(57)【要約】【課題】  低負荷運転時に燃焼速度が低下して燃焼が不安定になることを防止しつつ、高負荷運転時のノッキングを抑制することが可能なエンジンを提供する。【解決手段】  エンジン１は、クランク軸２０とフライホイール５０との間に介装され、クランク軸２０に作用する軸トルクに応じて、クランク軸２０とフライホイール５０との間に捩れを生じさせるように、クランク軸回りに揺動する揺動機構３０を備える。揺動機構３０は、クランク軸２０の端部に結合される第１揺動部材３１と、フライホイール５０に結合される第２揺動部材３２と、第１揺動部材３１と第２揺動部材３２とをクランク軸回りに揺動自在に連結するコイルスプリング３３とを有する。コイルスプリング３３は、低負荷運転時の膨張行程では殆ど収縮することなく、高負荷運転時の膨張行程では軸トルクに応じて収縮するように、ばね定数が設定されている。【選択図】  図１
2014005792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、
前記クランク軸の端部に取り付けられ、クランク軸の回転変動を低減するフライホイールと、
前記クランク軸と前記フライホイールとの間に介装され、前記クランク軸に作用する軸トルクに応じて、前記クランク軸と前記フライホイールとの間に捩れを生じさせるように、クランク軸回りに揺動する揺動機構と、を備えることを特徴とするエンジン。
【請求項２】
前記揺動機構は、
前記クランク軸の端部に結合される第１揺動部材と、
前記フライホイールに結合される第２揺動部材と、
前記第１揺動部材と前記第２揺動部材とをクランク軸回りに揺動自在に連結する弾性部材と、を有することを特徴とする請求項１に記載のエンジン。
【請求項３】
前記弾性部材は、ばねであることを特徴とする請求項２に記載のエンジン。
【請求項４】
前記ばねは、低負荷運転時の膨張行程では収縮することなく、高負荷運転時の膨張行程では、軸トルクに応じて収縮するように、ばね定数が設定されていることを特徴とする請求項３に記載のエンジン。
【請求項５】
前記揺動機構は、揺動角度を±１０乃至１５°に制限する揺動制限部材をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジン。
【請求項６】
エンジンの点火時期を制御する点火時期制御手段を備え、当該点火時期制御手段は、前記揺動機構の揺動角度を考慮して点火時期を調節することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジン。
【請求項７】
前記クランク軸に作用する軸トルクを推定する推定手段をさらに備え、
前記点火時期制御手段は、前記推定手段により推定された軸トルクに応じて、点火時期を調節することを特徴とする請求項６に記載のエンジン。
【請求項８】
前記推定手段は、アクセルペダルの開度に基づいて、前記クランク軸に作用する軸トルクを推定することを特徴とする請求項７に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両を駆動するエンジンの熱効率を向上させるために、圧縮比をより高めることが望まれている。しかし、高圧縮比化によって熱効率の向上を図ろうとすると、燃料と空気の混合気が点火プラグからの火炎伝搬を待たずに自己着火するノッキングが発生し易くなる。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、ノッキングを生じ易くなる。
【０００３】
このような問題を解決する技術として、特許文献１には、上死点を挟む前後のピストン変位速度を速めることにより、点火時期を遅角補正することなくノッキングの発生を抑制し、高い熱効率を得ることができる内燃機関が開示されている。この内燃機関では、クランク軸の軸端と、クランク軸に平行な従動側出力軸の軸端とに、互いに噛合すると共に位相を９０°ずらした楕円歯車が軸着されている。そして、ピストンが上死点（ＴＤＣ）にあるときに、楕円歯車の長軸がコンロッドのほぼ延長上に配列されるように設定されている。この内燃機関によれば、一対の楕円歯車によって、上死点を挟む前後においてピストンの速度が速くなるため、圧縮比を上げてもノッキングが発生し難く、最適な点火時期を設定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２９１１０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した内燃機関では、一対の楕円歯車の組合せによってピストン動作のプロフィールを変えているため、内燃機関の運転状態にかかわらずピストン動作のプロフィールが常に一定となる。よって、低負荷運転時にも、上死点を挟む前後においてピストン速度が速くなる。そのため、高負荷運転時にはノッキングを効果的に抑制することができるものの、低負荷運転時には、燃焼速度が低下し、燃焼が不安定になるおそれがある。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、低負荷運転時に燃焼速度が低下して燃焼が不安定になることを防止しつつ、高負荷運転時のノッキングを抑制することが可能なエンジン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】
【０００７】
本発明に係るエンジンは、ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク軸と、クランク軸の端部に取り付けられ、クランク軸の回転変動を低減するフライホイールと、クランク軸とフライホイールとの間に介装され、クランク軸に作用する軸トルクに応じて、クランク軸とフライホイールとの間に捩れを生じさせるように、クランク軸回りに揺動する揺動機構とを備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るエンジンによれば、クランク軸に作用する軸トルクに応じて揺動する揺動機構が、クランク軸とフライホイールとの間に介装されている。そのため、クランク軸に作用する軸トルクと揺動機構の揺動量（揺動角度）との関係を、例えば、高負荷時の膨張行程では揺動機構が揺動し、低負荷時の膨張行程では揺動機構が殆ど揺動しないように設定することにより、高負荷時の膨張行程では、燃焼が進み筒内圧が高くなるにしたがって揺動機構が揺動し、クランク軸が捩れてピストンの降下速度が速くなる。これによりノッキングを回避することができる。一方、低負荷時の膨張行程では、揺動機構が殆ど揺動することなくクランク軸が捩れないため、すなわちピストンの降下速度が加速されないため、圧力・温度の低下により燃焼速度が低下することを防ぐことができる。その結果、低負荷運転時に燃焼速度が低下して燃焼が不安定になることを防止しつつ、高負荷運転時のノッキングを抑制することが可能となる。
【０００９】
本発明に係るエンジンでは、揺動機構が、クランク軸の端部に結合される第１揺動部材と、フライホイールに結合される第２揺動部材と、第１揺動部材と第２揺動部材とをクランク軸回りに揺動自在に連結する弾性部材とを有することが好ましい。
【００１０】
この場合、クランク軸の軸トルクに応じて弾性部材が弾性変形することにより、第１揺動部材と第２揺動部材とがクランク軸回りに捩れる。よって、クランク軸の軸トルクに応じて、クランク軸とフライホイールとの間に捩れを発生させることが可能となる。
【００１１】
本発明に係るエンジンでは、上記弾性部材として、ばねを好適に用いることができる。
【００１２】
本発明に係るエンジンでは、低負荷運転時の膨張行程では収縮することなく、高負荷運転時の膨張行程では、軸トルクに応じて収縮するように、ばねのばね定数が設定されていることが好ましい。
【００１３】
この場合、高負荷時の膨張行程では、燃焼が進み筒内圧が高くなると揺動機構を構成するばねが収縮して、クランク軸が捩れてピストンの降下速度が速くなる。これによりノッキングを回避することができる。一方、低負荷時の膨張行程では、揺動機構を構成するばねが収縮することなくクランク軸が捩れないため、ピストンの降下速度が加速されないため、圧力・温度の低下により燃焼速度が低下することを防ぐことができる。なお、圧縮行程・吸気行程・排気行程では膨張行程ほど高い圧力が作用しないので、ばねの捩れは殆ど生じない。
【００１４】
本発明に係るエンジンでは、揺動機構が、揺動角度を±１０乃至１５°に制限する揺動制限部材をさらに備えることが好ましい。
【００１５】
このようにすれば、例えば、タイミングベルトの歯飛びなどが生じたとしても、ピストンが吸気バルブ・排気バルブと接触することを防止することができる。また、揺動機構が過度に揺動し、すなわち、クランク軸が過度に捩れることにより、燃焼が不安定化することを防止できる。
【００１６】
本発明に係るエンジンは、エンジンの点火時期を制御する点火時期制御手段を備え、当該点火時期制御手段が、揺動機構の揺動角度を考慮して点火時期を調節することが好ましい。
【００１７】
上述したように、軸トルクに応じて揺動機構が揺動する（すなわちクランク軸が捩れる）ことにより、高負荷運転時のノッキングを抑制することができるため、点火時期をより進角することが可能となる。そこで、揺動機構の揺動角度、すなわちクランク軸の捩れ角を考慮して点火時期を調節（例えば進角）することにより、熱効率を向上させることが可能となる。
【００１８】
本発明に係るエンジンは、クランク軸に作用する軸トルクを推定する推定手段をさらに備え、点火時期制御手段が、推定手段により推定された軸トルクに応じて、点火時期を調節することが好ましい。
【００１９】
この場合、クランク軸に作用する軸トルク、すなわち、揺動機構の揺動角度＝クランク軸の捩れ角に応じて、点火時期を適切に調節（例えば進角）することができ、熱効率を向上させることが可能となる。
【００２０】
本発明に係るエンジンでは、推定手段が、アクセルペダルの開度に基づいて、クランク軸に作用する軸トルクを推定することが好ましい。
【００２１】
このようにすれば、エンジンに対する要求駆動力の指標値であるアクセルペダルの開度に基づいて、クランク軸に作用する軸トルク、すなわち、揺動機構の揺動角度＝クランク軸の捩れ角を的確に推定することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、低負荷運転時に燃焼速度が低下して燃焼が不安定になることを防止しつつ、高負荷運転時のノッキングを抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態に係るエンジンの概略構成を示す図である。
【図２】第１実施形態に係るエンジンが備える揺動機構の概念図である。
【図３】第１実施形態に係るエンジンが備える揺動機構の構成を示す分解図及び断面図である。
【図４】他の揺動機構の構成を示す分解図及び断面図である。
【図５】第１実施形態に係るエンジン及び比較例それぞれの出力軸角度と燃焼室容積との関係を示す図である。
【図６】第１実施形態に係るエンジン及び比較例それぞれの出力軸角度と筒内圧力との関係を示す図である。
【図７】第１実施形態に係るエンジン及び比較例それぞれのＰ−Ｖ線図である。
【図８】第１実施形態に係るエンジン及び比較例それぞれのＬ−Ｗ積分値（ノッキング発生指標）を示す図である。
【図９】第２実施形態に係るエンジンの概略構成を示す図である。
【図１０】第２実施形態に係るエンジンの出力軸角度と揺動機構の捩れ量との関係を示す図である。
【図１１】第２実施形態に係るエンジン及び比較例それぞれの出力軸角度と燃焼室容積との関係を示す図である。
【図１２】第２実施形態に係るエンジン及び比較例それぞれのＰ−Ｖ線図である。
【図１３】変形例に係るエンジンの概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。
【００２５】
（第１実施形態）
まず、図１〜３を併せて用いて、第１実施形態に係るエンジン１の構成について説明する。図１は、エンジン１の概略構成を示す図である。図２は、エンジン１が備える揺動機構３０の概念図であり、図３は、揺動機構３０の構成を示す分解図及び断面図である。
【００２６】
エンジン１は、単気筒エンジンであり、エンジンブロック（シリンダブロック）には、内面をピストン１２が摺動しながら往復運動を行う円筒状のシリンダ１１が形成されている。ピストン１２は、シリンダ１１内を往復運動して吸気、圧縮、膨張、排気の４行程を繰り返して行い、空気と燃料の混合気を燃焼させて駆動力を得る。ピストン１２には、コネクティングロッド１３が接続されている。コネクティングロッド１３は、ピストン１２の直線運動をクランク軸（クランクシャフト）２０で回転運動に変えるため、ピストン１２とクランク軸２０（クランクピン２１）とを連結する。
【００２７】
クランク軸２０は、ピストン１２の往復運動をコネクティングロッド１３を介して回転運動に変換する。クランク軸２０は、コネクティングロッド１３の大端部が取付けられるクランクピン２１、シリンダブロックに支持されるクランクジャーナル（メインジャーナル）２３、クランクピン２１とクランクジャーナル２３とを接続するクランクアーム２２、及びカウンターウェイト２４を有して構成されている。
【００２８】
クランク軸２０の前端部にはクランクプーリを装着できるようになっている。一方、クランク軸２０の後端部には、揺動機構３０を介してフライホイール５０が締結されている。フライホイール５０は、クランクシャフト２０の端部に取り付けられ、間欠的に発生する燃焼圧による回転変動を低減する。
【００２９】
揺動機構３０は、クランク軸２０とフライホイール５０との間に介装され、クランク軸２０とフライホイール５０との間に捩れを生じさせるように、クランク軸２０に作用する軸トルクに応じて、クランク軸回りに揺動する機構である。ここで、図２の概念図に示されるように、揺動機構３０は、クランク軸２０の端部に結合される第１揺動部材３１と、フライホイール５０に結合される第２揺動部材３２と、第１揺動部材３１と第２揺動部材３２とをクランク軸回りに揺動自在に連結するコイルスプリング（特許請求の範囲に記載のばねに相当）３３とを有している。また、揺動機構３０は、最大揺動角度を±１０乃至１５°に制限するストッパ３４をさらに有している。すなわち、ストッパ３４は、特許請求の範囲に記載の揺動制限部材として機能する。なお、本明細書中では、進角側を「＋」、遅角側を「−」とする。
【００３０】
より具体的には、揺動機構３０は、図１，３に示されるように、対向して配置される一対（駆動側、従動側）の、第１揺動部材３１及び第２揺動部材３２（以下、第１揺動部材３１及び第２揺動部材３２を総称して「揺動部材３１，３２」ということもある）を有している。第１揺動部材３１及び第２揺動部材３２それぞれは、周方向に例えば３つの矩形の孔（開口部）３１ｂ，３２ｂが形成された円盤状のフランジ部３１ａ，３２ａを有している。第１揺動部材３１及び第２揺動部材３２は、双方の矩形の孔３１ｂ，３２ｂが一致するように、互いのフランジ部３１ａ，３２ａが対向して配置されるとともに、両フランジ部３１ａ，３２ａをまたぐように、３つの矩形の孔３１ｂ，３２ｂそれぞれにコイルスプリング３３が収納されている。
【００３１】
ここで、コイルスプリング３３は、低負荷運転時（例えば図示平均有効圧６００ｋＰａ未満）の膨張行程、及び吸気行程、圧縮行程、排気行程では殆ど収縮することなく、高負荷運転時（例えば図示平均有効圧６００ｋＰａ以上）の膨張行程ではクランク軸２０に作用する軸トルクに応じて収縮するように、ばね定数が設定されている。そのため、揺動部材３１，３２間に所定以上の軸トルクが付与されると、その軸トルクに応じて、周方向に配置された３つのコイルスプリング３３が縮み、第１揺動部材３１と第２揺動部材３２とが揺動する。すなわち、クランク軸２０とフライホイール５０との間に捩れが生じる。なお、各コイルスプリング３３の中心部には、上述したストッパ３４として機能する、例えば、コイルスプリング３３の自由長よりも短い棒状部材（図示省略）が配設されている。
【００３２】
ところで、揺動機構の構成は、図３に示した形態には限られない。ここで、揺動機構の他の形態を図４に示す。図４に示した揺動機構４０は、対向する一対（駆動側、従動側）の第１揺動部材４１及び第２揺動部材４２を有している。より具体的には、第１揺動部材４１は、外周面に例えば３つの溝部（凹部）４１ｂが形成された短軸部４１aを有している。一方、第２揺動部材４２は、内周面に例えば３つの溝部（凹部）４２ｂが形成された筒状部４２aを有している。そして、短軸部４１aの外周面に形成された３つの溝部４１ｂと、筒状部４２aの内周面に形成された３つの溝部４２ｂとが対向するように配置され、該溝部４１ｂと溝部４２ｂとにより周方向に画成される３つの空間それぞれにコイルスプリング４３が収納されるように第１揺動部材４１の短軸部４１aが第２揺動部材４２の筒状部４２ａに挿入される。
【００３３】
なお、コイルスプリング４３のばね定数は、上述したコイルスプリング３３のばね定数と同様にして設定される。このように構成されることにより、揺動部材４１，４２間に所定値以上の軸トルクが付与されると、その軸トルクに応じて、周方向に配置された３つのコイルスプリング４３が縮み、第１揺動部材４１と第２揺動部材４２とが揺動する。すなわち、クランク軸２０とフライホイール５０との間に捩れが生じる。なお、第１揺動部材４１（駆動側）及び第２揺動部材４２（従動側）の取り付け配置は逆にしてもよい。
【００３４】
図１に戻り、説明を続けると、シリンダ１１の頂部には、混合気に点火する点火プラグ１６、及び該点火プラグ１６に高電圧を印加するイグナイタ内蔵型コイル（図示省略）が取り付けられている。エンジン１のシリンダ１１内（燃焼室）では、吸入された空気とインジェクタ１７によって噴射された燃料との混合気が点火プラグ１６により点火されて燃焼する。
【００３５】
点火プラグ１６及びインジェクタ１７等は、電子制御装置（以下「ＥＣＵ」という）６０により駆動・制御される。ＥＣＵ６０には、アクセルペダルの踏み込み量すなわちアクセルペダルの開度を検出するアクセルペダル開度センサ７０が接続されている。また、ＥＣＵ６０には、例えば、吸入空気量を検出するエアフローメータ７１、スロットルバルブの開度を検出するスロットル開度センサ７２、及び、クランクシャフト２０の位置を検出するクランク角センサ７３等の各種センサが接続されている。
【００３６】
ＥＣＵ６０は、演算を行うマイクロプロセッサ、該マイクロプロセッサに各処理を実行させるためのプログラム等を記憶するＲＯＭ、演算結果などの各種データを記憶するＲＡＭ、１２Ｖバッテリによってその記憶内容が保持されるバックアップＲＡＭ、及び入出力Ｉ／Ｆ等を有して構成されている。また、ＥＣＵ６０は、インジェクタ１７を駆動するインジェクタドライバ、及び、点火信号を出力する出力回路等を備えている。
【００３７】
ＥＣＵ６０では、クランク角センサ７３の出力からエンジン回転数が求められる。また、ＥＣＵ６０では、上述した各種センサから入力される検出信号に基づいて、アクセルペダル開度、吸入空気量、スロットル開度等の各種情報が取得される。ＥＣＵ６０は、取得したこれらの各種情報に基づいて、燃料噴射量や点火時期、及び各種デバイスを制御することによりエンジン１を総合的に制御する。
【００３８】
また、ＥＣＵ６０は、点火時期を制御する際に、クランク軸２０に作用する軸トルクを推定し、その推定した軸トルクに応じて、点火時期を調節（例えば進角）する。そのため、ＥＣＵ６０は、トルク推定部６１及び点火時期制御部６２を機能的に備えている。ＥＣＵ６０では、ＲＯＭに記憶されているプログラムがマイクロプロセッサによって実行されることにより、トルク推定部６１及び点火時期制御部６２の各機能が実現される。
【００３９】
トルク推定部６１は、アクセルペダル開度センサ７０により検出されたアクセルペダルの開度（エンジン１に対する要求駆動力の指標値）に基づいて、クランク軸２０に作用する軸トルクを推定する。すなわち、トルク推定部６１は、特許請求の範囲に記載の推定手段として機能する。トルク推定部６１により推定されたクランク軸２０に作用する軸トルクは点火時期制御部６２に出力される。なお、軸トルクの推定は、アクセルペダル開度に代えて、又は加えて、スロットル開度、吸入空気量等に基づいて行ってもよい。
【００４０】
点火時期制御部６２は、エンジン１の点火時期を制御する。より詳細には、点火時期制御部６２は、エンジン１の運転状態に応じて最適な点火時期と通電時間を演算し、点火信号をイグナイタ内蔵型コイルに出力する。その際に、点火時期制御部６２は、トルク推定部６１により推定された軸トルク（すなわちクランク軸２０の捩れ角）に応じて、点火時期を進角（補正）する。すなわち、点火時期制御部６２は、特許請求の範囲に記載の点火時期制御手段として機能する。なお、イグナイタ内蔵型コイルは点火信号に基づいて高電圧を発生させ、これを点火プラグ１６の電極に印加する。点火プラグ１６は、印加された高電圧で火花を飛ばし、燃焼室内の混合気を燃焼させる。
【００４１】
そして、混合気の燃焼により生じる燃焼圧によってピストン１２が押し下げられる。その際に、クランク軸２０に作用する軸トルクに応じて、揺動機構３０が揺動して、クランク軸２０が捩れ、ピストン１２の降下速度が速くなる。特に、高負荷時の膨張行程では、燃焼が進み筒内圧が高くなるにしたがってコイルスプリング３３が収縮（揺動機構３０が揺動）して、クランク軸２０が捩れ、ピストン１２の降下速度が速くなる。これによりノッキングが回避される。一方、低負荷時の膨張行程では、揺動機構３０が殆ど揺動することなくクランク軸２０が捩れないため、燃焼速度が低下して燃焼期間が長くなることが防止される。なお、吸気行程・圧縮行程・排気行程では膨張行程ほど高い圧力が作用しないため、クランク軸２０の捩れはほとんど生じない。
【００４２】
次に、本実施形態に係るエンジン１のノッキング改善率を確認するために、燃焼予測解析（シミュレーション）により、揺動機構３０によるクランク軸２０の捩れがノッキングの改善に及ぼす影響を検証した。より具体的には、揺動機構３０を適用しない場合（比較例１）、揺動機構３０を適用し、点火時期の進角を行わない場合（比較例２）、及び、揺動機構３０を適用し、かつ、点火時期を進角させた場合（本実施形態）それぞれについて、シミュレーションにより図示トルクを求めてノッキングの改善率を評価した。
【００４３】
まず、シミュレーションで用いた解析条件を次に示す。
・燃焼期間：出力軸ベースで一定であると仮定した。
・冷却損失：Ｗｏｓｃｈｎｉの冷却損失モデルを使用した。
・点火時期：（比較例１）（比較例２）ではＴＤＣで燃焼が開始されるとした。なお、（比較例１／捩じれなし）の燃焼状態をノッキング限界とし、（本実施形態）では、ノッキング指標（後述する）が同程度の値となるように点火時期を進角した。
・ノッキング予測：Ｌｉｖｅｎｇｏｏｄ−Ｗｕ積分値（以下「Ｌ−Ｗ積分値」という）を指標とし、（比較例１／ＴＤＣ燃焼開始）でのＬ−Ｗ積分値をノッキング限界とした。
・ポンプロス：ゼロとした。
・燃料流量、ＶＶＴ（Ｖａｒｉａｂｌｅ  Ｖａｌｖｅ  Ｔｉｍｉｎｇ）タイミング：実機で用いられている値を使用した。
・揺動機構３０の揺動角度（クランク軸２０の捩れ角）：軸トルクに比例し、１０００（Ｎｍ）で５°とした。
・時間遅れは考慮せず、軸トルクが作用した瞬間にクランク軸２０が捩れることとした。
【００４４】
そして、エンジン回転数１６００（ｒｐｍ）、全開（ＷＯＴ）、λ（空気過剰率）０．９、燃焼期間５０°とし、揺動機構３０を適用しない場合（比較例１）、揺動機構３０を適用し、点火時期の進角を行わない場合（比較例２）、及び、揺動機構３０を適用し、かつ、点火時期を進角させた場合（本実施形態）それぞれについて、シミュレーションを行った。その結果、（比較例１）では図示トルクが６２．４（Ｎｍ）となり、（比較例２）では図示トルクが５９．０（Ｎｍ）になり、（本実施形態）では図示トルクが６３．１（Ｎｍ）となった。すなわち、（本実施形態）では、熱効率が向上した結果、（比較例１）に対して、図示トルクが０．７（Ｎｍ）、割合で１．０８％改善することが確認された。
【００４５】
続いて、図５〜８を併せて参照しつつ、シミュレーション結果についてより詳細に説明する。ここで、図５は、（本実施形態）（比較例１）（比較例２）それぞれの出力軸角度と燃焼室容積との関係を示す図である。図５の横軸は出力軸角度（ｄｅｇ．）であり、縦軸は燃焼室容積（ｃｃ）である。図６は、（本実施形態）（比較例１）（比較例２）それぞれの出力軸角度と筒内圧力との関係を示す図である。図６の横軸は出力軸角度（ｄｅｇ．）であり、縦軸は筒内圧力（ｋＰａ）である。また、図７は、（本実施形態）（比較例１）（比較例２）それぞれのＰ−Ｖ線図である。図７の横軸は燃焼室容積Ｖ（ｃｃ）であり、縦軸は筒内圧力Ｐ（ｋＰａ）である。なお、Ｐ−Ｖ線図で囲まれる面積は図示仕事であり、これを出力軸に換算すれば図示トルクが求まる。図８は、（本実施形態）（比較例１）（比較例２）それぞれのＬ−Ｗ積分値（ノック発生指標）を示す図である。図８の横軸は出力軸角度（ｄｅｇ．）であり、縦軸はＬ−Ｗ積分値である。なお、図５〜８では、（比較例１）のシミュレーション結果を破線で、（比較例２）の結果を一点鎖線で、（本実施形態）の結果を実線でそれぞれ示した。
【００４６】
揺動機構３０を適用し、点火時期の進角を行わない場合（比較例２）、揺動機構３０を適用しない場合（比較例１）と比べて、筒内圧が高くなる（すなわち軸トルクが増大する）膨張行程（図６中の出力軸角度が３６０°〜５４０°の区間）でクランク軸２０が進角側に捩れ、燃焼室容積が増える（図５中の出力軸角度が３６０°〜５４０°の区間参照）。よって、（比較例２）では、ピストン１２が早く降下して、図８のＬ−Ｗ積分値に表されるようにノッキングが回避される一方、等容度が低下し、図示トルクが低下した（図７参照）。
【００４７】
ここで、（比較例１／捩れなし）の燃焼状態をノッキング限界、すなわち図８に示されるように、Ｌ−Ｗ積分値（ノッキング指標）が１．３６以上でノッキングが発生すると仮定し、（本実施形態）では、Ｌ−Ｗ積分値が１．３６となるように（比較例２）に対して点火時期を進角させた。その結果、（本実施形態）では、揺動機構３０によってノッキングが回避される分、点火時期を進角することができ、上述したように、（比較例１）に対して、図示トルクで０．７Ｎｍ（割合では１．０８％）の改善が認められた（図７参照）。
【００４８】
上述した解析（シミュレーション）では、空気量、燃料流量を変えていないため、改善分はすべて熱効率によるである。また、熱効率改善分の内訳は、等容度（ノッキング回避）と冷却損失の改善によるものである。なお、実機ではピストン降下速度が上がることで乱れが増えて燃焼速度も上がるため、さらに改善効果が大きくなると推測される。
【００４９】
以上、詳細に説明したように、本実施形態によれば、クランク軸２０に作用する軸トルクに応じて揺動する揺動機構３０が、クランク軸２０とフライホイール５０との間に介装されている。そして、クランク軸２０の軸トルクに応じてコイルスプリング３３が弾性変形することにより、第１揺動部材３１と第２揺動部材３２とがクランク軸回りに捩れて、揺動機構３０が揺動する。よって、クランク軸２０に作用する軸トルクに応じて、クランク軸２０とフライホイール５０との間に捩れを発生させることが可能となる。また、低負荷運転時の膨張行程、及び吸気行程、圧縮行程、排気行程では殆ど収縮することなく、高負荷運転時の膨張行程では、軸トルクに応じて収縮するように、コイルスプリング３３のばね定数が設定されている。そのため、高負荷時の膨張行程では、燃焼が進み筒内圧が高くなるにしたがい揺動機構３０を構成するコイルスプリング３３が収縮して、クランク軸２０が捩れ、ピストン１２の降下速度が速くなる。これによりノッキングが回避できる。一方、低負荷時の膨張行程では、揺動機構３０を構成するコイルスプリング３３が殆ど収縮することなくクランク軸２０が捩れないため、圧力・温度の低下により燃焼速度が低下することを防ぐことができる。なお、吸気行程・圧縮行程・排気行程では膨張行程ほど高い圧力が作用しないので、コイルスプリング３３は略捩れない。その結果、低負荷運転時に燃焼速度が低下して燃焼が不安定になることを防止しつつ、高負荷運転時のノッキングを抑制することが可能となる。
【００５０】
また、本実施形態によれば、揺動機構３０の揺動角度を±１０乃至１５°に制限するストッパ３４を備えているため、例えば、タイミングベルトの歯飛びなどが生じたとしても、ピストン１２が吸気バルブ・排気バルブと接触することを防止することができる。また、揺動機構３０が過度に揺動し、すなわち、クランク軸２０が過度に捩れることにより、燃焼が不安定化することを防止することが可能となる。
【００５１】
本実施形態によれば、上述したように、高負荷運転時のノッキングを抑制することができるため、点火時期をより進角することが可能となる。そこで、クランク軸２０に作用する軸トルク（すなわち、クランク軸２０の捩れ量）に応じて、点火時期を進角することにより、熱効率を向上させることが可能となる。
【００５２】
その際に、本実施形態によれば、アクセルペダルの開度に基づいて、クランク軸２０に作用する軸トルクが推定されるため、クランク軸２０に作用する軸トルク（すなわち、クランク軸２０の捩れ量）を的確に推定することができる。
【００５３】
（第２実施形態）
上記実施形態では、揺動機構３０（４０）を単気筒エンジン１に適用した場合を例にして説明したが、揺動機構３０（４０）は、異なる型式のエンジンに適用することもできる。そこで、次に図９を用いて、揺動機構３０を水平対向４気筒エンジンに適用した場合について説明する。図９は、第２実施形態に係るエンジン２の概略構成を示す図である。なお、図９において第１実施形態と同一又は同等の構成要素については同一の符号が付されている。
【００５４】
エンジン２は、水平に対向させて配置された４つの気筒（シリンダ１１）を備えている点で、上述したエンジン１と異なっている。なお、各気筒（シリンダ１１）の構成は、上述した通りであるので、ここでは詳細な説明を省略する。また、エンジン２は、クランク軸２０に代えて、各シリンダ１１内に設けられた４つのピストン１２が取付けられるクランク軸２０Ａを備えている点で、エンジン１と異なっている。その他の構成は、上述した第１実施形態（エンジン１）と同一又は同様であるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００５５】
ここで、エンジン２の出力軸角度と揺動機構３０の捩れ量との関係を図１０に示す。図１０の横軸は出力軸角度（ｄｅｇ．）であり、縦軸は揺動機構３０の捩れ角（ｄｅｇ．）である。エンジン２では、揺動機構３０が、４つの気筒それぞれで発生する膨張トルクを受けるため、図１０に示されるように、１サイクルで４回捩れる。
【００５６】
上述した第１実施形態の場合と同様に、本実施形態に係るエンジン２のノッキング改善率を確認するために、燃焼予測解析（シミュレーション）により、揺動機構３０によるクランク軸２０Ａの捩れがノッキングの改善に及ぼす影響を検証した。より具体的には、揺動機構３０を適用しない場合（比較例１）、及び、揺動機構３０を適用し、かつ、点火時期を進角させた場合（本実施形態）それぞれについて、シミュレーションにより図示トルクを求めてノッキング改善率を評価した。なお、シミュレーションで用いた解析条件は、上述した第１実施形態と同じ条件を用いた。
【００５７】
ここで、図１１、１２を併せて参照しつつ、シミュレーション結果について説明する。図１１は、（本実施形態）（比較例１）それぞれの出力軸角度と燃焼室容積との関係を示す図である。図１１の横軸はクランク軸角度（ｄｅｇ．ＣＡ）であり、縦軸は燃焼室容積（ｃｃ）である。また、図１２は、（本実施形態）（比較例１）のＰ−Ｖ線図である。図１２の横軸は燃焼室容積Ｖ（ｃｃ）であり、縦軸は筒内圧力Ｐ（ｋＰａ）である。なお、図１１，１２では、（比較例１）のシミュレーション結果を破線で、（本実施形態）の結果を実線でそれぞれ示した。
【００５８】
シミュレーションの結果、揺動機構３０を適用しない場合（比較例１）には図示トルクが２４９．７（Ｎｍ）となり、揺動機構３０を適用し、かつ、点火時期を進角させた場合（本実施形態）には図示トルクが２５２．７（Ｎｍ）となった。すなわち、（本実施形態）では、点火時期を進角することにより熱効率が向上した結果、（比較例１）に対して、図示トルクが２．７（Ｎｍ）、割合で１．０８％改善することが確認された（図１２参照）。ここで、上述したように、クランク軸２０Ａが１サイクルで４回捩れるため、図１１に示されるように、膨張行程以外でも捩れが生じるが、本シミュレーションではポンプロスを考慮していないため、膨張行程以外は殆どトルク改善／悪化に寄与せず、上述した第１実施形態に係る単気筒エンジン１の場合と同じ改善率となった。
【００５９】
本実施形態によれば、水平対向４気筒エンジン２において、低負荷運転時に燃焼速度が低下して燃焼が不安定になることを防止しつつ、高負荷運転時のノッキングを抑制することができる。その結果、エンジン２の高圧縮比化を図ることができ、熱効率をさらに向上することが可能となる。
【００６０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、揺動機構３０（４０）を単気筒エンジン１、水平対向４気筒エンジン２に適用した場合を例にして説明したが、図１３に示されるように、４つのシリンダ１１がエンジンの長手方向に一列に並んだ直列４気筒エンジン３に適用することもできる。さらに、揺動機構３０（４０）の適用対象となるエンジンの型式や気筒数は上記実施形態に限られない。すなわち、エンジンの型式は、例えば、Ｖ型やＷ型等であってもよい。また、エンジンの気筒数は、２，３，５，６，８，１０，１２気筒、又はそれ以上であってもよい。また、４サイクルエンジンに限られず、２サイクルエンジンに適用することもできる。
【００６１】
また、揺動機構３０（４０）の形状や構造も上記実施形態には限られない。揺動機構３０（４０）を構成する第１揺動部材３１（４１）は、クランク軸２０と一体的に形成されていてもよい。同様に、第２揺動部材３２（４２）はフライホイール５０と一体的に形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１，２，３  エンジン
１１  シリンダ
１２  ピストン
１３  コンロッド
１６  点火プラグ
１７  インジェクタ
２０，２０Ａ，２０Ｂ  クランク軸
２１  クランクピン
２２  クランクアーム
２３  クランクジャーナル
２４  カウンターウェイト
３０，４０  揺動機構
３１，４１  第１揺動部材
３２，４２  第２揺動部材
３３，４３  コイルスプリング
３４  ストッパ
５０  フライホイール
６０  ＥＣＵ
６１  トルク推定部
６２  点火時期制御部
７０  アクセルペダル開度センサ
７１  エアフローメータ
７２  スロットル開度センサ
７３  クランク角センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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