JP2005113839A - 可変圧縮比内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】可変圧縮比内燃機関のコスト及び部品点数を低減し、軽量化を図ることができる技術を提供する。
【解決手段】シリンダブロック３と、クランクケース４との間に構築され、シリンダ２の両側方に平行に配置されたカム軸を、互いに同期しつつ同一方向に回転させることにより、クランクケース４に対してシリンダブロック３をシリンダ２の中心軸方向に相対移動させる。さらに、シリンダ２の中心軸及びカム軸と垂直方向の、シリンダブロック３の位置は、カム軸に設けられたカム部９ｂの姿勢によって決定される。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室容積を変更することにより圧縮比を可変とする可変圧縮比内燃機関に関する。

近年、内燃機関の燃費性能や出力性能などを向上させることを目的として、内燃機関の圧縮比を可変にする技術が提案されている。この種の技術としては、シリンダブロックとクランクケースとを相対移動可能に連結するとともにその連結部分にカム軸を設け、前記カム軸を回動させてシリンダブロックとクランクケースとを接近又は離反させることにより圧縮比を変更する技術が提案されている（例えば、特許文献１及び２を参照。）。
特開平７−２６９８１号公報 特開２００３−２０６７７１号公報 特許第３３３８８４２号公報

上記特許文献１に示される従来技術においては、シリンダの両側方に配置された一対のカム軸が、互いに逆方向に回転するために、カム軸に設けられたカム部の外形の間の距離が変化する。従って、エンジンブロックが弾性変形しないとカム軸が正常に回転せず、シリンダブロックをクランクケースに対して相対移動させることができなかった。

また、上記特許文献２に示される従来技術においては、カム軸によって、シリンダブロックの、シリンダ中心軸及びカム軸と垂直方向（以下、単に「シリンダ中心軸と垂直方向」という。）の位置を規制しておらず、シリンダブロックとクランクケースとの間に別途ガイド部を設けていた。また、カム軸の構造が最適に簡略化されているとは言い難かった。

本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、可変圧縮比内燃機関のコスト及び部品点数を低減するとともに、軽量化を図ることができる技術を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、シリンダブロックと、クランクケースとの間に構築されるカム軸を、互いに同期しつつ同一方向に回転させることにより、クランクケースに対してシリンダブロックをシリンダ中心軸方向に相対移動させ、且つ、カム軸に設けられたカム部の姿勢によって、シリンダブロックのシリンダ中心軸と垂直方向の位置を決定し、さらにその位置に規制することを最大の特徴とする。

より詳しくは、シリンダが形成されたシリンダブロックを、クランク軸を回動自在に支持するクランクケースに対して相対移動させることにより、圧縮比を変更する可変圧縮比内燃機関であって、
前記シリンダブロックと前記クランクケースとの間に構築され、且つ、前記シリンダの両側方に平行に配置されるとともに、互いに同期しつつ同一方向に回転する一対のカム軸を備え、
前記圧縮比を変更するときに、前記一対のカム軸の回転によって前記シリンダブロックを、前記シリンダ中心軸方向に移動させるとともに、前記シリンダブロックの、前記シリンダ中心軸と垂直方向の位置は、前記カム軸に設けられたカム部の姿勢により決定される
ことを特徴とする。

すなわち、軸部とカム部とからなる単純な構成のカム軸をシリンダの両側方に平行に配置し、これらの一対のカム軸を互いに同期しつつ同一方向に回転させることにより、シリンダブロックをクランクケースに対して相対移動させる。また、このとき、カム軸に設けられたカム部の姿勢によって、クランクケースに対するシリンダブロックの、シリンダ中心軸と垂直方向の位置が決定される。

こうすれば、カム軸の構成を単純化することができる。また、クランクケースに対するシリンダブロックの、シリンダ中心軸と垂直方向の位置を規制するガイド部を無くすことができるので、ガイド部を構築する際の高精度の加工を省略することができる。結果として、可変圧縮比内燃機関のコスト及び部品点数を低減し、軽量化を図ることができる。また、一対のカム軸を互いに同期しつつ同一方向に回転させるので、カム軸に設けられたカム部の外形の間の距離の変化を抑制できる。従って、シリンダブロックをクランクケースに対して相対移動させる際の、シリンダブロックまたはクランクケースの変形を抑制することができる。

また、本発明におけるカム軸においては、前記カム軸に設けられたカム部は、前記シリンダブロックまたは前記クランクケースの一方に形成されたカム収納孔に収納され、前記カム部における外形は、前記カム軸の回転中心に対して偏心した円形であり、前記カム収納孔における孔形状は、前記カム部における外形と略同形状にするとよい。

このようにすれば、単純な外形のカム部と、カム収納孔の組み合わせによって、シリンダブロックをクランクケースに対してシリンダ中心軸方向に相対移動させるとともに、シリンダ中心軸と垂直方向に対するシリンダブロックの位置を決定することができる。

また、本発明においては、シリンダブロックの、クランクケースと逆側に設けられ、クランク軸の回転が伝達されることにより吸排気弁を駆動する吸排気弁駆動カム軸をさらに備えており、クランク軸の回転は、シュミット継ぎ手またはオルダム継ぎ手のような偏心継ぎ手を介して、吸排気弁駆動カム軸に伝達されるようにするとよい。

ここで、本発明においては、上述のように、一対のカム軸を互いに同期しつつ同一方向に回転させることにより、シリンダブロックをクランクケースに対して相対移動させる。この場合、一対のカム軸の回転に伴って、シリンダブロックは、半円状の軌跡を描きながら、クランクケースに対して相対移動する。

従って、クランクケースに支持されたクランク軸の回転を、シリンダブロックの、クランクケースと逆側に設けられた吸排気弁駆動カム軸に伝達する場合において、上記クランク軸に対する、吸排気弁駆動カム軸の相対位置も、半円状の軌跡を描きながら変化する。すなわち、クランク軸に対する吸排気弁駆動カム軸の位置は、シリンダ中心軸方向に変化すると同時に、シリンダ中心軸と垂直方向についても変化する。

クランク軸に対する吸排気弁駆動カム軸の位置が、シリンダ中心軸方向にのみ変化する場合は、前述した特許文献２に示すような、中継ギアを用いる構成や、シリンダブロック側及びクランクケース側にそれぞれ固定される補助的なプーリーを用いる構成によって、クランク軸と、吸排気弁駆動カム軸との間の距離の変化を吸収することができた。しかし、クランク軸に対する吸排気弁駆動カム軸の位置がシリンダ中心軸方向及び、シリンダ中心軸と垂直方向の双方に移動する場合は、上記構成によっても、クランク軸と、吸排気弁駆動カム軸との間の距離の変化を吸収することが困難である。

そこで、本発明においては、クランク軸の回転は、シュミット継ぎ手またはオルダム継ぎ手のような偏心継ぎ手を介して、吸排気弁駆動カム軸に伝達されることとした。

これにより、クランク軸に対する吸排気弁駆動カム軸の位置がシリンダ中心軸方向及び、シリンダ中心軸と垂直方向の双方に移動しても、クランク軸と、吸排気弁駆動カム軸との間の距離の変化を、偏心継ぎ手によって吸収することができ、クランク軸の回転を、吸排気弁駆動カム軸に良好に伝達することができる。

なお、上記した本発明の課題を解決する手段については、可能なかぎり組み合わせて用いることができる。

本発明にあっては、可変圧縮比内燃機関のコスト及び部品点数を低減し、軽量化を図ることができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。

以下に説明する内燃機関１は、可変圧縮比内燃機関であり、シリンダ２を有するシリンダブロック３を、ピストンが連結されたクランクケース４に対してシリンダ２の中心軸方向に移動させることによって圧縮比を変更するものである。

先ず、図１を用いて、本実施例に係る可変圧縮比内燃機関の構成について説明する。図1に示されるように、シリンダブロック３の両側下部に複数の隆起部が形成されており、この各隆起部にカム収納孔５が形成されている。カム収納孔５は、円形をしており、シリンダ２の中心軸方向に対して直角に、かつ複数のシリンダ２の配列方向に平行になるようにそれぞれ形成されている。カム収納孔５はすべて同一軸線上に位置している。そして、シリンダブロック３の両側のカム収納孔５の一対の軸線は平行である。

クランクケース4には、上述したカム収納孔５が形成された複数の隆起部の間に位置するように、立壁部が形成されている。各立壁部のクランクケース４外側に向けられた表面には、半円形の凹部が形成されている。また、各立壁部には、ボルト６によって取り付けられるキャップ７が用意されており、キャップ７も半円形の凹部を有している。また、各立壁部にキャップ７を取り付けると、円形の軸受８が形成される。軸受８の形状は、上述したカム収納孔５に比較して小径になっている。

複数の軸受８は、カム収納孔５と同様に、シリンダブロック３をクランクケース４に取り付けたときにシリンダ２の中心軸方向に対して直角に、且つ、複数のシリンダ２の配列方向に平行になるようにそれぞれ形成されている。これらの複数の軸受８も、シリンダブロック３の両側に形成されることとなり、片側の複数の軸受８はすべて同一軸線上に位置している。そして、シリンダブロック３の両側の軸受８の一対の軸線は平行である。また、両側のカム収納孔５の間の距離と、両側の軸受８との間の距離は同一である。

交互に配置される二列のカム収納孔５と軸受８には、それぞれカム軸９が挿通される。カム軸９は、図1に示されるように、軸部９ａと、軸部９ａの中心軸に対して偏心された状態で軸部９ａに固定された正円形のカムプロフィールを有するカム部９ｂとが交互に配置されている。また、各カム軸９において、複数のカム部９ｂの偏心方向は同一である。

各カム軸９の一端にはウォームホイール１０が取り付けられている。一対のカム軸９の端部に固定された一対のウォームホイール１０には、それぞれウォーム１１ａ、１１ｂがかみ合っている。ウォーム１１ａ、１１ｂは単一のモータ１２の一本の出力軸にとりつけられている。ウォーム１１ａ、１１ｂは、互いに同一方向に回転する螺旋溝を有している。このため、モータ１２を回転させると、一対のカム軸９は、ギア１０を介して同一方向に回転する。

また、内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための図示しない電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）が併設されている。このＥＣＵは、ＣＰＵの他、後述する各種のプログラム及びマップを記憶するＲＯＭ、ＲＡＭ等を備えており、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態等を制御するユニットである。

ＥＣＵには、内燃機関１の運転状態を検出する種々のセンサが電気配線を介して接続され、それらの出力信号がＥＣＵに入力されるようになっている。一方、ＥＣＵには、本実施例に係るモータ１２などが電気配線を介して接続され、ＥＣＵからの指令によってモータ１２が回転し、内燃機関１の圧縮比を変更するようになっている。

次に、上述した構成の内燃機関１において圧縮比を制御するときの、シリンダブロック３の移動の状態について詳しく説明する。図２（ａ）から図２(ｃ)にシリンダブロック３と、クランクケース４と、これら両者の間に構築されたカム軸９との関係を示した断面図を示す。図２(ａ)から図２(ｃ)において、軸部９ａの中心軸をａ、カム部９ｂの中心をｂとして示す。なお、ここでａは、カム軸９の回転中心である。図２（ａ）では、軸部９ａの中心ａに対して、カム部９ｂの中心ｂは、カム部９ｂの、カム軸９の回転中心に対する偏心量ｅだけ下側に位置している。また、軸部９ａの中心ａと、カム部９ｂの中心ｂの、水平方向の位置は、略一致している。

この場合に、シリンダブロック３は、クランクケース４に対する相対移動可能範囲の中で最も下側に位置しており、本実施例における内燃機関１の圧縮比を最大にする。

なお、図２（ａ）の状態で、シリンダ２の中心軸の位置は、クランク軸１４の中心に対してｃだけ左側にオフセットしている。これは、クランク軸１４の中心と、シリンダ２の中心軸との間に初期オフセットｃを持たせることにより、ピストンスラップなどによる内燃機関１の振動及び騒音の状態を改善できることによる。

ここで、図２(ａ)の状態から、モータ１２を駆動して軸部９ａを矢印方向に９０度回転させると、図２(ｂ)の状態となる。このとき、軸部９ａの中心ａに対して、カム部９ｂの中心ｂは、図２(ｂ）における左側に位置している。このとき、シリンダブロック３は、クランクケース４に対して、カム部９ｂの偏心量ｅだけ、シリンダ２の中心軸方向に移動するとともに、図２における左側にもカム部９ｂの偏心量ｅだけ移動し、シリンダ２の中心軸の、クランク軸１４に対するオフセット量はｃ＋ｅとなっている。

そして、さらにモータ１２を軸部９ａ矢印方向に９０度回転させると、図２(ｃ)の状態となる。この状態では、軸部９ａの中心ａに対して、カム部９ｂの中心ｂは、図２（ｃ）における上側に位置している。このとき、シリンダブロック３は、クランクケース４に対して、カム部９ｂの偏心量ｅだけ、さらにシリンダ２の中心軸方向に移動するとともに、カム部９ｂの偏心量ｅだけ図２における右側に移動する。結果として、シリンダブロック３は、シリンダ２の中心軸方向に対しては、図２（ａ）の状態に対し２ｅだけ上方に位置し、シリンダ２の中心軸と垂直方向に対しては、図２（ａ）の状態に戻る。

この場合に、シリンダブロック３は、クランクケース４に対する相対移動可能範囲の中でして最も上側に位置しており、本実施例における内燃機関１の圧縮比が最小となる。

このように、本実施例においては、モータ１２を回転させることにより、カム軸９を回転させ、カム軸９における軸部９ａとカム部９ｂとが偏心していることを利用して、シリンダブロック３をクランクケース４に対してシリンダ２の中心軸方向に移動させている。そして、そのことにより、内燃機関１の圧縮比を変更している。

一方、本実施例においては、一対のカム軸９を同期させて、かつ同一方向に回転させているので、シリンダブロック３は、シリンダ２の中心軸方向のみならず、シリンダ２の中心軸と垂直方向にも移動する。すなわち、本実施例においては、内燃機関１における圧縮比を変更する際に、シリンダブロック３は、半円状の軌跡を描きながら移動する。

図３に、本実施例におけるシリンダブロック３の移動の軌跡を示す。図３に示すように、内燃機関１における圧縮比が最大となる場合においては、シリンダブロック３は最下点に位置するが、シリンダ２の中心軸と垂直方向には移動していない。そして、カム軸９の回転にともなって、シリンダブロック３は、半円状の軌跡を描きながら、クランクケース４に対して相対移動し、内燃機関１における圧縮比が、可変範囲の中央となる点で、シリンダ２の中心軸と垂直方向のオフセット量が最大となる。そして、内燃機関１における圧縮比が最小となる点において、シリンダブロック３の、シリンダ２の中心軸方向の移動量が最大になると同時に、シリンダ２の中心軸と垂直方向に対しては、圧縮比が最大である点と同じ位置に復帰する。

以上、説明したように、本実施例においては、一対の、軸部９ａとカム部９ｂからなるカム軸９を回転させることにより、シリンダブロック３をシリンダ２の中心軸方向に移動させて圧縮比を変更させるので、簡単な機構で、圧縮比変更制御を行うことができる。

また、この際、一対のカム軸９を同期させ、さらに同一方向に回転させているので、カム軸９におけるカム部９ｂの外形の間の距離が変化しない。従って、シリンダブロック３をクランクケース４に対して相対移動させる際に、シリンダブロック３が変形することを抑制できる。

また、本実施例においては、シリンダブロック３の、シリンダ２の中心軸と垂直方向の位置は、カム部９ｂの姿勢によって決定され、シリンダブロック３は、その位置に規制される。従って、シリンダブロック３の、シリンダ２の中心軸と垂直方向の位置を規制するガイド部を別途備える必要がない。従って、部品点数を低減でき、あるいは、ガイド部における摺動部分など、高精度な加工を必要とする箇所を無くすことができる。

結果として、本実施例においては、カム軸９を含むカム機構の部品点数を低減し、シリンダブロック３及び、クランクケース４の間のガイド部を省略することができ、かつ、シリンダブロック３が変形することを抑制できる。

次に、図４を用いて、本実施例における、クランクケース４に備えられたクランク軸１４の回転を、シリンダブロック３側に円滑に伝達するための構成について説明する。

図４において、クランクケース４には、クランク軸１４が回転可能に支持されている。クランク軸１４には、オルダム継ぎ手１７を介してクランクタイミングプーリ１６が連結されている。オルダム継ぎ手１７の、クランクタイミングプーリ１６側の回転子及びクランクタイミングプーリ１６は、ホルダ１８に回転可能に支持されている。また、ホルダ１８はシリンダブロック３に固定されている。従って、クランクタイミングプーリ１６は、
シリンダブロック３とともに、クランクケース４に対して相対移動する。

一方、シリンダブロック３の上方には、クランク軸１４の回転に同期して、吸排気弁を駆動させるための吸排気弁駆動カム軸２０ａ及び２０ｂが備えられている。そして、吸排気弁駆動カム軸２０ａ及び２０ｂの端部には、カムタイミングプーリ１３ａ及び１３ｂが取り付けられている。また、前記クランクタイミングプーリ１６及び、カムタイミングプーリ１３ａ及び１３ｂには、タイミングベルト１５が巻き掛けられている。

ここで、図４に示す内燃機関１の状態は、圧縮比が最大の状態、すなわち、クランクケース４に対してシリンダブロック３が相対移動可能範囲のなかで最も下側に位置しており、また、シリンダ２の中心軸と、クランク軸１４中心とのオフセットの量は、初期オフセットｃの状態である。この状態から、モータ１２を回転させることにより、シリンダブロック３をクランクケース４に対して相対移動を開始すると、シリンダブロック３は、前述のとおり、半円状の軌跡を描きながらクランクケース４に対して相対移動する。

この際、クランクタイミングプーリ１６は、前述のようにシリンダブロック３と共に半円状の軌跡を描きながら移動する。すなわち、クランクケース４に回転可能に支持されているクランク軸１４の回転軸に対して、クランクタイミングプーリ１６の回転軸が相対移動する。ここで、本実施例においては、クランク軸１４と、クランクタイミングプーリ１６とは、オルダム継ぎ手１７を介して連結されているため、クランクタイミングプーリ１６の回転軸が、クランク軸１４の回転軸に対して相対移動しても、クランク軸１４の回転を、良好にクランクタイミングプーリ１６に伝達することができる。そして、さらにタイミングベルト１５及び、カムタイミングプーリ１３ａ、１３ｂを介して、クランク軸１４の回転を良好に吸排気弁駆動カム軸２０ａ、２０ｂに伝達することができる。

以上のように、本実施例においては、クランク軸１４の回転を、オルダム継ぎ手１７を介して吸排気弁駆動カム軸２０ａ、２０ｂに伝達するため、シリンダブロック３が、クランクケース４に対して、シリンダ２の中心軸方向と、シリンダ２の中心軸と垂直方向の両方に移動しても、クランク軸１４の回転を良好に、吸排気弁駆動カム軸２０ａ、２０ｂに伝達できる。

なお、本実施例においては、クランク軸１４の回転をオルダム継ぎ手１７を介してクランクタイミングプーリ１６に伝達しているが、軸中心の距離が変化する２つの回転軸の間で、回転を伝達できる機構であれば、他の機構を用いても構わない。例えば、オルダム継ぎ手１７以外の偏心継ぎ手でもよい。また、クランクケース４に対するシリンダブロック３の相対移動量が少ない場合には、省略することも可能である。

また、軸中心の距離が固定された２つの回転軸の間で回転を伝達する機構、例えば偏心継ぎ手の中でもシュミット継ぎ手を介してクランク軸１４と、クランクタイミングプーリ１６とを連結してもよい。この場合、クランク軸１４を、図３における半円の中心に配置し、クランクタイミングプーリ１６が、圧縮比の変更に伴い、図３における半円上を移動するような構成にすることによって、クランク軸１４の回転を良好に、吸排気弁駆動カム軸２０ａ、２０ｂに伝達することができる。

また、上述した、偏心継ぎ手などの機構は、クランク軸１４と、クランクタイミングプーリ１６との間に配置してもよいし、吸排気弁駆動カム軸２０ａ、２０ｂと、カムタイミングプーリ１３ａ、１３ｂとの間に配置してもよい。

なお、内燃機関１における吸排気弁の開閉を、電磁力によって行う方法を採用した場合には、上記の、クランク軸１４の回転を、シリンダブロック３側に円滑に伝達するための
構成を省略できる。

本発明に係る内燃機関の概略構成を示す分解斜視図である。 本発明に係る内燃機関におけるシリンダブロックがクランクケースに対して相対移動する経過を示す断面図である。 本発明に係る内燃機関におけるシリンダブロックがクランクケースに対して相対移動する際の移動の軌跡を示す図である。 本発明に係るクランク軸の回転を吸排気弁駆動カム軸に伝達する機構の概略構成を示す図である。

符号の説明

１・・・内燃機関
２・・・シリンダ
３・・・シリンダブロック
４・・・クランクケース
５・・・カム収納孔
６・・・ボルト
７・・・キャップ
８・・・軸受
９・・・カム軸
９ａ・・・軸部
９ｂ・・・カム部
１０・・・ウォームホイール
１１ａ、１１ｂ・・・ウォーム
１２・・・モータ
１３ａ、１３ｂ・・・カムタイミングプーリ
１４・・・クランク軸
１５・・・タイミングベルト
１６・・・クランクタイミングプーリ
１７・・・オルダム継ぎ手
１８・・・ホルダ
２０ａ、２０ｂ・・・吸排気弁駆動カム軸

Claims (3)

1. シリンダが形成されたシリンダブロックを、クランク軸を回動自在に支持するクランクケースに対して相対移動させることにより、圧縮比を変更する可変圧縮比内燃機関であって、
   前記シリンダブロックと前記クランクケースとの間に構築され、且つ、前記シリンダの両側方に平行に配置されるとともに、互いに同期しつつ同一方向に回転する一対のカム軸を備え、
   前記圧縮比を変更するときに、前記一対のカム軸の回転によって前記シリンダブロックを、前記シリンダの中心軸方向に移動させるとともに、前記シリンダブロックの、前記シリンダの中心軸及び前記一対のカム軸と垂直方向の位置は、前記カム軸に設けられたカム部の姿勢により決定されることを特徴とする可変圧縮比内燃機関。
2. 前記カム軸に設けられたカム部は、前記シリンダブロックまたは前記クランクケースの一方に形成されたカム収納孔に収納され、
   前記カム部における外形は、前記カム軸の回転中心に対して偏心した円形であり、
   前記カム収納孔における孔形状は、前記カム部における外形と略同形状であることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
3. 前記シリンダブロックの、前記クランクケースと逆側に設けられるとともに、前記クランク軸の回転が伝達されることにより吸排気弁を駆動する吸排気弁駆動カム軸をさらに備え、
   前記クランク軸の回転は、偏心継ぎ手を介して、前記吸排気弁駆動カム軸に伝達されることを特徴とする請求項１または２に記載の可変圧縮比内燃機関。

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