JP2015224685A - エンジンの振動抑制機構 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数の増加を抑えつつ、すりこぎ運動を抑制可能なエンジンの振動抑制機構を提供する。【解決手段】クランク軸１１と同じ回転数で、かつ逆方向に回転する回転軸１６ａ、１６ｂをそれぞれ有し、クランク軸１１の回転に伴って駆動されるオルタネータ３及びコンプレッサ４を備えたエンジン２に適用される振動抑制機構１であって、オルタネータ３及びコンプレッサ４は、エンジン２の複数の気筒２ａを挟んで互いに対向するように設けられ、オルタネータ３及びコンプレッサ４のそれぞれの回転軸１６ａ、１６ｂには、複数の気筒２ａの配置に応じて配置され、回転軸１６ａ、１６ｂに対して偏心する偏心マス１８ａ、１８ｂが設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、すりこぎ運動が発生する直列３気筒やＶ型６気筒のエンジンに適用される振動抑制機構に関する。

直列３気筒エンジンのクランクシャフトで発生するすりこぎ運動を抑制するため、クランクシャフトと等速かつ逆回転するバランスシャフトを搭載したエンジンが知られている。（特許文献１参照）。第１気筒及び第３気筒に対応するバランスシャフト上にバランスウェイトを設けることで、クランクウェイトにより生じる慣性偶力が打ち消され、すりこぎ運動を抑制している。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。

特開２００９−２３６０８５号公報 特開２０１１−１４９３９２号公報

すりこぎ運動抑制のためにバランスシャフトを別途設けると、部品点数が増加する。また、製造コストの上昇の原因にもなる。

そこで、本発明は部品点数の増加を抑えつつ、すりこぎ運動を抑制可能なエンジンの振動抑制機構を提供することを目的とする。

本発明のエンジンの振動抑制機構は、クランク軸と同じ回転数で、かつ逆方向に回転する回転軸をそれぞれ有し、前記クランク軸の回転に伴って駆動される第１補機及び第２補機を備えたエンジンに適用される振動抑制機構であって、前記第１補機及び第２補機は、前記エンジンの複数の気筒を挟んで互いに対向するように設けられ、前記第１補機及び第２補機のそれぞれの回転軸には、前記複数の気筒の配置に応じて配置され、当該回転軸に対して偏心する偏心マスが設けられているものである（請求項１）。

本発明によれば、気筒を挟んで互いに対向するように設けられた第１補機及び第２補機のそれぞれの偏心マスの回転により、クランク軸に生じるすりこぎ運動による振動を抑制する。したがって、追加の部品を必要とすることなくすりこぎ運動が抑制でき、製造コストの上昇や車両の質量増加を防止できる。また、質量が増加しないため、燃費が向上する。

本発明の一形態に係るエンジンの振動抑制機構の上面からみた配置を示す模式図。 図１の振動抑制機構のフロント側の側面からみた配置を示す模式図。 エンジンの振動抑制機構１を説明する模式図。 エンジンで発生するすりこぎ運動を説明する図。 エンジンに発生するピッチ振動のモーメントの一例を示すグラフ。 エンジンに発生するヨー振動のモーメントの一例を示すグラフ。 ＥＣＵが実行する振動抑制処理を示すフローチャート。

図１は本発明の一形態に係るエンジンの振動抑制機構の上面からみた配置を示す模式図、図２はそのフロント側の側面からみた配置を示す模式図である。振動抑制機構１は、一例として、直列３気筒の４サイクルエンジン（以下、エンジンと称する。）２に搭載される。エンジン２には、一列に並ぶ３つの気筒２ａが設けられている。なお、説明の便宜上、各気筒２ａにはフロント側から順に♯１〜♯３の気筒番号を付し（図１参照）、互いに区別する。エンジン２は、各気筒２ａの爆発間隔が２４０°ＣＡ（クランク角を意味する。）ずつずらされることにより、２４０°ＣＡ毎の等間隔爆発が実現されている。各気筒２ａは、♯１、♯２、♯３の順に爆発する。

エンジン２の一端側の側面には第１補機としてのオルタネータ３が、エンジン２の他端側の側面には第２補機としてのコンプレッサ４が、それぞれ設けられている。一例として、フロント側側面にオルタネータ３が、リア側側面にコンプレッサ４が、それぞれ設けられている形態で説明する。オルタネータ３は、エンジン２を動力源として利用する発電機である。また、コンプレッサ４は、エアコンディショナー用のエアコンプレッサである。オルタネータ３及びコンプレッサ４は、周知技術を利用してよい。

図３は、エンジン２の振動抑制機構１を説明する模式図である。エンジン２のクランク軸１１には、Ｙ軸方向に並ぶ４つのクランクジャーナル２１と、クランクジャーナル２１の間に位置する３つのクランクピン２２と、クランクジャーナル２１とクランクピン２２とを連結するクランクアーム２３と、クランクアーム２３からクランクピン２２の反対側に伸びるクランクウェイト２４とが設けられている。各クランクピン２２は、Ｙ軸周りに１２０°ずつずらして設けられている。

振動抑制機構１には、オルタネータ３及びコンプレッサ４が含まれる。クランク軸１１に固定されたギア１１ａと、クランクプーリー１２ａとの間には、チェーン１３ａが巻きかけられて動力が伝達される。さらに、クランクプーリー１２ａの回転軸１４ａに固定されたギア１５ａと、オルタネータ３の回転軸１６ａに固定されたギア１７ａとがかみ合い、クランク軸１１からオルタネータ３に動力が伝達される。コンプレッサ４にも同様にして、クランク軸１１に固定されたギア１１ｂとクランクプーリー１２ｂとの間にチェーン１３ｂが巻きかけられ、クランクプーリー１２ｂの回転軸１４ｂに固定されたギア１５ｂと、コンプレッサ４の回転軸１６ｂに固定されたギア１７ｂとがかみ合い、クランク軸１１からコンプレッサ４に動力が伝達される。これにより、オルタネータ３及びコンプレッサ４は、クランク軸１１と同じ回転数で、かつクランク軸１１の回転とは逆方向に回転する。

また、振動抑制機構１には、クランク軸１１と同じ回転数でかつ逆方向に回転する偏心マス１８ａ、１８ｂが、オルタネータ３及びコンプレッサ４に対してそれぞれ着脱可能に設けられている。偏心マス１８ａ、１８ｂは、オルタネータ３の回転軸１６ａに対して偏心するおもりである。例えば、偏心マス１８ａ、１８ｂは、電磁クラッチ等の周知技術を利用して着脱可能に構成される。オルタネータ３の偏心マス１８ａは、♯１の気筒２ａのクランクウェイト２４に対して所定角度位相をずらして配置される。コンプレッサ４も同様、偏心マス１８ｂは、♯３の気筒２ａのクランクウェイト２４に対して所定角度位相をずらして配置される。オルタネータ３、コンプレッサ４及び各偏心マス１８ａ、１８ｂは、クランク軸１１の軸線方向と回転軸１６ａ、１６ｂが平行で、かつエンジン２の気筒２ａを挟んで互いに対向するように設けられている。

エンジン２及び偏心マス１８ａ、１８ｂは、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）３１にて制御される。ＥＣＵ３１は、マイクロプロセッサ及びその動作に必要なＲＡＭ、ＲＯＭ等の周辺機器を含んだコンピュータユニットとして構成されている。

図４は、エンジン２で発生するすりこぎ運動を説明する図である。直列３気筒のエンジン２では、３つの気筒２ａの各クランクピン２２が１２０°ずつずらして設けられているため、クランク軸１１が回転したときにクランクピン２２に生じる力のＺ軸成分がアンバランスとなり、ピッチ振動が発生する。このピッチ振動は、クランクウェイト２４が設けられることにより、クランクウェイト２４に生じる力のＺ軸成分と相殺し低減されるものの依然として生じ、また、クランクウェイト２４によってＸ軸成分の力も生じる。このＸ軸成分の力は、力がそれぞれ生じる♯１の気筒２ａと♯３の気筒２ａとで互いに逆方向に作用するため、クランク軸１１にＸ軸方向の偶力が発生し、エンジン２にヨー振動が発生する。このヨー振動とピッチ振動とが発生すると、エンジン２にすりこぎ運動が生じ、エンジン２及び動力分割機構５が振動する。なお、このようなすりこぎ運動は、気筒２ａの並びの中心から前後対称に配置できない気筒（例えば、直列３気筒、直列５気筒、Ｖ型６気筒等）を有するエンジンで発生する。

振動抑制機構１の作用を説明する。オルタネータ３及びコンプレッサ４にそれぞれ設けられた偏心マス１８ａ、１８ｂがエンジン２で生じたすりこぎ運動によるピッチ振動及びヨー振動を打ち消す。図５はエンジン２に発生するピッチ振動のモーメントの一例を示すグラフ、図６はエンジン２に発生するヨー振動のモーメントの一例を示すグラフである。なお、図５及び図６において、実線はクランク軸１１に生じるモーメント、破線はオルタネータ３及びコンプレッサ４に生じるモーメントをそれぞれ示している。偏心マス１８ａ、１８ｂの回転により生じるモーメントは、クランク軸１１に生じたモーメントを打ち消すように逆位相で生じている。このことから、すりこぎ運動が抑制されていることがわかる。また、オルタネータ３とコンプレッサ４とが気筒２ａを挟んで対向するように設けられているため、片側のみに集約されている場合に比べて効果的に振動を抑制できる。したがって、バランスシャフトのような追加の部品を必要とすることなくすりこぎ運動が抑制でき、製造コストの上昇や車両の質量増加を防止できる。また、質量が増加しないため、燃費が向上する。

図７は、ＥＣＵ３１が実行する振動抑制処理を示すフローチャートである。振動抑制処理は、各偏心マス１８ａ、１８ｂをエンジン２の回転数に応じてオルタネータ３及びコンプレッサ４から切り離す制御をする処理である。ＥＣＵ３１は、エンジン２の回転数がすりこぎ運動の影響が小さい範囲内にあるか否かを判別する（ステップＳ１）。すりこぎ運動で生じるピッチ振動のモーメントＭ_Ｘは、
Ｍ_Ｘ＝−√３×１／２×ｓｍ_ｒｅｃｒω^２ｃｏｓ（ωｔ＋π／６）
であり、ヨー振動のモーメントＭ_Ｚは、
Ｍ_Ｚ＝−√３×１／２×ｓｍ_ｒｅｃｒω^２ｓｉｎ（ωｔ＋π／６）
である。ここで、ｓは各気筒２ａ間の間隔、ｍ_ｒｅｃは気筒２ａのピストン及びコンロッドの質量、ｒはクランクアーム２３の長さ、ωはクランク角速度である。各モーメントＭ_Ｘ、Ｍ_Ｚは、クランクウェイト２４や偏心マス１８ａ、１８ｂで打ち消し可能な成分であり、回転数に依存する。エンジン２の回転数が、すりこぎ運動の影響が大きい回転数域にある場合、ＥＣＵ３１は、各偏心マス１８ａ、１８ｂを接続したままで今回の処理を終了する。

一方、エンジン２の回転数が、すりこぎ運動の影響が小さい回転数域にある場合、ＥＣＵ３１は、オルタネータ３の偏心マス１８ａを切り離すための切離し条件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ２）。切離し条件として例えば、ユーザ要求や温度条件等があり、ユーザの要求によっては偏心マス１８ａを切り離せないことがある。オルタネータ３の偏心マス１８ａを切り離すことができる場合、ＥＣＵ３１は、コンプレッサ４の偏心マス１８ｂを切り離すための切離し条件が成立しているか否かを判別する（ステップＳ３）。切離し条件は、ステップＳ２と同様である。コンプレッサ４の偏心マス１８ｂを切り離すことができる場合、ＥＣＵ３１は、全ての偏心マス１８ａ、１８ｂを切り離し（ステップＳ４）、今回の処理を終了する。

上述の処理によれば、エンジン２の回転数がすりこぎ運動への影響が少ない回転数域である場合で（ステップＳ１）、オルタネータ３及びコンプレッサ４の各偏心マス１８ａ、１８ｂのいずれもが切離し条件を満たす場合に（ステップＳ２、ステップＳ３）、全ての偏心マス１８ａ、１８ｂは切り離される（ステップＳ４）。したがって、偏心マス１８ａ、１８ｂが接続されているときは、すりこぎ運動による振動を低減することができ、一方、すりこぎ運動の影響が少ない場合には、偏心マス１８ａ、１８ｂを切り離すことでフリクションが低減され、燃費を向上できる。また、オルタネータ３及びコンプレッサ４のいずれかが切り離せない場合には、全ての偏心マス１８ａ、１８ｂを切り離さない。これにより、偏心マス１８ａ、１８ｂのうちいずれか一方のみが接続されることによるすりこぎ運動の助長を防止することができる。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本形態では、直列３気筒のエンジン２で説明したが、これに限られない。例えば、Ｖ型６気筒のエンジンに対しても本発明を適用できる。本発明は、すりこぎ運動による振動を抑制するものであり、すりこぎ運動が発生するエンジン、つまり、気筒２ａの並びの中心から前後対称に配置できない気筒（例えば、直列３気筒、直列５気筒、Ｖ型６気筒等）を有するエンジンに適用が可能である。この場合、気筒の配置（気筒の個数、クランク角、並び等）に応じて偏心マス１８ａ、１８ｂの各位相を決定すればよい。また、上述した形態では、エンジン２のフロント側側面にオルタネータ３、リア側側面にコンプレッサ４を設けた例で説明したがこれに限られない。気筒２ａを挟んで互いに対向するように設けられていればよく、補機の種類に限られない。また、図７の処理において、ステップＳ２及びＳ３の処理を省略してもよい。エンジン２の回転数がすりこぎ運動の影響が少ない回転数域にあれば全ての偏心マス１８ａ、１８ｂを切り離して、フリクションの低減及び燃費向上を実現させてもよい。エンジン補機として、オルタネータ３及びコンプレッサ４で説明したがこれに限られない。例えば、補機として、他のエンジン補機（一例として、冷却水ポンプ等）を利用してもよい。

１ 振動抑制機構
２ エンジン
２ａ 気筒
３ オルタネータ（第１補機）
４ コンプレッサ（第２補機）
１１ クランク軸
１６ａ、１６ｂ 回転軸
１８ａ、１８ｂ 偏心マス

Claims (1)

1. クランク軸と同じ回転数で、かつ逆方向に回転する回転軸をそれぞれ有し、前記クランク軸の回転に伴って駆動される第１補機及び第２補機を備えたエンジンに適用される振動抑制機構であって、
   前記第１補機及び第２補機は、前記エンジンの複数の気筒を挟んで互いに対向するように設けられ、
   前記第１補機及び第２補機のそれぞれの回転軸には、前記複数の気筒の配置に応じて配置され、当該回転軸に対して偏心する偏心マスが設けられている、エンジンの振動抑制機構。

Images