(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、ピストンの１行程の移動で１／２回転するクランク軸３と、出力軸４と、クランク軸３と出力軸４との間に介在し、出力軸４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）を変化させながら、クランク軸３と出力軸４とを連動回転させる速度変換機構６とを備え、速度変換機構６によって、膨張行程の回転速度比は、膨張行程以外の他の全行程のいずれの回転速度比よりも小さくなる。【選択図】  図２
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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、
出力軸と、
前記クランク軸と前記出力軸との間に介在し、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）を変化させながら、前記クランク軸と前記出力軸とを連動回転させる速度変換機構とを備え、
前記速度変換機構によって、前記膨張行程の回転速度比は、前記膨張行程以外の他の全行程のいずれの回転速度比よりも小さくなる
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、
前記出力軸は、前記クランク軸と略平行に配置され、
前記速度変換機構は、切替り式歯車機構であって、前記クランク軸に固定される第１クランク側歯車及び第２クランク側歯車と、前記出力軸に固定される第１出力側歯車及び第２出力側歯車とを有し、
前記第１クランク側歯車と前記第１出力側歯車とは、前記膨張行程で噛合し、前記他の全行程で噛合しない第１の歯車対を構成し、
前記第２クランク側歯車と前記第２出力側歯車とは、前記他の全行程で噛合し、前記膨張行程で噛合せず、前記第１の歯車対とは歯数比が相違する第２の歯車対を構成し、
前記第１の歯車対と前記第２の歯車対とは、前記膨張行程と他の行程との間で行程が移行する毎に交互に噛合する
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１クランク側歯車と前記第１出力側歯車と前記第２出力側歯車とはいずれも半円形であり、
前記第２のクランク側歯車は全円形であり、
前記第１クランク側歯車と前記第１出力側歯車との歯数比は１：１であり、
前記第２クランク側歯車と前記第２出力側歯車との歯数比は１：３である
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、クランク軸と出力軸に、互いに噛合する一対の楕円歯車を軸着し、燃焼圧力ピークをクランク角と燃焼終了クランク角との間で、ピストンの下降速度が最速となるように、クランク軸側楕円歯車の短軸側と出力軸側楕円歯車の長軸側とが噛合するクランク角を設定する内燃機関が記載されている。
【０００３】
特許文献２には、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位相調整手段を備えた内燃機関が記載されている。位相調整手段によって、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】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２４９１０９号公報
【特許文献２】特開平１０−２８０９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１及び２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）のうち、各行程が占める時間割合は１／４ずつである。
【０００６】
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、他の行程ではトルクは出力されない。このため、特許文献１又は２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。
【０００７】
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】
【０００８】
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、出力軸と、速度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。
【０００９】
速度変換機構は、クランク軸と出力軸との間に介在し、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）を変化させながら、クランク軸と出力軸とを連動回転させる。速度変換機構によって、膨張行程の回転速度比は、膨張行程以外の他の全行程のいずれの回転速度比よりも小さくなる。
【００１０】
上記構成では、膨張行程の回転速度比が膨張行程以外の他の全行程のいずれの回転速度比よりも小さいので、出力軸の回転速度Ｖｏを一定としたとき、膨張行程におけるクランク軸の回転速度Ｖｃは、他の各行程（排気、吸気及び圧縮行程）における回転速度Ｖｃよりも遅くなり、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）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。
【００１１】
本発明の第２の態様は、第１の態様の内燃機関であって、出力軸は、クランク軸と略平行に配置される。速度変換機構は、切替り式歯車機構であって、クランク軸に固定される第１クランク側歯車及び第２クランク側歯車と、出力軸に固定される第１出力側歯車及び第２出力側歯車とを有する。第１クランク側歯車と第１出力側歯車とは、膨張行程で噛合し、膨張行程以外の他の全行程で噛合しない第１の歯車対を構成する。第２クランク側歯車と第２出力側歯車とは、膨張行程以外の他の全行程で噛合し、膨張行程で噛合せず、第１の歯車対とは歯数比（歯車比）が相違する第２の歯車対を構成する。第１の歯車対と第２の歯車対とは、膨張行程と他の行程との間で行程が移行する毎に交互に噛合する。
【００１２】
上記構成では、速度変換機構が切替り式歯車機構であるので、速度変換機構の構造を簡素化することができる。
【００１３】
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１クランク側歯車と第１出力側歯車と第２出力側歯車とはいずれも半円形であり、第２クランク側歯車は全円形である。第１クランク側歯車と第１出力側歯車との歯数比は１：１であり、第２クランク側歯車と第２出力側歯車との歯数比は１：３である。
【００１４】
上記構成では、出力軸が半回転する（１８０°位相がずれる）ごとに、噛合する歯車対が、第１の歯車対と第２の歯車対との間で交互に切替る。第１の歯車対は、膨張行程で噛合し、第２の歯車対は、膨張行程以外の３行程で噛合する。このため、１サイクルの間で膨張行程が占める時間割合が１／２となる（膨張行程の時間が全行程時間の半分まで長くなる）。
【００１５】
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】
【００１６】
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】
【００１７】
【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速度変換機構を示す図であって、(ａ)は第１の歯車対及び第２の歯車対の平面図、(ｂ)は第１の歯車対及び第２の歯車対の側面図である。
【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ピストン位置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の角位相の関係を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態の内燃機関における第１の歯車対及び第２の歯車対の噛合状態を示す図であって、(ａ)は膨張行程、(ｂ)は排気行程、(ｃ)は吸気行程、(ｄ)は圧縮行程の開始時における噛合状態をそれぞれ示す図である。
【図６】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７】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】
【００１８】
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。
【００１９】
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出力軸４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５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。
【００２０】
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。出力軸４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、出力軸４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と出力軸４が配置されている。また、出力軸４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４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４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。
【００２１】
また、内燃機関１は、クランク軸３と出力軸４との間に介在する速度変換機構６を備えている。速度変換機構６は、出力軸４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）を変化させながら、クランク軸３と出力軸４とを連動回転させる。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の回転により速度変換機構６を介して出力軸４が連動回転する。その際、速度変換機構６によって、膨張行程の回転速度比（Ｖｃ／Ｖｏ）は、膨張行程以外の他の全行程のいずれの回転速度比よりも小さくなる。
【００２２】
図２には、本実施形態の速度変換機構６の構成を示している。図２に示すように、速度変換機構６は、切替り式歯車機構となっており、クランク軸３に固定される第１クランク側歯車７ａ及び第２クランク側歯車８ａと、出力軸４に固定される第１出力側歯車７ｂ及び第２出力側歯車８ｂとを有している。
【００２３】
第１クランク側歯車７ａと第１出力側歯車７ｂとは、膨張行程で噛合し、他の全行程で噛合しない第１の歯車対７を構成する。これに対し、第２クランク側歯車８ａと第２出力側歯車８ｂとは、膨張行程以外の他の全行程で噛合し、膨張行程で噛合せず、第１の歯車対７とは歯数比（歯車比）が相違する第２の歯車対８を構成する。第１の歯車対７と第２の歯車対８とは、膨張行程と他の行程との間で行程が移行する毎に交互に噛合する。
【００２４】
第１の歯車対７と第２の歯車対８は、クランク軸３及び出力軸４の軸方向に対する位置をずらしてそれぞれ配されている。本実施形態では、第１の歯車対７と第２の歯車対８が軸方向に連接して二段をなすように構成しているが、軸方向に所定間隔で離間させてこれらの歯車対を完全に分離させても構わない。
【００２５】
第１クランク側歯車７ａと第１出力側歯車７ｂと第２出力側歯車８ｂはいずれも半円形、すなわち全円形の歯車を切断して二等分した形状となるように形成されている。第１出力側歯車７ｂと第２出力側歯車８ｂは、平坦面を互いに面一となるように位置付け、それぞれの歯車中心を出力軸４の軸心に合わせて配されている。一方、第２クランク側歯車８ａは全円形に形成され、第１クランク側歯車７ａとともに歯車中心をクランク軸３（クランクジャーナル３２）の軸心に合わせて配されている。
【００２６】
また、第１クランク側歯車７ａと第１出力側歯車７ｂの歯数比は１：１に設定され、第２クランク側歯車８ａと第２出力側歯車８ｂの歯数比は１：３に設定されている。なお、半円形に形成された第１クランク側歯車７ａと第１出力側歯車７ｂ、及び第２出力側歯車８ｂの場合、その歯数を全円形の歯数に換算して歯数比を設定する。例えば、全円形の第２クランク側歯車８ａの歯数を１０とすれば、第２出力側歯車８ｂの半円周上の歯数は１５（全円周換算で３０）となる。
【００２７】
第１の歯車対７と第２の歯車対８をこのような形状及び歯数比とすることで、出力軸４が半回転する（１８０°位相がずれる）毎に第１の歯車対７と第２の歯車対８が自動的に切替り、交互に噛合する。具体的には、第１クランク側歯車７ａと第１出力側歯車７ｂが噛合している場合、出力軸４が半回転する間にクランク軸３も半回転し、第２クランク側歯車８ａと第２出力側歯車８ｂが噛合している場合、出力軸４が半回転する間にクランク軸３が一回転半する。したがって、第１の歯車対７が噛合している場合のクランク軸３と出力軸４の回転速度比（Ｖｃ／Ｖｏ）は１となり、第２の歯車対８が噛合している場合の回転速度比は３となるから、第１の歯車対７が噛合している場合の出力軸４に対するクランク軸３の回転速度は、第２の歯車対８が噛合している場合と比べて３分の１に減速される。
【００２８】
すなわち、第１の歯車対７が噛合している場合のクランク軸３の回転速度を１とすれば、この回転速度でクランク軸３が半回転するのに対し、第２の歯車対８が噛合している場合には３倍の回転速度でクランク軸３が一回転半するから、第１の歯車対７と第２の歯車対８が占める噛合時間は全体の１／２ずつとなる。
【００２９】
本実施形態では、第１クランク側歯車７ａと第１出力側歯車７ｂは膨張行程で噛合し、第２クランク側歯車８ａと第２出力側歯車８ｂは排気行程、吸気行程、圧縮行程で噛合しており、ピストン２、クランク軸３、出力軸４の動作態様の関係は、図３及び図４に示すようになる。図３には、出力軸４の角位相に対するピストン２の位置を示しており、図４には、出力軸４の角位相に対するクランク軸３の角位相を示している。
【００３０】
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４の角位相が１８０°変化（出力軸４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４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。なお、図３の破線は、出力軸４とクランク軸３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。
【００３１】
また、図４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４の角位相が１８０°変化（出力軸４が半回転）する間にクランク軸３の角位相が１８０°変化（クランク軸３が半回転）する。そして、その後に出力軸４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、クランク軸３の角位相が５４０°変化（クランク軸３が一回転半）する。なお、図４の破線は、出力軸４とクランク軸３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°変化するごとにクランク軸３の角位相が１８０°変化し、膨張、排気、吸気、圧縮の各行程が順次行われている。
【００３２】
これを踏まえれば、膨張、排気、吸気、圧縮の各行程の開始時における第１の歯車対７及び第２の歯車対８の噛合状態は、図５に示すようになる。図５において、(ａ)は膨張行程、(ｂ)は排気行程、(ｃ)は吸気行程、(ｄ)は圧縮行程のそれぞれの開始時における噛合状態を示している。図５に示すように、(ａ)の膨張行程では、第１クランク側歯車７ａと第１出力側歯車７ｂが噛合し、第２クランク側歯車８ａと第２出力側歯車８ｂは噛合せず、空回りする。一方、図５(ｂ)〜(ｄ)の排気、吸気、圧縮の各行程では、第２クランク側歯車８ａと第２出力側歯車８ｂが噛合し、第１クランク側歯車７ａと第１出力側歯車７ｂは噛合せず、空回りする。図５(ｄ)に示す圧縮行程の終了後は、再び(ａ)に示す膨張行程の開始時における噛合状態となり、以後、図示の噛合状態が順次繰り返される。
【００３３】
このように、本実施形態の内燃機関１によれば、速度変換機構６を備えることで、膨張行程の回転速度比Ｖｃ／Ｖｏ（出力軸４の回転速度Ｖｏに対するクランク軸３の回転速度Ｖｃの比）が膨張行程以外の他の全行程のいずれの回転速度比よりも小さくなる。すなわち、出力軸４の回転速度Ｖｏを一定としたとき、膨張行程におけるクランク軸３の回転速度Ｖｃは、他の各行程（排気、吸気及び圧縮行程）における回転速度Ｖｃよりも遅くなり、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）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。
【００３４】
本実施形態では、速度変換機構６を切替り式の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、第１クランク側歯車７ａと第１出力側歯車７ｂと第２出力側歯車８ｂとをいずれも半円形、第２クランク側歯車８ａを全円形とし、第１クランク側歯車７ａと第１出力側歯車７ｂとの歯数比を１：１、第２クランク側歯車８ａと第２出力側歯車８ｂとの歯数比を１：３としている。したがって、出力軸３が半回転する（１８０°位相がずれる）ごとに、噛合する歯車対が、第１の歯車対７と第２の歯車対８との間で交互に切替り、第１の歯車対７が膨張行程で噛合し、第２の歯車対８が膨張行程以外の３行程で噛合する。
【００３５】
このため、図６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は１／２となる（膨張行程の時間が全行程時間の半分まで長くなる）。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６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。
【００３６】
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。
【００３７】
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（速度変換機構６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４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４から駆動する場合、クランク軸３の角位相と出力軸４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４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。
【００３８】
図７には、出力軸４の角位相に対するバルブリフト量を示している。図７及び図３に示すように、排気行程に相当する出力軸４の角位相が１８０°から２４０°まで変化する間に排気バルブ（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、その後に吸気行程に相当する出力軸４の角位相が２４０°から３００°まで変化する間に吸気バルブ（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】
【００３９】
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】
【００４０】
１    内燃機関
２    ピストン
３    クランク軸
４    出力軸
５    コネクティングロッド
６    速度変換機構
７    第１の歯車対
７ａ  第１クランク側歯車
７ｂ  第１出力側歯車
８    第２の歯車対
８ａ  第２クランク側歯車
８ｂ  第２出力側歯車
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
【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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