JP5605003B2 - エンジン構造 - Google Patents

Description

本発明は、エンジン構造、特にノックセンサによるノッキングの検出精度を高めるためのエンジン構造に関する。

ノッキングは、適正な着火によらずに圧力上昇などによって混合気の一部が自然着火する異常燃焼である。ノックセンサは、そのノッキングによって生じる振動を検出するためにエンジンに取り付けられる。その取付構造の一例が特許文献１に記載されている。それは、オープンデッキ構造のシリンダブロックの片側の側面外壁にノックセンサ用の取付ボスを設けるとともに、該取付ボスに連結されて外壁面を延びるリブを設け、該リブの中間にリブ断面積が小さくなった括れ部を設けるというものである。すなわち、ノッキングの共振周波数はエンジンの運転条件や使用環境で多少ばらつく。そこで、リブに括れ部を設けることで、ノッキング共振周波数がばらつく範囲で全体的に振動レベルが大きくなるように、該リブの共振周波数帯域を広くし、ノッキングの検出洩れを少なくするというものである。ノッキングが検出された場合は、ノッキングを生じないようにエンジンの点火時期や燃料噴射量が制御される。

特開２００９−２０３８７２号公報

ところで、ノッキングは、エンジンの点火時期をリタードさせたり、空燃比をリーンにすると治まる。しかし、例えばエンジンの低回転の運転条件において、点火時期のリタード等を行なったときに、ノッキングによる振動ではないが、これに似た燃焼に関わるノイズを発生することがある。これは擬似ノックと呼ばれている。図１２はノックセンサで検出されるノッキングによるノック信号と擬似ノック信号とを模式的に示す。ノック信号と擬似ノック信号とは周波数が同等であるから、この擬似ノックが発生したときにノッキングの発生と誤って検出するおそれがある。その場合、点火時期が不必要にリタードされる等の不具合があり、エンジンの適正な燃焼制御に不利になる。

そこで、本発明は、エンジン構造に工夫を加えて、上記擬似ノックに対策することを課題とする。

本発明者は、擬似ノック信号は、ノック信号に比べて、発生時間が長いだけでなく、発生タイミングが遅く、また、時間の経過と共に周波数が下がっていくことを実験により確認した。これに基いて擬似ノックの発生原因及び振動伝播経路を検討した。

すなわち、ノッキングはエンドガスゾーンで発生し、主としてシリンダヘッドからシリンダブロックのノックセンサに振動が伝播される。これに対して、擬似ノックは、その発生タイミングがノッキングに比べて遅く、時間の経過と共に周波数が下がることから、筒内温度及び体積が影響している、つまり燃焼圧が擬似ノックの発生原因になっていると考えられる。ピストンが下降するに従って燃焼圧の周波数が下がるから、この燃焼圧で加振されてノックセンサに伝達される振動の周波数も低下するということである。また、擬似ノックの発生タイミングが遅く、且つ発生時間が長いということは、筒内容積が大になってもノックセンサに擬似ノックによる振動が伝わってきているということである。そのことは、擬似ノックがシリンダボア壁を経由してノックセンサに伝達されて該ノックセンサで検出されていることを意味する。

以上の知見及び更なる実験・検討に基いて本発明は完成されたものであり、ここに提示するエンジン構造では、配列された複数の気筒を有するオープンデッキ構造のシリンダブロックとシリンダヘッドを備え、該シリンダブロックの外壁とシリンダボア壁との間にウォータジャケットが形成されているとともに、該シリンダブロックの片側の側面外壁にノックセンサ用取付ボスが設けられている。そして、上記ウォータジャケットは、上記シリンダブロックの上記ノックセンサ用取付ボスが設けられている片側のみ、各シリンダボアを側面側から見て各シリンダボアの気筒列方向における少なくともセンタ側に対応する部位の底が、上記取付ボスが設けられていない反対側の底よりも浅くなっている。

すなわち、ウォータジャケットの底が浅いということは、それだけシリンダボア壁の剛性は高くなり、振動しにくくなっているということである。上記エンジン構造では、シリンダブロックのノックセンサ用取付ボスが設けられている側のウォータジャケットの底が浅くなっているから、擬似ノックが発生した場合でも、ノックセンサ用取付ボスが設けられている側のシリンダボア壁は擬似ノックによる振動が抑制され、ノックセンサに伝わる振動レベルが低くなる。よって、擬似ノックをノッキングの発生と誤検出することが少なくなる。

一方、ノッキングはエンドガスゾーンで発生し、その振動は主としてシリンダヘッド側からノックセンサに伝達される。従って、上述の如くウォータジャケットの底を浅くして擬似ノックのノックセンサへの伝達を抑制しても、ノッキングの検出に支障を来すことがない。

本発明を限定する趣旨ではないが、好ましいのは、上記擬似ノックの振動レベル低減のために、上記ノックセンサ用取付ボスが設けられている側のウォータジャケットの深さを、上記取付ボスが設けられていない反対側のウォータジャケットの深さの例えば８５／１００以下とすることである。

上記ノックセンサ用取付ボスが設けられている側のウォータジャケットの底は、上記取付ボスよりも下方に離して位置付けることが好ましい。すなわち、ウォータジャケットの底が取付ボスに近づくほど該取付ボス自体の振動がシリンダボア壁によって抑制され、シリンダヘッド側から振動が伝わるノッキングの検出にも不利になるからである。

上記取付ボスが設けられている側のウォータジャケットは、気筒列方向の全長にわたって、反対側のウォータジャケットより浅くすることができる。しかし、好ましい実施形態では、上記取付ボスが設けられている側のウォータジャケットの底は、各シリンダボアを側面側から見て各シリンダボアの気筒列方向における中間部に対応する部位（シリンダボアのセンタ側に対応する部位）において、各シリンダボア間に対応する部位よりも浅くなるように隆起した構成にされる。すなわち、このシリンダボア間に対応する部位のウォータジャケットの底は、上記取付ボスが設けられていない反対側のウォータジャケットの底と同程度の深さにするというものである。そして、シリンダブロックの両側の外壁各々の各シリンダボア間に対応する部位にシリンダヘッド締結用のボルト孔が形成される。

これにより、ウォータジャケットの底が隆起した部分が、シリンダヘッド締結用ボルトの軸力を直接受けることがなくなる。従って、ボルト軸力がシリンダボアまわりに不均等にかかることが避けられる。すなわち、ウォータジャケットの底を部分的に浅くする構造の採用がシリンダボアの新たな変形要因になることが避けられる。

以上のように、本発明によれば、オープンデッキ構造のシリンダブロックとシリンダヘッドを備え、該シリンダブロックの外壁とシリンダボア壁との間にウォータジャケットが形成され、片側の外壁にノックセンサ用取付ボスが設けられているエンジン構造において、上記ウォータジャケットは、上記シリンダブロックの上記ノックセンサ用取付ボスが設けられている片側のみ、各シリンダボアを側面側から見て各シリンダボアの気筒列方向における少なくともセンタ側に対応する部位の底が、上記取付ボスが設けられていない反対側の底よりも浅くなっているから、ノッキングの検出に支障を来すことなく、ノックセンサに伝わる擬似ノックの振動レベルを下げることができ、該擬似ノックをノッキングの発生と誤検出することを防止する上で有利になる。

エンジンの全体構成を示す斜視図である。 シリンダブロックの平面図である。 シリンダブロックの吸気側の側面図である。 シリンダブロックの排気側の側面図である。 図３のＡ−Ａ線断面図である。 ウォータジャケットの吸気側の底の起伏を示す図である。 図３のＢ−Ｂ線断面図である。 ウォータジャケットの吸気側の底上げ量とライナ感度との関係を示すグラフ図である。 シリンダブロックの吸気側外壁の取付ボスまわりを示す斜視図である。 吸気側外壁にオイル落とし孔を形成する円筒状膨出壁部が設けられた比較例を示す説明図である。 本発明例及び比較例の取付ボスの振動特性を示すグラフ図である。 ノックセンサで検出されるノック信号と擬似ノック信号とを模式的に示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１に示すエンジンにおいて、１は複数の気筒を一列に配置した直列多気筒のシリンダブロック（アッパブロック）、２はシリンダヘッド、３はシリンダロアブロックである。このエンジンは、自動車に対して、気筒列方向を車幅方向にした横置きとし且つ後方排気後方スラント式に搭載される。シリンダヘッド２に与えた符号４は吸気ポートである。

シリンダブロック１には、その片側、すなわち、吸気側の外壁上部にノックセンサ用の取付ボス５が設けられている。この取付ボス５には後述のノッキング検出感度を高めるための縦リブ６が付設されている。なお、符号７はオイルレベルゲージ挿入孔を形成する外側に膨出して下方に延びる円筒状膨出壁部であり、符号８はオイルセパレータ部である。

図２に示すように、シリンダブロック１は、シリンダ外壁１１とシリンダボア壁１２の上端とが結合していないオープンデッキ構造のものであり、エンジンフロント側（図２において左側）から順に一列に並ぶ第１〜第４のシリンダボア１３ａ〜１３ｄを備えている。そして、シリンダ外壁１１とシリンダボア壁１２との間にウォータジャケット１４が形成されている。シリンダブロック１の各シリンダボア間に対応する位置、並びに両端部にシリンダヘッド２を締結するためのボルト孔１５が設けられている。

また、シリンダブロック１の上記取付ボス５が設けられていない排気側の各シリンダボア間に対応する位置には、エンジンオイルをシリンダヘッド２からクランク室やオイルパンに戻すオイル落とし孔１６が設けられている。一方、上記取付ボス５が設けられた吸気側には、上記オイル落とし孔は設けられていない。すなわち、エンジンを後方排気後方スラント式としたため、オイルを落とし易い排気側のみにオイル落とし孔１６を設け、エンジンの軽量化・構造簡素化を図ったものである。

吸気側のオイルレベルゲージ挿入孔１７は第１シリンダボア１３ａと第２シリンダボア１３ｂとの間に対応する位置に設けられている。また、上記取付ボス５は、図３にシリンダブロック１の吸気側外壁１１ａを示すように、第３シリンダボア１３ｃに対応する位置（ボアセンタよりも第２シリンダボア１３ｂ寄りの位置）に設けられている。なお、図３では各シリンダボアのセンタ位置を１点鎖線で示し、これに符号１３ａ〜１３ｄを与えている。

この吸気側外壁１１ａには、オイルレベルゲージ挿入孔１７を形成する円筒状膨出壁部７が設けられ、さらに、この円筒状膨出壁部７と取付ボス５とを結ぶ横リブ１９、円筒状膨出壁部７よりエンジンフロント側に延びる横リブ２０、並びに取付ボス５よりエンジンリヤ側に延びる横リブ２１が設けられている。

一方、図４に示すように、シリンダブロック１の排気側外壁１１ｂには、オイル落とし孔１６を形成する外側に突出して上下に延びる円筒状膨出壁部２２が各シリンダボア間に対応する位置に設けられ、さらに、相隣る円筒状膨出壁部２２を結ぶリブ２３が設けられている。なお、図３及び図４ではシリンダブロック１のスカート部は輪郭のみを描いている。

従って、吸気側外壁１１ａにはオイルレベルゲージ挿入孔１７を形成する円筒状膨出壁部７が設けられているが、オイル落とし孔を形成する円筒状膨出壁部は存在しない。そのため、オイル落とし孔１６を形成する円筒状膨出壁部２２が各シリンダボア間に対応する位置に設けられている排気側外壁１１ｂに比べて、吸気側外壁１１ａの剛性、特に取付ボス５が設けられている部分の剛性が低くなっている。このことはノックセンサ（図示省略）によって擬似ノックをノッキング発生と誤検出し易くなることにつながる。これを防止するために、本発明では、ウォータジャケット１４の深さを部分的に変えている。以下、具体的に説明する。

ウォータジャケット１４は深さが均一ではなく、図５に示すように、シリンダブロック１の上記取付ボス５が設けられている吸気側には、排気側に比べて底が浅くなった部分が設けられている。

すなわち、図６にシリンダブロック１の吸気側におけるウォータジャケット１４の底の起伏を示すように、この吸気側では、各シリンダボアを側面側から見て各シリンダボアの気筒列方向におけるセンタ側に対応する部位の底１４ａは、各シリンダボア間に対応する部位の底１４ｂよりも浅くなるように隆起している。なお、図６では各シリンダボアのセンタ位置を１点鎖線で示し、これに符号１３ａ〜１３ｄを与えている。これに対して、取付ボス５が設けられていない排気側では、ウォータジャケット１４の底１４ｃは気筒列方向の全長にわたって同じ深さにされている。そして、各シリンダボア間に対応する部位の底１４ｂは、排気側のウォータジャケット１４の底１４ｃと同程度の深さに設定されている。

図５は第１シリンダボア１３ａの気筒列方向におけるセンタ側での横断面図であり、吸気側の隆起した底１４ａと排気側の底１４ｃとの高低関係を示している。吸気側の底１４ａと排気側の底１４ｃとに高低差を付けたのは、ノックセンサに伝わる擬似ノックの振動レベルを下げるためである。

一方、ウォータジャケット１４の深さに関し、各シリンダボア間に対応する部位において、吸気側の底１４ｂと排気側の底１４ｃとが同程度の深さにしたのは、ウォータジャケット１４の深さに高低差を設ける構成がシリンダボア１３ａ〜１３ｄの新たな変形要因となることを避けるためである。すなわち、上述の如く、シリンダヘッド２をシリンダブロック１に締結するボルト孔１５は各シリンダボア間に対応する位置に設けられている。従って、図７に示すように、吸気側のボルト孔１５と排気側のボルト孔１５とは、ウォータジャケット１４の深さが同じ位置にあり、図６に示すようにウォータジャケット１４の底が隆起した部分が、シリンダヘッド締結用ボルトの軸力を直接受けることがなくなる。よって、ボルト軸力がシリンダボアまわりに不均等にかかることが避けられる。

＜擬似ノックの振動レベルの低減について＞
上記エンジン構造によれば、ノックセンサ用の取付ボス５が設けられている吸気側では、各シリンダボア１３ａ〜１３ｄの気筒列方向におけるセンタ側のウォータジャケット１４の底が浅くなっている。すなわち、吸気側のシリンダボア壁１２の剛性が高くなっている。従って、擬似ノックが発生したときの、吸気側のシリンダボア壁１２の振動が抑制され、加えて、ノックセンサ用の取付ボス５が設けられている吸気側外壁１１ａの共振周波数と吸気側のシリンダボア壁１２の共振周波数を意図的に一致させないことにより、吸気側外壁１１ａと連成した吸気側のシリンダボア壁１２の振動が抑制され、ノックセンサに伝わる振動レベルが低くなり、擬似ノックをノッキングの発生と誤検出することが少なくなる。

一方、エンドガスゾーンで発生するノッキングの振動は主としてシリンダヘッド側からノックセンサに伝達されるから、吸気側のウォータジャケット１４の底が浅くなっていても、ノックセンサによるノッキングの検出に支障を来すことが避けられる。

図８は排気側に対する吸気側のウォータジャケット１４の底上げ量がライナ感度（シリンダボア壁を加振したときのノックセンサの応答性＝センサ感度）に及ぼす影響をＣＡＥ解析した結果を示す。この場合、ライナ感度が低いほど、擬似ノックの振動レベルが低いということ、すなわち、擬似ノックが検出されにくいということになる。

図８によれば、吸気側の底上げ量が増大するにつれてライナ感度が直線的に低下しており、この底上げによって擬似ノックがノッキング発生と誤検出される可能性が少なくなることがわかる。従って、上述の如く、エンジンの軽量化のために吸気側のオイル落とし孔を廃止してシリンダ外壁１１の剛性を排気側に比べて低下させても、上記底上げによって、重量増を特に招くことなく、擬似ノックを誤検出することを避けることができる。

上記底上げは、ウォータジャケット１４の底が取付ボス１５の高さに達しない範囲で行なうことができ、その底上げ量は、排気側のウォータジャケット深さの１５／１００以上、さらには２０／１００以上にすることが好ましい。

＜ノッキング検出感度を高めるための縦リブ６について＞
上述の如く、吸気側のオイル落とし孔を廃止すると、エンジンの軽量化に有利になるが、ノッキングの検出に関しては別の問題を生ずる。その解決のために、上記縦リブ６を吸気側外壁１１ａに設けている。

すなわち、ノッキング発生の有無はノックセンサの出力からバンドパスフィルターによって特定周波数成分を抽出し、その特定周波数成分の信号を閾値と比較することで判定される。この場合、バンドパスフィルターで濾波される周波数はノッキングによる振動がピークとなるようなシリンダブロックの共振周波数とされるが、その共振周波数はエンジンの運転条件等によってばらつく。従って、例えば代表的な共振周波数である７．５ｋＨｚ付近のみをバンドパスフィルターで抽出するだけでは、高精度のノッキング判定が難しくなる。

この点に関し、吸気側にオイル落とし孔を設けている場合は、比較的広い共振周波数帯域で振動レベルが高いフラットな特性が得られる。しかし、吸気側のオイル落とし孔を廃止すると、共振周波数帯域のフラットな特性が崩れ、高周波数側で振動レベルが低下する。その場合、運転条件等によってノッキングの共振周波数がばらつくケースでは、ノッキングを精度良く検出できない。

そこで、図９に上記実施形態に係る吸気側外壁１１ａの取付ボス５まわりの構造を示すように、取付ボス５に結合されてその両側へ気筒列方向に延びる横リブ１９，２１を設けるとともに、取付ボス５のボア間側の側面に結合されて該取付ボス５から上下（ボア軸方向）に延びる縦リブ６を設けている。図１０は吸気側外壁１１ａにオイル落とし孔を形成する円筒状膨出壁部２５が設けられた比較例を示し、その円筒状膨出壁部２５は取付ボス５の側面に結合された状態で上下に延びている。

図１１は図９及び図１０各々の構造における取付ボス５の振動特性を簡易モデルで評価した結果を示す。なお、同図において、縦軸はイナータンスＡ／Ｆ（Ａは所定振幅Ｆの加振を加えたときの取付ボスの加速度である）、横軸は加振周波数（Ｈｚ）である。同図によれば、取付ボス５に縦リブ６を付設した図９の構造は、共振周波数及びイナータンスがオイル落とし孔用円筒状膨出壁部２５がある図１０のケースと同等ないしはそれよりも上回っている。これから、上記縦リブ６によって、全体的に振動レベルが高い幅広のノッキング共振周波数帯域が形成されることがわかる。

１ シリンダブロック（アッパブロック）
２ シリンダヘッド
３ シリンダロアブロック
５ 取付ボス
６ 縦リブ
１１ シリンダ外壁
１１ａ 吸気側外壁
１１ｂ 排気側外壁
１２ シリンダボア壁
１３ａ
〜１３ｄ シリンダボア
１４ ウォータジャケット
１４ａ
〜１４ｃ 底
１５ ボルト孔
１６ オイル落とし孔
１７ オイルレベルゲージ挿入孔

Claims (2)

1. 配列された複数の気筒を有するオープンデッキ構造のシリンダブロックとシリンダヘッドを備え、該シリンダブロックの外壁とシリンダボア壁との間にウォータジャケットが形成されているとともに、該シリンダブロックの片側の側面外壁にノックセンサ用取付ボスが設けられているエンジン構造であって、
   上記ウォータジャケットは、上記シリンダブロックの上記ノックセンサ用取付ボスが設けられている片側のみ、各シリンダボアを側面側から見て各シリンダボアの気筒列方向における少なくともセンタ側に対応する部位の底が、上記取付ボスが設けられていない反対側の底よりも浅くなっていることを特徴とするエンジン構造。
2. 請求項１において、
   上記シリンダブロックの上記ノックセンサ用取付ボスが設けられている側の上記ウォータジャケットの底は、各シリンダボアを側面側から見て各シリンダボアの気筒列方向におけるセンタ側に対応する部位において各シリンダボア間に対応する部位よりも浅くなるように隆起し、
   上記ノックセンサ用取付ボスが設けられている側のシリンダボア間に対応する部位のウォータジャケットの底と、上記取付ボスが設けられていない反対側のウォータジャケットの底とが同程度の深さになされ、
   上記シリンダブロックの両側の外壁各々の各シリンダボア間に対応する部位にシリンダヘッド締結用のボルト孔が形成されていることを特徴とするエンジン構造。

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