JP5278286B2 - Variable compression ratio system for internal combustion engines - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、シリンダブロックとクランクケースとをシリンダ軸方向に相対変位させることにより圧縮比を変更する技術に関する。 The present invention relates to a technique for changing a compression ratio by relatively displacing a cylinder block and a crankcase in a cylinder axial direction.
内燃機関の機械圧縮比を変更するシステムとして、シリンダブロックとクランクケースとをシリンダ軸方向に相対変位させることにより、燃焼室容積を変更するシステムが知られている。 As a system for changing a mechanical compression ratio of an internal combustion engine, a system for changing a combustion chamber volume by relatively displacing a cylinder block and a crankcase in a cylinder axial direction is known.
上記したような可変圧縮比システムを備えた内燃機関においては、シリンダブロックとクランクケースとが一体的に固定されないため特有の振動を発生する場合があった。これに対し、可変圧縮比システムを備えた内燃機関において、回転式のバランスウェイトを設ける技術が提案されている(たとえば、特許文献1を参照)。 In the internal combustion engine provided with the variable compression ratio system as described above, the cylinder block and the crankcase are not fixed integrally, and thus there is a case where specific vibration is generated. On the other hand, in an internal combustion engine equipped with a variable compression ratio system, a technique for providing a rotary balance weight has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
本発明の目的は、シリンダブロックとクランクケースとをシリンダ軸方向に相対変位させることにより内燃機関の圧縮比を変更する可変圧縮比システムにおいて、内燃機関の振動低減効果を高めることにある。 An object of the present invention is to increase the vibration reduction effect of an internal combustion engine in a variable compression ratio system that changes the compression ratio of the internal combustion engine by relatively displacing the cylinder block and the crankcase in the cylinder axial direction.
本発明は、上記した課題を解決するために、以下のような手段を採用した。すなわち、本発明は、シリンダブロックとクランクケースとをシリンダ軸方向に変位させることにより圧縮比を変更する内燃機関の可変圧縮比システムにおいて、
クランクケースに対するシリンダブロックの位置をシリンダ軸方向に変化させる可変圧縮比機構と、
前記可変圧縮比機構がシリンダブロックの位置を変位させるときに、シリンダ軸方向において前記シリンダブロックと逆方向に変位するバランスウェイトと、
を備えるようにした。
The present invention employs the following means in order to solve the above-described problems. That is, the present invention provides a variable compression ratio system for an internal combustion engine that changes the compression ratio by displacing the cylinder block and the crankcase in the cylinder axial direction.
A variable compression ratio mechanism that changes the position of the cylinder block relative to the crankcase in the cylinder axial direction;
When the variable compression ratio mechanism displaces the position of the cylinder block, a balance weight that is displaced in the direction opposite to the cylinder block in the cylinder axis direction;
I was prepared to.
シリンダブロックとクランクケースとがシリンダ軸方向に相対変位すると、内燃機関の質量中心位置も変化する。内燃機関の質量中心位置が変化すると、内燃機関を支持する機構(エンジンマウント)の共振周波数が変化する。その結果、シリンダブロックとクランクケースとの相対位置によっては、エンジンマウントが内燃機関の振動を減衰しきれない可能性があった。 When the cylinder block and the crankcase are relatively displaced in the cylinder axis direction, the position of the center of mass of the internal combustion engine also changes. When the center of mass position of the internal combustion engine changes, the resonance frequency of the mechanism (engine mount) that supports the internal combustion engine changes. As a result, depending on the relative position between the cylinder block and the crankcase, the engine mount may not be able to completely attenuate the vibration of the internal combustion engine.
これに対し、回転式のバランスウェイトを内燃機関に取り付ける方法が考えられる。この方法によると、内燃機関が発生する振動を小さくすることはできるが、エンジンマウントの共振周波数の変化を抑制することができない可能性がある。 On the other hand, a method of attaching a rotary balance weight to the internal combustion engine is conceivable. According to this method, the vibration generated by the internal combustion engine can be reduced, but there is a possibility that a change in the resonance frequency of the engine mount cannot be suppressed.
そこで、本発明に係わる内燃機関の可変圧縮比システムは、内燃機関の圧縮比が変更さ
れるときに、シリンダ軸方向においてシリンダブロックと逆方向に変位するバランスウェイトを備えるようにした。
Accordingly, the variable compression ratio system for an internal combustion engine according to the present invention is provided with a balance weight that is displaced in the direction opposite to the cylinder block in the cylinder axial direction when the compression ratio of the internal combustion engine is changed.
かかる発明によれば、内燃機関の質量中心位置の変化量が小さくなるため、エンジンマウントの共振周波数の変化量も小さくなる。その結果、内燃機関の振動特性は、エンジンマウントが減衰し得る範囲内に収まるようになる。よって、エンジンマウントによる内燃機関の振動低減効果を高めることができる。 According to this invention, since the amount of change in the center of mass position of the internal combustion engine is reduced, the amount of change in the resonance frequency of the engine mount is also reduced. As a result, the vibration characteristics of the internal combustion engine fall within a range where the engine mount can be attenuated. Therefore, the vibration reduction effect of the internal combustion engine by the engine mount can be enhanced.
なお、バランスウェイトの変位量は、内燃機関の質量中心位置が一定位置に保たれるように定められるようにしてもよい。その際、内燃機関の質量中心位置が一定位置に保たれる条件下においてシリンダブロックの位置(又は変位量)とバランスウェイトの位置(又は変位量)との関係を予め実験的に求めておけばよい。このようにしてバランスウェイトの位置が決定されると、エンジンマウントの共振周波数を一定周波数に保つことが可能となる。よって、圧縮比が変化した場合であっても、内燃機関の振動をエンジンマウントによって減衰することが可能になる。 Note that the amount of displacement of the balance weight may be determined so that the center of mass position of the internal combustion engine is maintained at a constant position. In this case, if the relationship between the position of the cylinder block (or displacement) and the position of the balance weight (or displacement) is obtained experimentally in advance under the condition that the center of mass position of the internal combustion engine is kept constant. Good. When the position of the balance weight is determined in this way, the resonance frequency of the engine mount can be maintained at a constant frequency. Therefore, even when the compression ratio changes, the vibration of the internal combustion engine can be attenuated by the engine mount.
本発明によれば、シリンダブロックとクランクケースとをシリンダ軸方向に相対変位させることにより内燃機関の圧縮比を変更する可変圧縮比システムにおいて、内燃機関の振動低減効果を高めることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the vibration reduction effect of an internal combustion engine can be heightened in the variable compression ratio system which changes the compression ratio of an internal combustion engine by relatively displacing a cylinder block and a crankcase in a cylinder axial direction.
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in the present embodiment are not intended to limit the technical scope of the invention to those unless otherwise specified.
図1は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図1に示す内燃機関1は、シリンダブロック2とクランクケース3とがシリンダ軸方向へ相対変位することにより機械圧縮比(燃焼室容積)が変更される火花点火式の内燃機関(ガソリンエンジン)である。なお、内燃機関1は、圧縮着火式の内燃機関(ディーゼルエンジン)であってもよい。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine to which the present invention is applied. An
内燃機関1は、シリンダ軸方向へ相対変位自在に連結されたシリンダブロック2とクランクケース3とを備えている。シリンダブロック2には、シリンダヘッド4が固定されている。クランクケース3は、エンジンマウント50を介して車体200に支持されている。
The
シリンダブロック2には、気筒(シリンダ)5が形成されている。気筒5内には、ピストン6がシリンダ軸方向に摺動自在に装填されている。クランクケース3には、クランク
シャフト7が回転自在に支持されている。ピストン6とクランクシャフト7は、コネクティングロッド8を介して連結されている。
A cylinder (cylinder) 5 is formed in the
シリンダヘッド4には、気筒5内に連通する吸気ポート9と排気ポート10とが設けられている。シリンダヘッド4には、吸気ポート9の開口端を開閉するための吸気バルブ11と、排気ポート10の開口端を開閉するための排気バルブ12が設けられている。吸気バルブ11は、シリンダヘッド4に回転自在に支持された吸気カムシャフト13により開閉駆動される。排気バルブ12は、シリンダヘッド4に回転自在に支持された排気カムシャフト14により開閉駆動される。また、シリンダヘッド4には、吸気ポート9内へ燃料を噴射する燃料噴射弁15と、気筒5内に火花を発生させる点火プラグ16とが取り付けられている。
The
次に、シリンダブロック2とクランクケース3との連結部には、クランクケース3に対してシリンダブロック2をシリンダ軸方向へ変位させるための可変圧縮比機構100が設けられている。可変圧縮比機構100としては、図2に示すように、軸部101と、軸部101の中心軸に対して偏心された状態で軸部101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102と、カム部102と同一外形を有し軸部101に対して回転可能且つカム部102と同じように偏心状態で取り付けられた可動軸受部103と、軸部101と同心状に設けられたウォームホイール104と、ウォームホイール104と噛み合うウォーム105と、ウォーム105を回転駆動させるモータ106と、を備えた機構を用いることができる。なお、カム部102はシリンダブロック2に設けられた収納孔内に設置され、可動軸受部103はクランクケース3に設けられた収納孔内に設置されるものとする。また、モータ106は、シリンダブロック2に固定され、シリンダブロック2と一体的に変位する。
Next, a variable
このように構成された可変圧縮比機構100によれば、モータ106の動力がウォーム105とウォームホイール104とを介して軸部101に伝えられ、偏心状態にあるカム部102と可動軸受部103とが駆動される。その結果、カム部102と可動軸受部103とがシリンダ軸方向に相対変位し、それに伴ってシリンダブロック2とクランクケース3ともシリンダ軸方向に相対変位する。
According to the variable
ここで、シリンダ軸方向においてシリンダブロック2がクランクケース3から遠ざかると、燃焼室容積が大きくなるため、機械圧縮比(行程容積と燃焼室容積との総和を燃焼室容積で除算した値)が低くなる。一方、シリンダ軸方向においてシリンダブロック2がクランクケース3に近づくと、燃焼室容積が小さくなるため、機械圧縮比が高くなる。
Here, when the
ここで図1に戻り、クランクケース3には、内燃機関1の潤滑油(オイル)を貯蔵するためのオイルパン30が取り付けられている。オイルパン30の内部には、シリンダ軸方向に変位自在にバランスウェイト300が配置されている。さらに、オイルパン30には、前記バランスウェイト300をシリンダ軸方向に変位させるためのアクチュエータ301が取り付けられている。
Returning to FIG. 1, the
前記したバランスウェイト300をシリンダ軸方向へ変位させる機構としては、図3に示すように、バランスウェイト300に対してシリンダ軸方向に立設されたラック302と、ラック302に噛み合うピニオンギア303と、ピニオンギア303を回転させるモータ(アクチュエータ)301と、を備えた機構を用いることができる。
As a mechanism for displacing the
ここで図1に戻り、上記したように構成された内燃機関1には、燃料噴射弁15、点火プラグ16、可変圧縮比機構100、アクチュエータ301などの各種機器を電気的に制御するための電子制御ユニット(ECU)17が併設されている。
Returning to FIG. 1, the
ECU17は、CPU、ROM、RAM、バックアップRAMなどから構成されるユニットであり、クランクポジションセンサ18、アクセルポジションセンサ19、リフトセンサ20などの各種センサの電気信号が入力されるようになっている。クランクポジションセンサ18は、クランクシャフト7近傍に配置され、クランクシャフト7の回転位置に相関するパルス信号を出力するセンサである。アクセルポジションセンサ19は、アクセルペダルの操作量(アクセル開度)に相関する信号を出力するセンサである。リフトセンサ20は、クランクケース3においてシリンダブロック2との連結部位の近傍に配置され、クランクケース3に対するシリンダブロック2のリフト量(シリンダ軸方向の上死点側への変位量)に相関する電気信号を出力するセンサである。
The ECU 17 is a unit including a CPU, a ROM, a RAM, a backup RAM, and the like, and electric signals from various sensors such as a crank
ECU17は、上記した各種センサの電気信号に従って内燃機関1の運転状態(機関運転状態)を判別し、その判別結果に従って上記した各種機器を制御する。たとえば、ECU17は、クランクポジションセンサ18やアクセルポジションセンサ19の出力信号から判別される機関回転数および機関負荷に基づいて、可変圧縮比機構100を制御する。
ECU17 discriminate | determines the driving | running state (engine driving | running state) of the
その際、機関回転数および機関負荷が予め定められた低負荷・低回転運転領域にあるときは、ECU17は、内燃機関1の圧縮比が高くなるように可変圧縮比機構100を制御する。詳細には、ECU17は、シリンダブロック2がクランクケース3に近づく(シリンダ軸方向の下死点側へ変位する)ように可変圧縮比機構100を制御する。
At this time, when the engine speed and the engine load are in a predetermined low load / low rotation operation region, the ECU 17 controls the variable
また、機関回転数および機関負荷が上記した低負荷・低回転運転領域から逸脱したときは、ECU17は、シリンダブロック2がクランクシャフト7から遠ざかる(シリンダ軸方向の上死点側へ変位する)ように可変圧縮比機構100を制御することにより、内燃機関1の圧縮比を低下させる。
Further, when the engine speed and the engine load deviate from the low load / low rotation operation region described above, the ECU 17 causes the
上記したように内燃機関1の圧縮比を変更する場合に、ECU17は、リフトセンサ20の出力信号値が目標値と一致するように可変圧縮比機構100を制御する。目標値は、目標圧縮比をシリンダブロック2のリフト量に換算した値であり、予め実験的に求められている。なお、内燃機関1の圧縮比は、上記したように2段階に切り換えられてもよく、或いは機関回転数及び機関負荷に応じて無段階に切り換えられてもよい。
When changing the compression ratio of the
このように内燃機関1の圧縮比が変更されると、低負荷・低回転運転領域における燃焼効率の向上と、高負荷・高回転運転領域におけるノッキングの抑制と、を両立することができる。
Thus, when the compression ratio of the
ところで、クランクケース3に対してシリンダブロック2が相対変位すると、内燃機関1の質量中心位置も変位することになる。たとえば、図4に示すように、圧縮比が高い状態(図4中の(a)に示す状態)から圧縮比が低い状態(図4中の(b)に示す状態)へ移行する場合は、シリンダブロック2がシリンダ軸方向の上死点側(図4中の上方)へ変位するため、内燃機関1の質量中心位置Aもシリンダ軸方向の上死点側へ変位する。逆に、圧縮比が低い状態(図4中の(b)に示す状態)から圧縮比が高い状態(図4中の(a)に示す状態)へ移行する場合は、シリンダブロック2がシリンダ軸方向の下死点側(図4中の下方)へ変位するため、内燃機関1の質量中心位置Aもシリンダ軸方向の下死点側へ変位する。
By the way, when the
図4に示したように、圧縮比の変更に伴って質量中心位置Aが変位すると、エンジンマウント50の共振周波数も圧縮比の変更に伴って変化することになる。その結果、圧縮比(シリンダブロック2のリフト量)によっては、エンジンマウント50が内燃機関1の振動を減衰しきれなくなる可能性がある。
As shown in FIG. 4, when the mass center position A is displaced with the change in the compression ratio, the resonance frequency of the
これに対し、本実施例では、圧縮比が変更されるときに、シリンダ軸方向においてシリンダブロック2と逆方向にバランスウェイト300が変位されるようにした。具体的には、ECU17は、図5に示すように、圧縮比が高い状態(図5中の(a)に示す状態)から圧縮比が低い状態(図5中の(b)に示す状態)へ移行させる場合は、シリンダブロック2をシリンダ軸方向の上死点側(図5中の上方)へ変位させるとともに、バランスウェイト300をシリンダ軸方向の下死点側(図5中の下方)へ変位させる。逆に、圧縮比が低い状態(図5中の(b)に示す状態)から圧縮比が高い状態(図5中の(a)に示す状態)へ移行させる場合は、ECU17は、シリンダブロック2をシリンダ軸方向の下死点側(図5中の下方)へ変位させるとともに、バランスウェイト300をシリンダ軸方向の上死点側(図5中の上方)へ変位させる。
In contrast, in this embodiment, when the compression ratio is changed, the
その際、シリンダブロック2の変位量Δhに対するバランスウェイト300の変位量Δiは、質量中心位置Aが変化しないように定められるものとする。シリンダブロック2の変位量Δhとバランスウェイト300の変位量Δiとの関係は、予め実験的に求めておくとともに、それらの関係をマップ化しておくことが望ましい。なお、シリンダブロック2の変位量Δhは内燃機関1の圧縮比と相関するため、バランスウェイト300の変位量Δiと圧縮比との関係をマップ化しておくようにしてもよい。
At this time, the displacement amount Δi of the
ここで、バランスウェイト300の変位量Δiと圧縮比εとの関係を規定したマップの一例を図6に示す。なお、変位量Δiと圧縮比εとの関係は、内燃機関1の諸元やエンジンマウント50の減衰特性などによって変わるため、図6に示すマップはあくまで一例である。
Here, an example of a map defining the relationship between the displacement amount Δi of the
図6中の変位量Δiは、最下部(シリンダ軸方向における下死点側の変位端)からの変位量を示すものとする。図6に示すマップによれば、圧縮比εが高いときは低いときに比べ、バランスウェイト300の変位量Δiが多くなる。言い換えれば、圧縮比εが高いときは低いときに比べ、バランスウェイト300の位置が上方(シリンダ軸方向における上死点側)に位置することになる。その結果、前述した図5に示したように、内燃機関1の質量中心位置Aを一定位置に保つことが可能となる。
The displacement amount Δi in FIG. 6 indicates the displacement amount from the lowest part (the displacement end on the bottom dead center side in the cylinder axis direction). According to the map shown in FIG. 6, the amount of displacement Δi of the
内燃機関1の質量中心位置Aが一定位置に保たれると、エンジンマウント50の共振周波数も一定周波数に保たれるため、エンジンマウント50が内燃機関1の振動を減衰することが可能になる。よって、内燃機関1の圧縮比にかかわらず、内燃機関1の振動が減衰されるようになる。
When the mass center position A of the
以下、本実施例におけるアクチュエータ301の制御手順について図7に沿って説明する。図7は、ECU17が圧縮比を変更するときに実施する制御ルーチンを示すフローチャートである。この制御ルーチンは、予めECU17のROMに記憶されているルーチンであり、ECU17によって周期的に実行される。
Hereinafter, the control procedure of the
図7の制御ルーチンにおいて、ECU17は、先ずS101で各種データの読み込みを行う。詳細には、圧縮比の目標値(目標圧縮比)εtを演算するためのパラメータとなるデータ(たとえば、機関回転数、機関負荷、スロットル開度、車速、トランスミッションの変速比、トルクコンバータのロックアップ状態、リフトセンサ20の出力信号値、など)を読み込む。
In the control routine of FIG. 7, the ECU 17 first reads various data in S101. More specifically, data serving as parameters for calculating a compression ratio target value (target compression ratio) εt (for example, engine speed, engine load, throttle opening, vehicle speed, transmission gear ratio, torque converter lockup) Status, output signal value of the
S102では、ECU17は、前記S101で読み込まれたパラメータに基づいて目標圧縮比εtを演算する。 In S102, the ECU 17 calculates a target compression ratio εt based on the parameters read in S101.
S103では、ECU17は、前記S103で算出された目標圧縮比εtを引数として図6のマップにアクセスし、バランスウェイト300の変位量Δiを演算する。
In S103, the ECU 17 accesses the map of FIG. 6 using the target compression ratio εt calculated in S103 as an argument, and calculates the displacement amount Δi of the
S104では、ECU17は、前記S102で算出された目標圧縮比εtに従って可変圧縮比機構100を制御する。詳細には、ECU17は、リフトセンサ20の出力信号値から実際の圧縮比(実圧縮比)εを求め、実圧縮比εと目標圧縮比εtとの偏差が許容範囲内に収まるように可変圧縮比機構100を制御する。
In S104, the ECU 17 controls the variable
S105では、ECU17は、前記S103で算出された変位量Δiに従ってアクチュエータ301を制御する。
In S105, the ECU 17 controls the
このように図7の制御ルーチンに従って圧縮比εの変更およびバランスウェイト300の変位が行われると、内燃機関1の質量中心位置Aは圧縮比にかかわらず一定位置に保たれるようになる。その結果、エンジンマウント50の共振周波数も、内燃機関1の圧縮比にかかわらず一定周波数に保たれるようになる。
As described above, when the compression ratio ε is changed and the
したがって、本実施例によれば、シリンダブロック2とクランクケース3とがシリンダ軸方向に相対変位することにより内燃機関1の圧縮比を変更するシステムにおいて、内燃機関1の振動低減効果を一層高めることができる。
Therefore, according to the present embodiment, the vibration reduction effect of the
なお、本実施例では、バランスウェイト300を変位させるために専用のアクチュエータ301を設ける例について述べたが、可変圧縮比機構100のモータ106がバランスウェイト300を変位させるためのアクチュエータを兼用するようにしてもよい。その場合、たとえば、モータ106の出力軸にピニオンギアが取り付けられてもよい。ただし、その際のシリンダブロック2の変位量とバランスウェイト300の変位量との関係が内燃機関1の質量中心位置を変位させない関係を満たさない場合は、モータ106の出力軸とピニオンギアとの間に減速機構又は増速機構を設けるようにしてもよい。
In this embodiment, an example in which the
また、本実施例では、バランスウェイト300がオイルパン30に配置される例について述べたが、オイルパン30以外の場所に設置されてもよい。たとえば、シリンダヘッド4に配置されてもよく、或いはシリンダブロック2に配置されてもよい。
In the present embodiment, the example in which the
このような構成によれば、バランスウェイト300を変位させるためのアクチュエータが不要になるとともに、バランスウェイト300の変位量を制御するためのロジックも不要になるという利点がある。ただし、バランスウェイト300を変位させるための専用のアクチュエータを設けた構成によれば、内燃機関1を構成する部品の公差等に因り質量中心位置が想定位置からずれるような場合に質量中心位置を容易に調整することができるという利点がある。
According to such a configuration, there is an advantage that an actuator for displacing the
1 内燃機関
2 シリンダブロック
3 クランクケース
4 シリンダヘッド
5 気筒
6 ピストン
7 クランクシャフト
8 コネクティングロッド
9 吸気ポート
10 排気ポート
11 吸気バルブ
12 排気バルブ
13 吸気カムシャフト
14 排気カムシャフト
15 燃料噴射弁
16 点火プラグ
18 クランクポジションセンサ
19 アクセルポジションセンサ
20 リフトセンサ
30 オイルパン
50 エンジンマウント
100 可変圧縮比機構
101 軸部
102 カム部
103 可動軸受部
104 ウォームホイール
105 ウォーム
106 モータ
200 車体
300 バランスウェイト
301 アクチュエータ
302 ラック
303 ピニオンギア
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記可変圧縮比機構がシリンダブロックの位置を変位させるときに、シリンダ軸方向において前記シリンダブロックと逆方向に変位するバランスウェイトと、
を備えることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比システム。 A variable compression ratio mechanism that changes the compression ratio of the internal combustion engine by changing the position of the cylinder block relative to the crankcase in the cylinder axial direction;
When the variable compression ratio mechanism displaces the position of the cylinder block, a balance weight that is displaced in the direction opposite to the cylinder block in the cylinder axis direction;
A variable compression ratio system for an internal combustion engine, comprising:
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