またエンジンネタです。
燃焼関係の話しが続いていたので、少し路線を切り替えて今回はエンジンの振動とそのバランスの話しをしてみたいと思います。相変わらず内容をコンパクトにまとめきれず文が長いので、興味のある方のみ、時間がある時にでもゆっくりと読んでみてください。
因みに、易しいエンジンの話しもこれで６回目。前回
「ストリームのアトキンソンサイクル」というマニアックなエンジンネタがＰＶで４０位だった事を紹介しましたが、最近確認したら２０位！どんどん上がっちゃってます（笑）。
「フィットって、本当にｉ－ＶＴＥＣ？」は不動の４位です！
さて、私がエンジンの振動というものに興味を持ったのはホンダのＣＢ型アコード（平成元年）が発表された時です。この型からＦ型という新開発４気筒エンジンが搭載され、同時に発表されたインスパイア・ビガーにはＧ型という５気筒エンジンが搭載され、どちらのエンジンにも「バランスシャフト」という物が内蔵されました。当時Ｂ１６Ａを載せたＤＡ６インテグラに乗っていた私は、同じ４気筒とは思えないＦ型の滑らかなフィールに感動した事を今でも覚えています。さすがに謳い文句であった「Ｖ６並みの振動」とまではいかないまでも、確かに４気筒としてはぶっちぎりな滑らかさだったと思います。
さて、エンジンの振動というのは色々な振動が重なり合って発生していることは恐らくどなたでも想像つくと思います。
エンジンの構造は主にピストンやコネクティングロッド（コンロッド）、クランクシャフト、カウンターウェイトなどで構成されています。ピストンとコンロッドを繋いでいるのがピストンピン、コンロッドとクランクシャフトを繋いでいるのがクランクピンです。
この機構による振動は、ピストンの上下往復運動による縦振動、コンロッドの首振り運動による左右振動、クランクシャフトの回転運動による慣性振動があることがわかります。
多気筒エンジンである乗用車ではあまり気にする必要のない内容ですが、単気筒での振動の話を簡単に。
ピストンの上下往復運動というのは、エンジン振動の中でも最も大きな振動と思われがちですが、実はそうでもありません。というのは、エンジンには縦振動を抑える「カウンターウェイト」という重りが必ず付いているからです。
上の絵を見れば分かると思いますが、カウンターウェイトはクランクピンの反対側に設けてあります。反対側に設けてある事によってピストンが上にある時はカウンターウェイトは下に、ピストンが下にある時はカウンターウェイトが上にと、ピストンの上下慣性力を打ち消す動きをしてくれます。遊園地にある大きな船の乗り物もカウンターウェイトが設けてありますよね。あれと同じです。
しかし、ピストンは直線運動でカウンターウェイトは回転運動。上下方向の慣性力は打ち消せますが、カウンターウェイトが横向きになった時には釣り合うだけの反力がありません。あってもコンロッドが僅かに横に傾いている程度の力です。ですからカウンターウェイトは上下の慣性力を消しながら、実は左右の慣性力を発生させてしまう代物ともいえます。
単気筒のバイクの場合、これを嫌って横方向の慣性力を殺すバランスシャフトを設けることがあるようですが、バイクはさっぱりなので今回はあえて書きません。乗用車の多気筒エンジンの場合、カウンタウェイトはクランク軸３６０度に対し均等角度で各クランクに設けらるので、スタティックバランスは釣り合い気にする必要がありません。（２気筒エンジンは３６０度クランクなのでバランスシャフトがあった方が良い）
さて、乗用車のエンジンですが、現在日本では小さい順に直列３気筒、４気筒、６気筒、Ｖ型だと６気筒、８気筒がメインでしょうか。これらの配列によって振動が随分と違うことはご存知だと思います。
エンジンの振動で一番大きく関係しているのがこのシリンダー数です。もちろん数が多い方が振動が少なく滑らかです。当たり前と思われているこの事を少し噛み砕いて書いてみます。
今更の内容ですが、４サイクルエンジンというのはクランクシャフトが２回転する間に各々のシリンダーが「吸気」「圧縮」「爆発」「排気」という４つの工程を繰り返し行っていますよね。つまり７２０度というクランク回転角度の中でこの４工程を行うわけです。
爆発燃焼したピストンは下死点まで押し下げられます。つまりクランクを１８０度回転させるわけです。そしてこのあと上死点まで戻って排気を行い、そこからまたピストンは下がりながら吸気を行って下死点に到達。更にここから上死点まで向かってやっと２回目の爆発をすることになる…。
クランク２回転、つまり７２０度のうち“正”のトルクとしてクランクを回せるのは、実は上死点で爆発して膨張しながら下死点に向かうこの１８０度間だけ。残りの１．５回転＝５４０度は圧縮抵抗や吸い込み・吐き出し抵抗と戦いながら惰性で回らなければならいんです。７２０度に一度しか燃焼しない単気筒がいかにきついか想像できますよね。
これが２気筒であれば３６０度毎の爆発となり、更に３気筒だと２４０度毎、４気筒は１８０度毎、５気筒は１４４度毎、６気筒は１２０度毎、８気筒は９０度毎…。シリンダー数が多ければ多いほどクランク２回転の間に小刻みな爆発燃焼を行なえるので滑らかな振動になるのは当然ですが、更に先ほど書いた“正”のトルクを連続的に出力できるのは、１８０度間隔以下で燃焼を行なう５気筒以上だということもわかります。４気筒以下は１８０度以上の燃焼間隔ですから、惰性で回らなければならない１８０度以降の回転失速はフライホイールに助けてもらう事になります。
つまり、この燃焼間隔が広いほどトルクの変動が大きく振動が大きくなりますし、燃焼間隔が狭ければトルク変動は小さくなり、更に「正」のトルクで回転し続ける事が滑らかな回転生むということであれば５気筒以上のマルチシリンダーがトルク変動による振動で有利ということも理解できると思います。
燃焼間隔による振動、すなわちトルク変動による振動の話はここまでです。
これは４気筒エンジンの透視図です。ホンダのメーカーサイトで拾ったｉ－ＶＴＥＣエンジンです。
先ほど書いた様に、４気筒は１８０度間隔の燃焼。ですからピストンは必ず２つセットで相反する動きをします。爆発中のものと排気中のものがそれぞれ上死点にあれば、膨張中ものと吸気中のものが下死点にある。つまりクランクシャフトは１８０度クランクとなり、平面的な形状になるわけです。これは理解できると思いますが、重要なのはピストン&クランクの配列です。
つまり、画像のもので手前のシリンダーを１番シリンダーとすると、１番と４番が必ずセットで同じ動きをし、また２番と３番がセットで同じ動きをします。これはメーカーに関係なくこの配列になり、振動対策として必ず守らねばならない配列なんです。
例えば、このようにＡからＣまでの３種類の回転物体があるとします。どれも重心はシャフトセンター部分にあるのでスタティックバランスはＡＢＣともにとれています。ところが、これを回転させると話は変わってきます。
上下方向のみの揺れを表した四角い絵を見ていだけると分かると思いますが、Ａ～ＣでダイナミックバランスがとれているのはＣだけなんです。
Ａはシャフト前後でひねりが生じ、箱体全体が左右に揺すられる振動が起こります。ＢはＡほどではありませんが、２・４番が右寄りにあるのでそれによる振動はユニット右側で発生し、左寄りにある１・３番はその振動もユニット左側で発生します。つまり交互に揺すられる。Ｃはというと、クランクのセンターを境に形状が対称になっているので左右の揺れが相殺されます。お気づきだとは思いますが、Ｃの状態が直列４気筒の構成なんですね。
何が重要かと言いますと、クランクの形状というのはクランクシャフトセンターを境に対称な形状にしないといけないということです。この形状でないといけないということは点火順序も好き勝手にできるわけではなく、１８０度おきの交互に上下を繰り返す「１－３－４－２」か「１－２－４－３」のどちらかになるわけです。
クランクセンターを境に対称形状となると、シリンダー数は必然的に偶数となりますね。だから自動車のエンジンは偶数シリンダーが多い。でも、世の中３気筒や５気筒というものもあります。その前に６気筒はどうなんだ？という興味もあるかもしれません。そこで４気筒以外だとどうなのか書いてみます。
まず６気筒。
１番と６番が同相、２番と５番が同相、３番と４番が同相なのはクランクセンターを境に対称となるからです。燃焼順序は一般的には１－５－３－６－２－４かな…。
４気筒は１８０度クランクですが６気筒は１２０度間隔の燃焼ですからクランクのひねり角も１２０度。故に４気筒の様な対極に位置するシリンダーはいません。しかし１２０度の等間隔クランクですからスタティックバランスはとれており、前後対称クランクのおかげでダイナミックバランスもとれています。
６気筒の絵だと分かりやすいのですが、ピストンの動きといのは両外から内側に向かってまるで波のように動いているのがわかると思います。４気筒も同じではありますが、当然きめ細かい波の６気筒の方が滑らかなわけです。
ただ、３気筒を抱き合わせた構成のＶ６だと後で書きます「一次慣性偶力振動」というものが残存してしまいます。これらはバランスシャフトで解消できますが、Ｖ６の説明は大変なので今回はやめときます。
次に５気筒。過去、ホンダがインスパイアに搭載していたエンジンですね。
７２０度の５等分だから燃焼間隔は１４４度。クランクのひねりは１４４度間隔で５個並べると実は７２度の等間隔ひねりになります。クランク軸端面から見れば星型ですね。燃焼順序は１－５－２－４－３だったかな。
奇数シリンダーということで当然クランクセンターを境に対称形状にはできません。つまり５つのシリンダーがそれぞれ独立した動きをするわけです。これによってクランクは１発ごとに回転方向へ物を放り投げられる様な慣性偶力が発生し、シリンダー前後間ですりこぎ運動（歳差運動）が起こってしまいます。
因みにこの慣性偶力による振動を「一次慣性偶力振動」と呼びます。一次とは、クランク１回転につき１回起こる振動の事です。１次があるという事は当然２次もあります。２次振動はクランク１周する間に２回起こる振動。３次、４次、５次…と数が大きくなるほど１回転内できめ細かく起こるので、振動としては体感しにくい小さなものといえます。
で、慣性力振動としては一番大きいと言えるこの一次慣性偶力振動を起こすのが５気筒と３気筒。ホンダの５気筒はこの振動を打ち消すために、クランクと逆回転させる一次偶力バランサーを設けています。
軽専用である３気筒。
燃焼間隔は７２０度÷３で２４０度とかなり大きな間隔にくなります。２４０度を３つ並べたクランク角は１２０度間隔。６気筒と同じですね。ただ、奇数シリンダーなので前後対称クランクにはならず、それぞれ独立したクランク角になるため５気筒と同様の１次偶力が発生します。
先ほどのバランサーが欲しいところですが、軽専用である３気筒にはコストを考慮してか採用されたエンジンはありません。
振動では不利な３気筒ですが、現在の乗用車エンジンの中では最も摩擦損失の少ないエンジンといえるので、徹底的に効率を上げた３気筒を作るのも面白いですし、逆にバランサーを搭載して徹底的にＮＶＨ対策された３気筒を作ってみるのも面白い気がします。
ホンダ、作ってくれないかな…
最後は我らが４気筒。大筋は先ほど説明したので簡単に。
燃焼間隔は１８０度おき。故に平面形状の１８０度クランクです。前後対称形状なので１次慣性偶力振動は起こりませんね。
さて、エンジンにはもう一つ面白い振動があります。
上の図はクランクの半径が５０ｍｍ、つまりピストンストロークを１００ｍｍとして書いたものです。
クランクが頂点にあればピストンは上死点で、クランクが底点にあればピストンも下死点にあるのは言うまでもありませんが、ではクランクが横向きになっている場合ピストンはどこにあるかご存知でしょうか。一見、ピストンはぴったり中間地点にあるように思えますが、実際は中間よりも僅かに下にいます。これはクランクがコンロッドを真下へ垂直に引っ張らずに斜めに引っ張るので、その分多く引き下げてしまうからです。三角関数ですね。
中間地点よりも下にあるということは、上半分のピストンの速度の方が下半分よりも速いわけでして、上向きの力の方が大きくなりエンジンプラントを上方向に揺らすことになります。
この振動の回数は、「クランクが１回転する間に何度ピストンが上死点を突くか」という事になります。つまり、クランクのひねリ配列数が振動回数になるわけですね。
１２０度クランクの３気筒と６気筒は、クランク１周につき３回この振動が起こります。４気筒は１８０度クランクなのでクランク１周につき２回。５気筒は７２度の独立クランクなのでクランク１周につき５回。当然クランク１周あたりの振動回数が多い方が振動として小さいといえます。
こう見ると、６気筒よりも５気筒の方がこの振動においては少ない事がわかり、更に４気筒よりも３気筒の方が小さい事もわかります。
クランク１周あたりの振動回数で４気筒が最も不利である事は分かったと思いますが、実はこの縦振動は４気筒だけが飛び抜けて大きな振動数値なんです。なぜか。
この振動はピストンが上に上がりきった瞬間に起こるわけですね。動いていたものが止まる瞬間。
この時、このピストンは上死点にいるわけですが、ではこの時他のピストンはどこにいるか。１８０度クランクである４気筒は真逆の位置、つまり下死点で止まっています。それに対し１２０度クランクの３気筒と６気筒の場合、いずれのピストンも動いている途中です。７２度クランクの５気筒も同じです。この違いが分かるでしょうか。
つまり、４気筒においてこの振動は１８０度毎にやってくるため、クランクのひねり角１８０度とぴったり山が合ってしまうのです。平たく言えば全てのピストンの動きが一瞬「無」になる。「無」になることによって上向きの振動がはっきり表れてしまうんです。これは平面クランクの宿命ですね。この「無」が起こるのは国産では４気筒とＶ８だけです。
この振動、４気筒（Ｖ８）ではクランク１周につき２回起こるので「二次振動」と呼ばれまして、そこそこ大きな振動として扱われています。
※先ほど３気筒と５気筒のとこで書いた｢慣性偶力振動｣とは違い、単なる縦振動です。
この二次振動ですが、実は「二次振動バランサー」というものでキャンセルできます。クランク１周で２回発生する振動ですから、バランスシャフトはクランクの２倍で回転。更にバランシシャフト自体のモーメントを打ち消すために反対側にもう１本設けて逆回転させます。バランスシャフトの重さは１本約５Ｋｇ。２本で１０Ｋｇですからかなりの重さですね…。
ホンダの４気筒エンジでこの二次バランスシャフトを採用しているのはＦ型、Ｈ型、Ｒ型、そしてＫ型ですが、これらの中でも一部採用していないエンジンもあります。Ｆ型はＳ２０００、Ｒ型はストリームの１．８Ｌ、Ｋ型は２代目ステップワゴン２ＬとインテＲ。
ストリーム１．８Ｌと２代目ステップワゴン２Ｌが採用しなかったのはコストダウンであるのに間違いないとして、Ｋ２０ＡのアコードユーロＲがバランサー付きで同じＫ２０ＡのインテＲがバランサー無しというのはコストダウンが目的ではありません。先ほど書いたようにバランスシャフトはクランクの２倍で回ります。って事はレブリミットまで回せばこの２本は実に１７，０００ｒｐｍで回るわけです。１０Ｋｇもある鉄の塊がこれだけ速く回ると、スムーズにはなっても４気筒のメリットである「摩擦損失が小さい」というメリットが失われます。高回転域での研ぎ澄まされたレスポンスを重視するタイプRは、このフリクションを嫌ったのです。
Ｓ２０００のＦ２０Ｃも同様の理由だとは思いますが、加えて同軸のオイルポンプ回転数も常識破りの１８，０００ｒｐｍとなればさすがに攪拌抵抗が問題になるでしょう。車のキャラクターからして無理してまでバランサーを採用する必要はありませんしね。
ここまでの振動の話を軽くまとめますと、１次慣性偶力振動は３気筒、５気筒、Ｖ型６気筒で発生。縦振動は４気筒の２次振動が最も大きい。そうなると、お気づきのように直６エンジンというのは１次、２次とも振動の発生がありません。それ故に完全バランスエンジンなどと呼ばれ、直６を超える滑らかなエンジンはないとも言えるでしょう。ＢＭＷが直６に拘るのもそういう理由なのでしょう。
さて、振動の最後の話。エンジンマウントについてです。
これまで説明したエンジンの振動をいくらバランサー類で低減させたところで、それは知れています。先ほど説明した振動はほんの一例でこれら以外にも沢山の振動があります。しかも、最終的にエンジン出力軸が車軸（ミッション）を回そうとするのですから、この瞬間にエンジンユニットが回転しようとしてしまいます。エンジンをフォ～ンと吹かすとエンジンがグラッと傾きますよね。これらの大きな振動や微振動をいかに低減させるかがエンジンマウントの役目というわけです。
エンジンマウントの主流はメインとなる数箇所に液体封入された複合マウントを、その他にゴム製マウントを敷き、メーカーにより違いはあれど３点から５点程度でエンジンを支えています。最近では軽自動車でも液体封入式のマウントが使われ始めているようですね。
液体封入マウントは、簡単に言えばサスキットのダンパーみたいなものです。小さな微振動は外部本体のゴム（マウントラバー）に吸収させ、大きめのの振動はオイルが流路を通って鈍い動きで吸収するわけです。まさにダンパーですね。
更にここから進化したのが電子制御式の液体封入マウントです。アイドリング時と走行中などの振動は当然振幅が異なりますから、回転数によってマウント内の減衰力を変えてやろうというわけです。まだ一部の車種しか採用されていませんが、これから先はこれが主流になるかもしれませんね。
他メーカーの事はよく知りませんのでホンダばかりの例えになってしまいますが、インスパイアが採用しているのがアクティブコントロールエンジンマウント。やはり液体封入マウントと同じくメインとなる前後２ヶ所に使われ、構造的には液体封入マウントの下にソレノイドのアクチュエーターを重ねたものになっています。
ソレノイドに電流を流す事によってアクチュエーターが液封マウントの下部のゴム層を引き下げ、電流を止めるとゴムの形状が元に戻りエンジンマウントの高さも元に戻る。つまり、エンジンの回転に合わせてソレノイドへの通電を断続的にＯＮ－ＯＦＦさせてエンジンマウントの高さを変化させて、エンジンの揺れを吸収するわけです。
先代のインスパイアからはＶＣＭという気筒休止システムを採用していますが、新型では更に進化し、気筒休止の際３気筒運転のみならず４気筒運転も行ないます。６気筒を４気筒で運転させる、つまり不等間隔燃焼を行なうのですから、このアクティブマウントなしでは今のＶＣＭの滑らかさは実現していなかったかもしれません。
このようにエンジンマウントの進化というのも凄まじいものがり、例えば４気筒でも昔とは比べ物にならないほどアイドリング振動は減っていますし、１次偶力振動を起こす３気筒やＶ６もしかりです。最新のＶ６は、回転数によっては直６に勝るとも劣らない滑らかさを持っています。しかし、逆に考えればこれらの振動抑制もエンジンマウントに頼る部分が大きく、マウントが劣化してくるとたちまちボロが出だすということでもあります。
この点、成り立ちからしてバランスに優れた直６はエンジンマウントへの負担も少なく有利であり、またエンジン回転方向と駆動トルクが分離されるＦＲにおいても同じく有利であると言えます。
最後に、愛車長く乗っていて「最近どうもアイドリング振動が大きくなった」とか「エアコン入れるとアイドリング振動が大きい」という印象を持たれた方は必ずおられると思います。私はＤＡ６インテグラで８万Ｋｍ時点で一度ミッション交換をしたことがあり、その際マウントを交換してもらいましたが、交換後の振動フィーリングはまるで新車のように激変しました。ですのでエンジン振動を気にされる方はマウントの交換が一番お勧めです。ただし工賃込みで４万円以上は必要だと思います。私もお金に余裕ができたらアコードでも交換してみたいなぁと思っています。
因みに、エンジンの揺れを防ぐもので「トルクダンパー」というものがありますが、これはエンジン振動を低減させる目的で装着すると痛い目にあうと思います。ジムカーナやサーキット走行なので激しいアクセルのＯＮ－ＯＦＦに伴うエンジンの揺れを抑えるものなので、むしろ振動自体はダイレクトに車体へ伝えてしまいます。エンジンが適度に揺れることで車体への振動伝達が抑えられている事を忘れてはならないと思います。
長～～いお話でしたが、最後まで興味を持って読んでくださいましてありがとうございました。
エンジンの振動とバランスの話し
