JPS62101819A - 可変圧縮比エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は可変圧縮比エンジン、特に燃焼室に連通する副
全内に進退動可能に保持されたサブピストンによって圧
縮比が変化されるように構成された可変圧縮比エンジン
に関する。

（従　　来　　技　　術） 一般に、自動車用等のエンジンにおいては、ピストンが
下死点にある時のシリンダ容積と上死点にある時のシリ
ンダ容積（謀焼室容積）との比、即ち圧縮比がエンジン
の運転状態の変化等に拘らず一定の値に設定されている
。その場合に、上記圧縮比が高圧縮比となるようにピス
トンのスローク母や燃焼室容積等を設定しておけば、燃
焼室内における熱効率が高められてエンジン出力や燃費
性能等を向上させることが可能どなるが、該圧縮比を徒
らに高くすると、特にエンジンの高負荷領域において燃
焼室内の吸気ないし混合気が過圧状態となり、そのため
異常燃焼が生じ易くなって所謂ノッキングが発生すると
いった事態を招くのである。また、上記の如く高負荷領
域において生じるノッキングを防止し得るように圧縮比
を比較的低く設定した場合、低負荷領域等のノッキング
の虞れのない領域においては、圧縮比を低くした分だけ
燃費性能やエンジン出力等が徒らに犠牲にされることに
なる。つまり、圧縮比が一定の場合には、ノッ゛キング
との関係で高圧縮比化やこれに伴うエンジン出力の向上
を広い運転領域にわたって実現することができないので
ある。そこで、近年、上記のような問題に対処するもの
として、例えば実開昭５６−８８２７号公報に示されて
いるような圧縮比可変装置が提案されている。これは、
エンジンの燃焼室に開口された副室と、該副室内に進退
動可能に保持されたサブピストンとを有し、低負荷領域
においては、該サブピストンを前進させて燃焼室容積を
小さくすることにより圧縮比を高めると共に、高負荷領
域においては上記サブピストンを後退させて燃焼室容積
を大きくすることにより圧縮比を低下させるように構成
したものである。これによれば、高負荷領域において発
生するノッキングを防止しつつ高圧縮比化を図ることが
可能となり、広い運転領域にわたってエンジン出力等が
向上されることが期待できる。

一方、自動車用等のエンジンとして、燃焼室内における
空気と燃料とのミキシングを良好に行わせるため、或は
混合気の着火時における火炎の伝播性ないし燃焼性を向
上させるために、圧縮行程時に燃焼室内に混合気のスキ
ッシュを生じさせるようにしたエンジンが知られている
。この種のエンジンの燃焼室は、ピストンが上死点に達
した時に混合気が押し込められて、該混合気の着火ない
し燃焼を主として行う燃焼凹部と、圧縮行程時に該燃焼
凹部内に流入するスキッシュを生成させるためのスキッ
シュエリアとで構成されるのであるが、この種のエンジ
ンに上記公報に示されているような副室やサブピストン
等でなる圧縮比可変装置を装備する場合、燃焼室に対し
て上記副室をどのように配量すれば、火炎の伝播性を悪
化させることなく良好に圧縮比を可変制御できるかが問
題となる。

（発　　明　　の　　目　　的） 本発明は、エンジンの運転状態に応じて圧縮比を調整す
る可変圧縮比エンジンに関する上記のような実情に対処
するもので、燃焼室に連通される副室と、該副室内に摺
動可能に保持されて油圧等により駆動されるサブピスト
ンとを有する圧縮比可変機構を、圧縮行程時に混合気の
スキッシュが燃焼室内に生成されるように構成されたエ
ンジンに装備する場合に、該エンジンの燃焼室における
最適な位置に上記圧縮比可変機構の副室を開口させ、且
つ運転状態に応じてサブピストンを作動させるようにす
る。これにより、良好な火炎の伝播性ないし燃焼性を確
保すると共に、高負荷領域において発生する異常燃焼や
ノッキング等を防止しながら圧縮比の高圧縮比化を図り
、もって広い運転領域にわたって燃費性能やエンジン出
力を向上させることを目的とする。

（発　　明　　の　　構　　成） 本発明は、上記目的達成のため次のように構成したこと
を特徴とする。

即ち、シリンダヘッドに形成されて燃焼室に連通された
副室と、該副室内に摺動可能に保持され且つ油圧等によ
り進退動されるサブピストンとを有する圧縮比可変機構
が備えられていると共に、上記燃焼室が吸気のスキッシ
ュを生成させるためのスキッシュエリアと主たる燃焼室
となる燃焼凹部とで構成された可変圧縮比エンジンに・
・おいて、上記圧縮比可変は構にＪ３ける副室を上記燃
焼室における燃焼凹部に開口させる。そして、エンジン
の高回転領域や低負荷領域等のようにノッキングが生じ
る虞れのない領域においては、上記サブピストンを前進
させて燃焼室容積を小さくすることにより圧縮比を高め
、また低回転高負荷領域等のノッキングが発生し易い領
域においてはサブピストンを後退させることにより圧縮
比を低下させるようにする。

ところで、エンジンの圧縮行程時においては、混合気が
上記燃焼凹部と副室とにわたって充填されると共に、燃
焼行程時においては、点火プラグによる混合気の着火が
燃焼凹部内で行われるのであるが、その場合、上記副室
は該燃焼凹部に開口されているため、上記混合気の着火
時に燃焼凹部内で発生した火炎は、上記副室内に充填さ
れている混合気に速かに伝播されることになる。一方、
上記副室を仮にスキッシュエリアに開口させた場合、着
火時（ピストンが上死点にある時）における燃焼凹部と
副室とは、を記スキッシュエリアを構成するシリンダヘ
ッド下壁とピストン上面との間の僅かな隙間を介して連
通されることになり、そのため燃焼凹部内で発生した火
炎はＤＩ至内にスムーズに伝播されず、待に圧縮比を低
下させるべく上記副室内におけるサブピストンが後退さ
れていると、着火後に該ａ１室内に多量の未燃ガスが残
留されることになる。そして、この未燃ガスの残留によ
って高負荷領域等で異常燃焼ないしノッキングが発生す
る虞れが生じるのであるが、本発明によれば、副室内の
混合気が燃焼凹部内で発生した火炎により速やかに燃焼
されるので、上記の如く副室内に多量の未燃ガスが残留
されるといった不具合が回避されることになる。、尚、
以下の実施例でも述べるように、点火プラグの着火部は
、燃焼室内における上記副室の開口部近傍に配置するこ
とが、良好な火炎の伝播性を確保する上で望ましい。

〈発　　明　　の　　効　　果） 以上のように本発明によれば、燃焼室に連通される副室
と該副室内に進退動可能に保持されるサブピストンとで
構成された圧縮比可変１１構を燃焼室内に混合気のスキ
ッシュを生じさせる形式のエンジンに装備する場合にお
いて、該エンジンの燃焼室におけるスキッシュエリア以
外の箇所つまり燃焼四部に上記副室を開口させるように
したから、点火プラグによる混合気の着火時に燃焼凹部
内に発生した火炎が副室内に速やかに伝播されることに
なり、これにより該副室内に多量の未燃ガスが残留され
るといった不具合が回避されて高負荷領域等での異常燃
焼やノッキングが防止される。更に、上記サブピストン
をエンジンの運転状態に応じて進退動させることにより
、高負荷領域等において発生するノッキングを防止しな
がら圧縮比の高圧縮比化が図られて、広い運転領域にわ
たって燃費性能やエンジン出力が向上されることになる
。

（実　　施　　例） 以下、図面に示す本発明の実施例について説明する。

先ず、本発明に係る可変圧縮比エンジンの燃焼室及びそ
の周辺部の構造を第１，２図に基づいて説明すると、該
エンジン１の燃焼室２は、シリンダブロック３に形成さ
れたシリンダ４の内周面と、該シリンダ４内に嵌合され
たピストン５の上面５ａと、上記シリンダブロック３の
上部にガスケット６を介して設置されたシリンダヘッド
７の下面７ａとで画成されている。ここで、上記シリン
ダヘッド７の下面７ａには（第１図参照）、燃焼室２の
天井面８における一側部に形成されて主たる燃焼室とな
る燃焼凹部９と、圧縮行程終了時に混合気のスキッシュ
を生成させるためのスキッシュ生成面１０とが形成され
、上記ピストン５が第２図に示す位ｆｉ！ｉ　（圧縮上
死点近傍）に達した時に、上記スキッシュ生成面１０と
ピストン上面５ａとの間隙、つまりスキッシュエリア１
０′で生成されたスキッシュが矢印Ｘで示すように上記
燃焼凹部９内に流入するようになっている。そして、シ
リンダヘッド７には、一方の側面から上記燃焼凹部９に
通じる排気ボート１１と、同じく一方の側面から燃焼室
２におけるスキッシュエリア１０′に通じる吸気ボート
１２とが設けられ、且つこの両ポート１１．１２の燃焼
室２への開口部を夫々開閉する排気バルブ１３と吸気バ
ルブ１４とが備えられている。尚、吸気バルブ１４（排
気バルブ１３についても同様）のステム部１４ａにはス
プリングリテーナ１５が取付けられて該バルブ１４を閉
方向に付勢するバルブスプリング１６が装着されている
と共に、該ステム部１４ａの上端は、図示しないカムシ
ャフトによって駆動されてバルブ１４を開動させるロッ
カーアーム１７の一端に当接されている。

然して、このエンジン１には、燃焼室容積つまり上記ピ
ストン５が上死点にある時の燃焼室２の容積を増減する
ことにより、圧縮比を変化させる圧縮比可変機構１８が
備えられている。この圧縮比可変Ｉａ横１８は、上記シ
リンダヘッド７における燃焼凹部９の上方に形成され且
つ該凹部９の土壁における排気ボート１１の開口部側方
に開口された副室１９と、該副室１９内に上下動可能に
嵌挿されたサブピストン２０と、シリンダヘッド７の上
面に固設されたシリンダ部材２１と、該部材２１内に上
下動可能に保持されて上記サプビストン２０にロッド２
２を介して連結された油圧ピストン２３と、該ピストン
２３の下面とバネ受は部材２４との間に装着されて該ピ
ストン２３ないし上記サブピストン２０を上方に付勢す
るスプリング２５とを備えた構成とされている。そして
、上記シリンダ部材２１と油圧ピストン２３の上面とに
よって画成さ°　、１１圧室２６内に作動油を給排する
ことＣ−（油圧ピストン２３及びロッド２２を　、（上
記副室１９内のサブピストン２０を上（・仙させ、これ
により燃焼室容積ないし圧縮比を変化させるようになっ
ている。また、上記シリンダヘッド７には、点火プラグ
２７が固設されているが、該プラグ２７の着火部２７ａ
は、上記燃焼凹部９における副室１゛９の開口部近傍に
配置されている。

次に、上記圧縮比可変機構１８を制御する制御システム
３０について説明する。尚、この実施例における制御シ
ステム３０は、４気筒エンジンに適用されるものであり
、また各気筒の着火順序は第１気筒→第３気筒→第４気
筒→第２気筒の順とされている。

第２図に示すように、この制御システム３０は大別する
と、上記シリンダ部材２１と油圧ピストン２３とによっ
て画成される油圧室２６（第１気筒についてのみ図示し
であるが他の気筒についても同様の構成とされている）
に作動油を供給するポンプユニット３１と、エンジン１
の運転領域に応じて上記油圧室２６内への作動油の給排
を制御するコントロールユニット３２とで構成されてい
る。上記ポンプユニット３１は、エンジン１の出力軸（
図示せず）の１／２の速度で回転するクランクシャフト
３３によって駆動されるピストン３４＋　、３４２とこ
れらのピストン３４１’、３４２が内装されたシリンダ
３５１．３５２とでなる２個の往復ポンプ３６１．３６
２を有する。そして、両ポンプ３６１．３６２における
ピストン３４１゜３４２の下動時に、オイルタンク３７
＋　、３７２から吸入通路３８１．３８２により逆止弁
３９１゜３９２を介してシリンダ３５＋　、３５２内に
吸入した作動油をピストン３４１．３４２の上動時に吐
出通路４０１．４０２に夫々吐出するようになっている
。また、両畦出通路４Ｃ）＋　、４０２からはドレン通
路４１１．４１２が分岐されていると共に、該ドレン通
路４１１．４１２上には作動油のドレンωを調整するこ
とにより上記吐出通路４０＋　、４０２を通過する作動
油の流量ないし油圧を調整するリリーフ弁４２１．４２
２が備えられている。そして、上記２本の吐出通路４０
＋　、４０２のうちの一方の吐出通路４０１は、上流側
で第１分岐通路４３１と第３分岐通路４３３とに分岐さ
れ、且つこれらのうちの第１分岐通路４３１は、上記シ
リンダヘッド７の上部におけるシリンダ部材２１の一側
部に取付けられた逆止弁４４及び該部材２１に形成され
たオイル導入通路４５を介して第１気筒の圧縮比可変機
構１８における油圧室２６内に連通されていると共に、
上記第３分岐通路４３３も、図示しないが、同様にして
第３気筒の圧縮比可変機構における油圧室内に連通され
ている。また、上記両畦出通路４０ｔ　、４０２のうち
の他方の吐出通路４０２は、上流側で第２及び第４分岐
通路４３２，４３４に夫々分岐され、この両分枝通路４
３２．４３４も上記第１分岐通路４３１と同様にして第
２．第４気筒の圧縮比可変機構における油圧室内に夫々
連通されている。

更に、同図に示すように上記シリンダ部材２１にはく第
２〜第４気筒についても同様）、油圧室２６に連通され
て該室２６から作動油を排出するためのオイル排出通路
４６が形成されていると共に、該部材２１の側部には、
上記排出通路４６を介して排出される作動油の流量を調
整する補助リリーフ弁４７１が取付けられている（第２
〜第４気筒の圧縮比可変機構にも同様の補助リリーフ弁
４７２〜４７４が備えられている）。

ここで、上記の如く作動油の供給経路を、着火順序が隣
り合う第１気筒及び第３気筒と、同じく着火順序が隣り
合う第２気筒及び第４気筒とに２分割したのは、上記油
圧室２６に作動油を給排する時期つまり副室１９内をサ
ブピストン２０が上下動される時期を、該サブピストン
２０の下面に混合気の圧縮圧及び燃焼圧が作用しない吸
気行程又は排気行程時にマツチングさせるためである。

つまり、上記サブピストン２０の上下動は、第１゜第３
気筒については、例えば第１気筒が吸気行程時であり且
つ第３気筒が排気行程時である場合に同時に行われ、ま
た第２．第４気筒についても、第２気筒が排気行程時で
あり且つ第４気筒が吸気行程時である場合に同時に行わ
れるようになっている。

一方、この制御システム３０におけるコントロールユニ
ット３２には、各気筒毎に上記シリンダ部材２１の上部
に取付けられ且つ油圧ピストン２３の上面に当接して該
ピストン２３ないしサブピストン２°０の上下動に伴っ
て進退動される検出ロッド４８ａを有するピストン位置
検出センサ４８１〜４８４からのピストン位置信号８１
〜ａ４と、エンジン回転数を検出するエンジン回転セン
サ４９からの回転数信号すと、吸気負圧（ブースト圧）
を検出するブースト圧センサ５０からのブースト圧信号
Ｃと、エンジンの冷却水温を検出する水温センサ５１か
らの水温信号ｄと、上記燃焼室２内に発生ずる異常燃焼
ないしノッキングを検出するノックセンサ５２からのノ
ック信号ｅとが入力されるようになっている。また、該
ユニツ］・３２からは、上記ポンプユニット３１におけ
るドレン通路４１１，４１２に設けられたリリーフ弁４
２１゜４２２への開弁量信号ｆ１．ｆ２と、シリンダ部
材２１に取付けられた各気筒の補助リリーフ弁４７１〜
４７４への開弁ｍ信号０１〜ｇ４とが出力される。そし
て、このコントロールユニット３２は、上記回転数信号
わが示すエンジン回転数と、ブースト圧信号Ｃが示寸ブ
ースト圧とに基づいてエンジン１の運転領域を判別する
と共に、該運転領域が高回転領域或は低負荷領域等のノ
ッキングが発生する虞れの少ない領域に入った時には、
所定の時期（対応する気筒の吸気行程時又は排気行程時
）に上記リリーフ弁４２１．４２２に開弁量を小さくし
、或は全開状態とするように開弁量信号ｆ１．ｆ２を夫
々出力し、且つ上記各補助リリーフ弁４７１〜４７４に
開弁量を小さくし或は全開状態とするように開弁ｍ信号
９１〜ｇ４を出力する。これにより、上記ポンプユニッ
ト３１から油圧室２６内に作動油が供給されて該室２６
内の油圧が上昇し、これに伴って副室１９内に嵌挿され
ているサブピストン２０が下動される。また、上記運転
領域が低回転高負荷領域等のノッキングが発生し易い領
域に入った時には、コントロールユニット３２は所定の
時期に上記リリーフ弁４２１．４２２に開弁量を大きく
し或゛は全開状態とするように開弁は信号ｆ１．ｆ２を
夫々出力し且つ各補助リリーフ弁４７１〜４７４にも開
弁量を大ぎくし或は全開状態とするように開弁ｍ信号ｇ
１〜０４を出力する。従って、この場合は、上記油圧室
２６からオイル排出通路４６を介して作動油が排出され
て該室２６内の油圧が低下し、サブピストン２０が上動
される。そして、コントロールユニツ１へ３２は、この
ようにしてサブピストン２０を上下動させながら上記ピ
ストン位置信号ａ１〜ａ４の示すピストン位置を検出し
、該位置が予め設定された運転領域に対応する位置とな
った時にサブビス１−ン２０の上下動を停止させるよう
に上記各信号ｒ１．ｆ２．Ｑ１〜ｇ４を出力する。

その場合に、上記補助リリーフ弁４７は油圧室２６の近
傍に備えられているので、該室２６からの作動油の排出
によるサブピストン２０の上動が応答性良く速かに行わ
れる。尚、上記コントロールユニット３２で設定される
圧縮比は、水温信号ｄが示す冷部水温に応じて補正され
ると共に、異常燃焼ないしノッキングが発生したことを
示すノック信号ｅが該ユニット３２に入力された場合に
は、上記サブピストン２０を上動させて圧縮比を低下さ
せるための所望の各開弁量信号ｒ１．ｒ２．（１１〜ｇ
４が夫々出力されるようになっている。

次に、上記実施例の作用を説明する。

エンジン１の圧縮行程時に、第２図に示すようにピスト
ン５が上死点近傍に達した場合には、該ピストン５の上
面５ａと燃焼室２の天井面８に形成されたスキッシュ生
成面１０との間に生じる間隙、つまりスキッシュエリア
１０’で生成された混合気のスキッシュが、矢印Ｘで示
すように該燃焼室２の天井面８に形成された燃焼凹部９
内に流入し、このスキッシュによる流れが該燃焼凹部９
内に生じている間に、点火プラグ２７による混合気の着
火が行われる。その場合に、上記混合気はスキッシュの
流れによって良好にミキシングされ且つ点火プラグ２７
の着火部２７ａの近傍で発生した火炎は、上記燃焼凹部
９内に充満された混合気に良好に伝播される。

ところで、このエンジン１は、燃焼室２の容積（燃焼凹
部９の容積）をできるだけ小さくして、圧縮比の高圧縮
比化を図るように構成されているが、この圧縮比を全運
転領域にわたって徒らに高くすると、エンジン１の低回
転高負荷領域等において異常燃焼やノッキングを招来す
る虞れが生じる。そこで、コントロールユニット３２が
、エンジン回転数信号すとブースト圧信号Ｃとに基づい
てエンジン１の運転領域を判別し、且つ判別された各運
転領域に対応する所要の圧縮比を設定すると共に（この
場合、水温信号ｄに基づく補正が行われる）、この設定
された圧縮比となるように、ポンプユニット３１におけ
るリリーフ弁４２１゜４２２及びシリンダ部材２１に取
付けられた補助リリーフ弁４７１〜４７４に所望の各開
弁良信号ｆ１．ｒ２．Ｑｔ〜ｇ４を夫々出力することに
より圧縮比可変機構１８を制御する（他の気筒における
圧縮比可変機構についても同様）。これにより、エンジ
ン１の低回転高負荷領域等においては、上記燃焼凹部９
に開口された副室１９内をサブピストン２０が例えば同
図に実線で示す位置に上動されて圧縮比が低下されると
共に、高回転領域或は低負荷領域等においては上記サブ
ピストン２０が同図に鎖線で示す位置に下動されて圧縮
比が高められ、従って上記の如く圧縮比が徒らに高くさ
れることに起因して生じるノッキング等が効果的に防止
されることになる。

然して、上記圧縮比可変機構１８における副室１９は、
主たる燃焼室となる燃焼凹部９に開口されているので、
点火プラグ２７による混合気の着火時に燃焼四部９内に
発生した火炎は、上記副室１９内に充填されている混合
気に速かに伝播されることになり、低回転高負荷領域等
における場合のようにサブピストン２０が上動されて副
室１９の容積が増大されている場合においても良好な火
炎の伝播性が確保されることになる。一方、上記圧縮比
可変機構１８における副室を仮に燃焼室２におけるスキ
ッシュエリア１０’　に開口させた場合には、着火時つ
まりピストン５が上死点に達した時に、燃焼凹部９と副
室とが、ピストン５の上面５ａとスキッシュ生成面１０
との間の僅かな間隙を介して連通されることになり、そ
のため燃焼凹部９内で発生した火炎は副室内にスムーズ
に伝播されず、着火後に該副室の上部に多口の未燃ガス
が残留されることになる。そして、この未燃ガスの残留
によって異常燃焼ないしノッキングを招来する虞れが生
じるのであるが、本発明によれば、副室１９内の混合気
が燃焼凹部９内で発生した火炎によって速かに且つ良好
に燃焼されるので、上記の如く副室内に多量の未燃ガス
が残留されノッキング等が発生するといった不具合が回
避されることになる。そして、このようにして未燃ガス
の残留に伴うノッキングの発生を防止した上で圧縮比の
高圧縮比化が図られることにより、燃焼室２内における
熱効率が効果的に高められ、これにより広い運転領域に
わたってエンジン出力や燃費性能等が向上されることに
なる。また、この実施例においては、点火プラグ２７の
着火部２７ａが上記燃焼凹部９にお（プる副室１９の開
口部近傍に配置されているので、該副室１９内への火炎
の伝播性は一層向上されることになる。

尚、上記実施例においては、シリンダヘッド７に主たる
燃焼室となる燃焼凹部９を設けてスキッシュを生成させ
る形式のエンジンに本発明を適用したが、これとは別°
に、ピストンの上部に燃焼四部を形成してスキッシュを
生成させる形式のエンジンに本発明を適用するようにし
てもよい。

【図面の簡単な説明】

第１．２図は本発明の実施例を示すもので、第１図は本
発明が適用された可変圧縮比エンジンにおけるシリンダ
ヘッドの底面図、第２図は第１図■−■線で切断したシ
リンダヘッドとこれに対応するシリンダブロックの縦断
面図及び圧縮比可変機構の制御システム図である。 １・・・可変圧縮比エンジン、２・・・燃焼室、７・・
・シリンダヘッド、９・・・燃焼凹部、１０１・・・ス
キッシュエリア、１９・・・副室、２０・・・サブピス
トン。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）シリンダヘッドに形成されて燃焼室に連通された
   副室と、該副室内に摺動可能に保持され且つ進退動する
   ことにより圧縮比を変化させるサブピストンとを備えた
   可変圧縮比エンジンであって、上記燃焼室が吸気のスキ
   ッシュを生成させるためのスキッシュエリアと燃焼凹部
   とを有し、且つ該燃焼凹部に上記副室が開口されている
   ことを特徴とする可変圧縮比エンジン。