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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023067837
(43)【公開日】2023-05-16
(54)【発明の名称】レシプロエンジン
(51)【国際特許分類】
F02B 77/00 20060101AFI20230509BHJP
F16F 15/02 20060101ALI20230509BHJP
F16H 21/10 20060101ALI20230509BHJP
【ＦＩ】
F02B77/00 B
F16F15/02 Z
F16H21/10
【審査請求】有
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022172656
(22)【出願日】2022-10-27
(31)【優先権主張番号】P 2021178307
(32)【優先日】2021-10-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(31)【優先権主張番号】P 2021207285
(32)【優先日】2021-12-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】519266362
【氏名又は名称】株式会社アルテミス
(74)【代理人】
【識別番号】100110559
【弁理士】
【氏名又は名称】友野 英三
(72)【発明者】
【氏名】今野 常雄
【テーマコード（参考）】
3J048
3J062
【Ｆターム（参考）】
3J048AD05
3J048EA01
3J062AA01
3J062AB27
3J062AB29
3J062AC07
3J062BA25
3J062CB02
3J062CB06
3J062CB14
3J062CB28
3J062CB32
3J062CG82
(57)【要約】
【課題】レシプロエンジンで、ピストンの慣性力に起因する振動を低減する。
【解決手段】レシプロエンジン１１は、エンジン躯体１３と、クランシャフトと、ピストン１４と、ピストン１４の往復直線運動をクランクシャフトの回転運動に変換するためのリンク機構と、を有する。リンク機構は、エンジン躯体１３との連接点を含み、ピストン１４の慣性力によりエンジン躯体１３に発生する加振力を低減するために、リンク機構は、エンジン躯体１３との連接点を含み、ピストン１４により生じる慣性トルクに応じて、ピストン１４に生じる慣性力と反対方向の力を連接点に発生させる。
【選択図】図１
【解決手段】レシプロエンジン１１は、エンジン躯体１３と、クランシャフトと、ピストン１４と、ピストン１４の往復直線運動をクランクシャフトの回転運動に変換するためのリンク機構と、を有する。リンク機構は、エンジン躯体１３との連接点を含み、ピストン１４の慣性力によりエンジン躯体１３に発生する加振力を低減するために、リンク機構は、エンジン躯体１３との連接点を含み、ピストン１４により生じる慣性トルクに応じて、ピストン１４に生じる慣性力と反対方向の力を連接点に発生させる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
シリンダ内でシリンダ軸方向に往復直線運動をするピストンと、
クランク軸受によってエンジン躯体に回転支持されたクランクシャフトと、
前記ピストンの往復直線運動を前記クランクシャフトの回転運動に変換するためのリンク機構と、を有するレシプロエンジンであって、
前記リンク機構は、
前記エンジン躯体との連接点を含み、前記クランクシャフトに生じる慣性トルクに応じて、前記ピストンに生じる慣性力と反対方向の力を連接点に発生させること、
を特徴とするレシプロエンジン。
クランク軸受によってエンジン躯体に回転支持されたクランクシャフトと、
前記ピストンの往復直線運動を前記クランクシャフトの回転運動に変換するためのリンク機構と、を有するレシプロエンジンであって、
前記リンク機構は、
前記エンジン躯体との連接点を含み、前記クランクシャフトに生じる慣性トルクに応じて、前記ピストンに生じる慣性力と反対方向の力を連接点に発生させること、
を特徴とするレシプロエンジン。
【請求項2】
前記リンク機構は、
アッパリンクと、ロアリンクと、コントロールリンクと、を備え、
前記アッパリンクは、第１の端部がピストンピンを介して前記ピストンに回転接続され第２の端部がアッパピンを介して前記ロアリンクの第１の端部に回転接続され、
前記ロアリンクは、第２の端部がロアピンを介して、前記コントロールリンクの第1の端部に回転接続され、前記ロアリンクの第１の端部と第２の端部の間に、クランクピンを介して前記クランクシャフトに回転接続され、
前記コントロールリンクの第２の端部は、前記コントロールピンを介して回転可能に前記エンジン躯体に連接されるよう構成されていて、
前記コントロールピンは、クランクジャーナルの軸心を通りシリンダ軸に平行な直線を基準線としたとき、前記基準線に対してシリンダ軸の反対側に位置し、前記コントロールピンの軸心と前記基準線との距離が、実質的に前記クランクジャーナルの軸心と前記クランクピンの軸心の距離の０．１７倍から０．７１倍になる範囲にあること、
を特徴とする請求項１に記載のレシプロエンジン。
アッパリンクと、ロアリンクと、コントロールリンクと、を備え、
前記アッパリンクは、第１の端部がピストンピンを介して前記ピストンに回転接続され第２の端部がアッパピンを介して前記ロアリンクの第１の端部に回転接続され、
前記ロアリンクは、第２の端部がロアピンを介して、前記コントロールリンクの第1の端部に回転接続され、前記ロアリンクの第１の端部と第２の端部の間に、クランクピンを介して前記クランクシャフトに回転接続され、
前記コントロールリンクの第２の端部は、前記コントロールピンを介して回転可能に前記エンジン躯体に連接されるよう構成されていて、
前記コントロールピンは、クランクジャーナルの軸心を通りシリンダ軸に平行な直線を基準線としたとき、前記基準線に対してシリンダ軸の反対側に位置し、前記コントロールピンの軸心と前記基準線との距離が、実質的に前記クランクジャーナルの軸心と前記クランクピンの軸心の距離の０．１７倍から０．７１倍になる範囲にあること、
を特徴とする請求項１に記載のレシプロエンジン。
【請求項3】
前記ピストンにより生じる慣性力は、前記エンジン躯体を上下方向に振動させず、前記エンジン躯体を回転方向に振動させること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のレシプロエンジン。
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のレシプロエンジン。
【請求項4】
前記クランクシャフトに発生する慣性トルクに応じて、前記連接点と前記クランクジャーナルに偶力を発生させること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のレシプロエンジン。
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のレシプロエンジン。
【請求項5】
前記ピストン慣性力により前記エンジン躯体に発生する加振力の１次成分および２次成分が、それぞれ、前記ピストン慣性力の１次成分および２次成分に比べて低減すること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のレシプロエンジン。
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のレシプロエンジン。
【請求項6】
前記リンク機構は、前記エンジン躯体との連接点を含み、
前記リンク機構は、アッパリンクと、ロアリンクと、コントロールリンクと、を備え、
前記アッパリンクは、第１の端部がピストンピンを介して前記ピストンに回転接続され第２の端部がアッパピンを介して前記ロアリンクの第１の端部に回転接続され、
前記ロアリンクは、第２の端部がロアピンを介して、前記コントロールリンクの第1の端部に回転接続され、前記ロアリンクの第１の端部と第２の端部の間で、クランクピンを介して前記クランクシャフトに回転接続され、
前記コントロールリンクの第２の端部は、ドリブンシャフトを介して回転可能に接続され、
前記ドリブンシャフトは、前記エンジン躯体に回転可能に連接され、前記クランクシャフトの回転数の２分の１の回転数で逆転に駆動されること、
を特徴とする請求項１に記載のレシプロエンジン。
前記リンク機構は、アッパリンクと、ロアリンクと、コントロールリンクと、を備え、
前記アッパリンクは、第１の端部がピストンピンを介して前記ピストンに回転接続され第２の端部がアッパピンを介して前記ロアリンクの第１の端部に回転接続され、
前記ロアリンクは、第２の端部がロアピンを介して、前記コントロールリンクの第1の端部に回転接続され、前記ロアリンクの第１の端部と第２の端部の間で、クランクピンを介して前記クランクシャフトに回転接続され、
前記コントロールリンクの第２の端部は、ドリブンシャフトを介して回転可能に接続され、
前記ドリブンシャフトは、前記エンジン躯体に回転可能に連接され、前記クランクシャフトの回転数の２分の１の回転数で逆転に駆動されること、
を特徴とする請求項１に記載のレシプロエンジン。
【請求項7】
前記レシプロエンジンから動力伝達され発電するジェネレータと、クランシャフトに固定接続されるフライホイールと、歯車列とを備え、
前記ジェネレータは、前記歯車列により前記クランクシャフトとの反対方向に回転されることにより、ロールモーメントを低減すること、
を特長とする請求項1または請求項２または請求項６のいずれかの請求項に記載のレシプロエンジン。
前記ジェネレータは、前記歯車列により前記クランクシャフトとの反対方向に回転されることにより、ロールモーメントを低減すること、
を特長とする請求項1または請求項２または請求項６のいずれかの請求項に記載のレシプロエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、往復ピストンを備えたレシプロエンジンに関する。
【背景技術】
【0002】
従来のレシプロエンジンでは、各気筒のピストンの往復直線運動に伴って１次慣性力および２次慣性力が発生する。その結果、３気筒エンジンでは１次慣性偶力と２次慣性偶力が残存し、４気筒エンジンでは２次慣性力が残存する。シリンダ当りの排気量が大きくなると、３気筒エンジンでは１次慣性偶力が、４気筒エンジンでは２次慣性力が問題となる。それらの慣性力を、回転軸を用いたバランサ機構によって相殺する手法が知られている。その場合に、３気筒の１次慣性偶力相殺には１本のバランサシャフトが、４気筒の２次慣性力相殺には２本のバランサシャフトが必要である。
【0003】
一方、往復ピストンとクランクピンとを複数のリンクで接続するマルチリンクエンジンの技術が知られている（特許文献１～４参照）。
【0004】
なお、「１次」、「２次」とは、周期的な振動をフーリエ級数展開して表した際の１次、２次の項として表わされる成分を意味し、１次はクランクシャフトの１回転ごとに１周期の、２次はクランクシャフトの１回転ごとに２周期の三角関数で表現される。また、「偶力」とは、作用線が平行で、互いに大きさが等しく、方向が反対向きの２つの力である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特許第４９４１２３１号公報
【特許文献2】特許第５４１７９７７号公報
【特許文献3】特許第５１４６２５０号公報
【特許文献4】国際公開第２０１６／０２７３５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１には、往復ピストンを備えたマルチリンクエンジンにおいて、２次振動が低減する旨の記載がある。しかし、２次振動をゼロまたはゼロ近くにまで低減することについての記載はない。
【0007】
特許文献２には、往復ピストンを備えたマルチリンクエンジンにおいて１次慣性力を打ち消す技術について記載されている。しかし、２次振動をゼロまたはゼロ近くにまで低減することについての記載はない。
【0008】
特許文献２には、ロアリンクのコントロールピン（本願明細書のロアピンに相当する。）付近の質量が１次慣性力を相殺すると述べられている。しかし、実際にはコントロールピンは揺動中心シャフト（本願明細書のコントロールピンに相当する。）を中心として左右に揺動するため、コントロールピン近傍に付加したマスによる１次慣性力低減効果はきわめて小さい。
【0009】
また、ロアリンクのアッパピン側質量は、ピストンと同じ方向の慣性力を生み、移動量もロアピン側より大きいので慣性力も大きい。よって、ピストンの１次慣性力をロアリンク等の１次慣性力で相殺することは実用上不可能と言わざるを得ない。
【0010】
特許文献３には、往復ピストンを備えたマルチリンクエンジンにおいて左右方向の２次振動を低減する技術が記載されている。しかし、それ以外の振動成分を低減することについての記載はない。また、クランクシャフトの慣性トルクを用いる旨の記載はない。
【0011】
特許文献４には、往復ピストンを備えたマルチリンクエンジンに関する技術が記載されている。しかし、振動抑制技術に関する記載はない。
上記特許文献１～４では、クランクシャフトの回転速度の変動（各１回転の中の回転速度の変動）に対する考慮がなされていない。
上記特許文献１～４では、クランクシャフトの回転速度の変動（各１回転の中の回転速度の変動）に対する考慮がなされていない。
【0012】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、往復ピストンを備えたレシプロエンジンにおいて、ピストンの慣性力に起因する振動を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
この発明の第１の態様によるレシプロエンジンは、シリンダ内でシリンダ軸方向に往復直線運動をするピストンと、クランク軸受によってエンジン躯体に回転支持されたクランクシャフトと、前記ピストンの往復直線運動を前記クランクシャフトの回転運動に変換するためのリンク機構と、を有するレシプロエンジンであって、前記リンク機構は、前記エンジン躯体との連接点を含み、前記クランクシャフトに生じる慣性トルクに応じて、前記ピストンに生じる慣性力と反対方向の力を連接点に発生させることを特徴とする。
【0014】
前記クランクシャフトに生じる慣性トルクに応じて、前記ピストンに生じる慣性力と反対方向の力を連接点に発生させることにより、前記エンジン躯体に発生する加振力を限りなく低減し、実質的に相殺することを可能とする。
【0015】
この発明の第２の態様によるレシプロエンジンは、第１の態様によるレシプロエンジンにおいて、前記リンク機構は、アッパリンクと、ロアリンクと、コントロールリンクと、を備え、前記アッパリンクは、第１の端部がピストンピンを介して前記ピストンに回転接続され第２の端部がアッパピンを介して前記ロアリンクの第１の端部に回転接続され、前記ロアリンクは、第２の端部がロアピンを介して、前記コントロールリンクの第1の端部に回転接続され、前記ロアリンクの第１の端部と第２の端部の間で、クランクピンを介して前記クランクシャフトに回転接続され、前記コントロールリンクの第２の端部は、前記コントロールピンを介して回転可能に前記エンジン躯体に連接されるよう構成されていて、前記コントロールピンは、クランクジャーナルの軸心を通りシリンダ軸に平行な直線を基準線としたとき、前記基準線に対してシリンダ軸の反対側に位置し、前記コントロールピンの軸心と前記基準線との距離が、実質的に前記クランクジャーナルの軸心と前記クランクピンの軸心の距離の０．１７倍から０．７１倍になる範囲にあることを特徴としても良い。
【0016】
更に、一般的に最大筒内圧が発生するのは、クランクピン２６の位相がＴＤＣ後１０度から２０度の範囲なので、前記コントロールピンの軸心と前記基準線との距離が前記クランクジャーナルの軸心と前記クランクピンの軸心の距離の０．３４倍から０．５７倍になる範囲にあるのが好適である。
【0017】
この発明の第３の態様によるレシプロエンジンは、第１または第２の態様によるレシプロエンジンにおいて、前記ピストンにより生じる慣性力は、前記エンジン躯体を上下方向に振動させず、前記エンジン躯体を回転方向に振動させることを特徴としても良い。
【0018】
この発明の第４の態様によるレシプロエンジンは、第１または第２の態様によるレシプロエンジンにおいて、前記クランクシャフトに発生する慣性トルクに応じて、前記連接点と前記クランクジャーナルに偶力を発生させることを特徴としても良い。
【0019】
この発明の第５の態様によるレシプロエンジンは、第１または第２の態様によるレシプロエンジンにおいて、前記ピストン慣性力により前記エンジン躯体に発生する加振力の１次成分および２次成分が、それぞれ、前記ピストン慣性力の１次成分および２次成分に比べて低減することを特徴としても良い。
【0020】
この発明の第６の態様によるレシプロエンジンは、第１の態様において、前記リンク機構は、アッパリンクと、ロアリンクと、コントロールリンクと、を備え、前記アッパリンクは、第１の端部がピストンピンを介して前記ピストンに回転接続され第２の端部がアッパピンを介して前記ロアリンクの第１の端部に回転接続され、前記ロアリンクは、第２の端部がロアピンを介して、前記コントロールリンクの第1の端部に回転接続され、前記ロアリンクの第１の端部と第２の端部の間で、クランクピンを介して前記クランクシャフトに回転接続され、前記コントロールリンクの第２の端部は、ドリブンシャフトを介して回転可能に接続され、前記ドリブンシャフトは、前記エンジン躯体に回転可能に連接され、前記クランクシャフトの回転数の２分の１の回転数で逆転に駆動されることを特徴としても良い。
【0021】
この発明の第７の態様によるレシプロエンジンは、第1の態様または第２の態様または第６の態様のいずれかの態様において、前記レシプロエンジンから動力伝達され発電するジェネレータと、クランシャフトに固定接続されるフライホイールと、歯車列とを備え、前記ジェネレータは、前記歯車列により前記クランクシャフトと反対方向に回転されることにより、ロールモーメントを低減することを特徴としても良い。
【0022】
この明細書および特許請求の範囲の記載において、「相殺」は、完全な相殺のみならず、部分的な相殺も含むものとする。
【発明の効果】
【0023】
この発明によれば、往復ピストンを備えたレシプロエンジンにおいて、ピストンの慣性力に起因する振動を低減することができる。さらに、この発明によれば、単一シリンダのエンジンでも多シリンダのエンジンでも、シリンダごとにエンジン躯体の振動を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1】本発明の第１の実施形態に係るレシプロエンジンにおいて、ピストンが上死点（ＴＤＣ）付近にあるときのクランクシャフトの軸心に垂直な断面を模式的に示す図である。
【図2】本発明の第１の実施形態に係るレシプロエンジンにおいて、ピストンが下死点（ＢＤＣ）付近にあるときのクランクシャフトの軸心に垂直な断面を模式的に示す図である。
【図3】図１および図２に示すレシプロエンジンにおいて、ピストンが上死点通過後間もなくの位置（クランク角９０度未満）にあるときに作用する力の、上下方向のピストン慣性力のみを考慮したときの釣り合いを示す図。
【図4】図１および図２に示すレシプロエンジンにおいて、ピストンが上死点通過後間もなくの位置（クランク角９０度未満）にあるときにロアリンクにかかる力の、上下方向のピストン慣性力のみを考慮したときの釣り合いを示す図。
【図5】本発明の第１の実施形態に係るレシプロエンジンにおいて、ピストンが上死点通過後間もなくの位置（クランク角９０度未満）で、アッパピンの軸心がシリンダ軸線上にあるときのクランクピンにかかる力の横方向成分をも考慮したときの力を示す図。
【図6】本発明の第１の実施形態に係るレシプロエンジンにおいて、ピストンが上死点通過後間もなくの位置（クランク角９０度未満）で、アッパピンの軸心がシリンダ軸線上にあるときのクランク軸受にかかる荷重および慣性トルクと、エンジン躯体がコントロールピンから受ける荷重とを示す図。
【図7A】本発明の第１の実施形態に係るレシプロエンジンにおいて、コントロールピンの望ましい位置を考察するための図。
【図7B】本発明の第１の実施形態に係るレシプロエンジンにおいて、コントロールピンの望ましい位置を考察するための図その２。
【図8】本発明の第１の実施形態に係るレシプロエンジンにおいて、アッパピンの軸心がシリンダ軸線上にないときの横方向の力の釣り合いを示す図。
【図9】図８に対し、エンジン躯体がクランクジャーナルから受ける力のうち、Ｆ２とＧ３を合成して新しくＦ２とし、エンジン躯体がコントロールピンから受ける力Ｆ３とＧ３を合成して新しくＦ３として描き直した図。
【図10】本発明の第１の実施形態に係るレシプロエンジンにおいて、ピストン慣性力Ｆ1の反力が、エンジン躯体の重心Ｇに作用し、エンジン躯体がクランクジャーナルから受けるＦ１及びＦ３と、エンジン躯体がコントロールピンから受ける反力Ｆ３の関係を示す図。
【図12】図１１に対して、エンジン躯体の重心Ｇに作用する下方向の力とコントロールピンからエンジン躯体が受ける上方向の力によるモーメントを、エンジン躯体がクランクジャーナルから受ける左横方向の力とコントロールピンから受ける右横方向の力で置き換えて説明する図。
【図13】本発明の第２の実施形態に係るレシプロエンジンにおいて、ピストンが爆発行程の上死点にあるときの、ロアリンク、クランクジャーナル、コントロールリンク、ドリブンシャフトおよびそれらの周辺を示す図。
【図15】本発明の第３の実施形態に係る発電機がシリーズハイブリッド用の場合に、ジェネレータの駆動機構とモーターの車両駆動機構を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下、図面を参照して本発明の実施形態に係るレシプロエンジンについて詳細に説明する。ただし、実施形態の説明のための概念図であり、実際の形状や寸法関係に則した内容ではない。
【0026】
［第１の実施形態］
第１の実施形態に係るレシプロエンジンは、図１および図２に示すように、レシプロエンジン１１は、シリンダ１２を含むエンジン躯体１３と、ピストン１４と、エンジン躯体１３に回転支持されたクランクシャフト（図示せず）と、アッパリンク１６と、ロアリンク１７と、コントロールリンク１８とを備えている。なお、この明細書で、ピストン１４の往復動をクランシャフトの回転運動に変換する機構を「リンク機構」とも呼び、リンク機構には、アッパリンク１６と、ロアリンク１７と、コントロールリンク１８とが含まれている。
第１の実施形態に係るレシプロエンジンは、図１および図２に示すように、レシプロエンジン１１は、シリンダ１２を含むエンジン躯体１３と、ピストン１４と、エンジン躯体１３に回転支持されたクランクシャフト（図示せず）と、アッパリンク１６と、ロアリンク１７と、コントロールリンク１８とを備えている。なお、この明細書で、ピストン１４の往復動をクランシャフトの回転運動に変換する機構を「リンク機構」とも呼び、リンク機構には、アッパリンク１６と、ロアリンク１７と、コントロールリンク１８とが含まれている。
【0027】
ピストン１４は、シリンダ１２の軸Ｙに沿ってシリンダ１２内で上下方向（縦方向）に往復直線運動をする。ピストン１４は、ピストンピン２１を介して、アッパリンク１６の上端部に接続されている。アッパリンク１６は、アッパリンク１６の下端部とロアリンク１７の一端（左端）とがアッパピン２４を介して回転可能に接続されている。ロアリンク１７は、ロアリンク１７の一端（右端）に設けられたロアピン２３を介してコントロールリンク１８の上端部に回転可能に接続されている。
【0028】
クランシャフトは、ロアリンク１７のアッパピン２４とロアピン２３の間に位置するクランクピン２６を介して、ロアリンク１７に回転可能に接続され、矢印Ａの方向（時計方向）に回転する。クランクピン２６は、クランシャフトと一体に構成される。
【0029】
コントロールリンク１８の下端は、エンジン躯体１３に固定支持されたコントロールピン２２を介して回転可能に支持されている。コントロールピン２２は、このリンク機構とエンジン躯体１３との連接点となっている。
【0030】
エンジン各部の諸元は、アッパピン２４の軸心の軌跡Ｂがピストン１４運動時の上死点から下死点にかけてシリンダ軸Ｙと２回交差するように設定され、アッパピン２４の軸心の軌跡Ｂは、上下に長い楕円状の形状となる。
軌跡Ｂとシリンダ軸Ｙの交点では、アッパピン２４の軸心はシリンダ軸Ｙ上にあるので、アッパリンク１６は直立状態となり、ピストン１４には側圧が発生しない。ピストンピン２１の軸心がシリンダ軸Ｙから外れている場合（オフセットピストン採用時）でもアッパリンク１６は近似的に直立状態とみなせる。
軌跡Ｂとシリンダ軸Ｙの交点では、アッパピン２４の軸心はシリンダ軸Ｙ上にあるので、アッパリンク１６は直立状態となり、ピストン１４には側圧が発生しない。ピストンピン２１の軸心がシリンダ軸Ｙから外れている場合（オフセットピストン採用時）でもアッパリンク１６は近似的に直立状態とみなせる。
【0031】
エンジン躯体１３は、クランクシャフトに連動して運動しない静止構造体であり、クランクジャーナル２０、コントロールピン２２を支持する軸受などの軸受、シリンダ１２を含むシリンダブロック、シリンダヘッド等（図示せず）の構造部品を含む。
【0032】
ピストン１４は、シリンダ１２内で上下に往復直線運動をし、それにより、クランクシャフトが回転駆動される。ピストン１４の往復直線運動により慣性力が発生し、これがレシプロエンジン１１の振動の原因となる。
【0033】
この実施の形態においては、ピストンの上下運動により発生するピストン慣性力がエンジン躯体に及ぼすシリンダ軸方向の力（合力）を加振力と定義する。ピストンの１次慣性力と２次慣性力は、ピストン１４に連動して運動する部品に発生する力を利用して、エンジン躯体１３に作用する他の力と相殺されるので、エンジン躯体に作用する加振力を各気筒それぞれに低減できる。この実施の形態によれば、バランサシャフトを用いることなく、エンジン躯体に作用する加振力を低減することが可能となり、エンジンの低振動化が可能となる。
【0034】
ピストン１４の往復直線運動による慣性力を考えるにあたっては、ピストンピン２１を含むピストン１４自体の質量による慣性力に加えて、ピストン１４に隣接するアッパリンク１６の質量の一部も考慮に入れ、等価質量として取り扱ってもよい。なお、ロアリンク１７、コントロールリンク１８等の質量や慣性モーメントは、ピストン慣性力に比べて影響が小さいので考慮しないものとする。
【0035】
この実施の形態において、ピストン・クランク機構の運動により発生する力の源泉は、ピストン１４の往復直線運動による上下方向（縦方向）の慣性力であり、クランクシャフトはピストン１４の慣性力により回転変動する。このときクランクシャフトに生じる慣性トルクと、それに対するエンジン躯体１３からの反作用によるトルク（ロールモーメント）でピストン１４の慣性力を気筒ごとに相殺することができる。
【0036】
ピストン１４の往復直線運動による慣性力は慣性トルクを利用して相殺できることを、以下に説明する。ただし、慣性力（単位はＮ）と慣性トルク（単位はＮ・ｍ）は物理単位が異なるので、実際に相殺しあうのは、慣性力または慣性トルクにより発生する力と力である。
【0037】
まず従来の手法によるクランクシャフトが等速回転する場合に発生するピストン１４の上下方向の力について考察する。従来の手法では、クランクシャフトの回転速度が一定であると仮定して、クランクシャフトに発生する慣性トルクは考慮されていない。
【0038】
マルチリンク機構でもピストン自体には従来エンジンと同様な１次慣性力が発生するが、発生する２次慣性力は従来エンジンに対して低減させることができる。
【0039】
アッパピン２４の軸心は、図１および図２に示す上下に長い楕円のような軌跡Ｂを描く。この軌跡Ｂは円形ではなくて縦に長い楕円に近い形状なので、アッパリンク１６は従来コンロッドよりも揺動する角度が小さい。これが、マルチリンクを用いたときに２次慣性力が発生源で低減する理由である。
【0040】
しかし、アッパピン２４の軸心の軌跡は楕円状であって上下１本の直線ではないので、２次慣性力が発生源でゼロになることはない。この慣性力は、クランクピン２６を経由してクランク軸受からエンジン躯体１３に伝達される経路と、コントロールリンク１８を経由してエンジン躯体１３に伝達される経路とに分かれる。
【0041】
梃子の原理によりクランクピン荷重はピストン１４の慣性力より増大するが、コントロールピン２２に作用する荷重は方向が反対のため、慣性力がエンジン躯体１３に及ぼす上下方向の力の合計は変化しない。すなわち、マルチリンクを用いてもエンジン躯体１３が受けるピストン慣性力の合計は増減しない。
【0042】
具体的に説明すると、図３に示すように、ピストン慣性力をＦ１、クランクピン２６に作用する力をＦ２、コントロールピン２２に作用する力をＦ３とすると、慣性力によりエンジン躯体１３の上下方向に作用する力（合力）Ｆ（図示せず）は、
Ｆ＝Ｆ２－Ｆ３ である。
Ｆ＝Ｆ２－Ｆ３ である。
【0043】
図４に示すロアリンク１７の力の釣合いでは、力Ｆ２は下方に、力Ｆ３は上方に作用するので、
Ｆ１＋Ｆ３＝Ｆ２ となる。
Ｆ１＋Ｆ３＝Ｆ２ となる。
【0044】
よって、Ｆ＝Ｆ１ となる。
【0045】
このように、発生したピストン慣性力Ｆ１は、クランクピン２６とコントロールピン２２を経由してエンジン躯体１３に作用し、その合力はＦ１となる。したがって、マルチリンク機構を用いても発生した慣性力１次、２次を低減する機能は無いという結論になる。
【0046】
次に、本実施形態によるピストン慣性力の相殺機能について説明する。
【0047】
前述のように、実際のエンジンではピストン慣性力によりクランシャフトには慣性トルク（トルク変動）が発生する。図５に示すように、クランクピン２６に作用する力は前述の場合と同じくＦ２とするが、ここでは横方向の成分の発生も考慮して斜め方向の荷重とする。この力Ｆ２が作用するクランクピン２６の軸心を通る作用線をＬ１とする。
【0048】
これにより、図６に示すように、クランクジャーナル２０には上方向に荷重（力）Ｆ２と慣性トルクＴが作用する。この力Ｆ２のベクトルが作用するクランシャフトの軸心２０を通る作用線Ｌ２は作用線Ｌ１に平行である。
【0049】
ここで、クランクジャーナル２０にとって、図５と図６は等価である。等価であることは、以下のように説明できる。図５のクランクジャーナル２０に、力「Ｆ２」と、この反対に作用する力「－Ｆ２」を加えても力の総和に変化はなく、作用線Ｌ１上の力「Ｆ２」と作用線Ｌ２上の力「－Ｆ２」で構成される偶力をトルクＴで置き換えることができ、図６になる。
【0050】
作用線Ｌ１と作用線Ｌ２の距離をＤ１として、慣性トルクＴは次式で与えられる。
Ｔ＝Ｆ２×Ｄ１ （１）
Ｔ＝Ｆ２×Ｄ１ （１）
【0051】
このクランシャフトに発生する慣性トルクＴに対応して、作用・反作用の法則によりエンジン躯体１３に大きさが同じで反対方向のトルクＭが発生する。
Ｔ＝Ｍ （２）
Ｔ＝Ｍ （２）
【0052】
このトルクは、従来のエンジンでもロールモーメントとして知られており、ピストン１４のスラスト荷重（横方向荷重）として出現し、クランクジャーナル２０の横方向荷重成分と偶力を構成する。
【0053】
本実施形態のレシプロエンジン１１の場合、ロールモーメントＭは、ピストン１４のスラスト荷重によるピストン側圧経由モーメントＭｐと、コントロールピン２２に発生する荷重による連接点経由モーメントＭｃとで構成される。
Ｍ＝Ｍｐ＋Ｍｃ （３）
Ｍ＝Ｍｐ＋Ｍｃ （３）
【0054】
＜Ｍｐ＝０の場合＞
最初に、ピストン側圧経由モーメントＭｐ＝０とし、ロールモーメントＭはコントロールピン２２に作用する力による連接点経由モーメントＭｃだけで構成されるとして定式化する。この条件は、軌跡Ｂとシリンダ軸Ｙが交差する点において成立する。
Ｍｐ＝０なので、Ｍ＝Ｍｃ （４）
最初に、ピストン側圧経由モーメントＭｐ＝０とし、ロールモーメントＭはコントロールピン２２に作用する力による連接点経由モーメントＭｃだけで構成されるとして定式化する。この条件は、軌跡Ｂとシリンダ軸Ｙが交差する点において成立する。
Ｍｐ＝０なので、Ｍ＝Ｍｃ （４）
【0055】
図６は、ロールモーメントＭ（連接点経由モーメントＭｃ）とコントロールピン２２に作用する力Ｆ３の関係を示す。力Ｆ３を表すベクトルのコントロールピン２２の軸心を通る作用線をＬ３とする。力Ｆ３はモーメントＭｃの要素なので、エンジン躯体１３に作用する力Ｆ３と大きさが同じで反対方向の力が存在しなければならない。クランクジャーナル２０に作用する力Ｆ２がその力に相当し、それ以外の力は存在しない。よって、作用線Ｌ３は作用線Ｌ２および作用線Ｌ１と平行であり、かつ、 Ｆ２＝Ｆ３ でなければならないことがわかる。よって、次の式（５）が成り立つ。
Ｍｃ＝Ｆ３×Ｄ２＝Ｆ２×Ｄ２ （５）
Ｍｃ＝Ｆ３×Ｄ２＝Ｆ２×Ｄ２ （５）
【0056】
式（１）、（２）、（４）、（５）より、 Ｆ２×Ｄ１＝Ｆ２×Ｄ２ となり、
Ｄ１＝Ｄ２ である。
Ｄ１＝Ｄ２ である。
【0057】
図７Ａは、Ｄ１＝Ｄ２＝Ｄ として、クランクピン２６に作用する力Ｆ２とコントロールピン２２の位置でエンジン躯体１３に作用する力Ｆ３（=Ｆ２）の関係を描き直した図である。
【0058】
力Ｆ２と力Ｆ３は、クランクピン２６の軸心とコントロールピン２２の軸心を通る直線を作用線として共用する、大きさが同じで逆向きのベクトルである。
【0059】
エンジン躯体１３に作用する上下方向の力は、クランクジャーナル２０に作用する力Ｆ２とコントロールピン２２に作用する力Ｆ２であり、偶力を構成する。よって、その合力は上下、左右とも相殺されてゼロとなる。
【0060】
上述した説明では、概念を示す図のためロアリンク１７に対するクランクピン２６の位置は、アッパピン２４とロアピン２３を結ぶ線上にあるが、実際のロアリンクでは必ずしも線上にある必要はない。上述した計算式、及び以降で説明する計算式において、クランピン２６の位置は、アッパピン２４とロアピン２３を結ぶ線上になくても成立する。
【0061】
以下に、コントロールピン２２の望ましい位置に関して考察する。燃焼ガス圧により発生する荷重についても、クランクシャフトが受けるトルクとエンジン躯体が受けるトルクの大きさは等しいので上述の説明と同様な議論が成立する。
【0062】
リンクジオメトリーは燃焼の爆発行程前半においてアッパリンク１６がほぼ直立するように設定されるので、爆発行程前半における荷重特性は、図Ａ７のベクトルを逆方向にしたもので近似できる。
【0063】
荷重ベクトルの上下方向の成分を一定とした場合、そのベクトルの作用線とシリンダ軸線との成す角度が大きくなるほど、横方向の荷重成分が増えるので、その荷重ベクトルの絶対値は増加する。この荷重が低いほど、エンジン躯体に発生する応力は低減し、またエンジンのフリクションも低下する。
【0064】
燃焼ガスによる筒内圧力が高くなる領域はピストンが略上死点（ＴＤＣ）からＴＤＣ後３０度なので、この範囲で荷重ベクトルが出来るだけ直立するようにコントロールピン２２位置を設定すれば良い。
【0065】
具体的には、クランクジャーナル２０の軸心とクランクピン２６の軸心の距離をＲ１、シリンダ軸線Ｙに平行でクランクジャーナル２０の軸心を通る直線をＬ０とし、直線Ｌ０とコントロールピン２２の軸心との距離をＲ２とすると、コントロールピン２２の軸心の位置は爆発側（図７では、Ｌ０の右側）にあって、Ｒ２は以下の等式を満たす事が望ましい。
【0066】
一般的に、マルチリンク機構ではピストンのＴＤＣに対してクランクピン２６の位相は、１０度から１５度進み側に位置するので、それを考慮してＲ２の望ましい範囲は、
Ｒ１×ｓｉｎ１０度 ＝ ０．１７４×Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ１×ｓｉｎ４５度＝０．７０７×Ｒ１
四捨五入して、
０．１７×Ｒ１＜Ｒ２＜０．７１×Ｒ１
Ｒ１×ｓｉｎ１０度 ＝ ０．１７４×Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ１×ｓｉｎ４５度＝０．７０７×Ｒ１
四捨五入して、
０．１７×Ｒ１＜Ｒ２＜０．７１×Ｒ１
【0067】
一般的に最大筒内圧が発生するのは、クランクピン２６の位相がＴＤＣ後１０度から２０度の範囲なので、好適なＲ２の範囲は、
Ｒ１×ｓｉｎ２０度
＝ ０．３４２×Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ１×ｓｉｎ３５度＝０．５７４×Ｒ１
四捨五入して、０．３４×Ｒ１＜Ｒ２＜０．５７×Ｒ１ となる。
Ｒ１×ｓｉｎ２０度
＝ ０．３４２×Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ１×ｓｉｎ３５度＝０．５７４×Ｒ１
四捨五入して、０．３４×Ｒ１＜Ｒ２＜０．５７×Ｒ１ となる。
【0068】
図７Ｂを使って、ピストン荷重を一定とした時に、Ｒ２の位置がロールモーメントの大きさに及ぼす影響について説明する。
【0069】
Ｒ２の範囲を、０．１７４×Ｒ１＜Ｒ２＜０．７０７×Ｒ１の時のケース１と、Ｒ２´の範囲を０．７０７×Ｒ１＜Ｒ２とした時のケース２で、発生するロールモーメントの大きさを比較する。
【0070】
各々のケースでエンジン本体に発生するロールモーメントの大きさをＭ、Ｍ´とすると、Ｍ＝Ｆ２×Ｄ２、Ｍ´＝Ｆ２´×Ｄ２´である。爆発行程前半においてＦ２とＦ２´の作用線がシリンダ軸と成す角度は小さいので、Ｆ２≒Ｆ２´となる。
【0071】
一方、クランクジャーナル２０の軸心から各作用線への垂直距離はＤ２＜Ｄ２´である。よって、ロールモーメントに対しては垂直距離の影響が支配的であり、Ｍ＜Ｍ´となる。
【0072】
以上の事から、同一ピストン荷重に対して発生するエンジン本体のロールモーメントを低減するためには、Ｒ２の値は、Ｒ１に対して０.１７４倍以上の値で、極力小さいことが望ましいことが説明できる。
【0073】
Ｒ２の値を上述した値に制限する事によって、エンジン躯体に作用する荷重を低く抑える事が出来ると共に、エンジン躯体に発生するロールモーメントの大きさも抑制する事が可能となり、慣性力相殺の効果と相まって低振動エンジンを構成する事ができる。
【0074】
＜Ｍｐ≠０の場合＞
次に、ピストン１４のスラスト荷重によるモーメントＭｐがゼロでない場合について考察する。
次に、ピストン１４のスラスト荷重によるモーメントＭｐがゼロでない場合について考察する。
【0075】
各部に作用する荷重は、上述のモーメントＭｃによる荷重に、モーメントＭｐによる荷重をベクトル合成して得られる。
【0076】
図８に示すように、エンジン躯体に作用するピストンピン２１の位置で横方向の力をＧ１、クランクジャーナル２０の位置で反対方向に作用する力をＧ２、コントロールピン２２の位置で横方向の力をＧ３とする。左右方向に外力は作用しないので、力の釣合いからＧ２＝Ｇ１＋Ｇ３となる。
【0077】
図８に示すクランクジャーナル２０から受ける力のうち、力Ｆ２と、力Ｇ２の成分であるＧ３を合成して新しくＦ２とし、コントロールピン２２に作用する力Ｆ３（＝Ｆ２）と力Ｇ３を合成して新しくＦ３として描きなおしたものが図９である。
【0078】
クランクジャーナル２０から受ける力Ｇ１は、ピストン１４の側圧Ｇ１と偶力を構成し、モーメントＭｐとなる。モーメントＭｃの力成分が新しく定義したクランクジャーナル２０から上方向に受ける力Ｆ２と、コントロールピン２２から下方向に受ける力Ｆ３（＝Ｆ２）であり、Ｍｐ＝０ の時と同様に偶力を構成する。
【0079】
エンジン躯体はクランジャーナルから上方向に力Ｆ２と左横方向に力Ｇ１を受けており、力Ｆ２と力Ｇ１の上方向に働く合力は、コントロールピン２２から受ける下方向の力Ｆ３と偶力を構成しない。しかし、エンジン躯体１３に作用する上下方向の力Ｆ２と力Ｆ３は偶力をなす。これにより、エンジン躯体１３に作用する慣性力は、相殺される。
【0080】
【0081】
ピストン慣性力をエンジンの回転次数で表現すると、低減すべき主要成分としては回転１次、回転２次がある。上述したように、慣性力の相殺機能は慣性力の方向やクランク角に依らないので、慣性力の１次、２次を気筒ごとに相殺することができる。
【0082】
慣性力の方向、クランク角に依らず、ピストン慣性力を、ピストン慣性力により発生するクランクシャフトの慣性トルクを用いて相殺出来る事を示した。
【0083】
実際のエンジンでは、コントロールリンク１８、アッパリンク１６、ロアリンク１７の揺動により発生する慣性力の影響があり、上下方向の慣性力の合計はピストン慣性力に対してそのぶん増減する。
【0084】
しかし、上記で説明したようにエンジン躯体１３がクランクジャーナル２０から受ける力Ｆ２と、コントロールピン２２から受ける力Ｆ３は偶力を構成するので、増減分も相殺される。よって、本機構により上下方向の加振力は相殺される。以上により、エンジン排気量が大きくなっても低振動であり、バランサシャフトを必要としないピストン・クランク機構の原理を明らかにした。
【0085】
上述した慣性トルクによる上下方向の加振力が相殺される説明に代わり、以下では計算に慣性力を用いても、上下方向の加振力が相殺される説明を行う。
【0086】
図１０に示すように、エンジン躯体１３がクランクジャーナル２０から受ける力Ｆ２を、エンジン躯体１３がコントロールピン２２から受ける力Ｆ３と大きさが同じで反対向きに作用する力Ｆ３とピストン慣性力のＦ１に分解する。
Ｆ２＝Ｆ３＋Ｆ１
Ｆ２＝Ｆ３＋Ｆ１
【0087】
エンジン躯体１３には合力としてＦ１が上方向に作用するので上方向の加速度を生じ、エンジン躯体１３の重心Ｇにはその反作用として慣性力Ｆ１が下向きに作用する。
【0088】
ピストン慣性力の作用中心はピストン１４の重心であるが、Ｆ１はピストンピン２１を経由して出現する。同じように、エンジン躯体１３に作用する慣性力Ｆ１はその重心Ｇが作用中心であるが、本機構の場合には、慣性力はコントロールピン２２を経由して出現する。よって、以下のように荷重ベクトルを置換えることが可能である。
【0089】
【0090】
さらに、エンジン躯体１３の重心Ｇの位置で下方向に作用するＦ１とコントロールピン２２の位置で上方向に作用する力Ｆ１はモーメントを構成するので、図１２に示すように、クランクジャーナル２０の位置でエンジン躯体１３に作用する左横方向の力Ｆ４とコントロールピン２２の位置でエンジン躯体１３に作用する右横方向の力Ｆ４で構成されるモーメントに置き換えることが可能となる。
【0091】
コントロールピン２２の位置でエンジン躯体に作用するＦ１、Ｆ３、Ｆ４の合力と、クランクジャーナル２０の位置でエンジン躯体に作用するＦ１、Ｆ３、Ｆ４の合力は、大きさが同じで反対方向の力となり、両者は偶力を構成する。したがって、エンジン躯体１３に作用する上下方向の力は相殺される。上記の荷重ベクトルの置換えは、エンジン躯体１３の重心Ｇの位置に依らず成立する。
【0092】
上述した図１０から図１２の説明より、ピストン１４の運動による上下方向のピストン慣性力は、エンジン躯体１３に作用してピストン慣性力と反対方向に荷重を発生させてロールモーメントの偶力を構成している事が分る。すなわち、上下方向のピストン慣性力は、エンジン躯体１３を上下方向に振動させず、エンジン躯体１３を回転方向に振動させることが上記で示したベクトル解析でも説明できる。
【0093】
上述したエンジン躯体１３を上下方向に振動させずは、加振せず、と同意である。
【0094】
次に、慣性力１次に関して考察する。従来の単気筒エンジンでは、ピストン質量とコンロッドの往復部質量からなるピストン慣性力の１次成分を低減するために、カウンターウェイトを用いてバランス率を５０％に設定することが多かった。上下方向の慣性力の一部を回転するカウンターウェイトの遠心力で相殺するためである。
【0095】
本実施形態のレシプロエンジン１１では、上述したように、クランクシャフト慣性トルクの荷重成分を、ロールモーメントの荷重成分であるコントロールピン２２に作用する反力で相殺する。したがって、バランス率は遠心力を発生しないバランス率０％としてもよいし、エンジン全体の振動が許容値以下であれば他のバランス率の値を採用してもよい。バランス率を０％とすれば、バランス率５０％に比べてカウンターウェイトを軽量化できるのでエンジン軽量化に寄与する。
【0096】
従来の直列３気筒エンジンでは、上下方向に回転１次の慣性偶力が発生するので、単気筒と同様に各気筒それぞれでバランス率を５０％に設定する場合がある。しかし、エンジンの排気量が大きくなると、残存する１次振動が問題となり、クランクシャフトに対して逆回転する回転１次のバランサシャフトが必要となった。
【0097】
本実施形態のレシプロエンジン１１では、上述のようにピストン慣性力は各気筒それぞれに相殺可能なので、回転１次や２次の慣性偶力が発生しない。よって、３気筒エンジンを大排気量化しても回転１次や２次のバランサシャフトは必要ない。各気筒それぞれのバランス率は振動の観点からは０％が望ましいが、軸受荷重やクランクシャフト応力の許容値等も考慮して選定すれば良い。
【0098】
慣性力２次に関しても、本実施形態のレシプロエンジン１１では各気筒それぞれに相殺が可能なので、直列４気筒エンジンに特有の慣性力２次が発生せず、低振動エンジンが実現できる。
【0099】
マルチリンク機構を用いたエンジンでは、コントロールピンの位置を主にシリンダ軸方向に移動する事で可変圧縮比エンジンを実現できる事が知られている。具体的には、コントロールピンと一体に構成されたコントロールシャフトを設け、コントロールピンの軸心がコントールシャフトの軸心に対して偏心するように設定し、コントロールシャフトの回転角度をモーター等で制御すれば良い。この場合、エンジン躯体が直接接触しているのはコントールピンではなくコントロールシャフトであるが、一定の圧縮比の時にはコントロールシャフトはエンジン躯体に対して固定されている。よって、コントロールピンに発生した荷重はそのままエンジン躯体に伝達されるので、コントロールピンがリンク機構の連接点であり、可変圧縮比エンジンでも本案は当てはまる。
【0100】
［第２の実施形態］
第２の実施形態は第１の実施形態の変形であって、アトキンソンサイクルを利用するものである。図１３に示すように、第２の実施形態に係るレシプロエンジンでは、第１の実施形態に対して、コントロールリンク１８ａは、ドリブンシャフト５０と一体に構成されたコントロールピン２２ａを介して回転可能に接続されている。ドリブンシャフト５０は、エンジン躯体１３に回転可能に連接されている。さらに、クランシャフトの回転に合わせて回転可能にクランクシャフトギア５４と、ドリブンギア５６が追加されている。
第２の実施形態は第１の実施形態の変形であって、アトキンソンサイクルを利用するものである。図１３に示すように、第２の実施形態に係るレシプロエンジンでは、第１の実施形態に対して、コントロールリンク１８ａは、ドリブンシャフト５０と一体に構成されたコントロールピン２２ａを介して回転可能に接続されている。ドリブンシャフト５０は、エンジン躯体１３に回転可能に連接されている。さらに、クランシャフトの回転に合わせて回転可能にクランクシャフトギア５４と、ドリブンギア５６が追加されている。
【0101】
図１３は、ピストンが爆発行程の上死点（ＴＤＣ）にあるときの図である。シリンダ１２、エンジン躯体１３、ピストン１４とアッパリンク１６の図示を省略するが、これらは第１の実施形態と同様の構成である。
【0102】
ピストン１４の位置がＴＤＣの時にコントロールピン２２ａが図１３に示す位置に来るように設定する。この設定により、膨張行程のピストンストロークを圧縮行程のピストンストロークよりも大きくする事が可能となる。この技術は従来から、アトキンソンサイクルの一形態として知られており、通常のエンジンよりも高い熱効率が得られる。
【0103】
【0104】
コントロールリンク１８ａの一端は、ロアピン２３を介してロアリンク１７と回転可能に接続されている。
【0105】
コントロールリンク１８ａのもう一方の端は、コントロールピン２２ａを介し、ドリブンシャフト５０に回転可能に接続されている。
【0106】
クランクシャフトギア５４は、クランクシャフトに固定され、クランクシャフトの回転に合わせて回転する。
【0107】
ドリブンギア５６は、ドリブンシャフト５０に固定され、クランクシャフトの２分の１の回転数で逆方向に連動回転するギア歯数で構成される。
【0108】
ドリブンシャフト５０の回転角度とコントロールピン２２ａの位置は、クランクシャフト回転角度に応じて一義的に定まる。このため、コントロールピン２２ａはコントロールリンク１８ａから力を受けても移動する事が出来ないので、コントロールピン２２ａに発生した荷重はそのままエンジン躯体に伝達される。よって、コントロールピン２２ａがリンク機構の連接点になる。
【0109】
図１３に示す、コントロールピン２２ａを介してエンジン躯体１３にかかる力Ｆ４は、例えば図7に示す、第１の実施形態におけるコントロールリンク１８からコントロールピン２２を介してエンジン躯体１３にかかる力Ｆ３と同様に、クランクピン２６に作用する力Ｆ２と大きさが同じで反対向きであり、その作用線は力Ｆ２の作用線Ｌ１に一致する。このことにより、この第２の実施形態のリンク機構は、第１の実施形態のリンク機構と同じく、作用・反作用の原理により、クランシャフトに発生する慣性トルクによりピストン慣性力の相殺が可能である。
【0110】
［第３の実施形態］
上述したように、レシプロエンジンにマルチリンク機構を用いれば各気筒に発生する慣性力を相殺する事が出来るので、すなわち、1次慣性力、1次慣性偶力、２次慣性力、２次慣性偶力の発生を抑制できる。残る主要な振動はローリング（ロールモーメント）であるが、発電専用エンジンでは、この成分も相殺、或いは低減する事が可能である。第３の実施形態として、以下にその方法を示す。図１５は、発電機がシリーズハイブリッド用の場合に、ジェネレータＧの駆動機構とモーターＭの車両駆動機構を示す図である。
上述したように、レシプロエンジンにマルチリンク機構を用いれば各気筒に発生する慣性力を相殺する事が出来るので、すなわち、1次慣性力、1次慣性偶力、２次慣性力、２次慣性偶力の発生を抑制できる。残る主要な振動はローリング（ロールモーメント）であるが、発電専用エンジンでは、この成分も相殺、或いは低減する事が可能である。第３の実施形態として、以下にその方法を示す。図１５は、発電機がシリーズハイブリッド用の場合に、ジェネレータＧの駆動機構とモーターＭの車両駆動機構を示す図である。
【0111】
ジェネレータＧはクランクシャフトＣＳに取付けたフライホイールＦＷを介してギアで駆動されクランクシャフトＣＳとは反対方向に回転する。クランクシャフトＣＳの角速度をω、ジェネレータＧの増速比をＫとする。クランクシャフトＣＳに発生するトルクをＴ(燃焼トルク＋慣性トルク）とし、クランクシャフト軸上でジェネレータＧを駆動するトルクをＴｔ、ジェネレータＧの吸収トルクをＴｇとする。
【0112】
エンジン定常運転時のＴｇは一定値と見なせる。クランクシャフトＣＳとフライホイールＦＷを含むクランクシャフト系の慣性モーメントをＪ１，ジェネレータＧと駆動機構を含むジェネレータ系の慣性モーメントをＪ２とすると、各軸上での運動方程式は以下のように定まる。
【0113】
【0114】
エンジン躯体及びジェネレータの駆動機構を含む発電ユニット全体が受けるトルクTuは、クランクシャフト軸上に残存するトルクの反力、ジェネレータ軸上に残存するトルクの反力、及びジェネレータのステータに発生するトルクで構成される。
【0115】
Ｊ１＝Ｋ×Ｊ２
であれば、Ｔｕ＝Ｔｇ（一定値）となる。
【0116】
よって、エンジン躯体及びジェネレータの駆動機構を含む発電ユニット全体にはピストン慣性力や燃焼ガス圧に起因するローリング振動を生じない。よって第３の実施形態は、多気筒直列エンジンの主要な振動５成分である、1次慣性力、1次慣性偶力、２次慣性力、２次慣性偶力、ロールモーメントを全て相殺する事が可能であり、実質的にゼロバイブレーションを実現出来る。また、J1≠K×J2 であってもジェネレータの逆回転効果により振動を低減する事が可能である。
【0117】
さらに、フライホイールＦＷとジェネレータ駆動ギアの間にバネ要素等によるダンパー機構を追加してギア音対策をしても良い。また、図１５に示すように、発電機がシリーズハイブリッド用の場合にはジェネレータＧの駆動機構とモーターＭの車両駆動機構を同一ケースに収納してコンパクト化を図ることも可能である。
【0118】
上記説明で「上下」、「アッパ」、「ロア」等の表現を用いたが、これらは説明の便宜のための表現であり、この発明は重力の方向には関係がない。
【0119】
［他の実施形態］
さらに、一々例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されうるものである。
さらに、一々例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されうるものである。
【符号の説明】
【0120】
１１…レシプロエンジン
１２…シリンダ
１３…エンジン躯体
１４…ピストン
１６…アッパリンク
１７…ロアリンク
１８，１８ａ…コントロールリンク
２０…クランクジャーナル
２１…ピストンピン
２２，２２ａ…コントロールピン
２３…ロアピン
２４…アッパピン
２６…クランクピン
５０…ドリブンシャフト
５４…クランクシャフトギア
５６…ドリブンギア
ＣＳ…クランクシャフト
ＦＷ…フライホイール
Ｍ …モーター
Ｇ …ジェネレータ―
１２…シリンダ
１３…エンジン躯体
１４…ピストン
１６…アッパリンク
１７…ロアリンク
１８，１８ａ…コントロールリンク
２０…クランクジャーナル
２１…ピストンピン
２２，２２ａ…コントロールピン
２３…ロアピン
２４…アッパピン
２６…クランクピン
５０…ドリブンシャフト
５４…クランクシャフトギア
５６…ドリブンギア
ＣＳ…クランクシャフト
ＦＷ…フライホイール
Ｍ …モーター
Ｇ …ジェネレータ―
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【手続補正書】
【提出日】2023-02-06
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
シリンダ内でシリンダ軸方向に往復直線運動をするピストンと、
クランク軸受によってエンジン躯体に回転支持されたクランクシャフトと、
前記ピストンの往復直線運動を前記クランクシャフトの回転運動に変換するためのリンク機構と、を有するレシプロエンジンであって、
前記リンク機構は、
前記エンジン躯体との連接点を含み、前記クランクシャフトに生じる慣性トルクに応じて、前記ピストンに生じる慣性力と反対方向の力を連接点に発生させること、
を特徴とするレシプロエンジン。
クランク軸受によってエンジン躯体に回転支持されたクランクシャフトと、
前記ピストンの往復直線運動を前記クランクシャフトの回転運動に変換するためのリンク機構と、を有するレシプロエンジンであって、
前記リンク機構は、
前記エンジン躯体との連接点を含み、前記クランクシャフトに生じる慣性トルクに応じて、前記ピストンに生じる慣性力と反対方向の力を連接点に発生させること、
を特徴とするレシプロエンジン。
【請求項2】
前記リンク機構は、アッパリンクと、ロアリンクと、コントロールリンクと、を備え、
前記アッパリンクは、第１の端部がピストンピンを介して前記ピストンに回転接続され第２の端部がアッパピンを介して前記ロアリンクの第１の端部に回転接続され、
前記ロアリンクは、第２の端部がロアピンを介して、前記コントロールリンクの第１の端部に回転接続され、前記ロアリンクの第１の端部と第２の端部の間に、クランクピンを介して前記クランクシャフトに回転接続され、
前記コントロールリンクの第２の端部は、コントロールピンを介して回転可能に前記エンジン躯体に連接されるよう構成されていて、
前記コントロールピンは、クランクジャーナルの軸心を通りシリンダ軸に平行な直線を基準線としたとき、前記基準線に対してシリンダ軸の反対側に位置し、前記コントロールピンの軸心と前記基準線との距離が、実質的に前記クランクジャーナルの軸心と前記クランクピンの軸心の距離の０．１７倍から０．７１倍になる範囲にあること、
を特徴とする請求項１に記載のレシプロエンジン。
前記アッパリンクは、第１の端部がピストンピンを介して前記ピストンに回転接続され第２の端部がアッパピンを介して前記ロアリンクの第１の端部に回転接続され、
前記ロアリンクは、第２の端部がロアピンを介して、前記コントロールリンクの第１の端部に回転接続され、前記ロアリンクの第１の端部と第２の端部の間に、クランクピンを介して前記クランクシャフトに回転接続され、
前記コントロールリンクの第２の端部は、コントロールピンを介して回転可能に前記エンジン躯体に連接されるよう構成されていて、
前記コントロールピンは、クランクジャーナルの軸心を通りシリンダ軸に平行な直線を基準線としたとき、前記基準線に対してシリンダ軸の反対側に位置し、前記コントロールピンの軸心と前記基準線との距離が、実質的に前記クランクジャーナルの軸心と前記クランクピンの軸心の距離の０．１７倍から０．７１倍になる範囲にあること、
を特徴とする請求項１に記載のレシプロエンジン。
【請求項3】
前記ピストンにより生じる慣性力は、前記エンジン躯体を上下方向に振動させず、前記エンジン躯体を回転方向に振動させること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のレシプロエンジン。
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のレシプロエンジン。
【請求項4】
前記クランクシャフトに発生する慣性トルクに応じて、前記連接点と前記クランクジャーナルに偶力を発生させること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のレシプロエンジン。
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のレシプロエンジン。
【請求項5】
前記ピストン慣性力により前記エンジン躯体に発生する加振力の１次成分および２次成分が、それぞれ、前記ピストン慣性力の１次成分および２次成分に比べて低減すること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のレシプロエンジン。
を特徴とする請求項１または請求項２に記載のレシプロエンジン。
【請求項6】
前記リンク機構は、前記エンジン躯体との連接点を含み、
前記リンク機構は、アッパリンクと、ロアリンクと、コントロールリンクと、を備え、
前記アッパリンクは、第１の端部がピストンピンを介して前記ピストンに回転接続され第２の端部がアッパピンを介して前記ロアリンクの第１の端部に回転接続され、
前記ロアリンクは、第２の端部がロアピンを介して、前記コントロールリンクの第1の端部に回転接続され、前記ロアリンクの第１の端部と第２の端部の間で、クランクピンを介して前記クランクシャフトに回転接続され、
前記コントロールリンクの第２の端部は、ドリブンシャフトを介して回転可能に接続され、
前記ドリブンシャフトは、前記エンジン躯体に回転可能に連接され、前記クランクシャフトの回転数の２分の１の回転数で逆転に駆動されること、
を特徴とする請求項１に記載のレシプロエンジン。
前記リンク機構は、アッパリンクと、ロアリンクと、コントロールリンクと、を備え、
前記アッパリンクは、第１の端部がピストンピンを介して前記ピストンに回転接続され第２の端部がアッパピンを介して前記ロアリンクの第１の端部に回転接続され、
前記ロアリンクは、第２の端部がロアピンを介して、前記コントロールリンクの第1の端部に回転接続され、前記ロアリンクの第１の端部と第２の端部の間で、クランクピンを介して前記クランクシャフトに回転接続され、
前記コントロールリンクの第２の端部は、ドリブンシャフトを介して回転可能に接続され、
前記ドリブンシャフトは、前記エンジン躯体に回転可能に連接され、前記クランクシャフトの回転数の２分の１の回転数で逆転に駆動されること、
を特徴とする請求項１に記載のレシプロエンジン。
【請求項7】
前記レシプロエンジンから動力伝達され発電するジェネレータと、クランシャフトに固定接続されるフライホイールと、歯車列とを備え、
前記ジェネレータは、前記歯車列により前記クランクシャフトとの反対方向に回転されることにより、ロールモーメントを低減すること、
を特徴とする請求項１または請求項２または請求項６のいずれかの請求項に記載のレシプロエンジン。
前記ジェネレータは、前記歯車列により前記クランクシャフトとの反対方向に回転されることにより、ロールモーメントを低減すること、
を特徴とする請求項１または請求項２または請求項６のいずれかの請求項に記載のレシプロエンジン。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0048】
これにより、図６に示すように、クランクジャーナル２０には上方向に荷重（力）Ｆ２と慣性トルクＴが作用する。この力Ｆ２のベクトルが作用するクランクジャーナル２０の軸心を通る作用線Ｌ２は作用線Ｌ１に平行である。