JP2021134848A - 単気筒又は２気筒内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】４サイクル２気筒内燃機関において、機関のコンパクト化を図りつつピストンの慣性力の変動を無くした構成を実現する。【解決手段】一対のピストン用クランクアーム１１，１２のうちいずれか一方に、ピストン４と逆方向に突出したカウンタウエイト１５を設けている。内側に位置したピトスン用クランクアーム１２にジョイント用クランクピン１７を固定している一方、ボア間部１６の外側に上下長手のスイングアーム１９が揺動自在に連結されており、スイングアーム１９の下端に設けたバランスウエイト２２とクランク軸８のジョイント用クランクピン１７とが、リンク１８によって連結されている。ピストン４の上下動によって発生する慣性力はカウンタウエイト１５で消去され、カウンタウエイト１５の水平動によって発生する慣性力はバランスウエイト２２によって消去される。【選択図】図４

Description

本発明は、単気筒内燃機関又は２つのピストンが同期して昇降する２気筒内燃機関に関するものである。なお、単気筒内燃機関及び２気筒内燃機関とも４サイクルと２サイクルとを含んでいる。

レシプロ式の内燃機関はピストンの往復動をクランク軸の回転に変換しているが、単気筒内燃機関及び２つのピストンが同期して昇降する２気筒内燃機関（例えば、点火タイミングが３６０°間隔でずれている４サイクル２気筒内燃機関）では、ピストンの慣性力がクランク軸に１８０°間隔で逆向きに作用するという問題がある。そこで、バランサを設けて慣性力を打ち消すことが行われている。

その例として特許文献１には、ピストンと逆の動きをするピストン状のバランサをクランク軸に設けて、バランサを、シリンダボアと反対側に配置されたガイドボアに嵌挿した構成が開示されている。

特開昭６２−５２２３６号公報

特許文献１のようにバランサをシリンダボア（ピストン）と反対側に配置すると、慣性力の消去効果は高いが、オイルパンが必要以上に深くなって機関が大型化するという問題があり、縦型の内燃機関には適用し難い。特に、自動車用内燃機関は高さが限られたエジンルームに配置されるため、適用の困難性は倍加する。

この点については、クランクピンが固定されているクランクアームにカウンタウエイトを設けて、カウンタウエイトによってピストンの慣性力を打ち消すことが可能である。しかし、カウンタウエイトはボア軸線方向（上下方向）の慣性力は消去できるが、ボア軸線と直交した左右方向の慣性力が残ったままになるという問題がある。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明は、単気筒内燃機関又は２つのピストンが同期して昇降する４サイクル２気筒内燃機関を対象にしており、この内燃機関は、
「シリンダブロックに回転自在に保持されたクランク軸に、前記両ピストンと逆方向に動くカウンタウエイトを設けている一方、
前記シリンダブロックのうちクランク軸線方向から見てシリンダボア軸心を挟んだ片側の部位に、上下長手でバランスウエイトを設けたスイングアームが、その上端又は下端を支点にしてクランク軸線及びボア軸線と交叉した左右方向に揺動するように連結されており、前記スイングアームと前記クランク軸とが、前記バランスウエイトと前記カウンタウエイトとが逆方向に左右動するようにリンクを介して連結されている」
という構成になっている。

この場合、バランスウエイトはスイングアームに一体に形成してもよいし、別体に形成してスイングアームに取り付けてもよい。或いは、スイングアームに連結したリンクなどにスイングアームを形成することも可能である。要は、バランスウエイトはスイングアームと一体的に動くように設けられていたらよい。

本発明では、ピストンの上下動による慣性力はカウンタウエイトによって打ち消すことができる一方、カウンタウエイトがクランク軸心回りに回転して左右動することに起因した左右方向の慣性力は、バランスウエイトがカウンタウエイトとは逆方向に移動することによって打ち消される。従って、クランク軸に対する負担を軽減して、クランク軸を円滑に高速回転させることができる。

バランスウエイトが大きく上下動すると、カウンタウエイト及びピストンの上下動との釣り合いが問題になるが、本願発明では、スイングアームは上下方向に長いため、バランスウエイトに必要な左右動ストロークを確保させつつ、上下方向の動きは無視できる程に 小さくすることが可能である。従って、バランスウエイトの上下動による影響を防止しつつ、カウンタウエイトに起因した左右方向の慣性力の消去を確実化できる。

そして、バランスウエイトは、クランク軸線方向から見てシリンダボアの横に配置した上下長手のスイングアームに設けているが、スイングアームがオイルパンに入り込むことはないため、オイルパンが深くなることはない。従って、オイルパンが大型化することはなくて、自動車用の縦型内燃機関のように高さ制限が厳しい内燃機関にも容易に適用できる。

また、クランク軸の加工は従来と同等でよく、特別に複雑な加工を施す必要はないため、潤滑用油路を形成することに困難性は発生しない。従って、クランク軸は、剛性を確保しつつ適正に潤滑できる。

本願発明を２気筒内燃機関に適用する場合、スイングアームはボア間部の横に配置することにより、デッドスペースを有効利用して機関をできるだけコンパクト化しつつ、円滑な高速回転を実現できる。

（Ａ）は第１実施形態の大まかな平面図、（Ｂ）は図４のIA-IA 視断面図である。 図１のII-II 視縦断側面図である。 図１及び図２のIII-III 視縦断面図である。 図１及び図２のIV-IV視断面図である。 第２実施形態の縦断側面図である。 第３実施形態の縦断側面図である。

次に、本願発明を自動車用の４サイクル２気筒内燃機関に適用した実施形態を図面に基づいて説明する。以下では、方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸線方向であり、左右方向はクランク軸線及びシリンダボア軸線と直交した方向である。前と後ろについては、タイミングチェーンが配置される側を前、ミッションケースが配置される側を後ろとしている。

(1).第１実施形態の構造の説明
まず、図１〜４に示す第１実施形態を説明する。図２に示すように、内燃機関は、シリンダブロック１とその頂面に固定されたシリンダヘッド２とを主要要素とする機関本体を備えており、シリンダブロック１には２つのシリンダボア３が形成されて、各シリンダボア３にはそれぞれピストン４が摺動自在に嵌挿されている。シリンダヘッド２には、ペントルーフ形の凹所５が形成されている。シリンダブロック１の下面にはオイルパン６が固定されている。他方、シリンダヘッド２の頂面にはヘッドカバー（図示せず）が固定されている。

各ピストン４は、コンロッド７を介してクランク軸８に連結されている。クランク軸８は、その一端部と他端部に形成したエンドジャーナル９を備えており、両ジャーナル９は、クランクキャップ１０を介してシリンダブロック１に回転自在に保持されている。

また、クランク軸８は、２つのピストン４に対応した一対ずつのクランクアーム１１，１２を備えており、一対のクランクアーム１１，１２に固定されたピストン４用クランクピン１３にコンロッド７の大端部７ａが連結されて、コンロッド７の小端部７ｂはピストン４にピストンピン１４で連結されている。

上記のとおり、クランク軸８は一対ずつのクランクアーム１１，１２を備えているが、前後外側に位置した外側クランクアーム１１はジャーナル９に固定されていると共に、ピストン４と反対側に突出したカウンタウエイト１５を備えている。他方、ボア間部１６の側に位置した内側クランクアーム１２は、ピストン４用クランクピン１３を介して外側クランクアーム１１に固定されていると共に、隣り合った内側クランクアーム１２は、ジョイント用クランクピン１７を介して固定されており、ジョイント用クランクピン１７に、クランク軸８及びボア軸線と直交した方向に長いリンク１８の一端部が相対動可能に連結されている。

リンク１８は簡略して表示しているが、実際には、コンロッド７と同様に一端部はボルト固定式のキャップで構成されており、キャップを本体部に固定することによってジョイント用クランクピン１７に連結されている（条件が許せば、リンク１８をジョイント用クランクピン１７に嵌め込むことも可能である。）。ジョイント用クランクピン１７は、クランク軸８の軸心を挟んでカウンタウエイト１５と反対側に位置しているが、図４に明示するように、クランク軸８の軸心からジョイント用クランクピン１７の軸心までの距離Ｌ１は、クランク軸８の軸心からピストン４用クランクピン１３の軸心までの距離Ｌ２よりも小さくなっている。

ボア間部１６を挟んだ左右両側のうち、シリンダブロック１の長手一側面１ａの側に、上下長手のスイングアーム１９が配置されている。スイングアーム１９の上端は、クランク軸８と平行な支軸２０により、シリンダブロック１の長手一側面１ａに突設したブラケット部２１に吊支されており、スイングアーム１９の下端にバランスウエイト２２を設け、バランスウエイト２２に、リンク１８の他端がピン２３によって相対動可能に連結されている。ピン２３はクランク軸８と平行になっている。

リンク１８の他端は二股状になってバランスウエイト２２を抱持しているが、バランスウエイト２２に形成した溝穴にリンク１８の他端部を挿入してピン２３で連結してもよい。この場合は、リンク１８の厚さを薄くできるので、ジョイント用クランクピン１７の長さを短くして、シリンダブロック１の全長も短くできる。スイングアーム１９は，シリンダブロック１に固定されたカバー２４で塞がれている。

本実施形態では、バランスウエイト２２はスイングアーム１９に一体に設けているが、バランスウエイト２２は、スイングアーム１９よりも比重が大きい素材で別部材として製造して、これをスイングアーム１９に固定又は連結することも可能である。

図１に示すように、シリンダブロック１には、シリンダボア３の群を囲うウォータジャケット２５が上向きに開口するように形成されている。
符号２６で示すのは、ヘッドボルト挿通穴（タップ穴）である。

(2).第１実施形態のまとめ
実施形態の内燃機関は４サイクル２気筒で点火時期が３６０°間隔になっているため、２つのピストン４は同期して上下動する。このため、ピストン４の慣性力が１８０°周期で変動し、対策を施していないと、円滑な回転の妨げになる。特に、ある回転数に至ると共振による激しい振動が発生する。これに対して実施形態では、外側クランクアーム１１にカウンタウエイト１５を設けているため、ピストン４とカウンタウエイト１５とが釣り合うことにより、ピストン４が上下動することによる慣性力の変動を消去できる。

また、カウンタウエイト１５が回転することによって左右方向の慣性力が交互に発生するが、バランスウエイト２２がカウンタウエイト１５と逆方向に左右動するため、カウンタウエイト１５の左右動による慣性力が消去される。

このように、ピストン４の上下動による慣性力とカウンタウエイト１５の左右動による慣性力とが打ち消されるため、クランク軸８に作用する負担は著しく減少する。従って、クランク軸８を円滑に高速回転させることができる。

そして、バランスウエイト２２を設けたスイングアーム１９はボア間部１６の外側に配置されていて、スイングアーム１９がオイルパン６に入り込むことはないため、オイルパン６の深さを深くする必要はなくて、機関が必要以上に嵩高になることはない。従って、自動車のエンジンルームに配置する内燃機関についても問題なく適用できる。

スイングアーム１９は上端を支点にして回動する振り子式であり、上下に長くしつつ、シリンダブロック１の邪魔にならないようにしてボア間部１６の外側に配置できるため、バランスウエイト２２の上下動寸法を著しく小さくできる。このため、バランスウエイト２２の上下動に起因した慣性力や振動は無視できるほどに小さくなる。

図示のスイングアーム１９は、鉛直姿勢（シリンダボア軸線と平行な姿勢）を境にして左右に揺動するが、図４に一点鎖線１９′で示すように、ピストン４が上死点にあってカウンタウエイト１５が下向きの姿勢の状態でシリンダボア軸線に対して傾斜させておくことも可能である。図４の一点鎖線１９′では、上端がボア間部１６に近づくように傾斜させているが、このように構成すると、カバー２４の張り出し量を抑制して機関をコンパクト化できる利点がある。図示していないが、スイングアーム１９は、クラン軸線方向から見てく字状に屈曲した形態や、弓形に湾曲した形態も採用できる。

(3).他の実施形態
バランスウエイト２２の水平動によるバランサ効果は、バランスウエイト２２のストロークやウエイト重量を変えることによって変更できるが、ストロークによる調整は、図４に示したＬ１を調節することによって行ったらよい。図５の実施形態はその例であり、ジョイント用クランクピン１７とピストン４用クランクピン１３とを一体の構成にしている。この実施形態では、リンク１８とバランスウエイト２２との左右動ストロークは、ピストン４の往復動ストロークと同じになっている。

図６に示す第３実施形態では、クランク軸８に左右一対の中間ジャーナル２７を設けて、中間ジャーナル２７に固定された補助クランクアーム２８にジョイント用クランクピン１７を固定している。このように中間ジャーナル２７を設けると、クランク軸８の安定性を向上できる利点がある。

図示による説明は省略するが、中間ジャーナルを１箇所だけ設けて、１つの中間ジャーナルに固定された補助クランクアームと１つのピストン用クランクアームとに、第１実施形態又は第２実施形態と同様の態様でジョイント用クランクピン１７を固定することも可能である。この場合、スイングアーム１９は、クランク軸線方向から見て、上部と下部とが左右方向にずれたクランク形状や、上部と下部とがく字状に曲がった形状にすることができる。

上記の各実施形態は２気筒内燃機関に適用したが、本願発明は単気筒内燃機関にも適用できる。スイングアームは、その下端を支点にして回動（揺動）する方式も採用できる（この場合は、バランスウエイトはスイングアームの上端に設けたらよい）。上端を支点にして回動するにしても下端を支点にして回動するにしても、スイングアームの上下中途高さ部位にリンクを連結することが可能であり、この場合は、バランスウエイトの左右動ストロークを増幅できるため、質量を小さくしつつ釣り合い効果を得ることができる。

本願発明は、単気筒内燃機関又は２気筒内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ シリンダブロック
１ａ 長手一側面
３ シリンダボア
４ ピストン
６ オイルパン
７ コンロッド
８ クランク軸
９ エンドジャーナル
１１ 外側クランクアーム
１２ 内側クランクアーム
１３ ピストン用クランクピン
１５ カウンタウエイト
１６ ボア間部
１７ ジョイント用クランクピン
１８ リンク（連動杆、ジョイント）
１９ スイングアーム
２２ バランスウエイト

Claims (1)

1. 単気筒又は２つのピストンが同期して昇降する２気筒内燃機関であって、
   シリンダブロックに回転自在に保持されたクランク軸に、前記両ピストンと逆方向に動くカウンタウエイトを設けている一方、
   前記シリンダブロックのうちクランク軸線方向から見てシリンダボア軸心を挟んだ片側の部位に、上下長手でバランスウエイトを設けたスイングアームが、その上端又は下端を支点にしてクランク軸線及びボア軸線と交叉した左右方向に揺動するように連結されており、前記スイングアームと前記クランク軸とが、前記バランスウエイトと前記カウンタウエイトとが逆方向に左右動するようにリンクを介して連結されている、
   単気筒又は２気筒内燃機関。

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