JP2012237357A - 内燃機関の制振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特に少数気筒の内燃機関で顕在化する、燃焼一次振動の低減を図る。
【解決手段】膨張行程において、クランクシャフト７１の回転に従動して回転するバランスシャフト６１の一部によって押圧されることで、ピストンからシリンダブロック８２に作用する荷重Ａを打ち消すような方向の付勢力Ｂをクランクケース８１の内面に作用させる付勢機構９１を設けた。前記付勢力Ｂは、燃焼時にピストンがシリンダボア内周に打ち付けられることによりシリンダブロック８２に加わる力を相殺する。エンジン回転数が燃焼一次振動の共振回転数を越えて高くなった場合には、付勢機構９１をバランスウエイト６２の一部によって押圧されない位置に退避させる。
【選択図】図３

Description

本発明は内燃機関、特に少数気筒の内燃機関の制振装置に関する。

少数気筒の内燃機関では、ピストンの往復慣性に起因して内燃機関本体が振動する問題が顕著となる。単気筒の機関は勿論のこと、二気筒の機関でも、第一気筒のピストンと第二気筒のピストンとが同時に進退することから、単気筒の機関と同様の大きな往復慣性振動が発生する。

この往復慣性振動を抑制する目的で、内燃機関にバランスシャフトを実装することがよく知られている（例えば、下記特許文献を参照）。バランスシャフトは、バランスウェイトを有し、クランクシャフトに従動してクランクシャフトと等回転速度で回転する。バランスシャフトは、ピストンが上昇するときにバランスウェイトが下降し、ピストンが下降するときにバランスウェイトが上昇するように回転し、バランスウェイトの遠心力を以てピストンの往復慣性と逆方向の力を生み、往復慣性を相殺する働きをする。

ピストンの往復運動に伴う内燃機関本体の振動は、往復慣性振動だけではない。膨張行程にて、燃料が燃焼して燃焼室内が高温高圧となりピストンが押し下げられ、コンロッド（コネクティングロッド）を介して接続しているクランクアームが回転するが、その反作用でコンロッドからピストンには往復運動方向（シリンダの軸心方向）に対して交差する方向の反力が加わり、ピストンがシリンダボア内周に打ち付けられる燃焼一次振動も存在する。

上述の燃焼一次振動の共振周波数は、三気筒以上の多気筒の機関ではアイドル回転以下となるため、通常は認識されない。しかしながら、二気筒以下の少数気筒の機関ではアイドル回転以上となるため、実運転領域においてその振動が顕在化する。

例えば、車両用二気筒内燃機関の燃焼一次振動の共振は、８００ｒｐｍ程度の回転数で起こる。８００ｒｐｍはアイドル回転数と同等かそれよりも高い回転数であるので、アイドル運転または低回転の運転領域において大きな燃焼一次振動を免れないことになる。アイドル回転数を８００ｒｐｍよりも大きく設定する、またはエンジンＡＳＳＹを重量化することにより燃焼一次振動を抑圧することも考えられるが、これらは燃費の悪化に直結する。

特開２００９−２７０５０７号公報

本発明は、内燃機関の燃焼一次振動の低減を図ることを所期の目的としている。

本発明では、膨張行程において、クランクシャフトの回転に従動して回転するバランスシャフトまたはクランクシャフトの一部によって押圧されることで、ピストンからシリンダブロックに作用する荷重を打ち消すような方向の付勢力をシリンダブロックに一体となっているクランクケースの内面に作用させる付勢機構と、エンジン回転数が所定以上となった場合に前記付勢機構を前記バランスシャフトまたはクランクシャフトの一部によって押圧されない位置に退避させる変位機構とを具備する内燃機関の制振装置を構成した。

付勢機構による付勢力は、燃焼時にピストンがシリンダボア内周に打ち付けられることによりシリンダブロックに加わる力を相殺する。変位機構は、エンジン回転数が燃焼一次振動の共振回転数を越えて高くなったときに付勢機構をバランスシャフトまたはクランクシャフトの一部によって押圧されない位置に退避させ、燃焼一次振動が顕在化しない運転領域における機械的エネルギ損失を回避する。

本発明は、内燃機関の燃焼一次振動の低減を図ることが可能である。

本発明の一実施形態における内燃機関の全体構成を示す図。 同実施形態における内燃機関の制振装置を示す側断面図。 同実施形態における内燃機関の制振装置を示す側断面図。 同実施形態における内燃機関の制振装置を示す側断面図。 同実施形態における内燃機関の制振装置を示す側断面図。 同実施形態における内燃機関の制振装置を示す平断面図。

本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。図１に、本実施形態における車両用内燃機関の概要を示す。本実施形態の内燃機関は、複数の気筒１（図１には、そのうち一つを図示している）と、各気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１１と、各気筒１に吸気を供給するための吸気通路３と、各気筒１から排気を排出するための排気通路４と、吸気通路３を流通する吸気を過給する排気ターボ過給機５と、排気通路４から吸気通路３に向けてＥＧＲガスを還流させる外部ＥＧＲ通路２とを備えている。

本実施形態における内燃機関は、二気筒の４サイクルエンジンであり、第一気筒１の行程と第二気筒１の行程との間には３６０°ＣＡ（クランク角度）の位相差が存在する。つまり、第一気筒１のピストン１２と第二気筒１のピストン１２とは同時に上昇し、また同時に下降する。

吸気通路３は、外部から空気を取り入れて気筒１の吸気ポートへと導く。吸気通路３上には、エアクリーナ３１、過給機５のコンプレッサ５１、インタクーラ３２、電子スロットル弁３３、サージタンク３４、吸気マニホルド３５を、上流からこの順序に配置している。

排気通路４は、気筒１内で燃料を燃焼させた結果発生した排気を気筒１の排気ポートから外部へと導く。この排気通路４上には、排気マニホルド４２、過給機５の駆動タービン５２及び三元触媒４１を配置している。加えて、タービン５２を迂回する排気バイパス通路４３、及びこのバイパス通路４３の入口を開閉するバイパス弁であるウェイストゲート弁４４を設けてある。ウェイストゲート弁４４は、アクチュエータに制御信号ｌを入力することで開閉操作することが可能な電動ウェイストゲート弁であり、そのアクチュエータとしてＤＣサーボモータを用いている。

排気ターボ過給機５は、駆動タービン５２とコンプレッサ５１とを同軸で連結し連動するように構成したものである。そして、駆動タービン５２を排気のエネルギを利用して回転駆動し、その回転力を以てコンプレッサ５１にポンプ作用を営ませることにより、吸入空気を加圧圧縮（過給）して気筒１に送り込む。

外部ＥＧＲ通路２は、いわゆる高圧ループＥＧＲを実現するものである。外部ＥＧＲ通路２の入口は、排気通路４におけるタービン５２の上流の所定箇所に接続している。外部ＥＧＲ通路２の出口は、吸気通路３におけるスロットル弁３３の下流の所定箇所、具体的にはサージタンク３４に接続している。外部ＥＧＲ通路２上にも、ＥＧＲクーラ２１及びＥＧＲ弁２２を設けてある。

内燃機関の運転制御を司るＥＣＵ（電子制御装置）０は、プロセッサ、メモリ、入力インタフェース、出力インタフェース等を有したマイクロコンピュータシステムである。入力インタフェースには、車速を検出する車速センサから出力される車速信号ａ、エンジン回転数を検出する回転数センサから出力される回転数信号ｂ、アクセルペダルの踏込量を検出するアクセルセンサから出力されるアクセル開度要求信号ｃ、吸気通路３（特に、サージタンク３４）内の吸気圧（過給圧）を検出する圧力センサから出力される吸気圧信号ｄ、吸気通路３内の吸気温を検出する温度センサから出力される吸気温信号ｅ、吸気カムシャフトの端部にあるタイミングセンサから出力されるクランク角度信号及び気筒判別用信号ｆ、排気カムシャフトの端部にあるタイミングセンサから所定クランク角度の回転毎に出力される排気カム信号ｇ等が入力される。出力インタフェースからは、インジェクタ１１に対して燃料噴射信号ｈ、点火プラグ（のイグニッションコイル）に対して点火信号ｉ、ＥＧＲ弁２２に対して開度操作信号ｊ、スロットル弁３３に対して開度操作信号ｋ、ウェイストゲート弁４４に対して開度操作信号ｌ等を出力する。アクセルペダルの踏込量は、運転者が指令する要求負荷（エンジン出力）と捉えることができる。

ＥＣＵ０のプロセッサは、予めメモリに格納されているプログラムを解釈、実行して、内燃機関の運転を制御する。ＥＣＵ０は、内燃機関の運転制御に必要な各種情報ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇを入力インタフェースを介して取得し、それらに基づいて吸気量や要求燃料噴射量、点火時期、要求ＥＧＲ量等を演算する。そして、演算結果に対応した各種制御信号ｈ、ｉ、ｊ、ｋ、ｌを出力インタフェースを介して印加する。

既に述べた通り、本実施形態における内燃機関は二気筒エンジンであり、ピストン１２の往復慣性による振動が大きくなる傾向にある。そこで、この内燃機関は、上下加振力を低減するためのバランスシャフト６１を備えている。

図２ないし図５に示すように、バランスシャフト６１は、クランクシャフト７１と略平行に配置される。バランスシャフト６１は、その軸端部に設けたバランスシャフトギア６１１とクランクシャフト７１の軸端部に設けたクランクシャフトギア７１１との噛合による伝動機構を介して、クランクシャフト７１から回転駆動力の伝達を受ける。そして、図２ないし図５中、反時計回りに回転する。バランスシャフト６１の回転速度は、クランクシャフト７１の回転速度に等しい。因みに、ギア６１１、７１１の噛合以外に、スプロケット・チェーン等の巻掛伝動機構を用いてバランスシャフト６１をクランクシャフト７１に従動回転させるようにしても構わない。

バランスシャフト６１の中間部は、バランスシャフト６１の軸心から偏心したバランスウェイト６２となっている。バランスシャフト６１のウェイト６２は、クランクケース８１内に回転可能に収容されている。

クランクケース８１は、ピストンが摺動するシリンダボアを包有しているシリンダブロック８２に一体的に結合している。その上で、本実施形態では、クランクケース８１内に、バランスシャフト６１の一部であるバランスウェイト６２に押圧される付勢機構（リフタ）９１を設けている。付勢機構９１は、基端側がクランクケース８１の内面に接し、先端側がバランスウェイト６２の外周面に接する、弾性変形により伸縮可能な部材である。例えば、ばね、アブソーバ、ゴム等を使用して、付勢機構９１を構成することができる。

膨張行程において、シリンダヘッド、シリンダボア及びピストンによって包囲される燃焼室内は燃料の燃焼により高温高圧となり、ピストンを押し下げ、コンロッドを介して接続しているクランクアームをクランクシャフト７１の軸心周りに回転させる。その際、コンロッドは、シリンダボアの軸心方向、換言すればピストンの往復運動の方向に対し略垂直な姿勢から、当該方向に対し傾斜した姿勢へと揺動する。このため、ピストンには、コンロッドを揺動させかつクランクアームを回動させることの反作用で、シリンダボアの軸心方向に対して交差する方向の反力が加わる。この反力により、ピストンがシリンダボアの内周面に打ち付けられ、内燃機関本体の外郭をなすシリンダブロック８２、クランクケース８１等を振動させる。これが、内燃機関の燃焼一次振動となる。

付勢機構９１は、内燃機関に発生する燃焼一次振動を軽減する役割を担う。ピストンが図２に示す上死点から図４に示す下死点へと向かう過程で、バランスウェイト６２は付勢機構９１が配設されたクランクケース８１の内面に近づく方向に回動しつつ上昇する。付勢機構９１は、その先端側にバランスウェイト６２の外周面が接した後、図３に示すように、クランクケース８１の内面とバランスウェイト６２の外周面との間で弾性変形して圧縮される。そして、弾性付勢力Ｂによってクランクケース８１の内面を押す。この付勢力Ｂは、膨張行程においてピストンからシリンダボアに作用する荷重Ａと反対方向の成分を含み、付勢力Ｂにより荷重Ａの少なくとも一部を相殺する。つまり、付勢力Ｂと荷重Ａとが互いに逆モーメントとなって打ち消し合い、燃焼一次振動を低減する。

バランスウェイト６２の外周面の形状は、ピストンがシリンダボアに強く打ち付けられるタイミングと、付勢機構９１が大いに圧縮されてクランクケース８１の内面を強く押すタイミングとが合致するように設定する。

ピストンが下死点近傍に至り、バランスウェイト６２が略最上位に至ると、付勢機構９１の先端側からバランスウェイト６２の外周面が離れる。ピストンが図４に示す下死点から図２に示す上死点へと向かう過程では、バランスウェイト６２は付勢機構９１が配設されたクランクケース８１の内面から離反する方向に回動しつつ下降するので、図５に示すように、付勢機構９１にバランスウェイト６２は接触せず、付勢機構９１は圧縮されず、弾性力によって伸長し元の寸法に復元する。

車両用二気筒内燃機関の燃焼一次振動の共振は、約８００ｒｐｍ程度の回転数で起こる。エンジン回転数が８００ｒｐｍよりも十分に高い時期は、燃焼一次振動の問題は顕在化しない。そこで、エンジン回転数が燃焼一次振動の問題が顕在化しない所定の回転数以上となった場合には、付勢機構９１をバランスウェイト６２の外周面とは接触しない退避位置に退避させることが望ましい。例えば、図６に示すように、付勢機構９１の基端側とクランクケース８１の内面との間に変位機構９２を介設しておき、エンジン回転数が所定以上となった場合に付勢機構９１をウェイト６２と接触しないバランスシャフト６１の軸端部付近まで変位させるようにする。

変位機構９２は、例えば作動液（油）圧によって駆動する液圧シリンダその他の機構とする。作動液は、エンジン回転数が高いほど高圧力の作動液を供給するポンプ（図示せず）によって供給する。エンジン回転数が所定以上の場合には、高圧液が変位機構９２に供給され、付勢機構９１をバランスシャフト６１の軸心方向に沿って変位させる。結果、付勢機構９１が、図６中破線で示す初期位置から図６中実線で示す退避位置へと退避する。付勢機構９１が退避位置にあるとき、バランスシャフト６１が回転してもウェイト６２の外周面は付勢機構９１の先端側には接触しない。

エンジン回転数が衰えて所定以下となった場合には、高圧液が変位機構９２に供給されなくなることから、付勢機構９１が退避位置から初期位置に復帰し、再びウェイト６２の外周面が付勢機構９１の先端側に接触し得る状態となる。

本実施形態によれば、膨張行程において、クランクシャフトの回転に従動して回転するバランスシャフトの一部たるバランスウェイト６２によって押圧されることで、ピストンからシリンダブロック８２に作用する荷重Ａを打ち消すような方向の付勢力Ｂをシリンダブロック８２に一体となっているクランクケースの内面に作用させる付勢機構９１と、エンジン回転数が所定以上となった場合に前記付勢機構９１を前記バランスウェイト６２によって押圧されない位置に退避させる変位機構９２とを具備する内燃機関の制振装置を構成したため、燃焼時にピストンがシリンダボア内周に打ち付けられることによりシリンダブロック８２に加わる力を付勢機構９１の付勢力Ｂで相殺し、燃焼一次振動を低減することができる。

加えて、変位機構９２が、エンジン回転数が燃焼一次振動の共振回転数を越えて高くなったときに付勢機構９１をバランスシャフト６２によって押圧されない位置に退避させることから、燃焼一次振動が顕在化しないエンジン回転数の比較的高い運転領域における余分な機械的エネルギ損失を回避することができる。

本実施形態の制振装置は、既存の内燃機関の機構に必要最小限の部材を追加することで構成でき、低コストで実現可能である。燃焼一次振動の問題を避ける目的でアイドル回転数を高く設定する必要がなく、徒に燃費を悪化させない点でも有利である。

なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。列挙すると、上記実施形態では、変位機構が付勢機構をバランスシャフトの軸心方向に沿って変位させるものであったが、付勢機構を上方または下方に変位させてバランスウェイトとの接触を回避するものとしてもよい。

上記実施形態では、バランスウェイトがカムとなって付勢機構を押圧していたが、バランスシャフトにおけるバランスウェイト以外の部位、またはクランクシャフトの所要部位（クランクアームや、クランクアームと同じようにクランクシャフトの軸心から径方向に突出した部位等）によって付勢機構を押圧し、ピストンからシリンダブロックに作用する荷重を打ち消すようにしてもよい。

また、上記実施形態では変位機構は液圧シリンダ等であったが、電磁ソレノイドやステッピングモータ、サーボモータ等を用いて変位機構を構成することもできる。この場合、エンジン回転数の高低に応じて、ＥＣＵから電磁ソレノイド、モータ等に制御信号を入力してこれを制御し、付勢機構を退避位置に退避させることになる。

内燃機関の気筒数は二気筒には限定されない。単気筒その他、燃焼一次振動が実運転領域において顕在化する機関一般に本発明を適用することが可能である。

その他各部の具体的構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

本発明は、車両等に搭載される内燃機関に利用することができる。

６１…バランスシャフト
６２…バランスウェイト
８１…クランクケース
８２…シリンダブロック
９１…付勢機構
９２…変位機構
Ａ…ピストンからシリンダブロックに作用する荷重
Ｂ…荷重を打ち消すような方向の付勢力

Claims (1)

1. 膨張行程において、クランクシャフトの回転に従動して回転するバランスシャフトまたはクランクシャフトの一部によって押圧されることで、ピストンからシリンダブロックに作用する荷重を打ち消すような方向の付勢力をシリンダブロックに一体となっているクランクケースの内面に作用させる付勢機構と、
   エンジン回転数が所定以上となった場合に前記付勢機構を前記バランスシャフトまたはクランクシャフトの一部によって押圧されない位置に退避させる変位機構と
   を具備する内燃機関の制振装置。

Images