(57)【要約】  【課題】  低回転から高回転まで冷却損失を低減しつつ、燃焼時間損失を低減できる内燃機関を提供する。  【解決手段】  内燃機関は、膨張行程において、クランクシャフトの回転角度に対するピストン作動距離をクランクシャフトの回転速度に応じて変更することを特徴としている。これによって、クランクシャフトの回転速度に応じて、膨張行程におけるクランクシャフトの回転角度に対するピストン作動距離を変更する構成としたので、低回転から高回転まで冷却損失を低減しつつ、燃焼時間損失を低減できる。  【選択図】  図５
2006300011.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張行程において、クランクシャフトの回転角度に対するピストン作動距離をクランクシャフトの回転速度に応じて変更することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
クランクシャフトの回転速度が低い場合、膨張行程において、クランクシャフトの回転角度に対するピストン作動距離を長くすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
クランクシャフトの回転速度が高い場合、膨張行程において、クランクシャフトの回転角度に対するピストン作動距離を短くすることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
膨張行程において、クランクシャフトの回転速度に応じた所定期間、上死点位置のピストンが上死点近傍位置に保持されることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関。
【請求項５】
内燃機関の冷却水温度を検出する冷却水温度検出手段を有し、膨張行程において、冷却水温度とクランクシャフトの回転速度とに応じてクランクシャフトの回転角度に対するピストン作動距離を変更することを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、エンジンが低回転で運転している場合の吸気慣性効果を高めるために、リンク機構を用いて吸気行程及び膨張行程を従来よりも速くし、圧縮行程及び排気行程を従来よりも長くする内燃機関が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−８３１０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながらこの特許文献１においては、エンジンが低回転で運転中の場合は、燃焼ガスがシリンダ壁面と接触する時間が長くなるため冷却損失が増加し、正味効率が低下してしまうという問題がある。
【０００４】
また、エンジン回転数によらず吸気行程及び膨張行程のピストンモーションが略一定であるため、エンジン回転数が高い場合、燃焼期間中に大きくピストンが下降してしまい、燃焼時間損失が大、すなわち燃焼により筒内圧力が十分に上昇する前にピストンが下降してしまいピストンに十分な燃焼圧力を伝えられないという問題がある。
【０００５】
さらに、吸気行程と膨張行程が同一のピストンモーションであるため、吸気行程にのみ適性化されたエンジン制御となってしまいエンジンを効率良く使用することができない虞がある。また、筒内圧が充分に上昇する前にピストンが下降するため燃焼時間損失が大きくなってしまう問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで、本発明の内燃機関は、膨張行程において、クランクシャフトの回転角度に対するピストン作動距離をクランクシャフトの回転速度に応じて変更することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、クランクシャフトの回転速度に応じて、膨張行程におけるクランクシャフトの回転角度に対するピストン作動距離を変更する構成としたので、低回転から高回転まで冷却損失を低減しつつ、燃焼時間損失を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【０００９】
図１及び図２は、本発明の第１実施形態における内燃機関の本体１（以下、機関本体１と記す）を模式的に示した説明図である。
【００１０】
機関本体１は、吸気行程と圧縮行程を行う吸気圧縮シリンダ２と、膨張行程と排気行程を行う膨張排気シリンダ３とを有し、吸気圧縮シリンダ２と膨張排気シリンダ３とが一対となって実質的に一つの気筒が構成されている。
【００１１】
吸気圧縮シリンダ２には、燃料噴射弁（図示せず）が配置された吸気ポート４が連結されており、吸気バルブ５を開弁動作させることで吸気圧縮シリンダ２内に吸気ポート４から混合気が導入される。
【００１２】
吸気圧縮シリンダ２は、隣接して対となる膨張排気シリンダ３に、連結通路６を介して接続されている。連結通路６の一端側、すなわち吸気圧縮シリンダ２と連結通路６との連結部分には、圧縮バルブ７が配置されている。
【００１３】
膨張排気シリンダ３には、排気ポート８が連結されており、排気バルブ９を開弁動作させることで膨張排気シリンダ３から排気が排出される。
【００１４】
吸気圧縮シリンダ２内には、吸気圧縮ピストン１０が配置されている。吸気圧縮ピストン１０は、吸気圧縮コンロッド１１を介して燃焼圧を回転動力として伝達するクランクシャフト１２のクランクピン１２ａに回転可能に連結されている。
【００１５】
膨張排気シリンダ３内には、膨張排気コンロッド１３の一端に回転可能に連結された膨張排気ピストン１４が配置されている。この膨張排気コンロッド１３は、他端にカムローラ１５を有し、このカムローラ１５がクランクシャフト１２のクランクジャーナル１２ｂに外装された３次元カム１６に回転可能に接触している。尚、図１中における１７は点火プラグである。
【００１６】
クランクシャフト１２の一端部には、膨張速度制御用アクチュエータ１８が配置されている。この膨張速度制御用アクチュエータ１８は、エンジン回転数（クランクシャフト１２の回転数）に応じて、クランクシャフト１２を、クランクシャフト１２長手方向（図１における紙面垂直方向、図２における左右方向）に沿ってスライドさせるものである。尚、膨張速度制御用アクチュエータ１８は、電動であっても油圧駆動であってもよい。
【００１７】
３次元カム１６は、クランクジャーナル１２ｂと一体となってに回転するものであって、カムローラ１５が当接する外周面に、図３に示すように、クランクシャフト１２の長手方向に沿って、複数のカムプロフィールが連続して形成された構成となっている。詳述すると、本実施形態における３次元カム１６は、エンジン回転数に応じた４つのカムプロフィールが連続して形成されたものであって、クランクシャフト１２の他端側に位置するものほど低回転用のカムプロフィールとなっている。尚、各カムプロフィール間は、テーパ状に形成されており、クランクシャフト１２を軸方向にスライドさせた際に、膨張排気コンロッド１３のカムローラ１５が円滑に追従するよう構成されている。また、本実施形態における３次元カム１６は、カムプロフィールを４段階で変更するものであるが、クランクシャフト１２をスライドさせることでカムプロフィールが無段階に変更できるように構成することも可能である。
【００１８】
この第１実施形態の内燃機関においては、吸気圧縮シリンダ２内で行われる吸気行程と圧縮行程は、クランクシャフト１２が１回転することで実施される。圧縮行程終了時には、圧縮バルブ７が開かれ、圧縮された混合気が膨張排気シリンダ３に導入される。膨張排気シリンダ３内で行われる膨張行程と排気行程は、図４に示すように、クランクシャフト１２が１回転することで実施される。そして、圧縮行程終了時と排気行程終了時とが同期して実行されるため、全体としては、吸気、圧縮、膨張、排気の４行程がクランクシャフト１２の１回転で終了する。尚、この図４は、エンジン回転数が低回転のときに選択されるカムプロフィールを例に示したものである。
【００１９】
図５は、この第１実施形態における内燃機関の各ピストン１０、１４及び各バルブ５、７、９の動作を示すタイミングチャートである。
【００２０】
吸気圧縮ピストン１０が下降する動作に合わせて吸気バルブ５が開かれる。吸気圧縮ピストン１０が下死点に到達し再び上昇し始めると吸気バルブ５が閉じられる。吸気圧縮ピストン１０が上死点に接近すると圧縮バルブ７が開かれ、膨張排気シリンダ３へ圧縮された混合気が送り込まれる。吸気圧縮ピストン１０が上死点に到達すると圧縮バルブ７が閉じられ圧縮された混合気の逆流を防止する。圧縮された混合気は点火プラグ１７によって点火されて燃焼し、膨張排気ピストン１４を下降させる。このとき３次元カム１６のプロフィールによって膨張排気ピストン１４の膨張速度（下降速度）と筒内圧が変更される。膨張排気ピストン１４が下死点から再び上昇を始めると排気バルブ９が開かれ排気する。
【００２１】
尚、吸気バルブ５の開閉タイミング及び排気バルブ８の開閉タイミングは、エンジン回転数に応じて適正化することが好ましい。また、膨張速度制御用アクチュエータ１８とクランクシャフト１２の間にトルク増幅器、トルク遮断機が配置されるように構成してもよい。そして、本実施形態においては、燃焼室を膨張排気シリンダ３内に設定しているが、燃焼室を吸気圧縮シリンダ２と膨張排気シリンダ３との間、すなわち連結通路６に設けることも可能である。
【００２２】
このように、第１実施形態における内燃機関は、吸気圧縮行程を行うシリンダと膨張排気行程を行うシリンダと分離し、膨張行程における膨張排気ピストン１４の膨張速度と、膨張行程における膨張排気シリンダ３内の筒内圧とを３次元カム１６により変更して動作させることができるものである。
【００２３】
図６及び図７は、本発明の第２実施形態における内燃機関の本体３１（以下、機関本体３１と記す）を模式的に示した説明図である。
【００２４】
機関本体３１は、吸気行程と圧縮行程を行う吸気圧縮シリンダ３２と、膨張行程と排気行程を行う膨張排気シリンダ３３とを有し、吸気圧縮シリンダ３２と膨張排気シリンダ３３とが一対となって実質的に一つの気筒が構成されている。
【００２５】
吸気圧縮シリンダ３２には、燃料噴射弁（図示せず）が配置された吸気ポート３４が連結されており、吸気バルブ３５を開弁動作させることで吸気圧縮シリンダ３２に吸気ポート３４から混合気が導入される。
【００２６】
吸気圧縮シリンダ３２は、隣接して対となる膨張排気シリンダ３３に、連結通路３６を介して接続されている。連結通路３６の一端側、すなわち吸気圧縮シリンダ３２と連結通路３６との連結部分には、圧縮バルブ３７が配置されている。
【００２７】
膨張排気シリンダ３３には、排気ポート３８が連結されており、排気バルブ３９を開弁動作させることで膨張排気シリンダ３３から排気が排出される。
【００２８】
吸気圧縮シリンダ３２内には、吸気圧縮ピストン４０が配置されている。吸気圧縮ピストン４０は、吸気圧縮コンロッド４１を介してクランクシャフト４２のクランクピン（図示せず）に回転可能に連結されている。クランクシャフト４２は、トランスミッション軸（図示せず）に連結されるものであって、一端側に、吸気圧縮１速ギヤ４５と吸気圧縮２速ギヤ４６が配置されている。吸気圧縮１速ギヤ４５及び吸気圧縮２速ギヤ４６は、クランクシャフト４２のクランクジャーナル４２ｂに固定されたものであって、クランクシャフト４２のクランクジャーナル４２ｂと一体となって回転する。尚、図６中の４７は点火プラグである。
【００２９】
膨張排気シリンダ３３内には、膨張排気ピストン４４が配置されている。膨張排気ピストン４４は、膨張排気コンロッド４３を介して補助クランクシャフト５２のクランクピン５２ａに回転可能に連結されている。補助クランクシャフト５２は、図８に示すように、クランクシャフト４２と平行に配置されたものであって、一端側に、吸気圧縮一速ギヤ４５に係合する膨張排気１速ギヤ４８と、吸気圧縮２速ギヤ４６に係合する膨張排気２速ギヤ４９と、が配置されている。膨張排気１速ギヤ４８は、第１クラッチ５０を介して補助クランクシャフト５２のクランクジャーナル５２ｂに取り付けられている。膨張排気２速ギヤ４９は、第２クラッチ５１を介して補助クランクシャフト５２のクランクジャーナル５２ｂに取り付けられている。
【００３０】
この第２実施形態においては、吸気圧縮１速ギヤ４５及び膨張排気１速ギア４８は、補助クランクシャフト５２がクランクシャフト４２の回転数の２倍の回転数となるように設定されている。そして、吸気圧縮２速ギヤ４６及び膨張排気２速ギア４９は、補助クランクシャフト５２がクランクシャフト４２と同一回転数となるよう設定されている。
【００３１】
第１クラッチ５０は、膨張排気１速ギヤ４８と補助クランクシャフト５２との間に介装されたものであって、膨張排気１速ギヤ４８と補助クランクシャフト５２との締結と解放を行い、締結時には両者は一体に回転可能となり、解放時には、膨張排気１速ギヤ４８が補助クランクシャフト５２から離間して、膨張排気１速ギア４８と補助クランクシャフト５２との間で動力の伝達が行われないようになっている。第２クラッチ５１は、膨張排気２速ギヤ４９と補助クランクシャフト５２との間に介装されたものであって、膨張排気２速ギヤ４９と補助クランクシャフト５２との締結と解放を行い、締結時には両者は一体に回転可能となり、解放時には、膨張排気２速ギヤ４９が補助クランクシャフト５２から離間して、膨張排気２速ギア４９と補助クランクシャフト５２との間で動力の伝達が行われないようになっている。ここで、第１クラッチ５０と第２クラッチ５１は、どちらか一方が締結された状態では、他方が解放された状態となっている。尚、第１クラッチ５０及び第２クラッチ５１は、具体的には、湿式多板クラッチあるいはシンクロ機構を有したドグクラッチとすることが好ましい。また、この第２実施形態においては、補助クランクシャフト５２の回転数がエンジン回転数に応じてクランクシャフト４２の回転数と同じもしくは２倍となるよう２段階で切り替えられているが、補助クランクシャフト５２の回転数がエンジン回転数に応じて２段階以上（多段階）に切り替えられるよう、ギヤ段（吸気圧縮１速ギヤ４５、膨張排気１速ギア４８、吸気圧縮２速ギヤ４６、膨張排気２速ギア４９）の数を増加させた構成とすることも可能である。
【００３２】
図９及び図１０はこの第２実施形態における内燃機関の各ピストン４０，４４及び各バルブ３５，３７，３９の動作を示すタイミングチャートであり、図９はエンジン回転数が低い（クランクシャフト４２の回転数が低い）場合のタイミングチャートであり、図１０はエンジン回転数が高い（クランクシャフト４２の回転数が高い）場合のタイミングチャートである。
【００３３】
吸気圧縮ピストン４０が下降する動作に合わせて吸気バルブ３５が開かれる。吸気圧縮ピストン４０が下死点に到達し再び上昇し始めると吸気バルブ３５が閉じられる。吸気圧縮ピストン４０が上死点に接近すると圧縮バルブ３７が開かれ、膨張排気シリンダ３３へ圧縮された混合気が送り込まれる。吸気圧縮ピストン４０が上死点に到達すると圧縮バルブ３７が閉じられ圧縮された混合気の逆流を防止する。圧縮された混合気は点火プラグ４７によって点火されて燃焼し、膨張排気ピストン４４を下降させる。
【００３４】
このとき、補助クランクシャフト５２は、クランクシャフト４２の回転数が低い場合にはクランクシャフト４２の２倍の回転数となり（第１クラッチ：締結、第２クラッチ：解放）、クランクシャフト４２の回転数が高い場合にはクランクシャフト４２と同一の回転数となるよう（第１クラッチ：解放、第２クラッチ：締結）、制御される。
【００３５】
膨張排気ピストン４４の膨張速度は第１クラッチ５０と第２クラッチ５１のどちらが締結状態となっているかで決定される。また吸気圧縮ピストン４０と膨張排気ピストン４４が同時に上死点となるように第１クラッチ５０または第２クラッチ５１のどちらか一方を締結する。膨張排気ピストン４４が下死点から再び上昇を始めると排気バルブ３９が開かれ排気する。また、エンジン回転数が低い場合は第１クラッチ５０が締結状態となり（第２クラッチ５１は解放状態）、膨張排気ピストン４４が吸気圧縮ピストン４０に比べて倍の周期で動作することになるので、このとき損失が生じないように、第１クラッチ５０は吸気圧縮ピストン４０が下死点から上昇した際の上死点と下死点との中間で係合させる。
【００３６】
尚、吸気バルブ３５の開閉タイミング及び排気バルブ３９の開閉タイミングは、エンジン回転数に応じて適正化することが好ましい。また、締結状態の第１クラッチ５０は、膨張行程が終了した時点で解放することが好ましい。さらに、第１クラッチ５０を締結状態として、吸気圧縮ピストン４０が上死点もしくは圧縮バルブ３７が開弁される前段階まで排気バルブ３９を開いていても良い。そして、エンジン回転数が高い場合は、第２クラッチ５１を行程にかかわらず係合状態とすることが好ましい。
【００３７】
このように、第２実施形態における内燃機関は、吸気圧縮行程を行うシリンダと膨張排気行程を行うシリンダとを分離し、膨張行程における膨張排気ピストン４４の膨張速度と、膨張行程における膨張排気シリンダ３３内の筒内圧とを、ギヤ段（吸気圧縮１速ギヤ４５、膨張排気１速ギア４８、吸気圧縮２速ギヤ４６、膨張排気２速ギア４９）により変更して動作させることができるものである。
【００３８】
図１１は、上述した本発明の第１実施形態及び第２実施形態の内燃機関に共通するエジンシステム構成の一例を模式的に示した説明図である。
【００３９】
エンジンシステムは新気に含まれるごみを除去するためのエアクリーナ６１と、エンジン吸気量を調節するスロットル６２と、燃焼機関であるエンジン６３（機関本体１または３１に相当）と、エンジン排気中のＮＯｘを還元し、ＨＣ、ＣＯを酸化して浄化する触媒６４と、排気音の消音を行うマフラー６５と、排気を再び吸気に戻して再循環させる際のＥＧＲ量を調節するＥＧＲコントロールバルブ６６と、排気中の空燃比を計測する空燃比センサ６７と、排気の温度を測定する排気温度センサ６８と、冷却水温度を電圧か電気抵抗として検出できる水温センサ６９と、エンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ７０と、上記各センサからの信号が入力され、エンジン６３、スロットル６２及びＥＧＲコントロールバルブ６６を制御するＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）７１と、を有している。
【００４０】
図１２に本発明における膨張排気ピストン（第１実施形態の膨張排気ピストン１４、第２実施形態の膨張排気ピストン４４に相当）の膨張行程におけるピストンモーションをエンジン回転数（クランクシャフト回転数）Ｎ１の場合とエンジン回転数（クランクシャフト回転数）Ｎ２の場合について示す。尚、Ｎ１＜Ｎ２とする。
【００４１】
膨張排気ピストンのピストンモーションを保持クランク角（詳細は後述）と膨張クランク角（詳細は後述）で表現すると、回転数が低い場合は膨張クランク角を小さくして膨張クランク角よりも保持クランク角を小さくする。
【００４２】
ここで、上記保持クランク角とは上死点付近で膨張排気ピストンの位置が固定される期間に相当するクランクシャフト（第１実施形態におけるクランクシャフト１２、第２実施形態におけるクランクシャフト４２に相当）の回転角度であり、上記膨張クランク角とは上死点から下死点まで膨張排気ピストンの位置が変化する期間に相当するクランクシャフトの回転角度である。
【００４３】
そして、膨張行程において、クランクシャフトの回転角度に対する上死点からの膨張排気ピストンの作動（移動）距離をクランクシャフトの回転速度に応じて変更し、クランクシャフトの回転速度が低い場合、膨張行程において、クランクシャフトの回転角度に対する上死点からの膨張排気ピストンの作動（移動）距離を相対的に長くする。すなわち、膨張排気ピストンが下死点に向かって下降する際のピストンスピードを速くする。一方、クランクシャフトの回転速度が高い場合、膨張行程において、クランクシャフトの回転角度に対する上死点からの膨張排気ピストンの作動（移動）距離を相対的に短くする。すなわち、膨張排気ピストンが下死点に向かって下降する際のピストンスピードを相対的に遅くする。
【００４４】
上述した第１実施形態におけるエンジンは、膨張行程において、膨張排気ピストン１４に対してエンジン回転数に応じた保持クランク角及び膨張クランク角が設定されるものである。また、上述した第２実施形態におけるエンジンは、膨張行程において、膨張排気ピストン４４に対してエンジン回転数に応じた膨張クランク角が設定されるものである。
【００４５】
図１３は、エンジン回転数が低回転時におけるエンジン効率と膨張クランク角及び保持クランク角との相関関係を示している。図１３より、上述した第１実施形態及び第２実施形態のエンジンのように、膨張クランク角と保持クランク角を適切に設定すると熱効率が向上することがわかる。
【００４６】
尚、図１３における最高効率点は、エンジン回転数に応じて変化するものであり、エンジン回転数が大きくなると、図１３中の矢印の方向、つまり膨張クランク角及び保持クランク角の双方が相対的に大きくなる方向に変化するものである。また、従来のピストンモーションは保持クランク角がゼロ、かつ膨張クランク角が１８０ｄｅｇである。
【００４７】
図１４は上述した第１実施形態及び第２実施形態の内燃機関に共通する制御の流れを示したフローチャートである。
【００４８】
ステップ（以下Ｓと表記する）１では、冷却水温度を検出する。Ｓ２ではエンジン回転数を検出する。Ｓ３では、冷却水温度とエンジン回転数から膨張排気ピストンのピストンモーションを選択する。尚、この制御フローよるピストンモーションの選択は、繰り返し実行される。
【００４９】
図１５は、図１４におけるＳ３のピストンモーション選択演算にあたる制御ブロックを示している。
【００５０】
ブロック（以下Ｂと記す）１では、水温補正テーブル（後述）を用いて検出された冷却水温度からエンジン回転数補正値を演算する。
【００５１】
補正後エンジン回転数は、検出されたエンジン回転数にエンジン回転数補正値を加算することで求められる。
【００５２】
そして、ピストンモーション選択部であるＢ２では、補正されたエンジン回転数（補正後エンジン回転数）を用いて、膨張排気ピストンのピストンモーションを選択する。すなわち、このＢ２では、第１実施形態における内燃機関においては膨張速度制御用アクチュエータ１８の駆動量が決定され、第２実施形態における内燃機関においては第１クラッチ５０と第２クラッチ５１のどちらのクラッチを締結するのかが選択される。
【００５３】
水温補正テーブルは、図１６に示すように、冷却水温度が低い場合はエンジン回転数補正値が低くなり、冷却水温度が高い場合はエンジン回転数補正値が高くなるよう設定されている。つまり、冷却水温度が低い場合は補正後エンジン回転数が検出されたエンジン回転数に対して低くなり、冷却水温度が高い場合は補正後エンジン回転数が検出されたエンジン回転数に対して高くなる。
【００５４】
同温度の燃焼ガスとすると水温が低い場合はシリンダ内の壁温が低いためシリンダへ受熱量が多くなる。逆に水温が高い場合にはシリンダ内の壁温が高いためシリンダへ受熱量が低くなる。よって、水温が高い場合は水温が常温におけるエンジン回転数よりも高いことと等価であり、水温が低い場合は水温が常温におけるエンジン回転数よりも低いことと等価になる。
【００５５】
図１７は、図１５におけるＢ２のピストンモーション選択部にあたる制御ブロックを示している。
【００５６】
Ｂ１１では、膨張クランク角演算テーブル（後述）を用いて、冷却水温度に応じて補正された補正後エンジン回転数から膨張クランク角を演算する。Ｂ１２では、保持クランク角演算テーブル（後述）を用いて、冷却水温度に応じて補正された補正後エンジン回転数から保持クランク角を演算する。Ｂ１３では、演算されて膨張クランク角と保持クランク角とを用いて、膨張行程において、クランクシャフトの回転角度に対する上死点からの膨張排気ピストンの作動（移動）距離をクランクシャフトの回転速度に応じて変更する。すなわち、第１実施形態における内燃機関においては、演算された膨張クランク角及び保持クランク角から膨張速度制御用アクチュエータ１８の駆動量を決定し、第２実施形態における内燃機関においては、演算された膨張クランク角及び保持クランク角から第１クラッチ５０と第２クラッチ５１のどちらのクラッチを締結するのかが選択される。
【００５７】
図１８は、上述した膨張クランク角演算テーブルを示している。エンジン回転数が増加すると冷却損失よりも燃焼時間損失が増加するので膨張クランク角を増加させる。逆にエンジン回転数が低くなると燃焼時間損失よりも冷却損失が増加するので膨張クランク角を減少させる。
【００５８】
図１９は、上述した保持クランク角演算テーブルを示している。エンジン回転数が低回転では筒内圧とシリンダ受熱量を適切に設定することが膨張クランク角のみでは困難であるため保持クランク角を膨張クランク角よりも小さい値とする。回転数が増加すると膨張クランク角で筒内圧とシリンダ受熱量を適切に設定できるため保持クランク角を大きくする。尚、エンジンの行程容積と行程面積の比で図１８と図１９の設定を適正化することが好ましい。
【００５９】
以上、説明してきたように、本発明においては、第１実施形態の内燃機関のように３次元カム１６のカムプロフィールをクランクシャフト１２の回転数に応じて切り替える場合には、膨張クランク角及び保持クランク角が大きいほど、膨張行程における膨張排気ピストンの膨張速度が相対的に大きくなるカムプロフィールが選択される。つまり、第１実施形態においては低回転用のカムプロフィールが選択されるように、膨張速度制御用アクチュエータ１８が制御される。また、膨張クランク角及び保持クランク角が小さいほど、膨張行程における膨張排気ピストンの膨張速度が相対的に小さくなるカムプロフィールが選択される。つまり、第１実施形態においては、高回転用のカムプロフィールが選択されるように、膨張速度制御用アクチュエータ１８が制御される。
【００６０】
一方、第２実施形態の内燃機関のように吸気圧縮行程と膨張排気行程を分離してクランクシャフトの回転数に応じてギヤ段を切り替える場合には、膨張クランク角及び保持クランク角が大きいほど、膨張行程における膨張排気ピストンの膨張速度が相対的に大きくなるよう、補助クランクシャフトの回転数が相対的に速くなるギヤが選択される。つまり、第２実施形態においては膨張クランク角及び保持クランク角が大きいと第１クラッチ５０が締結される。また、膨張クランク角及び保持クランク角が小さいほど、膨張行程における膨張排気ピストンの膨張速度が相対的に小さくなるよう、補助クランクシャフトの回転数が相対的に遅くなるギヤが選択される。つまり、第２実施形態においては、膨張クランク角及び保持クランク角が小さいと第２クラッチ５１が締結される。
【００６１】
上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。
【００６２】
（１）  膨張行程において、クランクシャフトの回転角度に対するピストン作動距離をクランクシャフトの回転速度に応じて変更する。これによって、クランクシャフトの回転速度に応じて、膨張行程におけるクランクシャフトの回転角度に対するピストン作動距離を変更する構成としたので、低回転から高回転まで冷却損失を低減しつつ、燃焼時間損失を低減できる。
【００６３】
（２）  上記（１）に記載の内燃機関において、クランクシャフトの回転速度が低い場合、膨張行程において、クランクシャフトの回転角度に対するピストン作動距離を長くする。これによって、低回転における高温の燃焼ガスとシリンダ壁面の接触時間を少なくでき冷却損失を低減できる。
【００６４】
（３）  上記（１）または（２）に記載の内燃機関において、クランクシャフトの回転速度が高い場合、膨張行程において、クランクシャフトの回転角度に対するピストン作動距離を短くする。これによって、高回転において燃焼中にピストンが下降する量が減少して筒内圧が適切に設定することができ、燃焼時間損失を低減できる。
【００６５】
（４）  上記（１）〜（３）のいずれかに記載の内燃機関において、膨張行程において、クランクシャフトの回転速度に応じた所定期間、上死点位置のピストンが上死点近傍位置に保持される。これによって、低回転から高回転まで筒内圧を適切に設定することができ、燃焼時間損失を低減できる。
【００６６】
（５）  内燃機関の冷却水温度を検出する冷却水温度検出手段を有し、膨張行程において、冷却水温度とクランクシャフトの回転速度とに応じてクランクシャフトの回転角度に対するピストン作動距離を変更する。これによって、シリンダ壁面への熱伝達量を考慮した筒内圧を設定でき、燃焼時間損失を低減しつつ冷却損失を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明に係る内燃機関の第１実施形態における構成を模式的に示した説明図。
【図２】本発明に係る内燃機関の第１実施形態における構成を模式的に示した説明図。
【図３】３次元カムを模式的に示した説明図。
【図４】膨張排気シリンダで行われる膨張行程及び排気行程と、３次元カムとの相関を模式的に示した説明図。
【図５】第１実施形態における内燃機関のバルブ及びピストンの動作を示すタイミングチャート。
【図６】本発明に係る内燃機関の第２実施形態における構成を模式的に示した説明図。
【図７】本発明に係る内燃機関の第２実施形態における構成を模式的に示した説明図。
【図８】本発明に係る内燃機関の第２実施形態における構成を模式的に示した説明図。
【図９】第２実施形態における内燃機関において、エンジン回転数が低い場合のバルブ及びピストンの動作を示すタイミングチャート。
【図１０】第２実施形態における内燃機関において、エンジン回転数が高い場合のバルブ及びピストンの動作を示すタイミングチャート。
【図１１】本発明に係る内燃機関のエンジンシステム構成を模式的に示した説明図。
【図１２】本発明に係る内燃機関において、膨張排気ピストンの膨張行程におけるピストンモーションを示す説明図。
【図１３】エンジン回転数が低回転時におけるエンジン効率と膨張クランク角及び保持クランク角との相関関係を示した説明図。
【図１４】本発明に係る内燃機関の制御の流れを示すフローチャート。
【図１５】図１４におけるＳ３のピストンモーション選択演算にあたる制御ブロック。
【図１６】図１５のＢ１で用いる水温補正テーブル。
【図１７】図１５におけるＢ２のピストンモーション選択部にあたる制御ブロック。
【図１８】図１７のＢ１１で用いる膨張クランク角演算テーブル。
【図１９】図１７のＢ１２で用いる保持クランク角演算テーブル。
【符号の説明】
【００６８】
２…吸気圧縮シリンダ
３…膨張排気シリンダ
５…吸気バルブ
７…圧縮バルブ
９…排気バルブ
１０…吸気圧縮ピストン
１２…クランクシャフト
１４…膨張排気ピストン
１６…３次元カム
１８…膨張速度制御用アクチュエータ
３２…吸気圧縮シリンダ
３３…膨張排気シリンダ
３５…吸気バルブ
３７…圧縮バルブ
３９…排気バルブ
４０…吸気圧縮ピストン
４２…クランクシャフト
４４…膨張排気ピストン
４５…吸気圧縮１速ギヤ
４６…吸気圧縮２速ギヤ
４８…膨張排気１速ギヤ
４９…膨張排気２速ギヤ
５０…第１クラッチ
５１…第２クラッチ
５２…補助クランクシャフト
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図５】
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【図９】
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【図１０】
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