ＴＯＹＯＴＡさんレース辞めて下さい　　　

>>497　解説書いてたら超長文レスになったが読んでくれるだろうか(w

ここで言う「エンジンのバランス」とは、クランクシャフト＋コンロッド＋
ピストンといった「回転体としての重量バランス」と、点火間隔による出
力の変動、またそれらを合わせた時のエンジン全体の振動などを指す。

まず「なぜエンジンが振動するのか」考えよう。

簡単に言えば「クランクが曲がっているからエンジンが揺れる」のだが、
真っ直ぐなクランクではエンジンは動かない。
ピストンを上下に動かす為にはクランクは曲がっている必要が有る。

そしてクランクにはコンロッドとピストンが付いてくるのだが、当然これ
らには重量が有り、重量があるモノを動かす以上、慣性が働く。
その反動で振動が生まれる……これだけでは何の説明にもなっていな
いので以下、少々(いやかなり)ヤヤコシイ話。
↓興味が有る人だけ読んで。

コンロッドのクランク側を見れば、クランク外周の円周上を円運動してい
るので振動は出ない。しかしピストンの側を見ると往復運動をしている。

往復運動をもっと細かく見ると上死点で停止＞下に向かって加速＞最高
速で中間点を通過＞減速＞下死点で停止＞上へ向かって加速……とい
う行程を繰り返している。
これを多気筒化すれば勝手にバランスするような気がするが、「もっと」
詳しく見るとピストンの往復運動は「上下対称」ではないのである。(続く)

数学的に言えば「コンロッドの長さが有限」な事が原因なのだが、角速度
が一定な時、ピストンの往復運動は下支点側ではゆっくりと、上支点側で
速く動く。このアンバランスがクランクに取り付けたカウンターウェイトだけ
では打ち消せない、エンジンの振動成分の原因で有る。

さて、４ストロークエンジンでは、ある瞬間に爆発(膨張)しているシリンダー
と、吸気行程中のシリンダーと、排気行程中のシリンダーと、圧縮行程中
のシリンダーが有る(当たり前だが一応確認)。

次に、エンジンから取り出す力を滑らかにしようと考えると、膨張行程を
均等にしたい。つまりは点火間隔を一定に保つ事でどの瞬間も等しくエン
ジンが仕事をしている＝滑らかに回転するように設計する必要が有る。

４ストロークエンジンは２往復(２回転)する間の４つの行程で仕事を完了
する訳だが、この４ストロークエンジンを「直列４気筒」で作ると、残念な
がらフルバランスにはならない。
直感的にはバランスするはずの４気筒が何故バランスしないのか？

出力トルクを滑らかにする為、つまり各気筒を等間隔で爆発させると、
エンジン全体ではアンバランスが出てしまう。これは直列４気筒に限った
話ではないが、色んな意味でスタンダードなエンジンが直４なので少々詳
しく述べたい。

分解図を見ればクランクが平面になっている事からも分かるが、直列４
気筒エンジンは１番と４番が同じ動き、２番と３番が同じ動きをする事で
回転重量の釣り合いを取っている。(まだ続く)

ちなみに１番が膨張行程では４番が吸気行程中である。
点火順序は１＞３＞４＞２(または１＞２＞４＞３)にしかならない。
他の作り方は出来ないのである。

ここで「？」と思った人は、並列２気筒の４ストロークエンジンを思い浮か
べて欲しい。並列２気筒なら「二つのピストンを互い違いに動かす」事が
最もバランスが良いように思えるが、トルク変動を考慮した「点火間隔」
から言えば、二つのピストンは「同時に動かす」のが正しいのである。
並んだピストンを同時に動かせば当然振動は大きくなる。
しかしこの様な２気筒エンジンは幾らでも有る。
４気筒はその両脇に一気筒づつ足した物だと思えば良い。
静的には釣り合っていてもこれを回すと二次成分としてのアンバランス、
エンジン全体では振動するモーメントが出るのだ。
最初に述べた「往復運動の非対称成分」がエンジンを揺さぶる訳だ。
クランクシャフトのカウンターでは消せない。仕方ないのでクランクとは別
に用意したバランサーシャフトを入れ、これをクランクの倍速で回す事で
この振動を消す。
バランサーが無い方がパワーロスの点で有利な事は言うまでも無い。

◆さてここから本題↓
４ストロークエンジンを６気筒にする事でクランクは複雑になるが、回転
バランスを取りつつ等間隔での爆発が可能になる。６気筒エンジンのクラ
ンクは円周上にバランス良く各気筒のクランクピンが配置できるのだ。
１２０度毎に２つづつコンロッドが配置され１−５−３−６−２−４の順に
点火される。つまり１と６、５と２、３と４は同じ動きをしながら２ストローク
(３６０度)ずれた行程を行っている。(まだまだ続く)

この場合、二次振動が出ないようにする事が可能、かつ簡単である。
上下で非対称な往復運動を一つの平面で行う直列４気筒に対し、Yの字に
交叉したクランクを用いる直列６気筒エンジンはバランスが良いのである。

上で述べた「往復運動の非対称成分」は１２０度クランクでは元々ぶつか
らない。クランクの長さでピストンスピードのアンバランスの出方は違う
(振動だけを考えればコンロッドは長ければ長いほど良い)が、６気筒では
位相のずれた各ピストンがモーメントを打ち消し有ってくれるのである。

１２時の位置に１番と６番が有り、４時の位置に２と５、８時の位置に２と３
が来ているとしよう。ここから１と６のピストンは中間点に向かって加速を
始め、２と５のピストンは減速しつつ下死点に向かい、３と４のピストンは
中間点に向かっての加速中である。

このように「非対称な二次成分」が打ち消し合うのは「３と２の倍数気筒」
を持つエンジンだけに許された特権なのである。

さらに、この直列６気筒エンジン二つを６０度のバンク角でＶ１２エンジン
とすると、同じバランスを保ったままで爆発間隔は更に半分に縮められる。
しかも、左右のバンクの隣り合ったコンロッドは「同じクランクピン位置」
を共有できる。１２０度６スローのクランクで１２個のピストンが動かせる
という「シンプルにして完璧」な構造を持つのだ。

この１２気筒エンジンはクランクシャフトが７２０度回転(つまり２回転)する
間に１２回の爆発をする訳だが、そのタイミングは当然きっちり６０度で割
れる「さらに滑らかな等間隔爆発」となる。(終わらね〜〜)

これがＶ１２エンジンが「シルキースムース」と言われる所以。
出力も滑らかなら回転体としてのバランスも優秀。
クランクもシンプルで軽く出来るし振動対策も楽。
もちろん高回転を追求するのに有利な事は言うまでも無い。

対してＶ１０エンジンではバンク角を７２度にする事でＶ１２の滑らかさに
対抗するわけだが、本質的に５気筒エンジンと言うのはバランスが悪い
(言うまでも無いが５気筒エンジンを二個つなげたのがＶ１０なので、半分
で考えると分かりやすい)。

４気筒エンジンとは別の次元で回すのには苦労する。それが５気筒。
７２０度(２回転)で全行程を完結する「４」ストロークエンジンを、５で割る
事に元から無理が有る、とも言える。
５気筒エンジンの点火間隔は１４４度(７２０割る５)。クランクは７２度の
位相を持ち、５つのクランクピンは円周上で「一つも重ならない」。
さらに、偶数気筒エンジンならエンジンの前後を対称に作る事で回転
重量を釣り合わせる事が可能であるが、奇数気筒ではそうはならない。

そして、ここへ来て重要なのが、エンジンを揺さぶるのはピストンの
上下運動だけではないと言う事実。
往復運動するのはコンロッドも同じである。

ここで「ん？ピストンと同じ動きじゃん」と思った方、エンジンをクランク軸
と直交する側から見た所を想像して欲しい。もちろんピストンは上下に
動き、クランクは回っている。
では、コンロッドはどうなっているだろうか？(あと一つ)

そう、コンロッドのヤシは「左右に」動きながら上下しているのである。

４気筒エンジンでは１と４のコンロッドと２と３のコンロッドでは、左右の
動きが逆になる。一平面のクランク配置が上下と同時に左右でも重量
バランスを保つのである。しかし、５気筒エンジンではそうはならない。

点火順序は一般に１＞５＞２＞４＞３となり、クランク配置は１を０度と
した時、５が１４４度、２が２８８度、４が７２度、３が２１６度となる。
クランクが時計周りに回っているものとする。ピストンの上死点下死点
にならい、ここでは３時を右死点、９時を左死点としたい。

１番のコンロッドは１２時の中間点を過ぎ、右死点へ向かいつつ減速。
２番のコンロッドは１０時過ぎ、左死点から加速中。
３番のコンロッドは８時過、左死点へ減速中。
４番のコンロッドは２時過ぎ、右死点へ減速中。
５番のコンロッドは４時過ぎ、左死点へ向かって加速中。
左右のモーメントは釣り合わない……このようなアンバランスが、あら
ゆるタイミングで起きているのである。

宿命的な振動成分なのだが、直列４気筒の単純な上下の二次振動と
違い、バランサーでこれを打ち消すのは至難の技である。
ホンダがＶ１０でいち早く成功したのも、直列５気筒を乗用車エンジンと
して長く作り続けた経験が生きてるのかもしれない。
以上、なんの役にも立たない長文でスマン。

コピペじゃないのがこれまたビックリですな(w