JP4822184B2 - ストローク特性可変エンジン - Google Patents

Description

本発明は、ストローク特性可変エンジンに関し、特に、ストローク特性を変化させるための動力発生装置が簡略化されたストローク特性可変エンジンに関するものである。

ピストンとクランクシャフトとの間を複数のリンクで連結し、これら複数のリンクのいずれか１つとエンジン本体に支持されたエキセントリックシャフトとを連結するコントロールリンクとを有し、エキセントリックシャフトを回動させることでピストンストロークを変化させるようにしたストローク特性可変エンジンが知られている。またエキセントリックシャフトを回動させる駆動装置として、サーボモータ及びウォーム減速機構を組み合わせたものが知られている（特許文献１を参照されたい）。
特開２００４−１５０３５３号公報

文献１に記載の技術は、捩りばねの弾発力、あるいは膨張行程のピストン押下げ力を、エキセントリックシャフトを高圧縮比位置から低圧縮比位置に移動させる際の回動トルクに加え、高圧縮比位置から低圧縮比位置への切り換え速度を高めると云うものであり、当然ながら、エキセントリックシャフトを低圧縮比位置から高圧縮比位置に移動させる際には、捩りばねの弾発力、あるいは膨張行程のピストン押下げ力が抵抗力として作用するので、これに打ち勝つトルクをサーボモータに発生させねばならない。従って、本文献の技術では、サーボモータの小型化や省電力化の要望を満たすことはできない。

本発明は、このような従来技術の不都合を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、エキセントリックシャフトを回動駆動する動力発生手段を簡略化することを企図して改良されたストローク特性可変エンジンを提供することにある。

このような課題を解決するために本発明の請求項１は、ピストン３とクランクシャフト６との間を連結する複数のリンク４・５と、該複数のリンクのいずれか１つとエンジン本体（クランクケース７）との間を連結するコントロールリンク１２と、該コントロールリンクのエンジン本体に対する連結部の位置を変化させる移動手段（エキセントリックシャフト１３）とを有するストローク特性可変エンジンにおいて、ピストンの往復連動に伴って発生する交番トルクを移動手段に入力する入力手段（油圧ラチェット機構２１）と、コントロールリンクのエンジン本体に対する連結部を両方向に移動させるように前記移動手段への補助入力を設定する補助入力設定手段とを有し、補助入力設定手段は、移動手段に作用する交番トルクの反転位置を任意の位置に設定するばね手段（圧縮コイルばね４１）であることを特徴とするものとした。また請求項２の発明は、当該ストローク特性可変エンジンを可変圧縮比エンジンとし、前記補助入力設定手段を、高圧縮比側から低圧縮比側への移動速度が、低圧縮比側から高圧縮比側への移動速度よりも高くなるように設定することを特徴とする。

このような本発明の請求項１の構成によれば、ピストンの往復運動で発生する力を利用してコントロールリンクのエンジン本体との連結部を両方向へ移動させることができるので、外部動力の小型化や不要化が可能となり、コントロールリンクの移動手段を簡略化する上に多大な効果を奏することができる。またピストンの往復運動に伴う慣性力だけでは不足する移動力をばね力で補償することができるので、補助入力設定手段を簡略化し得る。また請求項２の構成によれば、補助入力を適切に設定することにより、高圧縮比側から低圧縮比側への移動速度を高くして、急加速の際にノッキングなどが生じないように、高応答で圧縮比を変更することができる。

以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。

図１〜図４は、本発明が適用されたストローク特性可変エンジンの一例としての可変圧縮比エンジンのシリンダヘッドから上方を省略して示す概略構成図である。このエンジン１のシリンダ２に摺合したピストン３は、第１リンク４及び第２リンク５の２つのリンクを介してクランクシャフト６に連結されている。なお、シリンダヘッドに設けられる動弁機構や吸気系および排気系については、在来の４サイクルエンジンと何ら変わるところはないので省略する。

クランクシャフト６は、基本的に通常の固定圧縮比エンジンと同様の構成であり、クランクケース７内に支持されたクランクジャーナル８（クランクシャフトの回転中心）から偏心したクランクピン９を備えており、シーソー式に揺動する第２リンク５の中間部がクランクピン９に支持されている。そして第２リンク５の一端５ａに、ピストンピン１０に小端部４ａが連結された第１リンク４の大端部４ｂが連結されている。なお、クランクシャフト６には、主としてピストン運動の回転１次振動成分を低減するためのカウンタウェイトが設けられているが、これも在来のレシプロエンジンと同様なので省略する。

第２リンク５の他端５ｂには、通常のエンジンにおけるピストンとクランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと同一構成のコントロールリンク１２の小端部１２ａがピン結合されている。そしてコントロールリンク１２の大端部１２ｂは、クランクケース７に回動自在に支持され且つクランクシャフト６と平行に延設されたエキセントリックシャフト１３の偏心部１３ａに、２つ割りの軸受け孔１４をもって連結されている。

エキセントリックシャフト１３は、コントロールリンク１２の大端部１２ｂをクランクケース７内で所定範囲（本実施例においては約９０度）を移動可能に支持しており、その適所に設けられた油圧ラチェット機構（後述する）により、エンジン１の運転状態に応じてその回動角が連続的に変化させられ、且つ任意の角度で保持されるようになっている。これにより、コントロールリンク１２のエンジン本体に対する連結部の位置を変化させる移動手段が構成されている。

このエンジン１によると、エキセントリックシャフト１３を回動させることにより、コントロールリンク１２の大端部１２ｂの位置が、図１、２に示した位置（水平方向内向き／低圧縮比状態）と図３、４に示した位置（垂直方向下向き／高圧縮比状態）との間で変化し、クランクシャフト６の回転に伴う第２リンク５の揺動角度が変化する。これにより、ピストン３とクランクシャフト６とを連結するコネクティングロッドの長さがピストン３の運動に応じて連続的に変化するかのような作用を発揮し、且つエキセントリックシャフト１３の回動によってコントロールリンク１２のクランクケース７に対する支持端の位置を変化させることにより、圧縮比及び排気量の少なくともいずれか一方を連続的に変化させることができる。

つまり、第１、第２リンク４・５、コントロールリンク１２、及びエキセントリックシャフト１３によってピストンストローク特性可変機構が構成され、これらにより、シリンダ２内でのピストン３のストローク範囲、即ち、ピストン３の上死点位置及び下死点位置を、図２に符号Ａで示す範囲と図４に符号Ｂで示す範囲との間で連続的に変化させることのできるストローク特性可変機能がもたらされる。

上記構成のピストンストローク特性可変エンジンにおいては、膨張行程時の燃料の燃焼圧によるピストン押下げ力によってクランクシャフト６が回転すると、クランクピン９に支持された第２リンク５を介してコントロールリンク１２に引張力が作用する。これがエキセントリックシャフト１３の偏心部１３ａに伝わると、高圧縮比位置から低圧縮比位置へ向けてのトルク（各図において右回り）がエキセントリックシャフト１３に作用する。

ピストン押下げ力は、ピストン３の上死点直前から高まり、燃焼時に最大となり、膨張行程の後半では殆ど消失する。そしてピストン上昇時の慣性力により、押下げ力がコントロールリンク１２に作用し、これにより、低圧縮比位置から高圧縮比位置へ向けてのトルク（各図において左回り）がエキセントリックシャフト１３に作用する。つまりエキセントリックシャフト１３には、ピストン３の往復運動によって図５に示すような交番トルクが作用する。そこで本発明においては、この交番トルクを利用してエキセントリックシャフト１３を回動駆動するものとした。以下に、ピストン３の往復連動に伴って発生する力をエキセントリックシャフト１３に入力する入力手段として構成された油圧ラチェット機構について説明する。

エキセントリックシャフト１３とクランクケース７との間には、図６に示すような、油圧封入式のラチェット機構２１が設けられている。これはベーン２２が設けられたベーンロータ２３と、ベーンロータ２３を所定角度範囲で回動自在に支持した固定ハウジング２４とからなるベーン式ロータリーアクチュエータと略同等の構成を有しており、ベーン２２の両側に画成される油室２５・２６同士間を結ぶ油路２７に３位置４方向電磁弁２８並びに逆止弁２９を接続し、油の流れる方向を切り換えてエキセントリックシャフト１３の回動方向を制御するものである。

ベーン２２が設けられたベーンロータ２３を図６おいて右回りのみに回動させる場合は、電磁弁２８を左位置２８Ｌにする。すると右回りのトルクが加わった時にのみベーンロータ２３の回動が許可され、左回りのトルクが加わった時は逆止弁２９の作用で回動が阻止される。

この逆に、ベーンロータ２３を左回りのみに回動させる場合は、電磁弁２８を右位置２８Ｒにする。すると左回りのトルクが加わった時にのみベーンロータ２３の回動が許可され、右回りのトルクが加わった時は逆止弁２９の作用で回動が阻止される。

このようにしてエキセントリックシャフト１３に作用する交番トルクの一方へのトルクのみを取り出してエキセントリックシャフト１３に接続されたベーンロータ２３を歩進的に回動させ、目標角度に到達したところで電磁弁２８を中央位置２８Ｃにすることでベーン２２の両側の油室２５・２６に油圧を封入し、その位置を保持させる。これにより、格別な動力装置を用いることなくエキセントリックシャフト１３の両方向への回動と任意の位置での保持とを実現することができる。

なお、両油室２５・２６同士間を結ぶ油路２７に、油圧ポンプ３１からの吐出油路３２を逆止弁３３を介して接続しておくことにより、油圧封入式のラチェット機構２１にオイル漏れが発生しても、速やかにオイルを補充することができる。

この油圧ラチェット機構２１は、上記実施例に示したロータリー式のみならず、直線摺動ピストン式でも良く、その場合は、エキセントリックシャフト１３にレバーを固定し、レバーの遊端にピストンロッドを連結した直線運動／回転運動変換機構を構成すれば良い。また、直線摺動ピストン式の油圧ラチェット機構を用いる場合は、コントロールリンク１２のエンジン側連結部の位置を変化させるための機構として、上述したようなエキセントリックシャフト１３の回動によらず、コントロールリンク１２の大端部１２ｂを直線的に移動させるスライドレール機構を用いても良い。

なお、ベーンロータ２３が回動した際に、固定ハウジング２４内の油室２５・２６の周方向端壁にべーン２２が接触する直前でベーンロータ２３が回動を停止するようにベーンロータ２３の回動角度を制御することにより、油室２５・２６の周方向端壁にべーン２２が突き当たることを防止して油圧ラチェット機構２１の耐久性を向上することができる。

上述のように交番トルクによってコントロールシャフト１３を回動駆動する場合、高圧縮比位置から低圧縮比位置への移動は、図５におけるａの領域のトルクを利用し、低圧縮比位置から高圧縮比位置への移動は、ｂの領域のトルクを利用する。

仮に、ｂの領域がゼロになると、低圧縮比側から高圧縮比側への切換えができなくなるが、この場合に備え、図７に示すように、一端４１ａをクランクケース７側に固定し、他端４１ｂをベーンロータ２３側に固定した捩りコイルばね４１などの補助入力設定手段を油圧ラチェット機構２１に付設し、捩りコイルばね４１による補助トルクの設定により、エキセントリックシャフト１３に作用する交番トルクの反転位置を任意の位置に設定するものとしている。例えば、両方向のトルクが等しくなるように反転位置を設定すると、図５に示すように、ａ領域とｂ領域との面積を略等しくすることができ、低圧縮比から高圧縮比へ、高圧縮比から低圧縮比への両方向についての切換え速度を略等しくすることができる。

また、エキセントリックシャフト１３の両方向についての回動速度が互いに異なるものとなるように捩りコイルばね４１による補助トルクを設定し、反転トルクの位置を図５に二点鎖線で示すように下方へ遷移させれば、高圧縮比側から低圧縮比側へのコントロールリンク１２の大端部１２ｂの移動速度を、低圧縮比側から高圧縮比側への移動速度よりも高くすることができ、急加速の際にノッキングなどが生じないように高応答で圧縮比を変更することができる。

さらにエンジン停止時に油圧ラチェット機構２１から油圧が消失した際に、高圧縮比側から低圧縮比側へ向けてエキセントリックシャフト１３を回動させるトルクを発生するように捩りコイルばね４１のばね力を設定すれば、エンジン始動時は必ず低圧縮比状態となるので、始動性が向上する。

このような補助入力設定手段としては、エネルギを蓄積できるばね手段が機構を簡略化する上に好ましいが、これに限らず、電動モーター等の動力発生装置を用いても良く、さらには、各リンクのジオメトリーの設定によってエキセントリックシャフト１３に作用するトルクが両方向について適切な配分となるように構成しても良い。

本発明が適用されたエンジンの低圧縮比状態でのピストン上死点位置を示す縦断面図である。 本発明が適用されたエンジンの低圧縮比状態でのピストン下死点位置を示す縦断面図である。 本発明が適用されたエンジンの高圧縮比状態でのピストン上死点位置を示す縦断面図である。 本発明が適用されたエンジンの高圧縮比状態でのピストン下死点位置を示す縦断面図である。 エキセントリックシャフトに作用するトルク変化の説明図である。 油圧ラチェット機構の構成図である。 油圧ラチェット機構の概略分解斜視図である。

符号の説明

３ ピストン
４・５ リンク
６ クランクシャフト
７ クランクケース
１２ コントロールリンク
１３ エキセントリックシャフト
２１ 油圧ラチェット機構
４１ 圧縮コイルばね

Claims (2)

1. ピストンとクランクシャフトとの間を連結する複数のリンクと、該複数のリンクのいずれか１つとエンジン本体との間を連結するコントロールリンクと、該コントロールリンクのエンジン本体に対する連結部の位置を変化させる移動手段とを有するストローク特性可変エンジンであって、
   前記ピストンの往復連動に伴って発生する交番トルクを前記移動手段に入力する入力手段と、前記コントロールリンクのエンジン本体に対する連結部を両方向に移動させるように前記移動手段への補助入力を設定する補助入力設定手段とを有し、
   前記補助入力設定手段は、前記移動手段に作用する前記交番トルクの反転位置を任意の位置に設定するばね手段であることを特徴とするストローク特性可変エンジン。
2. 当該ストローク特性可変エンジンは、可変圧縮比エンジンであり、前記補助入力設定手段は、高圧縮比側から低圧縮比側への移動速度が、低圧縮比側から高圧縮比側への移動速度よりも高くなるように設定されることを特徴とする請求項１に記載のストローク特性可変エンジン。

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