(57)【要約】【課題】燃焼用気筒の他に燃焼ガスのエネルギを回収するための補助気筒を設けている内燃機関において、構造を簡単化しつつエネルギの回収効率を高める。【解決手段】燃焼用気筒４はクランク軸９の軸心と直交した姿勢に形成されており、メインピストン７とクランク軸９とは第１連接棒１２で接続されている。補助気筒６は燃焼用気筒４よりも大径であり、燃焼用気筒４とはオフセットされた位置に形成されている。補助ピストン８とクランク軸９と第２連接棒１８で連結されている。メインピストン７と補助ピストン８とは１本のクランク軸９に連結されているため構造が簡単になると共に、補助ピストン８をメインピストン７に対するバランサとして機能させることができ。第２連接棒１８は補助気筒６の軸線に対して傾斜しているため、補助ピストン８の下降エネルギをクランク軸９の回転エネルギに効率良く変換できる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料の燃焼によって往復動するメインピストンが摺動自在に嵌め入れられた４サイクル方式燃焼用気筒と、前記メインピストンが連接棒を介して連結されたクランク軸と、前記燃焼用気筒から排出された排気ガスによって駆動される補助ピストンを摺動自在に嵌め込んだエネルギ回収用補助気筒とを有する構成であって、
前記燃焼用気筒は前記クランク軸の軸線と略直交した姿勢で配置されている一方、前記補助気筒は、前記クランク軸の軸線方向から見て前記燃焼用気筒の右又は左にずらして配置されており、かつ、前記補助ピストンは連接棒を介して前記クランク軸に連結されており、前記メインピストンの往復動と補助ピストンの往復動との位相をクランク軸の回転角度で略１８０度異ならせている、
内燃機関。
【請求項２】
燃料の燃焼によって往復動するメインピストンが摺動自在に嵌め入れられた４サイクル方式燃焼用気筒と、前記メインピストンが連接棒を介して連結されたクランク軸と、前記クランク軸に連接棒を介して連結された補助ピストンが嵌め込まれた補助気筒とを有しており、前記燃焼用気筒と補助気筒とは密閉状態のクランク室に連通しており、前記メインピストンの往復動によってクランク室の内圧が変動する構成であって、
前記クランク室には内部のガスを排出するブローバイガス還流制御弁を設けており、前記ブローバイガス還流制御弁は、前記補助気筒が上昇行程のときには閉じて下降行程のときには開くように制御される、
内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼用気筒の他にエネルギ回収用の補助気筒を有する４サイクル内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レシプロ式内燃機関において、ピストンは燃焼ガスによってクランク軸の方向に移動するが、ピストンが下死点まで移行し切った状態でも燃焼ガスは正圧を保っており、このため、エネルギが無駄に捨てられている。そこで、燃焼用気筒の他にエネルギ回収用の補助気筒を設けて、燃焼用気筒が排気行程のときに燃焼ガスを補助気筒に移動させて、補助気筒に嵌まった補助ピストンを燃焼ガスで駆動することが提案されている。
【０００３】
その例として特許文献１には、燃焼用気筒と補助気筒とを直列に配置して、燃焼用気筒のメインピストンと補助気筒の補助ピストンとがそれぞれ連接棒を介してクランク軸に連結された構成が開示されている。他方、特許文献２には、補助気筒の補助ピストンは専用の補助クランク軸に連結して、補助クランク軸の回転をチェーンにて燃焼用気筒のクランク軸（メインクランク軸）に伝達する機構が開示されている。
【０００４】
また、いずれの特許文献においても、補助気筒の内径（容積）を燃焼用気筒の内径（容積）より大きくしており、燃焼ガスを減圧して補助気筒に流入させることにより、燃焼ガスが補助気筒に流入すること（すなわち、燃焼ガスが仕事をすること）を確実ならしめている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実公昭１７−８０９号公報
【特許文献２】実開平４−１７１１７号のマイクロフィルム
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、燃焼用気筒と補助気筒とでクランク軸を共通しているため動力取り出し機構は簡単になる利点があるが、燃焼用気筒のメインピストンが下死点にあるとき補助気筒の補助ピストンは上死点にあるため、補助ピストンの下降エネルギをクランク軸に効率よく伝達しにくいという問題がある。
【０００７】
つまり、膨張行程で補助ピストンが上死点から下降する状態においては、連接棒は補助気筒の軸線に対して回転方向に傾斜している方が、大きなモーメントをクランク軸に伝えることができて動力伝達効率がよいが、特許文献１では、連接棒を補助気筒の軸線と殆ど平行にした姿勢で補助ピストンを押し下げるため、補助ピストンに作用した力をクランク軸にモーメントとして伝達する効率が悪いのである。
【０００８】
他方、特許文献２では、燃焼用気筒のメインピストンが下死点にあるときに、補助気筒の補助ピストンは上死点から若干下降させており、このため、補助ピストンの下降エネルギを補助クランク軸に効率よく伝達できる利点がある。しかし、特許文献２では燃焼用気筒から排気ガスが流入する時点で、補助ピストンとシリンダヘッドとの間にはかなり大きな空間が空いているため、燃焼用気筒から送気された燃焼ガスの膨張率をあまり高くすることができず、その結果、エネルギの回収効率が良くないおそれがある。すなわち、特許文献では、補助ピストンに大きな運動エネルギを付与できないという問題がある。
【０００９】
また、特許文献２では補助クランク軸の回転をチェーンでメインクランク軸に伝達しているため、構造が複雑化して機関も大型化するのみならず、チェーンとスプロケットとの間の抵抗によってエネルギ回収効率が低下してしまうという問題がある。また、特許文献１では補助ピストンはメインピストンと逆の動きをするため、メインピストンの慣性力を打ち消して機関の振動を抑制に貢献させ得るが、特許文献２のようにメインピストンと補助ピストンとが別々のクランク軸に連結されていると、補助ピストンをメインピストンの振動抑制に有効活用できないという問題もある。
【００１０】
本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、できるだけ構造を簡単化しつつエネルギ回収効率に優れているなど、より改良された内燃機関を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１の本願発明は、燃料の燃焼によって往復動するメインピストンが摺動自在に嵌め入れられた４サイクル方式燃焼用気筒と、前記メインピストンが連接棒を介して連結されたクランク軸と、前記燃焼用気筒から排出された排気ガスによって駆動される補助ピストンを摺動自在に嵌め込んだエネルギ回収用補助気筒とを有する、という構成の内燃機関を対象にしている。
【００１２】
そして、請求項１の発明は、上記構成において、前記燃焼用気筒は前記クランク軸の軸線と略直交した姿勢で配置されている一方、前記補助気筒は、前記クランク軸の軸線方向から見て前記燃焼用気筒の右又は左にずらして配置されており、かつ、前記補助ピストンは連接棒を介して前記クランク軸に連結されており、前記メインピストンの往復動と補助ピストンの往復動との位相をクランク軸の回転角度で略１８０度異ならせている。
【００１３】
請求項２の発明は、燃料の燃焼によって往復動するメインピストンが摺動自在に嵌め入れられた４サイクル方式燃焼用気筒と、前記メインピストンが連接棒を介して連結されたクランク軸と、前記クランク軸に連接棒を介して連結された補助ピストンが嵌め込まれた補助気筒とを有しており、前記燃焼用気筒と補助気筒とは密閉状態のクランク室に連通しており、前記メインピストンの往復動によってクランク室の内圧が変動する、という構成の内燃機関を対象にしている。
【００１４】
そして、上記構成において、前記クランク室には内部のガスを排出するブローバイガス還流制御弁を設けており、前記ブローバイガス還流制御弁は、前記補助気筒が上昇行程のときには閉じて下降行程のときには開くように制御される。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の本発明によると、メインピストンと補助ピストンとは共通のクランク軸に連結されているため、動力取り出し機構を簡単化して機関の大型化を抑制できると共に、補助ピストンをメインピストンに対するバランサとして機能させることができるため、機関の振動抑制や高速回転化にも貢献できる。
【００１６】
また、燃焼用気筒と補助気筒とは直列配置でなくて、クランク軸の軸線方向から見て左又は右にずらして（オフセットして）配置されているため、補助ピストンが上死点にあるときに、当該補助ピストンに連結された連接棒を補助気筒の軸線に対して傾斜することになり、このため、補助気筒が膨張行程のときの補助ピストンの下降動をクランク軸の回転に効率よく変換することができる。また、補助気筒の膨張行程を補助ピストンが上死点にある状態から開始することができるため、燃焼用気筒から送られた燃焼ガスの膨張率を高くすることができる。
【００１７】
このように、補助ピストンの運動エネルギをクランク軸の回転エネルギに効率良く変換できることと、燃焼用気筒から送られた燃焼ガスの膨張率を向上できることとが相まって、エネルギの回収効率を向上することができる。特に、燃焼用気筒が３６０°ＣＡ位相配置の直列２気筒の場合は、２つの気筒は行程が３６０度ずれているため、補助ピストンの往復動を有効利用できて好適である。
【００１８】
さて、燃焼用気筒では、燃焼ガスがピストンの周囲からクランク室に吹き抜ける現象が見られる。そこで、クランク室に吹き抜けたブローバイガスを吸気系に還流させるブローバイガス還流通路を設けて、還流の制御をブローバイガス還流制御弁で行っているが、請求項２の構成を採用すると、燃焼用気筒の膨張行程でクランク室は正圧状態に保持されるため、クランク室に流入した燃焼ガス（ブローバイガス）で補助ピストンを上死点方向に押し上げることができる。
【００１９】
その結果、従来は捨てられていたエネルギを回収して燃費向上に貢献できる。また、補助ピストンをメインピストンに対するバランサとして機能させることができるため、振動を抑制できると共に、高速回転にも対応できる。この請求項２の場合も、燃焼用気筒が３６０°ＣＡ位相配置の直列２気筒の場合は、補助ピストンの上昇行程を常にエネルギ回収に利用できるため、効率がよい。敢えて述べるまでもないが、請求項１の発明と請求項２の発明とを組み合わせることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態を示す図で、（Ａ）はシリンダヘッドの一部も重ねて表示した状態でのシリンダブロックの平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ視断面図である。
【図２】図１のII-II 視断面図である。
【図３】図１のIII-III 視断面図である。
【図４】第１実施形態の動きを説明するための模式図である。
【図５】第２実施形態を示す模式的な側断面図である。
【図６】第３実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
(1).第１実施形態の構造
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１〜図４に示す第１実施形態を説明する。内燃機関は、シリンダブロック２とシリンダヘッド３とを主要要素とする機関本体１を備えており、シリンダブロック２には、直列に並んだ２つの燃焼用気筒（メイン気筒）４と、燃焼用気筒４の中心を結ぶ並び線５を挟んで片側に配置され補助気筒６とが形成されている。燃焼用気筒４と補助気筒６とは平行に並んでいる。なお、シリンダブロック２には、少なくとも燃焼用気筒４を囲うウォータジャケットが形成されているが、図面では省略している。
【００２２】
燃焼用気筒４にはメインピストン７が摺動自在に嵌まっており、補助気筒６には補助ピストン８が摺動自在に嵌まっている。更に、シリンダブロック２にはクランク軸９が回転自在に保持されている。補助ピストン８は、メインピストン７に比べて軽量で簡易な構造になっている。
【００２３】
クランク軸９は、燃焼用気筒４の軸線方向から見て、燃焼用気筒４の並び線５とほぼ重なるように配置されている。従って、図２に示すように、クランク軸９の軸線方向から見ると、燃焼用気筒４の軸心はクランク軸９の軸線とほぼ直交している（実際には、クランク軸９の逆転を防止するためや、連接棒の傾きを大きくして燃焼圧最大値付近で大きな回転モーメントを得るためなどの理由により、図２の状態でクランク軸９の軸心を燃焼用気筒４の軸心に対して僅かに右に寄せていることが多い。）。
【００２４】
クランク軸９は燃焼用気筒４に対応した２本の第１クランクピン１０を有しており、第１クランクピン１０とメインピストン７とは、第１ピストンピン１１及び第１連接棒１２で相対動自在に連結されている。第１クランクピン１０は、第１クランクアーム１３に一体に設けている。
【００２５】
クランク軸９には補助気筒６に対応した一対の第２クランクアーム１５を設けており、第２クランクアーム１５に設けた第２クランクピン１６と補助ピストン８とが第２ピストンピン１７及び第２連接棒１８を介して相対動自在に連結されている。本実施形態では、第２ピストンピン１７は補助ピストン８から下向きに突設した足部１９に設けているが、第２ピストンピン１７は補助ピストン８の空洞部に配置することも可能である。
【００２６】
図１（Ａ）に示すように、クランク軸９の両端部はメインジャーナル９ａとなって、軸受け（図示せず）を介してシリンダブロック２に回転自在に保持されている。また、クランク軸９のうち隣り合ったクランクアーム１３，１５の間の部位は中間ジャーナ９ｂになっていて、軸受け（図示せず）を介してシリンダブロック２に回転自在に保持されている。
【００２７】
本実施形態では、メインピストン７の往復動ストローク（第１クランクピン１０の回転直径）よりも、補助ピストン８の往復動ストローク（第２クランクピン１６の回転直径）を大きく設定している。従って、補助ピストン８の往復動速度はメインピストン７の往復動速度より大きくなっている。また、第１クランクピン１０と第２クランクピン１６とは、クランク軸９の回転軸心を挟んだ反対側に位置している。つまり、第１クランクピン１０と第２クランクピン１６とは、クランク軸９の回転方向に位相が１８０°ずれている。
【００２８】
シリンダヘッド３には、各燃焼用気筒４ごとに２つずつの吸気ポート２０と排気ポート２１とが形成されている。排気ポート２１は、燃焼用気筒４の並び線５を挟んで補助気筒６に寄った部位に形成している。吸気ポート２０は吸気バルブ２２で開閉され、排気ポート２１は排気バルブ２３で開閉される。また、吸気バルブ２２は吸気カムシャフト２４で開閉され、排気バルブ２３は排気カムシャフト２５で開閉される。
【００２９】
図１（Ａ）に示すように、シリンダヘッド３のうち補助気筒６に対応した部位には、２つずつの吸引ポート２６と排出ポート２７が形成されている。２つの吸引ポート２６はクランク軸９の方向に並べて形成されており、また、２つの排出ポート２７もクランク軸９の方向に並べて形成されている。そして、２つの吸引ポート２６は１つの集合ポート２８に集まっており、２つの燃焼用気筒４の４つの排気ポート２１は集合ポート２８に連通している。従って、燃焼用気筒４から排出された排気ポート２１は、集合ポート２８を介して吸引ポート２６から補助気筒６に流入する。
【００３０】
図３に示すように、補助気筒６の吸引ポート２６は吸引バルブ２９で開閉され、排出ポート２７は排出バルブ３０で開閉される。吸引バルブ２９は吸引用カムシャフト３１で駆動され、排出バルブ３０は排出用カムシャフト３２で駆動されるが、図２に一点鎖線鎖線で示すように、吸引バルブ２９及び排出バルブ３０とも、排気カムシャフト２５で回動するロッカアーム３３，３４で駆動することも可能である。
【００３１】
(2).作用
図４に示すように、２つの燃焼用気筒４のうち一方のメインピストン７が膨張行程から排気行程に転じると、その燃焼用気筒４の排気バルブ２３と補助気筒６の吸引バルブ２９とが開く。すると、補助気筒６の容積（内径）が燃焼用気筒４の容積（内径）より大きいことと、補助ピストン８の後退速度がメインピストン７の上昇速度よりも大きいことにより、補助気筒６に正圧が作用した状態で排気ガスが膨張しつつ燃焼用気筒４から補助気筒６に流入する。これにより、メインピストン７の押し下げという仕事をした後の燃焼ガスの圧力を有効利用して、クランク軸９の回転動力として取り出すことができる。
【００３２】
この場合、補助気筒６は燃焼用気筒４に対してオフセットした位置に配置されているため、補助ピストン８が上死点にある状態で、第２連接棒１８は補助気筒６の軸心に対して大きく傾斜している（第２連接棒１８は、補助ピストン８が上死点にある状態で、クランク軸９の軸心と第２クランクピン１６とを結ぶ線と直交と直交した線に対してθの角度だけ傾斜している。）。
【００３３】
このため、補助ピストン８の下降動によって第２クランクピン１６は横方向から押される状態になっており、その結果、補助ピストン８の力をクランク軸９にモーメントとして効率よく伝えることができる。本実施形態のように、補助気筒６がクランク軸９の軸心方向から見て左にずれている場合は、第２連接棒１８の下端は右に寄るため、クランク軸１９は時計回り方向に回転する。軸方向から見て右にずれている場合（図２，３，４を紙面と反対側から見た場合）は、反時計回り方向に回転する。
【００３４】
また、メインピストン７と補助ピストン６とは１本のクランク軸９を共用しているため、構造を簡単化できる共に、補助ピストン８をメインピストン７に対するバランサとして機能させることができて、機関の振動を抑制できると共に高速回転にも対応できる。
【００３５】
本実施形態のように、補助ピストン８の往復動ストロークをメインピストン７の往復動ストロークより大きくすると、補助気筒６での排気ガスの膨張を促進できるため、好適である。なお、メインピストン７の上昇速度より補助ピストン８の下降速度が速いと、仮に燃焼用気筒４と補助気筒６との内径が同じであっても、燃焼用気筒４から流入した排気ガスを補助気筒６で膨張させることができる。従って、必ずしも補助気筒６の内径は燃焼用気筒４の内径より大きくする必要はない。
【００３６】
(2).他の実施形態
図５では第２実施形態を示している。この実施形態は基本的には第１実施形態と同じであるが、特有の構成として、シリンダブロック２の適宜部位にブローバイガス還流制御弁３６を設けて、燃焼室からクランク室３７に吹き抜けた燃焼ガスを吸気系に還流できるようにしている。シリンダブロック２にはオイルパン３８を固定しているが、シリンダブロック２及びオイルパン３８の内部は密閉されており、内部に溜まったガスはブローバイガス還流制御弁３６からしか逃げることはできない。
【００３７】
また、１つの補助気筒６の容積が２つの燃焼用気筒４の合計の容積より大きく、かつ、補助ピストン８の上昇速度がメインピストン７の下降速度よりも大きい。
【００３８】
燃焼用気筒４は２気筒であり、従って、２つの燃焼用気筒４のメインピストン７は行程の位相を３６０度異ならせた状態で同時に往復動している。他方、補助ピストン８は２つのメインピストン７に対して位相が１８０度ずれており、このため補助ピストン８はメインピストン７に対してバランサとして機能している。
【００３９】
そして、この実施形態では、クランク軸９が３６０回転するごとに２つの燃焼用気筒４で爆発行程が交互に起きているが、メインピストン７が下降行程のときにはブローバイガス還流制御弁３６を閉じることで、クランク室３７に吹き抜けた燃焼ガスの圧力を補助ピストンの上昇に有効利用し、これにより、クランク軸９に補助動力を付与している。このため、燃費を改善できる。補助ピストン８が下降行程（膨張行程）のときにはブローバイガス還流制御弁３６は開く。ブローバイガス還流制御弁の開閉はモータや電磁ソレイド等で電気的に行われる。
【００４０】
補助気筒６はブローバイガスの圧力回収及びバランサ機能のためだけに使用することも可能であるが、第１実施形態と組み合わせて、下降行程では燃焼用気筒４から排出される燃焼ガスの残余圧力を回収して、上昇行程ではブローバイガスの圧力を回収するのが好ましい。
【００４１】
上記２つの実施形態は燃焼用気筒４と補助気筒６とを平行に形成した場合であったが、図６に第３実施形態として示すように、補助気筒６の軸心を燃焼用気筒４の軸線に対して傾斜させることも可能である。これにより、補助ピストン８でクランク軸９を無理なく回転させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、車両用内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【００４３】
２  シリンダブロック
３  シリンダヘッド
４  燃焼用気筒
５  燃焼用気筒の並び線
６  補助気筒
７  メインピストン
８  補助ピストン
９  クランク軸
１２  第１連接棒
１８  第２連接棒
２０  吸気ポート
２１  吸気ポート
２２  吸気バルブ
２３  排気バルブ
３６  ブローバイガス還流制御弁
３７  クランク室
【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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