JP6354658B2 - 可変長コンロッド - Google Patents

Description

本発明は、有効長さを変更可能な可変長コンロッドに関する。

従来から、内燃機関の機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構を備えた内燃機関が知られている。このような可変圧縮比機構としては様々なものが提案されているが、そのうちの一つとして内燃機関で用いられるコンロッドの有効長さを変化させるものが挙げられる（例えば、特許文献１）。ここで、コンロッドの有効長さとは、クランクピンを受容するクランク受容開口とピストンピンを受容するピストンピン受容開口との間の距離、特にクランク受容開口の中心とピストンピン受容開口の中心との間の距離を意味する。したがって、コンロッドの有効長さが長くなるとピストンが圧縮上死点にあるときの燃焼室容積が小さくなり、よって機械圧縮比が増大する。一方、コンロッドの有効長さが短くなるとピストンが圧縮上死点にあるときの燃焼室容積が大きくなり、よって機械圧縮比が低下する。

有効長さを変更可能な可変長コンロッドとしては、コンロッド本体の小径端部に、コンロッド本体に対して回動可能な偏心部材（偏心アームや偏心スリーブ）を設けたものが知られている（例えば、特許文献１）。偏心部材はピストンピンを受容するピストンピン受容開口を有し、このピストンピン受容開口は偏心部材の回動軸線に対して偏心して設けられる。このような可変長コンロッドでは、偏心部材の回動位置を変更すると、これに伴ってコンロッドの有効長さを変化させることができる。

国際公開第２０１４／０１９６８３号

ところで、上述したような可変長コンロッドでは、コンロッドの有効長さを長くするときには、ピストンが上昇する際にピストンに作用する上向きの慣性力が利用される。斯かる上向きの慣性力によりピストンがコンロッド本体に対して上昇するように偏心部材が回動し、この結果、機械圧縮比が低圧縮比から高圧縮比に切り替えられる。

一方、コンロッドの有効長さを短くするときには、ピストンが下降する際にピストンに作用する下向きの慣性力と、混合気の燃焼によってピストンに作用する下向きの爆発力とが利用される。これら下向きの慣性力及び下向きの爆発力によりピストンがコンロッド本体に対して下降するように偏心部材が回動し、この結果、機械圧縮比が高圧縮比から低圧縮比に切り替えられる。

ところが、ピストンに作用する慣性力は爆発力よりもはるかに小さい。このため、機械圧縮比を高圧縮比から低圧縮比に切り替えるときには爆発力を利用するため迅速に切替を行うことができる。これに対して、機械圧縮比を低圧縮比から高圧縮比に切り替えるときには爆発力を利用することができず小さい慣性力を利用することになるため、十分な応答性を持って切替を行うことは困難である。また、慣性力は、機関回転数の二乗に比例するため、内燃機関の低回転域では、特に応答性が悪化する。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、機械圧縮比を低圧縮比から高圧縮比に切り替えるときの応答性が改善された可変長コンロッドを提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、ピストンピンを受容するピストンピン受容開口とクランクピンを受容するクランク受容開口との間の有効長さを変更することができる可変長コンロッドであって、前記クランク受容開口が設けられた大径端部と該大径端部とは反対側に位置する小径端部とを有するコンロッド本体と、前記小径端部に回動可能に取り付けられると共に前記ピストンピン受容開口と前記小径端部から径方向に延びるアームとを有する偏心部材と、前記コンロッド本体に設けられたシリンダと該シリンダ内で摺動するピストンとを有するピストン機構と、一方の端部に位置する第１連結部において前記偏心部材のアームに連結されると共に他方の端部に位置する第２連結部において前記ピストンに連結されるロッドとを具備し、前記偏心部材は、前記アームが前記大径端部から離れる方向に移動したときに当該可変長コンロッドの有効長さが長くなるように構成され、前記ロッドは、当該ロッドの重心が前記第１連結部と前記第２連結部とを結ぶ直線に対してコンロッド本体側とは反対側であって前記第１連結部と前記第２連結部との中央よりも前記第１連結部側に位置するように構成される、可変長コンロッドが提供される。

本発明によれば、機械圧縮比を低圧縮比から高圧縮比に切り替えるときの応答性が改善された可変長コンロッドが提供される。

図１は、可変圧縮比内燃機関の概略的な側面断面図である。 図２は、本発明に係る可変長コンロッドを概略的に示す斜視図である。 図３は、本発明に係る可変長コンロッドを概略的に示す断面側面図である。 図４は、コンロッド本体の小径端部近傍の概略的な分解斜視図である。 図５は、コンロッド本体の小径端部近傍の概略的な分解斜視図である。 図６は、第１ロッドの平面図である。 図７は、第１ロッドの平面図である。 図８は、本発明に係る可変長コンロッドを概略的に示す断面側面図である。 図９は、流れ方向切換機構が設けられた領域を拡大したコンロッドの断面側面図である。 図１０は、図９のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ及びＩＸ−ＩＸに沿ったコンロッドの断面図である。 図１１は、油圧供給源から切換ピンに油圧が供給されているときの流れ方向切換機構の動作を説明する概略図である。 図１２は、油圧供給源から切換ピンに油圧が供給されていないときの流れ方向切換機構の動作を説明する概略図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜可変圧縮比内燃機関＞
図１は、本発明に係る可変長コンロッドを備える可変圧縮比内燃機関の概略的な側面断面図を示す。図１を参照すると、１は内燃機関を示している。内燃機関１は、クランクケース２、シリンダブロック３、シリンダヘッド４、ピストン５、可変長コンロッド６、燃焼室７、燃焼室７の頂面中央部に配置された点火プラグ８、吸気弁９、吸気カムシャフト１０、吸気ポート１１、排気弁１２、排気カムシャフト１３、排気ポート１４を具備する。

可変長コンロッド６は、その小径端部においてピストンピン２１によりピストン５に連結されると共に、その大径端部においてクランクシャフトのクランクピン２２に連結される。可変長コンロッド６は、後述するように、ピストンピン２１の軸線からクランクピン２２の軸線までの距離、すなわち有効長さを変更することができる。

可変長コンロッド６の有効長さが長くなると、クランクピン２２からピストンピン２１までの長さが長くなるため、図中に実線で示したようにピストン５が上死点にあるときの燃焼室７の容積が小さくなる。一方、可変長コンロッド６の有効長さが変化しても、ピストン５がシリンダ内を往復動するストローク長さは変化しない。したがって、このとき、内燃機関１における機械圧縮比が大きくなる。

一方、可変長コンロッド６の有効長さが短くなると、クランクピン２２からピストンピン２１までの長さが短くなるため、図中に破線で示したようにピストン５が上死点にあるときの燃焼室７内の容積が大きくなる。しかしながら、上述したように、ピストン５のストローク長さは一定である。したがって、このとき、内燃機関１における機械圧縮比が小さくなる。

＜可変長コンロッドの構成＞
図２は、本発明に係る可変長コンロッド６を概略的に示す斜視図であり、図３は、本発明に係る可変長コンロッド６を概略的に示す断面側面図である。図２及び図３に示したように、可変長コンロッド６は、コンロッド本体３１と、コンロッド本体３１に回動可能に取り付けられた偏心部材３２と、コンロッド本体３１に設けられた第１ピストン機構３３及び第２ピストン機構３４と、これら両ピストン機構３３、３４への作動油の流れの切換を行う流れ方向切換機構３５とを具備する。

まず、コンロッド本体３１について説明する。コンロッド本体３１は、その一方の端部にクランクシャフトのクランクピン２２を受容するクランク受容開口４１を有し、他方の端部に後述する偏心部材３２のスリーブを受容するスリーブ受容開口４２を有する。クランク受容開口４１はスリーブ受容開口４２よりも大きいことから、クランク受容開口４１が設けられている側（クランクシャフト側）に位置するコンロッド本体３１の端部を大径端部３１ａと称し、スリーブ受容開口４２が設けられている側（ピストン側）に位置するコンロッド本体３１の端部を小径端部３１ｂと称する。

なお、本明細書では、クランク受容開口４１の中心軸線（すなわち、クランク受容開口４１に受容されるクランクピン２２の軸線）と、スリーブ受容開口４２の中心軸線（すなわち、スリーブ受容開口４２に受容されるスリーブの軸線）との間で延びる線Ｘ（図３）、すなわちコンロッド本体３１の中央を通る線をコンロッド６の軸線と称す。また、コンロッド６の軸線Ｘに対して垂直であってクランク受容開口４１の中心軸線に垂直な方向におけるコンロッドの長さをコンロッドの幅と称する。加えて、クランク受容開口４１の中心軸線に平行な方向におけるコンロッドの長さをコンロッドの厚さと称する。

図２及び図３からわかるように、コンロッド本体３１の幅は、大径端部３１ａと小径端部３１ｂとの間の中間部分で最も細い。また、大径端部３１ａの幅は小径端部３１ｂの幅よりも広い。一方、コンロッド本体３１の厚さは、ピストン機構３３、３４が設けられている領域を除いてほぼ一定の厚さとされる。

次に、偏心部材３２について説明する。図４及び図５は、コンロッド本体３１の小径端部３１ｂ近傍の概略斜視図である。図４及び図５では、偏心部材３２は、分解された状態で示されている。図２〜図５を参照すると、偏心部材３２は、コンロッド本体３１に形成されたスリーブ受容開口４２内に受容される円筒状のスリーブ３２ａと、スリーブ３２ａからコンロッド本体３１の幅方向において一方の方向に延びる一対の第１アーム３２ｂと、スリーブ３２ａからコンロッド本体３１の幅方向において他方の方向（上記一方の方向とは概して反対方向）に延びる一対の第２アーム３２ｃとを具備する。スリーブ３２ａはスリーブ受容開口４２内で回動可能であるため、偏心部材３２はコンロッド本体３１の小径端部３１ｂにおいてコンロッド本体３１に対して小径端部３１ｂの周方向に回動可能に取り付けられることになる。偏心部材３２の回動軸線はスリーブ受容開口４２の中心軸線と一致する。

また、偏心部材３２のスリーブ３２ａは、ピストンピン２１を受容するためのピストンピン受容開口３２ｄを有する。このピストンピン受容開口３２ｄは円筒状に形成されている。円筒状のピストンピン受容開口３２ｄは、その軸線がスリーブ３２ａの円筒状外形の中心軸線と平行ではあるが、同軸にはならないように形成される。したがって、ピストンピン受容開口３２ｄの中心軸線は、スリーブ３２ａの円筒状外形の中心軸線、すなわち偏心部材３２の回動軸線から偏心している。

このように、本実施形態では、スリーブ３２ａのピストンピン受容開口３２ｄの中心軸線が偏心部材３２回動軸線から偏心している。このため、偏心部材３２が回転すると、スリーブ受容開口４２内でのピストンピン受容開口３２ｄの位置が変化する。スリーブ受容開口４２内においてピストンピン受容開口３２ｄの位置が大径端部３１ａ側にあるときには、コンロッドの有効長さが短くなる。逆に、スリーブ受容開口４２内においてピストンピン受容開口３２ｄの位置が大径端部３１ａ側とは反対側にあるときには、コンロッドの有効長さが長くなる。したがって本実施形態によれば、偏心部材を回動させることによって、コンロッド６の有効長さが変化する。

次に、図３を参照して、第１ピストン機構３３について説明する。第１ピストン機構３３は、コンロッド本体３１に形成された第１シリンダ３３ａと、第１シリンダ３３ａ内で摺動する第１ピストン３３ｂとを有する。第１シリンダ３３ａは、そのほとんど又はその全てがコンロッド６の軸線Ｘに対して第１アーム３２ｂ側に配置される。また、第１シリンダ３３ａは、小径端部３１ｂに近づくほどコンロッド本体３１の幅方向に突出するように軸線Ｘに対して或る程度の角度だけ傾斜して配置される。また、第１シリンダ３３ａは、第１ピストン連通油路５１を介して流れ方向切換機構３５と連通する。

第１ピストン３３ｂは、第１ロッド４５により偏心部材３２の第１アーム３２ｂに連結される。具体的には、第１アーム３２ｂは、スリーブ３２ａに結合されている側とは反対側の端部において、第１連結ピン３６によって第１ロッド４５に回転可能に連結される。第１ピストン３３ｂは、第２連結ピン３７によって第１ロッド４５に回転可能に連結される。したがって、第１ロッド４５はその一方の端部に位置する第１連結部において第１連結ピン３６によって偏心部材３２の第１アーム３２ｂに連結される。加えて、第１ロッド４５はその他方の端部に位置する第２連結部において第２連結ピン３７によって第１ピストン３３ｂに連結される。

次に、第２ピストン機構３４について説明する。第２ピストン機構３４は、コンロッド本体３１に形成された第２シリンダ３４ａと、第２シリンダ３４ａ内で摺動する第２ピストン３４ｂとを有する。第２シリンダ３４ａは、そのほとんど又はその全てがコンロッド６の軸線Ｘに対して第２アーム３２ｃ側に配置される。また、第２シリンダ３４ａは、小径端部３１ｂに近づくほどコンロッド本体３１の幅方向に突出するように軸線Ｘに対して或る程度の角度だけ傾斜して配置される。また、第２シリンダ３４ａは、第２ピストン連通油路５２を介して流れ方向切換機構３５と連通する。

第２ピストン３４ｂは、第２ロッド４６により偏心部材３２の第２アーム３２ｃに連結される。具体的には、第２アーム３２ｃは、スリーブ３２ａに結合されている側とは反対側の端部において、第３連結ピン３８によって第２ロッド４６に回転可能に連結される。第２ピストン３４ｂは、第４連結ピン３９によって第２ロッド４６に回動可能に連結される。したがって、第２ロッド４６はその一方の端部に位置する第３連結部において第３連結ピン３８によって偏心部材３２の第２アーム３２ｃに連結される。加えて、第２ロッド４６は、その他方の端部に位置する第４連結部において第４連結ピン３９によって第２ピストン３４ｂに連結される。

図６は、第１ロッド４５の形状を示す平面図である。ここで、第１連結部と第２連結部との間で延びる直線に対して垂直であって、第１連結ピン３６及び第２連結ピン３７の軸線方向（すなわち、ピストンピン２１及びクランクピン２２の軸線方向）と垂直な方向を第１ロッド４５の幅方向とする。図６に示したように、第１ロッド４５は、基本的に、その幅方向における長さ（以下、「幅」という）Ｗが第１ピストン３３ｂ側から第１アーム３２ｂ側に向かうにつれて徐々に大きくなるように形成されている。また、第１ロッド４５は、幅方向においてコンロッド本体３１側とは反対方向に拡がるように形成されている。したがって、第１ロッド４５は、第１ピストン３３ｂ側から第１アーム３２ｂ側に向かうにつれてその幅がコンロッド本体３１側とは反対方向に徐々に拡がるように形成されているといえる。

このように構成された第１ロッド４５では、その重心が図６にＣで示した点に位置する。すなわち、第１ロッド４５の重心は第１連結部と前記第２連結部との間で延びる直線Ｌに対してコンロッド本体３１側とは反対側に位置する。加えて、第１ロッド４５の重心は第１連結部と第２連結部との中央（図中の直線Ｔ）よりも第１連結部側に位置することになる。

一方、第２ロッド４６は図３に示すように第３連結部と第４連結部との間で直線的に延びる。ここで、第３連結部と第４連結部との間で延びる直線に対して垂直であって、第３連結ピン３８及び第４連結ピン３９の軸線方向（すなわち、ピストンピン２１及びクランクピン２２の軸線方向）と垂直な方向を第２ロッド４６の幅方向とする。図３に示したように、第２ロッド４６は、基本的に、その幅方向における長さ（以下、「幅」という）Ｗが第２ピストン３４ｂ側から第２アーム３２ｃ側までほぼ一定になるように形成されている。このように構成された第２ロッド４６ではその重心が第３連結部と第４連結部との間で延びる直線上に位置する。

また、第１ロッド４５は幅方向に拡がっているのに対して、第２ロッド４６は幅方向に拡がっていない。加えて、図３に示したように、第１ロッド４５の長さ（すなわち、第１連結部と第２連結部との間の長さ）は、第２ロッド４６の長さ（すなわち、第３連結部と第４連結部との間の長さ）よりも長い。この結果、第１ロッド４５の質量は第２ロッド４６の質量よりも重い。

なお、第１ロッド４５は、必ずしも図６に示した形状と同一の形状でなくてもよく、その重心が第１連結部と第２連結部との間で延びる直線に対してコンロッド本体側とは反対側にあり且つ第１連結部と第２連結部との中央よりも第１連結部側に位置するように構成されれば、如何なる形状であってもよい。したがって、第１ロッド４５は、図７に示したように、その幅が第１ピストン３３ｂ側から第１アーム３２ｂ側に向かうにつれて、最初は徐々にコンロッド本体３１側とは反対方向に拡がり、途中の変曲点から徐々に狭くなるように構成されてもよい。この場合、変曲点は、第１連結部と第２連結部との中央よりも第１連結部側に位置することになる。

また、本実施形態では、第１ロッド４５及び第２ロッド４６は同一の物質で形成されている。しかしながら、第１ロッド４５は、第２ロッド４６よりも比重の大きい物質で形成されてもよい。これにより、第１ロッド４５を第２ロッド４６よりもより重いものとすることができる。

＜可変長コンロッドの動作＞
次に、図８を参照して、このように構成された偏心部材３２、第１ピストン機構３３及び第２ピストン機構３４の動作について説明する。図８（Ａ）は、第１ピストン機構３３の第１シリンダ３３ａ内に作動油が供給され且つ第２ピストン機構３４の第２シリンダ３４ａ内には作動油が供給されていない状態を示している。一方、図８（Ｂ）は、第１ピストン機構３３の第１シリンダ３３ａ内には作動油が供給されておらず且つ第２ピストン機構３４の第２シリンダ３４ａ内には作動油が供給されている状態を示している。

ここで、後述するように、流れ方向切換機構３５は、第１シリンダ３３ａから第２シリンダ３４ａへの作動油の流れを禁止し且つ第２シリンダ３４ａから第１シリンダ３３ａへの作動油の流れを許可する第一状態と、第１シリンダ３３ａから第２シリンダ３４ａへの作動油の流れを許可し且つ第２シリンダ３４ａから第１シリンダ３３ａへの作動油の流れを禁止する第二状態との間で切換可能である。

流れ方向切換機構３５が第１シリンダ３３ａから第２シリンダ３４ａへの作動油の流れを禁止し且つ第２シリンダ３４ａから第１シリンダ３３ａへの作動油の流れを許可する第一状態にあると、図８（Ａ）に示したように、第１シリンダ３３ａ内には作動油が供給され、第２シリンダ３４ａから作動油が排出されることになる。このため、第１ピストン３３ｂは上昇し、第１ピストン３３ｂに連結された偏心部材３２の第１アーム３２ｂも上昇する。一方、第２ピストン３４ｂは下降し、第２ピストン３４ｂに連結された第２アーム３２ｃも下降する。この結果、図８（Ａ）に示した例では、偏心部材３２が図中の矢印の方向（時計回り）に回動され、その結果、ピストンピン受容開口３２ｄの位置が上昇する。したがって、クランク受容開口４１の中心とピストンピン受容開口３２ｄの中心との間の長さ、すなわちコンロッド６の有効長さが長くなり、図中のＬ１となる。すなわち、第１シリンダ３３ａ内に作動油が供給され、第２シリンダ３４ａから作動油が排出されると、コンロッド６の有効長さが長くなる。

一方、流れ方向切換機構３５が第１シリンダ３３ａから第２シリンダ３４ａへの作動油の流れを許可し且つ第２シリンダ３４ａから第１シリンダ３３ａへの作動油の流れを禁止する第二状態にあると、図８（Ｂ）に示したように、第２シリンダ３４ａ内には作動油が供給され、第１シリンダ３３ａから作動油が排出されることになる。このため、第２ピストン３４ｂは上昇し、第２ピストン３４ｂに連結された偏心部材３２の第２アーム３２ｃも上昇する。一方、第１ピストン３３ｂは下降し、第１ピストン３３ｂに連結された第１アーム３２ｂも下降する。この結果、図８（Ｂ）に示した例では、偏心部材３２が図中の矢印の方向（反時計回り）に回動され、その結果、ピストンピン受容開口３２ｄの位置が下降する。したがって、クランク受容開口４１の中心とピストンピン受容開口３２ｄの中心との間の長さ、すなわちコンロッド６の有効長さは図中のＬ１よりも短いＬ２となる。すなわち、第２シリンダ３４ａ内に作動油が供給され、第１シリンダ３３ａから作動油が排出されると、コンロッド６の有効長さが短くなる。

本実施形態に係るコンロッド６では、上述したように、流れ方向切換機構３５を第一状態と第二状態との間で切り替えることによって、コンロッド６の有効長さをＬ１とＬ２との間で切り替えることができる。この結果、コンロッド６を用いた内燃機関１では、機械圧縮比を変更することができる。

ここで、流れ方向切換機構３５が第一状態にあるときには、基本的には外部から作動油を供給することなく、偏心部材３２が図６の時計回りに回動し、これに伴って第１ピストン３３ｂ及び第２ピストン３４ｂが図８（Ａ）に示した位置まで移動する。これは、内燃機関１のシリンダ内でピストン５の往復動によってピストン５に上向きの慣性力が作用したときに偏心部材３２が図８の時計回りに回動して第２ピストン３４ｂが押し込まれ、これによって第２シリンダ３４ａ内の作動油が第１シリンダ３３ａに移動するためである。この結果、コンロッド６の有効長さが長くなり、ピストン５はコンロッド本体３１に対して上昇する。一方、内燃機関１のシリンダ内でピストン５が往復動してピストン５に下向きの慣性力が作用したときや、燃焼室７内で混合気の燃焼が起きてピストン５に下向きの力が作用したときには、偏心部材３２が図８の反時計回りに回動しようとし、よって第１ピストン３３ｂが押し込まれようとする。しかしながら、流れ方向切換機構３５により第１シリンダ３３ａから第２シリンダ３４ａへの作動油の流れが禁止されているため、第１シリンダ３３ａ内の作動油は流出せず、よって第１ピストン３３ｂは押し込まれない。

一方、流れ方向切換機構３５が第二状態にあるときにも、基本的には外部から作動油を供給することなく、偏心部材３２が図８の反時計回りに回動し、これに伴って第１ピストン３３ｂ及び第２ピストン３４ｂが図８（Ｂ）に示した位置まで移動する。これは、内燃機関１のシリンダ内でのピストン５の往復動によってピストン５に下向きの慣性力が作用したときや、燃焼室７内で混合気の燃焼が起きてピストン５に下向きの爆発力が作用したときに、偏心部材３２が図８の反時計回りに回動して第１ピストン３３ｂが押し込まれ、これによって第１シリンダ３３ａ内の作動油が第２シリンダ３４ａに移動するためである。この結果、コンロッド６の有効長さが短くなり、ピストン５はコンロッド本体３１に対して下降する。一方、内燃機関１のシリンダ内でピストン５が往復動してピストン５に上向きの慣性力が作用したときには、偏心部材３２が図８の時計回りに回動しようとし、よって第２ピストン３４ｂが押し込まれようとする。しかしながら、流れ方向切換機構３５により第２シリンダ３４ａから第１シリンダ３３ａへの作動油の流れが禁止されているため、第２シリンダ３４ａ内の作動油は流出せず、よって第２ピストン３４ｂは押し込まれない。

＜流れ方向切換機構の構成＞
次に、図９、図１０を参照して、流れ方向切換機構３５の構成について説明する。図９は、流れ方向切換機構３５が設けられた領域を拡大したコンロッドの断面側面図である。図１０（Ａ）は、図９のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩに沿ったコンロッドの断面図であり、図１０（Ｂ）は、図９のＩＸ−ＩＸに沿ったコンロッドの断面図である。上述したように、流れ方向切換機構３５は、第１シリンダ３３ａから第２シリンダ３４ａへの作動油の流れを禁止し且つ第２シリンダ３４ａから第１シリンダ３３ａへの作動油の流れを許可する第一状態と、第１シリンダ３３ａから第２シリンダ３４ａへの作動油の流れを許可し且つ第２シリンダ３４ａから第１シリンダ３３ａへの作動油の流れを禁止する第二状態との間で切換を行う機構である。

流れ方向切換機構３５は、図９に示したように、二つの切換ピン６１、６２と一つの逆止弁６３とを具備する。これら二つの切換ピン６１、６２及び逆止弁６３は、コンロッド本体３１の軸線Ｘ方向において、第１シリンダ３３ａ及び第２シリンダ３４ａとクランク受容開口４１との間に配置される。また、逆止弁６３は、コンロッド本体３１の軸線Ｘ方向において、二つの切換ピン６１、６２よりもクランク受容開口４１側に配置される。

さらに、二つの切換ピン６１、６２は、コンロッド本体３１の軸線Ｘに対して両側に設けられると共に逆止弁６３は、軸線Ｘ上に設けられる。これにより、コンロッド本体３１内に切換ピン６１、６２や逆止弁６３を設けることによってコンロッド本体３１の左右の重量バランスが低下することを抑制することができる。

二つの切換ピン６１、６２は、それぞれ円筒状のピン収容空間６４、６５内に収容される。本実施形態では、ピン収容空間６４、６５は、その軸線がクランク受容開口４１の中心軸線と平行に延びるように形成される。切換ピン６１、６２は、ピン収容空間６４、６５内でピン収容空間６４が延びる方向に摺動可能である。すなわち、切換ピン６１、６２は、その作動方向がクランク受容開口４１の中心軸線に平行になるようにコンロッド本体３１内に配置されている。

また、二つのピン収容空間６４、６５のうち第１切換ピン６１を収容する第１ピン収容空間６４は、図１０（Ａ）に示したように、コンロッド本体３１の一方の側面に対して開いていると共にコンロッド本体３１の他方の側面に対して閉じているピン収容穴として形成される。加えて、二つのピン収容空間６４、６５のうち第２切換ピン６２を収容する第２ピン収容空間６５は、図１０（Ａ）に示したように、コンロッド本体３１の上記他方の側面に対して開いていると共に上記一方の側面に対して閉じているピン収容穴として形成される。

第１切換ピン６１は、その周方向に延びる二つの円周溝６１ａ、６１ｂを有する。これら円周溝６１ａ、６１ｂは、第１切換ピン６１内に形成された連通路６１ｃによって互いに連通せしめられる。また、第１ピン収容空間６４内には第１付勢バネ６７が収容されており、この第１付勢バネ６７によって第１切換ピン６１はクランク受容開口４１の中心軸線と平行な方向に付勢されている。特に、図１０（Ａ）に示した例では、第１切換ピン６１は、第１ピン収容空間６４の閉じた端部に向かって付勢されている。

同様に、第２切換ピン６２も、その周方向に延びる二つの円周溝６２ａ、６２ｂを有する。これら円周溝６２ａ、６２ｂは、第２切換ピン６２内に形成された連通路６２ｃによって互いに連通せしめられる。また、第２ピン収容空間６５内には第２付勢バネ６８が収容されており、この第２付勢バネ６８によって第２切換ピン６２はクランク受容開口４１の中心軸線と平行な方向に付勢されている。特に、図１０（Ａ）に示した例では、第２切換ピン６２は、第２ピン収容空間６５の閉じた端部に向かって付勢されている。この結果、第２切換ピン６２は、第１切換ピン６１とは逆向きに付勢されている。

加えて、第１切換ピン６１と第２切換ピン６２とは、クランク受容開口４１の中心軸線と平行な方向において互いに逆向きに配置されている。加えて、第２切換ピン６２は、第１切換ピン６１とは逆向きに付勢されている。このため、本実施形態では、これら第１切換ピン及び第２切換ピン６２に油圧が供給されたときのこれら第１切換ピン６１と第２切換ピン６２との作動方向は互いに逆向きとなる。

逆止弁６３は、円筒状の逆止弁収容空間６６内に収容される。本実施形態では、逆止弁収容空間６６も、クランク受容開口４１の中心軸線と平行に延びるように形成される。逆止弁６３は、逆止弁収容空間６６内で逆止弁収容空間６６が延びる方向に運動可能である。したがって、逆止弁６３は、その作動方向がクランク受容開口４１の中心軸線に平行になるようにコンロッド本体３１内に配置されている。また、逆止弁収容空間６６は、コンロッド本体３１の一方の側面に対して開いていると共にコンロッド本体３１の他方の側面に対して閉じている逆止弁収容穴として形成される。

逆止弁６３は一次側（図１０（Ｂ）において上側）から二次側（図１０（Ｂ）において下側）への流れを許可すると共に、二次側から一次側への流れを禁止するように構成される。

第１切換ピン６１を収容する第１ピン収容空間６４は、第１ピストン連通油路５１を介して第１シリンダ３３ａに連通せしめられる。図１０（Ａ）に示したように、第１ピストン連通油路５１は、コンロッド本体３１の厚さ方向中央付近において、第１ピン収容空間６４に連通せしめられる。また、第２切換ピン６２を収容する第２ピン収容空間６５は第２ピストン連通油路５２を介して第２シリンダ３４ａと連通せしめられる。図１０（Ａ）に示したように、第２ピストン連通油路５２も、コンロッド本体３１の厚さ方向中央付近において、第２ピン収容空間６５に連通せしめられる。

なお、第１ピストン連通油路５１及び第２ピストン連通油路５２は、クランク受容開口４１からドリル等によって切削加工を行うことによって形成される。したがって、第１ピストン連通油路５１及び第２ピストン連通油路５２のクランク受容開口４１側には、これらピストン連通油路５１、５２と同軸の第１延長油路５１ａ及び第２延長油路５２ａが形成される。換言すると、第１ピストン連通油路５１及び第２ピストン連通油路５２は、その延長線上にクランク受容開口４１が位置するように形成される。これら第１延長油路５１ａ及び第２延長油路５２ａは、例えば、クランク受容開口４１内に設けられるベアリングメタル７１によって閉じられる。

第１切換ピン６１を収容する第１ピン収容空間６４は、二つの空間連通油路５３、５４を介して逆止弁収容空間６６に連通せしめられる。このうち一方の第１空間連通油路５３は、図１０（Ａ）に示したように、コンロッド本体３１の厚さ方向において中央よりも一方の側面側（図１０（Ｂ）において下側）において、第１ピン収容空間６４及び逆止弁収容空間６６の二次側に連通せしめられる。他方の第２空間連通油路５４は、コンロッド本体３１の厚さ方向において中央よりも他方の側面側（図１０（Ｂ）において上側）において、第１ピン収容空間６４及び逆止弁収容空間６６の一次側に連通せしめられる。また、第１空間連通油路５３及び第２空間連通油路５４は、第１空間連通油路５３と第１ピストン連通油路５１との間のコンロッド本体厚さ方向の間隔及び第２空間連通油路５４と第１ピストン連通油路５１との間のコンロッド本体厚さ方向の間隔が、円周溝６１ａ、６１ｂ間のコンロッド本体厚さ方向の間隔と等しくなるように配置される。

また、第２切換ピン６２を収容する第２ピン収容空間６５は、二つの空間連通油路５５、５６を介して逆止弁収容空間６６に連通せしめられる。このうち一方の第３空間連通油路５５は、図１０（Ａ）に示したように、コンロッド本体３１の厚さ方向において中央よりも一方の側面側（図１０（Ｂ）において下側）において、第１ピン収容空間６４及び逆止弁収容空間６６の二次側に連通せしめられる。他方の第４空間連通油路５６は、コンロッド本体３１の厚さ方向において中央よりも他方の側面側（図１０（Ｂ）において上側）において、第１ピン収容空間６４及び逆止弁収容空間６６の一次側に連通せしめられる。また、第３空間連通油路５５及び第４空間連通油路５６は、第３空間連通油路５５と第２ピストン連通油路５２との間のコンロッド本体厚さ方向の間隔及び第４空間連通油路５６と第２ピストン連通油路５２との間のコンロッド本体厚さ方向の間隔が、円周溝６２ａ、６２ｂ間のコンロッド本体厚さ方向の間隔と等しくなるように配置される。

これら空間連通油路５３〜５６は、クランク受容開口４１からドリル等によって切削加工を行うことによって形成される。したがって、これら空間連通油路５３〜５６のクランク受容開口４１側には、これら空間連通油路５３〜５６と同軸の延長油路５３ａ〜５６ａが形成される。換言すると、空間連通油路５３〜５６は、それぞれ、その延長線上にクランク受容開口４１が位置するように形成される。これら延長油路５３ａ〜５６ａは、例えば、ベアリングメタル７１によって閉じられる。

上述したように、延長油路５１ａ〜５６ａは、いずれもベアリングメタル７１によって閉じられる。このため、ベアリングメタル７１を用いてコンロッド６をクランクピン２２に組み付けるだけで、これら延長油路５１ａ〜５６ａを閉じるための加工を別途することなくこれら延長油路５１ａ〜５６ａを閉じることができる。

また、コンロッド本体３１内には、第１切換ピン６１に油圧を供給するための第１制御用油路５７と、第２切換ピン６２に油圧を供給するための第２制御用油路５８とが形成される。第１制御用油路５７は、第１付勢バネ６７が設けられた端部とは反対側の端部において第１ピン収容空間６４に連通せしめられる。第２制御用油路５８は、第２付勢バネ６８が設けられた端部とは反対側の端部において第２ピン収容空間６５に連通せしめられる。これら制御用油路５７、５８は、クランク受容開口４１に連通するように形成されると共に、クランクピン２２内に形成された油路（図示せず）を介して外部の油圧供給源に連通される。

したがって、外部の油圧供給源から油圧が供給されていないときには、第１切換ピン６１及び第２切換ピン６２はそれぞれ第１付勢バネ６７及び第２付勢バネ６８に付勢されて、図１０（Ａ）に示したように、ピン収容空間６４、６５内の閉じられた端部側に位置することになる。一方、外部の油圧供給源から油圧が供給されているときには、第１切換ピン６１及び第２切換ピン６２はそれぞれ第１付勢バネ６７及び第２付勢バネ６８による付勢に抗して移動せしめられ、それぞれピン収容空間６４、６５内の開かれた端部側に位置することになる。

さらに、コンロッド本体３１内には、逆止弁６３が収容された逆止弁収容空間６６のうち逆止弁６３の一次側に作動油を補充するための補充用油路５９が形成される。補充用油路５９の一方の端部は、逆止弁６３の一次側において逆止弁収容空間６６に連通せしめられる。補充用油路５９の他方の端部は、クランク受容開口４１に連通せしめられる。また、ベアリングメタル７１には、補充用油路５９に合わせて貫通穴７１ａが形成されている。補充用油路５９は、この貫通穴７１ａ及びクランクピン２２内に形成された油路（図示せず）を介して外部の作動油供給源に連通される。したがって、補充用油路５９により、逆止弁６３の一次側は、常時又はクランクシャフトの回転に合わせて定期的に作動油供給源に連通している。なお、本実施形態では、作動油供給源は、コンロッド６等に潤滑油を供給する潤滑油供給源とされる。

＜流れ方向切換機構の動作＞
次に、図１１及び図１２を参照して、流れ方向切換機構３５の動作について説明する。図１１は、油圧供給源７５から切換ピン６１、６２に油圧が供給されているときの流れ方向切換機構３５の動作を説明する概略図である。また、図１２は、油圧供給源７５から切換ピン６１、６２に油圧が供給されていないときの流れ方向切換機構３５の動作を説明する概略図である。なお、図１１及び図１２では、第１切換ピン６１及び第２切換ピン６２に油圧を供給する油圧供給源７５は別々に描かれているが、本実施形態では同一の油圧供給源から油圧が供給される。

図１１に示したように、油圧供給源７５から油圧が供給されているときには、切換ピン６１、６２は、それぞれ、付勢バネ６７、６８による付勢に抗して移動した第一位置に位置する。この結果、第１切換ピン６１の連通路６１ｃにより第１ピストン連通油路５１と第１空間連通油路５３とが連通せしめられ、第２切換ピン６２の連通路６２ｃにより第２ピストン連通油路５２と第４空間連通油路５６とが連通せしめられる。したがって、第１シリンダ３３ａが逆止弁６３の二次側に接続され、第２シリンダ３４ａが逆止弁６３の一次側に接続される。

ここで、逆止弁６３は、第２空間連通油路５４及び第４空間連通油路５６が連通する一次側から第１空間連通油路５３及び第３空間連通油路５５が連通する二次側への作動油の流れは許可するが、その逆の流れは禁止するように構成される。したがって、図１１に示した状態では、第４空間連通油路５６から第１空間連通油路５３へは作動油が流れるが、その逆には作動油が流れない。

この結果、図１１に示した状態では、第２シリンダ３４ａ内の作動油は、第２ピストン連通油路５２、第４空間連通油路５６、第１空間連通油路５３、第１ピストン連通油路５１の順に油路を通って第１シリンダ３３ａに供給されることができる。しかしながら、第１シリンダ３３ａ内の作動油は、第２シリンダ３４ａに供給されることができない。したがって、油圧供給源７５から油圧が供給されているときには、流れ方向切換機構３５は、第１シリンダ３３ａから第２シリンダ３４ａへの作動油の流れを禁止し且つ第２シリンダ３４ａから第１シリンダ３３ａへの作動油の流れを許可する第一状態にあるといえる。この結果、上述したように、第１ピストン３３ｂが上昇し、第２ピストン３４ｂが下降するため、コンロッド６の有効長さが図８（Ａ）にＬ１で示したように長くなる。

一方、図１２に示したように、油圧供給源７５から油圧が供給されていないときには、切換ピン６１、６２は、それぞれ、付勢バネ６７、６８によって付勢された第二位置に位置する。この結果、第１切換ピン６１の連通路６１ｃにより、第１ピストン機構３３に連通する第１ピストン連通油路５１と第２空間連通油路５４とが連通せしめられる。加えて、第２切換ピン６２の連通路６２ｃにより、第２ピストン機構３４に連通する第２ピストン連通油路５２と第３空間連通油路５５とが連通せしめられる。したがって、第１シリンダ３３ａが逆止弁６３の一次側に接続され、第２シリンダ３４ａが逆止弁６３の二次側に接続される。

上述した逆止弁６３の作用により、図１２に示した状態では、第１シリンダ３３ａ内の作動油は、第１ピストン連通油路５１、第２空間連通油路５４、第３空間連通油路５５、第２ピストン連通油路５２の順に油路を通って第２シリンダ３４ａに供給されることができる。しかしながら、第２シリンダ３４ａ内の作動油は、第１シリンダ３３ａに供給されることができない。したがって、油圧供給源７５から油圧が供給されていないときには、流れ方向切換機構３５は、第１シリンダ３３ａから第２シリンダ３４ａへの作動油の流れを許可し且つ第２シリンダ３４ａから第１シリンダ３３ａへの作動油の流れを禁止する第二状態にあるといえる。この結果、上述したように、第２ピストン３４ｂが上昇し、第１ピストン３３ｂが下降するため、コンロッド６の有効長さが図８（Ａ）にＬ２で示したように短くなる。

また、本実施形態では、上述したように、作動油は第１ピストン機構３３の第１シリンダ３３ａと第２ピストン機構３４の第２シリンダ３４ａとの間を行き来する。このため、基本的には、第１ピストン機構３３、第２ピストン機構３４及び流れ方向切換機構３５の外部から作動油を供給する必要はない。しかしながら、作動油は、これら機構３３、３４、３５に設けられたシール等から外部に漏れる可能性があり、このように作動油の漏れが生じた場合には外部から補充することが必要になる。

本実施形態では、逆止弁６３の一次側に補充用油路５９が連通しており、これにより逆止弁６３の一次側は常時又は定期的に作動油供給源７６に連通する。したがって、作動油が機構３３、３４、３５等から漏れた場合であっても、作動油を補充することができる。

さらに、本実施形態では、流れ方向切換機構３５は、油圧供給源７５から切換ピン６１、６２に油圧が供給されているときに第一状態となってコンロッド６の有効長さが長くなり、油圧供給源７５から切換ピン６１、６２に油圧が供給されていないときに第二状態となってコンロッド６の有効長さが短くなるように構成される。これにより、例えば、油圧供給源７５における故障等によって油圧の供給を行うことができなくなったときに、コンロッド６の有効長さを短くしたままにすることができ、よって機械圧縮比を低く維持することができるようになる。機械圧縮比を高く維持すると、内燃機関による出力が制限されてしまうことから、本実施形態によれば、油圧供給源７５の故障時等に内燃機関による出力が制限されてしまうのを抑制することができる。

＜本実施形態の可変長コンロッドにおける効果＞
ところで、内燃機関１の停止中には、油圧供給源７５から油圧が供給されない。このため、内燃機関１を再始動するときには切替ピン６１、６２には油圧が供給されておらず、この結果、流れ方向切替機構３５は第二状態となって、コンロッド６の有効長さが短くなる。したがって、機械圧縮比は低圧縮比となる。

しかしながら、内燃機関１の再始動直後には、多くの場合、機関負荷は低い。このように機関負荷が低いときには、一般に、機械圧縮比を高圧縮比にする方が効率的であるため、機関回転数の低い内燃機関１の再始動直後には、機械圧縮比を低圧縮比から高圧縮比に迅速に切り替えることが必要となる。また、内燃機関１の始動直後でなくても、内燃機関１がアイドリング状態にあるときに機械圧縮比を低圧縮比から高圧縮比に迅速に切り替えることが要求される場合もある。

ところで、上述したように、機械圧縮比の低圧縮比から高圧縮比への切替えは、ピストンに作用する上向きの慣性力を利用して行われる。一方、機械圧縮比の高圧縮比から低圧縮比への切替えは、ピストンに作用する下向きの慣性力及び燃焼室内での燃焼に伴う爆発力を利用して行われる。しかしながら、ピストンに作用する慣性力は爆発力よりもはるかに小さい。このため、機械圧縮比を低圧縮比から高圧縮比に切替えるときには爆発力を利用することができずに小さい慣性力を利用することになるため、十分な応答性をもって切替を行うことが困難である。また、慣性力は、内燃機関１の機関回転数の二乗に比例するため、内燃機関１の低回転域では、特に応答性が悪化する。

これに対して、本実施形態の可変長コンロッドでは、第１ロッド４５はその重心が第１連結部と前記第２連結部との間で延びる直線Ｌに対してコンロッド本体３１側とは反対側に位置するように構成される。このため、第１ロッド４５の重心は、コンロッド本体３１の幅方向において偏心部材３２の回動軸線から離れたところに位置する。このため、ピストンの往復動に伴って第１ロッド４５に作用する慣性力によって、偏心部材３２を回動させようとする力が大きくなる。

同様に、本実施形態の可変長コンロッドでは、第１ロッド４５の重心は第１連結部と第２連結部との中央（図中の直線Ｔ）よりも第１連結部側に位置することになる。ここで、図３等からわかるように、第１ロッド４５は、第２連結部よりも第１連結部においてコンロッド本体３１の幅方向にてコンロッド本体３１から離れるように配置される。このため、第１ロッド４５の重心が第１連結部側にあるほど、第１ロッド４５の重心は、コンロッド本体３１の幅方向において偏心部材３２の回動軸線から離れたところに位置することになる。このため、ピストンの往復動に伴って第１ロッド４５に作用する慣性力によって、偏心部材３２を回動させようとする力が大きくなる。

また、本実施形態の可変長コンロッドでは、第２ロッド４６の重心は第１連結部と第２連結部との間で延びる直線上に位置する。このため、第２ロッド４６には、第１ロッド４５ほど大きな慣性力が作用しない。また、第２ロッド４６の質量は第１ロッド４５の質量よりも小さいため、このことによっても第２ロッド４６には第１ロッド４５ほど大きな慣性力が作用しない。第２ロッド４６に作用する慣性力は、第１ロッド４５に作用する慣性力によって偏心部材３２を回動させようとする力を打ち消す方向に作用する。本実施形態では、第２ロッド４６に作用する慣性力が小さいため、ピストンの往復動に伴って第１ロッド４５に作用する慣性力によって偏心部材３２を回動させようとする力を大きくすることができる。

この結果、本実施形態によれば、ピストンに作用する上向きの慣性力を利用して行われる機械圧縮比の低圧縮比から高圧縮比への切替を迅速に行うことができるようになる。

なお、油圧ピストンが、偏心部材３２が一方の方向へ回動するときに油圧シリンダ内で上昇し、偏心部材３２が他方の方向へ回動するときに油圧シリンダ内で下降するように構成されていれば、ピストン機構の数は一つであってもよい。

１ 内燃機関
６ コンロッド
２１ ピストンピン
２２ クランクピン
３１ コンロッド本体
３２ 偏心部材
３３ 第１ピストン機構
３４ 第２ピストン機構
３５ 流れ方向切換機構
３６ 第１連結ピン
３７ 第２連結ピン
３８ 第３連結ピン
３９ 第４連結ピン
４５ 第１ロッド
４６ 第２ロッド
５１ 第１ピストン連通油路
５２ 第２ピストン連通油路
５３ 第１空間連通油路
５４ 第２空間連通油路
５５ 第３空間連通油路
５６ 第４空間連通油路
５７ 第１制御用油路
５８ 第２制御用油路
５９ 補充用油路
６１ 第１切換ピン
６２ 第２切換ピン
６３ 逆止弁

Claims (1)

1. ピストンピンを受容するピストンピン受容開口とクランクピンを受容するクランク受容開口との間の有効長さを変更することができる可変長コンロッドであって、
   前記クランク受容開口が設けられた大径端部と該大径端部とは反対側に位置する小径端部とを有するコンロッド本体と、
   前記小径端部に回動可能に取り付けられると共に前記ピストンピン受容開口と前記小径端部から径方向に延びるアームとを有する偏心部材と、
   前記コンロッド本体に設けられたシリンダと該シリンダ内で摺動するピストンとを有するピストン機構と、
   一方の端部に位置する第１連結部において前記偏心部材のアームに連結されると共に他方の端部に位置する第２連結部において前記ピストンに連結されるロッドとを具備し、
   前記偏心部材は、前記アームが前記大径端部から離れる方向に移動したときに当該可変長コンロッドの有効長さが長くなるように構成され、
   前記ロッドは、当該ロッドの重心が前記第１連結部と前記第２連結部とを結ぶ直線に対してコンロッド本体側とは反対側であって前記第１連結部と前記第２連結部との中央よりも前記第１連結部側に位置するように構成される、可変長コンロッド。

Images