エンジンの振動

エンジンの振動（エンジンのしんどう）では、レシプロエンジンにおいて主にピストンが上下することによって発生する振動について記述する。
クランクシャフトの回転数と同じ周波数の振動を一次振動、2倍の振動を二次振動といい、さらに高次の振動もあるが、実際に問題となるのは一次振動、二次振動が主である。
なお、振動の原因はいうまでもなく燃焼・爆発によるエネルギーで、必然的にこうした振動はエンジンにとってのエネルギーロスとなる。レシプロエンジンは、ピストンの往復によって運動エネルギーを取り出す構造である以上、振動をゼロにすることは物理的に不可能であるが、これらをいかに抑えるかが内燃機関における燃費効率の重要な要素となる。
単気筒エンジンの振動.
レシプロエンジンはクランクシャフトを用いるために、質量をもつクランクピンが回転することによる振動が発生する。この振動はバランスウェイトをクランクピンと反対方向につけることによって解消される。しかしながら、これだけではピストンとコネクティングロッドが往復運動することによって発生する振動を消すことはできない。そこでさらにバランスウェイトを追加する。ピストンが上死点に達したときに釣り合う分のバランスウェイトを追加された状態をオーバーバランス率100%という。この状態では上下方向の振動は打ち消される。そのかわり、これではクランクシャフトが上死点から90°回転したときにオーバーバランスとなり、上下方向の振動が左右方向への振動へと変換された状態となる。実際にはオーバーバランス率を50%程度に設定される。一次振動を低減するためにバランスシャフトを用いる場合もある。
このような対策の施されていないレース用エンジンの場合、時に振動の激しさが操縦者に健康上の悪影響を及ぼす場合がある。代表的な例がかつて日本のオートレースライダーの間で職業病として問題となった白蝋病である。
主な直列エンジンの振動.
直列2気筒エンジンでは、2つのピストンが同じ位相で動く360°クランクの場合は単気筒と同等の振動となり、一方のピストンが上死点のとき、もう一方が下死点となる180°クランクの場合は、二次振動と偶力振動が問題となる。排気量にもよるが、前者の場合は1本の等速シャフト、後者の場合には直列4気筒と同じ2本のバランスシャフトが用いられることがある。
直列3気筒エンジンでは120°クランクを使用して等間隔爆発にすると、一次振動はバランスするが偶力振動によるみそすり運動が問題となり、大きな排気量ではクランクシャフトと等速で逆回転するバランスシャフトが使用される場合もある。180°クランクで不等間隔爆発にした場合は、同排気量の2気筒、単気筒エンジンの1/3程度の一次振動になる。
直列4気筒エンジンでは二次振動が問題となるが、クランクシャフトの2倍の回転数でたがいに逆に回転する2本のバランスシャフトにより振動を相殺させることが可能であり、一部の2,000 ccを超える排気量の直4エンジンで使用されている。
直列5気筒エンジンでは直列3気筒と同様に偶力振動によるみそすり運動が問題となり、大きな排気量ではクランクシャフトと等速で逆回転するバランスシャフトが使用される場合もある。
直列6気筒エンジンでは1-6、2-5、3-4の3つのペアに120°ずつのクランク位相角を付けることで、等間隔爆発、かつ、一次振動、二次振動、偶力振動ともバランスするので、もとより振動バランスのよいエンジンである。
V型エンジンの振動.
V型2気筒エンジンではバンク角を90°とすることで一次振動が低減される。90°以外のバンク角も用いられるが、本田技研工業のように振動を低減させるためにクランクにウェブをもうけクランクピンに位相をつける位相クランクを用いている例がある。
V型6気筒エンジンの場合、一次と二次の振動はバランスするがエンジン全体では偶力のアンバランスが発生するために、直列3気筒と同様エンジン全体にみそすり運動が発生する。バンク角が60°ではその回転が真円となるが、他のバンク角では楕円となる。この偶力は60°バンクの場合、クランクシャフトの両端にバランスウェイトをつけることで解消される。
V型8気筒において多くの乗用車用V8エンジンで用いられるのはクロスプレーンと呼ばれるクランクシャフトである。これはクランクシャフト末端から見ると十字にみえることからこう呼ばれる。クロスプレーンでは一次、二次の振動も釣り合うがV6エンジンと同様に偶力が発生するために、これを打ち消すバランスウェイトがクランクシャフト両端もしくは両端とその内側にも追加される。
一方レーシングカー用エンジンや一部の市販スポーツカー用エンジンでは、フラットプレーンと呼ばれる直4エンジンと同じクランクシャフトが用いられる。これはクロスプレーンで必要な重いバランスウェイトが必要ないうえ、排気干渉の弊害もないためレスポンス等に優れるが、直4エンジンと同じ二次振動の問題がある。
その他の形式の振動.
直列5気筒エンジンやそれをもとにしたV型10気筒エンジンでは一次の偶力振動が発生するため、バランスシャフトが用いられたこともあったが、今日では用いられない傾向にある。
水平対向エンジンは向かい合った気筒間で一次振動をお互いに打ち消しあうが、対向する気筒位置のクランクシャフト軸方向へのずれがあるため偶力振動が残る。2気筒エンジン同士で比較した場合、直列より低振動である。
フォルクスワーゲンが開発した狭角V型6気筒エンジン、VR6型エンジンは点火順序が直列6気筒エンジンと同一のため、直列6気筒エンジンに近い振動バランスを望める。
フォルクスワーゲン・W型8気筒エンジンはV型8気筒エンジンの一種で、クランクシャフトにフラットプレーンを用いているためにバランスシャフトが使用されている。