JP2008286007A - 可変圧縮比機構 - Google Patents

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Abstract

【課題】アクチュエータに作用する荷重を低減してアクチュエータ等の小型化を図る。
【解決手段】ピストン1とクランクシャフト5とを機械的に連係する複数のリンク2、3と、クランクシャフト5と略平行に延びる制御軸6、7と、その偏心軸6b、7bと、両端がそれぞれ異なる偏心軸に回転可能に連結された連結リンク8と、一端がロアリンク3に回転可能に連結され他端が偏心軸6bに回転可能に連結されたコントロールリンク4と、制御軸6、7の少なくとも一つに備えられた駆動手段17と、制御軸6、7を所定の回転位置に保持し得る保持手段18、19とを有し、制御軸6、7が回転することにより圧縮比が連続的に低下又は増加する可変圧縮比機構であって、主軸6a、7aがエンジンブロックに回転可能に支持されていることにより、コントロールリンク4から偏心軸6bに作用する荷重を前記複数の制御軸で分担して受ける。
【選択図】図1

Description

本発明は、可変圧縮比機構に関し、特に、可変圧縮比機構を駆動するアクチュエータに作用する荷重を低減するための構成に関する。
内燃機関の可変圧縮比機構として、ピストンとクランクとを複数のリンクを介して連結するものが知られている。例えば、特許文献1には、ピストンとクランクとがアッパーリンク及びロアリンクを介して連結され、ロアリンクの姿勢を制御することで圧縮比を可変に制御している。
具体的には、一端がロアリンクに連結され、他端がクランクシャフトと略平行に延びる制御軸に設けた偏心軸に連結されたロアリンクを備え、制御軸の回転角(コントロールシャフト角度)を変化させることによりコントロールリンクを介してロアリンクの姿勢を制御している。
そして、制御軸の回転角の制御は、制御軸に一体に設けたフォークと、ボールネジシャフト部を備え当該フォークに連結ピンを介して連結されるアクチュエータロッドと、駆動モータおよびボールネジ減速機と、燃焼圧等の外力が作用したときにも設定した圧縮比を保持するための圧縮比保持機構とからなるアクチュエータにより行っている。
特開2002−115571号公報
ところで、特許文献1に開示された構成では、燃焼圧や各リンクの慣性力等がコントロールリンクを介して制御軸の回転軸から偏心した位置に作用するので、制御軸には回転トルクが作用する。このため、制御軸に連結されたアクチュエータロッドにも荷重が作用する。
ところで、特許文献1に開示された構成のようにフォークを用いて制御軸を回転させる場合には、コントロールシャフト角度の可変幅が90度以下であれば、アクチュエータロッドと制御軸との連結位置の設定次第で、アクチュエータロッドに作用する荷重のアクチュエータロッドを曲げる方向の分力(曲げ方向分力)が常にアクチュエータロッドの軸方向の分力(軸方向分力)よりも小さくすることができる。
一方、可変幅が90度を超える場合には、曲げ方向分力の方が軸方向分力よりも大きくなることを回避できなくなるので、アクチュエータロッドの曲げ剛性を高める必要がある。
しかし、アクチュエータを配置可能なスペースには制限があるため、曲げ剛性の向上は制限され、曲げ剛性に応じてエンジン回転・負荷が制限されるという問題がある。
また、曲げ方向分力によってアクチュエータロッドに曲げ変形が生じると、圧縮比がずれたり、アクチュエータロッドの支持部におけるフリクションの増大により圧縮比変化の応答性が悪化するという問題もある。
そこで、本発明では、上記問題を解決するため、アクチュエータロッドに作用する荷重を低減することを目的とする。
本発明の可変圧縮比機構は、ピストンのピストンピンとクランクシャフトのクランクピンとを機械的に連係する複数のリンクと、前記クランクシャフトと略平行に延びる複数の制御軸と、前記複数の制御軸にそれぞれ偏心して設けられた偏心軸と、両端がそれぞれ異なる前記偏心軸に回転可能に連結された連結リンクと、一端が前記複数のリンクの一に回転可能に連結されるとともに、他端が前記偏心軸のいずれか一つ又は前記連結リンクに回転可能に連結されたコントロールリンクと、前記制御軸の少なくとも一つに備えられ所定の制御範囲内で当該制御軸を回転駆動する駆動手段と、前記制御軸を所定の回転位置に保持し得る保持手段と、を有し、前記制御軸が回転することにより圧縮比が連続的に低下又は増加する可変圧縮比機構であって、前記複数の制御軸の主軸部分がエンジンブロックに回転可能に支持されていることにより、前記コントロールリンクから前記偏心軸の一又は前記連結リンクに作用する荷重を前記複数の制御軸で分担して受ける。
本発明によれば、複数の制御軸で燃焼荷重や各運動部品の慣性力を分担して受けることで、制御軸1本当りに作用するコントロールシャフトトルクが低減するので、駆動手段及び保持手段からなるアクチュエータのアクチュエータロッドに作用する最大荷重を低減することができる。これにより、上記問題を解決することができる。
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は第1実施形態に適用する複リンク式可変圧縮比機構の概略構成図であり、図1(a)は最高圧縮比時、図1(b)は最低圧縮比時の様子を表した図である。なお、図1においては、可変圧縮比機構を駆動する機構及び設定した圧縮比を保持する保持機構については省略している。
また、複リンク式可変圧縮比機構は、後述する複数のコントロールシャフト部分を除いて、その構成、圧縮比が変化するメカニズム及び圧縮比制御方法等は公知の複リンク式可変圧縮比機構(例えば特開2002−115571号公報等)と同様なので、詳細な説明は省略する。
1はピストン、2はアッパーリンク、3はロアリンク、4はコントロールリンク、5はクランクシャフト、6は第1コントロールシャフト、7は第2コントロールシャフト、8は連結リンクである。
ピストン1は、図示しないシリンダブロックのシリンダ内に往復動可能に収められている。第1コントロールシャフト6及び第2コントロールシャフト7はクランクシャフト5と略平行に気筒列方向に延びている。ロアリンク3はクランクシャフト5のクランクピン5aに相対回転可能に連結されている。なお、クランクシャフト5は図中反時計回りに回転するものとする。
アッパーリンク2は、上端がピストンピン1aに、下端がロアリンク3に、それぞれピストンピン1a、連結ピン9を介して相対回転可能に連結されている。
コントロールリンク4は、上端がロアリンク3に連結ピン10を介して、下端が第1コントロールシャフト6に、それぞれ相対回転可能に連結されている。なお、コントロールリンク4は第1コントロールシャフト6の主軸6aから偏心した位置(偏心軸)6bに連結されている。
連結リンク8は、一端が第1コントロールシャフト6の偏心軸6bに、他端が第2コントロールシャフト7の主軸7aから偏心した位置(偏心軸)7bに、いずれも相対回転可能に連結されている。
なお、コントロールリンク4が連結される偏心軸6bと連結リンク8が連結される偏心軸6bは後述する図2に示すように異なる位置にあるが、エンジンフロント側から見た場合に主軸6aに対して同じ位置に偏心しているので、いずれも便宜上偏心軸6bとする。
本実施形態では、後述するアクチュエータを用いて、第1コントロールシャフト6又は第2コントロールシャフト7を駆動する。これにより、第1コントロールシャフト6とコントロールリンク4を介して連結されているロアリンク3はクランクピン5aを軸として傾き、ロアリンク3とアッパーリンク2を介して連結されるピストン1の位置が変化する。
なお、第1コントロールシャフト6が図中時計回りに回転すると、ロアリンク3も図中時計回りに回転してピストン1の上死点位置は下降し、ロアリンク3の図中時計回り方向の傾きが最大になったときに図1(b)に示すように最低圧縮比となる。一方、第1コントロールシャフト6が図中反時計回りに回転すると、ロアリンク3も図中反時計回りに回転してピストン1の上死点位置は上昇し、ロアリンク3の図中反時計回り方向の傾きが最大になったときに図1(a)に示すように最高圧縮比となる。
図2(a)は、第1コントロールシャフト6及び第2コントロールシャフト7の周辺をエンジン側方から見た図、図2(b)は同じくエンジン正面から見た図である。
11はフォーク部材、12は連結ピン、16は駆動側減速機構、17は電動モータ、18は駆動側角度保持機構、19は非駆動側減速機構、20は非駆動側角度保持機構である。
図2(a)に示すように、1本の第1コントロールシャフト6に同一気筒列の全気筒のコントロールリンク4が連結され、第2コントロールシャフト7は少なくとも1本の連結リンク8で第1コントロールシャフト6と連結されている。
第1コントロールシャフト6にはフォーク部材11が固定支持されており、このフォーク部材11に連結ピン12を介して後述するアクチュエータロッド13が連結される。
駆動側角度保持機構18は、基端側の一部がボールネジシャフトと一体に成形されたアクチュエータロッド13と、外周の一部が平歯車状に成形されたボールネジナット14とからなり、アクチュエータロッド13の先端付近が連結ピン12を介してフォーク部材11と連結されている。ボールネジナット14は、外周に設けた平歯車と係合する平歯車15aと、平歯車15aと係合し電動モータ17のシャフトに支持される平歯車15bとを介して電動モータ17により回転駆動され、これによりアクチュエータロッド13が進退し、フォーク部材11を介して第1コントロールシャフト6を回転させる。
また、電動モータ17と駆動側角度保持機構18との間には駆動側角度保持機構18が介装される。
駆動側角度保持機構18は後述する非駆動側角度保持機構20と同様の構造であって、電動モータ17のシャフトの回転を禁止するものである。電動モータ17の回転が禁止されると、平歯車15及びボールネジナット14の回転も禁止されるので、アクチュエータロッド13は進退不能になる。すなわち、アクチュエータロッド13とフォーク部材11を介して連結される第1コントロールシャフト6は回転できなくなる。これにより、燃焼圧や各部品の慣性力等によって第1コントロールシャフト6に回転方向のトルクが作用してときに第1コントロールシャフト6が回転することを防止できる。すなわち、燃焼圧等によって圧縮比が設定値からずれることを防止できる。
非駆動側角度保持機構20は、非駆動側減速機構19の出力軸25に固定支持されたディスク23と、ディスク23に対向するアーマチュア24と、アーマチュア24をディスク23方向に付勢するバネ22と、バネ22を囲むように設けられたコイル21とからなる。
コイル21に電圧を印加していない状態では、バネ22の付勢力によってアーマチュア24はディスク23に押し付けられ、これにより出力軸25の回転が禁止される。すなわち、出力軸25の回転を禁止できるのは、アーマチュア24とディスク23との間の摩擦力(保持トルク)が出力軸25の回転トルクより大きい場合である。
一方、コイル21に電圧が印加されると、バネ22の付勢力に抗してアーマチュア24はディスク23から離れてコイル21に吸着するので、ディスク23は回転自由になる。
なお、駆動側角度保持機構18は出力軸25に相当する電動モータ17のシャフトが保持機構内を貫通している点を除き、基本的には同様の構造である。
非駆動側角度保持機構20は、一般的な減速機構と同様の構造であり、入力軸としての第2コントロールシャフト7と出力軸25との間に歯車等を介在させることで、入力軸と出力軸25の回転数を減速するものである。
上記の駆動側角度保持機構18、非駆動側角度保持機構20は、より小さい保持トルクで第1、第2コントロールシャフト6、7の角度を保持可能な方、すなわち、作用するコントロールシャフトトルクが小さい方のコントロールシャフト側の機構を作動させるものとする。例えば、第1、第2コントロールシャフト6、7について回転角ごとのコントロールシャフトトルクを予め求めておけば、図示しないコントロールユニットからの圧縮比指令値としての回転角に基づいて、いずれの機構を作動させるかを決定することができる。
なお、電動モータ17、駆動側減速機16、駆動側角度保持機構18、平歯車15をまとめて、アクチュエータ26という。
次に、第1コントロールシャフト6と第2コントロールシャフト7の配置について説明する。
図3(a)は最高圧縮比、図3(c)は最低圧縮比、図3(c)は最高圧縮比と最低圧縮比との中間圧縮比における第1コントロールシャフト6、第2コントロールシャフト7及び連結リンク8の状態を表した図である。なお、第1コントロールシャフト6及び第2コントロールシャフト7は、それぞれの主軸6a、7aと偏心軸6b、7bについてのみ表している。図中の矢印B1は連結リンク8から第1コントロールシャフト6の偏心軸6bに作用する荷重ベクトル、矢印B2は第1コントロールシャフト6の主軸6aから偏心軸6b方向のベクトル、矢印B3は連結リンク8の長手方向のベクトル、矢印B4は第2コントロールシャフト7の主軸7aから偏心軸7b方向のベクトルを表している。
図4(a)〜(c)は、それぞれ図3(a)〜(c)の状態において第1コントロールシャフト6及び第2コントロールシャフト7に作用する荷重について表した図であり、矢印は荷重の作用方向及び大きさを表している。
図3に示すように、最低圧縮比時にベクトルB3とベクトルB4とが最も平行に近づき、最高圧縮比時にベクトルB1とベクトルB2とが最も平行に近づくように、主軸6a、7a、偏心軸6b、7b及び連結リンク8の長さ等を設定する。
また、ベクトルB2とベクトルB3とが略直交するように偏心軸6b、7b及び連結リンク8の配置を設定する。
これにより、最高圧縮比時には連結リンク8から第1コントロールシャフト6に作用する荷重(ベクトルB1)は、第1コントロールシャフト6を主軸6a周りに回転させる成分が大きく、ベクトルB2方向に作用する成分、つまり主軸6aに作用する荷重が小さくなる。一方、連結リンク8を介して偏心軸7bに作用する荷重(ベクトルB3)は、ベクトルB4と平行に近いため、主軸7a周りに回転させる成分が小さく、ベクトルB4方向の成分、つまり主軸7aに作用する荷重が大きくなる。以下、各コントロールシャフト6、7の偏心軸6b、7bに作用する荷重によって主軸6a、7a周りに作用するトルクをコントロールシャフトトルクという。
最低圧縮比時には最高圧縮比時とは逆に主軸6aに作用する荷重が大きく、主軸7aに作用する荷重は小さくなる。
なお、第1コントロールシャフト6に作用する荷重は最高圧縮比時に最小、最低圧縮比時に最大となり、第2コントロールシャフト7に作用する荷重は、最高圧縮比時に最大、最低圧縮比時に最小となる。
最低圧縮比時には第1コントロールシャフト6に作用する荷重は最大となるが、ベクトルB1とベクトルB2とが平行に近いため、当該荷重の回転方向成分はほとんど無く、コントロールシャフトトルクは小さくなる。このとき、第2コントロールシャフト7の偏心軸7bに作用する荷重は最大値であって、そのほとんどが第2コントロールシャフト7を回転させる成分となる。
ところで、ベクトルB1とベクトルB2とが平行に近づくほど、連結リンク8から偏心軸6bに荷重が作用したときに第1コントロールシャフト6が回転しにくくなる。そして第1コントロールシャフト6が回転しにくくなると、連結リンク8を介して連結される第2コントロールシャフト7も回転しにくくなる。
すなわち、連結リンク8が第2コントロールシャフト7の回転を妨げることとなるので、最低圧縮比時にアクチュエータ26の作用する荷重が低減される。また、最低圧縮比時にアクチュエータ26が第1コントロールシャフト6の回転を禁止するために必要なトルクは小さくて済む。
一方、最高圧縮比時には、上記最低圧縮比時とは逆に、第1コントロールシャフト6を回転させようとする荷重は大きくなるが、連結リンク8によって回転が妨げられるので、アクチュエータ26に作用する荷重及びアクチュエータ26が第1コントロールシャフト6の回転を禁止するために必要なトルクが小さくて済む。
第2コントロールシャフト7の主軸7aと図示しない軸受との間のフリクションを大きくすれば、第2コントロールシャフト7はより回転しにくくなる。これにより、第1コントロールシャフト6の回転を禁止するために必要なトルクをさらに低減することができる。
さらに、第1コントロールシャフト6又は第2コントロールシャフト7に作用する荷重が最大となる最高圧縮比時と最低圧縮比時の両方において、コントロールシャフトトルクを低減することができるので、作用する荷重が最大値よりも小さい中間圧縮比時にも当然コントロールシャフトトルクの低減効果が得られる。すなわち、最高圧縮比から最低圧縮比までの全圧縮比においてコントロールシャフトトルクを低減することができるので、アクチュエータ26に作用する荷重を低減することができる。
なお、アクチュエータ26が第2コントロールシャフト7に連結されている場合も、上記と同様にアクチュエータ26に作用する荷重を低減することができる。
図5は所定のクランク角におけるベクトルB1とベクトルB3の関係について表した図であり、図中の破線はクランク角の変化に伴うコントロールリンク4の揺動範囲を表している。なお、コントロールリンク4の揺動範囲はベクトルB1の変動範囲とほぼ等しい。
図5に示すように、最高圧縮比時の所定のクランク角において、ベクトルB1とベクトルB3とが略平行になるように第1コントロールシャフト6、第2コントロールシャフト7、及び連結リンク8の配置を設定する。
このように設定することによる効果を、図5及び図6を参照して説明する。図6は図5と同圧縮比のときに、ベクトルB1とベクトルB3とがいずれのクランク角においても平行にならない場合について表した図である。
図5の場合には、連結リンク8の長手方向のベクトル(ベクトルB3)と偏心軸6bから主軸6a方向のベクトルとが略直交するため、偏心軸6bに作用する荷重(ベクトルB1)の偏心軸6bから主軸6a方向の分力、つまり主軸6aの軸受荷重はほとんど発生せず、また第1コントロールシャフト6に作用する荷重がそのまま第2コントロールシャフト7に作用する荷重となる。
これに対して図6の場合は、ベクトルB1は連結リンク8の長手方向の分力と偏心軸6bから主軸6a方向の分力とに分解される。すなわち、偏心軸6bから主軸6a方向の分力が発生するので、第1コントロールシャフト6の軸受荷重が図5の場合と比べて増大する。
また、図6に示す場合には、連結リンク8の長手方向の分力が偏心軸7bに作用する荷重となり、この偏心軸7bに作用する荷重の主軸7aから偏心軸7b方向の分力が第2コントロールシャフト7に作用する荷重となるが、連結リンク8の長手方向の分力はベクトルB1よりも大きくなる。このとき、図6に示すようにベクトルB1の連結リンク8の長手方向の分力はベクトルB1よりも大きくなるので、主軸7aに作用する荷重が図5の場合と比べて増大するおそれがある。
上記のように、ベクトルB1とベクトルB3とが少なくとも所定のクランク角において略直交するように設定することで、主軸6a及び主軸7aの軸受荷重の増大を防止することができる。
次に、第1コントロールシャフト6の回転角度(コントロールシャフト角度)について図7を参照して説明する。
図7はコントロールシャフト角度が変化する際の連結リンク8、第2コントロールシャフト7の動きの一例を表した図であり、図7(a)はコントロールシャフトを2本備える本実施形態の構成の場合、図7(b)は従来と同様にコントロールシャフトが1本の場合をそれぞれ表している。図7(a)、(b)ともに、図中左側が低圧縮比、右側が高圧縮比である。
本実施形態では、コントロールシャフト角度の可変範囲を90度以下とする。可変範囲が90度の場合(図7(a)の上段)、低圧縮比時には連結リンク8の長手方向と偏心軸6bから主軸6a方向とが略一致する。このため、第1コントロールシャフト6に作用するコントロールシャフトトルクは最小となる。また、偏心軸7bに作用する荷重はそのほとんどが第2コントロールシャフト7を回転させる方向に作用するが、図3(c)と同様に連結リンク8が第2コントロールシャフト7の回転を妨げるので、結果として出しにコントロールシャフト7に作用するコントロールシャフトトルクは小さくなる。
一方、高圧縮比時には低圧縮比時とは逆に、第1コントロールシャフト6の回転方向に作用する荷重は最大となるが、連結リンク8が回転を妨げるので、第1コントロールシャフト6に作用するコントロールシャフトトルクは小さくなる。また、連結リンク8の長手方向ベクトルと偏心軸7bから主軸7a方向ベクトルとが略一致するため、第2コントロールシャフト7トルクは最小となる。
可変範囲が60度の場合(図7(a)の中段)及び30度の場合(図7(a)の下段)も、低圧縮比時には連結リンク8の長手方向ベクトルと偏心軸6bから主軸6a方向ベクトルとがなす角が小さくなるため第1コントロールシャフト6に作用するコントロールシャフトトルクが小さくなり、連結リンク8によって回転が妨げられるため第2コントロールシャフト7に作用するコントロールシャフトトルクが小さくなる。また高圧縮比時には連結リンク8によって回転が妨げられることで第1コントロールシャフト6に作用するコントロールシャフトトルクは小さくなり、連結リンク8の長手方向ベクトルと偏心軸7bから主軸7a方向ベクトルのなす角が小さくなることで第2コントロールシャフト7に作用するコントロールシャフトトルクが小さくなる。
なお、可変範囲が60度の場合に示したように、中間圧縮比においても偏心軸6bから主軸6a方向のベクトルと連結リンク8の長手方向ベクトルとがなす角が小さく、かつ偏心軸7bから主軸7a方向のベクトルと連結リンク8の長手方向ベクトルとがなす角が小さくなるようにすれば、中間圧縮比においても第1コントロールシャフト6及び第2コントロールシャフト7に作用するコントロールシャフトトルクを低減することができる。
このように、高圧縮比、低圧縮比のいずれの場合にもコントロールシャフトトルクを低減することができ、かつ、フォーク部材11を用いる場合にも、アクチュエータロッド13に作用する曲げ荷重の増大を招くことがない。
これに対して、従来のようにコントロールシャフトが1本の場合には、例えば図7(b)に示すように、低圧縮比時にコントロールシャフトトルクが小さくなるような設定にしても、圧縮比が高くなるのにしたがってコントロールシャフトトルクが増大してしまう。すなわち、高圧縮比、低圧縮比のいずれの場合もコントロールシャフトトルクを低減することはできない。
なお、コントロールリンク4は必ずしも第1コントロールシャフト6に連結される必要は無く、例えば、図8に示すように連結リンク8に回転可能に連結されるようにしてもよい。図8は図1と同様に最高圧縮比時(図8(a))、最低圧縮比時(図8(b))における各リンク2、3、4、8及び各シャフト5、6、7の状態について表した図である。
この場合、コントロールリンク4と連結リンク8との連結部8aに作用する荷重ベクトルから、第1コントロールシャフト6及び第2コントロールシャフト7に作用する荷重を求めればよい。また、図9に示すように偏心軸6bの方が連結部8aよりも偏心軸7bに近い場合でも同様である。
以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。
(1)第1コントロールシャフト6と第2コントロールシャフト7の2本のコントロールシャフトを備え、第1コントロールシャフト6は偏心軸6bを有し、連結リンク8は第1コントロールシャフトの偏心軸6bと第2コントロールシャフト7の偏心軸7bとを連結し、コントロールリンク4の他端が第1コントロールシャフト6の偏心軸6bに回転可能に連結され、コントロールリンク4から第1コントロールシャフト6の偏心軸6bに作用する荷重を第1コントロールシャフト6及び第2コントロールシャフト7で受けるので、燃焼荷重、運動部品の慣性力を2本のコントロールシャフト6、7で分担して受けることになり、1本当りに作用するコントロールシャフトトルクが低減するため、アクチュエータ26に作用する最大荷重を低減することができる。そのため、減速機構16の耐荷重と駆動側角度保持機構18の保持トルクとを低減し、アクチュエータ26を小型化することができる。また、第1、第2コントロールシャフト6、7に作用する荷重を分散、低減することでアクチュエータロッド13の変形による圧縮比ずれを抑制することができる。
(2)第1コントロールシャフト6と第2コントロールシャフト7の2本のコントロールシャフトを備え、連結リンク8は第1コントロールシャフト6の偏心軸6bと第2コントロールシャフト7の偏心軸7bとを連結し、コントロールリンク4の他端が連結リンク8に回転可能に連結され、コントロールリンク4から連結リンク8に作用する荷重を第1コントロールシャフト6及び第2コントロールシャフト7で受けるので、上記と同様にアクチュエータ26の小型化、アクチュエータロッド13の変形による圧縮比ずれの抑制が可能となる。
(3)前記保持手段が前記コントロールシャフトを所定の回転位置に保持するのに必要なトルクが最高圧縮比時及び最低圧縮比時に略最小となるよう各リンク2、3、4の配置や寸法、クランクシャフト5や各コントロールシャフト6、7の配置等を設定するので、最高圧縮比時、最低圧縮比時のコントロールシャフトトルクを略最小化するとともに、中間圧縮比時のコントロールシャフトトルクも低減でき、最高圧縮比から最低圧縮比までの全領域に渡ってコントロールシャフトトルクを低減することができる。これにより駆動側角度保持機構18、20の保持トルク限界を低減し、また減速機構16、19、アクチュエータロッド13への入力荷重を低減できるため、アクチュエータ26を大幅に小型化することができるとともに、アクチュエータ26からの騒音、振動発生も低減できる。
(4)最高圧縮比時又は最低圧縮比時のいずれか一方において、ベクトルB1とベクトルB2とがベクトルB1とベクトルB2の変動範囲内で最も平行に近づき、かつ他方においてベクトルB3とベクトルB4とがベクトルB3とベクトルB4の変動範囲内で最も平行に近づくので、ベクトルB1とベクトルB2が最も平行に近づくときには、コントロールシャフト角度を保持するために必要な第1コントロールシャフト6まわりのコントロールシャフトトルクが最小となり、アクチュエータ26に作用する荷重を最小化することができる。また、ベクトルB3とベクトルB4とがもっとも平行に近づくときには、第2Knとロールシャフト7まわりのコントロールシャフトトルクが最小となり、第2コントロールシャフト7の主軸7aがもつフリクションによって第1コントロールシャフト6のコントロールシャフト角度を保持する際にアクチュエータ26に作用する荷重が低減する。そのため、全圧縮比領域に渡ってコントロールシャフトトルクを低減することができ、結果として全圧縮比領域に渡ってアクチュエータ26に作用する荷重を低減することができる。
(5)ベクトルB1とベクトルB2の向きが変動範囲内で最も平行に近づくときに、第2コントロールシャフト7に作用する荷重の方が第1コントロールシャフト6に作用する荷重よりも小さく、ベクトルB3とベクトルB4の向きが変動範囲内で最も平行に近づくときに、第1コントロールシャフト6に作用する荷重の方が第2コントロールシャフト7に作用する荷重よりも小さいので、偏心軸6b、7bから主軸6a、7a方向と第1、第2コントロールシャフト6、7に作用する荷重の作用方向とがなす角度が最も小さくなるときに、より大きな荷重を受けることとなる。これによって、より小さい力で第1、第2コントロールシャフト6、7の回転角を保持することが可能となり、アクチュエータ26に作用する荷重を圧縮比によらず低減することができる。
(6)第1コントロールシャフト6に作用する荷重よりも第2コントロールシャフト7に作用する荷重の方が大きいときに、ベクトルB2とベクトルB3が略直交するので、ベクトルB1〜B4と第1、第2コントロールシャフト6、7に作用する荷重とが上記(5)のような関係にあるときには、連結リンク8に作用する最大荷重を低減することができ、これにより連結リンク8を小型化することができる。
(7)機関運転中の少なくとも一のクランク角度において、ベクトルB1とベクトルB3とが平行になるので、第1コントロールシャフト6の軸受荷重の発生、及びベクトルB3の増大を防止することができる。
(8)全気筒共通の第1コントロールシャフト6を備え、第1コントロールシャフト6に同一気筒列の全気筒のコントロールリンク4が連結され、第2コントロールシャフト7は少なくとも一つの連結リンク8で第1コントロールシャフト6に連結されるので、連結リンク8の数を気筒数よりも少なくすることができ、これにより第2コントロールシャフト7の長さを第1コントロールシャフト6よりも短縮し、コンパクト化することができる。
例えば、連結リンク8を気筒列の前端又は後端の何れか一方又は両方に配置することで、コントロールリンク4及び第1、第2コントロールシャフト6、7の軸受部と干渉することなく連結リンク8を配置することが可能となる。
(9)第1コントロールシャフト6に駆動側角度保持機構18を、第2コントロールシャフト7に非駆動側角度保持機構20を、備え、圧縮比に応じて、駆動側角度保持機構18又は非駆動側角度保持機構20のうちより小さいトルクで第1コントロールシャフト6及び第2コントロールシャフト7の角度を保持可能な方を作動させるので、駆動側角度保持機構18及び非駆動側角度保持機構20は、それぞれ必要な保持トルクが小さくなるので小型化することが可能となる。
(10)電動モータ17は第1コントロールシャフト6を駆動し、かつベクトルB3とベクトルB4は平行にならないので、第1コントロールシャフト6を回転させるために必要な電動モータ17の出力の増大を抑制することができ、これにより圧縮比によらず、常に第1コントロールシャフト6を電動モータ17で駆動することができる。
なお、図3(a)が最低圧縮比、図3(c)が最高圧縮比であっても同様の効果を得ることができる。
第2実施形態について図10を参照して説明する。図10は本実施形態の複リンク式可変圧縮比機構の概略構成図である。
本実施形態は、基本的には第1実施形態と同様の構成であるが、コントロールリンク4が連結される偏心軸6bと、連結リンク8が連結される連結部8aとが、第1コントロールシャフト6の異なる位置にある点で異なる。図10中の矢印F1はコントロールリンク4から偏心軸6bに作用する荷重、矢印F2は連結リンク8から偏心軸7bに作用する荷重、矢印F3は主軸6aに作用する荷重を表している。
図10に示すように、偏心軸6bと連結部8aは主軸6aに対してほぼ同一方向に位置する。この場合、偏心軸6bには荷重F1が、偏心軸7bには荷重F2がそれぞれ作用するが、これらは相殺されるため、結果として主軸6aに作用する荷重F3を低減することができる。
以上のように本実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果の他に、次のような効果を得ることができる。
(1)第1コントロールシャフト6と第2コントロールシャフト7の2本の制御軸を備え、第1コントロールシャフト6は第1、第2の偏心軸6b、6cを有し、連結リンク8は第1コントロールシャフト6の第1偏心軸6bと第2コントロールシャフト7の偏心軸7bとを連結し、コントロールリンク4の他端が第1コントロールシャフト6の第2偏心軸6cに回転可能に連結され、コントロールリンク4から第1コントロールシャフト6の第1偏心軸6bに作用する荷重を第1コントロールシャフト6及び第2コントロールシャフト7で受けるので、第1実施形態の(1)、(2)の効果と同様の効果を得ることができる。
(2)第1コントロールシャフト6の第1偏心軸6bと第2偏心軸6cとが、第1コントロールシャフト6の中心を基準として略同方向に位置するので、コントロールリンク4から第1コントロールシャフト6に作用する荷重と、連結リンク8から第1コントロールシャフト6に作用する荷重が相殺されるため、第1コントロールシャフト6の主軸6aに作用する荷重が低減される。
第3実施形態について図11を参照して説明する。図11は本実施形態の複リンク式可変圧縮比機構の概略構成図である。
本実施形態は、基本的には第2実施形態と同様の構成であるが、偏心軸6bと連結部8aとが主軸6aに対して互いに反対側に位置する点で異なる。
本実施形態では、主軸6aから偏心軸6bまでの長さをL1、主軸6aから連結部8aまでの長さをL2としたときに、荷重F1と長さL1の積が荷重F2と長さL2の積と等しくなるように偏心軸6と連結部8aの位置を設定する。
これにより、荷重F1によるコントロールシャフトトルクと荷重F2によるコントロールシャフトトルクとが相殺されるので、第1コントロールシャフト6にはコントロールシャフトトルクが作用しなくなる。
一方、偏心軸6bと連結部8aとが主軸6aに対して互いに反対側にある場合には、第1コントロールシャフト6に作用するコントロールシャフトトルクが相殺されるのは上記と同様であるが、荷重F1と荷重F2の合力が主軸6aに作用する荷重F3となり、第2実施形態と比較して荷重F3は大きくなる。
しかしながら、例えば第2コントロールシャフト7を第1コントロールシャフト6の横方向に配置することにより、第1、第2コントロールシャフト6、7の周辺部分の高さを低減することができる。なお、この場合もベクトルB1〜B4について、前述した関係が成立するように配置する。
以上により本実施形態では、第1実施形態と同等の効果の他に、次のような効果を得ることができる。
第1コントロールシャフト6の第1偏心軸6bと第2偏心軸6cとが、第1コントロールシャフト6の中心を基準として異なる方向に位置するので、例えば、第2コントロールシャフト7を第1コントロールシャフト6の横方向に配置することによって、第1コントロールシャフト6、連結リンク8、及び第2コントロールシャフト7から成る機構の高さを低減することができる。
第4実施形態について図12を参照して説明する。
図12は基本的に図2と同様の図であるが、駆動側角度保持機構18を備えない点で異なる。
本実施形態では、第1コントロールシャフト6の主軸6aまわりのフリクショントルクが第2コントロールシャフト7の主軸7aまわりのフリクショントルクより大きいものとする。前記のようなフリクショントルクの差をつけるためには、例えば主軸6aの表面粗さを主軸7aの表面粗さより粗く仕上げたり、主軸6aの径を主軸7aの径より大きくしたり、軸受とのクリアランスが主軸6aの方が主軸7aより小さくなるようにする等の方法がある。
このような設定にすることで、第1コントロールシャフト6側で保持する場合、すなわち第1コントロールシャフト6に作用するコントロールシャフトトルクの方が第2コントロールシャフト7に作用するコントロールシャフトトルクよりも小さい場合には、第1コントロールシャフト6に作用するコントロールシャフトトルクはフリクショントルクによって低減するので、少ない消費電力で電動モータ17による保持が可能となる。また、要求される電磁ブレーキの大きさが小さくなる分だけ電動モータ17を小型化することができるので、エンジンサイズを小型化することができる。なお、コントロールシャフトトルクの絶対値が大きい場合には駆動側角度保持機構18が必要となるが、その大きさは相対的に小さくすることができる。
一方、第2コントロールシャフト7側で保持する場合、すなわち、第1コントロールシャフト6に作用するコントロールシャフトトルクの方が第2コントロールシャフト7に作用するコントロールシャフトトルクよりも大きい場合には、第2コントロールシャフト7の主軸7aのフリクショントルクは小さいので、フリクショントルクによるコントロールシャフトトルク低減効果はない。
そこで、前述したベクトルB3とベクトルB4とがほぼ平行に近づく設定とする。これにより第2コントロールシャフト7に作用するコントロールシャフトトルクが低減されるので、保持のために必要なトルクが低減され、非駆動側角度保持機構20を小型化することができる。なお、ベクトルB3とベクトルB4とがほぼ平行に近づいた状態において、第2コントロールシャフト7の主軸7aのフリクションが大きい場合には、電動モータ17が第1コントロールシャフト6を回転させるために必要なトルクが増大し、電動モータ17による駆動が困難になるが、本実施形態のように第2コントロールシャフト7の主軸7aのフリクショントルクを小さくしておけば、そのような問題は生じない。
以上により本実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果に加え、次のような効果を得ることができる。
電動モータ17により駆動される第1コントロールシャフト6を駆動側コントロールシャフト、第2コントロールシャフト7を非駆動側コントロールシャフトとしたときに、非駆動側コントロールシャフト7の主軸7aのフリクショントルクよりも駆動側コントロールシャフト6の主軸6aのフリクショントルクの方が大きく、少なくとも非駆動側コントロールシャフト7に非駆動側角度保持機構20を備えるので、第1コントロールシャフト6側で保持する場合には、少ない消費電力で電動モータ17による保持が可能となる。一方、第2コントロールシャフト7側で保持する場合には、ベクトルB3とベクトルB4とがほぼ平行に近づく設定とすることにより、第2コントロールシャフト7に作用するコントロールシャフトトルクが低減されて、保持のために必要なトルクが低減され、非駆動側角度保持機構20を小型化することができる。
第5実施形態について図13を参照して説明する。
図13は基本的に図2と同様の図であるが、非駆動側角度保持機構20を備えない点で異なる。
本実施形態では、第1コントロールシャフト6の主軸6aまわりのフリクショントルクが第2コントロールシャフト7の主軸7aまわりのフリクショントルクより大きいものとする。このようなフリクションの差は、第3実施形態とは逆の設定にすることで実現できる。
このように設定することで、第2コントロールシャフト7側で保持する場合は、第2コントロールシャフト7の主軸7aのフリクショントルクが大きいことによって第1コントロールシャフト6に作用するコントロールシャフトトルクが大幅に低減するため、第2コントロールシャフト7側に非駆動側角度保持機構20を備えていなくても、第1コントロールシャフト6側に備えた駆動側角度保持機構18によって保持することができる。
また、第1コントロールシャフト6側で保持することが容易な場合には、駆動側角度保持機構18により保持することができる。なお、この場合には、ベクトルB3とベクトルB4とがなす角度が略平行にはならないように設定する必要がある。これは、ベクトルB3とベクトルB4が略平行に近づいたときに、第2コントロールシャフト7の主軸7aまわりのコントロールシャフトトルクが大きいと、第2コントロールシャフト7がフリクショントルクだけで保持状態になってしまい、電動モータ17で第1コントロールシャフト6を回転させることが困難になるので、これを防止するためである。
以上のように、本実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果に加え、次のような効果を得ることができる。
第1、第2コントロールシャフト6、7のうち電動モータ17により駆動される第1コントロールシャフト6を駆動側コントロールシャフト、第2コントロールシャフト7を非駆動側コントロールシャフトとしたときに、非駆動側コントロールシャフト7の主軸7aのフリクショントルクよりも駆動側コントロールシャフト6の主軸6aのフリクショントルクの方が小さく、少なくとも駆動側コントロールシャフト6に駆動側角度保持機構18を備え、ベクトルB3とベクトルB4が略平行にはならないので、第2コントロールシャフト7側で保持する場合は、非駆動側角度保持機構20が不要となるため構成が簡素になり、低コスト化を図れる。また、駆動側角度保持機構18に必要な保持トルクも全圧縮比領域に渡って低減するため、駆動側角度保持機構18を小型化することができる。
第6実施形態について図14を参照して説明する。
図14(a)、(b)は図2と同様に第1コントロールシャフト6、第2コントロールシャフト7及び連結リンク8の状態を表した図である。図14(c)は第1コントロールシャフト6及び第2コントロールシャフト7の軸受部分について表した図である。
本実施形態では、気筒毎に独立した第1コントロールシャフト6の主軸6aを備え、気筒毎にコントロールリンク4及び連結リンク8を備える。これに対して第2コントロールシャフト7は気筒列方向に延びた全気筒共通の1本である。そして、フォーク部材11は第2コントロールシャフト7に連結されている。
図14(c)に示すように、第1コントロールシャフト6の主軸6aは偏心ベアリング27を介して軸受28に支持される。偏心ベアリング27を軸受28に対して相対的に回転させることにより、主軸6aの位置を変化させることができる。すなわち、偏心ベアリング27は圧縮比のバラツキを調整する機能を有する。
このような構成にすることにより、全気筒同時に圧縮比を変化させることが可能になると同時に、各気筒間の圧縮比のバラツキを調整することが可能となる。
以上により本実施形態では、第1実施形態と同様の効果の他に、次のような効果をえることができる。
各気筒ごとに分割されて独立に回転可能な第1コントロールシャフト6と、全気筒共通の第2コントロールシャフト7と、を備え、第1コントロールシャフト6は各気筒ごとに連結リンク8により第2コントロールシャフト7に連結され、かつ各気筒ごとにコントロールリンク4が連結され、電動モータ17が第2コントロールシャフト7を駆動することで全気筒同時に圧縮比の変更が可能であり、かつ、第1コントロールシャフト6の主軸6aの軸受に偏心ベアリング27を備えることにより、気筒間の圧縮比のバラツキを低減することができる。
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
(a)、(b)は第1実施形態の可変圧縮比機構の概略構成図である。 (a)、(b)はそれぞれエンジン正面から見た場合と側方から見た場合の第1、第2コントロールシャフト付近の概略構成図である。 (a)から(c)はそれぞれ最高圧縮比、中間圧縮比、最低圧縮比の第1コントロールシャフト、連結リンク及び第2コントロールシャフトの状態を表す図である。 (a)から(c)はそれぞれ最高圧縮比、中間圧縮比、最低圧縮比の第1コントロールシャフト及び第2コントロールシャフトに作用する荷重を表した図である。 所定のクランク角におけるベクトルB1とベクトルB3の関係について表した図である。 ベクトルB1とベクトルB3とがいずれのクランク角においても平行にならない場合の一例を表した図である。 コントロールシャフト角度が変化する際の連結リンク8、第2コントロールシャフト7の動きの一例を表した図である。 (a)、(b)はそれぞれ最高圧縮比時、最低圧縮比時における各リンク及び各シャフトの状態について表した図である。 各リンク及び各シャフトの状態の他の例について表した図である。 第2実施形態の可変圧縮比機構の概略構成図(エンジン前方から見た図)である。 第3実施形態の可変圧縮比機構の概略構成図(エンジン前方から見た図)である。 (a)、(b)はそれぞれエンジン正面から見た場合と側方から見た場合の第1、第2コントロールシャフト付近の概略構成図である(第4実施形態)。 (a)、(b)はそれぞれエンジン正面から見た場合と側方から見た場合の第1、第2コントロールシャフト付近の概略構成図である(第5実施形態)。 (a)、(b)はそれぞれエンジン正面から見た場合と側方から見た場合の第1、第2コントロールシャフト付近の概略構成図、(c)は軸受部分を表す図である(第6実施形態)。
符号の説明
1 ピストン
2 アッパーリンク
3 ロアリンク
4 コントロールリンク
5 クランクシャフト
6 第1コントロールシャフト
7 第2コントロールシャフト
8 連結リンク
11 フォーク部材
13 アクチュエータロッド
14 ボールネジネット
15 平歯車
16 減速機構(駆動側)
17 電動モータ
18 角度保持機構(駆動側)
19 減速機構(非駆動側)
20 角度保持機構(非駆動側)
21 コイル
22 バネ
23 ディスク
24 アーマチュア
26 アクチュエータ
27 偏心ベアリンク

Claims (16)

  1. ピストンのピストンピンとクランクシャフトのクランクピンとを機械的に連係する複数のリンクと、
    前記クランクシャフトと略平行に延びる複数の制御軸と、
    前記複数の制御軸にそれぞれ偏心して設けられた偏心軸と、
    両端がそれぞれ異なる前記偏心軸に回転可能に連結された連結リンクと、
    一端が前記複数のリンクの一に回転可能に連結されるとともに、他端が前記偏心軸のいずれか一つ又は前記連結リンクに回転可能に連結されたコントロールリンクと、
    前記制御軸の少なくとも一つに備えられ所定の制御範囲内で当該制御軸を回転駆動する駆動手段と、
    前記制御軸を所定の回転位置に保持し得る保持手段と、
    を有し、
    前記制御軸が回転することにより圧縮比が連続的に低下又は増加する可変圧縮比機構であって、
    前記複数の制御軸の主軸部分がエンジンブロックに回転可能に支持されていることにより、前記コントロールリンクから前記偏心軸の一又は前記連結リンクに作用する荷重を前記複数の制御軸で分担して受けることを特徴とする可変圧縮比機構。
  2. 前記制御軸として第1制御軸と第2制御軸を備え、
    前記第1制御軸は第1、第2の偏心軸を有し、
    前記連結リンクは第1制御軸の第1偏心軸と第2制御軸の偏心軸とを連結し、
    前記コントロールリンクの他端が第1制御軸の第2偏心軸に回転可能に連結され、
    前記コントロールリンクから前記第1制御軸の第2偏心軸に作用する荷重を前記第1制御軸及び第2制御軸で受けることを特徴とする請求項1に記載の可変圧縮比機構。
  3. 前記制御軸として第1制御軸と第2制御軸を備え、
    前記連結リンクは第1制御軸の偏心軸と第2制御軸の偏心軸とを連結し、
    前記コントロールリンクの他端が前記連結リンクに回転可能に連結され、
    前記コントロールリンクから前記連結リンクに作用する荷重を前記第1制御軸及び第2制御軸で受けることを特徴とする請求項1に記載の可変圧縮比機構。
  4. 前記保持手段が前記制御軸を所定の回転位置に保持するのに必要なトルクが最高圧縮比時及び最低圧縮比時に略最小となることを特徴とする請求項2または3に記載の可変圧縮比機構。
  5. 最高圧縮比時又は最低圧縮比時のいずれか一方において、前記コントロールリンクから前記第1制御軸の前記コントロールリンクとの連結部に作用する荷重ベクトルである第1ベクトルと前記第1制御軸の中心から前記連結リンクとの連結部方向のベクトルである第2ベクトルとが前記第1ベクトルと前記第2ベクトルの変動範囲内で最も平行に近づき、かつ他方において前記連結リンクの長手方向ベクトルである第3ベクトルと前記第2制御軸の中心から偏心軸方向のベクトルである第4ベクトルとが前記第3ベクトルと前記第4ベクトルの変動範囲内で最も平行に近づくことを特徴とする請求項2から4のいずれか一つに記載の可変圧縮比機構。
  6. 前記第1ベクトルと前記第2ベクトルの向きが前記変動範囲内で最も平行に近づくときに、前記第2制御軸に作用する荷重の方が前記第1制御軸に作用する荷重よりも小さく、
    前記第3ベクトルと前記第4ベクトルの向きが前記変動範囲内で最も平行に近づくときに、前記第1制御軸に作用する荷重の方が前記第2制御軸に作用する荷重よりも小さいことを特徴とする請求項5に記載の可変圧縮比機構。
  7. 前記第1制御軸に作用する荷重よりも前記第2制御軸に作用する荷重の方が大きいときに、前記第2ベクトルと前記第3ベクトルが略直交することを特徴とする請求項2から6のいずれか一つに記載の可変圧縮比機構。
  8. 機関運転中の少なくとも一のクランク角度において、前記第1ベクトルと前記第3ベクトルが平行になることを特徴とする請求項2から7のいずれか一つに記載の可変圧縮比機構。
  9. 前記第1制御軸の第1偏心軸と第2偏心軸とが、前記第1制御軸の中心を基準として略同方向に位置することを特徴とする請求項2又は4から8のいずれか一つに記載の可変圧縮比機構。
  10. 前記第1制御軸の第1偏心軸と第2偏心軸とが、前記第1制御軸の中心を基準として異なる方向に位置することを特徴とする請求項2又は4から8のいずれか一つに記載の可変圧縮比機構。
  11. 多気筒エンジンに適用する可変圧縮比機構において、
    各気筒ごとに分割されて独立に回転可能な第1制御軸と、
    全気筒共通の第2制御軸と、
    を備え、
    前記第1制御軸は各気筒ごとに連結リンクにより前記第2制御軸に連結され、かつ各気筒ごとに前記コントロールリンクが連結され、
    前記駆動手段が前記第2制御軸を駆動することで全気筒同時に圧縮比の変更が可能であり、
    かつ、前記第1制御軸の主軸部分の軸受に調整偏心ベアリングを備えることにより、気筒間の圧縮比のバラツキを低減しうることを特徴とする請求項2から10のいずれか一つに記載の可変圧縮比機構。
  12. 多気筒エンジンに適用する可変圧縮比機構において、
    全気筒共通の第1制御軸を備え、
    前記第1制御軸に同一気筒列の全気筒の前記コントロールリンクが連結され、
    前記第2制御軸は少なくとも一つの前記連結リンクで前記第1制御軸に連結されることを特徴とする請求項2または4から10のいずれか一つに記載の可変圧縮比機構。
  13. 前記第1制御軸に第1保持手段を、前記第2制御軸に第2保持手段を、それぞれ備え、
    圧縮比に応じて、前記第1保持手段又は前記第2保持手段のうちより小さいトルクで前記第1制御軸及び前記第2制御軸の角度を保持可能な方の保持手段を作動させることを特徴とする請求項2から12のいずれか一つに記載の可変圧縮比機構。
  14. 前記第1、第2の制御軸のうち前記駆動手段により駆動される制御軸を駆動側制御軸、他方の制御軸を非駆動側制御軸としたときに、
    非駆動側制御軸の主軸部分のフリクショントルクよりも駆動側制御軸の主軸部分のフリクショントルクの方が大きく、
    少なくとも非駆動側制御軸に前記保持手段を備えることを特徴とする請求項2から13のいずれか一つに記載の可変圧縮比機構。
  15. 前記第1、第2の制御軸のうち前記駆動手段により駆動される制御軸を駆動側制御軸、他方の制御軸を非駆動側制御軸としたときに、
    非駆動側制御軸の主軸部分のフリクショントルクよりも駆動側制御軸の主軸部分のフリクショントルクの方が小さく、
    少なくとも駆動側制御軸に前記保持手段を備え、
    前記第3ベクトルと前記第4ベクトルが略平行にはならないことを特徴とする請求項2から13のいずれか一つに記載の可変圧縮比機構。
  16. 前記駆動手段は前記第1制御軸を駆動し、かつ前記第3ベクトルと前記第4ベクトルは平行にならないことを特徴とする請求項2から15のいずれか一つに記載の可変圧縮比機構。
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