JP2014206056A - 内燃機関のバランサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関全体の小型化及び軽量化を可能にする内燃機関のバランサ装置を提供する。【解決手段】内燃機関１のバランサ装置２０であって、シリンダブロック２に設けられたハウジング２１と、ハウジング２１内に回転可能に支持された雄ねじ形状のインナロータとを有する。ハウジング２１及びインナロータは、エンジンオイルを輸送するねじポンプを構成する。インナロータは、回転軸線がクランクシャフト１０と平行に延び、クランクシャフト１０と逆方向に同一の回転速度で回転する。【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関のバランサ装置に関する。

レシプロエンジン等の内燃機関では、ピストン及びクランクシャフトの運動に伴う慣性力や偶力を低減するために、バランサ装置が設けられることがある（例えば、特許文献１）。特許文献１に係るバランサ装置は、偶力を低減するために、クランクシャフトと平行に延びるバランサシャフトを有する。バランサシャフトは、アンバランスウエイトを有し、重心が回転中心から偏倚している。バランサシャフトはクランクシャフトと逆方向に同一の回転速度で回転することによって偶力を発生し、この偶力によってピストン及びクランクシャフトを含む系が発生する偶力を低減する。

特開２００９−２５７３６０号公報

偶力を低減するためのバランサシャフトは、全てのシリンダを跨ぐように延在し、概ねクランクシャフトと等しい長さを有する。そのため、バランサシャフトを含むバランサ装置は、内燃機関の内で比較的大きなスペースを占めると共に、重量が重くなる。内燃機関にはオイルポンプ等の他の補機が設けられるため、バランサ装置は他の補機との関係でレイアウトが制限されるという問題がある。また、バランサ装置を含む補機全体の小型化及び軽量化を図り、内燃機関の小型化及び軽量化を図りたいという要求がある。

本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであって、内燃機関全体の小型化及び軽量化を可能にする内燃機関のバランサ装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、内燃機関（１）のバランサ装置（２０）であって、内燃機関本体（２）に設けられたハウジング（２１）と、前記ハウジング内に回転可能に支持された雄ねじ形状のインナロータ（２２）とを有し、前記ハウジング及び前記インナロータは、エンジンオイルを輸送するねじポンプを構成し、前記インナロータは、回転軸線がクランクシャフトと平行に延び、前記クランクシャフトと逆方向に同一の回転速度で回転することを特徴とする。

この構成によれば、バランサ装置は、１次偶力バランサ及びオイルポンプの２つの機能を兼ねた１つの装置として構成されるため、補機を１つ省略したことになり、内燃機関全体の小型化及び軽量化が図れる。バランサ装置のインナロータは、雄ねじ形状に形成されているため、クランクシャフトと逆方向に同一の回転速度で回転することによって偶力を発生し、ピストン及びクランクシャフトを含む系が発生する偶力を低減する。また、インナロータ及びハウジングは、ねじポンプを構成し、インナロータがハウジング内で回転することによって、軸方向にオイルを輸送することができる。ねじポンプは、トロコイドポンプに比べて輸送されるオイルに脈動がなく、騒音が低減される。

上記の発明において、バランサ装置は、前記ハウジングに回転可能に支持されて前記インナロータを回転可能に受容する雌ねじ孔（４７）を有するアウタロータ（２３）を更に有し、前記インナロータ及び前記アウタロータの回転軸線（Ｏ２、Ｏ１）は、それぞれ前記クランクシャフトの回転軸線と平行であり、かつ互いに偏倚している構成としてもよい。

この構成によれば、バランサ装置は、１軸偏心ねじポンプとして構成される。１軸偏心ねじポンプは、吸上揚程（吸込揚程）を比較的高くすることができるため、バランサ装置をオイル液面よりも上方に配置することができ、バランサ装置のレイアウト自由度が向上する。また、アウタロータを固定した１軸偏心ねじポンプでは、インナロータは自在継手やフレキシブルジョイント等を介して連結され、回転軸を変位させながら振れ回るため、部品点数が増大すると共に、高速回転化が困難であるが、アウタロータが回転することによって、インナロータは一定の回転軸線を中心として回転することができ、クランクシャフトの回転数に応じた比較的高速の回転速度で回転することができる。

上記の発明において、前記インナロータは、両端部のそれぞれに前記インナロータの回転軸線に対して重心が偏倚したウエイト（６１、６２）を有してもよい。

この構成によれば、インナロータは回転することによって、ウエイトに起因した偶力や慣性力を生じることができる。そのため、バランサ装置は、ピストン及びクランクシャフトを含む系の１次偶力や１次慣性力を低減することができる。

上記の発明において、一対の前記ウエイトは、前記インナロータの回転軸線を中心として、互いに１８０°の位相差を有してもよい。

この構成によれば、バランサ装置は、インナロータが回転することによって、インナロータ及び一対のウエイトに起因した偶力を発生し、ピストン及びクランクシャフトを含む系の１次偶力を低減することができる。

上記の発明において、一対の前記ウエイトは、前記インナロータの回転軸線を中心として、互いに同位相に配置されてもよい。

この構成によれば、バランサ装置は、インナロータが回転することによって、インナロータ及び一対のウエイトに起因した慣性力を発生し、ピストン及びクランクシャフトを含む系の１次慣性力を低減することができる。

上記の発明において、前記インナロータは、前記両端部がそれぞれ前記ハウジングから外方に突出し、前記ウエイトは前記ハウジングの外方に配置されていてもよい。

この構成によれば、ウエイトがハウジング内を通過するオイルから隔離されるため、ウエイトによるオイルの攪拌抵抗が低減される。

上記の発明において、前記インナロータは、前記内燃機関本体の下部に貯留されたエンジンオイルの油面よりも上方に配置されていてもよい。

この構成によれば、内燃機関に対するバランサ装置のレイアウト自由度が高くなる。また、インナロータの両端部をハウジングから外方に突出させ、その外方に配置された両端部にウエイトを設けた場合に、ウエイトと内燃機関本体の下部に貯留されたエンジンオイルとの接触を避けることができる。これにより、インナロータの回転抵抗が低減されると共に、ウエイトによるエンジンオイル油面の攪拌（叩き）が抑制される。

上記の発明において、前記インナロータの回転軸線は、前記クランクシャフトの回転軸線よりも上方かつ側方に配置されてもよい。

この構成によれば、バランサ装置を内燃機関に効率良く配置することができ、内燃機関全体を小型化することができる。多くの内燃機関では、シリンダの下方に形成されるクランクケースが、シリンダが設けられる部分よりも幅方向に張り出しており、クランクケースにおけるクランクシャフトの上方かつ側方にデッドスペースが形成されることがある。このデッドスペースに、バランサ装置を配置することによって、内燃機関全体をコンパクトに形成することができる。

上記の発明において、前記インナロータは、１条ねじの雄ねじ状に形成され、前記雌ねじ孔は、２条ねじに形成されてもよい。

この構成によれば、バランサ装置は、好適な１軸偏心ねじポンプを構成することができる。

上記の発明において、前記ハウジングは、前記内燃機関本体の一部として一体に形成されてもよい。

この構成によれば、バランサ装置の内燃機関に対するレイアウト自由度が高くなると共に、部品点数の削減が図れる。

以上の構成によれば、内燃機関全体の小型化及び軽量化を可能にする内燃機関のバランサ装置を提供することができる。

第１実施形態に係るバランサ装置を有する内燃機関を示す斜視図 第１実施形態に係るバランサ装置の断面図 第１実施形態に係るインナロータ及びアウタロータの横断面図 図３のＡ〜Ｈ線に沿った各断面図 第１実施形態に係るバランサ装置の作動を示す説明図 第２実施形態に係るバランサ装置の断面図 第３実施形態に係るバランサ装置の断面図

以下、図面を参照して、本発明を自動車の内燃機関に適用した実施形態について詳細に説明する。

図１は、第１実施形態に係るバランサ装置２０を有する内燃機関１を示す斜視図である。図１に示すように、内燃機関１は、４ストロークの直列３気筒等間隔爆発のレシプロエンジンである。内燃機関１は、シリンダブロック２を有する。シリンダブロック２は、その上部に直列に配置された３つのシリンダ３を有すると共に、その下部に下方に向けて開口したクランクケース４を有する。クランクケース４の内側に形成されるクランク室５は、各シリンダ３と連通している。クランクケース４の下部には、上方へと開口した皿状のオイルパン７が接合され、クランク室５が閉じられている。シリンダブロック２の上部には、シリンダヘッド（不図示）が設けられ、シリンダヘッドの上部にはヘッドカバー（不図示）が設けられている。シリンダブロックのシリンダ列方向における一端部には、端部を覆うように、ケースカバー８が設けられている。

シリンダブロック２のクランクケース４には、クランクシャフト１０がシリンダ列方向と平行に、回転可能に支持されている。各シリンダ３には、上下に摺動可能にピストン１１が受容されている。各ピストン１１は、コネクティングロッド１２を介してクランクシャフト１０のクランクピン（不図示）に連結されている。クランクシャフト１０のクランクピンは、クランクシャフト１０の回転軸線を中心として１２０°間隔で配置されている。これにより、各ピストン１１は、互いに１２０°の位相差をもって配置されている。クランクシャフト１０の適所には複数のバランスウエイト１３が設けられている。

クランクシャフト１０の一端は、クランクケース４から突出して、ケースカバー８とクランクケース４の端壁との間に位置する。このクランクシャフト１０の一端には、外歯歯車であるクランクギヤ１５が設けられている。クランクギヤ１５は、クランクシャフト１０の回転軸線と同軸に配置され、クランクシャフト１０と一体に回転する。

クランクケース４の内部には、オイルポンプを兼ねるバランサ装置２０が設けられている。バランサ装置２０は、クランクシャフト１０と平行に延びたハウジング２１と、ハウジング２１内に回転可能に支持されたインナロータ２２と、ハウジング２１に回転可能に支持されると共に、内部にインナロータ２２を回転可能に受容するアウタロータ２３とを有している。

図２は第１実施形態に係るバランサ装置の断面図であり、図３は第１実施形態に係るインナロータ及びアウタロータの横断面図である。図１〜図３に示すように、ハウジング２１は、クランクシャフト１０と平行に延びる両端が開口した円筒状の中央ハウジング２６と、中央ハウジング２６の一端を閉じるように接合された入口ハウジング２７と、中央ハウジング２６の他端を閉じるように接合された出口ハウジング２８とを有する。中央ハウジング２６、入口ハウジング２７、及び出口ハウジング２８は、それぞれ金属から形成されている。

中央ハウジング２６は、シリンダ列方向における３つのシリンダ３に対応した長さを有する。すなわち、中央ハウジング２６の両端はシリンダ列方向において両側に配置されたシリンダ３にそれぞれ対応して配置される。中央ハウジング２６の内周部の両端部は、中央部に対して段違いに拡径された拡径部３１となっている。中央部と拡径部３１との境界には、中央ハウジング２６の軸線に対して垂直な面を形成する環状の段部（壁部）が形成されている。

入口ハウジング２７は、中央ハウジング２６の一端における拡径部３１に嵌合する環状のボス部３２を有する。入口ハウジング２７の内部には、入口通路３３が形成されている。入口通路３３は、一端がボス部３２の内側に形成された内孔に連通すると共に、中間部が約９０°湾曲し、他端が中央ハウジング２６の軸線の径方向外方である下方に向けて開口している。入口通路３３の他端側は、入口ハウジング２７から下方へと突出した管である入口管３５によって形成されている。入口管３５の下端には径方向外向きに張り出した入口フランジ３６が形成されている。入口管３５は、入口フランジ３６によってオイル配管（不図示）の一端に接続される。オイル配管は、他端がオイルパン７に貯留されたオイル内に浸漬されている。オイル配管は、経路中にオイルストレーナ（不図示）を備えている。

出口ハウジング２８は、中央ハウジング２６の他端における拡径部３１に嵌合する環状のボス部３８を有している。出口ハウジング２８の内部には、出口通路３９が形成されている。出口通路３９は、一端がボス部３８の内側に形成された内孔に連通すると共に、中間部が約９０°湾曲し、他端が中央ハウジング２６の軸線の径方向外方である上方に向けて開口している。出口通路３９の他端側は、出口ハウジング２８から上方へと突出した管である出口管４０によって形成されている。出口管４０の下端には径方向外向きに張り出した出口フランジ４１が形成されている。出口管４０は、出口フランジ４１によってエンジンオイルを内燃機関１の各部に供給するオイル通路（不図示）の一端に接続される。

中央ハウジング２６の内部には、一対の第１ラジアル軸受４３を介して円筒状のアウタロータ２３が中央ハウジング２６と同軸に回転可能に支持されている。第１ラジアル軸受４３は、例えば滑り軸受や、ニードルローラベアリングであってよい。一対の第１ラジアル軸受４３は、中央ハウジング２６の拡径部３１のそれぞれの端に設けられた段部と当接するように配置される。第１ラジアル軸受４３は、拡径部３１に係止される例えば止め輪等と段部との間に挟持され、スラスト方向への位置決めがなされる。

アウタロータ２３は、例えばスーパーエンジニアリングプラスチック等の樹脂の成形品であり、外周面の両端部に中央部に対して段違いに縮径された縮径部４６を有する。アウタロータ２３の各縮径部４６は、一方が入口ハウジング２７のボス部３２の内孔に回転可能に嵌合し、他方が出口ハウジング２８のボス部３８の内孔に回転可能に嵌合する。これにより、アウタロータ２３は、その両端部において、入口ハウジング２７のボス部３２及び出口ハウジング２８のボス部３８に回転可能に支持されている。アウタロータ２３は、各縮径部４６の端に形成された段部が各ボス部３２、３８の端面に対向し、摺接することによって、ハウジング２１に対してスラスト方向への移動が規制されている。

アウタロータ２３の内側には、その軸線Ｏ１に沿って延在する雌ねじ孔４７が形成されている。雌ねじ孔４７は、２条ねじに形成されている。図４は、図３のＡ〜Ｈ線に沿った各断面図である。図４に示すように、雌ねじ孔４７の横断面は、長円に形成されている。詳細には、雌ねじ孔４７の横断面は、中央に配置された長方形部分と、その両端に連続する一対の半円形部分とを有し、アウタロータ２３の軸線Ｏ１を中心として点対称な形状となっている。雌ねじ孔４７は、断面に現れる長円が、軸線Ｏ１に沿って入口ハウジング２７側から出口ハウジング２８側に進むにつれて軸線Ｏ１を中心として反時計回り（入口ハウジング２７側から見た状態を基準とする）に回転した形状に形成されている。すなわち、雌ねじ孔４７は左ねじに形成されている。

図２及び図３に示すように、雌ねじ孔４７は、２条ねじであるため、軸線Ｏ１に沿って一端から他端へと左巻きの螺旋状に延びる第１ねじ溝４８及び第２ねじ溝４９を有する。雌ねじ孔４７の断面に現れる長円の両端に配置された半円形状部の一方は第１ねじ溝４８を構成し、他方は第２ねじ溝４９を構成する。第１ねじ溝４８及び第２ねじ溝４９は、アウタロータ２３の軸線Ｏ１を中心として互いに点対称形（１８０°回転対称形）となっている。

インナロータ２２は、例えばステンレス等の金属から形成されたシャフト状の部材である。図２に示すように、インナロータ２２は、長手方向における中間部に設けられた雄ねじ部５１と、雄ねじ部５１の両端から直線状に延びる円柱状の一対の軸部５２、５３とを有する。一対の軸部５２、５３は、互いに同軸となるように配置されている。一対の軸部５２、５３の軸線をインナロータ２２の軸線Ｏ２とする。

インナロータ２２は、アウタロータ２３の雌ねじ孔４７を通過するように、ハウジング２１内に配置される。入口ハウジング２７には、中央ハウジング２６の軸線Ｏ１に対して平行に偏倚して延在し、入口通路３３と入口ハウジング２７の外部とを連通する断面円形状の貫通孔である入口側軸受孔５４が形成されている。同様に、出口ハウジング２８には、中央ハウジング２６の軸線に対して平行に偏倚して延在し、出口通路３９と出口ハウジング２８の外部とを連通する断面円形状の貫通孔である出口側軸受孔５５が形成されている。インナロータ２２の一方の軸部５２は、ボス部３２の内孔、入口通路３３、入口側軸受孔５４を通過して入口ハウジング２７の外部に突出すると共に、第２ラジアル軸受５７を介して入口側軸受孔５４に回転可能に支持されている。同様に、インナロータ２２の他方の軸部５３は、ボス部３８の内孔、出口通路３９、出口側軸受孔５５を通過して出口ハウジング２８の外部に突出すると共に、第３ラジアル軸受５８を介して出口側軸受孔５５に回転可能に支持されている。第２及び第３ラジアル軸受５８は、例えば滑り軸受であってよい。インナロータ２２は、ハウジング２１及びアウタロータ２３の軸線Ｏ１に対して平行に偏倚した軸線Ｏ２を中心として回転可能に入口側軸受孔５４及び出口側軸受孔５５に支持されている。本実施形態では、インナロータ２２の軸線Ｏ２は、ハウジング２１及びアウタロータ２３の軸線Ｏ１に対して下方に偏倚している。

図２に示すように、入口ハウジング２７から突出したインナロータ２２の軸部５２の先端は、クランクケース４の端壁から突出して、クランクケース４の端壁とケースカバー８との間に位置する。この軸部５２の先端には、外歯歯車であるドリブンギヤ６０が軸部５２と一体に回転するように設けられている。ドリブンギヤ６０は、クランクギヤ１５に対してピッチ円半径及び歯数が同じである。ドリブンギヤ６０がクランクギヤ１５に噛み合うことによって、インナロータ２２はクランクシャフト１０に同期して逆方向に同じ回転速度で回転する。

インナロータ２２の一方の軸部５２において、クランクギヤ１５と入口ハウジング２７との間に位置する部分には、軸部５２の径方向に突出するように中心がインナロータ２２の軸線に対して偏倚した円板状の第１アンバランスウエイト６１が設けられている。出口ハウジング２８から突出したインナロータ２２の軸部５３の先端には、軸部５３の径方向に突出するように中心がインナロータ２２の軸線Ｏ２に対して偏倚した円板状の第２アンバランスウエイト６２が設けられている。第１及び第２アンバランスウエイト６１、６２は、同じ不釣合い量を有し、それらの重心はインナロータ２２の軸線Ｏ２を通る１つの平面上に配置されている。なお、本実施形態では、第１アンバランスウエイト６１を第２アンバランスウエイト６２に対応させて同様の円板形状としたが、ドリブンギヤ６０が第１アンバランスウエイト６１を兼ねるようにしてもよい。例えば、ドリブンギヤ６０に肉抜きや肉盛りを行うことによって重心を回転中心から偏倚させ、ドリブンギヤ６０が不釣合い量を有するようにしてもよい。

図４に示すように、雄ねじ部５１の横断面は、インナロータ２２の軸線Ｏ２から偏倚した断面中心Ｏ３を有する円形に形成されている。雄ねじ部５１は、その横断面に現れる円の中心（断面中心）Ｏ３が、インナロータ２２の軸線Ｏ２に沿って入口ハウジング２７側から出口ハウジング２８側に進むにつれて軸線Ｏ２を中心として反時計回り（入口ハウジング２７側から見た状態を基準とする）に回転した１条ねじの左ねじに形成されている。雄ねじ部５１は、軸線Ｏ２と断面中心Ｏ３と結ぶ直線に沿った一方向に突出してねじ山６５を形成している。ねじ山６５はインナロータ２２の軸線Ｏ２を中心として左巻きの螺旋状に延びている。雄ねじ部５１は、始点と終点の位相が一致するため、雄ねじ部５１の重心はインナロータ２２の軸線上に配置されている。

第１及び第２アンバランスウエイト６１、６２と雄ねじ部５１とを含むインナロータ２２の重心は、インナロータ２２の軸線Ｏ２上に配置される。そのため、インナロータ２２は、軸線Ｏ２を中心として回転しても回転に伴う不平衡慣性力を生じない。

図２及び図３に示すように、インナロータ２２は、雄ねじ部５１がアウタロータ２３の雌ねじ孔４７内に配置される。図３及び図４では、位置Ａは雄ねじ部５１の０°位置（雌ねじ孔４７の０°位置）、位置Ｂは雄ねじ部５１の９０°位置（雌ねじ孔４７の４５°位置）、位置Ｃは雄ねじ部５１の１８０°位置（雌ねじ孔４７の９０°位置）、位置Ｄは雄ねじ部５１の２７０°位置（雌ねじ孔４７の１３５°位置）、位置Ｅは雄ねじ部５１の３６０°位置（雌ねじ孔４７の１８０°位置）、位置Ｆは雄ねじ部５１の４５０°位置（雌ねじ孔４７の２２５°位置）、位置Ｇは雄ねじ部５１の５４０°位置（雌ねじ孔４７の２７０°位置）、位置Ｈは雄ねじ部５１の６３０°位置（雌ねじ孔４７の３１５°位置）を表す。

図３及び図４に示すように、インナロータ２２の軸線（回転中心）Ｏ２はアウタロータ２３の軸線（回転中心）Ｏ１に対して下方に所定の距離Ｌ１だけ偏倚し、雄ねじ部５１の断面中心（重心）Ｏ３はインナロータ２２の軸線Ｏ２に対して径方向に所定の距離Ｌ２だけ偏倚している。本実施形態では、Ｌ１とＬ２とは等しく設定されている。

図２及び図３に示すように、雄ねじ部５１は、雌ねじ孔４７に対してピッチが同じ長さに設定され、リードが半分の長さに設定されている。すなわち、２条ねじの雌ねじ孔４７に１条ねじの雄ねじ部５１が挿入されている。そのため、雄ねじ部５１の２周期分と雌ねじ孔４７の１周期分とが、１つの繰り返し単位を形成する。図３に示すように、雄ねじ部５１は、雌ねじ孔４７の第１及び第２ねじ溝４８、４９に交互に突入しながら延在している。

図４（Ａ）に示すように、位置Ａ（雄ねじ部５１の０°位置、雌ねじ孔４７の０°位置）では、雄ねじ部５１のねじ山６５は下方へと突出し（雄ねじ部５１の断面中心Ｏ３が、インナロータ２２の軸線Ｏ２の下方に位置し）、雌ねじ孔４７の第２ねじ溝４９の底部に当接する。このとき、雄ねじ部５１は、第１ねじ溝４８の底部から離間し、第１ねじ溝４８との間に第１室６８を画成する。

図４（Ｂ）に示すように、位置Ｂ（雄ねじ部５１の９０°位置、雌ねじ孔４７の４５°位置）では、雄ねじ部５１のねじ山６５は右方へと突出し（断面中心Ｏ３が、軸線Ｏ２の右方に位置し）、第２ねじ溝４９寄りに位置する。雄ねじ部５１は、第２ねじ溝４９の底部から離間し、第２ねじ溝４９との間に第２室６９を画成する。第１室６８の位置Ｂにおける断面積は、位置Ａよりも第２室６９の断面積が形成された分だけ小さくなるが、第２室６９の位置Ｂにおける断面積よりも大きい。なお、位置Ｂにおける第１室６８と第２室６９の断面積の和は、位置Ａにおける第１室６８の断面積と等しくなる。このように任意の位置における第１室６８及び第２室６９の断面の和は一定になる。

図４（Ｃ）に示すように、位置Ｃ（雄ねじ部５１の１８０°位置、雌ねじ孔４７の９０°位置）では、雄ねじ部５１のねじ山６５は上方へと突出し（断面中心Ｏ３が、軸線Ｏ２の上方に位置し、軸線Ｏ１と重なる）、雄ねじ部５１は第１ねじ溝４８及び第２ねじ溝４９の中央に位置する。位置Ｃにおける第１室６８の断面積と第２室６９の断面積とは等しくなる。

図４（Ｄ）に示すように、位置Ｄ（雄ねじ部５１の２７０°位置、雌ねじ孔４７の１３５°位置）では、雄ねじ部５１のねじ山６５は左方へと突出し（断面中心Ｏ３が、軸線Ｏ２の左方に位置し）、第１ねじ溝４８寄りに位置する。位置Ｄにおける第２室６９の断面積は第１室６８の断面積より大きくなる。

図４（Ｅ）に示すように、位置Ｅ（雄ねじ部５１の３６０°位置、雌ねじ孔４７の１８０°位置）では、雄ねじ部５１のねじ山６５は下方へと突出し（断面中心Ｏ３が、軸線Ｏ２の下方に位置し）、雌ねじ孔４７の第１ねじ溝４８の底部に当接する。雄ねじ部５１が第１ねじ溝４８の底部に当接することによって、第１室６８は閉じられて消失する。

図４（Ｆ）に示すように、位置Ｆ（雄ねじ部５１の４５０°位置、雌ねじ孔４７の２２５°位置）では、雄ねじ部５１のねじ山６５は右方へと突出し（断面中心Ｏ３が、軸線Ｏ２の右方に位置し）、第１ねじ溝４８寄りに位置する。雄ねじ部５１は、第１ねじ溝４８の底部から離間し、第１ねじ溝４８との間に第１室６８を画成する。位置Ｆにおける第２室６９の断面積は、第１室６８の断面積よりも大きい。

図４（Ｇ）に示すように、位置Ｇ（雄ねじ部５１の５４０°位置、雌ねじ孔４７の２７０°位置）では、雄ねじ部５１のねじ山６５は上方へと突出し（断面中心Ｏ３が、軸線Ｏ２の上方に位置し、軸線Ｏ１に重なる）、雄ねじ部５１は第１ねじ溝４８及び第２ねじ溝４９の中央に位置する。位置Ｇにおける第１室６８の断面積と第２室６９の断面積の大きさとは等しくなる。

図４（Ｈ）に示すように、位置Ｈ（雄ねじ部５１の６３０°位置、雌ねじ孔４７の３１５°位置）では、雄ねじ部５１のねじ山６５は左方へと突出し（断面中心Ｏ３が、軸線Ｏ２の左方に位置し）、第１ねじ溝４８寄りに位置する。位置Ｈにおける第１室６８の断面積は第２室６９の断面積より大きくなる。

図４（Ａ）〜（Ｈ）に示すように、雄ねじ部５１と雌ねじ孔４７との間には、インナロータ２２の軸線Ｏ２に沿って螺旋状に延在する第１室６８及び第２室６９が画成される。第１室６８は位置Ｅ（雄ねじ部５１の３６０°位置、雌ねじ孔４７の１８０°位置）で分断され、第２室６９は位置Ａ（雄ねじ部５１の０°位置、雌ねじ孔４７の０°位置）で分断され、所定の等しいキャビティ体積を有する。

図５は第１実施形態に係るバランサ装置２０の作動を示す説明図であり、インナロータ２２が回転した際の位置Ａにおける雄ねじ部５１及び雌ねじ孔４７の相対位置を示す。インナロータ２２が、時計回り（図１及び図２における左側から軸線Ｏ２に沿って見た状態を基準とする）に回転すると、アウタロータ２３は雌ねじ孔４７の壁面がインナロータ２２の雄ねじ部５１に押圧され、アウタロータ２３の軸線Ｏ１を中心としてインナロータ２２と同じ回転方向（時計回り）に、インナロータ２２の１／２の回転速度で回転する。図５（I）に示すように、インナロータ２２の回転角度が０°（アウタロータ２３の回転角度０°）のときには、第１室６８の断面が現れ、第２室６９の断面は閉じられて消失している。その後、図５（II）〜（IV）に示すように、インナロータ２２の回転角度が大きくなると、第２室６９の断面が現れ、回転角度に応じて第２室６９の三日月状の断面積が大きくなる。このとき、第１室６８の断面積は、第２室６９の断面積が大きくなるに従って小さくなる。そして、図５（V）に示すように、インナロータ２２の回転角度が３６０°（アウタロータ２３の回転角度１８０°）のときに、第１室６８の断面が閉じられて消失し、第２室６９の断面積が最も大きくなる。その後、図（VI）〜（VIII）に示すように、インナロータ２２の回転角度が更に大きくなると、第１室６８の断面が現れ、回転角度に応じて第１室６８の断面積が大きくなり、第２室６９の断面積が小さくなる。そして、インナロータ２２の回転角度が７２０°（アウタロータ２３の回転角度３６０°）のときに、図５（Ａ）に示す状態に戻る。位置Ａにおける第１室６８及び第２室６９の断面積の和は、インナロータの回転に応じて変化せず常に一定である。同様に、任意の位置においても第１室６８及び第２室６９の断面積の和は、インナロータの回転によらず常に一定である。

このように、位置Ａにおいてインナロータ２２の回転に応じて、第１室６８及び第２室６９が、交互に（１８０°の位相差をもって）断面積の増大及び減少を繰り返す。この第１室６８及び第２室６９の変化は、位置Ａだけでなく、アウタロータの軸線Ｏ１に沿った任意の位置（例えば、位置Ｂ〜Ｈ等）において同様に生じる。これにより、第１室６８及び第２室６９は、インナロータ２２の回転に伴って、インナロータ２２の軸線Ｏ２に沿って入口ハウジング２７側から出口ハウジング２８側に体積を一定に維持したまま進む。これにより、第１室６８及び第２室６９内に受容された流体が入口ハウジング２７側から出口ハウジング２８側へと一定の体積を維持した状態で輸送される。このように、ハウジング２１、インナロータ２２、及びアウタロータ２３を含むバランサ装置２０は、１軸偏心ねじポンプを構成する。以上のように構成された１軸偏心ねじポンプは、第１室６８及び第２室６９が一定の体積を維持するため、吐出される流体の脈動がほとんど発生しない。

以下に、以上のように構成したバランサ装置２０の作用について説明する。クランクシャフト１０が、図１を左側から見た状態を基準として反時計回り（図１の白抜き矢印参照）回転すると、クランクギヤ１５及びドリブンギヤ６０の噛み合いによって、インナロータ２２がクランクシャフト１０に対して逆方向（図１を左側から見た状態を基準として時計回り、図１の黒矢印参照）に同一の回転速度で回転する。インナロータ２２が回転すると、雌ねじ孔４７の壁面が雄ねじ部５１に押圧されることによって、アウタロータ２３がインナロータ２２に対して同じ回転方向に１／２の回転速度で回転する。これにより、第１室６８及び第２室６９がインナロータ２２の軸線Ｏ２に沿って入口ハウジング２７側から出口ハウジング２８側に螺旋状に移動する。これにより、入口通路３３内の圧力が低下し、オイルパン７内のオイルがオイル配管を通して入口通路３３内に吸い込まれる。入口通路３３内に吸い込まれたエンジンオイルは、アウタロータ２３及びインナロータ２２の間の第１室６８又は第２室６９、出口通路３９、オイル通路を通過して内燃機関１の各部に輸送される。

また、バランサ装置２０は、インナロータ２２が回転することによって、雄ねじ部５１と、第１及び第２アンバランスウエイト６１、６２とに起因した偶力を発生することができる。雄ねじ部５１は、インナロータ２２の軸線Ｏ２を中心とした螺旋状に形成されているため、シリンダ列方向（長手方向）において非対称形となっている。そのため、雄ねじ部５１は、インナロータ２２の軸線Ｏ２を中心として回転することによって偶力を発生する。第１及び第２アンバランスウエイト６１、６２は、インナロータ２２の軸線Ｏ２を中心とした互いの位相が１８０°となっているため、インナロータ２２の軸線Ｏ２を中心として回転することによって偶力を発生する。インナロータ２２は、クランクシャフト１０に対して逆方向に同一の回転速度で回転するため、雄ねじ部５１、及び第１及び第２アンバランスウエイト６１、６２が生じる偶力によって、図１に示す等間隔爆発の直列３気筒内燃機関のピストン１１及びクランクシャフト１０を含む系が生じる１次偶力を低減することができる。なお、雄ねじ部５１と、第１及び第２アンバランスウエイト６１、６２とは、それぞれが生じる偶力を互いに相殺しないように配置されていることが好ましい。

バランサ装置２０は、インナロータ２２がクランクシャフト１０と同期して回転することによって、ピストン１１及びクランクシャフト１０を含む系が生じる偶力を低減すると共に、オイルパン７に貯留されたエンジンオイルを内燃機関１の各部に輸送することができる。すなわち、バランサ装置２０は、１次偶力バランサ及びオイルポンプの２つの機能を兼ねた１つの装置として構成される。これにより、補機（オイルポンプ）を１つ省略することができ、内燃機関１の小型化及び軽量化が図れる。１軸偏心ねじポンプを含むねじポンプは、ロータの軸線方向に長い形状となるため、本実施形態のように、クランクシャフト１０と平行に延在し、オイルポンプの回転軸となるインナロータ２２は、バランサ装置２０のバランサシャフトとしての利用に適している。

バランサ装置２０が構成する１軸偏心ねじポンプは、トロコイドポンプに比べて輸送されるオイルに脈動がなく、騒音が低減される。また、吸上揚程を比較的高くすることができるため、バランサ装置２０をオイル液面よりも上方に配置することができ、バランサ装置２０のレイアウト自由度が向上する。アウタロータを固定した１軸偏心ねじポンプでは、インナロータは自在継手やフレキシブルジョイント等を介して連結され、回転軸を変位させながら振れ回るため、部品点数が増大すると共に、高速回転化が困難であるが、本実施形態に係る１軸偏心ねじポンプでは、アウタロータ２３が回転することによって、インナロータ２２は一定した軸線Ｏ２を中心として回転することができ、クランクシャフト１０の回転数に応じた比較的高速の回転速度で回転することができる。

バランサ装置２０のハウジング２１は、クランクケース４内において、クランクシャフト１０の回転軸線よりも上方かつ側方に配置されているため、クランクケース４におけるクランクシャフト１０の上方かつ側方に生じるデッドスペースを有効利用して、バランサ装置２０を内燃機関１に効率良く配置することができる。

バランサ装置２０は、第１及び第２アンバランスウエイト６１、６２がハウジング２１の外方に配置されているため、ハウジング２１内を通過するオイルから隔離される。そのため、第１及び第２アンバランスウエイト６１、６２をハウジング２１内に配置した場合に比べて第１及び第２アンバランスウエイト６１、６２によるオイル攪拌抵抗が低減される。また、バランサ装置２０がオイルパン７内に貯留されたオイルの油面よりも上方に配置されるため、第１及び第２アンバランスウエイト６１、６２による油面の攪拌（叩き）が防止される。これにより、インナロータ２２の回転抵抗が低減される。

本実施形態に係る入口側軸受孔５４及び出口側軸受孔５５とインナロータ２２との間には、第２及び第３ラジアル軸受５７、５８を除き、シール手段が設けられていない。そのため、ハウジング２１の内部から入口側軸受孔５４及び出口側軸受孔５５を通って一部のオイルが漏出することがある。バランサ装置２０はクランクケース４内にあるため、漏出したオイルは流下してオイルパン７に戻る。他の実施形態では、入口側軸受孔５４及び出口側軸受孔５５とインナロータ２２との間にメカニカルシールやラビリンスシール、パッキン等のシール手段を設けてもよい。

第１実施形態に係るバランサ装置２０の一部変形例として、ハウジング２１の一部をシリンダブロック２と一体に形成してもよい。例えば、中央ハウジング２６をシリンダブロック２の一部とし、シリンダブロック２に形成した貫通孔内にアウタロータ２３及びインナロータ２２を配置してもよい。この場合には、インナロータ２２が、シリンダ３の側方に配置されてもよい。

また、バランサ装置２０の位置は、上記の実施形態における位置に限らず、任意の位置に配置することができる。例えば、クランクシャフト１０の直下方に、ハウジング２１及びインナロータ２２が配置されるようにしてもよい。

次に、第２実施形態に係るバランサ装置８０について説明する。図６は、第２実施形態に係るバランサ装置８０の断面図である。図６に示すように、第２実施形に係るバランサ装置８０は、第１実施形態に係るバランサ装置２０と比べて第２アンバランスウエイト６２の位置のみが異なり、他の構成は同様である。第２実施形態において第１実施形態と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。

第２実施形態に係るバランサ装置８０は、例えば単気筒や等間隔爆発の直列２気筒内燃機関等においてクランクシャフト１０をハーフバランシングした場合の１次慣性力バランサとして使用される。第２実施形態に係る第２アンバランスウエイト６２は、インナロータ２２の軸線Ｏ２を中心として、第１アンバランスウエイト６１と同じ回転位置（同位相）に設けられている。これにより、インナロータ２２の重心が軸線Ｏ２から偏倚する。そのため、インナロータ２２は軸線Ｏ２を中心として回転することによって不平衡慣性力を生じる。第１及び第２アンバランスウエイト６１、６２は、インナロータ２２がクランクシャフト１０に対して逆方向に同一の回転速度で回転するときに、ピストン１１及びクランクシャフト１０を含む系が生じる１次慣性力を低減する位置に配置されている。これにより、バランサ装置８０は、１次慣性力を低減するためのバランサとして構成される。

次に、第３実施形態に係るバランサ装置９０について説明する。図７は、第３実施形態に係るバランサ装置９０の断面図である。図７に示すように、第３実施形に係るバランサ装置９０は、アウタロータ２３が省略されると共に、インナロータ２２の雄ねじ部９１及び中央ハウジング９２の構成が異なる。第３実施形態において第１実施形態と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。

第３実施形態に係るバランサ装置９０では、インナロータ２２の軸線は、円筒状の中央ハウジング９２の軸線と同軸に配置されている。インナロータ２２の雄ねじ部９１は、インナロータ２２の軸線Ｏ２と同軸に延在する円柱状の基部９４と、基部９４を中心として左巻きの螺旋状に形成されたねじ山９５とを有する。バランサ装置９０は、インナロータ２２が回転することによって入口ハウジング２７側から出口ハウジング２８側に流体を輸送するねじポンプを構成する。

インナロータ２２は、クランクギヤ１５及びドリブンギヤ６０の噛み合いによってクランクシャフト１０に対して逆方向に同一の回転速度で回転する。雄ねじ部９１は、長手方向において非対称となっているため、インナロータ２２が回転することによって偶力を発生する。また、第１及び第２アンバランスウエイト６１、６２は、インナロータ２２が回転することによって偶力を発生する。バランサ装置２０は、雄ねじ部５１と、第１及び第２アンバランスウエイト６１、６２とが発生する偶力によって、ピストン１１及びクランクシャフト１０を含む系が生じる偶力を低減する。これにより、バランサ装置９０は、１次偶力バランサとしての機能と、オイルポンプとしての機能を有する。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。本発明は、自動車の内燃機関１に限らず、自動二輪車の内燃機関にも当然に適用することができる。また、内燃機関１のシリンダ数及び配置（直列、Ｖ字）、各ピストン間の位相差は適宜変更することができる。また、雄ねじ部５１及び雌ねじ孔４７の長さは、ピッチ３つ分に限らず、適宜変更することができる。

１…内燃機関、２…シリンダブロック、４…クランクケース、５…クランク室、１０…クランクシャフト、１５…クランクギヤ、２０、８０、９０…バランサ装置、２１…ハウジング、２２…インナロータ、２３…アウタロータ、２６、９２…中央ハウジング、２７…入口ハウジング、２８…出口ハウジング、３３…入口通路、３９…出口通路、４３…第１ラジアル軸受、４７…雌ねじ孔、４８…第１ねじ溝、４９…第２ねじ溝、５１、９１…雄ねじ部、５２、５３…軸部、５４…入口側軸受孔、５５…出口側軸受孔、５７…第２ラジアル軸受、５８…第３ラジアル軸受、６０…ドリブンギヤ、６１…第１アンバランスウエイト、６２…第２アンバランスウエイト、６４、９４…基部、６５、９５…ねじ山、６８…第１室、６９…第２室

Claims (10)

1. 内燃機関のバランサ装置であって、
   内燃機関本体に設けられたハウジングと、
   前記ハウジング内に回転可能に支持された雄ねじ形状のインナロータとを有し、
   前記ハウジング及び前記インナロータは、エンジンオイルを輸送するねじポンプを構成し、
   前記インナロータは、回転軸線がクランクシャフトと平行に延び、前記クランクシャフトと逆方向に同一の回転速度で回転することを特徴とする内燃機関のバランサ装置。
2. 前記ハウジングに回転可能に支持されて前記インナロータを回転可能に受容する雌ねじ孔を有するアウタロータを更に有し、
   前記インナロータ及び前記アウタロータの回転軸線は、それぞれ前記クランクシャフトの回転軸線と平行であり、かつ互いに偏倚していることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のバランサ装置。
3. 前記インナロータは、両端部のそれぞれに前記インナロータの回転軸線に対して重心が偏倚したウエイトを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関のバランサ装置。
4. 一対の前記ウエイトは、前記インナロータの回転軸線を中心として、互いに１８０°の位相差を有することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のバランサ装置。
5. 一対の前記ウエイトは、前記インナロータの回転軸線を中心として、互いに同位相に配置されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のバランサ装置。
6. 前記インナロータは、前記両端部がそれぞれ前記ハウジングから外方に突出し、前記ウエイトは前記ハウジングの外方に配置されていることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１つの項に記載の内燃機関のバランサ装置。
7. 前記インナロータは、前記内燃機関本体の下部に貯留されたエンジンオイルの油面よりも上方に配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１つの項に記載の内燃機関のバランサ装置。
8. 前記インナロータの回転軸線は、前記クランクシャフトの回転軸線よりも上方かつ側方に配置されていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１つの項に記載の内燃機関のバランサ装置。
9. 前記インナロータは、１条ねじの雄ねじ状に形成され、
   前記雌ねじ孔は、２条ねじに形成されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関のバランサ装置。
10. 前記ハウジングは、前記内燃機関本体の一部として一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれか１つの項に記載の内燃機関のバランサ装置。

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