JP2013194591A - 内燃機関とその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】クランク軸からギア駆動のバランサーを備えて、内燃機関の振動を抑制すると共に、ギア駆動によるギアノイズを低減する内燃機関とその制御方法を提供する。
【解決手段】クランクシャフト４からギア駆動装置１１を介して、クランクシャフト４の回転に対して逆転する１次バランサー１２と、１次バランサー１２からベルト駆動装置１３を介して、クランクシャフト４の回転に対して逆転する電動機１４と、電動機１４の回転軸にクラッチ１６を介して副フライホイール１５と、ベルト駆動装置１３のベルト１３ｂの張力を保持するテンショナー２０を備えると共に、ベルト１３ｂの張力の変動したときに、電動機１３を力行駆動から回生駆動に、又は回生駆動から力行駆動に切り換え、エンジン１の回転に対して逆回転する電動機１４及び副フライホイール１５の少なくとも一方の回転変動を、エンジン１の回転変動と同期させるＥＣＵ１８を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のトルク変動による振動を抑制するギア駆動のバランサーを備えたときに発生するギアノイズを抑制する内燃機関とその制御方法に関する。

現在、燃費低減のために、排気量のダウンサイジング及び気筒数の減筒が盛んに研究され、実用化されているが、究極となる大トルクが小気筒数エンジン（内燃機関）の実現を拒んでいる。一般的に気筒数の少ないレシプロエンジン、特に３気筒以下のレシプロエンジンでは、トルク変動によるローリング振動が問題となる。

この対策として、エンジンと逆転する慣性系を追加し、その慣性系に生じるトルク反力で、クランク周りに生ずるトルク反力を打ち消しあい、エンジンのローリング振動を低減する装置がある（例えば特許文献１参照）。この装置は所謂、ヘロンバランサーと呼ばれている装置である。この装置でエンジンと逆転する慣性系を生み出すものとしては、ジェネレータを利用したもの、新たにウェイトを追加したもの、又は１次バランサーにウェイトを追加したものがある。

また、クランクシャフトの回転中心軸と平行な回転軸として２本のバランサシャフトを配設し、少なくとも一方に発電駆動装置を配設して、発電駆動装置の制動トルク及び駆動トルクでトルク変動を相殺する装置もある（例えば、特許文献２参照）。

しかし、上記のこれらの装置はエンジンと逆転する慣性系をギア駆動することに起因して、別の問題が発生する。エンジンは、間欠な燃焼のためトルク変動を伴うトルク反力を生じる。特に気筒数が少なくなるとその値は大きくなる。結果として、そのトルク変動を伴うトルク反力によって、回転変動速度が生じ、加速時には、従動側のギアの歯面を押し付けて回転させているが、減速時には従動側は別の慣性系のため、ギアの歯面が離れ、次のギアの背面と接触する。このとき歯打ち音が発生する。

そして、次の加速時に、元の歯面と接触して従動される。このときも歯打ち音は発生する。しかも、ローリング振動を低減するために、受動側の軸にフライホイールを取り付けるため、軸のねじり振動と歯打ち音が共振して、著しいノイズを発生する。

この歯の移動する距離がギアのバックラッシュであり、ゼロとすることは出来ない。トルク反力を打ち消すために従動側の慣性モーメントを大きくすればするほど、この現象は顕著となり、また、従動側の慣性モーメントが大きければ大きいほど、この打音は大きくなる。

イギリス特許出願公開公報ＧＢ−Ａ−１２１０４５号 特開２０００−２４８９５８号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の振動を低減すると共に、その振動の低減に伴い発生する騒音を低減することができる内燃機関とその制御方法を提供することである。

上記の目的を解決するための本発明の内燃機関は、内燃機関のクランク軸からギア駆動装置を介して、該クランク軸の回転に対して逆転するバランサーと、該バランサーからベルト駆動装置を介して、該クランク軸の回転に対して逆転する電動機と、該電動機の回転軸に取り付けたフライホイールとを備える内燃機関において、前記ベルト駆動装置のベルトの張力を保持するテンショナーを備えると共に、前記ベルトの張力が変動したときに、前記電動機を力行駆動から回生駆動に、又は回生駆動から力行駆動に切り換え、前記内燃機関の回転に対して逆回転する前記電動機及び前記フライホイールの少なくとも一方の回転変動を、前記内燃機関の回転変動と同期させる制御装置を備えて構成される。

この構成によれば、内燃機関の１次振動をギア駆動のバランサーでキャンセルし、ギア駆動のバランサーを設けることにより発生する歯打ち音などのギアノイズを、電動機を力行駆動、又は回生駆動して低減する装置において、ベルトの張力が変動したとき、つまり内燃機関の回転が変動したときに、電動機とフライホイールに内燃機関の回転変動と同期した回転変動を与えることができるので、ベルト張力の変動によって発生するベルトのスリップ音を抑制することができる。

これにより、エンジンの振動を抑制するためにギア駆動のバランサーを用いることで発生していた騒音の問題を解決して、内燃機関の振動を良好に抑制することができるので、内燃機関のダウンサイジングを図ることができる。

また、上記の内燃機関において、前記テンショナーが、前記ベルトの張力に応じて移動可能なプーリーと、該プーリーを前記ベルトの押圧方向に付勢するスプリングとを備え、前記バランサーが加速しながら回転するときの前記ベルトの緩む側に、前記プーリーを押圧するように前記テンショナーを配置すると共に、前記制御装置が、前記バランサーが加速しながら回転するときに、前記電動機を力行駆動し、前記バランサーが減速しながら回転するときに、前記電動機を回生駆動する手段を備えると、フライホイールの駆動トルクを伝達して、内燃機関のトルク変動に伴うトルク反力を半減すると共に、ギアの歯打ち音、及びベルトのスリップ音を抑制することができる。

バランサーが加速しながら回転するときのベルトの緩む側にテンショナーを配置すると、バランサーが加速しながら回転するとき（サイクル内変動でクランク側回転が正のとき）は、テンショナーにより、電動機側に内燃機関の回転変動を伝えることができるので、電動機を力行駆動することで、ベルト駆動装置を介すことで発生する、位相の遅れと駆動トルクの低減を起因とするフライホイールのトルクの損失分を補って、トルク反力を低減すると共に、ギアノイズを低減することができる。

また、バランサーが減速しながら回転するとき（サイクル内変動でクランク側回転が負のとき）は、ベルト張力の変動により、テンショナーのプーリーの位置が動いて、その分だけベルトの長さが長くなるので、電動機側に内燃機関の回転変動がなまされてしまう。このとき、電動機を回生駆動することで、フライホイールが内燃機関の回転変動と同期するので、トルク反力を低減することができる。

加えて、このときベルトの長さが長くなるので、ギア駆動装置に掛かる力が低減してギアノイズを低減することができる。さらに、フライホイールが内燃機関の回転変動と同期するので、ベルトのスリップ音も低減することができる。

なお、ベルトのバネ定数を大きく、若しくは、弾性体のバネ定数を大きくすると、張力変動時のテンショナーの動きを小さくすることができる。また、テンショナーによるベル
トの初張力を電動機側の慣性モーメントを駆動するのに必要な力より大きく設定する。詳しくは、ベルト初張力をＦａ、電動機側の慣性モーメントをＩｍ、バランサーと一体に回転する第１プーリーの半径をｒｂ、電動機側の第２プーリーの半径をｒｍ、バランサーの回転加速度を−ωａ、及び第２プーリーの回転加速度をωｍとすると、電動機側の回転加速度ωｍの最大値は、プーリー比から（ｒｂ／ｒｍ）×ωａであるから、以下の数式（１）で表すことができる。

また、上記の問題を解決するための内燃機関の制御方法は、内燃機関のクランク軸からギアにより駆動され、該クランク軸の回転に対して逆転するバランサーと、該バランサーからベルトにより駆動され、該クランク軸の回転に対して逆転する電動機と、該電動機の回転軸に取り付けたフライホイールと、前記ベルトの張力を保持するテンショナーとを備える内燃機関の制御方法において、前記ベルトの張力が変動したときに、前記電動機を力行駆動から回生駆動に、又は回生駆動から力行駆動に切り換え、前記内燃機関の回転に対して逆回転する前記電動機及び前記フライホイールの少なくとも一方の回転変動を、前記内燃機関の回転変動と同期させることを特徴とする方法である。

加えて、上記の内燃機関の制御方法において、前記バランサーが加速しながら回転するときの前記ベルトの緩む側に、前記テンショナーを配置し、前記バランサーが加速しながら回転するときに、前記電動機を力行駆動し、前記バランサーが減速しながら回転するときに、前記電動機を回生駆動する。

この方法によれば、テンショナーがベルトの張力により動いて、ベルトが伸び、電動機側にトルクを伝達することができないときに、電動機を回生駆動することで、フライホイールに内燃機関と同期した回転変動を与えることができるので、ギアの歯打ち音と、ベルトのスリップ音を防止しながら、燃焼に起因するトルク反力を抑制することができる。

本発明によれば、内燃機関の振動を低減すると共に、その振動の低減に伴い発生するギアノイズとベルトのスリップ音などの騒音を低減することができる。これにより、燃費低減のための、より熱効率の高い領域の使用頻度を増やし、内燃機関本体のフリクションも低減することができるダウンサイジングを図ることができる。

本発明に係る実施の形態の内燃機関を示した斜視図である。 図１に示すベルト駆動装置を示し、バランサーが加速しながら回転した状態を示した側面図である。 図１に示すベルト駆動装置を示し、バランサーが減速しながら回転した状態を示した側面図である。 図１に示す内燃機関に制御を示した概略図である。 本発明に係る実施の形態の内燃機関の動作を示したフローチャートである。 図１に示す内燃機関の電動機とフライホイールの回転変動と内燃機関の回転変動を比較したグラフであり、（ａ）は電動機の制御が無い状態を示し、（ｂ）は電動機の制御がある状態を示す。 図１に示す内燃機関のトルク反力と慣性モーメントの関係を示した模式図である。

以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関とその制御方法について、図面を参照しながら説明する。この実施の形態は、ディーゼルエンジンを例に説明するが、本発明はディーゼルエンジンに限定せずに、ガソリンエンジンにも適用することができる。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように寸法を変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際に製造するものの比率とは一致させていない。また、図中の矢印は実際の動作を示し、白抜き矢印はトルクや加速度の方向を示す。

まず、本発明に係る実施の形態の内燃機関について、図１〜４を参照しながら説明する。このエンジン（内燃機関）１は、エンジン本体２、ギア駆動装置１１、１次バランサー１２、ベルト駆動装置１３、及び電動機１４に加えて、図１に示すように、副フライホイール１５と、副フライホイール用クラッチ（以下、クラッチに統一する）１６と、テンショナー２０とを備える。

エンジン本体２は、３つのピストン３ａ〜３ｃの上下運動を回転運動に変換するクランクシャフト４と、主フライホイール５とを備える。このエンジン本体２は主フライホイール５を介して図示しない変速装置と接続されているが、主フライホイール５を必ずしも必要としない。また、この実施の形態ではエンジン本体２を直列３気筒エンジンで説明するが、その気筒数や、気筒の配列は限定しない。

ギア駆動装置１１は、駆動ギア１１ａと従動ギア１１ｂとを備える。この従動ギア１１ｂは、１次バランサー１２をクランクシャフト４の回転に対して等速で逆回転させるように、駆動ギア１１ａと同一径のギアであり、好ましくは１次バランサー１２とのバランスを考慮して、偏心させるとよい。この実施の形態では、ギアがこのギア駆動装置１１の一段しか介さないので、ギアノイズの制御を容易にすることができる。

１次バランサー１２は、クランクシャフト４の軸線と略平行に配置され、前述したように回転する。この１次バランサー１２はクランクシャフト４と等速で逆回転することによって、１次の慣性偶力によるピッチング振動と、１．５次のトルク反力によるローリング振動を低減することができる。この１次バランサー１２は周知の技術のバランサーを用いることができる。

ベルト駆動装置１３は、１次バランサー１２の軸先端に取り付けた第１プーリー１３ａの回転を、ベルト１３ｂを介して第２プーリー１３ｃへ伝達し、そのときに、クランクシャフト４の回転に対して、増速するように構成し、また、トルクを伝達するために、ベルト１３ｂの張力を保持するテンショナー２０とアイドラー１３ｄとを備える。

テンショナー２０は、図２に示すように、プーリー２１、固定部２２、テンションアーム２３、及びテンションスプリング２４を備える。このテンショナー２０は、プーリー２１がテンションスプリング２４によって、ベルト１３ｂに付勢されることにより、ベルト１３ｂの張力を保持し、且つベルト１３ｂの張力の変動により、テンションアーム２３が固定部２２を軸に回動して、プーリー２１の位置を移動する周知の技術のテンショナーである。

また、このテンショナー２０を、サイクル内変動でクランクシャフト４の回転が正のとき、つまり１次バランサー１２が加速しながら回転するとき（クランクシャフト４の回転のクランク角加速度が正のときであり、図中の矢印ａの方向の加速度のときを示す、以下クランクシャフト４が正で回転するときとする）に、ベルト１３ｂの緩む側Ａに配置する。

このベルト１３ｂの緩む側Ａは、クランクシャフト４が正で回転するときに緩む側であって、図３に示すように、サイクル内変動でクランクシャフト４の回転が負のとき、つまり１次バランサー１２が減速しながら回転するとき（クランク角加速度が負のときであり、図中の矢印ｂの方向の加速度のときを示す；以下、クランクシャフト４が負で回転するときとする）には、逆にベルト１３ｂの張る側となる側である。

ベルト１３ｂのバネ定数を大きくすることで、即ち伸びの少ないアラミド繊維系の芯線を使ったベルト１３ｂを用いて、そのベルト１３ｂの初張力を６００Ｎ〜８００Ｎ程度とすることで、また、このプーリー２１はトルク反力と同じ、回転２次に同調して移動するため、プーリー２１の慣性力によって、振動が増加してしまうが、テンションスプリング２４のバネ定数を大きくすることで、それぞれベルト１３ｂの張力によるプーリー２１の位置の移動距離を小さくすることができる。

さらに、図２に示すように、テンショナー２０をベルト１３ｂの緩み側Ａに設けることによるベルト１３ｂの初張力Ｆａは、以下の数式（２）に示すように、第２プーリー１３ｃに掛かる力より、電動機１４側の慣性モーメントを駆動するために必要な力Ｔ１より大きく設定する。

この駆動するために必要な力Ｔ１は、電動機１４側の慣性モーメントをＩｍ、第２プーリー１３ｃの角加速度をωｍ、第２プーリー１３ｃの半径をｒｍとすると、以下の数式（３）より算出することができる。

上記の駆動するために必要な力Ｔ１は、ベルト１３ｂのすべりを考慮しなければ、第１プーリー１３ａと第２プーリー１３ｃのプーリー比から、第１プーリー１３ａの角加速度（１次バランサーの角加速度と同じ）を−ωａ、第１プーリー１３ａの半径をｒｂとすると、以下の数式（４）で表すことができる。

よって、このテンショナー２０によるベルト１３ｂの初張力Ｆａは、クランクシャフト４側の、つまりエンジン１の回転変動により設定することができる。

一方、アイドラー１３ｄは、クランクシャフト４が正で回転するときに、ベルト１３ｂの張る側Ｂに設けられ、ベルト１３ｂの張力の変動があっても、移動しない固定のプーリーである。

このベルト駆動装置１３は、上記の構成により、クランクシャフト４が正で回転するときに、テンショナー２０がベルト１３ｂの緩み側Ａに配置されることにより、エンジン１の回転変動を電動機１４側に伝達することができる。

一方、図３に示すように、クランクシャフト４が負で回転するときに電動機１４側は以前の角速度で回り続けようとする。つまり、トルク反力を従動ギア１１ｂが受けるときに、テンショナー２０が設けられていた側Ａが、ベルト１３ｂの張る側Ａとなり、ベルト１３ｂの張力の変動によって、プーリー２１の位置が移動して、ベルト１３ｂが瞬間的に伸びる。これにより、荷重の一部をベルト１３ｂの張力に負担させることで、ギアノイズを低減することができる。

電動機１４は、図４に示すように、第２プーリー１３ｃと接続され、力行駆動、及び回生駆動可能で、所謂ジェネレータ、又はスタータジェネレータと呼ばれるもので、発電可能に構成してもよい。副フライホイール１５は、クラッチ１６を接続、又は切断することで自身の駆動トルクを、第２プーリー１３ｃを介してギア駆動装置１１へと伝達する。

また、このエンジン１は、クランク角センサ１７と、電動機１４及びクラッチ１６の動作を制御するＥＣＵ（制御装置）１８を備える。このＥＣＵ１８は、エンジンコントロールユニットと呼ばれる制御装置であり、電気回路によってエンジン１の制御を担当している電気的な制御を総合的に行うマイクロコントローラである。

この実施の形態では、ＥＣＵ１８に、エンジン１の運転状況に合わせてクラッチ１６を接続、又は切断し、さらにクランク角加速度ａ及びｂに応じて、電動機１４を力行制御、又は回生制御して、駆動トルクを制御する手段を備える。エンジン１に電動機１４と大きな慣性モーメントを有する副フライホイール１５を追加するため、クラッチ１６を接続するタイミングは、エンジン１のローリング振動が問題となるときが好ましい。

クランク角加速度ａ及びｂを算出する方法は、例えば、デジタルによる計算や、クランク角センサ１７の測定値から算出されるエンジン１の回転数を周期に変換し、その周波数をＦ／Ｖ変換（パルス周波数を電圧に変換する方法）し、その値を微分して算出するアナログ回路を用いる方法でもよい。

次に、クランク角加速度ａ及びｂに応じて、電動機１４を力行制御、又は回生制御して、エンジン１のトルク反力を抑制すると共に、それに伴う騒音を制御する方法について、図５のフローチャートを参照しながら、説明する。

まず、クランク角センサ１７の検出信号から、算出した回転数Ｎから周期λを算出するステップＳ１１を行う。次に、周期λをＦ／Ｖ変換し、その微分波形である電圧波形Ｖｆを算出するステップＳ１２を行う。

次に、その電圧波形Ｖｆで電動機１４を制御するステップＳ１３を行う。このとき、クランクシャフト４が正で回転し、クランクギア１１ａがクランク角加速度ａで回転するときに、電動機１４を力行駆動し、クランクシャフト４が負で回転し、クランクギア１１ａがクランク角加速度ｂで回転するときに、電動機を回生駆動する。

トルク反力は、慣性モーメントにクランク角加速度を乗じたものである。そこで、クランク角センサ１７の検出信号から周期λ（クランク角加速度）算出し、その周期λをＦ／Ｖ変換し、微分波形である電圧波形Ｖｆを求める。この電圧波形Ｖｆを用いて電動機１４を制御すると、電動機１４をクランク角加速度に完全に同期させて、つまり、エンジン１の回転に対して逆回転する電動機１４、及びクラッチ１６が接続されているときの副フラ
イホイール１５の回転変動を、エンジン１の回転変動に同期することができる。

この図５に示す方法によれば、クランク角加速度ａ及びｂに合わせて、言い換えるとエンジン１のトルク変動に合せて、電動機１４を制御することができ、エンジン１の運転状況に応じたトルク反力を抑制することができる。加えて、ギア駆動装置１１の噛み合い力も低減することができるので、ギアノイズを抑制することができる。

なお、この方法以外に、例えば、上記の制御方法をＦ／Ｖコンバータ（若しくは、Ｆ／Ｖ変換器と呼ばれる装置）を用いた回路で行ってもよい。

特に、図２に示すように、クランクシャフト４が正で回転するときは、ベルト１３ｂのベルト緩み側Ａをテンショナー２０が押圧することで、ベルト１３ｂの張力を保持することができるので、ベルト１３ｂを介して、副フライホイール１５を取り付けた電動機１４に、エンジン１の回転変動を伝達することができ、上記の制御により、ギア駆動装置１１の噛み合い力も低減することができるので、ギアノイズを抑制することができる。

一方、図３に示すように、クランクシャフト４が負で回転するときは、ベルト１３ｂのベルト張り側Ａに設けたテンショナー２０のプーリー２１が、ベルト１３ｂの張力により位置を移動して、ベルト１３ｂの長さが長くなるため、電動機１４側にエンジン１の回転変動を伝達することができないが、ベルト１３ｂの長さが長くなることで、ギア駆動装置１１の噛み合い力も低減するため、ギアノイズを抑制することができる。

さらにこのとき、電動機１４を回生駆動することで、副フライホイール１５に、エンジン１と同期した回転変動を与えることができるので、ベルト１３ｂのベルト変動を起因とするスリップ音を低減することができる。

結果として、図６の電動機１４と副フライホイール１５の回転変動とエンジン１の回転変動を比較したグラフに示すように、ベルト１３ｂの張力を保持するテンショナー２０を設け、電動機１４の制御が無い場合と、電動機１４の制御がある場合では、特に、クランク角加速度ｂで回転するときに大きな違いが現れている。

図６の（ａ）に比べて、図６の（ｂ）に示すように、テンショナー２０を、１次バランサー１２が加速しながら回転するときに、ベルト１３ｂが緩む側Ａに配置し、１次バランサー１２が減速しながら回転するときに、電動機１４を回生駆動すると、電動機１４側（副フライホイールを含む）の回転変動を、エンジン１の回転変動と同期させることができる。これにより、エンジン１のトルク変動を伴うトルク反力を低減すると共に、それに伴って発生するギア駆動装置１１のギアノイズやベルト１３ｂのスリップ音を低減することができる。

次に、このエンジン１のトルク反力を低減する原理について、図７を参照しながら説明する。図７に示す回転体３０は、１次バランサー１２と副フライホイール１５とを合わせたものとして説明する。

ここで、θをクランク角、T（θ）をクランクトルク、Ｔ_ｒをトルク反力、Ｉ_１をクラ
ンクシャフト４周りの慣性モーメント、Ｉｉをｉ番目の回転体３０の慣性モーメント及びｇ_ｉをｉ番目の回転体３０のギア比とする。トルク反力Ｔ_ｒは次の数式（５）で表すことができる。

このとき、分母の（Ｉ_１＋Σｇ_ｉ ^２Ｉ_ｉ）が、エンジン１の有効慣性モーメントであり、回転の向きに関係なく全て正の値である。数式（５）からトルク反力Ｔ_ｒは、（Ｉ_１＋Σｇ_ｉＩ_ｉ）が最小となるように、エンジン１とは逆回転の増速された回転体３０を設けることで最小とすることができる。

数式（５）の分母は、クランクシャフト４周りの有効慣性モーメントであり、その大部分はクランクシャフト４、主フライホイール５、及び図示しないクラッチプレッシャープレートが占める。分子は、各軸の慣性モーメントにギア比、又はプーリー比を乗じたもので、逆転するものがあれば、その値は負となり、分子が小さくなり、トルク反力は小さくなる。

よって、本発明のエンジン１は、１次バランサー１２と副フライホイール１５とで、エンジン１のトルク変動に伴う反力を低減することができる。

次に、本発明に係る実施の形態のエンジン１の動作について説明する。まず、エンジン１の運転状況が通常走行時の場合について説明する。通常走行時は、ＥＣＵ１８がクラッチ１６を接続した状態であり、１次バランサー１２と副フライホイール１５とが、クランクシャフト４の回転に対して逆回転するので、エンジン１のトルク変動に伴うトルク反力を低減することができる。しかし、副フライホイール１５を、ベルト駆動装置１３を介して駆動することで、ベルト１３ｂのスリップや伸縮を原因とした位相ずれとトルク低下によって、トルク反力を低減させるトルクが低減する。

そこで、クランクシャフト４が正で回転する場合は、ＥＣＵ１８が電動機１４を力行駆動して、ベルト駆動によって低下した分（以下、効率低下分という）の駆動トルクを補うことで、トルク反力を低減することができる。このとき、副フライホイール１５の駆動トルクのうち、電動機１４が分担していた分の駆動トルクが低減するので、ギア駆動装置１１の噛み合い力を低減することができ、ギアノイズを低減することができる。

クランクシャフト４が負で回転する場合は、ベルト１３ｂの長さが張力の変動によりテンショナー２０のプーリー２１の位置の移動に伴って長くなるので、ギアノイズを低減することができ、また、それに伴い発生するスリップ音を、ＥＣＵ１８が電動機１４を回生駆動することで、副フライホイール１５をエンジン１の回転変動と同期させて、低減することができる。

上記の動作は、トルク変動が顕著となる低速一定走行時に限定して行ってもよい。また、ローリング振動が顕著となるエンジン１の始動時、及び停止時に限定してもよい。その他の走行時は、エンジン１の振動がそれほど大きくならないため、例えば、クラッチ１６を切断し、慣性モーメントを小さくしてもよい。この通常走行時の電動機１４の出力は、効率低下分の駆動トルクを補うだけのため、消費電力を小さくすることができる。

次に、エンジン１の運転状況が始動時を除く加速時の場合について説明する。加速時は、ＥＣＵ１８がクラッチ１６を切断した状態である。エンジン１の運転状況が加速時であれば、トルク反力は小さく、ギア駆動装置１１の噛み合い力も小さい。そのため、副フライホイール１５の駆動トルクは必要なく、クラッチ１６を切断することにより、エンジン加速時の有効慣性モーメントの増加を抑制することができ、エンジン１の加速性能を向上でき、且つ燃費を向上できる。

次に、エンジン１の運転状況がアイドル時で、且つアイドルストップが動作していない場合について説明する。アイドル時で、且つアイドルストップが動作していない場合は、ＥＣＵ１８がクラッチ１６を切断した状態である。クランクシャフト４からの駆動トルクが副フライホイール１５の駆動トルクよりも小さいため、クラッチ１６を切断することにより、１次バランサー１２を駆動するギア駆動装置１１の噛み合い力を低減して、ギアノイズを低減することができる。

このアイドル時に電動機１４を図５に示す方法で制御することで、エンジン１のトルク変動を抑制することができる。これにより、アイドル時に発生するローリング振動を、電動機１４を単独で駆動して低減することができる。

さらに、クラッチ１６接続時の力行、又は回生制御による吸収に比べて、電動機１４を駆動させる分、燃費が悪化する可能性があるが、大部分のアイドリングは、アイドリングストップが動作中であり、その影響は少なく、アイドリングストップ中は、一種のデュアルマスフライホイールとして動作するため、トータルの燃費を向上することができる。

上記のエンジン１は、エンジン１のトルク変動による振動を、クランクシャフト４の回転に対して逆回転する１次バランサー１２と副フライホイール１５を設けることにより低減することができるが、ギア駆動によって１次バランサー１２を駆動することで発生するギアノイズが発生する。

特に顕著に感じるアイドリング時にクラッチ１６を切断し、ギア駆動装置１１の噛み合い力を低減することができるので、ギアノイズの発生を抑制することができる。また、合わせてトルクバランサーとして、電動機１４を力行駆動、又は、回生駆動するため、トルク反力を低減し、ローリング振動の低減を図ることができる。

また、トルク変動による振動が顕著となる低速一定走行時には、クラッチ１６を接続し、さらに、ベルト駆動によって低減する効率低下分の駆動トルクを補うことができるので、トルク変動を抑制することができる。加えて、このとき、電動機１４の駆動トルク分、ギア駆動装置１１の噛み合い力が低減するので、ギアノイズの発生を抑制することができる。

加えて、副フライホイール１５を設けることで増加した慣性モーメントを加速時には、クラッチ１６を切断することで、クランクシャフト４周りの有効慣性モーメントの増加を抑制することができるので、有効慣性モーメントが増加することで発生する燃費の悪化、及び加速応答の遅れを抑制することができる。

その上、エンジン１の回転変動を伝達するベルト１３ｂに、ベルト１３ｂの張力を保持するテンショナー２０を備え、電動機１４をエンジン１の回転変動に同期するように、つまり、クランク角加速度ａ及びｂに応じて、力行駆動及び回生駆動することで、ギア駆動装置１１のギアノイズとベルト駆動装置１３のスリップ音を抑制しながら、エンジン１のトルク変動を伴うトルク反力を低減することができる。

上記の作用効果によって、特に四気筒以下のエンジンにおいては、振動問題を起因として、ダウンサイジングすることが困難であったが、本発明を適用することによって、その振動問題と、振動問題を解決するために発生していた騒音問題も解決することができるので、エンジン１をダウンサイジングすることができる。

これにより、より熱効率の高い領域の使用頻度を増やし、且つエンジン本体のフリクションも低減することができるので、燃費を低減することができる。

本発明の内燃機関は、ギア駆動のバランサーで内燃機関の振動を抑制すると共に、振動を抑制するために発生するギアノイズやベルトのスリップ音を低減することができるので、特に気筒内圧力が高く、大きなトルク変動が発生するディーゼルエンジンを搭載したトラックなどの車両に利用することができる。

１ エンジン
２ エンジン本体
３ａ〜３ｃ ピストン
４ クランクシャフト（クランク軸）
１１ ギア駆動装置
１２ １次バランサー（バランサー）
１３ ベルト駆動装置
１４ 電動機
１５ 副フライホイール（フライホイール）
１６ クラッチ
１７ クランク角センサ
１８ ＥＣＵ（制御装置）
２０ テンショナー
２１ プーリー
２２ 固定部
２３ テンションアーム
２４ テンションスプリング

Claims (4)

1. 内燃機関のクランク軸からギア駆動装置を介して、該クランク軸の回転に対して逆転するバランサーと、該バランサーからベルト駆動装置を介して、該クランク軸の回転に対して逆転する電動機と、該電動機の回転軸に取り付けたフライホイールとを備える内燃機関において、
   前記ベルト駆動装置のベルトの張力を保持するテンショナーを備えると共に、
   前記ベルトの張力が変動したときに、前記電動機を力行駆動から回生駆動に、又は回生駆動から力行駆動に切り換え、前記内燃機関の回転に対して逆回転する前記電動機及び前記フライホイールの少なくとも一方の回転変動を、前記内燃機関の回転変動と同期させる制御装置を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記テンショナーが、前記ベルトの張力に応じて移動可能なプーリーと、該プーリーを前記ベルトの押圧方向に付勢するスプリングとを備え、
   前記バランサーが加速しながら回転するときの前記ベルトの緩む側に、前記プーリーを押圧するように前記テンショナーを配置すると共に、
   前記制御装置が、前記バランサーが加速しながら回転するときに、前記電動機を力行駆動し、前記バランサーが減速しながら回転するときに、前記電動機を回生駆動する手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 内燃機関のクランク軸からギアにより駆動され、該クランク軸の回転に対して逆転するバランサーと、該バランサーからベルトにより駆動され、該クランク軸の回転に対して逆転する電動機と、該電動機の回転軸に取り付けたフライホイールと、前記ベルトの張力を保持するテンショナーとを備える内燃機関の制御方法において、
   前記ベルトの張力が変動したときに、前記電動機を力行駆動から回生駆動に、又は回生駆動から力行駆動に切り換え、前記内燃機関の回転に対して逆回転する前記電動機及び前記フライホイールの少なくとも一方の回転変動を、前記内燃機関の回転変動と同期させることを特徴とする内燃機関の制御方法。
4. 前記バランサーが加速しながら回転するときの前記ベルトの緩む側に、前記テンショナーを配置し、
   前記バランサーが加速しながら回転するときに、前記電動機を力行駆動し、前記バランサーが減速しながら回転するときに、前記電動機を回生駆動することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御方法。