JP4236391B2

JP4236391B2 - 可変圧縮比エンジン

Info

Publication number: JP4236391B2
Application number: JP2001124900A
Authority: JP
Inventors: 光宣内田; 佐藤　　修; 賢治金原; 修二森田
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2001-04-23
Filing date: 2001-04-23
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2021-04-23
Also published as: JP2002317663A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変圧縮比エンジンの圧縮比可変機構に係り、特に該機構において圧縮比を変更するために作動するコントロールロッドの変位機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両に搭載された動力用等のエンジンにおいて、圧縮比を運転状態に応じて適正な値に制御してエンジン性能の向上を図る可変圧縮比エンジンが従来から知られている。圧縮比を調整するための可変圧縮比機構としては特開昭６２−３５０３３号公報に記載されたものがある。この機構においては、シリンダ内におけるピストンの上下方向の往復動をクランクシャフトの回転運動に変換するコンロッドが、クランクシャフトとピストンとの間で平仮名のくの字状に屈曲することができるように、ピンによって枢着された２つの部分から構成されている。コンロッドの屈曲部のピンには、基端部の支軸を中心にして揺動することができるコントロールロッドが先端部において係合しているので、コンロッドの屈曲部がコントロールロッドの揺動範囲内で移動して一定の軌跡を描く。コントロールロッドの基端部の支軸（以下これをコントロールシャフトと呼ぶことにする。）を変位させることによって、コンロッド屈曲部の軌跡を調整し、ピストンの実質的なストロークを制御して圧縮比の変更を可能としている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
コントロールシャフトを変位させる手段としては、図６に示すようなサーボモータ６０１とウォームギヤ６０２を用いて、コントロールロッド２６の一端のコントロールシャフト２７を移動させるものや、図７の（a）に示すコントロールロッド２６に作用する引張力を利用するもの、あるいは図７の（b）に示す圧縮力を利用するもののように、外力に頼らないでコントロールロッド２６に周期的に発生する荷重のみを利用してコントロールシャフト２７を移動させるもの等がある。しかし、前者はウォームギヤの構造上、効率が約５０％に低下するため、可変圧縮比エンジンの目的である燃費性能の向上および省エネルギーの効果が低減する要因となるので、あまり望ましくない。
【０００４】
また、後者はラチェット機構やベーン式の油圧アクチュエータ等を用いてコントロールロッド２６に周期的に発生する荷重だけでコントロールシャフト２７を移動させる構造であるが、図８に示すようにコントロールシャフト２７に発生するトルクは、その絶対値および方向のいずれもがコントロールシャフト２７の位置によって複雑に変化するし、エンジン回転数の上昇に伴ってトルク変動の影響を受け難くなるため、コントロールシャフト２７は一方向（平均トルク方向）に移動することができるだけになるので、圧縮比の確実な制御を行うことができない。また、コントロールシャフト２７に発生するトルクはエンジンの回転時にカムシャフトに発生するトルクの約１５〜２０倍にもなるから、ベーン式の油圧アクチュエータを用いてコントロールシャフト２７の位置を保持する場合には、ベーンおよび制御用スプール弁からの作動油の漏れ量が多くなって効率が低下するというような問題があった。
【０００５】
本発明は、従来技術における前述のような問題に鑑み、新規な手段によってそれらの問題を解消することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、この課題を解決するための手段として特許請求の範囲の請求項１に記載された通りの可変圧縮比エンジンを提供する。即ち、本発明の可変圧縮比エンジンにおいては、どのような手段をとっても、圧縮比可変機構の作動と保持の制御を単に一つのアクチュエータによって高効率でしかも確実に実施することは困難であるという認識において、支軸を目標の方向に確実に作動させる作動機構と、その作動機構の効率を低下させることがない保持機構とを別に設けて、それらをそれぞれ独立に制御することにより、上記の問題を解決するものである。
【０００７】
請求項１の可変圧縮比エンジンにおいては、コンロッドの屈曲度調整手段が、支軸の指令変位方向への駆動手段と、指令変位における保持手段とを備えていると共に、それらを個別に制御することができるように構成されているので、可変圧縮比エンジンの圧縮比を変化させる時に、保持手段が駆動手段の作動を妨げることがないため、駆動手段が効率よく圧縮比を変化させることができるだけでなく、設定された圧縮比を保持手段によって確実に保持することができる。
【０００９】
具体的に、本発明の可変圧縮比エンジンは請求項１に記載されたような構成をとることができる。この場合は、支軸の駆動手段がラックピニオン機構と、それを駆動する油圧シリンダピストン機構から構成され、油圧回路によって、油圧シリンダの各室のうちの一方から制御油が流出する時に他方へ制御油が流入するように操作される。さらに、指令変位の保持手段として、支軸揺動部に形成されたロックピン噛合穴と、それに係合して支軸揺動部の揺動を阻止するロックピンと、ロックピンを作動させて係合と解除を切り換えるロックピン作動手段とを設けることができる。
【００１０】
また本発明では、請求項２に記載されるように、支軸の駆動手段に使用される制御油供給源の流量を補助するために、エンジン本体のオイルポンプを利用することができる。そのために第２の油圧回路を設ける。さらに、第２の油圧回路と油圧シリンダの各室に通じる油圧回路との接合部よりもエンジンオイルポンプ側に、制御油の逆流を阻止するチェック弁を設けてもよい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１に本発明の第１実施形態としての可変圧縮比エンジンの構成を示す。この可変圧縮比エンジンの本体１の基本的な構成は、通常の可変圧縮比エンジンのそれと同じものであって、シリンダブロック１１の上方にシリンダヘッド１２が覆着されており、シリンダブロック１１に形成されたシリンダ１１ａ内にピストン２１が摺動自在に保持されている。シリンダヘッド１２にはシリンダ１１ａへの吸排気を行う吸気通路１０１および排気通路１０２が形成され、それらの通路端には、それぞれ、吸気通路１０１を開閉する吸気バルブ４１および排気通路１０２を開閉する排気バルブ４２が設けられている。
【００１３】
ピストン２１の上方にはシリンダブロック１１およびシリンダヘッド１２の内部に燃焼室１００が形成され、燃焼室１００内における燃料と空気との混合気の爆発力によりピストン２１を押し下げる。混合気への点火は、シリンダヘッド１２を貫通し燃焼室１００内に突出するように設けられた点火プラグ３により行なわれる。シリンダ１１ａ内におけるピストン２１の上下往復動はコンロッド（コネクティングロッド）２３を介してクランクシャフト２２の回転運動に変換され、図示しないトランスミッションへ伝達されるとともに、吸気バルブ４１および排気バルブ４２の動弁機構に伝達される。
【００１４】
コンロッド２３は第１、第２のコンロッド部材２３１，２３３からなり、第１のコンロッド部材２３１のビッグエンドと、第２のコンロッド部材２３３のスモールエンドとが上記クランクシャフト２２等の軸方向と平行に設けられた接続ピン２３２によって接続され、コンロッド２３が中間部の接続ピン２３２を屈曲部としてくの字状に屈曲自在となっている。第１のコンロッド部材２３１はスモールエンドがピストンピン２４と接続され、第２のコンロッド部材２３３はビッグエンドがクランクシャフト２２と接続される。
【００１５】
また、コンロッド２３の屈曲の程度を調整するためにコントロールロッド２６がコンロッド２３と連動するようになっている。コントロールロッド２６は、その一端が第１のコンロッド部材２３１のビッグエンドに対して、上記クランクシャフト２２等と平行に設けられた接続ピン２５によって枢着されて略水平方向に伸びる棒状部材で、その他端は、コンロッド２３の側方（図１において左側）にクランクシャフト２２等と平行に設けられたコントロールシャフト（支軸）２７により支持されている。
【００１６】
コントロールシャフト２７は、コントロール円板（支軸揺動部）２８の中心から偏心した位置において、コントロール円板２８の中心軸２９の方向に平行に設置、固定されている。したがって、コントロール円板２８を軸２９の回りに回転させると、コントロールシャフト２７は軸２９の周りを公転することになり、コントロールシャフト２７の位置を時計の略３時から略６時の区間で作動させることにより、コンロッド２３の屈曲の程度を調整することができるようになっている。これにより、ピストン２１の実質的なストローク量を制御して圧縮比εを変更する。図示例ではコントロールシャフト２７が略６時の位置に近づくほど圧縮比εが高くなる。
【００１７】
コントロールシャフト（支軸）２７の公転角度は、コントロールシャフト制御回路（ＥＣＵ）３１とコントロールシャフト回転手段（支軸の駆動手段）３２、コントロールシャフト保持手段（支軸の保持手段）３３、および角度センサ３４によって調整される。
【００１８】
コントロールシャフト制御回路３１は、エンジン回転数、スロットル開度、吸入空気量、冷却水温度等の検出信号を入力することによってエンジンの運転状態を検知するようになっており、そのエンジン運転状態において最も適正な圧縮比（指令圧縮比）を与えるコントロールシャフト２７の公転角度位置の目標値を算出する。角度センサ３４はコントロールシャフト２７の実際の公転角度位置を検出する。この公転角度位置の目標値および検出値に基づいてコントロールシャフト制御回路３１がコントロールシャフト回転手段３２およびコントロールシャフト保持手段３３に指令信号を出力し、コントロールシャフト２７の公転角度位置を指令圧縮比に対応した位置に制御するようになっている。コントロールシャフト制御回路３１としては、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ等からなる一般的なマイクロコンピュータが用いられ得る。
【００１９】
図２はコントロールシャフト回転手段３２およびコントロールシャフト保持手段３３の具体的構成を例示するもので、回転手段３２の基本構成は、油圧シリンダ３４０内を摺動する油圧ピストンと一体化されたラック３２１、コントロール円板２８と中心軸を同じくし、ラック３２１の直線運動を回転運動に変換するピニオン３２２と、ラックの作動および略位置決めを制御するスプール弁３２３からなる。ここではメインの駆動源として高圧オイルポンプ８２を使用するが、コントロールシャフト２７に作用するトルク変動の影響でラック３２１の片側の油室圧力が低下することが予想されるため、オイル流量アシスト用にエンジン本体のオイルポンプ８１および逆流防止のためのチェック弁３２５Ａ，３２５Ｂが設置されている。また、保持手段の基本構成はコントロール円板２８を固定するために、円板２８に形成されたロックピン噛合穴３４１に係合するロックピン３３１、およびロックピンのオンオフ制御を油圧で行うためのスプール弁３３２からなる。
【００２０】
図３のフローチャートに、第１実施形態のコントロールシャフト制御回路３１における圧縮比ε、すなわちコントロールシャフト２７の公転角度位置の制御の手順を例示する。
【００２１】
ステップＳ０１ではエンジン回転数、スロットル開度、吸入空気量、冷却水温度等のエンジン運転状態を検出する。次のステップＳ０２では、検出されたエンジン運転状態に対して適正な圧縮比を与えるコントロールシャフト公転角度位置の目標値を決定する。ステップＳ０３では角度センサ３４によりコントロールシャフト２７の公転角度位置を検出し、ステップＳ０４では公転角度位置の目標値（ステップＳ０２）と検出値（ステップＳ０３）を比較して目標値が検出値よりも大きいか否かを判断する。ここで肯定されればステップＳ０５へ進んでコントロールシャフト２７を左方向に公転させるように指令を出し、ステップＳ０６において保持機構用スプール弁３３２を制御することによって保持用ロックピン３３１をオフ状態とし、さらにステップＳ０７において回転機構用スプール弁３２３によってラック３２１を作動させてピニオン３２２を左回転させる。
【００２２】
ステップＳ０４において否定された時はステップＳ０８へ進んで目標値と検出値が等しいか否かを判断する。ステップＳ０８において肯定された時はステップＳ０９へ進んでコントロールシャフト２７を保持するように指令を出し、次のステップＳ１０において保持機構用スプール弁３３２を制御することにより保持用ロックピン３３１をオン状態にするとともに、ステップＳ１１において回転機構用スプール弁３２３によってラック３２１をオフ状態とする。
【００２３】
ステップＳ０８において否定された時は、ステップＳ１２へ進んで目標値が検出値よりも小さいか否かを判断し、肯定されればステップＳ１３においてコントロールシャフト２７を右方向に公転させるように指令を出し、ステップＳ１４において保持機構用スプール弁３３２を制御することによって保持用ロックピン３３１をオフ状態とし、さらにステップＳ１５へ進んで回転機構用スプール弁３２３によってラック３２１を作動させて、ピニオン３２２を右回転させる。
【００２４】
第１実施形態においては、ロックピン３３１およびラック３２１の何れか一方の作動時に他方の制御をオフすることが可能なため高効率であり、ロックピン３３１を一旦オン状態にすれば、コントロールシャフト２７に発生する変動の影響を受けないで正確な位置に機械的に固定することが可能である。なお、この実施形態では図２においてロックピン３３１の噛合穴３４１が３ヶ所図示されているが、これに限られる訳ではない。
【００２５】
（第２実施形態）
図４に本発明の第２実施形態としての可変圧縮比エンジンの要部を示す。この実施形態は、第１実施形態においてコントロールシャフト回転手段３２およびコントロールシャフト保持手段３３を別の機構に変えたものであるから、第１実施形態との相違点を中心にして説明する。
【００２６】
回転手段の基本構成は、電動モータ３２６、モータの回転方向を切り替えるリレー３２７、モータの回転力を伝達するクラッチ３２８、およびクラッチのオンオフを制御するアクチュエータ（制御機構）３２９からなる。また、保持手段の基本構成はコントロール円板の回転を摩擦力によって制動するブレーキシュー３３３、ブレーキシューのオンオフを制御するアクチュエータ（制御機構）３３４からなる。
【００２７】
コントロールシャフト２７を左右何れかの方向に回転させる場合には保持手段であるブレーキシュー３３３をオフ状態とし、回転手段である電動モータ３２６およびクラッチ３２８をオン状態とする。コントロールシャフト２７が回転位置の目標に達して、その位置を保持する場合には、保持手段であるブレーキシュー３３３をオン状態とし、回転手段である電動モータ３２６とクラッチ３２８をオフ状態とすることになる。
【００２８】
図５のフローチャートに、第２実施形態におけるコントロールシャフト２７の公転角度位置の制御の手順を例示する。
ステップＳ０１からステップＳ０３までは第１実施形態の場合と同様である。ステップＳ１６においては、公転角度位置の目標値（ステップＳ０２）が検出値（ステップＳ０３）よりも大きいか否かを判断する。ここで肯定されるとステップＳ１７へ進んで、コントロールシャフト２７を左方向に公転させるように指令を出し、ついでステップＳ１８へ進んで、ブレーキ制御用アクチュエータ３３４を用いてブレーキシュー３３３をオフ状態とし、ステップＳ１９においてリレー３２７の切り替えにより電動モータ３２６を左方向に作動させ、さらにステップＳ２０へ進んでクラッチ制御用アクチュエータ３２９を用いてクラッチ３２８をオン状態とすることにより、電動モータ３２６の回転力をコントロールシャフト２７の公転駆動力として伝達する。
【００２９】
ステップＳ１６において否定された時は、ステップＳ２１へ進んで目標値と検出値が等しいか否かを判断し、肯定されればステップＳ２２へ進んでコントロールシャフト２７を保持するように指令を出し、次のステップＳ２３においてブレーキシュー３３３をオン状態とし、さらにステップＳ２４においてクラッチ３２８をオフ状態とするとともに、ステップＳ２５において電動モータ３２６をオフ状態とする。
【００３０】
ステップＳ２１において否定された時は、ステップＳ２６へ進んで目標値が検出値よりも小さいか否かを判断し、肯定されればステップＳ２７においてコントロールシャフト２７を右方向に公転させるように指令を出し、ステップＳ２８ではブレーキシュー３３３をオフ状態とし、ステップＳ２９ではリレー３２７の切り替えにより電動モータ３２６を右方向に作動させ、さらにステップＳ３０ではクラッチ３２８をオン状態とすることによって、電動モータ３２６の回転力をコントロールシャフト２７の公転駆動力として伝達する。
【００３１】
ここで、回転手段であるクラッチ制御用アクチュエータ３２９としては油圧式のものや電磁石を用いたものが一般的であるが、モータの回転数を充分に減速することができない場合には、半クラッチが可能である電磁パウダー式のものを用いることもできる。また、保持手段であるブレーキシュー３３３の周辺部には車両において広く用いられているドラムブレーキの技術を応用することができ、ブレーキ制御用アクチュエータ３３４には油圧を用いるものの他に、ソレノイドによって電磁力を発生する電磁アクチュエータも使用し得る。
【００３２】
第２実施形態においても、第一実施形態の場合と同様に、回転手段である電動モータとクラッチ、および保持手段であるブレーキシューのいずれか一方の作動時に、他方の制御をオフとすることが可能であるため高効率である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の可変圧縮比エンジンのシステム構成を例示する図である。
【図２】本発明の可変圧縮比エンジンの第１実施形態において圧縮比を調整するコントロールシャフトの回転手段と保持手段を示す概略図である。
【図３】第１実施形態の可変圧縮比エンジンにおいてコントロールシャフト制御回路によって実行される制御の手順を例示するフローチャートである。
【図４】本発明の可変圧縮比エンジンの第２実施形態において圧縮比を調整するコントロールシャフトの回転手段と保持手段を示す概略図である。
【図５】第２実施形態の可変圧縮比エンジンにおいてコントロールシャフト制御回路によって実行される制御の手順を例示するフローチャートである。
【図６】従来の可変圧縮比エンジンにおけるコントロールシャフト制御手段の代表例を示す斜視図である。
【図７】（a）および（b）はいずれも従来の可変圧縮比エンジンにおけるコントロールシャフト制御手段の他の例を示す側面図である。
【図８】コントロールシャフトの公転位置によって異なるコントロールシャフトの発生トルクの変化を示す線図である。
【符号の説明】
１…可変圧縮エンジン本体
２１…ピストン
２２…クランクシャフト
２３…コンロッド
２３１…第１のコンロッド
２３２…接続ピン
２３３…第２のコンロッド
２４…ピストンピン
２５…接続ピン
２６…コントロールロッド
２７…コントロールシャフト（支軸）
２８…コントロール円板（支軸揺動部）
２９…コントロール円板軸
３１…コントロールシャフト制御回路
３２…コントロールシャフト回転手段（支軸駆動手段）
３３…コントロールシャフト保持手段（支軸保持手段）
３４…角度センサ
３２１…ラック
３２２…ピニオン
３２３…コントロールシャフト回転手段用スプール弁
３２５…チェック弁
３２６…電動モータ
３２７…リレー
３２８…クラッチ
３２９…クラッチ制御用アクチュエータ
３３１…ロックピン
３３２…コントロールシャフト保持手段用スプール弁
３３３…ブレーキシュー
３３４…ブレーキ制御用アクチュエータ
６０１…サーボモータ
６０２…ウォームギヤ

Claims

ピストンとクランクシャフトとの間でくの字状に屈曲し得るように接続された２つの部分から構成されていると共にシリンダ内における上記ピストンの上下動を上記クランクシャフトの回転運動に変換するコンロッドと、一端部において支軸の回りに揺動し得るように構成されていると共に他端部において上記コンロッドの屈曲部と係合しているコントロールロッドと、上記支軸と一体的に連動すると共に上記支軸を上記コンロッド側方向とその逆方向に変位させ得る支軸揺動部と、上記支軸を指令圧縮比に応じた任意の位置まで変位させて上記コンロッドの屈曲の程度を調整する屈曲度調整手段とを有する可変圧縮比エンジンにおいて、
上記屈曲度調整手段は、上記指令圧縮比に基づいて設定された上記支軸の指令変位方向への駆動手段と、指令変位における保持手段とを有し、それらを個別に制御することができるように構成しており、かつ上記支軸の指令変位方向への駆動手段として、上記支軸揺動部に設けられたピニオンと、該ピニオンに係合するラックと、該ラックに設けられたピストンと、該ピストンの両側に制御油で満たされた各室を有する油圧シリンダと、該油圧シリンダの各室のうちの一方から制御油が流出する時に他方へ制御油が流入するように操作される油圧回路と、上記ラックを駆動する制御油の供給源と、上記指令変位の方向に応じて流路を選択して制御油の流出入を切り換える流路切り換え手段とを備えていると共に、さらに、
上記指令変位における保持手段として、上記支軸揺動部の揺動を阻止するロックピンと、上記支軸揺動部に形成されたロックピン噛合穴と、該ロックピン噛合穴への上記ロックピンの係合と解除を切り換えるロックピン作動手段とを備えていることを特徴とする可変圧縮比エンジン。
請求項１記載の可変圧縮比エンジンにおいて、上記支軸の指令変位方向への駆動手段に使用された制御油供給源の流量を補助するために、エンジンのオイルポンプから吐出される油を上記各室へ流入させる第２の油圧回路を設け、さらに、この第２の油圧回路と上記油圧シリンダの各室に通じる油圧回路との接合部よりも上記エンジンオイルポンプ側に、制御油の逆流を阻止するチェック弁を設けたことを特徴とする可変圧縮比エンジン。