JP2004308631A - Scotch yoke type engine - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スコッチヨーク式エンジンに関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車等に使用されるエンジンとして、一般的なピストンおよびクランク軸等を用いたもの以外に、スコッチヨーク機構を利用したスコッチヨーク式エンジンがある。このスコッチヨーク式エンジンは、一対の連接棒(以下「ヨーク」という)を有し、ヨークの延在方向に直交する長孔が形成されたヨーク本体を有する。この長孔に、偏心させたクランク軸を挿入し、このクランクピンを長孔内で転がしながら往復運動させる機構を備えたものである。このスコッチヨーク式エンジンでは、クランク軸と接続されるヨークは往復運動を行うのみであるので、ヨークとシリンダボア壁スカート部との干渉が無くなるので、クランク軸とピストンの間を短くすることができる。このようなスコッチヨーク式エンジンのうち、4本のヨークを備えるものがあり、その例として、たとえば独国特許出願公開第10107921号明細書に開示されたものがある。
【0003】
このスコッチヨーク式エンジンは、互いに隣接し、かつ平行に設けられた2つのシリンダと、この2つのシリンダに対向する位置において、互いに隣接し、かつ平行に設けられた2つのシリンダを有する。また、スコッチヨーク式エンジンは、これらの4つのシリンダには対して、それぞれ往復動可能に設けられた4本のピストンがそれぞれ取り付けられた4つのヨークを有するヨーク本体を有している。また、ヨーク本体には、長孔が形成されており、この長孔に出力軸となるクランク軸が偏心した状態で挿入されている。そして、各シリンダで通常のエンジンサイクルを順次経ることにより、ヨーク本体を往復動させて、クランク軸を回転させるものである。
【0004】
【特許文献1】
独国特許出願公開第10107921号明細書
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献1に開示されたスコッチヨーク式エンジンは、4気筒式のエンジンである。これに対して、その性能向上等のために、複数のヨークを用いて、8気筒、12気筒、16気筒、さらには24気筒といった多気筒のスコッチヨーク式エンジンを製造することが考えられる。この点、上記特許文献1に記載されたスコッチヨーク式エンジンにおけるヨークを複数クランクピンに接続することが考えられるが、単にヨークを並べただけでは、エンジンの騒音、振動等が激しくなる可能性があるという問題があった。
【0006】
そこで、本発明の課題は、12気筒、16気筒といった多気筒としても、振動等を抑制することができるスコッチヨーク式エンジンを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明に係るスコッチヨーク式エンジンは、互いに隣接しかつ平行に設けられた第一シリンダおよび第二シリンダと、第一シリンダおよび第二シリンダに対向する位置に設けられ、互いに隣接しかつ平行に設けられた第三シリンダおよび第四シリンダと、第一シリンダから第四シリンダのそれぞれに往復動可能に設けられる第一ピストン、第二ピストン、第三ピストン、および第四ピストンと、第一ピストンから第四ピストンがそれぞれ設けられた4本のヨークエレメントを備え、各ピストンの往復運動をクランク軸のクランクピンに伝達するヨークと、を備えるスコッチヨーク式エンジンにおいて、複数のヨークを、クランク軸の軸方向に離間させて、クランク軸に接続し、複数のヨークがそれぞれ取り付けられるクランクピンの間のクランクピン間角度が、振動相殺角度に設定されているものである。
【0008】
本発明に係るスコッチヨーク式エンジンにおいては、複数のヨークがクランクピンを介してクランク軸に接続されているが、これらのヨークが取り付けられるクランクピンが振動相殺角度に設定されている。このため、ヨークに取り付けられたピストンおよびこれらが往復動するシリンダの往復慣性力を相殺することができるので、シリンダの軸方向、すなわちクランク軸に直交する方向に対する往復慣性力を小さくする、または無くすことができる。なお、本発明にいう振動相殺角度とは、ピストンの往復動によって生じる振動を、複数のヨークで相互に打ち消しうる角度をいう。その具体的な角度は、ヨークの数等の要因によって決定される。
【0009】
また、複数のヨークに設けられた各ピストンに対応する点火プラグが順次点火するとともに、クランク軸が振動相殺角度分だけ回転する時間と、順次点火する点火プラグの点火タイミングと、が同期している態様とするのが好適である。
【0010】
このように、点火プラグの点火タイミングと、クランク軸か振動相殺角度分だけ回転する時間とが同期することにより、さらに好適に振動を相殺することができる。
【0011】
さらに、複数のヨークが、クランク軸の軸方向に直交する方向に沿った直線を対称軸として線対称となるように配置されている態様とするのが好適である。
【0012】
このように、複数のヨークが、クランク軸の軸方向に直交する方向に沿った直線を対称軸とした線対称となるようにすることにより、ピストンの往復動により生じるモーメントをも好適に相殺することができる。
【0013】
また、複数のヨークが、第一ヨーク、第二ヨーク、および第三ヨークの3本のヨークからなり、第一ヨークに取り付けられる第一クランクピンと、第二ヨークに取り付けられる第二クランクピンとのクランクピン間角度が120度に設定され、第二ヨークに取り付けられる第二クランクピンと、第三ヨークに取り付けられる第三クランクピンとのクランクピン間角度が120度に設定されている態様とすることもできる。
【0014】
このように、ヨークが3本であるときには、振動相殺角度を120度に設定するのが好適となる。
【0015】
さらに、複数のヨークが、第一ヨーク、第二ヨーク、第三ヨーク、および第四ヨークの4本のヨークからなり、第一ヨークに取り付けられる第一クランクピンと、第二ヨークに取り付けられる第二クランクピンとのクランクピン間角度が90度に設定され、第二ヨークに取り付けられる第二クランクピンと、第三ヨークに取り付けられる第三クランクピンとのクランクピン間角度が90度に設定され、第三ヨークに取り付けられる第三クランクピンと、第四ヨークに取り付けられる第四クランクピンとのクランクピン間角度が90度に設定されている態様とすることもできる。
【0016】
また、複数のヨークが、第一ヨーク、第二ヨーク、第三ヨーク、および第四ヨークの4本のヨークからなり、第一ヨークに取り付けられる第一クランクピンと、第二ヨークに取り付けられる第二クランクピンとのクランクピン間角度が90度に設定され、第二ヨークに取り付けられる第二クランクピンと、第三ヨークに取り付けられる第三クランクピンとのクランクピン間角度が45度に設定され、第三ヨークに取り付けられる第三クランクピンと、第四ヨークに取り付けられる第四クランクピンとのクランクピン間角度が90度に設定されている態様とすることもできる。
【0017】
そして、複数のヨークが、第一ヨーク、第二ヨーク、第三ヨーク、第四ヨーク、第五ヨーク、および第六ヨークの6本のヨークからなり、第一ヨークに取り付けられる第一クランクピンと、第二ヨークに取り付けられる第二クランクピンとのクランクピン間角度が120度に設定され、第二ヨークに取り付けられる第二クランクピンと、第三ヨークに取り付けられる第三クランクピンとのクランクピン間角度が120度に設定され、第四ヨークに取り付けられる第四クランクピンと、第五ヨークに取り付けられる第五クランクピンとのクランクピン間角度が120度に設定され、第五ヨークに取り付けられる第五クランクピンと、第六ヨークに取り付けられる第六クランクピンとのクランクピン間角度が120度に設定されている態様とすることもできる。
【0018】
このように、ヨークが4本または6本であるときには、上記の角度に振動相殺角度を設定するのが好適である。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各実施形態において、同一の機能を有する部分については同一の符号を付し、重複する説明は省略することがある。
【0020】
図1は本発明の第1の実施形態に係るスコッチヨーク式エンジンの要部斜視図、図2はスコッチヨーク式エンジンにおけるヨークの分解斜視図である。図1に示すように、本実施形態に係るスコッチヨーク式エンジンMは、いわゆる4サイクルの12気筒エンジンであり、第一ヨーク21、第二ヨーク22、および第三ヨーク23の3本のヨークを備えている。このうちの第一ヨーク21には、第一ピストン1、第二ピストン2、第三ピストン3、および第四ピストン4が取り付けられている。また、第二ヨーク22には、第五ピストン5、第六ピストン6、第七ピストン7、および第八ピストン8が取り付けられている。さらに、第三ヨーク23には、第九ピストン9、第十ピストン10、第十一ピストン11、および第十二ピストン12が取り付けられている。
【0021】
第一ヨーク21は、図2に示すように、第一ヨーク21には、4本のヨークエレメント21A,21B,21C,21Dが設けられており、これらのうち、第一ヨークエレメント21Aおよび第二ヨークエレメント21Bが互いに隣接し、かつ平行に設けられている。また、第三ヨークエレメント21Cおよび第四ヨークエレメント21Dが互いに隣接し、かつ平行に設けられている。また、第一ヨークエレメント21Aおよび第二ヨークエレメント21Bに対して、第三ヨークエレメント21Cおよび第四ヨークエレメント21Dが対向する位置に設けられている。
【0022】
第一ヨークエレメント21Aおよび第二ヨークエレメント21Bと、第三ヨークエレメント21Cと第四ヨークエレメント21Dとの間には、レール21Eが形成されている。このレール21Eは、第一ヨーク21の往復動方向に直交する方向に沿って形成されており、レール21Eには、クランク軸30に設けられた第一クランクピン31が取り付けられるスライダ21Fが挿入されている。この第一クランクピン31は、クランク軸30の軸心から偏心した位置に形成されており、第一ヨーク21が往復動することにより、レール21Eに沿ってスライダ21Fが移動し、スライダ21Fの移動に伴ってクランク軸30が回転する。
【0023】
また、各ヨークエレメント21A〜21Dの先端部には、それぞれ第一ピストン1〜第四ピストン4が取り付けられている。これらの第一ピストン1〜第四ピストン4は、第一ヨーク21の往復動方向を向いて配置されている。こうして、第一ヨーク21の、左側には第一ピストン1および第二ピストン2が配置され、右側には第三ピストン3および第四ピストン4が配置されている。
【0024】
第二ヨーク22は、第一ヨーク21と同様の構成を有しており、第五ヨークエレメント22A〜第八ヨークエレメント22Dを有しており、各ヨークエレメント22A〜22Dにそれぞれ第五ピストン5〜第八ピストン8が取り付けられている。また、第二ヨーク22には、レール22Eが形成されており、スライダ22Fを介してクランク軸30に設けられた第二クランクピン32に接続されている。こうして、第二ヨーク22の左側には第五ピストン5および第六ピストン6が配置され、右側には第七ピストン7および第八ピストン8が配置されている。
【0025】
さらに、第三ヨーク23は、第一ヨーク21と同様の構成を有しており、第九ヨークエレメント23A〜第十二ヨークエレメント23Dを有しており、各ヨークエレメント23A〜23Dにそれぞれ第九ピストン9〜第十二ピストン12が取り付けられている。また、第三ヨーク23には、レール23Eが形成されており、スライダ23Fを介してクランク軸30に設けられた第三クランクピン33に接続されている。こうして、第三ヨーク23の左側には、第九ピストン9および第十ピストン10が配置され、右側には第十一ピストン11および第十二ピストン12が配置される。
【0026】
また、図3に模式的に示すように、クランク軸30に設けられた第1クランクピン31、第二クランクピン32、および第三クランクピン33は、クランク軸30の軸方向に等間隔をおいて離間して配置されている。また、これらのクランクピン31〜33の間のクランクピン間角度が、それぞれ振動相殺角度に設定されている。本実施形態において、具体的には、第一クランクピン31と第二クランクピン32との間のクランクピン間角度が120度、第二クランクピン32と第三クランクピンとの間のクランクピン間角度が120度に設定されている。なお、第三クランクピン33と第一クランクピン31との間のクランクピン間角度も120度とされており、各クランクピン間角度は、均等になるように配分されている。
【0027】
さらに、図示しないシリンダヘッドには、各ピストン1〜12がそれぞれ嵌め込まれて往復動する第一シリンダ〜第十二シリンダが形成されている。第一ピストン1が往復動する第一シリンダおよび第二ピストン2が往復動する第二シリンダは、互いに隣接し、かつ平行に形成されている。また、第三ピストン3が往復動する第三シリンダおよび第四ピストン4が往復動する第四シリンダ、第五ピストン5が往復動する第五シリンダおよび第六ピストン6が往復動する第六シリンダ、第七ピストン7が往復動する第七シリンダおよび第八ピストン8が往復動する第八シリンダはそれぞれ互いに隣接し、かつ互いに平行に形成されている。さらに、第九ピストン9が往復動する第九シリンダおよび第十ピストン10が往復動する第10シリンダ、第十一ピストン11が往復動する第十一シリンダおよび第十二ピストン12が往復動する第十二シリンダは、それぞれ互いに隣接し、かつ平行に形成されている。
【0028】
これらの第一ピストン1〜第十二ピストン12およびこれらが往復動する第一シリンダ〜第十二シリンダによって、それぞれ第一気筒〜第十二気筒が形成される。また、これらの第一気筒〜第十二気筒には、エンジンサイクルにおける燃焼行程時に点火する図示しない点火プラグがそれぞれ設けられている。
【0029】
以上の構成を有する本実施形態に係るスコッチヨーク式エンジンの動作、作用について説明する。本実施形態に係るスコッチヨーク式エンジンMでは、各ピストン1〜12およびこれらの各ピストン1〜12が往復動してシリンダに出入りすることにより、吸入工程、圧縮工程、燃焼工程、排気工程の各エンジン工程を循環する。
【0030】
本実施形態に係るスコッチヨーク式エンジンMは、12本のピストン1〜12を有しているが、クランク軸30が2回転する間に、各ピストンが1回ずつ燃焼行程を経て、点火気筒となるように設定されている。図4にクランク軸30が回転した際のクランク角と、燃焼行程にあり、点火プラグによる点火が行われる点火気筒との関係を示す。本実施形態に係るスコッチヨーク式エンジンMでは、クランク軸30が60度回転するごとに点火気筒が順次点火するように点火する点火気筒が移動する。このように、クランク軸30が60度分だけ回転する時間と、順次点火する点火プラグの点火タイミングとが同期している。
【0031】
まず、クランク角が0度のときには、第一気筒が点火気筒となり、クランク角が60度のときには第九気筒が点火気筒となる。以後、クランク角が60度回転するたびに、第七気筒、第三気筒、第十一気筒、第五気筒、第二気筒、第十気筒、第八気筒、第四気筒、第十二気筒、第六気筒の順の移動し、クランク軸30が720度、換言すれば2回転した後に、点火気筒が第一気筒に戻る。以後、同様の工程で点火気筒が移動する。
【0032】
この点火気筒の移動を、点火気筒のあるヨークの移動の観点で見ると、第一ヨーク21、第三ヨーク23、第二ヨーク22の順番で点火気筒があるヨークが移動している。さらに、ヨークの左右を考慮してみると、第一ヨーク21の左側、第三ヨーク23の左側、第二ヨーク22の右側、第一ヨーク21の右側、第三ヨーク23の右側、第二ヨーク22の左側の順で点火気筒のある位置が移動している。このように、点火気筒が移動することにより、各ピストン1〜12および各シリンダによって生じる往復慣性力のうち、シリンダ軸方向(クランク軸30に直交する方向)の成分が相殺される。図5は、往復慣性力の左方向を正、右方向を負としたときのクランク角と、各クランクピンに生じる往復慣性力、さらには、それらの往復慣性力の合計値との関係を示すグラフである。図5に示すように、クランク角が0度のときには、第一ヨーク21が取り付けられる第一クランクピン31では往復慣性力が0である。また、第二ヨーク22が取り付けられる第二クランクピン32では往復慣性力が+0.67である。さらに、第三ヨーク23が取り付けられる第三クランクピン33では往復慣性力が−0.67である。ここでの往復慣性力は、各クランクピン31〜33に掛かる往復慣性力の絶対値の最大値を1としている。
【0033】
そして、これらのクランクピン31〜33に掛かる往復慣性力を合計すると、その往復慣性力の合計は0となる。以後、クランク軸30の回転に伴い、各クランクピン31〜33に掛かる往復慣性力は図5に示すように変化するが、それらの合計は常に0となる。このように、各クランクピン31〜33に掛かる往復慣性力を相殺することにより、往復慣性力の合計を常に0とすることができる。ここで、本実施形態のようなスコッチヨーク式エンジンでは、クランクシャフトが一定速度で回転すると、ピストンは完全にサイン波を描くように運動する。このため、ハーモニクス成分はまったく発生せず、点火間隔の小ささと相俟ってきわめて静粛なエンジンを構成することができる。
【0034】
このように、本実施形態に係るスコッチヨーク式エンジンMによれば、ピストンの往復動によるシリンダの軸方向への振動を相殺することができるので、このような振動や騒音を好適に抑制することができる。
【0035】
また、上記実施形態においては、3本のヨークを用いているが、この3本のヨークと対称となるヨークをクランク軸に直交する軸を対称軸として配置した6本のヨークを有する24気筒のスコッチヨーク式エンジンとすることもできる。このスコッチヨーク式エンジンでは、上記の実施形態で示した順で点火プラグの点火タイミングが上記対称軸を介して対称となるように移動させる。このような24気筒のエンジンを用いることにより、クランク軸に生じるモーメントをも相殺することができる。したがって、振動の発生をさらに好適に抑制することができる。
【0036】
さらに、上記実施形態では、12気筒または24気筒のエンジンについて説明したが、たとえばヨークを4本用いた16気筒などのスコッチヨーク式エンジンとすることもできる。ヨークを4本として16気筒を構成する場合、トルク変動を最小限に抑えるためには、45度の等間隔での点火タイミングとすることが考えられる。このためには、1つのヨークあたり180度間隔の点火となることから、90度間隔で配置した2本のヨークを2組用意し、これらを互いに45度ずらして配置したクランクピンの構成とすることになる。この組み合わせは、4通り考えられ、その配置をそれぞれ図6(a)、図7(a)、図8(a)、図9(a)に示す。これらの組み合わせに対するピストンの往復慣性力についてシミュレーションを行った。
【0037】
以下の例において、第一ピストン1〜第四ピストン4は第一ヨークに設けられ、第五ピストン5〜第八ピストン8は第二ヨークに取り付けられる。また、第九ピストン9〜第十二ピストン12は第三ヨークに取り付けられ、第十三ピストン13〜第十六ピストン16は第四ヨークに取り付けられる。また、第一ヨーク〜第四ヨークは、この順でクランク軸の軸方向にそれぞれ等間隔で離間して設けられた第一クランクピン〜第四クランクピンに取り付けられている。
【0038】
まず、図6(a)に示すように、クランク角度が0度のときに、第一ピストン1〜第四ピストン4を0度の位置に配置した。また、第五ピストン5〜第八ピストン8を90度の位置に、第九ピストン9〜第十二ピストン12を45度の位置に、第十三ピストン13〜第十六ピストン16を135度の位置にそれぞれ配置した。そのときのクランク角の変化に伴う往復慣性力の変化をシミュレーションした。その結果、図6(b)に示すように、最大2.61となる往復慣性力が生じる結果となった。
【0039】
同様に、図7(a)に示すように、クランク角度が0度のときに、第一ピストン1〜第四ピストン4を0度の位置に配置した。また、第五ピストン5〜第八ピストン8を90度の位置に、第九ピストン9〜第十二ピストン12を135度の位置に、第十三ピストン13〜第十六ピストン16を225度の位置にそれぞれ配置した。そのときのクランク角の変化に伴う往復慣性力の変化をシミュレーションした。その結果、図7(b)に示すように、最大1.081となる往復慣性力が生じる結果となった。
【0040】
さらに、図8(a)に示すように、クランク角度が0度のときに、第一ピストン1〜第四ピストン4を0度の位置に配置した。また、第五ピストン5〜第八ピストン8を90度の位置に、第九ピストン9〜第十二ピストン12を135度の位置に、第十三ピストン13〜第十六ピストン16を225度の位置にそれぞれ配置した。そのときのクランク角の変化に伴う往復慣性力の変化をシミュレーションした。その結果、図6(b)に示すように、最大1.081となる往復慣性力が生じる結果となった。
【0041】
そして、図9(a)に示すように、クランク角度が0度のときに、第一ピストン1〜第四ピストン4を0度の位置に配置した。また、第五ピストン5〜第八ピストン8を90度の位置に、第九ピストン9〜第十二ピストン12を45度の位置に、第十三ピストン13〜第十六ピストン16を−45度の位置にそれぞれ配置した。そのときのクランク角の変化に伴う往復慣性力の変化をシミュレーションした。その結果、図6(b)に示すように、最大2.61となる往復慣性力が生じる結果となった。
【0042】
この結果から、4本のヨークを用いた16気筒のスコッチヨーク式エンジンとする場合には、第一クランクピンと、第二クランクピンとのクランクピン間角度が90度に設定され、第二クランクピンと、第三クランクピンとのクランクピン間角度が45度に設定され、第三クランクピンと、第四クランクピンとのクランクピン間角度が90度に設定されているようにするのが好適であることが判る。
【0043】
なお、図10(a)に示すように、4つのクランクピンを180度間隔で配置して、第一ピストン1〜第四ピストン4と、第十三ピストン13〜第十六ピストン16とを0度の位置に、第五ピストン5〜第八ピストン8と、第九ピストン9〜第十二ピストン12とをそれぞれ180度の位置に配置することもできる。このような配置とした場合には、点火プラグによる点火タイミングが180度間隔と粗くなるものの、シリンダ軸方向への往復慣性力を相殺することができる。
【0044】
また、第一クランクピン〜第四クランクピンを90度間隔で配置し、それぞれに第一ヨーク〜第四ヨークを取り付ける態様とすることもできる。このような態様の場合には、図11に示すように、各クランクピンに生じる往復慣性力が相殺され、その合計を0とすることができる。
【0045】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、12気筒、16気筒といった多気筒としても、振動等を抑制することができるスコッチヨーク式エンジンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】スコッチヨーク式エンジンの要部斜視図である。
【図2】スコッチヨーク式エンジンにおけるヨークの分解斜視図である。
【図3】クランク軸と各クランクピンのクランクピン間角度との関係を模式的に示す図である。
【図4】にクランク軸30が回転した際のクランク角と、点火プラグによる点火が行われる点火気筒との関係を示す図である。
【図5】往復慣性力の左方向を正、右方向を負としたときのクランク角と、各クランクピンに生じる往復慣性力、さらには、それらの往復慣性力の合計値との関係を示すグラフである。
【図6】(a)は、各ピストンとクランク角の関係を示す図、(b)は、各クランクピンに生じる往復慣性力、さらには、それらの往復慣性力の合計値との関係を示すグラフである。
【図7】(a)は、図6と異なる配置の各ピストンとクランク角の関係を示す図、(b)は、各クランクピンに生じる往復慣性力、さらには、それらの往復慣性力の合計値との関係を示すグラフである。
【図8】(a)は、図6とさらに異なる配置の各ピストンとクランク角の関係を示す図、(b)は、各クランクピンに生じる往復慣性力、さらには、それらの往復慣性力の合計値との関係を示すグラフである。
【図9】(a)は、図6とさらに異なる配置の各ピストンとクランク角の関係を示す図、(b)は、各クランクピンに生じる往復慣性力、さらには、それらの往復慣性力の合計値との関係を示すグラフである。
【図10】(a)は、図6とさらに異なる配置の各ピストンとクランク角の関係を示す図、(b)は、各クランクピンに生じる往復慣性力、さらには、それらの往復慣性力の合計値との関係を示すグラフである。
【図11】図6と異なる配置の各ピストンとクランク角の関係における各クランクピンに生じる往復慣性力、さらには、それらの往復慣性力の合計値との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1…第一ピストン、2…第二ピストン、3…第三ピストン、4…第四ピストン、5…第五ピストン、6…第六ピストン、7…第七ピストン、8…第八ピストン、9…第九ピストン、10…第十ピストン、11…第十一ピストン、12…第十二ピストン、13…第十三ピストン、16…第十六ピストン、21…第一ヨーク、21A〜21D,22A〜22D,23A〜23D…ヨークエレメント、21E,22E,23E…レール、21F,22F,23F…スライダ、22…第二ヨーク、23…第三ヨーク、30…クランク軸、31…第一クランクピン、32…第二クランクピン、33…第三クランクピン、M…スコッチヨーク式エンジン。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a Scotch yoke engine.
[0002]
[Prior art]
As an engine used for an automobile or the like, there is a scotch yoke engine using a scotch yoke mechanism in addition to an engine using a general piston and a crankshaft. The scotch yoke engine has a yoke body having a pair of connecting rods (hereinafter, referred to as “yoke”) and having an elongated hole formed perpendicular to the direction in which the yoke extends. An eccentric crankshaft is inserted into the elongated hole, and a mechanism is provided for reciprocating the crankpin while rolling in the elongated hole. In this scotch yoke engine, the yoke connected to the crankshaft only reciprocates, so that interference between the yoke and the cylinder bore wall skirt portion is eliminated, so that the distance between the crankshaft and the piston can be shortened. Among such scotch yoke type engines, there is an engine having four yokes, for example, one disclosed in DE 10107921 A1.
[0003]
This scotch yoke engine has two cylinders provided adjacent and parallel to each other, and two cylinders provided adjacent and parallel to each other at a position facing the two cylinders. Further, the Scotch yoke engine has a yoke main body having four yokes to which these four cylinders are respectively attached with four pistons provided reciprocally. Further, a long hole is formed in the yoke main body, and a crankshaft serving as an output shaft is inserted eccentrically into the long hole. Then, a normal engine cycle is sequentially performed in each cylinder, whereby the yoke main body is reciprocated to rotate the crankshaft.
[0004]
[Patent Document 1]
German Patent Application No. 10107921
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The Scotch yoke engine disclosed in
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide a Scotch yoke engine capable of suppressing vibration and the like even in a multi-cylinder system such as a 12-cylinder or 16-cylinder engine.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
A scotch yoke engine according to the present invention that has solved the above-described problems is provided with a first cylinder and a second cylinder that are provided adjacent to and parallel to each other, and provided at a position facing the first cylinder and the second cylinder, and are adjacent to each other. And the third cylinder and the fourth cylinder provided in parallel, and the first piston, the second piston, the third piston, and the fourth piston provided to be able to reciprocate from the first cylinder to each of the fourth cylinder, A yoke that includes four yoke elements each provided with a first piston to a fourth piston, and transmits a reciprocating motion of each piston to a crankpin of a crankshaft. Connected to the crankshaft, spaced apart in the axial direction of the crankshaft, Crank pin between the angle between the Kupyn is one that is set in vibration cancellation angle.
[0008]
In the scotch yoke engine according to the present invention, the plurality of yokes are connected to the crankshaft via the crankpins, and the crankpins to which these yokes are attached are set at the vibration canceling angle. For this reason, the reciprocating inertial force of the piston attached to the yoke and the cylinder in which they reciprocate can be offset, so that the reciprocating inertial force in the axial direction of the cylinder, that is, in the direction orthogonal to the crankshaft, is reduced or eliminated. be able to. The term "vibration canceling angle" as used in the present invention refers to an angle at which vibrations caused by reciprocation of a piston can be mutually canceled by a plurality of yokes. The specific angle is determined by factors such as the number of yokes.
[0009]
Further, the ignition plugs corresponding to the respective pistons provided on the plurality of yokes sequentially ignite, and the time during which the crankshaft rotates by the vibration canceling angle and the ignition timing of the sequentially ignited ignition plugs are synchronized. It is preferable to use an embodiment.
[0010]
In this way, the synchronization between the ignition timing of the spark plug and the time during which the crankshaft rotates by the vibration canceling angle allows the vibration to be more appropriately canceled.
[0011]
Furthermore, it is preferable that the plurality of yokes are arranged so as to be line-symmetric with respect to a straight line along a direction orthogonal to the axial direction of the crankshaft with respect to the axis of symmetry.
[0012]
In this way, by making the plurality of yokes symmetrical with respect to the straight line along the direction orthogonal to the axial direction of the crankshaft, the moment generated by the reciprocating motion of the piston can be appropriately canceled. be able to.
[0013]
Further, the plurality of yokes are composed of three yokes, a first yoke, a second yoke, and a third yoke, and the first yoke is attached to the first yoke and the second yoke is attached to the second yoke. The angle between the pins may be set to 120 degrees, and the angle between the crankpins of the second crankpin attached to the second yoke and the third crankpin attached to the third yoke may be set to 120 degrees. .
[0014]
Thus, when there are three yokes, it is preferable to set the vibration canceling angle to 120 degrees.
[0015]
Further, the plurality of yokes include four yokes, a first yoke, a second yoke, a third yoke, and a fourth yoke, and a first crank pin attached to the first yoke and a second crank attached to the second yoke. The angle between the crankpin and the crankpin is set to 90 degrees, the angle between the second crankpin attached to the second yoke and the third crankpin attached to the third yoke is set to 90 degrees, and the third yoke is set. The angle between the crankpins of the third crankpin attached to the fourth yoke and the fourth crankpin attached to the fourth yoke may be set to 90 degrees.
[0016]
The plurality of yokes are composed of four yokes, a first yoke, a second yoke, a third yoke, and a fourth yoke. The first yoke is attached to the first yoke, and the second yoke is attached to the second yoke. The angle between the crankpin and the crankpin is set to 90 degrees, the angle between the second crankpin attached to the second yoke and the third crankpin attached to the third yoke is set to 45 degrees, and the third yoke is set. The angle between the crankpins of the third crankpin attached to the fourth yoke and the fourth crankpin attached to the fourth yoke may be set to 90 degrees.
[0017]
And a plurality of yokes are comprised of six yokes, a first yoke, a second yoke, a third yoke, a fourth yoke, a fifth yoke, and a sixth yoke, and a first crank pin attached to the first yoke, The angle between the crank pin and the second crank pin attached to the second yoke is set to 120 degrees, and the angle between the crank pin between the second crank pin attached to the second yoke and the third crank pin attached to the third yoke is 120 degrees. Degrees, the fourth crankpin attached to the fourth yoke, the angle between the crankpins of the fifth crankpin attached to the fifth yoke is set to 120 degrees, the fifth crankpin attached to the fifth yoke, The angle between the crankpin and the sixth crankpin attached to the six yokes is set to 120 degrees. And it can also be.
[0018]
Thus, when the number of yokes is four or six, it is preferable to set the vibration canceling angle to the above angle.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each embodiment, the same reference numerals are given to portions having the same function, and overlapping description may be omitted.
[0020]
FIG. 1 is a perspective view of a main part of a scotch yoke engine according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view of a yoke in the scotch yoke engine. As shown in FIG. 1, the Scotch yoke engine M according to the present embodiment is a so-called 4-cycle 12-cylinder engine, and includes three yokes, a
[0021]
As shown in FIG. 2, the
[0022]
[0023]
Further, first to
[0024]
The
[0025]
Further, the
[0026]
Further, as schematically shown in FIG. 3, the
[0027]
Further, a cylinder head (not shown) is formed with first to twelfth cylinders in which the
[0028]
The first to
[0029]
The operation and operation of the scotch yoke engine according to the embodiment having the above-described configuration will be described. In the Scotch yoke engine M according to the present embodiment, each of the
[0030]
The scotch yoke engine M according to the present embodiment has twelve
[0031]
First, when the crank angle is 0 degrees, the first cylinder becomes the ignition cylinder, and when the crank angle is 60 degrees, the ninth cylinder becomes the ignition cylinder. Thereafter, every time the crank angle rotates 60 degrees, the seventh cylinder, the third cylinder, the eleventh cylinder, the fifth cylinder, the second cylinder, the tenth cylinder, the eighth cylinder, the fourth cylinder, the twelfth cylinder, After moving in the order of the sixth cylinder, and after the
[0032]
When the movement of the ignition cylinder is viewed from the viewpoint of the movement of the yoke including the ignition cylinder, the yoke including the ignition cylinder moves in the order of the
[0033]
Then, when the reciprocating inertial forces applied to these crank
[0034]
As described above, according to the Scotch yoke engine M according to the present embodiment, the vibration in the axial direction of the cylinder due to the reciprocation of the piston can be offset, so that such vibration and noise can be suitably suppressed. Can be.
[0035]
In the above-described embodiment, three yokes are used. However, a 24-cylinder having six yokes in which a yoke symmetrical to the three yokes is arranged with an axis orthogonal to the crankshaft as a symmetry axis. A Scotch yoke engine can also be used. In this scotch yoke engine, the ignition timings of the spark plugs are moved in the order shown in the above embodiment so as to be symmetrical via the axis of symmetry. The use of such a 24-cylinder engine can also cancel the moment generated on the crankshaft. Therefore, the generation of vibration can be more suitably suppressed.
[0036]
Further, in the above-described embodiment, a 12-cylinder or 24-cylinder engine has been described. However, for example, a Scotch-yoke engine such as a 16-cylinder using four yokes may be used. When four cylinders are used to configure a 16-cylinder engine, it is conceivable to set the ignition timing at equal intervals of 45 degrees in order to minimize torque fluctuations. For this purpose, since the ignition is performed at an interval of 180 degrees per one yoke, two sets of two yokes arranged at an interval of 90 degrees are prepared, and these are configured as a crankpin arranged so as to be shifted from each other by 45 degrees. Will be. This combination is considered in four ways, and the arrangement is shown in FIGS. 6A, 7A, 8A, and 9A, respectively. A simulation was performed on the reciprocating inertial force of the piston for these combinations.
[0037]
In the following examples, the first to
[0038]
First, as shown in FIG. 6A, when the crank angle is 0 degree, the first to
[0039]
Similarly, as shown in FIG. 7A, when the crank angle is 0 degrees, the first to
[0040]
Further, as shown in FIG. 8A, when the crank angle is 0 degrees, the first to
[0041]
Then, as shown in FIG. 9A, when the crank angle was 0 degree, the first to
[0042]
From this result, in the case of a 16-cylinder Scotch yoke engine using four yokes, the angle between the first and second crankpins is set to 90 degrees, and the second crankpin is It can be seen that it is preferable that the angle between the third and fourth crankpins is set to 45 degrees, and the angle between the third and fourth crankpins is set to 90 degrees.
[0043]
As shown in FIG. 10A, four crankpins are arranged at 180-degree intervals, and the first to
[0044]
Further, the first to fourth crankpins may be arranged at 90-degree intervals, and the first to fourth yokes may be attached to the respective crankpins. In such a case, as shown in FIG. 11, the reciprocating inertial force generated in each crankpin is canceled, and the total can be set to zero.
[0045]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a Scotch yoke engine that can suppress vibration and the like even in a multi-cylinder such as a 12-cylinder or a 16-cylinder.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view of a main part of a scotch yoke engine.
FIG. 2 is an exploded perspective view of a yoke in the Scotch yoke engine.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a relationship between a crankshaft and an angle between crankpins of each crankpin.
FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a crank angle when a
FIG. 5 shows the relationship between the crank angle when the left and right directions of the reciprocating inertia force are positive and the right direction are negative, the reciprocating inertia force generated in each crankpin, and the total value of the reciprocating inertia forces. It is a graph.
6A is a diagram showing a relationship between each piston and a crank angle, and FIG. 6B is a diagram showing a relationship between a reciprocating inertial force generated in each crankpin and a total value of the reciprocating inertial forces. It is a graph.
7A is a diagram showing a relationship between pistons and crank angles arranged differently from FIG. 6, and FIG. 7B is a diagram showing a reciprocating inertia force generated at each crankpin, and a sum of the reciprocating inertia forces. It is a graph which shows the relationship with a value.
8A is a diagram showing a relationship between each piston and a crank angle arranged differently from FIG. 6; FIG. 8B is a diagram showing a reciprocating inertia force generated at each crank pin; It is a graph which shows the relationship with a total value.
9A is a diagram showing a relationship between each piston and a crank angle arranged differently from FIG. 6; FIG. 9B is a diagram showing a reciprocating inertia force generated in each crank pin, It is a graph which shows the relationship with a total value.
10A is a diagram showing a relationship between each piston and a crank angle arranged differently from FIG. 6; FIG. 10B is a diagram showing a reciprocating inertia force generated in each crank pin, It is a graph which shows the relationship with a total value.
11 is a graph showing a relationship between a reciprocating inertia force generated in each crankpin in a relationship between each piston and a crank angle arranged differently from FIG. 6, and a total value of the reciprocating inertia forces.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記複数のヨークを、前記クランク軸の軸方向に離間させて、前記クランク軸に接続し、
前記複数のヨークがそれぞれ取り付けられるクランクピンの間のクランクピン間角度が、振動相殺角度に設定されていることを特徴とするスコッチヨーク式エンジン。A first cylinder and a second cylinder which are provided adjacent and parallel to each other, and a third cylinder and a fourth cylinder which are provided at positions facing the first cylinder and the second cylinder and which are provided adjacent and parallel to each other. A cylinder, a first piston, a second piston, a third piston, and a fourth piston, which are provided to be able to reciprocate from the first cylinder to the fourth cylinder, and the fourth piston from the first piston, respectively. A yoke that includes four yoke elements and transmits the reciprocating motion of each piston to a crankpin of a crankshaft.
The plurality of yokes are separated from each other in the axial direction of the crankshaft and connected to the crankshaft,
A scotch yoke engine, wherein an angle between crank pins between the crank pins to which the plurality of yokes are attached is set to a vibration canceling angle.
前記クランク軸が前記振動相殺角度分だけ回転する時間と、前記順次点火する点火プラグの点火タイミングと、が同期している請求項1に記載のスコッチヨーク式エンジン。Spark plugs corresponding to the pistons provided on the plurality of yokes sequentially ignite,
2. The Scotch yoke engine according to claim 1, wherein a time during which the crankshaft rotates by the vibration canceling angle and an ignition timing of the sequentially ignited spark plug are synchronized.
前記第一ヨークに取り付けられる第一クランクピンと、前記第二ヨークに取り付けられる第二クランクピンとのクランクピン間角度が120度に設定され、
前記第二ヨークに取り付けられる第二クランクピンと、前記第三ヨークに取り付けられる第三クランクピンとのクランクピン間角度が120度に設定されている請求項1または請求項2に記載のスコッチヨーク式エンジン。The plurality of yokes are composed of three yokes, a first yoke, a second yoke, and a third yoke,
The first crankpin attached to the first yoke and the angle between the crankpins of the second crankpin attached to the second yoke are set to 120 degrees,
The Scotch yoke engine according to claim 1 or 2, wherein the angle between the crankpins of the second crankpin attached to the second yoke and the third crankpin attached to the third yoke is set to 120 degrees. .
前記第一ヨークに取り付けられる第一クランクピンと、前記第二ヨークに取り付けられる第二クランクピンとのクランクピン間角度が90度に設定され、
前記第二ヨークに取り付けられる第二クランクピンと、前記第三ヨークに取り付けられる第三クランクピンとのクランクピン間角度が90度に設定され、
前記第三ヨークに取り付けられる第三クランクピンと、前記第四ヨークに取り付けられる第四クランクピンとのクランクピン間角度が90度に設定されている請求項1または請求項2に記載のスコッチヨーク式エンジン。The plurality of yokes are composed of four yokes, a first yoke, a second yoke, a third yoke, and a fourth yoke,
The first crankpin attached to the first yoke and the angle between the crankpins of the second crankpin attached to the second yoke are set to 90 degrees,
The second crankpin attached to the second yoke, the angle between the crankpin of the third crankpin attached to the third yoke is set to 90 degrees,
The Scotch yoke engine according to claim 1 or 2, wherein an angle between crank pins between a third crank pin attached to the third yoke and a fourth crank pin attached to the fourth yoke is set to 90 degrees. .
前記第一ヨークに取り付けられる第一クランクピンと、前記第二ヨークに取り付けられる第二クランクピンとのクランクピン間角度が90度に設定され、
前記第二ヨークに取り付けられる第二クランクピンと、前記第三ヨークに取り付けられる第三クランクピンとのクランクピン間角度が45度に設定され、
前記第三ヨークに取り付けられる第三クランクピンと、前記第四ヨークに取り付けられる第四クランクピンとのクランクピン間角度が90度に設定されている請求項3に記載のスコッチヨーク式エンジン。The plurality of yokes are composed of four yokes, a first yoke, a second yoke, a third yoke, and a fourth yoke,
The first crankpin attached to the first yoke and the angle between the crankpins of the second crankpin attached to the second yoke are set to 90 degrees,
A second crankpin attached to the second yoke and an angle between crankpins of the third crankpin attached to the third yoke are set to 45 degrees,
The Scotch yoke engine according to claim 3, wherein the angle between the crankpins of the third crankpin attached to the third yoke and the fourth crankpin attached to the fourth yoke is set to 90 degrees.
前記第一ヨークに取り付けられる第一クランクピンと、前記第二ヨークに取り付けられる第二クランクピンとのクランクピン間角度が120度に設定され、
前記第二ヨークに取り付けられる第二クランクピンと、前記第三ヨークに取り付けられる第三クランクピンとのクランクピン間角度が120度に設定され、
前記第四ヨークに取り付けられる第四クランクピンと、前記第五ヨークに取り付けられる第五クランクピンとのクランクピン間角度が120度に設定され、
前記第五ヨークに取り付けられる第五クランクピンと、前記第六ヨークに取り付けられる第六クランクピンとのクランクピン間角度が120度に設定されている請求項3に記載のスコッチヨーク式エンジン。The plurality of yokes are composed of six yokes, a first yoke, a second yoke, a third yoke, a fourth yoke, a fifth yoke, and a sixth yoke,
The first crankpin attached to the first yoke and the angle between the crankpins of the second crankpin attached to the second yoke are set to 120 degrees,
A second crankpin attached to the second yoke and an angle between crankpins of the third crankpin attached to the third yoke are set to 120 degrees,
A fourth crankpin attached to the fourth yoke and an angle between the crankpins of the fifth crankpin attached to the fifth yoke are set to 120 degrees,
4. The scotch yoke engine according to claim 3, wherein an angle between crank pins of a fifth crank pin attached to the fifth yoke and a sixth crank pin attached to the sixth yoke is set to 120 degrees. 5.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2003106892A JP2004308631A (en) | 2003-04-10 | 2003-04-10 | Scotch yoke type engine |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2014515454A (en) * | 2011-05-24 | 2014-06-30 | コックス パワートレイン リミテッド | Internal combustion engine |
EP2751390A1 (en) * | 2011-08-29 | 2014-07-09 | Matthew B. Diggs | Balanced x - engine assembly |
-
2003
- 2003-04-10 JP JP2003106892A patent/JP2004308631A/en active Pending
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