JP6355192B2 - 車両用内燃機関 - Google Patents

Description

本願発明は、補機駆動ベルトが振り子式のテンションプーリで挟まれている車両用内燃機関に関するものである。

車両用の内燃機関において、モータ兼用発電機（モータジェネレータ）を搭載して、これにスタータを兼用させたり、クランク軸の回転をアシストしたりすることが知られている。モータジェネレータとクランク軸との間の動力伝達はベルトで行われており、このため、クランク軸にはクランクプーリを設けて、モータジェネレータには、補機プーリの一例としてのモータジェネレータプーリを設けている。

クランクプーリとモータジェネレータプーリとに巻き掛けられたベルトの特徴は、モータジェネレータが発電機として機能するときとモータとして機能するときとで、張り側と弛み側とが入れ替わることである。

そこで、いずれの使用態様でもベルトとモータジェネレータプーリとの間に必要なフリクションが得られるようにするため、例えば特許文献１に開示されているような一対のテンションプーリを有する振り子式オートテンショナをモータジェネレータの近くに配置して、ベルトをその背面側からテンションプーリで挟み込むことが行われている。

この振り子式のオートテンショナにおいて、一対のテンションプーリはそれぞれアームに取付けられており、両アームは、共通の回動軸心回りに回動するように本体に取付けられている。そして、モータジェネレータ用のオートテンショナは、アームの回動軸心がモータジェネレータプーリの回転軸心と一致するようにしてセットされている。

特表２００３−５２１６３９号公報

さて、モータジェネレータのようなオートテンショナを備えて補機は大型でかつ重量も大きいことが多いため、固定強度や内燃機関の振動抑制等の点からは、できるだけ機関本体に近付けて配置するのが好ましい。他方、オートテンショナを機関本体に近付けると、テンションプーリが他のプーリ等の部材に当たったり接近し過ぎたりすることがある。

このため、従来のようにオートテンショナのテンションプーリを補機プーリと同心に回動させる構成では、オートテンショナの配置の制限によってモータジェネレータ等の補機を機関本体に近付けることができず、結果として内燃機関の大型化や補機の固定強度の低下等の問題が生じるおそれがある。

他方、オートテンショナを構成する２つのテンションプーリは、回転軸心と直交した方向から見て完全に重複するように（同一平面に位置するように）設計されているが、組立工程での誤差や部材の加工誤差により、設計位置に対してクランク軸心方向にずれることがある。すなわち、ミスアライメントが発生することがある。

そして、ミスアライメント量が大きいと、ベルトがテンションプーリに片当たり状態に
なってベルトに偏磨耗が発生したり、アームのバタ付きによって振動や異音が発生したりするおそれがある。特に、モータジェネレータで機関を始動したり、モータジェネレータを発電機として駆動したりする場合のようにベルトに強い張力が掛かると、偏磨耗や振動・異音が発生しやすい。さりとて、ミスアライメントが生じないようにオートテンショナを精密に組み立てると、作業に手間がかかってコストアップにつながってしまう。

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。

本願発明は車両用内燃機関に関し、この内燃機関は、クランク軸のうち機関本体の前面から突出した一端部に固定されたクランクプーリと、前記クランク軸と平行な軸心回りに回転する補機プーリと、これらプーリに巻き掛けられたベルトと、前記ベルトのうち前記補機プーリの近くの部位を当該ベルトの背面側から挟み込む一対のテンションプーリとを備えている。

そして、請求項１の発明は、前記一対のテンションプーリはそれぞれアームに取付けられており、前記両アームは、前記補機プーリの回転軸心と平行な軸心回りに一緒に回動する構成において、前記両アームの回動中心を、クランク軸心方向から見て前記補機プーリと重なった状態を保持しつつ、前記補機プーリの軸心を挟んで機関本体と反対側に向いた方向にずらしている。

請求項２の発明は、請求項１において、前記補機は、クランク軸線方向から見て前記機関本体の左又は右の外側に配置されている一方、前記一対のテンションプーリは、クランク軸線と直交した方向から見て前記機関本体の前面の手前に配置されている。

請求項３の発明は、請求項２において、前記クランク軸の一端部には、当該クランク軸の軸線方向にずれた複数のクランクプーリが固定されており、各クランクプーリに巻き掛けたベルトのうち前記機関本体に最も近い第１ベルトが、前記補機プーリに巻き掛けられていると共に前記一対のテンションプーリで挟み込まれている。

本願発明では、テンションプーリの回動軸心を補機プーリの回転軸心に対して機関本体の外側方向にずらしたことにより、テンションプーリが他の部材に当たることを防止しつつ、補機を機関本体にできるだけ近付けることができる。すなわち、オートテンショナの配置による制約を受けることなく、補機をできるだけ機関本体に近付けることができる。そして、オートテンショナは補機に比べて遥かに小さくかつ軽量であるため、オートテンショナの回動軸心を補機プーリの回転中心に対してずらしても、内燃機関の重心がずれたり、オートテンショナが邪魔になったりすることはない。

従って、本願発明によると、内燃機関をコンパクト化できると共に、補機の固定強度を高めて内燃機関の堅牢性を向上できると共に振動の抑制にも貢献できる。特に、請求項２の構成を採用すると、補機は機関本体の横に近付けで配置できるため、コンパクト化や補機の支持強度向上を確実化できる。

また、クランク軸が横向き姿勢となるようにして内燃機関を車両に搭載した場合、機関本体の後面に頑丈な構造の補機があると、車両が衝突したときに補機が機関本体で後ろに押されて隔壁を後ろに押しやったり、隔壁を突き破って車内に突出したりすることが懸念され、そのため搭乗者に悪影響を与えることがあるが、請求項２の発明では、補機をできるだけ機関本体に接近させることができるため、補機の後ろには、車両が何かに衝突したときに補機の後退動を許容する空間を空けることができるのであり、その結果、衝突事故時の安全性も向上できる。

さて、図８(Ａ)は、実施形態に準じて、補機プーリとアイドルプーリ３０とにベルト１９を巻きた状態を表示しており、補機プーリ１５が抵抗として作用すると、ベルト１９は大きく曲がった状態から一点鎖線で示すように張った状態に移行しようとする（実際には、ピンと張った状態までは移行せず、僅かに屈曲した状態まで移行する。）。

従って、テンションプーリ２９はベルト１９により、白抜き矢印で示す方向に押されるが、テンションプーリ２９の回動中心５０が補機プーリ１５の回転中心５１から外側にずれていると、テンションプーリ２９は、必然的に、テンションプーリ２９の回動中心が補機プーリ１５の回転中心と同心である場合に比べて、補機プーリ１５に近づく。

すると、ベルト１９でテンションプーリ２９が押される方向Ａとテンションプーリ２９の可動方向Ｂとの乖離角度θ１，θ２は、テンションプーリ２９の回動中心５０が補機プーリ１５の回転中心５１からずれている場合の方が大きくなっている。

従って、ベルト１９でテンションプーリ２９が押される力を(Ｂ)に示すようにＦ０とすると、Ｆ０のうちテンションプーリ２９の回動に寄与する力は、回動中心５０が同心である場合におけるＦ０・ｃｏｓθ１に比べて、回動中心５０がずれている場合におけるＦ０・ｃｏｓθ２の方が小さくなっており、このため、テンションプーリ２９は、回動中心５０が補機プーリ１５と同心であるに場合に比べて、ずれている場合の方が回動しにくくなっている。

従って、本願発明では、例えばモータジェネレータを発電機として働かせることによってベルトに張力が作用した場合のように、ベルトが瞬間的に張ることでテンションプーリを押し出す現象が生じたとき、テンションプーリに対する押し出し力を抑制することで、テンションプーリが跳ね出される現象を防止又は抑制できる。その結果、ベルト及びテンションプーリのバタ付き現象（踊り現象・暴れ現象）を抑制することができる。

さて、組み付け誤差や加工誤差等によってテンションプーリの位置が設計位置からクランク軸線方向にずれるミスアライメントが発生している場合、ミスアライメントの影響は、補機プーリの回転中心からテンションプーリが離れるほど小さくなる。つまり、補機プーリの軸心からの距離が大きくなると、補機プーリの軸心からテンションプーリまでの距離（スパン）に対するミスアライメント量（テンションプーリとベルトとがベルトの巾方向にずれている量）の比率は小さくなるため、ミスアライメントに起因したベルトのねじれ量は小さくなるのであり、このため、偏磨耗や異音の発生など、ミスアライメントによる悪影響を抑制できる。

そして、本願発明では、テンションプーリの位置が補機プーリの軸心回りに回動する場合と同じと過程すると、テンションプーリの回動中心がずれていることにより、ベルトの張りに伴ってテンションプーリが移動するにおいて、図８の２つの回動軌跡から理解できるように、テンションプーリは補機プーリから遠ざかっていくため、テンションプーリの回動量に比例してベルトのねじれ量が小さくなるのであり、従って、ミスアライメントの影響を抑制することができる。

他方、クランク軸に複数のクランクプーリを設けて、複数種類の補機を別々のベルトで駆動すると、トルクの制御等が容易になると共に、ベルトへの負担も軽減できる利点がある。請求項３の発明は、このように複数のクランクプーリを設けた場合において、機関本体に最も近い第１ベルトにテンションプーリを配置したものであり、テンションプーリも機関本体にできるだけ寄せて配置できるため、内燃機関のコンパクト化に一層貢献できる。

また、一対のテンションプーリは、補機をベルトで駆動したりベルトを補機で駆動したりするために必要であり、この場合の補機はモータジェネレータのような大型であることが多いが、請求項３の構成とすることで、補機が機関本体の手前に出っ張ることも抑制できるため、コンパクト化に一層貢献可能となる。

実施形態の全体的な概略正面図である。 内燃機関の平面図である。 クランクプーリの平断面図である。 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４を V-V視方向から見たおおまかな側面図である。 図４のVI-VI 視断面図である。 テンションプーリの動きを説明する図である。 作用を説明するための図である。

(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線Ｏ１の方向であり、左右方向は、気筒軸線Ｏ２及びクランク軸線Ｏ１と直交した方向である。なお、実施形態の内燃機関は、気筒軸線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、便宜的に気筒軸線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を挟んだ左側には、請求項に記載した補機の一例としてのモータジェネレータ（ＩＳＧ）９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。

機関本体１は、図１に表示しているように、エアコン用コンプレッサ１０を設けた側が前を向いて、モータジェネレータ９を設けた側が後ろを向く姿勢で車両のエンジンルームに配置されている。従って、クランク８は、車両の進行方向に向かって左右長手の姿勢になっている（従って、車両の前後方向と機関本体１の前後方向とは、９０度相違している。）。

モータジェネレータ９は複数のブラケット（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。

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プーリ１５と第１クランクプーリ１８とに第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とに第３ベルト２３が巻き掛けられている。本実施形態では、モータジェネレータプーリ１５が、請求項に記載した補機プーリに相当する。

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で背面側から挟み込まれている。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。

モータジェネレータ９は機関本体１の左横に配置しているが、モータジェネレータプーリ１５を機関本体１の手前に配置することで、第１ベルト１９との間の動力伝達が許容されている。また、オートテンショナ２９のテンションプーリ２９も、機関本体１の手前に配置されている。更に、第１クランクプーリ１８は機関本体１に近い位置に配置しているため、モータジェネレータプーリ１５及びテンションプーリ２９は、機関本体１の手前に位置しているものの、機関本体１の手前への張り出し寸法はできるだけ小さくなっている。従って、モータジェネレータ９の全体を機関本体１の横に配置できる。

モータジェネレータ９はクランク軸８よりも上に位置しており、ウォータポンプ１１及びアイドルプーリ３０は、モータジェネレータ９及び第１クランクプーリ１８よりも上に位置している。また、アイドルプーリ３０及びウォータポンプ１１は、正面視で気筒軸線Ｏ２よりもモータジェネレータ９に寄ったエリアに配置されている。

図３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とはクランク軸心Ｏ１とは一体に形成されており、ボルト３２でクランク軸９に固定されている。そして、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。

各ベルト１９，２１，２３は、複数の山形リブを有するマルチタイプのＶベルトを使用しており、各ベルト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。

モータジェネレータ９は、上部と下部との２か所において機関本体１の側面部に取付けられている。上部においては、図２に示すように、モータジェネレータ９のケーシングに設けた左右のリブ３３にブラケット３４の下部をボルト２５で固定し、ブラケット３４の上部を、シリンダヘッド３の一側面に突設したボス３６にボルト３７で固定すると共に、フロントカバー５に設けた横向き張り出し部３８にボルト３９で固定している。

(2).オートテンショナの構成
図４〜６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プーリ１５が遊嵌するリング状のベース（本体）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４２，４３を、テンションプーリ２９が遠近動し得るように重ねた状態でベース４１に装着し、かつ、略Ｕ型のばね４４で２つのアーム４２，４３の間隔を保持している。ベース４１には、蓋板４５を装着している。

２つのテンションプーリ２９は、ばね４４と一緒にベース４１の軸心回りに回動し得ると共に、ばね４４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４６を設けており、足部４６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４６は、図３に一点鎖線で示すトップブラケット板４７に固定されている。なお、トップブラケット板４７は、リアブラケット板４８と補強ロッド４９に連結されている。

図４に示すように、オートテンショナ２８におけるベース４１の軸心（アーム４２，４３の回動中心）５０は、クランク軸心方向から見た正面視において、モータジェネレータプーリ１５と重なった状態を保持しつつ、モータジェネレータプーリ１５の軸心５１を挟んで、両テンションプーリ１９と反対側に若干の寸法Ｅだけずれている。換言すると、アーム４２，４３の回動中心５０は、フロントカバー５及びクランク軸８から遠ざかる方向に、モータジェネレータ９におけるプーリ１５の軸心５１よりも寸法Ｅだけずれている。

(3).まとめ
図７において、実線は、機関の運転停止状態及びモータジェネレータ９に負荷が掛かっていない基準状態を示しており、この状態では、２つのテンションプーリ２９に作用する第１ベルト１９の張力は釣り合っている。

他方、細かい目の点線は、モータジェネレータ９が発電機として働く場合の状態を示しており、この状態では、第１ベルト１９の周回に対してモータジェネレータ９が負荷になるため、第１ベルト１９は、モータジェネレータプーリ１５とアイドルプーリ３０との間での張力が大きくなるため、テンションプーリ２９は基準状態よりも上側に移動する。

また、粗い目の点線は、モータジェネレータ９がモータとして働く場合の状態を示しており、この状態では、第１ベルト１９がモータジェネレータ９で駆動されるため、第１ベルト１９は、モータジェネレータプーリ１５と第１クランクプーリ２０との間での張力が大きくなって、２つのテンションプーリ２９は基準状態よりも下方に移動する。

そして、仮にテンションプーリ２９の回動中心５０がモータジェネレータプーリ１５の回転中心５１と同心であると、モータジェネレータ９を機関本体１に寄せるとテンションプーリ２９がウォータポンプ１１のプーリ１７に接近し過ぎてしまうおそれがあるが、回動中心５０が回転中心５１に対して機関本体１の外側にずれているため、オートテンショナ２８のテンションプーリ２９とウォータポンプ１１のプーリ１７との間に必要な間隔を空けつつ、モータジェネレータ９をできるだけ機関本体１に寄せることができる。

従って、内燃機関をできるだけコンパクト化できると共に、モータジェネレータ９の取付け強度を向上できるのである。第１ベルト１９のバタ付きを抑制できることと、ミスアライメントの影響を抑制できることは、既に説明したとおりである。

本実施形態では、モータジェネレータ９を機関本体１の横（車両の方向から見ると機関本体１の後ろ）に配置しても、モータジェネレータ９の横（後ろ）に空間を空けることが
できることにより、車両が何かに正面衝突したきに機関本体１が後ろに移動することがあるが、本実施形態では、機関本体１が後ろに移動しても、エンジンルームと車両内部室とを仕切る隔壁とモータジェネレータ９との間の空間をできるだけ大きくできるため、モータジェネレータ９によって隔壁が突き破られたり、後ろに突き出されたりすることを防止又は抑制できる。その結果、衝突時の乗員の安全性を高めることができる。

クランク軸８に３つのクランクプーリ１８，２０，２２を設けて、モータジェネレータ９とエアコン１０とウォータポンプ１１とを別々のベルト１９，２１，２３で駆動等しているため、各ベルト１９，２１，２３の巾やクランクプーリ１８，２０，２２の外径等は必要な条件に応じて任意に設定できる。このため、各補機は、他の補機の影響を受けることなく適切に駆動等することができる。

更に、最も大きい負荷が掛かる第１ベルト１９は機関本体１に最も寄せて配置していることにより、モータジェネレータプーリ１５が機関本体１の手前に突出する寸法を最小限度に抑えることができるため、クランク軸８に作用する曲げモーメントやモータジェネレータプーリ１５に作用するモーメントをできるだけ抑制できる。その結果、クランク軸８やモータジェネレータ９の回転軸の負担を軽減してその耐久性を向上できる。また、テンションプーリ２９も機関本体１に寄せて配置できるため、内燃機関のコンパクト化に一層貢献できることになる。

なお、本実施形態では、アイドルプーリ３０を気筒軸線Ｏ２を挟んだ片側に寄せると共に、モータジェネレータ９も機関本体１の片側の横に寄せており、これにより、モータジェネレータ９を有する動力伝達系をコンパクト化できるが、上下のテンションプーリ２９を結ぶ線は、アイドルプーリ３０とクランク軸８とを結ぶ線と同じ方向に傾斜しているため、第１ベルト１９のうちモータジェネレータプーリ１５を挟んだ上下の箇所での張力のバランスを均衡させて、第１ベルト１９を適度の曲がり状態に保持できる。この点も、本実施形態の利点の一つである。

上記の実施形態は、テンションプーリはモータジェネレータ用のベルトに適用されているが、本願発明は、他の補機プーリに巻き掛けたベルトをテンションプーリで挟み込む場合にも適用できる。

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 機関本体としてのシリンダブロック
３ 機関本体としてのシリンダヘッド
９ モータジェネレータ（請求項の補機）
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プーリ（請求項の補機プーリ）
１７ ウォータポンプのプーリ
１８ 第１クランクプーリ（請求項のクランクプーリ）
１９ 第１ベルト（請求項のベルト）
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
４１ ベース
４２，４３ アーム
４４ ばね
５０ アームの回動中心
５１ 補機プーリであるモータジェネレータプーリの軸心

Claims (3)

1. クランク軸のうち機関本体の前面から突出した一端部に固定されたクランクプーリと、前記クランク軸と平行な軸心回りに回転する補機プーリと、これらプーリに巻き掛けられたベルトと、前記ベルトのうち前記補機プーリの近くの部位を当該ベルトの背面側から挟み込む一対のテンションプーリとを備えており、
   前記一対のテンションプーリはそれぞれアームに取付けられており、前記両アームは、前記補機プーリの回転軸心と平行な軸心回りに一緒に回動する構成であって、
   前記両アームの回動中心を、クランク軸心方向から見て前記補機プーリと重なった状態を保持しつつ、前記補機プーリの軸心を挟んで機関本体と反対側に向いた方向にずらしている、
   車両用内燃機関。
2. 前記補機は、クランク軸線方向から見て前記機関本体の左又は右の外側に配置されている一方、前記一対のテンションプーリは、クランク軸線と直交した方向から見て前記機関本体の前面の手前に配置されている、
   請求項１に記載した車両用内燃機関。
3. 前記クランク軸の一端部には、当該クランク軸の軸線方向にずれた複数のクランクプーリが固定されており、各クランクプーリに巻き掛けたベルトのうち前記機関本体に最も近い第１ベルトが、前記補機プーリに巻き掛けられていると共に前記一対のテンションプーリで挟み込まれている、
   請求項２に記載した車両用内燃機関。

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