JP2008069753A - ストローク特性可変エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの重量増大などを招かずにコントロールリンク周りの十分な耐久信頼性の向上を実現し得るストローク特性可変エンジンを提供する。
【解決手段】ピストン３とクランクシャフト６との間を複数のリンク４・５・１２で連結してなるストローク特性可変エンジンにおいて、シリンダ２の中心軸線Ｙに平行する方向Ｌ軸とし、シリンダ２の中心軸線Ｙ及びＬ軸に直交する方向をＸ軸とし、クランクピンの中心をＡとし、第２リンクとコントロールリンクとの連結中心をＢとし、第１リンクと第２リンクとの連結中心をＤとした時に、Ｄ点とＬ軸上でのＡ点との間のＸ軸方向についての距離ΔＤと、Ｂ点とＬ軸上でのＡ点との間のＸ軸方向についての距離ΔＢとの関係が、クランクシャフトの全回転範囲においてΔＤ＜ΔＢとなるようにリンクジオメトリを設定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、ストローク特性可変エンジンに関し、特に、膨張行程時にコントロールリンクに加わる負荷を軽減できるように構成されたストローク特性可変エンジンに関するものである。

ピストン（３）とクランクシャフト（１０）との間を連結するアッパーコンロッド（４）（第１リンク）及びロアコンロッド（７）（第２リンク）と、ロアコンロッドとエンジン本体に支持された軸（１１）（エキセントリックシャフト）とを連結する揺動アーム（８）（コントロールリンク）とを有し、揺動アームのエンジン本体に対する連結部の位置を変化させることにより、ピストンストロークを変化させるようにしたストローク特性可変エンジンが知られている（特許文献１を参照されたい）。

文献１には、クランクシャフトの回転中心を原点とし、ピストンの運動軸線及びクランクシャフトに直交する方向をｘ軸とし、クランクシャフトが反時計回り（時計回り）に回転した場合、揺動アームのシリンダブロックにおける揺動支点のｘ座標が正（負）、ピストンピン往復軸線のｘ座標が負（正）に位置することを特徴とする可変圧縮比機構が記載されている。
特開２００１−３１７３８３号公報

文献１に記載の技術によると、特に膨張行程でピストンに爆発荷重が加わった際の揺動アームに加わる荷重が大きくなるので、これらの連結部の耐久信頼性を確保するために、連結ピンの長寸化、大径化、ひいては軸の大径化が避けられず、エンジン重量の増大を招かざるを得なかった。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消すべく案出されたものであり、その主な目的は、エンジンの重量増大などを招かずに十分な耐久信頼性を確保し得るストローク特性可変エンジンを提供することにある。

このような課題を解決するために本発明の請求項１は、ピストン３とクランクシャフト６との間を連結する第１及び第２のリンク４・５と、第２リンクとエンジン本体との間を連結するコントロールリンク１２とを有し、コントロールリンクのエンジン本体に対する連結部の位置を変化させることでピストンストロークを変化させるようにしてなるストローク特性可変エンジンにおいて、ピストンの運動軸Ｙに平行する方向をＬ軸とし、クランクシャフトの軸方向から見てＬ軸に直交する方向をＸ軸とし、クランクピンの中心をＡとし、第２リンクとコントロールリンクとの連結中心をＢとし、第１リンクと第２リンクとの連結中心をＤとした時に、クランクシャフトの回転中に変化するＤ点とＬ軸上でのＡ点との間のＸ軸方向についての距離ΔＤと、クランクシャフトの回転中に変化するＢ点とＬ軸上でのＡ点との間のＸ軸方向についての距離ΔＢとの関係が、クランクシャフトの全回転範囲においてΔＤ＜ΔＢとなるようにリンクジオメトリを設定するものとした。
また本発明の請求項２は、第２リンクとコントロールリンクとの連結部への潤滑油供給路を第２リンク又はコントロールリンクに内設するものとした。この場合は特に、第２リンクを挟む二股部および該二股部に掛け渡されて第２リンクを枢着させるピンをコントロールリンクに設け、潤滑油供給路２３を、ピンとの枢着部へ向けて第２リンクに内設すると良い（請求項３）。

このような本発明の請求項１の構成によれば、第２リンクの揺動角度はクランクシャフトの回転角度に比べて小さいため、Ａ点周りのモーメントは、クランクシャフトの全回転範囲において略釣り合っている。つまり、Ｄ点のＬ軸方向荷重をＦＤＬ、Ｂ点のＬ軸方向荷重をＦＢＬとおくと、ΔＤ・ＦＤＬ≒ΔＢ・ＦＢＬが成り立っているので、常にΔＤ＜ΔＢとなるようにリンクジオメトリを設定することにより、クランクシャフトの全回転範囲においてＢ点荷重をＤ点荷重よりも低くすることができる。
このＢ点荷重の低下により、Ｂ点に設けられたピン部の面圧が低くなるので、Ｂ点に設けるピン部の長さや径をより小さくすることができる。そしてＢ点周りの形状がコンパクトになることにより、回転／揺動部の質量が減少するので、さらにＢ点荷重の減少が実現される。Ｂ点荷重が減少することでコントロールリンクのエンジン本体との連結部に伝達される荷重が減少し、コントロールリンクのエンジン本体との連結部を移動させる駆動機構の小型、軽量化も実現できる。即ち本発明の請求項１により、耐久信頼性の向上及びストローク特性可変機構のコンパクト化を実現する上に多大な効果を奏することができる。
また請求項２、３の構成により、第２リンクとコントロールリンクとの連結部への潤滑油の供給が容易となる。

以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。

図１〜図４は、本発明が適用されるストローク特性可変エンジンの一例としての可変圧縮比／排気量エンジンのシリンダヘッドから上方を省略して示す概略構成図である。このエンジン１のシリンダ２に摺合したピストン３は、第１リンク４及び第２リンク５の２つのリンクを介してクランクシャフト６に連結されている。なお、シリンダヘッドに設けられる動弁機構や吸気系および排気系については、在来の４サイクルエンジンと何ら変わるところはないので省略する。

クランクシャフト６は、基本的に通常の固定圧縮比エンジンと同様の構成であり、クランクケース７内に支持されたクランクジャーナル８（クランクシャフトの回転中心）から偏心したクランクピン９を備えており、シーソー式に揺動する第２リンク５の中間部がクランクピン９に支持されている。そして第２リンク５の一端５ａに、ピストンピン１０に小端部４ａが連結された第１リンク４の大端部４ｂが連結されている。なお、クランクシャフト６には、主としてピストン運動の回転１次振動成分を低減するためのカウンタウェイトが設けられているが、これも在来のレシプロエンジンと同様なので省略する。

第２リンク５の他端５ｂには、通常のエンジンにおけるピストンとクランクシャフトとを連結するコネクティングロッドと概ね同一構成のコントロールリンク１２の小端部１２ａがピン結合されている。そしてコントロールリンク１２の大端部１２ｂは、クランクケース７に回動自在に支持され且つクランクシャフト６と平行に延設されたエキセントリックシャフト１３の偏心部１３ａに、２つ割りの軸受け孔１４をもって連結されている。

エキセントリックシャフト１３は、コントロールリンク１２の大端部１２ｂをクランクケース７内で所定範囲（本実施例においては約９０度）を移動可能に支持しており、適宜な形式の回動アクチュエータ（図示せず）により、エンジン１の運転状態に応じてその回動角が連続的に変化させられ、且つ任意の角度で保持されるようになっている。

このエンジン１によると、エキセントリックシャフト１３を回動駆動することにより、コントロールリンク１２の大端部１２ｂの位置が、図１、２に示した位置（水平方向内向き／最低圧縮比状態または最大排気量状態）と図３、４に示した位置（垂直方向下向き／最高圧縮比状態または最小排気量状態）との間で変化し、クランクシャフト６の回転に伴う第２リンク５の揺動角度が変化する。これにより、ピストン３とクランクシャフト６とを連結するコネクティングロッドの見かけ上の長さが、ピストン３の運動に応じて連続的に変化するかのような作用を発揮し、且つエキセントリックシャフト１３の回動によってコントロールリンク１２のクランクケース７に対する支持端の位置を変化させることにより、圧縮比または排気量を任意に変化させることができる。

つまり、第１、第２リンク４・５、コントロールリンク１２、及びエキセントリックシャフト１３によってピストンストローク特性可変機構が構成され、これらにより、圧縮比または排気量を連続的に変化させるストローク特性可変機能がもたらされる。

このようにして、シリンダ２内でのピストン３のストローク範囲、即ち、ピストン３の上死点位置及び下死点位置が、図２に符号Ａで示す範囲と図４に符号Ｂで示す範囲との間で連続的に変化することとなる。

なお、上記の実施形態においては、コントロールリンク１２のエンジン側連結部である大端部１２ｂを移動させるための駆動力を、偏心部１３aを備えたエキセントリックシャフト１３を回動させて与えるものとしたが、これはコントロールリンク１２のエンジン側連結部の位置を変化させることができさえすれば、他の手段、例えば油圧シリンダなどで直線的に移動させるものであっても良い。

上記構成のエンジン１においては、膨張行程時の燃料の燃焼圧によるピストン押下げ力によってクランクシャフト６が回転すると、クランクピン９に支持された第２リンク５を介してコントロールリンク１２に大きな引張力が作用する。これに対する第２リンク５とコントロールリンク１２との連結部の耐久信頼性を確保するために、従来は、連結ピンの長寸化、大径化、ひいてはエキセントリックシャフトの大径化が避けられず、エンジン重量の増加を招かざるを得なかった。

そこで本発明においては、図５に示すように、シリンダ２の中心軸線（ピストンピン１０の運動軸線）Ｙに平行する方向をＬ軸とし、クランクシャフト６の軸方向から見てＬ軸に直交する方向をＸ軸とし、クランクピン９の中心をＡとし、第２リンク５とコントロールリンク１２との連結中心をＢとし、第１リンク４と第２リンク５との連結中心をＤとした時に、クランクシャフト６の回転中に変化するＤ点とＬ軸上でのＡ点との間のＸ軸方向についての距離ΔＤと、クランクシャフト６の回転中に変化するＢ点とＬ軸上でのＡ点との間のＸ軸方向についての距離ΔＢとの関係が、クランクシャフト６の全回転範囲においてΔＤ＜ΔＢとなるようにリンクジオメトリを設定するものとした。このクランクシャフト６の回転中に常にΔＤ＜ΔＢを維持する様子を図６、７に示す。

このような本発明の構成によれば、第２リンク５の揺動角度は、クランクシャフト６の回転角度に比べて小さいため、Ａ点周りのモーメントは、クランクシャフト６の全回転範囲において略釣り合っている。つまり、Ｄ点のＬ軸方向荷重をＦＤＬ、Ｂ点のＬ軸方向荷重をＦＢＬとおくと、ΔＤ・ＦＤＬ≒ΔＢ・ＦＢＬが成り立っているので、常にΔＤ＜ΔＢとなるようにリンクジオメトリを設定することにより、クランクシャフト６の全回転範囲においてＢ点荷重をＤ点荷重よりも低くすることができる。

Ｂ点、つまり第２リンク５とコントロールリンク１２との連結部に作用する荷重が低下することにより、Ｂ点に設けられたピン部の面圧が低くなるので、Ｂ点に設けるピン部の長さや径をより小さくすることができる。そしてＢ点周りの形状がコンパクトになることにより、回転／揺動部の質量が減少するので、さらにＢ点荷重の減少が実現される。Ｂ点荷重が減少することでコントロールリンク１２を介してエキセントリックシャフト１３に伝達される荷重が減少し、エキセントリックシャフト１３の小径化並びに軸受けの小型、軽量化も実現できる。

次にコントロールリンク１２の小端部１２ａと第２リンク５の他端５ｂとの連結部への潤滑油の供給に配慮した実施例について図８、９を参照して説明する。本実施例においては、コントロールリンク１２の小端部１２ａは、第２リンク５の他端５ｂを挟むように二股に形成されており、この二股をなす部分に掛け渡されたピン２１により、第２リンク５の他端５ｂが枢支されている。

他方、第２リンク５には、クランクシャフト６に内設された潤滑油供給路２２に連通する潤滑油供給路２３が、クランクピン９に対する枢着部からピン２１に対する枢着部へ向けて形成されている。

上述したようにクランクシャフト６の全回転範囲においてΔＤ＜ΔＢとなるようにリンクジオメトリを設定した本発明の構成によると、Ａ点とＢ点との間隔、即ち第２リンク５におけるクランクピン９に対する枢着部とピン２１に対する枢着部との間の寸法が大きくなる傾向にあるが、第２リンク５とコントロールリンク１２との連結部（Ｂ点）への潤滑油供給路をクランクピン９から分岐させた場合、第２リンク５の揺動によってＢ点に作用する遠心力が大きくなり、潤滑油がＢ点、つまりピン２１に対する枢着部に回り込み易くなる。これにより、第２リンク５とコントロールリンク１２との連結部への潤滑油の供給が容易となる。

本発明が適用されるエンジンの最低圧縮比状態または最大排気量状態でのピストン上死点位置を示す縦断面図である。 本発明が適用されるエンジンの最低圧縮比状態または最大排気量状態でのピストン下死点位置を示す縦断面図である。 本発明が適用されるエンジンの最高圧縮比状態または最小排気量状態でのピストン上死点位置を示す縦断面図である。 本発明が適用されるエンジンの最高圧縮比状態または最小排気量状態でのピストン下死点位置を示す縦断面図である。 本発明に係わるリンクジオメトリの一例を示す説明図である。 クランクシャフトの回転角とリンクの運動状態との関係を示す説明図である。 ΔＤ及びΔＢとクランクシャフトの回転角との関係を示す線図である。 第２リンクとコントロールリンクとの連結部の拡大図である。 図８中のIX−IX矢視図である。

符号の説明

２ シリンダ
３ ピストン
４ 第１リンク
５ 第２リンク
６ クランクシャフト
８ クランクジャーナル
９ クランクピン
１０ ピストンピン
１２ コントロールリンク
１３ エキセントリックシャフト
２３ 潤滑油供給路

Claims (3)

1. ピストンとクランクシャフトとの間を連結する第１及び第２のリンクと、前記第２リンクとエンジン本体との間を連結するコントロールリンクとを有し、前記コントロールリンクのエンジン本体に対する連結部の位置を変化させることでピストンストロークを変化させるようにしてなるストローク特性可変エンジンであって、
   前記ピストンの運動軸Ｙに平行する方向をＬ軸とし、クランクシャフトの軸方向から見て前記Ｌ軸に直交する方向をＸ軸とし、クランクピンの中心をＡとし、前記第２リンクと前記コントロールリンクとの連結中心をＢとし、前記第１リンクと前記第２リンクとの連結中心をＤとした時に、
   クランクシャフトの回転中に変化する前記Ｄ点と前記Ｌ軸上での前記Ａ点との間のＸ軸方向についての距離ΔＤと、クランクシャフトの回転中に変化する前記Ｂ点と前記Ｌ軸上での前記Ａ点との間の前記Ｘ軸方向についての距離ΔＢとの関係が、クランクシャフトの全回転範囲においてΔＤ＜ΔＢとなるようにリンクジオメトリを設定することを特徴とするストローク特性可変エンジン。
2. 前記第２リンクと前記コントロールリンクとの連結部への潤滑油供給路が、前記第２リンク又は前記コントロールリンクに内設されることを特徴とする請求項１に記載のストローク特性可変エンジン。
3. 前記コントロールリンクは、前記第２リンクを挟むように二股に形成された部分および該二股部に掛け渡されて前記第２リンクを枢着させるピンを有し、前記潤滑油供給路は、前記ピンとの枢着部へ向けて前記第２リンクに内設されることを特徴とする請求項２に記載のストローク特性可変エンジン。

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