JP6258749B2 - 車両用内燃機関 - Google Patents

Description

本願発明は車両用内燃機関に関し、補機の駆動態様に特徴を有するものである。

車両用の内燃機関では、発電機、ウォータポンプ、エアコン用コンプレッサ等の補機はクランクプーリに巻き掛けられたベルトで駆動されており、その例として特許文献１には、発電機兼用スタータモータ（ＩＳＧ）と他の補機とを１本のベルトで駆動することが開示されている。

特開２００３−１７２４１５号公報

さて、補機の駆動トルクは当該補機の種類によってまちまちであり、各補機とベルトとの間の動力伝達の度合いも補機の種類によって相違する。例えば、ウォータポンプの駆動トルクは小さいため、ベルトには大した負担は掛からないのに介して、ＩＳＧやモータジェネレータ（ＭＧ）の場合は、発電機として機能するときもモータとして機能するときもベルトには大きな力が掛かる。エアコン用コンプレッサの場合は、ベルトには、モータジェネレータ程ではないがウォータポンプよりも大きな力が掛かる。

しかるに、特許文献１のように、モータジェネレータを含む補機が１本のベルトで駆動される構成では、ベルトの張力は最も力が掛かるモータジェネレータに設定しておかねばならず、このため、他の補機のプーリに必要以上の大きなフリクションが掛かるため、他の補機の回転軸の負担が大きくて耐久性が低下する可能性がある。特に、ウォータポンプは機関の運転中は回転し続けているため、ベルトから受ける負荷（曲げ力）の問題は顕著に現れると推測される。

また、ベルトとプーリとの間での動力伝達を確実化するには、プーリに対するベルトの接触長さ（或いは接触角度）を所定量確保することが必要であるが、特許文献１のように１本のベルトを全補機のプーリに巻き掛けると、各補機のプーリに対するベルトの必要な接触長さを確保できないおそれがあり、さりとて、多数のアイドルプーリを配置して各補機のプーリに対するベルトの必要な接触長さを確保すると、ベルトが複雑な形状に曲がるため動力損失が増大するおそれや、ベルトの負担が大きくなって耐久性が低下するおそれがある。

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、
「タイミングチェーンを覆うフロントカバーの外側に一端部が突出したクランク軸と、前記クランク軸のうち前記フロントカバーの外側に突出した一端部に固定されたクランクプーリと、ベルトを介して前記クランクプーリで駆動されるモータジェネレータ及びエアコン用コンプレッサと、前記クランク軸の下方に配置されたオイルパンと、前記クランク軸で駆動されるウォータポンプとを備えており、
前記モータジェネレータとエアコン用コンプレッサとは、前記オイルパンよりも上に配置されていると共に、前記クランク軸の軸線方向から見て、気筒の軸心を挟んだ左右両側に分かれて配置されている」
という基本構成である。

そして、本願発明では、上記基本構成において、まず、
前記モータジェネレータは、専用の第１ベルト及び第１クランクプーリによって独立して駆動されて、前記エアコン用コンプレッサは、専用の第２ベルト及び第２クランクプーリによって独立して駆動されるようになっており、前記第１及び第２のクランクプーリは、前記第１クランクプーリが前記フロントカバーに近い内側に位置して、第２クランクプーリが前記フロントカバーから遠い外側に位置するように配置されている一方、
前記第１ベルトの張力が第２ベルトの張力よりも高くなるように設定されている。

更に、本願発明では、前記ウォータポンプは専用の第３クランクプーリ及び第３ベルトによって独立して駆動されており、前記第３クランクプーリは、前記第１クランクプーリ及び第２クランクプーリを挟んで前記フロントカバーの外側に配置されている。

なお、モータジェネレータは、スタータモータとして機能する場合と、スタータモータは別にあってクランク軸の回転のアシストモータとして機能する場合との両方を含んでいる。

本願発明では、モータジェネレータは第１ベルトで駆動されて、エアコン用コンプレッサは第２ベルトで駆動されるため、第１ベルトの張力や断面積（或いは横幅）と第２ベルトの張力や断面積（横幅）とを、それらモータジェネレータとエアコン用コンプレッサとのトルクに応じて任意に設定できる。このため、モータジェネレータのプーリと第１ベルトとの間のフリクションと、エアコン用コンプレッサのプーリと第２ベルトとの間のフリクションとを適切に保持できる。

そして、モータジェネレータのプーリと第１ベルトとの間のフリクションは、エアコン用コンプレッサのプーリと第２ベルトとの間のフリクションよりも大きいため、エアコン用コンプレッサの回転軸に過大な負担が掛かることを防止して、当該エアコン用コンプレッサの回転軸の耐久性向上に貢献できる。第２ベルトの耐久性も高い。

また、本願発明では、モータジェネレータとエアコン用コンプレッサとは、気筒の軸心を挟んだ左右に振り分けて（分かれて）配置されているため、第１ベルトによってクランク軸に作用する曲げ方向と第２ベルトによってクランク軸に作用する曲げ方向とが逆向きになっており、このため、クランク軸に作用する曲げ力を抑制して、クランク軸とジャーナルとの間の磨耗低減にも貢献できる。

特に、大きな負荷が掛かる第１クランクプーリを機関本体の側（フロントカバーに近い側）に配置しているため、クランク軸に作用する曲げモーメントをできるだけ低減し、クランク軸の負担軽減に一層貢献できる。

更に、第２ベルトは、アイドルプーリを要することなく（複雑に曲げることなく）、エアコン用コンプレッサのプーリに対して長い接触長さを確保できるため、動力損失を抑制してエアコン用コンプレッサを的確に駆動できる。

更に本願発明では、ウォータポンプは第３ベルト及び第３プーリで独立して駆動されるため、ウォータポンプの配置に関する設計の自由性を向上できると共に、第３ベルトはアイドルプーリを使用することなくウォータポンプのプーリとの間に必要な接触長さを確保できるため、動力損失も抑制できる。しかも、ウォータポンプの駆動トルクは小さいため、第３プーリをクランク軸の一端部のうち最も外側の部位に設けても、クランク軸の負担が増大することはない。

実施形態のように、ウォータポンプを第１ベルトで囲われた内部に配置すると、第１ベルトと第３ベルトとの配置エリアを重ねることができるため、コンパクト化できる利点がある。また、実施形態のように第１〜第３のベルトの横幅を異ならせると、ベルトの変形による動力損失を最小限度に抑えることができると共に、高い耐久性を確保できる。

実施形態の全体的な概略正面図である。 フロントカバーの斜視図である。 概略平面図である。 （Ａ）はクランクプーリの平断面図、（Ｂ）はウォータポンプのプーリの部分の平断面図、（Ｃ）はアイドルプーリの箇所の平断面図である。 振り子式オートテンショナを回転軸心方向から見た正面図である。 図５のVI-VI 視側面図である。 モータジェネレータの取り付け手段を示す分離平面図である。 （Ａ）は図３の VIII-VIII視断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ視断面図である。 図８（Ａ）のIX-IX 視断面図である。

(1).概要
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１〜３に基づいて概要を説明する。以下の説明では方向を特定するため前後・左右の文言を使用するが、前後方向はクランク軸心Ｏ１の方向であり、左右方向は、気筒軸心Ｏ２及びクランク軸心Ｏ１と直交した方向である。なお、実施形態の内燃機関は、気筒軸心Ｏ２は鉛直線Ｏ３に対して若干傾斜している（スラントしている）が、図では、便宜的に気筒軸心Ｏ２を鉛直姿勢にして表示している。

内燃機関の基本的な構成は従来と同様であり、機関本体１は、主要要素として、シリンダブロック２とその上面に固定されたシリンダヘッド３、並びにこれらの一端面に多数のボルト４で固定されたフロントカバー（チェーンカバー、チェーンケース）５を備えている。シリンダヘッド３の上面にはヘッドカバー６が固定されて、シリンダブロック２の下面にはオイルパン７が固定されている。

クランク軸８の一端部はフロントカバー５の外側に突出している一方、正面視で機関本体１を挟んだ（気筒列の軸心Ｏ２を挟んだ）左側にはモータジェネレータ（ＩＳＧ）１０を配置し、右側にはエアコン用コンプレッサ１０を配置している。また、フロントカバー５のうち、概ね上下中間部でかつ左寄りの部位にはウォータポンプ１１を配置している。

モータジェネレータ９は複数のブラケット（詳細は後述する）を介してシリンダブロック２及びフロントカバー５に固定されており、エアコン用コンプレッサ１０は、図示しないブラケットを介してシリンダブロック２（又は／及びフロントカバー５）に固定されている。

ウォータポンプ１１はポンプハウジングをフロントカバー５で兼用しており、フロントカバー５にポンプカバー１２（図１参照）を固定することでウォータポンプ１１が構成されている。このため、フロントカバー５にはポンプ室１３（図２参照）が空いている。ポンプ室１３の奥側はシリンダブロック２で塞がれる。従って、正確には、シリンダブロック２もウォータポンプ１１の構成要素になっている。

モータジェネレータ９、エアコン用コンプレッサ１０、ウォータポンプ１１は、それぞれ回転軸に固定されたプーリ１５，１６，１７を備えており、モータジェネレータ９のプーリ１５と第１クランクプーリ１８とに専用の第１ベルト１９が巻き掛けられて、エアコン用コンプレッサ１０のプーリ１６と第２クランクプーリ２０とに専用の第２ベルト２１が巻き掛けられて、ウォータポンプ１１のプーリ１７と第３クランクプーリ２２とに専用の第３ベルト２３が巻き掛けられている。

第１クランクプーリ１８と第２クランクプーリ２０とは略同径であり、モータジェネレータ９のプーリ１５は第１クランクプーリ１８の略半分の外径になっている。従って、発電機として機能するときは、モータジェネレータ９はクランク軸８の回転数の数倍の回転数で駆動され、モータジェネレータ９がモータとして機能するときは、クランク軸８はモータジェネレータ９の数分の１の回転数で駆動される。

第１ベルト１９のうちモータジェネレータ９のプーリ１５の近くの部位は、振り子式のオートテンショナ２８における２個のテンションプーリ２９で挟まれている。この場合、オートテンショナ２８が機能するには、第１ベルト１９がモータジェネレータ９のプーリ１５から遠ざかるに従って広がることが必要であり、そこで、第１ベルト１９の広がり角度を確保するため、フロントカバー５のうちウォータポンプ１１の上側にアイドルプーリ３０を取り付けている。従って、ウォータポンプ１１は、第１ベルト１９で囲われたエリアに配置されている。

エアコン用コンプレッサ１０のプーリ１６は、第２クランクプーリ２０よりもやや小径になっている。従って、第２ベルト２１を単に巻き掛けただけで、第２ベルト２１と第２クランクプーリ２０との間に必要なフリクションを確保できる。第３クランクプーリ２２は第１及び第２のクランクプーリ１８，２０の略半分程度の外径であり、第３クランクプーリ２２とウォータポンプ１１のプーリ２２とは略同径になっている。この場合も、第３ベルト２３を単に巻き掛けただけで、必要なフリクションを得ることができる。

なお、本実施形態では、オイルポンプはフロントカバー５の一部をハウジングに兼用しており、このため、フロントカバー５には、クランク軸８で駆動されるロータが嵌まり込むポンプ室３１を設けている。また、フロントカバー５の右側の下端には、下方からオイルフィルター３２を着脱できるフィルター取り付け座３３が一体に形成されている。

(2).要部の詳細
次に、本願発明に関連した各部位の詳細を説明する。図３，４に示すように、第１クランクプーリ１８と第２クランクプーリ２０と第３クランクプーリ２２とは一体に形成されており、第１クランクプーリ１８が最もフロントカバー５に近くて第３クランクプーリ２２がフロントカバー５から最も遠く、第２クランクプーリ２０は両者の間に位置している。３つのクランクプーリ１８，２０，２２は一体に製造されていて、ボルト３５でクランク軸８の一端部に固定されている。

なお、クランクプーリ１８，２０，２２はキー係合等でクランク軸８に対して相対回転しないように保持されている。また、各クランクプーリ１８，２０，２２を別々に製造して互いに重ね合わせてもよい。

各ベルト１９，２１，２３は断面凹凸のものを使用しており、このため、各クランクプーリ１８，２０，２２及び補機のプーリ１５，１６，１７の外周面にもベルト１９，２１，２３が嵌まる溝３６が形成されている。本実施形態の特徴として、ベルト１９，２１，２３の溝幅は、第１ベルト１９は第２ベルト２１よりも幅広で、第２ベルト２１は第３ベルト２３より幅広になっている。従って、各クランクプーリ１８，２０，２２及び各補機のプーリ１５，１６，１７も、ベルト１９，２１，２３の幅に応じて幅寸法が相違している。

このように各ベルト１９，２１，２３の幅寸法を変えることで、各ベルト１９，２１，
２３の撓み変形を容易にしつつ必要な動力伝達性能を確保できる。従って、１本のベルトで各補機を駆動する場合に比べて動力損失を低減できる。

図４（Ｂ）に示すように、ウォータポンプ１１のプーリ１７には円板部１７ａが一体に形成されており、円板部１７ａに設けた円筒部１７ｂが回転軸３７に固定されている。

他方、図４（Ｃ）に示すように、アイドルプーリ３０は、フロントカバー５に設けたボス３８にボールベアリング３９を介してボルト４０で取り付けられており、ボルト４０を中心軸に兼用していると共に、ボールベアリング３９のインナーレースがボルト４０でボス３８に押さえ固定されている。もとより、ボールベアリング３９が嵌まる中心筒を有するスペーサをフロントカバー５に重ね配置してもよい。

図５，６に示すように、オートテンショナ２８は、モータジェネレータ９のプーリ１５が遊嵌する円板状ベース４１と、テンションプーリ２９が回転自在に保持された２つのアーム４２とを有しており、２つのアーム４２を、テンションプーリ２９が遠近動し得るようにベース４１に回動自在に連結し、かつ、略Ｕ型のばね４３で２つのアーム４２を互いに接近する方向に付勢している。２つのアーム４２は、ベース４１に対して、基部を中心に回動しつつ、ベース４１の軸心回りに旋回もするように取り付けられている。

従って、２つのテンションプーリ２９は、ばね４３と一緒にベース４１の軸心回りに回動し得ると共に、ばね４３を変形させることで互いに独立して動くことが可能である。ベース４１のうちテンションプーリ２９と反対側の部位には、複数個（３個）の円筒状足部４４を設けており、足部４４がモータジェネレータ９の外面にボルト（図示せず）で固定されている。足部４４は、図３に一点鎖線で示すトップブラケット板４５に固定されている。なお、トップブラケット板４５は、リアブラケット板４６と補強ロッド４７で連結されている。

本実施形態では、オートテンショナ２８は、ベース４１の軸心４８が、正面視において、モータジェネレータ９におけるプーリ１５の軸心４９よりも若干の寸法Ｅだけフロントカバー５から離れるように設定している。

次に、モータジェネレータ９の取り付け構造を、主として図７〜９に基づいて説明する。モータジェネレータ９は、上ブラケット５１を介してシリンダヘッド３及びフロントカバー５に固定されていると共に、第１及び第２の下ブラケット５２，５３を介してシリンダブロック２に固定されている。

上ブラケット５１は鋳物品又はダイキャスト品であり、側面視では上窄まりの形状であり、上端部はシリンダヘッド３の一側面３ａに突設した突部５４に第１上ボルト５５で締結されている。また、フロントカバー５は、シリンダヘッド３の一側面３ａから外向きに突出した張り出し部５６を設ける一方、上ブラケット５１には、フロントカバー５における張り出し部５６の裏面に重なるボス部５７を設け、フロントカバー５の張り出し部５６とボス部５７とを第２上ボルト５８で締結している。従って、上ブラケット５１は、姿勢が直交している２本の上ボルト５５，５８により、シリンダヘッド３とフロントカバー５とに固定されている。

上ブラケット５１の下端には、モータジェネレータ９のケーシングに設けた前後の上リブ５９の間に嵌まる筒部５１ａを設けており、筒部５１が第３上ボルト６０及びナット６１で上リブ５９に締結されている。この場合、ナット６１は奥側の上リブ５９に設けた六角穴６２に回転不能に嵌まっている。従って、取り付けに際しては、第３上ボルト６０をねじ込み操作するだけでよい。

第１下ブラケット５２は、上下の筒６３を前後の端板６４に固定したリンクの形態を成しており、上部はシリンダブロック２に設けた前後の支持突起６５の間に挟み込んで、支持突起６５に第１下ボルト６６及びナット６７で固定されている。また、第１下ブラケット５２の下端は、モータジェネレータ９のケーシングに設けた前後の下リブ６７の間に挟み込まれている。

他方、第２下ブラケット５３は板金製であって、シリンダブロック２の一側面２ａに重なる基部５３ａと、基部５３ｂから横向きに突出したアーム部５３ｂとを有しており、基部５３ａは第２下ボルト６８でシリンタブロック２に締結されている。

他方、アーム部５３ｂでモータジェネレータ９の前後の下リブ６７を外側から挟み、第２下ブラケット５３の前後アーム部５３ｂと、前後の第２下リブ６７と第１ブラケット５２とを第３下ボルト６９及びナット７０で共締めしている。なお、下第１ブラケット５２は、前後下リブ６７に対して回動が許容される状態であってもよい。

(3).まとめ
以上のように、モータジェネレータ９とエアコン用コンプレッサ１０とウォータポンプ１１とは、それぞれ別々の（専用の）ベルト１９，２１，２３で駆動されるため、各１９，２１，２３の張力や断面積（或いは横幅）は各補機の必要トルク等に応じて任意に設定できる。従って、各ベルト１９，２１，２３とプーリ１５〜１７，１８，２０，２２との間のフリクションを適切に保持して、エアコン用コンプレッサ１０やウォータポンプ１１の回転軸３７に過大な負担がかかることを防止できる。

また、本願発明では、モータジェネレータ９とエアコン用コンプレッサ１０とが左右に振り分けて配置されているため、第１ベルト１９によってクランク軸８に作用する曲げ方向と、第２ベルト２１によってクランク軸８に作用する曲げ方向とが逆向きになっており、このため、クランク軸８に作用する曲げ力を抑制して、クランク軸８とジャーナルとの間の磨耗低減にも貢献できる。

しかも、大きな負荷が掛かる第１クランクプーリ１８をシリンダブロック２に近い側に配置しているため、クランク軸８に作用する曲げモーメントをできるだけ低減し、クランク軸８の負担軽減に一層貢献できる。更に、第２ベルト２１及び第３ベルト２３は、アイドルプーリ無しでエアコン用コンプレッサ１０及びウォータポンプ１１のプーリ１６，１７に長い長さで巻き掛けできるため、動力損失も抑制できる。

また、ウォータポンプ１１の配置位置は、第１及び第２のベルト２１，２３に規制されることなく配置できるため、ウォータポンプ１１の配置に関する設計の自由性を向上できる。しかも、ウォータポンプ１１の駆動に必要なトルクは小さいため、第３クランクプーリ２２をクランク軸８の一端部のうち最も外側の部位に設けても、クランク軸８の負担が増大することはない。

本実施形態のように、ウォータポンプを第１ベルトで囲われた内部に配置すると、第１ベルトと第３ベルトとの配置エリアを重ねることができるため、コンパクト化できる。また、実施形態のように第１〜第３のベルトの横幅を異ならせると、ベルトの変形による動力損失を最小限度に押さえて動力損失の抑制に一層効果的である。

本願発明は、上記の実施形態の他にも様々に具体化できる。例えば、ウォータポンプやアイドルプーリなどをシリンダブロックやシリンダヘッドのような機関本体構成要素に取り付けることも可能である。

本願発明は、車両用内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ 機関本体
２ 機関本体を構成するシリンダブロック
３ 機関本体を構成するシリンダヘッド
５ 機関本体を構成するフロントカバー
９ モータジェネレータ
１０ エアコン用コンプレッサ
１１ ウォータポンプ
１５ モータジェネレータのプーリ
１６ エアコン用コンプレッサのプーリ
１７ ウォータポンプのプーリ
１８ 第１クランクプーリ
１９ 第１ベルト
２０ 第２クランクプーリ
２１ 第２ベルト
２２ 第３クランクプーリ
２３ 第３ベルト
２８ オートテンショナ
２９ テンションプーリ
３０ アイドルプーリ
Ｏ１ クランク軸心
Ｏ２ 気筒の軸心

Claims (1)

1. タイミングチェーンを覆うフロントカバーの外側に一端部が突出したクランク軸と、前記クランク軸のうち前記フロントカバーの外側に突出した一端部に固定されたクランクプーリと、ベルトを介して前記クランクプーリで駆動されるモータジェネレータ及びエアコン用コンプレッサと、前記クランク軸の下方に配置されたオイルパンと、前記クランク軸で駆動されるウォータポンプとを備えており、
   前記モータジェネレータとエアコン用コンプレッサとは、前記オイルパンよりも上に配置されていると共に、前記クランク軸の軸線方向から見て、気筒の軸心を挟んだ左右両側に分かれて配置されている構成であって、
   前記モータジェネレータは、専用の第１ベルト及び第１クランクプーリによって独立して駆動されて、前記エアコン用コンプレッサは、専用の第２ベルト及び第２クランクプーリによって独立して駆動されるようになっており、前記第１及び第２のクランクプーリは、前記第１クランクプーリが前記フロントカバーに近い内側に位置して、第２クランクプーリが前記フロントカバーから遠い外側に位置するように配置されている一方、
   前記第１ベルトの張力が第２ベルトの張力よりも高くなるように設定されており、
   更に、前記ウォータポンプは専用の第３クランクプーリ及び第３ベルトによって独立して駆動されており、前記第３クランクプーリは、前記第１クランクプーリ及び第２クランクプーリを挟んで前記フロントカバーの外側に配置されている、
   車両用内燃機関。

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