(57)【要約】【課題】吸気弁の開閉タイミングの可変制御を行わずに、アトキンソンサイクルを可能なエンジンを提供する。【解決手段】１つのシリンダ内に異なる周期で往復動する２つのピストンを備え、２つのピストンのうちの一方のメインピストンは、吸気行程及び膨脹工程にてシリンダ内の容積を増加させる一方、圧縮行程及び排気工程にてシリンダ内の容積を減少させるように往復動するとともに、２つのピストンのうちの他方のサブピストンは、膨脹行程終了時のシリンダ内の容積が吸気行程終了時のシリンダ内の容積より大きくなるように往復動する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つのシリンダ内に異なる周期で往復動する第１のピストン及び第２のピストンを備え、
前記第１のピストンは、吸気行程及び膨脹工程にてシリンダ内の容積を増加させる一方、圧縮行程及び排気工程にてシリンダ内の容積を減少させるように往復動するとともに、
前記第２のピストンは、前記膨脹行程終了時のシリンダ内の容積が前記吸気行程終了時のシリンダ内の容積より大きくなるように往復動のタイミングが設定されていることを特徴とするアトキンソンサイクルエンジン。
【請求項２】
前記第２のピストンの往復動の周期は、前記第１のピストンの往復動の周期の２倍であるとともに前記膨脹工程終了時に前記シリンダ内の容積が最大となるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のアトキンソンサイクルエンジン。
【請求項３】
前記第１のピストンに連結されたクランクシャフトと前記第２のピストンに連結されたクランクシャフトの間で相互に動力を伝達する動力伝達部材を更に備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のアトキンソンサイクルエンジン。
【請求項４】
前記エンジンの吸気弁または排気弁の少なくとも１つと前記第２のピストンとは、前記シリンダの上方に隣接して配置され、
前記第２のピストンに連結されたクランクシャフトと前記吸気弁または排気弁の駆動用カムシャフトとがギヤ接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のアトキンソンサイクルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮比に対して膨張比が大きくなるアトキンソンサイクルエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの熱効率を高めて燃費を向上させるには、吸入した混合気をより大きく膨張させることが効果的であるが、膨張比≒圧縮比の従来のオットーサイクルエンジンでは、ノッキングの発生により膨張比の増加が制限されるため、十分に膨張比を増加できなかった。そこで、エンジンの圧縮比に対して膨張比を大きく設定することにより、ノッキングを回避しつつ熱効率の向上を達成可能なアトキンソンサイクルエンジンが提案されている。例えばアトキンソンサイクルエンジンの一種としては、吸気弁の閉弁時期を調整して吸気量を制限することで圧縮比を抑制するミラーサイクルエンジンがある。
【０００３】
ミラーサイクルエンジンは、通常、吸気弁の開閉時期を調整する可変バルブタイミング装置を備え、吸気弁の閉弁時期を下死点より大幅に進角させる所謂早閉じ、或いは吸気弁の閉弁時期を大幅に遅角させる所謂遅閉じにより吸気量を制限し、これにより圧縮比を抑制して見かけ上の膨張比を高めている。
【０００４】
一方、吸気弁の開閉時期の可変制御を行わずにアトキンソンサイクルエンジンを実現する方法も開発されている。例えばコンロッドとピストンとの枢支部、あるいはコンロッドとクランクシャフトとの枢支部にクランク部材を回転可能に介在させて２重のクランク構造とし、ピストンとクランクシャフトとの相対位置を圧縮行程と膨張行程とで異なるように構成したエンジンが提案されている(特許文献１)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−２４０６１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記ミラーサイクルエンジンでは、可変バルブタイミング装置を備えなければならず、また吸気弁の開閉タイミングを正確に制御する必要があるので、コスト増加及び制御の複雑化を招いてしまう。また、特許文献１のように２重のクランク構造を有するエンジンでは、ピストン全体の構造や動きが複雑化してしまうので、高回転運転が困難となる虞がある。
【０００７】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、吸気弁の開閉タイミングの可変制御を行わずに、アトキンソンサイクルを可能なエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、１つのシリンダ内に異なる周期で往復動する第１のピストン及び第２のピストンを備え、第１のピストンは、吸気行程及び膨脹工程にてシリンダ内の容積を増加させる一方、圧縮行程及び排気工程にてシリンダ内の容積を減少させるように往復動するとともに、第２のピストンは、膨脹行程終了時のシリンダ内の容積が吸気行程終了時のシリンダ内の容積より大きくなるように往復動のタイミングが設定されていることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２の発明は、第２のピストンの往復動の周期は、請求項１において、第１のピストンの往復動の周期の２倍であるとともに膨脹工程終了時にシリンダ内の容積が最大となるように設定されていることを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項１または２において、第１のピストンに連結されたクランクシャフトと第２のピストンに連結されたクランクシャフトの間で相互に動力を伝達する動力伝達部材を更に備えたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１つにおいて、エンジンの吸気弁または排気弁の少なくとも１つと第２のピストンとは、シリンダの上方に隣接して配置され、第２のピストンに連結されたクランクシャフトと吸気弁または排気弁の駆動用カムシャフトとがギヤ接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように請求項１の発明のアトキンソンサイクルエンジンによれば、第２のピストンの移動によって、膨脹行程終了時のシリンダ内の容積が吸気行程終了時のシリンダ内の容積より大きくなるので、圧縮比に対して膨脹比を大きくすることが可能となる。したがって、吸気弁の開閉時期を可変させることなくアトキンソンサイクルが可能となる。また、１つのピストンについては従来のエンジンと変わりがなく２重のクランク構造とする必要がないので、ピストン全体の動きが複雑化せずに、高回転運転を可能にすることができる。
【００１２】
請求項２の発明のアトキンソンサイクルエンジンによれば、膨脹工程終了時にシリンダ内の容積が最大となるので、第２のピストンの往復動によるシリンダ内の容積変化量が膨脹工程終了時におけるシリンダ内の容積量と吸気行程終了時のシリンダ内の容積量との差となって表われる。したがって、第２のピストンの往復動によって、圧縮比と膨脹比との差が最大限もたらされ、アトキンソンサイクルが効率よく可能となる。
【００１３】
請求項３の発明のアトキンソンサイクルエンジンによれば、膨脹行程時に第１のピストンだけではなく第２のピストンによる駆動力を利用することができ、第２のピストンを駆動するためのエネルギロスを低減させることができる。
【００１４】
請求項４の発明のアトキンソンサイクルエンジンによれば、第２のピストンは第１のピストンの周期の２倍の周期で往復動するので、第２のピストンにより回転駆動されるクランクシャフトから増減速させずに吸気弁または排気弁のカムシャフトに動力を伝達させることができる。したがって、第２のピストンのクランクシャフトとカムシャフトとを近接して配置してギヤにより動力を伝達させることで、簡易な構造で吸排気弁の駆動を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るアトキンソンサイクルエンジンの構成図である。
【図２】各行程時のピストンの動きを示す説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るアトキンソンサイクルエンジンの構成図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るアトキンソンサイクルエンジンの構成図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係るアトキンソンサイクルエンジンの構成図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係るアトキンソンサイクルエンジンの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を具体化したエンジンのアトキンソンサイクルエンジンの一実施形態を説明する。
図１は本実施形態のアトキンソンサイクルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略構成を示す説明図である。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態のエンジン１は、１つの気筒にピストン２、３を２個有する４サイクルエンジンである。エンジン１のシリンダ４は、図中左右方向に軸心が延びた円筒形状に形成されている。２個のピストン２、３は、シリンダ４内で間隔をおいて左右方向に並べられ、相対するように配置されている。２個のピストン２、３の間の上方のシリンダヘッド５には、シリンダ４内に連通する吸気ポート６及び排気ポート７が形成されている。吸気ポート６は吸気弁８によって、排気ポート７は排気弁９によって開閉可能となっている。吸気ポート６の上方には吸気弁８駆動用の吸気カムシャフト１０が、排気ポート７の上方には排気弁９駆動用の排気カムシャフト１１が、シリンダヘッド５に回転可能に支持されており、所謂ＤＯＨＣエンジンを構成している。
【００１８】
２個のピストン２、３のうち、図中右側に示す１方のメインピストン２（第１のピストン）は、メインコンロッド２０を介してメインクランクシャフト２１に回動自在に連結されている。２個のピストン２、３のうちの他方のサブピストン３（第２のピストン）は、サブコンロッド２２を介してサブクランクシャフト２３に回動自在に連結されている。メインクランクシャフト２１はシリンダ４の右方に、サブクランクシャフト２３はシリンダ４の左方に配置されている。
【００１９】
２個のピストン２、３は、シリンダ４内を夫々左右方向に移動可能な構成となっており、２個のピストン２、３の移動に伴い、これらのピストン２、３の間に形成されたシリンダ４内の容積、即ち燃焼室の容積が変化する。サブピストン３は、メインピストン２と略同径であるとともに、メインピストン２よりストロークが小さく設定されている。
【００２０】
メインクランクシャフト２１にはメインスプロケット２４が、サブクランクシャフト２３にはサブスプロケット２５が固定されている。シリンダ４の下方には、エンジン１の出力軸として、シリンダブロック２６に回転自在に支持された出力シャフト２７が備えられている。出力シャフト２７には出力スプロケット２８が固定されている。メインスプロケット２４、サブスプロケット２５、出力スプロケット２８、吸気カムシャフト１０に固定された吸気スプロケット２９、及び排気カムシャフト１１に固定された排気スプロケット３０には、タイミングチェーン３１（動力伝達部材）が掛け回されている。メインスプロケット２４と吸気スプロケット２９との間、及びサブスプロケット２５と排気スプロケット３０との間には、夫々タイミングチェーン３１に適正な張力を付与させるテンショナ３２、３３が設けられている。よって、メインクランクシャフト２１及びサブクランクシャフト２３の回転駆動力は、タイミングチェーン３１を介して出力シャフト２７に伝達される。また、メインクランクシャフト２１及びサブクランクシャフト２３の回転に伴い、吸気カムシャフト１０及び排気カムシャフト１１が回転駆動される。
【００２１】
サブスプロケット２５の歯数はメインスプロケット２４の歯数の２倍に設定されている。したがって、メインクランクシャフト２１が２回転する毎にサブクランクシャフト２３が１回転する。
図２は、各行程時におけるピストンの位置を示す説明図である。図中上下方向が、図１の左右方向に相当する。
【００２２】
図２に示すように、本実施形態では、メインピストン２は従来のエンジンと同様のタイミングで往復動する。詳しくは、メインピストン２は、吸気行程終了（圧縮行程開始）時には略下死点に、圧縮行程終了（膨張行程開始）時には略上死点に、膨脹工程終了時には略下死点に位置する。一方、サブピストン３は、メインピストン２の２倍の周期で往復動を行う。詳しくは、サブピストン３は、吸気行程終了（圧縮行程開始）時には略下死点に、圧縮工程終了（膨張行程開始）時には中間点に、膨脹工程終了時には略上死点に位置する。
【００２３】
このような構成にすることによって、本実施形態のエンジン１では、メインピストン２は吸気行程終了時と膨脹行程終了時とでいずれも略下死点でピストン位置に差がないのに対して、サブピストン３は吸気工程終了時には略下死点である一方膨脹工程終了時には略上死点に位置する。したがって、吸気工程終了時におけるシリンダ４内の容積である吸気容積Ｑiに対して、膨脹工程終了時における容積である膨脹容積Ｑeは、サブピストン３の移動分大きくなる。これにより、本実施形態のエンジン１では、膨脹比（膨脹容積Ｑe／圧縮容積Ｑc）が、圧縮比（吸気容積Ｑi／圧縮容積Ｑc）より大きくなる。なお、圧縮容積Ｑcは、圧縮行程終了時（膨脹行程開始時）におけるシリンダ４内の容積である。
【００２４】
以上のように、本実施形態のエンジン１では、吸気弁８の開閉時期を変更させることなく、即ち可変バルブタイミング装置を必要とせずに、熱効率が高く燃費の優れたアトキンソンサイクルを実現することができる。メインピストン２からメインクランクシャフト２１に動力を伝達するメインピストン２全体の構造は従来と変わらず、特許文献１のように２重のクランク構造とする必要がないので、メインピストン２全体の構造や動きが複雑化することなく、高回転運転を可能にすることができる。
【００２５】
また、本実施形態では、サブピストン３の膨脹行程時の駆動力もタイミングチェーン３１によって出力シャフト２７に伝達するので、サブピストン３を駆動するためのエネルギロスを低減することができる。
なお、サブピストン３のピストン径及びストロークは、容積の変化量がメインピストン２より小さければ夫々適宜設定してもよい。
次に、本発明の他の実施形態について、図３〜６を用いて説明する。
図３は、本発明の第２の実施形態のエンジン５０の概略構成図である。以下、上記第１の実施形態との相違点について述べる。
【００２６】
本発明の第２の実施形態のエンジン５０は、シリンダ５１が図中上下方向に軸線が延びるように設置されており、メインピストン２とサブピストン５２とが図中上下方向にシリンダ５１内で相対するように配置されている。エンジン５０には、第１の実施形態における出力シャフト２７はなく、従来のエンジンのようにメインクランクシャフト２１がエンジン１の出力軸となっている。そして、サブピストン５２がメインピストン２より小径であって、シリンダ５１の上方に吸気弁８及び排気弁９とともにサブピストン５２が並んで配置されている。エンジン５０は、吸気弁８及び排気弁９が１つのカムシャフト５３により駆動する所謂ＳＯＨＣエンジンである。カムシャフト５３はサブピストン５２に連結されたサブクランクシャフト２３とギヤ接続しており、サブクランクシャフト２３からカムシャフト５３に動力を伝達して吸気弁８及び排気弁９を駆動する。サブクランクシャフト２３に設けられたサブスプロケット２５と、メインクランクシャフト２１に設けられたメインスプロケット２４とにタイミングチェーン３１が掛け回され、互いに動力が伝達される。
【００２７】
本実施形態では、サブピストン５２がメインピストン２より小径であるので、サブピストン５２の移動に伴う容積変化はメインピストン２に比較して少ないものの、第１の実施形態と同様に、吸気容積Ｑiに対して膨脹容積Ｑeが大きくなり、膨脹比を圧縮比より大きくすることができる。
ところで、吸気弁８及び排気弁９は、メインピストン２の２倍の周期で上下動させる必要がある。本実施形態では、カムシャフト５３に隣接して配置したサブクランクシャフト２３を利用して、サブクランクシャフト２３から動力を取り出し、変速せずに吸気弁８及び排気弁９を駆動させている。これにより、例えばＯＨＶエンジンと比較して、プッシュロッドの長さを短縮させることができる。
【００２８】
また、本実施形態では、シリンダ５１の上方に吸気弁８及び排気弁９とともにサブピストン５２が並んで配置されているので、エンジン５０の横方向の寸法増加を抑えることができる。
図４に示す本発明の第３の実施形態のエンジン６０は、上記第２の実施形態に対して、カムシャフト５３の駆動方法が異なる。
本発明の第３の実施形態のエンジン６０では、カムシャフト５３はサブクランクシャフト２３とギヤ接続せずにタイミングチェーン３１により駆動される。詳しくは、カムシャフト５３にスプロケット６１を設け、該スプロケット６１にメインスプロケット２４及びサブスプロケット２５に掛け回したタイミングチェーン３１を共掛けする構成としている。
【００２９】
これにより、カムシャフト５３の配置の自由度を増加させることができ、レイアウト設計の容易化を図ることができる。
図５に示す本発明の第４の実施形態のエンジン７０、及び図６に示す本発明の第５の実施形態のエンジン８０は、吸気カムシャフト７１及び排気カムシャフト７２の２つのカムシャフトを有する所謂ＤＯＨＣエンジンである。その他の構成については、第４の実施形態は上記第２の実施形態に、第５の実施形態は上記第３の実施形態と同様の構成である。
ＤＯＨＣエンジンに本発明を適用する場合には、図５、６に示すように、サブピストン５２をシリンダ７１の軸心付近に配置し、サブピストン５２を挟むように左右に吸気弁８及び排気弁９を配置すればよい。
【００３０】
図５に示す第４の実施形態のエンジン７０では、吸気カムシャフト７１及び排気カムシャフト７２は、夫々サブクランクシャフト２３とギヤ接続している。したがって、本実施形態においても、第２の実施形態と同様に、吸気弁８及び排気弁９はサブクランクシャフト２３から動力を得て駆動することができる。
図６に示す第５の実施形態のエンジン８０では、吸気カムシャフト７１に設けた吸気スプロケット８１及び排気カムシャフト７２に設けたスプロケット８２にタイミングチェーン３１を掛け回して、カムシャフト５３を駆動する。よって、第３の実施形態と同様にカムシャフト７１、７２の配置の自由度を増加させることができる。
【００３１】
なお、以上の実施形態では、サブピストン３、５２が膨脹工程終了時には略上死点に位置するように設定しているが、本発明はこれに限定するものではなく、これよりもサブピストン３、５２を若干遅角あるいは進角させてもよい。また、メインピストン２とサブピストン３、５２の配置に関しても、上記レイアウトに限定するものではない。本発明は、メインピストン２だけでは吸気容積Ｑiと膨脹容積Ｑeとが同一となるところを、サブピストン３、５２の動きにより吸気容積Ｑiに対して膨脹容積Ｑeが大きくなるように構成すればよく、このような構成によりアトキンソンサイクルが可能となる。
【符号の説明】
【００３２】
１、５０、６０、７０    エンジン
２    メインピストン
３、５２    サブピストン
４、５１、７１    シリンダ
２３    サブクランクシャフト
３１    タイミングチェーン
５３    カムシャフト
【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５】
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【図６】
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