JP2010112286A

JP2010112286A - 内燃機関の可変圧縮比機構

Info

Publication number: JP2010112286A
Application number: JP2008286280A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Tsunoda; 宏角田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2028-11-07
Also published as: JP5120214B2

Abstract

【課題】気筒毎に圧縮比を変更することができる内燃機関の可変圧縮比機構を提供する。
【解決手段】コンロッド１２を介してクランクシャフトに連結されたインナーピストン１４と、インナーピストン１４にスライド可能に被嵌されたアウターピストン１５と、アウターピストン１５の頂部裏面１５ａとインナーピストン１４の頂部表面１４ａとの間に形成された圧力作動室１６と、コンロッド１２に設けられ、圧力作動室１６に作動流体を給排するための作動流体給排通路１７と、作動流体給排通路１７に配設され、その作動流体給排通路１７を開閉する開閉弁２６と、開閉弁２６を開閉制御する制御部２２とを備える。
【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。

内燃機関の可変圧縮比機構として、コンロッドがピストンピンに連結されるアッパーコンロッドとクランクシャフトのクランクピンに連結されるロアコンロッドとを連結してなり、ロアコンロッドに揺動アームを連結したもの（特許文献１）、コンロッドがピストンに連結される第１コンロッドとクランクシャフトに連結される第２コンロッドとを連結してなり、第１コンロッドにコントロールロッドを連結したもの（特許文献２）等、種々の装置が考案されている。

特許文献１及び２はいずれも、上記の揺動アームやコントロールロッド等を別のアクチュエータで動かし、見かけのコンロッド長さを変えてピストンの上死点位置を変えることで、圧縮比を変えるものである。

特開２００１−３１７３８３号公報特開２０００−５４８７３号公報

ところで、多気筒の内燃機関において、各気筒の燃料制御（燃料噴射量）は、ピストンが上死点に至る一定時間前に決定されており、全気筒同時に圧縮比を変えると最適な燃料制御がずれてしまう気筒が存在し、排ガスの悪化を招く虞がある。そのため、気筒毎に圧縮比を変更することが望ましい。

更に、特許文献１及び２のように、揺動アームやコントロールロッド等によりコンロッドを揺動させてピストンの上死点位置を変化させる機構は、圧縮比変更に伴ってクランク角に対するピストン速度が変わるため、異なる周波数成分の振動・騒音を誘起してしまうため、その対策が煩雑となる。

そこで、本発明の目的は、気筒毎に圧縮比を変更することができる内燃機関の可変圧縮比機構を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、コンロッドを介してクランクシャフトに連結されたインナーピストンと、該インナーピストンにスライド可能に被嵌されたアウターピストンと、該アウターピストンの頂部裏面と上記インナーピストンの頂部表面との間に形成された圧力作動室と、上記コンロッドに設けられ、上記圧力作動室に作動流体を給排するための作動流体給排通路と、該作動流体給排通路に配設され、その作動流体給排通路を開閉する開閉弁と、該開閉弁を開閉制御する制御部とを備えたものである。

ここで、上記制御部は、上記圧力作動室内に作動流体を供給するときには、吸気行程中に上記開閉弁を開き、上記圧力作動室内から作動流体を排出するときには、圧縮行程中に上記開閉弁を開くものであっても良い。

本発明によれば、気筒毎に圧縮比を変更することができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変圧縮比機構の概略図である。なお、ピストンピンとクランクピンとは互いに略平行に延設されるが、図１中の二点鎖線Ｌより下側の部分は二点鎖線Ｌより上側の部分の断面と直交する断面を示している。

図１に示すように、本実施形態に係る可変圧縮比機構１０では、ピストン１１は、コンロッド（コネクティングロッド）１２を介してクランクシャフトのクランクピン１３に連結されたインナーピストン１４と、インナーピストン１４にスライド可能に被嵌された有底円筒状のアウターピストン１５とから構成されており、アウターピストン１５の頂部裏面１５ａとインナーピストン１４の頂部表面１４ａとの間に圧力作動室（油圧作動室）１６が区画形成されている。コンロッド１２には、圧力作動室１６に作動流体（本実施形態では、エンジンオイル）を給排するための作動流体給排通路１７が設けられている。

インナーピストン１４は、ピストンピン１８を介してコンロッド１２の一端（スモールエンド）１２ａに連結されており、コンロッド１２の他端（ビッグエンド）１２ｂは、コンロッドベアリング（図示せず）を介してクランクシャフトのクランクピン１３に連結されている。インナーピストン１４には、アウターピストン１５とインナーピストン１４との間の隙間をシールするためのリングシール１９が装着されている。

本実施形態では、作動流体の給排のために、クランクシャフトのクランクピン１３には、クランクピン１３の長手方向に延出する流体通路（油通路）１３ａと、流体通路１３ａに連通させて設けられクランクピン１３の径方向に延出する流体穴（油穴）１３ｂとが設けられている。また、ピストンピン１８には、コンロッド１２のスモールエンド１２ａ内周の流体溝（油溝）１２ｄに連通させて長手方向中間部に設けられピストンピン１８の径方向に延出する流体穴（油穴）１８ａと、流体穴１８ａに連通させて設けられピストンピン１８の長手方向に延出する流体通路（油通路）１８ｂと、流体通路１８ｂに連通させて長手方向端部に設けられピストンピン１８の径方向に延出する流体穴（油穴）１８ｃとが設けられている。また、インナーピストン１４には、ピストンピン１８の流体穴１８ｃに連通させてピストンピン穴１４ｂの内周に設けられピストンピン穴１４ｂの周方向に延出する流体溝（油溝）１４ｃと、流体溝１４ｃと頂部表面１４ａとを連通する流体穴（油穴）１４ｄとが設けられている。

インナーピストン１４の頂部には、インナーピストン１４に対するアウターピストン１５の変位（位置）を検出する変位センサ（本実施形態では、静電容量型変位計）２０のセンサ部が取り付けられている。変位センサ２０はリード線２１を介して、後述する制御部２２に電気的に接続されている。

コンロッド１２のロッド部１２ｃ内には、発電部２３、蓄圧部２４、制御部２２、アクチュエータ（本実施形態では、ピエゾソレノイド）２５及び開閉弁（チェックバルブ）２６が内蔵されている。本実施形態では、上記発電部２３、蓄圧部２４、制御部２２、ピエゾソレノイド２５及び開閉弁２６をロッド部１２ｃ内に内蔵するために、ロッド部１２ｃがビッグエンド１２ｂ近傍で分割されており、それら分割された分割部分がスリーブナット２７で結合されている。

上記開閉弁２６は、上記作動流体給排通路１７に配設されており、その作動流体給排通路１７を開閉するものであり、上記制御部２２は、ピエゾソレノイド２５を駆動して開閉弁２６を開閉制御するものである。

図２に、発電部２３の概略を示す。発電部２３は、外筒２８と、外筒２８内に設けられたコイル２９と、コイル２９の内方に区画形成された流体通路（油通路）３０と、流体通路３０内に往復運動可能に設けられたマグネット（永久磁石）３１とを有する。作動流体の給排のために、マグネット３１には、流体通路３０に連通する流体穴（油穴）３１ａが設けられている。内燃機関の運転に伴うコンロッド１２の上下運動により、マグネット３１がコイル２９内方の流体通路３０内で上下運動することにより起電力が発生する。コイル２９内方の流体通路３０は、上記作動流体給排通路１７の一部をなし、流体通路３０内の作動流体でマグネット３１の上下運動を減衰させることにより、マグネット３１や外筒２８等の破損を防止することが可能となる。

図３に、制御部２２の概略を示す。発電部２３で発電された電流は、蓄圧部２４において、整流、調圧された後、コンデンサに蓄えられる。コンデンサに蓄えられた電流は、制御部２２（ドライバ）の作動やピエゾソレノイド２５等の駆動に用いられる。インナーピストン１４の頂部に取り付けられた変位センサ２０の変位信号は、リード線２１を介して制御部２２に伝送され、制御部２２によってＥＣＭ（エンジンコントロールモジュール）３２に送信される。ＥＣＭ３２は、変位センサ２０の変位信号に基づいてアウターピストン１５の目標変位を決定し、決定した目標変位に応じたピエゾソレノイド２５の駆動信号を制御部２２に送信する。制御部２２は、ＥＣＭ３２からの駆動信号を受信し、その駆動信号に応じてドライバを作動させてピエゾソレノイド２５を駆動して、開閉弁２６の開閉を行う。

ピエゾソレノイド２５を駆動して開閉弁２６を開くと、作動流体が、クランクシャフトのクランクピン１３（流体通路１３ａ、流体穴１３ｂ）、コンロッド１２（作動流体給排通路１７）内の開閉弁２６、ピストンピン１８（流体穴１８ａ、流体通路１８ｂ、流体穴１８ｃ）、インナーピストン１４（流体溝１４ｃ、流体穴１４ｄ）を通り、上記圧力作動室１６に供給される。圧力作動室１６に供給された作動流体によって、アウターピストン１５が押し上げられる。アウターピストン１５の変位が所定の変位となったときに、ピエゾソレノイド２５を駆動して開閉弁２６を閉じれば、圧力作動室１６内の作動流体が保持され、要求された圧縮比を得ることが可能となる。

つまり、本実施形態では、コンロッド１２（作動流体給排通路１７）内に設けた開閉弁２６を開閉することにより、アウターピストン１５とインナーピストン１４との間の圧力作動室１６内の作動流体の量（油量）を調節することで、ピストン１１（アウターピストン１５）の頂部高さを変えて、圧縮比を変更する。

短時間で安定的に圧縮比の変更を行うために、本実施形態では、制御部２２は、圧力作動室１６に負圧が作用する吸気行程中に開閉弁２６を開き、作動流体を早期に圧力作動室１６内に流入させる。このとき、インナーピストン１４とアウターピストン１５との間の隙間からの作動流体のリーク、エア混入等により、圧縮時にリフトロスが生じるため、制御部２２は、吸気行程において、アウターピストン１５の変位が目標変位以上となるように作動流体を圧力作動室１６内に流入させ、圧力作動室１６に正圧が作用する次の圧縮行程中に、開閉弁２６の短時間の開閉を変位センサ２０の変位信号によりフィードバックして行い、作動流体を圧力作動室１６から流出させることで、アウターピストン１５の変位を目標変位に一致させる。

即ち、圧縮時のリフトロスにより吸気行程中の開閉弁２６の開閉（作動流体の供給）のみでアウターピストン１５の変位を目標変位に一致させることは難しいことから、本実施形態では、吸気行程中に開閉弁２６を開いて、アウターピストン１５の変位が目標変位以上となるように作動流体を多めに圧力作動室１６内に流入させ、次の圧縮行程中に開閉弁２６を開いて、多めに流入させた作動流体の一部を圧力作動室１６から流出させることで、アウターピストン１５の変位を目標変位に一致させるようにしている。

ここで、内燃機関の負荷に応じて気筒毎に圧縮比を変えることは、中・低速領域の燃費を改善するのに大変有効である。

ガソリンエンジンに於いては、ガソリンエンジンの高負荷領域での異常燃焼（デトネーション）を防止するために、高負荷領域のみ圧縮比を下げて、中・低負荷領域の圧縮比を高いまま維持することにより、中・低速領域の燃費を高めることが可能となる。

ディーゼルエンジンに於いては、近年の排ガス対策により、ＥＧＲガス量の増大が予想されている。燃料噴射量の多い高負荷領域では筒内圧が著しく増加するため、ＮＯｘの低減のために、圧縮比を下げることが有効である。また、筒内圧の増加に伴う、エンジンの強度アップを避けるために、高負荷領域では圧縮比を下げる必要もある。

本実施形態では、コンロッド１２を介してクランクシャフトに連結されたインナーピストン１４と、インナーピストン１４にスライド可能に被嵌されたアウターピストン１５と、アウターピストン１５の頂部裏面１５ａとインナーピストン１４の頂部表面１４ａとの間に形成された圧力作動室１６と、コンロッド１２に設けられ、圧力作動室１６に作動流体を給排するための作動流体給排通路１７と、作動流体給排通路１７に配設され、その作動流体給排通路１７を開閉する開閉弁２６と、開閉弁２６を開閉制御する制御部２２とを備えるので、開閉弁２６を開閉して圧力作動室１６に対する作動流体の給排を行うことで、インナーピストン１４に対するアウターピストン１５の変位（位置）を変えることができ、気筒毎に圧縮比を変えることが可能となる。

即ち、公知の可変圧縮比機構では、全気筒同時に圧縮比を変えるため、最適な燃料制御がずれてしまう気筒が存在し、排ガスの悪化を招く虞があったが、本実施形態に係る可変圧縮比機構１０では、気筒毎に圧縮比を吸気行程中、圧縮行程中に変えるため、燃料制御上の問題も無く、排ガスの悪化を招くことも無く、燃費の向上を図ることができる。

また、本実施形態では、圧縮比変更に伴ってクランク角に対するピストン速度が変わらないので、異なる周波数成分の振動・騒音を誘起してしまうことはない。

また、本実施形態では、制御部２２は、圧力作動室１６内に作動流体を供給するときには、圧力作動室１６に負圧が作用する吸気行程中に開閉弁２６を開き、圧力作動室１６内から作動流体を排出するときには、圧力作動室１６に正圧が作用する圧縮行程中に開閉弁２６を開くので、圧力作動室１６内の圧力（負圧或いは正圧）を利用して圧力作動室１６に対する作動流体の給排を行うことができ、機構が大型化、重量化することを抑制することが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変圧縮比機構の側断面図である。図２は、発電部の概略を示す図である。図３は、制御部の概略を示す図である。

符号の説明

１０可変圧縮比機構
１１ピストン
１２コンロッド（コネクティングロッド）
１４インナーピストン
１４ａ頂部表面
１５アウターピストン
１５ａ頂部裏面
１６圧力作動室
１７作動流体給排通路
２２制御部
２６開閉弁

Claims

コンロッドを介してクランクシャフトに連結されたインナーピストンと、該インナーピストンにスライド可能に被嵌されたアウターピストンと、該アウターピストンの頂部裏面と上記インナーピストンの頂部表面との間に形成された圧力作動室と、上記コンロッドに設けられ、上記圧力作動室に作動流体を給排するための作動流体給排通路と、該作動流体給排通路に配設され、その作動流体給排通路を開閉する開閉弁と、該開閉弁を開閉制御する制御部とを備えたことを特徴とする内燃機関の可変圧縮比機構。
上記制御部は、上記圧力作動室内に作動流体を供給するときには、吸気行程中に上記開閉弁を開き、上記圧力作動室内から作動流体を排出するときには、圧縮行程中に上記開閉弁を開く請求項１に記載の内燃機関の可変圧縮比機構。