JP2006153005A - 偏心クランク可変圧縮比機構 - Google Patents

偏心クランク可変圧縮比機構 Download PDF

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Keith E Lawrence
イー.ローレンス キース
William E Moser
イー.モーザー ウィリアム
Stephan D Roozenboom
ディー.ローゼンブーム ステファン
Kevin J Knox
ジェイ.ノックス ケビン
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Abstract

【課題】偏心クランク可変圧縮比機構を提供する。
【解決手段】エンジンブロックとクランクシャフトを有する内燃機関用の可変圧縮比機構が開示されている。可変圧縮比機構は、クランクシャフトを支持するように構成された複数の偏心ディスクを有している。複数の偏心ディスクの各々は、エンジンブロックによって環状に包囲された少なくとも1つの円筒部を有している。また、可変圧縮比機構は、複数の偏心ディスクを回転させるように構成された少なくとも1つのアクチュエータを有している。
【選択図】図1

Description

本発明は、一般に、可変圧縮比機構に関し、さらに詳細には、偏心クランクを有する可変圧縮比機構に関する。
ディ−ゼルエンジン、ガソリンエンジン、天然ガスエンジン、及び当技術分野において知られている他のエンジンを含むエンジンは、複雑な混合物の大気汚染物を排気し得る。この大気汚染物質は、酸化窒素、及び煤と呼ばれる未燃炭化水素粒状物を含む固体粒子状物質を含むガス状化合物から成り得る。
環境への関心が増すことによって、排気物質の標準は、ますます厳しくなってきた。エンジンから排出された大気汚染物の量は、エンジンの型式、エンジンの大きさ、及び/又はエンジンの等級に依存して規制され得る。エンジン製造業者によって実施されてきた環境に排気される粒子状物質の規制に準拠する1つの方法は、ある範囲の条件において、エンジンの効率的な運転を可能にしながら、排気物質を低減させるように圧縮比を動的に調整する新しいエンジンを開発することであった。
エンジンの圧縮比を動的に変化させる一例が、2001年6月19日にヤピシ(Yapici)に発行された(特許文献1)に記載されている。(特許文献1)は、クランクシャフトを包囲する複数の偏心リングを有する圧縮比設定装置を有する内燃機関を記載している。また、圧縮比設定装置は、エンジンのシリンダーブロック内に支持された2片構成のリング支持軸受ハウジングを含んでいる。さらに、圧縮比設定装置は、単一の集中リング旋回アセンブリを備え、この集中リング旋回アセンブリは、リング支持軸受ハウジングに対する偏心リングの角位置を、クランクシャフトを半径方向に移動させるように、調整し、これによって、クランクシャフトに接続されたピストンの上死点が変更され、内燃機関の圧縮比を変化させる。
(特許文献1)の圧縮比設定装置は、内燃機関の圧縮比を変更し得るが、この装置は、複雑であり、高出力密度用途に対する不十分な強度が有し得る。特に、単一の集中リング支持ハウジングは2片構成なので、(特許文献1)の圧縮比設定装置を内蔵するエンジンを製造するのに、追加的な部品、製造プロセス、及びアセンブリプロセスが必要であり得る。さらに、リング支持ハウジングは2片構成なので、もしそのリング支持ハウジングが単一の一体片である場合よりも、高出力負荷に耐えるのに不十分であり得る。
加えて、(特許文献1)の圧縮比設定装置は、単一の集中リング旋回アセンブリを利用するので、内燃機関の設計の融通性が制限され得る。具体的には、単一のリング旋回アセンブリは、運転負荷に耐えるために、大きい。単一リング旋回アセンブリの寸法は大きいので、エンジン内の空設計空間を占有し、これによって、近傍のシステム又は構成部品によって占有され得る空間を制限し得る。さらに、(特許文献1)の圧縮比設定装置は、単一の旋回アセンブリを利用するので、このリング旋回アセンブリは、圧縮比設定装置の負荷の均衡を保つのに中央に配置されねばならない。リング旋回アセンブリを中央に配置するこの必要性によって、圧縮比設定装置を用いる内燃機関の設計の融通性が、さらに制限される。
米国特許第6,247,430号明細書
開示された可変圧縮比機構は、前述された問題の1つ以上を克服することを目的としている。
一態様において、本開示は、エンジンブロックとクランクシャフトとを有する内燃機関用の可変圧縮比機構に関する。可変圧縮比機構は、クランクシャフトを支持するように構成された複数の偏心ディスクを含んでいる。複数の偏心ディスクの各々は、エンジンブロックによって環状に包囲された少なくとも1つの円筒部を有している。また、可変圧縮比機構は、複数の偏心ディスクを回転させるように構成された少なくとも1つのアクチュエータを含んでいる。
他の態様において、本開示は、エンジンブロックとクランクシャフトとを有する内燃機関の圧縮比を変化させる方法に関する。この方法は、クランクシャフトを、各々がエンジンブロックによって環状に包囲かつ支持された少なくとも1つの円筒部を有する複数の偏心ディスクによって、支持することを含む。また、この方法は、複数の偏心ディスクを回転させることを含む。
例示的な内燃機関10が、図1に示されている。内燃機関10は、ディーゼルエンジンとして記載かつ説明される。しかし、内燃機関10が、例えば、ガソリン又は天然ガスエンジンのような他の型式の内燃機関であり得ることが考えられる。内燃機関10は、エンジンブロック12と、クランクシャフト16に旋回可能に接続される複数のピストンアセンブリ14と、可変圧縮比機構18とを含み得る。
エンジンブロック12は、複数のシリンダー20を画成する中央構造部材であり得る。ピストンアセンブリ14の1つが、それらのシリンダー20の各々内に滑動可能に配置され得る。内燃機関10は、いかなる数のシリンダー20をも含み得ること、また、シリンダー20は、「インライン」構成、「V」構成、又は他の従来の構成に配置され得ることが考えられる。
各ピストンアセンブリ14は、シリンダー20内の下死点(BDC)位置、すなわち、最下位置と、シリンダー20の上死点(TDC)位置、すなわち、最上位置との間で往復運動するように構成され得る。特に、各ピストンアセンブリ14は、コネクティングロッド24に旋回可能に接続されたピストンクラウン22を含み、コネクティングロッド24は、クランクシャフト16に旋回可能に接続され得る。内燃機関10のクランクシャフト16は、エンジンブロック12内に回転可能に配置され、各ピストンアセンブリ14は、クランクシャフト16に連結され、従って、各シリンダー20内の各ピストンアセンブリ14の滑動が、クランクシャフト16の回転をもたらし得る。同様に、クランクシャフト16の回転が、ピストンアセンブリ14の滑動をもたらし得る。クランクシャフト16が180°回転すると、ピストンクラウン22と連結されたコネクティングロッド24は、BDCとTDCとの間で一フルストローク移動する。内燃機関10は、完全なサイクルが、吸気ストローク(TDCからBDC)と、圧縮ストローク(BDCからTDC)と、爆発ストローク(TDCからBDC)と、排気ストローク(BDCからTDC)とを含む4ストロークエンジンであり得る。また、内燃機関10は、代替的に、完全なサイクルが、圧縮/排気ストローク(BDCからTDC)と、爆発/排気/吸気ストローク(TDCからBDC)を含む2ストロークエンジンであり得ることも考えられる。
可変圧縮比機構18は、クランクシャフト16の半径方向の平行移動を行なうように協同作用する多数の構成部品を含み得る。特に、可変圧縮比機構18は、紐帯28によって互いに接続された複数の偏心ディスク26と、各偏心ディスク26と関連付けられた流体アクチュエータ30とを含み得る。
図2に示されるように、各偏心ディスク26は、組み立てられたときにクランクシャフト支持軸受34を取り囲む第1半体26aと第2半体26bとを含み得る。第2半体26bは、組立中に、第1半体26aを第2半体26bに位置決めさせるように構成された1つ以上の圧入位置決めピン36を含み得る。位置決めピン36は、偏心ディスク26の組立を容易にするために、第1半体26a内の穴(図示せず)に対して、すべり嵌め公差を含み得る。代替的に、位置決めピンは、必要に応じて、第1半体26aに圧入かつ第2半体26bにすべり嵌めされるか、両方の半体に圧入されるか、又は両方の半体にすべり嵌めされ得ることも考えられる。図3の断面図に示されるように、第1半体26aを第2半体26bに保持するための1つ以上の固定具39も、各偏心ディスク26内に含まれ得る。
偏心ディスク26の各々は、エンジンブロック12によって完全に包囲かつ支持された2つの対向する円筒部38a、38b(図2を参照)を含み得る。流体アクチュエータ30用の間隙を与えるために、各偏心ディスク26の外周の一部において、溝40が2つの対向する円筒部38a、38b間に配置され得る。
図3に示されるように、クランクシャフト支持軸受34は、内燃機関10の運転中に潤滑を受けるように構成され得る。特に、各偏心ディスク26の第1半体26a内の穴42は、流体通路46と48を介して、マニフォルド44を各クランクシャフト支持軸受34と流体的に連通させ得る。加えて、潤滑は、流体通路46と48に接続された潤滑ポート50と52を介して、偏心ディスク26とエンジンブロック12との間の界面にもたらされ得る。さらに、流体アクチュエータ30を超えて漏れる潤滑油は、偏心ディスク26とエンジンブロック12との間の界面を潤滑し得る。偏心ディスク26と、クランク支持軸受34、又は内燃機関10の他の構成部品又はシステムを潤滑するために、追加的又は異なる潤滑通路が可変圧縮比機構18内に含まれ得ることが考えられる。
偏心ディスク26の回転によって、クランクシャフト16は、半径方向に平行移動し、これによって、内燃機関10の圧縮比を変化させ得る。特に、偏心ディスク26は、共通の回転軸54を有し、一方、クランクシャフト16は、共通の回転軸54から半径方向にずれた回転軸56を有し得る。偏心ディスク26が、共通回転軸54を中心として回転されると、回転軸56の位置は、例えば、図3に示される位置「B」から、円弧を経て、位置「A]に移動し得る。距離「d」は、クランクシャフト16の垂直方向の平行移動量である。位置「B」から「A」に移動するとき、この垂直方向の平行移動は、ピストンアセンブリ14のBDCとTDC位置を、エンジンブロック12に対して、距離「d」だけ増大させ、これによって、各ピストンと関連付けられた「スキッシュ」容積を減少させる(位置「A」から位置「B」に移動するときは、「スキッシュ」容積を増大させる)。クランクシャフト16が位置「B」から位置「A」に移動するとき、シリンダー20内のピストンアセンブリ14の変位容積が同一に保たれ、スキッシュ容積が減少されるので、圧縮比が増大される(位置「A」から位置「B」に移動するときは、減少される)。
紐帯28(図2を参照)は、各偏心ディスク26を少なくとも1つの他の偏心ディスク26に接続し、各偏心ディスク26の同時かつ均等な回転を確実にし、かつトルク負荷を分配し得る。特に、もし1つの偏心ディスク26が、他の偏心ディスクと異なる時間又は異なる量だけ回転された場合、トルク負荷が損なわれ、クランクシャフト16の全体にわたって不均一に分配されることが起こり得る。
図3にも示されるように、アクチュエータ30は、シリンダーブロック12内に形成されたシリンダー60内に軸方向に位置決めされて配置されたピストン58を含み得る。1つのピストンロッド62が、各ピストン58を1つの偏心ディスク26に旋回可能に接続し得る。ピストン58は、流体圧によって生じる力の不均衡に選択的に晒された2つの対向する液圧面を含み得る。この2つの面の力の不均衡によって、アクチュエータ30は、関連付けられた偏心ディスク26を軸方向に移動させ、回転するように付勢し得る。例えば、第2対向液圧面66に作用する力よりも大きい第1液圧面64に作用する力によって、ピストン58は、エンジンブロック12に対して下方に変位し、関連する偏心ディスクを反時計方向に回転するように付勢し、これによって、回転軸56を位置「A」に向かって移動させ得る。同様に、第2液圧面66に作用する力が第1液圧面64に作用する力よりも大きいとき、ピストン58がシリンダー60内で上方に後退され、関連する偏心ディスク26を時計方向に回転するように付勢し、これによって、回転軸56を位置「B」に向かって移動させ得る。例えば、Oリングのようなシール部材68が、シリンダー60の内壁とピストン58の外円筒面との間の流体の流れを制限するために、ピストンに接続され得る。
図4に示されるように、流体アクチュエータ30は、アクチュエータ30を移動させるために協同作用する複数の流体部品を有する液圧システム70の部分であり得る。具体的には、液圧システム70は、流体の供給分を保持するタンク72と、流体を加圧し、その加圧された流体を共通の絞り弁76を介してアクチュエータ30の全てに導くように構成された源74とを含み得る。また、液圧システム70は、源74と絞り弁76とに連通する制御システム(図示せず)をも含み得る。液圧システム70は、例えば、アキュムレータ、制限オリフィス、補給弁、圧力平衡通路のような追加的及び/又は異なる構成部品、及び当技術分野において知られている他の構成部品を含み得ることが考えられる。
タンク72は、流体の供給分を保持するように構成された容器を構成し得る。流体は、例えば、専用の作動油、エンジン潤滑油、伝達潤滑油、又は当技術分野において知られている他の流体を含み得る。内燃機関10内の1つ以上の液圧システムは、タンク72から流体を引き出し、及び流体をタンク72に戻し得る。液圧システム70は、多数の個別の流体タンクに接続され得ることも考えられる。
源74は、流体通路78を介して、タンク72と接続され、タンク72からの流体を加圧するように構成され得る。源74は、例えば、可変容量ポンプ、固定容量ポンプのようなポンプ、又は当技術分野において知られている加圧流体の他の源を含み得る。源74は、例えば、カウンターシャフト77、ベルト(図示せず)、電気回路(図示せず)によって、又は他の適切な手法によって、内燃機関10に駆動可能に接続され得る。代替的に、源74は、トルクコンバータ、ギアボックスを介して、又は他の適切な手法によって、内燃機関10に間接的に接続され得る。加圧された流体の多数の源は、加圧された流体を液圧システム70に供給するために、相互接続され得ることも考えられる。圧力逃し弁80が、アクチュエータ30に供給される流体の所定の圧力を維持するために、源74の入口と源74の出口との間に配置され得る。
絞り弁76は、源74からアクチュエータ30への加圧流体を選択的に絞り、アクチュエータ30からの流体をタンク72に排出させるように機能し得る。特に、絞り弁76は、流体通路82を介して源74と流体連通し、流体通路84と86を介してタンク72と流体連通し得る。絞り弁76は、ソレノイド作動されるバネ付勢弁機構87を含み、この弁機構87は、ソレノイド作動され、源74からの加圧流体がピストン58の第1面64に作用し得る第1位置と、源74からの加圧流体がピストン58の対抗する第2面66に作用し得る第2位置との間で移動するように構成され得る。弁機構87が第1位置にあるとき、流体は同時に第2面66からタンク72に排出され、これによって、ピストン58への力の不均衡を生じ、アクチュエータ30をシリンダー60に対して拡張させ得る。弁機構87が第2位置にあるとき、流体は同時に第1面64からタンク72に排出され、これによって、ピストン58への力の不均衡が生じ、アクチュエータ30をシリンダー60内に収縮させ得る。逆止弁88が、一方向の流体流れを確実にするために、源74と絞り弁76との間に配置され得る。絞り弁76は、代替的に、液圧的に作動、機械的に作動、空圧的に作動、又は他の適切な手法で作動され得ることも考えられる。絞り弁76は、必要に応じて、存在しなくてもよく、独立した絞り弁が、必要に応じて、代替的に補給用と排出用に用いられ得ることもさらに考えられる。
スラスト軸受32が、偏心ディスク26の中心の1つの内に配置され、クランクシャフト16(図2を参照)を係合するように構成され得る。スラスト軸受32は、クランクシャフト16を可変圧縮機構18に連結することによって、クランクシャフト16の軸方向運動を制限し得る。追加的スラスト軸受32が内燃機関10内に含まれ、及び/又はスラスト軸受32が中心に配置されていない偏心ディスク26の1つの内に配置され得ることも考えられる。必要に応じて、スラスト軸受32は存在しなくてもよく、クランクシャフト16の軸方向移動を最小限にするための他の手段が含まれ得ることもさらに考えられる。
開示された可変圧縮比機構は、内燃機関の圧縮比を動的に変化させることが望まれるいかなる内燃機関にも適用され得る。圧縮比は、排気物質に影響を与えるのに加えて、例えば、安定性、燃費のような他のエンジン性能因子、及び当技術分野において知られている他の性能因子にも影響を与え得る。エンジンの圧縮比を動的に変化させる能力は、種々の環境条件及び運転状況下におけるエンジンの最適な運転を促進し得る。以下、内燃機関10の運転について、説明する。
内燃機関10の圧縮ストローク中、ピストンアセンブリ14は、シリンダー20内において、BDC位置とTDC位置との間で移動し、混合気が、点火に備えて「スキッシュ」容積に圧縮され、これが爆発ストロークを開始し得る。「スキッシュ」容積によって割られた変位容積(ピストンの面積にピストンのストロークを掛けた値)は、エンジンの圧縮比に相当する。高圧縮比は、低温での燃料と空気の混合物の容易な点火を可能にし、低圧縮比は、高負荷における低シリンダー圧力を可能にし得る。圧縮比、空燃比、点火タイミング、及び他のエンジンパラメータの均衡によって、排気物質の制御と最適化燃費が促進され得る。
内燃機関10の圧縮比は、加圧流体を流体アクチュエータ30に導くことによって、変化され得る(図4を参照)。流体アクチュエータ30のピストン58への力の不均衡によって、流体アクチュエータ30は、シリンダー60に対して拡張又は収縮され、その結果、偏心ディスク26を時計方向又は半時計方向に回転させ得る。偏心ディスク26が半時計方向に回転されるとき、クランクシャフト16の回転軸56は位置「A」(図4を参照)に向かって平行移動し、これによって、ピストンアセンブリ14の「スキッシュ」容積を減少させ、内燃機関10の圧縮比を増大させ得る。偏心ディスク26が時計方向に回転されたとき、クランクシャフト16の回転軸56が位置「B」に向かって平行移動し、これによって、ピストンアセンブリ14の「スキッシュ」容積を増大させ、内燃機関10の圧縮比を減少させ得る。代替的に、偏心ディスク26の時計方向の回転が内燃機関10の圧縮比の増大をもたらし、偏心ディスク26の半時計方向の回転が内燃機関10の圧縮比を減少させ得ることも考えられる。
偏心ディスク26の全てが、エンジンブロック12によって完全に包囲かつ支持されているので、可変圧縮比機構18は、高出力密度用途に対して十分な強度を有している。さらに、偏心ディスク26を支持するエンジンブロック12の一部が、数個構成のハウジングよりむしろ単一の一体部分なので、可変圧縮比機構18を有するエンジンを作製するのに必要な部品の数が低減され、内燃機関10を作製するのに必要な製造プロセスとアセンブリプロセスが簡素化される。
可変圧縮比機構18は、1つの大きな中心に配置されたアクチュエータよりむしろ、各ディスクごとに個別のアクチュエータを含んでいるので、内燃機関10内の空間は空いた状態にあり、他のエンジンシステムに利用可能である。内燃機関10内のこの利用可能な空き空間は、他のエンジンシステムと関連する設計の融通性を増大させる。さらに、可変圧縮比機構18は、多数の流体アクチュエータ30を利用するので、無数の均衡の保たれた場所が流体アクチュエータ30を配置するのに利用可能であり、これによって、可変圧縮比機構18を用いる内燃機関10の設計の融通性をさらに増大させる。
開示された内燃機関と可変圧縮比機構に対して、種々の修正変形と変更形態がなされえることが、当業者にとって明らかであろう。開示された内燃機関と可変圧縮比機構の規定と実施を考慮すれば、他の実施形態も当業者にとって明らかであろう。この規定と実施例は、例示にすぎず、真実の範囲は、以下の特許請求の範囲とそれらの等価物によって示されることが意図されている。
開示された例示的内燃機関の断面図である。 図1の内燃機関用の開示された例示的な偏心リング/クランクシャフトアセンブリの分解図である。 図1の内燃機関用の可変圧縮比機構の断面図である。 図3の可変圧縮比機構の流体流れの概略図である。
符号の説明
10 内燃機関
12 エンジンブロック
14 ピストンアセンブリ
16 クランクシャフト
18 可変圧縮比機構
20 シリンダー
22 ピストンクラウン
24 コネクティングロッド
26 偏心ディスク
26a 第1半体(偏心ディスク)
26b 第2半体(偏心ディスク)
28 紐帯
30 流体アクチュエータ
32 スラスト軸受
34 クランク支持軸受
36 位置決めピン
38a 第1円筒部
38b 第2円筒部
39 固定具
40 溝
42 穴(第1半体偏心ディスク)
44 マニフォルド
46 流体通路
48 流体通路
50 ポート
52 ポート
54 共通回転軸(偏心ディスク)
56 回転軸(クランクシャフト)
58 ピストン
60 シリンダー
62 ロッド
64 第1液圧面
66 第2液圧面
68 シール部材
70 液圧システム
72 タンク
74 源
76 絞り弁
77 カウンターシャフト
78 流体通路
80 圧力逃し弁
82 流体通路
84 流体通路
86 流体通路
87 弁機構
88 逆止弁

Claims (5)

  1. エンジンブロックとクランクシャフトとを有するエンジン用の可変圧縮比機構において、
    クランクシャフトを支持するように構成された複数の偏心ディスクであって、複数の偏心ディスクの各々は、エンジンブロックによって環状に包囲された少なくとも1つの円筒部を有する偏心ディスクと、
    複数の偏心ディスクを回転させるように構成された少なくとも1つのアクチュエータと
    を含む可変圧縮比機構。
  2. エンジンブロックとクランクシャフトとを有するエンジン用の可変圧縮比機構において、
    クランクシャフトを支持するように構成された複数の偏心ディスクであって、偏心ディスクの各々は、
    溝を有する第1部材と、
    クランクシャフトの軸受を環状に取り囲むように、第1部材に接続可能な第2部材と、
    を有する偏心ディスクと、
    複数の偏心ディスクを回転させるように構成された少なくとも1つのアクチュエータであって、第1部材の溝内に延在し、第2部材と旋回可能に接続されるアクチュエータと
    を含む可変圧縮比機構。
  3. エンジンブロックとクランクシャフトとを有するエンジンの圧縮比を変化させる方法において、
    クランクシャフトを複数の偏心ディスクによって支持し、複数の偏心ディスクの各々は、エンジンブロックによって環状に包囲かつ支持された少なくとも1つの円筒部を有すること、及び
    複数の偏心ディスクを回転させること
    を含む方法。
  4. エンジンブロックとクランクシャフトとを有するエンジンの圧縮比を変化させる方法において、
    クランクシャフトを複数の偏心ディスクによって支持し、偏心ディスクの各々は、第1部材と、クランクシャフトの軸受を環状に取り囲むように第1部材に接続可能な第2部材を有すること、及び
    第1部材の溝内に延在し、第2部材に旋回可能に接続された少なくとも1つのアクチュエータを操作し、複数の偏心ディスクを回転させること
    を含む方法。
  5. エンジンであって、
    複数のシリンダーを画成するエンジンブロックと、
    エンジンブロック内に回転可能に配置されたクランクシャフトと、
    複数のシリンダーの各々内に滑動可能に配置され、クランクシャフトに旋回可能に接続されたピストンと、
    可変圧縮比機構と
    を含み、可変圧縮比機構は、
    クランクシャフトを支持するように構成された複数の偏心ディスクであって、複数の偏心ディスクの各々は、複数の偏心ディスクの少なくとも他の1つと固定して接続され、さらに
    第1部材と、
    クランクシャフトの軸受を環状に取り囲むように第1部材に接続可能な第2部材と、
    エンジンブロックによって環状に包囲された少なくとも1つの円筒部と
    を有する偏心ディスクと、
    第1部材の溝内に延在し、第2部材に旋回可能に接続され、複数の偏心ディスクを回転するように構成された少なくとも1つのアクチュエータであって、複数の偏心ディスクの回転によって、クランクシャフトが半径方向に平行移動され、これによって、エンジンの圧縮比を変化させるアクチュエータと、
    クランクシャフトと係合するように構成された少なくとも1つのスラスト軸受と
    を含むエンジン。
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