JP2015094287A - 可変圧縮比内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】吸排気系配管の振動および騒音を抑制し、固定側部材と可動側部材との間のシール性および可動側部材と吸排気系配管との間のシール性を確保する。
【解決手段】固定側部材２に対して吸排気系配管９８を有する可動側部材４をウォームホイール９３により移動させることにより機械圧縮比を変更可能とした可変圧縮比内燃機関において、ウォームホイール９３に吸排気系配管９８を可動側部材と連動させるための連結部材９９を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮比を変更することが可能な可変圧縮比内燃機関に関する。

近年、圧縮比を変更することが可能な機能を有する種々の内燃機関が提案されている。例えば特許文献１には、クランクケースのような固定側部材に対してシリンダブロックのような可動側部材を上下に移動可能に設けることにより機械圧縮比を変更可能とした可変圧縮比内燃機関が開示されている。このような可変圧縮比内燃機関によれば、運転状況に応じて機械圧縮比を変更することにより、燃費性能や出力性能を向上させることが可能となる。

特開２００７−３１５３１８号公報

この可変圧縮比内燃機関では、可動側部材にインテークマニホールド或いはエキゾーストマニホールドのような吸排気系配管が設けられており、吸排気系配管の支持剛性を確保するために、吸排気系配管と固定側部材とをステーにより連結することが考えられる。

しかしながら、機械圧縮比を変更するときに可動側部材が固定側部材に対して上下に移動するため、上記ステーが圧縮比変更の動きを規制するように働き、固定側部材と可動側部材との間のシール性や、可動側部材と吸排気系配管との間のシール性が悪化したり、吸排気系配管の振動が悪化するおそれがあるという課題がある。

本発明は、吸排気系配管の振動および騒音を抑制し、固定側部材と可動側部材との間および可動側部材と吸排気系配管との間のシール性を確保することができる可変圧縮比内燃機関を提供することを目的とする。

本発明は、固定側部材に対して吸排気系配管を有する可動側部材をウォームホイールにより移動させることにより機械圧縮比を変更可能とした可変圧縮比内燃機関において、前記ウォームホイールに前記吸排気系配管を前記可動側部材と連動させるための連結部材を設けている。

本発明に係る可変圧縮比内燃機関によれば、吸排気系配管の振動および騒音を抑制し、固定側部材と可動側部材との間および可動側部材と吸排気系配管との間のシール性を確保することができる。

本発明の実施の形態における可変圧縮比内燃機関を概略的に示す図である。 本発明の実施の形態における可変圧縮比内燃機関の断面図である。 本発明の実施の形態における圧縮比可変機構の概略分解斜視図である。 本発明の実施の形態における可変圧縮比内燃機関において、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。 本発明の実施の形態における可変圧縮比内燃機関において、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。

図１から図５を参照して、本実施の形態における可変圧縮比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可変圧縮比内燃機関を例に取り上げて説明する。

本実施の形態における可変圧縮比内燃機関は、図１〜図３に示すように機関本体１を備える。機関本体１は、固定側部材であるシリンダブロック２と、可動側部材であるシリンダヘッド４とを有している。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、機関吸気通路である吸気ポート７および機関排気通路である排気ポート９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に連通する吸気ポート７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に連通する排気ポート９を開閉可能に形成されている。

シリンダヘッド４には、点火装置としての点火プラグ１０が固定されている。点火プラグ１０は、燃焼室５にて燃料を点火するように形成されている。また、シリンダヘッド４には、吸気ポート７と連通する吸気管（インテークマニホールド）および排気ポート９と連通する排気管（エキゾーストマニホールド）を含む吸排気系配管９８が接続されている。なお、図１には吸気管および排気管の一方のみが示されている。

吸排気系配管９８の振動を抑制するために、ウォームホイール９３に吸排気系配管９８を可動側部材であるシリンダヘッド４と連動させるための連結部材（ステー）９９が設けられている。連結部材９９は例えば金属製の板材からなり、一端がウォームホイール９３に第１支軸１００を介して軸支され、他端が吸排気系配管９８に第２支軸１０１を介して軸支されている。

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を備えている。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よい。たとえば、燃料噴射弁１１は、燃焼室５に直接的に燃料を噴射するように配置されていてもよい。

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は、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をする。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可変圧縮比内燃機関は、クランクシャフト５９を支持する支持構造物を備えている。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を含んでいる。シリンダブロック２は、ピストン３が内部に配置される部分に加えて、クランクケース部７９とオイルパン部６０とを含んでいる。クランクケース部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、クランクケース部７９に支持されている。オイルパン部６０は、クランクケース部７９に固定されている。オイルパン部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可変圧縮比内燃機関は、電子制御ユニット３１を備えている。本実施の形態における電子制御ユニット（ＥＣＵ）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、又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構成されている。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、燃料ポンプ等の可変圧縮比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。

本実施の形態における可変圧縮比内燃機関は、圧縮比可変機構を備える。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の容積を燃焼室容積と称する。内燃機関の圧縮比は、燃焼室容積等に依存して定まる。本実施の形態における圧縮比可変機構は、燃焼室容積を変更することにより機械圧縮比を変更するように形成されている。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容積のみから定まる圧縮比を機械圧縮比と言う。すなわち、機械圧縮比は、（機械圧縮比）＝（燃焼室容積＋下死点から上死点までのピストンの行程容積）／（燃焼室容積）で示される。なお、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）＝（燃焼室容積＋吸気弁が閉じてからピストンが上死点に達するまでのピストンの行程容積）／（燃焼室容積）で示される。

図３は、本実施の形態における可変圧縮比内燃機関の圧縮比可変機構の分解斜視図である。図４は、可変圧縮比内燃機関の燃焼室の部分の第１の概略断面図である。図４は、圧縮比可変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可変圧縮比内燃機関は、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、圧縮比可変機構を介してシリンダヘッド４を支持している。

図３ないし図４に示すように、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圧縮比可変機構は、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。

圧縮比可変機構は、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により制御されている。すなわち、本実施の形態における圧縮比可変機構は、電子制御ユニット３１により制御されている。

図４ないし図５に示すように、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９６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５に、本実施の形態における可変圧縮比内燃機関の燃焼室の部分の第２の概略断面図を示す。図５は、圧縮比可変機構により低圧縮比になったときの概略図である。図５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４および図５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９６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。

図１には、２つのウォームホイール９３のうち一方のみが示されている。図示されているウォームホイール９３が例えば時計回りに回転されるとシリンダヘッド４がシリンダブロック２に近づく方向に移動され、したがって圧縮比が高くなる。これに対し、ウォームホイール９３が反時計回りに回転されるとシリンダヘッド４がシリンダブロック２から離れる方向に移動され、したがって圧縮比が低くなる。すなわち、固定側部材に対して吸排気系配管を有する可動側部材をウォームホイールにより移動させることにより機械圧縮比を変更可能になっている。

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の容積が小さくなっている。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５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。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可変圧縮比内燃機関は、運転期間中に圧縮比を変更することができる。たとえば、可変圧縮比内燃機関の運転状態に応じて、圧縮比可変機構により圧縮比を変更することができる。

その上で、圧縮比が変更されるときに、連結部材９９のウォームホイール９３側取付け部がシリンダブロック２に対するシリンダヘッド４の移動に連動して動く。すなわち、ウォームホイール９３が例えば時計回りに回転されると吸排気系配管９８がシリンダヘッド４と共にシリンダブロック２に近づく方向に移動される。一方、ウォームホイール９３が反時計回りに回転されると吸排気系配管９８がシリンダヘッド４と共にシリンダブロック２から離れる方向に移動される。その結果、連結部材９９が圧縮比変更の動きを規制するのが抑制される。したがって、吸排気系配管９８の振動および騒音を抑えることができる。また、シリンダブロック２とシリンダヘッド４の間のシール構造に負担を与えず、シール性を確保することができる。更に、シリンダヘッド４と吸排気系配管９８との間のシール構造に負荷を与えず、シール性を確保することができる。

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。可変圧縮比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、可変動弁機構と圧縮比可変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圧縮比可変機構は、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。

図２、図４および図５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に向かう側の端部１５ａを有する。本実施の形態における端部１５ａは、シリンダブロック２から飛び出すように形成されている。シリンダヘッド４には、燃焼室５を形成するための凹部４ａが形成されている。凹部４ａは、燃焼室５の上面を有する。凹部４ａは、シリンダライナ１５の端部１５ａが挿入可能に形成されている。本実施の形態においては、シリンダヘッド４の凹部４ａに対してシリンダライナ１５の端部１５ａが嵌合する。

図４および図５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、ピストン３の移動方向に相対的に移動する。本実施の形態においては、シリンダライナ１５の端部１５ａが、シリンダヘッド４の凹部４ａに対して摺動する。シリンダライナ１５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範囲内において、端部１５ａがシリンダヘッド４の凹部４ａの内部に配置されるように延びている。このように、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、更に、燃焼室５の容積を可変にすることができる。

さらに、本実施の形態の可変圧縮比内燃機関においては、シリンダヘッド４をシリンダブロック２に固定するためのヘッドボルトが不要になる。このために、ヘッドボルトの締め付けによるシリンダブロック２の穴部２ａの変形を抑制することができる。シリンダブロック２の穴部２ａの変形が抑制されると、ピストン３が移動するときにピストンリング３ａの押圧力が局所的に高くなることを抑制することができる。また、ピストンリング３ａとシリンダライナ１５との間の摩擦を低減できるために、ピストンリング３ａの追従性が向上する。この結果、燃料消費量を低減することができる。また、ピストン３とシリンダライナ１５との間を通って、燃焼室５からクランクケース部７９の内部に漏れるブローバイガスの量が減少する。このために、未燃燃料の漏れる量が減少して燃料消費量が向上する。

さらに、穴部２ａの変形が抑制されると、ピストンリング３ａによりオイルを効果的に掻き落すことができる。燃焼室５の内部に残存するオイルを少なくすることができる。この結果、オイルの消費量を低減することができる。さらに、ブローバイガスの量が低減することにより、ブローバイガスが機関吸気通路に戻されるときに、ブローバイガスと共に機関吸気通路に運ばれるオイルが減少する。このために、オイルの消費量を低減することができる。

また、本実施の形態の可変圧縮比内燃機関においては、圧縮比可変機構の駆動軸を支持するシリンダブロック２やシリンダヘッド４に、ヘッドボルトの締め付けによる変形が排除されるために、駆動軸を支持するハウジングの寸法精度を向上させることができる。本実施の形態においては、円形カム８６，８８を挿入するカム挿入孔８１，８３の変形を抑制することができる。また、シリンダブロックとシリンダヘッドの間のガスケットを排除することができる。

さらに、本実施の形態の可変圧縮比内燃機関では、ピストンが配置される部分とクランクシャフトを内部に収容するクランクケース部とを一体化することができ、生産性を向上させることができる。また、可動部を軽量にすることができるために、圧縮比可変機構を駆動する駆動装置を小型にすることができる。例えば、図３を参照して、円形カム８６，８８やカムシャフト８４，８５を駆動するモータ８９等を小型にすることができる。この結果、可変圧縮比内燃機関を小型にすることができて、車両などへの搭載が容易になる。

本実施の形態における可変圧縮比内燃機関は、シリンダライナ１５の端部１５ａとシリンダヘッド４の凹部４ａとが摺動するように形成されているが、この形態に限られず、シリンダライナの周りにシリンダブロック本体の壁部が形成されていてもよい。すなわち、シリンダブロック本体に、シリンダヘッドに向かって突出する嵌合部が形成され、嵌合部の内面にシリンダライナの端部が配置されていてもよい。この場合には、シリンダブロックの嵌合部とシリンダヘッドの凹部とが嵌合するように形成することができる。また、シリンダヘッドの凹部に対してシリンダブロックの嵌合部が摺動するように形成することができる。

本発明による別の実施の形態では、固定側部材がクランクケースであり、可動側部材がシリンダヘッドおよびシリンダブロックである。

上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一又は相当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。

２ シリンダブロック（固定側部材）
３ ピストン
４ シリンダヘッド（可動側部材）
７ 吸気ポート
９ 排気ポート
９１，９２ ウォーム
９３，９４ ウォームホイール
９８ 吸排気系配管
９９ 連結部材

Claims (1)

1. 固定側部材に対して吸排気系配管を有する可動側部材をウォームホイールにより移動させることにより機械圧縮比を変更可能とした可変圧縮比内燃機関において、前記ウォームホイールに前記吸排気系配管を前記可動側部材と連動させるための連結部材を設けた可変圧縮比内燃機関。

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