JPH0116973B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、内燃機関の運転中において、その圧
縮比を、応答性良く変更できるようにした圧縮比
の可変装置に関するものである。

〔従来の技術〕

内燃機関において、その出力を向上すると共
に、燃料消費量を低減するには、圧縮比を高めれ
ば良いが、圧縮比を高めると高負荷域、低回転域
においてノツキングが発生する。このため従来の
圧縮比一定の内燃機関では、圧縮比を高負荷域、
低回転域においてノツキングが発生しない値に設
定しなければならないから、低負荷域、高回転域
において十分な出力と、十分な低燃費を出すこと
ができないのである。

そこで、先行技術としての特開昭54−20220号
公報は、燃焼室に開口する副シリンダ内に、燃焼
室の容積を増減するための副ピストンを摺動自在
に嵌挿し、該副ピストンを、当該副ピストンの背
面に形成した油圧室に対する作動油の供給・排出
にて前後移動することにより、圧縮比を変更する
ことを提案している。

そして、この先行技術の圧縮比可変装置は、副
ピストンの背面から中空状のステムを一体的に連
結し、該中空状ステムには、前記油圧室内の部位
に油圧室内の作動油を、当該中空状ステム内に流
出するようにしたスピルポートを穿設する一方、
前記中空状ステム内には、大気に連通する油路を
備えた制御棒を摺動自在に挿入し、該制御棒の摺
動操作によつて、前記スピルポートの開閉位置
を、ステムの軸方向に変位することにより、副ピ
ストンを前後移動するように構成したものである
から、圧縮比を、無段階的に変更できる利点を有
する反面、以下に述べるような問題点を有する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

すなわち、先行技術のものは、中空状ステムに
おけるスピルポートの開閉位置を、中空状ステム
内に摺動自在に挿入した制御棒の摺動操作によつ
て、ステムの軸方向に変位するようにしたもの
で、前記制御棒の摺動操作に際しては、油圧室内
における作動油の油圧が、当該制御棒の摺動操作
を妨げるように作用し、換言すると、制御棒の摺
動操作には、大きい力を必要として、軽い力で摺
動操作することができないから、圧縮比の可変の
応答性が低いと共に、制御棒を摺動操作するため
の機構が大型化するのである。

しかも、先行技術は、前記制御棒によつて開閉
するスピルポートを、油圧室内の部分に設けた構
成にしており、換言すれば、中空状ステムと制御
棒との摺動部分は、中空状ステムにおける奥の部
分に位置しているから、前記中空状ステムと制御
棒との摺動部分を、当該摺動部分から作動油の漏
洩が無いように高精度に仕上げ加工する場合にお
ける機械的加工が著しく困難で、この機械的加工
に要するコストが大副に増大すると共に、中空状
ステムと制御棒との良好な摺動状態を維持するた
めの保守・点検が困難であつた。

その上、この先行技術の圧縮比可変装置は、低
負荷時において副ピストンを、最も前進動したと
き、該副ピストンの先端頂面と、燃焼室の内壁面
との位置関係については全く考慮されておらず、
低負荷時では、燃焼室内における混合気の燃焼状
態は元々悪いにも拘わらず、副ピストンを最も前
進動したとき当該副ピストンの先端頂面が、燃焼
室の内壁面より凹んだ形態になつているから、低
負荷時における燃焼状態は益々悪化することにな
り、ノツキングの発生が増大すると共に、排気ガ
ス中の有害成分が増大するのであつた。

更にまた、先行技術のものは、燃焼室の圧力が
吸気行程に際して負圧（大気圧以下）になつたと
き、油圧室内に常時供給されている作動油の油圧
と燃焼室との間に大きい圧力差が発生して、副ピ
ストンが燃焼室に向つて前進動し、次の圧縮行程
において燃焼室の圧力が高くなつたとき元の位置
まで後退動すると云うように、一サイクルごとに
一回往復運動を繰り返すので、副ピストンと副シ
リンダとの摺動部、及びステムと制御棒との摺動
部における摩耗が大きくて、耐久性が低いのであ
る。

加えて、先行技術のものは、副ピストンの前進
動は、当該副ピストンの背面における油圧室から
の作動油の流出を止めて行うために、制御棒の前
進操作によつて副ピストンを前進動するときの応
答性は良い反面、副ピストンは、吸気行程におい
て前記のように燃焼室に向つて前進動することに
より、この前進動により油圧室内に作動油が流入
するから、制御棒の後退操作によつて油圧室内に
おける作動油の流出量を増大して副ピストンを後
退する場合において、副ピストンの後退動が吸気
行程のときに前進動する分だけ遅れることにな
り、換言すると、制御棒の後退操作に対する副ピ
ストン後退動の応答性が、副ピストンの前進動の
場合よりも大幅に低くなると共に、圧縮比を高く
する場合における圧縮比が、前記制御棒の位置に
対応する値よりも高くなる傾向を呈するのであつ
た。

本発明は、これらの問題を解消した圧縮比可変
装置を提供することを目的とするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的を達成するため本発明は、シリンダヘ
ツドに、内壁面を球面状に形成した燃焼室に開口
する副シリンダを設け、該副シリンダ内に副ピス
トンを摺動自在に嵌挿し、該副ピストンの背面に
油圧室を形成して、該油圧室に作動油の供給用の
ポートを接続し、前記副ピストンに、当該副ピス
トンを後退方向に付勢するばね手段を設ける一
方、前記副ピストンの背面に、前記副シリンダの
軸方向に延びるステムを連結して、該ステムの先
端を、前記シリンダヘツド上室に突出し、該ステ
ムの突出端には、前記油圧室内の作動油を流出す
るようにしたスピルポートを設け、且つ、前記ス
テムの突出端における外周には、当該ステムの後
退動によつてスピルポートが閉じステムの前進動
によつてスピルポートが開くようにしたスピル体
を、当該スピル体によるスピルポートの開閉位置
がステムの軸方向に変位できるように相対移動自
在に設け、更に、前記副ピストンには、前記スピ
ル体によるスピルポートの開閉位置を最も燃焼室
に近い位置にしたときにおける前記副ピストンの
前進動を、当該副ピストンの先端頂面が燃焼室の
内壁面に略一致する位置に規制するための規制手
段を設ける一方、副ピストンの先端頂面を燃焼室
の内壁面に略連続する球形状に凹み形成する構成
にした。

〔発明の作用・効果〕

このような構成において、前記スピル体を、当
該スピル体によつてスピルポートを閉じるように
移動作動すると、スピルポートからの作動油の流
出が止まるか、減少することにより、副ピストン
は、油圧室内に供給される作動油によつて燃焼室
に向かつて前進動し、この前進動は、スピルポー
トからの作動油の流出量が油圧室への作動油の供
給量とが略等しくなる位置までスピルポートが開
いた時点で停止することになり、また、前記スピ
ル体を、当該スピル体によつて前記スピルポート
を大きく開くように移動作動すると、スピルポー
トからの作動油の流出量が増大することにより、
副ピストンは、燃焼室内の圧力及びばね手段にて
燃焼室から後退動し、この後退動は、スピルポー
トからの作動油の流出量と油圧室への作動油の供
給量とが略等しくなる位置までスピルポートが閉
じると停止することになるから、前記スピル体の
移動作動によつて、副ピストンを前進又は後退動
することができる。

この場合において、本発明は、前記のように、
ステムにおけるスピルポートを開閉するためのス
ピル体を、ステムの外周に対して相対移動自在に
被嵌したことにより、このスピル体の前後移動操
作には、前記先行技術のように、油圧室内におけ
る作動油の油圧が当該スピル体の前後移動操作を
妨げるように作用することがないから、スピル体
を油圧室に作動油の油圧とは無関係に軽い力で前
後移動操作できて、スピル体を前後移動操作する
ための機構の小型化を図ることができる。

しかも、本発明は、前記ステムを、シリンダヘ
ツド上室に突出し、この突出端に、スピルポート
及びスピル体を設けたことにより、ステムとスピ
ル体との摺動部分を、スピルポートをスピル体に
て完全に閉じるようにするための高精度の機械的
加工が、前記先行技術の場合よりも遥かに容易に
できるから、機械的加工に要するコストを低減で
きると共に、加工精度の向上を図ることができる
のであり、その上、ステムとスピル体との良好な
摺動状態を維持するための保守・点検が至極容易
にできるのである。

その上、本発明は、前記副ピストンに対して、
当該副ピストンを後退方向に付勢するばね手段を
設けたことにより、吸気行程において燃焼室と油
圧室との間に大きい圧力差が発生した場合に、こ
の圧力差のために副ピストンが前進動するときの
距離を、前記ばね手段によつて小さくすることが
できるから、副ピストンと副シリンダとの摺動
部、及びステムとスピル体との摺動部の摩耗、延
いては、これらの耐久性を、構造の複雑化及び大
型化並びに重量の増大を招来することなく、向上
できるのである。

更に、副ピストンに対して設けたばね手段は、
前記のように、吸気行程において副ピストンが前
進動するときの距離を小さくして、この前進動に
際して油圧室内に流入する作動油の量を少なくす
ると共に、副ピストンの後退動を加速するから、
スピル体の後退操作によつて油圧室内における作
動油のスピルポートからの流出量を増大して副ピ
ストンを後退する場合において、副ピストンの後
退動が遅れることを低減でき、換言すると、スピ
ル体の後退操作に対する副ピストン後退動の応答
性を、前記スピル体を軽い力で前後移動できるこ
とと相俟つて、著しく向上できると共に、圧縮比
を高くする場合における圧縮比が、前記スピル体
の位置に対応した値よりも高くなる傾向を確実に
低減できるのである。

そして、本発明は、副ピストンに、前記スピル
体によるスピルポートの開閉位置を最も燃焼室に
近い位置にしたときにおける前記副ピストンの前
進動を、当該副ピストンの先端頂面が燃焼室の内
壁面に略一致する位置に規制するための規制手段
を設ける一方、副ピストンの先端頂面を燃焼室の
内壁面に略連続する球形状に凹み形成したことに
より、低負荷時における燃焼室の形状を、略完全
な球形状にすることができるから、燃焼室に対し
て圧縮比可変用の副ピストンを設けたものであり
ながら、圧縮比を最も高くした低負荷時において
燃焼状態が悪化することを回避でき、圧縮比可変
用の副ピストンのためにノツキングが多発するこ
と、及び排気ガスが悪化することを確実に防止で
きるのである。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面について説明する
と、図において符号１はシリンダブロツク、符号
２はシリンダヘツド、符号３は前記シリンダブロ
ツク１のシリンダボア４内を往復摺動するピスト
ン、符号５は前記シリンダヘツド２の下面を凹ま
せて形成した略球形の燃焼室を各々示し、該燃焼
室５には、その略中心位置にシリンダヘツド２に
螺着した点火栓６がのぞむと共に、図示しない吸
気ポート及び排気ポートが開口している。

符号７は、前記シリンダヘツド２に穿設した副
シリンダを示し、該副シリンダ７は、下側が燃焼
室５に上側がシリンダヘツド２の上面におけるシ
リンダヘツド上室に各々開口し、該副シリンダ７
のシリンダヘツド上室への開口部には、これを塞
ぐ蓋板８が設けられている。

符号９は、前記副シリンダ７内に摺動自在に嵌
挿した副ピストンで、該副ピストン９が燃焼室５
の方向に前進すると燃焼室５の容積が減少して圧
縮比が高くなり、副ピストン９が燃焼室５から離
れる方向に後退すると燃焼室５の容積が増大して
圧縮比が低くなるようになつており、この副ピス
トン９には、都会副ピストン９を後退方向に付勢
するためのばね１０が設けられており、また、こ
の副ピストン９には、当該副ピストン９が燃焼室
に向つて最大に前進してその先端頂面１２が燃焼
室５の内壁面１３に略一致したときこれ以上前進
しないように接当する規制段部１１を設ける一
方、副ピストン９の先端頂面１２を、燃焼室５の
球状壁面１３における曲率と同じ曲率にした球面
状に凹み形成する。

前記副ピストン９の背面（燃焼室５に対して裏
側の面）には、当該副ピストン９の中心から軸方
向に延びるステム１４が連結され、該ステム１４
を、前記蓋板８を摺動自在に貫通してシリンダヘ
ツド上室に突出する一方、副ピストン９の背面と
蓋板８との間に油圧室１５を形成し、該油圧室１
５に、図示しない油圧源からの作動油を逆止弁１
６付きポート１７を介して供給する。また、前記
ステム１４には、油圧室１５に連通する通路１８
を備え、且つ、ステム１４が蓋板８より外方に突
出する部分には、前記油圧室１５内の作動油をシ
リンダヘツド上室に流出させるためのスピルポー
ト１９を穿設する。

そして、符号２０は、スピル体の一つの実施例
であるスピルリングを示し、該スピルリング２０
を前記ステム１４のシリンダヘツド上室の突出端
に摺動自在に被嵌して、ステム１４の後退動のと
き、そのスピルポート１９がスピルリング２０に
よつて閉じ、ステム１４の前進動のときそのスピ
ルポート１９が開くように構成する一方、前記ス
ピルリング２０を、これに先端を係合したレバー
２１の回動にてステム１４の軸方向に移動調節す
るように構成する。

この構成において、スピルリング２０を、第１
図に二点鎖線で示すように、燃焼室５の方向、つ
まり、スピルポート１９を閉じる方向に移動操作
すれば、スピルポート１９の閉によつて当該スピ
ルポート１９からの作動油の流出が止まり、逆止
弁１６付きポート１７から作動油が供給されてい
る油圧室１５の圧力が上昇するから、副ピストン
９は燃焼室５に向つて前進し、この前進がスピル
ポート１９の開のところまで進行すると、スピル
ポート１９からの作動油が流出を始め、この流出
量と油圧室１５への供給量とがバランスした時点
で副ピストン９の前進が停止する。

また、スピルリング２０を、二点鎖線の位置か
ら実線の位置へと後退方向に移動操作すると、ス
ピルポート１９が全開になり流出量が増加して油
圧室１５の圧力が低下するから、副ピストン９
は、燃焼室５の圧力及びばね１０によつて燃焼室
５から離れるように後退し、この後退がスピルポ
ート１９がスピルリング２０にて閉じるところま
で進行すると、スピルポート１９からの流出量が
減少し、この流出量が供給量とバランスした時点
で、副ピストン９の後退動が停止することにな
り、スピルリング２０の移動操作によつて、副ピ
ストン９を、無段階的に前後移動することができ
る。

従つて、前記スピルリング２０に係合するレバ
ー２１の他端に、機関の負荷に関連するアクチエ
ータ２２を連結し、該アクチエータ２２によりス
ピルリング２０を、機関の負荷の増加に比例して
二点鎖線の位置から後退動するようにすれば、圧
縮比を機関の負荷の増加につれて次第に低く、負
荷の減少につれて次第に高く低負荷域において最
高圧縮比になるように自動制御することができ、
この負荷への関連に加えて圧縮比を機関の回転数
の増加につれて次第に高くなるように自動制御す
ることもできるのであり、また、前記アクチエー
タ２２を、機関に設けたノツキングセンサーに関
連し、圧縮比を、ノツキングがないとき高く、ノ
ツキングが発生するとこれに応じて低くするよう
に自動制御することもできる。

また、機関の爆発行程において、副ピストン９
が大きな爆発力を受けると、この爆発力にて当該
副ピストン９が若干後退してスピルポート１９が
閉じる一方、油圧室１５内の圧力が瞬間的に高く
なつて逆止弁１６が閉じて、油圧室１５の作動油
は当該油圧室１５内に閉じ込められた状態になる
から、副ピストンは以後後退することなく副ピス
トンに対する大きな爆発力を支受するのであり、
この場合においてスピルポート１９が閉じるまで
の間における作動油の流出及びその後の作動油の
圧力上昇が、燃焼室５内での混合気の爆発燃焼に
よる副ピストン９に対する衝撃を吸収・緩和する
のである。

そして、低負荷時には、前記スピルリング２０
を、二点鎖線で示すように、燃焼室５に最も近い
位置に位置するが、これにより、副ピストン９が
前進動して当該副ピストン９に設けた規制段部１
１の接当により、副ピストン９の前進が止まつた
とき、当該副ピストン９における球面状の先端頂
面１２が、第３図に示すように、燃焼室５におけ
る球面状の内壁面１３に略一致し、低負荷時にお
ける燃焼室５の形状を、略完全な球形状に維持す
ることができて、燃焼室内の流れが隅々まできわ
めてスムースになるから、副ピストン９のため
に、低負荷時における燃焼が悪化することを回避
できるのである。

また、副ピストン９の頂面１２を球面状に凹み
形成したことにより、副ピストン９が最高圧縮比
の位置から後退した状態において、副シリンダ７
内の流れが、副ピストン９の頂面１２を平面又は
凸面にした場合よりも円滑になつて、残留ガスの
溜りが少なくなるから、排ガス中におけるHC等
の未燃成分の増加を防止できるのである。

なお、前記油圧室１５に供給する作動油として
は、機関における潤滑油を用いたり、自動車のパ
ワーステアリング機構又はオートマチツク変速装
置における作動油を用いたりすることもできる。

また、前記実施例は、スピル体の一つの実施例
としてスピルリング２０にした場合を示したが、
第４図及び第５図に示すようにステム１４ａにお
けるスピルポートをステム１４ａの軸線に対して
傾斜する傾斜状スピルポート１９ａに形成する一
方、ステム１４ａの外周には歯車式のスピルリン
グ２０ａを回転及び摺動自在に被嵌して、該スピ
ルリング２０ａを図示しない軸受けにてシリンダ
ヘツド２に対して軸支し、このスピルリング２０
ａには、ステム１４ａが前後摺動したときその傾
斜状スピルポート１９ａに合致するようにした一
つの逃がしポート３３を穿設すると共に、このス
ピルリング２０ａ外周の歯にステム１４ａと直角
方向に配設したラツク杆３４を噛合し、該ラツク
杆３４をアクエータ２２にて長手方向に往復動す
ることによつてスピルリンク２０ａを回転操作し
て、ステム１４ａの傾斜状スピルポート１９ａに
対して逃がしポート３３を、位置又は位置へ
とずらせることによつて、スピルポート１９ａの
開閉位置をステム１４ａの軸方向に沿つて変位す
るように構成することもできるのであり、（この
ときステム１４ａは、摺動自在、回転不能に保持
され、また、ここにおけるスピルリング２０ａを
回転する機構としては、実施例のラツクとピニオ
ンに限らず他の手段を用いても良い）、また、ス
テム１４ａに設けた傾斜状スピルポート１９ａ
と、スピルリング２０ａに設けた逃がしポート３
３とを設ける位置をそれぞれ逆にし、すなわち、
ステム１４ａに逃がしポート３３を設けて、この
逃がしポート３３ををスピルポートにする一方、
スピルリング２０ａに傾斜状スピルポート１９ａ
を設けることにより、前記スピルリング２０ａの
回転にてスピルポートの開閉位置を、ステムの軸
方向に変位するように構成しても良いのである
（この場合、ステム１４ａ又はスピルリング２０
ａに設けられるポート形状は、必要に応じて第４
図に二点鎖線に示すような形状にすることができ
る）。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図は第１の
実施例を示す機関要部の縦断正面図、第２図は第
１図の−視断面図、第３図は第１の実施例に
おいて圧縮比を最高にしたときの断面図、第４図
はスピルポートとスピル体との別の実施例図、第
５図は第４図の平面図である。 １……シリンダブロツク、２……シリンダヘツ
ド、５……燃焼室、７……副シリンダ、９……副
ピストン、１０……ばね、１５……油圧室、１
４，１４ａ……ステム、１９，１９ａ……スピル
ポート、２０，２０ａ……スピル体、１１……規
制段部、１３……燃焼室の内壁面、１２……副ピ
ストンの先端頂面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ シリンダヘツドに、内壁面を球面状に形成し
   た燃焼室に開口する副シリンダを設け、該副シリ
   ンダ内に副ピストンを摺動自在に嵌挿し、該副ピ
   ストンの背面に油圧室を形成して、該油圧室に作
   動油の供給用のポートを接続し、前記副ピストン
   に、当該副ピストンを後退方向に付勢するばね手
   段を設ける一方、前記副ピストンの背面に、前記
   副シリンダの軸方向に延びるステムを連結して、
   該ステムの先端を、前記シリンダヘツド上室に突
   出し、該ステムの突出端には、前記油圧室内の作
   動油を流出するようにしたスピルポートを設け、
   且つ、前記ステムの突出端における外周には、当
   該ステムの後退動によつてスピルポートが閉じス
   テムの前進動によつてスピルポートが開くように
   したスピル体を、当該スピル体によるスピルポー
   トの開閉位置がステムの軸方向に変位できるよう
   に相対移動自在に被嵌し、更に、前記副ピストン
   には、前記スピル体によるスピルポートの開閉位
   置を最も燃焼室に近い位置にしたときにおける前
   記副ピストンの前進動を、当該副ピストンの先端
   頂面が燃焼室の内壁面に略一致する位置に規制す
   るための規制手段を設ける一方、副ピストンの先
   端頂面を燃焼室の内壁面に略連続する球形状に凹
   み形成したことを特徴とする内燃機関における圧
   縮比の可変装置。