JP2015081574A - 振動低減装置、内燃機関、及び内燃機関の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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振動低減装置、内燃機関、及び内燃機関の制御方法を提供する。【解決手段】エンジン１の一次振動を低減する一次バランサー１２と、エンジン１の二次振動を低減する副フライホイール１５を設けた電動機１４とを備えると共に、クランク軸４と一次バランサー１２との間の動力を伝達するギア伝動機構１１と、一次バランサー１２と副フライホイール１５との間の動力を伝達するベルト伝動機構１３と、ベルト伝動機構１３のベルト１３ｂの張力を保持するテンショナー２０とを備えると共に、クランク軸４の回転が加速し始めるときに電動機１４の力行駆動を開始し、電動機１４の回転が減速し始めるときに電動機１４の回生駆動を開始する制御を行うインバータ１８とＥＣＵ（制御装置）１９を備えて構成される。【選択図】図６

Description

本発明は、振動低減装置、内燃機関、及び内燃機関の制御方法に関し、より詳細には、内燃機関の一次振動をバランサーで低減し、内燃機関の二次振動を慣性体で低減し、且つ二次振動に起因するギアノイズを低減することができる振動低減装置、内燃機関、及び内燃機関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、気筒数の減筒により増大するトルク変動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、特に三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。

これに関して、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提案されている（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、又は一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二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提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかし、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、従動側のギアの歯面は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。特に、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と、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、これをゼロとすることは出来ない。そして、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、その課題は、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振動低減装置、内燃機関、及び内燃機関の制御方法を提供することである。

上記の課題を解決するための本発明の振動低減装置は、内燃機関の一次振動を低減するバランサーと、前記内燃機関の二次振動を低減する慣性体を設けた電動機とを備えると共に、前記内燃機関のクランク軸と前記バランサーとの間の動力を伝達するギア伝動機構と、前記バランサーと前記慣性体との間の動力を伝達する無端体伝動機構と、前記無端体伝動機構の無端体の張力を保持するテンショナーとを備える振動低減装置において、前記クランク軸の回転が加速し始めるときに前記電動機の力行駆動を開始し、前記電動機の回転が減速し始めるときに前記電動機の回生駆動を開始する制御を行う制御装置を備えて構成される。

この構成によれば、クランク軸の回転が加速し始めるときに電動機の力行駆動を開始し、電動機の回転が減速し始めるときに電動機の回生駆動を開始することにより、無端体伝動機構の無端体の伸びに起因するクランク軸と電動機との間に回転位相差が発生しても、内燃機関の振動の低減と騒音の低減の両方に効果的な電動機の制御タイミングを容易に決定することができる。この決定された制御タイミングで電動機を制御することで、内燃機関の振動とその振動の抑制に伴って発生する騒音の両方を低減することができる。

具体的には、第一に、内燃機関の一次振動をバランサーでキャンセルし、電動機に設けた慣性体回りのトルクにより、クランク軸回りのトルク反力をキャンセルし、内燃機関の二次振動を低減することができる。

第二に、無端体の張力を保持するテンショナーの動きでギア伝動機構に慣性体の反力が直ぐに伝わることを回避して、二次振動に起因する回転変動により発生し、内燃機関の圧縮行程から爆発行程に移る圧縮上死点近傍で最も大きくなるギアノイズを低減することができる。

第三に、電動機を力行駆動、及び回生駆動することにより、慣性体回りのトルクを大きくして、ギア伝動機構に慣性体の反力を直ぐに伝えないことで低減するトルク反力の低下を回避することができる。このときのギア伝達力は、エンジントルクと同じとなり、ギアの駆動力も低減されるため、ギアノイズの悪化を伴わない。

この慣性体回りのトルクを大きくする際の電動機の制御タイミングは、無端体伝動機構の無端体の伸びにより発生するクランク軸の回転と電動機の回転との回転位相差のために難しい。例えば、クランク軸の回転に同期させて力行駆動、及び回生駆動すればクランク軸にトルクを及ぼさないため、ギアノイズは悪化しないが、電動機による回転変動を大きく取れずに、反力が低減しない。一方、電動機の回転に同期させれば、電動機による回転変動が増加して反力が低減するが、ギアノイズが悪化する。

そこで、上記の構成のようにクランク軸の回転が加速し始めるときに電動機の力行駆動を開始し、電動機の回転が減速し始めるときに電動機の回生駆動を開始することで、電動機による回転変動を大きくしながら、クランク軸にトルクを及ぼさないため、内燃機関の振動とその振動の抑制に伴って発生する騒音の両方を低減することができる。

これにより、内燃機関のダウンサイジングを図ることができるので、より熱効率の高い領域の使用頻度を増やすと共に、内燃機関本体のフリクションも低減して、燃費を低減す
ることができる。

また、上記の振動低減装置において、前記クランク軸のクランク角速度に基づいて前記電動機の基準制御波形を算出し、該基準制御波形における前記電動機の力行駆動の開始タイミングを、前記クランク軸のクランク角速度の微分波形から算出された前記電動機の力行駆動の開始タイミングに変更して、及び前記基準制御波形における前記電動機の回生駆動の基準開始タイミングを、前記電動機の角速度の微分波形から算出された前記電動機の回生駆動の開始タイミングに変更して、前記電動機の制御波形を作成する制御波形作成手段を設けることが望ましい。

この構成によれば、クランク角速度、電動機の角速度を入力として微分回路を通して、クランク角速度の微分波形と電動機の角速度の微分波形を算出し、クランク角速度に基づいて算出された基準制御波形と各微分波形を比較して電動機の制御波形を作成するので、電動機をクランク角速度の増加時にクランク角速度に同期して力行駆動し、クランク角速度の減少時で、且つ電動機の角速度の減少時に電動機の角速度に同期して回生駆動することができる。

そして、上記の課題を解決するための内燃機関は、上記に記載の振動低減装置を設けて構成される。この構成によれば、内燃機関のダウンサイジングを図る上で問題となる内燃機関の振動と騒音の両方を解決して、ダウンサイジングを図ることができるので、燃費を低減することができる。

そして、上記の課題を解決するための内燃機関の制御方法は、内燃機関の一次振動を低減するバランサーと、前記内燃機関の二次振動を低減する慣性体を設けた電動機とを備えると共に、前記内燃機関のクランク軸と前記バランサーとの間の動力を伝達するギア伝動機構と、前記バランサーと前記慣性体との間の動力を伝達する無端体伝動機構と、前記無端体伝動機構の無端体の張力を保持するテンショナーとを備える振動低減装置を設けた内燃機関の振動低減方法において、前記クランク軸の回転が加速し始めるときに前記電動機の力行駆動を開始し、前記電動機の回転が減速し始めるときに前記電動機の回生駆動を開始することを特徴とする方法である。

また、上記の内燃機関の制御方法において、前記クランク軸のクランク角速度に基づいて前記電動機の基準制御波形を算出し、該基準制御波形における前記電動機の力行駆動の開始タイミングを、前記クランク軸のクランク角速度の微分波形から算出された前記電動機の力行駆動の開始タイミングに変更して、及び前記基準制御波形における前記電動機の回生駆動の基準開始タイミングを、前記電動機の角速度の微分波形から算出された前記電動機の回生駆動の開始タイミングに変更して成形した前記電動機の制御波形で、前記電動機を制御することが望ましい。

本発明の振動低減装置、内燃機関、及び内燃機関の振動低減方法によれば、クランク軸の回転が加速し始めるときに電動機の力行駆動を開始し、電動機の回転が減速し始めるときに電動機の回生駆動を開始することにより、無端体伝動機構の無端体の伸びに起因するクランク軸と電動機との間に回転位相差が発生しても、内燃機関の振動の低減と騒音の低減の両方に効果的な電動機の制御タイミングを容易に決定することができる。この決定された制御タイミングで電動機を制御することで、電動機による回転変動を大きくしながら、クランク軸にトルクを及ぼさないため、内燃機関の振動とその振動の抑制に伴って発生する騒音の両方を低減することができる。

これにより、内燃機関のダウンサイジングを図ることができるので、より熱効率の高い
領域の使用頻度を増やすと共に、内燃機関本体のフリクションも低減して、燃費を低減することができる。

本発明に係る実施の形態の振動低減装置の構成を示した斜視図である。 図１に示す振動低減装置のベルト伝動機構とテンショナーを示す図である。 図１に示す振動低減装置の制御装置を示した概略図である。 図１に示す振動低減装置のバランサーが加速しながら回転した状態を示した図である。 図１に示す振動低減装置のバランサーが減速しながら回転した状態を示した図である。 図１に示す振動低減装置のクランク角速度の微分波形、電動機の角速度の微分波形、電動機の基準制御波形、及び電動機の制御波形の関係を示す図である。 本発明に係る実施の形態の内燃機関の振動低減方法を示したフローチャートである。 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。 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振動低減装置、内燃機関、及び内燃機関の制御方法について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、直列３気筒の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、その気筒数や、気筒の配列は限定しない。

まず、本発明に係る実施の形態の振動低減装置と内燃機関について、図１〜６を参照しながら説明する。図１に示すように、このエンジン（内燃機関）１は、エンジン本体２に振動低減装置１０を設けて構成され、振動低減装置１０は、ギア伝動機構１１、一次バランサー（バランサー）１２、ベルト伝動機構（無端体伝動機構）１３、及び電動機１４に加えて、副フライホイール（慣性体）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とを備えて構成される。

エンジン本体２は、三つのピストン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（クランク軸）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、この主フライホイール５を必ずしも必要としない。

ギア伝動機構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、一次バランサー１２をクランク軸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、好ましくは一次バランサー１２とのバランスを考慮して、偏心させるとよい。この振動低減装置１０では、クランク軸４と一次バランサー１２との間の動力の伝達に、ギア伝動機構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。

一次バランサー１２は、クランク軸４の軸線と略平行に配置され、前述したように回転する。この一次バランサー１２はクランク軸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。

ベルト伝動機構１３は、一次バランサー１２の軸先端に取り付けた第一プーリー１３ａの回転を、無端状のベルト（無端体）１３ｂを介して第二プーリー１３ｃへ伝達し、そのときに、クランク軸４の回転に対して、増速するように構成される。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（弾性体）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の位置を移動するものであり、所謂オートテンショナーである。

また、このテンショナー２０は、サイクル内変動でクランク軸４の回転が正のとき、つまり一次バランサー１２が加速しながら回転するときに、ベルト１３ｂの緩む側Ａに配置される。以降、クランク軸４が正で回転するときと記載した場合は、クランク軸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。

このベルト１３ｂの緩む側Ａは、クランク軸４が正で回転するときに緩む側であって、サイクル内変動でクランク軸４の回転が負のとき、つまり一次バランサー１２が減速しながら回転するときに、緩む側Ａとは逆にベルト１３ｂの張る側となる。以降、クランク軸４が負で回転するときと記載した場合は、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。

このテンショナー２０のテンションスプリング２４は、ベルト１３ｂのバネ定数を大きくした際に、例えば、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程度とした際に、テンションスプリング２４のバネ定数を大きくすることが望ましい。

ベルト１３ｂのバネ定数を大きくした場合に、このプーリー２１がトルク反力と同じ、回転２次に同調して移動し、プーリー２１の慣性力によって、振動が増加してしまうことが発生するが、ベルト１３ｂのバネ定数を大きくした場合に、合わせて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、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。

また、図４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Ｔ_０は、第二プーリー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Ｔｅより大きく設定する。このベルト１３ｂの初張力Ｔ_０は、クランク軸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。

アイドラー１３ｄは、クランク軸４が正で回転するときに、ベルト１３ｂの張り側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。

電動機１４は、図３に示すように、第二プーリー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、発電可能に構成される。

副フライホイール１５は、クラッチ１６を接状態、又は断状態とすることで自身の駆動トルクを、第二プーリー１３ｃを介してギア伝動機構１１へと伝達するように構成される
。

そして、このエンジン１は、クランク角センサ１７と、電圧入力に応じてトルク制御を行うインバータ１８と、インバータ１８及びクラッチ１６の動作を制御するＥＣＵ（制御装置）１９を備えて構成される。

インバータ１８は、電圧の正負で電動機１４の力行駆動、及び回生駆動を制御し、その電圧の大きさで負荷が決まるインバータである。

ＥＣＵ１９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。

そして、この実施の形態では、図３に示すように、ＥＣＵ１９に、エンジン１の運転状況に合わせてクラッチ１６を接状態、又は断状態にする断接手段Ｍ１と、クランク軸４の回転が加速し始めるときに電動機１４の力行駆動を開始し、電動機１４の回転が減速し始めるときに電動機１４の回生駆動を開始する制御を行う駆動制御手段Ｍ２とを設けて構成される。

駆動制御手段Ｍ２は、微分回路Ｃ１及びＣ２、Ｆ／Ｖ変換回路Ｃ３、電動機角速度算出手段Ｍ３、及び制御波形作成手段Ｍ４を備え、制御波形作成手段Ｍ５で作成された制御波形Ｗ４に基づいてインバータ１８を制御して、電動機１４を制御する手段である。

微分回路Ｃ１は、クランク角センサ１７の測定値が入力され、実際のクランク角速度の微分波形Ｗ１を出力する回路である。このクランク角速度の微分波形Ｗ１は、時間とクランク角加速度に基づいた波形である。

微分回路Ｃ２は、電動機角速度算出手段Ｍ３で算出された実際の測定値に準ずる電動機１４の角速度が入力され、実際の測定値に準ずる電動機１４の角速度の微分波形Ｗ２を出力する回路である。この電動機１４の角速度の微分波形Ｗ２は、時間と電動機１４の角加速度に基づいた波形である。

電動機角速度算出手段Ｍ３は、クランク角加速度の増加時とクランク角加速度の減少時の二つの事象から、実際の測定値に準ずる電動機１４の角速度を算出する手段である。詳しくは、クランク角加速度の増加時の電動機１４がベルト伝動機構１３により駆動されるときと、クランク角加速度の減少時の電動機１４が慣性により回転するときの二つの事象から電動機１４の角速度を算出する手段である。

この方法について、図４及び図５を参照しながら説明する。なお、以下では、電動機１４の負荷は考慮せず、無負荷運転の場合を示す。また、ベルト伝動機構１３であることより、フリクションやスリップを考慮する必要があるが、伝導効率、スリップ率として一義的に処理することとする。

図４に示すように、クランク角加速度の増加時で、電動機１４がベルト伝動機構１３により駆動される場合は、ベルト１３ｂの張り側Ｂのベルト１３ｂが伸び、緩み側Ａにできる緩み分をテンションスプリング２４の付勢力で押し出されたプーリー２１で吸収して回転している状態である。

ここで、第一プーリー１３ａの半径をｒ_１、第二プーリー１３ｃの半径をｒ_２、第一プーリー１３ａの角速度をω_１、第二プーリー１３ｃの角速度をω_２とすると、電動機１４が駆動されるときは、移動するベルト１３ｂの伸びの長さをδとすると、次の数式（１）が成り立つ。この第一プーリー１３ａの角速度ω_１が、クランク角速度であり、第二プーリー１３ｃの角速度ω_２が、電動機１４の角速度である。

δ＞０のときに、ベルト１３ｂの初張力Ｔ_０は、テンションスプリング２４によるベルト１３ｂを押し付ける荷重のベルト方向の成分であるから、僅かなベルト１３ｂの伸びによる変化は少なく、一定として計算する。ここで、電動機１４が駆動されるときの張力差（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）をＴｅとすれば、電動機１４の前後のベルト張力Ｔ_１は、Ｔ_１＝Ｔ_０、及びベルト張力Ｔ_２は、Ｔ_２＝Ｔ_０＋Ｔｅとなり、張力差Ｔｅのみを考えればよい。張力差Ｔｅは、第二プーリー１３ｃの慣性モーメントをＩ_２とすると、以下の数式（２）となる。

よって、数式（１）及び（２）から、ベルト１３ｂのバネ定数をＫとすると、次の数式（３）が成り立つ。

ベルト１３ｂの伸びがδ＞０の場合は、ベルト１３ｂの伝導効率をη、積分定数をＱとすると、次の数式（４）が成り立つ。

Δｔ後の変化値をｋθ_２、及びｋω_２を、次の数式（５）及び数式（６）から求める。

初期値として第一プーリー１３ａの角速度ω_１の値を用いて、結果が収束するように積分定数Ｑの値を変えて上記の数式（４）〜数式（６）から四階のルンゲクッタ法で解いて、実際の測定値に準ずる電動機１４の角速度ω_２を求めることができる。

図５に示すように、クランク角加速度の減少時で、電動機１４が慣性により回転する場合は、ベルト１３ｂの伸びの長さδの積算値がマイナスとなったときであり、δ＜０となる。

このとき、ベルト１３ｂの張り側Ｂに撓みができ、ベルト１３ｂが大きく振動する。このときの電動機１４の前後のベルト張力Ｔ_１は、Ｔ_１＝Ｔ_０、及びベルト張力Ｔ_２は、Ｔ_２＝０となり、電動機１４は等加速度で減速していくことから、次の数式（７）が成り立つ。

δ＜０の場合は、上記の数式（７）をそのまま解いて、次の数式（８）から電動機１４の角速度ω_２を求めることができる。

以上により、実際の測定値に準ずる電動機１４の角速度ω_２を求めることができる。

Ｆ／Ｖ変換回路Ｃ３は、クランク角速度の微分波形（パルス周波数）Ｗ１入力し、その微分波形Ｗ１を電圧波形に変換し、微分波形である基準制御波形Ｗ３を出力する回路である。

制御波形作成手段Ｍ４は、図６に示すように、Ｆ／Ｖ変換回路Ｃ３で出力された基準制御波形Ｗ３における電動機１４の力行駆動の開始タイミングｔ１を、微分回路Ｃ１で出力されたクランク角速度の微分波形Ｗ１から算出された電動機１４の力行駆動の開始タイミングｔ１’に変更して、及び基準制御波形Ｗ３における電動機１４の回生駆動の開始タイミングｔ２を、微分回路Ｃ２で出力された電動機１４の角速度の微分波形Ｗ２から算出された電動機１４の回生駆動の開始タイミングｔ２’に変更して、電動機１４の制御波形Ｗ４を作成する手段である。

よって、この制御波形作成手段Ｍ５では、クランク角速度、つまりエンジン１のトルク変動に合わせて算出された基準制御波形Ｗ３を、クランク角速度の加速時に実際のクランク角速度に同期するように、また、クランク角速度の減速時で、且つ電動機１４の減速時に実際の電動機１４の角速度に同期するように成形して、制御波形Ｗ４を作成している。

そして、本発明に係る実施の形態のエンジン１の振動低減方法は、クランク軸４の回転が加速し始めるときに電動機１４の力行駆動を開始し、電動機１４の回転が減速し始めるときに電動機１４の回生駆動を開始することを特徴とする方法である。

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、ＥＣＵ１９が断接手段Ｍ１によりクラッチ１６を接状態にして、一次バランサー１２と副フライホイール１５とを、クランク軸４の回転に対して逆回転させて、エンジン１のトルク変動に伴うトルク反力を低減する。

このとき、副フライホイール１５が、ベルト伝動機構１３を介して駆動されることで、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。

これは、クランク角速度が加速時に数式（２）に示す張力が必要となりベルト１３ｂのバネ定数により伸びる分だけ位相がずれるからである。なお、この位相はベルト伝動機構１３のレイアウト、ベルト１３ｂの材質、及びクランク角加速度により変わる。

このとき、駆動制御手段Ｍ２により電動機１４を、クランク角加速度が増加したときに力行駆動を開始し、電動機１４の角加速度が減少したときに回生駆動を開始する制御を行う。

このエンジン１の振動低減方法について、図７のフローチャートを参照して説明する。

まず、クランク角センサ１７でクランク角速度を検知するステップＳ１０を行う。次に、クランク角速度を微分回路Ｃ１に入力し、クランク角速度の微分波形Ｗ１を出力するステップＳ２０を行う。次に、電動機角速度算出手段Ｍ３で、電動機１４の角速度を算出するステップＳ３０を行う。次に、電動機１４の角速度を微分回路Ｃ２に入力し、電動機１４の角速度の微分波形Ｗ２を出力するステップＳ４０を行う。

次に、クランク角速度の微分波形をＦ／Ｖ変換回路Ｃ３に入力して、基準制御波形Ｗ３を出力するステップＳ５０を行う。電動機１４の出力は、電圧に比例することから、このステップＳ５０でクランク角速度の微分波形Ｗ１からＦ／Ｖ変換で電圧波形である基準制御波形Ｗ３を求めることで、クランク角速度の変化、つまりエンジン１の回転変動に応じ
た電動機１４の出力を算出することができる。

次に、ステップＳ２０で出力された微分波形Ｗ１から力行駆動の開始タイミングｔ１’を算出し、基準制御波形Ｗ３の力行駆動の開始タイミングｔ１を開始タイミングｔ１’に変更するステップＳ６０を行う。次に、ステップＳ４０で出力された微分波形Ｗ２から回生駆動の開始タイミングｔ２’を算出し、基準制御波形Ｗ３の回生駆動の開始タイミングｔ２を開始タイミングｔ２’に変更するステップＳ７０を行う。

次に、ステップＳ６０とステップＳ７０で成形された制御波形Ｗ４を出力するステップＳ８０を行う。次に、ステップＳ８０で出力された制御波形Ｗ４で電動機１４を制御するステップＳ９０を行って、この振動低減方法は完了する。

これにより、クランク軸４が正で回転する場合には、テンショナー２０により、副フライホイール１５側にエンジン１の回転変動を伝え、そのときに電動機１４が力行駆動するので、ベルト伝動機構１３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副フライホイール１５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。

一方、クランク軸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、副フライホイール１５側にエンジン１の回転変動がなまされてしまう。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がエンジン１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。また、ベルト１３ｂの長さが長くなることで、ギアノイズが低減し、また、それに伴い発生するスリップ音を、電動機１４が回生駆動して、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。

ここで、図８の（ａ）に示す電動機１４の制御無しの場合と、図８の（ｂ）に示す電動機１４の制御有りの場合とを比較すると、電動機１４を上記のように制御することで、エンジン１の回転変動に合わせて、電動機１４と副フライホイール１５の回転変動を制御することで、クランク角速度が増加したときに、電動機１４による回転変動を大きくして、エンジン１の反力を低減し、クランク角速度が減少したときに、電動機１４による回転変動を小さくして、ギアノイズを低減することができる。

ここで、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９を参照しながら説明する。図９に示す回転体３０は、一次バランサー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をクランク軸４周りの慣性モーメント、Ｉ_ｉ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（９）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（９）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（９）の分母は、クランク軸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軸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、一次バランサー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ことが分かる。

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、ＥＣＵ１９が断接手段Ｍ１によりクラッチ１６を断状態にしている。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、ギア伝動機構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を断状態にすることにより、エンジン加速時の有効慣性モーメントの増加を抑制して、エンジン１の加速性能を向上し、且つ燃費を向上する。

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、ＥＣＵ１９が断接手段Ｍ１によりクラッチ１６を断状態にしている。クランク軸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を断状態にすることにより、一次バランサー１２を駆動するギア伝動機構１１の噛み合い力を低減して、ギアノイズを低減する。

このアイドル時に電動機１４を駆動制御手段Ｍ２により制御することで、エンジン１のトルク変動を抑制する。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、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。

上記の実施の形態の振動低減装置１０、それを備えるエンジン１、及びエンジン１の振動低減方法によれば、クランク軸４の回転が加速し始めるときに電動機１４の力行駆動を開始し、電動機１４の回転が減速し始めるときに電動機１４の回生駆動を開始することにより、ベルト伝動機構１３のベルト１３ｂの伸びに起因するクランク軸４の回転と電動機１４の回転との回転位相差が発生しても、電動機１４の制御タイミングを容易に決定することができる。

そして、その制御タイミングで電動機１４を制御することで、電動機１４による回転変動を大きくしながら、クランク軸４にトルクを及ぼさないため、エンジン１の振動とその振動の抑制に伴って発生する騒音の両方を低減することができる。

具体的には、第一に、エンジン１の一次振動を一次バランサー１２でキャンセルし、電動機１４に設けた副フライホイール１５回りのトルクにより、クランク軸回りのトルク反力をキャンセルし、エンジン１の二次振動を低減することができる。

第二に、ベルト１３ｂの張力を保持するテンショナー２０の動きでギア伝動機構１１に副フライホイール１５の反力が直ぐに伝わることを回避して、二次振動に起因する回転変動により発生し、エンジン１の圧縮行程から爆発行程に移る圧縮上死点近傍で最も大きくなるギアノイズを低減することができる。

第三に、電動機１４を力行駆動、及び回生駆動することにより、副フライホイール１５回りのトルクを大きくして、ギア伝動機構１１に副フライホイール１５の反力が直ぐに伝わらないことで低減するトルク反力の低下を回避することができる。

これにより、エンジン１のダウンサイジングを図ることができるので、より熱効率の高い領域の使用頻度を増やすと共に、エンジン本体２のフリクションも低減して、燃費を低減することができる。

なお、上記の実施の形態では、クラッチ１６を設け、副フライホイール１５とベルト伝動機構１３及び電動機１４との間の動力の伝達を制御したが、本発明はこれに限定されずに、クラッチ１６を設けない構成としてもよい。但し、クラッチ１６を設けることで、前述したように、エンジン１の運転状況に応じてクラッチ１６を接状態、あるいは断状態とすることで、エンジン１の運転状況に応じた振動を低減することができる。

また、上記の実施の形態では、クランク角センサ１７の測定値を微分回路Ｃ１に入力して微分波形Ｗ１を出力し、電動機角速度算出手段Ｍ３で算出された電動機１４の角速度を微分回路Ｃ２に入力して微分波形Ｗ２を出力するように構成した。この構成は一例であり、実際の、あるいは実際の測定値に準ずるクランク角速度と電動機１４の角速度から微分波形Ｗ１及びＷ２を出力することができればよい。例えば、電動機角速度算出手段Ｍ３の代わりに電動機１４の角速度を測定するセンサを用いる構成や、微分回路Ｃ１及びＣ２で微分波形を出力する代わりに、角速度の変化に基づいて力行駆動の開始タイミングｔ１’及び回生駆動の開始タイミングｔ２’を算出可能なマップなどを用いる構成としてもよい。

加えて、上記の実施の形態では、制御装置としてＥＣＵ１９を用いたが、インバータ１８にクランク角センサ１７を接続するなどして、駆動制御手段Ｍ２を、ＥＣＵ１９を介さずに、インバータ１８のみで行えるようにしてもよい。

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（内燃機関）
２ エンジン本体
３ａ〜３ｃ ピストン
４ クランク軸
１１ ギア伝動機構
１２ 一次バランサー（バランサー）
１３ ベルト伝動機構
１４ 電動機
１５ 副フライホイール（慣性体）
１６ クラッチ
１７ クランク角センサ
１８ インバータ
１９ 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
Ｃ１、Ｃ２ 微分回路
Ｃ３ Ｆ／Ｖ変換回路
Ｍ１ 断接手段
Ｍ２ 駆動制御手段
Ｍ３ 電動機角速度算出手段
Ｍ４ 制御波形作成手段

Claims (5)

1. 内燃機関の一次振動を低減するバランサーと、前記内燃機関の二次振動を低減する慣性体を設けた電動機とを備えると共に、前記内燃機関のクランク軸と前記バランサーとの間の動力を伝達するギア伝動機構と、前記バランサーと前記慣性体との間の動力を伝達する無端体伝動機構と、前記無端体伝動機構の無端体の張力を保持するテンショナーとを備える振動低減装置において、
   前記クランク軸の回転が加速し始めるときに前記電動機の力行駆動を開始し、前記電動機の回転が減速し始めるときに前記電動機の回生駆動を開始する制御を行う制御装置を備えることを特徴とする振動低減装置。
2. 前記制御装置に、前記クランク軸のクランク角速度に基づいて前記電動機の基準制御波形を算出し、該基準制御波形における前記電動機の力行駆動の開始タイミングを、前記クランク軸のクランク角速度の微分波形から算出された前記電動機の力行駆動の開始タイミングに変更して、及び前記基準制御波形における前記電動機の回生駆動の基準開始タイミングを、前記電動機の角速度の微分波形から算出された前記電動機の回生駆動の開始タイミングに変更して、前記電動機の制御波形を作成する制御波形作成手段を設けることを特徴とする請求項１に記載の振動低減装置。
3. 請求項１又は２に記載の振動低減装置を設けることを特徴とする内燃機関。
4. 内燃機関の一次振動を低減するバランサーと、前記内燃機関の二次振動を低減する慣性体を設けた電動機とを備えると共に、前記内燃機関のクランク軸と前記バランサーとの間の動力を伝達するギア伝動機構と、前記バランサーと前記慣性体との間の動力を伝達する無端体伝動機構と、前記無端体伝動機構の無端体の張力を保持するテンショナーとを備える振動低減装置を設けた内燃機関の振動低減方法において、
   前記クランク軸の回転が加速し始めるときに前記電動機の力行駆動を開始し、前記電動機の回転が減速し始めるときに前記電動機の回生駆動を開始することを特徴とする内燃機関の振動低減方法。
5. 前記クランク軸のクランク角速度に基づいて前記電動機の基準制御波形を算出し、該基準制御波形における前記電動機の力行駆動の開始タイミングを、前記クランク軸のクランク角速度の微分波形から算出された前記電動機の力行駆動の開始タイミングに変更して、及び前記基準制御波形における前記電動機の回生駆動の基準開始タイミングを、前記電動機の角速度の微分波形から算出された前記電動機の回生駆動の開始タイミングに変更して成形した前記電動機の制御波形で、前記電動機を制御することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の振動低減方法。

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