JPH0116975B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、圧縮比を、運転中において応答性良
く変更できるようにした内燃機関に関するもので
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式の内燃機
関は、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
御棒を、内燃機関における負荷に応じて前後移動
することによつて、前記スピルポートの開閉位置
をステムの軸方向に変位して、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、負荷に応じて自動的に変更制御できる利点を
有する反面に、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によつてステムの
軸方向に変位するもので、制御棒の前後移動に
は、油圧室内の油圧がその前後移動を妨げるよう
に作用して、制御棒の前後移動には大きい力を必
要とするから、前記制御棒を内燃機関の負荷に応
じて前後移動するための作動機構が大型になるの
である。

しかも、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
ストが大幅に増大すると共に、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、前記先行技術のものは、副ピストンの
前進動は油圧室の圧力により、副ピストンの後退
動は燃焼室の圧力により行うもので、副ピストン
は、燃焼室の圧力が吸気行程に際して負圧になる
と油圧室の圧力で前進し、爆発行程に際して高く
なると元の位置に後退すると云うように、一サイ
クル中に一回往復動を繰り返すことになるから、
副ピストンと副シリンダとの摺動部、及びステム
と制御棒との摺動部の摩耗が大きくて、耐久性が
低いのである。

加えて、副ピストンの前進動は、油圧室からの
作動油の流出を止めて行うので、内燃機関の負荷
の減少に追従し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
いて前記のように前進動することにより、内燃機
関の負荷の増大に追従して副ピストンを後退する
場合に、負荷の増大に追従しての副ピストンの後
退動が、吸気行程のとき前進動する分だけ遅れる
ことになり、換言すると、負荷の増大に対する圧
縮比低への応答性が低いから、ノツキングが発生
するのであつた。

一方、燃焼室に開口する副シリンダは、点火栓
による着火の影響を受け易いように点火栓に近い
部位に設ける必要がある一方、点火栓は、当該点
火栓による着火の影響が燃焼室の全域に及ぶよう
な部位に設けなければならないのであるが、前記
の先行技術では、シリンダヘツドに点火栓、吸気
ポート及び排気ポートに加えて圧縮比可変用の副
シリンダを設ける場合に、前記の関係を保つよう
な配列についての技術を全く開示していない。

しかも、前記先行技術は、制御棒を移動作動す
るための作動機構を、シリンダヘツドにおける側
面に設ける構成にしているから、内燃機関の幅寸
法が増大し、延いては内燃機関の大型化を招来す
る点も問題であつた。

本発明は、これらの問題を解消した圧縮比可変
式の内燃機関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、点火栓、吸気弁付き吸気ポート、排気弁
付き排気ポート及び圧縮比可変用の副ピストンを
内臓した副シリンダを設けて成る内燃機関におい
て、前記点火栓を、シリンダボアの略中心部に配
設する一方、前記シリンダボアの中心を通つてク
ランク軸の平行の長手中心線を挟んで一方側に前
記吸気ポート及び排気ポートを、他方側に前記副
シリンダを各々配設し、前記副ピストンの背面
に、作動油供給ポートを備えた油圧室を形成し、
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
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
室内の作動油が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前
記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
記シリンダヘツド上室には、前記吸気弁及び排気
弁と前記ステムとの間の部位に、前記スピル体
を、内燃機関における負荷に応じて移動作動する
ための作動機構を設ける構成にした。

〔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
を、作動機構にて移動作動することにより、副ピ
ストンを前進又は後退動して、圧縮比を段階的に
変更できる。

従つて、前記スピル体に、内燃機関における負
荷に応じて移動作動するための作動機構を設けた
ことにより、圧縮比を、内燃機関における負荷に
応じて、自動的に変更制御できるのである。

この場合において、本発明は、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
ムの外周に被嵌したことにより、このスピル体の
前後移動に油圧室の油圧が前後移動を妨げるよう
に作用することはなく、スピル体を軽い力で前後
移動できるから、当該スピル体を、負荷に応じて
前後移動するための作動機構を小型・軽量化でき
る。

しかも、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、副ピストンに対してばね手段を設けた
ことにより、副ピストンが吸気行程において前進
動するときの距離を小さくできるから、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が低減して、耐久性を向上で
きるのであり、また、ばね手段は、吸気行程に際
して副ピストンが前進動する距離を小さくするこ
とに加えて、副ピストンの後退動を加速するか
ら、負荷の変化に追従して副ピストンを後退動す
るときの応答性を向上でき、その結果、負荷の変
化に追従して圧縮比低への制御が遅れることによ
りノツキングの発生を確実に防止できるのであ
る。

また、本発明は、点火栓を、シリンダボアの略
中心部に配設する一方、シリンダボアの中心を通
つてクランク軸の平行の長手中心線を挟んで一方
側に前記吸気ポート及び排気ポートを、他方側に
副シリンダを各々配設したことにより、点火栓
は、吸気ポート及び排気ポート並びに副シリンダ
の周囲を囲う燃焼室の全域に対して略中心の位置
する一方、副シリンダは、点火栓に最も近付けた
位置にすることができ、点火栓による着火の影響
を、燃焼室の全域及び副シリンダ内に強く及ぼす
ことができるから、圧縮比を可変にするための副
シリンダを燃焼室に開口するように設けたことに
よる燃焼性の悪化を、確実に防止できるのであ
る。

更にまた、シリンダボアの中心を通つてクラン
ク軸と平行の長手中心線を挟んで一方側に前記吸
気ポート及び排気ポートを、他方側に前記副シリ
ンダを各々配設したことにより、前記吸気ポート
の吸気弁及び排気ポートの排気弁に対する動弁機
構と、副ピストンに対するスピル体付きステムと
を、長手中心線を挟んで左右に振り分け的に、互
いに制約を受けることなく配設できるから、その
製造及び点検・修理の作業性を向上できるのであ
る。

その上、本発明は、前記のように、シリンダボ
アの中心を通つてクランク軸と平行の長手中心線
を挟んで一方側に前記吸気ポート及び排気ポート
を、他方側に副シリンダを各々配設することに加
えて、前記スピル体に対する作動機構を、吸気弁
及び排気弁と、ステムとの間の部位に配設したこ
とにより、吸気弁及び排気弁とステムとの間の空
間を、ステムの作動機構を小型化できることと相
俟つて、この作動機構の設置に有効に利用できる
から、内燃機関における幅寸法の増大はなく、延
いては、内燃機関の大型化を防止できるのであ
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内を往復摺動する主ピス
トン、符号５は前記シリンダヘツド２の下面を凹
ませて形成した燃焼室、符号６は前記燃焼室５内
にのぞむ点火栓、符号７は前記シリンダヘツド２
の平面視においてシリンダボア４の中心８を通つ
てクランク軸（図示せず）と平行の長手中心線９
に対して平行な左側面１０と前記燃焼室５とを連
通する吸気ポート、符号１１は同じく前記長手中
心線９に対して平行な左側面１０と前記燃焼室５
とを連通する排気ポートを各々示す。

前記点火栓６は、平面視においてシリンダボア
４における中心８の近傍に設けられ、前記吸気ポ
ート７の燃焼室５への開口部７ａ及び排気ポート
１１の燃焼室５への開口部１１ａは、平面視にお
いて前記長手中心線９より左側の領域に配置さ
れ、且つ、これら両ボート７，１１の燃焼室５へ
の開口部７ａ，１１ａには、各々吸気弁１２と排
気弁１３とが設けられている。

符号１４は、前記シリンダヘツド２に穿設した
副シリンダで、該副シリンダ１４は、前記シリン
ダヘツド２の平面視において前記長手中心線９よ
り右側の領域、つまり吸気ポート７の開口部７ａ
及び排気ポート１１の開口部１１ａに対して長手
中心線９を挟んで反対側の領域に位置し、その下
側は燃焼室５に上側はシリンダヘツド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１４のシリンダヘツド上室への開口部に
は、これを塞ぐ蓋板１５が設けられている。

符号１６は、前記副シリンダ１４内に摺動自在
に嵌挿した副ピストンで、該副ピストン１６の外
周には、複数本のピストンリング１７を設け、こ
の副ピストン１６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１６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、且つ、この副ピストン１６
は、その外側に被嵌して設けたばね１８にて後退
方向に付勢され、また、副ピストン１６の背面
（燃焼室５に対して裏側の面）には、当該副ピス
トン１６の中心から軸方向に延びるステム１９が
一体的に設けられ、該ステム１９の先端を、前記
蓋板１５を摺動自在に貫通して前記シリンダヘツ
ド上室に突出する一方、副ピストン１６の背面と
蓋板１５との間に油圧室２０を形成し、該油圧室
２０に、図示しない油圧源からの作動油を逆止弁
２１付きポート２２を介して供給する。

更に、前記ステム１９には、油圧室２０に連通
する通路２３を備え、且つ、ステム１９が蓋板１
５よりシリンダヘツド上室に突出する部分には、
前記油圧室２０内の作動油をシリンダヘツド上室
に流出するためのスピルポート２４を穿設する。

符号２５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２５を前記ス
テム１９に摺動自在に被嵌して、ステム１９の後
退動のときそのスピルポート２４がスピルリング
２５によつて閉じ、ステム１９の前進動のときそ
のスピルポート２４が開くように構成する。

一方、前記シリンダヘツド上室には、前記吸気
弁１２及び排気弁１３と、前記ステム１９との間
の部位に、スピルリング２５の作動機構の一つの
実施例であるところのレバー２６を配設し、該レ
バー２６の先端を、前記スピルリング２５に係合
することにより、レバー２６の回動にて、前記ス
ピルリング２５をステム１９の軸方向に移動調節
するように構成してなるものである。

この構成において、スピルリング２５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２４を閉じる方向に移動操作す
れば、スピルポート２４の閉によつて当該スピル
ポート２４からの作動油の流出が止まり、逆止弁
２１付きポート２２から作動油が供給されている
油圧室２０の圧力が上昇するから、副ピストン１
６は、燃焼室５に向つて前進し、この前進がスピ
ルポート２４の開のところまで進行すると、スピ
ルポート２４から作動油が流出を始め、この流出
量と油圧室２０への供給量とがバランスした時点
で副ピストン１６の前進が停止する。また、スピ
ルリング２５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２
４が全開になり流失量が増加し、油圧室２０の圧
力が低下するから、副ピストン１６は燃焼室５の
圧力及び／又はばね１８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２４
がスピルリング２５にて閉じるところまで進行す
ると、スピルポート２４からの流出量が減少し、
その流出量が供給量とバランスした時点で、副ピ
ストン１６の後退動が停止することになり、スピ
ルリング２５の移動操作によつて、副ピストン１
６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２５に係合するレバ
ー２６の他端に、機関の負荷に関連するアクチエ
ータ２７を連結し、該アクチエータ２７により、
機関の負荷の増加に比例してスピルリング２５を
後退移動するようにすれば、圧縮比を負荷の増加
につれて次第に低く、換言すれば負荷の減少に連
れて次第に高くなるように自動制御することがで
き、また、前記アクチエータ２７を機関の回転数
にも関連して、回転数の増加につれて圧縮比が次
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、更にまた、前記のアクチエータ２７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には高く、ノツキングが
発生するとこれに応じて低くするように制御する
こともできるのである。

そして、機関の爆発行程において、副ピストン
１６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１６が若干後退してスピルポート
２４が閉じる一方、油圧室２０内の圧力が瞬間的
に高くなつて逆止弁２１が閉じて、油圧室２０内
の作動油は、当該油圧室２０内に閉じ込められた
状態になるから、これにより副ピストン１６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２４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
昇がクツシヨンとなつて、燃焼室５内での混合気
の爆発燃焼による副ピストン１６に対する衝撃を
吸収・緩和するのである。

そして、シリンダヘツド２に、点火栓６、吸気
ポート７及び排気ポート１１に加えて圧縮比可変
用の副シリンダ１４を設けるにおいて、本発明
は、シリンダヘツド２の平面視においてシリンダ
ボア４の中心８の近傍に点火栓６を配設する一
方、長手中心線を挟んで片側に吸気ポート７の開
口部７ａ及び排気ポート１１の開口部１１ａを、
他側に副シリンダ１４を配設したことにより、点
火栓９は、両ポート７，１１の開口部７ａ，１１
ａ及び副シリンダ１４を囲う燃焼室５の全域に対
して略中心に位置する一方、副シリンダ１４を、
点火栓６に対して近付けることができるから、点
火栓６による着火の影響を、燃焼室５の全域及び
副シリンダ１４内に強く及ぼすことができるので
あり、また、シリンダヘツド２の平面視におい
て、長手中心線９を挟む片側に吸気ポート７及び
排気ポート１１を、他側に副シリンダ１４とこれ
に嵌まる副ピストン１６を配設したことにより、
前記吸気ポート７及び排気ポート１１における
吸・排気弁１２，１３に対する動弁機構（図示せ
ず）と、副ピストン９に対するステム１９及びス
ピルリング２５とを、長手中心線９を挟んで左右
に振り分けて設けることができるのである。

なお、前記実施例において油圧室２０に絶えず
供給する作動油として、機関における潤滑油、又
は自動車のパワーステアリング機構における作動
油、若しくは自動車のオートマチツク変速装置に
おける作動油を用いることができる。

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２５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１９
ａにおけるスピルポートをステム１９ａの軸線に
対して傾斜する傾斜状スピルポート２４ａに形成
する一方、ステム１９ａの外周には、歯車式のス
ピルリング２５ａを回転自在、摺動自在に被嵌し
て、該スピルリング２５ａを図示しない軸受にて
シリンダヘツド２に対して軸支し、このスピルリ
ング２５ａには、ステム１９ａが前後摺動したと
き、その傾斜状スピルポート２４ａに合致するよ
うにした一つの逃がしポート２８を穿設すると共
に、このスピルリング２５ａ外周の歯にステム１
９ａと直角方向に配設したラツク杆２９を噛合
し、該ラツク杆２９を、アクチエータ２７にて長
手方向に往復動することによつてスピルリング２
５ａを回転操作して、ステム１９ａの傾斜状スピ
ルポート２４ａに対して逃がしポート２８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２４ａの開閉位置をステム１
９ａの軸方向に沿つて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１９ａ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２５ａを回転する機構としては、実施
例図のラツクとピニオンに限らず、他の手段を用
いても良いことは言うまでもない）。また、この
ステムに設けた傾斜状スピルポートと、スピルリ
ングに設けた逃がしポートとを、それぞれ逆にし
ても良いことは言うまでもなく、更にまた、副ピ
ストンの材質としては、主ピストンと同様アルミ
合金を用いても良いが、当該副ピストンの一部若
しくは全部をセラミツクで構成しても良い。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明の実施例を示し、第１図は機関要
部の縦断正面図、第２図は第１図の−視底面
図、第３図は第１図の−視断面図、第４図は
スピル体とスピルポートとの別例図、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、４……シリンダボア、５……燃焼室、６……
点火栓、７……吸気ポート、８……シリンダボア
の中心、９……長手中心線、１１……排気ポー
ト、１２……吸気弁、１３……排気弁、１４……
副シリンダ、１６……副ピストン、１８……ステ
ム、２０……油圧室、２２……作動油供給ポー
ト、２４，２４ａ……スピルポート、２５，２５
ａ……スピル体、２６……レバー、２７……アク
チエータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ シリンダヘツドに、点火栓、吸気弁付き吸気
   ポート、排気弁付き排気ポート及び圧縮比可変用
   の副ピストンを内臓した副シリンダを設けて成る
   内燃機関において、前記点火栓を、シリンダボア
   の略中心部に配設する一方、前記シリンダボアの
   中心を通つてクランク軸の平行の長手中心線を挟
   んで一方側に前記吸気ポート及び排気ポートを、
   他方側に前記副シリンダを各々配設し、前記副ピ
   ストンの背面に、作動油供給ポートを備えた油圧
   室を形成し、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が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
   ル体による前記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、前記シリンダヘツド上室には、前記吸
   気弁及び排気弁と前記ステムとの間の部位に、前
   記スピル体を、内燃機関における負荷に応じて移
   動作動するための作動機構を設けたことを特徴と
   する圧縮比可変式内燃機関。