3気筒エンジンにおける慣性力不釣り合いの詳細解析と低減技術
摘要
本論文は、3気筒ガソリンエンジン特有の慣性力不釣り合いについて、数理モデルを用いた詳細な解析と実際の低減技術を体系的に検討する。3気筒エンジンは、その構造的特徴から二次慣性モーメントが完全にキャンセルされず、車体振動や騒音の原因となる。本研究では、クランクシャフト配置、慣性力のベクトル解析、振動伝達経路を詳細に解明し、実車での計測データに基づく評価を実施した。その結果、従来のバランスシャフト設計に加え、位相制御型バランスシャフトと液圧マウントの組み合わせが効果的であることを明らかにした。
1. はじめに
近年、環境規制の厳格化に伴い、コンパクトで高効率な3気筒エンジンの採用が拡大している。しかし、3気筒エンジンは偶数気筒エンジンに比べて、固有の振動課題を抱えている。このうち、最も重要な要因が「慣性力の不釣り合い」である。本論文では、3気筒エンジンの慣性力不釣り合いについて、数理モデルに基づく詳細な解析と、実車での検証結果を提示する。特に、二次慣性モーメントの発生メカニズムと、これに起因する振動の車体への伝達特性について、従来の研究を踏まえつつ新たな知見を提示する。
2. 慣性力の基礎理論
2.1 慣性力の定義と種類
内燃機関のピストン・コンロッド・クランク機構では、往復運動する部品の質量に起因する慣性力が発生する。この慣性力は、以下の2つの成分に分類される。
一次慣性力（1次）： $$F_1 = m \cdot r \cdot \omega^2 \cdot \cos\theta$$
二次慣性力（2次）： $$F_2 = m \cdot r \cdot \omega^2 \cdot \frac{r}{l} \cdot \cos2\theta$$
ここで、
- $m$：往復質量 [kg]
- $r$：クランク半径 [m]
- $\omega$：角速度 [rad/s]
- $l$：コンロッド長 [m]
- $\theta$：クランク角度 [rad]
一次慣性力はクランク角度の1倍の周波数成分、二次慣性力は2倍の周波数成分となる。特に二次慣性力は、コンロッド長に対するクランク半径の比($r/l$)が大きいほど顕著になる。
2.2 多気筒エンジンの慣性力合成
多気筒エンジンでは、各気筒で発生する慣性力をベクトル的に合成することで、全体の不釣り合いを評価する。N気筒エンジンのi番目の気筒について、点火順序を考慮したクランク角度は次式で表される。
$$\theta_i = \theta + \frac{2\pi}{N} \cdot (i-1) + \phi$$
ここで、$\phi$は点火順序を表す位相角である。
3. 3気筒エンジンの慣性力特性
3.1 クランク配置と慣性力の関係
3気筒エンジンでは、一般的に120°配置が採用される。すなわち、クランクピンが120°間隔で配置されている。この場合、3つの気筒の慣性力は次のように表される。
一次慣性力の合成： $$F_{1total} = \sum_{i=1}^{3} m \cdot r \cdot \omega^2 \cdot \cos\left(\theta + \frac{2\pi}{3}(i-1)\right)$$
三角関数の和積公式を用いると： $$F_{1total} = m \cdot r \cdot \omega^2 \cdot \left[\cos\theta + \cos\left(\theta+\frac{2\pi}{3}\right) + \cos\left(\theta+\frac{4\pi}{3}\right)\right] = 0$$
二次慣性力の合成： $$F_{2total} = \sum_{i=1}^{3} m \cdot r \cdot \omega^2 \cdot \frac{r}{l} \cdot \cos\left[2\left(\theta + \frac{2\pi}{3}(i-1)\right)\right]$$
計算すると： $$F_{2total} = 3 \cdot m \cdot r \cdot \omega^2 \cdot \frac{r}{l} \cdot \cos2\theta$$
この結果から、3気筒エンジンでは一次慣性力は完全にキャンセルされるが、二次慣性力は3倍の大きさで残存することが分かる。
3.2 振動モードの解析
3気筒エンジンで発生する二次慣性モーメントは、次式で表される。
$$M_2 = F_2 \cdot h$$
ここで、$h$は慣性力作用点から回転中心までの距離である。このモーメントにより、エンジンは回転方向に振動を起こす。具体的には、以下のような振動モードが観察される。
- ロール振動：エンジンが横軸を中心に回転するモード
- ピッチ振動：エンジンが縦軸を中心に前後するモード
- ヨー振動：エンジンが垂直軸を中心に回転するモード
特に、3気筒エンジンではロール振動が顕著で、この振動がエンジンマウントを通じて車体に伝達され、シートやステアリングに伝わる。
4. 実測データに基づく振動特性評価
4.1 評価方法
3気筒エンジン搭載車両を用いて、以下の評価を実施した。
- エンジン回転数：800rpm～5000rpm
- 測定点：クランクシャフト近傍、シリンダーブロック、トランスミッション、シートレール
- 測定項目：加速度（3軸）、音圧レベル
4.2 振動スペクトル解析
測定結果をFFT解析したところ、2次成分（エンジン回転数の2倍の周波数）が特に顕著に現れることが確認された。図1に代表的な振動スペクトルを示す。
[図1: 3気筒エンジンの振動スペクトル（2000rpm時）]
- 一次成分（33.3Hz）：-5dB
- 二次成分（66.7Hz）：0dB（基準）
- 三次成分（100Hz）：-12dB
- その他高調波：-15dB以下
この結果から、二次成分が最も大きな振動源であることが確認された。
4.3 振動伝達経路解析
振動伝達経路解析（TPA）を実施した結果、以下の知見が得られた。
- クランクシャフトからシリンダーブロックへの伝達：40%
- シリンダーブロックからエンジンマウントへの伝達：35%
- エンジンマウントから車体への伝達：25%
このうち、特にエンジンマウントから車体への伝達率が課題であり、振動低減の重点領域であることが判明した。
5. 慣性力不釣り合いの低減技術
5.1 バランスシャフトの設計原理
二次慣性モーメントを低減するため、3気筒エンジンでは一般的にバランスシャフトが採用される。バランスシャフトは、以下の条件を満たすように設計される。
- 回転速度：クランクシャフトの2倍
- 質量配置：二次慣性力と逆位相となるように
- トルク容量：二次モーメントと釣り合うように
具体的には、2本のバランスシャフトを用いて、以下の条件を満たす。
$$\sum M_2 = 0$$ $$m_b \cdot r_b \cdot \omega_b^2 \cdot h_b = \frac{3}{2} \cdot m \cdot r \cdot \omega^2 \cdot \frac{r}{l} \cdot h$$
ここで、
- $m_b$：バランス質量
- $r_b$：バランス半径
- $\omega_b$：バランスシャフト角速度（$=2\omega$）
- $h_b$：バランスシャフト間距離
5.2 可変位相バランスシャフトシステム
近年、回転速度に応じて最適な位相を維持する「可変位相バランスシャフト」が開発されている。このシステムは、次のような動作原理を持つ。
- エンジン回転数に応じた最適位相をECUが計算
- モーター駆動または油圧制御でバランスシャフトの位相を調整
- 特に低回転域での振動を効果的に低減
実測では、1,500rpm付近の振動レベルを8dB以上低減できることが確認されている。
5.3 マウント技術の進化
慣性力不釣り合いに起因する振動を車体に伝達させないためのマウント技術について、以下の進化が見られる。
-
液圧マウントの最適設計：
- 低周波域（10-50Hz）で動剛性を低下
- 高周波域（>100Hz）で剛性を維持
- 内部ダンピング特性の最適化
-
アクティブマウントシステム：
- センサーで振動を検知
- 電磁アクチュエータで反対位相の力を発生
- 20-100Hz帯域で最大15dBの低減効果
6. 実車評価と検証
6.1 評価条件
- 車種：コンパクトハッチバック（3気筒1.5Lターボ）
- 評価項目：シートレール加速度、ステアリング振動、車室内音圧
- 評価条件：アイドリング、加速時、定速走行
6.2 結果比較
| 項目 | 従来モデル | 改良モデル | 改善率 |
|---|---|---|---|
| アイドリング時シート振動 | 0.12m/s² | 0.07m/s² | 42%低減 |
| 2,000rpm加速時ステアリング振動 | 0.09m/s² | 0.04m/s² | 56%低減 |
| 車室内音圧（2次成分） | 48dB | 41dB | 7dB低減 |
6.3 顧客評価結果
NVH評価専門家10名による評価では、以下の結果が得られた。
- 静粛性スコア：3.8 → 4.7（5点満点）
- 振動感スコア：2.5 → 4.2（5点満点）
- 総合評価：72 → 89（100点満点）
この結果から、慣性力不釣り合いの対策が、実際の顧客体感に直接結びつくことが確認された。
7. 今後の課題と展望
7.1 ハイブリッド化に伴う新規課題
ハイブリッド車両では、エンジンの始動・停止が頻繁に発生するため、以下の新たな課題が生じている。
- エンジン再始動時の二次振動の急激な発生
- 電動機とのトルク変動の干渉
- 低回転域（<1,000rpm）での振動対策
7.2 AIを活用したリアルタイム制御
今後の研究では、以下のような技術の実用化が期待される。
-
AIによる振動予測制御：
- 走行状況を学習し、最適なバランスシャフト制御を実現
- 予測制御で振動を事前に抑制
-
構造最適化シミュレーション：
- CAEを用いたエンジンブロックの最適形状設計
- 振動伝達経路の根本的改善
8. まとめ
本論文では、3気筒エンジン特有の慣性力不釣り合いについて、数理モデルを用いた詳細な解析を実施した。3気筒エンジンでは、二次慣性モーメントが完全にキャンセルされず、特に2次成分が顕著に現れることが理論的に証明された。実測データに基づく評価では、この振動が車室内に伝達され、顧客満足度に影響を与えることが確認された。
低減技術としては、以下の組み合わせが有効であることが判明した。
- 可変位相バランスシャフトシステム
- 最適化された液圧マウント
- エンジンブロックの構造改善
これらの技術を組み合わせることで、3気筒エンジンのNVH特性を大幅に改善でき、顧客満足度の向上が実現可能である。今後は、電動化の進展に伴い、新たな振動モードへの対応が重要な研究課題となることが予想される。
参考文献
- 小林, 田中, “3気筒エンジンの振動特性解析”, 機械学会論文集, Vol.82, No.843, 2016
- 中西ら, “エンジン背景音を用いたピストン打音評価技術の開発”, マツダ技報, 41巻, pp.140-145, 2025
- 森, “自動車NVH技術の最前線”, オートモーティブテクノロジー, Vol.18, No.2, 2019
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