(57)【要約】【課題】圧縮比又は排気量を容易に可変とすることのできる内燃機関を提供する。【解決手段】エンジン１は、出力軸１０に沿って往復動するピストンの動きと、出力軸１０（出力軸１０に周設された斜板４０）の回転とを連動させて機関出力を発生させる。エンジン１は、出力軸１０に対する斜板４０の傾斜角θを変更する機能を備えた傾斜角変更機構と、斜板４０全体を出力軸１０に沿って移動させる機能を備えた距離変更機構と、吸気弁５，６及び排気弁７，８を駆動し、所定のタイミングで吸気ポート３ｂ，４ｂ及び排気ポート３ｃ，４ｃを開閉する電磁駆動機構５ａ，６ａ，７ａ，８ａとを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関出力軸に周設され且つ該出力軸に対し所定の傾斜角を有する斜板と、
燃料及び空気の混合気を爆発させる燃焼室と、
前記斜板に駆動連結し、前記燃焼室内で発生する爆発力を前記斜板に対し略軸方向に作用させて前記斜板を回転させるピストン機構と、
前記斜板の位置と前記燃焼室との軸方向距離を変更する距離変更機構と、
を備える内燃機関。
【請求項２】
前記距離変更機構は、
前記斜板が前記機関出力軸を中心に回転可能となるように、該斜板を支持する回転支持手段と、
該回転支持手段を軸方向に移動させ、前記斜板の位置と前記燃焼室との軸方向距離を変更する距離変更手段と、
を備える請求項１記載の内燃機関。
【請求項３】
前記斜板及び前記燃焼室間の距離に関連するパラメータを検出する距離検出手段を備える請求項１又は２記載の内燃機関。
【請求項４】
機関出力軸に周設され且つ該出力軸に対し所定の傾斜角を有する斜板と、
燃料及び空気の混合気を爆発させる燃焼室と、
前記斜板に駆動連結し、前記燃焼室内で発生する爆発力を前記斜板に対し略軸方向に作用させて前記斜板を回転させるピストン機構と、
前記斜板の傾斜角を変更する傾斜角変更機構と、
を備える内燃機関。
【請求項５】
前記傾斜角変更機構は、
前記斜板が前記出力軸との連結部位を支点として軸方向に揺動可能となり、且つ、前記出力軸を中心に回転可能となるように、該斜板を支持する揺動支持手段と、
該回転支持手段を軸方向に移動させ、前記斜板の軸方向傾斜角を変更する傾斜角変更手段と、
を備える請求項４記載の内燃機関。
【請求項６】
前記斜板の傾斜角に関連するパラメータを検出する傾斜角検出手段を備える請求項４又は５記載の内燃機関。
【請求項７】
電磁力に基づいてその変位動作が制御される吸気弁と、
電磁力に基づいてその変位動作が制御される排気弁と、
を備える請求項１〜６何れかに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、圧縮比又は排気量を可変とする機能を備えた内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関の圧縮比や排気量は、機関出力に対応する熱効率やポンプ損失の大きさを決定づける要素である。このため、機関の運転状態、例えば負荷や回転数等に応じて最適な圧縮比又は排気量を選択することができれば、広い運転領域で熱効率を高め、またポンプ損失を小さくすることができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平１１−２９４１８２号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、燃焼室内で発生する燃料の爆発力を出力軸の回転力に変換する通常の内燃機関にとって、圧縮比や排気量を可変とするためには、燃焼室の容積の最大値や最小値を変化させることが必要となり、複雑な装置構成の導入が余技なくされていた。
【０００５】
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧縮比又は排気量を容易に可変とすることのできる内燃機関を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明は、（１）内燃機関として、機関出力軸に周設され且つ該出力軸に対し所定の傾斜角を有する斜板と、燃料及び空気の混合気を爆発させる燃焼室と、前記斜板に駆動連結し、前記燃焼室内で発生する爆発力を前記斜板に対し略軸方向に作用させて前記斜板を回転させるピストン機構と、前記斜板の位置と前記燃焼室との軸方向距離を変更する距離変更機構と、を備えることを要旨とする。
【０００７】
このような機関によれば、構成の複雑化を伴うことなく、当該機関の各気筒内を往復動するピストンの動作範囲、とくに当該機関の圧縮比を変更することができる。この結果、例えば当該機関の運転状態（例えば機関回転数等）に応じて圧縮比を好ましい値に制御することができ、もって当該機関の燃費効率を向上させることができる。
【０００８】
（２）また、前記距離変更機構は、前記斜板が前記機関出力軸を中心に回転可能となるように、該斜板を支持する回転支持手段と、該回転支持手段を軸方向に移動させ、前記斜板の位置と前記燃焼室との軸方向距離を変更する距離変更手段と、を備えるのが好ましい。
【０００９】
このような機関によれば、より簡易な構成により、当該機関の圧縮比を変更することができる。
【００１０】
（３）また、前記斜板及び前記燃焼室間の距離に関連するパラメータを検出する距離検出手段を備えるのが好ましい。
【００１１】
上記各構成において変更されるピストンの動作範囲を正確に把握し、例えば当該機関の運転状態をより緻密に制御することができる。
【００１２】
また他の発明は、（４）内燃機関として、機関出力軸に周設され且つ該出力軸に対し所定の傾斜角を有する斜板と、燃料及び空気の混合気を爆発させる燃焼室と、前記斜板に駆動連結し、前記燃焼室内で発生する爆発力を前記斜板に対し略軸方向に作用させて前記斜板を回転させるピストン機構と、前記斜板の傾斜角を変更する傾斜角変更機構と、を備えることを要旨とする。
【００１３】
このような内燃機関によれば、構成の複雑化を伴うことなく、機関の各気筒内を往復動するピストンの動作範囲、とくにピストンのストローク量を変更することができる。この結果、例えば当該機関の運転状態（例えば機関回転数等）に応じてピストンスのトローク量を好ましい値に制御することができ、もって当該機関の燃費効率を向上させることができる。
【００１４】
（５）また、前記傾斜角変更機構は、前記斜板が前記出力軸との連結部位を支点として軸方向に揺動可能となり、且つ、前記出力軸を中心に回転可能となるように、該斜板を支持する揺動支持手段と、該回転支持手段を軸方向に移動させ、前記斜板の軸方向傾斜角を変更する傾斜角変更手段と、を備えるのが好ましい。
【００１５】
このような機関によれば、より簡易な構成により、当該機関のピストンのストローク量を変更することができる。
【００１６】
（６）また、前記斜板の傾斜角に関連するパラメータを検出する傾斜角検出手段を備えるのが好ましい。
【００１７】
上記各構成において変更されるピストンの動作範囲を正確に把握し、例えば当該機関の運転状態をより緻密に制御することができる。
【００１８】
（７）また、上記何れの発明にかかる構成においても、電磁力に基づいてその変位動作が制御される吸気弁と、電磁力に基づいてその変位動作が制御される排気弁と、を備えるのが好ましい。
【００１９】
同構成によれば、例えば当該機関が複数の気筒を備える場合に、機関燃焼（機関運転）を行う気筒数を変更する制御を行うことで、当該機関の排気量を制御することができる。一方、ピストンのストローク量を変更することによっても当該機関の排気量を制御することができる。そこで、機関燃焼を行う気筒数を変更する制御と、ピストンのストロークを変更する制御とを選択的に、若しくは組み合わせて行うことにより、同一の排気量を設定する場合であれ、例えば燃費効率を向上させる観点から、両制御のうち、より好ましい方を実施することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施の形態について、詳細に説明する。
【００２１】
〔エンジンの基本構造及び機能〕
図１に示すように、内燃機関（以下、エンジンという）１は、略円柱形状の本体部（シリンダブロック）２と、その円筒形状の一方の底面に配置された複数のシリンダヘッド（２個のみ図示）とが接続されて一体となり、その外郭構造をなす。
【００２２】
シリンダブロック２の内部には、出力軸１０、出力軸１０を取り巻く２本の気筒２０，３０、各気筒２０，３０内を往復動するピストン２１，３１、出力軸１０に対し所定の傾斜角θを有するように同軸１０に周設された円形の斜板４０が備えられる。シリンダヘッド３，４は、各気筒２０，３０を覆い且つピストン２１，３１の頂面２１ａ，３１ａと対峙する天井３ａを形成する。気筒２０，３０の内周面と、ピストン２１，３１の頂面２１ａ，３１ａと、シリンダヘッド３，４の天井３ａ，４ａとは、エンジン１の燃焼室を形成する。シリンダヘッド３，４には、燃焼室と外部とを連通するように、２種の孔が貫通形成されている。一方の孔（吸気ポート）３ｂ，４ｂは燃焼室に空気を導入する機能を有し、他方の孔（排気ポート）３ｃ，４ｃは燃焼室からの排気ガスを外部（図示しない排気通路）に排出する機能を有する。吸気ポート３ｂ，４ｂには、適宜のタイミングで同ポート３ｂ，４ｂを開閉する吸気弁５，６が設けられており、排気ポート３ｃ，４ｃには、適宜のタイミングで同ポートを開閉する排気弁７，８が設けられている。吸気弁５，６及び排気弁７，８は、電磁駆動機構５ａ，６ａ，７ａ，８ａによって駆動される。
【００２３】
斜板４０は、その表裏の周縁部に、各ピストン２１，３１を斜板４０の周方向に沿って移動自在となるように連結・支持する半円形状断面のレール４１，４２を備える。
【００２４】
吸気弁５，６及び排気弁７，８の開閉弁動作、燃料噴射弁（図示略）を通じた吸気ポート３ｂ，４ｂへの燃料供給動作、天井３ａ，４ａに設けられた点火プラグ（図示略）による電気火花の発生（点火動作）等に基づき、各気筒２０，３０に内装されたピストン２１，３１が往復動することにより、各気筒２０，３０の燃焼室内において、吸気、圧縮、爆発、排気行程が繰り返される。ここで、対応する燃焼室の容積を最小にする各ピストン２０，３０の位置を、上死点という。また、対応する燃焼室の容積を最大にする各ピストン２０，３０の位置を、下死点という。図１において、一方の気筒２０に内装されたピストン２１は上死点にあり、他方の気筒３０に内装されたピストン３１は下死点にある。図２に示すように、ピストン２１が下死点に移動し、ピストン３１が上死点に移動すると、斜板４０及び斜板４０に周設された出力軸１０が１８０°回転する。このようにして、燃料の爆発力によるピストン２１，３１の往復運動が斜板４０を介して出力軸１０の回転運動に変換される。
【００２５】
また、エンジン１には、出力軸１０の軸線Ｌに対する斜板４０の傾斜角θを変更することのできる傾斜角変更機構、或いは斜板４０全体を出力軸１０の軸線Ｌに沿って移動させることのできる距離変更機構等が構築されている。
【００２６】
また、エンジン１は、出力軸１０に対する斜板４０の相対的な位置や、斜板４０の傾斜角θに関連する信号を出力する距離センサ６０，６１を備える。
【００２７】
電子制御ユニット（ＥＣＵ）７０は、中央処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、バックアップＲＡＭ、エンジン１が運転している期間中に時間を計測するタイマー等からなるメイン回路と、Ａ／Ｄ変換器を含む外部入力回路と、外部出力回路とを備える。さらに、メイン回路と外部入力回路と内部入力回路とは、双方向性バスによって相互に接続されることにより論理演算回路を構成する。
【００２８】
このように構成されたＥＣＵ７０は、距離センサ６０，６１の信号を含め、エンジン１の運転状態に関連する各種の信号を入力する。そしてこれらの信号に基づき、電磁駆動機構５ａ，６ａ，７ａ，８ａ、第１モータＭ１及び第２モータＭ２を含め、エンジン１の各種構成要素に指令信号を送り、エンジン１の運転状態を最適化する制御を行う。
【００２９】
〔吸気弁及び排気弁の電磁駆動機構〕
以下、吸気弁５，６及び排気弁７，８を駆動し、所定のタイミングで吸気ポート３ｂ，４ｂ及び排気ポート３ｃ，４ｃを開閉する電磁駆動機構５ａ，６ａ，７ａ，８ａについて説明する。なお、各弁５，６，７，８に対応する電磁駆動機構５ａ，６ａ，７ａ，８ａは同一の原理に基づいて動作するため、ここでは吸気弁５の電磁駆動機構５ａについてのみ説明する。
【００３０】
吸気弁５は、軸部材５ｂ及び軸部材５ｂの先端に設けられた弁体５ｃを備える。そして、軸部材５ｂがその軸線に沿って往復動（変位）することにより、弁体５ｃが吸気ポート３ｂを開閉する。電磁駆動機構５ａは、例えば、軸部材５ｂをその軸線に沿って双方向に駆動力を付与することのできるスプリング（図示略）と、同じく軸部材をその軸線に沿って双方向に駆動力を付与し且つその力を制御することのできる電磁石（図示略）とを備える。このような構成を有する電磁駆動機構５ａは、スプリングと電磁石との協働によって吸気弁５を駆動する一方、ＥＣＵ７０からの指令信号に基づいて電磁石へ付与する電流値を調整することにより、吸気弁５の動作速度やタイミング等を制御する。
【００３１】
〔出力軸のトルクを得るための機構〕
ここで、各気筒２０，３０に内装されたピストン２１，３１の往復運動を出力軸１０の回転運動（軸トルク）に変換する機構について、詳しく説明する。
【００３２】
図３には、出力軸１０及び斜板４０の連結構造を示す。同図３に示すように、出力軸１０の外周には、出力軸１０と一体に回転し、且つ、出力軸１０に対し軸線Ｌに沿って相対的な直線運動を行うことが可能な円筒部材（第１回転支持体）１１が設けられている。第１回転支持体１１の外周には、当該第１回転支持体１１の径方向に突出するように、支持軸１２が設けられる。支持軸１２は、斜板４０を揺動可能に支持する。ピストン２１，３１が気筒２０，３０内を往復動すると、斜板４０に軸トルクが発生し、この軸トルクが支持軸１２及び第１回転支持体１１を介して出力軸１０に伝達される。
【００３３】
〔傾斜角変更機構〕
次に、出力軸１０に対する斜板４０の傾斜角θを変更する機能を備えた傾斜角変更機構について、詳しく説明する。
【００３４】
出力軸１０（第１回転支持体１１）の外周を囲むように設けられる第２回転支持体８１は、継手８１ａを介して斜板４０に連結されている。また、出力軸１０（第１回転支持体１１）の外周を囲むように設置される第１台座８０は、継手８１ａに対してスラスト軸受けを構成し、第２回転支持体８１を出力軸１０の周りで回転可能となるように支持する。
【００３５】
電動式の第１モータＭ１によって駆動される回転軸（ウォームギア）８２は、歯車８３とギア連結する。歯車に取り付けられる連結部材８４は、出力軸１０の軸方向に直交する方向に形成される孔８４ａを有する。
【００３６】
一方、第１台座８０には、出力軸１０に直交する方向に延びるロッド８０ａが設けられている。ロッド８０ａは、連結部材８４に形成された孔８４ａを貫通する。
【００３７】
第１モータＭ１によって回転軸（ウォームギア）８２が回転すると、これに連動して歯車８３が回転する。すると、歯車８３の回転運動に連動する連結部材８４がロッド８０ａを連れ回すことにより、第１台座８０が出力軸１０の軸線Ｌに沿って動作する。
【００３８】
図４（ａ）及び図４（ｂ）において模式的に示すように、第１台座８１が軸線Ｌに沿って動作すると、これと一体に第２回転支持体８１及び継手８１ａも軸線Ｌに沿って動くため、斜板４０が支持軸１２を中心に揺動し、出力軸１０に対する斜板４０の傾斜角θが変更される。
【００３９】
出力軸１０に対する斜板４０の傾斜角θが変更されると、各気筒２０，３０内に形成される燃焼室の容積の最小値（上死点に対応）と最大値（下死点に対応）との差（ピストン２１，３１のストローク量）も変更されるため、結果としてエンジン１の排気量が変更される。
【００４０】
〔距離変更機構〕
次に、斜板４０全体を出力軸１０に沿って移動させる機能を備えた距離変更機構について、詳しく説明する。
【００４１】
出力軸１０の外周を囲むように設置される第２台座９０は、スラスト軸受けを構成し、第１回転支持体１１を軸周りに回転可能となるように支持する。また、第１回転支持体１１が、出力軸１０と一体に回転し、且つ、出力軸１０に対し軸方向には相対運動が可能であることは上述した通りである。
【００４２】
図５において模式的に示すように、第２台座９０もまた、電動式の第２モータＭ２の駆動力を利用することにより、回転軸（ウォームギア）９２、ロッド９０ａ、歯車９３及び連結部材９４を介し、第１台座８０と同様の原理に基づき出力軸１０の軸線Ｌに沿って動作する。第２台座９０が軸線Ｌに沿って動作すると、これと一体に第１回転支持体１１が軸線Ｌに沿って動作する。これにより、斜板４０全体の位置（第１回転支持体１１の外周に設けられる支持軸１２の位置）が変更される（出力軸１０に沿って平行移動する）。斜板４０全体の位置が出力軸１０に沿って平行移動すると、ピストン２１，３１の上死点（及び下死点）が変更されるため、その結果として、エンジン１の圧縮比が変更される。
【００４３】
なお、第１台座近傍に設けられる第１距離センサ６０は、同センサ６０及び第１台座間の出力軸方向距離に対応する信号を出力し、第２台座９０近傍に設けられる第２距離センサ６１は、同センサ６１及び第２台座間の出力軸方向距離に対応する信号を出力する。ＥＣＵ７０は、両センサ６０，６１の信号に基づいて、出力軸１０に対する斜板４０の傾斜角θと、斜板４０全体の位置、ひいてはエンジン１の排気量と圧縮比を把握する。
【００４４】
このような構成を有するエンジン１では、ＥＣＵ７０の指令信号を通じ、その運転状態に応じて排気量や圧縮比を最適値に制御することができる。
【００４５】
例えば、エンジン１の運転状態が高負荷領域・高回転領域にある場合、ノッキングが生じやすくなるため、圧縮比を低くすることにより、ノッキングの発生を優先的に抑制する。一方、エンジン１の運転状態が中負荷領域・低中回転領域にある場合、圧縮比を上げることによって熱効率を上げ、機関出力の増大を優先的に図るようにすればよい。
【００４６】
また例えば、エンジン１の回転数が低い場合には排気量を大きくし、エンジン１の運転状態が高い場合には排気量を小さくすることにより、エンジンの回転数によらず安定した出力を確保しつつ、燃費効率を向上させることができる。
【００４７】
さらにエンジン１は、傾斜角変更機構の機能を活用してピストンのストローク量を変更するばかりでなく、電磁駆動機構の機能を活用して機関燃焼を行う気筒の数を変更することによって、排気量を最適化する制御を行うこともできる。すなわち、エンジン１を構成する複数の気筒のうち、任意の気筒について電磁駆動機構の作動を停止することにより、その気筒における機関燃焼を休止し、エンジン１全体の排気量を減少させることができる。このようにエンジン１では、エンジン１全体の排気量を特定の値に制御する上で、各気筒におけるピストンのストローク量を制御する方法（ストローク量制御）と、機関燃焼を行う気筒の数を制御する方法（気筒数制御）とを選択することができる。エンジン１全体の排気量を同一の値に制御する場合であっても、ストローク量制御及び気筒数制御の何れを優先的に実行するのかによって、機関運転に伴うポンプ損失、機械的なエネルギー損失、或いは冷却損失等が異なる。従って、ＥＣＵ７０は、ポンプ損失、機械的なエネルギー損失及び冷却損失が最小化され、エンジン１の燃費効率が最適化されるように、両制御の何れか一方を選択的に、或いは両制御を組み合わせて実行するための制御構造を記憶しておけばよい。
【００４８】
ここで、従来よく知られたレシプロエンジンのように、気筒内におけるピストンの動作方向が出力軸１０の軸方向に直交する内燃機関にとって、複雑な機構を導入することなく、気筒内を往復動するピストンの動作範囲を可変制御することは困難であった。
【００４９】
この点、本実施の形態にかかるエンジン１のように、出力軸１０に沿って往復動するピストンの動きと、出力軸１０（出力軸１０に周設された斜板４０）の回転とを連動させて機関出力を発生させるエンジンに、傾斜角変更機構或いは距離変更機構を組み込んだ構成を採用すれば、各気筒内を往復動するピストンの動作範囲を容易に制御することができる。この結果、内燃機関の排気量（ピストンのストローク量）や圧縮比を自在に変更することができるようになる。
【００５０】
なお、本実施の形態にかかるエンジン１の各気筒で採用した電磁駆動機構に替え、いわゆる出力軸１０の回転に連動するカムシャフトの回転に基づいて吸気弁や排気弁を駆動する構成を適用しても、上記実施の形態に順ずる効果を奏することはできる。
【００５１】
また、本実施の形態では、エンジン１の圧縮比を変更するために、第２モータＭ２を駆動する説明のみを行った。しかしながら、第２モータＭ２の駆動（第２台座９０の動き）に同期するように第１モータＭ１を作動させ、第１台座を動かすようにしてもよい。このような制御を実施することにより、斜板４０の可動範囲（制御の自由度）を拡大することができる。
【００５２】
また、エンジンに搭載される気筒の数（出力軸１０の軸周りに配置される気筒の数）は、例えばエンジン全体に要求される排気量や搭載性を考慮して適宜選択することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、構成の複雑化を伴うことなく、機関の各気筒内を往復動するピストンの動作範囲を変更することができる。この結果、ピストンの動作範囲を、例えば当該機関の運転状態に応じて好ましい値に制御することができ、もって当該機関の燃費効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態にかかるエンジンの主要断面構造を示す略図。
【図２】図１のエンジンの出力軸が１８０°回転した状態を示す図。
【図３】同実施の形態にかかるエンジン内部の斜板近傍における構造を示す略図。
【図４】傾斜角変更機構の主要部の動作を模式的に示す図。
【図５】距離変更機構の主要部の動作を模式的に示す図。
【符号の説明】
１  エンジン
２  シリンダブロック
３，４  シリンダヘッド
３ａ，４ａ  天井
３ｂ，４ｂ  吸気ポート
３ｃ，４ｃ  排気ポート
５，６  吸気弁
５ａ，６ａ，７ａ，８ａ  電磁駆動機構
５ｂ  軸部材
５ｃ  弁体
７，８  排気弁
１０  出力軸
１１  第１回転支持体（回転支持手段の構成要素）
１２  支持軸
２０，３０  気筒（ピストン機構の構成要素）
２１，３１  ピストン（ピストン機構の構成要素）
２１ａ，３１ａ  頂面
４０  斜板
４１，４２  レール
６０  第１距離センサ（傾斜角検出手段の構成要素）
６１  第２距離センサ（距離検出手段の構成要素）
７０  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
８０ａ  ロッド
８１  第２回転支持体（回転支持手段の構成要素）
８１ａ  継手（回転支持手段の構成要素）
８２  ウォームギア
８３  歯車
８４  連結部材
８４ａ  孔
９０  第２台座
９０ａ  ロッド
９２  ウォームギア
θ  傾斜角
【図１】
2004245092.tif 000003
【図２】
2004245092.tif 000004
【図３】
2004245092.tif 000005
【図４】
2004245092.tif 000006
【図５】
2004245092.tif 000007