JP6452191B2 - 車両用内燃機関 - Google Patents

Description

本願発明は、モータジェネレータを備えた車両用内燃機関に関するものである。

車両用の内燃機関では、発電機やウォータポンプ、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。

また、特許文献１では、ベルトの張力を一定に保持するため、モータジェネレータプーリを挟んだ両側にそれぞれ別々のテンションシプーリを配置し、更に、モータジェネレータをスタータモータとして使用する始動時には、モータジェネレータの上流側（下側）に配置したテンションシプーリは位置を固定している。

特開２００３−１７２４１５号公報

さて、モータジェネレータプーリに巻き掛けられているベルトは、モータジェネレータがモータとして機能する場合と発電機として機能する場合とで張り側と弛み側とが変化する。従って、特許文献１のようにモータジェネレータプーリを挟んだ両側にテンションシプーリを配置することは意味があるが、上下のテンションシプーリが独立して動くと、ベルトの踊り現象（バタツキ現象）を生じるおそれがある。

また、始動時にモータジェネレータプーリの上流側のテンションシプーリを固定することは、構造が複雑化するのみならず、ベルトに過大なテンションが掛かってベルトの耐久性を低下させるおそれもある。また、機関の運転中にクランク軸の回転をモータジェネレータでアシストすることも有り得るが、例えば、モータジェネレータを発電機として機能する状態からモータとして機能する状態に移行させると、ベルトがモータジェネレータプーリの上流側で大きく曲がった状態で固定されてしまって、伝動効率を悪化させたりベルトの耐久性を低下させたりするおそれがある。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、モータジェネレータプーリに巻き掛けられたベルトの張力調整に振り子のオートテンショナを使用することで特許文献１の問題を改善しつつ、機関や動力伝達系のコンパクト化等を図ろうとするものである。

本願発明は、
「クランクプーリが固定された一端部を機関本体の一端面から突出させたクランク軸と、クランク軸線方向から見て前記機関本体の左又は右の片側に配置されたモータジェネレータと、前記モータジェネレータに設けたモータジェネレータプーリと、前記機関本体の一端面のうちクランク軸線方向から見て気筒軸心よりも前記モータジェネレータに寄った側でかつ前記モータジェネレータプーリよりも上方の位置に配置されたアイドルプーリと、前記３つのプーリのみに巻き掛けられたベルトとを備えており、
前記ベルトのうち前記モータジェネレータプーリを挟んだ両側の部分が振り子式オートテンショナにおける上下一対のテンションプーリで挟まれており、このため、前記ベルトのうち前記クランクプーリとモータジェネレータプーリとの間の部分及び前記モータジェネレータプーリとアイドルプーリとの間の部分はく字状に曲がっている」
という基本構成になっている。

そして、本願発明は、上記基本構成において、
「前記上下のテンションプーリは、前記各プーリが回転していない基準状態で、上側のテンションプーリが下側のテンションプーリよりも気筒軸心から離れるように設定されており、
前記ベルトのうち前記クランクプーリと下側のテンションプーリとの間に位置した部分と、前記クランクプーリとアイドルプーリとの間に位置した部分は略平行な姿勢になっている」
という構成になっている。

本願発明では、ベルトはモータジェネレータプーリの上流側と下流側とが上下のテンションシプーリで挟まれているが、上下のテンションシプーリは振り子式になっていてベルトの張り・弛みの変化に追従して一緒に移動するため、モータジェネレータがモータとして機能したり発電機として機能したり無負荷状態になったりしてベルトに作用するテンションが変化しても、その変化に追従して、上下のテンションシプーリとベルトとの間のフリクションを自動調節できる。従って、ベルトの踊り現象や耐久性低下を防止又は抑制しつつ、ベルトのテンションを適切に自動調節することができる。

そして、アイドルプーリはモータジェネレータの側に寄せて配置されているため、ベルトを使用した動力伝達系をコンパクト化することができる。すなわち、アイドルプーリとモータジェネレータとをできるだけ近付けることで、動力伝達系をコンパクト化することができる。

しかも、ベルトは、モータジェネレータプーリに負荷が作用していない基準状態で、上側のテンションシプーリが下側のテンションシプーリよりも気筒軸心から離れているため、モータジェネレータをできるだけ下に寄せつつ、ベルトのうちモータジェネレータプーリを挟んだ上下の部位を適度に湾曲させることができる。

つまり、オートテンショナのテンションプーリはベルトで押されて移動するものであり、上下のテンションプーリは、ベルトのうちモータジェネレータプーリを挟んだ両側の部分の張力が均衡する位置で停止するが、上下のテンションプーリが仮に気筒軸心から同じ距離にあると、ベルトのうちモータジェネレータプーリを挟んだ両側の部分の張力を均衡させるには、モータジェネレータプーリはかなり上に位置しておらねばならず、すると、機関の重心が高くなって安定性が悪化するが、本願発明では、上側のテンションプーリが下側のテンションプーリよりも気筒軸心から離れているため、モータジェネレータをできるだけ下に配置しつつ、ベルトのうちモータジェネレータプーリを挟んだ両側の部分の張力を均衡させることができるであり、これにより、ベルトを無理がない自然な状態で周回させつつ、モータジェネレータをできるだけ下方にずらして機関を安定化させることができるのである。

エアコン用のコンプレッサはかなりの重量があるが、実施形態のようにモータジェネレータとエアコン用コンプレッサとを機関本体の左右に振り分けて配置すると、内燃機関のバランスを良くすることができて好適である。特に、実施形態のように、モータジェネレータプーリとエアコン用コンプレッサのプーリとに別々のベルトを巻き掛けると、ベルトの負担を軽減できると共に、負荷変動によってモータジェネレータ用ベルトにバタツキが生じることを大幅に抑制できる。

実施形態の全体的な概略正面図である。 概略平面図である。 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３の IV-IV視断面図である。 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２のVI-VI 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６（Ａ）の VII-VII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１，２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、気筒軸心Ｏ２及びクランク軸線Ｏ１と直交した方向である。正面視はクランク軸線Ｏ１の方向から見た状態である。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の前面（機関本体の一端面）から外側（手前）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正面視で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。

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モータジェネレータプーリ１５，コンプレッサプーリ１６，ウォータポンププーリ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、コンプレッサプーリ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、第１ベルト１９が請求項に記載したベルトに相当する。

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プーリ１５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プーリ１５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を挟んだ上下両側の部位１９ａ，１９ｂは、振り子式のオートテンショナ２８における上下２個のテンションプーリ２９ａ，２９ｂで挟まれている。従って、モータジェネレータプーリ１５を挟んだ上下両側の部位１９ａ，１９ｂはく字状に曲がっている。

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。また、アイドルプーリ３０は、正面視で気筒軸心Ｏ２よりもモータジェネレータ９に寄った側に配置している。
そして、図１に示すように、第１ベルト１９のうち、下方のテンションプーリ２９ｂと第１クランクプーリ１８との間の部分と、第１クランクプーリ１８とアイドルプーリ３０との間の部分１９ｃとは、略平行になっている。見方を変えて見ると、第１ベルト１９のうち、第１クランクプーリ１８を挟んだ両側に位置した部分は略平行になっている。

コンプレッサプーリ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とウォータポンププーリ１７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。

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（互いに別体に構成してもよい）、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、内周面に複数のリブを設けたマルチタイプのＶベルトを使用している。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、各プーリ１５，１６，１７，１８，２０，２２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。

(2).オートテンショナ
図３，４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が遊嵌する円板状ベース４１と、テンションプーリ２９ａ，２９ｂ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２９ａ，２９ｂ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Ｃ形のばね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２９ａ，２９ｂ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２９ａ，２９ｂ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、図２に一点鎖線で示すように、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。

図１に示すように、上側のテンションプーリ２９ａは、下側のテンションプーリ２９ｂよりも気筒軸心Ｏ２から離れている。従って、上下のテンションプーリ２９ａ，２９ｂを結ぶ線Ｏ４は気筒軸心Ｏ２に対して傾斜しているが、機関の運転を停止している（或いは、モータジェネレータ９が無負荷で空回りしている）基準状態での線Ｏ４の傾きの程度は、アイドルプーリ３０とクランク軸８とを結ぶ線Ｏ５の傾きの程度と略同じ程度になっている。すなわち、基準状態において、線Ｏ４は線Ｏ５と略平行になっている。

そして、仮に、基準状態において、上下テンションプーリ２９ａ，２９ｂを結ぶ線が気筒軸心Ｏ２と略平行になるように設定すると（線Ｏ４を気筒軸心Ｏ３と平行に設定すると）、第１ベルト１９のうちモータジェネレータプーリ１５の上側の部分１９ａと下側の部分１９ｂとに適度の曲がりを付与するためには、モータジェネレータ９をかなり上に配置せねばならず、すると、内燃機関の重心が上にずれて安定性が悪くなる。

これに対し、本実施形態のように、基準状態において上下テンションプーリ２９ａ，２９ｂを結ぶ線Ｏ４を線Ｏ５と略平行に傾斜させると、モータジェネレータ９をできるだけ下にずらしつつ、第１ベルト１９のうちモータジェネレータプーリ１５の上側の部分１９ａと下側の部分とに適度の曲がりを付与することができる。このため、内燃機関の重心をできるだけ下にずらして安定性を確保しつつ、第１ベルト１９を無理のない状態で周回させることができる。

また、本実施形態のように、上下テンションプーリ２９ａ，２９ｂの回動中心４８をモータジェネレータプーリ１５の軸心４９よりも外側にずらすと、上下テンションプーリ２９ａ，２９ｂがウォータポンププーリ１７に接近し過ぎることを防止しつつ、モータジェネレータ９をできるだけ機関本体１に近付けて、機関の安定性を更に向上できる。この点も本実施形態の利点の一つである。

(3).モータジェネレータの取付け構造
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５〜７に基づいて説明しておく。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、側面視では、シリンダブロック２に近づくほど上にずれるように傾斜している。そして、第１下ブラケット５２の上部は、シリンダブロック２に設けた前後の支持突起６５の間に挟み込まれていて、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５３ａ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。アーム部５３ｂは、モータジェネレータ９に近づくほど（シリンダブロックから遠ざかるほど）上にずれるように傾斜している。

そして、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下ブラケット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、第１下ブラケット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。

なお、内燃機関は必ずしもフロントカバーを備えている必要はないのであり、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に取り付けることも可能である。実施形態のように、ウォータポンプ１１を第１ベルト１９で囲われた内部に配置すると、補機類をコンパクトに配置できる利点がある。

(4).モータジェネレータの取付け構造の利点
モータジェネレータ９の取付け構造に関する実施形態の利点を、図６に基づいて説明する。第１ベルト１９は図６において時計回り方向に周回しているが、モータジェネレータ９が発電機として機能している場合は、モータジェネレータ９は、矢印７２で示すように斜め上向きに引っ張られる傾向を呈する。

従って、この場合は、モータジェネレータ９の上部が機関本体１に対して押し付けられるが、この場合は、上ブラケット５１が第２上ボルト５８を介してフロントカバー５の張り出し部５６で支持されることにより、モータジェネレータ９は安定良く支持される（張り出し部５６は第１ベルト１９に近い部位に位置しているため、支持機能が高い。）。

また、第１下ブラケット５２は矢印７２と同じ方向に傾斜しているため、モータジェネレータ９が発電機として機能する際に第１ベルト１９によってモータジェネレータ９に作用する押圧力は、第２下ブラケット５３によっても的確に支持される。つまり、モータジェネレータ９が発電機として機能するときは、モータジェネレータ９は上下において機関本体１でしっかりと支持されるのであり、このため、高い安定性を確保できる。

モータジェネレータ９を発電機として機能させることは機関の運転中に頻繁に行われるものであり、発電機として機能させるたびに、モータジェネレータ９には衝撃が作用するが、本願発明では、モータジェネレータ９は上下２か所において、押圧方向（矢印７２の方向）と反対方向から支持されているので、衝撃がしっかりと受け止められる。従って、高い耐久性を確保できると共に振動も抑制できる。

他方、モータジェネレータ９がモータとして機能する場合は、第１ベルト１９のうち下側部分１９ｂが張り側になるため、モータジェネレータ９は、その下部を機関本体１に対して突っ張らせる状態になる。従って、モータジェネレータ９は、図６（Ａ）に矢印７３で示すように、機関本体１に向けて押し付けられる状態になる。

そして、この場合は、第２下ブラケット５３のアーム部５３ｂが矢印７３と同じ方向に傾斜していることにより、モータジェネレータ９がアーム部５３ｂを介してシリンブロック２でしっかりと支持される。従って、振動を発生させることなく、高い耐久性も確保できる。

このように、本願発明では、モータジェネレータ９が発電機として機能する場合もモータとして機能する場合も、モータジェネレータ９を機関本体１で安定良くしっかりと支持できて、高い耐久性を確保できる。

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プーリ
１６ コンプレッサプーリ
１７ ウォータポンププーリ
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）
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
２９ａ，２９ｂ テンションプーリ
３０ アイドルプーリ
４１ アームを介してテンションプーリが取付けられているベース

Claims (1)

1. クランクプーリが固定された一端部を機関本体の一端面から突出させたクランク軸と、クランク軸線方向から見て前記機関本体の左又は右の片側に配置されたモータジェネレータと、前記モータジェネレータに設けたモータジェネレータプーリと、前記機関本体の一端面のうちクランク軸線方向から見て気筒軸心よりも前記モータジェネレータに寄った側でかつ前記モータジェネレータプーリよりも上方の位置に配置されたアイドルプーリと、前記３つのプーリのみに巻き掛けられたベルトとを備えており、
   前記ベルトのうち前記モータジェネレータプーリを挟んだ両側の部分が振り子式オートテンショナにおける上下一対のテンションプーリで挟まれており、このため、前記ベルトのうち前記クランクプーリとモータジェネレータプーリとの間の部分及び前記モータジェネレータプーリとアイドルプーリとの間の部分はく字状に曲がっている構成であって、
   前記上下のテンションプーリは、前記各プーリが回転していない基準状態で、上側のテンションプーリが下側のテンションプーリよりも気筒軸心から離れるように設定されており、
   前記ベルトのうち前記クランクプーリと下側のテンションプーリとの間に位置した部分と、前記クランクプーリとアイドルプーリとの間に位置した部分は略平行な姿勢になっている、
   車両用内燃機関。

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