JP4760464B2

JP4760464B2 - 内燃機関の可変圧縮比装置

Info

Publication number: JP4760464B2
Application number: JP2006071998A
Authority: JP
Inventors: 常靖野原; 儀明田中; 信一竹村; 克也茂木
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2026-03-16
Also published as: JP2007247527A

Description

この発明は、運転条件に応じて圧縮比を連続的に可変制御可能な内燃機関の可変圧縮比装置に関する。

本出願人は、先に、レシプロ式内燃機関の可変圧縮比機構として、複リンク式ピストン−クランク機構を用い、そのリンク構成の一部を動かすことによりピストン上死点位置を変化させるようにした機構を種々提案している（例えば特許文献１）。この可変圧縮比機構においては、制御軸の回転位置に応じて内燃機関の圧縮比を連続的に変化させることができるようになっており、上記公報の装置では、制御軸を駆動するために電動式のアクチュエータを用いている。
特開２００２−１１５５７１号公報

上記の制御軸を駆動するアクチュエータとして油圧アクチュエータを用いた場合には、必ず応答遅れが伴うので、特に、負荷の上昇に伴って圧縮比を低下させなければならないときに、圧縮比低下の応答遅れによる過渡的なノッキングの発生の問題が生じやすい。

この発明の内燃機関の可変圧縮比装置は、制御軸の回転位置に応じて内燃機関の圧縮比を連続的に変化させることが可能な可変圧縮比機構と、内燃機関の運転条件に応じた回転位置となるように上記制御軸を回転方向に駆動する油圧アクチュエータと、を備えたものであり、一般に、高負荷側で低圧縮比に、低負荷側で高圧縮比になるように制御される。

そして、特に、本発明では、上記油圧アクチュエータは、圧縮比低下方向へ駆動する際に作動油が導入される第１の油室と、圧縮比上昇方向へ駆動する際に作動油が導入される第２の油室と、を備え、最も低い圧縮比となる一方の限界位置まで動作したときの第１の油室の容積が、最も高い圧縮比となる他方の限界位置まで動作したときの第２の油室の容積よりも小さく、さらに、上記第２の油室から作動油を排出する油通路の通路抵抗が上記第１の油室から作動油を排出する油通路の通路抵抗よりも小さくなるように各々の油通路が構成されている。

またさらに望ましくは、制御軸が高圧縮比側の位置にあるときの油圧アクチュエータ変化量に対する圧縮比変化割合が、上記制御軸が低圧縮比側にあるときの油圧アクチュエータ変化量に対する圧縮比変化割合よりも大きいものとなっている。

本発明によれば、圧縮比低下方向への圧縮比変化の応答性が、圧縮比上昇方向の応答性に比べて相対的に高くなり、例えば機関加速時の圧縮比低下の遅れによるノッキング発生を確実に回避することができる。

以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、複リンク式のピストン−クランク機構からなる可変圧縮比機構を用いた本発明の一実施例を示している。

図示するように、シリンダブロック５に形成されたシリンダ６内に、ピストン１が摺動可能に配設されており、このピストン１に、アッパリンク１１の一端がピストンピン２を介して揺動可能に連結されている。このアッパリンク１１の他端は、第１連結ピン１２を介してロアリンク１３の一端部に回転可能に連結されている。このロアリンク１３は、その中央部においてクランクシャフト３のクランクピン４に揺動可能に取り付けられている。なお、ピストン１は、その上方に画成される燃焼室から燃焼圧力を受ける。また、クランクシャフト３は、クランク軸受ブラケット７によってシリンダブロック５に回転可能に支持されている。

上記ロアリンク１３の他端部には、コントロールリンク１５の一端が第２連結ピン１４を介して回転可能に連結されている。このコントロールリンク１５の他端は、シリンダブロック５を主体とした内燃機関本体の一部に揺動可能に支持されており、かつ、圧縮比の変更のために、その揺動支点１６が、内燃機関本体に対して変位可能となっている。具体的には、クランクシャフト３と平行に延びた制御軸１８に、円形の偏心カム１９が偏心して設けられており、この偏心カム１９の外周面に上記コントロールリンク１５の他端が回転可能に嵌合している。上記制御軸１８は、上記のクランク軸受ブラケット７と制御軸受ブラケット８との間に回転可能に支持されている。

従って、圧縮比の変更のために、後述する油圧アクチュエータにより制御軸１８を回転駆動すると、コントロールリンク１５の揺動支点１６となる偏心カム１９の中心位置が機関本体に対して移動する。これにより、コントロールリンク１５によるロアリンク１３の運動拘束条件が変化して、クランク角に対するピストン１の行程位置が変化し、ひいては機関圧縮比が変更されることになる。

図５は、上記制御軸１８の回転方向と圧縮比との関係を説明する説明図であって、点Ｐｅは、上記の揺動支点１６となる偏心カム１９の中心、点Ｐｃは、制御軸１８の中心、をそれぞれ示し、制御軸１８の回転に伴って、点Ｐｅが点Ｐｃの周りに移動することになる。図示した初期位置では、点Ｐｅが点Ｐｃの左側にあるので、制御軸１８を矢印（１）のように時計回り方向に回転すると、点Ｐｅが上方へ動き、コントロールリンク１５が矢印（２）のように上方へ移動する。これにより、ロアリンク１３が矢印（３）のように反時計回り方向に回転し、アッパリンク１１が矢印（４）のように下降する。そのため、ピストン１の位置も矢印（５）のように下降し、結果として、圧縮比が低下する。つまり、図５に示した初期位置から制御軸１８を時計回り方向に回転すると、圧縮比は低下する。逆に反時計回り方向に回転すれば、圧縮比は上昇する。

図２は、上記制御軸１８を回転方向に駆動する油圧アクチュエータ３１の詳細を示している。この油圧アクチュエータ３１は、ロッド５１が直線移動する複動型ピストン−シリンダ機構から構成されている。上記のロッド５１との連係のために、制御軸１８の適宜位置に、軸方向に所定間隔だけ離れた一対のレバー５０が、制御軸１８と一体に成形され、あるいは固定されており、かつこのレバー５０に、制御軸１８の半径方向に沿ったスリット５０ａがそれぞれ形成されている。

上記レバー５０と上記ロッド５１とは、円柱状のピン５２によって連結されているが、このピン５２の両端部に、レバー５０のスリット５０ａに対応した幅の二面幅部５２ａが形成されており、この部分が上記スリット５０ａにスライド可能に係合している。そして、ピン５２の中央部は円筒面をなし、ロッド５１の一端部５１ａに形成されたピン孔５１ｂ内に回転可能に支持されている。

上記ロッド５１は、アクチュエータハウジング５４の筒状のスリーブ５４ａにスライド可能に嵌合する大径部５１ｃを有し、この大径部５１ｃの基端に円盤状のピストン５３を有している。

上記アクチュエータハウジング５４内は、上記ピストン５３によって、制御軸１８寄りに位置する第１油室５５と反対側に位置する第２油室５６とに仕切られており、上記第１油室５５を貫通して上記ロッド５１が制御軸１８側へ延びている。上記第１油室５５には第１油通路５７が、上記第２油室５６には第２油通路５８が、それぞれ接続されており、４ポート３位置電磁弁からなる方向切換弁５９を介して、ポンプ側通路６１とドレン通路６２とに、選択的に連通するように構成されている。上記ポンプ側通路６１は、オイルポンプ６０の出口側に連通している。

従って、図示せぬエンジンコントロールユニットが上記方向切換弁５９を適宜に切換制御することにより、第１，第２油室５５，５６の一方に高圧の作動油が導入されると同時に他方から作動油が排出されて、ピストン５３およびロッド５１が左右方向に移動し、制御軸１８を所望の位置まで回転させることができる。なお、制御軸１８の実際の回転角度が図示せぬ回転角センサによって検出され、この検出信号に基づいて制御軸１８の回転位置がフィードバック制御される。

図３は、運転条件に対する圧縮比の制御特性を示している。内燃機関の負荷の低い領域では、吸入空気量が少ないため、圧縮上死点での燃焼室内ガス温度、圧力が低く、燃焼安定度が悪いので、圧縮比が高く制御される。これにより、燃焼の安定を図るとともに、膨張比を高くすることにより、熱効率を向上させ、燃料消費量を低減することができる。一方、負荷の上昇に伴い気筒内に入る吸入空気量が増加し、また、負荷上昇により機関の燃焼室内ガス温度が上昇するため、異常燃焼（ノッキング）が発生しやすくなるので、圧縮比は低く制御される。このようにノッキングを抑制することにより、出力の向上が図れる。つまり、図示するように、負荷が低い領域では高圧縮比に、負荷が高い領域では低圧縮比に、それぞれ制御される。

ところで、上記のような油圧機構により制御を行う場合には、応答遅れが必然的に伴う。

負荷が高負荷から低負荷へ移るときには、圧縮比の要求は低圧縮比から高圧縮比へ変化する。この圧縮比変化の応答遅れにより、過渡的な出力の低下、膨張比が低いことによる燃費の悪化が生じるが、出力に関しては、機関要求負荷が低いため、発生出力には十分余裕がある。また、高負荷域から低負荷へ変化した直後はまだ燃焼室温度が高く、ノッキングが発生しやすい状態であるため、直ちに圧縮比を上げることはできない。従って、高負荷から低負荷へ移行した場合の低圧縮比から高圧縮比へ変化するときの応答遅れは、実際には問題とならない。

これに対し、負荷が低負荷から高負荷へ移るときには、圧縮比の要求は高圧縮比から低圧縮比となるが、このときの圧縮比変化に応答遅れがあると、吸入空気量増加による燃焼室内ガス温度や圧力の上昇に伴い、過渡的にノッキングが生じることがある。つまり、このときの応答性は、より高く要求されるのである。

また、過渡時の圧縮比目標値と実位置との関係について、図４に基づいて、更に検討すると、負荷変化があったときに、負荷に応じて目標圧縮比が変化し、この目標値から遅れた形で実圧縮比が変化していく。ここで、図の左側に示す負荷の低→高変化時と図の右側に示す高→低変化時、さらに図の中央の定常状態と、を比較して、それぞれで実圧縮比が同一のときのエンジン負荷を見ると、「低→高負荷変化時（高→低圧縮比）＞定常＞高→低負荷変化時（低→高圧縮比）」の順に、負荷が大となっている。つまり、高い応答性が要求される低→高負荷変化時の負荷が、相対的に最も大きい。

ピストン１に作用する燃焼圧は、負荷に伴って大となるが、この燃焼圧によってピストン１を押し下げる方向に作用する力は、前述した図５から明らかなように、制御軸１８に対し、常に圧縮比を低下させる方向に作用する。つまり、負荷が大きいほど、制御軸１８を駆動する油圧アクチュエータ３１には、制御軸１８側から圧縮比低下方向により大きな力が加わることになる。

このように、高い応答性が要求される低→高負荷変化時は、定常状態よりも大きな力が圧縮比低下方向へ加わるので、油圧アクチュエータ３１では、相対的に低い油圧でもって制御軸１８の駆動が可能となり、主に、必要な油量の大小によって、圧縮比低下方向への動作の応答性が左右されるのである。

上記実施例では、第１油室５５に作動油を導入してロッド５１が後退する方向が圧縮比低下方向となっている。図６に示すように、（Ｃ）のように第１油室５５に作動油が充満すると最も低い圧縮比となり、（Ａ）のように第２油室５６に作動油が充満すると最も高い圧縮比となる。ここで、第１油室５５には、ロッド５１が貫通しているので、最も低い圧縮比となる一方の限界位置までロッド５１が動作したときの第１油室５５の容積は、最も高い圧縮比となる他方の限界位置までロッド５１が動作したときの第２油室５６の容積よりも小さい。従って、例えば、図６の（Ｂ）に示す中央位置から（Ｃ）の低圧縮比位置まで駆動するのに必要な作動油量（第１油室５５へ供給する量）は、（Ａ）の高圧縮比位置まで駆動するのに必要な作動油量（第２油室５６へ供給する量）よりも少ない。従って、相対的に高い応答性が得られる。

なお、低負荷状態では高負荷状態に比べて機関の温度が低く作動油温度が低いので、オイルポンプのもれ量が少なくなって油圧確保の上では有利となる。従って、この点からも、低負荷から高負荷へ移行する際の圧縮比低下に必要な作動油量を少なくすることで、応答性を効果的に高めることができる。

次に、図７および図８は、第１油通路５７と第２油通路５８の通路抵抗を互いに異ならせるようにした実施例を示している。すなわち、前述したように、圧縮比低下方向へロッド５１が移動するときに、第１油室５５へ導入される油量は、第２油室５６から排出される油量よりも少ない。換言すれば、第１油室５５へ導入する作動油によって、これよりも多くの作動油を第２油室５６から押し出すことになる。従って、第２油室５６からの作動油の排出が、応答性を損なう要因となり得る。そのため、第２油通路５８の通路抵抗を第１油通路５７の通路抵抗よりも小さくすることが望ましい。

図７の実施例では、第２油通路５８の通路断面積を第１油通路５７よりも大きなものとしている。また、図８の実施例では、第１油通路５７よりも優先して第２油通路５８を直線状とし、かつ通路長を極力短くすることで、通路抵抗を小さくしている。通路抵抗を小さくするためには、通路長の短縮のほか、曲がり部分の数の減少、曲がり部分の曲率の縮小、が有効である。

なお、ロッド５１が逆方向へ移動する際には、第２油室５６へ導入される作動油の油量が第１油室５５から排出される油量よりも大であるので、第１油通路５７の通路抵抗は障害とならない。

次に、図９は、油圧アクチュエータ３１のロッド５１の位置と圧縮比との関係を図示したものであり、太実線で示すように、低圧縮比側では、油圧アクチュエータ３１の変化量に対する圧縮比変化割合が小さく、高圧縮比側では、油圧アクチュエータ３１の変化量に対する圧縮比変化割合が大きなものとなっている。このように設定することで、低負荷から高負荷へ移行したとき、つまり目標圧縮比が高圧縮比から低圧縮比へと変化したときに、高圧縮比状態から速やかに圧縮比を低下させることができ、ノッキングを確実に回避できる。

この図９のような所望の特性は、前述した制御軸１８の中心Ｐｃと偏心カム１９の中心Ｐｅとの距離（つまり点Ｐｅの回転半径Ｒ）の大きさと、圧縮比制御に使用する制御軸１８の角度範囲と、によって定まる。図１０および図１１は、これを説明したもので、図１０の符号Ｌで示す長さが、圧縮比変化に必要な点Ｐｅの上下方向の移動範囲であり、前述したように、点Ｐｅが上方へ動くと低圧縮比、下方へ動くと高圧縮比となる。図１０には、(1)〜(3)の３つの設定例を示してあり、(1)の例では、半径Ｒを長さＬに対し最小（つまり２Ｒ＝Ｌ）とし、(2)、(3)の例では、半径Ｒをより大きく、具体的には長さＬと同じ値にしている。(2)のように、半径Ｒを大とし、かつ中間の角度範囲を利用すると、図１１に示すように、制御軸１８の回転に対する点Ｐｅの上下移動量（これが圧縮比変化にほぼ対応する）の特性が、一次直線に近似した特性となる。一方、(1)の例のように、半径Ｒを小さくして、１８０°の角度範囲で利用すると、図１１に示すように、両端部では点Ｐｅの上下位置変化が緩やかとなり、中央部では、ほぼ直線状の特性となる。これらに対し、(3)のように、半径Ｒを大きくし、かつ中心Ｐｃの位置を下側に片寄らせて、円の上半部の四分円のみを利用するようにすると、図１１に示すように、低圧縮比側では変化割合が小さく、かつ高圧縮比側では変化が急激となる理想的な特性が得られる。図１０の(3)の設定は、あくまでも一例であり、これに近似した関係にあれば、同様の特性が得られる。

なお、上記実施例では、複動型ピストン−シリンダ機構からなる油圧アクチュエータ３１を用いているが、これ以外の形式であっても、その動作方向により必要な作動油量が異なる特性を有していれば、同様に利用することができる。また、このような特性は、最低圧縮比から最高圧縮比までの全域に亘って必ずしも必要ではなく、高負荷となったときに高圧縮比状態のままとならないように、ノッキングが問題となる高圧縮比側で、高い応答性が得られれば足りる。

この発明に係る可変圧縮比装置全体の一実施例を示す断面図。油圧アクチュエータの構成を示す断面図。圧縮比の制御特性を示す特性図。過渡時における負荷と目標圧縮比および実圧縮比との関係を示す特性図。制御軸の回転による圧縮比変化の作用を説明する説明図。油圧アクチュエータの動作を説明する説明図。油通路の通路断面積を異ならせた実施例を示す断面図。油通路の通路長などを異ならせた実施例を示す断面図。油圧アクチュエータのロッド位置と圧縮比との関係を示す特性図。点Ｐｃと点Ｐｅとの位置関係の設定例を示す説明図。図１０の例による制御軸回転角度と点Ｐｅの上下位置との関係を示す特性図。

符号の説明

１５…コントロールリンク
１８…制御軸
１９…偏心カム
３１…油圧アクチュエータ
５１…ロッド
５５…第１油室
５６…第２油室

Claims

制御軸の回転位置に応じて内燃機関の圧縮比を連続的に変化させることが可能な可変圧縮比機構と、内燃機関の運転条件に応じた回転位置となるように上記制御軸を回転方向に駆動する油圧アクチュエータと、を備えてなる内燃機関の可変圧縮比装置において、
上記油圧アクチュエータは、圧縮比低下方向へ駆動する際に作動油が導入される第１の油室と、圧縮比上昇方向へ駆動する際に作動油が導入される第２の油室と、を備え、最も低い圧縮比となる一方の限界位置まで動作したときの第１の油室の容積が、最も高い圧縮比となる他方の限界位置まで動作したときの第２の油室の容積よりも小さく、
さらに、上記第２の油室から作動油を排出する油通路の通路抵抗が上記第１の油室から作動油を排出する油通路の通路抵抗よりも小さくなるように各々の油通路が構成されていることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比装置。
上記運転条件として内燃機関の負荷に応じて圧縮比が制御され、負荷が高いほど低圧縮比とな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装置。
上記油圧アクチュエータは、複動型ピストン−シリンダ機構からなり、ピストンから一方へ延びるロッドが上記第１の油室を貫通し、このロッドによって上記の容積差が与えられていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
上記制御軸が高圧縮比側の位置にあるときの油圧アクチュエータ変化量に対する圧縮比変化割合が、上記制御軸が低圧縮比側にあるときの油圧アクチュエータ変化量に対する圧縮比変化割合よりも大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
上記可変圧縮比機構は、一端がピストンにピストンピンを介して連結されるアッパリンクと、このアッパリンクの他端が第１連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に取り付けられるロアリンクと、このロアリンクに第２連結ピンを介して一端が連結されるとともに、他端が上記制御軸の偏心カムに揺動可能に支持されるコントロールリンクと、を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比装置。