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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-08-19
(45)【発行日】2022-08-29
(54)【発明の名称】エンジン
(51)【国際特許分類】
F02B 25/20 20060101AFI20220822BHJP
【ＦＩ】
F02B25/20 A
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2019197422
(22)【出願日】2019-10-30
(65)【公開番号】P2021071077
(43)【公開日】2021-05-06
【審査請求日】2021-07-09
(73)【特許権者】
【識別番号】503116899
【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ原動機
(74)【代理人】
【識別番号】110000936
【氏名又は名称】特許業務法人青海特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】梅本 義幸
(72)【発明者】
【氏名】瀧本 崇弘
(72)【発明者】
【氏名】寺本 潤
(72)【発明者】
【氏名】四井 和樹
(72)【発明者】
【氏名】井口 敬徳
【審査官】津田 真吾
(56)【参考文献】
【文献】特開昭６２－２４３９１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０４－３０３１２１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－３４０１２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０５９４５３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－１５７８４３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０２Ｂ ２５／００
Ｆ０２Ｂ ７５／０４
Ｆ０２Ｄ １３／０２
Ｆ０２Ｆ １／２２
Ｆ０１Ｌ ５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
ピストンと、前記ピストンが収容されるシリンダと、
前記シリンダに設けられ、前記シリンダの内周面から外周面まで貫通する掃気ポートと、
前記シリンダの内周面よりも径方向外側に設けられ、下死点側に設けられる下端部が、前記掃気ポートの上死点側の端部よりも下死点側に突出する閉位置、および、前記下端部が前記閉位置よりも上死点側に位置する開位置に変位可能な可動体と、
を備え、
前記掃気ポートおよび前記可動体は、前記シリンダの周方向に離隔して複数設けられ、
複数の前記可動体を連結する連結部材をさらに備え、
前記連結部材は、前記可動体の前記下端部に接続される連結部を備え、
前記連結部は、前記可動体よりも前記シリンダの内周面側に突出する、
エンジン。
【請求項2】
前記シリンダに設けられ、前記掃気ポートの上死点側に連続し、前記可動体が移動可能に収容される収容室をさらに備える請求項１に記載のエンジン。
【請求項3】
前記可動体に接続され、前記可動体に対して前記ピストンのストローク方向に力を作用させる駆動装置をさらに備える請求項１または２に記載のエンジン。
【請求項4】
前記駆動装置は油圧シリンダを含む請求項３に記載のエンジン。
【請求項5】
前記ピストンの上死点位置を切り替える圧縮比可変機構をさらに備える請求項１から４のいずれか１項に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、エンジンに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、例えば、特許文献１に示されるように、ピストンのストローク方向に移動可能な可動体が掃気ポートに設けられたエンジンが提案されている。特許文献１に示されるエンジンでは、シリンダの内周面に可動体が設けられ、ピストンとの間に生じる摩擦により、可動体がストローク方向に移動する。
【0003】
この構成によれば、膨張行程において、可動体が下死点側に移動するため、掃気ポートが開くタイミングを遅くすることができる。一方で、給気（掃気）工程においては、可動体が上死点側に移動しているため、掃気ポートが開口している期間が確保され、シリンダ内に掃気ガスを十分に供給することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１８－５９４５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記の構成によれば、ピストンとの間に生じる摩擦により可動体を作動させる。そのため、ピストンが可動体を通過する際に、例えばピストンリングが拡径することで衝撃が生じるおそれがある。
【0006】
本開示は、衝撃を抑制することができるエンジンを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、本開示の一態様に係るエンジンは、ピストンと、ピストンが収容されるシリンダと、シリンダに設けられ、シリンダの内周面から外周面まで貫通する掃気ポートと、シリンダの内周面よりも径方向外側に設けられ、下死点側に設けられる下端部が、掃気ポートの上死点側の端部よりも下死点側に突出する閉位置、および、下端部が閉位置よりも上死点側に位置する開位置に変位可能な可動体と、を備え、掃気ポートおよび可動体は、シリンダの周方向に離隔して複数設けられ、複数の可動体を連結する連結部材をさらに備え、連結部材は、可動体の下端部に接続される連結部を備え、連結部は、可動体よりもシリンダの内周面側に突出する。
【0008】
また、シリンダに設けられ、掃気ポートの上死点側に連続し、可動体が移動可能に収容される収容室をさらに備えてもよい。
【0010】
また、可動体に接続され、可動体に対してピストンのストローク方向に力を作用させる駆動装置をさらに備えてもよい。
【0011】
また、駆動装置は油圧シリンダを含んでもよい。
【0012】
また、ピストンの上死点位置を切り替える圧縮比可変機構をさらに備えてもよい。
【発明の効果】
【0013】
本開示のエンジンによれば、衝撃を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】エンジンの全体構成を示す説明図である。
【図2】ピストンロッドとクロスヘッドピンとの連結部分を抽出した抽出図である。
【図3】第１の実施形態の開閉機構を説明する図である。
【図6】掃気ポートの開閉タイミングの第１の例を説明する図である。
【図7】第１の例における掃気量を説明する図である。
【図8】掃気ポートの開閉タイミングの第２の例を説明する図である。
【図9】第２の例における掃気量を説明する図である。
【図10】掃気ポートの開閉タイミングの第３の例を説明する図である。
【図11】第３の例における掃気量を説明する図である。
【図12】第２の実施形態の開閉機構を説明する図である。
【図15】第３の実施形態の開閉機構を説明する図である。
【図16】第３の実施形態における開閉機構の動作を説明する図である。
【図17】第４の実施形態の開閉機構を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下に添付図面を参照しながら、本開示の実施形態について詳細に説明する。実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本開示を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また本開示に直接関係のない要素は図示を省略する。
【0016】
図１は、エンジン１の全体構成を示す説明図である。図１に示すように、エンジン１は、シリンダ１０を備える。シリンダ１０内には、ピストン１２が設けられる。ピストン１２は、上端に設けられる冠面１２ａと、外周に設けられるピストンリング１２ｂとを含む。ピストン１２は、シリンダ１０内を往復移動する。ピストン１２には、ピストンロッド１４の一端が取り付けられている。ピストンロッド１４の他端には、クロスヘッド１６のクロスヘッドピン１８が連結される。クロスヘッド１６は、ピストン１２とともに往復移動する。ガイドシュー１６ａによって、クロスヘッド１６の図１中、左右方向（ピストン１２のストローク方向に垂直な方向）の移動が規制される。
【0017】
クロスヘッドピン１８は、連接棒２０の一端に設けられたクロスヘッド軸受２０ａに軸支される。クロスヘッドピン１８は、連接棒２０の一端を支持している。ピストンロッド１４の他端と連接棒２０の一端は、クロスヘッド１６を介して接続される。
【0018】
連接棒２０の他端は、クランクシャフト２２に連結される。連接棒２０に対してクランクシャフト２２が回転可能である。ピストン１２の往復移動に伴いクロスヘッド１６が往復移動すると、クランクシャフト２２が回転する。
【0019】
クランクシャフト２２には、フライホイール２４が取り付けられる。フライホイール２４の慣性によってクランクシャフト２２などの回転が安定化する。シリンダカバー２６は、シリンダ１０の上端に設けられる。シリンダカバー２６には、排気弁箱２８が挿通される。
【0020】
排気弁箱２８の一端は、ピストン１２に臨んでいる。排気弁箱２８の一端には、排気ポート２６ａが開口する。排気ポート２６ａは、燃焼室３０に開口する。燃焼室３０は、ピストン１２の冠面１２ａに面する。燃焼室３０は、シリンダカバー２６とシリンダ１０とピストン１２に囲繞されてシリンダ１０の内部に形成される。
【0021】
燃焼室３０には、排気弁３２の弁体が位置する。排気弁３２のロッド部には、排気弁駆動装置３４が取り付けられる。排気弁駆動装置３４は、排気弁箱２８に配される。排気弁駆動装置３４は、排気弁３２をピストン１２のストローク方向（以下、単にストローク方向と呼ぶ）に移動させる。
【0022】
排気弁３２がピストン１２側に移動して開弁すると、シリンダ１０内で生じた燃焼後の排気ガスが、排気ポート２６ａから排気される。排気後、排気弁３２が排気弁箱２８側に移動して、排気ポート２６ａが閉弁される。
【0023】
排気管３６は、排気弁箱２８および過給機Ｃに取り付けられる。排気管３６の内部は、排気ポート２６ａおよび過給機Ｃのタービンに連通する。排気ポート２６ａから排気された排気ガスは、排気管３６を通って過給機Ｃのタービン（不図示）に供給された後、外部に排気される。
【0024】
また、過給機Ｃのコンプレッサ（不図示）によって、活性ガスが加圧される。ここで、活性ガスは、例えば、空気である。加圧された活性ガスは、掃気溜３８において、冷却器４０によって冷却される。シリンダ１０の下端は、シリンダジャケット４２で囲繞される。シリンダジャケット４２の内部には、掃気室４２ａが形成される。冷却後の活性ガスは、掃気室４２ａに圧入される。
【0025】
シリンダ１０の下端側には、掃気ポート１０ａが設けられる。掃気ポート１０ａは、シリンダ１０の内周面から外周面まで貫通する孔である。掃気ポート１０ａは、シリンダ１０の周方向に離隔して複数設けられている。ピストン１２が掃気ポート１０ａより下死点側に移動すると、掃気室４２ａとシリンダ１０内の差圧によって、掃気ポート１０ａからシリンダ１０内に活性ガスが吸気される。
【0026】
また、シリンダカバー２６には、燃料噴射弁４４が設けられる。燃料噴射弁４４の先端は燃焼室３０側に向けられる。燃料噴射弁４４は、燃焼室３０に液体燃料（燃料油）を噴出する。液体燃料が燃焼し、その膨張圧によってピストン１２が往復移動する。
【0027】
図２は、ピストンロッド１４とクロスヘッドピン１８との連結部分を抽出した抽出図である。図２に示すように、クロスヘッドピン１８のうち、ピストン１２側の外周面には、平面部１８ａが形成される。平面部１８ａは、ストローク方向に対して、大凡垂直な方向に延在する。
【0028】
クロスヘッドピン１８には、ピン穴１８ｂが形成される。ピン穴１８ｂは、平面部１８ａに開口する。ピン穴１８ｂは、平面部１８ａからストローク方向に沿ってクランクシャフト２２側（図２中、下側）に延在する。
【0029】
クロスヘッドピン１８の平面部１８ａには、カバー部材５０が設けられる。カバー部材５０は、締結部材５２によってクロスヘッドピン１８の平面部１８ａに取り付けられる。カバー部材５０は、ピン穴１８ｂを覆う。カバー部材５０には、ストローク方向に貫通するカバー孔５０ａが設けられる。
【0030】
ピストンロッド１４は、大径部１４ａおよび小径部１４ｂを有する。大径部１４ａの外径は、小径部１４ｂの外径よりも大きい。大径部１４ａは、ピストンロッド１４の他端に形成される。大径部１４ａは、クロスヘッドピン１８のピン穴１８ｂに挿通される。小径部１４ｂは、大径部１４ａよりピストンロッド１４の一端側に形成される。小径部１４ｂは、カバー部材５０のカバー孔５０ａに挿通される。
【0031】
油圧室５４は、ピン穴１８ｂの内部に形成される。ピン穴１８ｂは、大径部１４ａによってストローク方向に仕切られる。大径部１４ａは、油圧室５４のうち、ピストン１２の上死点側に位置する。油圧室５４は、大径部１４ａで仕切られたピン穴１８ｂの底面側の空間である。大径部１４ａのうち、燃焼室３０と反対側に臨む（図２中、下側の）油圧面１４ａ１は、油圧室５４およびピン穴１８ｂの底面に面する。
【0032】
油圧室５４の側壁は、ストローク方向に延在する。ピン穴１８ｂの底面には、油路５６の一端が開口する。油路５６の他端は、クロスヘッドピン１８の外部に開口する。油路５６の他端には、油圧配管５８が接続される。
【0033】
油圧配管５８には、油圧ポンプ６０が連通する。すなわち、油圧ポンプ６０は、油圧室５４に接続される。油圧ポンプ６０と油路５６との間に逆止弁６２が設けられる。逆止弁６２によって油路５６側から油圧ポンプ６０側への作動油の流れが抑制される。油圧ポンプ６０から油路５６を介して油圧室５４に作動油が圧入（送出）される。
【0034】
また、油圧配管５８のうち、油路５６と逆止弁６２の間には分岐配管６４が接続される。分岐配管６４には、切換弁６６が設けられる。切換弁６６は、例えば、電磁弁である。油圧ポンプ６０の作動中、切換弁６６は閉弁される。油圧ポンプ６０の停止中、切換弁６６が開弁すると、油圧室５４から分岐配管６４側に作動油が排出される。切換弁６６のうち、油路５６と反対側は、不図示のオイルタンクに連通する。排出された作動油は、オイルタンクに貯留される。オイルタンクは、油圧ポンプ６０に作動油を供給する。
【0035】
油圧室５４の作動油の油量に応じて、大径部１４ａがストローク方向にピン穴１８ｂの内周面を摺動する。その結果、ピストンロッド１４がストローク方向に移動する。ピストン１２は、ピストンロッド１４と一体に移動する。油圧室５４の内部の作動油が増量されるとピストン１２の上死点位置が燃焼室３０側に移動する。油圧室５４の内部の作動油が減量されるとピストン１２の上死点位置が下死点位置側に移動する。こうして、ピストン１２の上死点位置が可変となる。
【0036】
すなわち、エンジン１は、圧縮比可変機構Ｖを備える。圧縮比可変機構Ｖは、上記の油圧室５４、および、ピストンロッド１４の大径部１４ａを含んで構成される。圧縮比可変機構Ｖは、ピストン１２の上死点位置を移動させることで、圧縮比を可変とする。エンジン１は、運転モードを、高圧縮比モードと低圧縮比モードとに切り替え可能である。高圧縮比モードでは、低圧縮比モードに比べて、ピストン１２の冠面が相対的に上方まで移動する。つまり、高圧縮比モードは、低圧縮比モードに比べて、上死点位置が上方に移動する。
【0037】
また、ピストン１２のストローク量は、高圧縮比モードと低圧縮比モードとで等しい。ただし、高圧縮比モードにおけるピストン１２のストローク範囲は、低圧縮比モードにおけるピストン１２のストローク範囲よりも上方にずれる。そのため、高圧縮比モードでは、低圧縮比モードに比べて、膨張行程においてピストン１２が掃気ポート１０ａに到達するタイミングが遅くなる。また、高圧縮比モードでは、低圧縮比モードに比べて、圧縮行程においてピストン１２が掃気ポート１０ａよりも上死点側に移動するタイミングが早くなる。その結果、例えば、低圧縮比モードを基準にして掃気ポート１０ａの位置を決めた場合、高圧縮比モードでは、シリンダ１０内に供給される活性ガスの量（以下、掃気量と呼ぶ）が減少し、掃気効率が低下するおそれがある。
【0038】
以下に説明する各実施形態では、エンジン１が、掃気ポート１０ａを開閉する開閉機構を備える。開閉機構により、運転モードごとに、掃気ポート１０ａの最適なタイミングでの開閉を実現する。
【0039】
図３は、第１の実施形態の開閉機構１００を説明する図である。図３には、掃気ポート１０ａを通るシリンダ１０のストローク方向の断面を示す。図３において、シリンダ１０を境にして図中左側がシリンダ１０の内側であり、図中右側がシリンダ１０の外側である。また、図３中上側が上死点側であり、図３中下側が下死点側である。
【0040】
図３に示すように、シリンダ１０は、内周面１０ｂから外周面１０ｃまで径方向に厚みを有する。掃気ポート１０ａは、シリンダ１０を径方向に貫通し、内周面１０ｂから外周面１０ｃまで延在する。シリンダ１０には、全ての掃気ポート１０ａの上方に切り欠き部１０ｄが形成されている。切り欠き部１０ｄは、シリンダ１０の外周面に形成された溝で構成される。
【0041】
切り欠き部１０ｄは、掃気ポート１０ａごとに設けられる。したがって、シリンダ１０の外周面１０ｃには、切り欠き部１０ｄが周方向に互いに離隔して複数設けられている。切り欠き部１０ｄは、ストローク方向に延在する。切り欠き部１０ｄのストローク方向の下死点側は、掃気ポート１０ａに連続する。換言すれば、切り欠き部１０ｄは、掃気ポート１０ａの上死点側から、ストローク方向に延在する。
【0042】
ここで、掃気ポート１０ａの深さ、より詳細には、掃気ポート１０ａにおけるシリンダ１０の外周面１０ｃから内周面１０ｂまでの距離をＤ１とする。また、シリンダ１０の外周面１０ｃから切り欠き部１０ｄの底面１０ｄ１までの距離、すなわち、切り欠き部１０ｄの深さをＤ２とする。切り欠き部１０ｄの深さＤ２は、掃気ポート１０ａの深さＤ１よりも小さい。したがって、切り欠き部１０ｄと、シリンダ１０の内周面１０ｂとは、シリンダ１０を構成する壁部によって径方向に仕切られている。
【0043】
また、シリンダ１０の外周面１０ｃには、固定溝１０ｅが形成される。固定溝１０ｅは、切り欠き部１０ｄの上端からストローク方向に延在する。つまり、固定溝１０ｅは、切り欠き部１０ｄと連続する。固定溝１０ｅの深さＤ３は、切り欠き部１０ｄの深さＤ２よりも小さい。したがって、固定溝１０ｅの底面である固定面１０ｅ１は、切り欠き部１０ｄの底面１０ｄ１よりもシリンダ１０の径方向外側に位置する。また、固定溝１０ｅのストローク方向の長さは、切り欠き部１０ｄのストローク方向の長さよりも小さい。
【0044】
切り欠き部１０ｄには、蓋部材１０２が取り付けられる。蓋部材１０２により、切り欠き部１０ｄが閉塞され、蓋部材１０２と底面１０ｄ１との間に収容室１０４が形成される。収容室１０４には、可動体１１０がストローク方向に移動可能に収容される。
【0045】
図４は、図３のＩＶ矢視展開図である。なお、図４では、図３のＩＶ矢視における３つの掃気ポート１０ａのみを示している。また、図４において、（ａ）は、蓋部材１０２および可動体１１０を取り外した状態を示しており、（ｂ）および（ｃ）は、シリンダ１０の外観を模式的に示している。なお、図４では、可動体１１０をクロスハッチングで示している。また、図５は、図３のＶ－Ｖ断面図である。
【0046】
図４および図５に示すように、切り欠き部１０ｄは、周方向に離隔して対向する一対の奥側面１０ｄ２を備える。一対の奥側面１０ｄ２の離隔距離Ｗ２は、掃気ポート１０ａの周方向の幅Ｗ１と等しい。また、切り欠き部１０ｄは、奥側面１０ｄ２よりも径方向外側に位置し、周方向に離隔して対向する一対の前側面１０ｄ３を備える。一対の前側面１０ｄ３の離隔距離Ｗ３は、一対の奥側面１０ｄ２の離隔距離Ｗ２、および、掃気ポート１０ａの周方向の幅Ｗ１よりも大きい。一対の前側面１０ｄ３の離隔距離Ｗ３と、一対の奥側面１０ｄ２の離隔距離Ｗ２との寸法差により、切り欠き部１０ｄに段差面１０ｄ４が形成される。
【0047】
なお、一対の奥側面１０ｄ２および一対の前側面１０ｄ３は、それぞれ大凡平行に対向している。また、奥側面１０ｄ２および前側面１０ｄ３の延在方向は、シリンダ１０の径方向に対して僅かな傾きを有している。同様に、掃気ポート１０ａの貫通方向も、シリンダ１０の径方向に対して僅かな傾きを有している。なお、掃気ポート１０ａの上死点側は、円弧状に湾曲している。ただし、掃気ポート１０ａの上死点側は、ストローク方向に直交する方向に延在する平面形状でもよい。
【0048】
図３から図５に示すように、蓋部材１０２は、嵌合部１０２ａを備える。嵌合部１０２ａは、離隔距離Ｗ３よりも僅かに小さい幅を有しており、段差面１０ｄ４に突き当てられた状態で、切り欠き部１０ｄに嵌合する。また、蓋部材１０２は、嵌合部１０２ａから上方に連続する取付部１０２ｂを備える。取付部１０２ｂは、図３に示すように、嵌合部１０２ａよりも厚みが小さく、固定溝１０ｅの固定面１０ｅ１に面接触する。
【0049】
取付部１０２ｂには、厚み方向に貫通する貫通孔１０２ｂ１が形成されている。貫通孔１０２ｂ１を挿通するボルトにより、蓋部材１０２がシリンダ１０に取り付けられる。なお、図示は省略するが、嵌合部１０２ａには、シリンダ１０の周方向に突出するフランジが複数設けられている。各フランジを挿通するボルトにより、嵌合部１０２ａもシリンダ１０に固定されている。
【0050】
収容室１０４は、蓋部材１０２の嵌合部１０２ａ、切り欠き部１０ｄの底面１０ｄ１、および、一対の奥側面１０ｄ２に囲繞された空間である。収容室１０４は、掃気ポート１０ａの上死点側の内周面に開口する。換言すれば、収容室１０４は、掃気ポート１０ａの上死点側に連続する。また、蓋部材１０２の嵌合部１０２ａには、空気孔１０２ａ１が形成されている。空気孔１０２ａ１により、収容室１０４は、シリンダ１０の外部と連通する。収容室１０４には、ストローク方向に直交する方向の断面形状が矩形の可動体１１０が収容される。
【0051】
図４に示すように、可動体１１０の幅（周方向の幅）は、収容室１０４の周方向の幅、すなわち、離隔距離Ｗ２よりも僅かに小さい。したがって、可動体１１０の幅（周方向の幅）は、掃気ポート１０ａの周方向の幅Ｗ１よりも僅かに小さい。また、可動体１１０の厚み（径方向の長さ）は、収容室１０４の径方向の距離よりも僅かに小さい。これにより、可動体１１０は、収容室１０４内をストローク方向に摺動可能である。ただし、可動体１１０と掃気ポート１０ａとの間に形成される周方向の隙間は極めて小さい。
【0052】
図３に示すように、可動体１１０は、下死点側に設けられる下端部１１０ａを有する。そして、可動体１１０は、下端部１１０ａが、掃気ポート１０ａの上死点側の端部１０ａ１よりも下死点側に突出する閉位置、および、下端部１１０ａが閉位置よりも上死点側に位置する開位置に変位可能である。可動体１１０が閉位置にあるとき、掃気ポート１０ａの上死点側が、可動体１１０により閉塞される。
【0053】
上記したように、掃気ポート１０ａおよび可動体１１０は、シリンダ１０の周方向に離隔して複数設けられる。複数の可動体１１０は、連結部材１１２により連結される。図５に示すように、連結部材１１２は、シリンダ１０の外周面１０ｃよりも径が大きい環状のリング部１１２ａと、リング部１１２ａから掃気ポート１０ａ内に突出する連結部１１２ｂとを備える。連結部１１２ｂは、可動体１１０の下端部１１０ａに接続される。このようにして、複数の可動体１１０が連結部材１１２によって連結されることとなる。
【0054】
なお、連結部１１２ｂの突出方向の先端は、シリンダ１０の内周面１０ｂよりも僅かに径方向外側に位置している。これにより、ピストン１２と連結部１１２ｂとの接触が回避される。また、連結部１１２ｂの突出方向の先端は、可動体１１０よりもシリンダ１０の内周面１０ｂ側に突出する。これにより、可動体１１０が閉位置にあるときに、可動体１１０よりもシリンダ１０の内周面１０ｂ側であって、掃気ポート１０ａの端部１０ａ１と、可動体１１０の下端部１１０ａとの間の空間が、連結部１１２ｂによってストローク方向に仕切られる。
【0055】
また、図３に示すように、開閉機構１００は、駆動装置１２０を備える。駆動装置１２０は、連結部材１１２を介して可動体１１０に接続される。駆動装置１２０は、可動体１１０に対してストローク方向に力を作用させる。つまり、可動体１１０は、駆動装置１２０が作用させる駆動力によってストローク方向に移動する。
【0056】
駆動装置１２０は、複数の油圧シリンダ１２２を備える。複数（例えば２から６個）の油圧シリンダ１２２は、シリンダ１０の周方向に離隔して配される。ここでは、油圧シリンダ１２２が、蓋部材１０２に取り付けられる。ただし、油圧シリンダ１２２の数は、掃気ポート１０ａ（蓋部材１０２）の数よりも少ない。したがって、図４に示すように、油圧シリンダ１２２が設けられる蓋部材１０２と、油圧シリンダ１２２が設けられない蓋部材１０２とが存在する。なお、ここでは油圧シリンダ１２２が蓋部材１０２に設けられるが、油圧シリンダ１２２は、シリンダ１０の外周面１０ｃに取り付けられてもよい。
【0057】
図３に示すように、油圧シリンダ１２２は、中空のシリンダ本体１２４と、作動部材１２６とを含む。作動部材１２６は、シリンダ本体１２４内に位置するピストン部１２６ａと、ピストン部１２６ａから延在し、シリンダ本体１２４の外部に突出するロッド部１２６ｂとを備える。作動部材１２６すなわちロッド部１２６ｂは、シリンダ本体１２４の外側において連結部材１１２に接続される。
【0058】
シリンダ本体１２４の内部には、ピストン部１２６ａによって区画される２つの空間が形成される。ここでは、シリンダ本体１２４の内部において、ピストン部１２６ａよりもロッド部１２６ｂ側にロッド側室１２４ａが設けられ、ピストン部１２６ａを境にしてロッド部１２６ｂとは反対側にピストン側室１２４ｂが設けられる。
【0059】
ロッド側室１２４ａには第１油路１２８ａが接続され、ピストン側室１２４ｂには第２油路１２８ｂが接続されている。また、駆動装置１２０は、作動油をポンプ通路１３０ａに吐出する油圧ポンプ１３０と、タンク通路１３２ａから作動油が還流するタンク１３２とを含む。第１油路１２８ａ、第２油路１２８ｂ、ポンプ通路１３０ａおよびタンク通路１３２ａは、切替弁１３４に接続される。
【0060】
切替弁１３４は、４つのポートを含み、３位置に切り替え可能な電磁弁で構成される。切替弁１３４が図３に示す中立位置にあるとき、ロッド側室１２４ａおよびピストン側室１２４ｂは、油圧ポンプ１３０およびタンク１３２から遮断される。その結果、作動部材１２６が静止し、可動体１１０の位置が保持される。
【0061】
切替弁１３４が図３中左側の下降位置に切り替えられると、ピストン側室１２４ｂが油圧ポンプ１３０と連通し、ロッド側室１２４ａがタンク１３２と連通する。その結果、作動部材１２６が伸長し、可動体１１０が掃気ポート１０ａ内に突出する。また、切替弁１３４が図３中右側の上昇位置に切り替えられると、ロッド側室１２４ａが油圧ポンプ１３０と連通し、ピストン側室１２４ｂがタンク１３２と連通する。その結果、作動部材１２６が収縮し、可動体１１０が収容室１０４内に収容される。
【0062】
制御部１３６は、油圧ポンプ１３０および切替弁１３４を制御する。例えば、制御部１３６は、運転モードを低圧縮比モードから高圧縮比モードに切り替える信号が入力されると、切替弁１３４を上昇位置に切り替え、油圧ポンプ１３０を駆動する。したがって、可動体１１０が上死点側に移動して収容室１０４内に収容される。制御部１３６は、可動体１１０が収容室１０４内に収容されると、切替弁１３４を中立位置に切り替え、油圧ポンプ１３０の駆動を停止する。これにより、高圧縮比モードでは、可動体１１０が開位置に保持される。
【0063】
一方、制御部１３６は、運転モードを高圧縮比モードから低圧縮比モードに切り替える信号が入力されると、切替弁１３４を下降位置に切り替え、油圧ポンプ１３０を駆動する。したがって、可動体１１０が下死点側に移動して掃気ポート１０ａ内に突出する。制御部１３６は、可動体１１０が掃気ポート１０ａ内に突出すると、切替弁１３４を中立位置に切り替え、油圧ポンプ１３０の駆動を停止する。これにより、低圧縮比モードでは、可動体１１０が閉位置に保持される。
【0064】
図６は、掃気ポート１０ａの開閉タイミングの第１の例を説明する図である。可動体１１０のストローク方向の移動量は、可動体１１０および作動部材１２６のストローク方向の長さ等により、適宜設計可能である。例えば、高圧縮比モードにおけるピストン１２の上死点位置と、低圧縮比モードにおけるピストン１２の上死点位置とのストローク方向のずれ量（以下、ピストン変位量と呼ぶ）に対して、可動体１１０のストローク方向の移動量を等しく設計したとする。この場合、運転モードごとに可動体１１０の位置を上記のように変位させることで、掃気ポート１０ａの開閉タイミングは、図６に示すとおりとなる。
【0065】
すなわち、図６において、ＴＤＣはピストン１２の上死点位置を示し、ＢＤＣはピストン１２の下死点位置を示す。また、図６に示す破線の円は、クランク角を示しており、ここでは、上死点位置を基準の０度とし、図中時計回り方向にクランク角が変移していくものとする。なお、図６において、排気弁３２は、ｔ７で開弁（ＥＶＯ）し、ｔ８で閉弁（ＥＶＣ）するものとする。
【0066】
上記したように、低圧縮比モードでは、可動体１１０が掃気ポート１０ａ内に突出し、掃気ポート１０ａの上死点側の一部が閉塞されている。つまり、低圧縮比モードでは、掃気ポート１０ａのうち最も上死点側の開口部位は、可動体１１０の下端部１１０ａの位置と等しくなる。低圧縮比モードにおける掃気ポート１０ａの開口タイミング、すなわち、ピストン１２の下降時に、ピストン１２の冠面１２ａが可動体１１０の下端部１１０ａを通過するタイミングをｔ１とする。この場合、低圧縮比モードにおける掃気ポート１０ａの閉鎖タイミング、すなわち、ピストン１２の上昇時に、ピストン１２の冠面１２ａが可動体１１０の下端部１１０ａを通過するタイミングはｔ２となる。ｔ１からｔ２の間、掃気ポート１０ａからシリンダ１０内に活性ガスが吸気される。
【0067】
ここで、例えば、開閉機構１００を備えていない比較例のエンジンにおいて、低圧縮比モードにおける掃気ポート１０ａの開口タイミングがｔ１となるように、掃気ポート１０ａのストローク方向の位置を決めたとする。この場合、低圧縮比モードにおける掃気ポート１０ａの開閉タイミングは、第１の実施形態と比較例とで同じとなる。
【0068】
一方で、高圧縮比モードでは、ピストン１２の上死点位置が上方にずれる。そのため、開閉機構１００を備えていない比較例のエンジンでは、高圧縮比モードにおいて、低圧縮比モードよりも、ピストン１２の下降時に冠面１２ａが掃気ポート１０ａの上死点側の端部１０ａ１を通過するタイミングが遅くなる。したがって、比較例のエンジンでは、掃気ポート１０ａの開口タイミングが、図中ｔ１よりも遅いｔ３となる。また、掃気ポート１０ａの閉鎖タイミングは、図中ｔ２よりも早いｔ４となる。つまり、比較例のエンジンでは、高圧縮比モードにおける掃気ポート１０ａの開口時間が短くなる。
【0069】
図７は、第１の例における掃気量を説明する図である。図７では、横軸にクランク角を示し、縦軸に掃気ポート１０ａの開口面積を示す。第１の実施形態のエンジン１および比較例のエンジンでは、低圧縮比モードにおいて、ピストン１２の下降に伴い、ｔ１から下死点（ＢＤＣ）に向けて徐々に掃気ポート１０ａの開口面積が大きくなる。そして、ピストン１２の上昇に伴い、下死点（ＢＤＣ）からｔ２に向けて徐々に掃気ポート１０ａの開口面積が小さくなる。したがって、低圧縮比モードにおける掃気ポート１０ａの単位時間当たりの開口面積の合計（以下、合計開口面積と呼ぶ）は、図中ハッチングで示す部分とクロスハッチングで示す部分との合計となる。
【0070】
これに対して、比較例のエンジンでは、高圧縮比モードにおいて、ピストン１２の下降に伴い、ｔ３で掃気ポート１０ａが開口し、以後、下死点（ＢＤＣ）に向けて徐々に掃気ポート１０ａの開口面積が大きくなる。そして、ピストン１２の上昇に伴い、下死点（ＢＤＣ）からｔ４に向けて徐々に掃気ポート１０ａの開口面積が小さくなり、ｔ４で掃気ポート１０ａが閉じられる。したがって、比較例のエンジンでは、高圧縮比モードにおける掃気ポート１０ａの合計開口面積は、図中クロスハッチングで示す部分のみとなる。
【0071】
このように、比較例のエンジンでは、高圧縮比モードにおける掃気量、すなわち、活性ガスの吸気量が、低圧縮比モードに比べて減少する。その結果、掃気効率が低下する。これに対して、第１の実施形態のエンジン１によれば、開閉機構１００により、高圧縮比モードにおいて、可動体１１０が上死点側に移動している。このとき、可動体１１０の移動量は、ピストン変位量と等しい。したがって、高圧縮比モードにおける掃気ポート１０ａの開口タイミングはｔ１となり、掃気ポート１０ａの閉鎖タイミングはｔ２となる。つまり、高圧縮比モードと低圧縮比モードとで、掃気ポート１０ａの開閉タイミング、開口時間が等しい。これにより、高圧縮比モードにおいても、活性ガスが十分に吸気され、掃気効率の低下を抑制することができる。
【0072】
第１の例では、可動体１１０の移動量が、ピストン変位量と等しい場合について説明した。以下では、第１の実施形態において、可動体１１０の移動量が、ピストン変位量よりも大きい場合について説明する。
【0073】
図８は、掃気ポート１０ａの開閉タイミングの第２の例を説明する図である。図８に示すｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４、ｔ７、ｔ８は、図６と同じである。この第２の例では、可動体１１０の移動量が、ピストン変位量よりも大きい。その結果、高圧縮比モードにおける掃気ポート１０ａの開口タイミングはｔ１よりも早いｔ５となり、掃気ポート１０ａの閉鎖タイミングはｔ２よりも遅いｔ６となる。
【0074】
図９は、第２の例における掃気量を説明する図である。図９では、低圧縮比モードにおける掃気ポート１０ａの合計開口面積をハッチングで示す。第２の例では、低圧縮比モードにおける掃気ポート１０ａの合計開口面積は、第１の例と同じである。一方、第２の例では、高圧縮比モードにおいて、ピストン１２の下降に伴い、ｔ５から下死点（ＢＤＣ）に向けて徐々に掃気ポート１０ａの開口面積が大きくなる。そして、ピストン１２の上昇に伴い、下死点（ＢＤＣ）からｔ６に向けて徐々に掃気ポート１０ａの開口面積が小さくなる。したがって、高圧縮比モードにおける掃気ポート１０ａの合計開口面積は、図中ハッチングで示す部分とクロスハッチングで示す部分との合計となる。
【0075】
このように、第２の例では、高圧縮比モードの方が、低圧縮比モードに比べて、掃気ポート１０ａの開口時間が長く、開口面積の合計が大きくなる。これにより、高圧縮比モードにおいては、低圧縮比モードよりも多くの活性ガスが吸気されることとなる。
【0076】
以上のように、掃気ポート１０ａに開閉機構１００が設けられることで、高圧縮比モードおよび低圧縮比モードのいずれにおいても、適切な掃気量を確保することができる。なお、上記した第１の例および第２の例では、可動体１１０の移動量が、ピストン変位量以上である場合について説明した。ただし、可動体１１０の移動量は、ピストン変位量よりも小さくても構わない。この場合であっても、比較例のエンジンよりも、高圧縮比モードにおける掃気量が大きくなり、掃気効率を改善することができる。
【0077】
なお、第１の例および第２の例では、開閉機構１００の使用例として、主に高圧縮比モードにおける掃気効率を向上させる場合について説明した。つまり、第１の例および第２の例は、圧縮比可変機構Ｖを備えることが前提となる。ただし、開閉機構１００は、圧縮比可変機構Ｖが設けられないエンジン、つまり、圧縮比が変更されずに一定であるエンジンにおいても、掃気効率を向上させることができる。
【0078】
図１０は、掃気ポート１０ａの開閉タイミングの第３の例を説明する図である。図１０に示すｔ１、ｔ２、ｔ７、ｔ８は、図６と同じである。この第３の例では、制御部１３６による開閉機構１００の制御方法が上記と異なる。第３の例では、ミラーサイクルに開閉機構１００を適用した場合の制御方法の一例について説明する。ミラーサイクルでは、膨張行程において排気弁３２の開弁タイミングを遅らせることで、圧縮行程よりも膨張行程を長くとり、熱効率を向上させる。
【0079】
そのため、第３の例では、図１０に示すように、排気弁３２の開弁タイミング（ＥＶＯ）を、ｔ７よりも遅いｔ９に変更する。このように、排気弁３２の開弁タイミングをｔ９とすることで、第３の例では、第１の例よりも膨張行程が長くなる。ただし、排気弁３２の開弁タイミングを遅らせると、シリンダ１０内における圧力降下のタイミングも遅くなる。そのため、第１の例における掃気ポート１０ａの開口タイミングであるｔ１では、シリンダ１０内の圧力が高い。その結果、ｔ１で掃気ポート１０ａが開口すると、掃気ポート１０ａから掃気室４２ａに向けて燃焼ガスが流出する（ブローバック）おそれがある。
【0080】
そこで、第３の例では、ピストン１２の下降時において、可動体１１０を下死点側に所定量移動させ、掃気ポート１０ａの開口タイミングをｔ１０とする。これにより、掃気ポート１０ａからのブローバックを抑制することができる。しかしながら、掃気ポート１０ａの開口タイミングを遅らせると、ピストン１２の上昇時における掃気ポート１０ａの閉鎖タイミングが早くなる。したがって、ｔ１０で掃気ポート１０ａが開口すると、図１０に示す比較例のように、掃気ポート１０ａの閉鎖タイミングはｔ１１となる。この場合、掃気ポート１０ａの開口時間が短く、掃気量が低下し、掃気効率が低下する。
【0081】
第３の例では、ピストン１２の下降時において、掃気ポート１０ａが開口するのと同時に、制御部１３６が可動体１１０を上死点側に移動させる。例えば、クランク角を検出するクランク角センサ１３８を設ける（図３参照）。制御部１３６は、クランク角センサ１３８から入力される信号により、クランク角がｔ１０になったところで、可動体１１０を上死点側に移動させる。すなわち、ピストン１２の下降時に、ピストン１２の冠面１２ａが可動体１１０の下端部１１０ａを通過するのと同時、あるいは、その前後のタイミングで、可動体１１０が上死点側に移動する。その結果、第３の例における掃気ポート１０ａの閉鎖タイミングはｔ２となる。
【0082】
図１１は、第３の例における掃気量を説明する図である。上記したように、図１０に示す比較例では、ｔ１０において掃気ポート１０ａが開口し、ｔ１１において掃気ポート１０ａが閉鎖される。したがって、比較例における掃気ポート１０ａの合計開口面積は、図１１の上段にクロスハッチングで示すとおりとなる。
【0083】
これに対して、第３の例では、ｔ１０において掃気ポート１０ａが開口すると、可動体１１０が上死点側に移動する。そのため、掃気ポート１０ａの面積がストローク方向に拡大し、第３の例における掃気ポート１０ａの合計開口面積は、図１１の下段にハッチングで示すとおりとなる。これにより、第３の例では、ブローバックを抑制しながらも、十分な掃気量を確保することができる。
【0084】
以上のように、掃気ポート１０ａを開閉する開閉機構１００の利用方法はさまざまであり、上記以外の方法で開閉機構１００が制御されてもよい。つまり、開閉機構１００の適用範囲や制御方法は限定されない。
【0085】
開閉機構１００では、可動体１１０が、シリンダ１０の内周面１０ｂよりも径方向外側に設けられる。そのため、ピストン１２やピストンリング１２ｂと可動体１１０との接触による衝撃が生じることがない。また、可動体１１０とピストン１２との間で摩擦や抵抗が生じることがなく、耐久性を向上させることができる。
【0086】
また、複数の可動体１１０が連結部材１１２により連結される。そのため、曲げモーメントによる可動体１１０の変形や傾きが抑制され、可動体１１０がスムーズに移動することができる。
【0087】
さらには、図３に示すように、連結部材１１２の連結部１１２ｂは、可動体１１０よりもシリンダ１０の内周面１０ｂ側まで突出する。これにより、可動体１１０が閉位置にあるとき、ピストン１２の下降時において、可動体１１０よりも内周面１０ｂ側であって、下端部１１０ａと掃気ポート１０ａの端部１０ａ１との間の空間が閉塞される。したがって、低圧縮比モードにおいて、ピストン１２の冠面１２ａが連結部１１２ｂを通過するまで、活性ガスがシリンダ１０内に吸気されることがなく、適切なタイミングで活性ガスの吸気を開始することができる。
【0088】
図１２は、第２の実施形態の開閉機構２００を説明する図である。なお、第２の実施形態の説明にあたり、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。図１２には、掃気ポート１０ａを通るシリンダ１０のストローク方向の断面を示す。図１２において、シリンダ１０を境にして図中左側がシリンダ１０の内側であり、図中右側がシリンダ１０の外側である。また、図１２中上側が上死点側であり、図１２中下側が下死点側である。
【0089】
また、図１３は、図１２のＸＩＩＩ矢視展開図であり、図１４は、図１２のＸＩＶ－ＸＩＶ断面図である。図１３では、図１２のＸＩＩＩ矢視における３つの掃気ポート１０ａのみを示している。また、図１３において、（ａ）および（ｂ）は、シリンダ１０の外観を模式的に示し、可動体２１０をクロスハッチングで示している。また、図１３において、（ｃ）は、可動体２１０および連結部材１１２の断面を示している。
【0090】
図１２に示すように、シリンダ１０は、内周面１０ｂから外周面１０ｃまで径方向に厚みを有する。掃気ポート１０ａは、シリンダ１０を径方向に貫通し、内周面１０ｂから外周面１０ｃまで延在する。シリンダ１０には、全ての掃気ポート１０ａの上方に収容穴１０ｇが形成されている。収容穴１０ｇは、ストローク方向に直交する方向の断面形状が円形の穴で構成される。収容穴１０ｇは、ストローク方向に延在する。収容穴１０ｇのストローク方向の下死点側は、掃気ポート１０ａに連続する。換言すれば、収容穴１０ｇは、掃気ポート１０ａの上死点側から、ストローク方向に延在する。また、シリンダ１０には、収容穴１０ｇの上部から外周面１０ｃまで貫通する空気孔２０２ａ１が形成されている。
【0091】
収容穴１０ｇにより収容室２０４が形成される。収容室２０４には、可動体２１０がストローク方向に移動可能に収容される。可動体２１０は、ストローク方向に直交する方向の断面形状が円形の中空部材で構成される。可動体２１０の内部には、下死点側の下端部２１０ａに開口する内部穴２１０ｂが形成されている。可動体２１０の下端部２１０ａには、連結部材１１２の連結部１１２ｂが取り付けられている。連結部１１２ｂにより、内部穴２１０ｂが閉塞されている。なお、ここでは、可動体２１０が中空部材で構成されているが、これは軽量化を目的とするものである。したがって、可動体２１０は、中空ではなく中実であってもよい。
【0092】
可動体２１０は、シリンダ１０の内周面１０ｂよりも径方向外側に設けられる。可動体２１０の外径は、掃気ポート１０ａの周方向の幅Ｗ１よりも僅かに小さい。可動体２１０が掃気ポート１０ａ内に突出した状態では、掃気ポート１０ａの上部が閉塞される。
【0093】
図１２に示すように、第２の実施形態の開閉機構２００は、第１の実施形態の開閉機構１００と同様に、駆動装置１２０を備える。駆動装置１２０により、可動体２１０がストローク方向に移動する。したがって、第２の実施形態によっても、上記の第１の例、第２の例および第３の例と同様の作用、効果が実現可能となる。
【0094】
図１５は、第３の実施形態の開閉機構３００を説明する図である。なお、第３の実施形態の説明にあたり、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。なお、第３の実施形態では、圧縮比可変機構Ｖを備えていない点で、上記第１の実施形態および第２の実施形態と異なる。図１５には、掃気ポート１０ａを通るシリンダ１０のストローク方向の断面を示す。図１５において、シリンダ１０を境にして図中左側がシリンダ１０の内側であり、図中右側がシリンダ１０の外側である。また、図１５中上側が上死点側であり、図１５中下側が下死点側である。
【0095】
図１５に示すように、シリンダ１０は、内周面１０ｂから外周面１０ｃまで径方向に厚みを有する。掃気ポート１０ａは、シリンダ１０を径方向に貫通し、内周面１０ｂから外周面１０ｃまで延在する。シリンダ１０には、全ての掃気ポート１０ａの上方に収容穴１０ｉが形成されている。収容穴１０ｉは、ストローク方向に直交する方向の断面形状が円形の穴で構成される。収容穴１０ｉは、ストローク方向に延在する。収容穴１０ｉのストローク方向の下死点側は、掃気ポート１０ａに連続する。換言すれば、収容穴１０ｉは、掃気ポート１０ａの上死点側から、ストローク方向に延在する。また、シリンダ１０には、収容穴１０ｉの上部から内周面１０ｂまで貫通する連通孔３０２が形成されている。
【0096】
収容穴１０ｉにより収容室３０４が形成される。収容室３０４には、可動体３１０がストローク方向に移動可能に収容される。可動体３１０は、ストローク方向に直交する方向の断面形状が円形の中空部材で構成される。可動体３１０の内部には、下死点側の下端部３１０ａに開口する内部穴３１０ｂが形成されている。可動体３１０の下端部３１０ａには、連結部材１１２の連結部１１２ｂが取り付けられている。連結部１１２ｂにより、内部穴３１０ｂが閉塞されている。可動体３１０は、下端部３１０ａが、掃気ポート１０ａの上死点側の端部１０ａ１よりも下死点側に突出する閉位置、および、下端部３１０ａが閉位置よりも上死点側に位置する開位置に変位可能である。
【0097】
可動体３１０は、シリンダ１０の内周面１０ｂよりも径方向外側に設けられる。可動体３１０の外径は、掃気ポート１０ａの周方向の幅よりも僅かに小さい。可動体３１０が掃気ポート１０ａ内に突出した状態では、掃気ポート１０ａの上部が閉塞される。また、可動体３１０の上死点側には受圧面３１０ｃが設けられている。受圧面３１０ｃにより、内部穴３１０ｂの上死点側が閉塞されている。収容室３０４の上部には、受圧面３１０ｃと、収容穴１０ｉの内壁面とに囲繞された圧力室３０６が形成される。したがって、受圧面３１０ｃは、圧力室３０６に対して下死点側から臨んでいる（面している）。このように、収容室３０４は、掃気ポート１０ａよりも上死点側のシリンダ１０の内部と連通し、圧力室３０６として機能する。
【0098】
圧力室３０６は、連通孔３０２を介してシリンダ１０の内部に連通する。より詳細には、圧力室３０６は、連通孔３０２を介して、掃気ポート１０ａよりも上死点側のシリンダ１０の内部と連通する。
【0099】
受圧面３１０ｃには、挿通孔３１０ｃ１が形成されている。挿通孔３１０ｃ１は、受圧面３１０ｃをストローク方向に貫通する。挿通孔３１０ｃ１には、固定部材３１２が挿通される。固定部材３１２は、ストローク方向に延在するガイド部３１２ａと、ガイド部３１２ａよりも径が大きいフランジ部３１２ｂとを備える。フランジ部３１２ｂは、ガイド部３１２ａの基端に設けられ、可動体３１０の内部穴３１０ｂ内に位置している。ガイド部３１２ａの先端は、収容穴１０ｉの上死点側の面に形成されたネジ溝に螺合され、収容室３０４内に固定されている。つまり、固定部材３１２のガイド部３１２ａは、内部穴３１０ｂ、挿通孔３１０ｃ１および圧力室３０６に亘って、ストローク方向に延在している。
【0100】
内部穴３１０ｂ内には、付勢部材３１４が設けられる。付勢部材３１４は、例えば圧縮ばねで構成され、内部穴３１０ｂの上死点側の底面（受圧面３１０ｃ）と、フランジ部３１２ｂとの間に配される。付勢部材３１４は、可動体３１０に対して下死点側から上死点側に付勢力を作用させる。なお、ここでは、内部穴３１０ｂ内に、圧縮ばねからなる付勢部材３１４が設けられるが、付勢部材３１４の構成は特に限定されない。例えば、圧力室３０６に引張ばねからなる付勢部材３１４が設けられてもよい。この場合、可動体３１０は、中空ではなく中実であってもよい。いずれにしても、付勢部材３１４は、可動体３１０に対して下死点側から上死点側に付勢力を作用させれば、その配置、形状、構造は適宜設計変更可能である。
【0101】
ここで、第１の実施形態の開閉機構１００、および、第２の実施形態の開閉機構２００は、駆動装置１２０を備える。駆動装置１２０により、可動体１１０、２１０がストローク方向に移動する。これに対して、第３の実施形態の開閉機構３００は、駆動装置１２０を備えておらず、圧力室３０６内の圧力と、付勢部材３１４の付勢力とのバランスによってストローク方向に移動する。以下に、開閉機構３００の動作について説明する。
【0102】
図１６は、第３の実施形態における開閉機構３００の動作を説明する図である。ピストン１２は、膨張行程において上死点側から下死点側に移動する。図１６（ａ）に示すように、ピストン１２の冠面１２ａが連通孔３０２よりも上死点側に位置するとき、ピストン１２により連通孔３０２が閉じられ、圧力室３０６は、シリンダ１０の内部との連通が遮断される。このとき、付勢部材３１４の付勢力により、可動体３１０が上死点側に押し上げられている。
【0103】
ここで、第３の実施形態においては、掃気ポート１０ａの上死点側が、ストローク方向に直交する方向に延在する平面形状であるものとする。したがって、可動体３１０が上死点側に押し上げられた状態では、連結部１１２ｂが掃気ポート１０ａの上死点側の面に面接触する。このとき、可動体３１０は、最も上死点側に移動した開位置となり、可動体３１０の全体が収容室３０４内に収容され、掃気ポート１０ａの開口面積が最大となる。
【0104】
なお、可動体３１０が最も上死点側に位置した状態でも、受圧面３１０ｃが連通孔３０２よりも下死点側に位置するように、可動体３１０のストローク方向の長さが設計されている。つまり、連通孔３０２は、可動体３１０の位置に拘わらず、常に圧力室３０６と連通している。
【0105】
そして、膨張行程において、ピストン１２の冠面１２ａが連通孔３０２よりも下死点側に移動すると、図１６（ｂ）に示すように、圧力室３０６が連通孔３０２を介してシリンダ１０の内部（燃焼室３０）と連通する。その結果、圧力室３０６の内部の圧力は、シリンダ１０の内圧まで上昇する。このとき、排気弁３２が開弁しているが、付勢部材３１４の弾性力は、受圧面３１０ｃに作用するシリンダ１０の内圧よりも小さく設定されている。したがって、可動体３１０は、下死点側に押し下げられ、掃気ポート１０ａ内に突出する閉位置となる。この可動体３１０の閉位置では、掃気ポート１０ａの上部側が閉塞され、掃気ポート１０ａの開口面積が最小となる。
【0106】
その後、ピストン１２がさらに下死点側に移動すると、シリンダ１０の内圧、すなわち、圧力室３０６内の圧力は徐々に低下する。ただし、付勢部材３１４の弾性力は、図１６（ｃ）に示すように、冠面１２ａが可動体３１０の下端部３１０ａ（連結部１１２ｂ）に到達したときの圧力室３０６内の圧力よりも小さく設定されている。したがって、膨張行程において、冠面１２ａが可動体３１０の下端部３１０ａ（連結部１１２ｂ）に到達しても、可動体３１０は閉位置に保持されている。
【0107】
そして、ピストン１２がさらに下死点側に移動すると、図１６（ｄ）に示すように、掃気ポート１０ａが開口し、シリンダ１０の内部が掃気室４２ａと連通する。したがって、掃気室４２ａからシリンダ１０内に活性ガスが吸気される。そして、シリンダ１０の内圧が下がると、圧力室３０６内の圧力も低下する。その結果、図１６（ｄ）、（ｅ）に示すように、付勢部材３１４の付勢力により、可動体３１０は、上死点側に移動して再び開位置となる。
【0108】
以上説明したように、第３の実施形態の開閉機構３００によれば、膨張行程では、可動体３１０が閉位置に保持される。その結果、掃気ポート１０ａの開口タイミングが遅くなる。一方で、冠面１２ａが可動体３１０の下端部３１０ａを通過すると、掃気ポート１０ａが開口する。このとき、可動体３１０が開位置に移動するため、掃気ポート１０ａの開口面積が大きくなる。これにより、図１１に示す第３の例と同様に、ミラーサイクルにおける掃気効率を向上させることができる。
【0109】
また、第３の実施形態では、シリンダ１０の内圧を用いて掃気ポート１０ａが開閉される。そのため、付勢部材３１４の弾性力と、受圧面３１０ｃの面積とを考慮すれば、適切に可動体３１０を移動させることができる。したがって、設計作業を簡素化しながらも、掃気ポート１０ａを適切に開閉することができる。
【0110】
また、第３の実施形態によれば、駆動装置１２０を設ける必要がない。つまり、可動体３１０は、閉位置と開位置との間を自動的に、かつ、最適なタイミングで移動する。したがって、駆動装置１２０が不要となる分だけ、部品点数を削減し、製造コストを抑制することができる。
【0111】
なお、ここでは、掃気ポート１０ａの上死点側が平面状であるとしたが、掃気ポート１０ａの上死点側は円弧状であってもよい。この場合、連結部１１２ｂを、掃気ポート１０ａの上死点側の面に沿って湾曲させ、連結部１１２ｂと掃気ポート１０ａの上死点側の面とが面接触可能に構成されてもよい。
【0112】
図１７は、第４の実施形態の開閉機構４００を説明する図である。なお、第４の実施形態の説明にあたり、第１の実施形態および第３の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。また、第４の実施形態では、上記第３の実施形態と同様、圧縮比可変機構Ｖを備えていない。図１７には、掃気ポート１０ａを通るシリンダ１０のストローク方向の断面を示す。図１７において、シリンダ１０を境にして図中左側がシリンダ１０の内側であり、図中右側がシリンダ１０の外側である。また、図１７中上側が上死点側であり、図１７中下側が下死点側である。
【0113】
図１７に示すように、シリンダ１０は、内周面１０ｂから外周面１０ｃまで径方向に厚みを有する。掃気ポート１０ａは、シリンダ１０を径方向に貫通し、内周面１０ｂから外周面１０ｃまで延在する。シリンダ１０には、全ての掃気ポート１０ａの上方に収容穴１０ｉが形成されている。収容穴１０ｉは、ストローク方向に直交する方向の断面形状が円形の穴で構成される。収容穴１０ｉは、ストローク方向に延在する。収容穴１０ｉのストローク方向の下死点側は、掃気ポート１０ａに連続する。換言すれば、収容穴１０ｉは、掃気ポート１０ａの上死点側から、ストローク方向に延在する。また、シリンダ１０には、収容穴１０ｉの上部から内周面１０ｂまで貫通する連通孔３０２が形成されている。
【0114】
収容穴１０ｉにより収容室３０４が形成される。収容室３０４には、可動体４１０がストローク方向に移動可能に収容される。可動体４１０は、円柱形状の部材で構成される。ただし、可動体４１０は、中空形状で構成されてもよい。可動体４１０の下端部４１０ａには、連結部材１１２の連結部１１２ｂが取り付けられている。可動体４１０は、下死点側に設けられる下端部４１０ａが、掃気ポート１０ａの上死点側の端部１０ａ１よりも下死点側に突出する閉位置、および、下端部４１０ａが閉位置よりも上死点側に位置する開位置に変位可能である。
【0115】
可動体４１０は、シリンダ１０の内周面１０ｂよりも径方向外側に設けられる。可動体４１０の外径は、掃気ポート１０ａの周方向の幅よりも僅かに小さい。可動体４１０が掃気ポート１０ａ内に突出した状態では、掃気ポート１０ａの上部が閉塞される。また、可動体４１０の上死点側には受圧面４１０ｃが設けられている。収容室３０４の上部には、受圧面４１０ｃと、収容穴１０ｉの内壁面とに囲繞された圧力室３０６が形成される。したがって、受圧面４１０ｃは、圧力室３０６に対して下死点側から臨んでいる（面している）。また、収容室３０４は、掃気ポート１０ａよりも上死点側のシリンダ１０の内部と連通し、圧力室３０６として機能する。
【0116】
圧力室３０６は、連通孔３０２を介してシリンダ１０の内部に連通する。より詳細には、圧力室３０６は、連通孔３０２を介して、掃気ポート１０ａよりも上死点側のシリンダ１０の内部と連通する。
【0117】
また、シリンダ１０の外周面１０ｃには、駆動装置４２０が設けられる。ここでは、駆動装置４２０が可動体４１０と同数設けられることとする。ただし、駆動装置４２０は、可動体４１０よりも多く設けられてもよいし少なく設けられてもよい。駆動装置４２０は、エアシリンダ４２２を備える。エアシリンダ４２２は、シリンダ１０の外周面１０ｃに取り付けられる。
【0118】
エアシリンダ４２２は、中空のシリンダ本体４２４と、作動部材４２６とを含む。作動部材４２６は、シリンダ本体４２４内に位置するピストン部４２６ａと、ピストン部４２６ａから延在し、シリンダ本体４２４の外部に突出するロッド部４２６ｂとを備える。作動部材４２６すなわちロッド部４２６ｂは、シリンダ本体４２４の外側において連結部材１１２に接続される。つまり、作動部材４２６は、連結部材１１２を介して可動体４１０に接続される。
【0119】
シリンダ本体４２４の内部には、ピストン部４２６ａによって区画される２つの空間が形成される。ここでは、シリンダ本体４２４の内部において、ピストン部４２６ａよりもロッド部４２６ｂ側にロッド側室４２４ａが設けられ、ピストン部４２６ａを境にしてロッド部４２６ｂとは反対側にピストン側室４２４ｂが設けられる。
【0120】
ロッド側室４２４ａには弾性部材４２８が設けられている。弾性部材４２８は、例えば圧縮ばねで構成され、作動部材４２６に対して下死点側から上死点側に付勢力を作用させる。なお、ここでは、ロッド側室４２４ａ内に、圧縮ばねからなる弾性部材４２８が設けられるが、弾性部材４２８の構成は特に限定されない。例えば、ピストン側室４２４ｂに引張ばねからなる弾性部材４２８が設けられてもよい。いずれにしても、弾性部材４２８は、作動部材４２６に対して下死点側から上死点側に付勢力を作用させれば、その配置、形状、構造は適宜設計変更可能である。
【0121】
また、シリンダ１０およびシリンダ本体４２４には、収容穴１０ｉの上部からピストン側室４２４ｂまで貫通する第２連通孔４３０が形成されている。第２連通孔４３０により、ピストン側室４２４ｂと圧力室３０６とが連通する。圧力室３０６は、連通孔３０２を介してシリンダ１０の内部と連通するため、ピストン側室４２４ｂは、シリンダ１０の内部と連通することとなる。つまり、ピストン側室４２４ｂは、掃気ポート１０ａよりも上死点側のシリンダ１０の内部と連通し、シリンダ１０の内圧が導かれる圧力室４３２として機能する。また、ピストン部４２６ａのうち、圧力室４３２に対して下死点側から臨む面は、受圧面４２６ａ１として機能する。
【0122】
ここで、圧力室４３２は、収容室３０４（圧力室３０６）よりもストローク方向に直交する断面の面積が大きい。また、作動部材４２６の受圧面４２６ａ１は、可動体４１０の受圧面４１０ｃよりも面積が大きい。したがって、シリンダ１０の内圧により下死点側に作用する力は、作動部材４２６の方が、可動体４１０よりも大きくなる。
【0123】
上記の第４の実施形態によれば、第３の実施形態と同様に、ピストン１２の移動に伴って、可動体４１０が閉位置と開位置との間を自動的に移動する。したがって、第３の実施形態と同様の作用効果が実現される。しかも、可動体４１０に接続される作動部材４２６には、可動体４１０よりも大きな力が下死点側に向けて作用する。したがって、収容室３０４内を可動体４１０がストローク方向に摺動する際に生じる摩擦抵抗が大きくなったとしても、確実に可動体４１０を移動させることができる。
【0124】
なお、ここでは、圧力室４３２の方が、収容室３０４に比べて、ストローク方向に直交する断面の面積が大きい場合について説明した。つまり、第４の実施形態では、受圧面４２６ａ１の面積が、受圧面４１０ｃの面積よりも大きい。ただし、圧力室４３２の方が、収容室３０４に比べて、ストローク方向に直交する断面の面積が小さくてもよい。同様に、受圧面４２６ａ１の面積が、受圧面４１０ｃの面積よりも小さくてもよい。この場合であっても、作動部材４２６により、可動体４１０のストローク方向の移動が補助される。
【0125】
また、ここでは、圧力室３０６がシリンダ１０の内部に連通することとした。ただし、圧力室３０６は、シリンダ１０の内部と非連通であってもよい。つまり、圧力室４３２が、圧力室３０６を介さずに、シリンダ１０の内部と連通してもよい。この場合、可動体４１０は、作動部材４２６に作用する付勢力によってのみストローク方向に移動することとなる。
【0126】
以上、添付図面を参照しながら実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。
【0127】
上記第１の実施形態および第２の実施形態では、駆動装置１２０が油圧シリンダ１２２を備える場合について説明した。ただし、駆動装置１２０は、油圧シリンダ１２２に代えて電動シリンダを備えてもよい。
【0128】
また、上記第１の実施形態および第２の実施形態における圧縮比可変機構Ｖの構成は一例に過ぎない。例えば、圧縮比可変機構Ｖは、ピストン１２に設けられてもよい。いずれにしても、圧縮比可変機構Ｖは、ピストン１２のストローク方向の位置を変更させることができれば、その具体的な構成は特に限定されない。
【0129】
また、上記第１の実施形態および第２の実施形態では、圧縮比可変機構Ｖが設けられることとした。ただし、圧縮比可変機構Ｖは必須の構成ではない。また、上記第３の実施形態および第４の実施形態では、圧縮比可変機構Ｖが設けられないこととした。ただし、第３の実施形態および第４の実施形態において、圧縮比可変機構Ｖが設けられてもよい。
【0130】
また、上記第１の実施形態および第２の実施形態では、掃気ポート１０ａの上死点側が円弧状であるとしたが、掃気ポート１０ａの上死点側は平面形状でもよい。また、上記第１の実施形態および第２の実施形態において、連結部１１２ｂが、掃気ポート１０ａの上死点側の面に沿って湾曲した形状であってもよい。
【0131】
また、上記第１の実施形態および第２の実施形態において、高圧縮比モードと低圧縮比モードとで、それぞれ制御部１３６が可動体１１０、２１０の移動範囲を制御することで、高圧縮比モードおよび低圧縮比モードのいずれか一方または双方においてミラーサイクルを適用することもできる。
【0132】
また、上記第３の実施形態および第４の実施形態において、上記第１の実施形態のように、収容室３０４が蓋部材１０２によって区画形成されてもよい。
【0133】
また、上記各実施形態では、可動体１１０、２１０、３１０、４１０が連結部材１１２によって連結されることとした。ただし、連結部材１１２は必須ではなく、可動体１１０、２１０、３１０、４１０がそれぞれ個別に移動してもよい。
【0134】
また、上記各実施形態では、可動体１１０、２１０、３１０、４１０が、シリンダ１０の径方向の厚みの範囲内に設けられている。ただし、可動体１１０、２１０、３１０、４１０の一部または全部が、シリンダ１０の外周面１０ｃよりも外側に位置してもよい。いずれにしても、可動体１１０、２１０、３１０、４１０は、シリンダ１０の内周面１０ｂよりも径方向外側に設けられればよく、その位置や形状は特に限定されない。
【産業上の利用可能性】
【0135】
本開示は、エンジンに利用することができる。
【符号の説明】
【0136】
１ エンジン
１０ シリンダ
１０ａ 掃気ポート
１０ｂ 内周面
１０ｃ 外周面
１２ ピストン
１０４、２０４、３０４ 収容室
１１０、２１０、３１０、４１０ 可動体
１１０ａ、２１０ａ、３１０ａ、４１０ａ 下端部
１１２ 連結部材
１２０、４２０ 駆動装置
１２２ 油圧シリンダ
Ｖ 圧縮比可変機構
１０ シリンダ
１０ａ 掃気ポート
１０ｂ 内周面
１０ｃ 外周面
１２ ピストン
１０４、２０４、３０４ 収容室
１１０、２１０、３１０、４１０ 可動体
１１０ａ、２１０ａ、３１０ａ、４１０ａ 下端部
１１２ 連結部材
１２０、４２０ 駆動装置
１２２ 油圧シリンダ
Ｖ 圧縮比可変機構
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】