JP4464844B2 - 内燃機関の油圧駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の油圧駆動装置に関し、特に、ピストンとクランクシャフトとを複数のリンクにより連携した複リンク式の可変圧縮比機構に好適に用いられる油圧駆動装置に関する。

レシプロ式内燃機関の機関制御因子の一つである機関圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構として、ピストンとクランクシャフトとを複数のリンク構成部品により連携し、そのリンク構成部品の一つの運動拘束条件を変化させることにより、ピストン上死点位置及び機関圧縮比を可変制御する複リンク式の可変圧縮比機構が知られている（例えば特許文献１参照）。この可変圧縮比機構は、クランクシャフトに回転可能に取り付けられたロアリンクと、このロアリンクとピストンとを連携するアッパリンクと、制御軸に偏心して設けられた偏心軸部と、ロアリンクと偏心軸部とを連携する制御リンクと、を有している。適宜なアクチュエータにより、機関運転状態に応じて制御軸の回転角度を変更することにより、制御リンクの揺動支点となる制御軸の偏心軸部の位置が変化し、制御リンクによるロアリンクの運動拘束条件が変化して、機関圧縮比を可変制御する構成となっている。

上記アクチュエータとして、例えば油圧ベーン式アクチュエータが挙げられる。この油圧ベーン式アクチュエータは、制御軸と一体的に回転する内部ロータと、この内部ロータを回転可能に収容する外部ケースと、を有し、内部ロータのベーンにより外部ケースの内部に液密に画成された油圧室への供給油圧を、周知の油圧制御弁等により切替制御することにより、制御軸の角度を変更制御する。外部ケースは、一般的に、ボルト等を用いて機関本体に強固に固定される。
特開２００２−２１５９２号公報

このような可変圧縮比機構では、ピストンへの燃焼荷重や各部品の慣性荷重等に起因して、制御リンクより制御軸の偏心軸部に、制御リンクのリンク中心線に沿う荷重が作用する。上述したように外部ケースが機関本体に固定されていると、上記制御リンクからの荷重により、制御軸に固定された内部ロータが機関本体に固定された外部ケースに対して制御軸直交方向に変位してようとして、内部ロータと外部ロータとが局所的に強く接触し、その摺動部分の抵抗の増加や耐久性の低下を招いたり、シール性の低下を招くおそれがある。

可変圧縮比機構以外の他の機構、例えば吸・排気弁のバルブリフト特性を変更する可変動弁機構における油圧アクチュエータでも、制御軸に対して動弁系の荷重が作用する構成となっている場合、同様の課題が存在する。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、油圧アクチュエータにおける外部ケースと内部ロータとの摺動部分に局所的な荷重が作用することを有効に軽減・回避し、この油圧アクチュエータの摺動抵抗の低減化、耐久性の向上及びシール性の向上を図ることを主たる目的としている。

機関本体に軸周りに回転可能に取り付けられた制御軸と、この制御軸の一端に設けられ、所定の機関制御因子に対応する制御軸の回転角度を変更する油圧アクチュエータと、を有する。この油圧アクチュエータは、上記制御軸と一体的に回転する内部ロータと、この内部ロータを回転可能に収容する外部ケースと、を有し、これら外部ケースと内部ロータとの間に液密に画成される油圧室への供給油圧を制御することにより、上記制御軸の回転角度を変更制御する。上記外部ケースは、機関本体に対して、制御軸周りに回転することなく、制御軸に直交する所定の移動許容方向に移動可能なように、機関本体側へ支持されている。つまり、外部ケースが機関本体に対して完全に固定されておらず、少なくとも所定の移動許容方向に移動可能に支持されている。

本発明によれば、外部ケースが機関本体に対して制御軸に直交する移動許容方向に移動可能であるため、内部ロータに軸直交方向へ荷重が作用した場合に、この内部ロータと外部ケースとの摺動部分に局所的な荷重が作用することを有効に軽減・回避することができる。このため、外部ケースと内部ロータとの摺動抵抗が低減し、耐久性が向上し、シール性が向上する。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。先ず、図８を参照して、本発明に係る油圧駆動装置が適用される内燃機関の複リンク式の可変圧縮比機構について説明する。

この可変圧縮比機構は、クランクシャフト１のクランクピン１２に回転可能に装着されたロアリンク２と、このロアリンク２とピストン３とを連携するアッパリンク５と、クランクシャフト１の斜め下方に位置し、このクランクシャフト１と平行に気筒列方向に延びる制御軸（コントロールシャフト）７と、制御軸７に固定（又は一体形成）された偏心軸部８と、この偏心軸部８とロアリンク２とを連携する制御リンク（コントロールリンク）６と、を有している。ロアリンク２は、後からクランクピン１２に組付可能なように、複数の部材により分割構成されている。アッパリンク５は、下端側がアッパピン１０を介してロアリンク２の一端に回転可能に連結され、上端側がピストンピン４を介してピストン３に回転可能に連結されている。制御リンク６は、上端側の小端部がコントロールピン９を介してロアリンク２の他端に回転可能に連結され、下端側の大端部が、偏心軸部８の円筒面をなす外周面に回転可能に取り付けられ、この偏心軸部８に揺動可能に支持されている。制御リンク６の揺動支点となる偏心軸部８の中心８ａは、制御軸７の中心７ａに対して所定量偏心している。

図１及び図２を参照して、この内燃機関は、機関本体として、シリンダブロック２１と、このシリンダブロック２１の下縁に固定されるメインベアリングフレーム２４と、このメインベアリングフレーム２４の下縁に固定されるサブフレーム２５と、を有している。サブフレーム２５の下縁にはオイルパン２２が固定されている。シリンダブロック２１には、シリンダボア２３が気筒列方向に沿って複数形成されている。各シリンダボア２３には上記のピストン３が昇降可能に嵌合し、各ピストン３は上方に画成される燃焼室から燃焼圧力を受ける。シリンダブロック２１とメインベアリングフレーム２４との間にクランクシャフト１が回転可能に支持されており、メインベアリングフレーム２４とサブフレーム２５との間に制御軸７が回転可能に支持されている。ここでは図示していないが、部品点数の低減・組立作業の容易化を図るべく、メインベアリングフレーム２４には、クランクシャフト１のメインジャーナル１１（図８参照）を回転可能に狭持する複数の半割型のメインベアリングと、制御軸７を回転可能に狭持する複数の半割型のサブベアリングとが設けられている。

クランクシャフト１は、機関本体としてのシリンダブロック２１やフレーム２４，２５の機関前側（フライホイールと逆側）の前壁２６を貫通して機関本体の前方に突出しており、このクランクシャフト１の前端に、作動油を加圧する機械駆動式の油圧ポンプ２７が配設されている。同様に、制御軸７は、機関前側の前壁２６を貫通して機関本体の前方に突出しており、この制御軸７の前端に、制御軸７の回転角度を変更・制御する油圧アクチュエータ３０が油圧ポンプ２７に隣接して設けられている。このように油圧アクチュエータ３０を機関前側に油圧ポンプ２７と隣接して配設することにより、油圧ポンプ２７から油圧アクチュエータ３０への油経路・油圧配管（図示省略）の短縮化を図ることができる。

この油圧アクチュエータ３０によって制御軸７の回転角度を変更することにより、図８に示すように、制御リンク６の揺動支点となる偏心軸部８の中心位置８ａが回転変位して、制御リンク６によるロアリンク２の運動拘束条件が変化し、機関圧縮比が変化することとなる。この圧縮比制御は機関運転条件に基づいて行われ、典型的には、機関負荷が高いほどノッキングを回避するように低圧縮比側へ制御される。

このような可変圧縮比機構によれば、機関圧縮比を機関運転状態に応じて連続的・無段階に変更できることに加え、ピストンストローク特性を好ましい特性、例えば単振動に近い特性へ近づけることができる。また、ロアリンク２に制御リンク６を接続することにより、制御軸７を比較的スペースに余裕のあるクランクシャフト１の斜め下方に配置することができ、機関搭載性に優れている。

図３及び図４を参照して、油圧アクチュエータ３０は、制御軸７の一端に固定（又は一体形成）され、この制御軸７と一体的に回転する内部ロータ３１と、この内部ロータ３１を回転可能に収容する外部ケース３２と、を有している。内部ロータ３１は、制御軸７の一端に圧入等により固定される円筒状の軸部３３と、この軸部３３の外周壁より制御軸７の径方向外方へ互いに逆方向へ張り出した２つのベーン３４と、を有している。外部ケース３２は、軸方向両端が密閉された円筒状をなし、その内周壁より制御軸７の径方向内方へ互いに逆向きに張り出した２つの隔壁３５を有している。２つの隔壁３５と軸部３３の外周と外部ケース３２の内周とにより画成される２つの空間のそれぞれが、上記のベーン３４により第１油圧室３６と第２油圧室３７とに液密に画成されている。ここでは図示していないが、各油圧室３６，３７には、油圧制御弁が配設された油経路により油圧ポンプ２７と接続されており、油圧制御弁により油圧室３６，３７の油圧を切替制御することにより、制御軸７の回転角度が変更・制御される。

そして、外部ケース３２が機関本体に対して制御軸周りに回転することなく、制御軸７に直交する所定の移動許容方向Ｌ１に移動可能な状態で、外部ケース３２を機関本体の一部であるシリンダブロック２１側へ支持させている（外部ケース支持手段）。すなわち、外部ケース３２は、シリンダブロック２１に対して完全に固定されてはおらず、移動許容方向Ｌ１については移動可能に支持されている。

詳述すると、外部ケース３２には、その円筒面をなす外周壁より径方向外方へ張り出した一つのフランジ３８が設けられ、このフランジ３８には、上記の移動許容方向Ｌ１に沿って延びる一定幅の二面幅スリット３９が形成されている。シリンダブロック２１には、上記の二面幅スリット３９にスライド可能に嵌合する支持ピン４０が設けられている。

この支持ピン４０は、この実施例では、単純な断面円形の棒状をなし、シリンダブロック２１の前壁２６に設けられたピンボス４１（図１，図２参照）に垂直に起立する姿勢で固定されている。

このように支持ピン４０が二面幅スリット３９にスライド可能に嵌合していることにより、シリンダブロック２１に対する外部ケース３２の制御軸周りの回転が禁止・拘束されており、かつ、シリンダブロック２１に対する外部ケース３２の移動許容方向Ｌ１の移動が許容されている。

なお、内部ロータ３１は外部ケース３２の内部空間に対して軸方向に実質的に隙間なく嵌合しているため、外部ケース３２が内部ロータ３１に対して軸方向に実質的に移動することはない。但し、外部ケース３２が機関本体の前壁２６に衝突することのないように、外部ケース３２とシリンダブロック３２やメインベアリングフレーム２５の前壁２６との間には適宜な間隙Ｄが確保されている（図４参照）。

図５を参照して、上記の移動許容方向Ｌ１について詳述する。なお、α１は機関最低圧縮比から機関最高圧縮比までの制御軸７の設定可能な角度範囲を表し、α２は機関最低圧縮比時における制御リンク６の両端の連結中心を結ぶリンク中心線６ａ（図８参照）の揺動角度範囲を表し、α３は機関最高圧縮比時における制御リンク６のリンク中心線６ａの揺動角度範囲を表している。移動許容方向Ｌ１は、制御軸７の軸心７ａを通る直径方向に一致しており、かつ、制御リンク６のリンク中心線６ａと平行となり得る範囲α４（図５のハッチング領域）に設定されている。

ピストン３に作用する燃焼荷重の他、ロアリンク２やクランクピン１２のような部品の慣性荷重等に起因して、制御リンク６から制御軸７の偏心軸部８には制御リンク６のリンク中心線６ａに沿う方向の荷重がほぼ継続的に作用する。制御軸７は機関本体側に回転可能に支持されており、その軸受部分には所定のクリアランスが確保されているため、上記リンク中心線６ａに沿う荷重が制御軸７に作用すると、制御軸７に固定されている内部ロータ３１が制御軸直交方向に変位しようとする。このとき、本実施例では外部ケース３２がシリンダブロック２１に対して制御軸７に直交する所定の移動許容方向Ｌ１に移動可能であるため、制御リンク６のリンク中心線６ａに沿う荷重により、特に移動許容方向Ｌ１については、外部ケース３２が内部ロータ３１に追従するようにシリンダブロック２１に対して容易に移動することができる。このため、制御リンク６側からの荷重により内部ロータ３１と外部ケース３２との摺接部分が局所的に強く接触することを有効に低減・回避することができる。従って、両者３１，３２間の摺動抵抗が低減され、耐久性が向上し、かつ、シール性が向上する。これにより、作動油の油漏れにより制御軸７を所定の回転角度で保持できなくなるようなことがなく、信頼性が向上する。

特に、図６に示すように、上記の移動許容方向Ｌ１を、制御リンク６と平行になり得る範囲α４を二等分する中間線と一致させることにより、この範囲α４内での外部ケース３２の移動を効果的に許容することが可能となる。

あるいは図７に示すように、上記の移動許容方向Ｌ１を、ピストン３への燃焼荷重が最大となる状況で、制御リンク６のリンク中心線６ａ’と平行となるように設定する。一般的に、高回転・高負荷用の機関最低圧縮比の設定状態におけるピストン上死点近傍で、燃焼荷重が最大となる。このように燃焼荷重が最大となる状況、つまり制御リンク６から制御軸７への入力荷重が最も大きくなる状況で、その入力荷重の作用方向に対して移動許容方向Ｌ１を平行とすることにより、上述した摺動抵抗の低減・耐久性の向上・及びシール性の確保等の効果を最も効果的に得ることができる。特に、過給機を備えた内燃機関のように、最大燃焼荷重が非常に高くなる内燃機関に対しては極めて有効である。

図９は、支持ピンの他の例を示している。この支持ピン４３は、二面幅スリット３９に実質的に隙間なく嵌合する平行な二面幅部４４を有し、かつ、自身の軸周りに回転可能な状態でシリンダブロック２１のピンボス４２に支持されている。この場合、支持ピン４３の二面幅部４４が二面幅スリット３９の側面に対向・面接触しており、両者の接触面積が増加するため、接触面圧が低下し、耐久性や信頼性が更に向上する。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、可変動弁機構の油圧アクチュエータに本発明を適用することもできる。

本発明の一実施例に係る油圧駆動装置の油圧アクチュエータが取り付けられた内燃機関の前部斜視図。 図１の油圧アクチュエータが取り付けられた内燃機関の正面図。 上記油圧アクチュエータを示す断面図。 図３のIV−IV線に沿う断面図。 移動許容方向が存在し得る範囲を示す説明図。 移動許容方向の一つの設定例を示す説明図。 移動許容方向の他の設定例を示す説明図。 上記油圧駆動装置が適用される内燃機関の可変圧縮比機構を示す概略構成図。 支持ピンの他の例を示す内燃機関の前部斜視図。

符号の説明

６…制御リンク
６ａ…リンク中心線
７…制御軸
２１…シリンダブロック（機関本体）
３０…油圧アクチュエータ
３１…内部ロータ
３２…外部ケース
３６，３７…油圧室
３８…フランジ
３９…二面幅スリット
４０，４３…支持ピン
４４…二面幅部

Claims (8)

1. 機関本体に軸周りに回転可能に取り付けられた制御軸と、
   この制御軸の一端に設けられ、所定の機関制御因子に対応する制御軸の回転角度を変更する油圧アクチュエータと、を有し、
   この油圧アクチュエータは、
   上記制御軸と一体的に回転する内部ロータと、
   この内部ロータを回転可能に収容する外部ケースと、
   これら外部ケースと内部ロータとの間に液密に画成される油圧室への供給油圧を制御することにより、上記制御軸の回転角度を変更制御する油圧制御手段と、
   上記外部ケースが、機関本体に対して、制御軸周りに回転することなく、制御軸に直交する所定の移動許容方向に移動可能なように、上記外部ケースを機関本体側へ支持させる外部ケース支持手段と、を有する内燃機関の油圧駆動装置。
2. 上記機関制御因子としての機関圧縮比を可変制御する可変圧縮比機構を備え、
   この可変圧縮比機構が、クランクシャフトに回転可能に取り付けられたロアリンクと、このロアリンクとピストンとを連携するアッパリンクと、上記制御軸に偏心して設けられた偏心軸部と、上記ロアリンク又はアッパリンクと上記偏心軸部とを連携する制御リンクと、を備える請求項１に記載の内燃機関の油圧駆動装置。
3. 上記移動許容方向が、上記制御リンクのリンク中心線と平行となり得るように設定されている請求項２に記載の内燃機関の油圧駆動装置。
4. 上記移動許容方向が、制御軸の直径方向と一致しており、かつ、上記制御リンクのリンク中心線と平行となり得る角度範囲の二等分線とほぼ一致するように設定されている請求項２に記載の内燃機関の油圧駆動装置。
5. 上記移動許容方向が、ピストン燃焼荷重が最大となる状況での制御リンクのリンク中心線と平行となるように設定されている請求項２に記載の内燃機関の油圧駆動装置。
6. 上記外部ケース支持手段が、
   上記外部ケースの略円筒状の周壁より径方向外方へ突出するフランジと、
   このフランジに形成され、上記制御軸の直径方向に沿って延びる一定幅の二面幅スリットと、
   上記機関本体に設けられ、上記二面幅スリットにスライド可能に嵌合する支持ピンと、を有する請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の油圧駆動装置。
7. 上記支持ピンが、上記二面幅スリットに実質的に隙間無く嵌合する二面幅部を有し、かつ、上記機関本体に対してピン軸周りに回転可能に取り付けられている請求項６に記載の内燃機関の駆動制御装置。
8. 上記外部ケースが、機関本体の前面側に、油圧ポンプに隣接して配設されている請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の油圧駆動装置。
   

Images