、アウタ部４及びインナ部５の内径よりも大きく形成される。これにより、アウタ部４はインナ部５に対してピストン１の方向に向かって付勢され、他の外力が加えられない限りインナ部５との間に変位を生じさせる。一方、スプリング６の付勢力に対抗する外力が作用した場合には、その外力とスプリング６の付勢力とに応じて変位の大きさが変化する。したがって、スプリング６は、ピストン１に作用する圧力に応じてアウタ部４をインナ部５に対してピストン１の滑動方向に変位させる弾性部材として機能する。
【００３５】
また、スプリング６の第一当接部６ａよりも第二当接部６ｂ側の位置には、アウタ部４とインナ部５との変位の最大値を制限する第三当接部６ｃが設けられる。この第三当接部６ｃは、アウタ部４に対してコンロッド２側へと変位したインナ部５と接触する部位である。図１に示す例では、突出部５ｂの下端面５ｇがスプリング６の第三当接部６ｃに当接した状態が示されている。アウタ部４とインナ部５との変位の最大値h0は、アウタ部４及びインナ部５の滑動方向についての第一当接部６ａから第三当接部６ｃまでの距離に相当する。
【００３６】
［２．接続構造］
ピストンピン３のピストン１及びコンロッド２に対する接続の態様としては、以下の三通りが考えられる。上記のピストン１及びコンロッド２間の接続構造では、何れの接続態様も利用可能である。
〔１〕ピストン１に対して浮動、かつ、コンロッド２に対して浮動
〔２〕ピストン１に対して固定、かつ、コンロッド２に対して浮動
〔３〕ピストン１に対して浮動、かつ、コンロッド２に対して固定
【００３７】
例えば、上記の〔１〕は、アウタ部４の外筒面とピンボス部１ｂの内筒面とを摺動自在に設け、かつ、インナ部５の外筒面とピンボス孔２ａの内筒面とを摺動自在に設けたもの（すなわち、フルフロートタイプのもの）である。また、上記の〔２〕はアウタ部４をピンボス部１ｂに圧入し、コンロッド２とインナ部５との結合をルーズにしたものである。これらの場合、コンロッド２の揺動がインナ部５との摺動面で吸収されるため、ピストンピン３自体の揺動が抑制される。
上記の〔３〕は、ピストン１とピストンピン３との結合をルーズにし、インナ部５をピンボス孔２ａに圧入したものである。この場合、ピストンピン３はコンロッド２とともに揺動するが、この揺動はピンボス部１ｂとの摺動面で吸収される。
【００３８】
［３．作用］
［３−１．圧縮比の変更］
図４（ａ），（ｂ）を用いて、上記の〔１〕の接続態様が適用されたピストンピン３を備えたエンジンにおけるピストン１の動作を説明する。なお、ここでは摺動面の軸受やピストンピン３の抜け落ちを防止するためのサークリップ等の記載を省略する。
【００３９】
燃焼室内の圧力が比較的低圧である場合には、ピストン１の上面に作用する筒内圧力が低く、スプリング６の付勢力の方が優位に作用する。これにより、図４（ａ）に示すように、ピストンピン３のアウタ部４がインナ部５に対して図中の上方向に押圧される。このとき、アウタ部４では第一ストッパ面４ｅがインナ部５の第二ストッパ面５ｅから離間し、インナ部５では突出部５ｂの下端面５ｇがスプリング６に当接した状態となる。インナ部５の中心軸C5（すなわち、コンロッド２のピンボス孔２ａの中心軸C3）からピストン１の頂面までの距離は、h1+h0となる。
【００４０】
一方、燃焼室内の圧力が上昇すると、ピストン１の上面に作用する筒内圧力が増加するため、スプリング６の付勢力よりも筒内圧力の方が優位となる。これにより、図４（ｂ）に示すように、ピストンピン３のアウタ部４がインナ部５に対して図中の下方向に押圧される。このとき、筒内圧力が十分に大きければ、アウタ部４の第一ガイド面４ｄがインナ部５の第二ガイド面５ｄに沿って滑動し、アウタ部４の第一ストッパ面４ｅがインナ部５の第二ストッパ面５ｅに当接した状態となる。したがって、インナ部５の中心軸C5からピストン１の頂面までの距離は、h1となる。
【００４１】
これにより、図４（ａ）に示す状態と比較して、燃焼室の容積がシリンダの断面積に距離h0を乗じた分だけ増大し、圧縮比が減少する。なお、圧縮比の減少量は距離h0及びシリンダ断面積に依存する。車両用の典型的なエンジン（例えば、自動車用エンジン）を想定した試算では、距離h0を0.5〜1.0[mm]とすることで、圧縮比が1〜2程度減少することが確認された。
【００４２】
［３−２．アウタ部とインナ部との滑動性］
ピストンピン３がピストン１及びコンロッド２の双方に対して浮動する接続構造では、コンロッド２の揺動がピストンピン３に入力されない。これにより、アウタ部４の第一ガイド面４ｄとインナ部５の第二ガイド面５ｄとの面圧が低下し、アウタ部４とインナ部５との円滑な滑動性が確保される。また、仮に中心軸C5を中心とした回転方向の力がインナ部５に作用したとしても、その力がコンロッド２側に伝達されるおそれがない。アウタ部４においても同様であり、仮に中心軸C4を中心とした回転方向の力がアウタ部４に作用したとしても、その力はピストン１側に伝達されない。
【００４３】
なお、アウタ部４とピストン１との結合をルーズとした場合、アウタ部４及びインナ部５の滑動方向がピストン１の摺動方向（上下方向）に対して傾く可能性がある。しかしながら、ピストンピン３はフルフロートの状態であるから、スプリング６の付勢力によってアウタ部４及びインナ部５の変位が増大する方向にピストンピン３が回転し、傾きが修正される。したがって、ピストンピン３のアウタ部４及びインナ部５の位置は、図４（ａ），（ｂ）に示すような状態へと自動的に修正される。
【００４４】
［４．効果］
このように、上記のエンジンによれば、ピストンピン３のアウタ部４とインナ部５との間にスプリングを介装することで、燃焼室内の圧力に応じて圧縮比を変更することができる。また、ピストン１及びコンロッド２を変更する必要がないため、エンジンの重量増加を回避することができるとともに、ピストン１の耐久性を確保することができる。さらに、ピストンピン３の内部で変位が生じる構造のため、汎用性が高く、従来のピストン１及びコンロッド２に対して容易に適用することができ、エンジンの製造コストを削減することができる。
【００４５】
また、上記のエンジンでは、アウタ部４がピストン１のヘッド部１ａ側に付勢され、インナ部５がクランクシャフト側に付勢されている。これにより、燃焼室の圧力が低い状態では、圧縮比が高い状態を維持して燃焼安定性及び燃費を改善でき、燃焼室の圧力が高くなると、圧縮比を低下させてノッキングの発生を抑制し燃焼安定性を確保することができる。
【００４６】
また、上記のエンジンでは、ピストンピン３のアウタ部４，インナ部５のそれぞれに、ピストン１の摺動方向に平行な第一ガイド面４ｄ，第二ガイド面５ｄが形成されている。これにより、インナ部５に対するアウタ部４の相対変位の方向をピストン１の摺動方向に矯正することができ、確実に圧縮比を変更することができる。
なお、前述の通り、ピストンピン３がフロフロートタイプである場合には、第一ガイド面４ｄ，第二ガイド面５ｄの傾斜方向がピストン１の摺動方向に平行でなかったとしても、スプリング６の付勢力によって自動的に傾斜を補正することができ、確実に圧縮比を変更することができる。
【００４７】
また、上記のエンジンでは、ピストンピン３のアウタ部４，インナ部５のそれぞれに、ピストン１の摺動方向に垂直な第一ストッパ面４ｅ，第二ストッパ面５ｅが形成されている。これにより、インナ部５に対するアウタ部４の相対変位の上限を設定することができ、圧縮比を正確に変更することができる。例えば、燃焼室内の圧力が比較的低圧である低負荷状態での圧縮比を固定することができる。
さらに、上記の〔１〕の接続態様が適用されたピストンピン３を備えたエンジンでは、コンロッド２とインナ部５との摺動面でコンロッド２側の揺動が吸収されるため、ピストンピン３の揺動を確実に防止することができる。これにより、アウタ部４とインナ部５との相対変位をより確実に、ピストン１の摺動方向に矯正することができる。
【００４８】
また、上記のピストンピン３は、アウタ部４及びインナ部５の双方が中空に形成されており、その中空部分にスプリングを挿入した形状であるから、ピストン１やコンロッド２の設計変更や加工が不要であり、簡素な構成で容易にアウタ部４及びインナ部５に付勢力を与えることができる。
さらに、上記のピストンピン３は、スプリング６に三種類の当接部６ａ，６ｂ及び６ｃを形成することで、容易に圧縮比を変更する構造を実現することができる。すなわち、第一当接部６ａ及び第二当接部６ｂにより燃焼室容積を減少させておくことができるとともに、燃焼圧力の上昇時に燃焼室容積を増大させることができる。また、第三当接部６ｃにより、燃焼室容積を増大させたときの変位を固定することができ、圧縮比を維持することができる。
【００４９】
なお、筒内圧力とアウタ部４の第一ストッパ面４ｅ及びインナ部５の第二ストッパ面５ｅの距離（すなわち、アウタ部４とインナ部５との間の相対変位）との関係は、図５に例示するように、スプリング６の付勢力に応じて変化する。したがって、筒内圧力の増加に対して距離が減少し始める圧力P1や距離が0となる圧力P2，距離の変化勾配等は、エンジンの筒内圧力に係るパラメータを考慮してスプリング６の付勢力を定めることで、任意に設定することができる。
【００５０】
［５．変形例］
［５−１．第二スプリング］
上述した実施形態に関わらず、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。本実施形態の各構成は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。
図６に示すピストン１及びコンロッド２の接続構造は、図１に示すスプリング６の形状を変更したものである。ここで使用されている第二スプリング７は、棒状の部材を側面視におけるドアノブの輪郭状に屈曲した形状の弾性部材であり、第一拡径部７ａ，くびれ部７ｂ及び第二拡径部７ｃを備えて構成される。
【００５１】
第一拡径部７ａは、アウタ部４に内挿される部位であり、アウタ部４の内周面を拡径方向に付勢する部位である。これにより、第一拡径部７ａはアウタ部４内に固定される。一方、第二拡径部７ｃは、インナ部５に内挿され、インナ部５の内周面を拡径方向に付勢する部位である。これにより、第二拡径部７ｃはインナ部５内に固定される。
また、くびれ部７ｂは、第一拡径部７ａによって固定されるアウタ部４の中心軸C4の位置と、第二拡径部７ｃによって固定されるインナ部５の中心軸C5の位置とを相違させたまま、第一拡径部７ａと第二拡径部７ｃとを接続する部位である。また、くびれ部７ｂは、弾性変形により第一拡径部７ａと第二拡径部７ｃとの相対変位を許容するように機能する。これにより、第二スプリング７が内挿されたピストンピン３は、他の外力が作用しない限りアウタ部４及びインナ部５の各中心軸C4，C5が変位した状態で固定される。
【００５２】
第二スプリング７が適用されたエンジンにおけるピストン１の動作を図７（ａ），（ｂ）に示す。燃焼室内の圧力が比較的低圧である場合には、くびれ部７ｂによって与えられるアウタ部４とインナ部５との間の変位が維持される。変位量は、図７（ａ）中に示すように、第一拡径部７ａとアウタ部４の内周面上部との接触部から、第二拡径部７ｃとインナ部５の内周面上部との接触部までの距離に対応する。またこの距離は、くびれ部７ｂによって許容される変位方向について、第二スプリング７の成形時における第一拡径部７ａから第二拡径部７ｃまでの距離に相当する。つまり、第二スプリング７の成形形状に応じた大きさの変位がアウタ部４とインナ部５との間に維持される。
【００５３】
これにより、アウタ部４の第一ストッパ面４ｅがインナ部５の第二ストッパ面５ｅから離間し、アウタ部４によってピストン１が燃焼室側に押し上げられた姿勢となる。アウタ部４とインナ部５との変位量をh0とおくと、インナ部５の中心軸C5からピストン１の頂面までの距離は、上述の実施形態と同様に、h1+h0と表現することができる。
【００５４】
一方、燃焼室内の圧力が上昇すると、第一拡径部７ａと第二拡径部７ｃとのずれを減少させる方向の外力がくびれ部７ｂに作用し、筒内圧力が十分に大きければアウタ部４とインナ部５との変位量が0となる。すなわち、アウタ部４の第一ストッパ面４ｅがインナ部５の第二ストッパ面５ｅに面接触し、インナ部５の中心軸C5からピストン１の頂面までの距離は、h1となる。これにより、図７（ａ）に示す状態と比較して、燃焼室の容積がシリンダの断面積に距離h0を乗じた分だけ増大し、圧縮比が減少する。
【００５５】
このように、第二スプリング７が適用されたエンジンにおいても、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。また、第二スプリング７は、アウタ部４及びインナ部５のそれぞれの内周面を付勢するようにばね力を作用させる形状であるから、スプリング６と比べてピストンピン３内での固定状態を維持しやすいというメリットがある。
【００５６】
［５−２．その他］
なお、上記の何れの接続態様においても、筒面同士の摺動面には任意の軸受を介装することで浮動させることが可能である。また、固定面には、圧入や嵌入，溶接といった任意の固定手段を適用することができるほか、外形を筒面形状とする代わりに角柱形状にしてもよく、あるいは予め一体形成しておくことも可能である。例えば、上記の〔２〕の接続態様を適用する際に、ピストンピン３のアウタ部４とピストン１とを一体形成してもよい。
【００５７】
このような構成により、ピストン１とアウタ部４と間の相対回転が確実に防止され、すなわちアウタ部４の揺動を防止できる。これにより、アウタ部４のインナ部５に対する滑動方向をピストン１の摺動方向に一致させやすくすることができ、アウタ部４とインナ部５との相対変位をより確実に、ピストン１の摺動方向に矯正することができる。
【００５８】
また、上述の実施形態では、棒状の部材を屈曲形成したスプリング６を例示したが、これに代えて、あるいは加えて、アウタ部４及びインナ部５間に相対変位を生じさせる任意の弾性部材を用いることができる。例えば、板ばねや皿ばね，コイルばねといった金属ばねや、耐熱樹脂ばね，セラミックばねといった非金属ばねや、空気ばね、磁気ばね等を用いてもよい。
【００５９】
なお、上記のピストン１及びコンロッド２間の接続構造の適用対象となるエンジンの種類は任意であり、ガソリンエンジン，ディーゼルエンジンの双方に適用することができる。少なくとも、コンロッド２を介してピストン１の往復摺動をクランクシャフトの回転運動に変換する形式のエンジンであれば、ピストン１及びコンロッド２間に上記のピストンピン３を軸装することで、上述の実施形態と同様の効果を奏するものとなる。
【符号の説明】
【００６０】
１ ピストン
２ コネクティングロッド（コンロッド）
３ ピストンピン（軸部材）
４ アウタ部（第一軸部）
４ｄ 第一ガイド面
４ｅ 第一ストッパ面
５ インナ部（第二軸部）
５ｄ 第二ガイド面
５ｅ 第二ストッパ面
６ スプリング（弾性部材）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダの内部で摺動自在に設けられたピストンと、
前記ピストンをクランクシャフトに接続するコネクティングロッドと、
前記ピストン側に支持された第一軸部及び前記コネクティングロッド側に支持された第二軸部を有し、前記ピストンと前記コネクティングロッドとを接続する軸部材と、
前記第一軸部及び前記第二軸部間に介装され、前記ピストンに作用する圧力に応じて前記第一軸部を前記第二軸部に対して前記ピストンの摺動方向に変位させる弾性部材と
を備えたことを特徴とする、エンジン。
【請求項２】
前記弾性部材が、前記第一軸部を前記ピストンのヘッド側に付勢し、前記第二軸部を前記クランクシャフト側に付勢する
ことを特徴とする、請求項１記載のエンジン。
【請求項３】
前記第一軸部が、前記ピストンの摺動方向に平行な第一ガイド面を有し、
前記第二軸部が、前記第一ガイド面に対向する第二ガイド面を有する
ことを特徴とする、請求項１又は２記載のエンジン。
【請求項４】
前記第一軸部が、前記ピストンの摺動方向に非平行な第一ストッパ面を有し、
前記第二軸部が、前記第一ストッパ面に対向する第二ストッパ面を有する
ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項５】
前記第二軸部が、前記コネクティングロッドに対して揺動自在に支持される
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項６】
前記第一軸部が、前記ピストンに対して固定支持される
ことを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項７】
前記第一軸部及び前記第二軸部が、中空に形成され、
前記弾性部材が、前記第一軸部及び前記第二軸部の前記中空に内挿されている
ことを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項８】
前記弾性部材が、
前記第一軸部の内筒面に当接し、前記第一軸部を前記ピストンのヘッド側へと付勢する第一当接部と、
前記第二軸部の内筒面に当接し、前記第二軸部を前記コネクティングロッド側へと付勢する第二当接部と、
前記第一軸部又は前記第二軸部の内筒面に当接し、前記第一軸部に対する前記第二軸部の変位の最大値を制限する第三当接部と、を有する
ことを特徴とする、請求項７記載のエンジン。
【請求項１】
シリンダの内部で摺動自在に設けられたピストンと、
前記ピストンをクランクシャフトに接続するコネクティングロッドと、
前記ピストン側に支持された第一軸部及び前記コネクティングロッド側に支持された第二軸部を有し、前記ピストンと前記コネクティングロッドとを接続する軸部材と、
前記第一軸部及び前記第二軸部間に介装され、前記ピストンに作用する圧力に応じて前記第一軸部を前記第二軸部に対して前記ピストンの摺動方向に変位させる弾性部材と
を備えたことを特徴とする、エンジン。
【請求項２】
前記弾性部材が、前記第一軸部を前記ピストンのヘッド側に付勢し、前記第二軸部を前記クランクシャフト側に付勢する
ことを特徴とする、請求項１記載のエンジン。
【請求項３】
前記第一軸部が、前記ピストンの摺動方向に平行な第一ガイド面を有し、
前記第二軸部が、前記第一ガイド面に対向する第二ガイド面を有する
ことを特徴とする、請求項１又は２記載のエンジン。
【請求項４】
前記第一軸部が、前記ピストンの摺動方向に非平行な第一ストッパ面を有し、
前記第二軸部が、前記第一ストッパ面に対向する第二ストッパ面を有する
ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項５】
前記第二軸部が、前記コネクティングロッドに対して揺動自在に支持される
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項６】
前記第一軸部が、前記ピストンに対して固定支持される
ことを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項７】
前記第一軸部及び前記第二軸部が、中空に形成され、
前記弾性部材が、前記第一軸部及び前記第二軸部の前記中空に内挿されている
ことを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載のエンジン。
【請求項８】
前記弾性部材が、
前記第一軸部の内筒面に当接し、前記第一軸部を前記ピストンのヘッド側へと付勢する第一当接部と、
前記第二軸部の内筒面に当接し、前記第二軸部を前記コネクティングロッド側へと付勢する第二当接部と、
前記第一軸部又は前記第二軸部の内筒面に当接し、前記第一軸部に対する前記第二軸部の変位の最大値を制限する第三当接部と、を有する
ことを特徴とする、請求項７記載のエンジン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２１９６２９（Ｐ２０１２−２１９６２９Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８２７４２（Ｐ２０１１−８２７４２）
【出願日】平成２３年４月４日（２０１１．４．４）
【出願人】（０００００６２８６）三菱自動車工業株式会社 (2,892)
【出願人】（０００１７６８１１）三菱自動車エンジニアリング株式会社 (402)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月４日（２０１１．４．４）
【出願人】（０００００６２８６）三菱自動車工業株式会社 (2,892)
【出願人】（０００１７６８１１）三菱自動車エンジニアリング株式会社 (402)
【Ｆターム（参考）】
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