JP2013174215A - Internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼用気筒の他にエネルギ回収用の補助気筒を有する4サイクル内燃機関に関するものである。 The present invention relates to a four-cycle internal combustion engine having an auxiliary cylinder for energy recovery in addition to a combustion cylinder.
レシプロ式内燃機関において、ピストンは燃焼ガスによってクランク軸の方向に移動するが、ピストンが下死点まで移行し切った状態でも燃焼ガスは正圧を保っており、このため、エネルギが無駄に捨てられている。そこで、燃焼用気筒の他にエネルギ回収用の補助気筒を設けて、燃焼用気筒が排気行程のときに燃焼ガスを補助気筒に移動させて、補助気筒に嵌まった補助ピストンを燃焼ガスで駆動することが提案されている。 In a reciprocating internal combustion engine, the piston moves in the direction of the crankshaft by the combustion gas, but the combustion gas maintains a positive pressure even when the piston has moved all the way to the bottom dead center, so energy is wasted. It has been. Therefore, an auxiliary cylinder for energy recovery is provided in addition to the combustion cylinder, and the combustion gas is moved to the auxiliary cylinder when the combustion cylinder is in the exhaust stroke, and the auxiliary piston fitted in the auxiliary cylinder is driven by the combustion gas. It has been proposed to do.
その例として特許文献1には、燃焼用気筒と補助気筒とを直列に配置して、燃焼用気筒のメインピストンと補助気筒の補助ピストンとがそれぞれ連接棒を介してクランク軸に連結された構成が開示されている。他方、特許文献2には、補助気筒の補助ピストンは専用の補助クランク軸に連結して、補助クランク軸の回転をチェーンにて燃焼用気筒のクランク軸(メインクランク軸)に伝達する機構が開示されている。
As an example,
また、いずれの特許文献においても、補助気筒の内径(容積)を燃焼用気筒の内径(容積)より大きくしており、燃焼ガスを減圧して補助気筒に流入させることにより、燃焼ガスが補助気筒に流入すること(すなわち、燃焼ガスが仕事をすること)を確実ならしめている。 In any of the patent documents, the inner diameter (volume) of the auxiliary cylinder is larger than the inner diameter (volume) of the combustion cylinder, and the combustion gas flows into the auxiliary cylinder by depressurizing the combustion gas. (Ie, the combustion gas does the work).
特許文献1では、燃焼用気筒と補助気筒とでクランク軸を共通しているため動力取り出し機構は簡単になる利点があるが、燃焼用気筒のメインピストンが下死点にあるとき補助気筒の補助ピストンは上死点にあるため、補助ピストンの下降エネルギをクランク軸に効率よく伝達しにくいという問題がある。
In
つまり、膨張行程で補助ピストンが上死点から下降する状態においては、連接棒は補助気筒の軸線に対して回転方向に傾斜している方が、大きなモーメントをクランク軸に伝えることができて動力伝達効率がよいが、特許文献1では、連接棒を補助気筒の軸線と殆ど平行にした姿勢で補助ピストンを押し下げるため、補助ピストンに作用した力をクランク軸にモーメントとして伝達する効率が悪いのである。
In other words, in a state where the auxiliary piston descends from the top dead center during the expansion stroke, the connecting rod is inclined in the rotational direction with respect to the axis of the auxiliary cylinder so that a large moment can be transmitted to the crankshaft. Although the transmission efficiency is good, in
他方、特許文献2では、燃焼用気筒のメインピストンが下死点にあるときに、補助気筒の補助ピストンは上死点から若干下降させており、このため、補助ピストンの下降エネルギを補助クランク軸に効率よく伝達できる利点がある。しかし、特許文献2では燃焼用気筒から排気ガスが流入する時点で、補助ピストンとシリンダヘッドとの間にはかなり大きな空間が空いているため、燃焼用気筒から送気された燃焼ガスの膨張率をあまり高くすることができず、その結果、エネルギの回収効率が良くないおそれがある。すなわち、特許文献では、補助ピストンに大きな運動エネルギを付与できないという問題がある。
On the other hand, in
また、特許文献2では補助クランク軸の回転をチェーンでメインクランク軸に伝達しているため、構造が複雑化して機関も大型化するのみならず、チェーンとスプロケットとの間の抵抗によってエネルギ回収効率が低下してしまうという問題がある。また、特許文献1では補助ピストンはメインピストンと逆の動きをするため、メインピストンの慣性力を打ち消して機関の振動を抑制に貢献させ得るが、特許文献2のようにメインピストンと補助ピストンとが別々のクランク軸に連結されていると、補助ピストンをメインピストンの振動抑制に有効活用できないという問題もある。
Further, in
本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、できるだけ構造を簡単化しつつエネルギ回収効率に優れているなど、より改良された内燃機関を提供せんとするものである。 The present invention has been made in view of such a current situation, and intends to provide a further improved internal combustion engine, such as being excellent in energy recovery efficiency while simplifying the structure as much as possible.
請求項1の本願発明は、燃料の燃焼によって往復動するメインピストンが摺動自在に嵌め入れられた4サイクル方式燃焼用気筒と、前記メインピストンが連接棒を介して連結されたクランク軸と、前記燃焼用気筒から排出された排気ガスによって駆動される補助ピストンを摺動自在に嵌め込んだエネルギ回収用補助気筒とを有する、という構成の内燃機関を対象にしている。
The present invention of
そして、請求項1の発明は、上記構成において、前記燃焼用気筒は前記クランク軸の軸線と略直交した姿勢で配置されている一方、前記補助気筒は、前記クランク軸の軸線方向から見て前記燃焼用気筒の右又は左にずらして配置されており、かつ、前記補助ピストンは連接棒を介して前記クランク軸に連結されており、前記メインピストンの往復動と補助ピストンの往復動との位相をクランク軸の回転角度で略180度異ならせている。 According to a first aspect of the present invention, in the above configuration, the combustion cylinder is disposed in a posture substantially orthogonal to an axis of the crankshaft, while the auxiliary cylinder is viewed from the axial direction of the crankshaft. The auxiliary piston is connected to the crankshaft via a connecting rod and is shifted to the right or left of the combustion cylinder, and the phase between the reciprocating motion of the main piston and the reciprocating motion of the auxiliary piston Is varied by approximately 180 degrees depending on the rotation angle of the crankshaft.
請求項2の発明は、燃料の燃焼によって往復動するメインピストンが摺動自在に嵌め入れられた4サイクル方式燃焼用気筒と、前記メインピストンが連接棒を介して連結されたクランク軸と、前記クランク軸に連接棒を介して連結された補助ピストンが嵌め込まれた補助気筒とを有しており、前記燃焼用気筒と補助気筒とは密閉状態のクランク室に連通しており、前記メインピストンの往復動によってクランク室の内圧が変動する、という構成の内燃機関を対象にしている。
The invention of
そして、上記構成において、前記クランク室には内部のガスを排出するブローバイガス還流制御弁を設けており、前記ブローバイガス還流制御弁は、前記補助気筒が上昇行程のときには閉じて下降行程のときには開くように制御される。 In the above configuration, the crank chamber is provided with a blow-by gas recirculation control valve that discharges internal gas, and the blow-by gas recirculation control valve is closed when the auxiliary cylinder is in the up stroke, and is opened when the auxiliary cylinder is in the down stroke. To be controlled.
請求項1の本発明によると、メインピストンと補助ピストンとは共通のクランク軸に連結されているため、動力取り出し機構を簡単化して機関の大型化を抑制できると共に、補助ピストンをメインピストンに対するバランサとして機能させることができるため、機関の振動抑制や高速回転化にも貢献できる。
According to the present invention of
また、燃焼用気筒と補助気筒とは直列配置でなくて、クランク軸の軸線方向から見て左又は右にずらして(オフセットして)配置されているため、補助ピストンが上死点にあるときに、当該補助ピストンに連結された連接棒を補助気筒の軸線に対して傾斜することになり、このため、補助気筒が膨張行程のときの補助ピストンの下降動をクランク軸の回転に効率よく変換することができる。また、補助気筒の膨張行程を補助ピストンが上死点にある状態から開始することができるため、燃焼用気筒から送られた燃焼ガスの膨張率を高くすることができる。 In addition, the combustion cylinder and the auxiliary cylinder are not arranged in series, but are shifted to the left or right (offset) when viewed from the axial direction of the crankshaft, so that the auxiliary piston is at the top dead center. In addition, the connecting rod connected to the auxiliary piston is inclined with respect to the axis of the auxiliary cylinder. Therefore, the descending movement of the auxiliary piston when the auxiliary cylinder is in the expansion stroke is efficiently converted into the rotation of the crankshaft. can do. Further, since the expansion stroke of the auxiliary cylinder can be started from the state where the auxiliary piston is at the top dead center, the expansion rate of the combustion gas sent from the combustion cylinder can be increased.
このように、補助ピストンの運動エネルギをクランク軸の回転エネルギに効率良く変換できることと、燃焼用気筒から送られた燃焼ガスの膨張率を向上できることとが相まって、エネルギの回収効率を向上することができる。特に、燃焼用気筒が360°CA位相配置の直列2気筒の場合は、2つの気筒は行程が360度ずれているため、補助ピストンの往復動を有効利用できて好適である。 As described above, the energy recovery efficiency can be improved by combining the ability to efficiently convert the kinetic energy of the auxiliary piston into the rotational energy of the crankshaft and the improvement of the expansion rate of the combustion gas sent from the combustion cylinder. it can. In particular, when the combustion cylinder is an in-line two-cylinder engine having a 360 ° CA phase arrangement, the strokes of the two cylinders are shifted by 360 degrees, and therefore, the reciprocating motion of the auxiliary piston can be effectively used.
さて、燃焼用気筒では、燃焼ガスがピストンの周囲からクランク室に吹き抜ける現象が見られる。そこで、クランク室に吹き抜けたブローバイガスを吸気系に還流させるブローバイガス還流通路を設けて、還流の制御をブローバイガス還流制御弁で行っているが、請求項2の構成を採用すると、燃焼用気筒の膨張行程でクランク室は正圧状態に保持されるため、クランク室に流入した燃焼ガス(ブローバイガス)で補助ピストンを上死点方向に押し上げることができる。 Now, in the combustion cylinder, a phenomenon is seen in which combustion gas blows through the piston into the crank chamber. Therefore, a blow-by gas recirculation passage for recirculating the blow-by gas blown into the crank chamber to the intake system is provided, and the recirculation control is performed by the blow-by gas recirculation control valve. Since the crank chamber is maintained in a positive pressure state during the expansion stroke, the auxiliary piston can be pushed up in the direction of the top dead center by the combustion gas (blow-by gas) flowing into the crank chamber.
その結果、従来は捨てられていたエネルギを回収して燃費向上に貢献できる。また、補助ピストンをメインピストンに対するバランサとして機能させることができるため、振動を抑制できると共に、高速回転にも対応できる。この請求項2の場合も、燃焼用気筒が360°CA位相配置の直列2気筒の場合は、補助ピストンの上昇行程を常にエネルギ回収に利用できるため、効率がよい。敢えて述べるまでもないが、請求項1の発明と請求項2の発明とを組み合わせることも可能である。
As a result, energy that has been discarded in the past can be recovered and contribute to improvement in fuel consumption. Further, since the auxiliary piston can function as a balancer for the main piston, vibration can be suppressed and high-speed rotation can be supported. In the case of
(1).第1実施形態の構造
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図1〜図4に示す第1実施形態を説明する。内燃機関は、シリンダブロック2とシリンダヘッド3とを主要要素とする機関本体1を備えており、シリンダブロック2には、直列に並んだ2つの燃焼用気筒(メイン気筒)4と、燃焼用気筒4の中心を結ぶ並び線5を挟んで片側に配置され補助気筒6とが形成されている。燃焼用気筒4と補助気筒6とは平行に並んでいる。なお、シリンダブロック2には、少なくとも燃焼用気筒4を囲うウォータジャケットが形成されているが、図面では省略している。
(1) Structure of First Embodiment Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, a first embodiment shown in FIGS. 1 to 4 will be described. The internal combustion engine includes an
燃焼用気筒4にはメインピストン7が摺動自在に嵌まっており、補助気筒6には補助ピストン8が摺動自在に嵌まっている。更に、シリンダブロック2にはクランク軸9が回転自在に保持されている。補助ピストン8は、メインピストン7に比べて軽量で簡易な構造になっている。
A
クランク軸9は、燃焼用気筒4の軸線方向から見て、燃焼用気筒4の並び線5とほぼ重なるように配置されている。従って、図2に示すように、クランク軸9の軸線方向から見ると、燃焼用気筒4の軸心はクランク軸9の軸線とほぼ直交している(実際には、クランク軸9の逆転を防止するためや、連接棒の傾きを大きくして燃焼圧最大値付近で大きな回転モーメントを得るためなどの理由により、図2の状態でクランク軸9の軸心を燃焼用気筒4の軸心に対して僅かに右に寄せていることが多い。)。
The
クランク軸9は燃焼用気筒4に対応した2本の第1クランクピン10を有しており、第1クランクピン10とメインピストン7とは、第1ピストンピン11及び第1連接棒12で相対動自在に連結されている。第1クランクピン10は、第1クランクアーム13に一体に設けている。
The
クランク軸9には補助気筒6に対応した一対の第2クランクアーム15を設けており、第2クランクアーム15に設けた第2クランクピン16と補助ピストン8とが第2ピストンピン17及び第2連接棒18を介して相対動自在に連結されている。本実施形態では、第2ピストンピン17は補助ピストン8から下向きに突設した足部19に設けているが、第2ピストンピン17は補助ピストン8の空洞部に配置することも可能である。
The
図1(A)に示すように、クランク軸9の両端部はメインジャーナル9aとなって、軸受け(図示せず)を介してシリンダブロック2に回転自在に保持されている。また、クランク軸9のうち隣り合ったクランクアーム13,15の間の部位は中間ジャーナ9bになっていて、軸受け(図示せず)を介してシリンダブロック2に回転自在に保持されている。
As shown in FIG. 1A, both ends of the
本実施形態では、メインピストン7の往復動ストローク(第1クランクピン10の回転直径)よりも、補助ピストン8の往復動ストローク(第2クランクピン16の回転直径)を大きく設定している。従って、補助ピストン8の往復動速度はメインピストン7の往復動速度より大きくなっている。また、第1クランクピン10と第2クランクピン16とは、クランク軸9の回転軸心を挟んだ反対側に位置している。つまり、第1クランクピン10と第2クランクピン16とは、クランク軸9の回転方向に位相が180°ずれている。
In this embodiment, the reciprocating stroke of the auxiliary piston 8 (rotating diameter of the second crankpin 16) is set larger than the reciprocating stroke of the main piston 7 (rotating diameter of the first crankpin 10). Therefore, the reciprocating speed of the
シリンダヘッド3には、各燃焼用気筒4ごとに2つずつの吸気ポート20と排気ポート21とが形成されている。排気ポート21は、燃焼用気筒4の並び線5を挟んで補助気筒6に寄った部位に形成している。吸気ポート20は吸気バルブ22で開閉され、排気ポート21は排気バルブ23で開閉される。また、吸気バルブ22は吸気カムシャフト24で開閉され、排気バルブ23は排気カムシャフト25で開閉される。
Two
図1(A)に示すように、シリンダヘッド3のうち補助気筒6に対応した部位には、2つずつの吸引ポート26と排出ポート27が形成されている。2つの吸引ポート26はクランク軸9の方向に並べて形成されており、また、2つの排出ポート27もクランク軸9の方向に並べて形成されている。そして、2つの吸引ポート26は1つの集合ポート28に集まっており、2つの燃焼用気筒4の4つの排気ポート21は集合ポート28に連通している。従って、燃焼用気筒4から排出された排気ポート21は、集合ポート28を介して吸引ポート26から補助気筒6に流入する。
As shown in FIG. 1 (A), two
図3に示すように、補助気筒6の吸引ポート26は吸引バルブ29で開閉され、排出ポート27は排出バルブ30で開閉される。吸引バルブ29は吸引用カムシャフト31で駆動され、排出バルブ30は排出用カムシャフト32で駆動されるが、図2に一点鎖線鎖線で示すように、吸引バルブ29及び排出バルブ30とも、排気カムシャフト25で回動するロッカアーム33,34で駆動することも可能である。
As shown in FIG. 3, the
(2).作用
図4に示すように、2つの燃焼用気筒4のうち一方のメインピストン7が膨張行程から排気行程に転じると、その燃焼用気筒4の排気バルブ23と補助気筒6の吸引バルブ29とが開く。すると、補助気筒6の容積(内径)が燃焼用気筒4の容積(内径)より大きいことと、補助ピストン8の後退速度がメインピストン7の上昇速度よりも大きいことにより、補助気筒6に正圧が作用した状態で排気ガスが膨張しつつ燃焼用気筒4から補助気筒6に流入する。これにより、メインピストン7の押し下げという仕事をした後の燃焼ガスの圧力を有効利用して、クランク軸9の回転動力として取り出すことができる。
(2) Action As shown in FIG. 4, when one
この場合、補助気筒6は燃焼用気筒4に対してオフセットした位置に配置されているため、補助ピストン8が上死点にある状態で、第2連接棒18は補助気筒6の軸心に対して大きく傾斜している(第2連接棒18は、補助ピストン8が上死点にある状態で、クランク軸9の軸心と第2クランクピン16とを結ぶ線と直交と直交した線に対してθの角度だけ傾斜している。)。
In this case, since the
このため、補助ピストン8の下降動によって第2クランクピン16は横方向から押される状態になっており、その結果、補助ピストン8の力をクランク軸9にモーメントとして効率よく伝えることができる。本実施形態のように、補助気筒6がクランク軸9の軸心方向から見て左にずれている場合は、第2連接棒18の下端は右に寄るため、クランク軸19は時計回り方向に回転する。軸方向から見て右にずれている場合(図2,3,4を紙面と反対側から見た場合)は、反時計回り方向に回転する。
For this reason, the
また、メインピストン7と補助ピストン6とは1本のクランク軸9を共用しているため、構造を簡単化できる共に、補助ピストン8をメインピストン7に対するバランサとして機能させることができて、機関の振動を抑制できると共に高速回転にも対応できる。
In addition, since the
本実施形態のように、補助ピストン8の往復動ストロークをメインピストン7の往復動ストロークより大きくすると、補助気筒6での排気ガスの膨張を促進できるため、好適である。なお、メインピストン7の上昇速度より補助ピストン8の下降速度が速いと、仮に燃焼用気筒4と補助気筒6との内径が同じであっても、燃焼用気筒4から流入した排気ガスを補助気筒6で膨張させることができる。従って、必ずしも補助気筒6の内径は燃焼用気筒4の内径より大きくする必要はない。
It is preferable to make the reciprocating stroke of the
(2).他の実施形態
図5では第2実施形態を示している。この実施形態は基本的には第1実施形態と同じであるが、特有の構成として、シリンダブロック2の適宜部位にブローバイガス還流制御弁36を設けて、燃焼室からクランク室37に吹き抜けた燃焼ガスを吸気系に還流できるようにしている。シリンダブロック2にはオイルパン38を固定しているが、シリンダブロック2及びオイルパン38の内部は密閉されており、内部に溜まったガスはブローバイガス還流制御弁36からしか逃げることはできない。
(2). Other Embodiments FIG. 5 shows a second embodiment. This embodiment is basically the same as the first embodiment. However, as a unique configuration, a blow-by gas
また、1つの補助気筒6の容積が2つの燃焼用気筒4の合計の容積より大きく、かつ、補助ピストン8の上昇速度がメインピストン7の下降速度よりも大きい。
Further, the volume of one
燃焼用気筒4は2気筒であり、従って、2つの燃焼用気筒4のメインピストン7は行程の位相を360度異ならせた状態で同時に往復動している。他方、補助ピストン8は2つのメインピストン7に対して位相が180度ずれており、このため補助ピストン8はメインピストン7に対してバランサとして機能している。
The
そして、この実施形態では、クランク軸9が360回転するごとに2つの燃焼用気筒4で爆発行程が交互に起きているが、メインピストン7が下降行程のときにはブローバイガス還流制御弁36を閉じることで、クランク室37に吹き抜けた燃焼ガスの圧力を補助ピストンの上昇に有効利用し、これにより、クランク軸9に補助動力を付与している。このため、燃費を改善できる。補助ピストン8が下降行程(膨張行程)のときにはブローバイガス還流制御弁36は開く。ブローバイガス還流制御弁の開閉はモータや電磁ソレイド等で電気的に行われる。
In this embodiment, every time the
補助気筒6はブローバイガスの圧力回収及びバランサ機能のためだけに使用することも可能であるが、第1実施形態と組み合わせて、下降行程では燃焼用気筒4から排出される燃焼ガスの残余圧力を回収して、上昇行程ではブローバイガスの圧力を回収するのが好ましい。
The
上記2つの実施形態は燃焼用気筒4と補助気筒6とを平行に形成した場合であったが、図6に第3実施形態として示すように、補助気筒6の軸心を燃焼用気筒4の軸線に対して傾斜させることも可能である。これにより、補助ピストン8でクランク軸9を無理なく回転させることができる。
In the above two embodiments, the
本発明は、車両用内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。 The present invention can be embodied in a vehicle internal combustion engine. Therefore, it can be used industrially.
2 シリンダブロック
3 シリンダヘッド
4 燃焼用気筒
5 燃焼用気筒の並び線
6 補助気筒
7 メインピストン
8 補助ピストン
9 クランク軸
12 第1連接棒
18 第2連接棒
20 吸気ポート
21 吸気ポート
22 吸気バルブ
23 排気バルブ
36 ブローバイガス還流制御弁
37 クランク室
2
Claims (2)
前記燃焼用気筒は前記クランク軸の軸線と略直交した姿勢で配置されている一方、前記補助気筒は、前記クランク軸の軸線方向から見て前記燃焼用気筒の右又は左にずらして配置されており、かつ、前記補助ピストンは連接棒を介して前記クランク軸に連結されており、前記メインピストンの往復動と補助ピストンの往復動との位相をクランク軸の回転角度で略180度異ならせている、
内燃機関。 A four-stroke combustion cylinder in which a main piston that reciprocates by combustion of fuel is slidably fitted, a crankshaft to which the main piston is connected via a connecting rod, and exhausted from the combustion cylinder An energy recovery auxiliary cylinder in which an auxiliary piston driven by exhaust gas is slidably fitted,
The combustion cylinder is arranged in a posture substantially orthogonal to the axis of the crankshaft, while the auxiliary cylinder is arranged to be shifted to the right or left of the combustion cylinder when viewed from the axial direction of the crankshaft. The auxiliary piston is connected to the crankshaft via a connecting rod, and the phase of the reciprocating motion of the main piston and the reciprocating motion of the auxiliary piston is made to differ by approximately 180 degrees depending on the rotation angle of the crankshaft. Yes,
Internal combustion engine.
前記クランク室には内部のガスを排出するブローバイガス還流制御弁を設けており、前記ブローバイガス還流制御弁は、前記補助気筒が上昇行程のときには閉じて下降行程のときには開くように制御される、
内燃機関。 A four-stroke combustion cylinder in which a main piston that reciprocates by combustion of fuel is slidably fitted, a crankshaft connected to the main piston via a connecting rod, and a connecting rod connected to the crankshaft And the auxiliary cylinder connected with the auxiliary piston, the combustion cylinder and the auxiliary cylinder communicate with a closed crank chamber, and the internal pressure of the crank chamber is reciprocated by the main piston. Is a configuration that fluctuates,
The crank chamber is provided with a blow-by gas recirculation control valve that discharges internal gas, and the blow-by gas recirculation control valve is controlled to be closed when the auxiliary cylinder is in the up stroke and open when the auxiliary cylinder is in the down stroke.
Internal combustion engine.
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