(57)【要約】【課題】ピストンストローク量を自在に変化させることが可能なピストンストローク可変制御機構を提供する。【解決手段】ピストン−クランク機構を備える内燃機関において、コネクティングロッド大端部３ｂにクランクピン６の中心軸とコネクティングロッド大端部３ｂの中心軸とが偏心するよう設けられた偏心部材４ｂと、偏心部材４ｂと一体に形成されクランクピン６の中心軸と同心状に設けられた遊星部材４ａと、機関本体にクランクシャフト７の中心軸と同心状かつ回転自由に装着され、かつ遊星部材４ａと内接する転動部材５と、第１モータ９への動力の供給量を制御することにより転動部材５の回転を制御可能な制御機構と、を備え、制御機構が膨張行程開始直後からの所定期間は第１モータ９への動力供給を停止して転動部材５を回転自由な状態にする急速膨張制御を行なう。【選択図】図１
2009209759.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換して変速機に伝達するピストン−クランク機構を備える内燃機関において、
ピストンとクランクシャフトとを連接するコネクティングロッドと、
コネクティングロッド大端部にクランクピンの中心軸とコネクティングロッド大端部の中心軸とが偏心するよう設けられた偏心部材と、
前記偏心部材と一体に形成され前記クランクピンの中心軸と同心状に設けられた遊星部材と、
機関本体に前記クランクシャフトの中心軸と同心状かつ回転自由に装着され、かつ前記遊星部材と内接する転動部材と、
駆動源としての第１モータへの動力の供給量を制御することにより前記転動部材の回転を制御可能な制御機構と、
を備え、
前記制御機構が、膨張行程開始直後からの所定期間は前記第１モータへの動力供給を停止して前記転動部材を回転自由な状態にする急速膨張制御を行なうことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記制御機構は、前記転動部材と外接する制御軸を有し、
前記制御軸の端部に前記第１モータを備え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１モータは、前記転動部材の外周部に設けたローター部材と、機関本体に固定支持されるステータ部材と、からなることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記急速膨張制御の実行中に、前記転動部材の回転に伴って回転する前記第１モータによりエネルギ回生を行うことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項５】
前記制御機構は、低負荷・低回転領域で前記急速膨張制御を行うことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項６】
前記制御機構は、高負荷・低回転領域では前記急速膨張制御に加えて、少なくとも圧縮行程後半に前記第１モータへの動力供給を停止して前記転動部材を回転自由な状態にする急速圧縮制御を行なうことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記制御機構は、低負荷・高回転領域で、膨張行程開始直後からの所定期間は前記転動部材を前記遊星部材の回転速度を低下させる方向に回転させる緩慢膨張制御を行うことを特徴とする請求項５または６に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記制御機構は、高負荷・高回転領域では前記転動部材が１サイクル中に回転しないように制御することを特徴とする請求項５から７のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項９】
燃焼室内の混合気に火花点火をする点火手段を備え、
高負荷領域では前記点火手段を用いた火花点火によって燃焼を行い、低負荷領域では予混合圧縮自己着火によって燃焼を行うことを特徴とする請求項５から８のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項１０】
前記制御機構は、前記急速膨張制御、前記急速圧縮制御または前記緩慢膨張制御により生じる遊星部材のクランクシャフトに対する位置とピストン位置の位相のずれを解消するために、当該制御を行った行程中に、前記位相のずれの大きさに応じて前記転動部材を当該制御中の回転方向とは反対方向に回転させることを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項１１】
直列４気筒エンジンにおいて、
各気筒ごとに前記偏心部材、遊星部材及び転動部材を有し、
第１気筒及び第４気筒の前記転動部材の回転を制御する第１の制御機構と、
第２気筒及び第３気筒の前記転動部材の回転を制御する第２の制御機構と、
クランクシャフトの一端に回転軸が接続される第２モータと、
を備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のピストンストロークを可変に制御する機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃費を向上させる手段として、小排気量化やミラーサイクルの実現が知られているが、近年では、ピストンとクランクシャフトとを複数のリンクで連結する機構を用いることにより、１サイクル中のピストンストローク量を可変に制御するものが知られている。
【０００３】
特許文献１では、クランクシャフトとコネクティングロッドとの締結部に歯車機構を用いることにより、複雑なリンク機構を用いることなくピストンストローク量を可変に制御する機構が開示されている。
【特許文献１】実開平３−６１１３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１の構成では、機関本体に取り付けられた回動リングを回転させることによりピストンストロークを変化させる構成となっているが、この回動リングの回動範囲が制限されているため、１サイクル中のピストンストロークの変化量も制限されてしまい、ピストンストローク量を変化させることによる効果が十分に得られないという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明では、ピストンストローク量を自在に変化させることが可能なピストンストローク可変制御機構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、ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換して変速機に伝達するピストン−クランク機構を備える内燃機関に関する。さらに、ピストンとクランクシャフトとを連接するコネクティングロッドと、コネクティングロッド大端部にクランクピンの中心軸とコネクティングロッド大端部の中心軸とが偏心するよう設けられた偏心部材と、偏心部材と一体に形成され前記クランクピンの中心軸と同心状に設けられた遊星部材と、機関本体にクランクシャフトの中心軸と同心状かつ回転自由に装着され、かつ遊星部材と内接する転動部材と、駆動源としての第１モータへの動力の供給量を制御することにより転動部材の回転を制御可能な制御機構と、を備え、制御機構が、膨張行程開始直後からの所定期間は第１モータへの動力供給を停止して転動部材を回転自由な状態にする急速膨張制御を行なう。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、転動部材の転動範囲に制限がないため、ピストンストローク量を自在に変化させることが可能となり、これにより膨張行程において急速膨張制御を行うことで、冷却損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【０００９】
図１は本実施形態のピストン−クランク機構の概略構成図であり、（ａ）は機関前方から見た図、（ｂ）は機関側方から見た図である。１はピストン、２はピストンピン、３はコネクティングロッド、４は偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構、４ａは遊星ギア（遊星部材）、４ｂは偏心ブッシュ（偏心部材）、５はリングギア（転動部材）、６はクランクピン、７はクランクシャフト、８は制御軸、９はモータ（第１モータ）、１３は変速機、１４は制御ギア、１５はリングギア５の回転速度を検出するリングギア回転速度センサである。制御軸８、第１モータ９及び制御ギア１４で制御機構を構成する。
【００１０】
なお、図１（ａ）の破線で示した円はクランクピン６の軌跡である。また、リングギア回転速度センサは、一般的なクランク角センサと同様の手法でリングギア５の回転速度を検出するものである。その他に、図１では省略しているが、一般的なエンジンと同様に、クランクシャフト７の回転速度を検出するクランク角センサも備える。
【００１１】
ピストン１はピストンピン２を介してコネクティングロッド３と連結されている。コネクティングロッド３の大端部３ｂには、偏心ブッシュ４ｂと遊星ギア４ａが一体となった偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構４が配置され、クランクピン６が偏心ブッシュ４ｂと遊星ギア４ａを貫通している。なお、クランクピン６は遊星ギア４ａの中心を貫通する。
【００１２】
遊星ギア４ａはクランクシャフト７と同心状に配置されるリングギア５に内接し、外周の歯がリングギア５の内周の歯と噛み合っている。
【００１３】
リングギア５は機関本体に対して回転自由に設置されている。制御軸８は第１モータ９により回転駆動され、かつ同軸状に嵌合する制御ギア１４がリングギア５と噛み合うように設置される。すなわち、リングギア５は、制御軸８を介して第１モータ９により回転駆動、または回転不可能に保持される。なお、制御ギア１４は制御軸８の外周部に一体に形成してもよい。
【００１４】
図２は図１（ａ）と同様に本実施形態のピストン−クランク機構を機関前方から見た図である。
【００１５】
クランクシャフト７は図中反時計回りに回転するものとし、その角速度をクランクシャフト角速度ω１とする。遊星ギア４ａはクランクシャフト７の回転に伴って移動するが、リングギア５と噛み合っているため、リングギア５が回転せずに固定されている場合にはクランクピン６を中心として図中時計回りに自転しながら移動することとなる。この時の角速度を遊星ギア角速度ω３とする。また、第１モータ９を駆動することで制御軸８を回転させたときの制御軸８の角速度を制御軸角速度ω４とし、リングギア５の角速度をリングギア角速度ω２とする。なお、クランクシャフト角速度ω１は、図示しないクランク角センサにより検知する。
【００１６】
図３（ａ）は、遊星ギア４ａとリングギア５の直径の比を１：２、クランクピン６の軌跡の直径と遊星ギア４ａの直径の比を１：１、クランクシャフト７が１回転する間に遊星ギア４ａが自転を１回行うものとした場合の、ピストン１が１ストロークする間の上記機構の基本的な動作について示した図である。図３（ｂ）はクランクシャフト角速度ω１、リングギア角速度ω２のタイムチャートである。つまり、図３（ａ）はピストン１の振幅は一定とし、クランクシャフト角速度ω１＝一定、リングギア角速度ω２＝０としたときの動作を表した図である。なお、遊星ギア４ａの自転の様子を理解しやすくするために、遊星ギア４ａの外周付近の一箇所に印をつけてある。
【００１７】
ピストン１が上死点にあるときには、ピストンピン２、コネクティングロッド大端部３ｂ、クランクピン６、クランクシャフト７のメインジャーナルの各中心が一直線上に並ぶ（図３（ａ−１））。そこからクランクシャフト７が回転すると、遊星ギア４ａはリングギア５と噛み合いながら自転するので、偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構４は図中時計回りに回転することとなり、偏心ブッシュ４ｂが下降し、ピストン１も下降する（図３（ａ−２）〜（ａ−４））。下死点到達後もクランクシャフト７が回転を続け、遊星ギア４ａが自転を続けると、ピストン１の動きは上昇に転じ、クランクシャフト７が１回転したときに再び上死点に到達する（図３（ａ−５）〜（ａ−８））。
【００１８】
このようなピストンストローク中に、コネクティングロッド小端部３ａとコネクティングロッド大端部３ｂとを結ぶ軸線は、シリンダ中心軸と略平行のまま、つまり傾きをほとんど変えることなく上下動する。そのため、コネクティングロッド３は、ピストンピン２を介して伝達される燃焼圧による荷重と、ピストン１の往復動に伴って発生する慣性力等の加振力（変位加振力）とを、シリンダ中心軸と略同一方向で受け止めることとなる。したがって、ピストンスラップやピストン１に対するスラスト荷重が低減される。
【００１９】
また、コネクティングロッド３がほとんど傾きを変えることなく上下動すると、コネクティングロッド３の揺動により発生する慣性力がほとんどなくなるので、偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構４を介してクランクシャフト７に入力される荷重は、シリンダ中心軸に対して傾いた方向の荷重は軽減され、シリンダ中心軸方向の荷重が支配的となる。すなわち、機関運転中にクランクシャフト７を加振する荷重の入力方向は主にシリンダ中心軸方向となる。
【００２０】
したがって、機関運転中にコネクティングロッド３が揺動する場合と比べて、軽いカウンターウェイトでもクランクシャフト７の振動を抑制することが可能となる。また、カウンターウェイトが軽くなると、クランクピン６の径やクランクシャフト７のメインジャーナル径等を小径化することも可能となる。
【００２１】
さらに、コネクティングロッド３の揺動により発生する慣性力が低減した分だけ、クランクシャフト７を介してエンジン全体に入力される荷重が低減するため、エンジンから車体への入力荷重も低減される。これにより、乗り心地や運転性が向上するという効果も得られる。
【００２２】
図４は、１サイクル中にピストンモーションを変更する場合の動作について示した図であり、膨張行程開始からピストン１が下降していく様子を（ａ）から（ｈ）まで順に示している。なお、クランクシャフト７は一定のクランクシャフト角速度ω１で回転しているものとする。
【００２３】
膨張行程開始後にピストン１が所定の位置（図４（ｂ））まで下降したら、第１モータ９への電力供給を停止して制御軸８を回転自由な状態にする。ピストン１が下降する際、偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構４には、ピストン１が受ける燃焼圧がコネクティングロッド３を介して、偏心ブッシュ４ｂをクランクピン６まわりに回転させる力、つまり遊星ギア４ａを図中時計回りに自転させる力として作用する。ここで、制御軸８が回転不可能な状態であれば、図３（ａ）と同様に、遊星ギア４ａはクランクピン６の移動とともにリングギア５と噛みあいながらクランクピン６まわりに回転することとなる。しかし、制御軸８が回転自由な状態になっているため、遊星ギア４ａに上述した自転させる力が作用するとリングギア５が回転する。このため、遊星ギア４ａはクランクピン６が移動しなくても、クランクピン６まわりに自転することができる。そして、リングギア５が回転すると、これと噛みあう制御軸８も回転することになるので、第１モータ９で発電することが可能となる。
【００２４】
また、制御軸８及びリングギア５を回転自由にした後の図４（ｃ）〜（ｅ）では、クランクピン６の位置がほとんど変わっていないにもかかわらず、ピストン１の位置は下降している。クランクシャフト角速度ω１が一定であることを考慮すると、短時間でピストン１が下降していることがわかる。
【００２５】
図５は、図３（ａ）に示したピストンモーション（以下、通常のピストンモーションという）と、制御軸８及びリングギア５を回転自由にした場合（以下、急速膨張制御という）のピストンモーションとを比較した図である。横軸はクランク角（ゼロ度が圧縮上死点、１８０度が膨張下死点）、縦軸はピストン位置であり、実線が急速膨張制御を行った場合のピストンモーション、破線が通常のピストンモーションを示している。
【００２６】
膨張行程開始後は通常のピストンモーションと急速膨張制御は同様のピストンモーションであるが、図４（ｂ）の時点に相当するＣＡ１から急速膨張制御の方が、ピストン１の下降速度が大きくなる。なお、ＣＡ２から膨張下死点までは、ＣＡ１〜ＣＡ２間と比べて下降速度が減少しているが、これについては後述する。
【００２７】
図６は、急速膨張制御を行った場合の遊星ギア４ａ、リングギア５、及びクランクシャフト７の角速度の変化を示すタイムチャートである。
【００２８】
膨張行程が始まるｔ０以前は、遊星ギア角速度ω３、リングギア角速度ω２、クランクシャフト角速度ω１はいずれも一定値である。
【００２９】
膨張行程開始直後のｔ１（図５のＣＡ１に相当する）で制御軸８を回転自由にすると、リングギア５が回転自由になるので、遊星ギア４ａは上述した力に応じてクランクピン６回りに自転し、リングギア５も遊星ギア４ａの回転に伴って回転するので、遊星ギア角速度ω３及びリングギア角速度ω２は増大している。
【００３０】
このとき、リングギア５が回転することにより制御軸８も回転するので、第１モータ９により発電可能となる。すなわち、クランクシャフト７から動力を取り出しつつ、一般的な機関では理論効率よりも低い効率で運転している際に、種々の損失エネルギとして失っているエネルギを電力として回収することが可能となる。
【００３１】
ピストン１が所定量下降したｔ２（図５のＣＡ２に相当する）以降は、第１モータ９に電力を供給して制御軸８を駆動し、リングギア角速度ω２を低下させる。これにより、図５のＣＡ２以降はＣＡ２以前に比べてピストン１の下降速度が低下する。なお、ここでの所定量は、例えばピストンストロークの半分以上とする。
【００３２】
そして、リングギア角速度ω２は負になるまで、つまりリングギア５が図中反時計回りに回転するまで低下させる（ｔ３〜ｔ４間）。このとき、遊星ギア角速度ω３が略ゼロまで低下したら、リングギア角速度ω２は略一定となるように制御する。これにより、図５のＣＡ１〜ＣＡ２間でクランクシャフト７がほとんど回転しない状態でピストン１が下降することによって生じた、遊星ギア４ａのクランクシャフト７に対する位置とピストン位置の位相のずれが解消される。
【００３３】
当該位相のずれが解消したら（図６のｔ４）、リングギア５が回転しないよう制御軸８を固定する。これにより、遊星ギア角速度ω３は急速膨張制御開始前と同等になる。なお、クランクシャフト角速度ω１が一定の場合について説明したが、必ずしも一定である必要はない。例えば急速膨張制御中にクランクシャフト角速度ω１が増大した場合には、当該位相のずれを解消する際に、クランクシャフト角速度ω１が増大した分だけｔ３〜ｔ４間を短くすればよい。
【００３４】
ところで、図１のピストン−クランク機構では、クランクシャフト７が回転していながらもピストン位置が変化しない、いわゆる気筒休止制御を行うことができる。図７（ａ）〜（ｃ）は気筒休止制御について説明するための図である。
【００３５】
図７（ａ）は、ピストン１の振幅を変化させる場合の、コネクティングロッド３や偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構４等の動作の一例について示した図であり、(i)は上死点位置を示し、(ii)〜(iv)はそこからクランクシャフト７が回転した状態を示している。図７（ｂ）は、このときのクランクシャフト角速度ω１、リングギア角速度ω２のタイムチャート、図７（ｃ）はピストン位置の変化を表すタイムチャートである。なお、図７（ａ）の(i)は図７（ｂ）、（ｃ）のｔ１の時点、同じく(iii)はｔ２の時点のそれぞれの状態を示している。なお、ｔ２はピストン１が振幅の略中間まで下降した時点である。
【００３６】
ピストン１が図７（ａ）の（iii）の位置まで下降したとき、つまり図７（ｂ）、（ｃ）のｔ２の時点で第１モータ９の駆動を開始して制御軸８を図中時計回りに回転させ、これによりリングギア５を図中反時計回りに回転させる。なお、ピストン１の位置の検出は図示しないクランク角センサにより行い、制御軸８の回転速度は、リングギア回転速度センサ１５及びクランク角センサの検出値に基づいて設定する。また、ｔ２をピストン１が振幅の中間に達する直前としたのは、制御遅れ時間を考慮したためである。
【００３７】
このとき、ｔ２以降は図７（ｂ）に示すようにリングギア角速度ω２がクランクシャフト角速度ω１と等しくなるようにすると、遊星ギア４ａはリングギア５と常に同一点が噛み合ったまま、遊星ギア角速度ω３＝０の状態でクランクシャフト７の回転軸まわりに回転する。そして、このときコネクティングロッド大端部３ｂの中心はクランクシャフト７の回転軸と略一致しているので、偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構４は、偏心ブッシュ４ｂのクランクシャフト７の回転軸近傍を中心として回転する。そのため、図７（ｃ）に示すように、クランクシャフト７が回転してもピストン１の位置はほとんど変化しなくなり、いわゆる気筒休止状態となる。なお、リングギア５を回転させたときのピストン１の振幅は、リングギア角速度ω２とクランクシャフト角速度ω１との比によって決まる。したがって、リングギア角速度ω２とクランクシャフト角速度ω１の比率を変化させることにより、気筒休止だけでなく、任意の振幅を設定することができる。
【００３８】
以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。
（１）ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換して変速機に伝達するピストン−クランク機構を備える内燃機関において、ピストン１とクランクシャフト７とを連接するコネクティングロッド３と、コネクティングロッド大端部３ｂにクランクピン６の中心軸とコネクティングロッド大端部３ｂの中心軸とが偏心するよう設けられた偏心ブッシュ４ｂと、偏心ブッシュ４ｂと一体に形成されクランクピン６の中心軸と同心状に設けられた遊星ギア４ａと、機関本体にクランクシャフト７の中心軸と同心状かつ回転自由に装着され、かつ遊星ギア４ａと内接するリングギア５と、第１モータ９への動力の供給量を制御することによりリングギア５の回転を制御可能な制御機構と、を備え、制御機構が、膨張行程開始直後からの所定期間は第１モータ９への動力供給を停止してリングギア５を回転自由な状態にする急速膨張制御を行なうので、膨張時における冷却損失を低減することができる。
（２）急速膨張制御の実行中に、リングギア５の回転に伴って回転する第１モータ９によりエネルギ回生を行うので、エンジンが理論効率の低い運転条件で運転している場合に、従来は損失エネルギとして損失していたエネルギを電力として回収することが可能となり、システム全体でのエネルギ効率を向上させ、燃費を改善することができる。
【００３９】
第２実施形態について説明する。
【００４０】
図８は図１に示したピストン−クランク機構を備えるエンジンの構成を示す図であり、２０はシリンダヘッド、２１はシリンダブロック、２２は吸気ポート、２３は排気ポート、２４は吸気バルブ、２５は排気バルブ、２６は点火栓、２７は燃料噴射弁、２８は燃焼室である。
【００４１】
シリンダヘッド２０には、下面に設けた燃焼室２８とシリンダヘッド２０の一方の側面とを連通する吸気ポート２２と、燃焼室２８とシリンダヘッド２０の他方の側面とを連通する排気ポート２３とを設け、それぞれの燃焼室２８側の開口部には、図示しない吸気カムシャフト及び排気カムシャフトにより開閉駆動される吸気バルブ２４及び排気バルブ２５を配置する。点火栓２６及び燃料噴射弁２７は燃焼室２８に臨むように配置する。
【００４２】
図９は、各気筒が図８のような構成となっている直列４気筒エンジンの概略構成図（側面図）である。なお、ピストン１、コネクティングロッド３、偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構４及びシリンダヘッド２０は省略している。
【００４３】
第１気筒から第４気筒の各気筒は図１に示したピストン−クランク機構を備えるが、制御軸８は第２気筒及び第３気筒用の制御軸８ａと、第１気筒及び第４気筒用の制御軸８ｂの２本を備え、第１モータ９も同様に第１モータ９ａ及び第１モータ９ｂの２つを備える。また、クランクシャフト７と変速機１３との間に第２モータ３０を介装する。
【００４４】
このような構成にすることで、第１気筒及び第４気筒と第２気筒及び第３気筒とを異なるピストンモーションに制御することが可能となる。例えば、第１気筒及び第４気筒、または第２気筒及び第３気筒のいずれか一方のみを選択的に急速膨張制御したり、気筒休止させることができる。なお、直列４気筒エンジンに限らず、例えばＶ型８気筒エンジンについて、左バンク用と右バンク用に制御軸８を２本備える構成とすれば、一方のバンクの気筒を選択的に気筒休止させることも可能である。
【００４５】
次に、図９の構成により可能となる、運転領域ごとのピストンモーションの制御について説明する。
【００４６】
図１０は、ＨＣＣＩ燃焼（予混合圧縮自己着火）を行うエンジンの一般的な運転領域マップである。
【００４７】
ＨＣＣＩ燃焼とは、通常は火花点火を主体とするエンジンにおいて、圧縮行程前に燃焼室内に混合気を形成しておき、これを圧縮により自己着火させる燃焼方式である。これによれば、燃焼室内の燃料全体がほぼ同時に着火するので、空燃比の大幅なリーン化や大量のＥＧＲガス導入による燃料の希釈率が非常に大きい条件でも燃焼することが可能であり、燃費の低減と排出物質の低減を同時に実現することが可能である。
【００４８】
しかし、燃焼室内の燃料気全体がほぼ同時に着火するため、急激な熱発生による急峻な圧力上昇を伴う。このため、機関負荷が高くなると、最大圧力が上昇することとなり、部品強度の確保のために重量が増加してしまうという問題や、燃焼騒音が悪化するという問題が生じる。また、ＨＣＣＩ燃焼では、燃料の点火を化学反応に頼っているため、機関回転速度が上昇して１サイクルの実時間が短くなると、反応が十分に進行する前にピストン１が下降してしまい、失火するおそれがある。
【００４９】
このような問題があるために、ＨＣＣＩ燃焼可能な運転領域には制限があり、図１０に示すように、低負荷・低回転領域でＨＣＣＩ燃焼を行い、高回転領域と高負荷領域では火花点火を行うのが一般的である。
【００５０】
図１１は、図１、図８及び図９に示す構成のエンジンでＨＣＣＩ燃焼を行う本実施形態の運転領域マップである。
【００５１】
低負荷・低回転領域では、ＨＣＣＩ燃焼を行う。このとき、膨張行程においては、上述した急速膨張制御を行う。これにより、第１モータ９によるエネルギの回生を行うとともに、冷却損失を低減して熱効率を向上させることができる。
【００５２】
低負荷・高回転領域においても、ＨＣＣＩ燃焼を行う。このとき、上述した失火のおそれを解消するために、膨張行程において次のような制御を行う。
【００５３】
図１２は、低負荷・高回転領域の膨張行程で実行する制御によるクランクシャフト角速度ω１、リングギア角速度ω２及び遊星ギア角速度ω３の変化を示す図である。なお、ここではクランクシャフト角速度ω１が一定の場合について説明する。
【００５４】
膨張開始（圧縮上死点）をｔ０とすると、ｔ０の直前からリングギア５を図１中の反時計回りに回転させることにより、遊星ギア角速度ω３を低下させる。これにより、偏心ブッシュ４ｂのクランクピン６回りの回転速度が低下する分だけピストン１の下降速度が低下する。ピストン１が所定の高さまで下降したｔ１となったら、急速膨張制御と同様にリングギア５を回転自由にすることによって遊星ギア角速度ω３を上昇させ、遊星ギア４ａのクランクシャフト７に対する位置とピストン位置の位相のずれを解消し、このずれが解消したｔ２となったら再び第１モータ９を駆動してリングギア角速度ω２をゼロにする。
【００５５】
この制御（以下、緩慢膨張制御という）を行うことにより、圧縮上死点近傍から膨張行程前半においてピストン１の下降速度が低下し、これにより化学反応が進行して着火に必要な時間だけ高温・高圧場を保持することができるので、着火性が安定する。このため、ＨＣＣＩ燃焼が可能となる。なお、ｔ１からは急速膨張となるが、燃料全体が着火した後であれば問題がない。そこで、ｔ０〜ｔ１間の長さはエンジン回転速度及び着火に必要な時間に応じて設定する。
【００５６】
高負荷・低回転領域では、上述した急激な圧力上昇や燃焼騒音の悪化等の問題によりＨＣＣＩ燃焼を行うことができない。特に、部品強度を重量増なしに実現することは、現在の技術とコストに照らし合わせると困難である。したがって、当該領域では通常の火花点火燃焼を実施し、負荷に応じて燃料の希釈率を逐次変化させる。
【００５７】
ところで、負荷の増大とともに１サイクルに噴射する燃料量は増大する。このとき、点火時期までに燃料と空気とを均質に混合する必要があるが、燃料量の増大と共に均質に混合することが困難になる。吸気ポート２２の形状や吸気バルブ２４の開閉時期制御により燃焼室２８内にガス流動による乱れを生成させて燃料と空気との混合を促進させることができるが、圧縮上死点近傍ではこのガス流動による乱れは減衰してしまう。そこで、次のような制御を行う。
【００５８】
図１３は、高負荷・低回転領域の圧縮行程及び膨張行程で実行する制御によるクランクシャフト角速度ω１、リングギア角速度ω２及び遊星ギア角速度ω３の変化を示す図である。なお、ここではクランクシャフト角速度ω１が一定の場合について説明する。
【００５９】
吸気下死点ｔ０から所定時間経過後のｔ１で、リングギア５を図１中で反時計回りに回転させて、遊星ギア角速度ω３を略ゼロまで低下させる。これは、後述するように圧縮行程後半で急速圧縮制御を行うので、圧縮上死点で遊星ギア４ａのクランクシャフト７に対する位置とピストン位置の位相が揃うように、予め当該位相のずれを作るためである。
【００６０】
この状態を維持したまま、ｔ２になったら膨張行程開始後のｔ３までリングギア５を回転自由な状態にする。これにより急速膨張制御時と同様に遊星ギア角速度ω３は増大し、ピストン１の上昇速度が増大するので、前述した燃焼室２８内の乱れの減衰を抑制することができる。なお、ｔ２は燃料と空気との混合に必要な時間を確保できるように、燃料噴射量と回転速度に応じて設定する。
【００６１】
また、ｔ１はｔ２に応じて、つまり急速圧縮を行う期間に応じて、急速圧縮後に遊星ギア４ａのクランクシャフト７に対する位置とピストン位置の位相が揃うように設定する。
【００６２】
膨張行程は、急速膨張制御を行う。圧縮上死点ですでにリングギア角速度ω２及び遊星ギア角速度ω３が高くなっていること以外は図６に示した制御と同様の制御を行う。なお、図１３のｔ３が図６のｔ２に相当する。
【００６３】
このように、圧縮行程の後半においてピストン１の上昇速度を高めることにより、筒内の乱れを維持し、燃料と空気との混合を促進することができる。一方、膨張行程においては急速膨張制御を行うことにより、冷却損失を低減するとともに、ノッキングを防止し、また、ＮＯｘの生成も抑制することができる。
【００６４】
なお、急速圧縮制御及び急速膨張制御を行うためには、図９に示した構成のように、第１気筒及び第４気筒と第２気筒及び第３気筒とを別々に制御可能でなければならない。例えば直列４気筒エンジンの場合には、第１気筒が膨張行程のときに第３気筒は圧縮行程となる。このため、１本の制御軸８で全気筒のリングギア５を制御する場合には、第１気筒で急速膨張制御を行うと、第３気筒では圧縮行程前半でも急速圧縮することなり、圧縮行程終了時に前記位相のずれが解消しなくなる。同様に、第１気筒で急速圧縮制御を行うと、第３気筒では膨張行程後半でも急速膨張することとなり、膨張行程終了時に前記位相のずれが解消しなくなる。これに対して、図９の構成によれば第１気筒及び第４気筒と第２気筒及び第３気筒とを別々に制御可能なので、このような問題は生じない。
【００６５】
高負荷・高回転領域では、図３に示した通常のピストンモーションで、火花点火を行う。なお、クランクシャフト７に第２モータ３０を備えるので、例えば第２モータ３０に負荷を与えることにより、トルク変動幅を低減し、運動性能を向上することができる。
【００６６】
以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに次のような効果を得ることができる。
【００６７】
（１）低負荷・低回転領域では急速膨張制御を行うので、冷却損失を低減することができる。
【００６８】
（２）高負荷・低回転領域では急速膨張制御に加えて、少なくとも圧縮行程後半に急速圧縮制御を行なうので、圧縮上死点近傍まで筒内のガス流動の乱れを維持し、燃料と空気との混合を促進させることができる。
【００６９】
（３）低負荷・高回転領域で、膨張行程開始直後からの所定期間は緩慢膨張制御を行うので、筒内が高温・高圧場となる時間を相対的に長くすることができ、これにより燃料が着火に至るまでの時間を確保することができる。
【００７０】
（４）高負荷領域では火花点火による燃焼を行い、低負荷領域ではＨＣＣＩ燃焼を行うので、高負荷時にはノッキングの防止及びＮＯｘ生成量の低減が可能となり、低負荷時には、ＨＣＣＩ燃焼による高希釈率での運転が可能となる。特に、高回転・低負荷時に緩慢膨張制御を行うことにより、圧縮自己着火に必要な時間を確保することができるので、ＨＣＣＩ燃焼可能領域を従来よりも高回転側まで拡げることができる。
【００７１】
（５）急速膨張制御、急速圧縮制御または緩慢膨張制御により生じる遊星ギア４ａのクランクシャフト７に対する位置とピストン位置の位相のずれを解消するために、当該制御を行った行程中に、位相のずれの大きさに応じてリングギア５を当該制御中のリングギア５の回転方向とは反対方向に回転させるので、１サイクル中の各行程終了時には遊星ギア４ａのクランクシャフト７に対する位置とピストン位置の位相が揃う。
【００７２】
（６）直列４気筒エンジンにおいて、各気筒ごとに偏心ブッシュ４ｂ、遊星ギア４ａ及びリングギア５を有し、第１気筒及び第４気筒用の制御軸８ａ及び第１モータ９ａと、第２気筒及び第３気筒用の制御軸８ｂ及び第１モータ９ｂと、クランクシャフト７の一端に接続した第２モータ３０とを備えるので、全気筒について図１１の運転領域マップのような運転を行うことができ、またトルク変動幅を減少させることができる。
【００７３】
第３実施形態について説明する。図１４は本実施形態のピストン−クランク機構の概略構成図である。図１と同様に（ａ）は機関前方から見た図、（ｂ）は機関側方から見た図である。
【００７４】
図１（ａ）、（ｂ）との相違点は、制御軸８がない点と、第１モータ９をローター部材１０とステータ部材１１とで構成する点である。ローター部材１０はリングギア５の外周側の面に固定され、ステータ部材１１はエンジン本体に備えられる。
【００７５】
このようにモータを構成すると、ステータ部材１１が回転するとリングギア５が回転することとなる。つまり、制御軸８を設けることなくリングギア５を回転駆動させることが可能となる。
【００７６】
以上により本実施形態によれば、制御軸８や第１モータ９を配置するためのスペースが不要となり、エンジン全体をコンパクトにすることが可能となる。また、多気筒エンジンに適用する際の設計の自由度も増す。
【００７７】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】第１実施形態のピストン−クランク機構の概略図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図２】同ピストン−クランク機構の各要素の角速度を説明するための図である。
【図３】（ａ）はピストン−クランク機構の動きを示した図、（ｂ）はクランクシャフト角速度及びリングギア角速度のタイムチャートである。
【図４】（ａ）〜（ｇ）は急速膨張制御中のピストン−クランクシャフト機構の動作を説明するための図である。
【図５】急速膨張制御時のピストンモーションを表す図である。
【図６】急速膨張制御時における各要素の角速度の変化を表す図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は気筒休止制御について説明するための図である。
【図８】第２実施形態を適用するエンジンのシリンダヘッド構造を表す図である。
【図９】第２実施形態を適用するエンジンの概略構成図（側面図）である。
【図１０】ＨＣＣＩ燃焼を行う場合の、一般的な運転領域マップである。
【図１１】第２実施形態の運転領域マップである。
【図１２】緩慢膨張制御時における各要素の角速度の変化を表す図である。
【図１３】急速圧縮制御及び急速膨張制御を行う場合の各要素の角速度の変化を表す図である。
【図１４】第３実施形態のピストン−クランク機構の概略図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１    ピストン
２    ピストンピン
３    コネクティングロッド
４    偏心ブッシュ・遊星ギア一体機構
５    リングギア
６    クランクピン
７    クランクシャフト
８    制御軸
９    第１モータ
１０  ローター部材
１１  ステータ部材
１３  変速機
１４  制御ギア
１５  リングギア回転速度センサ
３０  第２モータ
【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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【図１４】
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【図８】
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