JP2011106380A - 内燃機関の可変圧縮比システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、シリンダブロックとクランクケースとをシリンダ軸方向に相対変位させることにより内燃機関の圧縮比を変更する可変圧縮比システムにおいて、内燃機関の振動低減効果を一層高めることを課題とする。
【解決手段】本発明は、クランクケースに対するシリンダブロックの位置をシリンダ軸方向に変化させることにより圧縮比を変化させる内燃機関の可変圧縮比システムにおいて、クランクケースに対するシリンダブロックの位置が変更されるときに、シリンダ軸方向においてシリンダブロックと逆方向へバランスウェイトを変位させることにより、内燃機関の質量中心位置の変化を抑制するようにした。
【選択図】図５

Description

本発明は、シリンダブロックとクランクケースとをシリンダ軸方向に相対変位させることにより圧縮比を変更する技術に関する。

内燃機関の機械圧縮比を変更するシステムとして、シリンダブロックとクランクケースとをシリンダ軸方向に相対変位させることにより、燃焼室容積を変更するシステムが知られている。

上記したような可変圧縮比システムを備えた内燃機関においては、シリンダブロックとクランクケースとが一体的に固定されないため特有の振動を発生する場合があった。これに対し、可変圧縮比システムを備えた内燃機関において、回転式のバランスウェイトを設ける技術が提案されている（たとえば、特許文献１を参照）。

特開２００６−２０７５０５号公報 特開２００６−１４４６１４号公報 特開２００８−１４４７２０号公報

本発明の目的は、シリンダブロックとクランクケースとをシリンダ軸方向に相対変位させることにより内燃機関の圧縮比を変更する可変圧縮比システムにおいて、内燃機関の振動低減効果を高めることにある。

本発明は、上記した課題を解決するために、以下のような手段を採用した。すなわち、本発明は、シリンダブロックとクランクケースとをシリンダ軸方向に変位させることにより圧縮比を変更する内燃機関の可変圧縮比システムにおいて、
クランクケースに対するシリンダブロックの位置をシリンダ軸方向に変化させる可変圧縮比機構と、
前記可変圧縮比機構がシリンダブロックの位置を変位させるときに、シリンダ軸方向において前記シリンダブロックと逆方向に変位するバランスウェイトと、
を備えるようにした。

シリンダブロックとクランクケースとがシリンダ軸方向に相対変位すると、内燃機関の質量中心位置も変化する。内燃機関の質量中心位置が変化すると、内燃機関を支持する機構（エンジンマウント）の共振周波数が変化する。その結果、シリンダブロックとクランクケースとの相対位置によっては、エンジンマウントが内燃機関の振動を減衰しきれない可能性があった。

これに対し、回転式のバランスウェイトを内燃機関に取り付ける方法が考えられる。この方法によると、内燃機関が発生する振動を小さくすることはできるが、エンジンマウントの共振周波数の変化を抑制することができない可能性がある。

そこで、本発明に係わる内燃機関の可変圧縮比システムは、内燃機関の圧縮比が変更さ
れるときに、シリンダ軸方向においてシリンダブロックと逆方向に変位するバランスウェイトを備えるようにした。

かかる発明によれば、内燃機関の質量中心位置の変化量が小さくなるため、エンジンマウントの共振周波数の変化量も小さくなる。その結果、内燃機関の振動特性は、エンジンマウントが減衰し得る範囲内に収まるようになる。よって、エンジンマウントによる内燃機関の振動低減効果を高めることができる。

なお、バランスウェイトの変位量は、内燃機関の質量中心位置が一定位置に保たれるように定められるようにしてもよい。その際、内燃機関の質量中心位置が一定位置に保たれる条件下においてシリンダブロックの位置（又は変位量）とバランスウェイトの位置（又は変位量）との関係を予め実験的に求めておけばよい。このようにしてバランスウェイトの位置が決定されると、エンジンマウントの共振周波数を一定周波数に保つことが可能となる。よって、圧縮比が変化した場合であっても、内燃機関の振動をエンジンマウントによって減衰することが可能になる。

本発明によれば、シリンダブロックとクランクケースとをシリンダ軸方向に相対変位させることにより内燃機関の圧縮比を変更する可変圧縮比システムにおいて、内燃機関の振動低減効果を高めることができる。

本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。 可変圧縮比機構の概略構成を示す図である。 バランスウェイトを変位させる機構を示す図である。 圧縮比の変更に伴う質量中心位置の変化を示す図である。 圧縮比の変更に伴うバランスウェイトの変位を示す図である。 圧縮比εとバランスウェイトの変位量Δｉとの関係を規定したマップの一例を示す図である。 圧縮比を変更する際にＥＣＵが実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、シリンダブロック２とクランクケース３とがシリンダ軸方向へ相対変位することにより機械圧縮比（燃焼室容積）が変更される火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）である。なお、内燃機関１は、圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）であってもよい。

内燃機関１は、シリンダ軸方向へ相対変位自在に連結されたシリンダブロック２とクランクケース３とを備えている。シリンダブロック２には、シリンダヘッド４が固定されている。クランクケース３は、エンジンマウント５０を介して車体２００に支持されている。

シリンダブロック２には、気筒（シリンダ）５が形成されている。気筒５内には、ピストン６がシリンダ軸方向に摺動自在に装填されている。クランクケース３には、クランク
シャフト７が回転自在に支持されている。ピストン６とクランクシャフト７は、コネクティングロッド８を介して連結されている。

シリンダヘッド４には、気筒５内に連通する吸気ポート９と排気ポート１０とが設けられている。シリンダヘッド４には、吸気ポート９の開口端を開閉するための吸気バルブ１１と、排気ポート１０の開口端を開閉するための排気バルブ１２が設けられている。吸気バルブ１１は、シリンダヘッド４に回転自在に支持された吸気カムシャフト１３により開閉駆動される。排気バルブ１２は、シリンダヘッド４に回転自在に支持された排気カムシャフト１４により開閉駆動される。また、シリンダヘッド４には、吸気ポート９内へ燃料を噴射する燃料噴射弁１５と、気筒５内に火花を発生させる点火プラグ１６とが取り付けられている。

次に、シリンダブロック２とクランクケース３との連結部には、クランクケース３に対してシリンダブロック２をシリンダ軸方向へ変位させるための可変圧縮比機構１００が設けられている。可変圧縮比機構１００としては、図２に示すように、軸部１０１と、軸部１０１の中心軸に対して偏心された状態で軸部１０１に固定された正円形のカムプロフィールを有するカム部１０２と、カム部１０２と同一外形を有し軸部１０１に対して回転可能且つカム部１０２と同じように偏心状態で取り付けられた可動軸受部１０３と、軸部１０１と同心状に設けられたウォームホイール１０４と、ウォームホイール１０４と噛み合うウォーム１０５と、ウォーム１０５を回転駆動させるモータ１０６と、を備えた機構を用いることができる。なお、カム部１０２はシリンダブロック２に設けられた収納孔内に設置され、可動軸受部１０３はクランクケース３に設けられた収納孔内に設置されるものとする。また、モータ１０６は、シリンダブロック２に固定され、シリンダブロック２と一体的に変位する。

このように構成された可変圧縮比機構１００によれば、モータ１０６の動力がウォーム１０５とウォームホイール１０４とを介して軸部１０１に伝えられ、偏心状態にあるカム部１０２と可動軸受部１０３とが駆動される。その結果、カム部１０２と可動軸受部１０３とがシリンダ軸方向に相対変位し、それに伴ってシリンダブロック２とクランクケース３ともシリンダ軸方向に相対変位する。

ここで、シリンダ軸方向においてシリンダブロック２がクランクケース３から遠ざかると、燃焼室容積が大きくなるため、機械圧縮比（行程容積と燃焼室容積との総和を燃焼室容積で除算した値）が低くなる。一方、シリンダ軸方向においてシリンダブロック２がクランクケース３に近づくと、燃焼室容積が小さくなるため、機械圧縮比が高くなる。

ここで図１に戻り、クランクケース３には、内燃機関１の潤滑油（オイル）を貯蔵するためのオイルパン３０が取り付けられている。オイルパン３０の内部には、シリンダ軸方向に変位自在にバランスウェイト３００が配置されている。さらに、オイルパン３０には、前記バランスウェイト３００をシリンダ軸方向に変位させるためのアクチュエータ３０１が取り付けられている。

前記したバランスウェイト３００をシリンダ軸方向へ変位させる機構としては、図３に示すように、バランスウェイト３００に対してシリンダ軸方向に立設されたラック３０２と、ラック３０２に噛み合うピニオンギア３０３と、ピニオンギア３０３を回転させるモータ（アクチュエータ）３０１と、を備えた機構を用いることができる。

ここで図１に戻り、上記したように構成された内燃機関１には、燃料噴射弁１５、点火プラグ１６、可変圧縮比機構１００、アクチュエータ３０１などの各種機器を電気的に制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ）１７が併設されている。

ＥＣＵ１７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭなどから構成されるユニットであり、クランクポジションセンサ１８、アクセルポジションセンサ１９、リフトセンサ２０などの各種センサの電気信号が入力されるようになっている。クランクポジションセンサ１８は、クランクシャフト７近傍に配置され、クランクシャフト７の回転位置に相関するパルス信号を出力するセンサである。アクセルポジションセンサ１９は、アクセルペダルの操作量（アクセル開度）に相関する信号を出力するセンサである。リフトセンサ２０は、クランクケース３においてシリンダブロック２との連結部位の近傍に配置され、クランクケース３に対するシリンダブロック２のリフト量（シリンダ軸方向の上死点側への変位量）に相関する電気信号を出力するセンサである。

ＥＣＵ１７は、上記した各種センサの電気信号に従って内燃機関１の運転状態（機関運転状態）を判別し、その判別結果に従って上記した各種機器を制御する。たとえば、ＥＣＵ１７は、クランクポジションセンサ１８やアクセルポジションセンサ１９の出力信号から判別される機関回転数および機関負荷に基づいて、可変圧縮比機構１００を制御する。

その際、機関回転数および機関負荷が予め定められた低負荷・低回転運転領域にあるときは、ＥＣＵ１７は、内燃機関１の圧縮比が高くなるように可変圧縮比機構１００を制御する。詳細には、ＥＣＵ１７は、シリンダブロック２がクランクケース３に近づく（シリンダ軸方向の下死点側へ変位する）ように可変圧縮比機構１００を制御する。

また、機関回転数および機関負荷が上記した低負荷・低回転運転領域から逸脱したときは、ＥＣＵ１７は、シリンダブロック２がクランクシャフト７から遠ざかる（シリンダ軸方向の上死点側へ変位する）ように可変圧縮比機構１００を制御することにより、内燃機関１の圧縮比を低下させる。

上記したように内燃機関１の圧縮比を変更する場合に、ＥＣＵ１７は、リフトセンサ２０の出力信号値が目標値と一致するように可変圧縮比機構１００を制御する。目標値は、目標圧縮比をシリンダブロック２のリフト量に換算した値であり、予め実験的に求められている。なお、内燃機関１の圧縮比は、上記したように２段階に切り換えられてもよく、或いは機関回転数及び機関負荷に応じて無段階に切り換えられてもよい。

このように内燃機関１の圧縮比が変更されると、低負荷・低回転運転領域における燃焼効率の向上と、高負荷・高回転運転領域におけるノッキングの抑制と、を両立することができる。

ところで、クランクケース３に対してシリンダブロック２が相対変位すると、内燃機関１の質量中心位置も変位することになる。たとえば、図４に示すように、圧縮比が高い状態（図４中の（ａ）に示す状態）から圧縮比が低い状態（図４中の（ｂ）に示す状態）へ移行する場合は、シリンダブロック２がシリンダ軸方向の上死点側（図４中の上方）へ変位するため、内燃機関１の質量中心位置Ａもシリンダ軸方向の上死点側へ変位する。逆に、圧縮比が低い状態（図４中の（ｂ）に示す状態）から圧縮比が高い状態（図４中の（ａ）に示す状態）へ移行する場合は、シリンダブロック２がシリンダ軸方向の下死点側（図４中の下方）へ変位するため、内燃機関１の質量中心位置Ａもシリンダ軸方向の下死点側へ変位する。

図４に示したように、圧縮比の変更に伴って質量中心位置Ａが変位すると、エンジンマウント５０の共振周波数も圧縮比の変更に伴って変化することになる。その結果、圧縮比（シリンダブロック２のリフト量）によっては、エンジンマウント５０が内燃機関１の振動を減衰しきれなくなる可能性がある。

これに対し、本実施例では、圧縮比が変更されるときに、シリンダ軸方向においてシリンダブロック２と逆方向にバランスウェイト３００が変位されるようにした。具体的には、ＥＣＵ１７は、図５に示すように、圧縮比が高い状態（図５中の（ａ）に示す状態）から圧縮比が低い状態（図５中の（ｂ）に示す状態）へ移行させる場合は、シリンダブロック２をシリンダ軸方向の上死点側（図５中の上方）へ変位させるとともに、バランスウェイト３００をシリンダ軸方向の下死点側（図５中の下方）へ変位させる。逆に、圧縮比が低い状態（図５中の（ｂ）に示す状態）から圧縮比が高い状態（図５中の（ａ）に示す状態）へ移行させる場合は、ＥＣＵ１７は、シリンダブロック２をシリンダ軸方向の下死点側（図５中の下方）へ変位させるとともに、バランスウェイト３００をシリンダ軸方向の上死点側（図５中の上方）へ変位させる。

その際、シリンダブロック２の変位量Δｈに対するバランスウェイト３００の変位量Δｉは、質量中心位置Ａが変化しないように定められるものとする。シリンダブロック２の変位量Δｈとバランスウェイト３００の変位量Δｉとの関係は、予め実験的に求めておくとともに、それらの関係をマップ化しておくことが望ましい。なお、シリンダブロック２の変位量Δｈは内燃機関１の圧縮比と相関するため、バランスウェイト３００の変位量Δｉと圧縮比との関係をマップ化しておくようにしてもよい。

ここで、バランスウェイト３００の変位量Δｉと圧縮比εとの関係を規定したマップの一例を図６に示す。なお、変位量Δｉと圧縮比εとの関係は、内燃機関１の諸元やエンジンマウント５０の減衰特性などによって変わるため、図６に示すマップはあくまで一例である。

図６中の変位量Δｉは、最下部（シリンダ軸方向における下死点側の変位端）からの変位量を示すものとする。図６に示すマップによれば、圧縮比εが高いときは低いときに比べ、バランスウェイト３００の変位量Δｉが多くなる。言い換えれば、圧縮比εが高いときは低いときに比べ、バランスウェイト３００の位置が上方（シリンダ軸方向における上死点側）に位置することになる。その結果、前述した図５に示したように、内燃機関１の質量中心位置Ａを一定位置に保つことが可能となる。

内燃機関１の質量中心位置Ａが一定位置に保たれると、エンジンマウント５０の共振周波数も一定周波数に保たれるため、エンジンマウント５０が内燃機関１の振動を減衰することが可能になる。よって、内燃機関１の圧縮比にかかわらず、内燃機関１の振動が減衰されるようになる。

以下、本実施例におけるアクチュエータ３０１の制御手順について図７に沿って説明する。図７は、ＥＣＵ１７が圧縮比を変更するときに実施する制御ルーチンを示すフローチャートである。この制御ルーチンは、予めＥＣＵ１７のＲＯＭに記憶されているルーチンであり、ＥＣＵ１７によって周期的に実行される。

図７の制御ルーチンにおいて、ＥＣＵ１７は、先ずＳ１０１で各種データの読み込みを行う。詳細には、圧縮比の目標値（目標圧縮比）εｔを演算するためのパラメータとなるデータ（たとえば、機関回転数、機関負荷、スロットル開度、車速、トランスミッションの変速比、トルクコンバータのロックアップ状態、リフトセンサ２０の出力信号値、など）を読み込む。

Ｓ１０２では、ＥＣＵ１７は、前記Ｓ１０１で読み込まれたパラメータに基づいて目標圧縮比εｔを演算する。

Ｓ１０３では、ＥＣＵ１７は、前記Ｓ１０３で算出された目標圧縮比εｔを引数として図６のマップにアクセスし、バランスウェイト３００の変位量Δｉを演算する。

Ｓ１０４では、ＥＣＵ１７は、前記Ｓ１０２で算出された目標圧縮比εｔに従って可変圧縮比機構１００を制御する。詳細には、ＥＣＵ１７は、リフトセンサ２０の出力信号値から実際の圧縮比（実圧縮比）εを求め、実圧縮比εと目標圧縮比εｔとの偏差が許容範囲内に収まるように可変圧縮比機構１００を制御する。

Ｓ１０５では、ＥＣＵ１７は、前記Ｓ１０３で算出された変位量Δｉに従ってアクチュエータ３０１を制御する。

このように図７の制御ルーチンに従って圧縮比εの変更およびバランスウェイト３００の変位が行われると、内燃機関１の質量中心位置Ａは圧縮比にかかわらず一定位置に保たれるようになる。その結果、エンジンマウント５０の共振周波数も、内燃機関１の圧縮比にかかわらず一定周波数に保たれるようになる。

したがって、本実施例によれば、シリンダブロック２とクランクケース３とがシリンダ軸方向に相対変位することにより内燃機関１の圧縮比を変更するシステムにおいて、内燃機関１の振動低減効果を一層高めることができる。

なお、本実施例では、バランスウェイト３００を変位させるために専用のアクチュエータ３０１を設ける例について述べたが、可変圧縮比機構１００のモータ１０６がバランスウェイト３００を変位させるためのアクチュエータを兼用するようにしてもよい。その場合、たとえば、モータ１０６の出力軸にピニオンギアが取り付けられてもよい。ただし、その際のシリンダブロック２の変位量とバランスウェイト３００の変位量との関係が内燃機関１の質量中心位置を変位させない関係を満たさない場合は、モータ１０６の出力軸とピニオンギアとの間に減速機構又は増速機構を設けるようにしてもよい。

また、本実施例では、バランスウェイト３００がオイルパン３０に配置される例について述べたが、オイルパン３０以外の場所に設置されてもよい。たとえば、シリンダヘッド４に配置されてもよく、或いはシリンダブロック２に配置されてもよい。

このような構成によれば、バランスウェイト３００を変位させるためのアクチュエータが不要になるとともに、バランスウェイト３００の変位量を制御するためのロジックも不要になるという利点がある。ただし、バランスウェイト３００を変位させるための専用のアクチュエータを設けた構成によれば、内燃機関１を構成する部品の公差等に因り質量中心位置が想定位置からずれるような場合に質量中心位置を容易に調整することができるという利点がある。

１ 内燃機関
２ シリンダブロック
３ クランクケース
４ シリンダヘッド
５ 気筒
６ ピストン
７ クランクシャフト
８ コネクティングロッド
９ 吸気ポート
１０ 排気ポート
１１ 吸気バルブ
１２ 排気バルブ
１３ 吸気カムシャフト
１４ 排気カムシャフト
１５ 燃料噴射弁
１６ 点火プラグ
１８ クランクポジションセンサ
１９ アクセルポジションセンサ
２０ リフトセンサ
３０ オイルパン
５０ エンジンマウント
１００ 可変圧縮比機構
１０１ 軸部
１０２ カム部
１０３ 可動軸受部
１０４ ウォームホイール
１０５ ウォーム
１０６ モータ
２００ 車体
３００ バランスウェイト
３０１ アクチュエータ
３０２ ラック
３０３ ピニオンギア

Claims (2)

1. クランクケースに対するシリンダブロックの位置をシリンダ軸方向に変化させることにより内燃機関の圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
   前記可変圧縮比機構がシリンダブロックの位置を変位させるときに、シリンダ軸方向において前記シリンダブロックと逆方向に変位するバランスウェイトと、
   を備えることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比システム。
2. 請求項１において、前記バランスウェイトの変位量は、内燃機関の質量中心位置が一定位置に保たれるように定められることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比システム。

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