JP5637064B2 - 可変圧縮比内燃機関の排気装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変圧縮比内燃機関に適用される排気装置に関する。

内燃機関の排気装置として、シリンダヘッドに接続された排気マニホールドと、その排気マニホールドの下流に配置された排気管とを球面ジョイントにて連結するとともに、その排気管と更に下流の排気管とをフレキシブルチューブにて連結して、これらの２つのジョイントによって内燃機関のロール方向の変位を吸収するものが知られている（特許文献１）。その他、本発明に関連する先行技術文献として、特許文献２及び３が存在する。

特開２００２−３７１８３８号公報 特開２００７−２８５１５１号公報 特開２００６−２８３７３２号公報

シリンダブロックをクランクケースに対して上下に相対移動させる移動機構を設けることにより圧縮比を変更可能にした可変圧縮比内燃機関が知られている。このような内燃機関はクランク軸の回転軸線とシリンダブロックの上部との距離が変化する結果、ピストンとシリンダブロックとの相対位置が変化して上死点時の燃焼室の容積が変わるため圧縮比を機械的に変更することができる。

特許文献１の排気装置を可変圧縮比内燃機関に適用した場合、シリンダブロックの上部の変位が考慮されていないので、その変位方向に対して球面ジョイントの向きが合わない。そのため、シリンダブロックの上部が変位した場合、球面ジョイントに殆ど負荷が掛らずにもう一方のフレキシブルチューブに過大な負荷が生じるおそれがある。

そこで、本発明は、シリンダブロックの上部の変位によってジョイントに生じる負荷を低減できる可変圧縮比内燃機関の排気装置を提供することを目的とする。

本発明の排気装置は、クランク軸の回転軸線からシリンダブロックの上部までの距離を変化させて圧縮比を変更可能な可変圧縮比内燃機関の排気装置において、前記シリンダブロックの前記上部に取り付けられたシリンダヘッドに接続された排気マニホールドと、前記排気マニホールドの下流に配置された第１排気管と、前記第１排気管の下流に配置された第２排気管と、前記排気マニホールドと前記第１排気管とを接続する第１ジョイントと、前記第１排気管と前記第２排気管とを接続する第２ジョイントと、前記シリンダブロックの前記上部の変位方向と平行な方向に限定的に移動可能な状態で前記シリンダブロックに設けられたスライダと、を備え、前記第１ジョイントと前記第２ジョイントとは、前記変位方向から見た場合に、当該変位方向に対して直角方向である配置方向に沿って並べられ、かつ前記シリンダブロックの前記上部の変位を吸収できるように構成され、前記第１ジョイントと前記第２ジョイントとの前記配置方向についての間隔が、前記シリンダブロックの前記配置方向についての幅以上に設定され、前記排気マニホールドが前記スライダに接続されているものである（請求項１）。

この排気装置によれば、シリンダブロックの上部が変位した場合に、その変位方向と直角の方向に並んだ２つのジョイントにバランス良く負荷が掛ることになる。このため、負荷が２つのジョイントに配分されるから、各ジョイントの強度を過剰に高めなくても十分な接続強度を確保することができる。また、２つのジョイントの間隔がシリンダブロックの幅以上に設定されているので、その間隔が当該幅よりも小さい場合に比べて各ジョイントに生じる負荷が小さくなる。そのため接続強度を容易に確保できる。

また、排気マニホールドがスライダに接続されているので、排気マニホールドがシリンダブロックの上部とともに変位した場合、スライダがシリンダブロックに対して移動することによってその変位を吸収できる。しかも、スライダの移動方向が変位方向と平行な方向に限定されているため、排気マニホールドが左右や前後方向に移動することが抑制される。これにより、排気マニホールドの振動を抑えることができる。更に、排気マニホールドの支持する支点がシリンダヘッドよりも下方に設けられるため、排気マニホールドの支持の安定性が向上する。

本発明の排気装置の一態様において、前記スライダには、圧縮比の変更の際に前記シリンダブロックの前記上部が変位することを補助する補助手段が設けられていてもよい（請求項２）。この場合には圧縮比の変更の際に補助手段によってシリンダブロックの動きが補助されるため、圧縮比の変更動作が行い易くなる。なお、補助手段がシリンダブロックの動きを補助する方向は、圧縮比が下がる方向又は圧縮比が上がる方向のいずれであってもよい。

また、前記スライダと前記シリンダヘッドとを連結する連結部材を更に備えてもよい（請求項３）。この場合には、スライダ及びシリンダヘッドの各動作を同調させることができるので、スライダの動作が確実になるとともに排気マニホールドに不必要な負荷が掛ることを防止できる。

以上説明したように、本発明の排気装置によれば、２つのジョイントがシリンダブロックの上部の変位方向に対して直角な配置方向に並んでいるので、負荷が２つのジョイントに配分されて、各ジョイントの強度を過剰に高めなくても十分な接続強度を確保することができる。また、２つのジョイントの間隔がシリンダブロックの幅以上に設定されているので、その間隔が当該幅よりも小さい場合に比べて各ジョイントに生じる負荷が小さくなる。これにより接続強度を容易に確保できる。

第１の形態に係る排気装置が適用された内燃機関の全体構成を模式的に示した図。 図１の矢印II方向から各ジョイントを見た状態を示した図。 第２の形態に係る排気装置が適用された内燃機関の全体構成を模式的に示した図。 図３の矢印IV方向から見た状態を示した図。 図４の矢印V方向から各ジョイントを見た状態を示した図。 第３の形態の要部を示した図。 図６の支持機構を模式的に示した説明図。 第４の形態の要部を示した図。 第５の形態の要部を示した図。

（第１の形態）
図１は本発明の第１の形態に係る排気装置が適用された内燃機関の全体構成を模式的に示している。内燃機関１は、圧縮比を機械的に変更可能な可変圧縮比内燃機関として構成されている。内燃機関１に設けられた圧縮比を変更するための機構は公知ないし周知のものであるので、その機構自体の構造の詳細な説明を省略する。内燃機関１は自動車の車体Ｂに搭載されており、車体Ｂは図１の左側が前方に、図１の右側が後方にそれぞれ相当する。内燃機関１は機関本体１ａを有し、その機関本体１ａは車体Ｂの前方に横向きに搭載されている。内燃機関１の排気系は機関本体１ａの前方に、その吸気系は機関本体１ａの後方にそれぞれ位置している。内燃機関１はシリンダブロック２と、シリンダブロック２の上部２ａに不図示のガスケットを介在させて取り付けられたシリンダヘッド３とを備えている。シリンダブロック２の下部２ｂはエンジンマウント４を介して車体Ｂに取り付けられている。

シリンダブロック２の内部にはクランク軸６が回転軸線Ａｘの回りに回転自在に支持されている。シリンダブロック２にはクランク軸６を保持するクランクケースに対して上部２ａを相対変位させる圧縮比変更機構５が設けられている。圧縮比変更機構５にてシリンダブロック２の上部２ａが図１の上下方向に変位することによって、クランク軸６の回転軸線Ａｘからシリンダブロック２の上部２ａまでの距離Ｘが変化する。これにより、内燃機関１は、ピストンの上死点時における燃焼室の容積が変わるので圧縮比を変更できる。図１の変位方向Ｄ１は図示しない気筒の中心線方向に一致する。

内燃機関１には排気を導くための排気装置７が設けられている。排気装置７はシリンダヘッド３に取り付けられた排気マニホールド１０と、排気マニホールド１０の下流に配置された第１排気管１１と、第１排気管１１の下流に配置された第２排気管１２と、排気マニホールド１０と第１排気管１１とを接続する球面ジョイント１３と、第１排気管１１と第２排気管１２とを接続するフレキシブルジョイント１４とを備えている。

排気マニホールド１０は、シリンダブロック２に形成された複数の気筒（不図示）からの排気を集合する集合部１０ａを有し、その集合部１０ａには補助触媒１５が設けられている。補助触媒１５の下流にはシリンダヘッド３から延びるステー１６が接続されており、そのステー１６によって排気マニホールド１０の接続が補強されている。第２排気管１２は３つの部位１２ａ〜１２ｃに分割され、各部位にはメイン触媒１８、サブマフラー１９及びメインマフラー２０がそれぞれ設けられている。第２排気管１２の各部位及びメインマフラー２０は支持ブラケット２１ａ〜２１ｄを介して車体Ｂに取り付けられている。

球面ジョイント１３は気密性を保ちつつ多方向の変位を所定範囲内で許容する周知のジョイントである。球面ジョイント１３は、矢印Ｍ１方向の曲げ自由度を持つような向きで取り付けられている。これにより、排気マニホールド１０を介して伝達されるシリンダブロック２の上部２ａの変位を吸収できる。一方、フレキシブルジョイント１４はベローズパイプ状に形成された周知のジョイントである。フレキシブルジョイント１４は少なくとも図１の上下方向の変位を所定範囲内で許容でき、図１の矢印Ｍ２方向の曲げ自由度を持つような向きで取り付けられている。これにより、排気マニホールド１０及び第１排気管１１を介して伝達されるシリンダブロック２の上部２ａの変位を吸収できる。なお、Ｍ１方向及びＭ２方向はシリンダブロック２の上部２ａの変位方向Ｄ１に対して直角方向（図１の紙面と直交する方向）の軸線を中心とした曲げモーメントの方向に相当する。球面ジョイント１３は本発明に係る第１ジョイントに、フレキシブルジョイント１４は本発明に係る第２ジョイントにそれぞれ相当する。

図２は図１の矢印II方向から各ジョイント１３、１４を見た状態を示している。矢印II方向は変位方向Ｄ１に一致するので、変位方向Ｄ１は図２の紙面と直交する方向に相当する。図２に示したように、２つのジョイント１３、１４は、シリンダブロック２の変位方向Ｄ１から見た場合に、その変位方向Ｄ１に対して直角方向である配置方向Ｄ２に沿って並べられている。また、配置方向Ｄ２についての２つのジョイント１３、１４の間隔ｄは、その配置方向Ｄ２についてのシリンダブロック２の幅Ｗ以上に、ここでは幅Ｗよりも大きく設定されている。なお、図１に示したように、２つのジョイント１３、１４は同図の上下方向に位置がずれているがこれらの位置を上下方向で一致させてもよい。

第１の形態の場合には、内燃機関１の機関本体１ａが横置きレイアウトで搭載されているため、ロール方向（回転軸線Ａｘ回りの方向）が各ジョイント１３、１４の曲げ自由度の方向Ｍ１、Ｍ２と同じである。そこで、各ジョイント１３、１４の初期設定、即ち負荷が掛らない状態での位置決めはシリンダブロック２の変位範囲の中央位置を基準として、又は変位範囲の下端位置を基準として行うことが好ましい。なお、各ジョイント１３、１４の可動変位ｖは、ジョイント作動角をα、ジョイント間長さをＬとした場合、ｖ＝ｓｉｎα×Ｌで定義される。

第１の形態によれば、シリンダブロック２の上部２ａが変位した場合に、その変位方向と直角の方向に並んだ２つのジョイント１３、１２にバランス良く負荷が掛ることになる。このため、負荷が２つのジョイント１３、１２に配分されるから、各ジョイント１３、１３の強度を過剰に高めなくても十分な接続強度を確保することができる。また、図２に示したように、２つのジョイント１３、１４の間隔ｄがシリンダブロック２の幅Ｗ以上に設定されているので、その間隔ｄが当該幅Ｗよりも小さい場合に比べて各ジョイント１３、１４に生じる負荷が小さくなる。そのため接続強度を容易に確保できる。

（第２の形態）
次に、本発明の第２の形態を図３及び図４を参照しながら説明する。第２の形態は、第１の形態と同じ機関本体１ａのレイアウトを縦置きとし、かつそのレイアウト変更に伴って排気装置の構成を変更したものである。図３は第２の形態に係る排気装置が適用された内燃機関の全体構成を模式的に示している。図４は図３の矢印IV方向から見た状態を示している。なお、以下の説明では、第１の形態と共通する構成についてはこれらの図面に同一の符号を付して説明を省略する。

図３及び図４に示すように、排気装置２７はシリンダヘッド３に接続された排気マニホールド２８と、排気マニホールド２８の下流に配置された第１排気管２９と、第１排気管２９の下流に配置された第２排気管３０と、排気マニホールド２８と第１排気管２９とを接続する球面ジョイント３１と、第１排気管２９と第２排気管３０とを接続するフレキシブルジョイント３２とを備えている。

排気マニホールド２８は排気を集合する集合部２８ａを有し、その集合部２８ａには補助触媒３５が設けられている。集合部２８ａは補助触媒３５の上流で２つに分割され、これらの部分は球面ジョイント３６を介して互いに接続されている。第２排気管３０にはメイン触媒３７、サブマフラー３８及びメインマフラー３９がそれぞれ設けられていて、第２排気管３０は支持ブラケット４０ａ〜４０ｄを介して車体Ｂに取り付けられている。

球面ジョイント３１は第１の形態と同様に気密性を保ちつつ多方向の変位を所定範囲内で許容する周知のジョイントであり、図３の矢印Ｍ１方向の曲げ自由度を持つような向きで取り付けられている。一方、フレキシブルジョイント３２は第１の形態と同様にベローズパイプ状に形成された周知のジョイントであり、図３の矢印Ｍ２方向の曲げ自由度を持つような向きで取り付けられている。球面ジョイント３１は本発明に係る第１ジョイントに、フレキシブルジョイント３２は本発明に係る第２ジョイントにそれぞれ相当する。

図５は図４の矢印V方向から各ジョイント３１、３２を見た状態を示している。矢印V方向は変位方向Ｄ１に一致するので、変位方向Ｄ１は図５の紙面と直交する方向に相当する。図５に示したように、２つのジョイント３１、３２は、シリンダブロック２の変位方向Ｄ１から見た場合に、その変位方向Ｄ１に対して直角方向である配置方向Ｄ２に沿って並べられている。また、２つのジョイント３１、３２の配置方向Ｄ２についての間隔ｄ′は、その配置方向Ｄ２についてのシリンダブロック２の幅Ｗ′以上に、ここでは幅Ｗ′よりも大きく設定されている。

第２の形態の場合には、機関本体１ａが縦置きレイアウトで搭載されているため、ロール方向（回転軸線Ａｘ回りの方向）が各ジョイント１３、１４の曲げ自由度の方向Ｍ１、Ｍ２と相違する。より具体的には、ロール及び曲げの各軸線が直交する関係となる。そこで、各ジョイント３１、３２の初期設定はシリンダブロック２の変位範囲の上端位置を基準として行うことが好ましい。このように各ジョイント３１、３２の曲げ方向とロール方向とが相違しているが、ロール方向の変位は排気マニホールド２８の集合部２８ａに設けられた球面ジョイント３６にて吸収することができる。

（第３の形態）
次に、本発明の第３の形態を図６及び図７を参照しながら説明する。第３の形態は排気マニホールドの支持形態を除いて第１の形態と共通する。そのため、以下では第１の形態と共通の構成には同一の参照符号を図面に付して説明を省略する。図６は第３の形態の要部を示している。図６に示すように、本形態には排気マニホールド１０を支持するステー１６の代わりに、排気マニホールド１０を支持する支持機構４０が設けられている。図７にも示したように、支持機構４０はシリンダブロック２に固定された案内部材である一対のレール４１と、これらレール４１に案内されてスライドするスライダ４２と、排気マニホールド１０とスライダ４２との間に介在してこれらを接続する接続部材４３とを備えている。

一対のレール４１は互いに平行に配置され、シリンダブロック２の上下方向（変位方向Ｄ１）に延びている。スライダ４２は一対のレール４１に噛み合うように構成されており、一対のレール４１にて変位方向Ｄ１と平行な方向に移動可能である。スライダ４２とレール４１との摩擦を低減するため、これらの間にベアリングやボール等の介在部材を介在させることもできる。スライダ４２は一対のレール４１に噛み合いつつこれらに沿って案内されるため、変位方向Ｄ１と平行でない図６の左右方向や図７の左右方向への移動が阻止される。つまり、スライダ４２は変位方向Ｄ１と平行な方向に限定的に移動できる。また、排気マニホールド１０とシリンダブロック２との距離は移動中でも一定に保たれる。接続部材４３は、図１のステー１６と同じように、排気マニホールド１０の集合部１０ａに設けられた触媒１５の下流位置に接続されている。排気マニホールド１０と接続部材４３との接続はボルト等の締結手段にて行われているが、溶接等の接合手段を利用して接続してもよい。

第３の形態によれば、排気マニホールド１０がシリンダブロック２の上部２ａとともに変位した場合、スライダ４２がシリンダブロック２に対して移動することによってその変位を吸収できる。しかも、スライダ４２の移動方向が変位方向Ｄ１と平行な方向に限定されているため、排気マニホールド１０が変位方向Ｄ１以外の方向に移動することが抑制される。これにより、排気マニホールド１０の振動を抑えることができる。更に、第１の形態と比べて、排気マニホールド１０を支持する支点がシリンダヘッド３よりも下方に設けられるため、排気マニホールド１０の支持の安定性が向上する。なお、第３の形態に係る支持機構４０は機関本体１ａが縦置きの第２の形態にも適用可能である。一対のレール４１の代わりに、１本や３本以上のレールに変更することもできる。

（第４の形態）
次に、本発明の第４の形態を図８を参照しながら説明する。第４の形態は第３の形態の改良に相当する。図８は第４の形態の要部を示している。図８に示したように、第４の形態にはスライダ４２の下方に補助手段としてのコイルばね４５が設けられている。このコイルばね４５は圧縮された状態で装着されているため、スライダ４２を上方に移動させる弾性力Ｆを発生させる。このコイルばね４５は、圧縮比の変更の際にシリンダブロック２の上部２ａが変位することを弾性力Ｆによって補助できる。そのため、内燃機関１の圧縮比変更機構５による圧縮比の変更動作が行い易くなる。なお、この形態ではコイルばね４５によって圧縮比が低下する方向への変更動作が補助されるが、コイルばね４５の取り付け位置や伸長状態で設けることによって、圧縮比が増加する方向への変更動作を補助するようにすることも可能である。コイルばね４５等の付勢部材とは異なる手段で補助手段を実現してもよい。

（第５の形態）
次に、本発明の第５の形態を図９を参照しながら説明する。第５の形態は第３の形態の改良に相当する。図９は第５の形態の要部を示している。図９に示したように、第５の形態にはスライダ４２とシリンダヘッド３とを連結する連結部材４６が設けられている。この連結部材４６は実質的に剛体で構成されている。そのため、スライダ４２及びシリンダヘッド３の各動作を同調させることができる。これにより、スライダ４２の動作が確実になるとともに排気マニホールド１０に不必要な負荷が掛ることを防止できる。なお、第５の形態と第４の形態とを組み合わせて実施することも可能である。これによって、コイルばね４５による補助効果を確実に得ることが可能となる。

本発明は上記形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々の形態にて実施できる。上記各形態では、第１ジョイントとして球面ジョイントを、第２ジョイントとしてフレキシブルジョイントをそれぞれ用いているが、シリンダブロックの変位を吸収し得る限りにおいて他の形態に変更してもよい。例えば、両方のジョイントを球面ジョイント又はフレキシブルジョイントに変更することもできるし、第１ジョイントをフレキシブルジョイントに、第２ジョイントを球面ジョイントにそれぞれ変更することもできる。また、球面ジョイント又はフレキシブルジョイントとは異なる既存のジョイントで第１ジョイント及び第２ジョイントを実現してもよい。

１ 内燃機関
２ シリンダブロック
２ａ 上部
６ クランク軸
７、２７ 排気装置
１０、２８ 排気マニホールド
１１、２９ 第１排気管
１２、３０ 第２排気管
１３、３１ 球面ジョイント（第１ジョイント）
１４、３２ フレキシブルジョイント（第２ジョイント）
４２ スライダ
４５ コイルばね（補助手段）
４６ 連結部材
Ａｘ 回転軸線
Ｄ１ 変位方向
Ｄ２ 配置方向
ｄ、ｄ′ ジョイントの間隔
Ｗ、Ｗ′ シリンダブロックの幅
Ｘ 回転軸線からシリンダブロックの上部までの距離

Claims (3)

1. クランク軸の回転軸線からシリンダブロックの上部までの距離を変化させて圧縮比を変更可能な可変圧縮比内燃機関の排気装置において、
   前記シリンダブロックの前記上部に取り付けられたシリンダヘッドに接続された排気マニホールドと、前記排気マニホールドの下流に配置された第１排気管と、前記第１排気管の下流に配置された第２排気管と、前記排気マニホールドと前記第１排気管とを接続する第１ジョイントと、前記第１排気管と前記第２排気管とを接続する第２ジョイントと、前記シリンダブロックの前記上部の変位方向と平行な方向に限定的に移動可能な状態で前記シリンダブロックに設けられたスライダと、を備え、
   前記第１ジョイントと前記第２ジョイントとは、前記変位方向から見た場合に、当該変位方向に対して直角方向である配置方向に沿って並べられ、かつ前記シリンダブロックの前記上部の変位を吸収できるように構成され、
   前記第１ジョイントと前記第２ジョイントとの前記配置方向についての間隔が、前記シリンダブロックの前記配置方向についての幅以上に設定され、
   前記排気マニホールドが前記スライダに接続されている、ことを特徴とする可変圧縮比内燃機関の排気装置。
2. 前記スライダには、圧縮比の変更の際に前記シリンダブロックの前記上部が変位することを補助する補助手段が設けられている、請求項１に記載の排気装置。
3. 前記スライダと前記シリンダヘッドとを連結する連結部材を更に備える、請求項１又は２に記載の排気装置。

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