JP2014190293A - ピストン及びピストンを用いた内燃機関の可変圧縮比装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置を複雑にすることなく簡単な機構で、内燃機関の圧縮比を変更できるようにする。
【解決手段】ピストンボス部２５を有するピストン基部２０と、ピストンヘッド３６を有し前記ピストン基部２０に対してストローク方向に移動可能なピストン移動部３０と、前記ピストン基部２０と前記ピストン移動部３０にそれぞれ設けられた磁石５１，５２と、前記両磁石５１，５２間の磁力による前記ストローク方向への反発力を可変とする磁力調整機構６０を備えたピストン１０を採用した。磁力の作用による反発力により、ピストン基部２０とピストン移動部３０とのストローク方向への位置関係を決定できるので、その反発力を調整することで、内燃機関の圧縮比を可変とすることができる。両磁石５１，５２間の反発力の調整は、両磁石５１，５２の対向する磁極間の距離を増減することで、その反発力を容易に変更することができる。
【選択図】図１

Description

この発明は、内燃機関の圧縮比を変化させることができるピストン、及び、ピストンを用いた内燃機関の可変圧縮比装置に関するものである。

内燃機関における圧縮比は、出力や燃料消費量に影響を与えることが知られている。例えば、ガソリンエンジンでは、一般に、圧縮比を高く設定することで、同じ量の混合気からより大きな運動エネルギーを取り出すことができ、高出力、高トルクを得ることが期待できる。また、圧縮比を高く設定することで燃焼効率が高まれば、燃費の向上も期待できる。ディーゼルエンジンでも同様に、圧縮比を高く設定することにより、高出力、高トルク、燃費の向上が期待できる。

しかし、ガソリンエンジンでは、圧縮比を過大に設定すると、ノッキング等を生じる場合がある。また、ディーゼルエンジンでも、圧縮比を過大に設定すると、それに伴ってフリクションが増大する。このため、内燃機関は、その用途や仕様等に応じて、適切な圧縮比に設定されている。

ところで、運転状況等に応じて圧縮比を変化させることができるよう、従来より、内燃機関の可変圧縮比装置が提案されている。
この可変圧縮比装置を備えることにより、例えば、ガソリンエンジンにおいては、エンジンの高負荷時には、圧縮比を下げてノッキングの発生を防止することができる。また、低負荷時には、圧縮比を上げて燃費の向上を図ることができる。一方、ディーゼルエンジンにおいては、エンジンの高速域では圧縮比を下げてフリクションを低減し、低速域では圧縮比を上げて燃費を向上させることができる。

可変圧縮比装置としては、例えば、特許文献１に示すものがある。この可変圧縮比装置は、ピストンとコンロッド（コネクティングロッド）との位置を、そのコンロッドの小端部とピストンピンとの間に設けられた偏心スリーブによって調整可能としたものである。

偏心スリーブには、その偏心スリーブと一体回転するピニオンが設けられている。また、ピストンには、そのピニオンに噛み合うラック、そのラックを油圧の動作により進退運動させて、ラックを所定の位置に固定するラック駆動及び固定機構が設けられている。ラックの進退動作により偏心スリーブが回転すると、その偏心スリーブの偏心位置に応じて、ピストンのストローク方向に対するコンロッドとピストンとの相対位置が変化する。これにより、コンロッドの有効長が変化するので、燃焼室内の圧縮比を適宜変更することができる。

なお、ピストンのコンロッドに対する相対位置を可変とした技術として、例えば、特許文献２に示すものがある。ピストンは、コンロッドに連結されるピストンボス部を有するピストン基部と、そのピストン基部に対して相対移動が可能なピストン移動部とを備えている。ピストンヘッドは、ピストン移動部の頂部に設けられている。

ピストン移動部は環状の壁部を有し、その壁部の内側にピストン基部が収容されている。また、ピストン基部とピストン移動部との間には皿バネが収容されている。燃焼室内の圧力が大きくなると、その圧力によって皿バネが縮むことでピストン移動部がピストン基部側に移動する。これにより、燃焼室内が意図する圧力を超えないようにしている。

特開平６−２１２９９３号公報 特開２０１２−１３７０６０号公報

上記特許文献１に記載の可変圧縮比装置では、ピストンとコンロッドとの相対位置を可変とするために、偏心スリーブ、ラック、ピニオンといった複雑な装置が必要である。部品の耐久性やメンテナンス、コスト面等の問題から、装置はできる限り簡単であることが望ましい。

また、上記特許文献２に記載の発明は、ピストンを分解しない限り、ピストン基部とピストン移動部との間の皿バネのバネ係数を変更することができない。このため、運転状況等に応じて、圧縮比を変更することは不可能である。

そこで、この発明は、装置を複雑にすることなく簡単な機構で、内燃機関の圧縮比を変更できるようにすることを課題とする。

上記の課題を解決するために、この発明は、ピストンボス部を有するピストン基部と、ピストンヘッドを有し前記ピストン基部に対してストローク方向に移動可能なピストン移動部と、前記ピストン基部と前記ピストン移動部にそれぞれ設けられた磁石と、前記両磁石間の磁力による前記ストローク方向への反発力を可変とする磁力調整機構を備えたピストンを採用したのである。

この構成によれば、磁力の作用による反発力により、ピストン基部とピストン移動部とのストローク方向への位置関係を決定できる。このため、その反発力を大きくしたり小さくしたり調整することで、内燃機関の圧縮比を可変とすることができる。

両磁石間の反発力の調整は、比較的簡単な機構で可能である。バネ等の弾性部材とは異なり磁石は極性を持つので、例えば、両磁石の対向する磁極間の距離を増減することで、その反発力を容易に変更することができる。

具体的には、ピストン移動部側又はピストン基部側の少なくともいずれか一方の磁石の向き又は位置を変更することで、その反発力を生じさせている磁極間の距離を増減させることができる。

ここで、磁力調整機構としては、ピストン移動部側の磁石のみを可動とした構成、ピストン基部側の磁石のみを可動とした構成、ピストン移動部側及びピストン基部側の両方の磁石を可動とした構成等が考えられるが、より簡単な機構とするためには、ピストン基部側の磁石のみを可動とした構成が望ましい。
すなわち、磁力調整機構は、ピストン基部に設けられた磁石のピストン基部に対する向き又は位置を変更することにより、前記磁極間の距離を増減するものを採用できる。

磁石の向きや位置を変えるための手段として、例えば、油圧等を用いた流体圧機構による動作や、あるいは、モータの駆動力を利用することができる。

流体圧機構を用いる場合、磁力調整機構は、ピストン基部又はピストン移動部に設けられた流体圧シリンダの作用により、磁石を回転又は移動させ、前記磁極間の距離を増減する構成とすることができる。また、モータを用いる場合、磁力調整機構は、ピストン基部又はピストン移動部に設けられたモータの駆動力により、磁石を回転又は移動させ、前記磁極間の距離を増減する構成とすることができる。

また、これらの各構成において、ピストン基部とピストン移動部のいずれか一方に、ストローク方向に沿って突出する凸部を設け、他方には、凸部とスライド可能に嵌合する嵌合部を設け、両磁石は、凸部及び嵌合部に設けられる構成を採用することができる。
凸部と嵌合部は、ピストン基部とピストン移動部とのストローク方向への相対移動をガイドする機能を発揮できるので、そのガイドする部分に磁石を配置することで、ピストン基部とピストン移動部との相対移動がよりスムーズになる効果が期待できる。

これらの各構成からなるピストンを内燃機関のシリンダ内に備え、ピストン基部のピストンボス部とクランクシャフトとがコンロッドで接続されてピストンはシリンダ内で進退自在であり、磁力調整機構は、ピストン基部からコンロッド、クランクシャフトを通じてシリンダ外に引き出された指令伝達手段によって、シリンダ外から制御可能である内燃機関の可変圧縮比装置とすることができる。

磁極間の距離を増減させる手段として流体圧機構を採用する場合、指令伝達手段としては、ピストン基部からコンロッド、クランクシャフトを通じてシリンダ外に引き出された流体圧回路を採用することができる。内燃機関のシリンダ外に設けた流体圧供給源から油圧シリンダに所定の油圧が供給されることで、その流体圧シリンダのピストンを動作させ、磁石を回転又は移動させることができる。
磁極間の距離を増減させる手段としてモータを用いる場合は、指令伝達手段としては、ピストン基部からコンロッド、クランクシャフトを通じてシリンダ外に引き出された電気回路を利用することができる。内燃機関のシリンダ外に設けた電源からモータに所定の電流が供給されることで、そのモータの回転軸を回転させ、磁石を回転又は移動させることができる。

上記の各構成において、ピストン移動部及びピストン基部に設けられる磁石は、それぞれ永久磁石とすることが望ましい。
なお、シリンダ内、ピストン内に電気回路を配設可能であるならば、ピストン移動部側又はピストン基部側の少なくともいずれか一方の磁石を電磁石とする手法も考えられる。電磁石であれば、電気回路に流れる電流を増減させることで、磁石の向きや位置を変えることなく、反発力を増減させることができる。また、電流値を増大させることにより、比較的大きな反発力を設定することも可能である。電気回路は、例えば、ピストンからコンロッド、クランクシャフトを通じて、シリンダ外の電源に導いて配設することができる。

この発明は、磁力の作用による反発力により、ピストン基部とピストン移動部とのストローク方向への位置関係を決定できるようにしたので、その反発力を調整することで、内燃機関の圧縮比を変更できる。このため、装置を複雑にすることなく簡単な機構で、内燃機関の圧縮比を変更できる。

この発明の一実施形態のピストンを示し、（ａ）はピストン移動部がピストン基部から遠ざかった際の断面図、（ｂ）はピストン移動部がピストン基部に近づいた際の断面図である。 （ａ）は図１（ａ）の要部拡大図、（ｂ）は図１（ｂ）の要部拡大図である。 同実施形態のピストンを組み込んだ可変圧縮比装置の構成図である。 図３の側面図である。 エンジン回転数と負荷との関係を示すグラフ図である。 他の実施形態の要部拡大図である。

この発明の実施形態を、図面に基づいて説明する。ここでは、自動車用の４サイクルガソリンエンジンを例に、圧縮比を変化させることができるピストン１０、そのピストン１０を用いた内燃機関の可変圧縮比装置の構成について、順に説明する。なお、図面では、理解がしやすいように、ピストン１０の細部やエンジンの構成など、その一部を簡略化して示している。

ピストン１０は、図１に示すように、ピストン基部２０と、ピストン基部２０とは別部材で構成されるピストン移動部３０とを備えている。ピストン移動部３０は、ピストン基部２０に対して、ピストン１０のストローク方向に相対移動可能となっている。

ピストン基部２０は、図３に示すように、本体部２１と、本体部２１から下方へ（クランクシャフト４１側へ）突出するピストンボス部２５を備えている。ピストンボス部２５には、ピストンピン２４を介してコンロッド４０が接続される。この実施形態では、コンロッド４０はピストンピン２４を介してピストン基部２０に連結されるので、ピストンボス部２５には、ピストンピン２４が挿通される孔２５ａが形成されている。

また、本体部２１のピストンボス部２５側の反対側の面には、上方へ（シリンダヘッド側）へ突出する側壁部２２が形成されている。本体部２１とピストンボス部２５、及び側壁部２２は、一体に形成されている。この実施形態では、本体部２１は、平面視円形であり、ストローク方向に一定の厚みを有する形状である。また、側壁部２２は筒状を成し、本体部２１の平面視中央部に設けられている。前記側壁部２２で囲まれた内側が嵌合部２３として機能するようになっている。

ピストン移動部３０は、シリンダヘッド側に位置するピストンヘッド３６と、ピストンヘッド３６の周縁部からクランクシャフト４１側へ立ち上がる環状の壁部３３、ピストンヘッド３６の平面視中央部から同方向へ立ち上がる凸部３２とを備えている。ピストンヘッド３６と壁部３３、及び凸部３２は、一体に形成されている。

ピストン基部２０は、ピストン移動部３０の壁部３３の内側空間内に収容される。また、ピストン移動部３０の凸部３２は、ピストン基部２０の嵌合部２３にスライド可能に嵌合する。これにより、ピストン移動部３０はピストン基部２０に対して、前記ピストン１０のストローク方向に沿って往復動が可能である。

なお、平面視におけるピストン基部２０の本体部２１の外縁の形状（スライド方向に垂直な面の形状）は、円形である。また、平面視におけるピストン移動部３０の内周面によって形成される形状は、同じく円形である。

嵌合部２３の平面視形状、すなわち、側壁部２２の内縁によって形成される形状は、凸部３２の平面視形状と相似であり、また、前記嵌合部２３内で凸部３２がスライドできる隙間だけ大きい形状となっている。この実施形態では、嵌合部２３及び凸部３２の平面視形状を非円形とすることで、ピストン移動部３０はピストン基部２０との回り止め機能を発揮している。また、ピストン基部２０の本体部２１の外縁と、ピストン移動部３０の壁部３３との間に、相互に噛み合う回り止め手段を配置してもよい。

ピストン移動部３０の壁部３３の内面には、周方向に沿って係合溝３５が設けられている。この係合溝３５に環状の止め輪３１が係止されている。このため、ピストン基部２０とピストン移動部３０とが互いに離れる方向へ相対移動し、止め輪３１がピストン基部２０の本体部２１に当接することで、それ以上離れる方向への移動が規制される。

これらの構成からなるピストン１０が、図３に示すように、エンジンのシリンダブロック内に形成されたシリンダ１１に収容される。ピストン基部２０のピストンボス部２５とコンロッド４０の小端部とが、ピストンピン２４を介して接続される。また、コンロッド４０の大端部は、クランクピン４２を介して、クランクケース内のクランクシャフト４１に接続される。

ピストン１０は、燃焼室の圧力をピストンヘッド３６に受けることで、そのシリンダ１１内をストローク方向に沿ってクランクシャフト４１側へ移動する。この移動が、コンロッド４０を介してクランクシャフト４１に伝達されることで、クランクシャフト４１が回転する。

このとき、ピストン基部２０はコンロッド４０を介してクランクシャフト４１に連結されているので、ピストン基部２０が、シリンダ内面の周方向に沿って回転することはない。また、前述の回り止め機能によって、ピストン移動部３０も同方向には回転しない。

ピストン基部２０とピストン移動部３０には、それぞれ磁石５１，５２が設けられている。この実施形態では、磁石５１，５２としてそれぞれ永久磁石を採用している。

ピストン移動部３０側の磁石５１は、図１及び図２に示すように、凸部３２に固定されている。磁石５１は、ピストン移動部３０の素材である金属に埋め込み固定としているが、これを、接着固定や嵌め込み固定等の他の固定方法としてもよい。

ピストン１０は、両磁石５１，５２間の磁力によるストローク方向への反発力を可変とする磁力調整機構６０を備えている。磁力調整機構６０は、ピストン移動部３０側の磁石５１をそのピストン移動部３０に不動に固定し、ピストン基部２０側の磁石５２を、そのピストン基部２０に対して回転可能に支持することにより構成されている。

ピストン基部２０側の磁石５２は、その断面がそれぞれ半円状であるＮ極とＳ極とからなる円柱状のものである。異なる磁極が半円状に２分割されているので、この磁石５２を、軸周りいずれかの方向へ回転させることで、磁極の向きを変更することが可能である。この向きの変更により、反発力を生じさせている両磁石５１，５２の対向する磁極間の距離を増減することができる。

例えば、図１（ａ）では、ピストン基部２０とピストン移動部３０とは、両磁石５１，５２の間の磁力による反発力によって、ストローク方向へ比較的離れた位置に維持されている。図２（ａ）に示すように、磁極５１ｂと磁極５２ｂとは同種の極（図２（ａ）ではＮ極とＮ極としている）であり、ピストン基部２０とピストン移動部３０とが離れる方向への反発力を生じさせている。

また、図１（ｂ）では、両磁石５１，５２の間の磁力による反発力は低減され、ピストン基部２０とピストン移動部３０とは、ストローク方向へ比較的近づいた位置に維持されている。このとき、図２（ｂ）に示すように、図中の磁極５１ｂと磁極５２ａとは異種の極（図２（ｂ）ではＮ極とＳ極としている）であるので、両磁石５１，５２間において反発力が解消し、ピストン基部２０とピストン移動部３０とが近づく方向への吸引力（引き寄せる力）を生じさせていてもよい。

さらに、磁石５２の向きを、例えば、図１（ａ）と図１（ｂ）との中間位置に設定することもできる。磁石５２の向きは任意の向きに無段階で調整できるので、ピストン基部２０とピストン移動部３０との間に作用する反発力も無段階で増減可能である。

このように、両磁石５１，５２間の反発力を増減させることで、ピストン基部２０とピストン移動部３０とのストローク方向への距離が変化する。この変化により、シリンダ１１内における内燃機関の圧縮比を可変とすることができる。

例えば、図１（ａ）に示すように、ピストン移動部３０がピストン基部２０から離れた位置にある際、コンロッド４０に対してピストンヘッド３６が燃焼室側へ遠ざかった位置となる。このため、コンロッド４０の実質的な有効長が大きくなって、燃焼室の体積が小さくなるので、高圧縮比状態となる。
また、図１（ｂ）に示すように、ピストン移動部３０がピストン基部２０に近い位置にある際、コンロッド４０に対してピストンヘッド３６が近づいた位置となる。このため、コンロッド４０の実質的な有効長が小さくなって、燃焼室体積が大きくなるので、低圧縮比状態となる。

このピストン移動部３０のピストン基部２０に対する相対位置は、磁石５１，５２間の反発力の設定を変更しない限り、一定の圧縮比を維持することができる。このため、例えば、設定を高圧縮比状態に固定して内燃機関を使用することもできるし、低圧縮比状態に固定して内燃機関を使用することもできる。

なお、燃焼室内で燃料が燃焼してピストン１０に圧力が加わると、その圧力で、ピストン移動部３０のピストン基部２０に対するストローク方向への相対位置が変化する場合も考えられる。すなわち、燃焼による圧力がピストン１０に加わった状態における、ピストン移動部３０のピストン基部２０に対する相対位置（以下、「燃焼時位置」と称する。）が、その圧力が加わる前の状態（以下、「原位置」と称する。）よりもある程度近づくことを許容する設定も考えられる。つまり、高圧縮比状態での燃焼時位置おけるピストン移動部３０のピストン基部２０に対する位置が、低圧縮比状態より遠ざかった位置となるように反発力を調整すればよい。

また、上記のように、圧縮比を一定に固定して使用する場合は、燃焼時位置と原位置とが同一に維持されるように、磁石５１，５２間の反発力を設定してもよい。すなわち、磁石５１，５２間の磁力によるピストン基部２０とピストン移動部３０との間の反発力は、シリンダの燃焼室内が想定される最大圧力になった際に、ピストンヘッド３６に加わるストローク方向への力（クランクシャフト４０側への力）と同じであるか、あるいは、それよりも大きいことが望ましい。

磁石５１，５２として、この実施形態では、高温での用途に適したサマリウムコバルト磁石を採用しているが、他の素材からなる磁石を採用してもよい。

また、この実施形態では、両磁石５１，５２は、ピストン１０の平面視中央に位置する凸部３２及び嵌合部２３に設けられている。ピストン基部２０とピストン移動部３０との相対移動をガイドする部分に磁石５１，５２が配置されているので、ピストン基部２０とピストン移動部３０とが傾くような事態を回避し、その相対移動がよりスムーズになる効果が期待できる。

磁力調整機構６０における両磁石５１，５２間の反発力を調整する手段として、この実施形態では、流体の圧力によってシリンダを動作させる流体圧機構を採用している。特に、内燃機関の燃焼室に近い部分で使用するため、流体圧機構として、作動油の圧力を用いた油圧機構を採用している。

図２（ａ）（ｂ）に示すように、ピストン１０のピストン基部２０には、磁力調整機構６０として流体圧シリンダ（油圧シリンダ）６１が設けられている。この流体圧シリンダ６１は複動式シリンダであり、隔壁６２を挟んで両側にシリンダ室ａ，ｂを有している。

隔壁６２は、磁石５２と一体に形成されるか又は磁石５２に接続されている。また、シリンダ室は、円柱状の磁石５２を周方向に囲むように弧状に形成されて、周囲との液密が確保されている。隔壁６２が、弧状のシリンダ室ａ，ｂ内を、弧の方向に沿って移動することにより、円柱状の磁石５２は軸周り回転しその向きを変える。微小な大きさのピストン６２が、シリンダ室ａ，ｂ内を行き来することで磁石５２の指向性を変化させることができるので、必要な流体量（油量）は非常に少量である。

磁力調整機構６０は、図３及び図４に示すように、ピストン基部２０からコンロッド４０、クランクシャフト４１を通じてシリンダ外に引き出された指令伝達手段７０としての流体路６３ａ〜６９ａ，６３ｂ〜６９ｂ、及び、その流体路に接続された指令手段４４としての流体圧供給源によって、シリンダ外から制御可能である。流体圧供給源は油圧ポンプであり、この内燃機関を搭載する自動車が備える電子制御ユニット（ＥＣＵ）４５によって制御される。

すなわち、流体圧供給源は磁力調整機構６０への指令手段４４として機能し、流体路６３ａ〜６９ａ，６３ｂ〜６９ｂは、指令手段４４から磁力調整機構６０への指令伝達手段７０として機能する。また、これらの磁力調整機構６０及び指令伝達手段７０等によって、内燃機関の可変圧縮比装置を構成している。

流体路は、図３に示すように、流体圧シリンダ６１の両シリンダ室ａ，ｂから引き出されたピストン基部２０内の流体路６３ａ，６３ｂ、ピストンピン２４に形成された流体路６４ａ，６４ｂ、コンロッド４０に形成された流体路６５ａ，６５ｂ、クランクピン４２に形成された流体路６６ａ，６６ｂ、クランクシャフト４１のクランクウェブ４６に形成された流体路６７ａ，６７ｂ、クランクジャーナル４３に形成された流体路６８ａ，６８ｂ、クランクジャーナル４３から内燃機関の外部に設けた流体圧供給源に通じる流体路６９ａ，６９ｂとで構成される。

ピストン基部２０内の流体路６３ａ，６３ｂとピストンピン２４に形成された流体路６４ａ，６４ｂとは、ピストンボス部２５の孔２５ａの内面又はピストンピン２４の外面に設けた周溝ｃを通じて接続されている。このため、ピストン基部２０に対してピストンピン２４がどのような方位にあっても、流体路６３ａ，６４ａ間、及び、流体路６３ｂ，６４ｂ間の連通状態は維持される。

また、同様に、ピストンピン２４に形成された流体路６４ａ，６４ｂとコンロッド４０に形成された流体路６５ａ，６５ｂとの間は、ピストンピン２４の外面又はコンロッド４０の軸穴の内面に設けた周溝ｃを介して、コンロッド４０に対してピストンピン２４がどのような方位にあっても常に連通する。
以下、同様に、コンロッド４０に形成された流体路６５ａ，６５ｂと、クランクピン４２に形成された流体路６６ａ，６６ｂとは、コンロッド４０の軸穴の内面又はクランクピン４２の外面に設けた周溝ｃを介して、また、クランクピン４２に形成された流体路６６ａ，６６ｂと、クランクウェブ４６に形成された流体路６７ａ，６７ｂとは、クランクピン４２の外面又はクランクウェブ４６の軸穴の内面に設けた周溝ｃを介して、クランクウェブ４６に形成された流体路６７ａ，６７ｂと、クランクジャーナル４３に形成された流体路６８ａ，６８ｂとは、クランクウェブ４６の軸穴の内面又はクランクジャーナル４３の外面に設けた周溝ｃを介して、それぞれ互いの部材がいかなる軸周り方位にあっても、常に連通するようになっている。

なお、図示していないが、クランクジャーナル４３に形成された流体路６８ａ，６８ｂと、クランクジャーナル４３からシリンダの外部に設けた流体圧供給源に通じる流体路６９ａ，６９ｂとの間も、常に連通状態が維持されるようになっている。

このように、ピストン基部２０から、コンロッド４０、クランクシャフト４１等を通じてシリンダ外に引き出された流体路を通じて、流体圧供給源から流体圧シリンダ６１の各シリンダ室ａ，ｂへ流体圧が供給される。例えば、いずれか一方のシリンダ室ａに流体圧を作用させ、他方のシリンダ室ｂの流体圧を解放することにより、隔壁６２は、他方のシリンダ室ｂ側へ移動する。また、逆に、他方のシリンダ室ｂに流体圧を作用させ、一方のシリンダ室ａの流体圧を解放することにより、隔壁６２は、一方のシリンダ室ａ側へ移動する。このように、油圧シリンダ６１の隔壁６２を動作させることで、磁石５２を回転させることができる。

この磁力調整機構６０による圧縮比の制御方法としては、前述のように、自動車の運転状況に応じて、例えば、一定の高圧縮比状態にして使用したり、あるいは、一定の低圧縮比状態にして使用することができる。また、その設定する圧縮比を、上限と下限との間で段階的に又は無段階で増減することもできる。

例えば、エンジンへの回転数に対応して、圧縮比を調整する制御が可能である。一般に、エンジンの低回転域は、ノッキングを生じやすい状況であるので、例えば、低回転域では、電子制御ユニット４５からの指令に基づいて、磁力調整機構６０が自動的に圧縮比を下げて所定の低圧縮状態に設定し、また、エンジンの高回転域では、燃費の向上を図るため、電子制御ユニット４５からの指令に基づいて、磁力調整機構６０が自動的に圧縮比を上げて所定の高圧縮状態に設定する制御方法を採用することができる。

また、エンジンへの負荷に対応して、圧縮比を調整する制御も可能である。自動車のエンジンは、例えば、上り坂でアクセルペダルを大きく踏み込んだような高負荷状態から、下り坂を惰性で下るような、あるいは、自動車が完全に停止してエンジンがアイドリングしているような低負荷状態まで、様々な状況下で使用される。このため、例えば、エンジンの高負荷状態では、自動的に圧縮比を下げてノッキングの発生を防止し、低負荷状態には、自動的に圧縮比を上げて燃費の向上を図る制御方法を採用することができる。

ここで、エンジンの回転数の情報は、クランク角センサ等からの情報に基づいて電子制御ユニット４５で得ることができる。また、エンジンへの負荷の情報は、アクセルペダルに連動するスロットルバルブの開度や、燃料噴射量、エンジンの回転数、車速等の情報に基づいて、電子制御ユニット４５において算出することができる。

さらに、エンジンの回転数と負荷の両方の情報に対応して、圧縮比を調整する制御も可能である。例えば、図５は、エンジンの回転数（横軸）と負荷（縦軸）との関係を示している。グラフ中に符号１で示すラインは、エンジンの低回転域から高回転域に亘って、比較的エンジンへの負荷が高い運転状況を示している（以下、「高負荷運転状態」と称する。）。符号３で示すラインは、エンジンの低回転域から高回転域に亘って、比較的エンジンへの負荷が低い運転状況を示している（以下、「低負荷運転状態」と称する。）。符号２で示すラインは、その中間状態を示している。

エンジン回転数と負荷の情報に基づいて、符号１に示す高負荷運転状態であることを検知した場合は、電子制御ユニット４５からの指令に基づいて、磁力調整機構６０が自動的に圧縮比を下げて所定の低圧縮状態に設定する。エンジン回転数と負荷の情報に基づいて、符号３に示す低負荷運転状態であることを検知した場合は、電子制御ユニット４５からの指令に基づいて、磁力調整機構６０が自動的に圧縮比を上げて所定の高圧縮状態に設定する。符号２で示す中間状態であることを検知した場合は、電子制御ユニット４５からの指令に基づいて、磁力調整機構６０が自動的に圧縮比を調整し、高圧縮状態と低圧縮状態との間の所定の圧縮比に設定する。

この発明では、ピストン基部２０とピストン移動部３０との位置決定に、磁力の反発力を利用したことにより、従来よりも速いレスポンスで圧縮比の調整が可能である。このため、例えば、ピストン１０がシリンダ内を一往復する間に、ピストン基部２０とピストン移動部３０とのストローク方向の相対位置を変更する制御方法が実現できる。

４サイクルエンジンの動作を例に説明すると、例えば、従来、エンジンにノッキングが生じて、電子制御ユニット４５が、点火時期を遅角する制御を行っていたような状況を想定する。この発明では、従来の遅角の制御に代えて、機関が圧縮行程から燃焼行程へ移行する際に、ピストン１０の上死点付近において、磁力調整機構６０が圧縮比を下げる（ピストン基部２０とピストン移動部３０とのストローク方向の距離を近づける）制御を行うことにより、ノッキングを低減することができる。このため、点火時期を遅角する制御と同様の効果を発揮することができる。また、遅角を行わずにノッキングを抑制できるので、従来の遅角制御によるパワーロスも解消できる。

その後の燃焼行程においては、磁力調整機構６０が圧縮比を上げる（ピストン基部２０とピストン移動部３０とのストローク方向の距離を遠ざける）制御を行うことにより、元の圧縮比に復帰する。例えば、ピストン１０が上死点を過ぎた後、すぐにこの制御を行うことができる。そして、燃焼行程、排気行程、吸気行程を経た後、圧縮行程においてピストン１０が上死点付近に達した際に、同様の制御を繰り返す。この制御は、ノッキングが解消するまで行うことができる。

上記の実施形態では、磁石５２を回転させることにより、その磁石５２の磁極の向きを変えて、反発力を生じさせている磁極間の距離を増減したが、例えば、磁石５２の位置を移動することにより、磁極間の距離を増減する構成も採用することができる。例えば、ピストン基部２０側の磁石５２を、そのピストン基部２０に対してストローク方向に沿ってへ直線的に往復動可能とする構成、あるいは、そのストローク方向へ直交する方向へ往復動可能とする構成を採用することができる。

また、ピストン移動部３０側に設けた磁石５１を可動とする構成も採用することができる。この場合、ピストン移動部３０に、磁力調整機構６０としての流体圧シリンダ６１やそれに対応する形状を有する磁石５１を設けることとなる。また、ピストン基部２０とピストン移動部３０との位置関係に関わらず、ピストン基部２０の流体路からピストン移動部３０の流体圧シリンダ６１へ常に連通する流体路を設ける必要がある。

また、これらの磁石５１，５２の回転や移動には、油圧機構によるほか、モータの駆動力を活用することができる。

この場合、磁力調整機構６０として、回転又は移動させる磁石５１，５２を備えたピストン基部２０又はピストン移動部３０にモータを固定する。指令伝達手段７０としては、
前述の実施形態の流体路に代えて、電気配線を採用する。電気配線は、モータからピストン基部２０、コンロッド４０、クランクシャフト４１を通じてシリンダ外に引き出し、指令手段４４として電源に接続することで電気回路を構成する。ピストン基部２０とピストンピン２４との間、ピストンピン２４とコンロッド４０との間、その他の可動部分には、例えば、図６に示すようなブラシｄを用いることで、配線ｅ同士の常時導通を確保することができる。

電子制御ユニット４５の制御により、電源からモータに所定の電流が供給されることで、そのモータの回転軸を回転させ、磁石５１，５２を回転又は移動させることができる。

また、シリンダ内、ピストン１０内に電気回路を配設可能であるならば、ピストン移動部３０側又はピストン基部２０側の少なくともいずれか一方の磁石５１，５２を電磁石とする構成を採用することができる。電磁石であれば、電気回路に流れる電流を増減させることで、磁石５１，５２を回転又は移動させることなく、反発力を増減させることができる。また、電流値を増大させることにより、比較的大きな磁力（反発力）を設定することも可能である。電気回路は、同じく、ピストン１０からコンロッド４０、クランクシャフト４１を通じて、シリンダ外の電源に導くことができる。

電磁石を利用する場合、ピストン基部２０とピストン移動部３０との間に、従来例のような弾性部材を配置してもよい。弾性部材が、ピストン基部２０とピストン移動部３０との間にストローク方向の反発力を付与し、磁石５１，５２の作用を補助することができる。なお、弾性部材としては、例えば、皿バネを用いることができる。

上記の各実施形態では、自動車用の４サイクルガソリンエンジンを例に説明したが、この実施形態には限定されず、この発明は、例えば、２サイクルガソリンエンジンやディーゼルエンジンにも適用できる。また、自動車以外の各種輸送機器、産業機械に用いられるレシプロエンジンにも、この発明を適用することができる。

１，１０ ピストン
２，２０ ピストン基部
３，３０ ピストン移動部
４ 皿バネ
５，２５ ピストンボス部
６，３６ ピストンヘッド
１１ シリンダブロック
２１ 本体部
２２ 側壁部
２３ 嵌合部
２４ ピストンピン
３１ 止め輪
３２ 凸部
３３ 壁部
３５ 係合溝
４０ コンロッド（コネクティングロッド）
４１ クランクシャフト
４２ クランクピン
４３ クランクジャーナル
４４ 制御手段
４５ ＥＣＵ（電子制御ユニット）
４６ クランクウェブ
４７ ケーブル
５１，５２ 磁石
５１ａ，５２ａ Ｎ極
５１ｂ，５２ｂ Ｓ極
６０ 磁力調整機構
７０ 指令伝達手段

Claims (6)

1. ピストンボス部を有するピストン基部と、ピストンヘッドを有し前記ピストン基部に対してストローク方向に移動可能なピストン移動部と、前記ピストン基部と前記ピストン移動部にそれぞれ設けられた磁石と、前記両磁石間の磁力による前記ストローク方向への反発力を可変とする磁力調整機構を備えたピストン。
2. 前記磁力調整機構は、前記両磁石の対向する磁極間の距離を増減することで、前記反発力を可変とするものであることを特徴とする請求項１に記載のピストン。
3. 前記磁力調整機構は、前記ピストン基部に設けられた磁石の前記ピストン基部に対する向き又は位置を変更することにより、前記磁極間の距離を増減するものであることを特徴とする請求項２に記載のピストン。
4. 前記磁力調整機構は、前記ピストン基部又は前記ピストン移動部に設けられた流体圧シリンダの作用により、前記磁極間の距離を増減するものであることを特徴とする請求項２又は３に記載のピストン。
5. 前記ピストン基部と前記ピストン移動部のいずれか一方に、前記ストローク方向に沿って突出する凸部を設け、他方には、前記凸部とスライド可能に嵌合する嵌合部を設け、前記両磁石は、前記凸部及び前記嵌合部に設けられることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のピストン。
6. 請求項１から５のいずれかに記載のピストンを内燃機関のシリンダ内に備え、前記ピストン基部のピストンボス部とクランクシャフトとがコンロッドで接続されて前記ピストンは前記シリンダ内で進退自在であり、前記磁力調整機構は、前記ピストン基部から前記コンロッド、前記クランクシャフトを通じて引き出された指令伝達手段によってシリンダ外から制御可能としたことを特徴とする可変圧縮比装置。

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