JP2008045516A - 低振動の内燃機関又は圧縮装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構造が簡単で、全てのクランク角度において複数のピストンや連結棒が完全にバランスを保ち、且つ低速から高速までのあらゆる回転速度領域において振動が抑制された往復式内燃機関や圧縮装置を提供することを目的とする。
【解決手段】４本のクランク軸を、各軸の中心線を結ぶと四角柱を構成するように互いに平行に配設し、
４本の各クランク軸に対してそれぞれ、クランク軸とクランクピンとをクランクアームで連結してあり、
クランクピンは連結棒でそれぞれピストンに連結してあり、
この４本のクランク軸を左右に二等分する垂直面、及び上下に二等分する水平面に対して、各クランク軸に連動するクランクアーム、連結棒、ピストンが、全てのクランク軸回転角度において左右対称、且つ上下対称を保ちながらクランク軸が回転することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動発生を効果的に低減できる、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなどの往復式内燃機関あるいは往復式圧縮装置に関する。

往復式内燃機関や往復式圧縮装置では、ピストンの往復運動による慣性力に起因する振動が発生し、この振動を抑える技術が多く提案されている。
例えば、振動の低減を目的にした多気筒やＶ型エンジンは公知である。
しかし、従来の振動低減技術はピストンの往復運動の異相に着目したものであり、コンロッド等の連結棒やクランクアーム等の慣性力に起因する振動低減には効果が少なく、エンジンブロック全体としての振動を抑制するのは困難であった。
特開２００４−２３９１８２号公報には、バランスウエイトを有するバランサ軸を設ける振動低減技術を開示するが、個々のピストン運動に対するバランサであり、エンジンブロック全体としては、振動が発生するものである。
また、バランサを設けるスペースが必要であり、バランサによる出力低減も問題である。

特開２００４−２３９１８２号公報

本発明は上記実情に鑑み、構造が簡単で、全てのクランク角度において複数のピストンや連結棒が完全にバランスを保ち、且つ低速から高速までのあらゆる回転速度領域において振動が抑制された往復式内燃機関や圧縮装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するため、４本のクランク軸を、各軸の中心線を結ぶと四角柱を構成するように互いに平行に配設し、４本の各クランク軸に対してそれぞれ、クランク軸とクランクピンとをクランクアームで連結してあり、クランクピンは連結棒でそれぞれピストンに連結してあり、この４本のクランク軸を左右に二等分する垂直面、及び上下に二等分する水平面に対して、各クランク軸に連動するクランクアーム、連結棒、ピストンが、全てのクランク軸回転角度において左右対称、且つ上下対称を保ちながらクランク軸が回転することを特徴とする。
ここで、各クランク軸に連動するクランクアーム、連結棒、ピストンが、全てのクランク軸回転角度において左右対称、且つ上下対称を保ちながら回転するシリンダ配列型式には、並列対向型とＸ型が考えられる。
並列対向型は左上側シリンダーと右上側シリンダーが中心線を共有し、左下側シリンダーと右下側シリンダーが中心線を共有する。
Ｘ型は、４つのシリンダーの中心線がほぼＸ型に配置される。

各クランク軸において、クランク軸とクランクピンとを連結するクランクアームの代わりに、径及び歯数が同じ歯車を各クランク軸に同心固設し且つ上下、左右に隣接する歯車が噛み合うように配設しても良い。
このようにすると、歯車をクランクケース内に配置できるので、歯車のための余分なスペースを必要とせず、小型化に適している。
また、歯車の一部に穴を開けたりしてピストンや連結棒とのバランスを取るようにし、単一のクランク軸のバランスを取ることも可能である。

上記のようにクランク軸を配置すると、４本のクランク軸の各々が、車両における前輪駆動又は後輪駆動、あるいはポンプ類等その他の装置の駆動力源として利用可能である。
このようにすると、駆動力を必要とする装置類を最適な場所に設置が可能となる。

出力としては、４本のクランク軸からほぼ等距離の中心部に、各クランク軸に平行に出力軸を設け、当該出力軸に固設した歯車とクランク軸に固設した歯車を噛合わせることができる。
このようにすると、エンジンブロックの中心部分から出力軸を取り出せるのでバランスが良く、また噛合う歯車の歯数の組合わせを変えることにより、クランク軸と出力軸の回転数比を最適に設定することができる。

また、出力軸に固設した歯車と、正回転するクランク軸に固設した歯車、または逆回転するクランク軸に固設した歯車との噛合わせを切り替える正逆切り替え手段を有し、出力軸の回転を正逆切り替え可能にすると、用途に応じて正逆の回転を選択でき、また出力軸を逆回転して使う時もエンジンの出力や性能に変わりがない。

本発明に係るエンジンは４本のクランク軸を一組として構成されており、４気筒を基本単位として、８気筒、１２気筒、１６気筒などのように、基本単位気筒の増設が可能であり、増設してもエンジンブロックはワンブロックとして形成可能である。
増設された基本単位気筒は各々が左右対称、上下対称を保持しながら回転する。その際、各基本単位気筒間でクランク位相角を等分するようにクランク角度を設定しておけば、エンジンの回転が更に円滑になる。

４つのクランク軸の回転方向については、互いに噛合う歯車によって隣接のクランク軸とは逆方向に回転し、対角線位置にあるクランク軸とは同方向に回転する。
そして、噛合う４個の歯車の中心部には別に直軸を通すことが可能な空間ができる。

本発明に係るエンジンは、４本のクランク軸を左右に二等分する垂直面、及び上下に二等分する水平面に対して、各クランク軸に連動するクランクアーム、連結棒、ピストンが、全てのクランク軸回転角度において左右対称、且つ上下対称を保ちながら回転するため、低速から高速までのあらゆる回転速度領域において静的バランス、及び動的バランスが完全に保持でき、エンジンブロック全体の振動が無い。
従って、構造が簡単であり、バランスシャフトなどのような装置を必要としない。
また、２サイクル、４サイクルを問わず、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなどの全ての往復式内燃機関や圧縮装置にも応用が可能である。

図１に本発明に係るエンジンの並列対向型で、クランクアームの代わりに、クランク軸と中心線を共有する歯車を固設して使用したものの模式斜視図を示す。図２〜図５は、４つのシリンダー１１，１２，１３，１４の中心線を含む平面で切断したａ−ａ線断面図である。以下、図に基づいて説明する。

図２はクランク角０度（または３６０度）の位置を示し、各ピストン２１，２２，２３，２４は共に上死点位置にある。
ピストン２１、及びピストン２３はそれぞれの行程Ｌの左端にあり、ピストン２２、及びピストン２４はそれぞれの行程Ｌの右端にある。
連結棒３１と連結棒３２、及び連結棒３３と連結棒３４はそれぞれシリンダー中心線の一直線上に並んでいるが、最も左右に離れている。

この位置から、クランク軸４１ａを時計方向に回転すると、クランク軸４２ａとクランク軸４３ａは逆方向に、クランク軸４４ａは時計方向に、それぞれ同じ角度回転して行き、９０度回転した所で図３に示す位置になる。

図３はクランク角９０度の位置を示し、各ピストンは共に行程Ｌの中間点にある。クランクピン４１ｂとクランクピン４２ｂは最上部に位置し、クランクピン４３ｂとクランクピン４４ｂは最下部に位置する。
連結棒３１と連結棒３２は「ハの字形」となり、連結棒３３と連結棒３４は「逆ハの字形」となる。
回転を進めて行き、更に９０度回転した所で図４に示す位置になる。

図４はクランク角１８０度の位置を示し、各ピストンは共に下死点位置にある。
ピストン２１、及びピストン２３はそれぞれの行程Ｌの右端にあり、ピストン２２、及びピストン２４はそれぞれの行程Ｌの左端にある。
連結棒３１と連結棒３２、及び連結棒３３と連結棒３４はそれぞれシリンダー中心線の一直線上に並び、最も接近している。
回転を進めて行き、更に９０度回転した所で図５に示す位置になる。

図５はクランク角２７０度の位置を示し、各ピストンは共に行程Ｌの中間点にある。クランクピン４１ｂとクランクピン４２ｂは最下部に位置し、クランクピン４３ｂとクランクピン４４ｂは最上部に位置する。
連結棒３１と連結棒３２は「逆ハの字形」となり、連結棒３３と連結棒３４は「ハの字形」となる。
回転を進め、更に９０度回転すれば図２に示す位置に戻る。これで３６０度、１回転したことになる。

以上説明したように、全てのクランク角度において、各クランク軸、各連結棒、各ピストンは左右対称、且つ上下対称を保っており、ピストンの左右方向の慣性力は左右のピストンが互いに相殺し合う。また連結棒の上下左右方向の複雑な慣性力は４本の連結棒が互いに上下左右方向に相殺し合うのである。
従って、エンジンブロック全体としての振動はほとんどなくなり、バランスシャフトなどの余分な装置は必要がなく、またクランクアームの代わりに、クランク軸と中心線を共有する歯車を固設して使用しているので、余分なスペースを必要とせず、小型化に適している。
更に、歯車の一部に穴を開けたりしてピストンや連結棒とのバランスを取るようにし、単一のクランク軸のバランスを取ることも可能である。

図は省略するが、４本のクランク軸の各々が、車両の前輪駆動、後輪駆動またはポンプ類やその他の駆動力源として利用可能であるため、駆動力を必要とする装置類を最適な場所に設置可能となる。

図６のように、４本のクランク軸からほぼ等距離の中心部に、各軸に平行に出力軸５４を設け、それに固設した歯車５３と、クランク軸に固設した歯車５１又は／及び５２を噛み合わせて出力軸とすることにより、エンジンブロックの中心部分から出力軸を取り出せるのでバランスが良く、エンジンの高さを低くでき、また噛合う歯車の歯数の組合わせを変えることにより、クランク軸と出力軸の回転数比を最適に設定することが可能となる。

図は省略するが、出力軸に固設した歯車と、正回転するクランク軸に固設した歯車、または逆回転するクランク軸に固設した歯車との噛合わせを切り替えることにより、出力軸の回転の正逆切り替えが可能となり、用途に応じて正逆の回転を選択でき、また出力軸を逆回転して使う時もエンジンの出力や性能に変わりがない。

本発明に係る低振動エンジン並列対向型の模式斜視図を示す。 各ピストンが上死点（クランク角０度、または３６０度）の時の断面図を示す。 クランク角９０度の時の断面図を示す。 各ピストンが下死点（クランク角１８０度）の時の断面図を示す。 クランク角２７０度の時の断面図を示す。 本発明に係る低振動エンジンの中心部に出力軸を設けた型の模式斜視図を示す。

符号の説明

１１、１２、１３、１４ シリンダー
２１、２２、２３、２４ ピストン
３１、３２、３３、３４ 連結棒（コンロッド）
４１、４２、４３、４４ 歯車（クランクアーム）
４１ａ、４２ａ、４３ａ、４４ａ クランク軸
４１ｂ、４２ｂ、４３ｂ、４４ｂ クランクピン
５１、５２ クランク軸歯車
５３ 出力軸歯車
５４ 出力軸
Ｌ 行程（ピストンストローク）

Claims (5)

1. ４本のクランク軸を、各軸の中心線を結ぶと四角柱を構成するように互いに平行に配設し、
   ４本の各クランク軸に対してそれぞれ、クランク軸とクランクピンとをクランクアームで連結してあり、
   クランクピンは連結棒でそれぞれピストンに連結してあり、
   この４本のクランク軸を左右に二等分する垂直面、及び上下に二等分する水平面に対して、各クランク軸に連動するクランクアーム、連結棒、ピストンが、全てのクランク軸回転角度において左右対称、且つ上下対称を保ちながらクランク軸が回転することを特徴とする往復式内燃機関又は圧縮装置。
2. 各クランク軸において、クランク軸とクランクピンとを連結するクランクアームの代わりに、
   径及び歯数が同じ歯車を各クランク軸に同心固設し且つ上下、左右に隣接する歯車が噛み合うように配設してあることを特徴とする請求項１記載の往復式内燃機関又は圧縮装置。
3. ４本のクランク軸の各々が、車両における前輪駆動又は後輪駆動、あるいはポンプ類等その他の装置の駆動力源として利用可能であることを特徴とする請求項１又は２記載の、往復式内燃機関又は圧縮装置。
4. ４本のクランク軸からほぼ等距離の中心部に、各クランク軸に平行に出力軸を設け、当該出力軸に固設した歯車とクランク軸に固設した歯車を噛合わせてあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の往復式内燃機関又は圧縮装置。
5. 出力軸に固設した歯車と、正回転するクランク軸に固設した歯車、または逆回転するクランク軸に固設した歯車との噛合わせを切り替える正逆切り替え手段を有し、
   出力軸の回転を正逆切り替え可能にしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の往復式内燃機関又は圧縮装置。

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