(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力軸を回転駆動する駆動手段と、
前記入力軸と出力軸との間に設けられ、前記入力軸の回転力を前記出力軸に伝達し、前記出力軸の回転力に対して前記入力軸を空転させる回転力伝達部材と、
前記出力軸に接続され、外壁が偏芯して設けられるカム軸と、
前記カム軸を回転可能に支持するロアケースと、
ピストンと、
前記ピストンを往復移動可能に収容し前記ピストンとの間に燃焼室を形成するシリンダを有し、前記カム軸の回転によって前記ロアケースに対して前記シリンダの軸方向に往復移動するシリンダブロックと、
前記シリンダブロックを前記ロアケースから離間させる方向に付勢する付勢手段と、
を備え、
前記駆動手段が前記入力軸を駆動するとき、
前記入力軸の回転力が伝達されて前記カム軸が回転し、前記シリンダブロックを前記ロアケースに近接させることにより前記燃焼室の容積を減少させて圧縮比を高くし、
前記駆動手段による前記入力軸の駆動が停止しているとき、
前記燃焼室の燃焼圧、及び前記付勢手段の付勢力により前記シリンダブロックを前記ロアケースから離間させることにより前記燃焼室の容積を増加させて圧縮比を低くすることを特徴とする可変圧縮比エンジン。
【請求項２】
前記回転力伝達部材と前記カム軸との間に、前記出力軸の回転力を減速し且つ駆動トルクを増大して前記カム軸に伝達する減速手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比エンジン。
【請求項３】
前記ロアケースは、前記シリンダの軸に対して両側に、前記駆動手段、前記回転力伝達部材および前記カム軸を複数組備えることを特徴とする請求項１または２に記載の可変圧縮比エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの圧縮比を変更する可変圧縮比エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、運転状況によってエンジンの圧縮比を変更する可変圧縮比エンジンが知られている。例えば、ノッキングの発生しやすい高負荷時には圧縮比を低くして燃料の自己着火を抑制し、ノッキング発生を抑制する。一方、低負荷時には圧縮比を高くして混合気温度を上昇させ、燃料の燃焼性を高める。そして、エンジンの負荷変動を起こしやすい加速走行時に、低負荷から高負荷への変動に応じて圧縮比を高圧縮比から低圧縮比に変更制御することで、燃費の向上等を実現する。
【０００３】
このような可変圧縮比エンジンにおいて、低圧縮比側から高圧縮比側に変更する場合には低速高トルクが要求され、一方、高圧縮比側から低圧縮比側に変更する場合にはトルクは必要なく高速特性が要求される。そこで、例えば特許文献１の可変圧縮比エンジンは、互いに反対方向の回転を拘束する２つのワンウェイクラッチを使用し、それぞれのワンウェイクラッチが異なる変速比の伝達経路に回転力を伝達することで、回転方向に応じて変速比を切り替えようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３３３１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、本出願人の検証によれば、特許文献１の可変圧縮比エンジンに適用される動力伝達装置は、２つのワンウェイクラッチが同時に動力伝達状態となり、デッドロックすなわち互いに異なる変速比の動力伝達により各伝達系統が相互干渉を起こし、動力伝達が不可能な状態となる。すなわち、単純に２つのワンウェイクラッチを組合せただけでは、正転時と逆転時とで変速比を切り替える機構を構成し得ない。
そこで、本出願人は、この課題を解決し可変圧縮比エンジンに適用可能な動力伝達装置に係る発明を先に共同出願した（特願２０１１−０６３０１２）。
【０００６】
しかしながら、先の出願に係る動力伝達装置は、複数の歯車等の伝動部材や、ワンウェイクラッチ等の一方向回転力伝達部材を使用するため、構成が複雑となる。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、簡易な構成で、エンジンの圧縮比を変更する可変圧縮比エンジンを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の可変圧縮比エンジンは、駆動手段、回転力伝達部材、カム軸、ロアケース、ピストン、シリンダブロックおよび付勢手段を備える。
駆動手段は、入力軸を回転駆動する。
回転力伝達部材は、入力軸と出力軸との間に設けられ、入力軸の回転力を出力軸に伝達し、出力軸の回転力に対して入力軸を空転させる。
カム軸は、出力軸に接続され、外壁が偏芯して設けられる。
ロアケースは、カム軸を回転可能に支持する。
シリンダブロックは、ピストンを往復移動可能に収容しピストンとの間に燃焼室を形成するシリンダを有する。また、シリンダブロックは、カム軸の回転によってロアケースに対してシリンダの軸方向に往復移動する。
付勢手段は、シリンダブロックをロアケースから離間させる方向に付勢する。
【０００８】
そして、駆動手段が入力軸を駆動するとき、入力軸の回転力が伝達されてカム軸が回転し、シリンダブロックをロアケースに近接させることにより燃焼室の容積を減少させて圧縮比を高くする。すなわち、可変圧縮比エンジンを低圧縮比側から高圧縮比側へ推移させる。このとき、回転力伝達部材は「動力伝達状態」である。
また、駆動手段による入力軸の駆動が停止しているとき、燃焼室の燃焼圧、及び付勢手段の付勢力によりシリンダブロックをロアケースから離間させることにより燃焼室の容積を増加させて圧縮比を低くする。すなわち、可変圧縮比エンジンを高圧縮比側から低圧縮比側へ推移させる。このとき、シリンダブロックの移動によってカム軸は回転する。また、回転力伝達部材は「空転状態」となり、例えば駆動手段がモータであるとすると、非通電状態のモータにおけるコギングトルクや発電作用によるトルクの発生が回避される。
【０００９】
このように、本発明の可変圧縮比エンジンは、「入力軸と出力軸との間に設けられ、入力軸の回転力を出力軸に伝達し、出力軸の回転力に対して入力軸を空転させる回転力伝達部材」を用いることを特徴とし、簡易な構成で、エンジンの圧縮比を可変にする機構を実現することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明によると、回転力伝達部材とカム軸との間に、出力軸の回転力を減速し且つ駆動トルクを増大してカム軸に伝達する減速手段を備える。
これにより、駆動手段から回転力伝達部材を経由して伝達される出力軸の回転力は、減速手段にて減速され且つ駆動トルクが増大されてカム軸に伝達される。そのため、大きな駆動力を要求される「低圧縮比側から高圧縮比側への推移」において、高トルクの出力が可能となる。
また、「高圧縮比側から低圧縮比側への推移」において、カム軸の回転が減速手段によって拘束されることを回避するため、減速手段は、セルフロック機能を有するもの（例えばウォームギア）でないことが好ましい。
【００１１】
請求項３に記載の発明によると、ロアケースは、シリンダの軸に対して両側に、駆動手段、回転力伝達部材およびカム軸を複数組備える。
例えば、略同等の仕様の２組の駆動手段、回転力伝達部材およびカム軸が、シリンダの軸に対して両側に、略対称に設けられる。また、カム軸の回転方向も対称に、すなわち互いに逆方向に回転するように設けられる。これにより、シリンダブロックの両側に略均等に駆動力が発生し、シリンダブロックをバランス良く移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態による可変圧縮比エンジンの模式図である。
【図２】ダイオード式クラッチを説明する説明図である。
【図３】本発明の一実施形態による可変圧縮比エンジンの低圧縮比側から高圧縮比側への作動を説明する模式図である。
【図４】本発明の一実施形態による可変圧縮比エンジンの高圧縮比側から低圧縮比側への作動を説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態は、自動車等に搭載され圧縮比を変更可能な可変圧縮比エンジンである。図１（ａ）は、可変圧縮比エンジン８０の模式的な外観図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のｂ−ｂ断面の模式図である。以下の説明では、図１（ｂ）の視方向を正面とし、図１（ａ）の視方向を側面とする。また、図１（ａ）、（ｂ）の上側を「上」、下側を「下」として説明する。
【００１４】
可変圧縮比エンジン８０は、ヘッドカバー８１、シリンダヘッド８２、シリンダブロック８３およびロアケース８４等から構成される。シリンダブロック８３にはシリンダ８５が形成され、シリンダ８５内に往復移動可能にピストン８６が収容される。シリンダヘッド８２には、吸気通路を開閉する吸気弁８８１、排気通路を開閉する排気弁８８２が設けられる。シリンダ８５の内壁、ピストン８６の上端、吸気弁８８１および排気弁８８２に囲まれた空間は燃焼室８９を形成する。ロアケース８４内にはクランクシャフト８７１、コンロッド８７２等が収容され、ピストン８６の往復運動がクランクシャフト８７１の回転運動に変換される。
【００１５】
可変圧縮比エンジン８０は、ロアケース８４に対してシリンダブロック８３をシリンダ８５の軸方向に往復移動することにより、ピストン８６の最上昇時の燃焼室８９の容積を変更することができるエンジンである。図１は、ロアケース８４に対してシリンダブロック８３が最上昇し、ピストン８６の移動による容積変化率が最小となる「低圧縮比」の状態を示している。
【００１６】
続いて、ロアケース８４に対してシリンダブロック８３を往復移動させるための構成について説明する。
シリンダブロック８３には、シリンダ８５の軸に対して両側（図１（ｂ）の左側および右側）に２つの収容部９３が形成される。収容部９３は、シリンダブロック８３の側面に開口する「コの字形」の断面形状を呈している。左右の収容部９３には、それぞれカム軸６６Ａ、６６Ｂが収容される。図１（ａ）は、シリンダブロック８３の左側のカム軸６６Ａを示している。
ロアケース８４には、正面側および背面側に支持部９４が形成される。支持部９４に設けられる軸受９５は、減速出力軸６２を回転可能に支持する。カム軸６６Ａ、６６Ｂは、正面側の支持部９４と背面側の支持部９４との間に、減速出力軸６２と一体に回転可能に設けられる。
【００１７】
カム軸６６Ａ、６６Ｂの外壁は、減速出力軸６２の中心軸Ｏに対し長径ｒ１と短径ｒ２とが互いに反対方向を向くように偏芯して形成される。カム軸６６Ａ、６６Ｂの外壁は、少なくとも一部が収容部９３の上内壁９３ａおよび下内壁９３ｂに当接する。
カム軸６６Ａ、６６Ｂの長径ｒ１側の外壁が収容部９３の上内壁９３ａに当接するとシリンダブロック８３を押し上げる。また、カム軸６６Ａ、６６Ｂの長径ｒ１側の外壁が収容部９３の下内壁９３ｂに当接するとシリンダブロック８３を押し下げる。
【００１８】
「付勢手段」としてのスプリング９６は、一端がロアケース８４に、他端が収容部９３の下外壁９３ｃに当接し、シリンダブロック８３をロアケース８４から離間させる方向に付勢する。したがって、例えば、カム軸６６Ａ、６６Ｂの長径ｒ１が図１（ｂ）の略水平方向に向いたとき、カム軸６６Ａ、６６Ｂの外壁が収容部９３の下内壁９３ｂに当接し、シリンダブロック８３は上方向に付勢される。
【００１９】
アクチュエータハウジング６０は、２つのカム軸６６Ａ、６６Ｂに対応して、ロアケース８４の背面側に２組設けられる。図１（ａ）は、カム軸６６Ａに対応する側のアクチュエータハウジング６０を示している。
アクチュエータハウジング６０は、最背面側に「駆動手段」としてのモータ１７が取り付けられ、内部にダイオード式クラッチ５０および減速機６１を収容する。モータ１７とダイオード式クラッチ５０とは入力軸５１によって接続され、ダイオード式クラッチ５０と減速機６１とは出力軸５２によって接続される。減速機６１の出力軸５２と反対側には減速出力軸６２が接続される。減速出力軸６２は、ロアケース８４の内部まで延び、支持部９４の軸受９５に支持される。
【００２０】
ダイオード式クラッチ５０は、後述するように、入力軸５１の回転力を出力軸５２に伝達し、出力軸５２の回転力を入力軸５１に伝達しない（入力軸５１を空転させる）装置である。ちょうど、電気回路において一方向へ電流を流し逆方向へ電流を流さない電気素子である「ダイオード」と類似の機能を持つことから、ここでは「ダイオード式クラッチ」と呼ぶ。なお、市販品では「トルクダイオード（登録商標）」がこれに相当する。また、入力軸の回転方向の一方向のみの回転を出力軸に伝達する「ワンウェイクラッチ」に対し、入力軸の回転方向の双方向の回転を出力軸に伝達可能であるという点から「ツーウェイクラッチ」と呼ばれることもある。本実施形態のダイオード式クラッチ５０は、特許請求の範囲に記載の「回転力伝達部材」に相当する。
【００２１】
「減速手段」としての減速機６１は、例えば、遊星歯車列等によって構成され、出力軸５２の回転力を減速し且つ駆動トルクを増大して減速出力軸６２に伝達する。ここで、減速機６１は、例えばウォームギアの特徴であるセルフロック機能を有しない。そのため、減速出力軸６２側から出力軸５２を回転させることが可能である。
【００２２】
ここで、図２を参照して、ダイオード式クラッチ５０の具体的な構成を説明する。
図２（ａ）に示すように、ダイオード式クラッチ５０は、外輪としての入力軸５１、内輪としての出力軸５２、コロ５３、保持器５４、摺動ばね５５、ケース５６等から構成される。
保持器５４は、コロ５３を保持する。摺動ばね５５は、径方向内側の端部５５ａが保持器５４に引っ掛かり、径方向外側の摺動部５５ｂがケース５６内壁に当接して突っ張る。ケース５６はハウジング６０に固定され、入力軸５１の径方向外側を保持するとともに、軸受５７を介して出力軸５２を回転可能に支持している。
【００２３】
図２（ｂ）は、入力軸（外輪）５１が駆動軸として回転する場合を示す。このとき、保持器５４は、ケース５６と摺動ばね５５間の摺動抵抗によりその場に留まろうとするため、コロ５３は、入力軸５１の回転方向に対して反対方向へ相対回転する。コロ５３が反対方向に移動しくさび部５１ａに噛み込むと、入力軸５１の回転がコロ５３を介して出力軸５２へ伝達される。ここで、入力軸５１の回転数をＳｉｎ、出力軸５２の回転数をＳｏｕｔとすると、入力軸５１の回転方向に関係なく、「Ｓｉｎ＞Ｓｏｕｔ」のときには入力軸５１から出力軸５２へ回転力が伝達する。
【００２４】
図２（ｃ）は、出力軸（内輪）５２が駆動軸として回転する場合を示す。このとき、保持器５４および入力軸５１は動かない。コロ５３は、入力軸５１の径方向内側の凹部５１ｂに位置し、入力軸５１および出力軸５２に噛み合うことができないため、出力軸５２のみが回転する。したがって、出力軸５２の回転方向に関係なく、「Ｓｉｎ＜Ｓｏｕｔ」のときには出力軸５２から入力軸５１へ回転力が伝達せず、入力軸５１は空転する。
なお、ダイオード式クラッチ５０が空転状態から動力伝達状態に移行するとき、または、動力伝達状態から空転状態に移行するとき、バックラッシュに相当する所定の切替角度λの回転が必要である。
【００２５】
次に、図３、図４を参照して、可変圧縮比エンジン８０の作動について説明する。
以下、モータ１７側（図３（ａ）、図４（ａ）の左側、すなわち背面側）から見て時計回り方向の回転を「正転」といい、反時計回り方向の回転を「逆転」という。２つのモータ１７は、カム軸６６Ａ、６６Ｂを互いに反対方向に回転させるように駆動される。すなわち、カム軸６６Ａが正転時にはカム軸６６Ｂが逆転し、カム軸６６Ａが逆転時にはカム軸６６Ｂが正転する。ただし、本実施形態では、回転方向は特に重要ではないため、回転方向を特定する必要がないときは、単に「回転」という。
【００２６】
図３は、図１に示す「低圧縮比」の状態から「高圧縮比」の状態に推移する作動を示す。作動初期、シリンダブロック８３はロアケース８４に対して最も離間した高い位置にある。このとき、燃焼室８９の容積は最大であり、ピストン８６の移動による容積変化率は最小である。
この状態で、モータ１７に通電して回転させる。すると、ダイオード式クラッチ５０において外輪（入力側）５１の回転数Ｓｉｎが停止している内輪（出力側）５２の回転数Ｓｏｕｔよりも大きくなる（Ｓｉｎ＞Ｓｏｕｔ）ため、入力軸５１の回転力が出力軸５２に伝達される（図２（ｂ）参照）。そして、出力軸５２の回転力は、減速機６１で減速され且つ駆動トルクが増大され、カム軸６６Ａ、６６Ｂを回転させる。
【００２７】
その結果、図３（ｂ）に示すように、カム軸６６Ａは約１８０°逆転し、カム軸６６Ｂは約１８０°正転する。そして、カム軸６６Ａの長径ｒ１が収容部９３の下内壁９３ｂに当接し、シリンダブロック８３を押し下げるため、シリンダブロック８３がロアケース８４に近接するように下降する（ブロック矢印で図示）。これにより、燃焼室８９の容積が減少するため、ピストン８６の移動による容積変化率が大きい「高圧縮比」の状態となる。
【００２８】
この「低圧縮比側から高圧縮比側への推移」では、燃焼室８９の燃焼圧がシリンダブロック８３に作用する力、およびスプリング９６の付勢力に抗してシリンダブロック８３を下降させるため、大きな駆動力が要求される。その要求に応じるべく、モータ１７からダイオード式クラッチ５０を経由して伝達される出力軸５２の回転力は、減速機６１で減速され且つ駆動トルクが増大されて減速出力軸６２に伝達される。よって、高トルクの出力が可能となる。
【００２９】
図４は、「高圧縮比」の状態から「低圧縮比」の状態に推移する作動を示す。作動初期、シリンダブロック８３はロアケース８４に対して最も近接した低い位置にある。このとき、燃焼室８９の容積は最小であり、ピストン８６の移動による容積変化率は最大である。
この状態で、モータ１７を非通電状態とし、入力軸５１から出力側５２への動力伝達を停止すると、燃焼室８９の燃焼による燃焼圧およびスプリング９６の付勢力がシリンダブロック８３を持ち上げる方向に作用する。
【００３０】
このとき、減速機６１はセルフロックしないため、減速出力軸６２の回転は減速機６１によって拘束されない。さらに、ダイオード式クラッチ５０において内輪（出力軸）５２の回転数Ｓｏｕｔが外輪（入力軸）５１の回転数Ｓｉｎよりも大きくなる（Ｓｉｎ＜Ｓｏｕｔ）ため、出力軸５２が入力軸５１に対して空転する（図２（ｃ）参照）。したがって、非通電状態のモータ１７におけるコギングトルクや発電作用によるトルクの発生が回避される。
【００３１】
その結果、図４（ｂ）に示すように、カム軸６６Ａ、６６Ｂは約１８０°回転し、シリンダブロック８３がロアケース８４から離間するように高速で上昇する（ブロック矢印で図示）。これにより、燃焼室８９の容積が増加するため、ピストン８６の移動による容積変化率が小さい「低圧縮比」の状態となる。
【００３２】
以上説明したように、本発明の可変圧縮比エンジン８０は、ダイオード式クラッチ５０を使用することで、簡易な構成で、エンジンの圧縮比を変更する機構を実現することができる。
また、ダイオード式クラッチ５０の出力軸５２の回転力が減速機６１で減速され且つ駆動トルクが増大されて減速出力軸６２に伝達されるため、大きな駆動力を要求される「低圧縮比側から高圧縮比側への推移」において、高トルクの出力が可能となる。
さらに、カム軸６６Ａ、６６Ｂは、シリンダ８５の軸に対して両側に設けられ、カム軸６６Ａ、６６Ｂの回転方向も互いに逆方向に回転するように設けられる。これにより、シリンダブロック８３の両側に略均等に駆動力が発生し、シリンダブロック８３をバランス良く移動させることができる。
【００３３】
（その他の実施形態）
（ア）図１、３、４では、シリンダ８５の軸が略天地方向に設けられると仮定し、図の上側であるシリンダヘッド８２側を「上」、図の下側であるロアケース８４側を「下」と表した。しかし、本発明の可変圧縮比エンジンは、いわゆるＶ型エンジン等のようにシリンダ８５の軸が天地方向に対して傾斜して配置されるエンジンであってもよい。
【００３４】
（イ）上記実施形態では、ダイオード式クラッチ５０の出力側に減速機６１が設けられる。この配置は、ダイオード式クラッチ５０の入力側に減速機６１を設ける場合に比べ、ダイオード式クラッチ５０にかかる負荷トルクを低減することができる。
しかし、この負荷トルクが問題のないレベルであれば、モータ１７とダイオード式クラッチ５０との間に減速機６１を設けてもよい。あるいは、例えばギアードモータのような減速モータを使用することで、必ずしも減速機６１を設けなくてもよい。
【００３５】
（ウ）付勢手段として、上記実施形態のスプリング９６の他、板ばね等を使用してもよい。
（エ）本発明の可変圧縮比エンジンは、自動車用エンジンに限らず、他のエンジンにも適用可能である。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。
【符号の説明】
【００３６】
１７          ・・・モータ（駆動手段）、
５０          ・・・ダイオード式クラッチ（回転力伝達部材）、
５１          ・・・入力軸、外輪、
５２          ・・・出力軸、内輪、
６１          ・・・減速機（減速手段）、
６２          ・・・減速出力軸、
６６Ａ、６６Ｂ・・・カム軸、
８０          ・・・可変圧縮比エンジン、
８３          ・・・シリンダブロック、
８４          ・・・ロアケース、
８５          ・・・シリンダ、
８６          ・・・ピストン、
８９          ・・・燃焼室、
９６          ・・・スプリング（付勢手段）。
【図１】
0005516487.tif 000002
【図２】
0005516487.tif 000003
【図３】
0005516487.tif 000004
【図４】
0005516487.tif 000005