JP5906852B2

JP5906852B2 - 内燃機関とその制御方法

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Publication number: JP5906852B2
Application number: JP2012062016A
Authority: JP
Inventors: 宏角田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2032-03-19
Also published as: JP2013194592A

Description

本発明は、内燃機関のトルク変動による振動を抑制するギア駆動のバランサーを備えたときに発生するギアノイズを抑制する内燃機関とそ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、究極となる大トルク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３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。

この対策として、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ある（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１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２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ある（例えば、特許文献２参照）。

しかし、上記の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、回転変動速度が生じ、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、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。しかも、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ため、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、ゼロとすることは出来ない。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、その目的は、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内燃機関とその制御方法を提供することである。

上記の目的を解決するための本発明の内燃機関は、内燃機関のクランク軸からギア駆動装置を介して、該クランク軸の回転に対して逆転するバランサーと、該バランサーからベルト駆動装置を介して、該クランク軸の回転に対して逆転する電動機と、該電動機の回転軸に取り付けたフライホイールとを備える内燃機関において、前記ベルト駆動装置のベルトの張力を保持するテンショナーと、前記電動機を制御する制御装置と、を備え、前記テンショナーが、前記ベルトの張力に応じて位置移動自在なプーリーと、該プーリーをベルト押圧方向に付勢するスプリングと、該プーリーの位置移動に伴って容積が拡縮する高圧室と、該高圧室に連通する油圧通路と、該高圧室と該油圧通路との連通を開閉する油圧弁と、該油圧通路の油圧を調整するアキュムレーターとを有し、前記制御装置が、前記内燃機関の停止時に、前記アキュムレーターが前記高圧室に油を満たした後に、前記油圧弁を閉じて、前記プーリーの位置を固定し、前記内燃機関の始動時に、前記プーリーの位置を固定したまま、前記電動機をスターターとして駆動する制御を行い、前記内燃機関の通常走行時に、前記油圧弁を開いて、前記プーリーを位置移動可能にし、且つ、前記ベルトの張力が変動したときに、前記電動機を力行駆動から回生駆動に、又は回生駆動から力行駆動に切り換え、前記内燃機関の回転に対して逆回転する前記電動機及び前記フライホイールの少なくとも一方の回転変動を、前記内燃機関の回転変動と同期させる制御を行うように構成される。

この構成によれば、内燃機関の１次振動をギア駆動のバランサーでキャンセルし、ギア駆動のバランサーを設けることにより発生する歯打ち音などのギアノイズを、電動機を力行駆動、又は回生駆動して低減する装置において、電動機をスターターとして駆動したときに、テンショナーのプーリーの位置を固定することができるので、ベルト駆動装置のベルトの張力を保持するテンショナーに過大な力がかかり故障することを防止することができる。

これは、内燃機関の停止後、アキュムレーターの働きで高圧室に油が満たされた後に、油圧弁を閉じて、高圧室を密閉することで、テンショナーを固定のアイドラーとして機能させることができるからである。

これにより、エンジンの振動を抑制するためにギア駆動のバランサーを用いることで発生していた騒音の問題を解決して、内燃機関の振動を良好に抑制することができるので、内燃機関のダウンサイジングを図ると共に、それに用いる電動機をスターターとして使用することができる。

また、上記の内燃機関において、前記バランサーが加速しながら回転するときの前記ベルトの緩む側に、前記プーリーを押圧するように、前記テンショナーが配置され、前記制御装置が、前記内燃機関の通常走行時に、前記バランサーが加速しながら回転するときに、前記電動機を力行駆動し、前記バランサーが減速しながら回転するときに、前記電動機を回生駆動する手段を備えると、フライホイールの駆動トルクを伝達して、内燃機関のト
ルク変動に伴うトルク反力を半減すると共に、ギアの歯打ち音、及びベルトのスリップ音を抑制することができる。

内燃機関の始動時には、閉じていた油圧弁を、内燃機関の運転中（通常走行時）には、開けることで、テンショナーのプーリーを位置移動可能にすることができ、テンショナーにベルト駆動装置のベルト張力を保持する本来の機能を持たせることができる。

また、アキュムレーターを設けることで、内燃機関の通常走行時に、テンショナーの機能を損なうことがないので、テンショナーとして駆動するときに、プーリーが円滑に移動するので、電動機を用いた内燃機関のトルク反力を低減する、及びそれに伴う騒音を低減する装置の働きを邪魔することがない。

バランサーが加速しながら回転するときのベルトの緩む側にテンショナーを配置すると、バランサーが加速しながら回転するとき（サイクル内変動でクランク側回転が正のとき）は、テンショナーにより、電動機側に内燃機関の回転変動を伝えることができるので、電動機を力行駆動することで、ベルト駆動装置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フライホイール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。

また、バランサーが減速しながら回転するとき（サイクル内変動でクランク側回転が負のとき）は、ベルト張力の変動により、テンショナーが動いて、ベルトの長さがながくなるので、電動機側に内燃機関の回転変動がなまされてしまう。このとき、電動機を回生駆動することで、フライホイールが内燃機関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、このときベルトの長さが長くなるので、ギア駆動装置に掛かる力が低減してギアノイズを低減することができる。

さらに、フライホイールが内燃機関の回転変動と同期するので、ベルトのスリップ音も低減することができる。

なお、ベルトのバネ定数を大きく、若しくは、弾性体のバネ定数を大きくすると、張力変動時のテンショナーの動きを小さくすることができる。また、テンショナーによるベルトの初張力を電動機側の慣性モーメントを駆動するのに必要な力より大きく設定する。詳しくは、ベルト初張力をＦａ、電動機側の慣性モーメントをＩｍ、バランサーと一体に回転する第１プーリーの半径をｒｂ、電動機側の第２プーリーの半径をｒｍ、バランサーの回転加速度を−ωａ、及び第２プーリーの回転加速度をωｍとすると、電動機側の回転加速度ωｍの最大値は、プーリー比から（ｒｂ／ｒｍ）×ωａであるから、以下の数式（１）で表すことができる。

加えて、上記の内燃機関において、前記油圧通路を、前記内燃機関に設けられた油圧回路に接続すると、プーリーの位置移動に伴って、過剰な減衰力が働くことがなく、上記の作用効果に影響を及ぼすことを抑制することができる。例えば、ダンパーなどの密閉した油圧装置の場合は、ダンパーの伸縮に伴い減衰力が働くため、ベルト１３ｂの張力の変動に遅れが生じ、電動機を用いて内燃機関の振動を低減する際に、タイミングがずれてしまう。その結果、ギアノイズやスリップ音が発生する。

また、上記の問題を解決するための内燃機関の制御方法は、内燃機関のクランク軸からギア駆動装置を介して、該クランク軸の回転に対して逆転するバランサーと、該バランサーからベルト駆動装置を介して、該クランク軸の回転に対して逆転する電動機と、該電動機の回転軸に取り付けたフライホイールと、前記ベルト駆動装置のベルトの張力を保持するテンショナーとを備えると共に、前記テンショナーが、前記ベルトの張力に応じて位置移動自在なプーリーと、該プーリーをベルト押圧方向に付勢するスプリングと、該プーリーの位置移動に伴って容積が拡縮する高圧室と、該高圧室に連通する油圧通路と、該高圧室と該油圧通路との連通を開閉する油圧弁と、該油圧通路の油圧を調整するアキュムレーターとを備える内燃機関の制御方法において、前記内燃機関の停止時に、前記アキュムレーターが前記高圧室に油を充たした後に、前記油圧弁を閉じて、前記プーリーの位置を固定し、前記内燃機関の始動時に、前記プーリーの位置を固定したまま、前記電動機をスターターとして駆動し、前記内燃機関の通常走行時に、前記油圧弁を開いて、前記プーリーを位置移動可能にし、且つ、前記ベルトの張力が変動したときに、前記電動機を力行駆動から回生駆動に、又は回生駆動から力行駆動に切り換え、前記内燃機関の回転に対して逆回転する前記電動機及び前記フライホイールの少なくとも一方の回転変動を、前記内燃機関の回転変動と同期させることを特徴とする方法である。

加えて、上記の内燃機関の制御方法において、前記バランサーが加速しながら回転するときの前記ベルトの緩む側に、前記プーリーを押圧するように前記テンショナーを配置し
、前記内燃機関の通常走行時に、前記油圧弁を開いて、前記プーリーを位置移動可能にし、前記電動機をクランク角速度に応じて力行又は回生駆動する。

この方法によれば、内燃機関の通常走行時に、内燃機関のトルク変動を伴うトルク反力を低減すると共に、低減する際に発生するギアノイズやベルトのスリップ音などの騒音を抑制することができ、且つ、内燃機関の始動時に、ベルトのスリップ音を防止すると共に、テンショナーに過大な力が掛かることを防止することができ、内燃機関の振動を低減するための電動機をスターターとして使用することができる。

本発明によれば、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ギアノイズとベルトのスリップ音などの騒音を低減することができる。これにより、燃費低減のための、より熱効率の高い領域の使用頻度を増やし、内燃機関本体のフリクションも低減することができるダウンサイジングを図ることができる。

また、内燃機関の振動を低減するために用いる電動機をスターターとして使用することができる。

本発明に係る実施の形態の内燃機関を示した斜視図である。図１に示すテンショナーを示し、内燃機関の始動時の状態を示した断面図である。図１に示すテンショナーを示し、内燃機関の通常走行時の状態を示した断面図である。図１に示すベルト駆動装置を示し、バランサーが加速しながら回転した状態を示した側面図である。図１に示すベルト駆動装置を示し、バランサーが減速しながら回転した状態を示した側面図である。図１に示す内燃機関に制御を示した概略図である。本発明に係る実施の形態の内燃機関の動作を示したフローチャートである。図１に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内燃機関とその制御方法について、図面を参照しながら説明する。この実施の形態は、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る。なお、図面に関しては、構成が分かり易いように寸法を変化させており、各部材、各部品の板厚や幅や長さなどの比率も必ずしも実際に製造するものの比率とは一致させていない。また、図中の矢印は実際の動作を示し、白抜き矢印はトルクや加速度の方向を示す。

まず、本発明に係る実施の形態の内燃機関について、図１〜６を参照しながら説明する。このエンジン（内燃機関）１は、エンジン本体２、ギア駆動装置１１、１次バランサー１２、ベルト駆動装置１３、及び電動機１４に加えて、図１に示すように、副フライホイール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とを備える。

エンジン本体２は、３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、主フライホイール５を必ずしも必
要としない。また、この実施の形態ではエンジン本体２を直列３気筒エンジンで説明するが、その気筒数や、気筒の配列は限定しない。

ギア駆動装置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、１次バランサー１２をクランクシャフト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１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。この実施の形態では、ギアがこのギア駆動装置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ことができる。

１次バランサー１２は、クランクシャフト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１次バランサー１２はクランクシャフト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。この１次バランサー１２は周知の技術のバランサーを用いることができる。

ベルト駆動装置１３は、１次バランサー１２の軸先端に取り付けた第１プーリー１３ａの回転を、ベルト１３ｂを介して第２プーリー１３ｃへ伝達し、そのときに、クランクシャフト４の回転に対して、増速するように構成し、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２４を備え、プーリー２１の位置の移動に伴って伸縮する伸縮装置３０を備える。また、この伸縮装置３０は、高圧室３１、油圧通路３２、連通孔３３、油圧弁３４、アキュムレーター３５、及びリンク３６を備え、油圧弁３４に、チェックボール３４ａ、スプリング３４ｂ、スプリング支持台３４ｃ、及び電磁ソレノイド３４ｄを備える。

図３に示すように、電磁ソレノイド３４ｄを作動すると、プランジャ３４ｅがチェックボール３４ａを押し下げ、連通孔３３を開放する。このとき、プーリー２１の位置が移動すると、それに伴い高圧室３１内の油圧を油圧通路３２内の油圧と同じにしようとするので、高圧室３１から油圧通路３２に、又は油圧通路３２から高圧室３１に油が移動し、高圧室３１の容積が拡縮する。これにより、伸縮装置３０が伸縮する。

図２に示すように、電磁ソレノイド３４ｄの作動を止めると、チェックボール３４ａがスプリング３４ｂによって連通孔３３に付勢され、連通孔３３を遮蔽する。これにより、高圧室３１内の油圧を逃がすことができないため、高圧室３１の容積が固定する。これにより、伸縮装置３０を固定することができるので、プーリー２１の位置を固定することができる。

これにより、テンショナー２０にベルト１３ｂの張力を保持するテンショナーとしての機能と、固定アイドラーとしての機能を持たせることができる。

アキュムレーター３５を設けることで、油圧通路３２と、連通孔３３が開放したときの高圧室３１の油圧を略一定に保つことができるので、プーリー２１が自由にストロークすることができる。また、プーリー２１がストロークするときに、伸縮装置３０で、ベルト１３ｂの張力を減衰することがないため、後述する電動機１４を用いたエンジン１のトルク変動に伴うトルク反力を低減する動作に影響がでない。

油圧通路３２は、図示しないエンジン１の油圧回路から油圧を供給されているので、プーリー２１の位置移動に伴って、過剰な減衰力が働くことがなく、ベルト１３ｂの張力の変動に遅れが生じることを防ぐことができる。これにより、電動機１４を用いてエンジン１の振動を低減する際に、タイミングがずれてしまうことを防止することができる。

この伸縮装置３０は、制御が容易であることから電磁ソレノイド３４ｄを用いた油圧弁３４を備える。また、容積を拡縮可能な高圧室３１を油圧通路３２に摺動可能に設けたが、ダンパーなどを用いてもよい。しかし、ダンパーなどを用いると伸縮した際に、減衰力が働いてしまうため、エンジン１の油圧回路と接続される油圧通路３２にアキュムレーター３５を備え、アキュムレーター３５で内部の油圧を略一定に保持することができる構成が好ましい。

テンショナー２０は、図４に示すように、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の位置を移動する周知の技術のテンショナーである。

また、このテンショナー２０を、サイクル内変動でクランクシャフト４の回転が正のとき、つまり１次バランサー１２が加速しながら回転するとき（クランクシャフト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、以下クランクシャフト４が正で回転するときとする）に、ベルト１３ｂの緩む側Ａに配置する。

このベルト１３ｂの緩む側Ａは、クランクシャフト４が正で回転するときに緩む側であって、図５に示すように、サイクル内変動でクランクシャフト４の回転が負のとき、つまり１次バランサー１２が減速しながら回転するとき（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；以下、クランクシャフト４が負で回転するときとする）には、逆にベルト１３ｂの張る側となる側である。

ベルト１３ｂのバネ定数を大きくすることで、即ち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程度とすることで、また、このプーリー２１はトルク反力と同じ、回転２次に同調して移動するため、プーリー２１の慣性力によって、振動が増加してしまうが、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、それぞれベルト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。

さらに、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Ｆａは、以下の数式（２）に示すように、第２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Ｔ１より大きく設定する。

この駆動するために必要な力Ｔ１は、電動機１４側の慣性モーメントをＩｍ、第２プーリー１３ｃの角加速度をωｍ、第２プーリー１３ｃの半径をｒｍとすると、以下の数式（３）より算出することができる。

上記の駆動するために必要な力Ｔ１は、ベルト１３ｂのすべりを考慮しなければ、第１プーリー１３ａと第２プーリー１３ｃのプーリー比から、第１プーリー１３ａの角加速度（１次バランサーの角加速度と同じ）を−ωａ、第１プーリー１３ａの半径をｒｂとすると、以下の数式（４）で表すことができる。

よって、このテンショナー２０によるベルト１３ｂの初張力Ｆａは、クランクシャフト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。

一方、アイドラー１３ｄは、クランクシャフト４が正で回転するときに、ベルト１３ｂの張る側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。

このベルト駆動装置１３は、上記の構成により、クランクシャフト４が正で回転するときに、テンショナー２０がベルト１３ｂの緩み側Ａに配置されることにより、エンジン１の回転変動を電動機１４側に伝達することができる。

一方、図５に示すように、クランクシャフト４が負で回転するときに電動機１４側は以前の角速度で回り続けようとする。つまり、トルク反力を従動ギア１１ｂが受けるときに、テンショナー２０が設けられていた側Ａが、ベルト１３ｂの張る側Ａとなり、ベルト１３ｂの張力の変動によって、プーリー２１の位置が移動して、ベルト１３ｂが瞬間的に伸びる。これにより、荷重の一部をベルト１３ｂの張力に負担させることで、ギアノイズを低減することができる。

電動機１４は、図６に示すように、第２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、発電可能に構成してもよい。副フライホイール１５は、クラッチ１６を接続、又は切断することで自身の駆動トルクを、第２プーリー１３ｃを介してギア駆動装置１１へと伝達する。

また、このエンジン１は、クランク角センサ１７と、電動機１４及びクラッチ１６の動作を制御するＥＣＵ（制御装置）１８を備える。このＥＣＵ１８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。

この実施の形態では、ＥＣＵ１８に、電磁ソレノイド３４ｄを作動する手段を備える。また、エンジン１の運転状況に合わせてクラッチ１６を接続、又は切断し、さらにクランク角加速度ａ及びｂに応じて、電動機１４を力行制御、又は回生制御して、駆動トルクを制御する手段を備える。エンジン１に電動機１４と大きな慣性モーメントを有する副フライホイール１５を追加するため、クラッチ１６を接続するタイミングは、エンジン１のローリング振動が問題となるときが好ましい。

クランク角加速度ａ及びｂを算出する方法は、例えば、デジタルによる計算や、クランク角センサ１７の測定値から算出されるエンジン１の回転数を周期に変換し、その周波数をＦ／Ｖ変換（パルス周波数を電圧に変換する方法）し、その値を微分して算出するアナログ回路を用いる方法でもよい。

次に、本発明に係る実施の形態の内燃機関のテンショナーの動作について、図２及び図３を参照しながら説明する。エンジン１の運転中（通常走行中）は、図３に示すように、ＥＣＵ１８が、電磁ソレノイド３４ｄを作動して、チェックボール３４ａを押し下げる。これにより、高圧室３１と油圧通路３２が連通し、高圧室３１が容積を拡縮することができ、プーリー２１の位置移動を可能にすることができる。

ベルト１３ｂの張力が変動すると、テンションスプリング２４でその張力を保持しようとするので、プーリー２１の位置が移動する。そして、高圧室３１が、高圧室３１内の油圧を油圧通路３２内の油圧と同じにするため、摺動する。このとき、アキュムレーター３５の働きにより、プーリー２１の位置の移動を円滑にすることができる。

エンジン１が停止すると、エンジン１の回転が止まるため、それに合せてベルト１３ｂの駆動も止まる。そして、図２に示すように、テンションスプリング２４により、プーリー２１がベルト１３ｂを押圧して、ベルト１３ｂの張力を保持しようとする。このとき、プーリー２１がベルト１３ｂ側に下がるので、その移動に伴い高圧室３１の容積が拡大する。その拡大した分をアキュムレーター３５の働きにより油が満たされ、高圧室３１と油圧通路３２の油圧が等しくなる。

その後、ＥＣＵ１８が電磁ソレノイド３４ｂの作動を止め、高圧室３１をチェックボール３４ａで密閉する。これにより、高圧室３１の容積が固定され、伸縮装置３０を固定することができ、プーリー２１の位置を固定することができる。

エンジン１の始動時に、図４に示すように、ＥＣＵ１８は電磁ソレノイド３４ｂを作動させないまま、つまりプーリー２１の位置を固定したまま、電動機１４をスターターとして駆動する。このとき、電動機１４が力行駆動して、ベルト１３ｂの張り側Ａに配置されたプーリー２１に過大な力が掛かるが、プーリー２１の位置が固定され、所謂アイドラーとして機能するため、テンショナー２０の故障、又は破損を防止することができる。

これにより、エンジン１の始動時にテンショナー２０を固定のアイドラーとして機能させることができるので、エンジン１のトルク反力を抑制し、さらにそれに伴う騒音を抑制する装置の電動機１４をスターターとして使用することができる。

次に、クランク角加速度ａ及びｂに応じて、電動機１４を力行制御、又は回生制御して、エンジン１のトルク反力を抑制すると共に、それに伴う騒音を制御する方法について、図７のフローチャートを参照しながら、説明する。

まず、クランク角センサ１７の検出信号から、エンジン１の回転数Ｎを算出し、その回転数Ｎから周期λを算出するステップＳ１１を行う。次に、周期λをＦ／Ｖ変換し、その微分波形である電圧波形Ｖｆを算出するステップＳ１２を行う。

次に、その電圧波形Ｖｆで電動機１４を制御するステップＳ１３を行う。このとき、クランクシャフト４が正で回転し、クランクギア１１ａがクランク角加速度ａで回転するときに、電動機１４を力行駆動し、クランクシャフト４が負で回転し、クランクギア１１ａがクランク角加速度ｂで回転するときに、電動機を回生駆動する。

トルク反力は、慣性モーメントにクランク角加速度を乗じたものである。そこで、クランク角センサ１７の検出信号から周期λ（クランク角加速度）算出し、その周期λをＦ／Ｖ変換し、微分波形である電圧波形Ｖｆを求める。この電圧波形Ｖｆを用いて電動機１４を制御すると、電動機１４をクランク角加速度に完全に同期させて、つまり、エンジン１の回転に対して逆回転する電動機１４、及びクラッチ１６が接続されているときの副フライホイール１５の回転変動を、エンジン１の回転変動に同期することができる。

この図７に示す方法によれば、クランク角加速度ａ及びｂに合わせて、言い換えるとエンジン１のトルク変動に合せて、電動機１４を制御することができ、エンジン１の運転状況に応じたトルク反力を抑制することができる。加えて、ギア駆動装置１１の噛み合い力も低減することができるので、ギアノイズを抑制することができる。

なお、この方法以外に、例えば、上記の制御方法をＦ／Ｖコンバータ（若しくは、Ｆ／Ｖ変換器と呼ばれる装置）を用いた回路で行ってもよい。

特に、図４に示すように、クランクシャフト４が正で回転するときは、ベルト１３ｂのベルト緩み側Ａをテンショナー２０が押圧することで、ベルト１３ｂの張力を保持することができるので、ベルト１３ｂを介して、副フライホイール１５を取り付けた電動機１４に、エンジン１の回転変動を伝達することができ、上記の制御により、ギア駆動装置１１の噛み合い力も低減することができるので、ギアノイズを抑制することができる。

一方、図５に示すように、クランクシャフト４が負で回転するときは、ベルト１３ｂのベルト張り側Ａに設けたテンショナー２０のプーリー２１が、ベルト１３ｂの張力により位置を移動して、ベルト１３ｂの長さが長くなるため、電動機１４側にエンジン１の回転変動を伝達することができないが、ベルト１３ｂの長さが長くなることで、ギア駆動装置１１の噛み合い力も低減するため、ギアノイズを抑制することができる。

さらにこのとき、電動機１４を回生駆動することで、副フライホイール１５に、エンジン１と同期した回転変動を与えることができるので、ベルト１３ｂのベルト変動を起因とするスリップ音を低減することができる。

次に、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８を参照しながら説明する。図８に示す回転体４０は、１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
ンクシャフト４周りの慣性モーメント、Ｉｉをｉ番目の回転体４０の慣性モーメント及びｇ_ｉをｉ番目の回転体４０のギア比とする。トルク反力Ｔ_ｒは次の数式（５）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（５）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４０を設け
ることで最小とすることができる。

数式（５）の分母は、クランクシャフト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シャフト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、本発明のエンジン１は、１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。

次に、本発明に係る実施の形態のエンジン１の動作について説明する。エンジン１の動作は、大きく二つに分けることができ、プーリー２１の位置移動可能な状態と、プーリー２１を固定する状態とある。まず、プーリー２１を固定する状態について説明する。図２に示すように、エンジン１が停止すると、アキュムレーター３５の働きで高圧室３１に油が満たされた後に、ＥＣＵ１８が電磁ソレノイド３４ｄの作動を停止する。これにより、エンジン１の停止中は、伸縮装置３０が固定されて、プーリー２１の位置も固定された状態である。

次に、エンジン１の始動時は、プーリー２１の位置を固定したまま、電動機１４を力行駆動する。このとき、電動機１４はスターターとして駆動し、クランクシャフト４に始動トルクを与える。テンショナー２０の位置が固定されているので、ベルト１３ｂのスリップなどを防止することができ、エンジン１の始動時に必要な始動トルクを電動機１４からクランクシャフト４に伝達することができる。

次に、プーリー２１の位置移動可能な状態について説明する。図３に示すように、エンジン１が通常走行時は、ＥＣＵ１８が電磁ソレノイド３４ｄを作動させて、伸縮装置３０を、プーリー２１の位置移動に合せて伸縮可能にする。これにより、ベルト１３ｂの張力の変動に合せて、プーリー２１の位置を移動することができ、ベルト１３ｂの張力を保持することができる。

このプーリー２１の位置移動可能な状態、つまりエンジン１の通常走行時の動作は、さらに三つに分けることができる。まず、トルク変動の大きい走行時は、ＥＣＵ１８はクラッチ１６を接続する。これにより、１次バランサー１２と副フライホイール１５とが、クランクシャフト４の回転に対して逆回転するので、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とができる。しかし、副フライホイール１５を、ベルト駆動装置１３を介して駆動することで、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。

そこで、クランクシャフト４が正で回転する場合は、ＥＣＵ１８が電動機１４を力行駆動して、ベルト駆動によって低下した分（以下、効率低下分という）の駆動トルクを補うことで、トルク反力を低減することができる。このとき、副フライホイール１５の駆動トルクのうち、電動機１４が分担していた分の駆動トルクが低減するので、ギア駆動装置１１の噛み合い力を低減することができ、ギアノイズを低減することができる。

クランクシャフト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、ギアノイズを低減することができ、また、それに伴い発生するスリップ音を、ＥＣＵ１８が電動機１４を回生駆動することで、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、低減することができる。

上記の動作は、エンジン１の運転状況がトルク変動が大きい通常走行時のときの動作であるが、トルク変動が顕著となる低速一定走行時に限定して行ってもよい。また、ローリング振動が顕著となるエンジン１の始動時、及び停止時に限定してもよい。その他の走行時は、エンジン１の振動がそれほど大きくならないため、例えば、クラッチ１６を切断し、慣性モーメントを小さくしてもよい。この通常走行時の電動機１４の出力は、効率低下分の駆動トルクを補うだけのため、消費電力を小さくすることができる。

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、ＥＣＵ１８がクラッチ１６を切断している状態である。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、ギア駆動装置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を切断することにより、エンジン加速時の有効慣性モーメントの増加を抑制することができ、エンジン１の加速性能を向上でき、且つ燃費を向上できる。

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、ＥＣＵ１８がクラッチ１６を切断した状態である。クランクシャフト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を切断することにより、１次バランサー１２を駆動するギア駆動装置１１の噛み合い力を低減して、ギアノイズを低減することができる。

このアイドル時に電動機１４を図７に示す方法で制御することで、エンジン１のトルク変動を抑制することができる。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、クラッチ１６接続時の力行、又は回生制御による吸収に比べて、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。

上記のエンジン１は、エンジン１のトルク変動による振動を、クランクシャフト４の回転に対して逆回転する１次バランサー１２と副フライホイール１５を設けることにより低減することができるが、ギア駆動によって１次バランサー１２を駆動することで発生するギアノイズが発生する。

特に顕著に感じるアイドリング時にクラッチ１６を切断し、ギア駆動装置１１の噛み合い力を低減することができるので、ギアノイズの発生を抑制することができる。また、合わせてトルクバランサーとして、電動機１４を力行駆動、又は、回生駆動するため、トルク反力を低減し、ローリング振動の低減を図ることができる。

また、トルク変動による振動が顕著となる低速一定走行時には、クラッチ１６を接続し、さらに、ベルト駆動によって低減する効率低下分の駆動トルクを補うことができるので、トルク変動を抑制することができる。加えて、このとき、電動機１４の駆動トルク分、ギア駆動装置１１の噛み合い力が低減するので、ギアノイズの発生を抑制することができる。

加えて、副フライホイール１５を設けることで増加した慣性モーメントを加速時には、クラッチ１６を切断することで、クランクシャフト４周りの有効慣性モーメントの増加を抑制することができるので、有効慣性モーメントが増加することで発生する燃費の悪化、
及び加速応答の遅れを抑制することができる。

その上、エンジン１の回転変動を伝達するベルト１３ｂに、ベルト１３ｂの張力を保持するテンショナー２０を備え、電動機１４をエンジン１の回転変動に同期するように、つまり、クランク角加速度ａ及びｂに応じて、力行駆動及び回生駆動することで、ギア駆動装置１１のギアノイズとベルト駆動装置１３のスリップ音を抑制しながら、エンジン１のトルク変動を伴うトルク反力を低減することができる。

さらに、エンジン１の始動時には、テンショナー２０のプーリー２１の位置を固定して、ベルト１３ｂのスリップを防止すると共に、テンショナー２０の故障を防止して、電動機１４をスターターとして駆動することができる。

また、エンジン１の運転時には、電磁ソレノイド３４ｄを作動させて、テンショナー２０のプーリー２１の位置を移動可能にして、ベルト１３ｂの張力を保持することができるので、トルク反力を低減し、ローリング振動の低減を図ることができ、それに伴って発生する騒音も低減することができる。

上記の作用効果によって、特に四気筒以下のエンジンにおいては、振動問題を起因として、ダウンサイジングすることが困難であったが、本発明を適用することによって、その振動問題と、振動問題を解決するために発生していた騒音問題も解決することができるので、エンジン１をダウンサイジングすることができる。

これにより、より熱効率の高い領域の使用頻度を増やし、且つエンジン本体のフリクションも低減することができるので、燃費を低減することができる。

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
２エンジン本体
３ａ〜３ｃピストン
４クランクシャフト（クランク軸）
１１ギア駆動装置
１２１次バランサー（バランサー）
１３ベルト駆動装置
１４電動機
１５副フライホイール（フライホイール）
１６クラッチ
１７クランク角センサ
１８ＥＣＵ（制御装置）
２０テンショナー
２１プーリー
２４テンションスプリング
３０伸縮装置
３１高圧室
３２油圧通路
３３連通孔
３４油圧弁

Claims

内燃機関のクランク軸からギア駆動装置を介して、該クランク軸の回転に対して逆転するバランサーと、該バランサーからベルト駆動装置を介して、該クランク軸の回転に対して逆転する電動機と、該電動機の回転軸に取り付けたフライホイールとを備える内燃機関において、
前記ベルト駆動装置のベルトの張力を保持するテンショナーと、前記電動機を制御する制御装置と、を備え、
前記テンショナーが、前記ベルトの張力に応じて位置移動自在なプーリーと、該プーリーをベルト押圧方向に付勢するスプリングと、該プーリーの位置移動に伴って容積が拡縮する高圧室と、該高圧室に連通する油圧通路と、該高圧室と該油圧通路との連通を開閉する油圧弁と、該油圧通路の油圧を調整するアキュムレーターとを有し、
前記制御装置が、前記内燃機関の停止時に、前記アキュムレーターが前記高圧室に油を満たした後に、前記油圧弁を閉じて、前記プーリーの位置を固定し、前記内燃機関の始動時に、前記プーリーの位置を固定したまま、前記電動機をスターターとして駆動する制御を行い、
前記内燃機関の通常走行時に、前記油圧弁を開いて、前記プーリーを位置移動可能にし、且つ、前記ベルトの張力が変動したときに、前記電動機を力行駆動から回生駆動に、又は回生駆動から力行駆動に切り換え、前記内燃機関の回転に対して逆回転する前記電動機及び前記フライホイールの少なくとも一方の回転変動を、前記内燃機関の回転変動と同期させる制御を行うことを特徴とする内燃機関。
前記バランサーが加速しながら回転するときの前記ベルトの緩む側に、前記プーリーを押圧するように、前記テンショナーが配置され、
前記制御装置が、前記内燃機関の通常走行時に、前記バランサーが加速しながら回転するときに、前記電動機を力行駆動し、前記バランサーが減速しながら回転するときに、前記電動機を回生駆動する手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
前記油圧通路が、前記内燃機関に設けられた油圧回路に接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
内燃機関のクランク軸からギア駆動装置を介して、該クランク軸の回転に対して逆転す
るバランサーと、該バランサーからベルト駆動装置を介して、該クランク軸の回転に対して逆転する電動機と、該電動機の回転軸に取り付けたフライホイールと、前記ベルト駆動装置のベルトの張力を保持するテンショナーとを備えると共に、
前記テンショナーが、前記ベルトの張力に応じて位置移動自在なプーリーと、該プーリーをベルト押圧方向に付勢するスプリングと、該プーリーの位置移動に伴って容積が拡縮する高圧室と、該高圧室に連通する油圧通路と、該高圧室と該油圧通路との連通を開閉する油圧弁と、該油圧通路の油圧を調整するアキュムレーターとを備える内燃機関の制御方法において、
前記内燃機関の停止時に、前記アキュムレーターが前記高圧室に油を充たした後に、前記油圧弁を閉じて、前記プーリーの位置を固定し、前記内燃機関の始動時に、前記プーリーの位置を固定したまま、前記電動機をスターターとして駆動し、
前記内燃機関の通常走行時に、前記油圧弁を開いて、前記プーリーを位置移動可能にし、且つ、前記ベルトの張力が変動したときに、前記電動機を力行駆動から回生駆動に、又は回生駆動から力行駆動に切り換え、前記内燃機関の回転に対して逆回転する前記電動機及び前記フライホイールの少なくとも一方の回転変動を、前記内燃機関の回転変動と同期させることを特徴とする内燃機関の制御方法。