JP7034194B2

JP7034194B2 - 内燃機関

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Publication number: JP7034194B2
Application number: JP2020047652A
Authority: JP
Inventors: 啓太朗中西
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2040-03-18
Also published as: JP2021148045A; CN113494371B; CN113494371A

Description

本発明は、リンク機構を用いて膨張行程のピストンのストロークを圧縮行程のピストンのストロークよりも増加させた内燃機関に関する。

従来、吸気バルブの閉弁タイミングを一般のエンジンに比べてかなり遅く設定し、この吸気バルブの遅閉じによって圧縮仕事を低減するアトキンソンサイクル（ミラーサイクル）エンジンにおいて、ターボチャージャによる過給との組み合わせによって、ノッキングや排気温度の上昇を抑制しつつエンジン出力の増加を図るものが、下記特許文献１により公知である。

また、リンク機構を用いて膨張行程のストロークを圧縮行程のストロークよりも増加させるストローク可変エンジンにおいて、一端がピストンに連結される主コンロッドと、クランクシャフトのクランクピンに連結されるとともに主コンロッドの他端に連結される副コンロッドと、副コンロッドに一端が連結されるコントロールロッドと、クランクシャフトから１／２の回転速度に減速される動力伝達によって偏心軸線まわりに回転するピボット軸とを備え、副コンロッドの重心位置の設定によって、副コンロッドで生じる振動の低減を図り、エンジン振動を抑制するとともに振動に伴って生じる騒音発生を抑制するものが、下記特許文献２により公知である。

特開平６－１０６８１号公報特開２００７－６４０１３号公報

特許文献１のものは、吸気バルブの閉弁タイミングを遅く設定したことでピストンが上昇を開始してから吸気バルブが閉じるため、実質の排気量が減少して最大出力が低下してしまうだけでなく、一旦燃焼室に吸入された吸気が圧縮行程の初期において吸気ポートに吹き返されてしまい、これによる損失が発生する問題があった。また吸気ポートに吹き返された吸気が次の吸気行程の吸気と混合するため、これを考慮した空燃比の演算が必要になって演算負荷が増加する問題があった。さらに膨張比は機械圧縮比に等しくなるため、熱効率を高めるべく高膨張比を実現しようとすると燃焼室の形状が偏平になってしまう問題があった。

また、特許文献２のものは、副コンロッドで生じる０．５次振動の低減を図るものであり、クランクシャフトによる回転運動をストロークによる直線運動に変換したその直線運動に生じる２次振動を抑制するものではなく、２次振動に伴う騒音発生を抑制できない。

本発明は、以上の点に鑑み、吸気バルブを極端に遅閉じすることなく、膨張行程の時間およびストロークを増加させつつ、従来よりも振動を抑制することが可能な内燃機関を提供することを目的とする。

［１］上記目的を達成するため、本発明の内燃機関は、
シリンダと、
前記シリンダ内を摺動自在なピストンと、
クランク軸と、
前記ピストンに揺動自在に連結された第１コネクティングロッドと、
揺動自在に設けられた案内部材と、
前記案内部材を揺動させると揺動手段と、
三角形の頂点に位置する様に配置された３つの回転軸線を有し、２つの回転軸線に前記クランク軸と前記第１コネクティングロッドとを連結し、残りの１つの回転軸線が前記案内部材の延在方向に沿って摺動自在に連結されたブリッジ部材と、
を備え、
前記揺動手段は膨張行程において前記案内部材の揺動端が前記シリンダの中心軸線から離れる側に移動するように前記案内部材を揺動させ、
前記揺動手段は、前記クランク軸に対して１／２の回転速度に減速されて回転するサブクランク軸を備え、
前記サブクランク軸と前記案内部材の揺動端とが第２コネクティングロッドによって連結されていることを特徴とする。

本発明によれば、吸気バルブを極端に遅閉じすることなく、膨張行程の時間およびストロークを増加させることができる。

また、本発明によれば、最もストロークが長くなる膨張行程時の第１コネクティングロッドの進退運動を、従来よりもシリンダの中心軸線に沿った動きに近づけさせることができ、内燃機関の振動を抑制し、ピストンとシリンダとの摩擦も低減させることができる。

また、本発明においては、
前記揺動手段は、前記クランク軸に対して１／２の回転速度に減速されて回転するサブクランク軸を備え、
前記サブクランク軸と前記案内部材の揺動端とが第２コネクティングロッドによって連結されている。

本発明によれば、揺動手段をクランク軸の回転を動力とした機械的な構造で構成することができ、膨張比変更に伴う変更手段と制御が不要となり、簡素な機械的構造で膨張比変更が可能となる。

［２］また、本発明においては、
前記案内部材は、揺動軸側から揺動端側に向かって延びる長孔を備え、前記長孔に沿って摺動自在となるように前記ブリッジ部材の回転軸線が連結され、
前記ブリッジ部材の回転軸線は、
前記ピストンの上死点を基準に、前記長孔の中央部に位置され、
吸気行程及び膨張行程で前記揺動軸側へ向かうように、前記揺動端を移動させ、
圧縮行程及び排気行程で前記揺動端側へ向かうように、前記揺動端を移動させることが好ましい。

［３］また、本発明の内燃機関は、
シリンダと、
前記シリンダ内を摺動自在なピストンと、
一端が前記ピストンに揺動自在に連結される第１コネクティングロッドと、
クランク軸と、
前記クランク軸を回転自在に支持するクランクケースと、
クランク軸に連結されるとともに第１コネクティングロッドの他端に連結されるブリッジ部材と、
第１コネクティングロッドの連結位置からずれた位置で前記ブリッジ部材に一端が摺動自在に連結され、且つ揺動自在な案内部材と、
クランク軸に対して１／２の回転速度に減速されて回転するサブクランク軸と、
前記サブクランク軸と、前記案内部材の揺動端と、を連結する第２コネクティングロッドと、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、内燃機関の高さを抑えて小型化を図ることができる。

また、本発明によれば、吸気バルブを極端に遅閉じすることなく、膨張行程の時間およびストロークを増加させることができる。

［４］また、本発明においては、前記シリンダの中心軸線から外れた一方側に前記クランク軸と前記案内部材とが順に配置されていることが好ましい。

本発明によれば、内燃機関の高さを抑えて小型化を図ることができて、最適に配置することができる。また、クランク軸と案内部材を支持するクランクケースを一方側に片寄らせることで、支持部に必要とされるクランクケースの剛性部分を集中させ、クランクケースの軽量化を図ることができる。

［５］また、本発明においては、前記サブクランク軸は、前記クランク軸の下方に配置されていることが好ましい。

本発明によれば、内燃機関の高さを抑えて小型化を図ることができて、最適に配置することができる。また、内燃機関の側面に取り付けられる吸排気装置や補器部品との干渉を避け、最適に配置することができる。

発明の実施形態の内燃機関を示す説明図。本実施形態の内燃機関の出力軸を示す説明図。本実施形態の内燃機関の排気行程における上死点を示す説明図。本実施形態の内燃機関の吸気行程を示す説明図。本実施形態の内燃機関の吸気行程における下死点を示す説明図。本実施形態の内燃機関の圧縮行程を示す説明図。本実施形態の内燃機関の圧縮行程における上死点を示す説明図。本実施形態の内燃機関の膨張行程を示す説明図。本実施形態の内燃機関の膨張行程における下死点を示す説明図。本実施形態の内燃機関のピストンストローク特性を示すグラフ。本実施形態の内燃機関の第１コネクティングロッドの下端の移動軌跡を示すグラフ。発明の他の実施形態の内燃機関の出力軸を示す説明図。

図を参照して、発明の実施形態の内燃機関を説明する。

［内燃機関の構造］
図１を参照して、本実施形態の内燃機関１は、いわゆる複リンク式高膨張比エンジンであり、シリンダ２を有するシリンダブロック３と、シリンダ２の上面開口を覆うようにシリンダブロック３に設けられたシリンダヘッド４と、シリンダ２内を摺動自在なピストン５と、クランク軸６と、クランク軸６を支持するクランクケース７と、クランクケース７に揺動軸８ａを中心に揺動自在に設けられた案内部材８と、を備えている。

内燃機関１は、シリンダ２とシリンダヘッド４とピストン５とで画定された燃焼室９を備えている。燃焼室９には、シリンダヘッド４に設けられた吸気ポート１０と排気ポート１１とが臨んでいる。吸気ポート１０は吸気バルブ１２で開閉自在に構成され、排気ポート１１は排気バルブ１３で開閉自在に構成されている。吸気バルブ１２及び排気バルブ１３は動弁機構（図示省略）により駆動される。

クランク軸６には、三角形の頂点状に配置された第１から第３の３つの回転軸線１４ａ～１４ｃを備えるブリッジ部材１４の中央の第１回転軸線１４ａが回転自在に連結されている。ピストン５には、第１コネクティングロッド１５の一端が連結されている。第１コネクティングロッド１５の他端には、ブリッジ部材１４の一方側の第２回転軸線１４ｂが回転自在に連結されている。なお、回転軸線１４ａがクランク軸６のクランクピンに相当する。

案内部材８は、揺動中心としての揺動軸８ａから揺動端８ｂに向かって延びるように配置された長孔８ｃを備えている。この長孔８ｃに沿って摺動自在となるように、案内部材８にブリッジ部材１４の残りの１つの第３回転軸線１４ｃが連結されている。

クランクケース７には、クランク軸６の下方に位置させてサブクランク軸１６が回転自在に設けられている。サブクランク軸１６には、第２コネクティングロッド１７の一端が連結されている。第２コネクティングロッド１７の他端は、案内部材８の揺動端８ｂに連結されている。サブクランク軸１６には、サブクランク軸１６の軸線から偏心した位置に軸線を有するピボット軸１７ａが一体に設けられている。ピボット軸１７ａを介してサブクランク軸１６が第２コネクティングロッド１７に連結される。

ブリッジ部材１４や第２コネクティングロッド１７、案内部材８を省略した図２を参照して、クランク軸６には、クランク軸６と同心で一体に回転する駆動ギヤ１８が設けられている。サブクランク軸１６には、サブクランク軸１６と同心で一体に回転する従動ギヤ１９が設けられている。駆動ギヤ１８の回転は、駆動ギヤ１８と噛合する中間ギヤ２０と従動ギヤ１９も噛合することにより中間ギヤ２０を介して従動ギヤ１９に伝達される。

駆動ギヤ１８と従動ギヤ１９のギヤ比は、駆動ギヤ１８が２回転すると従動ギヤ１９が１回転するように設定されている。換言すれば、クランク軸６の回転速度の１／２の回転速度でサブクランク軸１６が回転することとなり、減速比は２に設定されているということになる。

中間ギヤ２０には出力軸２１が設けられており、内燃機関１は、出力軸２１から変速機（図示省略）や回転電機（図示省略）などに動力を出力する。

本実施形態の内燃機関１では、吸引行程の下死点において、案内部材８の揺動端部が最もシリンダ２の中心軸線２ａに近づくように構成されている。また、膨張行程の下死点において、案内部材８の揺動端部が最もシリンダ２の中心軸線２ａから遠ざかり、且つブリッジ部材１４と第１コネクティングロッド１５とが連結される第２回転軸線１４ｂがシリンダ２の中心軸線２ａ上であって最も下方に位置するように構成されている。

［内燃機関の作動］
図３から図９を参照して、本実施形態の内燃機関１の作動を説明する。

［吸気行程］
図３から図５を参照して、本実施形態の内燃機関１の吸気行程は、図３の上死点から図４を経て図５の吸気行程の下死点までピストン５が移動する。このとき、案内部材８の揺動端８ｂは、サブクランク軸１６の回転によって第２コネクティングロッド１７を介してシリンダ２の中心軸線２ａ側に引っ張られ、図５のピストン５が下死点に到達したときには、揺動端８ｂは最もシリンダ２の中心軸線２ａに接近した状態となる。

［圧縮行程］
図５から図７を参照して、本実施形態の内燃機関１の圧縮行程は、図５の吸気行程の下死点から図６を経て図７の上死点までピストン５が移動し、燃焼室９内の混合ガスを圧縮する。圧縮行程では、案内部材８の揺動端８ｂは、サブクランク軸１６の回転によって第２コネクティングロッド１７によって押されて、次第にシリンダ２の中心軸線２ａから離れるように揺動していく。

［膨張行程］
図７から図９を参照して、本実施形態の内燃機関１の膨張行程は、燃焼室９内の混合ガスに点火することによって図７の圧縮行程の上死点から図８を経て図９の膨張行程の下死点までピストン５が移動する。図５の下死点と図９の下死点を比較すると明らかなように、図９の膨張行程の下死点の方が、図５の吸気行程の下死点よりも下方へ下がっていることがわかる。

また、膨張行程においては、案内部材８の揺動端８ｂは、サブクランク軸１６の回転によって第２コネクティングロッド１７を介してシリンダ２の中心軸線２ａから離れる側に押されて、図９のピストン５が膨張行程の下死点に到達したときには、揺動端８ｂは最もシリンダ２の中心軸線２ａから離隔した状態となる。

［排気行程］
図９及び図３を参照して、本実施形態の内燃機関１の排気行程は、図９の下死点から図３の上死点までピストン５が移動し、燃焼室９内の排ガスが排出される。排気行程では、案内部材８の揺動端８ｂは、サブクランク軸１６の回転によって第２コネクティングロッド１７によって引っ張られ、次第にシリンダ２の中心軸線２ａに近づくように揺動していく。

［内燃機関のストローク特性］
図１０は、本実施形態の内燃機関１のストローク特性を示している。点線は比較例としてのオットーサイクルの内燃機関のストローク特性を示している。オットーサイクルと比較して、膨張行程のストロークが長く膨張行程の時間が長く採れることがわかる。

［第１コネクティングロッド下端の移動軌跡］
図１１は、第１コネクティングロッド１５の下端の移動軌跡を示している。図１１から明らかなように、ストロークの長い膨張行程において、第１コネクティングロッド１５の下端がピストン５の摺動方向と略同一方向に移動していることがわかる。これにより、ピストン５の摺動方向とは異なる方向の力がピストン５に加わることを抑制することができ、騒音を抑制し、シリンダ２とピストン５との摩擦抵抗を低減することができる。なお、図１１において、一点鎖線はピストン軌跡を示し、二点鎖線はクランク軸に連結される一般的なコンロッド大端部の移動軌跡を示している。

［本実施形態の内燃機関の効果］
本実施形態の内燃機関１によれば、吸気バルブ１２を極端に遅閉じすることなく、膨張行程の時間およびピストン５の摺動ストロークを増加させることができる。

また、本実施形態によれば、最もストロークが長くなる膨張行程時の第１コネクティングロッド１５の進退運動を、従来よりもシリンダ２の中心軸線に沿った動きに近づけさせることができ、内燃機関１の振動を抑制し、ピストン５とシリンダ２との摩擦も低減させることができる。

また、本実施形態によれば、案内部材８を揺動させる揺動手段を、第２コネクティングロッド１７と、サブクランク軸１６と、駆動ギヤ１８と、中間ギヤ２０と、従動ギヤ１９と、で構成し、クランク軸６の回転を動力源とした機械的な構造で構成している。このため、従来のように、吸気バルブの開閉タイミングを膨張比変更に伴って変更する必要がなく、簡素な機械的構造で膨張比変更が可能となる。

また、本実施形態によれば、内燃機関１の高さ方向の寸法を抑えて小型化を図ることができる。

［他の実施形態の内燃機関］
上記実施形態においては、中間ギヤ２０を介した駆動ギヤ１８と従動ギヤ１９との間の動力伝達を説明した。しかしながら、本発明の揺動手段はこれに限らず、例えば、図１２に示す他の実施形態の内燃機関１のように、中間ギヤを介することなく駆動ギヤ１８を直接従動ギヤ１９に噛合させてもよい。

また、本発明の揺動手段としては、ベルトやチェーンなどを用いて、クランク軸６の回転をサブクランク軸１６に伝達させるように構成してもよい。

また、上記実施形態においては、出力軸２１を中間ギヤ２０に設けたものを説明したが、本発明の内燃機関１の構成はこれに限らず、例えば、出力軸２１をクランク軸６に設けてもよい。

また、上記実施形態においては、サブクランク軸１６をクランク軸６の下方に設けたものを説明したが、本発明の内燃機関の構成はこれに限らず、例えば、サブクランク１６をクランク軸の上方に設けてもよい。この場合、内燃機関の高さ方向の寸法を抑えて内燃機関全体の小型化を図ることができる。

また、上記実施形態においては、ブリッジ部材１４の第１回転軸線１４ａを上方としたものを説明したが、本発明の内燃機関の構成はこれに限らず、例えば、ブリッジ部材の第１回転軸線を下方としてもよい。この場合、回転自在に連結されるクランク軸６のブリッジ部材への締結が下方から行えることで、組付け作業性が向上できる。

１内燃機関
２シリンダ
２ａ中心軸線
３シリンダブロック
４シリンダヘッド
５ピストン
６クランク軸
７クランクケース
８案内部材
８ａ揺動軸
８ｂ揺動端
８ｃ長孔
９燃焼室
１０吸気ポート
１１排気ポート
１２吸気バルブ
１３排気バルブ
１４ブリッジ部材
１４ａ第１回転軸線
１４ｂ第２回転軸線
１４ｃ第３回転軸線
１５第１コネクティングロッド
１６サブクランク軸
１７第２コネクティングロッド
１８駆動ギヤ
１９従動ギヤ
２０中間ギヤ
２１出力軸

Claims

シリンダと、
前記シリンダ内を摺動自在なピストンと、
クランク軸と、
前記ピストンに揺動自在に連結された第１コネクティングロッドと、
揺動自在に設けられた案内部材と、
前記案内部材を揺動させると揺動手段と、
三角形の頂点に位置する様に配置された３つの回転軸線を有し、２つの回転軸線に前記クランク軸と前記第１コネクティングロッドとを連結し、残りの１つの回転軸線が前記案内部材の延在方向に沿って摺動自在に連結されたブリッジ部材と、
を備え、
前記揺動手段は膨張行程において前記案内部材の揺動端が前記シリンダの中心軸線から離れる側に移動するように前記案内部材を揺動させ、
前記揺動手段は、前記クランク軸に対して１／２の回転速度に減速されて回転するサブクランク軸を備え、
前記サブクランク軸と前記案内部材の揺動端とが第２コネクティングロッドによって連結されていることを特徴とする内燃機関。
請求項１記載の内燃機関であって、
前記案内部材は、揺動軸側から揺動端側に向かって延びる長孔を備え、前記長孔に沿って摺動自在となるように前記ブリッジ部材の回転軸線が連結され、
前記ブリッジ部材の回転軸線は、
前記ピストンの上死点を基準に、前記長孔の中央部に位置され、
吸気行程及び膨張行程で前記揺動軸側へ向かうように、前記揺動端を移動させ、
圧縮行程及び排気行程で前記揺動端側へ向かうように、前記揺動端を移動させることを特徴とする内燃機関。
シリンダと、
前記シリンダ内を摺動自在なピストンと、
一端が前記ピストンに揺動自在に連結される第１コネクティングロッドと、
クランク軸と、
前記クランク軸を回転自在に支持するクランクケースと、
クランク軸に連結されるとともに第１コネクティングロッドの他端に連結されるブリッジ部材と、
第１コネクティングロッドの連結位置からずれた位置で前記ブリッジ部材に一端が摺動自在に連結され、且つ揺動自在な案内部材と、
クランク軸に対して１／２の回転速度に減速されて回転するサブクランク軸と、
前記サブクランク軸と、前記案内部材の揺動端と、を連結する第２コネクティングロッドと、
を備えることを特徴とする内燃機関。
請求項３に記載の内燃機関であって、
前記シリンダの中心軸線から外れた一方側に前記クランク軸と前記案内部材とが順に配置されていることを特徴とする内燃機関。
請求項４に記載の内燃機関であって、
前記サブクランク軸は、前記クランク軸の下方に配置されていることを特徴とする内燃機関。