JP4491425B2 - Variable compression ratio device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
この発明は、運転条件に応じて圧縮比を連続的に可変制御可能な内燃機関の可変圧縮比装置に関する。 The present invention relates to a variable compression ratio device for an internal combustion engine capable of continuously variably controlling a compression ratio according to operating conditions.
特許文献1に見られるように、従来から、機械的な可変圧縮比機構を用いて内燃機関の圧縮比の可変制御を実現した種々の形式の可変圧縮比装置が提案されている。このような可変圧縮比機構においては、油圧駆動もしくは電動の何らかのアクチュエータが必要であり、このアクチュエータの駆動力によって、燃焼室容積に関与するピストン等の部材が最終的に動くことになる。ここで、燃焼圧は当然のことながら燃焼室容積を拡大する方向に作用するので、一般に可変圧縮比機構は、圧縮比が低圧縮比となる方向に燃焼圧でもって常に付勢される。
上記のように、一般に可変圧縮比機構は燃焼圧によって低圧縮比側へ付勢されるので、アクチュエータは、その付勢力を受けるが、比較的小型のアクチュエータであると、種々の条件によっては、高圧縮比から低圧縮比へ変化させようとするときであっても、フリクション等により動作が停止してしまい、アクチュエータが例えば電動モータであると過熱してしまったり、あるいは油圧アクチュエータであれば、過度の油圧上昇を生じたりする懸念がある。なお、アクチュエータとして駆動力の大きな大型のものを用いると、外形寸法が大型化するのみならず、消費エネルギが大となり、内燃機関の燃料消費率の悪化の一因となる。 As described above, since the general variable compression ratio mechanism is biased to the low compression ratio side by the combustion pressure, the actuator is subjected to the biasing force, if it is relatively small actuator, by a variety of conditions Even when trying to change from a high compression ratio to a low compression ratio, the operation stops due to friction or the like , and the actuator is overheated if it is an electric motor, for example, or if it is a hydraulic actuator There is a concern that excessive oil pressure increase may occur. If a large actuator having a large driving force is used as the actuator, not only the outer dimensions increase, but also the energy consumption increases, which contributes to the deterioration of the fuel consumption rate of the internal combustion engine.
この発明は、燃焼圧で低圧縮比側へ付勢される可変圧縮比機構と、この可変圧縮比機構を駆動して内燃機関の圧縮比を変化させるアクチュエータと、を備え、負荷に応じて圧縮比を制御するとともに、圧縮比を低下させ始める負荷閾値が、圧縮比を上昇させ始める負荷閾値よりも高負荷側となるようにヒステリシスが与えられてなる内燃機関の可変圧縮比装置において、
上記アクチュエータは、駆動力を発生しない状態で摩擦力によりそのときの圧縮比を保持できるように構成されており、
上記アクチュエータにより圧縮比を低下させるときに、上記アクチュエータの負荷が高い場合あるいはアクチュエータの駆動力が不十分な場合に、該アクチュエータの駆動力を低減あるいは零とすることを特徴としている。
The present invention includes a variable compression ratio mechanism that is urged to a low compression ratio side by a combustion pressure, and an actuator that drives the variable compression ratio mechanism to change the compression ratio of the internal combustion engine, and performs compression according to a load. In the variable compression ratio apparatus for an internal combustion engine , the hysteresis is given so that the load threshold value for starting the reduction of the compression ratio and the load threshold value for starting the increase of the compression ratio is higher than the load threshold value for controlling the ratio.
The actuator is configured so that the compression ratio at that time can be maintained by frictional force in a state where no driving force is generated,
When reducing the compression ratio by the actuator, when the driving force when or actuator load of the actuator is not high is insufficient, is characterized in that a reduced or zero driving force of the actuator.
具体的な一つの態様では、例えば、燃焼圧が高い場合に上記アクチュエータの負荷が高いとし、アクチュエータの駆動力を低減あるいは零とする。 In one specific embodiment, for example, to load of the actuator and has high when the combustion pressure is not high, and reduced or zero driving force of the actuator.
また例えば、上記アクチュエータが不作動もしくはその作動速度が低下した場合に、該アクチュエータの負荷が高い、あるいはアクチュエータの駆動力が不十分である、として、アクチュエータの駆動力を低減あるいは零とする。 Further, for example, when the actuator is inoperative or its operating speed decreases, the load of the actuator is not high, or is insufficient driving force of the actuator, as, and reduced or zero driving force of the actuator.
すなわち、運転条件が変化して圧縮比を低下させるべくアクチュエータが作動するときには、機関の負荷は高く燃焼圧によるフリクションが大となるので、該アクチュエータの駆動力が相対的に不足していると、作動速度が低下したり停止つまり不作動に至ることがある。このような場合に、本発明では、アクチュエータの駆動力を低減し、あるいは駆動力を零とする。これにより、アクチュエータの負荷が低減する。従って、アクチュエータがモータ等の電動アクチュエータであれば、小型のアクチュエータであっても過熱の問題を生じることがなく、また油圧アクチュエータであれば、過渡的な過度の油圧上昇を回避できることから、大きな耐圧性を要求されずに、その小型化が可能となる。 That is, when the operating condition changes and the actuator operates to reduce the compression ratio , the engine load is high and the friction due to the combustion pressure increases, so that the driving force of the actuator is relatively insufficient, The operating speed may decrease or stop, i.e. inactivate. In such a case, the present invention reduces the driving force of the actuator, Oh Rui with zero driving force. This reduces the load on the actuator. Therefore, if the actuator is an electric actuator such as a motor, even if it is a small actuator, there will be no problem of overheating, and if it is a hydraulic actuator, a transient excessive increase in hydraulic pressure can be avoided. Therefore, it is possible to reduce the size.
本発明の一つの態様では、上記アクチュエータの負荷が高くなった状態あるいはアクチュエータの駆動力が低下した状態が所定期間継続した場合に、該アクチュエータの駆動力を低減あるいは逆転あるいは零とする。 In one aspect of the present invention, when the load of the actuator is high or the drive force of the actuator is reduced for a predetermined period, the drive force of the actuator is reduced, reversed, or zero.
また望ましくは、上記アクチュエータの駆動力を低減あるいは逆転あるいは零としたときに、点火時期を補正する。つまり、この場合は、一時的に中間的な圧縮比となるので、例えば、低圧縮比用の点火時期と高圧縮比用の点火時期との中間的な点火時期とする。 Desirably, the ignition timing is corrected when the driving force of the actuator is reduced, reversed, or zero. That is, in this case, since the compression ratio is temporarily intermediate, for example, the ignition timing is intermediate between the ignition timing for the low compression ratio and the ignition timing for the high compression ratio.
この発明によれば、アクチュエータの駆動力が相対的に不十分な場合に、該アクチュエータの駆動力を低減あるいは零とするので、アクチュエータに過大な負荷が作用しない。従って、アクチュエータがモータ等の電動アクチュエータであれば、過熱の問題を生じることがなく、また油圧アクチュエータであれば、過渡的な過度の油圧上昇を回避でき、アクチュエータの小型化が可能となる。 According to this invention, when the driving force of the actuator is relatively insufficient , the driving force of the actuator is reduced or zero, so that an excessive load does not act on the actuator. Therefore, if the actuator is an electric actuator such as a motor, the problem of overheating does not occur. If the actuator is a hydraulic actuator, a transient excessive increase in hydraulic pressure can be avoided and the actuator can be downsized.
図1および図2は、本発明に係る可変圧縮比装置の構成を示しており、特に、図1は、高圧縮比に制御された状態を、図2は、低圧縮比に制御された状態を、それぞれ示す。 1 and 2 show the configuration of the variable compression ratio apparatus according to the present invention. In particular, FIG. 1 shows a state controlled to a high compression ratio, and FIG. 2 shows a state controlled to a low compression ratio. Are shown respectively.
この可変圧縮比装置における可変圧縮比機構は、複リンク式のピストン−クランク機構を利用したものであり、シリンダブロック1のシリンダ2内を摺動するピストン3にピストンピン4を介して一端が連結されたアッパリンク5と、このアッパリンク5の他端に連結ピン6を介して連結されるとともに、クランクシャフト7のクランクピン8に回転可能に連結されたロアリンク9と、このロアリンク9の自由度を制限するために該ロアリンク9にさらに連結ピン10を介して一端が連結され、かつ他端が内燃機関本体に揺動可能に支持されたコントロールリンク11と、を備えており、上記コントロールリンク11の揺動支持位置が制御軸12の偏心カム部13によって可変制御される構成となっている。このものでは、上記制御軸12の回転位置つまり偏心カム部13の位置によってコントロールリンク11下端の揺動支持位置が変化し、ロアリンク9の初期の姿勢が変わるため、これに伴ってピストン3の上死点位置、ひいては圧縮比が変化する。
The variable compression ratio mechanism in this variable compression ratio device uses a multi-link type piston-crank mechanism, and one end is connected to a
上記制御軸12はクランクシャフト7と平行に配置され、かつシリンダブロック1に回転自在に支持されている。そして、この制御軸12には、リンクレバー32が固定されており、該リンクレバー32のスリットに、アクチュエータ31のロッド33先端のピンが係合している。これにより、上記ロッド33の軸方向の進退に伴って、制御軸12が回転する。
The
上記アクチュエータ31は、雄ネジ部材としての上記のロッド33と、このロッド33の雄ネジ部分に螺合した雌ネジ部材としてのスリーブ34と、このスリーブ34を回転可能に保持したケーシング35と、を備えており、上記スリーブ34が駆動源である図示せぬ電動モータによって回転駆動される構成となっている。上記ロッド33および上記スリーブ34の雄ネジおよび雌ネジは、ネジ山の断面が台形をなす台形ネジとなっている。そして、上記可変圧縮比機構は、図1に示すように、ロッド33が後退した位置において高圧縮比となり、図2に示すように、ロッド33が伸張した位置において低圧縮比となる。
The
上記のように可変圧縮比機構に適用されたアクチュエータ31においては、ピストン3に図の下向きに作用する燃焼圧がコントロールリンク11から制御軸12を介してロッド33に軸方向に作用し、常に低圧縮比側へ付勢される。従って、アクチュエータ31に要求される駆動力としては、基本的に、圧縮比を低圧縮比側へ変化させるときには燃焼圧による補助を受けて小さな駆動力で足り、逆に圧縮比を高圧縮比側へ変化させるときには、燃焼圧に対抗することから、より大きな駆動力が必要となる。
In the
なお、上記のネジ式のアクチュエータ31によれば、大きな減速比が得られ、駆動トルクや制御精度の上で有利であるとともに、特に、台形ネジとすれば、軸方向の荷重を支える接触面の面積を大きく確保できる利点がある。そして、減速比と摩擦係数との関係を適切に設定することで、軸方向の荷重に対し、摩擦力のみで対抗することが可能であり、制御軸12の位置をある位置に継続的に保持する場合(例えば定常走行のように運転条件が変化しない場合)に、その位置を保持するためのモータのトルクが不要となり、モータの消費電力を実質的に0にし得る。
According to the
この実施例では、内燃機関の圧縮比は、基本的に、高・低の2段階に切換制御され、低負荷時に高圧縮比に、高負荷時に低圧縮比となる。なお、周知のように、燃焼圧は負荷が高いほど高くなる。図3は、機関運転条件に対する圧縮比の制御マップを示しており、(a)は、負荷増加時つまり高圧縮比から低圧縮比への方向の切換を行う際の特性であり、高圧縮比で運転されている低負荷側の領域から、運転条件が切換線L1を高負荷側へ横切って変化すると、アクチュエータ31が作動し、上述した可変圧縮比機構が低圧縮比へと切り換えられる。(b)は、負荷減少時つまり低圧縮比から高圧縮比への方向の切換を行う際の特性であり、低圧縮比で運転されている高負荷側の領域から、運転条件が切換線L2を低負荷側へ横切って変化すると、アクチュエータ31が作動し、上述した可変圧縮比機構が高圧縮比へと切り換えられる。
In this embodiment, the compression ratio of the internal combustion engine is basically switched and controlled in two stages of high and low, and becomes a high compression ratio at a low load and a low compression ratio at a high load. As is well known, the combustion pressure increases as the load increases. FIG. 3 shows a control map of the compression ratio with respect to the engine operating conditions. (A) is a characteristic when the load is increased, that is, when the direction is switched from the high compression ratio to the low compression ratio. When the operating condition changes across the switching line L1 to the high load side from the region on the low load side that is being operated at, the
ここで、図(a)の切換線L1と図(b)の切換線L2とを対比すれば明らかなように、両者の間には、負荷方向に大きなヒステリシスが与えられている。従って、図(b)のように低圧縮比から高圧縮比へ切り換える際には、上述したように燃焼圧に対抗してアクチュエータ31が作動することになるが、切換線L2がヒステリシスにより十分に低い負荷に設定されているため、切換時の実際の燃焼圧は低い。そのため、アクチュエータ31の駆動源として駆動力の小さな小型の電動モータを用いることができる。
Here, as is clear from the comparison between the switching line L1 in FIG. 1 (a) and the switching line L2 in FIG. 2 (b), a large hysteresis is given between them in the load direction. Therefore, when switching from the low compression ratio to the high compression ratio as shown in FIG. 5B, the
また、図(a)の制御マップに従って高圧縮比から低圧縮比へ切り換える際には、燃焼圧がアクチュエータ31の作動を補助することになるので、必要な駆動力は小さく、そのため、アクチュエータ31の駆動源として駆動力の小さな小型の電動モータを用いることができる。
Further, when switching from the high compression ratio to the low compression ratio according to the control map of FIG. (A), the combustion pressure assists the operation of the
ところで、このように駆動力の小さな電動モータをアクチュエータ31に用いた場合、条件によっては、圧縮比切換の途中で駆動力が不足し、切換動作が停止あるいは作動速度が極端に低下してしまうことがある。図4は、圧縮比切換の一例を示すタイムチャートであって、機関の負荷、圧縮比およびアクチュエータ駆動力の変化を対比して示している。この例では、当初は機関の負荷が高く、圧縮比が低く保たれているが、この状態から負荷が低下し、T1の時点で前述した切換線L2を越えると、アクチュエータ31(電動モータ)が高圧縮比方向へ駆動され、圧縮比が高圧縮比へと変化していく。ここで、圧縮比が所定の高圧縮比状態まで完全に切り換わる前に内燃機関の負荷が再び上昇すると、T2の時点で、逆に圧縮比を低下させるような制御となる。仮にアクチュエータ31の駆動力が十分に大きければ、線C1に示すように実際の圧縮比が低下していくが、小型のアクチュエータ31(電動モータ)であると、フリクション等に打ち勝つことができずに、線C2に示すように、制御軸12の位置がそのままに停止してしまうことがある。このとき、アクチュエータ31(電動モータ)は、F1として示すように低圧縮比方向へ最大の駆動力を発生しており、電動モータには停止状態のまま大きな電流が流れるので、過熱状態となり、耐久性低下を生じやすい。これに対し、本実施例では、アクチュエータ31の電動モータに大きな負荷が作用して作動速度の極端な低下や不作動が生じたときに、F2として示すように、駆動力を零とする。これにより、電動モータの過熱が回避される。なお、圧縮比は、線C2で示すように中間圧縮比のまま保持されるので、この中間圧縮比に最適となるように、点火時期の補正を行うことが望ましい。
By the way, when an electric motor with such a small driving force is used for the
図4の例では、電動モータの負荷が過大となって不作動等が生じたときに、駆動力を零としているが、過熱が生じない程度にまで駆動力を低減するようにしてもよい。 In the example of FIG. 4, when the load of the electric motor becomes excessively large inoperative like occurs, but the driving force is set to zero, but it may also be configured to reduce the driving force to the extent that overheating does not occur .
3…ピストン
5…アッパリンク
7…クランクシャフト
9…ロアリンク
11…コントロールリンク
12…制御軸
31…アクチュエータ
3 ...
Claims (5)
上記アクチュエータは、駆動力を発生しない状態で摩擦力によりそのときの圧縮比を保持できるように構成されており、
上記アクチュエータにより圧縮比を低下させるときに、上記アクチュエータの負荷が高い場合あるいはアクチュエータの駆動力が不十分な場合に、該アクチュエータの駆動力を低減あるいは零とすることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比装置。 A variable compression ratio mechanism that is biased toward the low compression ratio by the combustion pressure, and an actuator that drives the variable compression ratio mechanism to change the compression ratio of the internal combustion engine, and controls the compression ratio according to the load At the same time, in the variable compression ratio device of the internal combustion engine provided with hysteresis so that the load threshold at which the compression ratio starts to decrease is higher than the load threshold at which the compression ratio starts to increase ,
The actuator is configured so that the compression ratio at that time can be maintained by frictional force in a state where no driving force is generated,
When reducing the compression ratio by the actuator, when the driving force when or actuator load of the actuator is not high is insufficient, the internal combustion engine, characterized by a reduced or zero driving force of the actuator Variable compression ratio device.
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