JPH0481524A

JPH0481524A - 内燃機関

Info

Publication number: JPH0481524A
Application number: JP19380590A
Authority: JP
Inventors: Yoshisada Wada; 義定和田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1990-07-24
Filing date: 1990-07-24
Publication date: 1992-03-16

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は内燃機関に関するもので、特に、従来の内燃機
関とは全く異なる様式によって運転されることによって
、従来のものよりも高い機関効率を挙げ得る新規な型式
の内燃機関に関するものである。

〔従来の技術〕

一般に内燃機関は、間欠的に爆発、膨張して仕事をする
機械であるから、クランク軸の駆動は間欠的に生じ、そ
のままでは回転変動が大きく、機関が自動車に搭載され
たような時は不快な振動を発生するから、クランク軸に
付設されるフライホイール等の慣性を利用して、クラン
ク軸の回転の角速度ができるだけ一定となるように努力
するのが普通である。（たとえば実開昭４７−５９０号
公報参照）〔発明が解決しようとする課題〕従来の技術は内燃機関のクランク軸の回転をできるだけ
−様にするという方向に向っていたと言っても過言では
ないが、発想を転換して機関の効率という面からこの問
題を考え直してみるに、フライホイールの慣性等により
回転が−様になって、どの行程でもピストンが−様な運
動をすることによって、効率の点でも良い結果が得られ
ているかというと、必ずしもそうではないということに
改めて気が付くのである。

そこで発胡者は、クランク軸の回転を一様にするという
従来技術が均しく取って来た方向とは全く反対に、クラ
ンク軸に積極的に回転変動を与えるという着想を得て、
どのような様式の回転変動を与えた時に、機関効率に関
係のある色々なファクターがどのように変化するかとい
うことを種々考察すると共に、多くのシミュレーション
と実験を重ねた結果、第２図（ａ）に示すように、従来
と同じくどの行程でもクランク軸が始ｔから綻りまで一
定の角速度で回転する場合（従来の様式）を比較の対象
とし、それに対して特性の変化の傾向を見るために第１
の変化の様式として、吸気、圧縮、膨張、排気の各行程
の始めにクランク軸の角速度を上昇させてピストンの動
きを速くし、その分だけ各行程の終り方つまり後の部分
におけるクランク軸の角速度を低下させてピストンの勧
きを遅くする場合（以下これを第１の様式という。）と
、第２の変化の様式として、各行程の始めにクランク軸
の角速度を低下させてピストンの動きを遅くし、その分
だけ各行程の後の部分におけるクランク軸の角速度を上
昇させてピストンの動きを速くする場合（以下これを第
２の様式という。）との３つの場合、に整理して、各行
程における機関内部の状態を解析することを試みた。

その結果を第２図（ｂ）〜（ｅ）に示す。第２図（ｂ）
は吸気行程における単位時間当りの吸気流入量、即ち吸
気流量の変化を示したもので、第２の様式では行程の始
めにピストンが穏やかに動くので吸気の追従がよく、同
じピストン位置で比較すると他の様式よりも流量は一時
的に大きくなるが、すぐに頭打ちとなり、減少傾向とな
って行程の終りでは従来よりも流量が小さくなるのに対
し、第１の様式では行程の始ｔにピストンが速く動いて
大きな行程位置へ早く到達するので、筒内圧と大気圧と
の差圧が終始大であって、流量は頭打ちとならず、行程
の終りにかけても流量は減少しない。その結果第１の様
式によれば、他の様式にくらべて最も多くの量の吸気を
筒内に吸入することができる。

第２図（Ｃ）は圧縮行程における吸気中の燃料粒子が単
位時間当りに受取る熱量の変化を示したもので、第１の
様式によれば最も早期にまわりの空気が断熱圧縮されて
高温になるとともに、ピストンもシリンダの高温部（上
死点）に移動するので、燃料粒子には、高温のまわりの
空気とシリンダの高温部から熱が流れて受熱量が増大す
る。このように、比較的長い時間にわたって吸気を高圧
縮高密度の状態におくために、高温となっている燃焼室
壁等から吸熱する熱量が増加する結果となる。そのた島
シリンダの最高温度は低下し、高圧縮も可能となる。

第２図（ｄ）は膨張行程における時間当りの損失熱量の
変化を示したもので、やはり第１の様式では、燃焼室内
の燃焼ガスの有する高い熱エネルギが燃焼室壁等から散
逸するまでの短い時間内に、素速くピストンを大きく移
動させ、もつとも多くの仕事をさせた後、温度が低下し
た燃焼ガスによって残りの仕事を比較的長い時間をかけ
て取り出すので、熱の損失が少なく、燃焼ガスのエネル
ギを最も効率よく仕事に変換することができる。

最後に、第２図（ｅ）は排気行程における単位時間当り
の排気流量の変化を示したもので、この場合も第１の様
式では早期にピストンが排気流量の大なる位置へ移動し
、筒内圧と大気との間に大きな圧力差が形成されるため
、排気の排出は高速となって高い排気流量が得られ、排
気が完全に行なわれる。

したがって、吸気、圧縮、膨張、排気のいずれの行程に
おいても、第１の様式が従来技術や第２の様式と対比し
て最も高い機関効率をもたらすという結論に到達した。

そこで本発明は、上記の考察、解析の結果を踏まえて、
それを実際の内燃機関に活用し、第１の様式によってピ
ストンを作動させ得る現実的な手段を開発することを、
発明の解決課題とするものである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の内燃機関は、クランク軸と出力軸との間に可変
角速度比伝動機構を設けると共に、気筒が作動時に行な
う吸気、圧縮、膨張、排気の各行程のうち少なくとも１
つ以上の行程において、前記気筒内の容積変化率が前記
行程の初期に大きく且つ前記行程の終期にそれよりも小
さくなるような前記クランク軸の角速度の変化が生じる
ように、前記可変角速度比伝動機構の入出力特性を設定
したことを特徴とする。

〔作　用〕

可変角速度比伝動機構をクランク軸と出力軸との間に設
けると共に、その入出力特性を、吸気、圧縮、膨張、排
気の各行程のうち少なくとも１つ以上の行程において、
気筒内の容積変化率が前記行程の初期に大きく、即ちピ
ストンの動きが比較的速く、且つ前記行程の終期にそれ
よりも小さく、即ちピストンの動きが比較的遅くなるよ
うに設定することにより、出力軸が実質的に一定角速度
の回転をするときでも、クランク軸は顕著な回転変動を
伴なう不等角速度回転を強制される。

そして、本発明の特殊な手段が吸気行程に適用された場
合は、気筒内のピストンが吸気行程の初期に速く移動す
ることにより、行程の初期から気筒内には大きな負圧が
発生し、吸気流には早くから大きな慣性が作用するたｔ
、流量が増大して吸気の充填効率が著しく高くなる。

圧縮行程に適用さ−れた場合は、ピストンに作用する圧
縮反力が小さい行程初期においてクランク軸が下死点の
位置から迅速に回動してピストンを速く上昇させ、圧縮
反力が大きくなる行程終期にピストンの動きを遅くして
、比較的小さな消費動力を有効に活用し、ゆっくりと吸
気を高い圧力まで圧縮する。したがって急激な圧縮によ
る異常着火やノッキングが発生しにくくなる。

膨張行程に適用された場合は、行程初期において爆発直
後のエネルギーの高い燃焼ガスが燃焼室壁等へ熱を奪わ
れる前に、素速くピストンを動かして有効な仕事をさせ
ると共に、−膨張して温度の下った燃焼ガスの残存エネ
ルギを、速度の低下するピストンによってゆっくりと吸
収し、できるだけ多く有効な仕事に変換する。極端な例
として、上死点にあるピストンに大きな爆発圧力が作用
しても、有効な回転エネルギをクランク軸から取り出す
ことはできないが、クランク軸が上死点位置から大きく
回動した位置でピストンに大きな爆発圧力が作用した時
は、有効なトルクとしてクランク軸から取出し得るエネ
ルギが増大する・ことは明らかである。本発明によれば
、膨張行程の初期において、ピストンを上死点位置から
素速く下降させるので、上記の理由から有効な仕事に変
換される燃焼エネルギの割合が増加し、騒音、振動が減
少するのである。

また、排気行程に適用された場合は、行程初期において
ピストンを速く移動させ、気筒内の排気ガスの圧力を早
くから高めて排気流に大きな慣性を与えることにより、
排気流量を増大して排気効率を高める。

このようにして、どの行程に本発明の特殊な手段が適用
される場合であっても、すべて機関効率が上昇し、出力
が増大すると共に１．燃費率が低下するという結果が得
られる。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を示したもので、４気筒の内燃
機関１に本発明を適用した場合の１つの例である。その
クランク軸２の一端には、調整用の小型フライホイール
３が取付けられているが、これは機関１が自刃回転を続
けるために必要な最小限の慣性力を与えるものであって
、クランク軸２の回転を平滑化するために設けられるも
のではない。したがって、クランク軸２自体や、それに
直結される部材の慣性モーメントが十分に大であれば、
調整用のフライホイール３は設ける必要がない。

通常、直列４気筒の４サイクル機関の場合、４つの気筒
１．Ｉ［、ＩＩＩ、Ｉ”ｉ／は第１図に示すように■と
■及び■と■のような、同じ動き方をするピストンを有
する２つの群に分けられることが多く、各群はクランク
角で１８０°の間隔をもって共通のクランク軸２に連結
され、Ｉ−ｎ−ｒ￥−ＩＩＩ又は■−ｍ−ｒｖ−ｎの順
に点火されて、クランク軸が１８０°回転する毎に各気
筒が順次爆発し、２回転で１サイクルを終了するように
なっている。したがって、この場合は本発明にとって最
も好都合な配置となっており、第１群の気筒■及び■の
ピストン４及び７が上死点にあるときは、第２群の気筒
■及び■のピストン５及び６は下死点にあって、すべて
の気筒Ｉ〜■のすべての行程の始まりと終りがそれぞれ
同期している。そして各行程が１８０゜の間隔で点火順
に移行するようになっているのである。

第１図において８として示したものは、本発明の骨子と
する可変角速度比伝動機構であって、第１実施例では楕
円歯車あるいは偏心歯車、対数スパイラル曲線弧状の葉
形歯車等のいわゆる変態歯車９・１０及び１１・１２を
噛合わせた変態歯車伝動機構を使用している。可変角速
度比伝動機構８は、不等角速度の回転をする即ち故意に
回転変動を与えられたクランク軸２の回転を一定の角速
度を有する回転に変換するように選ばれた機構であって
、１回転する間に入出力軸間の角速度比が周期的に変化
するものである。したがって入力軸１３をクランク軸２
に連結すると共に、出力軸１４に太き目の本来のフライ
ホイール１５を取り付けて、８力軸１４から図示しない
トランスミッションやディファレンシャルギヤ等の被駆
動体へ伝動すれば、それらによって大きな慣性モーメン
トを有する出力軸１４が一定角速度で回転しようとする
ために、逆に機関１のクランク軸２が、伝動機構８の有
する定められた可変角速度比特性によって、周期的な回
転変動を強制されることになる。

可変角速度比伝動機構８は楕円歯車等の変態歯車によっ
て構成し得るほか、クランク機構等の歯車によらない機
構によっても構成することができる。変態歯車を用いる
にしても、第１図のように４枚の変態歯車９〜１２とカ
ウンターシャフト１６を用いる必要はなく、単に１組の
変態歯車９及び１０のみによって、カウンターシャフト
１６を出力軸としてもよい。ただし、変態歯車の形によ
っては有効圧力角の制約や位相差の問題から、単に１紐
とすることができない場合もある。

第３図は可変角速度比伝動機構８の実施例として、−組
の変態歯車１７及び１Ｂ　（歯のピッチ曲線によって示
す）を噛合わせたものを示している。各変態歯車１７及
び１８は、それらに重ねて二点鎖線で画いた仮想の真円
１９及び２０と比較すれば、その変形した形が理解し易
い。変態歯車の歯切りについては、現在数に実用化され
ているＮＣ制御を利用した特殊な歯切り機械に、入出力
軸１３及び１４（又は１６）間の角速度比の変化パター
ンを与えることにより、そのような角速度比の変化をも
たらす変態歯車１７・１８等を自由に製作することがで
きる。

第３図に示したような可変角速度比伝動機構（変態歯車
伝動機構）８は、第４図に示したようなパターンの角速
度比の変化をもたらす。図中−点鎖線で画いた真円２１
は等速で回転する出力軸１４（又はカウンターシャフト
１６）の回転を示し、中心Ｏから円周上の各点までの距
離即ち半径が一定であることから等速回転であることを
示している。

これに対して、第４図においてはまゆ形の曲線２２が、
中心点Ｏのまわりの任意の角、即ちクランク角に対応し
て変化する角速度を表わしている。曲線２２は、点Ａ−
Ｂ間及び点Ｃ−Ｄ間では真円２１よりも外側にあるから
、この場合の出力軸であるカウンターシャフト１６が一
定角速度で回転しているとすれば、これらの期間内では
入力軸１３及びそれと連結されているクランク軸２の角
速度の方が出力軸のそれよりも大きくなっている。また
、点８〜６間及び点Ｄ−Ａの期間内では、曲線２２が真
円の等角速度曲線２１よりも内側にあることがら、クラ
ンク軸２の角速度は出力軸のそれよりも小さくなってい
る。

したがって、第１図における可変角速度比伝動機構８と
して、第３図に示すような変態歯車伝動機構８を使用し
、クランク軸２に対して第４図に示したような角速度の
変化のパターンを実行させた場合、４サイクル４気筒の
内燃機関１の各気筒Ｉ〜■のピストン４〜７は、上死点
から下降する吸気及び膨張行程の前半では第４図の点Ａ
−Ｂの期間に対応し、また、下死点から上昇する圧縮及
び排気行程の前半では点Ｃ−Ｄの期間に対応して、いず
れも一定速の出力軸よりもクランク軸２０角速度が大と
なり、ピストン４〜７の動きが速くする。

これと反対に、吸気及び膨張行程の後半では第４図の点
Ｂ−Ｃの期間に対応すると共に、圧縮及び排気行程の後
半では点Ｄ−Ａの期間に対応することによって、一定速
の出力軸よりもクランク軸２の角速度が小となるため、
ピストン４〜７の動きが遅くなる。

このようにして、第１図に示す内燃機関１では、すべて
の行程の前半、即ち第４図の点Ａ−Ｂ聞及び点Ｃ−Ｄ間
においてピストン４〜７が急速に動くと共に、すべての
行程の後半、即ち点Ｂ−Ｃ間及び点Ｄ−Ａ間においてピ
ストンの動きが緩やかになって、本発明の狙いとする第
２図について説明した第１の様式の作動が得られ、吸気
、圧縮、膨張、及び排気のすべての行程において、改善
された作動、即ち従来のクランク軸が等速回転する内燃
機関よりも、吸気流量、排気流量、及び圧縮熱が増大す
ると共に損失熱量が減少して、大幅に機関効率が上昇し
、燃費低下と高出力の発生という好ましい結果が得られ
る。

第４図に示したような速度変化を生じる第３図のような
可変角速度比伝動機構８は、２気筒の２サイクル機関に
殆んどそのままで使用することができる。２サイクル機
関は１回転でサイクルを終了し、ピストンが上昇する圧
縮行程と、ピストンが下降する膨張行程の２つの行程か
らなり、圧縮行程が終る上死点付近で点火が行なわれる
と共に、膨張行程の終りから圧縮行程の始めにかけての
下死点付近で、加圧された新気による掃気が行なわれる
。

そこで、２つの気筒を１８０°位相をずらせて共通のク
ランク軸により連結し、一方の気筒の圧縮行程と他方の
気筒の膨張行程とが同期するように組合わせて、クラン
ク角１８０°毎に点火を行えば、４気筒の４サイクル機
関のように、１８Ｑ°間隔で各気筒が交互に爆発して膨
張行程を行ない、その時に他方の気筒は圧縮行程を行な
うから、可変角速度比伝動機構８によってクランク軸に
第４図の２２に示すような速度変化を与えてやると、圧
縮行程及び膨張行程共に、行程の始め（点Ａ−Ｂ及び点
Ｃ−Ｄ）にクランク軸の角速度が大となってピストン速
度が増加し、また、行程の終り（点Ｂ〜Ｃ及び点Ｄ−Ａ
）にクランク軸の角速度が小となっテヒストン速度が減
少する。その結果、前述の第１の様式の作動状態が実現
し、圧縮及び膨張の両行程において機関効率が改善され
る。

このように、本発明は、２サイクル機関にも適用可能で
あり、同じ理由でロークリ機関にも適用することができ
ることは説明を要しない。以上述べた実施例はいずれも
、多気筒機関における各気筒の各行程が互いに都合よく
１８０°間隔で同期して並んでおり、クランク軸に対す
る速度変化の与え方に関して、「行程の始めに速く、行
程の終りに遅く、」という共通のルールをそのまま当て
はめることができる場合であるが、たとえば点火間隔が
１２０°である直列６気筒の４サイクル機関の場合のよ
うに、一つの気筒の行程の終りと他の気筒の行程の始ま
りが順序よく連続しないで、それらの一部が重複するよ
うな多気筒機関にあっては、それを構成する各気筒が共
通のクランク軸によって連結されている以上、クランク
軸に対する速度変化の与え方（第４図のようなパターン
）を−律に決めることができない。

しかしながら、本発明の効果は、主として吸気行程、膨
張行程及び圧縮行程の、特に行程の始於にピストンの速
度を速くするという点によって生じることから、行程の
終りで遅くするよりも行程の始めで速くする方に重点を
置き、その要素を優先的にとり入れることにすれば、各
行程の一部が重複して、角速度の上昇と低下の要求が衝
突する場合でも、設計に当って両者の妥協点を見出すこ
とは可能であり、そのような多気筒機関であっても、従
来のような等速機関より高い機関効率を挙げることがで
きる。要は、機関全体として従来のものよりも優れた性
能を発揮することができるように最適の妥協点を見出せ
ばよいのであり、これはその機関にとってマツチング可
能な点が一つ増えたこと、つまり最適点を探す自由度が
一つ増えたことを意味する。

単気筒の４サイクル機関あるいは２サイクル機関の場合
は、多気筒機関のように他の気筒との関係を考える必要
がないので、ルール通りにクランク軸の角速度が各行程
の始めにおいて速く、各行程の終りにおいて遅くなるよ
うに可変角速度伝動機構８を設計すればよい。

〔発明の効果〕

本発明を適用した内燃機関においては、前記作用の項に
おいて説明した作用メカニズムによって、従来の内燃機
関よりもすぐれた機関効率が得られるので、一機関の出
力が増大し、燃費率が低下するという効果が得られる。

そして、クランク軸には故意に回転変動が与えられるが
、それと出力軸との間には可変角速度比伝動機構が設け
られるので、出力軸は一定角速度の滑らかな回転を出力
することができるので、被駆動体に回転変動による悪影
響を与えることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の全体構成を示す概念的縦断面
図、第２図（ａ）〜（ｅ）は本発明を導出するために行
なった解析結果を従来技術等と対比して示す線図、第３
図は本発明の要部である可変角速度伝動機構を例示する
概念図、第４図は可変角速度比伝動機構の大畠力特性で
ある角速度曲線を例示する線図である。１・・・４気筒の内燃機関、２・・・クランク軸、３・
・・調整用のフライホイール、４〜７・・・ピストン、８・・・可変角速度比伝動機構（変態歯車伝動機構）、
９〜１２・・・変態歯車、　　１３・・・入力軸、１４
・・・出力軸、　　　　　　１５・・・フライホイール
、１６・・・カウンターシャフト、１７・１８・・・変態歯車、　　１９〜２１・・・真円
、２２・・・角速度曲線。第３図第１図２・・・クランク軸８・・・可変角速度比伝動機構１４・・・出力軸１５・・・フライホイール第４図８・・・可変角速度比伝動機構１７．１８・・・変態歯車２１・・・等角速度曲線２２・・・角速度曲線第図

Claims

【特許請求の範囲】

クランク軸と出力軸との間に可変角速度比伝動機構を設
けると共に、気筒が作動時に行なう吸気、圧縮、膨張、
排気の各行程のうち少なくとも１つ以上の行程において
、前記気筒内の容積変化率が前記行程の初期に大きく且
つ前記行程の終期にそれよりも小さくなるような前記ク
ランク軸の角速度の変化が生じるように、前記可変角速
度比伝動機構の入出力特性を設定したことを特徴とする
内燃機関。