JP2010174763A - Double link type variable compression ratio device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
この発明は、複リンク式ピストン−クランク機構を利用した内燃機関の複リンク式可変圧縮比装置に関し、特に、その圧縮比を変更するためのアクチュエータ機構の改良に関する。 The present invention relates to a multi-link variable compression ratio device for an internal combustion engine using a multi-link piston-crank mechanism, and more particularly to an improvement of an actuator mechanism for changing the compression ratio.
内燃機関の圧縮比を可変制御するために、特許文献1,2に例示されているように、複リンク式ピストン−クランク機構を利用した複リンク式可変圧縮比装置が知られている。これは、内燃機関のピストンとクランクシャフトとが複数のリンク部材を介して連結されているとともに、これらのリンク部材の自由度を制限するコントロールリンクを備え、このコントロールリンクの基端の位置(揺動支点位置)を変更することで、ピストン位置を相対的に上下に変位させ、圧縮比を変更する構成となっている。上記コントロールリンクの揺動支点位置の変更には、例えば、コントロールリンク基端が連結される偏心軸を備えた制御軸が用いられ、この制御軸の回転位置を電動モータ等からなるアクチュエータによって変化させる構成となっている。
In order to variably control the compression ratio of an internal combustion engine, as exemplified in
さらに、特許文献3には、アクチュエータとなるサーボモータと制御軸との間に電磁クラッチを介在させ、例えばサーボモータの焼き付き等により圧縮比可変機構が高圧縮比のまま制御不能となったような場合に、電磁クラッチを遮断することで、圧縮比可変機構をフリーの状態とし、燃焼圧によって自然に低圧縮比状態に復帰させることが開示されている。
Further, in
複リンク式ピストン−クランク機構にあっては、燃焼荷重や往復運動する各部品の慣性荷重などによって大きな振動が発生する。特に、燃焼荷重の大きな高負荷域において、その振動が増加する。 In the multi-link type piston-crank mechanism, a large vibration is generated by a combustion load, an inertial load of each component that reciprocates, and the like. In particular, the vibration increases in a high load region where the combustion load is large.
また、内燃機関の可変圧縮比装置は、一般に、熱効率向上のために低中負荷領域では高い圧縮比とする一方、高負荷域ではノッキング回避のために低圧縮比に制御されるが、周知のように、高圧縮比となる低中負荷領域で負荷が急激に増加した際などの圧縮比変化の応答性を高くするするためには、アクチュエータが大型化する傾向となる。 In general, a variable compression ratio device for an internal combustion engine is controlled to a low compression ratio in order to avoid knocking in a high load range while a high compression ratio is set in a low and medium load range to improve thermal efficiency. Thus, in order to increase the responsiveness of changes in the compression ratio, such as when the load suddenly increases in a low-medium load region where the compression ratio is high, the actuator tends to increase in size.
そこで、この発明は、主アクチュエータに加えて圧縮比を変更可能な一種のアクチュエータとなる油圧ピストン機構を設け、この油圧ピストン機構によって同時に振動の減衰を図ったものである。すなわち、この発明は、内燃機関のピストンとクランクシャフトとが複数のリンク部材を介して連結されているとともに、これらのリンク部材の自由度を制限するコントロールリンクを有し、このコントロールリンクの基端が制御軸の偏心軸に揺動可能に連結され、この制御軸の回転位置に応じた上記偏心軸の位置によって圧縮比が変化する複リンク式可変圧縮比装置において、上記制御軸に固定したアームにリンク機構を介して連係し、上記制御軸を回転方向に動かす主アクチュエータと、上記リンク機構に連係し、このリンク機構を動かすことにより圧縮比を変更可能な油圧ピストン機構と、を備え、上記アームに揺動可能に連結された第1リンクと上記油圧ピストン機構のピストンロッドとが、所定の低圧縮比状態において互いに一直線上に整列することを特徴としている。 Therefore, the present invention is provided with a hydraulic piston mechanism that is a kind of actuator capable of changing the compression ratio in addition to the main actuator, and at the same time, the damping of vibration is achieved by this hydraulic piston mechanism. That is, the present invention has a control link in which a piston and a crankshaft of an internal combustion engine are connected via a plurality of link members, and restricts the degree of freedom of these link members. Is connected to the eccentric shaft of the control shaft in a swingable manner, and in a multi-link variable compression ratio device in which the compression ratio changes depending on the position of the eccentric shaft according to the rotational position of the control shaft, an arm fixed to the control shaft And a hydraulic actuator that is linked to the link mechanism and can change the compression ratio by moving the link mechanism. The first link that is swingably connected to the arm and the piston rod of the hydraulic piston mechanism are in direct contact with each other in a predetermined low compression ratio state. It is characterized in that aligned above.
あるいは、上記アームに揺動可能に連結された第1リンクと上記油圧ピストン機構のピストンロッドとのなす角が、最低圧縮比状態において最も180°に近い角度となるように構成されている。 Alternatively, the angle formed by the first link pivotably connected to the arm and the piston rod of the hydraulic piston mechanism is configured to be an angle closest to 180 ° in the lowest compression ratio state.
上記可変圧縮比装置は、機関高負荷域では低圧縮比に制御される。そして、このとき、第1リンクと油圧ピストン機構のピストンロッドとが一直線状ないしこれに近い姿勢となるため、燃焼荷重や慣性荷重によりコントロールリンクを介して制御軸に作用する交番トルクが効率よく油圧ピストン機構に入力される。従って、主アクチュエータに加えて圧縮比を変更するための油圧ピストン機構が一種の油圧ダンパとして機能し、高負荷域における可変圧縮比装置の振動を効果的に減衰する。 The variable compression ratio device is controlled to a low compression ratio in the engine high load range. At this time, since the first link and the piston rod of the hydraulic piston mechanism are in a straight line shape or a posture close to this, the alternating torque that acts on the control shaft via the control link due to combustion load or inertia load is effectively hydraulic. Input to the piston mechanism. Therefore, the hydraulic piston mechanism for changing the compression ratio in addition to the main actuator functions as a kind of hydraulic damper, and effectively attenuates the vibration of the variable compression ratio device in the high load range.
この発明によれば、圧縮比変更用の油圧ピストン機構が一種の油圧ダンパとしても利用され、機関高負荷域における複リンク式ピストン−クランク機構の振動が効果的に抑制される。 According to the present invention, the hydraulic piston mechanism for changing the compression ratio is also used as a kind of hydraulic damper, and the vibration of the multi-link piston-crank mechanism in the engine high load region is effectively suppressed.
図4は、本発明のアクチュエータ機構が適用される複リンク式可変圧縮比装置の基本的な構成の一例を示しており、図示するように、シリンダブロック5に形成されたシリンダ6内に、ピストン1が摺動可能に配設されており、このピストン1に、アッパリンク11の一端がピストンピン2を介して揺動可能に連結されている。このアッパリンク11の他端は、第1連結ピン12を介してロアリンク13の一端部に回転可能に連結されている。このロアリンク13は、その中央部においてクランクシャフト3のクランクピン4に揺動可能に取り付けられている。なお、ピストン1は、その上方に画成される燃焼室から燃焼圧力を受ける。また、クランクシャフト3は、クランク軸受ブラケット7によってシリンダブロック5に回転可能に支持されている。
FIG. 4 shows an example of the basic configuration of a multi-link variable compression ratio device to which the actuator mechanism of the present invention is applied. As shown in the drawing, a piston is placed in a
上記ロアリンク13の他端部には、コントロールリンク15の一端が第2連結ピン14を介して回転可能に連結されている。このコントロールリンク15の他端は、内燃機関本体の一部に揺動可能に支持されており、かつ、圧縮比の変更のために、その揺動支点16の位置が内燃機関本体に対して変位可能となっている。具体的には、クランクシャフト3と平行に延びた制御軸18を備え、この制御軸18に偏心して設けられた偏心軸19に上記コントロールリンク15の他端が回転可能に嵌合している。上記制御軸18は、上記のクランク軸受ブラケット7と制御軸受ブラケット8との間に回転可能に支持されている。
One end of a
従って、圧縮比の変更のために、後述するアクチュエータ機構により制御軸18を回転駆動すると、コントロールリンク15の揺動支点16となる偏心軸19の中心位置が機関本体に対して移動する。これにより、コントロールリンク15によるロアリンク13の運動拘束条件が変化して、クランク角に対するピストン1の行程位置が変化し、ひいては機関圧縮比が変更されることになる。
Therefore, when the
なお、本発明は、図示したような特定の形式の複リンク式可変圧縮比装置に限定されるものではなく、複リンク式ピストン−クランク機構を利用した種々の形式の可変圧縮比装置に適用することが可能である。 The present invention is not limited to the specific type of multi-link variable compression ratio device as shown in the figure, but can be applied to various types of variable compression ratio devices using a multi-link type piston-crank mechanism. It is possible.
図1は、この発明の要部であるアクチュエータ機構の構成を示しており、このアクチュエータ機構は、電動モータ31を用いた主アクチュエータ30と、シリンダ51およびピストン52からなる油圧ピストン機構50と、を備えている。上記主アクチュエータ30は、この実施例では、電動モータ31の回転が図示せぬ減速機構を介して同軸の出力軸32に出力され、この出力軸32に固定されたアーム33の揺動によりコネクティングロッド34が直線運動に近似した運動を行うように構成されている。コネクティングロッド34は、連結点47においてアーム33先端に揺動可能に連結されている。なお、主アクチュエータ30を、公知のボールネジ機構を用いた直線運動する構成としてもよい。
FIG. 1 shows a configuration of an actuator mechanism that is a main part of the present invention. This actuator mechanism includes a
油圧ピストン機構50は、ピストン52により油室53が画成されているとともに、この油室53が拡張する方向にリターンスプリング54を備えた構成であって、ピストン52に連結されたピストンロッド55が後退する方向に付勢されたときに、油室53内の油が圧縮されて油圧が生じ、その圧縮方向の荷重を支承する構成となっている。上記油室53に至る油路には図示せぬ開閉弁が介装されており、油路の先端は大気圧下ないし比較的低い加圧下にあるリザーバタンクに接続されている。
The
上記制御軸18には、半径方向に延びたアーム41が固定され、その先端に連結点48を介して第1リンク42の一端が揺動可能に連結されている。第1リンク42の他端には、第2リンク43が揺動可能に連結されている。この第2リンク43は、この実施例では、3箇所に連結点44,45,46を有する三角形のリンクであり、連結点44に上記第1リンク42の他端が揺動可能に連結され、連結点45に上記コネクティングロッド34の先端が揺動可能に連結され、さらに、連結点46に上記ピストンロッド55の先端が揺動可能に連結されている。
An
なお、上記アーム33,41は、当業者であれば理解できるように、必ずしも物理的なアーム部材が存在する必要はなく、例えば制御軸18の端面に偏心して設けたピン等をアーム41とみなすことができる。
As can be understood by those skilled in the art, the
上記のようにリンク機構を介して互いに連結された主アクチュエータ30と油圧ピストン機構50は、互いに関連し、主アクチュエータ30を固定した状態で油圧ピストン機構50のピストン52を動かせば制御軸18が回転し、逆に、油圧ピストン機構50を固定した状態で主アクチュエータ30を動かせばやはり制御軸18が回転する関係となる。
The
また、図には、前述したコントロールリンク15を模式的に記載してあるが、機関のピストン1に作用する燃焼荷重は、コントロールリンク15に矢印Fで示すように偏心軸19を引き上げる方向に作用する。従って、この実施例の構成では、制御軸18は反時計回り方向に燃焼荷重を受け、第1,第2リンク42,43を介して、油圧ピストン機構50の油室に圧縮荷重として燃焼荷重が作用する。そして、制御軸18を時計回り方向に変位させると圧縮比が上昇し、反時計回り方向に変位させると圧縮比が低下する関係にあり、従って、油圧ピストン機構50としては、ピストンロッド55の突出方向(図左方)への変位が高圧縮比側、ピストンロッド55の後退方向(図右方)への変位が低圧縮比側となり、また主アクチュエータ30としては、コネクティングロッド34の図左方への変位が高圧縮比側、図右方への変位が低圧縮比側となる。
Although the
この実施例では、油圧ピストン機構50は、基本的に2値的に制御され、低中負荷領域のように目標圧縮比が高圧縮比側にあれば、ピストンロッド55が突出した位置にあり、油室53が拡張している。この状態へはリターンスプリング54の付勢力を利用して復帰するが、ピストンロッド55が突出した位置で油室53は前述した開閉弁により密閉され、ピストンロッド55に作用する力に抗することができる。そして、この状態で、主アクチュエータ30が制御軸18の位置を目標圧縮比に対応させるようにフィードバック制御される。
In this embodiment, the
また、高負荷領域のように目標圧縮比が低圧縮比側にあれば、油室53が開閉弁により開放され、ピストンロッド55を介して入力される燃焼荷重によってピストン52が変位し、ピストンロッド55が後退位置となる。この状態で、主アクチュエータ30が制御軸18の位置を目標圧縮比に対応させるようにフィードバック制御される。
If the target compression ratio is on the low compression ratio side as in the high load region, the
一方、高圧縮比で運転している状態(つまり低中負荷領域)において機関の負荷が急激に増加した場合、つまり、運転者により操作されるアクセル開度が急激に増加した場合には、直ちに開閉弁が開弁され、油室53が開放される。これにより、油圧ピストン機構50は、燃焼荷重Fによる力を受けて瞬時に変位し、ピストンロッド55が後退して、機関の圧縮比が直ちに低下する。また、これに並行して、主アクチュエータ30も低圧縮比側へ変位するが、この主アクチュエータ30の変位を待たずに圧縮比が低下し、従って、ノッキングを確実に回避できる。
On the other hand, when the engine load suddenly increases in a state where the engine is operating at a high compression ratio (that is, in a low / medium load region), that is, when the accelerator opening operated by the driver increases rapidly, The on-off valve is opened and the
なお、外部から制御される開閉弁を具備せずに、リターンスプリング54の付勢力と機関負荷の高低により変化する燃焼荷重とのバランスによって、ピストンロッド55の位置が定まるように構成することもできる。
It should be noted that the position of the
また、主アクチュエータ30および油圧ピストン機構50による圧縮比の可変範囲(換言すれば制御軸18の角度変化量)としては、上記実施例では、主アクチュエータ30あるいは油圧ピストン機構50の個々では、最低圧縮比から最高圧縮比までの全範囲をカバーすることができず、双方を併せて制御することで、全範囲の圧縮比を実現できる構成となっている。つまり、油圧ピストン機構50を低圧縮比側に固定した状態において主アクチュエータ30を動かすと、制御軸18は、圧縮比として最低圧縮比から所定の中間圧縮比に相当する角度範囲で変位する。他方、主アクチュエータ30を高圧縮比側に固定した状態において油圧ピストン機構50を動かしたとすると、制御軸18は、圧縮比として所定の中間圧縮比から最高圧縮比に相当する角度範囲で変位する。なお、油圧ピストン機構50により実現し得る圧縮比変化量は、主アクチュエータ30による圧縮比変化量に対し相対的に小さい。このように主アクチュエータ30と油圧ピストン機構50の双方を併せて全圧縮比範囲を実現するように構成することで、主アクチュエータ30および油圧ピストン機構50は、それぞれ比較的小型の構成となり、特に、油圧ピストン機構50は大きなストロークが要求されないことから、小型かつ小容量のもので足り、必要な油量も少ない。しかも、仮に、主アクチュエータ30および油圧ピストン機構50の一方ないし双方の制御が不能となっても、所定の最高圧縮比相当の位置を超えて制御軸18が回転することがなく、例えば機関のピストン1の位置が過度に上昇してバルブと干渉したりするような事態を確実に回避できる。
The variable range of the compression ratio by the
図1は、制御軸18が最低圧縮比位置にあるときのリンク機構の姿勢を示している。なお、このとき、主アクチュエータ30および油圧ピストン機構50の双方が低圧縮比側にある。本実施例では、図示するように、この最低圧縮比位置において、第1リンク42と第2リンク43(詳しくは連結点44,46の間)とピストンロッド55との3者が、一直線上に整列する。従って、制御軸18に作用する交番トルクによって連結点48の接線方向に生じる力が、油圧ピストン機構50に効率良く伝達され、該油圧ピストン機構50が一種の油圧ダンパとして機能して、制御軸18の交番トルクひいては可変圧縮比装置全体の振動を効果的に抑制することができる。なお、完全な一直線状とならずに、挟角が180°に近い僅かに折曲した状態に制限されるように構成してもよい。
FIG. 1 shows the attitude of the link mechanism when the
また、図1に示す最低圧縮比位置において、同時に、アーム41と第1リンク42とのなす角θ1が90°近傍、望ましくは90°、となる。これにより、制御軸18の回転トルクが第1リンク42の長手方向に沿った力として効率的に変換される。さらに、同時に、制御軸18におけるコントロールリンク15の姿勢として、偏心軸19中心を通る制御軸18の半径線とコントロールリンク15とのなす角θ2が、90°近傍、望ましくは90°、となる。これにより、コントロールリンク15の長手方向に沿った力が、制御軸18の回転トルクとして効率的に変換される。
In addition, at the lowest compression ratio position shown in FIG. 1, at the same time, the angle θ1 formed by the
従って、全体として、高負荷域(低圧縮比状態)における大きな燃焼荷重に起因する振動入力に対し、油圧ピストン機構50が最も効果的に振動減衰作用を与えることができる。そのため、強度面や振動騒音面の対策の必要性が低減し、制御軸18やコントロールリンク15、ひいては、それらを支持するシリンダブロック、ラダーフレーム等のエンジン本体構造の大型化や重量増大を抑制することができる。
Therefore, as a whole, the
図2は、制御軸18が最高圧縮比位置にあるときのリンク機構の姿勢を示している。なお、このとき、主アクチュエータ30および油圧ピストン機構50の双方が高圧縮比側にある。この状態では、第1リンク42と第2リンク43(詳しくは連結点44,46の間)とピストンロッド55との3者は必ずしも直線上に並ばないが、この場合でも、油圧ピストン機構50は、ある程度の振動減衰作用を奏するものとなる。
FIG. 2 shows the attitude of the link mechanism when the
次に、図3は、この発明の第2実施例を示しており、この実施例では、第2リンク43を具備せず、第1リンク42先端とコネクティングロッド34先端とピストンロッド55先端とが、3者に共通の連結点49において互いに揺動可能に連結されている。なお、必要に応じて、油圧ピストン機構50が揺動し得るように構成してもよい。
Next, FIG. 3 shows a second embodiment of the present invention. In this embodiment, the
図3は、図1と同じく制御軸18が最低圧縮比位置にあるときのリンク機構の姿勢を示しており、主アクチュエータ30および油圧ピストン機構50の双方が低圧縮比側にあるが、前述した実施例と同様に、この最低圧縮比位置において、第1リンク42とピストンロッド55とが一直線上にあり、かつ角θ1および角θ2がいずれも90°をなしている。
FIG. 3 shows the posture of the link mechanism when the
以上、この発明の一実施例を説明したが、この発明はこれらの実施例に限定されず、種々の変更が可能である。例えば、油圧ピストン機構50としては、上記のような油室が1つの形式のものや単に2値的に動くものに限られず、2つの油室を有する形式や、中間位置に積極的に制御できるものなど、種々の形式のものを用いることができる。
As mentioned above, although one Example of this invention was described, this invention is not limited to these Examples, A various change is possible. For example, the
また、上記実施例では、燃焼荷重が最大となる最低圧縮比位置のときに所望のリンクの姿勢となるように説明したが、必ずしも最低圧縮比位置でなくても、最低圧縮比に近い所定の圧縮比位置において上記のようなリンク姿勢の関係が成立するように構成すれば、この圧縮比に対応する所定の高負荷条件のときに、最も効果的な振動減衰作用が得られる。 Further, in the above-described embodiment, it has been described that the desired link posture is obtained when the combustion compression load is at the lowest compression ratio position. However, even if the position is not necessarily the lowest compression ratio position, a predetermined value close to the lowest compression ratio is obtained. If the link posture relationship described above is established at the compression ratio position, the most effective vibration damping action can be obtained under a predetermined high load condition corresponding to the compression ratio.
なお、添付した各図は、本発明の構成や原理を説明するための説明図であり、言うまでもなく各部の寸法関係は厳密なものではない。 Each of the attached drawings is an explanatory diagram for explaining the configuration and principle of the present invention, and needless to say, the dimensional relationship of each part is not strict.
1…ピストン
3…クランクシャフト
11…アッパリンク
13…ロアリンク
15…コントロールリンク
18…制御軸
19…偏心軸
30…主アクチュエータ
31…電動モータ
50…油圧ピストン機構
51…シリンダ
52…ピストン
42…第1リンク
43…第2リンク
55…ピストンロッド
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (8)
上記制御軸に固定したアームにリンク機構を介して連係し、上記制御軸を回転方向に動かす主アクチュエータと、上記リンク機構に連係し、このリンク機構を動かすことにより圧縮比を変更可能な油圧ピストン機構と、を備え、上記アームに揺動可能に連結された第1リンクと上記油圧ピストン機構のピストンロッドとが、所定の低圧縮比状態において互いに一直線上に整列することを特徴とする内燃機関の複リンク式可変圧縮比装置。 A piston and a crankshaft of an internal combustion engine are connected via a plurality of link members, and have a control link that limits the degree of freedom of these link members, and the base end of the control link is an eccentric shaft of the control shaft In a multi-link variable compression ratio device, wherein the compression ratio changes depending on the position of the eccentric shaft according to the rotational position of the control shaft.
A main actuator that is linked to the arm fixed to the control shaft via a link mechanism and moves the control shaft in the rotation direction, and a hydraulic piston that is linked to the link mechanism and can change the compression ratio by moving the link mechanism An internal combustion engine characterized in that a first link pivotably connected to the arm and a piston rod of the hydraulic piston mechanism are aligned with each other in a predetermined low compression ratio state Multi-link variable compression ratio device.
上記制御軸に固定したアームにリンク機構を介して連係し、上記制御軸を回転方向に動かす主アクチュエータと、上記リンク機構に連係し、このリンク機構を動かすことにより圧縮比を変更可能な油圧ピストン機構と、を備え、上記アームに揺動可能に連結された第1リンクと上記油圧ピストン機構のピストンロッドとのなす角が、最低圧縮比状態において最も180°に近い角度となることを特徴とする内燃機関の複リンク式可変圧縮比装置。 A piston and a crankshaft of an internal combustion engine are connected via a plurality of link members, and have a control link that limits the degree of freedom of these link members, and the base end of the control link is an eccentric shaft of the control shaft In a multi-link variable compression ratio device, wherein the compression ratio changes depending on the position of the eccentric shaft according to the rotational position of the control shaft.
A main actuator that is linked to the arm fixed to the control shaft via a link mechanism and moves the control shaft in the rotation direction, and a hydraulic piston that is linked to the link mechanism and can change the compression ratio by moving the link mechanism And an angle formed between a first link pivotably connected to the arm and a piston rod of the hydraulic piston mechanism is an angle closest to 180 ° in a minimum compression ratio state. A multi-link variable compression ratio device for an internal combustion engine.
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