JP4671887B2 - Internal combustion engine with a balancer - Google Patents
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Description
本発明は、クランク軸の回転中心線に対して側方にオフセットしたシリンダ軸線を有するシリンダに往復動可能に嵌合するピストンと、クランク軸により回転駆動されるバランサとを備える単気筒内燃機関または同位相の直列2気筒内燃機関に関し、該内燃機関は例えば車両に搭載される。 The present invention relates to a single-cylinder internal combustion engine comprising a piston that is reciprocally fitted to a cylinder having a cylinder axis that is offset laterally with respect to the rotation center line of the crankshaft, and a balancer that is rotationally driven by the crankshaft. The in-phase two-cylinder internal combustion engine having the same phase is mounted on a vehicle, for example.
クランク軸の回転中心線に対して側方にオフセットしたシリンダ軸線を有するシリンダ(以下、「オフセット型シリンダ」という。)に往復動可能に嵌合するピストンを備える内燃機関において、該内燃機関の往復運動部に作用する慣性力を起振力とする振動を低減する技術は知られている(例えば特許文献1参照)。
オフセット型シリンダを備える内燃機関では、往復運動部に作用する慣性力により発生する振動の形態が、オフセットがないシリンダ(以下、「通常型シリンダ」という。)を備える内燃機関とは異なる。このため、オフセット型シリンダを備える内燃機関では、往復運動式のバランサなど、通常型シリンダを備える内燃機関に広く使用されている回転式バランサに比べて複雑な機構のバランサが使用されることが多く、バランサの配置の自由度が小さくなること、また往復運動式バランサのように特定の方向で内燃機関が大型化すること、複雑な駆動機構により重量増を招来すること、さらに回転式バランサの製造設備が使用できないなどのためにコストが増加することがあった。 An internal combustion engine having an offset type cylinder is different from an internal combustion engine having a cylinder with no offset (hereinafter referred to as “normal type cylinder”) in the form of vibration generated by an inertial force acting on a reciprocating motion unit. For this reason, in an internal combustion engine having an offset type cylinder, a balancer having a complicated mechanism is often used, such as a reciprocating balancer, compared to a rotary type balancer widely used in an internal combustion engine having a normal type cylinder. , The freedom of placement of the balancer is reduced, the internal combustion engine is enlarged in a specific direction like a reciprocating balancer, the weight is increased by a complicated drive mechanism, and the rotary balancer is manufactured. Costs may increase due to the inability to use equipment.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、オフセット型シリンダを備える内燃機関において、回転式バランサを使用することにより、振動低減効果に優れると共に、バランサの配置の自由度の増大、内燃機関の小型軽量化およびコスト削減を図ることを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and in an internal combustion engine equipped with an offset cylinder, by using a rotary balancer, the vibration reduction effect is excellent and the degree of freedom in arranging the balancer is increased. An object of the present invention is to reduce the size and weight of an internal combustion engine and reduce the cost.
請求項1記載の発明は、クランク軸の回転中心線に対して側方にオフセットしたシリンダ軸線を有するシリンダと、シリンダに往復運動可能に嵌合すると共にクランク軸に連結されてクランク軸を回転駆動するピストンと、バランサと、を備える単気筒または同位相直列2気筒の内燃機関において、バランサはクランク軸により回転駆動され、ピストンを含むと共にクランク軸と連動して往復運動する往復運動部の質量mpとクランク軸のカウンタウエイトの質量mcとバランサのバランサウエイトの質量mbとが以下の式(A)を満たし、クランク軸周りのカウンタウエイトの回転角度とクランク角度との位相差α1およびバランサ軸周りのバランサウエイトの回転角度とクランク角度との位相差α2が以下の式(B)を満たすように設定されていることを特徴とする内燃機関である。
L:コンロッド長
r:クランク半径
According to the first aspect of the present invention, a cylinder having a cylinder axis that is offset laterally with respect to the rotation center line of the crankshaft, and a cylinder shaft that is reciprocally fitted to the cylinder and connected to the crankshaft to rotate the crankshaft. In a single-cylinder or in-phase two-cylinder internal combustion engine that includes a piston that performs a reciprocating motion, the balancer is rotationally driven by a crankshaft and includes a piston and reciprocates in conjunction with the crankshaft. meet balancer weight of the mass m b and the following formulas p and the mass m c and the balancer counterweight of the crankshaft (a), the phase difference alpha 1 and the rotation angle and the crank angle of the counterweight around the crankshaft set so that the phase difference alpha 2 satisfy the following formula (B) between the rotational angle and the crank angle of the balancer weight around balancer shaft An internal combustion engine, characterized in that it is.
L: Connecting rod length
r: Crank radius
これによれば、オフセット型シリンダを備える内燃機関において、従来の通常型シリンダを備える内燃機関と同様の回転式バランサであるバランサにより、オフセット量を考慮してカウンタウエイトおよびバランサウエイトの質量とカウンタウエイトおよびバランサウエイトの位相差を、式(A),(B)に基づいた特定の値に設定することで、往復運動部により発生する振動が低減する。また、回転式バランサであるので、バランサ自体やバランサの駆動機構の小型化および構造の簡単化が可能になり、さらにバランサの摺動抵抗を小さくできる。そのうえ、通常型シリンダを備える内燃機関において広く使用されている回転式バランサの製造設備を利用できるので、新たな設備投資が殆どなく、製造コストが削減される。 According to this, in the internal combustion engine provided with the offset type cylinder, the balancer, which is a rotary balancer similar to the internal combustion engine provided with the conventional normal type cylinder, considers the offset amount and the mass of the counterweight and the balancer weight and the counterweight. And the vibration which generate | occur | produces by a reciprocating motion part reduces by setting the phase difference of balancer weight to the specific value based on Formula (A), (B). Further, since it is a rotary balancer, the balancer itself and the balancer drive mechanism can be reduced in size and structure, and the sliding resistance of the balancer can be reduced. In addition, since the rotary balancer manufacturing equipment widely used in the internal combustion engine having the normal type cylinder can be used, there is almost no new equipment investment and the manufacturing cost is reduced.
請求項1記載の発明によれば、オフセット型シリンダを備える内燃機関において、回転式バランサを使用することにより、振動低減効果に優れると共に、バランサ自体やバランサの駆動機構の小型化および構造の簡単化によるバランサの配置の自由度の増大および内燃機関の小型軽量化が可能になり、さらにコスト削減および燃費改善が可能になる。 According to the first aspect of the present invention, in the internal combustion engine provided with the offset type cylinder, by using the rotary balancer, the vibration reduction effect is excellent, and the balancer itself and the balancer drive mechanism are downsized and the structure is simplified. This makes it possible to increase the degree of freedom in arranging the balancer and to reduce the size and weight of the internal combustion engine, and further to reduce costs and improve fuel efficiency.
以下、本発明の実施形態を図1〜図4を参照して説明する。
図1を参照すると、本発明が適用された内燃機関2は、車両としての自動二輪車1にクランク軸Cが車幅方向に指向する横置き配置で搭載される水冷式の単気筒4ストローク内燃機関であり、車体の左側で内燃機関から後方に延びて配置される動力伝達装置3と共にパワーユニット4を構成する。
なお、この実施形態において、上下、前後および左右は、自動二輪車1を基準としたものとする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS.
Referring to FIG. 1, an
In this embodiment, the up and down, front and rear, and left and right are based on the motorcycle 1.
自動二輪車1は、車体フレームFと該車体フレームFを覆う車体カバー5とを備える車体と、車体フレームFに支持されるパワーユニット4とを備える。車体フレームFは、前端部のヘッドパイプ6と、ヘッドパイプ6から下方に傾斜して後方に延びる左右1対のメインフレーム7と、ヘッドパイプ6からほぼ鉛直下方に延びた後に屈曲してほぼ水平に後方に延びてメインフレーム7の後部に接続される左右1対のダウンチューブ8と、メインフレーム7の中央部よりもやや後部寄りに接続されて上方に傾斜して後方に延びる左右1対のシートレール9と、メインフレーム7の後部とシートレール9の後部とを連結する左右1対のリヤフレーム10とを備える。
The motorcycle 1 includes a vehicle body that includes a vehicle body frame F and a
ヘッドパイプ6には、下端部に前輪11が軸支されると共に上端部にハンドル12が取り付けられたフロントフォーク13が操向可能に支持される。Vベルト式自動変速機からなる変速機および終減速装置を備えてクランク軸Cの動力を後輪14に伝達する動力伝達装置3を備えるパワーユニット4の後端部には後輪14が軸支される。そして、パワーユニット4は、その前部で内燃機関2に設けられるハンガ15により、車体に取り付けられるピボット軸17に揺動可能に支持され、その後端部のハンガ16により、乗員用のタンデム型のシート18を支持するシートレール9の後端部に結合されたリヤクッション19に支持される。
A
図2を併せて参照すると、内燃機関2は、シリンダ軸線L2がクランク軸Cから前方に向かってやや斜め上方に指向するように大きく前傾した単一のシリンダ30と、シリンダ30の前端部に結合されるシリンダヘッド31と、シリンダヘッド31の前端部に結合されるヘッドカバー32と、シリンダ30の後端部に結合されるクランクケース33とから構成される機関本体を備える。クランク軸Cは、その回転中心線L1に平行な方向(以下、「軸方向」という。)でカウンタウエイトWcを構成する1対のウエイト部Cb(図2には一方のウエイト部が示されている。)を挟んで配置される1対の主軸受を介してクランクケース33に回転可能に支持される。
シリンダ軸線L2は、回転中心線L1に対して側方に、この実施形態ではピストン上死点からのクランク軸Cの回転方向側に、所定のオフセット量δでオフセットしている。すなわち、シリンダ軸線L2は、回転中心線L1を含むと共にシリンダ軸線L2に平行な平面Hに対してオフセット量δに等しい距離で離れている。
Referring also to FIG. 2, the
The cylinder axis L2 is offset by a predetermined offset amount δ to the side with respect to the rotation center line L1, in this embodiment, to the rotation direction side of the crankshaft C from the piston top dead center. That is, the cylinder axis L2 is separated from the plane H including the rotation center line L1 and parallel to the cylinder axis L2 by a distance equal to the offset amount δ.
シリンダ30に往復運動可能に嵌合するピストン34は、小端部35aにてピストン34のピストンピン34aに連結される一方で大端部35bにてクランク軸CのクランクピンCaに連結されるコンロッド35を介して、クランク軸Cに連結される。シリンダヘッド31には、シリンダ軸線L2方向でピストン34と対向する燃焼室36と、燃焼室36に開口する吸気ポート37および排気ポート38とが形成され、さらに吸気ポート37および排気ポート38をそれぞれ開閉する吸気弁40および排気弁41が設けられる。吸気弁40および排気弁41は、クランク軸Cの動力により回転駆動される1つのカム軸42aおよびロッカアーム42b,42cを備えるSOHC型の動弁装置42によりクランク軸Cの回転に同期して開閉駆動されて、吸気ポート37および排気ポート38をそれぞれ開閉する。
A
内燃機関2の運転時、内燃機関2の吸気装置を流通する吸入空気は、スロットル弁により流量制御された後、燃料噴射弁から噴射された燃料と混合して混合気を形成し、該混合気は吸気ポート37を経て燃焼室36に流入し、燃焼室36内で点火栓により点火されて燃焼する。そして、発生した燃焼ガスの圧力により駆動されて往復運動するピストン34がコンロッド35を介してクランク軸Cを回転駆動する。燃焼ガスは、排気ガスとして排気ポート38に流出し、さらに排気ポートに接続される排気管を備える排気装置を通じて内燃機関2の外部に排出される。
During operation of the
運転時の内燃機関2には、ピストン34、コンロッド35およびクランク軸Cなどから構成されてピストン34の回転運動をクランク軸Cの回転運動に変換するクランク機構N1に発生する不釣合力に基づく振動が発生する。この不釣合力の主たるものは、ピストン34を含むと共にクランク軸Cと連動して往復運動する部分である往復運動部D1に作用する慣性力である。ここで、往復運動部D1は、ピストン34およびコンロッド35における往復運動部分などから構成される。そして、内燃機関2に発生する振動は、往復運動部D1に作用する慣性力からなる起振力Fpによる振動が主要なものである。(なお、起振力の符号については、後述する式を参照のこと。)
The
一方、内燃機関2には、起振力Fpによる振動を抑制する制振機構N2が備えられる。制振機構N2は、クランク軸Cに一体成形されて設けられてクランク軸Cと一体に回転するカウンタウエイトWcと、クランク軸Cにより回転駆動されると共に回転中心線L1に平行な回転中心線L3を有するように配置されたバランサとしての1つのバランサ軸Bとから構成される。
バランサ軸Bは、クランクケース33に回転可能に支持される軸部Baと、軸部Baに一体成形されたバランサウエイトWbとから構成される。バランサウエイトWbは、軸方向で1対のウエイト部Cbの間に配置される。起振力Fpによる1次振動を抑制する1次バランサとしてのバランサ軸Bは、クランク軸Cの動力をバランサ軸Bに伝達するバランサ用駆動機構45を介して、クランク軸Cと等速で、かつ逆方向に回転駆動される。駆動機構45は、右側の前記主軸受の外側に設けられた駆動ギヤ45aと、軸部Baに設けられて該駆動ギヤ45aと噛合する被動ギヤ45bとから構成される。そして、内燃機関2の運転中に制振機構N2により発生する制振用の起振力は、カウンタウエイトWcに発生する慣性力からなる起振力Fcと、バランサウエイトWbに発生する慣性力からなる起振力Fbとから構成される。ここで、カウンタウエイトWcおよびバランサウエイトWbは、制振用の回転運動部D2を構成する。
On the other hand, the
The balancer shaft B includes a shaft portion Ba that is rotatably supported by the
以下、制振機構N2でのこれら起振力Fb,Fcによる、往復運動部D1の往復運動により発生する振動の制振原理について、図3を参照して説明する。
図3および以下の式における符号の意味は以下のとおりである。
L :コンロッド長
r :クランク半径
λ :コンロッド比(L/r)
δ :オフセット量(ピストン上死点からのクランク軸Cの回転方向側が正方向)
mp :往復運動部D1の質量
mc :カウンタウエイトWcの質量
mb :バランサウエイトWbの質量
α1 :クランク軸C周りのカウンタウエイトWcの回転角度とクランク角度との位相差 (クランク軸Cの回転方向が正方向)
α2 :バランサ軸B周りのバランサウエイトWbの回転角度とクランク角度との位相差 (クランク軸Cの回転方向とは反対方向が正方向)
ω :クランク軸Cの回転速度
Hereinafter, the principle of damping vibration generated by the reciprocating motion of the reciprocating motion part D1 by the exciting forces F b and F c in the damping mechanism N2 will be described with reference to FIG.
The meanings of the symbols in FIG. 3 and the following equations are as follows.
L: connecting rod length r: crank radius λ: connecting rod ratio (L / r)
δ: Offset (the direction of rotation of the crankshaft C from the piston top dead center is the positive direction)
m p: mass m c reciprocating portion D1: counterweight Wc mass m b: the balancer mass of the weight Wb alpha 1: phase difference between the rotation angle and the crank angle of the counterweight Wc crankshaft periphery C (crankshaft C Direction of rotation is positive)
α 2 : Phase difference between the rotation angle of the balancer weight Wb around the balancer axis B and the crank angle (the direction opposite to the rotation direction of the crankshaft C is the positive direction)
ω: rotational speed of crankshaft C
往復運動部D1による起振力Fpは、回転中心線L1を原点とするx軸およびy軸(図2も参照)からなる直交座標におけるx成分およびy成分により次式で表される。
内燃機関2における振動の主たる成分である1次振動のみを考慮して以上の式を整理すると、これら起振力Fp,Fc,Fbの合力である起振力Fは次式で表される。
同様に、起振力Fのy成分Fyは次式で表される。
そして、内燃機関2において、往復運動部D1の質量mpとカウンタウエイトWcの質量mcとバランサウエイトWbの質量mbとが式(A)を満たし、カウンタウエイトWcの位相差α1およびバランサウエイトWbの位相差α2が式(B)を満たすように設定されることで、往復運動部D1による起振力Fpで発生する振動が効果的に低減する。
Then, in the
なお、明細書および特許請求の範囲において、質量mp、質量mc、質量mb、位相差α1および位相差α2の各制振パラメータが、式(A),(B)を満たすとは、各制振パラメータが、式(A),(B)を完全に満たす場合のほかに、制振機構N2による振動低減効果に関して有意の差異が生じない範囲で、式(A),(B)完全に満たす場合の値とほぼ等しい値を有する場合も含む。 In the specification and claims, when the damping parameters of mass m p , mass m c , mass m b , phase difference α 1 and phase difference α 2 satisfy the formulas (A) and (B) In addition to the case where each damping parameter completely satisfies the formulas (A) and (B), the formulas (A) and (B) are within the range where no significant difference occurs with respect to the vibration reduction effect by the damping mechanism N2. ) Including the case where the value is almost equal to the value when fully satisfied.
本発明の実施例を、図4を参照して説明する。なお、この実施例および本発明に基づかない比較例における内燃機関2の諸元は以下のとおりである。
実施例
オフセット量δ:0.005m
コンロッド長L:0.1185m
クランク半径r:0.0343m
コンロッド比λ:3.460
質量mp :0.294kg
クランク軸Cのバランス率(mc/mp):50.53%
バランサ軸Bのバランス率(mb/mp):50.53%
位相差α1 :−8.31°
位相差α2 :−8.31°
比較例
クランク軸Cのバランス率(mc/mp):50.00%
バランサ軸Bのバランス率(mb/mp):50.00%
位相差α1 :0.00°
位相差α2 :0.00°
その他の諸元は実施例と同一である。
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The specifications of the
Example Offset amount δ: 0.005 m
Connecting rod length L: 0.1185m
Crank radius r: 0.0343m
Connecting rod ratio λ: 3.460
Mass m p : 0.294 kg
Balance ratio of crankshaft C (m c / m p ): 50.53%
Balance ratio of balancer shaft B (m b / m p ): 50.53%
Phase difference α 1 : −8.31 °
Phase difference α 2 : −8.31 °
Comparative example Crankshaft C balance ratio (m c / m p ): 50.00%
Balance ratio of balancer shaft B (m b / m p ): 50.00%
Phase difference α 1 : 0.00 °
Phase difference α 2 : 0.00 °
Other specifications are the same as in the embodiment.
図4(A),(B)に示されるように、本発明では、x成分については、起振力Fcのx成分Fcxおよび起振力Fbのx成分Fbxが互いに打ち消し合って、x成分Fxがゼロになり、y成分については、起振力Fcのy成分Fcyおよび起振力Fbのy成分Fbyが、往復運動部D1の往復運動により発生する起振力Fpのx成分Fpxを完全に打ち消して、y成分Fyがゼロになるので、優れた振動低減効果が得られる。これに対して、図4(C),(D)に示されるように、比較例では、x成分については、x成分Fxはゼロになるものの、y成分については、y成分Fcyおよびy成分Fbyによっても、y成分Fpyを完全に打ち消すことができず、振動低減効果が本発明よりも劣る。 FIG. 4 (A), the as shown (B), the the present invention, for the x component, x component F cx and the excitation force F b in the x component F bx of excitation force F c is cancel each other , x component F x becomes zero, for the y-component, the y-component F by the y component F cy and the excitation force F b in the excitation force F c, generated by the reciprocating motion of the reciprocating portion D1 exciter Since the x component F px of the force F p is completely canceled and the y component F y becomes zero, an excellent vibration reduction effect can be obtained. On the other hand, as shown in FIGS. 4C and 4D, in the comparative example, the x component F x is zero for the x component, but the y component F cy and y for the y component. Even with the component F by , the y component F py cannot be completely canceled, and the vibration reduction effect is inferior to that of the present invention.
次に、前述のように構成された実施形態の作用および効果について説明する。
オフセット型シリンダ30を備える内燃機関2において、バランサ軸Bはクランク軸Cにより回転駆動され、往復運動部D1の質量mpとカウンタウエイトWcの質量mcとバランサウエイトWbの質量mbとが式(A)を満たし、カウンタウエイトWcの位相差α1およびバランサウエイトWbの位相差α2が式(B)を満たすように設定されている。これにより、内燃機関2において、従来の通常型シリンダを備える内燃機関と同様の回転式バランサであるバランサ軸Bにより、オフセット量δを考慮して質量mc,mb、位相差α1,α2からなる制振パラメータを式(A),(B)に基づいた特定の値に設定することで、往復運動部D1により発生する振動が低減する。また、バランサ軸Bが回転式バランサであるので、バランサ軸B自体やバランサ軸Bの駆動機構45の小型化および構造の簡単化が可能になり、さらにバランサ軸Bの摺動抵抗を小さくできる。そのうえ、通常型シリンダを備える内燃機関において広く使用されているバランサ軸の製造設備を利用できるので、新たな設備投資が殆どなく、製造コストが削減される。
この結果、オフセット型シリンダ30を備える内燃機関2において、回転式バランサであるバランサ軸Bを使用することにより、振動低減効果に優れると共に、バランサ軸B自体やバランサ軸Bの駆動機構45の小型化および構造の簡単化によるバランサ軸Bの配置の自由度の増大および内燃機関2の小型軽量化が可能になり、さらにコスト削減および燃費改善が可能になる。しかもバランサ軸Bによる制振効果は、クランク軸Cに対するバランサ軸Bの位置に依存しないので、この点でもバランサ軸Bの配置の自由度の増大に寄与する。
Next, operations and effects of the embodiment configured as described above will be described.
In the
As a result, in the
以下、前述した実施形態の一部の構成を変更した実施形態について、変更した構成に関して説明する。
内燃機関は同位相の直列2気筒内燃機関であってもよく、その場合、2つの気筒における点火時期は、クランク角度で360°ずれていても、または同時期であってもよい。
内燃機関は、車両以外の機械に使用されてもよい。
Hereinafter, an embodiment in which a part of the configuration of the above-described embodiment is changed will be described with respect to the changed configuration.
The internal combustion engine may be an in-phase two-cylinder internal combustion engine, in which case the ignition timings in the two cylinders may be shifted by 360 ° in crank angle or at the same time.
An internal combustion engine may be used for machines other than vehicles.
1…自動二輪車、2…内燃機関、L1,L3…回転中心線、L2…シリンダ軸線、C…クランク軸、B…バランサ軸、Wc…カウンタウエイト、Wb…バランサウエイト、D1…往復運動部、D2…回転運動部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Motorcycle, 2 ... Internal combustion engine, L1, L3 ... Centerline of rotation, L2 ... Cylinder axis, C ... Crankshaft, B ... Balancer shaft, Wc ... Counterweight, Wb ... Balancer weight, D1 ... Reciprocating motion part, D2 ... rotational motion part.
Claims (1)
バランサはクランク軸により回転駆動され、ピストンを含むと共にクランク軸と連動して往復運動する往復運動部の質量mpとクランク軸のカウンタウエイトの質量mcとバランサのバランサウエイトの質量mbとが以下の式(A)を満たし、クランク軸周りのカウンタウエイトの回転角度とクランク角度との位相差α1およびバランサ軸周りのバランサウエイトの回転角度とクランク角度との位相差α2が以下の式(B)を満たすように設定されていることを特徴とする内燃機関。
ここで、δ:シリンダ軸線のオフセット量
L:コンロッド長
r:クランク半径 A cylinder having a cylinder axis that is offset laterally with respect to the rotation center line of the crankshaft, a piston that is reciprocally fitted to the cylinder and that is connected to the crankshaft to rotate the crankshaft, and a balancer. In a single cylinder or in-phase two-cylinder internal combustion engine comprising:
Balancer is rotated by the crankshaft, and the mass m b a balancer weight of the mass m c and the balancer counterweight mass m p and the crankshaft of the reciprocating unit to reciprocate in conjunction with the crankshaft with includes a piston satisfy the following formula (a), the phase difference alpha 2 is the following formula between the rotational angle and the crank angle of the balancer weight around retardation alpha 1 and the balancer shaft of the rotation angle and the crank angle of the counterweight around the crankshaft An internal combustion engine set to satisfy (B).
Where δ: cylinder axis offset
L: Connecting rod length
r: Crank radius
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