JPWO2005068872A1 - 乗物用直列4気筒エンジンおよびこのエンジンを搭載した乗物 - Google Patents
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Abstract
Description
3、56 クランク軸
6、58 偶力バランサ
12 第1のバランスウェイト
13 第2のバランスウェイト
21〜24クランクピン
21a,21b,22a,22b,23a,23b,24a,24b クランクウェブ半体
P1 第1仮想平面
P2 第2仮想平面
k=(M−Wrot・r/2)/(Wrec・r) …(1)
図1は本発明に係る直列4気筒エンジンの概略構成を示す側面図、図2はクランク軸と偶力バランサの平面図、図4はクランク軸とバランサの動作を説明するための断面図、図5はクランク軸を模式的に示す斜視図である。図6はクランク角度を示す図、図7は1次慣性力の変化を示すグラフ、図8は往復運動部分の構成を模式的に示す図、図9は合成偶力ベクトル(T)を説明するための斜視図、図10は各気筒の1次慣性力の合成ベクトル(a〜d)とエンジン全体の合成偶力ベクトルT(e)を説明するための図である。図11はクランクウェブのバランス率を示す斜視図である。
1次慣性力は、図7に示すように、ピストン28の往復動に対応するようにクランク軸3に作用する。図7は、各気筒の往復運動質量による1次慣性力の変化をX軸成分とY軸成分に分けて示す。今ピストン28に同方向であるX軸成分で考えると、同図に示すように、1番気筒のピストン28が上死点に位置しているとき(図7でA点)には4番気筒のピストン28が下死点(図7でB点)に位置しているから、これら両気筒の往復運動質量による1次慣性力は互いに打ち消し合う。これと同様に、2番気筒と3番気筒の往復運動質量による1次慣性力も互いに打ち消し合う。このため、このクランク軸3においては1次慣性力は理論上0になる。
各気筒の往復運動質量による2次慣性力F1〜F4は、図8に示すように各部の寸法、質量を定めると下記の式(1)〜(4)のように表される。図8において、mr=往復運動部分の質量(g)、L=コンロッド長(mm)、r=ピストンストローク/2(mm)、ω=2πN/60(rad)である。また、下記の式(1)〜(4)において、λ=コンロッド長/rである。
2次偶力は、図5に示すように、クランク軸3に2次慣性力F1〜F4が作用することにより生じるY軸回りのモーメントの総和である。前記Y軸とは、シリンダの軸線と平行なX軸と直交するとともに、クランク軸3の軸線と平行なZ軸と直交する方向に延びる軸のことをいう。なお、図5は、1番気筒のピストン28が上死点に位置している状態を示している。
FL=F1×d1−F2×d2+F3×d3−F4×d4=0
このため、このクランク軸3においては2次偶力は0になる。
クランク軸3に作用する1次偶力は、各クランクピン21〜24に作用する1次慣性力のベクトルの総和によって表すことができる。これを図9によって詳細に説明する。図9は、1番気筒のピストン28が上死点に位置している状態、すなわち1番気筒用クランクピン21がX軸(シリンダ軸線)上であって同図において上端に位置する瞬間の状態を描いてある。
k(1〜8)={M(1〜8)−M0/4}/Mr
={M(1〜8)−Wrot・r/4}/Wrec・rとなる。
全ての気筒において1次慣性力の合成ベクトルを一定(円)とするためのアンバランス量M1〜M8は、例えばM1〜M8=0.25×Mr+M0/4である。なお、M1とM4とが等しくなりかつM2とM3とが等しくなれば、一対のクランクウェブ半体のうち一方のバランス率kを0.25より小さくなるように形成し、他方のバランス率kをその分だけ大きくなるように形成することができる。
したがって、より一層コンパクトに直列4気筒エンジンを形成することができる。
D1=D4
D2=D3
D1L=D4R
D1R=D4L
D2L=D3R
D2R=D3L
k1L=k4R
k1R=k4L
k2L=k3R
k2R=k3L
今1番気筒について考える。x,y軸を図5,13のようにとり、Y軸を虚数軸とする。左右のウェブ半体21a、21bに作用するモーメントをM1L、M1R、気筒の中央に作用するモーメントM11(M1L、M1Rと逆向き)として次の式を得る。
M1L=iD1L{k1L・F・ei(θ+π)}
M11=iD1・F・cosθ
M1R=iD1R{k1R・F・ei(θ+π)}
2番〜4番気筒についてもθが変わるだけで同様に求められる。従ってこれらを4つの気筒に対して加算し式を整理することによりM(1)を求めることができる。
D1Lk1L+D1R・k1R=D1k1≡A …(2)
D2Lk2L+D2Rk2R=D2k2≡B …(3)
M(1)=(D1k1sinθ+D2k2cosθ)・2・F
+{D1(1−k1)cosθ+D2(k2−1)sinθ}2Fi…(4)
ここでk1=k2=0.5(バランス率50%)の時には
M(1)=(D1sinθ+D2cosθ)F+(D1cosθ+D2sinθ)Fi
…(5)
(k1L−0.25)/(0.25−k1R)=D1R/D2R …(6)
k1L=(k1R/k1L)(0.25−k1R)+0.25
A=0.25(D1R+D1R)
=0.25・2D1
=0.5D1
ここにAは(2)式で定義され、この式はk1=0.5であることを意味している。
(k2L−0.25)/(0.25−k2R)=D1R/D2R …(7)
が成立すればk2=0.5になる。よって(6)、(7)式が成立すればベクトルM(1)は円となる。図11のバランス率k1L、…、k4L、k4Rはこれらの(6)、(7)式に基づいて決めたものである。この場合k1L+k1R=0.452、k2L+k2R=0.374となり、クランクウェブ半体の重量は{1−(0.452+0.374)}=0.174となり、クランク軸はk1L=k1R=0.25とした場合に比べて約17%軽くできることが解る。
k=(M−Wrot・r/2)/(Wrec・r) …(1)
図1は本発明に係る直列4気筒エンジンの概略構成を示す側面図、図2はクランク軸と偶力バランサの平面図、図4はクランク軸とバランサの動作を説明するための断面図、図5はクランク軸を模式的に示す斜視図である。図6はクランク角度を示す図、図7は1次慣性力の変化を示すグラフ、図8は往復運動部分の構成を模式的に示す図、図9は合成偶力ベクトル(T)を説明するための斜視図、図10は各気筒の1次慣性力の合成ベクトル(a〜d)とエンジン全体の合成偶力ベクトルT(e)を説明するための図である。図11はクランクウェブのバランス率を示す斜視図である。
。
1次慣性力は、図7に示すように、ピストン28の往復動に対応するようにクランク軸3に作用する。図7は、各気筒の往復運動質量による1次慣性力の変化をX軸成分とY軸成分に分けて示す。今ピストン28に同方向であるX軸成分で考えると、同図に示すように、1番気筒のピストン28が上死点に位置しているとき(図7でA点)には4番気筒のピストン28が下死点(図7でB点)に位置しているから、これら両気筒の往復運動質量による1次慣性力は互いに打ち消し合う。これと同様に、2番気筒と3番気筒の往復運動質量による1次慣性力も互いに打ち消し合う。このため、このクランク軸3においては1次慣性力は理論上0になる。
各気筒の往復運動質量による2次慣性力F1〜F4は、図8に示すように各部の寸法、質量を定めると下記の式(1)〜(4)のように表される。図8において、mr=往復運動部分の質量(g)、L=コンロッド長(mm)、r=ピストンストローク/2(mm)、ω=2πN/60(rad)である。また、下記の式(1)〜(4)において、λ=コンロッド長/rである。
2次偶力は、図5に示すように、クランク軸3に2次慣性力F1 〜F4 が作用することにより生じるY軸回りのモーメントの総和である。前記Y軸とは、シリンダの軸線と平行なX軸と直交するとともに、クランク軸3の軸線と平行なZ軸と直交する方向に延びる軸のことをいう。なお、図5は、1番気筒のピストン28が上死点に位置している状態を示している。
FL=F1×d1−F2×d2+F3×d3−F4×d4=0
このため、このクランク軸3においては2次偶力は0になる。
クランク軸3に作用する1次偶力は、各クランクピン21〜24に作用する1次慣性力のベクトルの総和によって表すことができる。これを図9によって詳細に説明する。図9は、1番気筒のピストン28が上死点に位置している状態、すなわち1番気筒用クランクピン21がX軸(シリンダ軸線)上であって同図において上端に位置する瞬間の状態を描いてある。
k(1〜8)={M(1〜8)−M0/4}/Mr
={M(1〜8)−Wrot・r/4}/Wrec・rとなる。
全ての気筒において1次慣性力の合成ベクトルを一定(円)とするためのアンバランス量M1〜M8は、例えばM1〜M8=0.25×Mr+M0/4である。なお、M1とM4とが等しくなりかつM2とM3とが等しくなれば、一対のクランクウェブ半体のうち一方のバランス率kを0.25より小さくなるように形成し、他方のバランス率kをその分だけ大きくなるように形成することができる。
したがって、より一層コンパクトに直列4気筒エンジンを形成することができる。
D1=D4
D2=D3
D1L=D4R
D1R=D4L
D2L=D3R
D2R=D3L
k1L=k4R
k1R=k4L
k2L=k3R
k2R=k3L
今1番気筒について考える。x,y軸を図5,13のようにとり、Y軸を虚数軸とする。左右のウェブ半体21a、21bに作用するモーメントをM1L、M1R、気筒の中央に作用するモーメントM11(M1L、M1Rと逆向き)として次の式を得る。
M1L=iD1L{k1L・F・ei(θ+π)}
M11=iD1・F・cosθ
M1R=iD1R{k1R・F・ei(θ+π)}
2番〜4番気筒についてもθが変わるだけで同様に求められる。従ってこれらを4つの気筒に対して加算し式を整理することによりM(1)を求めることができる。
D1Lk1L+D1R・k1R=D1k1≡A …(2)
D2Lk2L+D2Rk2R=D2k2≡B …(3)
M(1)=(D1k1 sinθ+D2k2 cosθ)・2・F
+{D1(1−k1)cosθ+D2(k2−1)sinθ}2Fi …(4)
ここでk1=k2=0.5(バランス率50%)の時には
M(1)=(D1 sinθ+D2 cosθ)F+(D1 cosθ+D2 sinθ)Fi
…(5)
(k1L−0.25)/(0.25−k1R)=D1R/D2R …(6)
k1L=(k1R/k1L)(0.25−k1R)+0.25
A=0.25(D1R+D1R)
=0.25・2D1
=0.5D1
ここにAは(2)式で定義され、この式はk1=0.5であることを意味している。
(k2L−0.25)/(0.25−k2R)=D1R/D2R …(7)
が成立すればk2=0.5になる。よって(6)、(7)式が成立すればベクトルM(1)は円となる。図11のバランス率k1L、…、k4L、k4Rはこれらの(6)、(7)式に基づいて決めたものである。この場合k1L+k1R=0.452、k2L+k2R=0.374となり、クランクウェブ半体の重量は{1−(0.452+0.374)}=0.174となり、クランク軸はk1L=k1R=0.25とした場合に比べて約17%軽くできることが解る。
3、56 クランク軸
6、58 偶力バランサ
12 第1のバランスウェイト
13 第2のバランスウェイト
21〜24クランクピン
21a,21b,22a,22b,23a,23b,24a,24b クランクウェブ半体
P1 第1仮想平面
P2 第2仮想平面
Claims (11)
- 2つの気筒のクランクピンを180°の位相差をもって共通な第1仮想平面上に配置し、他の2つの気筒のクランクピンを180°の位相差をもって前記第1仮想平面と90°位相がずれた第2仮想平面上に配置したクランク軸を有する乗物用直列4気筒エンジンにおいて、
少なくとも2つの気筒のクランクウェブをクランクピンを挟んで対向する1対のクランクウェブ半体に分け、両クランクウェブ半体のバランス率をkL,kR(但しkL≠0.25、kR≠0.25)とし、クランク軸の長手方向の中心から各クランクウェブ半体までの距離をDL,DRとして、
(kL−0.25)/(0.25−kR)≒DR/DL
となるようにして、1次慣性偶力のベクトル軌跡が略円形となるように4つの気筒のクランクウェブを設定したクランク軸と、1次慣性偶力のベクトルを相殺する偶力ベクトルを発生する1次バランサとを備えることを特徴とする乗物用直列4気筒エンジン。 - 請求項1において、少なくとも一部の気筒に対して(kL+kR)を0.5より小とした直列4気筒エンジン。
- 請求項1において、少なくとも一部の気筒に対して(kL+kR)を0.5より大とした直列4気筒エンジン。
- 2つの気筒に対して請求項1の条件を満たし他の2つの気筒に対してはバランス率kL、kRを共に0.25とした請求項1の乗物用直列4気筒エンジン。
- クランク軸は、一端から順番に1〜4番気筒として、1番気筒と4番気筒のクランクピンが第1仮想平面上に位置し、2番気筒と3番気筒のクランクピンが第2仮想平面上に位置する請求項1〜3のいずれかの直列4気筒エンジン。
- クランク軸は、1番気筒と3番気筒のクランクピンが第1仮想平面上に位置し、2番気筒と4番気筒とのクランクピンが第2仮想平面上に位置する請求項1の直列4気筒エンジン。
- クランク軸は、1番気筒と2番気筒のクランクピンが第1仮想平面上に位置し、3番気筒と4番気筒とのクランクピンが第2仮想平面上に位置する請求項1の直列4気筒エンジン。
- 請求項5において、各気筒のクランクウェブ半体のバランス率kL、kRおよび距離DL,DRが1番気筒と4番気筒で対称であり、2番気筒と3番気筒で対称である直列4気筒エンジン。
- 請求項6または7において、距離DL,DRを1,4番気筒および2,3番気筒で対称にすると共に、クランクウェブ半体のバランス率kL、kRが任意に組合せた2つの気筒で対称である直列4気筒エンジン。
- 請求項1において、1次バランサはクランク軸と平行に配設され、バランスウェイトは2番気筒および3番気筒のクランクピンに対向する位置または1番気筒および4番気筒のクランクピンに対向する位置に配設されている直列4気筒エンジン。
- 請求項1に記載された乗物用4気筒エンジンを搭載したことを特徴とする乗物。
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PCT/JP2005/000215 WO2005068872A1 (ja) | 2004-01-14 | 2005-01-12 | 乗物用直列4気筒エンジンおよびこのエンジンを搭載した乗物 |
Publications (2)
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Family
ID=34792145
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP2005517031A Active JP4533846B2 (ja) | 2004-01-14 | 2005-01-12 | 乗物用直列4気筒エンジンおよびこのエンジンを搭載した乗物 |
Country Status (5)
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EP (1) | EP1710466B1 (ja) |
JP (1) | JP4533846B2 (ja) |
AT (1) | ATE548585T1 (ja) |
WO (1) | WO2005068872A1 (ja) |
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DE102010004589A1 (de) * | 2010-01-14 | 2011-07-21 | Audi Ag, 85057 | Reihen-Brenndraftmaschine mit Mehrgelenkskurbeltrieb sowie einer einzigen Ausgleichswelle zur Tilgung von Massenkräften zweiter Ordnung |
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