JP2005057987A - エンジンベルトの騒音を減少させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ベルトが、交流発電機に連結された交流発電機プーリとエンジンのクランクシャフトに連結されたクランクシャフトプーリとに係合されているエンジンの、ベルトに係わる騒音を減少させる方法を提供すること。
【解決手段】この方法は、回転子速度の変動を選択的にクランクシャフト速度の変動に同期させ、それによってベルト張力の大きな変動を防止して騒音を減少させるように、交流発電機の回転子電流を制御することを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンのベルトの騒音を減少させるために、回転子の速度がクランクシャフトの速度と同期するように交流発電機（オルタネータ（alternator））の回転子電流を制御する方法に関する。

エンジン用付属駆動ベルトは、クランクシャフトによって駆動され、空気ポンプ、空気調整用コンプレッサ、水ポンプ、パワーステアリングポンプ、および交流発電機を駆動するためにプーリによって動作可能にこれら装置に結合することができる。交流発電機に連結されるプーリは、クランクシャフトに連結されるプーリよりはるかに小さいので、交流発電機の回転子は比較的高速で回転する。また、交流発電機の回転子は、比較的大きな質量を有し、その結果、高速のために回転慣性が大きくなる。

クランクシャフトの速度プロファイルは、特にエンジンの動作シリンダの数が少ないときにはエンジンサイクルの間で大きく変わることがある。したがって、交流発電機回転子の回転慣性のために、クランクシャフトに速度変化が発生するとき、クランクシャフトと交流発電機の間でかなりの正または負の張力がベルト内に発生する。ベルト内でのこれら張力の変動の結果、ベルトの騒音またはベルトの鳴き音が起こることがある。他の問題としては、駆動ベルトシステムの振動および耐久性の低下が含まれる。

エンジンのシリンダが不動作になると、交流発電機回転子の回転慣性が、クランクシャフト速度のより大きな変化に反応するので、このベルトの騒音の問題が悪化することがある。エンジンのいくつかのシリンダが不動作になっているので、クランクシャフトの加速および減速時の速度変化と次の速度変化の間の時間経過が、クランクシャフトの速度変化の振幅がより大きくなり、そのため、交流発電機回転子の慣性がそれに負けるときに、駆動ベルトの張力に大きな変化が生じ得る。

これらベルトの騒音問題は、オーバードライブ比の高い動力伝達システム、またはディーゼルエンジンにも発生することがある。

本発明者は、交流発電機が、それ自体の回転慣性に逆らい、あるいはそれを有効に高めるように働くことができる、可変かつ制御可能な「制動」力（つまり、回転に逆らう電磁気力）を作り出す能力をもつことを理解している。この可変制動力は、エンジンをシリンダ不動作モードで使用するとき、あるいはディーゼルエンジンまたは高いオーバードライブ比で動作する動力伝達システムで、付属駆動システムに対するクランクシャフト速度の増大した速度変動の効果を減衰させるために使用することができる。

したがって、本発明は、交流発電機に連結されている交流発電機プーリとエンジンのクランクシャフトに連結されているクランクシャフトプーリとに係合するベルトに係わるエンジン内騒音を減少させる方法を提供する。本方法は、回転子速度の変動を選択的にクランクシャフト速度の変動に同期させ、それによってベルト張力の大きな変動を防止して騒音を減少させるように、交流発電機の回転子の電流を制御することを含む。クランクシャフトが減速しているときは回転子電流を増大させて回転子の制動を強くさせ、クランクシャフトが加速しているときは、回転子電流を減少させて回転子の制動を弱くさせる。この制御は、エンジン内でシリンダが不動作化されたとき実施することが好ましい。

具体的には、回転子電流は、交流発電機に印加される電圧を監視し変化させる制御装置によって制御される。この制御装置は、エンジン速度、シリンダの不動作モード、クランクシャフトの交流発電機回転子との同期、システム電圧、および吸気マニフォールド圧力を監視することもできる。この制御装置は、専用の交流発電機制御装置でもよいし、エンジン制御モジュールまたは他の制御装置に組み込んだものでもよい。

本発明の他の態様は、エンジン内の、ベルトに係わる騒音を減少させるためのシステムを提供する。このシステムは、ベルトによってエンジンのクランクシャフトに動作可能に連結された交流発電機を備える。交流発電機は回転子を備える。上述のように、制御装置は、回転子速度の変動を選択的にクランクシャフトの速度の変動に同期させ、それによってベルト張力の大きな変動を防止して騒音を減少させるように、回転子電流を制御するよう動作する。

前述の特徴および利点、ならびに本発明の他の特徴および利点は、本発明を実施するための最良の形態に関する下記の詳細な説明を、添付図面と併せ読めば直ちに明らかになる。

図１は、エンジンの付属駆動装置のレイアウトを示すエンジン１０の端面略図である。図のとおり、エンジンは、クランクシャフトプーリ１４で駆動されるベルト１２を備える。クランクシャフトプーリ１４がベルト１２を作動させると、エンジン１０上の様々な付属システムが駆動される。ベルト１２は、水ポンププーリ１６、空調機コンプレッサプーリ１８、空気ポンププーリ２０、交流発電機／発電機プーリ２２、およびパワーステアリングポンププーリ２４を駆動する。ベルト１２の張力を維持するために、ばね式ベルトテンショナ２６が備えられている。

ベルトテンショナ２６は、エンジンが通常動作状態にあるとき、ベルトの張力を所定のレベルに維持するのに十分である。しかし、シリンダが不動作になると、クランクシャフト速度変動の周波数が著しく減少し、変動の振幅は著しく増大し、その結果、クランクシャフト速度の変動が交流発電機の慣性によって反作用を受けるので、ベルト１２の張力が著しく変動する。

図３は、クランクシャフト速度とクランクシャフト角度の関係を示すグラフであり、プロファイルＣが、通常モード（全シリンダが動作）におけるクランクシャフト速度の変動を、プロファイルＤが、シリンダ不動作中のクランクシャフト速度を示す。図のとおり、シリンダが不動作になると、エンジンのサイクル事象の周波数が減少する結果、クランクシャフトの速度変動の振幅がかなり増大する。

典型的なエンジンの付属駆動システムでは、交流発電機はクランクシャフトの速度の約２．５倍の速度で駆動される。前述のとおり、この比較的高い速度は、交流発電機の大きな回転質量とあいまって、回転慣性のために交流発電機においてはずみ車効果を生ずる。図３に示すように、エンジンサイクル中の様々な事象のために、クランクシャフトは一定速度では回転せず、公称速度に対して変動する。シリンダの全数が動作中の複数シリンダのエンジンでは、付属駆動ベルトの張力に対する交流発電機のはずみ車効果は通常問題にならない。エンジンの点火周波数が高く、クランクシャフトの瞬時速度変動が低いからである。しかし、シリンダの不動作期間中は、図３に示すように、クランクシャフトの速度変動の周波数は通常半分になりその振幅はほぼ倍になる。交流発電機の慣性および駆動ベルトシステムのコンプライアンスのために、クランクシャフトと交流発電機は互いの速度変動に追従できなくなり、しばしば反対方向に動作する。こうしてベルト張力に過剰な変動が生じ、その結果、騒音、振動が発生し、駆動ベルトシステムの耐久性が低下する。シリンダ数の少ないエンジンが、シリンダ不動作で使用されるとき、この状況はより明白になる。動作シリンダの数が少なくなると、付属駆動装置内で、低い周波数で速度インパルスが現れ、交流発電機のはずみ車効果が大きくなる。

したがって、本発明は、交流発電機回転子速度の変動を選択的にクランクシャフト速度の変動に同期させるように交流発電機を制御し、それによってベルト張力の大きな変動を防止して、ベルトに係わる騒音を減少させる。具体的には、交流発電機を使用して、それ自体の回転慣性の効果に対抗するための、可変で制御可能な制動力を作り出す。この可変制動力を使用して、エンジンがシリンダ不動作モードで動作するとき、クランクシャフトの増大した速度変動の、付属駆動システムに対する効果を減衰させることができる。

交流発電機の制動力は、回転子の磁界と固定子の相互作用によって生ずる。この力は、可変であり、回転子速度および回転子電流の関数になる。実際には、ほぼ常時回転子電流が流れている。回転子電流を調整して回転に対抗する力の大きさを制御することができる。この可変回転子電流が時間と振幅に関してエンジンの事象に同期するとき、交流発電機の回転速度をクランクシャフト速度の変動により緊密に追従させることができ、したがって駆動ベルト張力の変動を減少させることができる。具体的には、クランクシャフトが減速するときには制動力を強くし、クランクシャフトが加速するときには制動力を弱くする。

図２に移ると、エンジン内の、ベルトに係わる騒音を減少させるためのシステム３０が示されている。システム３０は、固定子３４と回転子３６とを含む交流発電機３２（図１にも示されている）を備える。交流発電機３２内では、ブラシ３８、４０およびスリップリング４２、４４を介して回転子３６の両端間に電圧が印加されて回転子３６の巻線に電流を流す。回転子３６のコイル、つまり巻線に直流電圧が印加されると回転子３６は電磁石になる。回転子が回転すると、磁界によって固定子３４の固定コイル内で交流電流が誘導される。次いで、固定子の３つのゾーン４６、４８、５０からの交流電流が、ダイオード５２、５４、５６、５８、６０、６２によって直流電流に変換される。この直流電流は、バッテリを充電し車両の電気システムを駆動するために使用される。

図２にさらに示されているように、システム３０はまた、交流発電機制御装置６４を備え、制御装置６４は、交流発電機内の専用交流発電機制御装置でもよく、エンジン制御モジュールまたは他の制御装置に組み込んでもよい。交流発電機制御装置６４は、システム電圧６６（つまり、車両の電気システムの電圧）、エンジン速度６８、シリンダ不動作モード７０（つまり、シリンダが不動作になっているかどうか）、クランクシャフトの同期７２（つまり、回転子電流に対するクランクシャフトの回転タイミング）、および吸気マニフォールド圧力７４（クランクシャフトの速度変動は、エンジンの負荷に比例するため）を入力として受け取る。入力６６、６８、７０、７２、および７４に基づいて、交流発電機制御装置６４は、交流発電機３２の所望の制動力を実現するため、回転子３６内に適切な電流を発生させるように交流発電機に入力すべき電圧プロファイル７６を決定する。通常モード、つまり非シリンダ不動作モードでは、平坦な電圧プロファイルＡが交流発電機３２に与えられ、シリンダ不動作時には、回転子速度をクランクシャフトの速度に同期させるため、所望の制動力が得られるように変動するプロファイルＢが交流発電機３２に与えられる。

シリンダ不動作中、交流発電機の総出力レベルが変わらないような形で交流発電機の回転子電流変調を適用することができる。シリンダ不動作時の回転子電流は、平均値の周りで振幅がより変動し、周波数も十分に高く、通常モードの場合と同じ総合レベルを生じる。例えば、３動作シリンダに不動作化された６気筒エンジンでは、周波数は、クランクシャフト速度の１．５倍に、また、４動作シリンダに不動作化された８気筒エンジンでは、周波数は、クランクシャフト速度の２倍になる。

図２で、プロファイルＢは、回転子電流の周波数がエンジンサイクルの事象（つまり、クランクシャフト速度の変動）に同期するように選択されている。
図４は、クランクシャフト速度の変動に対する、回転子電流の変動の推奨されたタイミングを示すグラフである。回転子電流プロファイルＢによって示されるように、クランクシャフト速度プロファイルＤが減少しているとき（つまり、クランクシャフトが減速しているとき）、回転子電流プロファイルＢが増加して、回転子の制動を強くさせ、回転子速度をクランクシャフト速度と同期させる。同様に、クランクシャフト速度プロファイルＤが増加しているときには、回転子電流プロファイルＢが同時に減少して回転子の制動を弱くし、それによって回転子プーリとクランクシャフトプーリの間の速度差に起因するベルト張力を弱くする。プロファイルＡはこの場合、通常動作状態（全シリンダ動作）中の回転子電流を表わす。

本発明は、クランクシャフトの速度が大きな周期的瞬時変動を示すいかなるエンジンシステムにも適用することができる。その例には、オーバードライブ比の高い動力伝達システムまたはディーゼルエンジンがある。

本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明したが、本発明が関連する技術の当業者は、添付の特許請求の範囲内で本発明を実施するための様々な代替設計および実施形態に気付くであろう。

典型的な付属駆動装置のレイアウトを含むエンジンの端面略図である。 本発明に従ってベルト騒音が減少するように交流発電機を制御する制御システムの略図である。 エンジンのクランクシャフト速度とクランクシャフト角度の関係を示すグラフである。 本発明によるクランクシャフト速度および回転子電流とクランクシャフト角度の関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ エンジン
１２ ベルト
１４ クランクシャフトプーリ
１６ 水ポンププーリ
１８ 空調機コンプレッサプーリ
２０ 空気ポンププーリ
２２ 交流発電機／発電機プーリ
２４ パワーステアリングポンププーリ
２６ ばね式ベルトテンショナ
３０ システム
３２ 交流発電機
３４ 固定子
３６ 回転子
３８、４０ ブラシ
４２、４４ スリップリング
５２、５４、５６、５８、６０、６２ ダイオード
６４ 交流発電機制御装置

Claims (15)

1. 交流発電機に連結された交流発電機プーリとエンジンクランクシャフトに連結されたクランクシャフトプーリとに係合されたベルトに係わるエンジンの騒音を減少させる方法であって、
   回転子速度の変動を選択的にクランクシャフト速度の変動に同期させ、それによってベルト張力の大きな変動を防止して騒音を減少させるように、交流発電機の回転子の電流を制御するステップを含む方法。
2. 前記制御するステップが、クランクシャフトが減速しているときは回転子の電流を増大させて回転子の制動を強くさせ、クランクシャフトが加速しているときは回転子の電流を減少させて回転子の制動を弱くさせるステップを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記制御ステップが、エンジンの選択されたシリンダが不動作化されたときに実施される、請求項２に記載の方法。
4. 回転子電流を制御するステップが、回転子電流を制御するように交流発電機に印加された電圧を制御するステップを含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記制御ステップがさらに、システム電圧、エンジン速度、シリンダ不動作モード、クランクシャフトの交流発電機の回転子との同期、および吸気マニフォールド圧力を監視するステップを含む、請求項３に記載の方法。
6. 前記制御ステップが、専用の交流発電機制御装置によって実施される、請求項５に記載の方法。
7. 前記制御ステップが、クランクシャフトの速度プロファイルと実質的に同期している、変動する電圧プロファイルを交流発電機に入力するステップを含む、請求項１に記載の方法。
8. エンジンのシリンダの不動作中に、回転子を有する交流発電機に連結された交流発電機プーリとエンジンのクランクシャフトに連結されたクランクシャフトプーリとに係合されたベルトに係わる騒音を減少させる方法であって、
   エンジンのシリンダが不動作化されているかどうかを監視するステップと、
   シリンダが、不動作化されている場合、クランクシャフトの速度の変動を選択的に回転子の回転に対抗する電磁気力の大きさの変動と同期させ、それによってベルト張力の大きな変動を防止して騒音を減少させるように、交流発電機の回転子電流を制御するステップとを含む方法。
9. 前記制御ステップが、クランクシャフトが減速しているときは回転子電流を増大させて回転子の制動を強くさせ、クランクシャフトが加速しているときは回転子電流を減少させて回転子の制動を弱くさせるステップを含む、請求項８に記載の方法。
10. 回転子電流を制御する前記ステップが、回転子電流を制御するように交流発電機に印加される電圧を制御するステップを含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記制御ステップがさらに、システム電圧、エンジン速度、クランクシャフトの交流発電機の回転子との同期、および吸気マニフォールド圧力を監視するステップを含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記制御機能が、専用の交流発電機の制御装置によって実施される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記制御ステップが、クランクシャフトの速度プロファイルと実質的に同期している、変動する電圧プロファイルを交流発電機に入力するステップを含む、請求項８に記載の方法。
14. シリンダが不動作化させるエンジンにおける、ベルトに係わる騒音を減少させるためのシステムであって、
    エンジンのクランクシャフトにベルトによって動作可能に連結され、回転子を有する交流発電機と、
    エンジンのシリンダが不動作化されるとき、回転子速度の変動を選択的にクランクシャフトの速度の変動に同期させ、それによってベルト張力の大きな変動を防止して騒音を減少させるように、交流発電機の回転子の電流を制御するよう動作する制御装置、とを含むシステム。
15. 前記制御装置が、クランクシャフトが減速しているときは回転子の電流を増大させて回転子の制動を強くさせ、クランクシャフトが加速しているときは回転子の電流を減少させて回転子の制動を弱くさせるように動作する、請求項１４に記載のシステム。

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