JP2006183462A - ブレイトンサイクル機関 - Google Patents

Abstract

【課題】シリンダ内を往復動するピストンを有し、ピストン上死点近傍で高圧の新気を供給して燃焼・膨張させるブレイトンサイクル機関において、上死点付近のピストン速度を変化させることによって、出力回転レンジを拡大する。
【解決手段】シリンダ３２３内を往復動するピストン３２２と、吸気系に設けられ、大気圧よりも高圧の空気をシリンダ３２３に供給する過給手段２と、シリンダ３２３に設けられ、ピストン３２２が上死点近傍にあるときに開閉して、過給手段２から供給される空気のシリンダ３２３への供給量を調整する吸気弁２１２と、機関運転状態を検出する運転状態検出手段５０と、検出した機関運転状態に基づいて、ピストン３２２の移動速度を変化させるピストン調整手段３０と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明はブレイトンサイクル機関に関する。

非特許文献１には、図１８に示すブレイトンサイクル（等圧燃焼サイクル）機関の一例が提案されている。この機関は、図中左バンクの気筒が圧縮専用気筒であり、右バンクの気筒が膨張専用気筒である。新気を圧縮専用気筒に吸気して圧縮ピストン(Compressor piston)で圧縮してから燃焼室(Combustion chamber)に導入する。そして燃焼室で燃料と混合して燃焼し、それによって生ずる燃焼圧力で膨張ピストン(Expander piston)を押し下げ、その力をクランクシャフトから出力する。
G.B.Warren and J.W.Bjerklie,"Proposed Reciprocating Internal Combustion Engine with Constant Pressure Combustion", SAE Paper No.690045, Automotive Engineering Congress, January 1969

ところで、このようなブレイトンサイクル機関は航空機では発展し普及しているものの自動車用の実用例は皆無である。その理由は圧縮後に燃焼したガスを膨張専用の気筒に導くまでの熱損失が大きく熱効率が低いからである。

これを避けるには、圧縮空気に燃料を供給して混合気を形成した後、右バンクの気筒に導入し、気筒内で燃焼させるとよい。しかし、このような場合には、給気弁の作動タイミングが適切でないと燃焼が遅れたり、逆火で上流側の混合気に火がつくという問題が生じる可能性がある。

また、圧縮されて高圧になった新気が直接燃焼室に導入されるので、負荷に応じて速やかにその導入量を制御する必要がある。新気導入量を制御するには、コンプレッサを出たあとで絞り弁を用いることが考えられる。しかしそのようにしては効率が低下する。またコンプレッサ上流で絞れば応答性が悪化する。

またシリンダ内を往復動するピストンを有し、ピストン上死点近傍で高圧の新気を供給して燃焼・膨張させるブレイトンサイクル機関においては、給気弁のリフト・作動角を運転状態に応じてフル可変可能とすることにより、出力回転レンジを拡大することができる。

しかし、ピストン上死点付近では、給気弁から供給される高圧の新気によって掃気、充填、混合気形成、点火が集中するので、出力回転レンジの拡大が困難であった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、上死点付近のピストン速度を変化させることによって、出力回転レンジを拡大することができるブレイトンサイクル機関を提供することを目的としている。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、シリンダ（３２３）内を往復動するピストン（３２２）と、吸気系に設けられ、大気圧よりも高圧の空気を前記シリンダ（３２３）に供給する過給手段（２）と、前記シリンダ（３２３）に設けられ、前記ピストン（３２２）が上死点近傍にあるときに開閉して、前記過給手段（２）から供給される空気のシリンダ（３２３）への供給量を調整する吸気弁（２１２）と、機関運転状態を検出する運転状態検出手段（５０）と、検出した機関運転状態に基づいて、前記ピストン（３２２）の移動速度を変化させるピストン調整手段（３０）と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、シリンダ内を往復動するピストンを有するブレイトンサイクル機関において、機関運転状態に基づいてピストンの移動速度を変化させるようにした。このようなブレイトンサイクル機関においては、上死点付近で、給気弁から供給される高圧の新気によって掃気、充填、混合気形成が行われ、さらに点火も行われる。このように行程の集中する上死点付近のピストン速度をピストン調整機構によって変化させることで、出力可能な回転速度を上げることができるのである。

以下では図面等を参照して本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。

図１は本発明によるブレイトンサイクル機関の一実施形態を示す図である。

ブレイトンサイクル機関１は、空気を、機関出力軸に連動して駆動される過給機（空気ポンプ）２で加圧してコレクタ３を介して吸気ポート１４からシリンダ３２３内に導入し、燃料噴射弁１３から噴射された燃料と混合して、混合ガスに点火装置（不図示）で点火して燃焼し、排ガスを排気ポート１５から排出する。なお吸排気を制御するためにシリンダヘッド１０には給気弁２１２及び排気弁２３２が設けられている。

ブレイトンサイクル機関においては、上述したように、ピストン上死点付近に、給気弁から供給される高圧の新気によって掃気、充填、混合気形成、点火が集中するので、上死点付近のピストン速度を低下させることで、出力回転レンジを拡大することができる。

そこで、本発明によるブレイトンサイクル機関１においては、上死点付近のピストン速度を変化させるためにピストン調整機構３０を用いた。また負荷に応じた新気導入及び給気弁の作動タイミングを図るために吸気弁可変機構２０を用いた。

また図１８のブレイトンサイクル機関のように、燃焼室に入る前に混合気を形成して点火しては冷却損失が増大し効率が低下する。また給気弁が高温の燃焼ガスに晒されるため、耐久信頼性が悪化する。

そこで、本発明では、給気弁２１２から筒内に流入した新気に燃料を直噴し、短時間で混合気を形成する。なお燃料噴射弁１３は図１に示すように吸気弁２１２と排気弁２３２の間に設けて吸気ポート１４と排気ポート１５の間に燃料を噴射するタイプであっても、図２に示すように吸気弁２１２の近傍に設けて吸気ポート１４の付近に燃料を噴射するタイプであってもよい。

以下では、本発明によるブレイトンサイクル機関１に用いる吸気弁可変機構２０及びピストン調整機構３０について説明する。

図３は、本発明によるブレイトンサイクル機関１に用いる吸気弁可変機構２０及びピストン調整機構３０の概略構成を示す図である。

吸気弁可変機構２０は、吸気弁２１２のリフト量を制御するリフト量制御アクチュエータ２１及び吸気弁の位相角を制御する位相角制御アクチュエータ２２を有する。

ピストン調整機構３０は、ピストン上死点位置を変化させて上死点付近のピストン速度を制御するピストン制御アクチュエータ３３１を有する。

エンジンコントローラ５０は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。エンジンコントローラ５０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。コントローラ５０は、クランク角センサの検出信号に基づいてエンジン回転数を演算し、エアーフローメータの検出信号に基づいて負荷を演算し、水温センサの検出信号に基づいて水温を検出し、筒内圧力センサにの検出信号に基づいて筒内圧を検出する。コントローラ５０は、このようにして演算又は検出した現在の機関運転状態に基づいて、吸気弁可変機構２０（リフト量制御アクチュエータ２１及び位相角制御アクチュエータ２２）、ピストン調整機構３０（ピストン制御アクチュエータ３３１）及び点火時期制御装置４０をコントロールする。

図４は吸気弁可変機構を示す図である。

可変動弁機構２０は、例えば特開平１１−１０７７２５号に開示された機構を用いることができる。これについて図４及び図５を参照して説明する。

可変動弁機構２０は、シリンダヘッドに摺動自在に設けられた吸気弁２１２と、シリンダヘッド上部に回転自在に支持された駆動軸２１３と、駆動軸２１３に固設された駆動カム２１５と、駆動軸２１３の上方位置に回転自在に支持された制御軸２１６と、制御軸２１６に制御カム２１７を介して揺動自在に支持されたロッカアーム２１８と、吸気弁２１２の上端部に伝達部材であるバルブリフタ２１９を介して配置された揺動カム２２０とを備える。また、駆動カム２１５とロッカアーム２１８とはリンクアーム２２５によって連係されている。ロッカアーム２１８と揺動カム２２０とは、リンク部材２２６によって連係されている。

駆動軸２１３は、機関前後方向に沿って配置されているとともに、一端部に設けられた従動スプロケット等を介して機関のクランク軸からトルクが伝達され、回転させられる。

図５は吸気弁可変機構の駆動軸方向視図である。

さらに詳細な構成について図５を参照しながら説明する。

ロッカアーム２１８は、中央に有する基部２１８ａが制御カム２１７に回転自在に支持されている。また、基部２１８ａの一端に突設された一端部２１８ｂには、ピン２２１を圧入するピン孔２１８ｄが貫通形成されている。基部２１８ａの他端に突設された他端部２１８ｃには、リンク部材２２６の一端部２２６ａと連結するピン２２８を圧入するピン孔２１８ｅが形成されている。

制御カム２１７は、円筒状であり、制御軸２１６の外周に固定されている。制御カム２１７の軸心Ｐ１の位置は、制御軸２１６の軸心Ｐ２からαだけ偏倚している。

揺動カム２２０には、駆動軸２１３が嵌挿されて回転自在に支持される支持孔２２２ａが貫通形成されている。また揺動カム２２０には、ロッカアーム２１８の他端部２１８ｃ側に位置するカムノーズ側の端部２２３にピン孔２２３ａが貫通形成されている。さらに揺動カム２２０の下面には、基円面２２４ａと、基円面２２４ａからカムノーズの先端縁側に円弧状に延びるカム面２２４ｂとが形成されており、基円面２２４ａとカム面２２４ｂとが、揺動カム２２０の揺動位置に応じてバルブリフタ２１９の上面所定位置に当接する。

リンクアーム２２５は、比較的大径な円環状の基部２２５ａと、基部２２５ａの外周面所定位置に突設された突出端２２５ｂとを備え、基部２２５ａの中央位置には、駆動カム２１５のカム本体２１５ａの外周面に回転自在に嵌合する嵌合孔２２５ｃが形成されている。また突出端２２５ｂには、ピン２２１が回転自在に挿通するピン孔２２５ｄが貫通形成されている。

リンク部材２２６は、両端部２２６ａ，２２６ｂにはロッカアーム２１８の他端部２１８ｃと揺動カム２２０の端部２２３の各ピン孔２１８ｅ，２２３ａに圧入したピン２２８，２２９の端部が回転自在に挿通するピン挿通孔２２６ｃ，２２６ｄが貫通形成されている。 なお、各ピン２２１，２２８，２２９の一端部には、リンクアーム２２５やリンク部材２２６の軸方向の移動を規制するスナップリングが設けられている。そして、リンク部材２２６と各ピン孔２１８ｅ，２２３ａに圧入したピン２２８，２２９とによって連係機構が構成されている。

制御軸２１６は、一端部に設けられたリフト量制御アクチュエータ２１によって所定回転角度範囲内で回転するように制御される。また駆動軸２１３は、一端部に設けられた位相角制御アクチュエータ２２によって所定回転角度範囲内で回転するように制御される。リフト量制御アクチュエータ２１及び位相角制御アクチュエータ２２は、機関の運転状態を検出するコントローラ５０からの制御信号によって駆動する。コントローラ５０は、クランク角センサの検出信号に基づいてエンジン回転数を演算し、エアーフローメータの検出信号に基づいて負荷を演算し、水温センサの検出信号に基づいて水温を検出する。コントローラ５０は、このようにして演算又は検出した現在の機関運転状態に基づいて、リフト量制御アクチュエータ２１及び位相角制御アクチュエータ２２に制御信号を出力する。

続いて可変動弁機構２０の作用を説明する。

まず、吸気弁のリフト量を小さくするときには、コントローラ５０からの制御信号によってリフト量制御アクチュエータ２１及び位相角制御アクチュエータ２２を一方に回転駆動する。すると図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、制御カム２１７は、軸心Ｐ１が制御軸２１６の軸心Ｐ２から右上方の回動位置に保持され、厚肉部２１７ａが駆動軸２１３から上方向に離間移動する。このため、ロッカアーム２１８は、全体が駆動軸２１３に対して上方向へ移動し、揺動カム２２０は、リンク部材２２６を介して端部２２３が強制的に若干引き上げられて全体が右方向へ回動する。

したがって、図６（Ａ）（Ｂ）に示すように駆動カム２１５が回転してリンクアーム２２５を介してロッカアーム２１８の一端部２１８ｂを押し上げると、そのリフト量がリンク部材２２６を介して揺動カム２２０及びバルブリフタ２１９に伝達されるが、そのリフト量は図６（Ｂ）に示すように比較的小さい。

したがって、このようにした場合には、図８に示すようにバルブリフト量が小さくなるとともに、吸気弁２１２の開時期が遅くなり、排気弁とのバルブオーバラップが小さくなる。このため、燃費の向上と機関の安定した回転を得られる。

一方、吸気弁のリフト量を大きくするときには、コントローラ５０からの制御信号によってリフト量制御アクチュエータ２１及び位相角制御アクチュエータ２２を反対方向に回転駆動する。すると図７（Ａ）（Ｂ）に示すように制御軸２１６が、制御カム２１７を図６に示す位置から時計方向に回転させ、軸心Ｐ１（厚肉部２１７ａ）を下方向へ移動させる。このため、ロッカアーム２１８は、今度は全体が駆動軸２１３方向（下方向）に移動して他端部２１８ｃが揺動カム２２０の上端部２２３をリンク部材２２６を介して下方へ押圧して揺動カム２２０全体を所定量だけ時計方向へ回動させる。

したがって揺動カム２２０のバルブリフタ２１９上面に対する下面の当接位置が図７（Ａ）（Ｂ）に示すように右方向位置に移動する。このため、図７に示すように駆動カム２１５が回転してロッカアーム２１８の一端部２１８ｂをリンクアーム２２５を介して押し上げると、バルブリフタ２１９に対するそのリフト量は図７（Ｂ）に示すように大きくなる。

したがって、このようにした場合には、図８に示すようにバルブリフト量も大きくなるとともに、吸気弁２１２の開時期が早くなるとともに閉時期が遅くなる。この結果、吸気充填効率が向上し、十分な出力を確保することができる。

図９はピストン調整機構を示す図である。

ピストン調整機構３０は、例えば特開２００１−２２７３６７号、特開２００１−３４２８５９号に開示された複リンク式ピストンストローク機構を使用することができる。これについて図９を参照して説明する。

このピストン調整機構において通常のクランク機構と異なる点は、ピストン３２２とクランクシャフト３２１がアッパリンク（第１リンク）３１１、ロアリンク（第２リンク）３１２の２つのリンクを介して連結され、さらにこのロアリンク３１２には、その挙動を制約するコントロールリンク（第３リンク）３１３が連結され、コントロールリンク３１３は偏心軸部３１５を有するコントロールシャフト３１４によって、その回転（揺動）中心を変えられる点にある。

さらに詳細に構造を説明すると、クランクシャフト３２１は、複数のジャーナル３２１ａとクランクピン３２１ｂとを有する。ジャーナル３２１ａは、シリンダブロック３２０の主軸受に回転自在に支持される。クランクピン３２１ｂは、ジャーナル３２１ａから所定量偏心しており、ここにロアリンク３１２が回転自在に連結されている。ロアリンク３１２は、二部材に分割可能に構成されているとともに、略中央の連結孔にクランクピン３２１ｂが嵌合している。

アッパリンク３１１は、下端側が連結ピン３２５によってロアリンク３１２の一端に回動可能に連結され、上端側がピストンピン３２４によりピストン３２２に回動可能に連結されている。ピストン３２２は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック３２０のシリンダ３２３内を往復動する。

コントロールリンク３１３は、上端側が連結ピン３２６によってロアリンク３１２の他端に回動可能に連結され、下端側がコントロールシャフト３１４の偏心軸部３１５を中心として回動可能になっている。

コントロールシャフト３１４はアクチュエータ３３１の先端に取り付けられたピニオン３３２によって回転させられる。コントロールシャフト３１４が回転すると偏心軸部３１５が上下動し、それにともないコントロールリンク３１３が上下動する。

図１０はピストン調整機構のピストン上死点位置の調整方法を説明する図である。図１０（Ａ）はピストン上死点位置が高圧縮比位置にある場合を示し、図１０（Ｂ）はピストン上死点位置が低圧縮比位置にある場合を示す。

ピストン３２２の上死点の位置を高めるには、図１０（Ａ）に示すように、アクチュエータ３３１を駆動してコントロールシャフト３１４の偏心軸部３１５を下げる。するとロアリンク３１２は時計回りに移動し、連結ピン３２５が上げられるので、ピストン３２２の上死点の位置が上昇し、ピストン上死点位置が高圧縮比位置となる。

ピストン３２２の上死点の位置を低めるには、図１０（Ｂ）に示すように、アクチュエータ３３１を駆動してコントロールシャフト３１４の偏心軸部３１５を上げる。するとロアリンク３１２は反時計回りに移動し、連結ピン３２５が下げられるので、ピストン３２２の上死点の位置が下降し、ピストン上死点位置が低圧縮比位置となる。

そして、各リンクのアライメントを選ぶことにより、図１１に示すようにピストンのストローク特性を単振動に近づけることができる。

そしてそのときのピストンストローク特性（図１２）を見ると、高圧縮比、低圧縮比のいずれの場合でも、ピストン調整機構は、従来クランク機構よりも上死点付近ではカーブの傾斜が緩く、下死点付近ではカーブの傾斜がきつい。したがって、ピストン加速度特性（図１３）を見ると、ピストン調整機構は、従来クランク機構と比べて、加速度変化のレンジは同等であるもののプラス側にシフトし、上死点付近では加速度の絶対値が小さくなり、下死点付近では加速度の絶対値が大きくなっている。加速度の絶対値を比較すると、上死点付近の加速度の絶対値は下死点付近の加速度の絶対値よりも小さい。

以上から、ピストン調整機構は、従来クランク機構に対して上死点付近では速度が低下させられ、下死点付近では速度が速められており、しかも上死点付近の速度が、下死点付近の速度よりも低下させられていることがわかる。上述の通り、シリンダ内を往復動するピストンを有し、ピストン上死点近傍で高圧の新気を供給して燃焼・膨張させるブレイトンサイクル機関においては、上死点付近で、給気弁から供給される高圧の新気によって掃気、充填、混合気形成が行われ、さらに点火も行われる。このように行程の集中する上死点付近のピストン速度をピストン調整機構によって低下させることで、出力可能な回転速度を上げることができるのである。

ピストン調整機構３０は以上の構成であり、以下では図１４を参照しながら作動について説明する。

＃１は排気行程の初期であり、ピストン下死点近傍で排気弁２３２が開き、ピストン３２２の上昇とともに筒内の既燃ガスが排出される。

＃２はピストン３２２が上死点近傍にきた状態で、排気弁２３２はまだ開いており、この状態で給気弁２１２が開き、高圧の新気を吸気ポート１４から筒内に導入開始する。これにより、排気が排気ポート１５から押し出される（掃気効果）。

＃３は給気が進行する状態で、排気弁２３２は閉じており、吸気ポート１４から筒内に高圧の新気が充填される。この充填が進行する過程で燃料が燃料噴射弁１３から噴射され（＃４）、点火されて燃焼が開始する。ここまでが上死点近傍で行なわれる。

その後ピストン３２２が下降し、膨張仕事を発生させ、ピストン３２２が下死点近傍に近づく（＃５）。

次にＰＶ線図に基づいて、機関の速度、負荷が異なるときの筒内圧力特性について説明する。

図１５は本発明によるブレイトンサイクル機関の低速・低負荷時のＰＶ線図である。なお縦軸は対数目盛である。また以下の説明で括弧内の数字は図１４に対応させるためのものである。

掃気期間（＃２〜＃３）においても、排気弁の開度が急速に減少するにつれて筒内の圧力は急激に上昇し、過給が開始される（＃３）。この過給は通常の４サイクルエンジンにおける圧縮行程の代わりとなるものである。なお過給機２の吐出圧力は、４〜５barなどの高い圧力になる。これは４サイクルエンジンの部分負荷の圧縮上死点前の筒内圧と同程度である。

筒内の空気充填量が所定レベルに達し、筒内圧力が所定圧に達したら燃料を噴射し（＃４−１）、混合気の形成が始まる。この間においても圧縮空気が給気弁（吸気ポート）から導入されつづける。

そして点火が行われ（＃４−２）、筒内の空気充填量が所定レベルに達したら、給気弁を閉じる（＃５）。このように空気充填量は給気弁の閉時期で制御する。

火炎伝播が進行して筒内圧力は急激に上昇する。ピストンはこの間に下降速度を早め、膨張仕事が出力される。排気弁は膨張行程の末期に開弁し（＃１）、サイクルが完結する。

次に図１６を参照して、低速・高負荷時のブレイトンサイクル機関の筒内圧力特性について説明する。

この場合は、給気弁の開弁時期を早め、閉弁時期を遅らせることで開弁期間を拡大する。また給気弁のリフトも増やす。このようにすることで、給気弁から流入する圧縮空気が増大し、筒内の最高圧が上昇し、高出力を得ることができる。また開弁時期を早めることで、掃気も効果的に行なわれる。

次に図１７を参照して、高速・高負荷時のブレイトンサイクル機関の筒内圧力特性について説明する。

低速時には、「排気（＃１）→掃気（＃２）→吸気（＃３）→燃料供給・点火（＃４）→燃焼・膨張（＃５）→排気（＃１）」の一連の過程が進行するのに十分な時間がある。しかし、高速になると「掃気（＃２）→吸気（＃３）→燃料供給・点火（＃４）」の過程を上死点近傍の限られたクランク角内で行なうことが困難になり、燃焼が終了するまでにピストンがかなり下降して、効率よく膨張仕事が取り出せなくなる。そのため、高速時にはさらに給気弁の開弁時期を早め、閉弁時期を遅らせることで開弁期間を拡大する。また給気弁のリフトも増やす。またそれに合わせて、ピストン調整機構３０でピストンの上死点位置を低位置に制御する。ピストン調整機構３０でピストンの上死点位置を低位置に制御すると、図１１に示したように、上死点付近でのピストン速度を下死点付近でのピストン速度に比べて遅くすることができる。したがって、上述のように行程の集中する上死点付近のピストン速度を低下させることで、出力可能な回転速度を上げることができる。

このように、要求出力が小さいときには、ピストン３２２の上死点位置を高位置に制御し、上死点位置での燃焼室容積を小さくする。すると給気弁２１２から充填される高圧の新気量が燃焼室容積に応じて少量となる。この状態で燃焼が開始し、膨張が始まる。このとき、上死点での燃焼室容積が小さいので、圧縮比はそれに略反比例して大きくなり、熱効率が向上し、良好な燃費を呈する。要求出力が大きくなるにつれて、ピストンの上死点位置を低位置に制御する。すると上死点位置での燃焼室容積が拡大し、給気弁から充填される高圧の新気量が、燃焼室容積に応じて増大し、高出力を得ることができる。

以上、詳細に述べたように本発明によれば、シリンダ内を往復動するピストンを有するブレイトンサイクル機関においては過給機（空気ポンプ）２で加圧されて高圧になった新気が直接燃焼室に導入されるので、負荷に応じて速やかにその導入量を制御する必要がある。そこで本発明では、吸気弁可変機構によって、機関速度が上がるほど吸気弁の開弁期間を拡大し、給気弁のリフトも増やすようにした。また負荷が増大するほど吸気弁の開弁期間を拡大し、給気弁のリフトも増やすようにして、速やかに新気導入量を制御するようにしたのである。

給気弁の開弁期間・リフトを拡大することで、給気弁から流入する圧縮空気が増大し、筒内の最高圧が上昇し、高出力を得ることができる。また開弁時期を早めることで、掃気も効果的に行なわれる。

またそれに合わせてピストンの上死点位置を低位置に制御するようにした。このようにすることで上死点位置での燃焼室容積が拡大し、給気弁から充填される高圧の新気量が、燃焼室容積に応じて増大し、高出力を得ることができる。またピストン調整機構３０でピストンの上死点位置を低位置に制御すると、上死点付近でのピストン速度を下死点付近でのピストン速度に比べて遅くすることができ、行程の集中する上死点付近のピストン速度を低下させることで、出力可能な回転速度を上げることができるのである。

このように本発明によれば、低負荷時の高燃費と、高負荷時の高出力との両立を図ることができるのである。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明と均等であることは明白である。

例えば、上記実施形態では、過給手段として、機関出力軸に連動して駆動される過給機（空気ポンプ）を例示したが、例えば、エンジンから排出される排ガスの圧力を利用して吸気を過給する装置であってもよい。

本発明によるブレイトンサイクル機関の一実施形態を示す図である。 燃料直噴機構の一例を示す図である。 本発明によるブレイトンサイクル機関に用いる吸気弁可変機構及びピストン調整機構の概略構成を示す図である。 吸気弁可変機構を示す図である。 吸気弁可変機構の駆動軸方向視図である。 吸気弁のリフト量を小さくしたときの可変動弁機構の最小揺動状態及び最大揺動状態を示す図である。 吸気弁のリフト量を大きくしたときの可変動弁機構の最小揺動状態及び最大揺動状態を示す図である。 吸気弁可変機構で調整した吸気弁のリフトと作動角との関係を示す図である。 ピストン調整機構を示す図である。 ピストン調整機構のピストン上死点位置の調整方法を説明する図である。 ピストン調整機構と単リンク式ピストンストローク機構とのピストンストローク特性を示す図である。 ピストン調整機構のピストンストローク特性を示す図である。 ピストン調整機構のピストン加速度特性を示す図である。 ピストン調整機構の作動について示す図である。 本発明によるブレイトンサイクル機関の低速・低負荷時のＰＶ線図である。 本発明によるブレイトンサイクル機関の低速・高負荷時のＰＶ線図である。 本発明によるブレイトンサイクル機関の高速・高負荷時のＰＶ線図である。 従来のブレイトンサイクル機関の一例を示す図である。

符号の説明

１ ブレイトンサイクル機関
２ 過給機（過給手段）
１３ 燃料噴射弁
１４ 吸気ポート
１５ 排気ポート
２０ 吸気弁可変機構（吸気弁可変手段）
２１ リフト量制御アクチュエータ
２２ 位相角制御アクチュエータ
２１２ 給気弁
２１３ 駆動軸
２１５ 駆動カム
２１６ 制御軸
２１７ 制御カム
２１８ ロッカアーム
２１９ バルブリフタ
２２０ 揺動カム
２２５ リンクアーム
２２６ リンク部材
２３２ 排気弁
３０ ピストン調整機構
３１１ アッパリンク（第１リンク）
３１２ ロアリンク（第２リンク）
３１３ コントロールリンク（第３リンク）
３１４ コントロールシャフト
３１５ 偏心軸部
３２１ クランクシャフト
３２２ ピストン
３２３ シリンダ
３３１ ピストン制御アクチュエータ

Claims (13)

1. シリンダ内を往復動するピストンと、
   吸気系に設けられ、大気圧よりも高圧の空気を前記シリンダに供給する過給手段と、
   前記シリンダに設けられ、前記ピストンが上死点近傍にあるときに開閉して、前記過給手段から供給される空気のシリンダへの供給量を調整する吸気弁と、
   機関運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   検出した機関運転状態に基づいて、前記ピストンの移動速度を変化させるピストン調整手段と、
   を備えるブレイトンサイクル機関。
2. 前記ピストン調整手段は、前記ピストンの上死点位置を変化させて上死点付近のピストン速度を変化させる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のブレイトンサイクル機関。
3. 前記ピストン調整手段は、ピストンの上死点位置付近の速度の絶対値が下死点付近の速度の絶対値と略同等となるように、又はピストンの上死点位置付近の速度の絶対値が下死点付近の速度の絶対値よりも小さくなるように、ピストン速度を変化させる、
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のブレイトンサイクル機関。
4. 前記ピストン調整手段は、運転状態検出手段で検出した負荷が高負荷であるほど、ピストンの上死点位置付近の速度を低下させる、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のブレイトンサイクル機関。
5. 前記ピストン調整手段は、運転状態検出手段で検出した負荷が高負荷であるほど、ピストンの上死点位置付近の速度を低下させることで、出力回転レンジを拡大する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のブレイトンサイクル機関。
6. 前記ピストン調整手段は、前記ピストンの上死点位置を低下させることで上死点付近のピストン速度を低下させる、
   ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載のブレイトンサイクル機関。
7. 前記ピストン調整手段は、前記ピストンのストローク特性をクランク角度に対して略単振動とする、
   ことを特徴とする請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載のブレイトンサイクル機関。
8. 前記ピストン調整手段は、
   一端が前記ピストンにピストンピンを介して連結される第１リンクと、
   一端が前記第１リンクの他端に連結されるとともに、クランクシャフトに回転自由に装着される第２リンクと、
   一端が前記第２リンクの他端に連結される第３リンクと、
   回転中心軸に対して偏心した偏心軸部を有し、その偏心軸部に前記第３リンクの他端を揺動自由に連結するコントロールシャフトと、
   を備え、
   機関運転状態に基づいて、前記コントロールシャフトを回転して前記偏心軸部を上下動することで前記ピストンの上死点位置付近の速度を変化させる、
   ことを特徴とする請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のブレイトンサイクル機関。
9. 前記ピストンの上死点位置付近の速度に応じて、前記吸気弁のリフト又は作動角を変化させる吸気弁可変手段を有する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載のブレイトンサイクル機関。
10. 前記吸気弁可変手段は、前記ピストンの上死点位置付近の速度が遅いほど作動角又はリフトが大きくなるように制御する、
    ことを特徴とする請求項９に記載のブレイトンサイクル機関。
11. 前記吸気弁可変手段は、
    クランクシャフトと平行に設けられた駆動軸と、
    前記駆動軸に設けられ、その駆動軸によって回転駆動される駆動カムと、
    駆動カムに摺動可能に装着されるリンクアームと、
    駆動軸に平行に設けられた制御軸と、
    前記制御軸に設けられ、その制御軸によって回転駆動される制御カムと、
    前記制御カムに装着され、一端が前記リンクアームに連設されるロッカーアームと、
    一端が前記ロッカーアームの他端に連結されたリンク部材と、
    駆動軸に回転自由に装着され、前記リンク部材の他端に連設され、そのリンク部材によって揺動駆動され、吸気弁をリフトさせる揺動カムと、
    を有し、
    前記制御軸の制御カムの角位置を変化させることによって、少なくとも前記吸気弁の作動角又はリフトを制御する、
    ことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載のブレイトンサイクル機関。
12. 前記過給手段は、機関駆動軸に連動して駆動される空気ポンプである、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載のブレイトンサイクル機関。
13. 燃焼室内に燃料を直噴する燃料噴射弁を有する、
    ことを特徴とする請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載のブレイトンサイクル機関。