JP2016502030A - 可変圧縮比ピストンシステム - Google Patents

Abstract

エンジン用の可変圧縮比ピストンシステムは、エンジンピストンに機械的に結合された制御ピストンを受容する１対の孔に形成された１対のチャンバの間に分配される油圧流体を介してエンジンピストンの圧縮比を調整する。制御バルブは、高圧縮比ラインと低圧縮比ラインとの間の油圧流体流れを選択的に許容する。エンジン制御ユニットによって制御される可変力ソレノイドは、制御バルブの位置を制御することが好ましい。スプールの位置は、油圧流体が第１のチャンバに向かって、第２のチャンバに向かって流れるか、又はまったく流れることができないかを制御する。油圧流体流れは、エンジンの運転によるクランクシャフトに対する慣性力及び燃焼力からの交互の力によって作動される。【選択図】図１ａ

Description

本発明は、可変圧縮比システムの分野に関する。より詳細には、本発明は、エンジン用の可変圧縮比ピストンシステムに関する。

可変圧縮比（ＶＣＲ）システムは当該技術分野において公知である。本明細書に使用されるような圧縮比は、シリンダチャンバ、又はエンジンの場合の燃焼チャンバの、その最小の容量における容積に対するその最大の容量における容積の比率である。内燃機関用のＶＣＲシステムは、走行時のそれぞれのエンジンシリンダのピストンの圧縮比を変更できるように意図される。これにより、運転中のエンジンに対する負荷の変化に応答して圧縮比を変更することによって、燃料効率の向上が可能になる。ＶＣＲエンジンの研究は数十年さかのぼり、現在、多くの自動車製造業者がＶＣＲエンジンの設計に従事しているが、現在の商業的に入手可能な自動車のいずれもＶＣＲエンジンを有していない。システムパラメータを制御して、所望の改良を提供する際の機械的複雑さ及び困難は、したがって、自動車のこの技術の商品化を大きく妨げてきた。

Ｒａｂｈｉによる２０１０年７月１日に発行された「Ｅｌｅｃｔｒｏｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ Ｃｌｏｓｅｄ−Ｌｏｏｐ Ｄｒｉｖｉｎｇ ｔｈｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｊａｃｋ ｏｆ ａ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｒａｔｉｏ Ｅｎｇｉｎｅ」と題された米国特許出願公開第２０１０／０１６３００３号明細書は、可変圧縮比エンジンの圧縮比を制御するための電気油圧式装置を開示している。第１の実施形態では、入口及び出口に制御ジャッキにつき２つの電気バルブが設けられ、各々の電気バルブにはチェックバルブが備えられている。第２の実施形態では、単一の電気バルブが設けられ、２つの入口及び２つの出口を有する電気制御式スプールを含む。第３の実施形態では、単一の二方向電気バルブが設けられる。この電気バルブは、クランクシャフトのわずか数度の角運動のために制御ラックの運動を可能にする程度に十分に急速に開閉することができる。位置の一方は、制御ジャッキの上室と下室との間の再循環を可能にするように思われることを指摘したい。

Ｓｉｍｐｓｏｎによる２００９年１２月３１日に発行された「Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ａ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ａｃｔｕａｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許出願公開第２００９／０３２０８０３号明細書は、ジャッキヘッド、ジャッキピストン、スプロケットホイール、可動伝動部材、及び制御バルブを備える可変圧縮比エンジン用の調整装置のための制御システムを開示している。ジャッキピストンは、第１及び第２の流体チャンバを画定するジャッキヘッドのチャンバ内に収容される。制御バルブは、第１の流体チャンバと第２の流体チャンバとの間の流体流れを制御する。制御バルブの位置に基づき、流体が第１の流体チャンバから第２の流体チャンバへ、又はその逆に流れ、制御ラックを動かし、ジャッキピストンをスプロケットホイールに接続する。スプロケットホイールの往復運動により、エンジンのシリンダの位置が調整される。

上述の引用は、参考として本出願に組み込まれている。

ＦＥＶ，Ｉｎｃ，（Ａｕｂｕｒｎ Ｈｉｌｌｓ，ＭＩ）は、２段可変圧縮比（ＶＣＲ）システムを製造している。ＦＥＶによって開発された２段ＶＣＲ機構は、作動用のガス及び質量力を使用することによって達成されるロッド長さの小さな変化を誘発する。商業用ディーゼルバージョンの場合の１４：１〜１７：１の２段に可変の圧縮比は、これによって達成される。これにより、高価な動力アクチュエータを使用することなく、迅速かつ正確な作動が保証される。システムのバージョンは、ガソリンエンジン及びディーゼルエンジンの両方に利用可能であり、７０ｍｍの小さい孔径を有する既存のエンジンのほとんどすべてに適用することができる。エンジン効率の向上に加えて、システムはまた、ガソリンエンジン又はディーゼルエンジンに適用されるかどうかに応じてエミッション関係の利益を提供する。他の潜在的な利益には、冷間始動性の改良、及び代わりの燃料を利用しつつ性能を最適化する可能性が含まれる。システムは、キャリオーバピストン及びピン構造のため既存のエンジンに一体化することができる。

エンジン用の可変圧縮比ピストンシステムは、エンジンピストンに機械的に結合された制御ピストンを受容する１対の孔に形成された１対のチャンバの間に分配される油圧流体を介してエンジンピストンの圧縮比を調整する。制御バルブは、高圧縮比ラインと低圧縮比ラインとの間の油圧流体流れを選択的に許容する。エンジン制御ユニットによって制御される可変力ソレノイドは、好ましくは制御バルブの位置を制御する。制御バルブの位置は、油圧流体が第１のチャンバに向かって、第２のチャンバに向かって流れるか、又はまったく流れることができないかを制御する。油圧流体流れは、エンジンの運転によるクランクシャフトに対する慣性力及び燃焼力からの交互の力によって作動される。

可変圧縮比ピストンシステムは、少なくとも１つのエンジンピストン組立体を含む。各エンジンピストン組立体は、エンジンピストン、第１の制御ピストン、第２の制御ピストン、高圧縮比ライン及び低圧縮比ラインを含む。可変圧縮比ピストンシステムはまた、制御システムを含む。エンジンピストンは、エンジンのエンジンシリンダに摺動して受容される。第１の制御ピストンは、エンジンピストンに機械的に結合され、第１の制御ピストン孔で作動する。第１の制御ピストン及び第１の制御ピストン孔は、第１のチャンバを画定する。第２の制御ピストンは、エンジンピストンに機械的に結合され、第２の制御ピストン孔で作動する。第２の制御ピストン及び第２の制御ピストン孔は、第２のチャンバを画定する。低圧縮比ラインは、油圧流体を第１のチャンバに供給し、油圧流体を第１のチャンバから排出する。高圧縮比ラインは、油圧流体を第２のチャンバに供給し、油圧流体を第２のチャンバから排出する。制御システムは、少なくとも１つの制御バルブを含み、高圧縮比ラインと低圧縮比ラインとの間の油圧流体流れを選択的に許容する。

制御バルブが第１の位置にあるとき、高圧縮ライン、制御バルブ及び低圧縮ラインを介した第２のチャンバから第１のチャンバへの第１の正味の油圧流体流れが許容され、この結果、第１の正味の流れが第１の制御ピストン孔の第１の制御ピストンを上昇させ、第２の制御孔の第２の制御ピストンを下降させて、エンジンピストンを下降させ、これによって、エンジンピストンの圧縮比を低圧縮比状態に向かって小さくする。制御バルブが第２の位置にあるとき、低圧縮ライン、制御バルブ及び高圧縮ラインを介した第１のチャンバから第２のチャンバへの第２の正味の油圧流体流れが許容され、この結果、第２の正味の流れが第２の制御ピストン孔の第２の制御ピストンを上昇させ、第１の制御孔の第１の制御ピストンを下降させて、エンジンピストンを上昇させ、これによって、エンジンピストンの圧縮比を高圧縮比状態に向かって大きくする。

エンジンのエンジンシリンダに受容された少なくとも１つのエンジンピストンの圧縮比を変更する方法は、エンジンに対する負荷を測定するステップと、エンジンに対する負荷に基づき少なくとも１つのエンジンピストンの圧縮比状態を計算するステップと、制御バルブを調整して、可変圧縮比ピストンシステムが圧縮比状態に向かって移動することを許容するステップと、可変圧縮比ピストンシステムが圧縮比状態に達したときに制御バルブを第３の位置に調整するステップとを含む。可変圧縮比ピストンシステムは、さらに、エンジンピストンに機械的に結合された第１の制御ピストンを含み、第１の制御ピストン孔で作動する。第１の制御ピストン及び第１の制御ピストン孔は、第１のチャンバを画定する。エンジンピストンに機械的に結合された第２の制御ピストンは、第２の制御ピストン孔で作動する。第２の制御ピストン及び第２の制御ピストン孔は、第２のチャンバを画定する。低圧縮比ラインは、油圧流体を第１のチャンバに供給し、油圧流体を第１のチャンバから排出し、高圧縮比ラインは、油圧流体を第２のチャンバに供給し、油圧流体を第２のチャンバから排出する。制御システムは、制御バルブを含み、低圧縮比ラインと高圧縮比ラインとの間の油圧流体流れを選択的に許容する。制御バルブが第３の位置にあるとき、制御システムは、低圧縮ライン、制御バルブ及び高圧縮ラインを介した第１のチャンバと第２のチャンバとの間の油圧流体流れを防止し、これによって、エンジンピストンの圧縮比を維持する。

第１の位置の制御システムを有する第１の実施形態の２位置圧縮比システムの概略図である。 第２の位置の制御システムを有する図１ａのシステムの概略図である。 第１の位置の制御システムを有する、及び付勢スプリングを有する第２の実施形態の２位置圧縮比システムの概略図である。 第１の実施形態の可変圧縮比システムの概略図である。 第１の位置の制御システムを有する可変圧縮比ピストンの概略図である。 第２の位置の制御システムを有する図４ａのピストンの概略図である。 第３の位置の制御システムを有する図４ａのピストンの概略図である。 中間圧縮比状態のピストンの概略図である。 低圧縮比状態の図５ａのピストンの概略図である。 高圧縮比状態の図５ａのピストンの概略図である。 調整圧力制御システム（ＲＰＣＳ）を有する図４ａの可変圧縮比ピストンの概略図である。 差圧制御システム（ＤＰＣＳ）を有する図４ａの可変圧縮比ピストンの概略図である。 制御システムの部分としてスプールのチェックバルブを有する図４ａの可変圧縮比ピストンの概略図である。 図８のスプールのチェックバルブの分解図である。

油圧システムは、内燃機関の圧縮比の変更を可能にする。より詳しくは、スプールバルブは、制御ピストンチャンバに油圧式に結合され、圧縮比を変更するために、流体が必要に応じてこれらのチャンバに再循環によって供給される。システムは、機械的機構を使用して、コネクティングロッドに対する交互の力を捕捉してピストンを移動させる。交互の力は、クランクシャフトに対する慣性力及び燃焼力の結果である。ピストンの頂部の偏心軸受／回動軸は、ピストンが上方又は下方に移動することを可能にする機械的リンク機構に接続される。リンク機構からのロッドは、コネクティングロッドの両側のピストンの頂部から底部まで延びる。各々のロッドの底部の制御ピストンは、コネクティングロッド本体の孔の内側に乗る。オイルは、制御バルブ及びチェックバルブによって制御ピストン孔の底部の油圧通路に供給される。

油圧装置は、クランクシャフト又は他のカムシャフトに対するカムシャフトの相対角度位置を調整するために使用されるカムトルクにより駆動される（ＣＴＡ）位相器と同様に作動し、交互の力からのエネルギは、ピストンリンク機構を上下に作動するために使用され、これによってピストンの全高を変更する。この特定のシステム用の交互の力は、クランクシャフトに対する慣性力及び燃焼力に由来する。システムのオイルは、チェックバルブ及び制御バルブを使用して２つの制御ピストンの間で制御可能に前後に再循環される。システムは制御ピストンチャンバの間でオイルを再循環できるので、システムのオイル消費量は、オイル圧力を使用して制御ピストンを上昇又は下降させ、次にピストンを上昇又は下降させて、圧縮比を変更する従来の可変圧縮比システムと比較して低減される。従来システムの制御ピストンを移動させるために、制御ピストンチャンバの１つにおけるオイルは、変更方向に応じて、クランクケース／リザーバに放出される必要があり、一方、クランクケース／リザーバからのオイルは反対側のチャンバ内にポンプ供給される。

アクチュエータは制御バルブの位置を制御する。アクチュエータは、可変力ソレノイド（ＶＦＳ）、差圧制御システム（ＤＰＣＳ）、調整圧力制御システム（ＲＰＣＳ）、ステッピングモータ、エアアクチュエータ、真空アクチュエータ、油圧アクチュエータ、あるいは力又は位置制御を有する他の任意の種類のアクチュエータであり得る。ある実施形態では、ＶＦＳは、制御バルブの前部に位置決めされ、電流がＶＦＳに印加されるときにバルブを移動させる。ある実施形態では、制御バルブはスプールバルブである。ある実施形態では、制御バルブは、スプールのチェックバルブである。スプールの反対側にスプリングがあり、このスプリングは、ＶＦＳへの電流がスプリング力よりも低くなるように低減されるとき、ＶＦＳに絶えず対抗力を提供して、スプールを底部位置に押圧する。制御バルブの位置は、ピストン（すなわち、低圧縮又は高圧縮）の位置を決定する。本発明の精神の範囲内で、いくつかの異なる構造を使用し得る。ある実施形態では、ＤＰＣＳは、制御バルブ位置を制御するためにスプールの反対側端部のオイル差圧を使用し、一方、１対の対向するスプリングは、スプール及びピストンを互いに向かって付勢する。他の実施形態では、ＲＰＣＳは、他方の端部のスプリングが対向する一方の端部のオイル圧力を使用して、制御バルブ位置を制御する。

２位置システムでは、１つの位置が高圧縮比状態を生成し、第２の位置が低圧縮比状態を生成する。代わりに、これらの位置は、方策に応じて位置１が低圧縮であり、位置２が高圧縮であるようにひっくり返してもよい。いくつかの２位置システムには、１つの制御バルブ、１つの制御バルブスプリング、２つの高圧チェックバルブ、１つの供給チェックバルブ、及び１つのＶＦＳがある。機械的リンク機構はすべてのピストンを接続する。位置１、デフォルト位置では、制御バルブは、制御バルブスプリングに対する最小負荷により外側方向に完全に延び、ＶＦＳは完全に後退される。元の装置の製造業者（ＯＥＭ）の方策に応じて、これは高又は低圧縮状態である。電流がＶＦＳに印加されると、ＶＦＳは、制御バルブを第２の位置に押し込み、これによって油圧回路の流路を変更し、これにより、ピストンを反対側の位置に移動させる。ある実施形態では、２位置システムは付勢スプリングを含む。ある実施形態では、付勢スプリングは、システムが低いねじれエネルギの下にあるときに低圧縮比状態に向かってシステムを付勢する。他の実施形態では、付勢スプリングは、システムが低いねじれエネルギの下にあるときに高圧縮比状態に向かってシステムを付勢する。

可変位置システムでは、エンジンの各々のピストンは、制御バルブ、制御バルブスプリング、２つの高圧チェックバルブ、供給チェックバルブ、ＶＦＳ、機械的リンク機構システム、及び燃焼センサを含むそれ自体の制御システムを有する。各々のピストンがそれ自体の制御システムを有することにより、圧縮比は、リンク機構の機械的範囲内の任意の値に変更し得る。機構の移動を正確に予測するために、シリンダの制御を適切に維持するべく、燃焼センサが各々のシリンダに使用にされる。センサにより、システムの各々の個々のピストンを特定の圧縮値に設定することが可能であり、これによって、シリンダ間の構造差をもたらすかもしれないスタックアップ又は製造欠陥の補償を補助する。

ある実施形態では、可変位置システムは、デフォルト又は始動位置にリンク機構を押圧するために、又はシステムの平均トルクをバランスさせるために、制御ピストンと制御ピストン孔との間に加えられる付勢スプリングを含む。

図１ａは、第１の位置の制御システムを有する４気筒、２位置可変圧縮比システム１０を示している。各々のピストンは、偏心軸受１２、２２、３２、４２、及びコネクティングロッド１３、２３、３３、４３に回転可能に接続されたエンジンピストン１１、２１、３１、４１と、エンジンピストンを、第１の制御ピストン孔１６、２６、３６、４６に摺動して受容される第１の制御ピストン１５、２５、３５、４５に結合する第１の連結ロッド１４、２４、３４、４４と、エンジンピストンを、第２の制御ピストン孔１９、２９、３９、４９に摺動して受容される第２の制御ピストン１８、２８、３８、４８に結合する第２の連結ロッド１７、２７、３７、４７とを含む。エンジンピストンはエンジンシリンダ（図示せず）で作動する。

エンジンピストン１１、２１、３１、４１の圧縮比は、単一の制御システムによって同時に制御される。アクチュエータ５１は、制御バルブスプリング５２と組み合わせて、制御バルブ５３の制御バルブ孔のスプール５４の位置を制御する。制御バルブ本体を通した大気への通気孔５３’は、スプール５４がスプールバルブ孔で前後に動くとき、スプールバルブ孔の後端の空気圧変動を最小にする。エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）８はアクチュエータ５１を制御する。アクチュエータ５１が可変力ソレノイドである場合、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）８は、アクチュエータ５１に電圧印加して、制御バルブ５３内のスプール５４の位置を制御する。制御バルブ５３のスプール５４は、図１ａの第１の位置に示されている。第１の位置の制御バルブ５３により、スプール５４は、高圧縮比ライン５７を中央ライン９に接続し、一方、スプール５４の第１のランドは、中央ライン９から低圧縮比ライン５８を遮断する。第１の高圧チェックバルブ５５は、矢印で示したように、中央ライン９から低圧縮比ライン５８への油圧流体流れを許容し、一方、第２の高圧チェックバルブ５６及びスプール５４は、それぞれ、高圧縮比ライン５７への、かつ低圧縮比ライン５８からの油圧流体流れを防止する。この回路は、第２の制御ピストン１８、２８、３８、４８によって形成されたチャンバの油圧流体の量を減少させ、かつ第１の制御ピストン１５、２５、３５、４５によって形成されたチャンバの油圧流体の量を増加させる正味の効果を達成し、これによって、低圧縮比位置に向かって制御ピストン及びエンジンピストン１１、２１、３１、４１を移動させる。供給ライン６０の供給チェックバルブ５９は、システム内への油圧流体流れを許容し、油圧流体源への油圧流体の逆流を防止して、システム内の油圧を維持する。

図１ｂは、第２の位置の制御システムを有する図１ａの４気筒、２位置圧縮比システム１０を示している。制御バルブ５３のスプール５４は、図１ａの第１の位置に示されている。第２の位置の制御バルブ５３により、スプール５４は、低圧縮比ライン５８を中央ライン９に接続し、一方、スプール５４の第２のランドは、中央ライン９から高圧縮比ライン５７を遮断する。第２の高圧チェックバルブ５６は、矢印で示したように、中央ライン９から高圧縮比ライン５７への油圧流体流れを許容し、一方、第１の高圧チェックバルブ５５及びスプール５４は、それぞれ、低圧縮比ライン５８への、かつ高圧縮比ライン５７からの油圧流体流れを防止する。この回路は、第１の制御ピストン１５、２５、３５、４５によって形成されたチャンバの油圧流体の量を減少させ、かつ第２の制御ピストン１８、２８、３８、４８によって形成されたチャンバの油圧流体の量を増加させる正味の効果を達成し、これによって、高圧縮比位置に向かって制御ピストン及びエンジンピストン１１、２１、３１、４１を移動させる。高圧縮比位置はまた、ＶＦＳ５１が電圧印加されないときのスプール５４のデフォルト位置である。

図２は、第１の位置の制御システムを有する４気筒、２位置可変圧縮比システム１１０を示している。図２のシステムは、このシステムでは、第２の制御ピストン１８、２８、３８、４８が、制御ピストン付勢スプリング２０、３０、４０、５０によって上向きに付勢されることを除いて、図１ａ及び図１ｂのシステムと同様に動作する。第２の制御ピストン１８、２８、３８、４８の制御ピストン付勢スプリング２０、３０、４０、５０は、高圧縮比状態に向かってエンジンピストン１１、２１、３１、４１を付勢する。

図３は、４つのピストン１１、２１、３１、４１の各々毎に別個の制御システムを有する４気筒の可変圧縮比システム２１０を示している。図１ａ及び図１ｂのシステムのように、各々のピストンは、偏心軸受１２、２２、３２、４２、及びコネクティングロッド１３、２３、３３、４３に回転可能に接続されたエンジンピストン１１、２１、３１、４１と、エンジンピストンを、第１の制御ピストン孔１６、２６、３６、４６に摺動して受容される第１の制御ピストン１５、２５、３５、４５に結合する第１の連結ロッド１４、２４、３４、４４と、エンジンピストンを、第２の制御ピストン孔１９、２９、３９、４９に摺動して受容される第２の制御ピストン１８、２８、３８、４８に結合する第２の連結ロッド１７、２７、３７、４７とを含む。

エンジンピストン１１、２１、３１、４１の圧縮比は、別個の制御システムによって独立して制御される。各々のピストンでは、アクチュエータ６１、７１、８１、９１は、制御バルブスプリング６２、７２、８２、９２と組み合わせて、制御バルブ６３、７３、８３、９３の位置を制御する。各々の制御バルブ本体を通した大気への通気孔６３’、７３’、８３’、９３’は、スプール６４、７４、８４、９４がそれぞれスプールバルブ孔で前後に動くとき、スプールバルブ孔の後端の空気圧変動を最小にする。単一のエンジン制御ユニットが、アクチュエータ６１、７１、８１、９１のすべてを制御することが好ましいが、本発明の精神の範囲内で、アクチュエータ毎に別個のエンジン制御ユニットを使用してもよい。第２のエンジンピストン２１用の制御バルブのスプール７４が第１の位置に示されている。それぞれ、第１のエンジンピストン１１及び第４のエンジンピストン４１用の制御バルブ用のスプール６４、９４が、第２の位置に示されている。第３のエンジンピストン３１用の制御バルブのスプール８４が第３の位置に示されている。

第１の位置の制御バルブ７３により、高圧チェックバルブ７５、７６は、低圧縮位置に向かう高圧縮比ライン７７及び低圧縮比ライン７８を介した第２の制御ピストン２８によって形成されたチャンバから、第１の制御ピストン２５によって形成されたチャンバへの矢印で示した方向の油圧流体流れを許容する。第２の位置の制御バルブ６４、９４により、高圧チェックバルブ６５、６６、９５、９６は、高圧縮位置に向かう高圧縮比ライン６７、９７及び低圧縮比ライン６８、９８を介した第１の制御ピストン１５、４５によって形成されたチャンバから、第２の制御ピストン１８、４８によって形成されたチャンバへの矢印で示した方向の油圧流体流れを許容する。第３の位置の制御バルブ８４により、制御バルブ８４及び高圧チェックバルブ８５、８６は、高圧縮比ライン８７及び低圧縮比ライン８８を介した第１の制御ピストン３５によって形成されたチャンバと、第２の制御ピストン３８によって形成されたチャンバとの間の油圧流体流れを防止して、現在の圧縮位置を維持する。供給ライン１００の供給チェックバルブ６９、７９、８９、９９は、システム内への油圧流体流れを許容し、油圧流体源への油圧流体の逆流を防止して、システム内の油圧を維持する。このシステムでは、各々の制御システムは、それ自体の個々の供給チェックバルブ６９、７９、８９、９９を有するが、代わりに、４つのすべての制御システムのために、単一の供給チェックバルブを上流に使用できるであろう。

図１ａ、図１ｂ及び図２のシステムに関して図示していないが、制御バルブ５４及び高圧チェックバルブ５５、５６が、高圧縮比ライン５７及び低圧縮比ライン５８を介した第１の制御ピストン１５、２５、３５、４５によって形成されたチャンバと、第２の制御ピストン１８、２８、３８、４８によって形成されたチャンバとの間の油圧流体流れを防止して、現在の圧縮位置を維持するように、制御バルブ５４を図３の制御バルブ８４と同様の第３の位置に保持することが可能である。

図４ａ、図４ｂ及び図４ｃは、それぞれ第１の位置、第２の位置、及び第３の位置の個々の制御システムによって制御される単一のピストンシステム３１０を示している。これらのシステムでは、第２の制御ピストン１８が、制御ピストン付勢スプリング２０によって上向きに付勢される。第２の制御ピストン１８の制御ピストン付勢スプリング２０は、高圧縮比状態に向かってエンジンピストン１１を付勢する。

図５ａ、図５ｂ及び図５ｃは、高圧縮比ライン６７及び低圧縮比ライン６８を介した第１の制御ピストン１５によって形成されたチャンバと、第２の制御ピストン１８によって形成されたチャンバとの間の油圧流体流れを防止するために、第３の位置の個々の制御システムを有するそれぞれ中間圧縮比状態、低圧縮比状態、及び高圧縮比状態の単一のピストンシステム４１０を示している。アクチュエータは、わかりやすくするためにのみ図５ａ、図５ｂ及び図５ｃに示されていない。図５ａでは、両方の制御ピストン１５、１８は、それらのそれぞれの制御ピストン孔１６、１９の中間位置にある。これにより、エンジンピストン１１は、そのシリンダ（図示せず）の中間圧縮比状態に関して上死点の中間高さに位置決めされる。図５ｂでは、第１の制御ピストン１５は、その制御ピストン孔１６の頂部位置にあり、第２の制御ピストン１８は、その制御ピストン孔１９の底部位置にある。これにより、エンジンピストン１１は、そのシリンダ（図示せず）の低圧縮比状態に関して上死点の最小高さに位置決めされる。図５ｃでは、第１の制御ピストン１５は、その制御ピストン孔１６の底部位置にあり、第２の制御ピストン１８は、その制御ピストン孔１９の頂部位置にある。これにより、エンジンピストン１１は、そのシリンダ（図示せず）の高圧縮比状態に関して上死点の最大高さに位置決めされる。このシステムでは、第１の制御ピストン１５が、制御ピストン付勢スプリング２０によって上向きに付勢される。第１の制御ピストン１５の制御ピストン付勢スプリング２０は、高圧縮比状態に向かってエンジンピストン１１を付勢する。

図１ａ、図１ｂ、図２及び図３のシステムは、４気筒／４ピストンシステムとして示され、また図４ａ、図４ｂ、図４ｃ、図５ａ、図５ｂ及び図５ｃのシステムは、１シリンダ／１ピストンシステムとして示されているが、本発明の可変圧縮比システムは、本発明の精神の範囲内で任意の数のシリンダ／ピストンを有することが可能である。開示したシステムの任意のものは、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、及び８つを含むがそれらに限定されない任意の数のシリンダ／ピストンを有してもよい。

図１ａ〜図５ｃのシステムは、アクチュエータとしての可変力ソレノイド及び油圧ラインの各々のチェックバルブによって制御される２ランドスプールを有する油圧制御システムについて記載されているが、本発明の精神の範囲内で、他の制御システムを使用してもよい。他のアクチュエータは、差圧制御システム（ＤＰＣＳ）、調整圧力制御システム（ＲＰＣＳ）、ステッピングモータ、エアアクチュエータ、真空アクチュエータ、液圧アクチュエータ、あるいは力又は位置制御を有する他の任意の種類のアクチュエータを含むが、それらに限定されない。

ある実施形態では、参考として本出願に組み込まれている２００８年６月１２日に発行されたＳｉｍｐｓｏｎらによる「Ｔｉｍｉｎｇ Ｐｈａｓｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許出願公開第２００８／０１３５００４号明細書に開示されているような調整圧力制御システム（ＲＰＣＳ）が使用される。図６は、第１の位置の制御バルブ５６３を有するＲＰＣＳ５２０によって制御される単一のピストンシステム５１０を示している。制御バルブ本体を通した大気への通気孔５６３’は、スプール６４がスプールバルブ孔で前後に動くとき、スプールバルブ孔の後端の空気圧変動を最小にする。ＲＰＣＳ５２０は、設定点に基づき制御ユニット５０８から信号を受け取り、調整圧力制御バルブ又は直接制御圧力レギュレータバルブ５６１が、メインオイルギャラリの信号及び圧力に比例して、制御バルブ５６３のスプール６４の端部を付勢する付勢チャネル５６０内の調整制御オイル圧力に対する入力オイル圧力を調整させる。制御バルブ５６３のスプール６４の他方の端部は、スプリング６２によって反対方向に付勢されることが好ましい。ＲＰＣＳは図７の実施形態にのみ示されているが、ＲＰＣＳは、本明細書に開示した実施形態の任意のものに、バルブ制御システムとして使用することが可能である。

ある実施形態では、参考として本出願に組み込まれている２００５年４月２６日にＳｉｍｐｓｏｎに交付された「Ｐｈａｓｅｒ Ｍｏｕｎｔｅｄ ＤＰＣＳ（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ）ｔｏ Ｒｅｄｕｃｅ Ａｘｉａｌ Ｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｎｇｉｎｅ」と題する米国特許第６，８８３，４７５号明細書に開示されているような差圧制御システム（ＤＰＣＳ）が、使用される。図７は、第１の位置の制御バルブ６６３を有するＤＰＣＳ６２０によって制御される単一のピストンシステム６１０を示している。制御バルブ６６３のスプール６４の位置は、エンジンからオイル圧力６２２が送られるソレノイドＤＰＣＳ６３０によって介入される。ソレノイドＤＰＣＳ６３０は、制御ユニット６０８によって制御される。ソレノイドＤＰＣＳ６３０は、エンジンオイル圧を利用して、スプール６４の一方の端部に対してピストン６３２の位置を制御し、一方、第２のラインのオイル圧力はピストン６３２に対抗する。ピストン６３２は、ピストンスプリング６３４によってスプール６４に向かって付勢され、スプール６４は、スプールスプリング６２によってピストン６３２に向かって付勢され、低いオイル圧力でピストン６３２とスプール６４との間の接触を維持する。第２のライン６２４のオイル圧力は、エンジンオイル圧でエンジンオイルによって調整されないことが好ましいが、代わりにオイル圧力を調整してもよい。ソレノイド６３６は、好ましくはエンジン制御ユニット６０８から直接来る制御信号に応答してコイルに印加される電流によって制御されることが好ましい。ＤＰＣＳは図７の実施形態にのみ示されているが、ＤＰＣＳは、本明細書に開示した実施形態の任意のものに、バルブ制御システムとして使用することが可能である。

ある実施形態では、参考として本出願に組み込まれているＰｌｕｔａらによって、２０１２年１０月４日に出版された「Ｕｓｉｎｇ Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ Ｅｎｅｒｇｙ ｔｏ Ｍｏｖｅ ａｎ Ａｃｔｕａｔｏｒ」と題するＰＣＴ特許公報、国際公開第２０１２／１３５１７９号パンフレットに開示されているようなスプール制御バルブのチェックバルブが使用される。図８は、前の図に示した制御バルブの代わりに、共通にスプール制御バルブのチェックバルブと称されるチェックバルブを含む制御バルブ７６３を有する単一のピストンシステム７１０を示している。制御バルブ本体を通した大気への通気孔７６３’は、スプール７２９がスプールバルブ孔で前後に動くとき、スプールバルブ孔の後端の空気圧変動を最小にする。チェックバルブ７２８ａ、７２８ｂは、図９のバルブ組立体７２０の分解図に見ることができる。アクチュエータピストン７６２も図９に示されている。スプールのチェックバルブは図８の実施形態にのみ示されているが、スプールのチェックバルブは、本明細書に開示した任意の実施形態の制御バルブとして使用することが可能である。

チェックバルブ組立体７２０は、中央スピンドル７４０によって分離された２つのランド７２９ａと７２９ｂを有するスプール７２９を含む。ランド７２９ａと７２９ｂの各々の中に、チェックバルブ７２８ａと７２８ｂを受容するプラグ７３７ａと７３７ｂがある。各々のチェックバルブ７２８ａ、７２８ｂは、ディスク７３１ａ、７３１ｂ及びスプリング７３２ａ、７３２ｂを含む。バンドチェックバルブ、ボールチェックバルブ、及びコーンタイプを含むがそれらに限定されない他のタイプのチェックバルブ７２８ａ、７２８ｂを使用することが可能である。スプール７２９は、スプリング７３６によって制御シャフトから外側に付勢される。制御ユニット７０８によって制御されるアクチュエータ７６１は、制御バルブ７６３の位置を制御する。図示した位置において、流体は、中央スピンドル７４０の中央スピンドル穴７４０ａを通して、第１のランド７２９ａを通して、第１のチェックバルブ７２８ａを通して、及び低圧縮比ライン６８への第１のポート７３８ａを通して、高圧縮比ライン６７から第２のポート７３８ｂに流れる。第２のチェックバルブ７２８ｂは、逆方向の流体流れを防止する。チェックバルブ７２８ａ、７２８ｂは、中央ライン９、及び中央ライン９及び高圧縮比ライン６７及び低圧縮比ライン６８の間の流れを制御するチェックバルブ６５、６６の必要性をなくす。

したがって、本明細書に記載した本発明の実施形態は、単に本発明の原理の適用の例示に過ぎないことを理解すべきである。例示した実施形態の詳細に対する本明細書の引例は、それら自体が本発明に本質的であると見なされるそれらの特徴を列挙する特許請求の範囲を限定するようには意図されない。

Claims (21)

1. 可変圧縮比ピストンシステムであって、
   エンジンの少なくとも１つのエンジンピストン組立体を備え、各々のエンジンピストン組立体が、
   前記エンジンのエンジンシリンダに摺動して受容されたエンジンピストンと、
   前記エンジンピストンに機械的に結合された第１の制御ピストンであって、前記第１の制御ピストンが第１の制御ピストン孔で作動し、前記第１の制御ピストン及び前記第１の制御ピストン孔が第１のチャンバを画定する第１の制御ピストンと、
   前記エンジンピストンに機械的に結合された第２の制御ピストンであって、前記第２の制御ピストンが第２の制御ピストン孔で作動し、前記第２の制御ピストン及び前記第２の制御ピストン孔が第２のチャンバを画定する第２の制御ピストンと、
   油圧流体を前記第１のチャンバに供給し、油圧流体を前記第１のチャンバから排出する低圧縮比ラインと、
   油圧流体を前記第２のチャンバに供給し、油圧流体を前記第２のチャンバから排出する高圧縮比ラインと、
   少なくとも１つの制御バルブと、前記制御バルブの位置を制御する少なくとも１つのアクチュエータとを備える制御システムであって、前記高圧縮比ラインと前記低圧縮比ラインとの間の油圧流体流れを選択的に許容する制御システムとを備え、
   前記制御バルブが第１の位置にあるとき、前記高圧縮ライン、前記制御バルブ及び前記低圧縮ラインを介した前記第２のチャンバから前記第１のチャンバへの第１の正味の油圧流体流れが許容され、この結果、前記第１の正味の流れが前記第１の制御ピストン孔の前記第１の制御ピストンを上昇させ、前記第２の制御孔の第２の制御ピストンを下降させて、前記エンジンピストンを下降させ、これによって、前記エンジンピストンの圧縮比を低圧縮比状態に向かって小さくし、
   前記制御バルブが第２の位置にあるとき、前記低圧縮ライン、前記制御バルブ及び前記高圧縮ラインを介した前記第１のチャンバから前記第２のチャンバへの第２の正味の油圧流体流れが許容され、この結果、前記第２の正味の流れが前記第２の制御ピストン孔の前記第２の制御ピストンを上昇させ、前記第１の制御孔の前記第１の制御ピストンを下降させて、前記エンジンピストンを上昇させ、これによって、前記エンジンピストンの前記圧縮比を高圧縮比状態に向かって大きくする、
   可変圧縮比ピストンシステム。
2. 前記制御バルブが第３の位置にあるとき、前記制御システムが、前記高圧縮ライン、前記制御バルブ及び前記低圧縮ラインを介した前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間の油圧流体流れを防止し、これによって、前記エンジンピストンの前記圧縮比を維持する請求項１に可変圧縮比ピストンシステム。
3. 前記アクチュエータが、前記制御バルブに結合された可変力ソレノイドであり、前記制御システムが、さらに、
   前記可変力ソレノイドの電圧印加状態を制御するエンジン制御ユニットと、
   前記高圧縮比ラインへの油圧流体流れを許容するが、前記高圧縮比ラインからの油圧流体流れを防止する第１のチェックバルブと、
   前記低圧縮比ラインへの油圧流体流れを許容するが、前記低圧縮比ラインからの油圧流体流れを防止する第２のチェックバルブと、
   前記制御バルブから前記第１のチェックバルブ及び前記第２のチェックバルブへの油圧流体流れを許容する中央ラインと、
   を備える請求項１に可変圧縮比ピストンシステム。
4. 前記制御バルブが、さらに、
   油圧流体源から油圧流体を受容し、かつ制御バルブ孔を有する制御バルブ本体と、
   前記制御バルブ孔に摺動して受容され、かつ第１のランド及び第２のランドを備えるスプールと、
   前記制御バルブ孔から外側方向に前記スプールを付勢する制御バルブスプリングと、
   を備える請求項３に可変圧縮比ピストンシステム。
5. 前記制御バルブが前記第１の位置にあるとき、前記第１のランドが、前記低圧縮比ラインから前記中央ラインへの油圧流体流れを遮断し、この結果、前記低圧縮比ラインへの前記第１のチェックバルブへの前記中央ラインへの前記制御バルブへの前記高圧縮流体ラインを介した前記第２のチャンバから前記第１のチャンバへの正味の油圧流体流れが、前記第１の制御ピストン孔の前記第１の制御ピストンを上昇させ、前記第２の制御孔の第２の制御ピストンを下降させて、前記エンジンピストンを下降させ、これによって、前記エンジンピストンの前記圧縮比を前記低圧縮比状態に向かって小さくする請求項４に記載の可変圧縮比ピストンシステム。
6. 前記制御バルブが第２の位置にあるとき、前記第２のランドが、前記高圧縮比ラインから前記中央ラインへの油圧流体流れを遮断し、この結果、前記高圧縮比ラインへの前記第２のチェックバルブへの前記中央ラインへの前記制御バルブへの前記低圧縮流体ラインを介した前記第１のチャンバから前記第２のチャンバへの正味の油圧流体流れが、前記第２の制御ピストン孔の前記第２の制御ピストンを上昇させ、前記第１の制御孔の前記第１の制御ピストンを下降させて、前記エンジンピストンを上昇させ、これによって、前記エンジンピストンの前記圧縮比を前記高圧縮比状態に向かって大きくする請求項４に記載の可変圧縮比ピストンシステム。
7. 前記制御バルブが第３の位置にあるとき、前記第１のランド及び前記第１のチェックバルブが、前記低圧縮比ラインからの油圧流体流れを遮断し、前記第２のランド及び前記第２のチェックバルブが、前記高縮比ラインから前記中央ラインへの油圧流体流れを遮断し、これによって、前記第１のチャンバ及び前記第２のチャンバからの流れを防止して、前記エンジンピストンの前記圧縮比を維持する請求項４に記載の可変圧縮比ピストンシステム。
8. 前記低圧縮比状態に向かって前記可変圧縮比ピストンシステムを付勢するために、前記第１のチャンバに配置された制御ピストン付勢スプリングをさらに備える請求項１に記載の可変圧縮比ピストンシステム。
9. 前記高圧縮比状態に向かって前記可変圧縮比ピストンシステムを付勢するために、前記第２のチャンバに配置された制御ピストン付勢スプリングをさらに備える請求項１に記載の可変圧縮比ピストンシステム。
10. 前記油圧流体源から前記制御バルブへの油圧流体流れを許容するが、前記制御バルブから前記油圧流体源への油圧流体流れを防止する前記制御バルブと前記油圧流体源との間に配置された入口チェックバルブをさらに備える請求項４に記載の可変圧縮比ピストンシステム。
11. 前記少なくとも１つのエンジンピストン組立体が複数のエンジンピストン組立体を備える請求項１に記載の可変圧縮比ピストンシステム。
12. 前記少なくとも１つの制御バルブが単一の制御バルブを備える請求項１１に記載の可変圧縮比ピストンシステム。
13. 前記少なくとも１つの制御バルブが、前記複数のエンジンピストン組立体の数に等しい複数の制御バルブを備え、各々のエンジンピストンが前記複数の制御バルブの１つによって制御される請求項１１に記載の可変圧縮比ピストンシステム。
14. 各々のエンジンピストン組立体が、さらに、
    前記第１の制御ピストン孔と前記第２のピストン孔とを有するコネクティングロッドと、
    前記コネクティングロッドを前記エンジンピストンに結合する偏心軸受と、
    前記第１の制御ピストンを前記偏心軸受に結合する第１の連結ロッドと、
    前記第１の制御ピストンを前記偏心軸受に結合する第２の連結ロッドと、
    を備える請求項１に記載の可変圧縮比ピストンシステム。
15. 油圧流体流れが、前記エンジンの運転によるクランクシャフトに対する慣性力及び燃焼力からの交互の力によって作動される請求項１に記載の可変圧縮比ピストンシステム。
16. 前記アクチュエータが調整圧力制御システムである請求項１に記載の可変圧縮比ピストンシステム。
17. 前記アクチュエータが差圧制御システムである請求項１に記載の可変圧縮比ピストンシステム。
18. 前記制御バルブが、さらに、
    油圧流体源から油圧流体を受容し、かつ制御バルブ孔を有する制御バルブ本体と、
    前記制御バルブ孔に摺動して受容されたスプールであって、第１のランドと第２のランドとを備え、かつ前記スプールの第１の端部の第１のプラグと、前記第１の端部の反対側の前記スプールの第２の端部の第２のプラグとを有するスプールと、
    前記スプールの前記第１のプラグに受容された第１のチェックバルブと、
    前記スプールの前記第２のプラグに受容された第２のチェックバルブと、
    前記制御バルブ孔から外側方向に前記スプールを付勢する制御バルブスプリングと、
    を備える請求項１に記載の可変圧縮比ピストンシステム。
19. 可変圧縮比ピストンシステムのエンジンのエンジンシリンダに受容された少なくとも１つのエンジンピストンの圧縮比を変更する方法であって、前記可変圧縮比ピストンシステムが、さらに、前記エンジンピストンに機械的に結合された第１の制御ピストンであって、前記第１の制御ピストンが第１の制御ピストン孔で作動し、前記第１の制御ピストン及び前記第１の制御ピストン孔が第１のチャンバを画定する第１の制御ピストンと、前記エンジンピストンに機械的に結合された第２の制御ピストンであって、前記第２の制御ピストンが第２の制御ピストン孔で作動し、前記第２の制御ピストン及び前記第２の制御ピストン孔が第２のチャンバを画定する第２の制御ピストンと、油圧流体を前記第１のチャンバに供給し、油圧流体を前記第１のチャンバから排出する低圧縮比ラインと、油圧流体を前記第２のチャンバに供給し、油圧流体を前記第２のチャンバから排出する高圧縮比ラインと、少なくとも１つの制御バルブを備える制御システムであって、前記低圧縮比ラインと前記高圧縮比ラインとの間の油圧流体流れを選択的に許容する制御システムとを備え、
    前記方法が、
    ａ）エンジンに対する負荷を測定するステップと、
    ｂ）前記エンジンに対する前記負荷に基づき前記少なくとも１つのエンジンピストンに関する圧縮比状態を計算するステップと、
    ｃ）前記制御バルブを調整して、前記可変圧縮比ピストンシステムが前記圧縮比状態に向かって移動することを許容するステップと、
    ｄ）前記可変圧縮比ピストンシステムが前記圧縮比状態に到達したときに、前記制御バルブを第３の位置に調整するステップとを含み、
    前記制御バルブが第１の位置にあるとき、前記高圧縮ライン、前記制御バルブ及び前記低圧縮ラインを介した前記第２のチャンバから前記第１のチャンバへの第１の正味の油圧流体流れが許容され、この結果、前記第１の正味の流れが前記第１の制御ピストン孔の前記第１の制御ピストンを上昇させ、前記第２の制御孔の第２の制御ピストンを下降させて、前記エンジンピストンを下降させ、これによって、前記エンジンピストンの圧縮比を低圧縮比状態に向かって小さくし、
    前記制御バルブが第２の位置にあるとき、前記低圧縮ライン、前記制御バルブ及び前記高圧縮ラインを介した前記第１のチャンバから前記第２のチャンバへの第２の正味の油圧流体流れが許容され、この結果、前記第２の正味の流れが前記第２の制御ピストン孔の前記第２の制御ピストンを上昇させ、前記第１の制御孔の前記第１の制御ピストンを下降させて、前記エンジンピストンを上昇させ、これによって、前記エンジンピストンの前記圧縮比を高圧縮比状態に向かって大きくし、
    前記制御バルブが第３の位置にあるとき、前記制御システムが、前記低圧縮ライン、前記制御バルブ及び前記高圧縮ラインを介した前記第１のチャンバと前記第２のチャンバとの間の油圧流体流れを防止し、これによって、前記エンジンピストンの前記圧縮比を維持する、方法。
20. ステップｃ）が、可変力ソレノイドに電圧印加して、前記制御バルブの前記位置を調整するサブステップを含む請求項１９に記載の方法。
21. 油圧流体流れが、前記エンジンの運転によるクランクシャフトに対する慣性力及び燃焼力からの交互の力によって作動される請求項１９に記載の方法。

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