JP2008115828A - レシプロ式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 リンク支持部２６を高速で安定して往復直線移動させる。
【解決手段】 ピストン１２とクランクピン２２とを連係する２つのリンク２３，２４の一方に制御リンク２５を連結し、この制御リンク２５のリンク支持部２６の位置をアクチュエータ２７により変更することによって、ピストン１２のピストンモーションを変更可能である。支持部変更モードでは、ピストン１２の各サイクル中における所定の作動期間毎に、リンク支持部２６を、クランクシャフト１１の軸方向に垂直な面内における所定の直線方向Ｌ１に沿って往復移動させることで、上記作動期間におけるピストンモーションを変化させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリンダ内をピストンが往復動するレシプロ式内燃機関に関し、特に、ピストンモーションを変更可能な内燃機関に関する。

特許文献１には、シリンダ内を往復動するピストンとクランクシャフトのクランクピンとを複数のリンクにより連係し、これら複数のリンクの一つに連結された制御リンクのリンク支持部の位置をアクチュエータにより変更することによって、上記ピストンのピストンモーションの変化を伴って、機関圧縮比を可変とするレシプロ式内燃機関が記載されている。

この特許文献１では、機関運転状態に応じた圧縮比とストローク量とが得られるように、具体的には高負荷・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、リンク支持部の位置が制御される。つまり、この特許文献１では、一定の機関運転状態の下では、リンク支持部の位置が機関運転状態に応じた圧縮比とストローク量とが得られる位置に保持・固定されている。
特開２００３−２０１８７５号公報

ピストンの各サイクル中の所定のクランク角である作動期間毎に、リンク支持部をアクチュエータによって高速に駆動することによって、各サイクルにおけるピストンモーションを適正化し、機関運転性能を向上することが可能である。例えば４サイクル内燃機関における膨張行程におけるピストン速度を高速化して膨張行程でのクランク角を短くすることによって、冷却損失を低減し、燃費性能の向上を図ることができる。

しかしながら、このように１サイクル中の作動期間毎にアクチュエータによってリンク支持部を移動させるためには、リンク支持部を極めて高速で動作させる必要があり、アクチュエータによるリンク支持部の移動方向や移動範囲によっては実現が困難となる。上記の引用文献１では、各サイクルの所定の作動期間毎にリンク支持部を高速に駆動することについては何ら考慮されていない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、シリンダ内を往復動するピストンとクランクシャフトのクランクピンとを連係する複数のリンクと、これら複数のリンクの一つに連結された制御リンクと、この制御リンクのリンク支持部の位置を変更・保持するアクチュエータと、このアクチュエータの動作を制御して上記ピストンのピストンモーションを変更する制御部と、を有するレシプロ式内燃機関であって、支持部変更モードでは、ピストンの各サイクル中における所定の作動期間毎に、上記リンク支持部を、クランクシャフトの軸方向に垂直な面内における所定の直線方向に沿って往復移動させることで、上記作動期間におけるピストンモーションを変化させることを特徴としている。

本発明によれば、支持部変更モードにおいてピストンの各サイクル中における所定の作動期間毎にリンク支持部を移動させることにより、１サイクル中の特定の作動期間のピストンモーションを変化させることができる。これによって、例えば１サイクルが膨張・排気・吸気・圧縮の４行程から構成される４サイクルの内燃機関で、膨張行程の短縮化による冷却損失の低減化や吸入行程の短縮化による吸気慣性効果の向上による吸入空気量増加等、各ストローク中におけるピストンモーションを機関運転状態に応じて適正化することが可能となる。

そして本発明では、アクチュエータにより高速で動作させる必要のある、上記支持部変更モードにおける各サイクルの所定の作動期間毎のリンク支持部の移動を、クランクシャフトの軸方向に垂直な面内における所定の直線方向に沿う往復移動としている。これにより、リンク支持部の移動に伴う摩擦力を低減できるとともに、ピストンモーションの変化幅に対応するリンク支持部の変位を抑制できるために、支持部変更モードにおいてもリンク支持部を安定して高速に変位させることが可能となる。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して詳細に説明する。図１を参照して、この内燃機関は、膨張・排気・吸気・圧縮の４行程を１サイクルとする４サイクル・火花点火式のレシプロ式内燃機関である。シリンダブロック１０には、機関出力軸としてのクランクシャフト１１が回転可能に支持されているとともに、ピストン１２が往復動可能に嵌合する複数のシリンダ（気筒）１３が形成されている。このシリンダブロック１０の上部に固定されるシリンダヘッド１４には、ピストン１２の冠面との間にペントルーフ型の燃焼室１５が形成されるとともに、吸気ポート１６を開閉する吸気バルブ１７と、排気ポート１８を開閉する排気バルブ１９とが設けられ、かつ、燃焼室１５内の混合気を火花点火する点火プラグ２０が設けられる。また、図示していないが、燃焼室１５又は吸気ポート１６へ燃料を噴射する燃料噴射弁が設けられている。

複リンク式ピストン−クランク機構２１は、各ピストン１２とクランクシャフト１１のクランクピン２２とを複数のリンク２３，２４により連結し、これら複数のリンク２３，２４の一つに連結された制御リンク２５のリンク支持部２６の位置をアクチュエータ２７により変更することによって、ピストン１２のピストンモーションを変更可能なものである。より具体的には、複リンク式ピストン−クランク機構２１は、クランクピン２２に回転可能に取り付けられるロアリンク２３と、このロアリンク２３とピストン１２とを連結するアッパリンク２４と、一端がロアリンク２３に回転可能に連結された制御リンク２５と、を有し、この制御リンク２５の他端に上記のリンク支持部２６が設けられる。ピストン１２とアッパリンク２４の上端とはピストンピン２８により連結されており、アッパリンク２４の下端とロアリンク２３とは第１連結ピン２９により連結されており、ロアリンク２３と制御リンク２５の一端とは第２連結ピン３０により連結されている。ロアリンク２３は、機構的には、第１連結ピン２９と第２連結ピン３０を結ぶ第１アーム３１と、第１連結ピン２９とクランクピン２２とを結ぶ第２アーム３２と、第２連結ピン３０とクランクピン２２とを結ぶ第３アーム３３と、を有している。上記アクチュエータ２７は、この例では各気筒１３毎にそれぞれ設けられている。

ここで、図２に示すように、リンク機構的に、クランクシャフト１１の軸中心を原点（０，０）とし、シリンダ軸方向と平行にｙ軸をとり、スラスト・反スラスト方向と平行にｘ軸をとった座標系とした場合のクランクピン２２の位置を（ｘ１，ｙ１）、第２連結ピン３０の位置を（ｘ２，ｙ２）、第１連結ピン２９の位置を（ｘ３，ｙ３）、ピストンピン２８の位置を（ｘ４，ｙ４）、リンク支持部２６の位置を（ｘｃ，ｙｃ）、クランクシャフト１１の回転中心からクランクピン２２までのリンク長をＬ１、第３アーム３３のリンク長をＬ２、制御リンク２５のリンク長をＬ３、第１アーム３１のリンク長をＬ４、第２アーム３２のリンク長をＬ５、アッパリンク２４のリンク長をＬ６、クランクシャフトの回転角つまりクランク角をθと定義すると、以下の式が成立する。

以上より、リンク長Ｌ１〜Ｌ６とピストン１２のｘ軸方向位置ｘ４が設計値の仕様によって決められる値であるとすると、リンク支持部２６の位置（ｘｃ，ｙｃ）により、ピストン１２のｙ軸方向位置ｙ４を自由に変化させることが可能であるといえる。

基本的には、クランク角θが一定の角速度で回転・変化する場合に、ピストン１２の変位に対応するｙ軸方向位置ｙ４のモーションが正弦波となるように、つまりピストンモーションが単振動となるように、リンク長Ｌ１〜Ｌ６及びリンク支持部２６の初期位置（ｘｃ，ｙｃ）を設計すると良い。これにより、最も一般的であるピストンとクランクピンとを一本のコネクティングロッドにより連結した単リンク式ピストン−クランク機構でのピストンモーションに比して、その振動成分を著しく低減することができる。

後述する支持部変更モードにおいては、ピストン１２の各サイクル中の所定のクランク角である作動期間ΔＳ（図４（ｂ）等参照）毎に、リンク支持部２６を、クランクシャフト１１の軸方向に垂直な面（図１の紙面と平行な面）内における所定の直線方向Ｌ１（図１参照）に沿って往復直線駆動するように構成されている。このように、１サイクルにおける所定の作動期間ΔＳのピストンモーションを変化させることによって、後述するように、例えば膨張行程の短縮化による冷却損失の低減化や吸入行程の短縮化による吸気慣性効果の向上による吸入空気量増加等、各ストローク中におけるピストンモーションを機関運転状態に応じて適正化することが可能となる。

そして、アクチュエータ２７により高速で動作させる必要のある、上記支持部変更モードにおける各サイクルの所定の作動期間ΔＳ毎のリンク支持部２６の移動を、クランクシャフト１１の軸方向に垂直な面内における所定の直線方向Ｌ１に沿う往復移動としている。これにより、リンク支持部２６の移動に伴う摩擦力を低減できるとともに、ピストンモーションの変化幅に対応するリンク支持部２６の変位を抑制できるために、支持部変更モードにおいてもリンク支持部２６を安定して高速に変位させることが可能となる。

ここで、２つの剛体間に潤滑油が供給された流体潤滑状態では、荷重及び潤滑油粘度からなる係数Ｋが一定であるとすると、２つの剛体間に働く摩擦力Ｆは剛体間の相対速度Ｖより次式となる。

[数２]
Ｆ＝ＫＶ
この［数２］より、２つの剛体間の相対速度とその剛体間に働く摩擦力は比例の関係となる。仮にリンク支持部２６が曲線的に移動する場合には、本実施例のように直線的に移動する場合に比して、所望地点までの移動距離が大きくなるとともに相対速度も大きくなるため、その摩擦力が大きくなる。また、本実施例のように直線的に移動する場合には、曲線的に移動する場合に比して、所望のピストンモーションの変化幅（変位量）を得るために必要なリンク支持部２６の移動距離・変位量を小さく抑制することができ、あるいはピストンモーションの変化幅を大きく確保することが可能である。

アクチュエータ２７には電気制御されるリニアモータ（線形誘導電動機）を利用したリニアアクチュエータを用いるのが良い。例えば、シリンダブロック１０の内面に固定される直線状の固定子としてのガイドレール３４と、このガイドレール３４に往復直線移動可能に支持されて、このガイドレール３４上を走行する可動子としてのリンク支持部２６と、にそれぞれ電機子と界磁とが設けられ、リンク支持部２６には誘導電流等を供給するためのケーブル３５が接続されている。このようなリニアアクチュエータ２７により運転条件や回転数に応じたピストンモーションを素早く正確に変更することが可能となり、エンジンの高速回転時においてもリンク支持部２６を正確に動作させることができ、容易に高速化及び高精度化が実現できる上、リンク支持部２６の摩擦を低減することができる。

但し、このようなリニアアクチュエータ２７に代えて、油圧を制御する電磁弁と、油圧で動作する油圧ピストンと、で構成される油圧アクチュエータを適用しても良い。このような電磁弁により油圧を制御して油圧ピストンによりリンク支持部を直動させる油圧アクチュエータを用いることで、低コスト化を図ることができるとともに、大きなトルクでの動作を安定して行うことが可能となる。

また、アクチェエータとして磁気粘性流体を利用する構造としても良い。つまり、リンク支持部２６の動作方向の速度を抑えるように磁気粘性流体を連結し、リンク支持部２６に加わる力でリンク支持部２６のモーションを変化させる。運転条件により電磁石に流す電流値を変化させて、その粘性を変化させることで、ピストンモーションを切り替えることが可能である。この場合、機構が単純であり低コスト化を図ることができる。

吸気バルブ１７や排気バルブ１９のバルブリフト特性を変更する可変動弁機構として、好ましくは、吸気バルブや排気バルブの作動中心角（クランク角に対する中心位相）を遅進させるバルブタイミング変更機構ＶＴＣや、吸気バルブや排気バルブのバルブリフト量（及び作動角）を連続的に変化させるバルブリフト変更機構ＶＥＬが設けられる。

制御部４０は、各種制御処理を記憶・実行する機能を有するデジタルコンピュータシステムであり、クランク角センサ（図示省略）等の各種センサ類から検出される機関運転状態に基づいて、上記アクチュエータ２７の他、ＶＴＣやＶＥＬに制御信号を出力し、その動作を制御する。

図２を参照して、クランク角θにおける連結ピン位置（ｘ２（θ）、ｙ２（θ））とリンク支持部２６の位置（ｘｃ（θ）、ｙｃ（θ））とを通る方向にＨ軸をとり、このＨ軸に対して垂直方向で、かつ、位置（ｘｃ（θ）、ｙｃ（θ））を通る方向を（Ｈ軸の正方向を上方向とした場合に右方向を正方向とする）Ｖ軸として、リンク支持部２６の移動方向をＶ軸の正方向と定義する。つまり、このＶＨ座標系は、リンク支持部２６を原点とし、制御リンク２５に沿う方向をＨ軸とし、このＨ軸に直交するとともにリンク支持部２６の移動方向を正方向とするＶ軸を有している。

このＶＨ座標系で、微小時間後つまりリンク支持部２６の微少変位後のクランク角θ＋δθでのリンク支持部２６の位置が、第１象限（θ）Ｐ１内となるよう、その動作方向を設計すると、図３に示すように、リンク支持部２６の速度変化量（δＶｘｃ，δＶｙｃ）が大きいほど、リンク支持部２６の動作によるピストンのｙ軸方向速度の増加量δＶｙ４が大きくなる関係が得られる。この場合、ピストン行程角度を変更する際のリンク支持部２６の速度が小さくなるため、リンク支持部２６及びそのアクチュエータ２７へ作用する摩擦力を低減できるとともに、ピストンモーションの変化幅を大きく取れる。しかしながら、クランク角（θ＋δθ）でのリンク支持部２６の位置がＶＨ座標系の第２象限（θ）Ｐ２内となる場合には、リンク支持部２６の速度増加量に対してピストンに逆方向の速度が発生するため、効率的にピストンの速度を増加させることができない。また、図３に示すように、リンク支持部２６の往復動作において、速度の符号が反転する（負となる）領域βではリンク支持部２６の位置をＶＨ座標系の第１象限にすることができない。従って、膨張速度の高速化を重視する場合には、リンク支持部２６がｙ軸の正方向（つまりピストンの下降方向）へ動作しているときに、リンク支持部２６の微少変位後の位置がＶＨ座標系の第１象限内となるように、その動作方向を設計すると良い。また、アクチュエータ２７によるリンク支持部２６の動作時に、このリンク支持部２６の微少変位後のＶ軸方向と制御リンクの腕Ｌ３とのなす角が９０度を維持するように設定することで、リンク支持部２６の位置を常にＶＨ座標系の第１象限Ｐ１内に良好に維持することが可能となる。

図４，図５及び図７は、ピストン１２の１サイクル（７２０ＣＡ）における、ピストン１２の位置すなわちピストンモーション（ａ）と、リンク支持部２６の速度（ｂ）と、吸気バルブ１７及び排気バルブ１９の動作すなわちバルブモーション（ｃ）と、を示している。また、図中の一点鎖線で示す特性は、ピストン１２が正弦波状のモーションとなるようにリンク支持部２６の位置を固定した支持部初期モードの特性を示しており、実線で示す特性は、リンク支持部２６を１サイクル中における所定の作動期間ΔＳ毎に往復直線移動させる支持部変更モードの特性を示している。

図４は、支持部変更モードの一例として、膨張行程を吸気行程よりも短くする短膨張モードを示している。この短膨張モードでは、膨張行程から排気行程の前半にかけての作動期間ΔＳに、リンク支持部２６をシリンダ軸方向に平行な直線方向Ｌ１（図１参照）に沿って往復直線移動（直動）させることで、膨張行程におけるピストン行程角度を短くしている。すなわち図４（ｂ）に示すように上記の作動期間ΔＳにリンク支持部２６にシリンダ軸方向に平行な方向Ｌ１の速度を与えている。より具体的には、リンク支持部２６の移動速度が速いほど、ピストン行程角度が小さくなることに着目し、膨張行程の開始直後からリンク支持部２６に対してｙ軸正方向（つまり、ピストン上昇方向）の速度を急激に大きく与え、リンク支持部２６が最も上昇した時点からリンク支持部２６に対してｙ軸負方向（つまり、ピストン下降方向）の速度を緩やかに与えている。これによって、図４（ａ）に示すように、この短膨張モードでは支持部初期モードに比して、特に膨張行程の開始直後にピストン１２が素早く下降するために、膨張行程のピストン行程角度が短くなり、冷却損失を低減して内燃機関の熱効率を向上することができる。

更に、この短膨張モードでは、膨張行程の短縮化に応じて続く排気行程が進角側に増大することとなる。従って、図４（ｃ）に示すように、排気行程の増加に応じて上記ＶＴＣにより排気バルブの作動角を進角することによって、排気行程中に排気バルブが開いている期間を有効に増大することができ、ポンプ損失を低減して熱効率を向上することができる。

図５は、支持部変更モードの他の例として、吸気行程を膨張行程よりも短くする短吸気モードを示している。この短吸気モードでは、吸気行程から圧縮行程の前半にかけての作動期間ΔＳに、リンク支持部２６をシリンダ軸方向に平行な直線方向Ｌ１に沿って往復直線移動させることで、吸気行程におけるピストン行程角度を短くしている。すなわち図５（ｂ）に示すように、吸気行程においてリンク支持部２６にシリンダ軸方向に平行な方向Ｌ１の速度を与えている。より具体的には、吸気行程の開始直後からリンク支持部２６に対してｙ軸正方向（つまり、ピストン上昇方向）の速度を急激に大きく与え、リンク支持部２６が最も上昇した時点からリンク支持部２６に対してｙ軸負方向（つまり、ピストン下降方向）の速度を緩やかに与えている。これによって、図５（ａ）に示すように、この短吸気モードでは支持部初期モードに比して、特に吸気行程の開始直後にピストン１２が素早く下降して、吸気行程のピストン行程角度が短くなり、吸気慣性効果により吸入空気量が増加して出力トルクを向上することができる。

更に、この短吸気モードでは、吸気行程の短縮化に応じて続く圧縮行程が進角側に増大することとなる。従って、図５（ｃ）に示すように、圧縮行程の増加に応じて上記ＶＴＣにより吸気バルブの中心角を進角することによって、圧縮行程中に吸気バルブが開いている期間を有効に拡大し、吸入空気量を増加して出力トルクを向上することができる。

ここで、上記図４及び図５の例のように、リンク支持部２６の移動方向を、シリンダ軸方向に平行な方向Ｌ１に設定した場合の作用効果について、図１及び図６を参照して説明する。上記方向Ｌ１に設定した場合、図６に示すように、燃焼圧に起因してリンク支持部２６に加わる力のｙ軸方向成分Ｆｙはｘ軸方向成分Ｆｘよりも遥かに小さくなり、かつ、上記ｘ軸方向成分Ｆｘは図１に示すようにガイドレール３４を介してシリンダブロック１０の内壁により良好に受け止めることができるので、リンク支持部２６を駆動するアクチュエータ２７の負荷を有効に軽減することができる。更に、リンク支持部２６の動作方向がシリンダ軸方向と平行な方向Ｌ１である場合、図１に示すようにシリンダブロック１０下部の内壁に沿ってガイドレール３４を固定的に設けることでができ、期間搭載性に優れるとともに、内燃機関全体の大きさをシリンダ軸方向や垂直方向へ拡大する必要がなく、内燃機関をコンパクトに構成することができる。

図７は、支持部変更モードの一例として、各サイクルの膨張行程前半のピストンの下降速度を遅くして、ピストンの圧縮上死点からの下降直後の動作を緩慢にする低速膨張モードを示している。この低速膨張モードでは、リンク支持部２６の移動方向がシリンダ軸方向に対して傾斜する方向に設定されており、かつ、リンク支持部２６の作動期間ΔＳが膨張行程に対応して設定されている。より具体的には、リンク支持部２６に対し、膨張行程の前半では、ｘ軸正方向・ｙ軸負方向の速度を与え、膨張行程の後半では、ｘ軸負方向・ｙ軸正方向の速度を与えている。なお、ｙ軸方向の速度の大きさがｘ軸方向の速度の大きさよりも大きく設定されている。このような設定により、低速膨張モードでは、燃焼による筒内圧が非常に高い圧縮上死点直後、つまり膨張行程前半のピストン速度を遅くして、その容積増加量を減少することによって、等容度を向上することができる。

更に、図７（ｃ）に示すように、この低速膨張モードでは上記ＶＥＬにより排気バルブ１９のリフト量を大きくすることで、ポンプ損失を低減し、熱効率を向上することができる。

図８は、上記制御部４０により記憶・実行される制御内容を簡略的に示すブロック図である。同図に示すように、ピストン目標速度算出部Ｂ８０１ではエンジン回転数及び運転条件からピストン目標速度が算出され、リンク支持部速度算出部Ｂ８０２ではピストン目標速度とクランク角からリンク支持部２６の目標速度が算出され、速度制御部Ｂ８０３では、リンク支持部２６の目標速度へ向けてリンク支持部２６の速度制御が行われる。また、エンジン回転数及び運転条件からバルブマップＢ８０４を参照して目標吸排バルブタイミング及び目標バルブリフト量が算出される。

図９は、図８のバルブマップＢ８０４の一例として、主としてポンプ損失低減を狙った場合の例を示している。エンジンの高回転領域及び高負荷領域では、筒内圧が急激に変化するため、エンジン回転数及び負荷に応じて、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示すように排気バルブ１９や吸気バルブ１７の中心角を進角させ、図９（ｃ）及び図９（ｄ）に示すように排気バルブ１９や吸気バルブ１７のバルブリフト量を大きくすることで、ポンプ損失の低減を図ることができる。

図１０は、図８のリンク支持部速度算出部Ｂ８０２の処理内容を示すブロック図である。リンク支持部２６は直線的に動作するため、リンク支持部２６のｘ軸方向速度Ｖｘｃと、ｙ軸方向速度Ｖｙｃと、の比は一定値となる。この速度比αを方向係数と定義すると、リンク支持部速度算出関数Ｂ１００１では方向係数αとクランク角θとピストン速度目標値Ｖｙ４とに基づいてリンク支持部２６の一次目標速度が算出される。そして、摩擦・弾性力補正マップＢ１００２を用いてリンク支持部２６の一次目標速度に対して摩擦力及び弾性力の補正を行うことで、リンク支持部２６の目標速度Ｖｘｃ，Ｖｙｃが算出される。

上記のリンク支持部速度算出関数Ｂ１００１は、リンク長Ｌ１〜Ｌ６、ピストンのｘ軸方向位置ｘ４を定数とし、上記の［数１］よりクランク角θ、ピストン速度目標値Ｖｙ４、方向係数αを用いて次式となる。

この［数３］よりリンク支持部一次目標速度が算出される。摩擦・弾性力補正マップＢ１００２においては、機構の摩擦力、弾性力のデータを実験的に計測しマップ作成を行うのが望ましい。

図１１は、図８の速度制御部Ｂ８０３の処理内容を示すブロック図である。適宜な速度センサやエンコーダ等によってリンク支持部２６の現在の実速度（Ｖｘｃｒ，Ｖｙｃｒ）を検出し、この実速度（Ｖｘｃｒ，Ｖｙｃｒ）をフィードバックしてリンク支持部２６の操作量を求める。つまり、減算器Ｂ１１０１では、上記実実速度（Ｖｘｃｒ，Ｖｙｃｒ）とリンク支持部２６の目標速度（Ｖｘｃ，Ｖｙｃ）との誤差（偏差）を求め、コントローラＢ１１０２では、この誤差に基づいてリンク支持部２６の操作量が算出される。リンク支持部２６の速度制御系をモデル変動に強くするため、コントローラＢ１１０２は、いわゆるＨ∞制御理論等を用いてロバスト安定性に優れた設計とするのが良い。

以上の実施例ではリンク支持部２６の速度を制御することで、ピストン１２の動作、特にピストン速度を変更するものであり、これにより所望のピストン速度を正確に再現できるが、特にピストン１２の変位量を正確に変更する必要がある場合には、リンク支持部２６の変位を直接制御する方が制御が容易で簡便である。そこで、図１２〜１４に示す例では、リンク支持部２６の変位を制御することでピストンモーションを変更している。

図１２〜１４は、ピストンの１サイクル（７２０ＣＡ）における、ピストン１２の位置すなわちピストンモーション（ａ）と、リンク支持部２６の位置すなわち変位量（ｂ）と、吸気バルブ１７及び排気バルブ１９の動作すなわちバルブモーション（ｃ）と、を示している。なお、図中の一点鎖線で示す特性は、ピストンが正弦波に近いモーションとなるようにリンク支持部２６の位置を初期位置に固定した支持部初期モードの特性を示している。更に、図１２及び図１３の実線で示す特性は、リンク支持部２６を上記の初期位置とは異なる位置に保持・固定したときの特性を示し、図１４の実線で示す特性は、リンク支持部２６を、上記の１サイクル中における所定の作動期間ΔＳに往復直線移動させる支持部変更モードの特性を示している。また、（ｂ）の支持部変更モードの変位量（δｘｃ，δｙｃ）は、ピストン位置が正弦波状のモーションとなる支持部初期モードにおけるリンク支持部２６の初期位置（０，０）からの変位として表している。

図１２は、リンク支持部２６を初期位置とは異なる位置に固定することによって、支持部初期モードに対してピストン下死点の位置を変化させて、ピストンストローク量、ひいては排気量を変化させるピストンストローク量変更モードの一例を示している。このピストンストローク量変更モードでは、図１２（ｂ）に示すように、リンク支持部２６を、初期位置に対してｙ軸負方向つまりピストン下降方向に変化させている。このような設定によって、このピストンストローク量変更モードでは、支持部初期モードに比して、ピストンストローク量が小さくなり、運転条件に合わせた排気量の調整が可能となる。従って、大排気量化による出力向上と、小排気量化によるポンプ損失及び摩擦損失の低減と、を両立することができる。

更に、図１２（ｃ）に示すように、ピストンストローク量の変化に応じて、吸・排気バルブのバルブリフト量を変化させている。具体的には、ピストンストローク量が小さくなるほど吸・排気バルブのバルブリフト量が大きくなるように設定している。これによって、ピストンストローク量の変化に伴う作動ガス量（排気量）の過度な変動を吸・排気バルブのバルブリフト量の変更により吸収・相殺し、作動ガス量をスムーズに変化させられるため、ピストンストローク量の変更に伴う急激な排気量の変化を抑制できるとともに、この排気量変化によるポンプ損失の増加を有効に低減することができる。

図１３は、リンク支持部２６を初期位置とは異なる位置に保持・固定することによって、支持部初期モードに対してピストン上死点の位置を変化させて、機関圧縮比を変化させる圧縮比変更モードを示している。この圧縮比変更モードでは、図１３（ｂ）に示すように、支持部初期モードに比して、リンク支持部２６をｙ軸正方向に所定量δｙｃだけ変位させている。このような設定によって、この圧縮比変更モードでは、支持部初期モードに比して、ピストン上死点位置が低くなり、機関圧縮比が低いものとなる。従って、機関運転条件（負荷及びエンジン回転数等）に応じてリンク支持部２６の位置を変更することによって、機関圧縮比の調整が可能となる。更に、図１３（ｃ）に示すように、上記機関圧縮比の変更による機関圧縮比の低下に応じて排気バルブ１９の中心角を遅角することで、ポンプ損失を低減し、熱効率を向上することができる。

図１４は、支持部変更モードの更に他の例として、膨張下死点を吸気下死点よりも低くすることによって、吸気・圧縮行程に比して膨張・排気行程のピストンストローク量を大きくする大膨張・排気モードを示している。この大膨張・排気モードでは、１サイクル中の膨張行程から排気行程にわたる作動期間ΔＳに、リンク支持部２６をｙ軸正方向に往復移動させている。これによって、図１４（ａ）に示すように、膨張下死点が吸気下死点よりも大幅に低くなり、膨張行程及び排気行程におけるピストンストローク量が吸気行程及び圧縮行程におけるピストンストローク量よりも大幅に大きくなって、排気損失を回収することで熱効率を向上することができる。なお、リンク支持部２６の移動量が大きいほど、ピストン位置の移動量も大きくなる関係にある。

また、図１４（ａ）に示すように、この大膨張・排気モードでは支持部初期モードに比して膨張行程におけるピストン行程角度（クランク角）が進角側へ短くなるため、冷却損失を低減して熱効率を向上することができる。更に、図１４（ｃ）に示すように、この大膨張・排気モードでは、膨張行程の進角側への短縮化に伴い続く排気行程が進角側へ拡大しており、この排気行程の進角側への拡大に応じて排気バルブ１９の中心角を進角することで、ポンプ損失を低減して熱効率を向上することができる。

本発明に係る複リンク式ピストン−クランク機構を備えたレシプロ式内燃機関の一例を簡略的に示す構成図。 本発明に係るリンク支持部の動作方向の一例を示す説明図。 リンク支持部の速度増加量とピストンの速度増加量との関係を示す説明図。 支持部変更モードに膨張行程を短くする例でのピストンモーション（ａ），リンク支持部速度（ｂ）及び吸・排気バルブモーション（ｃ）を示す説明図。 支持部変更モードに吸気行程を短くする例でのピストンモーション（ａ），リンク支持部速度（ｂ）及び吸・排気バルブモーション（ｃ）を示す説明図。 燃焼圧等によりリンク支持部に作用する力の関係を示す説明図。 膨張行程前半のピストン速度を速くする例でのピストンモーション（ａ），リンク支持部速度（ｂ）及び吸・排気バルブモーション（ｃ）を示す説明図。 リンク支持部の制御の一例を簡略的に示すブロック図。 図８のバルブマップの一例として、エンジン回転数及び負荷に対する排気バルブ中心角（ａ）、吸気バルブ中心角（ｂ）、排気バルブリフト量（ｃ）及び吸気バルブリフト量（ｄ）を示す説明図。 図８のリンク支持部目標速度算出部の制御内容の一例を示すブロック図。 図８の速度制御部の制御内容の一例を示すブロック図。 ピストンストロークを短くする例でのピストンモーション（ａ），リンク支持部変位量（ｂ）及び吸・排気バルブモーション（ｃ）を示す説明図。 機関圧縮比を低くする例でのピストンモーション（ａ），リンク支持部変位量（ｂ）及び吸・排気バルブモーション（ｃ）を示す説明図。 支持部変更モードに吸気・圧縮行程に比して膨張・排気行程のピストンストローク量を大きくする例でのピストンモーション（ａ），リンク支持部変位量（ｂ）及び吸・排気バルブモーション（ｃ）を示す説明図。

符号の説明

１１…クランクシャフト
１２…ピストン
１３…シリンダ
１７…吸気バルブ
１９…排気バルブ
２１…複リンク式ピストン−クランク機構
２２…クランクピン
２３…ロアリンク
２４…アッパリンク
２５…制御リンク
２６…リンク支持部
２７…アクチュエータ
４０…制御部

Claims (18)

1. シリンダ内を往復動するピストンとクランクシャフトのクランクピンとを連係する複数のリンクと、
   これら複数のリンクの一つに連結された制御リンクと、
   この制御リンクのリンク支持部の位置を変更・保持するアクチュエータと、
   このアクチュエータの動作を制御して上記ピストンのピストンモーションを変更する制御部と、を有し、
   支持部変更モードでは、ピストンの各サイクル中における所定の作動期間毎に、上記リンク支持部を、クランクシャフトの軸方向に垂直な面内における所定の直線方向に沿って往復移動させることで、上記作動期間におけるピストンモーションを変化させることを特徴とするレシプロ式内燃機関。
2. １サイクルが膨張・排気・吸気・圧縮の４行程から構成される４サイクルの内燃機関であり、
   上記支持部変更モードでは、膨張・排気行程と吸気・圧縮行程とでピストンモーションを異ならせることを特徴とする請求項１に記載のレシプロ式内燃機関。
3. 上記支持部変更モードが、膨張行程を吸気行程よりも短くする短膨張モードを有することを特徴とする請求項２に記載のレシプロ式内燃機関。
4. 上記短膨張モードでは、上記作動期間が膨張行程から排気行程の前半にかけての期間に設定されることを特徴とする請求項３に記載のレシプロ式内燃機関。
5. 上記支持部変更モードが、吸気行程を膨張行程よりも短くする短吸気モードを有することを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のレシプロ式内燃機関。
6. 上記短吸気モードでは、上記作動期間が吸気行程から圧縮行程の前半にかけての期間に設定されることを特徴とする請求項５に記載のレシプロ式内燃機関。
7. 上記リンク支持部を初期位置に固定する支持部初期モードでは、ピストンモーションが単振動となるように設定されている請求項２〜６のいずれかに記載のレシプロ式内燃機関。
8. 所定のピストンストローク量変更モードでは、上記リンク支持部を初期位置とは異なる位置に固定することによって、上記支持部初期モードに対してピストン下死点の位置を変化させて、ピストンストローク量を変化させることを特徴とする請求項７に記載のレシプロ式内燃機関。
9. 所定の圧縮比変更モードでは、上記リンク支持部を初期位置とは異なる位置に固定することによって、上記支持部初期モードに対してピストン上死点の位置を変化させて、機関圧縮比を変化させることを特徴とする請求項７又は８に記載のレシプロ式内燃機関。
10. 上記支持部変更モードが、膨張下死点を吸気下死点よりも低くすることによって、吸気・圧縮行程に比して膨張・排気行程のピストンストローク量を大きくする大膨張・排気モードを有することを特徴とする請求項２〜９のいずれかに記載のレシプロ式内燃機関。
11. 上記大膨張・排気モードでは、膨張行程が排気行程よりも短いことを特徴とする請求項１０に記載のレシプロ式内燃機関。
12. 上記所定の直線方向が、シリンダ軸方向に平行な方向であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のレシプロ式内燃機関。
13. 上記リンク支持部を原点とし、上記制御リンクに沿う方向をＨ軸とし、このＨ軸に直交するとともにリンク支持部の移動方向を正方向とするＶ軸を有するＶＨ座標系で、上記リンク支持部がピストン下降方向へ動作しているときに、このリンク支持部の微少変位後の位置が、第１象限内となるように設定されていることを特徴とする請求項１２に記載のレシプロ式内燃機関。
14. 上記支持部変更モードが、膨張行程前半のピストン速度を遅くする低速膨張モードを有することを特徴とする請求項２に記載のレシプロ式内燃機関。
15. 上記支持部変更モードでは、上記制御部によりリンク支持部の速度が制御されることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のレシプロ式内燃機関。
16. 上記支持部変更モードでは、上記制御部によりリンク支持部の変位量が制御されることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載のレシプロ式内燃機関。
17. 上記アクチュエータが、上記リンク支持部を可動子とするリニアモータであることを特徴とする請求項１〜１６のいずれかに記載のレシプロ式内燃機関。
18. 吸気バルブと排気バルブの少なくとも一方のバルブリフト特性を変更する可変動弁機構を備え、上記支持部変更モードでは、上記ピストンモーションの変更に応じて、バルブリフト特性を変更することを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載のレシプロ式内燃機関。

Images