JP2011236778A - 可変圧縮比エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】可変圧縮比機構を備えたエンジンにおける間隙に配置されたシール部材のシール性を維持し、クランクケース内からのガスの漏洩を防止することを課題とする。
【解決手段】可変圧縮比エンジン１は、クランクケース４に対してシリンダブロック２を相対変位させる駆動機構５を備えることにより圧縮比を変更する可変圧縮比エンジンであって、クランクケース４とシリンダブロック２との間に生じる間隙をシールするブーツシール４２と、クランクケース４内の圧力を検出する圧力センサ７０と、を備え、圧力センサ７０により検出されるクランクケース４の内圧Ｐが所定値Ａを超える場合、シリンダブロック２を変位してブーツシール４２の変形量を減少する。
【選択図】図３

Description

本発明はクランクケースに対しシリンダブロックを相対変位させることにより圧縮比を変更する可変圧縮比エンジンに関する。

圧縮比を変更することを可能としたエンジンでは、高負荷運転時には圧縮比を低くすることにより、ノッキングの発生を抑制し、低負荷運転時には圧縮比を高くすることにより、トルクを引き出すことが実現できる。圧縮比を変更するエンジンは、特許文献１のようにクランクケースをシリンダブロックに対して変位する構成や、特許文献２のようにクランクシャフトとコネクションロッドとをリンクを介して繋いだ構成などが開発されている。

特開２００９−９７４４９号公報 特開２００４−７６６９５号公報

上記特許文献１のようなクランクケースをシリンダブロックに対して変位する可変圧縮比エンジンでは、クランクケースとシリンダブロックとの隙間にシール部材を配置して、クランクケース内からの有害ガスの漏洩やオイルの飛散を防止している。ところが、シール部材はクランクケースがシリンダブロックに対して相対的に変位する度に伸びと縮みとを繰り返し、引張りや圧縮を受けて許容応力以上の力が加わることにより損耗し、損傷することが考えられる。このような原因でシール部材が破損したまま、引き続き、圧縮比を変更する運転を継続した場合、シール部材の亀裂等により生じた間隙が拡大し、クランクケース内から有害ガスの漏洩やオイルの飛散が生じるおそれがある。

そこで、本発明は、可変圧縮比機構を備えたエンジンにおける間隙に配置されたシール部材のシール性を維持し、クランクケース内からのガスの漏洩を防止することを課題とする。

かかる課題を解決する本発明の可変圧縮比エンジンは、クランクケースに対してシリンダブロックを相対変位させる駆動機構を備えることにより圧縮比を変更する可変圧縮比エンジンにおいて、前記クランクケースと前記シリンダブロックとの間に生じる間隙をシールするシール部材と、前記クランクケース内の圧力を検出する圧力検出手段と、を備え、前記圧力検出手段により検出される前記クランクケース内の圧力が所定値を超える場合、前記シリンダブロックを変位してシール部材の変形量を減少することを特徴とする。

このような構成とすることにより、シール部材のシール性を維持してクランクケース内から外部へガスが漏洩することを防止できる。クランクケース内は負圧の状態とされ外部より低圧であるため、シール部材のシール性が低下した場合、外部からクランクケース内に空気が流入し、クランクケース内の圧力が上昇する。従って、クランクケース内の圧力が上昇する場合、シール部材の損傷によりシール性が低下していることが想定できる。損傷によりシール部材のシール性が低下する場合、シール部材の変形量を減少することにより、損傷部に生じる隙間を塞ぎ、シール部材のシール性を維持する。これにより、ガスの漏洩を防止することができる。

上記構成の可変圧縮比エンジンにおいて、前記圧力検出手段により検出される前記クランクケース内の圧力が所定値を超える場合、前記シリンダブロックを変位して前記シール部材を成型時の形状となるように変形することが望ましい。ゴムやエラストマーを主原料とするシール部材は、成型時の形状が最も安定しており、シール性に優れているためである。

上記構成の可変圧縮比エンジンにおいて、前記シール部材の変形量を減少した後に、前記クランクケース内の圧力値が前記所定値を超える場合、前記シリンダブロックを変位して前記シール部材を成型時の形状に固定し、エンジンを運転する構成とすることができる。このような構成とすることにより、シール部材のシール性に優れた状態にできる。このため、クランクケース内からのガスの漏洩を防止することができる。

上記構成の可変圧縮比エンジンにおいて、前記シール部材の変形量を減少した後に、前記クランクケース内の圧力値が前記所定値以下となる場合、前記クランクケース内の圧力が前記所定値以下となる範囲で前記シリンダブロックの変位を許可する構成とすることができる。このような構成とすることにより、クランクケース内からのガスの漏洩を防止するとともに、圧縮比を変更して燃費を抑えた運転をすることができる。

本発明は、可変圧縮比機構を備えたエンジンにおける間隙に配置されたシール部材のシール性を維持し、クランクケース内からのガスの漏洩を防止することができる。

エンジンの概略構成を断面にして示した説明図である。 図１中のブーツシールとその周囲を拡大して示した説明図である。 ブーツシールの保護によりガス漏れを抑制する制御について示したフローである。 （ａ）はブーツシールが伸長した状態から成型時の形状に戻る様子を示し、（ｂ）はブーツシールが縮小した状態から成型時の形状に戻る様子を示している。

以下、本発明を実施するための一形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の可変圧縮比エンジン（以下、単に「エンジン」という。）１の概略構成を示した説明図である。図１はエンジン１の中間圧縮比の状態を示している。中間圧縮比とは最高圧縮比（または最低圧縮比）の状態から、以下説明する制御シャフト５１が９０°回転した状態である。

エンジン１は、シリンダブロック２と、シリンダヘッド３と、クランクケース４と、駆動機構５とを備えている。エンジン１は、駆動機構５によって、シリンダブロック２及びシリンダヘッド３をクランクケース４に対してエンジン高さ方向に沿って相対的に移動させることで、圧縮比を変更可能に構成されている。

シリンダブロック２の外側面２ａは、平滑な表面として形成されている。シリンダブロック２内にはシリンダ２１が形成されている。シリンダ２１は、略円柱形状の貫通孔である。本実施例においては、４つのシリンダ２１が、図１の紙面に直交する方向（以下、「気筒配列方向」という。）に沿って一列に形成されている。シリンダ２１の内部には、ピストン２２がシリンダ中心軸Ａに沿って往復移動可能に収容されている。

クランクケース４は、クランクケース４の内側にシリンダブロック２を収容し得るように形成されている。クランクケース４の側面には、シリンダブロック２の下端付近に、駆動機構５のブロック側支持部５５を収容し得るように開口部４１が形成されている。

クランクケース４の内壁面４ａは、シリンダブロック２の外側面２ａと対向するように設けられている。この内壁面４ａも、シリンダブロック２の外側面２ａと同様に、平滑な表面として形成されている。シリンダブロック２の外側面２ａと、クランクケース４の内壁面４ａとの間には、数ｍｍ程度の間隙（クリアランス）が設けられている。

クランクケース４の開口部４１よりも上側において、上記クリアランスを覆うように弾性変形が可能なゴムまたはエラストマーを材料とするブーツシール４２が装着されている。図２は図１中のブーツシール４２とその周囲を拡大して示した説明図である。ブーツシール４２は、一方の開口部４２ａがクランクケース４の開口部４１よりも上側に装着され、他方の開口部４２ｂがクランクケース４に装着されている。このように装着されたブーツシール４２は、上述のクリアランスからのブローバイガスやオイルミストの漏出を抑制する。すなわち、クランクケース４とシリンダブロック２との間に生じる間隙（クリアランス）をシールする。また、このブーツシール４２は図１の状態、すなわち、エンジン１の中間圧縮比の状態において、成型時の形状となるように構成されている。

クランクケース４の下端部には、クランクシャフト４３が回転可能に支持されている。クランクシャフト４３は、気筒配列方向と平行に配置されている。このクランクシャフト４３は、ピストン２２のシリンダ中心軸Ａに沿った往復運動に基づいて回転駆動されるように、コンロッド４４を介して、ピストン２２と連結されている。

駆動機構５は、シリンダブロック２に一体となるように組み込まれるとともに、クランクケース４の開口部４１に位置する。駆動機構５は、一対の制御シャフト５１、駆動シャフト５２、モータ５３、一対のウォーム５４、を備えている。

制御シャフト５１は、ジャーナル部５１ａと、円形カム部５１ｂと、ウォームホイール５１ｃと、から構成されている。ジャーナル部５１ａ、円形カム部５１ｂ、及びウォームホイール５１ｃは、制御シャフト５１の長手方向（図１の紙面に直交する方向）に沿って並べて構成されている。この制御シャフト５１は、ジャーナル部５１ａ、円形カム部５１ｂ、及びウォームホイール５１ｃが一体となって回転するように構成されている。

ジャーナル部５１ａは、円柱状の部材であって、制御シャフト５１の回転中心軸と同軸に設けられている。ジャーナル部５１ａは、隣り合う円形カム部５１ｂの間、及び制御シャフト５１の長手方向における両端部に設けられている。この回転中心軸は、気筒配列方向と平行且つシリンダ中心軸Ａと直交するように設けられている。円形カム部５１ｂは、シリンダ２１に対応した位置にて、ジャーナル部５１ａから突出するように設けられている。具体的には、円形カム部５１ｂは、ジャーナル部５１ａよりも径が太い円柱状の部材であって、制御シャフト５１の回転中心軸から偏心して設けられている。そして、一対の制御シャフト５１は、同一方向に回転駆動されることで、すべての円形カム部５１ｂが同一方向に指向（突出）するように構成及び配置されている。また、制御シャフト５１の長手方向における略中央部には、ウォームホイール５１ｃが設けられている。ウォームホイール５１ｃは、円板状の歯車であって、制御シャフト５１の回転中心軸と同軸に設けられている。

本実施例における制御シャフト５１は、ジャーナル部５１ａと円形カム部５１ｂとの偏心量がシリンダブロック２の最大リフト量とほぼ等しくなるように構成されている。

駆動シャフト５２は、一対の制御シャフト５１のそれぞれと直交するように、エンジン幅方向と平行に設けられている。駆動シャフト５２の一端は、モータ５３と連結されている。すなわち、駆動シャフト５２は、モータ５３によって回転駆動されるように構成及び配置されている。なお、本実施例においては、モータ５３は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０と電気的に接続されている。すなわち、モータ５３は、ＥＣＵ６０及びエンコーダ等により回転角度及びその原点が検知され得るように構成されている。なお、ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、入出力ポートを双方向バスで接続した公知の形式のディジタルコンピュータからなり、エンジン１の制御のために設けられている各種センサや作動装置と信号をやり取りしてエンジン１を制御するようになっている。

駆動シャフト５２の両端部には、一対のウォーム５４が設けられている。ウォーム５４は、ウォームホイール５１ｃと噛み合う螺旋状の歯形を有する円筒状のギヤであって、駆動シャフト５２と一体的に回転するように、駆動シャフト５２に固定されている。一対のウォーム５４は、一対のウォームホイール５１ｃに対応する位置に設けられている。

シリンダブロック２には、ブロック側支持部５５が装着されている。ブロック側支持部５５は、円形カム部５１ｂと対応する位置に配置されている。すなわち、複数のブロック側支持部５５が、シリンダ２１に対応するように設けられている。

ブロック側支持部５５には、軸受孔５５ａが形成されている。この軸受孔５５ａは、円形カム部５１ｂの外径に対応する内径を有する貫通孔である。すなわち、円形カム部５１ｂは、ブロック側支持部５５によって回転可能に支持されつつ収容されている。

さらに、クランクケース４の外側に、駆動機構５を覆うようにカバー部５８が装着されている。カバー部５８は、制御シャフト５１のジャーナル部５１ａを挟んでクランクケース４の上部と対向する。カバー部５８は、クランクケース４に設けられた開口部４１からエンジン１の外部へブローバイガスやオイルミストが漏洩することを抑制するように、外側から気密的に接合されている。このカバー部５８は、駆動機構５の移動を妨げないように装着されている。

また、エンジン１はクランクケース４内の圧力を測定する圧力センサ７０を備えている。圧力センサ７０はＥＣＵ６０と電気的に接続されている。このため、ＥＣＵ６０は、圧力センサ７０により測定されるクランクケース４内の圧力情報を取得する。

次に、エンジン１における圧縮比の変更動作について説明する。図１に示されているように、中間圧縮比状態においては、円形カム部５１ｂの突出方向が、エンジン幅方向と平行となる。このとき、シリンダブロック２の、クランクケース４に対する相対位置は、エンジン幅方向について最も偏った位置となる。このとき、シリンダブロック２は、移動可能範囲においてエンジン高さ方向の略中央に位置する。

図１に示されている中間圧縮比状態から、圧縮比が変更される場合、モータ５３が起動され、ウォーム５４が回転駆動される。すると、一対のウォームホイール５１ｃが、同一方向に同期して回転する。この一対のウォームホイール５１ｃの回転により、一対の制御シャフト５１が、同一方向に同期して回転する。一対の制御シャフト５１の回転により、ジャーナル部５１ａは、クランクケース４側の軸受孔の内側で、制御シャフト５１の回転中心軸を中心として回転する。このとき、ジャーナル部５１ａは、エンジン幅方向及びエンジン高さ方向について、クランクケース４に対して相対移動しない。一方、円形カム部５１ｂは、制御シャフト５１の回転により、制御シャフト５１の回転中心軸を中心とした側面視にて円弧状の軌道上を移動する。また、円形カム部５１ｂは、ブロック側支持部５５における軸受孔５５ａの内面と摺動しながら、ブロック側支持部５５の内側で回転する。これにより、シリンダブロック２は、上述のような側面視にて円弧状の軌道上を移動し、シリンダヘッド３とクランクシャフト４３との距離が変動し、圧縮比が変更される。

このとき、シリンダブロック２のエンジン幅方向及びエンジン高さ方向における位置は、制御シャフト５１の回転角、すなわち、円形カム部５１ｂの突出状態によって決定される。また、クランクケース４内でのシリンダブロック２の移動によって、シリンダブロック２の外側面２ａと、クランクケース４の内壁面４ａと、の間のクリアランスの幅が変動する。しかしながら、シリンダブロック２のエンジン幅方向における移動量は、シリンダ軸方向の移動量に比べて極めて小さい。

続いて、本実施例におけるブーツシール４２の保護に関する制御について説明する。本制御はＥＣＵ６０により実行される。図３はブーツシール４２の保護によりガス漏れを抑制する制御について示したフローである。以下、図３のフローを参照して説明する。

ＥＣＵ６０はステップＳ１において、クランクケース４の内圧Ｐを取得する。ここでは、圧力センサ７０により測定されるクランクケース４の圧力情報を取得し、クランクケース４の内圧Ｐを取得する。ＥＣＵ６０はステップＳ１の処理を終えるとステップＳ２へ進む。

ＥＣＵ６０はステップＳ２において、内圧Ｐが所定値Ａを超えるか否かを判断する。所定値Ａはブーツシール４２が漏洩していない状態でクランクケース４内の許容される最大圧力である。クランクケース４内は負圧の状態とされ外部より低圧であるため、ブーツシール４２が損傷し、クランクケース４内と外部とを連通する空気の通路が生じた場合、外部からクランクケース４内へ空気が流入する。空気が流入することにより、クランクケース４内の圧力が上昇する。したがって、空気の流入によりクランクケース４内の圧力が所定値Ａを超えた場合、ブーツシール４２が損傷していると判断する。ブーツシール４２の損傷により、クランクケース４内と外部とを連通する通路をそのままにすると、クランクケース４内からのガス漏れやオイル流出が生じるため、以下のステップにおいて、これを防止する処理を行う。ＥＣＵ６０はステップＳ２において、内圧Ｐが所定値Ａを超えると判断する場合、ステップＳ３へ進む。

ＥＣＵ６０はステップＳ３において、ブーツシール４２が成型時の形状となるときの機械圧縮比ε_Ｂとなるように駆動機構５を駆動する。すなわち、中間圧縮比となる状態にする。図４は、このときのブーツシール４２の形状の変更する様子を示した説明図である。図４（ａ）はブーツシール４２が伸長した状態から成型時の形状に戻る様子を示している。図４（ｂ）はブーツシール４２が縮小した状態から成型時の形状に戻る様子を示している。ブーツシール４２は成型時の形状が最も安定しており、シール性に優れている。このため、ブーツシール４２の損傷により、ガスの漏洩やオイル流出のおそれがあることを判断すると、成型時の形状となるように変更する。これにより、損傷により生じたガスの通り道を塞ぎ、クランクケース４内からのガスの漏洩やオイルの流出を防止する。次に、ＥＣＵ６０はステップＳ４において、再びクランクケース４内の内圧Ｐを取得する。ＥＣＵ６０はステップＳ３の処理を終えるとステップＳ５へ進む。

ＥＣＵ６０はステップＳ５において、再度、内圧Ｐが所定値Ａを超えるか否かを判断する。上記、ステップＳ２において機械圧縮比を変更してブーツシール４２の形状を変えることにより、ブーツシール４２のシール性が向上し、クランクケース４内と外部とを連通する通路が塞がれるため、外部からの空気の流入が停止し、内圧Ｐが所定値Ａ以下となると考えられる。ＥＣＵ６０はステップＳ５において、ＹＥＳと判断する場合、すなわち、内圧Ｐが所定値Ａを超えると判断した場合、ステップＳ６へ進む。

ＥＣＵ６０はステップＳ６において、機械圧縮比をε_Ｂに変更、固定し運転する。上記ステップＳ５において、ＹＥＳと判断する場合、ブーツシール４２を成型時の形状に戻したにもかかわらず、クランクケース４の内圧Ｐが所定値Ａを超えている。この場合、未だにクランクケース４内と外部とを連通しており、外部からクランクケース４内に空気が流入していることが考えられるため、圧縮比を変更する運転を停止する。また、ドライバに警告をし、クランクケース４の内圧Ｐに異常があることを通知することとしてもよい。ＥＣＵ６０はステップＳ６の処理を終えるとリターンとなる。

一方、ＥＣＵ６０はステップＳ５において、ＮＯと判断する場合、すなわち、内圧Ｐが所定値Ａを超えていないと判断した場合、ステップＳ７へすすむ。

ＥＣＵ６０はステップＳ７において、運転可能な機械圧縮比εの範囲を学習する。具体的な学習として、例えば、機械圧縮比εを徐々に変更するように駆動機構５を動作させて、クランクケース４の内圧Ｐが所定値Ａを超えない機械圧縮比εの範囲を確定する。学習後は、学習で確定した機械圧縮比εの範囲となるようにエンジン１を運転する。ＥＣＵ６０はステップＳ７の処理を終えるとリターンとなる。

ところで、ＥＣＵ６０はステップＳ２において、ＮＯと判断する場合、すなわち、機械圧縮比をε_Ｂへ変更する前に、内圧Ｐが所定値Ａを超えていないと判断した場合には、リターンとなる。クランクケース４の内圧Ｐが所定値Ａを超えていない場合、ブーツシール４２に異常がないと判断できるので、処理を終えてリターンとなる。

以上、本実施例のエンジン１において、クランクケース４の内圧Ｐを測定し、クランクケース４内からのブローバイガスやオイルミストの漏洩を監視する。クランクケース４内からガス等の漏洩がある場合、クランクケース４とシリンダブロック２間をシールするブーツシール４２を成型時の形状へ戻すことにより、ガスの漏洩を抑制することができる。なお、他の実施例として、クランクケース４内の圧力が所定値を超え、クランクケース４内へ空気の流入があると判断する場合、単に、シール部材であるブーツシール４２の変形量を減少させる制御を行うこととしてもよい。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。本実施例では、クランクケース４とシリンダブロック２との間隙をシールするシール部材としてブーツシール４２を用いたが、ブーツシール以外のシール部材でシールする構成であってもよい。この場合でも、上記と同様の制御により、クランクケース４からのガスの漏洩を抑制することができる。

１ 可変圧縮比エンジン
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ クランクケース
５ 駆動機構
４２ ブーツシール
６０ ＥＣＵ
７０ 圧力センサ

Claims (4)

1. クランクケースに対してシリンダブロックを相対変位させる駆動機構を備えることにより圧縮比を変更する可変圧縮比エンジンにおいて、
   前記クランクケースと前記シリンダブロックとの間に生じる間隙をシールするシール部材と、
   前記クランクケース内の圧力を検出する圧力検出手段と、
   を備え、
   前記圧力検出手段により検出される前記クランクケース内の圧力が所定値を超える場合、前記シリンダブロックを変位して前記シール部材の変形量を減少することを特徴とした可変圧縮比エンジン。
2. 請求項１記載の可変圧縮比エンジンにおいて、
   前記圧力検出手段により検出される前記クランクケース内の圧力が所定値を超える場合、前記シリンダブロックを変位して前記シール部材を成型時の形状とすることを特徴とした可変圧縮比エンジン。
3. 請求項１記載の可変圧縮比エンジンにおいて、
   前記シール部材の変形量を減少した後に、前記クランクケース内の圧力値が前記所定値を超える場合、前記シリンダブロックを変位して前記シール部材を成型時の形状に固定し、エンジンを運転することを特徴とした可変圧縮比エンジン。
4. 請求項１または２記載の可変圧縮比エンジンにおいて、
   前記シール部材の変形量を減少した後に、前記クランクケース内の圧力値が前記所定値以下となる場合、前記クランクケース内の圧力が前記所定値以下となる範囲で前記シリンダブロックの変位を許可することを特徴とした可変圧縮比エンジン。

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