(57)【要約】【課題】  逆作動時の部品破損を防止できる内燃機関の可変圧縮比装置を提供する。【解決手段】  電動モータ18の回転力をプレート20の推力に変換して可変圧縮比機構の制御軸13の回転位置を変更する摩擦ねじ機構33は、プレート20の高圧縮比側へのストローク量が小さいほど逆効率が低下する逆効率特性を有する。【選択図】  図２
2019019675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御軸の回転位置に応じて機関圧縮比を変更する可変圧縮比機構と、
前記制御軸の回転位置を変更するアクチュエータと、
を備え、
前記アクチュエータは、
前記制御軸と連係されたストローク部材と、
電動モータと、
前記電動モータの回転力を前記ストローク部材の推力に変換する動力変換機構であって、
前記電動モータに回転駆動される駆動ローラと、
前記ストローク部材に回転可能に支持され、前記駆動ローラの軸線方向に対して傾斜した軸線を持ち、前記駆動ローラに押し付けられた状態で前記駆動ローラと転がり接触し、前記ストローク部材を前記駆動ローラの軸線方向にストロークさせる推力を発生する複数個の従動ローラと、を有する、
動力変換機構と、
を備え、
前記動力変換機構は、前記機関圧縮比が低いときは高いときよりも逆効率が低下する逆効率特性を有する内燃機関の可変圧縮比装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の可変圧縮比装置において、
前記機関圧縮比が所定圧縮比以下のときの前記逆効率は、前記機関圧縮比が前記所定圧縮比を超えるときよりも低く、かつ、前記動力変換機構の逆作動時、前記所定圧縮比よりも低圧縮比側の機関圧縮比に対応する位置にある前記ストローク部材が、前記ストローク部材に入力される外力によって前記所定圧縮比に対応する位置までストローク可能な値である内燃機関の可変圧縮比装置。
【請求項３】
請求項１に記載の内燃機関の可変圧縮比装置において、
前記動力変換機構は、前記機関圧縮比が所定圧縮比以下のときの前記逆効率が0となる逆効率特性を有する内燃機関の可変圧縮比装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比装置において、
前記動力変換機構は、前記機関圧縮比が低いときは高いときよりも前記駆動ローラに対する前記複数個の従動ローラの押し付け力が高い内燃機関の可変圧縮比装置。
【請求項５】
請求項４に記載の内燃機関の可変圧縮比装置において、
前記動力変換機構は、前記機関圧縮比が所定圧縮比以下のとき前記押し付け力が一定の最大値である内燃機関の可変圧縮比機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の可変圧縮比装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、駆動ローラに複数個の従動ローラを所定の交差角で押し付け、駆動ローラの回転によって従動ローラに生じる回転運動に伴う軸方向の運動を利用して従動ローラを支持するストローク部材の送り動作を行う、いわゆるツイストローラ方式の動力変換機構が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2004-197864号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の動力変換機構を、内燃機関の可変圧縮比機構における電動モータの減速機に適用した場合、電動モータが故障すると、外力により逆作動したとき、ストローク部材がストッパに叩き付けられて部品破損が生じるおそれがあった。
本発明の目的は、逆作動時の部品破損を防止できる内燃機関の可変圧縮比装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一実施形態における内燃機関の可変圧縮比装置では、動力変換機構は、機関圧縮比が低いときは高いときよりも逆効率が低下する逆効率特性を有する。
【発明の効果】
【０００６】
よって、逆作動時の部品破損を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態１の可変圧縮比機構1の構成図である。
【図２】実施形態１のアクチュエータ16の縦断面図である。
【図３】図２のS3-S3線矢視断面図である。
【図４】駆動ローラ22の回転軸線O1と従動ローラ23の回転軸線O2との関係を示す図である。
【図５】プレート20のストローク量と可変圧縮比機構1から受けるスラスト反力との関係を示す図である。
【図６】エンジン2の圧縮比における使用領域を示す図である。
【図７】実施形態１の摩擦ねじ機構33におけるプレート20のストローク量に対する逆効率ηtの特性図である。
【図８】実施形態１の摩擦ねじ機構33におけるプレート20のストローク量に対する従動ローラ23の設計押し付け力の特性図である。
【図９】実施形態２の摩擦ねじ機構33におけるプレート20のストローク量に対する逆効率ηtの特性図である。
【図１０】実施形態２の摩擦ねじ機構33におけるプレート20のストローク量に対する従動ローラ23の設計押し付け力の特性図である。
【図１１】実施形態３の摩擦ねじ機構33におけるプレート20のストローク量に対する逆効率ηtの特性図である。
【図１２】エンジン2の高回転低トルク運転時において摩擦ねじ機構33に入力される外力のタイムチャートである。
【図１３】他の実施形態の摩擦ねじ機構33におけるプレート20のストローク量に対する逆効率ηtの特性図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
〔実施形態１〕
図１は、実施形態１の可変圧縮比機構1の構成図である。
実施形態１の可変圧縮比機構1は、複リンク式可変圧縮比機構であり、車両に搭載されたエンジン（内燃機関）2の機関圧縮比を変更する。エンジン2のピストン3は、シリンダブロック4に形成されたシリンダ4a内に配置されている。ピストン3はシリンダ4a内を摺動する。このピストン3には、アッパリンク5の一端部がピストンピン3aを介して揺動可能に連結されている。アッパリンク5の他端は、第１連結ピン6を介してロアリンク7の一端部に回転可能に連結されている。ロアリンク7は、その中央部においてクランクシャフト8のクランクピン8aに揺動可能に取り付けられている。ピストン3は、その上方に画成される燃焼室から燃焼圧力を受ける。クランクシャフト8は、クランク軸受ブラケット9によってシリンダブロック4に回転可能に支持されている。
【０００９】
ロアリンク7の他端部には、コントロールリンク10の一端部が第２連結ピン11を介して回転可能に連結されている。コントロールリンク10の他端は、エンジン2本体の一部に揺動可能に支持され、かつ、機関圧縮比の変更のために、その揺動支点12の位置がエンジン2本体に対して変位可能である。具体的には、クランクシャフト8と平行に延びる制御軸13を備え、制御軸13に偏心して設けられた偏心軸14にコントロールリンク10の他端が回転可能に嵌合している。制御軸13は、クランク軸受ブラケット9と制御軸受ブラケット15との間に回転可能に支持されている。
従って、機関圧縮比の変更のために、後述するアクチュエータ16（図２参照）により制御軸13を回転駆動すると、コントロールリンク10の揺動支点12となる偏心軸14の中心位置がエンジン2本体に対して移動する。これにより、コントロールリンク10によるロアリンク7の運動拘束条件が変化し、クランク角に対するピストン3の行程位置が変化することにより、機関圧縮比が変更される。
【００１０】
図２は実施形態１のアクチュエータ16の縦断面図、図３は図２のS3-S3線矢視断面図である。
アクチュエータ16は、制御軸13の回転位置を変更する。アクチュエータ16は、ハウジング17、電動モータ18、摩擦ねじ機構33およびプレート20を有する。
ハウジング17は、シリンダブロック4に固定されている。ハウジング17は、略円筒状に形成され、内部にモータ収容部17aおよび摩擦ねじ収容部17bを有する。モータ収容部17aおよび摩擦ねじ収容部17b間は、隔壁17cにより隔てられている。
電動モータ18は、モータ収容部17aに収容されている。電動モータ18は、例えばブラシレスモータである。モータ駆動軸19は隔壁17cを貫通し、一端部19aは摩擦ねじ収容部17b内に突出する。モータ駆動軸19の一端部19a付近は、隔壁17cに固定されたボールベアリング20aにより、モータ駆動軸19の回転軸線O1周りを回転可能に支持されている。モータ駆動軸19の他端部19bは、ハウジング17の底部17dに固定されたボールベアリング20bにより、回転軸線O1周りを回転可能に支持されている。モータ収容部17aには、モータ駆動軸19の回転角度を検出するレゾルバ21が設けられている。レゾルバ21は、図外のコントロールユニットに回転角度情報を出力する。
【００１１】
以下、回転軸線O1に沿う方向にX軸を設定し、X軸方向のうち他端部19b側から一端部19a側へ向かう方向をX軸正方向と規定する。また、回転軸線O1周りの方向を周方向、回転軸線O1の放射方向を径方向という。
摩擦ねじ機構33は、摩擦ねじ収容部17bに収容されている。摩擦ねじ機構33は、電動モータ18の回転力をプレート20の推力に変換する動力変換機構である。摩擦ねじ機構33は、駆動ローラ22および従動ローラ23を有する。
駆動ローラ22は、X軸方向に延びる円柱状部材であり、モータ駆動軸19と一体に回転する。駆動ローラ22の一端部22aは、モータ駆動軸19の一端部19aとスプライン結合されている。駆動ローラ22の他端部22bは、摩擦ねじ収容部17bよりもX軸正方向側へ突出する。駆動ローラ22の回転軸線は駆動ローラ22の回転軸線O1と一致する。
従動ローラ23は、駆動ローラ22の外周側に位置し、周方向に等間隔で３個配置されている。従動ローラ23は、駆動ローラ22に対し設定押し付け力により押し付けられた状態で駆動ローラ22と転がり接触する。図４に示すように、従動ローラ23は、駆動ローラ22の回転軸線O1に対して所定の交差角（リード角）θだけ傾斜した回転軸線O2を持つ。従動ローラ23のX軸方向両端には、ジャーナル部23a,23bが設けられている。両ジャーナル部23a,23bは、プレート20に対し回転軸線O2周り回転可能に支持されている。
【００１２】
プレート20は、制御軸13に固定されたアーム26の先端に、中間リンク27を介して連係する。プレート20は、フロントプレート28およびリアプレート29を有する。フロントプレート28は、リアプレート29のX軸正方向側に所定の隙間を有して配置されている。フロントプレート28には、中間リンク27の一端部が連結ピン30を介して揺動可能に連結されている。フロントプレート28の中心には駆動ローラ22が貫通する貫通孔28aが形成されている。フロントプレート28には、従動ローラ23のジャーナル部23aを支持するラジアルベアリング24aおよびスラストベアリング25aが固定されている。
リアプレート29には、従動ローラ23のジャーナル部23bを支持するラジアルベアリング24bおよびスラストベアリング25bが固定されている。リアプレート29の中心には駆動ローラ22が貫通する貫通孔29aが形成されている。両プレート28,29間には、スペーサ31が介装されている。スペーサ31は円筒状に形成され、その内側には、両プレート28,29を共締めするスクリュ32が貫通する。
【００１３】
実施形態１の摩擦ねじ機構33は、駆動ローラ22に３個の従動ローラ23を所定の交差角θで押し付け、駆動ローラ22の回転によって従動ローラ23に生じる回転運動に伴うX軸方向の運動を利用してプレート20をストロークさせる、いわゆるツイストローラ方式の動力変換機構である。プレート20がストロークすることにより、アーム26が搖動して制御軸13の回転位置が変わることで、機関圧縮比が変化する。実施形態１の可変圧縮比機構1では、プレート20がX軸正方向にストロークすると、制御軸13は機関圧縮比を高くする方向に回転する。一方、プレート20がX軸正方向にストロークすると、制御軸13は機関圧縮比を低くする方向に回転する。以下、プレート20のX軸正方向へのストロークを高圧縮比側へのストローク、X軸負方向へのストロークを低圧縮比側へのストロークと称す。コントロールユニットは、基本的に、エンジン2の負荷が低いほど機関圧縮比を低下させ、エンジン2の負荷が高いほど機関圧縮比を高くする。これにより、燃費性能と出力性能との両立を実現できる。プレート20のX軸負方向へのストロークは、隔壁17cとの干渉により規制される。つまり、隔壁17cは、プレート20のストローク範囲を規定するストッパとして機能する。なお、ストッパとして別の部品を設けてもよい。
【００１４】
図５は、プレート20のストローク量[mm]と可変圧縮比機構1から受けるスラスト反力[N]との関係を示す図である。プレート20に入力される外力（スラスト反力）は、可変圧縮比機構1の特性により、ストローク量に応じて一意に決まる。図５では、プレート20がストローク可能範囲における低圧縮比側端、すなわち、最低圧縮比に対応する位置にあるときのストローク量を0とし、高圧縮比側へのストローク量を正の値としている。図５に示すように、スラスト反力は、ストローク量が中央値のとき最大となり、ストローク量が中央値から離れるほど小さくなる特性を有する。ストローク量が0のときのスラスト反力とストローク量が最大のとき（プレート20が最高圧縮比に対応する位置にあるとき）のスラスト反力はほぼ一致する。
【００１５】
ここで、プレート20が最高圧縮比またはその付近の高圧縮比までストロークした状態で電動モータ18が故障した場合、以下の問題が懸念される。
可変圧縮比機構1側からの外力により摩擦ねじ機構33が逆作動（直線→回転）した場合、プレート20が急速にストロークして隔壁17cに叩き付けられるため、部品破損が生じる。
一方、摩擦ねじ機構33の逆作動が不能である場合、機関圧縮比が最高圧縮比またはその付近の高圧縮比に固定される。図６は、エンジン2の圧縮比における使用領域を示す図である。図６に示すように、エンジン2の使用可能範囲は、機関圧縮比が高くなるほど小さくなる。このため、機関圧縮比が最高圧縮比またはその付近の高圧縮比に固定されると、エンジン2の運転領域が限定され、所望の出力が得られない可能性が高い。
【００１６】
実施形態１では、上記問題の解決を狙いとし、摩擦ねじ機構33のストローク量に応じた逆効率特性は、機関圧縮比が低いときは高いときよりも逆効率が低くなるように設定されている。逆効率[%]は、逆作動時の効率（入力に対する出力の比）である。図７は、実施形態１の摩擦ねじ機構33におけるプレート20のストローク量に対する逆効率ηtの特性図である。図７において、逆効率ηtは、ストローク量に比例して増加する特性を有する。図７の逆効率特性は、図８に示すように、プレート20のストローク量に対し、従動ローラ23の設計押し付け力を反比例させることで実現できる。このとき、高圧縮比側の設計押し付け力は、必要最低押し付け力を下回らないようにする。必要最低押し付け力は、プレート20をストロークさせるために必要な最低押し付け力であって、図５に示したスラスト反力に比例する。図８のように、高圧縮比側で必要最低押し付け力の特性を表す曲線と接し、機関圧縮比が低いほど設計押し付け力が大きくなる直線状の設計押し付け力特性とすることにより、図７に示した逆効率特性を実現できる。
実施形態１では、プレート20のストローク量に応じて設計押し付け力を変化させるために、プレート20のストローク量に応じて各従動ローラ23と当接する駆動ローラ22の外径を変化させる手法を採用している。具体的には、駆動ローラ22の回転軸線O1方向（X軸方向）において、駆動ローラ22の外径は、最低圧縮比に対応する従動ローラ23との接触位置から最高圧縮比に対応する従動ローラ23との接触位置に向かって徐々に縮径する線形テーパ形状である。
【００１７】
以上のように、実施形態１の摩擦ねじ機構33は、機関圧縮比が低いほど、すなわち、プレート20の高圧縮比側へのストローク量が小さいほど、逆効率が低下する逆効率特性を有する。よって、摩擦ねじ機構33を逆作動させるために必要な力である逆作動抵抗値は、機関圧縮比が低いほど大きくなる。このため、プレート20が最高圧縮比またはその付近の高圧縮比までストロークした状態で電動モータ18が故障したとしても、逆作動抵抗値は比較的小さいため、摩擦ねじ機構33は逆作動可能であり、プレート20は外力を受けて低圧縮比側へストロークする。これにより、エンジン2の運転領域が過度に限定され、所望の出力に対し出力が未達となるのを抑制できる。
また、外力によりプレート20が低圧縮比側に向かって急速にストロークしたとしても、プレート20は低圧縮比側において比較的大きな逆作動抵抗を受けて減速する。このため、プレート20と隔壁17cとの衝突を回避、または衝突エネルギーを小さくできる。この結果、逆作動時の部品破損を防止できる。
実施形態１の摩擦ねじ機構33は、機関圧縮比が低いほど、すなわち、プレート20の高圧縮側へのストローク量が小さいほど、駆動ローラ22に対する各従動ローラ23の押し付け力が高い。これにより、機関圧縮比が低いほど逆効率が低下する逆効率特性を容易に実現できる。
【００１８】
〔実施形態２〕
次に、実施形態２を説明するが、実施形態２の基本的な構成は実施形態１と同じであるため、実施形態１と相違する部分のみ説明する。
図９は、実施形態２の摩擦ねじ機構33におけるプレート20のストローク量に対する逆効率ηtの特性図である。図９において、逆効率ηtは、最低圧縮比から所望の機関圧縮比までの範囲では0、所望の機関圧縮比から所定の高圧縮比までの範囲では圧縮比に比例し、所定の高圧縮比から最高圧縮比までの範囲では一定の最大値となるように設定されている。図９の逆効率特性は、図１０に示すような設定押し付け力となるよう、プレート20のストローク量に応じて各従動ローラ23と当接する駆動ローラ22の外径を変化させる手法を用いて実現できる。
【００１９】
実施形態２の摩擦ねじ機構33は、機関圧縮比が所望の機関圧縮比以下のとき駆動ローラ22に対する各従動ローラ23の押し付け力が一定の最大値である。これにより、所望の機関圧縮比よりも低圧縮比側の逆効率ηtが最小値となるため、電動モータ18の故障時、プレート20と隔壁17cとの衝突を回避、または衝突エネルギーを小さくできると共に、所望の運転領域を使用可能である。
実施形態２では、最低圧縮比から所望の機関圧縮比までの範囲の逆効率ηtが0であるため、プレート20が最高圧縮比またはその付近の高圧縮比までストロークした状態で電動モータ18が故障した場合、摩擦ねじ機構33が逆作動したとき、プレート20は所望の機関圧縮比よりも低圧縮比側へストロークできない。よって、プレート20が隔壁17cに叩き付けられるのを確実に防止できる。また、プレート20は逆作動時に所望の機関圧縮比までストロークできるため、所望の運転領域を使用可能である。
【００２０】
〔実施形態３〕
次に、実施形態３を説明するが、実施形態３の基本的な構成は実施形態１と同じであるため、実施形態１と相違する部分のみ説明する。
図１１は、実施形態３の摩擦ねじ機構33におけるプレート20のストローク量に対する逆効率ηtの特性図である。図１１において、逆効率ηtは、最低圧縮比から所望の機関圧縮比までの範囲Lでは一定の最小値、所望の機関圧縮比から所定の高圧縮比までの範囲では圧縮比に比例し、所定の高圧縮比から最高圧縮比までの範囲では一定の最大値となるように設定されている。範囲Lは、エンジン2の高回転低トルク運転時においてプレート20が高圧縮比側に戻されるときの移動量（ストローク量）である。逆効率ηtの最小値および移動量Lの算出方法を以下に示す。
【００２１】
図１２は、エンジン2の高回転低トルク運転時において摩擦ねじ機構33に入力される外力のタイムチャートである。図１２において、時刻t1〜t2の区間では、外力の符号が反転する。これは、エンジン2が低負荷の場合、摩擦ねじ機構33に作用する外力は、可変圧縮比機構1の作動慣性（慣性力）による交番荷重が主体となるからである。ちなみに、エンジン2が高負荷の場合、膨張行程における爆発力が大きくなることに起因して、摩擦ねじ機構33に作用する外力は、エンジン2の爆発力を可変圧縮比機構1が受けることにより摩擦ねじ機構33に入力される片振り荷重が主体となる。図１２にハッチングで示す部分は、プレート20を低圧縮比側から高圧縮比側へ戻すエネルギーであり、このエネルギー×逆効率が電動モータ18に入力される外力である。そこから移動量Lが求まる。
【００２２】
時刻t1〜t2の区間において、プレート20を低圧縮比側から高圧縮比側へ戻す外力の運動方程式は、下記の式(1)となる。
【数１】
2019019675.tif 000003
ここで、Ieはリンク軸上の燃焼室側のイナーシャ、Aは振動振幅、ωは振動周期である。
上記外力と摩擦ねじ機構33との関係は、運動量保存の法則より、下記の式(2)となる。
【数２】
2019019675.tif 000004
ここで、ηtは逆効率、mはプレート20の質量、vはプレート20の移動速度である。
式(2)を変形すると、プレート20の移動量Lは、下記の式(3)となる。
【数３】
2019019675.tif 000005
よって、移動量Lを所望の機関圧縮比に設定し、式(3)に代入することにより、逆効率ηtの最小値が求まる。
【００２３】
実施形態３では、最低圧縮比から所望の機関圧縮比までの範囲Lにおける逆効率ηtが、一定の最小値であって、エンジン2の高回転低トルク運転時、所望の機関圧縮比よりも低圧縮比側にストロークしたプレート20が外力によって所望の機関圧縮比までストローク可能な値である。ここで、実施形態２では、最低圧縮比から所望の機関圧縮比までの範囲の逆効率ηtが0であるため、プレート20が所望の機関圧縮比よりも高圧縮比側にストロークした状態で電動モータ18が故障した場合、エンジン2の高回転低トルク運転時であっても摩擦ねじ機構33は逆作動不能であるため、燃費性能の悪化が懸念される。これに対し、実施形態３では、高回転低トルク運転時の外力によりプレート20を高圧縮比側へ戻せるため、エンジン2の高回転低トルク運転時における燃費性能を向上できる。なお、逆効率ηtの最小値は最大値よりも十分に小さいため、外力によりプレート20が低圧縮比側に向かって急速にストロークしたとき、プレート20と隔壁17cとの衝突を回避、または衝突エネルギーを小さくできる。
【００２４】
〔他の実施形態〕
以上、本発明を実施するための形態を、実施形態に基づいて説明したが、本発明の具体的な構成は、実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
可変圧縮比機構は、実施形態に示した複リンク式可変圧縮比機構に限らず、制御軸の回転位置によって機関圧縮比が定まるものであれば、本発明を適用できる。
ストローク部材のストローク量に応じて各従動ローラの設定押し付け力特性を変化させる手法は任意であり、例えば、特開2004-197864号公報に記載のような圧電素子を用いてよい。この場合、図１３に示すように、所望の機関圧縮比で逆効率ηtがステップ状に変化するような逆効率特性を設定可能である。
【符号の説明】
【００２５】
1  可変圧縮比機構
2  エンジン
13  制御軸
16  アクチュエータ
18  電動モータ
20  プレート（ストローク部材）
22  駆動ローラ
23  従動ローラ
33  摩擦ねじ機構（動力変換機構）
【図１】
2019019675.tif 000006
【図２】
2019019675.tif 000007
【図３】
2019019675.tif 000008
【図４】
2019019675.tif 000009
【図５】
2019019675.tif 000010
【図６】
2019019675.tif 000011
【図７】
2019019675.tif 000012
【図８】
2019019675.tif 000013
【図９】
2019019675.tif 000014
【図１０】
2019019675.tif 000015
【図１１】
2019019675.tif 000016
【図１２】
2019019675.tif 000017
【図１３】
2019019675.tif 000018