(57)【要約】【課題】ピストン、コネクティングロッド、及びクランクシャフトの運動によって生じる慣性力を打ち消す効果を向上させる。【解決手段】クランクシャフト２０の回転中心軸に平行な方向において、一対のサブ気筒１４−１，１４−２が対向配置されているとともにメイン気筒１２がそれらの間に配置されている。サブ気筒１４−１の中心軸とメイン気筒１２の中心軸との距離ｙ１が、サブ気筒１４−２の中心軸とメイン気筒１２の中心軸との距離ｙ２と等しく設定されている。メイン気筒１２にて生じる左右及び上下方向の慣性力が、一対のサブ気筒１４−１，１４−２にて生じる左右及び上下方向の慣性力によって、エンジン回転次数成分に関係なく且つモーメントが発生することなく相殺される。【選択図】図２
2007120429.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の燃焼によって、メイン気筒用コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連接されたメイン気筒用ピストンが往復運動するメイン気筒と、
一対のサブ気筒であって、その各々はサブ気筒用コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連接されたサブ気筒用ピストンが往復運動する気筒である一対のサブ気筒と、
を備え、
クランクシャフトは、メイン気筒用コネクティングロッドと連接されたメイン気筒用クランクピンと、サブ気筒用コネクティングロッドと連接されたサブ気筒用クランクピンと、を含み、
メイン気筒用クランクピンとサブ気筒用クランクピンとは、クランクシャフトの回転中心軸を挟んで互いに反対側に配置されているとともにクランクシャフトの回転中心軸に対する距離が等しく設定されており、
サブ気筒用コネクティングロッドの長さが、メイン気筒用コネクティングロッドの長さと等しく設定され、サブ気筒用ピストンの合計質量及びサブ気筒用コネクティングロッドの合計質量が、それぞれメイン気筒用ピストンの質量及びメイン気筒用コネクティングロッドの質量と略等しく設定されており、
クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向において、一対のサブ気筒が対向配置されているとともにメイン気筒がそれらの間に配置されており、
一方のサブ気筒用ピストンの質量をｍｐ１、他方のサブ気筒用ピストンの質量をｍｐ２、一方のサブ気筒用コネクティングロッドの質量をｍｑ１、他方のサブ気筒用コネクティングロッドの質量をｍｑ２、一方のサブ気筒の中心軸とメイン気筒の中心軸との距離をｙ１、他方のサブ気筒の中心軸とメイン気筒の中心軸との距離をｙ２とすると、
（ｍｐ１＋ｍｑ１）×ｙ１＝（ｍｐ２＋ｍｑ２）×ｙ２
がほぼ成立することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関であって、
ｍｐ１×ｙ１＝ｍｐ２×ｙ２且つｍｑ１×ｙ１＝ｍｑ２×ｙ２
がほぼ成立することを特徴とする内燃機関。
【請求項３】
請求項２に記載の内燃機関であって、
ｙ１＝ｙ２
がほぼ成立することを特徴とする内燃機関。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１に記載の内燃機関であって、
クランクシャフトの重心が、クランクシャフトの回転中心軸上に設定されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１に記載の内燃機関であって、
サブ気筒用クランクピンの合計質量が、メイン気筒用クランクピンの質量と略等しく設定されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１に記載の内燃機関であって、
クランクシャフトには、メイン気筒用カウンタウェイトがクランクシャフトの回転中心軸を挟んでメイン気筒用クランクピンの反対側に配設され、サブ気筒用カウンタウェイトがクランクシャフトの回転中心軸を挟んでサブ気筒用クランクピンの反対側に配設されており、
メイン気筒用カウンタウェイト及びサブ気筒用カウンタウェイトが、いずれもオーバーバランス側に設定されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項７】
請求項６に記載の内燃機関であって、
サブ気筒用カウンタウェイトの合計質量モーメントが、メイン気筒用カウンタウェイトの質量モーメントと略等しく設定されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１に記載の内燃機関であって、
メイン気筒にクランクオフセットが設定されている場合に、
サブ気筒にクランクオフセットが設定されており、
メイン気筒とサブ気筒とで、クランクオフセットの方向が互いに反対で、クランクオフセット量が等しく設定されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１に記載の内燃機関であって、
メイン気筒用ピストンにピストンピンオフセットが設定されている場合に、
サブ気筒用ピストンにピストンピンオフセットが設定されており、
メイン気筒用ピストンとサブ気筒用ピストンとで、ピストンピンオフセットの方向が互いに反対で、ピストンピンオフセット量が等しく設定されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１に記載の内燃機関であって、
サブ気筒においては、燃料を燃焼させないことを特徴とする内燃機関。
【請求項１１】
請求項１０に記載の内燃機関であって、
サブ気筒におけるサブ気筒用ピストン頂面側の端部が開放されていることを特徴とする内燃機関。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１に記載の内燃機関であって、
サブ気筒用ピストンは、サブ気筒内を往復運動するピストン本体と、ピストン本体に対して着脱可能な質量調整用部品と、を含むことを特徴とする内燃機関。
【請求項１３】
流体を圧縮するために、メイン気筒用コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連接されたメイン気筒用ピストンが往復運動するメイン気筒と、
一対のサブ気筒であって、その各々はサブ気筒用コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連接されたサブ気筒用ピストンが往復運動する気筒である一対のサブ気筒と、
を備え、
クランクシャフトは、メイン気筒用コネクティングロッドと連接されたメイン気筒用クランクピンと、サブ気筒用コネクティングロッドと連接されたサブ気筒用クランクピンと、を含み、
メイン気筒用クランクピンとサブ気筒用クランクピンとは、クランクシャフトの回転中心軸を挟んで互いに反対側に配置されているとともにクランクシャフトの回転中心軸に対する距離が等しく設定されており、
サブ気筒用コネクティングロッドの長さが、メイン気筒用コネクティングロッドの長さと等しく設定され、サブ気筒用ピストンの合計質量及びサブ気筒用コネクティングロッドの合計質量が、それぞれメイン気筒用ピストンの質量及びメイン気筒用コネクティングロッドの質量と略等しく設定されており、
クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向において、一対のサブ気筒が対向配置されているとともにメイン気筒がそれらの間に配置されており、
一方のサブ気筒用ピストンの質量をｍｐ１、他方のサブ気筒用ピストンの質量をｍｐ２、一方のサブ気筒用コネクティングロッドの質量をｍｑ１、他方のサブ気筒用コネクティングロッドの質量をｍｑ２、一方のサブ気筒の中心軸とメイン気筒の中心軸との距離をｙ１、他方のサブ気筒の中心軸とメイン気筒の中心軸との距離をｙ２とすると、
（ｍｐ１＋ｍｑ１）×ｙ１＝（ｍｐ２＋ｍｑ２）×ｙ２
がほぼ成立することを特徴とする圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストン−クランク機構を用いた内燃機関及び圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関や圧縮機等で用いられているピストン−クランク機構においては、ピストン、コネクティングロッド、及びクランクシャフトの運動によって慣性力（加振力）が発生する。この慣性力を打ち消すための手段として、バランサが用いられる。例えば下記非特許文献１には、１次バランサを用いて往復運動部分（ピストン及びコネクティングロッドの小端部）の１次の慣性力（慣性力のエンジン回転１次成分）を打ち消す筒内可視化用エンジンが示されている。また、下記非特許文献２，３には、１次バランサ及び２次バランサを用いて往復運動部分の１次及び２次の慣性力（慣性力のエンジン回転１次及び２次成分）をそれぞれ打ち消すエンジンが示されている。
【０００３】
その他の背景技術として、下記特許文献１による無振動クランク装置が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特公平３−５７３１０号公報
【非特許文献１】AVL-List社、"Transparent Research Engine"、［online］、［２００５年７月２２日検索］、インターネット、＜URL：http://biz.avl.com/wo/webobsession.servlet.go/encoded/YXBwPWtiYXNlJnBhZ2U9Y29udGVudC1tYW5hZ2VtZW50L3ZpZXcmaWQ9NDAwMDEzMjI0.html＞
【非特許文献２】ロバート・ボッシュＧｍｂＨ著、小口泰平監修、「ボッシュ自動車ハンドブック  日本語版第２版」、株式会社山海堂、２００５年６月７日、p.386-387
【非特許文献３】宮野弥明他、「重質燃料適応中速４サイクルディーゼルエンジンの研究開発」、ＪＰＥＣ（財団法人石油産業活性化センター）報告書、１９９７年、No.1997.C4.1.11
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述したように、１次バランサ及び２次バランサにより往復運動部分の１次及び２次の慣性力をそれぞれ打ち消すことが可能となるが、往復運動部分の３次以上の慣性力は残り、この３次以上の慣性力の不釣り合いによって振動が発生する。慣性力はクランクシャフトの回転数の２乗に比例して増大するため、クランクシャフトが高い回転数で回転するほど慣性力の不釣り合いによって生じる振動も増大する。バランサを用いて３次以上の慣性力を打ち消す場合は、各回転次数成分ごとにバランサを配設する必要があるため、構成が大幅に複雑化して実現が困難である。
【０００６】
本発明は、ピストン、コネクティングロッド、及びクランクシャフトの運動によって生じる慣性力を打ち消す効果を向上させることができる内燃機関及び圧縮機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る内燃機関及び圧縮機は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。
【０００８】
本発明に係る内燃機関は、燃料の燃焼によって、メイン気筒用コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連接されたメイン気筒用ピストンが往復運動するメイン気筒と、一対のサブ気筒であって、その各々はサブ気筒用コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連接されたサブ気筒用ピストンが往復運動する気筒である一対のサブ気筒と、を備え、クランクシャフトは、メイン気筒用コネクティングロッドと連接されたメイン気筒用クランクピンと、サブ気筒用コネクティングロッドと連接されたサブ気筒用クランクピンと、を含み、メイン気筒用クランクピンとサブ気筒用クランクピンとは、クランクシャフトの回転中心軸を挟んで互いに反対側に配置されているとともにクランクシャフトの回転中心軸に対する距離が等しく設定されており、サブ気筒用コネクティングロッドの長さが、メイン気筒用コネクティングロッドの長さと等しく設定され、サブ気筒用ピストンの合計質量及びサブ気筒用コネクティングロッドの合計質量が、それぞれメイン気筒用ピストンの質量及びメイン気筒用コネクティングロッドの質量と略等しく設定されており、クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向において、一対のサブ気筒が対向配置されているとともにメイン気筒がそれらの間に配置されており、一方のサブ気筒用ピストンの質量をｍｐ１、他方のサブ気筒用ピストンの質量をｍｐ２、一方のサブ気筒用コネクティングロッドの質量をｍｑ１、他方のサブ気筒用コネクティングロッドの質量をｍｑ２、一方のサブ気筒の中心軸とメイン気筒の中心軸との距離をｙ１、他方のサブ気筒の中心軸とメイン気筒の中心軸との距離をｙ２とすると、
（ｍｐ１＋ｍｑ１）×ｙ１＝（ｍｐ２＋ｍｑ２）×ｙ２
がほぼ成立することを要旨とする。
【０００９】
本発明においては、クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向において、一対のサブ気筒が対向配置されているとともにメイン気筒がそれらの間に配置されている。サブ気筒用ピストンの合計質量及びサブ気筒用コネクティングロッドの合計質量は、それぞれメイン気筒用ピストンの質量及びメイン気筒用コネクティングロッドの質量と略等しく設定されている。そして、一方のサブ気筒用ピストンの質量ｍｐ１、他方のサブ気筒用ピストンの質量ｍｐ２、一方のサブ気筒用コネクティングロッドの質量ｍｑ１、他方のサブ気筒用コネクティングロッドの質量ｍｑ２、一方のサブ気筒の中心軸とメイン気筒の中心軸との距離ｙ１、他方のサブ気筒の中心軸とメイン気筒の中心軸との距離ｙ２に関して、
（ｍｐ１＋ｍｑ１）×ｙ１＝（ｍｐ２＋ｍｑ２）×ｙ２
の関係がほぼ成立する。なお、メイン気筒用ピストンの質量及びサブ気筒用ピストンの質量については、いずれもピストンピンの質量も含めるものとする。
【００１０】
本発明によれば、メイン気筒にて発生する慣性力を、一対のサブ気筒にて発生する慣性力によって、回転次数成分に関係なく且つモーメントを発生させずに打ち消すことができる。その結果、ピストン、コネクティングロッド、及びクランクシャフトの運動によって生じる慣性力を打ち消す効果を向上させることができる。
【００１１】
本発明の一態様では、ｍｐ１×ｙ１＝ｍｐ２×ｙ２且つｍｑ１×ｙ１＝ｍｑ２×ｙ２がほぼ成立することが好適である。この態様では、ｙ１＝ｙ２がほぼ成立することが好適である。
【００１２】
本発明の一態様では、クランクシャフトの重心が、クランクシャフトの回転中心軸上に設定されていることが好適である。
【００１３】
本発明の一態様では、サブ気筒用クランクピンの合計質量が、メイン気筒用クランクピンの質量と略等しく設定されていることが好適である。
【００１４】
本発明の一態様では、クランクシャフトには、メイン気筒用カウンタウェイトがクランクシャフトの回転中心軸を挟んでメイン気筒用クランクピンの反対側に配設され、サブ気筒用カウンタウェイトがクランクシャフトの回転中心軸を挟んでサブ気筒用クランクピンの反対側に配設されており、メイン気筒用カウンタウェイト及びサブ気筒用カウンタウェイトが、いずれもオーバーバランス側に設定されていることが好適である。この態様では、サブ気筒用カウンタウェイトの合計質量モーメントが、メイン気筒用カウンタウェイトの質量モーメントと略等しく設定されていることが好適である。
【００１５】
本発明の一態様では、メイン気筒にクランクオフセットが設定されている場合に、サブ気筒にクランクオフセットが設定されており、メイン気筒とサブ気筒とで、クランクオフセットの方向が互いに反対で、クランクオフセット量が等しく設定されていることが好適である。
【００１６】
本発明の一態様では、メイン気筒用ピストンにピストンピンオフセットが設定されている場合に、サブ気筒用ピストンにピストンピンオフセットが設定されており、メイン気筒用ピストンとサブ気筒用ピストンとで、ピストンピンオフセットの方向が互いに反対で、ピストンピンオフセット量が等しく設定されていることが好適である。
【００１７】
本発明の一態様では、サブ気筒においては、燃料を燃焼させないことが好適である。この態様では、サブ気筒におけるサブ気筒用ピストン頂面側の端部が開放されていることが好適である。
【００１８】
本発明の一態様では、サブ気筒用ピストンは、サブ気筒内を往復運動するピストン本体と、ピストン本体に対して着脱可能な質量調整用部品と、を含むことが好適である。
【００１９】
また、本発明に係る圧縮機は、流体を圧縮するために、メイン気筒用コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連接されたメイン気筒用ピストンが往復運動するメイン気筒と、一対のサブ気筒であって、その各々はサブ気筒用コネクティングロッドを介してクランクシャフトに連接されたサブ気筒用ピストンが往復運動する気筒である一対のサブ気筒と、を備え、クランクシャフトは、メイン気筒用コネクティングロッドと連接されたメイン気筒用クランクピンと、サブ気筒用コネクティングロッドと連接されたサブ気筒用クランクピンと、を含み、メイン気筒用クランクピンとサブ気筒用クランクピンとは、クランクシャフトの回転中心軸を挟んで互いに反対側に配置されているとともにクランクシャフトの回転中心軸に対する距離が等しく設定されており、サブ気筒用コネクティングロッドの長さが、メイン気筒用コネクティングロッドの長さと等しく設定され、サブ気筒用ピストンの合計質量及びサブ気筒用コネクティングロッドの合計質量が、それぞれメイン気筒用ピストンの質量及びメイン気筒用コネクティングロッドの質量と略等しく設定されており、クランクシャフトの回転中心軸に平行な方向において、一対のサブ気筒が対向配置されているとともにメイン気筒がそれらの間に配置されており、一方のサブ気筒用ピストンの質量をｍｐ１、他方のサブ気筒用ピストンの質量をｍｐ２、一方のサブ気筒用コネクティングロッドの質量をｍｑ１、他方のサブ気筒用コネクティングロッドの質量をｍｑ２、一方のサブ気筒の中心軸とメイン気筒の中心軸との距離をｙ１、他方のサブ気筒の中心軸とメイン気筒の中心軸との距離をｙ２とすると、
（ｍｐ１＋ｍｑ１）×ｙ１＝（ｍｐ２＋ｍｑ２）×ｙ２
がほぼ成立することを要旨とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。
【００２１】
図１，２は、本発明の実施形態に係る内燃機関の内部構成の概略を示す図である。本実施形態に係る内燃機関は、ピストン−クランク機構を用いた往復型内燃機関（レシプロエンジン）であり、以下に説明するメイン気筒１２と一対のサブ気筒１４−１，１４−２とを備えている。なお、図１はクランクシャフト２０の軸線方向（回転中心軸に平行な方向）から見た内部構成図を示し、図２はメイン気筒１２の中心軸及びクランクシャフト２０の回転中心軸と直交する方向から見た内部構成図を示す。また、以下の説明では、メイン気筒１２の中心軸及びクランクシャフト２０の回転中心軸と直交する軸をｘ軸、クランクシャフト２０の回転中心軸に一致する軸をｙ軸、ｘ軸及びｙ軸（クランクシャフト２０の回転中心軸）と直交する軸をｚ軸とするｘｙｚ座標系を規定し、ｘ軸方向を機関左右方向、ｙ軸方向を機関前後方向、ｚ軸方向を機関上下方向とする。
【００２２】
メイン気筒１２内を往復運動するメイン気筒用ピストン１６は、メイン気筒用コネクティングロッド１８を介してクランクシャフト２０に連接されている。より具体的には、メイン気筒用ピストン１６がピストンピン１５を介してメイン気筒用コネクティングロッド１８の小端部２２と連接されており、メイン気筒用コネクティングロッド１８の大端部２４がクランクシャフト２０に配設されたメイン気筒用クランクピン４２と連接されている。メイン気筒１２においては、周知の内燃機関と同様に、燃焼室１３における燃料（混合気）の燃焼によって発生した熱エネルギーを利用してメイン気筒用ピストン１６が往復運動する。メイン気筒用ピストン１６の往復運動がクランクシャフト２０の回転運動に変換され、クランクシャフト２０から動力を取り出すことができる。なお、図１，２では、本実施形態に係る内燃機関を筒内可視化用エンジンに適用する場合を想定して、メイン気筒用ピストン１６が、その内部に反射ミラーを配設可能なようにその高さが延長されたロングピストンである例を示している。
【００２３】
メイン気筒１２においては、メイン気筒用ピストン１６、メイン気筒用コネクティングロッド１８、及びクランクシャフト２０の運動によって慣性力（加振力）が発生する。本実施形態では、このメイン気筒１２にて発生する慣性力（加振力）を打ち消すために、一対のサブ気筒１４−１，１４−２がメイン気筒１２の前後に互いに対向して配置されている。つまり、クランクシャフト２０の回転中心軸に平行な方向（ｙ軸方向）において、一対のサブ気筒１４−１，１４−２が対向配置されているとともにメイン気筒１２がそれらの間に配置されている。サブ気筒１４−１，１４−２の中心軸は、ともにメイン気筒１２の中心軸と平行である。そして、サブ気筒１４−１の中心軸とメイン気筒１２の中心軸との距離ｙ１が、サブ気筒１４−２の中心軸とメイン気筒１２の中心軸との距離ｙ２と等しく（あるいはほぼ等しく）設定されている（ｙ１＝ｙ２）。以下、サブ気筒１４−１，１４−２の詳細な構成について説明する。
【００２４】
サブ気筒１４−１内を往復運動するサブ気筒用ピストン２６−１は、サブ気筒用コネクティングロッド２８−１を介してクランクシャフト２０に連接されている。より具体的には、サブ気筒用ピストン２６−１がピストンピン２５−１を介してサブ気筒用コネクティングロッド２８−１の小端部３２−１と連接されており、サブ気筒用コネクティングロッド２８−１の大端部３４−１がクランクシャフト２０に配設されたサブ気筒用クランクピン４４−１と連接されている。同様に、サブ気筒１４−２内を往復運動するサブ気筒用ピストン２６−２は、サブ気筒用コネクティングロッド２８−２を介してクランクシャフト２０に連接されている。より具体的には、サブ気筒用ピストン２６−２がピストンピン２５−２を介してサブ気筒用コネクティングロッド２８−２の小端部３２−２と連接されており、サブ気筒用コネクティングロッド２８−２の大端部３４−２がクランクシャフト２０に配設されたサブ気筒用クランクピン４４−２と連接されている。
【００２５】
サブ気筒１４−１においては、シリンダヘッドが省略されていることで、サブ気筒用ピストン２６−１の頂面側の端部が開放されている。同様に、サブ気筒１４−２においても、シリンダヘッドが省略されていることで、サブ気筒用ピストン２６−２の頂面側の端部が開放されている。つまり、サブ気筒１４−１，１４−２においては、ともに燃料（混合気）を燃焼させることなく、サブ気筒１４−１，１４−２は、ともに動力を発生せず且つメイン気筒１２にて発生する慣性力を打ち消すためのダミー気筒として機能する。そのため、本実施形態に係る内燃機関は単気筒エンジンとして機能し、サブ気筒用ピストン２６−１，２６−２はメイン気筒１２で発生させる動力の一部を利用して駆動される。なお、図１，２は、メイン気筒１２がクランクシャフト２０に対して鉛直上方に配置され、サブ気筒１４−１，１４−２がクランクシャフト２０に対して鉛直下方に配置された例を示している。そして、サブ気筒１４−１，１４−２の鉛直下方にはオイルパン１９が配設されている。この配置により、メイン気筒１２やクランクケースから落ちてくるオイルでサブ気筒（ダミー気筒）１４−１，１４−２の摩擦熱の冷却を行うことが可能である。また、筒内可視化用エンジンでは、この配置により、メイン気筒１２における透明ガラスシリンダやシリンダヘッドの脱着等の作業が容易となる。
【００２６】
ピストンピン２５−１も含めたサブ気筒用ピストン２６−１の質量ｍｐ１及びピストンピン２５−２も含めたサブ気筒用ピストン２６−２の質量ｍｐ２は、ともにピストンピン１５も含めたメイン気筒用ピストン１６の質量ｍｐ０の１／２（あるいはほぼ１／２）に設定されている。これによって、ピストンピン２５−１，２５−２も含めたサブ気筒用ピストン２６−１，２６−２の合計質量ｍｐ１＋ｍｐ２が、ピストンピン１５も含めたメイン気筒用ピストン１６の質量ｍｐ０と等しく（あるいはほぼ等しく）設定される。サブ気筒用コネクティングロッド２８−１，２８−２の質量ｍｑ１，ｍｑ２は、ともにメイン気筒用コネクティングロッド１８の質量ｍｑ０の１／２（あるいはほぼ１／２）に設定されている。これによって、サブ気筒用コネクティングロッド２８−１，２８−２の合計質量ｍｑ１＋ｍｑ２が、メイン気筒用コネクティングロッド１８の質量ｍｑ０と等しく（あるいはほぼ等しく）設定される。本実施形態では、ｙ１＝ｙ２であるため、
ｍｐ１×ｙ１＝ｍｐ２×ｙ２且つｍｑ１×ｙ１＝ｍｑ２×ｙ２
の関係が成立（あるいはほぼ成立）し、さらに、
（ｍｐ１＋ｍｑ１）×ｙ１＝（ｍｐ２＋ｍｑ２）×ｙ２
の関係が成立（あるいはほぼ成立）する。また、サブ気筒１４−１における往復運動部分（サブ気筒用ピストン２６−１、ピストンピン２５−１、及び小端部３２−１）とサブ気筒１４−２における往復運動部分（サブ気筒用ピストン２６−２、ピストンピン２５−２、及び小端部３２−２）の合計質量が、メイン気筒１２における往復運動部分（メイン気筒用ピストン１６、ピストンピン１５、及び小端部２２）の質量と等しく（あるいはほぼ等しく）設定される。そして、サブ気筒１４−１における往復運動部分の質量、及びサブ気筒１４−２における往復運動部分の質量が、ともにメイン気筒１２における往復運動部分の質量の１／２（あるいはほぼ１／２）に設定される。
【００２７】
図３に示すように、サブ気筒用ピストン２６−１は、サブ気筒１４−１内をその内壁に沿って往復運動するピストン本体２７−１と、ピストン本体２７−１にねじ等により固定されることでピストン本体２７−１に対して着脱可能な質量調整用ウェイト２９−１と、を含む。同様に、サブ気筒用ピストン２６−２も、サブ気筒１４−２内をその内壁に沿って往復運動するピストン本体２７−２と、ピストン本体２７−２にねじ等により固定されることでピストン本体２７−２に対して着脱可能な質量調整用ウェイト２９−２と、を含む。ここでの質量調整用ウェイト２９−１，２９−２は、それぞれ質量の異なるものが複数種類用意されている。そのため、筒内可視化用エンジンにおいて、メイン気筒用ピストン１６の形状変更等によりメイン気筒用ピストン１６の質量ｍｐ０が変化した場合でも、サブ気筒用ピストン２６−１，２６−２に取り付ける質量調整用ウェイト２９−１，２９−２の質量を変更することで、サブ気筒用ピストン２６−１，２６−２の質量ｍｐ１，ｍｐ２をメイン気筒用ピストン１６の質量ｍｐ０の１／２に容易に調整することができる。
【００２８】
なお、図３は、周知の内燃機関の場合と同様に、サブ気筒１４−１，１４−２の内壁に対し摺動するピストンリング３１−１，３１−２及びオイルリング３３−１，３３−２が、サブ気筒用ピストン２６−１，２６−２（ピストン本体に２９−１，２９−２）にそれぞれ装着された例を示している。ただし、図４に示すように、サブ気筒１４−１，１４−２の内壁に対し転動可能なローラ３５−１，３５−２をサブ気筒用ピストン２６−１，２６−２（ピストン本体に２９−１，２９−２）にそれぞれ設けることもできる。これによって、サブ気筒用ピストン２６−１，２６−２がサブ気筒１４−１，１４−２内を往復運動するときの摩擦抵抗を低減することができる。
【００２９】
クランクシャフト２０は、前述のメイン気筒用クランクピン４２及びサブ気筒用クランクピン４４−１，４４−２の他に、クランクジャーナル４６−１〜４６−４、メイン気筒用クランクアーム４８−１，４８−２、及びサブ気筒用クランクアーム５０−１〜５０−４を含む。クランクジャーナル４６−１〜４６−４は、機関前後方向（ｙ軸方向）において間隔を空けて配置されており、ベアリング（メタル）によってクランク室内に回転可能に支持されている。メイン気筒用クランクアーム４８−１は、クランクジャーナル４６−２とメイン気筒用クランクピン４２とを連結し、メイン気筒用クランクアーム４８−２は、クランクジャーナル４６−３とメイン気筒用クランクピン４２とを連結する。サブ気筒用クランクアーム５０−１は、クランクジャーナル４６−１とサブ気筒用クランクピン４４−１とを連結し、サブ気筒用クランクアーム５０−２は、クランクジャーナル４６−２とサブ気筒用クランクピン４４−１とを連結し、サブ気筒用クランクアーム５０−３は、クランクジャーナル４６−３とサブ気筒用クランクピン４４−２とを連結し、サブ気筒用クランクアーム５０−４は、クランクジャーナル４６−４とサブ気筒用クランクピン４４−２とを連結する。
【００３０】
メイン気筒用クランクピン４２とサブ気筒用クランクピン４４−１，４４−２とは、クランクシャフト２０の回転中心軸を挟んで互いに反対側に配置されている。そのため、メイン気筒１２とサブ気筒１４−１，１４−２とはクランクシャフト２０の回転中心軸を挟んで互いに反対側に配置される。さらに、メイン気筒用クランクピン４２とサブ気筒用クランクピン４４−１，４４−２とで、重心のクランクシャフト２０の回転中心軸に対する距離、つまりクランク半径が等しく設定されている。したがって、サブ気筒１４−１，１４−２のストロークは、ともにメイン気筒１２のストロークと等しく設定されている。また、サブ気筒用コネクティングロッド２８−１，２８−２の長さ（コンロッド長）は、ともにメイン気筒用コネクティングロッド１８の長さ（コンロッド長）と等しく設定されている。そして、メイン気筒用コネクティングロッド１８とサブ気筒用コネクティングロッド２８−１，２８−２とで、小端部（ピストンピン中心軸）と大端部（クランクピン中心軸）を基準としたときの重心位置が等しく設定されている。そのため、機関前後方向（ｙ軸方向）から見て、メイン気筒用コネクティングロッド１８とサブ気筒用コネクティングロッド２８−１，２８−２とが、クランクシャフト２０の回転中心に対して対称となる。なお、ここでのコネクティングロッドの長さ（コンロッド長）は、大小端部ピッチ（ピストンピン中心軸とクランクピン中心軸との距離）である。
【００３１】
メイン気筒用クランクアーム４８−１，４８−２には、メイン気筒用カウンタウェイト５２がクランクシャフト２０の回転中心軸を挟んでメイン気筒用クランクピン４２の反対側に配設されている。サブ気筒用クランクアーム５０−１，５０−２には、サブ気筒用カウンタウェイト５４−１がクランクシャフト２０の回転中心軸を挟んでサブ気筒用クランクピン４４−１の反対側に配設されており、サブ気筒用クランクアーム５０−３，５０−４には、サブ気筒用カウンタウェイト５４−２がクランクシャフト２０の回転中心軸を挟んでサブ気筒用クランクピン４４−２の反対側に配設されている。そのため、メイン気筒用カウンタウェイト５２とサブ気筒用カウンタウェイト５４−１，５４−２とは、クランクシャフト２０の回転中心軸を挟んで互いに反対側に配置される。なお、後述するように、本実施形態では、メイン気筒用カウンタウェイト５２及びサブ気筒用カウンタウェイト５４−１，５４−２は、いずれもオーバーバランス側に設定されている。
【００３２】
クランクジャーナル４６−１〜４６−４においては、寸法及び質量がいずれも等しく設定されている。サブ気筒用クランクピン４４−１，４４−２の質量は、ともにメイン気筒用クランクピン４２の質量の１／２（あるいはほぼ１／２）に設定されていることで、サブ気筒用クランクピン４４−１，４４−２の質量モーメントは、ともにメイン気筒用クランクピン４２の質量モーメントの１／２（あるいはほぼ１／２）に設定されている。そのため、サブ気筒用クランクピン４４−１，４４−２の合計質量及び合計質量モーメントが、メイン気筒用クランクピン４２の質量及び質量モーメントと等しく（あるいはほぼ等しく）設定される。サブ気筒用クランクアーム５０−１〜５０−４の質量モーメントは、いずれもメイン気筒用クランクアーム４８−１，４８−２の質量モーメントの１／２（あるいはほぼ１／２）に設定されており、サブ気筒用クランクアーム５０−１〜５０−４の合計質量モーメントがメイン気筒用クランクアーム４８−１，４８−２の合計質量モーメントと等しく（あるいはほぼ等しく）設定される。サブ気筒用カウンタウェイト５４−１，５４−２の質量モーメントは、ともにメイン気筒用カウンタウェイト５２の質量モーメントの１／２（あるいはほぼ１／２）に設定されており、サブ気筒用カウンタウェイト５４−１，５４−２の合計質量モーメントがメイン気筒用カウンタウェイト５２の質量モーメントと等しく（あるいはほぼ等しく）設定される。そのため、クランクシャフト２０の重心が、クランクシャフト２０の回転中心軸（ｙ軸）上及びｘ軸上に位置するように設定される。すなわち、クランクシャフト２０の重心が、ｘｙｚ座標系の原点に一致するように設定される。したがって、クランクシャフト２０は、単体で重量がバランス（静バランス）している。さらに、サブ気筒用クランクピン４４−１と大端部３４−１を含むサブ気筒１４−１の回転運動部分の質量モーメント、及びサブ気筒用クランクピン４４−２と大端部３４−２を含むサブ気筒１４−２の回転運動部分の質量モーメントが、ともにメイン気筒用クランクピン４２と大端部２４を含むメイン気筒１２の回転運動部分の質量モーメントの１／２（あるいはほぼ１／２）に設定される。したがって、サブ気筒１４−１，１４−２の回転運動部分の合計質量モーメントが、メイン気筒１２の回転運動部分の質量モーメントと等しく（あるいはほぼ等しく）設定される。なお、ここでの質量モーメントは、（質量）×（重心のクランクシャフト２０回転中心からの距離）である。さらに、本実施形態では、サブ気筒１４−１の回転運動部分の質量と距離ｙ１との積が、サブ気筒１４−２の回転運動部分の質量と距離ｙ２との積と等しく（あるいはほぼ等しく）設定される。
【００３３】
なお、図１，２は、メイン気筒１２のクランクオフセット量及びピストンピンオフセット量がともに０である例を示している。つまり、メイン気筒１２の中心軸がｚ軸と一致しており、メイン気筒用ピストン１６のピストンピン中心軸がｚ軸及びメイン気筒１２の中心軸と直交している。メイン気筒１２のクランクオフセット量が０である場合は、サブ気筒１４−１，１４−２のクランクオフセット量はともに０に設定される。すなわち、サブ気筒用ピストン２６−１，２６−２のピストンピン中心軸はともにｚ軸と直交している。また、メイン気筒用ピストン１６のピストンピンオフセット量が０である場合は、サブ気筒用ピストン２６−１，２６−２のピストンピンオフセット量はともに０に設定される。すなわち、サブ気筒用ピストン２６−１，２６−２のピストンピン中心軸は、サブ気筒１４−１，１４−２の中心軸とそれぞれ直交している。
【００３４】
一方、図５に示すように、メイン気筒用ピストン１６のピストンピン中心軸がｚ軸と交わる位置からｘ軸方向にオフセット量ｘ１でオフセットしており、メイン気筒１２にクランクオフセットｘ１が設定されている場合は、サブ気筒１４−１，１４−２にもクランクオフセットｘ２が設定される。すなわち、サブ気筒用ピストン２６−１，２６−２のピストンピン中心軸は、ともにｚ軸と交わる位置からｘ軸方向にオフセット量ｘ２でオフセットしている。その場合は、図５に示すように、メイン気筒１２とサブ気筒１４−１，１４−２とで、クランクオフセットの方向（ピストンピン中心軸のオフセット方向）が互いに反対で、且つクランクオフセット量（ピストンピン中心軸のオフセット量）ｘ１，ｘ２が等しく設定される。また、メイン気筒用ピストン１６のピストンピン中心軸がメイン気筒１２の中心軸と交わる位置からｘ軸方向にオフセットしており、メイン気筒用ピストン１６にピストンピンオフセットが設定されている場合は、サブ気筒用ピストン２６−１，２６−２にもピストンピンオフセットが設定される。すなわち、サブ気筒用ピストン２６−１，２６−２のピストンピン中心軸は、サブ気筒１４−１，１４−２の中心軸とそれぞれ交わる位置からｘ軸方向にオフセットしている。その場合は、メイン気筒用ピストン１６とサブ気筒用ピストン２６−１，２６−２とで、ピストンピンオフセットの方向（ピストンピン中心軸のオフセット方向）が互いに反対で、且つピストンピンオフセット量（ピストンピン中心軸のオフセット量）が等しく設定される。
【００３５】
次に、本実施形態に係る内燃機関の動作、特に、メイン気筒１２にて発生する慣性力（加振力）を打ち消す動作を、関連技術の問題点と対比させながら説明する。
【００３６】
まず本実施形態との比較対象として、図６，７に示すように、ピストン１１６、コネクティングロッド１１８、及びクランクシャフト１２０の運動によって生じる慣性力をカウンタウェイト１５２とバランサを用いて打ち消す場合を考える。ここで、図６は、クランクシャフト１２０と同じ速度で左右対称に回転する１次バランサ１５３−１，１５３−２が配設された場合を示し、図７は、１次バランサ１５３−１，１５３−２の他に、クランクシャフト１２０の２倍の速度で左右対称に回転する２次バランサ１５４−１，１５４−２が配設された場合を示す。
【００３７】
図６，７に示す構成では、クランクピン１４２とコネクティングロッド１１８の大端部１２４を含む回転運動部分の慣性力がカウンタウェイト１５２によって相殺される。そして、ピストン１１６及びコネクティングロッド１１８の小端部１２２を含む往復運動部分の１次の慣性力（慣性力のエンジン回転１次成分）が１次バランサ１５３−１，１５３−２によって相殺される。さらに、図７では、往復運動部分の２次の慣性力（慣性力のエンジン回転２次成分）が２次バランサ１５４−１，１５４−２によって相殺される。しかし、往復運動部分の３次以上の慣性力は残り、この３次以上の慣性力の不釣り合いによってエンジンに振動が発生する。慣性力はエンジン回転数の２乗に比例して増大するため、エンジンを高回転で運転するほど慣性力の不釣り合いによって生じるエンジン振動も増大する。バランサを用いて慣性力を打ち消す場合は、各エンジン回転次数成分ごとにバランサを配設する必要があるため、エンジン構成が大幅に複雑化して実現が困難である。
【００３８】
これに対して本実施形態では、メイン気筒１２にて生じるｘ軸方向（機関左右方向）及びｚ軸方向（機関上下方向）の慣性力（加振力）が、一対のサブ気筒１４−１，１４−２にて生じるｘ軸方向及びｚ軸方向の慣性力によって、エンジン回転次数成分に関係なく相殺される。より具体的には、メイン気筒用ピストン１６及びメイン気筒用コネクティングロッド１８の運動によるｘ軸方向及びｚ軸方向の慣性力が、サブ気筒用ピストン２６−１及びサブ気筒用コネクティングロッド２８−１の運動によるｘ軸方向及びｚ軸方向の慣性力と、サブ気筒用ピストン２６−２及びサブ気筒用コネクティングロッド２８−２の運動によるｘ軸方向及びｚ軸方向の慣性力とによって、エンジン回転次数成分に関係なく相殺される。そして、クランクシャフト２０の重心は、クランクシャフト２０の回転中心軸上に位置するため、クランクシャフト２０の慣性力は、クランクシャフト２０内で相殺されて働かない。
【００３９】
また、本実施形態との比較対象として、図８，９に示すように、単にメイン気筒１２とサブ気筒１４−１との２気筒対向型にした場合を考える。その場合でも、メイン気筒１２にて生じるｘ軸方向及びｚ軸方向の慣性力をサブ気筒１４−１にて生じるｘ軸方向及びｚ軸方向の慣性力によって相殺することが可能となる。しかし、その場合は、図９に示すように、メイン気筒１２にて生じる慣性力とサブ気筒１４−１にて生じる慣性力とがｙ軸方向（機関前後方向）にずれた位置で作用するため、ｙｚ平面内でエンジン本体を回転させようとするモーメント（偶力）が生じる。
【００４０】
これに対して本実施形態では、メイン気筒１２の前後に一対のサブ気筒１４−１，１４−２が配置されている。そして、サブ気筒１４−１の中心軸とメイン気筒１２の中心軸との距離ｙ１がサブ気筒１４−２の中心軸とメイン気筒１２の中心軸との距離ｙ２と等しく設定されており、サブ気筒１４−１にて生じる慣性力と距離ｙ１との積がサブ気筒１４−２にて生じる慣性力と距離ｙ２との積と等しく設定される。そのため、メイン気筒１２にて生じる慣性力をサブ気筒１４−１，１４−２にて生じる慣性力によって打ち消す際に、ｙ軸方向（機関前後方向）のモーメントが生じることもない。
【００４１】
したがって、本実施形態によれば、メイン気筒用ピストン１６、メイン気筒用コネクティングロッド１８、及びクランクシャフト２０の運動によって生じる慣性力（加振力）を、エンジン回転次数成分に関係なく且つモーメントを発生させずに打ち消すことができるので、慣性力を打ち消す効果を向上させることができる。その結果、エンジンを高回転で運転してもエンジン振動が低減され、エンジンの運転可能範囲を高回転側に広げることができる。なお、本実施形態では、メイン気筒１２の１サイクル（吸気−圧縮−燃焼（膨張）−排気）間のガス圧力変動は残る。ただし、慣性力はエンジン回転数の２乗に比例して増大するため、高回転運転時におけるエンジン振動は、主に運動部分の慣性力によって生じる。そして、筒内可視化用エンジンでは、メイン気筒用ピストン１６として前述のロングピストンを用いるため、メイン気筒用ピストン１６の質量が増大してメイン気筒１２にて発生する慣性力も増大する。そのため、本実施形態では、メイン気筒１２のガス圧力変動による影響は、慣性力による影響と比較して相対的に少ない。
【００４２】
また、図６，７に示す構成では、往復運動部分の慣性力が増大すると、クランクジャーナル（クランクシャフト１２０の軸受部）にかかる曲げ荷重も増大し、特に、ピストン上死点で大きな曲げ荷重がクランクジャーナルに作用する。特に、前述のロングピストンを用いる筒内可視化用エンジンにおいては、通常のピストンの場合と比較して往復運動部分の質量が３倍以上に増大するため、クランクジャーナルにかかる曲げ荷重も増大する。
【００４３】
ここで、カウンタウェイト１５２のオーバーバランス率［％］を変化させた場合におけるクランクジャーナルにかかる曲げ荷重の履歴を図１０に示す。ここでのクランクジャーナルにかかる曲げ荷重Ｆjは、図１１の矢印に示す向きを正としている。また、カウンタウェイト１５２のオーバーバランス率ＯＢＲ［％］は、以下の（１）〜（３）式で表される。このオーバーバランス率ＯＢＲが０％より大きい場合に、カウンタウェイト１５２がオーバーバランス側に設定される。
【００４４】
ＯＢＲ＝（ｍw×ｒw−ｍｒw0）／（ｍｒw100−ｍｒw0）×１００      （１）
ｍｒw0＝ｍq×αc×ｒ＋ｍc×ｒc      （２）
ｍｒw100＝ｍp×ｒ＋ｍq×ｒ＋ｍc×ｒc      （３）
【００４５】
ただし、（１）〜（３）式において、ｍpはピストン１１６の質量、ｍqはコネクティングロッド１１８の質量、αcはコンロッド小端部〜コンロッド重心の距離ｌcとコンロッド長ｌとの比（＝ｌc／ｌ、図１２参照）、ｍcはクランクシャフト１２０の質量（カウンタウェイト１５２を除く）、ｒcはクランクシャフト１２０の重心（カウンタウェイト１５２を除く）とクランクシャフト１２０の回転中心との距離（図１２参照）、ｍwはカウンタウェイト１５２の質量、ｒwはカウンタウェイト１５２の重心とクランクシャフト１２０の回転中心との距離（図１２参照）、ｒはクランク半径（半ストローク、図１２参照）である。
【００４６】
オーバーバランス率ＯＢＲが０％の場合は、ｘ軸方向（機関左右方向）の慣性力は常に釣り合うが、ｚ軸方向（機関上下方向）の慣性力は釣り合わずに残る。その場合は、図１０に示すように、クランクジャーナルにほぼ正の向きに曲げ荷重がかかり、ピストン上死点で曲げ荷重が最大となる。また、オーバーバランス率ＯＢＲが１００％の場合は、ｚ軸方向の１次の慣性力が常に釣り合い、ｚ軸方向の２次の慣性力及びｘ軸方向の慣性力は釣り合わずに残る。その場合は、図１０に示すように、クランクジャーナルにかかる曲げ荷重が負の向きに増大する。また、図１０に示すように、オーバーバランス率ＯＢＲを約６０〜７０％に設定した場合に、クランクジャーナルにかかる曲げ荷重の最大値と最小値の絶対値をほぼ等しくすることができ、クランクジャーナルにかかる曲げ荷重を低減することができる。しかし、その場合は、ｘ軸方向及びｚ軸方向の慣性力が釣り合わずに残る。
【００４７】
クランクジャーナルにかかる曲げ荷重を低減する目的でカウンタウェイト１５２をオーバーバランス側（オーバーバランス率ＯＢＲが０％を超えるよう）に設定した場合に、慣性力を釣り合わせるための方法として、図１３に示すように、左右非対称な１次バランサ１５５−１，１５５−２を用いる方法が考えられる。しかし、左右非対称な１次バランサ１５５−１，１５５−２を用いた場合は、図１３に示すように、カウンタウェイト１５２のオーバーバランスによる慣性力の増分ΔＦ１と１次バランサ１５５−１，１５５−２の左右非対称化による慣性力の増分ΔＦ２とがｚ軸方向（上下方向）にずれた位置で働くため、エンジン本体を回転させようとするモーメントが生じてしまう。さらに、左右非対称な１次バランサ１５５−１，１５５−２を用いた場合は、１次バランサ１５５−１，１５５−２がピストン１１６とクランクシャフト１２０の慣性力を同時に打ち消す役割を担う。そのため、クランクオフセットが設定されたエンジンにおいては、クランクシャフト１２０の位相とピストン１１６の位相との間に位相差が生じる（例えばストローク９０ｍｍの場合に１０ｍｍ程度のクランクオフセットを設定すると約３°の位相差が生じる）ので、左右非対称な１次バランサ１５５−１，１５５−２によって慣性力を釣り合わせることは困難である。
【００４８】
これに対して本実施形態では、メイン気筒用カウンタウェイト５２をオーバーバランス側（オーバーバランス率ＯＢＲが０％を超えるよう）に設定することで、クランクジャーナル４６−２，４６−３にかかる曲げ荷重を低減することができる。より好適には、クランクジャーナル４６−２，４６−３にかかる曲げ荷重の最大値と最小値の絶対値が等しくなるように、メイン気筒用カウンタウェイト５２のオーバーバランス率ＯＢＲを設定する（典型的な例としてはオーバーバランス率ＯＢＲが約６０〜７０％程度）ことで、クランクジャーナル４６−２，４６−３にかかる曲げ荷重をほぼ最小化することができる。さらに、本実施形態では、サブ気筒用カウンタウェイト５４−１，５４−２をともにオーバーバランス側（オーバーバランス率ＯＢＲが０％を超えるよう）に設定する。より好適には、サブ気筒用カウンタウェイト５４−１，５４−２のオーバーバランス率ＯＢＲを、ともにメイン気筒用カウンタウェイト５２のオーバーバランス率ＯＢＲと等しく設定する。これによって、メイン気筒用カウンタウェイト５２のオーバーバランスによる慣性力を、サブ気筒用カウンタウェイト５４−１，５４−２のオーバーバランスによる慣性力によって打ち消すことができ、且つモーメントが生じることもない。したがって、本実施形態によれば、慣性力及びそれによるモーメントの釣り合いとクランクジャーナルの曲げ荷重の低減とを両立させることができ、エンジンの運転可能範囲をより高回転側に広げることができる。さらに、本実施形態では、メイン気筒１２にクランクオフセットが設定された場合でも、メイン気筒１２と方向が反対でオフセット量が等しいクランクオフセットをサブ気筒１４−１，１４−２に設定することで、慣性力を釣り合わせることができる。
【００４９】
また、図６，７に示す構成では、一般的には、クランクシャフト１２０と１次バランサ１５３−１との間が歯付ベルト等で駆動され、１次バランサ１５３−１と１次バランサ１５３−２との間がギヤを介して駆動される。１次バランサ１５３−１がベルト駆動される構造では、組み付け時のベルトのテンションのばらつきやベルト劣化による伸び等によって、ピストン１１６とバランサ１５３−１，１５３−２との間に位相差が生じやすくなる。この位相差によって、ピストン１１６の慣性力とバランサ１５３−１，１５３−２の慣性力との間に時間的なずれが生じ、慣性力に不釣り合いが生じることになる。ここで、１次バランサ１５３−１，１５３−２とピストン１１６との間の位相差によって生じる不釣り合い力を計算した結果を図１４に示す。位相差が０°のときは、図１４（Ａ）に示すように上下方向の１次慣性力が釣り合うが、位相差（５°）が生じてくると、図１４（Ｂ）に示すように１次慣性力に不釣り合いが生じてくる。位相差が１０°にもなると、図１４（Ｃ）に示すように不釣り合いによって生じる１次慣性力の振幅が２次慣性力の半分程度まで増大し、バランサ１５３−１，１５３−２の効果が大きく損なわれる。
【００５０】
これに対して本実施形態では、サブ気筒用ピストン２６−１，２６−２がクランクシャフト２０を介して駆動されるため、メイン気筒用ピストン１６とサブ気筒用ピストン２６−１，２６−２との間に位相差が生じることもない。したがって、経時劣化等によって慣性力に不釣り合いが生じることもない。
【００５１】
また、筒内可視化用エンジンでは、燃焼室形状の影響を調べるために、ピストン１１６の形状を変更する場合がある。図６，７に示す構成では、ピストン１１６の形状を変更すると、ピストン１１６の質量が変化して慣性力も変化するため、慣性力を打ち消すためのバランサ１５３−１，１５３−２，１５４−１，１５４−２も変更する必要がある。バランサ１５３−１，１５３−２，１５４−１，１５４−２の変更によって慣性力の変化に対応する場合は、質量モーメントを考慮してバランサ１５３−１，１５３−２，１５４−１，１５４−２を設計する必要があるため、バランサ１５３−１，１５３−２，１５４−１，１５４−２の設計が容易ではない。さらに、バランサ１５３−１，１５３−２，１５４−１，１５４−２の交換作業も時間、工数を消費する。
【００５２】
これに対して本実施形態では、メイン気筒用ピストン１６の質量が形状変更によって変化した場合でも、サブ気筒用ピストン２６−１，２６−２に取り付ける質量調整用ウェイト２９−１，２９−２の質量を調整することで、慣性力を容易に釣り合わせることができる。
【００５３】
また、本実施形態との比較対象として、特許文献１による無振動クランク装置を適用した場合を考える。その場合は、図１５に示すように、一対のピストン−クランク機構が、シリンダ中心軸が一致するよう対向配置される。２本のクランクシャフト１２０，１３０は、タイミング歯車を介して結合されており、１：１の比率で互いに逆方向に回転する。ピストン１１６，１２６は、同一線上を完全対称的に往復運動するように、コネクティングロッド１１８，１２８をそれぞれ介してクランクシャフト１２０，１３０のクランクピン１４２，１４４にそれぞれ連結されている。
【００５４】
図１５の構成では、ピストン１１６及びコネクティングロッド１１８の小端部１２２を含む往復運動部分の慣性力が、ピストン１２６及びコネクティングロッド１２８の小端部１３２を含む往復運動部分の慣性力によって、回転次数に関係なく相殺される。そして、クランクピン１４２とコネクティングロッド１１８の大端部１２４を含む回転運動部分の慣性力がカウンタウェイト１５２によって相殺され、クランクピン１４４とコネクティングロッド１２８の大端部１３４を含む回転運動部分の慣性力がカウンタウェイト１５４によって相殺される。しかし、図６，７に示す構成と同様に、往復運動部分の慣性力が増大すると、クランクジャーナル（クランクシャフト１２０，１３０の軸受部）にかかる曲げ荷重も増大し、特に、ピストン上死点で大きな曲げ荷重がクランクジャーナルに作用する。一方、クランクジャーナルにかかる曲げ荷重を低減する目的で、カウンタウェイト１５２，１５４をオーバーバランス側（オーバーバランス率ＯＢＲが０％を超えるよう）に設定した場合は、図１６に示すように、カウンタウェイト１５２，１５４のオーバーバランスによる不釣り合い力ΔＦ１，ΔＦ２がそれぞれ生じる。これらの不釣り合い力ΔＦ１，ΔＦ２は、互いに相殺されずに（図の上下方向の成分が）残り、エンジンを振動させる加振力となる。
【００５５】
また、図１７に示すように、クランクシャフト１２０，１３０間に歯車を追加してクランクシャフト１２０，１３０を同方向に回転させ、且つ図の右側のピストン−クランク機構を上下反転させることで、不釣り合い力ΔＦ１，ΔＦ２の向きを互いに反対にする構成も考えられる。しかし、図１７の構成では、不釣り合い力ΔＦ１，ΔＦ２が図の左右方向にずれた位置で作用するため、エンジン本体を回転させようとするモーメントは残る。したがって、図１５，１７の構成では、慣性力及びそれによるモーメントの釣り合いとクランクジャーナルの曲げ荷重の低減とを両立させることが困難である。
【００５６】
これに対して本実施形態では、前述したように、メイン気筒用カウンタウェイト５２とサブ気筒用カウンタウェイト５４−１，５４−２とをいずれもオーバーバランス側（オーバーバランス率ＯＢＲが０％を超えるよう）に設定することで、慣性力及びそれによるモーメントの釣り合いとクランクジャーナルの曲げ荷重の低減とを両立させることができる。
【００５７】
次に、本実施形態に係る内燃機関の設計方法について説明する。（１）まず運転する最高回転数で慣性力に耐えられるようにメイン気筒用ピストン１６を設計する。（２）次に、メイン気筒用コネクティングロッド１８、クランクシャフト２０（メイン気筒１２に対応する部分）、及びメイン気筒用カウンタウェイト５２を最高回転数で慣性力に耐えられるように設計する。ここでは、クランクジャーナル４６−２，４６−３にかかる曲げ荷重を低減するために、メイン気筒用カウンタウェイト５２をオーバーバランス側（オーバーバランス率ＯＢＲが０％を超えるよう）に設計する。より好適には、クランクジャーナル４６−２，４６−３にかかる曲げ荷重の最大値と最小値の絶対値が等しくなるように、メイン気筒用カウンタウェイト５２のオーバーバランス率ＯＢＲを設計する。また、前後方向両端のクランクジャーナル４６−１，４６−４の径をメイン気筒１２の前後のクランクジャーナル４６−２，４６−３の径と等しく設計して、クランクジャーナル４６−１〜４６−４の形状を統一する。（３）次に、サブ気筒用ピストン２６−１，２６−２、サブ気筒用コネクティングロッド２８−１，２８−２、クランクシャフト２０（サブ気筒１４−１，１４−２に対応する部分）、及びサブ気筒用カウンタウェイト５４−１，５４−２を最高回転数で慣性力に耐えられるように設計する。ここでは、サブ気筒用ピストン２６−１，２６−２の質量ｍｐ１，ｍｐ２をメイン気筒用ピストン１６の質量ｍｐ０の１／２に設計し、サブ気筒用コネクティングロッド２８−１，２８−２の質量ｍｑ１，ｍｑ２をメイン気筒用コネクティングロッド１８の質量ｍｑ０の１／２に設計する。また、カウンタウェイト５２，５４−１，５４−２を含めたクランクシャフト２０単体で静バランスとなるように、サブ気筒用カウンタウェイト５４−１，５４−２をオーバーバランス側（オーバーバランス率ＯＢＲが０％を超えるよう）に設計する。また、メイン気筒１２にクランクオフセット及びピストンピンオフセットを設定した場合は、サブ気筒１４−１，１４−２のクランクオフセット及びピストンピンオフセットを、メイン気筒１２と方向が反対で且つオフセット量が等しくなるように設計する。
【００５８】
以上の本実施形態の説明では、サブ気筒１４−１，１４−２を、動力を発生せず且つメイン気筒１２にて発生する慣性力を打ち消すためのダミー気筒として機能させるものとした。ただし、サブ気筒１４−１，１４−２においても、メイン気筒１２と同様に、シリンダヘッドを設け、燃料（混合気）を燃焼させて動力を発生させるよう構成してもよい。
【００５９】
また、図１，２では、本実施形態に係る内燃機関を筒内可視化用エンジンに適用する場合を想定したが、本発明を一般的な内燃機関にも適用することができる。さらに、本発明をピストン−クランク機構を用いた圧縮機やポンプにも適用することができる。本発明を圧縮機に適用する場合は、クランクシャフト２０の回転駆動によってメイン気筒用ピストン１６が往復運動することで、メイン気筒１２に吸入された圧縮性流体（気体）が圧縮されて送出される。その場合、サブ気筒１４−１，１４−２については、圧縮性流体（気体）を圧縮しないダミー気筒として機能させてもよいし、メイン気筒１２と同様に圧縮性流体（気体）を圧縮するよう構成してもよい。また、本発明をポンプに適用する場合は、クランクシャフト２０の回転駆動によってメイン気筒用ピストン１６が往復運動することで、メイン気筒１２に吸入された非圧縮性流体（液体）が吐出される。その場合、サブ気筒１４−１，１４−２については、非圧縮性流体（液体）を吐出しないダミー気筒として機能させてもよいし、メイン気筒１２と同様に非圧縮性流体（液体）を吐出するよう構成してもよい。このように、本発明については、ピストン−クランク機構に適用可能である。
【００６０】
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態に係る内燃機関の内部構成の概略を示す図である。
【図２】本発明の実施形態に係る内燃機関の内部構成の概略を示す図である。
【図３】サブ気筒用ピストンの構成の概略を示す図である。
【図４】サブ気筒用ピストンの他の構成の概略を示す図である。
【図５】本発明の実施形態に係る内燃機関の他の内部構成の概略を示す図である。
【図６】関連技術に係る内燃機関の内部構成の概略を示す図である。
【図７】関連技術に係る内燃機関の内部構成の概略を示す図である。
【図８】関連技術に係る内燃機関の内部構成の概略を示す図である。
【図９】関連技術に係る内燃機関の内部構成の概略を示す図である。
【図１０】カウンタウェイトのオーバーバランス率［％］を変化させた場合におけるクランクジャーナルにかかる曲げ荷重の履歴を示す図である。
【図１１】クランクジャーナルにかかる曲げ荷重の方向を説明する図である。
【図１２】カウンタウェイトのオーバーバランス率［％］の算出に必要な設計値を説明する図である。
【図１３】関連技術に係る内燃機関の内部構成の概略を示す図である。
【図１４】１次バランサとピストンとの間の位相差によって生じる不釣り合い力を計算した結果を示す図である。
【図１５】関連技術に係る内燃機関の内部構成の概略を示す図である。
【図１６】関連技術に係る内燃機関においてカウンタウェイトをオーバーバランス側に設定した場合に生じる不釣合い力を説明する図である。
【図１７】関連技術に係る内燃機関の内部構成の概略を示す図である。
【符号の説明】
【００６２】
１２  メイン気筒、１３  燃焼室、１４−１，１４−２  サブ気筒、１６  メイン気筒用ピストン、１８  メイン気筒用コネクティングロッド、２０  クランクシャフト、２６−１，２６−２  サブ気筒用ピストン、２８−１，２８−２  サブ気筒用コネクティングロッド、４２  メイン気筒用クランクピン、４４−１，４４−２  サブ気筒用クランクピン、４６−１〜４６−４  クランクジャーナル、５２  メイン気筒用カウンタウェイト、５４−１，５４−２  サブ気筒用カウンタウェイト。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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