JP2005076641A - 内燃機関の可変圧縮比機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストン８とカウンタウェイト１５との干渉を回避し、内燃機関の全高を低くできるようにする。
【解決手段】一端がピストン８にピストンピン７を介して連結されたアッパリンク５と、アッパリンク５の他端が連結されるとともに、クランクピンに回転可能に取り付けられたロアリンクと、ロアリンクの運動を拘束するように設けられたコントロールリンクと、を有する複リンク式ピストン−クランク機構からなり、コントロールリンクの内燃機関本体に対する揺動支持位置をカム機構で変位させることにより圧縮比が変化する。アッパリンク５のピンボス部３１は二股状をなし、ピストン８の中心部に単一のピンボス部２４が形成される。これにより、ピンボス部全体の長さが短縮されるので、ピストン８が下死点近傍にあるときに、カウンタウェイト１５の最外径部が、ピンボス部３１の側方を通過可能である。
【選択図】 図９

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複リンク式ピストン−クランク機構を用いた内燃機関の可変圧縮比機構に関し、特に、そのピストンとリンク部材との連結構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１は、本出願人が先に提案したものであり、複リンク式ピストン−クランク機構を用いた内燃機関の可変圧縮比機構を開示している。これは、一端がピストンにピストンピンを介して連結されたアッパリンクと、このアッパリンクの他端が第１連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、によって、ピストンとクランクピンとが連係されているとともに、上記ロアリンクの運動を拘束するように、ロアリンクに第２連結ピンを介してコントロールリンクの一端が連結された構成となっており、コントロールリンクの他端が、例えばシリンダブロック下部に支持されている。そして、このコントロールリンクの他端の揺動中心をカム機構により変位させることで、ピストン上死点位置ひいては機関の圧縮比を変化させることができる。
【０００３】
ここで、上記ピストンとアッパリンク端部との連結構造は、一般的な単リンク式のピストン−クランク機構におけるコネクティングロッドの小端部とピストンとの連結構造と大差のないものとなっている。すなわち、ピストン側に一対のピンボス部が形成され、ピストンピン両端部が支持されているとともに、この一対のピンボス部に挟まれるようにしてアッパリンク側のピンボス部が配置され、該アッパリンクのピンボス部が、ピストンピンの中央部に嵌合している。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２２７３６７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構において、上記第１連結ピンおよび第２連結ピンは、当然のことながら、クランクシャフトにおけるカウンタウェイトとの干渉を避けるように、そのクランクシャフト軸方向の寸法が設計されているが、ピストンとの連結部つまり上記のピストン側ピンボス部やピストンピンのクランクシャフト軸方向の寸法は、一般に、カウンタウェイトの投影位置と重なり合うものとなる。従って、ピストンが下死点に達したときに、ピストン側ピンボス部がカウンタウェイトと干渉することのないように、上下方向に余裕を持って、クランクシャフトの回転中心とピストンとの位置関係が設定されている。
【０００６】
そのため、内燃機関の全高がそれだけ高くなってしまう、という問題がある。特に、複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構では、圧縮比の変更に伴って、ピストンが上下動するので、カウンタウェイトとの干渉を避けるために、より大きな余裕を与える必要があり、内燃機関の全高を低くする上で好ましくない。
【０００７】
本発明は、複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構に好適なピストン連結構造を用いることで、内燃機関の全高をより低くすることを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る内燃機関の可変圧縮比機構は、複リンク式ピストン−クランク機構を用いたもので、一端がピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、このアッパリンクの他端が第１連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、このロアリンクに第２連結ピンを介して一端が連結されるとともに、他端が内燃機関本体に対して揺動可能に支持されるコントロールリンクと、このコントロールリンク他端の内燃機関本体に対する揺動支持位置を変位させる支持位置可変手段と、を備えている。上記支持位置可変手段は、例えばカム機構などにより構成され、コントロールリンク他端の揺動支持位置を変位させることで、上死点でのピストン位置が変化し、圧縮比が変化する。
【０００９】
ここで、本発明では、上記ピストンと上記アッパリンクとの連結構造として、上記アッパリンクの一端に、上記ピストンピンの両端部を支持するように、二股状のピンボス部が形成されている。そして、上記ピストンの中心部に、上記ピストンピンの中央部に嵌合するピンボス部が形成されている。つまり、ピストン側のピンボス部が、アッパリンク側のピンボス部によって両側から挟まれた構成となっている。なお、ピストンピンは、ピストン側もしくはアッパリンク側の一方に対し回転できないように固定してもよく、あるいは双方に対し回転可能なフルフロート式とすることもできる。但し、アッパリンク側のピンボス部に圧入によりピストンピン両端部を固定した構成とすれば、双方のピンボス部を含む連結構造のピストンピン軸方向の寸法が最小となる。
【００１０】
また、望ましくは、請求項２のように、上記クランクシャフトのカウンタウェイトの最外径部が、下死点近傍において、上記ピストンピンの軸方向への延長線と交差するようになっている。換言すれば、ピストンが下死点近傍にあるときに、ピストンピンを保持したピンボス部の側方を、カウンタウェイトの最外径部が通過する。
【００１１】
従来のように、ピストン側に一対のピンボス部を設け、その間にアッパリンク側のピンボス部を挟んだ構成では、カウンタウェイトがピストンピン側方を通過できるように、ピストンピンの長さを短くしようとすると、モーメント荷重の加わるピストン側のピンボス部（これは一般にアルミニウム合金製となる）の幅（ピストンピン軸方向の寸法）を狭くせざるを得ず、潤滑的に問題が生ずる。これに対し、本発明の構成では、ピストン側のピンボス部はピストン中心にあり、モーメント荷重は作用しないため、その軸受け幅が、一対のピンボス部の場合に比べ狭くなっても、潤滑的な問題を解決することが可能である。
【００１２】
【発明の効果】
この発明によれば、ピストンとアッパリンクとの連結構造つまり双方のピンボス部とピストンピンとを、クランクシャフトの軸方向においてカウンタウェイトと重なり合わない位置関係となるように小型化することができ、ピストンとカウンタウェイトとの間のピストン上下方向の余裕を、より小さく設定することが可能となる。従って、内燃機関の小型化、特に全高を低くすることが可能となる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１は、可変圧縮比機構全体の構成を示す構成説明図である。この機構は、ロアリンク４とアッパリンク５とコントロールリンク１０とを主体とした複リンク式ピストン−クランク機構から構成されている。
【００１５】
クランクシャフト１は、複数のジャーナル部２とクランクピン３とを備えており、シリンダブロック１８の主軸受に、ジャーナル部２が回転自在に支持されている。上記クランクピン３は、ジャーナル部２から所定量偏心しており、ここにロアリンク４が回転自在に連結されている。カウンタウェイト１５は、ジャーナル部２とクランクピン３とを接続するクランクウェブ１６からクランクピン３とは反対側へ延びている。このカウンタウェイト１５は、クランクピン３を挟んで両側に互いに対向するように設けられており、その外周部は、ジャーナル部２を中心とした円弧形に形成されている。
【００１６】
上記ロアリンク４は、左右の２部材に分割可能に構成されているとともに、略中央の連結孔に上記クランクピン３が嵌合している。
【００１７】
アッパリンク５は、下端側が第１連結ピン６によりロアリンク４の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン７によりピストン８に回動可能に連結されている。上記ピストン８は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック１８のシリンダ１９内を往復動する。
【００１８】
ロアリンク４の運動を拘束するコントロールリンク１０は、上端側が第２連結ピン１１によりロアリンク４の他端に回動可能に連結され、下端側が制御軸１２を介して機関本体の一部となるシリンダブロック１８の下部に回動可能に連結されている。詳しくは、制御軸１２は、回転可能に機関本体に支持されているとともに、その回転中心から偏心している偏心カム部１２ａを有し、この偏心カム部１２ａに上記コントロールリンク１０下端部が回転可能に嵌合している。
【００１９】
上記制御軸１２は、図示せぬエンジンコントロールユニットからの制御信号に基づいて作動する図示せぬ圧縮比制御アクチュエータによって回動位置が制御される。
【００２０】
上記のような複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構においては、上記制御軸１２が圧縮比制御アクチュエータによって回動されると、偏心カム部１２ａの中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク１０の下端の揺動支持位置が変化する。そして、上記コントロールリンク１０の揺動支持位置が変化すると、ピストン８の行程が変化し、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン８の位置が高くなったり低くなったりする。これにより、機関圧縮比を変えることが可能となる。
【００２１】
図２は、上記の複リンク式ピストン−クランク機構の基本的な動作説明図であって、クランクシャフト１が１回転（３６０°ＣＡ）する間の各部の動作を、９０°ＣＡ毎に示している。図の（ｂ）がピストン上死点位置に相当し、この図（ｂ）から明らかなように、コントロールリンク１０の下端の位置が変化すれば、ピストン８が上下に変位して、圧縮比が変化することになる。
【００２２】
また、上記の複リンク式可変圧縮比機構においては、リンクディメンジョンを適切に選定することにより、単振動に近いピストンストローク特性が得られる。特に、一般的な単リンク式ピストン−クランク機構のピストンストローク特性に比べて、より単振動に近い特性とすることが可能である。この単振動に近いピストンストローク特性は、内燃機関の振動騒音の上で有利となる。
【００２３】
次に、本発明の要部であるピストン８およびアッパリンク５の構造について説明する。
【００２４】
図３〜図６は、本発明に係るピストン８の構造を示している。このピストン８は、アルミニウム合金を用いて一体に鋳造されたものであって、比較的厚肉な円盤状をなすピストン頭部２１の外周面に、複数本、例えば３本のピストンリング溝２２が形成されているとともに、ピストン８のスラスト−反スラスト方向となる周方向の一部に、上記外周面から円筒面に沿って延びるように、スカート部２３が形成されている。このスカート部２３は、図６に示すように、ピストンピン７と直交する方向から見た投影形状が略矩形状をなし、そのピストンピン軸方向に沿った幅Ｌは、ピストンピン７の全長と略等しいか、あるいはピストンピン７の全長よりも短いものとなっている。つまり、スカート部２３は、周方向の非常に小さな範囲に設けられている。
【００２５】
また、上記ピストン８の中心部つまり円盤状をなすピストン頭部２１の裏面中心部に、単一のピンボス部２４が形成されており、該ピンボス部２４に、ピストンピン７の中央部が回転自在に嵌合するピン孔２５が貫通形成されている。上記ピン孔２５の内周には、軸方向に沿った一対の油溝２６が形成されている。
【００２６】
一方、アッパリンク５は、鋼製のものであり、図７および図８に示すように、ピストン８側の一端が二股状に分岐し、かつ先端に、ピストンピン７の両端部を支持する一対のピンボス部３１がそれぞれ短い円筒状に形成されている。この実施例では、ピンボス部３１のピン孔３２の径はピストンピン７の径よりも極僅か小さく、ピストンピン７が圧入されるようになっている。
【００２７】
また、ロアリンク４と連結されるアッパリンク５の他端も、ピストン８側の端部と同様に二股状に分岐し、上記第１連結ピン６の両端部を支持する一対のピンボス部３３が先端に形成されている。ロアリンク４側に形成されるピンボス部（図示せず）は、この一対のピンボス部３３の間に挟まれた形となり、第１連結ピン６の中央部に嵌合する。このような構成は、第１連結ピン６の潤滑の上で有利となる。
【００２８】
ここで、アッパリンク５における上方（ピストン８側）の一対のピンボス部３１の軸方向の外形寸法Ｌ１と、下方（ロアリンク４側）の一対のピンボス部３３の軸方向の外形寸法Ｌ２とは、互いに等しい。また、ピストンピン７が受ける荷重と第１連結ピン６が受ける荷重とは基本的に等しいので、ピストンピン７と第１連結ピン６とは、互いに等しい径とすることができる。従って、例えば、アッパリンク５の上下を全く対称に構成することも可能である。なお、上記の外形寸法Ｌ１，Ｌ２は、クランクウェブ１６に挟まれたクランクピン３の軸長以下となっている。
【００２９】
図９は、上記ピストン８と上記アッパリンク５とを、ピストンピン７によって連結した組付状態を示している。図示するように、ロアリンク４の一対のピンボス部３１の間に挟まれるように、ピストン８のピンボス部２４が位置し、ピストンピン７の両端部をロアリンク４側が支持し、かつピストンピン７の中央部にピストン８のピンボス部２４が回転自在に嵌合する。これらのピンボス部３１，２４およびピストンピン７からなるピストン連結構造のピストンピン軸方向の寸法（図８のＬ１）は、ピストン８ないしはシリンダ１９の直径に比べて、かなり小さなものとなっている。
【００３０】
そして、ピストン８が下死点近傍にあるときに、クランクシャフト１のカウンタウェイト１５の最外径部が、図９に示すように、ピストンピン７の軸方向への延長線Ｍと交差するようになっている。換言すれば、ピストン８が下死点近傍にあるときに、ピストンピン７を保持したピンボス部３１の側方を、カウンタウェイト１５の最外径部が通過する。なお、図２の（ｄ）は、単に動作を説明するためのものであるので、ピストンピン７とカウンタウェイト１５とが上下に離れて描かれているが、上記のように構成することで、図２（ｄ）の構成よりも、さらにピストン８をクランクシャフト１中心に近付けた構成とすることができる。
【００３１】
また、図９から明らかなように、スカート部２３も小型化されていることから、上記のようにカウンタウェイト１５がピンボス部３１の側方を通過する際に、スカート部２３と干渉することはない。このようにスカート部２３を小型化すると、その剛性を大きく確保することは困難であるが、本発明が前提とする複リンク式ピストン−クランク機構においては、ピストン８を傾けようと作用するサイドスラスト荷重は、一般の単リンク式ピストン−クランク機構の場合よりも小さくなるので、スカート部２３は最小の大きさで済む。具体的には、ピストン８に最大燃焼圧が作用するのは、膨張行程の前半であり、図２の（ｃ）の付近でピストン頭部２１が最大荷重を受けることになるが、このとき、図示するように、アッパリンク５は、垂直に近い姿勢であり、シリンダ１９の軸線に対する傾きが非常に小さい。特に、単リンク式ピストン−クランク機構の場合のコネクティングロッドの姿勢に比べて、シリンダ１９の軸線に対する傾きを、より小さくすることが可能である。従って、サイドスラスト荷重が低減し、スカート部２３の小型化が可能となる。
【００３２】
なお、前述したように、ピストン８とアッパリンク５との連結部と、アッパリンク５とロアリンク４との連結部と、は、最大荷重である燃焼ガス圧力による荷重レベルは基本的に同じであるため、同一の仕様で問題はない。慣性荷重に関しては、後者の方がアッパリンク５の慣性力の分だけ増大するが、ロアリンク４はアッパリンク５とともに鋼製の部品であるので、ピストン８がアルミニウム合金製であることを考慮すると、何ら支障はなく、むしろ都合がよいものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る可変圧縮比機構の全体を示す構成説明図。
【図２】その基本的な動作を示す動作説明図。
【図３】クランクシャフトと直交する面に沿ったピストンの断面図。
【図４】クランクシャフト軸方向に沿ったピストンの断面図。
【図５】ピストンの一部を切り欠いて示す斜視図。
【図６】ピストンの側面図。
【図７】アッパリンクの正面図。
【図８】アッパリンクの側面図。
【図９】ピストンとアッパリンクとの組付状態を示す断面図。
【符号の説明】
４…ロアリンク
５…アッパリンク
７…ピストンピン
８…ピストン
１０…コントロールリンク
１５…カウンタウェイト
２３…スカート部
２４…ピンボス部
３１…ピンボス部

Claims (7)

1. 一端がピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、このアッパリンクの他端が第１連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、このロアリンクに第２連結ピンを介して一端が連結されるとともに、他端が内燃機関本体に対して揺動可能に支持されるコントロールリンクと、このコントロールリンク他端の内燃機関本体に対する揺動支持位置を変位させる支持位置可変手段と、を備えてなる内燃機関の可変圧縮比機構において、
   上記アッパリンクの一端に、上記ピストンピンの両端部を支持するように、二股状のピンボス部が形成されており、上記ピストンの中心部に、上記ピストンピンの中央部に嵌合するピンボス部が形成されていることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比機構。
2. 上記クランクシャフトのカウンタウェイトの最外径部が、下死点近傍において、上記ピストンピンの軸方向への延長線と交差することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変圧縮比機構。
3. 上記アッパリンクの他端に、上記第１連結ピンの両端部を支持するように、二股状のピンボス部が形成されており、上記ロアリンク側に、上記第１連結ピンの中央部に嵌合するピンボス部が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の可変圧縮比機構。
4. 上記ピストンは、周方向の中のスラスト−反スラスト側となる部分に、それぞれスカート部を備えており、このスカート部のピストンピン軸方向に沿った幅が、ピストンピンの全長と略等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比機構。
5. 上記ピストンは、周方向の中のスラスト−反スラスト側となる部分に、それぞれスカート部を備えており、このスカート部のピストンピン軸方向に沿った幅が、ピストンピンの全長よりも短いことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比機構。
6. クランクシャフトの回転に対する上記ピストンのピストンストローク特性が、単リンクのピストン−クランク機構における特性よりも単振動に近い特性となるように、リンク構成が設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比機構。
7. 上記ピストンが最大燃焼荷重を受ける位置にあるときに、上記アッパリンクのシリンダ軸線に対する傾きが、単リンクのピストン−クランク機構の場合よりも小さくなるように、リンク構成が設定されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比機構。

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