(57)【要約】【課題】ピストンの増速タイミングと実際の燃焼圧の上昇特性とをより精密に一致させて、燃費改善、振動の低減を図る。【解決手段】クランク軸４と出力軸１１に、互いに噛合する一対の楕円歯車１２，１３を軸着し、燃焼圧力ピークを示すクランク角θｐと燃焼終了クランク角θｅとの間で、ピストン３の下降速度が最速となるように、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１側と出力軸側楕円歯車１３の長軸Ｌ２側とが噛合するクランク角θｒを設定する。【選択図】図２
2010249109.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの上下運動により回転するクランク軸と該クランク軸からの回転運動により回転する出力軸とを備える内燃機関において、
前記クランク軸と前記従動側出力軸出力軸との間に、該出力軸が略等速回転を行うとき、前記クランク軸がその回転周期に同期して回転速度が周期的に変化する不等速動力伝達機構を介装し、
前記不等速動力伝達機構は、燃焼圧力ピーク時期から燃焼終了時期の間で前記クランク軸の回転速度が最速となるように設定されている
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記不等速動力伝達機構は、互いに噛合するクランク軸側非円形歯車と出力軸側非円形歯車とから成り、
前記各非円形歯車が、互いに平行に配設された前記クランク軸と前記出力軸とに設けられている
ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記各非円形歯車は該各非円形歯車の中心に対して、歯車プロフィールが点対称を成している
ことを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
【請求項４】
前記出力軸にフライホイールが備えられ、
燃焼行程における燃焼圧力ピーク時期から燃焼終了時期の間で、前記クランク軸側非円形歯車の短軸側と前記出力軸側非円形歯車の長軸側とが噛合されて、前記クランク軸の回転速度が最速となるように配置されている
ことを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
【請求項５】
前記内燃機関は、火花点火式ガソリン燃焼機関であり、燃焼行程における燃焼圧力ピーク時期から燃焼終了時期までの範囲で前記クランク軸の回転速度が最速となる前記クランク軸側非円形歯車の短軸側と前記出力軸側非円形歯車の長軸側とが噛合されるクランク角は、前記ピストンが圧縮上死点にあるときのクランク角を基準に、遅角方向へ２０〜３５°である
ことを特徴とする請求項４記載の内燃機関。
【請求項６】
前記クランク軸と前記出力軸とは、前記ピストンが圧縮上死点にあるとき、前記クランク軸の軸心と前記出力軸の軸心と前記クランク軸に設けられているクランクピンの軸心とが直線で結ばれる軸線上に配列されており、
前記クランク軸側非円形歯車の短軸側と前記出力軸側非円形歯車の長軸側とが噛合されているとき、前記クランクピンが前記クランク軸側非円形歯車の短軸に対して、圧縮行程から燃焼行程にかけての燃焼期間の略中間から燃焼終了時期の間で、前記クランク軸の回転速度が最速となる位置に配設されている
ことを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
【請求項７】
前記内燃機関は、火花点火式ガソリン燃焼機関であり、前記クランク軸の回転速度が最速となる前記クランク軸側非円形歯車の短軸側と前記出力軸側非円形歯車の長軸側とが噛合されるクランク角は、前記ピストンが圧縮上死点にあるときのクランク角を基準に、遅角方向へ２０〜３５°の位置に設定されている
ことを特徴とする請求項６記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クランク軸に連設するクランク軸と出力軸との間に、不等速動力伝達機構を介装して、出力軸を略等速回転させるようにした内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、オットサイクル機関において、熱効率を上昇させて出力を向上させる手段として、圧縮比（≒膨張比）を高めることが知られているが、圧縮比を単に高くするだけでは、ノッキングの発生を招くことになる。特に、高負荷運転状態においては燃焼圧力が高くなるため、ノッキングが発生し易い。
【０００３】
そのため、一般には、点火時期を制御し、ノッキングを検知したときは、点火時期を直ちに遅角補正してノッキングの発生を防止するようにしている。しかし、点火時期を遅角させると、燃焼室内の最高燃焼圧力が低くなり、熱効率が低下し、その分、出力が低下する不都合がある。
【０００４】
その対策として、本出願人は、特許文献１（特開２００５−２９１１０３号公報）において、クランク軸の軸端とクランク軸に平行な出力軸の軸端とに、互いに噛合する一対の楕円歯車（二葉歯車）を配設し、この両楕円歯車の相互回転により、クランク軸の回転を上死点を挟む前後において速くする不等速回転とすることで、ノッキングの発生を有効に回避する内燃機関を提案した。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した文献に開示されている内燃機関では、クランク軸に軸着されている楕円歯車の長軸側をコネクティングロッドの延長上に配列し、上死点（ＴＤＣ）前後の圧縮、膨張行程でピストン速度を速くしている。しかし、燃焼圧力ピークは、圧縮上死点を経過した後に発生するため、クランク軸に軸着されている楕円歯車によるピストンの増速タイミングと、実際の燃焼圧の上昇特性とが厳密には一致しておらず、燃費改善の余地がある。
【０００６】
又、クランク軸に軸着されている楕円歯車によるピストンの増速タイミングと、実際の燃焼圧の上昇特性とが厳密に一致していないため、図３（ｂ）に細線で示すように、１ストロークあたり、ピストン速度の増速ピークが２回現れてしまい、振動、騒音の原因となる問題がある。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑み、ピストンの増速タイミングと実際の燃焼圧の上昇特性とをより精密に一致させることで、燃費改善、及び振動の低減を図ることのできる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため本発明は、ピストンの上下運動により回転するクランク軸と該クランク軸からの回転運動により回転する出力軸とを備える内燃機関において、前記クランク軸と前記従動側出力軸出力軸との間に、該出力軸が略等速回転を行うとき、前記クランク軸がその回転周期に同期して回転速度が周期的に変化する不等速動力伝達機構を介装し、前記不等速動力伝達機構は、燃焼圧力ピーク時期から燃焼終了時期の間で前記クランク軸の回転速度が最速となるように設定されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、クランク軸と出力軸との間に、出力軸が略等速回転を行うとき、クランク軸がその回転周期に同期して回転速度が周期的に変化する不等速動力伝達機構を介装し、この不等速動力伝達機構を、燃焼圧力ピーク時期から燃焼終了時期の間で前記クランク軸の回転速度が最速となるように設定したので、ピストンの増速タイミングと実際の燃焼圧の上昇特性とをより精密に一致させることができ、燃費改善、及び振動の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第1実施形態によるピストンが圧縮上死点にあるときの歯車挿入式内燃機関の概略構成図
【図２】同、ピストンが燃焼行程における最速下降速度を示す位置にあるときの歯車挿入式内燃機関の概略構成図
【図３】同、（ａ）は燃焼圧力の変化を示す特性図、（ｂ）はピストン速度の変化を示す特性図、（ｃ）はクランク軸の回転速度の変化を示す特性図
【図４】同、ピストンの最適増速タイミングと機関回転速度との関係を示す特性図
【図５】第２実施形態による図１相当の歯車挿入式内燃機関の概略構成図
【図６】同、図２相当の歯車挿入式内燃機関の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。
【００１２】
［第１実施形態］
図１の符号１は歯車挿入式内燃機関（以下、「内燃機関」と略称する）であり、図においては、火花点火式ガソリン燃焼機関が示されている。尚、本実施形態で示す内燃機関１は４サイクル単気筒内燃機関であるが、４サイクル或いは２サイクルの２気筒或いは４気筒内燃機関であっても適用することができる。
【００１３】
この内燃機関１のシリンダ２にピストン３が進退自在に挿通されており、このピストン３のピストンピン３ａとクランク軸４のクランクピン４ａとがコネクティングロッド（以下、「コンロッド」と略称）５を介して連設されている。
【００１４】
クランク軸４は、そのクランクジャーナル４ｂがシリンダ２に連設するクランクケース（図示せず）に回動自在に支持されている。又、ピストン３の頂面とシリンダ２とシリンダヘッド６とで区画された領域に燃焼室７が形成されて、このシリンダヘッド６に、発火部を燃焼室７に臨ます点火プラグ（図示せず）が固設されている。
【００１５】
又、クランク軸４に対し、出力軸１１がクランク軸４の延出方向に沿って平行に配設されている。更に、このクランクジャーナル４ｂの軸心と出力軸１１の軸心を結ぶ線が、ピストン３が上死点にあるときのクランクジャーナル４ｂの軸心とクランクピン４ａの軸心とを結ぶ線に対して、直交する方向に配列されている。この出力軸１１に、図示しない変速機等を介して或いは直接的に、発電機、走行負荷等の負荷要素が印加される。尚、出力軸１１には、この出力軸１１を、慣性力により略等速回転させるべくフライホイール（図示せず）が軸着されている。
【００１６】
更に、クランク軸４と出力軸１１との間に、互いに噛合する一対のクランク軸側非円形歯車と出力軸側非円形歯車とが介装されている。この両非円形歯車は、楕円歯車１２，１３であり、クランク軸４にクランク軸側楕円歯車１２の軸心部分が、出力軸１１に出力軸側楕円歯車１３の軸心部分が各々軸着されている。又、この両楕円歯車１２，１３で不等速動力伝達機構が構成されている。この不等速動力伝達機構は、出力軸１１が略等速回転を行うとき、クランク軸４が、その回転周期に同期して回転速度が周期的に変化するものである。
【００１７】
この両楕円歯車１２，１３は同一の形状を有している。両楕円歯車１２，１３は、長軸Ｌ１，Ｌ２と短軸Ｓ１，Ｓ２とを互いに直交する方向に位相をずらした状態で噛合されている。尚、本実施形態では、楕円歯車１２，１３として、軸心に対して歯車プロフィールが点対称を成す二葉歯車が採用されており、この各楕円歯車１２，１３の最大角速度比は2.0に設定されている。但し、この最大角速度比は採用する内燃機関１のピストン速度変化特性に応じて適宜設定される。
【００１８】
ピストン３がシリンダ２にガイドされて上下運動すると、クランク軸４が回転し、このクランク軸４の回転により、互いに噛合するクランク軸側楕円歯車１２と出力軸側楕円歯車１３とを介して出力軸１１が回転する。その際、出力軸１１を等速回転させると、クランク軸４は、互いに噛合する一対の楕円歯車１２，１３の回転により不等速回転する。
【００１９】
図１には、ピストン３が圧縮上死点（ＴＤＣ）にある状態が示されている。又、同図に矢印で示すように、クランク軸４が時計回り方向へ回転するように設定されており、従って、出力軸１１は反時計回り方向へ回転する。この場合、出力軸１１を定速回転させた状態でクランク軸４が最速となるクランク角に対して、設定角度（設定遅角度）θｒだけ遅角させたクランク角（位相）にクランクピン４ａが設定されている（図２参照）。ここで、遅角とはピストン３の上死点を基準とした場合、このピストン３が上死点を通過した後のクランク角を指す。
【００２０】
図２に示すように、出力軸１１を定速回転させた状態で、クランク軸４の回転速度が最速となるクランク角は、クランクジャーナル４ｂの軸心と出力軸１１との軸心を結んだ線上に、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１と出力軸側楕円歯車１３の長軸Ｌ２とが重畳される位置である。
【００２１】
図３（ａ）に示すように、例えば最適点火時期（ＭＢＴ:Minimum advance for the Best Torque）制御において、点火プラグの火花点火により燃焼室７の圧縮混合気に対し、所定タイミングで着火させた場合、ある遅れを有して混合気が燃焼を開始し、燃焼圧力（筒内圧力）が急上昇する。一般に、ＭＢＴ制御では、燃焼圧力ピーク時期である燃焼圧力ピーククランク角θｐが、ＡＴＤＣ（圧縮上死点後）約１０〜１５[deg]になるように点火時期を制御しており、燃焼期間（燃焼による熱エネルギの発生が継続する期間であり、燃焼開始θｓから燃焼終了クランク角θｅまでの期間を指す。本実施形態では、燃焼期間をクランク角幅で表している）は、燃焼開始クランク角θｓがＢＴＤＣ（圧縮上死点前）約１８〜１２[deg]で、燃焼終了時期である燃焼終了クランク角θｅがＡＴＤＣ約３０〜３５[deg]程度である。又、燃焼圧力ピーククランク角θｐが、燃焼期間のおおよそ中間とした場合、この燃焼圧力ピーククランク角θｐは、ＡＴＤＣ約９〜１０となる。
【００２２】
又、図３（ｂ）に示すように、燃焼開始クランク角θｓから燃焼終了クランク角θｅまでのピストン速度（クランク軸速度）の上昇割合（加速度）が最大となる。このピストン速度の上昇率に合わせて、クランク軸側楕円歯車１２の位相（クランクジャーナル４ｂの軸心を通る長軸Ｌ１とクランクピン４ａの軸心との間のクランク角幅）である設定遅角度θｒを設定することで、より高い熱効率を得ることができる。
【００２３】
本実施形態では、図３に示すように、燃焼圧力ピーククランク角θｐから燃焼終了クランク角θｅまでの間でクランク軸速度（ピストン速度）の上昇割合（加速度）が最大となるように、クランク軸側楕円歯車１２の位相を設定している。すなわち、図２に示すように、ピストン速度（クランク軸速度）の上昇率が最大となる領域において、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１と出力軸側楕円歯車１３の長軸Ｌ２とが、クランクジャーナル４ｂの軸心と出力軸１１の軸心とを結ぶ線上に位置するように設定する。換言すれば、設定遅角度θｒを、燃焼圧力ピーククランク角θｐと燃焼終了クランク角θｅとの間でクランク軸４の回転速度が最速となる位置に配設し、ピストン３の下降速度（クランク軸４の回転速度）を最適なタイミングで増速させるようにする。
【００２４】
ところで、燃焼時間は機関回転数[rpm]に関係なくほぼ一定時間であり、機関回転数が上昇すると、相対的に燃焼期間に要するクランク角幅は長くなる。従って、図４に示すように、ピストン３の最適な増速タイミングにクランク軸側楕円歯車１２の設定遅角度θｒを適合させようとした場合、燃焼圧力ピーククランク角θｐが常に一定であったとしても、最適増速タイミングは、機関回転速度の上昇に従い次第に遅角方向へ移動される。
【００２５】
従って、内燃機関１の常用運転領域が、おおよそ２０００〜６０００[rpm]とした場合、最適増速タイミング、すなわち、クランク軸側楕円歯車１２の設定遅角度θｒは、燃焼期間においてピストン３の下降速度を増速させるべく、ＡＴＤＣ２０〜３５[deg]に設定し、より好ましくは、ＡＴＤＣ２５〜３０[deg]に設定する。
【００２６】
その結果、図３（ｃ）に示すように、出力軸１１を定速回転させた場合、クランク軸４の回転速度が、互いに噛合する楕円歯車１２，１３の歯車プロフィールにより、燃焼期間におけるピストン速度（クランク軸速度）の上昇にほぼ沿った変化特性となり、最も高い熱効率を得ることができる。
【００２７】
次に、このような構成による本実施形態の作用について説明する。稼働中の内燃機関１は、ピストン３の上下運動に伴い、クランク軸４が回転し、その回転力が、クランク軸４に軸着されているクランク軸側楕円歯車１２を介して、出力軸１１に軸着されている出力軸側楕円歯車１３に伝達されて出力軸１１が回転する。この出力軸１１には、変速機等を介し、或いは直接的に、走行負荷、発電機等の負荷要素からの負荷が印加されている。
【００２８】
燃焼室７には吸気行程毎に混合気が供給され、圧縮行程後半の点火時期に達したとき、点火プラグ（図示せず）が点火し、燃焼室７内の混合気に着火される。すると、図３（ａ）に示すように、燃焼行程において燃焼室７内の燃焼圧力が急激に上昇し、その燃焼圧力によってピストン３の降下速度が増速され、このピストン３にコンロッド５を介して連設するクランク軸４の回転速度が増速される（図３(b)参照）。
【００２９】
図１、図２に示すように、クランク軸４に軸着されているクランク軸側楕円歯車１２は、ピストン３が上死点（ＴＤＣ）にあるとき、クランク軸側楕円歯車１２の長軸Ｌ１が、クランク軸４のクランクジャーナル４ｂの軸心とクランクピン４ａの軸心とを結ぶ軸線（ＬTDC）に対して設定遅角度θｒだけ遅角された位置に設定されている。そして、図３（ｃ）に示すように、この設定遅角度θｒが、燃焼圧力ピーククランク角θｐから燃焼終了クランク角θｅまでの間において、ピストン３の下降速度（クランク軸４の回転速度）が最速となるように設定されているため、燃焼期間のピストン３の下降速度に対応してクランク軸４の回転速度を上昇させることができる。
【００３０】
その結果、燃焼ガスの高温時間が短縮され、冷却損失が低減されると共に、ノッキングの発生が抑制され、更に、ノッキングの発生が抑制されることで、相対的に高圧縮比化を実現することができる。又、冷却損失の低減、及びノッキングの発生が抑制されることで、熱効率、及び出力の向上を図ることができ、燃費を改善することができる。
【００３１】
又、出力軸１１を定速回転させた状態では、クランク軸４の回転速度の上昇が、燃焼期間におけるピストン３の下降速度（クランク軸４の回転速度）の上昇にほぼ沿った変化特性となるため、ピストン３の加速が１ストロークで１度となり、振動、騒音を低減することができる。
【００３２】
［第２実施形態］
図５、図６に本発明の第２実施形態を示す。上述した第１実施形態では、両出力軸４ｂ，１１の軸心を結ぶ線が、ピストン３が上死点にあるときのクランク軸のクランクジャーナル４ｂの軸心とクランクピン４ａの軸心とを結ぶ線に対して直交する方向に配列されているが、本実施形態では、ピストン３が上死点にあるとき、クランクジャーナル４ｂの軸心と出力軸１１の軸心を結ぶ線とクランクジャーナル４ｂの軸心とクランクピン４ａとの軸心を結ぶ線とが一直線になるように、クランク軸４，出力軸１１を配列したものである。
【００３３】
尚、両楕円歯車１２，１３、及びこれら楕円歯車１２，１３間の噛合関係は、第１実施形態と同一であるため、出力軸１１を定速回転させたときのクランク軸４の回転速度の変化特性は、図３（ｃ）と同一である。
【００３４】
図６に示すように、本実施形態では、出力軸１１を定速回転させたときのクランク軸４が最速となるクランク角が、クランク軸のクランクジャーナル４ｂの軸心と出力軸１１との軸心を結んだ線上、すなわち、出力軸１１の軸心とピストンピン３ａの軸心とを結んだ軸線ＬTDC上に、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１と出力軸側楕円歯車１３の長軸Ｌ２とが重畳される位置となる。
【００３５】
この最速となるクランク角において、上述した軸線ＬTDCとクランク軸のクランクジャーナル４ｂの軸心とクランクピン４ａの軸心とを結ぶ線との挟み角が、設定遅角度θｒとなる。換言すれば、図５に示すように、ピストン３が圧縮上死点にあるときのクランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１を設定クランク角θｒだけ進角させた位置に設定する。こうすることで、短軸Ｓ１を基準とした場合、クランクピン４ａの軸心はクランク角度θrだけ遅角された位置に配設されることになる。
【００３６】
この燃焼期間の略中間が燃焼圧力ピーククランク角θｐであり、ＡＴＤＣ１０〜１５[deg]である。設定遅角度θｒは、燃焼圧力ピーククランク角θｐから燃焼終了クランク角θｅにおいて、ピストン３の下降速度（クランク軸４の回転速度）の上昇に沿う位置に設定される。
【００３７】
図６に示すように、この設定遅角度θｒは、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１を基準とした場合、燃焼期間θｓ〜θｅ（図３参照）の略中間から燃焼終了クランク角θｅの間であって、具体的には、ＡＴＤＣ２０〜３５[deg]に設定されており、より好ましくは、ＡＴＤＣ２５〜３０[deg]に設定されている。
【００３８】
尚、本発明は、上述した実施形態に限るものではなく、例えば、適用する内燃機関はディーゼル燃焼機関であっても良い。
【符号の説明】
【００３９】
１…内燃機関、
３…ピストン、
４…クランク軸、
４ａ…クランクピン、
４ｂ…クランクジャーナル、
７…燃焼室、
１１…出力軸、
１２…クランク軸側楕円歯車、
１３…出力軸側楕円歯車、
θｅ…燃焼終了クランク角、
θｐ…燃焼圧力ピーククランク角、
θｒ…設定角度、
θｓ…燃焼開始クランク角、
Ｌ１，Ｌ２…長軸、
Ｓ１，Ｓ２…短軸
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４０】
【特許文献１】特開２００５−２９１１０３号公報
【図１】
2010249109.tif 000003
【図２】
2010249109.tif 000004
【図３】
2010249109.tif 000005
【図４】
2010249109.tif 000006
【図５】
2010249109.tif 000007
【図６】
2010249109.tif 000008