JP2015124637A - 内燃機関の可変圧縮比装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏心スリーブの回転位置を確実に応答性良く所望の回転位置に制御する。
【解決手段】高圧縮比の状態から低圧縮比の状態への切換える場合、クランクシャフト３の回転により連れ回りする力が働く方向に偏心スリーブ１１を回転させ、応答性が高い状態で偏心スリーブ１１を低圧縮比の状態の位置（所望の回転位置）に制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の可変圧縮比装置に関する。

内燃機関では、高効率、低燃費を図るため、圧縮比を変更することができる可変圧縮比装置が知られている。可変圧縮比装置は、例えば、コネクティングロッドの大端部とクランクシャフトのクランクピンとの間に偏心スリーブを挿入が回転自在に挿入され、クランクシャフトの回転により偏心スリーブを回転させている。偏心スリーブが回転することにより、コネクティングロッドの支持穴に対するクランクピンの位置が切り替わり、高圧縮比の状態と低圧縮比の状態とが切換えられる（例えば、特許文献１、２参照）。

圧縮比の状態を固定する場合、所定の回転位置で機械的に動作させるストッパー等を用いて、偏心スリーブの回転位置を固定している。また、コネクティングロッドの支持穴に対する偏心スリーブの摩擦力を油圧力により増大させ、偏心スリーブの回転位置を固定している。

しかし、偏心スリーブの回転は、クランクシャフトの回転（内燃機関の運転状態）に依存しているため、回転方向は一方向であり慣性力が働きやすい。そして、燃焼圧により偏心スリーブの回転速度が変化する。このため、偏心スリーブの回転位置を固定して圧縮比を固定する場合、回転位置を固定するための応答性が変化して偏心スリーブの回転位置を的確に固定することができない虞があるのが実情であった。

特開平６−２４１０５８号公報 特開２０００−６４８６６号公報

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、偏心スリーブの回転位置を確実に応答性良く所望の回転位置に制御することができる内燃機関の可変圧縮比装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための請求項１に係る本発明の内燃機関の可変圧縮比装置は、気筒内を往復移動するピストンの支持軸に小端部の支持穴が枢支されると共に、クランクシャフトの支持軸に大端部の支持穴が枢支されるコネクティングロッドと、前記小端部もしくは前記大端部の前記支持穴と前記支持軸との間に回転自在に介装され、前記小端部もしくは前記大端部の前記支持穴の中心軸を前記支持軸の中心軸に対して変位させて、前記ピストンの移動状態を高圧縮比の状態もしくは低圧縮比の状態に切り替える偏心スリーブと、前記偏心スリーブを回転駆動させるアクチュエータとを備え、前記ピストンの移動状態を高圧縮比の状態から低圧縮比の状態に切り替える際の前記偏心スリーブの回転方向は、前記クランクシャフトの回転方向に対し同じ方向に設定されていることを特徴とする。

請求項１に係る本発明では、アクチュエータにより偏心スリーブを回転駆動させることで、小端部もしくは大端部の支持穴と支持軸との間の位置を偏心させ、ピストンの移動状態を高圧縮比の状態もしくは低圧縮比の状態に切換える。高圧縮比の状態から低圧縮比の状態に切り替える際の偏心スリーブの回転方向は、クランクシャフトの回転方向に対し同じ方向に設定されているので、クランクシャフトの回転に連れ回りする力が働く方向に偏心スリーブが回転し、応答性が高い状態で偏心スリーブ１１が回転する。

このため、偏心スリーブの回転位置を確実に応答性良く所望の回転位置に制御することが可能になる。

そして、請求項２に係る本発明の内燃機関の可変圧縮比装置は、請求項１に記載の内燃機関の可変圧縮比装置において、前記ピストンの移動状態を低圧縮比の状態から高圧縮比の状態に切り替える際の前記偏心スリーブの回転方向は、前記クランクシャフトの回転方向に対し逆方向に設定されていることを特徴とする。

請求項２に係る本発明では、低圧縮比の状態から高圧縮比の状態に切換える際には、高い応答性は要求されないので、クランクシャフトの回転方向に対し逆方向に偏心スリーブを回転させてアクチュエータの駆動範囲を必要以上に拡大させないようになっている。

また、請求項３に係る本発明の内燃機関の可変圧縮比装置は、請求項２に記載の内燃機関の可変圧縮比装置において、前記アクチュエータは、前記コネクティングロッドの前記小端部もしくは前記大端部及び前記偏心スリーブの間に形成される油圧室と、前記油圧室に印加される油圧力を前記偏心スリーブに伝達する伝達手段とを有していることを特徴とする。

請求項３に係る本発明では、油圧室に油圧を印加することにより伝達手段（例えば、偏心スリーブと一体のベーン）を介して偏心スリーブを油圧力により回転させる。

伝達手段がシリンダーのピストンの役割を果たし、伝達手段を挟んだ一方の油圧室に油圧を供給すると同時に他方の油圧室から油圧を排出し、排出状況を制御することにより、偏心スリーブの回転位置の制御を行うことが好ましい。

本発明の内燃機関の可変圧縮比装置は、偏心スリーブの回転位置を確実に応答性良く所望の回転位置に制御することが可能になる。

本発明の一実施例に係る内燃機関の可変圧縮比装置の要部の外観図である。 コネクティングロッドの分解斜視図である。 コネクティングロッドの断面図である。 コネクティングロッドの大端部の断面図である。 油圧回路の概略系統図である。 圧縮比の切換えの動作説明図である。 圧縮比の切換えの動作説明図である。

図１から図３に基づいて本発明の一実施例に係る内燃機関の可変圧縮比装置を説明する。

図１には本発明の一実施例に係る内燃機関の可変圧縮比装置の要部を説明する外観状況、図２にはコネクティングロッドを分解して表す外観状況、図３（ａ）には高圧縮比の状態のコネクティングロッドの断面、図３（ｂ）には低圧縮比の状態のコネクティングロッドの断面を示してある。

図１に示すように、内燃機関のシリンダブロック（下部ブロック２だけを示してある）にはクランクシャフト３のクランクジャーナル４が回転自在に支持される。

図１、図２に示すように、クランクシャフト３のクランクピン５（支持軸）には、コネクティングロッド１０の大端部６が回転自在に支持される。即ち、コネクティングロッド１０の大端部６の支持穴が支持軸に枢支される。コネクティングロッド１０の小端部７には、気筒内を往復移動するピストン８の支持軸が回転自在に支持される。即ち、ピストン８の支持軸にコネクティングロッド１０の小端部７の支持穴が枢支される。

ピストン８が気筒内を往復移動することにより、コネクティングロッド１０を介してクランクシャフト３がクランクジャーナル４を中心に回転する。つまり、コネクティングロッド１０により、ピストン８の往復移動がクランクシャフトの回転力として伝えられる。

コネクティングロッド１０の大端部６の支持穴には、偏心スリーブ１１の外周面が回転自在に支持され、偏心スリーブ１１の内周面は、クランクシャフト３のクランクピン５の外周面に回転自在に支持されている。偏心スリーブ１１は、厚肉部１１ａと薄肉部１１ｂが周方向に対向して設けられ、肉厚が徐々に変化している。

コネクティングロッド１０の大端部６には、偏心スリーブ１１を回転駆動させるアクチュエータ１２が内蔵されている。具体的には後述するが、アクチュエータ１２により偏心スリーブ１１を回転させることにより、クランクシャフト３のクランクピン５の中心と、コネクティングロッド１０の大端部６の中心が偏心し、ピストン８（図１参照）の移動状態が高圧縮比の状態、もしくは、低圧縮比の状態に切換えられる。

即ち、熱効率向上、燃費向上のため、高圧縮比での運転が有利となる一方、高負荷運転時に高圧縮比で運転を行うとノッキングの発生が生じる虞があるため、主に、低負荷運転時の際に高圧縮比で運転できるようになっている。このため、運転状態に応じて、アクチュエータ１２を駆動して偏心スリーブ１１を回転させることで、図３に示すように、高圧縮比の状態、もしくは、低圧縮比の状態に切換えられる。

図３（ａ）に示すように、厚肉部１１ａが上方にある状態の偏心スリーブ１１の回転位置が高圧縮比の状態となっている。図３（ｂ）に示すように、薄肉部１１ｂが上方にある状態の偏心スリーブ１１の回転位置が低圧縮比の状態となっている。

つまり、図３に示すように、偏心スリーブ１１の厚肉部１１ａが上方にある高圧縮比の状態（ａ）は、偏心スリーブ１１の薄肉部１１ｂが上方にある低圧縮比の状態（ｂ）に比べ、ピストン８の上死点の位置（移動状態）が高さｈだけ高い位置になる。

例えば、低圧縮比の状態は高負荷運転の時とされているため、高圧縮比の状態から低圧縮比の状態への切換えの場合、低負荷運転から高負荷運転への変化であり、高い応答性が要求されている。

このため、高圧縮比の状態から低圧縮比の状態へ切換える場合、クランクシャフト３の回転により連れ回りする力が働く方向に偏心スリーブ１１を回転させ、応答性が高い状態で偏心スリーブ１１を回転させるようにしている。そして、低圧縮比の状態から高圧縮比の状態に切換える際には、高い応答性は要求されないので、アクチュエータ１２の作動範囲を必要以上に広げることなく、クランクシャフト３の回転方向に対し逆方向に偏心スリーブ１１を回転させるようにしている。

アクチュエータ１２を駆動して偏心スリーブ１１を回転させるため、偏心スリーブ１１の回転位置を確実に所望の回転位置に制御することが可能になる。

図２及び図４、図５に基づいてアクチュエータ１２、偏心スリーブ１１の回転を制御する制御手段を具体的に説明する。

図４にはコネクティングロッドの大端部の断面、図５には油圧回路の概略系統を示してある。

図２、図４に示すように、コネクティングロッド１０の大端部６には、偏心スリーブ１１を回転駆動させるアクチュエータ１２の油圧室１３が設けられている。即ち、コネクティングロッドの大端部６は、ロッド側の端部に形成され、支持穴の上側の半分を形成する（半円状体に形成される）ロッド側端部１５と、支持穴の下側の半分を形成しロッド側端部１５に固定される半円状体のキャップ１６とで構成されている。

そして、キャップ１６の内側（支持穴）に断面がコ字型（図２参照）の油圧室１３が設けられている。油圧室１３はキャップ１６の内側の周方向の両端部に亘って設けられている。つまり、油圧室１３は、コネクティングロッド１０の大端部６のロッド側端部１５とキャップ１６との分割部位を除く部位に形成されている。

コネクティングロッド１０の大端部６のロッド側端部１５とキャップ１６との分割部位を除く部位に油圧室１３が形成されているので、加工が容易な分割部位に、油圧室１３への圧油の供給路、排出路を形成することができる。また、キャップ１６に油圧室１３が形成されているので、ロッド側端部１５に油圧室を形成する必要がなく、大端部６に油圧室１３を設けた場合であっても、ロッド側端部１５のロッド部との境界部の補強等を行うことなく剛性を維持することができる。

そして、油圧室１３はキャップ１６の内側の周方向の両端部に亘って設けられているので、アクチュエータ１２により偏心スリーブ１１を略１８０度の角度で回転駆動させることができる。このため、偏心スリーブ１１の偏心量を広い回転範囲で設定することができる。

尚、油圧室１３をキャップ１６の両端部に亘って形成したが、偏心スリーブの偏心状況に応じて、キャップ１６の任意の周長の長さの油圧室とすることができる。また、ロッド側端部１５に油圧室を設けることも可能であり、キャップ１６とロッド側端部１５とに亘り油圧室を設けることも可能である。更に、偏心スリーブ１１側に油圧室を設けることも可能である。

偏心スリーブ１１の外周部の厚肉部１１ａと薄肉部１１ｂの境目に該当する部位には、伝達手段としてのベーン１７が設けられている。ベーン１７は油圧室１３の断面形状に応じたコ字型に形成されて油圧室１３に配され、ベーン１７により油圧室１３が二室に仕切られている。

一方の室に油圧を供給すると共に他方の室から油圧を排出することにより偏心スリーブ１１が一方向に回転し、他方の室に油圧を供給すると共に他方の室から油圧を排出することにより偏心スリーブ１１が他方向に回転する。

つまり、伝達手段であるベーン１７がシリンダーのピストンの役割を果たし、ベーン１７を挟んだ一方の油圧室１３に油圧を供給すると同時に他方の油圧室１３から油圧を排出し、排出状況を制御することにより、偏心スリーブ１１の回転位置の制御が実施される。言い換えれば、油圧室１３およびベーン１７がキャップ１６に内蔵されてアクチュエータ１２を構成し、偏心スリーブ１１の回転位置の制御が実施される。

クランクシャフト３（図１参照）の回転方向が、図４中で時計回り方向である場合（クランクピン５の移動方向が図中白抜き矢印方向である場合）、偏心スリーブ１１の厚肉部１１ａが図中右半分を回転して上下に配されると共に薄肉部１１ｂが図中左半分を回転して上下に配される状態で、ベーン１７が油圧室１３に配される。

図４に示すように、ベーン１７から厚肉部１１ａ側の図中右側の油圧室（一方の油圧室１３ａ）に油圧を供給すると同時に、ベーン１７から図中左側の薄肉部１１ｂ側の油圧室（他方の油圧室１３ｂ）から油圧が排出されることで、偏心スリーブ１１が図中時計回り方向に回転して薄肉部１１ｂが上方になる低圧縮比の状態にされる。

つまり、高圧縮比の状態から低圧縮比の状態への切換える場合に、クランクシャフト３（図１参照）の回転により連れ回りする力が働く方向に偏心スリーブ１１を回転させ、応答性が高い状態で偏心スリーブ１１を回転させている。

逆に、他方の油圧室１３ｂに油圧を供給すると同時に、一方の油圧室１３ａから油圧が排出されることで、偏心スリーブ１１が図中反時計回り方向、即ち、クランクシャフト３（図１参照）の回転方向に対し逆方向に回転して厚肉部１１ａが上方になる高圧縮比の状態にされる。

つまり、低圧縮比の状態から高圧縮比の状態に切換える際には、高い応答性は要求されないので、クランクシャフト３（図１参照）の回転方向に対し逆方向に偏心スリーブ１１を回転させている。

図４に示すように、ロッド側端部１５には固定ピン２８が支持穴側に突出付勢された状態で設けられている。つまり、固定ピン２８の先端が偏心スリーブ１１の周面に摺接した状態でロッド側端部１５に固定ピン２８が設けられている。偏心スリーブ１１の外周面には、固定ピン２８の先端が嵌合する嵌合溝２９が形成されている。

偏心スリーブ１１の厚肉部１１ａが上方になる高圧縮比の状態にされる時に、嵌合溝２９ａが固定ピン２８に対向して固定ピン２８が嵌合溝２９ａに嵌合して高圧縮比の状態が固定される。偏心スリーブ１１の薄肉部１１ｂが上方になる高圧縮比の状態にされる時に、嵌合溝２９ｂが固定ピン２８に対向して固定ピン２８が嵌合溝２９ｂに嵌合して低圧縮比の状態が固定される。

圧縮比を変更する場合、図示しない機構により、一方の嵌合溝２９（嵌合溝２９ａ）から固定ピン２８の嵌合を解除する。そして、偏心スリーブ１１を回転させることで、他方の嵌合溝２９（嵌合溝２９ｂ）に固定ピン２８を嵌合させて変更後の圧縮比の状態を固定する。

図１及び図４、図５に基づいて偏心スリーブ１１の回転を制御するための機構を具体的に説明する。

図４、図５に示すように、一方の油圧室１３ａ側の油圧室１３の端部には第１排出口２１が連通し、他方の油圧室１３ｂ側の油圧室１３の端部には第２排出口２２が連通している。また、一方の油圧室１３ａ側の油圧室１３の端部には第１供給口２５が連通し、他方の油圧室１３ｂ側の油圧室１３の端部には第２供給口２６が連通している。

第１排出口２１が閉じられて第１供給口２５から油圧が一方の油圧室１３ａに供給されると、第２排出口２２から油圧が排出されて偏心スリーブ１１が図４中時計回り方向に回転する。第２排出口２２が閉じられて第２供給口２６から油圧が他方の油圧室１３ｂに供給されると、第１排出口２１から油圧が排出されて偏心スリーブ１１が図４中反時計回り方向に回転する。

図５に示すように、第１供給口２５と第２供給口２６の切換えを行う供給切換え弁３１が備えられている。また、第１排出口２１と第２排出口２２の切換えを行う排出切換え弁３２が備えられている。供給切換え弁３１及び排出切換え弁３２の切換えは制御手段３３の指令により制御される。制御手段３３には運転状態（高負荷時等の低圧縮比で運転する状態、低負荷時等の高圧縮比で運転する状態）の情報が入力される。

つまり、車両の運転状態に応じて、供給切換え弁３１及び排出切換え弁３２が切換え制御され、油圧の供給が第１供給口２５もしくは第２供給口２６から実施されることが切換えられ、油圧の排出が第１排出口２１もしくは第２排出口２２から実施されることが切換えられる。即ち、偏心スリーブ１１の回転方向が供給切換え弁３１及び排出切換え弁３２の切換えにより制御される。

供給切換え弁３１には油圧ポンプ３５からの供給路３６が接続され、排出切換え弁３２にはタンク３７に繋がる排出路３８が接続されている。

図１に示すように、供給切換え弁３１及び排出切換え弁３２は、シリンダブロックの下部ブロック２に設けられたバルブブロック４１に配されている。バルブブロック４１から、クランクシャフト３のクランクジャーナル４、クランクピン５を介して油圧の供給・排出が実施される。

図６、図７に基づいて高圧縮比と低圧縮比の切換えの状況を具体的に説明する。

図６には高圧縮比の状態から低圧縮比の状態への切換えの動作説明、図７には低圧縮比の状態から高圧縮比の状態への切換えの動作説明を示してあり、各図の（ａ）は切換え前の状態、各図の（ｂ）は切換え途中での状態、各図の（ｃ）は切換えが終了した状態である。

図６（ａ）に示すように、高圧縮比の状態では、偏心スリーブ１１は、厚肉部１１ａが上部に位置し、ベーン１７が図中右側の端部に位置する状態に回転位置が固定されて、他方の油圧室１３ｂに油圧が満たされている。低圧縮比に切換えが行われる場合、第１排出口２１が閉じられると共に第２排出口２２が開かれる。この状態で、第１供給口２５から一方の油圧室１３ａに油圧が供給される。

図６（ｂ）に示すように、他方の油圧室１３ｂの油圧が第２排出口２２から排出され、一方の油圧室１３ａの容積の増加によりベーン１７が押されて偏心スリーブ１１が図中時計回り方向に回転する。

図６（ｃ）に示すように、第１供給口２５から一方の油圧室１３ａに油圧が供給され続けることにより、他方の油圧室１３ｂの油圧が第２排出口２２から全て排出され、ベーン１７が押されて偏心スリーブ１１が図中時計回り方向に回転し、薄肉部１１ｂが上部に位置して低圧縮比の状態に切換えられる。

従って、高圧縮比の状態から低圧縮比の状態に切換える場合には、アクチュエータ１２を駆動して、クランクシャフト３（図１参照）の回転により（クランクピン５の白抜き矢印方向への移動により）連れ回りする力が働く方向に偏心スリーブ１１を回転させている。

この結果、応答性が必要とされる低圧縮比の状態への切換えの際に、応答性が高い状態で偏心スリーブ１１を回転させることができる。

図７（ａ）に示すように、低圧縮比の状態では、偏心スリーブ１１は、薄肉部１１ｂが上部に位置し、ベーン１７が図中左側の端部に位置する状態に回転位置が固定されて、一方の油圧室１３ａに油圧が満たされている。高圧縮比に切換えが行われる場合、第２排出口２２が閉じられると共に第１排出口２１が開かれる。この状態で、第２供給口２６から他方の油圧室１３ｂに油圧が供給される。

図７（ｂ）に示すように、一方の油圧室１３ａの油圧が第１排出口２１から排出され、他方の油圧室１３ｂの容積の増加によりベーン１７が押されて偏心スリーブ１１が図中反時計回り方向に回転する。

図７（ｃ）に示すように、第２供給口２６から他方の油圧室１３ｂに油圧が供給され続けることにより、一方の油圧室１３ａの油圧が第１排出口２１から全て排出され、ベーン１７が押されて偏心スリーブ１１が図中反時計回り方向に回転し、厚肉部１１ａが上部に位置して高圧縮比の状態に切換えられる。

従って、低圧縮比の状態から高圧縮比の状態に切換える場合には、高い応答性は要求されないので、アクチュエータ１２を駆動して、クランクシャフト３（図１参照）の回転（クランクピン５の白抜き矢印方向への移動）に対し逆方向に偏心スリーブ１１を回転させている。

上述した内燃機関の可変圧縮比装置は、油圧室１３に対して油圧を供給・排出するアクチュエータ１２によりベーン１７を介して偏心スリーブ１１を回転させるので、大端部６の支持穴とクランクピン５との位置を偏心させ、ピストン８の移動状態を高圧縮比の状態もしくは低圧縮比の状態に切換えることができる。このため、偏心スリーブ１１の回転位置を確実に高圧縮比の状態もしくは低圧縮比の状態の位置（所望の回転位置）に制御することが可能になる。

そして、高圧縮比の状態から低圧縮比の状態への切換える場合、クランクシャフト３の回転により連れ回りする力が働く方向に偏心スリーブ１１を回転させているので、応答性が高い状態で偏心スリーブ１１を低圧縮比の状態の位置（所望の回転位置）に制御することが可能になる。また、高圧縮比の状態に切換える際には、高い応答性は要求されないので、クランクシャフト３の回転方向に対し逆方向に偏心スリーブ１１を回転させることで、アクチュエータ１２の作動範囲を必要以上に広げることを無くすことが可能になる。

尚、上述した実施例では、油圧室１３に油圧を供給してベーン１７を介して偏心スリーブ１１を回転させるアクチュエータ１２を用いた構成を例に挙げて説明したが、回転モータを用いて偏心スリーブ１１を回転させるアクチュエータや、電動で偏心スリーブ１１を回転させるアクチュエータを用いることも可能である。

本発明は、内燃機関の可変圧縮比装置の産業分野で利用することができる。

２ 下部ブロック
３ クランクシャフト
４ クランクジャーナル
５ クランクピン
６ 大端部
７ 小端部
８ ピストン
１０ コネクティングロッド
１１ 偏心スリーブ
１２ アクチュエータ
１３ 油圧室
１５ ロッド側端部
１６ キャップ
１７ ベーン
２１ 第１排出口
２２ 第２排出口
２５ 第１供給口
２６ 第２供給口
２８ 固定ピン
２９ 嵌合溝
３１ 供給切換え弁
３２ 排出切換え弁
３３ 制御手段
３５ 油圧ポンプ
３６ 供給路
３７ タンク
３８ 排出路
４１ バルブブロック

Claims (3)

1. 気筒内を往復移動するピストンの支持軸に小端部の支持穴が枢支されると共に、クランクシャフトの支持軸に大端部の支持穴が枢支されるコネクティングロッドと、
   前記小端部もしくは前記大端部の前記支持穴と前記支持軸との間に回転自在に介装され、前記小端部もしくは前記大端部の前記支持穴の中心軸を前記支持軸の中心軸に対して変位させて、前記ピストンの移動状態を高圧縮比の状態もしくは低圧縮比の状態に切り替える偏心スリーブと、
   前記偏心スリーブを回転駆動させるアクチュエータとを備え、
   前記ピストンの移動状態を高圧縮比の状態から低圧縮比の状態に切り替える際の前記偏心スリーブの回転方向は、前記クランクシャフトの回転方向に対し同じ方向に設定されている
   ことを特徴とする内燃機関の可変圧縮比装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の可変圧縮比装置において、
   前記ピストンの移動状態を低圧縮比の状態から高圧縮比の状態に切り替える際の前記偏心スリーブの回転方向は、前記クランクシャフトの回転方向に対し逆方向に設定されている
   ことを特徴とする内燃機関の可変圧縮比装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の可変圧縮比装置において、
   前記アクチュエータは、
   前記コネクティングロッドの前記小端部もしくは前記大端部及び前記偏心スリーブの間に形成される油圧室と、
   前記油圧室に印加される油圧力を前記偏心スリーブに伝達する伝達手段とを有している
   ことを特徴とする内燃機関の可変圧縮比装置。
   

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