JP2017227138A

JP2017227138A - Variable compression ratio machine type atkinson cycle engine

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Publication number: JP2017227138A
Application number: JP2016122048A
Authority: JP
Inventors: 松岡　寛; Hiroshi Matsuoka; 寛松岡; 敬治岸下; Takaharu Kishishita
Original assignee: ACR Co Ltd
Current assignee: ACR Co Ltd
Priority date: 2016-06-20
Filing date: 2016-06-20
Publication date: 2017-12-28

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable a mechanical atkinson cycle to be carried out by this invention by arranging an eccentric bushing between a large end part of a connecting rod and an axle of a crank pin of a crank shaft and rotating the eccentric bushing at a rotating speed of 1.5 times of its normal speed when an engine is driven.SOLUTION: A variable compression ratio machine type atkison cycle engine of this invention is configured in such a way that an eccentric bushing 10 having an outer diameter 24 of circular outer circumference and further having an eccentric axis center of a hole 25 is arranged to be rotatably slid between an axle part of a crank pin 8 of a crank shaft 5 and a hole part 9 of a large end part 7 of a connecting rod 3. Upon driving the engine, the eccentric bushing 10 is rotated at a rotating speed of 1.5 times of an engine speed, a stroke amount of a piston 1 in a cylinder 2 at an expansion stroke is set to be longer than that of an expansion stroke to improve a thermal efficiency.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は，例えば，往復動内燃機関において，４サイクル中にピストンのストローク量を変更するため，クランクの大端部とクランクシャフトのクランクピンである軸部との間に偏芯ブッシュを配設し，膨張行程のストローク量を吸入行程のストローク量より長く設定して仕事量を増大させると共に，偏芯ブッシュのクランク角の位相調整角度を歯車機構を介して変更調整してエンジンの圧縮比を変更させることから成る可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンに関する。 In the present invention, for example, in a reciprocating internal combustion engine, an eccentric bushing is disposed between the large end of the crank and the shaft that is the crankpin of the crankshaft in order to change the stroke amount of the piston during four cycles. The stroke of the expansion stroke is set longer than the stroke of the suction stroke to increase the amount of work, and the phase adjustment angle of the crank angle of the eccentric bush is changed and adjusted via the gear mechanism to adjust the compression ratio of the engine. The invention relates to a variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine consisting of a change.

従来，内燃機関についてアトキンソンサイクルを実現して，ピストンがシリンダの内壁面から受ける摩擦抵抗を低減できるというものが知られている。該内燃機関は，膨張行程では，コンロッドがピストンの往復動方向に沿った状態で動き，吸気行程ではコンロッドが往復動方向に対して傾斜した状態で動くことにより，膨張行程におけるピストンストロークは，吸気行程におけるピストンストロークよりも大きくなる（例えば，特許文献１参照）。 2. Description of the Related Art Conventionally, it is known that an internal combustion engine can realize an Atkinson cycle and reduce a frictional resistance that a piston receives from an inner wall surface of a cylinder. The internal combustion engine moves in a state where the connecting rod is along the reciprocating direction of the piston in the expansion stroke, and moves in a state where the connecting rod is inclined with respect to the reciprocating direction in the intake stroke. It becomes larger than the piston stroke in the stroke (see, for example, Patent Document 1).

また，内燃機関として，その運転を負荷に応じてアトキンソンサイクルとオットーサイクルのいずれかで制御して燃焼効率を改善し，特性の変更時の機関の出力段差を抑制する制御をするものが知られている。該内燃機関は，吸気バルブの位相角とリフト量即ちストローク量を複数の特性の間で変更すると共に，負荷に応じてアトキンソンサイクル又はオットーサイクルで制御するものであって，運転状態を検出し，運転状態から目標空気量を算出し，目標空気量に基づいて圧縮比の目標値を算出し，それを実現するために吸気バルブの複数の特性の変更が必要かを判定し，必要と判定されるとき，特性の間で吸気量が一致するクランク角度を機関回転数に基づいて目標位相角として算出し，その位相角で特性の変更を許可するものである（例えば，特許文献２参照）。 In addition, an internal combustion engine is known that controls its operation in either the Atkinson cycle or the Otto cycle according to the load to improve combustion efficiency and control the engine output step when the characteristics are changed. ing. The internal combustion engine is configured to change the phase angle of the intake valve and the lift amount, that is, the stroke amount, among a plurality of characteristics, and to control by an Atkinson cycle or an Otto cycle according to the load, Calculate the target air amount from the operating state, calculate the target value of the compression ratio based on the target air amount, determine whether it is necessary to change multiple characteristics of the intake valve to achieve this, and determine that it is necessary The crank angle at which the intake air amount matches between the characteristics is calculated as a target phase angle based on the engine speed, and the change of the characteristic is permitted at the phase angle (see, for example, Patent Document 2).

また，内燃機関の吸排気装置として，内燃機関をアトキンソンサイクルで運転するにあたり，実圧縮比の低下を好適に図ることが可能なものが知られている。該内燃機関の吸排気装置は，燃焼室内にスワール流を発生させる第１の吸気ポートと，第１の吸気ポートを開閉する第１の吸気弁と，第１の吸気ポートが発生させるスワール流の減衰を抑制可能な態様で排気を行うことが可能な第１の排気ポートと，第１の排気ポートを開閉する第１の排気弁と，第１の吸気弁を内燃機関の吸気行程下死点近傍で閉弁すると共に，第１の排気弁を内燃機関の吸気行程下死点近傍で開弁するＥＣＵ，吸気側ＶＶＴ及び排気側ＶＶＴとを備えている（例えば，特許文献３参照）。 Further, as an intake / exhaust device for an internal combustion engine, one that can suitably reduce the actual compression ratio when the internal combustion engine is operated in the Atkinson cycle is known. The intake and exhaust device of the internal combustion engine includes a first intake port that generates a swirl flow in the combustion chamber, a first intake valve that opens and closes the first intake port, and a swirl flow that is generated by the first intake port. A first exhaust port capable of exhausting in a manner capable of suppressing attenuation, a first exhaust valve that opens and closes the first exhaust port, and the first intake valve are connected to an intake stroke bottom dead center of the internal combustion engine. An ECU that closes in the vicinity and opens the first exhaust valve near the bottom dead center of the intake stroke of the internal combustion engine, an intake side VVT, and an exhaust side VVT are provided (see, for example, Patent Document 3).

また，エンジンとして，吸気弁の開閉タイミングの可変制御を行わずに，アトキンソンサイクルを可能にするものが知られている。該アトキンソンサイクルは，１つのシリンダ内に異なる周期で往復動する２つのピストンを備え，２つのピストンの内の一方のメインピストンは，吸気行程及び膨張行程にてシリンダ内の容積を増加させる一方，圧縮行程及び排気行程にてシリンダ内の容積を減少させるように往復動すると共に，２つのピストンのうちの他方のサブピストンは，膨張行程終了ときのシリンダ内の容積が吸気行程終了時のシリンダ内の容積より大きくなるように往復動する（例えば，特許文献４参照）。 Further, an engine that enables an Atkinson cycle without performing variable control of the opening / closing timing of the intake valve is known. The Atkinson cycle includes two pistons reciprocating at different periods in one cylinder, and one main piston of the two pistons increases the volume in the cylinder in the intake stroke and the expansion stroke, The cylinder reciprocates so as to reduce the volume in the cylinder during the compression stroke and the exhaust stroke, and the other sub-piston of the two pistons has a volume in the cylinder at the end of the intake stroke that is equal to It reciprocates so that it may become larger than the volume (for example, refer patent document 4).

特開２０１４−２３４７０７号公報JP 2014-234707 A 特開２０１４−２０２６５号公報JP 2014-20265 A 特開２０１１−１５３５２３号公報JP 2011-153523 A 特開２０１１−３２９８９号公報JP 2011-32989 A

ところで，往復動内燃機関即ちレシプロケーティングエンジンについて，その熱効率は，圧縮比により大きく依存しており，高い圧縮比ほどその熱効率が高くなるが，一方，圧縮比を高くするほど，シリンダ内の圧力が高くなり，エンジンの構造を強固に製作する必要がある。また，内燃機関の圧縮比を高くするほど，シリンダ内の温度も高くなるため，窒素酸化物ＮＯx の生成も増加する傾向にある。更に，ガソリンエンジンでは，シリンダ内の温度が高くなると，ノッキングを起こす傾向にあるので，圧縮比を高くするにも限度がある。従って，エンジンでは，エンジンサイクルにおいて，圧縮比と膨張比を別に設定できるアトキンソンサイクルが上記各特許文献のように種々に開発されている。アトキンソンサイクルは，圧縮比を比較的に低く設定し，膨張比を高く設定することによって，高圧縮比の問題をクリアしながら，高い膨張比によって高い熱効率を確保することが理論的に可能になる。しかしながら，従来の機械式アトキンソンサイクルは，複雑なリンク機構を必要とするため，実用化しているケースは少ないのが現状である。 By the way, the thermal efficiency of a reciprocating internal combustion engine or reciprocating engine greatly depends on the compression ratio. The higher the compression ratio, the higher the thermal efficiency. On the other hand, the higher the compression ratio, the higher the pressure in the cylinder. Therefore, it is necessary to manufacture the engine structure firmly. Further, the higher the compression ratio of the internal combustion engine, the higher the temperature in the cylinder, and therefore the production of nitrogen oxides NOx tends to increase. Furthermore, since the gasoline engine tends to knock when the temperature in the cylinder rises, there is a limit to increasing the compression ratio. Therefore, in the engine, various Atkinson cycles in which the compression ratio and the expansion ratio can be set separately in the engine cycle have been developed as described in the above patent documents. The Atkinson cycle theoretically makes it possible to secure high thermal efficiency with a high expansion ratio while clearing the problem of a high compression ratio by setting the compression ratio relatively low and setting the expansion ratio high. . However, since the conventional mechanical Atkinson cycle requires a complicated link mechanism, there are few cases where it is put into practical use.

また，アトキンソンサイクルの機械式の複雑な構造を避けて，吸気バルブの弁開時間を制御することによって，低い圧縮比と高い膨張比を確保しているものが種々知らせている。例えば，吸気バルブの閉時間をエンジン吸気下死点より遅くして，膨張行程の初めまで延長することによって，実質的な圧縮比を小さくし，膨張行程のみを変更しないように制御することができる。しかしながら，このような吸気バルブの制御方法は，吸気バルブを介してシリンダ内に一旦吸入した空気を同じ吸気バルブを介して吐き出すことになり，その分だけ損失が発生することになる。 In addition, there are various reports that a low compression ratio and a high expansion ratio are secured by controlling the valve opening time of the intake valve while avoiding the complicated mechanical structure of the Atkinson cycle. For example, by making the intake valve closing time later than the engine intake bottom dead center and extending to the beginning of the expansion stroke, it is possible to control the substantial compression ratio to be small and not to change only the expansion stroke. . However, in such a control method of the intake valve, the air once sucked into the cylinder through the intake valve is discharged through the same intake valve, and a loss is generated accordingly.

この発明の目的は，上記の問題を解決することであり，コンロッドの大端部の孔とクランクシャフトのクランクピンである軸部との間に偏芯ブッシュを相対回転可能に配設し，偏芯ブッシュの偏芯量によって吸入行程のストローク量を短く且つ膨張行程のストローク量を長くするように機械的に設定し，エンジンの圧縮比を低減して仕事量を増大させて，熱効率を改善すると共に，位相変換用モータで駆動してエンジン本体に設けた位相ずらし機構である歯車機構を回転作動して，偏芯ブッシュをクランク大端部の孔部に対して予め決められた少しだけの位相調整角度（例えば，±３０度程度）を回転させて周方向にずらして，ピストンの４サイクル中のサイクルのストローク量を簡単に変更して圧縮比を可変に構成することを特徴とする可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンを提供することである。 An object of the present invention is to solve the above-described problem. An eccentric bush is disposed between a hole at a large end of a connecting rod and a shaft portion which is a crankpin of a crankshaft so as to be relatively rotatable. Mechanically set the stroke of the suction stroke to be short and the stroke of the expansion stroke to be long by the eccentric amount of the core bush, and reduce the compression ratio of the engine to increase the work and improve the thermal efficiency At the same time, the gear mechanism, which is a phase shifting mechanism provided on the engine body by being driven by the phase conversion motor, is rotated to operate the eccentric bush with a small amount of phase determined in advance with respect to the hole at the crank end. The adjustment angle (for example, about ± 30 degrees) is rotated and shifted in the circumferential direction, and the stroke amount of the cycle of the four piston cycles can be easily changed to make the compression ratio variable. To provide a compression ratio mechanical Atkinson cycle engine.

この発明は，シリンダを形成するシリンダブロックを備えたエンジン本体，前記シリンダ内を往復運動するピストン，前記ピストンに一端部が連結されたコンロッド，前記コンロッドの他端部の大端部が連結されたクランクシャフトを有し，前記ピストンは，吸入行程，圧縮行程，膨張行程，次いで排気行程で順次作動する４サイクルで駆動されることから成るエンジンにおいて，
前記コンロッドの前記大端部を取り付ける前記クランクシャフトの軸部と前記コンロッドの前記大端部における第１孔部との間に相対回転自在に配設された偏芯ブッシュ，及び前記偏芯ブッシュを回転させる動力伝達系を構成する歯車機構を有し，
前記偏芯ブッシュは，外周が円形に形成された外径と前記クランクシャフトの前記軸部に偏芯して摺動嵌合する第２孔部とを有し且つ厚肉部及び前記厚肉部に対向する薄肉部に形成されており，
前記偏芯ブッシュに取り付けられた第１ギヤの中心は，前記クランクシャフトの前記軸部と同軸に取り付けられた前記歯車機構を介して前記クランクシャフトのエンジン回転速度の１．５倍の回転速度で回転するように設定されており，前記シリンダ内の前記ピストンのストローク量が前記吸入行程より前記膨張行程が長く設定されていることを特徴とする可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンに関する。 The present invention includes an engine body having a cylinder block forming a cylinder, a piston reciprocating in the cylinder, a connecting rod having one end connected to the piston, and a large end of the other end of the connecting rod connected In an engine having a crankshaft, wherein the piston is driven in four cycles, which are sequentially operated in an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and then an exhaust stroke,
An eccentric bush disposed between a shaft portion of the crankshaft to which the large end portion of the connecting rod is attached and a first hole portion at the large end portion of the connecting rod, and the eccentric bush; It has a gear mechanism that constitutes a rotating power transmission system,
The eccentric bush has an outer diameter whose outer periphery is formed in a circular shape and a second hole portion that is eccentrically slidably fitted to the shaft portion of the crankshaft. The thick portion and the thick portion Is formed in the thin part facing
The center of the first gear attached to the eccentric bush is at a rotational speed 1.5 times the engine rotational speed of the crankshaft through the gear mechanism attached coaxially with the shaft portion of the crankshaft. The variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine is characterized in that it is set to rotate, and the stroke of the piston in the cylinder is set longer than the suction stroke.

また，前記歯車機構は，前記エンジン本体にギア用ガイドを介して支持され且つ内周に内歯歯車を外周の一部に外歯歯車を備えたリングギア，及び前記リングギアの前記内歯歯車に噛み合い且つ前記偏芯ブッシュの側面に一体構造に設けられた前記第１ギアから構成されているものである。 The gear mechanism includes a ring gear supported by the engine body via a gear guide, an internal gear on the inner periphery and an external gear on a part of the outer periphery, and the internal gear of the ring gear. And the first gear provided integrally with the side surface of the eccentric bush.

また，前記偏芯ブッシュの前記厚肉部は，前記エンジンが前記圧縮行程の爆発上死点に位置する時に，前記クランクシャフトに対してクランク角度の位相で実質的に９０度ずれて設定されているものである。 Further, the thick wall portion of the eccentric bush is set to be substantially 90 degrees shifted from the crankshaft in phase of the crank angle when the engine is located at an explosion top dead center of the compression stroke. It is what.

また，前記偏芯ブッシュは前記第１ギアと一体的に回転駆動され，前記偏芯ブッシュの位相をずらすため前記リングギアが前記エンジン本体に対して回転可能に取り付けられているものである。 The eccentric bush is rotationally driven integrally with the first gear, and the ring gear is rotatably attached to the engine body in order to shift the phase of the eccentric bush.

また，前記偏芯ブッシュは，前記リングギアの前記内歯歯車に噛み合う前記第１ギアを介して前記エンジン回転速度の１．５倍の前記回転速度で回転駆動されるように設定されているものである。 Further, the eccentric bush is set so as to be rotationally driven at the rotational speed 1.5 times the engine rotational speed through the first gear meshing with the internal gear of the ring gear. It is.

また，この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルは，前記偏芯ブッシュの前記外径と前記第２孔部の軸心との偏芯量に応じて，前記吸入行程と前記膨張行程との前記ピストンの前記ストローク量が調整されるものである。 Further, the variable compression ratio mechanical Atkinson cycle is configured so that the piston of the suction stroke and the expansion stroke is in accordance with the amount of eccentricity between the outer diameter of the eccentric bush and the axis of the second hole. The stroke amount is adjusted.

また，この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルは，前記リングギアの前記外歯歯車に噛み合う位相変換用歯車と前記位相変換用歯車を回転駆動する位相変換用モータとから構成された位相ずらし機構を備えており，前記位相ずらし機構は前記エンジンの運転状況に応じて前記リングギアを前記クランクシャフトのメインベアリング軸に対して回転させて前記クランク角の位相調整角度だけずらし，前記位相調整角度に応じて前記エンジンの圧縮比が変更されるものである。 The variable compression ratio mechanical Atkinson cycle includes a phase shift mechanism including a phase conversion gear that meshes with the external gear of the ring gear and a phase conversion motor that rotationally drives the phase conversion gear. The phase shift mechanism rotates the ring gear with respect to the main bearing shaft of the crankshaft according to the operating condition of the engine and shifts it by the phase adjustment angle of the crank angle, and according to the phase adjustment angle The compression ratio of the engine is changed.

また，前記偏芯ブッシュの前記厚肉部は，前記エンジンの運転状況により，前記位相ずらし機構によってエンジン爆発上死点の時に前記クランクシャフトに対して実質的に９０度の位相から±４５度の位相の範囲で前記クランク角の位相がずれるように調整されており，前記エンジンの圧縮比を変化させる可変圧縮比に構成されているものである。 Further, the thick-walled portion of the eccentric bush is substantially ± 45 degrees from the phase of 90 degrees with respect to the crankshaft when the engine explosion top dead center is caused by the phase shifting mechanism, depending on the operating condition of the engine. The crank angle is adjusted so that the phase of the crank angle is shifted within the phase range, and the variable compression ratio is changed to change the compression ratio of the engine.

また，この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルは，前記偏芯ブッシュが前記厚肉部から前記薄肉部へ延びる漸減肉厚部に形成されており，前記偏芯ブッシュを前記クランクシャフトの前記メインベアリング軸に対して予め決められた回転量を回転させることによって前記エンジンの予め決められた所定の前記圧縮比に調整されるものである In the variable compression ratio mechanical Atkinson cycle, the eccentric bush is formed in a gradually decreasing thickness portion extending from the thick portion to the thin portion, and the eccentric bush is connected to the main bearing shaft of the crankshaft. Is adjusted to a predetermined compression ratio of the engine by rotating a predetermined amount of rotation with respect to

この発明による可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンは，上記のように構成されているので，偏芯ブッシュをコンロッドとクランクシャフトとの間に介在させるシンプルな構造であり，偏芯ブッシュをクランクシャフトに設けた歯車機構を介してエンジン回転速度より増速させてエンジン回転数の１．５倍で回転させることだけで，エンジンを容易にアトキンソンサイクルで作動することができ，既存のエンジンに比較して改変構造が小さいながらも容易にアトキンソンサイクルの駆動装置を構成することができ，仕事量を増大させて高い熱効率を容易に得ることができる。即ち，この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンは，現存のエンジン基本構造を大幅に変更することなく構成することができ，圧縮比に対して膨張比を１０〜３０％程度大きくすることが可能であり，その場合に熱効率を数％から１０％程度改善することができる。 Since the variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine according to the present invention is configured as described above, it has a simple structure in which the eccentric bush is interposed between the connecting rod and the crankshaft. The engine can be easily operated in the Atkinson cycle simply by increasing the engine speed through the gear mechanism provided and rotating the engine at 1.5 times the engine speed, compared to the existing engine. Although the modified structure is small, an Atkinson cycle driving device can be configured easily, and the amount of work can be increased to easily obtain high thermal efficiency. In other words, this variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine can be constructed without drastically changing the existing basic engine structure, and the expansion ratio can be increased by about 10 to 30% with respect to the compression ratio. In this case, the thermal efficiency can be improved by several percent to about 10%.

更に，この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンには，偏芯ブッシュに対して位相ずらし機構を設け，該位相ずらし機構によって，クランクシャフト角度に対して偏芯ブッシュの位相を簡単に変更することにより，アトキンソンサイクルの特性を損なうことなく，圧縮比を±４以上を容易に可変にすることが可能になる。また，この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンにおいて，偏芯ブッシュの位相をずらす場合には，圧縮上死点近傍では，偏芯ブッシュの偏芯部即ち厚肉部がほぼ９０度の位置，言い換えれば，シリンダの垂直軸に対して水平方向の位置にあり，この位置が位相変位として極めて感度が高いが，排気下死点では位相変化に対して極めて鈍感であるため，ほぼ圧縮比のみを変化させることが可能である。言い換えれば，この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルは，偏芯ブッシュをクランクシャフトのクランクピンである軸部の周方向に位相ずらし機構のリングギアを所定量だけ回転させてずらすことによって，圧縮比を極めて簡単に可変に構成することができる。即ち，この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンは，エンジンの低負荷時には，比較的に高い圧縮比で極めて高い膨張比を得ることができ，また，高負荷時には，比較的に低い圧縮比で，極めて高い膨張比を得ることができるように設定することができる。 Furthermore, this variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine is provided with a phase shifting mechanism for the eccentric bush, and the phase shifting mechanism allows the phase of the eccentric bush to be easily changed with respect to the crankshaft angle. , The compression ratio can be easily changed to ± 4 or more without impairing the characteristics of the Atkinson cycle. Further, in this variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine, when the phase of the eccentric bush is shifted, the eccentric part of the eccentric bush, that is, the thick part, is located at a position of approximately 90 degrees in the vicinity of the compression top dead center. For example, it is in the horizontal position with respect to the vertical axis of the cylinder, and this position is extremely sensitive as a phase displacement, but at the exhaust bottom dead center, it is extremely insensitive to the phase change, so only the compression ratio changes. It is possible to make it. In other words, this variable compression ratio mechanical Atkinson cycle shifts the eccentric bushing in the circumferential direction of the shaft portion, which is the crankpin of the crankshaft, and shifts the ring gear of the mechanism by a predetermined amount to shift the compression ratio. It can be configured very simply and variably. In other words, this variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine can obtain a very high expansion ratio with a relatively high compression ratio when the engine is under low load, and with a relatively low compression ratio when under high load. It can be set so that an extremely high expansion ratio can be obtained.

この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルは，上記のように，２つの重要な機能として，エンジンをアトキンソンサイクルで駆動することと，エンジンの圧縮比を可変に調整することとを，シンプルな構造で提供することができる。また，現在，自動車メーカのガソリンエンジンの熱効率は，最大４０％程度と言われているが，最終的な目標効率を５０％としているが，この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルを用いれば，５０％の熱効率を得ることが可能になる。また，ディーゼルエンジンを搭載したトラックについては，現状では燃料代が大きな経費になっているが，走行燃費が５〜１０％程度改善することによって経費節減について大きなメリットになる。更に，近年ＨＣＣＩ（均一予混合圧縮着火）式燃焼方式が高い熱効率とクリーンな排ガスで注目されているが，運転はエンジンの軽負荷域のみで，中高負荷域では燃焼がコントロールできず，運転できない。本発明の可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンを用いると，中高負荷域では圧縮比を下げてＨＣＣＩ燃焼が可能となり，大幅な燃費改善が可能になる。 This variable compression ratio mechanical Atkinson cycle, as described above, provides two simple functions: driving the engine in the Atkinson cycle and variably adjusting the engine compression ratio in a simple structure. can do. Currently, the thermal efficiency of automobile engine gasoline engines is said to be about 40% at maximum, but the final target efficiency is 50%. If this variable compression ratio mechanical Atkinson cycle is used, it will be 50%. It becomes possible to obtain the thermal efficiency. In addition, for trucks equipped with diesel engines, the fuel cost is currently a large expense. However, an improvement in driving fuel efficiency of about 5 to 10% is a great merit for cost saving. Furthermore, in recent years, HCCI (homogeneous premixed compression ignition) type combustion method has been attracting attention because of its high thermal efficiency and clean exhaust gas, but it can only be operated in the light load range of the engine and cannot be operated in the middle and high load range. . When the variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine of the present invention is used, HCCI combustion is possible by lowering the compression ratio in the middle and high load range, and fuel efficiency can be greatly improved.

この発明による可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンを達成するためのエンジンの実施例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the Example of the engine for achieving the variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine by this invention. 図１のエンジンのＡ−Ａ線における偏芯ブッシュを増速させる歯車機構と位相ずらし機構との構造を概略的に断面で示す説明図である。It is explanatory drawing which shows roughly the structure of the gear mechanism and phase shift mechanism which accelerate the eccentric bush in the AA line of the engine of FIG. 1 in a cross section. 図１のエンジンのＢ−Ｂ線における偏芯ブッシュとコンロッド及びクランクシャフトとの連結状態を概略的に断面で示す説明図である。It is explanatory drawing which shows in a cross section the connection state of the eccentric bush in the BB line of the engine of FIG. 1, a connecting rod, and a crankshaft. この発明による可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンにおける４サイクル中の吸入行程と圧縮行程とを説明するための偏芯ブッシュによる上死点及び下死点の変更状態を説明するためのピストン，コンロッド，偏芯ブッシュ及びクランクシャフトの作動を概略的に示す説明図である。A piston, a connecting rod, for explaining a change state of top dead center and bottom dead center by an eccentric bush for explaining a suction stroke and a compression stroke in four cycles in a variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine according to the present invention; It is explanatory drawing which shows roughly the action | operation of an eccentric bush and a crankshaft. この発明による可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンにおける４サイクル中の膨張行程と排気行程とを説明するための偏芯ブッシュによる上死点及び下死点の変更状態を説明するためのピストン，コンロッド，偏芯ブッシュ及びクランクシャフトの作動を概略的に示す説明図である。A piston, a connecting rod, for explaining a change state of top dead center and bottom dead center by an eccentric bush for explaining an expansion stroke and an exhaust stroke in four cycles in a variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine according to the present invention; It is explanatory drawing which shows roughly the action | operation of an eccentric bush and a crankshaft. この発明による可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンの作動サイクルを実線，偏芯ブッシュの移動軌跡を一点鎖線，及びクランクピンであるクランクシャフトの軸部の移動軌跡を点線で示すグラフである。4 is a graph showing an operation cycle of a variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine according to the present invention, a solid line, a movement locus of an eccentric bush, a dashed line, and a movement locus of a shaft portion of a crankshaft that is a crankpin. この発明による可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンの作動サイクルにおいて，位相をずらした時の圧縮比と膨張比との変化を示しており，丸印は圧縮比の変化を示し，四角印は膨張比の変化を示し，三角印はアトキンソン比（圧縮比／膨張比）の変化を示すグラフである。In the operating cycle of the variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine according to the present invention, the change in the compression ratio and the expansion ratio when the phase is shifted is shown, the circle indicates the change in the compression ratio, and the square indicates the expansion ratio. The triangle mark is a graph showing the change of the Atkinson ratio (compression ratio / expansion ratio). この発明による可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンの作動サイクルにおいて，位相をずらした時の基準とアトキンソンサイクル仕様との軸平均有効圧と燃費改善率との変化を示し，位相調整角度に対して，丸印はアトキンソンサイクル軸平均有効圧の変化を示し，四角印は基準軸平均有効圧の変化を示し，三角印は燃費改善率の変化を示すグラフである。In the operation cycle of the variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine according to the present invention, the change in the average effective pressure and the fuel consumption improvement rate between the reference and the Atkinson cycle specification when the phase is shifted is shown. Circles indicate changes in the Atkinson cycle average effective pressure, squares indicate changes in the reference axis average effective pressure, and triangles indicate changes in the fuel efficiency improvement rate.

以下，図面を参照して，この発明による可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンの実施例を説明する。この発明による可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルで駆動されるエンジンは，動弁機構（図示せず）が設けられたシリンダヘッド２３，シリンダヘッド２３にガスケット（図示せず）を介在して固定され且つシリンダ２を形成するシリンダブロック４を備えたエンジン本体２７，シリンダ２内を往復運動するピストン１，ピストン１の一端部である小端部６がピストンピン２１によって揺動自在に連結されたコンロッド３，コンロッド３の他端部の大端部７が軸部であるクランクピン８によって連結されたクランクシャフト５を備えている。この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンは，吸入行程（Suction Stroke），圧縮行程（Compression Stroke），膨張行程
（Expantion Stroke），及び排気行程（Exhaust Stroke）で順次作動される４サイクルで駆動されるものである。 Embodiments of a variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine according to the present invention will be described below with reference to the drawings. An engine driven by a variable compression ratio mechanical Atkinson cycle according to the present invention has a cylinder head 23 provided with a valve mechanism (not shown), fixed to the cylinder head 23 with a gasket (not shown) interposed therebetween, and An engine body 27 having a cylinder block 4 that forms the cylinder 2, a piston 1 that reciprocates in the cylinder 2, and a small end 6 that is one end of the piston 1 are connected to a piston pin 21 so as to be swingable. The large end 7 of the other end of the connecting rod 3 is provided with a crankshaft 5 connected by a crankpin 8 as a shaft. This variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine is driven in 4 cycles, which are operated sequentially in the suction stroke, compression stroke, expansion stroke, and exhaust stroke. Is.

この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンは，特に，コンロッド３の大端部７を取り付けるクランクシャフト５の軸部であるクランクピン８とコンロッド３の大端部７における孔部９（第１孔部）との間に，偏芯ブッシュ１０が相対回転自在に配設されていることを特徴としている。偏芯ブッシュ１０は，外周が円形に形成された外径２４と，クランクシャフト５のクランクピン８に摺動嵌合する孔部２５（第２孔部）の軸心とが偏芯しており，厚肉部２８，該厚肉部２８に対向する薄肉部２９，及び厚肉部２８から薄肉部２９へ延びる漸減肉厚部３０から構造されている。言い換えれば，偏芯ブッシュ１０は，外周が円形であって，偏芯した孔部２５が形成されることによって，内径が厚肉部２８，それに対向（即ち１８０°の方向に対向）する薄肉部２９，及び厚肉部２８から薄肉部２９へと延びる一対の滑らかな漸減肉厚部３０によって形成されている。偏芯ブッシュ１０は，エンジン本体２７に取り付けられた複数（図では２箇所であるが，３箇所が好ましい）のガイド２０により自在に取り付けられたリングギア１３を通じてクランクシャフト５のエンジン回転速度の１．５倍の回転速度で回転するように設定されている。この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルは，上記のような偏芯ブッシュ１０をクランクシャフト５に組み込むだけの構成によって，膨張行程が吸入行程に比較してピストン１のストローク量が長くなるように設定することができる。 This variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine particularly includes a crank pin 8 which is a shaft portion of the crankshaft 5 to which the large end portion 7 of the connecting rod 3 is attached and a hole portion 9 (first hole portion) in the large end portion 7 of the connecting rod 3. ), The eccentric bush 10 is arranged to be relatively rotatable. The eccentric bush 10 has an outer diameter 24 having a circular outer periphery and an axis of a hole 25 (second hole) that is slidably fitted to the crankpin 8 of the crankshaft 5. , A thick part 28, a thin part 29 facing the thick part 28, and a gradually decreasing thick part 30 extending from the thick part 28 to the thin part 29. In other words, the eccentric bush 10 has a circular outer periphery and is formed with the eccentric hole 25 so that the inner diameter is the thick portion 28 and the thin portion that faces (that is, faces 180 °). 29, and a pair of smooth gradually decreasing thick portions 30 extending from the thick portion 28 to the thin portion 29. The eccentric bush 10 has an engine rotation speed of 1 through the ring gear 13 that is freely attached by a plurality of guides 20 (two in the figure but preferably three in the figure) attached to the engine body 27. It is set to rotate at a rotation speed of 5 times. This variable compression ratio mechanical Atkinson cycle is set so that the stroke of the piston 1 becomes longer than the suction stroke by the configuration in which the eccentric bush 10 is simply incorporated into the crankshaft 5 as described above. be able to.

この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンでは，偏芯ブッシュ１０がクランクシャフト５の１．５倍の回転速度ということは，クランクシャフト５が９０度回転したとき，偏芯ブッシュ１０はエンジン回転方向とは逆に１３５度回転した軸部になる。また，一般的なエンジンでは，クランクシャフト５の軸部であるクランクピン８とコンロッド３の大端部７の孔部９との間には，厚さ２ｍｍ程度のプレーンベアリングを介在して摺動自在に組み立てられている。本願発明では，クランクピン８と孔部９との間の隙間を適正なサイズに構成して，プレーンベアリングに代えて偏芯ブッシュ１０を介在させた構造を備えたものである。具体的には，偏芯ブッシュ１０は，エンジンが圧縮行程の爆発上死点Ｃ５に位置する時に，クランク角度の位相で実質的に９０度ずれて設定されており，クランクシャフト５のクランクピン８とコンロッド３の孔部９との間に回転自在に取り付けられているものである。 In this variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine, the eccentric bushing 10 has a rotational speed 1.5 times that of the crankshaft 5. When the crankshaft 5 rotates 90 degrees, the eccentric bushing 10 On the other hand, the shaft is rotated 135 degrees. Further, in a general engine, a plain bearing having a thickness of about 2 mm is slid between the crankpin 8 which is the shaft portion of the crankshaft 5 and the hole 9 in the large end portion 7 of the connecting rod 3. It is assembled freely. In the present invention, the gap between the crankpin 8 and the hole 9 is configured to an appropriate size, and has a structure in which an eccentric bushing 10 is interposed in place of the plain bearing. Specifically, the eccentric bush 10 is set so as to be substantially shifted by 90 degrees in the phase of the crank angle when the engine is located at the explosion top dead center C5 of the compression stroke. And the hole 9 of the connecting rod 3 are rotatably attached.

また，偏芯ブッシュ１０とクランクシャフト５との間に介在された偏芯ブッシュ１０の回転作動用の歯車機構２２は，偏芯ブッシュ１０の側面１１に一体構造に設けられたギア１２（第１ギア），及びギア１２に噛み合う内歯歯車１４を内周に備えたリングギア１３から構成され，一種の増速機構を構成している。リングギア１３は，エンジン本体２７にリングギア用ガイド２０によって支持されて回転可能に取り付けられており，クランクシャフト５の回転とは独立して取り付けられた状態であるが，位相変換用モータ１９の駆動によってのみ位相ずらし機構２６を介して予め決まれた所定の回転量だけ回転することができるものである。また，位相ずらし機構２６は，リングギア１３の外周に設けられた外歯歯車１５に噛み合うギア１７（第２ギア），及びギア１７に連結した出力軸１８を備えた位相変換用モータ１９から構成されている。偏芯ブッシュ１０は，一体構造のギア１２によって一体的に回転駆動される。リングギア１３は，エンジン本体２７に設けた複数のリングギア用ガイド２０に回転可能に配設支持されている。この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンが通常の作動をしている時には，リングギア１３は，エンジン本体２７に固定即ち静止された状態であり，位相ずらし機構２６が作動する時には位相変換用モータ１９の駆動でによって予め決められた回転量だけエンジン本体２７に対して回転することができるものである。また，偏芯ブッシュ１０と一体回転のギア１２は，クランクシャフト５の内歯歯車１４に噛み合ってエンジン回転速度の１．５倍の回転速度で回転駆動されるように設定されている。即ち，偏芯ブッシュ１０と一体のギア１２のギア数に対してリングギア１３の内歯歯車１４のギア数は２．５倍のギア数に設定することで，偏芯ブッシュ１０は，エンジン回転速度の１．５倍で回転することが可能になる。 Further, the gear mechanism 22 for rotating the eccentric bush 10 interposed between the eccentric bush 10 and the crankshaft 5 is a gear 12 (first shaft) provided integrally with the side surface 11 of the eccentric bush 10. Gear), and a ring gear 13 having an internal gear 14 meshing with the gear 12 on the inner periphery, constituting a kind of speed increasing mechanism. The ring gear 13 is supported on the engine body 27 by the ring gear guide 20 and is rotatably attached. The ring gear 13 is attached independently of the rotation of the crankshaft 5. It can be rotated by a predetermined amount of rotation through the phase shifting mechanism 26 only by driving. The phase shifting mechanism 26 includes a gear 17 (second gear) that meshes with the external gear 15 provided on the outer periphery of the ring gear 13, and a phase conversion motor 19 that includes an output shaft 18 connected to the gear 17. Has been. The eccentric bush 10 is integrally rotated by a gear 12 having an integral structure. The ring gear 13 is rotatably disposed and supported by a plurality of ring gear guides 20 provided in the engine body 27. When the variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine is operating normally, the ring gear 13 is fixed or stationary to the engine body 27, and when the phase shift mechanism 26 is operated, the phase conversion motor 19 is operated. The engine can be rotated with respect to the engine main body 27 by a predetermined amount of rotation by driving. Further, the gear 12 that rotates integrally with the eccentric bush 10 is set so as to mesh with the internal gear 14 of the crankshaft 5 and rotate at a rotational speed 1.5 times the engine rotational speed. That is, by setting the number of gears of the internal gear 14 of the ring gear 13 to 2.5 times that of the gear 12 integral with the eccentric bush 10, the eccentric bush 10 can rotate the engine. It is possible to rotate at 1.5 times the speed.

更に，この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンは，偏芯ブッシュ１０が，位相ずらし機構２６によって，エンジンの運転状況により，エンジン爆発上死点Ｃ５の時に，９０度の位相から最大±４５度（図７及び図８では±３０度まで表示）ずらすことができるように組み立てられており，偏芯ブッシュ１０がクランク角に対してずらされることによって，圧縮比が変化させられて可変圧縮比に構成されることを特徴としている。偏芯ブッシュ１０に取り付けられたギア１２は，位相ずらし機構２６を構成するリングギア１３の外歯歯車１５と噛み合う位相変換用ギヤ１７に取り付けられており，位相変換用ギヤ１７は位相変換用モータ１９の出力軸１８に連結されている。また，偏芯ブッシュ１０は，その外径２５と孔部２４の軸心との偏芯量に応じて，吸入行程と膨張行程とのピストン１のストローク量を調整するものである。 Furthermore, this variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine has an eccentric bushing 10 of up to ± 45 degrees from a phase of 90 degrees at the time of engine explosion top dead center C5 due to the phase shift mechanism 26 and the engine operating condition. 7 and FIG. 8 are assembled so that they can be shifted), and the eccentric bushing 10 is shifted with respect to the crank angle, so that the compression ratio is changed to form a variable compression ratio. It is characterized by being. The gear 12 attached to the eccentric bush 10 is attached to a phase conversion gear 17 that meshes with the external gear 15 of the ring gear 13 constituting the phase shifting mechanism 26, and the phase conversion gear 17 is a phase conversion motor. It is connected to 19 output shafts 18. Further, the eccentric bush 10 adjusts the stroke amount of the piston 1 during the suction stroke and the expansion stroke in accordance with the eccentric amount between the outer diameter 25 and the axis of the hole 24.

この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンは，特に，コンロッド３の大端部７を取り付けるクランクシャフト５の軸部であるクランクピン８と，コンロッド３の大端部７における孔部９との間に相対回転自在に配設された偏芯ブッシュ１０，及び偏芯ブッシュ１０を回転させる動力伝達系を構成する歯車機構２２を有し，歯車機構２２がエンジン本体２７にリングギア用ガイド２０を介して支持され且つ内周に内歯歯車１４を外周の一部に外歯歯車１５を備えたリングギア１３，及びリングギア１３の内歯歯車１４に噛み合い且つ偏芯ブッシュ１０の側面１１に一体構造に設けられたギア１２から構成されており，偏芯ブッシュ１０が歯車機構２２を通じてクランクシャフト５の回転速度の１．５倍の回転速度で回転して吸入行程ではストローク量が小さく且つ膨張行程ではストローク量が長く設定されるアトキンソンサイクルを構成し，更に，リングギア１３の外歯歯車１５と噛み合う位相変換用ギア１７によって構成される位相ずらし機構２６によってリングギア１３を予め決められた回転角だけ回転移動させて，簡単に圧縮比を変えることを特徴としている。 In particular, this variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine is provided between a crank pin 8 which is a shaft portion of the crankshaft 5 to which the large end portion 7 of the connecting rod 3 is attached and a hole 9 in the large end portion 7 of the connecting rod 3. An eccentric bushing 10 that is relatively rotatable and a gear mechanism 22 that constitutes a power transmission system that rotates the eccentric bushing 10 are provided. The gear mechanism 22 is connected to the engine body 27 via a ring gear guide 20. A ring gear 13 that is supported and has an internal gear 14 on the inner periphery and an external gear 15 on a part of the outer periphery, and meshes with the internal gear 14 of the ring gear 13 and is integrated with the side surface 11 of the eccentric bush 10. The eccentric bush 10 is rotated at a rotational speed 1.5 times the rotational speed of the crankshaft 5 through the gear mechanism 22 by the gear 12 provided, and the intake stroke. Constitutes an Atkinson cycle in which the stroke amount is set to be small and the stroke amount is set to be long in the expansion stroke, and further, the ring gear is constituted by the phase shift mechanism 26 constituted by the phase conversion gear 17 meshing with the external gear 15 of the ring gear 13. It is characterized in that the compression ratio is easily changed by rotating and moving 13 by a predetermined rotation angle.

次に，図４及び図５を参照して，この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンの作動を説明する。図４及び図５に示す矢印は，サイクルの進行を示すものであり，図中の水平に伸びる直線Ｇは吸入下死点Ｃ３でのピストンピン２１の位置を示し，直線Ｈは膨張下死点Ｃ７でのピストンピン２１の位置を示している。また，図４には，４サイクルにおける吸入行程の吸入始めの排気上死点Ｃ１から吸入行程の中間点Ｃ２，圧縮行程の圧縮始めの吸入下死点Ｃ３，及び圧縮行程の中間点Ｃ４が示されている。図５には，４サイクルにおける膨張行程の膨張始めの爆発上死点Ｃ５から膨張行程の中間点Ｃ６，排気行程の排気始めの膨張下死点Ｃ７，及び排気行程の中間点Ｃ８が示されている。言い換えれば，この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンでは，吸入行程はＣ１→Ｃ２→Ｃ３の行程であり，圧縮行程はＣ３→Ｃ４→Ｃ５の行程であり，膨張行程はＣ５→Ｃ６→Ｃ７の行程であり，及び圧縮行程はＣ７→Ｃ８→Ｃ１の行程である。また，図４及び図５において，Ｄ段には，ピストン１の往復運動の状態，コンロッド３の大端部７におけるクランクシャフト５の軸部であるクランクピン８の位置，偏芯ブッシュ１０の回転状態，及びクランクシャフト５の回転主軸であるメインベアリング軸１６の位置を示している。Ｅ段には，軸部であるクランクピン８とクランクシャフト５のメインベアリング軸１６の回転位置関係を示している。Ｆ段には，偏芯ブッシュ１０とクランクピン８との回転位置関係を示している。 Next, the operation of the variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine will be described with reference to FIGS. The arrows shown in FIG. 4 and FIG. 5 indicate the progress of the cycle. The straight line G extending in the figure indicates the position of the piston pin 21 at the suction bottom dead center C3, and the straight line H indicates the expansion bottom dead center. The position of the piston pin 21 at C7 is shown. FIG. 4 also shows an exhaust top dead center C1 at the beginning of the intake stroke in the four cycles, an intermediate point C2 of the intake stroke, an intake bottom dead center C3 at the start of compression in the compression stroke, and an intermediate point C4 of the compression stroke. Has been. FIG. 5 shows an explosion top dead center C5 at the beginning of expansion of the expansion stroke in four cycles to an intermediate point C6 of the expansion stroke, an expansion bottom dead center C7 at the start of exhaust of the exhaust stroke, and an intermediate point C8 of the exhaust stroke. Yes. In other words, in this variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine, the intake stroke is a stroke of C1 → C2 → C3, the compression stroke is a stroke of C3 → C4 → C5, and the expansion stroke is a stroke of C5 → C6 → C7. And the compression stroke is a stroke of C7 → C8 → C1. 4 and 5, the D stage includes the reciprocating state of the piston 1, the position of the crankpin 8 that is the shaft portion of the crankshaft 5 at the large end 7 of the connecting rod 3, and the rotation of the eccentric bush 10. The state and the position of the main bearing shaft 16 that is the rotation main shaft of the crankshaft 5 are shown. The E stage shows the rotational positional relationship between the crankpin 8 that is the shaft portion and the main bearing shaft 16 of the crankshaft 5. In the F stage, the rotational positional relationship between the eccentric bush 10 and the crank pin 8 is shown.

この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンについて，更に具体的に説明すると，クランクシャフト５は，図４及び図５では矢印で示すように，反時計周りに回転している。
（１）図４では，ピストン１の排気上死点Ｃ１では，偏芯ブッシュ１０の厚肉部２８は，クランクピン８に対して水平方向であって，図４−Ｃ１の右側に位置している。
（２）同時に，偏芯ベアリング１０は，ギア１２によって駆動され，クランクシャフト５の軸部であるクランクピン８とメインベアリング軸１６の中心を結ぶ位置からその回転角度の１．５倍の割合だけ，クランク回転逆方向に回転させる。
（３）クランクシャフト５が９０度回転した時，即ち，吸入行程の中間点Ｃ２では，クランクピン８は，クランクシャフト５のメインベアリング軸１６に対して水平位置になり，偏芯ブッシュ１０は，その水平面から更に１３５度（言い換えれば，１．５倍）だけ時計回りに回転している。
（４）この様に，偏芯ブッシュ１０をクランクシャフト５に配設した歯車機構２２のギア１２によりクランクシャフト５の回転より増速させて１．５倍の回転速度で回転作動させる。言い換えれば，偏芯ブッシュ１０をクランクシャフト５の回転から増速して駆動させる。
（５）クランクシャフト５が１８０度回転した時，即ち，ピストンピン２１が吸入行程の吸入下死点Ｃ３に位置する時では，クランクシャフト５の軸部であるクランクピン８は真下側に位置し，その時，偏芯ブッシュ１０の厚肉部２８は，クランクピン８とメインベアリング軸１６の中心を結ぶ位置まで回転し，この時，偏芯ブッシュ１０の厚肉部２８は上方に位置し，コンロッド３の大端部中心はクランクシャフト５の軸部であるクランクピン８中心より上側に位置し，吸入行程の吸入下死点Ｃ３になる。即ち，コンロッド３に連結されているピストン１は，偏芯ブッシュ１０によりストロークが短い，言い換えれば，ストローク量が小さいことになり，吸入下死点Ｃ３になる。
（６）次いで，この状態から圧縮行程の中間点Ｃ４を通って圧縮行程の圧縮上死点Ｃ５まで回転する。
（７）同様に，クランクシャフト５が回転し，クランクシャフト５の軸部であるクランクピン８が３６０度回転した時，即ち，圧縮行程の爆発上死点Ｃ５では，偏芯ブッシュ１０の厚肉部２８は，１．５倍の回転をしてクランクピン８に対して水平方向で且つ図５の左側に位置し，更に１８０度多く回転したことになる。従って，ピストン１の位置は，上記の排気上死点Ｃ１と同じ位置になる。
（８）この後，ピストン１は，膨張行程に移行することになり，膨張行程の中間点Ｃ６を通って往復運動する。偏芯ブッシュ１０は，クランクピン８より１．５倍増速して時計回りに回転を行い，クランクシャフト５の軸部であるクランクピン８が５４０度回転した時，膨張下死点Ｃ７では，偏芯ブッシュ１０の厚肉部２８は，クランクピン８に対して図５の下側に位置し，その結果，コンロッド３の大端部７の中心はクランクシャフト５の軸部であるクランクピン８の中心より下側に位置し，ピストン１の位置も吸入下死点Ｃ３に比較してそれよりも偏芯ブッシュ１０の偏芯により下がったところまで移動し，膨張行程において多くの仕事を行うことになる。即ち，膨張下死点Ｃ７になり，吸入下死点Ｃ３よりも大きいストロークを動いたことになって，即ち，ストローク量が大きくなったことになる。それ故に，この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルは，圧縮比より膨張比の高いアトキンソンサイクルで運転されたことになる。なお，図４及び図５では，説明を簡単にするため，図の上死点は偏芯ブッシュ１０の偏芯によるコンロッド３の傾きを無視して図示しているものである。 More specifically, the variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine will be described. The crankshaft 5 rotates counterclockwise as indicated by an arrow in FIGS.
(1) In FIG. 4, at the exhaust top dead center C1 of the piston 1, the thick portion 28 of the eccentric bush 10 is in the horizontal direction with respect to the crankpin 8 and is located on the right side of FIG. Yes.
(2) At the same time, the eccentric bearing 10 is driven by the gear 12 and from the position connecting the center of the crankpin 8 and the main bearing shaft 16 which is the shaft portion of the crankshaft 5, only 1.5 times the rotation angle. Rotate in the opposite direction of crank rotation.
(3) When the crankshaft 5 is rotated 90 degrees, that is, at the intermediate point C2 of the suction stroke, the crankpin 8 is in a horizontal position with respect to the main bearing shaft 16 of the crankshaft 5, and the eccentric bush 10 is It rotates clockwise by 135 degrees (in other words, 1.5 times) from the horizontal plane.
(4) In this manner, the eccentric bush 10 is rotated at a rotational speed 1.5 times higher than the rotation of the crankshaft 5 by the gear 12 of the gear mechanism 22 disposed on the crankshaft 5. In other words, the eccentric bush 10 is driven at an increased speed from the rotation of the crankshaft 5.
(5) When the crankshaft 5 rotates 180 degrees, that is, when the piston pin 21 is positioned at the suction bottom dead center C3 of the suction stroke, the crankpin 8 that is the shaft portion of the crankshaft 5 is positioned directly below. At that time, the thick part 28 of the eccentric bush 10 rotates to a position connecting the crank pin 8 and the center of the main bearing shaft 16, and at this time, the thick part 28 of the eccentric bush 10 is located above the connecting rod. 3 is located above the center of the crankpin 8 which is the shaft portion of the crankshaft 5, and becomes the suction bottom dead center C3 of the suction stroke. That is, the piston 1 connected to the connecting rod 3 has a short stroke due to the eccentric bush 10, in other words, the stroke amount is small, and the suction bottom dead center C3.
(6) Next, the engine rotates from this state through the compression stroke midpoint C4 to the compression top dead center C5 of the compression stroke.
(7) Similarly, when the crankshaft 5 rotates and the crankpin 8 that is the shaft portion of the crankshaft 5 rotates 360 degrees, that is, at the explosion top dead center C5 in the compression stroke, the eccentric bush 10 is thick. The portion 28 rotates 1.5 times and is positioned horizontally with respect to the crankpin 8 and on the left side of FIG. Therefore, the position of the piston 1 is the same position as the exhaust top dead center C1.
(8) Thereafter, the piston 1 moves to the expansion stroke, and reciprocates through the intermediate point C6 of the expansion stroke. The eccentric bush 10 rotates 1.5 times faster than the crankpin 8 and rotates clockwise. When the crankpin 8 which is the shaft portion of the crankshaft 5 rotates 540 degrees, the eccentric bottom dead center C7 has an eccentricity. The thick wall portion 28 of the core bush 10 is located on the lower side of FIG. 5 with respect to the crankpin 8, and as a result, the center of the large end portion 7 of the connecting rod 3 is the shaft portion of the crankshaft 8. It is located below the center, and the position of the piston 1 moves to a position lower than the suction bottom dead center C3 by the eccentricity of the eccentric bushing 10, and performs a lot of work in the expansion stroke. Become. That is, the bottom dead center C7 is reached, and a stroke larger than the suction bottom dead center C3 is moved, that is, the stroke amount is increased. Therefore, this variable compression ratio mechanical Atkinson cycle was operated in an Atkinson cycle having a higher expansion ratio than the compression ratio. In FIGS. 4 and 5, the top dead center is illustrated ignoring the inclination of the connecting rod 3 due to the eccentricity of the eccentric bushing 10 for the sake of simplicity.

図４及び図５のピストン１の４サイクルの作動におけるストローク量を，図６のグラフに示している。即ち，図６には，この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルのピストン１のストローク量を示すグラフが示されている。図６において，実線で示す曲線は，本願発明による可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルのピストン１の４サイクルにおけるストローク量を示している。点線で示す曲線は，クランクシャフト５の軸部であるクランクピン８の移動軌跡を示している。また，一点鎖線で示す曲線は，偏芯ブッシュ１０の回転移動軌跡を示している。図６のグラフから判るように，圧縮始めの吸入下死点Ｃ３のピストン１のストローク量は小さくなっているが，膨張下死点Ｃ７のピストン１のストローク量は大きくなっており，アトキンソンサイクルの作動状態になっている。 The stroke amount in the operation of the four cycles of the piston 1 of FIGS. 4 and 5 is shown in the graph of FIG. That is, FIG. 6 shows a graph showing the stroke amount of the piston 1 of this variable compression ratio mechanical Atkinson cycle. In FIG. 6, the curve indicated by the solid line indicates the stroke amount of the piston 1 of the variable compression ratio mechanical Atkinson cycle according to the present invention in four cycles. A curved line indicated by a dotted line indicates a movement locus of the crank pin 8 which is the shaft portion of the crank shaft 5. Moreover, the curve shown with a dashed-dotted line has shown the rotational movement locus | trajectory of the eccentric bush 10. FIG. As can be seen from the graph of FIG. 6, the stroke amount of the piston 1 at the suction bottom dead center C3 at the start of compression is small, but the stroke amount of the piston 1 at the expansion bottom dead center C7 is large, and the Atkinson cycle. It is in an operating state.

この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンは，図７に示すように，リングギア１３を位相ずらし機構２６でエンジン本体２７に対して回転させて，偏芯ブッシュ１０の位相をずらした時の位相調整角度についての圧縮比と膨張比との変化を示すものである。図７において，丸印は圧縮比の変化を示し，四角印は膨張比の変化を示し，三角印はアトキンソン比（圧縮比／膨張比）の変化を示している。従って，この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンでは，予め決められた所定の圧縮比と膨張比に設定する時には，その圧縮比と膨張比に対応する位相調整角度まで，位相ずらし機構２６によってリングギア１３を所定量回転させればよいことになる。 In this variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine, as shown in FIG. 7, the phase adjustment when the phase of the eccentric bush 10 is shifted by rotating the ring gear 13 with respect to the engine body 27 by the phase shifting mechanism 26. It shows changes in compression ratio and expansion ratio with respect to angle. In FIG. 7, circles indicate changes in compression ratio, squares indicate changes in expansion ratio, and triangles indicate changes in Atkinson ratio (compression ratio / expansion ratio). Therefore, in this variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine, when setting to a predetermined compression ratio and expansion ratio determined in advance, the ring gear is rotated by the phase shift mechanism 26 to the phase adjustment angle corresponding to the compression ratio and expansion ratio. It is sufficient to rotate 13 by a predetermined amount.

また，図８には，この可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンの作動サイクルにおいて，偏芯ブッシュ１０の位相をずらした時の基準とアトキンソンサイクル仕様との軸平均有効圧と燃費改善率との変化を示している。図８のグラフにおいて，丸印はアトキンソンサイクル軸平均有効圧の変化を示し，四角印は基準軸平均有効圧の変化を示し，三角印は燃費改善率の変化を示している。即ち，偏芯ブッシュ１０の位相をずらした場合に位相調整角度が２０度に上がった場合に燃費改善率が大きくなっていることが判る。 Further, FIG. 8 shows changes in the shaft average effective pressure and the fuel consumption improvement rate between the reference and the Atkinson cycle specification when the phase of the eccentric bush 10 is shifted in the operation cycle of the variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine. Is shown. In the graph of FIG. 8, circles indicate changes in the Atkinson cycle average effective pressure, squares indicate changes in the reference axis average effective pressure, and triangles indicate changes in the fuel efficiency improvement rate. That is, it can be seen that when the phase of the eccentric bush 10 is shifted, the fuel efficiency improvement rate is increased when the phase adjustment angle is increased to 20 degrees.

エンジンの圧縮比は，ピストン下死点の位置とピストン上死点位置での物理的容積の比で計算されるものである。そこで，本願発明における圧縮比を変える位相ずらし機構２６では，ピストン上死点では偏芯ブッシュ１０の厚肉部はほぼ水平に位置している。その為，ピストン上死点での偏芯ブッシュ１０の厚肉部の位置をわずかに回転させる（位相をずらす）ことによって，ピストンの上死点位置は，高い感度で上下することになる。即ち，偏芯ブッシュ１０の厚肉部をわずかに上方に回転させた位置を上死点にすることが可能になる。一方，圧縮開始前の下死点では，偏芯ブッシュ１０の厚肉部が上側に位置しており，偏芯ブッシュ１０をわずかにすらした回転（位相をずらす）では，その上下方向は極めてわずかしか変位しないことになる。即ち，偏芯ブッシュ１０の位相をずらした場合，上死点近傍ではピストン１の上下位置の変化は大きいが，ピストン下死点では上下位置の変化は極めて少ないことになる。その結果，圧縮比を可変にすることができることになる。 The compression ratio of the engine is calculated by the ratio of the physical volume at the piston bottom dead center position to the piston top dead center position. Therefore, in the phase shifting mechanism 26 that changes the compression ratio according to the present invention, the thick portion of the eccentric bush 10 is positioned substantially horizontally at the top dead center of the piston. Therefore, by slightly rotating the position of the thick portion of the eccentric bushing 10 at the piston top dead center (shifting the phase), the top dead center position of the piston moves up and down with high sensitivity. That is, the position at which the thick portion of the eccentric bush 10 is slightly rotated upward can be set as the top dead center. On the other hand, at the bottom dead center before the start of compression, the thick portion of the eccentric bush 10 is located on the upper side, and the rotation in which the eccentric bush 10 is slightly slid (shifting the phase) has a very slight vertical direction. It will only be displaced. That is, when the phase of the eccentric bush 10 is shifted, the change in the vertical position of the piston 1 is large near the top dead center, but the change in the vertical position is extremely small near the bottom dead center of the piston. As a result, the compression ratio can be made variable.

この発明による可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジンは，例えば，４サイクルの内燃機関に適用して好ましいものである。 The variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine according to the present invention is preferably applied to, for example, a four-cycle internal combustion engine.

１ピストン
２シリンダ
３コンロッド
４シリンダブロック
５クランクシャフト
７大端部
８クランクピン（軸部）
９孔部（第１孔部）
１０偏芯ブッシュ
１１側面
１２ギア（第１ギア）
１３リングギア
１４内歯歯車
１５外歯歯車
１６メインベアリング軸
１７ギア（第２ギア）
１８出力軸
１９位相変換用モータ
２０リングギア用ガイド
２２歯車機構
２４外径
２５孔部（第２孔部）
２６位相ずらし機構
２７エンジン本体
２８厚肉部
２９薄肉部
３０漸減肉厚部 1 Piston 2 Cylinder 3 Connecting rod 4 Cylinder block 5 Crankshaft 7 Large end 8 Crank pin (shaft)
9 hole (first hole)
10 Eccentric bush 11 Side 12 Gear (first gear)
13 Ring gear 14 Internal gear 15 External gear 16 Main bearing shaft 17 Gear (second gear)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 18 Output shaft 19 Phase conversion motor 20 Ring gear guide 22 Gear mechanism 24 Outer diameter 25 Hole (second hole)
26 Phase shift mechanism 27 Engine body 28 Thick part 29 Thin part 30 Gradually decreasing thick part

Claims

シリンダを形成するシリンダブロックを備えたエンジン本体，前記シリンダ内を往復運動するピストン，前記ピストンに一端部が連結されたコンロッド，前記コンロッドの他端部の大端部が連結されたクランクシャフトを有し，前記ピストンは，吸入行程，圧縮行程，膨張行程，次いで排気行程で順次作動する４サイクルで駆動されることから成るエンジンにおいて，
前記コンロッドの前記大端部を取り付ける前記クランクシャフトの軸部と前記コンロッドの前記大端部における第１孔部との間に相対回転自在に配設された偏芯ブッシュ，及び前記偏芯ブッシュを回転させる動力伝達系を構成する歯車機構を有し，
前記偏芯ブッシュは，外周が円形に形成された外径と前記クランクシャフトの前記軸部に偏芯して摺動嵌合する第２孔部とを有し且つ厚肉部及び前記厚肉部に対向する薄肉部に形成されており，
前記偏芯ブッシュに取り付けられた第１ギアの中心は前記クランクシャフトの前記軸部と同軸に取り付けられた前記歯車機構を介して前記クランクシャフトのエンジン回転速度の１．５倍の回転速度で回転するように設定されており，前記シリンダ内の前記ピストンのストローク量が前記吸入行程より前記膨張行程が長く設定されていることを特徴とする可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジン。 An engine body having a cylinder block forming a cylinder, a piston reciprocating in the cylinder, a connecting rod having one end connected to the piston, and a crankshaft having a large end connected to the other end of the connecting rod. In the engine, the piston is driven by four cycles that are sequentially operated in an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and then an exhaust stroke.
An eccentric bush disposed between a shaft portion of the crankshaft to which the large end portion of the connecting rod is attached and a first hole portion at the large end portion of the connecting rod, and the eccentric bush; It has a gear mechanism that constitutes a rotating power transmission system,
The eccentric bush has an outer diameter whose outer periphery is formed in a circular shape and a second hole portion that is eccentrically slidably fitted to the shaft portion of the crankshaft. The thick portion and the thick portion Is formed in the thin part facing
The center of the first gear attached to the eccentric bush rotates at a rotational speed 1.5 times the engine rotational speed of the crankshaft via the gear mechanism attached coaxially with the shaft portion of the crankshaft. The variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine is characterized in that the stroke amount of the piston in the cylinder is set to be longer than the suction stroke.

前記歯車機構は，前記エンジン本体にギア用ガイドを介して支持され且つ内周に内歯歯車を外周の一部に外歯歯車を備えたリングギア，及び前記リングギアの前記内歯歯車に噛み合い且つ前記偏芯ブッシュの側面に一体構造に設けられた前記第１ギアから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジン。 The gear mechanism is engaged with the internal gear of the ring gear, which is supported by the engine body via a gear guide and has an internal gear on the inner periphery and an external gear on a part of the outer periphery. 2. The variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine according to claim 1, wherein the variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine is constituted by the first gear provided integrally on a side surface of the eccentric bush.

前記偏芯ブッシュの前記厚肉部は，前記エンジンが前記圧縮行程の爆発上死点に位置する時に，前記クランクシャフトに対してクランク角度の位相で実質的に９０度ずれて設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジン。 The thick-walled portion of the eccentric bushing is set to be substantially 90 degrees out of phase with the crankshaft with respect to the crankshaft when the engine is located at the explosion top dead center of the compression stroke. The variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine according to claim 1 or 2.

前記偏芯ブッシュは，前記第１ギアと一体的に回転駆動され，前記偏芯ブッシュの位相をずらすため前記リングギアが前記エンジン本体に対して回転可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジン。 The eccentric bush is rotationally driven integrally with the first gear, and the ring gear is rotatably attached to the engine body in order to shift the phase of the eccentric bush. Item 4. The variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine according to any one of Items 1 to 3.

前記偏芯ブッシュは，前記リングギアの前記内歯歯車に噛み合う前記第１ギアを介して前記エンジン回転速度の１．５倍の前記回転速度で回転駆動されるように設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジン。 The eccentric bush is set to be rotationally driven at the rotational speed 1.5 times the engine rotational speed via the first gear meshing with the internal gear of the ring gear. The variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine according to any one of claims 1 to 4.

前記偏芯ブッシュの前記外径と前記第２孔部の軸心との偏芯量に応じて，前記吸入行程と前記膨張行程との前記ピストンの前記ストローク量が調整されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジン。 The stroke amount of the piston in the suction stroke and the expansion stroke is adjusted according to the eccentric amount between the outer diameter of the eccentric bush and the axis of the second hole. The variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine according to any one of claims 1 to 5.

前記リングギアの前記外歯歯車に噛み合う位相変換用歯車と前記位相変換用歯車を回転駆動する位相変換用モータとから構成された位相ずらし機構を備えており，前記位相ずらし機構は前記エンジンの運転状況に応じて前記リングギアを前記クランクシャフトのメインベアリング軸に対して回転させて前記クランク角の位相調整角度だけずらし，前記位相調整角度に応じて前記エンジンの圧縮比が変更されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジン。 A phase shift mechanism comprising a phase conversion gear meshing with the external gear of the ring gear and a phase conversion motor for rotationally driving the phase conversion gear; and the phase shift mechanism operates the engine. The ring gear is rotated with respect to the main bearing shaft of the crankshaft according to the situation and shifted by the phase adjustment angle of the crank angle, and the compression ratio of the engine is changed according to the phase adjustment angle. The variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine according to any one of claims 1 to 6.

前記偏芯ブッシュの前記厚肉部は，前記エンジンの運転状況により，前記位相ずらし機構によってエンジン爆発上死点の時に前記クランクシャフトに対して実質的に９０度の位相から±４５度の位相の範囲で前記クランク角の位相がずれるように調整されており，前記エンジンの圧縮比を変化させる可変圧縮比に構成されていることを特徴とする請求項７に記載の可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジン。 The thick-walled portion of the eccentric bush has a phase of ± 45 degrees from a phase of substantially 90 degrees with respect to the crankshaft at the time of engine explosion top dead center by the phase shifting mechanism, depending on the operating condition of the engine. 8. The variable compression ratio mechanical Atkinson cycle according to claim 7, wherein the crank angle phase is adjusted within a range, and the variable compression ratio is configured to change the compression ratio of the engine. engine.

前記偏芯ブッシュが前記厚肉部から前記薄肉部へ延びる漸減肉厚部に形成されており，前記偏芯ブッシュを前記クランクシャフトの前記メインベアリング軸に対して予め決められた回転量を回転させることによって前記エンジンの予め決められた所定の前記圧縮比に調整されることを特徴とする請求項７又は８に記載の可変圧縮比機械式アトキンソンサイクルエンジン。 The eccentric bush is formed in a gradually decreasing thickness portion extending from the thick portion to the thin portion, and the eccentric bush rotates a predetermined amount of rotation with respect to the main bearing shaft of the crankshaft. 9. The variable compression ratio mechanical Atkinson cycle engine according to claim 7, wherein the compression ratio is adjusted to a predetermined compression ratio of the engine.