JP7089898B2 - 可変圧縮比内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、可変圧縮比内燃機関に関する。

例えば、特許文献１には、内燃機関のクランクシャフトにおいて、クランクジャーナルとクランクピンとの接続部分における応力を分散させる構造が開示されている。

特許文献１においては、クランクジャーナルとクランクピンとを接続するクランクアーム（クランクウエブ）のクランクピンとの接続部分の外周の近傍に貫通穴を設けることで、クランクジャーナルとクランクピンとの接続部分における応力を分散して応力を低下させている。

特開２０１５－１９７１１３号公報

しかしながら、上記貫通穴によるクランクアームからの肉抜き量には、強度上の制約がある。

そのため、クランクピンへの入力荷重が大きくなった場合、クランクジャーナルとクランクピンとの接続部分における応力を十分に分散させることができない虞がある。

可変圧縮比内燃機関は、クランクピンの両側にクランクアームを介してクランクジャーナルが配置されたクランクシャフトと、上死点におけるピストンの位置を変更することにより圧縮比を変更可能な複リンク式ピストンクランク機構と、を有する。複リンク式ピストンクランク機構は、クランクピンに回転可能に連結される第１リンク部材を有している。第１リンク部材は、上記クランクピンが貫通するクランクピン貫通穴の開口縁の周囲に、上記クランクピンの中心軸線に対して直交する平面からなる平面部を有している。クランクアームは、上記クランクピンが接続される側の面に溝部を有している。この溝部は、第１リンク部材の平面部と対向する部分となる突出部を残すように肉抜きされた部分であり、クランクアームとクランクピンとの接続部分の外周の外側で、クランクピンよりもクランクジャーナルが位置する側に形成され、上記突出部によってクランクピン側が覆われているとともに、直線状に連続して開口するよう形成されている。上記突出部の先端は、直線状に連続するよう形成されている。

本発明によれば、溝部によりクランクアームとクランクピンとの接続部分の剛性が低下し、クランクシャフトが変形しやすくなる。

そのため、クランクアームとクランクピンとの接続部分に生じる応力集中を分散させることができる。

本発明の可変圧縮比内燃機関が有する可変圧縮比機構の構成要素を模式的に示した説明図。 ロアリンクの正面図。 クランクシャフトの斜視図。 クランクシャフトの軸方向に沿った断面図。 クランクシャフトとロアリンクとの関係を模式的に示した説明図。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の可変圧縮比内燃機関が有する可変圧縮比機構１の構成要素を模式的に示した説明図である。

可変圧縮比内燃機関は、例えばトランスミッション（図示せず）とともにエンジンユニットを構成し、図示せぬエンジンマウントやトルクロッド等の複数の支持部材を介して図示せぬ車体に対して支持される。

可変圧縮比機構１は、ピストン２にピストンピン３を介して一端が連結されたアッパリンク（第２リンク部材）４と、アッパリンク４の他端にアッパピン（第１連結ピン）５を介して連結され、かつクランクシャフト６のクランクピン６ａに連結されたロアリンク（第１リンク部材）７と、一端がコントロールピン（第２連結ピン）８を介してロアリンク７に連結されたコントロールリンク（第３リンク部材）９と、コントロールリンク９の他端が連結される偏心軸部１０ａを有するコントロールシャフト１０と、を有している。

つまり、可変圧縮比機構１は、ピストン２とクランクシャフト６のクランクピン６ａとを複数のリンクで連係した複リンク式ピストンクランク機構を利用したものである。

アッパリンク４は、一端がピストンピン３に回転可能に取り付けられ、他端がアッパピン５によりロアリンク７の一端側と回転可能に連結されている。

クランクシャフト６は、複数のクランクピン６ａとクランクジャーナル６ｂとを備えており、図示せぬシリンダブロックの主軸受（図示せず）に、クランクジャーナル６ｂが回転自在に支持されている。クランクピン６ａは、クランクジャーナル６ｂから所定量偏心しており、ここにロアリンク７が回転可能に連結されている。

コントロールリンク９は、一端がコントロールピン８によりロアリンク７の他端側と回転可能に連結されており、他端がコントロールシャフト１０の偏心軸部１０ａに回転可能に取り付けられている。アッパピン５及びコントロールピン８は、ロアリンク７に対して圧入固定されている。

コントロールシャフト１０は、クランクシャフト６と平行に配置されるものであって、例えば、シリンダブロック（図示せず）に回転可能に支持される。

つまり、コントロールシャフト１０の偏心軸部１０ａに回転可能に連結されているコントロールリンク９の他端は、機関本体側に揺動可能に支持されていることになる。

可変圧縮比機構１は、コントロールシャフト１０を回転させることで偏心軸部１０ａの位置を可変とすることで、ロアリンク７の自由度を規制するコントロールリンク９を揺動させる。そして、可変圧縮比機構１は、コントロールリンク９を揺動させることで、上死点におけるピストン２の位置を変更し、内燃機関の機械的圧縮比を変更する。

コントロールシャフト１０は、例えば、電動モータからなるアクチュエータ等によって回転駆動される。

図２を用いてロアリンク７について詳述する。図２は、ロアリンク７の正面図である。

図２に示すように、ロアリンク７は、クランクピン６ａに嵌合する円筒形のクランクピン軸受部１１を中央に有している。また、ロアリンク７は、クランクピン軸受部１１を挟んで互いにほぼ１８０°反対側となる位置に、一対のアッパピン軸受部１２及び一対のコントロールピン軸受部１３を有している。

ロアリンク７は、全体として、菱形に近い平行四辺形をなしている。ロアリンク７は、クランクピン軸受部１１の中心を通る分割面１４において、アッパピン軸受部１２を含むロアリンクアッパ７Ａと、コントロールピン軸受部１３を含むロアリンクロア７Ｂと、の２部品に分割して形成されている。

分割面１４は、アッパピン軸受部１２の中心とコントロールピン軸受部１３の中心とを結ぶ直線に沿ったロアリンク幅方向に対して傾斜している。

本実施例では、ロアリンク幅方向におけるアッパピン軸受部１２側をロアリンク７の一端側とし、ロアリンク幅方向におけるコントロールピン軸受部１３側をロアリンク７の他端側とする。

これらのロアリンクアッパ７Ａ及びロアリンクロア７Ｂは、クランクピン軸受部１１をクランクピン６ａに嵌め込んだ上で、互いに逆向きに挿入される一対のボルト（図示せず）によって互いに締結されている。

詳述すると、ロアリンクアッパ７Ａとロアリンクロア７Ｂは、クランクピン軸受部１１の両側に配置した２本のボルトによって締結されている。なお、ロアリンクアッパ７Ａとロアリンクロア７Ｂとは、２本以上のボルトで締結するようにしてもよい。

ロアリンク７は、アッパピン軸受部１２の中心からクランクピン軸受部１１の軸心までの距離と、コントロールピン軸受部１３の軸心からクランクピン軸受部１１の軸心までの距離が等しくなるよう形成されている。換言すると、ロアリンク７は、アッパピン５の軸心からクランクピン６ａの軸心までの距離と、コントロールピン８の軸心からクランクピン６ａの軸心までの距離が等しくなるよう形成されている。

ロアリンク７は、クランクピン６ａが貫通するクランクピン貫通穴１５の開口縁の周囲に、円環状の平面部１６を有している。クランクピン貫通穴１５は、クランクピン軸受部１１に形成されている。

平面部１６は、クランクピン貫通穴１５の周囲を全周に亙って連続するよう形成される。つまり、平面部１６は、図２においてクランクピン貫通穴１５周囲の円環状の網掛け部分である。

平面部１６は、クランクピン貫通穴１５の中心軸に対して直交する平面からなっている。換言すれば、平面部１６は、クランクピン６ａの中心軸線に対して直交する平面からなっている。

平面部１６は、クランクピン貫通穴１５の中心軸線に沿った方向で、ロアリンク７の最も外側に位置している。

平面部１６は、ロアリンク７のスラスト方向の移動を規制するスラスト面として機能する。

なお、本実施例では、ロアリンク７の表面及び裏面の全面が、肉抜きされた部分を除いて平面部１６と同一平面上に位置するよう形成されている。

なお、図２おける１７は、クランクピン６ａと接する軸受メタルである。また、クランクピン貫通穴１５の内周面は、軸受メタル１７の支持面となる。

図３～図５を用いて、クランクシャフト６について詳述する。図３は、クランクシャフト６の斜視図である。図４は、クランクシャフト６の軸方向に沿った断面図である。図５は、クランクシャフト６とロアリンク７との関係を模式的に示した説明図である。

クランクシャフト６は、クランクピン６ａの両側にクランクアーム６ｃを介してクランクジャーナル６ｂが配置された構成となっている。

また、一部のクランクアーム６ｃには、バランスウェイト６ｄがクランクピン６ａの反対側に形成されている。

クランクアーム６ｃは、クランクピン６ａが接続されるクランクピン側の第１面２０と、クランクジャーナル６ｂが接続されるクランクジャーナル側の第２面２１と、を有している。

クランクピンにコンロッドの大端部が回転可能に取り付けられる一般的な内燃機関においては、ピストンストロークを大きくする場合、クランクピン中心軸とクランクジャーナル中心軸との距離を広げる必要がある。

一方、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内燃機関においては、クランクピン中心軸とクランクジャーナル中心軸との距離を広げなくても、ピストンストロークを大きくすることが可能となる。

クランクピン中心軸とクランクジャーナル中心軸との距離が短いクランクシャフトは、相対的に剛性が高く、クランクピンに荷重入力があった際に変形しにくい。そのため、クランクピン中心軸とクランクジャーナル中心軸との距離が短いクランクシャフトは、クランクピンに荷重入力があった際に、クランクピンとクランクアームとの接続部分の外周に作用する応力が高くなる虞がある。

また、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内燃機関においては、リンク構造によっては、クランクピンへの入力荷重が増加する。例えば、ピストンストロークを大きくするために、アッパピン軸受部１２とクランクピン軸受部１１との距離が長くなるようにロアリンク７を構成すると、これら両軸受部間の距離が長くなるほどより大きな荷重がクランクピン６ａに入力される。そのため、クランクピン６ａとクランクアーム６ｃとの接続部分の外周に過大な応力集中が生じる虞がある。

そこで、本実施例では、クランクアーム６ｃの所定位置にクランクシャフト６に必要な強度を損なわないように溝部２２を設定することで、クランクシャフト６の強度を維持しつつ、クランクピン６ａとクランクアーム６ｃとの接続部分の剛性を相対的に低下させ、クランクピン６ａとクランクアーム６ｃとの接続部分の外周に生じる応力集中を抑制する。

溝部２２は、クランクシャフト６の両側の端部に位置するクランクアーム６ｃの第１面２０に、例えばドリル等も用いた機械加工により形成されている。

溝部２２は、ロアリンク７の平面部１６と対向する部分となる突出部２３を残すよう肉抜きされた部分であり、クランクジャーナル側からクランクピン側に向かって延びる断面Ｌ字型状を呈している。

つまり、突出部２３は、クランクシャフト軸方向で溝部２２のクランクピン側に隣接している。さらに言えば、突出部２３は、溝部２２による肉抜きの結果形成されたものとも言える。

溝部２２は、クランクアーム６ｃとクランクピン６ａとの接続部分の外周の外側に形成されている。また、溝部２２は、クランクピン６ａよりもクランクジャーナル６ｂが位置する側に形成されている。換言すると、溝部２２は、クランクシャフト軸方向視で、クランクアーム６ｃとクランクピン６ａとの接続部分の外周よりもクランクジャーナル６ｂが位置する側に形成されている。

クランクシャフト６は、このような溝部２２をクランクアーム６ｃに形成することによって、クランクピン６ａとクランクアーム６ｃとの接続部分の剛性を低下させることができる。そのため、クランクシャフト６は、クランクピン６ａとクランクアーム６ｃとの接続部分の外周付近に生じる応力集中を分散させることができる。また、クランクシャフト６は、突出部２３により捩り剛性を向上させることができる。

溝部２２は、図５に示すように、第１面２０に直線状に連続して開口するよう形成されている。詳述すると、溝部２２は、クランクシャフト軸方向視で、クランクアーム６ｃに接続されるクランクジャーナル６ｂの中心軸と、クランクアーム６ｃに接続されるクランクピン６ａの中心軸と、を結ぶ直線を横切るように形成されている。

溝部２２は、図４、図５に示すように、クランクアーム６ｃとクランクジャーナル６ｂとが重なり合う範囲に形成されている。

換言すると、溝部２２は、クランクジャーナル６ｂに接する所定の平面Ｆ１よりもクランクアーム６ｃに接続されたクランクピン６ａの中心軸側に位置するよう形成されている。

所定の平面Ｆ１は、クランクアーム６ｃに接続されたクランクピン６ａの中心から最も離れた位置でクランクジャーナル６ｂに接するものであり、クランクアーム６ｃに接続されたクランクピン６ａとは反対側に位置している。

詳述すると、溝部２２は、クランクジャーナル側の開口端２２ａの位置（図４、図５における下方側の開口端２２ａの位置）が、所定の基準線Ｐまたは所定の基準線Ｑよりもクランクピン６ａの中心軸側に位置するよう形成されている。なお、基準線Ｐ及び基準線Ｑは、上記平面Ｆ１に含まれるものである。

基準線Ｐは、図４に示すように、クランクピン６ａの中心から最も離れたクランクピン６ａの反対側の位置でクランクジャーナル６ｂに接する直線である。

基準線Ｑは、図５に示すように、クランクシャフト軸方向視で、クランクピン６ａの中心とクランクジャーナル６ｂの中心とを通る直線に対して直交し、クランクピン６ａと重ならない位置でクランクジャーナル６ｂに接する直線である。

なお、クランクシャフト６に生じる振動が小さい場合には、基準線Ｐあるいは基準線Ｑを越えたクランクジャーナル６ｂの外周側に、溝部２２のクランクジャーナル側の開口端２２ａの位置を設定することも可能である。すなわち、クランクシャフト６に生じる振動が小さい場合には、所定の平面Ｆ１よりもクランクジャーナル６ｂの外周側に、溝部２２のクランクジャーナル側の開口端２２ａの位置を設定することも可能である。この場合には、クランクシャフト６の更なる軽量化が可能となる。但し、バランスウェイト６ｄとして機能する部分には、溝部２２が形成されないようにする必要がある。

溝部２２は、クランクピン６ａに近づくほど、クランクアーム６ｃとクランクピン６ａとの接続部分を通りクランクピン６ａの中心軸線に直交する所定の平面Ｆ２に対して遠ざかるように傾斜する第１傾斜面２４及び第２傾斜面２５を有している。

第１傾斜面２４は、第１面２０と連続するよう形成されている。

第２傾斜面２５は、第１傾斜面２４を介して第１面２０と連続するよう形成されている。第２傾斜面２５は、クランクアーム６ｃとクランクピン６ａとの接続部分を通りクランクピン６ａの中心軸線に直交する所定の平面Ｆ２に対する傾きが第１傾斜面２４よりも小さくなるよう形成されている。

溝部２２は、このような第１傾斜面２４及び第２傾斜面２５を有するよう形成されている。そのため、クランクシャフト６は、クランクアーム６ｃの剛性を確保しつつ、クランクジャーナル６ｂの中心軸から離れた場所にバランスウェイトとして機能する質量を確保することができる。

また、溝部２２は、第１面２０と連続するとともに、第１面２０に対して傾斜した第１傾斜面２４及び第２傾斜面２５を有しているので、クランクアーム６ｃの剛性を確保しつつ、容易に加工することができる。

突出部２３は、クランクアーム６ｃとクランクピン６ａとの接続部分の外周に隣接（連続）して形成されている。突出部２３は、ロアリンク７の平面部１６と対向する側面２６を有している。突出部２３は、クランクピン６ａ側の側面２６がクランクアーム６ｃとクランクピン６ａとの接続部分の外周に接続されている。換言すると、突出部２３は、クランクアーム６ｃとクランクピン６ａとの接続部分の外周からクランクジャーナル６ｂの中心軸線に向かって延びる舌片状の突起である。

突出部２３のクランクピン６ａ側の側面２６は、ロアリンク７の平面部１６と接することで、ロアリンク７のスラスト方向の移動を規制可能となっている。

突出部２３の先端は、図５に示すように、直線状に連続するよう形成されている。詳述すると、突出部２３の先端は、クランクシャフト軸方向視で、クランクアーム６ｃに接続されるクランクジャーナル６ｂの中心軸と、クランクアーム６ｃに接続されるクランクピン６ａの中心軸と、を結ぶ直線を横切るように連続するよう形成されている。

突出部２３は、クランクシャフト軸方向視で、当該突出部２３長手方向の中央部分がロアリンク７のリンク姿勢によらずロアリンク７の平面部１６と対向して支持可能となるように形成されている。突出部２３の先端は、溝部２２のクランクピン側の開口端２２ｂとなる。

クランクシャフト６は、クランクアーム６ｃに溝部２２を形成した際に、突出部２３の先端が直線状に連続するよう形成されるので、溝部２２による肉抜きによって剛性の低下と軽量化を図りつつ、捩り剛性を向上させることができる。

上述した実施例においては、溝部２２及び溝部２２に付随して形成される突出部２３が、クランクシャフト６の両側の端部に位置するクランクアーム６ｃにのみ形成されているが、クランクシャフト６の両側の端部に位置するクランクアーム６ｃに加えて、クランクシャフト６の中央部分（中間部分）に位置するクランクアーム６ｃに溝部２２及び突出部２３を形成することも可能である。

１…可変圧縮比機構
６…クランクシャフト
６ａ…クランクピン
６ｂ…クランクジャーナル
６ｃ…クランクアーム
６ｄ…カウンタウェイト
７…ロアリンク
７Ａ…ロアリンクアッパ
７Ｂ…ロアリンクロア
８…コントロールピン
１５…クランクピン貫通穴
１６…平面部
２０…第１面
２１…第２面
２２…溝部
２３…突出部
２４…第１傾斜面
２５…第２傾斜面
２６…側面

Claims (4)

1. クランクピンの両側にクランクアームを介してクランクジャーナルが配置されたクランクシャフトと、
   上死点におけるピストンの位置を変更することにより圧縮比を変更可能な複リンク式ピストンクランク機構と、を有する可変圧縮比内燃機関であって、
   上記複リンク式ピストンクランク機構は、ピストンと上記クランクピンとを連係する複数のリンク部材を有し、
   上記複数のリンク部材のうち、上記クランクピンに回転可能に連結される第１リンク部材は、上記クランクピンが貫通するクランクピン貫通穴の開口縁の周囲に、上記クランクピンの中心軸線に対して直交する平面からなる平面部を有し、
   上記クランクアームは、上記クランクピンが接続される側の面に溝部を有し、
   上記溝部は、上記第１リンク部材の平面部と対向する部分となる突出部を残すように肉抜きされた部分であり、上記クランクアームと上記クランクピンとの接続部分の外周の外側で、上記クランクピンよりも上記クランクジャーナルが位置する側に形成され、上記突出部によってクランクピン側が覆われているとともに、直線状に連続して開口するよう形成され、
   上記突出部の先端は、直線状に連続するよう形成されていることを特徴とする可変圧縮比内燃機関。
2. 上記溝部は、上記クランクピンの中心から最も離れた上記クランクピンの反対側の位置で上記クランクジャーナルに接する平面よりも上記クランクピンの中心軸側に位置するよう形成されていることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
3. 上記溝部は、上記クランクピンに近づくほど、上記クランクアームと上記クランクピンとの接続部分を通り上記クランクピンの中心軸線に直交する平面に対して遠ざかるように傾斜する第１傾斜面及び第２傾斜面を有し、
   上記第１傾斜面は、上記クランクアームの上記クランクピンが接続される側の面と連続するよう形成され、
   上記第２傾斜面は、上記第１傾斜面を介して上記クランクアームの上記クランクピンが接続される側の面と連続するとともに、上記クランクアームと上記クランクピンとの接続部分を通り上記クランクピンの中心軸線に直交する平面に対する傾きが上記第１傾斜面よりも小さくなるよう形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の可変圧縮比内燃機関。
4. 上記溝部及び上記突出部は、上記クランクシャフトの両側の端部に位置するクランクアームに形成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の可変圧縮比内燃機関。

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