JP6384116B2

JP6384116B2 - エンジン

Info

Publication number: JP6384116B2
Application number: JP2014096740A
Authority: JP
Inventors: 宗篤柿木
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-05-08
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2018-09-05
Anticipated expiration: 2034-05-08
Also published as: JP2015214901A

Description

本発明は、エンジンに関し、特に、ピストンの移動速度を可変にする遊星機構を備えたエンジンに関する。

一般的に、レシプロエンジンでは、往復動するピストンの移動速度を圧縮上死点近傍で遅くすることにより、燃費に有利な高等容度の燃焼が可能になる。なお、等容度とは、等容燃焼における熱効率を１００％とした場合の実際の図示熱効率割合をいう。

このようなピストンの移動速度を可変にする技術として、例えば、特許文献１，２には、ピストンピンとクランクピンとをマルチリンク機構によって連結した装置が開示されている。

特開２０１２−９２８４３号公報特開２０１３−３６４４９号公報

ところで、特許文献１，２記載の技術では、ピストンピンとクランクピンとをコンロッドで連結する一般的なエンジンに対して部品点数が増加するため、構造が複雑になる課題がある。また、特許文献２記載の技術では、マルチリンク機構を構成する揺動節（スイングアーム）の一端を固定しているため、揺動節が固定されていないリンク機構に比べ、クランク部の回転によって生じる慣性力の変動が大きくなる可能性がある。また、最適な等容度を得るためには、エンジンの運転状態に応じて圧縮上死点の位置を変化させることが望ましい。

本発明の目的は、ピストンの移動速度を圧縮上死点近傍で遅くすると共に、圧縮上死点の位置を運転状態に応じて変化させることで、燃費に有利な高等容度の燃焼を実現することができるエンジンを提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明のエンジンは、シリンダ内を往復動するピストンがコンロッドの一端部で回転自在に軸支されると共に、該コンロッドの他端部が遊星機構に連結されたエンジンであって、前記遊星機構は、円環状に形成されて周方向に回動可能に設けられた内歯車と、前記内歯車と噛合して該内歯車の軸心まわりを公転しながら自転する遊星歯車と、前記内歯車と同心状に設けられて前記遊星歯車と噛合する出力用太陽歯車と、前記遊星歯車の側面に前記遊星歯車の軸心に対してオフセットして設けられて前記コンロッドの他端部を回転自在に軸支するクランクピンと、前記エンジンの運転状態に応じて前記内歯車を所定の基準位置から周方向に回動させる回動機構とを備えることを特徴とする。

また、前記クランクピンは、前記内歯車が前記基準位置にあり、且つ前記ピストンが上死点又は下死点にある時に前記内歯車の軸心と最も近くなり、前記内歯車が前記基準位置にあり、且つ前記ピストンが上死点と下死点との中間位置にある時に前記内歯車の軸心から最も離れるようにオフセットされていることが好ましい。

また、前記ピストンの往復動を回転往復動に変換する直線動変換機構をさらに備え、前記直線動変換機構は、前記コンロッドを分割して形成した第１及び第２ロッドと、前記内歯車に対して前記ピストンとは反対側に配置されたガイドシャフトと、前記ガイドシャフトを直線移動自在にガイドするシャフトガイド部材と、を含み、前記第１ロッドは、その一端部が前記ピストンを回転自在に軸支すると共に、その他端部が前記ガイドシャフトによって回転自在に軸支され、前記第２ロッドは、その一端部が前記ガイドシャフトによって回転自在に軸支される共に、その他端部が前記クランクピンによって回転自在に軸支されていることが好ましい。

前記遊星歯車を公転軌道に沿ってガイドする歯車ガイド部材をさらに備えることが好ましい。

本発明のエンジンによれば、ピストンの移動速度を圧縮上死点近傍で遅くすると共に、圧縮上死点の位置を運転状態に応じて変化させることで、燃費に有利な高等容度の燃焼を実現することができる。

第一実施形態に係るエンジンをクランク軸方向から視た模式的な側面図である。第一実施形態に係るエンジン（回動機構を除く）を示す模式的な斜視図である。第一実施形態に係るエンジンにおいて、（Ａ）はピストンが上死点にある状態、（Ｂ）はピストンが上死点と下死点との中間位置にある状態を説明する図である。第一実施形態に係るエンジンにおいて、（Ａ）は楕円軌道の傾き角度が０度の基準位置、（Ｂ）は楕円軌道の傾き角度を基準位置に対して＋２０度傾けた状態、（Ｃ）は楕円軌道の傾き角度を基準位置に対して−２０度傾けた状態を説明する図である。第一実施形態に係る遊星機構の各構成部材の寸法条件を説明する図である。第一実施形態に係るエンジンと一般的なエンジンとを（Ａ）はピストンの移動速度、（Ｂ）はピストンのストローク量を比較した図である。第一実施形態に係るエンジンにおいて、楕円軌道の傾き角度を変化させた場合の圧縮上死点位置を説明する図である。第二実施形態に係るエンジンをクランク軸方向から視た模式的な側面図である。第二実施形態に係るエンジン（回動機構を除く）を示す模式的な斜視図である。第二実施形態に係るエンジンと一般的なエンジンとを（Ａ）はピストンの移動速度、（Ｂ）はピストンのストローク量を比較した図である。第三実施形態に係るエンジンの遊星機構をクランク軸方向から視た模式的な側面図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明に係るエンジンの各実施形態を説明する。

［第一実施形態］
図１，２に示すように、第一実施形態に係るエンジンは、例えば直噴式ディーゼルエンジンであって、往復動機構１０と、遊星機構２０と、これら往復動機構１０と遊星機構２０とを連結する直線動変換機構３０と、遊星機構２０を回動させる回動機構６０（図１にのみ示す）とを備えている。なお、図１，２において、エンジンは単気筒として示されているが、複数気筒であってもよい。複数気筒の場合は、往復動機構１０、遊星機構２０、直線動変換機構３０及び、回動機構６０を各気筒毎に設ければよい。

往復動機構１０は、シリンダブロックＣＢに形成された円筒状のシリンダ１１と、シリンダ１１内に往復動自在に挿入されたピストン１２とを備えている。ピストン１２は、ピストンピン１５を介して第１コンロッド１３Ａの上端部で回転自在に軸支されている。なお、図１，２において、符号１４は、シリンダ１１及びピストン１２の頂面によって区画形成された燃焼室内に燃料を直噴するインジェクタを示している。また、吸排気マニホールドや吸排気バルブ等の他の構成については図示を省略している。

クランク軸１６は、図示しない軸受けを介してシリンダブロックＣＢに回転自在に軸支されたクランク主軸部１７と、第２コンロッド１３Ｂの下端部を回転自在に軸支するクランクピン１８とを有する。これらクランク主軸部１７とクランクピン１８とは、詳細を後述する遊星歯車２２、第１出力外歯車２３及び、第２出力外歯車２４を介して連結されている。

遊星機構２０は、シリンダブロックＣＢに固定されると共にクランク主軸部１７と同心状に配置された円環状の内歯車２１と、内歯車２１と噛合する遊星歯車２２と、遊星歯車２２に同心状に固定された第１出力外歯車２３と、クランク主軸部１７に同心状に設けられて第１出力外歯車２３と噛合する第２出力外歯車（出力用太陽歯車）２４とを備えている。

内歯車２１と噛合する遊星歯車２２は、内歯車２１の軸心まわりを自転しながら公転する。また、遊星歯車２２の一側面（図示例では一対の遊星歯車２２の互いに対向する側面）には、その軸心からオフセットした位置にクランクピン１８が固定されている。このクランクピン１８は、ピストン１２が上死点又は下死点にある時に内歯車２１の軸心と最も近くなり（図３（Ａ）の状態）、ピストン１２が上死点と下死点との中間位置にある時に内歯車２１の軸心から最も離れた位置（図３（Ｂ）の状態）となるようにオフセットされている。

すなわち、クランクピン１８が遊星歯車２２と一体に内歯車２１の軸心まわりを自転しながら公転すると、その公転軌道は図３に示すように楕円軌道Ｅとなる。この楕円軌道Ｅは、ピストン１２が上死点と下死点との中間位置にある時に長径となり、ピストン１２が上死点又は下死点にある時に短径となる。

直線動変換機構３０は、第１及び第２コンロッド１３Ａ，Ｂと、内歯車２１の軸心に対してピストン１２の軸心とは反対側に配置されて内歯車２１の軸心と平行に延びるガイドシャフト３１と、ガイドシャフト３１を上下方向に直線動自在に支持するシャフトガイド部材３２とを備えて構成されている。

第１コンロッド１３Ａは、その上端部がピストン１２を回転自在に軸支すると共に、その下端部がガイドシャフト３１によって回転自在に軸支されている。第２コンロッド１３Ｂは、その下端部をガイドシャフト３１によって回転自在に軸支されると共に、その上端部をクランクピン１８によって回転自在に軸支されている。第１コンロッド１３Ａの軸方向長さは、第２コンロッド１３Ｂの軸方向長さの二倍で設定されることが好ましい。シャフトガイド部材３２のガイド溝３２Ａ内には、ガイドシャフト３１の一端部が図示しない軸受けを介して上下移動自在に支持されている。

回動機構６０（図１にのみ示す）は、内歯車２１の外周に形成された外周歯部６１と、外周歯部６１と噛合するウォーム部６２と、先端部にウォーム部６２が固定された回転軸６３と、回転軸６３を回転させるモータ６４と、モータ６４の駆動を制御するコントロールユニット６５とを備えている。コントロールユニット６５には、筒内圧センサ７０、ＮＯｘセンサ７１、エンジン回転数センサ７２、アクセル開度センサ７３等の各種センサが接続されている。

各種センサ７０〜７３等から入力されるエンジンの運転状態に基づいて、コントロールユニット６５がモータ６４を駆動させ、ウォーム部６２を回転させることで、内歯車２１（遊星機構２０）が周方向に回動する。これにより、図４（Ｂ），（Ｃ）に示すように、クランクピン１８のオフセット方向が傾き、クランクピン１８の楕円軌道の傾き角度も変化することで、圧縮上死点の位置を変化させることが可能になる。

なお、図４（Ａ）は楕円軌道の傾き角度が０度の基準位置、図４（Ｂ）は楕円軌道の傾き角度を基準位置に対して＋２０度傾けた状態、図４（Ｃ）は楕円軌道の傾き角度を基準位置に対して−２０度傾けた状態をそれぞれ示している。これら楕円軌道の傾き角度は一例であって、エンジンの運転状態に応じた任意の傾き角度に設定することが可能である。例えば、筒内圧センサ７０等のセンサ値に基づいて熱損失を算出し、算出した熱損失が所定の閾値よりも大きい場合は、回動機構６０によって楕円軌道の傾き角度を熱損失が低減される任意の角度に調整すればよい。また、ＮＯｘセンサ７１で検出される排気中のＮＯｘ値が所定の閾値よりも大きい場合は、回動機構６０によって楕円軌道の傾き角度をＮＯｘが低減される任意の角度に調整してもよい。

次に、図５に基づいて、各構成部材の寸法条件を説明する。Ｒｃは内歯車２１の半径、Ｒｍは遊星歯車２２の半径、Ｒｄは遊星歯車２２の軸心とクランクピン１８の軸心との離間距離（オフセット量）、Ｒｏは第１出力外歯車２３の半径、Ｒｓはクランクピン１８の半径をそれぞれ示している。こられ各構成部材の寸法が以下の条件式（１）（２）を満たす場合に、クランクピン１８の公転軌道は楕円の軌道を描くことが可能になる。また、内歯車２１と遊星歯車２２との歯数比は、２：１であることが好ましい。

次に、第一実施形態に係るエンジンの作用効果を説明する。

燃焼室内の爆発力によってピストン１２がシリンダ１１内を上下に往復動すると、その移動力は直線動変換機構３０で回転往復動に変換されてクランクピン１８に伝達される。クランクピン１８に伝達された動力は、クランクピン１８が遊星歯車２２と一体に自転しながら公転することで回転力に変換され、さらに、この回転力は、第１出力外歯車２３から第２出力外歯車２４を介してクランク主軸部１７へと伝達される。

本実施形態では、往復動機構１０の動力が直線動変換機構３０の第１コンロッド１３Ａ、ガイドシャフト３１及び第２コンロッド１３Ｂを介して遊星機構２０に伝達されるため、図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、クランクピンの公転軌道が真円軌道を描く一般的なエンジンに比べて、ピストン１２の圧縮上死点近傍の移動速度を遅くすることが可能になる。

その結果、圧縮上死点でピストン１２頂面に爆発力を効果的に作用させることが可能となり、例えば、ディーゼルエンジンの場合は燃費に有利な高等容度の燃焼を実現することができる。また、遊星機構２０を用いることで、揺動節（スイングアーム）を有するマルチリンク機構を用いた従来技術に比べて慣性力の影響を効果的に低減することができる。また、直線動変換機構３０によってピストン１２の往復移動が直線動に変換されるため、スラスト力や反スラスト力によって引き起こされるスラップ音の発生や、ピストン１２外周とシリンダ１１内周との間の油膜切れ等を効果的に防止することが可能になる。

また、本実施形態は、回動機構６０によって内歯車２１（遊星機構２０）を周方向に回動させることで、クランクピン１８の楕円軌道の傾き角度を任意の値に設定することが可能に構成されている。例えば、図７に示すように、基準位置に対して楕円軌道の傾き角度を右方向に所定角度＋θ傾ければ、圧縮上死点位置は進角され、基準位置に対して楕円軌道の傾き角度を左方向に所定角度−θ傾ければ、圧縮上死点位置は遅角される。このような圧縮上死点位置の変更をエンジンの運転状態に応じて行うことで、熱損失やエミッションの悪化を効果的に防止する高等容度の燃焼を実現することが可能になる。

［第二実施形態］
以下、図８，９に基づいて、本願発明の第二実施形態に係るエンジンについて説明する。

第二実施形態のエンジンは、往復動機構１０と遊星機構２０との間の直線動変換機構３０を省略して、これら往復動機構１０と遊星機構２０とをコンロッド１３で直接的に連結したものである。

このように構成された第二実施形態によれば、図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、クランクピンの公転軌道が真円軌道を描く一般的なエンジンに比べて、ピストン１２の上死点近傍における垂上下方向への移動速度を速くすることが可能となり、例えば、ガソリンエンジンの場合はノッキングの発生を効果的に抑制することができる。

［第三実施形態］
以下、図１１に基づいて、本願発明の第三実施形態に係るエンジンについて説明する。

第三実施形態のエンジンは、第一又は第二実施形態の遊星機構２０に、遊星歯車２２の公転をガイドする歯車ガイド板５０を設けたものである。他の構成要素は第一及び第二実施形態と同一構造になるため、詳細な説明は省略する。

歯車ガイド板５０は、少なくともその一部をシリンダブロック等に固定されている。この歯車ガイド板５０には、遊星歯車２２の公転軌道に沿って延びる円環状のガイド溝５１が形成されている。また、ガイド溝５１内には、遊星歯車２２（第１出力外歯車２３）の軸心から突出するガイド突起５２が移動自在に嵌挿されている。

以上のように構成された第三実施形態によれば、ガイド溝５１によって遊星歯車２２の径方向への移動が規制されるため、遊星歯車２２が内歯車２１から離反して脱落することを確実に防止することが可能になる。

［その他］
なお、本発明は、上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

１０往復動機構
１１シリンダ
１２ピストン
１３Ａ第１コンロッド
１３Ｂ第２コンロッド
１６クランク軸
１７クランク主軸部
１８クランクピン
２０遊星機構
２１内歯車
２２遊星歯車
２３第１出力外歯車
２４第２出力外歯車
３０直線動変換機構
６０回動機構

Claims

シリンダ内を往復動するピストンがコンロッドの一端部で回転自在に軸支されると共に、該コンロッドの他端部が遊星機構に連結されたエンジンであって、
前記遊星機構は、
円環状に形成されて周方向に回動可能に設けられた内歯車と、
前記内歯車と噛合して該内歯車の軸心まわりを公転しながら自転する遊星歯車と、
前記内歯車と同心状に設けられて前記遊星歯車と噛合する出力用太陽歯車と、
前記遊星歯車の側面に前記遊星歯車の軸心に対してオフセットして設けられて前記コンロッドの他端部を回転自在に軸支するクランクピンと、
前記エンジンの運転状態に応じて前記内歯車を所定の基準位置から周方向に回動させる回動機構と、を備え、
前記エンジンは、
前記ピストンの往復動を回転往復動に変換する直線動変換機構をさらに備え、
前記直線動変換機構は、
前記コンロッドを分割して形成した第１及び第２ロッドと、
前記内歯車に対して前記ピストンとは反対側に配置されたガイドシャフトと、
前記ガイドシャフトを直線移動自在にガイドするシャフトガイド部材と、を含み、
前記第１ロッドは、その一端部が前記ピストンを回転自在に軸支すると共に、その他端部が前記ガイドシャフトによって回転自在に軸支され、
前記第２ロッドは、その一端部が前記ガイドシャフトによって回転自在に軸支されると共に、その他端部が前記クランクピンによって回転自在に軸支されている
ことを特徴とするエンジン。
前記クランクピンは、前記内歯車が前記基準位置にあり、且つ前記ピストンが上死点又は下死点にある時に前記内歯車の軸心と最も近くなり、前記内歯車が前記基準位置にあり、且つ前記ピストンが上死点と下死点との中間位置にある時に前記内歯車の軸心から最も離れるようにオフセットされている
請求項１に記載のエンジン。
前記遊星歯車を公転軌道に沿ってガイドする歯車ガイド部材をさらに備える
請求項１又は２の何れか一項に記載のエンジン。