JP2021143656A - 内燃機関および車両 - Google Patents

Abstract

【課題】燃費を向上させることが可能な内燃機関および車両を提供する。【解決手段】内燃機関は、シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、シリンダボア内に往復移動可能に収容されるピストンと、回転可能なクランクジャーナルと、クランクジャーナルと接続され、ピストンと連結されるクランクピンとを有するクランクシャフトと、を備え、クランクジャーナルの直径は、シリンダボアの直径の０．６倍以下である。【選択図】図２

Description

本開示は、内燃機関および車両に関する。

従来、車両に搭載される内燃機関には、過給機によって空気を供給されるものが知られている。このような内燃機関は、シリンダボア内を往復運動するピストンに連結されるクランクピンと、クランクピンに接続される回転可能なクランクジャーナルとを有するクランクシャフト等の部品が設けられる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２９３７８０号公報

しかしながら、過給機を作動させることで、ポンピングロス等によるエネルギー損失が増大して、最終的に燃費が悪化するおそれがある。また、吸気の過給によって筒内作動ガス量が増加し、筒内最高圧力も上昇するため、上記の部品を大型化する必要が生じ、結果的に摩擦損失も増大して燃費がさらに悪化するおそれがある。

また、過給機を有さない自然吸気の構成においても、大排気量となる構成においては、比較的大型の部品が設けられるので、当該部品により摩擦損失が増大して燃費が悪化するおそれがある。

本開示の目的は、燃費を向上させることが可能な内燃機関および車両を提供することである。

本開示に係る内燃機関は、
シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、
前記シリンダボア内に往復移動可能に収容されるピストンと、
回転可能なクランクジャーナルと、前記クランクジャーナルと接続され、前記ピストンと連結されるクランクピンとを有するクランクシャフトと、
を備え、
前記クランクジャーナルの直径は、前記シリンダボアの直径の０．６倍以下である。

本開示に係る車両は、
上記の内燃機関を備える。

本開示によれば、燃費を向上させることができる。

本実施の形態に係る内燃機関の吸排気系を示す概略構成図である。 本実施の形態に係る内燃機関の構成の一部を示す図である。 排気量に対する摩擦力の関係を示す図である。 クランクジャーナルの直径と、シリンダボアの直径との関係性における従来の構成の例を示す図である。 クランクピンの直径と、シリンダボアの直径との関係性における従来の構成の例を示す図である。 ピストンのストローク量に対する、クランクジャーナルとクランクピンとのオーバーラップの関係性における従来の構成の例を示す図である。 排気量に対する摩擦損失の関係を示す図である。 排気量に対する、摩擦損失、ポンプ損失を除外した燃費率の関係を示す図である。 排気量に対する正味の燃費率の関係を示す図である。

以下、本実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本実施の形態に係る内燃機関１の吸排気系を示す概略構成図である。

図１に示すように、内燃機関１は、車両Ｖに搭載される、例えばディーゼルエンジンであり、自然吸気式の構成である。つまり、車両Ｖは、過給機が搭載されていない。また、車両Ｖは、トラック等の商用車である。

また、内燃機関１は、過給機が搭載された過給式の内燃機関よりも大きい排気量に対応したものである。

また、内燃機関１の排気系には、酸化触媒２やＤＰＦ（ディーゼルパーティキュレート・フィルタ）３、図示しないＳＣＲ（選択還元触媒：Selective Catalytic Reduction）等が設けられている。

図２に示すように、内燃機関１は、シリンダブロック１０と、ピストン２０と、コンロッド３０と、クランクシャフト４０とを有する。シリンダブロック１０には、ピストン２０が収容されるシリンダボア１１が合計４つ形成されている。図２には、１つのシリンダボア１１が示されている。

ピストン２０は、各シリンダボア１１のそれぞれに対応して合計４つ設けられており、クランクシャフト４０の回転により、シリンダボア１１内を往復移動する。

コンロッド３０は、各ピストン２０のそれぞれに対応して合計４つ設けられており、各ピストン２０とクランクシャフト４０（クランクピン）とを連結する。

クランクシャフト４０は、クランクジャーナル４１と、クランクピン４２と、クランクアーム４３とを有する。

クランクジャーナル４１は、水平方向に延びて構成されており、水平方向において各ピストン２０を挟む位置にそれぞれ設けられている。クランクジャーナル４１のうち、水平方向の両端に位置するピストン２０の外側に配置されたクランクジャーナル４１は、内燃機関１におけるクランクシャフト４０が設けられる部分の側壁に回転可能に軸支されている。

クランクピン４２は、クランクジャーナル４１と平行で、かつ、水平方向でクランクジャーナル４１とは異なる位置に配置されている。クランクピン４２は、コンロッド３０を介してピストン２０と連結されている。クランクアーム４３は、クランクジャーナル４１の水平方向の端部とクランクピン４２の水平方向の端部とを接続する。

このようにクランクシャフト４０が構成されることで、クランクジャーナル４１の回転により、ピストン２０がシリンダボア１１内を往復移動する。

また、クランクシャフト４０は、図３に示すように、内燃機関１の排気量に対する摩擦仕事の割合（摩擦平均有効圧）が、内燃機関１の排気量が大きくなるにつれ小さくなるように構成されていると良い。

摩擦力は、クランクジャーナル４１の回転によって発生する摩擦力である。当該摩擦力は、例えば、ピストン２０がシリンダボア１１内を往復移動することで発生する摩擦力、クランクジャーナル４１の内燃機関１の側壁との摺動部分で発生する摩擦力、コンロッド３０とクランクピン４２との摺動部分で発生する摩擦力等である。

従来の構成に係る内燃機関の各部品は、内燃機関１の排気量に対する摩擦力の割合が、排気量に関わらず一定になるように設計される。なお、ここでいう「一定」とは、どの排気量に関わらず同じ割合であるものの他、ある所定の摩擦力に対して上下動しているようなもの、排気量が大きくなるにつれ、僅かな傾きにより小さくなるようなもののような略一定のものも含まれる。

そのため、従来の構成（大排気量の構成）におけるクランクシャフトの構成例としては、例えば、図４に示すように、クランクジャーナルの直径が、シリンダボアの直径の０．６倍（破線Ｊ１）から０．７６倍（破線Ｊ２）の範囲になるように構成される。

また、図５に示すように、クランクピンの直径が、シリンダボアの直径の０．５倍（破線Ｐ１）から０．６５倍（破線Ｐ２）の範囲になるように構成される。

また、図６に示すように、クランクジャーナルとクランクピンとの軸間距離と、クランクジャーナルの半径とクランクピンの半径との和との差分であるオーバーラップの量がＲ（例えば、５ｍｍ）よりも大きくなるように構成される。図６における横軸は、ピストン２０のストローク量である。

また、一般的に、従来の構成における内燃機関の各部品は、大きな排気量が必要となるほど、その内燃機関の大きさ（排気量）に合わせて大きなものが用いられる。クランクシャフト等の部品が大型化すると、その分、摩擦力が大きくなるため、摩擦損失も大きくなって燃費の悪化につながる。排気量に対する摩擦力の割合を一定にすると、図７に示すように、排気量が大きくなるにつれ、摩擦損失が増大していくので、それによって燃費も悪化していく。

それに対し、本実施の形態では、クランクシャフト４０が内燃機関１の排気量に対する摩擦力の割合が、排気量が大きくなるにつれ小さくなるように内燃機関１を構成することで、摩擦損失を一定にすることができる。これにより、内燃機関１の排気量が大きくなることに起因する摩擦損失を低減し、ひいては燃費を向上させることができる。

ところで、過給機を有する車両においては、比較的小排気量となる領域においては燃費の観点から、過給機を有さない自然吸気の車両よりも優れているとされている。

例えば、図８に示すように、過給式の構成の場合、小排気量の領域では、自然吸気式の従来の構成よりも燃費率が大幅に良好であることが確認されている。図８に示す例では、ポンピングロス等によるエネルギー損失を除いた、排気量に対する燃費率の関係を示している。

また、図８に示す例では、自然吸気式の従来の構成は、大排気量に対応した構成を例示している。また、図８に示す燃費率においては、低下するほど燃費が良好になることを示している。

また、図８に示す例では、比較的大排気量の領域においては、過給式の構成も自然吸気式の従来の構成も燃費に差異がないことが確認されている。これは、自然吸気式の大排気量の内燃機関は、１気筒辺りの排気量が大きいので、熱損失が減少して燃費が向上するからである。

また、摩擦損失については、過給式の構成の場合、小排気量の内燃機関に対応しているため、クランクシャフト等の部品が比較的小型のものとなるので、摩擦損失が全体的に小さくなる。

それに対し、自然吸気式の従来の構成では、一般的に大排気量の構成に対応した、比較的大型の部品が設けられるため、摩擦損失が全体的に大きくなる。

そのため、摩擦損失を考慮すると、過給式の構成の方が、自然吸気式の従来の構成よりも全体として燃費の観点から優れているとされているのが一般的である。

しかしながら、自然吸気式における大排気量の内燃機関は、上述したように、１気筒辺りの排気量が大きいので、過給が不要であり、燃焼後の最高筒内圧力が低くなる。つまり、自然吸気式における大排気量の内燃機関に用いられるクランクシャフト等の部品は、さほど耐性を持たせる必要がないものと考えられる。

そのため、大排気量の領域において過給式の構成と同じ空気量を確保できれば、自然吸気式の内燃機関では、最高燃焼圧を大幅に低減できると考えられる。

すなわち、本実施の形態では、クランクシャフト４０を、自然吸気式の従来の構成と比較して小型化することができる。例えば、クランクシャフト４０を、比較的小排気量の過給式の内燃機関のものと同等のものとすることができる。

例えば、クランクジャーナル４１の直径およびクランクピン４２の直径の少なくとも一方が、排気量が大きくなるにつれ、上記割合が小さくなる長さを有するように構成される。

具体的には、クランクジャーナル４１の直径は、シリンダボア１１の直径の０．６倍未満（図４に示す破線Ｊ１より下の領域）の値から、第１下限値までの範囲である。第１下限値は、内燃機関１において設定される燃焼圧に耐え得る下限値等、当該燃焼圧に応じた値が適宜設定される。

クランクピン４２の直径は、シリンダボア１１の直径の半分未満（図５に示す破線Ｐ１より下の領域）の値から、第２下限値までの範囲である。第２下限値は、内燃機関１において設定される燃焼圧に耐え得る下限値等、当該燃焼圧に応じた値が適宜設定される。

また、クランクジャーナル４１とクランクピン４２との位置関係が、排気量が大きくなるにつれ、上記割合が小さくなる位置関係となる。具体的には、クランクジャーナル４１とクランクピン４２との軸間距離が、クランクジャーナル４１の半径とクランクピン４２の半径との和以上である。

具体的には、軸間距離は、上記和に等しい値から所定の上限値までの範囲である。つまり、クランクジャーナル４１とクランクピン４２とがオーバーラップ部分を有さないように構成される。所定の上限値は、クランクジャーナル４１の直径およびクランクピン４２の直径に応じて適宜設定される。

このように、本実施の形態では、クランクシャフト４０を小型化することができるので、摩擦損失を全体としてさらに低減することができ、ひいては燃費を向上させることができる。

また、内燃機関１における単位排気量当たりの仕事（平均有効圧力）が低く設定できるので、内燃機関１における負荷を全体として低下させることができる。そのため、例えば、ピストン２０およびコンロッド３０を軽量のものを用いることができる。また、オイルポンプやウォーターポンプ等の補機についても、大排気量の内燃機関１であっても小排気量に対応した小型のものを用いることができる。

また、図９に示すように、過給式の構成においては、摩擦損失の他、ポンピングロス等によるエネルギー損失があることから、これらの損失を加味すると、排気量が増大していくと、燃費が悪化していくことが確認されている。なお、自然吸気式の従来の構成も、所定の排気量に到達するまで燃費が良くなった後、同様に悪化していく。図９には、排気量に対する、各損失を加味した正味の燃費率を示している。

それに対し、本実施の形態では、上記のようにクランクシャフト４０が小型であるもの、ピストン２０およびコンロッド３０が軽量であるもの、補機も小排気量に対応した小型であるものを用いることにより、正味の燃費率を排気量が大きくなってもさらに低下させることができる。図９に示す例では、過給式の構成および自然吸気式の従来の構成よりも、排気量が大きい領域において、大幅に燃費率が低いことが実験的に確認されている。

このように本実施の形態によれば、排気量に対する摩擦力の割合が、排気量が大きくなるにつれ小さくなるようにクランクシャフト４０が構成されているので、内燃機関１における部品等を小型化することができる。その結果、排気量が大きい領域において大幅に燃費を向上させることができる。特に、本実施の形態では、クランクジャーナル４１の直径を、シリンダボア１１の直径の０．６倍未満とする、クランクピン４２の直径を、シリンダボア１１の直径の半分未満とする、および、クランクジャーナル４１とクランクピン４２との軸間距離を、クランクジャーナル４１の半径とクランクピン４２の半径との和以上とすることで、従来の構成よりも小型化することができ、ひいては大幅に燃費を向上させることができる。

また、自然吸気式における従来の構成と比較して、全体的に摩擦損失を低減することができるので、燃費を向上させることができる。

なお、上記実施の形態では、内燃機関１がディーゼルエンジンであったが、本開示はこれに限定されず、ディーゼルエンジン以外であっても良い。

また、上記実施の形態では、クランクジャーナル４１の直径が、シリンダボア１１の直径の０．６倍未満であり、クランクピン４２の直径が、シリンダボア１１の直径の半分未満であったが、本開示はこれに限定されない。例えば、クランクジャーナル４１の直径が、シリンダボア１１の直径の０．６倍以下であり、クランクピン４２の直径が、シリンダボア１１の直径の半分以下であっても良い。

また、上記実施の形態では、クランクジャーナル４１の直径、クランクピン４２の直径、および、クランクジャーナル４１とクランクピン４２との軸間距離の全てが上記の各関係を満たすように構成されていたが、本開示はこれに限定されない。例えば、クランクジャーナル４１の直径、クランクピン４２の直径、および、クランクジャーナル４１とクランクピン４２との軸間距離の少なくとも１つが上記の各関係を満たすようにしても良い。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本開示の内燃機関は、燃費を向上させることが可能な内燃機関および車両として有用である。

１ 内燃機関
２ 酸化触媒
３ ＤＰＦ
１０ シリンダブロック
１１ シリンダボア
２０ ピストン
３０ コンロッド
４０ クランクシャフト
４１ クランクジャーナル
４２ クランクピン
４３ クランクアーム

Claims (8)

1. シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、
   前記シリンダボア内に往復移動可能に収容されるピストンと、
   回転可能なクランクジャーナルと、前記クランクジャーナルと接続され、前記ピストンと連結されるクランクピンとを有するクランクシャフトと、
   を備え、
   前記クランクジャーナルの直径は、前記シリンダボアの直径の０．６倍以下である、
   内燃機関。
2. 前記クランクピンの直径は、前記シリンダボアの直径の半分以下である、
   請求項１に記載の内燃機関。
3. シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、
   前記シリンダボア内に往復移動可能に収容されるピストンと、
   回転可能なクランクジャーナルと、前記クランクジャーナルと接続され、前記ピストンと連結されるクランクピンとを有するクランクシャフトと、
   を備え、
   前記クランクピンの直径は、前記シリンダボアの直径の半分以下である、
   内燃機関。
4. 前記クランクジャーナルと前記クランクピンとの軸間距離は、前記クランクジャーナルの半径と前記クランクピンの半径との和以上である、
   請求項１〜３の何れか１項に記載の内燃機関。
5. シリンダボアが形成されたシリンダブロックと、
   前記シリンダボア内に往復移動可能に収容されるピストンと、
   回転可能なクランクジャーナルと、前記クランクジャーナルと接続され、前記ピストンと連結されるクランクピンとを有するクランクシャフトと、
   を備え、
   前記クランクジャーナルと前記クランクピンとの軸間距離は、前記クランクジャーナルの半径と前記クランクピンの半径との和以上である、
   内燃機関。
6. 前記内燃機関は、ディーゼルエンジンである、
   請求項１〜５の何れか１項に記載の内燃機関。
7. 請求項１〜６の何れか１項に記載の内燃機関を備える、
   車両。
8. 前記車両は、商用車である、
   請求項７に記載の車両。

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