JP6756096B2 - エンジン構造 - Google Patents

Description

本発明は、自動車のエンジンの構造に関する。

従来より、自動車のディーゼルエンジンは燃焼圧力が高く、燃焼時の騒音が問題となるため、この騒音を低減することが要請されている。騒音の要因としては、音の大きさだけでなく、音の高さ（周波数）も挙げられるが、この.音の高さに影響を及ぼす原因の一つとして、燃焼室の共鳴現象がある。つまり、燃焼によりエンジン内の燃焼室空間で急激に圧力が上昇して、この圧力上昇によって共鳴現象が励起されるが、この共鳴現象が比較的高い周波数であるため、耳障りな音となって騒音を悪化させるのである。

そこで、ピストン上面のキャビティである燃焼室を第１の共鳴空間とし、シリンダ、ピストン、およびシリンダヘッドで囲まれたボア空間を第２の共鳴空間として、第１の共鳴空間であるキャビティの直径を第２の共鳴空間であるボアの直径の１／２とすることで、それぞれの共鳴空間における共鳴モードが打ち消し合って、燃焼騒音の音質を改善することが提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１４−２０２３８号公報

しかしながら、特許文献１に示された構造では、キャビティの直径をボアの直径の１／２とする必要があり、キャビティの形状が限定されるので、キャビティの設計の自由度が低下する、という問題があった。

本発明は、燃焼時の騒音を低減しつつ、キャビティの設計の自由度を向上できるエンジン構造を提供することを目的とする。

本発明のエンジン構造は、シリンダ（例えば、後述のシリンダ２）と、当該シリンダ内を往復動するピストン（例えば、後述のピストン１０）と、前記シリンダを塞ぐシリンダヘッド（例えば、後述のシリンダヘッド４）と、を備えるエンジンの構造であって、前記ピストンの外周面には、前記シリンダヘッド側から順に、第１ピストンリング（例えば、後述の第１ピストンリング２０）、第２ピストンリング（例えば、後述の第２ピストンリング３０）、およびオイルリング（例えば、後述のオイルリング４０）が設けられ、前記第１ピストンリングは、合い口（例えば、後述の合い口２１）が設けられた環状であり、当該第１ピストンリングの合い口を首（例えば、後述の首５１）とし、前記第１ピストンリング、前記第２ピストンリング、ピストン外周面、およびシリンダ内周面で囲まれた空間を胴（例えば、後述の胴５２）として、ヘルムホルツ共鳴器（例えば、後述のヘルムホルツ共鳴器５０Ａ）を構成することを特徴とする。

本発明のエンジン構造は、前記ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数（例えば、後述のヘルムホルツ共鳴周波数ｆ_１）は、燃焼室の共鳴周波数（例えば、後述の共鳴周波数ｆｂ）と略同一であることを特徴とする。

この発明によれば、ピストン外周面とシリンダ内周面との隙間を利用して、ヘルムホルツ共鳴器を構成した。したがって、このヘルムホルツ共鳴器と燃焼室とのそれぞれの共鳴空間における共鳴モードが打ち消し合うので、燃焼騒音の音質を改善できる。
また、ピストン外周面とシリンダ内周面との隙間を利用してヘルムホルツ共鳴器を構成したので、キャビティの形状は特に限定されることはなく、キャビティの設計の自由度を向上できる。

本発明のエンジン構造は、前記第２ピストンリングは、合い口（例えば、後述の合い口３１）が設けられた環状であり、当該第２ピストンリングの合い口を首（例えば、後述の首５１）とし、前記第２ピストンリング、前記オイルリング、ピストン外周面、およびシリンダ内周面で囲まれた空間を胴（例えば、後述の胴５２）として、第２ヘルムホルツ共鳴器（例えば、後述のヘルムホルツ共鳴器５０Ｂ）を構成することを特徴とする。

本発明のエンジン構造は、前記第２ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数（例えば、後述のヘルムホルツ共鳴周波数ｆ_２）は、燃焼室の共鳴周波数（例えば、後述の共鳴周波数ｆｂ）と略同一であることを特徴とする。

この発明によれば、第１ピストンリングと第２ピストンリングとの間の空間だけでなく、第２ピストンリングとオイルリングとの間の空間も利用して、ヘルムホルツ共鳴器を構成した。したがって、このヘルムホルツ共鳴器と燃焼室とのそれぞれの共鳴空間における共鳴モードが打ち消し合うので、燃焼騒音の音質をさらに改善できる。

本発明によれば、燃焼時の騒音を低減しつつ、キャビティの設計の自由度を向上できる。

本発明の一実施形態に係るエンジン構造が適用されたエンジンの部分断面図である。 前記実施形態に係るエンジンのピストンの斜視図である。 前記実施形態に係るピストンの外周面の部分拡大図である。 図３のＡ−Ａ断面図である。 前記実施形態に係るヘルムホルツ共鳴器の模式図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。

［第１実施形態］
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジン構造が適用されたエンジン１の部分断面図である。
エンジン１は、シリンダ２が形成されたシリンダブロック３と、シリンダ２内を往復動するピストン１０と、シリンダ２の上端を塞ぐシリンダヘッド４と、を備える。

図２は、ピストン１０の斜視図である。
ピストン１０は、上下方向に延びる円柱形状であり、ピストン１０の上面には、燃焼室となるキャビティ１１が形成されている。
また、このピストン１０の外周側面１０Ａには、シリンダヘッド４側から順に、第１ピストンリング２０、第２ピストンリング３０、およびオイルリング４０が設けられている。

図３は、ピストン１０の外周面の部分拡大図であり、図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。
第１ピストンリング２０は、隙間である合い口２１が設けられた環状である。
第２ピストンリング３０は、隙間である合い口３１が設けられた環状である。
オイルリング４０は、内側から外側に向かって押圧されて、シリンダ２の内壁面に押しつけられている。

ここで、シリンダ２とピストン１０との隙間には、第１ヘルムホルツ共鳴器５０Ａおよび第２ヘルムホルツ共鳴器５０Ｂが形成されている。
ヘルムホルツ共鳴器５０Ａ、５０Ｂは、構造的には、図５に示すように、細長い空間である首５１と、この首５１の一端側に設けられて首５１よりも大きい空間である胴５２と、で構成される。

具体的には、第１ヘルムホルツ共鳴器５０Ａは、第１ピストンリング２０の合い口２１を首５１とし、第１ピストンリング２０、第２ピストンリング３０、ピストン１０の外周面、およびシリンダ２の内周面で囲まれた円環状の空間を胴５２として、構成される。

第２ヘルムホルツ共鳴器５０Ｂは、第２ピストンリング３０の合い口３１を首５１とし、第２ピストンリング３０、オイルリング４０、ピストン１０の外周面、およびシリンダ２の内周面で囲まれた円環状の空間を胴５２として、構成される。

ここで、ヘルムホルツ共鳴器５０Ａ、５０Ｂのヘルムホルツ共鳴周波数ｆ（Ｈｚ）は、以下の式（１）で表される。式（１）において、音速をｃ（ｍ／ｓ）、首の断面積をＳ（ｍ^２）、胴の体積をＶ（ｍ^３）開口端補正後の首の長さをｌ´とする。

また、首の断面積Ｓは、首の半径（等価半径）をｒ（ｍ）として、以下の式（２）で表される。

また、開口端補正後の首の長さｌ´は、以下の式（３）で表される。式（３）において、首の長さをｌとする。

〔実施例〕
以下、実施例について説明する。
まず、エンジンの構造に基づいて、各ヘルムホルツ共鳴器の胴の体積Ｖを求める。
シリンダの内径をｄｓ（ｍ）、ピストンの外径をｄｐ（ｍ）、胴の高さをｔｐとする（図３および図４参照）。すると、胴の体積Ｖは、以下の式（４）により求められる。

次に、各ヘルムホルツ共鳴器の首の断面積Ｓを求める。
合い口の幅をｗ（ｍ）、合い口の奥行きをｄ（ｍ）とする（図３参照）。すると、首の断面積Ｓは、以下の式（５）により求められる。なお、合い口の高さは、首の長さをｌとなる。

例えば、燃焼室の複数の共鳴周波数（共鳴モード）のうちの１つ、ここでは１番目の共鳴周波数をｆｂとすると、第１ヘルムホルツ共鳴器のヘルムホルツ共鳴周波数ｆ_１がこの燃焼室の共鳴周波数ｆｂに略等しくなるようにする。
具体的には、以下のように設定する。

ｆｂ： ５４００（Ｈｚ）
音速ｃ： ８８０ｍ／ｓ
胴の高さ（第２ピストンリングから第１ピストンリングまでの距離）ｔｐ：２．１１ｍｍ
シリンダ内径ｄｓ： ９６．９ｍｍ
ピストン外径ｄｐ： ９６．１ｍｍ
合い口の高さｌ： ０．５ｍｍ
合い口の幅ｗ： ０．３ｍｍ
合い口の奥行きｄ： １．１３８５ｍｍ

すると、ヘルムホルツ共鳴周波数ｆ_１は、上述の式（１）〜（４）に従って以下のように求められる。
首の断面積Ｓ： ３．４１５５×１０^−７ｍ^２
胴の体積Ｖ： ２．５５８７×１０^−７ｍ^３
首の等価半径ｒ： ３．２９７２５×１０^−４ｍ
開口端補正後の首の長さｌ´： ８．９５６７×１０^−４ｍ
ヘルムホルツ共鳴周波数ｆ： ５４０６．８７１４６１Ｈｚ

よって、第１ヘルムホルツ共鳴器のヘルムホルツ共鳴周波数ｆ_１が燃焼室の共鳴周波数ｆｂに略等しくなることが判る。
また、第２ヘルムホルツ共鳴器のヘルムホルツ共鳴周波数ｆ_２が燃焼室の１番目の共鳴周波数ｆｂに略等しくなるようにする。
具体的には、以下のように設定する。

音速ｃ： ８８０ｍ／ｓ
シリンダ内径ｄｓ： ９６．９ｍｍ
ピストン外径ｄｐ： ９６．１ｍｍ
胴の高さ（オイルリングから第２ピストンリングまでの距離）ｔｐ：２．６２ｍｍ
合い口の高さｌ： ０．５ｍｍ
合い口の幅ｗ： ０．５ｍｍ
合い口の奥行きｄ： ０．９５ｍｍ

すると、ヘルムホルツ共鳴周波数ｆ_２は、式（１）〜（４）に従って以下のように求められる。
首の断面積Ｓ： ４．７５×１０^−７ｍ^２
胴の体積Ｖ： ３．２９５７９×１０^−７ｍ^３
首の等価半径ｒ： ３．８８８４１×１０^−４ｍ
開口端補正後の首の長さｌ´： ９．６６６０９×１０^−４ｍ
ヘルムホルツ共鳴周波数ｆ： ５４０８．０９９３３Ｈｚ

よって、第２ヘルムホルツ共鳴器のヘルムホルツ共鳴周波数ｆ_２が燃焼室の共鳴周波数ｆｂに略等しくなることが判る。

［本実施形態における効果］
以上説明したように、本実施形態におけるエンジン１によれば、ピストン１０の外周面とシリンダ２の内周面との隙間を利用して、ヘルムホルツ共鳴器５０Ａを構成した。したがって、このヘルムホルツ共鳴器５０Ａと燃焼室とのそれぞれの共鳴空間における共鳴モードが打ち消し合うので、燃焼騒音の音質を改善できる。
また、ピストン１０の外周面とシリンダ２の内周面との隙間を利用してヘルムホルツ共鳴器５０Ａを構成したので、キャビティの形状は特に限定されることはなく、キャビティの設計の自由度を向上できる。

第１ピストンリング２０と第２ピストンリング３０との間の空間だけでなく、第２ピストンリング３０とオイルリング４０との間の空間も利用して、ヘルムホルツ共鳴器５０Ｂを構成した。したがって、このヘルムホルツ共鳴器５０Ｂと燃焼室とのそれぞれの共鳴空間における共鳴モードが打ち消し合うので、燃焼騒音の音質をさらに改善できる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
例えば、本実施形態では、各ヘルムホルツ共鳴器５０Ａ、５０Ｂの共鳴周波数を、燃焼室の１番目の共鳴周波数と略同一としたが、これに限らず、燃焼室の２番目あるいは３番目の共鳴周波数と略同一としてもよい。

ｆ ヘルムホルツ共鳴周波数
ｃ 音速
Ｓ 首の断面積
ｌ´ 開口端補正後の首の長さ
Ｖ 胴の体積
ｒ 首の半径（等価半径）
ｌ 首の長さ（合い口の高さ）
ｔｐ 胴の高さ
ｄｓ シリンダの内径
ｄｐ ピストンの外径
ｗ 合い口の幅
ｄ 合い口の奥行き
ｆ_１ 第１ヘルムホルツ共鳴器のヘルムホルツ共鳴周波数
ｆ_２ 第２ヘルムホルツ共鳴器のヘルムホルツ共鳴周波数
ｆｂ 共鳴周波数
１ エンジン
２ シリンダ
３ シリンダブロック
４ シリンダヘッド
１０ ピストン
１０Ａ ピストンの外周側面
１１ キャビティ
２０ 第１ピストンリング
２１ 合い口
３０ 第２ピストンリング
３１ 合い口
４０ オイルリング
５０Ａ 第１ヘルムホルツ共鳴器
５０Ｂ 第２ヘルムホルツ共鳴器
５１ 首
５２ 胴

Claims (1)

1. シリンダと、当該シリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダを塞ぐシリンダヘッドと、を備えるエンジンの構造であって、
   前記ピストンの外周面には、前記シリンダヘッド側から順に、第１ピストンリング、第２ピストンリング、およびオイルリングが設けられ、
   前記第１ピストンリングは、第１合い口が設けられた環状であり、
   当該第１ピストンリングの第１合い口を首とし、前記第１ピストンリング、前記第２ピストンリング、ピストン外周面、およびシリンダ内周面で囲まれた空間を胴として、第１ヘルムホルツ共鳴器を構成し、
   前記第１ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数は、燃焼室の共鳴周波数と略同一であり、
   前記第２ピストンリングは、第２合い口が設けられた環状であり、当該第２ピストンリングの第２合い口を首とし、前記第２ピストンリング、前記オイルリング、ピストン外周面、およびシリンダ内周面で囲まれた空間を胴として、第２ヘルムホルツ共鳴器を構成し、
   前記第２ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数は、前記燃焼室の前記共鳴周波数と略同一であり、
   前記第１合い口と前記第２合い口とは、前記ピストンの周方向において異なる位置に設けられており、
   前記第１合い口の断面積は、前記第２合い口の断面積よりも小さく、前記第１合い口の首の長さと前記第１ヘルムホルツ共鳴器の胴の体積との積は、前記第２合い口の首の長さと前記第２ヘルムホルツ共鳴器の胴の体積との積よりも小さいことを特徴とするエンジン構造。