(57)【要約】【課題】出力トルクの変動を抑制可能な４ストロークの内燃機関を提供する。【解決手段】ピストン２の死点間の１回の移動を１行程とし、連続する４行程を吸気行程と圧縮行程と膨張行程と排気行程とに順次割り当てる４ストロークの内燃機関１であって、ピストン２の１行程の移動で１／２回転するクランク軸３と、アイドラ軸４と、出力軸５と、クランク軸３とアイドラ軸４との間、及びアイドラ軸４と出力軸５との間にそれぞれ介在し、１行程の開始から終了までの出力軸５の角位相を連続する４行程の間で変化させながら、クランク軸３と出力軸５とをアイドラ軸４を介して連動回転させる位相変換機構７とを備え、位相変換機構７によって、膨張行程の出力軸５の角位相は、膨張行程以外のいずれの行程の出力軸５の角位相よりも大きくなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの死点間の１回の移動を１行程とし、連続する４行程を吸気行程と圧縮行程と膨張行程と排気行程とに順次割り当てる４ストロークの内燃機関であって、
前記ピストンの１行程の移動で１／２回転するクランク軸と、
アイドラ軸と、
出力軸と、
前記クランク軸と前記アイドラ軸との間、及び前記アイドラ軸と前記出力軸との間にそれぞれ介在し、前記１行程の開始から終了までの前記出力軸の角位相を前記連続する４行程の間で変化させながら、前記クランク軸と前記出力軸とを前記アイドラ軸を介して連動回転させる位相変換機構とを備え、
前記位相変換機構によって、前記膨張行程の前記出力軸の角位相は、前記膨張行程以外のいずれの行程の前記出力軸の角位相よりも大きくなる
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関であって、
前記クランク軸と前記アイドラ軸と前記出力軸とは、略平行に配置され、
前記位相変換機構は、前記クランク軸に固定されるクランク側歯車と、前記アイドラ軸に固定される第１アイドラ側歯車及び第２アイドラ側歯車と、前記出力軸に固定される出力側歯車とを有し、
前記クランク側歯車と前記第１アイドラ側歯車とは、常時噛合する円形歯車であり、
前記クランク側歯車と前記第１アイドラ側歯車の歯数比は１：２であり、
前記第２アイドラ側歯車と前記出力側歯車とは、常時噛合する一葉楕円歯車である
ことを特徴とする内燃機関。
【請求項３】
請求項２に記載の内燃機関であって、
前記第２アイドラ側歯車と前記出力側歯車とは、いずれも長短軸比が３：２の一葉楕円歯車であり、前記膨張行程で前記クランク軸の角位相が９０°のときに、前記出力軸の回転速度（Ｖｏ）に対する前記クランク軸の回転速度（Ｖｃ）の比である両軸間の回転速度比（Ｖｃ／Ｖｏ）が最小となるように噛合する
ことを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピストンの死点間の１回の移動を１行程とし、連続する４行程を吸気行程と圧縮行程と膨張行程と排気行程とに順次割り当てる４ストロークの内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、クランク軸と、略等速で回転する出力軸との間に２個以上の変態歯車（例えば、楕円歯車等）を噛合わせて構成した可変角速度比伝達機構を備えた内燃機関が記載されている。可変角速度比伝達機構によって、吸気、膨張、圧縮及び排気の各行程の前半では、一定速の出力軸よりもクランク軸の角速度が大となり、吸気、膨張、圧縮及び排気の各行程の後半では、一定速の出力軸よりもクランク軸の角速度が小となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実開平４−４７１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載の内燃機関は、吸気、圧縮、膨張及び排気の各行程内において、出力軸の回転速度に対するクランク軸の回転速度の比を変更するものであり、吸気工程から排気工程までの１サイクルが実行される全時間（１サイクルの周期）のうち、各行程が占める時間割合は１／４ずつである。
【０００５】
ここで、ピストンの死点間の１回の移動を１行程とし、連続する４行程を吸気行程と圧縮行程と膨張行程と排気行程とに順次割り当てる４ストロークの内燃機関では、膨張行程のみでトルクが出力され、他の工程ではトルクは出力されない。このため、特許文献１に記載の内燃機関が四気筒未満であると、気筒間で行程をずらしただけではトルクが全く出力されない期間が必ず発生する。そのため、出力されるトルク変動が増大し、振動の原因となる可能性がある。
【０００６】
そこで、本発明は、出力トルクの変動を抑制可能な４ストロークの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】
【０００７】
上記目的を達成するべく、本発明の第１の態様は、ピストンの死点間（上死点と下死点との間）の１回の移動を１行程とし、連続する４行程を吸気行程と圧縮行程と膨張行程と排気行程とに順次割り当てる４ストロークの内燃機関であって、クランク軸と、アイドラ軸と、出力軸と、位相変換機構とを備える。クランク軸は、ピストンの１行程の移動で１／２回転する。位相変換機構は、クランク軸とアイドラ軸との間、及びアイドラ軸と出力軸との間にそれぞれ介在し、１行程の開始から終了までの出力軸の角位相を連続する４行程の間で変化させながら、クランク軸と出力軸とをアイドラ軸を介して連動回転させる。位相変換機構によって、膨張行程の出力軸の角位相は、膨張行程以外のいずれの行程の出力軸の角位相よりも大きくなる。
【０００８】
上記構成では、膨張行程の出力軸の角位相は、膨張行程以外のいずれの行程の出力軸の角位相よりも大きいので、出力軸を等速で回転させたとき、吸気行程から排気行程までの１サイクルが実行される全時間（１サイクルの周期）に占める膨張行程の時間割合が膨張行程以外のいずれの行程の時間割合よりも大きくなる。すなわち、１サイクルの周期のうち、膨張行程が占める時間割合が１／４を超えて最も高くなる。このため、内燃機関１が四気筒未満の場合であっても、気筒間で行程をずらすことによってトルクが全く出力されない期間（トルクの未出力期間）を短縮すること、又は未出力期間の発生を防止することが可能となる。したがって、出力トルクの変動を抑制することができるとともに、低速回転時のストールの発生を抑制することができる。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様の内燃機関であって、クランク軸とアイドラ軸と出力軸とは、略平行に配置される。位相変換機構は、クランク軸に固定されるクランク側歯車と、アイドラ軸に固定される第１アイドラ側歯車及び第２アイドラ側歯車と、出力軸に固定される出力側歯車とを有する。クランク側歯車と第１アイドラ側歯車とは、常時噛合する円形歯車である。クランク側歯車と第１アイドラ側歯車の歯数比は１：２である。第２アイドラ側歯車と出力側歯車とは、常時噛合する一葉楕円歯車である。
【００１０】
上記構成では、クランク側歯車と第１アイドラ側歯車の噛合により、アイドラ軸が１回転する間にクランク軸は２回転し、第２アイドラ側歯車と出力側歯車の噛合により、出力軸の回転速度（Ｖｏ）に対するクランク軸の回転速度（Ｖｃ）の比である両軸間の回転速度比（Ｖｃ／Ｖｏ）がアイドラ軸を介して変化する。このため、１サイクルの周期において出力軸の回転速度（Ｖｏ）が一定であれば、各行程におけるクランク軸の角位相は一定（１８０°）であるから、クランク軸が２回転する（７２０°位相がずれる）間のクランク軸の回転速度（Ｖｃ）が変化する。これにより、クランク軸と出力軸の回転速度比（Ｖｃ／Ｖｏ）を、１サイクルを周期として変化させることができ、吸気、圧縮、膨張、排気の各行程が１サイクルに占める時間割合を変えることができる。
【００１１】
本発明の第３の態様は、第２の態様の内燃機関であって、第２アイドラ側歯車と出力側歯車とは、いずれも長短軸比が３：２の一葉楕円歯車であり、膨張行程でクランク軸の角位相が９０°のときに、出力軸の回転速度（Ｖｏ）に対するクランク軸の回転速度（Ｖｃ）の比である両軸間の回転速度比（Ｖｃ／Ｖｏ）が最小となるように噛合する。
【００１２】
上記構成では、１サイクルの間で膨張行程が占める時間割合を１／２とすることができる（膨張行程の時間を全行程時間の半分まで長くできる）。これにより、例えば内燃機関が二気筒である場合であっても、気筒間で行程をずらすことによって常にいずれかの気筒からトルクを出力させることが可能となり、トルクの未出力期間が生じることを防ぐことができ、出力トルクの変動及び低速回転時のストールの発生をさらに好適に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、出力トルクの変動を抑制可能な４ストロークの内燃機関を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態の内燃機関の概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態の内燃機関及び比較例の内燃機関における出力軸の角位相に対するピストン位置の関係を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態の内燃機関及び比較例の内燃機関における出力軸の角位相に対するクランク軸と出力軸の回転速度の比の関係を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態の内燃機関における１サイクルの全行程時間に占める各行程の時間割合と、各行程の開始タイミングを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態の内燃機関における出力軸の角位相に対するバルブリフト量の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の内燃機関について、添付図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態の内燃機関１の構成を示す図である。本実施形態の内燃機関１は、ピストンの死点間の１回の移動を１行程とし、連続する４行程を１サイクルとして吸気行程と圧縮行程と膨張行程と排気行程とに順次割り当てる４ストロークのエンジンである。本実施形態では、内燃機関１を圧縮着火式のディーゼルエンジンとして説明するが、火花点火式の４ストロークのガソリンエンジン、ＬＮＧ（液化石油ガス）やＣＮＧ（圧縮天然ガス）を燃料とするエンジンとしても適用可能である。これらのエンジンは二気筒以上を備え、図１には１つの気筒の構成のみを示すが、他の気筒の構成も同様である。
【００１６】
図１に示すように、内燃機関１は、ピストン２の１行程の移動で１／２回転するクランク軸３と、クランク軸３の回転運動により従動回転するアイドラ軸４及び出力軸５を備えている。ピストン２は、シリンダブロック（図示省略）のシリンダ１０に進退自在に挿通されており、ピストンピン２１がコネクティングロッド６を介してクランク軸３のクランクピン３１と連結されている。ピストン２の頂面とシリンダ１０とシリンダヘッド１１とにより囲まれた空間には、燃焼室１２が形成され、燃焼室１２に向けて開閉される燃料噴射弁（図示省略）がシリンダヘッド１１に配設されている。
【００１７】
クランク軸３は、クランクジャーナル３２がシリンダブロックのクランクケース（図示省略）に回転自在に保持されている。アイドラ軸４及び出力軸５は、クランク軸３のクランクジャーナル３２の軸心と平行に配置されている。本実施形態では、クランクジャーナル３２の軸心、アイドラ軸４の軸心、出力軸５の軸心及びピストンピン２１の軸心を通る心線がピストン２の往復方向（図１においては左右方向）に沿った直線となるように、クランク軸３、アイドラ軸４及び出力軸５が配置されている。アイドラ軸４は、クランク軸３の回転運動を出力軸５に伝達するための中継軸である。また、出力軸５には、発電機や走行負荷等の負荷要素が変速機等を介して、あるいは直接的に負荷される。さらに、出力軸５にはフライホイール（図示省略）が取り付けられており、取り付けたフライホイールの慣性力により出力軸５が略等速回転する。なお、必要最小限の慣性力を与える調整用のフライホイールをクランク軸３に取り付けてもよい。
【００１８】
また、内燃機関１は、クランク軸３とアイドラ軸４との間、アイドラ軸４と出力軸５との間にそれぞれ介在する位相変換機構７を備えている。位相変換機構７は、内燃機関１の１行程の開始から終了までの出力軸５の角位相を連続する４行程の間で変化させながら、クランク軸３と出力軸５とをアイドラ軸４を介して連動回転させる。すなわち、ピストン２が死点間を移動するとクランク軸３が回転し、クランク軸３の回転により位相変換機構７を介してアイドラ軸４が連動回転し、アイドラ軸４に続いて出力軸５が連動回転する。その際、位相変換機構７によって、膨張行程の出力軸５の角位相は、膨張行程以外のいずれの行程の出力軸５の角位相よりも大きくなる。ここで、出力軸５の角位相とは、４つの行程それぞれの開始から終了までに出力軸５が回転する回転角度（各行程の開始角から終了角の角度差）である。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の位相変換機構７は、円形歯車と非円形歯車とを組み合わせた歯車機構となっており、クランク軸３に固定されるクランク側歯車７３と、アイドラ軸４に固定される第１アイドラ側歯車７４ａ及び第２アイドラ側歯車７４ｂと、出力軸５に固定される出力側歯車７５とを有している。これらの歯車のうち、クランク側歯車７３と第１アイドラ側歯車７４ａが常時噛合して第１の歯車対７１を構成し、第２アイドラ側歯車７４ｂと出力側歯車７５とが常時噛合して第２の歯車対７２を構成する。
【００２０】
第１の歯車対７１のクランク側歯車７３と第１アイドラ側歯車７４ａは、歯数比が１：２の円形歯車であり、クランク側歯車７３の歯車中心をクランク軸３（クランクジャーナル３２）の軸心に、第１アイドラ側歯車７４ａの歯車中心をアイドラ軸４の軸心にそれぞれ合わせて配されている。クランク側歯車７３と第１アイドラ側歯車７４ａとが噛合することで、アイドラ軸４が１回転する間にクランク軸３は２回転する。これに対し、第２の歯車対７２の第２アイドラ側歯車７４ｂと出力側歯車７５は、いずれも一葉楕円歯車であり、第２アイドラ側歯車７４ｂの歯車中心（回転中心）をアイドラ軸４の軸心から、出力側歯車７５の歯車中心（回転中心）を出力軸５の軸心からそれぞれ偏心して配されている。第２アイドラ側歯車７４ｂと出力側歯車７５とが噛合することで、４つの行程それぞれにおける出力軸５の角位相、換言すれば、出力軸５の回転速度（Ｖｏ）に対するクランク軸３の回転速度（Ｖｃ）の比である両軸間の回転速度比（Ｖｃ／Ｖｏ）がアイドラ軸４を介して変化する。
【００２１】
第２アイドラ側歯車７４ｂと出力側歯車７５の長短軸比は、任意に設定することができるが、本実施形態ではいずれの長短軸比も３：２としている。そして、第２アイドラ側歯車７４ｂと出力側歯車７５とは、膨張行程でクランク軸３の角位相が９０°（ＡＴＤＣ９０°）のときに、出力軸５の回転速度（Ｖｏ）に対するクランク軸３の回転速度（Ｖｃ）の比である両軸間の回転速度比（Ｖｃ／Ｖｏ）が最小となるようにそれぞれ噛合している。
【００２２】
図２及び図３には、本実施形態におけるピストン２、クランク軸３、出力軸５の動作態様の関係を示す。図２は、出力軸５の角位相に対するピストン２の位置を示す図、図３は、出力軸５の角位相に対する回転速度比（Ｖｃ／Ｖｏ）の値を示す図である。なお、図２及び図３（後述する図５も同様）において、「出力軸角位相」は、１サイクルの全４行程が実行される際に累積して変化する角位相であり、各図では膨張行程の開始時の出力軸５の角位相を０°として、圧縮行程の終了時までに累積される角位相の値を示している。
【００２３】
図２に実線で示すように、本実施形態の膨張行程においては、出力軸５の角位相が１８０°変化（出力軸５が半回転）する間にピストン２が上死点（ＴＤＣ：Top Dead Center）から下死点（ＢＤＣ：Bottom Dead Center）まで変動する。そして、その後に出力軸５の角位相が１８０°変化する間、排気、吸気、圧縮の各行程が順次行われ、下死点のピストン２が一往復半して上死点に位置付けられる。本実施形態では、吸気、圧縮、膨張、及び排気の全行程が実行される１サイクルの時間（１サイクルの周期）のうち、膨張行程が占める時間割合は１／２となり、１サイクルの周期の時間割合の残りの１／２を排気、吸気、圧縮の各行程が占めている（これら３行程の時間割合は均等ではない）。なお、図２の破線は、クランク軸３と出力軸５が略等速で回転する場合の比較例を示しており、この場合には出力軸の角位相が１８０°変化するごとにピストン２が上死点と下死点の間を移動し、膨張、排気、吸気、圧縮の各行程が順次行われている。これらの全行程が実行される１サイクルの時間（１サイクルの周期）のうち、各行程が占める時間割合は１／４ずつとなっている。
【００２４】
また、図３に実線で示すように、本実施形態の膨張行程においては、出力軸５の角位相が１８０°変化（出力軸５が半回転）する間、クランク軸３と出力軸５の回転速度比（Ｖｃ／Ｖｏ）は膨張行程の最終期を除いて１よりも小さく、クランク軸３は出力軸５よりも低速で回転する。そして、その後に出力軸５の角位相が１８０°変化する間、排気、吸気、圧縮の各行程が順次行われるが、その間の回転速度比は、圧縮行程の略後半期を除いて１よりも大きく、クランク軸３は出力軸５よりも高速で回転する。なお、図３の破線は、クランク軸３と出力軸５が略等速で回転する場合の比較例を示しており、この場合には両軸の回転速度比が１（一定）に維持されて膨張、排気、吸気、圧縮の各行程が順次行われている。
【００２５】
このように、本実施形態の内燃機関１によれば、位相変換機構７を備えることで、膨張行程の出力軸５の角位相は、膨張行程以外のいずれの行程の出力軸５の角位相よりも大きくなる。すなわち、出力軸５が等速で回転しているとき、吸気行程から排気行程までの１サイクルが実行される全時間（１サイクルの周期）に占める膨張行程の時間割合が膨張行程以外のいずれの行程の時間割合よりも大きくなり、１サイクルの周期のうち、膨張行程が占める時間割合が１／４を超えて最も高くなる。このため、内燃機関１が四気筒未満の場合であっても、気筒間で行程をずらすことによってトルクが全く出力されない期間（トルクの未出力期間）を短縮すること、又は未出力期間の発生を防止することが可能となる。したがって、出力トルクの変動を抑制することができるとともに、低速回転時のストールの発生を抑制することができる。
【００２６】
本実施形態では、位相変換機構７を円形歯車と非円形歯車とを組み合わせた歯車機構としているので、その構造を簡素化することができる。具体的には、クランク側歯車７３と第１アイドラ側歯車７４ａとを歯数比が１：２の円形歯車とし、出力側歯車７５と第２アイドラ側歯車７４ｂとをいずれも一葉楕円歯車としている。したがって、クランク側歯車７３と第１アイドラ側歯車７４ａの噛合により、アイドラ軸４が１回転する間にクランク軸３は２回転し、第２アイドラ側歯車７４ｂと出力側歯車７５の噛合により、クランク軸３と出力軸５の回転速度比（Ｖｃ／Ｖｏ）がアイドラ軸４を介して変化する。このため、１サイクルの周期において出力軸５の回転速度（Ｖｏ）が一定であれば、各行程におけるクランク軸３の角位相は一定（１８０°）であるから、クランク軸３が２回転する（７２０°位相がずれる）間のクランク軸３の回転速度（Ｖｃ）が変化する。
【００２７】
これにより、クランク軸３と出力軸５の回転速度比（Ｖｃ／Ｖｏ）を、１サイクルを周期として変化させることができ、吸気、圧縮、膨張、排気の各行程が１サイクルに占める時間割合を変えることができる。すなわち、非円形歯車（本実施形態では一葉楕円歯車）の速度比プロフィールとクランク軸３の位相とを適切に設計することで、４つの行程が１サイクルに占める時間割合（比率）を任意に変えることができる。
【００２８】
本実施形態では、第２アイドラ側歯車７４ｂと出力側歯車７５とは、いずれも長短軸比が３：２の一葉楕円歯車であり、膨張行程でクランク軸３の角位相が９０°（ＡＴＤＣ９０°）のときに、クランク軸３と出力軸５の回転速度比（Ｖｃ／Ｖｏ）が最小となる、つまりクランク軸３の回転速度（Ｖｃ）が最も遅くなるように、第２の歯車対７２（第２アイドラ側歯車７４ｂと出力側歯車７５）を噛合させている。
【００２９】
このため、図４に示すように、膨張、排気、吸気、圧縮の各行程が１サイクルの全行程時間に占める時間割合が１／４ずつである比較例と比べ、本実施形態では、膨張行程が占める時間割合を１／２とする（膨張行程の時間を全行程時間の半分まで長くする）ことができる。これにより、内燃機関１が四気筒未満、例えば二気筒である場合であっても、図４に示す第１気筒と第２気筒のように気筒間で行程をずらすことによって、常にいずれかの気筒からトルクを出力させることが可能となり、トルクの未出力期間が生じることを防ぐことができ、出力トルクの変動及び低速回転時のストールの発生をさらに好適に抑制することができる。
【００３０】
以上、本発明について、上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明は上記実施形態の内容に限定されるものではなく、当然に本発明を逸脱しない範囲では適宜の変更が可能である。すなわち、この実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例および運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論である。
【００３１】
本実施形態では、第２の歯車対７２の第２アイドラ側歯車７４ｂと出力側歯車７５を楕円歯車とすることで、歯車設計時の計算負荷を軽減させているが、より複雑な計算を要する非円形歯車をシリンダ１０の内圧の変化に応じた速度比プロフィールで設計して用いれば、出力トルクの変動をさらに抑制することが可能である。
【００３２】
なお、カムシャフト（図示省略）をクランク軸３で駆動する場合は、従来（位相変換機構７を具備しない内燃機関）と同様のカムプロフィールとなるが、カムシャフトを出力軸５から駆動する場合、カムプロフィールを変更する必要がある。このようにカムシャフトを出力軸５から駆動する場合、クランク軸３の角位相と出力軸５の角位相の関係は歯数比（ギア比）から逆算可能であるから、従来のクランク軸３の角位相に対するバルブリフト量を出力軸５の角位相に読み替えてカムプロフィールを設計すればよい。
【００３３】
図５には、出力軸５の角位相に対するバルブリフト量を示している。図５及び図２に示すように、出力軸５の角位相の変化が排気行程に相当する間、排気バルブ（図示省略）をリフトさせてシリンダ１０の燃焼室１２から燃焼ガスを排出させる。そして、その後に出力軸５の角位相の変化が吸気行程に相当する間、吸気バルブ（図示省略）をリフトさせてシリンダ１０の燃焼室１２に空気を吸入させる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、出力トルクの変動抑制を図る４ストロークの内燃機関の構造に広く適用可能であり、特に、二気筒以上の内燃機関において１サイクルの間で膨張行程が占める時間割合を膨張行程以外の３行程よりも長くし、トルクの未出力期間の発生を防止する構造として有益である。
【符号の説明】
【００３５】
１      内燃機関
２      ピストン
３      クランク軸
４      アイドラ軸
５      出力軸
６      コネクティングロッド
７      位相変換機構
１０    シリンダ
１１    シリンダヘッド
１２    燃焼室
２１    ピストンピン
３１    クランクピン
３２    クランクジャーナル
７１    第１の歯車対
７２    第２の歯車対
７３    クランク側歯車
７４ａ  第１アイドラ側歯車
７４ｂ  第２アイドラ側歯車
７５    出力側歯車
【図１】
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【図２】
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【図３】
2016102474.tif 000005
【図４】
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【図５】
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