エンジンの振動

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ここではエンジンの振動として、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。

単気筒エンジンの振動[編集]

レシプロエンジンはクランクシャフトを用いるために、質量を持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付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出来ない。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時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%と言う。この状態では上下方向の振動は打ち消される。その代わりこれではクランクシャフトが上死点から90°回転した時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もある。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[編集]

直列2気筒エンジンでは、360°クランクの場合は単気筒と同等の振動となり、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事がある。

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倍の回転数で互いに逆に回転する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2000ccを超える大排気量の直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、等間隔爆発でありかつ一次振動、二次振動、偶力振動ともバランスするので、元より振動バランスの良いエンジンである。

V型エンジンの振動[編集]

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[1]。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付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気筒と同様にエンジン全体をゆする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付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見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。

一方レース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ために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[編集]

直列5気筒エンジンやそれを元にした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。

脚注[編集]

  1. ^ オーバーバランス率100%でのクランクシャフトが上死点から90°回転した時の左右方向への振動と、バンク角90°で配置されたもう1気筒のピストンおよびコンロッドの往復振動とが打ち消しあうことによる。