JP6020330B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関する。

内燃機関の燃焼室では、空気および燃料の混合気が圧縮された状態で点火される。混合気を圧縮するときの圧縮比は、内燃機関の出力および燃料消費量に影響を与えることが知られている。圧縮比を高くすることにより出力されるトルクを大きくすることができて、熱効率の向上を図ることができる。ところが、圧縮比を高くしすぎると、ノッキング等の異常燃焼が生じることが知られている。従来の技術においては、運転期間中に圧縮比を変更する内燃機関が知られている。運転期間中に圧縮比を変更する可変圧縮比機構としては、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積を変更する機構を採用することが知られている。

特開２００５−２１４０８８号公報には、往復操作子を進退動作させることによりピストンが上死点に到達したときの位置を変更することができる可変圧縮比エンジンが開示されている。この可変圧縮比エンジンは、アクチュエータ機構により圧縮比が変更される。アクチュエータ機構は、ボールねじと、モータの回転をボールねじのナットに伝達する回転伝達系と、回転伝達系に介在させたクラッチとを備える。この公報には、モータの駆動が入力される入力部材からナットへの回転を伝達するが、ナットから入力部材への回転の伝達を遮断する逆入力制限型のクラッチを採用することが開示されている。

また、特開２００７−２３９５２０号公報においては、シリンダ内を往復動するピストンとクランクシャフトのクランクピンとを連係するリンク列と、駆動部により回転位置が変更される制御軸と、この制御軸とリンク列とを連係する制御リンクとを有し、制御軸の回転位置に応じてピストン行程が変化する内燃機関の可変圧縮比装置が開示されている。この可変圧縮比装置には、駆動部から制御軸への動力伝達経路に、制御軸から駆動部への逆入力を遮断するクラッチを介装することが開示されている。

特開２０１０−２５５４５３号公報においては、クランクケースに対してシリンダブロックを昇降させる可変圧縮比内燃機関が開示されている。この内燃機関では、シリンダブロックを昇降させる動力伝達を受ける扇形のウォームホイールと、ウォームホイールの扇形側面に設けられるストッパピンと、ウォームホイールが機械圧縮比の可変範囲端に回動する位置でストッパピンと突き当たる突き当て板とを備え、伝達歯車の許容回動範囲を超えた回動を阻止することが開示されている。

特開２００７−０５６８３６号公報においては、シリンダブロックが相対移動可能に取り付けられたクランクケースを含む可変圧縮比内燃機関において、シリンダブロックを駆動する扇型ギアの回転方向に配置され、扇型ギアに当接することにより扇型ギアの回転範囲を規制するストッパを備えることが開示されている。

特開２００５−２１４０８８号公報 特開２００７−２３９５２０号公報 特開２０１０−２５５４５３号公報 特開２００７−０５６８３６号公報

ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積を変更する可変圧縮比機構を備える内燃機関では、燃料が燃焼すると、燃焼室の圧力、すなわち筒内圧が上昇する。筒内圧が上昇すると、燃焼室を構成する部材に対して燃焼室の容積が大きくなる方向に力が作用し、可変圧縮比機構に作用する力も増大する。この力は、燃焼室の容積を変更する機構を駆動するモータに伝達される虞がある。このために、可変圧縮比機構には、筒内圧による回転力がモータに伝達されないように、筒内圧による回転力を遮断する逆入力遮断クラッチを配置することが知られている。逆入力遮断クラッチは、筒内圧により生じる回転力を遮断するロック機能を有する。機械圧縮比を変更する場合には、このロック機能を解除した上で燃焼室の容積を変更している。

ところで、クランクケースに対してシリンダブロックを相対移動させることにより、燃焼室の容積を変更する可変圧縮比機構では、運転期間中のシリンダブロックの振動を抑制するためにクランクケースに対してシリンダブロックがスプリング等により常に付勢されている。このために、内燃機関を停止している状態でも、逆入力遮断クラッチの出力軸に回転力が加わっており、クラッチはロック状態が維持される。

クラッチのロック機能を達成している部材同士は、シリンダブロックに加わる付勢力が作用して、互いに圧接した状態が維持される。このために、内燃機関を長期間停止すると、クラッチのロック機能を達成している部材同士の当接面において潤滑油切れが生じて、金属で形成された部材同士が接触する虞がある。潤滑油が不足すると、再始動したときに金属で形成された部材に剥離等の損傷が生じる虞がある。

本発明は、クラッチの損傷を抑制する可変圧縮比機構を備える内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関は、クランクケースを含む支持構造物および燃焼室を有するシリンダブロックを含む機関本体と、支持構造物に対するシリンダブロックの相対位置を変更することにより機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構とを備える。可変圧縮比機構は、支持構造物とシリンダブロックとの間に介在し、偏心軸を含むシャフトと、シャフトを回転させる駆動装置と、支持構造物から離れる向きにシリンダブロックを付勢する付勢部材と、機械圧縮比を低下したときにシャフトの回転を予め定められた位置にて停止させる回転止め部とを含む。駆動装置は、回転機と、回転機の回転力をシャフトに伝達する駆動力伝達経路に配置されているクラッチとを含む。クラッチは、支持構造物に対してシリンダブロックが離れる向きに対応する回転方向の回転力が出力軸に加わると、入力軸への回転力の伝達を遮断するように形成されている。内燃機関を停止する時には、機械圧縮比を低下させて回転止め部によりシャフトの回転が停止するまで機械圧縮比を低下させ、クラッチの回転力の伝達の遮断が解除された状態にして停止する。

上記発明においては、機関本体の運転期間中に変更する機械圧縮比の変更領域が設定されており、回転止め部は、変更領域よりも機械圧縮比が低い位置にてシャフトの回転を停止させることができる。

上記発明においては、クラッチは、外輪と、外輪の内部に配置され、シャフトに回転力を伝達する出力軸と、外輪と出力軸との間の空間に配置されたローラとを含み、上記空間には、支持構造物に対してシリンダブロックが離れる時に外輪に対して出力軸が回転する方向と逆の方向に沿って徐々に狭くなる係止部が形成されており、ローラは、出力軸に回転力が加わると係止部に係止し、入力軸への回転力の伝達を遮断することができる。

本発明によれば、クラッチの損傷を抑制する可変圧縮比機構を備える内燃機関を提供することができる。

実施の形態における内燃機関の概略全体図である。 実施の形態における可変圧縮比機構の概略分解斜視図である。 実施の形態における機械圧縮比の変更を説明する可変圧縮比機構の第１の概略断面図である。 実施の形態における機械圧縮比の変更を説明する可変圧縮比機構の第２の概略断面図である。 実施の形態における機械圧縮比の変更を説明する可変圧縮比機構の第３の概略断面図である。 実施の形態におけるクラッチの第１の概略断面図である。 実施の形態におけるクラッチの第２の概略断面図である。 実施の形態における機械圧縮比を低下するときのクラッチの第１の概略断面図である。 実施の形態における機械圧縮比を低下するときのクラッチの第２の概略断面図である。 実施の形態における機械圧縮比を上昇するときのクラッチの概略断面図である。 実施の形態における偏心軸角度に対する出力軸に加わる逆入力トルクのグラフである。 機関本体の運転期間中における機械圧縮比の変更領域を説明する図である。 実施の形態におけるウォームおよびウォームホイールの部分の第１の概略正面図である。 実施の形態におけるウォームおよびウォームホイールの部分の第２の概略正面図である。 実施の形態における内燃機関の運転制御のフローチャートである。

図１から図１５を参照して、実施の形態における内燃機関について説明する。本実施の形態においては、車両に取り付けられている火花点火式の内燃機関を例示して説明する。本実施の形態における内燃機関は、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備える。

図１は、実施の形態における内燃機関の概略図である。内燃機関は、機関本体９０を備える。機関本体９０は、クランクケース１を含む支持構造物を含む。支持構造物は、クランクシャフトを支持するように形成されている。機関本体９０は、シリンダブロック２およびシリンダヘッド３を含む。シリンダブロック２の内部に形成された穴部には、ピストン４が配置されている。燃焼室５の頂面の中央部には、点火栓６が配置されている。本発明においては、任意のピストン４の位置において、ピストン４の冠面、シリンダブロック２の穴部およびシリンダヘッド３に囲まれる空間を燃焼室と称する。

シリンダヘッド３には、吸気ポート８および排気ポート１０が形成されている。吸気ポート８の端部には吸気弁７が配置されている。吸気弁７は、吸気カム４９が回転することにより開閉する。排気ポート１０の端部には、排気弁９が配置されている。吸気ポート８は、吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結されている。吸気枝管１１には夫々対応する吸気ポート８内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁１３が配置されている。なお、燃料噴射弁１３は吸気枝管１１に取付ける代りに、各燃焼室５に直接的に燃料を噴射するように配置されていても構わない。

サージタンク１２は、吸気ダクト１４を介してエアクリーナ１５に連結されている。吸気ダクト１４の内部にはアクチュエータ１６によって駆動されるスロットル弁１７が配置されている。また、吸気ダクト１４の内部には、例えば熱線を用いた吸入空気量検出器１８が配置されている。一方、排気ポート１０は、排気マニホールド１９を介して例えば三元触媒を内蔵した触媒装置２０に連結されている。排気マニホールド１９には空燃比センサ２１が配置されている。

本実施の形態における内燃機関は、ピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を変更可能な可変圧縮比機構Ａを備える。可変圧縮比機構Ａは、クランクケース１に対するシリンダブロック２のシリンダ軸線方向における相対位置を変化させるように形成されている。クランクケース１とシリンダブロック２との間には、付勢部材としてのリフトスプリング６５が配置されている。リフトスプリング６５は、クランクケース１から離れる向きにシリンダブロック２を付勢するように形成されている。なお、付勢部材としては、この形態に限られず、クランクケース１から離れる向きにシリンダブロック２を付勢する任意の部材を採用することができる。

クランクケース１とシリンダブロック２には、クランクケース１に対するシリンダブロック２の相対位置を検出するための相対位置センサ２２が取付けられている。相対位置センサ２２からはクランクケース１とシリンダブロック２との間隔の変化を示す出力信号が出力される。スロットル弁駆動用のアクチュエータ１６にはスロットル弁開度を示す出力信号を発生するスロットル開度センサ２４が取付けられている。

本実施の形態における内燃機関の制御装置は、電子制御ユニット３０を含む。本実施の形態における電子制御ユニット３０は、デジタルコンピュータを含む。デジタルコンピュータは、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を含む。

吸入空気量検出器１８、空燃比センサ２１、相対位置センサ２２およびスロットル開度センサ２４の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。負荷センサ４１の出力により要求負荷を検出することができる。更に、入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続されている。クランク角センサ４２の出力により、クランク角度および機関回転数を検出することができる。

一方、出力ポート３６は、対応する駆動回路３８を介して点火栓６、燃料噴射弁１３、スロットル弁駆動用のアクチュエータ１６、および可変圧縮比機構Ａに接続される。これらの装置は、電子制御ユニット３０により制御されている。

図２に、本実施の形態における可変圧縮比機構の分解斜視図を示す。図３に本実施の形態における可変圧縮比機構の第１の概略断面図を示す。図２および図３を参照して、シリンダブロック２の両側壁の下方には互いに間隔を隔てた複数個の突出部５０が形成されている。各突出部５０には断面形状が円形のカム挿入孔５１が形成されている。一方、クランクケース１の上壁には互いに間隔を隔てて、突出部５０同士の間に嵌合される複数個の突出部５２が形成されている。これらの突出部５２にも断面形状が円形のカム挿入孔５３が形成されている。

本実施の形態における可変圧縮比機構は、一対のカムシャフト５４，５５を含む。カムシャフト５４，５５は、クランクケース１とシリンダブロック２との間に介在する。各カムシャフト５４，５５上には、一つおきに各カム挿入孔５３内に回転可能に挿入される円形カム５８が配置されている。これらの円形カム５８は各カムシャフト５４，５５の回転軸線と共軸をなす。一方、各円形カム５８の両側には、図３に示すように各カムシャフト５４，５５の回転軸線に対して偏心して配置された偏心軸５７が延びている。この偏心軸５７には、別の円形カム５６が偏心して回転可能に取付けられている。図２に示されるように、円形カム５６は、各円形カム５８の両側に配置されている。これらの円形カム５６は対応する各カム挿入孔５１に回転可能に挿入されている。シリンダブロック２は、偏心軸５７を含むカムシャフト５４，５５を介して、クランクケース１に支持されている。

図４に、本実施の形態における可変圧縮比機構の第２の概略断面図を示す。図５に、本実施の形態における可変圧縮比機構の第３の概略断面図を示す。図３から図５は、通常運転において機械圧縮比を変更するときの可変圧縮比機構の機能を説明する断面図である。図３に示す状態から各カムシャフト５４，５５上に配置された円形カム５８を矢印６８に示すように、互いに反対方向に回転させると偏心軸５７が互いに近づく方向に移動する。偏心軸５７は、それぞれのカムシャフト５４，５５の回転軸線の周りに回転する。シリンダブロック２は、矢印９９に示すようにクランクケース１から離れる向きに移動する。このときに円形カム５６は、カム挿入孔５１内において円形カム５８とは反対方向に回転し、図４に示されるように偏心軸５７が低い位置から中間高さ位置となる。次いで更に円形カム５８を矢印６８で示される方向に回転させると、シリンダブロック２は、矢印９９に示すように更にクランクケース１から離れる向きに移動する。この結果、図５に示されるように偏心軸５７は最も高い位置となる。

図３から図５には、それぞれの状態における円形カム５８の中心ａと偏心軸５７の中心ｂと円形カム５６の中心ｃとの位置関係が示されている。図３から図５を比較するとわかるように、クランクケース１とシリンダブロック２の相対位置は円形カム５８の中心ａと円形カム５６の中心ｃとの距離によって定まる。円形カム５８の中心ａと円形カム５６の中心ｃとの距離が大きくなるほど、シリンダブロック２はクランクケース１から離れる。即ち、可変圧縮比機構Ａは回転するカムを用いたリンク機構によりクランクケース１とシリンダブロック２との間の相対位置が変化する。

シリンダブロック２がクランクケース１から離れると、ピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積は増大する。シリンダブロック２がクランクケース１に近づくと、ピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積は減少する。従って各カムシャフト５４，５５を回転させることによってピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を変更することができる。

本実施の形態における可変圧縮比機構は、燃焼室５の容積を変更するための偏心軸５７を回転させる駆動装置を含む。図２に示されるように、駆動装置は、回転機としてのモータ５９、クラッチ７０、ウォーム６１，６２およびウォームホイール６３，６４等を含む。回転軸６０には、カムシャフト５４，５５を夫々反対方向に回転させるように、螺旋方向が逆向きの一対のウォーム６１，６２が取付けられている。ウォーム６１，６２と噛合するウォームホイール６３，６４が夫々各カムシャフト５４，５５の端部に固定されている。なお、駆動装置の回転機としては、モータ５９に限られず、クラッチ７０の入力軸を回転させることができる任意の装置を採用することができる。

本実施の形態では、モータ５９を駆動することによってピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を広い範囲に亘って変更することができる。可変圧縮比機構は、電子制御ユニット３０に制御されており、カムシャフト５４，５５を回転させるモータ５９は、対応する駆動回路３８を介して出力ポート３６に接続されている。

このように、本実施の形態における可変圧縮比機構は、クランクケース１に対してシリンダブロック２が相対的に移動することにより、ピストンが上死点に到達したときの燃焼室５の容積が可変に形成されている。本実施の形態においては、下死点から上死点までのピストンの行程容積とピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積のみから定まる圧縮比を機械圧縮比と称する。機械圧縮比は、吸気弁の閉弁時期等に依存せずに、（機械圧縮比）＝（ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積＋ピストンの行程容積）／（ピストンが上死点に到達したときの燃焼室の容積）にて示すことができる。

図３に示す状態では、燃焼室５の容積が小さくなっており、機械圧縮比が高い状態である。吸入空気量が常時一定の場合には実際の圧縮比が高くなる。これに対して、図５に示す状態では、燃焼室５の容積が大きくなっており、機械圧縮比が低い状態である。吸入空気量が常時一定の場合には実際の圧縮比が低くなる。

本実施の形態における内燃機関は、運転期間中に機械圧縮比を変更することにより、実際の圧縮比を変更することができる。内燃機関の運転状態に応じて、可変圧縮比機構により機械圧縮比を変更することができる。たとえば、要求負荷が大きくなるほど、吸入空気量が多くなりノッキング等の異常燃焼が生じやすくなる。このために、予め定められた運転領域において、要求負荷が大きくなるほど機械圧縮比を低下させる制御を行うことができる。

図３から図５を参照して、偏心軸５７は、カムシャフト５４，５５の回転軸、すなわち円形カム５８の回転軸を中心に回転する。機械圧縮比を低下させる場合には、偏心軸５７を矢印６８に示す向きに回転させる。機械圧縮比を上昇させる場合には、偏心軸５７を矢印６９に示す向きに回転させる。

本実施の形態においては、クランクケース１に対してシリンダブロック２を離す向きに相対移動させるときの偏心軸５７の回転方向を、一方の回転方向と称する。また、クランクケース１に対してシリンダブロック２を近づける向きに相対移動させるときの偏心軸５７の回転方向を他方の回転方向と称する。本実施の形態においては、矢印６８が一方の回転方向であり、矢印６９が他方の回転方向である。

図２を参照して、本実施の形態における可変圧縮比機構は、モータ５９の回転力（トルク）をカムシャフト５４，５５に伝達する駆動力伝達経路に配置されているクラッチ７０を含む。本実施の形態におけるクラッチ７０は、入力側がモータ５９の回転力を伝達する回転軸６６に接続され、出力側がウォーム６１，６２を支持する回転軸６０に接続されている。

本実施の形態におけるクラッチ７０は、いわゆる逆入力遮断クラッチである。本実施の形態における逆入力遮断クラッチは、入力軸からの回転力を出力軸に伝達し、出力軸からの回転力を遮断するように形成されている。すなわち、クラッチ７０は、モータ５９から伝達される回転軸６６の回転力はウォーム６１，６２に伝達し、ウォーム６１，６２から伝達される回転軸６０の回転力は遮断して、モータ５９に伝達しない構造を有する。

図６に、本実施の形態におけるクラッチ７０の第１の概略断面図を示す。図７に、本実施の形態におけるクラッチ７０の第２の概略断面図を示す。図７は、図６におけるＸ線に沿って切断したときの概略断面図である。図６および図７を参照して、本実施の形態のクラッチ７０は、外輪７７を含む。外輪７７は、ねじ８５によりハウジング７８に固定されている。外輪７７は、クラッチ７０が駆動している期間中にも移動せずに固定されている。

クラッチ７０は、外輪７７の内部に配置されている出力軸７４を有する。出力軸７４は、ウォーム６１，６２が固定されている回転軸６０に接続されている。出力軸７４は、回転中心軸８８を回転中心にして回転する。出力軸７４は、穴部７５を有する。穴部７５は、出力軸７４が回転する周方向に沿って複数個が形成されている。本実施の形態における出力軸７４は、断面形状が多角形に形成されている。図６に示す例では、出力軸７４は、断面形状が正八角形に形成されている。

クラッチ７０は、入力軸７１を含む。入力軸７１は、回転中心軸８８を回転中心にして回転する。入力軸７１は、モータ５９の回転力を伝達する回転軸６６に接続されている。入力軸７１は、挿入部７２と保持部７３とを有する。挿入部７２および保持部７３は、一体的に回転する。

複数の挿入部７２は、出力軸７４の複数の穴部７５に対応する位置に形成されている。挿入部７２は、出力軸７４の穴部７５に挿入されている。穴部７５の内径は挿入部７２の外径よりも大きくなるように形成されている。挿入部７２と穴部７５との間には隙間が形成されている。複数の保持部７３は、外輪７７と出力軸７４との間に配置されている。また、保持部７３はローラ８０ａ，８０ｂに対向し、偏心軸５７が一方の回転方向に回転する向きに入力軸７１が回転したときにローラ８０ａを押圧し、偏心軸５７が他方の回転方向に回転する向きに入力軸７１が回転したときにローラ８０ｂを押圧するように形成されている。

出力軸７４と外輪７７との間の空間には、ローラ８０ａ，８０ｂが配置されている。本実施の形態におけるローラ８０ａ，８０ｂは円柱状に形成されている。ローラ８０ａとローラ８０ｂとの間には、スプリング８１が配置されている。スプリング８１は、ローラ８０ａ，８０ｂを互いに離す向きに付勢する。

出力軸７４と外輪７７とにより、ローラ８０ａ，８０ｂを係止させるための係止部８６ａ，８６ｂが形成される。係止部８６ａ，８６ｂは、出力軸７４の回転方向に沿って出力軸７４の外面と外輪７７の内面との間隔が徐々に狭くなっている部分である。また、また、係止部８６ａ，８６ｂは、ローラ８０ａ，８０ｂが通過しないように狭く形成されている。

図２を参照して、本実施の形態におけるクラッチ７０は、モータ５９とウォーム６２との間に配置されているが、この形態に限られず、モータ５９の回転力をカムシャフト５４，５５に伝達する駆動力伝達経路に配置することができる。例えば、クラッチ７０は、ウォームホイール６３，６４と、カムシャフト５４，５５との間に配置されていても構わない。この場合には、それぞれのカムシャフト５４，５５に対してクラッチを配置することができる。

次に、本実施の形態おけるクラッチ７０の動作について説明する。本実施の形態におけるクラッチ７０は、モータ５９の回転力が入力軸７１に入力されると、この回転力を出力軸７４に伝達する。一方で、クラッチ７０は、カムシャフト５４，５５の側からの回転力が出力軸７４に伝達されると、ロックされてこの回転力を遮断する。特に、クラッチ７０は、偏心軸５７が一方の回転方向に回転する向きにてウォーム６１，６２から回転力が伝達されると、この回転力を遮断する。

図１を参照して、本実施の形態においては、リフトスプリング６５によって、シリンダブロック２がクランクケース１から離れる向きに付勢されている。内燃機関の運転期間中には、重力の影響や燃焼サイクルの吸気行程において燃焼室５が負圧になる影響により、クランクケース１に対してシリンダブロック２が近づく向きに力が作用する。しかしながら、リフトスプリング６５が配置されることにより、クランクケース１に対してシリンダブロック２が離れる向きに常に付勢され、シリンダブロック２に振動等が生じることを抑制できる。更に、燃焼室５において燃料の燃焼が行なわれごとに、筒内圧によりクランクケース１に対してシリンダブロック２が離れる方向に力が作用する。

シリンダブロック２がクランクケース１から離れる向きの回転力は、カムシャフト５４，５５、ウォームホイール６３，６４およびウォーム６１，６２を介してクラッチ７０に伝達される。図６を参照して、矢印１００は、クランクケース１に対してシリンダブロック２が上昇する方向に対応する方向である。すなわち、機械圧縮比が小さくなり、ピストン４が上死点に到達したときの燃焼室５が大きくなる回転方向を示している。シリンダブロック２にはクランクケース１に対して離れる方向に常に力が加わり、出力軸７４には矢印１００に示す向きに力が加わっている。

ローラ８０ａは、スプリング８１に押圧されて係止部８６ａに接触している。このために、ローラ８０ａに楔の効果が生じて、外輪７７に対する出力軸７４の回転が阻止され、出力軸７４がロックされる。このように、クラッチ７０は、クランクケース１に対してシリンダブロック２が離れる方向に対応する出力側からの回転力を遮断することができる。また、同様に、矢印１００と反対向きの回転力が出力軸７４に加わった場合には、ローラ８０ｂが係止部８６ｂに接触して出力軸７４がロックされる。この様に、クラッチ７０は、モータ５９を駆動しない場合に、ローラ８０ａ，８０ｂが係止部８６ａ，８６ｂに係止して出力軸７４をロックする。

図８は、機械圧縮比を低下させるときの動作を説明するクラッチ７０の第１の概略断面図である。機械圧縮比を低下させる場合には、クランクケース１に対してシリンダブロック２を離す向きに移動させる。モータ５９を駆動することにより、入力軸７１の挿入部７２は、矢印１０１に示す向きに回転する。挿入部７２が穴部７５の内面に接触する前に、保持部７３がローラ８０ａに接触する。

図９は、機械圧縮比を低下させるときの動作を説明するクラッチ７０の第２の概略断面図である。入力軸７１を更に回転させることにより、保持部７３がローラ８０ａを押圧する。ローラ８０ａは、係止部８６ａから離れる。すなわち、ローラ８０ａのくさび効果が消失する。このため、出力軸７４は、ロック状態が解除され、外輪７７に対して矢印１０１に示す方向に回転可能になる。入力軸７１の挿入部７２が、矢印１０１に示す向きに回転することにより、挿入部７２が出力軸７４の穴部７５を押圧し、出力軸７４を回転させることができる。このときに、出力軸７４は、ローラ８０ｂが係止部８６ｂから離脱する向きに回転するためにローラ８０ｂによるロック状態も解除される。

図１０は、機械圧縮比を上昇させるときの動作を説明するクラッチ７０の概略断面図である。機械圧縮比を上昇させる場合には、クランクケース１に対してシリンダブロック２を近づける向きに移動させる。モータ５９を駆動することにより、入力軸７１の挿入部７２および保持部７３を、矢印１０２に示す向きに回転させる。

入力軸７１の挿入部７２および保持部７３を矢印１０２に示す向きに回転させることにより、保持部７３がローラ８０ｂを押圧する。ローラ８０ｂが係止部８６ｂから離脱してローラ８０ｂのくさび効果が消失する。次に、入力軸７１の挿入部７２が出力軸７４の穴部７５を押圧することにより、入力軸７１の回転力を出力軸７４に伝達することができる。出力軸７４は、矢印１０２に示す向きに回転する。このときに、出力軸７４は、ローラ８０ａが係止部８６ａから離脱する向きに回転するために、ローラ８０ａによるロック状態も解除される。このように、入力軸７１の回転力を出力軸７４に伝達することができる。

ところで、機関本体９０の運転期間中には、燃焼室５にて燃焼が生じることによる筒内圧がシリンダヘッド３に作用する。このために、機関本体９０の運転期間中には、リフトスプリング６５の付勢力に加えて筒内圧がシリンダブロックに加わる。

図８および図９を参照して、機械圧縮比を低下させる場合には、入力軸７１が矢印１０１に示す向きに回転する。矢印１００に示す出力軸７４に加わる回転力は、筒内圧に依存する。筒内圧が高くなると、出力軸７４に加わる回転力も大きくなり、逆入力トルクをロックしている係止部８６ａにおけるくさび効果も強くなる。ところが、筒内圧は振動するために、筒内圧が減少する期間中に保持部７３にてローラ８０ａを押圧すると、比較的に小さな力にてローラ８０ａを係止部８６ａから離脱させることができる。

図１０を参照して、機械圧縮比を上昇させる場合には、入力軸７１が矢印１０２に示す向きに回転する。保持部７３は、逆入力トルクを遮断していない側の係止部８６ｂのローラ８０ｂを押圧するために、容易にローラ８０ｂを係止部８６ｂから離脱させることができる。係止部８６ａにおいては、ローラ８０ａが係止部８６ａから離脱する方向に入力軸７１が回転する。

内燃機関を停止している期間中には、機関本体９０の運転も停止しており、燃焼室５における燃料の燃焼が停止している。更に、内燃機関の制御装置も停止している。内燃機関の停止期間中には、筒内圧によりシリンダブロック２に加えられる荷重は零になる。ところが、クランクケース１とシリンダブロック２との間に配置されているリフトスプリング６５により、シリンダブロック２にはクランクケース１から離れる向きに荷重が加わっている。

図２を参照して、シリンダブロック２に作用する荷重は、カムシャフト５４，５５、ウォームホイール６３，６４、ウォーム６１，６２および回転軸６０を介して、クラッチ７０の出力軸７４に入力される。このときの出力軸７４に入力されるトルクの回転方向は、クランクケース１に対してシリンダブロック２が離れる方向に対応する。図６を参照して、内燃機関の停止期間中においても、クラッチ７０には、出力軸７４に対して矢印１００に示す回転方向のトルクが加えられている。

図３から図５を参照して、本実施の形態においては、円形カム５８の中心ａと偏心軸５７の中心ｂとを結ぶ線と、シリンダブロック２の移動方向とのなす角度を偏心軸角度θと称する。機械圧縮比が最も高い図３に示す状態では、偏心軸角度が０°である。本実施の形態においては、機械圧縮比が低下するほど、偏心軸角度θが増大する。そして、図５に示すように、機械圧縮比が最小の状態では、偏心軸角度θがほぼ１８０°である。

図１１に、内燃機関の停止期間中にクラッチ７０の出力軸７４に加わるトルクを説明するグラフを示す。縦軸は、クラッチ７０への逆入力トルクを示している。シリンダブロック２に作用する荷重はリフトスプリング６５の縮み量に依存する。このために、シリンダブロック２に作用する荷重は偏心軸角度θに依存する。更に、シリンダブロック２に作用する荷重は圧縮比可変機構のリンク機構を介して出力軸７４に伝達されるために、出力軸７４に加わるトルクは偏心軸角度θに依存する。すなわち、出力軸７４に加わるトルクは、内燃機関を停止したときの機械圧縮比に依存する。偏心軸角度θｍａｘにおいて出力軸７４に加わるトルクが最大になり、偏心軸角度が０°または１８０°に近づくにつれて零に近づくことが分かる。

図１２に、本実施の形態における可変圧縮比機構の機械圧縮比の変更領域を説明する概略図を示す。本実施の形態の可変圧縮比機構では、偏心軸角度を０°から１８０°まで変化させることにより最も大きく機械圧縮比を変更することができる。偏心軸角度が０°から１８０°までの領域が、最大限に機械圧縮比を変更可能な領域になる。すなわち、図３に示す偏心軸５７が最も低い位置から図５に示す偏心軸５７が最も高い位置までカムシャフト５４，５５を回転させることにより、最も大きく機械圧縮比を変更することができる。

本実施の形態の内燃機関においては、機関本体９０の運転期間中に変更する機械圧縮比の変更領域が設定されている。ここで、機関本体９０の運転期間中とは、機関回転数が零よりも大きな状態の期間を示し、たとえば燃焼室５において燃料の燃焼が行われる期間を含む。機関本体９０の運転期間中の機械圧縮比の変更領域は、最大限に機械圧縮比を変更可能な領域よりも狭く設定されている。本実施の形態の運転期間中の変更領域は、偏心軸角度が０°よりも僅かに大きな値が下限値に設定されている。また、偏心軸角度が１８０°よりも僅かに小さな値が上限値に設定されている。

図１１を参照して、機関本体９０の運転を停止する時には、運転期間中の変更領域内の機械圧縮比に設定することができる。しかしながら、運転期間中の変更領域内の機械圧縮比にて機関本体９０の運転を停止すると、クラッチ７０の出力軸７４にはリフトスプリング６５による逆入力トルクが加えられる。すなわち、内燃機関を停止した期間中においても、逆入力トルクがクラッチ７０に加えられる。図６を参照して、出力軸７４には矢印１００に示す向きにトルクが加わり、ローラ８０ａが係止部８６ａに係止した状態になる。出力軸７４は、ロック状態になる。ローラ８０ａは、外輪７７の内面および出力軸７４の外面に圧接した状態になる。内燃機関を長期間停止していると、接触部分では潤滑油切れが生じて、ローラ８０ａに対して外輪７７または出力軸７４が金属接触する虞がある。この結果、内燃機関を長期間停止した後に始動すると、クラッチ７０が損傷する虞がある。

または、内燃機関を停止させる場合には、機関本体９０の運転を停止した後に機械圧縮比を低下させる制御を行うことが考えられる。すなわち、点火栓６による点火を停止して機関回転数が零になった後に、機械圧縮比を低い状態に移行する制御が考えられる。この制御の場合には、図８および図９に示したように、係止部８６ａからローラ８０ａが離脱した状態で機械圧縮比が低下され、予め定められた機械圧縮比にて停止することができる。ところが、予め定められた位置にて入力軸７１の駆動を停止すると、矢印１００に示す出力軸７４に加わるトルクにより、出力軸７４が回転し、やがては図６に示す様にローラ８０ａが係止部８６ａに係止した状態になる。この場合にも、内燃機関を長期間停止した後に始動すると、クラッチ７０が損傷する虞がある。

図２を参照して、本実施の形態における可変圧縮比機構は、機械圧縮比を低下した時に、カムシャフト５４，５５の回転を予め定められた位置にて停止させる回転止め部を有する。本実施の形態においては、回転止め部として、クランクケース１にストッパ部９１が形成されている。本実施の形態においては、内燃機関の停止期間中にクラッチ７０の出力軸７４に逆入力トルクが作用しないように、ストッパ部９１にウォームホイール６３，６４を当接させた状態で内燃機関を停止する。

図１３に、本実施の形態におけるウォーム６１，６２およびウォームホイール６３，６４の部分の第１の概略正面図を示す。図１３は、機関本体９０の運転期間中の状態を示している。図１３および図２から図５を参照して、本実施の形態におけるウォームホイール６３，６４は、平面形状が半円形に形成されている。ウォームホイール６３，６４には、回転方向に直交する当接面６３ａ，６４ａが形成されている。当接面６３ａ，６４ａは、ウォームホイール６３，６４が回転した時にストッパ部９１に当接するように形成されている。また、ストッパ部９１は、ウォームホイール６３，６４の回転を予め定められた位置にて停止させることができるように配置されている。

機関本体９０の運転期間中においては、矢印６８に示す方向にウォームホイール６３，６４を回転することにより機械圧縮比を低下させる。また、矢印６９に示す方向にウォームホイール６３，６４を回転させることにより、機械圧縮比を上昇させる。機関本体９０の運転期間中には、当接面６３ａ，６４ａがストッパ部９１には接触しない状態で運転が継続される。

図１４に、本実施の形態におけるウォーム６１，６２およびウォームホイール６３，６４の部分の第２の概略正面図を示す。図１４は、内燃機関を停止するときのウォーム６１，６２およびウォームホイール６３，６４の状態を示している。内燃機関を停止するときには、矢印６８に示す機械圧縮比を低下させる方向にウォームホイール６３，６４を回転させる。当接面６３ａ，６４ａがストッパ部９１に接触するまで回転させる。内燃機関は、この状態を維持して停止する。

図１２および図１４を参照して、本実施の形態においては、運転期間中の機械圧縮比の変更領域の上限値と１８０°との間の位置において、ウォームホイール６３，６４がストッパ部９１に当接している。ウォームホイール６３，６４の当接位置は、運転期間中の機械圧縮比の変更領域よりも機械圧縮比の低い位置に設定されている。ウォームホイール６３，６４がストッパ部９１に当接することにより、機械圧縮比が低くなる側へのカムシャフト５４，５５の回転が阻止される。シリンダブロック２からカムシャフト５４，５５を介してウォームホイール６３，６４に伝達される回転力が、更にウォーム６１，６２に伝達されることが阻止される。リフトスプリング６５により、シリンダブロック２が付勢されていても、矢印６８に示す向きにウォームホイール６３，６４が回転することが阻止される。

図９を参照して、機械圧縮比を低下している期間中には係合部８６ａからローラ８０ａが離脱した状態になる。ウォームホイール６３，６４がストッパ部９１に当接することにより、矢印１００に示す出力軸７４の回転力が阻止される。ウォームホイール６３，６４がストッパ部９１に当接した後にモータ５９を停止することにより、保持部７３がローラ８０ａを押圧した状態が維持される。すなわち、係止部８６ａからローラ８０ａが離脱した状態が維持される。

内燃機関は、ローラ８０ａが外輪７７や出力軸７４に圧接した状態が解除された状態で停止する。このために、内燃機関の停止期間中に、潤滑油切れが生じることを抑制できる。内燃機関を始動した後にクラッチ７０に金属剥離等の損傷が生じることを抑制できる。

図１２を参照して、本実施の形態において、ウォームホイール６３，６４がストッパ部９１に接触する位置は、機械圧縮比の変更領域の外側に設定されている。ストッパ部９１は、機械圧縮比の変更領域よりも機械圧縮比が低い位置にてカムシャフト５４，５５の回転を停止させている。内燃機関の停止期間中に維持する機械圧縮比としては、運転期間中の変更領域の内部の機械圧縮比を採用しても構わない。しかしながら、図１３を参照して、機械圧縮比の変更領域にストッパ部を配置すると、ウォームホイール６３，６４の動作に障害が生じる。たとえば、可動式のストッパ部を形成し、ウォームホイールにストッパ部を挿入可能な穴部を形成することができる。可動式のストッパ部をウォームホイールに形成された穴部に挿入することにより、変更領域の内部においてウォームホイールの回転を阻止することができる。ところが、このような装置は構造が複雑になる。

本実施の形態のように、ウォームホイール６３，６４がストッパ部９１に接触する位置が機械圧縮比の変更領域の外側に設定されることにより、可変圧縮比機構の装置の構成を簡易にすることができる。

図１５に、本実施の形態における内燃機関の運転制御のフローチャートを示す。ステップ１２１においては、内燃機関の停止要求を検出する。例えば、運転者がキースイッチ装置を駆動位置から停止位置に変更したことを検出する。ステップ１２１において、内燃機関の停止要求を検出しない場合には、この制御を終了する。ステップ１２１において、内燃機関の停止要求を検出した場合にはステップ１２２に移行する。

ステップ１２２においては、機関本体９０の運転を停止する。本実施の形態においては、燃料噴射弁１３による燃料の供給を停止すると共に点火栓６による点火を停止する。機関回転数は零になる。この場合に、機械圧縮比を運転期間中の変更領域内の所定の位置まで変化させた後に機関本体９０の運転を停止しても構わない。

次に、ステップ１２３においては機械圧縮比を低下する。図１３を参照して、矢印６８に示す向きにウォームホイール６３が回転するように、モータ５９を駆動する。

ステップ１２４においては、ウォームホイール６３，６４がストッパ部９１に当接したか否かを判別する。すなわち、図１４に示すように、ウォームホイール６３，６４の機械圧縮比が低下する側の回転が阻止された状態に到達したか否かを判別する。本実施の形態においては、相対位置センサ２２の出力によりウォームホイール６３，６４がストッパ部９１に当接したか否かを判別している。ステップ１２４において、ウォームホイール６３，６４は、ストッパ部９１に当接していない場合には、ステップ１２３に戻り、機械圧縮比の低下を継続する。ステップ１２４において、ウォームホイール６３，６４がストッパ部９１に当接した場合には、ステップ１２５に移行する。

ステップ１２５においては、機械圧縮比の低下を停止する。次に、ステップ１２６においては、内燃機関全体を停止する。例えば、内燃機関の制御装置の電源を遮断する制御を行う。

本実施の形態の内燃機関は、停止期間中には機械圧縮比が低い状態で維持される。内燃機関を始動する時には、始動時に設定された機械圧縮比まで変更した後に、点火の始動等を行うことができる。

本実施の形態の運転制御では、機関本体９０の運転を停止した後に機械圧縮比を運転期間中の変更領域よりも低く低下させているが、この形態に限られず、機械圧縮比を運転期間中の変更領域よりも低く低下させた後に機関本体９０の運転を停止しても構わない。

本実施の形態の可変圧縮比機構においては、クランクケース１にストッパ部９１を形成している。また、ウォームホイール６３を半円状に形成して当接面６３ａ，６４ａを形成しているが、この形態に限られず、任意の機構により、カムシャフト５４，５５の回転を停止させる回転止め部を形成することができる。例えば、ウォームホイールの平面形状が円形になるように形成し、ウォームホイールと一体的に回転する回転部材を配置し、この回転部材がストッパ部に当接するように形成しても構わない。

また、本実施の形態におけるクラッチは、外輪と出力軸との間の空間により構成されている係止部にローラが係止することにより、入力軸への回転力の伝達を遮断しているが、この形態に限られず、クラッチは、出力軸の回転を阻止する任意の部材や機構を採用することができる。

本実施の形態における逆入力遮断クラッチは、機械圧縮比が上昇する回転方向および機械圧縮比が低下する回転方向の両方向の入力軸からの回転力を出力軸に伝達し、出力軸からの両方向の回転力を遮断するように形成されているが、この形態に限られず、入力軸からの両方向の回転力を出力側に伝達し、機械圧縮比が低下する方向の出力軸からの回転力を遮断するように形成されていれば構わない。

本実施の形態においては、車両に取り付けられている内燃機関を例示して説明を行なったが、この形態に限られず、任意の装置や設備等に配置されている内燃機関に本発明を適用することができる。

上述のそれぞれの制御においては、機能および作用が変更されない範囲において適宜ステップの順序を変更することができる。

上述のそれぞれの図において、同一または相等する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、特許請求の範囲に示される変更が含まれている。

１ クランクケース
２ シリンダブロック
５ 燃焼室
２２ 相対位置センサ
３０ 電子制御ユニット
５４，５５ カムシャフト
５６，５８ 円形カム
５７ 偏心軸
５９ モータ
６１，６２ ウォーム
６３，６４ ウォームホイール
６３ａ，６４ａ 当接面
６５ リフトスプリング
７０ クラッチ
７１ 入力軸
７４ 出力軸
８０ａ，８０ｂ ローラ
８６ａ，８６ｂ 係止部
９０ 機関本体
９１ ストッパ部
Ａ 可変圧縮比機構

Claims (3)

1. クランクケースを含む支持構造物および燃焼室を有するシリンダブロックを含む機関本体と、
   支持構造物に対するシリンダブロックの相対位置を変更することにより機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構とを備え、
   可変圧縮比機構は、支持構造物とシリンダブロックとの間に介在し、偏心軸を含むシャフトと、シャフトを回転させる駆動装置と、支持構造物から離れる向きにシリンダブロックを付勢する付勢部材と、機械圧縮比を低下したときにシャフトの回転を予め定められた位置にて停止させる回転止め部とを含み、
   駆動装置は、回転機と、回転機の回転力をシャフトに伝達する駆動力伝達経路に配置されているクラッチとを含み、
   クラッチは、支持構造物に対してシリンダブロックが離れる向きに対応する回転方向の回転力が出力軸に加わると、入力軸への回転力の伝達を遮断するように形成されており、
   内燃機関を停止する時には、機械圧縮比を低下させて回転止め部によりシャフトの回転が停止するまで機械圧縮比を低下させ、クラッチの回転力の伝達の遮断が解除された状態にして停止することを特徴とする、内燃機関。
2. 機関本体の運転期間中に変更する機械圧縮比の変更領域が設定されており、
   回転止め部は、変更領域よりも機械圧縮比が低い位置にてシャフトの回転を停止させる、請求項１に記載の内燃機関。
3. クラッチは、外輪と、外輪の内部に配置され、シャフトに回転力を伝達する出力軸と、外輪と出力軸との間の空間に配置されたローラとを含み、
   前記空間には、支持構造物に対してシリンダブロックが離れる時に外輪に対して出力軸が回転する方向と逆の方向に沿って徐々に狭くなる係止部が形成されており、
   ローラは、出力軸に回転力が加わると係止部に係止し、入力軸への回転力の伝達を遮断する、請求項１または２に記載の内燃機関。

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