JP2015040550A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】可変圧縮比機構を備える内燃機関において振動を抑制する。【解決手段】内燃機関は、シリンダブロック２と、シリンダヘッド４と、機械圧縮比を変化させる可変圧縮比機構とを備える。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。シリンダヘッド４は、シリンダブロック２の穴部２ａに挿入される挿入部４ａを有し、それぞれの気筒の穴部２ａごとに複数形成されている。【選択図】図４

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２０１２−１５４１７５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可変圧縮比機構を備える内燃機関が開示されている。この内燃機関は、クランクケースに対してシリンダブロックが移動することにより、ピストンが圧縮上死点に位置するときの燃焼室の容積が変化して圧縮比が変更できることが開示されている。

特開２０１２−１５４１７５号公報

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可変圧縮比機構においては、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、運転期間中に可動部が移動することにより振動が生じるという問題があった。

例えば、４気筒の直列の内燃機関では、第１気筒から第４気筒までの複数の気筒が一列に配置されている。第１気筒において燃焼が生じると、燃焼荷重がシリンダヘッドに加わる。このときに、シリンダブロックの弾性変形、クランクケースの弾性変形、または可変圧縮比機構の軸受けのクリアランス等に起因して、シリンダブロックの第１気筒が配置されている端部が持ち上がる。第４気筒が配置されている反対側の端部では、燃焼が生じていないために下側に下がる。その後に、第４気筒において燃焼が生じると、第４気筒が配置されている端部が持ち上がり、第１気筒が配置されている端部が下がる。この現象が繰り返されると、複数の気筒が並ぶ方向（長手方向）に沿って、クランクケースに対してシリンダヘッドが揺動するピッチング運動と称される運動が生じる。内燃機関は、このピッチング運動に起因する振動が生じる場合がある。

また、ピストンは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。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、シリンダブロックの弾性変形、クランクケースの弾性変形、または可変圧縮比機構の軸受けのクリアランス等に起因して、クランクケースに対してシリンダヘッドが揺動する場合がある。クランクケースに対してシリンダブロックが幅方向に傾く運動が生じる。この運動は、複数の気筒が並ぶ方向と垂直な方向に沿って生じ、ローリング運動と称される。内燃機関には、このローリング運動に起因する振動が生じる場合がある。

このように、可変圧縮比機構を備える内燃機関では、上述の運動に起因した振動が生じるという問題がある。また、振動が生じると、クランクケースに対してシリンダブロックが上下方向および左右方向に動くために、軸受けやクランクケースとシリンダブロックとの間に配置されているスライダ等において打音が発生する場合がある。

本発明は、可変圧縮比機構を備える内燃機関において、振動を抑制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、機関吸気通路および機関排気通路を有するシリンダヘッドと、機械圧縮比を変化させる可変圧縮比機構とを備える。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相対的に移動することにより燃焼室の容積が可変に形成されている。シリンダヘッドは、穴部に挿入される挿入部を有し、それぞれの気筒の穴部ごとに複数形成されている。

本発明によれば、可変圧縮比機構を備える内燃機関において、振動を抑制することができる。

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。 複数の気筒が並ぶ方向に可変圧縮比機構を切断したときの概略断面図である。 複数の気筒が並ぶ方向に機関本体の燃焼室の部分を切断したときの概略断面図である。

図１から図４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、実施の形態の内燃機関におけるシリンダブロック２およびシリンダヘッド４の部分の概略断面図である。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。

シリンダヘッド４には、吸気ポートおよび排気ポートが形成されている。シリンダヘッド４にはカムキャリア２１が固定されている。カムキャリア２１は、吸気弁および排気弁を駆動するカムおよびカムを回転させるカムシャフトを支持している。

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は、ピストンリング３ａを有し、ピストンリング３ａがシリンダライナ１５に接触している。また、ピストン３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、クランクシャフトに支持されている。

シリンダヘッド４は、本体部４ｂと、シリンダブロック２の穴部２ａの内部に挿入される挿入部４ａとを有する。挿入部４ａは、本体部４ｂから突出している。挿入部４ａは、シリンダライナ１５の内面に対応した形状を有し、シリンダライナ１５と摺動する。

挿入部４ａの周方向の表面には、シール部材１７が配置されている。本実施の形態におけるシール部材１７は、金属にて円環状に形成されている。シール部材１７は、挿入部４ａとシリンダライナ１５との間を密閉する。すなわち、燃焼室５の密閉された空間を形成する。本実施の形態におけるシール部材１７は、ピストンリング３ａと同様の構造を有する。シール部材としては、この形態に限られず、挿入部とシリンダライナとの間を密閉できる任意の部材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、制御装置として機能する電子制御ユニットを備える。電子制御ユニットは、クランク角センサやエアフロメータ等の信号が入力され、機関本体を制御する。

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３が圧縮上死点に位置したときにシリンダヘッド４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１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。

シリンダヘッド４の両側の側壁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。シリンダヘッド４の突出部８０は、シリンダブロック２の突出部８２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、カムシャフト８４，８５を回転させるモータを有する駆動装置を含む。駆動装置は、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ように形成されている。駆動装置は、対応する駆動回路を介して電子制御ユニットに接続されている。本実施の形態における可変圧縮比機構は、電子制御ユニットにより制御されている。

図２に、実施の形態の内燃機関におけるシリンダブロック２およびシリンダヘッド４の部分の他の概略断面図を示す。図２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３に、機関本体１を可変圧縮比機構の部分で気筒が並ぶ方向に延びる面で切断した時の概略断面図を示す。図３は、図２におけるＡ−Ａ線に沿って切断したときの概略断面図を示す。

図１から図３を参照して、駆動装置によりカムシャフト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。シリンダヘッド４は、シリンダブロック２から離れる向きに移動する。

図２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よりも下方に位置する。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。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。この結果、圧縮比を低くすることができる。また、カムシャフト８４，８５を矢印９７と反対向きに回転させることにより、シリンダヘッド４がシリンダブロック２に近づく向きに移動し、圧縮比を上昇させることができる。

本実施の形態における可変圧縮比機構は、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。本実施の形態においては、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言う。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１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２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。このように、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、可変圧縮比機構により圧縮比を変更することができる。

なお、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。内燃機関が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、回転軸を偏心させた円形カム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機構を採用することができる。

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、ピストン３の移動方向に相対的に移動する。この時に、シリンダヘッド４の挿入部４ａは、穴部２ａの延びる方向に沿って移動する。挿入部４ａは、シリンダライナ１５に摺動する。挿入部４ａにシール部材１７が配置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の密閉を維持することができる。また、シリンダブロック２とシリンダヘッド４との境界の部分には、外周に沿って内部を密閉するためのブーツシール１８が配置されている。

ここで、クランクケースとシリンダブロックが個別に形成され、クランクケースに対してシリンダブロックが相対的に移動する可変圧縮比機構を備える内燃機関を比較例に取り上げる。比較例の内燃機関では、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ヘッドが一体的に移動する可動部になる。これに対して、本実施の形態の内燃機関は、シリンダブロックとクランクケース部とを一体的に構成することができる。このために、シリンダブロックを含む不動部の剛性を高くすることができる。内燃機関の気筒の並ぶ方向において揺動するピッチング運動を低減することができる。この結果、ピッチング運動に起因する振動を低減することができる。

また、比較例における可変圧縮比機構を備える内燃機関では、ピストンの移動方向に垂直な方向のスラスト力が可動部のシリンダブロックに加わるために振動が生じ易くなる。一方で、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は、不動部であるシリンダブロック２に作用する。このために、複数の気筒が並ぶ方向と垂直な方向において揺動するローリング運動を抑制することができる。この結果、ローリング運動に起因する振動の発生を抑制することができる。

図４に、燃焼室５を通って気筒が並ぶ方向に延びる面で機関本体１を切断した時の概略断面図を示す。図４は、図２におけるＢ−Ｂ線に沿って切断したときの概略断面図である。図３および図４を参照して、本実施の形態における機関本体１は、複数の気筒を有する。すなわち、機関本体１は、複数の燃焼室５が形成されている。可変圧縮比機構のカムシャフト８５は、気筒が並ぶ方向に延びている。

本実施の形態における内燃機関は、複数のシリンダヘッド４を備える。シリンダヘッド４は、それぞれの気筒の穴部２ａごとに別体にて構成されている。すなわち、１つの穴部２ａに対して１つのシリンダヘッド４が形成されている。複数のシリンダヘッド４は、カムキャリア２１に固定されている。可変圧縮比機構が駆動することにより、カムキャリア２１および複数のシリンダヘッド４が一体的に移動する。

本実施の形態のシリンダヘッド４の挿入部４ａは、シリンダブロック２の穴部２ａに挿入され、摺動する部分となる。また、挿入部４ａは燃焼室の頂面を構成する。このために挿入部４ａは、加工精度が高いことが好ましい。たとえば、穴部２ａに対する挿入部４ａの位置精度や、挿入部４ａの外形の真円度および寸法精度は高いことが好ましい。

ところが、シリンダヘッドが単一の部材から形成されている場合には、挿入部がシリンダヘッドの本体部から突出する形状であり、更に、挿入部同士の間隔が小さいために挿入部を高い加工精度にて加工することが難しいという問題がある。たとえば、機関本体の小型化の観点からシリンダブロックの穴部同士の間隔は小さく抑えられており、シリンダヘッドの挿入部同士が近接する。このために挿入部の加工が難しく、高い加工精度での加工が難しくなる。

これに対して、本実施の形態の内燃機関では、シリンダヘッド４が気筒ごとに形成されているために、１つの部材には１つの挿入部４ａが形成される。このために、シリンダヘッド４の挿入部４ａを加工しやすくなり、加工精度を向上させることができる。また、複数の挿入部４ａの位置を個別に調整できるために、シリンダブロック２の穴部２ａに対する挿入部４ａの位置精度を向上させることができる。この結果、シリンダライナ１５と挿入部４ａとの間の燃焼ガスのシール不良を抑制することができる。すなわち、燃焼室５の密閉性を向上させることができる。

本実施の形態の内燃機関の製造方法においては、シリンダブロック２のそれぞれの穴部２ａに個別にシリンダヘッド４の挿入部４ａを挿入する。次に、偏心軸８７を含むカムシャフト８４，８５を配置して、シリンダブロック２と複数のシリンダヘッド４とを接続する。この後に、カムキャリア２１を組み付けることができる。各気筒のシリンダヘッド４のシリンダブロック２に対する位置は、シリンダヘッド４の挿入部４ａがシリンダライナ１５に挿入されて接触した後に定めることができる。この製造方法においては、シリンダブロック２の穴部２ａに対する挿入部４ａの位置精度を高くすることができる。

なお、上記の実施の形態においては、シリンダブロックに加えてカムキャリアを備える内燃機関を例示したが、この形態に限られず、シリンダブロックにて吸気弁等を駆動するカムシャフトを支持し、カムキャリアを備えていない内燃機関にも本発明を適用することができる。

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形態の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
４ シリンダヘッド
４ａ 挿入部
５ 燃焼室
１５ シリンダライナ
８４，８５ カムシャフト
８６ 円形カム
８７ 偏心軸
８８ 円形カム

Claims (1)

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、
   機関吸気通路および機関排気通路を有するシリンダヘッドと、
   機械圧縮比を変化させる可変圧縮比機構とを備え、
   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相対的に移動することにより燃焼室の容積が可変に形成されており、
   シリンダヘッドは、穴部に挿入される挿入部を有し、それぞれの気筒の穴部ごとに複数形成されていることを特徴とする、内燃機関。

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