(57)【要約】【課題】回転運動バランス及び往復運動バランスを効率的に釣り合わせることができるエンジンを提供する。【解決手段】シリンダ２１１が形成されたシリンダブロック２１と、シリンダ２１１の内部を往復運動するピストン２３と、ピストン２３に一端が連結されたコネクティングロッド２５と、コネクティングロッド２５の他端が連結され、コネクティングロッド２５とともにピストン２３の往復運動を回転運動に変換するクランクシャフト２２と、シリンダ２１１の下方領域に設けられ、ピストン２３の往復方向に往復自在に支承されたマス３１と、マス３１を往復移動させる駆動手段と、駆動手段を制御し、マス３１をピストン２３の往復運動と同調させ、マス３１をピストン２３の移動方向と反対方向に移動させるＥＣＵと、を備えた。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダが形成されたシリンダブロックと、
前記シリンダの内部を往復運動するピストンと、
前記ピストンに一端が連結されたコネクティングロッドと、
前記コネクティングロッドの他端が連結され、前記コネクティングロッドとともに前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトと、
前記シリンダの下方域に設けられ、前記ピストンの往復方向に往復自在に支持されたマスと、
前記マスを往復移動させる駆動手段と、
前記駆動手段を制御し、前記マスを前記ピストンの往復運動と同調させ、前記マスを前記ピストンの移動方向と反対方向に移動させる制御手段と、
を備えたことを特徴とするエンジン。
【請求項２】
前記クランクシャフトは、
クランクシャフト部と、
前記クランクシャフト部の回転中心を通る軸線と平行に設けられるクランクピン部と、
前記クランクシャフト部から前記クランクピン部に向けて延び、前記クランクシャフト部と前記クランクピン部とを結合するクランクウエブ部と、
を有することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記ピストンの移動速度を算出する速度演算手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記速度演算手段が算出したピストンの移動速度に基づいて、前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジン。
【請求項４】
前記マスの加速度を算出する加速度演算手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記加速度演算手段が算出した加速度に基づいてフィードバック制御を実行することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のエンジン。
【請求項５】
前記駆動手段は、
前記マスの外側面に前記マスの往復方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に配置された永久磁石と、
前記永久磁石と対向して配置され、Ｎ極とＳ極とを交互に切り替えることにより、前記永久磁石との間に駆動力を生成させる電磁石と、
を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のエンジン。
【請求項６】
前記マスは非磁性体であることを特徴とする請求項５に記載のエンジン。
【請求項７】
前記マス及び前記駆動手段を磁気シールドする遮蔽筐体に収納したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動低減に好適なバランサを備えたエンジンに関するもので、より具体的には、クランクシャフトから独立して駆動されるバランサを備えたエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンは、シリンダブロックとクランクシャフトとを備えている。シリンダブロックには、単数又は複数のシリンダが形成され、シリンダごとに、ピストン、ピストンピン、コネクティングロッドを備えている。シリンダは、円筒形の筒状に形成され、その内部を円筒形のピストンが往復する。ピストンには、ピストンピンにより、コネクティングロッドの一端が連結される。クランクシャフトは、コネクティングロッドとともに、ピストンの往復運動（下降運動）を回転運動に変換するもので、クランクシャフト部、クランクピン部、クランクウエブ部を有する。クランクピン部は、クランクシャフト部の回転中心を通る軸線と平行に設けられ、コネクティングロッドの他端が連結される。クランクウエブ部は、クランクシャフト部からクランクピン部に向けて延び、クランクシャフト部とクランクピン部とを結合する一方、クランクシャフト部を境にクランクピン部の反対側にカウンタウエイト部を設ける。したがって、カウンタウエイト部は、ピストンが上死点に位置する時にクランクシャフトの真下に位置する一方、ピストンが下死点に位置する時に真上に位置する。これにより、カウンタウエイト部は、クランクシャフトまわりの回転運動バランスを釣り合わせることができる。
【０００３】
また、ピストンの往復運動バランスを釣り合わせるものとして、カウンタウエイト部のほかに、バランサを備えたエンジンが知られている。バランサには、クランクシャフトとともにクランクケースの内部に設けられ、クランクシャフトから動力が伝達されるもののほか、クランクケースの外部に設けられ、クランクシャフトと独立して駆動されるものがある（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−１０１５３８号公報
【特許文献２】特開昭６３−１０１５３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述したエンジンは、カウンタウエイト部のほかにバランサを備えるので、エネルギーロスが大きく、効率的ではない。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、回転運動バランス及び往復運動バランスを効率的に釣り合わせることができるエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、シリンダが形成されたシリンダブロックと、前記シリンダの内部を往復運動するピストンと、前記ピストンに一端が連結されたコネクティングロッドと、前記コネクティングロッドの他端が連結され、前記コネクティングロッドとともに前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトと、前記シリンダの下方域に設けられ、前記ピストンの往復方向に往復自在に支持されたマスと、前記マスを往復移動させる駆動手段と、前記駆動手段を制御し、前記マスを前記ピストンの往復運動と同調させ、前記マスを前記ピストンの移動方向と反対方向に移動させる制御手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、マスがピストンの往復運動と同調し、マスがピストンの移動方向と反対方向に移動するので、カウンタウエイト部を小さくできる。これにより、本発明に係るエンジンは、回転運動バランス及び往復運動バランスを効率的に釣り合わせることができる。
【０００８】
本発明の一態様では、前記クランクシャフトは、クランクシャフト部と、前記クランクシャフト部の回転中心を通る軸線と平行に設けられるクランクピン部と、前記クランクシャフト部から前記クランクピン部に向けて延び、前記クランクシャフト部と前記クランクピン部とを結合するクランクウエブ部と、を有することが好ましい。
このようにすれば、クランクシャフト部を境にクランクピン部の反対側に大きなカウンタを有しないので、エネルギーロスが小さくなり、効率がよくなる。
【０００９】
本発明の一態様では、前記ピストンの移動速度を算出する速度演算手段と、を備え、前記制御手段は、前記速度演算手段が算出したピストンの移動速度に基づいて、前記駆動手段を制御することが好ましい。
このようにすれば、ピストンの往復運動にマスが正確に同調する。これにより、振動の少ないエンジンにできる。
【００１０】
また、本発明の一態様では、前記マスの加速度を算出する加速度演算手段と、を備え、前記制御手段は、前記加速度演算手段が算出した加速度に基づいてフィードバック制御を実行することが好ましい。
このようにすれば、ピストンの往復運動にマスがより正確に同調する。これにより、より振動の少ないエンジンにできる。
【００１１】
また、本発明の一態様では、前記駆動手段は、前記マスの外側面に前記マスの往復方向に沿ってＮ極とＳ極とが交互に配置された永久磁石と、前記永久磁石と対向して配置され、Ｎ極とＳ極とを交互に切り替えることにより、前記永久磁石との間に駆動力を生成させる電磁石と、を備えることが好ましい。
このようにすれば、駆動手段が応答性に優れたものとなり、高速回転させた場合でも振動の少ないエンジンにできる。
【００１２】
また、本発明の一態様では、前記マスは非磁性体であることが好ましい。
このようにすれば、マスが磁力の影響を受けなくて済む。
【００１３】
また、本発明の一態様では、前記マス及び前記駆動手段を磁気シールドする遮蔽筐体に収納することが好ましい。
このようにすれば、シリンダブロックなどの金属部品への影響を抑制できる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、マスがピストンの往復運動と同調し、マスがピストンの移動方向と反対方向に移動するので、カウンタウエイト部を小さくできる。これにより、本発明に係るエンジンは、回転運動バランス及び往復運動バランスを効率的に釣り合わせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態である二気筒４サイクルのエンジンの構成を示す断面模式図であって、ピストンが上死点に移動した状態を示す図である。
【図２】図１に示した二気筒４サイクルのエンジンを示す断面模式図であって、ピストンが上死点と下死点との間に移動した状態を示す図である。
【図３】図１に示した二気筒４サイクルのエンジンを示す断面模式図であって、ピストンが下死点に移動した状態を示す図である。
【図４】図１に示したクランクシャフトを示す模式図である。
【図５】図１に示した二気筒４サイクルのエンジンのＶ−Ｖ線矢視図である。
【図６】図１に示したバランサの制御構成を示す模式図である。
【図７】図１に示した二気筒４サイクルのエンジンの制御構成を示すブロック図である。
【図８】図１に示したバランサの制御手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施の形態の変形例である二気筒４サイクルのエンジンの構成を示す断面模式図である。
【図１０】図９に示した二気筒４サイクルのエンジンのＸ−Ｘ線矢視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施の形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００１７】
図１〜図３は、本発明の実施の形態である二気筒４サイクルのエンジンを示す断面模式図であり、図４は、図１に示したクランクシャフトを示す模式図である。また、図５は、図１に示した二気筒サイクルエンジンのＶ−Ｖ線矢視図である。
【００１８】
図１〜図３に示すように、本発明の実施の形態であるエンジンは、クランク位相角度が３６０度の直列二気筒の４サイクルのエンジンで、エンジン本体２とバランサ３とを備える。エンジン本体２は、シリンダブロック２１、クランクシャフト２２、クランクケース２６を備える。シリンダブロック２１には、二つのシリンダ（気筒）２１１が形成され、シリンダ２１１ごとに、ピストン２３、ピストンピン２４、コネクティングロッド２５を備える。シリンダ２１１は、円筒形の筒状に形成され、その内部を円筒形のピストン２３が往復する。ピストン２３には、ピストンピン２４により、コネクティングロッド２５の一端（スモール・エンド）が連結される。
【００１９】
クランクシャフト２２は、コネクティングロッド２５とともに、ピストン２３の往復運動（下降運動）を回転運動に変換するもので、図４に示すように、クランクシャフト部２２０と、クランクシャフト部２２０の回転中心を通る軸線Ｏと平行に設けられたクランクピン部２２１と、クランクシャフト部２２０からクランクピン部２２１に向けて延び、クランクシャフト部２２０とクランクピン部２２１とを結合するクランクウエブ部２２２とを有する。また、本発明の実施の形態に係るクランクシャフト２２は、背景技術で説明したカウンタウエイト部２２３（図４において二点鎖線で示す）よりも小さなカウンタウエイト部２２４を有する。このカウンタウエイト部２２４は、クランクピン部２２１、クランクウエブ部２２２及びコネクティングロッド２５の一部、と静的に釣り合う。これにより、本発明の実施の形態において、カウンタウエイト部２２４は、ピストン２３の分だけ、小さなものとなる。そして、クランクピン部２２１には、コネクティングロッド２５の他端（ラージ・エンド）が連結される。
【００２０】
クランクケース２６は、クランクシャフト２２を収納するためのもので、上面が開口した直方体の箱状の収納容器で構成される。また、本実施の形態では、上述したバランサ３がクランクケース２６の内部に設けられる。
【００２１】
バランサ３は、ピストン２３の往復運動によって生じる振動を低減するためのもので、図１〜図３に示すように、本発明の実施の形態では、シリンダ２１１の下方域にシリンダ２１１ごとに設けられる。バランサ３は、マス３１と電磁石３２を備えて構成される。
【００２２】
マス３１は、ピストン２３の往復方向の慣性力を打ち消す慣性力を生成する重量物（錘）で、ピストン２３の往復方向に往復自在に支持される。図１〜図３に示す例では、マス３１の往復可能なストローク（距離）は、ピストン２３のストロークと略同一に設定されるが、これに限られるものではなく、例えば、ピストン２３のストロークよりも短くてもよい。
【００２３】
図５に示すように、マス３１は、ピストン２３と略同一の重量を有する直方体で形成され、その重心位置は、シリンダ２１１の中心を通る直線上に位置する。マス３１は、例えば、アルミニウムなどの非鉄金属や合成樹脂などの磁力の影響が少ない非磁性体で構成される。図１〜図３に示す例では、マス３１の体積はピストン２３の体積と略同一に設定されるが、これに限られるものではなく、例えば、ピストン２３の体積よりも高さ方向に小さくてもよい。
【００２４】
また、図１〜図３に示すように、マス３１は、外側面に永久磁石３３を備える。永久磁石３３は、マス３１の往復方向に沿ってＮ極３３１とＳ極３３２とが交互に配置される。
【００２５】
電磁石３２は、マス３１の外側面に備えた永久磁石３３とともに駆動手段を構成するもので、永久磁石３３と対向して配置される。電磁石３２は、Ｎ極とＳ極とを交互に切り替えることにより、永久磁石３３との間に駆動力を生成させるもので、極性を切り替える速度を調整することにより、マス３１の速度が調整される。
【００２６】
上述したマス３１と電磁石３２とは、磁気シールドされた遮蔽筐体３４に収納された状態で、クランクケース２６の内部に設置される。
【００２７】
図６は、図１に示したバランサの制御構成を示す模式図である。バランサ３は、電磁石３２の一端と他端に電極３２１，３２２を有している。電極３２１，３２２は、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）４に接続され、電磁石３２は、ＥＣＵ４によって制御される。
【００２８】
図７は、図１に示した二気筒４サイクルのエンジンの制御構成を示すブロック図である。図７に示すように、本発明の実施の形態であるエンジンは、上述したＥＣＵ４のほかに、上死点検出部５、変位検出部６を備える。上死点検出部５は、基準とするピストン２３（以下、このピストンを「第１気筒のピストン」という）が上死点に移動したことを検出するもので、クランクシャフト２２とともに回転するプーリ（回転部材）（図示せず）に設けたマーク（図示せず）と、第１気筒のピストン２３が上死点に移動した時にマークを検出するセンサ（検出手段）（図示せず）とで構成される。尚、本実施の形態であるクランク位相角度が３６０度の直列二気筒の４サイクルエンジンでは、第１気筒のピストン２３は、もう一つのピストン２３（以下、このピストンを「第２気筒のピストン」という）と同時に上死点に移動する。これにより、上死点検出部５が第１気筒のピストン２３が上死点に移動したことを検出した時には、第１気筒のピストン２３と第２気筒のピストン２３とが上死点に位置することになる。変位検出部６は、マス３１の変位を検出するためのもので、例えば、下死点からの距離信号を出力するセンサ６１（図６参照）で構成される。
【００２９】
ＥＣＵ４は、エンジンを制御するためのもので、計時部（計時手段）４１、演算部（演算手段）４２、バランサ制御部（制御手段）４３を備える。計時部４１は、時間を計測する部分で、上死点検出部５が第１気筒のピストン２３が上死点に移動したことを検出してから次に第１気筒のピストン２３が上死点に移動したことを検出するまでの時間を計測する。演算部４２は、ピストン（第１気筒のピストン）２３の位置、移動方向、速度及び加速度と、マス３１の位置、移動方向、速度及び加速度を算出する部分である。
【００３０】
ピストン２３の位置、移動方向、速度及び加速度は、上死点検出部５が第１気筒のピストン２３が上死点に移動したことを検出したタイミング、計時部４１が計測した時間、コネクティングロッド２５の長さ、クランクアームの長さ（クランクシャフト部２２０の中心からクランクピン部２２１の中心までの長さ（図４参照））に基づいて算出する。
【００３１】
具体的に説明する。上死点検出部５が検出したタイミングからは、ピストン２３が上死点に位置すること、ピストン２３の移動方向が上死点から下死点に向かうこと、が特定できる（図１参照）。また、ピストン２３の位置は、コネクティングロッド２５の長さ、クランクアームの長さ、クランクシャフト２２の回転角度（θ）で表すことができる。また、回転角度（θ）は、角速度（ω）と時間（ｔ）の積で表すことができるから、ピストン２３の位置は、コネクティングロッド２５の長さ、クランクアームの長さ、クランクシャフト２２の角速度（ω）と時間（ｔ）で表すことができる。これを時間で微分すれば、ピストン２３の速度（数式）を求めることができる。そして、さらに微分すれば、ピストン２３の加速度（数式）を求めることができる。一方、計時部４１が計測した時間からは、クランクシャフト２２の一回転に要する時間、すなわち、クランクシャフト２２の角速度を特定できる。これにより、ピストン２３の位置、移動方向、速度、加速度が算出される。
【００３２】
マス３１の位置、移動方向、速度及び加速度は、変位検出部６から出力された変位量と変位に要した時間とに基づいて算出する。
【００３３】
バランサ制御部４３は、バランサ３を制御する部分で、演算部４２で求めたピストン２３の位置、移動方向、速度及び加速度と、マス３１の位置、移動方向、速度及び加速度とに基づいてバランサ３を制御する。具体的には、演算部４２で求めたピストン２３の位置、移動方向、速度及び加速度に基づいて、電磁石３２を制御し、マス３１をピストン２３の往復動作と同調させ、マス３１をピストン２３の移動方向と反対方向に移動させる。そして、演算部４２で求めたマス３１の位置、移動方向、速度及び加速度に基づいて、フィードバック制御を実行する。
【００３４】
図８は、図１に示したバランサの制御手順を示すフローチャートである。図８に示すように、本発明の実施の形態である二気筒４サイクルのエンジンの運転を開始すると（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、上死点検出部５と変位検出部６とが監視状態に移行する（ステップＳ２）。これにより、第１気筒のピストンが上死点に移動した場合に上死点検出部５がこれを検出する一方、変位検出部６がＥＣＵ４にマス３１の変位を逐次出力する。
【００３５】
計時部４１は、上死点検出部５が第１気筒のピストン２３が上死点に移動したことを検出すると（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、次に第１気筒のピストン２３が上死点に移動するまでの時間を計測する（ステップＳ４）。そして、演算部４２は、上死点検出部５が第１気筒のピストン２３が上死点に移動したことを検出したタイミング、計時部４１が計測した時間、コネクティングロッド２５の長さ、クランクアームの長さに基づいて、ピストン２３の位置、移動方向、速度及び加速度を算出する（ステップＳ５）。次に、バランサ制御部４３は、ピストン２３の位置及び移動方向、演算部４２が算出したピストン２３の位置、移動方向、速度及び加速度に基づいて制御データを作成する（ステップＳ６）。そして、電磁石３２は、バランサ制御部４３で作成された制御データにより制御される。
【００３６】
一方、演算部４２は、変位検出部６から出力された変位量と変位に要した時間とに基づいて、マス３１の位置、移動方向、速度及び加速度を算出する（ステップＳ７）。そして、バランサ制御部４３は、演算部４２が算出したマス３１の位置、移動方向、速度及び加速度に基づいて制御データを補正する（フィードバック制御）（ステップＳ８）。これにより、電磁石３２は、補正された制御データにより制御される。以降、エンジンが停止する（ステップＳ９：Ｙｅｓ）まで、上記ステップを繰り返すことにより、バランサ３は制御される。これにより、本発明の実施の形態である二気筒４サイクルのエンジンは、マス３１がピストン２３の往復運動と同調し、マス３１がピストン２３の移動方向と反対方向に移動する。
【００３７】
上述した本発明の実施の形態である二気筒４サイクルのエンジンは、マス３１がピストン２３の往復運動と同調し、マス３１がピストン２３の移動方向と反対方向に移動するので、ピストン２３の慣性力がマス３１の慣性力で打ち消される。これにより、ピストン２３の往復方向と交差する方向の慣性力の発生を抑制でき、振動の少ないエンジンにできる。
【００３８】
また、クランクウエブ部２２２は、クランクシャフト部２２０からクランクピン部２２１に向けて延び、クランクシャフト部２２０を境にクランクピン部２２１の反対側に大きなカウンタウエイト部２２３を有しない。これにより、本発明の実施の形態である二気筒４サイクルのエンジンは、エネルギーロスが小さくなり、効率がよくなる。
【００３９】
また、ピストン２３の位置、移動方向、速度及び加速度に基づいて電磁石３２の極性を変更するので、ピストン２３の往復運動にマス３１が正確に同調する。これにより、振動の少ないエンジンにできる。
【００４０】
また、マス３１の加速度に基づいてフィードバック制御するので、ピストン２３の往復運動にマス３１がより正確に同調する。これにより、振動の少ないエンジンにできる。
【００４１】
また、マスの往復方向に沿ってＮ極３３１とＳ極３３２とが交互に配置された永久磁石３３と、永久磁石３３と対向して配置され、Ｎ極とＳ極とを交互に切り替えて、永久磁石３３との間に駆動力を生成させる電磁石３２とで駆動手段を構成したので、駆動手段が応答性に優れたものとなり、高速回転させた場合でも振動の少ないエンジンにできる。
【００４２】
また、マス３１及び電磁石３２を磁気シールドする遮蔽筐体３４に収納したので、シリンダブロックなどの金属部品及びセンサ等への磁気の影響を抑制できる。例えば、磁気特性を利用したセンサ等への影響を抑制できる。
【００４３】
図９は、本発明の実施の形態の変形例である二気筒４サイクルのエンジンの構成を示す断面模式図であり、図１０は、図９に示した二気筒４サイクルエンジンのＸ−Ｘ線矢視図である。なお、上述した実施の形態と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００４４】
図９に示すように、本発明の実施の形態の変形例である二気筒４サイクルのエンジンは、シリンダ２１１ごとに設けたマス３１を一体化したもので、一体化したマス７１を一つの電磁石７２で往復動させることが可能である。
【００４５】
本発明の実施の形態の変形例である二気筒４サイクルのエンジンは、一体化したマス７１を一つの電磁石７２で往復させればよいので、構造及び制御が簡単なものとなり、二気筒４サイクルのエンジンを安価に提供できる。具体的には、マスごとに電磁石等の部品を設ける必要がなくなるので、上述した実施の形態である二気筒４サイクルのエンジンよりも部品点数を削減できる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、ピストンの往復方向と交差する方向の慣性力の発生を抑制でき、振動の少ないエンジンにできるので、乗用自動車などのエンジンに好適である。
【符号の説明】
【００４７】
２  エンジン本体
２１  シリンダブロック
２１１  シリンダ（気筒）
２２  クランクシャフト
２２０  クランクシャフト部
２２１  クランクピン部
２２２  クランクウエブ部
２３  ピストン
２５  コネクティングロッド
２６  クランクケース
３  バランサ
３１  マス
３２  電磁石
３３  永久磁石
３４  遮蔽筐体
４１  計時部
４２  演算部
４３  バランサ制御部
５  上死点検出部
６  変位検出部
６１  センサ
７１  マス
７２  電磁石
Ｏ  軸線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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