JP2010249111A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス流動制御弁を設けることなく筒内のガス流動を強化して燃焼の促進を図ることができるようにする。
【解決手段】クランク軸４と出力軸１１とに、互いに噛合する一対の楕円歯車１２，１３を軸着し、吸気弁８の開弁期間内でクランク軸４の回転速度が最速となるように、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１側と出力軸側楕円歯車１３の長軸Ｌ２側とが噛合するクランク角θを設定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、吸気弁の開弁タイミングに同期させてピストンの下降速度を最速にするようにした内燃機関に関する。

従来、筒内に生成されるガス流動を強化して燃焼を改善する技術が知られている。ガス流動を強化する手段として、例えば、特許文献１（特開平７−１１９４７２号公報）には、吸気ポートの上流側の吸気通路を隔壁で二分し、一方の分割された通路にガス流動制御弁を配設し、このガス流動制御弁を閉じることで、他方の分割された通路から吸気を筒内に高速で流れ込ませることにより、筒内に強力なガス流動（タンブル流）を発生させる技術が開示されている。

この技術によれば、筒内に供給される吸気に縦渦流（タンブル流）や横渦流（スワール流）等のガス流動を発生させることで、燃焼速度が進められ、燃焼が改善される。

しかし、上述した文献に開示されている技術のように、筒内にガス流動を生じさせるために、吸気配管中に、ガス流動制御弁としてのコントロールバルブ（タンブルコントロール弁(TGV)やスワールコントロール弁(SCV)）を介装した場合、排気管の構造が複雑化してしまう問題がある。

又、ガス流動を発生させるために、一方の通路を閉塞して吸気流速を速めるようにしているため、吸気が絞られる分、ポンプロスが増加し、燃費が悪化してしまう問題がある。

更に、低負荷運転時は吸気通路を流れる吸気流量が少ないため、ガス流動が生成し難く、このガス流動により燃焼を改善することは困難である。

本発明は、上記事情に鑑み、ガス流動制御弁を設けることなく、筒内のガス流動の強化を可能として燃焼の促進を図ることができると共に、等容度の改善、及びノック回避による高圧縮比化を可能とし、更に、ガス流動制御弁を不要とすることでポンプロスの低減及び構造の簡素化を実現することのできる内燃機関を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、ピストンの上下運動により回転するクランク軸と該クランク軸からの回転運動により回転する出力軸とを備える内燃機関において、前記クランク軸と前記出力軸との間に、該出力軸が略等速回転を行うとき、前記クランク軸がその回転周期に同期して回転速度が周期的に変更される不等速動力伝達機構を介装し、前記不等速動力伝達機構は、吸気弁の開弁期間内で前記クランク軸の回転速度が最速となるように配設されていることを特徴とする。

本発明によれば、ピストンの上下運動により回転するクランク軸と出力軸との間に不等速動力伝達機構を介装し、吸気弁の開弁期間内でクランク軸の回転速度が最速となるように設定されているので、吸気行程における筒内のガス流動が強化されて、燃焼の促進を図ることができる。その結果、等容度が改善されるばかりでなく、ノック回避による高圧縮比化が可能となる。更に、ガス流動制御弁が不要となるため、構造の簡素化、及びポンプロスの低減を図ることができる。

第１実施形態によるピストンが排気上死点にあるときの歯車挿入式内燃機関の概略構成図 同、吸気弁開弁時の歯車挿入式内燃機関の概略構成図 同、（ａ）は筒内圧力の変化を示すタイミングチャート、（ｂ）は吸気弁の動作を示すタイミングチャート、（ｃ）はクランク軸側楕円歯車の回転速度の変化を示すタイミングチャート 同、歯車位相と吸気の平均流入速度増加率との関係を示す特性図 第２実施形態によるピストンが排気上死点にあるときの歯車挿入式内燃機関の概略構成図 同、吸気弁開弁時の歯車挿入式内燃機関の概略構成図

以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。

［第１実施形態］
図１〜図４に本発明の第１実施形態を示す。図１、図２の符号１は歯車挿入式内燃機関（以下、「内燃機関」と略称する）であり、図においては、火花点火式ガソリン燃焼機関が示されている。尚、本実施形態で示す内燃機関１は４サイクル単気筒内燃機関であるが、４サイクルの２気筒或いは４気筒内燃機関であっても適用することができる。

この内燃機関１のシリンダ２にピストン３が進退自在に挿通されており、このピストン３のピストンピン３ａとクランク軸４のクランクピン４ａとがコネクティングロッド（以下、「コンロッド」と略称）５を介して連設されている。

クランク軸４は、そのクランクジャーナル４ｂがシリンダ２に連設するクランクケース（図示せず）に回動自在に支持されている。又、ピストン３の頂面とシリンダ２とシリンダヘッド６とで区画された領域に燃焼室７が形成されている。このシリンダヘッド６に、吸気ポート６ａと排気ポート６ｂとが設けられ、この各ポート６ａ，６ｂに吸気弁８と排気弁９とが配設され、更に、このシリンダヘッド６の頂部に、発火部を燃焼室７に臨ます点火プラグ（図示せず）が固設されている。

図３（ｂ）に示すように、吸気弁８の開弁期間は排気行程の終了間際から圧縮行程開始直後までに設定されており、又、図示しないが排気弁９の開弁期間は、燃焼行程終了間際から吸気行程開始直後までに設定されている。この各弁８，９の開閉は、例えばクランク軸４の回転速度に同期して、その１／２の回転速度で回転するカム軸に設けられている吸気カム、排気カムの動作によって行われる。但し、この各弁８．９は、その開閉が電子的に制御される電磁動弁であっても良い。

又、クランク軸４に対し、出力軸１１がクランク軸４の延出方向に沿って平行に配設されている。更に、このクランク軸４のクランクジャーナル４ｂの軸心と出力軸１１の軸心を結ぶ線が、ピストン３が上死点にあるときのクランクジャーナル４ｂの軸心とクランクピン４ａの軸心とを結ぶ線に対して、直交する方向に配列されている（図１参照）。この出力軸１１に、図示しない変速機等を介して或いは直接的に、発電機、走行負荷等の負荷要素が印加される。尚、出力軸１１にはフライホイール（図示せず）が出力軸を、慣性力により略等速回転させるべく軸着されている。

更に、クランク軸４と出力軸１１との間に、互いに噛合する一対のクランク軸側非円形歯車と出力軸側非円形歯車とが介装されている。この両非円形歯車は、本実施形態では楕円歯車１２，１３であり、クランク軸４にはクランク軸側楕円歯車１２との、出力軸には出力軸側楕円歯車１３との軸芯部分が各々軸着されている。又、この両楕円歯車１２，１３で不等速動力伝達機構が構成されている。この不等速動力伝達機構は、出力軸１１が略等速回転を行うとき、クランク軸４が、その回転周期に同期して回転速度が周期的に変化するものである。

この両楕円歯車１２，１３は同一の形状を有しており、両楕円歯車１２，１３が長軸Ｌ１，Ｌ２と短軸Ｓ１，Ｓ２とを互いに直交する方向に位相をずらした状態で噛合されている。尚、本実施形態では、楕円歯車１２，１３として、軸心に対して歯車プロフィールが点対称を成す二葉歯車が採用されており、この各楕円歯車１２，１３の最大角速度比は2.0に設定されている。但し、この最大角速度比は採用する内燃機関１のピストン速度変化特性に応じて適宜設定される。

ピストン３がシリンダ２にガイドされて上下運動すると、クランク軸４が回転し、このクランク軸４の回転により、互いに噛合するクランク軸側楕円歯車１２と出力軸側楕円歯車１３とを介して出力軸１１が回転する。その際、出力軸１１を等速回転させると、クランク軸４は、互いに噛合する一対の楕円歯車１２，１３の回転により、１８０［deg］周期で不等速回転する。

図１には、ピストン３が排気上死点（ＴＤＣ）にある状態が示されている。尚、符号ＬTDCは、ピストン３が上死点ＴＤＣにあるときのクランク軸４のクランクジャーナル４ｂの軸心とクランクピン４ａの軸心とを結ぶ軸線である。又、同図に矢印で示すように、クランク軸４が時計回り方向へ回転するように設定されており、従って、出力軸１１は反時計回り方向へ回転する。

出力軸１１を定速回転させた状態で、クランク軸４の回転速度が最速となるクランク角は、図２に示すように、クランクジャーナル４ｂの軸心と出力軸１１との軸心を結ぶ線に対して、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１側が一致する位置であり、この状態では、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１側と出力軸側楕円歯車１３の長軸Ｌ２側とが噛合される。従って、このクランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１側と出力軸側楕円歯車１３の長軸Ｌ２側とが噛合される位置を、ピストン３のクランク角に同期させることで、当該ピストン３の上下移動速度を吸気行程途中において最速とすることができる。

ところで、吸気弁８の開弁タイミングに合わせてピストン３の下降速度を一時的に速めることで、短時間での吸気が可能となる。短時間で吸気を完了させることで、相対的に吸気行程中の吸気流速が速くなり、筒内に発生するタンブル流、スワール流等のガス流動を強化することができる。

図４に示すように、実験によれば、ピストン３の下降速度が最速となるクランク角（歯車位相）θを、排気上死点を基準とする遅角方向、すなわち、排気上死点後（ＡＴＤＣ）２５〜８０[deg]の間に設定することで筒内のガス流動が１０[％]以上増加し、その中でも、クランク角θをＡＴＤＣ約５０[deg]に設定することで、筒内のガス流動が最大となることが判明した。尚、本実施異形態では、一対の楕円歯車１２，１３として二葉歯車を採用しているため、クランク軸側楕円歯車１２（クランク軸４）の回転変動は、１８０[deg]周期で変化する。従って、最速となるクランク角θは各行程毎に現れる。

この実験結果によれば、吸気行程前半でピストン３の下降速度を最速にすることで、吸気行程前半での吸気流速が速くなり、筒内に強力なガス流動を発生させることができ、燃焼の促進を図ることができる。

次に、このような構成による本実施形態の作用について説明する。稼働中の内燃機関１は、ピストン３の上下運動に伴い、クランク軸４が回転し、その回転力が、クランク軸側楕円歯車１２を介して、出力軸１１に軸着されている出力軸側楕円歯車１３に伝達されて出力軸１１が回転する。この出力軸１１には、変速機等を介し、或いは直接的に、走行負荷、発電機等の負荷要素からの負荷が印加されている。

ピストン３が排気行程終了にさしかかると吸気弁８が開弁し、更に吸気行程へ移行してピストン３が下降すると吸気ポート６ａから吸気が筒内に流れ込む。図３（ｃ）に示すように、クランク軸４に軸着されているクランク軸側楕円歯車１２は、出力軸１１に軸着されている出力軸側楕円歯車１３に対して長軸Ｌ１側から短軸Ｓ１側へ噛合位置が次第に移動するため、ピストン３の下降速度が徐々に速くなる。そして、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１側が出力軸側楕円歯車１３の長軸Ｌ２と噛合した位置で、ピストン３の下降速度が最速となる。

本実施形態では、クランク軸側楕円歯車１２（クランク軸４）の回転速度が最速となるクランク角θを、排気上死点後（ＡＴＤＣ）２５〜８０[deg]の間に設定し、好ましくは、ＡＴＤＣ約５０[deg]に設定しているため、吸気行程開始直前からクランク軸側楕円歯車１２の回転速度（ピストン３の下降速度）が上昇する。その結果、吸気行程へ移行した直後から筒内に流入する吸気の流速が速くなり強力なガス流動が発生し、燃焼の促進が図れる。

このように、本実施形態によれば、ガス流動制御弁を用いることなく燃焼を促進させることができる。更に、ガス流動制御弁が不要となるため、ガス流動を発生させる際の吸気抵抗が少なく、相対的にポンプロスを低減することができると共に、構造の簡素化を実現することができる。しかも、吸気流量が少なく燃焼が不安定化し易い低負荷運転時においてもガス流動を発生させることができ、低負荷運転時における燃焼を安定化させることができる。

ところで、図３（ｃ）に示すように、クランク軸側楕円歯車１２が最速となるクランク角θを、ＡＴＤＣ２５〜８０[deg]の間に設定すると、燃焼行程の燃焼期間においてもクランク角θに達するまではピストン３の下降速度が徐々に増速されるためノッキングの発生が抑制されると共に、等容度が改善される。従って、相対的に点火時期をより進角させることができると共に、圧縮比を高く設定することができる。その結果、機関出力をより高めることができ、燃費を向上させることができる。

［第２実施形態］
図５、図６に本発明の第２実施形態を示す。上述した第１実施形態では、クランクジャーナル４ｂの軸心と出力軸１１の軸心を結ぶ線を、ピストン３が上死点にあるときのクランクジャーナル４ｂの軸心とクランクピン４ａの軸心とを結ぶ線に対して直交する方向に配列したが、本実施形態では、ピストン３が上死点にあるとき、クランクジャーナル４ｂの軸心と出力軸１１の軸心を結ぶ線と、クランクジャーナル４ｂとクランクピン４ａとの軸心を結ぶ線とが一直線になるように、クランク軸４、出力軸１１を配列したものである。

尚、両楕円歯車１２，１３、及びこれら楕円歯車１２，１３間の噛合関係は、第１実施形態と同一であるため、出力軸１１を定速回転させたときのクランク軸側楕円歯車１２（クランク軸４）の回転速度の変化特性は、図３（ｃ）と同一である。

図６に示すように、本実施形態では、クランクジャーナル４ｂの軸心と出力軸１１との軸心を結んだ線上、すなわち、出力軸１１の軸心とピストンピン３ａの軸心とを結んだ軸線ＬTDC上に、クランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１と出力軸側楕円歯車１３の長軸Ｌ２とが一致する配列とし、この状態で出力軸１１を定速回転させたときのクランク軸４が最速となるクランク角θが設定されている。

この最速となるクランク角θは、上述した軸線ＬTDCと、クランクジャーナル４ｂの軸心とクランクピン４ａの軸心とを結ぶ線との挟み角であり、この挟角は、図５に示すように、ピストン３が排気上死点にあるときのクランク軸側楕円歯車１２の短軸Ｓ１がクランク角θだけ進角された状態でも同様である。こうすることで、短軸Ｓ１を基準とした場合、クランクピン４ａの軸心はクランク角θだけ遅角された位置に配設されることになる。

このクランク角θは、上述した第１実施形態と同様、ＡＴＤＣ２５〜８０[deg]の間に設定されており、好ましくは、ＡＴＤＣ５０[deg]に設定されている。尚、本実施形態の作用効果は、上述した第１実施形態と同様である。

又、本発明は、上述した実施形態に限るものではなく、例えば、適用する内燃機関はディーゼル燃焼機関であっても良い。

１…内燃機関、
３…ピストン、
４…クランク軸、
４ａ…クランクピン、
４ｂ…クランクジャーナル、
６…シリンダヘッド、
６ａ…吸気ポート、
７…燃焼室、
８…吸気弁、
１１…出力軸、
１２…クランク軸側楕円歯車、
１３…出力軸側楕円歯車
θ…クランク角
Ｌ１，Ｌ２…長軸
Ｓ１，Ｓ２…短軸

特開平７−１１９４７２号公報

Claims (7)

1. ピストンの上下運動により回転するクランク軸と該クランク軸からの回転運動により回転する出力軸とを備える内燃機関において、
   前記クランク軸と前記出力軸との間に、該出力軸が略等速回転を行うとき、前記クランク軸がその回転周期に同期して回転速度が周期的に変更される不等速動力伝達機構を介装し、
   前記不等速動力伝達機構は、吸気弁の開弁期間内で前記クランク軸の回転速度が最速となるように配設されている
   ことを特徴とする内燃機関。
2. 前記不等速動力伝達機構は、互いに噛合するクランク軸側非円形歯車と出力軸側非円形歯車とから成り、
   前記各非円形歯車が前記クランク軸と前記出力軸とに設けられている
   ことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 前記各非円形歯車は該各非円形歯車の軸心に対して、歯車プロフィールが点対称を成している
   ことを特徴とする請求項２記載の内燃機関。
4. 前記出力軸にフライホイールが備えられ、
   前記吸気弁の開弁期間に前記クランク軸側非円形歯車の短軸側が前記出力軸側非円形歯車の長軸側に噛合されるように、該クランク軸側非円形歯車と該出力軸側非円形歯車の配列が設定されている
   ことを特徴とする請求項２或いは３記載の内燃機関。
5. 前記内燃機関は、火花点火式ガソリン燃焼機関であり、前記吸気弁の開弁期間に前記クランク軸側非円形歯車の短軸側と前記出力軸側非円形歯車の長軸側とが噛合されるクランク角が、前記ピストンが排気上死点にあるときを基準に遅角方向へ２５〜８０度の間に設定されている
   ことを特徴とする請求項４記載の内燃機関。
6. 前記吸気弁の開弁期間に前記クランク軸側非円形歯車の短軸側が、前記クランク軸の軸心と前記出力軸の軸心とを結ぶ線に対して一致するように配列されている
   ことを特徴とする請求項４記載の内燃機関。
7. 前記ピストンが排気上死点にあるときを基準に、前記クランク軸側非円形歯車の短軸側が、前記クランク軸の軸心と前記出力軸の軸心とを結んだ線に対して、遅角方向へ２５〜８０度の間に設定されている
   ことを特徴とする請求項６記載の内燃機関。

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