JP2003201875A

JP2003201875A - 可変ピストンストローク型内燃機関

Info

Publication number: JP2003201875A
Application number: JP2002024245A
Authority: JP
Inventors: Eiichi Kamiyama; 栄一神山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-07-18

Abstract

(57)【要約】【課題】可変ピストンストローク型内燃機関が有する
種々の問題を解決し、内燃機関としての性能を向上させ
ることのできる内燃機関を提供すること。【解決手段】本発明の可変ピストンストローク型内燃
機関は、クランクシャフト５に回転可能に連結された中
間アーム６と、中間アーム６の動きを規制してピストン
２のストローク量をコントロールするコントロールロッ
ド７とを備えており、クランクシャフト５の回転軸に対
して垂直な平面上において、ピストン２の往復運動方向
にｙ軸を設定し、クランクシャフト５の回転軸を通り、
かつ、ｙ軸に直角な方向にｘ軸を設定して座標軸を設定
し、ピストン２の圧縮方向をｙ軸の正方向、クランクシ
ャフト５の回転軸からｘ軸及びｙ軸の交点である原点に
向かう方向をｘ軸の正方向とした場合に、コントロール
ロッド７の他端揺動中心７ａが、x-y座標軸系の第二象
限に位置していることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ピストンストロー
ク量を可変制御する可変ピストンストローク型の内燃機
関に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の一般的な内燃機関（エンジン）に
おいては、ピストンのストローク量は一定で圧縮比も一
定である（バルブの開閉タイミングを変えることによっ
て、実効ストローク量や圧縮比を変えるエンジンは実用
化されているが、その制御範囲は限定的である）。しか
し、運転状態に応じて最適なピストンストローク量（及
び圧縮比）を得ることができれば、燃費性能や出力性能
を向上させることができる。そこで、ピストンストロー
ク量（及び圧縮比）を可変制御することによってこれら
の性能向上を図る可変ピストンストローク型の内燃機関
が発明考案されている。特開2000-73804号公報には、こ
のような可変ピストンストローク型内燃機関が記載され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したよう
な可変ピストンストローク型内燃機関はまだ十分に実用
化されていると言える段階にはなく、実用化するには種
々の問題があり、更なる研究・改良が必要な段階にあ
る。本発明の目的は、このような可変ピストンストロー
ク型内燃機関が有する種々の問題を解決し、内燃機関と
しての性能を向上させることのできる可変ピストンスト
ローク型内燃機関を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の可変ピ
ストンストローク型内燃機関は、クランクシャフトと、
クランクシャフトに回転可能に連結された中間アーム
と、中間アームに一端が連結されたコネクティングロッ
ドと、コネクティングロッドの他端に連結されたピスト
ンと、中間アーム又はコネクティクングロッドに一端が
連結され、中間アームの動きを規制してピストンのスト
ローク量をコントロールするコントロールロッドとを備
えており、クランクシャフトの回転軸に対して垂直な平
面上において、ピストンの中心を通りピストンの往復運
動方向にｙ軸を設定し、クランクシャフトの回転軸を通
り、かつ、ｙ軸に直角な方向にｘ軸を設定して座標軸を
設定し、ピストンの圧縮方向をｙ軸の正方向、クランク
シャフトの回転軸からｘ軸及びｙ軸の交点である原点に
向かう方向をｘ軸の正方向とした場合に、コントロール
ロッドの他端揺動中心が、x-y座標軸系の第二象限に位
置していることを特徴としている。

【０００５】請求項２に記載の可変ピストンストローク
型内燃機関は、圧縮比とストローク量とをそれぞれ可変
制御するピストンストローク制御手段を備えており、ピ
ストンストローク制御手段が、高負荷・高回転時には高
圧縮比・長ストローク、高負荷・低回転時には低圧縮比
・長ストローク、低負荷時には、高圧縮比・短ストロー
クとなるように、圧縮比とストローク量とをそれぞれ制
御することを特徴としている。

【０００６】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
の可変ピストンストローク型内燃機関において、制御手
段が、エンジンブレーキ時には長ストロークとなるよう
にストローク量を制御することを特徴としている。

【０００７】請求項４に記載の可変ピストンストローク
型内燃機関は、ピストンのストローク量を可変制御する
ピストンストローク制御手段を備えており、ピストンス
トローク制御手段が、エンジンブレーキによる制動力が
大きいほどストローク量を大きくする制御を行うことを
特徴としている。

【０００８】請求項５に記載の発明は、請求項１に記載
の可変ピストンストローク型内燃機関において、揺動す
るコントロールロッドの揺動中心となる上述した他端揺
動中心を円弧状に移動させる移動アームをさらに備えて
おり、他端揺動中心を移動アームの一端側に連結し、他
端揺動中心の円弧状の移動軌跡の中心となる移動アーム
の支点部をｘ軸のｘ＞０の範囲内に配置したことを特徴
としている。

【０００９】請求項６に記載の発明は、請求項５に記載
の可変ピストンストローク型内燃機関において、他端揺
動中心の円弧状軌跡上の往復周期が、クランクシャフト
の回転周期の二倍に設定されており、吸気・圧縮時のピ
ストンストローク量が膨張・排気時のピストンストロー
クよりも小さくなるようになされていることを特徴とし
ている。なお、請求項６に記載の発明は４サイクルの内
燃機関に関するものである。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の可変ストローク型内燃機
関の実施形態について、図面を参照しつつ以下に説明す
る。図１に、本発明の可変ストローク型内燃機関（エン
ジン）の第一実施形態の断面図を示す。なお、図１に
は、吸排気系（吸排気バルブも含む）の構成については
図示が省略されている。図示されない吸排気系は従来の
一般的なエンジンと同様の構成である。

【００１１】本実施形態のエンジン１は直列四気筒エン
ジンであり、ここではそのうちの一気筒のみが断面図と
して示されている。他の気筒に関しても同様の構造とな
っている。なお、本発明は直列四気筒エンジンに対して
だけでなく、他の気筒数の直列エンジンや他の形式（Ｖ
型や水平対向型など）のエンジンに対しても適用するこ
とができる。本実施形態のエンジン１は、ピストンスト
ローク量と圧縮比とをそれぞれ可変制御可能なものであ
る。即ち、ピストンストローク量と圧縮比とを独立して
設定することが可能である。

【００１２】エンジン１は、内部にピストン２を往復運
動可能に収容したシリンダ３を有しており、ピストン２
には通常のエンジンと同様にコネクティングロッド４の
上端が連結されている。なお、以下の説明において、便
宜上、図１に示される上側（後述するｙ軸正方向）を上
方として説明する。コネクティングロッド４の下端は、
通常のエンジンのようにクランクシャフト５に直接連結
されておらず、中間アーム６の一端側に連結されてい
る。そして、この中間アーム６の他端側がクランクシャ
フト５に連結されている。クランクシャフト５がカウン
ターウェイト５ａを有しているのは通常のエンジンと同
様である。

【００１３】また、この中間アーム６には、中間アーム
６の動きを規制してピストン２のストローク量を制御す
るためのコントロールロッド７の一端が連結されてい
る。このコントロールロッド７の他端７ａは、後述する
移動機構で移動可能に保持されている。コントロールロ
ッド７は、他端７ａが揺動中心となって揺動する。上述
した各ロッドやアームの連結部は、回転可能な連結部と
なっているのは言うまでもない。これらの構成は、各シ
リンダ３毎に構築されている。

【００１４】コネクティングロッド４は、ピストン２の
往復運動を効率よく受け止めるため、シリンダ３の下方
方向に延設されている。コネクティングロッド４の下端
及び中間アーム６の一端はピストン２の往復運動によっ
て回転運動をするが、中間アーム６の動きがコントロー
ルロッド７によって規制されており、中間アーム６の他
端を回転させることとなる。この結果、中間アーム６の
他端に連結されたクランクシャフト５が回転される。こ
のとき、中間アーム６の動きを規制しているコントロー
ルロッド７は他端揺動中心７ａを中心にして揺動する。

【００１５】コネクティングロッド４の下端（中間アー
ム６の一端）の回転運動を、中間アーム６の動きを規制
しつつ中間アーム６の他端で回転運動として取り出すの
で、必然的にクランクシャフト５の回転軸はピストン２
の往復振動軸に対してオフセットした位置に配置されて
いる。また、コントロールロッド７の他端７ａの位置を
移動させるための機構がエンジンブロック８に取り付け
られている。なおエンジンブロック８の下方には、オイ
ルパン９が取り付けられている。上述したクランクシャ
フト５は、エンジンブロック８に対して回転可能に保持
されている（図１には、クランクシャフト５の軸受部な
どは図示されていない）。

【００１６】コントロールロッド７の他端揺動中心７ａ
を移動させる移動機構は、他端揺動中心７ａを回転可能
に支持する支持部を一端に有する支持ロッド１０と、こ
の支持ロッド１０の中央部に形成されたネジ部に螺合さ
れたギア１１と、このギア１１に噛み合うウォームギア
１２ａを出力軸に有するモータ１２と、これらを内蔵す
る揺動ユニット１３と、この揺動ユニット１３を揺動さ
せるモータ１４とからなる。モータ１４に関しては、図
１には図示されておらず、図２及び図３に図示されてい
る。図２及び図３は、上述した移動機構のエンジンブロ
ック８への取付状態を示す斜視図である。

【００１７】支持ロッド１０は、各シリンダ３毎に用意
されており、その一端にコントロールロッド７の他端揺
動中心７ａが連結されている。支持ロッド１０は、その
中心軸方向に進退可能な状態で揺動ユニット１３内に収
納されている。支持ロッド１０の進退動は、ギア１１・
ウォームギア１２ａ・モータ１２によって行われる。ギ
ア１１・ウォームギア１２ａ・モータ１２も揺動ユニッ
ト１３内に収納されている。支持ロッド１０の中央部に
はネジ部が形成されており、ギア１１の中央部のネジ孔
がこれに螺合されている。即ち、支持ロッド１０がボル
ト、ギア１１がナットのような関係で両者は螺合してい
る。

【００１８】ギア１１は、各シリンダ３毎に配設されて
いる各支持ロッド１０に対してそれぞれ螺合されてい
る。ギア１１が回転すると、支持ロッド１０自体はコン
トロールロッド７と連結されているため回転できないの
で、支持ロッド１０はその中心軸方向に進退動する。ギ
ア１１は、ウォームギア１２ａによって回転される。ギ
ア１１の外周部にはギア歯が形成されており、このギア
歯がウォームギア１２ａと螺合している。

【００１９】ウォームギア１２ａは、外周に螺旋状のギ
ア溝を有する円柱状のもので、これは図２及び図３に示
されるように、全てのシリンダ３に対して垂直に、全て
のギア１１に対して同時に螺合するように配置されてい
る。ウォームギア１２ａは、その中央部がモータ１２の
内部を貫通しており、モータ１２によって回転される。
このため、モータ１２によってウォームギア１２ａを回
転させることで、コントロールロッド７の他端揺動中心
７ａを支持ロッド１０の中心軸方向に移動させることが
できる。

【００２０】また、図２及び図３に示されるように、揺
動ユニット１３は、ベアリングキャップ１５によってそ
の両端がエンジンブロック８に対して取り付けられてい
る。このため、揺動ユニット１３は、一対のベアリング
キャップ１５による取付部を結んだ中心軸Ｐを中心にし
て揺動可能となっている。ただし、揺動ユニット１３の
揺動可能な角度はそれほど大きくはない。そして、この
中心軸Ｐに出力軸を一致させるようにモータ１４がエン
ジンブロック８に固定されている。モータ１４の出力軸
と揺動ユニット１３とは、中心軸Ｐを中心にして同時に
回転し得るように互いに嵌め合わされている。

【００２１】このため、モータ１４によって揺動ユニッ
ト１３を揺動させると、その内部に収納された支持ロッ
ド１０も中心軸Ｐを中心にして揺動されることになる。
この結果、コントロールロッド７の他端揺動中心７ａを
支持ロッド１０の中心軸方向に対してほぼ直角な方向に
円弧軌跡を描いて移動させることができる。即ち、モー
タ１２及びモータ１４を協調して制御することによっ
て、コントロールロッド７の他端揺動中心７ａを平面的
に（二次元的に）移動させることができる。なお、揺動
ユニット１３とエンジンブロック８との間の隙間には、
ゴムシール部材１３ａが配置されており、エンジンブロ
ック８内部の液密が保持されている。

【００２２】モータ１２及びモータ１４は、図３に示さ
れるように、互いにＣＰＵ１６に接続されている。ＣＰ
Ｕ１６にはエンジン回転数やアクセル角度やその他の情
報が入力されており、これに基づいて最適なピストンス
トローク量と圧縮比とがＣＰＵ１６によって算出され、
モータ１２及びモータ１４が制御される（最適なピスト
ンストローク量及び圧縮比を一旦算出せずに、モータ１
２及びモータ１４の制御量が直接算出されるような制御
とすることも可能）。上述したこれらの機構がピストン
ストローク制御手段（本実施形態では圧縮比も制御可
能）として機能している。

【００２３】このように、他端揺動中心７ａを二次元的
に移動させることができるので、ピストン２のストロー
ク量と圧縮比とをそれぞれ独立させて制御することが可
能となる。もし仮に、他端揺動中心７ａが支持ロッド１
０の中心軸方向に進退動だけが可能となっている場合
は、確かにピストン２のストローク量を可変制御するこ
とは可能であるが、設定されたストローク量に対して圧
縮比は一義的に決まってしまうので、ピストンストロー
ク量と圧縮比とを互いに独立して制御することはできな
い。

【００２４】ピストンストローク量を可変制御できると
いうことは、吸入空気量制御をピストンストローク量制
御によって行うことができるということである。従来は
スロットルバルブなどの吸気抵抗となるものを吸気通路
上に配設して吸入空気量制御を行っており、ポンピング
ロスがどうしても大きくなってしまっていた。これに対
して、ピストンストローク制御によって吸入空気量制御
を行えば、ポンピングロスを低減でき、効率よくエンジ
ン１を運転することが可能となる。

【００２５】また、スロットルバルブと併用したとして
も、スロットルバルブを全開にしてピストンストローク
量によって吸入空気量を行うこともでき、ポンピングロ
スを低減することはできる。そして、エンジン１の運転
状態に応じて（例えば、要求出力との関係から吸入空気
量制御をピストンストローク制御のみで行うのが好まし
くない状況なども考えられる）ピンストンストローク量
制御とスロットルバルブ制御を併用することによって吸
入空気量制御を行ったり、スロットルバルブ制御のみに
よって吸入空気量制御を行ったりすることも可能とな
り、より効率よい運転を行うことができる。

【００２６】また、エンジン１での摩擦抵抗の全体の中
ではシリンダ３とピストン２との間の摩擦抵抗が大きな
比率を占めている。このため、ピストンストローク量を
変えることで摩擦抵抗をコントロールし、最適な運転状
態を実現することも可能である。例えば、エンジンブレ
ーキとして大きな制動力を得たいような場合は、ピスト
ンストローク量を大きく取れば摩擦抵抗が大きくなり、
大きな制動力を得ることも可能である。

【００２７】さらに、本実施形態のエンジン１は、ピス
トンストローク量を可変制御することができるだけでな
く、圧縮比をも可変制御することができる。このため、
さらにきめ細かい制御を行うことができる。出力（負
荷）に応じて圧縮比を制御することによって高いエンジ
ン出力と効率を最適に制御することができる。また、S/
V比（燃焼室内表面積/燃焼室体積）が大きくなると冷却
損失が大きくなるということは一般に知られているが、
圧縮比によってはこのS/V比が大きくなって冷却損失が
増えてしまうような場合もあるので、圧縮比を制御する
ことによって冷却損失を制御することも可能である。

【００２８】ピストンストローク量と圧縮比とについて
は、主として以下の三つの傾向を持って制御されること
となる。長ピストンストローク・高圧縮比、長ピストン
ストローク・低圧縮比、短ピストンストローク・高圧縮
比の三つである。なお、この三つはあくまでも傾向であ
り、ピストンストローク量は最小値から最大値にかけて
連続的に可変制御できるし、圧縮比も最小値から最高値
にかけて連続的に可変制御できる。本実施形態では、短
ピストンストローク・低圧縮比は、あまりメリットがな
いので積極的に用いられない。

【００２９】これらの三つの傾向とエンジン回転数・出
力トルクとの関係を示す一例を図４に示す。図４に示す
グラフは、横軸がエンジン回転数、縦軸が出力トルクで
あり、領域Ｉが長ピストンストローク・高圧縮比、領域
IIが長ピストンストローク・低圧縮比、領域IIIが短ピ
ストンストローク・高圧縮比である。なお、ここでは分
かりやすいように領域に分けたが、実際の制御ではこれ
らの状況を連続的に（境界なく）可変制御することが好
ましい。

【００３０】エンジンは、ピストンストロークが長いほ
ど高トルクを得られる。このため、出力トルクが高いほ
ど（高負荷であるほど）ピストンストローク長が長くな
るように設定されている（領域I,II）。また、冷却損失
について考慮する必要はあるが、一般に高圧縮比とした
方が高い出力（トルク）を得られる。そこで、高トルク
（高負荷）・高回転時は圧縮比も高く設定されている
（領域I）。しかし、出力トルクが高い場合でもエンジ
ン回転数が低い場合は、ノッキングの発生が懸念され
る。そこで、高トルク（高負荷）・低回転域では、圧縮
比を下げている（領域II）。

【００３１】さらに、出力トルクが高くない（低負荷）
ときは、エンジン１での摩擦抵抗低減による燃費改善を
重視しつつ十分な出力も得るために、短ピストンストロ
ーク・高圧縮比とされている（領域III）。さらに、エ
ンジンブレーキ時（出力トルクがマイナスとなる領域I
I：領域IIIとされても良い）においては、エンジン１で
の摩擦抵抗を増加させてエンジンブレーキによって十分
な制動力を得るためにピストンストロークが長く設定さ
れている。これについては追ってさらに説明する。この
ようにピストンストローク量と圧縮比とを可変制御する
ことによって、最適な運転状態を創り出すことができ
る。

【００３２】既に簡単に述べたが、ピストンストローク
量を大きくとることによって、エンジンブレーキによる
制動力を大きく得ることができる。そこで、エンジンブ
レーキによる制動力が大きいほどピストンストローク量
を大きくするようにしても良い。このようにすれば、エ
ンジンブレーキを効果的に利用することができる。この
場合、エンジンブレーキによる制動量を検出あるいは推
定する手段が必要となる。その一例としては、トランス
ミッションの出力軸系に回転センサを設置し、検出され
る回転数の積分値に基づいてエンジンブレーキ制動力を
検出・推定することができる。この方法であれば、マニ
ュアルトランスミッションを用いたものに対してもオー
トマチックトランスミッション（トルクコンバータ）を
用いたものに対しても適用することができる。

【００３３】あるいは、エンジン回転数センサと、オー
トマチックトランスミッションの入力軸（トルクコンバ
ータより下流側のギア部直前）に設けた回転数センサと
によって検出される二つの回転数に基づいてエンジンブ
レーキ制動力を検出・推定することもできる。トルクコ
ンバータの前後の回転数を比較し、エンジン側の回転数
がオートマチックトランスミッション入力軸の回転数よ
りも小さい場合にはエンジンブレーキ時であると判断で
きる。そして、その差分が大きいほど、エンジンブレー
キによる制動力が大きく作用していると判断できる。こ
れらの判断は、二つの回転数の検出結果が入力されるＥ
ＣＵなどによって行われる。

【００３４】その他の例としては、エンジン回転数セン
サと、マニュアルトランスミッションの入力軸（クラッ
チより下流側のギア部直前）に設けた回転数センサとに
よって検出される二つのパルスの位相差に基づいてエン
ジンブレーキ制動力を検出・推定することもできる。ク
ラッチにはトーショナルダンパが内蔵されているので、
トルクコンバータの前後のパルスの位相差に変化が生じ
た場合は、正トルクあるいは負トルク（エンジンブレー
キ）が生じていると判断できる。定常状態であれば、二
つのパルスの位相差は一定であるはずである。

【００３５】この定常状態の位相差を基本として、位相
差が拡大したら（エンジン側パルスに対してトランスミ
ッション側パルスが遅れたら）正トルクが負荷されてい
ると判断できる。一方、位相差が縮小したら（エンジン
側パルスに対してトランスミッション側パルスが早まっ
たら）負トルクが負荷されている、即ち、エンジンブレ
ーキ時であると判断できる。そして、この縮小側への位
相差が大きいほど、エンジンブレーキによる制動力が大
きく作用していると判断できる。これらの判断は、二つ
のパルスの検出結果が入力されるＥＣＵなどによって行
われる。

【００３６】さらに、ここで、クランクシャフト５の回
転軸に対して直角な平面（図１に示される平面）におい
て、ピストン２（シリンダ３）の中心を通り、ピストン
２の往復運動方向にｙ軸を設定し、クランクシャフト５
の回転軸を通りｙ軸に直角な方向にｘ軸を設定してx-y
座標軸系を設定する。ｘ軸とｙ軸との交点を原点Ｏと
し、ｘ軸の正方向はクランクシャフト５の中心軸から原
点Ｏの方向とし、ｙ軸の正方向はピストン２の圧縮方向
として設定する。このようにx-y座標軸を設定すると、
本実施形態におけるコントロールロッド７の他端揺動中
心７ａは、第二象限内に位置されている。

【００３７】なお、ｘが正・ｙが正の領域が第一象限、
ｘが負・ｙが正の領域が第二象限、ｘが負・ｙが負の領
域が第三象限、ｘが正・ｙが負の領域が第四象限であ
る。このように、他端揺動中心７ａを第二象限に位置さ
せることで、好ましいストローク曲線（クランクアング
ルとピストン位置を示すグラフ上の曲線）と広範囲な圧
縮比を得ることが可能となる。コネクティングロッド４
や中間アーム６やコントロールロッド７の各連結点の幾
何学的位置が変わるとストローク曲線の形状も変わる
が、以下には、上述した連結点を代表的な位置に設定し
て得られるストローク曲線を、他端揺動中心７ａを第一
・第二・第三・第四象限のそれぞれに設定した場合につ
いて示す。

【００３８】図５が他端揺動中心７ａを第一象限内に設
定した場合を示している。図６が他端揺動中心７ａを第
二象限内に設定した場合を示している。図７が他端揺動
中心７ａを第三象限内に設定した場合を示している。図
８が他端揺動中心７ａを第四象限内に設定した場合を示
している。これらの図から、コントロールロッド７の他
端揺動中心７ａを各象限内に設定した場合のピストンス
トローク量及び圧縮比との関係の傾向を知ることができ
る。

【００３９】図５(b)には、他端揺動中心７ａを図５(a)
における矢印方向に変化させた場合（二カ所）のピスト
ン２の位置とクランクアングルとの関係がグラフとして
示されている。ピストン２の位置が０ｍｍとは、構造上
ピストン２がそれ以上上方に行かない位置を示してい
る。即ち、一つの曲線で最上位位置が上死点で、最下位
位置が下死点となる。ピストン２が０ｍｍの位置にある
ときの上部空間体積とシリンダ３の断面積積とが分かっ
ていれば、図５(b)の曲線から圧縮比を求めることがで
きる。図５(b)から分かるように、他端揺動中心７ａを
第一象限内に配置した場合は、ピストンストローク量の
可変範囲が狭く、十分な圧縮比を確保することができな
い。

【００４０】図６(b)には、他端揺動中心７ａを図６(a)
における矢印方向に変化させた場合（二カ所）のピスト
ン２の位置とクランクアングルとの関係がグラフとして
示されている。これが本実施形態のものである。図６
(b)から分かるように、他端揺動中心７ａを第二象限内
に配置した場合は、ピストンストローク量の可変範囲を
広く設定することも可能で、十分な圧縮比を確保するこ
とができる。また、ピストンストロークの変化もサイン
カーブに近くピストン２が円滑に往復運動するので悪影
響がない。さらに重要なことに、これらの良好な傾向
は、ピストンストロークの可変域全体で得られる。

【００４１】図７(b)には、他端揺動中心７ａを図７(a)
における矢印方向に変化させた場合（三カ所）のピスト
ン２の位置とクランクアングルとの関係がグラフとして
示されている。図７(b)から分かるように、他端揺動中
心７ａを第三象限内に配置した場合は、ピストンストロ
ーク量の可変範囲は広く確保でき、十分な圧縮比を確保
することができるが、ピストンストロークの変化がサイ
ンカーブとはかなり異なったものとなってしまう。この
ため、ピストン２の往復運動が円滑に行われず、振動が
大きくなるなど実用上の問題がある。

【００４２】図８(b)には、他端揺動中心７ａを第四象
限内に設定した場合のピストン２の位置とクランクアン
グルとの関係がグラフとして示されている。図８(b)か
ら分かるように、他端揺動中心７ａを第四象限内に配置
した場合は、ピストンストローク量の可変範囲が狭く、
十分な圧縮比を確保することが困難である。また、ピス
トンストロークの変化がサインカーブとはかなり異なっ
たものとなってしまうので、ピストン２の往復運動が円
滑に行われない。これらの二つの問題点を考えると実用
は困難である。

【００４３】次に、第二実施形態について説明する。上
述した第一実施形態のエンジン１は、ピストンストロー
ク量と圧縮比とを独立して可変制御することができるも
のであった。これに対して、第二実施形態のエンジン
は、ピストンストローク量を可変制御可能なものである
が、ピストンストローク量と圧縮比との関係は一対一の
関係にあるものである。しかし、上述した第一実施形態
に関して説明したように、ピストンストローク量と圧縮
比とを独立して制御できなくても、ピストンストローク
量を可変制御することによって得られる効果は享受する
ことができる。

【００４４】図９に第二実施形態の図１相当図を示す。
なお、本実施形態のエンジンは、その多くの構成が第一
実施形態と共通している。そこで、第一実施形態と同一
又は同等の構成に関しては同一の符号を付してその詳し
い説明を省略する。また、本実施形態においても、コン
トロールロッド７の他端揺動中心７ａは第二象限内に設
定されており、これに伴う利点を享受している。しか
し、本実施形態においては、他端揺動中心７ａが支持ロ
ッドの中心軸方向にのみ移動可能となっている。即ち、
他端揺動中心７ａの移動は第一実施形態のように二次元
（平面）的ではなく一次元（直線）的である。このた
め、本実施形態では、ピストンストローク量と圧縮比と
が一対一の関係となっている。

【００４５】本実施形態においては、他端揺動中心７ａ
の移動機構のみが第一実施形態のものと異なっている。
本実施形態の移動機構は、エンジンブロック８に内蔵さ
れている。支持ロッド１０や支持ロッド１０に螺合され
ているギア１１はエンジンブロック８に直接取り付けら
れている。そして、ギア１１には、モータ１２０の出力
軸に取り付けられたギア１２０ａが噛み合っている。モ
ータ１２０は、エンジンブロック８に固定されており、
各支持ロッド１０に対して一つずつ配設されている。

【００４６】モータ１２０を駆動させることによって、
支持ロッド１０をその中心軸方向に進退動させることが
できる。この結果、コントロールロッド７の他端揺動中
心７ａが移動し、ピストン２のストローク量が変更され
る。なお、モータ１２０に代えて、第一実施形態のよう
なモータ１２とウォームギア１２ａとを配設しても良い
のは言うまでもない。このような構成としても、ピスト
ンストローク量を可変制御することができ、それによる
利点を享受することができる。

【００４７】次に、第三実施形態について説明する。本
実施形態のエンジン１においても、ピストンストローク
量と圧縮比との関係は一対一の関係にある。上述したよ
うに、必要とされるピストンストローク量と圧縮比との
関係にはある程度の傾向がある（例えば、小ストローク
・低圧縮比は利用価値が低い、高出力時には高ストロー
ク・高圧縮としたい）。ピストンストローク量と圧縮比
との関係で有用な設定を実現し、十分なストローク可変
量を実現し、かつ、ピストン２が滑らかに往復運動させ
る他端揺動中心の位置を上述した座標軸上にプロットし
たところ、そのほとんどが第二象限内にほぼ円弧状に分
布した。

【００４８】詳しくは、この円弧状は、その中心がｘ軸
の正の範囲（第一象限、第四象限及びｘ軸自体）側にあ
るような円弧であった。特に、円弧の中心が第一象限内
にある場合が好ましい。このように、コントロールロッ
ドの他端揺動中心を、ｘ軸の正の範囲にある支点を中心
として円弧状に移動させることで、ピストンストローク
量（圧縮比）を効率よく制御することができる。本実施
形態は、このように他端揺動中心を移動させるために、
移動アームを用いる。

【００４９】さらに、ピストンストローク量を可変制御
する場合に、運転条件に応じてピストンストローク量
（圧縮比）を制御する方法の他に、燃焼サイクル中でピ
ストンストローク量（圧縮比）を制御する方法も考えら
れる。本実施形態は、吸気・圧縮・膨張・排気の燃焼サ
イクル中で所定のピストンストローク（圧縮比）制御を
行うことを目的としたものである。なお、本実施形態の
エンジンは、燃焼サイクル中における周期的なピストン
ストローク量（圧縮比）制御だけでなく、運転状態など
に応じてピストンストローク量（圧縮比）制御を行うこ
とも可能な構成を有している。

【００５０】本実施形態の機構を図１０に示す。なお、
図１０にはピストンストローク量を変更するためのリン
ク機構のみが示されており、シリンダなどの図示は省略
されている。また、上述した実施形態と同一又は同等の
構成部分には同一の符号を付してその詳しい説明を省略
する。

【００５１】コントロールロッド７の一端は、上述した
実施形態では中間アーム６に連結されていたが、本実施
形態ではコネクティングロッド４の下端に連結されてい
る。このコントロールロッド７の一端の近傍には、コネ
クティングロッド４と中間アーム６との連結部が位置し
ているので、このようにしても、コントロールロッド７
によって中間アーム６の動きを規制してピストン２のス
トローク量を制御することができる。

【００５２】そして、コントロールロッド７の他端揺動
中心７ａは、移動アーム１７Ａの一端側に連結されてい
る。本実施形態の移動アーム１７Ａは、扇型をしてお
り、その円弧部分にはギア歯が形成されている。このギ
ア歯にはモータ１８の出力軸に取り付けられたウォーム
ギア１８ａが噛み合っている。移動アーム１７Ａの円弧
部分の中心には、移動アーム１７Ａの移動させる際の中
心となる支点部１７ａが配置されている。支点部１７ａ
は、第一象限内に位置する固定点である。移動アーム１
７Ａは、モータ１８を駆動することによって支点部１７
ａを中心にして移動され、他端揺動中心７ａは支点部１
７ａを中心に円弧状に移動される。

【００５３】支点部１７ａには、回転角を検出する回転
角センサが取り付けられており、その出力は図示されな
いエンジンＥＣＵに送出されている。エンジンＥＣＵに
は、その他の情報も集められており、モータ１３はこの
エンジンＥＣＵからの信号に基づいて制御されている。
特に、ここでは、燃焼サイクルの吸気・圧縮時のピスト
ンストローク量が短く、膨張・排気時のピストンストロ
ーク量が長くなるように、他端揺動中心７ａの円弧状の
軌跡上での往復周期がクランクシャフト５の回転周期の
二倍となるように制御されている。モータ１８は、この
周期で正逆回転されている。

【００５４】図１０に示されるように、他端揺動中心７
ａが下方に位置しているとピストン２のストローク量は
長くなり、他端揺動中心７ａが図１０の状態から上方に
移動されるにつれてピストン２のストローク量は短くな
る。このようにして、吸気・圧縮時のピストンストロー
ク量が短く、膨張・排気時のピストンストローク量が長
くなるように、即ち、高膨張サイクルとすることで、熱
効率に優れた運転を行うことができる。

【００５５】また、吸気時のピストンストローク量が少
なければ、ピストン２−シリンダ間のフリクション低減
とポンピングロス低減の効果もある。特に、ここでは、
圧縮時のＴＤＣが排気時のＴＤＣよりも低くなるように
もなっており、燃焼時にはより高圧縮比を得ると共に、
排気時にはピストン２と吸排気バルブとの干渉を避けつ
つ、適切なＥＧＲ量（気筒内に残留する燃焼後の熱い温
度のガスとしてのＥＧＲ）を得ることもできる。

【００５６】なお、ここではピストンストローク量を燃
焼サイクルに同期させて制御しているが、本実施形態の
構成であればピストンストローク量を燃焼サイクルに同
期させないでも制御し得る。そこで、ピストンストロー
ク量を燃焼サイクルに同期させることを基本としつつ、
エンジンの運転状態に応じてピストンストローク量を変
更するような制御も可能である。当然、本実施形態の構
成で燃焼サイクルに同期させないでピストンストローク
量を制御することも可能である。このため、状況に応じ
て熱効率を向上させるようにピストンストローク量を変
更したり、出力を向上させるようにピストンストローク
量（圧縮比）を変更することもできる。

【００５７】例えば、軽負荷〜中負荷域では熱効率を重
視して高膨張サイクルとなるように、高負荷域では出力
を重視して等膨張サイクルとなるように、エンジンブレ
ーキ時にはスロットルバルブを閉じてできるだけ長スト
ローク（ピストン２−シリンダ間の摩擦抵抗増加）とな
るようにピストンストローク量を制御する。

【００５８】次に、第四実施形態について説明する。本
実施形態のエンジン１においても、ピストンストローク
量と圧縮比との関係は一対一の関係にある。また、本実
施形態のエンジンは、燃焼サイクル中における周期的な
ピストンストローク量（圧縮比）制御に特化したもので
ある。本実施形態では、ピストンストローク量（圧縮
比）制御を燃焼サイクルと同期させるために、ピストン
ストローク量（圧縮比）制御の駆動をクランクシャフト
の出力によって行う。このようにすることによって、同
期を容易に行えるだけでなく、コントロールシャフトの
他端揺動中心を円弧状に移動させるために新たなアクチ
ュエータを用意する必要がなくなる。

【００５９】本実施形態の機構を図１１に示す。なお、
図１１には、図１０と同様に、ピストンストローク量を
変更するためのリンク機構のみが示されており、シリン
ダなどの図示は省略されている。また、上述した実施形
態と同一又は同等の構成部分には同一の符号を付してそ
の詳しい説明を省略する。

【００６０】本実施形態における移動アーム１７Ｂは、
ほぼ直線状のアーム部材で、他端揺動中心７ａと支点部
１７ａの他に、力点部１７ｂを有している。力点部１７
ｂは、支点部１７ａに対して他端揺動中心７ａの反対側
に位置している。支点１７ａは、第一象限内に位置する
固定点である。力点部１７ｂがテコの原理の力点、支点
部１７ａが支点、他端揺動中心７ａが作用点として機能
している。そして、力点部１７ｂには、リンクアーム１
９の一端が連結されており、リンクアーム１９の他端は
ギア２０Ａに連結されている。

【００６１】即ち、ギア２０が回転することによって、
リンクアーム１９の下端が回転される。これに伴って、
支点部１７ａの位置は動かないので、リンクアーム１９
の上端は支点部１７ａを中心とする円弧を描いて上下に
往復運動する。この結果、他端揺動中心７ａも支点部１
７ａを中心とする円弧状の軌跡を往復運動する。また、
ギア２０Ａは、クランクシャフト１５の端部に固定され
たクランクギア２１と噛み合っている。そして、クラン
クギア２１の二回転でギア２０Ａが一回転するように同
期されている（位相差は適宜設定される）。

【００６２】このようにすることによって、上述した第
三実施形態と同様に、吸気・圧縮時のピストンストロー
ク量が短く、膨張・排気時のピストンストローク量が長
くなるように、ピストンストローク量を燃焼サイクルに
同期させることができる。ただし、本実施形態において
は、燃焼サイクルとピストンストローク量の同期は固定
されている。ただし、吸排気バルブの開閉タイミングを
制御し得る公知のバルブタイミング制御装置と組み合わ
せれば、バルブタイミングとの関係とから燃焼サイクル
との関係を変更することは可能である。

【００６３】本実施形態のようにすれば、他端揺動中心
７ａを燃焼サイクルに同期させつつ、他端揺動中心７ａ
を第二象限内で円弧軌上に移動させることができ、ピス
トンストローク量（圧縮比）を効率よく制御することが
できる。また、このとき、他端揺動中心７ａを移動させ
るためにエンジン自体の出力を用いるので、さらに、エ
ンジン自体の出力を利用して他端揺動中心７ａを移動さ
せる機構を簡単な機構で実現することができ、装置の複
雑化を招くことなく耐久性・信頼性に優れた機構を実現
することができる。

【００６４】上述した第四実施形態の機構は、燃焼サイ
クルとピストンストローク制御との関係が固定されてお
り、変更することはできないものであった。そこで、上
述した第四実施形態の燃焼サイクルとピストンストロー
ク制御との関係を基本としつつも、ピストンストローク
量制御に可変幅を持たせたものを第五実施形態として次
に説明する。本実施形態の機構を図１２に示す。なお、
図１２にも、図１０及び図１１と同様に、ピストンスト
ローク量を変更するためのリンク機構のみが示されてお
り、シリンダなどの図示は省略されている。また、上述
した実施形態と同一又は同等の構成部分には同一の符号
を付してその詳しい説明を省略する。

【００６５】本実施形態の機構では、上述した第四実施
形態のギア２０Ａに相当するギア２０Ｂを有している。
ギア２０Ｂの内部には、クランクシャフト５の回転運動
に対する力点部１９ａの回転運動の位相を変更する、即
ち、クランクシャフト５の回転運動に対するコントロー
ルロッド７の他端揺動中心７ａの往復運動の位相を変更
する位相制御機構が組み込まれている。なお、図１２に
は、ギア２０Ｂの内部が見えるように、ギア２０Ｂを断
面で示してある。

【００６６】ギア２０Ｂは、ギア歯が形成された外周部
２０ａと、その内部に収納されたベーン２０ｂとからな
っている。リンクアーム１９の下端は、ベーン２０ｂに
連結されている。外周部２０ａは、その内面に中心に向
かって突出する突出部を有し、ベーン２０ｂは、その外
周上に放射状に突出する突出部を有している。外周部２
０ａの突出部とベーン２０ｂの突出部とはギア歯に遊び
がある歯車のように互いに噛み合うように配置されてい
る。そして、両者の間にはオイルの満たされたオイル室
が形成されている。

【００６７】外周部２０ａの二つの突出部の間には、一
つのベーン２０ｂの突出部が収納されることとなり、こ
のベーン２０ｂの突出部の両側には一対のオイル室が形
成される（図１２では、そのうちの一方の容積がほぼゼ
ロの状態が示されいる。）この一対のオイル室へのオイ
ルの注入・排出によって、外周部２０ａに対するベーン
２０ｂの位置を変更することができ、外周部２０ａに対
するベーン２０ｂの回転運動の位相を変更することがで
きる。

【００６８】オイル室へのオイルの注入・排出は、図示
されないオイルポンプによって行われる。このオイルポ
ンプの駆動は、第三実施形態で説明したエンジンＥＣＵ
によって制御される。この位相制御機構自体は、公知の
吸排気バルブの開閉タイミング制御装置と同様である。

【００６９】これによって、クランクシャフト５の回転
運動とピストンストローク量の制御との間の位相を変更
することができ、燃焼サイクルに対するピストンストロ
ーク量可変制御に対して可変幅を設けることができる。
燃焼サイクルに対してピストンストローク量の可変幅を
設けることができるので、燃焼サイクルとピストンスト
ローク量制御とを同期させつつも、エンジンの燃焼に応
じたより最適なピストンストローク量制御を行うことが
できる。

【００７０】本発明の内燃機関は、上述した実施形態に
限定されない。例えば、上述した図１〜図３に示される
実施形態においては、ウォームギア１２ａは全てのギア
１１に対して螺合されていた。しかし、隣接するギア１
１同士を螺合させ、ウォームギア１２ａは一つのギア１
１にのみ螺合させるようにしても良い。ただし、この場
合は、隣り合うギア１１同士で回転方向が異なるので、
このような場合も支持ロッド１０の進退動が同方向とな
るような配慮が必要である。

【００７１】

【発明の効果】請求項１に記載の可変ピストンストロー
ク型内燃機関によれば、ピストンストローク量を可変制
御することが可能となり、ピストンストローク制御によ
るポンピングロス低減や燃費改善効果を得ることができ
る。さらに、これに加えて、コントロールロッドの他端
揺動中心を上述したx-y座標軸における第二象限内に配
置することで、ピストンの往復運動が振動抑制上好まし
いものとなるだけでなく、十分な圧縮比を得ることが可
能となる。ここで、圧縮比も可変制御可能な構成とした
場合は、その可変範囲を十分に確保することも可能とな
る。

【００７２】請求項２に記載の可変ピストンストローク
型内燃機関によれば、ピストンストローク量と圧縮比と
をそれぞれ可変制御することが可能であり、(1)高負荷
・高回転時には高圧縮比・長ストローク、(2)高負荷・
低回転時には低圧縮比・長ストローク、(3)低負荷時に
は高圧縮比・短ストロークとなるように、圧縮比とスト
ローク量とをそれぞれ制御する。(1)高負荷・高回転時
には高圧縮比・長ストロークとすることによって、高い
出力を得ることができ、(2)高負荷・低回転時には低圧
縮比・長ストロークとすることによって、ノッキングを
抑止しつつ高い出力を得ることができ、(3)低負荷時に
は高圧縮比・短ストロークとすることによって、燃費を
改善しつつ十分な出力を得ることができる。

【００７３】請求項３に記載の発明によれば、エンジン
ブレーキ時にはピストンストローク量を長くすることに
よって、エンジンブレーキ時により効果的に制動力を得
ることができる。

【００７４】請求項４に記載の可変ピストンストローク
型内燃機関によれば、エンジンブレーキ時に、エンジン
ブレーキによる制動力が大きくなるほどピストンストロ
ーク量を大きくするので、エンジンブレーキによる制動
力が大きくなるほど、より一層エンジンブレーキによる
制動力を強く（効果的に）得られるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の可変ピストンストローク型内燃機関の
第一実施形態の断面図である。

【図２】本発明の可変ピストンストローク型内燃機関の
第一実施形態の分解斜視図である。

【図３】本発明の可変ピストンストローク型内燃機関の
第一実施形態の斜視図である。

【図４】エンジン回転数と出力トルクとピストンストロ
ーク量・圧縮比との関係を示すグラフである。

【図５】(a)はコントロールロッドの他端揺動中心が第
一象限に配置された状態を示す模式図、(b)はそのとき
のクランクアングルに対するピストン位置を示すグラフ
である。

【図６】(a)はコントロールロッドの他端揺動中心が第
二象限に配置された状態を示す模式図、(b)はそのとき
のクランクアングルに対するピストン位置を示すグラフ
である。

【図７】(a)はコントロールロッドの他端揺動中心が第
三象限に配置された状態を示す模式図、(b)はそのとき
のクランクアングルに対するピストン位置を示すグラフ
である。

【図８】(a)はコントロールロッドの他端揺動中心が第
四象限に配置された状態を示す模式図、(b)はそのとき
のクランクアングルに対するピストン位置を示すグラフ
である。

【図９】本発明の可変ピストンストローク型内燃機関の
第二実施形態の断面図である。

【図１０】本発明の可変ピストンストローク型内燃機関
の第三実施形態の機構を示す説明図である。

【図１１】本発明の可変ピストンストローク型内燃機関
の第四実施形態の機構を示す説明図である。

【図１２】本発明の可変ピストンストローク型内燃機関
の第五実施形態の機構を示す説明図である。

【符号の説明】

１…エンジン、２…ピストン、３…シリンダ、４…コネ
クティングロッド、５…クランクシャフト、６…中間ア
ーム、７…コントロールロッド、７ａ…他端揺動中心、
８…エンジンブロック、９…オイルパン、１０…支持ロ
ッド、１１…ギア、１２，１２０…モータ、１２ａ，１
２０ａ…ウォームギア、１３…揺動ユニット、１４…モ
ータ、１７Ａ，１７Ｂ…移動アーム、１７ａ…支点部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】クランクシャフトと、前記クランクシャフトに回転可能に連結された中間アー
ムと、前記中間アームに一端が連結されたコネクティングロッ
ドと、前記コネクティングロッドの他端に連結されたピストン
と、前記中間アーム又は前記コネクティングロッドに一端が
連結され、前記中間アームの動きを規制して前記ピスト
ンのストローク量をコントロールするコントロールロッ
ドとを備えた可変ピストンストローク型内燃機関であっ
て、前記クランクシャフトの回転軸に対して垂直な平面上に
おいて、前記ピストンの中心を通る前記ピストンの往復
運動方向にｙ軸を設定し、前記クランクシャフトの回転
軸を通り、かつ、ｙ軸に直角な方向にｘ軸を設定して座
標軸を設定し、前記ピストンの圧縮方向をｙ軸の正方向、前記クランク
シャフトの回転軸からｘ軸及びｙ軸の交点である原点に
向かう方向をｘ軸の正方向とした場合に、前記コントロールロッドの他端揺動中心が、前記x-y座
標軸系の第二象限に位置していることを特徴とする可変
ピストンストローク型内燃機関。
【請求項２】圧縮比とストローク量とをそれぞれ可変
制御するピストンストローク制御手段を備えた可変ピス
トンストローク型内燃機関であって、前記ピストンストローク制御手段が、高負荷・高回転時
には高圧縮比・長ストローク、高負荷・低回転時には低
圧縮比・長ストローク、低負荷時には、高圧縮比・短ス
トロークとなるように、圧縮比とストローク量とをそれ
ぞれ制御することを特徴とする可変ピストンストローク
型内燃機関。
【請求項３】前記制御手段が、エンジンブレーキ時に
は長ストロークとなるようにストローク量を制御するこ
とを特徴とする請求項２に記載の可変ピストンストロー
ク型内燃機関。
【請求項４】ピストンのストローク量を可変制御する
ピストンストローク制御手段を備えた可変ピストンスト
ローク型内燃機関であって、前記ピストンストローク制御手段が、エンジンブレーキ
による制動力が大きいほどストローク量を大きくする制
御を行うことを特徴とする可変ピストンストローク型内
燃機関。
【請求項５】揺動する前記コントロールロッドの揺動
中心となる前記他端揺動中心を円弧状に移動させる移動
アームをさらに備えており、前記他端揺動中心を前記移
動アームの一端側に連結し、前記他端揺動中心の円弧状
の移動軌跡の中心となる前記移動アームの支点部を前記
ｘ軸のｘ＞０の範囲内に配置したことを特徴とする請求
項１に記載の可変ピストンストローク型内燃機関。
【請求項６】前記他端揺動中心の円弧状軌跡上の往復
周期が、前記クランクシャフトの回転周期の二倍に設定
されており、吸気・圧縮時のピストンストローク量が膨
張・排気時のピストンストロークよりも小さくなるよう
になされていることを特徴とする請求項５に記載の可変
ピストンストローク型内燃機関。