JP4285129B2

JP4285129B2 - 内燃機関の可変圧縮比機構

Info

Publication number: JP4285129B2
Application number: JP2003208999A
Authority: JP
Inventors: 俊一青山; 克也茂木; 研史牛嶋; 直樹高橋
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-08-27
Filing date: 2003-08-27
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2023-08-27
Also published as: JP2005069027A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の可変圧縮比機構に関し、特に多気筒内燃機関において各気筒の圧縮比の微調整を可能にする技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
過給機付きの内燃機関では、出力が要求される高負荷時に過給機を作動させる。この過給時には吸入空気量及び圧力が高くなるのでノッキングが発生しやすい。そこで、圧縮比を低くしてノッキングを防止するとともに、低負荷時には圧縮比を高くして燃費の向上を図ようにした可変圧縮比機構を有する内燃機関（複リンク式ピストンストローク機構）に関する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この複リンク式ピストンストローク機構は、ピストンピン及びクランクピンをアッパリンクとロアリンクとからなる複リンクで連結するとともに、このロアリンクの動作を規制するコントロールリンクを有している。そして、このコントロールリンクの回転（揺動）中心の位置をアクチュエータで変化させることで、ロアリンク及びアッパリンクの傾斜を変えて、ピストンの上死点位置をコントロールして可変圧縮比機構を実現しようとするものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２２７３６７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高負荷に近い運転条件ではノッキングを起こしやすいので、そのようなノッキングの発生を最小限に抑えるためには気筒間の圧縮比のバラツキをなくすことが望ましい。
【０００６】
しかし、上述したような複リンク式ピストンストローク機構（可変圧縮比機構）は構造が複雑であり、部品点数も多いので、各リンク部品のジョイント間の寸法などの精度を上げることによって各気筒の圧縮比バラツキをなくそうとしても、加工コスト、部品管理コスト、部品選別コスト等が多大なこととなる。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、複リンク式ピストンストローク機構において、多大なコストを負担することなく、気筒間の圧縮比のバラツキを低減可能な内燃機関の可変圧縮比機構を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００９】
本発明は、シリンダ内を往復動するピストンを有する多気筒内燃機関において、ピストン（２２）に揺動自由に連結する第１リンク（１１）と、前記第１リンクに回動自由に連結するとともに、クランクシャフト（２１）のクランクピン（２１ｂ）に回転自由に装着された第２リンク（１２）と、前記クランクシャフトと平行にシリンダブロックに回転自由に支持され、その回転軸心に対して偏心した、各気筒に対応する複数の偏心軸部（１５）を有するコントロールシャフト（１４）と、前記第２リンクに連結ピン（２６）を介して回転自由に連結されるとともに、前記コントロールシャフトの偏心軸部を揺動軸心として揺動可能な第３リンク（１３）とを備え、機関運転状態に応じて前記コントロールシャフトを回転して前記偏心軸部の位置を変更して機関圧縮比を可変制御する内燃機関の可変圧縮比機構であって、前記コントロールシャフト（１４）に形成された複数の偏心軸部（１５）ごとに設けられ、前記連結ピン（２６）と前記偏心軸部（１５）との距離を、各気筒ごとに独立して調節して各気筒間の機関圧縮比バラツキを低減可能な調整手段（１６）を備えることを特徴とする。
【００１０】
【作用・効果】
本発明によれば、可変圧縮比機構において、連結ピンと偏心軸部との距離を、各気筒ごとに独立して調節して機関圧縮比を調整可能な調整手段を備えることとしたので、各気筒ごとにピストンの上死点位置の微調整を行うことができ、各気筒間のバラツキを低減することができる。これにより、ノッキングを発生を最小限に抑えることができる。なお、その調整手段はシンプルな構成で実現することができコストを安価に抑えることが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面等を参照して、本発明の実施の形態について、さらに詳しく説明する。
（第１実施形態）
本発明による内燃機関は、例えば直列４気筒の火花点火式ガソリン機関であり、公称圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構１を有する。図１は、この可変圧縮比機構の高圧縮比制御時のリンク状態（上死点）を示す断面図であり、図２は、この可変圧縮比機構の低圧縮比制御時のリンク状態（上死点）を示す断面図である。最初に、これらの図面を参照して可変圧縮比機構の構造及び作動について説明する。
【００１２】
クランクシャフト２１は、複数のジャーナル２１ａとクランクピン２１ｂとを備えている。ジャーナル２１ａは、シリンダブロック２０の主軸受に回転自在に支持されている。クランクピン２１ｂは、ジャーナル２１ａから所定量偏心しており、ここに第２リンクとなるロアリンク１２が回転自在に連結されている。ロアリンク１２は、左右の２部材に分割可能に構成されているとともに、略中央の連結孔にクランクピン２１ｂが嵌合している。
【００１３】
第１リンクとなるアッパリンク１１は、下端側が連結ピン２５によりロアリンク１２の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン２４によりピストン２２に回動可能に連結されている。ピストン２２は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック２０のシリンダ２３内を往復動する。
【００１４】
第３リンクとなるコントロールリンク１３は、上端側が連結ピン２６によりロアリンク１２の他端に回動可能に連結され、下端側がコントロールシャフト１４を介して機関本体の一部となるシリンダブロック２０の下部に回動可能に連結されている。コントロールリンク１３の下端側には偏心スリーブ１６Ｕ及び偏心スリーブ１６Ｌよりなる偏心スリーブ軸受１６が設けられており（図７参照）、この偏心スリーブ軸受１６にコントロールシャフト１４の偏心軸部１５が回転可能に挿入されている。
【００１５】
コントロールシャフト１４は、後述のように、例えば回転型の油圧アクチュエータ５によって回転させられる。高圧縮比制御時は、図１に示すように、コントロールリンク１３は偏心軸部１５によって下方向へ下げられ、これによってロアリンク１２は時計回りに移動し、連結ピン２５が上げられるので、ピストン２２の上死点の位置が上昇する。低圧縮比制御時は、図２に示すように、コントロールリンク１３は偏心軸部１５によって上方向へ上げられ、これによってロアリンク１２は反時計回りに移動し、連結ピン２５が下げられるので、ピストン２２の上死点の位置が下降する。
【００１６】
図３はコントロールシャフト付近の構成を示す側面図である。なお、シャフトの貫通状態の理解を容易にするために断面にハッチングで付してある。
【００１７】
コントロールシャフト１４は、図３に示すように、気筒列方向に沿ってクランクシャフト２１と平行に配置されており、４箇所に偏心軸部１５が形成され、４つの気筒のコントロールリンク１３がそれぞれ連係している。そして、機関長手方向の端部において、油圧アクチュエータ５が同軸状に取り付けられており、そのアクチュエータ５によってその回動位置が制御される。
【００１８】
上記のような複リンク式ピストン−クランク機構を用いた可変圧縮比機構１において、コントロールシャフト１４が油圧アクチュエータ５によって回動されると、偏心軸部１５の中心位置、特に、機関本体に対する相対位置が変化する。これにより、コントロールリンク１３の下端の揺動支持位置が変化する。そして、コントロールリンク１３の揺動支持位置が変化すると、ピストン２２の行程が変化し、ピストン上死点（ＴＤＣ）におけるピストン２２の位置が高くなったり（図１参照）、低くなったり（図２参照）する。これにより、機関圧縮比を変えることが可能となる。なお、図１，図２は、高圧縮比状態と低圧縮比状態とを代表的に示しているが、これらの間で圧縮比を連続的に変化させることができる。
【００１９】
図４は本発明の制御システムの構成を示す図である。
【００２０】
この内燃機関は、可変圧縮比機構１と、ノッキングを検出するノックセンサ４の検出信号に基づいて微弱なノッキング状態となるように点火時期を制御する点火進角制御装置３と、可変圧縮比機構１及び点火進角制御装置３を制御するエンジンコントロールユニット７と、を備えている。
【００２１】
エンジンコントロールユニット７は、機関運転条件に対応して目標圧縮比を予め割り付けた圧縮比制御マップを備えており、また、不図示のセンサ類によって検出された機関回転速度信号、負荷信号、吸入負圧信号、排気温度信号、などを入力している。エンジンコントロールユニット７は、油圧装置６を介して油圧アクチュエータ５を駆動してコントロールシャフト１４を回転し、コントロールリンクの位置を移動することによって可変圧縮比機構１の圧縮比を制御する。
【００２２】
図５は本機構を有するターボガソリンエンジンの吸排気系の構成を示す図である。
【００２３】
ターボ過給機１０１は、内燃機関の吸気通路１０２に位置するコンプレッサ１０３と、排気通路１０４に位置するタービン１０５とを同軸状に連結した構成であり、運転条件に応じて過給圧を制御するために、タービン１０５の上流側から排気の一部をバイパスさせる排気バイパス弁１０６を備えている。また、吸気通路１０２のコンプレッサ１０３下流側には、過給圧を検出する過給圧センサ１０７が配置され、シリンダブロック２０に前述したようにノックセンサ４が配置されている。１０８は吸気弁、１０９は排気弁である。なお、この例では、吸気弁１０８の閉時期（ＩＶＣ）を可変制御可能な不図示の可変動弁機構を備えており、この可変動弁機構のアクチュエータ１１０がエンジンコントロールユニット７によって同時に制御される。
【００２４】
図６は運転条件に対する目標圧縮比εの特性を示す図である。
【００２５】
制御のポイントは常用域である低中速の中負荷を中心とするかなり広い運転条件で、最高圧縮比に常時設定する点である。このようにすることにより、圧縮比切換の頻度は少なくなるため、アクチュエータの消費エネルギーを最小限に抑えられる他に、高圧縮比条件を可能な限り拡大することにより、燃費向上効果も最大となる。
【００２６】
図７は、コントロールリンクのコントロールシャフト付近を拡大した断面図である。
【００２７】
コントロールリンク１３は下部にキャップ部１３ｂを有し、そのキャップ部１３ｂをキャップボルト１９でロッド部１３ａに締結している。
【００２８】
キャップ部１３ｂには、少なくとも一部分にネジ溝１３ｃが形成されたボルト穴が設けられており、そのボルト穴に調整ボルト１７を螺合している。
【００２９】
調整ボルト１７には、ネジ山が形成されており、その先端にロックナット１８が取り付けられている。また、調整ボルト１７の他端側には溝部１７ａが形成されている。
【００３０】
また、コントロールリンク１３には、偏心スリーブ１６Ｕ及び偏心スリーブ１６Ｌよりなる偏心スリーブ軸受１６が設けられており、この偏心スリーブ軸受１６にコントロールシャフト１４（偏心軸部１５）が回転自由に挿入している。この偏心スリーブ軸受１６を回転させることで偏心量の微調整を行うことが可能であり、コントロールリンク１３の長さ（連結ピン２６〜コントロールリンク１３の揺動中心間の距離）を微調整可能である。
【００３１】
偏心スリーブ１６Ｌの外周部には溝部１６ａが形成されている。この溝部１６ａ及び調整ボルト１７の溝部１７ａに跨ってピン２７が装着されている。
【００３２】
このような構造になっているので、調整ボルト１７を前進後退させると、その力がピン２７を介して偏心スリーブ１６Ｌに伝達する。この力によって偏心スリーブ１６Ｌ（偏心スリーブ軸受１６）が回転するので、偏心量を調節することができ、コントロールリンク１３の長さ（連結ピン２６〜コントロールリンク１３の揺動中心間の距離）を微調整することができる。
【００３３】
図８はΔθ調整による圧縮比の微調整（バラツキ調整）について示す図である。
【００３４】
上述のような機構によって取り付け角Δθを回転調整すると、気筒間の圧縮比は図８のように変化する。なお、Δθは図７に示すように、コントロールシャフトの軸線及び調整ボルトの軸線に直交する線（基準線）に対するピン２７の回転角度である。
【００３５】
この図８のように気筒間の圧縮比が変化するので、リンク機構を組上げ、ピストン上死点での位置誤差を測定した後で、この機構を調整することによって、目標とする範囲に圧縮比のバラツキを抑えることが可能となり、気筒間の圧縮比バラツキを減らすことができる。この実施形態では偏心スリーブメタルを時計方向に回転させることにより高圧縮比側に修正することができる。調整ボルト１７は内燃機関の下部に配置されるのであるが、この位置は調整作業をする上でも最も容易な位置である。
【００３６】
続いて、具体的な調整方法について説明する。
【００３７】
図９は気筒圧縮比の調整前の状態を示す図であり、図１０は気筒圧縮比の調整後の状態を示す図である。なお、これらの図は、理解を容易にするために、図７を時計回りに進めて調整ボルト１７が上下方向（すなわちΔθ基準線が左右方向）になった状態で示す。
【００３８】
気筒圧縮比の調整前の状態（図９）では、メタルの合わせ面はロッド部１３ａ及びキャップ部１３ｂの合わせ面と一致した状態である。キャップボルト１９は締められた状態で、圧縮比の誤差（ピストンの上死点の誤差）は予め測定されている。調整ボルト１７はキャップ部１３ｂに形成されたネジ溝１３ｃに螺合しており、溝部１７ａに装着されたピン２７を介して偏心スリーブ１６Ｌの背面に係合している。
【００３９】
この状態から圧縮比を調整するには、まず２本のキャップボルト１９を規定のトルクまで緩め、偏心スリーブ１６Ｕ、１６Ｌが回動可能な状態にする。その後、ロックナット１８を緩め、調整ボルト１７を予め計算された修正量分回転させて、図１０に示すように、偏心スリーブ１６Ｕ、１６Ｌを回転させる。このとき、偏心スリーブ１６Ｕ、１６Ｌはキャップ部１３ｂに軽く締められている状態であるので、この調整をスムーズに行なうことができる。この後、キャップボルト１９を再び締め上げ、ロックナット１８も締め上げて調整が完了する。
【００４０】
過給機付きの内燃機関では、過給時と非過給時とで圧縮比を変更することで、ノッキング抑制と、燃費向上との両立を図るために、複リンク式ピストンストローク機構が提案されている。ところが、この複リンク式ピストンストローク機構は構成が複雑であり部品点数も多いので寸法誤差が生じやすい。部品精度を上げて寸法誤差をなくそうとしても、加工コスト、部品管理コスト等が多大である。
【００４１】
そこで、本実施形態では、上述の通り、各ピストンの上死点位置を調整する調整機構を設けることで、各気筒間のバラツキをなくすようにしたのである。本実施形態の調整機構は、調整ボルト１７のネジ込み状態で偏心スリーブ軸受１６を回転させて、コントロールリンク１３に対するコントロールシャフト１４（偏心軸部１５）の位置を変更して、連結ピン２６〜コントロールリンク１３の揺動中心間の距離を微調整することとしたので、容易に調整作業を行うことができる。また、この調整ボルト１７は、内燃機関の下部に位置するので内燃機関を組み上げた後の調整が容易である。
【００４２】
（第２実施形態）
図１１は、本発明による内燃機関の可変圧縮比機構の第２実施形態のコントロールリンク下部を示す拡大図である。
【００４３】
なお、以下の説明では、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【００４４】
本実施形態では、調整ボルト１７がキャップ締結手段としても機能する。調整ボルト１７は先端のロックナット１８で固定されている。また、調整ボルト１７には溝部１７ａが形成されている。
【００４５】
本実施形態では、コントロールシャフト１４のロッド部１３ａにはネジ溝１３ｃが形成されているが、キャップ部１３ｂにはネジ溝は形成されていない。また、本実施形態では、偏心スリーブ軸受１６は、メタルの合わせ面に対して対称な偏心スリーブ１６Ｕ、１６Ｌによって構成されており、その合わせ部分に溝部１６ａを形成している。この溝部１６ａ及び溝部１７ａに跨ってピン２７が装着されている。
【００４６】
ピストン位置の調整作業を行うときは、ロックナット１８及びキャップボルト１９を規定のトルクまで緩めて調整ボルト１７を予め計算された修正量分回転させて、偏心スリーブ軸受１６（偏心スリーブ１６Ｕ、１６Ｌ）を回転させる。このとき、偏心スリーブ１６Ｕ、１６Ｌはキャップ部１３ｂに軽く締められている状態であるので、この調整をスムーズに行なうことができる。この後、ロックナット１８及びキャップボルト１９を再び締め上げて調整が完了する。
【００４７】
本実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、さらに調整ボルトをコントロールリンクのキャップ部の締結ボルトとしても利用するので部品点数を削減することができるという効果を得ることができる。
【００４８】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。
【００４９】
例えば、第１実施形態において、第２実施形態のように、偏心スリーブ軸受をメタルの合わせ面に対して対称形状の偏心スリーブによって構成してもよい。なお、そのときは調整ボルトと対向する部分に溝部を形成しておけばよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による内燃機関の可変圧縮比機構の高圧縮比制御時のリンク状態（上死点）を示す断面図である。
【図２】本発明による内燃機関の可変圧縮比機構の低圧縮比制御時のリンク状態（上死点）を示す断面図である。
【図３】コントロールシャフト付近の構成を示す側面図である。
【図４】本発明の制御システムの構成を示す図である。
【図５】本機構を有するターボガソリンエンジンの吸排気系の構成を示す図である。
【図６】運転条件に対する目標圧縮比εの特性を示す図である。
【図７】コントロールリンクのコントロールシャフト付近を拡大した断面図である。
【図８】Δθ調整による圧縮比の微調整（バラツキ調整）について示す図である。
【図９】気筒圧縮比の調整前の状態を示す図である。
【図１０】気筒圧縮比の調整後の状態を示す図である。
【図１１】本発明による内燃機関の可変圧縮比機構の第２実施形態のコントロールリンク下部を示す拡大図である。
【符号の説明】
１可変圧縮比機構
１１アッパリンク（第１リンク）
１２ロアリンク（第２リンク）
１３コントロールリンク（第３リンク）
１３ａロッド部
１３ｂキャップ部
１３ｃネジ溝
１４コントロールシャフト
１５偏心軸部
１６偏心スリーブ軸受
１６Ｕ偏心スリーブ
１６Ｌ偏心スリーブ
１６ａ溝部
１７調整ボルト
１７ａ溝部
１８ロックナット
１９キャップボルト
２０シリンダブロック
２１クランクシャフト
２１ａジャーナル
２１ｂクランクピン
２２ピストン
２３シリンダ
２４ピストンピン
２５，２６連結ピン
２７ピン

Claims

シリンダ内を往復動するピストンを有する多気筒内燃機関において、
ピストンに揺動自由に連結する第１リンクと、
前記第１リンクに回動自由に連結するとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転自由に装着された第２リンクと、
前記クランクシャフトと平行にシリンダブロックに回転自由に支持され、その回転軸心に対して偏心した、各気筒に対応する複数の偏心軸部を有するコントロールシャフトと、
前記第２リンクに連結ピンを介して回転自由に連結されるとともに、前記コントロールシャフトの偏心軸部を揺動軸心として揺動可能な第３リンクと、
を備え、
機関運転状態に応じて前記コントロールシャフトを回転して前記偏心軸部の位置を変更して機関圧縮比を可変制御する内燃機関の可変圧縮比機構であって、
前記コントロールシャフトに形成された複数の偏心軸部ごとに設けられ、前記連結ピンと前記偏心軸部との距離を、各気筒ごとに独立して調節して各気筒間の機関圧縮比バラツキを低減可能な調整手段を備える、
ことを特徴とする内燃機関の可変圧縮比機構。
前記調整手段は、前記第３リンクに設けられ、その第３リンクに対する軸受中心の位置を調整可能な軸受部を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変圧縮比機構。
前記軸受部は、偏心スリーブであって、回転することで前記第３リンクに対する軸受中心の位置を調整可能である、
ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の可変圧縮比機構。
前記偏心スリーブの外周部に係合し、その偏心スリーブを回転させるスリーブ回転角度調整手段を有する、
ことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の可変圧縮比機構。
前記スリーブ回転角度調整手段は、
前記偏心スリーブの外周部に係合するボルト部と、
前記ボルト部の回転を停止させるロックナット部とを備える、
ことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の可変圧縮比機構。
前記スリーブ回転角度調整手段は、前記ボルト部で前記偏心スリーブを押引することで、機関圧縮比を高圧縮比側及び低圧縮比側に調整可能である、
ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の可変圧縮比機構。
ピストン上死点位置で機関圧縮比を調整する工程を含む、
ことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の可変圧縮比機構の機関圧縮比調整方法。
前記第３リンクは、前記第２リンクに連結されるロッド部と、前記ロッド部に前記偏心スリーブを取り付けるキャップ部と、を有し、
前記ボルト部は前記キャップ部を前記ロッド部に締結する締結ボルトとして機能する、
ことを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の内燃機関の可変圧縮比機構。
前記締結ボルトを緩めて、前記ロッド部及びキャップ部の締結を解除した状態で前記偏心スリーブの回転角度を調整し、調整後に前記締結ボルトを再締結する工程を含む、
ことを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の可変圧縮比機構の機関圧縮比調整方法。