JP2003020953A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関のシリンダの軸線方向の寸法を小型
化するとともに、内燃機関の混合気の燃焼時の等容度を
高めて熱効率を高める。 【解決手段】 シリンダ１４に摺動自在に嵌合するピス
トン１６を、第１コネクティングロッド１９を介して前
記シリンダ１４と同軸の補助シリンダ１５に摺動自在に
嵌合する補助ピストン１７に連結し、補助ピストン１７
に設けた中間ピン１８を２本の第２コネクティングロッ
ド３０，３２を介して左右のクランクシャフト半体２
４，２８に連結する。左右のクランクシャフト半体２
４，２８は、シリンダ１４のピストン１６摺動範囲の半
径方向外側に配置される。ピストン１４の上死点を基準
としたクランク角の増加量に対する燃焼室４２の容積の
増加量を小さく抑え、これにより混合気の燃焼時の等容
度を高めて熱効率を高めることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリンダに摺動自
在に嵌合するピストンをコネクティングロッドを介して
クランクシャフトに連接した内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７には従来の一般的な４サイクル単気
筒内燃機関が模式的に示される。

【０００３】この内燃機関Ｅは、シリンダ０１と、シリ
ンダ０１に摺動自在に嵌合するピストン０２と、シリン
ダ０１に結合されたシリンダヘッド０３と、シリンダ０
１に臨むシリンダヘッド０３の下面に形成された燃焼室
０４と、クランクシャフト０５と、ピストン０２をクラ
ンクシャフト０５に連接するコネクティングロッド０６
とを備える。そしてピストン０２はシリンダヘッド０３
とクランクシャフト０５とに挟まれた位置に配置され
る。

【０００４】図７（Ａ）はピストン０２が上死点にある
状態を示しており、このときのクランク角θは０°であ
る。図７（Ｃ）はピストン０２が下死点にある状態を示
しており、このときのクランク角θは１８０°である。
図７（Ｂ）はピストン０２が上死点および下死点の中点
にある状態を示しており、このときのクランク角θは９
０°にならず、９０°よりも小さい角度θａとなる。そ
の理由は、上死点および下死点ではコネクティングロッ
ド０６がシリンダ０１の軸線Ｌ１上にあるのに対し、前
記中点ではシリンダ０１の軸線Ｌ１に対してコネクティ
ングロッド０６が角度φだけ傾斜するからである。

【０００５】図６には上記内燃機関Ｅの上死点を基準と
したクランク角θと、上死点を基準としたピストン０２
の変位ｘとの関係が鎖線で示される。ここでピストン０
２の上死点および下死点間のストロークは２Ｒ（Ｒはク
ランク半径）である。図７（Ｂ）で説明したように、ピ
ストン０２が上死点および下死点の中央の中点（ピスト
ン０２の変位ｘがＲの点）にあるとき、クランク角θは
９０°よりも小さい角度θａとなる。それに対して実線
で示す正弦カーブ（ｘ＝Ｒｓｉｎ（θ−９０°）＋Ｒ）
では、ピストン０２が上死点および下死点の中点にある
とき、クランク角θは９０°となる。

【０００６】このように、従来の内燃機関Ｅでは、クラ
ンク角θに対するピストン０２の変位ｘの関係を示すラ
イン（鎖線参照）が、実線で示す正弦カーブよりも上側
に位置していることが分かる。このことは、膨張行程の
初期においてピストン０２が上死点から下降するとき、
クランク角θの増加量に対するピストン０２の変位ｘの
増加量が正弦カーブの特性に比べて大きいことを意味し
ている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図７に示す
従来の内燃機関Ｅは、クランクシャフト０５がシリンダ
０１の軸線Ｌ１方向の下方に配置されているため、エン
ジンＥが軸線Ｌ１方向に大型化するだけでなく、マスが
軸線Ｌ１方向に分散するという課題があった。

【０００８】また内燃機関Ｅの熱効率を高めるには、混
合気の燃焼時の等容度を高めることが望ましい。即ち、
ピストン０２の上死点近傍で混合気の燃焼が開始してピ
ストン０２が下降すると、ピストン０２の上方の燃焼室
０４の容積が増加するが、そのときのクランク角θの増
加量に対する燃焼室０４の容積の増加量が小さいほど前
記等容度が高められて熱効率が向上する。しかしながら
図７に示す従来の内燃機関Ｅでは、上死点からのクラン
ク角θの増加量に対する燃焼室０４の容積の増加量が大
きくなって等容度が低下するため、内燃機関Ｅの熱効率
を高める上で不利であった。

【０００９】本発明は前述の事情に鑑みてなされたもの
で、内燃機関のシリンダの軸線方向の寸法を小型化する
とともに、内燃機関の混合気の燃焼時の等容度を高めて
熱効率を高めることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１に記載された発明によれば、シリンダに摺
動自在に嵌合するピストンをコネクティングロッドを介
してクランクシャフトに連接した内燃機関において、シ
リンダのピストン摺動範囲の半径方向外側にクランクシ
ャフトを配置したことを特徴とする内燃機関が提案され
る。

【００１１】上記構成によれば、シリンダのピストン摺
動範囲の半径方向外側にクランクシャフトを配置したの
で、シリンダの軸線上であってピストン摺動範囲外にク
ランクシャフトを設けた従来の内燃機関に比べて、内燃
機関のシリンダの軸線方向の寸法を小型化するとともに
マスの集中化を図ることができる。

【００１２】また請求項２に記載された発明によれば、
請求項１の構成に加えて、コネクティングロッドは、ピ
ストンに一端を連結された第１コネクティングロッド
と、クランクシャフトに一端を連結された第２コネクテ
ィングロッドとからなり、第１コネクティングロッドの
他端および第２コネクティングロッドの他端をシリンダ
の軸線方向に移動する中間ピンを介して相互に連結した
ことを特徴とする内燃機関が提案される。

【００１３】上記構成によれば、コネクティングロッド
を、ピストン側に一端を連結した第１コネクティングロ
ッドとクランクシャフト側に一端を連結した第２コネク
ティングロッドに分割し、両コネクティングロッドの他
端をシリンダの軸線方向に移動する中間ピンを介して相
互に連結したので、シリンダの軸線上であってピストン
摺動範囲外にクランクシャフトを設けた従来の内燃機関
に比べて、ピストンの上死点を基準としたクランク角の
増加量に対する燃焼室の容積の増加量を小さく抑えるこ
とができ、これにより混合気の燃焼時の等容度を高めて
熱効率を高めることができる。

【００１４】また請求項３に記載された発明によれば、
請求項２の構成に加えて、クランクシャフトはシリンダ
を挟んで２分割された一対のクランクシャフト半体から
なり、各々のクランクシャフト半体を中間ピンの両端に
それぞれ第２コネクティングロッドを介して連結したこ
とを特徴とする内燃機関が提案される。

【００１５】上記構成によれば、シリンダを挟んで２分
割された一対のクランクシャフト半体を中間ピンの両端
にそれぞれ第２コネクティングロッドを介して連結した
ので、クランクシャフトがシリンダと干渉するのを回避
しながら、ピストンおよび第１、第２コネクティングロ
ッドの偏荷重が加わるのを回避して異常摩耗の発生を防
止することができる。

【００１６】また請求項４に記載された発明によれば、
請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、クラ
ンクシャフトにより駆動されるバランサー軸に設けたバ
ランサーウエイトをシリンダの周囲に配置したことを特
徴とする内燃機関が提案される。

【００１７】上記構成によれば、クランクシャフトに連
動して回転するバランサー軸に設けたバランサーウエイ
トをシリンダの周囲に配置したので、バランサーウエイ
トのマスをシリンダの周囲に集中して振動低減効果を高
めることができる。

【００１８】尚、実施例の第１コネクティングロッド１
９および第２コネクティングロッド３０，３２は本発明
のコネクティングロッドに対応し、実施例の左右のクラ
ンクシャフト半体２４，２８は本発明のクランクシャフ
トに対応する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、添
付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。

【００２０】図１〜図６は本発明の一実施例を示すもの
で、図１は自動二輪車用の内燃機関の水平断面図、図２
は図１の２−２線断面図、図３は図１の３−３線断面
図、図４は図２の４−４線断面図、図５は本発明の内燃
機関の作用の説明図、図６はクランク角θとピストン変
位ｘとの関係を示すグラフである。

【００２１】図１〜図４に示すように、自動二輪車用の
４サイクル単気筒エンジンＥは、左右に２分割された左
エンジンブロック１１および右エンジンブロック１２を
備えており、左右のエンジンブロック１１，１２間にシ
リンダブロック１３が挟持される。シリンダブロック１
３は、共通の軸線Ｌ１上に配置されたシリンダ１４およ
び補助シリンダ１５を備えており、シリンダ１４にはピ
ストン１６が摺動自在に嵌合するとともに、補助シリン
ダ１５には補助ピストン１７が摺動自在に嵌合する。

【００２２】補助ピストン１７の概略円筒状の本体部１
７ａの内部には一対の腕部１７ｂ，１７ｂを介して環状
の支持部１７ｃが設けられており、本体部１７ａを貫通
する２個の貫通孔１７ｄ，１７ｄと前記支持部１７ｃと
に中間ピン１８が嵌合する。中間ピン１８の両端は、補
助シリンダ１５に軸線Ｌ１方向に形成した一対のスリッ
ト１５ａ，１５ａに摺動自在に嵌合する。軸線Ｌ１方向
に延びる第１コネクティングロッド１９の上端がピスト
ンピン２０を介してピストン１６に連結され、第１コネ
クティングロッド１９の二股になった下端部が補助ピス
トン１７の内部において中間ピン１８に連結される。従
って、ピストン１６および補助ピストン１７は第１コネ
クティングロッド１９を介して一体に移動し、第１コネ
クティングロッド１９は揺動することなく常時軸線Ｌ１
上に位置している。

【００２３】左エンジンブロック１１と、その左側面に
結合される左カバー２１とに、２個のボールベアリング
２２，２３を介して左クランクシャフト半体２４が回転
自在に支持されるとともに、右エンジンブロック１２
と、その右側面に結合される右カバー２５とに、２個の
ボールベアリング２６，２７を介して右クランクシャフ
ト半体２８が回転自在に支持される。勿論、左クランク
シャフト半体２４および右クランクシャフト半体２８は
共通の軸線Ｌ２（図１参照）上に位置している。左クラ
ンクシャフト半体２４に設けたクランクピン２９と前記
中間ピン１８の左端とが第２コネクティングロッド３０
で連結され、同様に右クランクシャフト半体２８に設け
たクランクピン３１と前記中間ピン１８の右端とが第２
コネクティングロッド３２で連結される。

【００２４】左エンジンブロック１１および右エンジン
ブロック１２に結合されたシリンダヘッド４１には、ピ
ストン１６の頂面に臨む燃焼室４２と、燃焼室４２から
延びる吸気ポート４３および排気ポート４４と、吸気ポ
ート４３を開閉する吸気弁４５と、排気ポート４４を開
閉する排気弁４６とが設けられる。吸気ポート４３に
は、燃料噴射弁４７を備えた吸気管４８が接続され、ま
た燃焼室４２には点火プラグ４９が設けられる。

【００２５】シリンダヘッド４１とヘッドカバー５０と
に囲まれた動弁室５１にはカムシャフト５２が支持され
ており、このカムシャフト５２に設けた従動スプロケッ
ト５３は、左クランクシャフト半体２４に設けた駆動ス
プロケット５４にタイミングチェーン５５を介して接続
される。シリンダヘッド４１に設けた吸気ロッカーアー
ムシャフト５６に吸気ロッカーアーム５７の中間部が枢
支されており、この吸気ロッカーアーム５７の一端はカ
ムシャフト５２に設けた吸気カム５８に当接し、他端が
吸気弁４５のステムエンドに当接する。またシリンダヘ
ッド４１に設けた排気ロッカーアームシャフト５９に排
気ロッカーアーム６０の中間部が枢支されており、この
排気ロッカーアーム６０の一端はカムシャフト５２に設
けた排気カム６１に当接し、他端が排気弁４６のステム
エンドに当接する。

【００２６】左エンジンブロック１１および左カバー２
１には一対のボールベアリング６２，６３を介してバラ
ンサー軸６４が支持されるとともに、ボールベアリング
６５，６６を介して出力軸６７が支持される。左クラン
クシャフト半体２４に設けた第１ギヤ６８がバランサー
軸６４に設けた第２ギヤ６９に噛合し、バランサー軸６
４に設けた第３ギヤ７０が出力軸６７に設けた第４ギヤ
７１に噛合する。そしてバランサー軸６４の内端、つま
りシリンダ１４に隣接する位置に扇状のバランサーウエ
イト７２（図１および図３参照）が設けられる。第１ギ
ヤ６８および第２ギヤ６９は同一歯数であるため、バラ
ンサー軸６４は左クランクシャフト半体２４と同速度で
回転する。左カバー２１から突出する出力軸６７は、例
えばベルト式無段変速機の入力軸に接続される。

【００２７】右エンジンブロック１２および右カバー２
５には一対のボールベアリング７３，７４を介してバラ
ンサー軸７５が支持されており、右クランクシャフト半
体２８に設けた第５ギヤ７６がバランサー軸７５に設け
た第６ギヤ７７に噛合する。そしてバランサー軸７５の
内端、つまりシリンダ１４に隣接する位置に扇状のバラ
ンサーウエイト７８（図１および図２参照）が設けられ
る。第５ギヤ７６および第６ギヤ７７は同一歯数である
ため、バランサー軸７５は右クランクシャフト半体２８
と同速度で回転する。右クランクシャフト半体２８に
は、その回転数を検出するためのパルサー７９に対向す
る速度検出用ギヤ８０が設けられる。

【００２８】図２から明らかなように、上記構成のエン
ジンＥは、右エンジンブロック１２に設けた取付部１２
ａがエンジンハンガー８１，８２を介して車体フレーム
８３に支持される。

【００２９】次に、上記構成を備えた本発明の実施例の
作用について説明する。

【００３０】図５は本実施例の内燃機関Ｅを模式的に示
したもので、図７に示す従来の内燃機関に対応するもの
である。

【００３１】本実施例の内燃機関Ｅは、シリンダ１４
と、シリンダ１４に摺動自在に嵌合するピストン１６
と、シリンダ１４と同軸の補助シリンダ１５に摺動自在
に嵌合する補助ピストン１７と、ピストン１６および補
助ピストン１７を一体化する第１コネクティングロッド
１９と、シリンダヘッド４１にピストン１６に臨むよう
に形成された燃焼室４２と、左右のクランクシャフト半
体２４，２８と、補助ピストン１７を中間ピン１８を介
して左右のクランクシャフト半体２４，２８に連結する
２本の第２コネクティングロッド３０，３２とを備え
る。そして左右のクランクシャフト半体２４，２８は、
ピストン１６の半径方向外側に配置される。

【００３２】図５（Ａ）はピストン１６が上死点にある
状態を示しており、このときのクランク角θは０°であ
る。図５（Ｃ）はピストン１６が下死点にある状態を示
しており、このときのクランク角θは１８０°である。
図５（Ｂ）はピストン１６が上死点および下死点の中点
にある状態を示しており、このときのクランク角θは９
０°にならず、９０°よりも大きい角度θｂとなる。そ
の理由は、上死点および下死点では第２コネクティング
ロッド３０，３２がシリンダ１４の軸線Ｌ１上にあるの
に対し、前記中点ではシリンダ１４の軸線Ｌ１に対して
第２コネクティングロッド３０，３２が角度φだけ傾斜
するからである。尚、第１コネクティングロッド１９
は、ピストン１６および補助ピストン１７を一体化する
だけであり、常に軸線Ｌ１上にあって揺動することはな
い。

【００３３】図６には上記内燃機関Ｅの上死点を基準と
したクランク角θと、上死点を基準としたピストン１６
の変位ｘとの関係が破線で示される。ここでピストン１
６の上死点および下死点間のストロークは２Ｒ（Ｒはク
ランク半径）である。図５（Ｂ）で説明したように、ピ
ストン１６が上死点および下死点の中点（変位がＲの
点）にあるとき、クランク角θは９０°よりも大きい角
度θｂとなる。それに対して実線で示す正弦カーブで
は、ピストン１６が上死点および下死点の中点にあると
き、クランク角θは９０°となる。

【００３４】このように、本実施例の内燃機関Ｅでは、
クランク角θに対するピストン１６の変位ｘの関係を示
すライン（破線参照）が、実線で示す正弦カーブよりも
下側に位置しており、ｘ＜Ｒｓｉｎ（θ−９０°）＋Ｒ
が成立することが分かる。このことは、膨張行程におい
てピストンが上死点から下降するとき、クランク角θの
増加量に対するピストン１６の変位ｘの増加量が正弦カ
ーブの特性に比べて小さいことを意味している。

【００３５】前述したように、内燃機関Ｅの熱効率を高
めるには混合気の燃焼時の等容度を高めることが望まし
く、そのためには膨張行程で上死点からピストン１６が
下降するときに、クランク角θの増加量に対する燃焼室
４２の容積の増加量が小さいほど前記等容度が高められ
て熱効率が向上する。図６のグラフのクランク角θが０
°から１８０°までの膨張行程部分から明らかなよう
に、破線で示す本実施例の内燃機関Ｅの上死点からのピ
ストン１６の変位ｘは、鎖線で示す従来の内燃機関Ｅの
ピストン０２の変位ｘに比べて小さくなっており、従っ
て膨張行程における等容度が高められて熱効率が向上す
る。

【００３６】また第１、第２コネクティングロッド１
９，３０，３２に最も大きな荷重が加わる膨張行程にお
いて、補助ピストン１７は左右のクランクシャフト半体
２４，２８から遠ざかる方向に移動するため、第２コネ
クティングロッド３０，３２には従来の内燃機関Ｅとは
逆の引張荷重が作用する。このように第２コネクティン
グロッド３０，３２に引張荷重が加わることにより、圧
縮荷重が加わる場合に比べて強度上有利になり、これに
より第２コネクティングロッド３０，３２を細くして軽
量化を図ることができる。

【００３７】またシリンダ１４のピストン１６が摺動す
る範囲の半径方向外側に左右のクランクシャフト半体２
４，２８を配置したので、ピストン摺動範囲の外側にク
ランクシャフトを配置した従来の内燃機関Ｅに比べて、
内燃機関Ｅのシリンダ１４の軸線Ｌ１方向の寸法を小型
化するとともにマスの集中化を図ることができる。

【００３８】またクランクシャフトを左右のクランクシ
ャフト半体２４，２８に２分割してシリンダ１４の両側
に配置しても、シリンダ１４の両側に配置した２本の第
２コネクティングロッド３０，３２をそれぞれ左右のク
ランクシャフト半体２４，２８に連結することで、左右
のクランクシャフト半体２４，２８がシリンダ１４と干
渉するのを回避しながら、補助ピストン１７、ピストン
１６および第１、第２コネクティングロッド１９，３
０，３２に偏荷重が作用しないようにして異常摩耗の発
生を防止することができる。

【００３９】また左右のクランクシャフト半体２４，２
８に連動して回転するバランサーウエイト７２，７８を
シリンダ１４の周囲に配置したので、バランサーウエイ
ト７２，７８のマスをシリンダ１４の周囲に集中して振
動低減効果を高めることができる。

【００４０】以上、本発明の実施例を詳述したが、本発
明はその要旨を逸脱することなく種々の設計変更を行う
ことが可能である。

【００４１】例えば、実施例では自動二輪車用の内燃機
関Ｅを例示したが、本発明は多気筒を含む他の任意の用
途の内燃機関に対して適用することができる。

【００４２】また実施例のエンジンＥはシリンダ１４の
両側に左右のクランクシャフト半体２４，２８を備えて
いるが、左右のクランクシャフト半体２４，２８の何れ
か一方だけを備えるものであっても良い。

【００４３】また実施例では４サイクルの内燃機関Ｅを
例示したが、発明は頭上弁方式の２サイクルの内燃機関
に対しても適用することができる。

【００４４】

【発明の効果】以上のように請求項１に記載された発明
によれば、シリンダのピストン摺動範囲の半径方向外側
にクランクシャフトを配置したので、シリンダの軸線上
であってピストン摺動範囲外にクランクシャフトを設け
た従来の内燃機関に比べて、内燃機関のシリンダの軸線
方向の寸法を小型化するとともにマスの集中化を図るこ
とができる。

【００４５】また請求項２に記載された発明によれば、
コネクティングロッドを、ピストン側に一端を連結した
第１コネクティングロッドとクランクシャフト側に一端
を連結した第２コネクティングロッドに分割し、両コネ
クティングロッドの他端をシリンダの軸線方向に移動す
る中間ピンを介して相互に連結したので、シリンダの軸
線上であってピストン摺動範囲外にクランクシャフトを
設けた従来の内燃機関に比べて、ピストンの上死点を基
準としたクランク角の増加量に対する燃焼室の容積の増
加量を小さく抑えることができ、これにより混合気の燃
焼時の等容度を高めて熱効率を高めることができる。

【００４６】また請求項３に記載された発明によれば、
シリンダを挟んで２分割された一対のクランクシャフト
半体を中間ピンの両端にそれぞれ第２コネクティングロ
ッドを介して連結したので、クランクシャフトがシリン
ダと干渉するのを回避しながら、ピストンおよび第１、
第２コネクティングロッドの偏荷重が加わるのを回避し
て異常摩耗の発生を防止することができる。

【００４７】また請求項４に記載された発明によれば、
クランクシャフトに連動して回転するバランサー軸に設
けたバランサーウエイトをシリンダの周囲に配置したの
で、バランサーウエイトのマスをシリンダの周囲に集中
して振動低減効果を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】自動二輪車用の内燃機関の水平断面図

【図２】図１の２−２線断面図

【図３】図１の３−３線断面図

【図４】図２の４−４線断面図

【図５】本発明の内燃機関の作用の説明図

【図６】クランク角θとピストン変位ｘとの関係を示す
グラフ

【図７】従来の内燃機関の作用の説明図

【符号の説明】

１４ シリンダ １６ ピストン １８ 中間ピン １９ 第１コネクティングロッド（コネクティン
グロッド） ２４ 左クランクシャフト半体（クランクシャフ
ト） ２８ 右クランクシャフト半体（クランクシャフ
ト） ３０ 第２コネクティングロッド（コネクティン
グロッド） ３２ 第２コネクティングロッド（コネクティン
グロッド） ６４ バランサー軸 ７２ バランサーウエイト ７５ バランサー軸 ７８ バランサーウエイト Ｌ１ シリンダの軸線

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリンダ（１４）に摺動自在に嵌合する
   ピストン（１６）をコネクティングロッド（１９，３
   ０，３２）を介してクランクシャフト（２４，２８）に
   連接した内燃機関において、 シリンダ（１４）のピストン（１６）摺動範囲の半径方
   向外側にクランクシャフト（２４，２８）を配置したこ
   とを特徴とする内燃機関。
2. 【請求項２】 コネクティングロッド（１９，３０，３
   ２）は、ピストン（１６）に一端を連結された第１コネ
   クティングロッド（１９）と、クランクシャフト（２
   ４，２８）に一端を連結された第２コネクティングロッ
   ド（３０，３２）とからなり、第１コネクティングロッ
   ド（１９）の他端および第２コネクティングロッド（３
   ０，３２）の他端をシリンダ（１４）の軸線（Ｌ１）方
   向に移動する中間ピン（１８）を介して相互に連結した
   ことを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関。
3. 【請求項３】 クランクシャフト（２４，２８）はシリ
   ンダ（１４）を挟んで２分割された一対のクランクシャ
   フト半体（２４，２８）からなり、各々のクランクシャ
   フト半体（２４，２８）を中間ピン（１８）の両端にそ
   れぞれ第２コネクティングロッド（３０，３２）を介し
   て連結したことを特徴とする、請求項２に記載の内燃機
   関。
4. 【請求項４】 クランクシャフト（２４，２８）により
   駆動されるバランサー軸（６４，７５）に設けたバラン
   サーウエイト（７２，７８）をシリンダ（１４）の周囲
   に配置したことを特徴とする、請求項１〜請求項３の何
   れか１項に記載の内燃機関。