JP2019210840A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関をコンパクトにしつつクランクシャフトの回転角度の検出誤差が小さくする。【解決手段】機関本体を備える内燃機関１は、フランジ２５を有するクランクシャフト２０と、機関本体に取り付けられた第１レース５１ａとクランクシャフトに取り付けられた第２レース５３とを備え且つ機関本体に対してクランクシャフトが一方向にのみ回転するように両レース間の相対回転を規制するワンウェイクラッチと、クランクシャフトと機関本体との間からオイルが漏出しないようにシールするオイルシール６０と、を備える。クランクシャフトのフランジ、ワンウェイクラッチ及びオイルシールは、クランク軸線に対して垂直な同一平面上に配置される。クランクシャフトはセンサプレート２８を備え、センサプレートはクランクシャフトのフランジが設けられた端部側であって機関本体内に配置される。【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関に関する。

従来から、内燃機関と電動発電機とを備えるハイブリッド車両において、モータジェネレータの駆動に伴って内燃機関が逆回転させられるのを防止するために、クランクシャフトにワンウェイクラッチを設けることが提案されている（例えば、特許文献１）。このようにワンウェイクラッチを設けることにより、モータジェネレータによって車両が駆動される際に、内燃機関が逆回転させられるのを防止することができる。

また、従来から、スタータモータによってクランクシャフト回りで回転駆動されるリングギアとクランクシャフトとの間にワンウェイクラッチを配置することも知られている（例えば、特許文献２）。このワンウェイクラッチによって、スタータモータからクランクシャフトへは動力を伝達することはできるが、クランクシャフトからスタータモータへは動力を伝達することができないようにすることができる。斯かるワンウェイクラッチは、内燃機関に近接して配置される。

特開２０１６−１７２５３０号公報 特開２０１１−２２６３４５号公報

ところで、クランクシャフトにワンウェイクラッチを設けると、基本的に、ワンウェイクラッチを設けた分だけクランクシャフトが長手方向に長くなる。この結果、内燃機関の全長が長くなり、内燃機関の設置に必要なスペースが大きくなる。したがって、ワンウェイクラッチを設けるにあたっては、内燃機関をコンパクトにするためには、クランクシャフトの長手方向の長さが長くならないような構成とする必要がある。

また、クランクシャフトにはクランクシャフトの回転角度を検出するために用いられるセンサプレートが設けられる。センサプレートは、内燃機関からの出力を伝達する出力シャフトが取り付けられる側のクランクシャフトの端部（以下、「出力側端部」ともいう）から離れて配置されると、クランクシャフトの捩れ等により回転角度の検出値に誤差が生じ得る。したがって、センサプレートは、クランクシャフトの出力側端部の近傍に配置されることが好ましい。したがって、ワンウェイクラッチをクランクシャフトの出力側端部近傍に設けることによってセンサプレートをクランクシャフトの出力側端部近傍に設けることができなくなると、クランクシャフトの回転角度の検出に誤差が生じる可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、内燃機関をコンパクトにしつつクランクシャフトの回転角度の検出誤差が小さくなるような内燃機関を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

（１）シリンダブロックと該シリンダブロックに固定されたクランクケースとを有する機関本体を備える内燃機関であって、前記機関本体に回転可能に支持されると共に当該内燃機関からの出力を伝達する出力シャフトに連結されるフランジを有するクランクシャフトと、前記機関本体及びクランクシャフトのうちの一方に取り付けられた第１レースと、前記機関本体及び前記クランクシャフトのうちの他方に取り付けられた第２レースとを備え、前記機関本体に対してクランクシャフトが一方向にのみ回転するように前記第１レースと前記第２レースとの相対回転を規制するワンウェイクラッチと、前記クランクシャフトの前記フランジが設けられた側の端部と前記機関本体との間からオイルが漏出しないようにシールするオイルシールと、を備え、前記クランクシャフトのフランジ、前記ワンウェイクラッチ及び前記オイルシールは、前記クランクシャフトの軸線に対して垂直な同一平面上に配置され、前記クランクシャフトはその外周に複数の歯を有するセンサプレートを備え、該センサプレートは前記クランクシャフトの前記フランジが設けられた端部側であって前記機関本体内に配置される、内燃機関。

本発明によれば、内燃機関をコンパクトにしつつクランクシャフトの回転角度の検出誤差が小さくなるような内燃機関が提供される。

図１は、一つの実施形態に係る内燃機関の概略的な側面断面図を示す。 図２は、クランクシャフトの一部を概略的に示す斜視図である。 図３は、クランクシャフトの出力側端部近傍における内燃機関の断面図である。 図４は、図３の上方部分を拡大して示した断面図である。 図５は、ワンウェイクラッチ組立体の半体を概略的に示す斜視図である。 図６は、図４のラインＶＩ−ＶＩに沿って見た、ワンウェイクラッチ組立体の断面図である。 図７は、スプラグ式のワンウェイクラッチの、図６と同様な断面図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜内燃機関の構成＞
図１は、一つの実施形態に係る内燃機関１の概略的な側面断面図を示す。特に、図１は、クランクシャフトの軸線に対して垂直な平面における断面図を示している。図１に示したように、内燃機関１は、クランクケース２、シリンダブロック３、シリンダヘッド４、オイルパン５を備える。シリンダブロック３はクランクケース２上に固定され、シリンダヘッド４はシリンダブロック３上に固定される。オイルパン５は、クランクケース２の下方に配置される。これらクランクケース２、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びオイルパン５は、機関本体を形成する。

シリンダブロック３に形成されたシリンダ８内には、ピストン６が配置される。ピストン６はシリンダ８内で上下に往復運動する。また、シリンダヘッド４、シリンダ８及びピストン６によって燃焼室７が画定され、混合気はこの燃焼室７内で燃焼せしめられる。シリンダヘッド４には、燃焼室７の頂面中央部に配置されて燃焼室７内の混合気に点火する点火プラグ９と、燃焼室７内に燃料を噴射する燃料噴射弁１０とが設けられる。

また、シリンダヘッド４には、吸気ガスが流通する吸気ポート１１が形成されると共に、吸気ポート１１を開閉する吸気弁１２が設けられる。加えて、シリンダヘッド４には、排気ガスが流通する排気ポート１３が形成されると共に、排気ポート１３を開閉する排気弁１４が設けられる。

ピストン６は、コンロッド１６を介してクランクシャフト２０に連結される。コンロッド１６は、一方の端部においてピストンピン１７に連結されると共に、他方の端部においてクランクシャフト２０のクランクピン２１に連結される。コンロッド１６は、ピストン６の往復運動をクランクシャフト２０の回転運動に変換するようにピストンピン１７及びクランクピン２１に連結される。

なお、図１に示した内燃機関１の構成は一例であり、シリンダブロック３とクランクケース２とを有する機関本体を備えていれば、内燃機関１は図１に示した例とは異なる構成を有していてもよい。

＜クランクシャフトの構成＞
次に、図２を参照して、クランクシャフト２０の構成について説明する。図２は、クランクシャフト２０の一部を概略的に示す斜視図である。

上述したように、クランクシャフト２０は複数のクランクピン２１を備える。クランクシャフト２０に設けられるクランクピン２１の数は、内燃機関のシリンダ８の数に等しい。したがって、直列４気筒の内燃機関では、４つのクランクピン２１を備える。各クランクピン２１は、クランクシャフト２０の軸線（以下、「クランク軸線」ともいう）Ｘと平行であってクランク軸線Ｘからオフセットした軸線を有するように延びる。

本実施形態では、内燃機関１からの出力を伝達する出力シャフトが連結される側の内燃機関１の端部側から順に１番シリンダ、２番シリンダ、３番シリンダ、４番シリンダが配置される。図４には、第１クランクピン２１ａ及び第２クランクピン２１ｂの二つのクランクピン２１が示されており、第１クランクピン２１ａはコンロッド１６を介して１番シリンダのピストン６に連結され、第２クランクピン２１ｂはコンロッド１６を介して２番シリンダのピストン６に連結される。

また、クランクシャフト２０は、シリンダブロック３及びクランクケース２に配置されたクランクベアリング３３（図３及び図４参照）に支持され、これらクランクベアリング３３内で回転する。具体的には、クランクシャフト２０に設けられたクランクジャーナル２２がこれらクランクベアリング３３内に回転可能に支持される。したがって、クランクシャフト２０は、クランクジャーナル２２の軸線回りで回転し、よってクランクジャーナル２２の軸線はクランク軸線Ｘを構成する。このため、クランクシャフト２０はクランク軸線Ｘ回りで回転可能に機関本体に支持される。

クランクジャーナル２２は、クランク軸線Ｘ方向においてクランクピン２１の両側に設けられる。このため、直列４気筒の内燃機関では、クランクシャフト２０には５つのクランクジャーナル２２が設けられる。本実施形態では、第１クランクピン２１ａの両側に第１クランクジャーナル２２ａと第２クランクジャーナル２２ｂが設けられ、第２クランクピン２１ｂの両側に第２クランクジャーナル２２ｂと第３クランクジャーナルとが設けられる。

また、クランクシャフト２０は、隣り合うクランクピン２１とクランクジャーナル２２との間に設けられたクランクアーム２３と、クランク軸線Ｘを挟んでクランクアームとは反対側に延びるカウンタウェイト２４とを備える。クランクピン２１とクランクジャーナル２２とはクランクアーム２３によって連結される。

また、クランクシャフト２０の端部のうち、内燃機関１からの出力を伝達する出力シャフト（図示せず）が連結される側の端部（出力側端部）には、フランジ２５が設けられる。フランジ２５は、第１クランクジャーナル２２ａに隣接して配置されると共に、第１クランクジャーナル２２ａの外周面から径方向に延びる円盤状に形成される。フランジ２５には、クランク軸線Ｘ方向に延びる複数のボルト孔２６が、周方向において等間隔に形成される。

クランクシャフト２０は、さらにセンサプレート２８を備える。図２に示したように、センサプレート２８は、第１クランクジャーナル２２ａと第１クランクピン２１ａとの間のクランクアーム２３及びカウンタウェイト２４に結合される。センサプレート２８は、クランクアーム２３及びカウンタウェイト２４の外周面から径方向に伸びる円盤状に形成される。センサプレート２８の外周には、周方向において等間隔に配置された複数の歯が形成される。

なお、センサプレート２８は、クランクシャフト２０の回転角度を検出するのに用いられる。具体的には、シリンダブロック３に、センサプレート２８の外周面と対面するようにクランク角センサ３１が配置される。クランク角センサ３１は、センサプレート２８の歯がクランク角センサ３１の前を通過する毎に出力パルスを発生するように構成され、クランク角センサ３１に接続された電子制御ユニット（ＥＣＵ）等においてこの出力パルスに基づいてクランクシャフト２０の回転角度が算出される。

＜クランクシャフトの端部近傍の構成＞
次に、図３及び図４を参照して、クランクシャフト２０の出力側端部近傍における内燃機関１の構成について説明する。図３は、クランクシャフト２０の出力側端部近傍における内燃機関１の断面図であり、図４は、図３の上方部分を拡大して示した断面図である。図３及び図４は、いずれもクランク軸線Ｘ及びシリンダ８の軸線に沿った断面における断面図である。

図３及び図４に示したように、シリンダブロック３は出力側端部近傍において半円状のブロック開口３２を備えると共に、このブロック開口３２にはクランクベアリング３３が配置される。同様に、クランクケース２は出力側端部近傍において半円状のケース開口３４を備えると共に、このケース開口３４にもクランクベアリング３３が配置される。クランクベアリング３３は、その断面が半円弧状のベアリングであり、滑り軸受として作用する。これらクランクベアリング３３内に第１クランクジャーナル２２ａが回転可能に支持される。また、ブロック開口３２には、クランクベアリング３３にオイルを供給するオイル溝３５が設けられる。なお、本実施形態では、クランクベアリング３３は、シリンダブロック３及びクランクケース２に配置されているが、シリンダブロック３とシリンダブロック３に固定されたクランクキャップとに配置されてもよい。

シリンダブロック３の出力側端部には、フライホイール４０が取り付けられる。フライホイール４０は、フライホイール４０に設けられた開口４１を通して、クランクシャフト２０のフランジ２５に設けられたボルト孔２６にフライホイールボルト４２を締結することにより、クランクシャフト２０に固定される。フライホイール４０は、クラッチ機構やトランスミッション（いずれも図示せず）等を介して、内燃機関１からの出力を伝達する出力シャフトに連結され、この出力シャフトは内燃機関１を搭載した車両の車輪や電動発電機の入出力シャフトに連結される。したがって、クランクシャフト２０の出力側端部は、フライホイール４０やクラッチ機構等を介して、出力シャフトに連結される。

また、クランクシャフト２０の出力側端部近傍には、ワンウェイクラッチ組立体５０が設けられる。以下では、図３及び図４に加えて、図５及び図６を参照してワンウェイクラッチ組立体５０について説明する。

図５は、ワンウェイクラッチ組立体５０の半体を概略的に示す斜視図である。図５において、ハウジング５２は破線で示されている。また、図６は、図４のラインＶＩ−ＶＩに沿って見た、ワンウェイクラッチ組立体５０の断面図である。図４〜図６に示したように、ワンウェイクラッチ組立体５０は、保持プレート５１と、ハウジング５２と、外側レース５３と、環状プレート５４とを備える。

保持プレート５１は、クランクシャフト２０の周方向に延びるＬ字状断面を有する部材である。保持プレート５１のＬ字状断面のうちクランク軸線Ｘ方向に延びる内側レース５１ａは、その外周に周方向に並んで配置された複数の歯５１ｂを備える（図６参照）。各歯は、周方向の一方側において円周面に対して垂直に近い角度で延びる急斜面を有し、周方向の他方側において円周方向に対して小さい角度で延びる緩斜面を有するように構成される。

保持プレート５１のＬ字状断面のうち径方向に延びる径方向部分５１ｃはシリンダブロック３の側面及びクランクケース２の側面に対面するように配置される。径方向部分５１ｃには複数の開口５１ｄ（図５参照）が設けられており、これら開口５１ｄを通してプレート固定ボルト４６をシリンダブロック３及びクランクケース２に締結することにより、保持プレート５１がシリンダブロック３及びクランクケース２に固定される。したがって、保持プレート５１の内側レース５１ａは機関本体に取り付けられる。

ハウジング５２は、環状プレート部分５２ａと環状プレート部分５２ａの外周に固定されたリング状部分５２ｂとを備える。環状プレート部分５２ａは、クランクシャフト２０のフランジ２５とフライホイール４０との間に配置され、径方向内側に配置された複数の内側貫通孔５２ｃと径方向外側に配置された複数の外側貫通孔５２ｄとを備える。リング状部分５２ｂは、保持プレート５１の内側レース５１ａの径方向外側において周方向に延びる。

内側貫通孔５２ｃにはフライホイールボルト４２が挿入され、フライホイールボルト４２を締め付けることによってハウジング５２がフランジ２５とフライホイール４０との間に固定される。したがって、ハウジング５２は、クランクシャフト２０と共に回転する。

外側レース５３は、保持プレート５１の内側レース５１ａとハウジング５２のリング状部分５２ｂとの間に配置される。したがって、外側レース５３は、内側レース５１ａの径方向外側であってリング状部分５２ｂの径方向内側において、クランク軸線Ｘの周方向に環状に延びるように配置される。外側レース５３に対してハウジング５２の環状プレート部分５２ａ側とは反対側の側面上には、環状プレート５４が配置される。

外側レース５３は、リベット等の固定具５５によってハウジング５２に固定される。固定具５５は、ハウジング５２の環状プレート部分５２ａに設けられた外側貫通孔５２ｄを通って外側レース５３に固定される。したがって、外側レース５３は、ハウジング５２を介してクランクシャフト２０に取り付けられ、クランクシャフト２０と共に回転する。

図５及び図６に示したように、外側レース５３内には、その内周側に、周方向に等間隔に複数の凹部５３ａが設けられる。この凹部５３ａ内には、ポール５６と、スプリング５７とが設けられる。

ポール５６は、その一方の端部近傍の回転軸線５６ａを中心に揺動可能に凹部５３ａ内に配置される。ポール５６が凹部内５３ａ内で揺動することにより、ポール５６は凹部５３ａ内にその全体がほぼ完全に収容されたり、ポール５６の一部が凹部５３ａから径方向内側に突出したりすることができる。また、スプリング５７は、ポール５６の一部が凹部５３ａから径方向内側に突出するようにポール５６を付勢する。

ここで、ワンウェイクラッチ組立体５０のワンウェイクラッチは、内側レース５１ａと、外側レース５３と、ポール５６と、スプリング５７とによって構成される。ワンウェイクラッチ組立体５０のワンウェイクラッチは、内側レース５１ａに対して外側レース５３が図６に矢印Ｒで示した方向に回転することを許可する。したがって、ワンウェイクラッチは、内側レース５１ａが取り付けられた機関本体に対して、外側レース５３が取り付けられたクランクシャフト２０が一方向に回転することを許可する。これは、外側レース５３が矢印Ｒで示した方向に回転すると、ポール５６が内側レース５１ａの複数の歯５１ｂのうち緩斜面に沿って移動して凹部５３ａ内に押し戻されるためである。

加えて、クランクシャフト２０の回転速度が速くなって外側レース５３の回転速度が速くなると、ポール５６は遠心力によりスプリング５７の付勢力にこうして凹部５３ａ内に押し込まれる。したがって、ポール５６と内側レース５１ａの歯５１ｂとが接触することによるフリクションが低減される。

一方、ワンウェイクラッチ組立体５０のワンウェイクラッチは、内側レース５１ａに対して外側レース５３が図６に矢印Ｒで示した方向とは反対方向に回転することを禁止する。したがって、ワンウェイクラッチは、内側レース５１ａが取り付けられた機関本体に対して、外側レース５３が取り付けられたクランクシャフト２０が上記一方向とは逆方向に回転することを禁止する。これは、外側レース５３が矢印Ｒで示した方向に回転すると、ポール５６が内側レース５１ａの複数の歯５１ｂのうち急斜面に当接することによりその進行が妨げられるためである。

以上より、ワンウェイクラッチ組立体５０のワンウェイクラッチは、機関本体に対してクランクシャフト２０が一方向のみに回転するように内側レース５１ａと外側レース５３との相対回転を規制するように構成される。なお、ワンウェイクラッチ組立体５０は、機関本体に対してクランクシャフト２０が一方向のみに回転するように内側レース５１ａと外側レース５３との相対回転を規制するように構成されていれば、上述した構成とは異なる構成であってもよい。したがって、例えば、外側レースが機関本体に固定され、内側レースがクランクシャフトに配置されるように構成されてもよい。また、ワンウェイクラッチは上述したポールを用いる形式のものではなく、他の形式のものであってもよい。

他の形式のワンウェイクラッチとしては、例えば、スプラグを用いた形式のものが挙げられる。図７は、スプラグ式のワンウェイクラッチの、図６と同様な断面図である。図７に示したように、スプラグ式のワンウェイクラッチは、内側レース５１’と外側レース５３’との間に周方向に等間隔で設けられたスプラグ５８を備える。これらスプラグ５８は、第１リング５９ａと第２リング５９ｂとにより互いに連結されている。

このように構成されたスプラグ式のワンウェイクラッチでは、内側レース５１’に対して外側レース５３’が相対的に一方向に回転しようとするときには、スプラグ５８が立つように回動する。これにより、スプラグ５８が両レース５１’、５３’に接触して５１’、５３’の相対的な回転が禁止される。一方、内側レース５１’に対して外側レース５３’が相対的に逆方向に回転しようとするときには、スプラグ５８が倒れるように回動する。これにより、スプラグ５８は両レース５１’、５３’に接触せず、よって両レース５１’、５３’の相対的な回転を許可される。

また、図３及び図４に示したように、ワンウェイクラッチ組立体５０のハウジング５２のリング状部分５２ｂの外周面と、シリンダブロック３の環状突出部３ａの内周面との間には、オイルシール６０が設けられる。本実施形態では、オイルシール６０は、環状突出部３ａの内周面に固定されるが、オイルシール６０はリング状部分５２ｂの外周面に固定されてもよい。

オイルシール６０は、クランクシャフト２０の回転中にシリンダブロック３とワンウェイクラッチ組立体５０のハウジング５２との間からオイルが漏出しないようにシールを行う。したがって、オイルシール６０は、クランクシャフト２０のフランジ２５が設けられた側の端部と機関本体との間からオイルが漏出しないようにシールを行っているといえる。

図３及び図４からわかるように、ワンウェイクラッチ組立体５０のワンウェイクラッチはクランクシャフト２０のフランジ２５の径方向外側に配置される。加えて、オイルシール６０はワンウェイクラッチの径方向外側に配置される。さらに、クランクシャフト２０のフランジ２５と、ワンウェイクラッチ組立体５０のワンウェイクラッチと、オイルシール６０とは、クランク軸線Ｘに対して垂直な同一平面上に配置される。

＜作用・効果＞
本実施形態では、ワンウェイクラッチ組立体５０のワンウェイクラッチがクランクシャフト２０のフランジ２５の外周面回りのスペースに配置される。クランクシャフト２０のフランジ２５は、フライホイール４０等を介して出力シャフトをクランクシャフト２０に取り付けるのに必ず必要となる。ワンウェイクラッチをこのように必ず必要となる構成要素の外周に配置することにより、ワンウェイクラッチを配置するための領域をクランクシャフト２０上に別途設けるべくクランクシャフト２０の軸線Ｘ方向の長さを長くする必要がなくなる。このため、内燃機関１をコンパクトにすることができる。

また、一般にクランク角センサ用のセンサプレートは、クランクシャフト２０のフランジ２５近傍に設けられる。しかしながら、上述したように、本実施形態では、フランジ２５近傍には、ンウェイクラッチが設けられることから、センサプレートを設置するスペースがない。

また、センサプレートを、クランクシャフト２０の出力側端部とは反対側の端部に設けることも考えられる。しかしながら、クランクシャフト２０には燃焼室７内での混合気の燃焼に伴って大きな力が作用することから、内燃機関１の運転中にはクランクシャフト２０には捩れが生じることがある。このようにクランクシャフト２０に捩れが生じると、センサプレートの回転角度とクランクシャフト２０の出力側端部における回転角度とに誤差が生じ、よってクランクシャフト２０の出力側端部における回転角度を正確に検出することができない。

これに対して、本実施形態では、センサプレート２８は、シリンダブロック３及びクランクケース２の内側に配置される。特に、本実施形態では、センサプレート２８は、クランクシャフト２０の出力側端部に最も近接したクランクアーム２３及びカウンタウェイト２４に固定される。特に、図２に示した例では、センサプレート２８は、出力側端部に最も近接したクランクアーム２３及びカウンタウェイト２４の出力側端部側に配置される。したがって、クランクシャフト２０の出力側端部から比較的近い位置にセンサプレート２８が配置され、よってクランクシャフト２０の出力端部における回転角度を比較的正確に検出することができる。

１ 内燃機関
２ クランクケース
３ シリンダブロック
４ シリンダヘッド
２０ クランクシャフト
２３ クランクアーム
２４ カウンタウェイト
２５ フランジ
２８ センサプレート
５０ ワンウェイクラッチ組立体
５１ 保持プレート
５２ ハウジング
５３ 外側レース
５４ 環状プレート
６０ オイルシール

Claims (1)

1. シリンダブロックと該シリンダブロックに固定されたクランクケースとを有する機関本体を備える内燃機関であって、
   前記機関本体に回転可能に支持されると共に当該内燃機関からの出力を伝達する出力シャフトに連結されるフランジを有するクランクシャフトと、
   前記機関本体及びクランクシャフトのうちの一方に取り付けられた第１レースと、前記機関本体及び前記クランクシャフトのうちの他方に取り付けられた第２レースとを備え、前記機関本体に対してクランクシャフトが一方向にのみ回転するように前記第１レースと前記第２レースとの相対回転を規制するワンウェイクラッチと、
   前記クランクシャフトの前記フランジが設けられた側の端部と前記機関本体との間からオイルが漏出しないようにシールするオイルシールと、を備え、
   前記クランクシャフトのフランジ、前記ワンウェイクラッチ及び前記オイルシールは、前記クランクシャフトの軸線に対して垂直な同一平面上に配置され、
   前記クランクシャフトはその外周に複数の歯を有するセンサプレートを備え、該センサプレートは前記クランクシャフトの前記フランジが設けられた端部側であって前記機関本体内に配置される、内燃機関。

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