JP2010174659A - 内燃機関のピストン打音抑制装置 - Google Patents

Abstract

【課題】クランク室内圧を制御してピストン打音を抑制する。
【解決手段】本発明によれば、クランク室７内のガスを吸引してクランク室７内を減圧する減圧手段１４と、クランク室７内に新気を導入するための新気導入通路１７と、新気導入通路１７に設けられ、クランク室７内に導入される新気の流量を調節してクランク室内圧を調節する内圧制御弁１８とを備えた内燃機関のピストン打音抑制装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のピストン打音抑制装置に係り、特に、ピストンの首振りや並進運動などの挙動に起因して発生するピストン打音を抑制するための装置に関する。

ピストンの首振りや並進運動などの挙動がピストン打音の原因となることが知られている。ピストン挙動を詳しく解析すると、図１０に示すように、ピストンの急激な並進運動から首振りなどの回転運動が派生し、シリンダボアと衝突して打音を発生すると共にこれを加振する場合が多い。なお図中、Ｔｈはスラスト方向、Ａ−Ｔｈは反スラスト方向を意味し、（Ａ）から（Ｄ）に向かうにつれクランク角が増大する。

特に近年の内燃機関用ピストンは、フリクション低減のためスカート部を短くすることが主流になっており、ピストンの姿勢が不安定になる傾向がある。そしてとりわけピストンの首振り運動（ピストンピン回りの回転運動）が大きくなってきており、それに伴うピストンスカート上端部または下端部とシリンダボアとの衝突によるピストン打音が発生し易くなっている。

ピストン姿勢を安定させるため、ピストンとシリンダボアとの間のクリアランスを縮小すると、フリクションが増大する。このようにフリクション低減とピストン打音とは背反関係にある。

そこで、ピストンプロフィール等の形状を変更せずに打音を抑制する手法が待ち望まれている。

ピストンの並進運動は、ピストンに加わる側圧力によって発生する。側圧力には主に以下の二種類がある。
（１）ピストン上下の圧力差（筒内圧とクランク室内圧との差圧）による第１側圧力
（２）ピストン及びコンロッドの慣性力による第２側圧力

ところで、ある運転条件下でピストン打音を抑制しようとする場合、筒内圧と慣性力は運転条件によって自ずと決まってしまうため、制御できない。即ち筒内圧は内燃機関の負荷によって決まってしまい、慣性力は内燃機関の回転数と、構成部品の質量によって決まってしまう。

そこで、運転条件に影響のないクランク室内圧を積極的に制御してピストンに加わる側圧力を制御することが考えられる。特に運転条件が低回転であれば、慣性力による側圧力の影響が小さく、ピストン上下の差圧による側圧力が支配的であるため、この手法は効果的である。

特開２００８−６４０７１号公報

特許文献１には、クランク室の底部からオイルを汲み出すスカベンジポンプと、クランク室と吸気通路とを連通する新気導入通路と、新気導入通路を開閉する開閉弁と、クランク室内の圧力を検出する圧力センサとを備え、開閉弁の開度をクランク室内の圧力が所定の圧力範囲内に調整されるように圧力センサによって検出された圧力に基づいて制御する内燃機関の制御装置が開示されている。この装置によっても、クランク室内圧の制御自体は可能である。

しかし、この特許文献１に記載の装置は、スカベンジポンプを備えることを前提としており、また排気エミッションを改善することを目的としているので、ピストン側圧力の制御やピストン打音抑制を目的とした場合には制御性が悪い。

そこで、本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、その一の目的は、クランク室内圧を制御してピストン打音を抑制することができる内燃機関のピストン打音抑制装置を提供することにある。

本発明の一形態によれば、
クランク室内のガスを吸引して前記クランク室内を減圧する減圧手段と、
前記クランク室内に新気を導入するための新気導入通路と、
前記新気導入通路に設けられ、前記クランク室内に導入される新気の流量を調節してクランク室内圧を調節する内圧制御弁と、
を備えたことを特徴とする内燃機関のピストン打音抑制装置が提供される。

好ましくは、前記減圧手段が、負圧発生装置からなる。
或いは、好ましくは、前記減圧手段が、吸気通路に設けられたスロットルバルブと、該スロットルバルブ下流の前記吸気通路と前記クランク室とを連通するブローバイガス通路とからなる。

好ましくは、前記内燃機関のピストン打音抑制装置が、前記クランク室内圧を検出するクランク室内圧検出手段と、前記クランク室内圧検出手段により検出された前記クランク室内圧に基づき前記内圧制御弁をフィードバック制御するフィードバック制御手段と、をさらに備える。

好ましくは、前記内燃機関のピストン打音抑制装置が、前記内燃機関の振動を検出する振動検出手段と、前記振動検出手段の検出信号に基づき所定の周波数帯域の信号成分を抽出する抽出手段と、前記抽出手段により抽出された信号成分から振動強度のピーク値を抽出し、このピーク値を所定のしきい値と比較する比較手段と、前記比較手段の比較結果に応じて前記減圧手段及び前記内圧制御弁の少なくとも一方を制御する制御手段と、をさらに備える。

好ましくは、前記制御手段は、前記ピーク値が前記しきい値以上のときに前記クランク室内を減圧するように前記減圧手段及び前記内圧制御弁の少なくとも一方を制御し、且つ、前記ピーク値が前記しきい値未満のときに前記クランク室内を増圧するように前記減圧手段及び前記内圧制御弁の少なくとも一方を制御する。

好ましくは、前記内燃機関のピストン打音抑制装置が、前記内燃機関がアイドル運転状態か否かを判定する判定手段をさらに備え、前記判定手段によりアイドル運転状態と判定されたときに前記抽出手段が前記抽出を行い、前記判定手段によりアイドル運転状態と判定されなかったときには前記制御手段が前記クランク室内を増圧するように前記減圧手段及び前記内圧制御弁の少なくとも一方を制御する。

本発明によれば、クランク室内圧を制御してピストン打音を抑制することができるという、優れた効果が発揮される。

本発明の実施形態に係る内燃機関の概略図である。 内圧制御弁の断面図であり、全開状態を示す。 内圧制御弁の断面図であり、全閉状態を示す。 クランク室内圧とピストン側圧力との関係を示すグラフである。 クランクケース内圧とエンジンマウント振動との関係を示すグラフである。 第１変形例に係る内燃機関の概略図である。 第２変形例に係る内燃機関の概略図である。 第３変形例に係る内燃機関の概略図である。 クランク室内圧制御のフローチャートである。 ピストンの挙動を示す図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
図１に、本実施形態に係る内燃機関（エンジン）を概略的に示す。図示するエンジン１は直列多気筒自動車用ガソリンエンジンであるが（１気筒のみ図示）、エンジンの用途、種類、形式等は特に限定されない。

エンジン１はシリンダブロック２と、シリンダブロック２内で昇降可能なピストン３と、シリンダブロック２の下部に設けられたクランクケース４と、クランクケース４内に回転可能に配置されたクランクシャフト５と、ピストン３及びクランクシャフト５を連結するコンロッド６とを備える。クランクケース４内にクランク室７が画成されている。ピストン３上方の燃焼室８には吸気通路９と排気通路１０が接続され、これら吸気通路９と排気通路１０が吸気弁１１と排気弁１２によりそれぞれ開閉される。吸気通路（特に吸気ポート）９にはインジェクタ１３から燃料が噴射される。

クランク室７には、クランク室７内のガス（ブローバイガスを含む）を吸引してクランク室７内を減圧する減圧手段１４が接続されている。本実施形態の場合、減圧手段１４は真空ポンプ等の負圧発生装置１５から構成され、この減圧手段１４ないし負圧発生装置１５はガス通路１６を介してクランク室７に接続されている。負圧発生装置１５により吸引したガスは吸気通路９に環流させるのが好ましい。

代替的に、減圧手段１４を、吸気通路９に設けられたスロットルバルブ若しくは吸気絞り弁（図示せず）と、スロットルバルブ下流の吸気通路９（例えばサージタンク）及びクランク室７を連通接続するブローバイガス通路とから構成し、スロットルバルブ下流の吸気負圧を利用してクランク室７内を減圧するようにしてもよい。

他方、クランク室７には、クランク室７内に新気を導入するための新気導入通路１７が接続されている。新気導入通路１６の入口部は大気開放され、新気導入通路１７の出口部はクランク室７に接続されている。入口部には図示しないエアフィルタが設けられるのが好ましい。或いは代替的に、新気導入通路１７の入口部は、吸気通路９の入口部に設置されたエアフィルタの下流側で且つスロットルバルブ上流側の吸気通路９に接続されていてもよい。

新気導入通路１７には、クランク室７内に導入される新気の流量を調節してクランク室７内の圧力を調節する内圧制御弁１８が設けられている。そして内圧制御弁１８と、前述の減圧手段１４ないし負圧発生装置１５とが、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵという）２０に接続され、制御される。ＥＣＵ２０には図示しない各種センサからの情報信号が与えられる。この情報信号には、クランク角度、吸入空気量、アクセル開度及びスロットル開度の少なくとも一方、及び水温を示す信号が含まれる。

種々のタイプの電磁弁が内圧制御弁１８として使用可能であるが、以下に幾つかの好適例を説明する。

図２及び図３にはオリフィス付き弁体を使用したシャッタータイプの内圧制御弁１８Ａを示す。図２が全開状態、図３が全閉状態をそれぞれ示す。内圧制御弁１８Ａは、新気導入通路１７内を横断方向に移動可能な弁体３０と、弁体３０に固設されたプランジャ３１と、プランジャ３１を閉弁方向に付勢するスプリング３２と、オン時にプランジャ３１を開弁方向に引き付ける電磁駆動力を発生するコイル３３と、コイル３３の中心部に配設されたコア３４とを備える。弁体３０には、その上下流を連通する貫通孔からなるオリフィス３５が設けられている。ＥＣＵ２０によりコイル３３に与えられる駆動電流の大きさに応じて、弁体３０の位置が制御され、内圧制御弁１８Ａの開度が全開から全閉まで連続的に可変制御される。

コイル３３に最大電流が与えられると、図２の如く弁体３０は最高位置まで上昇し、新気導入通路１７を全開とする。他方、コイル３３に電流が与えられていないオフ時には、図３の如く弁体３０は最低位置に下降し、新気導入通路１７を全閉とする。但しこの全閉状態でもオリフィス３５の通路面積分だけ新気導入通路１７が開状態となるので、クランク室７内への少流量の新気導入が可能である。従って、クランク室７内から吸気通路９へのブローバイガス環流時においてもクランク室７内の少なくとも必要最小限の換気が可能である。

図６にはバタフライ型弁体４０を使用した絞り弁タイプの内圧制御弁１８Ｂを示す。この内圧制御弁１８Ｂは、弁体４０を回転駆動するサーボモータ（図示せず）を備え、ＥＣＵ２０によりサーボモータに与えられる駆動電流の大きさに応じて、弁体４０の角度位置が制御され、内圧制御弁１８Ａの開度が制御される。図２及び図３に示した内圧制御弁１８Ａやスロットルバルブと同様、弁体４０が最小角度位置にある全閉時でも新気導入通路１７が僅かに開状態となり、クランク室７内への少流量の新気導入が可能である。

このほか、図示しないが、スプール弁タイプの電磁弁などが内圧制御弁１８に使用可能である。なお全閉時に新気導入通路１７を完全に閉止する内圧制御弁１８も使用可能である。

次に本実施形態の作用効果を述べる。
負圧発生装置１５の作動時、クランク室７内のガスが負圧発生装置１５により吸引される。このとき内圧制御弁１８が無いと仮定すると、吸引ガス分の新気が新気導入通路１７によりクランク室７に導入ないし補充され、クランク室７内の流量が増加するだけで、クランク室７内の内圧変化はない。しかしながら、本実施形態では内圧制御弁１８が設けられているので、内圧制御弁１８を適切な開度に絞るよう制御することにより、クランク室７の内圧を変化、減少させることができる。これによりクランク室７の内圧を制御し、ピストン打音を抑制することができる。

具体的には、ＥＣＵ２０が、ピストン打音抑制が望まれる所定のエンジン運転状態になったと判断したら、クランク室内圧が所定の目標圧に一致するよう、内圧制御弁１８の開度を制御する。かかる目標圧が、ピストン打音を抑制し得るような値に設定されているので、当該制御によりピストン打音抑制が可能である。

図４には、クランク室内圧とピストン側圧力との関係を示す。このグラフ中の値は計算値であり、ピストン打音が最も問題となるアイドル運転時の結果である。側圧力は慣性力を含めた合力で表記されている。「減圧なし」とは、内圧制御弁が全開でクランク室内圧を減圧していない場合を意味する。「減圧小」とは、内圧制御弁が全開より小開度で、クランク室内圧を減圧している場合を意味する。「減圧大」とは、「減圧小」の場合よりも内圧制御弁が小開度で、クランク室内圧をより減圧している場合を意味する。

図示するように、内圧制御弁の開度を変更することにより、ピストン側圧力が変化することが分かる。よってピストン打音が最も抑制されるような側圧力になるよう、内圧制御弁の開度を制御することにより、ピストン打音を効果的に抑制することが可能である。

図５には、クランク室内圧に応じたピストン打音の変化を示す。このグラフ中、ピストン打音の代用値としてエンジンマウント振動が用いられている（縦軸）。クランクケース内圧はクランク室内圧を意味する（横軸）。横軸において、「減圧なし」とは、先と同様、内圧制御弁が全開でクランク室内圧を減圧していない場合を意味する。この「減圧なし」の場合に対し、内圧制御弁が徐々に閉じられ、クランクケース内圧が徐々に減少されたときの結果が、図中右方向に移動するプロットで示される。このグラフもアイドル運転時の結果である。

図示するように、「減圧なし」の場合から内圧制御弁を徐々に閉じていくことにより、エンジンマウント振動即ちピストン打音が徐々に減少していくのが分かる。よって本実施形態によればピストン打音を効果的に抑制することが可能である。

次に、変形例について説明する。なお上述の基本実施形態（図１）と同一の要素には図中同一符号を付し、詳細な説明を省略すると共に、以下相違点を中心に説明する。

図６に第１変形例を示す。この第１変形例は、基本実施形態と比較して、クランク室７の内圧を検出する圧力センサ２１が設けられている点が異なる。圧力センサ２１の検出値はＥＣＵ２０に入力される。なお前述したように、内圧制御弁１８には、バタフライ型弁体４０を使用した絞り弁タイプの内圧制御弁１８Ｂが使用される。

この第１変形例では、圧力センサ２１により検出された実際のクランク室内圧が前記目標圧に一致するよう、内圧制御弁１８がＥＣＵ２０によりフィードバック制御される。これにより、実際のエンジン運転状態の変化に追従した正確なクランク室内圧制御が可能となり、ピストン打音をより効果的に抑制することが可能である。

図７に第２変形例を示す。この第２変形例は、基本実施形態と比較して、エンジンの形式がＶ型多気筒エンジンである点が大きく異なる。新気導入通路１７は左右のバンクＬ，Ｒに各１本ずつ設けられ、各々、その入口部がスロットルバルブ３０の上流側の吸気通路９に接続され、その出口部がヘッドカバー３１に接続されている。新気導入通路１７に導入された新気は、矢示の如く、ヘッドカバー３１内及びオイル落とし通路３２を通じてクランク室７に導入される。

他方、スロットルバルブ３０下流の吸気通路９とクランク室７とを連通するブローバイガス通路３３が設けられる。ブローバイガス通路３３は、スロットルバルブ３０下流の吸気負圧を利用して、クランク室７内のガス（ブローバイガスを含む）を吸気通路９に環流させる。

ブローバイガス通路３３には、クランク室７内のガスからオイルを分離するオイルセパレータ３４が設けられる。オイルセパレータ３４の出口部には、吸気負圧によって開度が調節されるＰＣＶ（Positive Crankcase Ventilation）バルブ３５が設けられる。クランクケース４の底部には、オイルを貯留するためのオイルパン３６が設けられる。

この第２変形例も基本実施形態と同様の作用効果を発揮し得る。また、仮想線で示すような圧力センサ２１を設ければ、第１変形例と同様のフィードバック制御を行うことも可能である。

次に、第３変形例について説明する。図８に示すように、この第３変形例における装置構成は、図６に示した第１変形例の構成に対し、圧力センサ２１を省略してその代わりに振動検出手段としての振動センサ４０を設置した点が大きく異なる。振動センサ４０は、シリンダブロック２の外側にシリンダブロック２に対向して設けられ、ピストン２のシリンダボアへの衝突に起因した、ピストン打音に相関するシリンダブロック２の振動を検出する。

なお、圧力センサ２１を省略しないでその検出値に基づくフィードバック制御を併せて行うことも可能である。

図９には、ＥＣＵ２０が実行するクランク室内圧制御の手順を示す。図示するルーチンはＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。

先ずＥＣＵ２０は、ステップＳ１１において、振動センサ４０の出力信号に基づきエンジン１の振動を検出する。

次にＥＣＵ２０は、ステップＳ１２において、検出されたアクセル開度及びスロットル開度の少なくとも一方と、検出されたエンジン回転数とに基づき、エンジン１がアイドル運転状態か否かを判定する。
アイドル運転状態でないと判定したとき、ＥＣＵ２０は、ステップＳ１６において、クランク室７内を増圧するように減圧手段１４及び内圧制御弁１８の少なくとも一方を制御する。即ち、ＥＣＵ２０は、減圧手段１４による吸引を弱め若しくは停止することと、内圧制御弁１８の開度を所定開度増大することとの少なくとも一方を行う。

他方、アイドル運転状態であると判定したとき、ＥＣＵ２０は、ステップＳ１３において、現時点から所定時間前までの振動センサ４０の検出信号に基づき、所定の周波数帯域の信号成分を抽出する。本実施形態では２ｋＨｚ以下の周波数帯域の信号成分を抽出する。この周波数帯域は、ピストン衝突に起因した振動が含まれるような周波数帯域である。

次にＥＣＵ２０は、ステップＳ１４において、ステップＳ１３で抽出した信号成分から振動強度のピーク値ないし最大値を抽出し、このピーク値を所定のしきい値Ｐと比較する。

ピーク値がしきい値Ｐ以上のとき、ＥＣＵ２０は、ステップＳ１５において、クランク室７内を減圧するように減圧手段１４及び内圧制御弁１８の少なくとも一方を制御する。即ち、ＥＣＵ２０は、減圧手段１４による吸引を強めることと、内圧制御弁１８の開度を所定開度減少することとの少なくとも一方を行う。

他方、ピーク値がしきい値Ｐ未満のとき、ＥＣＵ２０は、ステップＳ１６において、クランク室７内を増圧するように減圧手段１４及び内圧制御弁１８の少なくとも一方を制御する。

この制御によれば、実際の振動を検出してその振動強度のピーク値をしきい値Ｐ未満に維持することができるので、ピストン打音を効果的に抑制することができる。また、エンジンがアイドル運転状態であるときに信号成分に基づくクランク室内圧制御を行うので、ピストン打音が最も問題となるアイドル運転時においてピストン打音を効果的に抑制することができる。

次に、第４変形例を示す。この第４変形例は、第２変形例の如きＶ型エンジンに第３変形例を適用したものであり、図７に仮想線で示すように、振動検出手段としての振動センサ４０が設けられている。この振動センサ４０の検出信号に基づき、Ｖ型エンジンにおいても、第３変形例のようなクランク室内圧制御が可能である。なお圧力センサ２１の検出値に基づくクランク室内圧フィードバック制御を併せて行うことも可能である。

以上、本発明の実施形態について詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば、内燃機関は車両用以外であってもよいし、直噴式であってもよいし、ディーゼルエンジンであってもよい。

本発明には、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 内燃機関（エンジン）
２ ピストン
７ クランク室
９ 吸気通路
１４ 減圧手段
１５ 負圧発生装置
１７ 新気導入通路
１８，１８Ａ，１８Ｂ 内圧制御弁
３０ スロットルバルブ
３３ ブローバイガス通路
４０ 振動センサ
Ｐ しきい値

Claims (7)

1. クランク室内のガスを吸引して前記クランク室内を減圧する減圧手段と、
   前記クランク室内に新気を導入するための新気導入通路と、
   前記新気導入通路に設けられ、前記クランク室内に導入される新気の流量を調節してクランク室内圧を調節する内圧制御弁と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関のピストン打音抑制装置。
2. 前記減圧手段が、負圧発生装置からなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン打音抑制装置。
3. 前記減圧手段が、吸気通路に設けられたスロットルバルブと、該スロットルバルブ下流の前記吸気通路と前記クランク室とを連通するブローバイガス通路とからなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のピストン打音抑制装置。
4. 前記クランク室内圧を検出するクランク室内圧検出手段と、
   前記クランク室内圧検出手段により検出された前記クランク室内圧に基づき前記内圧制御弁をフィードバック制御するフィードバック制御手段と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関のピストン打音抑制装置。
5. 前記内燃機関の振動を検出する振動検出手段と、
   前記振動検出手段の検出信号に基づき所定の周波数帯域の信号成分を抽出する抽出手段と、
   前記抽出手段により抽出された信号成分から振動強度のピーク値を抽出し、このピーク値を所定のしきい値と比較する比較手段と、
   前記比較手段の比較結果に応じて前記減圧手段及び前記内圧制御弁の少なくとも一方を制御する制御手段と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関のピストン打音抑制装置。
6. 前記制御手段は、前記ピーク値が前記しきい値以上のときに前記クランク室内を減圧するように前記減圧手段及び前記内圧制御弁の少なくとも一方を制御し、且つ、前記ピーク値が前記しきい値未満のときに前記クランク室内を増圧するように前記減圧手段及び前記内圧制御弁の少なくとも一方を制御する
   ことを特徴とする請求項５記載の内燃機関のピストン打音抑制装置。
7. 前記内燃機関がアイドル運転状態か否かを判定する判定手段をさらに備え、
   前記判定手段によりアイドル運転状態と判定されたときに前記抽出手段が前記抽出を行い、前記判定手段によりアイドル運転状態と判定されなかったときには前記制御手段が前記クランク室内を増圧するように前記減圧手段及び前記内圧制御弁の少なくとも一方を制御する
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の内燃機関のピストン打音抑制装置。

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