JP4714610B2

JP4714610B2 - 内燃機関の可変圧縮比装置

Info

Publication number: JP4714610B2
Application number: JP2006072016A
Authority: JP
Inventors: 俊一青山; 克也茂木; 儀明田中; 信一竹村; 済文菅原; 晃坂田
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-03-16
Filing date: 2006-03-16
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2026-03-16
Also published as: JP2007247537A

Description

この発明は、複リンク式ピストン−クランク機構を利用した可変圧縮比機構と圧縮比制御用のアクチュエータとを備えた内燃機関の可変圧縮比装置の改良に関する。

レシプロ式内燃機関の可変圧縮比機構として、特許文献１に示すような複リンク式のクランク機構を利用したものが近年提案されている。これは、シリンダブロックのシリンダ内を摺動するピストンにピストンピンを介して一端が連結されたアッパリンクと、このアッパリンクの他端に連結ピンを介して連結されるとともに、クランクシャフトのクランクピンに回転可能に連結されたロアリンクと、このロアリンクの自由度を制限するために該ロアリンクにさらに連結ピン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と、を備えており、上記コントロールリンクの揺動支持位置が制御軸の偏心カム部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、上記制御軸の回転位置つまり偏心カム部の位置によってコントロールリンク下端の揺動支持位置が変化し、ロアリンクの初期の姿勢が変わるため、これに伴ってピストンの上死点位置、ひいては圧縮比が変化する。

また上記特許文献１においては、機関運転条件に応じて上記制御軸を回転駆動するために、ネジ機構を利用したアクチュエータが開示されている。すなわち互いに螺合する雄ネジ部材および雌ネジ部材の相対回転によって雄ネジ部材もしくは雌ネジ部材を直進運動させ、この直進運動を例えば制御軸に固定したリンクレバーを介して回転運動として制御軸に伝達するようにしている。
特開２００３−９０４０９号公報

しかしながら、従来の可変圧縮比装置においては、積極的な潤滑は行っていなかった。積極的な潤滑を行うには、別途のバルブや圧縮比に基づくバルブ制御装置を設ける必要があり、安価な可変圧縮比装置を構成するには問題があった。

そこで、本発明は、圧縮比を制御するアクチュエータ自体を流路切換用バルブとして、内燃機関の圧縮比に応じて潤滑油供給量を制御する必要がある場合に、極めて簡単な構成でもって、確実な潤滑を実現することを目的とする。

この発明は、複リンク式のピストン−クランク機構と、このピストン−クランク機構の各リンクの挙動を変化させるように被駆動部材を動かすことにより圧縮比を変えるアクチュエータと、を備えてなる内燃機関の可変圧縮比装置を前提としており、上記アクチュエータは、互いに螺合した雄ネジ部材および雌ネジ部材の相対回転による軸方向の作動によって上記被駆動部材を動かすように構成され、かつ上記雄ネジ部材および雌ネジ部材の軸方向の相対変位によって油路切換を行うバルブ部を備えている。このバルブ部は、低圧縮比時に上記雄ネジ部材と上記雌ネジ部材との螺合部に潤滑油を供給する一方、高圧縮比時に上記螺合部から潤滑油を排出するように構成されている。

例えば、上記ピストン−クランク機構は、ピストンにピストンピンを介して連結されたアッパリンクと、上記アッパリンクに連結ピンを介して揺動可能に連結され、かつクランクシャフトのクランクピンに回転可能に装着されたロアリンクと、一端部が上記ロアリンクに連結ピンを介して揺動可能に連結されたコントロールリンクと、内燃機関本体に回転可能に設けられ、かつ上記コントロールリンクの他端部を揺動自在に支持する偏心カム部を備えた制御軸と、を備えて構成されており、上記制御軸に固定された被駆動部材となるリンクレバーが上記アクチュエータに連係し、該アクチュエータの軸方向変位によって上記制御軸の回転位置が制御される。

本発明の具体的な一つの態様では、上記アクチュエータは、上記雌ネジ部材を回転可能に保持したケーシングと、上記雌ネジ部材を回転駆動するモータと、を備え、上記モータの回転によって上記雄ネジ部材がケーシングに対し軸方向に進退するように構成されており、上記雄ネジ部材の一部と上記ケーシングとによって上記バルブ部が構成されている。

つまり上記雄ネジ部材およびケーシングのそれぞれに、ポートないしは油通路が形成され、両者がネジ機構の軸方向に相対変位することで、油路切換が行われる。従って、圧縮比に応じた格別の制御を要さずに、圧縮比に応じた潤滑油の供給を実現できる。

高負荷時など低圧縮比で運転される条件では、ガス圧力に起因するアクチュエータへの荷重が大きいため、ネジの螺合部に大きな荷重が加わる。この条件で特に高回転に移行すると、振動による微小滑りなども加わるため、ネジ部のフレッチング摩耗などが発生しやすくなる。本発明では、このような低圧縮比時に、アクチュエータ自体のバルブ部の作用によってネジ螺合部に多量の潤滑油が供給され、確実な潤滑が行われる。

高圧縮比時は一般に機関が低負荷であり、各部の潤滑の要求が相対的に低いので、本発明では、上記螺合部から潤滑油が排出される。これにより、上記螺合部で適宜な摩擦力が得られ、定常運転などで駆動力を零もしくは小としても、アクチュエータの制御位置が保持される。本発明では、このような圧縮比に応じた潤滑油の制御を容易に実現できる。

この発明によれば、別途のバルブや圧縮比に基づくバルブ制御を要さずに、圧縮比を制御するアクチュエータ自体を油路切換用のバルブとして、安価な構成により、圧縮比に応じた潤滑油の制御を実現することができる。

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、被駆動部材となるリンクレバー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、図３にも示すように、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３３ａ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を一対のベアリング３６を介して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が駆動源である電動モータ３７によって回転駆動される構成となっている。詳しくは、スリーブ３４の端部に固定された大歯車３８と電動モータ３７側の小歯車３９とを介して電動モータ３７の回転が減速された形でスリーブ３４に伝達される。また、電動モータ３７には、回転角検出センサ４０が設けられている。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。

図６は、内燃機関の運転条件に対応した目標圧縮比の特性を示す特性図であって、図示するように、内燃機関の低負荷域では燃焼効率向上のために高圧縮比となり、負荷が高いほど、ノッキング回避のために低い圧縮比となる。

上記のような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。

次に、本発明の要部であるバルブ部５１の構成を図３〜図５図に基づいて説明する。図４および図５は本発明の参考例となる構成例を示している。

図示するように、雄ネジ部材としてのロッド３３は、長手方向の中間部に円柱状のプランジャ部３３ｂを有しており、このプランジャ部３３ｂの外周面は、ケーシング３５の内周、詳しくはケーシング３５の一部をなす円筒状バルブスリーブ５２の内周面に、微小間隙を介して摺動可能に嵌合している。そして、上記バルブスリーブ５２に、入口ポート５３および出口ポート５４が互いに対向して開口形成されているとともに、上記プランジャ部３３ｂ外周面に、この入口ポート５３と出口ポート５４とを連通するためのドレン用油溝５５が全周に亘って凹設されている。上記入口ポート５３は、例えばシリンダブロック内のオイルギャラリ等を介して図示せぬ機関オイルポンプの吐出側に連通しており、また出口ポート５４は図示せぬドレン通路に連通している。また、プランジャ部３３ｂの雄ネジ部３３ａ寄りの部分でかつ入口ポート５３側となる外周面に、プランジャ部３３ｂの軸方向に沿った給油溝５６が凹設されている。この給油溝５６の先端は、プランジャ部３３ｂの雄ネジ部３３ａ側の端面に開放されている。従って、上記プランジャ部３３ｂがバルブスリーブ５２内を軸方向に摺動することで、一種のスプール弁が構成される。なお、図示例では、入口ポート５３等を有するバルブスリーブ５２がケーシング３５とは別体に形成されているが、ケーシング３５自体に入口ポート５３等を形成するようにしてもよい。

図４は、アクチュエータ３１が図１に示した高圧縮比位置にあるときのバルブ部５１の状態を示している。図示するように、この高圧縮比時には、入口ポート５３がドレン用油溝５５を介して出口ポート５４に連通する。従って、オイルポンプから吐出された潤滑油の一部がドレン通路へとリリーフされ、吐出油圧が低下する。この高圧縮比時は、機関の負荷が低い状態であり、各部の潤滑の要求が低いので、吐出油圧を低減することで、オイルポンプの駆動に要する消費エネルギが少なくなる。

これに対し、図５は、アクチュエータ３１が図２に示した低圧縮比位置にあるときのバルブ部５１の状態を示している。図示するように、この低圧縮比時には、ドレン用油溝５５は入口ポート５３および出口ポート５４に合致せず、入口ポート５３と出口ポート５４との間が遮断される一方、軸方向に沿った給油溝５６の端部が入口ポート５３に連通する。従って、吐出油圧が高くなるとともに、オイルポンプから吐出された潤滑油の一部が、給油溝５６を通して、ロッド３３の雄ネジ部３３ａとスリーブ３４側の雌ネジとの螺合部つまり噛合部に供給され、該螺合部が積極的に潤滑される。この低圧縮比時は、機関の負荷が高い状態であり、ガス圧力に起因する反力として制御軸１２を介してアクチュエータ３１へ作用する負荷も大きく、ネジ螺合部に大きな荷重が加わるが、上記のように積極的に潤滑することで、ネジ部のフレッチング摩耗などを確実に防止できる。

なお、上記のように潤滑を行うと、前述した摩擦力によるアクチュエータ３１の位置の保持作用が低減するので、例えば、アクチュエータ３１の駆動力を零としたまま定常運転されたような場合に、アクチュエータ３１の制御位置が変化しやすい。従って、低圧縮比から高圧縮比に切り換えた直後に、必要に応じて、アクチュエータ３１の位置の修正制御を行うことが望ましい。

次に、図７および図８は、本発明に係るバルブ部５１の一実施例を示している。この実施例では、プランジャ部３３ｂは前述したドレン用油溝５５は具備しておらず、これに代えて、上記給油溝５６から出口ポート５４へと向かう排油通路５７がプランジャ部３３ｂ内部に形成されている。この排油通路５７の先端は、給油溝５６が入口ポート５３から遮断される高圧縮比位置（図７参照）において、出口ポート５４と連通し、かつ給油溝５６が入口ポート５３と連通する低圧縮比位置（図８参照）において、出口ポート５４から遮断される位置に設けられている。

この実施例の構成によれば、前述した参考例と同じく、図８に示す低圧縮比時にロッド３３の雄ネジ部３３ａとスリーブ３４側の雌ネジとの螺合部に潤滑油が供給され、該螺合部が積極的に潤滑される。そして、この状態から図７に示す高圧縮比位置に変化したときに、潤滑油の供給が停止するとともに、排油通路５７を通して、それまで潤滑されていたネジ螺合部から潤滑油が速やかに排出される。従って、高圧縮比時には、前述したように適宜な摩擦力が得られ、定常運転などで駆動力を零もしくは小としても、アクチュエータ３１の制御位置が保持される。

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。アクチュエータの要部断面図。参考例となるバルブ部の高圧縮比位置における説明図。同じくバルブ部の低圧縮比位置における説明図。運転条件に対する目標圧縮比の特性を示す特性図。バルブ部の一実施例を示す高圧縮比位置における説明図。同じく低圧縮比位置における説明図。

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
５１…バルブ部

Claims

複リンク式のピストン−クランク機構と、このピストン−クランク機構の各リンクの挙動を変化させるように被駆動部材を動かすことにより圧縮比を変えるアクチュエータと、を備え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、互いに螺合した雄ネジ部材および雌ネジ部材の相対回転による軸方向の作動によって上記被駆動部材を動かすように構成され、かつ上記雄ネジ部材および雌ネジ部材の軸方向の相対変位によって油路切換を行うバルブ部を備えており、このバルブ部は、低圧縮比時に上記雄ネジ部材と上記雌ネジ部材との螺合部に潤滑油を供給する一方、高圧縮比時に上記螺合部から潤滑油を排出するように構成されていることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比装置。
上記ピストン−クランク機構は、ピストンにピストンピンを介して連結されたアッパリンクと、上記アッパリンクに連結ピンを介して揺動可能に連結され、かつクランクシャフトのクランクピンに回転可能に装着されたロアリンクと、一端部が上記ロアリンクに連結ピンを介して揺動可能に連結されたコントロールリンクと、内燃機関本体に回転可能に設けられ、かつ上記コントロールリンクの他端部を揺動自在に支持する偏心カム部を備えた制御軸と、を備えてなり、
上記制御軸に固定された被駆動部材となるリンクレバーが上記アクチュエータに連係し、該アクチュエータの軸方向変位によって上記制御軸の回転位置が制御され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。
上記アクチュエータは、上記雌ネジ部材を回転可能に保持したケーシングと、上記雌ネジ部材を回転駆動するモータと、を備え、上記モータの回転によって上記雄ネジ部材がケーシングに対し軸方向に進退するように構成されており、上記雄ネジ部材の一部と上記ケーシングとによって上記バルブ部が構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の可変圧縮比装置。