JP5231788B2 - 自動車のエンジンにおけるカウンターウエイトの配置構造 - Google Patents

Description

本発明は自動車のエンジンにおけるカウンターウエイトの配置構造に関し、また、３つの気筒を備えたエンジンの振動挙動を最適化するための方法に関連する。

従来より３気筒エンジンにおいては、第一気筒及び第三気筒の夫々の往復質量によってクランクシャフトに作用する一組の慣性力（アンバランス偶力）による振動を低減、或いは防止するようにカウンターウエイトが配置されている。

特許文献１には、クランクシャフトと同じ回転速度で逆方向に回転するカウンターシャフトが両端部に固定された補償ウエイトを備えており、さらに、カウンターウエイトが往復質量や回転質量を補償する為にクランクシャフトの両端に設けられている３気筒エンジンについて記載されている。

特許文献２に開示されているクランクシャフトは、複数のクランクを有するとともに、一端に慣性フライホイールを備えており、そのフライホイールが、カウンターウエイトから偏って作用する第一の力（重力）を生じるように、或る領域において構成要素間に隙間を備えている。また、そのクランクシャフトには、カウンターウエイトから偏って作用する第二の力（重力）を発生させるために、慣性フライホイールから軸方向に間隔を空けて配置され、付加的な要素或いは追加質量を備えた領域が設けられている。

特許文献３には、３つのピストンのクランクが同一平面内に位置し、外側の２つのピストンのクランクが中央のピストンのクランクに対して180°のクランク角を成し、そして、中央のピストンの寸法（dimension）が外側の２つのピストンの寸法の合計に対応する、低振動の直列３気筒エンジンが開示されている。

特許文献４には、クランクシャフトのベアリング上のベアリング負荷を低減する為に、180°の角度を形成し、且つ、同一の大きさで逆方向の補償力を発生させ、それらの補償力によって形成される補償面が第一クランクと30°の角度を成す、２つの補償質量のみが設けられた、直列３気筒往復ピストン機関が開示されている。
独国特許出願公開第32,32,027号明細書 仏国特許出願公開第2,779,493号明細書 独国特許出願公開第44,43,707号明細書 独国特許出願公開第102,45,376号明細書

ところで、エンジンが前後方向に組み込まれたドライブトレインの場合、通常はクランクシャフトの軸心（回転軸）がドライブトレイン全体の慣性主軸とは一致せず、換言すると、慣性モーメントのマトリクス（慣性テンソル、以下、慣性マトリクスとも呼ぶ）が零とは異なる非対角成分（non-diagonal elements）を持つものとなる。このとき、バランスシャフトの無いエンジンにおいては、従来例のように第一及び第三クランク、即ち第一気筒及び第三気筒に対応して夫々30°の角度を成すカウンターウエイトを設けても、振動を最小値まで低減することはできない。

本発明の目的は、クランクシャフトの軸心がドライブトレインの慣性主軸に一致しないときでも、エンジンの振動をより効果的に低減するのを可能なカウンターウエイトの配置構造を提供することにある。

本発明の目的は、特許請求の範囲に記載した構成によって達成される。すなわち、本発明は、３つの気筒を備えたエンジンにおけるカウンターウエイトの配置構造であって、エンジンが、バランスシャフトを備えておらず、３つの気筒の夫々に割り当てられながら回転軸の軸方向に並んで120°の角度間隔で分配配置された３つのクランクを有するクランクシャフトを備えるとともに、回転質量によってクランクシャフトに生じる慣性力を少なくとも部分的に補償するための少なくとも２つのカウンターウエイトを備えている。

より具体的に、カウンターウエイトが２つだけ設けられる場合の配置構造が規定され、２つのカウンターウエイトの各々が２つの外側のクランクに割り当てられ、その少なくとも一方が、割り当てられたクランクに関して、３０°＋ｎ×１８０°（ｎは自然数若しくは零）とは異なる所定の角度(α_counter）までクランク軸回りに回転させられた位置に配設される。

本発明は、３気筒エンジンのためのカウンターウエイトの配置構造における該カウンターウエイトの最適質量及び最適位置がドライブトレインの慣性マトリクス及び往復質量に直接的に依存するという認識に基づく。より正確に言えば、クランクシャフトの回転軸が、ドライブトレインの慣性主軸に一致しないならば、このドライブトレインの慣性マトリクスはカウンターウエイトの位置及び質量にかなりの影響を及ぼす。

最適なノイズ・振動・ハーシュネス(noise, vibration and harshness: NVH）特性を達成する為に、カウンターウエイトの位置及び質量は、ドライブトレインの慣性マトリクスの関数として決定され、そして、第一及び第三の気筒、或いは対応するクランクに関するカウンターウエイトが、従来までの30°配置から意図的に離された本発明によって、エンジンの振動の抑制が達成される。

別の観点から本発明は、バランスシャフトを備えておらず、３つの気筒の夫々に割り当てられながら回転軸の軸方向に並んで120°の角度間隔で分配配置された３つのクランクを備え、且つ、回転軸の回りに回転するクランクシャフトを備え、そして、回転質量によってクランクシャフトに生じる慣性力を少なくとも部分的に補償するための少なくとも２つのカウンターウエイトを備えたエンジンにおいて、その振動挙動を最適化する方法であって、a)クランクシャフトが、2つのカウンターウエイトの一方が割り当てられたクランクに関して回転軸回りに複数の異なる角度（α_counter）まで回転する間に生じる角加速度の値を算出する工程と、b)算出される角加速度が最も小さくなる角度にカウンターウエイトを配置する工程と、を有するものである。

本発明の更なる詳細は、以下に記述する発明の実施形態や特許請求の範囲における従属請求項の記載から明らかになるであろう。

本発明に係るエンジンのカウンターウエイト配置構造によると、カウンターウエイトの位置を従来までの30°配置から意図的にずらし、その位置及び質量をドライブトレインの慣性マトリクスとの関連で決定することで、最適なＮＶＨ特性を達成することができる。

図1は、3つの気筒1〜3を有するエンジンに備えられ、2つのカウンターウエイト21，22が本発明の特徴とする配置構造とされたクランクシャフトを模式的に示す。

エンジンの運転中、クランクシャフトはその軸心である回転軸4の周りに回転する。クランクシャフトは、図1においては簡略化して直線的に示されているが、回転軸4の周りに120°の角度間隔で分配されるとともに、３つの気筒1〜3の夫々に対応して回転軸4方向に並ぶ３つのクランク11〜13を有する。カウンターウエイト21，22は、クランクシャフトに回転質量によって生じる慣性力の少なくとも一部を補償するためのもので、互いに180°の角度間隔を空けて、換言すれば回転軸4を含む仮想の共通面内に位置している。

2つのカウンターウエイト21、22のうちの第一のカウンターウエイト21は、それが割り当てられたクランク11に対してクランクシャフト4の回りに所定角度α_counter回転された位置に配置される。

従来一般的に使用されている、第一気筒及び第三気筒に関するカウンターウエイトの30°配置（上述の特許文献４等）においては最適なNVH特性を達成できないが、これから外れるカウンターウエイト位置において達成され得ることを、以下に添付の図面等を参照して説明する。

すなわち、以下に、カウンターウエイト21，22の位置及び質量を、ドライブトレインの慣性マトリクスの関数として理想的に設定した典型的な実施形態について、エンジンの振動がどのようにして低減されるか説明する。

下記の式（１）には、ドライブトレインの慣性マトリクス、モーメント・ベクトル（momental vector）、及び、角加速度ベクトルの間の関係が表される。

上記式（１）から角加速度ベクトルは下記式（２）で表わされる。

補償シャフト（例えば、バランスシャフト）を備えない本実施形態のエンジンでは、一般的にモーメント・ベクトルは、クランクシャフトにおけるクランクの３次元的な配置（geometry）、往復質量ｍ_osc、及び、カウンターウエイト21、22の質量に基づいて下記式（３）、（４）のように求められる。

ここで、変数ａは図1に示されるようにボア間隔を表し、ｍ_oscは気筒1〜3の往復質量を、ｍ_counterはカウンターウエイト21、22の各々の質量を、また、α_counterは、図1に示すように割り当てられたクランクに対するカウンターウエイト21の角度間隔を表す。さらに、ωはクランクシャフトの回転角速度を、rはクランク半径を表す。クランク角の変化に伴い、関係する質量の関数としての最大加振（maximum excitation）も変化するので、クランクシャフトの360°の回転を考慮すれば、モーメントは実数部分及び虚数部分を備えた複素形式で考慮しなくてはならない。

よって、実施形態は典型的には下記式（５）のようなドライブトレインの慣性マトリクスＩに基づくものとなる。但し、a=0.08m、ｍ_osc=0.5kg、そして、r=0.05mとしている。

その結果、この典型的な実施形態に関しては、下記式（６）で表される角加速度ベクトル（或いは、各加速度）の値が、カウンターウエイトの位置及び質量の関数として、図2〜4のようにプロットされる。具体的には、慣性マトリクスＩが零でない（non-vanishing）第二対角成分（elements of the secondary diagonals）、非対角成分を備える（上述した）通常の場合については図2(a)及び図3にプロットされる。また、慣性マトリクスＩの第二対角成分、非対角成分が零である理想的な場合（即ち、上述の慣性マトリクスＩの主対角成分のみが考慮され、式（５）において全ての第二対角成分、非対角成分が零である）については図2(b)及び図4にプロットされる。尚、いずれの場合もドライブトレイン全体は剛体と仮定している。

図3(a)と図4(a)との比較から、グラフ上で角加速度の最小となる位置が慣性マトリクスＩの関数として変化することは明らかである。詳しくは図4(a)によれば、理想的な場合、即ち慣性マトリクスＩの第二対角成分が零になる場合について、角加速度の最小値は、角度α_counter=210°で、且つ、カウンターウエイトの質量ｍ_counter=1/4・√3・ｍ_osc=0.2165kgのときに得られる。一方、慣性マトリクスＩの二次対角成分が零でない実際の場合については、上記式（５）において角加速度の最小値は、角度α_counter=178°で、且つ、慣性質量ｍ_counter=0.203kgのときに得られる。

本発明によれば、上記式（６）で表わされる角加速度ベクトル（角加速度）の大きさは、カウンターウエイトの位置及び質量の関数として決定され、そして、カウンターウエイトの位置（即ち、角度α_counter）及び質量ｍ_counterは、角加速度が最小になるように選択される。

−実施例１−
より具体的に、慣性マトリクスＩの第二対角成分が零である理想的な場合について説明する。まず、下記式（７）、（８）の加振モーメント（excitation moment）・ベクトルが、最適化されたパラメータ(α_counter=210°, ｍ_counter= 0.2165 kg, r=0.05m and a=0.08m)を用いて得られる。

これは、上述した慣性マトリクスＩを用いて、下記式（９）、（１０）のように角加速度ベクトルを導く。

その結果、下記式（１１）、（１２）が得られ、角加速度ベクトル（角加速度）の大きさは、式（１２）のように表わされる。

仮に、慣性マトリクスの全ての第二対角成分が零である（即ち、慣性マトリクスＩの主対角成分のみが考慮される）とすれば、角加速度ベクトル（角加速度）の値は下記式（１３）として得られる。

−実施例２−
次に、慣性マトリクスＩの第二対角成分が零でない実際の場合については、下記式（１４）、（１５）の加振モーメント・ベクトルが、最適化されたパラメータ(α_counter=178°, ｍ_counter= 0.203 kg, r=0.05m and a=0.08m)を用いて得られる。

これは、上述の慣性マトリクスＩを用いて下記式（１６）、（１７）のように角加速度ベクトルを導く。

その結果、下記式（１８）、（１９）が得られる。

仮に、慣性マトリクスの全ての第二対角成分が零である（即ち、慣性マトリクスＩの主対角成分のみが考慮される）という仮定のもとに、この実施例2が計算されたならば、角加速度ベクトル（角加速度）の値は下記式（２０）として得られる。

したがって、直列三気筒エンジンに関し、本発明に従って最適化された上述のパラメータを用いた、零でない第二対角成分を備える実際の場合の角速度ベクトル（角速度）の値は、カウンターウエイトの角度が30°である（α_counter=210°の値に対応する）従来一般的な配置に比べて小さくなる。

尚、α_counter=210°とした後者の配置は、慣性マトリクスの第二対角成分が零である（換言すれば、クランクシャフトの回転軸4がドライブトレインの慣性主軸と一致する）理想的な場合における最適値に対応する。

本発明に係るカウンターウエイト配置構造を適用した３気筒エンジンのクランクシャフトの模式図である。 カウンターウエイトの位置及び質量の変化に対応する角加速度の変化を表すグラフ図であり、（a）は慣性マトリクスの第二対角成分が零でない実際の場合を、また、(b)はそれが零である理想の場合を、それぞれ示す。 実際の場合について、カウンターウエイトの位置と角加速度との相関を表すグラフ(a)と、カウンターウエイトの質量と角加速度との相関を表すグラフ(b)と、である。 理想の場合についての図３相当図である。

1〜3. 気筒
4. クランクシャフトの回転軸
11〜13. クランク
21，22. カウンターウエイト

Claims (7)

1. ３気筒エンジンにおけるカウンターウエイトの配置構造であって、
   エンジンがバランスシャフトを備えておらず、
   エンジンのクランクシャフトには、その回転軸（４）の周りに１２０°の角度間隔で分配されるとともに、３つの気筒（１、２、３）の夫々に対応して上記回転軸（４）の軸方向に並ぶ３つのクランク（１１、１２、１３）が設けられ、
   上記クランクシャフトには、回転質量によって生じる慣性力を少なくとも部分的に補償するためのカウンターウエイト（２１、２２）が２つ設けられ、
   上記２つのカウンターウエイト（２１、２２）の各々が、上記クランクシャフトの３つのクランク（１１、１２、１３）のうち、外側に位置する２つのクランク（１１、１３）に割り当てられるとともに、そのうちの少なくとも一方が、対応するクランクに対して上記回転軸（４）の周りに所定の角度間隔（α_counter）を空けて配置され、
   上記所定角度間隔が、ｎを自然数若しくは零として α_counter ≠ ３０°＋ｎ×１８０°と表されることを特徴とするカウンターウエイトの配置構造。
2. 上記２つのカウンターウエイト（２１、２２）が、夫々対応するクランク（１１、１３）に対し上記回転軸（４）の周りに上記所定角度間隔（α_counter）を空けて配置されて、互いに共通面内に位置している、請求項１に記載のカウンターウエイト配置構造。
3. 上記回転軸（４）の軸方向が、エンジンを含めたドライブトレインのいずれの慣性主軸とも異なる方向である、請求項１又は２のいずれかに記載のカウンターウエイト配置構造。
4. ３気筒エンジンの振動挙動を最適化する方法であって、
   エンジンがバランスシャフトを備えておらず、
   エンジンのクランクシャフトには、その回転軸（４）の周りに１２０°の角度間隔で分配されるとともに、３つの気筒（１、２、３）の夫々に対応して上記回転軸（４）の軸方向に並ぶ３つのクランク（１１、１２、１３）が設けられており、
   上記クランクシャフトに、回転質量によって生じる慣性力を少なくとも部分的に補償するためのカウンターウエイト（２１、２２）が２つ設けられている場合に、
   上記２つのカウンターウエイト（２１、２２）のうちの一方（２１）が上記回転軸（４）の周りに複数の異なる角度（α_counter）回転するときの夫々について、上記クランクシャフトの回転の際に生じる角加速度を算出する工程と、
   上記算出される角加速度が最も小さくなる角度（α_counter）に上記カウンターウエイト（２１）を配置する工程と、を有する方法。
5. カウンターウエイト（２１、２２）の質量(ｍ_counter)を複数の異なる値に設定して、夫々クランクシャフトの回転の際に生じる角加速度を算出する工程と、
   上記算出される角加速度が最も小さくなる値に上記カウンターウエイト（２１、２２）の質量（ｍ_counter）を設定する工程と、
   を更に有する請求項４に記載の方法。
6. 上記２つのカウンターウエイト（２１、２２）の少なくとも一方（２１）を、対応するクランクに対して上記回転軸（４）の周りに上記角度間隔(α_counter）を空けて配置し、
   その角度間隔(α_counter）が、ｎを自然数若しくは零として α_counter ≠ ３０°＋ｎ×１８０°と表される、請求項４又は５のいずれかに記載の方法。
7. 上記２つのカウンターウエイト（２１、２２）を、上記回転軸（４）の周りに互いに１８０°の角度間隔を空けて配置する、請求項４〜６のいずれか１つに記載の方法。
   

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