JP6413655B2 - Variable compression ratio mechanism - Google Patents
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Description
本発明は、エンジンの圧縮比を変更する圧縮比可変機構に関する。 The present invention relates to a variable compression ratio mechanism for changing the compression ratio of an engine.
従来、燃焼室側に設けられ、上面が封止された円筒形状のピストンアウタと、ピストンアウタの内部に摺動自在に設けられ、ピストンピンを介してコンロッドに連結されるピストンインナとで構成されるピストンを備えた4サイクルエンジンにおいて、ピストンアウタとピストンインナとの間に圧縮比可変機構を設ける構成が開示されている(例えば、特許文献1、2)。 Conventionally, it is composed of a cylindrical piston outer that is provided on the combustion chamber side and whose upper surface is sealed, and a piston inner that is slidably provided inside the piston outer and is connected to a connecting rod via a piston pin. In a four-cycle engine including a piston, a configuration in which a compression ratio variable mechanism is provided between a piston outer and a piston inner is disclosed (for example, Patent Documents 1 and 2).
特許文献1、2で開示されている従来の圧縮比可変機構は、ピストンインナの上面に設けられ、第1凸部および第1凹部を含んで構成される第1回転カム板と、ピストンアウタにおける第1回転カム板の対向面に設けられ、第1凸部および第1凹部と歯合する第2凹部および第2凸部を含んで構成される第2回転カム板と、第1回転カム板を回転させるアクチュエータとを含んで構成される。アクチュエータは、第1回転カム板を一方の回転方向に回転させる油圧機構と、第1回転カム板を他方の回転方向に付勢する戻しバネとで構成され、油圧機構のプランジャおよび戻しバネがピストンインナ内に埋め込まれている。 The conventional compression ratio variable mechanism disclosed in Patent Documents 1 and 2 is provided on the upper surface of the piston inner, and includes a first rotating cam plate including a first convex portion and a first concave portion, and a piston outer. A second rotating cam plate provided on an opposing surface of the first rotating cam plate and configured to include a second concave portion and a second convex portion that mesh with the first convex portion and the first concave portion; And an actuator that rotates the actuator. The actuator includes a hydraulic mechanism that rotates the first rotating cam plate in one rotation direction and a return spring that biases the first rotating cam plate in the other rotation direction, and the plunger and the return spring of the hydraulic mechanism are pistons. Embedded in the inner.
従来の圧縮比可変機構では、アクチュエータの油圧機構が、戻しバネの付勢力に抗して第1回転カム板を回転させることで、第1凸部と第2凸部とを当接させ、ピストンインナとピストンアウタとの間の相対距離を大きくして圧縮比を高め、第1凸部および第1凹部を第2凹部および第2凸部に歯合させ、ピストンインナとピストンアウタとの間の相対距離を小さくして圧縮比を下げている。 In the conventional compression ratio variable mechanism, the hydraulic mechanism of the actuator rotates the first rotating cam plate against the urging force of the return spring to bring the first convex portion and the second convex portion into contact with each other, and the piston The relative distance between the inner and the piston outer is increased to increase the compression ratio, the first convex portion and the first concave portion are meshed with the second concave portion and the second convex portion, and the gap between the piston inner and the piston outer is increased. The compression ratio is lowered by reducing the relative distance.
上述したように、従来の圧縮比可変機構では、第1回転カム板を回転させるためのアクチュエータがピストンインナに埋め込まれているため、ピストンの形状が複雑になり、ピストンの製造コストが上昇してしまうという課題がある。 As described above, in the conventional variable compression ratio mechanism, the actuator for rotating the first rotating cam plate is embedded in the piston inner, which complicates the shape of the piston and increases the manufacturing cost of the piston. There is a problem of end.
また、第1回転カム板は、戻しバネによって常時他方の回転方向に付勢されているため、第1凸部、第1凹部、第2凸部、第2凹部には常に剪断力がかかることとなる。したがって、圧縮比可変機構を構成する部材の剛性を高める必要があり、材料コストが上昇するという課題もある。 Further, since the first rotating cam plate is always biased in the other rotation direction by the return spring, a shearing force is always applied to the first convex portion, the first concave portion, the second convex portion, and the second concave portion. It becomes. Therefore, it is necessary to increase the rigidity of the members constituting the variable compression ratio mechanism, and there is a problem that the material cost increases.
そこで、本発明は、このような課題に鑑み、簡易な構造、かつ、低コストで圧縮比を変更することが可能な圧縮比可変機構を提供することを目的としている。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a variable compression ratio mechanism that can change the compression ratio at a low cost with a simple structure.
上記課題を解決するために、本発明の圧縮比可変機構は、燃焼室で生じる爆発圧力によってピストンがシリンダ内を摺動するエンジンに設けられ、ピストンのストローク位置を変化させることで圧縮比を変更する圧縮比可変機構であって、燃焼室側に歯面を臨ませた歯部が、ピストンの中心軸を軸とする円周上に複数設けられ、ピストンと一体にピストンのストローク方向に往復動する第1部材と、第1部材の歯部と同一円周上に配列された複数の噛部を有し、噛部が歯部に噛合する噛合位置、および、噛合位置よりも燃焼室側であって噛部と歯部との噛合関係が解除される非噛合位置の間を移動自在であって、かつ、非噛合位置ではピストンの中心軸周りに回転自在となり、噛合位置では、第1部材との相対回転位置に応じて歯部と噛部との噛合深さを異にする第2部材と、第2部材に設けられ、第1部材側に臨む接触部と、接触部よりも第1部材側に設けられ、接触部に対向配置された被接触部と、接触部および被接触部をストローク方向に近接させて両者を接触させ、接触部を介して第2部材にストローク方向に押圧力を作用させた後に、接触部と被接触部とをストローク方向に離間させる駆動部と、を備え、接触部および被接触部の少なくとも一方は、第2部材の回転方向に傾斜角を有する傾斜面で構成され、第2部材が噛合位置にある状態で、駆動部によって接触部および被接触部が接触すると、駆動部によってもたらされる押圧力が傾斜面によってストローク方向と回転方向とに分配されて第2部材に伝達され、ストローク方向の押圧力によって噛合位置から非噛合位置へ第2部材が移動するとともに、回転方向に作用する分力によって第2部材が回転して第1部材との相対回転位置が変化し、第2部材の回転後に接触部および被接触部が離間すると、第2部材が噛合位置へ移動することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the variable compression ratio mechanism of the present invention is provided in an engine in which a piston slides in a cylinder by an explosion pressure generated in a combustion chamber, and the compression ratio is changed by changing the stroke position of the piston. This is a variable compression ratio mechanism, and a plurality of teeth with teeth facing the combustion chamber are provided on the circumference with the central axis of the piston as the axis, and reciprocates in the stroke direction of the piston integrally with the piston. A first member that engages with the tooth part of the first member, and a meshing position where the meshing part meshes with the tooth part, and a position closer to the combustion chamber than the meshing position. Thus, it is movable between non-meshing positions where the meshing relationship between the meshing part and the tooth part is released, and at the non-meshing position, it is rotatable around the central axis of the piston, and at the meshing position, the first member The tooth and the chewing portion according to the relative rotation position A second member having different meshing depths, a contact portion provided on the second member and facing the first member, and a contacted portion provided on the first member side with respect to the contact portion and arranged to face the contact portion The contact portion and the contacted portion are brought close to each other in the stroke direction, the two are brought into contact with each other, and a pressing force is applied to the second member in the stroke direction via the contact portion, and then the contact portion and the contacted portion are stroked. And at least one of the contact portion and the contacted portion is configured by an inclined surface having an inclination angle in the rotation direction of the second member, and the second member is in the meshing position. When the contact portion and the contacted portion come into contact with each other by the driving portion, the pressing force provided by the driving portion is distributed to the stroke direction and the rotation direction by the inclined surface and transmitted to the second member, and from the meshing position by the pressing force in the stroke direction. Non-meshing position As the second member moves, the second member rotates due to the component force acting in the rotation direction, and the relative rotation position with the first member changes, and the contact portion and the contacted portion are separated after the second member rotates. Then, the second member moves to the meshing position.
また、被接触部は、燃焼室側に歯面を臨ませた歯体が、ピストンの中心軸を軸とする円周上に複数設けられており、接触部は、被接触部の歯体と同一円周上に配列された複数の噛体を有し、噛体が歯体と歯合し、傾斜面は、歯体および噛体に設けられているとしてもよい。 Further, the contacted portion is provided with a plurality of tooth bodies facing the tooth surface on the combustion chamber side on the circumference around the central axis of the piston. There may be a plurality of bites arranged on the same circumference, the bites may be engaged with the teeth, and the inclined surface may be provided on the teeth and the bites.
また、駆動部は、被接触部を燃焼室に近接する方向に移動させることで、被接触部を接触部に接触させ、被接触部を燃焼室と離隔する方向に移動させることで、被接触部を接触部から離間させるとしてもよい。 Further, the drive unit moves the contacted part in a direction close to the combustion chamber, thereby bringing the contacted part into contact with the contact part, and moving the contacted part in a direction away from the combustion chamber. The part may be separated from the contact part.
また、接触部は、第2部材の周方向に沿って設けられ、被接触部は、第1部材の周方向に沿って設けられるとしてもよい。 The contact portion may be provided along the circumferential direction of the second member, and the contacted portion may be provided along the circumferential direction of the first member.
また、第2部材の噛部は、頂部と、頂部を境にして第2部材の回転方向の一方側に位置する第1底部と、頂部を境にして第2部材の回転方向の他方側に位置し、第1底部より頂部からの深さが大きい第2底部とを有し、接触部の噛体の頂部間の距離、および、被接触部の歯体の頂部間の距離は、第2部材の噛部の頂部と、頂部に隣接する第2底部との回転方向の距離より大きく、第1底部と第2底部との回転方向の距離未満であるとしてもよい。 The biting portion of the second member is on the other side of the second member in the rotation direction with the top, the first bottom located on one side in the rotation direction of the second member with the top as a boundary, and the top of the second member. And a second bottom portion having a depth greater from the top portion than the first bottom portion, and the distance between the top portions of the teeth of the contact portion and the distance between the top portions of the tooth bodies of the contacted portion are the second The distance may be greater than the distance in the rotational direction between the top of the biting portion of the member and the second bottom adjacent to the top and less than the distance in the rotational direction between the first bottom and the second bottom.
また、駆動部は、ピストンが下死点に到達すると、接触部および被接触部をストローク方向に近接させて両者を接触させ、接触部を介して第2部材にストローク方向に押圧力を作用させた後に、接触部と被接触部とをストローク方向に離間させるとしてもよい。 Further, when the piston reaches the bottom dead center, the drive unit brings the contact portion and the contacted portion close to each other in the stroke direction so as to contact them, and applies a pressing force to the second member via the contact portion in the stroke direction. After that, the contact portion and the contacted portion may be separated in the stroke direction.
また、エンジンは、ピストンに一端が固定されたピストンロッドと、ピストンロッドの他端側に連結され、ピストンと一体に往復移動するクロスヘッドと、を備え、第1部材および第2部材は、ピストン、ピストンロッド、および、クロスヘッドのいずれかに設けられるとしてもよい。 The engine also includes a piston rod having one end fixed to the piston, and a crosshead connected to the other end of the piston rod and reciprocating integrally with the piston. The first member and the second member are pistons. , A piston rod, and a cross head may be provided.
本発明の圧縮比可変機構によれば、簡易な構造、かつ、低コストで圧縮比を変更することが可能となる。 According to the compression ratio variable mechanism of the present invention, the compression ratio can be changed with a simple structure and at a low cost.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The dimensions, materials, and other specific numerical values shown in the embodiments are merely examples for facilitating the understanding of the invention, and do not limit the present invention unless otherwise specified. In the present specification and drawings, elements having substantially the same function and configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and elements not directly related to the present invention are not illustrated. To do.
以下の実施形態では、まず、圧縮比可変機構が設けられるエンジンについて説明し、続いて圧縮比可変機構について詳述する。なお、本実施形態では、圧縮比可変機構が設けられるエンジンとして、1周期が2サイクル(ストローク)であって、シリンダ内部をガスが一方向に流れるユニフロー掃気式であるエンジンを例に挙げて説明する。しかし、圧縮比可変機構が設けられるエンジンは、燃焼室で生じる爆発圧力によってピストンがシリンダ内を摺動するエンジンであれば、サイクル数、ガスの流れ方向に限定はない。 In the following embodiments, first, an engine provided with a variable compression ratio mechanism will be described, and then the compression ratio variable mechanism will be described in detail. In the present embodiment, as an engine provided with a variable compression ratio mechanism, an engine that is a uniflow scavenging type in which one cycle is two cycles (strokes) and gas flows in one direction inside the cylinder will be described as an example. To do. However, if the engine provided with the variable compression ratio mechanism is an engine in which the piston slides in the cylinder by the explosion pressure generated in the combustion chamber, the number of cycles and the gas flow direction are not limited.
(ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100)
図1は、ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100の全体構成を示す図である。本実施形態のユニフロー掃気式2サイクルエンジン100は、例えば、船舶等に用いられる。また、本実施形態のユニフロー掃気式2サイクルエンジン100は、気体燃料である燃料ガスを主に燃焼させるガス運転モードと、液体燃料である燃料油を燃焼させるディーゼル運転モードのいずれかの運転モードを選択的に実行することができる、所謂デュアルフューエル型のエンジンである。具体的に説明すると、ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100は、シリンダ110と、ピストン112と、クロスヘッド114と、連結棒116と、クランクシャフト118と、排気ポート120と、排気弁122と、掃気ポート124と、掃気溜126と、冷却器128と、掃気室130と、燃焼室132とを含んで構成される。
(Uniflow scavenging two-cycle engine 100)
FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration of a uniflow scavenging two-
ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100では、ピストン112の上昇行程および下降行程の2行程の間に、排気、吸気、圧縮、燃焼、膨張が行われて、ピストン112がシリンダ110内を往復移動する。ピストン112には、ピストンロッド112aの一端が固定されている。また、ピストンロッド112aの他端には、クロスヘッド114におけるクロスヘッドピン114aが連結されており、クロスヘッド114は、ピストン112とともに往復移動する。クロスヘッド114はクロスヘッドシュー114bによって、ピストン112のストローク方向に垂直な方向(図1中、左右方向)の移動が規制されている。
In the uniflow scavenging two-
クロスヘッドピン114aは、連結棒116の一端に設けられた孔に挿通されており、連結棒116の一端を支持している。また、連結棒116の他端は、クランクシャフト118に連結され、連結棒116に対してクランクシャフト118が回転する構造となっている。その結果、ピストン112の往復移動に伴いクロスヘッド114が往復移動すると、その往復移動に連動して、クランクシャフト118が回転することとなる。
The
排気ポート120は、ピストン112の上死点より上方のシリンダヘッド110aに設けられた開口部であり、シリンダ110内で生じた燃焼後の排気ガスを排気するために開閉される。排気弁122は、不図示の排気弁駆動装置によって所定のタイミングで上下に摺動され、排気ポート120を開閉する。このようにして排気ポート120を介して排気された排気ガスは、排気管120aを介して過給機Cのタービン側に供給された後、外部に排気される。
The
掃気ポート124は、シリンダ110の下端側の内周面(シリンダライナ110bの内周面)から外周面まで貫通する孔であり、シリンダ110の全周囲に亘って、複数設けられている。そして、掃気ポート124は、ピストン112の摺動動作に応じてシリンダ110内に活性ガスを吸入する。かかる活性ガスは、酸素、オゾン等の酸化剤、または、その混合気(例えば空気)を含む。
The scavenging
掃気溜126には、過給機Cのコンプレッサによって加圧された活性ガス(例えば空気)が封入されており、冷却器128によって活性ガスが冷却されている。冷却された活性ガスはシリンダジャケット110c内に形成された掃気室130に圧入される。そして、掃気室130とシリンダ110内の差圧をもって掃気ポート124からシリンダ110内に活性ガスが吸入される。
The scavenging
また、シリンダヘッド110aには、不図示のパイロット噴射弁が設けられる。ガス運転モードにおいては、エンジンサイクルにおける所望の時点で適量の燃料油がパイロット噴射弁から噴射される。かかる燃料油は、シリンダヘッド110aと、シリンダライナ110bと、ピストン112とに囲繞された燃焼室132の熱で気化して燃料ガスとなるとともに自然着火し、僅かな時間で燃焼して、燃焼室132の温度を極めて高くする。その結果、シリンダ110に流入した燃料ガスを、所望のタイミングで確実に燃焼させることができる。ピストン112は、主に燃料ガスの燃焼による膨張圧によって往復移動する。
The
ここで、燃料ガスは、例えば、LNG(液化天然ガス)をガス化して生成されるものとする。また、燃料ガスは、LNGに限らず、例えば、LPG(液化石油ガス)、軽油、重油等をガス化したものを適用することもできる。 Here, fuel gas shall be produced | generated by gasifying LNG (liquefied natural gas), for example. Further, the fuel gas is not limited to LNG, and for example, gasified LPG (liquefied petroleum gas), light oil, heavy oil, or the like can be applied.
一方、ディーゼル運転モードにおいては、ガス運転モードにおける燃料油の噴射量よりも多量の燃料油がパイロット噴射弁から噴射される。ピストン112は、燃料ガスではなく、燃料油の燃焼による膨張圧によって往復移動する。
On the other hand, in the diesel operation mode, a larger amount of fuel oil is injected from the pilot injection valve than the fuel oil injection amount in the gas operation mode. The
また、本実施形態のユニフロー掃気式2サイクルエンジン100には、ピストン112のストローク位置を変化させることで圧縮比を変更する圧縮比可変機構が設けられている。以下、圧縮比可変機構について詳述する。
Further, the uniflow scavenging two-
(圧縮比可変機構200)
図2は、圧縮比可変機構200を説明するための図であり、ピストン112およびピストン112近傍の断面図を示す。図2に示すように、本実施形態のピストン112は、ボルト112bによってピストンロッド112aに連結された第1部材210と、第1部材210より燃焼室132側に配される第2部材240とを含んで構成される。
(Compression ratio variable mechanism 200)
FIG. 2 is a view for explaining the compression
圧縮比可変機構200は、第1部材210と、押圧部材220と、駆動部230と、第2部材240と、被押圧部材250とを含んで構成される。
The compression
第1部材210は、円筒形状であり、燃焼室132側の面に歯部212が設けられている。また、第1部材210の歯部212よりも径方向外方には、環状溝210aが形成されており、環状溝210aには押圧部材220がストローク方向に移動自在に収容されている。押圧部材220は、燃焼室132側の面に被接触部222が設けられている。
The
駆動部230は、環状溝210aに連通するとともに、環状溝210aの周方向に等間隔に形成された挿通孔210bに挿通され、押圧部材220における被接触部222の裏面に連結されたロッド232と、ロッド232を第2部材240側に付勢するバネ234と、ロッド232を燃焼室132側に押圧する不図示のアクチュエータ(例えば、油圧機構やモータ)とを含んで構成され、押圧部材220をストローク方向に移動させる。なお、ロッド232は、押圧部材220に複数本連結されており、押圧部材220の回転方向の移動を規制している。
The
第2部材240は、円筒形状であり、第1部材210との対向面に噛部242が設けられている。また、第2部材240の噛部242よりも径方向外方には、環状溝240aが形成されており、環状溝240aには被押圧部材250が嵌め込まれている。被押圧部材250は、ピン240bによって第2部材240に固定されている。したがって、被押圧部材250は、第2部材240とともに移動する。被押圧部材250は、第1部材210側の面に接触部252が設けられている。
The
なお、詳しくは後述するが、本実施形態において、第1部材210および被接触部222(押圧部材220)は、ストローク方向にのみ移動し、第2部材240および接触部252(被押圧部材250)は、ストローク方向に移動し、また、ピストン112の中心軸P周りに回転する。
In addition, although mentioned later in detail, in this embodiment, the
図3および図4は、第1部材210、押圧部材220、第2部材240、被押圧部材250を説明するための図であり、図3(a)、(b)は図2中破線で囲った部分の斜視図であり、図4(a)は図2中破線で囲った部分の第2部材240、接触部252の平面図であり、図4(b)は接触部252の円周方向の展開図であり、図4(c)は第2部材240の円周方向の展開図であり、図4(d)は図2中破線で囲った部分の第1部材210、被接触部222の平面図であり、図4(e)は第1部材210の円周方向の展開図であり、図4(f)は被接触部222の円周方向の展開図である。
3 and 4 are diagrams for explaining the
図3(a)に示すように、第1部材210には、燃焼室132(図2参照)側に歯面を臨ませた歯部212が、ピストン112(図2参照)の中心軸Pを軸とする円周上に複数設けられ、ストローク方向に往復動する。
As shown in FIG. 3A, the
また、図4(d)、(e)に示すように、第1部材210の歯部212は、頂部212aおよび底部212bが、回転方向に交互に等間隔になるように配されている。また、第1部材210の歯部212には、頂部212aから底部212bに向かって、中心軸Pを軸とする円周方向(第2部材240の回転方向、以下、単に「回転方向」と称する)に傾斜角を有する傾斜面212cと、底部212bから頂部212aに向かって回転方向に傾斜角を有する傾斜面212dとが設けられている。なお、第1部材210の各歯部212の高さは、すべて等しい高さとなっている。
Further, as shown in FIGS. 4D and 4E, the
第2部材240は、図3(b)に示すように、第1部材210の歯部212と同一円周上に配列された複数の噛部242を有する。また、図4(a)、(c)に示すように、噛部242は、頂部242aと、頂部242aからのストローク方向の深さが異なる底部242b、242cとを有する。具体的に説明すると、頂部242aから底部242b(第2底部)までのストローク方向の深さは、頂部242aから底部242c(第1底部)までと比較して幅D分、大きい。
As shown in FIG. 3B, the
また、第2部材240の噛部242は、底部242bと底部242cとが頂部242aを挟んで交互になるように配されている。また、第2部材240の噛部242には、頂部242aから底部242bに向かって回転方向に傾斜角を有する傾斜面242dと、底部242bから頂部242aに向かって回転方向に傾斜角を有する傾斜面242eと、頂部242aから底部242cに向かって回転方向に傾斜角を有する傾斜面242fと、底部242cから頂部242aに向かって回転方向に傾斜角を有する傾斜面242gとが設けられている。
Further, the biting
また、詳しくは後述するが、第2部材240は、噛部242が歯部212に噛合する噛合位置、および、噛合位置よりも燃焼室132側であって噛部242と歯部212との噛合関係が解除される非噛合位置の間を移動自在であって、かつ、非噛合位置ではピストン112の中心軸P周りに回転自在となる。そして、噛合位置では、第1部材210との相対回転位置に応じて、歯部212の頂部212aと、噛部242の底部242bとが噛合したり、歯部212の頂部212aと、噛部242の底部242cとが噛合したりする。つまり、第2部材240は、第1部材210との相対回転位置に応じて歯部212と噛部242との噛合深さを異にする。
In addition, as will be described in detail later, the
被接触部222は、図3(a)に示すように、第1部材210の周方向に沿って設けられた複数の歯体224で構成され、歯体224は、燃焼室132(図2参照)側に歯面を臨ませている。被接触部222は、第1部材210と相対移動自在となるように押圧部材220に設けられており、駆動部230による押圧部材220の移動に伴ってストローク方向に移動される。
As shown in FIG. 3A, the contacted
また、図4(d)、(f)に示すように、被接触部222の歯体224は、頂部224aが回転方向に等間隔になるように、すなわち、底部224bが回転方向に等間隔になるように配されている。また、被接触部222の歯体224は、頂部224aから底部224bに向かって回転方向に傾斜角を有する傾斜面224cと、底部224bから頂部224aに向かって垂直に立設した垂直面224dとが設けられている。
Further, as shown in FIGS. 4D and 4F, the
接触部252は、図3(b)に示すように、第2部材240の周方向に沿って第2部材240に設けられ、被接触部222の歯体224と同一円周上に配列された複数の噛体254で構成され、噛体254は、歯体224と歯合する。上述したように、本実施形態において、接触部252は、被押圧部材250に設けられており、被押圧部材250はピン240bによって第2部材240に固定されていることから、第2部材240と一体に回転したり、第2部材240と一体にストローク方向に往復動したりする。
As shown in FIG. 3B, the
また、図4(a)、(b)に示すように、接触部252の噛体254は、頂部254aが回転方向に等間隔になるように、すなわち、底部254bが回転方向に等間隔になるように配されている。また、接触部252の噛体254は、頂部254aから底部254bに向かって回転方向に傾斜角を有する傾斜面254cと、底部254bから頂部254aに向かって垂直に立設した垂直面254dとが設けられている。
Further, as shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b), the
続いて、第1部材210の歯部212、被接触部222の歯体224、第2部材240の噛部242、接触部252の噛体254の寸法関係について説明する。
Subsequently, a dimensional relationship among the
図5は、第1部材210の歯部212、被接触部222の歯体224、第2部材240の噛部242、接触部252の噛体254の寸法関係について説明する図である。図5に示すように、接触部252の頂部254a間の回転方向の距離(回転角度)、すなわち、被接触部222の頂部224a間の回転方向の距離(回転角度)を距離L1とし、第2部材240の頂部242aと、頂部242aに隣接する底部242bとの回転方向の距離(回転角度)を距離L2とし、第2部材240の底部242bと、底部242cとの回転方向の距離(回転角度)を距離L3とし、底部242b間の回転方向の距離(回転角度)、および、底部242c間の回転方向の距離(回転角度)を距離L4とする。
FIG. 5 is a diagram for explaining a dimensional relationship among the
この場合、距離L1が、距離L2より大きく、距離L3未満となるように、被接触部222、第2部材240、接触部252を設計する。また、頂部212a間の距離が距離L4となるように第1部材210を設計する。
In this case, the contacted
続いて、圧縮比可変機構200による圧縮比の変更について説明する。図6、図7は、圧縮比可変機構200による圧縮比の変更について説明するための図である。なお、理解を容易にするために、図6、図7中、第1部材210、被接触部222、第2部材240、接触部252を簡素化して示し、駆動部230を省略する。また、第1部材210、第2部材240をハッチングで、被接触部222を黒い塗りつぶしで、接触部252を白い塗りつぶしで示す。また、図6、図7中、ストローク方向の移動を白抜き矢印で示し、回転方向の移動を黒い塗りつぶしの矢印で示す。
Next, the change of the compression ratio by the variable
第1部材210の歯部212と、第2部材240の噛部242とが噛合している噛合位置では、図6(a)に示すように、接触部252と、被接触部222とは、ストローク方向に離間している。なお、図6(a)に示す噛合位置では、第1部材210の頂部212aと、第2部材240の底部242bが噛合している。また、噛合位置において、接触部252の頂部254aと、被接触部222の底部224bとは、円周方向の位置が異なっている。つまり、被接触部222の頂部224aは、接触部252の傾斜面254cに臨んだ位置関係となっている。
At the meshing position where the
そして、圧縮比を変更する場合、駆動部230によって、被接触部222(押圧部材220)をストローク方向に接触部252(被押圧部材250)側(燃焼室132に近接する方向)に移動させ、図6(b)に示すように、被接触部222を接触部252に接触させて、接触部252を介して第2部材240にストローク方向に押圧力を作用させる。上述したように、被接触部222の頂部224aは、接触部252の傾斜面254cに臨んだ位置関係となっているため、駆動部230によってもたらされる押圧力が傾斜面254cによってストローク方向と回転方向とに分配されて第2部材240に伝達される。
And when changing a compression ratio, the to-be-contacted part 222 (pressing member 220) is moved to the contact part 252 (to-be-pressed member 250) side (direction close to the combustion chamber 132) by the
これにより、図6(c)に示すように、接触部252および第2部材240が回転するとともに、ストローク方向の押圧力によって噛合位置から非噛合位置へ第2部材240が移動することとなる。そして、被接触部222の頂部224aと被押圧部材250の底部254bとが歯合すると、第2部材240は、第1部材210との相対回転位置(円周方向の位置)が変化して、第1部材210の頂部212aが、第2部材240の傾斜面242e、または、傾斜面242g(ここでは、傾斜面242g)に臨んだ位置関係となる。つまり、図6(a)に示す噛合位置では、第1部材210の頂部212aと、第2部材240の底部242bとが噛合していたが、図6(c)に示す非噛合位置では、第1部材210の頂部212aが、第2部材240の傾斜面242e、または、傾斜面242g(ここでは、傾斜面242g)に臨んだ位置関係となる。
Thereby, as shown in FIG.6 (c), while the
続いて、駆動部230は、図7(a)に示すように、被接触部222(押圧部材220)を燃焼室132と離隔する方向に移動させ、接触部252と被接触部222とをストローク方向に離間させる。ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100では、燃焼室132からクランクシャフト118に向けた力が第2部材240に常に作用しているため、被接触部222を燃焼室132と離隔する方向に移動させることで、第2部材240、接触部252は、第1部材210側に移動することとなる。
Subsequently, as illustrated in FIG. 7A, the
ここで、上述したように、第1部材210の頂部212aは、第2部材240の噛部242の傾斜面242gに臨んだ位置関係となっているため、第2部材240が第1部材210に接触すると、燃焼室132からクランクシャフト118に向けた力が第1部材210の傾斜面212c、第2部材240の傾斜面242eによって回転方向に作用する。これにより、図7(b)に示すように、第2部材240が、第1部材210との噛合過程でさらに回転し、第1部材210の頂部212aが、第2部材240の底部242cに噛合する噛合位置に移動することとなる。また、このときの第2部材240の回転に伴って、接触部252が回転することにより、被接触部222の歯体224の頂部224aが、接触部252の噛体254の傾斜面254cに臨んだ位置関係、つまり、図6(a)と実質的に等しい位置関係に戻ることとなる。
Here, as described above, since the
図8は、噛合位置の違いによる第1部材210と第2部材240との位置関係を説明する図であり、図8(a)は、図6(a)に示す噛合位置における第1部材210および第2部材240の斜視図であり、図8(b)は、図7(b)に示す噛合位置における第1部材210および第2部材240の斜視図である。
FIG. 8 is a view for explaining the positional relationship between the
上述したように、駆動部230が被接触部222(押圧部材220)を燃焼室132に近接する方向に移動させて接触部252に接触させ、接触部252を介して第2部材240にストローク方向に押圧力を作用させた後に、接触部252を燃焼室132から離隔する方向に移動させて接触部252と被接触部222とをストローク方向に離間させることで、第1部材210の頂部212aが、第2部材240の底部242bに噛合する噛合位置(図6(a)、図8(a)参照)から、第2部材240の底部242cに噛合する噛合位置(図7(b)、図8(b)参照)へと変位する。そうすると、第1部材210と第2部材240との高さHは、底部242cとの頂部242aからの深さの差である幅D分高くなる。つまり、底部242bと、底部242cとの頂部242aからの深さの差である幅D分、第1部材210が第2部材240から燃焼室132側に突出する。これにより、ピストン112のストローク位置が変化し、圧縮比を低圧縮比から高圧縮比へと変更することができる。
As described above, the
以上説明したように、本実施形態にかかる圧縮比可変機構200によれば、被接触部222をストローク方向に押圧するだけで第2部材240を回転させることができるため、第2部材240を回転させるためのアクチュエータをピストン112の内部に埋め込む必要がなくなり、ピストン112の形状を簡素化することが可能となる。これにより、ピストン112の製造コストの上昇を低減することができる。
As described above, according to the compression
また、第2部材240は、被接触部222が接触部252を押圧している期間、すなわち、第1部材210と第2部材240とが離間している間にのみ回転するため、第1部材210の歯部212と第2部材240の噛部242が噛合している間に回転方向の剪断力が作用することはない。したがって、第1部材210および噛部242の剛性を不必要に高めずともよく、材料コストの上昇を抑制することが可能となる。
Further, since the
さらに、本実施形態の圧縮比可変機構200は、被接触部222を押圧したり、押圧を解除したりするだけといった簡易な構成で、第1部材210と第2部材240の離間と、第2部材240の回転を遂行することができるため、ユニフロー掃気式2サイクルエンジン100のみならず、4サイクルエンジンの圧縮比を変更することができる。なお、4サイクルエンジンでは、燃焼室132からクランクシャフト118に向けた力が作用する期間のみならず、クランクシャフト118から燃焼室132に向けた力が作用する期間がある。したがって、本実施形態の圧縮比可変機構200を4サイクルエンジンに適用する場合、第1部材210と第2部材240とが離間しないような構造とすればよい。例えば、バネ等の弾性部材で、第1部材210を第2部材240に付勢すればよい。
Furthermore, the variable
また、圧縮比の変更は、エンジンの駆動中であっても、エンジンの停止中であっても、エンジンの駆動中における行程にかかわらず、常時行うことが可能である。 Further, the compression ratio can be changed at any time regardless of the stroke while the engine is being driven, whether the engine is being driven or the engine is being stopped.
なお、圧縮比の変更は常時可能であるが、ピストン112が下死点に到達したときに遂行する、すなわち、駆動部230は、ピストン112が下死点に到達すると、接触部252を被接触部222に近接させて両者を接触させ、接触部252を介して第2部材240にストローク方向に押圧力を作用させた後に、接触部252を被接触部222からストローク方向に離間させるとよい。
Although the compression ratio can be changed at any time, it is performed when the
第2部材240に作用する燃焼室132からクランクシャフト118に向けた力は、ピストン112が下死点に到達したとき最も小さくなるため、駆動部230が被接触部222を押圧する力を最小限にすることができる。したがって、ピストン112が下死点に到達したときに圧縮比を変更することにより、駆動部230の駆動力を低減することができ、駆動部230のコストを低減することが可能となる。
Since the force from the
また、圧縮比可変機構200は、運転モードに応じて圧縮比を変更してもよいし、エンジン負荷に応じて圧縮比を変更してもよい。
Moreover, the compression
さらに、第1部材210の歯部212、被接触部222の歯体224、第2部材240の噛部242、接触部252の噛体254の寸法関係を上記のように設計することで、図6(c)に示す被接触部222の押圧力による接触部252(第2部材240)の回転のみならず、図7(a)に示すように第2部材240(接触部252)をさらに回転させることができる。このさらなる回転によって第1部材210と第2部材240との相対位置関係を常に一定に保持することができる。したがって、被接触部222が接触部252を押圧する度に、第1部材210の歯部212と第2部材240の噛部242との噛み合い位置を1歯ずつずらすことができる。上述したように、本実施形態の第2部材240は、底部242b、242cが交互に配される、すなわち、噛合位置において第1部材210と第2部材240の噛合深さが1歯ずつ交互に異なることから、被接触部222による1回の押圧で噛み合い位置を変更することが可能となる。
Furthermore, by designing the dimensional relationship of the
(変形例)
上記実施形態では、圧縮比を2段階に変更可能な圧縮比可変機構200について説明した。しかし、圧縮比可変機構は、第1部材の歯部、および、第2部材の噛部を工夫することで、圧縮比を3段階以上に変更することも可能である。
(Modification)
In the above embodiment, the compression
図9は、変形例にかかる圧縮比可変機構200の第2部材340を説明する図である。図9に示すように、第2部材340の噛部342は、4つの頂部342b、342d、342f、342hと、最も第1部材210側に配される頂部342bからの深さが異なる4つの底部342a、342c、342e、342gとを含んで構成される。このように噛部342を設計することで、圧縮比を4段階に変更することができる。
FIG. 9 is a diagram illustrating the
なお、この場合、接触部252の頂部254a間の回転方向の距離L1は、底部342gと頂部342hとの回転方向の距離L5、つまり、第2部材340の噛部342の底部と頂部との回転方向の距離のうち、最も長い距離に基づいて設計するとよい。
In this case, the rotation direction distance L1 between the
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Is done.
例えば、上記実施形態において、駆動部230は、被接触部222を移動させる構成を例に挙げて説明した。しかし、駆動部230は、接触部252および被接触部222をストローク方向に近接させて両者を接触させ、接触部252を介して第2部材240にストローク方向に押圧力を作用させた後に、接触部252と被接触部222とをストローク方向に離間させることができればよい。例えば、駆動部230は、接触部252を移動させてもよいし、接触部252および被接触部222を移動させてもよい。
For example, in the above-described embodiment, the driving
また、上記実施形態において、被接触部222が第1部材210の歯部212よりも径方向外方に設けられる場合を例に挙げて説明した。しかし、被接触部222は、第1部材210の周方向に沿って設けられればよい。例えば、被接触部222は、第1部材210の歯部212よりも径方向内方に設けられてもよい。
Moreover, in the said embodiment, the case where the to-
また、上記実施形態において、接触部252が第2部材240の噛部242よりも径方向外方に設けられる場合を例に挙げて説明した。しかし、接触部252は、第2部材240の周方向に沿って設けられればよい。例えば、接触部252は、第2部材240の噛部242よりも径方向内方に設けられてもよい。
Moreover, in the said embodiment, the case where the
また、上記実施形態において、第1部材210の頂部212aの高さを一定とし、第2部材240の底部242b、242cの深さ(第1部材210の頂部212aからの距離)を異ならせることで、歯部212と噛部242との噛合深さを異にする構成を例に挙げて説明した。しかし、歯部212と噛部242との噛合深さを異にすることができれば、構成に限定はない。例えば、第2部材240の頂部242aの高さを一定とし、第1部材210の底部212bの深さを異ならせることで、歯部212と噛部242との噛合深さを異にしてもよい。
Moreover, in the said embodiment, the height of the
また、上記実施形態において、歯部212および噛部242が、傾斜面212c、242d〜242gを有する構成を例に挙げて説明した。しかし、歯部212および噛部242は、傾斜面を有さずともよい。この場合、第2部材240が噛合位置にある状態で、駆動部230によって接触部252および被接触部222が接触すると、ストローク方向の押圧力によって噛合位置から非噛合位置へ第2部材240が移動するとともに、歯部212と噛部242との噛合関係が解除されると、回転方向に作用する分力によって第2部材240が回転して第1部材210との相対回転位置が変化することとなる。
Moreover, in the said embodiment, the tooth |
また、上記実施形態において、接触部252の噛体254および被接触部222の歯体224に傾斜面224c、254cが設けられる構成を例に挙げて説明した。しかし、第2部材240の回転方向に傾斜角を有する傾斜面は、接触部252および被接触部222の少なくともいずれかに設けられていればよい。
Further, in the above-described embodiment, the configuration in which the
また、上記実施形態において、圧縮比可変機構200の第1部材210および第2部材240が、ピストン112に設けられる構成を例に挙げて説明した。しかし、第1部材210および第2部材240は、ピストンロッド112a、または、クロスヘッド114に設けられていてもよい。
In the above embodiment, the configuration in which the
本発明は、エンジンの圧縮比を変更する圧縮比可変機構に利用することができる。 The present invention can be used in a variable compression ratio mechanism that changes the compression ratio of an engine.
P 中心軸
100 ユニフロー掃気式2サイクルエンジン(エンジン)
112 ピストン
112a ピストンロッド
114 クロスヘッド
132 燃焼室
200 圧縮比可変機構
210 第1部材
212 歯部
212a 頂部
212b 底部
220 押圧部材
222 被接触部
224 歯体
224c 傾斜面
230 駆動部
240 第2部材
242 噛部
242a 頂部
242b 底部(第2底部)
242c 底部(第1底部)
250 被押圧部材
252 接触部
254 噛体
254c 傾斜面
340 第2部材
342 噛部
112
242c Bottom (first bottom)
250
Claims (7)
前記燃焼室側に歯面を臨ませた歯部が、前記ピストンの中心軸を軸とする円周上に複数設けられ、該ピストンと一体に該ピストンのストローク方向に往復動する第1部材と、
前記第1部材の歯部と同一円周上に配列された複数の噛部を有し、該噛部が該歯部に噛合する噛合位置、および、該噛合位置よりも前記燃焼室側であって該噛部と該歯部との噛合関係が解除される非噛合位置の間を移動自在であって、かつ、該非噛合位置では前記ピストンの中心軸周りに回転自在となり、該噛合位置では、該第1部材との相対回転位置に応じて該歯部と該噛部との噛合深さを異にする第2部材と、
前記第2部材に設けられ、前記第1部材側に臨む接触部と、
前記接触部よりも前記第1部材側に設けられ、該接触部に対向配置された被接触部と、
前記接触部および前記被接触部を前記ストローク方向に近接させて両者を接触させ、該接触部を介して前記第2部材に該ストローク方向に押圧力を作用させた後に、該接触部と該被接触部とを該ストローク方向に離間させる駆動部と、
を備え、
前記接触部および前記被接触部の少なくとも一方は、前記第2部材の回転方向に傾斜角を有する傾斜面で構成され、
前記第2部材が前記噛合位置にある状態で、前記駆動部によって前記接触部および前記被接触部が接触すると、前記駆動部によってもたらされる前記押圧力が前記傾斜面によって前記ストローク方向と前記回転方向とに分配されて該第2部材に伝達され、該ストローク方向の押圧力によって該噛合位置から前記非噛合位置へ該第2部材が移動するとともに、該回転方向に作用する分力によって該第2部材が回転して前記第1部材との相対回転位置が変化し、該第2部材の回転後に該接触部および該被接触部が離間すると、該第2部材が該噛合位置へ移動することを特徴とする圧縮比可変機構。 A compression ratio variable mechanism that is provided in an engine in which a piston slides in a cylinder by an explosion pressure generated in a combustion chamber and changes a compression ratio by changing a stroke position of the piston,
A plurality of teeth having teeth facing the combustion chamber side, the first member reciprocating in the stroke direction of the piston integrally with the piston; ,
A plurality of meshing portions arranged on the same circumference as the tooth portion of the first member, the meshing position where the meshing portion meshes with the tooth portion, and the combustion chamber side from the meshing position. It is possible to move between non-meshing positions where the meshing relationship between the meshing part and the tooth part is released, and at the non-meshing position, it is rotatable around the central axis of the piston, and at the meshing position, A second member having different meshing depths between the tooth portion and the chewing portion according to a relative rotational position with the first member;
A contact portion provided on the second member and facing the first member;
A contacted part that is provided closer to the first member than the contact part and is disposed to face the contact part;
The contact portion and the contacted portion are brought close to each other in the stroke direction, both are brought into contact with each other, and a pressing force is applied to the second member via the contact portion in the stroke direction. A drive unit for separating the contact part in the stroke direction;
With
At least one of the contact part and the contacted part is configured by an inclined surface having an inclination angle in the rotation direction of the second member,
When the contact portion and the contacted portion come into contact with each other in the state where the second member is in the meshing position, the pressing force provided by the drive portion is caused by the inclined surface to the stroke direction and the rotation direction. The second member is moved from the meshing position to the non-meshing position by the pressing force in the stroke direction, and the second force is applied by the component force acting in the rotational direction. When the member rotates and the relative rotation position with respect to the first member changes, and the contact portion and the contacted portion are separated after the rotation of the second member, the second member moves to the meshing position. Characteristic variable compression ratio mechanism.
前記接触部は、前記被接触部の歯体と同一円周上に配列された複数の噛体を有し、該噛体が前記歯体と歯合し、
前記傾斜面は、前記歯体および前記噛体に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の圧縮比可変機構。 The contacted portion is provided with a plurality of tooth bodies facing the tooth surface on the combustion chamber side on a circumference around the central axis of the piston,
The contact portion has a plurality of teeth arranged on the same circumference as the tooth body of the contacted portion, and the teeth mesh with the tooth body,
The compression ratio variable mechanism according to claim 1, wherein the inclined surface is provided on the tooth body and the biting body.
前記被接触部は、前記第1部材の周方向に沿って設けられることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の圧縮比可変機構。 The contact portion is provided along a circumferential direction of the second member,
The compression ratio variable mechanism according to any one of claims 1 to 3, wherein the contacted portion is provided along a circumferential direction of the first member.
前記接触部の噛体の頂部間の距離、および、前記被接触部の歯体の頂部間の距離は、
前記第2部材の噛部の頂部と、該頂部に隣接する前記第2底部との回転方向の距離より大きく、前記第1底部と該第2底部との回転方向の距離未満であることを特徴とする請求項2から4のいずれか1項に記載の圧縮比可変機構。 The biting portion of the second member includes a top portion, a first bottom portion located on one side of the rotation direction of the second member with the top portion as a boundary, and a rotation direction of the second member with the top portion as a boundary. A second bottom located on the other side and having a greater depth from the top than the first bottom;
The distance between the tops of the teeth of the contact part, and the distance between the tops of the teeth of the contacted part,
It is larger than the distance in the rotation direction between the top of the biting portion of the second member and the second bottom adjacent to the top, and is less than the distance in the rotation between the first bottom and the second bottom. The variable compression ratio mechanism according to any one of claims 2 to 4.
前記ピストンに一端が固定されたピストンロッドと、
前記ピストンロッドの他端側に連結され、前記ピストンと一体に往復移動するクロスヘッドと、
を備え、
前記第1部材および前記第2部材は、前記ピストン、前記ピストンロッド、および、前記クロスヘッドのいずれかに設けられることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の圧縮比可変機構。 The engine is
A piston rod having one end fixed to the piston;
A crosshead connected to the other end of the piston rod and reciprocally moving integrally with the piston;
With
The variable compression ratio according to any one of claims 1 to 6, wherein the first member and the second member are provided in any one of the piston, the piston rod, and the crosshead. mechanism.
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