JP2009243462A - 可変圧縮比装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの運転状態によって混合気の圧縮比を変化させ、燃費及び出力を向上させ、吸入、圧縮、爆発、排気行程で各ストロークを変えて設定することにより、燃費を一層向上させる可変圧縮比装置を提供する。
【解決手段】本発明は、エンジンに装着され、混合気の圧縮比を変化させる可変圧縮比装置において、混合気の燃焼力が伝達される上部コネクティングロッド、一端が上部コネクティングロッドに回転可能に連結されて、上部コネクティングロッドから伝達される混合気の燃焼力によって回転する下部コネクティングロッド、下部コネクティングロッドに偏心して回転可能に装着されているクランクシャフト、一端が下部コネクティングロッド他端に回転可能に連結されて、下部コネクティングロッドの回転軌跡を変更する制御ロッド、および、制御ロッドの他端に偏心して回転可能に連結され、制御ロッドの他端の位置を変更する制御シャフト、を含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、可変圧縮比装置に係り、より詳細には、燃焼室内の混合気の圧縮比をエンジンの運転状態によって変化させる可変圧縮比装置に関する。

一般に、熱機関の熱効率は圧縮比が高ければ向上し、スパーク点火機関の熱効率は一定の水準まで点火時期を進角すれば向上する。しかし、スパーク点火機関は、高い圧縮比で点火時期を進角すると異常燃焼が発生して、エンジン損傷をもたらすので、点火時期の進角には限界があるため、出力の低下に甘んじるしかない。
可変圧縮比（ｖａｒｉａｂｌｅ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ；ＶＣＲ）装置は、混合気の圧縮比をエンジンの運転状態によって変化させる装置である。可変圧縮比装置によれば、エンジンの低負荷運転状態（ｌｏｗ ｌｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）では混合気の圧縮比を高くして燃費を向上させ、エンジンの高負荷運転状態（ｈｉｇｈ ｌｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ）では混合気の圧縮比を低くしてノッキングの発生を防止して、エンジンの出力を向上させる。

従来の可変圧縮比装置は、エンジンの運転状態によって設定された混合気の圧縮比が具現されるだけで、吸入、圧縮、爆発、排気行程で各ストローク（ｓｔｒｏｋｅ）を変えて設定することができなかった。特に、圧縮行程より膨張行程を長くすると熱効率がより向上するが、従来の可変圧縮比装置では、圧縮行程より膨張行程をより長くすることが難しかった。
また、低燃費、高馬力エンジンを具現するために、低負荷時には高圧縮比、低排気量、高負荷時には低圧縮比、高排気量を実現するのが有利である。
特開２００６−２２６１３３号公報 特開２００３−１８４６０６号公報

本発明は、前記のような問題を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、エンジンの運転状態によって混合気の圧縮比を変化させ、燃費及び出力を向上させる可変圧縮比装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、吸入、圧縮、爆発、排気行程で各ストロークを変えて設定することにより、燃費を一層向上させる可変圧縮比装置を提供することにある。

このような目的を達成するための本発明の実施例による可変圧縮比装置は、ピストンから伝達される混合気の燃焼力で車両を駆動させるエンジンに装着され、混合気の圧縮比を変化させる可変圧縮比装置において、一端が前記ピストンに回転可能に連結されて、混合気の燃焼力が伝達される上部コネクティングロッド、一端が前記上部コネクティングロッドの他端に回転可能に連結されて、前記上部コネクティングロッドから伝達される混合気の燃焼力によって回転する下部コネクティングロッド、前記下部コネクティングロッドに偏心して回転可能に装着されているクランクシャフト、一端が前記下部コネクティングロッドの他端に回転可能に連結されて、前記下部コネクティングロッドの回転軌跡を変更する制御ロッド、および、前記制御ロッドの他端に偏心して回転可能に連結され、前記制御ロッドの他端の位置を変更する制御シャフト、を含むことを特徴とする。

駆動機から動力が入力されて、前記クランクシャフト及び前記制御シャフトの位相を変化させる遊星ギヤセットをさらに含むことを特徴とする。

前記遊星ギヤセットは、前記制御シャフトに連結され、前記制御ロッドと共に回転する第１作動部材、前記クランクシャフトに連結され、前記クランクシャフトを回転させる第２作動部材、および、前記駆動機に連結され、前記制御シャフトの位相を変化させる動力が入力される第３作動部材、を含むことを特徴とする。

前記クランクシャフトにはクランクギヤが固定されており、前記第２作動部材には前記クランクギヤとギヤ結合するコントロールギヤが固定されていることを特徴とする。

前記駆動機は駆動軸を含み、前記駆動軸には前記第３作動部材と連結されて動力を伝達する動力伝達手段が装着されていることを特徴とする。

前記駆動機は、前記クランクシャフトの回転速度及び前記制御シャフトの回転速度の比が１：１または１：２になるように構成されることを特徴とする。

前記遊星ギヤセットは、サンギヤ、リングギヤ、そして遊星キャリアをその作動部材として含み、前記第１作動部材は前記遊星キャリアであり、前記第２作動部材は前記リングギヤであり、前記第３作動部材は前記サンギヤであることを特徴とする。

前記下部コネクティングロッドは扇形であり、前記下部コネクティングロッドの両端は前記扇形の弧の両端に位置することを特徴とする。

本発明による可変圧縮比装置によれば、エンジン運転中に混合気の圧縮比を連続的に変化させるので、低負荷運転状態では燃費を向上させ、高負荷運転状態では出力を向上させることができる。
また、クランクシャフト及び制御シャフトの回転速度の比を１：１にする場合、可変圧縮比が実現され、クランクシャフト及び制御シャフトの回転速度の比を１：２にする場合、可変圧縮比と共にアトキンソンサイクル（Ａｔｋｉｎｓｏｎ Ｃｙｃｌｅ）が具現される。

以下、本発明の好ましい実施例を添付した図面に基づいて詳細に説明する。
図１は本発明の実施例による可変圧縮比装置の構成図であり、図２は本発明の実施例による可変圧縮比装置の断面図である。
図１及び図２に示すように、本発明の実施例による可変圧縮比装置１０は、車両を駆動するエンジン（図示せず）に装着され、混合気の燃焼力がピストン３０から伝達されて、混合気の圧縮比（ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ）を変化させる。

ピストン３０は、シリンダー２０内で上下運動し、ピストン３０及びシリンダー２０の間には燃焼室が形成される。また、シリンダー２０の上部には混合気吸入のための吸気バルブ（図示せず）及び燃焼した混合気の排出のための排気バルブ（図示せず）が装着されている。したがって、吸気バルブを通じて燃焼室に吸入された混合気は燃焼して、その燃焼力をピストン３０に伝達して車両を駆動させ、燃焼した混合気は排気バルブを通じて燃焼室から排出される。

可変圧縮比装置１０は、上部コネクティングロッド４０、下部コネクティングロッド５０、クランクシャフト６５、制御ロッド８０、制御シャフト９０、そして遊星ギヤセット１１０を含む。
上部コネクティングロッド４０は、ピストン３０から燃焼力が伝達されて、これを下部コネクティングロッド５０に伝達する。上部コネクティングロッド４０は、その一端が第１結合部材３５によって前記ピストン３０に回転可能に連結されている。上部コネクティングロッド４０の下端には下部コネクティングロッド５０との連結のための第１固定溝４２が形成されている。第１結合部材３５は、ピン、シャフトなど２つの部材を回転可能に連結する手段であれば何でもよい。

下部コネクティングロッド５０は、上部コネクティングロッド４０から伝達される燃焼力でクランクシャフト６５を回転させる。下部コネクティングロッド５０は、その一端が上部コネクティングロッド４０の第１固定溝４２に挿入されて、第２結合部材４５によって上部コネクティングロッド４０に回転可能に連結されている。第２結合部材４５は、ピン、シャフトなど２つの部材を回転可能に連結する手段であれば何でもよい。
本発明の実施例による可変圧縮比装置１０では、下部コネクティングロッド５０は扇形に形成されていて、下部コネクティングロッド５０の両端は扇形の弧の両端に位置する。しかし、他の形状の下部コネクティングロッド５０を使用することも可能である。

クランクシャフト６５は、クランクピン６０によって下部コネクティングロッド５０に回転可能に装着される。クランクシャフト６５は、下部コネクティングロッド５０に偏心して装着されるので、下部コネクティングロッド５０が回転して、クランクアームがクランクシャフト６５を中心に回転する。したがって、クランクシャフト６５は、ピストン３０から燃焼力が伝達され、この燃焼力を回転力に変換して変速機（図示せず）に伝達する。また、クランクシャフト６５にはクランクギヤ７０が同軸上に固定装着される。一方、クランクシャフト６５及びエンジンの間には回転摩擦力を減少させるためのベアリング１７０が装着される。

制御ロッド８０は、下部コネクティングロッド５０の回転軌跡を変更することによって、混合気の圧縮比を変化させる。制御ロッド８０の一端には第２固定溝８２が形成されて、この第２固定溝８２に下部コネクティングロッド５０の他端が挿入される。下部コネクティングロッド５０の他端は、第４結合部材８５によって制御ロッド８０に回転可能に連結される。第４結合部材８５は、ピン、シャフトなど２つの部材を回転可能に連結する手段であれば何でもよい。
制御シャフト９０は、制御ロッド８０の他端に偏心して回転可能に連結されている。したがって、制御シャフト９０が回転すると、制御ロッド８０の他端の位置が変更される。一方、制御シャフト９０及びエンジンの間には回転摩擦力を減少させるためのベアリング１７０が装着される。

遊星ギヤセット１１０は単純遊星ギヤセットであり、サンギヤ１３０、遊星キャリア１２０、そしてリングギヤ１０５をその作動部材として含む。遊星キャリア１２０は、サンギヤ１３０及びリングギヤ１０５にギヤ結合する複数のピニオンギヤ１４０に連結されていて、ピニオンギヤ１４０によって回転する。また、遊星ギヤセット１１０の１つの作動部材は、駆動機１６０に連結されて、動力が伝達される。

駆動機１６０は、駆動軸１５０を含み、駆動軸１５０の外周面にはウォームギヤが形成されている。ウォームギヤは、図４に示すように、サンギヤ１３０とギヤ結合して、駆動機１６０の動力（即ち回転速度）をサンギヤ１３０に伝達する。駆動機１６０としては、ＤＣモータやステップモータ、または回転力を駆動軸１５０に入力することができる全ての手段が適用可能である。駆動機１６０は、エンジン制御ユニット（ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ；ＥＣＵ）（図示せず）に連結されて、エンジン制御ユニットの信号によって作動する。

本発明の実施例では、駆動軸１５０の外周面にウォームギアが形成されているが、本発明の範囲はこれに限定されず、駆動機１６０の回転力をサンギヤ１３０に伝達することができる全ての動力伝達手段が本発明の範囲に含まれる。
リングギヤ１０５にはコントロールギヤ１００が固定付着されていて、コントロールギヤ１００は、クランクシャフト６５のクランクギヤ７０とギヤ結合する。したがって、クランクシャフト６５の回転速度がコントロールギヤ１００を通じてリングギヤ１０５に入力される。本発明の実施例による可変圧縮比装置１０では、リングギヤ１０５及びコントロールギヤ１００が別々に製作されて固定付着されたことを例示したが、リングギヤ１０５の外周面にギヤ歯を形成することも可能である。

遊星キャリア１２０は、図３に示すように、制御シャフト９０に同軸上で結合されて制御シャフト９０を回転させる。遊星ギヤセット１１０の特性によって、遊星キャリア１２０の回転速度は、サンギヤ１３０及びリングギヤ１０５の速度によって決定される。即ち、制御シャフト９０の回転速度は、クランクシャフト６５の回転速度及び駆動軸１５０の回転速度によって決定され、そのためにクランクシャフト６５及び制御シャフト９０の回転速度が異なることもある。したがって、クランクシャフト６５及び制御シャフト９０の間に位相の差が発生して、クランクシャフト６５の位相により制御ロッド８０の他端の位置が変更され、そのために下部コネクティングロッド５０の回転軌跡が変更される。結果として、混合気の圧縮比が変化する。

一方、クランクシャフト６５の回転速度及び制御シャフト９０の回転速度の比は、エンジン設計者の必要に応じて任意の値に設定され、１：１または１：２に設定される。エンジン制御ユニットは、エンジンの運転状態によってクランクシャフト６５の回転速度及び制御シャフト９０の回転速度の比が１：１または１：２になるように駆動機１６０を制御する。
図５は本発明の実施例による可変圧縮比装置の作動を示した概略図である。
図５に示すように、本発明の実施例による可変圧縮比装置が高圧縮比状態で作動する場合を低圧縮比状態で作動する場合と比較すると、ピストン３０の上死点（ｔｏｐ ｄｅａｄ ｃｅｎｔｅｒ；ＴＤＣ）が高くなり、ピストン３０の下死点（ｂｏｔｔｏｍ ｄｅａｄ ｃｅｎｔｅｒ；ＢＤＣ）が低くなる。

図６は本発明の実施例による可変圧縮比装置を使用するエンジンにおけるピストンの速度及び加速度、そして行程を示したグラフである。
本発明の実施例による可変圧縮比装置を使用する場合、クランクシャフト６５の回転速度及び制御シャフト９０の回転速度の比を調節することによって、圧縮行程の長さ及び膨張行程の長さを変更することができ、その例を図６に示す。図６に示すように、本発明の実施例による可変圧縮比装置が低圧縮比状態で作動する場合、圧縮行程の長さは８４．０９ｍｍであり、膨張行程の長さは９５．８ｍｍである。また、本発明の実施例による可変圧縮比装置が高圧縮比状態で作動する場合、圧縮行程の長さは８２．６３ｍｍであり、膨張行程の長さは１０６．９ｍｍである。したがって、吸入行程より圧縮行程の長さが長いので、熱効率及び燃費が向上する。

ここでは、圧縮行程の長さ及び膨張行程の長さだけを比較したが、クランクシャフト６５の回転速度及び制御シャフト９０の回転速度の比を調節することによって、吸入、圧縮、爆発、排気行程で各ストローク（ｓｔｒｏｋｅ）を変えて設定することができる。
一方、前記例示した数値は目標とするエンジンの性能によって当業者が容易に設定することができる。

以上、本発明に関する好ましい実施例を説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。

本発明の実施例による可変圧縮比装置の構成図である。 本発明の実施例による可変圧縮比装置の断面図である。 本発明の実施例による可変圧縮比装置で使用される遊星ギヤセット及び制御シャフトの連結構造を示した側面図である。 本発明の実施例による可変圧縮比装置で使用される遊星ギヤセット及び駆動機の結合構造を示した側面図である。 本発明の実施例による可変圧縮比装置の作動を示した概略図である。 本発明の実施例による可変圧縮比装置を使用するエンジンにおけるピストンの速度及び加速度、そして行程を示したグラフである。

符号の説明

１０ 可変圧縮比装置
２０ シリンダー
３０ ピストン
３５ 第１結合部材
４０ 上部コネクティングロッド
４２ 第１固定溝
４５ 第２結合部材
５０ 下部コネクティングロッド
６０ クランクピン
６５ クランクシャフト
７０ クランクギヤ
８０ 制御ロッド
８２ 第２固定溝
８５ 第４結合部材
９０ 制御シャフト
１００ コントロールギヤ
１０５ リングギヤ
１１０ 遊星ギヤセット
１２０ 遊星キャリア
１３０ サンギヤ
１４０ ピニオンギヤ
１５０ 駆動軸
１６０ 駆動機
１７０ ベアリング

Claims (8)

1. ピストンから伝達される混合気の燃焼力で車両を駆動させるエンジンに装着され、混合気の圧縮比を変化させる可変圧縮比装置において、
   一端が前記ピストンに回転可能に連結されて、混合気の燃焼力が伝達される上部コネクティングロッド、
   一端が前記上部コネクティングロッドの他端に回転可能に連結されて、前記上部コネクティングロッドから伝達される混合気の燃焼力によって回転する下部コネクティングロッド、
   前記下部コネクティングロッドに偏心して回転可能に装着されているクランクシャフト、
   一端が前記下部コネクティングロッドの他端に回転可能に連結されて、前記下部コネクティングロッドの回転軌跡を変更する制御ロッド、および、
   前記制御ロッドの他端に偏心して回転可能に連結され、前記制御ロッドの他端の位置を変更する制御シャフト、
   を含むことを特徴とする可変圧縮比装置。
2. 駆動機から動力が入力されて、前記クランクシャフト及び前記制御シャフトの位相を変化させる遊星ギヤセットをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比装置。
3. 前記遊星ギヤセットは、
   前記制御シャフトに連結され、前記制御ロッドと共に回転する第１作動部材、
   前記クランクシャフトに連結され、前記クランクシャフトを回転させる第２作動部材、および、
   前記駆動機に連結され、前記制御シャフトの位相を変化させる動力が入力される第３作動部材、
   を含むことを特徴とする請求項２に記載の可変圧縮比装置。
4. 前記クランクシャフトにはクランクギヤが固定されており、前記第２作動部材には前記クランクギヤとギヤ結合するコントロールギヤが固定されていることを特徴とする請求項３に記載の可変圧縮比装置。
5. 前記駆動機は駆動軸を含み、前記駆動軸には前記第３作動部材と連結されて動力を伝達する動力伝達手段が装着されていることを特徴とする請求項３に記載の可変圧縮比装置。
6. 前記駆動機は、前記クランクシャフトの回転速度及び前記制御シャフトの回転速度の比が１：１または１：２になるように構成されることを特徴とする請求項３に記載の可変圧縮比装置。
7. 前記遊星ギヤセットは、サンギヤ、リングギヤ、そして遊星キャリアをその作動部材として含み、
   前記第１作動部材は前記遊星キャリアであり、前記第２作動部材は前記リングギヤであり、前記第３作動部材は前記サンギヤであることを特徴とする請求項３に記載の可変圧縮比装置。
8. 前記下部コネクティングロッドは扇形であり、前記下部コネクティングロッドの両端は前記扇形の弧の両端に位置することを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比装置。

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