JP5169974B2 - 内燃機関の可変圧縮比システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の機械圧縮比を変更する可変圧縮比システムに関する。

シリンダブロックとクランクケースとの間に配置された偏心軸と、ウォームギアを介して偏心軸を回転させるアクチュエータと、を備えた可変圧縮比システムが知られている。このような可変圧縮比システムにおいて、偏心軸とウォームホイールとの間にクラッチを介在させた機構も提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００４−１６９６６０号公報

ところで、前述したような可変圧縮比システムにおいては、偏心軸の軸受部分において油膜が形成されない、いわゆる油膜切れが発生する可能性がある。このため、偏心軸の軸受部分が固着する可能性があった。

偏心軸の軸受部分が固着した場合は、偏心軸とウォームホイールとの間のクラッチが開放されても、シリンダブロックとクランクケースとが自在に相対変位することができないため、圧縮比の過剰な上昇によるノッキングの発生を回避しきれない可能性がある。

本発明は、上記したような種々の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、シリンダブロックとクランクケースとの間に配置された偏心軸を回転させることにより内燃機関の機械圧縮比を変更する可変圧縮比システムにおいて、フェイル発生時のノッキングを好適に回避することにある。

本発明は、上記した課題を解決するために、シリンダブロックとクランクケースとの間に配置された偏心軸を回転させることにより内燃機関の機械圧縮比を変更する内燃機関の可変圧縮比システムであって、偏心軸においてシリンダブロック側の部材に接触しつつ動作する部位とクランクケース側の部材に接触しつつ動作する部位との間にクラッチ機構を設けるようにした。

詳細には、本発明にかかる内燃機関の可変圧縮比システムは、
クランクケースとシリンダブロックとの間に配置された偏心軸と、
前記偏心軸の回転位置を変更することによりシリンダブロックとクランクケースとの相対位置を変更するアクチュエータと、
前記偏心軸においてシリンダブロック側の部材に接触しつつ動作する第１部位とクランクケース側の部材に接触しつつ動作する第２部位との連結／切離を切り替えるクラッチ機構と、
を備えるようにした。

かかる発明によると、クラッチ機構が第１部位と第２部位とを連結させた場合は、シリンダブロックとクランクケースとの相対位置は偏心軸の回転位置に応じて決まる。また、クラッチ機構が第１部位と第２部位とを切り離した場合は、シリンダブロックとクランク
ケースとは偏心軸の回転位置にかかわらず自在に相対変位可能となる。

例えば、偏心軸やアクチュエータを含む駆動系にフェイルが発生した場合、特に偏心軸の軸受部分（例えば、シリンダブロック側部材と第１部位との接触部分や、クランクケース側部材と第２部位との接触部分など）が油膜切れによって固着した場合に、クラッチ機構が第１部位と第２部位とを切り離すことにより、シリンダブロックとクランクケースとが自在に相対変位可能となる。

従って、シリンダブロックとクランクケースとは、気筒内の圧縮圧力や燃焼圧力を受けて相対変位することになる。このため、機械圧縮比が高い状態で偏心軸が固着しても、内燃機関の機械圧縮比を低下させることができる。その結果、ノッキングの発生をより確実に回避可能となる。

本発明に係わる内燃機関の可変圧縮比システムは、偏心軸及びアクチュエータを含む駆動系にフェイルが発生したときにクラッチ機構を切り離す制御手段を更に備えるようにしてもよい。

なお、制御手段は、前記した駆動系のフェイルが発生したときの圧縮比が上限値を超えている場合に、クラッチ機構を切り離すようにしてもよい。ここでいう上限値は、内燃機関が高負荷運転された場合であってもノッキングを回避可能な圧縮比の最高値である。

かかる構成によると、フェイル発生時の圧縮比が上限値以下であるときは、クラッチ機構が連結状態になるため、内燃機関の圧縮比が不要に低下させられることがない。よって、フェイル発生時のドライバビリティの低下を可及的に抑制することできる。

本発明によれば、シリンダブロックとクランクケースとの間に配置された偏心軸を回転させることにより内燃機関の機械圧縮比を変更する可変圧縮比システムにおいて、フェイル発生時のノッキングを回避することができる。

本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。 変位機構の構成を示す図である。 変位機構の動作を説明する図である。 偏心軸の構成を示す図である。 クラッチ機構の構成を示す図である。 第１筒部と第２筒部とが切り離された状態を示す図である。 クラッチ機構の制御ルーチンを示すフローチャートである。 クラッチ機構の他の構成例を示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明を適用する内燃機関の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、複数の気筒を有する４ストローク・サイクルの内燃機関である。なお、図１においては、複数の気筒のうち一気筒のみが示されている。

内燃機関１は、シリンダブロック２とクランクケース３とシリンダヘッド４を備えてい
る。シリンダブロック２は、クランクケース３に対してシリンダ２０の軸方向へ変位自在に取り付けられている。シリンダブロック２とクランクケース３の接続部には、シリンダブロック２を変位させるための変位機構５と、変位機構５を駆動するためのアクチュエータ５０が設けられている。

図２は、変位機構５とアクチュエータ５０の構成を示す図である。シリンダブロック２の両側下部に複数の隆起部が形成されており、この各隆起部にカム収納孔６が形成されている。これらのカム収納孔６は、シリンダ配列方向に平行に且つ同一軸線上に形成されている。なお、カム収納孔６は、本発明にかかるシリンダブロック側部材に相当する。

クランクケース３には、上述したカム収納孔６が形成された複数の隆起部の間に位置するように、立壁部が形成されている。各立壁部のクランクケース３外側に向けられた表面には、半円形の凹部が形成されている。各立壁部には、半円形の凹部を有するキャップ７がボルトによって固定される。立壁部とキャップ７が固定されると、双方の凹部によって円形の軸受収納孔８が形成される。軸受収納孔８の内径はカム収納孔６と同径である。なお、軸受収納孔８又は可動軸受部５ｃは、本発明にかかるクランクケース側部材に相当する。

このように構成されたシリンダブロック２とクランクケース３が連結されると、シリンダブロック２及びクランクケース３の両側面の各々にはカム収納孔６と軸受収納孔８が交互に配置された連通孔が形成される。これらの各連通孔には、偏心軸５００が挿通される。

各偏心軸５００は、一本の軸部５ａと、複数のカム部５ｂ及び可動軸受部５ｃを備えている。カム部５ｂは、正円形のカムプロフィールを有し、軸部５ａに偏心固定される。可動軸受部５ｃは、カム部５ｂと同一形状を有し、軸部５ａに対して回転自在に取り付けられる。

なお、カム部５ｂと可動軸受部５ｃは、カム部５ｂが前記カム収納孔６に収容され且つ可動軸受部５ｃが前記軸受収納孔８に収容されるように交互に配置されるものとする。

このように構成された偏心軸５００の一端にはアクチュエータ５０が設けられている。アクチュエータ５０は、各偏心軸５００の軸部５ａの一端に固定されるウォームホイール５１ａ、５１ｂと、各ウォームホイール５１ａ、５１ｂに噛み合うウォーム５２ａ、５２ｂと、ウォーム５２ａ、５２ｂを回転駆動するモータ５３を備えている。

なお、ウォームホイール５１ａ、５１ｂの中心は、軸部５ａの中心からオフセットされ、且つカム部５ｂの中心と一致している。また、ウォーム５２ａ、５２ｂの螺旋溝は互いに逆方向に形成され、モータ５３の回転により２本の偏心軸５００が互いに逆回転するようになっている。

ここで図１に戻り、変位機構５には、軸部５ａの回転角度を検出する回転角センサ９が取り付けられている。回転角センサ９は、ＥＣＵ１０と電気的に接続されている。

ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等から構成される電子制御ユニットであり、上記した回転角センサ９の出力信号や内燃機関１の運転状態に基づいてモータ５３を制御する。

ここで、モータ５３の基本的な制御方法について図３に基づいて説明する。図３において、ａ、ｂ、及びｃは、軸部５ａの中心、カム部５ｂの中心、及び可動軸受部５ｃの中心
を各々表している。

図３中の（ａ）は、圧縮比が最も高くなる状態、言い換えればシリンダブロック２が下死点側へ最も変位した状態を示している。この場合、全てのカム部５ｂ及び可動軸受部５ｃの中心ｂ、ｃが同一軸線上に位置するとともに、それらカム部５ｂ及び可動軸受部５ｃの外周面が軸方向において一致する。これに対応して、カム収納孔６及び軸受収納孔８の中心も互いに一致している。

ＥＣＵ１０は、図３（ａ）の状態から圧縮比を低下させる場合には、２本の偏心軸５００が図中の矢印方向へ回転するようにモータ５３を制御する。図３（ｂ）は偏心軸５００が図３（ａ）の状態から凡そ４５°回転した状態を示している。この場合、カム部５ｂの中心ｂが可動軸受部５ｃの中心ｃに対して上死点側へオフセットされ、それに応じてカム部５ｂの外周面も可動軸受部５ｃの外周面に対して上死点側へオフセットされる。

カム部５ｂが可動軸受部５ｃに対して上死点側へオフセットされると、カム収納孔６も軸受収納孔８に対して上死点側へオフセットされるため、シリンダブロック２がクランクケース３に対して上死点側へ変位する。その結果、燃焼室容積が拡大し、内燃機関１の機械圧縮比が低くなる。

ＥＣＵ１０が２本の偏心軸５００を図中の矢印方向へ更に回転させるようモータ５３を制御すると、カム部５ｂと可動軸受部５ｃのオフセット量が更に増加し、それに応じて圧縮比が一層低くなる。図３（ｃ）は、偏心軸５００が図３（ａ）の状態から９０°回転した状態を示している。

このとき、軸部５ａの中心ａとカム部５ｂの中心ｂと可動軸受部５ｃの中心ｃとがシリンダ軸方向に一列に並び、カム部５ｂと可動軸受部５ｃのオフセット量が最大となる。すなわち、偏心軸５００が図３（ａ）の状態から９０°回転したときに、シリンダブロック２の上死点側への変位量が最大となる。その結果、内燃機関１の機械圧縮比が最も低くなる。

なお、図３（ｂ）、（ｃ）の状態から圧縮比を低下させる場合には、ＥＣＵ１０はモータ５３を逆回転させて２本の偏心軸５００が図３中の矢印方向と逆方向へ回転するようにすればよい。

上述したような変位機構５及びアクチュエータ５０によれば、シリンダブロック２がシリンダ軸方向へ変位自在となり、それに応じて内燃機関１の機械圧縮比が自在に変更されることとなる。

ところで、上記したような変位機構５では、偏心軸５００の軸部５ａと可動軸受部５ｃとの接触部分や、可動軸受部５ｃと軸受収納孔８との接触部分などにおいて、油膜切れが発生する場合がある。そのような場合は、軸部５ａと可動軸受部５ｃとが固着し、又は可動軸受部５ｃと軸受収納孔８とが固着する可能性もある。特に、内燃機関１の機械圧縮比が高いときに上記した固着が発生すると、高負荷運転領域においてノッキングが発生する可能性がある。

そこで、本実施例の内燃機関の可変圧縮比システムは、図４に示すように、偏心軸５００において、カム部５ｂが取り付けられる部位（第１部位）と可動軸受部５ｃが取り付けられる部位（第２部位）との間にクラッチ機構５ｄを設けるようにした。

図５は、偏心軸５００の軸部５ａの断面図である。軸部５ａは、軸芯部５００ａの外周
に筒状の外筒５０１が取り付けられた二重構造となっている。外筒５０１は、カム部５ｂが取り付けられる第１筒部５０１ａと、可動軸受部５ｃが取り付けられる第２筒部５０１ｂと、に分離されている。なお、第１筒部５０１ａは軸芯部５００ａに固定され、第２筒部５０１ｂは軸芯部５００ａに対して周方向へ回転自在である。

第１筒部５０１ａにおいて、第２筒部５０１ｂと対向する面には、環状凹部５０２ａが形成されている。これに対し、第２筒部５０１ｂにおいて、第１筒部５０１ａと対向する端面には、前記した環状凹部５０２ａに挿入される環状凸部５０２ｂが形成されている。

環状凹部５０２ａの内周面の一部には、第１筒部５０１ａの径方向に延在する第１収納孔５０３ａが形成されている。第１収納孔５０３ａには、ピン５０４が進退自在に収納されるとともに、該ピン５０４を軸芯部５００ａに向かって付勢するバネ５０５が収納されている。

一方、環状凸部５０２ｂの外周面の一部には、第２筒部５０１ｂの径方向に延在する第２収納孔５０３ｂが形成されている。なお、軸部５ａの軸方向における第２収納孔５０３ｂの位置は、前記した第１収納孔５０３ａの位置に一致するように定められる。さらに、第２収納孔５０３ｂの深さとピン５０４の長さは、ピン５０４の先端部が第２収納孔５０３ｂの底部に接触したとき（すなわち、ピン５０４が第１収納孔５０３ａから最も突出したとき）に、ピン５０４の基端が第１収納孔５０３ａ内に位置するように定められる。

また、前記した第２収納孔５０３ｂには、オイル通路５０６が連通している。オイル通路５０６は、オイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）５０７に接続されている。オイルコントロールバルブ５０７は、図示しないオイルポンプから吐出されたオイルを前記第２収納孔５０３ｂへ供給する状態と、前記第２収納孔５０３ｂ内のオイルを図示しないオイルパンへリターンさせる状態と、を切り替えるバルブであり、ＥＣＵ１０によって制御される。

なお、環状凹部５０２ａと環状凸部５０２ｂとの間隙には、前記第２収納孔５０３ｂへ供給されたオイルが前記した間隙から外部へ漏れないように環状のオイルシール５０８，５０９が取り付けられている。

次に、クラッチ機構５ｄの動作について述べる。先ず、オイルコントロールバルブ５０７がリターン状態にあるときは、図５に示したように、ピン５０４がバネ５０５の付勢力を受けて第１収納孔５０３ａから突出するとともに、ピン５０４の突出部分が第２収納孔５０３ｂに挿入される。この場合、第１筒部５０１ａと第２筒部５０１ｂとは、ピン５０４によって連結された状態となる。すなわち、第１筒部５０１ａ及び第２筒部５０１ｂは、軸芯部５００ａと一体的に回転する。

一方、オイルコントロールバルブ５０７がオイル供給状態にあるときは、オイルの圧力がバネ５０５の付勢力に抗してピン５０４を第１収納孔５０３ａ側へ押圧する。その結果、図６に示すように、ピン５０４の先端が第２収納孔５０３ｂから抜けだした状態（好ましくは、ピン５０４全体が第１収納孔５０３ａに収容された状態）となる。その場合、第１筒部５０１ａと第２筒部５０１ｂとは分離した状態になる。すなわち、第１筒部５０１ａと第２筒部５０１ｂとは、互いに独立して回転することができる。そのため、可動軸受部５ｃと軸部５ａ（第２筒部５０１ｂ）とが固着した場合、又は可動軸受部５ｃと軸受収納孔８とが固着した場合であっても、シリンダブロック２とクランクケース３とが自在に相対変位可能となる。

このように、第１収納孔５０３ａ、第２収納孔５０３ｂ、ピン５０４、バネ５０５、オ
イル通路５０６、及びオイルコントロールバルブ５０７は、クラッチ機構５ｄを構成する。なお、図５，６に示した例では、ピン５０４が一つのみであるが、複数設けられるようにしてもよい。その場合、一つ当たりのピン５０４にかかる負荷が小さくなるため、ピン５０４の耐久性や信頼性を高めることができる。

以下、クラッチ機構５ｄの制御例について図７に沿って説明する。図７は、変位機構５又はアクチュエータ５０にフェイルが発生した場合にＥＣＵ１０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。この制御ルーチンは、ＥＣＵ１０のＲＯＭなどに予め記憶されているルーチンであり、ＥＣＵ１０によって周期的に実行される。

ＥＣＵ１０は、先ずＳ１０１において、偏心軸５００が回転不能な状態に陥っているか否かを判別する。この判別方法としては、モータ５３に対して駆動電流を印加しているにもかかわらず回転角センサ９の出力信号値が変化していない場合に、偏心軸５００が回転不能な状態に陥っていると判別する方法を例示することができる。

なお、クランクケース３に対するシリンダブロック２のリフト量を検出するリフトセンサが内燃機関１に取り付けられている場合は、回転角センサ９の出力信号値の代わりにリフトセンサの出力信号値を用いることもできる。また、内燃機関１が回転角センサ９に加えてリフトセンサも備えている場合は、双方の出力信号が変化しないことを条件に偏心軸５００が回転不能な状態に陥っていると判別するようにしてもよい。

ここで図７に戻り、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ１０１において肯定判定すると、Ｓ１０２へ進む。Ｓ１０２では、ＥＣＵ１０は、現時点における内燃機関１の圧縮比を取得する。例えば、ＥＣＵ１０は、回転角センサ９の出力信号値を圧縮比に換算してもよく、或いは回転角センサ９の出力信号値を圧縮比の相関値として用いてもよい。

Ｓ１０３では、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ１０２で取得された圧縮比が上限値を超えているか否かを判別する。上限値は、内燃機関１が高負荷運転されたときにノッキングを回避し得る圧縮比の最高値、又は最高値より若干低い値である。

前記Ｓ１０３において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０４へ進む。Ｓ１０４では、ＥＣＵ１０は、クラッチ機構５ｄを切り離すべくオイルコントロールバルブ５０７を制御する。具体的には、ＥＣＵ１０は、オイルコントロールバルブ５０７をオイル供給状態に制御する。

この場合、第１筒部５０１ａと第２筒部５０１ｂとが切り離されるため、第２筒部５０１ｂと可動軸受部５ｃとの固着や、可動軸受部５ｃと軸受収納孔８との固着が発生していても、シリンダブロック２とクランクケース３とが相対変位自在になる。その結果、シリンダブロック２が燃焼圧や圧縮圧力を受けて低圧縮比方向（上死点側）へ変位するため、ノッキングの発生を回避することが可能になる。

なお、前記したＳ１０１又はＳ１０３において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０５へ進み、クラッチ機構５ｄを連結状態に維持すべくオイルコントロールバルブ５０７を制御する。すなわち、ＥＣＵ１０は、オイルコントロールバルブ５０７がリターン状態となるように制御する。

以上述べたようにＥＣＵ１０が図７の制御ルーチンを実行することにより、本発明にかかる制御手段が実現される。

なお、本実施例では、本発明のクラッチ機構として、第１筒部５０１ａと第２筒部５０
１ｂとをピン５０４により連結／切離する構成を例に挙げたが、第１筒部５０１ａと第２筒部５０１ｂとの連結／切離を切り替えられる構成であれば如何なる構成であってもよい。

また、本実施例では、偏心軸５００を複数の部材で構成するとともに、それらの部材をクラッチ機構５ｄにより連結／切離する例について述べたが、図８に示すように、偏心軸５００の軸部５ａとウォームホイール５１ａ，５１ｂとを相互に独立して回転自在に組み付けるとともに、それら軸部５ａとウォームホイール５１ａ，５１ｂとをクラッチ機構により連結／切離することもできる。

図８に示す例では、バネ６０１の付勢力とオイル通路６０２からの油圧とによって進退駆動されるピン６００を軸部５ａに配置するとともに、前記ピン６００が進出したときに該ピン６００の先端部を収納する収納孔６０３をウォームホイール５１ａ，５１ｂに配置することによりクラッチ機構が構成される。その際、ピン６００の先端部と収納孔６０３とがテーパー状に形成すれば、軸部５ａとウォームホイール５１ａ，５１ｂとが結合されたときのガタツキを少なくすることができるとともに、ピン６００を収納孔６０３から抜けやすくすることもできる。

なお、軸部５ａとウォームホイール５１ａ，５１ｂとにスプラインを設け、それらスプラインと噛合するスプラインスリーブを前記したピン６００の代わりに進退させるようにしてもよい。その際、軸部５ａとウォームホイール５１ａ，５１ｂとの何れか一方のスプラインを直歯スプラインで形成し、他方のスプラインを僅かな捻れ角をもったヘリカルスプラインで形成すれば、軸部５ａとウォームホイール５１ａ，５１ｂとが結合されたときのガタツキを少なくすることができる。

１ 内燃機関
２ シリンダブロック
３ クランクケース
４ シリンダヘッド
５ 変位機構
５ａ 軸部
５ｂ カム部
５ｃ 可動軸受部
５ｄ クラッチ機構
６ カム収納孔
７ キャップ
８ 軸受収納孔
９ 回転角センサ
１０ ＥＣＵ
５０ アクチュエータ
５１ａ ウォームホイール
５１ｂ ウォームホイール
５２ａ ウォーム
５３ モータ
５００ 偏心軸
５００ａ 軸芯部
５０１ 外筒
５０１ａ 第１筒部
５０１ｂ 第２筒部
５０２ａ 環状凹部
５０２ｂ 環状凸部
５０３ａ 第１収納孔
５０３ｂ 第２収納孔
５０４ ピン
５０５ バネ
５０６ オイル通路
５０７ オイルコントロールバルブ
５０８，５０９ オイルシール
６００ ピン
６０１ バネ
６０２ オイル通路
６０３ 収納孔

Claims (3)

1. クランクケースとシリンダブロックとの間に配置された偏心軸と、
   前記偏心軸の回転位置を変更することによりシリンダブロックとクランクケースとの相対位置を変更するアクチュエータと、
   前記偏心軸においてシリンダブロック側の部材に接触しつつ動作する第１部位とクランクケース側の部材に接触しつつ動作する第２部位との連結／切離を切り替えるクラッチ機構と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比システム。
2. 請求項１において、前記偏心軸及び前記アクチュエータを含む駆動系のフェイルが検出されたときに、前記クラッチ機構を切り離す制御手段を更に備えることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比システム。
3. 請求項２において、前記制御手段は、フェイル発生時の圧縮比がノッキングを回避可能な圧縮比の上限値以下である場合はクラッチ機構の連結状態を維持し、フェイル発生時の圧縮比がノッキングを回避可能な圧縮比の上限値より高い場合は前記クラッチ機構を切り離すことを特徴とする内燃機関の可変圧縮比システム。

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