JP2007247536A

JP2007247536A - 内燃機関の可変圧縮比機構

Info

Publication number: JP2007247536A
Application number: JP2006072015A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Aoyama; 俊一青山; Katsuya Mogi; 克也茂木; Yoshiaki Tanaka; 儀明田中; Shinichi Takemura; 信一竹村; Narifumi Sugawara; 済文菅原; Akira Sakata; 晃坂田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2026-03-16
Also published as: JP4491426B2

Abstract

【課題】制御性と信頼性が改善された内燃機関の可変圧縮比機構を提供する。
【解決手段】アクチュエータ３０により制御軸２３を回転させ、制御軸２３の回転に伴う制御リンク２５の揺動中心位置の相対的な位置変化により機関圧縮比を可変制御する内燃機関の可変圧縮比機構において、アクチュエータ３０は、アクチュエータシャフト３２と、台形ねじ部４１（ねじ機構）を介してアクチュエータシャフト３２と係合するアクチュエータシャフト駆動部材３４とを有するものであって、エンジン低速回転時には、台形ねじ部４１に作用する力の向きは一定で、台形ねじ部４１に作用する力の大きさが時間と伴に変化し、エンジン高速回転時には、台形ねじ部４１に作用する力の向き及び力の大きさが時間と伴に変化するよう設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の可変圧縮比機構に関する。

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。
特開２００１−２２７３６７号公報

しかしながら、このような複リンク式のピストン−クランク機構は、構成部品の潤滑性、カム機構を駆動するアクチュエータの消費電力を最小限に抑え、かつフェールセーフを確保することが大きな課題となる。また、その一方で、従来からある単リンク式のピストン−クランク機構からは大幅に拡大した機構設定の自由度が有り、ポイントを押さえた設計とすることにより、機構の信頼性を確保し、摩擦損失も最小限に押さえたコンパクトな機構の実現が可能となる。本願発明は、このような観点から複リンク式のピストン−クランク機構の制御性と信頼性が改善された内燃機関の可変圧縮比機構を提供するものである。

本発明は、アクチュエータにより制御軸を回転させ、制御軸の回転に伴う制御リンクの揺動中心位置の相対的な位置変化により機関圧縮比を可変制御する内燃機関の可変圧縮比機構において、アクチュエータは、アクチュエータシャフトと、ねじ機構を介してアクチュエータシャフトと係合するアクチュエータシャフト駆動部材とを有するものであって、エンジン低速回転時には、ねじ機構に作用する力の向きは一定で、ねじ機構に作用する力の大きさが時間と伴に変化し、エンジン高速回転時には、ねじ機構に作用する力の向き及び力の大きさが時間と伴に変化するよう設定されている。

本発明によれば、エンジン低速回転時には、ねじ機構に作用する摩擦係数を境界潤滑特有の０．１〜０．２程度の値に維持され、エンジン高速回転時には、ねじ摺動面間の潤滑油はいわゆる絞り膜作用を受け、ねじ摺動面同士の接近時には油膜圧力が急上昇することによって接触が阻まれることになり、擦係係数は流体潤滑時のオーダ（例えば０．０１程度）になり、境界潤滑時とは桁違いの低摩擦状態となる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る内燃機関の可変圧縮比機構の概略を模式的に示した説明図である。

シリンダブロック１１には、各気筒毎に円筒状のシリンダ１２が形成されると共に、各シリンダ１２の周囲にウォータージャケット１３が形成されている。各シリンダ１２内にはピストン１４が昇降可能に配設されており、各ピストン１４のピストンピン１５と、クランクシャフト１６のクランクピン１７とは、複リンク式のピストン−クランク機構である可変圧縮比機構を介して機械的に連携されている。尚、１８はカウンターウエイトである。

上記の可変圧縮比機構は、クランクピン１７に相対回転可能に外嵌するロアーリンク２１と、このロアーリンク２１とピストンピン１５とを連携するアッパーリンク２２と、クランクシャフト１６と平行に気筒列方向へ延びる制御軸２３と、この制御軸２３に偏心して設けられた偏心カム２４と、この偏心カム２４とロアーリンク２１とを連携する制御リンク２５と、制御軸２３を所定の制御範囲内で回転駆動すると共に、所定の回転位置に保持する駆動手段としてのアクチュエータ３０と、を備えている。

ロッド状をなすアッパーリンク２２の上端部はピストンピン１５に相対回転可能に連結されており、下端部は連結ピン２６を介してロアーリンク２１に相対回転可能に連結されている。制御リンク２５の一端はロアーリンク２１に連結ピン３８を介して相対回転可能に連結されており、制御リンク２５の他端は偏心カム２４に相対回転可能に外嵌されている。

また、ピストン１４のストローク特性は、上記の複リンク式の可変圧縮比機構において、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となるよう設定されている。換言すれば、ピストン１４の加速度が上死点と下死点で略同じ大きさとなるよう設定されている。

アクチュエータ３０は、ケーシング３１内に進退可能に配設されるアクチュエータシャフト３２と、このアクチュエータシャフト３２の基端側（後端）の内周面に形成された雌ねじ部３６に螺合する雄ねじ部３３が先端側の外周面に形成されたロッド状のアクチュエータシャフト駆動部材３４と、を有している。つまり、アクチュエータシャフト３２の基端側は、略筒状を呈し、その内周面に雌ねじ部３６が形成されている。そして、雄ねじ部３３及び雌ねじ部３６は、台形ねじに形成されており、アクチュエータ３０内には、この雄ねじ部３３及び雌ねじ部３６によりねじ機構としての台形ネジ部４１が構成されている。この台形ネジ部４１は、制御軸２３からの荷重の保持と、アクチュエータシャフト３２の軸方向への移動制御機能を併せ持っている。また、アクチュエータシャフト駆動部材３４は、台形ネジ部４１を介してアクチュエータシャフト３２と係合し、アクチュエータシャフト３２の円周方向に回転可能となっている。

ケーシング３１には、台形ネジ部４１に供給される潤滑油の給油口４２が形成されている。この給油口４２には、オイルポンプ４３によってオイルパン４４から汲み上げられた潤滑油が油圧制御弁としての電磁弁４５を介して導入されている。この電磁弁４５は、エンジン高速回転時に台形ネジ部４１に供給される給油量が多くなるよう制御されており、エンジン高速回転時に、台形ネジ部４１の油膜構成を容易できると共に、アクチュエータシャフト駆動部材３４の駆動源である電動モータ（図示せず）の通電不良のような場合には自動的に低圧縮比側にアクチュエータシャフト３２が戻る作用が強化されている。給油口４２に導入された潤滑油は、ケーシング３１及びアクチュエータシャフト３２に形成された給油路４６を経て台形ネジ部４１に供給されている。

アクチュエータシャフト駆動部材３４は、図外の制御部（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電動モータにより回転駆動され、エンジン運転条件に応じて、例えば図２に示すような圧縮比特性となるように制御軸２３回転位置を制御する。

アクチュエータシャフト３２には、大きな荷重が加わる。例えば上死点付近では、ピストンには慣性力（上死点で最大）とガス圧力が作用する。いずれもピストン荷重となり、ロアリンク２１、制御リンク２５を介して、力学のルールに従って荷重がアクチュエータシャフト３２にも配分される。この荷重は運転条件にもよるが最大数百キログラムにも達する大荷重であり、これを保持し、必要な場合にはこの荷重に抗してアクチュエータシャフト３２を移動させ、制御リンク２５の支点を変えて、圧縮比を応答遅れなしに最適制御する必要がある。

そこで、本実施形態においては、アクチュエータシャフト３２とアクチュエータシャフト駆動部材３４との間の動力伝達が、アクチュエータシャフト３２の雌ねじ部３６とアクチュエータシャフト駆動部材３４の雄ねじ部３３とからなる台形ネジ部４１によって行われている。

台形ネジは、大きな減速比が得られる他に、軸方向の大荷重を支えるねじ摺動面を大きくとれるメリットがある。また、減速比と摩擦係数の関係を適切に設定することで、軸方向の荷重に対し、摩擦力のみで支えることが可能であるため、単に同じ圧縮比に継続して保持する場合、アクチュエータシャフト駆動部材３４の駆動源である電動モータの消費電力をほとんどゼロにすることができる。

ところで、本実施形態において、台形ネジ部４１に加わる荷重（ネジ歯面荷重）は、エンジン低速回転時では筒内のガス圧が主体となり、エンジン高速回転時ではピストン１４の慣性力が主体となる。ガス圧の場合、ピストン１４にはクランクシャフト１６軸方向の一方向荷重が作用することとなるため、エンジン低速回転時に台形ネジ部４１に加わる荷重はやはり一方向荷重となる（図１おけるアクチュエータシャフト３２に引っ張り荷重が加わる）。換言すれば、エンジン低速回転時に台形ネジ部４１には、力の加わる方向は同じで力の大きさが時間とともに変化するいわゆる片振り荷重が作用する。つまり、台形ネジ部４１にも図３、図４に示すように一方向の変動荷重（片振り荷重）が作用する。このような場合、台形ネジ部４１のねじ摺動面は面圧は変動するものの常時接触しているため、ねじ摺動面に油膜が構成されても吸着分子程度の境界膜であり、摩擦係数は表面性状によっても異なるが、台形ネジ部４１のリード角を適宜設定し、境界潤滑特有の０．１〜０．２程度の値に維持することは比較的容易である。

一方、エンジン中・高速回転時には、慣性力が回転数の２乗に比例して増大してくるため、アクチュエータシャフト３２には引っ張りだけではなく圧縮荷重も作用するようになる。換言すれば、力の加わる方向と力の大きさが時間とともに変化するいわゆる両振り荷重がアクチュエータシャフト３２に作用することになる。つまり、台形ネジ部４１おけるねじ摺動面間の距離が常時変化し、一方向にのみ押しつけられている状況とは異なってくる。このような場合、ねじ摺動面間の潤滑油はいわゆる絞り膜作用を受け、ねじ摺動面同士の接近時には油膜圧力が急上昇することによって、接触が阻まれることになる。変動荷重下での滑り軸受の潤滑原理そのものである。このように油膜が構成されると摩擦係数は流体潤滑時のオーダ（例えば０．０１程度）になり、境界潤滑時とは桁違いの低摩擦状態となる。この条件では摩擦によるアクチュエータシャフト３２の保持は困難であり、圧縮比を維持しようとすると、アクチュエータシャフト３２の駆動源となる電動モータは、アクチュエータシャフト３２を保持するために電力消費を余儀なくされる。このような慣性力はピストン１４のストローク特性に大きく依存するため、例えば、図５に示すようにな単振動に近いストローク特性とすることで、ピストン加速度が平準化され、従来のストローク特性（単振動に近くないストローク特性）に対し、上死点側の慣性力（従来は下死点側の２倍）を減らすことができる。

そして、上死点側の慣性力を減らすことで、台形ネジ部４１に加わる荷重が一方向荷重となる運転領域を大幅に拡大することができる。これにより、図６に示すように、エンジン中速回転時においても、台形ネジ部４１に加わる荷重を一方向荷重（片振り荷重）とすることができ、使用頻度の高い運転領域の大半の条件で、アクチュエータシャフト３２の駆動源となる電動モータの消費電力をほとんどゼロにすることができる。尚、図７は、ピストン１４のストローク特性を従来のストローク特性（単振動に近くないストローク特性）とした場合に台形ネジ部４１に加わる荷重の特性を示したものであり、従来のストローク特性では、エンジン中速回転時に一方向ではなく両方向（アクチュエータシャフト３２の引っ張り方向と圧縮方向の両方）の荷重（両振り荷重）が台形ネジ部４１に加わる。

エンジン高速回転時は、ピストン１４の慣性力の急増に伴い、図８及び図９に示すように、台形ネジ部４１には両方向（アクチュエータシャフト３２の引っ張り方向と圧縮方向の両方）の荷重（両振り荷重）が作用する。

図１０は、上述した台形ネジ部４１のリード角を模式的に示した説明図である。リード角は、基本的には、減速比に大きな影響を与えるため、リード角の小さなネジで減速比を大きくとり、摩擦係数をある範囲（所定範囲）とすれば、小さなモータをアクチュエータシャフト３２の駆動源となる電動モータに適用しても、十分な応答性と省電力保持が可能となる。

具体的には、いわゆる片振り荷重が台形ネジ部４１に作用するエンジン低速回転時及び中速回転時に雄ねじ部３３と雌ねじ部３６との間で滑りが生じないように、図１１に示すように、台形ネジ部４１の摩擦係数μと、台形ネジ部４１のリード角θとが、μ＞ｔａｎθとなるように設定される。詳述すると、台形ネジ部に作用する荷重をＦとすると、台形ネジ部４１に作用する摩擦力ＦＴは、ＦＴ＝μ・ＦＮ＝μ・Ｆｃｏｓθとなる。一方、摩擦力ＦＴと反対方向に作用する滑り方向の荷重成分Ｆｍは、Ｆｍ＝Ｆｓｉｎθとなる。

そこで、摩擦力ＦＴが滑り方向の荷重成分Ｆｍよりも大きくなるように、台形ネジ部４１の摩擦係数μと、台形ネジ部４１のリード角θを設定すると、ＦＴ＝μ・Ｆｃｏｓθ＞Ｆｍ＝Ｆｓｉｎθとなり、上述したμ＞ｔａｎθなる条件が導かれる。

尚、上述した実施形態においては、アクチュエータシャフト３２に雌ねじ部３６を形成し、アクチュエータシャフト駆動部材３４に雄ねじ部３３を形成しているが、アクチュエータシャフト３２に雄ねじ部を形成し、アクチュエータシャフト駆動部材３４に雌ねじ部を形成し、両者を螺合させるようにしてもよい。

上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１）ピストンにピストンピンを介して連結されるアッパーリンクと、アッパーリンクとクランクシャフトのクランクピンとに連結されるロアリンクと、気筒列方向に沿ってクランクシャフトと略平行に延びる制御軸と、一端が制御軸に揺動可能に連結され、他端がロアリンクに連結される制御リンクと、アクチュエータシャフトの往復運動を用いて制御軸を回転駆動するアクチュエータと、を有し、制御軸に対する制御リンクの揺動中心を制御軸の回転中心から偏心させ、制御軸の回転に伴う制御リンクの揺動中心位置の相対的な位置変化により機関圧縮比を可変制御する内燃機関の可変圧縮比機構において、アクチュエータは、アクチュエータシャフトと、ねじ機構を介してアクチュエータシャフトと係合し、アクチュエータシャフトの円周方向に回転可能なアクチュエータシャフト駆動部材と、有し、アクチュエータシャフト駆動部材を回転駆動させることによってアクチュエータシャフトを往復運動させるものであって、アクチュエータシャフトとアクチュエータシャフト駆動部材との間に介在するねじ機構は、制御軸からの荷重の保持とアクチュエータシャフトの軸方向への移動制御機能を併せ持ち、エンジン低速回転時には、ねじ機構に作用する力の向きは一定で、ねじ機構に作用する力の大きさが時間と伴に変化し、エンジン高速回転時には、ねじ機構に作用する力の向き及び力の大きさが時間と伴に変化するよう設定されている。これによって、エンジン低速回転時には、ねじ機構に作用する摩擦係数を境界潤滑特有の０．１〜０．２程度の値に維持され、エンジン高速回転時には、ねじ摺動面間の潤滑油はいわゆる絞り膜作用を受け、ねじ摺動面同士の接近時には油膜圧力が急上昇することによって接触が阻まれることになり、擦係係数は流体潤滑時のオーダ（例えば０．０１程度）になり、境界潤滑時とは桁違いの低摩擦状態となる。

（２）上記（１）に記載の内燃機関の可変圧縮比機構は、具体的には、ねじ機構は、アクチュエータシャフトに形成された雄ねじ部と、アクチュエータシャフト駆動部材に形成された雌ねじ部と、を螺合させることによって構成され、エンジン低速回転時に雄ねじ部と雌ねじ部との間で滑りが生じないように、雄ねじ部及び雌ねじ部の各ねじ摺動面の摩擦係数及びリード角が設定されている。これによって、アクチュエータシャフト駆動部材の駆動源に小さなモータに適用しても、この小さなモータによるアクチュエータシャフトの回転制御の十分な応答性とアクチュエータシャフトの省電力保持が可能となる。

（３）上記（２）に記載の内燃機関の可変圧縮比機構は、より具体的には、ねじ機構におけるリード角をθ、摩擦係数をμとした際に、リード角θと摩擦係数μがμ＞ｔａｎθとなる関係を満たすように設定されている。

（４）上記（１）〜（３）のいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比機構は、より具体的には、ピストンストローク特性が単振動に近いストローク特性である。これによって、ピストン加速度が平準化され、上死点側の慣性力を相対的に減らすことができる。

（５）上記（１）〜（３）のいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比機構は、より具体的には、ピストンの加速度が上死点と下死点で略同じ大きさとなるよう設定されている。これによって、ピストン加速度が平準化され、上死点側の慣性力を相対的に減らすことができる。

（６）上記（１）〜（５）のいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比機構は、より具体的には、ねじ機構は、ねじ摺動面に潤滑油を供給する給油路を有する。

（７）上記（６）に記載の内燃機関の可変圧縮比機構は、より具体的には、給油路に油圧制御弁が介装され、エンジン高速回転時に給油量を増大させる。これによって、エンジン高速回転時に、ねじ摺動面に油膜構成を容易できると共に、アクチュエータシャフト駆動部材の駆動源に異常があるような場合には自動的に低圧縮比側にアクチュエータシャフトが戻る作用が強化される。

本発明に係る内燃機関の可変圧縮比機構の概略を模式的に示した説明図。圧縮比制御特性を示す特性図。エンジン低速回転時におけるアクチュエータの台形ネジ部の状態を模式的に示した説明図。エンジン低速回転時におけるアクチュエータの台形ネジ部に作用するネジ歯面荷重特性を示す特性図。可変圧縮比機構となる複リンク式ピストン−クランク機構のピストンストローク特性を示す特性図。エンジン中速回転時でピストンのストローク特性を単振動に近いストローク特性とした場合におけるアクチュエータの台形ネジ部に作用するネジ歯面荷重特性を示す特性図。エンジン中速回転時でピストンのストローク特性を単振動に近いストローク特性としない場合におけるアクチュエータの台形ネジ部に作用するネジ歯面荷重特性を示す特性図。エンジン高速回転時におけるアクチュエータの台形ネジ部の状態を模式的に示した説明図。エンジン高速回転時におけるアクチュエータの台形ネジ部に作用するネジ歯面荷重特性を示す特性図。台形ネジ部のリード角を模式的に示した説明図。摩擦力ＦＴが滑り方向の荷重成分Ｆｍよりも大きくなるように台形ネジ部の摩擦係数μと、台形ネジ部のリード角θを設定した際の耐滑り限界への影響を示す説明図。

符号の説明

３０…アクチュエータ
３２…アクチュエータシャフト
３４…アクチュエータシャフト駆動部材
４１…台形ネジ部（ねじ機構）

Claims

ピストンにピストンピンを介して連結されるアッパーリンクと、アッパーリンクとクランクシャフトのクランクピンとに連結されるロアリンクと、気筒列方向に沿ってクランクシャフトと略平行に延びる制御軸と、一端が制御軸に揺動可能に連結され、他端がロアリンクに連結される制御リンクと、アクチュエータシャフトの往復運動を用いて制御軸を回転駆動するアクチュエータと、を有し、制御軸に対する制御リンクの揺動中心を制御軸の回転中心から偏心させ、制御軸の回転に伴う制御リンクの揺動中心位置の相対的な位置変化により機関圧縮比を可変制御する内燃機関の可変圧縮比機構において、
アクチュエータは、アクチュエータシャフトと、ねじ機構を介してアクチュエータシャフトと係合し、アクチュエータシャフトの円周方向に回転可能なアクチュエータシャフト駆動部材と、有し、アクチュエータシャフト駆動部材を回転駆動させることによってアクチュエータシャフトを往復運動させるものであって、
アクチュエータシャフトとアクチュエータシャフト駆動部材との間に介在するねじ機構は、制御軸からの荷重の保持とアクチュエータシャフトの軸方向への移動制御機能を併せ持ち、
エンジン低速回転時には、ねじ機構に作用する力の向きは一定で、ねじ機構に作用する力の大きさが時間と伴に変化し、
エンジン高速回転時には、ねじ機構に作用する力の向き及び力の大きさが時間と伴に変化するよう設定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。
ねじ機構は、アクチュエータシャフトに形成された雄ねじ部と、アクチュエータシャフト駆動部材に形成された雌ねじ部と、を螺合させることによって構成され、
エンジン低速回転時に雄ねじ部と雌ねじ部との間で滑りが生じないように、雄ねじ部及び雌ねじ部の各ねじ摺動面の摩擦係数及びリード角が設定されてい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。
ねじ機構におけるリード角をθ、摩擦係数をμとした際に、リード角θと摩擦係数μがμ＞ｔａｎθとなる関係を満たすように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の可変圧縮比機構。
ピストンストローク特性が単振動に近いストローク特性であ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可変圧縮比機構。
ピストンの加速度が上死点と下死点で略同じ大きさとなるよう設定されてい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可変圧縮比機構。
ねじ機構は、ねじ摺動面に潤滑油を供給する給油路を有すことを特徴とする請求項１〜５にいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比機構。
給油路には、油圧制御弁が介装され、エンジン高速回転時に給油量を増大させることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の可変圧縮比機構。