JP6102776B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関する。

内燃機関の燃焼室においては、空気および燃料の混合気が圧縮された状態で点火される。混合気を圧縮するときの圧縮比は、出力されるトルクおよび燃料消費量に影響を与えることが知られている。圧縮比を高くすることによりトルクを大きくしたり、燃料消費量を少なくしたりすることができる。一方で、圧縮比を高くしすぎると、ノッキング等の異常燃焼が生じることが知られている。従来の技術においては、運転期間中に圧縮比を変更することができる可変圧縮比機構を備える内燃機関が知られている。

特開２０１２−１１７４６８号公報においては、シリンダブロックをクランクケースに対して相対的に移動させる可変圧縮比機構を備える内燃機関が開示されている。この公報に開示されている内燃機関では、シリンダブロックとクランクケースとが係合する部分に可変圧縮比機構が配置されている。また、この公報には、シリンダブロックとクランクケースとの間の隙間を覆う蛇腹部材が設けられ、高いシール性を提供することが開示されている。

特開２０１２−１１７４６８号公報

内燃機関は、車両等に搭載されるために小型であることが好ましい。上記の特許文献に開示されている内燃機関では、不動のクランクケースに対してシリンダブロックを移動させるためのカムシャフトがシリンダブロックの下部およびクランクケースの上部に配置されている。そして、カムシャフトを回転させるためのウォームギヤおよび駆動モータがクランクケースの長手方向の外側に配置されている。この構造では、ウォームギヤおよび駆動モータ等がクランクケースの外側に配置されているために、機関本体が長くなるという問題がある。

ピストンは、シリンダブロックのシリンダボアの内部に配置される。このシリンダボア同士の間隔は、機関本体を小型にするために小さく設定されている。可変圧縮比機構のウォームギヤ等をクランクケースの略中央に配置する構造が考えられるが、この構造の場合には、シリンダボア同士の間隔を大きくする必要があり、内燃機関が大きくなるという問題がある。

また、シリンダボアの壁面の温度上昇を抑制するために、燃焼室の周りにはウォータジャケットが形成される。ウォータジャケットを流れる機関冷却水によりシリンダボアの壁面を冷却することができる。ところが、可変圧縮比機構の種類によっては、燃焼室の周りに可変圧縮比機構の部品を配置する構造が考えられるが、この場合には、シリンダボアの周りにウォータジャケットを形成するために、シリンダボア同士の間隔を十分に大きくしなければならない問題があった。

本発明は、可変圧縮比機構を備え、小型の内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関は、ピストンが内部に配置される複数個の穴部を有するシリンダブロックと、燃焼室の頂面を含むシリンダヘッドと、シリンダブロックに対してシリンダヘッドを相対的に移動させて燃焼室の容積を変化させる可変圧縮比機構とを備える。可変圧縮比機構は、アクチュエータと、アクチュエータからの動力を伝達する駆動シャフトとを含む。アクチュエータおよび駆動シャフトは、互いに隣り合う穴部同士の間の領域においてシリンダヘッドに支持されており、シリンダヘッドと共に移動する。

上記発明においては、駆動シャフトは、複数の穴部が並ぶ方向においてシリンダヘッドのほぼ中央に配置されていることが好ましい。

本発明によれば、可変圧縮比機構を備え、小型の内燃機関を提供することができる。

機械圧縮比が低圧縮比の時のシリンダブロックおよびシリンダヘッドの概略断面図である。 可変圧縮比機構のカムシャフトの部分を複数の気筒が並ぶ方向に切断した概略断面図である。 可変圧縮比機構の駆動装置の概略斜視図である。 機械圧縮比が高圧縮比の時のシリンダブロックおよびシリンダヘッドの概略断面図である。 シリンダブロックの概略平面図である。 可変圧縮比機構の駆動シャフトの部分を機関本体の幅方向に切断したときの概略断面図である。

図１から図６を参照して、実施の形態における内燃機関について説明する。本実施の形態においては、車両に配置されている内燃機関を例に取り上げて説明する。

図１は、実施の形態の内燃機関におけるシリンダブロックおよびシリンダヘッドの部分の概略断面図である。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダヘッド４には、吸気ポートおよび排気ポートが形成されている。本実施の形態では、シリンダヘッド４にはカムキャリア２１が固定されている。カムキャリア２１は、吸気弁および排気弁を駆動するカムおよびカムを回転させるシャフトを支持している。

燃焼室５は、それぞれの気筒ごとに形成されている。燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。シリンダブロック２は、シリンダボアと称される穴部２ａを有する。穴部２ａに面するシリンダブロック２の表面には、シリンダライナ１５が固定されている。本実施の形態におけるシリンダライナ１５は、円筒状に形成されている。

ピストン３は、ピストンリング３ａを有し、ピストンリング３ａがシリンダライナ１５に接触している。また、ピストン３は、シリンダライナ１５に対して摺動する。ピストン３は、コネクティングロッド５８を介して、クランクシャフトに支持されている。

シリンダヘッド４は、本体部４ｂと、シリンダブロック２の穴部２ａの内部に挿入される挿入部４ａとを有する。挿入部４ａは、本体部４ｂから突出している。挿入部４ａは、シリンダライナ１５の内面に対応した形状を有し、シリンダライナ１５に対して摺動する。挿入部４ａの端面は、燃焼室５の頂面を構成する。すなわち、シリンダヘッド４は、燃焼室５の頂面を含む。

挿入部４ａの周方向の表面には、シール部材１７が配置されている。本実施の形態におけるシール部材１７は、金属にて円環状に形成されている。シール部材１７は、挿入部４ａとシリンダライナ１５との間を密閉する。すなわち、燃焼室５の密閉された空間を形成する。本実施の形態におけるシール部材１７は、ピストンリング３ａと同様の構造を有する。シール部材としては、この形態に限られず、挿入部とシリンダライナとの間を密閉できる任意の部材を採用することができる。

本実施の形態における内燃機関は、制御装置として機能する電子制御ユニットを備える。電子制御ユニットは、クランク角センサやエアフロメータ等の信号が入力され、機関本体１を制御する。

図２に、可変圧縮比機構の部分を切断したシリンダブロックおよびシリンダヘッドの概略断面図を示す。図２は、図１におけるＡ−Ａ線に沿って切断したときの概略断面図である。図３に、可変圧縮比機構の偏心軸を回転させる駆動装置の概略斜視図を示す。図１から図３を参照して、本実施の形態における内燃機関は、可変圧縮比機構を備える。

本実施の形態においては、ピストン３が圧縮上死点に位置したときにシリンダヘッド４およびピストン３の頂面に囲まれる空間を燃焼室と称する。内燃機関の圧縮比は、燃焼室の容積等に依存して定まる。本実施の形態における可変圧縮比機構は、燃焼室の容積を変更することにより圧縮比を変更するように形成されている。燃焼室における実際の圧縮比である実圧縮比は、（実圧縮比）＝（燃焼室の容積＋吸気弁が閉じている期間にピストンが移動する容積）／（燃焼室の容積）で示される。

図１および図２は、可変圧縮比機構により低圧縮比になったときの概略図である。本実施の形態における内燃機関は、シリンダブロック２を含む支持構造物と、支持構造物の上側に配置されているシリンダヘッド４とが互いに相対移動する。本実施の形態におけるシリンダブロック２は、可変圧縮比機構を介してシリンダヘッド４を支持している。

シリンダヘッド４の幅方向の両側の側壁には複数個の突出部８２が形成されている。突出部８２には、断面形状が円形のカム挿入孔８３が形成されている。シリンダブロック２の上壁には、幅方向の両側の端部に複数個の突出部８０が形成されている。突出部８０には、断面形状が円形のカム挿入孔８１が形成されている。シリンダブロック２の突出部８０は、シリンダヘッド４の突出部８２同士の間に嵌合する。

本実施の形態における可変圧縮比機構は、シリンダヘッド４の支持軸としての一対のカムシャフト８４，８５を含む。カムシャフト８４，８５は、それぞれのカム挿入孔８３内に回転可能に挿入される円形カム８８を含む。円形カム８８は、各カムシャフト８４，８５の回転軸線と同軸状に配置されている。円形カム８８には、カムシャフト８４，８５の回転軸線に対して偏心して配置された偏心軸８７が接続されている。この偏心軸８７には、別の円形カム８６が偏心して回転可能に取付けられている。円形カム８６は対応するカム挿入孔８１内に回転可能に挿入されている。円形カム８６は、偏心軸８７を介して円形カム８８を支持している。

可変圧縮比機構は、カムシャフト８４，８５を回転させる駆動装置を含む。駆動装置は、アクチュエータとしてのモータ８９を含む。駆動装置は、モータ８９から出力される動力を伝達する駆動シャフト９０を含む。本実施の形態では、駆動シャフト９０は、モータ８９の出力軸に連結されている。駆動シャフト９０には、ウォーム９１，９２が固定されている。２つのウォーム９１，９２は、ウォーム９１の螺旋方向とウォーム９２の螺旋方向が互いに逆向きとなるように構成される。それぞれのカムシャフト８４，８５は、ウォームホイール９３，９４に固定されている。ウォーム９１，９２およびウォームホイール９３，９４は、カムシャフト８４，８５を互いに反対方向に回転させるように形成されている。

なお、駆動シャフトとしては、この形態に限られず、アクチュエータの動力を伝達可能に形成されていれば構わない。たとえば、モータの出力軸に減速機に連結され、減速機の出力軸に駆動シャフトが接続されていても構わない。

モータ８９が駆動して、駆動シャフト９０が回転することにより、ウォーム９１，９２が回転する。ウォーム９１，９２の回転力は、ウォームホイール９３，９４に伝達され、カムシャフト８４，８５を互いに反対方向に回転させることができる。本実施の形態における可変圧縮比機構は、電子制御ユニットにより制御されている。駆動装置は、対応する駆動回路を介して電子制御ユニットに接続されている。

図１を参照して、駆動装置によりカムシャフト８４，８５上に配置された円形カム８８を、矢印９６に示すように互いに反対方向に回転させると、偏心軸８７が円形カム８８の上部に向けて移動する。円形カム８６は、カム挿入孔８１内において、矢印９７に示すように円形カム８８と反対方向に回転する。この結果、シリンダヘッド４は、シリンダブロック２に近づく向きに移動して、燃焼室５の容積は小さくなる。

図４に、本実施の形態の内燃機関におけるシリンダブロックおよびシリンダヘッドの部分の他の概略断面図を示す。図４は、可変圧縮比機構により高圧縮比になったときの概略図である。偏心軸８７が円形カム８８の上部まで移動すると、円形カム８８の中心軸が偏心軸８７よりも下方に位置する。シリンダブロック２とシリンダヘッド４との相対位置は、円形カム８８の中心軸と円形カム８６の中心軸との距離によって定まる。矢印９８に示すようにシリンダヘッド４がシリンダブロック２に近づくほど、ピストン３が圧縮上死点に達したときの燃焼室５の容積が小さくなる。この結果、圧縮比を高くすることができる。また、カムシャフト８４，８５を矢印９６と反対向きに回転させることにより、シリンダヘッド４がシリンダブロック２から離れる向きに移動し、圧縮比を低下させることができる。

本実施の形態における可変圧縮比機構は、シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４が相対的に移動することにより、燃焼室５の容積が可変に形成されている。本実施の形態においては、下死点から上死点までのピストンの行程容積と燃焼室の容積のみから定まる圧縮比を機械圧縮比と言う。機械圧縮比は、（機械圧縮比）＝（燃焼室の容積＋下死点から上死点までのピストンの行程容積）／（燃焼室の容積）で示される。

ピストン３が圧縮上死点に到達している図１の状態では、燃焼室５の容積が大きくなっている。吸入空気量が一定の場合には圧縮比が低くなる。この状態は、機械圧縮比が低い状態である。これに対して、ピストン３が圧縮上死点に到達している図４の状態では、燃焼室５の容積が小さくなっている。吸入空気量が一定の場合には圧縮比が高くなる。この状態は、機械圧縮比が高い状態である。このように、本実施の形態における内燃機関は、運転期間中に圧縮比を変更することができる。たとえば、内燃機関の運転状態に応じて、可変圧縮比機構により圧縮比を変更することができる。

なお、実際の圧縮比である実圧縮比は、機械圧縮比を変更する他にも、吸気弁の閉弁時期を変更することにより変化させることができる。内燃機関が吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変動弁機構を備える場合には、可変動弁機構と可変圧縮比機構とを作動させることにより実圧縮比を変更することができる。

本実施の形態における可変圧縮比機構は、回転軸を偏心させた円形カムを回転させることにより、シリンダブロックに対してシリンダヘッドを相対的に移動させているが、この形態に限られず、シリンダブロックに対してシリンダヘッドを相対的に移動させる任意の機構を採用することができる。

図１および図４を参照して、機械圧縮比を変更すると、シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４がピストン３の移動方向に相対的に移動する。この時に、シリンダヘッド４の挿入部４ａは、穴部２ａの延びる方向に沿って移動する。挿入部４ａにシール部材１７が配置されていることにより、シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４が相対的に移動しても燃焼室５の密閉状態を維持することができる。燃焼室５の気体が機関本体１の外部に漏れることを抑制することができる。

ここで、クランクケースとシリンダブロックが個別に形成され、クランクケースに対してシリンダブロックが相対的に移動する可変圧縮比機構を備える内燃機関を比較例に取り上げる。比較例の内燃機関では、クランクケースが不動部になり、シリンダブロックおよびシリンダヘッドが一体的に移動する可動部になる。これに対して、本実施の形態の内燃機関は、シリンダブロックとクランクケースとを一体的に構成することができる。このために、シリンダブロックを含む不動部の剛性を高くすることができる。

比較例の内燃機関では、ピストンの移動方向に垂直な方向のスラスト力が可動部のシリンダブロックに加わるために振動が生じ易くなる。一方で、本実施の形態の内燃機関においては、シリンダブロックが車両本体に固定されて不動部を構成している。ピストンの移動により生じるスラスト力は、不動部であるシリンダブロックに作用する。このために、複数の気筒が並ぶ方向と垂直な方向において揺動するローリング運動を抑制することができる。この結果、ローリング運動に起因する振動の発生を抑制することができる。このように、シリンダブロックに対してシリンダヘッドが相対的に移動する可変圧縮比機構を備える内燃機関では、機関本体の振動を抑制することができる。

図５に、本実施の形態におけるシリンダブロックの概略平面図を示す。図５は、シリンダヘッド４が配置される側から平面視した概略図である。本実施の形態の内燃機関は、複数の気筒を含む。本実施の形態の機関本体１は、第１の気筒７４ａ、第２の気筒７４ｂ、第３の気筒７４ｃおよび第４の気筒７４ｄを有する。本実施の形態の内燃機関では、複数の気筒が１列に並んで配置されている。すなわち、穴部２ａがシリンダブロック２の長手方向に並んで配置されている。可変圧縮比機構のカムシャフト８４，８５は、複数の気筒が並ぶ方向に平行に延びている。カムシャフト８４，８５は、機関本体１の長手方向に延びている。

それぞれの穴部２ａの周りには、シリンダライナ１５、穴部２ａの壁面およびピストン３を冷却するために冷却水流路が形成されている。シリンダブロック２は、冷却水流路としてのウォータジャケット７２を含む。ウォータジャケット７２は、複数の穴部２ａを取り囲むように形成されている。ウォータジャケット７２には機関冷却水が供給され、シリンダブロック２の燃焼室５の周りの部分を冷却することができる。

複数の気筒同士の間の領域においては、互いに対向するウォータジャケット７２の冷却水流路同士を連通させる冷却水流路７３が形成されている。冷却水流路７３は、複数の気筒が並ぶ方向に垂直な方向に延びるように形成することができる。冷却水流路７３は、例えば、ドリルによりシリンダブロックの斜め上方から反対側の斜め下方に向けて貫通穴を形成することができる。冷却水流路７３を形成することにより、複数の気筒同士の間の領域にも機関冷却水が流通して、燃焼室５の周りの部分を効果的に冷却することができる。

図６に、駆動シャフトに沿って切断したシリンダブロックとシリンダヘッドとの概略断面図を示す。図６は、図２におけるＢ−Ｂ線に沿って機関本体１を幅方向に切断したときの概略断面図である。図２、図３および図６を参照して、本実施の形態の可変圧縮比機構のカムシャフト８４，８５は、シリンダブロック２の上部に配置されている。また、カムシャフト８４，８５は、シリンダヘッド４の幅方向の両端部に配置されている。モータ８９は、シリンダヘッド４の突出部８２に形成されている支持部４ｄに固定されている。駆動シャフト９０は、シリンダヘッド４の上部に形成されている支持部４ｃに回転可能に支持されている。モータ８９および駆動シャフト９０は、シリンダヘッド４に支持され、シリンダヘッド４と共に移動する。また、ウォーム９１，９２およびウォームホイール９３，９４もシリンダヘッド４に支持されており、シリンダヘッド４と共に移動する。

また、モータ８９、駆動シャフト９０、およびウォームホイール９３，９４は、複数の穴部２ａが並ぶ方向において、シリンダヘッド４のほぼ中央に配置されている。モータ８９および駆動シャフト９０は、シリンダヘッド４の長手方向のほぼ中央に配置されている。または、複数の穴部２ａが並ぶ方向において、複数の穴部２ａが形成されている領域の中央部に駆動シャフト９０が配置されている。本実施の形態では、第２の気筒７４ｂと第３の気筒７４ｃとの間の領域に配置されている。

ここで、他の比較例としてシリンダブロックに対してシリンダヘッドが相対的に移動し、モータおよび駆動シャフトがシリンダブロックに支持される構造の内燃機関を取り上げる。他の比較例の内燃機関では、シリンダブロックの上部に駆動シャフトを配置する領域を形成しなくてはならない。図５を参照して、穴部２ａの周りにはウォータジャケット７２および冷却水流路７３が形成されているために、穴部２ａ同士の間隔を大きくする必要がある。たとえば、第２の気筒７４ｂと第３の気筒７４ｃと間の領域にモータおよび駆動シャフトを配置する場合には、第２の気筒７４ｂと第３の気筒７４ｃとの間隔を大きくする必要がある。この結果、シリンダブロック２が長手方向に長くなる。

これに対して、本実施の形態の内燃機関では、モータ８９および駆動シャフト９０は、互いに隣り合う穴部２ａ同士の間の領域においてシリンダヘッド４に支持されている。このために、シリンダブロック２の上部に駆動シャフト９０を配置する領域を形成する必要がなく、穴部２ａ同士の間隔が大きくなることを回避できる。特に、機関本体１の複数の気筒が並ぶ方向にシリンダブロックが長くなることを回避できて、機関本体１の小型化を図ることができる。

本実施の形態の内燃機関では、複数の穴部２ａが並ぶ方向において、シリンダヘッド４のほぼ中央に駆動シャフト９０が配置されている。駆動シャフト９０の一方の側には２つの気筒が配置され、他方の側には２つの気筒が配置されている。この構成を採用することにより、ウォームホイール９３，９４の一方の側に接続されるカムシャフト８４，８５の長さと、他方の側に接続されるカムシャフト８４，８５の長さとを、ほぼ同じにすることができる。この結果、一方の側のカムシャフト８４，８５が長くなることを回避することができて、カムシャフト８４，８５の捩じれを抑制することができる。

なお、駆動シャフト９０が配置される領域については、上記の形態に限られず、複数の気筒同士の間の領域に駆動シャフトを配置することができる。たとえば、第１の気筒と第２の気筒との間の領域に駆動シャフトを配置しても構わない。

上記の実施の形態のシリンダヘッドは、シリンダブロックの穴部に挿入される挿入部を有するが、この形態に限られず、燃焼室の頂面を含んでいれば構わない。たとえば、シリンダヘッドに凹部が形成され、この凹部の内部にシリンダブロックから突出するシリンダライナが挿入されている内燃機関にも本発明を適用することができる。

なお、上記の実施の形態においては、シリンダヘッドに加えてカムキャリアを備える内燃機関を例示したが、この形態に限られず、シリンダヘッドにて吸気弁等を駆動するカムシャフトを支持し、カムキャリアを備えていない内燃機関にも本発明を適用することができる。

上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される形態の変更が含まれている。

２ シリンダブロック
２ａ 穴部
４ シリンダヘッド
４ｃ，４ｄ 支持部
５ 燃焼室
８４，８５ カムシャフト
８６，８８ 円形カム
８７ 偏心軸
８９ モータ
９０ 駆動シャフト

Claims (2)

1. ピストンが内部に配置される複数個の穴部を有するシリンダブロックと、
   燃焼室の頂面を含むシリンダヘッドと、
   シリンダブロックに対してシリンダヘッドを相対的に移動させて燃焼室の容積を変化させる可変圧縮比機構とを備え、
   可変圧縮比機構は、アクチュエータと、アクチュエータからの動力を伝達する駆動シャフトとを含み、
   アクチュエータおよび駆動シャフトは、互いに隣り合う前記穴部同士の間の領域においてシリンダヘッドに支持されており、シリンダヘッドと共に移動することを特徴とする、内燃機関。
2. 駆動シャフトは、複数の前記穴部が並ぶ方向においてシリンダヘッドのほぼ中央に配置されている、請求項１に記載の内燃機関。

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