JP2004533575A - 往復ピストン式エンジン - Google Patents

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JP2004533575A JP2003510585A JP2003510585A JP2004533575A JP 2004533575 A JP2004533575 A JP 2004533575A JP 2003510585 A JP2003510585 A JP 2003510585A JP 2003510585 A JP2003510585 A JP 2003510585A JP 2004533575 A JP2004533575 A JP 2004533575A
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Abstract

内燃式エンジンが、共通のクランクシャフト（４）に連結された１個以上のピストン（３）と、前記クランクシャフト（４）に連結され、それによって、そのクランクシャフト（４）と同じ速度であるが反対の方向へ回転するようにされたバランスシャフト（１０）であって、その両端に相互に片寄った偏心重り（１４）を担持しているバランスシャフト（１０）と、ステーター（２７）およびローター（２３）を含んでいる統合型スターター用発電機ユニット（２６）とを含んでいる。前記ローター（２３）は、前記バランスシャフト（１０）の軸線の周りに回転するように取り付けられ、かつ、前記バランスシャフト（１０）と同じ方向であるが実質的にそれより大きい速度で回転するようにステップアップギア（１８、２０、２２）によって前記バランスシャフト（１０）に連結されている。
【選択図】図２

Description

【技術分野】
【０００１】
この発明は、往復ピストン型の内燃式エンジンに関するものであり、さらに詳しくは、限定はされないものの、比較的軽量の、例えば乗客輸送用の道路車両に使用するためのエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
道路車両用エンジンには幅広い数の気筒が備わっていることはもちろん知られているが、そのようなすべてのエンジンにはかなりの割合で４個の気筒が備わっている。安価で軽量のエンジンを設計するために現在、よりいっそうの試みが行われており、また、研究の１つの手段は、３個だけの気筒が備わったエンジンを提供することに関するものであるが、その理由は気筒の数を減らすことによってエンジンの重量およびコストが本質的に減るからである。しかしながら、奇数個、特に３個のような小さい数の気筒が備わったエンジンを提供することは、釣り合いと振動とに関する問題点が増大するということに本質的に関係している。
【０００３】
ピストンの高速往復運動によって必然的に、かなりの力とモーメントとがクランクシャフトを経てエンジンブロックにもたらされる。しかしながら、ピストンを互いに１８０度ずれた２組の位相でクランクシャフトに連結することによってエンジンの中で４個の気筒を直列に均衡配置することは普通のことである。したがって、それぞれのピストンが一方方向へ動くことによってクランクシャフトに及ぶ力は、その反対方向へ動く別のピストンによって及ぼされる力によっておのずから均衡が保たれる。しかしながら、このように簡単な一次的均衡は、奇数個の気筒が備わったエンジンではもちろん不可能である。
【０００４】
３気筒エンジンの一次力の均衡は、クランクピン同士が１２０度の角度にずれているときに達成することができ、また、一次モーメントの均衡はバランスシャフトを設けることによって達成することができる。そのようなシャフトは、クランクシャフトに連結されており、クランクシャフトと同じ速度で、しかし反対の方向へ回転するようになっている。バランスシャフトの両端には片寄り偏心重りが設けられている。これらの重りは、バランスシャフトによってエンジンにもたらされた循環モーメントが、奇数個のピストンに起因する不均衡モーメントに大きさが等しくかつ向きが反対であるようなものである。
【０００５】
エンジンに作用するもう１つの不均衡モーメントは、トルク反動モーメントである。このモーメントは、循環的なもので、エンジンの出力トルクに対する反動であり、気筒内の燃料／空気混合物の爆発に実質的に同期している。このトルク反動モーメントによって、エンジンは、クランクシャフトの軸線に対して平行な軸線の周りに回転しがちである。トルク反動モーメントは別のバランスシャフトを設けることによって釣り合いをとることができることが知られているが、このような別のバランスシャフトは、詳細がイギリス特許出願公開公報ＧＢ−Ａ−１２１０４５号に開示されているいわゆるヘロン（Ｈｅｒｏｎ）のバランスシャフトである。ヘロンのバランスシャフトは、クランクシャフトと一緒にではあるが、その反対の方向へ回転するように連結されたシャフトである。それは、クランクシャフトと同じ速度で回転することができるが、クランクシャフトの速度の何倍かで回転するのであれば、より大きい効果を奏するものである。トルク反動モーメントは、たいていのエンジンでは補正されることなくただ許容され、その結果、エンジンの運動は弾性的なエンジン取付台に吸収される。しかしながら、トルク反動モーメントによって引き起こされるいくつかの問題点は、３気筒エンジンでは４気筒エンジンよりもきわめていっそう深刻であり、そのため、３気筒エンジンではいくつかの補正を行うのが好ましい。
【０００６】
エンジンの気筒の数を４個から３個へ減らすのに伴う別の問題点は、それぞれの気筒の容積が一定に維持される場合にはエンジンの最大動力出力が減少するということである。たいていの作動条件の下ではこのことは重大なことではないが、それは最大動力が用いられることはまれであるからである。しかしながら、その車両の最大加速度は減ると思われるので、このことは問題点であろう。このことは、いわゆる一部ハイブリッド型の車両、すなわち、たまにしか、つまり最大加速度が必要なときだけにしか使われない電動モーターが設けられた車両を製造することで取り除かれるということが提案されてきた。全部ハイブリッド車両には独立した大きい走行用電動モーターが備わっているのに対して、一部ハイブリッド車両には、走行用モーターとスターター用モーターとが組み合わされたいわゆる統合型スターター用発電機（ＩＳＧ）が備わっている。伝統的な車両スターター用モーターは、フライホイールの外面における歯に作用して、きわめて低速度のギアに噛み合い、このモーターの必要トルク容量が最小化される。このことは、車両が一旦走行し始めると、そのスターター用モーターが極端に高い速度で回転するであろう、ということと、その理由はスターター用モーターが同モーターによって始動したエンジンから離脱されるためである、といこととを意味する。この離脱はＩＳＧによって本質的に可能であるということではないのは言うまでもなく、ＩＳＧには本来、より高いトルク容量が備わっているが、その理由は、エンジンを始動させるためにより低いギア比が必要でないように、加速の際にトルク補助をもたらすことが要求されるからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、この発明の目的は、好ましくは奇数個の気筒、とりわけ３個の気筒が備わっている前記の型のエンジンであって、一部ハイブリッド型であるものの、エンジン均衡のいくつかの問題点が取り除かれているかあるいは少なくともかなり減らされているエンジンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明によれば、内燃式エンジンは、共通のクランクシャフトに連結された１個以上のピストン、好ましくは３個のピストンと、前記クランクシャフトに連結され、それによって、そのクランクシャフトと同じ速度であるが反対の方向へ回転するようにされたバランスシャフトであって、その両端に相互に片寄った偏心重りを担持しているバランスシャフトと、ステーターおよびローターを含んでいる統合型スターター用発電機ユニットとを含んでおり、前記ローターは、前記バランスシャフトの軸線の周りに回転するように取り付けられ、かつ、前記バランスシャフトと同じ方向であるが実質的にそれより大きい速度で回転するようにステップアップギアによって前記バランスシャフトに連結されている。
【０００９】
そして、この発明によるエンジンは、一部ハイブリッド型のものであり、普通のスターター用電動モーターと、車両における電気装置に動力を供給するための電気を発生させるためと車両用バッテリーを再充電するために使われ、これら両機能を満たす単一の統合型スターター用発電機に置き換えられる普通の交流発電機とが備わっている。エンジンの一次モーメント均衡は、逆回転するバランスシャフトによって達成される。この統合型スターター用発電機は、ステーターとローターとを含んでいるが、従来のようにエンジンのフライホイールに作用するのではなく、バランスシャフトに作用する。このローターは、本来、どちらかというとかなりの重量があるものであるが、２．５：１〜５：１のギア比を有しているのが好ましいステップアップギアによって、バランスシャフトと同軸である軸線の周りにクランクシャフトとは反対の方向に回転するように、そのバランスシャフトに連結されている。このローターは、バランスシャフトと同じ回転方向であるが、実質的にバランスシャフトより大きい速度で、かつ、そのかなりの重量によって実質的なトルク反動均衡度がもたらされる結果として、回転する。そして、このローターは、まったく相異なる２つの機能、つまり、電気機械の回転可能な構成要素としての機能と、そして、トルク反動均衡機構のずっしりと重い回転構成要素としての機能とをもたらす。このローターが例えば、クランクシャフトの速度の３倍で回転するので、そのトルク反動均衡効果は、クランクシャフトと同じ速度で回転する場合の３倍であり、かつ、これによって、その重量がクランクシャフトのそれよりも本質的にかなり小さいという事実についての少なくとも部分的な補正がもたらされる。このステップアップギアによれば、統合型スターター用発電機ユニットがクランクシャフトよりもかなり速く回転し、また、このユニットが電気の発生に本質的に適している、という結果がもたらされる。しかしながら、統合型スターター用発電機ユニットがスターター用モーターとして作動するときには、このステップアップギアは、ステップダウンギアとして作用し、このギアはスターター用モーターの作動に本質的に適している。
【００１０】
ステップアップギアはいくつかの相異なる形態を採ることができるが、好ましくは、このステップアップギアは、遊星ギアセットからなり、その遊星ギアセットは、環体が固定され、太陽ギアが前記ローターに連結され、遊星ギアおよびキャリアがそれによって回転するようにバランスシャフトに連結されている。
【発明の効果】
【００１１】
この統合型スターター用発電機ユニットは、車両に組み込まれると、エンジン管理システムによって操作される制御器を介して車両用バッテリーに接続されることは言うまでもない。このエンジンが始動されると、そのバッテリーからこの統合型スターター用発電機ユニットへ電力が供給され、したがって、このユニットはスターター用モーターとして作用する。このエンジンがいったん作動すると、この統合型スターター用発電機ユニットによって作り出された電力は、車両におけるさまざまな電気装置に電力を供給するために用いられ、また、余分な電力はそのバッテリーを再充電するために用いられる。最大加速度が必要であるときには、前記制御器の制御によって、そのバッテリーからこの統合型スターター用発電機ユニットへ電力が供給されて、このユニットがモーターとして作用するとともに、このユニットによって前記バランスシャフトへ、そして前記クランクシャフトへ動力が供給され、それによって、エンジンの全動力出力が増大する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
この発明の別の形状構成および詳細は、添付図面を参照して例示として与えられる１つの特定の実施形態である以下の説明から明らかになるであろう。
【００１３】
このエンジンは、その一部が図面に示されているが、切り欠かれて一部だけが示されているシリンダーブロック７を含んでおり、このシリンダーブロック７は３個の気筒１に区画されており、これらの気筒のそれぞれにはピストン３が収容されるが、そのピストン３の１つだけが示されており、これらのピストン３は、コネクティングロッド５によってクランクシャフト４のそれぞれのクランク２に連結されている。クランクシャフト４の一方端部には、普通の型のフライホイール６とバランスシャフト駆動ギア８とが担持されている。
【００１４】
クランクシャフト４に対して平行にバランスシャフト１０が延びており、このバランスシャフト１０には駆動ギア１２が担持されているが、この駆動ギア１２は、駆動ギア８と同じ寸法であって駆動ギア８と噛み合い、それによって、バランスシャフト１０がクランクシャフト４と同じ速度であるがそれと反対方向に回転する。バランスシャフト１０の２つの端部には偏心重りが担持されているが、これらの１つ１４だけが見えており、他の１つは駆動ギア１２の中に組み込まれている。
【００１５】
３本のスタブシャフト１６が、駆動ギア１２の一方表面から突出し、かつ、その軸線に関して等角状に間隔を置いて配置されており、これらのスタブシャフト１６にはそれぞれ、遊星ギア１８が回転可能に取り付けられている。このようにして、駆動ギア１２はこれらの遊星ギアのための共通のキャリアを構成している。遊星ギア１８は、環体つまりリングギア２０における内歯と太陽ギア２２における外歯とに噛み合っている。太陽ギア２２には、バランスシャフト１０が通される中心軸穴２４がある。シャフト１０と太陽ギア２２とは、互いに噛み合っていないため、互いに回転することができる。しかしながら、太陽ギア２２は、統合型スターター用発電機ユニット（ＩＳＧ）のローター２３を回転させるためにそのローター２３に連結されており、このユニットは、外側ケーシング２６（一部切り欠いて示されている）によって取り囲まれているとともに、ステーター２７を含んでいる。ＩＳＧのステーター２７は、使用時に、エンジンによって動力が供給される車両のバッテリーに、エンジン管理システムに連結された制御器を介して連結される。
【００１６】
遊星ギアセット１８、２０、２２は、ステップアップギアとして作用し、それによって、このＩＳＧの太陽ギア２２および、したがってローター２３が、バランスシャフト１０の速度の２．５〜５倍の速度でかつそれと同じ方向へ回転する。バランスシャフト１０における重り１４は、これらが回転するときにエンジンに働く循環モーメントが、３本のピストンによってエンジンに加えられた一次不均衡モーメントと大きさが等しく向きが反対であり、それによって、エンジンが一次均衡を保つように、寸法が決められかつ位置が決められている。比較的重量が大きいＩＳＧのローターは、バランスシャフト１０およびクランクシャフト４よりもかなり速く回転し、したがって、エンジンの受けるトルク反動力が釣り合うかあるいは少なくとも実質的に減少する。
【００１７】
このＩＳＧは、エンジンが始動されると、従来のスターター用モーターと同じように作動する。エンジンが作動していると、このＩＳＧは、従来の交流発電機と同じように作動して、エンジンあるいは車両の一部を形成しているさまざまな電気装置に必要な電力を供給し、また、余分な電力はバッテリーを再充電するために用いられる。車両のアクセルペダルの位置が、エンジンによって長期間に作り出すことのできる電力よりも大きい電力を運転者が望むことを示しているときには、前記エンジン管理システムは、車両のバッテリーがこのＩＳＧに電力を供給してモーターとして作動させるように、その制御器を切り換える。その機械的出力は、前記バランスシャフトおよびギア１２・８を経て前記クランクシャフトへ供給され、それによって、エンジンの全動力出力が短時間だけ一時的に増大する。
【００１８】
必要であれば、バランスシャフトとローターとの間に例えば１５のステップアップギア比をもたらすために、別の遊星ギアセットを前記の遊星ギアセットと直列に設けることができる。この数値は、スターターモードで操作されるときには、このＩＳＧにいっそう適したギア比であってもよく、また、このＩＳＧは、発電機モードで操作されるときには、使用時にそれを回転させる実質的速度が適しているように設計することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
明らかなように、この発明は、奇数個の気筒、とりわけ３個の気筒が備わっているエンジンに適用することができるが、偶数個の気筒が備わっているある種のエンジンにもまた価値のあるものである、ということがわかる。このように、この発明は、５個以下の気筒が備わった直列型エンジンのすべてに、また、Ｖ字形に配置された１２個以下の気筒が備わったある種のエンジンに適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】この発明による３気筒エンジンの一部の斜視図であって、そのクランクシャフト、バランスシャフトおよび統合型スターター用発電機ユニットを示す図。
【図２】図１に示されたクランクシャフト、バランスシャフトおよび統合型スターター用発電機ユニットの分解斜視図。

Claims (3)

  1. 共通のクランクシャフト（４）に連結された１個以上のピストン（３）と、前記クランクシャフト（４）に連結され、それによって、そのクランクシャフト（４）と同じ速度であるが反対の方向へ回転するようにされたバランスシャフト（１０）であって、その両端に相互に片寄った偏心重り（１４）を担持しているバランスシャフト（１０）とを含んでいる内燃式エンジンにおいて、ステーター（２７）およびローター（２３）を含んでいる統合型スターター用発電機ユニット（２６）が設けられていることと、前記ローターは、前記バランスシャフト（１０）の軸線の周りに回転するように取り付けられ、かつ、前記バランスシャフト（１０）と同じ方向であるが実質的にそれより大きい速度で回転するようにステップアップギア（１８、２０、２２）によって前記バランスシャフト（１０）に連結されていることとを特徴とする内燃式エンジン。
  2. 前記ステップアップギアは、遊星ギアセットからなり、その遊星ギアセットは、環体（２０）が固定され、太陽ギア（２２）が前記ローター（２３）に連結され、遊星ギア（１８）およびキャリア（１２）がそれによって回転するようにバランスシャフト（１０）に連結されている請求項１に記載のエンジン。
  3. 前記ステップアップギア（１８、２０、２２）は、２．５：１〜５：１のギア比を有している請求項１または２に記載のエンジン。
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