JPWO2011108120A1 - 燃焼圧力制御装置 - Google Patents

Abstract

内燃機関の燃焼圧力制御装置は、圧縮性流体が内部に充填され、ピストン３に配置されている流体封入部材６３と、流体封入部材６３の内部の圧縮性流体の温度を調整するための冷媒の流路７５とを備える。燃焼室の圧力が予め定められた圧力に到達すると、流体封入部材６３が縮むことにより燃焼室の容積が増加する。燃焼圧力制御装置は、流路７５に冷媒を流して圧縮性流体の温度を調整し、流体ばねの内部の圧力を調整するように形成されている。

Description

本発明は、燃焼圧力制御装置に関する。

内燃機関は、燃焼室に燃料および空気が供給されて、燃焼室にて燃料が燃焼することにより駆動力を出力する。燃焼室において燃料を燃焼させるときには、空気と燃料との混合気を圧縮した状態になる。内燃機関の圧縮比は、出力および燃料消費量に影響を与えることが知られている。圧縮比を高くすることにより出力トルクを大きくしたり、燃料消費量を少なくしたりすることができる。
特開２０００−２３０４３９号公報には、燃焼室に圧力調整弁を介して通じる副室を設け、圧力調整弁は、弁体と弁体に接続されて燃焼室側に付勢された弁棒とを有する自着火式の内燃機関が開示されている。この自着火式の内燃機関は、過早着火等により燃焼圧が所定の許容圧値を超えた場合に、弾性体の圧力に抗して圧力調整弁を押し上げて副室に圧力を逃すことが開示されている。この公報には、過早着火等が生じる圧力よりも大きな圧力で圧力調整弁が動くことが開示されている。
特表２００６−５２２８９５号公報においては、ピストンと連接ロッドとの間において、連接ロッドをピストンクラウンと逆方向に付勢するように作用する円板スプリングが組み込まれたピストンが開示されている。また、ピストンクラウンが連接ロッドに関連して軸上に移動することが開示されている。このピストンにおいては、ピストンが上死点を超過すると円板スプリングに蓄積されたエネルギーが放出されて、出力トルクの生成につながることが開示されている。
国際公開第９６／３４１９０号パンフレットにおいては、シールリングを有するクラウンを含む上側部分と、ピストンピンの保持部を有する下側部分とを備え、上側部分および下側部分が、機械ばねにより弾性的に接続されているピストンを配置する内燃機関が開示されている。機械ばねは、クラウンの上壁とスカートの内側に取り付けられることが開示されている。
特表２００９−５０７１７１号公報においては、組み立て式の液体冷却されるピストンであって、上側部分と下側部分とを有しており、上側部分と下側部分とが半径方向の外側のリング状の載置部と、半径方向の内側のリング状の載置部と介して結合されるピストンが開示されている。このピストンでは、外側の載置部と内側の載置部との間に外側の冷却通路が形成されており、内側の載置部の半径方向内側には内側の冷却通路が形成されている。これらの冷却通路に冷却オイルが流されることにより、ピストンが冷却されることが開示されている。

特開２０００−２３０４３９号公報 特表２００６−５２２８９５号公報 国際公開第９６／３４１９０号パンフレット 特開２００９−５０７１７１号公報

火花点火式の内燃機関においては、燃焼室において燃料と空気の混合気が点火装置で着火されることにより、混合気が燃焼するとともにピストンが押し下げされる。このときに圧縮比を高くすることにより熱効率が向上する。ところが、圧縮比を高くすると異常燃焼が発生する場合がある。例えば、圧縮比が高くなることにより自着火現象が生じる場合がある。
異常燃焼の発生を防止するために、点火時期を遅らせることができる。しかしながら、点火時期を遅らせることにより、出力トルクが小さくなったり、燃料消費が悪化したりする。また、点火時期を遅らせることにより、排気ガスの温度が高くなる。このため、排気浄化装置の構成部品に高質な材料が必要になったり、排気ガスを冷却する装置が必要になったりする場合があった。更に、排気ガスの温度を下げるために、燃焼室で燃焼を行なうときの空燃比を理論空燃比未満にする場合がある。すなわち、燃焼時の空燃比をリッチにする場合がある。しかしながら、排気浄化装置として三元触媒が配置されている場合には、排気ガスの空燃比が理論空燃比から逸脱すると浄化能力が小さくなってしまい、排気ガスを十分に浄化することができなくなるという問題があった。
上記の特開２０００−２３０４３９号公報に開示されている内燃機関においては、燃焼室に通じる空間をシリンダヘッドに形成して、この空間に機械ばねが配置されている。しかしながら、シリンダヘッドに機械ばねを配置した場合には、機械ばねを大きくすることができずに、十分な押圧力を得ることができない虞があった。
上記の特表２００６−５２２８９５号公報、または国際公開第９６／３４１９０号パンフレットには、ピストンに機械ばねが配置されている内燃機関が開示されている。しかしながら、ピストンに配置された機械ばねは、変形できる量が不十分であり、十分なストローク量を確保できない虞がある。そのため、筒内圧力制御が困難であった。
本発明は、異常燃焼の発生を抑制する内燃機関の燃焼圧力制御装置を提供することを目的とする。

本発明の燃焼圧力制御装置は、燃料が燃焼室にて燃焼することによりピストンが往復運動する内燃機関の燃焼圧力制御装置であって、圧縮性流体が内部に充填され、ピストンに配置されている流体ばねと、流体ばねの内部の圧縮性流体の温度を調整するばね温度調整装置とを備える。燃焼圧力制御装置は、燃焼室の圧力が予め定められた圧力に到達すると、燃焼室の圧力変化を駆動源にして流体ばねが縮むことにより燃焼室の容積が増加するように形成されている。燃焼圧力制御装置は、ばね温度調整装置にて圧縮性流体の温度を調整し、流体ばねの内部の圧力を調整する。
上記発明においては、ばね温度調整装置は、ピストンの内部において流体ばねの周りに冷媒が流れる流路と、流路に冷媒を供給する冷媒供給装置とを含み、冷媒供給装置は、冷媒の温度を調整する冷媒温度調整器および冷媒の流量を調整する冷媒流量調整器のうち少なくとも一方を含み、冷媒の温度および冷媒の流量のうち少なくとも一方を調整して、流体ばねの周りの部材の温度を変化させることにより、流体ばねの内部の圧力を調整することが好ましい。
上記発明においては、冷媒供給装置は、流体ばねと燃焼室との間に冷媒を流す第１の流路を含むことができる。
上記発明においては、冷媒供給装置は、流体ばねの周りにおいて燃焼室に向かう側と反対側に冷媒を流す第２の流路を含み、流体ばねの内部の圧力を上昇させる場合には、第１の流路を通る冷媒の温度および冷媒の流量のうち少なくとも一方を調整し、流体ばねの内部の圧力を下降させる場合には、第２の流路を通る冷媒の温度および冷媒の流量のうち少なくとも一方を調整することが好ましい。
上記発明においては、ピストンは、流体ばねが伸びる動作を予め定められた位置で停止させる係止部と、流体ばねが伸びるときの速度を低下させる速度低下装置とを含むことが好ましい。
上記発明においては、ピストンは、往復運動を伝達する連接棒に接続されているピストン本体と、ピストンの冠面を有する覆い部材とを含み、流体ばねは、ピストン本体の燃焼室に向かう側の表面に配置されており、覆い部材は、流体ばねを覆うように形成され、流体ばねの伸縮とともにピストン本体に対して摺動することが好ましい。

本発明によれば、異常燃焼の発生を抑制する内燃機関の燃焼圧力制御装置を提供することができる。

実施の形態１における内燃機関の概略図である。 実施の形態１における第１のピストンの破断斜視図である。 実施の形態１のピストンを備える内燃機関において、燃焼室の圧力と流体ばねの縮み量とを説明する図である。 比較例における点火時期と出力トルクとの関係を説明するグラフである。 比較例におけるクランク角度と燃焼室の圧力との関係を説明するグラフである。 比較例における負荷と燃焼室の最大圧力との関係を説明するグラフである。 実施の形態１のピストンを備える内燃機関において、燃焼室の圧力が制御圧力に到達したときのグラフの拡大図である。 実施の形態１における内燃機関および比較例の内燃機関の点火時期を説明するグラフである。 実施の形態１における第２のピストンの破断斜視図である。 実施の形態１における第３のピストンの破断斜視図である。 実施の形態１における第４のピストンの破断斜視図である。 実施の形態１における第５のピストンの破断斜視図である。 実施の形態１における第６のピストンの破断斜視図である。 実施の形態１における第７のピストンの破断斜視図である。 実施の形態１における第８のピストンの破断斜視図である。 実施の形態１における第８のピストンの流体封入部材の蛇腹部の拡大概略断面図である。 実施の形態１における第８のピストンの流体封入部材と比較例の流体封入部材との概略断面図である。 実施の形態１における第９のピストンの破断斜視図である。 実施の形態１における第１０のピストンの破断斜視図である。 実施の形態２における第１のピストンの破断斜視図である。 実施の形態２における第１のピストンのピストン本体の概略断面図である。 実施の形態２の第１のピストンを備える機関本体の概略断面図である。 実施の形態２の第１のピストンを備える内燃機関の潤滑油供給装置の系統図である。 実施の形態２における流体ばねの内部の圧力を検出する圧力検出装置の模式図である。 比較例における内燃機関の回転数とノッキング余裕点火時期との関係を説明するグラフである。 実施の形態２における内燃機関の回転数と制御圧力の関係を説明するグラフである。 比較例における燃料に含まれるアルコール濃度と遅角補正量との関係を説明するグラフである。 実施の形態２におけるアルコール濃度と制御圧力との関係を説明するグラフである。 実施の形態２における第１のピストンを備える他の機関本体の概略断面図である。 実施の形態２における第２のピストンと連接棒との拡大概略断面図である。 実施の形態２における第２のピストンを備える内燃機関の潤滑油供給装置の系統図である。 実施の形態２における第３のピストンと連接棒との概略断面図である。 実施の形態２における第３のピストンのピストン本体の概略断面図である。 実施の形態２における第４のピストンの破断斜視図である。 実施の形態２における第５のピストンの破断斜視図である。 実施の形態２における第６のピストンの拡大破断斜視図である。 実施の形態２における第７のピストンの拡大破断斜視図である。 実施の形態３における第１のピストンの破断斜視図である。 実施の形態３における第１のピストンの流体封入部材の入口部に取り付けられる方向制御弁の概略図である。 実施の形態３における第２のピストンの概略断面図である。 実施の形態３における第３のピストンの概略断面図である。 実施の形態３における流体封入部材の出口部に取り付けられる方向制御弁の概略図である。 実施の形態４におけるピストンの概略断面図である。 実施の形態４におけるピストンの速度低下装置の部分の拡大概略断面図である。

実施の形態１
図１から図１９を参照して、実施の形態１における内燃機関の燃焼圧力制御装置について説明する。本実施の形態においては、車両に配置されている内燃機関を例に取り上げて説明する。
図１は、本実施の形態における内燃機関の概略図である。本実施の形態における内燃機関は、火花点火式である。内燃機関は、機関本体１を備える。機関本体１は、シリンダブロック２とシリンダヘッド４とを含む。シリンダブロック２の内部には、ピストン３が配置されている。ピストン３は、シリンダブロック２の内部で往復運動する。本発明においては、ピストンが圧縮上死点に達したときにピストンの冠面とシリンダヘッドとに囲まれる空間および、任意の位置にあるピストンの冠面とシリンダヘッドとに囲まれる気筒内の空間を燃焼室と称する。燃焼室５はそれぞれの気筒ごとに形成される。ピストン３は、連接棒としてのコネクティングロッド５１に接続されている。コネクティングロッド５１は、ピストンピン８１を介してピストン３に接続されている。燃焼室５には、機関吸気通路および機関排気通路が接続されている。機関吸気通路は、燃焼室５に空気または燃料と空気との混合気を供給するための通路である。機関排気通路は、燃焼室５における燃料の燃焼により生じた排気ガスを排出するための通路である。
シリンダヘッド４には、吸気ポート７および排気ポート９が形成されている。吸気弁６は吸気ポート７の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関吸気通路を開閉可能に形成されている。排気弁８は、排気ポート９の端部に配置され、燃焼室５に連通する機関排気通路を開閉可能に形成されている。シリンダヘッド４には、点火装置としての点火プラグ１０が固定されている。点火プラグ１０は、燃焼室５にて燃料を点火するように形成されている。
本実施の形態における内燃機関は、燃焼室５に燃料を供給するための燃料噴射弁１１を備える。本実施の形態における燃料噴射弁１１は、吸気ポート７に燃料を噴射するように配置されている。燃料噴射弁１１は、この形態に限られず、燃焼室５に燃料を供給できるように配置されていれば構わない。たとえば、燃料噴射弁は、燃焼室に直接的に燃料を噴射するように配置されていても構わない。
燃料噴射弁１１は、電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２９を介して燃料タンク２８に接続されている。燃料タンク２８内に貯蔵されている燃料は、燃料ポンプ２９によって燃料噴射弁１１に供給される。燃料を供給する流路の途中には、燃料の性状を検出するための燃料性状検出装置として、燃料性状センサ１７７が配置されている。たとえば、アルコールを含む燃料を使用する内燃機関では、燃料性状センサ１７７としてアルコール濃度センサが配置される。燃料性状検出装置は、燃料タンクに配置されていても構わない。
各気筒の吸気ポート７は、対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結されている。サージタンク１４は、吸気ダクト１５およびエアフローメータ１６を介してエアクリーナ（図示せず）に連結されている。吸気ダクト１５には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が配置されている。吸気ダクト１５の内部には、ステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置されている。一方、各気筒の排気ポート９は、対応する排気枝管１９に連結されている。排気枝管１９は、触媒コンバータ２１に連結されている。本実施の形態における触媒コンバータ２１は、三元触媒２０を含む。触媒コンバータ２１は、排気管２２に接続されている。機関排気通路には、排気ガスの温度を検出するための温度センサ１７８が配置されている。
本実施の形態における機関本体１は、排気ガス再循環（ＥＧＲ）を行うための再循環通路を有する。本実施の形態においては、再循環通路としてＥＧＲガス導管２６が配置されている。ＥＧＲガス導管２６は、排気枝管１９とサージタンク１４とを互いに連結している。ＥＧＲガス導管２６には、ＥＧＲ制御弁２７が配置されている。ＥＧＲ制御弁２７は、再循環する排気ガスの流量が調整可能に形成されている。機関吸気通路、燃焼室、または機関排気通路に供給された排気ガスの空気および燃料（炭化水素）の比を排気ガスの空燃比（Ａ／Ｆ）と称すると、触媒コンバータ２１の上流側の機関排気通路内には、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ１７９が配置されている。
本実施の形態における内燃機関は、電子制御ユニット３１を備える。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、デジタルコンピュータからなる。電子制御ユニット３１は、双方向バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、入力ポート３６および出力ポート３７を含む。
エアフローメータ１６は、燃焼室５に吸入される吸入空気量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。アクセルペダル４０には、負荷センサ４１が接続されている。負荷センサ４１は、アクセルペダル４０の踏込量に比例した出力電圧を発生する。この出力電圧は、対応するＡＤ変換器３８を介して入力ポート３６に入力される。また、クランク角センサ４２は、クランクシャフトが、例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスは入力ポート３６に入力される。クランク角センサ４２の出力により、機関本体１の回転数を検出することができる。更に、電子制御ユニット３１には、燃料性状センサ１７７、温度センサ１７８および空燃比センサ１７９等のセンサの信号が入力されている。
電子制御ユニット３１の出力ポート３７は、それぞれの対応する駆動回路３９を介して燃料噴射弁１１および点火プラグ１０に接続されている。本実施の形態における電子制御ユニット３１は、燃料噴射制御や点火制御を行うように形成されている。すなわち、燃料を噴射する時期および燃料の噴射量が電子制御ユニット３１により制御される。更に点火プラグ１０の点火時期が電子制御ユニット３１により制御されている。また、出力ポート３７は、対応する駆動回路３９を介して、スロットル弁１８を駆動するステップモータ１７、燃料ポンプ２９およびＥＧＲ制御弁２７に接続されている。これらの機器は、電子制御ユニット３１により制御されている。
図２に、本実施の形態における第１のピストンの破断斜視図を示す。本実施の形態における内燃機関は、燃料が燃焼したときの燃焼室の圧力、すなわち筒内圧力を制御する燃焼圧力制御装置を備える。本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、ピストン３を含む。
本実施の形態における第１のピストン３は、ピストン本体６１を備える。ピストン本体６１は、筒状に形成されている。ピストン本体６１は、ピストン３の往復運動を伝達するコネクティングロッド５１に接続される。ピストン本体６１は、コネクティングロッド５１に支持されている。ピストン本体６１は、ピストンピン８１を挿入するための穴部６１ａを有する。
本実施の形態におけるピストン３は、ピストン本体６１の燃焼室５に向かう側の表面に配置されている流体ばねを含む。本実施の形態における流体ばねは、流体封入部材６３を含む。流体封入部材６３は、内部に圧縮性流体が封入できるように形成されている。流体封入部材６３の内部には、加圧された流体が封入される。本実施の形態においては、異常燃焼が発現する燃焼室の圧力よりも小さな燃焼室の圧力で、流体封入部材６３が縮み始めるように空気が封入されている。流体封入部材６３は、外形が円柱状に形成されている。流体封入部材６３は、側面となる部分に変形部としての蛇腹部６３ａを有する。流体封入部材６３は、蛇腹部６３ａが変形することにより、矢印２０１に示す方向に伸縮可能に形成されている。
本実施の形態におけるピストン３は、覆い部材６２を含む。覆い部材６２は、流体封入部材６３を覆うように形成されている。覆い部材６２は、燃焼室５の隔壁を構成する天板６２ａを有する。天板６２ａの外側の表面は、ピストン３の冠面を構成する。覆い部材６２は、筒状に形成されている。覆い部材６２の側面には、溝部６２ｂが形成されている。溝部６２ｂには、ピストンリングが配置される。例えば、それぞれの溝部６２ｂには、燃焼ガスが漏れることを抑制するコンプレッションリングおよび燃焼室５の壁面の余分な潤滑油を除去するオイルリングが配置される。
流体封入部材６３は、覆い部材６２の内部に配置されている。覆い部材６２は、ピストン本体６１に嵌合するように形成されている。覆い部材６２は、ピストン本体６１に対して、矢印２０１に示す方向に相対移動するように形成されている。覆い部材６２は、ピストン本体６１の上部において摺動するように形成されている。
覆い部材６２は、ストッパー部として機能する係止部６２ｅを有する。本実施の形態における係止部６２ｅは、ピストン本体６１に向かって突出している。係止部６２ｅは、ピストン本体６１に形成された窪み部６１ｆの内部に配置されている。流体封入部材６３が伸びるときに、係止部６２ｅが窪み部６１ｆの壁面に接触することにより、流体封入部材６３を予め定められた伸び量で停止させることができる。また、係止部６２ｅは、覆い部材６２がピストン本体６１から抜けることを防止できる。
本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼サイクルの圧縮行程から膨張行程にかけて燃焼室５の圧力による押圧力が、流体ばねの内部の圧力による反力より大きくなったときに流体封入部材６３が縮む。覆い部材６２が、ピストン本体６１に対して燃焼室５に向かう側と反対側に向かって摺動する。この結果、燃焼室５の容積が増加して、燃焼室５の圧力上昇を抑制することができる。この後に、燃焼室５の圧力による押圧力が、流体ばねの内部の圧力による反力よりも小さくなった場合には、流体封入部材が伸びて元の大きさに戻る。
本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに、燃焼室５の圧力変化を駆動源として流体封入部材６３の容積が変化する。流体封入部材６３は、燃焼室５の圧力が変化することにより伸縮する。本発明における制御圧力は、流体ばねの容積が変化し始めるときの燃焼室の圧力である。流体封入部材６３の内部には、制御圧力に対応した圧力の流体が封入される。燃焼室５の圧力が制御圧力になったときに、流体封入部材６３が縮みはじめる。本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼室５の圧力が異常燃焼の発生圧力以上にならないように制御圧力を定めている。
本発明における異常燃焼は、たとえば、点火装置により混合気が点火し、点火した点から順次燃焼が伝搬する状態以外の燃焼を含む。異常燃焼は、たとえば、ノッキング現象、デトネーション現象およびプレイグニッション現象を含む。ノッキング現象は、スパークノック現象を含む。スパークノック現象は、点火装置において点火し、点火装置を中心に火炎が広がっているときに、点火装置から遠い位置にある未燃燃料を含む混合気が自着火する現象である。点火装置から遠い位置にある混合気は、点火装置の近傍の燃焼ガスにより圧縮されて高温高圧になって自着火する。混合気が自着火するときに衝撃波が発生する。
デトネーション現象は、高温高圧の混合気の中を衝撃波が通過することにより、混合気が着火する現象である。この衝撃波は、たとえば、スパークノック現象によって発生する。
プレイグニッション現象は、早期着火現象とも言われる。プレイグニッション現象は、点火プラグの先端の金属または燃焼室内に堆積するカーボンスラッジ等が加熱されて、所定の温度以上を維持した状態になり、この部分を火種として点火時期の前に燃料が着火して燃焼する現象である。
図３に、本実施の形態の内燃機関における燃焼室の圧力のグラフを示す。横軸がクランク角度であり、縦軸が燃焼室の圧力および流体ばねの縮み量である。図３には、燃焼サイクルのうち圧縮行程および膨張行程のグラフが示されている。流体ばねを構成する流体封入部材６３の縮み量は、係止部６２ｅにより流体封入部材６３の伸びる動作が停止しているときの値が零である。本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼サイクルの圧縮行程から膨張行程の期間中に、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達した場合に、流体封入部材６３が縮む。覆い部材６２がピストン本体６１に対して移動する。燃焼室５の容積が増加し、圧力上昇が抑制される。
図２および図３を参照して、圧縮行程ではピストン３が上昇して、燃焼室５の圧力が上昇する。ここで、流体封入部材６３には制御圧力に対応した圧力の流体が封入されているために、燃焼室５の圧力が制御圧力になるまでは、流体封入部材６３の縮み量が零である。図３に示す例では、クランク角度が０°（ＴＤＣ）より僅か後に点火される。点火されることにより燃焼室５の圧力が急激に上昇する。燃焼室５の圧力が制御圧力に達したときに、流体封入部材６３が縮み始める。覆い部材６２がピストン本体６１に対して移動し始める。混合気の燃焼が進むと、流体封入部材６３の縮み量が大きくなる。このために、燃焼室５の圧力の上昇が抑制される。図３に示す例では、燃焼室５の圧力がほぼ一定に保たれる。
燃焼室５において、更に燃料の燃焼が進むと、流体封入部材６３の縮み量は最大になった後に小さくなる。流体封入部材６３の内部の圧力が元の圧力に向かって減少する。燃焼室５の圧力が制御圧力になったときに、流体封入部材６３の縮み量が零に戻る。燃焼室５の圧力が制御圧力未満になった場合には、クランク角度の進行とともに燃焼室５の圧力が減少する。
このように、本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに燃焼室の圧力上昇を抑制し、燃焼室の圧力が異常燃焼の発生する圧力以上にならないように制御する。
図４に、比較例の内燃機関における点火時期と出力トルクとの関係を説明するグラフを示す。比較例の内燃機関は、流体ばねを有していない。すなわち、比較例の内燃機関は、本実施の形態における流体封入部材６３を有しておらず、覆い部材とピストン本体とが一体化されている。図４のグラフは、所定の状態で比較例の内燃機関を運転しているときのグラフである。横軸は、点火するときのクランク角度（点火時期）を示している。
混合気に点火する時期によって内燃機関の性能が変化することが分かる。内燃機関は、出力トルクが最大になる点火時期（θｍａｘ）を有する。出力トルクが最大になる点火時期は、エンジン回転数、スロットル開度、空燃比、圧縮比などにより変化する。出力トルクが最大になる点火時期で点火することにより、燃焼室の圧力が高くなり熱効率が最良になる。また、出力トルクが大きくなり、燃料消費量を少なくすることができる。また、排出される二酸化炭素を減らすことができる。
ところが、点火時期を早くするとノッキング現象などの異常燃焼が発生する。特に高負荷になると、異常燃焼の発生する領域が大きくなる。比較例の内燃機関においては、異常燃焼を回避するために、出力トルクが最大になる点火時期（θｍａｘ）よりも遅らせて点火している。このように、異常燃焼が発生する領域を避けた点火時期を選定している。
図５に、比較例の内燃機関の燃焼室の圧力のグラフを示す。実線は、燃料の供給を停止（フュエルカット）して、かつスロットル弁の開度が全開（ＷＯＴ）のときの燃焼室の圧力を示している。このときの燃焼室の圧力は、クランク角度が０°のとき、すなわち圧縮上死点において最大になる。この圧力は、燃料を供給しないときの燃焼室の最大圧力になる。
内燃機関においては、点火時期に依存して、燃焼室の圧力が変動する。破線で示されているグラフは、出力トルクが最大になる点火時期で点火したときのグラフである。破線は、異常燃焼が発生しないと仮定した場合のグラフを示している。図５に示す例においては、クランク角度が０°（ＴＤＣ）よりもやや後の時期に点火を行なっている。出力トルクが最大になる点火時期で点火した場合においては、燃焼室の圧力が高くなる。しかしながら、実際の内燃機関では、燃焼室の最大圧力（Ｐｍａｘ）が異常燃焼の発生する圧力よりも大きくなるために、点火時期を遅角させている。一点鎖線は、点火時期を遅角させたときのグラフである。点火時期を遅角させた場合には、出力トルクが最大になる点火時期で点火した場合よりも燃焼室の最大圧力が小さくなる。
図３を参照して、破線は、比較例の内燃機関において出力トルクが最大になる点火時期（θｍａｘ）で点火した場合のグラフを示している。前述のとおり、この点火時期で点火した場合には、異常燃焼が発生する。
これに対して、本実施の形態における内燃機関は、燃焼室の最大圧力を異常燃焼の発生圧力未満で燃焼を行なうことができる。点火時期を早くしても異常燃焼の発生を抑制することができる。特に、圧縮比が高いエンジンにおいても異常燃焼を抑制することができる。このため、図５に示す点火時期を遅らせた比較例の内燃機関に比較して、熱効率が改善され、出力トルクを大きくすることができる。または、燃料消費量を少なくすることができる。
図３を参照して、本実施の形態の内燃機関においては、熱効率が最も良くなる点火時期に点火している。本実施の形態の内燃機関は、比較例の内燃機関の出力トルクが最大になる点火時期にて点火することも可能である。しかしながら、本実施の形態における内燃機関は、点火時期を比較例における内燃機関の出力トルクが最大になる点火時期よりも早くしている。この構成により、より熱効率を改善することができ、より出力トルクを大きくすることができる。このように、本実施の形態における内燃機関は、異常燃焼を回避しながら熱効率が最も良くなる時期に点火することができる。
本実施の形態においては、流体封入部材６３の内部の封入圧力は、制御圧力よりも高くなる。制御圧力としては、燃料の供給を停止した場合における燃焼室の最大圧力より大きくすることができる。すなわち図５に示す実線のグラフの燃焼室の最大圧力より大きく設定することができる。また、制御圧力は、異常燃焼が発生する圧力未満に設定することができる。
比較例の内燃機関は、点火時期を遅角するために排気ガスの温度が高くなる。または、熱効率が低いために排気ガスの温度が高くなる。比較例の内燃機関においては、排気ガスの温度を下げるために、燃焼時の空燃比を理論空燃比より小さくする場合がある。ところが、排気浄化装置としての三元触媒は、排気ガスの空燃比が理論空燃比の近傍の場合に高い浄化能力を示す。三元触媒は、理論空燃比から外れると、浄化性能が極端に小さくなってしまう。このため、燃焼時の空燃比を理論空燃比よりも小さくすると、排気ガスの浄化能力が低下し、排気ガスに含まれる未燃燃料が多くなってしまう。また、比較例の内燃機関は、排気ガスの温度が高くなるために、排気浄化装置の耐熱性が要求されて高質の材料が必要になったり、排気ガスを冷却するための装置や排気ガスを冷却するための新たな構造が必要になったりする場合がある。
これに対して、本実施の形態における内燃機関は、熱効率が高いために排気ガスの温度が高くなることを回避することができる。本実施の形態における内燃機関は、排気ガスの温度を下げるために燃焼時の空燃比を小さくする必要性が小さく、排気浄化装置が三元触媒を含む場合に浄化性能を維持することができる。更に、排気ガスの温度が高くなることを回避できるために、排気浄化装置の部材の耐熱性の要求が低くなる。または、排気ガスの冷却を行なうための装置等を新たに追加しなくても装置を形成することができる。
また、図３を参照して、一般的に熱効率を向上させるために内燃機関の圧縮比を上昇させる場合には、燃焼室の最大圧力Ｐｍａｘが大きくなる。このために、内燃機関を構成する部材の強度を大きくする必要がある。しかしながら、本実施の形態における内燃機関は、燃焼室の最大圧力が大きくなることを回避できて、構成部材が大型になることを回避できる。たとえば、コネクティングロッドの径が大きくなることを回避できる。また、構成部材同士の摩擦が大きくなることを回避できて、燃料消費率の悪化を抑制することができる。
さらに、燃焼室の最大圧力が高い場合においては、燃焼室の径を大きくすることが困難であるという問題がある。燃焼室の径が大きくなると、それに伴ってピストンの支持部分等の構成部材の強度を大きくする必要が生じる。しかしながら、本実施の形態においては、燃焼室の最大圧力を低く維持できるために、構成部材の要求強度を低く抑えることができる。このため、燃焼室の径を容易に大きくすることができる。
次に、本実施の形態の内燃機関の燃焼圧力制御装置における制御圧力について説明する。
図６は、比較例における内燃機関の負荷と、燃焼室における最大圧力との関係を示すグラフである。内燃機関の負荷は、燃焼室における燃料の噴射量に対応する。異常燃焼が発生しない場合には、破線で示したように、負荷が増加するに従って燃焼室の最大圧力が増加する。所定の負荷よりも大きくなると異常燃焼が発生する。異常燃焼が発生するときの燃焼室の最大圧力は、負荷に依らずにほぼ一定であることが分かる。
本実施の形態の内燃機関においては、燃焼室の圧力が異常燃焼を発生する圧力に到達しないように制御圧力を設けている。制御圧力としては、燃料が燃焼したときの燃焼室の最大圧力が異常燃焼の発生圧力よりも小さくなる範囲のうち、大きな圧力であることが好ましい。制御圧力を異常燃焼が発生する圧力の近傍まで高くすることが好ましい。この構成により、異常燃焼を抑制しながら熱効率を大きくすることができる。
図７に、本実施の形態における内燃機関の燃焼室の圧力の他のグラフを示す。図２および図７を参照して、本実施の形態の内燃機関は、燃焼室の圧力が制御圧力に到達することにより、覆い部材６２がピストン本体６１に対して移動する。このときに、流体封入部材６３の内部の圧力が上昇する場合がある。このため、燃焼室５内の圧力が、流体封入部材６３の内部の圧力上昇に伴って上昇する場合がある。燃焼室５の圧力のグラフは、上側に凸の形状になる。したがって、制御圧力を設定する場合には、燃焼室５の圧力が異常燃焼の発生圧力に到達しないように、流体封入部材６３の内部の圧力の上昇分を見込んで低く設定することが好ましい。
次に、本実施の形態の内燃機関の点火時期について説明する。
図８に、本実施の形態および比較例における燃焼室の圧力のグラフを示す。実線は、本実施の形態の内燃機関において出力トルクが最大になる時期に点火したときのグラフを示す。一点鎖線は、比較例の内燃機関において点火時期を遅角させた場合のグラフを示す。
本実施の形態における内燃機関は、前述したように、内燃機関の熱効率が最大となる点火時期θｍａｘを選定することが好ましい。しかしながら、この点火時期での燃焼室の圧力は高くなる。たとえば、本実施の形態の点火時期における燃焼室の圧力は、比較例の点火時期における燃焼室の圧力よりも大きくなる。このために、内燃機関によっては、火花が飛ばせずに失火してしまう場合がある。特に、本実施の形態の内燃機関では、クランク角度が０°（ＴＤＣ）の近傍において点火を行なっている。クランク角度が０°の近傍では、燃焼室の圧力が高いために火花が飛びにくい状態になっている。すなわち、空気密度が高いために放電が生じにくい状態になっている。
図１を参照して、燃焼室５において失火すると、未燃燃料が機関排気通路を通って排気浄化装置に流入する。本実施の形態においては、未燃燃料が排気ポート９を通って三元触媒２０に流入する。この場合には、三元触媒２０に流入する未燃燃料が多くなり、大気中に放出される排気ガスの性状が悪化する場合がある。または、三元触媒２０において、未燃燃料が燃焼して三元触媒２０が過温になる場合がある。
図８を参照して、このような失火する虞のある内燃機関では、点火時期を進角させることができる。すなわち、点火時期を早くすることができる。たとえば、点火時期を出力トルクが最大になる点火時期よりも更に進角させることができる。点火時期を早くすることにより、燃焼室の圧力が低い時に点火することができて失火を抑制することができる。
図１および図２を参照して、本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、ピストンに流体ばねが配置されている。この構成により、燃焼室の周りに流体ばねを配置するときに、燃焼室に対向する流体ばねの面積を大きくすることができる。流体ばねが縮んで燃焼室の容積が変化するときの変化量を大きくすることができる。たとえば、流体ばねを、燃焼室の頂面に配置する場合には、燃焼室の頂面に吸気弁や点火装置等が配置されているために、燃焼室に対向する面積が小さくなってしまう。これに対して、本実施の形態においては、燃焼室に対向する面積を大きくすることができるために、燃焼室の容積の変化量を大きくすることができる。または、流体ばねの移動量を小さくすることができて、応答性に優れた燃焼圧力制御装置を提供することができる。
本実施の形態における第１のピストンの流体封入部材６３は、側面となる部分に変形部としての蛇腹部６３ａが形成されている。この構成により、流体封入部材６３が変形するときに、蛇腹部６３ａを優先的に変形させることができる。蛇腹部６３ａ以外の部分が変形して、劣化したり破損したりすることを抑制できる。変形部としては、蛇腹状に限られず、他の部分に比べて容易に変形する形状を採用することができる。または、変形部は、他の部分に比べて容易に変形する材質にて形成することができる。
本実施の形態における第１のピストンは、流体封入部材６３を覆うように形成されている覆い部材６２を含む。この構成を採用することにより、燃焼室５の圧力が流体封入部材６３の側方から（流体封入部材の径方向から）印加されることを抑制できる。流体封入部材６３が側方から圧縮されて変形することを抑制できる。また、覆い部材６２を採用することにより、燃焼室５の燃焼ガスが流体封入部材６３に直接的に接触することを回避できる。燃焼室５の燃焼ガスの熱が流体封入部材６３の内部の流体に伝達されることを抑制できる。流体封入部材６３の内部の流体温度が上昇して、制御圧力が変化することを抑制できる。
図９に、本実施の形態における第２のピストンの破断斜視図を示す。本実施の形態における第２のピストン３は、流体封入部材６３と燃焼室５との間に配置されている断熱部材６４を含む。第２のピストンにおいては、流体封入部材６３と覆い部材６２の天板６２ａとの間に断熱部材６４が配置されている。覆い部材６２は、流体封入部材６３および断熱部材６４を覆うように形成されている。覆い部材６２は、断熱部材６４を介して流体封入部材６３を押圧する。断熱部材６４は、円板状に形成されている。本実施の形態における断熱部材６４は、内部が空洞になるように形成されている。内部の空洞には、空気が封入されている。
流体封入部材６３と燃焼室５との間に断熱部材６４を配置することにより、燃焼室５の高温の燃焼ガスの熱が流体封入部材６３に伝達されることを抑制できる。燃焼室５の燃焼ガスの熱により、流体封入部材６３の内部の流体の温度が上昇することを抑制できる。覆い部材６２が移動し始める制御圧力が上昇することを抑制できる。
本実施の形態における断熱部材６４は、内部に空洞が形成され、空洞に空気が充填されている。断熱部材の内部に空気のような熱伝導率の低い物質を配置することにより、優れた断熱性能を発揮することができる。断熱部材６４の内部に充填する物質としては、空気の他に、熱伝導率の小さな気体が封入されていても構わない。または、断熱部材の空洞に、大気圧よりも低い圧力の気体を充填したり、または、空洞を真空にしたりすることができる。または、空洞に液体が充填されていても構わない。または、断熱部材６４は、セラミック部材や発泡材等の熱伝導率の小さな物質を含んでいても構わない。
本実施の形態においては、覆い部材６２の内部に断熱部材６４が配置されているが、この形態に限られず、断熱部材６４は、流体ばねと燃焼室との間に配置することができる。例えば、断熱部材６４は、覆い部材６２の天板６２ａの外側の表面に固定されていても構わない。
図１０に、本実施の形態における第３のピストンの破断斜視図を示す。本実施の形態における第３のピストン３は、流体封入部材６３の内部に連通している補助シリンダ６５を備える。流体ばねは、流体封入部材６３および補助シリンダ６５を含む。本実施の形態における補助シリンダ６５は、円環状に形成されている。流体封入部材６３の内部には、オイル９１が封入されている。補助シリンダ６５は、連通路を介して流体封入部材６３の内部に連通している。補助シリンダ６５は、容器６６と、容器６６の内部に配置されている移動部材６７を有する。移動部材６７は、オイル９１の漏れを防止しながら、矢印２０１に示す方向に移動可能に形成されている。
移動部材６７は、容器６６の内部を２つの空間に分割している。一方の空間には、オイル９１が充填されている。他方の空間には、流体封入部材６８が配置されている。流体封入部材６８は、円環状に形成されている。流体封入部材６８の側面は、蛇腹状に形成されている。流体封入部材６８は、伸縮可能に形成されている。流体封入部材６８は、燃焼室の圧力が制御圧力に到達したときに縮み始めるように、加圧された流体が封入されている。本実施の形態においては、空気が封入されている。
第３のピストンにおいては、燃焼室５の圧力が制御圧力に到達したときに、移動部材６７が油圧により押圧されて流体封入部材６８が縮む。オイル９１が流体封入部材６３から補助シリンダ６５に流入する。覆い部材６２がピストン本体６１に対して移動するために、燃焼室５の圧力上昇を抑制することができる。このように、流体ばねが油圧シリンダを含んでいても構わない。
図１１に、本実施の形態における第４のピストンの破断斜視図を示す。第４のピストン３における流体ばねは、流体封入部材６３と流体封入部材６９とを含む。流体封入部材６９は、蛇腹部６９ａを有し、伸縮可能に形成されている。流体封入部材６３の内部および流体封入部材６９の内部には、加圧された気体が封入されている。
覆い部材６２は、天板６２ａに接続されている連結部６２ｃを有する。連結部６２ｃは、例えば棒状に形成されている。連結部６２ｃは、流体封入部材６９を貫通している。覆い部材６２は、連結部６２ｃに接続されている隔壁部６２ｄを有する。本実施の形態における隔壁部６２ｄは、円板状に形成されている。隔壁部６２ｄの面積が最大となる面積最大面は、天板６２ａの表面とほぼ平行になるように配置されている。隔壁部６２ｄは、流体封入部材６３と流体封入部材６９との間に配置されている。第４のピストンのピストン本体６１は、収納室６１ｄを有する。収納室６１ｄには、流体封入部材６３、覆い部材６２の隔壁部６２ｄ、および流体封入部材６９が、この順に積層されている。
本実施の形態の第４のピストンにおいては、流体封入部材６３の内部の流体の温度が上昇したときには、流体封入部材６９の内部の流体の温度も上昇する。このため、流体封入部材６３の内部の温度変化に起因して、流体封入部材６３が縮み始めるときの制御圧力が変化してしまうことを抑制することができる。
第４のピストンにおいては、２つの流体封入部材を備える。このように、流体ばねは、２つ以上の流体封入部材を含んでいても構わない。複数の流体封入部材を配置する場合には、たとえば、流体封入部材６３の体積と流体封入部材６９の体積とが異なるように形成することができる。すなわち、複数の流体封入部材に関する体積割合を変更することができる。また、それぞれの流体封入部材に封入する流体の種類が互いに異なっていても構わない。
図１２に、本実施の形態における第５のピストンの破断斜視図を示す。前述のピストンにおいては、流体封入部材が覆い部材に覆われていた。本実施の形態の第５のピストンは、流体ばねの一部が燃焼室に露出するように形成されている。第５のピストン３のピストン本体７１は、ピストンピン８１が挿入される穴部７１ａを有する。ピストン本体７１は、ピストンリングまたはオイルリングが配置される溝部７１ｄを有する。
ピストン本体７１は、燃焼室に接触する部分に形成されている凹部７１ｂを有する。流体ばねを構成する流体封入部材６３は、凹部７１ｂに配置されている。ピストン本体７１は、上部が開口している。ピストン本体７１は、上端部において外周から中央に向かって張り出す張出し部７１ｃを有する。張出し部７１ｃは、流体封入部材６３が凹部７１ｂから飛び出すことを防止している。張出し部７１ｃは、流体封入部材６３が伸びる動作を予め定められた位置で停止させる係止部として機能する。流体封入部材６３は、頂面部６３ｂを有する。頂面部６３ｂの一部分が燃焼室５に露出している。流体封入部材６３の内部には、制御圧力に対応する封入圧力で気体が封入されている。
第５のピストンの流体封入部材６３は、矢印２０２に示す方向に伸縮する。第５のピストンの流体封入部材６３は、燃焼ガスに接触する。第５のピストンの流体封入部材６３は、例えば、チタンやインコネル（登録商標）６５０などの耐熱性を有する材料により形成することができる。
本実施の形態の第５のピストンにおいては、燃焼室５の圧力が直接的に流体封入部材６３に伝達される。燃焼室５の圧力が制御圧力まで到達すると、流体封入部材６３が縮む。第５のピストンにおいても、燃焼室５の圧力が制御圧力以上になることを抑制できる。また、燃焼室５の圧力が異常燃焼の発生圧力に到達することを抑制できる。
第５のピストンの流体封入部材６３は、燃焼室５に接触する頂面部６３ｂが変形しないように形成されていることが好ましい。例えば、頂面部６３ｂは、板厚を十分に厚く作ったり、硬質の材質で形成したりすることが好ましい。この構成により、燃焼室５の壁面が凹凸になるのを抑制することができる。燃焼室５において、表面積（Ｓ）の容積（Ｖ）に対する比（Ｓ／Ｖ）が大きくなることを抑制できる。すなわち、Ｓ／Ｖ比の悪化を防止することができる。Ｓ／Ｖ比を小さく維持することができて、熱エネルギーの損失を小さくすることができる。
または、ピストン本体７１の凹部７１ｂの壁面と、流体封入部材６３との間の隙間の容積（クレビス容積）が大きくなることを抑制できる。凹部７１ｂの壁面と、流体封入部材６３との間の隙間が大きくなると、未燃燃料がこの隙間に侵入して燃焼せずに蓄積する場合がある。クレビス容積が大きくなることを抑制することにより、未燃燃料の蓄積を抑制することができる。
流体封入部材６３は、頂面部６３ｂおよび底面部６３ｄの剛性を、側面部の剛性よりも大きくすることが好ましい。この構成により、側面部を優先的に変形させることができる。頂面部６３ｂおよび底面部６３ｄが変形して破損することを抑制できる。本実施の形態においては、側面部に蛇腹部６３ａが形成されている。
図１３に、本実施の形態における第６のピストンの破断斜視図を示す。第６のピストン３においては、流体封入部材６３の内部に支持部材７２，７３が配置されている。支持部材７２は側壁部７２ａを有する。支持部材７３は側壁部７３ａを有する。支持部材７２，７３は、側壁部７２ａ，７３ａ同士が互いに対向するように配置されている。
支持部材７２は、流体封入部材６３の頂面部６３ｂに固定されている。支持部材７３は、流体封入部材６３の底面部６３ｄに固定されている。それぞれの支持部材７２，７３は、流体封入部材６３の内部の形状に沿って形成されている。側壁部７２ａおよび側壁部７３ａは、互いに嵌合するように形成されている。側壁部７２ａおよび側壁部７３ａは、互いに摺動可能に形成されている。流体封入部材６３の内部には、オイル９１が配置されている。このように、ガスばねの内部に、ガスばねの伸縮方向に摺動する支持部材が配置されている。
燃焼室５の圧力が上昇して、流体封入部材６３が縮んだときに、蛇腹部６３ａと凹部７１ｂの壁面との間に燃焼ガスが侵入する場合がある。矢印２０９に示すように、蛇腹部６３ａに対して中央に向かう力が印加される。この結果、流体封入部材６３が中央に向かって変形してしまう場合がある。本実施の形態の第６のピストンにおいては、支持部材７２，７３の側壁部７２ａ，７３ａは、流体封入部材６３の蛇腹部６３ａを内側から支持する。支持部材７２，７３は、流体封入部材６３の変形を抑制することができる。更に、支持部材７２，７３のそれぞれを、頂面部６３ｂおよび底面部６３ｄに固定することにより、流体封入部材６３が伸縮する時に、頂面部６３ｂおよび底面部６３ｄが変形することを抑制できる。
オイル９１は、ピストン３の往復運動に伴って流体封入部材６３の内部で飛散する。オイル９１は、支持部材７２と支持部材７３との摺動する部分に供給される。流体封入部材６３の内部にオイル９１を配置することにより、支持部材７２，７３を滑らかに摺動させることができる。または、摺動により支持部材７２と支持部材７３とが焼き付いてしまうことを抑制できる。なお、第６のピストンにおいては、流体封入部材６３が完全に密閉されているためにオイルの充填を行なわずに継続して使用することができる。
図１４に、本実施の形態における第７のピストンの破断斜視図を示す。第７のピストンにおける流体封入部材６３は、燃焼室５に向かう頂面部６３ｂが曲面状に形成されている。頂面部６３ｂは、中央部分が凹むように形成されている。本実施の形態における第７のピストンにおいては、頂面部６３ｂが球面状に形成されている。流体封入部材６３は、矢印２０２に示す方向に伸縮する。
流体封入部材６３の頂面部６３ｂを中央部分が凹むように曲面状に形成することにより、燃焼室５おけるＳ／Ｖ比を小さくすることができる。すなわち、表面の容積に対する比を小さくすることができて、熱損失を小さくすることができる。さらに、頂面部６３ｂは、球面状に形成することが好ましい。この構成により、Ｓ／Ｖ比をより小さくすることができる。
図１５に、本実施の形態における第８のピストンの破断斜視図を示す。第８のピストンの流体封入部材６３は、平面形状が円環状に形成されている。すなわち、流体封入部材６３は、平面視したときにドーナッツの形状を有する。流体封入部材６３は、頂面部６３ｂが曲面状に形成されている。流体封入部材６３は、外側の端部に形成されている蛇腹部６３ａと、内側の端部に形成されている蛇腹部６３ｃとを有する。ピストン本体７１は、内側の蛇腹部６３ｃに対応するように形成されている張出し部７１ｃを有する。
流体封入部材の一部を燃焼室５に対して露出させるピストンにおいては、流体封入部材６３が縮んだときに、頂面部６３ｂの中央部分が底面部６３ｄに接触する場合がある。特に、頂面部６３ｂを曲面状に形成した流体封入部材６３においては、頂面部６３ｂの最も凹んだ部分が底面部６３ｄに接触する場合がある。このため、頂面部６３ｂや底面部６３ｄが劣化したり破損したりする場合がある。流体封入部材６３を円環状に形成して、内側の端部に変形部としての蛇腹部６３ｃを形成することにより、頂面部６３ｂが底面部６３ｄに接触することを抑制できる。このため、流体封入部材６３の劣化や破損を抑制することができる。
図１６に、本実施の形態の第８のピストンにおける流体封入部材の外側の蛇腹部および内側の蛇腹部の拡大概略断面図を示す。流体封入部材６３を円環状に形成する場合には、内側の蛇腹部６３ｃのばね定数は、外側の蛇腹部６３ａのばね定数よりも小さいことが好ましい。内側の変形部が外側の変形部よりも小さな押圧力で変形することが好ましい。本実施の形態においては、内側の蛇腹部６３ｃと外側の蛇腹部６３ａとは、同じ材質で形成されている。内側の蛇腹部６３ｃの幅Ｗｉは、外側の蛇腹部６３ａの幅Ｗｏよりも大きくなるように形成されている。
図１７に、本実施の形態における第８のピストンの流体封入部材が縮んだときの模式断面図を示す。第８のピストンの流体封入部材６３が縮んだときの断面が実線で示されている。比較例の流体封入部材６３’が縮んだときの断面が破線で示されている。比較例の流体封入部材６３は、内側の蛇腹部６３ｃ’のばね定数と外側の蛇腹部６３ａ’のばね定数とがほぼ同じになっている。第８のピストンの流体封入部材６３と比較例の流体封入部材６３’とを比較したときに、第８のピストンの流体封入部材６３の頂面部６３ｂは、比較例の頂面部６３ｂ’よりも半球形状に近いことが分かる。
円環状の流体封入部材６３において、内側の蛇腹部６３ｃのばね定数を、外側の蛇腹部６３ａのばね定数よりも小さくすることにより、流体封入部材６３の内側の部分を外側の部分よりも大きく変形させることができる。流体封入部材６３が変形したときに、頂面部６３ｂを球形状に近づけることができる。この結果、燃焼室におけるＳ／Ｖ比を小さくすることができて熱損失を小さくすることができる。ばね定数は、形状を変更する他に、材質や厚さを変更することにより変化させることができる。
本実施の形態の第８のピストンにおいては、流体封入部材６３の伸びる動作が停止しているときに、頂面部６３ｂが曲面状になるように形成されているが、この形態に限られず、頂面部６３ｂを平面状に形成しても構わない。
図１８に、本実施の形態における第９のピストンの破断斜視図を示す。第９のピストンの流体封入部材６３は、平面形状が円環状に形成されている。頂面部６３ｂは、平面状に形成されている。また、流体封入部材６３が縮む前の内側の蛇腹部６３ｃの高さと外側の蛇腹部６３ａの高さとは、ほぼ同じになっている。シリンダ本体７１は、内側の蛇腹部６３ｃに対応して形成されている張出し部７１ｃを有する。第９のピストンにおいても、頂面部６３ｂが底面部６３ｄに接触することを抑制できる。
本実施の形態の第９のピストンにおいては、内側の蛇腹部６３ｃのばね定数を、外側の蛇腹部６３ａのばね定数よりも小さく形成している。このため、流体封入部材６３が縮んだときに、内側の蛇腹部６３ｃが外側の蛇腹部６３ａよりも大きく縮む。このため、流体封入部材６３が縮んだときに頂面部６３ｂの形状を球形状に近づけることができる。燃焼室におけるＳ／Ｖ比を小さくすることができる。
図１９に、本実施の形態における第１０のピストンの破断斜視図を示す。第１０のピストン３においては、流体封入部材６３と燃焼室５との間に、介在部材６４ａが配置されている。介在部材６４ａは、円板状に形成されている。介在部材６４ａは、ピストン本体７１の凹部７１ｂに配置されている。介在部材６４ａは、張出し部７１ｃに接触することよりピストン本体から飛び出さないように形成されている。本実施の形態における介在部材６４ａは、流体封入部材６３が伸縮している期間においても、変形しないような硬質な材質で形成されている。流体封入部材６３の表面に介在部材６４ａを配置することにより、流体封入部材６３の頂面部６３ｂの変形を抑制しながら、流体封入部材６３を伸縮させることができる。
本実施の形態の第１０のピストンにおける介在部材６４ａは、断熱部材として機能する。図１９に示す例においては、介在部材６４ａの内部に空洞が形成されており、空洞に空気が充填されている。本実施の形態における第２のピストンと同様に、流体封入部材６３と燃焼室５との間に断熱部材を配置することにより、流体封入部材６３の内部の流体の温度が上昇して、流体封止部材が縮み始める制御圧力が上昇することを抑制できる。
本実施の形態においては、制御圧力を異常燃焼が発生する圧力未満にしているが、この形態に限られず、制御圧力を異常燃焼が発生する圧力以上にしても構わない。たとえば、制御圧力を異常燃焼が発生する圧力に設定しても構わない。この構成により、異常燃焼が発生したときに異常燃焼の拡大を抑制することができる。
本実施の形態においては、流体封入部材に封入する流体として、気体を例に取り上げて説明をしているが、この形態に限られず、流体封入部材の内部に封入する流体は、液体を含んでいても構わない。例えば、流体封入部材の内部に封入する流体は、液体と気体との混合物であっても構わない。流体封入部材の内部には圧縮性の流体が含まれていれば構わない。
また、本実施の形態における流体ばねは、蛇腹部を有する流体封入部材を含むが、この形態に限られず、流体ばねは圧縮性流体を含み、所望の圧力にて伸縮可能に形成されていれば構わない。たとえば、流体ばねは、流体封入部材を有さずに、ピストン本体と覆い部材とにより形成される空間に気体が封入されていても構わない。
実施の形態２
図２０から図３７を参照して、実施の形態２における燃焼圧力制御装置について説明する。本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、ピストンに配置されている流体ばねの内部の圧力を調整するために、流体ばねの内部の流体温度を調整するばね温度調整装置を備える。
図２０に、本実施の形態における第１のピストンの破断斜視図を示す。本実施の形態におけるばね温度調整装置は、ピストン３の内部において流体ばねの周りに冷媒が流れる流路７５を含む。本実施の形態においては、冷媒として機関本体の潤滑油が用いられている。本実施の形態の第１のピストン３においては、ピストン本体６１に流路７５が形成されている。流路７５は、流体封入部材６３の底面部６３ｄに沿って形成されている。
本実施の形態におけるピストン本体６１は、外壁部６１ｅを有する。外壁部６１ｅは、流体封入部材６３の側面部を取り囲むように形成されている。外壁部６１ｅの内部には、流路７５が延びている。流路７５は、流体封入部材６３の側面に沿って形成されている。
流体封入部材６３と、覆い部材６２の天板６２ａとの間には、介在部材７４が配置されている。本実施の形態における介在部材７４は、円板状に形成されている。介在部材７４は、外壁部６１ｅの内面に嵌るように形成されている。介在部材７４は、流体封入部材６３を押圧できるように形成されている。覆い部材６２は介在部材７４を介して、流体封入部材６３を押圧する。
図２１に、本実施の形態における第１のピストンの概略断面図を示す。図２１は、図２０におけるＡ−Ａ線に関する断面図である。図２０および図２１を参照して、流路７５は、平面視したときの形状が円形になるように形成されている。流路７５は、入口部７５ａと出口部７５ｂと有する。入口部７５ａおよび出口部７５ｂは、ピストン本体６１の内側の空間から流路７５に向かう連通路を構成する。本実施の形態における入口部７５ａおよび出口部７５ｂは、ピストンピン８１を避けた位置に形成されている。入口部７５ａおよび出口部７５ｂは、流路７５の外周部に配置されている。
図２２に、本実施の形態における第１のピストンを備える機関本体の概略断面図を示す。本実施の形態におけるばね温度調整装置は、ピストン３に形成されている流路７５に冷媒を供給する冷媒供給装置を含む。冷媒供給装置は、ノズル７６を有する。図２１および図２２を参照して、ノズル７６は、ピストン３およびコネクティングロッド５１の動きを妨げる位置を避けて配置されている。ノズル７６は、ピストン３から離れて配置されている。ノズル７６の出口は、流路７５の入口部７５ａに向けられている。ノズル７６は、潤滑油９２を直線状に噴出できるように形成されている。潤滑油９２が噴出される方向は、ピストン３が往復運動する方向とほぼ平行になっている。潤滑油９２がピストン３の往復運動する方向とほぼ平行に噴出されることにより、ピストン３の往復運動を妨げずにピストン３に潤滑油９２を供給することができる。
図２０から図２２を参照して、ノズル７６から潤滑油９２が噴出されることにより、潤滑油９２は、矢印２０３に示すように入口部７５ａを通って流路７５に流入する。潤滑油９２は、矢印２０５に示すように流路７５を流れる。潤滑油９２は、矢印２０４に示すように、流路７５の出口部７５ｂから流出する。
図２３に、本実施の形態における内燃機関の潤滑油供給装置の系統図を示す。本実施の形態における内燃機関は、機関本体１に配置されている構成部品に潤滑油を供給する潤滑油供給装置を備える。本実施の形態においては、潤滑油供給装置の一部が、ピストンの内部に冷媒を供給する冷媒供給装置として機能する。
潤滑油供給装置は、貯留部材としてのオイルパン７７を備える。オイルパン７７には、潤滑油９２が貯留されている（図２２参照）。潤滑油供給装置は、オイルポンプ１５２を備える。オイルポンプ１５２が駆動することにより、機関本体１の構成部品に潤滑油が供給される。各構成部品の隙間から漏れ出る潤滑油は、重力の作用により、オイルパン７７に落下する。オイルポンプ１５２とオイルパン７７との間には、オイルストレーナ１５１が配置されている。オイルストレーナ１５１は、大きな異物を除去する。
オイルポンプ１５２の出口には、潤滑油をオイルパン７７に戻す戻り流路が接続されている。戻り流路には、リリーフバルブ１５３が配置されている。リリーフバルブ１５３は、オイルポンプ１５２の出口圧力が許容値を超えたときに、潤滑油をオイルパン７７に戻すように形成されている。
オイルポンプ１５２の出口は、オイルクーラ１５４およびオイルフィルタ１５５を介してメインオイルホール１５６に接続されている。オイルクーラ１５４は、潤滑油を冷却する。オイルフィルタ１５５は、潤滑油に含まれる異物を除去する。メインオイルホール１５６では、一時的に潤滑油が貯留される。メインオイルホール１５６に貯留される潤滑油は、分岐流路を通って、それぞれの構成部品に供給される。
本実施の形態における冷媒供給装置は、ピストン３の内部の流路７５を流れる潤滑油の流量を調整する冷媒流量調整器１５７を含む。冷媒流量調整器１５７は、例えば、流量調整弁を有する。また、冷媒流量調整器１５７は、ノズル７６から高圧の潤滑油を噴射するために、潤滑油の圧力を増大させる補助オイルポンプを含んでいても構わない。
本実施の形態における冷媒供給装置は、ピストンの内部を流れる潤滑油の温度を調整する冷媒温度調整器１５８を備える。冷媒温度調整器１５８は、例えば、冷却器および加熱器のうち少なくとも一方を含む。冷媒温度調整器１５８により、冷媒としての潤滑油の温度を調整することができる。
冷媒流量調整器１５７および冷媒温度調整器１５８のそれぞれは、電子制御ユニット３１により制御されている。冷媒流量調整器１５７および冷媒温度調整器１５８は、いずれが上流側に配置されていても構わない。冷媒供給装置は、冷媒流量調整器１５７および冷媒温度調整器１５８のうち、少なくとも一方を備えていれば構わない。冷媒温度調整器１５８の出口は、ノズル７６に接続されている。ノズル７６から噴射された潤滑油は、ピストン３の入口部７５ａに流入する。潤滑油がピストン３の内部を通ることにより、流体封入部材６３の周りの部材の温度を変化させることができる。この結果、流体封入部材６３の内部の温度を調整することができる。潤滑油は、ピストン３の内部を通って、出口部７５ｂから流出する。ピストン３から流出した潤滑油は、オイルパン７７に戻される。
本実施の形態における冷媒供給装置は、潤滑油供給装置に含まれているが、この形態に限られず、機関本体に潤滑油を供給する潤滑油供給装置とは別に、ピストンに冷媒を供給する冷媒供給装置が配置されていても構わない。
図２４に、本実施の形態におけるピストンの流体ばねの内部の圧力を検出する圧力検出装置の模式図を示す。本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、流体ばねの内部の圧力を検出できるように形成されている。圧力検出装置は、流体封入部材６３に配置されている圧力センサ１４１を備える。圧力検出装置は、ピストン３の内部に配置されている増幅発振機１４４を備える。増幅発振機１４４は、圧力センサ１４１に接続されている。増幅発振機１４４は、圧力センサ１４１の信号を増幅するとともに、アンテナ１４５を介して圧力信号を含む電波を発振する。
増幅発振機１４４には、電気を供給するための蓄電器１４３および発電機１４２が接続されている。蓄電器１４３は、電気を溜めることができるように形成されている。蓄電器１４３は、例えば、充電および放電が可能なキャパシタを含む。発電機１４２は、例えば、ピストン３の運動を利用して発電できるように形成されている。発電機１４２は、例えば、コイルとコイルの内部を自在に往復運動する磁石と含む。この発電機１４２は、ピストン３の往復運動に伴って、コイルの内部を磁石が往復運動することにより発電が行なわれる。
圧力検出装置は、シリンダブロック２に固定されている受信機１４７を含む。受信機１４７は、アンテナ１４６を含む。受信機１４７は、ピストン３およびコネクティングロッド５１の動作を妨害しない位置に配置されている。受信機１４７は、たとえば、クランクケース７９に配置されている。受信機１４７は、電子制御ユニット３１に接続されている。
流体封入部材６３の内部の圧力は、圧力センサ１４１にて検出される。圧力信号は、増幅発振機１４４にて増幅された後に、アンテナ１４５から発振される。受信機１４７のアンテナ１４６にて、圧力信号を受信する。受信機１４７が受信した圧力信号は、電子制御ユニット３１に入力される。このように、本実施の形態においては、運転中の流体封入部材６３の内部の圧力を検出できる。
本実施の形態の内燃機関は、圧力検出装置により流体ばねの内部の流体の圧力を検出し、ばね温度調整装置により流体ばねの内部の圧力を調整することができる。たとえば、流体ばねの内部の圧力が所望の範囲から逸脱している場合に、流体ばねの内部の圧力を所望の範囲内の圧力に戻すことができる。
図２０から図２３を参照して、例えば、流体封入部材６３の内部の圧力が上昇して、制御圧力が所望の範囲よりも高くなった場合においては、ノズル７６から供給する潤滑油の流量を増加させることにより、流路７５の周りの除熱を促進することができる。流路７５に供給する潤滑油の流量を増加することにより、流体封入部材６３の周りが冷却され、流体封入部材６３の内部の流体の温度が低下する。この結果、流体封入部材６３の内部の圧力を下げることができる。図２３を参照して、ピストン３に供給する潤滑油の流量は、冷媒流量調整器１５７により調整することができる。
または、流体封入部材６３の内部の圧力が所望の範囲よりも高くなった場合においては、ピストン３に供給する潤滑油の温度を下げる制御を行なうことができる。流路７５に供給する潤滑油の温度を下げることにより、流体封入部材６３の周りが冷却され、流体封入部材６３の内部の流体温度が低下する。この結果、流体封入部材６３の内部の圧力を下げることができる。図２３を参照して、潤滑油の温度は、冷媒温度調整器１５８により調整することができる。
流体封入部材６３の内部の圧力が所望の範囲未満になった場合には、流体封入部材６３の内部の流体の温度を上昇させる制御を行なうことができる。この場合には、流路７５に供給する潤滑油の流量を小さくすることにより、流体封入部材６３の内部の圧力を上昇させることができる。または、流路７５に供給する潤滑油の温度を上昇させることにより、流体封入部材６３の内部の圧力を上昇させることができる。
このように、本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、流体ばねの内部に配置されている圧縮性流体の温度を調整することにより、流体ばねの内部の圧力を調整することができる。すなわち、制御圧力を調整することができる。または、燃焼室の最大圧力を調整することができる。例えば、運転状態に関わらずに制御圧力がほぼ一定で運転を行なう内燃機関の場合に、予め定められた圧力範囲内から制御圧力が逸脱したときには、ばね温度調整装置により流体ばねの内部の温度を調整して、制御圧力を予め定められた圧力の範囲内に戻すことができる。
本実施の形態における第１のピストンを備える燃焼圧力制御装置においては、ピストンに供給する冷媒の流量または冷媒の温度を変化させる冷媒供給装置により、流体ばねの内部の流体の圧力を調整しているが、この形態に限られず、ばね温度調整装置は、流体ばねの内部に充填されている流体の温度を調整できるように形成されていれば構わない。たとえば、ばね温度調整装置は、流体封入部材に空気を吹き付けて、流体封入部材を冷却する装置を含んでいても構わない。
ところで、本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出装置を備える。本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、検出した内燃機関の運転状態に基づいて制御圧力を変更できるように形成されている。任意の時刻における運転状態に基づいて、流体封入部材６３内部の圧力を変更する。この場合には、ばね温度調整装置により、流体封入部材６３内部の圧力を調整することができる。
ここで、制御圧力を変更するための内燃機関の運転状態について、機関回転数を例に取り上げて説明する。図１を参照して、運転状態検出装置は、機関回転数を検出するためのクランク角センサ４２を含む。
図２５に、比較例の内燃機関の回転数と、ノッキング余裕点火時期との関係を説明するグラフを示す。比較例の内燃機関は、ピストンに流体ばねを有していない内燃機関である。ノッキング余裕点火時期は、以下の式で表すことができる。
（ノッキング余裕点火時期）＝（ノッキングが発生する点火時期）−（出力トルクが最大になる点火時期）
ノッキング余裕点火時期は、その値が小さいほど異常燃焼が発生し易くなる。それぞれの内燃機関の回転数により、ノッキングの発生しやすさが異なる。このため、本実施の形態の燃焼圧力制御装置においては、内燃機関の回転数に基づいて制御圧力を変更する。内燃機関は、概して、内燃機関の回転数が高くなると燃焼期間が短くなるために、異常燃焼が発生しにくくなる。
図２６に、本実施の形態における燃焼圧力制御装置の内燃機関の回転数に対する制御圧力のグラフを示す。内燃機関の回転数が高くなるほど制御圧力を高く設定している。図１を参照して、本実施の形態においては、内燃機関の回転数を関数にした制御圧力の値を、予め電子制御ユニット３１のＲＯＭ３４に記憶させておく。電子制御ユニット３１は、クランク角センサ４２により内燃機関の回転数を検出し、回転数に応じた制御圧力を選定する。電子制御ユニット３１は、流体封入部材６３内部の圧力が、選定された制御圧力に対応する封入圧力になるようにばね温度調整装置を制御する。
また、本実施の形態における運転状態検出装置は、燃焼室に供給される燃料の性状を検出する燃料性状検出装置を備える。検出した燃料の性状に基づいて、制御圧力を変更する。内燃機関の燃料にアルコールが含まれる場合がある。本実施の形態においては、燃料の性状としてアルコール濃度を検出する内燃機関を例に取り上げて説明する。この内燃機関の運転時の特性は、アルコール濃度に依存する。
図２７に、比較例の内燃機関における燃料に含まれるアルコール濃度と、遅角補正量との関係を説明するグラフを示す。比較例の内燃機関は、異常燃焼が生じる場合に点火時期を遅角させている。図２７の横軸は、燃料に含まれるアルコール濃度を示し、縦軸は、異常燃焼が生じないように点火時期を遅角させるときの遅角補正量を示す。燃料に含まれるアルコール濃度が高くなるほど、遅角補正量が小さくなっている。このように、内燃機関は、アルコール濃度が高くなるほど異常燃焼が発生しにくくなる。このため、本実施の形態における燃焼圧力制御装置においては、燃料に含まれるアルコール濃度に基づいて制御圧力を変更する。
図２８に、本実施の形態における燃焼圧力制御装置のアルコール濃度に対する制御圧力のグラフを示す。アルコール濃度が高くなるほど、制御圧力を高く設定している。本実施の形態における燃料性状検出装置は、燃料に含まれるアルコール濃度を検出するアルコール濃度センサを含む。図１を参照して、本実施の形態における内燃機関は、燃料供給流路に燃料性状センサ１７７としてアルコール濃度センサが配置されている。アルコール濃度を関数にした制御圧力の値を、予め電子制御ユニット３１のＲＯＭ３４に記憶させておく。電子制御ユニット３１は、燃料に含まれるアルコール濃度を検出し、アルコール濃度に応じた制御圧力を選定する。電子制御ユニット３１は、流体封入部材６３内部の圧力が、選定された制御圧力に対応する封入圧力になるようにばね温度調整装置を制御する。
内燃機関の運転状態としては、内燃機関の回転数および燃焼室に供給される燃料の性状の他に、吸気温度、内燃機関の冷却水温度、点火する直前における燃焼室の温度等を例示することができる。これらの温度が低いほど、制御圧力を高く設定することができる。たとえば、内燃機関は、点火する時の混合気の温度が低いほど異常燃焼が生じにくい。更に、内燃機関の圧縮比が可変の場合には、圧縮比が低いほど点火する時の温度が低くなる。このため、圧縮比が低いほど、制御圧力を高くすることができる。
また、内燃機関は、新たに吸入する空気または再循環ガス等の作動ガスが燃料に対して多くなるほど、異常燃焼が生じにくい。このため、内燃機関の運転状態としては、吸気空気量、再循環ガス流量、燃焼時の空燃比を例示することができる。作動ガスが燃料に対して多くなるほど、制御圧力を高くすることができる。
また、燃料の性状としては、アルコール濃度の他に、ガソリンのオクタン価等の耐ノッキング性を示す指標を例示することができる。たとえば、オクタン価が高い燃料等の異常燃焼が生じにくい燃料が燃焼室に供給されたことを検出して、制御圧力を高くすることができる。
このように、内燃機関の運転状態に応じて制御圧力を変更することにより、異常燃焼の発生を抑制しながら、燃焼室の最大圧力を大きくすることができる。運転状態に応じて異常燃焼の発生を抑制しながら、出力トルクを大きくしたり、燃料消費量を抑制したりすることができる。
流体封入部材の内部の圧力を検出する圧力検出装置は、圧力センサに限られず、任意の装置により、流体封入部材の内部の圧力を検出することができる。例えば、圧力センサの代わりに、温度センサを取り付けることができる。流体封入部材の内部の温度を検出することにより、流体封入部材の内部の圧力を推定しても構わない。または、運転状態や運転時に検出される検出値等により、流体封入部材の内部の圧力を推定しても構わない。
図２９に、本実施の形態における第１のピストンを備える他の機関本体の概略断面図を示す。本実施の形態における他の機関本体のばね温度調整装置は、冷媒供給装置を含み、冷媒供給装置は、気体と液体との混合物をピストンに供給するように形成されている。
本実施の形態における他の機関本体の冷媒供給装置は、液体としての潤滑油を供給するオイル用ノズル７６ａと、空気を供給する空気用ノズル７６ｂとを含む。オイル用ノズル７６ａの噴出口と、空気用ノズル７６ｂの噴出口とは、互いに隣接して配置されている。オイル用ノズル７６ａは、潤滑油を供給する装置に接続されている。空気用ノズル７６ｂは、たとえば、圧縮機に接続され、圧縮空気を噴出することができるように形成されている。本実施の形態においては、潤滑油を供給する装置と空気を供給する装置とを、独立して制御できるように形成されている。オイル用ノズル７６ａから潤滑油を噴出し、空気用ノズル７６ｂから空気を噴出することにより、ピストン３の内部の流路７５に、冷媒として液体と気体との混合物を供給することができる。
気体と液体の混合物を含む冷媒を供給する冷媒供給装置の場合には、気体と液体との割合を変更することにより、流体封入部材６３の温度を変化させることができる。液体の熱容量は、概して気体の熱容量よりも大きいために、例えば、気体に対する液体の割合を大きくすることにより、冷却能力を高くすることができる。この結果、流体封入部材６３の内部の圧力を下げることができる。または、連続的に冷媒を供給し、流体封入部材６３の内部の流体温度がほぼ一定になっているときに、気体の割合を増加させることにより、流体封入部材６３の内部の圧力を上昇させることができる。このように、気体と液体との割合を変更することにより、流体封入部材６３内部の圧力を調整することができる。
本実施の形態の第１のピストンにおいては、入口部および出口部がそれぞれ１個ずつ形成されているが、この形態に限られず、入口部および出口部が複数形成されていても構わない。また、冷媒として液体および気体を供給する場合には、液体の入口部および気体の入口部が形成されていても構わない。
上記の冷媒供給装置は、ピストンから離れたノズルから潤滑油を噴出することにより、ピストンの内部に潤滑油を供給しているが、この形態に限られず、冷媒供給装置は、ピストンの内部に冷媒を供給する任意の構成を採用することができる。
図３０に、本実施の形態における第２のピストンの概略断面図を示す。図３０は、ピストンピンが挿入されている方向に、ピストンを切断したときの概略断面図である。本実施の形態における第２のピストン３に冷媒を供給する冷媒供給装置は、クランクシャフトの内部の流路およびコネクティングロッドの内部の流路を通って、冷媒をピストンに供給する。
ピストン本体６１は、内部に冷媒を流すための流路７５を有する。ピストン本体６１は、流路７５の入口部７５ａに接続されている流路８２ａを有する。流路８２ａは、ピストン本体６１の内部を通って、ピストン本体６１とコネクティングロッド５１との接触部分まで延びている。また、ピストン本体６１は、流路７５の出口部７５ｂに接続されている流路８２ｂを有する。流路８２ｂは、ピストン本体６１の内部を通って、ピストン本体６１とコネクティングロッド５１との接触部分まで延びている。
コネクティングロッド５１の内部には、冷媒としての潤滑油を供給するための流路８３ａが形成されている。流路８３ａは、ピストン本体６１とコネクティングロッド５１との接触部分において、ピストン本体６１の流路８２ａに連通している。また、コネクティングロッド５１の内部には、潤滑油を戻すための流路８３ｂが形成されている。流路８３ｂは、ピストン本体６１とコネクティングロッド５１との接触部分において、ピストン本体６１の流路８２ｂに連通している。流路８３ｂは、例えばクランクケース７９に潤滑油を放出するように形成されている。流路８３ｂは、オイルパン７７に潤滑油を戻すように形成されている。
図３１に、本実施の形態における第２のピストンを備える内燃機関の潤滑油供給装置の系統図を示す。オイルパン７７に貯留する潤滑油は、オイルポンプ１５２が駆動することにより、メインオイルホール１５６に供給される。潤滑油は冷媒流量調整器１５７および冷媒温度調整器１５８を通って、クランクシャフト７８に供給される。たとえば、潤滑油は、クランクシャフトベアリングからクランクシャフト７８の内部の流路に供給される。クランクシャフト７８の内部を通る潤滑油は、クランクシャフト７８とコネクティングロッド５１との接続部分を介して、コネクティングロッド５１の内部の流路８３ａに供給される。
図３０および図３１を参照して、コネクティングロッド５１の流路８３ａを流れる潤滑油は、ピストン本体６１に形成されている流路８２ａに流入する。流路８２ａに流入した潤滑油は、矢印２０３に示すように、流路７５に流入する。潤滑油が流路７５を通ることにより、流体封入部材６３の周りの部材の温度を変化させることができる。この結果、流体封入部材６３の内部の温度を調整することができる。流路７５から流出する潤滑油は、矢印２０４に示すように、ピストン本体６１に形成されている流路８２ｂを通る。この後に、潤滑油は、コネクティングロッド５１に形成されている流路８３ｂを通ってオイルパンに戻される。
このように、冷媒供給装置は、コネクティングロッド等の構成部品の内部を通ってピストンの内部に冷媒を供給するように形成することができる。また、本実施の形態においては、冷媒として機関本体の潤滑油を採用しているが、この形態に限られず、任意の流体を冷媒として採用することができる。例えば、冷媒としては、機関本体の潤滑油以外の油、水、空気、機関冷却水などを用いても構わない。または、気化潜熱の大きなアルコール水やガソリン類を用いても構わない。
図３０を参照して、冷媒として機関本体の潤滑油以外の流体を用いる場合には、コネクティングロッド５１の内部に、冷媒を供給する流路８３ａおよび戻りの流路８３ｂを形成して、冷媒を回収することが好ましい。戻りの流路８３ｂは、クランクシャフト７８等を通って冷媒の回収装置に接続されていることが好ましい。すなわち、機関本体の構成部品の内部に形成されている流路を通ってピストンに冷媒を供給し、機関本体の構成部品の内部に形成されている戻りの流路を通って冷媒を回収することが好ましい。
図３２に、本実施の形態における第３のピストンの概略断面図を示す。図３２は、ピストンピンの延びる方向に切断したときの概略断面図である。第３のピストン３においては、流体封入部材６３の周りに形成されている流路が分割されている。すなわち、第３のピストンは、ピストン本体６１に形成されている複数の流路７５を有する。図３２に示す例においては、３つの流路７５が形成されている。ピストン本体６１は、それぞれの流路７５同士の間に形成されている流路隔壁部６１ｂを有する。
図３３に、本実施の形態における第３のピストンの他の概略断面図を示す。図３３は、図３２におけるＢ−Ｂ線に関する断面図である。本実施の形態の第３のピストンにおいては、ピストンを平面視したときの中央部分を通る流路７５と、側方部分を通る２つの流路７５とを備える。それぞれの流路７５には、冷媒の入口部７５ａおよび出口部７５ｂが形成されている。冷媒は、矢印２０５に示すように、入口部７５ａから流入して出口部７５ｂから流出する。
第３のピストンを備える内燃機関は、それぞれの流路７５に対して、独立して潤滑油を供給できるように形成されている。潤滑油を噴出するノズル７６により、ピストンに潤滑油を供給する場合には、それぞれの流路７５の入口部７５ａに潤滑油を供給できるように、複数のノズル７６が配置されている。第３のピストンを備える内燃機関においては、３つのノズル７６により、それぞれの流路７５に潤滑油を供給することができる。それぞれの流路７５において、潤滑油が入口部７５ａから出口部７５ｂに向かって流れることにより、流体封入部材６３の周りの部材の温度を変化させることができる。流体封入部材６３の内部の温度の調整を行なうことができる。
本実施の形態の第３のピストンにおいては、独立した冷媒の流路が複数形成されている。この構成を採用することにより、要求される流体封入部材６３の内部の圧力に応じて、冷媒を流す流路を選定することができる。例えば、流体封入部材６３の内部の圧力を低下させるために、流体封入部材６３の内部の温度を下げる場合には、冷媒を供給する流路７５の数を増加させることができる。冷媒を流す流路７５の数を増加させることにより、流体封入部材６３を冷却する能力を向上させることができる。たとえば、冷媒を流す流路７５の数を１つから３つに変更することができる。
また、ピストン３に蓄積される熱は、ピストンリングを介して放出される。このため、ピストンは、平面視したときの中央部の温度が、周辺部の温度よりも高くなる。ピストンに複数の流路を形成する場合には、平面視したときの中央部を通る流路の冷媒の温度や流量を調整することにより、効果的に流入封入部材の内部の圧力を調整することができる。たとえば、平面視したときの中央部を通る流路の冷媒の流量を増加して、冷却能力を向上させることにより、短時間で流体封入部材の内部の圧力を下げることができる。
図３３に示す例においては、３つの流路７５のうち中央の流路７５がピストン３を平面視したときの中央部を通っている。たとえば、中央の流路７５の流量を調整することにより、流体封入部材６３の内部の圧力を短時間で調整することができる。このように、ピストンにおいて、温度が比較的高くなる高温部位を通る流路に供給する冷媒の流量や冷媒の温度を調整することにより、効果的に流体封入部材の内部の圧力を調整することができる。または、冷媒が液体と気体との混合物の場合には、高温部位を通る流路に供給する冷媒の液体割合を調整することにより、流体封入部材の圧力を効果的に調整することができる。
また、ピストンの内部に流路を複数形成する場合には、流体封入部材と流路とが対向する面積が大きな流路を通る冷媒の温度または流量を調整することにより、流体封入部材の内部の圧力を短時間で調整することができる。たとえば、流体封入部材を複数の流路に投影したときに、投影面積の大きな流路と、投影面積の小さな供給流路とに分類する。投影面積の大きな流路に供給する冷媒の温度または流量を調整することにより、流体封入部材の内部の圧力を効果的に調整することができる。または、冷媒として気体と液体との混合物を供給する場合には、流体封入部材の投影面積の大きな流路において、液体の割合を調整することにより、効果的に流体封入部材の内部の圧力を調整することができる。
図３２および図３３に示す例においては、それぞれの流路の隔壁が直線状になるように３つの流路が形成されているが、この形態に限られず、任意の形状で流路を形成することができる。また、任意の数の流路を形成することができる。
図３４に、本実施の形態における第４のピストンの破断斜視図を示す。第４のピストンを備える内燃機関は、流体封入部材６３の内部の流体の温度を調整するばね温度調整装置を備える。ばね温度調整装置は、流体封入部材６３と燃焼室５との間に冷媒を流すための流路を含む。
本実施の形態における第４のピストンは、流路構成部材８４を含む。本実施の形態における流路構成部材８４は、円板状に形成されている。流路構成部材８４は、流体封入部材６３の表面に配置されている。流路構成部材８４は、内部に流路となる空洞が形成されている。流路構成部材８４は、冷媒が流入する入口部８４ａと冷媒が流出する出口部８４ｂとを有する。
ピストン本体６１は、外壁部６１ｅを有する。流体封入部材６３は、外壁部６１ｅの内側に配置されている。外壁部６１ｅには、冷媒が流入する流路８２ａおよび冷媒が流出する流路８２ｂが形成されている。外壁部６１ｅの上部には、外壁部６１ｅの内面において流路８２ａが開口する開口部を有する。外壁部６１ｅの上部には、外壁部６１ｃの内面において流路８２ｂが開口する開口部を有する。
流路構成部材８４は、外壁部６１ｅの内面に嵌合するように形成されている。流路構成部材８４は、外壁部６１ｅに囲まれる凹部の内部で往復移動するように形成されている。
覆い部材６２は、流路構成部材８４および流体封入部材６３を覆うように形成されている。覆い部材６２は、燃焼室５の圧力により押圧される。覆い部材６２は、流路構成部材８４を介して、流体封入部材６３を押圧する。
流路構成部材８４の入口部８４ａは、流路８２ａに接続するように形成されている。流路構成部材８４の出口部８４ｂは、流路８２ｂに接続するように形成されている。本実施の形態において、流路８２ａの開口部は、流体封入部材６３が伸縮したときに、入口部８４ａが開口部の領域内にて移動するように形成されている。また、流路８２ｂの開口部は、流体封入部材６３が伸縮したときに、出口部８４ｂが開口部の領域内にて移動するように形成されている。本実施の形態の第４のピストンにおいては、運転の期間中において、流体封入部材６３が伸縮しながら、流路構成部材８４に冷媒を流すことができる。冷媒が流路構成部材８４の内部を流れることにより、流路構成部材８４の温度を変化させることができる。また、流体封入部材６３の内部の温度を調整することができる。
流路構成部材８４に供給する冷媒としては、機関本体の潤滑油９２を採用することができる。潤滑油９２は、矢印２０６に示すように、ピストン本体６１に形成された流路８２ａに供給される。潤滑油９２は、流路８２ａを通って流路構成部材８４に流入する。流路構成部材８４から流出する潤滑油９２は、矢印２０７に示すように、ピストン本体６１に形成された流路８２ｂを通ってオイルパン７７に戻される。
本実施の形態の第４のピストンにおいても、流路構成部材８４の内部を流れる冷媒の流量および温度のうち少なくとも一方を調整することにより、流体封入部材６３の内部の温度を調整することができる。流体封入部材６３の内部の圧力を調整することができる。また、第４のピストンにおいては、燃焼室と流体ばねとの間に流路を形成することができて、流路構成部材８４を断熱部材として用いることができる。
ところで、第４のピストンにおいては、流路構成部材８４の内部の流路の冷媒の流量を減少させることにより、流路構成部材８４の内部における流体の乱れが小さくなる。冷媒と流路構成部材８４との熱伝達が悪化する。このため、燃焼室の燃焼ガスから流体封入部材６３に到達する熱量を小さくすることができる。この結果、流体封入部材６３の内部の流体の温度を下げることができる。
第４のピストンにおいては、流路構成部材８４に供給する潤滑油の流量を減らすことにより、流体封入部材６３の内部の圧力を下げることができる。または、流路構成部材８４に供給する潤滑油の流量を増加することにより、流体封入部材６３の内部の圧力を上昇させることができる。
流路構成部材８４に供給する冷媒の温度を調整する場合には、たとえば、冷媒の温度を下げることにより、流体封入部材６３の内部の温度を下げることができる。流体封入部材６３の内部の圧力を下げることができる。
冷媒として、気体と液体との混合物を供給する場合には、気体および液体の割合を調整することにより、流体封入部材６３の内部の圧力を調整することができる。液体は、概して気体よりも熱伝達率が大きい。このために、例えば、液体の割合を減らして気体の割合を増やすことにより、熱伝達を悪化させることができる。この結果、流体封入部材６３の内部の温度を下げることができる。流体封入部材６３の内部の圧力を下げることができる。
本実施の形態における第４のピストンにおいては、本実施の形態の第３のピストンと同様に、複数の流路を流路構成部材８４の内部に形成することができる。例えば、流路構成部材８４の内部に、隔壁を形成して複数の流路を形成することができる。ピストン本体６１の外壁部６１ｅに複数の流路を形成して、流路構成部材８４のそれぞれの流路に冷媒を独立して供給することができる。
流路構成部材８４に複数の流路を形成した場合に、流体封入部材６３の内部の圧力を調整する場合には、冷媒を流している流路の数を変更することができる。例えば、複数の流路において冷媒を供給している流路の数を減らすことにより、流体封入部材６３の内部の圧力を低下させることができる。
または、高温部位を通る冷媒の流量を調整することにより、流体ばねの内部の圧力を効果的に調整することができる。たとえば、ピストンの高温部位を通る流路の冷媒の流量を減らすことにより、流体封入部材６３の内部の圧力を下げることができる。冷媒として液体および液体の混合物が供給されている場合には、高温部位を通る流路に供給する冷媒の液体割合を調整することにより、流体ばねの内部の圧力を効果的に調整することができる。たとえば、高温部位を通る流路に供給する冷媒の液体割合を減らすことにより、流体封入部材６３の内部の圧力を短時間で低下させることができる。
または、それぞれの流体封入部材６３の流路と流路構成部材８４とが対向している面積の大きな流路の冷媒の流量を調整することにより、流体ばねの内部の圧力を効果的に調整することができる。たとえば、流体封入部材６３に対向している面積の大きな流路の冷媒の流量を減らすことにより、流体封入部材６３の内部の圧力を短時間で下げることができる。または、冷媒として気体と液体との混合物が供給されている場合には、流体封入部材６３に対向している面積の大きな流路を流れる冷媒において、液体割合を調整することにより、流体ばねの内部の圧力を効果的に調整することができる。たとえば、流体封入部材６３に対向している面積の大きな流路を流れる冷媒の液体割合を減らすことにより、流体封入部材６３の内部の圧力を短時間で低下させることができる。
図３５に、本実施の形態における第５のピストンの破断斜視図を示す。本実施の形態の第５のピストンにおいては、流体ばねを構成する流体封入部材６３と燃焼室５との間に冷媒を流すための流路が形成されている。さらに、流体封入部材６３において燃焼室５に向かう側と反対側に冷媒を流すための流路７５が形成されている。第５のピストンにおいては、本実施の形態の第１のピストンにおける冷媒を流す流路と、本実施の形態の第４のピストンにおける冷媒を流す流路とが形成されている。
流路構成部材８４の内部を流体が通る流路は、第１の流路として機能する。また、ピストン本体６１の内部に形成されている流路７５は、第２の流路として機能する。第５のピストンを備える燃焼圧力制御装置は、第１の流路および第２の流路のそれぞれに、冷媒を供給する冷媒供給装置を備える。例えば、流路構成部材８４の内部に潤滑油を供給するための第１のノズルと、流路７５に潤滑油を供給するための第２のノズルと備える。本実施の形態の第５のピストンにおいては、それぞれの流路を流れる冷媒の流量や冷媒の温度を独立して調整できるように形成されている。それぞれのノズルから噴出する潤滑油の流量および温度のうち少なくとも一方を調整することにより、流体封入部材６３の内部の圧力を調整することができる。
ここで、本実施の形態において、流体封入部材６３の内部の圧力を上昇させるときには、流路構成部材８４の内部の流路における熱伝達量を増加させることが好ましい。例えば、流路構成部材８４に供給している潤滑油の流量を増加させる。流路構成部材８４に供給している冷媒が液体と気体とを含む場合には、液体割合を増やすことが好ましい。この場合には、流路７５に供給する潤滑油の流量および温度は、変化させなくても構わない。
流路構成部材８４は、燃焼室５における燃焼ガスの熱が流体封入部材６３に伝達することを妨げる機能を有する。このため、流路構成部材８４を流れる冷媒の流量や温度を調整する場合には、流体封入部材６３の内部の温度を下げる時間は長くなる一方で、流体封入部材６３の内部の温度を上げる時間は短くなる。流路構成部材８４における断熱機能を低下させることにより、短時間で流体封入部材６３の内部の圧力を上昇させることができる。
一方で、流体封入部材６３の内部の圧力を下降させる場合には、流体封入部材６３の燃焼室５とは反対側に形成されている流路７５の冷媒の除熱量を増加させることが好ましい。例えば、流路７５を流れる潤滑油の流量を多くする。流路７５に供給している冷媒が液体と気体とを含む場合には、液体割合を増やすことが好ましい。この場合には、流路構成部材８４に供給する冷媒の流量および温度は、変化させなくても構わない。
流路７５は、流体封入部材６３の内部の流体を冷却する機能に優れる。このため、流路７５を流れる冷媒の流量や温度を調整する場合には、流体封入部材６３の内部の温度を上げる時間は長くなる一方で、流体封入部材６３の内部の温度を下げる時間は短くなる。このために、流体封入部材６３の内部の流体の圧力を下げる場合には、流路７５の除熱能力を向上させることにより、短時間で流体封入部材６３の内部の圧力を下降させることができる。
次に、流体封入部材の内部の圧力を検出する圧力検出装置が配置されておらずに、流体封入部材の内部の温度に応じて冷媒の流量を調整できる燃焼圧力制御装置について説明する。
図３６に、本実施の形態における第６のピストンの拡大破断斜視図を示す。第６のピストン３は、流体封入部材６３の内部の圧力、すなわち制御圧力が運転期間に亘ってほぼ一定の内燃機関に好適である。第６のピストンは、流体封入部材６３の内部に、シリンダ８５を備える。シリンダ８５は、流体封入部材６３の底面部６３ｄに固定されている。
シリンダ８５は、内部に移動部材８５ａを有する。移動部材８５ａは、板状に形成されている。移動部材８５ａは、矢印２０８に示す方向に移動するように配置されている。シリンダ８５の内部において、移動部材８５ａにより区切られる空間のうち、流路７５の入口部７５ａに向かう側の一方の空間にはワックス９３が充填されている。シリンダ８５の内部の他方の空間には、移動部材８５ａを付勢する付勢部材８５ｂが配置されている。ワックス９３は、温度が上昇することにより膨張するように形成されている。付勢部材８５ｂは、移動部材８５ａを流路７５の入口部７５ａに向かって付勢するように形成されている。
移動部材８５ａは、閉止部材８６に接続されている。閉止部材８６は、棒状に形成されている。閉止部材８６は、流路７５の入口部７５ａに向かって延びるように配置されている。閉止部材８６は、先端部が入口部７５ａに接触したときに、入口部７５ａを閉止するように形成されている。閉止部材８６は、入口部７５ａに向かって付勢されている。閉止部材８６は、入口部７５ａの開閉弁として機能する。
本実施の形態の第６のピストンにおいては、流体封入部材６３の内部の温度が弁開放温度未満の場合には、閉止部材８６が流路７５の入口部７５ａを閉止する。すなわち、冷媒の流入が阻止される。流体封入部材６３の内部の温度が上昇すると、ワックス９３が膨張する。流体封入部材６３の内部の温度が弁開放温度以上になると、ワックス９３の膨張により、移動部材８５ａが付勢部材８５ｂの付勢力に反して移動する。弁機構の弁開放温度は、流体封入部材６３の内部の圧力に基づいて設定することができる。たとえば、制御圧力に対応する流体封入部材６３の封入圧力に基づいて設定することができる。
図３６に示す例においては、移動部材８５ａが上側に移動する。閉止部材８６は、移動部材８５ａと共に移動する。この結果、流路７５の入口部７５ａが開放される。流路７５の入口部７５ａが開放されることにより、流路７５に冷媒が流入する。流路７５に冷媒が流れることにより、流体封入部材６３の内部が冷却され、流体封入部材６３の内部の圧力を下げることができる。流体封入部材６３の内部の温度が下がるとワックス９３の体積が小さくなる。流体封入部材６３の内部の温度が弁開放温度未満になった場合には、入口部７５ａが閉止部材８６により閉止される。
本実施の形態の第６のピストンにおいては、流体封入部材６３の内部の温度に依存して、冷媒が流れる流路の開閉を行なう弁機構が機械的に駆動される。流体封入部材６３の内部の圧力が上昇すると流路が開放され、冷媒が流れることにより圧力が低下する。この構成を採用することにより、簡易な構成で、流体ばねの内部の圧力を所望の範囲内に維持することができる。
冷媒を供給する流路が複数形成されている場合には、それぞれの流路に対して、温度に依存して開閉が可能な弁機構を配置することができる。それぞれの流路に供給する冷媒の流量を調整できるように形成することができる。または、流路の入口において、気体が流入する入口部と液体が流入する入口部とが独立して形成されている場合には、それぞれの入口部に対して、温度に依存して開閉が可能な弁機構を配置することができる。この構成により、流路に流入する気体と液体との割合を調整することができる。
図３７に、本実施の形態における第７のピストンの拡大破断斜視図を示す。第７のピストンは、流路７５の入口部７５ａを開閉する弁機構を備える。第７のピストンの弁機構は、バイメタル部材８７を含む。本実施の形態におけるバイメタル部材８７は、板状に形成されている。バイメタル部材８７は、熱膨張率が互いに異なる２枚の金属の板状部材を含む。バイメタル部材８７は、固定台８８に固定されている。固定台８８は、流体封入部材６３の底面部６３ｄに固定されている。
バイメタル部材８７の先端部には、閉止部材８６が接続されている。バイメタル部材８７は、矢印２０８に示すように、流体封入部材６３の内部の温度に依存して先端部が上下方向に移動するように形成されている。バイメタル部材８７は、流体封入部材６３の内部の温度が上昇して、弁開放温度以上になったときに、閉止部材８６を移動させるように形成されている。閉止部材８６が移動することにより入口部７５ａが開放される。バイメタル部材８７は、流体封入部材６３の内部の温度が下降すると元の形状に戻る。流体封入部材６３の内部の温度が弁開放温度未満になったときに、閉止部材８６が入口部７５ａを閉止する。
本実施の形態におけるバイメタル部材８７は、流体封入部材６３の内部の圧力が予め定められた圧力範囲よりも大きくなった場合に、閉止部材８６を持ち上げている。このように、流体封入部材の内部の温度に依存して駆動される弁機構は、バイメタル部材を含んでいても構わない。
本実施の形態の第６のピストンの弁機構および第７のピストンの弁機構は、流体封入部材６３を冷却する流路７５の入口部７５ａが開閉可能に形成されているが、この形態に限られず、出口部７５ｂが開閉可能に形成されていても構わない。または、弁機構は、流路７５の途中を遮断するように形成されていても構わない。更に、弁機構は、弁の開度を変化させることにより流路７５の冷媒の流量を調整可能に形成されていても構わない。
本実施の形態における第６のピストンと第７のピストンにおいては、流体封入部材６３において燃焼室に向かう側と反対側に流路が形成されているが、この形態に限られず、流体封入部材６３において燃焼室に向かう側に流路が形成されているピストンにおいても、流体封入部材の内部の温度に依存して開閉可能な弁機構を配置することができる。
本実施の形態においては、ピストン本体６１と覆い部材６２とを備えるピストンを例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、覆い部材を有しておらず、ピストン本体にピストンリングの溝部が形成されているピストン（図１２〜図１９参照）にも、本実施の形態のばね温度調整装置などを適用することができる。燃焼室と流体ばねとの間に冷媒を流す流路を形成する場合には、たとえば、流体封入部材６３と燃焼室５との間に介在部材６４ａを配置して（図１９参照）、介在部材６４ａの内部に流路を形成することができる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
実施の形態３
図３８から図４２を参照して、実施の形態３における燃焼圧力制御装置について説明する。本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、ピストンに配置されている流体ばねの内部に空気を供給する空気充填装置を含む。また、燃焼圧力制御装置は、所定の圧力よりも大きくなると流体ばねの内部から空気を逃す空気排出装置を含む。
図３８に、本実施の形態における第１のピストンの破断斜視図を示す。本実施の形態における第１のピストン３は、流体封入部材６３と、流体封入部材６３を覆うように形成されている覆い部材６２とを含む。空気充填装置は、方向制御弁１００を含む。空気排出装置は、逆止弁１０１を含む。
方向制御弁１００は、燃焼室５と流体封入部材６３との間に配置されている。本実施の形態における方向制御弁１００は、覆い部材６２の天板６２ａの内部に配置されている。逆止弁１０１は、流体封入部材６３とクランクケース７９との間に配置されている。本実施の形態における逆止弁１０１は、ピストン本体６１の内部に配置されている。
図３９に、本実施の形態の第１のピストンに配置されている方向制御弁の模式図を示す。方向制御弁１００は、一方の流路が燃焼室５に接続され、他方の流路が流体封入部材６３の内部に接続されている。方向制御弁１００と燃焼室５とを連通する流路の途中には、逆止弁９９が配置されている。逆止弁９９は、方向制御弁１００から燃焼室５に向かって空気が流入することを防止するように配置されている。逆止弁９９は、微小の圧力差で開放するように形成されている。
方向制御弁１００は、筐体１０２を備える。筐体１０２の内部には、連通部材１０４と遮断部材１０５とが配置されている。連通部材１０４は、方向制御弁１００に流入する流路と流出する流路とを連通させる流路を有する。遮断部材１０５は、流路を遮断する。連通部材１０４と遮断部材１０５とは、筐体１０２の内部で移動可能に形成されている。連通部材１０４と遮断部材１０５とは、互いに隣接して配置されている。連通部材１０４および遮断部材１０５は、付勢部材１０３によって矢印２１０に示す向きに押圧されている。付勢部材１０３は、流体封入部材６３の内部の圧力が予め定められた圧力になったときに、連通部材１０４および遮断部材１０５が付勢力に反して移動するように形成されている。
方向制御弁１００は、付勢部材１０３の付勢力により、燃焼室５に通じる流路および流体封入部材６３の内部に通じる流路が、連通部材１０４に接続される。燃焼室５の圧力が、流体封入部材６３の内部の圧力よりも高くなっている場合には、燃焼室５から流体封入部材６３の内部に気体が供給される。流体封入部材６３の内部の圧力を上昇させることができる。
流体封入部材６３の内部の圧力が上昇して、予め定められた圧力以上になった場合には、破線１０６に示すように、流体封入部材６３の内部の圧力により、遮断部材１０５が押圧される。連通部材１０４および遮断部材１０５は、付勢部材１０３の付勢力に逆らって矢印２１０の向きと反対向きに移動する。燃焼室５に通じる流路と流体封入部材６３の内部に通じる流路には、遮断部材１０５が接続される。この結果、流体封入部材６３の内部は、燃焼室５と遮断される。
このように、方向制御弁１００は、流体封入部材６３の内部の圧力が予め定められた圧力よりも低い場合には、燃焼室５における燃焼ガスの圧力を利用して、流体封入部材６３の内部の圧力を予め定められた圧力まで上昇させることができる。この場合の予め定められた圧力は、たとえば、制御圧力に対応する流体封入部材６３の封入圧力を採用することができる。
図３８を参照して、本実施の形態における第１のピストンは、流体封入部材６３の内部とクランクケース７９とを連通する流路を有する。この流路の途中には逆止弁１０１が配置されている。逆止弁１０１は、流体封入部材６３の内部の圧力が予め定められた圧力よりも高くなった場合に、気体を流通させるように形成されている。流体封入部材６３の内部の圧力が予め定められた圧力よりも高くなった場合には、クランクケースに気体を放出することにより、予め定められた圧力まで低下させることができる。
このように、第１のピストンにおいては、流体封入部材６３の内部の圧力が所望の圧力範囲よりも低い時には空気が充填され、流体封入部材６３の内部の圧力が所望の圧力範囲よりも高い時には空気が放出される。内燃機関の運転状態や周りの温度等に関わらずに、流体封入部材６３の内部の圧力を所望の圧力範囲内に維持することができる。
図４０に、本実施の形態における第２のピストンおよびコネクティングロッドの概略断面図を示す。第２のピストンにおける空気充填装置は、流体封入部材６３の内部に空気を供給する空気ポンプを備える。
本実施の形態における第２のピストンの空気ポンプは、シリンダ１１８を備える。シリンダ１１８は、ピストン本体６１の裏面に形成されている壁部６１ｃを含む。壁部６１ｃは、コネクティングロッド５１が配置されている領域の周りを取り囲むように形成されている。シリンダ１１８は、移動部材１１３を含む。移動部材１１３は、壁部６１ｃの内側に嵌合するように形成されている。本実施の形態における移動部材１１３は、円板状に形成されている。移動部材１１３は、付勢部材１１４によりコネクティングロッド５１に向かう側に付勢されている。
第２のピストンに接続されているコネクティングロッド５１は、突出部５１ａを有する。突出部５１ａは、コネクティングロッド５１の小端部５１ｃに形成されている。突出部５１ａは、コネクティングロッド５１が揺動することにより、移動部材１１３を繰り返して押圧できるように形成されている。
移動部材１１３の内部には、移動部材１１３およびピストン本体６１に囲まれる空間とクランクケース７９とを連通する流路が形成されている。この流路には、逆止弁１１０が配置されている。逆止弁１１０は、移動部材１１３およびピストン本体６１に囲まれる空間からクランクケース７９に空気が流れることを防止するように配置されている。逆止弁１１０は、微小の圧力差で開放するように形成されている。
ピストン本体６１の上部には、流体封入部材６３の内部と移動部材１１３およびピストン本体６１により囲まれる空間とを連通する流路が形成されている。この流路には、逆止弁１１１が配置されている。逆止弁１１１は、流体封入部材６３の内部から移動部材１１３とピストン本体６１とにより囲まれる空間に空気が流れることを防止する。逆止弁１１１は、微小の圧力差で開放するように形成されている。また、第２のピストンには、流体封入部材６３の内部の圧力が予め定められた圧力よりも大きくなったときに、クランクケースに空気を逃す逆止弁１０１がピストン本体６１に配置されている。
内燃機関が駆動してピストン３が往復運動することにより、コネクティングロッド５１は、矢印２１３に示すように揺動する。コネクティングロッド５１の突出部５１ａは、矢印２１１に示すように、横方向に往復運動する。移動部材１１３は、突出部５１ａに押圧されることにより、矢印２１２に示すように往復運動を行なう。移動部材１１３が流体封入部材６３に向かって移動するときには、逆止弁１１１が開く。流体封入部材６３の内部に空気が供給される。移動部材１１３が流体封入部材６３から遠ざかる向きに移動するときには逆止弁１１０が開く。移動部材１１３とピストン本体６１とに囲まれる空間に空気が流入する。流体封入部材６３の内部の圧力が予め定められた圧力よりも高くなった場合には、逆止弁１０１が開いて、圧力を降下させることができる。
本実施の形態の第２のピストンにおいては、ピストン本体６１とコネクティングロッド５１との間に、空気ポンプが配置されている。第２のピストンにおいては、空気ポンプがコネクティングロッド５１の揺動する動きを駆動源として、流体封入部材６３の内部に空気を供給する。
図４１に、本実施の形態における第３のピストンの概略断面図を示す。第３のピストンにおいても、空気充填装置が空気ポンプを備える。第３のピストンにおける空気ポンプは、シリンダ１１８を備える。シリンダ１１８は、容器１１５を含む。容器１１５の内部には、移動部材１１３が配置されている。移動部材１１３は、付勢部材１１４によりコネクティングロッド５１に向かう向きに付勢されている。移動部材１１３の内部には、空気の逆流を防止するための逆止弁１１０が配置されている。移動部材１１３は、断面形状がＴ字形に形成されている。シリンダ１１８は、パイプ１１６を介して流体封入部材６３の内部に接続されている。シリンダ１１８と流体封入部材６３の内部とを接続する流路には、逆流を防止するための逆止弁１１１が配置されている。
シリンダ１１８は、コネクティングロッド５１の側方に配置されている。コネクティングロッド５１は、棒状に形成された棒状部５１ｂを有する。シリンダ１１８は、移動部材１１３に接続されているローラ１１７を含む。ローラ１１７は、回転可能に支持されている。ローラ１１７は、コネクティングロッド５１の棒状部５１ｂに接触するように配置されている。
内燃機関が作動することにより、棒状部５１ｂは、矢印２１３に示すように揺動する。移動部材１１３は、棒状部５１ｂの揺動により押圧される。移動部材１１３は、矢印２１２に示すように、容器１１５の内部を往復運動する。移動部材１１３が付勢部材１１４の付勢力に反して移動する場合には、シリンダ１１８により空気が圧縮される。圧縮された空気は、パイプ１１６および逆止弁１１１を通って、流体封入部材６３の内部に充填される。移動部材１１３がコネクティングロッド５１に向かって移動するときには、逆止弁１１０が開いて、シリンダ１１８の内部に空気が流入する。
本実施の形態の第３のピストンにおいては、空気ポンプがコネクティングロッド５１の揺動する動きを駆動源として、流体封入部材６３の内部に空気を供給することができる。流体封入部材６３の内部の圧力が予め定められた圧力範囲よりも高くなった場合には、逆止弁１０１が開いてクランクケース７９の内部に空気を逃すことができる。
本実施の形態の第２のピストンおよび第３のピストンにおいても、内燃機関の運転状態や周りの温度等に関わらずに、流体封入部材６３の内部の圧力を所望の圧力範囲内に維持することができる。
上述の本実施の形態のピストンは、流体封入部材６３の内部の圧力が予め定められた圧力よりも高くなった場合に、逆止弁１０１が開いて空気を逃すように形成されているが、この形態に限られず、逆止弁１０１の代わりに開閉の制御が可能な弁が配置されていても構わない。たとえば、油圧により開閉が可能な方向制御弁が配置されていても構わない。
図４２に、本実施の形態における流体封入部材から空気を逃すための方向制御弁の模式図を示す。方向制御弁１０９は、空気排出装置として機能する。方向制御弁１０９は、本実施の形態の第１のピストン、第２のピストンまたは第３のピストンに配置されている逆止弁１０１の代わりに配置することができる。方向制御弁１０９に接続される一方の流路は流体封入部材６３の内部に接続され、他方の流路はクランクケース７９に接続されている。
方向制御弁１０９は、流路を連通させる連通部材１０４と流路を遮断する遮断部材１０５とを含む。連通部材１０４と遮断部材１０５とは筐体１０２の内部に配置されている。付勢部材１０３は、矢印２１０に示す向きに遮断部材１０５を押圧している。付勢部材１０３の付勢力により、流体封入部材６３に通じる流路とクランクケース７９に通じる流路とに遮断部材１０５が接続される。この場合には、流路が遮断される。
方向制御弁１０９は、油圧により制御されている。方向制御弁１０９には、破線１０７に示すように、オイルを供給するオイル供給流路が接続されている。所定の油圧のオイルを方向制御弁１０９に供給することにより、付勢部材１０３の付勢力に反して連通部材１０４および遮断部材１０５が移動する。この結果、流体封入部材６３に通じる流路とクランクケース７９に通じる流路とに連通部材１０４が接続され、流路が開放される。方向制御弁１０９に供給されたオイルは、破線１０８に示すように、たとえば、ドレーンとして排出される。ドレーンとして排出されたオイルは、例えばオイルパン７７に捕集される。
方向制御弁１０９の制御を行うオイルは、機関本体の構成部品の内部を通って供給することができる。例えば、制御を行うためのオイルは、クランクシャフトの内部に形成された流路、コネクティングロッドの内部に形成された流路、およびピストン本体の内部に形成された流路を通って供給することができる。
方向制御弁１０９を採用することにより、任意の時期に方向制御弁の開閉を行うことができる。例えば、所望の時期に流体封入部材６３の内部の空気をクランクケース７９に逃すことができる。このため、流体封入部材６３の内部の圧力を任意に調整することができる。流体封入部材６３の内部の圧力が所望の圧力範囲よりも高くなっている場合には、方向制御弁１０９に高圧のオイルを供給することにより、流体封入部材６３の内部の圧力を下降させることができる。
本実施の形態においては、ピストン本体６１と覆い部材６２とを備えるピストンを例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、覆い部材を有しておらず、ピストン本体にピストンリングの溝部が形成されているピストン（図１２〜図１９参照）にも、本実施の形態の空気充填装置および空気排出装置等を適用することができる。流体封入部材と燃焼室との間に方向制御弁を配置する場合には、たとえば、流体封入部材６５と燃焼室５との間に介在部材６４ａを配置して（図１９参照）、介在部材６４ａの内部に方向制御弁を配置することができる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１または２と同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
実施の形態４
図４３および図４４を参照して、実施の形態４における燃焼圧力制御装置について説明する。本実施の形態における燃焼圧力制御装置は、流体ばねが伸びる速度を低下させる速度低下装置を備える。
図４３に、本実施の形態におけるピストンの概略断面図を示す。本実施の形態におけるピストン３は、ピストン本体６１と覆い部材６２とを含む。流体封入部材６３の側方に、速度低下装置が配置されている。本実施の形態における速度低下装置は、シリンダ１２０を含む。シリンダ１２０は、覆い部材６２の内部に配置されている。
図４４に、本実施の形態におけるピストンの速度低下装置の拡大概略断面図を示す。シリンダ１２０は、容器１２１を備える。容器１２１は、覆い部材６２に固定されている。容器１２１は、覆い部材６２と共に移動する。容器１２１の内部には、オイル９４が充填されている。容器１２１の内部には、移動部材１２２が配置されている。移動部材１２２は、容器１２１の内部を往復運動するように形成されている。移動部材１２２は、容器１２１の内部を２つの空間に分割するように形成されている。容器１２１の内部には、第１オイル室１２１ａおよび第２オイル室１２１ｂが形成されている。
移動部材１２２は、連接部材１２６を介してピストン本体６１に固定されている。移動部材１２２には、第１オイル室１２１ａと第２オイル室１２１ｂとを接続する２つの流路が形成されている。一方の流路には逆止弁１２３が配置されている。逆止弁１２３は、第２オイル室１２１ｂから第１オイル室１２１ａにオイルが流れることを防止する。他方の流路には、逆止弁１２４が配置されている。逆止弁１２４は、第１オイル室１２１ａから第２オイル室１２１ｂにオイルが流れることを防止するように配置されている。逆止弁１２４が配置されている他方の流路には、流量を制限するオリフィス１２５が配置されている。
ところで、流体封入部材６３が縮むときには、燃焼ガスの圧力上昇を短時間で抑制できるように、高速で縮むことが好ましい。一方で、流体封入部材６３が伸びるときには、係止部の作用により、流体封入部材６３の伸びの動作が停止する。図４３を参照して、流体封入部材６３が伸びるときには、覆い部材６２の係止部６２ｅがピストン本体６１の窪み部６１ｆの壁面に接触することにより、流体封入部材６３の伸びの動作を停止させることができる。このときに、係止部６２ｅと窪み部６１ｆの壁面とが衝突するために、騒音や振動が生じる場合がある。このために、流体封入部材６３が伸びるときには、低速で伸びることが好ましい。
図４４を参照して、本実施の形態のピストンにおいては、燃焼室の圧力が制御圧力以上になった場合には、流体封入部材６３が縮むことにより、矢印２１４に示すように、覆い部材６２がピストン本体１に向かって移動する。オイル９４は、逆止弁１２３を通って第１オイル室１２１ａから第２オイル室１２１ｂに流れる。この場合には、流体封入部材６３が高速で縮む。
これに対して、流体封入部材６３が伸びるときには、矢印２１５に示すように、覆い部材６２がピストン本体１から離れる向きに移動する。容器１２１の内部のオイル９４は、逆止弁１２４を通って、第２オイル室１２１ｂから第１オイル室１２１ａに流れる。このときに、オイル９４は、オリフィス１２５を通る。このために、覆い部材６２の移動速度を制限することができる。流体封入部材６３の伸びる動作を停止させる係止部６２ｅが、高速で窪み部６１ｆの壁面に衝突することを抑制することができる。この結果、騒音や振動を抑制することができる。
または、係止部６２ｅにより流体封入部材６３の伸びる動作が停止したときに、覆い部材６２が跳ね返る場合がある。覆い部材６２が跳ね返ることにより、燃焼室５の容積が一時的に変化し、燃焼サイクルに悪影響を与える場合がある。流体封入部材６３が伸びるときの速度を低速にすることにより、このような跳ね返りを抑制することができる。または、跳ね返りのときに生じる騒音や振動を抑制することができる。
本実施の形態における速度低下装置は、内部にオイルが充填されたピストンを含むが、速度低下装置は、この実施の形態に限られず、流体封入部材が伸びる速度を抑制する任意の装置を採用することができる。また、流体封入部材の伸びを予め定められた伸び量で停止させる係止部としては、上記の形態に限られず、所定の位置で覆い部材の移動を停止させる任意の装置を採用することができる。
本実施の形態においては、ピストン本体６１と覆い部材６２とを備えるピストンを例に取り上げて説明したが、この形態に限られず、覆い部材を有しておらず、ピストン本体にピストンリングの溝部が形成されているピストン（図１２〜図１９参照）にも、本実施の形態の速度低下装置等を適用することができる。たとえば、ピストン本体にピストンリングの溝部が形成されているピストンにおいて、本実施の形態の速度低下装置を流体封入部材６３の内部に配置することができる。この場合には、シリンダ１２０を流体封入部材６３の頂面部６３ｂに固定することができる。
その他の構成、作用および効果については、実施の形態１から３のいずれかと同様であるので、ここでは説明を繰り返さない。
上記の実施の形態は、適宜組み合わせることができる。上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には同一の符号を付している。なお、上記の実施の形態は例示であり発明を限定するものではない。また、実施の形態においては、請求の範囲に含まれる変更が意図されている。

３ ピストン
６１ ピストン本体
６２ 覆い部材
６３ 流体封入部材
６３ａ，６３ｃ 蛇腹部
６４ 断熱部材
６４ａ 介在部材
６５ 補助シリンダ
６８，６９ 流体封入部材
６９ａ 蛇腹部
７１ ピストン本体
７５ 流路
７６ ノズル
８４ 流路構成部材
９９ 逆止弁
１５７ 冷媒流量調整器
１５８ 冷媒温度調整器

Claims (6)

1. 燃料が燃焼室にて燃焼することによりピストンが往復運動する内燃機関の燃焼圧力制御装置であって、
   圧縮性流体が内部に充填され、ピストンに配置されている流体ばねと、
   流体ばねの内部の圧縮性流体の温度を調整するばね温度調整装置とを備え、
   燃焼室の圧力が予め定められた圧力に到達すると、燃焼室の圧力変化を駆動源にして流体ばねが縮むことにより燃焼室の容積が増加するように形成されており、
   ばね温度調整装置にて圧縮性流体の温度を調整し、流体ばねの内部の圧力を調整することを特徴とする、燃焼圧力制御装置。
2. ばね温度調整装置は、ピストンの内部において流体ばねの周りに冷媒が流れる流路と、流路に冷媒を供給する冷媒供給装置とを含み、
   冷媒供給装置は、冷媒の温度を調整する冷媒温度調整器および冷媒の流量を調整する冷媒流量調整器のうち少なくとも一方を含み、
   冷媒の温度および冷媒の流量のうち少なくとも一方を調整して、流体ばねの周りの部材の温度を変化させることにより、流体ばねの内部の圧力を調整することを特徴とする、請求項１に記載の燃焼圧力制御装置。
3. 冷媒供給装置は、流体ばねと燃焼室との間に冷媒を流す第１の流路を含むことを特徴とする、請求項２に記載の燃焼圧力制御装置。
4. 冷媒供給装置は、流体ばねの周りにおいて燃焼室に向かう側と反対側に冷媒を流す第２の流路を含み、
   流体ばねの内部の圧力を上昇させる場合には、第１の流路を通る冷媒の温度および冷媒の流量のうち少なくとも一方を調整し、
   流体ばねの内部の圧力を下降させる場合には、第２の流路を通る冷媒の温度および冷媒の流量のうち少なくとも一方を調整することを特徴とする、請求項３に記載の燃焼圧力制御装置。
5. ピストンは、流体ばねが伸びる動作を予め定められた位置で停止させる係止部と、
   流体ばねが伸びるときの速度を低下させる速度低下装置とを含むことを特徴とする、請求項１に記載の燃焼圧力制御装置。
6. ピストンは、往復運動を伝達する連接棒に接続されているピストン本体と、ピストンの冠面を有する覆い部材とを含み、
   流体ばねは、ピストン本体の燃焼室に向かう側の表面に配置されており、
   覆い部材は、流体ばねを覆うように形成され、流体ばねの伸縮とともにピストン本体に対して摺動することを特徴とする、請求項１に記載の燃焼圧力制御装置。

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