晴れると言いながら今日も小雨だったりどんより曇ったりでスカッとしない一日を過ごしたダブルウィッシュボーンです。
今日は色々ありすぎて疲れ果てました・・・
先日帰宅中に珍しいシルバーのCL1アコードユーロRと遭遇しました。K20AのユーロRも素晴らしい車ですが、H22Aが大好きな私はどうしてもこのユーロRを贔屓目してしまいます。200ccの余裕はもちろん、加速時の少し太めのサウンドがたまらなく好きでした。とはいえ、スタイルは断然CL7が好みで、そういう意味ではH22A搭載のCL7が理想といえるのかも。こんな事を書きながら、そもそも家庭の事情でMTが買えませんが（爆）
そういえばチェーンカバーから結構なオイル漏れを起こし続けている相棒君ですが、車庫のコンクリート地面にも随分前からオイルの染みがあるし、オイル交換から3000Km近く走っていることもあって実はオイルの量が若干減ってるかもと心配になり今朝始動前に確認してみました。しかしちゃんとレベルゲージの中ほどまであったのでちょっと安心しました。とはいえ、今月末か来月に預ける車検では対処せねばと思っているところです。
そしてエンジン始動。今日もてんこ盛り積載していつものルーティーンワークをこなすため一っ走りしてきました。以前プラグ交換とECUリセットをしたおかげで、Dレンジでのアイドリング状態でエアコンのコンプレッサーが稼働してもしっかりアイドルアップしてくれ振動は全然気になりません。まぁそれが普通なのですが・・・。
そういえば来週は息子の下宿先へあるものを届けに行く予定にしていて、その際なかなか手に入らないらしいティッシュペーパーをこちらで買ってついでに渡そうと思っていたのですが、相変わらずこちらでも棚はスッカラカンで、メーカー在庫は充分にあるというニュースの情報とはかなりかい離した状況にこれいかにという印象です。配送が追いつかないらしいのですが、どういう理由であろうと商品がないのは事実でもはや買い溜め云々以前の問題です。人手不足の世の中、こういった状況になると最後はマンパワーなわけですから、人口減少が続く日本はこの先何度もこういった事が起こるかもしれませんね。
さて、先月頃からでしょうか、夜寝る前にスマホでYoutubeを見ていたら突然お勧め動画に
「6気筒はなぜスムーズなのか」というタイトルの動画が出るようになりまして、当然この手の話は大好物なのでちょっと覗いてみました。どうやら投稿者さんはガレージショップの方っぽいのですが、視聴者さんから質問を受けていて色々と答えられているという内容のものでした。
で、私が覗いたこの動画は質問者さんが
「6気筒はなぜスムーズなのか」という質問をされたいたわけではなく、
「なぜ6気筒の燃焼順序は1-3-5-6-2-4なのですか？」というものだったのですが、気になったのはその答えが最後までなかった事と、動画タイトルである6気筒がスムーズな理由に行きつくまでに一次振動や二次振動の話にもなり、それが驚くほど間違っていた事でした。断片的な知識としては間違っていないものもあるのですが、それら断片的な知識同士を全く無関係なところで結び付けていて結局意味が分からなかった、そういう印章でした。
コメント覧を見てみたら、「とても分かりやすかったです」という意見が大多数で一体どこでそう思えたのか全く理解できませんでしたが、やはりちゃんと振動やバランスの事に知識がある方も数人おられ、色々な説明で細く指摘されていましたが、残念ながらその意見に対しては返信が無い状態でした（私はYoutubeでコメントしたことがないので私が突っ込んだわけではない）。
別に個人攻撃するつもりはさらさらないのですが、あまりにも間違った内容を発信力の大きなYoutubeで流されているのでその補正の意味を込めてと、この手の話は大好きで10年前にも二つほどエンジンの振動とバランスの話を書いており、その時に4気筒の二次振動のキャンセル方法については軽くしか説明していなかったので、そのあたりを含めて振動とバランスの話しを分かりやすく書いてみたいと思います。
※エンジンの振動とバランスの話は
こちら
※Ｖ６エンジンの燃焼メカニズムと振動バランスの話は
こちら
（トルク変動振動）
色々な振動の中でも、シリンダー数に比例するこの振動はエンジン振動の中でも最も人間が感じやすい振動です。このことを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すから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。
◆単気筒：７２０度に一度爆発＝クランク１回転につき０．５回爆発（０．５次振動）
◆２気筒：３６０度に一度爆発＝クランク１回転につき１回爆発（１次振動）
◆３気筒：２４０度に一度爆発＝クランク１回転につき１．５回爆発（１．５次振動）
◆４気筒：１８０度に一度爆発＝クランク１回転につき２回爆発（２次振動）
◆５気筒：１４４度に一度爆発＝クランク１回転につき２．５回爆発（２．５次振動）
◆６気筒：１２０度に一度爆発＝クランク１回転につき３回爆発（３次振動）
（クランクの回転揺れとピストンの縦振動）
クランクはその名の通り、クランク形状のシャフトです。このシャフト両端を固定して回転させると外側へ放り投げるような力の成分が発生するのは分かりますよね。この成分をキャンセルするには反対側に同じ質量分のおもりを設けてやればよい。そこでクランクピンの反対側にカウンターウェイトというおもりを設けています。
しかし、よく考えてみればクランクシャフトの回転成分だけキャンセルできてもそれにつながるピストンやコンロッドの垂直水平方向のトルク成分（図中のB）が残ります。そこでこれらをキャンセルするために更にカウンターウェイトを重たくします。
例えば単気筒で説明すると、クランクの慣性トルクＡをバランスさせるカウンターウェイトＡ’を設け、更にピストンの垂直方向に発するトルク成分Ｂをもキャンセルできる重さＢ’を増やすとします。つまりカウンターウェイトはＡ’＋Ｂ’。そうするとカウンターウェイトが横向きになった時にＢ’分だけオーバーバランスとなり、エンジンが横揺れしてしまいます。
そこで、カウンターウェイトの垂直成分Ｂ’を半分のＢ’／２に変更し、更にＢ’／２の重さのバランスウェイトをもう一つ別に設け、クランクと逆回転させます。そうすると垂直成分はふたつのＢ’／２によって（つまり合計でＢ’）キャンセルされ、クランクが水平になった時も相殺されます。実際にはピストン速度が上下で異なる事やコンロッドの左右振りがあるので完全にはキャンセルできませんが、かなりの偏った成分を軽減できます。
これがピストン1往復の振動をキャンセルさせる1次バランサーの考え方です。
さて、その一次振動をキャンセルさせる一次バランサーですが、冒頭で紹介したYoutube動画サイトではあたかも全てのエンジンでこの一次振動が起こり、全てのエンジンに一次バランサーが必要な説明だったのですが、3気筒以上のエンジンになると一次バランサーなど不要になります。もしかしたら、ここを勘違されてる方は多いのかもしれません。
３気筒以上になると、クランク軸３６０度に対して均等角度で捻りが割り振られるので、回転成分（図中のＡ）だけでいえばカウンターウェイトがなくてもバランスされる事は理解できるでしょうか。言ってみれば扇風機の羽根と同じです（2気筒は360度クランクなので2つとも同じ向きに捻られるためバランスされない）。
ただし、回転成分は相殺されてもピストンの垂直成分（図中のＢ）が残ってしまうために、その分のカウンターウェイトはクランク反対側に設ける必要があります。そうなるとやっぱりクランクが横向きになった時にオーバーバランスになってしまいそうですが、カウンターウェイト自体もまた３６０度の中で均等に割り振られているおかげでこれもバランスされます。そういう理由で3気筒以上のエンジンは別体の一次バランサーが不要ということになります。
（クランクの捻りによる慣性偶力振動）
クランクシャフトはシリンダー数によって捻る数と捻る角度が決められています。そしてその違いによってシャフトの長手方向に一種の捻りが生じ、そこにモーメントが発生する場合があります。
このあたりの説明を分かりやすく・・・。
軸というのは一直線の棒であれば軸線を中心に綺麗に回転します。ところが右上の絵のように軸の両端付近に違う方向へ捻りを加えて回すと綺麗に回りません。つまり軸が回転しながら軸の両端部も円弧を描きはじめます。コマの回転を想像してもらえばいいかな…。軸が回転しながら軸の上下端がゆっくり円弧を描き始めるアレです。このすりこぎ運動（歳差運動）によってクランク軸周りに発生する力を慣性偶力といいます。
では、まず4気筒で説明。
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。
Ａはシャフト前後で捻りの向きが違うためすりこぎ運動が起こり、下の絵の様にエンジン全体が左右に揺すられる振動が起こります。Ｂもシャフト前後で捻りの向きが違うのですりこぎ運動が起こり、Ａほどではありませんがユニットが左右交互に揺すられる。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すりこぎ運動が起こらず、1・4番が上に上がる時に2・3番が下がるのでユニットの左右揺れや上下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のセンターを境に対称な形状にしないと偶力が発生してしまうということです。そして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」のどちらかになるというわけです。
では3気筒だとどうか。
３気筒のクランクシャフトは３つの捻りが１２０度均等間隔で独立しています。その独立したクランクにはそれぞれカウンターウェイトが付いており、そのクランクを回転させると一見扇風機の3枚羽根のようにバランスされて綺麗に回転するように思えます。
しかし、クランクは扇風機の羽根と違って奥行方向に捻りが並んでおり、しかも3気筒の場合３つがそれぞれ独立した角度で並んでいるため１発ずつ物を放り投げるような力が働き、１番シリンダーと３番シリンダーで放り投げる時間差が生まれます。そうなるとシャフト前後で円弧を描くすりこぎ運動が起こってしまい、２番シリンダー付近を中心にエンジン前後がドラバタとコマのように回転揺れを起こしてしまうわけです。
お気づきかと思いますが、これは奇数シリンダーである5気筒でも同じ現象が起こります。そこそこの高級車扱いになる5気筒車ではこの振動をキャンセルするためにクランクと逆回転させる「一次慣性偶力バランスシャフト」というものを搭載した車が存在しましたが、国産の３気筒に搭載された実例は恐らく無いと思います。ただし、多くの３気筒はクランクシャフト両端部のカウンターウェイトに慣性偶力を軽減させる役目を負わせているようで、これは慣性偶力を発するV6でも同じ手法を取っているようですね。
（ピストン速度の違いで起こる縦振動）
ピストンの上下振動については冒頭で書いた通り基本的にはカウンターウェイトによってある程度バランスされていますが、それでも完全ではありません。その理由に次のような現象があります。
クランクが最上点にあるときはピストンは上死点で、最下点にあるときは下死点なのは当然ですが、クランクが水平向きの時、実はピストンは中間点にいるわけではありません。僅かですが半分よりも下にいます。これはクランクはストロークの半分まで下がりながらもコンロッドが斜めに下がるからです。
それによってどうなるかというと、一定速度で回っているクランクに対しピストンは下半分よりも上半分の方が速くなってしまい、縦振動として残存してしまいます。
この縦振動はもちろん全てのレシプロエンジンで起こり、気筒数によって大きさや振幅数（次数）が変わってきます。
◆単気筒 ： クランク１回転で１回振幅（一次振動）
◆２気筒 ： クランク１回転で１回振幅（一次振動）
◆３気筒 ： クランク１回転で３回振幅（三次振動）
◆４気筒 ： クランク１回転で２回振幅（二次振動）
◆５気筒 ： クランク１回転で５回振幅（五次振動）
◆６気筒 ： クランク１回転で３回振幅（三次振動）
この縦振動を4気筒で見てみます。
クランク角0度をスタートとしそこから180度回転させると、下に向かう1・4番の慣性力Bよりも上に向かう2・3番の慣性力Aの方が大きいため、エンジンは上方向に揺すられることになります。
そして更にもう180度回ると（計360度＝1回転）今度は2・3番の下に向かう慣性力Bよりも1・4番の上に向かう慣性力Aの方が大きいため、やはりエンジンが上方向に揺すられます。
つまりクランク1回転につき2回この縦振動が起こります。これが4気筒における二次振動。
そこで二次バランサーです。
二つのピストンが発する上向きの慣性トルク成分をCとすると、4気筒はこのCが180度おきにやってきますよね。クランク角0度をスタートとするなら、180度おきに2・3→1・4→2・3→1・4・・・という感じで。
ではバランサーはというと、1本をバランサーLとして慣性質量はCの半分であるC/2に。もう1本をバランサーRとし慣性質量は同じくC/2としますが、こちらはバランサーLと逆回転させます。
重要なのはどちらもクランクの倍速で回転させるということ。
下半分の絵を見ると分かりやすいと思いますが、クランクが半回転するたびに2本のピストンの慣性トルク成分Cが上向きに発生し、それを2本のバランサーが下方向に打ち消していますよね。そして2本のバランサーはお互い逆回転しているのでバランサーが横向きになった時も釣りあう・・・・。これが4気筒の二次バランスシャフトのメカニズムです。
実際はこういう感じで配列されてますが、高さなどの位置関係はエンジンによりけりです。私のアコードのK型はエンジンの底部に収められていますけどね。
前述の通りこの振動はピストンを持つ全てのエンジンで発生しますが、過去この振動をキャンセルさせるバランサーを採用した事があるのは4気筒だけです。なぜか・・・。
振動と言うのは“次数（クランク1回転の中で起きる振動数）”が小さいほど小刻みになるので体感しにくくなります。つまり振動として少ない事になります。先ほど書いた通り、4気筒の縦振動は3気筒の“3次”よりも大きい“2次”。その上、4気筒の場合この振動が2つのピストンで同時で起こるため振動数値として見ると飛びぬけて悪いのです。ピストン重量が大きくなる2L級以上の4気筒で中高回転域での滑らかさを求める場合、どうしてもこの縦振動を抑える必要があるというわけなんですね。
因みにホンダの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２～3代目ステップワゴン２ＬとインテＲ＆シビックＲ。
ストリームの１．８Ｌと２～3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事に間違いないとして、Ｋ２０ＡのアコードユーロＲがバランサー付きなのに同じＫ２０ＡのインテＲとシビック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。2本で１０Ｋｇ近く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」というメリットや回転の俊敏性が失われます。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も同様の理由だったとは思いますが、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。
この縦振動は前述の通りどのエンジンでも発します。もちろん6気筒も。
しかし、6気筒の場合は絵の通り120度間隔で2・5→3・4→1・6→2・5→3・4→1・6・・・という感じでクランク1回転につき3回もやってくるので、次数でいえば三次振動。ほぼ無視できるレベルということでバランサーは採用されません。
さて、最後に例のYoutube動画で視聴者さんが質問されていた6気筒の燃焼順序の話です。
偶数シリンダーのクランクシャフトはシャフト前後で鏡面状にするのがセオリーという事で、1・6番をセット、2・5番をセット、3・4番をセットで同じ向きに捻られています。
例えば絵の様に1・6番を12時方向に、2・5番を8時方向に、3・4番を4時方向に捻ったとしたら、それを時計回りに120度ずつ回すと燃焼順（上死点を突く順）は1-5-3-6-2-4、又は1-5-4-6-2-3、或いは1-2-3-6-5-4などいくつかの順が選べるわけですが、国産だとほぼ1-5-3-6-2-4です。理由は恐らく、6気筒は1～3番を一括りで、4～6番を一括りでエキマニをまとめるので、排気干渉などを考慮して6つのシリンダーの前半分と後ろ半分で交互に燃焼させてスムーズに排気させているのだと思われます。
ということで、振動とバランスの話 PART-3はいかがだったでしょうか。10年前のブログと内容が若干被っておりますが、二次振動については絵を加えたので以前よりは多少分かりやすくなったのではと思っています。
こんな事を書いたところで、今や二次バランサーを搭載した4気筒なんて無い気がするのが悲しい・・・
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