JP2006183478A - 内燃機関のピストン駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 可変圧縮比機構における機関圧縮比の設定状態に応じてピストンのストローク量を適正化し、出力・燃費の向上を図る。
【解決手段】 ピストンのストローク特性を変化させることにより機関圧縮比を変化させる可変圧縮比機構を備える。機関圧縮比が低い高負荷用の第１の設定状態Ｍ１では、機関圧縮比が高い低負荷用の第２の設定状態Ｍ２に比して、ピストンのストローク量が大きくなるように設定されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ピストンのストローク特性を変化させることにより機関圧縮比を変化させる可変圧縮比機構を備えた内燃機関のピストン駆動装置に関する。

特許文献１に記載されているように、本出願人は、ピストンとクランクシャフトのクランクピンとを複数のリンクにより連係し、ピストンのストローク特性を変化させることにより機関圧縮比を変化させる可変圧縮比機構を以前に提案している。
特開２００１−２２７３６７号公報

本発明は、ピストンのストローク特性を変化させることにより機関圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を備え、機関圧縮比やピストン上死点位置の異なる複数の設定状態で、ピストンのストローク量を適正化することにより、機関運転状態に応じて機関出力，燃費及び排気性能等の機関性能を適切に向上し得る新規な内燃機関のピストン駆動装置を提供することを主たる目的としている。

内燃機関のピストンのストローク特性を変化させることにより機関圧縮比を変化させる可変圧縮比機構を備える。機関圧縮比が低い第１の設定状態では、機関圧縮比が高い第２の設定状態に比して、ピストンのストローク量が大きくなるように設定されている。

ノッキングを生じることのない範囲で機関圧縮比をできるだけ高く設定することにより、ノッキングを生じることなく機関圧縮比を高めて熱効率を向上し、機関出力や燃費性能を向上することができる。従って、典型的には、高負荷域では圧縮比を低くし、低負荷域では圧縮比を高くする。

そして、高負荷域で好適に用いられる圧縮比の低い第１の設定状態では、ピストンのストローク量が相対的に大きくなるように設定されているため、吸入空気量（排気量）を高めて機関出力を向上することができる。一方、アイドルを含む低負荷域で好適に用いられる圧縮比の高い第２の設定状態では、ピストンのストローク量が相対的に小さくなるように設定されているため、吸入空気量を抑制して、スロットル損失等を抑制し、燃費の向上や排気エミッションの低下を図ることができる。

このように本発明では、機関圧縮比（ピストン上死点位置）に応じてピストンのストローク量を適切なものとすることにより、ノッキングを生じることなく、機関運転状態に応じて機関出力・燃費性能や排気性能を更に向上することができる。

以下、本発明に係る内燃機関のピストン駆動装置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。図１及び図２は、本発明に係る可変圧縮比機構１０の一例を示している。但し、本発明に係る各リンク要素の正確なレイアウトは図２に示すものであって、図１のレイアウトは必ずしも本発明に正確に適応したものではない。

この可変圧縮比機構１０は、クランクシャフト１のクランクピン２に回転可能に取り付けられたロアリンク１２と、シリンダブロック３のシリンダ４内に嵌合するピストン５とロアリンク１２とを連係するアッパリンク１１と、一端がロアリンク１２に相対回転可能に連結されるコントロールリンク１３と、このコントロールリンク１３の他端の揺動支点位置Ｊ４を機関固定要素の一部であるシリンダブロック３に対して変位させる可変手段と、により大略構成されている。

アッパリンク１１の上端とピストン５とはピストンピン１４によって相対回転可能に連結されている。アッパリンク１１の下端とロアリンク１２とは第１連結ピン１５により相対回転可能に連結されている。コントロールリンク１３の上端とロアリンク１２とは第２連結ピン１６によって相対回転可能に連結されている。上記可変手段は、クランクシャフト１と平行に気筒列方向に延びる制御軸１７と、この制御軸１７を回転駆動するモータ等のアクチュエータ（図示省略）と、を有し、この制御軸１７に偏心して設けられた制御偏心軸部１８に、コントロールリンク１３の他端が回転可能に取り付けられている。

図示しないエンジン制御部により機関運転状態に応じて上記アクチュエータを駆動制御して、制御軸１８の回転位置を変更することによって、コントロールリンク１３の揺動支点位置Ｊ４が機関本体に対して変位する。これりにより、コントロールリンク１３によるロアリンク１２の運動拘束条件が変化して、ピストン５のストローク特性が変化し、ピストン上死点位置や機関圧縮比が連続的に変化する。

このような可変圧縮比機構１０では、機関圧縮比を機関運転状態に応じて連続的・無段階に変更できることに加え、ピストンストローク特性そのものを好ましい特性、例えば単振動に近い特性へ近づけることができる。また、ロアリンク１２にコントロールリンク１３を接続することにより、制御軸１７及びそのアクチュエータ等の部品を比較的スペースに余裕のあるクランクシャフト７の斜め下方に配置することができ、機関搭載性にも優れている。

図１を参照して、第１ジョイントＪ１は、ピストン５とアッパリンク１１とのリンク連結中心であり、ピストンピン１４の軸心に相当する。第２ジョイントＪ２は、アッパリンク１１とロアリンク１２とのリンク連結中心であり、第１連結ピン１５の軸心に相当する。第３ジョイントＪ３は、ロアリンク１２とコントロールリンク１３とのリンク連結中心であり、第２連結ピン１６の軸心に相当する。第４ジョイントＪ４は、コントロールリンク１３の揺動支点位置であり、制御偏心軸部１８の軸心に相当する。

図２は、各ジョイントＪ１〜Ｊ４及びクランクピン２の中心の軌跡を示しており、図２（Ａ）は、機関要求負荷又はトルクが高い所定の高負荷域で用いられる第１の設定状態（制御軸１７の回転角度位置）Ｍ１を、図２（Ｂ）は、アイドル運転状態のように機関要求負荷又はトルクが低い所定の低負荷域で用いられる第２の設定状態Ｍ２を示している。図３は、各設定状態Ｍ１，Ｍ２におけるピストンストローク特性を示す特性図である。

図３に示すように、高負荷用の第１設定状態Ｍ１では、低負荷用の第２設定状態Ｍ２に比して、機関圧縮比が低く、ピストン上死点位置が低く、かつ、ピストンのストローク量が大きくなるように設定されている。このような設定状態Ｍ１，Ｍ２を実現するために、ピストン上死点ＴＤＣの高さの変化幅に対してピストン下死点ＢＤＣの高さの変化幅が大きくなるように設定されている。

ここで、「機関圧縮比」とは、周知のようにピストン上死点位置ＴＤＣでシリンダ４内に残存するすきま容積と、ピストン下死点位置ＢＤＣでのシリンダ４内の容積との比であり、特にピストン上死点位置ＴＤＣに大きく依存している。従って、高負荷用の設定状態Ｍ１では、機関圧縮比が相対的に低いにもかかわらずピストンストローク量（上死点ＴＤＣから下死点ＢＤＣまでの距離）を相対的に大きくすることができ、低負荷用の設定状態Ｍ２では、機関圧縮比が相対的に高いにもかかわらずピストンストローク量を相対的に小さくすることができるのである。

なお、高負荷用の設定状態Ｍ１では、機関圧縮比が例えば９〜１１、より具体的には約１０に設定され、低負荷用の設定状態Ｍ２では、機関圧縮比が例えば１４〜１６、より具体的には１５程度の非常に高い値に設定される。

このように本実施例では、ノッキングの発生を回避し得る範囲で機関圧縮比をできるだけ高くして熱効率を向上し、機関出力や燃費性能を向上するように、高負荷域では圧縮比の低い設定状態Ｍ１とし、低負荷域では圧縮比の高い設定状態Ｍ２としている。

そして、高負荷域の設定状態Ｍ１では、ピストンストローク量を相対的に大きくすることにより、吸入空気量（排気量）を大きくして、高負荷域での機関出力（最大出力）を更に向上することができる。また、低負荷域の設定状態Ｍ２では、ピストンストローク量を相対的に小さくして、吸入空気量を抑制し、スロットルを絞ることによるスロットル損失等を低減して、燃費の向上や排気エミッションの低下を図ることができる。つまり、機関圧縮比（ピストン上死点位置）の設定に応じてピストンのストローク量を適切なものとすることにより、ノッキングを生じることなく、機関運転状態に応じて機関出力・燃費性能や排気性能を効果的に向上することができる。

このような設定状態Ｍ１，Ｍ２を実現し得る特徴的なリンク配置・設定について以下に列記する。

（１）図２にも示すように、ピストン５のストローク量Ｖ１が大きい第１の設定状態Ｍ１では、ピストンのストローク量Ｖ２が小さい第２の設定状態Ｍ２に比して、アッパリンク１１とロアリンク１２との連結中心である第２ジョイントＪ２の描く軌跡（の中心）が、ピストン往復軸線Ｌ１から離れるように設定されている。逆に言えば、第２の設定状態Ｍ２では第１の設定状態Ｍ１に比して第２ジョイントＪ２の軌跡がピストン往復軸線Ｌ１に近づくように設定されている。

（２）ピストン５のストローク量Ｖ１が大きい第１の設定状態Ｍ１では、ピストンのストローク量Ｖ２が小さい第２の設定状態Ｍ２に比して、第２ジョイントＪ２の描く軌跡（の中心）が、ピストン５とアッパリンク１１との連結中心である第１ジョイントＪ１とクランクシャフト１の回転中心１Ａとを結ぶ線Ｌ２（図１参照）から離れるように設定されている。逆に言えば、第２の設定状態Ｍ２では第１の設定状態Ｍ１に比して第２ジョイントＪ２の描く軌跡が線Ｌ２に近づくように設定されている。

（３）ピストン５のストローク量Ｖ１が大きい第１の設定状態Ｍ１では、ピストン５のストローク量Ｖ２が小さい第２の設定状態Ｍ２に比して、ロアリンク１２とコントロールリンク１３との連結中心である第３ジョイントＪ３の描く軌跡（の中心）が、クランクシャフト１の中心１Ａを通ってピストン往復軸線と直交する線Ｌ３から離れるように設定されている。逆に言えば、第２の設定状態Ｍ２では第１の設定状態Ｍ１に比して第３ジョイントＪ３の軌跡が上記の線Ｌ３に近づくように設定されている。

（４）低圧縮比・大ストロークである高負荷用の第１設定状態Ｍ１では、高圧縮比・小ストロークである低負荷用の第２設定状態Ｍ２に比して、第４ジョイントＪ４が上方に位置する。また、図２において、第１設定状態Ｍ１では、第３ジョイントＪ３の揺動領域がクランクシャフト１の中心１Ａに対して図中の左上に位置し、第２ジョイントＪ２の軌跡がクランクシャフト１の中心１Ａに対して図中の右上に位置する。従って、この高負荷用の第１設定状態Ｍ１では、低負荷用の第２設定状態Ｍ２に比して、ピストンストローク特性が図３で上下に長い特性となり、第１ジョイントＪ１の軌跡は長くなり、ピストンストローク量（排気量）Ｖ１は大きくなる。

（５）高圧縮比・小ストロークである低負荷用の第２設定状態Ｍ２では、高負荷用の第１設定状態Ｍ１に比して、第４ジョイントＪ４が図中の下方に位置する。また、図２において、第２設定状態Ｍ２では、第３ジョイントＪ３の揺動領域がクランクシャフト中心１Ａのほぼ左側方に位置し、第２ジョイントＪ２の軌跡がクランクシャフト中心１Ａのほぼ上方に位置する。従って、この低負荷用の第２設定状態Ｍ２では、高負荷用の第１設定状態Ｍ１に比して、ピストンストローク特性が図３で左右に長い特性となり、ピストン行程である第１ジョイントＪ１の軌跡は短くなり、ピストンストローク量（排気量）Ｖ２は小さくなる。

可変圧縮比機構を模式的に示す断面対応図。 本発明の一実施例に係る可変圧縮比機構の２つの設定状態Ｍ１，Ｍ２を示す説明図。 上記２つの設定状態Ｍ１，Ｍ２でのピストンストローク特性を示す特性図。

符号の説明

１…クランクシャフト
２…クランクピン
５…ピストン
１０…可変圧縮比機構
１１…アッパリンク
１２…ロアリンク
１３…コントロールリンク
１７…制御軸（可変手段）
１８…制御偏心軸部（可変手段）

Claims (7)

1. 内燃機関のピストンのストローク特性を変化させることにより機関圧縮比を変化させる可変圧縮比機構を備え、
   機関圧縮比が低い第１の設定状態では、機関圧縮比が高い第２の設定状態に比して、ピストンのストローク量が大きくなるように設定されていることを特徴とする内燃機関のピストン駆動装置。
2. 内燃機関のピストンのストローク特性を変化させることにより機関圧縮比を変化させる可変圧縮比機構を備え、
   ピストン上死点位置が低い第１の設定状態では、ピストン上死点位置が高い第２の設定状態に比して、ピストンのストローク量が大きくなるように設定されていることを特徴とする内燃機関のピストン駆動装置。
3. 高負荷域では上記第１の設定状態が用いられ、低負荷域では上記第２の設定状態が用いられることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関のピストン駆動装置。
4. 上記可変圧縮比機構が、クランクシャフトのクランクピンに取り付けられたロアリンクと、このロアリンクとピストンとを連係するアッパリンクと、一端がロアリンクに連結されるコントロールリンクと、このコントロールリンクの他端の揺動支点位置を機関固定要素に対して変位させる可変手段と、を有する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ピストン駆動装置。
5. 上記第１の設定状態では、上記第２の設定状態に比して、アッパリンクとロアリンクとの連結中心の描く軌跡が、ピストン往復軸線から離れていることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関のピストン駆動装置。
6. 上記第１の設定状態では、上記第２の設定状態に比して、アッパリンクとロアリンクとの連結中心の描く軌跡が、ピストンとアッパリンクとの連結中心とクランクシャフトの回転中心とを結ぶ線から離れていることを特徴とする請求項４又は５に記載の内燃機関のピストン駆動装置。
7. 上記第１の設定状態では、上記第２の設定状態に比して、ロアリンクとコントロールリンクとの連結中心の描く軌跡が、クランクシャフトの中心を通ってピストン往復軸線と直交する線から離れていることを特徴とする請求項４〜６のいずれかに記載の内燃機関のピストン駆動装置。
   

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