JP6795427B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本願発明は、ＩＳＧ（インテグレーテッド・スタータ・ジェネレータ、モータ機能付き発電機）やウォータポンプのような補機を備えている内燃機関に関するもので、特に、車両用（自動車用）内燃機関を好適な対象にしている。

車両用の内燃機関には、オルタネータやＩＳＧのような電気系補機、ウォータポンプ、エアコン用コンプレッサなどの補機が付随している。そこで、クランク軸の一端部を機関本体の外側に突出させてこれにクランクプーリを固定し、クランクプーリに巻き掛けたベルト（補機用ベルト）を介して各補機とクランク軸とを連動させている。

ベルトによる連動機構は様々であるが、補機の配置とベルトの本数とで分類できる。例えば、特許文献１には、複数の補機を機関本体のうちクランク軸線方向から見てシリンダボア軸心を挟んだ片側に寄せて位置し、各補機を１本のベルトで駆動することが開示されている。

他方、特許文献２には、モータジェネレータと他の補機とを、クランク軸線方向から見てシリンダボア軸心を挟んだ両側に振り分けて配置し、これらモータジェネレータのプーリと他の補機のプーリとに１本のベルトを巻き掛けた態様が開示されている。モータジェネレータのプーリとベルトとの間には滑りが発生しやすいため、モータジェネレータのプーリに巻き掛けたベルトはテンショナで所定の張力を確保するようにしていることが普通であり、この特許文献２でも、ベルトにテンションプーリを回転自在に当てている。

上記２例は各補機のプーリに１本のベルトを巻き掛けた場合であったが、特許文献３には、補機としてＩＳＧとウォータポンプとエアコン用コンプレッサとを備えた場合において、これら各補機のプーリに別々のベルトを巻き掛けた例が開示されている。従って、この特許文献３では、３本のベルトはクランク軸線方向にずれて配置されており、クランクプーリには、３本のベルトに対応したプーリ部（巻き掛け部）が形成されている。

更に、特許文献３では、クランク軸線方向から見て、ＩＳＧとウォータポンプとはシリンダボア軸心を挟んだ一方の側に寄せて、エアコン用コンプレッサはシリンダボア軸心を挟んだ一方の側に配置しており、更に、ウォータポンプは機関本体に一体的に設けて、ＩＳＧは、機関本体の外側に位置するように配置している。従って、クランク軸線方向から見て、ＩＳＧはウォータポンプよりもクランク軸線から離れている。

特許文献３では、ＩＳＧのベルトは、ウォータポンプ用のベルトを囲うように配置しており、ベルトを一対のテンションプーリで上下から挟むことにより、ベルトがＩＳＧのプーリを抱き込んだ状態を保持している。

特開２０１３−１０８３７７号公報 特開２０１１−０１７３９３号公報（図２） 特開２０１５−１８３６３６号公報

補機類の配置は様々な要因を考慮して決定されるもので、単純に優劣を比較できるものではないが、特許文献１のように１本のベルトで各補機を駆動する態様は、ベルトの曲がりが大きいためベルトに対する負担が大きいという問題や、クランク軸には一方方向だけから曲げ力が作用するため、クランク軸の滑らかな回転に対して阻害要因になるという問題がある。また、全ての補機を機関本体の片側に寄せると、機関の安定性が悪くなるという問題もある。

他方、特許文献２の場合は、補機が左右に振り分けて配置されているため、機関の安定性向上には貢献できるが、ベルトは１本だけであるため、特許文献１と同様に、ベルトの負担が大きい問題や、クランク軸に大きな曲げ力が作用して円滑な回転に対する阻害要因になるという問題は残っている。

これらに対して、特許文献３の構成では、ＩＳＧとエアコン用コンプレッサとが左右に振り分けて配置されているため、機関の安定性向上に貢献できるのみならず、各補機のベルトは独立しているため、ベルトの耐久性を向上できると共に、各補機のプーリに対して適切な巻き掛け態様を確保できる。また、クランクプーリは、別々のベルトで異なる方向に引かれる状態になるため、クランク軸に対する曲げ力が相殺されて、クランク軸の滑らかな回転に貢献できる利点もある。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、特許文献３のように複数の補機を機関本体の片側に寄せて配置した場合において、ベルトやテンショナからなる連動機構をコンパクト化するなど、従来よりも改良された内燃機関を提供することを課題としている。

本願発明は、
「機関本体のうちクランク軸線方向から見てシリンダボア軸心を挟んだ一方の側に、電気系補機とウォータポンプとが、前記電気系補機が前記ウォータポンプよりも前記シリンダボア軸心から離れた側でかつ下側に位置する状態で配置されており、
前記電気系補機に設けた電気系補機プーリとクランクプーリとに第１ベルトが巻き掛けられて、前記ウォータポンプに設けたウォータポンププーリと前記クランクプーリとに第２ベルトが巻き掛けられて、前記第１ベルトと第２ベルトとはクランク軸線方向にずれて配置されており、
更に、第１ベルトには、テンションプーリが上側から回転自在に当接している」
という基本構成である。

そして、請求項１の発明では、前記基本構成において、前記テンションプーリの軸心が、前記電気系補機プーリの軸心とウォータポンププーリの軸心とクランクプーリの軸心とを結ぶ三角形のエリア内に位置しており、
かつ、機関本体のうちクランク軸線方向から見てシリンダボア軸心を挟んだ他方の側にエアコン用コンプレッサが配置されていて、前記エアコン用コンプレッサのプーリと前記クランクプーリとに第３ベルトが巻き掛けられており、前記第１ベルト〜第３ベルトは、前記機関本体から近い順に、第２ベルト、第１ベルト、第３ベルトの順でクランク軸線方向に配置されている。
なお、電気系補機には、ＩＳＧの他に、モータジェネレータやオルタネータなど、ロータを有するものが含まれる。

請求項２の発明では、前記基本構成において、前記第１ベルトと第２ベルトとは、第２ベルトが第１ベルトよりも機関本体の側に位置するように配置されており、かつ、前記テンションプーリは、クランク軸線方向から見て前記第２ベルトと部分的に重なるように配置されており、
かつ、機関本体のうちクランク軸線方向から見てシリンダボア軸心を挟んだ他方の側にエアコン用コンプレッサが配置されていて、前記エアコン用コンプレッサのプーリと前記クランクプーリとに第３ベルトが巻き掛けられており、前記第１ベルト〜第３ベルトは、前記機関本体から近い順に、第２ベルト、第１ベルト、第３ベルトの順でクランク軸線方向に配置されている。

請求項１の発明では、いわば、電気系補機とウォータポンプとクランクプーリとで囲われたエリアにテンションプーリが配置された状態になるため、スペースを有効利用して、連動機構をコンパクト化することができる。従って、機関全体としてのコンパクト化に貢献できると共に、他の機器や装置類の配置位置の選択の自由性も広がって、機関全体としての設計の自由性向上にも貢献できる。

また、テンションプーリは電気系補機とクランクプーリとの間に深く入り込むことになるため、第１ベルトは、電気系補機のプーリをしっかりと抱き込んだ状態に保持できる。このため、電気系補機のプーリと第１ベルトとのスリップを防止して、動力伝達を確実化できる。

請求項２の発明でも、テンションプーリが第２ベルトの一部とクランク軸線方向に重なることにより、テンションプーリが第２ベルトの配置エリアに寄せられるため、請求項１と同様に、スペースを有効利用して連動機構をコンパクト化することができ、結果として、機関全体としてのコンパクト化に貢献できると共に、他の機器や装置類の配置位置の選択の自由性も広がって、設計の自由性向上にも貢献できる。

また、請求項２では、テンションプーリが第２ベルトの外側に位置するため、テンションプーリが第２ベルトに対するカバーの役割を果たして、例えば、走行中に跳ね上げられた小石の衝突を防止できるといった利点も考えられる。

更に、両請求項の発明は、第１ベルト及び第２ベルトによるクランク軸の引っ張り方向と第３ベルトによるクランク軸の引っ張り方向とが異なるため、クランク軸に対する曲げ力を低減して、円滑な回転に貢献できる。

更に、ＩＳＧやモータジェネレータ等の電気系補機はロータの回転の慣性力が大きくて負荷が大きいため、第１ベルトを介してクランク軸に作用する曲げ力も大きくなるが、両発明とも、第１ベルトはエアコン用コンプレッサのための第３ベルトよりも機関本体に近い側に位置しているため、第１ベルトを介してクランク軸に作用するモーメントを抑制して、クランク軸の滑らかな回転確保に向上できる。

また、ウォータポンププーリは機関本体に近く寄せられているため、ウォータポンプの回転軸の長さをできるだけ短くできる。その結果、回転軸に作用する曲げモーメントを抑制して、シール性向上に貢献できる。また、回転軸のこじれを無くして回転抵抗も軽減できる。

内燃機関の正面図である。 内燃機関の部分拡大正面図である。 （Ａ）は図１のIIIA-IIIA 視断面図、（Ｂ）は図１のIIIB-IIIB 視断面図である。 図２を IV-IV視方向から見た図である（ベルトはほぼ省略している。）。 図１の V-V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、内燃機関の概要を、主として図１，２に基づいて説明する。本実施形態の内燃機関は車両に搭載されるものであり、機関本体として、シリンダブロック１とその上面に固定されたシリンダヘッド２、これらの前面に固定されたフロントカバー３を備えている。タイミングチェーンは、フロントカバー３で覆われている。シリンダヘッド２の上面にはヘッドカバー４が固定されて、シリンダブロック１の下面にはオイルパン５が固定されている。これらヘッドカバー４とオイルパン５も機関本体を構成している。

シリンダブロック１には、クランク軸６が回転自在に保持されている。クランク軸６の一端部はフロントカバー３を貫通して手前に露出しており、この露出した端部にクランクプーリ７が固定されている。本実施形態では、補機として、ＩＳＧ８とウォータポンプ９とエアコン用コンプレッサ１０とを設けており、これらは、それぞれプーリ１１，１２，１３を備えている。

図１はクランク軸線方向から見た正面図であるが、この正面視において、ＩＳＧ８は機関本体の左外側に配置されて、ウォータポンプ９は、機関本体のうちシリンダボア軸心１４を挟んで左に寄った部位に配置されている。他方、エアコン用コンプレッサ１０は、シリンダボア軸心Ｏを挟んで右側において、機関本体の外側に配置されている。従って、ＩＳＧ８とウォータポンプ９とを左に寄せて配置し、エアコン用コンプレッサ１０は右に寄せて配置している。

ＩＳＧ８は、ロータを有する電気系補機の一例であり、ハウジング１５、ロータに固定されたＩＳＧプーリ１１を備えている。従って、ＩＳＧプーリ１１が、請求項に記載した電気系補機プーリに該当する。ハウジング１５は、ブラケット１６を介してフロントカバー３及びシリンダブロック１に固定されている。ＩＳＧプーリ１１とクランクプーリ７とに、第１ベルト１７が巻き掛けられており、第１ベルト１７に、オートテンショナ１８のテンションプーリ１９が上から回転自在に当接している。

ウォータポンプ９の本体部（ポンプ室など）はフロントカバー３に内蔵されており、回転軸に固定したウォータポンププーリ１２が露出しており、ウォータポンププーリ１２とクランクプーリ７とに第２ベルト２０が巻き掛けられている。ウォータポンププーリ１２はフロントカバー３の表面に最も近いため、ウォータポンプ９の回転軸の長さも短くなっている。このため、回転軸の曲がりを防止して高いシール性を確保できる。

エアコン用コンプレッサ１０は、ブラケット２１を介してシリンダブロック１に固定されており、エアコン用コンプレッサ１０のプーリ（エアコンプーリ）１３とクランクプーリ７とに第３ベルト２２が巻き掛けられている。

図５に示すように、３本のベルト１７，２０，２２は、第２ベルト２０がフロントカバー３に最も近くて、第３ベルト２２はフロントカバー３から最も遠くに位置し、第１ベルト１７は両者の間に位置している。このため、クランクプーリ７には、３つのプーリ部７ａ，７ｂ，７ｃが形成されている。なお、各ベルト１７，２０，２２の内面は鋸歯状の横断面を有しており、従って、プーリ７，１１，１２，１３の外周面も鋸歯状の横断面になっている。

(2).テンショナ等
オートテンショナ１８は、相対動自在に嵌まり合ったケースの内部にばねとオイルダンパとが内蔵された伸縮自在なアブソーバ（弾性装置）２３と、アブソーバ２３の先端部（下端部）に第１ピン２４で連結されたプレート状のアーム（ブラケット）２５とを有しており、アーム２５の下端に、テンションプーリ１９が第２ピン（軸）２６で回転自在に連結されている。アーム２５は、下部を円弧状とした銅鐸形になっており、上端部のうちシリンダボア軸心１４の側に寄った右端部がアブソーバ２３の先端部に第１ピン２４で連結されて、上端部のうちシリンダボア軸心Ｏから離れた左端部が、ＩＳＧ８のハウジング１５に第３ピン２７で連結されている。

アーム２５はＩＳＧ８のハウジング１５から手前に離れているため、ＩＳＧ８のハウジング１５に、手前に向けて（機関本体から離れる方向に向けて）突出したボス２８を一体に設けて、ボス２８にアーム２５が第３ピン２７で連結されている。なお、アーム２５は、ＩＳＧ８を取り付けるブラケット１６に連結してもよいし、専用のブラケットでフロントカバー３やシリンダヘッド２に連結してもよい。更に、フロントカバー３に前向き突出ボスを一体に形成し、この前向き突出ボスにアーム２５を連結することも可能である。

オートテンショナ１８におけるアブソーバ２３の上端部は、第４ピン２９でフロントカバー３に連結されている。この場合、図３に示すように、フロントカバー３の上部には、下面を傾斜面３０とした前向き張り出し部３１が形成されており、前向き張り出し部３１の傾斜面３０に形成した受け座３２に、アブソーバ２３の上端部が、第４ピン２９で回動可能に連結されている。従って、平面視では、オートテンショナ１８の相当部分が前向き張り出し部３１で隠れている。

オートテンショナ１８のテンションプーリ１９は、アーム２５の後面に配置している。従って、テンションプーリ１９はアーム２５で手前から覆われているが、アーム２５は、テンションプーリ１９の全体を覆う大きさに設定されている。

図２に明示するように、テンションプーリ１９の軸心は、クランク軸線方向から見た正面視において、ＩＳＧプーリ１１の軸心とクランクプーリ７の軸心とウォータポンププーリ１２の軸心とを結ぶ線で囲われた三角形３３の内部に位置している。このため、連動機構をコンパクトに纏めて、スペースを有効利用できる。

また、クランク軸線方向から見た正面視において、テンションプーリ１９の一部が第２ベルト２０の一部と重なっているが、この構成も、スペースを有効利用してコンパクト化に貢献している。このように、テンションプーリ１９と第２ベルト２０とをクランク軸線方向に重ねると、ＩＳＧ８をできるだけクランクプーリ７に寄せることができるため、内燃機関が、クランク軸６を車両の進行方向と直交した方向に長い横置きの姿勢でエンジンルームに配置されている場合、車両の前後方向で見た機関の幅をできるだけ小さくできるため、車両が事故で何かに衝突したときに機関が後退する距離をできるだけ大きくして、搭乗者に対する衝撃緩和にも貢献できる。

また、実施形態のように、アーム２５を板状で略銅鐸状に形成すると、アーム２５がテンションプーリ１９及び第２ベルト２０に対するカバーの役割を果たすため、テンションプーリ１９及び第２ベルト２０の保護機能を向上できる利点がある。

本実施形態では、アーム２５は、その上端部のうちＩＳＧプーリ１１に近い左端部を中心にした円弧軌跡３４に沿って移動するため、アブソーバ２３が伸びると、テンションプーリ１９はＩＳＧプーリ１１に近づこうとする。このため、第１ベルト１７とＩＳＧプーリ１１の接触長さを長くして（第１ベルト１７でテンションプーリ１９を大きく抱き込んで）、高いスリップ防止効果を実現できる。

図２では、１本のベルトをクランクプーリ７とＩＳＧプーリ１１とウォータポンププーリ１２とに巻き掛けた状態を仮想ベルトとして一点鎖線３５で表示しているが、本実施形態では、アーム２５の大部分は仮想ベルト３５で囲われた範囲に納まっているため、第１ベルト１７及び第２ベルト２０を伝動手段とした連動機構を、より一層コンパクト化できる。アーム２５は、その全体が仮想ベルト３５の内側に配置されていてもよい。

更に、本実施形態では、アブソーバ２３の伸縮方向３６と、テンションプーリ１９による第１ベルト１７の押し方向３７とは、クランク軸線方向から見て、シリンダボア軸心１４に対して同じ方向に傾斜した斜め下向き方向になっている。このため、アブソーバ２３の弾性復元力（ばね力）を、テンションプーリ１９に対してストレートに伝えることができる。このため、アブソーバ２３のこじれを無くして、第１ベルト１７の張り状態を的確に保持できる。

つまり、ＩＳＧ８は、モータとして機能する状態、発電機として機能している状態、及び空回りしている状態の３つの状態があり、状態が変化するとき第１ベルト１７の張り状態も変化するが、実施形態では、張り状態の変化に対応してクランクプーリ７が移動することが、アブソーバ２３のこじれを無くした状態で応答性良く行われる。

さて、シリンダブロック１及びシリンダヘッド２には冷却水ジャケットが形成されており、シリンダヘッド２には、シリンダブロック１に形成した連通穴から冷却水が送られている。そして、シリンダヘッド２では、一般に、冷却水を吸気側から排気側に流すことにより、冷却によるシリンダヘッド２の温度変化をできるだけ小さくしている。

しかして、実施形態の内燃機関は、図１及び図２において右側が排気側で左側が吸気側になっているが、本実施形態では、ウォータポンプ９は吸気側（吸気側面）に寄せて配置しているため、ウォータポンプ９の出口からシリンダヘッド２に至る水路を短かくして、圧損を抑制できる等の利点がある。

ＩＳＧ８とエアコン用コンプレッサ１０とは左右逆の位置に配置されているので、第１ベルト１７によってクランク軸６に作用する曲げ力と、第３ベルト２２によってクランク軸６に作用する曲げ力とが相殺されて、クランク軸６の負担を軽減できる。この場合、図１に矢印３８，３９，４０で示すように、テンションプーリ１９がＩＳＧプーリ１１とクランクプーリ７との間において下向きに入り込んでいるため、第１ベルト１７によるクランク軸６の曲げ力作用方向４０は、ＩＳＧ８とクランクプーリ７との軸心を結ぶ方向３９よりも、水平側に寝た姿勢になる。

このため、クランク軸６に対する第１ベルト１７の引っ張り方向４０と、クランク軸６に対する第３ベルト２２の引っ張り方向３８との成す角度は１８０度に近くなる。このため、ＩＳＧ８とエアコン用コンプレッサ１０とをそれぞれクランク軸６よりも高い位置に配置していても、クランク軸６に作用する曲げ力を一層低減できる。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は、他にも様々に具体化できる。例えば、上記実施形態では回動式のアームにテンションプーリを連結したが、アブソーバの伸縮方向と同じ方向にスライドするスライダにテンションプーリを取り付けることも可能である。また、テンショナ装置としては、電磁ソレノイド等のアクチュエータでテンションプーリが移動操作される遠隔制御方式のものも採用できる。

本願発明は、実際に内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ 機関本体を構成するシリンダブロック
２ 機関本体を構成するシリンダヘッド
３ 機関本体を構成するフロントカバー（チェーンカバー）
６ クランク軸
７ クランクプーリ
８ 電気系補機の一例としてのＩＳＧ
９ ウォータポンプ
１０ エアコン用コンプレッサ
１１ 電気系補機プーリの一例としてのＩＳＧプーリ
１２ ウォータポンププーリ
１３ エアコンプーリ
１７ 第１ベルト
１８ テンショナ装置の一例としてのオートテンショナ
１９ テンションプーリ
２０ 第２ベルト
２２ 第３ベルト
２３ オートテンショナのアブソーバ
２５ オートテンショナのアーム
３３ 三角形

Claims (2)

1. 機関本体のうちクランク軸線方向から見てシリンダボア軸心を挟んだ一方の側に、電気系補機とウォータポンプとが、前記電気系補機が前記ウォータポンプよりも前記シリンダボア軸心から離れた側でかつ下側に位置する状態で配置されており、
   前記電気系補機に設けた電気系補機プーリとクランクプーリとに第１ベルトが巻き掛けられて、前記ウォータポンプに設けたウォータポンププーリと前記クランクプーリとに第２ベルトが巻き掛けられて、前記第１ベルトと第２ベルトとはクランク軸線方向にずれて配置されており、
   更に、第１ベルトには、テンションプーリが上側から回転自在に当接している構成であって、
   前記テンションプーリの軸心が、前記電気系補機プーリの軸心とウォータポンププーリの軸心とクランクプーリの軸心とを結ぶ三角形のエリア内に位置しており、
   かつ、機関本体のうちクランク軸線方向から見てシリンダボア軸心を挟んだ他方の側にエアコン用コンプレッサが配置されていて、前記エアコン用コンプレッサのプーリと前記クランクプーリとに第３ベルトが巻き掛けられており、前記第１ベルト〜第３ベルトは、前記機関本体から近い順に、第２ベルト、第１ベルト、第３ベルトの順でクランク軸線方向に配置されている、
   内燃機関。
2. 機関本体のうちクランク軸線方向から見てシリンダボア軸心を挟んだ一方の側に、電気系補機とウォータポンプとが、前記電気系補機が前記ウォータポンプよりも前記シリンダボア軸心から離れた側でかつ下側に位置する状態で配置されており、
   前記電気系補機に設けた電気系補機プーリとクランクプーリとに第１ベルトが巻き掛けられて、前記ウォータポンプに設けたウォータポンププーリと前記クランクプーリとに第２ベルトが巻き掛けられて、前記第１ベルトと第２ベルトとはクランク軸線方向にずれて配置されており、
   更に、第１ベルトには、テンションプーリが上側から回転自在に当接している構成であって、
   前記テンションプーリは、クランク軸線方向から見て前記第２ベルトと部分的に重なるように配置されており、
   かつ、機関本体のうちクランク軸線方向から見てシリンダボア軸心を挟んだ他方の側にエアコン用コンプレッサが配置されていて、前記エアコン用コンプレッサのプーリと前記クランクプーリとに第３ベルトが巻き掛けられており、前記第１ベルト〜第３ベルトは、前記機関本体から近い順に、第２ベルト、第１ベルト、第３ベルトの順でクランク軸線方向に配置されている、
   内燃機関。

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