(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク軸の回転中心線に対して側方にオフセットしたシリンダ軸線を有するシリンダと、シリンダに往復運動可能に嵌合すると共にクランク軸に連結されてクランク軸を回転駆動するピストンと、バランサと、を備える単気筒または同位相直列２気筒の内燃機関において、
バランサはクランク軸により回転駆動され、ピストンを含むと共にクランク軸と連動して往復運動する往復運動部の質量ｍｐとクランク軸のカウンタウエイトの質量ｍｃとバランサのバランサウエイトの質量ｍｂとが以下の式（Ａ）を満たし、クランク軸周りのカウンタウエイトの回転角度とクランク角度との位相差α１およびバランサ軸周りのバランサウエイトの回転角度とクランク角度との位相差α２が以下の式（Ｂ）を満たすように設定されていることを特徴とする内燃機関。
【数１】
0004671887.tif 000012
ここで、δ：シリンダ軸線のオフセット量
Ｌ：コンロッド長
ｒ：クランク半径
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クランク軸の回転中心線に対して側方にオフセットしたシリンダ軸線を有するシリンダに往復動可能に嵌合するピストンと、クランク軸により回転駆動されるバランサとを備える単気筒内燃機関または同位相の直列２気筒内燃機関に関し、該内燃機関は例えば車両に搭載される。
【背景技術】
【０００２】
クランク軸の回転中心線に対して側方にオフセットしたシリンダ軸線を有するシリンダ（以下、「オフセット型シリンダ」という。）に往復動可能に嵌合するピストンを備える内燃機関において、該内燃機関の往復運動部に作用する慣性力を起振力とする振動を低減する技術は知られている（例えば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００５−３３１００６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
オフセット型シリンダを備える内燃機関では、往復運動部に作用する慣性力により発生する振動の形態が、オフセットがないシリンダ（以下、「通常型シリンダ」という。）を備える内燃機関とは異なる。このため、オフセット型シリンダを備える内燃機関では、往復運動式のバランサなど、通常型シリンダを備える内燃機関に広く使用されている回転式バランサに比べて複雑な機構のバランサが使用されることが多く、バランサの配置の自由度が小さくなること、また往復運動式バランサのように特定の方向で内燃機関が大型化すること、複雑な駆動機構により重量増を招来すること、さらに回転式バランサの製造設備が使用できないなどのためにコストが増加することがあった。
【０００４】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、オフセット型シリンダを備える内燃機関において、回転式バランサを使用することにより、振動低減効果に優れると共に、バランサの配置の自由度の増大、内燃機関の小型軽量化およびコスト削減を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１記載の発明は、クランク軸の回転中心線に対して側方にオフセットしたシリンダ軸線を有するシリンダと、シリンダに往復運動可能に嵌合すると共にクランク軸に連結されてクランク軸を回転駆動するピストンと、バランサと、を備える単気筒または同位相直列２気筒の内燃機関において、バランサはクランク軸により回転駆動され、ピストンを含むと共にクランク軸と連動して往復運動する往復運動部の質量ｍｐとクランク軸のカウンタウエイトの質量ｍｃとバランサのバランサウエイトの質量ｍｂとが以下の式（Ａ）を満たし、クランク軸周りのカウンタウエイトの回転角度とクランク角度との位相差α１およびバランサ軸周りのバランサウエイトの回転角度とクランク角度との位相差α２が以下の式（Ｂ）を満たすように設定されていることを特徴とする内燃機関である。
【数１】
0004671887.tif 000002
ここで、δ：シリンダ軸線のオフセット量
Ｌ：コンロッド長
ｒ：クランク半径
【０００６】
これによれば、オフセット型シリンダを備える内燃機関において、従来の通常型シリンダを備える内燃機関と同様の回転式バランサであるバランサにより、オフセット量を考慮してカウンタウエイトおよびバランサウエイトの質量とカウンタウエイトおよびバランサウエイトの位相差を、式（Ａ），（Ｂ）に基づいた特定の値に設定することで、往復運動部により発生する振動が低減する。また、回転式バランサであるので、バランサ自体やバランサの駆動機構の小型化および構造の簡単化が可能になり、さらにバランサの摺動抵抗を小さくできる。そのうえ、通常型シリンダを備える内燃機関において広く使用されている回転式バランサの製造設備を利用できるので、新たな設備投資が殆どなく、製造コストが削減される。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１記載の発明によれば、オフセット型シリンダを備える内燃機関において、回転式バランサを使用することにより、振動低減効果に優れると共に、バランサ自体やバランサの駆動機構の小型化および構造の簡単化によるバランサの配置の自由度の増大および内燃機関の小型軽量化が可能になり、さらにコスト削減および燃費改善が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を図１〜図４を参照して説明する。
図１を参照すると、本発明が適用された内燃機関２は、車両としての自動二輪車１にクランク軸Ｃが車幅方向に指向する横置き配置で搭載される水冷式の単気筒４ストローク内燃機関であり、車体の左側で内燃機関から後方に延びて配置される動力伝達装置３と共にパワーユニット４を構成する。
なお、この実施形態において、上下、前後および左右は、自動二輪車１を基準としたものとする。
【０００９】
自動二輪車１は、車体フレームＦと該車体フレームＦを覆う車体カバー５とを備える車体と、車体フレームＦに支持されるパワーユニット４とを備える。車体フレームＦは、前端部のヘッドパイプ６と、ヘッドパイプ６から下方に傾斜して後方に延びる左右１対のメインフレーム７と、ヘッドパイプ６からほぼ鉛直下方に延びた後に屈曲してほぼ水平に後方に延びてメインフレーム７の後部に接続される左右１対のダウンチューブ８と、メインフレーム７の中央部よりもやや後部寄りに接続されて上方に傾斜して後方に延びる左右１対のシートレール９と、メインフレーム７の後部とシートレール９の後部とを連結する左右１対のリヤフレーム10とを備える。
【００１０】
ヘッドパイプ６には、下端部に前輪11が軸支されると共に上端部にハンドル12が取り付けられたフロントフォーク13が操向可能に支持される。Ｖベルト式自動変速機からなる変速機および終減速装置を備えてクランク軸Ｃの動力を後輪14に伝達する動力伝達装置３を備えるパワーユニット４の後端部には後輪14が軸支される。そして、パワーユニット４は、その前部で内燃機関２に設けられるハンガ15により、車体に取り付けられるピボット軸17に揺動可能に支持され、その後端部のハンガ16により、乗員用のタンデム型のシート18を支持するシートレール９の後端部に結合されたリヤクッション19に支持される。
【００１１】
図２を併せて参照すると、内燃機関２は、シリンダ軸線Ｌ２がクランク軸Ｃから前方に向かってやや斜め上方に指向するように大きく前傾した単一のシリンダ30と、シリンダ30の前端部に結合されるシリンダヘッド31と、シリンダヘッド31の前端部に結合されるヘッドカバー32と、シリンダ30の後端部に結合されるクランクケース33とから構成される機関本体を備える。クランク軸Ｃは、その回転中心線Ｌ１に平行な方向（以下、「軸方向」という。）でカウンタウエイトＷｃを構成する１対のウエイト部Ｃｂ（図２には一方のウエイト部が示されている。）を挟んで配置される１対の主軸受を介してクランクケース33に回転可能に支持される。
シリンダ軸線Ｌ２は、回転中心線Ｌ１に対して側方に、この実施形態ではピストン上死点からのクランク軸Ｃの回転方向側に、所定のオフセット量δでオフセットしている。すなわち、シリンダ軸線Ｌ２は、回転中心線Ｌ１を含むと共にシリンダ軸線Ｌ２に平行な平面Ｈに対してオフセット量δに等しい距離で離れている。
【００１２】
シリンダ30に往復運動可能に嵌合するピストン34は、小端部35ａにてピストン34のピストンピン34ａに連結される一方で大端部35ｂにてクランク軸ＣのクランクピンＣａに連結されるコンロッド35を介して、クランク軸Ｃに連結される。シリンダヘッド31には、シリンダ軸線Ｌ２方向でピストン34と対向する燃焼室36と、燃焼室36に開口する吸気ポート37および排気ポート38とが形成され、さらに吸気ポート37および排気ポート38をそれぞれ開閉する吸気弁40および排気弁41が設けられる。吸気弁40および排気弁41は、クランク軸Ｃの動力により回転駆動される１つのカム軸42ａおよびロッカアーム42ｂ，42ｃを備えるＳＯＨＣ型の動弁装置42によりクランク軸Ｃの回転に同期して開閉駆動されて、吸気ポート37および排気ポート38をそれぞれ開閉する。
【００１３】
内燃機関２の運転時、内燃機関２の吸気装置を流通する吸入空気は、スロットル弁により流量制御された後、燃料噴射弁から噴射された燃料と混合して混合気を形成し、該混合気は吸気ポート37を経て燃焼室36に流入し、燃焼室36内で点火栓により点火されて燃焼する。そして、発生した燃焼ガスの圧力により駆動されて往復運動するピストン34がコンロッド35を介してクランク軸Ｃを回転駆動する。燃焼ガスは、排気ガスとして排気ポート38に流出し、さらに排気ポートに接続される排気管を備える排気装置を通じて内燃機関２の外部に排出される。
【００１４】
運転時の内燃機関２には、ピストン34、コンロッド35およびクランク軸Ｃなどから構成されてピストン34の回転運動をクランク軸Ｃの回転運動に変換するクランク機構Ｎ１に発生する不釣合力に基づく振動が発生する。この不釣合力の主たるものは、ピストン34を含むと共にクランク軸Ｃと連動して往復運動する部分である往復運動部Ｄ１に作用する慣性力である。ここで、往復運動部Ｄ１は、ピストン34およびコンロッド35における往復運動部分などから構成される。そして、内燃機関２に発生する振動は、往復運動部Ｄ１に作用する慣性力からなる起振力Ｆｐによる振動が主要なものである。（なお、起振力の符号については、後述する式を参照のこと。）
【００１５】
一方、内燃機関２には、起振力Ｆｐによる振動を抑制する制振機構Ｎ２が備えられる。制振機構Ｎ２は、クランク軸Ｃに一体成形されて設けられてクランク軸Ｃと一体に回転するカウンタウエイトＷｃと、クランク軸Ｃにより回転駆動されると共に回転中心線Ｌ１に平行な回転中心線Ｌ３を有するように配置されたバランサとしての１つのバランサ軸Ｂとから構成される。
バランサ軸Ｂは、クランクケース33に回転可能に支持される軸部Ｂａと、軸部Ｂａに一体成形されたバランサウエイトＷｂとから構成される。バランサウエイトＷｂは、軸方向で１対のウエイト部Ｃｂの間に配置される。起振力Ｆｐによる１次振動を抑制する１次バランサとしてのバランサ軸Ｂは、クランク軸Ｃの動力をバランサ軸Ｂに伝達するバランサ用駆動機構45を介して、クランク軸Ｃと等速で、かつ逆方向に回転駆動される。駆動機構45は、右側の前記主軸受の外側に設けられた駆動ギヤ45ａと、軸部Ｂａに設けられて該駆動ギヤ45ａと噛合する被動ギヤ45ｂとから構成される。そして、内燃機関２の運転中に制振機構Ｎ２により発生する制振用の起振力は、カウンタウエイトＷｃに発生する慣性力からなる起振力Ｆｃと、バランサウエイトＷｂに発生する慣性力からなる起振力Ｆｂとから構成される。ここで、カウンタウエイトＷｃおよびバランサウエイトＷｂは、制振用の回転運動部Ｄ２を構成する。
【００１６】
以下、制振機構Ｎ２でのこれら起振力Ｆｂ，Ｆｃによる、往復運動部Ｄ１の往復運動により発生する振動の制振原理について、図３を参照して説明する。
図３および以下の式における符号の意味は以下のとおりである。
Ｌ  ：コンロッド長
ｒ  ：クランク半径
λ  ：コンロッド比（Ｌ／ｒ）
δ  ：オフセット量（ピストン上死点からのクランク軸Ｃの回転方向側が正方向）
ｍｐ ：往復運動部Ｄ１の質量
ｍｃ ：カウンタウエイトＷｃの質量
ｍｂ ：バランサウエイトＷｂの質量
α１ ：クランク軸Ｃ周りのカウンタウエイトＷｃの回転角度とクランク角度との位相差      （クランク軸Ｃの回転方向が正方向）
α２ ：バランサ軸Ｂ周りのバランサウエイトＷｂの回転角度とクランク角度との位相差      （クランク軸Ｃの回転方向とは反対方向が正方向）
ω  ：クランク軸Ｃの回転速度
【００１７】
往復運動部Ｄ１による起振力Ｆｐは、回転中心線Ｌ１を原点とするｘ軸およびｙ軸（図２も参照）からなる直交座標におけるｘ成分およびｙ成分により次式で表される。
【数２】
0004671887.tif 000003
同様に、カウンタウエイトＷｃによる起振力ＦｃおよびバランサウエイトＷｂによる起振力Ｆｂは、それぞれ次式で表される。
【数３】
0004671887.tif 000004
【００１８】
内燃機関２における振動の主たる成分である１次振動のみを考慮して以上の式を整理すると、これら起振力Ｆｐ，Ｆｃ，Ｆｂの合力である起振力Ｆは次式で表される。
【数４】
0004671887.tif 000005
そして、起振力Ｆのｘ成分Ｆｘは次式で表される。
【数５】
0004671887.tif 000006
ここで、
【数６】
0004671887.tif 000007
それゆえ、起振力Ｆｐが起振力Ｆｃおよび起振力Ｆｂにより完全に打ち消されるようにするためには、起振力Ｆのｘ成分ＦｘについてＦｘ＝０であればよく、そのための条件は、前述の式に基づいて、ｍｃ＝ｍｂかつα１＝α２であればよい。
【００１９】
同様に、起振力Ｆのｙ成分Ｆｙは次式で表される。
【数７】
0004671887.tif 000008
この式に、ｍｃ＝ｍｂかつα１＝α２を代入すると、
【数８】
0004671887.tif 000009
ここで、
【数９】
0004671887.tif 000010
したがって、Ｆｘ＝０である条件の下で、起振力Ｆのｙ成分ＦｙについてＦｙ＝０であるためには、Ａ２＝０，Ｂ２＝０が成立すればよく、この両式から次式（Ａ）、（Ｂ）が導出される。
【数１０】
0004671887.tif 000011
【００２０】
そして、内燃機関２において、往復運動部Ｄ１の質量ｍｐとカウンタウエイトＷｃの質量ｍｃとバランサウエイトＷｂの質量ｍｂとが式（Ａ）を満たし、カウンタウエイトＷｃの位相差α１およびバランサウエイトＷｂの位相差α２が式（Ｂ）を満たすように設定されることで、往復運動部Ｄ１による起振力Ｆｐで発生する振動が効果的に低減する。
【００２１】
なお、明細書および特許請求の範囲において、質量ｍｐ、質量ｍｃ、質量ｍｂ、位相差α１および位相差α２の各制振パラメータが、式（Ａ），（Ｂ）を満たすとは、各制振パラメータが、式（Ａ），（Ｂ）を完全に満たす場合のほかに、制振機構Ｎ２による振動低減効果に関して有意の差異が生じない範囲で、式（Ａ），（Ｂ）完全に満たす場合の値とほぼ等しい値を有する場合も含む。
【実施例】
【００２２】
本発明の実施例を、図４を参照して説明する。なお、この実施例および本発明に基づかない比較例における内燃機関２の諸元は以下のとおりである。
実施例
オフセット量δ：０．００５ｍ
コンロッド長Ｌ：０．１１８５ｍ
クランク半径ｒ：０．０３４３ｍ
コンロッド比λ：３．４６０
質量ｍｐ ：０．２９４ｋｇ
クランク軸Ｃのバランス率（ｍｃ／ｍｐ）：５０．５３％
バランサ軸Ｂのバランス率（ｍｂ／ｍｐ）：５０．５３％
位相差α１ ：−８．３１°
位相差α２ ：−８．３１°
比較例
クランク軸Ｃのバランス率（ｍｃ／ｍｐ）：５０．００％
バランサ軸Ｂのバランス率（ｍｂ／ｍｐ）：５０．００％
位相差α１ ：０．００°
位相差α２ ：０．００°
その他の諸元は実施例と同一である。
【００２３】
図４（Ａ），（Ｂ）に示されるように、本発明では、ｘ成分については、起振力Ｆｃのｘ成分Ｆｃｘおよび起振力Ｆｂのｘ成分Ｆｂｘが互いに打ち消し合って、ｘ成分Ｆｘがゼロになり、ｙ成分については、起振力Ｆｃのｙ成分Ｆｃｙおよび起振力Ｆｂのｙ成分Ｆｂｙが、往復運動部Ｄ１の往復運動により発生する起振力Ｆｐのｘ成分Ｆｐｘを完全に打ち消して、ｙ成分Ｆｙがゼロになるので、優れた振動低減効果が得られる。これに対して、図４（Ｃ），（Ｄ）に示されるように、比較例では、ｘ成分については、ｘ成分Ｆｘはゼロになるものの、ｙ成分については、ｙ成分Ｆｃｙおよびｙ成分Ｆｂｙによっても、ｙ成分Ｆｐｙを完全に打ち消すことができず、振動低減効果が本発明よりも劣る。
【００２４】
次に、前述のように構成された実施形態の作用および効果について説明する。
オフセット型シリンダ30を備える内燃機関２において、バランサ軸Ｂはクランク軸Ｃにより回転駆動され、往復運動部Ｄ１の質量ｍｐとカウンタウエイトＷｃの質量ｍｃとバランサウエイトＷｂの質量ｍｂとが式（Ａ）を満たし、カウンタウエイトＷｃの位相差α１およびバランサウエイトＷｂの位相差α２が式（Ｂ）を満たすように設定されている。これにより、内燃機関２において、従来の通常型シリンダを備える内燃機関と同様の回転式バランサであるバランサ軸Ｂにより、オフセット量δを考慮して質量ｍｃ，ｍｂ、位相差α１，α２からなる制振パラメータを式（Ａ），（Ｂ）に基づいた特定の値に設定することで、往復運動部Ｄ１により発生する振動が低減する。また、バランサ軸Ｂが回転式バランサであるので、バランサ軸Ｂ自体やバランサ軸Ｂの駆動機構45の小型化および構造の簡単化が可能になり、さらにバランサ軸Ｂの摺動抵抗を小さくできる。そのうえ、通常型シリンダを備える内燃機関において広く使用されているバランサ軸の製造設備を利用できるので、新たな設備投資が殆どなく、製造コストが削減される。
この結果、オフセット型シリンダ30を備える内燃機関２において、回転式バランサであるバランサ軸Ｂを使用することにより、振動低減効果に優れると共に、バランサ軸Ｂ自体やバランサ軸Ｂの駆動機構45の小型化および構造の簡単化によるバランサ軸Ｂの配置の自由度の増大および内燃機関２の小型軽量化が可能になり、さらにコスト削減および燃費改善が可能になる。しかもバランサ軸Ｂによる制振効果は、クランク軸Ｃに対するバランサ軸Ｂの位置に依存しないので、この点でもバランサ軸Ｂの配置の自由度の増大に寄与する。
【００２５】
以下、前述した実施形態の一部の構成を変更した実施形態について、変更した構成に関して説明する。
内燃機関は同位相の直列２気筒内燃機関であってもよく、その場合、２つの気筒における点火時期は、クランク角度で３６０°ずれていても、または同時期であってもよい。
内燃機関は、車両以外の機械に使用されてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明が適用された内燃機関を備えるパワーユニットが搭載された自動二輪車の概略の右側面図である。
【図２】図１の内燃機関の要部の左断面図である。
【図３】図１の内燃機関に発生する起振力を説明するための図である。
【図４】内燃機関の起振力を示すグラフであり、（Ａ）は本発明での各起振力のｘ成分、（Ｂ）は本発明での各起振力ｙ成分、（Ｃ）は比較例での各起振力のｘ成分、（Ｄ）は比較例での起振力のｙ成分をそれぞれ示す。
【符号の説明】
【００２７】
１…自動二輪車、２…内燃機関、Ｌ１，Ｌ３…回転中心線、Ｌ２…シリンダ軸線、Ｃ…クランク軸、Ｂ…バランサ軸、Ｗｃ…カウンタウエイト、Ｗｂ…バランサウエイト、Ｄ１…往復運動部、Ｄ２…回転運動部。
【図１】
0004671887.tif 000013
【図２】
0004671887.tif 000014
【図３】
0004671887.tif 000015
【図４】
0004671887.tif 000016