JP2010249112A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】低速用過給機を用いることなく、低回転域であっても充分な慣性過給効果を得ることができて、低回転域における機関出力の向上を実現する。
【解決手段】クランク軸４のクランクジャーナル４ｂと出力軸１１とに、互いに噛合する一対の楕円歯車１２，１３を軸着し、吸気行程後半（ＢＢＤＣ３０〜４５[deg]）でクランク軸４の回転速度が最速となるように、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１側と出力軸側楕円歯車１３の長軸Ｌ２側との噛合するクランク角θを設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、吸気行程後半におけるクランク軸の回転速度を最速とすることで、慣性過給効果を得るようにした内燃機関に関する。

従来、慣性過給を利用して内燃機関の出力向上を図る手段として吸気管の管路長を機関回転数に応じて可変させるものが知られている。

例えば特許文献１（特開平１０−１６９４４９号公報）には、吸気管路の中途に管路長を長くする可変吸気部を介装し、機関回転数が低回転域のときは、この可変吸気部を開き、管路長を延ばすことで、吸気脈動の周期を長くして、慣性過給効果を得るようにし、又、高回転域では、可変吸気部を閉じ、管路長を短くして吸気脈動の周期を短くすることで、可変過給効果を得るようにした技術が開示されている。

ところで、上述した慣性過給は、吸気脈動を利用して行われるため、空気流量が大きくなければその効果は低く、従って、低回転域では充分な慣性過給効果を得ることができない。

その対策として、内燃機関に低速用過給機を併設することも考えられるが、低回転域の充電効率を上げるためだけに、低速用過給機を併設することは、内燃機関周辺の構造が複雑化するばかりでなく、コスト高となってしまう。更に、低速用過給機が追加された分、重量及びフリクションが増加するので、機関出力が低下してしまう問題がある。

本発明は、上記事情に鑑み、低速用過給機を用いることなく、低回転域であっても充分な慣性過給効果を得ることができて、低回転域における機関出力の向上を実現し、相対的に機関排気量の低下等による燃費向上を実現す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は、ピストンの上下運動により回転するクランク軸と該クランク軸からの回転運動により回転する出力軸とを備える内燃機関において、前記クランク軸と前記出力軸との間に、該出力軸が略等速回転を行うとき、前記クランク軸がその回転周期に同期して回転速度が周期的に変化される不等速動力伝達機構を介装し、前記不等速動力伝達機構は、吸気行程後半で前記クランク軸の回転速度が最速となるように配設されていることを特徴とする。

本発明によれば、ピストンの上下運動により回転するクランク軸と出力軸との間に不等速動力伝達機構を介装し、この不等速動力伝達機構の動作により吸気行程後半でクランク軸の回転速度が最速となるように設定したので、吸気行程後半のピストン下降速度が増速される。その結果、低回転域であっても低速用過給機を用いることなく充分な慣性過給効果を得ることができ、低回転域における機関出力の向上が実現され、相対的に機関排気量の低下等による燃費向上を実現することができる。

ピストンが吸気行程後半にあるときの歯車挿入式内燃機関の概略構成図 同、（ａ）は吸気弁の動作を示すタイミングチャート、（ｂ）はクランク軸側楕円歯車の回転速度の変化を示すタイミングチャート 歯車挿入式内燃機関のピストンの移動速度が最速となるクランク角を、吸気行程後半から圧縮行程前半にかけて移動させた場合の慣性過給効果の変化を示す特性図 吸気行程後半から圧縮行程にかけての各態様毎のピストン移動速度の変化を示す特性図

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。図１の符号１は歯車挿入式内燃機関（以下、「内燃機関」と略称する）であり、図においては、４サイクル火花点火式ガソリン燃焼機関が示されている。尚、本実施形態で示す内燃機関１は４サイクル単気筒内燃機関であるが、４サイクルの２気筒或いは４気筒内燃機関であっても適用することができる。

この内燃機関１のシリンダ２にピストン３が進退自在に挿通されており、このピストン３のピストンピン３ａとクランク軸４のクランクピン４ａとがコネクティングロッド（以下、「コンロッド」と略称）５を介して連設されている。

クランク軸４は、そのクランクジャーナル４ｂがシリンダ２に連設するクランクケース（図示せず）に回動自在に支持されている。又、ピストン３の頂面とシリンダ２とシリンダヘッド６とで区画された領域に燃焼室７が形成されている。このシリンダヘッド６に、吸気ポート６ａと排気ポート６ｂとが設けられ、この各ポート６ａ，６ｂに吸気弁８と排気弁９とが配設され、更に、このシリンダヘッド６の頂部に、発火部を燃焼室７に臨ます点火プラグ（図示せず）が固設されている。

図２（ａ）に示すように、吸気弁８の開弁期間は排気行程の終了間際から圧縮行程開始直後までに設定されており、又、図示しないが排気弁９の開弁期間は、燃焼行程終了間際から吸気行程開始直後までに設定されている。この各弁の開閉８，９は、例えばクランク軸４の回転速度に同期して、その１／２の回転速度で回転するカム軸に設けられている吸気カム、排気カムの動作によって行われる。但し、この各弁８，９は、その開閉が電子的に制御される電磁動弁であっても良い。

又、クランク軸４のクランクジャーナル４ｂに対し、出力軸１１がクランク軸４の延出方向に沿って平行に配設されている。更に、このクランクジャーナル４ｂの軸心と出力軸１１の軸心を結ぶ線が、ピストン３が上死点にあるときのクランクジャーナル４ｂの軸心とクランクピン４ａの軸心とを結ぶ線に対して、直交する方向に配列されている。この出力軸１１に、図示しない変速機等を介して或いは直接的に、発電機、走行負荷等の負荷要素が印加される。尚、出力軸１１には出力軸１１を略等速回転させるべくフライホイール（図示せず）が軸着されている。

更に、クランク軸４と出力軸１１との間に、互いに噛合する一対のクランク軸側非円形歯車と出力軸側非円形歯車とが軸着されている。この両非円形歯車は、本実施形態では楕円歯車１２，１３であり、クランク軸４、出力軸１１には、クランク軸側楕円歯車１２と出力軸側楕円歯車１３との軸芯部分が各々軸着されている。又、この両楕円歯車１２，１３で不等速動力伝達機構が構成されている。この不等速動力伝達機構は、出力軸１１が略等速回転を行うとき、クランク軸４が、その回転周期に同期して回転速度が周期的に変化するものである。

この両楕円歯車１２，１３は同一の形状を有しており、両楕円歯車１２，１３が長軸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、本実施形態では、楕円歯車１２，１３として、軸心に対して歯車プロフィールが点対称を成す二葉歯車が採用されており、この各楕円歯車１２，１３の最大角速度比は2.0に設定されている。但し、この最大角速度比は採用する内燃機関１のピストン速度変化特性に応じて適宜設定される。

ピストン３がシリンダ２にガイドされて上下運動すると、クランク軸４が回転し、このクランク軸４の回転により、互いに噛合するクランク軸側楕円歯車１２と出力軸側楕円歯車１３とを介して出力軸１１が回転する。その際、出力軸１１を等速回転させると、図２（ｂ）に示すように、クランク軸側楕円歯車１２（クランク軸４）は、互いに噛合する一対の楕円歯車１２，１３の回転により、１８０［deg］周期で不等速回転する。

ところで、ピストン３の下降速度が最速となる位置は、クランク軸４と出力軸１１との軸心を結ぶ線に対して、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１側が一致する位置であり、この状態では、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１側と出力軸側楕円歯車１３の長軸Ｌ２側とが噛合される。

従って、このクランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１側と出力軸側楕円歯車１３の長軸Ｌ２側とが噛合される位置を、ピストン３のクランク角に同期させることで、当該ピストン３の下降速度を吸気行程途上において最速とすることができる。尚、本実施形態では、クランク軸４が図の時計回り方向へ回転するように設定されており、従って、出力軸１１は反時計回り方向へ回転する。

又、本実施形態では、便宜的に、出力軸１１を定速回転させた状態で、クランク軸４の回転速度が最速となるクランク角θを、ピストン３が吸気下死点（ＢＤＣ）にあるときのクランクジャーナル４ｂの軸心とクランクピン４ａの軸心とを結ぶ軸線ＬBDCを基準として示す。従って、ピストン３の下降速度が最速となるクランク角θは、ＢＢＤＣ（吸気下死点前）θ[deg]で表される。

ところで、吸気行程後半においてピストン３の降下速度を増速させると、慣性過給効果により、筒内（燃焼室７）の充填効率を高くすることができる。更に、その後の圧縮行程初期においてピストン３の上昇速度を抑えることで、慣性吸気が阻害され難くなり、その結果、吸気行程時の慣性過給効果が圧縮行程初期においても維持され、当該慣性過給効果をより強化することができる。

図３には、例えば特開２００５−２９１１０３号公報に開示されているような、上死点及び下死点で最速となるように配列した一対の楕円歯車（二葉歯車）にて得ることのできる慣性過給効果を基準値０とした場合の、ピストン３の移動速度が最速となるクランク角θを、吸気行程後半から圧縮行程前半の間で移動させた場合の慣性過給効果の変化が示されている。尚、図においては、吸気下死点（ＢＤＣ）を基準として、進角方向をプラス（＋）、遅角方向をマイナス（−）で示している。

同図から解るように、吸気行程においてピストン３の下降速度が最速となるクランク角θを、ＢＢＤＣ３０〜４５[deg]の間に設定することで、最も高い慣性過給効果を得ることができる。従って、本実施形態では、ピストン３の下降速度が最速となるクランク角θを、ＢＢＤＣ３０〜４５[deg]の間に設定している。

次に、このような構成による本実施形態の作用について説明する。稼働中の内燃機関１は、ピストン３の上下運動に伴い、クランク軸４が回転し、その回転力が、クランク軸４に軸着されているクランク軸側楕円歯車１２を介して、出力軸１１に軸着されている出力軸側楕円歯車１３に伝達されて出力軸１１が回転する。この出力軸１１には、変速機等を介し、或いは直接的に、走行負荷、発電機等の負荷要素からの負荷が印加される。

ピストン３が排気行程終了にさしかかると吸気弁８が開弁し、更に吸気行程へ移行してピストン３が下降すると吸気ポート６ａから吸気が筒内に流れ込む。図２（ｂ）に示すように、吸気行程初期において、クランク軸４に軸着されているクランク軸側楕円歯車１２の出力軸側楕円歯車１３に対する噛合位置は、短軸Ｓ１側から長軸Ｌ１側へ移行する途上にあるため、クランク軸側楕円歯車１２（クランク軸４）の回転速度が次第に低下する。その後、吸気行程後半に達すると、クランク軸側楕円歯車１２の出力軸側楕円歯車１３に対する噛合位置が、長軸Ｌ１側を越えて短軸Ｓ１側へ移行するため、クランク軸側楕円歯車１２（クランク軸４）の次第に上昇する。

そして、図１に示すように、クランクピン４ａが、予め設定されているクランク角θ（θ＝ＢＢＤＣ３０〜４５[deg]）に達すると、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１側が、出力軸側楕円歯車１３の長軸Ｌ２側に噛合して、ピストン３の下降速度が最速となる。このクランク角θは、慣性過給効果が最も高い値を示す位置に設定されているため（図３参照）、高い充填効率を得ることができる。

そして、ピストン３が最速となるクランク角θを過ぎて下死点を通過し、圧縮行程初期の領域では、図２（ｂ）に示すように、クランク軸側楕円歯車１２は、出力軸側楕円歯車１３との噛合位置が長軸Ｌ１側へ移行するため、回転速度が次第に低下する。その結果、圧縮行程初期におけるピストン３の上昇速度が抑えられ、吸気行程時の慣性過給効果が圧縮行程初期においても維持される。更に、圧縮行程初期においても慣性過給効果が維持されるため、当該慣性過給効果をより強化することができ、より高い充填効率を得ることができる。

本実施形態では、慣性過給効果をピストン３の速度を可変させることで得るようにしてるため、空気流量の少ない低回転域であっても、低速用過給機を用いることなく充分な慣性過給効果を得ることができる。又、この慣性過給効果により低回転域における機関出力が向上し、更に、管路長を長くすることなく、低回転域での慣性過給効果を得ることができるばかりでなく、低速用過給機も不要となるため、重量、及びフリクションロスが低減されて機関出力を向上させることができる。その結果、相対的に機関排気量の低下等による燃費向上を実現することができる。

図４に各態様毎のピストン３の速度変化を示す。尚、図においては、吸気下死点（ＢＤＣ）を基準として、進角方向をプラス（＋）、遅角方向をマイナス（−）で示している。

同図に破線で示す特性は、本実施例に示されているような一対の楕円歯車を介さずにクランク軸４から出力を直接的に取り出す従来の内燃機関のピストン速度特性が示されている。この従来の内燃機関では、ピストン速度が吸気行程から圧縮行程にかけてほぼ一定の割合で変化している。従って、吸気行程後半においても大きな慣性力は発生せず、特に、空気流量の少ない低回転域での慣性過給効果は期待できない。

又、同図に一点鎖線で示す特性は、特開２００５−２９１１０３号公報に開示されているような、一対の楕円歯車を駆動側出力軸と従動側出力軸とに介装すると共に、クランクピンを駆動側二葉歯車の長軸側に設定した場合のピストン速度特性である。この態様では、ピストンが吸気下死点（ＢＤＣ）に達すると駆動側楕円歯車の長軸が、クランク軸の軸心とクランクピンの軸心とを結ぶ軸線上に重畳された状態（歯車位相０[deg]）となるため、吸気下死点の前後においてピストン速度が最速となる。従って、吸気行程後半においてはピストン下降速度が増速するため慣性過給効果を得ることができる。しかし、ピストン速度は圧縮行程初期においても増速されるため、圧縮行程へ移行すると慣性過給効果が阻害されてしまい、充填効率が低下してしまう。

一方、同図に実線で示す特性は、本実施形態によるピストン３の速度変化を示すものであり、歯車位相を＋３５[deg]に設定した場合の特性が記載されている。

本実施形態では、ピストン３の下降速度が最速となるクランク角θを、図３に示す実験結果に基づき、吸気下死点前（ＢＢＤＣ）３０〜４５[deg]の間であるＢＢＤＣ３５[deg]に設定したので、吸気行程後半におけるピストン３の下降速度の増速により良好な慣性過給効果を得ることができる。

更に、ピストン３の下降速度は、上述したＢＢＤＣ３５[deg]をピークに低下し、圧縮行程へ移行した後も、ピストン３の上昇速度が吸気下死点後（ＡＴＤＣ）５５[deg]に達するまでは低下するため、慣性過給効果が圧縮行程初期の段階においても維持され、より高い過給効果を得ることができ、従って、充填効率を向上させることができる。この場合、ピストン３の速度を可変させることで慣性過給効果を得るようにしているため、フリクションロスが少なく、燃焼の不安定な低回転域であっても慣性過給効果により機関出力を安定させることができる。

尚、本発明は、上述した実施形態に限るものではなく、例えば、適用する４サイクル内燃機関１は、ガソリン燃焼機関に限らず、ディーゼル機関であっても良い。

１…内燃機関１、
３…ピストン、
４…クランク軸、
４ｂ…クランクジャーナル、
８…吸気弁、
１１…出力軸、
１２…クランク軸側楕円歯車、
１３…出力軸側楕円歯車、
θ…クランク角、
ＬBDC…軸線、
Ｌ１，Ｌ２…長軸、
Ｓ１，Ｓ２…短軸

特開２００２−１８０８３９号公報

Claims (5)

1. ピストンの上下運動により回転するクランク軸と該クランク軸からの回転運動により回転する出力軸とを備える内燃機関において、
   前記クランク軸と前記出力軸との間に、該出力軸が略等速回転を行うとき、前記クランク軸がその回転周期に同期して回転速度が周期的に変化される不等速動力伝達機構を介装し、
   前記不等速動力伝達機構は、吸気行程後半で前記クランク軸の回転速度が最速となるように配設されている
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記不等速動力伝達機構は、互いに噛合するクランク軸側非円形歯車と出力軸側非円形歯車とから成り、
   前記各非円形歯車が前記クランク軸と前記出力軸とに設けられている
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 前記各非円形歯車は該各非円形歯車の軸心に対して、歯車プロフィールが点対称を成している
   ことを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
4. 前記出力軸にフライホイールが備えられ、
   前記吸気行程後半にて前記クランク軸側非円形歯車の短軸側が前記出力軸側非円形歯車の長軸側に噛合されるように、該クランク軸側非円形歯車と該出力軸側非円形歯車の配列が設定されている
   ことを特徴とする請求項２或いは３記載の内燃機関。
5. 前記ピストンが吸気下死点にあるときを基準に、前記クランク軸側非円形歯車の短軸側が、前記クランク軸の軸心と前記出力軸の軸心とを結ぶ線に対して、進角方向へ３０〜４５度の間に設定されている
   ことを特徴とする請求項４記載の内燃機関。

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