JP2016089701A - 圧縮比可変機構 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造、かつ、低コストで圧縮比を変更する。【解決手段】圧縮比可変機構２００は、燃焼室１３２側に歯面を臨ませた歯部２１２が、ピストン１１２の中心軸Ｐを軸とする円周上に複数設けられ、ピストンと一体にストローク方向に往復動する第１部材２１０と、歯部と同一円周上に配列された複数の噛部２４２を有し、噛部が歯部に噛合する噛合位置、および、噛合関係が解除される非噛合位置の間を移動自在であって、かつ、非噛合位置では中心軸Ｐ周りに回転自在となり、噛合位置では、第１部材との相対回転位置に応じて噛合深さを異にする第２部材２４０と、第２部材に設けられた接触部２５２と、接触部に対向配置された被接触部２２２と、接触部を移動して被接触部と接触させ、接触部を介して第２部材にストローク方向に押圧力を作用させた後に、接触部を被接触部から離間させる駆動部２３０とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの圧縮比を変更する圧縮比可変機構に関する。

従来、燃焼室側に設けられ、上面が封止された円筒形状のピストンアウタと、ピストンアウタの内部に摺動自在に設けられ、ピストンピンを介してコンロッドに連結されるピストンインナとで構成されるピストンを備えた４サイクルエンジンにおいて、ピストンアウタとピストンインナとの間に圧縮比可変機構を設ける構成が開示されている（例えば、特許文献１、２）。

特許文献１、２で開示されている従来の圧縮比可変機構は、ピストンインナの上面に設けられ、第１凸部および第１凹部を含んで構成される第１回転カム板と、ピストンアウタにおける第１回転カム板の対向面に設けられ、第１凸部および第１凹部と歯合する第２凹部および第２凸部を含んで構成される第２回転カム板と、第１回転カム板を回転させるアクチュエータとを含んで構成される。アクチュエータは、第１回転カム板を一方の回転方向に回転させる油圧機構と、第１回転カム板を他方の回転方向に付勢する戻しバネとで構成され、油圧機構のプランジャおよび戻しバネがピストンインナ内に埋め込まれている。

従来の圧縮比可変機構では、アクチュエータの油圧機構が、戻しバネの付勢力に抗して第１回転カム板を回転させることで、第１凸部と第２凸部とを当接させ、ピストンインナとピストンアウタとの間の相対距離を大きくして圧縮比を高め、第１凸部および第１凹部を第２凹部および第２凸部に歯合させ、ピストンインナとピストンアウタとの間の相対距離を小さくして圧縮比を下げている。

特開２００５−５４６１９号公報 特許第４６５７１６２号公報

上述したように、従来の圧縮比可変機構では、第１回転カム板を回転させるためのアクチュエータがピストンインナに埋め込まれているため、ピストンの形状が複雑になり、ピストンの製造コストが上昇してしまうという課題がある。

また、第１回転カム板は、戻しバネによって常時他方の回転方向に付勢されているため、第１凸部、第１凹部、第２凸部、第２凹部には常に剪断力がかかることとなる。したがって、圧縮比可変機構を構成する部材の剛性を高める必要があり、材料コストが上昇するという課題もある。

そこで、本発明は、このような課題に鑑み、簡易な構造、かつ、低コストで圧縮比を変更することが可能な圧縮比可変機構を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の圧縮比可変機構は、燃焼室で生じる爆発圧力によってピストンがシリンダ内を摺動するエンジンに設けられ、ピストンのストローク位置を変化させることで圧縮比を変更する圧縮比可変機構であって、燃焼室側に歯面を臨ませた歯部が、ピストンの中心軸を軸とする円周上に複数設けられ、ピストンと一体にピストンのストローク方向に往復動する第１部材と、第１部材の歯部と同一円周上に配列された複数の噛部を有し、噛部が歯部に噛合する噛合位置、および、噛合位置よりも燃焼室側であって噛部と歯部との噛合関係が解除される非噛合位置の間を移動自在であって、かつ、非噛合位置ではピストンの中心軸周りに回転自在となり、噛合位置では、第１部材との相対回転位置に応じて歯部と噛部との噛合深さを異にする第２部材と、第２部材に設けられ、第１部材側に臨む接触部と、接触部よりも第１部材側に設けられ、接触部に対向配置された被接触部と、接触部および被接触部をストローク方向に近接させて両者を接触させ、接触部を介して第２部材にストローク方向に押圧力を作用させた後に、接触部と被接触部とをストローク方向に離間させる駆動部と、を備え、接触部および被接触部の少なくとも一方は、第２部材の回転方向に傾斜角を有する傾斜面で構成され、第２部材が噛合位置にある状態で、駆動部によって接触部および被接触部が接触すると、駆動部によってもたらされる押圧力が傾斜面によってストローク方向と回転方向とに分配されて第２部材に伝達され、ストローク方向の押圧力によって噛合位置から非噛合位置へ第２部材が移動するとともに、回転方向に作用する分力によって第２部材が回転して第１部材との相対回転位置が変化し、第２部材の回転後に接触部および被接触部が離間すると、第２部材が噛合位置へ移動することを特徴とする。

また、被接触部は、燃焼室側に歯面を臨ませた歯体が、ピストンの中心軸を軸とする円周上に複数設けられており、接触部は、被接触部の歯体と同一円周上に配列された複数の噛体を有し、噛体が歯体と歯合し、傾斜面は、歯体および噛体に設けられているとしてもよい。

また、駆動部は、被接触部を燃焼室に近接する方向に移動させることで、被接触部を接触部に接触させ、被接触部を燃焼室と離隔する方向に移動させることで、被接触部を接触部から離間させるとしてもよい。

また、接触部は、第２部材の周方向に沿って設けられ、被接触部は、第１部材の周方向に沿って設けられるとしてもよい。

また、第２部材の噛部は、頂部と、頂部を境にして第２部材の回転方向の一方側に位置する第１底部と、頂部を境にして第２部材の回転方向の他方側に位置し、第１底部より頂部からの深さが大きい第２底部とを有し、接触部の噛体の頂部間の距離、および、被接触部の歯体の頂部間の距離は、第２部材の噛部の頂部と、頂部に隣接する第２底部との回転方向の距離より大きく、第１底部と第２底部との回転方向の距離未満であるとしてもよい。

また、駆動部は、ピストンが下死点に到達すると、接触部および被接触部をストローク方向に近接させて両者を接触させ、接触部を介して第２部材にストローク方向に押圧力を作用させた後に、接触部と被接触部とをストローク方向に離間させるとしてもよい。

また、エンジンは、ピストンに一端が固定されたピストンロッドと、ピストンロッドの他端側に連結され、ピストンと一体に往復移動するクロスヘッドと、を備え、第１部材および第２部材は、ピストン、ピストンロッド、および、クロスヘッドのいずれかに設けられるとしてもよい。

本発明の圧縮比可変機構によれば、簡易な構造、かつ、低コストで圧縮比を変更することが可能となる。

ユニフロー掃気式２サイクルエンジンの全体構成を示す図である。 圧縮比可変機構を説明するための図である。 圧縮比可変機構の斜視図である。 圧縮比可変機構を説明するための図である。 第１部材の歯部、被接触部の歯体、第２部材の噛部、接触部の噛体の寸法関係について説明する図である。 圧縮比可変機構による圧縮比の変更について説明するための第１の図である。 圧縮比可変機構による圧縮比の変更について説明するための第２の図である。 噛合位置の違いによる第１部材と第２部材との位置関係を説明する図である。 変形例にかかる圧縮比可変機構の第２部材を説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

以下の実施形態では、まず、圧縮比可変機構が設けられるエンジンについて説明し、続いて圧縮比可変機構について詳述する。なお、本実施形態では、圧縮比可変機構が設けられるエンジンとして、１周期が２サイクル（ストローク）であって、シリンダ内部をガスが一方向に流れるユニフロー掃気式であるエンジンを例に挙げて説明する。しかし、圧縮比可変機構が設けられるエンジンは、燃焼室で生じる爆発圧力によってピストンがシリンダ内を摺動するエンジンであれば、サイクル数、ガスの流れ方向に限定はない。

（ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００）
図１は、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００の全体構成を示す図である。本実施形態のユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、例えば、船舶等に用いられる。また、本実施形態のユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、気体燃料である燃料ガスを主に燃焼させるガス運転モードと、液体燃料である燃料油を燃焼させるディーゼル運転モードのいずれかの運転モードを選択的に実行することができる、所謂デュアルフューエル型のエンジンである。具体的に説明すると、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００は、シリンダ１１０と、ピストン１１２と、クロスヘッド１１４と、連結棒１１６と、クランクシャフト１１８と、排気ポート１２０と、排気弁１２２と、掃気ポート１２４と、掃気溜１２６と、冷却器１２８と、掃気室１３０と、燃焼室１３２とを含んで構成される。

ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００では、ピストン１１２の上昇行程および下降行程の２行程の間に、排気、吸気、圧縮、燃焼、膨張が行われて、ピストン１１２がシリンダ１１０内を往復移動する。ピストン１１２には、ピストンロッド１１２ａの一端が固定されている。また、ピストンロッド１１２ａの他端には、クロスヘッド１１４におけるクロスヘッドピン１１４ａが連結されており、クロスヘッド１１４は、ピストン１１２とともに往復移動する。クロスヘッド１１４はクロスヘッドシュー１１４ｂによって、ピストン１１２のストローク方向に垂直な方向（図１中、左右方向）の移動が規制されている。

クロスヘッドピン１１４ａは、連結棒１１６の一端に設けられた孔に挿通されており、連結棒１１６の一端を支持している。また、連結棒１１６の他端は、クランクシャフト１１８に連結され、連結棒１１６に対してクランクシャフト１１８が回転する構造となっている。その結果、ピストン１１２の往復移動に伴いクロスヘッド１１４が往復移動すると、その往復移動に連動して、クランクシャフト１１８が回転することとなる。

排気ポート１２０は、ピストン１１２の上死点より上方のシリンダヘッド１１０ａに設けられた開口部であり、シリンダ１１０内で生じた燃焼後の排気ガスを排気するために開閉される。排気弁１２２は、不図示の排気弁駆動装置によって所定のタイミングで上下に摺動され、排気ポート１２０を開閉する。このようにして排気ポート１２０を介して排気された排気ガスは、排気管１２０ａを介して過給機Ｃのタービン側に供給された後、外部に排気される。

掃気ポート１２４は、シリンダ１１０の下端側の内周面（シリンダライナ１１０ｂの内周面）から外周面まで貫通する孔であり、シリンダ１１０の全周囲に亘って、複数設けられている。そして、掃気ポート１２４は、ピストン１１２の摺動動作に応じてシリンダ１１０内に活性ガスを吸入する。かかる活性ガスは、酸素、オゾン等の酸化剤、または、その混合気（例えば空気）を含む。

掃気溜１２６には、過給機Ｃのコンプレッサによって加圧された活性ガス（例えば空気）が封入されており、冷却器１２８によって活性ガスが冷却されている。冷却された活性ガスはシリンダジャケット１１０ｃ内に形成された掃気室１３０に圧入される。そして、掃気室１３０とシリンダ１１０内の差圧をもって掃気ポート１２４からシリンダ１１０内に活性ガスが吸入される。

また、シリンダヘッド１１０ａには、不図示のパイロット噴射弁が設けられる。ガス運転モードにおいては、エンジンサイクルにおける所望の時点で適量の燃料油がパイロット噴射弁から噴射される。かかる燃料油は、シリンダヘッド１１０ａと、シリンダライナ１１０ｂと、ピストン１１２とに囲繞された燃焼室１３２の熱で気化して燃料ガスとなるとともに自然着火し、僅かな時間で燃焼して、燃焼室１３２の温度を極めて高くする。その結果、シリンダ１１０に流入した燃料ガスを、所望のタイミングで確実に燃焼させることができる。ピストン１１２は、主に燃料ガスの燃焼による膨張圧によって往復移動する。

ここで、燃料ガスは、例えば、ＬＮＧ（液化天然ガス）をガス化して生成されるものとする。また、燃料ガスは、ＬＮＧに限らず、例えば、ＬＰＧ（液化石油ガス）、軽油、重油等をガス化したものを適用することもできる。

一方、ディーゼル運転モードにおいては、ガス運転モードにおける燃料油の噴射量よりも多量の燃料油がパイロット噴射弁から噴射される。ピストン１１２は、燃料ガスではなく、燃料油の燃焼による膨張圧によって往復移動する。

また、本実施形態のユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００には、ピストン１１２のストローク位置を変化させることで圧縮比を変更する圧縮比可変機構が設けられている。以下、圧縮比可変機構について詳述する。

（圧縮比可変機構２００）
図２は、圧縮比可変機構２００を説明するための図であり、ピストン１１２およびピストン１１２近傍の断面図を示す。図２に示すように、本実施形態のピストン１１２は、ボルト１１２ｂによってピストンロッド１１２ａに連結された第１部材２１０と、第１部材２１０より燃焼室１３２側に配される第２部材２４０とを含んで構成される。

圧縮比可変機構２００は、第１部材２１０と、押圧部材２２０と、駆動部２３０と、第２部材２４０と、被押圧部材２５０とを含んで構成される。

第１部材２１０は、円筒形状であり、燃焼室１３２側の面に歯部２１２が設けられている。また、第１部材２１０の歯部２１２よりも径方向外方には、環状溝２１０ａが形成されており、環状溝２１０ａには押圧部材２２０がストローク方向に移動自在に収容されている。押圧部材２２０は、燃焼室１３２側の面に被接触部２２２が設けられている。

駆動部２３０は、環状溝２１０ａに連通するとともに、環状溝２１０ａの周方向に等間隔に形成された挿通孔２１０ｂに挿通され、押圧部材２２０における被接触部２２２の裏面に連結されたロッド２３２と、ロッド２３２を第２部材２４０側に付勢するバネ２３４と、ロッド２３２を燃焼室１３２側に押圧する不図示のアクチュエータ（例えば、油圧機構やモータ）とを含んで構成され、押圧部材２２０をストローク方向に移動させる。なお、ロッド２３２は、押圧部材２２０に複数本連結されており、押圧部材２２０の回転方向の移動を規制している。

第２部材２４０は、円筒形状であり、第１部材２１０との対向面に噛部２４２が設けられている。また、第２部材２４０の噛部２４２よりも径方向外方には、環状溝２４０ａが形成されており、環状溝２４０ａには被押圧部材２５０が嵌め込まれている。被押圧部材２５０は、ピン２４０ｂによって第２部材２４０に固定されている。したがって、被押圧部材２５０は、第２部材２４０とともに移動する。被押圧部材２５０は、第１部材２１０側の面に接触部２５２が設けられている。

なお、詳しくは後述するが、本実施形態において、第１部材２１０および被接触部２２２（押圧部材２２０）は、ストローク方向にのみ移動し、第２部材２４０および接触部２５２（被押圧部材２５０）は、ストローク方向に移動し、また、ピストン１１２の中心軸Ｐ周りに回転する。

図３および図４は、第１部材２１０、押圧部材２２０、第２部材２４０、被押圧部材２５０を説明するための図であり、図３（ａ）、（ｂ）は図２中破線で囲った部分の斜視図であり、図４（ａ）は図２中破線で囲った部分の第２部材２４０、接触部２５２の平面図であり、図４（ｂ）は接触部２５２の円周方向の展開図であり、図４（ｃ）は第２部材２４０の円周方向の展開図であり、図４（ｄ）は図２中破線で囲った部分の第１部材２１０、被接触部２２２の平面図であり、図４（ｅ）は第１部材２１０の円周方向の展開図であり、図４（ｆ）は被接触部２２２の円周方向の展開図である。

図３（ａ）に示すように、第１部材２１０には、燃焼室１３２（図２参照）側に歯面を臨ませた歯部２１２が、ピストン１１２（図２参照）の中心軸Ｐを軸とする円周上に複数設けられ、ストローク方向に往復動する。

また、図４（ｄ）、（ｅ）に示すように、第１部材２１０の歯部２１２は、頂部２１２ａおよび底部２１２ｂが、回転方向に交互に等間隔になるように配されている。また、第１部材２１０の歯部２１２には、頂部２１２ａから底部２１２ｂに向かって、中心軸Ｐを軸とする円周方向（第２部材２４０の回転方向、以下、単に「回転方向」と称する）に傾斜角を有する傾斜面２１２ｃと、底部２１２ｂから頂部２１２ａに向かって回転方向に傾斜角を有する傾斜面２１２ｄとが設けられている。なお、第１部材２１０の各歯部２１２の高さは、すべて等しい高さとなっている。

第２部材２４０は、図３（ｂ）に示すように、第１部材２１０の歯部２１２と同一円周上に配列された複数の噛部２４２を有する。また、図４（ａ）、（ｃ）に示すように、噛部２４２は、頂部２４２ａと、頂部２４２ａからのストローク方向の深さが異なる底部２４２ｂ、２４２ｃとを有する。具体的に説明すると、頂部２４２ａから底部２４２ｂ（第２底部）までのストローク方向の深さは、頂部２４２ａから底部２４２ｃ（第１底部）までと比較して幅Ｄ分、大きい。

また、第２部材２４０の噛部２４２は、底部２４２ｂと底部２４２ｃとが頂部２４２ａを挟んで交互になるように配されている。また、第２部材２４０の噛部２４２には、頂部２４２ａから底部２４２ｂに向かって回転方向に傾斜角を有する傾斜面２４２ｄと、底部２４２ｂから頂部２４２ａに向かって回転方向に傾斜角を有する傾斜面２４２ｅと、頂部２４２ａから底部２４２ｃに向かって回転方向に傾斜角を有する傾斜面２４２ｆと、底部２４２ｃから頂部２４２ａに向かって回転方向に傾斜角を有する傾斜面２４２ｇとが設けられている。

また、詳しくは後述するが、第２部材２４０は、噛部２４２が歯部２１２に噛合する噛合位置、および、噛合位置よりも燃焼室１３２側であって噛部２４２と歯部２１２との噛合関係が解除される非噛合位置の間を移動自在であって、かつ、非噛合位置ではピストン１１２の中心軸Ｐ周りに回転自在となる。そして、噛合位置では、第１部材２１０との相対回転位置に応じて、歯部２１２の頂部２１２ａと、噛部２４２の底部２４２ｂとが噛合したり、歯部２１２の頂部２１２ａと、噛部２４２の底部２４２ｃとが噛合したりする。つまり、第２部材２４０は、第１部材２１０との相対回転位置に応じて歯部２１２と噛部２４２との噛合深さを異にする。

被接触部２２２は、図３（ａ）に示すように、第１部材２１０の周方向に沿って設けられた複数の歯体２２４で構成され、歯体２２４は、燃焼室１３２（図２参照）側に歯面を臨ませている。被接触部２２２は、第１部材２１０と相対移動自在となるように押圧部材２２０に設けられており、駆動部２３０による押圧部材２２０の移動に伴ってストローク方向に移動される。

また、図４（ｄ）、（ｆ）に示すように、被接触部２２２の歯体２２４は、頂部２２４ａが回転方向に等間隔になるように、すなわち、底部２２４ｂが回転方向に等間隔になるように配されている。また、被接触部２２２の歯体２２４は、頂部２２４ａから底部２２４ｂに向かって回転方向に傾斜角を有する傾斜面２２４ｃと、底部２２４ｂから頂部２２４ａに向かって垂直に立設した垂直面２２４ｄとが設けられている。

接触部２５２は、図３（ｂ）に示すように、第２部材２４０の周方向に沿って第２部材２４０に設けられ、被接触部２２２の歯体２２４と同一円周上に配列された複数の噛体２５４で構成され、噛体２５４は、歯体２２４と歯合する。上述したように、本実施形態において、接触部２５２は、被押圧部材２５０に設けられており、被押圧部材２５０はピン２４０ｂによって第２部材２４０に固定されていることから、第２部材２４０と一体に回転したり、第２部材２４０と一体にストローク方向に往復動したりする。

また、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、接触部２５２の噛体２５４は、頂部２５４ａが回転方向に等間隔になるように、すなわち、底部２５４ｂが回転方向に等間隔になるように配されている。また、接触部２５２の噛体２５４は、頂部２５４ａから底部２５４ｂに向かって回転方向に傾斜角を有する傾斜面２５４ｃと、底部２５４ｂから頂部２５４ａに向かって垂直に立設した垂直面２５４ｄとが設けられている。

続いて、第１部材２１０の歯部２１２、被接触部２２２の歯体２２４、第２部材２４０の噛部２４２、接触部２５２の噛体２５４の寸法関係について説明する。

図５は、第１部材２１０の歯部２１２、被接触部２２２の歯体２２４、第２部材２４０の噛部２４２、接触部２５２の噛体２５４の寸法関係について説明する図である。図５に示すように、接触部２５２の頂部２５４ａ間の回転方向の距離（回転角度）、すなわち、被接触部２２２の頂部２２４ａ間の回転方向の距離（回転角度）を距離Ｌ１とし、第２部材２４０の頂部２４２ａと、頂部２４２ａに隣接する底部２４２ｂとの回転方向の距離（回転角度）を距離Ｌ２とし、第２部材２４０の底部２４２ｂと、底部２４２ｃとの回転方向の距離（回転角度）を距離Ｌ３とし、底部２４２ｂ間の回転方向の距離（回転角度）、および、底部２４２ｃ間の回転方向の距離（回転角度）を距離Ｌ４とする。

この場合、距離Ｌ１が、距離Ｌ２より大きく、距離Ｌ３未満となるように、被接触部２２２、第２部材２４０、接触部２５２を設計する。また、頂部２１２ａ間の距離が距離Ｌ４となるように第１部材２１０を設計する。

続いて、圧縮比可変機構２００による圧縮比の変更について説明する。図６、図７は、圧縮比可変機構２００による圧縮比の変更について説明するための図である。なお、理解を容易にするために、図６、図７中、第１部材２１０、被接触部２２２、第２部材２４０、接触部２５２を簡素化して示し、駆動部２３０を省略する。また、第１部材２１０、第２部材２４０をハッチングで、被接触部２２２を黒い塗りつぶしで、接触部２５２を白い塗りつぶしで示す。また、図６、図７中、ストローク方向の移動を白抜き矢印で示し、回転方向の移動を黒い塗りつぶしの矢印で示す。

第１部材２１０の歯部２１２と、第２部材２４０の噛部２４２とが噛合している噛合位置では、図６（ａ）に示すように、接触部２５２と、被接触部２２２とは、ストローク方向に離間している。なお、図６（ａ）に示す噛合位置では、第１部材２１０の頂部２１２ａと、第２部材２４０の底部２４２ｂが噛合している。また、噛合位置において、接触部２５２の頂部２５４ａと、被接触部２２２の底部２２４ｂとは、円周方向の位置が異なっている。つまり、被接触部２２２の頂部２２４ａは、接触部２５２の傾斜面２５４ｃに臨んだ位置関係となっている。

そして、圧縮比を変更する場合、駆動部２３０によって、被接触部２２２（押圧部材２２０）をストローク方向に接触部２５２（被押圧部材２５０）側（燃焼室１３２に近接する方向）に移動させ、図６（ｂ）に示すように、被接触部２２２を接触部２５２に接触させて、接触部２５２を介して第２部材２４０にストローク方向に押圧力を作用させる。上述したように、被接触部２２２の頂部２２４ａは、接触部２５２の傾斜面２５４ｃに臨んだ位置関係となっているため、駆動部２３０によってもたらされる押圧力が傾斜面２５４ｃによってストローク方向と回転方向とに分配されて第２部材２４０に伝達される。

これにより、図６（ｃ）に示すように、接触部２５２および第２部材２４０が回転するとともに、ストローク方向の押圧力によって噛合位置から非噛合位置へ第２部材２４０が移動することとなる。そして、被接触部２２２の頂部２２４ａと被押圧部材２５０の底部２５４ｂとが歯合すると、第２部材２４０は、第１部材２１０との相対回転位置（円周方向の位置）が変化して、第１部材２１０の頂部２１２ａが、第２部材２４０の傾斜面２４２ｅ、または、傾斜面２４２ｇ（ここでは、傾斜面２４２ｇ）に臨んだ位置関係となる。つまり、図６（ａ）に示す噛合位置では、第１部材２１０の頂部２１２ａと、第２部材２４０の底部２４２ｂとが噛合していたが、図６（ｃ）に示す非噛合位置では、第１部材２１０の頂部２１２ａが、第２部材２４０の傾斜面２４２ｅ、または、傾斜面２４２ｇ（ここでは、傾斜面２４２ｇ）に臨んだ位置関係となる。

続いて、駆動部２３０は、図７（ａ）に示すように、被接触部２２２（押圧部材２２０）を燃焼室１３２と離隔する方向に移動させ、接触部２５２と被接触部２２２とをストローク方向に離間させる。ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００では、燃焼室１３２からクランクシャフト１１８に向けた力が第２部材２４０に常に作用しているため、被接触部２２２を燃焼室１３２と離隔する方向に移動させることで、第２部材２４０、接触部２５２は、第１部材２１０側に移動することとなる。

ここで、上述したように、第１部材２１０の頂部２１２ａは、第２部材２４０の噛部２４２の傾斜面２４２ｇに臨んだ位置関係となっているため、第２部材２４０が第１部材２１０に接触すると、燃焼室１３２からクランクシャフト１１８に向けた力が第１部材２１０の傾斜面２１２ｃ、第２部材２４０の傾斜面２４２ｅによって回転方向に作用する。これにより、図７（ｂ）に示すように、第２部材２４０が、第１部材２１０との噛合過程でさらに回転し、第１部材２１０の頂部２１２ａが、第２部材２４０の底部２４２ｃに噛合する噛合位置に移動することとなる。また、このときの第２部材２４０の回転に伴って、接触部２５２が回転することにより、被接触部２２２の歯体２２４の頂部２２４ａが、接触部２５２の噛体２５４の傾斜面２５４ｃに臨んだ位置関係、つまり、図６（ａ）と実質的に等しい位置関係に戻ることとなる。

図８は、噛合位置の違いによる第１部材２１０と第２部材２４０との位置関係を説明する図であり、図８（ａ）は、図６（ａ）に示す噛合位置における第１部材２１０および第２部材２４０の斜視図であり、図８（ｂ）は、図７（ｂ）に示す噛合位置における第１部材２１０および第２部材２４０の斜視図である。

上述したように、駆動部２３０が被接触部２２２（押圧部材２２０）を燃焼室１３２に近接する方向に移動させて接触部２５２に接触させ、接触部２５２を介して第２部材２４０にストローク方向に押圧力を作用させた後に、接触部２５２を燃焼室１３２から離隔する方向に移動させて接触部２５２と被接触部２２２とをストローク方向に離間させることで、第１部材２１０の頂部２１２ａが、第２部材２４０の底部２４２ｂに噛合する噛合位置（図６（ａ）、図８（ａ）参照）から、第２部材２４０の底部２４２ｃに噛合する噛合位置（図７（ｂ）、図８（ｂ）参照）へと変位する。そうすると、第１部材２１０と第２部材２４０との高さＨは、底部２４２ｃとの頂部２４２ａからの深さの差である幅Ｄ分高くなる。つまり、底部２４２ｂと、底部２４２ｃとの頂部２４２ａからの深さの差である幅Ｄ分、第１部材２１０が第２部材２４０から燃焼室１３２側に突出する。これにより、ピストン１１２のストローク位置が変化し、圧縮比を低圧縮比から高圧縮比へと変更することができる。

以上説明したように、本実施形態にかかる圧縮比可変機構２００によれば、被接触部２２２をストローク方向に押圧するだけで第２部材２４０を回転させることができるため、第２部材２４０を回転させるためのアクチュエータをピストン１１２の内部に埋め込む必要がなくなり、ピストン１１２の形状を簡素化することが可能となる。これにより、ピストン１１２の製造コストの上昇を低減することができる。

また、第２部材２４０は、被接触部２２２が接触部２５２を押圧している期間、すなわち、第１部材２１０と第２部材２４０とが離間している間にのみ回転するため、第１部材２１０の歯部２１２と第２部材２４０の噛部２４２が噛合している間に回転方向の剪断力が作用することはない。したがって、第１部材２１０および噛部２４２の剛性を不必要に高めずともよく、材料コストの上昇を抑制することが可能となる。

さらに、本実施形態の圧縮比可変機構２００は、被接触部２２２を押圧したり、押圧を解除したりするだけといった簡易な構成で、第１部材２１０と第２部材２４０の離間と、第２部材２４０の回転を遂行することができるため、ユニフロー掃気式２サイクルエンジン１００のみならず、４サイクルエンジンの圧縮比を変更することができる。なお、４サイクルエンジンでは、燃焼室１３２からクランクシャフト１１８に向けた力が作用する期間のみならず、クランクシャフト１１８から燃焼室１３２に向けた力が作用する期間がある。したがって、本実施形態の圧縮比可変機構２００を４サイクルエンジンに適用する場合、第１部材２１０と第２部材２４０とが離間しないような構造とすればよい。例えば、バネ等の弾性部材で、第１部材２１０を第２部材２４０に付勢すればよい。

また、圧縮比の変更は、エンジンの駆動中であっても、エンジンの停止中であっても、エンジンの駆動中における行程にかかわらず、常時行うことが可能である。

なお、圧縮比の変更は常時可能であるが、ピストン１１２が下死点に到達したときに遂行する、すなわち、駆動部２３０は、ピストン１１２が下死点に到達すると、接触部２５２を被接触部２２２に近接させて両者を接触させ、接触部２５２を介して第２部材２４０にストローク方向に押圧力を作用させた後に、接触部２５２を被接触部２２２からストローク方向に離間させるとよい。

第２部材２４０に作用する燃焼室１３２からクランクシャフト１１８に向けた力は、ピストン１１２が下死点に到達したとき最も小さくなるため、駆動部２３０が被接触部２２２を押圧する力を最小限にすることができる。したがって、ピストン１１２が下死点に到達したときに圧縮比を変更することにより、駆動部２３０の駆動力を低減することができ、駆動部２３０のコストを低減することが可能となる。

また、圧縮比可変機構２００は、運転モードに応じて圧縮比を変更してもよいし、エンジン負荷に応じて圧縮比を変更してもよい。

さらに、第１部材２１０の歯部２１２、被接触部２２２の歯体２２４、第２部材２４０の噛部２４２、接触部２５２の噛体２５４の寸法関係を上記のように設計することで、図６（ｃ）に示す被接触部２２２の押圧力による接触部２５２（第２部材２４０）の回転のみならず、図７（ａ）に示すように第２部材２４０（接触部２５２）をさらに回転させることができる。このさらなる回転によって第１部材２１０と第２部材２４０との相対位置関係を常に一定に保持することができる。したがって、被接触部２２２が接触部２５２を押圧する度に、第１部材２１０の歯部２１２と第２部材２４０の噛部２４２との噛み合い位置を１歯ずつずらすことができる。上述したように、本実施形態の第２部材２４０は、底部２４２ｂ、２４２ｃが交互に配される、すなわち、噛合位置において第１部材２１０と第２部材２４０の噛合深さが１歯ずつ交互に異なることから、被接触部２２２による１回の押圧で噛み合い位置を変更することが可能となる。

（変形例）
上記実施形態では、圧縮比を２段階に変更可能な圧縮比可変機構２００について説明した。しかし、圧縮比可変機構は、第１部材の歯部、および、第２部材の噛部を工夫することで、圧縮比を３段階以上に変更することも可能である。

図９は、変形例にかかる圧縮比可変機構２００の第２部材３４０を説明する図である。図９に示すように、第２部材３４０の噛部３４２は、４つの頂部３４２ｂ、３４２ｄ、３４２ｆ、３４２ｈと、最も第１部材２１０側に配される頂部３４２ｂからの深さが異なる４つの底部３４２ａ、３４２ｃ、３４２ｅ、３４２ｇとを含んで構成される。このように噛部３４２を設計することで、圧縮比を４段階に変更することができる。

なお、この場合、接触部２５２の頂部２５４ａ間の回転方向の距離Ｌ１は、底部３４２ｇと頂部３４２ｈとの回転方向の距離Ｌ５、つまり、第２部材３４０の噛部３４２の底部と頂部との回転方向の距離のうち、最も長い距離に基づいて設計するとよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態において、駆動部２３０は、被接触部２２２を移動させる構成を例に挙げて説明した。しかし、駆動部２３０は、接触部２５２および被接触部２２２をストローク方向に近接させて両者を接触させ、接触部２５２を介して第２部材２４０にストローク方向に押圧力を作用させた後に、接触部２５２と被接触部２２２とをストローク方向に離間させることができればよい。例えば、駆動部２３０は、接触部２５２を移動させてもよいし、接触部２５２および被接触部２２２を移動させてもよい。

また、上記実施形態において、被接触部２２２が第１部材２１０の歯部２１２よりも径方向外方に設けられる場合を例に挙げて説明した。しかし、被接触部２２２は、第１部材２１０の周方向に沿って設けられればよい。例えば、被接触部２２２は、第１部材２１０の歯部２１２よりも径方向内方に設けられてもよい。

また、上記実施形態において、接触部２５２が第２部材２４０の噛部２４２よりも径方向外方に設けられる場合を例に挙げて説明した。しかし、接触部２５２は、第２部材２４０の周方向に沿って設けられればよい。例えば、接触部２５２は、第２部材２４０の噛部２４２よりも径方向内方に設けられてもよい。

また、上記実施形態において、第１部材２１０の頂部２１２ａの高さを一定とし、第２部材２４０の底部２４２ｂ、２４２ｃの深さ（第１部材２１０の頂部２１２ａからの距離）を異ならせることで、歯部２１２と噛部２４２との噛合深さを異にする構成を例に挙げて説明した。しかし、歯部２１２と噛部２４２との噛合深さを異にすることができれば、構成に限定はない。例えば、第２部材２４０の頂部２４２ａの高さを一定とし、第１部材２１０の底部２１２ｂの深さを異ならせることで、歯部２１２と噛部２４２との噛合深さを異にしてもよい。

また、上記実施形態において、歯部２１２および噛部２４２が、傾斜面２１２ｃ、２４２ｄ〜２４２ｇを有する構成を例に挙げて説明した。しかし、歯部２１２および噛部２４２は、傾斜面を有さずともよい。この場合、第２部材２４０が噛合位置にある状態で、駆動部２３０によって接触部２５２および被接触部２２２が接触すると、ストローク方向の押圧力によって噛合位置から非噛合位置へ第２部材２４０が移動するとともに、歯部２１２と噛部２４２との噛合関係が解除されると、回転方向に作用する分力によって第２部材２４０が回転して第１部材２１０との相対回転位置が変化することとなる。

また、上記実施形態において、接触部２５２の噛体２５４および被接触部２２２の歯体２２４に傾斜面２２４ｃ、２５４ｃが設けられる構成を例に挙げて説明した。しかし、第２部材２４０の回転方向に傾斜角を有する傾斜面は、接触部２５２および被接触部２２２の少なくともいずれかに設けられていればよい。

また、上記実施形態において、圧縮比可変機構２００の第１部材２１０および第２部材２４０が、ピストン１１２に設けられる構成を例に挙げて説明した。しかし、第１部材２１０および第２部材２４０は、ピストンロッド１１２ａ、または、クロスヘッド１１４に設けられていてもよい。

本発明は、エンジンの圧縮比を変更する圧縮比可変機構に利用することができる。

Ｐ 中心軸
１００ ユニフロー掃気式２サイクルエンジン（エンジン）
１１２ ピストン
１１２ａ ピストンロッド
１１４ クロスヘッド
１３２ 燃焼室
２００ 圧縮比可変機構
２１０ 第１部材
２１２ 歯部
２１２ａ 頂部
２１２ｂ 底部
２２０ 押圧部材
２２２ 被接触部
２２４ 歯体
２２４ｃ 傾斜面
２３０ 駆動部
２４０ 第２部材
２４２ 噛部
２４２ａ 頂部
２４２ｂ 底部（第２底部）
２４２ｃ 底部（第１底部）
２５０ 被押圧部材
２５２ 接触部
２５４ 噛体
２５４ｃ 傾斜面
３４０ 第２部材
３４２ 噛部

Claims (7)

1. 燃焼室で生じる爆発圧力によってピストンがシリンダ内を摺動するエンジンに設けられ、該ピストンのストローク位置を変化させることで圧縮比を変更する圧縮比可変機構であって、
   前記燃焼室側に歯面を臨ませた歯部が、前記ピストンの中心軸を軸とする円周上に複数設けられ、該ピストンと一体に該ピストンのストローク方向に往復動する第１部材と、
   前記第１部材の歯部と同一円周上に配列された複数の噛部を有し、該噛部が該歯部に噛合する噛合位置、および、該噛合位置よりも前記燃焼室側であって該噛部と該歯部との噛合関係が解除される非噛合位置の間を移動自在であって、かつ、該非噛合位置では前記ピストンの中心軸周りに回転自在となり、該噛合位置では、該第１部材との相対回転位置に応じて該歯部と該噛部との噛合深さを異にする第２部材と、
   前記第２部材に設けられ、前記第１部材側に臨む接触部と、
   前記接触部よりも前記第１部材側に設けられ、該接触部に対向配置された被接触部と、
   前記接触部および前記被接触部を前記ストローク方向に近接させて両者を接触させ、該接触部を介して前記第２部材に該ストローク方向に押圧力を作用させた後に、該接触部と該被接触部とを該ストローク方向に離間させる駆動部と、
   を備え、
   前記接触部および前記被接触部の少なくとも一方は、前記第２部材の回転方向に傾斜角を有する傾斜面で構成され、
   前記第２部材が前記噛合位置にある状態で、前記駆動部によって前記接触部および前記被接触部が接触すると、前記駆動部によってもたらされる前記押圧力が前記傾斜面によって前記ストローク方向と前記回転方向とに分配されて該第２部材に伝達され、該ストローク方向の押圧力によって該噛合位置から前記非噛合位置へ該第２部材が移動するとともに、該回転方向に作用する分力によって該第２部材が回転して前記第１部材との相対回転位置が変化し、該第２部材の回転後に該接触部および該被接触部が離間すると、該第２部材が該噛合位置へ移動することを特徴とする圧縮比可変機構。
2. 前記被接触部は、前記燃焼室側に歯面を臨ませた歯体が、前記ピストンの中心軸を軸とする円周上に複数設けられており、
   前記接触部は、前記被接触部の歯体と同一円周上に配列された複数の噛体を有し、該噛体が前記歯体と歯合し、
   前記傾斜面は、前記歯体および前記噛体に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の圧縮比可変機構。
3. 前記駆動部は、前記被接触部を前記燃焼室に近接する方向に移動させることで、該被接触部を前記接触部に接触させ、該被接触部を該燃焼室と離隔する方向に移動させることで、該被接触部を該接触部から離間させることを特徴とする請求項１または２に記載の圧縮比可変機構。
4. 前記接触部は、前記第２部材の周方向に沿って設けられ、
   前記被接触部は、前記第１部材の周方向に沿って設けられることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の圧縮比可変機構。
5. 前記第２部材の噛部は、頂部と、該頂部を境にして該第２部材の回転方向の一方側に位置する第１底部と、該頂部を境にして該第２部材の回転方向の他方側に位置し、該第１底部より該頂部からの深さが大きい第２底部とを有し、
   前記接触部の噛体の頂部間の距離、および、前記被接触部の歯体の頂部間の距離は、
   前記第２部材の噛部の頂部と、該頂部に隣接する前記第２底部との回転方向の距離より大きく、前記第１底部と該第２底部との回転方向の距離未満であることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の圧縮比可変機構。
6. 前記駆動部は、前記ピストンが下死点に到達すると、前記接触部および前記被接触部を前記ストローク方向に近接させて両者を接触させ、該接触部を介して前記第２部材に該ストローク方向に押圧力を作用させた後に、該接触部と該被接触部とを該ストローク方向に離間させることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の圧縮比可変機構。
7. 前記エンジンは、
   前記ピストンに一端が固定されたピストンロッドと、
   前記ピストンロッドの他端側に連結され、前記ピストンと一体に往復移動するクロスヘッドと、
   を備え、
   前記第１部材および前記第２部材は、前記ピストン、前記ピストンロッド、および、前記クロスヘッドのいずれかに設けられることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の圧縮比可変機構。

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