直６とV12エンジンは回転バランスに優れると言われるけどナゼ？ ２～５気筒と比べたらその理由が明確だった

　この記事をまとめると

■直6とV12がなぜ回転バランスエンジンと言われるかをそれ以外のエンジンの特徴と合わせて解説

■単気筒から5気筒までのエンジンはそれぞれピストン運動やクランク回転運動の際に振動を発してしまう

■直6とV12は6次振動以外は発生せず、偶力も各気筒が対処に動くことで打ち消すことができる

　直6とV12以外のエンジンでは大きな振動が発せられる

　直列6気筒、V型12気筒はなぜ回転バランスに優れると言われるのか？　もはや常識、いまさら説明の必要もないだろう、と無意識のうちにスルーしていた問題だが、編集部が素朴な疑問を提示してきた。たしかに車両紹介などで直6、V12は、とくに説明もなく無条件で回転バランスに優れると紹介しているが、ではなぜなのか、その理由を考えたことはあるだろうか？　そこで今回は原点に立ち返り、直6、V12の回転バランスについて考えてみることにした。

　とは言うものの、まず結論ありきとして、直列6気筒とＶ型12気筒は、ほかのシリンダーレイアウトに較べ、回転バランスに優れ、滑らかで振動のないまわり方をするエンジンということを先に断言しておこう。この2型式は、それほどまでに優れた方式である。

　さて、運転中のエンジンが発生する振動だが、その原因のほとんどは、ピストンの上下運動とクランクシャフトの回転運動によって生まれるものと考えてよい。

　まず、ピストンの上下運動によって発生する振動だが、これはシリンダー内を上下するピストンの動きとクランクシャフトの回転位置（角度）を付け合わせてみると理解しやすいと思う。ピストンの位置は、クランク位置角０度（360度）のときが上死点（＝ピストン位置はトップエンド）、クランク位置角180度のときが下死点（＝ピストン位置はボトムエンド）、そしてクランク角90度のときと270度のときに、ピストンは上死点と下死点の中間に位置しそうに思えるのだが、じつは中間点よりやや下死点側に位置することになる（興味のある方は三角関数でご確認を）。

　つまり、クランクシャフトの270度から90度までの上半分回転領域と90度から270度までの下半分回転領域では、ピストンスピードが異なることから慣性力が発生し、これが振動となってエンジンの回転運転に悪影響をおよぼすことになる。

　さて、単気筒エンジン、直列2気筒エンジン（360度クランクの場合）でクランクシャフトが1回転した場合、ピストン重心位置の変化から1度だけ振動が発生する。クランク1回転で1度振動することから、この振動を1次振動と呼ぶ。この1次振動は大きな振動で、正常なエンジンの回転運動に対して支障をおよぼすものと考えてよい。

　次に180度クランクの直列2気筒エンジンを考えてみよう。それぞれのピストンの動きが対称となるので、1次振動は打ち消しあうかたちになるが、クランク位置90度のときと270度のとき、両ピストンの位置が中間点に対してズレるため（片方が上、もう一方が下）、両ピストンの動きを合計するとクランク1回転につき2度の振動が発生することになる。これを2次振動といい、1次振動より小さいがそれでも無視できない大きさだ。

　また、クランクシャフト中央に対し、それぞれのピストンの動きが対称にならないので、クランクシャフトにシーソー運動が起きることになる。これを偶力といい、180度クランクの2気筒には2次振動と偶力が発生することになる。

　最近、世界的潮流となっているダウンサイジングで実用例が増えている直列3気筒エンジンはどうだろうか。クランク角は120度だ。じつはこの3気筒方式、回転振動に優れた方式で、1次／2次振動は発生せず、6次振動が微妙に見られる程度である。

　この6次振動は、エンジンの回転運動上ほとんど無視できる小さなもので、3気筒は回転バランスに優れた方式となる。ただ、クランクシャフト中央に対し、それをはさむ前後のピストンが非対称な位置にあるため、偶力は発生してしまう。

　直列4気筒エンジンは、クランク角が2気筒ずつ対となるため、回転振動に関しては180度クランクの2気筒と同じく、2次振動が発生してしまう。ただ、クランクシャフト中央に対し、前後2気筒ずつの動きが同じになるため偶力は発生しない。この点が2気筒（180度クランク）と異なるが、2次振動を打ち消すための対策は必要となる。

　世界的にも稀な例となるが、アウディがかつて好んで使った直列5気筒はどうだろうか。クランク角は72度となり、5気筒の動きを合計した回転振動は、実用上の問題となる1次／2次振動は発生せず、わずかに10次振動が見られる程度だ。

　振動のレベルとしては小さく、実用上の問題はまったくない。ただし、クランクシャフト中央に対して前後のシリンダー（ピストン）の動きが異なるため、偶力の発生は避けられない。

　静かで滑らかな回転は最高レベルの直6とV12

　そして6気筒だが、6気筒には直列6気筒のほか、V型6気筒、水平対向6気筒もあるが、ここでのテーマは直列6気筒とする。直列6気筒のクランク角は120度となり、考え方としては直列3気筒を2基つないだものと見なしてさし支えない。回転振動に関しても、3気筒と同じく1次／2次振動は発生せず、小さな6次振動が発生するのみで、極めて滑らかなまわり方となっている。また、クランクシャフトを中央とする前後3気筒ずつの動きが対称となるため、偶力の発生も見られない。

　ピストンの上下動に伴う振動で問題となるのは、1次／2次振動で、3次振動から上は周波数も高くなり、ほとんど問題のないレベルとなっている。このため、1次振動対策（単気筒）としてはクランクシャフトと等速で回転するバランスシャフト、2次振動対策（4気筒）としてはクランクシャフトの2倍速で回転するバランスシャフトを設ける例が一般的となっていたが、絶対的な振動が小さな小排気量エンジンでは、コスト、重量などの面も考慮し、現在でも省かれる場合もある。

　なお、三菱自動車が特許を持つサイレントシャフト方式（1974年実用化）は、2本のバランスシャフトの高さを変えて配置することで、振動のみならず起振モーメントの打ち消しもできる方式として、世界から大きく注目された経緯がある。

　一方、偶力が発生する3気筒、5気筒エンジンでは、シリンダー両端のピストン上下動と反対になる位置にウェイトを装着したバランスシャフトを、クランクシャフトと逆回転で回すことにより、偶力をキャンセルする方式が実用化されている。ただし、これも振動対策で設けられたバランスシャフト同様、排気量やその他の理由によって装備されない場合もある。

　次に、クランクシャフトの回転によって発生する振動だが、クランクシャフトにはピストンの上下動による振動を打ち消すため、ピストンと同じ重さのウェイトがクランクシャフトに設けられている。ピストンが上死点にある位置で、その正反対の方向（真下）にあるクランクアームに、ピストンと等質量のウェイトを設定するのである。

　ただし、ウェイト重量は、クランクピンの位置が0度、180度付近の場合は有効なのだが、90度／270度の位置ではピストンの上下動に対してカウンターウェイトは90度直交した位置となるため、ピストンの動きをキャンセルすることができない。逆に、カウンターウェイトが左右方向に揺れることで振動が発生するため、実際にはカウンターウェイトの重量をピストン重量の2分の1程度に設定される場合が多い。

　また、カウンターウェイトによって発生する振動を抑えるため、カウンターウェイトの重量に等しいバランスウェイトを備えるシャフトを設け、クランクシャフトと逆回転させることで振動のつり合いをとる対策も採られている。

　さて、V型12気筒が最後になってしまったが、ほぼ完全バランス（1次／2次振動の発生なし、偶力の発生もなし）の直列6気筒を2基組み合わせた形となるV型12気筒だけに、回転バランスに関して問題が起きるはずもない。気筒数が6気筒の倍となることから点火タイミングは半分（720度の12分の１、60度間隔）になり、直列６気筒よりさらにスムースで振動のないまわり方となるのは当然で、重量、サイズを考慮しなければ、回転バランスに関して最高のシリンダーレイアウトと言われるのはこのためだ。

　直列6気筒、V型12気筒は、エンジン全長が長くなり、車体への搭載に関してやりにくい部分も存在するが「シルキーシックス」の形容に代表されるよう、静かで滑らかなまわり方は最高レベルにある。ただ、現在はエンジンのコンパクト化のため、6気筒は直列でなくV型が採用される例が多い。

Comments

あれ？フラット6はどうなった？

水平対向6気筒も完全バランスなんだけど、何故取り上げないのか不思議。