JP5904686B2 - 内燃機関のための可変行程機構 - Google Patents

Description

本発明は、広く内燃機関に関し、より詳細には、往復するピストンと機関クランクシャフトの間の機械連結配置が機関の全作動サイクル時にピストン運動の範囲を変化する、いわゆる「可変行程」機関に関する。一般的に、かかる機構は、爆発行程時の効果的に大きい機械クランクアーム及び吸気行程時の効果的に短い機械クランクアームを達成することによって内燃機関の効率を高める目的を持つ。

従来の内燃機関は、一般的に吸気行程、圧縮行程、爆発行程、及び排気行程と称される反復連続運動に従って作動する。この意味において、「行程」は、駆動ピストンが機関ハウジング又は「ブロック」において円筒形燃焼室内で行ったり来たりするときの駆動ピストンの往復運動を記載する。用語「サイクル」は、用語「行程」と交換可能に使用されることがありうる。従って、上記方法に従って作動する機関は、一般的に四サイクル又は四行程機関として言及され、それは、完全な動力サイクルを完了するためにピストンがシリンダー内で四回往復運動しなければならないことを示す。「サイクル」はまた、機関の完全な動力サイクルを記載するために使用される。この用語の使用法は当業者に従っており、当業者にとって十分に理解される。

示されているように、機関ピストンが吸気、圧縮、爆発、もしくは排気の行程時又はそれらのいずれかの組み合わせ時により長い又はより短い距離を移動し、その移動のある部分においてピストン速度を変更するために様々な設計が進められている。例えば、ピストンのいわゆる上死点又は下死点位置は、各回転ごとに又は二回転ごとに上又は下に移動される。これらの状態の全ては可変行程機関の様々な様式である。Ｃｈａｄｂｏｕｒｎｅの米国特許第１３２６１２９号及びＣｌａｒｋｅの米国特許第４０４４６２９号は拡張爆発行程（ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｓｔｒｏｋｅ）を記載する。拡張爆発行程の実際の適用は、Ｍａｚｄａによって製造されるＭｉｌｌｅｎｉａモデルの自動車であり、それは米国技師Ｒａｌｐｈ Ｍｉｌｌｅｒによって１９４７年に設計されたタイプのいわゆるミラーサイクル機関を利用する。Ｍｉｌｌｅｒの機関は船舶及び固定動力装置でときどき使用されている。エンジニアリングの目的は、動力を発生する爆発行程と干渉せずに機関の圧縮比を低下することである。ミラーサイクル機関では、ピストンは、吸気弁が閉鎖される前にその行程の１／５を上昇する。燃焼が行程の上で起こった後、爆発ガスはピストンをずっと行程の下に押し、従って膨張比は影響されない。

２０世紀の前半において、機関シリンダー内の燃焼生成物が各爆発行程後及び続く吸気行程の前の排気行程時にできるだけ完全に除去されなければならないことが内燃機関の技術の熟練者の間で一般的に受け入れられた。多くの様々な特許が、より大きな排気行程を得るために様々な方法を提案する。例えば、Ｈｕｌｓｅの米国特許第１３２６７３３号、Ｓｖｅｔｅの米国特許第２３９４２６９号、Ｃａｄｙの米国特許第１７８６４２３号、Ｔｕｃｋｅｒの米国特許第１９６４０９６号、及びＡｕｓｔｉｎの米国特許第１２７８５６３号を参照。Ｃｈａｄｂｏｕｒｎｅの米国特許第１３２６１２９号及びＣｌａｒｋｅの米国特許第４０４４６２９号はまた、より大きな排気及び爆発行程に関係する。しかしながら、２０世紀の後半で実施された排ガス規制のため、燃焼室内の窒素の酸化によって起こされるＮＯ_ｘ（窒素の酸化物）の大気への排出を低下する手段として排出ガスの一部が燃焼室内で再循環又は保持される新しい機関設計が進められた。これは、吸気マニホルドを減圧にして排出ガスをＥＧＲ（排出ガス再循環）弁を通して吸気マニホルド内に吸引させることによって達成される。

他では、機関圧縮比を変更するために可変行程設計を使用した。特にヨーロッパ及び日本では、シリンダーのヘッドに対してピストンの位置を変動させる配置によっていわゆる可変圧縮比を達成するための多くの作業が行なわれた。

圧縮比は、シリンダーの容積と燃焼室の容積の間の比であり、換言すれば、吸気行程時にシリンダー内に行く空気と燃料の混合物は、圧縮比の値と同じだけ圧縮される。一般的に、圧縮比が高いほど、機関効率が高くなる。混合物の予備点火、ノッキング、機関温度、及び機関の構造のような幾つかの制限が存在する。圧縮比は、機関効率に影響する主要因の一つであるので、それを様々な作動条件（速度率、荷重、加速など）について最適化することが望ましい。Ｓｃｈｅｃｈｔｅｒの米国特許第５１６５３６８号は、かかる機関の代表例を記載する。

可変ピストン行程適用はまた、ピストンに作用する圧力を最適化するために利用されている。この目的のため、ピストンスピードは、上死点近くで従来のピストンのスピードに対して低下され、燃焼工程及びピストンに作用する生じた力を最大化する。Ｓｃｈａａｌらの米国特許第５１５８０４７号、Ｗｉｌｌｉａｍｓの米国特許第５０６０６０３号、並びにＭｃＷｈｏｔｅｒの米国特許第３６８６９７２号、第３８６１２３９号、及び４１５２９５５号は、この概念の代表例である。

極く最近では、米国特許第５９２７２３６号は、歯車組配置が機関出力サイクル全体にわたってピストン行程の長さの変動を達成するためにオフセット支持面を介して機関のピストン連接棒及びクランクシャフトを連結するために利用される内燃機関設計を開示する。特に、この設計は、出力サイクルの爆発部分時に増大した有効クランクアーム長さによってピストン行程を増加してトルク出力を増大し、サイクルの吸気又は吸入及び排気部分時に行程及びピストン速度を低下して体積効率を増加しようとするものであり、全てはそれによって機関の熱効率を高めるものである。

基本的に、本発明の目的は、上記の米国特許第５９２７２３６号の発明をさらに進化させることである。

特に、本発明の目的は、米国特許第５９２７２３６号の設計の可変行程機構における改良を利用して内燃機関におけるトルク出力、馬力出力、燃料効率、体積効率の増大、及び排出量の削減のさらなる増強を達成することである。

それらの目的のために、本発明は、四行程サイクルに従って作動可能である改良された内燃機関を提供するものであり、そこではピストンは、第一方向に移動する吸気行程、第二方向に移動する圧縮行程、第一方向に移動する爆発行程、及び第二方向に移動する排気行程を通して燃焼室内で往復運動する。圧縮行程の終結及び爆発行程の開始時のピストンの位置は上死点として規定される。基本的に、本発明の機関は、少なくとも一つの燃焼室を規定するエンジンブロック、エンジンブロックに回転可能に取り付けられたクランクシャフト、室軸線に沿った往復運動のために燃焼室内に配置されたピストン、及びピストンに枢動可能に取り付けられた連接棒を含む。

本発明によれば、内燃機関における可変行程長さを作るための機構は、ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換するためにクランクシャフトに回転可能に連接棒を連結するための機械歯車組立体を利用する。基本的に、機械組立体は、少なくともエンジンブロックに回転不可能に取り付けられた第一歯車部材、及び第一歯車部材とかみ合って係合される第二歯車部材を含む歯車組を含む。第二歯車部材は、連接棒が取り付けられる第一支持面、及びクランクシャフトと第二歯車部材の回転のためにクランクシャフトに取り付けられた第二支持面を有する。第二支持面は、機関の四行程サイクルの全体を通してクランクシャフトに均一な機械クランクアームを押しつけるためにクランクシャフト軸線のまわりの円形経路で移動するためにクランクシャフト軸線からオフセットされる。第一及び第二支持面は、オフセット距離だけ互いに離隔され、クランクシャフトに可変カムアームを押しつけるために第一支持面をクランクシャフトのまわりに内側及び外側楕円形経路で交互に移動させる。従って、クランクアームとカムアームの総和は、ピストンの往復運動の長さを機関の四行程サイクルの全体を通して変化させる。

本発明の一態様によれば、第一支持面の内側及び外側楕円形経路は、クランクアーム及びカムアームが協働してピストンの上死点位置でクランクシャフトに正のトルクを生成するために燃焼室で又はそれに隣接した点で交差する。例えば、本発明の一実施形態によれば、第一支持面の内側及び外側楕円形経路は、燃焼室軸線と一致する点で交差する。あるいは、第一支持面の内側及び外側楕円形経路は、燃焼室が続く吸気行程を開始するときに予め決められた排気容積を保持することを可能にするために排気行程の終結時及び吸気行程の開始時のピストンの位置を上死点位置の下の予め決められた間隔にあるようにするためにクランクシャフトの回転方向に燃焼室軸線の前に約２５°より小さい又はそれに等しい予め決められた角度で離隔された点で交差してもよい。

本発明の別の態様によれば、第二歯車部材の第一及び第二支持面は、クランクアームの長さに対するカムアームの長さの予め決められた比率を達成するために選択的に構成されかつ寸法決定されている。好ましくは、カムアーム長さはクランクアーム長さの少なくとも約２０％であり、クランクアーム長さの約１００％以下であることができる。

本発明の関連する態様によれば、クランクアームの長さに対するカムアームの長さの比率は、吸気行程の終結時に燃焼室において予め決められた容積を達成するように選択される。

第一歯車部材は、好ましくはピニオン歯車であることができ、第二歯車部材は、好ましくはピニオン歯車とかみ合って遊星歯車の態様でそのまわりを動くように環状体の半径方向内側面のまわりに形成された歯車歯を有するクラウン歯車部分を含む。この方法では、連接棒は第一支持面上で回転してもよく、第二支持面はクランクシャフト上で回転してもよい。

本発明は、実質的にいかなる内燃機関にも適用可能であり、好ましくは複数の燃焼室、及び燃焼室の数より少ない又はそれに等しい数で対応する複数の歯車組を有するマルチシリンダー機関であることができる。

図１は、本発明の好ましい実施形態によるピストン行程の可変長を生成するための機械的組立体を備えた改良された内燃機関の透視図である。

図２は、図１の実施形態による可変行程機構の透視図である。

図３は、図１の内燃機関及び図２の可変行程機構の切断概略断面図である。

図４は、図３に示された可変行程機構の第二切断図である。

図５は、本発明の好ましい実施形態による可変行程機構を備えた内燃機関の爆発行程の概略図である。

図６は、図５の実施形態による内燃機関の排気行程の概略図である。

図７は、図５の実施形態による内燃機関の吸気行程の概略図である。

図８は、図５の実施形態による内燃機関の圧縮行程の概略図である。

図９は、米国特許第５９２７２３６号の発明に対して図５〜８に示された本発明の実施形態を比較する概略図である。

図１０は、本発明による内燃機関のための可変行程機構の代替実施形態を描く図５〜８と同様の概略図である。

図１１は、本発明による可変行程機構を備えた内燃機関及び従来の四行程内燃機関の比較トルク曲線を描くグラフである。

図１２は、クランクアームの長さに対するカムアームの長さの比率のそれぞれ異なる選択的な変動を利用する本発明の可変行程機構の異なる実施形態においてカムアーム及びクランクアームによってたどられる異なる経路を概略的に描く。

図１３は、本発明の実施形態におけるクランクアームの長さに対するカムアームの長さの比率の異なる選択的な変動に対する比較データを集めたチャートである。

添付図面、最初に図１〜４に戻ると、本発明の好ましい実施形態による改良された内燃機関は、一般に１０で示され、通常のエンジンブロック１２を含む。エンジンブロック１２は、本発明による機械組立体のための支持体として部分的にかつ概略的に示されているにすぎないことが注意されるべきである。さらに、説明目的のため、機関は２シリンダー機関としてのみ示される。それでもなお、本発明の機構が仮想的にいかなるマルチシリンダー機関のための様々な構成に適応されてもよいことが当業者によって容易に認識されるだろう。

一般的な通常のクランクシャフト１６は、クランクシャフト１６とエンジンブロック１２の接合部でクランクシャフト支持面１７を与えられている。二つのボルトを中に形成された形態適合アーチ部として形成された支持キャップ１９、及びその下側として形成された湾曲支持面２１が、エンジンブロック１２に取り付けられ、エンジンブロックの開口と支持キャップ１９を整合させ、通常のボルトを受け入れて支持キャップ１９をエンジンブロック１２に取り付け、クランクシャフト１６を適所に保持する。

エンジンブロックは、二つの円筒形空孔１４（図３及び図４）を形成され、その中に二つの通常のピストン２２が往復運動のために配置される。二つの同一の通常の連接棒２４は、ピストン２２に枢動可能に取り付けられ、次に以下により詳細に記載された方法で本発明の機械組立体によってクランクシャフト１６に取り付けられる。通常のエンドキャップ２６は、連接棒２４に取り付けられ、クランクシャフト１６と組み合わせて回転可能な態様でそれらを保持する。以下により詳細に見られるように、連接棒２４は、クランクシャフト１６に直接取り付けられないが、本発明の機構の支持面に取り付けられる。

本発明の機械組立体は、歯車組３０が本発明の主要な駆動部分を形成するように各ピストン及び連接棒組立体と組み合わされてクランクシャフト１６に取り付けられた歯車組３０を含む。各歯車組３０は、好ましくはクラウン歯車の形の第二歯車部材３６と作動かみ合い係合で、好ましくはピニオン歯車の形の第一歯車部材３２を含む。偏心釣り合いおもり２０は、２シリンダー機関で一般的であるように、釣り合いのためにクランクシャフトに取り付けられる。歯車組３０は、歯車組３０を中央に置いて機関１０を二つの鏡像の半分に本質的に分割する互いの鏡像として構成される。

図２を参照すると、第一歯車部材３２は、ピニオン歯車の好ましい形で示され、それは、その周囲に歯列３４を有する円柱体を持つ。第二歯車部材３６は、クラウン歯車の好ましい形で示され、それは、その半径方向内側の環状面のまわりに形成された連続歯列３８を有するカップ状の略円柱形の歯車体３７を持つ。二つの第一歯車部材３２は、図１に見られるようにクランピング部材３３によってエンジンブロック３２に固定される円柱形支持部材３５によって分離されかつそれに取り付けられる。各第一歯車部材３２は、それによって回転に対してエンジンブロック内で適所に固定される。第二歯車部材３６の歯は、遊星態様での第一歯車部材３２のまわりの第二歯車部材３６の回転のために第一歯車部材３２の歯とかみ合って係合される。

図３及び図４に戻ると、本発明による機構のより概略的な図が与えられている。ここで再び、エンジンブロックは、ピストン２２が動く一つのシリンダー１４を描くために、一般に１２で示されるように部分的にかつ概略的にしか示されない。

第二歯車部材３６は、内部歯車歯３８から直線的に偏位されて反対のカップ状歯車体３７の外部側から外側に軸方向に突出する環状ハブの形の支持部材４８を含む。支持部材４８は、連接棒２４が回転可能に取り付けられる外部表面の周囲に形成された第一外部環状支持面４０、及び支持部材４８の半径方向内部面のまわりに形成された第二支持面４２を有する。内部支持面４２は、カップ状円柱歯車体３７と共通の中心軸の円柱形である。外部支持面４０もまた、円柱形であるが、内部支持面４２及び歯車体３７の軸線に対して偏心しており、それによって支持部材４８の本体は、以下でより詳細に説明される最大オフセット距離４６を規定する支持面４０，４２間の半径方向に拡大されたオフセット位置４４を持つ。支持面４０，４２を規定する支持部材４８は歯車部材３６と一体的に形成されてもよいが、これは明確な条件ではない。唯一の条件は、支持部材４８が歯車部材３６と一体的に回転しなければならないことであり、一体的な形成がこの結果を達成するための最も簡単な方法である。

図３及び図４を参照して理解されるように、三つの回転軸線がそれにより本発明の機械組立体によって規定される。クランクシャフト１６は、クランクシャフト軸線７０のまわりに回転し、それは、図３及び図４に見られるように第一歯車部材３２の幾何学的軸線（即ち、歯車部材３２がそのエンジンブロックへの取り付けが自由回転を許すなら回転するであろう軸線）と一致する。第一歯車部材３２の配置は、クランクシャフト軸線７０のまわりの少しの回転調整度を可能にするように調整可能である。第二歯車部材３６（その一体的歯車部材４８を含む）は、予め決められたオフセット距離５０だけクランクシャフト軸線７０からオフセットされている以外は平行である軸線のまわりに回転する。このクランクシャフトオフセット５０は、あらゆるクランク駆動内燃機関に存在し、クランクシャフト１６に作用する変動しない機械クランクアームを生成し、それを通してピストンのポンピング往復運動がクランクシャフト１６の回転に変換される。支持面４０の偏心配向のため、連接棒２４は、別個の軸線７４のまわりに回転し、それはまた、クランクシャフト軸線７０及びオフセット軸線７２に平行に延びる。オフセット軸線７２と連接棒軸線７４の間の距離は、クランクシャフト１６に作用する可変カムアームに課す最大オフセット距離４６を規定する。この方法では、最大オフセット距離４６は、クランクシャフト５０と組み合わされて全有効クランク長さを規定し、それは、以下により詳細に説明されるように、機関作動サイクルの全体を通して変化するカムアームに従って変動する。

当業者は、機関が完全に作動可能な内燃機関を与えるために弁システム、冷却システム、点火システム、及び付随する構造要素を持つものとして記載されていることを認識するだろう。機関は、必ずこれらのシステム及び要素を含むが、かかるシステム及び要素は、標準的な内燃機関における通常の要素及びシステムと異なる必要はない。ここで、かかる要素は、本発明の記載及び理解のために必要な範囲を越えており、従って本発明がより明確に記載されるように省略される。いかなる好適な弁システム、冷却システム、点火システム、及び関連する構造要素も本発明で満足に作動するだろう。本発明は、実質的にいかなる標準的なクランク駆動内燃機関にも適用可能であることに注意されるべきである。

通常の内燃機関のように、ピストン２２より上のシリンダー１４の燃焼室部分における空気燃料混合物の爆発は、ピストンを下方に駆動し、クランクシャフト１６の回転を起こす。マルチシリンダー機関は、滑らかな機関の作動のために予め決められた順序の空気燃料混合物の連続爆発のために配置された多数のピストン／シリンダー配置を与える。一般的に、シリンダーの数が多いほど、機関は滑らかに作動するだろう。本発明は２シリンダー機関として示されているが、本発明は実質的にいかなる数のシリンダーを有する機関にも十分に適応可能である。本発明は、火花点火機関、ディーゼル及び他の圧縮点火機関、並びにラジアル機関に等しく適応可能である。

本発明の改良は、有効ストローク長さ（即ち、完全な機関作動出力サイクルの四行程全体を通してのピストン移動距離の範囲）を変動するように作用する。本発明による機関は、改変されたアトキンソンサイクルに従って作動し、そこでは機関作動の完全なサイクルは、四つの別個の行程（即ち、吸気又は吸入行程；圧縮行程；爆発又は出力行程；及び排出又は排気行程）によって規定される。与えられたシリンダーにおける吸気行程中、シリンダーのための関連吸気弁は、ピストンがクランクシャフトの回転によって下方に吸引されながら開放され、それによって燃焼室中に空気燃料混合物を受け入れる。圧縮行程中、吸気弁は、ピストンが上方に往復運動しながら閉じられ、燃焼室中の燃料空気混合物を予め決められた程度まで圧縮し、予め決められた回数で圧縮された燃料空気混合物が爆発され、例えばシリンダーと関連した点火プラグが燃焼され、従って燃焼によって生成されたガスが膨張するときにシリンダーを通してピストンを再び下方に駆動することによって爆発行程を開始する。爆発行程の完了で、シリンダーのための排気弁は、ピストンが排気又は排出行程を実施するためにシリンダー内で上方向に再び往復運動し始めるときに開放され、その間ピストンは、排気弁を通して燃焼室から廃棄燃焼ガスを追いやり、四サイクル機関の四行程又は四サイクルを繰り返す準備をする。いわゆる行程長さは、作動サイクルの四行程の各々の間の燃焼室内でピストンが移動する距離として規定される。従来の内燃機関では、行程長さは、固定され、機関作動出力サイクルの四つの作動行程の全体を通して変化しない。

それに対して、本発明は、可変行程長さを与えるように作用する。第二歯車部材３６の歯はその内部面に形成されるので、第二歯車部材３６は、クランクシャフト１６が回転するのと同じ方向で第一歯車部材３２のまわりに遊星状に回転する。第一及び第二歯車部材３２，３６の間のかみ合わせは、１：２の歯車比を与えるように選択され、それによって支持部材４８、及びそれによってそのオフセット部分４４及び最大オフセット間隔４６は、クランクシャフト１６の単一回転ごとに一回半の回転で回転する。この機械作用の効果は図５〜８に描かれ、それらの各々は機関の作動出力サイクルの単一行程を示す。

図５〜８に戻ると、ピストン２２を連接棒２４を介してクランクシャフト１６に連結する本発明のピストン２２及び関連する歯車機械組立体の行程が、爆発又は出力行程、排気行程、吸気行程、及び圧縮行程を通して連続的に概略的に描かれている。図５〜８の各々では、それぞれの行程が、連続的に文字によって示された、最初の開始位置、中間位置、及び最終位置で描かれ、一つの行程の最終位置はまた、同じ文字指定下で次の続く行程の最初の位置を構成する。従って、組立体の爆発又は出力行程は図５に概略的に描かれ、Ａで示されたピストン２２の最初の位置（一般的に「上死点」位置として言及される）、Ｂで示された中間駆動位置、及びＣで示された最終位置を持つ。図６は、Ｃ，Ｄ及びＥで、爆発／出力行程後の排気行程において組立体の最初、中間及び最終位置を描く。図７は、Ｅ，Ｆ及びＧで、排気行程後の吸入行程において組立体の最初、中間及び最終位置を描く。図８は、Ｇ，Ｈ及びＡで、吸入行程後の圧縮行程においてピストン２２の最初、中間及び最終位置を描く。

図５〜８では、ピストン２２が往復運動するエンジンブロック１２のシリンダー１４の長手方向中心線軸が１０２で示され、クランクシャフト１６の回転軸線が７０で表わされる。軸線７４と一致する連接棒２４と支持部材４８の間の連結を表わす接合点は５２で概略的に示され、軸線７２と一致するクランクシャフト１６と支持部材４８の間の連結を表わす間隔の空いた接合点は５４で示され、それぞれの接合点５２，５４の間の間隔は最大オフセット間隔４６を表わす。クランクシャフトオフセットによってクランクシャフト１６に作用する機械クランクアームは、支持部材４８とクランクシャフト１６の間の接合点５４と、クランクシャフト７０との間に延びるものとして５０で表わされ、最大オフセット距離によって生成される可変カムアームは、連接棒２４と支持部材４８の間の接合点５２と、支持部材４８とクランクシャフト１６の間の接合点５４との間に延びるものとして４６で表わされる。クランクシャフト１６のその軸線７０のまわりの回転中、支持部材／クランクシャフト接合点５４は、組立体が回転するときにクランクシャフト軸線７０のまわりに同心の円形経路５６をたどる。オフセット４６による軸線７２，７４の間隔のため、連接棒／オフセット接合点５２は、外側楕円形経路５８と内側楕円形経路６０の間で交互に起こる二つの別個の楕円形経路をたどる。

理解されるように、しかし本発明の機械歯車組組立体の存在に対して、連接棒２４は、他の方法で通常の機関のように５４でクランクシャフト１６に接合されるだろう。代わりに、図５に描かれているように、本機械歯車組組立体における最大オフセット４６によって生成されたカムアーム及びクランクシャフトオフセット５０によって生成されたカムアームは一緒に、爆発／出力行程がＢのピストン２２の中間位置を通してＣの最終位置まで進むときに爆発後のピストン２２の行程長さを効果的に増加する。特に、爆発行程時に、支持部材４８と連接棒２４の間の接合部５２はその外側偏心経路５８に従い、それによって組立体は、図５の位置Ｂを通って、次いで位置Ｃに進み、クランクシャフト１６は１／２回転し、その間最大オフセット４６によって生成されたカムアームは、クランクシャフトオフセット５０に加わるように作用して有効行程長さを増加し、その結果、爆発行程は有効全クランク長さをその最大で完了される。有効行程長さのこの増加は、爆発行程において機関１０によって実施される仕事を増加するように作用する。この点で、爆発行程が開始する。

図６のピストン位置Ｃ，Ｄ、及びＥによって示されるように、続く爆発行程中、クランクシャフト／オフセット接合部５４は、接合部５２，５４がそれらのそれぞれの経路で進むときにオフセット／連接棒接合部５２を過ぎ、その結果、爆発行程の終了で、接合部５２，５４は図５Ａの爆発行程の開始からそれらの相対位置に本質的に逆転し、それによって排気行程中のピストン行程の全長は爆発行程のピストン行程長と実質的に同じである。結果として、ピストンは、燃焼室から燃焼ガス及び副生成物を完全に排出する。

図７は、図６の排気行程の最終位置Ｅに始まって、ピストン２２によって燃料／空気混合物を吸引するための吸気行程を示す。作動サイクルのこの部分中、オフセット／連接棒接合部５２はその内側経路６０をたどり、有効行程長さが次第に減少され、そのとき組立体は位置Ｆに進み、位置Ｆを通って吸入行程の終了の位置Ｇまで進み、有効行程長さが最大オフセット４６より小さいクランクシャフトオフセット５０に等しい量だけその最小長さに減少される。図７の最初の位置Ｅから最終の位置Ｇまで、クランクシャフトは１／２回転分、回転する。吸入行程中の有効行程長さの減少の結果として、ピストンを引っ込めて燃料／空気混合物を燃焼室１４に受け入れる際に機関が実施しなければならない仕事の量は対応して減少され、燃料使用の同等の減少を達成する。ピストン２２が吸入行程時に下方に動く速度は、先行する爆発及び排気行程時より対応して遅い。

図８は、吸入行程の終了で位置Ｇで始まる続く圧縮行程を描く。組立体が中間位置Ｈを通って進み、開始位置Ａに戻って別の爆発行程を始めるとき、オフセット／連接棒接合部５２は、その内側経路６０を通ってその動きを終了し、もう一度その外側経路５８に動く。

本発明は、米国特許第５９２７２３６号の発明に対して幾つかの進歩を与える。本発明の一態様によれば、歯車組３０は、第二歯車部材３６の支持部材４８と連接棒２４の間の連結が接合点５２（即ち、連接棒２４のための軸線７４）によってたどられる外側及び内側楕円形経路５８，６０に方向を合わされて燃焼室軸線１０２の点で又はそれに密接した点で交差するように配置され、それによってそれは、機械クランクアーム及びカムアームが協働してピストンの上死点位置でクランクシャフトに正のトルクを生成するようにさせる。特に、図５〜８は、楕円外側及び内側経路５８，６０の交差がシリンダー／燃焼室の軸線１０２と一致する本発明の一実施形態を描く。それに対して、図９に描かれているように、米国特許第５９２７２３６号に示されかつ記載された好ましい実施形態では、外側及び内側経路５８，６０の交差は、クランクシャフトの回転方向に対して見ると、シリンダー軸線１０２より９０°前に配向される。

有利には、本発明における機械配置の変更された配向は、図９で比較して見ると、米国特許第５９２７２３６号の好ましい実施形態に対してその上死点位置でピストンに作用する拡大された機械クランクアームを生成し、機関の四サイクルの全範囲にわたって同じように機械クランクアーム及び付随するクランクシャフトトルクを改良する。クランクアームの拡大は、図１１のグラフに示されるように、いかなる可変行程配置もない従来の機関と比較すると特に顕著である。図１１では、曲線１０４は、本発明を具体化する１０００ｃｃ排気量の四シリンダー機関で生成される機械クランクアーム（ミリメートル測定）を、その四サイクル又は行程にわたる機関のクランク角に対してプロットし、曲線１０６は、ピストン連接棒がピストン行程を変化するいかなる機械又は他の配置もなしでクランクシャフトに直接連結される従来の１０００ｃｃ排気量の四シリンダー機関で生成された機械クランクアームを比較としてプロットする。

曲線１０６が示すように、従来の機関は、爆発／動力行程に近づくときに圧縮行程時にクランクシャフトに有意な量の負のトルクを受け、一般的には上死点位置の３５°前に燃焼火花ができるだけ多く点火されることを要求する。かかる機関では、ピストンは、負のトルクを克服するために負の仕事を実施しなければならず、それは、ゼロのトルク値が上死点（ＴＤＣ）で達成されるまで支配しつづけ、上死点位置の後（ＡＴＤＣ）の約１６°まで有意な量の正のトルクは生成されない。これは、従来の機関が一般的に約８００ＲＰＭより低い回転数でアイドリングできない主な理由である。それに対して、燃焼室軸線１０２で又はそれに密接して接合点５２（即ち、連接棒２４のための軸線７４）によってたどられる外側及び内側楕円形経路５８，６０の交差に方向を合わせる本発明の配置では、増大したクランクアームは、上死点位置の３５°前から上死点位置まで増加する正のトルクを生成し、上死点位置の１６°後で、本機関で生成されたトルクは従来の機関のそれの２倍より多い。

図１０に描かれているように、外側及び内側楕円形経路５８，６０の交差が燃焼室軸線の約２５°以内である本発明の代替実施形態が可能である。特に、図１０は、本発明の機械的配置がクランクシャフトの回転方向で見ると燃焼室軸線の約２５°に等しいか又はそれより小さい予め決められた角度の前の離れた点に外側及び内側楕円形経路５８，６０の交差を向けるように構成される。図１０の位置Ａ’は、爆発行程の最初の開始時、即ち上死点位置の本発明のピストン及び他の関連機械構成要素を描き、この配置が米国特許第５９２７２３６号と比較してかかる位置でピストンに作用する有意に拡大した機械クランクアームをなお生成することがわかる。さらに、この配置によって達成される追加の利点は、排気行程の終了及び吸入行程の開始時のピストンの位置が図１０の位置Ｅ’によって表わされるように上死点位置の下に予め決められた間隔があるようにされることである。このような機械配置の選択的配向は、吸入行程を開始するときに燃焼室が予め決められた量の排気ガスを保持することを可能にし、それは次に機関からの有害な排気の減少に寄与する。

また、クランクアーム５０の長さに対するカムアーム４６の長さの比率の選択的変動が吸入行程の終了時の燃焼室の容積及び圧縮対膨張比の関連機能変数を選択的に変動可能にすることが発見された。例えば、カムアーム長がクランクアーム長の少なくとも約２０％からクランクアーム長の約１００％まで変動してもよいことが考えられる。かかる変動は、異なる選択クランクアーム５０及び異なる選択カムアーム４６を達成するために支持部材４８の外部及び内部支持面４０，４２の寸法及び偏心関係を変動することによって達成されてもよい。図１２は、カムアーム対クランクアーム比率を２０％の増分で選択的に変動するときに接合点５２（即ち、連接棒２４のための軸線７４）によってたどられる外側及び内側楕円形経路５８，６０において構成（サイズ及び形状）で生成される相対的変化及び相対的差異を概略的に描く。図１３のチャートは、かかる変化によって影響される付随変数について比較データを編集する。特に、このチャートで編集されたデータは、１０００ｃｃ排気量の機関、即ち、火花点火燃焼を使用する機関について１０：１の固定圧縮比又は燃焼を点火するために圧縮を使用する機関について１５：１の固定圧縮比を持ち、１０００ｃｃの固定吸気サイクルを持つものを想定する。全体に、チャートは、カムアーム対クランクアームの比率の増加が燃料消費（１ガロンあたりの走行マイル数）及びトルクにおいて匹敵する１０００ｃｃ排気量の従来の機関に対してかなりの利点を達成することを示す。例えば、かかる１０００ｃｃ機関における７０％のカムアーム対クランクアーム比率では、機関は１７３９ｃｃの膨張容量を達成し、１０：１の圧縮比で１６．７：１の膨張比が達成される。実際には、本発明による１０００ｃｃの機関のこの構成は、１７３９ｃｃの機関のトルク及び馬力出力を生成するが、従来の１０００ｃｃの機関と同じ量の燃料を消費するにすぎないだろう。

それゆえ、本発明は広い実用性及び用途を受け入れる余地があることが当業者によってすぐに理解されるだろう。記載されたもの以外の本発明の多くの実施形態及び適応、並びに多くの変形、修正及び均等配置は、本発明の実体又は範囲から逸脱せずに本発明及びその前述の記載から明らかであるか、又は合理的に示唆されるだろう。従って、本発明はその好ましい実施形態に関してここに詳細に記載されるが、この開示は本発明の説明及び例示にすぎず、単に本発明の十分で実現可能な開示を与える目的のためになされていることが理解されるべきである。前述の開示は、本発明を限定したり、又はそうでなければかかる他の実施形態、適応、変形、修正、及び均等配置を除外することを意図又は解釈されるものではなく、本発明は、ここに添付の請求項及びその均等物によってのみ限定される。

Claims (1)

1. 各々が室軸線を規定する複数の円筒形燃焼室を規定するエンジンブロックと、燃焼室に対して横切って延びるクランクシャフト軸線のまわりの回転のためにエンジンブロックに取り付けられたクランクシャフトと、室軸線に沿った往復運動のために各燃焼室内に配置されたピストンと、各ピストンに枢動可能に取り付けられた連接棒と、ピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換するために各連接棒を回転可能にクランクシャフトに連結する機械組立体であって、エンジンブロックに回転不可能に取り付けられた第一歯車部材、及び第一歯車部材とかみ合って係合される第二歯車部材を含む機械組立体とを含む内燃機関であって、
   内燃機関が四行程サイクルに従って作動可能であり、ピストンが、第一方向に移動する吸気行程、第二方向に移動する圧縮行程、第一方向に移動する爆発行程、及び第二方向に移動する排気行程を通して燃焼室内で往復運動し、圧縮行程の終結時及び爆発行程の開始時のピストンの位置が上死点として規定され、爆発行程の終結時及び排気行程の開始時のピストンの位置が下死点として規定され、
   第一歯車部材が、円柱体の半径方向外部表面のまわりに形成された歯車歯を有するピニオン歯車部分を持つ円柱体を含み、
   第二歯車部材が、環状体の半径方向内部表面のまわりに形成された歯車歯を有するクラウン歯車部分を持つ環状体と、クラウン歯車部分から外側に軸方向に突出する支持部分であって、支持部分の外部表面に形成された第一外部環状支持面、及び支持部分の内部表面に形成された第二支持面を有する支持部分とを含み、
   第一歯車部材の円柱体が環状体中に延び、ピニオン歯車部分の歯車歯がクラウン歯車部分の歯車歯とかみ合って係合し、
   クランクシャフトと第二歯車部材の回転のため、連接棒が、第一外部環状支持面のまわりに取り付けられ、クランクシャフトが第二支持面内に取り付けられ、連接棒が第一外部環状支持面上で回転し、第二支持面がクランクシャフト上で回転し、
   第一歯車部材のピニオン歯車部分及び第二歯車部材のクラウン歯車部分が、第二歯車部材をクランクシャフトの二回転ごとに一回回転させるために２：１の歯車比を有し、
   第二支持面が、クランクシャフトに機械クランクアームを押しつけるためにクランクシャフト軸線のまわりに円形経路で移動するためにクランクシャフト軸線からオフセットされ、前記円形経路が、機関の四行程サイクルの全体を通して均一であり、
   第一外部環状支持面及び第二支持面がオフセット距離だけ互いに離隔され、機関の四行程サイクルにわたって変動するクランクシャフトに機械カムアームを押しつけるために第一外部環状支持面をクランクシャフトのまわりに内側及び外側楕円形経路で交互に移動させ、
   クランクシャフトと第二歯車部材の回転が、クランクアーム及びカムアームのベクトル合計に等しいクランクシャフトに、組み合わされた有効クランクアームを押し付け、それは、機関の四行程サイクルにわたって絶えず変動し、機関の四行程サイクル全体を通してピストンの往復運動の長さを変動させる、内燃機関において、
   第二歯車部材の第一外部環状支持面及び第二支持面が、以下のように構成されかつ寸法決定されていることを特徴とする内燃機関：
   カムアームが、クランクアームの長さの２０％より大きくかつ１００％以下である長さを持ち、
   上死点で、カムアームがクランクアームに対して略９０°で配向され、
   上死点で、クランクアームが室軸線より前の角度に配向され、
   クランクアーム及びカムアームが協働してクランクシャフトに正のトルクを生成し、それが、圧縮行程の終了前の最大約２０°から開始してピストンの上死点位置を通って爆発行程中、継続され、
   爆発行程の終了で、クランクアーム及びカムアームの各々が室軸線と直線的な整列関係で延び、カムアームがクランクアームから外側に延び、それによって機関の四行程サイクル中に最も長い組み合わされた有効クランクアームを形成し、
   吸入行程の終了で、クランクアーム及びカムアームの各々が室軸線と直線的な整列関係で延び、カムアームがクランクアームに対して重複する関係で内側に延び、それによって機関の四行程サイクル中に最も短い有効クランクアームを形成し、
   内燃機関の四行程サイクルにおける吸気及び圧縮行程が、爆発及び排気行程より短く、かつ
   実質的に均一な圧縮比が、内燃機関の四行程サイクル全体を通して維持される。

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