JP2018159374A - 部分的にオフセットしたピストンを有する内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの摩擦力を減らし、燃料消費量を減らすと共に、全体的な長さおよびユニットのコンパクトさを改善する。【解決手段】一連の平行シリンダを有し、これらのシリンダがコネクティングロッドとピストンを介してクランク駆動部の共通クランクシャフト軸受に連結された往復動式内燃機関であって、クランク機構のクランク軸軸受をシリンダ軸線に対してオフセットさせる。また、偶数気筒のシリンダを奇数気筒のシリンダに対してオフセットさせる。【選択図】図５

Description

本発明は、本発明は部分的にオフセットしたピストンを有する、短いエンジンを有する内燃機関に関するものである。

摩擦力を減らし、燃料消費量を減らすための公知方法の一つはクランク機構をオフセット（Schranken、ズラし）、中央のクランクシャフトに対してシリンダをオフセットさせることである。この場合、シリンダ軸線はクランクシャフトに対して数ミリメートルオフセットされる。

［非特許文献１］（ＭＴＺ５１（１９９０）１０，Ｓ．４１０ｆｆ）にはハウジングを短くしたＶＷのＶＲ６エンジンが記載されている。このＶＲ６エンジン用の対称クランク機構は［非特許文献２］（ＭＴＺ５２（１９９１）３，Ｓ．１００ｆｆ）に記載されている。このようなコンパクトなエンジンは［特許文献１］（ドイツ特許第ＤＥ１９７１６２７４Ｂ４号公報）でも公知である。

さらに、［非特許文献３］（ＭＴＺ６２（２００１）４，Ｓ．２８０ｆｆ）からビルドセット（geschrankt ausgefuhrt）設計されたコンパクトなＶおよびＷエンジンが公知である。このエンジンの欠点はピストンおよびヘッドが大きく傾いているのでクランクケースをドリルするのが困難なことにある。この場合、シリンダはシリンダクランクケースの上面に対して斜めになる。この設計の欠点はエンジン質量またはトルクのバランス補償にあり、傾斜シリンダおよび対応する特別な部品、例えばピストンおよびヘッドの精巧な処理を必要とする点にある。

製造性の点から、例えばシリンダ間距離および点火圧力を上げるためのウォータージャケットを設け、シリンダに肉厚を付けることの両方が必要である。一方、エンジン全体の長さすなわちユニットのコンパクトさも非常に重要な観点である。従って、シリンダ間の距離は正である。
一方、エンジンの全体的な長さおよびユニットのコンパクトさも非常に重要な観点であり、シリンダー間隔は可能な限り小さくする必要がある。

ドイツ特許第DE 197 16 274 B4号公報

ＭＴＺ５１（１９９０）１０，Ｓ．４１０ｆｆ ＭＴＺ５２（１９９１）３，Ｓ．１００ｆｆ ＭＴＺ６２（２００１）４，Ｓ．２８０ｆｆ

本発明の目的は上述の欠点を回避し、シリンダ間隔を最適化することにある。

上記の目的は、コネクティングロッドとピストンを介してクランクシャフト軸受に接続されたクランク機構を有する一連の平行シリンダを有する往復動式内燃機関において、クランク機構のクランクシャフト軸受をシリンダ軸線に対してオフセットすることによって達成される。

本発明で、クランク機構のオフセットを圧力側（Druckseite）に配置する。そうすることによってピストン側の力（Kolbenseitenkraften）とピストンシャフト摩擦（Kolbenschaftreibung）に利点がある。

本発明の別の有利な実施形態では、オフセットを背圧側（Gegendruckseite）に配置する。

本発明では、セカンド（第２）シリンダの全てまたはそのシリンダ軸をクランク軸受に対してオフセットすることができる。

セカンド（第２）シリンダのみをオフセットした場合には消費低減効果は半分になるが、エンジンの長さは短くすることができる。これはエンジンを機械の利用可能な設置スペース中に納めなければならない場合には決定的な利点となる。

本発明はさらに、内燃機関の長手方向に見た時にシリンダが正のオフセットと負のオフセットとを交互に有するものを提供する。この考え方の延長上としてシリンダに負のオフセットを与えることもできる。この場合にもエンジンを短くすることができる。

本発明の別の有利な実施形態では、内燃機関の長手方向に見てシリンダをクランクシャフトの中心に対して偏心して配置することが提供される。

本発明のさらなる発展形態では、ピストンピンがピストン中心面の外側に配置されるように、ピストンピンを介してコネクティングロッドに連結されたピストンを配置する。

本発明はさらに、ピストンピンが背圧側でピストン中心面の外側に配置されるように、ピストンピンを介してコネクティングロッドに連結されたピストンを配置する。

本発明の別の有利な実施形態では、ピストンピンが圧力側でピストン中心面の外側に配置されるように、ピストンピンを介してコネクティングロッドに連結されたピストンを配置する。

本発明の上記以外の利点および特徴は、以下に説明する実施形態から明らかになるであろう。

クランクオフセットとその摩擦の影響を示す図 無制限または均等間隔のクランク機構 第２シリンダセットを有するクランク駆動部 ［図３］の拡大図。 正と負のオフセットを有するクランクオフセット

［図１］に示すようなオフセットしたクランク駆動部では、クランクシャフトの軸線がシリンダの長手方向軸線上にはなく、横方向にずれて配置される。オフセットは圧力側または逆圧力側の方向に制限でき、圧力側のオフセットは正とみなされ、このオフセットによりクランク機構の移動および負荷の変化が生じる。ピストンの圧力側へのオフセットは、燃焼サイクル中のコネクティングロッドの傾斜をより小さくし、それによってピストン側の力、従って、ピストンステムの摩擦が低減される。これに対して、逆圧側のオフセットはピストンシャフトの摩擦を増加させる。ピストン中心面またはシリンダ中心面からのピストンピンの変位は軸線ズレ（Desaxierung）として説明される。ピストンが圧力側または逆圧側にどれだけオフセットしているかがピストンの軸線のズレで、圧力側の軸線ズレが正のオフセットである。軸線ズレはピストンピン軸のオフセット（Versatz der Kolbenbolzenachse）ともよばれる。オフセットと軸線ズレはピストンの移動に同じ影響を及ぼすので、オフセットと軸線ズレ（Die Schrankung und die Desaxierun）はピストンの移動の計算での常に一緒に考慮する必要がある。

ピストンの圧力側へのオフセットを「正」と定義する。
また、軸線ズレについては圧力側へのオフセットを「正」と定義する。

軸線ズレは運動ストロークにおけるオフセットに影響を与える。逆圧側の軸線ズレによってピストンはシリンダー中央でより多く移動し、ピストンリングの密封効果が向上し、トップランドの領域でのカーボン（Olkohle）の付着が防止される。このタイプの軸線ズレは熱的軸線ズレ（thermisches Desaxieren）とよばれる。圧力側の軸線ズレはピストンに追加のモーメントを発生させ、サウンドピング(Gerauschdesaxierung)と呼ばれる。これは摺動路材料(Gleitbahnkraft)のコースを変え、上死点（ＯＴ）の前にピストン位置変化(Anlagewechsel)が起こる。上死点（ＯＴ）の前の軸線ズレによってピストンにモーメントが働く。これによってピストンが傾斜運動し、上死点（ＯＴ）前に下部ピストンシャフトが圧力側に位置する。ピストン直径の０．５〜２％の軸線ズレでピストン位置変化がより早くなる。その結果、ピストンノイズ(Kolbenkippgerausch)を低減できる。軸線ズレはオフセットとは異なりミリメートルの１０分の１の範囲で実現される。しかし、オフセットおよび軸線ズレは単独でも、両方を組み合わせで行うことができる。従って、上記の効果を用途に応じて所望の方法で組み合わせることができる。クランク機構のオフセットと追加の軸線ズレが大きなカウンターロッド軌道中心からのピストンピンの距離に影響を与える。オフセットの方向に軸線ズレが行うと上記の距離は減少する。これは従来のクランク機構の動作へのアプローチである。従って、オフセット側への軸線ズレはオフセットの長さの短縮に対応し、従って、オフセットによって引き起こされる全ての変化を減少させる。オフセット方向と反対方向への軸線ズレはピストンピンとカウンターロッド軌道中心との間の距離の増加につながり、従って、クランク機構のオフセット効果を増加させる。

内燃機関のシリンダ間の距離はエンジンのいくつかのパラメータに影響を及ぼす。中でもエンジンの全長、部品の製造可能性、部品の耐久性、例えばシリンダクランクケースの耐久性を挙げることができる。

オフセットと軸線ズレとの組み合わせは軸線ズレの効果を利用して、ピストンピンに偏心力を導入する結果としてオフセット単独ではて達成することができないピストンリングのシール性を増加させ、ピストンノイズ(Kolbenkippgerausch)を低減させることができる。ピストンストロークの変化と上死点（ＯＴ）の前または後でのコネクティングロッド角の変化によって達成できる効果はピストンの軸線ズレの程度（Desaxierungsmsses）の幾何学的な限定によるもので、オフセットでは不可能である。ピストン／コンロッドでディーゼルエンジンの全摩擦量の約４０〜５０％を減らすことができる。

ピストン／コンロッドの摩擦はコンロッドの摩擦と、振り子運動の摩擦と、ピストンリング摩擦と、ピストンピンとシリンダライナ中のピストンシャフトの摩擦とから成る。ピストンステムの摩擦は摩擦係数の関数であり、従って、材料の組み合わせ、オイルの粘性、摺動速度およびピストンの法線力(Kolbennormalkraft)の関数であり、これはシリンダー圧力、各クランクシャフト位置に対するコネクティングロッドの傾斜時の振動質量の力から計算される。ピストン／コンロッドの全摩擦はシリンダ壁面上のピストンスカートの摩擦によって決まり、それはピストンの法線力と摩擦条件に依存する。このピストンの法線方向の力はガスの力と質量力との和および連結ロッドの傾き角度によって生じる。圧力側に設定すると上死点（ＯＴ）後にコンロッドのたわみが小さくなり、従って、膨張段階時のピストンの垂直力が減少する。コネクティングロッドの傾斜がより大きいので、圧縮時にはピストンの垂直力は増加する。摩擦を低減できる可能性はピストン上へのガス力と質量の力とに依存する。ピストンの法線力による摩擦に対する作用は負荷と速度に依存するピストンの質量力に対するガスの力の比とに応じて変化する。摩擦低減効果はシリンダー圧力が増加すると増加し、速度が増加すると減少する。全負荷運転ではオフセットを約１４ｍｍに設定することでピストン／コンロッドグループの摩擦ゲインを最大にすることができる。部分的負荷運転の場合には約８ｍｍのオフセットが最適な減少寸法である。従って、効果的な妥協案として１０〜１２ｍｍのオフセット量を使用することができる。

［図２］はオフセットが無いクランク駆動部すなわち一様な制限のあるクランク駆動部（gleichmassig geschrankten Kurbeltrieb）を示している。本発明では可能な最短長さを有する４気筒または６気筒のインラインエンジンを提案するが、それより大きなシリンダ間隔に対応するエンジンを製造することも可能である。クランクシャフト軸受はシリンダ間隔に基づいて小さくしなければならない。これはシリンダのシリンダ中心をクランクシュフトの中心に配置せずに数ミリメートルオフセットするようなシリンダ構成を有するシリンダクランクケースにすることによって実施できる。互いに隣接するシリンダのシリンダ中心はクランクシャフトの中心から互いにオフセットしているので、シリンダ直径間の距離はクランクシャフト軸受の軸受距離と比較して大きくなる。

［図３］に示したクランク機構ではセカンド（第２）シリンダの各々がオフセットされている。

［図４］は［図３］の拡大図を示し、配置を説明するためにエンジン長さを決定する軸受間距離は１２７ｍｍであるが、シリンダ間隔は１３０ｍｍを選択してある。

［図５］は正および負のオフセットカーブ、特にＡ−Ａ断面線に沿ったオフセットを示している。エンジンの長さに関しては軸受間距離が重要であり、製造および耐久性の観点からはシリンダ間隔が重要である。各シリンダーは互いに平行であるので、Ｖエンジンの場合にはエンジンをさらに滑らかにする必要はない。本発明では中央のクランクシャフトをオフセットシリンダによってセンタリングする必要はない。片側オフセットｚ.Ｂ。シリンダーバンク１のオフセットを＋１８ミリメートル、シリンダーバンク２のオフセットを−１０ミリメートルにすることで磨耗ロス技術（verlustreibungstechnische）に利点が得られる。［図５］の具体例では約２８ｍｍのシリンダのオフセットを上記のように分けることができる。シリンダヘッドおよびシリンダヘッドガスケットのシリンダ距離をより大きくすることで設計上の自由度が大きくなる。

Claims (9)

1. 一連の平行シリンダを有し、これらのシリンダがコネクティングロッドとピストンを介してクランク駆動部の共通クランクシャフト軸受に連結された往復動式内燃機関であって、クランク機構のクランク軸軸受がシリンダ軸線に対してオフセットしていることを特徴とする往復動式内燃機関。
2. 上記オフセットが圧力側に存在することを特徴とする請求項１に記載の往復動式内燃機関。
3. 上記オフセットが背圧側に存在することを特徴とする請求項１または２に記載の往復動式内燃機関。
4. セカンドシリンダの各々またはそのシリンダ軸線がクランク軸受に対してオフセットしていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の往復動式内燃機関。
5. 各シリンダが内燃機関の長手方向に見て正のオフセットと負のオフセットを交互に有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の往復動式内燃機関。
6. 各シリンダが内燃機関の長手方向に見てクランクシャフト軸受に対して中心から外れて配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の往復動式内燃機関。
7. ピストンピンがピストンの中心面の外側に位置するように、ピストンピンを介してコネクティングロッドに連結されたピストンが配置されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の往復動式内燃機関。
8. ピストンピンが背圧側でピストンの中心面の外側に位置するように、ピストンピンを介してコネクティングロッドに連結されたピストンが配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の往復動式内燃機関。
9. ピストンピンが圧力側でピストンの中心面の外側に位置するように、ピストンピンを介してコネクティングロッドに連結されたピストンが配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の往復動式内燃機関。

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