JP2019173717A - 内燃機関用の機械式過給機 - Google Patents

Abstract

【課題】重量増大やバランサ装置を追加することによる新たなメカロスを発生させることなく、過給機能を備えた内燃機関の慣性運動に起因した振動を抑制する。【解決手段】過給機としてルーツ式過給機１を採用し、ロータ４，５に、内燃機関の慣性運動を打ち消すように作用する中実部（ウェイト部）２７を形成する。２気筒内燃機関の場合は、内燃機関に偶力運動Ｍ３は発生せずに直線運動とＭ１と回転運動Ｍ２とが発生する。そこで、ピストン１３が上死点にあるときに主動ロータ４が上下長手の姿勢にあるとの前提において、主動ロータ４の下端部（Ｄ部とＨ部）に、抜き穴になっていない中実部（ウェイト部）２７を形成して錘としている。中実部（ウェイト部）２７がクランク軸１９の回転方向と逆方向に回転することにより、内燃機関の回転運動Ｍ２を抑制できると共に、中実部（ウェイト部）２７がピストン１３と逆の動きをすることにより、直線運動Ｍ１を抑制できる。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関用の機械式過給機に関するものである。或いは、機械式過給機を利用したバランサ装置に関するということも可能である。

ピストンの往復動をクランク軸の回転に変換するレシプロ式の内燃機関では、クランク軸にカウンターウェイトを設けて慣性力の消去を図っているが、ピストンとクランク軸の動きに起因した内燃機関の慣性運動の発生は避け難く、この慣性運動は、気筒数やクランクアームの配置などによって様々な態様で現れている。そこで、例えば特許文献１に開示されているように、内燃機関の慣性運動と逆の動きをするバランサ装置を設けることにより、内燃機関の振動を抑制することが提案されている。

特公昭５８−４２２１号公報

特許文献１の構成では、振動の抑制には効果的と云えるが、大きな部材を専用品として特別に設けなければならないため、内燃機関の大型化やコストアップは避けられない。また、バランサを駆動することに専用の動力が費やされるため、バランサに起因したメカロスが発生して燃費の低下も不可避となる。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明は、内燃機関において機械式過給機が使用されていることに着目して、この機械式過給機をバランサ装置に兼用するものである。すなわち、本願発明の、機械式過給機は、
「クランク軸と同一回転数又は倍速で回転する主動ロータ及び従動ロータを備えており、
前記主動ロータ又は従動ロータ若しくは両方に、ピストン及びクランク軸の慣性運動を打ち消すように作用するアンバランス化手段を設けている、」
という構成になっている。

既述のとおり、内燃機関の慣性運動は、気筒数やクランクアームの配置などによって様々な態様で現れるので、アンバランス化手段をロータにどのような態様で具体化するかは、気筒数やクランクアームの姿勢などに応じて選択したらよい。

アンバランス化手段としては、ロータの軽量化のために肉抜き穴が形成されている場合は、肉抜き穴となる部分に中実部（ウェイト部）を部分的に残す構造を採用できる。また、更なる軽量化を目的にロータを樹脂化するような場合は、鉄のように比重が大きい金属をウェイト部として採用して、これをロータの一部に埋設してもよい。

機械式過給機の例としてルーツ式過給機があり、このルーツ式過給機のロータとしては２葉式や人字形の３葉式等があるが、いずれにしても、回転軸心から放射方向に突出した部分を有しており、突出部の一部にアンバランスを発生させることにより、重心を偏心させることができる。この場合、２葉式のロータであると、軸心を挟んだ２つの突出部のうち一方にウェイト部を設けることと、軸心方向に向いて前後両側のうちいずれか一方又は両方にウェイト部を設けこととを組み合わせることにより、様々なアンバランス態様を実現できる。

また、主動ロータと従動ロータとの２つのロータのうち一方のみにアンバランス化手段を設けることと、２つのロータにアンバランス化手段を設けることとを選択することによっても、ロータの群の全体としての偏心態様を変えることができる。従って、内燃機関の慣性運動に対応して、アンバランス化手段の配置態様を選択することにより、内燃機関の慣性力を消去又は低減させることができる。すなわち、機械式過給機のロータに、慣性力を打ち消す逆振動を発生させることにより、内燃機関の慣性力を消去又は低減させることができる。

機械式過給機としては、ルーツ式の他にリショルム式なども使用できるが、この場合も、ロータに抜き穴を形成するにおいて中実部を部分的に残したり、中実部の位置を変えるなどのアンバランス化手段を講じたらよい。

そして、本願発明は、内燃機関の構成要素である過給機として機械式過給機を選択して、増速比を１もしくは２で回すことにより、機械式過給機をバランサ装置として利用するものである。このため、過給機能を備えた内燃機関において、専用バランサ装置を追加する場合に比べて燃費低下（新たなメカロスの発生）の問題を防止又は低減しつつ、振動を抑制することが可能になる。

なお、内燃機関の振動として、クランク軸の回転数と同じサイクルで現れる一次振動と、クランク軸の回転数の２倍のサイクルで現れる二次振動とが発生しているが、本願発明では、増速比を２に設定することにより、ロータに、クランク軸の回転数の２倍の逆振動を発生させることも可能であり、これにより、内燃機関の二次振動の抑制にも貢献できる。

ルーツ式過給機を示す図で、（Ａ）はクランク軸線と直交した方向から見た側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視縦断正面図、（Ｃ）はアンバランスを生み出す中実部（ウェイト部）の配置位置を示す前提としての抜き穴の配置を示す斜視図である。 ２気筒内燃機関に適用した例であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）はピストン及びクランク軸とロータとの関係を示す縦断正面図、（Ｃ）はアンバランスを生み出す中実部（ウェイト部）の配置を示す斜視図である。 ３気筒内燃機関に適用した例であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）はピストン及びクランク軸とロータとの関係を示す縦断正面図、（Ｃ）はアンバランスを生み出す中実部（ウェイト部）の配置を示す斜視図である。 ４気筒内燃機関に適用した例であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）はピストン及びクランク軸とロータとの関係を示す縦断正面図、（Ｃ）はアンバランスを生み出す中実部（ウェイト部）の配置を示す斜視図である。

(1).ルーツ式過給機の構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は自動車用内燃機関に適用している。なお、以下では方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、内燃機関に使用されている一般的な方向にならって、クランク軸線方向を前後方向、クランク軸線と気筒軸線とに直交した方向を左右方向としている。

まず、図１に基づいてルーツ式過給機１の基本構造を説明する。ルーツ式過給機１の基本構造は従来から知られたとおりであり、正面視小判型の本体ケース２と、これを塞ぐ前後の蓋３と、２葉式の主動ロータ４及び従動ロータ５とを備えている。本実施形態では、主動ロータ４が上に位置して従動ロータ５が下に位置するように配置されているが、上下逆の配置であってもよい。

主動ロータ４には駆動軸（入力軸）６が固定されており、従動ロータ５には従動軸７が固定されている。両軸６，７は蓋３によって回転自在に保持されており、本体ケース２の外に位置した部位には、互いに噛合するギア（図示せず）が固定されている。従って、両ロータ４，５は、反対方向に同じ回転数で回転する。

本体ケース２には、吸気流入口９と吐出口と１０とが形成されており、吸気は、ロータ４，５の回転に伴い、吸気流入口９から吸引されて吸気吐出口１０から加圧されて排出される。

両ロータ４，５の一般的な態様では、軽量化のために、回転軸心を挟んだ両側に、抜き穴４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂが全長に貫通するように形成される。そして、本実施形態では、個々の抜き穴４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂについて、その全長の全体又は一部を中実のままに残すことにより、中実部をウェイト部（錘部）として、アンバランス化している。中実部として残される部分、すなわち、中実許容部（ウェイト許容部）は、各抜き穴４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂにおいて前半部と後半部とに分かれている。従って、合計で８箇所の中実許容部Ａ〜Ｈが存在している。

これら８箇所の中実許容部Ａ〜Ｈを、便宜的に次のように呼ぶこととする。すなわち、図１（Ｃ）に示すように、主動ロータ４と従動ロータ５とが逆Ｔ型になっている姿勢を基準姿勢として、従動ロータ５のうち軸心を挟んで一方で且つ前部に位置した部分をＡ部、従動ロータ５のうち軸心を挟んで他方で且つ前部に位置した部分をＢ部、主動ロータ４のうち軸心を挟んで一方で且つ前部に位置した部分をＣ部、主動ロータ４のうち軸心を挟んで他方で且つ前部に位置した部分をＤ部、従動ロータ５のうち軸心を挟んで一方で且つ後部に位置した部分をＥ部、従動ロータ５のうち軸心を挟んで他方で且つ後部に位置した部分をＦ部、主動ロータ４のうち軸心を挟んで他方で且つ後部に位置した部分をＧ部、主動ロータ４のうち軸心を挟んで他方で且つ後部に位置した部分をＨ部と呼ぶこととする。

従って、基準姿勢では、主動ロータ４においては、Ｃ部とＧ部とが上に位置してＤ部とＨ部とが下に位置した姿勢で、従動ロータ５においては、Ａ部とＥ部とが吸引側に位置してＢ部とＦ部とが排出側に位置した姿勢となるように設定されている。

(2).２気筒内燃機関への適用配置
図２〜４において、内燃機関への適用例を示している。図２では、２気筒の内燃機関に適用した例を表示している。

内燃機関の構造は従来と同様であり、２つの気筒１２及びピストン１３を有するシリンダブロック１４、シリンダブロック１４の上面に固定されたシリンダヘッド１５、シリンダヘッド１５の上面に固定されたヘッドカバー１６、シリンダブロック１４の下面に固定されたオイルパン１７、シリンダブロック１４及びシリンダヘッド１５の前面に固定されたフロントカバー（チェーンケース）１８を備えている。内燃機関は、複数箇所（例えば３か所）が、マウントを介して自動車の車体に支持されている。

シリンダブロック１４には、クランクキャップを介してクランク軸１９が回転自在に保持されており、クランク軸１９のクランクピンとピストン１３とはコンロッド２０で連結されている。また、クランク軸１９には、クランクアームと反対側に向いたカウンターウェイト２１を設けている。内燃機関は４サイクルであり、２つのピストン１３は行程の位相が３６０度ずれている。従って、２つのピストン１３は、気筒１２を同じタイミングで上下動する。

クランク軸１９の前端部はフロントカバー１８を貫通しており、この露出した前端部に、オルタネータ等の補機２２を駆動する補機駆動プーリ２３が固定されている。補機２２は１つしか表示していないが、複数あることが多い。クランク軸１９の後端には、スタータで駆動されるリングギア２４が固定されている。また、シリンダブロック１４の後端にはミッション２５を固定している。

そして、シリンダブロック１４の一長手側面のうち重心２６の真横部位に、図１に示したルーツ式過給機１を、駆動軸６及び従動軸７がクランク軸１９と平行な姿勢となるように、受け座８を介して固定している。ルーツ式過給機１の駆動軸６には、図示しないギア伝動機構によってクランク軸１９から動力が伝達されるが、駆動軸６は、クランク軸１９と同じ回転数で逆方向に回転するように設定されている。

(3).２気筒内燃機関でのアンバランス化構造
さて、レシプロ式内燃機関では、ピストン１３の往復動をクランク軸１９で回転に変換するという性質上、振動が発生することは不可避であるが、この振動は、基本的には、ピストン１３の慣性力による上下方向の直線運動（直線振動）Ｍ１（図２（Ｂ）参照）と、クランク軸１９の重心の変位に起因した慣性力により生じるところの、クランク軸１９の軸心回りに回転しようとする回転運動（回転振動）Ｍ２（図２（Ｂ）参照）、及び、前後に並んだピストン１３の不均一な動きによって生じるところの、重心２６を支点にして前後両端が逆方向に上下動するシーソー状の偶力運動（１次偶力）Ｍ３とに分類できる（実際には、コンロッド２０の動きも慣性力に影響するが、説明の簡略化のために捨象している。）。

そして、２気筒内燃機関では、２つのピストン１３が一緒に上下動することにより、上下方向の直線運動Ｍ１が発生する。また、クランク軸１９については、２つのカウンターウェイト２１が同じ方向に一緒に回転するため、回転運動（円運動・回転振動））Ｍ２も発生する。他方、２つのピストン１３が同時に上下動するため、重心２６を挟んだ前後両側において上下方向の運動量の差（モーメント）が発生することはない。従って、２気筒内燃機関では、基本的には偶力運動Ｍ３は発生しない。

従って、２気筒内燃機関では、上下方向の直線運動Ｍ１とクランク軸心回りの回転運動Ｍ２とを抑制又は消去するように、バランサ機構を設けたらよい。そこで、本実施形態では、ピストン１３が上死点にあるときにルーツ式過給機１の主動ロータ４のＣ部とＧ部とが上に位置していることを前提にして、ルーツ式過給機１の主動ロータ４のＤ部とＨ部とを、抜き穴４ｂが空いていない中実部（ウェイト部）２７と成している（実施形態では、中実部（ウェイト部）２７を平行斜線で表示している。）。

このように構成すると、ルーツ式過給機１においては、主動ロータ４がクランク軸１９と逆方向に回転することにより、中実部（ウェイト部）２７がクランク軸１９の回転の慣性力を打ち消すように作用するため、クランク軸１９の回転に内燃機関の回転運動（回転振動）Ｍ２を抑制又は消去できる。また、中実部（ウェイト部）２７がピストン１３と逆位相で上下動するため、ピストン１３の慣性力を抑制する作用が生じて、直線運動Ｍ１を抑制又は消去できる。

本実施形態では、両ピストン１３が上死点に位置しているときに、主動ロータ４のＣ部とＧ部とが真上に位置していることを前提にしているが、両ピストン１３が上死点に位置しているときに、主動ロータ４のＤ部とＨ部とが真上に位置している場合は、中実部（ウェイト部）２７はＣ部とＧ部とに設けたらよい。

また、チェーン駆動などで、主動ロータ４がクランク軸１９に対して正転して従動ロータ５がクランク軸１９に対して逆転する場合は、両ピストン１３が上死点に位置しているときに、従動ロータ５が上下長手の姿勢になるように設定して、下上部に位置した部位に中実部（ウェイト部）２７を設けたらよい。

直線運動Ｍ１と回転運動Ｍ２との抑制効果は、ロータ４，５の中実部２７が回転中心（或いは本体ケース２の中心線）から放射方向に遠ざかるほど大きくなる。すなわち、ロータ４，５の幅寸法（或いは本体ケース２の幅寸法）が大きくなるほど、直線運動Ｍ１と回転運動Ｍ２との抑制効果は高くなる。従って、ロータ４，５の幅寸法は、機関に必要な過給能力を確保しつつ、振動抑制効果を確保できる寸法に設定したらよい。

他方、偶力運動Ｍ３の抑制効果は、ロータ４，５の長さ（或いは本体ケース２の長さ）が長くなるほど高くなる。従って、ロータ４，５の長さは、偶力運動が生じる場合に、これを大幅に抑制できるような長さに設定する必要がある。偶力運動Ｍ３の抑制を考慮したルーツ式過給機１の幅寸法と長さとの比率は、概ね図１（Ｃ）に示す程度の比率がよいといえる。図２の例でも図１（Ｃ）と同様の比率になっているが、紙面のスペ―スの関係から、図２（Ｃ）では長さを短く表示している。この点は、図３（Ｃ）及び図４（Ｃ）も同様である。偶力運動Ｍ３が生じない場合は、長さには任意に設定できる。

(4).３気筒内燃機関でのアンバランス化構造
図３では、３気筒内燃機関に適用した例を示している。ルーツ式過給機１は、図２と同様に、シリンダブロックの長手側面に固定している。３気筒内燃機関では、クランクアーム及びカウンターウェイト２１は、クランク軸１９の軸心回りに１２０度間隔で姿勢を変えて配置されており、各気筒の行程は、２４０度ずつ位相がずれている。このような構成により、１次偶力Ｍ３が残り、慣性力Ｍ１，Ｍ２は小さい。

従って、３気筒内燃機関では、バランサ装置は、１次偶力Ｍ３を抑制又は消去するように機能させる必要がある。

そこで、本実施形態では、主動ロータ４のＤ部とＧ部、及び、従動ロータ５のＢ部とＥ部とに中実部（ウェイト部）２７を形成している（従って、この実施形態では、各抜き穴４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂはそれぞれ部分的にしか空いていない。）。このように構成すると、まず、重心２６を挟んだ両側で、中実部（ウェイト部）２７が内燃機関の上下動に対して逆の動きをすることにより、偶力運動（１次偶力）Ｍ３が抑制される。従って、レシプロ機構に起因した内燃機関の慣性運動（振動）を、ルーツ式過給機１によって大きく抑制できる。

この実施形態では、ルーツ式過給機１は、その長手軸線（小判形の長手軸線）２８は、気筒軸線２９に対して、上に行くに従ってシリンダブロック１４から離れるようにθの角度（４５度）傾斜させている。吸気流入口９が下向きになるように傾斜させているが、逆向きの傾斜であってもよい（ただし、この場合は中実部（ウェイト部）２７を設ける位置も変更する必要がある。）。

実施形態のようにルーツ式過給機１を傾斜させると、ルーツ式過給機１の主動ロータ４と従動ロータ５とが９０°の位相ずれを持つことにより、慣性力の合成作用ベクトル方向が偶力運動Ｍ３の方向と打消し合うように作用する。従って、振動の抑制に大きく貢献できる。

図示の例では、ルーツ式過給機１はシリンダブロック１４の一方の長手側面に固定されており、前後方向の位置は、過給機１の重心が第２気筒の軸心の真横に位置している。別の実施形態として、ルーツ式過給機１をクランク軸１９の後方に配置して、主動ロータ４のＣ部及びＧ部、従動ロータ５のＡ部およびＥ部を中実部（ウェイト部）２７とすることが可能であり、この場合も同様の効果を得ることができる。

(5).４気筒内燃機関でのアンバランス化構造
図４では、４気筒内燃機関に適用した例を示している。４気筒内燃機関では、各気筒において行程が１８０度ずつずれている。従って、１番と４番の気筒１２のピストン１３が一緒に上下動し、２番と３番の気筒１２のピストン１３が一緒に上下動するが、ピストンスピードの変化が正確な正弦波運動とならないため、２次の直線運動Ｍ１が残る。

このような特性により、４気筒内燃機関では、基本的には、１次の直線運動Ｍ１、回転運動Ｍ２と偶力運動Ｍ３は発生せずに、２次の直線運動Ｍ１が発生する。そこで、ルーツ式過給機１をクランク軸１９の回転の２倍速で駆動し、主動ロータ４のＤ部及びＨ部と、従動ロータ５のＢ部及びＦ部とを中実部（ウェイト部）２７と成している。ルーツ式過給機１はヘッドカバー１６の上面に固定されており、ルーツ式過給機１の重心は機関の重心２６の真上に位置している。

この実施形態では、ルーツ式過給機１は、重心２６を挟んだ両側で、中実部２７が内燃機関の２次の直線運動Ｍ１に対して逆の動きをすることにより、振動を抑制することが出来る。また、この実施形態では、クランク軸心方向から見て、ルーツ式過給機１は、気筒軸線２９の延長線上でかつヘッドカバー１６の直上に位置しており、本体ケース２の軸心２８は、上に行くに従ってクランク軸１９の回転方向にずれるように、気筒軸線２９に対してθの角度（４５度）で傾斜させることにより、振動ベクトル方向を２次の直線運動Ｍ１を打消す方向に合致させている。別の実施形態としては、気筒軸線２９の軸上のオイルパン直下に搭載しても良い。

(6).その他
以上のとおり、本願発明では、ロータ４，５に中実部２７を形成する位置を選択することにより、内燃機関の様々な振動の抑制に貢献できる。従って、図示した実施形態の他にも、内燃機関の振動態様に応じて中実部２７の配置を選択することにより、様々な態様の内燃機関に対応できる。

機械式過給機としてルーツ式過給機を使用する場合、２葉式には限らず、３葉式や４葉式なども採用可能である。また、逆回転するロータにアンバランスを与えられる機械式過給機であればルーツ式に限定されることもない。

本願発明は、内燃機関のルーツ式過給機に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ ルーツ式過給機
２ 本体ケース
４ 主動ロータ
５ 従動ロータ
６ 駆動軸
７ 従動軸
９ 吸気流入口
１０ 吸気吐出口
１２ 気筒
１３ ピストン
１４ シリンダブロック
１５ シリンダヘッド
１６ ヘッドカバー
１９ クランク軸
２６ クランク軸線方向の重心
２７ アンバランス化手段の例としての中実部（ウェイト部）
Ａ〜Ｈ 中実許容部

Claims (1)

1. クランク軸と同一回転数又は倍速で回転する主動ロータ及び従動ロータを備えており、
   前記主動ロータ又は従動ロータ若しくは両方に、ピストン及びクランク軸の慣性運動を打ち消すように作用するアンバランス化手段を設けている、
   内燃機関用の機械式過給機。

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