(57)【要約】【課題】圧縮比可変制御のための油圧アクチュエータ３１の駆動に要する消費エネルギを抑制する。【解決手段】可変圧縮比機構は、制御軸１８の偏心カム部１９の位置によって圧縮比が定まり、制御軸１８は、油圧アクチュエータ３１によって回転方向に駆動される。複動型ピストン−シリンダ機構からなる油圧アクチュエータ３１は、油室５５，５６への作動油の導入および排出を、方向切換弁５９によって切り換えることで駆動されるが、方向切換弁５９上流の油圧が、圧力センサ６７によって検出され、目標油圧となるように、可変リリーフ弁６６によって制御される。オイルポンプ６０は、クランクプーリ６３によって機械的に駆動される。制御軸１８の回転位置の保持および応答性の上で必要な範囲でより低い油圧にすることで、消費エネルギが小さくなる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御軸の回転位置に応じて内燃機関の圧縮比を連続的に変化させることが可能な可変圧縮比機構と、内燃機関の運転条件に応じた回転位置となるように上記制御軸を回転方向に駆動する油圧アクチュエータと、を備えてなる内燃機関の可変圧縮比装置において、
上記油圧アクチュエータの油圧源として、内燃機関の出力によって機械的に駆動される機械駆動式オイルポンプが用いられるとともに、上記油圧アクチュエータへ供給される油圧を機関運転条件に応じて可変制御する油圧制御手段が設けられていることを特徴とする内燃機関の可変圧縮比装置。
【請求項２】
上記油圧制御手段は、圧縮比を変化させる際の応答性の上で必要な油量に対応した第１の油圧と、圧縮比の保持に必要な第２の油圧と、の中で、相対的に高い方の油圧を目標の油圧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。
【請求項３】
上記油圧アクチュエータと上記オイルポンプとの間に、油圧供給を切り換える切換弁が介装されており、上記油圧制御手段は、この切換弁上流の油圧を機関運転条件に応じて可変制御す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。
【請求項４】
上記切換弁上流の油圧を検出する油圧検出手段を有し、上記油圧制御手段は、検出した油圧に基づいて油圧制御を行うことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
【請求項５】
上記油圧制御手段は、上記オイルポンプの吐出側から作動油の一部をリリーフする可変リリーフ弁からなり、この可変リリーフ弁のリリーフ量により油圧を制御することを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
【請求項６】
上記油圧制御手段は、上記切換弁と上記オイルポンプとの間に介装された逆止弁と、この逆止弁と上記切換弁との間に接続された油圧アキュムレータと、を含み、上記油圧アキュムレータ内の油圧を可変制御することを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
【請求項７】
上記オイルポンプと上記逆止弁との間に、オイルポンプ吐出圧を開放するアンロード弁が接続されており、上記油圧アキュムレータ内の油圧が所定レベル以上であるときに、該アンロード弁を開くことを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
【請求項８】
上記オイルポンプがクラッチ機構を介して機関出力によって駆動されており、上記油圧アキュムレータ内の油圧が所定レベル以上であるときに、上記クラッチ機構を遮断状態とすることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
【請求項９】
機関回転数が所定の高速域にあるときに、最低圧縮比に制御するとともに、上記クラッチ機構を遮断状態とすることを特徴とする請求項８に記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
【請求項１０】
過給機付内燃機関に適用したことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
【請求項１１】
上記可変圧縮比機構は、一端が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、このアッパリンクに揺動可能に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取り付けられたロアリンクと、一端が上記ロアリンクに揺動可能に連結されるとともに、他端が上記制御軸の偏心カム部に揺動可能に支持されたコントロールリンクと、を備えていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の内燃機関の可変圧縮比装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、先に、レシプロ式内燃機関の圧縮比可変機構として、複リンク式ピストン−クランク機構を用い、そのリンク構成の一部を動かすことによりピストン上死点位置を変化させるようにした機構を種々提案している（例えば特許文献１）。これは、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アッパ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、一端が上記ロアリンクにコントロール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、シリンダブロック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、を備えたものであって、上記制御軸の回転位置（つまり偏心カム部の偏心方向）をアクチュエータを介して機関運転条件に応じて制御することで機関圧縮比を可変制御する構成となっている。そして上記特許文献１の装置では、制御軸を駆動するために電動式のアクチュエータつまり電動モータを用いている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−１１５５７１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような構成においては、機関の運転中にコントロールリンクに加わる荷重が上記偏心カム部に作用し、この結果、制御軸に回転モーメントが発生するので、制御軸を回転方向に駆動するアクチュエータは、圧縮比変化中は勿論のこと、圧縮比を一定に保持する間も、この回転モーメントに対抗する必要がある。そのため、アクチュエータの駆動に消費されるエネルギは大きい。
【０００５】
特に、上記のように電動式のアクチュエータとすると、機関が発生する出力をモータ出力に変換するまでの効率が低いことから、消費エネルギが一層大きなものとなる。
【０００６】
また、一方、制御軸に加わる力は、燃焼圧の影響が大きいことから、負荷によって左右され、機関が低速回転であっても、負荷が高いときには、大きな回転モーメントが制御軸に作用する。従って、アクチュエータとして油圧アクチュエータを用いた場合には、この回転モーメントに対抗し得るように、高い油圧を用いた高出力のアクチュエータとする必要があるが、油圧を高くすると、それだけアクチュエータや切換弁等の各部からの漏れ量が増大し、この漏れ量に伴うエネルギ損失が大となる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の内燃機関の可変圧縮比装置は、制御軸の回転位置に応じて内燃機関の圧縮比を連続的に変化させることが可能な可変圧縮比機構と、内燃機関の運転条件に応じた回転位置となるように上記制御軸を回転方向に駆動する油圧アクチュエータと、を備えたものであり、上記油圧アクチュエータの油圧源として、内燃機関の出力によって機械的に駆動される機械駆動式オイルポンプが用いられる。
【０００８】
そして、特に、本発明では、上記油圧アクチュエータへ供給される油圧を機関運転条件に応じて可変制御する油圧制御手段が設けられている。
【０００９】
より具体的には、上記油圧アクチュエータと上記オイルポンプとの間に、油圧供給を切り換える切換弁が介装されており、上記油圧制御手段は、この切換弁上流の油圧を機関運転条件に応じて可変制御するようになっている。
【００１０】
前述のように、圧縮比制御の上で制御軸に要求されるトルクは、機関の負荷と回転数とによって異なり、例えば低速低負荷域では、必要なトルクは小さい。従って、このような場合に、オイルポンプから油圧アクチュエータへ供給する油圧を、必要十分な範囲で低くすれば、油圧アクチュエータや切換弁等の各部からの漏れ量を抑制でき、この漏れ量に伴う消費エネルギが小さくなる。なお、同じ漏れ隙間において、漏れ量は、油圧の２乗に比例する。また、油圧を低くすれば、同じ作動油供給量で比較した場合に、消費エネルギがより小さくなる。
【００１１】
【発明の効果】
この発明によれば、機械駆動式のオイルポンプにより油圧アクチュエータを駆動する構成とすることで、機関出力をより効率よく利用することができるとともに、運転条件に応じた適宜な油圧に可変制御することにより、油圧アクチュエータの駆動に伴う消費エネルギを抑制することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
図１は、複リンク式のピストン−クランク機構からなる可変圧縮比機構を用いた本発明の一実施例を示している。
【００１４】
図示するように、シリンダブロック５に形成されたシリンダ６内に、ピストン１が摺動可能に配設されており、このピストン１に、アッパリンク１１の一端がピストンピン２を介して揺動可能に連結されている。このアッパリンク１１の他端は、第１連結ピン１２を介してロアリンク１３の一端部に回転可能に連結されている。このロアリンク１３は、その中央部においてクランクシャフト３のクランクピン４に揺動可能に取り付けられている。なお、ピストン１は、その上方に画成される燃焼室から燃焼圧力を受ける。また、クランクシャフト３は、クランク軸受ブラケット７によってシリンダブロック５に回転可能に支持されている。
【００１５】
上記ロアリンク１３の他端部には、コントロールリンク１５の一端が第２連結ピン１４を介して回転可能に連結されている。このコントロールリンク１５の他端は、シリンダブロック５を主体とした内燃機関本体の一部に揺動可能に支持されており、かつ、圧縮比の変更のために、その揺動支点が、内燃機関本体に対して変位可能となっている。具体的には、クランクシャフト３と平行に延びた制御軸１８に、円形の偏心カム部１９が偏心して設けられており、この偏心カム部１９の外周面に上記コントロールリンク１５の他端が回転可能に嵌合している。上記制御軸１８は、上記のクランク軸受ブラケット７と制御軸受ブラケット８との間に回転可能に支持されている。
【００１６】
従って、圧縮比の変更のために、後述する油圧アクチュエータにより制御軸１８を回転駆動すると、コントロールリンク１５の揺動支点となる偏心カム部１９の中心位置が機関本体に対して移動する。これにより、コントロールリンク１５によるロアリンク１３の運動拘束条件が変化して、クランク角に対するピストン１の行程位置が変化し、ひいては機関圧縮比が変更されることになる。
【００１７】
図２は、上記制御軸１８の回転方向と圧縮比との関係を説明する説明図であって、点Ｐｅは、上記の揺動支点となる偏心カム部１９の中心、点Ｐｃは、制御軸１８の中心、をそれぞれ示し、制御軸１８の回転に伴って、点Ｐｅが点Ｐｃの周りに移動することになる。図示した初期位置では、点Ｐｅが点Ｐｃの左側にあるので、制御軸１８を矢印（１）のように時計回り方向に回転すると、点Ｐｅが上方へ動き、コントロールリンク１５が矢印（２）のように上方へ移動する。これにより、ロアリンク１３が矢印（３）のように反時計回り方向に回転し、アッパリンク１１が矢印（４）のように下降する。そのため、ピストン１の位置も矢印（５）のように下降し、結果として、圧縮比が低下する。つまり、図２に示した初期位置から制御軸１８を時計回り方向に回転すると、圧縮比は低下する。逆に反時計回り方向に回転すれば、圧縮比は上昇する。
【００１８】
図３は、上記制御軸１８を回転方向に駆動する油圧回路の構成を示している。この実施例では、油圧アクチュエータ３１は、ロッド５１が直線移動する複動型ピストン−シリンダ機構から構成されている。上記のロッド５１との連係のために、制御軸１８の適宜位置に、軸方向に所定間隔だけ離れた一対のレバー５０が固定されており、かつこのレバー５０に、制御軸１８の半径方向に沿ったスリット５０ａがそれぞれ形成されている。
【００１９】
上記レバー５０と上記ロッド５１とは、円柱状のピン５２によって連結されているが、このピン５２の両端部に、レバー５０のスリット５０ａに対応した幅の二面幅部５２ａが形成されており、この部分が上記スリット５０ａにスライド可能に係合している。そして、ピン５２の中央部は円筒面をなし、ロッド５１の一端部５１ａに形成されたピン孔５１ｂ内に回転可能に支持されている。
【００２０】
上記ロッド５１は、アクチュエータハウジング５４の筒状のスリーブ５４ａにスライド可能に嵌合する大径部５１ｃを有し、この大径部５１ｃの基端に円盤状のピストン５３を有している。
【００２１】
上記アクチュエータハウジング５４内は、上記ピストン５３によって、制御軸１８寄りに位置する第１油室５５と反対側に位置する第２油室５６とに仕切られており、上記第１油室５５を貫通して上記ロッド５１が制御軸１８側へ延びている。上記第１油室５５には第１油通路５７が、上記第２油室５６には第２油通路５８が、それぞれ接続されており、４ポート３位置電磁弁からなる方向切換弁５９を介して、ポンプ側通路６１とドレン通路６２とに、選択的に連通するように構成されている。上記ポンプ側通路６１は、オイルポンプ６０の出口側に連通している。
【００２２】
従って、図示せぬエンジンコントロールユニットが上記方向切換弁５９を適宜に切換制御することにより、第１，第２油室５５，５６の一方に高圧の作動油が導入されると同時に他方から作動油が排出されて、ピストン５３およびロッド５１が左右方向に移動し、制御軸１８を所望の位置まで回転させることができる。なお、制御軸１８の実際の回転角度が図示せぬ回転角センサによって検出され、この検出信号に基づいて制御軸１８の回転位置がフィードバック制御される。
【００２３】
ここで、上記オイルポンプ６０としては、ベルト６４を介して内燃機関のクランクプーリ６３により機械的に駆動される機械駆動式オイルポンプが用いられている。また、オイルポンプ６０吐出側のポンプ側通路６１からリリーフ通路６５が分岐しており、ここに、油圧制御手段として、可変リリーフ弁６６が介装されている。この可変リリーフ弁６６の開度は、上記ポンプ側通路６１内の油圧を検出する圧力センサ６７の検出信号に基づいて制御され、オイルポンプ６０が吐出した作動油の一部をオイルパン６８側へリリーフすることで、ポンプ側通路６１内の油圧を目標油圧に制御している。
【００２４】
油圧の設定について説明すると、上記の目標油圧を定める上で、制御軸１８をそれぞれの回転位置に保持するために必要な油圧と、圧縮比変化時の応答性を満足するために必要な油圧と、を考慮する必要がある。前述したように、多くの運転領域では、制御軸１８に加わる回転モーメントとしては、燃焼圧による荷重が支配的であり、これは、制御軸１８を低圧縮比側へ回転させる方向に作用する。制御軸１８をある回転位置に保持するためには、この低圧縮比側への回転力に対抗する力が必要であり、これに必要な油圧が、制御軸１８の保持に必要な油圧となる。一方、ある定常状態から、制御軸１８を作動させるためには、目標応答時間があるので、この目標応答時間内に油圧アクチュエータ３１にどれだけの作動油量を供給する必要があるかを算出することにより、その定常状態での作動に対する要求油量が決まる。特に、応答性の要求は、負荷が上昇したときのノッキング゛回避が主であり、このとき、高圧縮比状態から低圧縮比側へ変化させることになるが、これは、制御軸１８が燃焼圧により回転モーメントを受ける方向と同じであるので、応答性は、油圧よりもむしろ油量によって左右される。つまり、この応答性の上では、必要な油量が定まる。このように過渡時の作動に必要な油量が決まれば、油圧アクチュエータ３１を含む油圧系の特性により、必要な油圧が決まることになる。
【００２５】
そして、これらの２つの油圧の中で、相対的に高い方の油圧が、上記の目標油圧となる。これにより、圧縮比変化時の応答性を損なうことなく、方向切換弁５９直前の油圧を最低限まで低くでき、それだけ消費エネルギを少なくすることができる。特に、油圧を低くすることで、オイルポンプ６０の駆動に要するエネルギが減少するのは勿論のこと、方向切換弁５９や油圧アクチュエータ１８での漏れ量が少なくなり、この漏れ量の補充に要する消費エネルギを抑制できる。
【００２６】
図４は、運転条件に対する圧縮比の制御特性を示しており、負荷の低い領域では、熱効率を向上させるために高圧縮比となり、また負荷の高い領域では、ノッキングが発生しやすくなるので、圧縮比は低く制御される。つまり、図示するように、基本的に負荷が低いほど高圧縮比になるように制御される。
【００２７】
このような圧縮比の特性に対し、制御軸１８の駆動に必要な要求トルクの最大値は、図５に示すような特性となる。なお、オイルポンプ６０は機関のクランクシャフト３に同期して回転するので、基本的に、機関回転数が高くなると、発生油圧は上昇する。
【００２８】
次に、油圧制御手段の第２の実施例を図６に基づいて説明する。この実施例においては、ポンプ側通路６１に逆止弁７１が介装されているとともに、この逆止弁７１と方向切換弁５９との間に、油圧を蓄える油圧アキュムレータ７２が接続されている。圧力センサ６７は、逆止弁７１と方向切換弁５９との間の圧力つまりこの油圧アキュムレータ７２内の圧力を検出している。また、リリーフ通路６５が、ポンプ側通路６１の逆止弁７１よりもオイルポンプ６０寄りの位置で分岐しており、かつこのリリーフ通路６５に、アンロード弁７３が介装されている。
【００２９】
この実施例の構成においては、オイルポンプ６０から吐出された作動油の油圧が逆止弁７１の作用により油圧アキュムレータ７２内に蓄えられる。そして、油圧アキュムレータ７２内の油圧が十分であれば、図示せぬ制御回路によりアンロード弁７３が開かれ、オイルポンプ６０の吐出圧が開放される。これにより、オイルポンプ６０の前後圧力差が小さくなり、その消費エネルギが小さくなる。
【００３０】
図７は、上記実施例における油圧制御の流れを示すフローチャートであって、まず内燃機関の運転条件（例えば、機関回転数、吸入空気量、圧縮比）を読み込み（ステップ１）、これに応じて、油圧アキュムレータ７２の上限油圧Ｐ１および下限油圧Ｐ２を設定する（ステップ２）。これらの油圧の値は、そのときの要求油圧つまり前述した目標油圧をＰ０とすると、Ｐ０＜Ｐ２＜Ｐ１の関係となる。そして、圧力センサ６７により検出された油圧アキュムレータ７２内の油圧Ｐｎを読み込み（ステップ３）、かつアンロード弁７３が開状態であるか閉状態であるかを判別する（ステップ４）。アンロード弁７３が閉じている場合には、検出油圧Ｐｎが上限油圧Ｐ１を越えているか判定し（ステップ５）、もしＰｎ＞Ｐ１であれば、アンロード弁７３を開く（ステップ６）。一方、アンロード弁７３が開いている場合には、検出油圧Ｐｎが下限油圧Ｐ２を下回っているか判定し（ステップ７）、もしＰｎ＜Ｐ２であれば、アンロード弁７３を閉じる。このようにして、油圧アキュムレータ７２内の油圧Ｐｎは、常に、下限油圧Ｐ２と上限油圧Ｐ１との間に維持される。
【００３１】
次に、油圧制御手段の第３の実施例を図８に基づいて説明する。この実施例においては、第２の実施例と同様に、ポンプ側通路６１に逆止弁７１が介装されているとともに、この逆止弁７１と方向切換弁５９との間に、油圧を蓄える油圧アキュムレータ７２が接続されており、かつ圧力センサ６７が、油圧アキュムレータ７２内の圧力を検出している。そして、この実施例では、オイルポンプ６０が、電磁クラッチなどからなるクラッチ機構８１を介してクランクシャフト３により駆動されるようになっている。
【００３２】
この実施例の構成においては、オイルポンプ６０から吐出された作動油の油圧が逆止弁７１の作用により油圧アキュムレータ７２内に蓄えられる。そして、油圧アキュムレータ７２内の油圧が十分であれば、図示せぬ制御回路によりクラッチ機構８１がＯＦＦつまり動力遮断状態となる。これにより、オイルポンプ６０が停止され、その消費エネルギが小さくなる。
【００３３】
図９は、上記実施例における油圧制御の流れを示すフローチャートであって、まず内燃機関の運転条件（例えば、機関回転数、吸入空気量、圧縮比）を読み込み（ステップ１）、これに応じて、油圧アキュムレータ７２の上限油圧Ｐ１および下限油圧Ｐ２を設定する（ステップ２）。これらの油圧の値は、第２の実施例と同じであり、そのときの要求油圧つまり前述した目標油圧をＰ０とすると、Ｐ０＜Ｐ２＜Ｐ１の関係となる。そして、圧力センサ６７により検出された油圧アキュムレータ７２内の油圧Ｐｎを読み込み（ステップ３）、かつクラッチ機構８１が締結状態であるか遮断状態であるかを判別する（ステップ４）。クラッチ機構８１が締結状態である場合には、検出油圧Ｐｎが上限油圧Ｐ１を越えているか判定し（ステップ５）、もしＰｎ＞Ｐ１であれば、クラッチ機構８１を遮断してオイルポンプ６０を停止する（ステップ６）。一方、クラッチ機構８１が遮断状態である場合には、検出油圧Ｐｎが下限油圧Ｐ２を下回っているか判定し（ステップ７）、もしＰｎ＜Ｐ２であれば、クラッチ機構８１を締結し、オイルポンプ６０の駆動を再開する。このようにして、油圧アキュムレータ７２内の油圧Ｐｎは、常に、下限油圧Ｐ２と上限油圧Ｐ１との間に維持される。
【００３４】
図１０および図１１は、上記の第３の実施例の変形例であり、図１０に圧縮比制御特性を示すように、高速域では、最低圧縮比に制御されるようになっている。前述したように、燃焼圧により制御軸１８へ作用する回転モーメントは、制御軸１８を低圧縮比側へ回転させる方向に作用するので、制御軸１８の回転を最低圧縮比の位置で停止させる何らかのストッパ手段を設けておけば、自然にその位置に安定する。そこで、この場合には、上記の高速域において、制御軸１８の位置を保持するための油圧が不要となる。従って、図１１に示すように、機関回転数が上記の最低圧縮比となる回転数Ｎ１よりも高いか判定し（ステップ９）、これよりも高速域であれば、ステップ１０へ進んで、クラッチ機構８１を遮断し、オイルポンプ６０を停止させる。
【００３５】
このように高速域でオイルポンプ６０を停止するように構成すれば、機械的に駆動されるオイルポンプ６０の最大回転数を低く設定することができ、オイルポンプ６０の小型軽量化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る可変圧縮比装置全体の一実施例を示す断面図。
【図２】制御軸の回転による圧縮比変化の作用を説明する説明図。
【図３】油圧制御手段の第１の実施例を示す構成説明図。
【図４】圧縮比の制御特性を示す特性図。
【図５】制御軸の駆動に必要な要求トルクの特性を示す特性図。
【図６】油圧制御手段の第２の実施例を示す構成説明図。
【図７】この実施例における油圧制御の流れを示すフローチャート。
【図８】油圧制御手段の第３の実施例を示す構成説明図。
【図９】この実施例における油圧制御の流れを示すフローチャート。
【図１０】圧縮比の制御特性の異なる例を示す構成説明図。
【図１１】この制御特性の場合の油圧制御の流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
１５…コントロールリンク
１８…制御軸
１９…偏心カム部
３１…油圧アクチュエータ
５９…方向切換弁
６０…オイルポンプ
６６…可変リリーフ弁
６７…圧力センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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