多連杆式發動機的製作方法

2023-09-20 16:22:15

專利名稱：多連杆式發動機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種多連杆式發動機，更詳細地說，涉及一種多連 杆式發動機的連杆幾何形狀。
背景技術：
例如，如專利文獻1所示，正在開發由多個連杆連結活塞銷和 曲柄銷的發動機(以下稱為"多連杆式發動機")。上述多連杆式發 動機具有上連杆，其經由活塞銷與在氣缸內往復運動的活塞連結； 下連杆，其可自由旋轉地安裝於曲軸的曲柄銷上，同時經由上銷與上 連杆連結；以及控制連杆，其經由控制銷與上述下連杆連結，並以擺 動中心銷為中心進行擺動。擺動中心軸可自由旋轉地軸支撐在主軸承 罩與擺動中心軸支撐罩之間，該擺動中心軸支撐罩通過螺栓與該主軸 承罩緊固。此外，作為其他的關聯的專利文獻，包括專利文獻2。
專利文獻l:特開2002-61501號公報 專利文獻2:特開2001-227367號公報

發明內容
本發明人發現在上述多連杆式發動機中，如果由作用於活塞 的燃燒壓力和慣性力等產生的載荷，經由各連杆傳遞至擺動中心軸， 作用在將擺動中心軸向下壓的方向上，則有可能發生所謂開口的現 象，即擺動中心軸支撐罩相對於主軸承罩發生位置偏移等。
本發明是著眼於現有的上述問題而提出的，其目的在於，提供 一種多連杆式發動機的連杆幾何形狀，其可以可靠地防止擺動中心軸 支撐罩相對於發動機體發生位置偏移。
本發明通過下述解決方法解決上述問題。此外，為了容易理解， 附加與本發明的實施方式對應的標號，但不限於此。本發明涉及一種多連杆式發動機的連杆幾何形狀，其特徵在於， 具有上連杆(11)，其經由活塞銷(21)與在氣缸內往復運動的活 塞(32)連結；下連杆(12)，其可旋轉地安裝於曲軸(33)的曲柄 銷(33b)上，同時經由上銷(22)與上述上連杆(11)連結；以及 控制連杆(13)，其經由控制銷(23)與上述下連杆(12)連結，並 以擺動中心軸(24)為中心進行擺動。上述擺動中心軸(24)配置為， 與曲軸(33)的曲軸軸承頸(33a)相比位於下方，且以該曲軸軸承 頸(33a)為中心位於氣缸中心軸的相反側，可自由旋轉地軸支撐在 發動機體(41、 42、 43)和擺動中心軸支撐罩(44)之間，該擺動中 心軸支撐罩(44)通過螺栓(45)與該發動機體(41、 42、 43)緊固， 在上述活塞(32)位於上止點附近的定時，以及位於下止點附近的定 時，上述控制連杆(13)的中心軸大致平行於氣缸的中心軸。
發明的效果
根據本發明，擺動中心軸配置為，與曲軸的曲軸軸承頸相比位 於下方，且以該曲軸軸承頸為中心位於氣缸中心軸的相反側，可自由 旋轉地軸支撐在發動機體與通過螺栓與該發動機體緊固的擺動中心 軸支撐罩之間，在活塞位於上止點附近的定時，以及位於下止點附近 的定時，控制連杆的中心軸大致平行於氣缸的中心軸。通過上述結構， 當作用於控制連杆的載荷大小為最大時，在控制連杆的前端(擺動中
心軸)不作用左右方向的載荷，從而可以防止擺動中心軸支撐罩相對 於發動機體發生偏移。


圖1是說明多連杆式發動機的圖。
圖2是表示活塞位於上止點時的狀態的圖。
圖3是表示活塞位於下止點時的狀態的圖。
圖4是發動機體的縱剖面圖。
圖5是說明擺動中心軸的配置位置的圖。
圖6是說明多連杆式發動機的活塞加速度特性的圖。圖7是說明可降低二次振動的擺動中心軸的配置位置的圖。 圖8是表示活塞位移以及活塞加速度相對於曲軸角的圖。
圖9是表示採用本實施方式的連杆幾何形狀的多連杆式發動機
的作用於控制連杆的前端(擺動中心軸)的載荷變動的圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖等說明用於實施本發明的最佳實施方式。 首先，參照圖1說明多連杆式發動機。此外，圖1是從曲軸的 軸向觀察的圖。對於發動機的普通技術人員來說，在重力方向之外， 習慣使用上止點/下止點的表達。在水平對置發動機等中，上止點不 一定為重力方向的上、下止點不一定為重力方向的下，另外假設在將 發動機倒立的情況下，上止點為重力方向的下、下止點為重力方向的 上，而在本說明書中，按照習慣將上止點側記載為上，將下止點側記 載為下。
多連杆式發動機10，由2個連杆(上連杆11、下連杆12)連結 活塞32和曲軸33。另外，控制連杆13與下連杆12連結。
上連杆11的上端經由活塞銷21與活塞32連結，下端經由上銷 22與下連杆12的一端連結。活塞32承受燃燒壓力，在設置於氣缸 體41上的氣缸套41a內往復運動。
下連杆12，使其一端經由上銷22與上連杆11連結，使另一端 經由控制銷23與控制連杆13的連結。另外，下連杆12，在大致中 央的連結孔內，插入曲軸33的曲柄銷33b，以曲柄銷33b作為中心 軸進行旋轉。下連杆12可分割為上下2個部件地構成。上銷22的中 心、控制銷23的中心和曲柄銷33b的中心，排列在一條直線上。對 於採用上述位置關係的理由如後所述。曲軸33具有多個曲軸軸承頸 33a、曲柄銷33b。曲軸軸承頸33a由氣缸體41以及梯形機架42可 自由旋轉地支撐。曲柄銷33b從曲軸軸承頸33a偏心規定量，下連杆 12可自由旋轉地與其連結。
控制連杆13，在前端插入控制銷23，可轉動地與下連杆12連 結。另外，控制連杆13的另一端可以以擺動中心軸24為中心進行擺動。擺動中心軸24由擺動中心軸支撐託架43以及擺動中心軸支撐罩 44可自由旋轉地支撐。擺動中心軸支撐託架43以及擺動中心軸支撐 罩44，利用螺栓45 —同緊固在梯形機架42上。此外，在本實施方 式中，氣缸體41、梯形機架42以及擺動中心軸支撐託架43，相當於 權利要求中的發動機體。並且，擺動中心軸24如圖所示成為偏心軸 (即，控制連杆13的另一端與偏心部分連結)，通過移動擺動中心 軸24的偏心位置，變更控制連杆13的擺動中心，變更活塞32的上 止點位置。由此可以機械地調整發動機的壓縮比。
擺動中心軸24相對於曲軸軸承頸33a的中心位於下方。另外， 擺動中心軸24以曲軸軸承頸33a為中心，位於氣缸中心軸的相反側。 即，在從曲軸的軸向觀察的情況下，在引出穿過曲軸33 (曲軸軸承 頸33a)的中心且平行於氣缸軸的直線時，擺動中心軸24相對於該 直線，位於氣缸中心軸的那一側的相反側。在圖1中，氣缸中心軸相 對於曲軸軸承頸33a位於右側，擺動中心軸24相對於曲軸軸承頸33a 位於左側。在上述位置配置擺動中心軸24的理由如後所述。
圖2是表示活塞位於上止點時的狀態的圖，圖2 (A)表示縱剖 面，圖2 (B)表示連杆幾何形狀。圖3是表示活塞位於下止點時的 狀態的圖，圖3 (A)表示縱剖面，圖3 (B)表示連杆幾何形狀。在 圖2 (B)和圖3 (B)中，實線表示低壓縮比的狀態，虛線表示高壓 縮比的狀態。
擺動中心軸24的位置成為下述位置，即，在活塞32位於上止 點時，使控制連杆13的中心軸大致直立，優選直立(圖2)，同時， 在活塞32位於下止點時，使控制連杆13的中心軸大致直立，優選直 立(圖3)。此外，控制連杆13的中心軸可以定義為，在從曲軸的 軸向觀察的情況下，將擺動中心軸24的偏心位置的中心與控制銷23 的中心連結而成的直線。
圖4是發動機體的縱剖面圖。
梯形機架42通過螺栓緊固於氣缸體41上。曲軸33的曲軸軸承 頸33a可自由旋轉地支撐在由梯形機架42以及氣缸體41形成的孔 40a中。梯形機架42與氣缸體41的抵接面，與氣缸的中心軸正交。另外，將梯形機架42與氣缸體41緊固的螺栓的中心軸，與該抵接面
正交。即，螺栓的中心軸平行於氣缸中心軸。
擺動中心軸支撐託架43以及擺動中心軸支撐罩44，利用螺栓 45—同緊固於梯形機架42上。此外，在圖4中，螺栓45的中心線 由點劃線表示。在由擺動中心軸支撐託架43以及擺動中心軸支撐罩 44形成的孔40b中，可自由旋轉地支撐擺動中心軸24。擺動中心軸 支撐託架43和梯形機架42的抵接面，與氣缸中心軸正交。擺動中心 支撐罩44和擺動中心軸支撐託架43的抵接面，也與氣缸中心軸正交。 螺栓45的中心軸與這些抵接面正交。即，螺栓45的中心軸平行於氣 缸中心軸。
圖5是說明擺動中心軸的配置位置的圖。圖5 (A)表示將擺動 中心軸相對於曲軸軸承頸配置在上方的對比實施方式，圖5 (B)表 示將擺動中心軸相對於曲軸軸承頸配置在下方的本實施方式。
如上述所示，在本實施方式中，擺動中心軸24相對於曲軸軸承 頸33a位於下方，且以曲軸軸承頸33a為中心位於氣缸中心軸的相反 側。下面說明上述結構的理由。
首先為了容易理解，說吸圖5例示的對比實施方式。
作為擺動中心軸24的配置位置，如圖5 (A)所示，也考慮配 置在曲軸軸承頸33a的上方。但是對於上述結構，控制連杆13的強 度存在問題。
艮P，作用於控制連杆的載荷中的最大載荷，是由燃燒壓力產生 的載荷。由燃燒壓力產生的載荷F1，向下作用於上連杆ll。通過該 向下的載荷F1，對曲軸軸承頸33a的軸承部作用向下載荷F2，圍繞 曲柄銷33b而作用右轉力矩Ml。並且，通過該力矩M1，對控制連 杆13作用向上載荷F3。 g卩，對控制連杆13作用壓縮載荷。在這裡， 如果考慮對連杆13作用壓縮載荷的情況，則在載荷大的情況下，連 杆13有可能壓曲。另外，根據下面的算式(l)所示的歐拉壓曲方程， 壓曲載荷與連杆長度1的平方成反比。
歐拉壓曲方程PCT=n S (1) 其中，
P :壓曲載荷 n:末端條件係數 E:縱向彈性係數 I:剖面二次力矩 1:連杆長度
如上述所示，由於增長連杆長度l而可能產生壓曲，所以不能過 長。為了增長連杆長度，必須增大連杆寬度和連杆厚度而使剖面二次 力矩變大，但是由於存在重量增加等問題，所以不現實。
因此，不得不縮短控制連杆13的長度，所以無法增加前端(即
控制銷23)的移動長度。因此，無法使發動機大型化，從而很難得
到期望的發動機輸出。
針對上述問題，在圖5 (B)所示的本實施方式中，將擺動中心 軸24配置在曲軸軸承頸33a的下方。這樣，由燃燒壓力產生的載荷 Fl，從上連杆11傳遞到下連杆12，作為拉伸載荷作用於控制連杆 13上。在拉伸載荷作用於連杆13上的情況下，應考慮連杆13的彈 性損壞，但是一般認為是否產生彈性損壞，依賴於連杆剖面的應力或 者應變，而連杆長度對其影響小。相反，如果以最大主應變的說法考 慮，則當拉伸載荷相同時，通過增長連杆長度，應變變小，從而難以 產生彈性損壞。
如上述所示，由於優選由控制連杆13作為拉伸載荷承受由燃燒 壓力產生的載荷，所以在本實施方式中，將擺動中心軸24配置在曲 軸軸承頸33a的下方。
另外，在本實施方式中，如上述所示，將上銷22的中心、控制 銷23的中心和曲柄銷33b的中心排列在一條直線上。說明該理由。
根據本發明人的分析，多連杆式發動機，通過適當地調整擺動 中心軸的位置，與以一個連杆(connecting rod)連結活塞和曲軸的 通常的常規類型發動機(這是通常的發動機，但將該發動機和多連杆式發動機進行對比，以下稱為"單連杆式發動機")相比，能夠降低 振動。圖6表示該分析結果。此外，圖6是說明多連杆式發動機的活
塞加速度特性的圖，圖6 (A)是表示多連杆式發動機的活塞加速度 特性的圖，圖6 (B)是表示作為對比例的單連杆式發動機的活塞加 速度特性的圖。
如圖6 (B)所示，在單連杆式發動機中，對於將1次成分和2 次成分合成後的總體的活塞加速度的大小(絕對值)，在上止點附近 的值比下止點附近的值大。但是，如圖6 (A)所示，在多連杆式發 動機中，總體的活塞加速度的大小(絕對值)，在下止點附近的值和 上止點附近的值大致相同。
並且，如果將單連杆式發動機和多連杆式發動機的2次成分的 大小進行比較，則多連杆式發動機的值比單連杆式發動機的值小，具 有能夠降低二次振動的特性。
如上述所示，多連杆式發動機，通過適當地調整擺動中心軸的 位置，可以改善振動特性(特別是降低二次振動)。圖7是說明可降 低二次振動的擺動中心軸的配置位置的圖，活塞位於上止點。圖7(A) 表示曲柄銷位於將上銷和控制銷連結而成的線的下方的情況，圖7 (B)表示曲柄銷位於將上銷和控制銷連結而成的線的上方的情況， 圖7 (C)表示曲柄銷位於將上銷和控制銷連結而成的線上的情況。
如圖7 (A)所示，在曲柄銷33b位於將上銷22和控制銷23連 結而成的線的下方的情況下，可降低二次振動的擺動中心軸24的可 配置區域是以箭頭A表示的範圍。為了使用基於發動機的性能要求 而設定的長度的控制連杆13，擺動中心軸24與控制銷23相比位於 左側(遠離曲軸軸承頸33a的一側)。
如圖7 (B)所示，在曲柄銷33b位於將上銷22和控制銷23連 結而成的線的上方的情況下，可降低二次振動的擺動中心軸24的可 配置區域，是以箭頭B表示的範圍。為了使用基於發動機的性能要 求而設定的長度的控制連杆13，擺動中心軸24與控制銷23相比位 於右側(接近曲軸軸承頸33a的一側)。
如圖7 (C)所示，在曲柄銷33b位於將上銷22和控制銷23連結而成的線上的情況下，可降低二次振動的擺動中心軸24的可配置
區域，是以箭頭c表示的範圍。為了使用基於發動機的性能要求而 設定的長度的控制連杆13,擺動中心軸24位於控制銷23的大致正 下方。在本實施方式中，如上述所示，擺動中心軸24配置在下述位 置在活塞32位於上止點時，及在活塞32位於下止點時，控制連杆 13的中心軸大致直立、優選直立，而為了在實現上述的幾何形狀的 同時降低二次振動，需要將曲柄銷33b配置在將上銷22和控制銷23 連結而成的線上。
圖8是表示活塞位移以及活塞加速度相對於曲軸角的圖。 對於上述所示的多連杆式發動機，即使連杆比A (=上連杆長度 1/曲軸半徑r)不過大而是為一般的值(2.5 4左右)，如圖8 (A)所 示，與單連杆式發動機相比，也具有如下特性相對於與規定的曲軸 角度變化，在活塞位於上止點附近時活塞移動量小，在位於下止點附 近時活塞移動量大。並且，活塞的移動加速度如圖8 (B)所示。艮卩， 在多連杆式發動機中，與單連杆式發動機相比，在上止點附近活塞的 移動加速度變小，在下止點附近活塞的移動加速度變大，成為接近於 單振動的特性。
並且，由上述活塞加速度特性產生的慣性力，在採用上述連杆 幾何形狀的多連杆式發動機10的控制連杆13的前端(擺動中心軸 24)，如圖9 (A)所示，作用以360度為周期變動的力。另外，由 於燃燒壓力，在控制連杆13的前端(擺動中心軸24)，如圖9(B) 所示，作用以720度為周期變動的力。將這些力進行合成，在控制連 杆13的前端(擺動中心軸24)，如圖9 (C)所示，作用以720度 為周期變動的力。
上述的向下載荷，起到使擺動中心軸支撐罩44從擺動中心軸支 撐託架43離開的作用，但如果萬一在向下載荷的同時左右方向的載 荷也起作用，則有可能使擺動中心軸支撐罩44相對於擺動中心軸支 撐託架43發生偏移。因此作為應對，必須增加螺栓45的根數，或者 使用大尺寸的螺栓45，從而使對擺動中心軸支撐託架43以及擺動中 心軸支撐罩44進行緊固的螺栓45具有充分的軸向力。但是，本發明人著眼於，由慣性力和燃燒壓力引起而作用於控 制連杆13的載荷的大小，在上止點或者下止點的附近為最大。於是， 在多連杆式發動機中，採用在上止點或者下止點的附近使連杆13為 大致直立(優選直立)的連杆幾何形狀。通過上述結構，當作用於控 制連杆13的載荷大小為最大時，在控制連杆13的前端(擺動中心軸
24)不作用左右方向的載荷，從而可以防止擺動中心軸支撐罩44相 對於擺動中心軸支撐託架43發生偏移。
此外，如上述所示，優選使擺動中心軸24成為偏心軸，通過移 動擺動中心軸24的偏心位置，從而控制連杆13的擺動中心變更，活 塞32的上止點位置變更。由此可以機械地調整發動機的壓縮比，在 高載荷運轉下降低壓縮比。這是由於通過在高載荷下降低機械壓縮 比，同時將進氣閥關閉定時設為下止點附近，可以實現確保輸出和防 止爆震的並存。另外優選在低載荷運轉下提高壓縮比。這是由於通過 在低載荷提高機械壓縮比，同時，在將進氣閥關閉定時設為遠離下止 點的同時將排氣閥打開定時設為下止點附近，能夠增大膨脹比，減小 排氣損失。並且，由於在上述高載荷運轉下，作用於控制連杆13的 載荷變大，所以控制連杆13的中心軸和氣缸中心軸所成的角度，如 圖2 (B)或者圖3 (B)中的虛線所示，低壓縮比側的角度比高壓縮 比側的角度小，從而可以更有效地防止擺動中心軸支撐罩44相對於 擺動中心軸支撐託架43發生偏移。
本發明不限定於上述說明的實施方式，在本發明的技術思想的 範圍內，可以有各種變形和改變，顯而易見，上述各種變形和改變也 包含在本發明的權利要求中。
例如，在上述實施方式中，由擺動中心軸支撐託架43以及擺動 中心軸支撐罩44對擺動中心軸24進行支撐，上述擺動中心軸支撐託 架43以及擺動中心軸支撐罩44通過螺栓45與梯形機架42 —同緊固， 但也可以是擺動中心軸支撐託架43與梯形機架42 —體形成的構造。 在此情況下，氣缸體41以及梯形機架42相當於權利要求中的發動機 體。
權利要求
1. 一種多連杆式往復運動型發動機，其特徵在於，具有曲軸；活塞，其在上述發動機的氣缸內往復運動；上連杆，其經由活塞銷可旋轉地與上述活塞連結；下連杆，其可旋轉地安裝於上述曲軸的曲柄銷上，同時經由上銷可旋轉地與上述上連杆連結；以及控制連杆，其一端經由控制銷可旋轉地與上述下連杆連結，另一端經由擺動中心軸可旋轉地與發動機體連結，上述擺動中心軸配置為，與曲軸的曲軸軸承頸相比位於下方，且以該曲軸軸承頸為中心位於氣缸中心軸的相反側，並且，上述擺動中心軸可自由旋轉地軸支撐在發動機體和擺動中心軸支撐罩之間，該擺動中心軸支撐罩通過螺栓與該發動機體緊固，在上述活塞位於上止點附近的定時，以及位於下止點附近的定時，上述控制連杆的中心軸平行於氣缸的中心軸。
2. 根據權利要求1所述的多連杆式往復運動型發動機，其特徵 在於，上述擺動中心軸支撐罩和上述發動機體之間的抵接面，與氣缸 中心軸正交，對擺動中心軸支撐罩進行緊固的螺栓的中心軸，平行於氣缸中 心軸。
3. 根據權利要求1所述的多連杆式往復運動型發動機，其特徵在於，上述上止點附近的定時，是指由燃燒壓力產生的作用於上述擺 動中心軸的向上載荷成為最大的定時附近，或者，由慣性力產生的作 用於上述擺動中心軸的向下載荷成為最大的定時附近，上述下止點附近的定時，是指由慣性力產生的作用於上述擺動中心軸的向上載荷成為最大的定時附近。
4. 根據權利要求1所述的多連杆式往復運動型發動機，其特徵 在於，上述曲軸的曲柄銷，配置在將上述上銷和上述控制銷連結而成 的線上。
5. 根據權利要求1所述的多連杆式往復運動型發動機，其特徵在於，上述活塞的往復運動加速度，在下止點附近的定時處的極大值 的大小，等於或者大於在上止點附近的定時處的極大值的大小。
6. 根據權利要求1所述的多連杆式往復運動型發動機，其特徵在於，上述多連杆式發動機是壓縮比可變發動機，其可以對應於運轉 條件，通過調整上述擺動中心軸的位置而變更壓縮比，上述控制連杆中心軸和上述氣缸中心軸所成的角度，低壓縮比 側的角度比高壓縮比側的角度小。
全文摘要
本發明提供一種多連杆式發動機，其可以可靠地防止擺動中心軸支撐罩相對於發動機體發生位置偏移。該多連杆式發動機具有上連杆(11)，其與活塞(32)連結；下連杆(12)，其可自由旋轉地安裝於曲軸(33)的曲柄銷(33b)上，同時與上連杆(11)連結；以及控制連杆(13)，其與下連杆(12)連結，以擺動中心軸(24)為中心進行擺動。擺動中心軸(24)配置為，與曲軸軸承頸(33a)相比位於下方，且以該曲軸軸承頸(33a)為中心位於氣缸中心軸的相反側，可自由旋轉地軸支撐在發動機體(41～43)與擺動中心軸支撐罩(44)之間，在活塞(32)位於上下止點附近的定時，控制連杆的中心軸大致平行於氣缸的中心軸。
文檔編號F02B77/00GK101418721SQ200810173229
公開日2009年4月29日 申請日期2008年10月24日 優先權日2007年10月26日
發明者土田博文, 富田全幸, 平谷康治, 牛島研史, 青山俊一, 高橋直樹 申請人:日產自動車株式會社