JP4602436B2

JP4602436B2 - 行程可変型ミラーサイクルエンジン

Info

Publication number: JP4602436B2
Application number: JP2008111620A
Authority: JP
Inventors: 泰之田辺
Original assignee: 泰之田辺
Priority date: 2008-04-22
Filing date: 2008-04-22
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2028-04-22
Also published as: JP2009264137A

Description

この発明は行程可変型ミラーサイクルエンジンに関する。

ミラーサイクルエンジンには、吸気弁を下死点前に閉じる早閉じ式ミラーサイクルと、吸気弁を下死点後に閉じる遅閉じ式ミラーサイクルがある。これは膨張比より圧縮比を小さくするためであり、このようにすることで燃焼エネルギーをより有効にトルクとして活用することができる。これらのうち、早閉じ式ミラーサイクルは、高回転での吸気量が極端に減少するために思うような出力が得られない。一方、遅閉じ式ミラーサイクルは、吸気行程で一旦吸い込んだ混合気が下死点到達後シリンダから吸気バルブを通って吸気系統に押し戻されるため、吸気量が減少し、又、吸気の流速が弱められるためポンピングロスや充填効率が低下してしまう。

特許文献１には、このような課題を解決するために、吸気バルブの操作機構と過給機を設けずに、圧縮比よりも膨張比を大きくするための行程可変装置が示されている。しかしながら、この行程可変装置は部品点数が多く、製造原価が高くなってしまうという欠点がある。

特開２００６−１０４９９６号公報

そこで、本発明は、吸気バルブの操作機構と過給機を設けずに、圧縮比よりも膨張比を大きくするためのミラーサイクルエンジンであって、部品点数が少なく、製造原価が低い行程可変型ミラーサイクルエンジンを提供することを課題とする。

本発明者は、鋭意検討した結果、コネクチングロッドと、クランクシャフトとピストンとを含んで構成され、コネクチングロッドの小端部はピストンと連結され、大端部に円形の貫通孔を有し、この貫通孔に外歯ギアの歯数の３倍の歯数の内歯ギアが形成され、また、偏心円盤が回動自在に嵌合されていて、クランクシャフトのクランクアーム部には、スロー部を挿通して固定された外歯ギアが挟持され、この外歯ギアは、内歯ギアと噛み合うようにされている行程可変型ミラーサイクルエンジンにより、上記課題を解決できることを見出した。

即ち、以下の実施例により上記課題を解決することができる。

（１）シリンダ内部を往復動するピストンと、小端部がピストンピンを介して前記ピストンと連結され、大端部に円形の貫通孔を有するコネクチングロッドと、各一対のバランスウェート部及びクランクアーム部、隣接するバランスウェート部及びクランクアーム部により前記コネクチングロッドを挟み込んだ状態で前記クランクアーム部同士を固定するスロー部、該スロー部に、同軸的に固定された外歯ギアを有するクランクシャフトと、前記貫通孔の内周面の軸線方向の一部に全周に渡って設けられた、前記外歯ギアの歯数の３倍の歯数の内歯ギアと、前記貫通孔の内周面の軸線方向の一部と回動自在に嵌合し、中心以外の場所に前記スロー部を挿通するための円形のスロー孔を有する偏心円盤と、を含んで構成され、前記スロー部、前記貫通孔の中心軸線及び前記外歯ギアの中心軸は前記クランクシャフトの軸方向と平行であり、前記外歯ギアは、前記内歯ギアと前記内歯ギアの全周に渡って噛み合い、かつ、前記スロー孔と常に同心となるように支持されて、前記クランクシャフトの周りを公転するようにされており、前記ピストンと前記外歯ギアとの距離が最短となる場合を第一下死点、前記ピストンと前記外歯ギアとの距離が最長となる場合を第二下死点とし、前記外歯ギアが、前記第一下死点又は前記第二下死点の位置から前記クランクシャフトの中心軸の周りを１８０度回転した位置にある場合を上死点とすると、前記ピストンは、吸気行程では前記上死点から前記第二下死点まで、圧縮行程では前記第二下死点から前記上死点まで、爆発行程では前記上死点から前記第一下死点まで、排気行程では前記第一下死点から前記上死点まで往復動を繰り返すようにされていることを特徴とする行程可変型ミラーサイクルエンジン。

（２）前記貫通孔の中心から該貫通孔の内周面の内周面部までの最短距離は、前記貫通孔の中心から前記内歯ギアの凸部までの最短距離以下であることを特徴とする（１）に記載の行程可変型ミラーサイクルエンジン。

（３）前記貫通孔の中心から該貫通孔の内周面の内周面部までの最短距離は、前記貫通孔の中心から前記内歯ギアの凸部までの最短距離よりも大きいことを特徴とする（１）に記載の行程可変型ミラーサイクルエンジン。

本発明によれば、吸気バルブの操作機構と過給機を設けずに、圧縮比よりも膨張比を大きくするためのミラーサイクルエンジンであって、部品点数が少なく、組み立て易い行程可変型ミラーサイクルエンジンを実現することができる。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。

図１及び図４に示されるように、本発明の実施例に係る行程可変型ミラーサイクルエンジン１０は、クランクシャフト１２と、コネクチングロッド１４と、ピストン１６と、シリンダ１８と、吸気弁２０及び排気弁２２とを備えて構成されている。

クランクシャフト１２は、各一対のバランスウェート部２４及びクランクアーム部２６、隣接するバランスウェート部２４及びクランクアーム部２６によりコネクチングロッド１４を挟み込んだ状態でクランクアーム部２６同士を固定するスロー部２８、スロー部２８に、同軸的に固定された外歯ギア３０を有する。

コネクチングロッド１４は、部品１４Ａ及び１４Ｂから構成されてなり、小端部がピストンピン３２を介してピストン１６と連結され、大端部に円形の貫通孔３４を有する。貫通孔３４には、内周面の軸線方向の一部に全周に渡って設けられた外歯ギア３０の歯数の３倍の歯数の内歯ギア３６と、これに軸線方向に隣接して、貫通孔３４の内周面の軸線方向の一部である内周面部４２とが設けられている。この内周面部４２には、中心以外の場所にスロー部２８を挿通するための円形のスロー孔３８を有する偏心円盤４０が回動自在に嵌合するようにされている。この偏心円盤４０は、部品４０Ａ及び４０Ｂから構成される。スロー部２８、貫通孔３４の中心軸線３４Ａ及び外歯ギア３０の中心軸はクランクシャフト１２の軸方向と平行となるようにされている。

ピストン１６は、ピストンピン３２を介してコネクチングロッド１４の小端部と連結され、シリンダ１８内部で往復動を行うようにされている。

外歯ギア３０は、内歯ギア３６と内歯ギア３６の全周に渡って噛み合い、かつ、スロー孔３８と常に同心となるように支持されて、クランクシャフト１２の周りを公転するようにされている。内歯ギア３６の歯数を外歯ギア３０の歯数の３倍とすることにより、以下の行程が実現される。

即ち、この行程可変型ミラーサイクルエンジン１０では、ピストン１６と外歯ギア３０との距離が最短となる場合を第一下死点、ピストン１６と外歯ギア３０との距離が最長となる場合を第二下死点とし、外歯ギア３０が、第一下死点又は第二下死点の位置からクランクシャフト１２の中心軸の周りを１８０度回転した位置にある場合を上死点とすると、ピストン１６は、吸気行程では上死点から第二下死点まで、圧縮行程では第二下死点から上死点まで、爆発行程では上死点から第一下死点まで、排気行程では第一下死点から上死点まで往復動を繰り返すようにされている。

また、貫通孔３４の中心から貫通孔３４の内周面の内周面部４２までの最短距離は、貫通孔３４の中心から内歯ギア３６の凸部までの最短距離と等しい。

行程可変型ミラーサイクルエンジン１０は、図５乃至図８に示す行程に従って動作する。図５乃至図８の順に、吸気行程（上死点から第二下死点）、圧縮行程（第二下死点から上死点）、爆発行程（上死点から第一下死点）、排気行程（第一下死点から上死点）を示す。行程可変型ミラーサイクルエンジン１０はこの順に動作する。図５乃至図８においては、偏心円盤４０、クランクシャフト１２、外歯ギア３０、コネクチングロッド１４、内歯ギア３６及びコネクチングロッド１４の小端部とピストンピン３２を介して連結されたピストン１６の動きを示す。中心の円Ａは外歯ギア３０の軌道を示すものであり、円Ａの中心を通る横線及び縦線は基準線である。同様に、コネクチングロッド１４の貫通孔３４にも、横線及び縦線からなる基準線を記載した。

行程可変型ミラーサイクルエンジン１０の吸気行程は、図５（ａ）から（ｈ）及び図６（ａ）の順に、外歯ギア３０が図５（ａ）の位置からクランクシャフト１２の周りを時計回り方向で１８０度公転する。ここで、図５（ａ）は、ピストン１６が上死点と一致している。図５（ｅ）は、外歯ギア３０が図５（ａ）の位置から９０度公転したものであり、図６（ａ）は１８０度公転したものである。図６（ａ）は、ピストン１６が第二下死点と一致している。この吸気行程では、ピストン１６が上死点から第二下死点まで移動する。

行程可変型ミラーサイクルエンジン１０の圧縮行程は、図６（ａ）から（ｈ）及び図７（ａ）の順に、外歯ギア３０が図６（ａ）の位置からクランクシャフト１２の周りを時計回り方向で１８０度公転する。ここで、図６（ｅ）は、外歯ギア３０が図６（ａ）の位置から９０度公転したものであり、図７（ａ）は１８０度公転したものである。図７（ａ）は、ピストン１６が上死点と一致している。この圧縮行程では、ピストン１６が第二下死点から上死点まで移動する。

行程可変型ミラーサイクルエンジン１０の爆発行程は、図７（ａ）から（ｈ）及び図８（ａ）の順に、外歯ギア３０が図７（ａ）の位置からクランクシャフト１２の周りを時計回り方向で１８０度公転する。ここで、図７（ｅ）は、外歯ギア３０が図７（ａ）の位置から９０度公転したものであり、図８（ａ）は１８０度公転したものである。図８（ａ）は、ピストン１６が第一下死点と一致している。この爆発行程では、ピストン１６が上死点から第一下死点まで移動する。

行程可変型ミラーサイクルエンジン１０の排気行程は、図８（ａ）から（ｈ）及び図５（ａ）の順に、外歯ギア３０が図８（ａ）の位置からクランクシャフト１２の周りを時計回り方向で１８０度公転する。ここで、図８（ｅ）は、外歯ギア３０が図８（ａ）の位置から９０度公転したものであり、図５（ａ）は１８０度公転したものである。この排気行程では、ピストン１６が第一下死点から上死点まで移動する。

行程可変型ミラーサイクルエンジン１０は、これらの吸気行程、圧縮行程、爆発行程、排気行程をそれぞれ１サイクルとして、これら４サイクルを繰り返す。ピストン１６が上死点、第一下死点及び第二下死点の位置にある場合には、外歯ギア３０の中心軸、クランクシャフト１２の中心軸及びピストンピン３２の中心軸が同一平面上にあるようにされている。このようにすることで、行程可変型ミラーサイクルエンジン１０は４サイクルエンジンとして運転されることが可能となる。

ピストン１６は、４サイクルのうちに上死点から第二下死点（吸気行程）、第二下死点から上死点（圧縮行程）、上死点から第一下死点（爆発行程）及び第一下死点から上死点（排気行程）へと移動する。第二下死点よりも第一下死点の方が低い位置にあるため、膨張比より圧縮比を小さくすることができる。また、このようにしても、吸気量は減少しないし、吸気の流速が弱まらないため、ポンピングロスや充填効率が低下しない。

外歯ギア３０は、４サイクルのうちに、円Ａ上を２回公転する。これに応じて内歯ギア３６を有するコネクチングロッド１４の貫通孔３４に回動自在に嵌合した偏心円盤４０もクランクシャフト１２の軸線の周りを２回公転する。このとき、ピストン１６の位置が第二下死点にある図６（ａ）と、ピストン１６の位置が第一下死点にある図８（ａ）とを比較すると、外歯ギア３０の位置は円Ａ上にあり同じであるが、コネクチングロッド１４の位置は異なる。即ち、偏心円盤４０のスロー孔３８がコネクチングロッド１４の貫通孔３４の大端部側にあるか（図６（ａ））、小端部側にあるか（図８（ａ））によってコネクチングロッド１４の位置が異なることになる。

なお、外歯ギア３０と内歯ギア３６は上記のように噛み合っており、４サイクルのうちに、外歯ギア３０は内歯ギア３６を反時計回りに１周公転することとなる。

本発明の行程可変型ミラーサイクルエンジンは、上記実施例に限られない。例えば、貫通孔の中心から貫通孔の内周面の内周面部までの最短距離は、貫通孔の中心から内歯ギアの凸部までの最短距離と等しくなくてもよい。即ち、貫通孔の中心から貫通孔の内周面の内周面部までの最短距離が、貫通孔の中心から内歯ギアの凸部までの最短距離より大きくなるようにされていてもよい。また、貫通孔の中心から貫通孔の内周面の内周面部までの最短距離が、貫通孔の中心から内歯ギアの凸部までの最短距離より小さくなるようにされていてもよい。この場合、内歯ギアの凸部によって、貫通孔に回動自在に嵌合された偏心円盤が貫通孔の内歯ギア側の軸線方向に移動することを防ぐことができる。

また、行程可変型ミラーサイクルエンジン１０の各行程は、外歯ギアが反時計回りに公転するようにしてもよい。

本発明の実施例に係る行程可変型ミラーサイクルエンジンを模式的に示す断面図本発明の実施例に係る行程可変型ミラーサイクルエンジンの部品の構成の一部を示す展開図本発明の実施例に係る行程可変型ミラーサイクルエンジンの一部を示す斜視図本発明の実施例に係る行程可変型ミラーサイクルエンジンのクランクアーム部を模式的に示す側面図本発明の実施例に係る行程可変型ミラーサイクルエンジンの吸気行程を模式的に示す断面図本発明の実施例に係る行程可変型ミラーサイクルエンジンの圧縮行程を模式的に示す断面図本発明の実施例に係る行程可変型ミラーサイクルエンジンの爆発行程を模式的に示す断面図本発明の実施例に係る行程可変型ミラーサイクルエンジンの排気行程を模式的に示す断面図

符号の説明

１０…行程可変型ミラーサイクルエンジン
１２…クランクシャフト
１４…コネクチングロッド
１６…ピストン
１８…シリンダ
２０…吸気弁
２２…排気弁
２４…バランスウェート部
２６…クランクアーム部
２８…スロー部
３０…外歯ギア
３２…ピストンピン
３４…貫通孔
３４Ａ…中心軸線
３６…内歯ギア
３８…スロー孔
４０…偏心円盤
４２…内周面部

Claims

シリンダ内部を往復動するピストンと、
小端部がピストンピンを介して前記ピストンと連結され、大端部に円形の貫通孔を有するコネクチングロッドと、
各一対のバランスウェート部及びクランクアーム部、隣接するバランスウェート部及びクランクアーム部により前記コネクチングロッドを挟み込んだ状態で前記クランクアーム部同士を固定するスロー部、該スロー部に、同軸的に固定された外歯ギアを有するクランクシャフトと、
前記貫通孔の内周面の軸線方向の一部に全周に渡って設けられた、前記外歯ギアの歯数の３倍の歯数の内歯ギアと、
前記貫通孔の内周面の軸線方向の一部と回動自在に嵌合し、中心以外の場所に前記スロー部を挿通するための円形のスロー孔を有する偏心円盤と、を含んで構成され、
前記スロー部、前記貫通孔の中心軸線及び前記外歯ギアの中心軸は前記クランクシャフトの軸方向と平行であり、
前記外歯ギアは、前記内歯ギアと前記内歯ギアの全周に渡って噛み合い、かつ、前記スロー孔と常に同心となるように支持されて、前記クランクシャフトの周りを公転するようにされており、
前記ピストンと前記外歯ギアとの距離が最短となる場合を第一下死点、前記ピストンと前記外歯ギアとの距離が最長となる場合を第二下死点とし、前記外歯ギアが、前記第一下死点又は前記第二下死点の位置から前記クランクシャフトの中心軸の周りを１８０度回転した位置にある場合を上死点とすると、前記ピストンは、吸気行程では前記上死点から前記第二下死点まで、圧縮行程では前記第二下死点から前記上死点まで、爆発行程では前記上死点から前記第一下死点まで、排気行程では前記第一下死点から前記上死点まで往復動を繰り返すようにされていることを特徴とする行程可変型ミラーサイクルエンジン。
請求項１において、
前記貫通孔の中心から該貫通孔の内周面部までの最短距離は、
前記貫通孔の中心から前記内歯ギアの凸部までの最短距離以下であることを特徴とする行程可変型ミラーサイクルエンジン。
請求項１において、
前記貫通孔の中心から該貫通孔の内周面部までの最短距離は、
前記貫通孔の中心から前記内歯ギアの凸部までの最短距離よりも大きいことを特徴とする行程可変型ミラーサイクルエンジン。