JP2005291103A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】点火時期を遅角補正することなくノッキングの発生を抑制し、高い熱効率を得ることができるようにする。
【解決手段】クランク軸１の軸端と、クランク軸１に平行な従動側出力軸１１の軸端とに、互いに噛合すると共に位相を９０°ずらした楕円歯車１２，１３を軸着する。更にピストン３が上死点に有るとき楕円歯車１２の長軸Ｌ１がコンロッド２のほぼ延長上配列するように設定する。ピストン３は楕円歯車１２，１３の噛合により上死点を挟む前後において速くなるため、ノッキングの発生を有効に回避することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、上死点を挟む前後のピストン変位速度を速めてノッキングの発生を抑制する内燃機関に関する。

オットサイクル機関において、熱効率を上昇させて出力を向上させる手段として、圧縮比（≒膨張比）を高めることが知られているが、圧縮比を単に高くするだけでは、ノッキングの発生を招くことになる。特に、高負荷運転状態においては燃焼圧力が高くなるため、ノッキングを生じ易い。

そのため、一般には、点火時期を制御し、ノッキング発生を検知したときは、点火時期を直ちに遅角補正してノッキングの発生を防止するようにしている。しかし、点火時期を遅角させると、燃焼室内の最高燃焼圧力が低くなり、熱効率が低下し、その分、出力が低下する不都合がある。

その対策として、例えば特許文献１（特開平１１−２３６８３２号公報）には、クランク軸中心を回転方向とは逆方向へオフセットさせることで、圧縮行程のピストンの上昇速度を速めて、ノッキングの発生を回避する技術が開示されている。
特開平１１−２３６８３２号公報

特許文献１に開示されている技術では、圧縮行程におけるピストンの上昇速度を速めることで、燃焼室の容積変化速度を上昇させてノッキングの発生を抑制するようにしているが、膨張行程においてはピストン下降速度が逆に遅くなるため、燃焼室の容積変化速度が遅くなり、その分、ノッキングが発生し易くなる。

従って、膨張行程におけるノッキング対策として、点火時期を遅角する等の制御が必要となり、その分、熱効率が低下するため、より高い出力を得ることができない問題がある。

本発明は、上記事情に鑑み、点火時期を遅角補正することなくノッキングの発生を抑制し、高い熱効率を得ることで、より高い機関出力を得ることのできる内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明による内燃機関は、ピストンの上下運動により回転するクランク軸に連設する駆動側出力軸と該出力軸に平行な従動側出力軸とに、互いに噛合する駆動側非円形歯車と従動側非円形歯車とを軸着すると共に、上記駆動側非円形歯車の長軸側を上記コンロッドの略延長上に配列したことを特徴とする。

又、他の内燃機関は、ピストンの上下運動により回転するクランク軸に連設する駆動側出力軸と該出力軸に交差する方向へ配設した従動側出力軸とに、互いに噛合するカム部材を各々軸着すると共に、上記両カム部材のカムフェースにて上死点を挟む前後の上記ピストンの変位速度を速めることを特徴とする。

本発明によれば、点火時期を遅角補正することなくノッキングの発生を抑制し、高い熱効率を得ることで、より高い機関出力を得ることができる。

以下、図面に基づいて本発明の一形態を説明する。図１〜図３に本発明の第１形態を示す。図１は本形態で採用する内燃機関の概略構成図である。

同図の符号１は図示しないクランクケースに横設されて回動自在に支持されている、駆動側出力軸を兼用するクランク軸であり、このクランク軸１に設けたクランクピン１ａに、コンロッド２を介してピストン３が連設されている。

ピストン３はクランクケースに連結するシリンダブロック４に形成したシリンダに進退自在に挿通されている。シリンダブロック４の上面にはシリンダヘッド５が固設されおり、シリンダヘッド５とシリンダブロック４に形成したシリンダとピストン３とで区画された領域に燃焼室６が形成されている。又、シリンダヘッド５のほぼ中央に点火プラグ７が配設され、その発火部７ａが燃焼室６に臨まされている。

又、クランク軸１の出力端に、従動側出力軸１１が平行に配設され、この従動側出力軸１１に、変速機等を介して或いは直接的に、発電機、走行負荷等の負荷が印加される。

クランク軸１の出力端と従動側出力軸１１の入力端に、非円形歯車の一例である駆動側楕円歯車１２と従動側楕円歯車１３との軸芯部分が各々固定されている。尚、本形態は、駆動側出力軸がクランク軸１と兼用しているが、駆動側出力軸はクランク軸１と一体である必要はない。

両楕円歯車１２，１３は同一の形状を有している。両楕円歯車１２，１３は、長軸Ｌ１，Ｌ２と短軸Ｓ１，Ｓ２とを互いに直交する方向に位相をずらした状態で噛合されている。尚、本形態における楕円歯車１２，１３の最大角速度比は2.0に設定されている。

クランク軸１を回転させると、駆動側楕円歯車１２の短軸Ｓ１側が従動側楕円歯車１３の長軸Ｌ２側に、又、駆動側楕円歯車の短軸Ｓ１側が従動側楕円歯車１３の長軸Ｌ２側にそれぞれ噛合し、互いに軸間距離を一定に保持した状態で回転する。その際、両楕円歯車１２，１３の軸長さが連続的に変化するため、従動側楕円歯車１３を軸支する従動側出力軸１１が等速回転するので、クランク軸１は不等速で回転する。

図１に示すように、クランク軸１のクランクピン１ａは、駆動側楕円歯車１２の長軸Ｌ１側に設けられている。尚、図１はピストン３が上死点に位置している状態が示されている。

図２は従動側出力軸１１を等速回転させた場合の、横軸に下死点を０°としたときのクランク角度[ABDC deg]、縦軸に上死点を０[mm]したときのピストン３の変位量[mm]が示されている。

同図に実線で示すように、両楕円歯車１２，１３は９０°毎に短軸Ｓ１，Ｓ２と長軸Ｌ１，Ｌ２との噛合位置が連続的に切り替わるため、上死点（或いは下死点）を挟む前後において変位速度（＝変位量／クランク角度）が速くなり、上死点と下死点との中途における変位速度が緩やかになる。尚、破線で示す特性は、後述する第２形態によって得られたピストン変位速度であり、これについては後述する。

一方、符号２１は、マイクロコンピュータ等で構成された電子制御装置（ＥＣＵ）であり、入力側に、機関回転数センサにより検出したクランク軸１の回転数に基づく機関回転数信号、クランク角センサにより検出したクランク軸１の回転角に基づくクランク角信号、及び機関負荷信号等、内燃機関全体を制御するために必要なパラメータを表す信号が入力される。尚、機関負荷信号は、アクセル開度センサで検出したアクセル開度を示すアクセル開度信号、スロットル開度センサで検出したスロットル開度を示すスロットル開度信号等で代用することができる。又、機関回転数信号はクランク角信号に基づいて算出する場合もある。

ＥＣＵ２１では、入力された各種信号に基づいて、燃料噴射制御、点火時期制御等の内燃機関制御を行う。このうち、点火時期制御は、機関回転数信号と機関負荷信号とに基づき最適点火時期(ＭＢＴ: Minimum Advance for Best Torque)を設定し、最適点火時期となるクランク角に達したとき、点火プラグ７に対して点火信号を出力する。尚、この点火時期制御については後述する。

次に、このような構成による本形態の作用について説明する。内燃機関をクランキングすると、ＥＣＵ２１から点火プラグ７に対して所定のクランク角毎に点火信号が出力され、点火プラグ７の発火部７ａの火花放電により燃焼室６に供給されている混合気に点火され、機関が始動される。

内燃機関が始動すると、ピストン３の上下運動に伴いクランク軸１が回転し、その回転力が、クランク軸１の出力端に軸着されている駆動側楕円歯車１２を介して、従動側出力軸１１の入力端に軸着されている従動側楕円歯車１３に伝達され、この従動側楕円歯車１３を介して従動側出力軸１１が回転する。

この従動側出力軸１１には、変速機等を介し、或いは直接的に、走行負荷、発電機等の負荷が印加されている。

図１に示すように、ピストン３が上死点（或いは下死点）に有るとき、駆動側楕円歯車１２は長軸Ｌ１がコンロッド２に対してほぼ延長上に配列される。このとき、駆動側楕円歯車１２の短軸Ｓ１部分と、従動側楕円歯車１３の長軸Ｌ２側とが噛合されている。この状態から、従動側楕円歯車１３が、図１の矢印で示すように、時計回り方向へ回転すると、駆動側楕円歯車１２の従動側楕円歯車１３に対する噛合位置が次第に長くなり、相対的に従動側楕円歯車１３の駆動側楕円歯車１２に対する噛合位置が次第に短くなる。

このとき、従動側出力軸１１には負荷が印加されて、ほぼ等速回転しているため、図２に示すように、ピストン３の変位速度が、ピストン３の上死点（或いは下死点）を挟む前後においては速くなり、上死点と下死点との中途においては緩やかになる。

オットサイクル機関におけるノッキングの発生は、圧縮行程から燃焼工程へ移行する過程におけるピストンの変位速度を速めることで回避することができる。本形態では、一対の楕円歯車１２，１３を組み合わせて、上死点（或いは下死点）の前後においては、ピストン３の変位速度が速くなるように設定したので、ノッキングの発生を有効に回避することができる。その結果、相対的に圧縮比を高めることができ、点火時期を遅角補正することなく、より高い機関出力を得ることができる。

ところで、本形態では、ＥＣＵ２１において、機関運転に合わせて点火時期を制御している。ＥＣＵ２１において実行される点火時期制御は具体的には、図３に示す点火時期制御ルーチンに従って処理される。

このルーチンでは、先ず、ステップＳ１で機関回転数Ｎｅと機関負荷Ｌｏとを検出する。次いで、ステップＳ２へ進み、機関回転数Ｎｅと機関負荷Ｌｏとに基づき、点火時期テーブルを補間計算付きで参照して点火時期を設定する。

点火時期テーブルには、機関回転数Ｎｅと機関負荷Ｌｏとに基づき、燃焼ピークが圧縮上死点（ＴＤＣ）０〜圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）３０[クランク角度]になる点火時期を設定する。

そして、ステップＳ３へ進み、ステップＳ２で設定した点火時期を点火時期タイマにセットして、ルーチンを抜ける。

点火時期タイマはクランク角信号に基づき基準クランク角を検出したとき、計時が開始され、点火時期に達したとき、点火プラグ７に対して点火信号を出力する。すると、点火プラグ７の発火部７ａが火花放電されて、燃焼室６の混合気が着火して、燃焼される。

圧縮上死点近傍では、ピストン３の変位速度が一対の楕円歯車１２，１３の噛合により速められているので、圧縮比を高めてもノッキングが発生し難く、最適な点火時期を設定することができる。

又、図４は本発明の第２形態による内燃機関の概略構成図である。尚、図１と同一の構成部分については同一の符号を付して説明を省略する。

第１形態では、非円形歯車として楕円歯車を採用したが、本形態では非円形歯車として駆動側葉形歯車２２と従動側葉形歯車２３を採用したものである。尚、本形態では、両葉形歯車２２，２３の最大角速度比が1.5に設定されている。

非円形歯車として葉形歯車２２，２３を採用したことにより、図２に破線で示すように、第１形態の楕円歯車１２，１３に比し、上死点（或いは下死点）の前後における変位速度を若干緩やかにすることができる。

図５に、上述した第１形態、第２形態において、圧縮比を１４とし、熱発生開始クランク角度（点火時期に相当）に対する熱効率と、Livengood−Woo（Ｌ−Ｗ）積分値の計算値を通常の機関における場合の計算値と比較した特性を示す。尚、計算では燃焼期間が３０度、熱発生率パターンを三角形としている。通常Ｌ−Ｗ値が１を越えるとノッキングが発生する。従って、一般的な内燃機関では圧縮比を１０として、全区間においてＬ−Ｗ値が１以下となるように設定して、その区間内で熱効率が最もよい時期に点火時期を設定している。しかし、例えば圧縮比を１４とした場合、通常の機関では点火時期を上死点後５度以上遅らせた時期としなければノッキングの発生を回避することができないことが分る。

これに対し、第１形態の楕円歯車では点火時期を上死点前５度まで進角させてもノッキングの発生がないことが分る。また、この点火時期での熱効率は約４７％となり、通常機関（約４４％）に対し３％の熱効率の改善が見込まれる。

また、第２形態の葉形歯車でも点火時期を上死点前２度まで進角させてもノッキングの発生がないことが分る。また、この点火時期での熱効率は約４５％となり、通常機関（約４４％）に対し１％の熱効率の改善が見込まれる。

又、図６に本発明の第３形態による内燃機関の概略構成図を示す。上述した第１、第２形態では、一対の非円形歯車を用いてピストン３の変位速度を可変させたが、本形態では、カム部材の一例であるバレルカムを用いてピストン３の変位速度を、上死点（或いは下死点）を挟む前後においては速く、上死点と下死点との中途においては緩やかになるように設定したものである。

クランク軸１の軸端に固設した駆動側カム３２と、従動側出力軸１１に固設した従動側カムフォロワ３３とは、互い噛合するカムフェース３２ａ，３３ａの傾斜角によって変位速度を可変させるようにしたものである。

ピストン３の変位速度を三次元（立体）カムであるバレルカムを用いて可変させるようにしたので、クランク軸１と従動側出力軸１１とを直交（或いは公差）する方向に配列させることができる。

又、図７に本発明の第４形態による内燃機関の概略構成図を示す。上述した第３形態では、バレルカムを用いてピストン３の変位速度を可変させたが、本形態では、ローラカムを用いてピストン３の変位速度を、上死点（或いは下死点）を挟む前後においては速く、上死点と下死点との中途においては緩やかになるように設定したものである。

クランク軸１の軸端に固設した駆動側ローラカム４２と、従動側出力軸１１に固設した従動側カムフォロワ４３とは、互い噛合するカムフェース４２ａ，４３ａの傾斜角によって変位速度が可変され、これによって、ピストン３の変位速度を、上死点（或いは下死点）を挟む前後においては速く、上死点と下死点との中途においては緩やかになるように設定したものであり、その効果は、第３形態と同様である。

尚、本発明は上述した各形態に限るものではなく、ピストン３の変位速度を可変する機構は、内燃機関の内部或いは外部の何れに設けても良い。

第１形態による内燃機関の概略構成図 同、ピストンの変位量を示す特性図 同、点火時期制御ルーチンを示すフローチャート 第２形態による内燃機関の概略構成図 第１形態、第２形態、従来機関におけるＬ−Ｗ積分値、熱効率を示す図表 第３形態による内燃機関の概略構成図 第４形態による内燃機関の概略構成図

符号の説明

１…クランク軸、１ａ…クランクピン、２…コンロッド、３…ピストン、４…シリンダブロック、５…シリンダヘッド、６…燃焼室、７…点火プラグ、７ａ…発火部、１１…従動側出力軸、１２…楕円歯車、１３…従動側楕円歯車、２１…電子制御装置、２２ 駆動側両葉形歯車、２３…従動側葉形歯車、３２…駆動側カム、３２ａ，３３ａ、４２ａ，４３ａ…カムフェース、３３，４３…従動側カムフォロワ、４２…駆動側ローラカム、Ｌ１，Ｌ２…長軸、、Ｓ１，Ｓ２…短軸

代理人 弁理士 伊 藤 進

Claims (4)

1. ピストンの上下運動により回転するクランク軸に連設する駆動側出力軸と該出力軸に平行な従動側出力軸とに、互いに噛合する駆動側非円形歯車と従動側非円形歯車とを軸着すると共に、
   上記駆動側非円形歯車の長軸側を上記コンロッドの略延長上に配列した
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 上記両非円形歯車は楕円歯車であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 上記両非円形歯車は葉形歯車であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
4. ピストンの上下運動により回転するクランク軸に連設する駆動側出力軸と該出力軸に交差する方向へ配設した従動側出力軸とに、互いに噛合するカム部材を各々軸着すると共に、
   上記両カム部材のカムフェースにて上死点を挟む前後の上記ピストンの変位速度を速める
   ことを特徴とする内燃機関。

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