JP5760459B2 - 内燃機関及び車両、並びに内燃機関の振動低減方法 - Google Patents

Description

本発明は、トラックのエンジンなどの多気筒内燃機関、特にはアイドリングストップシステムを有する多気筒内燃機関において、アイドリングストップシステムにより、内燃機関が停止する際の振動を低減する内燃機関及び車両、並びに内燃機関の振動低減方法に関する。

現在、環境問題への関心が高まり、少ない燃料でより多くの距離を走る低燃費車や、温室効果ガスの排出を低減した低排出ガス車などに注目が集まっている。それらの中で、短時間のエンジン停止と再始動という一連の制御を、特別な操作を必要とすることなく、自動的に行う機構、つまりアイドリングストップシステムを搭載した車両がある。アイドリングストップとは信号停止中や渋滞中に燃費低減および、排気ガス低減のために内燃機関を停止することである。

アイドリングストップは、エンジン始動に要する燃料がアイドリング５秒間に相当することから、５秒以上の停止を伴う場合に有効とされている。また、アイドリングストップを行うことで約１４％の燃費向上が期待でき、ＣＯ_２排出については、１日１０分間のアイドリングストップによって、乗用車１台あたり１年間で約１２０ｋｇ低減できるといわれている。

しかし、アイドリングストップシステムを搭載した車両では、エンジン停止と始動時に振動が発生してしまい、この振動が原因で乗員を不快にさせることが問題となっている。

この振動悪化は、筒内圧から起こされるクランク軸系の回転変動が原因であり、パワープラント懸架系とそれを支持するラバーマウントの共振により、その振動が助長されるために起こるものである。図８に示すように、ラバーマウントには防振域と共振域が周波数により存在する。アイドリング運転時の周波数は防振域となるために車両側に伝達される振動は低減される。しかし、アイドリングストップによる内燃機関停止、始動時には内燃機関の回転数が共振域の周波数となり、振動は増幅されてしまう。

特にディーゼルエンジンの様に圧縮比が大きく、筒内圧の圧力変動が大きい場合には、その振動悪化問題は顕著となる。これらの対策としては、筒内圧の圧力変動を低く抑えることが最も有効であると考えられている。

そこで、アイドリングストップシステムを有したエンジンに、筒内の圧力をセンサによって検出し、その圧力が最も低くなるように吸気バルブと排気バルブを動作させる制御ユニットを設けて、筒内圧を低く抑えエンジン停止時の振動を低く抑える装置がある（例えば特許文献１参照）。また、クラッチ油圧が完全に抜け出る時点でエンジンを停止し、車両に伝達されるトルクをなくし、モータを相殺トルクで制御し、車両の衝撃および振動現象を防止する制御装置もある（例えば特許文献２参照）。これらは、ハイブリッドシステムを備えた車両で、電気的なしくみにより始動停止時の振動を低減している。しかし、制御が複雑になる問題がある。また、大がかりな装置を設けたり、気筒内圧やクラッチ油圧が抜けるタイミングなどを正確に検知する必要がある。

特開２００１―３０４００５号公報 特開２００９−６２０２６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、その目的は、アイドリングストップ操作などにより内燃機関が停止した場合、気筒内の圧力変動を低く抑え、内燃機関の振動を低減させる内燃機関及び車両、並びに内燃機関の振動低減方法を提供することである。加えて、惰行走行時の内燃機関のポンピングロスを低減することも可能にする。

上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、ピストン運動が互いに逆相となる対の気筒を有する多気筒の内燃機関において、前記対の気筒を連通する短絡管と、該短絡管と該気筒との間のそれぞれに配置された開閉弁と、各該開閉弁を制御する制御部とを設け、前記制御部が、前記内燃機関が搭載された車両の停止時、且つ惰性走行時における前記内燃機関の停止操作が開始されてから該内燃機関が完全に停止するまでの間は、各前記開閉弁を開き続けて前記短絡管によって前記対の気筒を連通する構成にしたことを特徴とするものである。

この構成によれば、内燃機関の停止操作時に、互いにピストンの上下運動が逆相の気筒を短絡させ、両気筒内の空気の行き来を自由にすることで、気筒内圧の圧力変動を低く抑えることができる。そのため、内燃機関停止時の振動を大幅に低減することができる。

例えば、一般的な直列４気筒エンジンでは、１番気筒と２番気筒、３番気筒と４番気筒が互いにピストン上下運動が逆相、つまりクランク軸における角度で１８０度ずれることになることから、惰行走行時の空気の出入りは逆となる。この空気の出し入れを短絡管を用いて行うことにより筒内の圧力変動をほぼゼロにすることができる。

上記の構成では、短絡管と気筒の間に開閉弁を設け、開閉弁を開放することで対の気筒を短絡させることができる。通常の内燃機関の運転時には開閉弁を閉鎖することで気筒は通常どおりの筒内圧を維持することができる。

また、上記の内燃機関において、前記制御部が、車両の一時停止において前記内燃機関の運転を停止するアイドリングストップの開始時の該内燃機関の運転停止指令に連動して、前記開閉弁を開く構成にすることが望ましい。

この構成によれば、開閉弁がアイドリングストップシステムと連動して開閉し、惰行走行から停止する場合には短絡管が開放するように制御され、惰行走行時の内燃機関のローリングモーメントは大幅に低減することができる。

また、惰行走行時に、適時使用すると内燃機関のポンピングロスを低減することができ、車両燃費が向上する。内燃機関はポンプのように空気を吸入し、排気ガスを排出する。それを行うために内燃機関の出力が用いられるため、その分は内燃機関の正味出力からみて損失となる。この損失をポンピングロスという。通常、アイドリング時にはバルブが閉じた状態になるため、走行時に比べ、ピストン運動がしにくくなる。上記の構成では対の気筒を短絡させるため、空気の圧縮などによる出力の低下を抑えることができる。

加えて、上記の目的を達成するための本発明の車両は、トラックなどの車両において、上記の多気筒内燃機関を搭載して構成する。

この構成によれば、上記の多気筒内燃機関を搭載した車両において、気筒内圧の圧力変動を低く抑えられた多気筒内燃機関を搭載するため、クランク軸系の回転変動を原因とする、パワープラント懸架系とそれを支持するラバーマウントの共振を防止し、振動を低減
することができる。

さらに、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の振動低減方法は、ピストン運動が互いに逆相となる対の気筒を短絡する短絡管と該気筒との間に配置された開閉弁のそれぞれを開閉する多気筒の内燃機関の振動低減方法において、前記内燃機関が搭載された車両の停止時、且つ惰性走行時における前記内燃機関の停止操作が開始されてから該内燃機関が完全に停止するまでの間は、各前記開閉弁を開き続けて前記短絡管によって前記対の気筒を連通させることを特徴とする方法である。

この方法によれば、アイドリングストップシステムによって、多気筒内燃機関が停止した場合に対の気筒を短絡管で連通し、対の気筒内の空気を移送することで、気筒内圧の圧力変動を低く抑えることができる。そのため、筒内圧力変動がほぼゼロになり、振動悪化を低減することができる。

本発明によれば、内燃機関停止操作時の気筒内の圧力変動を低く抑えることができ、そのため、内燃機関停止時の振動を大幅に低減することができる。また、惰行走行時に適時使用することにより、内燃機関のポンピングロスを低減することができ、車両の燃費を向上することができる。

本発明に係る第１の実施の形態の多気筒内燃機関を示した断面図である。 本発明に係る第１の実施の形態の開閉弁の開放状態を示した断面図である。 本発明に係る第１の実施の形態の開閉弁の閉鎖状体を示した断面図である。 本発明に係る第１の実施の形態の多気筒内燃機関の動作を示したフローチャートである。 本発明に係る実施の形態の多気筒内燃機関の惰行走行時に短絡管を閉鎖したときの回転変動を示した表である。 本発明に係る実施の形態の多気筒内燃機関の惰行走行時に短絡管を開放したときの回転変動を示した表である。 本発明に係る第２の実施の形態の多気筒内燃機関を示した断面図である ラバーマウントの共振域を示す表である。

以下、本発明に係る実施の形態の多気筒内燃機関１０とそれを搭載した車両、および振動を低減する方法について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本発明に係る実施の形態の多気筒内燃機関１０は直列４気筒エンジンであり、第１気筒１１、第２気筒１２、第３気筒１３および第４気筒１４と、第１気筒１１〜第４気筒１４と連動して作動するクランクシャフト１５と、シリンダブロック１６と、シリンダヘッド１７とからなる。

第１気筒１１はピストン１１ａと、コネクティングロッド１１ｂとシリンダ１１ｃとからなる。ピストン１１ａはシリンダブロック１６のシリンダ１１ｃ内を摺動する。シリンダブロック１６に形成されるシリンダ１１ｃは円形を成しており、ピストン１１ａも合わせて円形に形成され、特にディーゼルエンジンの場合は、ピストン頭頂部を大きく窪ませて燃焼室を形成するとよい。コネクティングロッド１１ｂは、クランクシャフト１５との連動により、ピストン１１ａの往復直線運動を回転運動へ変換する部品である。

第２気筒１２、第３気筒１３、および第４気筒１４も第１気筒１１と同様の構成となる。

コネクティングロッド１１ｂと連動するクランクシャフト１５は、ピストン１１ａおよびコネクティングロッド１１ｂなどの振動により生じる慣性力を軽減するためのバランスウェイトなどをつけてもよい。

シリンダブロック１６は第１気筒１１〜第４気筒１４が収まる。その気筒１１〜１４が収まる部分の下部にはクランクシャフト１５が収まる。シリンダブロック１６とクランクシャフト１５が収まるクランクシャフトケースとを別々に設けてもよい。車両（図示しない）に搭載される際には、シリンダブロック１６の下部にマウント装置（図示しない）が取り付けられ、マウント装置を介して車両に搭載する。それぞれのシリンダ１１ｃ〜１４ｃにピストン１１ａ〜１４ａとの気密性を保ちつつ滑らかに往復するための筒状の部品としてライナーを備えてもよい。

シリンダヘッド１７は、各気筒１１〜１４に吸気弁と排気弁と燃料噴射装置（図示しない）を備え、その吸気弁および排気弁を作動させるカムシャフトや、クランクシャフト１５からの回転をカムシャフトに伝えるためのタイミングベルトなども備える。シリンダヘッド１７はシリンダブロック１６を蓋をするように設けられ、気筒１１〜１４内を密封する。

多気筒内燃機関１０は上記の構成に限らず、例えばガソリンエンジンであれば、シリンダヘッド１７に点火プラグなども備える。

上記の構成の多気筒内燃機関１０は、吸入工程、圧縮行程、膨張行程、排気行程を順に行う４サイクル機関であり、その着火順が第１気筒１１、第３気筒１３、第４気筒１４、第２気筒１２の順番となる。それぞれのピストン上下運動は第１気筒１１と第２気筒１２が逆相、つまりクランクシャフト１５における角度で１８０度ずれている。また、第３気筒１３と第４気筒１４も同様に、逆相となる。

本発明に係る実施の形態では、図１に示すように、シリンダブロック１６に振動低減装置２０ａ、および２０ｂを設ける。振動低減装置２０ａは第１気筒１１と第２気筒１２を短絡し、振動低減装置２０ｂは第３気筒１３と第４気筒１４を短絡する。この振動低減装置２０ａ、２０ｂはピストン上下運動が逆相となる対の気筒を短絡する装置である。例えば直列６気筒エンジンでも、互いにピストン上下運動が逆相となる気筒を短絡するように振動低減装置を設けることができる。

次にこの振動低減装置２０ａを説明する。図２に示すように、振動低減装置２０ａはピストン上下運動が逆相となる第１気筒１１と第２気筒１２を連通する短絡管２１と、短絡管２１と第１気筒１１との連通部２２を開閉するように開閉弁３０Ａを設け、また、短絡管２１と第２気筒１２との連通部２３を開閉するように開閉弁３０Ｂを設ける。

短絡管２１は第１気筒１１と第２気筒１２を連通させるように、内部が中空で、且つ両端が開口している。通常は円筒状に形成されるが、対の気筒を連通できれば形状はそれに限らない。

開閉弁３０Ａと開閉弁３０Ｂは同様の構成のため、開閉弁３０Ａの構成を説明する。開閉弁３０Ａは弁体３１とソレノイド部３２と弁座３３とからなる。ソレノイド部３２は電線４２を介して制御部４１と接続され、制御部４１から電気信号を受け取る。

弁体３１は連通部２２を開放または閉鎖するように形成され、ソレノイド部３２からの動力でその開閉動作を行う。弁体３１は円板状部３４と棒状部３５とからなる。円板状部
３４は短絡管２１の形状よりも大きく形成され、連通部２２をしっかりと塞ぐことができる。弁体３１の動作は下方に動作したときが、開いた状態であり、上方に動作したときが、閉じた状態である。弁体３１が開いた状態を図２に示し、閉じた状態を図３に示す。図に示すように弁体３１は上下に動作することによって、連通部２２を開閉し、短絡管２１を開放または閉鎖する。

弁座３３は第１気筒１１と一体成形され、弁体３１が閉じたときに弁体３１と弁座３３とがきっちりと合わさる。そのため、弁体３１が閉じた場合に第１気筒１１内で膨張行程が起きた際にも、高温の気体が短絡管２１に晒されない。弁座３３を第１気筒と一体に成形しない場合には、弁座３３と気筒との間に、気筒内容積に影響を与えない程度の管を設けてもよい。

ソレノイド部３２は内部に永久磁石３６と弁体３１の棒状部３５と接続されている電磁コイル３７とからなる。電磁コイル３７に電流を流した時にフレミングの左手の法則により電磁コイル３７が動くようになっている。

開閉弁３０Ａ、３０Ｂは上記の構成に限らず、様々な構成の電磁弁を使用することができるが、直動型で電気信号が流れたときに弁体３１を開方向へ動作させるものがこのましい。その他開閉弁３０Ａ、３０Ｂには、カムシャフトによって動作する吸気用または排気用のバルブなどと同種の弁を用いることもできる。

制御部４１は、電気信号をソレノイド部３２に送り、弁体３１を動作させ、短絡管２１を開放または閉鎖する。開閉弁３０Ａ、３０Ｂを電磁弁ではなく、吸気用または排気用バルブなどを使用する場合はカムシャフトやタイミングベルトなどが制御部４１の役割を果たす。また、制御部４１はアイドリングストップシステムなどと連動したり、アイドリングストップシステム自体を含んだ制御装置としてもよい。

また、開閉弁３０Ａ、３０Ｂを各気筒１１〜１４と短絡管２１との連通部２２、２３に設けず、短絡管内に設けてもよいが、高温ガスに短絡管２１が晒され、また、気筒内の容積が変わることに注意しなければならない。

次に本発明に係る実施の形態の多気筒内燃機関１０の動作を説明する。

通常運転時には、図３に示すように、振動低減装置２０ａ、２０ｂは開閉弁３０Ａ、３０Ｂが閉じた状態であり、短絡管２１は閉鎖されている。よって、短絡管２１には気体が流れ込むことがない。通常運転時に開閉弁３０Ａ、３０Ｂが開き、第１気筒１１と第２気筒１２および第３気筒１３と第４気筒１４が短絡してしまうと、気筒内圧が上がらず、通常運転できない。

通常運転時に多気筒内燃機関１０は第１気筒１１、第３気筒１３、第４気筒１４、そして第２気筒１２の順に点火していき、それぞれのピストン１１ａ〜１４ａが４サイクル運動を行い、上下運動を行う。そのピストン上下運動をコネクティングロッド１１ｂ〜１４
ｂとクランクシャフト１５とが連動し、回転運動に換える。

次に、図４に示す、アイドリングストップ操作時の動作を説明する。車両の運転時には短絡管２１は気筒１１〜１４から閉鎖されている。ステップＳ１０１は信号機などによる車両の停止操作を示す。車両の停止を制御部４１が検知すると今度はステップＳ１０２を開始する。ステップＳ１０２は車両の停止時間が任意の時間以上かどうか判断する工程である。任意の時間内に車両が動き出した場合に制御部４１は多気筒内燃機関１０の停止操作を開始することなく、また、短絡管２１を閉鎖したまま維持する。ステップＳ１０２で
任意の時間以上経過した場合、ステップＳ１０３へ進む。ステップＳ１０３は多気筒内燃機関１０を停止する操作を開始する工程である。多気筒内燃機関１０の停止操作が開始されると同時に、ステップＳ１０４が開始され、制御部４１から電気信号を振動低減装置２０ａ、２０ｂへ送り開閉弁３０Ａ、３０Ｂを開き、短絡管２１を解放する。

ステップＳ１０４を詳しく説明する。停止操作に連動し制御部４１が電線４２を介して、開閉弁３０Ａ、３０Ｂのソレノイド部３２に電気信号を送る。このときの信号はサーボアンプなどを通じて送ってもよい。ソレノイド部３２は電気信号を受け取る。すると電磁コイル３７に電流が流れ、永久磁石３６との関係から、下方へ、電磁コイル３７が動作する。電磁コイル３７と接合されている弁体３１も同様に動作する。すると、弁体３１の円板状部３４が弁座３３から離れ、気筒１１〜１４と短絡管２１とが連通する。

多気筒内燃機関１０は運転を停止してから、完全に停止するまで、惰行運転を行う。その際に、図２に示すように、第１気筒１１はピストン１１ａが矢印Ｉの方向へ下がり、気体を膨張し、気筒内圧を下げようとする。反対に第１気筒１１とピストン上下運動が逆相の第２気筒１２はピストン１２ａが矢印ＩＩの方向へ上がり、気体を圧縮し、気筒内圧を上げようとする。しかし、開閉弁３０が開放され短絡管２１によって連通しているため、空気は矢印ＩＩＩの方向へ移動する。空気が移動することにより、気筒内の圧力が平衡していく。

上記がステップＳ１０４からステップＳ１０５の多気筒内燃機関１０が停止するまでの動作となる。

上記のような動作によって、多気筒内燃機関１０の停止時に、ピストン上下運動が逆相となる第１気筒１１と第２気筒１２、および第３気筒１３と第４気筒１４のそれぞれを短絡することができ、気筒内の圧力変動をほぼゼロにすることができる。そのため、気筒内圧の圧力変動から起こされるクランク軸系の回転変動を原因とする振動を低減することができる。

上記の方法の他にも、たとえばステップＳ１０２を車両の速度で検知する方法にすることもできる。つまり、車両が渋滞や、信号機の手前などで、予め速度を減速させたときに車両を惰行走行させる制御である。速度が任意の速度以下になった場合に、多気筒内燃機関１０の停止操作を開始し、車両を惰行走行させる。一般的な直列４気筒エンジンでは第１気筒１１と第２気筒１２、第３気筒１３と第４気筒１４が互いにピストン上下運動が逆相となることから、惰行走行時の空気の出入りは逆となる。この空気の出し入れを短絡管２１で行うことで、気筒内圧の圧力変動を低く抑えることができる。また、惰行走行時に適時使用することができ、多気筒内燃機関１０のポンピングロスを低減することも可能になり、車両燃費が向上する。

図５、図６に本発明に係る実施の形態の内燃機関１０の惰行走行時のパワープラントのローリングモーメントを、開閉弁３０Ａ、３０Ｂを開閉した測定値を示す。図５が開閉弁３０を閉じた状態を示し、図６が開閉弁３０を開いた状態を示す。図５、図６から惰行走行時に開閉弁３０Ａ、３０Ｂを開き、短絡管２１を開放することで、パワープラント懸架系のローリングモーメントを大幅に低減することができることがわかる。特にクランクシャフト１５の角度から見て取れるように、気筒内の圧力が上昇するときのローリングモーメントが大幅に減少していることがわかる。短絡管２１を閉鎖し密閉状態になった気筒では、惰行走行時に起きる圧力変動によりローリングモーメントが発生している。しかし、短絡管２１を開放することにより、気筒内の気体を圧力が高い方から低いほうへ移送することが可能となり、そのため、気筒内圧の圧力変動をほぼゼロにし、ローリングモーメントの発生を抑えことができる。その結果が図５に示されている。

本発明の第２の実施の形態について説明する。図７に示すように、多気筒内燃機関６０は排気管６１と吸気管６２とカムシャフト６３とを備えている。排気管６１は各気筒１１、１２と排気管６１Ａ、６１Ｂを介して連通し、吸気管６２は各気筒１１、１２と吸気管６２Ａ、６２Ｂを介して連通する。吸気管６２Ａは気筒１１との間にバルブ６４Ａを備える。排気管６１Ｂは気筒１２との間にバルブ６４Ｂを備える。バルブ６４Ａ、６４Ｂはカムシャフト６３のカム６３Ａ、６３Ｂの動作によって、開閉する。カムシャフト６３はクランクシャフトと連動して動作する。

気筒１１では、排気管６１Ａと短絡管５１とが３方向電磁弁５０Ａを介して、連通している。気筒１２では吸気管６２Ｂと短絡管５１とが３方向電磁弁５０Ｂを介して、連通している。この３方向電磁弁５０Ａは通常運転時に内部で短絡管５１を閉鎖し、気筒１１の排気行程時に排気管６１Ａを連通する。そして、アイドリングストップ時に排気管６１Ａを閉鎖し、短絡管５１を開放する。３方向電磁弁５０Ｂも同様に、吸気行程時に吸気管６２Ｂを連通し、アイドリングストップ時に短絡管５１を開放する。

上記の構成によって、部品点数を少なくすることができ、また、製造を簡単にすることができる。

上記の多気筒内燃機関１０および６０は直列４気筒エンジンで説明したが、本発明の多気筒内燃機関はそれに限らない。２つ以上の気筒を有したレシプロンエンジンであれば、直列型、並列型や、Ｖ型、Ｗ型などでもよい。

上記の多気筒内燃機関１０、６０をラバーマウントなどのマウント装置で車両に固定する。多気筒内燃機関１０、６０は変速装置を介して、シャフトに動力を供給する。多気筒内燃機関１０、６０を搭載した車両は、車両の停止操作時に、気筒内圧の圧力変動を低く抑えるため、クランクシャフト１５などの回転変動を原因とする、パワープラント懸架系とそれを支持するラバーマウントの共振を防止し、振動を低減することができる。

本発明の内燃機関は、短絡管を開放することによって、気筒内圧の圧力変動を低く抑え、車両の惰行走行時の内燃機関停止操作に伴う振動を低減することができる。そのため、アイドリングストップシステムを有したトラックなどの車両などに用いることができる。

１０、６０ 内燃機関 ３０ 開閉弁
１１、１２、１３、１４ 気筒 ３１ 弁体
２０ａ、２０ｂ 振動低減装置 ３２ ソレノイド部
２１ 短絡管 ４１ 制御部

Claims (5)

1. ピストン運動が互いに逆相となる対の気筒を有する多気筒の内燃機関において、前記対の気筒を連通する短絡管と、該短絡管と該気筒との間のそれぞれに配置された開閉弁と、各該開閉弁を制御する制御部とを設け、
   前記制御部が、前記内燃機関が搭載された車両の停止時、且つ惰性走行時における前記内燃機関の停止操作が開始されてから該内燃機関が完全に停止するまでの間は、各前記開閉弁を開き続けて前記短絡管によって前記対の気筒を連通する構成にしたことを特徴とする内燃機関。
2. 前記制御部が、車両の一時停止において前記内燃機関の運転を停止するアイドリングストップの開始時の該内燃機関の運転停止指令に連動して、前記開閉弁を開く構成にしたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記制御部が、車両の惰行走行の開始時の前記内燃機関の運転停止指令に連動して、前記開閉弁を開く構成にしたことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関を搭載したことを特徴とする車両。
5. ピストン運動が互いに逆相となる対の気筒を短絡する短絡管と該気筒との間に配置された開閉弁のそれぞれを開閉する多気筒の内燃機関の振動低減方法において、
   前記内燃機関が搭載された車両の停止時、且つ惰性走行時における前記内燃機関の停止操作が開始されてから該内燃機関が完全に停止するまでの間は、各前記開閉弁を開き続けて前記短絡管によって前記対の気筒を連通させることを特徴とする内燃機関の振動低減方法。