JP4104388B2 - 内燃機関の圧縮比可変装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の圧縮比可変装置に関し，特に，ピストンを，コンロッドにピストンピンを介して連結されるピストンインナと，このピストンインナに連結されて外端面を燃焼室に臨ませながら，ピストンインナ寄りの低圧縮比位置及び燃焼室寄りの高圧縮比位置間を移動し得るピストンアウタとで構成し，ピストンアウタを低圧縮比位置に作動して機関の圧縮比を下げ，高圧縮比位置に作動して同圧縮比を高めるようにしたものゝ改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，かゝる内燃機関の圧縮比可変装置として，（１）ピストンアウタをピストンインナの外周に螺合して，ピストンアウタを正，逆転させることによりピストンインナに対して進退させ，低圧縮比位置及び高圧縮比位置に作動するようにしたもの（例えば特開平１１−１１７７７９号公報参照）と，（２）ピストンアウタをピストンインナの外周に軸方向摺動可能に嵌合し，これらピストンインナ及びアウタ間に，上部油圧室及び下部油圧室を形成し，これら油圧室に交互に油圧を供給することにより，ピストンアウタを低圧縮比位置及び高圧縮比位置に作動するようにしたもの（例えば特公平７−１１３３３０号公報参照）とが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで，上記（１）の装置では，ピストンアウタを低圧縮比位置及び高圧縮比位置に作動するために，ピストンアウタを回転させる必要があるので，ピストンアウタの頂面の形状を，燃焼室の天井面形状や吸気及び排気弁の配置に対応して自由に設定することができず，高圧縮比位置で機関の圧縮比を充分に高めることが困難である。また上記（２）の装置では，特にピストンアウタが高圧縮比位置にあるとき，機関の膨張行程でピストンアウタが受ける大なるスラスト荷重を上部油圧室の油圧で支えるので，上部油圧室には高圧に耐えるシールが必要となり，その上，上部油圧室に気泡が発生するとピストンアウタの高圧縮比位置が不安定になるから，そのような気泡の除去手段を施す必要もあり，全体としてコスト高となるを免れない。
【０００４】
本発明は，かゝる事情に鑑みてなされたもので，ピストンアウタを回転させることなく簡単，的確に低圧縮比位置及び高圧縮比位置に作動し得る，内燃機関の圧縮比可変装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために，本発明の内燃機関の圧縮比可変装置は，コンロッドにピストンピンを介して連結されるピストンインナと，このピストンインナを覆うようにその外周に軸方向にのみ摺動可能に嵌合して外端面を燃焼室に臨ませながら，前記ピストンインナ寄りの低圧縮比位置及び燃焼室寄りの高圧縮比位置間を移動し得るピストンアウタとでピストンを構成し，前記ピストンインナ及びアウタ間に嵩上げ部材を，これがピストンの軸線周りに非嵩上げ位置及び嵩上げ位置間を回動し得ると共に，その非嵩上げ位置では自然外力によるピストンアウタの低圧縮比位置及び高圧縮比位置間での移動を許容するよう に介裝し，この嵩上げ部材と前記ピストンアウタとの軸方向対向面に，それぞれ頂面を平坦面とした凸状で且つ環状に配列される複数の第１カム及び第２カムを形成し，これら第１及び第２カムは，前記嵩上げ部材が非嵩上げ位置に回動したとき互いに噛み合って前記ピストンアウタの低圧縮比位置への移動を許容し，前記嵩上げ部材が嵩上げ位置に回動したとき互いに頂面を当接させて前記ピストンアウタを高圧縮比位置に保持するように配置され，この嵩上げ部材に，これを非嵩上げ位置及び嵩上げ位置に交互に回動するアクチュエータを連結し，前記ピストンインナ及びピストンアウタ間には，ピストンアウタの高圧縮比位置を超える移動は阻止するが，ピストンアウタの低圧縮比位置側への移動は許容するピストンアウタストッパ手段と，ピストンアウタが低圧縮比位置に到達したとき作動してピストンインナ及びピストンアウタの軸方向の相対移動を阻止するピストンアウタ低圧縮比位置係止手段と，ピストンアウタが高圧縮比位置に到達したとき作動してピストンインナ及びピストンアウタの軸方向の相対移動を阻止するピストンアウタ高圧縮比位置係止手段とを設けたことを第１の特徴とする。
【０００６】
尚，前記自然外力には，燃焼室での燃焼圧力，混合気の圧縮圧力，ピストンアウタがシリンダボアの内面から受ける摩擦抵抗，ピストンアウタの慣性力，ピストンアウタに作用する吸気負圧等がある。
【０００７】
この第１の特徴によれば，ピストンアウタ高圧縮比位置係止手段の作動を解除しながら，アクチュエータにより嵩上げ部材を非嵩上げ位置に回動すると，嵩上げ部材が，ピストンアウタの低圧縮比位置への移動を許容する。そこでピストンアウタが自然外力により低圧縮比位置まで移動すると，ピストンアウタ低圧縮比位置係止手段の作動により，そのピストンアウタを低圧縮比位置に保持することができる。
【０００８】
またピストンアウタ低圧縮比位置係止手段の作動を解除しながら，アクチュエータにより嵩上げ部材を非嵩上げ位置から嵩上げ位置へと回動すると，ピストンアウタは自然外力によりピストンアウタストッパ手段で規制される高圧縮比位置まで移動して，嵩上げ位置の嵩上げ部材によって保持される。
【０００９】
また上記のようにピストンアウタが高圧縮比位置に到達したときは，ピストンアウタ高圧縮比位置係止手段の作動により，ピストンインナ及びピストンアウタの軸方向の相対移動が阻止されるので，ピストンアウタ低圧縮比位置係止手段の作動を解除して，自然外力によりピストンアウタを低圧縮比位置から高圧縮比位置に移動させたとき，嵩上げ部材の嵩上げ位置への作動（回動）遅れがあって，ピストンアウタがピストンアウタストッパ手段から反動を受けても，その反動をピストンアウタ高圧縮比位置係止手段が支えることにより，ピストンアウタの高圧縮比位置からの跳ね返りを防いで，ピストンアウタを高圧縮比位置に的確に保持することができる。
【００１０】
ところで，ピストンアウタは，ピストンインナに対して回転することがないから，燃焼室に臨むピストンアウタの頂面形状を燃焼室の形状に対応させて，ピストンアウタの高圧縮比位置での圧縮比を効果的に高めることができる。しかもピストンアウタの低圧縮比位置，高圧縮比位置の何れにおいても，機関の膨張行程時，ピストンアウタが燃焼室から受ける大なる推力は嵩上げ部材で受け止められる。したがって，上記推力のアクチュエータへの作用も回避されることになるから，アクチュエータの小容量化，延いては小型化が可能となる。またアクチュエータを油圧式に構成する場合でも，これに前記推力が作用しないことから高圧シールは不要であり，また油圧室に多少の気泡が発生してもピストンアウタの高圧縮比位置を不安定にさせることもない。
【００１１】
また本発明は，第１の特徴に加えて，前記ピストンアウタ高圧縮比位置係止手段を，前記ピストンアウタの内周面に形成した周方向の第１係止溝と，前記ピストンインナに支持されて，前記ピストンアウタが高圧縮比位置に到達したとき前記第１係止溝に係合し得る作動位置と，同第１係止溝から離脱する後退位置間を移動する第１係止部材と，この第１係止部材を上記二位置に駆動する駆動手段とで構成し，また前記ピストンアウタ低圧縮比位置係止手段を，前記ピストンアウタの内周面に形成した周方向の第２係止溝と，前記ピストンインナに支持されて，前記ピストンアウタが低圧縮比位置に到達したとき前記第２係止溝に係合し得る作動位置と，該第２係止溝から離脱する後退位置間を移動する第２係止部材と，この第２係止部材を上記二位置に駆動する駆動手段とで構成したことを第２の特徴とする。
【００１２】
この第２の特徴によれば，ピストンインナに何れも支持される第１及び第２係止部材により，ピストンアウタを低圧縮比位置及び高圧縮比位置に係止することができ，ピストンアウタ低圧縮比位置係止手段及びピストンアウタ高圧縮比位置係止手段の構成の簡素化に寄与し得る。
【００１３】
さらに本発明は，第２の特徴に加えて，前記第１及び第２係止部材を，前記ピストンインナに揺動可能に軸支される単一の係止レバーの，揺動中心部から反対方向に延びる第１アーム及び第２アームによりそれぞれ構成し，この係止レバーを単一の駆動手段に揺動させて，前記第１及び第２アームを前記第１及び第２係止溝に交互に係合させるようにしたことを第３の特徴とする。
【００１４】
この第３の特徴によれば，ピストンアウタ低圧縮比位置係止手段及びピストンアウタ高圧縮比位置係止手段を，第１及び第２アームを持つ単一の係止レバーと，上記両アームに共通な駆動手段とで構成することができ，その構成の更なる簡素化に寄与し得る。
【００１５】
さらにまた本発明は，第３の特徴に加えて，前記駆動手段を，前記第１及び第２アームの一方を対応する係止溝との係合方向に付勢する作動ばねと，油圧源からの油圧を受けて前記第１及び第２アームの他方を対応する係止溝との係合方向に押圧し得る油圧ピストンとで構成したことを第４の特徴とする。
【００１６】
この第４の特徴によれば，油圧ピストンへの油圧の供給及び解放を単に制御することにより，作動ばねとの協働で第１及び第２アームを交互に作動することができ，駆動手段の構成の簡素化を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を，添付図面に示す本発明の一実施例に基づいて以下に説明する。
【００１８】
図１は本発明の第１実施例に係る圧縮比可変装置を備えた内燃機関の要部縦断正面図，図２は図１の２−２線拡大断面図で低圧縮比状態を示す。図３は図２の３−３線断面図，図４は図２の４−４線断面図，図５は図２の５−５線断面図，図６は図２の６−６線断面図，図７は図２の７−７線断面図，図８は高圧縮比状態を示す，図２との対応図，図９は図８の９−９線断面図，図１０は図８の１０−１０線断面図，図１１は嵩上げ部材の作用説明図，図１２は図９の１２−１２線断面図，図１３は本発明の第２実施例を示す，図１１との対応図である。
【００１９】
先ず，図１〜図１１に示す本発明の第１実施例の説明より始める。
【００２０】
図１及び図２において，内燃機関Ｅの機関本体１は，シリンダボア２ａを有するシリンダブロック２と，このシリンダブロック２の下端に結合されるクランクケース３と，シリンダボア２ａに連なる燃焼室４ａを有してシリンダブロック２の上端に結合されるシリンダヘッド４とからなり，シリンダボア２ａに摺動可能に嵌装されるピストン５にはコンロッド７の小端部７ａがピストンピン６を介して連結され，コンロッド７の大端部７ｂは，左右一対のベアリング８，８′を介してクランクケース３に回転自在に支承されるクランク軸９のクランクピン９ａに連結される。
【００２１】
前記ピストン５は，ピストンピン６を介してコンロッド７の小端部７ａに連結されるピストンインナ５ａと，このピストンインナ５ａの外周面及びシリンダボア２ａの内周面に摺動自在に嵌合し，頂面を燃焼室４ａに臨ませるピストンアウタ５ｂとからなっており，ピストンアウタ５ｂの外周に，シリンダボア２ａの内周面に摺動自在に密接する複数のピストンリング１０ａ〜１０ｃが装着される。
【００２２】
図２及び図３に示すように，ピストンインナ及びアウタ５ａ，５ｂの摺動嵌合面には，ピストン５の軸方向に延びて互いに係合する複数のスプライン歯１１ａ及びスプライン溝１１ｂがそれぞれ形成され，ピストンインナ及びアウタ５ａ，５ｂは，それらの軸線周りに相対回転できないようになっている。
【００２３】
図２及び図６において，ピストンインナ５ａの上面には，その上面に一体に突設された枢軸部１２に回動可能に嵌合する円環状の嵩上げ部材１４が載置され，この嵩上げ部材１４の上面を押さえて，これの枢軸部１２からの離脱を阻止する押さえリング５０が枢軸部１２の上面にビス５１で固着される。枢軸部１２は，コンロッドン７の小端部７ａを受容すべく複数（図では４個）のブロック１２ａ，１２ａに分割されている。
【００２４】
嵩上げ部材１４は，その軸線周りに設定される非嵩上げ位置Ａ及び嵩上げ位置Ｂ間を往復回動し得るもので，その往復回動に伴いピストンアウタ５ｂをピストンインナ５ａ寄りの低圧縮比位置Ｌ（図２参照）と，燃焼室４ａ寄りの高圧縮比位置Ｈ（図８参照）とに交互に保持するカム機構１５が嵩上げ部材１４及びピストンアウタ５ｂ間に設けられる。
【００２５】
図７及び図１１に明示するように，カム機構１５は，嵩上げ部材１４の上面に形成される複数の凸状第１カム１６と，ピストンアウタ５ｂの頂壁下面に形成される複数の凸状第２カム１７とからなっており，これら第１及び第２カム１６，１７は，嵩上げ部材１４が非嵩上げ位置Ａにあるときは，周方向に交互に並んでピストンアウタ５ｂの低圧縮比位置Ｌ又は高圧縮比位置Ｈへの移行を許容するようになっている。
【００２６】
これら第１カム１６及び第２カム１７の，嵩上げ部材１４の周方向に並ぶ両側面は，各カム１６，１７の根元から略垂直に起立する絶壁面１６ａ，１７ａとなっており，両絶壁面１６ａ，１７ａの上縁間を接続する平坦な頂面１６ｂ，１７ｂは，嵩上げ部材１４が嵩上げ位置Ｂに到達したとき互いに当接してピストンアウタ５ｂを高圧縮比位置Ｈに保持するようになっている。このように，第１及び第２カム１６，１７の両側面を絶壁面１６ａ，１７ａとしたことで，周方向に並ぶ各カム１６，１７の隣接間隔を狭くすることが可能となり，また各カム１６，１７の頂面１６ｂ，１７ｂの総合面積を大きく設定することができる。
【００２７】
ピストンアウタ５ｂが高圧縮比位置Ｈに達したときは，ピストンアウタ５ｂが高圧縮比位置Ｈを越えて燃焼室４ａ側へ移動することを阻止するための規制手段として，ピストンインナ５ａの下端面に当接するストッパリング１８がピストンアウタ５ｂの下端部内周面に係止される。
【００２８】
ピストンインナ５ａ及び嵩上げ部材１４間には，嵩上げ部材１４を非嵩上げ位置Ａ又は嵩上げ位置Ｂへ回動させるアクチュエータ２０が設けられる。このアクチュエータ２０について図２，図５及び図６を参照しながら説明する。
【００２９】
ピストンインナ５ａには，ピストンピン６を挟んでそれと平行に延びる一対の有底のシリンダ孔２１，２１と，各シリンダ孔２１，２１の中間部の上壁を貫通する長孔５４，５４とが設けられ，嵩上げ部材１４の下面に一体的に突設されて，その直径線上に並ぶ一対の受圧ピン１４ａ，１４ａがこれら長孔５４，５４を通してシリンダ孔２１，２１に臨ませてある。長孔５４，５４は，受圧ピン１４ａ，１４ａが嵩上げ部材１４と共に非嵩上げ位置Ａ及び嵩上げ位置Ｂ間を移動することを妨げないようになっている。
【００３０】
シリンダ孔２１，２１には，対応する受圧ピン１４ａ，１４ａを挟んで作動プランジャ２３，２３及び有底円筒状の戻しプランジャ２４，２４が摺動可能に嵌装される。その際，作動プランジャ２３，２３同士及び戻しプランジャ２４，２４同士は，それぞれピストン５の軸線に関して点対称に配置される。
【００３１】
各シリンダ孔２１内には，作動プランジャ２３の内端が臨む第１油圧室２５が画成され，該室２５に油圧を供給すると，その油圧を受けて作動プランジャ２３が受圧ピン１４ａを介して嵩上げ部材１４を嵩上げ位置Ｂへ回動するようになっている。
【００３２】
嵩上げ部材１４の非嵩上げ位置Ａは，各シリンダ孔２１，２１の底面に当接する作動プランジャ２３，２３の先端に受圧ピン片１４ａ，１４ａが当接することにより規定され（図５参照），嵩上げ部材１４の嵩上げ位置Ｂは，ばね保持環５２のスカート部５２ａに当接する戻しプランジャ２４の先端に受圧ピン１４ａが当接することにより規定される（図１０参照）。こうすることにより，嵩上げ部材１４の非嵩上げ位置Ａでは，隣接する第１及び第２カム１６，１７の側面接触を回避して（図１１（ａ）参照），ピストンアウタ５ｂの高圧縮比位置Ｈへのスムーズな移動が可能となる。
【００３３】
而して，嵩上げ部材１４及びアクチュエータ２０は，燃焼室４ａでの燃焼圧力，混合気の圧縮圧力，ピストンアウタ５ｂの慣性力や，ピストンアウタ５ｂがシリンダボア２ａの内面から受ける摩擦抵抗，ピストンアウタ５ｂに作用する吸気負圧等，ピストンインナ及びアウタ５ａ，５ｂにそれらを互いに軸方向に離間させたり近接させようと作用する自然外力により，ピストンアウタ５ｂが低圧縮比位置Ｌ及び高圧縮比位置Ｈ間で移動することを許容する。
【００３４】
またピストンインナ５ａ及びピストンアウタ５ｂ間には，ピストンアウタ５ｂが低圧縮比位置Ｌに来たとき，このピストンアウタ５ｂをピストンインナ５ａに対して軸方向に係止するピストンアウタ低圧縮比位置係止手段３０ａと，ピストンアウタ５ｂが高圧縮比位置Ｈに来たとき，このピストンアウタ５ｂをピストンインナ５ａに対して軸方向に係止するピストンアウタ高圧縮比位置係止手段３０ｂとが設けられる。これら係止手段３０ａ，３０ｂについて，図２，図４，図８，図９，図１２を参照しながら説明する。
【００３５】
ピストンインナ５ａの内周面には，周方向に延びる複数（図示例では２条）の第１係止溝３１と，これら第１係止溝３１ａの下方で周方向に延びる複数（第１係止溝３１ａと同数）の第２係止溝３１ｂとがそれぞれ周方向等間隔置きに形成される。一方，ピストンインナ５ａには，その周壁の複数（第１係止溝３１ａと同数）の収容溝２８において複数（第１係止溝３１ａと同数）の係止レバー３２がそれぞれピボット軸３３を介して揺動自在に取り付けられる。各係止レバー３２は，その揺動中心部から互いに反対方向に延びる第１及び第２アーム３２ａ，３２ｂを備えており，この係止レバー３２には，ピストンアウタ５ｂが低圧縮比位置Ｌに来たとき第１アーム３２ａを第１係止溝３１ａに，またピストンアウタ５ｂが高圧縮比位置Ｈに来たとき第２アーム３２ｂを第２係止溝３１ｂに交互に係合させるように，該レバー３２を揺動させる駆動手段３９が接続される。
【００３６】
駆動手段３９は，収容溝２８底部及び第１アーム３２ａ間に装着されて第１アーム３２ａを第１係止溝３１ａとの係合方向に付勢するコイル状の作動ばね３４と，ピストンインナ５ａに形成されたシリンダ孔３６に嵌装されて第２アーム３２ｂの先端に，それを第２係止溝３１ｂ側に押圧すべく当接する油圧ピストン３８とから構成される。その際，第１アーム３２ａには，作動ばね３４の妄動を防ぐ位置決め突起３５が形成される。
【００３７】
また特に図１２に示すように，ピストンインナ５ａのシリンダ孔３６は，収容溝２８の両側壁を削ってピストンインナ５ａの外周面に開口するように，収容溝２８の溝幅より大径に形成され，このシリンダ孔３６に嵌合する油圧ピストン３８の先端部には，第２アーム３２ｂの先端を受容する切欠き５２が設けられる。したがって，油圧ピストン３８の一部が収容溝２８に露出していても，油圧ピストン３８をその全長に渡りシリンダ孔３６の内周面で支承することができると共に，油圧ピストン３８に対する第２アーム３２ｂの荷重が油圧ピストン３８の軸方向中間点に作用することになるから，油圧ピストン３８の作動の安定化をもたらすことができる。
【００３８】
各シリンダ孔３６には，対応するピストン３８の内端が臨む第２油圧室３７が画成され，この第２油圧室３７に油圧を供給すると，その油圧を受けて油圧ピストン３８が第２アーム３２ｂを押圧して係止レバー３２を作動ばね３４の力に抗して揺動させ，第１アーム３２ａを第１係止溝３１ａから離脱させた後，第２アーム３２ｂを第２係止溝３１ｂに係合させ得るようになっている。また第２油圧室３７の油圧を解放すると，今度は作動ばね３４の付勢力で係止レバー３２が揺動して，第２アーム３２ｂを第２係止溝３１ｂから離脱させた後，第１アーム３２ａを第１係止溝３１ａに係合させ得るようになっている。
【００３９】
而して，第１係止溝３１ａ，第１アーム３２ａ及び駆動手段３９によりピストンアウタ低圧縮比位置係止手段３０ａが構成され，第２係止溝３１ｂ，第２アーム３２ｂ及び駆動手段３９によりピストンアウタ高圧縮比位置係止手段３０ｂが構成される。したがって駆動手段３９は，両係止手段３０ａ，３０ｂに共有されることになる。
【００４０】
図４及び図５に示すように，前記ピストンピン６と，その中空部に圧入されたスリーブ４０との間に筒状の油室４１が画成され，この油室４１を前記第１及び第２油圧室２５，３７に接続する第１及び第２分配油路４２，４３がピストンピン６及びピストンインナ５ａに渡り設けられる。また油室４１は，図１に示すように，ピストンピン６，コンロッド７及びクランク軸９に渡り設けられる油路４４に接続され，この油路４４は，電磁切換弁４５を介して油圧源たるオイルポンプ４６と，油溜め４７とに切換可能に接続される。
【００４１】
次に，この第１実施例の作用について説明する。
【００４２】
例えば内燃機関Ｅの急加速運転に際して，ノッキングを回避すべく低圧縮比状態を得るには，電磁切換弁４５を図１に示すように非通電状態にして，油路４４を油溜め４７に連通する。こうすれば，第１油圧室２５及び第２油圧室３７は，何れも油室４１及び油路４４を通して油溜め４７に開放されるので，アクチュエータ２０では，図５に示すように，戻しプランジャ２４が戻しばね２７の付勢力で受圧ピン１４ａを押圧して，嵩上げ部材１４を非嵩上げ位置Ａまで回動し，ピストンアウタ低圧縮比位置係止手段３０ａでは作動ばね３４の付勢力で第１アーム３２ａをピストンインナ５ａの内周面側に付勢し，それに伴ないピストンアウタ高圧縮比位置係止手段３０ｂでは第２アーム３２ｂを第２係止溝３１ｂから離脱させる。
【００４３】
その結果，図１１（ａ）に示すように，カム機構１５の第１カム１６及び第２カム１７は互いに頂部をずらした配置となるから，機関の膨張行程又は圧縮行程で燃焼室４ａ側の圧力でピストンアウタ５ｂがピストンインナ５ａに対して押圧されたときや，ピストン５の上昇行程でピストンリング１０ａ〜１０ｃ及びシリンダボア２ａ内面間に生ずる摩擦抵抗によりピストンアウタ５ｂがピストンインナ５ａに対して押圧されたときや，ピストン５の下降行程の後半でピストンインナ５ａの減速に伴いピストンアウタ５ｂがその慣性力によりピストンインナ５ａに対して押圧されたときに，ピストンアウタ５ｂは第１カム１６及び第２カム１７を相互に噛み合せながら，ピストンインナ５ａに対して下降し，低圧縮比位置Ｌに下がることができる。このとき，ピストンインナ５ａに軸支される係止レバー３２の第１アーム３２ａと，ピストンアウタ５ｂの第１係止溝３１とが互いに対向するため，係止レバー３２は作動ばね３４の付勢力をもって揺動して，第１アーム３２ａを第１係止溝３１に係合させ（図２及び図４参照），これによりピストンアウタ５ｂの低圧縮比位置Ｌは保持される。かくして，カム機構１５での遊びは無くなり，ピストンインナ及びアウタ５ａ，５ｂは，圧縮比を下げながら一体となってシリンダボア２ａ内を昇降することができる。
【００４４】
また例えば内燃機関Ｅの高速運転時，出力向上を図るべく高圧縮比状態を得るには，電磁切換弁４５に通電して，油路４４をオイルポンプ４６に接続する。こうすると，オイルポンプ４６の吐出油圧が油路４４及び油室４１を通して第１油圧室２５及び第２油圧室３７に供給されるので，先ず，図９に示すように，油圧ピストン３８が第２油圧室３７の油圧を受けて係止レバー３２を作動ばね３４の付勢力に抗して揺動させ，第１アーム３２ａを第１係止溝３１ａから離脱させてから第２アーム３２ｂをピストンアウタ５ｂの内周面側に押圧する。第１アーム３２ａが係止溝３１から離脱すると，ピストンアウタ５ｂの高圧縮比位置Ｈへの移動が可能となる。
【００４５】
そこで，ピストンアウタ５ｂは，次のような自然外力の作用で高圧縮比位置Ｈへの移動する。即ち，機関の吸気行程で吸気負圧によりピストンアウタ５ｂが燃焼室４ａ側に引き寄せられたときや，ピストン５の下降行程でピストンリング１０ａ〜１０ｃ及びシリンダボア２ａ内面間に生ずる摩擦抵抗によりピストンアウタ５ｂがピストンインナ５ａから置き去りにされようとしたときや，ピストン５の上昇行程の後半でピストンインナ５ａの減速に伴いピストンアウタ５ｂがその慣性力によりピストンインナ５ａから浮き上がろうとしたときに，ピストンアウタ５ｂはピストンインナ５ａから上昇し，ピストンアウタ５ｂ下端部のストッパリング１８がピストンインナ５ａの下端面に当接することにより，ピストンアウタ５ｂは所定の高圧縮比位置Ｈでその上昇は止まる（図１１（ｂ）参照）。
【００４６】
こうしてピストンアウタ５ｂが高圧縮比位置Ｈに到達すると，既に，アクチュエータ２０では，作動プランジャ２３が第１油圧室２５の油圧を受けて受圧ピン１４ａを嵩上げ位置Ｂに向かって押圧しているので，その押圧力により嵩上げ部材１４を図１１に示すように非嵩上げ位置Ａから嵩上げ位置Ｂへと回動するので，図１１（ｃ）に示すように，嵩上げ部材１４のカム１６とピストンアウタ５ｂのカム１７とは互いに平坦の頂面１６ｂ，１７ｂを当接させることになり，ピストンアウタ５ｂを高圧縮比位置Ｈに保持することができる。
【００４７】
また上記のようにピストンアウタ５ｂが高圧縮比位置Ｈに到達すると，ピストンアウタ５ｂの第２係止溝３１ｂが係止レバー３２の第２アーム３２ｂに対向するため，第２アーム３２ｂは油圧ピストン３８の押圧力をもって第２係止溝３１ｂに係合して（図８，図９），ピストンインナ５ａ及びピストンアウタ５ｂの軸方向の相対移動を阻止する。したがって，自然外力によりピストンアウタ５ｂを低圧縮比位置Ｌから高圧縮比位置Ｈに移動させたとき，嵩上げ部材１４の嵩上げ位置Ｂへの作動（回動）遅れがあって，ピストンアウタ５ｂが，ストッパリング１８のピストンインナ５ａ下端面への衝撃的な当接により反動を受けても，その反動を第２アーム３２ｂが支えることにより，ピストンアウタ５ｂの高圧縮比位置Ｈからの跳ね返りを防ぎ，それを高圧縮比位置Ｈに的確に保持することができる。
【００４８】
そして嵩上げ部材１４が嵩上げ位置Ｂに回動すれば，カム機構１５での遊びは無くなり，ピストンインナ及びアウタ５ａ，５ｂは，圧縮比を高めながら一体となってシリンダボア２ａ内を昇降することができる。
【００４９】
而して，ピストンアウタ５ｂは，低圧縮比位置Ｌ及び高圧縮比位置Ｈ間を移動する際，ピストンインナ５ａ及びピストンアウタ５ｂの嵌合面に形成されて互いに摺動自在に係合するスプライン歯１１ａ及びスプライン溝１１ｂにより，ピストンインナ５ａに対する回転が拘束されているから，燃焼室４ａに臨むピストンアウタ５ｂの頂面形状を燃焼室４ａの形状に対応させて，ピストンアウタ５ｂの高圧縮比位置Ｈでの圧縮比を効果的に高めることができる。しかもピストンアウタ５ｂの高圧縮比位置Ｈでは，機関の膨張行程時，ピストンアウタ５ｂが燃焼室４ａから受ける大なる推力は，第１カム１６及び第２カム１７の互いに当接する平坦な頂面１６ｂ，１７ｂに垂直に作用するので，該推力により嵩上げ部材１４が回動されることはなく，したがって第１油圧室２５に供給する油圧は，前記推力に抗する程の高圧を必要とせず，また第１油圧室２５に多少の気泡が存在しても，ピストンアウタ５ｂを高圧縮比位置Ｈに安定的に保持し得るから，支障はない。
【００５０】
しかもピストンアウタ５ｂの低圧縮比位置Ｌ及び高圧縮比位置Ｈ間での移動は，ピストン５の往復動中，ピストンインナ及びアウタ５ａ，５ｂに，それらを軸方向に離間させたり近接させようと作用する自然外力を利用するものであるから，アクチュエータ２０は嵩上げ部材１４を，単に非嵩上げ位置Ａ及び嵩上げ位置Ｂ間で回動させるだけの出力を発揮すれば足りることになり，アクチュエータ２０の小容量化及び小型化を図ることができる。
【００５１】
ところで，上記自然外力のうち，ピストンリング１０ａ〜１０ｃ及びシリンダボア２ａ内面間の摩擦抵抗と，ピストンアウタ５ｂの慣性力が特に効果的である。また上記摩擦抵抗は機関回転数の変化に対して変化が比較的少ないのに対して，ピストンアウタ５ｂの慣性力は機関回転数の上昇に応じて２次曲線的に増大するものであるから，ピストンアウタ５ｂの位置切り換えに対して，機関の低回転域では上記摩擦抵抗が支配的であり，機関の高回転域ではピストンアウタ５ｂの慣性力が支配的である。
【００５２】
また各アクチュエータ２０は，第１油圧室２５の油圧で作動して嵩上げ部材１４を非嵩上げ位置Ａから嵩上げ位置Ｂへ回動し得る作動プランジャ２３と，第１油圧室２５の油圧解放時，戻しばね２７の付勢力で作動して嵩上げ部材１４を嵩上げ位置Ｂから非嵩上げ位置Ａへ戻し得る戻しプランジャ２４とで構成されるので，１組のアクチュエータ２０につき油圧室２５が１室で足り，その構成の簡素化を図ることができる。
【００５３】
またピストンインナ５ａに軸支される係止レバー３２の両端の第１及び第２アーム３２ａ，３２ｂがピストンアウタ低圧縮比位置係止手段３０ａ及びピストンアウタ高圧縮比位置係止手段３０ｂの各構成部材となるので，両係止手段３０ａ，３０ｂの構成の簡素化を図ることができる。さらに両係止手段３０ａ，３０ｂは共通の駆動手段３９を備えるので，その構成の更なる簡素化を図ることができる。さらにまた駆動手段３９は，第１及び第２アーム３２ａ，３２ｂをそれぞれ押圧する作動ばね３４及び油圧ピストン３８からなるので，油圧ピストン３８に油圧を付与する第２油圧室３７が一室で足り，その構成も簡単である。
【００５４】
また第１及び第２油圧室２５，３７には，共通の電磁切換弁４５を介してオイルポンプ４６及び油溜め４７に切換可能に接続されるので，共通の油圧をもってアクチュエータ２０及びピストンアウタ係止手段３０を合理的に作動することができ，油圧回路の簡素化をも図ることができ，圧縮比可変装置を安価に提供し得る。
【００５５】
またアクチュエータ２０は，嵩上げ部材１４の周方向に複数組等間隔に配設されるので，嵩上げ部材１４に偏荷重を与えることなく，これを枢軸１２周りにスムーズに回動することができ，しかも複数組のアクチュエータ２０の総合出力は大きいことから，各組のアクチュエータ２０の小容量化，延いては小型化を図ることができる。
【００５６】
また各組のアクチュエータ２０の構成要素である作動プランジャ２３及び戻しプランジャ２４は，ピストンインナ５ａに形成された共通のシリンダ孔２１に嵌装されるので，構造が簡単であると共に，孔加工が単純でコストの低減に寄与し得る。
【００５７】
またアクチュエータ２０を２組，配設する場合には，それぞれのシリンダ孔２１，２１がピストンインナ５ａにピストンピン６と平行に形成されるので，ピストンピン６に干渉されることなく，ピストンインナ５ａの狭小な内部において２組のアクチュエータ２０，２０を嵩上げ部材１４の周方向等間隔に配設することができる。
【００５８】
また作動及び戻しプランジャ２３，２４の軸線は，各受圧ピン１４ａの軸線を横切る，枢軸１２の半径線に対して略直角に交差するように配置されるので，作動及び戻しプランジャ２３，２４の押圧力を受圧ピン１４を介して嵩上げ部材１４に効率良く伝達することができ，アクチュエータ２０のコンパクト化に寄与し得る。
【００５９】
また作動及び戻しプランジャ２３，２４の各端面と，受圧ピン１４ａの円筒状外周面とは線接触で接触するので，その接触面積は比較的広く，面圧の低減を図り，耐久性の向上に寄与し得る。
【００６０】
次に図１３に示す本発明の第２実施例について説明する。
【００６１】
この第２実施例は，嵩上げ部材１１４及びピストンアウタ１０５ｂにそれぞれ形成される第１カム１１６及び第２カム１１７に，嵩上げ部材１１４が非嵩上げ位置Ａから嵩上げ位置Ｂへ回動するとき互いに軸方向に離反するように滑る斜面１１６ａ，１１７ａを形成した点を除けば，前実施例と同様の構成であり，図１３中，前実施例と対応する部分には，前実施例の参照符号の数字に１００を加算した参照符号を付して，その説明を省略する。
【００６２】
この第２実施例では，各カム１１６，１１７の一側面を斜面１１６ａ，１１７ａとしたたことで，前実施例に比して，各カム１１６，１１７の隣接間隔が広がり，嵩上げ部材１１４の作動ストローク角度が増加し，また各カム１１６，１１７の頂面１１６ｂ，１１７ｂの面積が減少することになるが，ピストンアウタ１０５ｂを高圧縮比位置Ｈに移動させる自然外力が弱い場合でも，図示しないアクチュエータにより嵩上げ部材１１４に嵩上げ位置Ｂへの回動力を付与すれば，斜面１１６ａ，１１７ａ相互のリフト作用によりピストンアウタ１０５ｂを高圧縮比位置Ｈへ押し上げることができる。
【００６３】
本発明は上記実施例に限定されるものではなく，その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば，電磁切換弁４５の作動態様は，上記実施例の場合と逆であっても差し支えはない。即ち，該切換弁４５の非通電状態で油路４４をオイルポンプ４６に接続し，通電状態で油路４４を油溜め４７に接続することもできる。
【００６４】
【発明の効果】
以上のように本発明の第１の特徴によれば，内燃機関の圧縮比可変装置は，内燃機関の圧縮比可変装置は，コンロッドにピストンピンを介して連結されるピストンインナと，このピストンインナを覆うようにその外周に軸方向にのみ摺動可能に嵌合して外端面を燃焼室に臨ませながら，前記ピストンインナ寄りの低圧縮比位置及び燃焼室寄りの高圧縮比位置間を移動し得るピストンアウタとでピストンを構成し，前記ピストンインナ及びアウタ間に嵩上げ部材を，これがピストンの軸線周りに非嵩上げ位置及び嵩上げ位置間を回動し得ると共に，その非嵩上げ位置では自然外力によるピストンアウタの低圧縮比位置及び高圧縮比位置間での移動を許容するように介裝し，この嵩上げ部材と前記ピストンアウタとの軸方向対向面に，それぞれ頂面を平坦面とした凸状で且つ環状に配列される複数の第１カム及び第２カムを形成し，これら第１及び第２カムは，前記嵩上げ部材が非嵩上げ位置に回動したとき互いに噛み合って前記ピストンアウタの低圧縮比位置への移動を許容し，前記嵩上げ部材が嵩上げ位置に回動したとき互いに頂面を当接させて前記ピストンアウタを高圧縮比位置に保持するように配置され，この嵩上げ部材に，これを非嵩上げ位置及び嵩上げ位置に交互に回動するアクチュエータを連結し，前記ピストンインナ及びピストンアウタ間には，ピストンアウタの高圧縮比位置を超える移動は阻止するが，ピストンアウタの低圧縮比位置側への移動は許容するピストンアウタストッパ手段と，ピストンアウタが低圧縮比位置に到達したとき作動してピストンインナ及びピストンアウタの軸方向の相対移動を阻止するピストンアウタ低圧縮比位置係止手段と，ピストンアウタが高圧縮比位置に到達したとき作動してピストンインナ及びピストンアウタの軸方向の相対移動を阻止するピストンアウタ高圧縮比位置係止手段とを設けたので，ピストンアウタを回転させることなく，低圧縮比位置及び高圧縮比位置間で移動することができ，したがって燃焼室に臨むピストンアウタの頂面形状を燃焼室の形状に対応させて，ピストンアウタの高圧縮比位置での圧縮比を効果的に高めることができる。しかもピストンアウタの低圧縮比位置，高圧縮比位置の何れにおいても，機関の膨張行程時，ピストンアウタが燃焼室から受ける大なる推力は嵩上げ部材で受け止められる。したがって，上記推力のアクチュエータへの作用も回避されることになるから，アクチュエータの小容量化，延いては小型化が可能となる。またアクチュエータを油圧式に構成する場合でも，これに前記推力が作用しないことから高圧シールは不要であり，また油圧室に多少の気泡が発生してもピストンアウタの高圧縮比位置を不安定にさせることもない。またピストンアウタ低圧縮比位置係止手段の作動を解除して，自然外力によりピストンアウタを低圧縮比位置から高圧縮比位置に移動させたとき，嵩上げ部材の嵩上げ位置への作動（回動）遅れがあって，ピストンアウタがピストンアウタストッパ手段から反動を受けても，その反動をピストンアウタ高圧縮比位置係止手段が支えることにより，ピストンアウタを高圧縮比位置に的確に保持することができる。
【００６５】
また本発明の第２の特徴によれば，第１の特徴に加えて，前記ピストンアウタ高圧縮比位置係止手段を，前記ピストンアウタの内周面に形成した周方向の第１係止溝と，前記ピストンインナに支持されて，前記ピストンアウタが高圧縮比位置に到達したとき前記第１係止溝に係合し得る作動位置と，同第１係止溝から離脱する後退位置間を移動する第１係止部材と，この第１係止部材を上記二位置に駆動する駆動手段とで構成し，また前記ピストンアウタ低圧縮比位置係止手段を，前記ピストンアウタの内周面に形成した周方向の第２係止溝と，前記ピストンインナに支持されて，前記ピストンアウタが低圧縮比位置に到達したとき前記第２係止溝に係合し得る作動位置と，該第２係止溝から離脱する後退位置間を移動する第２係止部材と，この第２係止部材を上記二位置に駆動する駆動手段とで構成したので，ピストンインナに何れも支持される第１及び第２係止部材により，ピストンアウタを低圧縮比位置及び高圧縮比位置に係止することができ，ピストンアウタ低圧縮比位置係止手段及びピストンアウタ高圧縮比位置係止手段の構成の簡素化に寄与し得る。
【００６６】
さらに本発明の第３の特徴によれば，第２の特徴に加えて，前記第１及び第２係止部材を，前記ピストンインナに揺動可能に軸支される単一の係止レバーの，揺動中心部から反対方向に延びる第１アーム及び第２アームによりそれぞれ構成し，この係止レバーを単一の駆動手段に揺動させて，前記第１及び第２アームを前記第１及び第２係止溝に交互に係合させるようにしたので，ピストンアウタ低圧縮比位置係止手段及びピストンアウタ高圧縮比位置係止手段を，第１及び第２アームを持つ単一の係止レバーと，上記両アームに共通な駆動手段とで構成することができ，その構成の更なる簡素化に寄与し得る。
【００６７】
さらにまた本発明の第４の特徴によれば，第３の特徴に加えて，前記駆動手段を，前記第１及び第２アームの一方を対応する係止溝との係合方向に付勢する作動ばねと，油圧源からの油圧を受けて前記第１及び第２アームの他方を対応する係止溝との係合方向に押圧し得る油圧ピストンとで構成したので，油圧ピストンへの油圧の供給及び解放を単に制御することにより，作動ばねとの協働で第１及び第２アームを交互に作動することができ，駆動手段の構成の簡素化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例に係る圧縮比可変装置を備えた内燃機関の要部縦断正面図。
【図２】 図１の２−２線拡大断面図で低圧縮比状態を示す。
【図３】 図２の３−３線断面図。
【図４】 図２の４−４線断面図。
【図５】 図２の５−５線断面図。
【図６】 図２の６−６線断面図。
【図７】 図２の７−７線断面図。
【図８】 高圧縮比状態を示す，図２との対応図。
【図９】 図８の９−９線断面図。
【図１０】 図８の１０−１０線断面図。
【図１１】 嵩上げ部材の作用説明図。
【図１２】 図９の１２−１２線断面図。
【図１３】 本発明の第２実施例を示す，図１１との対応図。
【符号の説明】
Ａ・・・・・・・嵩上げ部材の非嵩上げ位置
Ｂ・・・・・・・嵩上げ部材の嵩上げ位置
Ｈ・・・・・・・ピストンアウタの高圧縮比位置
Ｌ・・・・・・・ピストンアウタの低圧縮比位置
５・・・・・・・ピストン
５ａ・・・・・・ピストンインナ
５ｂ，１０５ｂ・・・ピストンアウタ
６・・・・・・・ピストンピン
７・・・・・・・コンロッド
１４・・・・・・嵩上げ部材
１６，１１６・・・第１カム
１７，１１７・・・第２カム
１６ｂ，１１６ｂ・・・第１カムの頂面
１７ｂ，１１７ｂ・・・第２カムの頂面
１８・・・・・・ピストンアウタストッパ手段（ストッパリング）
２０・・・・・・アクチュエータ
３０ａ・・・・・ピストンアウタ低圧縮比位置係止手段
３０ｂ・・・・・ピストンアウタ高圧縮比位置係止手段
３１ａ・・・・・第１係止溝
３１ｂ・・・・・第２係止溝
３２・・・・・・係止レバー
３２ａ・・・・・第１係止部材（第１アーム）
３２ｂ・・・・・第２係止部材（第２アーム）
３４・・・・・・作動ばね
３７・・・・・・油圧室（第２油圧室）
３８・・・・・・油圧ピストン
３９・・・・・・駆動手段
４６・・・・・・油圧源（油圧ポンプ）

Claims (4)

1. コンロッド（７）にピストンピン（６）を介して連結されるピストンインナ（５ａ）と，このピストンインナ（５ａ）を覆うようにその外周に軸方向にのみ摺動可能に嵌合して外端面を燃焼室（４ａ）に臨ませながら，前記ピストンインナ（５ａ）寄りの低圧縮比位置（Ｌ）及び燃焼室（４ａ）寄りの高圧縮比位置（Ｈ）間を移動し得るピストンアウタ（５ｂ，１０５ｂ）とでピストン（５）を構成し，前記ピストンインナ及びアウタ（５ａ；５ｂ，１０５ｂ）間に嵩上げ部材（１４，１１４）を，これがピストン（５）の軸線周りに非嵩上げ位置（Ａ）及び嵩上げ位置（Ｂ）間を回動し得ると共に，その非嵩上げ位置（Ａ）では自然外力によるピストンアウタ（５ｂ，１０５ｂ）の低圧縮比位置（Ｌ）及び高圧縮比位置（Ｈ）間での移動を許容するように介裝し，この嵩上げ部材（１４，１１４）と前記ピストンアウタ（５ｂ，１０５ｂ）との軸方向対向面に，それぞれ頂面（１６ｂ，１７ｂ；１１６ｂ，１１７ｂ）を平坦面とした凸状で且つ環状に配列される複数の第１カム（１６，１１６）及び第２カム（１７，１１７）を形成し，これら第１及び第２カム（１６，１７；１１６，１１７）は，前記嵩上げ部材（１４，１１４）が非嵩上げ位置（Ａ）に回動したとき互いに噛み合って前記ピストンアウタ（５ｂ，１０５ｂ）の低圧縮比位置（Ｌ）への移動を許容し，前記嵩上げ部材（１４，１１４）が嵩上げ位置（Ｂ）に回動したとき互いに頂面（１６ｂ，１７ｂ）を当接させて前記ピストンアウタ（５ｂ，１０５ｂ）を高圧縮比位置（Ｈ）に保持するように配置され，この嵩上げ部材（１４，１１４）に，これを非嵩上げ位置（Ａ）及び嵩上げ位置（Ｂ）に交互に回動するアクチュエータ（２０）を連結し，前記ピストンインナ（５ａ）及びピストンアウタ（５ｂ，１０５ｂ）間には，ピストンアウタ（５ｂ，１０５ｂ）の高圧縮比位置（Ｈ）を超える移動は阻止するが，ピストンアウタ（５ｂ，１０５ｂ）の低圧縮比位置（Ｌ）側への移動は許容するピストンアウタストッパ手段（１８）と，ピストンアウタ（５ｂ，１０５ｂ）が低圧縮比位置（Ｌ）に到達したとき作動してピストンインナ（５ａ）及びピストンアウタ（５ｂ，１０５ｂ）の軸方向の相対移動を阻止するピストンアウタ低圧縮比位置係止手段（３０ａ）と，ピストンアウタ（５ｂ，１０５ｂ）が高圧縮比位置（Ｈ）に到達したとき作動してピストンインナ（５ａ）及びピストンアウタ（５ｂ，１０５ｂ）の軸方向の相対移動を阻止するピストンアウタ高圧縮比位置係止手段（３０ｂ）とを設けたことを特徴とする，内燃機関の圧縮比可変装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の圧縮比可変装置において，
   前記ピストンアウタ高圧縮比位置係止手段（３０ｂ）を，前記ピストンアウタ（５ｂ，１０５ｂ）の内周面に形成した周方向の第１係止溝（３１ａ）と，前記ピストンインナ（５ａ）に支持されて，前記ピストンアウタ（５ｂ，１０５ｂ）が高圧縮比位置（Ｈ）に到達したとき前記第１係止溝（３１ａ）に係合し得る作動位置と，同第１係止溝（３１ａ）から離脱する後退位置間を移動する第１係止部材（３２ａ）と，この第１係止部材（３２ａ）を上記二位置に駆動する駆動手段（３９）とで構成し，また前記ピストンアウタ低圧縮比位置係止手段（３０ａ）を，前記ピストンアウタ（５ｂ，１０５ｂ）の内周面に形成した周方向の第２係止溝（３１ｂ）と，前記ピストンインナ（５ａ）に支持されて，前記ピストンアウタ（５ｂ，１０５ｂ）が低圧縮比位置（Ｌ）に到達したとき前記第２係止溝（３１ｂ）に係合し得る作動位置と，該第２係止溝（３１ｂ）から離脱する後退位置間を移動する第２係止部材（３２ｂ）と，この第２係止部材（３２ｂ）を上記二位置に駆動する駆動手段（３９）とで構成したことを特徴とする，内燃機関の圧縮比可変装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の圧縮比可変装置において，
   前記第１及び第２係止部材を，前記ピストンインナ（５ａ）に揺動可能に軸支される単一の係止レバー（３２）の，揺動中心部から反対方向に延びる第１アーム（３２ａ）及び第２アーム（３２ｂ）によりそれぞれ構成し，この係止レバー（３２）を単一の駆動手段（３９）により揺動させて，前記第１及び第２アーム３２ａ，３２ｂを前記第１及び第２係止溝（３１ａ，３１ｂ）に交互に係合させるようにしたことを特徴とする，内燃機関の圧縮比可変装置。
4. 請求項３に記載の内燃機関の圧縮比可変装置において，
   前記駆動手段（３９）を，前記第１及び第２アーム３２ａ，３２ｂの一方を対応する係止溝（３１ａ，３１ｂ）との係合方向に付勢する作動ばね（３４）と，油圧源（４６）からの油圧を受けて前記第１及び第２アーム３２ａ，３２ｂの他方を対応する係止溝（３１ａ，３１ｂ）との係合方向に押圧し得る油圧ピストン（３８）とで構成したことを特徴とする，内燃機関の圧縮比可変装置。

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