(57)【要約】    【課題】  全体として大型化すること抑制しつつ、あるいは機関出力を低下させることなく、膨張比を高めることが可能な内燃機関を提供する。    【解決手段】  ３つの気筒（＃Ａ，＃Ｂ，＃Ｃ）によって構成される気筒グループを１または２以上備える内燃機関であり、＃Ａ及び＃Ｃ気筒は、それぞれ吸気口３１，３３及び排気口３２，３４を備え、＃Ｂ気筒は排気流入口３５，３６及び排気流出口３７を備え、排気口３２，３４は、中間排気通路１６，１７を介して＃Ｂ気筒の排気流入口３５，３６と連通している。＃Ａ及び＃Ｃ気筒は吸気、圧縮、膨張、及び排気の４行程運転を行い、＃Ｂ気筒は膨張及び排気の２行程運転を行う。＃Ａ及び＃Ｃ気筒の排気行程と＃Ｂ気筒の膨張行程とが並行して実行され、各気筒のピストンが所定クランク角度期間ＣＡＰＢＤＣに亘って下死点近傍に停滞する下死点近傍停滞動作を行う。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２、及び第３気筒によって構成される気筒グループを１または２以上備える内燃機関において、
前記第１及び第３気筒は、それぞれ吸気口及び排気口を備え、前記第２気筒は排気流入口及び排気流出口を備え、前記第１及び第３気筒の排気口は、中間排気通路を介して前記第２気筒の排気流入口と連通しており、
前記第１及び第３気筒は吸気、圧縮、膨張、及び排気の４行程運転を行い、前記第２気筒は膨張及び排気の２行程運転を行い、
前記第１及び第３気筒の排気行程と前記第２気筒の膨張行程とが並行して実行され、前記第２気筒の排気流入口に設けられた排気流入弁は、前記第２気筒の膨張行程において開弁し、排気行程において閉弁し、前記第２気筒の排気流出口に設けられた排気流出弁は前記第２気筒の排気行程において開弁し、膨張行程において閉弁し、
各気筒のピストンが下死点近傍に所定クランク角度期間に亘って停滞する下死点近傍停滞動作を行うことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記第１、第２、及び第３気筒は、小端部においてピストンに回転自在に連結されたコンロッドと、該コンロッドの大端部に回転自在に連結された第１補助ロッド、及び該第１補助ロッドに連結された第２補助ロッドによって構成されるリンク機構と、クランク軸に固定されたクランクアームとを備え、
前記第１補助ロッドの一端が前記大端部に回転自在に連結されるとともに、前記第１補助ロッドの他端が前記第２補助ロッドの一端に回転自在に連結され、前記第２補助ロッドの他端は機関本体に固定された支持軸に回転自在に連結されており、
前記第１補助ロッドは、前記コンロッドに連結された一端と前記第２補助ロッドに連結された他端の中間部において、前記クランクアームに回転自在に連結されており、
前記リンク機構によって前記ピストンの下死点近傍停滞動作が行われることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、特に膨張比を高めることによって熱効率を向上させた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、３６０度の位相差を保って作動する２つの４サイクル式燃焼気筒と、燃焼気筒に対してほぼ１９０度進んだ位相差を保って作動する１つの２サイクル式膨張気筒とを備える内燃機関が示されている。この内燃機関では、燃焼気筒の排気ポートが膨張気筒に連通するように構成されており、燃焼気筒の排気が膨張気筒に流入して再膨張することによって膨張比が高められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−１１３２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示された内燃機関では、膨張気筒の容積を燃焼気筒の容積より大きくする構成を採用することによって膨張比を高めているため、例えば４つの燃焼気筒と、２つの膨張気筒とを備える６気筒内燃機関を構成するような場合には、内燃機関が全体として大型化するという課題、若しくは内燃機関の全体としてのサイズを同等とすると燃焼気筒の排気量が減少して機関出力が低下するという課題がある。
【０００５】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、全体として大型化すること抑制しつつ、あるいは機関出力を低下させることなく、膨張比を高めることが可能な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】
【０００６】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、第１、第２、及び第３気筒（＃Ａ，＃Ｂ，＃Ｃ）によって構成される気筒グループを１または２以上備える内燃機関（１）において、前記第１及び第３気筒（＃Ａ，＃Ｃ）は、それぞれ吸気口（３１，３３）及び排気口（３２，３４）を備え、前記第２気筒（＃Ｂ）は排気流入口（３５，３６）及び排気流出口（３７）を備え、前記第１及び第３気筒（＃Ａ，＃Ｃ）の排気口（３２，３４）は、中間排気通路（１６，１７）を介して前記第２気筒（＃Ｂ）の排気流入口（３５，３６）と連通しており、前記第１及び第３気筒（＃Ａ，＃Ｃ）は吸気、圧縮、膨張、及び排気の４行程運転を行い、前記第２気筒（＃Ｂ）は膨張及び排気の２行程運転を行い、前記第１及び第３気筒（＃Ａ，＃Ｃ）の排気行程と前記第２気筒（＃Ｂ）の膨張行程とが並行して実行され、前記第２気筒（＃Ｂ）の排気流入口（３５，３６）に設けられた排気流入弁（３５ａ，３６ａ）は、前記第２気筒（＃Ｂ）の膨張行程において開弁し、排気行程において閉弁し、前記第２気筒（＃Ｂ）の排気流出口（３７）に設けられた排気流出弁（３７ａ）は前記第２気筒（＃Ｂ）の排気行程において開弁し、膨張行程において閉弁し、各気筒のピストン（１１，１２，１３）が所定クランク角度期間（ＣＡＰＢＤＣ）に亘って下死点近傍に停滞する下死点近傍停滞動作を行うことを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、第１及び第３気筒では吸気、圧縮、膨張、及び排気の４行程運転が行われる一方、第２気筒では膨張及び排気の２行程運転が行われ、第１及び第３気筒の排気行程と第２気筒の膨張行程とが並行して実行され、第２気筒の排気流入口に設けられた排気流入弁は、第２気筒の膨張行程において開弁し、排気行程において閉弁し、第２気筒の排気流出口に設けられた排気流出弁は第２気筒の排気行程において開弁し、膨張行程において閉弁する。したがって、第１及び第３気筒から排出される排気は、第２気筒に流入して第２気筒のピストンを押し下げる仕事をした後に排気流出口を介して排出される。さらに各気筒のピストンが所定クランク角度期間に亘って下死点近傍に停滞する下死点近傍停滞動作が行われるので、第２気筒への排気の流入が開始されるまでの期間において、第２気筒の燃焼室相当部分の容積が増加し、第２気筒において排気が膨張することによる有効仕事が、第１または第３気筒における排気を押し出すためのマイナス仕事より大きくなる。その結果、第２気筒の容積を拡大することなく（あるいは第１及び第３気筒の容積を縮小することなく）、膨張比が大幅に高められ、熱効率を向上させることができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関（１）において、前記第１、第２、及び第３気筒（＃Ａ，＃Ｂ，＃Ｃ）は、小端部においてピストン（１１）に回転自在に連結されたコンロッド（５１）と、該コンロッド（５１）の大端部に回転自在に連結された第１補助ロッド（５２）、及び該第１補助ロッド（５２）に連結された第２補助ロッド（５３）によって構成されるリンク機構（５０）と、クランク軸（５５）に固定されたクランクアーム（５４）とを備え、前記第１補助ロッド（５２）の一端が前記大端部に回転自在に連結されるとともに、前記第１補助ロッド（５２）の他端が前記第２補助ロッド（５３）の一端に回転自在に連結され、前記第２補助ロッド（５３）の他端は機関本体に固定された支持軸（７１）に回転自在に連結されており、前記第１補助ロッド（５２）は、前記コンロッド（５１）に連結された一端と前記第２補助ロッド（５３）に連結された他端の中間部（５２ａ）において、前記クランクアーム（５４）に回転自在に連結されており、前記リンク機構（５０）によって前記ピストン（１１）の下死点近傍停滞動作が行われることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、ピストンが上下運動が、コンロッド及び第１補助ロッドを介してクランクアームの回転運動に変換され、かつ第２補助ロッドがピストンの下死点近傍において往復運動を行うことによって第１補助ロッドの動きが規制され、下死点近傍停滞動作が実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる内燃機関要部の構成を模式的に示す図である。
【図２】図１に示す要部を上方からみた説明図である。
【図３】図１に示す３つの気筒の行程を時系列で示す図である。
【図４】気筒内圧力（Ｐ）と燃焼室容積（Ｖ）との関係を模式的に示すＰ−Ｖ線図である。
【図５】リンク機構（５０）を含むクランク軸駆動機構の斜視図である。
【図６】クランク軸駆動機構がシリンダブロック（２１）内に設置された状態を示す部分断面図である。
【図７】クランク軸駆動機構の動作を説明するための図である。
【図８】ピストン位置（ＰＰ）の推移を示す図である。
【図９】機械膨張比（ＥＲ）と熱効率（ηth）との関係を示す図である。
【図１０】図２に示す構成の変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施形態にかかる内燃機関要部の構成を模式的に示す図であり、図２は図１に示す要部を上方からみた説明図である。
６気筒の内燃機関１の＃１及び＃４気筒に相当する＃Ａ気筒と、＃２及び＃５気筒に相当する＃Ｂ気筒と、＃３及び＃６気筒に相当する＃Ｃ気筒とが示されている。＃Ａ気筒及び＃Ｃ気筒は、吸気、圧縮、膨張、及び排気の４行程運転を行う気筒であり、＃Ｂ気筒は、膨張及び排気の２行程運転を行う気筒である。
【００１２】
＃Ａ気筒は、ピストン１１と、２つの吸気口３１及び１つの排気口３２と、点火プラグ４１とを備え、ピストン１１及びシリンダブロック２１によって燃焼室２２が画成され、吸気通路１４が吸気口３１に接続されている。＃Ｃ気筒は、ピストン１３と、２つの吸気口３３及び１つの排気口３４と、点火プラグ４２とを備え、ピストン１３及びシリンダブロック２５によって燃焼室２６が画成され、吸気通路１５が吸気口３３に接続されている。＃Ｂ気筒は、ピストン１２と、排気流入口３５及び３６と、２つの排気流出口３７とを備え、ピストン１２及びシリンダブロック２３とによって燃焼室に相当する排気膨張室２４が画成され、排気流出口３７は排気通路１８に接続されている。
【００１３】
＃Ａ気筒の排気口３２は中間排気通路１６を介して＃Ｂ気筒の排気流入口３５に接続され、＃Ｃ気筒の排気口３４は中間排気通路１７を介して＃Ｂ気筒の排気流入口３６に接続されている。＃Ａ気筒の吸気口３１及び排気口３２には、それぞれ吸気弁３１ａ及び排気弁３２ａが設けられており、＃Ｃ気筒の吸気口３３及び排気口３４には、それぞれ吸気弁３３ａ及び排気弁３４ａが設けられている。＃Ｂ気筒の排気流入口３５，３６にはそれぞれ排気流入弁３５ａ，３６ａが設けられ、２つの排気流出口３７にはそれぞれ排気流出弁３７ａが設けられている。
【００１４】
本実施形態では、＃Ａ，＃Ｂ，及び＃Ｃ気筒においてピストンが上死点に位置するときの容積Ｖｃ及び下死点に位置するときの容積Ｖは全気筒同一である。
吸気弁３１ａ，排気弁３２ａ等は、以下のように動作するように構成されている。＃Ａ気筒の吸気弁３１ａ及び排気弁３２ａはそれぞれ＃Ａ気筒の吸気行程及び排気行程において開弁し、＃Ｃ気筒の吸気弁３３ａ及び排気弁３４ａはそれぞれ＃Ｃ気筒の吸気行程及び排気行程において開弁する。＃Ｂ気筒の排気流入弁３５ａは、＃Ａ気筒の排気行程に対応する＃Ｂ気筒の膨張行程で開弁し、排気流入弁３６ａは、＃Ｃ気筒の排気行程に対応する＃Ｂ気筒の膨張行程で開弁し、＃Ｂ気筒の排気流出弁３７ａは＃Ｂ気筒の排気行程（＃Ａ気筒または＃Ｃ気筒の吸気行程）で開弁する。排気流入弁３５ａ及び３６ａは、＃Ｂ気筒の排気行程では閉弁し、排気流出弁３７ａは＃Ｂ気筒の膨張行程では閉弁する。
【００１５】
図３は、図１に示す３つの気筒の動作を説明するために、各気筒の行程を時系列で示す図である。図３の横方向が時間に相当（あるいはクランク角度に相当）し、各気筒の行程開始時期におけるピストン位置が示されている。なお、一部に破線で示すピストンは、行程中のピストン位置を示す。
【００１６】
＃Ｃ気筒の排気行程は＃Ｂ気筒の膨張行程に対応し、＃Ｃ気筒の排気口３４から排出される排気が中間排気通路１７を介して＃Ｂ気筒の排気流入口３６から排気膨張室２４に流入し、＃Ｂ気筒のピストン１２を押し下げる。続く＃Ｂ気筒の排気行程において、排気膨張室２４内の排気が排気流出口３７から排気通路１８に排出される。続く＃Ｂ気筒の膨張行程は＃Ａ気筒の排気行程に対応し、＃Ａ気筒の排気口３２から排出される排気が中間排気通路１６を介して＃Ｂ気筒の排気流入口３５から排気膨張室２４に流入し、＃Ｂ気筒のピストン１２を押し下げる。続く＃Ｂ気筒の排気行程において、排気膨張室２４内の排気が排気流出口３７から排気通路１８に排出される。以下同様の動作が繰り返される。
【００１７】
次に図１及び２に示すように構成される内燃機関１の＃Ｂ気筒によって有効な仕事を取り出すために必要とされるピストンの動作について、検討する。図４は、気筒内圧力Ｐと燃焼室容積Ｖとの関係を模式的に示すＰ−Ｖ線図であり、図４（ａ）及び（ｂ）は、ピストンを通常動作（横軸を時間としてピストン位置の推移を示した場合に正弦波状に変化する動作）をさせた場合に対応する。この場合、＃Ａまたは＃Ｃ気筒（以下「燃焼気筒」という）におけるＰ−Ｖ線図は図４（ａ）に示すようになり、＃Ｂ気筒（以下「膨張気筒」という）におけるＰ−Ｖ線図は図４（ｂ）に示すようになる。すなわち、燃焼気筒における排気行程でのマイナス仕事ＷＮ０（ハッチングを付して示す領域の面積に相当）と、膨張気筒において取り出される有効仕事ＷＥ０とが等しくなり、有効な仕事を取り出すことができない。
【００１８】
そこで本実施形態では、ピストンの上下運動をクランク軸の回転運動に変換するクランク軸駆動機構に、リンク機構５０（図５参照）を追加し、所定クランク角度期間ＣＡＰＢＤＣに亘ってピストンを下死点近傍に停滞させる動作（以下「下死点近傍停滞動作」という）を行わせることによって、以下に説明するように有効な仕事を取り出すことを可能としている。
【００１９】
図４（ｃ）及び（ｄ）はリンク機構５０を追加した場合の燃焼気筒のＰ−Ｖ線図、及び膨張気筒のＰ−Ｖ線図である。図４（ｄ）に示す膨張気筒における有効仕事ＷＥ１は、燃焼気筒の排気行程でのマイナス仕事ＷＮ１より大きくなり、有効な仕事を取り出すことが可能となる。図４（ｃ）及び（ｄ）をまとめると、図４（ｅ）に示すようなＰ−Ｖ線図となり、等価的に膨張比ＥＲを増加させることができる。
【００２０】
図５は、リンク機構５０を含むクランク軸駆動機構の斜視図（ただしピストン１１は内部を示すために断面を示す）であり、図６はシリンダブロック２１（＃Ａ気筒）内に設置された状態を示す部分断面図である。クランク軸駆動機構は、ピストンピン６１によって小端部がピストン１１に回転自在に連結されたコンロッド５１と、コンロッド５１の大端部がピン６２によって回転自在に連結された第１補助ロッド５２と、ピン６３によって第１補助ロッド５２と回転自在に連結された第２補助ロッド５３と、クランク軸５５に固定されたクランクアーム５４とを備えており、クランクアーム５４は第１補助ロッド５２の連結孔５２ａにおいて第１補助ロッド５２と回転自在に連結されている。第２補助ロッド５３の一端がピン６３によって第１補助ロッド５２と連結され、他端は内燃機関１の本体に固定された支持軸７１に回転自在に連結される。第１補助ロッド５２及び第２補助ロッド５３によってリンク機構５０が構成される。
【００２１】
このクランク軸駆動機構によれば、ピストン１１の上下運動が、コンロッド５１、第１補助ロッド５２、及びクランクアーム５４によって、クランク軸５５の回転運動に変換される。その際、第２補助ロッド５３によって第１補助ロッド５２の動きが規制され、上述した下死点近傍停滞動作が実現される。
【００２２】
図７は、クランク軸駆動機構の動作を説明するための図であり、ピストンが上死点に位置する状態（クランク角０度）からクランク角３０度毎の動作状態が示されている。この図において、ＣＲＣがクランク軸５５の回転軸中心を示し、クランク軸５５及びクランクアーム５４は図示が省略されている。一点鎖線Ｌ１はコンロッド５１の大端部の軌跡を示し、一点鎖線Ｌ２は第２補助ロッド５３の可動範囲を示す。
【００２３】
図７から明らかなように、リンク機構５０の作用によって、ピストン１１はクランク角１２０度程度から２４０度程度までの所定クランク角度期間ＣＡＰＢＤＣにおいて下死点近傍に滞留する。＃Ｂ気筒及び＃Ｃ気筒においても同様である。
【００２４】
図８は、ピストン位置ＰＰの推移を示す図であり、同図（ａ）は＃Ａ気筒（または＃Ｃ気筒）に対応し、同図（ｂ）は＃Ｂ気筒に対応する。＃Ａ気筒のピストンがクランク角２４０度程度まで下死点に滞留するため、実質的な排気が開始されるまでの間に＃Ｂ気筒のピストンが下降して追加膨張容積ΔＶＥが確保される。その結果、機械膨張比ＥＲは下記式（１）によって算出され、式（２）によって算出される機械圧縮比ＣＲが１４である場合には、機械膨張比ＥＲは２２．７程度となる。なお、式（１）のΔＶは、追加膨張容積ΔＶＥに中間排気通路１６の容積を加算した全追加容積であり、Ｖｃはピストンが上死点に位置するときの最小燃焼室容積であり、Ｖｃｙｌは気筒容積（ピストンが下死点に位置するときの最大燃焼室容積から最小燃焼室容積Ｖｃを減算した容積）である。
ＥＲ＝｛（Ｖｃｙｌ＋ΔＶ）＋２Ｖｃ｝／Ｖｃ
＝（Ｖｃｙｌ＋ΔＶ）／Ｖｃ＋２                  （１）
ＣＲ＝（Ｖｃｙｌ＋Ｖｃ）／Ｖｃ                      （２）
【００２５】
図９は機械膨張比ＥＲと熱効率ηthとの関係を示す図であり、本実施形態によれば、機械膨張比ＥＲがＥＲ１（≒１４）からＥＲ２（≒２２．７）に増加し、熱効率ηthをηth1からηth2に（約１０％程度）高めることができる。なお、図９に示す破線は、機械膨張比ＥＲが機械圧縮比ＣＲと等しい通常の内燃機関における関係を示す。
【００２６】
以上のように本実施形態によれば、＃Ａ気筒及び＃Ｃ気筒では吸気、圧縮、膨張、及び排気の４行程運転が行われる一方、＃Ｂ気筒では膨張及び排気の２行程運転が行われ、＃Ａ気筒及び＃Ｃ気筒の排気行程と＃Ｂ気筒の膨張行程とが並行して実行され、＃Ｂ気筒の排気流入口３５に設けられた排気流入弁３５ａは、＃Ｂ気筒の膨張行程において開弁し、排気行程において閉弁し、＃Ｂ気筒の排気流出口３７に設けられた排気流出弁３７ａは＃Ｂ気筒の排気行程において開弁する。したがって、＃Ａ気筒及び＃Ｃ気筒から排出される排気は、＃Ｂ気筒に流入して＃Ｂ気筒のピストン１２を押し下げる仕事をした後に排気流出口３７を介して排出される。さらに各気筒のピストン１１〜１３が、所定クランク角度期間ＣＡＰＢＤＣに亘って下死点近傍に停滞する下死点近傍停滞動作が行われるので、＃Ｂ気筒への排気の流入が開始されるまでの期間において、＃Ｂ気筒の排気膨張室２４（燃焼室相当部分）の容積が増加し、＃Ｂ気筒において排気が膨張することによる有効仕事が、＃Ａ気筒または＃Ｃ気筒における排気を押し出すためのマイナス仕事より大きくなる。その結果、＃Ｂ気筒の容積を拡大することなく、膨張比が大幅に高められ、熱効率向上させることができる。
【００２７】
具体的には内燃機関１の各気筒は、ピストン１１，１２，１３の下死点近傍停滞動作を実現するためのリンク機構５０を備えており、リンク機構５０は、小端部においてピストン１１，１２，１３に連結されたコンロッド５１の大端部に回転自在に連結された第１補助ロッド５２と、第１補助ロッド５２に回転自在に連結された第２補助ロッド５３とによって構成される。第１補助ロッド５２の一端がコンロッド５１の大端部に連結されるとともに、第１補助ロッド５２の他端が第２補助ロッド５３の一端に連結され、第２補助ロッド５３の他端は内燃機関本体に固定された支持軸７１に回転自在に連結されている。さらに第１補助ロッド５２は、コンロッド５１に連結された一端と第２補助ロッド５３に連結された他端の中間部に設けられた連結孔５２ａにおいて、クランクアーム５４に回転自在に連結されている。したがって、図７を参照して説明したように、ピストン１１等の上下運動が、コンロッド５１及び第１補助ロッド５２を介してクランクアーム５４の回転運動に変換され、かつ第２補助ロッド５３がピストン１１等の下死点近傍において往復運動を行うことによって第１補助ロッド５２の動きが規制され、下死点近傍停滞動作が実現される。
【００２８】
なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、＃Ａ気筒の吸気口３１及び＃Ｃ気筒の吸気口３３の配置は、図２に示すものに限るものではなく、図１０に示すように配置するようにしてもよい。また上述した実施形態では、気筒数を「６」としたが、３つの気筒を１つの気筒グループとして、本発明は１または３以上の気筒グループを備える内燃機関にも適用可能である。
【符号の説明】
【００２９】
１  内燃機関
１１，１２，１３  ピストン
１４，１５  吸気通路
１６，１７  中間排気通路
１８  排気通路
３１，３３  吸気口
３２，３４  排気口
３５，３６  排気流入口
３７  排気流出口
５０  リンク機構
５１  コンロッド
５２  第１補助ロッド
５２ａ  連結孔
５３  第２補助ロッド
５４  クランクアーム
５５  クランク軸
７１  支持軸
【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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