(57)【要約】【課題】  吸気過程、圧縮過程、膨張過程、排気過程の時間配分を変更して、低燃費化、高トルク化を図るとともに排ガス中の有害物質を削減することができる内燃機関を提供すること。【解決手段】  クランク軸７の回転中心Ｐから一定の距離に離れて配された第一枢支部８を揺動中心として揺動するアーム部１０と、第一枢支部８から一定の距離に離れてアーム部１０に配された第二枢支部１１にて回転自在に接続されたコンロッド１２と、クランク軸７に基端が固定されたクランクアーム７Ａと、クランクアーム７Ａの他端が回転自在に接続された第三枢支部１３が配されて、アーム部１０上を第一枢支部８に対して接離移動するスライダ部１５と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドに吸気バルブと排気バルブとが設けられたシリンダと、該シリンダ内を往復運動可能に配されたピストンと、該ピストンに他の部材を介して接続されたクランク軸とを備え、前記吸気バルブから前記シリンダ内に流入された気体を燃焼し、燃焼後の気体を前記排気バルブから排気する間に、前記ピストンの往復運動を前記クランク軸の回転運動に変換する内燃機関であって、
前記クランク軸の回転中心から一定の距離に離れて配された第一枢支部を揺動中心として揺動するアーム部と、
前記第一枢支部から一定の距離に離れて前記アーム部に配された第二枢支部にて基端が回転自在に接続されていると共に先端が前記ピストンに回転自在に接続されたコンロッドと、
前記クランク軸に基端が固定されたクランクアームと、
該クランクアームの他端が回転自在に接続された第三枢支部が配されて前記アーム部上を前記第一枢支部に対して接離移動するスライダ部とを備えていることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記スライダ部を前記アーム部の延在方向に直線的に往復移動させるガイド部が、前記アーム部に設けられてい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】
前記第一枢支部及び前記第二枢支部を結ぶ第一仮想線と、前記第一枢支部及び前記第三枢支部を結ぶ第二仮想線とが、一定の角度で交差していることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記排気バルブの全ポート面積が、前記吸気バルブの全ポート面積よりも大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
レシプロエンジン等の内燃機関においては、ピストンの往復運動がクランク軸の回転運動に変換されて、動力が得られている（例えば、特許文献１参照。）。この際、吸気過程、圧縮過程、膨張過程、排気過程が行われる。
【０００３】
吸気過程は、混合気（または空気）をシリンダ内に充填して、シリンダ内でスワール（対流）を形成する過程となっている。この際、シリンダ内の冷却も行われる。ただし、高速回転時には、ポンピングロスが生じることがある。圧縮過程では、混合気又は空気の圧縮が行われる。ただし、圧縮時に多少発熱したり、ピストンバルブから圧縮漏れが発生したり、燃料の予混合気体ではノッキング現象を起こすことがある。膨張過程では、点火が行われて爆発したエネルギーが回転運動に変換される。ここで、内燃機関の最高出力性能はクランク軸の回転トルクと回転数に大きく作用され、クランク軸の回転速度は、ピストン運動速度に関係し、燃焼速度が上限値となる。排気過程では、回転運動に変換できなかった燃焼ガスが外部に排出される。この際、高温ガスがシリンダ内部温度を上昇させている。
【０００４】
ところで、近年、残り少ない化石燃料の有効活用のため、燃焼で得られたエネルギーを有効に運動エネルギーに変換する必要性が増している。また、代替燃料として生物由来油を利用したディーゼル内燃機関に注目が集まっていることは、地球温暖化防止のため策定された京都議定書に二酸化炭素の排出量が計上されないことが明記されているためである。しかしながら排出ガス中の有害物質は最小限にとどめる必要がある。そのため、膨張過程にかかる時間を多く取り、ピストンの移動速度を遅くとりその分の時間をクランク軸の回転角として回収し、膨張エネルギーを回転エネルギーに効率的に変換し、排気過程は短時間に行い、高温排気ガスのシリンダ内への熱伝達を軽減させる必要がある。また、吸気過程では冷却した気体をゆっくり長時間かけて吸入して、シリンダ内の温度を冷却させ、圧縮過程は短時間に行い、圧縮ガスの漏れを最小限にとどめるとともに排気ガスが有害物質を排出させない程度の酸素量に調整し三元触媒が有効に機能しクリーンな排出ガスとなる必要がある。
【特許文献１】特開平７−１７４０２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来の内燃機関では、吸気過程、圧縮過程、膨張過程、排気過程の全ての過程は、等時間、等回転角（１８０度）にて行われているので、各過程の時間配分を変更することができない。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、吸気過程、圧縮過程、膨張過程、排気過程の時間配分を変更して、低燃費化、高トルク化を図ることができ、かつ圧縮過程において酸素量を調整し、排気ガスが三元触媒を介してクリーンな排気ガスに変換される燃焼形態を実現し環境負荷を低減す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】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る内燃機関は、シリンダヘッドに吸気バルブと排気バルブとが設けられたシリンダと、該シリンダ内を往復運動可能に配されたピストンと、該ピストンに他の部材を介して接続されたクランク軸とを備え、前記吸気バルブから前記シリンダ内に流入された気体を燃焼し、燃焼後の気体を前記排気バルブから排気する間に、前記ピストンの往復運動を前記クランク軸の回転運動に変換する内燃機関であって、前記クランク軸の回転中心から一定の距離に離れて配された第一枢支部を揺動中心として揺動するアーム部と、前記第一枢支部から一定の距離に離れて前記アーム部に配された第二枢支部にて基端が回転自在に接続されていると共に先端が前記ピストンに回転自在に接続されたコンロッドと、前記クランク軸に基端が固定されたクランクアームと、該クランクアームの他端が回転自在に接続された第三枢支部が配されて前記アーム部上を前記第一枢支部に対して接離移動するスライダ部と、を備えていることを特徴とする。
【０００７】
この発明では、ピストンの上下移動をアーム部の揺動運動を介してクランク軸の回転運動に変換することができる。そのため、アーム部の揺動位置及び揺動範囲を好適に調節することによって、吸気過程、圧縮過程、膨張過程、排気過程にかかるクランク軸の回転角の配分を変化させピストンの上下運動に係る時間を異ならせることができる。
【０００８】
また、本実施形態に係る内燃機関は、前記内燃機関であって、前記スライダ部を前記アーム部の延在方向に直線的に往復移動させるガイド部が、前記アーム部に設けられていることを特徴とする。
この発明では、直線運動案内を行うガイド部を介してスライダ部がアーム部上を往復移動するので、アーム部の揺動運動とクランク軸の回転運動との変換を効率よく行うことができる。
【０００９】
また、本実施形態に係る内燃機関は、前記内燃機関であって、前記第一枢支部及び前記第二枢支部を結ぶ第一仮想線と、前記第一枢支部及び前記第三枢支部を結ぶ第二仮想線とが、一定の角度で交差していることを特徴とする。
【００１０】
この発明では、第一枢支部及び第二枢支部を結ぶ第一仮想線と、第一枢支部及び第三枢支部を結ぶ第二仮想線とが、一定の角度（オフセット角）で交差しているので、力点が角度θだけオフセットされて、ピストンの最高移動速度のピーク位置をずらすことができる。したがって、ピストンの速度変化と燃焼反応状況とのタイミングをあわせることができ、ピストンの膨張過程では、有害物質の低減を図ることができる他、既存の内燃機関のピストン運動速度よりも遅くすることができるため、従来よりも燃焼最高速度以下で膨張力を受け止めることができ、力を出やすくすることが可能である。
【００１１】
また、本実施形態に係る内燃機関は、前記内燃機関であって、排気バルブの全ポート面積が、前記吸気バルブの全ポート面積よりも大きいことを特徴とする。
【００１２】
この発明では、排気過程におけるピストンの移動速度は速いので、排気過程が短時間で行われるが、排気バルブのポート面積（各排気バルブのポート面積の合計）が大きいので、十分な量の排気ガスを排出させることができる。一方、吸気バルブの全ポート面積（各吸気バルブのポート面積の合計）が少ないが、吸気過程におけるピストンの移動速度が遅く、吸気過程が時間をかけて行われるので、十分な気体を吸気することができる。
【００１３】
また、本実施形態に係る内燃機関は、前記内燃機関であって、前記気体を吸気して前記ピストンが下死点から上死点に向かって移動した後で、前記吸気バルブが閉じられることが通常時の運転状況であることを想定している。
このときは、圧縮過程においてシリンダ内の気体を逃がすことができ、圧縮にかかる負荷を減らすことができ、燃費の向上を図ることができる。
また、一時的にさらなる出力向上（回転数の上昇）を求める際には吸気バルブタイミング可変機構を有するエンジンを用いて吸気バルブのタイミングを変化させ、燃料が予混合の場合にはノッキング現象を抑えるために利用し、ディーゼル内燃機関では圧縮酸素量が多くなるように変化させ、燃料噴射時には残留酸素が少なくなる程度に燃料をシリンダ内に供給する。いずれの場合も燃焼状態は理論空燃比に近い状況を目的とし、三元触媒によって排ガス中の有害成分を還元・酸化によって浄化できるものとする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、吸気過程、圧縮過程、膨張過程、排気過程の時間配分を変更して、低燃費化、高トルク化、排出ガスの有害物質の低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明に係る一実施形態の内燃機関について、図１から図１４を参照して説明する。
本実施形態に係るレシプロ４サイクルエンジン（内燃機関：以下、エンジンと称する。）１は、シリンダヘッドに吸気バルブ２と排気バルブ５とが設けられたシリンダ３と、該シリンダ３内を往復運動可能に配されたピストン６と、該ピストン６に他の部材を介して接続されたクランク軸７とを備え、吸気バルブ２からシリンダ３内に流入された混合ガス又は空気を燃焼し、燃焼後のガスを排気バルブ５から排気する間に、シリンダ３内に配されたピストン６の往復運動をクランク軸７の回転運動に変換する内燃機関である。
【００１６】
このエンジンは、クランク軸７の回転中心から一定の距離に離れて配された第一枢支部８を揺動中心として揺動するアーム部１０と、第一枢支部８から一定の距離に離れてアーム部１０に配された第二枢支部１１にて基端が回転自在に接続されたコンロッド１２と、クランク軸７に基端が固定されたクランクアーム７Ａと、該クランクアーム７Ａの他端が回転自在に接続された第三枢支部１３が配されてアーム部１０上を第一枢支部８に対して接離移動するスライダ部１５と、を備えている。
【００１７】
上記アーム部１０には、スライダ部１５をアーム部１０の延在方向に直線的に往復移動させる直線状に延びるガイド部１６が設けられている。例えば、ガイド部１６は、ＴＨＫ製のＬＭガイド（直線運動案内）が適用される。そして、アーム部１０は、クランク軸７の回転中心Ｐと第一枢支部８とを結ぶ仮想線Ｌを中心として、例えば、３０度ずつ揺動するように配されている。すなわち、このエンジンでは、スライダ部１５を往復移動可能に取り付けたアーム部１０が、揺動機構を構成している。
なお、クランク軸７は、シリンダ３の多気筒化（３気筒以上）や図示しないフライホィールの慣性力、電動アシストにより、等速に回転できる状態となっている。
【００１８】
第一枢支部８及び第二枢支部１１を結ぶ第一仮想線Ｌ１と、第一枢支部８及び第三枢支部１５を結ぶ第二仮想線Ｌ２とは、一定の角度（オフセット角）θで交差している。ここでは、θ＝２０．５５４度となっている。なお、ガイド部１６は、第一仮想線Ｌ１と平行となるように配されている。
【００１９】
吸気バルブ２及び排気バルブ５は、シリンダ３のシリンダヘッドに配されている。本実施形態では、図９に示すように、吸気バルブ２と排気バルブ５との数量比が、１対３となっており、排気バルブ５の全ポート面積が、吸気バルブ２の全ポート面積の３倍大きくなっている。バルブの開閉は、クランク軸７から図示しないＶベルトにより１／２回転に減速された、図示しないカムシャフトによって制御されている。
【００２０】
吸気バルブ２は、混合ガス又は空気を吸気してピストン６が下死点Ｐ１に到達したときではなく、下死点Ｐ１に到達してさらに上死点Ｐ２に向かって移動した後で閉じられるように、タイミングが調整されている。ここでは定常回転数（定常出力）を想定しているため、吸気バルブタイミング可変機構を取り入れていないが、吸気バルブタイミングの調整に下記の公報に記載のような制御機構を用いることにより、そのタイミングは自由に変化させることが可能である。
【００２１】
特開平５−５９９１５号公報
特開平５−７１３６９号公報
特開平５−９９００６号公報
特開平５−１１８２３２号公報
特開平５−１５６９７２号公報
特開平５−１６３９６９号公報
特開平５−３３２１０５号公報
特開平１０−２２７２３６号公報
特開平１１−１７３１７５号公報
特開平１１−１３４２９号公報
【００２２】
本発明に係る内燃機関は圧縮過程前の吸気過程におけるカムの必要角度は、圧縮時の必要角度に比べて大きいため、可変バルブタイミング制御機構を気体の圧縮比変化に用いる場合に、１／２に減速されたカムにおいて圧縮過程に必要な角度より吸気過程に必要な角度が大きいため、圧縮側を例として圧縮過程半分（１／２）ずらした場合でも吸気過程側に与える影響分は１／４であり、吸気バルブタイミング可変機構を圧縮率の変化に適用させることは従来よりも容易となる。
【００２３】
また、下記公報に記載の装置等によりディーゼル内燃機関での利用でも排気ガスが酸素過多にならないように吸気バルブタイミング可変機構を利用しつつ、理論空燃比に近い状況にする燃料を噴射することで窒素酸化物質を三元触媒にて浄化することが可能になり環境負荷を低減する。
【００２４】
特開平１１−３２４７３９号公報
特開平１０−２５２４７６号公報
特開２００５−１１３７０４号公報
特開平８−１７７５８８号公報
【００２５】
次に本実施形態に係るエンジン１の作用について説明する。
まず、図１から図５に示す状態が吸気過程となる。図１に示すように、ピストン６が上死点Ｐ１の位置にあるときには、アーム部１０が最も揺動した状態となり、仮想線Ｌと第一仮想線Ｌ１とのなす角度θが３０度となる。このとき、仮想線Ｌとクランクアーム７Ａの延びる方向（クランク軸７の回転中心Ｐと第三枢支部１３とを結ぶ方向）とのなす角度は、６０度となっている。
【００２６】
ピストン６が下死点Ｐ２側に移動し、吸気バルブ２が開いて混合ガス又は空気がシリンダ３内に吸気される。この間、図２から図５に示すように、ピストン６が下死点Ｐ２に到達した際には、クランク軸７が、図１に示す状態から、従来の１８０度よりも６０度多い２４０度も回転する。同時に、スライダ部１５が、ガイド部１６上を第一枢支部８側から第二枢支部１１側に移動して、アーム部１０が６０度揺動する。
【００２７】
このとき、ピストン６の上死点Ｐ１から下死点Ｐ２までの移動にかかる時間は、ピストンのストロークやクランク軸の回転数が同一の場合、従来のエンジンに比べて遅くなり、全体のサイクルの１／３になる。また、図６に示すように、吸気バルブ２のみが開となり、排気バルブ５はすべて閉状態となっている。従って、混合ガス又は空気がシリンダ３内にゆっくり充填され、対流が形成される。同時にシリンダ３が冷却される。
【００２８】
圧縮過程は、図５、図７、及び図８に示された状態となる。ピストン６が下死点Ｐ２から上死点Ｐ２に移動する間、クランク軸７は従来の１８０度よりも６０度少ない１２０度だけ回転する。一方、アーム部１０は、吸気過程と同様に６０度揺動する。即ち、アーム部１０の変動角が６０度の場合には、吸気過程の半分の時間、即ち、全体のサイクルの１／６で圧縮過程が終了する。
【００２９】
出力の向上を求める際には、図９に示すように、全てのバルブを閉めて気体の圧縮を行うが、ここでは、アトキンソンサイクル（ミラーサイクル）を利用して、圧縮過程の途中まで、吸気バルブ２を開き気体を外部に逃がして、圧縮時の負荷を軽減する。このとき、気体が燃料との予混合気体の場合には、吸気過程と同様、図６に示すように、吸気バルブ２のみを開とする。
【００３０】
膨張過程では、ピストン６の位置、アーム部１０及びクランク軸７の移動状態が、図１から図５に示すように、吸気過程と同様となる。燃料予混合気体では図示していない点火プラグにより図１の位置で点火を行うが、空気のみの圧縮によるディーゼル内燃機関では図に示していない高圧燃料噴射装置により理論空燃費実現に必要量の燃料がシリンダ内に噴射され燃焼し膨張過程となる。すなわち、クランク軸７が６０度分多く回転することによって、従来のエンジンよりもより多く膨張エネルギーがクランク軸７の回転運動に変換される。また、各バルブ２，５の状態は、図９に示すように、全て閉状態となっている。
【００３１】
排気過程は、ピストン６の位置、アーム部１０及びクランク軸７の移動状態が、図５、図７、及び図８に示すように、圧縮過程と同様となる。すなわち、従来よりも６０度だけ少ないクランク軸７の回転角によって、ピストン６を移動させる。そのため膨張過程の半分の時間で排気過程は終了する。排気過程では以上のように短時間で排気ガスを外に出す必要があるため、図１１に示すように、全ての排気バルブ５が開放され、排気がスムーズに処理される。
【００３２】
このように本実施形態のエンジン１によれば、混合ガス又は空気の燃焼により得られたエネルギーによるコンロッド１２を介してのピストン６の上下移動を、アーム部１０の揺動運動を介してクランク軸７の回転運動に変換することができる。そのため、アーム部１０の揺動位置及び揺動範囲を好適に調節することによって、クランク軸７の回転速度を一定に維持しながらピストン６の上下運動に係る時間を好適に異ならせることができる。したがって、吸気過程、圧縮過程、膨張過程、排気過程の時間配分を変更して、低燃費化、高トルク化を図るとともにディーゼル内燃機関の窒素酸化物質低減を実現することが可能となる。
【００３３】
また、直線運動案内を行うガイド部１６を介してスライダ部１５がアーム部１０上を往復移動するので、アーム部１０の揺動運動とクランク軸７の回転運動との変換を効率よく行うことができる。
この際、第一仮想線Ｌ１と第二仮想線Ｌ２とが、一定の角度θで交差しているので、力点が角度θだけオフセットされて、ピストン６の最高移動速度のピーク位置をずらすことができる。したがって、図１３から図１５に示すように、オフセット角である角度θの値を変化させることにより、ピストン６の速度変化と燃焼反応とのタイミングをあわせることができる。また、吸気過程でバルブタイミング機構を採用し、排気側にカムの角度をずらした際にはピストン６の最高速度移動速度のピーク位置が遅くなることは優位に作用する。ここで、図１３から図１５に示すグラフにおいて、横軸はクランク軸７の回転角（度）を示し、縦軸は１度毎の容積変化量（ｍｍ3）、即ち、ピストン６の速度変化を示している。
【００３４】
さらに、排気過程におけるピストン６の移動速度が速く、排気過程が短時間で行われるが、排気バルブ５のポート数が吸気バルブ２のポート数よりも多く、排気バルブ５の全ポート面積が吸気バルブ２の全ポート面積よりも大きいので、十分な量の排気ガスを排出させることができる。一方、吸気過程におけるピストンの移動速度が遅く、吸気過程は時間をかけて行われるので、吸気バルブ２のポート数が少なく吸気バルブ２の全ポート面積が小さくても十分に吸気可能である。
【００３５】
また、混合ガス又は空気を吸気してピストン６が下死点Ｐ２から上死点Ｐ１に向かって移動した後で、吸気バルブ２が閉じられる。即ち、アトキンソンサイクル（ミラーサイクル理論）を適用しているので、圧縮過程時においてもシリンダ３内のガスを逃がすことができ、圧縮にかかる負荷を減らすことができ、燃費の向上を図ることができる。なお、一般的にアトキンソンサイクルを適用すると燃費の向上が見込まれるが、出力は同容積のシリンダーエンジンに比べて劣る。しかしながら、本実施形態では、膨張過程で多くの回転エネルギーを回収できることに加え可変バルブタイミング機構を用いた場合には同容積分の出力を発生することが可能となり最大出力低下を相殺することが可能になる。
【００３６】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００３７】
例えば、本実施形態では、アーム部１０が６０度で揺動するとしているが、これに限らない。また、エンジンは、レシプロエンジンであれば、ガソリンエンジンでもディーゼルエンジンでも構わない。特に、本発明では、長いストロークのシリンダを採用することが望ましいので、ディーゼルエンジンに適用することが好適である。
また、本発明のエンジンは、等速運転に向いているので、発電用やハイブリッド自動車のエンジンなどにも好適である。なお、本発明のエンジンでは、揺動機構となるアーム部１０を軽量化すれば、エンジンの高回転化を図ることが可能になる。
【００３８】
なお、このエンジンをオケダサイクルエンジン（オケダサイクル理論）と称する。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンを示す要部構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るエンジンの吸気過程及び膨張過程における状態を示す説明図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るエンジンの吸気過程及び膨張過程における状態を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るエンジンの吸気過程及び膨張過程における状態を示す説明図である。
【図５】本発明の一実施形態に係るエンジンの吸気過程及び膨張過程における状態を示す説明図である。
【図６】本発明の一実施形態に係るエンジンの吸気過程におけるバルブの開閉状態を示す説明図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るエンジンの圧縮過程及び排気過程における状態を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るエンジンの圧縮過程及び排気過程における状態を示す説明図である。
【図９】本発明の一実施形態に係るエンジンの圧縮過程及び膨張過程におけるバルブの開閉状態を示す説明図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係るエンジンの排気過程におけるバルブの開閉状態を示す説明図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係るエンジンのピストン運動量の変化を示すグラフである。
【図１２】図１１において、第一仮想線と第二仮想線とのなす角度をθ＝０度とした場合である。
【図１３】図１１において、第一仮想線と第二仮想線とのなす角度をθ＝−２０．５５４度とした場合である。
【符号の説明】
【００４０】
１…エンジン（内燃機関）、２…吸気バルブ、３…シリンダ、５…排気バルブ、６…ピストン、７…クランク軸、８…第一枢支部、１０…アーム部、１１…第二枢支部、１２…コンロッド、１３…第三枢支部、１５…スライダ部、１６…ガイド部、Ｌ１…第一仮想線、Ｌ２…第二仮想線
【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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