JP6365131B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、ピストン−クランク機構を備えた内燃機関に関する。

内燃機関のピストンとクランクシャフトのクランクピンとを連結するピストン−クランク機構の一例として、特許文献１には、ピストンとクランクシャフトのクランクピンとを複数のリンクにより連結し、機関圧縮比を変更可能とするする複リンク式ピストン−クランク機構を用いた内燃機関が記載されている。

特開２０１３−２５３５１２号公報

ところで、内燃機関の自動停止・自動再始動を行なうアイドルストップ車両やハイブリッド車両においては、内燃機関を自動再始動する際に、筒内が既に高温雰囲気下にあるため、ピストンの位置が始動可能な所定位置にあれば、クランキングを行なうことなく燃料噴射と点火により内燃機関を始動する、いわゆる自爆始動が可能であり、クランキングによるエネルギー損失を抑制することができる。

但し、このような自爆始動を行なう場合には、機関停止状態におけるピストン位置が始動可能な所定位置、具体的にはピストンストロークの中央位置の近傍にある必要がある。

本発明は、ピストン−クランク機構を備えた内燃機関において、機関停止状態におけるピストン位置を所定位置に規制して、自爆始動を可能とすることを目的としている。

そこで本発明は、ピストンとクランクシャフトのクランクピンとを連結するピストン−クランク機構を備えた内燃機関において、このピストン−クランク機構を構成するリンクの一つに付勢力を与える付勢手段を設け、この付勢手段が、機関停止時に上記リンクの姿勢を規制することによって、ピストン位置を所定位置に規制するように構成している。また、上記ピストン−クランク機構は、第１リンクと第２リンクとによりピストンとクランクシャフトのクランクピンとを連結する複リンク式ピストン−クランク機構であるとともに、上記第１リンク及び第２リンクの一方に一端が連結されるとともに、他端が機関本体側に支持され、この他端を揺動支点として揺動運動する第３リンクを備えている。そして、上記付勢手段は、機関停止時に上記第３リンクの姿勢を規制している。

本発明によれば、付勢手段により機関停止時におけるピストン位置を自爆可能な所定位置に規制することによって、自爆始動を可能とし、クランキングによるエネルギー損失を抑制することができる。また、ハイブリッド車両では、内燃機関の始動に必要なモータ駆動トルクが低減されることから、モータのみにより車両を駆動するＥＶ運転領域を拡大して、燃費向上を図ることができる。

本発明の一実施例に係る内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構を示す構成図。 機関停止時におけるピストンピン位置（Ａ）と制御ピン（Ｂ）を示す特性図。

以下、図示実施例により本発明を説明する。図１は、本発明の一実施例に係る内燃機関の複リンク式ピストン−クランク機構１０を示している。この複リンク式ピストン−クランク機構１０は、ピストン１１とクランクシャフト１２のクランクピン１３とを複数のリンクにより連結している。つまり、複リンク式ピストン−クランク機構１０は、クランクピン１３に回転可能に取り付けられた第１リンクとしてのロアーリンク１４と、このロアーリンク１４とピストン１１とを連結する第２リンクとしてのアッパーリンク１５と、ロアーリンク１４に一端が取り付けられた第３リンクとしての制御リンク１６とを、を有している。ピストン１１とアッパーリンク１５の上端とはピストンピン１７により相対回転可能に連結され、アッパーリンク１５の下端とロアーリンク１４とは連結ピン１８により相対回転可能に連結され、制御リンク１６の上端とロアーリンク１４とは制御ピン１９により相対回転可能に連結されている。

制御リンク１６の下端は、機関本体側のシリンダブロックに回転可能に支持された制御軸２０に支持されており、この下端を揺動支点として揺動運動することで、ロアーリンク１４の運動を拘束する。制御軸２０には、その回転中心から偏心した偏心軸部２１が設けられており、この偏心軸部２１の円筒面をなす外周面に制御リンク１６の円柱状の下端部が相対回転可能に嵌合している。

このような構成により、モータや油圧アクチュエータ等の可変圧縮比手段としての可変圧縮比アクチュエータ２２により制御軸２０の回転位置を変更すると、制御リンク１６の揺動支点の位置が変化して、制御リンク１６によるロアーリンク１４の運動拘束条件が変化し、ピストン上死点位置やピストン下死点位置を含めたピストンストローク特性が変化し、機関圧縮比が変化する。この可変圧縮比アクチュエータ２２の動作は制御部２３により機関運転状態に応じて制御される。

そして本実施例では、ピストン−クランク機構を構成するリンクの一つである制御リンク１６に付勢力を与える付勢手段として、ピストン−シリンダ機構２４が設けられている。このピストン−シリンダ機構２４は、シリンダ２５内に配置されたピストン２６と、このピストン２６を突出方向（図の左方向）へ付勢する付勢手段としての作動油が密封された油圧室２７及びスプリング２８と、ピストン２６に基端部が固定されたロッド２９と、を有し、このロッド２９の先端が、制御リンク１６の突起部３０の先端に連結されている。油圧室２７内の油圧は油圧制御弁３２により切換可能で、この油圧制御弁３２の動作は上記の制御部２３により機関運転状態に応じて制御される。
なお、付勢手段としては、油圧室２７内の油圧とスプリング２８とのいずれか一方であっても良い。

制御リンク１６の突起部３０は、制御リンク１６の下端部の中心である揺動支点３１から制御ピン１９とは反対方向に突出しており、その先端に上記のロッド２９が回転可能に取り付けられている。

機関停止状態では、油圧室２７及びスプリング２８の付勢力によって、矢印Ｙ１に示すように制御リンク１６の突起部３０が図の最も左側に付勢された状態、つまり制御ピン１９がその揺動範囲の中で最も右側の右端に押し付けられた状態に保持される。このとき、矢印Ｙ２に示すようにクランクピン１３の中心位置１３Ａが図の最も右側、つまりスラスト−反スラスト方向の一側であって、具体的には下死点前（ＢＴＤＣ）９０度の位置に規制された状態に保持される。直列４気筒の内燃機関の場合、＃２気筒と＃３気筒がピストン位置Ｐ１、＃１気筒と＃４気筒がピストン位置Ｐ２に保持される。クランクピン１３の中心位置１３Ａが機関幅方向に位置することから、いずれの気筒のピストン位置Ｐ１，Ｐ２も比較的ピストンストロークの中間位置の近傍となる。特に＃２気筒と＃３気筒のピストン位置Ｐ１が、自爆可能なピストンストロークの所定の中間位置α１の範囲内となり、自爆始動が可能となる。

なお、自爆始動とは、上述したように、内燃機関を自動再始動する際に、クランキングを行なうことなく燃料噴射と火花点火を行なうことにより内燃機関を始動するもので、クランキングによる機関始動に比して、エネルギー損失を抑制することができる。

一方、例えばピストン−シリンダ機構２４のシリンダ２５内にピストン２６を挟んで２つの油圧室を設けて、ピストン２６を図１の右方向にも付勢することができる構造とすることで、矢印Ｙ３に示すように制御リンク１６の突起部３０が図の最も右側に付勢された状態、つまり制御ピン１９がその揺動範囲の中で最も左側の右端に押し付けられた状態とすることも可能である。このとき、矢印Ｙ４に示すようにクランクピン１３の中心位置１３Ａが図の最も左側、つまりスラスト−反スラスト方向の一側であって、具体的には下死点後（ＡＴＤＣ）９０度の位置に規制された状態に保持される。

図２（Ａ）は、機関停止時におけるピストンピン１７の位置（Ａ）と、制御ピン１９（Ｃピン）の位置と、を示している。図２（Ａ）の符号Ｌ１，Ｌ２は、制御ピン１９を揺動範囲の右端（図１の右側）に規制した位置での特性を示し、Ｌ１が＃２気筒と＃３気筒、Ｌ２が＃１気筒と＃４気筒の特性である。図２（Ａ）の符号Ｌ３，Ｌ４は、制御ピン１９を揺動範囲の左端（図１の左側）に規制した位置での特性を示し、Ｌ３が＃２気筒と＃３気筒、Ｌ４が＃１気筒と＃４気筒の特性である。また、図２（Ｂ）の符号Ｌ５は制御ピン１９を揺動範囲の左端（図１の左側）に規制した位置での特性を示し、符号Ｌ５は制御ピン１９を揺動範囲の右端（図１の右側）に規制した位置での特性を示している。

同図に示すように、制御リンク１６の制御ピン１９をその揺動範囲の左端もしくは右端の位置に規制することで、少なくとも一つの気筒のピストンピン位置が自爆可能な所定範囲α１内に位置することとなる。

以下、本実施例の特徴的な構成及びその作用効果について、以下に列記する。

［１］ピストン−クランク機構を構成するリンクの一つに付勢力を与える付勢手段を設け、この付勢手段により、機関停止時におけるリンクの姿勢を所定の姿勢に規制することによって、ピストン位置を所定位置に規制している。従って、例えば上述したように機関停止時におけるピストン位置を自爆可能な位置に規制することによって、自爆始動を確実に行なうことができ、クランキングによるエネルギー損失を抑制することができる。また、ハイブリッド車両では内燃機関の始動に必要なモータ駆動トルクが低減されることから、モータのみにより車両を駆動するＥＶ運転領域を拡大して、燃費向上を図ることができる。

［２］典型的には、上記ピストン−クランク機構は、第１リンク（ロアーリンク１４）と第２リンク（アッパーリンク１５）とによりピストン１１とクランクシャフト１２のクランクピン１３とを連結する複リンク式ピストン−クランク機構１０である。

［３］より具体的には、上記複リンク式ピストン−クランク機構１０は、第１リンク（ロアーリンク１４）及び第２リンク（アッパーリンク１５）の一方に一端が連結されるとともに、他端が機関本体側に支持され、この他端を揺動支点として揺動運動する第３リンク（制御リンク１６）を備え、上記付勢手段は、機関停止時に上記第３リンク（制御リンク１６）の姿勢を規制する。

このような複リンク式ピストン−クランク機構においては、上記実施例のように、第３リンクを揺動範囲の両端の一方に押し付けた状態に保持することで、クランクピンの位置を機関幅方向（スラスト−反スラスト方向）の両端の一方に寄せた状態となる。

［４］従って、機関停止時における上記第３リンクの姿勢を、上記揺動範囲の両端のうちの一方に押し付けられた状態に規制することによって、ピストン位置をピストンストロークのほぼ中央位置に保持することが可能となる。

［５］また、機関停止時における上記第３リンクの姿勢を、機関温度等の機関運転状態に応じて揺動範囲の両端の一方と他方とに切り換える構成としても良い。これによって、機関運転状態に応じた形で機関停止時におけるピストン位置を調整可能となり、また自爆可能な気筒を調整することができる。

［６］典型的には、第３リンクは、揺動支点から突出する突起部（３０）を有し、この突起部の先端に付勢力を与える構成とする。この構成によれば、図１に示す実施例のように、突起部自体の揺動範囲が小さく抑えられるので、付勢手段としてのピストン−シリンダ機構（２４）を小型化できるとともに、このピストン−シリンダ機構（２４）をクランクシャフトよりも下方、つまりオイルパン上方の比較的スペースに余裕のある空間に配置できるために、機関搭載性に優れている。

［７］付勢手段は、例えば図１に示す実施例のように、先端が突起部の先端に連結され、油圧により作動するピストン（２６）を備えている。

［８］あるいは、付勢手段は、突起部を所定方向へ付勢するスプリング（２８）を備えている。

［９］好ましくは、機関停止の直前から付勢力を付与する。つまり、機関運転中には基本的に付勢力を付与しない構成とすることで、付勢力に起因するフリクションの増加を解消することができる。また、クランクシャフトの回転が止まる直前、つまり動摩擦時から付勢力を与えることで、小さい力でピストン位置を変更可能である。

［１０］また、機関停止後のある程度の期間にも、付勢力を付与し続けることで、ピストン位置をより確実に所定位置に移動することが可能となる。

更に、機関停止時の付勢力を、機関運転時の付勢力よりも低減することで、再始動時にクランクシャフトの回転による抵抗トルクを低減し、始動性を向上することができる。

また、付勢力を機関停止直前に最大化することで、ピストン位置をより安定的に所定位置（第３リンクの揺動軌跡の両端）で静止させることが可能となる。

［１１］第３リンクの揺動支点の位置を変更することにより、機関圧縮比を変更する可変圧縮比手段（２２）を有する構成の場合、機関停止時には、機関圧縮比を所定の停止用圧縮比とする。

付勢力は第３リンクを介してクランクシャフトに作用すると同時に、第３リンクの揺動支点の位置を変更する側にも作用するために、付勢力を利用して所定圧縮比に付勢することができる。

［１２］例えばハイブリッド車両の場合には、好ましくは、上記の停止用圧縮比を最低圧縮比とすることで、モータ始動トルクを最小化することができる。

［１３］一方、内燃機関のみを車両駆動源とする車両の場合には、上記の停止用圧縮比を、低温時にも確実に自爆始動可能な中間圧縮比とすることが好ましい。

１０…複リンク式ピストン−クランク機構
１１…ピストン
１２…クランクシャフト
１３…クランクピン
１４…ロアーリンク（第１リンク）
１５…アッパーリンク（第２リンク）
１６…制御リンク（第３リンク）
２２…可変圧縮比アクチュエータ（可変圧縮比手段）
２４…ピストン−シリンダ機構（付勢手段）

Claims (12)

1. ピストンとクランクシャフトのクランクピンとを連結するピストン−クランク機構と、
   このピストン−クランク機構を構成するリンクの一つに付勢力を与える付勢手段と、を有し、
   この付勢手段は、機関停止時に上記リンクの姿勢を規制することによって、ピストン位置を所定位置に規制し、
   上記ピストン−クランク機構は、第１リンクと第２リンクとによりピストンとクランクシャフトのクランクピンとを連結する複リンク式ピストン−クランク機構であるとともに、上記第１リンク及び第２リンクの一方に一端が連結されるとともに、他端が機関本体側に支持され、この他端を揺動支点として揺動運動する第３リンクを備え、
   上記付勢手段は、機関停止時に上記第３リンクの姿勢を規制することを特徴とする内燃機関。
2. 上記付勢手段は、機関停止時におけるピストン位置を、ピストンストロークの中間位置に規制することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 上記付勢手段は、機関停止時における上記第３リンクの姿勢を、当該第３リンクの揺動範囲の両端のうちの一方に規制す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。
4. 上記付勢手段は、機関運転状態に応じて、機関停止時における上記第３リンクの姿勢を、上記揺動範囲の両端の一方と他方とに切換えることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 上記第３リンクは、上記揺動支点から突出する突起部を有し、
   上記付勢手段は、上記突起部の先端に付勢力を与え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。
6. 上記付勢手段は、先端が上記突起部の先端に連結され、油圧により作動するピストンを備えることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
7. 上記付勢手段は、上記突起部を所定方向へ付勢するスプリングを備えることを特徴とする請求項５のいずれかに記載の内燃機関。
8. 上記付勢手段は、機関停止の直前から付勢力を付与することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関。
9. 上記付勢手段は、機関停止後にも付勢力を付与することを特徴とする請求項８に記載の内燃機関。
10. 上記第３リンクの揺動支点の位置を変更することにより、機関圧縮比を変更する可変圧縮比手段を有し、
    機関停止時には、機関圧縮比を所定の停止用圧縮比とする請求項１〜９のいずれかに記載の内燃機関。
11. 上記停止用圧縮比が、最低圧縮比であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の内燃機関。
12. 上記停止用圧縮比が、中間圧縮比であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の内燃機関。

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