JP7339424B2 - V型8気筒エンジン - Google Patents
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Description
本実施形態に係るV型8気筒エンジン10(以下、本実施形態に係るエンジン10という。)は、図1A~図2に示すように、2つのバンク12、14のバンク角が60°であり、且つ、それぞれのバンク12、14に4つの気筒16が設けられたV型のエンジンである。本実施形態に係るエンジン10は、例えば、船外機用のエンジンに適用される。
第1実施例において、エンジン10は、クランクシャフト20と、2つのバンク12、14の気筒16の各々に配置された合計で8つのピストン28と、8つのピストン28とクランクシャフト20とを連結する合計で8つのコネクティングロッド30とを有する。それぞれのコネクティングロッド30は、対応するピストン28に設けられたピストンピン32に小端部30aが係合し、一方で、クランクシャフト20に設けられたクランクピン34に大端部30bが係合する。
第1実施例では、一次慣性偶力を相殺するため、上記のように主運動系26を構成することで、図5に示すように、主運動系26の1気筒分について、ピストンピン32側の質量である往復部質量mrecと、クランクピン34側の質量である回転部質量mrotとについて、回転部質量mrotが往復部質量mrecの-1/2である場合(mrot=(-1/2)×mrec)には、クランクシャフト20に対して、後述するウェイト40の付加を不要にしている。
第2実施例は、図6~図8に示すように、クランクシャフト20における一端部20aと他端部20bとの間のクランクピン34の配置等が第1実施例の場合とは異なる。
図9は、エンジン10における各気筒16の点火順序の一覧を示す説明図である。この点火順序(爆発間隔)の説明では、図2及び図6でエンジン10の回転が時計回りの方向を正転とすることに留意する。第1実施例及び第2実施例について、それぞれ、点火順序は、4つのパターン(A~D)が存在する。第1実施例が図2~図4のように構成され、第2実施例が図6~図8のように構成されるので、各気筒16の点火タイミングは、60°間隔、90°間隔及び120°間隔の組み合わせの不等間隔爆発となる。
次に、本実施形態に係るエンジン10において、エンジン10の回転によって主運動系26に発生する各種の力と、第1実施例及び第2実施例の各構成によって、これらの力を相殺することができることについて、図10~図18を参照しながら説明する。ここでは、必要に応じて、図1A~図9も参照しながら説明する。
先ず、図5の説明図を単気筒のエンジンの模式的構成とみなしたときに、該エンジンの回転によってクランクシャフト20に作用する主要な慣性力について説明する。ここで、前述の「機械工学便覧」(第13章 往復機械の力学、p.A3-142)の記載内容に基づけば、慣性力のX方向成分Fx及びY方向成分Fyは、次の(1)式及び(2)式で表わされる。
Fx=r×ω2×(mrec+mrot)×cosθ+(r2/L)×ω2
×mrec×cos2θ (1)
Fy=r×ω2×mrot×sinθ (2)
これに対して、本実施形態に係るエンジン10は、V型8気筒である。ここで、代表的に、第1実施例の構成において、エンジン10が回転した際に発生する力について説明する。
Fxb1=Fx11+Fx21+Fx31+Fx41
=(mrec+mrot)×r×ω2×cosθ
+(mrec+mrot)×r×ω2×cos(θ+270°)
+(mrec+mrot)×r×ω2×cos(θ+90°)
+(mrec+mrot)×r×ω2×cos(θ+180°)
=(mrec+mrot)×r×ω2×{cosθ
+cos(θ+270°)+cos(θ+90°)
+cos(θ+180°)}
=(mrec+mrot)×r×ω2×(cosθ+sinθ
-sinθ-cosθ)
=(mrec+mrot)×r×ω2×0
=0 (3)
Fyb1=0 (4)
次に、第1実施例の構成における二次慣性力について検討する。単気筒エンジンの場合、(2)式からも明らかなように、二次慣性力のY方向成分は発生しない。そのため、ここでは、一方のバンク12側について、該一方のバンク12の座標系における二次慣性力のXB1方向成分Fxb2のみ検討する。Fxb2は、上記(1)式に基づき、下記の(5)式で表わされる。
Fxb2=Fx12+Fx22+Fx32+Fx42
=(r/L)×mrec×r×ω2×cos2θ
+(r/L)×mrec×r×ω2×cos(2θ+540°)
+(r/L)×mrec×r×ω2×cos(2θ+180°)
+(r/L)×mrec×r×ω2×cos(2θ+360°)
=(r/L)×mrec×r×ω2×(cos2θ-cos2θ-cos2θ+cos2θ)
=0 (5)
次に、第1実施例の構成における二次慣性偶力について検討する。前述のように、一方のバンク12の座標系では、二次慣性力のYB1方向成分は発生しないので、二次慣性力のXB1方向成分によって発生するYB1軸回りのモーメントである二次慣性偶力Myb12を検討する。Myb12は、上記(1)式及び(5)式に基づき、下記の(6)式で表わされる。
Myb12=Fx12×L1+Fx22×L2+Fx32×L3
+Fx42×L4
=(r/L)×mrec×r×ω2×cos2θ×L1
+(r/L)×mrec×r×ω2×cos(2θ+540°)×L2
+(r/L)×mrec×r×ω2×cos(2θ+180°)×L3
+(r/L)×mrec×r×ω2×cos(2θ+360°)×L4
=(r/L)×mrec×r×ω2
×(cos2θ×L1-cos2θ×L2-cos2θ×L3
+cos2θ×L4)
=(r/L)×mrec×r×ω2
×(cos2θ×s-cos2θ×s)
=0 (6)
L1-L2=s (7)
-L3+L4=-s (8)
第2実施例の構成は、第1実施例の構成と比較して、#2及び#3のクランクピン34の配置と、#6及び#7のクランクピン34の配置とが入れ替わっているだけなので、第1実施例の構成と同様に、それぞれのバンク12、14内で一次慣性力、二次慣性力及び二次慣性偶力が釣り合う。従って、第2実施例の構成でも、一次慣性力、二次慣性力及び二次慣性偶力は発生しない。
これに対して、第1実施例及び第2実施例の各構成とも、一次慣性偶力は発生する可能性がある。ここで、第1実施例について、一方のバンク12側の一次慣性偶力に関し、一方のバンク12の座標系において、XB1軸回りのモーメントであるMxb11は、下記の(9)式で表わされる。
Mxb11=Fy11×L1+Fy21×L2+Fy31×L3
+Fy41×L4
=mrot×r×ω2×{sin(θ-30°)×L1
+sin(θ-30°+270°)×L2
+sin(θ-30°+90°)×L3
+sin(θ-30°+180°)×L4}
=-mrot×r×ω2×s
×{3×sin(θ-30°)-cos(θ-30°)}
(9)
L1-L4=3×s (10)
L2-L3=s (11)
A×sinφ+B×cosφ=(A2+B2)1/2×sin(φ+α)
(12)
Mxb11=-mrot×r×ω2×s×(32+12)1/2
×sin{θ-30°-tan-1(1/3)}
=-101/2×mrot×r×ω2×s
×sin{θ-30°-tan-1(1/3)} (13)
Myb11=Fx11×L1+Fx21×L2+Fx31×L3
+Fx41×L4
=(mrec+mrot)×r×ω2×
×{cos(θ-30°)×L1
+cos(θ-30°+270°)×L2
+cos(θ-30°+90°)×L3
+cos(θ-30°+180°)×L4}
=(mrec+mrot)×r×ω2×s
×{sin(θ-30°)+3×cos(θ-30°)}
(14)
A×sinφ+B×cosφ=(A2+B2)1/2×cos(φ-β)
(15)
Myb11=(mrec+mrot)×r×ω2×s×(12+32)1/2
×cos{θ-30°-tan-1(1/3)}
=101/2×(mrec+mrot)×r×ω2×s
×cos{θ-30°-tan-1(1/3)} (16)
Mxb21=Fy51×L5+Fy61×L6+Fy71×L7
+Fy81×L8
=-mrot×r×ω2×s×(sinθ+3×cosθ)
(17)
L5-L8=3×s (18)
L6-L7=s (19)
Mxb21=-101/2×mrot×r×ω2×s
×cos{θ-tan-1(1/3)} (20)
Myb21=Fx51×L5+Fx61×L6+Fx71×L7
+Fx81×L8
=-(mrec+mrot)×r×ω2×s
×(3×sinθ-cosθ) (21)
Myb21=-101/2×(mrec+mrot)×r×ω2×s
×sin{θ-tan-1(1/3)} (22)
X=x×cosφ-y×sinφ (23)
Y=x×sinφ+y×cosφ (24)
Mx11=Mxb11×cos(30°)-Myb11
×sin(30°)
=101/2×r×ω2×s×[-mrot
×sin{θ-30°-tan-1(1/3)}×cos(30°)
-(mrec+mrot)
×cos{θ-30°-tan-1(1/3)}×sin(30°)]
=101/2×r×ω2×s×[-mrot
×{sin{θ-30°-tan-1(1/3)}×cos(30°)
+cos{θ-30°-tan-1(1/3)}×sin(30°)}
-mrec×cos{θ-30°-tan-1(1/3)}
×(1/2)] (26)
sinα×cosβ+cosα×sinβ=sin(α+β) (27)
Mx11=101/2×r×ω2×s
×[-mrot×sin{θ-30°-tan-1(1/3)+30°}
-(1/2)×mrec×cos{θ-30°-tan-1(1/3)}]
=101/2×r×ω2×s×[-(1/2)×mrec
×cos{θ-30°-tan-1(1/3)}
-mrot×sin{θ-tan-1(1/3)}] (28)
Mx21=101/2×r×ω2×s×[(-1/2)×mrec
×sin{θ-tan-1(1/3)}-mrot
×cos{θ-tan-1(1/3)-30°}] (29)
My11=101/2×r×ω2×s×[(mrec+mrot)
×cos{θ-tan-1(1/3)}
+(1/2)×mrec×sin{θ-30°
-tan-1(1/3)}] (30)
My21=101/2×r×ω2×s×[-(mrec+mrot)
×sin{θ-30°-tan-1(1/3)}-(1/2)
×mrec×cos{θ-tan-1(1/3)}] (31)
Mx=Mx11+Mx21
=101/2×r×ω2×s×[(-1/2)×mrec
×cos{θ-30°-tan-1(1/3)}
-mrot×sin{θ-tan-1(1/3)}]
+101/2×r×ω2×s×[(-1/2)×mrec
×sin{θ-tan-1(1/3)}-mrot
×cos{θ-tan-1(1/3)-30°}]
=101/2×r×ω2×s×{(-1/2)×mrec-mrot}
×[cos{θ-30°-tan-1(1/3)}
+sin{θ-tan-1(1/3)}] (32)
cos(α-β)=cosα×cosβ+sinα×sinβ (33)
cos{θ-30°-tan-1(1/3)}
=cos{θ-tan-1(1/3)}×cos(30°)
+sin{θ-tan-1(1/3)}×sin(30°)
=cos{θ-tan-1(1/3)}×(31/2/2)
+sin{θ-tan-1(1/3)}×(1/2)
=(31/2/2)×cos{θ-tan-1(1/3)}
+(1/2)×sin{θ-tan-1(1/3)} (34)
Mx=101/2×r×ω2×s×{(-1/2)×mrec-mrot}
×[(31/2/2)×cos{θ-tan-1(1/3)}
+(3/2)×sin{θ-tan-1(1/3)}] (35)
Mx=101/2×r×ω2×s×{(3/2)2+(31/2/2)2}1/2
×(1/2)×2×{(-1/2)×mrec-mrot}
×sin[θ-tan-1(1/3)+30°]
=-(301/2/2)×r×ω2×s×(mrec+2×mrot)
×sin[θ-tan-1(1/3)+30°]
=(301/2/2)×r×ω2×s×(mrec+2×mrot)
×sin[θ+210°-tan-1(1/3)] (36)
My=My11+My12
=101/2×r×ω2×s×{(-1/2)×mrec-mrot}
×[sin{θ-30°-tan-1(1/3)}
-cos{θ-tan-1(1/3)}]
=(301/2/2)×r×ω2×s×(mrec+2×mrot)
×sin{θ+120°-tan-1(1/3)} (37)
Mxwt=(301/2/2)×r×ω2×s×(mrec+2×mrot)
×sin{θ+30°-tan-1(1/3)} (38)
Mywt=(301/2/2)×r×ω2×s×(mrec+2×mrot)
×sin{θ+300°-tan-1(1/3)} (39)
θwt=210°-tan-1(1/3)-180°
=30°-tan-1(1/3)
≒11.57° (40)
θwa=θwt+180°=11.57°+180°
=191.57° (41)
第2実施例の構成においても、第1実施例での一次慣性偶力の数式と同様の計算を行うと、クランクシャフト20に発生する一次慣性偶力は、(36)式及び(37)式に対して、位相を2×tan-1(1/3)だけずらせばよいことが分かる。すなわち、第1実施例と同様に、2つのバンク12、14の各成分を座標変換することで、下記の(42)式及び(43)式で表わすことができる。
Mx=(301/2/2)×r×ω2×s×(mrec+2×mrot)
×sin{θ+210°+tan-1(1/3)} (42)
My=(301/2/2)×r×ω2×s×(mrec+2×mrot)
×sin{θ+120°+tan-1(1/3)} (43)
θwt=210°+tan-1(1/3)-180°
=30°+tan-1(1/3)
≒48.43° (44)
θwa=48.43°+180°=228.43° (45)
次に、本実施形態に係るエンジン10について、クランクピン34のオフセットと一次慣性偶力との関係について説明する。図17に示すように、X軸と#1の気筒番号のクランクピン34との成す角度をθとし、一方のバンク12側のクランクピン34に対する他方のバンク14側のクランクピン34のオフセット角度をΨとする。本実施形態では、上述した第1実施例及び第2実施例の各構成を採用することにより、図18に示すように、Ψ=60°において、一次慣性偶力の振幅Mmagを0にすることができる。なお、一次慣性力、二次慣性力及び二次慣性偶力については、各バンク毎に0であるので、オフセット角度Ψを変更しても、常に0のままである。
Mx=(101/2/2)×r×ω2×s×mrec
×{2-2×cos(Ψ-60°)}1/2
×sin[θ-tan-1(1/3)-tan-1{sin(Ψ-60°)
/(1-cos(Ψ-60°))}-60°] (46)
My=(101/2/2)×r×ω2×s×mrec
×{2-2×cos(Ψ-60°)}1/2
×sin[θ-tan-1(1/3)-tan-1{sin(Ψ-60°)
/(1-cos(Ψ-60°))}+30°] (47)
Mmag=(101/2/2)×r×ω2×s×mrec
×{2-2×cos(Ψ-60°)}1/2 (48)
以上説明したように、本実施形態に係るエンジン10(V型8気筒エンジン)は、2つのバンク12、14のバンク角が60°であり、クランクシャフト20と、各バンク12、14の気筒16の各々に配置された8つのピストン28と、各ピストン28に設けられたピストンピン32に小端部30aが係合し、クランクシャフト20に設けられたクランクピン34に大端部30bが係合する8つのコネクティングロッド30とを有する。
Claims (7)
- 2つのバンク(12、14)のバンク角が60°であるV型8気筒エンジン(10)において、
クランクシャフト(20)と、
前記各バンクの気筒(16)の各々に配置された8つのピストン(28)と、
前記各ピストンに設けられたピストンピン(32)に小端部(30a)が係合し、前記クランクシャフトに設けられたクランクピン(34)に大端部(30b)が係合する8つのコネクティングロッド(30)と、
を有し、
それぞれのバンクについて、4つのピストンピンにコネクティングロッドを介して連結される4つのクランクピンのうち、前記クランクシャフトの一端部(20a)側のクランクピンと前記クランクシャフトの他端部(20b)側のクランクピンとは、前記一端部から視て、前記クランクシャフトを挟んで点対称に配置され、
前記一端部側のクランクピンと前記他端部側のクランクピンとの間の2つのクランクピンのうち、前記一端部寄りのクランクピンは、前記一端部側のクランクピンに対して270°ずらして配置されると共に、前記他端部寄りのクランクピンは、前記一端部側のクランクピンに対して90°ずらして配置され、
一方のバンクの前記一端部側のクランクピンに対して、他方のバンクの前記一端部側のクランクピンは、前記一端部から視て、60°オフセットされ、
前記一方のバンクの前記他端部側のクランクピンに対して、前記他方のバンクの前記他端部側のクランクピンは、前記一端部から視て、60°オフセットされ、
前記一方のバンクの前記一端部寄りのクランクピンに対して、前記他方のバンクの前記一端部寄りのクランクピンは、前記一端部から視て、60°オフセットされ、
前記一方のバンクの前記他端部寄りのクランクピンに対して、前記他方のバンクの前記他端部寄りのクランクピンは、前記一端部から視て、60°オフセットされている、V型8気筒エンジン。 - 2つのバンクのバンク角が60°であるV型8気筒エンジンにおいて、
クランクシャフトと、
前記各バンクの気筒の各々に配置された8つのピストンと、
前記各ピストンに設けられたピストンピンに小端部が係合し、前記クランクシャフトに設けられたクランクピンに大端部が係合する8つのコネクティングロッドと、
を有し、
それぞれのバンクについて、4つのピストンピンにコネクティングロッドを介して連結される4つのクランクピンのうち、前記クランクシャフトの一端部側のクランクピンと前記クランクシャフトの他端部側のクランクピンとは、前記一端部から視て、前記クランクシャフトを挟んで点対称に配置され、
前記一端部側のクランクピンと前記他端部側のクランクピンとの間の2つのクランクピンのうち、前記他端部寄りのクランクピンは、前記一端部側のクランクピンに対して270°ずらして配置されると共に、前記一端部寄りのクランクピンは、前記一端部側のクランクピンに対して90°ずらして配置され、
一方のバンクの前記一端部側のクランクピンに対して、他方のバンクの前記一端部側のクランクピンは、前記一端部から視て、60°オフセットされ、
前記一方のバンクの前記他端部側のクランクピンに対して、前記他方のバンクの前記他端部側のクランクピンは、前記一端部から視て、60°オフセットされ、
前記一方のバンクの前記一端部寄りのクランクピンに対して、前記他方のバンクの前記一端部寄りのクランクピンは、前記一端部から視て、60°オフセットされ、
前記一方のバンクの前記他端部寄りのクランクピンに対して、前記他方のバンクの前記他端部寄りのクランクピンは、前記一端部から視て、60°オフセットされている、V型8気筒エンジン。 - 請求項1又は2記載のV型8気筒エンジンにおいて、
前記各気筒の点火タイミングは、60°間隔、90°間隔及び120°間隔の組み合わせの不等間隔爆発である、V型8気筒エンジン。 - 請求項3記載のV型8気筒エンジンにおいて、
それぞれのバンクについて、4つの気筒の点火タイミングは、90°間隔、180°間隔及び270°間隔の組み合わせの不等間隔爆発である、V型8気筒エンジン。 - 請求項1~4のいずれか1項に記載のV型8気筒エンジンにおいて、
前記クランクシャフト、前記各ピストン及び前記各コネクティングロッドを含む主運動系(26)において、
前記ピストンピン側の質量である往復部質量と、前記クランクピン側の質量である回転部質量とについて、前記回転部質量が前記往復部質量の-1/2である場合には、前記クランクシャフトに対するウェイト(40)の付加が不要であり、
一方で、前記回転部質量が前記往復部質量の-1/2でない場合には、前記V型8気筒エンジンの回転時に前記クランクシャフトに発生する一次慣性偶力に釣り合うウェイトを前記クランクシャフトに付加する、V型8気筒エンジン。 - 請求項5記載のV型8気筒エンジンにおいて、
前記ウェイトは、前記クランクシャフトにおける前記各気筒に対応する箇所に振り分けて複数付加される、V型8気筒エンジン。 - 請求項1~6のいずれか1項に記載のV型8気筒エンジンにおいて、
当該V型8気筒エンジンは、船外機用のエンジンである、V型8気筒エンジン。
Applications Claiming Priority (1)
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