内燃機関
【課題】圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ、燃焼室内に残留するガスの掃気効率を向上させること。
【解決手段】この内燃機関１は、第１歯車１１及びこれと噛み合って、回転しながら第１歯車１１の周囲を公転運動する第２歯車１２を備える。第１歯車１１に対する第２歯車１２のギヤ比は１である。ピストン３はコンロッド４の大端部４ｌが、第２歯車１２に設けられるコンロッド取付ピン１２Ｐに組み付けられる。コンロッド取付ピン１２Ｐは、第２歯車１２の自転中心軸Ｚ２に対して偏心した位置に配置される。また、コンロッド取付ピン１２Ｐは、第２歯車１２と前記ピストン３との間に第１歯車１１が位置する関係において第２歯車１２の自転中心軸Ｚ２がシリンダ２のシリンダ軸Ｚｃ上にある場合には、シリンダ軸Ｚｃに対してオフセットする位置に配置される。
【解決手段】この内燃機関１は、第１歯車１１及びこれと噛み合って、回転しながら第１歯車１１の周囲を公転運動する第２歯車１２を備える。第１歯車１１に対する第２歯車１２のギヤ比は１である。ピストン３はコンロッド４の大端部４ｌが、第２歯車１２に設けられるコンロッド取付ピン１２Ｐに組み付けられる。コンロッド取付ピン１２Ｐは、第２歯車１２の自転中心軸Ｚ２に対して偏心した位置に配置される。また、コンロッド取付ピン１２Ｐは、第２歯車１２と前記ピストン３との間に第１歯車１１が位置する関係において第２歯車１２の自転中心軸Ｚ２がシリンダ２のシリンダ軸Ｚｃ上にある場合には、シリンダ軸Ｚｃに対してオフセットする位置に配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮行程長よりも膨張行程長の方が大きい内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮行程長よりも膨張行程長を大きくして、燃焼のエネルギーを仕事としてより有効に取り出す技術が知られている。例えば、特許文献１には、固定ギヤの周囲を公転する移動ギヤを備えてなり、コンロッドの大端部を移動ギヤの偏心位置に連結するとともに、固定ギヤに対する移動ギヤのギヤ比を２としたエンジンのクランク機構が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２４２６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示された技術では、特許文献１に開示された技術では、排気上死点と圧縮上死点とが同じ位置であるため、燃焼室内に残留するガスの掃気が不十分になる。さらに、特許文献１に開示された技術では、排気上死点と圧縮上死点とが同じ位置であるため、例えば、軽負荷において圧縮比を高く設定することにより燃料消費を低減するようにしても、負荷が高くなると吸入空気量が不十分になったりノッキングが発生したりして、燃料消費の低減が図れず、また出力を低下してしまう。このように、特許文献１に開示されている技術では、内燃機関の運転条件の広い範囲で、内燃機関の性能を向上させるためには限界がある。
【０００５】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ燃焼室内に残留するガスの掃気効率を向上させること、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ、内燃機関の運転条件の広い範囲で内燃機関の性能を向上させることのうち、少なくとも一つを達成できる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】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明に係る内燃機関は、シリンダ内を往復運動するピストンと、第１歯車と、前記第１歯車と噛み合って、回転しながら前記第１歯車の周囲を公転運動する第２歯車と、第１端部が前記ピストンに組み付けられ、また、前記第１端部とは反対側の第２端部が、前記第２歯車に組み付けられるコンロッドと、前記第２歯車に設けられて、前記第２歯車の自転中心軸に対して偏心する位置に前記第２端部を組み付け、さらに、前記第２歯車と前記ピストンとの間に前記第１歯車が位置する関係において前記第２歯車の自転中心軸が前記シリンダのシリンダ軸上にある場合には、前記シリンダ軸に対してオフセットする位置に配置されるコンロッド組み付け部材と、前記第２歯車の公転運動を、前記第２歯車の公転運動の公転中心軸を回転中心とする回転運動に変換するクランクと、を含むことを特徴とする。
【０００７】
この内燃機関は、上記構成により、排気上死点と圧縮上死点との位置を異ならせることができる。そして、排気上死点を圧縮上死点よりもシリンダヘッドに近づければ、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ燃焼室内に残留するガスの掃気効率を向上させることができる。
【０００８】
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記第２歯車の公転中心軸が、前記シリンダ軸に対してオフセットすることを特徴とする。
【０００９】
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記コンロッド組み付け部材は、前記第２歯車の回転方向に対して反対方向にオフセットすることを特徴とする。
【００１０】
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、シリンダと、前記シリンダ内を往復運動するピストンとを備える内燃機関であり、第１歯車と、前記第１歯車と噛み合って、回転しながら前記第１歯車の周囲を公転運動する、前記第１歯車に対するギヤ比が１の第２歯車と、第１端部が前記ピストンに組み付けられ、また、前記第１端部とは反対側の第２端部が前記第２歯車に組み付けられるコンロッドと、前記第２歯車に設けられ、前記第２歯車の回転中心に対して偏心する位置に前記第２端部を組み付けるコンロッド組み付け部材と、前記第２歯車の公転運動を、前記第２歯車の公転運動の公転中心軸を回転中心とする回転運動に変換するクランクと、前記内燃機関の運転条件に応じて、前記第１歯車を所定の角度回転させる第１歯車駆動手段と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
この内燃機関は、上記構成により、例えば、軽負荷時には高圧縮比、かつ吸排気行程長を短くして燃料消費を低減し、高負荷時には低圧縮比、かつ吸排気行程を長くして燃料消費の低減及びトルクの向上を図ることができる。このように、この内燃機関は、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ、内燃機関の運転条件の広い範囲で内燃機関の性能を向上させることができる。
【００１２】
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記第１歯車駆動手段は、前記内燃機関の排気温度の昇温が要求される場合、前記第１歯車を前記第２歯車の回転方向に対して逆方向に所定の角度回転させることを特徴とする。
【００１３】
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記第１歯車回転手段は、前記内燃機関の負荷が軽い場合には、前記第１歯車を、負荷が高い場合に対して前記第２歯車の回転方向に対して逆方向に所定の角度回転させることを特徴とする。
【００１４】
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記内燃機関は、火花点火を併用するディーゼル機関であり、前記第１歯車回転手段は、前記内燃機関が火炎伝播燃焼領域で運転される場合には、前記第１歯車を、ディーゼル燃焼領域に対して前記第２歯車の回転方向と同じ方向に所定の角度回転させ、前記内燃機関がディーゼル燃焼領域で運転される場合には、前記第１歯車を、火炎伝播領域に対して前記第２歯車の回転方向と反対方向に所定の角度回転させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る内燃機関によれば、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ燃焼室内に残留するガスの掃気効率を向上させること、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ、内燃機関の運転条件の広い範囲で内燃機関の性能を向上させることのうち、少なくとも一つを達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に説明する発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態に開示する構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。本発明は、ピストンの往復運動を回転運動に変換する、いわゆるレシプロ式の内燃機関に対して好適に適用でき、火花点火式、ディーゼル式は問わない。
【００１７】
（実施形態１）
実施形態１に係る内燃機関は、次の点に特徴がある。すなわち、コンロッドを介してシリンダ内におけるピストンの往復運動を出力軸へ伝達するものであり、第１歯車に噛み合って回転しながらその周囲を公転する第２歯車の回転中心に対して偏心した位置に、連結棒の第２端部（大端部）が取り付けられる。第１歯車に対する第２歯車のギヤ比は１である。そして、第２歯車とピストンとの間に第１歯車が位置する関係、かつ、第２歯車の自転中心軸がシリンダのシリンダ軸上にある場合において、連結棒の第２端部はシリンダ軸に対してオフセットした位置に取り付けられる。ここで、シリンダ軸とは、内部をピストンが往復運動するシリンダの中心軸をいい、ピストンの往復方向と平行な軸である。
【００１８】
図１は、実施形態１に係る内燃機関の一部を示す正面図である。図２は、実施形態１に係る内燃機関の一部を示す側面図である。実施形態１に係る内燃機関１は、ガソリンを燃料とする火花点火式のレシプロ式の内燃機関である。なお、上述したように、内燃機関１は、ディーゼル式であってもよいし、火花点火を併用するディーゼル機関であってもよい。また、内燃機関１の気筒数及び気筒配置は限定されるものではない。
【００１９】
この内燃機関１は、吸気通路を構成する吸気ポート５ｉに、ポート噴射弁８を備える。このポート噴射弁８は、シリンダ２内の燃焼室２ｂ内へ空気を導入するための吸気ポート５ｉ内へ燃料Ｆを噴射して、混合気を形成する。ここで、燃焼室２ｂは、燃料Ｆと空気Ａとの混合気が燃焼する空間をいう。なお、内燃機関１は、ポート噴射弁８の代わりに、燃焼室２ｂ内へ直接燃料Ｆを噴射する直噴燃料噴射弁を備えてもよい。また、ポート噴射弁８と、前記直噴燃料噴射弁との両方を備えてもよい。
【００２０】
吸気ポート５ｉは、吸気通路を構成するインテークマニホールド５ｉｍと接続されており、インテークマニホールド５ｉｍから導入される空気Ａを燃焼室２ｂ内へ導く。インテークマニホールド５ｉｍの空気入口側にはスロットル弁１８が取り付けられており、これによって内燃機関１へ供給する空気量を調整する。また、スロットル弁１８の入口側に設けられる吸気通路５ｐには、内燃機関１の燃焼室２ｂ内へ導入される空気の流量を計測するエアフローセンサ４１が取り付けられる。
【００２１】
内燃機関１の燃焼室２ｂへ導入される空気Ａは、エアフローセンサ４１で質量流量が計測される。そして、スロットル弁１８を通過してからインテークマニホールド５ｉｍを通って吸気ポート５ｉへ導入される。吸気ポート５ｉに設けられたポート噴射弁８は、エアフローセンサ４１で計測された前記空気Ａの質量流量に応じた量の燃料Ｆを噴射する。
【００２２】
吸気ポート５ｉ内の空気Ａと燃料Ｆとは吸気ポート５ｉ内で混ざり合い、混合気となって吸気口６ｉから燃焼室２ｂ内へ流入する。この混合気は、火花点火手段である点火プラグ７によって点火されて燃焼し、燃焼ガスの圧力がピストン３を往復運動させる。燃焼後の混合気は排ガスＥｘとなり、排気通路を構成する排気ポート５ｅから排出される。
【００２３】
ピストン３には、ピストンピン３ｐが取り付けられている。ピストンピン３ｐは、連結棒（以下コンロッドいう）４の第１端部（以下小端部という）４ｓに貫通している。これによって、コンロッド４は、ピストン３へ揺動可能に組み付けられる。ピストン３の往復運動は、コンロッド４を介してこの実施形態に係るクランク機構１０へ伝達される。そして、ピストン３の往復運動は、クランク機構１０で回転運動に変換されて、内燃機関１の出力として取り出される。次に、この実施形態に係るクランク機構１０の構成を説明する。
【００２４】
このクランク機構１０は、支持部（クランクケース９）に取り付けられる第１歯車１１と、第１歯車と噛み合って、その周囲を回転しながら公転運動する第２歯車１２と、第２歯車１２の公転運動を、第２歯車１２の公転中心軸Ｚ１を回転中心軸とする回転運動に変換するクランク１３とを含んで構成される。第１歯車１１は、第１歯車支持部材１１Ｓによって、クランクケース９に固定される。
【００２５】
第１歯車１１に対する第２歯車１２ギヤ比は１である。すなわち、第１歯車１１の歯数と第２歯車１２の歯数との比は１：１である。第２歯車１２は、歯車部１２Ｇと、歯車部１２Ｇと一体に構成されるコンロッド取付部１２Ｂとを含んで構成される。また、コンロッド取付部１２Ｂには、コンロッド４の大端部４ｌを第２歯車１２に組み付けるコンロッド組み付け部材であるコンロッド取付ピン１２Ｐが設けられる。
【００２６】
コンロッド取付ピン１２Ｐは、歯車部１２Ｇの取り付け側とは反対側であって、第２歯車１２の自転中心軸Ｚ２に対して偏心して設けられる。そして、コンロッド４の第２端部（以下大端部）４ｌにコンロッド取付ピン１２Ｐがはめ込まれて、コンロッド４は、コンロッド取付ピン１２Ｐに対して回転可能に組み付けられる。これによって、コンロッド４の大端部４ｌは、第２歯車１２と一体となって回転運動し、第１歯車の周りを公転運動する。
【００２７】
また、この実施形態においては、大端部４ｌの中心の偏心量、すなわちコンロッド取付ピン１２Ｐの中心と、第２歯車１２の自転中心軸Ｚ２との距離ｒ１は、第１歯車１１の半径（第１歯車１１のピッチ円半径）ｒよりも大きくなっている。ここで、第１歯車１１に対する第２歯車１２のギヤ比は１なので、大端部４ｌの中心の偏心量は、第２歯車１２の半径（第２歯車１２のピッチ円半径）ｒ２よりも大きくなっている。
【００２８】
なお、前記偏心量は、第１歯車１１の半径ｒより小さくてもよいが、あまり小さくすると吸気行程における行程長を十分に確保できなくなる。したがって、前記偏心量は、第１歯車１１の半径ｒ以上の大きさとすることが好ましく、より好ましくは第１歯車１１の半径ｒの１．５倍以上、さらには第１歯車１１の半径ｒの２倍以上が好ましい。また、前記第１歯車１１の直径（２×ｒ）に対する前記偏心量の割合を変更することによって、圧縮行程における行程長に対する膨張行程における行程長を変化させることができる。
【００２９】
図２に示すように、クランク１３には第１歯車支持部材１１Ｓが貫通しており、第１歯車支持部材１１Ｓの周りをクランク１３は回転する。これによって、クランク１３は、第２歯車１２が第１歯車１１の周りを回転しながら公転する公転運動を、第２歯車１２の公転中心軸Ｚ１を回転中心軸とする回転運動に変換する。この回転運動は、出力軸１５に取り付けられる伝達ギヤ１４を介して取り出される。
【００３０】
図１に示すように、第２歯車１２が第１歯車１１に対してピストン３の反対側に位置する関係、すなわち、第２歯車１２とピストン３との間に第１歯車１１が位置する関係にあり、かつ、第２歯車１２の自転中心軸Ｚ２がシリンダ２のシリンダ軸Ｚｃ上にある場合（この位置を膨張下死点位置という）、コンロッド取付ピン１２Ｐは、シリンダ軸Ｚｃとオフセットした位置に設けられる。コンロッド取付ピン１２Ｐに組み付けられるコンロッド４の大端部４ｌは、膨張下死点位置においてシリンダ軸Ｚｃに対してオフセットした位置に設けられる。この実施形態においては、第２歯車１２の回転方向（図１中の矢印Ｒ方向）とは反対側にオフセットした位置にコンロッドの大端部４ｌが設けられる。
【００３１】
図３−１、図３−２は、実施形態１に係るクランク機構を用いた場合におけるコンロッドの大端部の軌跡を示す説明図である。このクランク機構１０の第２歯車１２に設けられるコンロッド取付ピン１２Ｐは、第２歯車１２の自転中心軸Ｚ２を中心として旋回しながら、第２歯車１２の公転中心軸Ｚ１を中心としても旋回する。これにしたがって、コンロッド取付ピン１２Ｐに取り付けられるコンロッド４の大端部４ｌは、図３−１に示すような軌跡を描いて第１歯車１１の周りを移動する。これにより、膨張行程長（圧縮上死点から膨張下死点位置までの行程長）を、圧縮行程長（吸気下死点から圧縮上死点までの行程長）よりも大きくすることができる。その結果、混合気の燃焼によるエネルギーを有効に利用して、内燃機関１の熱効率を向上させることができる。
【００３２】
この実施形態に係る内燃機関１が備えるクランク機構１０では、膨張下死点位置において、コンロッド４の大端部４ｌは、第２歯車１２の回転方向（図１中の矢印Ｒ方向）とは反対側にオフセットした位置に設けられる。これによって、図３−１に示すように、ピストン３は、圧縮上死点ＴＤＣ−Ｃよりも排気上死点ＴＤＣ−Ｅの方がシリンダヘッド２ｈに接近する。その結果、燃焼後の排ガスをより確実に燃焼室２ｂから掃気することができるので、燃焼室２ｂ内に残留する燃焼ガス（残留ガス）を低減して、ノッキング等の異常燃焼を抑制できる。
【００３３】
図３−２に示すコンロッドの大端部の軌跡は、コンロッド４の大端部４ｌを、膨張下死点位置において、第２歯車１２の回転方向（図１中の矢印Ｒ方向）に向かってオフセットした位置に設けた場合のものである。この場合、図３−２に示すように、排気上死点ＴＤＣ−Ｅよりも圧縮上死点ＴＤＣ−Ｃの方が、ピストン３はシリンダヘッド２ｈに接近する。これによって、内燃機関１の圧縮比を大きくすることができる。このように、膨張下死点位置において、コンロッド４の大端部４ｌをシリンダ軸Ｚｃに対してオフセットさせることにより、排気上死点ＴＤＣ−Ｅ及び圧縮上死点ＴＤＣ−Ｃの位置を変更することができる。
【００３４】
図４、図５は、膨張行程長／圧縮行程長と、偏心量／第１歯車径との関係を示す説明図である。図４は、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比が２の場合を示す。図５は、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比が１の場合を示す（この実施形態に係るクランク機構）。図６は、実施形態１に係る内燃機関が備えるクランク機構におけるピストン位置とクランク角との関係を示す説明図である。図７は、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比が２の場合におけるピストン位置とクランク角との関係を示す説明図である。なお、図６、図７は、偏心量／第１歯車径をパラメータとしており、クランク角は１サイクルを１として表してある。
【００３５】
図６に示すように、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比を２とした場合には、膨張行程長／圧縮行程長が最大１．６に制限される。なお、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比を２よりも大きくすると、膨張行程長／圧縮行程長は、最大でも１．６に制限される。一方、この実施形態に係る内燃機関１が備えるクランク機構１０は、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比を１としているので、図５に示すように、膨張行程長／圧縮行程長を１．６よりも大きくすることができる。
【００３６】
また、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比を２とした場合、膨張行程長／圧縮行程長を大きくしようとすると、偏心量／第１歯車径を２に近づける必要がある（図５）。しかし、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比を２とした場合、偏心量／第１歯車径を２に近づけようとすると、図７に示すように、吸気下死点近傍でピストン３が１往復余計に動くため、ピストン３とシリンダ２との摩擦が増加する。この実施形態に係る内燃機関１が備えるクランク機構１０は、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比を１としている。これによって、膨張行程長／圧縮行程長を大きくするために偏心量／第１歯車径を変更しても、吸気下死点近傍でピストン３が１往復余計に動くことはなく、ピストン３とシリンダ２との摩擦の増加を抑制できる。
【００３７】
（第１変形例）
図８は、この実施形態の第１変形例に係るクランク機構の構成を示す概念図である。この変形例に係るクランク機構は、シリンダ軸と第２歯車の公転中心軸とがオフセットする点に特徴がある。他の構成は実施形態１に係るクランク機構と同様の構成である。この変形例に係るクランク機構１０ａでは、図８に示すように、シリンダ軸Ｚｃに対して、クランク機構１０ａを構成する第２歯車１２ａの公転中心軸Ｚ１がオフセットしている。
【００３８】
この変形例においては、排気上死点がシリンダヘッド２ｈに接近する方向に第２歯車１２ａの公転中心軸Ｚ１をオフセットさせる。すなわち、第２歯車１２ａとピストン３ａとの間に第１歯車１１ａが位置する関係において第２歯車１２ａの自転中心軸Ｚ２がシリンダ２のシリンダ軸Ｚｃ上にある場合には、第２歯車１２ａの公転中心軸Ｚ１を、シリンダ軸Ｚｃに対して公転方向とは反対方向にオフセットさせる。これによって、図８に示すように、ピストン３は、圧縮上死点ＴＤＣ−Ｃよりも排気上死点ＴＤＣ−Ｅの方がシリンダヘッド２ｈに接近する。その結果、燃焼ガスをより確実に燃焼室２ｂから掃気することができるので、燃焼室２ｂ内の残留ガスを低減して、ノッキング等の異常燃焼を抑制できる。ここで、第２歯車１２ａの公転中心軸Ｚ１のオフセットを規定するときに用いる公転方向とは、膨張下死点近傍における第２歯車１２ａが第１歯車１１ａの周りを公転する方向（図８中のＲｐ）において、第２歯車１２ａの公転円（例えば自転中心軸Ｚ２の軌跡）とシリンダ軸Ｚｃの軸線とが交差する位置における前記公転円の接線方向と平行な方向をいう。
【００３９】
なお、第２歯車１２ａの公転中心軸Ｚ１を、シリンダ軸Ｚｃに対して第２歯車の公転する方向とは反対方向にオフセットさせると、膨張行程において、ピストン３ａのスラスト力が増加する。このため、上記実施形態１に係るクランク機構１０のように、膨張下死点位置において、コンロッド４の大端部４ｌを、第２歯車１２ａの回転方向（図８中の矢印Ｒ方向）とは反対方向にオフセットした位置に組み付ける。これによって、ピストン３ａは、圧縮上死点ＴＤＣ−Ｃよりも排気上死点ＴＤＣ−Ｅの方がシリンダヘッド２ｈに接近するので、シリンダ軸Ｚｃに対する第２歯車１２の公転中心軸Ｚ１のオフセット量を少なくしても、排気上死点ＴＤＣ−Ｅをシリンダヘッド２ｈ側へ接近させることができる。その結果、膨張行程におけるピストン３ａのスラスト力増加を抑制しつつ排気上死点ＴＤＣ−Ｅをシリンダヘッド２ｈ側へ接近させて、燃焼室２ｂ内の燃焼ガスをより確実に掃気できる。
【００４０】
（第２変形例）
図９−１、図９−２は、実施形態１の第２変形例に係るクランク機構の構成を示す概念図である。この変形例に係るクランク機構は、シリンダ軸と第２歯車の公転中心軸とがオフセットする点では上記第１変形例と同様であるが、オフセットの方向が異なる。この変形例に係るクランク機構１０ｂでは、図９に示すように、シリンダ軸Ｚｃに対して、クランク機構１０ｂを構成する第２歯車１２ｂの公転中心軸Ｚ１がオフセットしている。
【００４１】
この変形例においては、膨張行程におけるピストン３のスラスト力が減少し、かつ圧縮上死点がシリンダヘッド２ｈに接近する方向に第２歯車１２ｂの公転中心軸Ｚ１をオフセットさせる。すなわち、第２歯車１２ｂとピストン３ｂとの間に第１歯車１１ｂが位置する関係において、第２歯車１２ｂの自転中心軸Ｚ２がシリンダ２のシリンダ軸Ｚｃ上にある場合には、第２歯車１２ｂの公転中心軸Ｚ１を、シリンダ軸Ｚｃに対して公転方向と同じ方向にオフセットさせる。これによって、図９−１に示すように、ピストン３ｂは、排気上死点ＴＤＣ−Ｅよりも圧縮上死点ＴＤＣ−Ｃの方がシリンダヘッド２ｈに接近する。その結果、膨張行程におけるピストン３ｂのスラスト力を低減できるとともに、圧縮比を大きくすることができる。
【００４２】
なお、上記第２変形例の構成では、膨張行程におけるピストン３ｂのスラスト力を低減できるが、圧縮上死点ＴＤＣ−Ｃが排気上死点ＴＤＣ−Ｅよりもシリンダヘッド２ｈに接近するため、燃焼ガスの掃気効率を向上させにくくなる。したがって、膨張行程におけるピストン３ｂのスラスト力を低減しつつ燃焼ガスの掃気効率を向上させたい場合、上記実施形態１に係るクランク機構１０のように、膨張下死点位置において、コンロッド４の大端部４ｌを、第２歯車１２ａの回転方向（図９−２中の矢印Ｒ方向）とは反対方向にオフセットした位置に組み付ける。
【００４３】
これによって、ピストン３ｂは、圧縮上死点ＴＤＣ−Ｃよりも排気上死点ＴＤＣ−Ｅの方をシリンダヘッド２ｈに接近させることができるので、膨張行程におけるピストン３ｂのスラスト力を低減しつつ、排気上死点ＴＤＣ−Ｅをシリンダヘッド２ｈ側へ接近させることができる。その結果、排気上死点ＴＤＣ−Ｅをシリンダヘッド２ｈ側へ接近させて、燃焼室２ｂ内の燃焼ガスをより確実に掃気でき、また、膨張行程におけるピストン３ｂのスラスト力増加を抑制できる。
【００４４】
以上、実施形態１及びその変形例では、第２歯車とピストンとの間に第１歯車が位置する関係において、第２歯車の自転中心軸がシリンダのシリンダ軸上にある場合には、シリンダ軸に対してコンロッドの大端部をオフセットして第２歯車に組み付ける。これによって、排気上死点と圧縮上死点との位置を異ならせることができる。そして、排気上死点を、圧縮上死点よりもシリンダヘッドに近づければ、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ燃焼室内に残留するガスの掃気効率を向上させることができる。
【００４５】
なお、この実施形態では、次の発明が開示される。この発明に係る内燃機関は、シリンダ内を往復運動するピストンと、第１歯車と、前記第１歯車と噛み合って、回転しながら前記第１歯車の周囲を公転運動する、前記第１歯車に対するギヤ比が１の第２歯車と、第１端部が前記ピストンに組み付けられ、また、前記第１端部とは反対側の第２端部が、前記第２歯車に組み付けられるコンロッドと、前記第２歯車に設けられて、前記第２歯車の自転中心軸に対して偏心する位置に前記第２端部を前記第２歯車に組み付けるコンロッド組み付け部材と、前記第２歯車の公転運動を、前記第２歯車の公転中心軸を回転中心とする回転運動に変換するクランクと、を含み、さらに、前記第２歯車と前記ピストンとの間に前記第１歯車が位置する関係において前記第２歯車の自転中心軸が前記シリンダのシリンダ軸上にある場合には、前記第２歯車の公転運動の公転中心軸が、前記シリンダのシリンダ軸に対して公転方向とは反対方向にオフセットすることを特徴とする。
【００４６】
これにより、排気上死点が圧縮上死点よりもシリンダヘッドに近づくので、残留ガスの掃気効率が向上する。このとき、次の発明に係る内燃機関のように、前記内燃機関において、前記第２歯車と前記ピストンとの間に前記第１歯車が位置する関係において前記第２歯車の自転中心軸が前記シリンダのシリンダ軸上にある場合には、前記コンロッド組み付け部材は、前記シリンダ軸に対し、前記第２歯車の回転方向とは反対方向にオフセットする位置に配置されるようにすることが好ましい。これによって、膨張行程においてピストンに発生するスラスト力を緩和できる。
【００４７】
（実施形態２）
実施形態２は、上記実施形態と同様の構成であるが、第１歯車を回転させることによりピストンの排気上死点、圧縮上死点及び吸排気行程長を変更する点が異なる。他の構成は、上記実施形態１と同様である。図１０は、実施形態２に係る内燃機関の一部を示す正面図である。図１１は、実施形態２に係る内燃機関の一部を示す側面図である。
【００４８】
この内燃機関１Ｃが備えるクランク機構は、第１歯車１１ｃが、第１歯車回転軸Ｚ３を中心として回転可能に構成されている。なお、第１歯車回転軸Ｚ３は、第２歯車１２ｃの公転中心軸Ｚ１と同一である。すなわち、第１歯車１１ｃは、第２歯車１２ｃの公転中心軸Ｚ１を中心として回転可能に構成される。第１歯車１１ｃは、第１歯車軸１６に接続されたアクチュエータ（例えばステッピングモータや油圧シリンダ等）１７によって駆動され、回転する。アクチュエータ１７は、機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０に組み込まれている内燃機関の運転制御装置５０によって制御される。内燃機関の運転制御装置５０の構成については後述する。
【００４９】
図１２は、第１歯車の回転方向と、ピストンの排気上死点、圧縮上死点及び吸排気行程長との関係を示す説明図である。図１２に示すように、第１歯車１１ｃを第２歯車１２ｃの回転方向と同じ方向に回転させると（図１０の矢印Ｒ１方向）、排気上死点はシリンダヘッド２ｈに近づき（上昇）、圧縮上死点はシリンダヘッド２ｈから遠ざかる（下降）。そして、吸排気行程長は増加する。一方、第１歯車１１ｃを第２歯車１２ｃの回転方向とは反対方向に回転させると（図１０の矢印Ｒ２方向）、排気上死点はシリンダヘッド２ｈから遠ざかり（下降）、圧縮上死点はシリンダヘッド２ｈに近づく（上昇）。そして、吸排気行程長は減少する。
【００５０】
このように、実施形態２に係る内燃機関１Ｃは、クランク装置１０ｃの第１歯車１１ｃを回転させることで、ピストン３ｃの排気上死点、圧縮上死点及び吸排気行程長を変化させることができる。また、吸排気行程長の変化にともない、圧縮比を変化させることもできる。そして、この実施形態においては、内燃機関１Ｃの運転条件や、内燃機関１Ｃを搭載した車両の走行条件に応じて、排気、圧縮上死点や吸排気行程長等を制御することにより、内燃機関１Ｃの諸性能を向上させることができる。次に、この実施形態に係る内燃機関の運転制御装置５０について説明する。
【００５１】
図１３は、実施形態２に係る内燃機関の運転制御装置である。内燃機関の運転制御装置５０は、機関ＥＣＵ３０に組み込まれて構成されている。なお、機関ＥＣＵ３０とは別個に、この実施例に係る内燃機関の運転制御装置５０を用意し、これを機関ＥＣＵ３０に接続してもよい。そして、この実施例に係る内燃機関の運転制御方法を実現するにあたっては、機関ＥＣＵ３０が備える内燃機関１の制御機能を、前記内燃機関の運転制御装置５０が利用できるように構成してもよい。
【００５２】
内燃機関の運転制御装置５０は、運転条件判定部５１と、行程変更部５２とを含んで構成される。これらが、この実施例に係る内燃機関の運転制御を実行する部分となる。運転条件判定部５１と、行程変更部５２とは、機関ＥＣＵ３０の入出力ポート（Ｉ／Ｏ）３９を介して接続される。これにより、運転条件判定部５１と、行程変更部５２とは、それぞれ双方向でデータをやり取りできるように構成される。なお、装置構成上の必要に応じて片方向でデータを送受信するようにしてもよい（以下同様）。
【００５３】
内燃機関の運転制御装置５０と機関ＥＣＵ３０の処理部３０Ｐと記憶部３０Ｍとは、機関ＥＣＵ３０に備えられる入出力ポート（Ｉ／Ｏ）３９を介して接続されており、これらの間で相互にデータをやり取りすることができる。これにより、内燃機関の運転制御装置５０は機関ＥＣＵ３０が有する内燃機関１Ｃの負荷（あるいは負荷率）や機関回転数その他の内燃機関の運転制御データを取得したり、内燃機関の運転制御装置５０の制御を機関ＥＣＵ３０の内燃機関の運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。
【００５４】
また、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）３９には、エアフローセンサ４１、クランク角センサ４２、アクセル開度センサ４３、吸気温度計４４、冷却水温センサ４５その他の、内燃機関１Ｃの運転に関する情報を取得するセンサ類が接続されている。これにより、機関ＥＣＵ３０や内燃機関の運転制御装置５０は、内燃機関１Ｃの運転制御に必要な情報を取得することができる。また、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）３９には、アクチュエータ１７等の、内燃機関１Ｃの制御対象が接続されており、内燃機関の運転制御装置５０が備える行程変更部５２や、機関ＥＣＵ３０の処理部３０Ｐからの制御信号によりこれらの動作が制御される。
【００５５】
記憶部３０Ｍには、この実施形態に係る内燃機関の運転制御の処理手順を含むコンピュータプログラムや、内燃機関１Ｃの運転制御に用いる判定マップ等が格納されている。ここで、記憶部３０Ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。また、内燃機関の運転制御装置５０や機関ＥＣＵ３０の処理部３０Ｐは、メモリ及びＣＰＵにより構成することができる。
【００５６】
上記コンピュータプログラムは、運転条件判定部５１や行程変更部５２や処理部３０Ｐへ既に記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、この実施形態に係る内燃機関の運転制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この内燃機関の運転制御装置５０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、運転条件判定部５１、行程変更部５２の機能を実現するものであってもよい。次に、この内燃機関の運転制御装置５０を用いて、この実施形態に係る内燃機関の運転制御を実現する手順を説明する。なお、この説明にあたっては、適宜図１０〜図１４を参照されたい。
【００５７】
図１４−１〜図１４−４は、実施形態２に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。実施形態２に係る内燃機関の運転制御は、実施形態２に係る内燃機関の運転制御装置５０によって実現できる。まず、図１４−１に示す内燃機関の運転制御を説明する。この内燃機関の運転制御は、浄化触媒１９の暖機や浄化触媒（特にＮＯｘ吸蔵還元触媒）をＳ（硫黄）被毒から回復させる場合等のように、浄化触媒１９の温度を上昇させる必要がある場合の制御（以下、触媒昇温制御という）である。
【００５８】
触媒昇温制御を実行するにあたり、実施形態２に係る内燃機関の運転制御装置（以下運転制御装置という）５０が備える運転条件判定部５１は、触媒の昇温が必要であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。例えば、浄化触媒１９の暖機が必要か否かを判定する場合は、運転条件判定部５１が冷却水温センサ４５から内燃機関１Ｃの冷却水温度Ｔｃを取得する。そして、Ｔｃが所定の暖機終了判定温度Ｔｃｆよりも低い場合には、浄化触媒１９の暖機が必要であると判定する。また、Ｓ被毒からの回復のため浄化触媒１９の昇温が必要であるか否かを判定する場合には、例えば、内燃機関１Ｃの運転時間を昇温制御のパラメータとし、予め設定した運転時間が経過したら、浄化触媒１９を昇温させる必要があると判定する。
【００５９】
浄化触媒を昇温させる必要がない場合には（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、通常の運転制御とする（ステップＳ１０２）。例えば、ピストン３ｃの排気上死点と圧縮上死点とを同じ位置とし、吸排気行程長も同じ長さとする。浄化触媒を昇温させる必要がある場合には（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、行程変更部５２は、通常の運転制御時よりも圧縮上死点がシリンダヘッド２ｈに近づくように第１歯車１１ｃを制御する。すなわち、行程変更部５２は、アクチュエータ１７を駆動して、第１歯車１１ｃを、第２歯車１２ｃの回転方向とは反対方向に所定の角度回転させる（ステップＳ１０３）。
【００６０】
これにより、内燃機関１Ｃの圧縮比が増加する。また、排気上死点は通常の運転制御時よりもシリンダヘッド２ｈから遠ざかるので、残留ガスも増加する。内燃機関１Ｃの圧縮比が増加すること及び残留ガスが増加することにより圧縮温度が上昇する。これによって、火花点火式の内燃機関においては点火時期の遅角可能領域が拡大し、また、ディーゼル機関においては、燃料噴射時期の遅角可能領域が拡大する。その結果、点火時期や燃料噴射時期を大幅に遅角しても安定した燃焼が得られるので、点火時期等を大幅に遅角することによって排気温度をより高い温度に上昇させることができる。そして、浄化触媒１９の昇温を促進することができる。
【００６１】
次に、図１４−２に示す内燃機関の運転制御を説明する。この内燃機関の運転制御は、内燃機関１Ｃの負荷に応じて排気、圧縮上死点や吸排気行程長等を制御することにより、燃料消費の低減、エミッションの改善、出力向上を図るものである。なお、この制御の概念は、火花点火式、ディーゼル式を問わず適用できるが、次の説明においては内燃機関１Ｃが火花点火式である場合を例とする。
【００６２】
この運転制御を実行するにあたり、運転制御装置５０が備える運転条件判定部５１は、エアフローセンサ４１から内燃機関１Ｃの吸入空気量を取得し、内燃機関１Ｃの負荷ＫＬを算出する（ステップＳ２０１）。図１５−１、図１５−２は、内燃機関の負荷に対する第１歯車の角度を記述した制御マップである。図１５−１に示す制御マップ６０において、第１歯車１１ｃの角度が０度であるときは、圧縮上死点と排気上死点とが同じ位置であることを示し、この位置を第１歯車１１ｃの中立位置とする。符号の＋は、第２歯車１２ｃと同じ方向に第１歯車１１ｃを回転させることを意味し、符号の−は、第２歯車１２ｃとは反対方向に第１歯車１１ｃを回転させることを意味する。
【００６３】
この制御マップ６０は記憶部３０Ｍに格納されており、運転条件判定部５１がステップＳ２０１で算出した負荷ＫＬを与えると、それに対応した第１歯車１１ｃの角度を行程変更部５２に返すようになっている。制御マップ６０に記述される内燃機関１Ｃの負荷ＫＬと第１歯車１１ｃの角度との関係は、予め実験やシミュレーション等により求めておく。
【００６４】
運転条件判定部５１が負荷ＫＬを算出したら、これを制御マップ６０に与える。制御マップは、与えられた負荷ＫＬから、そのときの第１歯車１１ｃの角度θを決定する（ステップＳ２０２）。制御マップ６０は、決定された第１歯車１１ｃの角度（例えば−θａ）を行程変更部５２へ返す。行程変更部５２は、アクチュエータ１７を駆動して、第１歯車１１ｃの角度が決定された角度となるように、第１歯車１１ｃを所定の角度回転させる（ステップＳ２０３）。
【００６５】
この実施形態において、第１歯車１１ｃの角度は次のように決定される。すなわち、内燃機関１Ｃが軽負荷であるときには、第１歯車を第２歯車の回転方向とは反対方向（−方向）に回転させて、圧縮上死点がシリンダヘッド２ｈに近づくように第１歯車１１ｃを制御する。これによって、内燃機関１が火花点火式である場合には、内燃機関１の圧縮比が高くなるので理論熱効率が向上する。また、燃料の蒸発性が改善されるとともに、吸気行程が短くなるのでポンピングロスも低減する。これらの作用により、燃料消費を低減でき、また、ＮＯｘの発生量も低減できる。
【００６６】
内燃機関１がディーゼル機関である場合には、内燃機関１の圧縮比が高くなることによるシリンダ内の温度上昇によって燃焼騒音を低減できる。また、内燃機関１の圧縮比が高くなることによって理論熱効率の向上、燃料の蒸発性向上、及び吸気行程が短くなることによるポンピングロスの低減といった作用が得られる。これらの作用により、燃料消費を低減でき、また、ＮＯｘの発生量も低減できる。
【００６７】
内燃機関１Ｃが高負荷であるときには、第１歯車１１ｃを第２歯車１２ｃの回転方向と同じ方向（＋方向）に回転させて、排気上死点がシリンダヘッド２ｈに近づくように、第１歯車１１ｃを所定の角度回転させる。これによって、内燃機関１が火花点火式である場合には、内燃機関１の圧縮比が低くなるとともに、掃気効率が向上して残留ガスの量も低減できる。その結果、ノッキングが抑制されるとともに、掃気効率の向上によって充填効率も向上するので、内燃機関１Ｃのトルクが向上する。また、燃料消費も抑制できる。内燃機関１がディーゼル機関である場合には、内燃機関１の圧縮比が低くなることによる最大シリンダ内圧力の低減、シリンダ内への吸入空気量の増加により、トルクが向上する。また、スモークの発生も低減できる。
【００６８】
図１５−２に示す制御マップ６１は、内燃機関１の負荷（負荷率）ＫＬが、最小負荷ＫＬｍｉｎから最大負荷ＫＬｍａｘまで変化する過程で、第１歯車１１ｃの回転方向を、第２歯車１２ｃの回転方向とは逆方向（−）から、第２歯車１２ｃの回転方向と同じ方向（＋）まで徐々に変化させる。このようにすると、内燃機関１の負荷に応じてより細かい制御ができるので、燃料消費をさらに低減できる。ここで、軽負荷とは、負荷率で２５％程度までをいい、中負荷とは負荷率で２５％程度から７５％程度までをいい、高負荷とは負荷率で７５％程度を超えることをいう。
【００６９】
次に、図１４−３に示す運転制御を説明する。この内燃機関の運転制御は、内燃機関１Ｃが、火花点火を併用するディーゼル機関である場合の制御であり、燃焼モードに応じて排気、圧縮上死点や吸排気行程長等を制御するものである。この内燃機関の運転制御を実行するにあたり、運転制御装置５０が備える運転条件判定部５１は、内燃機関１Ｃの負荷ＫＬを算出する（ステップＳ３０１）。
【００７０】
図１６−１、図１６−２は、内燃機関の負荷に対する第１歯車の角度を記述した制御マップである。図１６に示す制御マップ６２において、第１歯車１１ｃの角度が０度であるときは、圧縮上死点と排気上死点とが同じ位置であることを示し、この位置を第１歯車１１ｃの中立位置とする。この制御マップ６２は記憶部３０Ｍに格納されており、運転条件判定部５１がステップＳ３０１で算出した負荷ＫＬを与えると、それに対応した第１歯車１１ｃの角度を行程変更部５２に返すようになっている。制御マップ６０に記述される内燃機関１Ｃの負荷ＫＬと第１歯車１１ｃの角度との関係は、予め実験やシミュレーションにより求めておく。
【００７１】
運転条件判定部５１が負荷ＫＬを算出したら、これを制御マップ６２に与える。制御マップは、与えられた負荷ＫＬから、そのときの第１歯車１１ｃの角度（例えば＋θｂ）を決定する（ステップＳ３０２）。制御マップ６２は、決定された第１歯車１１ｃの角度θを、行程変更部５２へ返す。行程変更部５２は、アクチュエータ１７を駆動して、第１歯車１１ｃの角度が決定された角度となるように、第１歯車１１ｃを所定の角度回転させる（ステップＳ３０３）。
【００７２】
この実施形態において、第１歯車１１ｃの角度は次のように決定される。すなわち、内燃機関１Ｃが火炎伝播燃焼領域（軽負荷）であるときには、第１歯車を第２歯車の回転方向と同じ方向（＋）に回転させて、排気上死点がシリンダヘッド２ｈに近づくように第１歯車１１ｃを制御する。これによって、内燃機関１の圧縮比が低くなるので、圧縮行程における温度が低下する。また、排気上死点がシリンダヘッド２ｈに近づくので、残留ガスが低減されて、シリンダ内の温度が低下する。これらの作用により、ノッキングが抑制されるので、安定した火炎伝播燃焼が実現できる。
【００７３】
内燃機関１Ｃがディーゼル燃焼領域（高負荷）であるときには、第１歯車を第２歯車の回転方向とは反対方向（−）に回転させて、圧縮上死点がシリンダヘッド２ｈに近づくように第１歯車１１ｃを制御する。これによって、内燃機関１の圧縮比が高くなるとともに、残留ガスが増加する。これによって、ディーゼル燃焼領域（高負荷）においては圧縮行程における温度が上昇するので、着火遅れ期間の短いディーゼル燃焼が実現できる。このように、この制御においては、火花点火を併用するディーゼル機関において、燃焼モードに応じて排気、圧縮上死点や吸排気行程長等を制御するので、異なる燃焼モードを安定して両立させることができる。
【００７４】
図１６−２に示す制御マップ６３は、このとき、内燃機関１の負荷（負荷率）ＫＬに応じて燃焼モードを火花点火による火炎伝播燃焼又はディーゼル燃焼のいずれか一方に決定する。そして、燃焼モードを切り替える際には、所定の負荷ＫＬｃを境として、第１歯車１１ｃを不連続的に差動させる。このようにすると、内燃機関１Ｃの燃焼モードに応じてより細かい制御ができるので、異なる燃焼モードをさらに安定して両立させることができる。なお、決定した燃焼モードにおいては、内燃機関１の負荷（負荷率）ＫＬに応じて第１歯車１１ｃを徐々に回転させる。
【００７５】
次に、図１４−４に示す運転制御を説明する。この内燃機関の運転制御は、内燃機関１Ｃが搭載される車両の運転状態に応じて、内燃機関１Ｃの排気、圧縮上死点や吸排気行程長等を制御するものである。なお、この制御の概念は、火花点火式、ディーゼル式を問わず適用できるが、次の説明においては内燃機関１Ｃが火花点火式である場合を例とする。
【００７６】
この運転制御を実行するにあたり、運転制御装置５０が備える運転条件判定部５１は、アクセル開度センサ４３、ブレーキセンサ４６から情報を取得し、内燃機関１Ｃが搭載されている車両の走行条件を判定する。アクセル開度センサ４３からの情報から、車両が加速状態にあると運転条件判定部５１が判定した場合（ステップＳ４０１：Ｙｅｓ）、行程変更部５２は、吸排気行程長が増加する方向に制御する（ステップＳ４０２）。具体的には、行程変更部５２は、アクチュエータ１７を駆動して、第１歯車１１ｃを第２歯車１２ｃの回転方向と同じ方向に、所定の角度回転させる。これによって、吸排気行程長が大きくなるので、吸入空気量が増加して、加速性が向上する。内燃機関１Ｃが過給機を備える場合には、過給圧力の立ち上がりも改善するので、より加速性が向上する。
【００７７】
車両が加速状態にないと運転条件判定部５１が判定した場合（ステップＳ４０１：Ｎｏ）、運転条件判定部５１は、車両が減速状態にあるか否かを判定する（ステップＳ４０３）。例えば、ブレーキセンサ４６の情報から、ブレーキが踏まれたと判定された場合や、アクセル開度センサ４３の情報から、エンジンブレーキが要求されていると判定された場合が、車両が減速状態にある状態である。
【００７８】
車両が減速状態にある場合（ステップＳ４０３：Ｙｅｓ）、行程変更部５２は、吸排気行程長が大きくなるように制御する（ステップＳ４０４）。具体的には、行程変更部５２は、アクチュエータ１７を駆動して、第１歯車１１ｃを第２歯車１２ｃの回転方向と同じ方向に、所定の角度回転させる。これによって、ポンピング仕事が増加するので、エンジンブレーキの効きが向上し、より確実に車両を制動することができる。
【００７９】
車両が減速状態にない場合（ステップＳ４０３：Ｎｏ）、運転条件判定部５１は、車両が定速走行していると判定する（ステップＳ４０５）。この場合、行程変更部５２は、吸排気行程長が減少するように、第１歯車１１ｃを所定の角度回転させる（ステップＳ４０６）。これによって、ポンピング仕事が減少するので、燃料消費を低減できる。
【００８０】
以上、実施形態２では、第１歯車を回転させることによりピストンの排気上死点、圧縮上死点及び吸排気行程長を変更する。これによって、例えば、軽負荷時には高圧縮比、かつ吸排気行程長を短くして燃料消費を低減し、高負荷時には低圧縮比、かつ吸排気行程を長くして燃料消費の低減及びトルクの向上を図ることができる。このように、実施形態２では、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ、内燃機関の運転条件の広い範囲で内燃機関の性能を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
以上のように、本発明に係る内燃機関は、シリンダ内をピストンが往復する、いわゆるレシプロ式の内燃機関に有用であり、特に、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくする内燃機関に適している。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】実施形態１に係る内燃機関の一部を示す正面図である。
【図２】実施形態１に係る内燃機関の一部を示す側面図である。
【図３−１】実施形態１に係るクランク機構を用いた場合におけるコンロッドの大端部の軌跡を示す説明図である。
【図３−２】実施形態１に係るクランク機構を用いた場合におけるコンロッドの大端部の軌跡を示す説明図である。
【図４】膨張行程長／圧縮行程長と、偏心量／第１歯車径との関係を示す説明図である。
【図５】膨張行程長／圧縮行程長と、偏心量／第１歯車径との関係を示す説明図である。
【図６】実施形態１に係る内燃機関が備えるクランク機構におけるピストン位置とクランク角との関係を示す説明図である。
【図７】第１歯車に対する第２歯車のギヤ比が２の場合におけるピストン位置とクランク角との関係を示す説明図である。
【図８】実施形態１の第１変形例に係るクランク機構の構成を示す概念図である。
【図９−１】実施形態１の第２変形例に係るクランク機構の構成を示す概念図である。
【図９−２】実施形態１の第２変形例に係るクランク機構の構成を示す概念図である。
【図１０】実施形態２に係る内燃機関の一部を示す正面図である。
【図１１】実施形態２に係る内燃機関の一部を示す側面図である。
【図１２】第１歯車の回転方向と、ピストンの排気上死点、圧縮上死点及び吸排気行程長との関係を示す説明図である。
【図１３】実施形態２に係る内燃機関の運転制御装置である。
【図１４−１】実施形態２に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。
【図１４−２】実施形態２に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。
【図１４−３】実施形態２に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。
【図１４−４】実施形態２に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。
【図１５−１】内燃機関の負荷に対する第１歯車の角度を記述した制御マップである。
【図１５−２】内燃機関の負荷に対する第１歯車の角度を記述した制御マップである。
【図１６−１】内燃機関の負荷に対する第１歯車の角度を記述した制御マップである。
【図１６−２】内燃機関の負荷に対する第１歯車の角度を記述した制御マップである。
【符号の説明】
【００８３】
１、１Ｃ 内燃機関
２ シリンダ
２ｈ シリンダヘッド
２ｂ 燃焼室
３、３ａ、３ｂ、３ｃ ピストン
３ｐ ピストンピン
４ コンロッド
４ｌ 大端部
９ クランクケース
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ クランク機構
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 第１歯車
１１Ｓ 歯車支持部材
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 第２歯車
１２Ｐ コンロッド取付ピン
１２Ｂ コンロッド取付部
１２Ｇ 歯車部
１３ クランク
１７ アクチュエータ
１９ 浄化触媒
３０ 機関ＥＣＵ
５０ 内燃機関の運転制御装置
５１ 運転条件判定部
５２ 行程変更部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮行程長よりも膨張行程長の方が大きい内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮行程長よりも膨張行程長を大きくして、燃焼のエネルギーを仕事としてより有効に取り出す技術が知られている。例えば、特許文献１には、固定ギヤの周囲を公転する移動ギヤを備えてなり、コンロッドの大端部を移動ギヤの偏心位置に連結するとともに、固定ギヤに対する移動ギヤのギヤ比を２としたエンジンのクランク機構が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−２４２６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に開示された技術では、特許文献１に開示された技術では、排気上死点と圧縮上死点とが同じ位置であるため、燃焼室内に残留するガスの掃気が不十分になる。さらに、特許文献１に開示された技術では、排気上死点と圧縮上死点とが同じ位置であるため、例えば、軽負荷において圧縮比を高く設定することにより燃料消費を低減するようにしても、負荷が高くなると吸入空気量が不十分になったりノッキングが発生したりして、燃料消費の低減が図れず、また出力を低下してしまう。このように、特許文献１に開示されている技術では、内燃機関の運転条件の広い範囲で、内燃機関の性能を向上させるためには限界がある。
【０００５】
そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ燃焼室内に残留するガスの掃気効率を向上させること、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ、内燃機関の運転条件の広い範囲で内燃機関の性能を向上させることのうち、少なくとも一つを達成できる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】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明に係る内燃機関は、シリンダ内を往復運動するピストンと、第１歯車と、前記第１歯車と噛み合って、回転しながら前記第１歯車の周囲を公転運動する第２歯車と、第１端部が前記ピストンに組み付けられ、また、前記第１端部とは反対側の第２端部が、前記第２歯車に組み付けられるコンロッドと、前記第２歯車に設けられて、前記第２歯車の自転中心軸に対して偏心する位置に前記第２端部を組み付け、さらに、前記第２歯車と前記ピストンとの間に前記第１歯車が位置する関係において前記第２歯車の自転中心軸が前記シリンダのシリンダ軸上にある場合には、前記シリンダ軸に対してオフセットする位置に配置されるコンロッド組み付け部材と、前記第２歯車の公転運動を、前記第２歯車の公転運動の公転中心軸を回転中心とする回転運動に変換するクランクと、を含むことを特徴とする。
【０００７】
この内燃機関は、上記構成により、排気上死点と圧縮上死点との位置を異ならせることができる。そして、排気上死点を圧縮上死点よりもシリンダヘッドに近づければ、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ燃焼室内に残留するガスの掃気効率を向上させることができる。
【０００８】
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記第２歯車の公転中心軸が、前記シリンダ軸に対してオフセットすることを特徴とする。
【０００９】
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記コンロッド組み付け部材は、前記第２歯車の回転方向に対して反対方向にオフセットすることを特徴とする。
【００１０】
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、シリンダと、前記シリンダ内を往復運動するピストンとを備える内燃機関であり、第１歯車と、前記第１歯車と噛み合って、回転しながら前記第１歯車の周囲を公転運動する、前記第１歯車に対するギヤ比が１の第２歯車と、第１端部が前記ピストンに組み付けられ、また、前記第１端部とは反対側の第２端部が前記第２歯車に組み付けられるコンロッドと、前記第２歯車に設けられ、前記第２歯車の回転中心に対して偏心する位置に前記第２端部を組み付けるコンロッド組み付け部材と、前記第２歯車の公転運動を、前記第２歯車の公転運動の公転中心軸を回転中心とする回転運動に変換するクランクと、前記内燃機関の運転条件に応じて、前記第１歯車を所定の角度回転させる第１歯車駆動手段と、を含むことを特徴とする。
【００１１】
この内燃機関は、上記構成により、例えば、軽負荷時には高圧縮比、かつ吸排気行程長を短くして燃料消費を低減し、高負荷時には低圧縮比、かつ吸排気行程を長くして燃料消費の低減及びトルクの向上を図ることができる。このように、この内燃機関は、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ、内燃機関の運転条件の広い範囲で内燃機関の性能を向上させることができる。
【００１２】
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記第１歯車駆動手段は、前記内燃機関の排気温度の昇温が要求される場合、前記第１歯車を前記第２歯車の回転方向に対して逆方向に所定の角度回転させることを特徴とする。
【００１３】
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記第１歯車回転手段は、前記内燃機関の負荷が軽い場合には、前記第１歯車を、負荷が高い場合に対して前記第２歯車の回転方向に対して逆方向に所定の角度回転させることを特徴とする。
【００１４】
次の本発明に係る内燃機関は、前記内燃機関において、前記内燃機関は、火花点火を併用するディーゼル機関であり、前記第１歯車回転手段は、前記内燃機関が火炎伝播燃焼領域で運転される場合には、前記第１歯車を、ディーゼル燃焼領域に対して前記第２歯車の回転方向と同じ方向に所定の角度回転させ、前記内燃機関がディーゼル燃焼領域で運転される場合には、前記第１歯車を、火炎伝播領域に対して前記第２歯車の回転方向と反対方向に所定の角度回転させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る内燃機関によれば、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ燃焼室内に残留するガスの掃気効率を向上させること、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ、内燃機関の運転条件の広い範囲で内燃機関の性能を向上させることのうち、少なくとも一つを達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に説明する発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態に開示する構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。本発明は、ピストンの往復運動を回転運動に変換する、いわゆるレシプロ式の内燃機関に対して好適に適用でき、火花点火式、ディーゼル式は問わない。
【００１７】
（実施形態１）
実施形態１に係る内燃機関は、次の点に特徴がある。すなわち、コンロッドを介してシリンダ内におけるピストンの往復運動を出力軸へ伝達するものであり、第１歯車に噛み合って回転しながらその周囲を公転する第２歯車の回転中心に対して偏心した位置に、連結棒の第２端部（大端部）が取り付けられる。第１歯車に対する第２歯車のギヤ比は１である。そして、第２歯車とピストンとの間に第１歯車が位置する関係、かつ、第２歯車の自転中心軸がシリンダのシリンダ軸上にある場合において、連結棒の第２端部はシリンダ軸に対してオフセットした位置に取り付けられる。ここで、シリンダ軸とは、内部をピストンが往復運動するシリンダの中心軸をいい、ピストンの往復方向と平行な軸である。
【００１８】
図１は、実施形態１に係る内燃機関の一部を示す正面図である。図２は、実施形態１に係る内燃機関の一部を示す側面図である。実施形態１に係る内燃機関１は、ガソリンを燃料とする火花点火式のレシプロ式の内燃機関である。なお、上述したように、内燃機関１は、ディーゼル式であってもよいし、火花点火を併用するディーゼル機関であってもよい。また、内燃機関１の気筒数及び気筒配置は限定されるものではない。
【００１９】
この内燃機関１は、吸気通路を構成する吸気ポート５ｉに、ポート噴射弁８を備える。このポート噴射弁８は、シリンダ２内の燃焼室２ｂ内へ空気を導入するための吸気ポート５ｉ内へ燃料Ｆを噴射して、混合気を形成する。ここで、燃焼室２ｂは、燃料Ｆと空気Ａとの混合気が燃焼する空間をいう。なお、内燃機関１は、ポート噴射弁８の代わりに、燃焼室２ｂ内へ直接燃料Ｆを噴射する直噴燃料噴射弁を備えてもよい。また、ポート噴射弁８と、前記直噴燃料噴射弁との両方を備えてもよい。
【００２０】
吸気ポート５ｉは、吸気通路を構成するインテークマニホールド５ｉｍと接続されており、インテークマニホールド５ｉｍから導入される空気Ａを燃焼室２ｂ内へ導く。インテークマニホールド５ｉｍの空気入口側にはスロットル弁１８が取り付けられており、これによって内燃機関１へ供給する空気量を調整する。また、スロットル弁１８の入口側に設けられる吸気通路５ｐには、内燃機関１の燃焼室２ｂ内へ導入される空気の流量を計測するエアフローセンサ４１が取り付けられる。
【００２１】
内燃機関１の燃焼室２ｂへ導入される空気Ａは、エアフローセンサ４１で質量流量が計測される。そして、スロットル弁１８を通過してからインテークマニホールド５ｉｍを通って吸気ポート５ｉへ導入される。吸気ポート５ｉに設けられたポート噴射弁８は、エアフローセンサ４１で計測された前記空気Ａの質量流量に応じた量の燃料Ｆを噴射する。
【００２２】
吸気ポート５ｉ内の空気Ａと燃料Ｆとは吸気ポート５ｉ内で混ざり合い、混合気となって吸気口６ｉから燃焼室２ｂ内へ流入する。この混合気は、火花点火手段である点火プラグ７によって点火されて燃焼し、燃焼ガスの圧力がピストン３を往復運動させる。燃焼後の混合気は排ガスＥｘとなり、排気通路を構成する排気ポート５ｅから排出される。
【００２３】
ピストン３には、ピストンピン３ｐが取り付けられている。ピストンピン３ｐは、連結棒（以下コンロッドいう）４の第１端部（以下小端部という）４ｓに貫通している。これによって、コンロッド４は、ピストン３へ揺動可能に組み付けられる。ピストン３の往復運動は、コンロッド４を介してこの実施形態に係るクランク機構１０へ伝達される。そして、ピストン３の往復運動は、クランク機構１０で回転運動に変換されて、内燃機関１の出力として取り出される。次に、この実施形態に係るクランク機構１０の構成を説明する。
【００２４】
このクランク機構１０は、支持部（クランクケース９）に取り付けられる第１歯車１１と、第１歯車と噛み合って、その周囲を回転しながら公転運動する第２歯車１２と、第２歯車１２の公転運動を、第２歯車１２の公転中心軸Ｚ１を回転中心軸とする回転運動に変換するクランク１３とを含んで構成される。第１歯車１１は、第１歯車支持部材１１Ｓによって、クランクケース９に固定される。
【００２５】
第１歯車１１に対する第２歯車１２ギヤ比は１である。すなわち、第１歯車１１の歯数と第２歯車１２の歯数との比は１：１である。第２歯車１２は、歯車部１２Ｇと、歯車部１２Ｇと一体に構成されるコンロッド取付部１２Ｂとを含んで構成される。また、コンロッド取付部１２Ｂには、コンロッド４の大端部４ｌを第２歯車１２に組み付けるコンロッド組み付け部材であるコンロッド取付ピン１２Ｐが設けられる。
【００２６】
コンロッド取付ピン１２Ｐは、歯車部１２Ｇの取り付け側とは反対側であって、第２歯車１２の自転中心軸Ｚ２に対して偏心して設けられる。そして、コンロッド４の第２端部（以下大端部）４ｌにコンロッド取付ピン１２Ｐがはめ込まれて、コンロッド４は、コンロッド取付ピン１２Ｐに対して回転可能に組み付けられる。これによって、コンロッド４の大端部４ｌは、第２歯車１２と一体となって回転運動し、第１歯車の周りを公転運動する。
【００２７】
また、この実施形態においては、大端部４ｌの中心の偏心量、すなわちコンロッド取付ピン１２Ｐの中心と、第２歯車１２の自転中心軸Ｚ２との距離ｒ１は、第１歯車１１の半径（第１歯車１１のピッチ円半径）ｒよりも大きくなっている。ここで、第１歯車１１に対する第２歯車１２のギヤ比は１なので、大端部４ｌの中心の偏心量は、第２歯車１２の半径（第２歯車１２のピッチ円半径）ｒ２よりも大きくなっている。
【００２８】
なお、前記偏心量は、第１歯車１１の半径ｒより小さくてもよいが、あまり小さくすると吸気行程における行程長を十分に確保できなくなる。したがって、前記偏心量は、第１歯車１１の半径ｒ以上の大きさとすることが好ましく、より好ましくは第１歯車１１の半径ｒの１．５倍以上、さらには第１歯車１１の半径ｒの２倍以上が好ましい。また、前記第１歯車１１の直径（２×ｒ）に対する前記偏心量の割合を変更することによって、圧縮行程における行程長に対する膨張行程における行程長を変化させることができる。
【００２９】
図２に示すように、クランク１３には第１歯車支持部材１１Ｓが貫通しており、第１歯車支持部材１１Ｓの周りをクランク１３は回転する。これによって、クランク１３は、第２歯車１２が第１歯車１１の周りを回転しながら公転する公転運動を、第２歯車１２の公転中心軸Ｚ１を回転中心軸とする回転運動に変換する。この回転運動は、出力軸１５に取り付けられる伝達ギヤ１４を介して取り出される。
【００３０】
図１に示すように、第２歯車１２が第１歯車１１に対してピストン３の反対側に位置する関係、すなわち、第２歯車１２とピストン３との間に第１歯車１１が位置する関係にあり、かつ、第２歯車１２の自転中心軸Ｚ２がシリンダ２のシリンダ軸Ｚｃ上にある場合（この位置を膨張下死点位置という）、コンロッド取付ピン１２Ｐは、シリンダ軸Ｚｃとオフセットした位置に設けられる。コンロッド取付ピン１２Ｐに組み付けられるコンロッド４の大端部４ｌは、膨張下死点位置においてシリンダ軸Ｚｃに対してオフセットした位置に設けられる。この実施形態においては、第２歯車１２の回転方向（図１中の矢印Ｒ方向）とは反対側にオフセットした位置にコンロッドの大端部４ｌが設けられる。
【００３１】
図３−１、図３−２は、実施形態１に係るクランク機構を用いた場合におけるコンロッドの大端部の軌跡を示す説明図である。このクランク機構１０の第２歯車１２に設けられるコンロッド取付ピン１２Ｐは、第２歯車１２の自転中心軸Ｚ２を中心として旋回しながら、第２歯車１２の公転中心軸Ｚ１を中心としても旋回する。これにしたがって、コンロッド取付ピン１２Ｐに取り付けられるコンロッド４の大端部４ｌは、図３−１に示すような軌跡を描いて第１歯車１１の周りを移動する。これにより、膨張行程長（圧縮上死点から膨張下死点位置までの行程長）を、圧縮行程長（吸気下死点から圧縮上死点までの行程長）よりも大きくすることができる。その結果、混合気の燃焼によるエネルギーを有効に利用して、内燃機関１の熱効率を向上させることができる。
【００３２】
この実施形態に係る内燃機関１が備えるクランク機構１０では、膨張下死点位置において、コンロッド４の大端部４ｌは、第２歯車１２の回転方向（図１中の矢印Ｒ方向）とは反対側にオフセットした位置に設けられる。これによって、図３−１に示すように、ピストン３は、圧縮上死点ＴＤＣ−Ｃよりも排気上死点ＴＤＣ−Ｅの方がシリンダヘッド２ｈに接近する。その結果、燃焼後の排ガスをより確実に燃焼室２ｂから掃気することができるので、燃焼室２ｂ内に残留する燃焼ガス（残留ガス）を低減して、ノッキング等の異常燃焼を抑制できる。
【００３３】
図３−２に示すコンロッドの大端部の軌跡は、コンロッド４の大端部４ｌを、膨張下死点位置において、第２歯車１２の回転方向（図１中の矢印Ｒ方向）に向かってオフセットした位置に設けた場合のものである。この場合、図３−２に示すように、排気上死点ＴＤＣ−Ｅよりも圧縮上死点ＴＤＣ−Ｃの方が、ピストン３はシリンダヘッド２ｈに接近する。これによって、内燃機関１の圧縮比を大きくすることができる。このように、膨張下死点位置において、コンロッド４の大端部４ｌをシリンダ軸Ｚｃに対してオフセットさせることにより、排気上死点ＴＤＣ−Ｅ及び圧縮上死点ＴＤＣ−Ｃの位置を変更することができる。
【００３４】
図４、図５は、膨張行程長／圧縮行程長と、偏心量／第１歯車径との関係を示す説明図である。図４は、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比が２の場合を示す。図５は、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比が１の場合を示す（この実施形態に係るクランク機構）。図６は、実施形態１に係る内燃機関が備えるクランク機構におけるピストン位置とクランク角との関係を示す説明図である。図７は、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比が２の場合におけるピストン位置とクランク角との関係を示す説明図である。なお、図６、図７は、偏心量／第１歯車径をパラメータとしており、クランク角は１サイクルを１として表してある。
【００３５】
図６に示すように、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比を２とした場合には、膨張行程長／圧縮行程長が最大１．６に制限される。なお、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比を２よりも大きくすると、膨張行程長／圧縮行程長は、最大でも１．６に制限される。一方、この実施形態に係る内燃機関１が備えるクランク機構１０は、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比を１としているので、図５に示すように、膨張行程長／圧縮行程長を１．６よりも大きくすることができる。
【００３６】
また、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比を２とした場合、膨張行程長／圧縮行程長を大きくしようとすると、偏心量／第１歯車径を２に近づける必要がある（図５）。しかし、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比を２とした場合、偏心量／第１歯車径を２に近づけようとすると、図７に示すように、吸気下死点近傍でピストン３が１往復余計に動くため、ピストン３とシリンダ２との摩擦が増加する。この実施形態に係る内燃機関１が備えるクランク機構１０は、第１歯車に対する第２歯車のギヤ比を１としている。これによって、膨張行程長／圧縮行程長を大きくするために偏心量／第１歯車径を変更しても、吸気下死点近傍でピストン３が１往復余計に動くことはなく、ピストン３とシリンダ２との摩擦の増加を抑制できる。
【００３７】
（第１変形例）
図８は、この実施形態の第１変形例に係るクランク機構の構成を示す概念図である。この変形例に係るクランク機構は、シリンダ軸と第２歯車の公転中心軸とがオフセットする点に特徴がある。他の構成は実施形態１に係るクランク機構と同様の構成である。この変形例に係るクランク機構１０ａでは、図８に示すように、シリンダ軸Ｚｃに対して、クランク機構１０ａを構成する第２歯車１２ａの公転中心軸Ｚ１がオフセットしている。
【００３８】
この変形例においては、排気上死点がシリンダヘッド２ｈに接近する方向に第２歯車１２ａの公転中心軸Ｚ１をオフセットさせる。すなわち、第２歯車１２ａとピストン３ａとの間に第１歯車１１ａが位置する関係において第２歯車１２ａの自転中心軸Ｚ２がシリンダ２のシリンダ軸Ｚｃ上にある場合には、第２歯車１２ａの公転中心軸Ｚ１を、シリンダ軸Ｚｃに対して公転方向とは反対方向にオフセットさせる。これによって、図８に示すように、ピストン３は、圧縮上死点ＴＤＣ−Ｃよりも排気上死点ＴＤＣ−Ｅの方がシリンダヘッド２ｈに接近する。その結果、燃焼ガスをより確実に燃焼室２ｂから掃気することができるので、燃焼室２ｂ内の残留ガスを低減して、ノッキング等の異常燃焼を抑制できる。ここで、第２歯車１２ａの公転中心軸Ｚ１のオフセットを規定するときに用いる公転方向とは、膨張下死点近傍における第２歯車１２ａが第１歯車１１ａの周りを公転する方向（図８中のＲｐ）において、第２歯車１２ａの公転円（例えば自転中心軸Ｚ２の軌跡）とシリンダ軸Ｚｃの軸線とが交差する位置における前記公転円の接線方向と平行な方向をいう。
【００３９】
なお、第２歯車１２ａの公転中心軸Ｚ１を、シリンダ軸Ｚｃに対して第２歯車の公転する方向とは反対方向にオフセットさせると、膨張行程において、ピストン３ａのスラスト力が増加する。このため、上記実施形態１に係るクランク機構１０のように、膨張下死点位置において、コンロッド４の大端部４ｌを、第２歯車１２ａの回転方向（図８中の矢印Ｒ方向）とは反対方向にオフセットした位置に組み付ける。これによって、ピストン３ａは、圧縮上死点ＴＤＣ−Ｃよりも排気上死点ＴＤＣ−Ｅの方がシリンダヘッド２ｈに接近するので、シリンダ軸Ｚｃに対する第２歯車１２の公転中心軸Ｚ１のオフセット量を少なくしても、排気上死点ＴＤＣ−Ｅをシリンダヘッド２ｈ側へ接近させることができる。その結果、膨張行程におけるピストン３ａのスラスト力増加を抑制しつつ排気上死点ＴＤＣ−Ｅをシリンダヘッド２ｈ側へ接近させて、燃焼室２ｂ内の燃焼ガスをより確実に掃気できる。
【００４０】
（第２変形例）
図９−１、図９−２は、実施形態１の第２変形例に係るクランク機構の構成を示す概念図である。この変形例に係るクランク機構は、シリンダ軸と第２歯車の公転中心軸とがオフセットする点では上記第１変形例と同様であるが、オフセットの方向が異なる。この変形例に係るクランク機構１０ｂでは、図９に示すように、シリンダ軸Ｚｃに対して、クランク機構１０ｂを構成する第２歯車１２ｂの公転中心軸Ｚ１がオフセットしている。
【００４１】
この変形例においては、膨張行程におけるピストン３のスラスト力が減少し、かつ圧縮上死点がシリンダヘッド２ｈに接近する方向に第２歯車１２ｂの公転中心軸Ｚ１をオフセットさせる。すなわち、第２歯車１２ｂとピストン３ｂとの間に第１歯車１１ｂが位置する関係において、第２歯車１２ｂの自転中心軸Ｚ２がシリンダ２のシリンダ軸Ｚｃ上にある場合には、第２歯車１２ｂの公転中心軸Ｚ１を、シリンダ軸Ｚｃに対して公転方向と同じ方向にオフセットさせる。これによって、図９−１に示すように、ピストン３ｂは、排気上死点ＴＤＣ−Ｅよりも圧縮上死点ＴＤＣ−Ｃの方がシリンダヘッド２ｈに接近する。その結果、膨張行程におけるピストン３ｂのスラスト力を低減できるとともに、圧縮比を大きくすることができる。
【００４２】
なお、上記第２変形例の構成では、膨張行程におけるピストン３ｂのスラスト力を低減できるが、圧縮上死点ＴＤＣ−Ｃが排気上死点ＴＤＣ−Ｅよりもシリンダヘッド２ｈに接近するため、燃焼ガスの掃気効率を向上させにくくなる。したがって、膨張行程におけるピストン３ｂのスラスト力を低減しつつ燃焼ガスの掃気効率を向上させたい場合、上記実施形態１に係るクランク機構１０のように、膨張下死点位置において、コンロッド４の大端部４ｌを、第２歯車１２ａの回転方向（図９−２中の矢印Ｒ方向）とは反対方向にオフセットした位置に組み付ける。
【００４３】
これによって、ピストン３ｂは、圧縮上死点ＴＤＣ−Ｃよりも排気上死点ＴＤＣ−Ｅの方をシリンダヘッド２ｈに接近させることができるので、膨張行程におけるピストン３ｂのスラスト力を低減しつつ、排気上死点ＴＤＣ−Ｅをシリンダヘッド２ｈ側へ接近させることができる。その結果、排気上死点ＴＤＣ−Ｅをシリンダヘッド２ｈ側へ接近させて、燃焼室２ｂ内の燃焼ガスをより確実に掃気でき、また、膨張行程におけるピストン３ｂのスラスト力増加を抑制できる。
【００４４】
以上、実施形態１及びその変形例では、第２歯車とピストンとの間に第１歯車が位置する関係において、第２歯車の自転中心軸がシリンダのシリンダ軸上にある場合には、シリンダ軸に対してコンロッドの大端部をオフセットして第２歯車に組み付ける。これによって、排気上死点と圧縮上死点との位置を異ならせることができる。そして、排気上死点を、圧縮上死点よりもシリンダヘッドに近づければ、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ燃焼室内に残留するガスの掃気効率を向上させることができる。
【００４５】
なお、この実施形態では、次の発明が開示される。この発明に係る内燃機関は、シリンダ内を往復運動するピストンと、第１歯車と、前記第１歯車と噛み合って、回転しながら前記第１歯車の周囲を公転運動する、前記第１歯車に対するギヤ比が１の第２歯車と、第１端部が前記ピストンに組み付けられ、また、前記第１端部とは反対側の第２端部が、前記第２歯車に組み付けられるコンロッドと、前記第２歯車に設けられて、前記第２歯車の自転中心軸に対して偏心する位置に前記第２端部を前記第２歯車に組み付けるコンロッド組み付け部材と、前記第２歯車の公転運動を、前記第２歯車の公転中心軸を回転中心とする回転運動に変換するクランクと、を含み、さらに、前記第２歯車と前記ピストンとの間に前記第１歯車が位置する関係において前記第２歯車の自転中心軸が前記シリンダのシリンダ軸上にある場合には、前記第２歯車の公転運動の公転中心軸が、前記シリンダのシリンダ軸に対して公転方向とは反対方向にオフセットすることを特徴とする。
【００４６】
これにより、排気上死点が圧縮上死点よりもシリンダヘッドに近づくので、残留ガスの掃気効率が向上する。このとき、次の発明に係る内燃機関のように、前記内燃機関において、前記第２歯車と前記ピストンとの間に前記第１歯車が位置する関係において前記第２歯車の自転中心軸が前記シリンダのシリンダ軸上にある場合には、前記コンロッド組み付け部材は、前記シリンダ軸に対し、前記第２歯車の回転方向とは反対方向にオフセットする位置に配置されるようにすることが好ましい。これによって、膨張行程においてピストンに発生するスラスト力を緩和できる。
【００４７】
（実施形態２）
実施形態２は、上記実施形態と同様の構成であるが、第１歯車を回転させることによりピストンの排気上死点、圧縮上死点及び吸排気行程長を変更する点が異なる。他の構成は、上記実施形態１と同様である。図１０は、実施形態２に係る内燃機関の一部を示す正面図である。図１１は、実施形態２に係る内燃機関の一部を示す側面図である。
【００４８】
この内燃機関１Ｃが備えるクランク機構は、第１歯車１１ｃが、第１歯車回転軸Ｚ３を中心として回転可能に構成されている。なお、第１歯車回転軸Ｚ３は、第２歯車１２ｃの公転中心軸Ｚ１と同一である。すなわち、第１歯車１１ｃは、第２歯車１２ｃの公転中心軸Ｚ１を中心として回転可能に構成される。第１歯車１１ｃは、第１歯車軸１６に接続されたアクチュエータ（例えばステッピングモータや油圧シリンダ等）１７によって駆動され、回転する。アクチュエータ１７は、機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０に組み込まれている内燃機関の運転制御装置５０によって制御される。内燃機関の運転制御装置５０の構成については後述する。
【００４９】
図１２は、第１歯車の回転方向と、ピストンの排気上死点、圧縮上死点及び吸排気行程長との関係を示す説明図である。図１２に示すように、第１歯車１１ｃを第２歯車１２ｃの回転方向と同じ方向に回転させると（図１０の矢印Ｒ１方向）、排気上死点はシリンダヘッド２ｈに近づき（上昇）、圧縮上死点はシリンダヘッド２ｈから遠ざかる（下降）。そして、吸排気行程長は増加する。一方、第１歯車１１ｃを第２歯車１２ｃの回転方向とは反対方向に回転させると（図１０の矢印Ｒ２方向）、排気上死点はシリンダヘッド２ｈから遠ざかり（下降）、圧縮上死点はシリンダヘッド２ｈに近づく（上昇）。そして、吸排気行程長は減少する。
【００５０】
このように、実施形態２に係る内燃機関１Ｃは、クランク装置１０ｃの第１歯車１１ｃを回転させることで、ピストン３ｃの排気上死点、圧縮上死点及び吸排気行程長を変化させることができる。また、吸排気行程長の変化にともない、圧縮比を変化させることもできる。そして、この実施形態においては、内燃機関１Ｃの運転条件や、内燃機関１Ｃを搭載した車両の走行条件に応じて、排気、圧縮上死点や吸排気行程長等を制御することにより、内燃機関１Ｃの諸性能を向上させることができる。次に、この実施形態に係る内燃機関の運転制御装置５０について説明する。
【００５１】
図１３は、実施形態２に係る内燃機関の運転制御装置である。内燃機関の運転制御装置５０は、機関ＥＣＵ３０に組み込まれて構成されている。なお、機関ＥＣＵ３０とは別個に、この実施例に係る内燃機関の運転制御装置５０を用意し、これを機関ＥＣＵ３０に接続してもよい。そして、この実施例に係る内燃機関の運転制御方法を実現するにあたっては、機関ＥＣＵ３０が備える内燃機関１の制御機能を、前記内燃機関の運転制御装置５０が利用できるように構成してもよい。
【００５２】
内燃機関の運転制御装置５０は、運転条件判定部５１と、行程変更部５２とを含んで構成される。これらが、この実施例に係る内燃機関の運転制御を実行する部分となる。運転条件判定部５１と、行程変更部５２とは、機関ＥＣＵ３０の入出力ポート（Ｉ／Ｏ）３９を介して接続される。これにより、運転条件判定部５１と、行程変更部５２とは、それぞれ双方向でデータをやり取りできるように構成される。なお、装置構成上の必要に応じて片方向でデータを送受信するようにしてもよい（以下同様）。
【００５３】
内燃機関の運転制御装置５０と機関ＥＣＵ３０の処理部３０Ｐと記憶部３０Ｍとは、機関ＥＣＵ３０に備えられる入出力ポート（Ｉ／Ｏ）３９を介して接続されており、これらの間で相互にデータをやり取りすることができる。これにより、内燃機関の運転制御装置５０は機関ＥＣＵ３０が有する内燃機関１Ｃの負荷（あるいは負荷率）や機関回転数その他の内燃機関の運転制御データを取得したり、内燃機関の運転制御装置５０の制御を機関ＥＣＵ３０の内燃機関の運転制御ルーチンに割り込ませたりすることができる。
【００５４】
また、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）３９には、エアフローセンサ４１、クランク角センサ４２、アクセル開度センサ４３、吸気温度計４４、冷却水温センサ４５その他の、内燃機関１Ｃの運転に関する情報を取得するセンサ類が接続されている。これにより、機関ＥＣＵ３０や内燃機関の運転制御装置５０は、内燃機関１Ｃの運転制御に必要な情報を取得することができる。また、入出力ポート（Ｉ／Ｏ）３９には、アクチュエータ１７等の、内燃機関１Ｃの制御対象が接続されており、内燃機関の運転制御装置５０が備える行程変更部５２や、機関ＥＣＵ３０の処理部３０Ｐからの制御信号によりこれらの動作が制御される。
【００５５】
記憶部３０Ｍには、この実施形態に係る内燃機関の運転制御の処理手順を含むコンピュータプログラムや、内燃機関１Ｃの運転制御に用いる判定マップ等が格納されている。ここで、記憶部３０Ｍは、ＲＡＭ（Random Access Memory）のような揮発性のメモリ、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。また、内燃機関の運転制御装置５０や機関ＥＣＵ３０の処理部３０Ｐは、メモリ及びＣＰＵにより構成することができる。
【００５６】
上記コンピュータプログラムは、運転条件判定部５１や行程変更部５２や処理部３０Ｐへ既に記録されているコンピュータプログラムとの組み合わせによって、この実施形態に係る内燃機関の運転制御の処理手順を実現できるものであってもよい。また、この内燃機関の運転制御装置５０は、前記コンピュータプログラムの代わりに専用のハードウェアを用いて、運転条件判定部５１、行程変更部５２の機能を実現するものであってもよい。次に、この内燃機関の運転制御装置５０を用いて、この実施形態に係る内燃機関の運転制御を実現する手順を説明する。なお、この説明にあたっては、適宜図１０〜図１４を参照されたい。
【００５７】
図１４−１〜図１４−４は、実施形態２に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。実施形態２に係る内燃機関の運転制御は、実施形態２に係る内燃機関の運転制御装置５０によって実現できる。まず、図１４−１に示す内燃機関の運転制御を説明する。この内燃機関の運転制御は、浄化触媒１９の暖機や浄化触媒（特にＮＯｘ吸蔵還元触媒）をＳ（硫黄）被毒から回復させる場合等のように、浄化触媒１９の温度を上昇させる必要がある場合の制御（以下、触媒昇温制御という）である。
【００５８】
触媒昇温制御を実行するにあたり、実施形態２に係る内燃機関の運転制御装置（以下運転制御装置という）５０が備える運転条件判定部５１は、触媒の昇温が必要であるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。例えば、浄化触媒１９の暖機が必要か否かを判定する場合は、運転条件判定部５１が冷却水温センサ４５から内燃機関１Ｃの冷却水温度Ｔｃを取得する。そして、Ｔｃが所定の暖機終了判定温度Ｔｃｆよりも低い場合には、浄化触媒１９の暖機が必要であると判定する。また、Ｓ被毒からの回復のため浄化触媒１９の昇温が必要であるか否かを判定する場合には、例えば、内燃機関１Ｃの運転時間を昇温制御のパラメータとし、予め設定した運転時間が経過したら、浄化触媒１９を昇温させる必要があると判定する。
【００５９】
浄化触媒を昇温させる必要がない場合には（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、通常の運転制御とする（ステップＳ１０２）。例えば、ピストン３ｃの排気上死点と圧縮上死点とを同じ位置とし、吸排気行程長も同じ長さとする。浄化触媒を昇温させる必要がある場合には（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、行程変更部５２は、通常の運転制御時よりも圧縮上死点がシリンダヘッド２ｈに近づくように第１歯車１１ｃを制御する。すなわち、行程変更部５２は、アクチュエータ１７を駆動して、第１歯車１１ｃを、第２歯車１２ｃの回転方向とは反対方向に所定の角度回転させる（ステップＳ１０３）。
【００６０】
これにより、内燃機関１Ｃの圧縮比が増加する。また、排気上死点は通常の運転制御時よりもシリンダヘッド２ｈから遠ざかるので、残留ガスも増加する。内燃機関１Ｃの圧縮比が増加すること及び残留ガスが増加することにより圧縮温度が上昇する。これによって、火花点火式の内燃機関においては点火時期の遅角可能領域が拡大し、また、ディーゼル機関においては、燃料噴射時期の遅角可能領域が拡大する。その結果、点火時期や燃料噴射時期を大幅に遅角しても安定した燃焼が得られるので、点火時期等を大幅に遅角することによって排気温度をより高い温度に上昇させることができる。そして、浄化触媒１９の昇温を促進することができる。
【００６１】
次に、図１４−２に示す内燃機関の運転制御を説明する。この内燃機関の運転制御は、内燃機関１Ｃの負荷に応じて排気、圧縮上死点や吸排気行程長等を制御することにより、燃料消費の低減、エミッションの改善、出力向上を図るものである。なお、この制御の概念は、火花点火式、ディーゼル式を問わず適用できるが、次の説明においては内燃機関１Ｃが火花点火式である場合を例とする。
【００６２】
この運転制御を実行するにあたり、運転制御装置５０が備える運転条件判定部５１は、エアフローセンサ４１から内燃機関１Ｃの吸入空気量を取得し、内燃機関１Ｃの負荷ＫＬを算出する（ステップＳ２０１）。図１５−１、図１５−２は、内燃機関の負荷に対する第１歯車の角度を記述した制御マップである。図１５−１に示す制御マップ６０において、第１歯車１１ｃの角度が０度であるときは、圧縮上死点と排気上死点とが同じ位置であることを示し、この位置を第１歯車１１ｃの中立位置とする。符号の＋は、第２歯車１２ｃと同じ方向に第１歯車１１ｃを回転させることを意味し、符号の−は、第２歯車１２ｃとは反対方向に第１歯車１１ｃを回転させることを意味する。
【００６３】
この制御マップ６０は記憶部３０Ｍに格納されており、運転条件判定部５１がステップＳ２０１で算出した負荷ＫＬを与えると、それに対応した第１歯車１１ｃの角度を行程変更部５２に返すようになっている。制御マップ６０に記述される内燃機関１Ｃの負荷ＫＬと第１歯車１１ｃの角度との関係は、予め実験やシミュレーション等により求めておく。
【００６４】
運転条件判定部５１が負荷ＫＬを算出したら、これを制御マップ６０に与える。制御マップは、与えられた負荷ＫＬから、そのときの第１歯車１１ｃの角度θを決定する（ステップＳ２０２）。制御マップ６０は、決定された第１歯車１１ｃの角度（例えば−θａ）を行程変更部５２へ返す。行程変更部５２は、アクチュエータ１７を駆動して、第１歯車１１ｃの角度が決定された角度となるように、第１歯車１１ｃを所定の角度回転させる（ステップＳ２０３）。
【００６５】
この実施形態において、第１歯車１１ｃの角度は次のように決定される。すなわち、内燃機関１Ｃが軽負荷であるときには、第１歯車を第２歯車の回転方向とは反対方向（−方向）に回転させて、圧縮上死点がシリンダヘッド２ｈに近づくように第１歯車１１ｃを制御する。これによって、内燃機関１が火花点火式である場合には、内燃機関１の圧縮比が高くなるので理論熱効率が向上する。また、燃料の蒸発性が改善されるとともに、吸気行程が短くなるのでポンピングロスも低減する。これらの作用により、燃料消費を低減でき、また、ＮＯｘの発生量も低減できる。
【００６６】
内燃機関１がディーゼル機関である場合には、内燃機関１の圧縮比が高くなることによるシリンダ内の温度上昇によって燃焼騒音を低減できる。また、内燃機関１の圧縮比が高くなることによって理論熱効率の向上、燃料の蒸発性向上、及び吸気行程が短くなることによるポンピングロスの低減といった作用が得られる。これらの作用により、燃料消費を低減でき、また、ＮＯｘの発生量も低減できる。
【００６７】
内燃機関１Ｃが高負荷であるときには、第１歯車１１ｃを第２歯車１２ｃの回転方向と同じ方向（＋方向）に回転させて、排気上死点がシリンダヘッド２ｈに近づくように、第１歯車１１ｃを所定の角度回転させる。これによって、内燃機関１が火花点火式である場合には、内燃機関１の圧縮比が低くなるとともに、掃気効率が向上して残留ガスの量も低減できる。その結果、ノッキングが抑制されるとともに、掃気効率の向上によって充填効率も向上するので、内燃機関１Ｃのトルクが向上する。また、燃料消費も抑制できる。内燃機関１がディーゼル機関である場合には、内燃機関１の圧縮比が低くなることによる最大シリンダ内圧力の低減、シリンダ内への吸入空気量の増加により、トルクが向上する。また、スモークの発生も低減できる。
【００６８】
図１５−２に示す制御マップ６１は、内燃機関１の負荷（負荷率）ＫＬが、最小負荷ＫＬｍｉｎから最大負荷ＫＬｍａｘまで変化する過程で、第１歯車１１ｃの回転方向を、第２歯車１２ｃの回転方向とは逆方向（−）から、第２歯車１２ｃの回転方向と同じ方向（＋）まで徐々に変化させる。このようにすると、内燃機関１の負荷に応じてより細かい制御ができるので、燃料消費をさらに低減できる。ここで、軽負荷とは、負荷率で２５％程度までをいい、中負荷とは負荷率で２５％程度から７５％程度までをいい、高負荷とは負荷率で７５％程度を超えることをいう。
【００６９】
次に、図１４−３に示す運転制御を説明する。この内燃機関の運転制御は、内燃機関１Ｃが、火花点火を併用するディーゼル機関である場合の制御であり、燃焼モードに応じて排気、圧縮上死点や吸排気行程長等を制御するものである。この内燃機関の運転制御を実行するにあたり、運転制御装置５０が備える運転条件判定部５１は、内燃機関１Ｃの負荷ＫＬを算出する（ステップＳ３０１）。
【００７０】
図１６−１、図１６−２は、内燃機関の負荷に対する第１歯車の角度を記述した制御マップである。図１６に示す制御マップ６２において、第１歯車１１ｃの角度が０度であるときは、圧縮上死点と排気上死点とが同じ位置であることを示し、この位置を第１歯車１１ｃの中立位置とする。この制御マップ６２は記憶部３０Ｍに格納されており、運転条件判定部５１がステップＳ３０１で算出した負荷ＫＬを与えると、それに対応した第１歯車１１ｃの角度を行程変更部５２に返すようになっている。制御マップ６０に記述される内燃機関１Ｃの負荷ＫＬと第１歯車１１ｃの角度との関係は、予め実験やシミュレーションにより求めておく。
【００７１】
運転条件判定部５１が負荷ＫＬを算出したら、これを制御マップ６２に与える。制御マップは、与えられた負荷ＫＬから、そのときの第１歯車１１ｃの角度（例えば＋θｂ）を決定する（ステップＳ３０２）。制御マップ６２は、決定された第１歯車１１ｃの角度θを、行程変更部５２へ返す。行程変更部５２は、アクチュエータ１７を駆動して、第１歯車１１ｃの角度が決定された角度となるように、第１歯車１１ｃを所定の角度回転させる（ステップＳ３０３）。
【００７２】
この実施形態において、第１歯車１１ｃの角度は次のように決定される。すなわち、内燃機関１Ｃが火炎伝播燃焼領域（軽負荷）であるときには、第１歯車を第２歯車の回転方向と同じ方向（＋）に回転させて、排気上死点がシリンダヘッド２ｈに近づくように第１歯車１１ｃを制御する。これによって、内燃機関１の圧縮比が低くなるので、圧縮行程における温度が低下する。また、排気上死点がシリンダヘッド２ｈに近づくので、残留ガスが低減されて、シリンダ内の温度が低下する。これらの作用により、ノッキングが抑制されるので、安定した火炎伝播燃焼が実現できる。
【００７３】
内燃機関１Ｃがディーゼル燃焼領域（高負荷）であるときには、第１歯車を第２歯車の回転方向とは反対方向（−）に回転させて、圧縮上死点がシリンダヘッド２ｈに近づくように第１歯車１１ｃを制御する。これによって、内燃機関１の圧縮比が高くなるとともに、残留ガスが増加する。これによって、ディーゼル燃焼領域（高負荷）においては圧縮行程における温度が上昇するので、着火遅れ期間の短いディーゼル燃焼が実現できる。このように、この制御においては、火花点火を併用するディーゼル機関において、燃焼モードに応じて排気、圧縮上死点や吸排気行程長等を制御するので、異なる燃焼モードを安定して両立させることができる。
【００７４】
図１６−２に示す制御マップ６３は、このとき、内燃機関１の負荷（負荷率）ＫＬに応じて燃焼モードを火花点火による火炎伝播燃焼又はディーゼル燃焼のいずれか一方に決定する。そして、燃焼モードを切り替える際には、所定の負荷ＫＬｃを境として、第１歯車１１ｃを不連続的に差動させる。このようにすると、内燃機関１Ｃの燃焼モードに応じてより細かい制御ができるので、異なる燃焼モードをさらに安定して両立させることができる。なお、決定した燃焼モードにおいては、内燃機関１の負荷（負荷率）ＫＬに応じて第１歯車１１ｃを徐々に回転させる。
【００７５】
次に、図１４−４に示す運転制御を説明する。この内燃機関の運転制御は、内燃機関１Ｃが搭載される車両の運転状態に応じて、内燃機関１Ｃの排気、圧縮上死点や吸排気行程長等を制御するものである。なお、この制御の概念は、火花点火式、ディーゼル式を問わず適用できるが、次の説明においては内燃機関１Ｃが火花点火式である場合を例とする。
【００７６】
この運転制御を実行するにあたり、運転制御装置５０が備える運転条件判定部５１は、アクセル開度センサ４３、ブレーキセンサ４６から情報を取得し、内燃機関１Ｃが搭載されている車両の走行条件を判定する。アクセル開度センサ４３からの情報から、車両が加速状態にあると運転条件判定部５１が判定した場合（ステップＳ４０１：Ｙｅｓ）、行程変更部５２は、吸排気行程長が増加する方向に制御する（ステップＳ４０２）。具体的には、行程変更部５２は、アクチュエータ１７を駆動して、第１歯車１１ｃを第２歯車１２ｃの回転方向と同じ方向に、所定の角度回転させる。これによって、吸排気行程長が大きくなるので、吸入空気量が増加して、加速性が向上する。内燃機関１Ｃが過給機を備える場合には、過給圧力の立ち上がりも改善するので、より加速性が向上する。
【００７７】
車両が加速状態にないと運転条件判定部５１が判定した場合（ステップＳ４０１：Ｎｏ）、運転条件判定部５１は、車両が減速状態にあるか否かを判定する（ステップＳ４０３）。例えば、ブレーキセンサ４６の情報から、ブレーキが踏まれたと判定された場合や、アクセル開度センサ４３の情報から、エンジンブレーキが要求されていると判定された場合が、車両が減速状態にある状態である。
【００７８】
車両が減速状態にある場合（ステップＳ４０３：Ｙｅｓ）、行程変更部５２は、吸排気行程長が大きくなるように制御する（ステップＳ４０４）。具体的には、行程変更部５２は、アクチュエータ１７を駆動して、第１歯車１１ｃを第２歯車１２ｃの回転方向と同じ方向に、所定の角度回転させる。これによって、ポンピング仕事が増加するので、エンジンブレーキの効きが向上し、より確実に車両を制動することができる。
【００７９】
車両が減速状態にない場合（ステップＳ４０３：Ｎｏ）、運転条件判定部５１は、車両が定速走行していると判定する（ステップＳ４０５）。この場合、行程変更部５２は、吸排気行程長が減少するように、第１歯車１１ｃを所定の角度回転させる（ステップＳ４０６）。これによって、ポンピング仕事が減少するので、燃料消費を低減できる。
【００８０】
以上、実施形態２では、第１歯車を回転させることによりピストンの排気上死点、圧縮上死点及び吸排気行程長を変更する。これによって、例えば、軽負荷時には高圧縮比、かつ吸排気行程長を短くして燃料消費を低減し、高負荷時には低圧縮比、かつ吸排気行程を長くして燃料消費の低減及びトルクの向上を図ることができる。このように、実施形態２では、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくしつつ、内燃機関の運転条件の広い範囲で内燃機関の性能を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８１】
以上のように、本発明に係る内燃機関は、シリンダ内をピストンが往復する、いわゆるレシプロ式の内燃機関に有用であり、特に、圧縮行程長よりも膨張行程長の方を大きくする内燃機関に適している。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】実施形態１に係る内燃機関の一部を示す正面図である。
【図２】実施形態１に係る内燃機関の一部を示す側面図である。
【図３−１】実施形態１に係るクランク機構を用いた場合におけるコンロッドの大端部の軌跡を示す説明図である。
【図３−２】実施形態１に係るクランク機構を用いた場合におけるコンロッドの大端部の軌跡を示す説明図である。
【図４】膨張行程長／圧縮行程長と、偏心量／第１歯車径との関係を示す説明図である。
【図５】膨張行程長／圧縮行程長と、偏心量／第１歯車径との関係を示す説明図である。
【図６】実施形態１に係る内燃機関が備えるクランク機構におけるピストン位置とクランク角との関係を示す説明図である。
【図７】第１歯車に対する第２歯車のギヤ比が２の場合におけるピストン位置とクランク角との関係を示す説明図である。
【図８】実施形態１の第１変形例に係るクランク機構の構成を示す概念図である。
【図９−１】実施形態１の第２変形例に係るクランク機構の構成を示す概念図である。
【図９−２】実施形態１の第２変形例に係るクランク機構の構成を示す概念図である。
【図１０】実施形態２に係る内燃機関の一部を示す正面図である。
【図１１】実施形態２に係る内燃機関の一部を示す側面図である。
【図１２】第１歯車の回転方向と、ピストンの排気上死点、圧縮上死点及び吸排気行程長との関係を示す説明図である。
【図１３】実施形態２に係る内燃機関の運転制御装置である。
【図１４−１】実施形態２に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。
【図１４−２】実施形態２に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。
【図１４−３】実施形態２に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。
【図１４−４】実施形態２に係る内燃機関の運転制御の手順を示すフローチャートである。
【図１５−１】内燃機関の負荷に対する第１歯車の角度を記述した制御マップである。
【図１５−２】内燃機関の負荷に対する第１歯車の角度を記述した制御マップである。
【図１６−１】内燃機関の負荷に対する第１歯車の角度を記述した制御マップである。
【図１６−２】内燃機関の負荷に対する第１歯車の角度を記述した制御マップである。
【符号の説明】
【００８３】
１、１Ｃ 内燃機関
２ シリンダ
２ｈ シリンダヘッド
２ｂ 燃焼室
３、３ａ、３ｂ、３ｃ ピストン
３ｐ ピストンピン
４ コンロッド
４ｌ 大端部
９ クランクケース
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ クランク機構
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 第１歯車
１１Ｓ 歯車支持部材
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ 第２歯車
１２Ｐ コンロッド取付ピン
１２Ｂ コンロッド取付部
１２Ｇ 歯車部
１３ クランク
１７ アクチュエータ
１９ 浄化触媒
３０ 機関ＥＣＵ
５０ 内燃機関の運転制御装置
５１ 運転条件判定部
５２ 行程変更部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内を往復運動するピストンと、
第１歯車と、
前記第１歯車と噛み合って、回転しながら前記第１歯車の周囲を公転運動する第２歯車と、
第１端部が前記ピストンに組み付けられ、また、前記第１端部とは反対側の第２端部が、前記第２歯車に組み付けられるコンロッドと、
前記第２歯車に設けられて、前記第２歯車の自転中心軸に対して偏心する位置に前記第２端部を組み付け、さらに、前記第２歯車と前記ピストンとの間に前記第１歯車が位置する関係において前記第２歯車の自転中心軸が前記シリンダのシリンダ軸上にある場合には、前記シリンダ軸に対してオフセットする位置に配置されるコンロッド組み付け部材と、
前記第２歯車の公転運動を、前記第２歯車の公転運動の公転中心軸を回転中心とする回転運動に変換するクランクと、
を含むことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記第２歯車の公転中心軸が、前記シリンダ軸に対してオフセットす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】
前記コンロッド組み付け部材は、前記第２歯車の回転方向に対して反対方向にオフセットすることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
シリンダと、前記シリンダ内を往復運動するピストンとを備える内燃機関であり、
第１歯車と、
前記第１歯車と噛み合って、回転しながら前記第１歯車の周囲を公転運動する、前記第１歯車に対するギヤ比が１の第２歯車と、
第１端部が前記ピストンに組み付けられ、また、前記第１端部とは反対側の第２端部が前記第２歯車に組み付けられるコンロッドと、
前記第２歯車に設けられ、前記第２歯車の回転中心に対して偏心する位置に前記第２端部を組み付けるコンロッド組み付け部材と、
前記第２歯車の公転運動を、前記第２歯車の公転運動の公転中心軸を回転中心とする回転運動に変換するクランクと、
前記内燃機関の運転条件に応じて、前記第１歯車を所定の角度回転させる第１歯車駆動手段と、
を含むことを特徴とする内燃機関。
【請求項５】
前記第１歯車駆動手段は、
前記内燃機関の排気温度の昇温が要求される場合、前記第１歯車を前記第２歯車の回転方向に対して逆方向に所定の角度回転させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記第１歯車回転手段は、
前記内燃機関の負荷が軽い場合には、前記第１歯車を、負荷が高い場合に対して前記第２歯車の回転方向に対して逆方向に所定の角度回転させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記内燃機関は、火花点火を併用するディーゼル機関であり、
前記第１歯車回転手段は、前記内燃機関が火炎伝播燃焼領域で運転される場合には、前記第１歯車を、ディーゼル燃焼領域に対して前記第２歯車の回転方向と同じ方向に所定の角度回転させ、
前記内燃機関がディーゼル燃焼領域で運転される場合には、前記第１歯車を、火炎伝播領域に対して前記第２歯車の回転方向と反対方向に所定の角度回転させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
【請求項１】
シリンダ内を往復運動するピストンと、
第１歯車と、
前記第１歯車と噛み合って、回転しながら前記第１歯車の周囲を公転運動する第２歯車と、
第１端部が前記ピストンに組み付けられ、また、前記第１端部とは反対側の第２端部が、前記第２歯車に組み付けられるコンロッドと、
前記第２歯車に設けられて、前記第２歯車の自転中心軸に対して偏心する位置に前記第２端部を組み付け、さらに、前記第２歯車と前記ピストンとの間に前記第１歯車が位置する関係において前記第２歯車の自転中心軸が前記シリンダのシリンダ軸上にある場合には、前記シリンダ軸に対してオフセットする位置に配置されるコンロッド組み付け部材と、
前記第２歯車の公転運動を、前記第２歯車の公転運動の公転中心軸を回転中心とする回転運動に変換するクランクと、
を含むことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記第２歯車の公転中心軸が、前記シリンダ軸に対してオフセットす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】
前記コンロッド組み付け部材は、前記第２歯車の回転方向に対して反対方向にオフセットすることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
【請求項４】
シリンダと、前記シリンダ内を往復運動するピストンとを備える内燃機関であり、
第１歯車と、
前記第１歯車と噛み合って、回転しながら前記第１歯車の周囲を公転運動する、前記第１歯車に対するギヤ比が１の第２歯車と、
第１端部が前記ピストンに組み付けられ、また、前記第１端部とは反対側の第２端部が前記第２歯車に組み付けられるコンロッドと、
前記第２歯車に設けられ、前記第２歯車の回転中心に対して偏心する位置に前記第２端部を組み付けるコンロッド組み付け部材と、
前記第２歯車の公転運動を、前記第２歯車の公転運動の公転中心軸を回転中心とする回転運動に変換するクランクと、
前記内燃機関の運転条件に応じて、前記第１歯車を所定の角度回転させる第１歯車駆動手段と、
を含むことを特徴とする内燃機関。
【請求項５】
前記第１歯車駆動手段は、
前記内燃機関の排気温度の昇温が要求される場合、前記第１歯車を前記第２歯車の回転方向に対して逆方向に所定の角度回転させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記第１歯車回転手段は、
前記内燃機関の負荷が軽い場合には、前記第１歯車を、負荷が高い場合に対して前記第２歯車の回転方向に対して逆方向に所定の角度回転させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記内燃機関は、火花点火を併用するディーゼル機関であり、
前記第１歯車回転手段は、前記内燃機関が火炎伝播燃焼領域で運転される場合には、前記第１歯車を、ディーゼル燃焼領域に対して前記第２歯車の回転方向と同じ方向に所定の角度回転させ、
前記内燃機関がディーゼル燃焼領域で運転される場合には、前記第１歯車を、火炎伝播領域に対して前記第２歯車の回転方向と反対方向に所定の角度回転させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
【図１】
【図２】
【図３−１】
【図３−２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９−１】
【図９−２】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４−１】
【図１４−２】
【図１４−３】
【図１４−４】
【図１５−１】
【図１５−２】
【図１６−１】
【図１６−２】
【図２】
【図３−１】
【図３−２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９−１】
【図９−２】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４−１】
【図１４−２】
【図１４−３】
【図１４−４】
【図１５−１】
【図１５−２】
【図１６−１】
【図１６−２】
【公開番号】特開２００７−１１３４７１（Ｐ２００７−１１３４７１Ａ）
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３０４９７８（Ｐ２００５−３０４９７８）
【出願日】平成１７年１０月１９日（２００５．１０．１９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月１９日（２００５．１０．１９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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