JP2020067006A - 内燃機関のストローク特性可変装置 - Google Patents

Abstract

【課題】幅広い運転条件で熱効率を向上させることができる内燃機関のストローク特性可変装置を提供する。
【解決手段】ストローク特性可変装置３０のクランクピン３１は、クランクシャフト１９の回転軸心ＡＸ１に対して偏心している。第１連接部３２はクランクピン３１に回転可能に取り付けられている。第２連接部３３は第１連接部３２とピストン１４とを連結する。制御シャフト３４はクランクシャフト１９に平行に配置される。制御ピン３５は制御シャフト３４の回転軸心ＡＸ２に対して偏心している。第３連接部３６は、制御ピン３５に回転可能に取り付けられており、第１連接部３２と制御シャフト３４とを連結する。回転同期部３７は、クランクシャフト１９と制御シャフト３４とを同期して回転させる。回転位相差変更部３８は、内燃機関１０の運転状態に応じてクランクシャフト１９と制御シャフト３４との回転位相差を変更する。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のストローク特性可変装置に関する。

従来、内燃機関の圧縮比を可変する機構として、ピストンピンとクランクピンとを複数のリンクで連結した複リンク機構が知られている。例えば特許文献１には、クランクシャフトに取り付けられたリンクのポジションをアクチュエータにより変更する機構が記載されている。この機構は、内燃機関の運転条件に応じて圧縮比を変更可能である。

特許第５７６５５００号

特許文献１に開示された機構では、圧縮比＝膨張比であり、圧縮比と膨張比が一様に変更される。そのため、例えば高負荷時における燃焼室内でのノッキング抑制のため圧縮比が小さくされた場合、膨張比も小さくなってしまうので、熱効率が低下する。したがって、幅広い運転条件で最良な熱効率を実現できないという課題がある。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、幅広い運転条件で熱効率を向上させることができる内燃機関のストローク特性可変装置を提供することである。

本発明による内燃機関のストローク特性可変装置は、クランクピン、第１連接部、第２連接部、制御シャフト、制御ピン、第３連接部、回転同期部、および回転位相差変更部を備える。クランクピンは、クランクシャフトの回転軸心に対して偏心しており、前記クランクシャフトと共に回転する。第１連接部は、クランクピンに回転可能に取り付けられている。第２連接部は、第１連接部と内燃機関のピストンとを連結する。

制御シャフトは、クランクシャフトに平行に配置される。制御ピンは、制御シャフトの回転軸心に対して偏心しており、制御シャフトと共に回転する。第３連接部は、制御ピンに回転可能に取り付けられており、第１連接部と制御シャフトとを連結する。回転同期部は、クランクシャフトと制御シャフトとを同期して回転させる。回転位相差変更部は、内燃機関の運転状態に応じてクランクシャフトと制御シャフトとの回転位相差を変更する。

このように本発明では、クランクシャフトと制御シャフトとの回転位相差に着眼し、回転位相差を変更可能とすることで、圧縮比に対して膨張比を一様でなく可変することを可能にした。すなわち、圧縮比と膨張比との比を変更可能にした。これにより低負荷域では、高圧縮比化により熱効率を向上させて燃費を改善することができる。また高負荷域では、低圧縮比化によりノッキングを抑制しつつ、膨張比を可変することで燃焼により取り出す仕事を増やして燃費を改善することができる。つまり低負荷域から高負荷域までの幅広い運転条件で適正な圧縮比と膨張比を決定できるため、熱効率を向上することができ、燃費向上に貢献することができる。

第１実施形態のストローク特性可変装置が適用された内燃機関を示す模式図。 第１実施形態のストローク特性可変装置を示す模式図。 第１実施形態のストローク特性可変装置を示す模式図であって、回転位相差変更部を詳しく説明する図。 第１実施形態において、制御ピンが下方に位置している状態におけるピストンの下死点位置を示す図。 第１実施形態において、制御ピンが上方に位置している状態におけるピストンの下死点位置を示す図。 第１実施形態において、膨張行程開始時にベーンロータが基準位相から回転方向へ３０°相対回転させられた状態におけるピストンの上死点位置を示す図。 第１実施形態において、膨張行程開始時にベーンロータが基準位相から回転方向とは逆方向へ３０°相対回転させられた状態におけるピストンの上死点位置を示す図。 第１実施形態において、ピストンストローク可変時の燃焼室内容積変化を示す図。 第１実施形態において、低負荷域でベーンロータを回転方向へ相対回転させたときの圧縮行程のストロークを示す図。 第１実施形態において、低負荷域でベーンロータを回転方向へ相対回転させたときの膨張行程のストロークを示す図。 第１実施形態において、高負荷域でベーンロータを回転方向へ相対回転させたときの圧縮行程のストロークを示す図。 第１実施形態において、高負荷域でベーンロータを回転方向へ相対回転させたときの膨張行程のストロークを示す図。 第２実施形態のストローク特性可変装置を示す模式図。 第３実施形態のストローク特性可変装置を示す模式図。

以下、ストローク特性可変装置の複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

［第１実施形態］
第１実施形態のストローク特性可変装置は、図１に示す内燃機関１０に適用されている。先ず、内燃機関１０の構成および制御作動について説明する。

（内燃機関）
内燃機関１０の燃焼室１１は、シリンダヘッド１２、シリンダブロック１３、ピストン１４により区画形成される。燃焼室１１には、吸気ポート１５と排気ポート１６が連通している。燃焼室１１に開口する吸気ポート１５の吸気口には吸気バルブ１７が設けられている。燃焼室１１に開口する排気ポート１６の排気口には排気バルブ１８が設けられている。燃焼室１１の上部には、燃料噴射弁２１、点火プラグ２２が配置されている。

燃料噴射弁２１が燃焼室１１内に噴射する燃料と、吸気ポート１５を通じて吸入される空気との混合によって、燃焼室１１内に混合気が形成される。形成された混合気は点火プラグ２２により着火される。燃焼後の排気ガスは排気ポート１６から排出される。点火プラグ２２、および燃料噴射弁２１は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）２３に電気的に接続されており、ＥＣＵ２３により制御される。

ＥＣＵ２３には、クランク・カム位置センサ２４、負荷検出用センサ２５（例えば、吸気流量センサ、吸気圧力センサ）、ノックセンサ２６、吸気温センサ２７、スロットル弁開度センサ２８、および水温センサ２９などが接続されており、それらのセンサの検出信号がＥＣＵに供給される。ＥＣＵ２３は定期的にアクセル開度と連動して作動するスロットル弁開度センサ２８からの信号を読み込み、各種センサから取得した信号などを利用して空気量を推定し、燃料噴射量や点火タイミングを決定する。

（ストローク特性可変装置）
次に、ストローク特性可変装置の構成および制御作動について説明する。図２および図３に示すように、ストローク特性可変装置３０は、クランクピン３１、第１連接部３２、第２連接部３３、制御シャフト３４、制御ピン３５、第３連接部３６、回転同期部３７、および回転位相差変更部３８を備える。

クランクピン３１は、クランクシャフト１９の回転軸心ＡＸ１に対して偏心しており、クランクシャフト１９が回転するとき当該クランクシャフト１９と共に回転軸心ＡＸ１まわりに回転する。このときクランクピン３１は図２に二点鎖線で示す軌跡Ｒ１に沿って移動する。第１連接部３２は、クランクピン３１に回転可能に取り付けられている。第２連接部３３は、第１連接部３２とピストン１４とを連結している。第２連接部３３とピストン１４とは、ピストンピン４１を介して相対回転可能に連結されている。第２連接部３３と第１連接部３２とは、連結ピン４２を介して相対回転可能に連結されている。

制御シャフト３４は、クランクシャフト１９に平行に配置されており、回転軸心ＡＸ２まわりに回転可能である。制御ピン３５は、制御シャフト３４の回転軸心ＡＸ２に対して偏心しており、制御シャフト３４が回転するとき当該制御シャフト３４と共に回転軸心ＡＸ２まわりに回転する。このとき制御ピン３５は図２に二点鎖線で示す軌跡Ｒ２に沿って移動する。第３連接部３６は、制御ピン３５に回転可能に取り付けられており、第１連接部３２と制御シャフト３４とを連結している。第１連接部３２と第３連接部３６とは、連結ピン４３を介して相対回転可能に連結されている。

回転同期部３７は、クランクシャフト１９と制御シャフト３４とを同期して回転させる。具体的には回転同期部３７は、回転軸心ＡＸ１上に設けられ、クランクシャフト１９と共に回転するドライブギヤ４５と、回転軸心ＡＸ２上に設けられ、制御シャフト３４と共に回転するドリブンギヤ４６とから構成されている。

制御シャフト３４の回転数は、クランクシャフト１９の回転数よりも低い。本実施形態では、回転同期部３７は、制御シャフト３４をクランクシャフト１９に対して２分の１の速度で回転させる。つまり、制御シャフト３４は、クランクシャフト１９に対して２分の１の減速比で同期して回転する。これにより、クランクシャフト１９が１回転するごとに交互に第１連接部３２の姿勢が変化し、ピストン１４の上死点位置および下死点位置を含むピストンストローク特性が変化する。

例えばピストン１４の下死点位置を例にとって説明する。図４に示すようにピストン１４の下死点位置において制御ピン３５が下方に位置していると、第１連接部３２がクランクピン３１を支点として連結ピン４２を押し上げることになる。そのためピストンピン４１が相対的に上方に押し上げられ、ピストン１４の下死点位置が比較的高い位置になる。

また、図５に示すようにピストン１４の下死点位置において制御ピン３５が上方に位置していると、第１連接部３２がクランクピン３１を支点として連結ピン４２を引き下げることになる。そのためピストンピン４１が相対的に下方に引き下げられ、ピストン１４の下死点位置が比較的低い位置になる。

図２および図３に戻って、回転位相差変更部３８は、内燃機関１０の運転状態に応じてクランクシャフト１９と制御シャフト３４との回転位相差を変更する。回転位相差変更部３８は、作動部４８および制御部４９を有する。

作動部４８は、油圧式であり、ハウジング５１およびベーンロータ５３を有する。ハウジング５１は、ドリブンギヤ４６と一体に設けられており、内側に突出する複数の突出部５２を有する。ベーンロータ５３は、ハウジング５１内で当該ハウジング５１に対して相対回転可能に設けられるとともに制御シャフト３４と一体に設けられており、外側に突出する複数のベーン部５４を有する。ベーン部５４は、各突出部５２間の空間を第１油圧室５５と第２油圧室５６とに仕切っている。

第１油圧室５５および第２油圧室５６には、オイルポンプ５８から圧送された作動油が切換弁５９を介して供給される。ベーンロータ５３は、第１油圧室５５および第２油圧室５６の油圧差に応じてハウジング５１に対して回転方向または逆方向へ相対回転する。これにより、同じクランク角であっても回転位相差を変更することで第１連接部３２の姿勢が変化し、ピストン１４の上死点位置および下死点位置を含むピストンストローク特性が変化する。

例えば膨張行程開始時におけるピストン１４の上死点位置を例にとって説明する。図６に示すように膨張行程開始時においてベーンロータ５３が基準位相から回転方向へ３０°相対回転させられると、ピストン１４の上死点位置が比較的低い位置になる。一方、図７に示すように膨張行程開始時においてベーンロータ５３が基準位相から回転方向とは逆方向へ３０°相対回転させられると、ピストン１４の上死点位置が比較的高い位置になる。

図３に戻って、制御部４９は、内燃機関１０の運転状態に応じて作動部４８を駆動して回転位相差を変更することで、ピストンストローク特性を調整する。本実施形態では、制御部４９は、内燃機関１０の負荷に応じて圧縮比および膨張比のコントロールを行なう指令値を切換弁５９に指令し、例えば図８に示すように圧縮比と膨張比との比を変更する。低負荷域では、圧縮比：膨張比＝１４：１４に設定する。また高負荷域では、圧縮比：膨張比＝９．４：１２．２に設定する。なお、上記圧縮比と膨張比との比は一例であり、他の比に調整し得る。

具体的には、低負荷域ではベーンロータ５３を回転方向へ相対回転させることにより、図９に二点鎖線および実線で示すように圧縮行程のストローク（すなわち図９中のＳｔ１）を比較的長くして、高圧縮比化する。図９の二点鎖線は圧縮行程開始時の各部材位置を示し、実線は圧縮行程終了時の各部材位置を示す。また、図１０に二点鎖線および実線で示すように膨張行程のストローク（すなわち図１０中のＳｔ２）を比較的長くして高膨張比化する。図１０の二点鎖線は膨張行程開始時の各部材位置を示し、実線は膨張行程終了時の各部材位置を示す。このように低負荷域において高圧縮比化することにより熱効率を向上させて燃費を改善することができる。

高負荷域ではベーンロータ５３を回転方向とは逆方向へ相対回転させることにより、図１１に二点鎖線および実線で示すように圧縮行程のストローク（すなわち図１１中のＳｔ３）を比較的短くして、低圧縮比化する。図１１の二点鎖線は圧縮行程開始時の各部材位置を示し、実線は圧縮行程終了時の各部材位置を示す。また、図１２に二点鎖線および実線で示すように膨張行程のストローク（すなわち図１２中のＳｔ４）を比較的長くして高膨張比化する。図１２の二点鎖線は膨張行程開始時の各部材位置を示し、実線は膨張行程終了時の各部材位置を示す。このように高負荷域において低圧縮比化することによりノッキングを抑制しつつ、高膨張比化することにより出力を確保することができる。

また、制御部４９は、圧縮比の変更によりノッキングなどが生じた場合には、作動部４８を駆動して圧縮比を低減するように指令値を出力する。これによりノッキングを抑制することができる。

以上のように構成されたストローク特性可変装置３０では、クランクシャフト１９の回転に伴い、同期して制御シャフト１０３も回転し、各連接部３２、３３、３６の接続によりピストン１００が上下運動する。この際、第３連接部３６と制御シャフト３４の位置関係に応じてピストン１４の挙動が決定される。本実施形態では、クランクシャフト１９と制御シャフト３４との回転位相差を変更する回転位相差変更部３８を設けることで、圧縮上死点位置の変更だけでなく膨張下死点位置の変更も可能である。

（効果）
以上説明したように、第１実施形態では、内燃機関１０のストローク特性可変装置３０は、クランクピン３１、第１連接部３２、第２連接部３３、制御シャフト３４、制御ピン３５、第３連接部３６、回転同期部３７、および回転位相差変更部３８を備える。クランクピン３１は、クランクシャフト１９の回転軸心ＡＸ１に対して偏心しており、クランクシャフト１９と共に回転する。第１連接部３２は、クランクピン３１に回転可能に取り付けられている。第２連接部３３は、第１連接部３２とピストン１４とを連結する。

制御シャフト３４は、クランクシャフト１９に平行に配置される。制御ピン３５は、制御シャフト３４の回転軸心ＡＸ２に対して偏心しており、制御シャフト３４と共に回転する。第３連接部３６は、制御ピン３５に回転可能に取り付けられており、第１連接部３２と制御シャフト３４とを連結する。回転同期部３７は、クランクシャフト１９と制御シャフト３４とを同期して回転させる。回転位相差変更部３８は、内燃機関１０の運転状態に応じてクランクシャフト１９と制御シャフト３４との回転位相差を変更する。

このように本実施形態では、クランクシャフト１９と制御シャフト３４との回転位相差に着眼し、回転位相差を変更可能とすることで、圧縮比に対して膨張比を一様でなく可変することを可能にした。すなわち、圧縮比と膨張比との比を変更可能にした。これにより低負荷域では、高圧縮比化により熱効率を向上させて燃費を改善することができる。また高負荷域では、低圧縮比化によりノッキングを抑制しつつ、膨張比を可変することで燃焼により取り出す仕事を増やして燃費を改善することができる。つまり低負荷域から高負荷域までの幅広い運転条件で適正な圧縮比と膨張比を決定できるため、熱効率を向上することができ、燃費向上に貢献することができる。

また、第１実施形態では、制御シャフト３４の回転数はクランクシャフト１９の回転数よりも低い。これによりピストン１４の下死点位置を可変とすることができる。

また、第１実施形態では、回転位相差変更部３８は油圧制御により作動して位相可変を行なう。内燃機関１０に使用されている作動油を使用して位相可変することができ、新たに追加する部品を減らすことができる。

以下に、上記以外の実施形態を、第１実施形態との相違点を中心に説明する。

［第２実施形態］
第２実施形態では、図１３に示すように回転同期部６１は、クランクシャフト１９と共に回転するスプロケット６２と、制御シャフト３４と共に回転するスプロケット６３と、スプロケット６２、６３に巻き掛けられたチェーン６４とから構成されている。このように、回転同期部６１は歯車に限らず、スプロケット６２、６３およびチェーン６４であってもよい。なお、スプロケット６２、６３およびチェーン６４に代えて、プーリおよびベルトが設けられてもよい。

［第３実施形態］
第３実施形態では、図１４に示すように回転位相差変更部７１の作動部７２は、モータ７３および減速機７４を有する。つまり、回転位相差変更部７１は、モータ７３および減速機７４の組み合わせによって位相可変を行なう。これによりモータ７３を使用した電気的な制御が可能となるため、油圧で駆動する方式に比べて油圧によらない制御が可能となる。例えば内燃機関１０の始動直後に油圧が低い状態であっても、第３実施形態ではすぐさま位相可変することが可能である。

［他の実施形態］
他の実施形態では、回転同期部の減速比は２分の１に限らず、４分の１、６分の１など、他の値であってもよい。例えば２ストロークエンジンの場合、回転同期部の減速比は４分の１が好適である。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１０：内燃機関
１４：ピストン
１９：クランクシャフト
３０：ストローク特性可変装置
３１：クランクピン
３２：第１連接部
３３：第２連接部
３４：制御シャフト
３５：制御ピン
３６：第３連接部
３７、６１：回転同期部
３８、７１：回転位相差変更部

Claims (2)

1. 内燃機関のストローク特性可変装置であって、
   前記内燃機関のクランクシャフトの回転軸心に対して偏心しており、前記クランクシャフトと共に回転するクランクピンと、
   前記クランクピンに回転可能に取り付けられている第１連接部と、
   前記第１連接部と前記内燃機関のピストンとを連結する第２連接部と、
   前記クランクシャフトに平行に配置される制御シャフトと、
   前記制御シャフトの回転軸心に対して偏心しており、前記制御シャフトと共に回転する制御ピンと、
   前記制御ピンに回転可能に取り付けられており、前記第１連接部と前記制御シャフトとを連結する第３連接部と、
   前記クランクシャフトと前記制御シャフトとを同期して回転させる回転同期部と、
   前記内燃機関の運転状態に応じて前記クランクシャフトと前記制御シャフトとの回転位相差を変更する回転位相差変更部と、
   を備える内燃機関のストローク特性可変装置。
2. 前記制御シャフトの回転数は前記クランクシャフトの回転数よりも低い請求項１に記載の内燃機関のストローク特性可変装置。

Images