JP4491425B2 - 内燃機関の可変圧縮比装置 - Google Patents

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。

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。
特公平７−７２５１５号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明に係る可変圧縮比装置の一実施例を高圧縮比位置で示す断面図。 同じく低圧縮比位置で示す断面図。 （ａ）負荷増加時および（ｂ）負荷減少時の圧縮比の制御マップを示す特性図。 本発明の圧縮比の切換の一例を示すタイムチャート。

符号の説明

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

Claims (5)

1. 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する内燃機関の可変圧縮比装置。
2. 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することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
3. 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、とすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
4. 上記アクチュエータの負荷が高い状態あるいはアクチュエータの駆動力が不十分な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零とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
5. 上記アクチュエータの駆動力を低減あるいは零としたときに、点火時期を補正す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の可変圧縮比装置。

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