JP2014234707A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】アトキンソンサイクルを実現でき、かつ、ピストンがシリンダの内壁面から受ける摩擦抵抗を低減できる、内燃機関を提供する。【解決手段】膨張行程では、コンロッド５７がピストン２２の往復動方向に沿った状態で動き、吸気行程では、コンロッド５７が往復動方向に対して傾斜した状態で動く。この動作により、膨張行程におけるピストンストロークは、吸気行程におけるピストンストロークよりも大きくなる。【選択図】図４

Description

本発明は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程を繰り返す内燃機関に関する。

レシプロエンジンでは、たとえば、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程が繰り返されて、シリンダ内のピストンが上死点と下死点との間で往復動を繰り返す。そして、その往復動がコンロッド（コネクティングロッド）を介してクランクシャフトに伝達されることにより、クランクシャフトが回転する。

レシプロエンジンの熱効率を向上させる手法として、アトキンソンサイクルが知られている。オットーサイクルでは、圧縮比と膨張比とが等しいので、膨張行程の終了時の圧力・温度が圧縮開始時の圧力・温度よりも高くなり、その圧力・温度差分のエネルギーが排熱として捨てられる。アトキンソンサイクルでは、膨張比が圧縮比よりも大きいので、排熱を少なくすることができる。

たとえば、特許文献１で提案されている構成では、クランクケースの内面にクランクシャフトのクランクジャーナルを中心とする内歯車が形成され、クランクケース内に内歯車と噛合する遊星ギヤが設けられて、コンロッドの一端部および他端部がそれぞれピストンおよび遊星ギヤの自転中心から偏心した位置に接続されている。この構成によれば、膨張・排気行程におけるピストンストロークを吸気・圧縮行程におけるピストンストロークよりも大きくすることができ、アトキンソンサイクルを実現することができる。

特開平７−２１７４４３号公報

しかしながら、かかる構成では、ピストンの往復動に伴って、コンロッドがピストンの往復動方向（ピストンの直線軌跡）に対して傾斜した状態で上下動する。そのため、ピストンをシリンダの内壁面に押しつける力（サイドフォース）がピストンに常に作用し、ピストンがシリンダの内壁面から受ける摩擦抵抗が大きい。

本発明の目的は、アトキンソンサイクルを実現でき、かつ、ピストンがシリンダの内壁面から受ける摩擦抵抗を低減できる、内燃機関を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る内燃機関は、シリンダと、シリンダ内を往復動可能に設けられたピストンと、内周に歯を有するリングギヤと、リングギヤの歯に噛合する遊星ギヤと、ピストンに一端部が連結され、遊星ギヤにおけるその中心よりも径方向外側の位置に他端部が連結されたコネクティングロッドと、出力軸とを備え、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程を繰り返すことにより、ピストンの往復動に連動して、遊星ギヤがリングギヤの歯に噛合しつつ転動し、この遊星ギヤの転動に伴って出力軸が回転する内燃機関であって、膨張行程では、コネクティングロッドがピストンの往復動方向に沿った状態で動き、吸気行程では、コネクティングロッドが往復動方向に対して傾斜した状態で動くように、リングギヤを回動させる回動手段を備える。

この構成によれば、膨張行程では、コネクティングロッドがピストンの往復動方向に沿った状態で動き、吸気行程では、コネクティングロッドが往復動方向に対して傾斜した状態で動く。この動作により、膨張行程におけるピストンストロークは、吸気行程におけるピストンストロークよりも大きくなる。よって、膨張比を圧縮比よりも大きくすることができ、アトキンソンサイクルを実現することができる。

また、膨張行程では、コネクティングロッドがピストンの往復動方向に沿った状態で動くので、ピストンをシリンダの内壁面に押しつける力（サイドフォース）がピストンに作用しない。よって、ピストンがシリンダの内壁面から受ける摩擦抵抗を低減することができる。その結果、燃費が向上する。

吸気行程では、ピストンストロークが膨張行程におけるピストンストロークよりも短いので、ピストンの移動速度が膨張行程におけるピストンの移動速度よりも小さくなる。ピストンの移動速度が小さくなると、シリンダ内に吸気される混合気の流速が小さくなり、シリンダ内への混合気の充填率が低下するおそれがある。

そこで、内燃機関は、シリンダ内への混合気の吸気およびその停止のために開閉される吸気バルブと、出力軸の回転に伴い、吸気行程が開始される吸気タイミングで吸気バルブを開ける通常開き手段と、回動手段の動作に伴い、吸気タイミングよりも早いタイミングで吸気バルブを開け、吸気タイミングを跨いで吸気バルブを開状態に維持する早開き手段とを備えていてもよい。

回動手段の動作に伴い、吸気行程が開始される吸気タイミングよりも前に吸気バルブが開かれて、シリンダ内に吸気される混合気の流速が上がった後、出力軸の回転に伴い、吸気タイミングで吸気バルブが開かれる。これにより、シリンダ内に吸気される混合気に粗密を生じさせることができ、吸気慣性効果により、シリンダ内への混合気の充填率を向上させることができる。その結果、出力および熱効率が向上する。

本発明によれば、アトキンソンサイクルを実現することができる。また、ピストンがシリンダの内壁面から受ける摩擦抵抗を低減でき、燃費を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の図解的な断面図である。 図１に示される切断面線Ａ−Ａにおける内燃機関の図解的な断面図である。 膨張行程および排気行程における内燃機関の動作の様子を示す図解的な断面図である。 吸気行程および圧縮行程における内燃機関の動作の様子を示す図解的な断面図である。 吸気バルブの開度（吸気バルブリフト量）の変化を示すグラフである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関１の図解的な断面図である。図２は、図１に示される切断面線Ａ−Ａにおける内燃機関１の図解的な断面図である。

内燃機関１は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程を繰り返す４サイクルレシプロエンジンであり、シリンダブロック２、シリンダヘッド３およびクランクケース４を備えている。

シリンダブロック２には、シリンダボア２１が形成されている。シリンダボア２１内には、ピストン２２が設けられている。

シリンダヘッド３は、シリンダブロック２の上端部に取り付けられている。シリンダヘッド３内には、シリンダボア２１に連通する燃焼室３１が形成されている。また、シリンダヘッド３には、吸気ポート３２および排気ポート３３が形成されており、吸気ポート３２および排気ポート３３をそれぞれ開閉する吸気バルブ３４および排気バルブ３５が設けられている。また、シリンダヘッド３には、図示しない点火プラグが設けられている。

クランクケース４は、シリンダブロック２の下端部に取り付けられている。クランクケース４には、クランクシャフト４１が回転可能に保持されている。

クランクシャフト４１は、２つの出力軸４２、２つのクランクアーム４３、２つのギヤ支持ピン４４およびクランクピン４５を有している。２つの出力軸４２は、シリンダボア２１の中心線と直交する方向に間隔を空けて、当該方向に延びる共通の中心軸線を有するように設けられている。各出力軸４２は、ベアリング４６を介して、クランクケース４に回転可能に保持されている。クランクアーム４３は、各出力軸４２の内側の端部（互いに近い側の端部）から出力軸４２の中心軸線と直交する方向に延出している。ギヤ支持ピン４４は、各クランクアーム４３の先端部から内側（出力軸４２と反対側）に延出している。２つのギヤ支持ピン４４は、出力軸４２の中心軸線と平行に延びる共通の中心軸線を有するように設けられている。各ギヤ支持ピン４４は、遊星ギヤ４７の中心に挿通されて、遊星ギヤ４７を回転可能に支持している。クランクピン４５は、遊星ギヤ４７の中心よりも径方向外側に偏心した位置に回転可能に挿通され、出力軸４２の中心軸線と平行に延び、２つの遊星ギヤ４７を連結している。

クランクケース４内には、各遊星ギヤ４７を取り囲むように、円環状のリングギヤ５１が設けられている。リングギヤ５１の内周および外周には、歯が形成されている。遊星ギヤ４７は、リングギヤ５１の内周の歯に噛合している。２つのリングギヤ５１は、連結部材５２によって連結されている。一方のリングギヤ５１には、リングギヤ５１の同心円環状の突出部５３が突設されている。そして、突出部５３がベアリング５４を介してクランクケース４に回転可能に保持されることにより、２つのリングギヤ５１は、一体的に回転可能に設けられている。

リングギヤ５１の外周の歯には、角度調整ギヤ５５が噛合している。角度調整ギヤ５５は、クランクケース４に回転可能に保持されている。角度調整ギヤ５５には、クランクケース４外に設けられた駆動機構５６の駆動力が入力されるようになっており、角度調整ギヤ５５は、その駆動力によって回転される。駆動機構５６は、モータを駆動源とする電動駆動機構であってもよいし、油圧シリンダを駆動源とする油圧駆動機構であってもよい。

そして、ピストン２２の下端部には、コンロッド（コネクティングロッド）５７の小端部が回転可能に接続されている。コンロッド５７の大端部は、クランクピン４５に回転可能に接続されている。

また、内燃機関１は、吸気バルブ３４および排気バルブ３５を開閉する動弁機構６１を備えている。

動弁機構６１は、両端部がベアリング６２を介してクランクケース４に回転可能に保持された第１カムシャフト６３と、一端部が角度調整ギヤ５５の中心に相対回転不能に挿通され、他端部がベアリング６４を介してクランクケース４に回転可能に保持された第２カムシャフト６５と、第１カムシャフト６３が相対回転不能に挿通された吸気カム６６と、第１カムシャフト６３が相対回転不能に挿通された排気カム６７と、第２カムシャフト６５が相対回転不能に挿通された早開きカム６８と、第１カムシャフト６３と平行な揺動軸６９に揺動可能に支持され、一端部が吸気バルブ３４に接続された吸気ロッカアーム７０と、第１カムシャフト６３と平行な揺動軸７１に揺動可能に支持され、一端部が排気バルブ３５に接続された排気ロッカアーム７２と、上端部が吸気ロッカアーム７０の他端部に接続され、吸気カム６６の回転に伴って上下動する吸気プッシュロッド７３と、上端部が吸気ロッカアーム７０の他端部に接続され、早開きカム６８の回転に伴って上下動する早開きプッシュロッド７４と、上端部が排気ロッカアーム７２の他端部に接続され、排気カム６７の回転に伴って上下動する排気プッシュロッド７５と、クランクシャフト４１の出力軸４２が相対回転不能に挿通された第１駆動ギヤ７６と、第１駆動ギヤ７６に噛合し、第１カムシャフト６３が相対回転不能に挿通された第２駆動ギヤ７７とを含む。

図３は、膨張行程および排気行程における内燃機関１の動作の様子を示す図解的な断面図である。

膨張行程の開始時には、ピストン２２が上死点に位置している。コンロッド５７は、ピストン２２の往復動の方向（以下、単に「往復動方向」という。）に延びている。遊星ギヤ４７の中心は、リングギヤ５１の中心よりも上方において、その中心軸線方向に見て、リングギヤ５１の中心を通って往復動方向に延びる直線Ｌ１上に位置している。コンロッド５７の大端部は、遊星ギヤ４７の中心軸線方向に見て、遊星ギヤ４７の中心よりも上方において、直線Ｌ１上に位置している。

膨張行程において、ピストン２２が上死点から下方に移動すると、そのピストン２２の移動に伴って、コンロッド５７が往復動方向に沿った状態のまま下方に移動する。コンロッド５７の移動により、遊星ギヤ４７は、自転し、リングギヤ５１の内周の歯に噛合しつつ、その自転方向と逆方向に転動（公転）する。遊星ギヤ４７の転動により、クランクシャフト４１の出力軸４２（図１参照）が回転する。

ピストン２２が下死点に到達すると、膨張行程が終了となり、排気行程が開始となる。ピストン２２が下死点に位置する状態において、コンロッド５７は、往復動方向に延びている。遊星ギヤ４７の中心は、リングギヤ５１の中心よりも下方において、その中心軸線方向に見て、直線Ｌ１上に位置している。コンロッド５７の大端部は、遊星ギヤ４７の中心よりも下方において、遊星ギヤ４７の中心軸線方向に見て、直線Ｌ１上に位置している。

排気行程において、ピストン２２が下死点から上方に移動すると、そのピストン２２の移動に伴って、コンロッド５７が往復動方向に沿った状態のまま上方に移動する。コンロッド５７の移動により、遊星ギヤ４７は、自転し、リングギヤ５１の内周の歯に噛合しつつ、その自転方向と逆方向に転動（公転）する。遊星ギヤ４７の転動により、クランクシャフト４１の出力軸４２が回転する。

出力軸４２の回転に伴って、第１駆動ギヤ７６が回転し、その回転が第２駆動ギヤ７７を介して第１カムシャフト６３に伝達される。そして、第１カムシャフト６３が回転し、排気カム６７が第１カムシャフト６３と一体的に回転する。排気行程における排気カム６７の回転に伴って、排気カム６７により、排気プッシュロッド７５が押し上げられ、排気プッシュロッド７５により、排気ロッカアーム７２の他端部が押し上げられる。排気ロッカアーム７２の他端部が押し上げられると、排気ロッカアーム７２の一端部が下がり、排気バルブ３５がシリンダヘッド３内に押し込まれる。これにより、排気バルブ３５が開き、シリンダボア２１内の気体（燃焼ガス）が排気ポート３３を介して排出される。その後、排気カム６７の回転に伴って、排気プッシュロッド７５が下方に移動し、排気行程の終了時には、図示しないバルブスプリングの付勢力により、排気バルブ３５が閉じられる。

図４は、吸気行程および圧縮行程における内燃機関１の動作の様子を示す図解的な断面図である。図５は、吸気バルブの開度（吸気バルブリフト量）の変化を示すグラフである。

排気行程において、ピストン２２が上死点に到達すると、図示しない制御部により、駆動機構５６が制御されて、角度調整ギヤ５５が遊星ギヤ４７の自転方向に回転（回動）される。この角度調整ギヤ５５の回転により、リングギヤ５１が遊星ギヤ４７の公転方向に所定角度だけ回動し、それに伴って、遊星ギヤ４７が転動せずに移動する。その結果、コンロッド５７の大端部は、遊星ギヤ４７の中心軸線方向に見て、遊星ギヤ４７およびリングギヤ５１の各中心を通り、直線Ｌ１(図３参照）に対して傾斜する直線Ｌ２上に位置し、コンロッド５７は、往復動方向に対して傾斜した状態になる。コンロッド５７の移動に伴って、ピストン２２が上死点から下方に移動する。

その一方で、角度調整ギヤ５５が回転に伴って、第２カムシャフト６５が回転し、早開きカム６８が第２カムシャフト６５と一体的に回転する。早開きカム６８の回転に伴って、早開きプッシュロッド７４は、一旦上方に移動した後、下方に移動する。早開きプッシュロッド７４の上方への移動により、吸気ロッカアーム７０の他端部が押し上げられて、吸気ロッカアーム７０の一端部が下がり、吸気バルブ３４がシリンダヘッド３内に押し込まれる。これにより、吸気バルブ３４が開き、混合気がシリンダボア２１内に吸気ポート３２を介して流入する。その後、早開きプッシュロッド７４の下方への移動に伴って、図示しないバルブスプリングの付勢力により、吸気バルブ３４が閉じる方向に動く。その結果、吸気バルブ３４の開度は、図５に示す曲線Ｃ１のように変化する。

その後、吸気行程が開始される。吸気行程において、ピストン２２が下方に移動すると、そのピストン２２の移動に伴って、コンロッド５７が下方に移動する。このとき、コンロッド５７の大端部は、直線Ｌ２上を下方に移動する。コンロッド５７の移動により、遊星ギヤ４７は、自転し、リングギヤ５１の内周の歯に噛合しつつ、その自転方向と逆方向に転動（公転）する。遊星ギヤ４７の転動により、クランクシャフト４１の出力軸４２が回転する。

出力軸４２の回転に伴って、第１駆動ギヤ７６が回転し、その回転が第２駆動ギヤ７７を介して第１カムシャフト６３に伝達される。そして、第１カムシャフト６３が回転し、吸気カム６６が第１カムシャフト６３と一体的に回転する。吸気行程における吸気カム６６の回転に伴って、吸気カム６６により、吸気プッシュロッド７３が押し上げられ、吸気プッシュロッド７３により、吸気ロッカアーム７０の他端部が押し上げられる。これにより、閉じる方向に動いていた吸気バルブ３４がシリンダヘッド３内に再び押し込まれる。その結果、吸気バルブ３４の開度は、図５に示す曲線Ｃ２のように変化する。吸気行程の終了時には、図示しないバルブスプリングの付勢力により、吸気バルブ３４が閉じられる。

ピストン２２が下死点に到達すると、吸気行程が終了となり、圧縮行程が開始となる。圧縮行程が開始されると、ピストン２２が下死点から上方に移動し、ピストン２２の移動に伴って、コンロッド５７が上方に移動し、遊星ギヤ４７が転動して、クランクシャフト４１の出力軸４２が回転する。これとともに、駆動機構５６が制御されて、角度調整ギヤ５５が遊星ギヤ４７の自転方向と逆方向に回転（回動）される。この角度調整ギヤ５５の回転により、リングギヤ５１が遊星ギヤ４７の公転方向と逆方向に所定角度だけ回動する。その結果、圧縮行程の終了時には、ピストン２２、遊星ギヤ４７、リングギヤ５１およびコンロッド５７が膨張行程の開始時の状態に戻る。

以上のように、膨張行程では、コンロッド５７がピストン２２の往復動方向に沿った状態で動き、吸気行程では、コンロッド５７が往復動方向に対して傾斜した状態で動く。この動作により、膨張行程におけるピストンストロークは、吸気行程におけるピストンストロークよりも大きくなる。よって、膨張比を圧縮比よりも大きくすることができ、アトキンソンサイクルを実現することができる。

また、膨張行程では、コンロッド５７がピストン２２の往復動方向に沿った状態で動くので、ピストン２２をシリンダボア２１の壁面に押しつける力（サイドフォース）がピストン２２に作用しない。よって、ピストン２２がシリンダボア２１の壁面から受ける摩擦抵抗を低減することができる。その結果、燃費が向上する。

吸気行程では、ピストンストロークが膨張行程におけるピストンストロークよりも短いので、ピストン２２の移動速度が膨張行程におけるピストン２２の移動速度よりも小さくなる。ピストン２２の移動速度が小さくなると、シリンダボア２１内に吸気される混合気の流速が小さくなり、シリンダボア２１内への混合気の充填率が低下するおそれがある。

内燃機関１では、早開きカム６８の働きにより、吸気行程が開始される前に吸気バルブ３４が開かれて、シリンダボア２１内に吸気される混合気の流速が上がり、吸気バルブ３４が閉じる方向に動いた後、出力軸４２の回転に伴って、吸気行程の開始とともに、吸気バルブ３４が再び開かれる。これにより、シリンダボア２１内に吸気される混合気に粗密を生じさせることができ、吸気慣性効果により、シリンダボア２１内への混合気の充填率を向上させることができる。その結果、出力および熱効率が向上する。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

リングギヤ５１の回動のために、角度調整ギヤ５５および駆動機構５６が設けられた構成を取り上げたが、これに限らず、たとえば、ソレノイドのプランジャの先端部がリングギヤ５１に接続されて、プランジャの往復動により、リングギヤ５１が遊星ギヤ４７の公転方向およびその逆方向に回動されてもよい。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１ 内燃機関
２ シリンダブロック（シリンダ）
３ シリンダヘッド（シリンダ）
２１ シリンダボア（シリンダ）
２２ ピストン
３４ 吸気バルブ
４１ クランクシャフト
４２ 出力軸
４７ 遊星ギヤ
５１ リングギヤ
５５ 角度調整ギヤ（回動手段）
５６ 駆動機構（回動手段）
５７ コンロッド
６３ 第１カムシャフト（通常開き手段）
６５ 第２カムシャフト（早開き手段）
６６ 吸気カム（通常開き手段）
６８ 早開きカム（早開き手段）
７０ 吸気ロッカアーム（通常開き手段、早開き手段）
７３ 吸気プッシュロッド（通常開き手段）
７４ 早開きプッシュロッド（早開き手段）
７６ 第１駆動ギヤ（通常開き手段）
７７ 第２駆動ギヤ（通常開き手段）

Claims (2)

1. シリンダと、前記シリンダ内を往復動可能に設けられたピストンと、内周に歯を有するリングギヤと、前記リングギヤの歯に噛合する遊星ギヤと、前記ピストンに一端部が連結され、前記遊星ギヤにおけるその中心よりも径方向外側の位置に他端部が連結されたコネクティングロッドと、出力軸とを備え、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程を繰り返すことにより、前記ピストンの往復動に連動して、前記遊星ギヤが前記リングギヤの歯に噛合しつつ転動し、この前記遊星ギヤの転動に伴って前記出力軸が回転する内燃機関であって、
   前記膨張行程では、前記コネクティングロッドが前記ピストンの往復動方向に沿った状態で動き、前記吸気行程では、前記コネクティングロッドが前記往復動方向に対して傾斜した状態で動くように、前記リングギヤを回動させる回動手段を備える、内燃機関。
2. 前記シリンダ内への混合気の吸気およびその停止のために開閉される吸気バルブと、
   前記出力軸の回転に伴い、前記吸気行程が開始される吸気タイミングで前記吸気バルブを開ける通常開き手段と、
   前記回動手段の動作に伴い、前記吸気タイミングよりも早いタイミングで前記吸気バルブを開け、前記吸気タイミングを跨いで前記吸気バルブを開状態に維持する早開き手段とを備える、請求項１に記載の内燃機関。

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