JP6386577B2 - 可変ストローク圧縮比内燃エンジン - Google Patents
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Description
部分負荷運転条件において通常のスパーク点火エンジンで高効率及び低排ガスを達成するための手段の1つは、排気量の小型化であり、その結果、スロットルはより広く開かれなければならず、ポンプ損失が最小化される。
様々なエンジン運転条件におけるこれら様々な排気量の要求は、エンジン設計における様々な課題をもたらす。
この可変排気量エンジンを実現する解決策の1つは、部分負荷条件においてエンジンのいくつかのシリンダを選択的に閉ざすことである。
高い負荷条件では、より多くの作動シリンダが作動してより高いパワーを得る。
低い負荷条件におけるシリンダの休止は、特定のシリンダへの燃料供給を遮断することにより行う。
したがって、従来の三元触媒コンバータは後処理要件を満たすのに十分でなく、高価なリーンNOxトラッパ及び/又は選択的触媒低減(SCR)装置のような何らかの他の器材が必要となる。
排気量が小さいので、この種のエンジン構成は低い負荷条件でエンジンをより効率的にでき、そして、より大きな排気量のエンジンが要求するよりも広くスロットルが開かれるはずなので、そのポンプ損失がより低くなる。
ターボ過給器の使用に加えてエンジンを小型化することによる不利な点は、エンジン構造及びコントロールシステムの複雑さが増加し、コストが高くなることである。
ある種の可変ストロークのコンセプトは、より長い膨張及び排気ストローク、及びアトキンソンサイクルと呼ばれるより短い吸気及び圧縮ストロークである。
このサイクルは、吸気バルブを閉じる時間を遅延させるミラー・サイクルにより実現され、有効圧縮ストロークを減して、圧縮ストロークを膨張ストロークより短くできる。
マツダは、この種のミラー・サイクルエンジンを製作した。
ホンダは、彼らの可変ストロークエンジンを達成する複数のリーケージ・システムを開発し、それらの発明に関する一連の特許を与えられた。
これらの可変ストロークの全ての発明の目的は、エンジンのパワーサイクルの全部にわたってピストンストロークの長さを変化させることである。
前述の可変ストローク・メカニズムに加えて、例えばCarl D. Heflevの米国特許第7,270,092及び5,335,632号のような他の発明は、1つのエンジンサイクル内でストロークを変えている。これらの特許文献には、オフセットクランクシャフト機構を用いて、様々な運転条件でストロークを変えることができる機構を含まれている。特に、低負荷条件における小排気量と高負荷条件における大排気量が実現されている。
従って、全てのエンジン運転条件範囲の中で効率を改善するために、圧縮比が負荷及び速度状態に基づいて調節可能である必要がある。
加えて、様々なタイプの燃料をエンジンに使用する場合に、燃料タイプに基づいて圧縮比が調整されなければならない。
つまり、内燃エンジンの最適な排気量及び圧縮比は、エンジン運転条件及び使用する燃料のタイプに応じて両方とも変化する。
ストロークは、エンジンの出力要件にしたがって変化する。
すなわち、エンジンストロークは、高負荷及び高速度状態では長くなって大排気量を確保し、低負荷及び低速度状態では短くなって熱効率を上昇させる。
圧縮比要件は、エンジン運転条件と燃料タイプとに基づく。
この圧縮比調整は、最大の熱効率状態でのエンジンの作動を確保する。
本発明の第3の目的は、そのエンジンストローク及び圧縮比を制御するストラテジーを提供することである。
ガソリンエンジンについて、エンジン運転条件が変化するときに、コントロールシステムはストローク及び圧縮比の両方をそれらの最適値に調整する。
ストロークは、エンジン負荷及び速度要件を満たすように調整される。
低負荷及び低速度状態では、ストロークはその極小値にとどまり、スロットルは負荷及び速度要件を満たすように調整される。
一方、圧縮比は、高いエンジン熱効率を生じるように調整される。
デバイスは、揺動ブロックを、水平方向及び/又は垂直方法のそれぞれの別々の方向に移動でき、又は、特定の移動パターンにしたがって移動できる。
このデバイスは、シリンダ毎に、1つのシリンダの揺動ブロックを個別に制御及び移動させることができ、また複数のシリンダを備えるエンジンへ適用して、全てのシリンダの全ての揺動ブロックを一緒に制御又は移動させることもできる。
揺動ブロックのピボットがクランクシャフトの方へ移動するとストロークは減少するのに対し、反対方向にピボットが移動するとストロークが増加する。
ストローク変化の範囲は、ピボットが移動できる最大距離に依存する。
しかしながら、それは、エンジンサイズを増加させる。
従って、ストローク変化の範囲はエンジンサイズによって制限される。
揺動ブロックのピボットは、圧縮比を調整するために垂直に移動する。
圧縮比要件は、エンジン運転条件及び燃料タイプに関連があるだけでなく、ストローク値及びスロットルの開位置にも関連がある。
原則として、高い熱効率を達成するとともにノックの発生を回避するには、負荷がより低く及びスロットルがより閉じた状態でより高い圧縮比を適用できる。
以下に、本発明の実施例は、添付の図面に示される本発明の実施例を参照して記載されている。
図1は、本発明の実施形態として与えられる可変ストローク圧縮比エンジンの三次元模式図である。
図2は、本発明の実施形態と同じエンジンの簡略断面図である。
垂直接続ロッド3の他端は、水平接続ロッドの2つの端部の間に装着されるピン6によって、水平接続ロッド5に連結している。
水平接続ロッド5の一端は、従来のクランクシャフト8のクランクピン7に接続し、他端は揺動ブロック9に連結している。
この移動ステージを駆動して揺動ブロックを水平及び垂直方向の両方に移動するために、リニアステッピングモータか液圧装置が用いられる。
本発明のエンジンの他の部品、例えば、バルブ及びその作動機構、並びに吸排気システム等は、従来のエンジンと同様であるため記載されていない。
クランク半径rを有するクランクシャフト8、水平接続ロッド5、及び揺動ブロック9は、典型的な揺動ブロックスライダクランク機構を形成する。
ピストン1、垂直接続ロッド3及び水平接続ロッド5に装着されるピン6に取り付けられた接続ロッド3の大端部(ビッグエンド)は、ピン6はクランクピンでないことを除いて、典型的なスライダクランク機構を形成する。
その代わりに、ピン6の軌跡は、クランク角度12、クランク半径r、クランクピン7とピン6との間の距離r1、及び揺動ブロックピボット11の位置の関数となる。
揺動ブロックピボット11の位置のx座標及びy座標を調整することによって、エンジンストローク及び圧縮比を調整できる。
揺動ブロックピボット11のy座標(yp)を増加させると、エンジン圧縮比が高くなり、減少させると低くなる。
クランク半径rが50mmであり、ピン6とクランクピン7との間の距離r1が50mmであり、揺動ブロックピボット11の位置がxp=110mm、yp=40mmに固定されたときのピン6が通る楕円軌道13を、図4に模式的に示す。
図5から、ストロークは68mmである。
揺動ブロックピボット11が位置にクランクシャフトからはるかに間隔をおいたXp=400mm、yp=0mmの位置へ移動すると、このエンジンのストロークは88mmへ増加し、圧縮比は以前の構成と同じである。
図6は、後者の最大ストローク構成におけるピン6の軌道曲線15を示し、図7はそのピストン位置曲線16とクランク角度との関係を示す。
穴径が90mmの場合、単一のシリンダ容積は、最小ストローク構成時に0.474Lとなり、最大ストローク構成時に0.610Lになる。
図8は、最小ストローク構成を有する本発明の実施形態としての現エンジンと、最大ストローク構成を有する以外は現エンジンと等しい容積を有する従来のエンジンと、の間でシリンダ容積を比較する図である。
上死点(aTDC)の後に測定される約60度のクランク角度を越えると、現エンジンのシリンダ容積は、明らかに、従来のエンジンのそれより小さい。
従って、本発明の実施形態としての現エンジンは、従来のエンジンより高いトルクを提供できる。
これは、本発明の他の効果である。
従来のガソリンエンジンでは、スロットル位置は、エンジンスピード及びトルク要件を満たすように調整される。
これには、スロットルを部分的に閉じるときに、エンジンポンプ損失が増加し、エンジン熱効率の減少をもたらすという不利がある。
スロットル位置を調整する代わりに、揺動ブロックピボット11の位置を変化させることによって、排気量が変化するようにエンジンストロークを調整する。そして、このようにエンジン出力を変えて、エンジン負荷及び/又は速度要件を満たす。
必要なエンジン負荷が減少するときは、ストロークを減少するように同様に調整し、その最小値に至るまで調整する。
必要なエンジン負荷が減少し続ける場合、エンジンストロークがその最小値にとどまる間に、スロットルを閉じ始める。
このようなスロットルの部分的な閉鎖は、吸気マニホルド内のガスの圧力及び温度の低下をもたらし得る。
図9は、この制御ストラテジーの実施形態を説明する。
この図の中央の鉛直線19は、最小ストロークの位置である。
エンジン負荷が更に減少すると、スロットルがより閉じる必要があり、圧縮比は非常により高くなり得る。
このプロセスでは、スロットルはすでにその最も広い開口位置にあり、この位置にとどまっている。
様々燃料を使用する場合に、圧縮比の調整が必要となる点に留意すべきである。
エンジンノックの条件が満たされない限り、より高い圧縮比を使用して、より高いオクタン価燃料のためのより良好なエンジン熱効率を達成できる。
従って、揺動ブロックに加わる力は必ずしも増加しない。
小さいストロークが必要となり揺動ブロックピボット11の位置がピン6で負荷点のより近くに移動すると、この状態は低い負荷条件で発生するので、揺動ブロックに加わる力も増加しない。
揺動ブロックピボット11を移動する力を一定に保つと、この力は、ゼロ値付近の小さな範囲内にあるピボット11への負荷力よりも高くなる。
それ故、エンジンサイクルのある期間で負荷力は小さい傾向にあり、エンジンサイクルの間の押力は一定にとどまるので、揺動ブロックを移動するのに問題は生じない。
従って、この機構は、揺動ブロックの移動にあまり大きい押力を必要としないように設計される。
多くの実施形態、変形例、修正及び等価な配置は、本発明から派生でき、また派生するだろう。
図10は本発明の1つの特定の変形例を示す。ここで、摺動ベアリングピン12及び溝13を備える機構が、図2の揺動ブロック9を置換するのに用いられる。
それらには、エンジン摩擦及び/又は信頼性についてわずかな違いがあってもよい。
本発明の他の変形例は、図11に示されるように、水平接続ロッド14の一端がピン15を有する垂直接続ロッドに固定され、クランクピンは水平接続ロッドの中間のどこかの位置で水平接続ロッド14に連結される。
しかしながら、移動する揺動ブロックを押すのに要する力も増加する。
揺動ブロック9又は摺動ピン12を動かすために用いるデバイスは、エンジン本体に装着される水平及び垂直移動ステージと類似する機械であってよい。
その動力源は、リニアステッピングモータか液圧システムであってよい。
このデバイスは、垂直可動部品16に装着される揺動ブロック9と、同じ垂直可動部品へ装着され、ねじ山付きネジ18を垂直可動部品16とともに垂直に動かすのに使用するリニアステッピングモータ17と、移動ステージ台20に装着されてねじ山付きネジ21を回転させ、垂直可動部品の台22を水平方向に移動するのに使用される他のリニアステッピングモータ19を含む。
上で開示される機構は、1つのシリンダに用いられる。
すなわち、多気筒エンジンは、そのシリンダ毎にこの同じ機構を使用できる。
多気筒エンジンのために、シリンダ毎に別々の装置を使用して揺動ブロックが個々に移動するように制御してもよく、1台のデバイスだけを使用して、全てのシリンダが一緒に移動するように制御してもよい。
上記の実施例の様々な修正及び変形は、本発明の本質に基づいて、当業者によって提案されることができる。
本発明の範囲は、以下の請求項を参照して定められる。
Claims (7)
- エンジン本体と、
ピストンと、
クランクシャフト及びクランクシャフトピンを含むクランクと、
前記エンジン本体に対して移動可能なガイドと、
前記クランクシャフトピン及び前記ガイドに接続される第1接続ロッドと、
前記第1接続ロッドに接続され且つ前記ピストンに接続される第2接続ロッドと、
前記エンジン本体に装着され、エンジンストローク及び圧縮比を調整するために前記ガイドの位置を変更するために使用される制御デバイスと、を備え、
前記第1接続ロッドは、第1端部から第2端部まで堅く延びており、
前記第1接続ロッドは、前記第1端部の近傍で前記クランクシャフトピンに接続され、
前記第1接続ロッドは、前記第2端部の近傍で前記ガイドに対して摺動するように前記ガイドに接続され、
前記第1接続ロッドは、前記第1端部と前記第2端部との間に配置された位置で前記第2接続ロッドに接続される、可変ストローク圧縮比内燃エンジン。 - 前記ガイドの位置を変更する前記制御デバイスは、前記エンジン本体に装着された移動ステージであって、前記移動ステージの水平位置がリニアステッピングモータで調整され、前記移動ステージの垂直位置が他のリニアステッピングモータで調整される請求項1に記載の可変ストローク圧縮比内燃エンジン。
- 前記制御デバイスは、前記ガイドを第1方向に移動させる第1移動ステージと、前記ガイドを第2方向に移動させる第2移動ステージと、を備える請求項1に記載の可変ストローク圧縮比内燃エンジン。
- 前記第1移動ステージは、前記ガイドの前記第1方向の移動を生じさせる第1ステッピングモータを備え、
前記第2移動ステージは、前記ガイドの前記第2方向の移動を生じさせる第2ステッピングモータを備える、請求項3に記載の可変ストローク圧縮比内燃エンジン。 - 前記ガイドは、揺動ブロックである請求項1に記載の可変ストローク圧縮比内燃エンジン。
- 前記ガイドは、前記第1接続ロッドに形成された溝に係合するベアリングピンを備える請求項5に記載の可変ストローク圧縮比内燃エンジン。
- エンジン本体と、
ピストンと、
クランクシャフト及びクランクシャフトピンを含むクランクと、
前記エンジン本体に対して移動可能なガイドと、
前記クランクシャフトピン及び前記ガイドに接続される第1接続ロッドと、
前記第1接続ロッドに接続され且つ前記ピストンに接続される第2接続ロッドと、
前記エンジン本体に装着され、エンジンストローク及び圧縮比を調整するために前記ガイドの位置を変更するために使用される制御デバイスと、を備え、
前記第1接続ロッドは、第1端部から第2端部まで堅く延びており、
前記第1接続ロッドは、前記第1端部の近傍で前記第2接続ロッドに接続され、
前記第1接続ロッドは、前記第2端部の近傍で前記ガイドに対して摺動するように前記ガイドに接続され、
前記第1接続ロッドは、前記第1端部と前記第2端部との間に配置された位置で前記クランクシャフトピンに接続される、可変ストローク圧縮比内燃エンジン。
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