JP2001295698A - 多気筒内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 運転者の騒音による不快感を低減することが
できる多気筒内燃機関を提供することである。 【解決手段】 略直列配置の複数の気筒を具備し、略直
列配置の両側の気筒＃１及び＃４を除く少なくとも一つ
の気筒＃２又は＃３はオフセットピストンを有し、オフ
セットピストンは、ピストンピン孔中心線がピストン中
心軸線から離間している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多気筒内燃機関に
関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関において、一般的に、ピストン
とクランクシャフトとを連結するコネクティングロッド
は、上死点及び下死点の瞬間を除きピストン中心軸線に
対して傾いており、この傾きの方向が上死点及び下死点
を境に逆転する。それにより、ピストンの上昇中及び下
降中のそれぞれにおいて、ピストンには互いに反対方向
のスラスト力が常に作用している。こうして、ピストン
は、シリンダボアの一方側へ押圧されて上昇し、他方側
へ押圧されて下降する。

【０００３】ところで、ピストンとシリンダボアとの間
には所定の隙間が設けられているために、上死点及び下
死点でピストンに作用するスラスト力が逆転すると、ピ
ストンは、隙間分だけ平行移動してシリンダボアに衝突
する。特に、圧縮上死点では、ピストン頂面に作用する
高い気筒内圧力によって、逆転直後に発生するスラスト
力は比較的大きくなり、ピストンが平行移動によりシリ
ンダボアに衝突した時には、大きな衝撃エネルギによっ
て比較的大きな騒音が発生する。

【０００４】このピストンのシリンダボアへの衝突に伴
う騒音を低減するために、ピストンピン孔中心線をピス
トン中心軸線と交差させないようにしたオフセットピス
トンを使用することが公知である（特開平１０−１８４
４４８号公報参照）。

【０００５】このオフセットピストンは、ピストンピン
孔中心線がピストン重心に対してシリンダボア側に偏倚
することとなるために、上死点直前において、ピストン
頂面に比較的高い気筒内圧力が作用すると、オフセット
ピストンは回動し、ピストン上端が最初にシリンダボア
に衝突し、その後、スラスト力の逆転によってピストン
下端がシリンダボアに衝突するようになるために、衝撃
エネルギを低減することが可能となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】確かに、オフセットピ
ストンを使用することで各気筒で発生する騒音を低減す
ることができる。しかしながら、多気筒内燃機関の各気
筒の騒音レベルは気筒位置によって異なり、各気筒にオ
フセットピストンを使用して一様に各気筒の騒音を低減
しても、各気筒間の騒音レベルの違いによって運転者は
依然として騒音に対する不快感を持つこととなる。

【０００７】従って、本発明の目的は、運転者の騒音に
よる不快感を低減することができる多気筒内燃機関を提
供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による請求項１に
記載の多気筒内燃機関は、略直列配置の複数の気筒を具
備し、前記略直列配置の両側の気筒を除く少なくとも一
つの気筒はオフセットピストンを有し、前記オフセット
ピストンは、ピストンピン孔中心線がピストン中心軸線
から離間していることを特徴とする。

【０００９】また、本発明による請求項２に記載の多気
筒内燃機関は、請求項１に記載の多気筒内燃機関におい
て、前記略直列配置の両側の気筒を除く全ての気筒は前
記オフセットピストンを有することを特徴とする。

【００１０】また、本発明による請求項３に記載の多気
筒内燃機関は、請求項１又は２に記載の多気筒内燃機関
において、前記オフセットピストンの前記ピストンピン
孔中心線は、膨張行程で前記オフセットピストンに作用
するスラスト力の方向へ前記ピストン中心から離間して
いることを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、多気筒内燃機関の気筒配
置を示す平面図である。本多気筒内燃機関は、直列四気
筒として以下に説明するが、これは本発明を限定するも
のではない。図１に示すように、直列配置の四つの気筒
は、左側から順に１番気筒＃１、２番気筒＃２、３番気
筒＃３、４番気筒＃４であり、点火順序は、＃３−＃４
−＃２−＃１である。

【００１２】図２は振動レベルの時間変化を示してい
る。同図に示すように、各気筒の圧縮上死点直後におい
て振動レベルが増加している。前述したように、上死点
及び下死点では、ピストンに作用するスラスト力が逆転
してピストンが隙間分だけ平行移動してシリンダボアに
衝突する。特に、圧縮上死点直後は、圧縮行程の加圧に
よって気筒内圧力が高められた直後に、燃焼によって気
筒内圧力はさらに高められるために、ピストン頂面には
非常な高圧が作用して逆転直後のスラスト力が大きくな
り、衝突時の衝撃エネルギは大きなものとなる。

【００１３】こうして、各気筒の圧縮上死点直後の振動
レベルは大きくなるが、各気筒で一様ではなく、４番気
筒＃４及び１番気筒＃１の圧縮上死点直後の振動レベル
は、３番気筒＃３及び２番気筒＃２の圧縮上死点直後の
振動レベルに比較して、それほど大きくはならない。

【００１４】これは気筒位置の違いによるためである。
図１に示すように、多気筒内燃機関のシリンダブロック
において、各気筒のシリンダボアから外部への最小肉圧
ｔ１は安全性を確保するために比較的厚くされるが、全
長を短くするために、各シリンダボア間の最小肉圧ｔ２
はｔ１に比較して薄くされている。さらに、各シリンダ
ボア間の肉圧は二つのシリンダボアに共通であるため
に、各シリンダボア毎の肉圧として比較的薄いものとな
る。

【００１５】各シリンダボアの振動方向は、ピストンの
スラスト方向、すなわち、シリンダブロックの長手方向
に対する垂直な方向である。直列配置の両側の気筒＃１
及び＃４のシリンダボアは、前述のように、三方向を比
較的厚い肉圧で覆われているために、この垂直方向に対
して高い剛性を有するが、両側の気筒を除く気筒＃２及
び＃３のシリンダボアは、この垂直方向に対しての剛性
が低い。こうして、前述のように、各シリンダボアのピ
ストン衝突による衝撃エネルギは等しいにも係わらず、
発生する振動レベルは異なるものとなる。

【００１６】車両運転者は、このような異なる振動レベ
ルが短い周期で発生するような騒音を非常に不快に感じ
る。そこで、本実施形態では、大きく振動する気筒、す
なわち、両側の気筒を除く全ての気筒＃２及び＃３に、
オフセットピストンを使用することにより、これら気筒
のシリンダボアで発生する衝撃エネルギを低減させる。
こうして、各気筒の振動レベルは近づき、好ましくは、
略同一とされ、車両運転者の不快感は解消される。

【００１７】図３は、特に機関低回転時でピストンの慣
性力が小さい場合において、オフセットピストンの衝突
時における衝撃エネルギの低減を説明するための図であ
る。図３において、Ｂはシリンダボア、Ｐはオフセット
ピストン、Ｒはコネクティングロッドを示している。図
３（Ａ）は圧縮行程中期のオフセットピストンの状態を
示している。この状態において、コネクティングロッド
Ｒは、ピストン中心線ｃ１に対して比較的大きく傾いて
いるために、クランクシャフト（図示せず）によってコ
ネクティングロッドＲを押し上げようとする押上力Ｆ２
の多くがオフセットピストンＰをシリンダボアＢへ押圧
するスラスト力Ｆ３として使用され、オフセットピスト
ンＰはシリンダボアＢの一方側へ押圧されて上昇する。
Ｆ１は、気筒内圧力によってオフセットピストンＰを押
し下げようとする押下力であり、圧縮行程中期ではそれ
ほど大きくはない。

【００１８】本オフセットピストンＰは、ピストンピン
孔中心線ｃ２が、ピストン中心軸線ｃ１と交差せず、特
に、圧縮行程でオフセットピストンＰに作用するスラス
ト力Ｆ３の反対方向へピストン中心軸線ｃ１から離間し
ている。すなわち、ピストンピン孔中心線ｃ２は、膨張
行程でオフセットピストンＰに作用するスラスト力Ｆ
３”（以下に説明する）の方向へピストン重心から離間
している。もちろん、オフセットピストンＰの上下動作
とクランクシャフトの回転動作とをコネクティングロッ
ドＲによって連結するために、ピストン中心軸線ｃ１と
ピストンピン孔中心線ｃ２とは互いに垂直な方向に延在
している。

【００１９】図３（Ｂ）は圧縮行程末期のオフセットピ
ストンの状態を示している。この状態において、気筒内
圧力の上昇に伴って押下力Ｆ１’は大きくなると共に、
コネクティングロッドＲのピストン中心線ｃ１に対する
傾きは小さくなって、スラスト力Ｆ３’が減少するため
に、ピストンピン孔中心線ｃ１がピストン重心からシリ
ンダボア側へ離間しているオフセットピストンＰは、シ
リンダボアＢの一方側上端ａ１を中心に容易に回動し
て、先ず、ピストン下端ａ２がシリンダボアＢの他方側
へ衝突し、次いで、圧縮上死点直後にコネクティングロ
ッドＲのピストン中心線ｃ１に対する傾きが逆転する
と、オフセットピストンＰに作用するスラスト力の方向
が逆転し、それにより、オフセットピストンＰはピスト
ン下端ａ２を中心として回動してピストン上端ａ１がシ
リンダボアＢの他方側へ衝突する。こうして、オフセッ
トピストンＰは、常にシリンダボアＢに接触しているた
めに、ピストンの平行移動によってピストンの全質量が
一度にシリンダボアに衝突する場合に比較して、シリン
ダボアＢとの衝突に際して発生する衝撃エネルギを低減
することができる。

【００２０】図３（Ｃ）は膨張行程初期のオフセットピ
ストンの状態であり、前述のように圧縮上死点直後にシ
リンダボアＢの他方側へ押圧されたオフセットピストン
Ｐは、その後のコネクティングロッドＲのピストン中心
軸線ｃ１に対する傾きが大きくなるにつれて増大する圧
縮行程とは逆方向のスラスト力にＦ”によって、シリン
ダボアＢの他方側へ押圧されて下降する。

【００２１】図４は騒音レベルの周波数分析結果であ
る。同図において、実線は全ての気筒に通常のピスト
ン、すなわち、ピストン中心軸線とピストンピン孔中心
線とが交差するピストンを使用した場合であり、３番気
筒＃３及び２番気筒＃２による大きな振動レベルによっ
て、約１．６ＫＨｚでピーク的に大きな騒音が発生して
いる。点線は、両側の気筒＃１及び＃４には通常のピス
トンを使用し、その他の気筒＃２及び＃３には前述のオ
フセットピストンを使用した場合であり、約１．６ＫＨ
ｚでの前述のピーク的な騒音は低減され、各周波数にお
ける騒音は、実線に比較して全体的に一様となってい
る。

【００２２】本実施形態では、オフセットピストンＰの
ピストンピン孔中心線ｃ２は、ピストン中心軸線ｃ１に
対して膨張行程のスラスト力方向に離間させている。し
かしながら、オフセットピストンとして、ピストンピン
孔中心線を、ピストン中心軸線ｃ１に対して圧縮行程の
スラスト力方向に離間させるようにしても良い。この場
合には、圧縮上死点直前において、前述とは逆に、先ず
ピストン上端がシリンダボアに衝突し、次いでピストン
下端が衝突するようになる。この場合でも、ピストンが
平行移動してシリンダボアに衝突する場合に比較して、
衝撃エネルギを低減することができる。

【００２３】この二種類のオフセットピストンにおい
て、圧縮上死点直前のオフセットピストンの回動力は、
高い気筒内圧力によるものであるために、圧縮上死点直
後の回動力に比較して大きいものであり、オフセットピ
ストンの発生衝撃エネルギは、この圧縮上死点直前の回
動によるピストン一端の衝突が支配的である。ところ
で、ピストン下端は、一般的に、ピストン質量を低減す
るために中空となっており、衝突に際して比較的容易に
弾性変形する。それにより、圧縮上死点直前のオフセッ
トピストンの回動でピストン下端をシリンダボアに衝突
させれば、ピストン上端を衝突させる場合に比較して、
全体の衝撃エネルギを小さくすることができる。すなわ
ち、オフセットピストンＰのピストンピン孔中心線ｃ２
は、ピストン中心軸線ｃ１に対して膨張行程のスラスト
力方向に離間させた方が発生騒音低減に有利である。

【００２４】オフセットピストンにおいて、ピストンピ
ン孔中心線とピストン中心軸線との間の離間距離は、大
きくするほど圧縮上死点前の早い時点でピストンが回動
し、発生衝撃エネルギを低減することが可能となる。し
かしながら、これは、ピストンが傾いて上昇する距離を
延長させることとなるために、シリンダボア又はピスト
ン自身が損傷する可能性が高くなり、また、燃焼室のシ
ール性が悪化してブローバイガスが増加する可能性も高
まる。それにより、直列配置の両側で通常のピストンを
使用する気筒＃１及び＃４での発生振動レベルと、直列
配置の内側でオフセットピストンを使用する気筒＃２及
び＃３での発生振動レベルとを略同一とするように、オ
フセットピストンにおける離間距離を選択して、オフセ
ットピストンによって必要以上に発生衝撃エネルギを低
減しないようにすることが好ましい。

【００２５】本実施形態では、直列４気筒配置の両側の
気筒を除く全ての気筒＃２及び＃３にオフセットピスト
ンを使用するようにしたが、これは、本発明を限定する
ものではなく、例えば、一方の気筒＃２又は＃３だけに
オフセットピストンを使用すようにしても、大きな振動
レベルの発生周期を延長させることができ、すなわち、
二気筒の膨張行程に一回であった大きな振動レベルの発
生を四気筒の膨張行程に一回にすることができ、運転者
の騒音による不快感を低減することができる。

【００２６】もちろん、本発明は、直列４気筒配置の多
気筒内燃機関に限定されるものではなく、３気筒以上の
直列配置の多気筒内燃機関において、両側の気筒を除く
少なくとも一つの気筒にオフセットピストンを使用する
ことにより、大きな振動レベルの発生周期を延長させる
ことができ、運転者の騒音による不快感を低減すること
ができる。もちろん、Ｖ型エンジンの各バンクにおいて
も同様である。

【００２７】

【発明の効果】このように、本発明による多気筒内燃機
関によれば、略直列配置の複数の気筒の両側の気筒を除
く少なくとも一つの気筒は、ピストンのシリンダボアへ
の衝突時の衝撃エネルギが同じ場合において振動レベル
が両側の気筒に比較して大きくなるが、この気筒にピス
トンピン孔中心線がピストン中心軸線から離間している
オフセットピストンを使用して衝撃エネルギを低減する
ことによって、この気筒の発生振動レベルを両側の気筒
に近づけることができる。それにより、両側の気筒のよ
うに発生振動レベルの小さな期間が延長され、すなわ
ち、大きな振動レベルの発生周期を少なくとも延長させ
ることができ、運転者の騒音による不快感を低減するこ
とが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による多気筒内燃機関の気筒配置を示す
平面図である。

【図２】各気筒の振動レベルの時間変化を示す図であ
る。

【図３】オフセットピストンを挙動を説明する図であ
る。

【図４】騒音レベルの周波数分析結果を示す図である。

【符号の説明】

Ｂ…シリンダボア Ｐ…オフセットピストン Ｒ…コネクティングロッド

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 略直列配置の複数の気筒を具備し、前記
   略直列配置の両側の気筒を除く少なくとも一つの気筒は
   オフセットピストンを有し、前記オフセットピストン
   は、ピストンピン孔中心線がピストン中心軸線から離間
   していることを特徴とする多気筒内燃機関。
2. 【請求項２】 前記略直列配置の両側の気筒を除く全て
   の気筒は前記オフセットピストンを有することを特徴と
   する請求項１に記載の多気筒内燃機関。
3. 【請求項３】 前記オフセットピストンの前記ピストン
   ピン孔中心線は、膨張行程で前記オフセットピストンに
   作用するスラスト力の方向へ前記ピストン中心から離間
   していることを特徴とする請求項１又は２に記載の多気
   筒内燃機関。