JP2014152652A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室の周りを効果的に冷却可能な内燃機関を提供する。
【解決手段】内燃機関は、シリンダブロック２の穴部２ａから突出する突出部１５ａを有するシリンダライナ１５と、シリンダライナ１５の突出部１５ａに嵌合する凹部４ａを含むシリンダヘッド４と、シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４を相対的に移動させる可変圧縮比機構と、冷却水によりシリンダブロック２を冷却する冷却装置とを備える。冷却装置は、突出部１５ａ、シリンダブロック２およびシリンダヘッド４に囲まれる空間にて構成されるシリンダライナ冷却流路と、ポンプからシリンダライナ冷却流路に冷却水を供給する流路の途中に配置されている開閉弁とを含む。内燃機関は、機械圧縮比を上昇させる場合には、開閉弁を閉止した後にシリンダブロック２に対してシリンダヘッド４が近づく向きに相対移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に関する。

内燃機関の燃焼室においては、空気および燃料の混合気が圧縮された状態で点火される。混合気を圧縮するときの圧縮比は、出力されるトルクおよび燃料消費量に影響を与えることが知られている。圧縮比を高くすることによりトルクを大きくしたり、燃料消費量を少なくしたりすることができる。一方で、圧縮比を高くしすぎると、ノッキング等の異常燃焼が生じることが知られている。従来の技術においては、運転期間中に圧縮比を変更することができる可変圧縮比機構を備える内燃機関が知られている。

特開２００５−１４００９０号公報においては、クランクケースに対してシリンダブロックを相対移動させることにより圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備える内燃機関が開示されている。

また、特開昭６０−２２０３０号公報においては、シリンダブロックとクランクケースまたはシリンダヘッドとの間を形状記憶合金によって接合した可変圧縮比エンジンが開示されている。この形状記憶合金は、シリンダの軸方向において、低温側で縮み、高温側で伸びるように形成されていることが開示されている。

特開２００５−１４００９０号公報 特開昭６０−２２０３０号公報

上記の公報に開示されているように、クランクケースに対してシリンダブロックを相対的に移動させることにより、機械圧縮比を変更することができる。この場合に、クランクケースが不動部になり、シリンダブロックおよびシリンダブロックに固定されているシリンダヘッドが可動部になる。このような内燃機関では、ピストンがコネクティングロッドを介してクランクシャフトに接続されているために、シリンダブロックには、ピストンが往復運動する方向と垂直な方向（スラスト方向）に力が加わる。シリンダブロックは可動部であるために、ピストンによるスラスト力がシリンダブロックに作用し、シリンダブロックに振動や騒音が生じる問題があった。

上記の特開昭６０−２２０３０号公報に開示されているシリンダブロックに対してシリンダヘッドを相対的に移動させて機械圧縮比を変更する内燃機関では、シリンダブロックが不動部になり、振動等を抑制することができる。

ここで、燃焼室では燃料と空気の混合気が燃焼して高温になる。燃焼室の周りは、ピストンの焼き付き等を防止するために機関冷却水にて冷却することが好ましい。特に、高温になる燃焼室の壁面を構成するシリンダライナの上部を冷却することが好ましい。ところが、シリンダブロックに対してシリンダヘッドを相対的に移動させる可変圧縮比機構では、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の周りの領域は、シリンダヘッドが移動する領域になる。このためにシリンダライナの上部を冷却するための冷却水の流路を形成することが難しいという問題があった。

本発明は、シリンダブロックに対してシリンダヘッドを相対的に移動させる可変圧縮比機構を備え、燃焼室の周りを効果的に冷却可能な内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関は、ピストンが内部に配置される穴部を有するシリンダブロックと、シリンダブロックの穴部に固定され、穴部から突出する突出部を有するシリンダライナと、シリンダライナの突出部に嵌合して燃焼室の壁面を構成する凹部を含むシリンダヘッドと、シリンダブロックに対してシリンダヘッドを相対的に移動させることにより燃焼室の容積を変化させて機械圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、冷却水によりシリンダブロックを冷却する冷却装置とを備える。冷却装置は、冷却水を供給するポンプと、シリンダライナの突出部、シリンダブロックおよびシリンダヘッドに囲まれる空間にて構成され、シリンダライナを冷却するシリンダライナ冷却流路と、ポンプからシリンダライナ冷却流路に冷却水を供給する流路の途中に配置されている開閉弁とを含む。内燃機関は、機械圧縮比を維持または低下させる場合には、開閉弁を開放してシリンダライナ冷却流路に冷却水を供給し、機械圧縮比を上昇させる場合には、開閉弁を閉止してシリンダライナ冷却流路に貯留する冷却水の量を減少させるとともにシリンダブロックに対してシリンダヘッドが近づく向きに相対移動させる。

上記発明においては、負荷が大きくなるほど機械圧縮比を低下させる運転領域を有し、上記運転領域において、可変圧縮比機構は、シリンダブロックに対してシリンダヘッドが遠ざかる向きに相対移動させることにより機械圧縮比を低下させ、機械圧縮比が低下するほどシリンダライナ冷却流路の流路断面積が大きくなることができる。

上記発明においては、可変圧縮比機構の異常を検出する異常検出装置を備え、上記開閉弁は、第１の開閉弁を構成し、冷却装置は、シリンダライナ冷却流路からポンプに冷却水が戻る流路の途中に配置されている第２の開閉弁を含み、異常検出装置が可変圧縮比機構の異常を検出した場合に、冷却装置は、第１の開閉弁および第２の開閉弁を閉止してシリンダライナ冷却流路を密閉することが好ましい。

本発明によれば、燃焼室の周りを効果的に冷却可能な可変圧縮比機構を備える内燃機関を提供することができる。

実施の形態における内燃機関の概略図である。 実施の形態における可変圧縮比機構の概略分解斜視図である。 実施の形態の内燃機関において、機械圧縮比が高圧縮比の時のシリンダブロックおよびシリンダヘッドの概略断面図である。 実施の形態の内燃機関において、機械圧縮比が低圧縮比の時のシリンダブロックおよびシリンダヘッドの概略断面図である。 実施の形態における内燃機関の運転制御を説明するグラフである。 実施の形態における内燃機関のシリンダブロックの概略平面図である。 実施の形態における内燃機関の第１の冷却装置を説明する概略図である。 実施の形態における内燃機関の第１の冷却装置の運転制御を説明するフローチャートである。 実施の形態における内燃機関の第２の冷却装置を説明する概略図である。 実施の形態における内燃機関の第２の冷却装置の運転制御を説明するフローチャートである。

図１から図１０を参照して、実施の形態における内燃機関について説明する。本実施の形態においては、車両に配置されている内燃機関を例に取り上げて説明する。

図１は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、ピストン３が配置されている。

燃焼室５は、それぞれの気筒ごとに形成されている。燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は吸気ポート７の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、排気ポート９の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関排気通路を開閉可能に形成されている。シリンダヘッド４には、点火プラグ１０が固定されている。

本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５に燃料を供給するための燃料噴射弁１１を備える。本実施の形態における燃料噴射弁１１は、吸気ポート７に燃料を噴射するように配置されている。燃料噴射弁１１は、この形態に限られず、燃焼室５に燃料を供給できるように配置されていれば構わない。たとえば、燃料噴射弁は、燃焼室に直接的に燃料を噴射するように配置されていても構わない。

シリンダブロック２は、穴部２ａを有する。穴部２ａの表面には、シリンダライナ１５が固定されている。本実施の形態におけるシリンダライナ１５は、円筒状に形成されている。ピストン３のピストンリング３ａは、シリンダライナ１５に対して摺動する。ピストン３は、コネクティングロッド５８を介して、クランクシャフト５９に支持されている。ピストン３は上死点と下死点との間で往復運動する。ピストン３の往復運動により、クランクシャフト５９が回転する。

本実施の形態における内燃機関は、クランクシャフト５９を支持する支持構造物を備える。本実施の形態における支持構造物は、シリンダブロック２と、クランクケース７９と、オイルパン６０とを含む。クランクケース７９の内部には、クランクシャフト５９が配置されている。また、クランクシャフト５９は、クランクケース７９に支持されている。オイルパン６０は、クランクケース７９に固定されている。オイルパン６０の内部には、機関本体１に含まれる部材を潤滑するオイル６１が貯留されている。

本実施の形態における内燃機関は、電子制御ユニット３１を備える。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータを含み、制御装置として機能する。機関吸気通路に配置されているエアフローメータ、クランクシャフト５９の周りに配置されているクランク角センサ、または所定の位置に配置されている温度センサ等の各種センサの出力信号は、電子制御ユニット３１に入力される。

電子制御ユニット３１は、それぞれの対応する駆動回路を介して燃料噴射弁１１および点火プラグ１０に接続されている。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、燃料噴射制御や点火制御を行うように形成されている。機関吸気通路に配置されているスロットル弁を駆動するステップモータ、燃料ポンプ等の内燃機関に含まれる機器は、電子制御ユニット３１により制御されている。

吸気弁６は、吸気カム５１が回転することにより開閉するように形成されている。本実施の形態における内燃機関は、可変動弁機構を備える。可変動弁機構は、吸気弁６の開閉時期を変更する可変バルブタイミング装置５３を含む。本実施の形態における可変バルブタイミング装置５３は、吸気カム５１の回転軸に接続されている。また、可変バルブタイミング装置５３は、電子制御ユニット３１により制御されている。

本実施の形態における可変バルブタイミング装置は、吸気弁６が開き始めてから閉じ終わるまでの作動角がほぼ一定で、作動角の中心の位相を変更可能に形成されている。可変バルブタイミング装置としては、この形態に限られず、作動角が可変に形成されていても構わない。また、吸気弁の閉弁時期を変更可能に形成されている任意の可変バルブタイミング装置を採用することができる。

本実施の形態における内燃機関は、可変圧縮比機構を備える。本実施の形態においては、ピストンが圧縮上死点に位置したときにシリンダヘッド４の凹部４ａおよびピストン３の冠面に囲まれる空間を燃焼室と称する。内燃機関の圧縮比は、燃焼室の容積等に依存して定まる。本実施の形態における可変圧縮比機構は、燃焼室の容積を変更することにより圧縮比を変更するように形成されている。燃焼室における実際の圧縮比である実圧縮比は、（実圧縮比）＝（燃焼室の容積＋吸気弁が閉じている期間にピストンが移動する容積）／（燃焼室の容積）で示される。

図２は、本実施の形態における内燃機関の可変圧縮比機構の分解斜視図である。図３は、内燃機関の燃焼室の部分の第１の概略断面図である。図３は、可変圧縮比機構により高圧縮比になったときの概略図である。本実施の形態における内燃機関は、シリンダブロック２を含む支持構造物と、支持構造物の上側に配置されているシリンダヘッド４とが互いに相対移動する。本実施の形態におけるシリンダブロック２は、可変圧縮比機構を介してシリンダヘッド４を支持している。

図２および図３を参照して、シリンダヘッド４の両側の側壁の下方には複数個の突出部８０が形成されている。突出部８０には、断面形状が円形のカム挿入孔８１が形成されている。シリンダブロック２の上壁には、複数個の突出部８２が形成されている。突出部８２には、断面形状が円形のカム挿入孔８３が形成されている。シリンダブロック２の突出部８２は、シリンダヘッド４の突出部８０同士の間に嵌合する。

本実施の形態における可変圧縮比機構は、シリンダヘッド４の支持軸としての一対のカムシャフト８４，８５を含む。カムシャフト８４，８５は、それぞれのカム挿入孔８３内に回転可能に挿入される円形カム８８を含む。円形カム８８は各カムシャフト８４，８５の回転軸線と同軸状に配置されている。一方で、それぞれの円形カム８８の両側には、カムシャフト８４，８５の回転軸線に対して偏心して配置された偏心軸８７が延びている。この偏心軸８７上には、別の円形カム８６が偏心して回転可能に取付けられている。これらの円形カム８６は円形カム８８の両側に配置されている。円形カム８６は対応するカム挿入孔８１内に回転可能に挿入されている。

可変圧縮比機構は、モータ８９を含む。モータ８９の回転軸９０には、螺旋方向が互いに逆向きの２つのウォーム９１，９２が取付けられている。それぞれのカムシャフト８４，８５の端部には、ウォームホイール９３，９４が固定されている。ウォームホイール９３，９４は、ウォーム９１，９２と噛み合うように配置されている。モータ８９が回転軸９０を回転させることにより、カムシャフト８４，８５を、互いに反対方向に回転させることができる。モータ８９は、対応する駆動回路を介して電子制御ユニット３１に接続されている。モータ８９は、電子制御ユニット３１に制御されている。すなわち、本実施の形態における可変圧縮比機構は、電子制御ユニット３１に制御されている。

図３を参照して、それぞれのカムシャフト８４，８５上に配置された円形カム８８を、矢印９７に示すように互いに反対方向に回転させると、偏心軸８７が円形カム８８の上端に向けて移動する。円形カム８６は、カム挿入孔８１内において、矢印９６に示すように円形カム８８と反対方向に回転する。

図４に、本実施の形態における内燃機関の燃焼室の部分の第２の概略断面図を示す。図４は、可変圧縮比機構により低圧縮比になったときの概略図である。図４に示されるように偏心軸８７が円形カム８８の上端まで移動すると、円形カム８８の中心軸が偏心軸８７よりも下方に移動する。図３および図４を参照して、シリンダブロック２とシリンダヘッド４との相対位置は、円形カム８６の中心軸と円形カム８８の中心軸との距離によって定まる。円形カム８６の中心軸と円形カム８８の中心軸との距離が大きくなるほどシリンダヘッド４がシリンダブロック２から離れる向きに移動する。矢印９８に示すようにシリンダヘッド４がシリンダブロック２から離れるほど、ピストン３が圧縮上死点に達したときの燃焼室５の容積が大きくなる。

このように、本実施の形態における可変圧縮比機構は、シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４が相対的に移動することにより、燃焼室５の容積が可変に形成されている。シリンダブロック２に対するシリンダヘッド４の相対的な位置は、相対位置センサ９５にて検出される。相対位置センサ９５の出力信号は、電子制御ユニット３１に入力される。また、シリンダヘッド４は、弾性部材によりシリンダブロック２から離れる向きに付勢されている。

本発明においては、下死点から上死点までのピストンの行程容積と燃焼室の容積のみから定まる圧縮比を機械圧縮比と称する。機械圧縮比は、（機械圧縮比）＝（燃焼室の容積＋下死点から上死点までのピストンの行程容積）／（燃焼室の容積）で示される。図３ではピストン３が圧縮上死点に到達しており、燃焼室５の容積が小さくなっている。吸入空気量が一定の場合には圧縮比が高くなる。この状態は、機械圧縮比が高い状態である。これに対して、図４ではピストン３が圧縮上死点に到達しており、燃焼室５の容積が大きくなっている。吸入空気量が一定の場合には圧縮比が低くなる。この状態は、機械圧縮比が低い状態である。

本実施の形態における内燃機関は、運転期間中に圧縮比を変更することができる。たとえば、内燃機関の運転状態に応じて機械圧縮比を設定し、設定した機械圧縮比に基づいてシリンダブロック２に対するシリンダヘッド４の相対位置を変更することができる。

一方で、実際の圧縮比である実圧縮比は、機械圧縮比を変更する他にも、吸気弁の閉弁時期を変更することにより変化させることができる。本実施の形態の内燃機関のように、吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構を備える場合には、可変動弁機構と可変圧縮比機構とを作動させることにより実圧縮比を変更することができる。

本実施の形態における可変圧縮比機構は、偏心軸を含むカムシャフトを回転させることにより、シリンダブロックに対してシリンダヘッドを相対的に移動させているが、この形態に限られず、シリンダブロックに対してシリンダヘッドを相対的に移動させる任意の可変圧縮比機構を採用することができる。

図１から図４を参照して、本実施の形態におけるシリンダライナ１５は、シリンダヘッド４に向かう側に突出部１５ａを有する。本実施の形態における突出部１５ａは、シリンダブロック２の穴部２ａから突出するように形成されている。シリンダヘッド４には、燃焼室５の壁面を構成する凹部４ａが形成されている。本実施の形態における凹部４ａは、シリンダライナ１５の突出部１５ａに嵌合する。

図３および図４を参照して、機械圧縮比を変更すると、シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４が相対的に移動する。本実施の形態においては、シリンダヘッド４の凹部４ａが、シリンダライナ１５の突出部１５ａに対して摺動する。シリンダヘッド４とシリンダライナ１５とが接触する部分には、シール部材２５が配置されている。シリンダライナ１５がシリンダヘッド４の凹部４ａの内部まで延びるように形成されていることにより、シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４が相対的に移動しても燃焼室５が密閉された状態が維持される。更に、燃焼室５の容積を可変にすることができる。

本実施の形態の内燃機関の可変圧縮比機構は、シリンダブロック２が車両本体に固定されて不動部を構成している。ピストン３の移動により生じるスラスト力がシリンダブロック２に作用するが、シリンダブロック２が不動部であるために、ピストンの移動に起因する振動を抑制することができる。

ところで、内燃機関は、一般的に機関負荷が低いほど熱効率が悪くなる。従って、内燃機関の運転時における熱効率を向上させるためには、負荷が低いときの熱効率を向上させることが好ましい。本実施の形態における可変圧縮比機構にて圧縮比を高くすることにより熱効率を向上させることができる。特に、圧縮比を高くすると、ピストンが上死点から下死点に向かうときの膨張比が大きくなるために熱効率が向上する。ところが、可変圧縮比機構により圧縮比を上昇させると、所定の圧縮比でノッキング等の異常燃焼が発現する。

本実施の形態における内燃機関は、可変動弁機構としての可変バルブタイミング装置を備え、吸気弁の開閉時期が可変に形成されている。吸気弁を閉じる時期を遅くすることにより、燃焼室に流入する空気量を少なくすることができる。すなわち、吸気弁を閉じる時期を遅くすることにより、燃焼室において混合気が圧縮される時の実圧縮比を小さくすることができる。

図５は、本実施の形態における内燃機関の運転制御全般を概略的に説明するグラフである。図５では、負荷に対する機械圧縮比および吸気弁を閉じる時期を示している。なお、本実施の形態の内燃機関では、排気浄化装置の三元触媒によって排気ガスに含まれる未燃炭化水素、一酸化炭素、および窒素酸化物を同時に浄化できるように、燃焼時の空燃比が理論空燃比に制御されている。

本実施の形態における内燃機関は、高負荷のときには可変圧縮比機構により機械圧縮比が低くなるように制御している。すなわち、ピストンが圧縮上死点に到達したときの燃焼室の容積が大きくなるように制御して、異常燃焼の発生を抑制することができる。また、高負荷の時には可変動弁機構により吸気弁を閉じる時期を早くして、燃焼室に吸入される吸入空気量を多くしている。本実施の形態における内燃機関は、高負荷の時には、スロットル弁が全開に保持されている。このためにポンピング損失をほぼ零にすることができる。

内燃機関は、矢印１００に示すように負荷が小さくなると、吸入空気量を減少させるために可変動弁機構により吸気弁の閉弁時期が遅く制御される。吸気弁の閉弁時期を遅く変更する領域では、可変圧縮比機構により機械圧縮比が増大される。この制御により、燃焼室における実圧縮比をほぼ一定に保つことができる。機械圧縮比が高くなって異常燃焼が発生することを制御できる。また、中負荷の領域においても、スロットル弁は全開の状態に保持されており、ポンピング損失をほぼ零にすることができる。更に、本実施の形態の内燃機関は、吸気弁を閉じる時期を遅くしても、膨張比は大きくなったままであるために、熱効率の向上を図ることができる。本実施の形態における内燃機関は、燃焼室における実際の圧縮比を異常燃焼の発現する圧縮比未満に維持しながら、低負荷においては膨張比を大きくして熱効率を向上させることができる。

なお、本実施の形態における内燃機関では、負荷が更に低くなって、やや低負荷寄りの負荷Ｌ１に到達すると、可変圧縮比機構の構造上の圧縮比変更の限界となる限界機械圧縮比に到達する。このため、負荷Ｌ１よりも低い領域では、機械圧縮比が限界機械圧縮比に保持される。

また、図５に示す実施例では、負荷Ｌ１まで低下すると、吸気弁の閉弁時期が燃焼室に供給される吸入空気量を制御できる限界閉弁時期になる。このために、負荷Ｌ１よりも負荷の低い領域では吸気弁の閉弁時期が限界閉弁時期に保持される。本実施の形態の内燃機関においては、負荷Ｌ１よりも低い領域ではスロットル弁によって燃焼室に吸入される吸入空気量が制御される。すなわち、負荷Ｌ１よりも低い領域では、負荷が低くなるほどスロットル弁の開度は小さくなるように制御することができる。このように、本実施の形態における内燃機関は、可変圧縮比機構と可変動弁機構とを組み合わせて用いることにより熱効率の向上を図ることができる。

図６に、本実施の形態におけるシリンダブロックの概略平面図を示す。図１および図６を参照して、シリンダヘッド４は弾性部材によりシリンダブロック２から離れる向きに付勢されている。シリンダブロック２の頂面には穴部２１が形成されている。穴部２１の内部には、弾性部材としてのコイルスプリング２２が配置されている。シリンダヘッド４は、常に付勢されているために、機械圧縮比を変更していない期間中および機械圧縮比を変更している期間中に振動が発生することを抑制できる。なお、弾性部材としては、コイルスプリング２２に限られず、シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４を付勢する任意の部材を採用することができる。また、弾性部材は、シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４を付勢することができる任意の位置に配置することができる。

図１、図２および図６を参照して、本実施の形態におけるシリンダブロック２は、シリンダヘッド４に対向する面に形成されている凹部２３を有する。本実施の形態の形態における凹部２３は、複数のシリンダライナ１５を取り囲むように形成されている。すなわち、凹部２３はシリンダライナ１５を内部に含むように形成されている。シリンダヘッド４は、シリンダブロック２と対向する面に凸部２４を有する。凸部２４は、突出部８０の底面からシリンダブロック２に向かって飛び出すように形成されている。シリンダヘッド４の凸部２４は、シリンダブロック２の凹部２３と嵌合するように形成されている。

図７に、本実施の形態における内燃機関の第１の冷却装置を説明する概略図を示す。本実施の形態の内燃機関は、冷却水によりシリンダブロック２を冷却する冷却装置を備える。シリンダブロック２は、シリンダブロック２の内部に形成された冷却水が流通するシリンダブロック冷却流路を含む。本実施の形態の冷却水としては、機関冷却水が用いられている。

シリンダヘッド４の凸部２４とシリンダブロック２の凹部２３との間には、機械圧縮比が変化しても空間が形成されている。すなわち、シリンダライナ１５の突出部１５ａ、シリンダブロック２の凹部２３、およびシリンダヘッド４の凸部２４に囲まれる空間が形成されている。本実施の形態の内燃機関では、この空間に冷却水を流通させることによりシリンダライナ１５を冷却する。すなわち、シリンダライナ１５、シリンダブロック２およびシリンダヘッド４により囲まれる空間は、冷却水が流通する流路を構成する。本発明では、シリンダライナ１５を冷却する冷却水が流れる流路をシリンダライナ冷却流路４５と称する。このように、本実施の形態におけるシリンダブロック冷却流路は、シリンダライナ冷却流路４５を含む。

シリンダライナ冷却流路４５は、シリンダライナ１５の周方向の外面を取り囲んでいる。シール部材２５は、燃焼室５への冷却水の漏出を抑制する。また、シリンダヘッド４の凸部２４とシリンダブロック２の凹部２３との接触面においても冷却水が漏水しないようにシール部材が配置されている。

本実施の形態の冷却装置は、シリンダライナ冷却流路４５に冷却水を供給するためのポンプ４１を含む。ポンプ４１は、シリンダヘッド４の内部に形成されているシリンダヘッド冷却流路４４に接続されている。シリンダヘッド冷却流路４４は、燃焼室５の壁面の近傍、吸気弁の近傍および排気弁の近傍などを冷却水が流通するように形成されている。

シリンダヘッド冷却流路４４は、シリンダライナ冷却流路４５に接続されている。または、シリンダヘッド冷却流路４４とシリンダライナ冷却流路４５との間の流路には、開閉弁Ｖ１が配置されている。開閉弁Ｖ１は、流路を遮断したり開放したりする。開閉弁V1は、電子制御ユニット３１により制御されている。また、本実施の形態における冷却装置は、冷却水を冷却する為のラジエータ４２を含む。ラジエータ４２の出口には、冷却水が高温になると開放し、冷却水が低温になると閉止するサーモスタット４３が配置されている。

ポンプ４１を駆動することにより、冷却水は、矢印１０１に示すように、シリンダヘッド冷却流路４４に流入する。シリンダヘッド冷却流路４４から流出した冷却水は、矢印１０２に示すように、シリンダライナ冷却流路４５に流入する。

シリンダライナ冷却流路４５においては、冷却水がシリンダライナ１５の外面に接触して、シリンダライナ１５を冷却する。本実施の形態においては、シリンダライナ１５の突出部１５ａを冷却する。シリンダライナ冷却流路４５から流出する冷却水は、矢印１０３，１０４に示すようにポンプ４１に戻る。

冷却水が低温の場合には、サーモスタット４３が閉止する。この場合には、ラジエータ４２の冷却水の流通が遮断される。冷却水の温度が上昇して、予め定められた温度よりも高くなった場合には、サーモスタット４３が開放される。この場合には、冷却水は、矢印１０５に示すように、ラジエータ４２を流通して冷却水が冷却される。

本実施の形態の冷却装置は、シリンダヘッド冷却流路４４の出口からポンプ４１の入口に接続されている戻り流路を有する。シリンダライナ冷却流路４５に供給するための冷却水が過剰である場合には、冷却水は、矢印１０６に示すように、戻り流路を通ってポンプ４１の入口に戻される。

このように、本実施の形態の冷却装置は、シリンダライナ冷却流路４５を有し、シリンダライナ冷却流路４５に冷却水を流通させることによりシリンダライナ１５を冷却している。この構成により、シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４が相対移動する可変圧縮比機構においても、シリンダブロック２の燃焼室５の近傍に冷却流路を構成することができる。特に、ピストン３が圧縮上死点近傍に位置するときに生じる混合気の燃焼により高温になるシリンダライナ１５の上部を効果的に冷却することができる。本実施の形態では、シリンダライナ１５の突出部１５ａを効果的に冷却することができる。

ところで、本実施の形態の内燃機関では、シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４が相対的に移動するために、シリンダライナ冷却流路４５の流路断面積が変化する。すなわち、シリンダヘッド４の凸部２４の頂面とシリンダブロック２の凹部２３の底面との距離が変化する。機械圧縮比が高くなる場合には、シリンダヘッド４が矢印９９に示す向きに移動し、シリンダライナ冷却流路４５の流路断面積が小さくなる。一方で、機械圧縮比が低くなる場合には、シリンダヘッド４が矢印９８に示す向きに移動し、シリンダライナ冷却流路４５の流路断面積が大きくなる。

機械圧縮比が高くなる場合には、シリンダライナ冷却流路４５の流路断面積が小さくなるが、この場合に、シリンダライナ冷却流路４５に貯留する冷却水量が変化しないと、シリンダヘッド４の移動を阻害する。本実施の形態の内燃機関では、シリンダライナ冷却流路４５に貯留する冷却水量を機械圧縮比に応じて変化させる制御を行う。

内燃機関の運転時に機械圧縮比を変更しない運転状態では、開閉弁Ｖ１を開放し、ポンプ４１を駆動する。冷却水は、シリンダヘッド冷却流路４４ 、シリンダライナ冷却流路４５を流通し、再びポンプ４１に戻る。この冷却水の循環により、シリンダヘッド４およびシリンダブロック２を冷却することができる。

次に、機械圧縮比を低下させる場合には、矢印９８に示す向きに、シリンダヘッド４を移動させる。この時はシリンダライナ冷却流路４５の流路断面積が大きくなる。開閉弁Ｖ１は開いた状態に維持する。シリンダライナ冷却流路４５の流路断面積の増加に伴って、シリンダライナ冷却流路４５に貯留する冷却水量が増加する。シリンダライナ冷却流路４５は、冷却水で充填される。

次に、機械圧縮比を上昇させる場合には、矢印９９に示す向きに、シリンダヘッド４を移動させる。シリンダヘッド４は、シリンダブロック２に近づく向きに移動する。この場合には、開閉弁Ｖ１を閉止する制御を行う。開閉弁Ｖ１を閉止することにより、シリンダライナ冷却流路４５の冷却水の流入が遮断される。さらに、シリンダライナ冷却流路４５に貯留している冷却水は、矢印１０３に示すように、ポンプ４１により吸引される。シリンダライナ冷却流路４５に貯留する冷却水の量が減少し、冷却水の水位が低下する。このために、シリンダヘッド４の凸部２４が下降するときの移動の阻害が回避される。シリンダヘッド４をシリンダブロック２に近づける向きに移動させることができる。

このときに、ポンプ４１から流出した冷却水は、シリンダヘッド冷却流路４４を流通した後に、矢印１０６に示すように、戻り流路を通ってポンプ４１に戻される。機械圧縮比を上昇する期間中にもシリンダヘッド冷却流路４４に冷却水を供給することができる。機械圧縮比が、所望の機械圧縮比まで上昇した場合には、再び開閉弁Ｖ１を開いてシリンダライナ冷却流路４５に冷却水を流通させることができる。

図８に、本実施の形態における第１の冷却装置を備える内燃機関の運転制御のフローチャートを示す。図８は、暖機運転等を除く内燃機関の通常運転における制御のフローチャートである。内燃機関の通常運転において、機械圧縮比を維持している場合には、開閉弁Ｖ１は開いた状態である。

ステップ１２１においては、内燃機関の運転状態に基づいて機械圧縮比を変更するか否かを判断する。ステップ１２１において、機械圧縮比を変更しない場合には、この制御を終了する。ステップ１２１において、機械圧縮比を変更する場合には、ステップ１２２に移行する。

ステップ１２２においては、機械圧縮比を上昇させるか否かを判別する。ステップ１２２において、機械圧縮比を低下させる場合にはステップ１２３に移行する。この場合には、シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４が離れる向きに移動するために、開閉弁Ｖ１を開いた状態に維持してステップ１２３に移行する。

ステップ１２３においては、機械圧縮比を低下させる。すなわち、シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４を離れる向きに移動させる。ステップ１２２において、機械圧縮比を上昇させる場合には、ステップ１２４に移行する。

ステップ１２４においては、開閉弁Ｖ１を閉止する。シリンダライナ冷却流路４５に貯留する冷却水量が減少する。

次に、ステップ１２５においては、機械圧縮比を上昇させる。シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４が近づく向きに移動する。シリンダライナ冷却流路４５の流路断面積が小さくなるが、シリンダライナ冷却流路４５に貯留する冷却水の量も減少するために、シリンダヘッド４は冷却水に移動を阻害されることなく移動する。機械圧縮比の上昇が終了した後にステップ１２６に移行する。

ステップ１２６においては、開閉弁Ｖ１を開放する。冷却水は、再びシリンダライナ冷却流路４５に供給される。シリンダライナ冷却流路４５に冷却水が流通し、シリンダライナ１５を引き続き冷却することができる。

このように、本実施の形態の内燃機関においては、シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４が相対的に移動する時にも相対移動を阻害することなく、シリンダブロック２を継続的に冷却することができる。

上記の運転制御においては、開閉弁Ｖ１を閉止した直後に機械圧縮比の上昇を開始しているが、この形態に限られず、開閉弁Ｖ１の閉止後の予め定められた時間の経過後に、機械圧縮比の上昇を開始しても構わない。すなわち、シリンダライナ冷却流路４５における水位が充分に下降した後に機械圧縮比の上昇を開始しても構わない。

図５を参照して、本実施の形態の内燃機関は、負荷が大きくなるほど機械圧縮比を低下させる運転領域を有する。本実施の形態においては、負荷Ｌ１よりも大きな運転領域において、負荷が大きくなるほど機械圧縮比を低下させる制御を行っている。内燃機関の負荷が高くなると吸入空気量が多くなり、燃焼室５における発熱量も大きくなる。このために、高負荷では高い冷却能力が要求される。

本実施の形態の内燃機関は、高負荷になると機械圧縮比が低くなるように制御される。シリンダヘッド４は、シリンダブロック２に対して離れた位置に制御される。この場合に、シリンダライナ冷却流路４５の流路断面積が大きくなる。高負荷になった場合には、冷却水とシリンダライナ１５との接触面積が大きくなり、冷却性能を向上させることができる。更に、シリンダライナ冷却流路４５の流路面積が大きくなるためにシリンダライナ冷却流路４５における圧力損失が小さくなり、シリンダライナ冷却流路４５を流通する冷却水の流量を増大することができる。この様に、高負荷において高い冷却能力を発揮することができる。すなわち、本実施の形態の内燃機関は、負荷に対応した冷却能力を発揮することができる。

また、内燃機関の始動時などに、機関本体１が予め定められた温度未満の低温の状態である場合には、開閉弁Ｖ１を閉じる制御を行うことができる。たとえば、機関本体１の暖機を行う場合に、冷却水の温度が予め定められた温度未満の場合には、開閉弁Ｖ１を閉止することにより、シリンダライナ冷却流路４５への冷却水の供給を停止することができて、暖機を促進することができる。

図９に、本実施の形態における内燃機関の第２の冷却装置の概略図を示す。第２の冷却装置は、本実施の形態における第１の冷却装置の構成に加えて、シリンダライナ冷却流路４５からポンプ４１に向かう流路に開閉弁Ｖ２が配置されている。第２の冷却装置においては、シリンダライナ冷却流路４５の入口側の流路と出口側の流路とのそれぞれの流路に開閉弁Ｖ１，Ｖ２が接続されている。開閉弁Ｖ１は第１の開閉弁を構成し、開閉弁Ｖ２が第２の開閉弁を構成する。開閉弁Ｖ１，Ｖ２は、電子制御ユニット３１により制御されている。

内燃機関の運転期間中にシリンダヘッド４を付勢するコイルスプリング２２が破損した場合や、偏心軸８７を駆動する機構が故障した場合などには、シリンダヘッド４の自重により、シリンダヘッド４がシリンダブロック２に近づく側に短時間に移動する虞がある。シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４が短時間の間に近づくと機械圧縮比が急激に上昇する。この時の機械圧縮比の変化速度に可変動弁機構の動作速度が追いつかずに、ピストン３と吸気弁６または排気弁８が干渉する虞がある。すなわち、ピストン３と吸気弁６または排気弁８とのスタンプが生じる虞がある。または、機械圧縮比が急激に上昇することにより、燃焼室５において異常燃焼が発生する虞がある。

本実施の形態の第２の冷却装置を備える内燃機関は、可変圧縮比機構の異常を検出する異常検出装置を備える。異常検出装置が可変圧縮比機構の異常を検出した場合には、機械圧縮比の変更を禁止し、開閉弁Ｖ１および開閉弁Ｖ２を閉止する制御を行う。開閉弁Ｖ２を閉止することにより、シリンダライナ冷却流路４５からの冷却水の流出が遮断される。開閉弁Ｖ１および開閉弁Ｖ２の両弁を閉じることにより、シリンダライナ冷却流路４５が密閉された状態になる。通常の運転時にはシリンダライナ冷却流路４５に冷却水が充填されているために、シリンダブロック２に向かってシリンダヘッド４が近づく移動を阻止することができる。すなわち、機械圧縮比の急激な上昇を抑制することができる。この結果、ピストン３と吸気弁６または排気弁８とのスタンプや、異常燃焼の発生を回避することができる。

図１０に、本実施の形態の第２の冷却装置を備える内燃機関の運転制御のフローチャートを示す。ステップ１２１においては、内燃機関の運転状態に基づいて機械圧縮比を変更するか否かを判別する。ステップ１２１において、機械圧縮比を変更しない場合にはこの制御を終了する。ステップ１２１において、機械圧縮比を変更する場合には、ステップ１２８に移行する。

ステップ１２８においては、可変圧縮比機構が正常の状態か否かを判別する。可変圧縮比機構が正常か否かの判別は、任意の制御により行うことができる。たとえば、可変圧縮比機構を駆動している期間中に判別して、その結果を記憶しておくことができる。図３および図４を参照して、本実施の形態の内燃機関は、シリンダブロック２に対するシリンダヘッド４の相対位置を検出する相対位置センサ９５を備える。可変圧縮比機構のモータ８９を駆動する指示信号と、相対位置センサ９５から出力される実際の相対位置との偏差に基づいて、可変圧縮比機構の異常を判別することができる。たとえば、モータ８９を駆動する指示信号に対する実際の相対位置の偏差が大きい場合には、可変圧縮比機構の異常と判断することができる。ステップ１２８において、可変圧縮比機構が正常でない場合、すなわち可変圧縮比機構が異常の場合には、ステップ１２９に移行する。

ステップ１２９においては、開閉弁Ｖ１および開閉弁Ｖ２を閉止する制御を行う。シリンダライナ冷却流路４５が密閉されるために機械圧縮比の上昇が抑制される。

次に、ステップ１３０では、異常通知ランプを点灯する。異常通知ランプを点灯することにより、異常の発生を運転者に通知する。たとえば、運転席のインストルメントパネルに配置されている内燃機関の異常ランプを点灯させることができる。運転者は、内燃機関が異常であることを知り、修理等を依頼することができる。

ステップ１２８において、可変圧縮比機構が正常である場合には、ステップ１２２に移行する。ステップ１２２からステップ１２６は、本実施の形態の第１の冷却装置を備える内燃機関の運転制御と同様である（図８参照）。

上記の第２の冷却装置を備える内燃機関の運転制御においては、機械圧縮比を変更する直前に可変圧縮比機構が正常か否かを判別しているが、この形態に限られず、機械圧縮比を変更している期間中に可変圧縮比機構が正常か否かを判別し、可変圧縮比機構が異常の場合には、開閉弁Ｖ１および開閉弁Ｖ２を閉じる制御を行っても構わない。

本実施の形態におけるシリンダライナ冷却流路４５は、シリンダライナ１５の突出部１５ａを冷却するように形成されている。すなわち、シリンダライナ１５の上部を冷却するように形成されているが、この形態に限られず、シリンダライナ冷却流路４５は、シリンダライナ１５に沿って下側に延びて、シリンダライナ１５をより大きな範囲で冷却するように形成されていても構わない。

また、本実施の形態のシリンダライナ冷却流路４５は、複数のシリンダライナ１５を取り囲むようにシリンダブロック２に形成された大きな凹部２３により形成されているが、この形態に限られず、それぞれのシリンダライナに対して個別にシリンダライナ冷却流路が形成されていても構わない。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。また、上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。

上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。

１ 機関本体
２ シリンダブロック
２ａ 穴部
３ ピストン
４ シリンダヘッド
４ａ 凹部
５ 燃焼室
１５ シリンダライナ
１５ａ 突出部
２１ 穴部
２２ コイルスプリング
２３ 凹部
２４ 凸部
３１ 電子制御ユニット
４１ ポンプ
４５ シリンダライナ冷却流路
Ｖ１，Ｖ２ 開閉弁
８４，８５ カムシャフト
８６，８８ 円形カム
８７ 偏心軸
８９ モータ
９５ 相対位置センサ

Claims (3)

1. ピストンが内部に配置される穴部を有するシリンダブロックと、
   シリンダブロックの穴部に固定され、穴部から突出する突出部を有するシリンダライナと、
   シリンダライナの突出部に嵌合して燃焼室の壁面を構成する凹部を含むシリンダヘッドと、
   シリンダブロックに対してシリンダヘッドを相対的に移動させることにより燃焼室の容積を変化させて機械圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
   冷却水によりシリンダブロックを冷却する冷却装置とを備え、
   冷却装置は、冷却水を供給するポンプと、シリンダライナの突出部、シリンダブロックおよびシリンダヘッドに囲まれる空間にて構成され、シリンダライナを冷却するシリンダライナ冷却流路と、ポンプからシリンダライナ冷却流路に冷却水を供給する流路の途中に配置されている開閉弁とを含み、
   機械圧縮比を維持または低下させる場合には、開閉弁を開放してシリンダライナ冷却流路に冷却水を供給し、機械圧縮比を上昇させる場合には、開閉弁を閉止してシリンダライナ冷却流路に貯留する冷却水の量を減少させるとともにシリンダブロックに対してシリンダヘッドが近づく向きに相対移動させることを特徴とする、内燃機関。
2. 負荷が大きくなるほど機械圧縮比を低下させる運転領域を有し、
   前記運転領域において、可変圧縮比機構は、シリンダブロックに対してシリンダヘッドが遠ざかる向きに相対移動させることにより機械圧縮比を低下させ、機械圧縮比が低下するほどシリンダライナ冷却流路の流路断面積が大きくなる、請求項１に記載の内燃機関。
3. 可変圧縮比機構の異常を検出する異常検出装置を備え、
   前記開閉弁は、第１の開閉弁を構成し、
   冷却装置は、シリンダライナ冷却流路からポンプに冷却水が戻る流路の途中に配置されている第２の開閉弁を含み、
   異常検出装置が可変圧縮比機構の異常を検出した場合に、冷却装置は、第１の開閉弁および第２の開閉弁を閉止してシリンダライナ冷却流路を密閉する、請求項１または２に記載の内燃機関。

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