JP6127876B2 - 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。

たとえば、特開２０１２−２１９７２０号公報においては、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。この内燃機関は、クランクケースに対してシリンダブロックが移動することにより、ピストンが圧縮上死点に位置するときの燃焼室の容積が変化して圧縮比を変更できることが開示されている。

特開２０１２−２１９７２０号公報

クランクケースに対してシリンダブロックを相対的に移動させる可変圧縮比機構においては、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ブロックに固定されているシリンダヘッドが可動部になる。すなわち、クランクケースがシリンダブロックを支持している。

シリンダブロックの内部に配置されているピストンは、コネクティングロッドを介してクランクシャフトに接続されている。このために、シリンダブロックには、ピストンが往復運動する方向と垂直な方向（スラスト方向）に力が加わる。クランクケースに対してシリンダブロックを相対的に移動させる可変圧縮比機構では、ピストンによるスラスト力が可動部であるシリンダブロックに作用する。この結果、シリンダブロックに振動が生じるという問題があった。

本発明は、可変圧縮比機構を備え、振動を抑制する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穴部を有するシリンダブロックと、機関吸気通路および機関排気通路を有するシリンダヘッドと、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機械圧縮比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、動力が入力されて回転する駆動円形カムと、シリンダヘッドに回転可能に支持されるフリー円形カムと、一端側が駆動円形カムに偏心して取り付けられると共に他端側がフリー円形カムに偏心して取り付けられる偏心軸と、を有する偏心軸機構を含み、駆動円形カムを回転させることによって、フリー円形カムと共にシリンダヘッドを移動させるように形成されている。偏心軸機構は、クランクシャフトが延びる方向における両側の端部に配置されている。

本発明によれば、可変圧縮比機構を備え、振動を抑制する内燃機関を提供することができる。

実施の形態の内燃機関のシリンダブロックおよびシリンダヘッドの概略正面図である。 実施の形態の内燃機関のシリンダブロックおよびシリンダヘッドの概略側面図である。 （ａ）および（ｂ）は、機械圧縮比が変化した時の状態を説明する偏心軸機構の概略図である。

図１から図３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。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。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２およびシリンダヘッド４の部分の概略正面図である。図２は、実施の形態の内燃機関におけるシリンダブロック２およびシリンダヘッド４の部分の概略側面図である。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。

シリンダブロック２には、穴部２ａが形成されている。穴部２ａの内部には、ピストン３が配置されている。シリンダヘッド４は、本体部４ａ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４ｂとを含む。挿入部４ｂは、本体部４ａから突出している。挿入部４ｂは、穴部２ａの内面に配置されたシリンダライナと摺動する。

燃焼室５は、シリンダヘッド４の挿入部４ｂの端面と、穴部２ａの内面に配置されたシリンダライナと、ピストン３とに囲まれる空間により構成される。本実施の形態の機関本体は、複数の気筒を有する。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、機関吸気通路が接続されている。燃焼室５は、吸気ポートを介してインテークマニホールド５５に接続されている。また、燃焼室５には、機関排気通路が接続されている。燃焼室５は、排気ポートを介してエキゾーストマニホールド５６に接続されている。

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。クランクシャフトの回転軸であるクランクシャフト軸９２は、複数の気筒が並ぶ方向に延びている。クランクシャフトには、内燃機関の補機を駆動するためのクランクプーリ９１が接続されている。

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。

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。本実施の形態では、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の挿入部４ｂ、シリンダライナおよびピストン３の冠面に囲まれる空間を燃焼室５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。

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。

本実施の形態における可変圧縮比機構は、偏心軸機構８５を含む。偏心軸機構８５は、駆動円形カム８８と、被駆動円形カムとして自由に回転するフリー円形カム８６とを含む。偏心軸機構８５は、駆動円形カム８８およびフリー円形カム８６のそれぞれの円形カムに偏心して配置された偏心軸８７を含む。駆動円形カム８８は、アクチュエータ７６の動力が入力されて偏心軸８７を回転させる。偏心軸８７が回転することによりフリー円形カム８６が回転する。

シリンダブロック２には、駆動カムハウジング６１が形成されている。また、シリンダブロック２には、駆動カムキャップ６２が固定される。機関本体１の組み立て時には、駆動カムハウジング６１に駆動円形カム８８を配置した後に駆動カムキャップ６２が固定される。このように、駆動円形カム８８は、シリンダブロック２に支持されている。なお、駆動円形カム８８の側面には、スラストベアリングが配置され、駆動円形カム８８の回転軸方向への移動が抑制されている。

シリンダヘッド４には、フリーカムハウジング６３が形成されている。また、シリンダヘッド４には、フリーカムキャップ６４が固定される。機関本体１の組み立て時には、フリーカムハウジング６３にフリー円形カム８６を配置した後にフリーカムキャップ６４が固定される。このように、フリー円形カム８６は、シリンダヘッド４に支持されている。なお、フリー円形カム８６の側面には、スラストベアリングが配置され、フリー円形カム８６の回転軸方向への移動が抑制されている。

可変圧縮比機構は、駆動円形カム８８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７６、ギヤ７１〜７３、チェーン７８およびギヤ駆動軸７７を含む。アクチュエータ７６には、ウォームギヤが接続されている。ウォームギヤが回転することにより、ギヤ７３およびギヤ駆動軸７７が回転する。ギヤ駆動軸７７の回転力は、ギヤ７２に伝達される。ギヤ７２とギヤ７１とは、チェーン７８により連結されている。ギヤ７２の回転力は、チェーン７８を介してギヤ７１に伝達される。

ギヤ７１は、駆動円形カム８８と同軸状に連結されている。ギヤ７１が回転することにより、駆動円形カム８８が回転する。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。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。

図３に、機械圧縮比を変更した時の偏心軸機構、シリンダブロックおよびシリンダヘッドの概略図を示す。図３（ａ）は、所定の機械圧縮比の状態を示し、図３（ｂ）は、所定の機械圧縮比の状態から機械圧縮比機械を変更した状態を示している。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、フリー円形カム８６の中心軸ａと駆動円形カム８８の中心軸ｂとの距離によって定まる。アクチュエータ７６を駆動することにより、駆動円形カム８８が回転する。たとえば、矢印９６に示す方向に駆動円形カム８８が回転すると、偏心軸８７は、駆動円形カム８８の上端の位置に向かって移動する。偏心軸８７が回転することにより、フリー円形カム８６は、矢印９７に示す方向に回転する。この結果、シリンダヘッド４が矢印９８に示す向きに移動し、図３（ｂ）に示す状態になる。シリンダヘッド４の移動後の状態を移動前の状態と比較すると、シリンダブロック２に対してシリンダヘッド４が離れる向きに移動していることが分かる。

図３（ｂ）に示されるように、偏心軸８７が駆動円形カム８８の上端まで移動すると、駆動円形カム８８の中心軸ｂが偏心軸８７よりも下方に位置する。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から離れるほど、ピストン３が圧縮上死点に達したときの燃焼室５の容積が大きくなる。この結果、圧縮比を低下させることができる。また、駆動円形カム８８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に近づく向きに移動し、圧縮比を上昇させることができる。このように、機械圧縮比を変更するためにアクチュエータ７６を駆動すると、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４ｂは、穴部２ａの延びる方向に沿って移動する。挿入部４ｂの挿入深さが変化することにより、燃焼室５の容積が変化する。

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。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。

本実施の形態の内燃機関の可変圧縮比機構は、シリンダブロック２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３の移動により生じるスラスト力がシリンダブロック２に作用するが、シリンダブロック２が不動部であるために、ピストンの移動に起因する振動を抑制することができる。この結果、機関本体１の振動を抑制することができる。

本実施の形態の内燃機関は、偏心軸機構８５が、複数の気筒が並ぶ方向、すなわち長手方向における機関本体１の両側の端部に配置されている。偏心軸機構８５は、クランクシャフトが延びる方向における両側の端部に配置されている。図２を参照して、一方の端部に配置されている偏心軸機構８５と、他方の端部に配置されている偏心軸機構８５とは同様の構成を有する。偏心軸機構８５は、シリンダヘッド４の長手方向の両側の端部を支持している。

偏心軸機構は、シリンダブロックの幅方向の両側の端部に配置することが考えられる。すなわち、シリンダブロックの幅方向の両端部において、偏心軸機構によりシリンダヘッドを支持することができる。ところが、シリンダヘッドの近傍には、インテークマニホールド５５やエキゾーストマニホールド５６が配置される。シリンダブロックの幅方向の両端部に偏心軸機構を配置した場合には、圧縮比可変機構を備えていない従来の内燃機関のマニホールドの位置に偏心軸機構を配置する必要がある。このために、従来の内燃機関のマニホールドと同一のマニホールドを用いることができずに大幅な設計変更が必要になる。たとえば、これらのマニホールドの形状や位置を変更する必要がある。または、シリンダヘッドの幅方向の両側の端部の改造が必要であり、大幅な設計変更が必要になる。これに対して、本実施の形態の内燃機関は、シリンダブロックの長手方向の両側の端部に偏心軸機構を配置することにより、従来の内燃機関に用いていたマニホールドを用いることができる。または、従来の内燃機関に用いていたマニホールドを軽微な設計変更をすることにより用いることができる。また、従来の内燃機関のシリンダヘッドを軽微な設計変更をすることにより用いることができる。

また、シリンダブロックの幅方向の両端部に偏心軸機構を配置する場合には、シリンダブロックの長手方向の全域に偏心軸機構を配置する。たとえば、偏心軸機構を長手方向において所定の間隔を空けて複数配置する。このために、複数の駆動円形カムを連結する駆動シャフトを形成する必要があり、機関本体が重たくなる。これに対して、本実施の形態の内燃機関では、このような長い駆動シャフトは不要であり、機関本体の軽量化を図ることができる。

更に、本実施の形態の内燃機関は、偏心軸機構の駆動円形カムを駆動するための回転力をチェーンを介して伝達しているために、アクチュエータを配置する場所の自由度が向上する。すなわち、アクチュエータを配置可能な場所が多くなる。

本実施の形態の可変圧縮比機構の駆動装置は、チェーンを介して駆動円形カムを駆動しているが、この形態に限られず、任意の装置にて駆動円形カムを駆動することができる。たとえば、チェーンの代わりにベルトを用いても構わない。または、ギヤ７１の直径とギヤ７２の直径とを変更し、ギヤ７１とギヤ７２とが直接的に噛み合うことにより回転力が伝達可能に形成されていても構わない。

２ シリンダブロック
４ シリンダヘッド
７６ アクチュエータ
７８ チェーン
８５ 偏心軸機構
８６ フリー円形カム
８７ 偏心軸
８８ 駆動円形カム

Claims (1)

1. ピストンが内部に配置される穴部を有するシリンダブロックと、
   機関吸気通路および機関排気通路を有するシリンダヘッドと、
   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機械圧縮比を変化させる可変圧縮比機構とを備え、
   前記可変圧縮比機構は、動力が入力されて回転する駆動円形カムと、前記シリンダヘッドに回転可能に支持されるフリー円形カムと、一端側が前記駆動円形カムに偏心して取り付けられると共に他端側が前記フリー円形カムに偏心して取り付けられる偏心軸と、を有する偏心軸機構を含み、前記駆動円形カムを回転させることによって、前記フリー円形カムと共に前記シリンダヘッドを移動させるように形成されており、
   前記偏心軸機構は、クランクシャフトが延びる方向における両側の端部に配置されている、
   内燃機関。

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