JP5182167B2 - 可変圧縮比機構 - Google Patents

Description

本発明は、ピストン上死点位置を変化させることで機関圧縮比を変化させる可変圧縮比機構に関する。

可変圧縮比機構として、ピストンとクランク軸とを複数のリンクで接続し、電動モータ等のアクチュエータにより複数のリンクの姿勢を変化させることでピストン上死点位置を変化させるものが知られている。このような可変圧縮比機構では、圧縮比可変応答性を高めるためにボールネジ等の高効率を持つ減速機が用いられる。

しかし、リンク姿勢をアクチュエータにより変化させる効率（正効率）が高いということは、これとは逆に、エンジン負荷がリンク姿勢を変化させる効率（逆効率）も高くなる。

このため、所望の圧縮比を保持する手段が必要となるが、モータにリンク姿勢保持用の駆動力を発生させることは、逆効率が高くなるほど消費エネルギの増大を招くので、省電力で保持可能な保持機構が望まれる。

そこで、特許文献１では、所望の圧縮比を保持するための機構として、アクチュエータがリンク姿勢を変化させる入力は伝達し、エンジン負荷がリンク姿勢を変化させようとする入力は遮断するクラッチ機構を設けている。

特開２００５−３０２３４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された構成では、保持機構として、構造が複雑なクラッチ機構を介在させることで、システムの大型化やコスト増大等という問題が生じてしまう。

そこで、本発明では、構造が複雑なクラッチ機構を介在させることなく、圧縮比を制御（変更）あるいは保持するのに適した可変圧縮比機構を提供することを目的とする。

本発明の可変圧縮比機構は、一端がピストンとピストンピンを介して連結されるアッパーリンクと、アッパーリンクの他端とアッパピンを介して連結され、かつクランクシャフトのクランクピンに連結されるロアリンクと、一端がコントロールピンを介してロアリンクに連結される第１コントロールリンクと、第１コントロールリンクの他端が揺動可能に連結される偏心軸を有しクランクシャフトと平行に配置される第１コントロールシャフトと、一端が前記第１コントロールシャフトの偏心部位と回転可能に連結されたリンクと、リンクの他端が回転可能に連結される偏心軸を有しクランクシャフトと平行に配置される第２コントロールシャフトと、を備え、低負荷時には高圧縮比、高負荷時には低圧縮比となるようにピストンの上死点位置を変化させる可変圧縮比機構である。そして、第１コントロールシャフトを回転させたときの第１コントロールシャフト偏心軸の作動角θ１が、第２コントロールシャフトを回転させたときの第２コントロールシャフト偏心軸の作動角θ２よりも小さい。

本発明によると、第１コントロールシャフトを介することで角度変化が減少する（減速する）ので、第２コントロールシャフトの圧縮比を駆動あるいは保持するトルクが相対的に小さくて済むとともに、最高圧縮比および最低圧縮比のときにセルフロックの効果を得ることができるので、構造が複雑なクラッチ機構を介在させることなく、圧縮比を制御しあるいは保持するのに適した可変圧縮比機構が提供される。

複リンク式可変圧縮比機構の概略構成図であり、（ａ）は最高圧縮比時、（ｂ）は最低圧縮比時の様子を表した図である。 第１コントロールシャフト主軸に作用する荷重について説明するための図である。 コントロールリンクの揺動角範囲を示す図である。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本実施形態に適用する複リンク式可変圧縮比機構の概略構成図であり、図１（ａ）は最高圧縮比時、図１（ｂ）は最低圧縮比時の様子を表した図である。なお、図１においては、可変圧縮比機構を駆動する機構及び設定した圧縮比を保持する保持機構については省略している。駆動する機構と保持機構は別々の機構であるか共通の機構であるかは問題ではなく、例えば１つのモータであっても構わない。

また、複リンク式可変圧縮比機構は、後述する複数のコントロールシャフト部分を除いて、その構成、圧縮比が変化するメカニズム及び圧縮比制御方法等は公知の複リンク式可変圧縮比機構（例えば特開２００２−１１５５７１号公報等）と同様なので、詳細な説明は省略する。

図1において、１はピストン、２はアッパーリンク、３はロアリンク、４はコントロールリンク、５はクランクシャフト、６は第１コントロールシャフト、７は第２コントロールシャフト、８は第１リンク、９は第２リンクである。なお、第１リンク８は、第１コントロールシャフト６の一部（一体）であって、第１コントロールシャフト６に対して相対回転するようなものではない。ワイヤーフレームで示した各図においては、見かけ上主軸６ａを中心に回転するリンクのように見えるので、以下の説明では便宜上第１リンクと称する。具体的には、コントロールリンク４と第１コントロールシャフト６との連結点である偏心軸６ｂと主軸６ａを結んだ線と、第２コントロールリンク９と第１コントロールシャフト６との連結点である連結ピン１２と主軸６ａを結んだ線と、で示されている。見かけ上リンクと称すものの、上述のように第１コントロールシャフト６そのものであって、必ずしもリンク状あるいはレバー状の部材である必要はなく、偏心軸６ｂや連結ピン１２は、第１コントロールシャフト６の主軸６ａから偏心して設けられた偏心ピンであって構わない。また、図１の本実施形態では、偏心軸６ａと連結ピン１２は主軸６ａを間に挟んで一直線上に並んでいるが、このような配置に限定されるものでもない。

ピストン１は、図示しないシリンダブロックのシリンダ内に往復動可能に収められている。第１コントロールシャフト６及び第２コントロールシャフト７はクランクシャフト５と略平行に気筒列方向に延びている。ロアリンク３はクランクシャフト５のクランクピン５ａに相対回転可能に連結されている。なお、クランクシャフト５は図中反時計回りに回転するものとする。

アッパーリンク２は、上端がピストンピン１ａに、下端がロアリンク３に、それぞれピストンピン１ａ、連結ピン１１を介して相対回転可能に連結されている。

コントロールリンク４は、上端がロアリンク３に連結ピン１０を介して、下端が第１コントロールシャフト６に、それぞれ相対回転可能に連結されている。なお、コントロールリンク４は第１コントロールシャフト６の主軸６ａから偏心した位置（偏心軸）６ｂに連結されている。

第２リンク９の一端は、第１リンク８（第１コントロールシャフト６の偏心部位）と相対回転可能に連結されている。第２リンク９の他端は、第２コントロールシャフト７の主軸７ａから偏心した位置（偏心軸）７ｂに相対回転可能に連結されている。なお、主軸７ａと偏心軸７ｂが一体となった第２コントロールシャフト７ではなく、主軸７ａを含むシャフトと偏心軸７ｂを含むシャフトを設け、主軸７ａと偏心軸７ｂを第３リンク１３で連結するような構成にしてもよい。

本実施形態では、第２コントロールシャフト７を図示しないアクチュエータによって駆動する。これにより、第２リンク９と第１リンク８を介して連結されている第１コントロールシャフト６は主軸６ａを中心として回転し、第１コントロールシャフト６にコントロールリンク４を介して連結されているロアリンク３は、クランクピン５ａを軸として傾き、ロアリンク３にアッパーリンク２を介して連結されるピストン１の位置が変化する。

第１コントロールシャフト６が図中反時計回りに回転すると、ロアリンク３はクランクピン５ａを軸として図中時計回りに回転し、これによりピストン１の上死点位置は下降し、ロアリンク３の図中時計回り方向の傾きが最大になったときに図１（ｂ）に示すように最低圧縮比となる。一方、第１コントロールシャフト６が図中時計回りに回転すると、ロアリンク３は図中反時計回りに回転してピストン１の上死点位置は上昇し、ロアリンク３の図中反時計回り方向の傾きが最大になったときに図１（ａ）に示すように最高圧縮比となる。

次に、各リンクの寸法、配置等（以下、これらをまとめて「リンクのジオメトリ」という）について説明する。

（その１）
圧縮比を変更する際の、第１コントロールシャフト６の偏心軸６ｂの、主軸６ａ回りの回転角（以下、偏心軸６ｂの作動角という）をθ１、同じく第２コントロールシャフト７の偏心軸７ｂの作動角をθ２とする。そして、偏心軸６ｂの作動角θ１が偏心軸７ｂの作動角θ２よりも小さくなるように、偏心軸６ｂ及び偏心軸７ｂの偏心量、第１リンク８及び第２リンク９の長さ、第１コントロールシャフト６及び第２コントロールシャフト７の配置等を設定する。

このような設定によれば、アクチュエータの駆動で生じる第２コントロールシャフト７の角度変化は、第１コントロールシャフト６で減少する（減速する）。従って、コントロールリンク４を伝わる荷重（燃焼荷重や慣性力）は第２コントロールリンクに減少して伝わるので、第２コントロールシャフト７の圧縮比を駆動あるいは保持するトルクが相対的に小さくて済む。そして同時に、作動角θ２を作動角θ１よりも大きくしたことで、最高圧縮比および最低圧縮比のときに第２コントロールシャフト７によるセルフロックの効果を得ることもできる。

ここで、コントロールリンク４の軸線（クランク軸方向で見たときの連結ピン１０と偏心軸６ｂを結んだ線）と偏心軸６ｂの偏心方向（偏心軸６ｂと軸心６ａを結んだ線の向き）がほぼ直角になっているのが望ましい。すなわち、コントロールリンク４から第１コントロールシャフト６の偏心軸６ｂに単位荷重が作用したときの、主軸６ａ回りのトルク（コントロールシャフトトルク）がより大きくなるようなジオメトリが望ましい。これは、以下の理由による。

第１コントロールシャフト６の作動角θ１は、第２コントロールシャフト７の作動角θ２に対して小さいため、コントロールリンク４の移動量が減少する。コントロールリンク４の軸線と偏心軸６ｂの偏心方向がほぼ直角になっていれば、作動角θ１が小さくても圧縮比を変化させるに十分なほどコントロールリンク４を移動させることができる。

また、主軸６ａ回りのトルクが大きくなると、図２に示すように、コントロールリンク４から第１コントロールシャフト６の偏心軸６ｂに荷重Ｆ１が作用したときの、第２リンク９から第１リンク８に作用する荷重Ｆ２も、より大きくなる。その結果、第１コントロールシャフト６の主軸６ａに作用する荷重Ｆ３もより大きくなり、主軸６ａの軸受け部でのフリクションが増大する。これにより、主軸６ａは回転しにくくなるので、所望の圧縮比を保持するためのアクチュエータの負荷を低減すること、またはアクチュエータを廃止することができる。

さらに、偏心軸６ｂの作動角θ１はより小さい方が望ましい。すなわち、圧縮比を変化させたときの、偏心軸６ｂの変化量は小さい方が望ましい。作動角θ１を小さくすると、圧縮比によらず、前述した荷重Ｆ２をより大きくすることができ、結果として荷重Ｆ３を大きくしてアクチュエータの負荷を低減すること、またはアクチュエータを廃止ができるからである。

また、偏心軸７ｂの作動角θ２がより１８０°に近く、かつ最高圧縮比状態及び最低圧縮比状態のときに、主軸７ａ及び偏心軸７ｂが第２リンク９の長手方向軸上に近づくようなジオメトリが望ましい。

このようなジオメトリにすることで、最高圧縮比及び最低圧縮比のときに、第２リンク９から第２コントロールシャフト７の偏心軸７ｂに荷重が作用しても、当該荷重による第２コントロールシャフト７の主軸回りの回転モーメントは小さくなる。つまり、第２コントロールシャフト７はより一層回転し難くなって、セルフロック状態がより強まる。このため、所望の圧縮比を保持するためのアクチュエータの負荷を低減することができる。

ところで、作動角θ１と作動角θ２を、例えばθ２／θ１＝１８０°／９０°のように設定すると、第１コントロールシャフト６と第２コントロールシャフト７の間の減速比が２になる。このため、第２コントロールシャフト７を回転させるアクチュエータ、例えばモータ、と第２コントロールシャフト７の間の減速機の減速比を、第１コントロールシャフト６と第２コントロールシャフト７の間の減速比が１の場合に比べて半減させることが可能となり、減速機を小型化することができる。

なお、第１コントロールシャフト６は、主軸６ａ部分と偏心軸６ｂ部分が一体に形成されたものでもよいが、丸棒と偏心スリーブを組み合わせる構成、つまり、丸棒のコントロールリンク４との連結部に偏心スリーブを配置することで、偏心軸６ｂを作る構成、であってもよい。作動角θ１を小さくしつつ、圧縮比の可変幅（偏心軸６ｂの移動量）を確保するためには、偏心量を増大させる必要があるので、偏心スリーブを用いる構成の方が望ましい。偏心量を増大させたときの強度の確保、第１コントロールシャフト６の製造容易化によるコスト低減、剛性確保による圧縮比変動の抑制等の面で、偏心スリーブを用いる構成の方が優れるからである。

（その２）
偏心軸６ｂの作動角度域を、コントロールリンク４から第１コントロールシャフト６の偏心軸６ｂに単位荷重が作用したときの第１コントロールシャフトトルクが、低圧縮比時よりも高圧縮比時の方が大きくなるように設定する。そして、第２コントロールシャフト７の作動角度域を、第２リンク９に単位荷重が作用したときの第２コントロールシャフトトルクが、低圧縮比時よりも高圧縮比時の方が大きくなるように設定する。

上記のような設定にすることで、低圧縮比時よりも高圧縮比時の方が、燃焼荷重が作用したときに第１、第２コントロールシャフト６、７を低圧縮比化方向に回転させるトルクが大きくなる。

このため、アクチュエータによる第２コントロールシャフト７の駆動に加えて、燃焼荷重による回転トルクが作用することにより、高圧縮比からの低圧縮比化応答速度が高まるので、高圧縮比低負荷状態から急加速する際のノッキングを回避することが可能となる。

また、上述したように荷重Ｆ１が大きいときは第１コントロールシャフト６の主軸６ａのフリクションが増大するので、アクチュエータまたは保持機構に作用する荷重が低減する。このため、高圧縮比を維持する場合のアクチュエータ等の圧力保持のための負荷を軽減することができる。また、荷重Ｆ１が小さいときは、主軸６ａのフリクショントルクも小さくなるので、アクチュエータの応答性を阻害することはない。

一方、最大燃焼荷重が作用する低圧縮比時には、第１、第２コントロールシャフト６、７ともコントロールシャフトトルクが小さくなる角度となるため、アクチュエータ等の圧力保持のための負荷が軽減する。

（その３）
第２コントロールシャフト７は、最大燃焼荷重が作用したときに、第２リンク９に引っ張り荷重が作用するような位置に配置する。

これにより、最大燃焼荷重が作用したときの第２リンク９の座屈を回避できるので、第２リンク９の小型・軽量化を図ることができる。なお、ピストン上死点近傍では、ピストンやリンクの慣性力が第２リンク９を圧縮する方向に作用するが、このときの荷重は、最大燃焼荷重作用時に比べれば十分に小さい。

また、荷重Ｆ１が作用した時の荷重Ｆ３が効果的に増大するようになっているので、小型・軽量化により第２リンク９の断面係数が小さくなると、燃焼荷重が作用したときの第２リンク９の弾性変形量、つまり圧縮比が低下する方向の変形量は増大する。しかし、この変形はアクチュエータの低圧縮比化応答性を補助する方向の変形であり、ノッキング回避に役立つ。

（その４）
コントロールリンク４から第１コントロールシャフト６の偏心軸６ｂに単位荷重が作用したときの、主軸６ａに作用する荷重Ｆ３が、高圧縮比時よりも低圧縮比時の方が大きくなるようなジオメトリを設定する。

低圧縮比時、つまり燃焼荷重が大きくなる高負荷時に、荷重Ｆ３が相対的に増大するようなジオメトリにすることで、圧縮比の保持性を向上させることができる。また、ノッキング回避のために高い低圧縮比化応答性が要求される高圧縮比時には、荷重Ｆ３は相対的に小さくなるので、主軸６ａのフリクション抵抗が低減し、低圧縮比化応答性が向上する。

（その５）
低圧縮比時及び高圧縮比時のいずれの場合でも、図３に示すコントロールリンク４の偏心軸６ｂを軸とした揺動範囲内で、機関運転中のいずれかの時期にコントロールリンク４と第２リンク９が平行になるようなジオメトリを設定する。

コントロールリンク４と第２リンク９が平行ということは、荷重Ｆ１と荷重Ｆ２の作用する方向が平行ということである。このため、荷重Ｆ１と荷重Ｆ２の大きさがそれぞれ一定の場合には、コントロールリンク４と第２リンク９が平行のときに、荷重Ｆ３が最も大きくなる。すなわち、荷重Ｆ３をより効果的に増大させて、アクチュエータ等による圧縮比の保持性能の向上を図ることができる。したがって、最大燃焼荷重が作用するタイミングとコントロールリンク４と第２リンク９が平行になるタイミングが一致することが望ましい。

しかし、最大燃焼荷重が作用するタイミングは運転条件によって異なるので、最大燃焼荷重が作用するタイミングとコントロールリンク４と第２リンク９が平行になるタイミングを常に一致させることは困難である。そこで、許容幅を設けて、コントロールリンク４の偏心軸６ｂを軸とした揺動範囲内で、いずれかのタイミングで平行になればよいものとする。

そして、高圧縮比時の最大燃焼荷重作用時よりも、低圧縮比時の最大燃焼荷重作用時の方が、コントロールリンク４と第２リンク９が平行に近づくように設定する。これによって、より大きな燃焼荷重が作用する低圧縮比時に、荷重Ｆ３を大きくすることで主軸６ａのフリクションを増大させて、アクチュエータ等の保持性の向上を図ることができる。低負荷時に高圧縮比に保持する場合は、低圧縮比時に比べてアクチュエータ等に要求される保持力も小さいため、主軸６ａのフリクションによる圧縮比保持の補助が小さくても、アクチュエータ等により十分保持可能である。

以上により本実施形態では、次のような効果が得られる。

（１）第１コントロールシャフト偏心軸６ｂの主軸６ａ回りの作動角度域が、コントロールリンク４から第１コントロールシャフト偏心軸６ｂに単位荷重が作用したときの第１コントロールシャフトトルクを最大にする角度を含み、第１コントロールシャフト偏心軸６ｂの作動角θ１が、第２コントロールシャフト偏心軸７ｂの作動角θ２よりも十分小さくなるように、各リンク等のジオメトリを設定するので、圧縮比によらず第１コントロールシャフト主軸６ａの軸受け部でのフリクションを大きくできる。その結果、圧縮比を保持するのに要する負荷を低減できる。

（２）第１コントロールシャフト偏心軸６ｂの作動角度域は、コントロールリンク４から第１コントロールシャフト偏心軸６ｂに単位荷重が作用したときの第１コントロールシャフトトルクが、低圧縮比時よりも高圧縮比時の方が大きくなるように設定され、かつ、第２コントロールシャフト偏心軸７ｂの作動角度域は、第２リンク９から第２コントロールシャフト偏心軸７ｂに単位荷重が作用したときの第２コントロールシャフトトルクが、低圧縮比時よりも高圧縮比時の方が大きくなるように設定されるので、高圧縮比からの低圧縮比化応答速度を高めることができる。このため、例えば高圧縮比低負荷状態からの急加速時に、ノッキングを回避することができる。

（３）第２コントロールシャフト７は、ピストン１に燃焼荷重が作用したときに第２リンク９に引張り方向荷重が作用する位置に配置されるので、第２リンクの小型・軽量化を図ることができる。

（４）第１コントロールシャフト主軸６ａに作用する荷重が、高圧縮比時よりも低圧縮比時の方が大きくなるように、第１コントロールシャフト偏心軸６ｂの主軸６ａ回りの作動角度域及び第２コントロールシャフト偏心軸７ｂの主軸７ａ回りの作動角度域が設定されるので、低圧縮比時の圧縮比保持性能を確保しつつ、ノッキング回避のための低圧縮比化応答性を高めることができる。

（５）コントロールリンク４の揺動範囲は、機関運転中のいずれかの時期にコントロールリンク４と第２リンク９が平行になるように設定されるので、第１コントロールシャフト主軸６ａに作用する荷重Ｆ３を効果的に増大させることができ、圧縮比保持性能を向上させることができる。

（６）高圧縮比時に最大燃焼荷重が作用する時よりも、低圧縮比時に最大燃焼荷重が作用する時の方が、コントロールリンク４と第２リンク９が平行に近づくように設定されるので、より大きな燃焼荷重が作用する低圧縮比時に第１コントロールシャフト主軸６ａにおけるフリクションを増大させて、圧縮比保持性能を向上させることができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

１ ピストン
２ アッパーリンク
３ ロアリンク
４ コントロールリンク
５ クランクシャフト
６ 第１コントロールシャフト
７ 第２コントロールシャフト
８ 第１リンク
９ 第２リンク

Claims (8)

1. 一端がピストンとピストンピンを介して連結されるアッパーリンクと、
   前記アッパーリンクの他端とアッパピンを介して連結され、かつクランクシャフトのクランクピンに連結されるロアリンクと、
   一端がコントロールピンを介して前記ロアリンクに連結されるコントロールリンクと、
   前記コントロールリンクの他端が揺動可能に連結される偏心軸を有し前記クランクシャフトと平行に配置される第１コントロールシャフトと、
   一端が前記第１コントロールシャフトの偏心部位と回転可能に連結されたリンクと、
   前記リンクの他端が回転可能に連結される偏心軸を有し前記クランクシャフトと平行に配置される第２コントロールシャフトと、
   第２コントロールシャフトを回転させるアクチュエータと、
   を備え、
   低負荷時には高圧縮比、高負荷時には低圧縮比となるように前記ピストンの上死点位置を変化させる可変圧縮比機構であって、
   前記第１コントロールシャフトを回転させたときの前記第１コントロールシャフト偏心軸の作動角θ１が、前記第２コントロールシャフトを回転させたときの前記第２コントロールシャフト偏心軸の作動角θ２よりも小さいことを特徴とする可変圧縮比機構。
2. 第１コントロールシャフト偏心軸の主軸周りの作動角度域が、コントロールリンクの軸線とコントロールリンクの他端が揺動可能に連結される偏心軸の偏心方向がほぼ直角になる角度を含むことを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比機構。
3. 第１コントロールシャフト偏心軸の主軸回りの作動角度域が、前記コントロールリンクから前記第１コントロールシャフト偏心軸に単位荷重が作用したときの前記第１コントロールシャフト主軸回りのトルクである第１コントロールシャフトトルクを最大にする角度を含むことを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比機構。
4. 前記第１コントロールシャフト偏心軸の作動角度域は、前記コントロールリンクから前記第１コントロールシャフト偏心軸に単位荷重が作用したときの前記第１コントロールシャフトトルクが、低圧縮比時よりも高圧縮比時の方が大きくなるように設定され、
   かつ、第２コントロールシャフト偏心軸の作動角度域は、前記リンクから前記第２コントロールシャフト偏心軸に単位荷重が作用したときの前記第２コントロールシャフト偏心軸回りのトルクである第２コントロールシャフトトルクが、低圧縮比時よりも高圧縮比時の方が大きくなるように設定されることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比機構。
5. 前記第２コントロールシャフトは、前記ピストンに燃焼荷重が作用したときに前記リンクに引張り方向荷重が作用する位置に配置されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の可変圧縮比機構。
6. 前記コントロールリンクから前記第１コントロールシャフト偏心軸に単位荷重が作用したときに前記第１コントロールシャフト主軸に作用する荷重が、高圧縮比時よりも低圧縮比時の方が大きくなるように、前記第１コントロールシャフト偏心軸の主軸回りの作動角度域及び前記第２コントロールシャフト偏心軸の主軸回りの作動角度域が設定されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の可変圧縮比機構。
7. 前記コントロールリンクの前記第１コントロールシャフト偏心軸を軸とする揺動範囲は、機関運転中のいずれかの時期に前記コントロールリンクと前記リンクが平行になるように設定されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の可変圧縮比機構。
8. 高圧縮比時に前記ピストンに最大燃焼荷重が作用する時よりも、低圧縮比時に前記ピストンに最大燃焼荷重が作用する時の方が、前記コントロールリンクと前記リンクが平行に近づくことを特徴とする請求項７に記載の可変圧縮比機構。

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