JP4349208B2 - 可変圧縮比内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、圧縮比を可変とする可変圧縮比内燃機関に関する。

近年、内燃機関の燃費性能や出力性能を向上させることを目的として、内燃機関の圧縮比を変更可能にする技術が提案されている。例えば、内燃機関の燃焼室を構成する機関要素であるシリンダブロックとクランクケースに連結されている制御軸を回転駆動して、シリンダブロックとクランクケースとを相対移動させることで、燃焼室の容積を変更して該内燃機関の圧縮比を変更する技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開２００３−２０６７７１号公報 特開平７−２６９８１号公報

シリンダブロックとクランクケースとを相対移動させて燃焼室の容積を変更することで内燃機関の圧縮比を変更する場合、燃焼室内で生じる燃焼圧によってシリンダブロックとクランクケースとが互いに離反する方向に力が作用する。また吸気行程においてはピストンによる吸気作用でシリンダブロックとクランクケースとが互いに近接する方向に力が作用する。その結果、シリンダブロックとクランクケースとが振動し、振動音が顕著となる虞がある。また、両者が振動することで、内燃機関の圧縮比が目標とする圧縮比に安定的に維持されず、エミッションの悪化や機関出力の低下等が生じ得る。

また、シリンダブロックとクランクケースとの振動を抑制するために、両者の間に弾性装置を介在させて両者に弾性力を作用させると、内燃機関の圧縮比を変更する際に弾性装置による弾性力に抗してシリンダブロックとクランクケースとを相対移動させる必要がある。その結果、圧縮比の変更に要するエネルギー量が大きくなる。

本発明は、上記した問題に鑑み、シリンダブロックとクランクケースとを相対的に移動させることで圧縮比を変更する可変圧縮比内燃機関において、シリンダブロックとクランクケースとの振動を抑制するとともに円滑な圧縮比変更を維持することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明は、相対的に移動し得るシリンダブロックとクランクケースとの間に、弾性力を作用させる弾性装置と粘性力を作用させる減衰装置とを設けることとした。これにより、弾性装置による弾性力と減衰装置による粘性力とによって、シリンダブロックとクランクケースとの間に生じる振動を抑制することと、圧縮比変更のためのシリンダブロックとクランクケースとの円滑な相対的移動を維持することを両立することが可能となる。

即ち、本発明は、内燃機関のシリンダブロックとクランクケースとを相対移動させることで圧縮比を変更可能とする可変圧縮比機構を有する可変圧縮比内燃機関であって、弾性力を作用させる弾性装置と粘性力を作用させる減衰装置とが前記シリンダブロックと前記クランクケースとの間に並列に設けられる。

上記の可変圧縮比内燃機関（以下、単に「内燃機関」ともいう）においては、可変圧縮比機構によってシリンダブロックとクランクケースとを相対移動させることで、燃焼室容積を変化せしめて、以て圧縮比を変更する。ここで、圧縮比と内燃機関の運転状態とは密
接な関係があり、圧縮比が内燃機関の運転状態に適した圧縮比から外れると、燃費やエミッション等が悪化する虞がある。そこで、上記の内燃機関においては、圧縮比の変更は、内燃機関の運転状態に基づいて行われるようにしてもよい。内燃機関の運転状態に応じて圧縮比を変更することで、燃費性能や出力性能の向上を図る。

ここで、内燃機関の圧縮比の変更に際しては、シリンダブロックをその軸線方向に移動（スライド）させることで燃焼室の容積を増減させて圧縮比を変更してもよい。また、シリンダブロックを一の回転軸を中心に回転させることで、ピストンに対するシリンダブロックの相対位置を変更させ、以て燃焼室の容積を増減させて圧縮比を変更してもよい。

このように構成される内燃機関において、相対移動し得るシリンダブロックとクランクケースとによって圧縮比の変更が行われる一方で、燃焼室内に生じる周期的な燃焼圧とピストンの吸気動作によって生じる燃焼室内の周期的な負圧（以下、「吸気負圧」という）とによって、シリンダブロックとクランクケースとが振動する虞がある。そこで、シリンダブロックとクランクケースとの間に並列に弾性装置と減衰装置とを設けることで、シリンダブロックとクランクケースとに弾性力と粘性力を作用させて該振動を抑制し得る。

弾性装置による弾性力はシリンダブロックとクランクケースとの間の距離に比例した力である。また、減衰装置による粘性力はシリンダブロックとクランクケース間の両者の相対移動における移動速度に比例する。従って、上記の内燃機関においては、燃焼圧と吸気負圧によって生じるシリンダブロックとクランクケース間における比較的大きい移動速度に基づいて減衰装置によって粘性力を発生させることで、弾性装置による弾性力が比較的小さくてもシリンダブロックとクランクケース間の振動を抑制し得る。更には、弾性力が小さいことにより、圧縮比の変更の際にシリンダブロックおよび／またはクランクケースに作用させる駆動力を低く抑えることが可能となり、円滑な圧縮比変更動作が維持される。

更には、前記内燃機関での前記減衰装置における減衰係数は、前記可変圧縮比機構による圧縮比変更の際の前記シリンダブロックと前記クランクケースとの相対移動速度と、前記可変圧縮比内燃機関において周期的に生じる燃焼圧による前記シリンダブロックと前記クランクケースとの相対移動速度と、に基づいて決定されるようにすればよい。

即ち、減衰装置による振動の減衰に関する特性が、燃焼室内の燃焼圧と吸気負圧とによる振動がシリンダブロックとクランクケースとの間で抑制されるとともに、圧縮比変更のためのシリンダブロックとクランクケースとの相対移動を妨げることがないように、減衰装置における減衰係数が決定される。

ここで、燃焼室内の燃焼圧の周期（燃焼室内の吸気負圧の周期）は、内燃機関の機関回転速度に応じて変化する。そして、その周期が最も長い場合、例えば内燃機関がアイドリング状態にある場合であっても、シリンダブロックとクランクケースとの相対移動速度は、圧縮比変更の際の両者の相対移動速度より大きい。そこで、減衰装置による振動の減衰に関する特性が、シリンダブロックとクランクケースとの相対移動速度が大きい振動である燃焼圧、吸気負圧による振動を遮断し、両者の相対移動速度が小さい圧縮比変更時のシリンダブロックとクランクケースの相対移動を阻害しない特性となるべく、減衰装置の減衰係数が決定される。これにより、内燃機関の振動をより効果的に抑制することが可能となる。

また、前記内燃機関において、前記弾性装置における弾性係数と前記減衰装置における減衰係数は、前記可変圧縮比内燃機関における前記シリンダブロック又は前記クランクケースの固有振動数が該可変圧縮比内燃機関において周期的に生じる燃焼圧の周波数の１／
√２倍より小さくなるべく設定されるようにしてもよい。

並列状態にある弾性装置と減衰装置とを介して接続されたシリンダブロック又はクランクケースにおいて、外部から振動力が周期的に伝えられることで該振動力が増幅され、振動力の周波数が上記固有振動数であるとき、振動力の振幅が極大となる。そして、固有振動数の√２倍以上の周波数の振動力がシリンダブロック又はクランクケースに伝達されると、物理的に振動力の増幅率（以下、「伝達率」という。）は１以下となる。そこで、弾性装置における弾性係数と減衰装置における減衰係数を上述のように設定することで、シリンダブロックとクランクケースの振動を抑制することが可能となる。

ここで、上述までの内燃機関において、前記減衰装置は、前記シリンダブロックと前記クランクケースとの間に設けられた油圧室に前記可変圧縮比内燃機関の潤滑油が供給されることで構成されるようにしてもよい。即ち、内燃機関の潤滑油による粘性力を利用することで、シリンダブロックとクランクケースとに粘性力を作用させる。更に、前記油圧室内に供給された潤滑油は、前記可変圧縮比機構における摺動部に供給されるようにしてもよい。このように、減衰装置としての油圧室、可変圧縮比機構における摺動部に内燃機関の潤滑油を循環させることで、潤滑油を効率的に利用することが可能となる。また、可変圧縮比機構の摺動部において潤滑油の流れが維持されるため、該摺動部での潤滑油切れを可及的に回避することが可能である。

シリンダブロックとクランクケースとを相対的に移動させることで圧縮比を変更する可変圧縮比内燃機関において、シリンダブロックとクランクケースとの振動を抑制するとともに円滑な圧縮比変更を維持することが可能となる。

ここで、本発明に係る可変圧縮比内燃機関の実施の形態について図面に基づいて説明する。

図１は、圧縮比を可変とする可変圧縮比内燃機関（以下、単に「内燃機関」という）１の概略構成を表す図である。尚、本実施の形態においては、内燃機関１を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。内燃機関１は、４本のシリンダ２を有する４サイクルエンジンである。そして、シリンダ２内の燃焼室には、シリンダヘッド１０に設けられた吸気ポート１８を介して吸気管１９が接続されている。シリンダ２への吸気の流入は吸気弁５によって制御される。吸気弁５の開閉は、吸気側カム７の回転駆動によって制御される。また、シリンダヘッド１０に設けられた排気ポート２０を介して、排気管２１が接続されている。シリンダ２外への排気の排出は排気弁６によって制御される。排気弁６の開閉は排気側カム８の回転駆動によって制御される。更に、吸気ポート１８には燃料噴射弁１７が、シリンダ２の頂部には、点火プラグ１６が設けられている。そして、内燃機関１のクランクシャフト１３にコンロッド１４を介して連結されたピストン１５が、シリンダ２内で往復運動を行う。

ここで、内燃機関１においては、可変圧縮比機構９によって、シリンダブロック３をクランクケース４に対してシリンダ２の軸線方向に相対移動させることで、内燃機関１の圧縮比が変更される。即ち、可変圧縮比機構９が、シリンダブロック３と共にシリンダヘッド１０を、シリンダ２の軸線方向にクランクケース４に対して相対移動させることによって、シリンダブロック３、シリンダヘッド１０およびピストン１５によって構成される燃焼室の容積が変更され、その結果、内燃機関１の圧縮比が可変制御される。例えば、シリンダブロック３がクランクケース４から遠ざかる方向に相対移動されると、燃焼室容積が
増えて圧縮比が低下する。

可変圧縮比機構９は、軸部９ａと、軸部９ａの中心軸に対して偏心された状態で軸部９ａに固定された正円形のカムプロフィールを有するカム部９ｂと、カム部９ｂと同一外形を有し軸部９ａに対して回転可能且つカム部９ｂと同じように偏心状態で取り付けられた可動軸受部９ｃと、軸部９ａと同心状に設けられたウォームホイール９ｄと、ウォームホイール９ｄと噛み合うウォーム９ｅと、ウォーム９ｅを回転駆動させるモータ９ｆによって構成される。そして、カム部９ｂはシリンダブロック３に設けられた収納孔内に設置され、可動軸受部９ｃはクランクケース４に設けられた収納孔内に設置され、また、モータ９ｆは、シリンダブロック３に固定されており、シリンダブロック３と一体的に移動する。ここで、モータ９ｆからの駆動力は、ウォーム９ｅとウォームホイール９ｄとを介して軸部９ａに伝えられる。そして、偏心状態にあるカム部９ｂ、可動軸受部９ｄが駆動されることで、シリンダブロック３がクランクケース４に対してシリンダ２の軸線方向に相対移動させられる。

また、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）９０が併設されている。このＥＣＵ９０は、ＣＰＵの他、各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。

ここで、アクセル開度センサ９２がＥＣＵ９０と電気的に接続されており、ＥＣＵ９０はアクセル開度に応じた信号を受け取り、それより内燃機関１に要求される機関負荷等を算出する。また、クランクポジションセンサ９１がＥＣＵ９０と電気的に接続されており、ＥＣＵ９０は内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度や、該機関回転速度とギア比等から内燃機関１が搭載されている車両の車両速度等を算出する。

更に、可変圧縮比機構９を構成するモータ９ｆがＥＣＵ９０と電気的に接続されている。そして、ＥＣＵ９０からの指令によりモータ９ｆが駆動されて、可変圧縮比機構９による内燃機関１の圧縮比の変更が行われる。この内燃機関１の圧縮比の変更は、内燃機関１の運転状態に基づいて行われる。例えば、低機関負荷から高機関負荷になるに従い又は低機関回転速度から高機関回転速度になるに従い、シリンダブロック３をクランクケース４から遠ざける方向にモータ９ｆを駆動して、内燃機関１の圧縮比を高圧縮比から低圧縮比へと移行させる。

次に、内燃機関１におけるシリンダブロック３とクランクケース４との振動を抑制する振動抑制機構３０について、図２、図３および図４に基づいて説明する。図２は、振動抑制機構３０の詳細な構成を示す図である。また、図３は、振動抑制機構３０によって生じる粘性力の変化を示す図である。また、図４は、シリンダブロック３に加えられる振動力の周波数とその振動力の伝達率を示す図である。

シリンダ２内の燃焼によって生じる燃焼圧とピストン１５の吸気動作によって生じる吸気負圧とが、周期的にシリンダブロック３に掛かる。そして、クランクケース４に対して相対移動可能に実装されているシリンダブロック３は、燃焼圧と吸気負圧が交互に作用することによって振動（尚、以下において、該振動を単に「燃焼圧による振動」とも称する。）する虞がある。そこで、本実施例の内燃機関１においては、図２に示す振動抑制機構３０が設けられている。振動抑制機構３０は、バネ３０ａ、油圧室３０ｂ、オイルシール３０ｃ、３０ｄ、チェックバルブ３０ｅ、オイルホール３０ｆとで構成される。

バネ３０ａは、クランクケース４とシリンダブロック３とを接続し、バネ３０ａによる
弾性力を作用させる。油圧室３０ｂは、シリンダブロック３、クランクケース４、オイルシール３０ｃおよびオイルシール３０ｄによって構成される空間であり、オイルホール３０ｆからチェックバルブ３０ｅを経て供給される内燃機関１の潤滑油をその内部に確保する。尚、オイルホール３０ｆは、図示されない潤滑油循環用ポンプによって内燃機関１の潤滑油を油圧室３０ｂに供給し、チェックバルブ３０ｅは油圧室３０ｂからオイルホール３０ｆへ潤滑油が逆流するのを防止する。

また、油圧室３０ｂと、可変圧縮比機構９を構成するカム部９ｂおよび可動軸受部９ｃとを繋ぐ潤滑油供給路３１が、シリンダブロック３内に設けられている。そのため、油圧室３０ｂ内の潤滑油がカム部９ｂ、可動軸受部９ｃに供給される。その結果、カム部９ｂを収納するシリンダブロック３内の収納孔における摺動部と、可動軸受部９ｃを収納するクランクケース４内の収納孔における摺動部の摩耗が抑制される。

このように構成される内燃機関１においては、シリンダブロック３とクランクケース４とに、バネ３０ａによる弾性力と油圧室３０ｂ内の潤滑油による粘性力が作用する。即ち、シリンダブロック３とクランクケース４との間に弾性力と粘性力とが並列的に作用することになる。

ここで、内燃機関１の圧縮比の変更においては、機関負荷が上昇した際のノッキングをより確実に防止するために、高圧縮比の状態から低圧縮比の状態へ移行するのに要する時間を可及的に短縮するのが好ましい。そこで、内燃機関１においては、高圧縮比の状態から低圧縮比の状態への移行時間を０．１秒とし、その際のシリンダブロック３とクランクケースとの相対移動速度を図３に示すようにＶ１とする。一方で、低圧縮比の状態から高圧縮比の状態への移行時間は比較的長く０．５秒とし、その際のシリンダブロック３とクランクケースとの相対移動速度を図３に示すようにＶ２とする。従って、圧縮比の変更の際のシリンダブロック３とクランクケース４との相対移動は、図３中のＲ１で表される圧縮比変更時速度範囲に属する。

次に、４本のシリンダ２を有する４サイクルエンジンである内燃機関１のアイドル回転速度を６００ｒｐｍ、最高回転速度を６０００ｒｐｍとするとき、燃焼圧による振動力の周波数は、以下の式に従いそれぞれ２０Ｈｚ、２００Ｈｚとなる。
アイドル時：６００／６０×１／２×４＝２０（Ｈｚ）
最高回転時：６０００／６０×１／２×４＝２００（Ｈｚ）
燃焼圧によってシリンダブロック３がシリンダ２の軸線方向に移動させられる時間は、上記周波数に対応する周期の半分の時間であるから、アイドル時の移動時間は０．０２５秒、最高回転時の移動時間は０．００２５秒となる。そして、アイドル時と最高回転時のシリンダブロック３とクランクケースとの相対移動速度は、図３に示すようにそれぞれＶ３、Ｖ４である。従って、内燃機関１での燃焼圧によってシリンダブロック３が振動する際のシリンダブロック３とクランクケース４との相対移動は、図３中のＲ２で表される燃焼圧対応速度範囲に属する。

このように、内燃機関１においては、ＥＣＵ９０からの指令に基づいて可変圧縮比機構９による圧縮比の変更が行われる際のシリンダブロック３とクランクケース４の相対移動速度と、燃焼圧による両者の相対移動速度とは大きく異なっている。即ち、可変圧縮比機構９による圧縮比の変更が行われているときの両者の相対移動速度は、燃焼圧による両者の相対移動速度より小さい。その結果、油圧室３０ｂ内の潤滑油による粘性力は、可変圧縮比機構９による圧縮比の変更が行われているときは小さく、燃焼圧によってシリンダブロック３が移動されるときは大きくなる。これにより、可変圧縮比機構９による圧縮比の変更を阻害せず、且つ燃焼圧によるシリンダブロック３の振動を効果的に抑制することが可能となる。尚、燃焼圧によるシリンダブロック３の振動を抑制するために作用する粘性
力は、油圧室３０ｄの容積等を調整することで、変更することが可能である。

また、シリンダブロック３には、振動抑制機構３０を構成するバネ３０ａによる弾性力と油圧室３０ｂ内の潤滑油による粘性力とが並列的に作用する。このような場合、物理的には図４に示すように、シリンダブロック３にシリンダブロック３と振動抑制機構３０の共振周波数ｆ０の振動力が作用すると、振動力の伝達率が極大となり、共振周波数ｆ０の√２倍以上の周波数の振動力がシリンダブロック３に作用すると、振動力の伝達率は１以下となることが知られている。

そこで、内燃機関１においては、シリンダブロック３の共振周波数ｆ０が、燃焼圧による振動力の周波数の１／√２倍より小さくなるべく、振動抑制機構３０を設計する。具体的には、アイドル時の燃焼圧による振動力の周波数は上述したように２０Ｈｚであるから、シリンダブロック３の共振周波数ｆ０を１０√２Ｈｚより小さくなるべく、バネ３０ａのバネ定数と油圧室３０ｂ内の潤滑油による粘性定数を設定する。尚、シリンダブロック３の共振周波数ｆ０は、以下に示す式を満たすので、該式に従いバネ３０ａのバネ定数と油圧室３０ｂ内の潤滑油による粘性定数が決定される。

以上のように構成された内燃機関１においては、主にバネ３０ａと油圧室３０ｂとで構成される振動抑制機構３０によって、シリンダブロック３の燃焼圧や吸気負圧によって生じる振動をより効果的に抑制するとともに、可変圧縮比機構９での圧縮比の変更が振動抑制機構３０によって阻害され難くなる。

本発明の実施の形態に係る可変圧縮比内燃機関の概略構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る可変圧縮比内燃機関における振動抑制機構の詳細を示す図である。 本発明の実施の形態に係る可変圧縮比内燃機関において、振動抑制機構による粘性力の推移を示す図である。 本発明の実施の形態に係る可変圧縮比内燃機関において、シリンダブロックに掛かる振動力の周波数と振動抑制機構による伝達率との関係を示す図である。

符号の説明

１・・・・可変圧縮比内燃機関（内燃機関）
２・・・・シリンダ
３・・・・シリンダブロック
４・・・・クランクケース
９・・・・可変圧縮比機構
９ａ・・・・軸部
９ｂ・・・・カム部
９ｃ・・・・可動軸受部
１３・・・・クランクシャフト
１５・・・・ピストン
３０・・・・振動抑制機構
３０ａ・・・・バネ
３０ｂ・・・・油圧室
３１・・・・潤滑油供給路
９０・・・・ＥＣＵ
９１・・・・アクセル開度センサ
９２・・・・クランクポジションセンサ

Claims (6)

1. 内燃機関のシリンダブロックとクランクケースとを相対移動させることで圧縮比を変更可能とする可変圧縮比機構を有する可変圧縮比内燃機関であって、
   弾性力を作用させる弾性装置と粘性力を作用させる減衰装置とが前記シリンダブロックと前記クランクケースとの間に並列に設けられており、
   前記可変圧縮比機構は、前記可変圧縮比内燃機関において周期的に生じる燃焼圧による前記シリンダブロックと前記クランクケースとの相対移動速度よりも小さい相対移動速度で、圧縮比変更の際に前記シリンダブロックと前記クランクケースとを相対移動させることを特徴とする可変圧縮比内燃機関。
2. 内燃機関のシリンダブロックとクランクケースとを相対移動させることで圧縮比を変更可能とする可変圧縮比機構を有する可変圧縮比内燃機関であって、
   弾性力を作用させる弾性装置と粘性力を作用させる減衰装置とが前記シリンダブロックと前記クランクケースとの間に並列に設けられており、
   前記減衰装置における減衰係数は、前記可変圧縮比機構による圧縮比変更の際の前記シリンダブロックと前記クランクケースとの相対移動速度と、前記可変圧縮比内燃機関において周期的に生じる燃焼圧による前記シリンダブロックと前記クランクケースとの相対移動速度と、に基づいて決定されることを特徴とする可変圧縮比内燃機関。
3. 内燃機関のシリンダブロックとクランクケースとを相対移動させることで圧縮比を変更可能とする可変圧縮比機構を有する可変圧縮比内燃機関であって、
   弾性力を作用させる弾性装置と粘性力を作用させる減衰装置とが前記シリンダブロックと前記クランクケースとの間に並列に設けられており、
   前記弾性装置における弾性係数と前記減衰装置における減衰係数は、前記可変圧縮比内燃機関における前記シリンダブロック又は前記クランクケースの固有振動数が該可変圧縮比内燃機関において周期的に生じる燃焼圧の周波数の１／√２倍より小さくなるべく設定されることを特徴とする可変圧縮比内燃機関。
4. 前記可変圧縮比機構は、前記シリンダブロックを該シリンダブロックの軸線方向に移動させることで圧縮比を変更することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の可変圧縮比内燃機関。
5. 前記減衰装置は、前記シリンダブロックと前記クランクケースとの間に設けられた油圧室に前記可変圧縮比内燃機関の潤滑油が供給されることで構成されることを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の可変圧縮比内燃機関。
6. 前記油圧室内に供給された潤滑油は、更に前記可変圧縮比機構における摺動部に供給されることを特徴とする請求項５に記載の可変圧縮比内燃機関。

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