特許 6866996 エンジン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6866996

(24)【登録日】2021年4月12日

(45)【発行日】2021年4月28日

(54)【発明の名称】エンジン

(51)【国際特許分類】

   F02B 77/00 20060101AFI20210419BHJP

   F16F 15/26 20060101ALI20210419BHJP

【ＦＩ】

   F02B77/00 L

   F16F15/26 Q

   F16F15/26 F

   F16F15/26 A

   F02B77/00 J

【請求項の数】5

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2016-185647(P2016-185647)

(22)【出願日】2016年9月23日

(65)【公開番号】特開2018-48616(P2018-48616A)

(43)【公開日】2018年3月29日

【審査請求日】2019年8月6日

(73)【特許権者】

【識別番号】320011199

【氏名又は名称】株式会社石川エナジーリサーチ

(74)【代理人】

【識別番号】100147913

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 義敬

(74)【代理人】

【識別番号】100091605

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 敬

(74)【代理人】

【識別番号】100197284

【弁理士】

【氏名又は名称】下茂 力

(72)【発明者】

【氏名】石川 満

(72)【発明者】

【氏名】茅沼 秀高

【審査官】 北村 亮

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−０３８１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１４８００４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０２７７４１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開昭４９−１２９００６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭４８−０５１９０２（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 実開平０２−１１７４５４（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｂ ７７／００

Ｆ１６Ｆ １５／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

シリンダの内部で往復運動する１のみのピストンと、
前記ピストンの前記往復運動を回転運動に変換すると共に、クランクギアが取り付けられたクランクシャフトと、
一端側が前記ピストンに回転可能に連結され、他端側が前記クランクシャフトに回転可能に連結されたコネクティングロッドと、
前記クランクギアと互いに噛み合うバランサギアが取り付けられ、前記クランクシャフトと反対方向に同期して回転することで、前記クランクシャフトから発生する振動を低減するバランサシャフトと、を具備し、
前記クランクシャフトには、クランクピンとの位相角が１８０度となる箇所に第１バランスマスが形成され、
前記バランサシャフト周りには、前記第１バランスマスに対して対称的な位置に第２バランスマスが形成され、
前記バランサシャフト周りの慣性モーメントを、前記クランクシャフト周りの慣性モーメントに近似させ、
前記バランサシャフトに形成される前記第２バランスマスと、前記バランサギアに形成される前記第２バランスマスとは、前記ピストンを通過する軸に対して線対称と成るように配置されることで、前記ピストンを通過する軸周りの慣性偶力を釣り合わせることを特徴とするエンジン。

【請求項2】

前記バランサシャフトから連続して外部に導出する駆動シャフトで、外部の負荷を駆動することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。

【請求項3】

前記バランサシャフトと接続された前記駆動シャフトに取り付けられるフライホイルとを更に具備することを特徴とする請求項２に記載のエンジン。

【請求項4】

１つの前記シリンダおよび前記ピストンを備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載のエンジン。

【請求項5】

直列に配置された複数の前記シリンダおよび前記ピストンを有することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載のエンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動を低減するための機構を内蔵するエンジンに関する。特に本発明は、クランクシャフトの変動トルクに起因した振動を低減するエンジンに関する。

【背景技術】

【0002】

一般的なエンジンでは、ガソリン等の燃料を爆発させることでピストンを往復運動させ、この往復運動をクランクシャフトで回転運動に変換し、クランクシャフトに接続する駆動軸から回転トルクを外部に取り出している。このようなエンジンは、レシプロエンジンとも称されている。

【0003】

上記した構成のエンジンを運転すると、ピストンの往復運動およびクランクシャフトの回転運動等に起因して振動が発生するため、この振動を抑制するためにエンジンの内部にバランサシャフトが内蔵されていることがある。所謂偏心シャフトであるバランサシャフトが、クランクシャフトと共に回転することで、クランクシャフトから発生する振動を低減することが出来る。

【0004】

下記特許文献１にはエンジンのバランサ装置が記載されている。ここでは、エンジンのクランクケースの内部に、フライホイルが設けられたバランサシャフトが配設されており、このバランサシャフトは歯車を介してクランクシャフトに連結している。また、バランサシャフトには、バランスウェイトが形成されている。これにより、クランクシャフトと共に、バランサシャフトが回転することで、エンジンの振動が低減する効果を奏している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０００−２４８９６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、上記したバランサシャフトを有するエンジンでは、エンジンが駆動することで発生する一次慣性力を抑制する効果は奏していたが、エンジンの回転変動による変動トルクに起因した振動までも除去するものではなかった。

【0007】

具体的には、レシプロ型のエンジンでは、ピストンの往復運動をクランクシャフトで回転運動に変換しているが、ピストンが往復運動する速度は一定ではなく変動するので、ピストンにより回転するクランクシャフトの回転速度も変動することとなる。このことから、エンジンの内部にバランサシャフトを配置することで、エンジンにより発生する一次慣性起振力を除去することは可能となるが、クランクシャフトのトルクが時間的に変動することに伴う振動まで除去することは簡単ではない課題があった。

【0008】

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、一次慣性起振力を除去すると共に、クランクシャフトの変動トルクに起因した振動をも低減することができるエンジンを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明のエンジンは、シリンダの内部で往復運動する１のみのピストンと、前記ピストンの前記往復運動を回転運動に変換すると共に、クランクギアが取り付けられたクランクシャフトと、一端側が前記ピストンに回転可能に連結され、他端側が前記クランクシャフトに回転可能に連結されたコネクティングロッドと、前記クランクギアと互いに噛み合うバランサギアが取り付けられ、前記クランクシャフトと反対方向に同期して回転することで、前記クランクシャフトから発生する振動を低減するバランサシャフトと、を具備し、前記クランクシャフトには、クランクピンとの位相角が１８０度となる箇所に第１バランスマスが形成され、前記バランサシャフト周りには、前記第１バランスマスに対して対称的な位置に第２バランスマスが形成され、 前記バランサシャフト周りの慣性モーメントを、前記クランクシャフト周りの慣性モーメントに近似させ、前記バランサシャフトに形成される前記第２バランスマスと、前記バランサギアに形成される前記第２バランスマスとは、前記ピストンを通過する軸に対して線対称と成るように配置されることで、前記ピストンを通過する軸周りの慣性偶力を釣り合わせることを特徴とする。

【0010】

また、本発明のエンジンでは、前記バランサシャフトから連続して外部に導出する駆動シャフトで、外部の負荷を駆動することを特徴とする。

【0011】

また、本発明のエンジンでは、前記バランサシャフトと接続された前記駆動シャフトに取り付けられるフライホイルとを更に具備することを特徴とする。

【0012】

また、本発明のエンジンでは、１つの前記シリンダおよび前記ピストンを備えることを特徴とする。

【0013】

また、本発明のエンジンでは、直列に配置された複数の前記シリンダおよび前記ピストンを有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明のエンジンは、シリンダの内部で往復運動する１のみのピストンと、前記ピストンの前記往復運動を回転運動に変換すると共に、クランクギアが取り付けられたクランクシャフトと、一端側が前記ピストンに回転可能に連結され、他端側が前記クランクシャフトに回転可能に連結されたコネクティングロッドと、前記クランクギアと互いに噛み合うバランサギアが取り付けられ、前記クランクシャフトと反対方向に同期して回転することで、前記クランクシャフトから発生する振動を低減するバランサシャフトと、を具備し、前記クランクシャフトには、クランクピンとの位相角が１８０度となる箇所に第１バランスマスが形成され、前記バランサシャフト周りには、前記第１バランスマスに対して対称的な位置に第２バランスマスが形成され、 前記バランサシャフト周りの慣性モーメントを、前記クランクシャフト周りの慣性モーメントに近似させ、前記バランサシャフトに形成される前記第２バランスマスと、前記バランサギアに形成される前記第２バランスマスとは、前記ピストンを通過する軸に対して線対称と成るように配置されることで、前記ピストンを通過する軸周りの慣性偶力を釣り合わせることを特徴とする。従って、本発明では、クランクシャフトおよびバランサシャフト周りに第１バランスマスおよび第２バランスマスを形成することで一次慣性力を低減している。更に、バランサシャフト周りの慣性モーメントを、クランクシャフト周りの慣性モーメントに近似させることで、ピストンが往復運動することにより生じるクランクシャフトの変動トルクを減少させることが出来る。従って、エンジンの制震化を高いレベルで実現している。

【0015】

また、本発明のエンジンでは、前記バランサシャフトから連続して外部に導出する駆動シャフトで、外部の負荷を駆動することを特徴とする。従って、外部の負荷が有する慣性モーメントを、バランサシャフト周りの慣性モーメントとして用いることで、エンジンの内部に形成されるバランサシャフト周りの部品が大型化してしまうことを抑制することが出来る。

【0016】

また、本発明のエンジンでは、前記バランサシャフトと接続された前記駆動シャフトに取り付けられるフライホイルとを更に具備することを特徴とする。従って、比較的重量が大きいフライホイルを、バランサシャフト周りの慣性モーメントとして用いることで、エンジンの内部に形成されるバランサシャフト周りの部品が大型化してしまうことを抑制することが出来る。

【0017】

また、本発明のエンジンでは、１つの前記シリンダおよび前記ピストンを備えることを特徴とする。従って、１つのピストンを有する単気筒エンジンの場合は、ピストンおよびクランクシャフトから生じる振動等は大きくなる傾向にあるが、本発明の構成により、その振動等を低減することができる。

【0018】

また、本発明のエンジンでは、直列に配置された複数の前記シリンダおよび前記ピストンを有することを特徴とする。従って、直列多気筒エンジンで発生する振動を、本発明の構成にて効率的に低減することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施形態に係るエンジンを示す断面図である。

【図2】本発明の実施形態のエンジンに係る等価力学系を示す図である。

【図3】本発明の実施形態に係るエンジンのクランクシャフトを示す図である。

【図4】本発明の実施形態のエンジンに係る等価力学系を示す図である。

【図5】本発明の実施形態のエンジンに係る等価力学系を示す図である。

【図6】本発明の実施形態のエンジンを示す図であり、（Ａ）は等価力学系を示す図であり、（Ｂ）はクランクシャフトとバランサシャフトを示す平面図である。

【図7】本発明の実施形態のエンジンの一次慣性力を示す図であり、（Ａ）はクランクシャフトにバランスマスを形成しない場合を示し、（Ｂ）はクランクシャフトにバランスマスを形成した場合を示し、（Ｃ）はクランクシャフトおよびバランサシャフトにバランスマスを形成した場合を示している。

【図8】本発明の実施形態に係るエンジンを示す図であり、（Ａ）および（Ｂ）はエンジンの構成を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図を参照して本形態のエンジン１０の構成を説明する。以下の説明では、同一の構成を有する部位には同一の符号を付し、繰り返しの説明は省略する。また、以下の説明において、Ｘ方向はピストン１２が往復運動する方向であり、Ｙ方向は上方から見てピストン１２の中心を通過してＸ方向と直交する方向であり、Ｚ方向はクランクシャフト１４の回転軸に沿う方向である。

【0021】

図１を参照して、本形態のエンジン１０の概略構成を説明する。図１は、エンジン１０の内部を示す断面図である。ここに示すエンジン１０は、所謂４サイクル単気筒エンジンであり、シリンダ１１の内部で上下方向に沿って往復運動を行うピストン１２と、ピストン１２の往復運動を回転運動に変換するクランクシャフト１４と、ピストン１２およびクランクシャフト１４に回転可能に連結されたコネクティングロッド１３と、エンジン１０の振動を抑制するバランサシャフト１５と、を主要に具備している。エンジン１０は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程を繰り返すことで、クランクシャフト１４およびバランサシャフト１５を回転させる。また、エンジン１０は、シリンダ１１に導入された混合気に着火するためのスパークプラグ、シリンダ１１に空気を導入するためのバルブ、このバルブを駆動するためのバルブ駆動機構等を有している。

【0022】

クランクシャフト１４とバランサシャフト１５とは、クランクギア２２およびバランサギア２３を介して駆動的に接続されており、バランサシャフト１５が回転する方向は、クランクシャフト１４が回転する方向とは逆である。また、後述するように、本形態では、エンジン１０の出力トルクをバランサシャフト１５から外部に取り出しており、このようにすることで、クランクシャフト１４の変動トルクに起因する振動を低減する効果を得られる。

【0023】

本形態では、上記した構成を有するエンジン１０が運転される際に発生する振動を抑制するために、ピストン１２およびクランクシャフト１４からなる機構の動きに伴い発生する慣性力を以下のように検証している。

【0024】

先ず、単気筒エンジンを構成する主要な構成要素であるピストン１２、クランクシャフト１４およびコネクティングロッド１３に分けて、これらの慣性力を説明する。

【0025】

図２は本形態のエンジン１０の等価力学系を示す図である。この図を参照して、ピストン１２のＸ方向に沿う変位は以下の式で記述することができる。
Ｘ＝Ｒｃｏｓθ＋Ｌｃｏｓφ
＝Ｒ｛ｃｏｓθ＋（Ｌ／ρ）ｃｏｓφ｝
＝Ｒ｛ｃｏｓθ＋（Ｌ／ρ）（１−ρ^２ｓｉｎ²θ）^０．５｝

【0026】

尚、この式では、Ｌはコネクティングロッド１３の長さを示し、Ｒはクランクシャフト１４のクランク半径を示し、ρはクランク半径Ｒをコネクティングロッド１３の長さＬで除算した値であり、Ｘはピストン１２の変位であり、ωはクランクシャフト１４の回転速度であり、θはクランクシャフト１４の回転角であり、φはコネクティングロッド１３のＸ軸に対する傾斜角である。

【0027】

ここで、上記式に含まれる（１−ρ^２ｓｉｎ²θ）^０．５を級数展開してρ^３以上の項を無視すると以下の式となる。
Ｘ＝Ｒ｛１／ρ−ρ／４＋ｃｏｓθ＋（ρ／４）ｃｏｓ２φ｝
ここで速度ｄｘ／ｄｔおよび加速度ｄ^２ｘ／ｄｔ^２は以下のようになる。
ｄｘ／ｄｔ＝−Ｒω｛ｓｉｎθ＋（ρ／２）ｓｉｎ２θ｝
ｄ^２ｘ／ｄｔ^２＝−Ｒω^２(ｃｏｓθ＋ρｃｏｓ２θ)
上記のことから、Ｘ方向においてピストン１２に作用する慣性力は以下のようになる。
Ｆ_ＸＰ＝−Ｍ_Ｐｄ^２ｘ／ｄｔ^２＝Ｍ_ＰＲω^２(ｃｏｓθ＋ρｃｏｓ２θ)

【0028】

図３を参照して、次に、クランクシャフト１４に作用する慣性力を説明する。クランクシャフト１４は、半径方向に伸びるクランクアーム１８と、クランクアーム１８の外側端部に取り付けられるクランクピン１６とを有している。半径方向においてクランクシャフト１４に作用する慣性力Ｆ_ｒＣは次式で記述できる
Ｆ_ｒＣ＝Ｍ_ｃｐＲω^２＋２Ｍ_ｃａＲ_ｃａω^２
＝Ｍ_ｃＲω^２
但し、Ｍ_ｃ＝Ｍ_ｃｐ＋２（Ｒ_ｃａ／Ｒ）Ｍ_ｃａ
ここで、Ｍ_ｃｐはクランクピン１６の質量であり、Ｍ_ｃａはクランクアーム１８の質量であり、Ｍ_ｃはクランク等価質量であり、Ｒ_ｃａはクランクアーム１８の重心の軸からの距離である。

【0029】

図４を参照して、次に、コネクティングロッド１３に作用する運動エネルギＴは以下の式で記述される。
Ｔ＝Ｍ_Ｒ１（ｄｘ／ｄｔ）^２／２＋Ｍ_Ｒ２（Ｒｄθ／ｄｔ）^２／２＋Ｉ_ｅ（ｄφ／ｄｔ）^２／２
また、Ｍ_Ｒ１＝(Ｂ／Ｌ)Ｍ_Ｒ、Ｍ_Ｒ２＝(Ａ／Ｌ)Ｍ_Ｒ、Ｉ_ｅ＝Ｉ−ＡＢＭ_Ｒ である。

【0030】

ここで、Ａはコネクティングロッド１３の重心Ｇとピストン１２との間の距離を示し、Ｂはコネクティングロッド１３の重心Ｇとクランクピン１６との間の距離を示し、Ｍ_Ｒ１はコネクティングロッド１３の往復質量を示し、Ｍ_Ｒ２はコネクティングロッド１３の回転質量を示し、Ｍ_Ｒはコネクティングロッド１３の質量を示し、Ｉｅはコネクティングロッド１３の等価慣性モーメントを示し、Ｉはコネクティングロッド１３の重心周り慣性モーメントを示している。

【0031】

運動エネルギＴを算出する上記式において、第１項はピストン１２と同一速度で運動する質点Ｍ_Ｒ１のＸ方向往復運動を示し、第２項はクランクピン１６と同一速度で運動する質点Ｍ_Ｒ２の円運動を示し、第３項は慣性モーメントＬ_ｅの回転運動を示している。

【0032】

図５は、以上の検討から導き出される単気筒エンジンの等価力学系を示している。単気筒エンジンの往復質量Ｍ_Ａおよび往復質量Ｍ_Ｂは次式で記述される。
Ｍ_Ａ＝Ｍ_Ｐ＋Ｍ_Ｒ１
Ｍ_Ｂ＝Ｍ_Ｃ＋Ｍ_Ｒ２
ここで、コネクティングロッド１３の等価慣性モーメントＩｅによる回転成分を微小として無視すれば、慣性力の往復成分Ｆ_Ａおよび回転成分Ｆ_Ｂは以下のように記述される。
Ｆ_Ａ＝Ｍ_ＡＲω^２(ｃｏｓθ＋ρｃｏｓ２θ)
Ｆ_Ｂ＝Ｍ_ＢＲω^２

【0033】

上記の慣性力をＸ方向成分Ｆ_ＸおよびＹ方向Ｆ_Ｙに分解すると以下のようになる。
Ｆ_Ｘ＝Ｆ_Ａ＋Ｆ_Ｂｃｏｓθ
＝Ｒω^２{（Ｍ_Ａ＋Ｍ_Ｂ)ｃｏｓθ＋ρＭ_Ａｃｏｓ２θ｝
Ｆ_Ｙ＝Ｆ_Ｂｓｉｎθ
＝Ｍ_ＢＲω^２ｓｉｎθ

【0034】

次に、クランクシャフト１４にバランスマス２８（第１バランスマス）を取り付ける事項に関して説明する。

【0035】

この図５を参照して、本形態では、クランクシャフト１４が回転することで発生する一次慣性力を減少させるために、クランクシャフト１４にバランスマス２８を取り付けている。

【0036】

クランクシャフト１４に質量がＭ_Ｕのバランスマス２８を取り付けた場合、慣性力のＸ方向成分Ｆ_ＸおよびＹ方向Ｆ_Ｙは以下の式で記述される。
Ｆ_Ｘ＝Ｍ_ＡＲω^２ｃｏｓθ＋Ｍ_ＢＲω^２ｃｏｓθ＋Ｍ_ＵＲω^２ｃｏｓ（θ−β）
Ｆ_Ｙ＝Ｍ_ＢＲω^２ｓｉｎθ＋Ｍ_ＵＲω^２ｓｉｎ（θ−β）

【0037】

ここで、上記した位相角βを１８０度とし、Ｍ_Ｕを（１／２）Ｍ_Ａ＋Ｍ_Ｂとすれば、上記した回転質量分はキャンセルされ、以下に示すように往復質量由来のＸ方向およびＹ方向の慣性力により、慣性力楕円は最小半径の真円形状となる。
Ｆ_Ｘ＝（１／２）Ｍ_ＡＲω^２ｃｏｓθ
Ｆ_Ｙ＝−（１／２）Ｍ_ＡＲω^２ｓｉｎθ

【0038】

図６（Ａ）を参照して、本形態では、エンジン１０の一次慣性力を更に除去するために、バランサシャフト１５周りにバランスマス２１（第２バランスマス）を形成している。ここでは、バランサシャフト１５に、クランクシャフト１４と同一の形状および質量を有する仮想的な仮想クランクシャフト２４を形成した場合を示している。仮想クランクシャフト２４は、ギアの歯合などによりクランクシャフト１４と駆動的に連結されており、クランクシャフト１４と同じ回転速度で逆方向に回転する。

【0039】

上記したように、バランスマス２８の質量は、（１／２）Ｍ_Ａ＋Ｍ_Ｂであり、クランクピン１６との位相角βは１８０度である。一方、仮想クランクシャフト２４に形成されるバランスマス２１の質量は（１／２）Ｍ_Ａとされている。クランクシャフト１４に形成されるバランスマス２８と、仮想クランクシャフト２４に形成されるバランスマス２１との位置関係は対称的とされている。具体的には、バランスマス２８とバランスマス２７との位置関係は、クランクシャフト１４の回転中心と仮想クランクシャフト２４の回転中心との中央に垂直に規定された仮想線３０に対して線対称となっている。

【0040】

ここで、上記したバランスマス２８は紙面ではクランクシャフト１４の外周部に形成されているが、これは模式的に重心位置を示しているものである。実際には、バランスマス２８は、クランクシャフト１４の半径方向における中間部分に一定の分布を持って形成される。係る事項は、仮想クランクシャフト２４に形成されるバランスマス２１に関しても同様である。

【0041】

このように、バランサシャフト１５に仮想クランクシャフト２４を規定し、この仮想クランクシャフト２４の所定箇所にバランスマス２１を形成することで一次慣性力を相殺することができる。具体的には、クランクシャフト１４に質量（１／２）Ｍ_Ａ＋Ｍ_Ｂのバランスマス２８を形成することにより残存する一次慣性力Ｆ_ＸとＦ_Ｙに対し、仮想クランクシャフト２４のバランスマス２１による慣性力は大きさが等しく方向が反対となっていることから、Ｘ方向およびＹ方向の一次慣性力をすべて除去することができる。

【0042】

図６（Ｂ）参照して、上記した低振動対策が施されたエンジン１０の構成を説明する。この図はエンジン１０のクランクシャフト１４およびバランサシャフト１５等を上方から見た図である。

【0043】

エンジン１０の内部には、クランクシャフト１４の回転軸と、バランサシャフト１５の回転軸が、互いに平行となるように配置されている。

【0044】

クランクシャフト１４には、質量が（１／２）Ｍ_Ａ＋Ｍ_Ｂのバランスマス２８が形成されている。Ｙ軸に関して対称に２つの等質量なバランスマス２８を形成することで、Ｘ軸およびＹ軸周りの慣性偶力を釣り合わせることができる。

【0045】

バランサシャフト１５周りには、バランスマス２１が形成されている。バランスマス２１は、バランサギア２３のみに形成してもよいが、ここでは、バランサシャフト１５およびバランサギア２３にバランスマス２１を形成している。また、バランサシャフト１５に形成されるバランスマス２１と、バランサギア２３に形成されるバランスマス２１とは、Ｙ軸に対して線対称と成るように配置されており、このようすることで、Ｙ軸周りの慣性偶力を釣り合わせることができる。

【0046】

クランクシャフト１４に取り付けられているクランクギア２２と、バランサシャフト１５に取り付けられているバランサギア２３は、直径および歯数が同等である。従って、エンジン１０を稼働させると、クランクギア２２とバランサギア２３とは、等しい回転速度で互いに逆方向に回転するようになる。よって、一次慣性力の大部分を除去することができる。

【0047】

バランサギア２３に形成されるバランスマス２１は、例えば、バランサギア２３を部分的に厚くした肉厚部である。また、バランサギア２３に肉薄部または肉抜き部を形成することで、バランスマス２１を形成することができる。

【0048】

図７のグラフを参照して、上記したバランスマス２８等をクランクシャフト１４に取り付けることによる効果を説明する。このグラフでは、横軸はＸ軸に沿う一次慣性力の大きさを示し、横軸はＹ軸に沿う一次慣性力の大きさを示している。

【0049】

図７（Ａ）はクランクシャフト１４にバランスマス２８が形成されていない場合の慣性力楕円を示している。この場合は、Ｘ方向においても、Ｙ方向においても、一次慣性楕円が大きくなり、エンジン１０が稼働することに伴い、大きな振動が発生することになる。

【0050】

一方、図７（Ｂ）はクランクシャフト１４にバランスマス２８を形成した場合の慣性力楕円を示している。ここでは、上記したβを１８０度とし、Ｍ_Ｕを（１／２）Ｍ_Ａ＋Ｍ_Ｂとしている。このようにすることで、一次慣性楕円は、Ｘ方向においても、Ｙ方向においても、小さくなり、エンジン１０が稼働することに伴い発生する振動が大きく減少している。上記のようにクランクシャフト１４の所定箇所に所定質量を有するバランスマス２８を形成することで、エンジン１０を稼働することで発生する一次慣性力の大部分を除去することができる。

【0051】

図７（Ｃ）に、図６に示したバランスマス２８とバランスマス２１が設けられたエンジン１０で発生する一次慣性力を示す。このグラフに示すように、バランスマス２８とバランスマス２１が設けられたエンジン１０では、Ｘ軸においても、Ｙ軸においても、一次慣性力は殆ど発生しない。よって、理論的には、上記のように構成することでエンジン１０の振動を極めて小さくすることが出来る。

【0052】

しかしながら、エンジン１０では、シリンダ１１の内部で生じる爆発力でピストン１２を往復運動させ、この往復運動をクランクシャフト１４で回転運動に変換している。従って、クランクシャフト１４から外部に出力されるトルクは、時間軸に対して一定ではなく周期的に変動している。特に、１つのみのピストン１２を有する単気筒エンジンの場合は、時間軸に対するトルクの変動量が大きくなり、それに伴う振動が生じる。

【0053】

本形態では、時間軸に対するトルクの変動量を低減するために、バランサシャフト１５周りの慣性モーメントを、クランクシャフト１４周りの慣性モーメントに近似させ、両者の大きさを同一または略同一としている。このようにすることで、次式で示すように、クランクシャフト１４の回転速度が変化することで発生する変動トルクを、バランサシャフト１５の回転速度が変化することで発生する逆方向の変動トルクで相殺できる。よって、クランクシャフト１４の変動トルクに起因した振動を抑止することが出来る。

【0054】

Ｉ_ＣＲｄω／ｄｔ＋Ｉ_ＢＬｄω／ｄｔ＝０
ここで、Ｉ_ＣＲはクランクシャフト１４の慣性モーメントであり、Ｉ_ＢＬはバランサシャフト１５の慣性モーメントである。

【0055】

一般的に、バランサシャフト１５の慣性モーメントは、クランクシャフト１４の慣性モーメントよりも小さい。そこで、本形態では、バランサシャフト１５周りの慣性モーメントを大きくすることで、クランクシャフト１４周りの慣性モーメントに近似させている。バランサシャフト１５周りの慣性モーメントを大きくする具体的な構成としては、例えば、図６（Ｂ）を参照して、バランサシャフト１５を太くする、バランサギア２３の幅を長くする、または両者を組み合わせる構成が考えられる。ここで、バランサシャフト１５を太くする場合は、バランサシャフト１５を偏心的に太くするのではなく、バランサシャフト１５を均等に太くする。また、バランサギア２３の幅を長くする場合は、バランサギア２３の幅を厚み方向に対して均等に長くする。そのようにすることで、一次慣性力の増大を伴うこと無く、バランサシャフト１５周りの慣性モーメントを大きくすることが出来る。

【0056】

また、本形態では、一次慣性力を低減するために、クランクシャフト１４にはバランスマス２８が形成され、バランサシャフト１５周りにはバランスマス２１が形成されている。従って、変動トルクに起因した振動を抑止するために、バランスマス２１も含めたバランサシャフト１５周りの慣性モーメントと、バランスマス２８を含めたクランクシャフト１４周りの慣性モーメントとを、同一または略同一としている。

【0057】

図８（Ａ）を参照して、変動トルクを抑止するために、バランサシャフト１５周りの慣性モーメントを、クランクシャフト１４周りの慣性モーメントに近似させる他の構成を説明する。

【0058】

ここでは、バランサシャフト１５をエンジン１０から外部に延出する駆動シャフト３３と連結しており、駆動シャフト３３の他端が負荷５０に連結している。即ち、一般的なエンジンではクランクシャフト１４から動力を外部に出力するが、本形態では、クランクシャフト１４およびバランサシャフト１５を経由して動力を外部に出力している。負荷５０としては、例えば発電機である。

【0059】

このようにすることで、負荷５０が有する慣性モーメントを、バランサシャフト１５軸周りの慣性モーメントに組み込むことが出来る。即ち、バランサシャフト１５、バランサギア２３、バランスマス２１、駆動シャフト３３、および負荷５０の慣性モーメントを、クランクシャフト１４周りの慣性モーメントと同一または略同一とする。よって、バランサシャフト１５周りの慣性モーメントを大きくするために、バランサシャフト１５やバランサギア２３を過大にする必要がなく、これらを内蔵するエンジン１０の大型化を抑止することが出来る。

【0060】

図８（Ｂ）を参照して、上記したエンジン１０の他の形態を説明する。ここに示すエンジン１０の構成は図８（Ａ）に示したものと基本的には同様であるが、バランサシャフト１５に連結する駆動シャフト３３にフライホイル２６を設けている点が異なる。即ち、バランサシャフト１５、バランサギア２３、バランスマス２１、駆動シャフト３３、負荷５０、およびフライホイル２６の慣性モーメントが、クランクシャフト１４周りの慣性モーメントと同一または略同一と成る。

【0061】

フライホイル２６は、エンジン１０の回転速度を安定化させるために設けられる部材であるため、比較的大きな慣性モーメントを有している。よって、フライホイル２６でバランサシャフト１５周りの慣性モーメントを大きくすることで、バランサシャフト１５やバランサギア２３を過大にする必要がなく、エンジン１０の大型化を抑制することができる。

【0062】

上記した構成のエンジン１０は、バイク、自動車等の車両、発電機、コジェネレーション、ガスヒートポンプエアコン等に適用され、これらの機器が有する負荷を駆動するために用いられる。

【0063】

以上、本発明の実施形態を示したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

【0064】

例えば、図１に示す本形態のエンジン１０は単気筒であるが、２以上のシリンダ１１およびピストン１２を有する２気筒以上のエンジン（直列多気筒エンジン）に対して本形態を適用させることができる。

【符号の説明】

【0065】

１０ エンジン
１１ シリンダ
１２ ピストン
１３ コネクティングロッド
１４ クランクシャフト
１５ バランサシャフト
１６ クランクピン
１８ クランクアーム
２１ バランスマス
２２ クランクギア
２３ バランサギア
２４ 仮想クランクシャフト
２６ フライホイル
２７ バランスマス
２８ バランスマス
３０ 仮想線
３３ 駆動シャフト
５０ 負荷
Ｇ 重心

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】