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技術 エンジン構造

出願人 いすゞ自動車株式会社
発明者 小澤恒
出願日 2015年10月9日 (5年1ヶ月経過) 出願番号 2015-201564
公開日 2017年4月13日 (3年7ヶ月経過) 公開番号 2017-072118
状態 特許登録済
技術分野 機関のピストンリング、ケーシング、シール 内燃機関燃焼法 燃焼機関のピストン
主要キーワード 等価半径 ボア空間 ピストン外径 ヘルムホルツ共鳴周波数 開口端補正 共鳴空間 共鳴モード 合い口
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この項目の情報は公開日時点(2017年4月13日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

燃焼時の騒音を低減しつつ、キャビティの設計の自由度を向上できるエンジン構造を提供すること。

解決手段

エンジン1は、シリンダ2と、シリンダ2内を往復動するピストン10と、シリンダ2を塞ぐシリンダヘッド4と、を備える。このエンジン1では、ピストン10の外周面には、シリンダヘッド4側から順に、第1ピストンリング20、第2ピストンリング30、およびオイルリング40が設けられる。第1ピストンリング20は、合い口21が設けられた環状であり、第1ピストンリング20の合い口21を首51とし、第1ピストンリング20、第2ピストンリング30、ピストン10の外周面、およびシリンダ2の内周面で囲まれた空間を胴52として、ヘルムホルツ共鳴器50Aを構成する。

概要

背景

従来より、自動車ディーゼルエンジン燃焼圧力が高く、燃焼時の騒音が問題となるため、この騒音を低減することが要請されている。騒音の要因としては、音の大きさだけでなく、音の高さ(周波数)も挙げられるが、この.音の高さに影響を及ぼす原因の一つとして、燃焼室共鳴現象がある。つまり、燃焼によりエンジン内の燃焼室空間で急激に圧力が上昇して、この圧力上昇によって共鳴現象が励起されるが、この共鳴現象が比較的高い周波数であるため、障りな音となって騒音を悪化させるのである。

そこで、ピストン上面キャビティである燃焼室を第1の共鳴空間とし、シリンダピストン、およびシリンダヘッドで囲まれたボア空間を第2の共鳴空間として、第1の共鳴空間であるキャビティの直径を第2の共鳴空間であるボアの直径の1/2とすることで、それぞれの共鳴空間における共鳴モード打ち消し合って、燃焼騒音音質を改善することが提案されている(特許文献1参照)。

概要

燃焼時の騒音を低減しつつ、キャビティの設計の自由度を向上できるエンジン構造を提供すること。エンジン1は、シリンダ2と、シリンダ2内を往復動するピストン10と、シリンダ2を塞ぐシリンダヘッド4と、を備える。このエンジン1では、ピストン10の外周面には、シリンダヘッド4側から順に、第1ピストンリング20、第2ピストンリング30、およびオイルリング40が設けられる。第1ピストンリング20は、合い口21が設けられた環状であり、第1ピストンリング20の合い口21を首51とし、第1ピストンリング20、第2ピストンリング30、ピストン10の外周面、およびシリンダ2の内周面で囲まれた空間を胴52として、ヘルムホルツ共鳴器50Aを構成する。

目的

本発明は、燃焼時の騒音を低減しつつ、キャビティの設計の自由度を向上できるエンジン構造を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

シリンダと、当該シリンダ内往復動するピストンと、前記シリンダを塞ぐシリンダヘッドと、を備えるエンジンの構造であって、前記ピストンの外周面には、前記シリンダヘッド側から順に、第1ピストンリング、第2ピストンリング、およびオイルリングが設けられ、前記第1ピストンリングは、合い口が設けられた環状であり、当該第1ピストンリングの合い口を首とし、前記第1ピストンリング、前記第2ピストンリング、ピストン外周面、およびシリンダ内周面で囲まれた空間を胴として、ヘルムホルツ共鳴器を構成することを特徴とするエンジン構造

請求項2

前記ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数は、燃焼室の共鳴周波数と略同一であることを特徴とする請求項1に記載のエンジン構造。

請求項3

前記第2ピストンリングは、合い口が設けられた環状であり、当該第2ピストンリングの合い口を首とし、前記第2ピストンリング、前記オイルリング、ピストン外周面、およびシリンダ内周面で囲まれた空間を胴として、第2ヘルムホルツ共鳴器を構成することを特徴とする請求項1または2に記載のエンジン構造。

請求項4

前記第2ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数は、燃焼室の共鳴周波数と略同一であることを特徴とする請求項3に記載のエンジン構造。

技術分野

0001

本発明は、自動車エンジンの構造に関する。

背景技術

0002

従来より、自動車のディーゼルエンジン燃焼圧力が高く、燃焼時の騒音が問題となるため、この騒音を低減することが要請されている。騒音の要因としては、音の大きさだけでなく、音の高さ(周波数)も挙げられるが、この.音の高さに影響を及ぼす原因の一つとして、燃焼室共鳴現象がある。つまり、燃焼によりエンジン内の燃焼室空間で急激に圧力が上昇して、この圧力上昇によって共鳴現象が励起されるが、この共鳴現象が比較的高い周波数であるため、障りな音となって騒音を悪化させるのである。

0003

そこで、ピストン上面キャビティである燃焼室を第1の共鳴空間とし、シリンダピストン、およびシリンダヘッドで囲まれたボア空間を第2の共鳴空間として、第1の共鳴空間であるキャビティの直径を第2の共鳴空間であるボアの直径の1/2とすることで、それぞれの共鳴空間における共鳴モード打ち消し合って、燃焼騒音音質を改善することが提案されている(特許文献1参照)。

先行技術

0004

特開2014−20238号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、特許文献1に示された構造では、キャビティの直径をボアの直径の1/2とする必要があり、キャビティの形状が限定されるので、キャビティの設計の自由度が低下する、という問題があった。

0006

本発明は、燃焼時の騒音を低減しつつ、キャビティの設計の自由度を向上できるエンジン構造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

本発明のエンジン構造は、シリンダ(例えば、後述のシリンダ2)と、当該シリンダ内往復動するピストン(例えば、後述のピストン10)と、前記シリンダを塞ぐシリンダヘッド(例えば、後述のシリンダヘッド4)と、を備えるエンジンの構造であって、前記ピストンの外周面には、前記シリンダヘッド側から順に、第1ピストンリング(例えば、後述の第1ピストンリング20)、第2ピストンリング(例えば、後述の第2ピストンリング30)、およびオイルリング(例えば、後述のオイルリング40)が設けられ、前記第1ピストンリングは、合い口(例えば、後述の合い口21)が設けられた環状であり、当該第1ピストンリングの合い口を首(例えば、後述の首51)とし、前記第1ピストンリング、前記第2ピストンリング、ピストン外周面、およびシリンダ内周面で囲まれた空間を胴(例えば、後述の胴52)として、ヘルムホルツ共鳴器(例えば、後述のヘルムホルツ共鳴器50A)を構成することを特徴とする。

0008

本発明のエンジン構造は、前記ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数(例えば、後述のヘルムホルツ共鳴周波数f1)は、燃焼室の共鳴周波数(例えば、後述の共鳴周波数fb)と略同一であることを特徴とする。

0009

この発明によれば、ピストン外周面とシリンダ内周面との隙間を利用して、ヘルムホルツ共鳴器を構成した。したがって、このヘルムホルツ共鳴器と燃焼室とのそれぞれの共鳴空間における共鳴モードが打ち消し合うので、燃焼騒音の音質を改善できる。
また、ピストン外周面とシリンダ内周面との隙間を利用してヘルムホルツ共鳴器を構成したので、キャビティの形状は特に限定されることはなく、キャビティの設計の自由度を向上できる。

0010

本発明のエンジン構造は、前記第2ピストンリングは、合い口(例えば、後述の合い口31)が設けられた環状であり、当該第2ピストンリングの合い口を首(例えば、後述の首51)とし、前記第2ピストンリング、前記オイルリング、ピストン外周面、およびシリンダ内周面で囲まれた空間を胴(例えば、後述の胴52)として、第2ヘルムホルツ共鳴器(例えば、後述のヘルムホルツ共鳴器50B)を構成することを特徴とする。

0011

本発明のエンジン構造は、前記第2ヘルムホルツ共鳴器の共鳴周波数(例えば、後述のヘルムホルツ共鳴周波数f2)は、燃焼室の共鳴周波数(例えば、後述の共鳴周波数fb)と略同一であることを特徴とする。

0012

この発明によれば、第1ピストンリングと第2ピストンリングとの間の空間だけでなく、第2ピストンリングとオイルリングとの間の空間も利用して、ヘルムホルツ共鳴器を構成した。したがって、このヘルムホルツ共鳴器と燃焼室とのそれぞれの共鳴空間における共鳴モードが打ち消し合うので、燃焼騒音の音質をさらに改善できる。

発明の効果

0013

本発明によれば、燃焼時の騒音を低減しつつ、キャビティの設計の自由度を向上できる。

図面の簡単な説明

0014

本発明の一実施形態に係るエンジン構造が適用されたエンジンの部分断面図である。
前記実施形態に係るエンジンのピストンの斜視図である。
前記実施形態に係るピストンの外周面の部分拡大図である。
図3のA−A断面図である。
前記実施形態に係るヘルムホルツ共鳴器の模式図である。

実施例

0015

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の実施形態の説明にあたって、同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。

0016

[第1実施形態]
図1は、本発明の一実施形態に係るエンジン構造が適用されたエンジン1の部分断面図である。
エンジン1は、シリンダ2が形成されたシリンダブロック3と、シリンダ2内を往復動するピストン10と、シリンダ2の上端を塞ぐシリンダヘッド4と、を備える。

0017

図2は、ピストン10の斜視図である。
ピストン10は、上下方向に延びる円柱形状であり、ピストン10の上面には、燃焼室となるキャビティ11が形成されている。
また、このピストン10の外周側面10Aには、シリンダヘッド4側から順に、第1ピストンリング20、第2ピストンリング30、およびオイルリング40が設けられている。

0018

図3は、ピストン10の外周面の部分拡大図であり、図4は、図3のA−A断面図である。
第1ピストンリング20は、隙間である合い口21が設けられた環状である。
第2ピストンリング30は、隙間である合い口31が設けられた環状である。
オイルリング40は、内側から外側に向かって押圧されて、シリンダ2の内壁面押しつけられている。

0019

ここで、シリンダ2とピストン10との隙間には、第1ヘルムホルツ共鳴器50Aおよび第2ヘルムホルツ共鳴器50Bが形成されている。
ヘルムホルツ共鳴器50A、50Bは、構造的には、図5に示すように、細長い空間である首51と、この首51の一端側に設けられて首51よりも大きい空間である胴52と、で構成される。

0020

具体的には、第1ヘルムホルツ共鳴器50Aは、第1ピストンリング20の合い口21を首51とし、第1ピストンリング20、第2ピストンリング30、ピストン10の外周面、およびシリンダ2の内周面で囲まれた円環状の空間を胴52として、構成される。

0021

第2ヘルムホルツ共鳴器50Bは、第2ピストンリング30の合い口31を首51とし、第2ピストンリング30、オイルリング40、ピストン10の外周面、およびシリンダ2の内周面で囲まれた円環状の空間を胴52として、構成される。

0022

ここで、ヘルムホルツ共鳴器50A、50Bのヘルムホルツ共鳴周波数f(Hz)は、以下の式(1)で表される。式(1)において、音速をc(m/s)、首の断面積をS(m2)、胴の体積をV(m3)開口端補正後の首の長さをl´とする。

0023

0024

また、首の断面積Sは、首の半径等価半径)をr(m)として、以下の式(2)で表される。

0025

0026

また、開口端補正後の首の長さl´は、以下の式(3)で表される。式(3)において、首の長さをlとする。

0027

0028

〔実施例〕
以下、実施例について説明する。
まず、エンジンの構造に基づいて、各ヘルムホルツ共鳴器の胴の体積Vを求める。
シリンダの内径ds(m)、ピストンの外径をdp(m)、胴の高さをtpとする(図3および図4参照)。すると、胴の体積Vは、以下の式(4)により求められる。

0029

0030

次に、各ヘルムホルツ共鳴器の首の断面積Sを求める。
合い口の幅をw(m)、合い口の奥行きをd(m)とする(図3参照)。すると、首の断面積Sは、以下の式(5)により求められる。なお、合い口の高さは、首の長さをlとなる。

0031

0032

例えば、燃焼室の複数の共鳴周波数(共鳴モード)のうちの1つ、ここでは1番目の共鳴周波数をfbとすると、第1ヘルムホルツ共鳴器のヘルムホルツ共鳴周波数f1がこの燃焼室の共鳴周波数fbに略等しくなるようにする。
具体的には、以下のように設定する。

0033

fb: 5400(Hz)
音速c: 880m/s
胴の高さ(第2ピストンリングから第1ピストンリングまでの距離)tp:2.11mm
シリンダ内径ds: 96.9mm
ピストン外径dp: 96.1mm
合い口の高さl: 0.5mm
合い口の幅w: 0.3mm
合い口の奥行きd: 1.1385mm

0034

すると、ヘルムホルツ共鳴周波数f1は、上述の式(1)〜(4)に従って以下のように求められる。
首の断面積S: 3.4155×10−7m2
胴の体積V: 2.5587×10−7m3
首の等価半径r: 3.29725×10−4m
開口端補正後の首の長さl´: 8.9567×10−4m
ヘルムホルツ共鳴周波数f: 5406.871461Hz

0035

よって、第1ヘルムホルツ共鳴器のヘルムホルツ共鳴周波数f1が燃焼室の共鳴周波数fbに略等しくなることが判る。
また、第2ヘルムホルツ共鳴器のヘルムホルツ共鳴周波数f2が燃焼室の1番目の共鳴周波数fbに略等しくなるようにする。
具体的には、以下のように設定する。

0036

音速c: 880m/s
シリンダ内径ds: 96.9mm
ピストン外径dp: 96.1mm
胴の高さ(オイルリングから第2ピストンリングまでの距離)tp:2.62mm
合い口の高さl: 0.5mm
合い口の幅w: 0.5mm
合い口の奥行きd: 0.95mm

0037

すると、ヘルムホルツ共鳴周波数f2は、式(1)〜(4)に従って以下のように求められる。
首の断面積S: 4.75×10−7m2
胴の体積V: 3.29579×10−7m3
首の等価半径r: 3.88841×10−4m
開口端補正後の首の長さl´: 9.66609×10−4m
ヘルムホルツ共鳴周波数f: 5408.09933Hz

0038

よって、第2ヘルムホルツ共鳴器のヘルムホルツ共鳴周波数f2が燃焼室の共鳴周波数fbに略等しくなることが判る。

0039

[本実施形態における効果]
以上説明したように、本実施形態におけるエンジン1によれば、ピストン10の外周面とシリンダ2の内周面との隙間を利用して、ヘルムホルツ共鳴器50Aを構成した。したがって、このヘルムホルツ共鳴器50Aと燃焼室とのそれぞれの共鳴空間における共鳴モードが打ち消し合うので、燃焼騒音の音質を改善できる。
また、ピストン10の外周面とシリンダ2の内周面との隙間を利用してヘルムホルツ共鳴器50Aを構成したので、キャビティの形状は特に限定されることはなく、キャビティの設計の自由度を向上できる。

0040

第1ピストンリング20と第2ピストンリング30との間の空間だけでなく、第2ピストンリング30とオイルリング40との間の空間も利用して、ヘルムホルツ共鳴器50Bを構成した。したがって、このヘルムホルツ共鳴器50Bと燃焼室とのそれぞれの共鳴空間における共鳴モードが打ち消し合うので、燃焼騒音の音質をさらに改善できる。

0041

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
例えば、本実施形態では、各ヘルムホルツ共鳴器50A、50Bの共鳴周波数を、燃焼室の1番目の共鳴周波数と略同一としたが、これに限らず、燃焼室の2番目あるいは3番目の共鳴周波数と略同一としてもよい。

0042

fヘルムホルツ共鳴周波数
c音速
S 首の断面積
l´開口端補正後の首の長さ
V 胴の体積
r 首の半径(等価半径)
l 首の長さ(合い口の高さ)
tp 胴の高さ
dsシリンダの内径
dpピストンの外径
w 合い口の幅
d 合い口の奥行き
f1 第1ヘルムホルツ共鳴器のヘルムホルツ共鳴周波数
f2 第2ヘルムホルツ共鳴器のヘルムホルツ共鳴周波数
fb共鳴周波数
1エンジン
2 シリンダ
3シリンダブロック
4シリンダヘッド
10 ピストン
10A ピストンの外周側面
11キャビティ
20 第1ピストンリング
21 合い口
30 第2ピストンリング
31 合い口
40オイルリング
50A 第1ヘルムホルツ共鳴器
50B 第2ヘルムホルツ共鳴器
51 首
52 胴

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