JP2007510867A - 車両内の内燃機関のバランスをとるための構成及び方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、車両内の内燃機関１のバランスをとるための構成及び方法に関する。内燃機関１は、動作中に自由力及び／又は自由モーメントが発生する種類のものである。車両は、動作中に自由力及び／又は自由モーメントを同様に発生する少なくとも１つのユニット６を備える。本構成は、車両内において、内燃機関１に対して、ユニット６から発生する自由力及び／又は自由モーメントが内燃機関１から発生する自由力及び／又は自由モーメントを少なくとも部分的に打消すようになされた位置に嵌合されるユニット６を備える。

Description

本発明は、請求項１及び請求項１０のプリアンブルによる車両内の内燃機関のバランスをとるための構成及び方法に関する。

様々な数のシリンダを有する多くの従来型内燃機関は、動作中、内燃機関に作用する自由力（ｆｒｅｅ ｆｏｒｃｅ）及び／又は自由モーメント（ｆｒｅｅ ｍｏｍｅｎｔ）を受ける。そうした自由力及びモーメントは車両内の振動の原因となる。自由力及びモーメントは、数学的に様々な次数の項で表すことができる。一次及び二次の自由力及びモーメントが最も支配的である。場合によってはより高い次数の自由力及び自由モーメントが騒音を引き起こし重要であることもあるが、通常、一次及び二次の項を計算することによって、自由力及び自由モーメントを高い精度で表すことができる。

自由力及びモーメントの計算に内燃機関のシリンダ数及びそれらの位置決めの情報を使用することができる。一次及び二次の自由力及びモーメントだけを考慮して、単気筒エンジンには一次及び二次の自由力が作用することを数学的に求めることができる。したがって、そうしたエンジンは、いかなる自由モーメントも受けない。互いに１８０°偏心しているクランク軸を有する２気筒エンジンには一次の自由モーメント及び二次の自由力が作用する。直列４気筒エンジンには二次の自由力が作用する。直列３気筒エンジン及び直列５気筒エンジンには一次及び二次の自由モーメントが作用する。その一方、直列６気筒エンジンは、それらに自由力又は自由モーメントが作用しないように十分に釣合うように設計することができる。

内燃機関の自由力及びモーメントによって、結果的に車両内における振動がこうして発生する。自由力及びモーメントを無くす既知の方法は、内燃機関のクランク軸に対して同期して回転しそれによって補償モーメントがもたらされるいわゆるバランス軸によるものである。一次の力及びモーメントの除去は、そうしたバランス軸をクランク軸と同じ速度で回転させることによって実現され、二次の力及びモーメントの除去は、バランス軸をクランク軸の速度の２倍で回転させることによって実現される。そうしたバランス軸の取付けは技術的に複雑である。米国特許第５０８３５３５号は、直列５気筒エンジンにおける二次の自由モーメントを無くす装置の一実施例に言及している。

本発明の目的は、車両内の内燃機関において費用が安く簡単で効果的なやり方ですぐれたバランスをもたらす構成及び方法を提供することである。

上記で述べた目的は、請求項１の特徴部分に示されていることを特徴とする前文において述べられている構成によって達成される。重い車両は、普通、車両の様々な構成要素に動力を供給する１つ又は複数のユニットを備える。ほとんどの場合、そうしたユニットは十分にバランスがとられておらず、さらに動作中車両に自由力及び／又は自由モーメントも加える。そうしたバランスがとられていないユニットが内燃機関に対して適当な位置に嵌合されることによって、内燃機関の自由力及び／又は自由モーメントを打ち消すユニットの自由力及び／又は自由モーメントの発生が可能になる。この目的のため、ある種の内燃機関における不均衡を補償するのに特に適しているあるタイプのユニットを選択することができる。適当な不均衡がある既設のユニットを使用することもできる。内燃機関及びユニットからの自由力及び／又はモーメントの合力の値はこうして少なくとも低減されることができ、それによって動作中に内燃機関の不均衡から生じる車両内の振動が無くされる又は少なくとも低減される。いずれにしても、そうしたユニットが車両内に嵌合されるということは、内燃機関のバランスをとることがバランス軸などの任意の追加の機器の取付け無しに実現され得ることを意味する。内燃機関から発生する振動は、費用が安く簡単で効果的な方法でこうして低減されることができる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、ユニットは、内燃機関と同じ速度で作動されるようになされている。一次の力及びモーメントは、内燃機関のクランク軸角度と共にその値が周期的に変化する。それに対応して周期的に変化する打消し力及び／又はモーメントをもたらすことができるようにするには、ユニットがエンジンと同じ速度で作動される必要がある。或いは、ユニットは、内燃機関の速度の２倍で作動されるようになされてもよい。二次の力及びモーメントは、内燃機関のクランク軸角度の２倍で周期的に変化する。それに対応して周期的に変化する打消し力及び／又はモーメントをもたらすことができるようにするには、ユニットが内燃機関の速度の２倍で作動される必要がある。当該の場合、２つのユニットは、一方がエンジンと同じ速度で、他方がエンジンの速度の２倍で作動されるように配置されることができる。一次及び二次の自由力及びモーメントはこうして無くされることができる。有利には、ユニットは、変速機を備える。内燃機関はそれによってユニットに動力を供給するようになされている。速度伝達比が１：１又は１：２である変速機によって、ユニットにはそれに動力を供給するエンジンの速度に連続的に追従する正確な速度が常に与えられる。変速機はまた、ユニットのクランク軸を内燃機関のクランク軸に、自由力及び／又はモーメントの発生がすべての回転状態において最適なやり方で打ち消されるような相互回転位置で連結することもできる。

本発明の好ましい一実施形態によれば、ユニットは、内燃機関に固定される。この場合、ユニット及び内燃機関は互いに直接接触しており、それによって内燃機関のどんな運動もユニットの運動によって実質的に直ちに打ち消される。内燃機関からの自由力及び／又は自由モーメントは、結果として生じる車両の振動無しにこうして効果的にバランスがとられることができる。内燃機関は、直列５気筒エンジンであってよい。奇数のシリンダを有する内燃機関は、実質的に常に釣合っていない。本発明は、前述にかかわらず、ほとんどのタイプの不均衡な内燃機関に適用可能である。

本発明の好ましい一実施形態によれば、内燃機関からの自由力及び／又は自由モーメントを実質的に最適に打ち消すために、ユニットはそのバランスを変えるバランス手段を備える。車両の動的構造は複雑なので、車両内の振動の最適な除去を実現する場合、ユニットをどこに嵌合すべきか、またユニットが内燃機関に対して正確に同期して作動されているかどうかが明白でない。したがって、例えば、交換できる釣合おもりで実験することによって、結果的に車両内における振動を最適に無くすユニットの不均衡を見出すことも可能である。

本発明の好ましい他の実施形態によれば、ユニットのシリンダは１本のみである。単気筒ユニットのクランク軸には一次及び二次の自由力が作用する。そうしたユニットが例えば５気筒エンジンに対して適当な位置に嵌合されることによって、エンジンの自由モーメントの著しい低減が可能になる。ユニットは空気圧縮機であってよい。ほぼすべての重い車両は、圧縮空気を例えば車両のブレーキ・システムに供給する空気圧縮機を備える。

上記で述べた目的はまた、請求項１０の特徴部分に示されていることを特徴とする前文に述べられている方法で達成される。そうしたユニットが内燃機関に対して適当な位置に嵌合されることによって、動作中内燃機関の不均衡を打ち消すユニットの不均衡が引き起こされることが可能になる。内燃機関の不均衡から発生する振動は、そうした方法で簡単に効果的に低減されることができる。既設のユニットから発生するどんな振動も低減される。

本発明の一実施形態を添付の図面を参照して一例として以下に説明する。

図１には、直列５気筒エンジンの形の内燃機関１が概略的に示されている。内燃機関１は、図示されていない車両内に配置されている。内燃機関１は、直列に配置され可動ピストン３を有する５本のシリンダ２を備える。シリンダ２内におけるピストン３の往復運動は、連接棒４を介してクランク軸５の回転運動に変換される。本発明において、内燃機関１の一方の側には概略的に示されている単シリンダの空気圧縮機６の形のユニットが嵌合されている。空気圧縮機６は、運動のために配置され動作中車両の圧縮空気システム内において空気の圧縮をもたらすようになされたピストン８を有するシリンダ７を備える。圧縮空気システムは、例えば、車両のブレーキをかけるのに使用されることができる。空気圧縮機のピストン８は、連接棒９を介してクランク軸１０に連結される。変速機１１は、内燃機関のクランク軸５を圧縮空気圧縮機のクランク軸１０に連結する。図示の場合において、変速機１１は、内燃機関のクランク軸５上に配置されている第１の歯車１１ａ及び圧縮空気圧縮機のクランク軸１０上に配置されている第２の歯車１１ｂを備える。歯車ベルト（ｇｅａｒｗｈｅｅｌ ｂｅｌｔ）１１ｃは、第１の歯車１１ａを第２の歯車１１ｂに連結する。変速機１１の速度伝達比は１：２であり、したがって圧縮空気圧縮機６は内燃機関１の２倍の速度で作動される。

ほとんどのタイプの内燃機関は、動作中、内燃機関に作用する自由力及び／又は自由モーメントを受ける。そうした自由力及び自由モーメントの大きさは、様々なタイプの内燃機関について、シリンダの数及び互いの位置決めの情報に基づいて数学的に計算することができる。動作中にクランク軸に作用する自由力は、級数におけるいくつかの項の総和（ａｇｇｒｅｇａｔｅ）として表すことができる。前記級数における項は値が急に小さくなるので、力は前記級数の先頭の２つの項の総和として高い精度で推定することができる。第１の項は一次の自由力と呼ばれ、第２の項は二次の自由力と呼ばれる。内燃機関の一次の自由力は、一次のピストン加速質量力（ｐｉｓｕｔｏｎ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｍａｓｓ ｆｏｒｃｅ）に基づいて求められ、Ｆ_１＝ｍ_０・ｒ・ω^２・ｃｏｓ（α）という数式で表すことができる。二次の自由力は、二次のピストン加速質量力に基づいて求められ、Ｆ_２＝ｍ_０・ｒ・ω^２・λ・ｃｏｓ（α）という数式で表すことができる。Ｆ_１は一次のピストン加速質量力、Ｆ_２は二次のピストン加速質量力、ｍ_０はピストン質量＋連接棒質量の３分の１、ｒはクランク半径、ωは角速度、λはｒ／ｌ（クランク半径／連接棒長さ）、αはクランク角である。

５気筒内燃シリンダ１に作用する一次の自由力は、５本のシリンダ２についての一次のピストン加速質量力Ｆ_１の総和である。それに対応して、内燃機関１に作用する二次の自由力は、５本のシリンダ２についての二次のピストン加速質量力Ｆ_２の総和である。それぞれのシリンダ２についての一次及び二次のピストン加速度質量力Ｆ_１及びＦ_２はまた、内燃機関１に作用する自由モーメントをもたらし得る。一次の自由モーメントは、それぞれのシリンダ２についてのピストン加速質量力Ｆ_１によって発生するモーメントの総和である。一次の自由モーメントは、それぞれのシリンダ２についての一次のピストン加速質量力Ｆ_１及びシリンダ間の距離ａの情報に基づいて求めることができる。それに対応して、二次の自由モーメントは、それぞれのシリンダ２についての二次のピストン加速質量力Ｆ_２によって発生するモーメントの総和として求めることができる。二次の自由モーメントは、同様に、それぞれのシリンダ２についてのピストン加速質量力Ｆ_２及びシリンダ間の距離ａの情報に基づいて求めることができる。

直列５気筒エンジン１について、５本のシリンダについてのピストン加速質量力Ｆ_１、Ｆ_２の総和は、一次についても二次についてもゼロになる。したがって、動作中、内燃機関１に自由力は作用しない。しかし、ピストン加速質量力Ｆ_１、Ｆ_２は、一次及び二次の自由モーメントの両方を発生させる。そのような場合、それぞれのシリンダ２間の距離がａのとき、一次の自由モーメントは数学的に０．４４９・Ｆ_１・ａ、二次の自由モーメントは４．９８・Ｆ_２・ａと計算することができる。したがって、動作中の内燃機関に作用する全モーメントＭ_ｍは、Ｍ_ｍ＝０．４４９・Ｆ_１・ａ＋４．９８・Ｆ_２・ａとなる。λの値すなわちクランク半径と連接棒長さの比が約０．３のとき、Ｆ_１がＦ_２の約３倍になることがわかるであろう。それにもかかわらず、直列５気筒エンジン１についての二次の自由モーメントは、一次の自由モーメントより確実に大きくなる。

動作中、単シリンダの空気圧縮機６は一次及び二次の自由力を発生させる。一次の自由力は、ｍ_０・ｒ・ω^２・ｃｏｓ（α）、二次の自由力は、ｍ_０・ｒ・ω^２・λ・ｃｏｓ（α）という数式で表すことができる。したがって、空気圧縮機６に作用する全自由力Ｆ_ｃは、ｍ_０・ｒ・ω^２・ｃｏｓ（α）＋ｍ_０・ｒ・ω^２・λ・ｃｏｓ（α）となる。したがって、空気圧縮機６はシリンダが１本すなわちａ＝０なので、動作中、空気圧縮機６に自由モーメントは作用しない。

内燃機関１は、動作中、内燃機関１をクランク軸５の中心点１２まわりに回転させる傾向がある自由モーメントＭ_ｍを受ける。空気圧縮機６は、動作中、クランク軸１０の点１３において作用する自由力Ｆ_ｃを受ける。本発明によれば、空気圧縮機６は、内燃機関１に対して、空気圧縮機６の自由力Ｆ_ｃが内燃機関１の自由モーメントＭ_ｍを打ち消すような位置に嵌合される。したがって、空気圧縮機６の自由力Ｆ_ｃは、モーメントＭ_ｍがそのまわりに作用する点１２からある距離離れたところに作用する。内燃機関１に対する空気圧縮機６の適当な位置決めは、空気圧縮機６の自由力Ｆ_ｃが結果的に内燃機関１の自由モーメントＭ_ｍを実質的に最適に打ち消すモーメントをもたらすように、点１２からある直線距離離されることになる。しかし、自由モーメントＭ_ｍの値は、内燃機関１のクランク軸５の回転角度と共に変化し、自由力Ｆ_ｃの値は、空気圧縮機６のクランク軸１０の回転角度と共に変化する。空気圧縮機６の自由力Ｆ_ｃからのモーメントが内燃機関１の自由モーメントＭ_ｍを最適に打ち消すには、クランク軸５、１０が最適な相互同期関係にある必要がある。したがって、自由力Ｆ_ｃによってもたらされる打消しモーメントは、自由モーメントＭ_ｍの変化に対応するやり方で、様々なクランク軸角度において値が変わるように発生されることができる。

直列５気筒エンジンについて二次の自由モーメントが一次の自由モーメントを超えるので、変速機１１の速度伝達比は１：２が適切である。したがって、空気圧縮機のクランク軸１０は、内燃機関のクランク軸５の２倍の速度で作動される。したがって、点１２から適当な距離離れたところにおける空気圧縮機６の自由力Ｆ_ｃは、結果的に、二次である内燃機関の自由モーメントＭ_ｍを打ち消すモーメントになり得る。したがって、二次の自由モーメントから発生する車両内の振動がかなり低減されることができる。

しかし、車両の構造は複雑である。したがって、内燃機関１の自由モーメントＭ_ｍの最適な打消しをもたらすように空気圧縮機６を嵌合すべき位置を理論的な方法によって求めることは難しいことがある。さらに、内燃機関は、傾斜モーメントＭ_ｍだけでなくねじりモーメントも発生させる。したがって、結果的に車両内の振動レベルが最低になる空気圧縮機の位置を見出すために、車両内における空気圧縮機の位置決めを実験的に行われなければならない。空気圧縮機６もまた、試行錯誤で、自由力Ｆ_ｃの値が内燃機関１の自由モーメントＭ_ｍの最適な打消しをもたらすほどの値になり得るように様々な大きさのバランス手段を備えることができる。また、クランク軸５、１０相互の回転角度は、内燃機関１の自由モーメントＭ_ｍしたがって車両内で発生する振動を最適に低減する目的で調整することができる。車両内の既設のユニット例えば空気圧縮機６を使用することによって、費用が安く簡単で効果的なやり方で内燃機関１のバランスをとることが可能になる。

本発明は、記述の実施形態に一切限定されるものではなく、特許請求の範囲内において自由に変更されることができる。内燃機関１は、実質的に、動作中に自由力及び／又は自由モーメントが発生するどんな所望の種類のものでもよい。空気圧縮機６もまた、実質的に、動作中に自由力及び／又は自由モーメントが発生するどんな所望のユニットでもよい。内燃機関のクランク軸５と圧縮空気圧縮機のクランク軸１０との間の変速機１１は、歯車１１ａ、１１ｂ及び歯車ベルト１１ｃを備える必要はない。変速機は、実質的にどんな所望の設計のものでもよい。

本発明による車両内のエンジンのバランスをとるための構成の図である。

Claims (15)

1. 内燃機関（１）が動作中に自由力及び／又は自由モーメントが発生する種類のものであり、車両が動作中に自由力及び／又は自由モーメントが同様に発生する少なくとも１つのユニット（６）を備えるところの、前記車両内の内燃機関（１）のバランスをとるための構成であって、前記構成が、前記車両内において、前記内燃機関（１）に対して、前記ユニット（６）から発生する前記自由力及び／又は自由モーメントが前記内燃機関（１）から発生する前記自由力及び／又は自由モーメントを少なくとも部分的に打ち消すようになされた位置に嵌合される前記ユニット（６）を備えることを特徴とする構成。
2. 前記ユニット（６）が、前記内燃機関（１）と同じ回転速度で作動されるようになされることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
3. 前記ユニット（６）が、前記内燃機関（１）の回転速度の２倍の速度で作動されるようになされることを特徴とする、請求項１に記載の構成。
4. 前記構成が、前記内燃機関（１）がそれによって前記ユニット（６）に動力を供給するようになされた変速機（１１）を備えることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の構成。
5. 前記構成が、前記内燃機関（１）に固定されている前記ユニット（６）を備えることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の構成。
6. 前記内燃機関（１）が、直列５気筒エンジンであることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の構成。
7. 前記ユニット（６）が、前記内燃機関（１）からの前記自由力及び／又は自由モーメントを実質的に最適に打ち消すために、前記ユニットの前記バランスを変えるバランス手段を備えることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の構成。
8. 前記ユニット（６）が、シリンダを１本だけ有することを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の構成。
9. 前記ユニットが、空気圧縮機（６）であることを特徴とする、前記請求項のいずれか一項に記載の構成。
10. 内燃機関（１）が、動作中に自由力及び／又は自由モーメントが発生する種類のものであり、車両が、動作中に自由力及び／又は自由モーメントが同様に発生する少なくとも１つのユニット（６）を備えるところの、前記車両内の前記内燃機関（１）のバランスをとる方法であって、前記車両内において、前記内燃機関（１）に対して、前記ユニット（６）から発生する前記自由力及び／又は自由モーメントが前記内燃機関（１）から発生する前記自由力及び／又は自由モーメントを少なくとも部分的に打ち消すようになされる位置に前記ユニット（６）を嵌合するステップを特徴とする方法。
11. 前記ユニット（６）を前記内燃機関（１）と同じ回転速度で作動させるステップを特徴とする、請求項１０に記載の構成。
12. 前記ユニット（６）を前記内燃機関（１）の回転速度の２倍の速度で作動させるステップを特徴とする、請求項１０に記載の構成。
13. 前記内燃機関（１）によって前記ユニット（６）に動力を供給するステップを特徴とする、請求項１０から１２までのいずれか一項に記載の方法。
14. 前記内燃機関（１）に前記ユニット（６）を固定するステップを特徴とする、請求項１０から１３までのいずれか一項に記載の方法。
15. 前記内燃機関（１）からの前記自由力及び／又は自由モーメントの最適な補正を供給することを目的とする前記ユニットのバランスを変えるステップを特徴とする、請求項１０から１４までのいずれか一項に記載の方法。

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