JP2018112117A - 可変圧縮比内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ピストンピンオフセット量の変化や重量および慣性重量の増加を回避するうえで有利な可変圧縮比内燃機関を提供する。
【解決手段】少なくとも１つのシリンダ１０と、シリンダ内に往復摺動可能に収容されたピストン１と、ピストンに対応するクランクピン２１を有するクランクシャフト２と、大端３２がクランクピンに回動可能に連結されたコネクティングロッド３と、ピストンにピストンピン１１を介して角変位可能に連結され、かつ、前記ピストンピンと異軸位置にある第１連結部４１にて前記コネクティングロッドの小端３１に角変位可能に連結された揺動部材４と、先端５２が第１連結部４１と異軸位置にある第２連結部４２にて揺動部材４に角変位可能に連結され、かつ、基端５１がコネクティングロッド３に対して変位可能に設けられている可動ロッド５と、コネクティングロッド３に対して可動ロッド５を変位させる駆動手段とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変圧縮比機構を備えた内燃機関に関する。

内燃機関において種々の可変圧縮比機構が提案されている。例えば、特許文献１には、コネクティングロッド小端に偏心機構が設けられ、この偏心機構がクランクケース側のアクチュエータとリンクで連結されており、アクチュエータにより偏心機構を回動させることにより、コネクティングロッド大端と小端の距離を変更可能である可変圧縮比機構が開示されている。

特開２０１３−４０６０７号公報

内燃機関のピストンは、燃焼圧とコネクティングロッドの位置関係により、上死点付近においてピストン側圧が上昇する。一般的にピストンはスラスト側の荷重が高くなるので、コネクティングロッドとの位置関係を改善するため、反スラスト側にピストンピンオフセットを設けているものが多い。ピストンピンオフセット量の要求はエンジンが低回転の時ほど大きく、高回転になるほど小さくなる。そのため、一般に、低回転型エンジンではピストンピンオフセット量を大きくし、高回転型エンジンでは小さくするか、もしくは無くしている。

しかし、特許文献１では、圧縮比を変更する手段として、コネクティングロッド小端に偏心機構を設けているため、圧縮比とともにピストンピンオフセット量が変化してしまう問題がある。圧縮比の要求は、エンジン回転数だけでなく、負荷によっても変化するため、ピストンピンオフセット量が要求と整合しない範囲が必然的に存在することになる。

例えば、図９に示すように、低回転かつ低負荷時には、熱効率を向上するために高圧縮比にすることが好ましいが、低回転であっても高負荷時には、ノッキングやプレイグニッション等の異常燃焼を抑制するために低圧縮比にすることが好ましい。このように、同じ回転数でも負荷により圧縮比の要求は異なるが、特許文献１では、圧縮比の変更とともにピストンピンオフセット量も変化するので、ピストンのスラスト側もしくは反スラスト側の荷重が増大し、フリクションの増大、ピストンスラップ音の発生等が懸念される。

また、特許文献１では、コネクティングロッド小端に２重構造となる偏心機構を設けるため、コネクティングロッド小端の外径が必然的に大きくなることに加えて、ピストン裏面との干渉を避けるための逃がしを大きく確保する必要が生じ、ピストンの強度確保等の制約も加わるので、重量や慣性重量の増加は不可避であり、軽量化に不利であることは否めない。

本発明は、従来技術の上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ピストンピンオフセット量の変化や重量および慣性重量の増加を回避するうえで有利な可変圧縮比内燃機関を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る可変圧縮比内燃機関は、少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダ内に往復摺動可能に収容されたピストンと、前記ピストンに対応するクランクピンを有するクランクシャフトと、大端が前記クランクピンに回動可能に連結されたコネクティングロッドと、前記ピストンにピストンピンを介して角変位可能に連結され、かつ、前記ピストンピンと異軸位置にある第１連結部にて前記コネクティングロッドの小端に角変位可能に連結された揺動部材と、先端が前記第１連結部と異軸位置にある第２連結部にて前記揺動部材に角変位可能に連結され、かつ、基端が前記コネクティングロッドに対して変位可能に設けられている可動ロッドと、前記コネクティングロッドに対して前記可動ロッドを変位させる駆動手段と、を備えた。

本発明は、上記構成により、ピストンピンオフセット量の変化、および、コネクティングロッド小端の大径化とそれに伴う重量および慣性重量の増加を回避しつつ、運転状況に応じて最適な圧縮比を得ることができる。

本発明第１実施形態に係る可変圧縮比内燃機関を示す側面図である。 本発明第１実施形態に係る可変圧縮比内燃機関を示す概略斜視図である。 本発明第１実施形態に係る可変圧縮比内燃機関を示す分解斜視図である。 本発明第１実施形態に係る可変圧縮比内燃機関のクランク角（ａ）０度、（ｂ）９０度、（ｃ）１８０度、（ｄ）２７０度の各位置を示す側面図である。 本発明第１実施形態に係る可変圧縮比内燃機関のクランク角０度、９０度、１８０度、２７０度の各位置を示す概略側面図である。 本発明第１実施形態に係る可変圧縮比内燃機関の低圧縮比位置（ａ）および高圧縮比位置（ｂ）を示す要部側面図である。 本発明第１実施形態に係る可変圧縮比内燃機関の圧縮比変化を示す概略側面図である。 本発明第２実施形態に係る可変圧縮比機構を示す側面図である。 エンジン回転数とトルク、要求圧縮比の関係を示すグラフである。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１〜図３は、本発明の第１実施形態に係る可変圧縮比機構１１０を備えた内燃機関１００のエンジンブロック等を省略した可動部分を示しており、図１には、シリンダ１０が二点鎖線で概略的に示されている。図２および図３には、内燃機関１００の１気筒分のみが示されているが、複数気筒がクランクシャフト２の軸方向に並設されていても良い。以下の説明では複数気筒の場合を前提とする。

シリンダ１０の内部には、ピストン１が往復摺動可能に収容されており、ピストン１の冠面１ａとシリンダヘッド１０ａとの間に、ピストン１の位置に応じて容積が変化する燃焼室１０ｂが画成される。シリンダヘッド１０ａには、不図示の吸気弁や排気弁が設けられる。ピストン１の周側面にはピストンリングを装着するためのピストンリング溝１３が設けられ、その下方にはピストンピン１１を嵌合するためのピストンピン穴１２が横方向に貫通している。

クランクシャフト２は、クランクジャーナル２０、クランクピン２１、バランスウエイト２２、クランクアーム２３から構成され、クランクジャーナル２０においてエンジンブロックに回転自在に支持されており、クランクピン２１は、コネクティングロッド３の大端３２（軸受部３０）に回転自在に連結されている。

一般的な往復動型内燃機関ではコネクティングロッドの小端にピストンピンが直接連結されるが、本発明に係る可変圧縮比機構１１０を備えた内燃機関１００では、コネクティングロッド３の小端３１は、以下に述べる揺動部材４（シーソー形状アーム）を介してピストンピン１１に連結される。

揺動部材４は、ピストン１のスカート部で囲まれた内部１４に全体または大部分が収容される小形状のリンクアームである。揺動部材４の略中央にはピストンピン１１に角変位可能に嵌合する貫通孔４０が設けられ、その両側に腕部４３，４４が延出している。

ピストンピン１１と異軸位置にある一方の腕部４３に第１連結部４１が設けられ、該第１連結部４１に、コネクティングロッド３の小端３１が角変位可能に連結されている。ピストンピン１１と異軸位置にある他方の腕部４４には第２連結部４２が設けられ、該第２連結部４２には、可動ロッド５の先端５２が角変位可能に連結されている。

可動ロッド５（第２コネクティングロッド）は、その基端５１が、中間揺動部材６の一端側の偏心軸６１に角変位可能に連結されることで、コネクティングロッド３に対して略長手方向に変位可能に設けられている。可動ロッド５は、コネクティングロッド３、揺動部材４、中間揺動部材６（偏心中間軸６０）と共に４節リンク機構を構成している。

中間揺動部材６は、コネクティングロッド３の大端３２付近に貫通する軸受け孔３６に回動可能に支持され、一端側に偏心軸６１が突設された偏心中間軸６０、および、その他端６２に基端６４が回動不可能に固定された中間揺動アーム６３から構成されており、中間揺動アーム６３の先端６５（中間揺動部材６の他端）は、揺動アーム７の先端７１に回動可能に連結されている。

なお、図３では、偏心中間軸６０の他端６２と、中間揺動アーム６３の基端６４とが、相互に嵌合する円形断面の軸および軸孔として概略的に示されているが、相互に嵌合する部分円形断面や四角形断面など、非回転形状断面の嵌合部としてトルク伝達可能に形成されるか、または、偏心中間軸６０と中間揺動アーム６３が一部材で形成されても良い。

揺動アーム７は、その基端７２（軸受部７０）において、クランクケース側に角変位可能に支持された回動軸８の偏心軸８１に揺動可能に連結されている。回動軸８は、クランクシャフト２と平行に配設され、各気筒のコネクティングロッド３に隣接して、一対のフランジ部８２（ディスク部）が一体に設けられており、これらフランジ部８２間に偏心軸８１が延設されている。

回動軸８には、図２に概略的に示されるように、アクチュエータ９（駆動手段）が連結されている。アクチュエータ９としては、回動軸８に角変位を与え、かつ、角変位に対する保持力を有する各種アクチュエータを使用できる。例えば、回動軸８に固定されたウォームホイールとそれに係合するウォームを駆動回転する電動式あるいは油圧式モータ、回動軸８に角変位を与える電動式あるいは油圧式のロータリーアクチュエータを用いることができる。

（可変圧縮比機構によるピストン上死点位置の変化）
以上のように構成された可変圧縮比機構１１０は、アクチュエータ９で回動軸８が回動され、図１に示すように、偏心軸８１の角位置（ＣＨ〜ＣＬ）が変更されることにより、偏心軸８１とクランクシャフト２の距離、揺動アーム７とコネクティングロッド３（偏心中間軸６０）の距離が変更され、中間揺動部材６に偏心中間軸６０を中心とした角変位が与えられる。

それに伴い、可動ロッド５がコネクティングロッド３に対して略長手方向に相対変位し、揺動部材４が、コネクティングロッド３の小端３１との第１連結部４１を中心に角変位し、クランクピン２１の中心２１ａとピストンピン１１の中心１１ａとの間の距離が変化することによって、ピストン１の上死点位置（ＣＨ〜ＣＬ）が変更され、圧縮比が変化する。

図６（ｂ）は、ピストン１が上死点において高圧縮比位置ＣＨにある内燃機関１００の可変圧縮比機構１１０を示しており、回動軸８の上方（制御角０°）に偏心軸８１が位置している。一方、左側の図６（ａ）は、ピストン１″が上死点において低圧縮比位置ＣＬにある内燃機関１００″の可変圧縮比機構１１０″を示しており、図６（ｂ）に対して、回動軸８″が図中反時計方向に９０°回動し、回動軸８″の図中左側に偏心軸８１″が角変位している。これに伴い、中間揺動部材６″が図中反時計方向に約３０°回動し、可動ロッド５″が下方に移動し、揺動部材４″が図中反時計方向に約５°回動することによって、ピストン１″が下方の低圧縮比位置ＣＬに変位する。

図７は、可変圧縮比機構１１０の回動軸８が制御角０°、４５°、９０°に角変位した場合の各部材の位置を示しており、可変圧縮比機構１１０が、コネクティングロッド３を固定リンクとした場合に、中間揺動部材６を原動リンク、揺動部材４を従動リンク、可動ロッド５を中間リンクとする４節リンク機構を構成しており、原動リンクとなる中間揺動部材６の変位に応じて、揺動部材４および可動ロッド５は、コネクティングロッド３に対して確定的に変位することが分かる。

（可変圧縮比機構による変位とクランク角に応じた周期的変位の関係）
第１実施形態に係る可変圧縮比機構１１０は、ピストン１の往復運動の外部にあるアクチュエータ９から、ピストン１と共に往復運動するコネクティングロッド３側の可動ロッド５に、揺動アーム７および中間揺動部材６を介して変位ＣＶが伝達される構成であるため、図４および図５に示すように、揺動アーム７および中間揺動部材６は、ピストン１の往復運動と共に揺動運動する。

そのため、上死点以外では、可変圧縮比機構１１０によって与えられる変位（ＣＨ〜ＣＬ）に、クランク角に応じた周期的な変位が付加されるものの、上死点では、専ら、可変圧縮比機構１１０によって与えられる変位によって、ピストン１の上死点位置（ＣＨ〜ＣＬ）が決定される。

また、下死点位置について、仮に、クランク角に応じた周期的な変位の付加により、上死点位置と同程度、同方向に変位する場合を想定しても、下死点位置の変位が圧縮比に与える影響は無視できるくらい小さい。

したがって、下死点の変位に拘わらず、可変圧縮比機構１１０による上死点位置（ＣＨ〜ＣＬ）に応じて所望の圧縮比が得られることになる。

因みに、図５を参照すると、回動軸８の偏心軸８１が高圧縮比位置ＣＨにある場合、偏心中間軸６０の偏心軸６１が、偏心中間軸６０の中心６０ａに対して上方（上死点側）で変位（６１′）するため、ピストン１の往復動方向への下死点の変位は上死点側と殆ど同程度である。

これに対し、図７に二点鎖線で示されるように、回動軸８の偏心軸８１が低圧縮比位置ＣＬ（８１″）にある場合、中間揺動部材６″（中間揺動アーム６３″）は下方に変位し、偏心中間軸６０の偏心軸６１は側方に変位するが、この変位は、下死点側では、クランク角に応じた変位によって相殺され、ピストン１の往復動方向への下死点の変位は殆ど無い。つまり、クランク角に応じた下死点の変位は、僅かながらも最低圧縮比をさらに減少させる方向（圧縮比の可変域ＣＶを拡げる方向）に作用することになる。

（第１実施形態の可変圧縮比機構により得られる効果）
以上のように構成された可変圧縮比機構１１０では、ピストンピン１１は、偏心機構などを伴うことなく、揺動部材４に角変位可能に連結されているので、
（ｉ）圧縮比を変更してもピストンピンのオフセット位置が変化することがなく、最適位置に保持される。そのため、ピストンピンオフセットの変動に起因するスラスト側もしくは反スラスト側のフリクション増大やピストンスラップ音の発生を抑制できる。
（ｉｉ）ピストンピン上方の必要空間（ピストン裏面との干渉を避けるためのクリアランス）の増加を回避でき、ピストンのコンパクト化を図るうえで有利である。
（ｉｉｉ）ピストンの往復運動に伴うコネクティングロッドと揺動部材および可動アームの相対運動が小さく、可変圧縮機構を持たない通常のコネクティングロッドと同等の相対角速度となるので、潤滑条件の悪化を回避できる。

揺動部材４の第２連結部４２がピストンピン１１（１１ａ）と異軸位置にあることで、可動ロッド５を介して伝達される制御力に相応のレバー比が得られ、駆動手段の負荷増大を回避するうえで有利である。

したがって、コネクティングロッド３の大端中心（２１ａ）とピストンピン１１の中心１１ａを結ぶ線が、揺動部材４の第１連結部４１の中心と第２連結部４２の中心の間を通る構成は、上記の点で特に有利であることに加えて、ピストン１が受ける燃焼圧力が、揺動部材４を介してコネクティングロッド３と可動ロッド５（第２コネクティングロッド）に按分されるので、圧縮比変更に起因したクランクシャフトへの伝達効率の変動を回避するうえでも有利である。

ピストンピン１１の中心１１ａが、揺動部材４の第１連結部４１中心と第２連結部４２中心を結ぶ線に対して燃焼室側にある構成（図５）により、ピストンの往復運動に伴う揺動部材４の揺動（図４、図５）に起因したピストンピン上方のクリアランス増加を回避でき、ピストンのコンパクト化を図るうえで有利である。

可動ロッド５が、偏心中間軸６０を介してコネクティングロッド３に連結される構成により、コネクティングロッド３、揺動部材４、可動ロッド５はトラスに準じた構造となり、ピストン１が受ける燃焼圧力が、コネクティングロッド３、可動ロッド５（第２コネクティングロッド）を介してクランクシャフト２に確実に伝達される。

さらに、図示例では、ピストン１が上死点側にある場合に、中間揺動部材６のリンク（偏心中間軸６０の中心６０ａ−偏心軸６１）と可動ロッド５とが直線状に配列されるように（４節リンク機構の死点となるように）、偏心軸６１の初期変位角が設定されることで、ピストン１が受ける燃焼圧力が、コネクティングロッド３、可動ロッド５（第２コネクティングロッド）を介してクランクシャフト２に一層効果的に伝達される利点もある。

（第２実施形態）
図８は、本発明の第２実施形態に係る可変圧縮比機構２１０を備えた内燃機関２００のコネクティングロッド２０３付近を示している。図中省略されているピストンやクランクシャフトの構成は第１実施形態と同様であるが、第２実施形態の可変圧縮比機構２１０では、可動ロッド２０５を変位させる駆動手段として、ピストン１と共に往復運動するコネクティングロッド２０３に油圧シリンダ２０７を備えている。

油圧シリンダ２０７は、コネクティングロッド２０３の大端２３２に形成されており、ピストン２７１と一体のピストンロッド２０６の先端２６１に、可動ロッド２０５の基端２５１が連結されている。油圧シリンダ２０７の油室２７０には油路２７３が連通され、該油路２７３は、クランクシャフトの端部から内部を貫通しクランクピンに至る油路と軸受面内で連通している。この油路の構成は周知であるので、ここでは詳細な説明は省略する。

以上のように構成された可変圧縮比機構２１０によれば、油路２７３を通じて油室２７０に油圧が供給されることで、リターンスプリング２７２の付勢に抗してピストンロッド２０６が突出し、可動ロッド２０５が高圧縮比位置ＣＨに保持される。油圧の供給を停止すると、リターンスプリング２７２の付勢によりピストンロッド２０６が退没し、可動ロッド２０５が低圧縮比位置ＣＬに保持される。

このように、油圧シリンダ２０７により、可動ロッド２０５を高圧縮比位置ＣＨまたは低圧縮比位置ＣＬに変位させることで、第１実施形態と同様に、可動ロッド２０５の先端２５２に第２連結部２４２にて連結された揺動部材２０４が、第１連結部２４１を中心に角変位し、クランクピンとピストンピン２１１との間の距離が変化し、内燃機関２００の圧縮比が変更される。

また、高い燃焼圧時は、ピストン１が受ける力が可動ロッド２０５を介して油圧シリンダ２０７に伝達されることで、急激な筒内圧力上昇を緩和し、ノッキングを回避することもできる。

さらに、油圧シリンダと直列にスプリングを介設することにより、ピストン１が受ける力が可動ロッド２０５を介してスプリングに伝達され、スプリングが圧縮変形されることで、前記同様に、急激な筒内圧力上昇を緩和し、ノッキングを回避することもできる。

なお、上記第２実施形態では単動式の油圧シリンダ２０７を用いる場合を示したが、ピストン２７１の両側に油室を形成し、各油室に連通する油路を設けることで、複道式油圧シリンダとすることもできる。

（第２実施形態の可変圧縮比機構により得られる効果）
以上のように構成された可変圧縮比機構２１０では、クランクシャフトを通じた油圧系を具備する必要がある反面、ピストン往復運動の外部から可動アーム２０５に制御力を伝達するためのリンク機構（中間揺動アーム６３および揺動アーム７）を省略でき、機構の簡素化および軽量化において有利である。

以上、本発明の実施形態について述べたが、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいてさらに各種の変形および変更が可能である。

例えば、上記第１実施形態では、回動軸８およびアクチュエータ９により複数気筒の圧縮比を一斉に変更する場合を示したが、アクチュエータを各気筒に設け、気筒ごとに圧縮比を制御することもできる。

また、揺動アーム７の基端７２の支軸（偏心軸８１）を角変位させる代わりに、支軸を設けた部材（スライドブロックなど）をねじ送り機構や油圧シリンダなどのリニアアクチュエータを用いて直線的に変位させ、圧縮比を制御することもできる。

また、上記第１実施形態では、中間揺動部材６のリンクとして偏心機構（偏心中間軸６０）を用いる場合を示したが、偏心機構以外の一般的なリンク（中間揺動アーム６３を含めたレバー）を用いることもできる。

上記各実施形態では、揺動部材４，２０４の略中央にピストンピン１１，２１１が連結され、ピストンピン１１，２１１と異軸位置にある第２連結部４２，２４２に可動ロッド５，２０５が連結される場合を示したが、第２連結部４２，２４２はピストンピン１１，２１１と同軸位置であっても良い。

上記各実施形態において、内燃機関１００，２００のクランクシャフト２の回転方向に対する可動ロッド５，２０５や揺動アーム７の設置方向は特に限定されるものではなく、図示例と反対方向であっても良い。

１ ピストン
２ クランクシャフト
３，２０３ コネクティングロッド
４，２０４ 揺動部材
５，２０５ 可動ロッド
６ 中間揺動部材
７ 揺動アーム
８ 回動軸
９ アクチュエータ（駆動手段）
１０ シリンダ
１１，２１１ ピストンピン
２１ クランクピン
３１，２３１ 小端
３２，２３２ 大端
４１，２４１ 第１連結部
４２，２４２ 第２連結部
５１，２５１ 基端
５２，２５２ 先端
６０ 偏心中間軸
６１ 偏心軸
６３ 中間揺動アーム
２０７ 油圧シリンダ（駆動手段）
２０６ ピストンロッド
２７１ ピストン
２７２ リターンスプリング
１００，２００ 内燃機関
１１０，２１０ 可変圧縮比機構

Claims (7)

1. 少なくとも１つのシリンダと、
   前記シリンダ内に往復摺動可能に収容されたピストンと、
   前記ピストンに対応するクランクピンを有するクランクシャフトと、
   大端が前記クランクピンに回動可能に連結されたコネクティングロッドと、
   前記ピストンにピストンピンを介して角変位可能に連結され、かつ、前記ピストンピンと異軸位置にある第１連結部にて前記コネクティングロッドの小端に角変位可能に連結された揺動部材と、
   先端が前記第１連結部と異軸位置にある第２連結部にて前記揺動部材に角変位可能に連結され、かつ、基端が前記コネクティングロッドに対して変位可能に設けられている可動ロッドと、
   前記コネクティングロッドに対して前記可動ロッドを変位させる駆動手段と、
   を備えた可変圧縮比内燃機関。
2. 前記第２連結部は、前記ピストンピンと異軸位置にある、請求項１記載の可変圧縮比内燃機関。
3. 前記コネクティングロッドの大端中心と前記ピストンピンの中心を結ぶ線が、前記第１連結部中心と前記第２連結部中心の間を通る、請求項１または２記載の可変圧縮比内燃機関。
4. 前記ピストンピンの中心が、前記第１連結部中心と前記第２連結部中心を結ぶ線に対して燃焼室側にある、請求項１〜３の何れか一項記載の可変圧縮比内燃機関。
5. 前記駆動手段は、クランクケース側に固定配置されており、
   前記可動ロッドの前記基端は、前記コネクティングロッドに揺動可能に支持された中間揺動部材の一端に連結され、前記中間揺動部材の他端は、前記駆動手段により変位する可動軸に揺動可能に支持された揺動アームの先端に連結されている、請求項１〜４の何れか一項記載の可変圧縮比内燃機関。
6. 前記駆動手段は、前記コネクティングロッドに固定配置されており、
   前記可動ロッドの前記基端は、前記駆動手段に連結されている、請求項１〜４の何れか一項記載の可変圧縮比内燃機関。
7. 少なくとも１つのシリンダと、
   前記シリンダ内に往復摺動可能に収容されたピストンと、
   前記ピストンに対応するクランクピンを有するクランクシャフトと、
   大端が前記クランクピンに回動可能に連結されたコネクティングロッドと、
   前記コネクティングロッドを含む４節リンク機構を構成すべく、前記コネクティングロッドの小端に連結された揺動部材と、前記コネクティングロッドの大端側に連結された中間揺動部材と、前記揺動部材と前記中間揺動部材を連結する可動ロッドと、
   前記揺動部材に連結されたピストンピンと、
   前記中間揺動部材を前記コネクティングロッドに対して角変位させる駆動手段と、
   を備えた可変圧縮比内燃機関。

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