(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B1)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-02-10
(45)【発行日】2023-02-20
(54)【発明の名称】内燃機関
(51)【国際特許分類】
F02B 75/32 20060101AFI20230213BHJP
F16C 3/06 20060101ALI20230213BHJP
【ＦＩ】
F02B75/32 A
F16C3/06
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2022149603
(22)【出願日】2022-09-20
【審査請求日】2022-09-20
【早期審査対象出願】
(73)【特許権者】
【識別番号】508251450
【氏名又は名称】中山 善隆
(74)【代理人】
【識別番号】100157428
【弁理士】
【氏名又は名称】大池 聞平
(72)【発明者】
【氏名】中山 善▲隆▼
【審査官】北村 亮
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１９－０２７３６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１９６３５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－０８０９０１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－１５１１５２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０２Ｂ ７５／３２
Ｆ１６Ｃ ３／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
シリンダ内を往復運動するピストンと、一端部が前記ピストンに回転自在に連結されたコンロッドと、
前記コンロッドの他端部が連結されて、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク機構と、
前記クランク機構によって変換された回転運動による動力で回転する出力軸とを備え、
前記クランク機構は、
クランクピンを有するクランクと、
前記コンロッドの他端部に可動に連結され、且つ、前記クランクピンに回転自在に連結された可動部材と、
前記可動部材に固定された固定歯車を含み、前記固定歯車を介して前記クランクの回転力を前記可動部材に伝達することにより、前記コンロッドに対し前記可動部材を動かし、且つ、前記クランクに対し前記可動部材を回転させる伝達機構とを有し、
前記可動部材として第２クランクが設けられ、前記第２クランクは、前記クランクピンに対する回転軸としての親軸と、前記コンロッドの他端部に対する回転軸としての子軸とを有し、上死点において、前記クランクの回転軸から前記第２クランクの子軸に向かって延びる直線に対し、前記コンロッドがなす角度が、９０°±７０°の角度範囲にあり、
前記ピストンが往復動するためのシリンダの軸心と、前記クランクピンの回転移動の中心との距離は、前記回転移動の中心と前記クランクピンの軸心との距離よりも長い、内燃機関。
【請求項2】
前記クランクを第１クランクとし、
前記固定歯車は、前記第２クランクの親軸と同軸に前記第２クランクに固定され、
前記伝達機構は、前記第１クランクと前記第２クランクとが同じ回転数で且つ反対方向に回転するように前記第１クランクと前記第２クランクを係合させる、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項3】
シリンダ内を往復運動するピストンと、
一端部が前記ピストンに回転自在に連結されたコンロッドと、
前記コンロッドの他端部が連結されて、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク機構と、
前記クランク機構によって変換された回転運動による動力で回転する出力軸とを備え、
前記クランク機構は、
クランクピンを有するクランクと、
前記コンロッドの他端部に可動に連結され、且つ、前記クランクピンに回転自在に連結された可動部材と、
前記可動部材に固定された固定歯車を含み、前記固定歯車を介して前記クランクの回転力を前記可動部材に伝達することにより、前記コンロッドに対し前記可動部材を動かし、且つ、前記クランクに対し前記可動部材を回転させる伝達機構とを有し、
前記可動部材として第２クランクが設けられ、前記第２クランクは、前記クランクピンに対する回転軸としての親軸と、前記コンロッドの他端部に対する回転軸としての子軸とを有し、上死点において、前記クランクの回転軸から前記第２クランクの子軸に向かって延びる直線に対し、前記コンロッドがなす角度が、９０°±７０°の角度範囲にあり、
前記クランクを第１クランクとし、
前記固定歯車は、前記第２クランクの親軸と同軸に前記第２クランクに固定され、
前記伝達機構は、前記第１クランクと前記第２クランクとが同じ回転数で且つ反対方向に回転するように前記第１クランクと前記第２クランクを係合させ、
前記伝達機構は、前記固定歯車に噛み合う歯車を含む複数の歯車を介して、エンジンブロックに固定された歯車に対し、前記第２クランクの回転トルクが伝達されるように構成され、
前記複数の歯車のうち互いに噛み合う一組の歯車は、互いに同じ回転数となるように噛み合う非円形歯車であり、
前記第２クランクの長さは、前記１クランクの長さよりも長く、
前記コンロッドの他端部の中心軸が８の字状の軌跡を描く、内燃機関。
【請求項4】
シリンダ内を往復運動するピストンと、
一端部が前記ピストンに回転自在に連結されたコンロッドと、
前記コンロッドの他端部が連結されて、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク機構と、
前記クランク機構によって変換された回転運動による動力で回転する出力軸とを備え、
前記クランク機構は、
クランクピンを有するクランクと、
前記コンロッドの他端部に可動に連結され、且つ、前記クランクピンに回転自在に連結された可動部材と、
前記可動部材に固定された固定歯車を含み、前記固定歯車を介して前記クランクの回転力を前記可動部材に伝達することにより、前記コンロッドに対し前記可動部材を動かし、且つ、前記クランクに対し前記可動部材を回転させる伝達機構とを有し、
前記可動部材として第２クランクが設けられ、前記第２クランクは、前記クランクピンに対する回転軸としての親軸と、前記コンロッドの他端部に対する回転軸としての子軸とを有し、上死点において、前記クランクの回転軸から前記第２クランクの子軸に向かって延びる直線に対し、前記コンロッドがなす角度が、９０°±７０°の角度範囲にあり、
前記クランクを第１クランクとし、
前記固定歯車は、前記第２クランクの親軸と同軸に前記第２クランクに固定され、
前記伝達機構は、前記第１クランクと前記第２クランクとが同じ回転数で且つ反対方向に回転するように前記第１クランクと前記第２クランクを係合させ、
前記伝達機構は、前記固定歯車に噛み合う歯車を含む複数の歯車を介して、エンジンブロックに固定された歯車に対し、前記第２クランクの回転トルクが伝達されるように構成され、
前記エンジンブロックに固定された歯車は、内歯車であり、
前記複数の歯車のうち前記内歯車に噛み合う歯車は、非円形歯車であり、
前記非円形歯車においてその回転軸から前記内歯車に噛み合う接合点までの距離の変化に応じて、前記内歯車の内周面が凹凸に波打つように形成することで、前記内歯車が前記非円形歯車に噛み合い、
前記第２クランクの長さは、前記１クランクの長さよりも長く、
前記コンロッドの他端部の中心軸が８の字状の軌跡を描く、内燃機関。
【請求項5】
シリンダ内を往復運動するピストンと、
一端部が前記ピストンに回転自在に連結されたコンロッドと、
前記コンロッドの他端部が連結されて、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク機構と、
前記クランク機構によって変換された回転運動による動力で回転する出力軸とを備え、
前記クランク機構は、
クランクピンを有するクランクと、
前記コンロッドの他端部に可動に連結され、且つ、前記クランクピンに回転自在に連結された可動部材と、
前記可動部材に固定された固定歯車を含み、前記固定歯車を介して前記クランクの回転力を前記可動部材に伝達することにより、前記コンロッドに対し前記可動部材を動かし、且つ、前記クランクに対し前記可動部材を回転させる伝達機構とを有し、
前記可動部材として第２クランクが設けられ、前記第２クランクは、前記クランクピンに対する回転軸としての親軸と、前記コンロッドの他端部に対する回転軸としての子軸とを有し、上死点において、前記クランクの回転軸から前記第２クランクの子軸に向かって延びる直線に対し、前記コンロッドがなす角度が、９０°±７０°の角度範囲にあり、
前記クランクを第１クランクとし、
前記固定歯車は、前記第２クランクの親軸と同軸に前記第２クランクに固定され、
前記伝達機構は、前記第１クランクと前記第２クランクとが同じ回転数で且つ反対方向に回転するように前記第１クランクと前記第２クランクを係合させ、
前記伝達機構は、前記固定歯車に噛み合う歯車を含む複数の歯車を介して、エンジンブロックに固定された歯車に対し、前記第２クランクの回転トルクが伝達されるように構成され、
前記複数の歯車のうち互いに噛み合う一組の歯車は、互いに同じ回転数となるように噛み合う非円形歯車であり、一方の歯車がエンジンブロックに固定され、
前記第２クランクの長さは、前記１クランクの長さよりも長く、
前記一方の歯車の外周のうち回転軸に対して最も遠い部位が、前記一組の歯車のうち他方の歯車の外周のうち回転軸に対して最も近い部位と噛み合う状態の前記第１クランクのクランク角は、前記ピストンが下死点における前記第１クランクのクランク角に対し、これらの両クランク角が一致する場合に比べてコンロッドの軸線とシリンダ軸との角度が小さくなる方向にずれている、内燃機関。
【請求項6】
前記固定歯車が前記可動部材に固定され、前記クランク機構は、
前記固定歯車に噛み合い、前記第１クランクの回転軸に回転自在に支持された中央側歯車と、
前記中央側歯車に噛み合い、前記中央側歯車を挟んで前記固定歯車とは反対側の位置で、前記第１クランクの延長部材に回転自在に支持された対極歯車とを備えている、請求項２に記載の内燃機関。
【請求項7】
前記シリンダ内の燃焼室において上死点手前で着火がなされる場合に、前記ピストンの上死点側への移動を補助する補助機構を備え、前記補助機構は、
前記第１クランクの回転軸の回転トルクが伝達されてそれぞれ回転する第３クランク及び第４クランクと、
前記第３クランクのクランクピンと前記第４クランクのクランクピンとに回転自在に支持されて、前記第３クランクと前記第４クランクとを連結する連結部材と、
前記第４クランクのクランクピンに固定された第２固定歯車と、
前記第２固定歯車に噛み合い、前記連結部材に回転自在に支持された遠位側歯車と、
前記遠位側歯車と噛み合う歯車を含む複数の歯車を有し、該複数の歯車の各々が前記連結部材に回転自在に支持された中継歯車機構と、
前記中継歯車機構の複数の歯車のうち、前記第３クランク側に設けられた近位側歯車に噛み合い、前記近位側歯車を公転させると共に、自らは前記第１クランクの２倍速で回転し、エンジンブロックに回転自在に支持される２倍速歯車と、
前記第１クランクと前記第２クランクとが同じ回転数にて反対方向に回転するように、前記２倍速歯車の回転トルクを前記対極歯車に伝達させる歯車とを備えている、請求項６に記載の内燃機関。
【請求項8】
前記第２固定歯車と前記遠位側歯車とは、互いに同じ回転数となるように噛み合う非円形歯車であり、前記第２固定歯車の外周のうち回転軸に対して最も遠い部位が、前記遠位側歯車の外周のうち回転軸に対して最も近い部位と噛み合う状態の前記第１クランクのクランク角は、前記ピストンが下死点における前記第１クランクのクランク角に対し、これらの両クランク角が一致する場合に比べてコンロッドの軸線とシリンダ軸との角度が小さくなる方向にずれている、請求項７に記載の内燃機関。
【請求項9】
前記固定歯車が前記第２クランクに前記親軸と同軸に固定されており、前記固定歯車と同一歯数で、前記固定歯車に噛み合う第２固定歯車と、
前記第２固定歯車が固定されたクランプピンを有する第４クランクとをさらに備え、
前記クランクと前記第４クランクとは、クランク長が等しく、前記固定歯車及び前記第２固定歯車を介して係合されて、同位相で同期して回転し、
前記第４クランクの回転軸が前記出力軸により構成されている、請求項１に記載の内燃機関。
【請求項10】
シリンダ内を往復運動するピストンと、
一端部が前記ピストンに回転自在に連結されたコンロッドと、
前記コンロッドの他端部が連結されて、前記ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク機構と、
前記クランク機構によって変換された回転運動による動力で回転する出力軸とを備え、
前記クランク機構は、
クランクピンを有するクランクと、
前記コンロッドの他端部に可動に連結され、且つ、前記クランクピンに回転自在に連結された可動部材と、
前記クランクピンに固定された固定歯車を含み、前記固定歯車を介して前記クランクの回転力を前記可動部材に伝達することにより、前記コンロッドに対し前記可動部材を動かし、且つ、前記クランクに対し前記可動部材を回転させる伝達機構とを有し、
前記可動部材として前記コンロッドに対しスライド自在に連結されたスライド部材が設けられ、上死点において、前記コンロッドと前記クランクのなす角度が、９０°±７０°の角度範囲にある、内燃機関。
【請求項11】
前記可動部材が前記コンロッドの他端部にスライド自在に連結されることで、前記コンロッドと前記可動部材は、伸縮可能な伸縮部材を構成し、前記ピストンが上死点の手前から上死点に近づくに従って、前記クランクの回転力を利用して前記伸縮部材を伸長させる伸縮機構をさらに備えている、請求項１０に記載の内燃機関。
【請求項12】
前記伸縮機構は、前記可動部材に回転自在に支持されて、前記固定歯車と噛み合う伸縮用歯車と、
前記伸縮用歯車の回転軸と同軸の主軸と、該主軸から偏心した位置の副軸とを有し、前記伸縮用歯車の回転に伴って前記主軸を中心に回転移動する伸縮用クランクと、
前記伸縮用クランクの副軸に回転自在に支持されると共に、前記コンロッドにも回転自在に支持されて、前記伸縮用歯車の回転移動に伴って揺動して、前記可動部材に対し前記コンロッドを進退させる揺動部材とを備えている、請求項１１に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レシプロタイプの内燃機関に関する。
【背景技術】
【0002】
従来から、レシプロタイプの内燃機関が知られている。特許文献１の図１には、この種の内燃機関として、図における上下方向にシリンダとクランク機構が並ぶ内燃機関が記載されている。この内燃機関は、第１歯車と第２歯車と中間歯車を有する。第１歯車は、クランクジャーナルに同軸をなすように配置され、クランクケースの側に固定されている。第２歯車は、伝動媒体としての中間歯車を介して第１歯車と連動可能に接続され、クランクピンに同軸的に枢支される。第２歯車には、コンロッドの大端部を枢支する偏心ピンが固着されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２０１９－２７３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ところで、従来の内燃機関は、シリンダ軸（シリンダの軸心）と出力軸とが直線上に並ぶ。そして、ピストンが燃焼上死点のタイミングでは、ピストンピンとクランクピンと出力軸とが直線上に並び、クランクピンの運動方向は、ピストンの往復方向に直交する。そのため、燃焼圧が最大となる上死点とその直後で、出力軸の回転出力は、ゼロ又は限りなくゼロに近い。また、出力軸の回転出力が発生し始めるタイミングでは、ピストンの下降により燃焼圧は大きく低下している（例えば、１／２～１／３程度に低下している）。従来の内燃機関では、ピストンが受ける燃焼圧をクランクの出力軸に回転出力として効率的に伝達できているとは言い難い。
【0005】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ピストンからクランク機構の出力軸に対しトルクを効率的に伝達することが可能な内燃機関を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上述の課題を解決するべく、第１の発明は、シリンダ内を往復運動するピストンと、一端部がピストンに回転自在に連結されたコンロッドと、コンロッドの他端部が連結されて、ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランク機構と、クランク機構によって変換された回転運動による動力で回転する出力軸とを備え、クランク機構は、クランクピンを有するクランクと、コンロッドの他端部に可動に連結され、且つ、クランクピンに回転自在に連結された可動部材と、可動部材又はクランクピンに固定された固定歯車を含み、固定歯車を介してクランクの回転力を可動部材に伝達することにより、コンロッドに対し可動部材を動かし、且つ、クランクに対し可動部材を回転させる伝達機構とを有し、固定歯車が可動部材に固定されている場合は、可動部材として第２クランクが設けられ、第２クランクは、クランクピンに対する回転軸としての親軸と、コンロッドの他端部に対する回転軸としての子軸とを有し、上死点において、クランクの回転軸から第２クランクの子軸に向かって延びる直線に対し、コンロッドがなす角度が、９０°±７０°の角度範囲にあり、固定歯車がクランクピンに固定されている場合は、可動部材としてコンロッドに対しスライド自在に連結されたスライド部材が設けられ、上死点において、コンロッドとクランクのなす角度が、９０°±７０°の角度範囲にある、内燃機関である。
【0007】
第２の発明は、第１の発明において、固定歯車が可動部材に固定され、クランクを第１クランクとした場合に、可動部材は、第２クランクを構成し、固定歯車は、第２クランクの親軸と同軸に第２クランクに固定され、伝達機構は、第１クランクと第２クランクとが同じ回転数で且つ反対方向に回転するように第１クランクと第２クランクを係合させる。
【0008】
第３の発明は、伝達機構は、固定歯車に噛み合う歯車を含む複数の歯車を介して、エンジンブロックに固定された歯車に対し、第２クランクの回転トルクが伝達されるように構成され、複数の歯車のうち互いに噛み合う一組の歯車は、互いに同じ回転数となるように噛み合う非円形歯車であり、第２クランクの長さは、１クランクの長さよりも長く、コンロッドの他端部の中心軸が８の字状の軌跡を描く。
【0009】
第４の発明は、第２の発明において、伝達機構は、固定歯車に噛み合う歯車を含む複数の歯車を介して、エンジンブロックに固定された歯車に対し、第２クランクの回転トルクが伝達されるように構成され、エンジンブロックに固定された歯車は、内歯車であり、複数の歯車のうち内歯車に噛み合う歯車は、非円形歯車であり、非円形歯車においてその回転軸から内歯車に噛み合う接合点までの距離の変化に応じて、内歯車の内周面が凹凸に波打つように形成することで、内歯車が非円形歯車に噛み合い、第２クランクの長さは、１クランクの長さよりも長く、コンロッドの他端部の中心軸が８の字状の軌跡を描く。
【0010】
第５の発明は、第２の発明において、伝達機構は、固定歯車に噛み合う歯車を含む複数の歯車を介して、エンジンブロックに固定された歯車に対し、第２クランクの回転トルクが伝達されるように構成され、複数の歯車のうち互いに噛み合う一組の歯車は、互いに同じ回転数となるように噛み合う非円形歯車であり、一方の歯車がエンジンブロックに固定され、第２クランクの長さは、１クランクの長さよりも長く、一方の歯車の外周のうち回転軸に対して最も遠い部位が、一組の歯車のうち他方の歯車の外周のうち回転軸に対して最も近い部位と噛み合う状態の第１クランクのクランク角は、ピストンが下死点における第１クランクのクランク角に対し、これらの両クランク角が一致する場合に比べてコンロッドの軸線とシリンダ軸との角度が小さくなる方向にずれている。
【0011】
第６の発明は、第１の発明において、固定歯車が可動部材に固定され、クランク機構は、固定歯車に噛み合い、第１クランクの回転軸に回転自在に支持された中央側歯車と、中央側歯車に噛み合い、中央側歯車を挟んで固定歯車とは反対側の位置で、第１クランクの延長部材に回転自在に支持された対極歯車とを備えている。
【0012】
第７の発明は、第６の発明において、シリンダ内の燃焼室において上死点手前で着火がなされる場合に、ピストンの上死点側への移動を補助する補助機構を備え、補助機構は、第１クランクの回転軸の回転トルクが伝達されてそれぞれ回転する第３クランク及び第４クランクと、第３クランクのクランクピンと第４クランクのクランクピンとに回転自在に支持されて、第３クランクと第４クランクとを連結する連結部材と、第４クランクのクランクピンに固定された第２固定歯車と、第２固定歯車に噛み合い、連結部材に回転自在に支持された遠位側歯車と、遠位側歯車と噛み合う歯車を含む複数の歯車を有し、該複数の歯車の各々が連結部材に回転自在に支持された中継歯車機構と、中継歯車機構の複数の歯車のうち、第３クランク側に設けられた近位側歯車に噛み合い、近位側歯車を公転させると共に、自らは第１クランクの２倍速で回転し、エンジンブロックに回転自在に支持される２倍速歯車と、第１クランクと第２クランクとが同じ回転数にて反対方向に回転するように、２倍速歯車の回転トルクを対極歯車に伝達させる歯車とを備えている。
【0013】
第８の発明は、第７の発明において、第２固定歯車と遠位側歯車とは、互いに同じ回転数となるように噛み合う非円形歯車であり、第２固定歯車の外周のうち回転軸に対して最も遠い部位が、遠位側歯車の外周のうち回転軸に対して最も近い部位と噛み合う状態の第１クランクのクランク角は、ピストンが下死点における第１クランクのクランク角に対し、これらの両クランク角が一致する場合に比べてコンロッドの軸線とシリンダ軸との角度が小さくなる方向にずれている。
【0014】
第９の発明は、第１の発明において、固定歯車が第２クランクに親軸と同軸に固定されており、固定歯車と同一歯数で、固定歯車に噛み合う第２固定歯車と、第２固定歯車が固定されたクランプピンを有する第４クランクとをさらに備え、クランクと第４クランクとは、クランク長が等しく、固定歯車及び第２固定歯車を介して係合されて、同位相で同期して回転し、第４クランクの回転軸が出力軸により構成されている。
【0015】
第１０の発明は、第１の発明において、固定歯車がクランクピンに固定され、可動部材がコンロッドの他端部にスライド自在に連結されることで、コンロッドと可動部材は、伸縮可能な伸縮部材を構成し、ピストンが上死点の手前から上死点に近づくに従って、クランクの回転力を利用して伸縮部材を伸長させる伸縮機構をさらに備えている。
【0016】
第１１の発明は、第１０の発明において、伸縮機構は、可動部材に回転自在に支持されて、固定歯車と噛み合う伸縮用歯車と、伸縮用歯車の回転軸と同軸の主軸と、該主軸から偏心した位置の副軸とを有し、伸縮用歯車の回転に伴って主軸を中心に回転移動する伸縮用クランクと、伸縮用クランクの副軸に回転自在に支持されると共に、コンロッドにも回転自在に支持されて、伸縮用歯車の回転移動に伴って揺動して、可動部材に対しコンロッドを進退させる揺動部材とを備えている。
【発明の効果】
【0017】
本発明では、固定歯車が可動部材に固定されている場合は、可動部材として第２クランクが設けられ、上死点において、クランクの回転軸から第２クランクの子軸に向かって延びる直線に対し、コンロッドがなす角度（例えば、図４（ｄ）、図１１（ｂ）参照）が、９０°±７０°の角度範囲にある。この場合、従来の内燃機関に比べて、上死点におけるクランクピンの運動方向がシリンダ軸の方向に近くなる。従って、ピストンから、第１クランクへのトルクの伝達率が向上し、出力軸へのトルクの伝達率も向上する。
【0018】
なお、例えば、後述する実施形態では、ピストンが図４（ｄ）に示す上死点の位置から図４（ｆ）の位置に至るまでの期間に、クランクピンは約９０°回転するが、ピストンの下降は小さい。そのため、この期間における内燃機関の燃焼圧の低下量は小さい。既存の内燃機関では、上死点からクランクピンが９０°回転すると燃焼圧が５分の１近くに低下するところ、後述する実施形態では、上死点燃焼圧の２分の１以下とはならないため、高い燃焼圧を高伝達率にて出力軸の出力動力に変換することができる。
【0019】
また、本発明では、固定歯車がクランクピンに固定されている場合は、可動部材としてコンロッドに対しスライド自在に連結されたスライド部材が設けられ、上死点において、コンロッドとクランクのなす角度が、９０°±７０°の角度範囲（例えば、図２３（ａ）の実線参照）にある。この場合も、従来の内燃機関に比べて、上死点におけるクランクピンの運動方向がシリンダ軸の方向に近くなる。従って、ピストンから、第１クランクへのトルクの伝達率が向上し、出力軸へのトルクの伝達率も向上する。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図2】図２（ａ）は、実施形態に係る内燃機関における歯車の構成を説明するための概略図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の歯車のうち一対の偏心歯車の拡大図であり、図２（ｃ）は、図２（ｂ）とは別の噛み合い状態の一対の偏心歯車の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本発明の一例であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【0022】
各実施形態に係る内燃機関１０は、レシプロタイプの単気筒又は多気筒エンジンである。内燃機関１０は、例えば、自動車や船などの移動体か、固定発電機などの動力源として用いられる。以下では、単気筒内燃機関１０の場合を例にして説明を行う。
【0023】
［内燃機関の構成について］
本実施形態に係る内燃機関１０は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、略円筒状のシリンダ１１と、シリンダ１１内を往復運動する略円柱状のピストン１２と、ピストン１２に回転自在に連結されたコンロッド１３と、コンロッド１３が回転自在に連結されてピストン１２の往復運動を回転運動に変換するクランク機構１４と、内燃機関１０の設置箇所に固定されたエンジンブロック（クランクケースを含む固定部分）１６とを備えている。シリンダ１１内には、ピストン１２により燃焼室５が区画形成される。また、クランク機構１４により変換された回転運動は、出力軸１５から動力として出力される。エンジンブロック１６には、出力軸１５と同軸に設けられたシャフト１７が固定されている。
本実施形態に係る内燃機関１０は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、略円筒状のシリンダ１１と、シリンダ１１内を往復運動する略円柱状のピストン１２と、ピストン１２に回転自在に連結されたコンロッド１３と、コンロッド１３が回転自在に連結されてピストン１２の往復運動を回転運動に変換するクランク機構１４と、内燃機関１０の設置箇所に固定されたエンジンブロック（クランクケースを含む固定部分）１６とを備えている。シリンダ１１内には、ピストン１２により燃焼室５が区画形成される。また、クランク機構１４により変換された回転運動は、出力軸１５から動力として出力される。エンジンブロック１６には、出力軸１５と同軸に設けられたシャフト１７が固定されている。
【0024】
なお、内燃機関１０における燃焼室５の天井面には、吸気弁により開閉される吸気ポートと、排気弁により開閉される排気ポートが形成されているが、図示は省略する。
【0025】
コンロッド１３は、一端側に設けられた小端部１３ａと、他端側に設けられた大端部１３ｂと、小端部１３ａと大端部１３ｂを接続するロッド部１３ｃとを備えている。コンロッド１３では、一端側のリング状の小端部１３ａに、ピストン１２のピストンピン１２ａが回転自在に挿通され、他端側のリング状の大端部１３ｂに、後述する第２クランク２２が回転自在に挿通されている。なお、本実施形態では、コンロッド１３において小端部１３ａの軸心と大端部１３ｂの軸心とを結ぶ軸線１３Ｘが、シリンダ軸（シリンダ１１の軸心）ＣＡとなす角度（コンロッド１３の傾斜角θｂ）の最大値が、９０°弱となり比較的大きい（図３（ａ）参照）。そのため、シリンダ１１のスカート部には、コンロッド１３との接触を避けるための切れ込み（図示省略）を設ける。図１（ａ）において、小端部１３ａの軸心はピストンピン１２ａの軸心に一致し、大端部１３ｂの軸心は第２クランク２２の子軸Ａ３（後述）に一致する。
【0026】
クランク機構１４は、出力軸１５と、出力軸１５の軸心Ａ１を中心に回転移動するクランクピン２８を有する第１クランク２１と、親軸Ａ２及び子軸Ａ３を有する第２クランク２２とを備えている。第２クランク２２は、クランクピン２８に回転自在に連結され、且つ、コンロッド１３の大端部１３ｂに回転自在に連結されている。第２クランク２２は、コンロッド１３の他端部１３ｂに可動に連結され、且つ、クランクピン２８に回転自在に連結された可動部材に相当する。第２クランク２２では、コンロッドの大端部１３ｂが、親軸Ａ２から離間した子軸Ａ３を中心に回転自在に連結されている。以下では、出力軸１５の径方向において、出力軸１５側を「内側」、その反対側を「外側」と言う場合がある（図１（ｂ）参照）。
【0027】
第１クランク２１は、出力軸１５と同軸のシャフト１７に回転自在に支持されている。第１クランク２１は、上述の出力軸１５及びクランクピン２８に加え、シャフト１７とクランクピン２８間を延びる第１アーム２６と、出力軸１５とクランクピン２８間を延びる第２アーム２７とを備えている。第１クランク２１では、クランクピン２８が、出力軸１５の外側の位置で出力軸１５に平行に設けられている。第１クランク２１では出力軸１５、第１アーム２６、第２アーム２７及びクランクピン２８が一体化されており、シャフト１７を中心に第１アーム２６、第２アーム２７、クランクピン２８及び出力軸１５が一体で回転する。
【0028】
第１アーム２６は、シャフト１７に垂直に設けられている。第１アーム２６は、シャフト１７を回転自在に支持する第１軸受部２６ａと、後述する第２歯車３２のシャフト１８を回転自在に支持する第２軸受部２６ｂとを有する。第２軸受部２６ｂは、第１アーム２６において第１軸受部２６ａとクランクピン２８の固定箇所との間に位置している。図１（ａ）において、第２歯車３２のシャフト１８の軸心は、シャフト１７の軸心Ａ１とクランクピン２８の軸心Ａ２とを結ぶ直線上か、或いは、これらの軸心Ａ１，Ａ２と三角形をなす。
【0029】
第２アーム２７は、出力軸１５に垂直に設けられている。第２アーム２７は、クランクピン２８を介して第１アーム２６に一体化されている。第２アーム２７は、第１アーム２６と平行に設けられている。第２アーム２７の内側部分は、出力軸１５に一体化されている。クランクピン２８は、真っすぐな棒材である。第１クランク２１では、出力軸１５の軸心Ａ１から、クランクピン２８の軸心Ａ２までの距離Ｌ１が、クランク長（以下、「第１クランク長」と言う。）となる。符号２１Ｘは、出力軸１５の軸心Ａ１とクランクピン２８の軸心Ａ２とを結ぶ直線（第１クランク２１のクランク線）を表す（図１（ａ）参照）。
【0030】
第２クランク２２は、クランクピン２８を中心に偏心回転する円盤状の部品（例えば円形の板材）である。第２クランク２２は、コンロッド１３の大端部１３ｂの内側に、回転自在に挿通されている（図１（ａ）参照）。第２クランク２２では、コンロッド１３の大端部１３ｂに対する回転軸が子軸Ａ３に相当する。子軸Ａ３は、第２クランク２２の中心に位置する。また、第２クランク２２では、その中心の子軸Ａ３から偏心した位置に、円形穴により構成されてクランクピン２８が挿通されたピン軸受部２２ａが形成されている。第２クランク２２は、ピン軸受部２２ａでクランクピン２８に回転自在に支持される。第２クランク２２では、クランクピン２８に対する回転軸が親軸Ａ２に相当する。親軸Ａ２は、ピン軸受部２２ａの軸心に位置する。第２クランク２２では、ピン軸受部２２ａの軸心（親軸）Ａ２から第２クランク２２の中心（子軸）Ａ３までの距離Ｌ２が、クランク長（以下、「第２クランク長」と言う。）となる。符号２２Ｘは、親軸Ａ２と子軸Ａ３とを結ぶ直線（第２クランク２２のクランク線）を表す（図１（ａ）参照）。第２クランク長Ｌ２は、第１クランク長Ｌ１よりも長くてもよい。なお、第２クランク２２は、第１クランク２１のような門型形状に形成されてもよい。
【0031】
クランク機構１４は、第２クランク２２に固定されて第２クランク２２の親軸Ａ２を中心に第２クランク２２と共に回転する第１歯車３１と、第１クランク２１に回転自在に支持されて第１歯車３１と噛み合う第２歯車３２と、第２歯車３２に一体化されて第２歯車３２と共通の回転軸を中心に回転する第３歯車３３と、シャフト１７に一体化されて第３歯車３３と噛み合う第４歯車３４とを、さらに備えている（図１（ｂ）参照）。各歯車３１～３４の回転軸は、出力軸１５に平行である。クランク機構１４は、第１歯車３１、第２歯車３２、第３歯車３３及び第４歯車３４を介して、ピストン１２のトルクを出力軸１５に伝達する。本実施形態では、第２～第４歯車３２～３４は、第１クランク２１の内側（第１アーム２６と第２アーム２７の間）に配置されている。
【0032】
クランク機構１４は、可動部材２２に固定された固定歯車３１を含む複数の歯車３１～３４を介して、第１クランク２１の回転力を可動部材２２に伝達することにより、コンロッド１３に対し可動部材２２を動かし、且つ、第１クランク２１に対し可動部材２２を回転させる伝達機構に相当する。この点は、後述する変形例１等も同様である。また、伝達機構１４は、第１クランク２１と第２クランク２２とが同じ回転数で且つ反対方向に回転するように第１クランク２１と第２クランク２２を係合させる。この点は、後述する変形例１－３も同様である。
【0033】
第１歯車（固定歯車）３１は、第２クランク２２の親軸Ａ２と同軸に配置されて第２クランク２２に一体化されている。第１歯車３１は、第２クランク２２とともに、クランクピン２８に対し回転自在に支持されている。第１歯車３１は、自転しながら出力軸１５回りを公転（回転移動）する遊星歯車である。第１歯車３１は、例えば円形歯車である。
【0034】
第２歯車３２は、第１クランク２１の第２軸受部２６ｂに回転自在に支持されたシャフト１８に固定されている。第２歯車３２は、自転をしながら出力軸１５回りを公転する遊星歯車である。第２歯車３２は、第１歯車３１と同一歯数の円形歯車である。第２歯車３２は、例えば第１歯車３１と同じ大きさである。第１歯車３１が１回転すると、第２歯車３２もちょうど１回転するように設計されている。
【0035】
第３歯車３３は、シャフト１８に固定されて、第２歯車３２に一体化されている。第３歯車３３は、第２歯車３２と同様に、自転をしながら出力軸１５回りを公転する遊星歯車である。
【0036】
第４歯車３４は、シャフト１７を介してエンジンブロックに固定された太陽外歯車である。第４歯車３４の歯数は、第３歯車３３の歯数と同一である。シャフト１７は、エンジンブロック１６に固定されており、第４歯車３４は回転不能である。本実施形態では、第１歯車３１に対し第２歯車３２を噛み合わせ、太陽外歯車３４に対し第３歯車３３を噛み合わせることで、第１クランク２１の角度（以下、「クランク角」と言う。）に対応する第２クランク２２の角度が特定される。
【0037】
第３歯車３３と第４歯車３４の各々は、図２に示すように、周方向に回転軸ＧＡ１，ＧＡ２から外周までの距離が変化する非円形歯車である。第３歯車３３と第４歯車３４とは、第３歯車３３が１回転すると、第４歯車３４もちょうど１回転するように設計されている。第３歯車３３及び第４歯車３４の１回転中に、第３歯車３３と第４歯車３４とが噛み合う接合点Ｃから第３歯車３３の回転軸ＧＡ１までの距離Ｘ１と、接合点Ｃから第４歯車３４の回転軸ＧＡ２までの距離Ｘ２とは、それぞれ変化するが、距離Ｘ１と距離Ｘ２の合計長さは一定である。
【0038】
第３歯車３３及び第４歯車３４の一例について説明を行う。第３歯車３３は、外周形状が略楕円形の偏心歯車である。第３歯車３３の回転軸ＧＡ１は、楕円の焦点の位置にある。第４歯車３４も外周形状が略楕円形の偏心歯車である。第４歯車３４は、第３歯車３３と同一形状である。第４歯車３４の外周長は、第３歯車３３の外周長に等しい。第４歯車３４の回転軸ＧＡ２は、楕円の焦点の位置にある。なお、図２（ｂ）～（ｃ）において符号ＧＣ１は第３歯車３３の中心を表し、符号ＧＣ２は第４歯車３４の中心を表す。
【0039】
ここで、出力軸１５及び第１クランク２１が１回転すると、第４歯車３４と同一歯数の第３歯車３３と、第３歯車３３に一体化された第２歯車３２と、第２歯車３２と同一歯数の第１歯車３１とは、何れも１回転し、ピストン１２は１往復する。その間、第１クランク２１の回転速度が一定の場合でも、第３歯車３３の回転速度は、距離Ｘ１と距離Ｘ２の変化に伴って変化する。そして、この変化に伴って、第２クランク２２の回転速度も同様に変化する。本実施形態では、ピストン１２の１往復期間に、第１クランク２１の回転速度に対する第２クランク２２の回転速度が変化する。これにより、第２クランク２２が連結されたコンロッド１３の大端部１３ｂの回転軸（中心）Ａ３の軌跡（「大端部中心の軌跡」と言う）Ｋｃは、図１（ａ）に示すように、８の字を描く。
【0040】
また、クランクピン２８がシリンダ軸ＣＡから最も離れるタイミング（図３（ａ）のタイミング）では、図２（ｂ）に示すように、第３歯車３３の外周のうち回転軸ＧＡ１に対して近い側（図２（ｂ）において符号Ｃの引き出し線が指す側）が、第４歯車３４の外周のうち回転軸ＧＡ２に対して遠い側（図２（ｂ）において符号Ｃの引き出し線が指す側）と噛み合う。第３歯車３３の距離Ｘ１は、その変化範囲の中で下限側の値となり、第３歯車３３の距離Ｘ２は、その変化範囲の中で上限側の値となる。このタイミングでは、ピストン１２が下死点付近にあり、第３歯車３３の回転速度は、ピストン１２の１往復期間において相対的に大きくなり、第１クランク２１の回転速度に対する第２クランク２２の回転速度もこの１往復期間において相対的に大きくなる。
【0041】
一方、クランクピン２８がシリンダ１１軸ＣＡに最も近づくタイミング（図４（ｅ）のタイミング）では、図２（ｃ）に示すように、第３歯車３３の外周のうち回転軸ＧＡ１に対して遠い側（図２（ｃ）において符号Ｃの引き出し線が指す側）が、第４歯車３４の外周のうち回転軸ＧＡ２に対して近い側（図２（ｃ）において符号Ｃの引き出し線が指す側）と噛み合う。第３歯車３３の距離Ｘ１は、その変化範囲の中で上限側の値となり、第４歯車３４の距離Ｘ２は、その変化範囲の中で下限側の値となる。このタイミングでは、ピストン１２が上死点後４５°付近にあり、第３歯車３３の回転速度は、ピストン１２の１往復期間において相対的に小さくなり、第１クランク２１の回転速度に対する第２クランク２２の回転速度もこの１往復期間において相対的に小さくなる。
【0042】
本実施形態では、ピストン１２の１往復の期間に、ピストン１２の上死点側で第３歯車３３の回転速度が低下し、下死点側で第３歯車３３の回転速度が増加するように第３歯車３３と第４歯車３４とが噛み合わされている。そのため、ピストン１２の１往復期間に、第１クランク２１の回転速度を定速とみなした場合、第１クランク２１の回転速度に対する第２クランク２２の回転速度が、上死点側より下死点側の方が大きくなる。
【0043】
［内燃機関の動作について］
図３～図５を参照しながら、内燃機関１０の動作について説明を行う。内燃機関１０では、ピストン１２の１往復期間に、第１クランク２１及び第２クランク２２がそれぞれ１回転し、コンロッド１３が１往復する。図３～図５では、コンロッド１３、第１クランク２１及び第２クランク２２の各動作は、対応する直線１３Ｘ，２１Ｘ，２２Ｘにより表す。なお、図３（ａ）～図５（ｉ）は、内燃機関１０の動作の状態について、ピストンの１往復期間をクランク角４５°ピッチで示す。図３～図５に記載の矢印は、第１クランク２１の回転方向を表す。図３－図５において、第１クランク２１のクランクピン２８は、出力軸１５を中心とする円形の軌跡Ｋ１上を時計回りに回転移動する。また、図３～図５には吸排気ポートや吸排気バルブを図示しないが、図３（ａ）～図５（ｉ）に示すピストンの１往復期間には、圧縮行程から爆発行程（又は、排気工程から吸気工程）が行われるものとする。以下では、図３～図５における向きにて「左」、「右」を用いる。
図３～図５を参照しながら、内燃機関１０の動作について説明を行う。内燃機関１０では、ピストン１２の１往復期間に、第１クランク２１及び第２クランク２２がそれぞれ１回転し、コンロッド１３が１往復する。図３～図５では、コンロッド１３、第１クランク２１及び第２クランク２２の各動作は、対応する直線１３Ｘ，２１Ｘ，２２Ｘにより表す。なお、図３（ａ）～図５（ｉ）は、内燃機関１０の動作の状態について、ピストンの１往復期間をクランク角４５°ピッチで示す。図３～図５に記載の矢印は、第１クランク２１の回転方向を表す。図３－図５において、第１クランク２１のクランクピン２８は、出力軸１５を中心とする円形の軌跡Ｋ１上を時計回りに回転移動する。また、図３～図５には吸排気ポートや吸排気バルブを図示しないが、図３（ａ）～図５（ｉ）に示すピストンの１往復期間には、圧縮行程から爆発行程（又は、排気工程から吸気工程）が行われるものとする。以下では、図３～図５における向きにて「左」、「右」を用いる。
【0044】
図３（ａ）の状態では、ピストン１２が下死点に位置している。クランクピン２８は、出力軸１５の左側に位置している。第２クランク２２は子軸Ａ３が親軸Ａ２の左側に位置するように偏心し、大端部１３ｂの中心Ａ３はクランクピン２８の左側に位置している。
【0045】
図３（ａ）の状態から第１クランク２１が時計回りに移動すると、第４歯車３４により第２歯車３２及び第３歯車３３が時計回りに回転し、この回転に伴って第１歯車３１及び第２クランク２２が反時計回りに回転する。これにより、コンロッド１３の大端部１３ｂが、回転軸Ａ３を中心に反時計回りに移動しながら、シリンダ軸ＣＡに対するコンロッド１３の傾斜角θｂは小さくなってゆき、ピストン１２が上死点に近づいてゆく。なお、図３（ａ）等において円Ｋ２は、第２歯車３２の軸心の移動軌跡を表す。
【0046】
そして、図３（ａ）の状態から第１クランク２１が時計回りに１３５°回転した状態（図４（ｄ）の状態）で、コンロッド１３の軸線１３Ｘが、大端部中心の軌跡Ｋｃの接線に鉛直になり、シリンダ軸ＣＡに対するコンロッド１３の傾斜角θｂはゼロになり、ピストン１２が上死点に到達する。
【0047】
図４（ｄ）の状態から第１クランク２１が時計回りに４５°回転すると、図４（ｅ）に示すように、コンロッド１３がシリンダ軸ＣＡに対して右側に振れる。図４（ｅ）の状態では、クランクピン２８が出力軸１５の右側に位置している。また、第２クランク２２は子軸Ａ３が親軸Ａ２の右側に位置するように偏心し、大端部１３ｂの中心Ａ３はクランクピン２８の右側に位置している。コンロッド１３は、図３（ａ）の状態から図４（ｅ）の状態までの期間は、回転軸Ａ３を中心に反時計回りに移動する。
【0048】
図４（ｅ）の状態から第１クランク２１が時計回りにさらに回転すると、図３（ａ）の状態から図４（ｅ）の状態までの期間と同様に、第２歯車３２及び第３歯車３３は時計回りに回転し、第１歯車３１及び第２クランク２２は反時計回りに回転するが、コンロッド１３は、回転軸Ａ３を中心に時計回りに移動する。
【0049】
図４（ｆ）の状態では、コンロッド１３の軸線１３Ｘが、大端部中心の軌跡Ｋｃの接線に鉛直になり、シリンダ軸ＣＡに対するコンロッド１３の傾斜角θｂはゼロになり、そして、図４（ｆ）の状態から第１クランク２１が時計回りにさらに回転すると、コンロッド１３がシリンダ軸ＣＡに対して左側に振れる。そして、第１クランク２１の回転に伴って、シリンダ軸ＣＡに対するコンロッド１３の傾斜角θｂは大きくなってゆき、ピストン１２は下死点に近づいてゆく。
【0050】
なお、本実施形態では、コンロッド１３の軸線１３Ｘがシリンダ軸ＣＡに平行になるタイミング（図４（ｄ）、図４（ｆ）のタイミング）のコンロッド１３の軸線１３Ｘが、大端部中心の軌跡Ｋｃに交差する位置で、軌跡Ｋｃの接線に直交するように、軌跡Ｋｃの形状が設計されている。
【0051】
［本実施形態の効果等］
本実施形態では、第１クランク２１と第２クランク２２とが同じ回転数で且つ反対方向に回転するように、第２クランク２２が、歯車３１～３４を介して第１クランク２１に係合し、第１クランク２１と第２クランク２２の各回転は互いに拘束される。そのため、コンロッド１３に子軸Ａ３で連結された第２クランク２２と共に第１クランク２１が、ピストン１２の往復運動に伴って回転し、第１クランク２１の回転に伴って出力軸１５が回転する。本実施形態では、ピストン１２の往復運動が、第１クランク２１及び第２クランク２２の回転運動に変換されて、各クランク２１，２２の回転トルクが出力軸に伝達される。
本実施形態では、第１クランク２１と第２クランク２２とが同じ回転数で且つ反対方向に回転するように、第２クランク２２が、歯車３１～３４を介して第１クランク２１に係合し、第１クランク２１と第２クランク２２の各回転は互いに拘束される。そのため、コンロッド１３に子軸Ａ３で連結された第２クランク２２と共に第１クランク２１が、ピストン１２の往復運動に伴って回転し、第１クランク２１の回転に伴って出力軸１５が回転する。本実施形態では、ピストン１２の往復運動が、第１クランク２１及び第２クランク２２の回転運動に変換されて、各クランク２１，２２の回転トルクが出力軸に伝達される。
【0052】
また、本実施形態では、図１（ａ）の正面図においてピストン１２の真下にクランク機構１４が位置しておらず、シリンダ軸ＣＡと出力軸１５の軸心Ａ１との距離が、少なくとも第１クランク長Ｌ１よりも長く、第１クランク長Ｌ１と第２クランク長Ｌ２との合計長さよりも短い。そして、クランクピン２８がシリンダ軸ＣＡから最も離れるタイミング（図３（ａ）のタイミング）では、大端部１３ｂの中心Ａ３がクランクピン２８の左側に位置し、クランクピン２８がシリンダ軸ＣＡに最も近づくタイミング（図４（ｅ）のタイミング）では、大端部１３ｂの中心Ａ３がクランクピン２８の右側に位置する。
【0053】
そのため、コンロッド１３の大端部１３ｂの中心Ａ３は、ピストン１２が１往復する間に、図３（ａ）のタイミングにおける大端部１３ｂの中心Ａ３と、図４（ｅ）のタイミングにおける大端部１３ｂの中心Ａ３とを結ぶ線が長軸となる形状の軌跡（大端部中心の軌跡）Ｋｃを描く。大端部中心の軌跡Ｋｃの長手方向は、ピストン１２の往復方向（シリンダ軸ＣＡの方向）に対し傾斜又は直交している。そして、この傾斜又は直交に伴って、上死点のタイミング（図４（ｄ））における第１クランク２１の回転軸Ａ１（出力軸１５の軸心Ａ１）から第２クランク２２の子軸Ａ３に向かって延びる直線Ｌ３は、シリンダ軸ＣＡの方向に対し傾斜又は直交する。また、上死点のタイミングにおいて、直線Ｌ３に対しコンロッド１３のロッド部１３ｃがなす角度θ（例えば、図４（ｄ）参照）が、略９０°であり、９０°±７０°（好ましくは、９０°±５０°）の角度範囲にある。
【0054】
この場合、従来の内燃機関に比べて、上死点におけるクランクピン２８の運動方向がシリンダ軸ＣＡの方向に近くなる。従って、ピストン１２から、第１クランク２１及び第２クランク２２へのトルクの伝達率が向上し、出力軸１５へのトルクの伝達率も向上する。特に本実施形態のようにθ＝略９０°の場合、ピストン１２に対しその往復方向（運動方向）に伝達される燃焼圧のうち、第２クランク２２の子軸Ａ３が出力軸１５の軸心Ａ１を回転させる分圧が、限りなく１０割に近づき、ピストン１２から出力軸１５に対しトルクを効率よく伝達することができる。
【0055】
なお、大端部中心の軌跡Ｋｃの長手方向とシリンダ軸ＣＡがなす角度のうち、ピストン１２側で且つ出力軸１５側の角度（図１において左上の角度θａ）は、本実施形態のように４５°以上の角度（θａ＝９０°）にしてもよいが、２０°＜θａ＜１６０°の関係を満たせばよい。また、角度θａを９０°よりもさらに大きくした場合、ピストン１２から出力軸１５へのトルクの伝達率は徐々に小さくなるが、ピストン１２のストロークが徐々に大きくなる。そのため、ピストン１２から出力軸１５へのトルク伝達率は、図６に示すように、１３０°付近のピークまで増加し、そのピークから急に減少する。図６に基づいて設計を行う場合、角度θａは、９０°以上１５０°以下の範囲から選択することができ、１１０°以上１４０°以下が好ましく、１２０°以上１３０°以下がさらに好ましい。
【0056】
また、本実施形態では、第１クランク長Ｌ１よりも第２クランク長Ｌ２が長い。そのため、図４（ｄ）から図４（ｆ）までの期間では、ピストン１２が上死点からほとんど離れておらず、上死点のクランクピン２８の位置から第１クランク２１が９０°進む期間（図４（ｄ）から図４（ｆ）までの期間）は、第１クランク２１のクランク角の変化量に対するピストン１２の移動量が小さい。従って、ピストン１２に作用する燃焼圧が大きい上死点直後の燃焼圧低下の抑制により、出力軸１５の回転運動に変換できる動力が多くなる。本実施形態によれば、第２クランク２２が無いエンジンよりも少ない排気量で、多くの動力を出すことができる。なお、ピストン１２のストロークに対し、上死点直後におけるピストン１２の移動量が小さいほど、定量燃料に対する出力量は大きくなる。
【0057】
また、本実施形態では、角度θａが９０°であり、下死点における角度θｂ（図３（ａ）参照）は９０°に近い値となり、ピストン１２が下死点から上死点に向かい始める時に、シリンダ１１に対しピストン１２が直角に押す大きな分圧が発生する。しかし、大端部中心の軌跡Ｋｃが８の字を描くように構成されている。そのため、ピストン１２が下死点から上死点に向かい始める時に、コンロッド１３の大端部１３ｂの中心が、ピストンピン１２ａ及び小端部１３ａを中心に反時計回りに大きく回転し（図３（ａ）～（ｂ））、尚且つピストン１２が下死点から上死点に向かい始める移動距離は少なく、角度θｂを減少させるように、大端部中心の軌跡Ｋｃが描かれ始め、上述の分圧が小さくなる。従って、シリンダ１１とピストン１２が受けるダメージを低減することができる。なお、大端部中心の軌跡Ｋｃを８の字状とする以外に、コンロッド１３を長くしたり、角度θａを９０°よりも大きくしたりすることによっても、シリンダ１１とピストン１２が受けるダメージを低減することができる。
【0058】
なお、本実施形態では、第３歯車３３と第４歯車３４に非円形歯車を用いたが、円形歯車を用いてもよい。円形歯車の第３歯車３３と第４歯車３４の各々では、中心に回転軸がある。この場合、大端部中心の軌跡Ｋｃの形状は、本実施形態とは異なり８の字状にはならないが、８の字状に起因する効果以外の効果は、本実施形態と同様に得られる。
【0059】
本実施形態において、内燃機関１０に接続された２次熱機関を設けてもよい。この場合に、内燃機関１０の燃焼室５と２次熱機関の燃焼室とをつなぐ接続経路に、制御弁を設ける。制御弁は、ピストン１２からクランクピン２８及び出力軸１５に動力を効率的に伝達できる期間（例えば、上死点＋４５°までの期間）が終わって、動力伝達効率が低下し始める時に、開弁するように制御される。内燃機関１０では、上述の動力を効率的に伝達できる期間の終了時に、動力が出力軸１５に十分に伝達されているにも拘わらず、燃焼室５は高圧状態である。この変形例は、その高圧を２次熱機関で有効利用するものである。２次熱機関は、燃料を燃焼させることなく、内燃機関１０から供給された高圧ガスを２サイクルとして利用する。また、本段落の２次熱機関は、後述する変形例に係る内燃機関１０でも利用することができる。
【0060】
＜実施形態の変形例１＞
本変形例は、上述の実施形態の変形例である。本変形例では、クランク機構１４における歯車の配置が、上述の実施形態とは異なる。以下では、実施形態とは異なる点を中心に説明を行う。
本変形例は、上述の実施形態の変形例である。本変形例では、クランク機構１４における歯車の配置が、上述の実施形態とは異なる。以下では、実施形態とは異なる点を中心に説明を行う。
【0061】
本変形例では、図７に示すように、第１クランク２１の回転範囲外に、第２歯車３２と共通のシャフト１８に固定された第３歯車３３と、第３歯車３３と噛み合う第４歯車３４とが配置されている。第４歯車３４は、エンジンブロック１６に固定されている。また、エンジンブロック１６内には、シャフト１７を回転自在に支持する軸受部１６ａが設けられている。本変形例では、シャフト１７も出力軸として機能するため、本変形例に係る内燃機関１０を多気筒エンジンに利用することができる。
【0062】
＜実施形態の変形例２＞
本変形例は、上述の実施形態の変形例である。本変形例では、クランク機構１４における歯車の配置及び個数が、上述の実施形態とは異なる。以下では、実施形態とは異なる点を中心に説明を行う。
本変形例は、上述の実施形態の変形例である。本変形例では、クランク機構１４における歯車の配置及び個数が、上述の実施形態とは異なる。以下では、実施形態とは異なる点を中心に説明を行う。
【0063】
本変形例では、図８に示すように、第２歯車３２と第３歯車３３とが、シャフト１７に回転自在に支持されている。シャフト１７は、第１アーム２６と一体化されて、出力軸１５と一体で回転する。また、第３歯車３３に噛み合う第４歯車３４が、第１クランク２１のクランクピン２８に回転自在に支持されている。
【0064】
また、クランク機構１４は、第４歯車３４に一体化されてクランクピン２８に回転自在に支持された第５歯車３５と、第５歯車３５に噛み合う第６歯車３６とをさらに備えている。第６歯車３６は、筒体の内周面に歯が形成された太陽内歯車である。第６歯車３６は、クランクピン２８の回転外の位置に配置されて、エンジンブロック１６に固定されている。
【0065】
クランク機構１４は、固定歯車３１を含む複数の歯車３１～３６を介して、第１クランク２１の回転力を可動部材２２に伝達することにより、コンロッド１３に対し可動部材２２を動かし、且つ、第１クランク２１に対し可動部材２２を回転させる伝達機構に相当する。この点は、変形例３も同様である。
【0066】
第５歯車３５は、第１クランク２１の回転数の自然数倍（例えば、２倍又は３倍）の回転数で回転する非円形歯車である。第５歯車３５においてその回転軸から第６歯車３６に噛み合う接合点までの距離の変化に応じて、第６歯車３６の内周面が凹凸に波打つように形成することで、第６歯車３６は第５歯車３５に噛み合う。
【0067】
また、本変形例では、第３歯車３３に対する第４歯車３４のギア比と、第６歯車３６に対する第５歯車３５のギア比とが等しくなるように設計されている。そのため、第１クランク２１と第２クランク２２とは、エンジンブロック１６に対して同一回転数で、互いに反対方向に回転する。例えば、第１クランク２１と第２クランク２２とは、ピストン１２の１往復期間に１回転する。
【0068】
＜実施形態の変形例３＞
本変形例は、上述の実施形態の変形例である。本変形例では、第４歯車３４と第５歯車３５が、変形例２と同様に第１クランク２１に回転自在に支持されているが、変形例２とは第１クランク２１において支持されている箇所が異なる。
本変形例は、上述の実施形態の変形例である。本変形例では、第４歯車３４と第５歯車３５が、変形例２と同様に第１クランク２１に回転自在に支持されているが、変形例２とは第１クランク２１において支持されている箇所が異なる。
【0069】
本変形例では、図９に示すように、第１アーム２６が、シャフト１７とクランクピン２８の間に形成された第１軸受部２６ａと、クランクピン２８よりも外側に形成された第２軸受部２６ｂとを有する。第１軸受部２６ａは、第２歯車３２と第３歯車３３に共通のシャフト１８を回転自在に支持している。第２軸受部２６ｂは、第４歯車３４と第５歯車３５に共通のシャフト１９を回転自在に支持している。
【0070】
第５歯車３５は、変形例２と同様に、第１クランク２１の回転数の自然数倍（例えば、２倍又は３倍）の回転数で回転する非円形歯車である。第６歯車３６は、クランクピン２８の回転外の位置に配置された太陽内歯車である。第５歯車３５においてその回転軸から第６歯車３６に噛み合う接合点までの距離の変化に応じて、第６歯車３６の内周面が凹凸に波打つように形成することで、第６歯車３６は第５歯車３５に噛み合う。
【0071】
また、変形例２と同様に、第３歯車３３に対する第４歯車３４のギア比と、第６歯車３６に対する第５歯車３５のギア比とが等しくなるように設計されている。そのため、第１クランク２１と第２クランク２２とは、エンジンブロック１６に対して同一回転数で、互いに反対方向に回転する。例えば、第１クランク２１と第２クランク２２とは、ピストン１２の１往復期間に１回転する。
【0072】
＜実施形態の変形例４＞
本変形例は、上述の実施形態の変形例である。本変形例は、ピストン１２が上死点に達する前に燃焼室５で着火がなされる場合（以下、「上死点前着火」と言う場合がある。）に、ピストン１２の上死点側への移動を補助する力が得られるように構成されている。なお、上死点前着火の場合、ピストン１２が着火時点から上死点に至るまでの間、ピストン１２には、移動方向とは反対方向に燃焼圧が作用する。
本変形例は、上述の実施形態の変形例である。本変形例は、ピストン１２が上死点に達する前に燃焼室５で着火がなされる場合（以下、「上死点前着火」と言う場合がある。）に、ピストン１２の上死点側への移動を補助する力が得られるように構成されている。なお、上死点前着火の場合、ピストン１２が着火時点から上死点に至るまでの間、ピストン１２には、移動方向とは反対方向に燃焼圧が作用する。
【0073】
本変形例に係る内燃機関１００は、図１０に示すように、略円筒状のシリンダ１１と、シリンダ１１内を往復運動する略円柱状のピストン１２と、ピストン１２に回転自在に連結されたコンロッド１３と、コンロッド１３の他端部が回転自在に連結されてピストン１２の往復運動を回転運動に変換するクランク機構９１と、上死点前着火の場合にピストン１２の上死点側への移動を補助する補助機構９２とを備えている。なお、本変形例では、後述するように一部の歯車に非円形の歯車が使用される。
【0074】
クランク機構９１は、第１クランクピン１２８を有する第１クランク１０１と、親軸Ａ２及び子軸Ａ３を有する第２クランク（可動部材）１０２とを備えている。第２クランク１０２は、図１０（ｂ）に示すように門型形状のクランクである。第２クランク１０２は、第１クランクピン１２８に回転自在に連結され、コンロッド１３の大端部（他端部）１３ｂに回転自在に連結されている。第１クランクピン１２８に対する回転軸が親軸Ａ２に相当し、コンロッド１３の大端部１３ｂに対する回転軸が子軸Ａ３に相当する。親軸Ａ２は、第１クランクピン１２８を回転自在に支持するピン軸受部１０２ａの軸心に位置する。子軸Ａ３は、大端部１３ｂの中心に位置する。ピストン１２の往復運動は、第１及び第２クランク１０１，１０２の回転運動に変換される。また、クランク機構９１は、第１固定歯車１３１、歯車（中央側歯車）１１８、歯車部１１７及び歯車部１１６を有する伝達機構１９１をさらに備えている。なお、本変形例では、複数の歯車により構成された部分を「歯車部」と言う。歯車部には２段歯車などを用いることができる。
【0075】
伝達機構１９１は、歯車１１６－１１８，１３１を介して第１クランク１０１の回転力を可動部材１０２に伝達することにより、コンロッド１３に対し可動部材１０２を動かし、且つ、第１クランク１０１に対し可動部材１０２を回転させる。また、伝達機構１９１は、第１クランク１０１と第２クランク１０２とが同じ回転数で且つ反対方向に回転するように第１クランク１０１と第２クランク１０２を係合させる。
【0076】
第１固定歯車１３１は、第２クランク１０２の親軸Ａ２と同軸に第２クランク１０２に固定されている。第１固定歯車１３１は、第１クランク１０１の一端（図１０（ｂ）において上端）から延びる第１クランク１０１の第１クランクピン１２８に回転自在に支持され、第１クランク１０１の回転に従って回転移動するように第１クランク１０１に係合している。
【0077】
歯車１１８は、第１クランク１０１の第１回転軸１４１に回転自在に支持され、第１固定歯車１３１に噛み合う。歯車１１８は、第１クランク１０１の２本のクランクアームの内側（第１クランク１０１の回転範囲内）に配置されている（図１０（ｂ）参照）。歯車部１１７は、第１回転軸１４１から第１クランク１０１とは反対方向に延びる延長部材１０５に回転自在に支持され、歯車１１８に噛み合う歯車１１７ａと、後述する歯車１１６ａに噛み合う歯車１１７ｂとを備えている。歯車１１７ａは、歯車１１８を挟んで第１固定歯車１３１とは反対側の位置で、第１クランク１０１に一体化された延長部材１０５に回転自在に支持された対極歯車に相当する。歯車１１７ａと歯車１１７ｂとは、互いに同軸に設けられ、延長部材１０５に回転自在に支持されたシャフトを介して一体化されている。歯車部１１７は、第１固定歯車１３１と同様に、第１クランク１０１の回転に従って回転移動するように第１クランク１０１に係合している。本変形例では、第１クランク１０１及び第２クランク１０２が同じ回転数で且つ反対方向に回転するように、第１固定歯車１３１が、歯車１１８、歯車部１１７及び延長部材１０５を介して第１クランク１０１に係合し、第１クランク１０１と第２クランク１０２の各回転は互いに拘束される。なお、図１０（ａ）などにおいて、符号１０１Ｘは、第１回転軸１４１の軸心Ａ１と第１クランクピン１２８の軸心Ａ２とを結ぶ直線（第１クランク１０１のクランク線）を表し、符号１０２Ｘは、親軸Ａ２と子軸Ａ３とを結ぶ直線（第２クランク１０２のクランク線）を表し、符号１０５Ｘは、第１回転軸１４１の軸心Ａ１と歯車部１１７の回転軸とを結ぶ直線を表す。また、図１０（ｂ）では歯車同士の噛み合い箇所をギザギザ線で表している。
【0078】
歯車部１１６は、第１クランク１０１の２本のクランクアームの外側（第１クランクの回転範囲外）に配置されている。歯車部１１６は、第１クランク１０１と後述する第３クランク１０３との間で、第１回転軸１４１に回転自在に支持されている。歯車部１１６は、歯車１１７ｂに噛み合う歯車１１６ａと、歯車１１６ａと一体化された歯車１１６ｂとを備えている。歯車１１６ａと歯車１１６ｂとは、互いに同軸に設けられている。歯車部１１６には、歯車１１８及び歯車部１１７を介して、第１固定歯車１３１の回転トルクが伝達される。
【0079】
クランク機構９１では、歯車部１１６が、第１クランク１０１の２倍速にて同じ方向に回転する。歯車１１７は、第１クランク１０１の回転範囲外の歯車部１１６から、回転範囲内の歯車１１８へ動力を伝達する中継歯車として機能する。歯車１１８は、中継歯車１１７を介して歯車１１６と同じ回転数かつ同じ方向に回転する。第１固定歯車１３１は、歯車１１８と同じ径で同一歯数の歯車であり、歯車１１８とは反対方向に回転する。これらの構成により、クランク機構９１は、エンジンブロック１６に対して第１クランク１０１及び第２クランク１０２を、同じ回転数かつ反対方向に回転させて、一体のクランクとして機能させる。本変形例のクランク機構９１は、上述の実施形態のようにエンジンブロック１６に固定した太陽歯車を使うことなく、第１クランク１０１及び第２クランク１０２を一体のクランクとして機能させる。
【0080】
また、クランク機構９１は、第１回転軸１４１に固定された第１伝達歯車１２０と、出力軸１５に固定された第２伝達歯車１２１とを備えている。第１伝達歯車１２０と第２伝達歯車１２１とは互いに噛み合う。これにより、第１クランク１０１の回転トルクが、第１伝達歯車１２０及び第２伝達歯車１２１を介して、出力軸１５に伝達される。なお、第１回転軸１４１及び出力軸１５は、エンジンブロック１６に回転自在にそれぞれ支持されている。
【0081】
補助機構９２は、第１回転軸１４１の回転トルクが伝達されてそれぞれ回転する第３クランク１０３及び第４クランク１０４を備えている。本実施形態では、第３クランク１０３が、第１回転軸１４１に固定されている。第４クランク１０４には、第４クランク１０４の第４クランクピン１０４ａと同軸に、第２固定歯車１３２が固定されている。第２固定歯車１３２は、第４クランク１０４の回転軸１４２を中心に公転する。
【0082】
第４クランク１０４は、複数の歯車１２０～１２２を介して第１回転軸１４１の回転トルクが伝達される。歯車１２２は、歯車１２０と同じ径で同一歯数であり、第２回転軸１４２に固定されている。第３クランク１０３のクランク長（第１回転軸１４１の軸心Ａ１から第３クランクピン１０３ａの軸心までの距離）は、第４クランク１０４のクランク長（第２回転軸１４２の軸心Ａ４から第４クランクピン１０４ａの軸心までの距離）に等しい（図１０（ｂ）参照）。なお、第２回転軸１４２は、エンジンブロック１６に回転自在に支持されている。図１０（ａ）などにおいて、符号１０３Ｘは、第１回転軸１４１の軸心Ａ１と第３クランクピン１０３ａの軸心とを結ぶ直線（第３クランク１０３のクランク線）を表し、符号１０４Ｘは、第２回転軸１４２の軸心Ａ４と第４クランクピン１０４ａの軸心とを結ぶ直線（第４クランク１０４のクランク線）を表す。
【0083】
補助機構９２は、第１クランク１０１（或いは、第３クランク１０３、第４クランク１０４）の回転速度に対し２倍速の回転速度を持つ歯車部１１４と、歯車部１１４に対してクランク機構９１の歯車部１１６を接続する歯車１１５をさらに備えている。歯車１１５は、エンジンブロック１６に回転自在に支持され、歯車１１６ｂに噛み合う。歯車部１１４は、歯車１１５に噛み合う歯車１１４ａと、エンジンブロック１６に回転自在に支持されたシャフトを介して歯車１１４ａと一体化された歯車１１４ｂとを備えている。歯車１１４ａと歯車１１４ｂとは、互いに同軸に設けられている。歯車１１４ｂは、近位側歯車に相当する歯車１１３ａと噛み合い、歯車１１３ａを公転させる２倍速歯車に相当する。歯車１１４ｂは、複数の歯車を介して第１固定歯車１３１と繋がっており、第１固定歯車１３１と同じ回転数で、且つ、第１固定歯車１３１とは反対方向に回転する。歯車１１５は、歯車１１４ａ、歯車部１１６及び歯車１１７ｂと共に、第１クランク１０１と第２クランク１０２とが同じ回転数にて反対方向に回転するように、２倍速歯車に相当する歯車１１４ｂの回転トルクを対極歯車１１７ａに伝達させる歯車を構成している。
【0084】
補助機構９２は、第３クランク１０３と第４クランク１０４とを連結する連結ロッド（連結部材）１３０と、連結ロッド１３０に回転自在に支持されて第２固定歯車１３２に噛み合う歯車１１１（遠位側歯車）と、歯車１１１の回転トルクを第１クランク１０１側に伝達させる中継歯車機構１４０とをさらに備えている。連結ロッド１３０は、第３クランク１０３の第３クランクピン１０３ａと第４クランク１０４の第４クランクピン１０４ａとの各々に回転自在に支持されている。第３クランク１０３と第４クランク１０４は、回転角度位置が常に同じになる。歯車１１１は、連結ロッド１３０に回転自在に支持され、後述する歯車１１２及び第２固定歯車１３２にそれぞれ噛み合う。なお、図１０（ａ）などにおいて、符号１３０Ｘは、第３クランクピン１０３ａの軸心と第４クランクピン１０４ａの軸心とを結ぶ直線（連結ロッド１３０の軸線）を表す。
【0085】
中継歯車機構１４０は、クランク機構９１の歯車１１４ｂに噛み合う歯車部１１３と、歯車部１１３と歯車１１１にそれぞれ噛み合う歯車１１２とを備えている。歯車部１１３は、歯車１１４ｂに噛み合う歯車１１３ａと、連結ロッド１３０に回転自在に支持されたシャフトを介して歯車１１３ａと一体化された歯車１１３ｂとを備えている。歯車１１３ａと歯車１１３ｂとは、互いに同軸に設けられている。歯車１１３ａは、歯車１１４ｂと同じ径で同一歯数である。また、歯車１１３ａの回転軸と歯車１１４ｂの回転軸の距離は、第３クランク１０３（或いは第４クランク１０４）の半径に等しい。歯車１１３ｂは、第２固定歯車１３２と同一歯数である。歯車部１１３は、連結ロッド１３０の移動に伴って、歯車部１１４の回転軸を中心にして第３クランク１０３（或いは第４クランク１０４）と同じ方向に公転しながら、公転方向とは反対方向に自転する。歯車部１１４と歯車部１１３の回転数の比率は、２：１となる。歯車部１１４は、歯車部１１３の公転と自転の合算により、第３クランク１０３（或いは第４クランク１０４）の回転速度（歯車部１１３の公転速度）の２倍の速度で回転する。
【0086】
歯車１１２は、連結ロッド１３０に回転自在に支持され、歯車１１１と歯車１１３ｂに噛み合う。これらの構成により、補助機構９２は、第２固定歯車１３２の公転によって歯車１１１に回転力を発生させてその回転力を第２クランク１０２側に伝達させる。歯車１１１における回転力の発生は、公転する第２固定歯車１３２に遊星歯車の様に噛み合うことで発生する。また歯車１１１は、連結ロッド１３０の移動に伴って第２固定歯車１３２と共に公転すると共に、第２固定歯車１３２が１回公転すると１回自転する。
【0087】
［内燃機構の動作について］
図１１～図１３を参照しながら、内燃機関１００の動作について説明を行う。内燃機関１００では、ピストン１２の１往復期間に、第１－４クランク１０１～１０４がそれぞれ１回転し、コンロッド１３が１往復する。図１１～図１３では、コンロッド１３、第１クランク１０１、第２クランク１０２、第３クランク１０３、第４クランク１０４、延長部材１０５及び連結ロッド１３０の各動作は、対応する直線１３Ｘ，１０１Ｘ，１０２Ｘ，１０３Ｘ，１０４Ｘ，１０５Ｘ，１３０Ｘにより表す。その際、第１クランク１０１に連結された歯車１２０の回転トルクが、歯車１２１を介して出力軸１５に伝達される。なお、図１１～図１３は、内燃機関１００の動作の状態について、ピストンの１往復期間をクランク角４５°ピッチで示す。図１１～図１３に記載の矢印は、各クランク或いは各歯車の回転方向、又は、コンロッド或いはピストンの移動方向を表す。また、図１１～図１３には吸排気ポートや吸排気バルブを図示しないが、図１１（ａ）～図１３（ｉ）に示すピストンの１往復期間には、圧縮行程から爆発行程（又は、排気工程から吸気工程）が行われるものとする。
図１１～図１３を参照しながら、内燃機関１００の動作について説明を行う。内燃機関１００では、ピストン１２の１往復期間に、第１－４クランク１０１～１０４がそれぞれ１回転し、コンロッド１３が１往復する。図１１～図１３では、コンロッド１３、第１クランク１０１、第２クランク１０２、第３クランク１０３、第４クランク１０４、延長部材１０５及び連結ロッド１３０の各動作は、対応する直線１３Ｘ，１０１Ｘ，１０２Ｘ，１０３Ｘ，１０４Ｘ，１０５Ｘ，１３０Ｘにより表す。その際、第１クランク１０１に連結された歯車１２０の回転トルクが、歯車１２１を介して出力軸１５に伝達される。なお、図１１～図１３は、内燃機関１００の動作の状態について、ピストンの１往復期間をクランク角４５°ピッチで示す。図１１～図１３に記載の矢印は、各クランク或いは各歯車の回転方向、又は、コンロッド或いはピストンの移動方向を表す。また、図１１～図１３には吸排気ポートや吸排気バルブを図示しないが、図１１（ａ）～図１３（ｉ）に示すピストンの１往復期間には、圧縮行程から爆発行程（又は、排気工程から吸気工程）が行われるものとする。
【0088】
＜＜第１－２クランク、コンロッド、ピストンの動作＞＞
図１１（ａ）は、上死点前４５°の着火点のタイミングにおける内燃機関１００の状態を表す。上述したように、本変形例では、燃焼室５において上死点の手前で着火される。この状態から第１クランク１０１が時計回りに回転すると、第１固定歯車１３１が公転（回転移動）し、その公転に伴って第２クランク１０２が反時計回りに回転する。これにより、コンロッド１３の大端部１３ｂが子軸Ａ３を中心に反時計回りに移動しながら、ピストン１２が上死点に近づいてゆく。なお、図１１～図１３では、図１１（ａ）及び図１３（ｇ）を除き、クランク角４５°手前のピストン１２を破線で表している。
図１１（ａ）は、上死点前４５°の着火点のタイミングにおける内燃機関１００の状態を表す。上述したように、本変形例では、燃焼室５において上死点の手前で着火される。この状態から第１クランク１０１が時計回りに回転すると、第１固定歯車１３１が公転（回転移動）し、その公転に伴って第２クランク１０２が反時計回りに回転する。これにより、コンロッド１３の大端部１３ｂが子軸Ａ３を中心に反時計回りに移動しながら、ピストン１２が上死点に近づいてゆく。なお、図１１～図１３では、図１１（ａ）及び図１３（ｇ）を除き、クランク角４５°手前のピストン１２を破線で表している。
【0089】
図１１（ｂ）は、ピストン１２が上死点に位置する状態を表す。この状態から第１クランク１０１が時計回りに回転すると、第２クランク１０２は反時計回りに回転し続けるが、コンロッド１３の大端部１３ｂは、図１１（ｂ）のタイミング付近で、移動方向が切り替わり、子軸Ａ３を中心に時計回りに回転し始める。ピストン１２は、図１１（ｂ）の状態から図１２（ｆ）の状態まで、下死点に近づいてゆく。図１２（ｆ）は、ピストン１２が下死点に位置する状態を表す。そして、コンロッド１３の大端部１３ｂは、図１２（ｆ）のタイミング付近で、移動方向が切り替わり、子軸Ａ３を中心に反時計回りに移動し始め、ピストン１２が上死点に近づいてゆく。
【0090】
なお、第１クランク１０１の一端側から延びる第１クランクピン１２８は、第２クランク１０２に固定された第１固定歯車１３１の内側に挿通されているため、第１クランク１０１及び第２クランク１０２は、伝達機構１９１により、互いの回転トルクと回転タイミングが作用し合う関係にあり、第１クランク１０１及び第２クランク１０２は、同期して回転する。そして、第１クランク１０１の回転軸Ａ１から第２クランク１０２の子軸Ａ３に向かって延びる直線Ｌ３に対し、コンロッド１３のロッド部１３ｃがなす角度θ（図１１（ｂ）参照）が、上死点において、９０°±７０°の角度範囲（好ましくは、９０°±４５°の角度範囲）にあることで、ピストン１２から第１クランク１０１の回転軸に対しトルクを効率よく伝達することができ、それにより出力軸１５に対してもトルクを効率よく伝達することができる。なお、図１１（ｂ）では、上死点において、コンロッド１３の大端部１３ｂの中心とピストンピン１２ａを結ぶ線が、シリンダ中心軸ＣＡと一致しているが、必ずしも一致するとは限らない。
【0091】
＜＜第３－第４クランクの動作＞＞
第３クランク１０３は、第１クランク１０１と同じ回転軸１４１に連結されているため（図１０（ｂ）参照）、第１クランク１０１と同じ方向に同じ回転数で回転する。つまり、第３クランク１０３は、図１１～図１３において時計回りに回転する。
第３クランク１０３は、第１クランク１０１と同じ回転軸１４１に連結されているため（図１０（ｂ）参照）、第１クランク１０１と同じ方向に同じ回転数で回転する。つまり、第３クランク１０３は、図１１～図１３において時計回りに回転する。
【0092】
他方、第４クランク１０４には、第１クランク１０１に連結された歯車１２０の回転トルクが歯車１２１及び歯車１２２を介して伝達される。そして、歯車１２０と歯車１２２は、歯数が互いに等しい。そのため、第４クランク１０４も、第１クランク１０１と同じ方向に同じ回転数で回転する。つまり、第４クランク１０４は、図１１～図１３において時計回りに回転する。
【0093】
第３クランク１０３及び第４クランク１０４の回転に伴って、両方のクランクピン１０３ａ，１０４ａ（図１０（ｂ）参照）に相対的に同じ位相位置関係に、回転自在に連結された連結ロッド１３０は回転移動する。第３クランク１０３及び第４クランク１０４は、連結ロッド１３０で連結されているため、互いの回転トルクと回転タイミングが同期し合う関係にある。
【0094】
＜＜補助機構の動作＞＞
上述したように、上死点前着火の場合、ピストン１２が着火時点から上死点に至るまでの間、ピストン１２には、移動方向とは反対方向に燃焼圧が作用する。補助機構９２は、ピストン１２の往復運動を妨げる上死点前着火による燃焼圧を、ピストン１２の上死点側への移動を補助する力に変換する機構である。
上述したように、上死点前着火の場合、ピストン１２が着火時点から上死点に至るまでの間、ピストン１２には、移動方向とは反対方向に燃焼圧が作用する。補助機構９２は、ピストン１２の往復運動を妨げる上死点前着火による燃焼圧を、ピストン１２の上死点側への移動を補助する力に変換する機構である。
【0095】
図１４は、上死点手前で着火がなされた状態（図１１（ａ）と図１１（ｂ）の間の状態）を表す。着火後燃焼圧が発生し、上死点に向かうピストン１２は、燃焼圧により下死点側に押される。ピストン１２には、燃焼圧に起因して、移動方向とは反対方向の力Ｐ１（以下、「移動抵抗力」と言う）が作用する。
【0096】
着火時から上死点到達時までのコンロッド１３は、移動抵抗力Ｐ１により矢印Ｙの方向に力を受ける。そして、第２クランク１０２は、その回転方向Ｒ２とは反対方向（以下、「反回転方向」と言う。）に力を受ける。すなわち、移動抵抗力Ｐ１は、第２クランク１０２のクランク線１０２Ｘを、親軸Ａ２を中心として回転方向Ｒ２とは反対方向に回そうとする。第２クランク１０２には第１固定歯車１３１が一体化されているため、移動抵抗力Ｐ１は、第１固定歯車１３１、歯車１１８、歯車１１７ａ，１１７ｂ、歯車１１６ａ，１１６ｂ、歯車１１５、歯車１１４ａ，１１４ｂ、歯車１１３ａ，１１３ｂ及び歯車１１２を介して、歯車１１１に伝達される。この時、移動抵抗力Ｐ１は、歯車１１８、歯車１１６ａ，１１６ｂ、歯車１１４ａ，１１４ｂ及び歯車１１２を反時計回りに回転させようとし、歯車１１７ａ，１１７ｂ、歯車１１５、歯車１１３ａ，１１３ｂ、歯車１１１を時計回りに回転させようとする。本変形例では、時計回りに第１固定歯車１３１を回転させようとする燃焼圧が、第２固定歯車の１３２の手前の歯車１１１が時計回りに回転するように伝達される。なお、図１４において、各歯車に付された矢印は、移動抵抗力Ｐ１が回転させようとする方向を表す。
【0097】
図１４の場合、移動抵抗力Ｐ１による矢印Ｙの方向の力は、歯車１１１と第２固定歯車１３２との噛み合い点Ｂでは、矢印Ｚの方向に力が作用して、第４クランク１０４を時計回り、つまりエンジン（内燃機関）の回転方向に回転させようとする。その結果、連結ロッド１３０と歯車１２０～１２２を介して、第３クランク１０３及び第１クランク１０１も、エンジンの回転方向に力を受けることになり、上死点方向にピストン１２を押し上げる力となる。そのため、ピストン１２は、上死点に到達するまで燃焼圧を受けるものの、ノッキングが生じることなく、出力を発生させながら円滑に上死点を乗り越える。
【0098】
ここで、第３クランク１０３の回転軸（第１回転軸１４１の軸心Ａ１）と第４クランク１０４の回転軸（第２回転軸１４２の軸心Ａ４）とを結ぶ直線Ｇ（図１４参照）に対し、第４クランク１０４の回転軸Ａ４において垂直に交差する線を「基準線Ｓ」とした場合に、噛み合い点Ｂが、第３クランク１０３側から見て基準線Ｓを超えた位置にある第１期間（図１３（ｉ）の直後の状態から図１２（ｅ）の直前の状態までの期間）は、移動抵抗力Ｐ１による噛み合い点Ｂにおける力の作用方向（矢印Ｚの方向）は、第４クランク１０４をエンジンの実際の回転方向に回転させようとする方向である（図１４参照）。つまり、補助機構９２は、ピストン１２の上死点側への移動を補助する機構として働く。それに対し、噛み合い点Ｂが基準線Ｓ上にある時は、補助機構９２としての働きはなされず、噛み合い点Ｂが基準線Ｓと第３クランク１０３の間にある第２期間（図１２（ｅ）の直前状態から図１３（ｉ）の直後の状態までの期間）は、第４クランク１０４の回転を妨げる方向にトルクが働く。しかし、第２期間は、下死点に向かうピストン１２に対し移動抵抗力Ｐ１が作用するものの、燃焼室５において排気弁が開いており、移動抵抗力Ｐ１は極めて小さくキャンセルされる。従って、移動抵抗力Ｐ１による影響は軽微であり、ピストン１２は円滑に往復運動を行う。
【0099】
また、本変形例では、補助機構９２などにより第２クランク１０２から第４クランク１０４に伝達されるトルクが、第１増幅部として、「第２クランク１０２の半径を歯車１１１の半径により除した値」に比例して増幅される。また、第２クランク１０２から第４クランク１０４に伝達されるトルクは、第２増幅部として、「基準線Ｓと噛み合い点Ｂとの距離ｈ２（図１５（ａ）参照）を歯車１１１の半径ｈ１により除した値」に比例して増幅される。第２増幅部は、第４クランク１０４の回転に伴う距離ｈ２の変化に伴って、増幅率が変化する。第２増幅部の増幅率は、連結ロッド３０が第４クランク１０４の軸上を通る状態（図１５（ａ）の状態）で最大となる。なお、第４クランク１０４の直径に対する、歯車１１１及び第２固定歯車１３２の直径の比率を小さくすることで、第２増幅部の増幅率を大きくすることができる。図１５（ａ）の増幅率は２である。図１５（ｂ）の増幅率は１である。第２クランク１０２から第４クランク１０４までの合計増幅率は、上死点手前においては第２増幅率と第１増幅率との差になり、上死点以降においては第１増幅率と第２増幅率との和となる。なお、図１５では、便宜的に歯車１１２などの記載を省略している。
【0100】
本変形例では、上死点に対し数十度手前における着火燃焼においても、次の式１に示す値Ｘがゼロ以上の時に、ピストン１２が上死点を乗り越えるまでピストン１２を押し上げる。その時にも、内燃機関１００において動力が発生する。
式１：Ｘ＝ＲＴ２－ＲＴ１
ＲＴ１：第１回転軸１４１（Ａ１）（図１０参照）を支点として子軸Ａ３に受ける燃焼圧による、上述の一体のクランクとしての回転トルク
ＲＴ２：Ｔ２×（ｈ２÷ｈ１）×（Ｌ２÷ｈ１）
Ｔ２：親軸Ａ２を支点として子軸Ａ３に受ける燃焼圧による第２クランク１０２の回転トルク
ｈ１：歯車１１１の半径
ｈ２：基準線Ｓと噛み合い点Ｂとの距離
Ｌ２：第２クランク１０２のクランク長
式１：Ｘ＝ＲＴ２－ＲＴ１
ＲＴ１：第１回転軸１４１（Ａ１）（図１０参照）を支点として子軸Ａ３に受ける燃焼圧による、上述の一体のクランクとしての回転トルク
ＲＴ２：Ｔ２×（ｈ２÷ｈ１）×（Ｌ２÷ｈ１）
Ｔ２：親軸Ａ２を支点として子軸Ａ３に受ける燃焼圧による第２クランク１０２の回転トルク
ｈ１：歯車１１１の半径
ｈ２：基準線Ｓと噛み合い点Ｂとの距離
Ｌ２：第２クランク１０２のクランク長
【0101】
なお、本変形例について、第２固定歯車１３２～歯車１１３ｂまでを同径とする構成１、歯車１１４ａと歯車１１６ｂを同径とする構成２、又は、歯車１１６ａ～歯車１１７ｂを同径とする構成３とした場合に、構成１～３の何れか１つを選択してもよく、そして、選択した構成において、互いに噛み合う各歯車に非円形の歯車を用いてもよい。
【0102】
＜＜コンロッドの大端部の回転軸の軌跡＞＞
本変形例では、上述の構成１を構成する第２固定歯車１３２、歯車１１１、歯車１１２、及び歯車１１３ｂの各回転軸が、自身の中心に対し偏心している。歯車１１１、歯車１１２、及び歯車１１３ｂは、偏心回転する。なお、本変形例では、これらの歯車１１１～１１３ｂ，１３２に非円形の歯車を用いてもよい。互いに噛み合う非円形の歯車としては、図２（ｂ）と同じ構成を用いることができる。
本変形例では、上述の構成１を構成する第２固定歯車１３２、歯車１１１、歯車１１２、及び歯車１１３ｂの各回転軸が、自身の中心に対し偏心している。歯車１１１、歯車１１２、及び歯車１１３ｂは、偏心回転する。なお、本変形例では、これらの歯車１１１～１１３ｂ，１３２に非円形の歯車を用いてもよい。互いに噛み合う非円形の歯車としては、図２（ｂ）と同じ構成を用いることができる。
【0103】
これらの歯車１１１～１１３，１３２の噛み合せについて、下死点側で、第２固定歯車１３２の外周のうち第４クランク１０４のクランクピン１０４ａに対して最も遠い部位が、歯車１１１の外周のうち回転軸に対して最も近い部位と噛み合い、歯車１１１の外周のうち回転軸に対して最も遠い部位が、歯車１１２の外周のうち回転軸に対して最も近い部位と噛み合い、歯車１１２の外周のうち回転軸に対して最も遠い部位が、歯車１１３ｂの外周のうち回転軸に対して最も近い部位と噛み合う第１噛合せ状態（図１２（ｆ）の状態）となる。本変形例では、下死点で第１噛合せ状態になるが、下死点の手前（例えば下死点手前４５°までの範囲）で第１噛合せ状態になってもよいし、下死点の後（例えば下死点後４５°までの範囲）に第１噛合せ状態になってもよい。一方、上死点側では、第２固定歯車１３２の外周のうち第４クランク１０４のクランクピン１０４ａに対して最も近い部位が、歯車１１１の外周のうち回転軸に対して最も遠い部位と噛み合い、歯車１１１の外周のうち回転軸に対して最も近い部位が、歯車１１２の外周のうち回転軸に対して最も遠い部位と噛み合い、歯車１１２の外周のうち回転軸に対して最も近い部位が、歯車１１３ｂの外周のうち回転軸に対して最も遠い部位と噛み合う第２噛合せ状態（図１１（ｂ）の状態）となる。本変形例では、上死点で第２噛合せ状態になるが、上死点の手前（例えば上死点手前４５°までの範囲）で第２噛合せ状態になってもよいし、上死点の後（例えば上死点後４５°までの範囲）に第２噛合せ状態になってもよい。
【0104】
そのため、第４クランク１０４が定速回転をする時に、歯車１１１の回転速度は増減を繰り返し、第２クランク１０２の回転速度も同期して増減する。具体的に、上死点側で第２クランク１０２の回転速度は遅くなり、下死点側で第２クランク１０２の回転速度は速くなる。そのため、コンロッド１０３の大端部１３ｂの回転軸（中心）の軌跡Ｋｃは、下死点側で輪が大きく上死点側で輪が小さくなる８の字状を描く（図１６（ａ）参照）。なお、本変形例でも、第２クランク長は第１クランク長よりも長い。
【0105】
本変形例では、第１噛合せ状態の第１クランク１０１のクランク角が、下死点の第１クランク１０１のクランク角と一致する。すなわち、下死点で、第２クランク１０２の回転速度が最速となる。
【0106】
この点について、第１噛合せ状態の第１クランク１０１のクランク角が、下死点の第１クランク１０１のクランク角に対し、これらの両クランク角が一致する場合に比べてコンロッド１３の軸線１３Ｘとシリンダ軸ＣＡとの角度θｂが小さくなる方向にずれるように、歯車１１１～１１３，１３２を噛み合わせてもよい。図１６（ａ）は、下死点より４５°進角したタイミングで第１噛み合わせ状態になる内燃機関１００Ａについて、下死点の状態を表す。また、図１６（ｂ）は、下死点のタイミングで第１噛み合わせ状態になる内燃機関１００Ｂについて、下死点の状態を表す。ここで、図１６（ｂ）の内燃機関１００Ｂでは、第１クランク１０１に対する第２クランク１０２の相対回転速度（以下、単に「相対回転速度」と言う。）が最速になるタイミングが、下死点のタイミングと一致する。この場合、大端部中心の軌跡Ｋｃは、図１６（ｂ）に示すように、長軸が真っすぐ８の字になる。それに対し、図１６（ａ）の内燃機関１００Ａでは、相対回転速度が最速になるタイミングが下死点よりも後になる。この場合、大端部中心の軌跡Ｋｃのうち、下死点側に対応する大きな輪が、コンロッド１３の軸線１３Ｘとシリンダ軸ＣＡとの角度θｂが小さくなる方向に折れ曲がる。これにより、下死点でシリンダ１１に対しピストン１２が直角に押す大きな分圧を小さくすることができ、構造的に無理のない内燃機関を実現することができる。なお、図１７の内燃機関１００Ｃで、第１クランク１０１、第３クランク１０３及び第４クランク１０４が時計回りに回転し、第２クランク１０２が半時計周りに回転する場合は、第１噛み合せ状態が下死点よりも前に生じるように、歯車１１１～１１３，１３２を噛み合わせることで、大端部中心の軌跡Ｋｃのうち、下死点側に対応する大きな輪が、角度θｂが小さくなる方向に折れ曲がる。図１７は、下死点手前４５°のタイミングで第１噛み合わせ状態になる内燃機関１００Ｃである。図１６（ａ）の場合も図１７の場合も、下死点の第１クランク１０１のクランク角に対する、第１噛み合せ状態の第１クランク１０１のクランク角のずれ（ずれ角度）は、５°以上にすることができ、１７０°以下にすることができる。
【0107】
なお、下死点の第１クランクのクランク角に対し、第１噛合せ状態の第１クランクのクランク角をずらすこと（第１噛み合せ状態が下死点の前後に生じるようにする）について、上述の実施形態に適用する場合は、非円形歯車を用いた一対の歯車３３，３４（図１参照）において、エンジンブロック１６に固定された第４歯車３４の外周のうち回転軸に対して最も遠い部位が、第３歯車３３の外周のうち回転軸に対して最も近い部位と噛み合う状態の第１クランク２１のクランク角が、下死点の第１クランク２１のクランク角に対し、５°以上１７０°以下ずれるようにする。この場合、第２クランク２２における親軸Ａ２と子軸Ａ３を結ぶ直線２２Ｘに対し、コンロッド１３の軸線１３Ｘがなす角度が、９０°±７０°の角度範囲に入るようにする。また、本変形例の場合も上述の実施形態の場合も、第１クランク２１，１０１のクランク角のずれ（ずれ角度）は、１５°以上１２０°以下が好ましく、３０°以上１００°以下がさらに好ましい。このように、角度θｂが小さくなる方向に相対回転速度が最速となるタイミングを下死点からずらすことにより、子軸Ａ３の軌跡Ｋｃは折れ曲がり、ピストン１２が下死点から立ち上がる時に、シリンダ１１の内壁に対し直角に押す分圧を少なくすることができ、シリンダ１１及びピストン１２のダメージを減少させることができ、上死点のポジション設定に役立つ。また、このクランク角をずらすことを適用せずに、クランクピン１２８（Ａ２）或いは子軸Ａ３が、下死点から１８０°回転した位置、又は、下死点からは対極の位置で、第２噛合せ状態となり、下死点で第２噛合せ状態となるように構成してもよく、この場合は、軌跡Ｋｃは８の字状を描くものの折れ曲がることない。
【0108】
＜実施形態の変形例５＞
［内燃機関の構成について］
本変形例は、内燃機関２００（図１８（ａ）参照）が、第１クランク２０１及び第２クランク２０２に加えて、回転軸が出力軸１５により構成された第４クランク２０４を備えている。
［内燃機関の構成について］
本変形例は、内燃機関２００（図１８（ａ）参照）が、第１クランク２０１及び第２クランク２０２に加えて、回転軸が出力軸１５により構成された第４クランク２０４を備えている。
【0109】
具体的に、本変形例に係る内燃機関２００は、図１８に示すように、略円筒状のシリンダ１１と、シリンダ１１内を往復運動する略円柱状のピストン１２と、ピストン１２に回転自在に連結されたコンロッド１３と、コンロッド１３の大端部（他端部）１３ｂが回転自在に連結されてピストン１２の往復運動を回転運動に変換するクランク機構２３０と、クランク機構２３０によって変換された回転運動による動力で回転する出力軸１５とを備えている。
【0110】
クランク機構２３０は、第１クランクピン２２８を有する第１クランク２０１と、親軸Ａ２及び子軸Ａ３を有する第２クランク（可動部材）２０２と、第４クランクピン２０４ａを有する第４クランク２０４とを備えている。第１クランク２０１と第４クランク２０４は、同じ方向に同じ回転数で回転し、回転角度位置が同期し常に同じになる。また、第２クランク２０２は、第１クランクピン２２８に回転自在に連結され、コンロッド１３の大端部１３ｂに回転自在に連結されている。第１クランクピン２２８に対する回転軸が親軸Ａ２に相当し、コンロッド１３の大端部１３ｂに対する回転軸が子軸Ａ３に相当する。親軸Ａ２は、第１クランクピン２２８を回転自在に支持するピン軸受部２０２ａの軸心に位置する。子軸Ａ３は、第２クランク２０２の中心（大端部１３ｂの中心）に位置する。
【0111】
クランク機構２３０は、第１固定歯車２３１、第２固定歯車２３２、第１駆動歯車２２０、中継歯車２２１及び第２駆動歯車２２２を有する伝達機構２４０をさらに備えている。伝達機構２４０は、歯車２２０，２２１，２２２，２３１，２３２を介して第１クランク２０１及び第４クランク２０４の回転力を可動部材２０２に伝達することにより、コンロッド１３に対し可動部材２０２を動かし、且つ、第１クランク２０１に対し可動部材２０２を回転させる。また、伝達機構２４０は、第１クランク２０１と第２クランク２０２とが同じ回転数で且つ反対方向に回転するように第１クランク２０１と第２クランク２０２を係合させる。
【0112】
第１固定歯車２３１は、第１クランクピン２２８と同軸に第２クランク２０２に固定されている。第２固定歯車２３２は、第４クランクピン２０４ａと同軸に第４クランク２０４に固定されている。第２固定歯車２３２は、第１固定歯車２３１と噛み合う。第１固定歯車２３１と第２固定歯車２３２は、同一歯数で同じ大きさの円形歯車である。
【0113】
第１駆動歯車２２０は、第１クランク２０１の第１回転軸２４１に一体化され、第１回転軸２４１を中心に回転する。第２駆動歯車２２２は、第４クランク２０４の回転軸１５（出力軸）に一体化され、出力軸１５を中心に回転する。中継歯車２２１は、エンジンブロック１６に回転自在に支持され、第１駆動歯車２２０と第２駆動歯車２２２のそれぞれに噛み合うように設けられている。第１駆動歯車２２０と第２駆動歯車２２２は、同一歯数で同じ大きさの円形歯車である。
【0114】
なお、図１８（ａ）などにおいて、符号２０１Ｘは、第１回転軸２４１の軸心Ａ１と第１クランクピン２２８の軸心Ａ２とを結ぶ直線（第１クランク２０１のクランク線）を表し、符号２０２Ｘは、親軸Ａ２と子軸Ａ３とを結ぶ直線（第２クランク２０２のクランク線）を表し、符号２０４Ｘは、出力軸１５の軸心Ａ４と第４クランクピン２０４ａの軸心とを結ぶ直線（第４クランク２０４のクランク線）を表す。
【0115】
［内燃機構の動作について］
図１９～図２１を参照しながら、内燃機関２００の動作について説明を行う。内燃機関２００では、ピストン１２の１往復期間に、第１クランク２０１及び第４クランク２０４がそれぞれ１回転し、コンロッド１３が１往復する。図１９～図２１では、コンロッド１３、第１クランク２０１、第２クランク２０２、及び第４クランク２０４の各動作は、対応する直線１３Ｘ，２０１Ｘ，２０２Ｘ，２０４Ｘにより表す。なお、図１９～図２１は、内燃機関２００の動作の状態について、ピストンの１往復期間をクランク角４５°ピッチで示す。図１９（ａ）に記載の矢印は、各クランク２０１，２０２，２０４の軸線２０１Ｘ，２０２Ｘ，２０４Ｘの回転方向を表す。また、図１９～図２１には吸排気ポートや吸排気バルブを図示しないが、図１９（ａ）～図２１（ｉ）に示すピストンの１往復期間には、圧縮行程から爆発行程（又は、排気工程から吸気工程）が行われるものとする。
図１９～図２１を参照しながら、内燃機関２００の動作について説明を行う。内燃機関２００では、ピストン１２の１往復期間に、第１クランク２０１及び第４クランク２０４がそれぞれ１回転し、コンロッド１３が１往復する。図１９～図２１では、コンロッド１３、第１クランク２０１、第２クランク２０２、及び第４クランク２０４の各動作は、対応する直線１３Ｘ，２０１Ｘ，２０２Ｘ，２０４Ｘにより表す。なお、図１９～図２１は、内燃機関２００の動作の状態について、ピストンの１往復期間をクランク角４５°ピッチで示す。図１９（ａ）に記載の矢印は、各クランク２０１，２０２，２０４の軸線２０１Ｘ，２０２Ｘ，２０４Ｘの回転方向を表す。また、図１９～図２１には吸排気ポートや吸排気バルブを図示しないが、図１９（ａ）～図２１（ｉ）に示すピストンの１往復期間には、圧縮行程から爆発行程（又は、排気工程から吸気工程）が行われるものとする。
【0116】
図１９（ａ）は、上死点前４５°のタイミングにおける内燃機関２００の状態を表す。この状態から第１クランク２０１及び第４クランク２０４が時計回りに回転すると、これらのクランク２０１，２０４の回転に伴って、第１固定歯車２３１及び第２固定歯車２１２がそれぞれ回転移動し、その回転移動に伴って第２クランク２０２の軸線２０２Ｘが反時計回りに回転する。これにより、コンロッド１３の大端部１３ｂが、子軸Ａ３を中心に反時計回りに回転しながら、ピストン１２が上死点に近づいてゆく。
【0117】
図１９（ｂ）は、上死点の着火タイミングにおける状態を表す。この状態から第１クランク２０１及び第４クランク２０４がさらに時計回りに回転すると、第２クランク２０２の軸線Ｘ２は反時計回りに回転し続けるが、コンロッド１３の大端部１３ｂは、図１９（ｃ）のタイミング付近で、回転方向が切り替わり、時計回りに回転し始める。ピストン１２は、図１９（ｂ）の状態から図２１（ｇ）の状態まで、下死点に近づいてゆく。図２１（ｇ）は、ピストン１２が下死点に位置する状態を表す。そして、コンロッド１３の大端部１３ｂは、図２１（ｇ）のタイミング付近で、回転方向が切り替わり、反時計回りに回転し始め、ピストン１２が上死点に近づいてゆく。なお、本変形例では、第１クランク２０１のクランク長が第２クランク２０２のクランク長よりも短く、コンロッド１３の他端部１３ｂの回転軸Ａ３の軌跡Ｋｃは、図１８（ａ）に示すようになる。
【0118】
本変形例では、第１クランク２０１の第１回転軸２４１の軸心Ａ１から第２クランク１０２の子軸Ａ３に向かって延びる直線Ｌ３に対し、コンロッド１３のロッド部１３ｃがなす角度θ（図１９（ｂ）参照）が、上死点において、９０°±７０°の角度範囲（好ましくは、９０°±４５°の角度範囲）にあることで、ピストン１２から第１クランク２０１の第１回転軸２４１に対しトルクを効率よく伝達することができ、それにより出力軸１５に対してもトルクを効率よく伝達することができる。
【0119】
本変形例では、第１固定歯車２３１と第２固定歯車２３２が、互いに同径の円形歯車であるが、第１固定歯車２３１と第２固定歯車２３２は、上述の実施形態の第３歯車３３と第４歯車３４のように非円形歯車としてもよい。この場合、下死点において、第１固定歯車２３１の外周のうち回転軸Ａ２に対して最も近い部位が、第２固定歯車２３２の外周のうち回転軸（第４クランクピン２０４ａの軸心）Ａ４に対して最も遠い部位と噛み合う状態の第１クランク２０１のクランク角が、軸心Ａ１と回転軸Ａ４とを結ぶ線Ｇからずらす。これにより、コンロッド１３の他端部１３ｂの回転軸Ａ３の軌跡Ｋｃは、図１７と同様に、８の字となり折れ曲がる。
【0120】
＜実施形態の変形例６＞
［内燃機関の構成について］
本変形例に係る内燃機関１０（図２２参照）は、棒状の可動部材９３がコンロッド１３にスライド自在に連結され、コンロッド１３及び可動部材９３により構成された伸縮部材１３，９３が伸縮可能に構成されている。内燃機関１０は、図２２（ａ）及び図２２（ｂ）に示すように、略円筒状のシリンダ１１と、シリンダ１１内を往復運動する略円柱状のピストン１２と、一端部１３ａがピストン１２に回転自在に連結されたコンロッド１３と、コンロッド１３の他端部１３ｂが可動に連結されてピストン１２の往復運動を回転運動に変換するクランク機構２０とを備えている。
［内燃機関の構成について］
本変形例に係る内燃機関１０（図２２参照）は、棒状の可動部材９３がコンロッド１３にスライド自在に連結され、コンロッド１３及び可動部材９３により構成された伸縮部材１３，９３が伸縮可能に構成されている。内燃機関１０は、図２２（ａ）及び図２２（ｂ）に示すように、略円筒状のシリンダ１１と、シリンダ１１内を往復運動する略円柱状のピストン１２と、一端部１３ａがピストン１２に回転自在に連結されたコンロッド１３と、コンロッド１３の他端部１３ｂが可動に連結されてピストン１２の往復運動を回転運動に変換するクランク機構２０とを備えている。
【0121】
クランク機構２０は、クランク２１に加え、コンロッド１３の他端部１３ｂにスライド自在に連結され、クランク２１のクランクピン２８に回転自在に連結された可動部材９３を備えている。クランク２１は、クランク機構２０により変換される回転運動を動力として出力する出力軸１５と、出力軸１５の軸心Ａ１を中心に回転移動するクランクピン２８を有する。クランクピン２８には、可動部材９３の大端部９３ｂが回転自在に連結されている。内燃機関１０では、出力軸１５の回転に伴ってクランクピン２８が回転移動し、ピストン１２が往復運動する。
【0122】
本変形例では、コンロッド１３及び可動部材９３が、互いに同一方向に伸びており、長さ方向に伸縮可能な伸縮部材を構成している。内燃機関１０は、クランク角に応じて伸縮部材１３，９３を伸縮させる伸縮機構５０をさらに備えている。伸縮機構５０は、図２３に示すように、ピストン１２が上死点の手前から上死点に近づくに従って（例えば、クランクピン２８が燃焼室５の天井面５ａに最も近づいた状態（図２３（ａ）において破線の状態）の手前から、クランク角が進むに従って）、クランク２１の回転力を利用して伸縮部材１３，９３を伸長させる。伸縮機構５０は、例えば、出力軸１５の軸心とクランクピン２８の軸心を結ぶ直線がコンロッド１３と一直線になった状態（以下、図２３（ａ）の破線の状態であり、「クランク－コンロッド直線状態」と言う。）から、上死点までの期間に、伸縮部材１３，９３を伸長させる。なお、伸縮機構５０は、ピストン１２が上死点の手前から上死点に近づくに従って、クランク２１の回転力を利用して伸縮部材１３，９３を短縮させるように構成してもよい。
【0123】
具体的に、コンロッド１３は、ピストン１２に回転自在に連結された小端部１３ａを有する。可動部材９３は、クランクピン２８に回転自在に連結された大端部９３ｂを有する（図２２（ｂ）参照）。コンロッド１３は、可動部材９３に対し、コンロッド１３の軸方向（長さ方向）にスライド可能に取り付けられている。例えば、コンロッド１３における棒状の他端部１３ｂは、可動部材９３に設けられたスライド溝８０（図２３参照）に嵌め込まれ、スライド溝８０に沿って可動部材９３に対しスライド自在になっている。
【0124】
伸縮機構５０（図２３参照）は、クランク２１のクランクピン２８に固定されてクランク２１と共に出力軸１５を中心に回転移動する固定歯車６１と、可動部材９３に回転自在に支持されて固定歯車６１と噛み合う伸縮用歯車６２と、伸縮用歯車６２の回転軸６２ａを中心に回転移動する円形の第１ピン７１と、コンロッド１３のクランクピン２８側（他端部１３ｂ）に一体化された円形の第２ピン７２と、第１ピン７１と第２ピン７２とにそれぞれ連結されて第１ピン７１の回転移動に伴って揺動して可動部材９３に対しコンロッド１３を進退させる揺動部材７５とを備えている。伸縮機構５０は、コンロッド１３に対し可動部材９３を動かし、且つ、クランク２１に対し可動部材９３を回転させる伝達機構に相当する。伝達機構は、固定歯車６１を伸縮用歯車６２に噛み合せることにより揺動部材７５を揺動させることで、クランク２１の回転力を可動部材９３に伝達させる。
【0125】
固定歯車６１は、クランクピン２８と同軸になるようにクランク２１に固定されている。固定歯車６１は、自転をすることなく、出力軸１５回りを公転する歯車である。伸縮用歯車６２は、固定歯車６１と同一歯数の歯車である。固定歯車６１が１回転すると、伸縮用歯車６２もちょうど１回転するように設計されている。伸縮用歯車６２の回転軸６２ａは、固定歯車６１の軸心６１ａと、第２ピン７２の軸心とを通る直線上、又は、この直線上以外に配置することができる。
【0126】
第１ピンは、伸縮用歯車６２とは軸心が一致しないように、伸縮用歯車６２に一体化されたピン部材（円柱状の部材）である。第１ピン７１は、伸縮用歯車６２の回転軸６２ａと同軸の主軸７１ａと、主軸７１ａから離れた位置の副軸７１ｂとを有する。副軸７１ｂは、第１ピン７１の中心に位置する。第１ピン７１の副軸（中心）７１ｂは、伸縮用歯車６２の中心６２ａから見て偏心した位置にある。第１ピン７１は、伸縮用歯車６２の回転に伴って、主軸７１ａを中心に回転移動する。
【0127】
揺動部材７５は、例えば、伸縮部材１３，９３の機能部品である。揺動部材７５は、第１ピン７１と第２ピン７２の各々に回転自在に支持されている。揺動部材７５では、クランクピン２８側の貫通孔７５ａに第１ピン７１が、ピストン１２側の貫通孔７５ｂに第２ピン７２がそれぞれ回転自在に挿通されている。
【0128】
なお。本変形例では、固定歯車６１と伸縮用歯車６２が、同回転数にて噛み合う円形歯車であるが、複数倍回転数にて噛み合う円形歯車であってもよいし、同回転数又は複数倍回転数にて噛み合う非円形歯車であってもよい。
【0129】
［内燃機関の動作について］
図２３（ａ）においてピストン１２が破線の位置にあるタイミングでは、伸縮機構５０等が、図２３（ｂ）に示す状態となる。この状態から、クランクピン２８が時計回りに回転移動すると、固定歯車６１も回転移動し、その回転移動に伴って伸縮用歯車６２が反時計回りに回転する。これにより、図２３（ｃ）に示すように、第１ピン７１の副軸７１ｂは、主軸７１ａを中心に反時計回りに回転移動する。そして、この回転移動に伴って、第２ピン７２及びコンロッド１３がピストン１２側に移動し、伸縮部材１３，９３が伸びる。
図２３（ａ）においてピストン１２が破線の位置にあるタイミングでは、伸縮機構５０等が、図２３（ｂ）に示す状態となる。この状態から、クランクピン２８が時計回りに回転移動すると、固定歯車６１も回転移動し、その回転移動に伴って伸縮用歯車６２が反時計回りに回転する。これにより、図２３（ｃ）に示すように、第１ピン７１の副軸７１ｂは、主軸７１ａを中心に反時計回りに回転移動する。そして、この回転移動に伴って、第２ピン７２及びコンロッド１３がピストン１２側に移動し、伸縮部材１３，９３が伸びる。
【0130】
本変形例では、第１ピン７１の副軸７１ｂが、コンロッド１３の軸線Ｘｓ上の、固定歯車６１側の位置から、軸線Ｘｓ上の、第２ピン７２側の位置まで移動する期間に、コンロッド１３は伸びる。一方、第１ピン７１の副軸７１ｂが、コンロッド１３の軸線Ｘｓ上の、第２ピン７２側の位置から、軸線Ｘｓ上の、固定歯車６１側の位置まで移動する期間に、伸縮部材１３，９３は縮む。
【0131】
ここで、図２３（ａ）における破線の状態からクランク角が進むと、伸縮部材１３，９３が伸びる一方で、クランクピン２８及び可動部材９３の大端部９３ｂは、燃焼室５の天井面５ａから遠ざかる。本変形例では、伸縮部材１３，９３が伸びる途中に、ピストン１２は上死点となる。そして、ピストン１２が上死点から下死点に向かう期間の前半にも、伸縮部材１３，９３が伸びる。そのため、上死点後にピストン１２の下降速度を減少させることができる。
【0132】
［本変形例の効果等］
本変形例では、クランク－コンロッド直線状態から上死点までの期間に、伸縮部材１３，９３が伸長する。ここで、伸縮部材１３，９３が伸長せずにクランク－コンロッド直線状態で上死点となる場合、上死点で、ピストンピンとコンロッドの大端部と出力軸が直線上に並び、燃焼圧の回転出力への伝達率は、限りなくゼロに近くなる。また、上死点以後、クランク角が２０°から３０°進む期間も、回転出力への伝達率は極めて小さくなる。そして、回転出力への伝達率の有効化が始まる頃には、燃焼圧が着火燃焼圧から大きく低下している。
本変形例では、クランク－コンロッド直線状態から上死点までの期間に、伸縮部材１３，９３が伸長する。ここで、伸縮部材１３，９３が伸長せずにクランク－コンロッド直線状態で上死点となる場合、上死点で、ピストンピンとコンロッドの大端部と出力軸が直線上に並び、燃焼圧の回転出力への伝達率は、限りなくゼロに近くなる。また、上死点以後、クランク角が２０°から３０°進む期間も、回転出力への伝達率は極めて小さくなる。そして、回転出力への伝達率の有効化が始まる頃には、燃焼圧が着火燃焼圧から大きく低下している。
【0133】
それに対し、本変形例では、伸縮部材１３，９３が伸長するため、上死点のタイミングにおけるクランクピン２８の運動方向は、シリンダ軸ＣＡの方向に近づく。本変形例では、上死点において、コンロッド１３と可動部材９３のなす角度θ’（図２３（ａ）参照）が、９０°±７０°の角度範囲（好ましくは、９０°±４５°の角度範囲）にある。そのため、上死点における燃焼圧の回転出力への伝達率は改善される。さらに、上死点以後も、回転出力への伝達率が改善される。例えば、上死点からクランク角が２０°から３０°進む期間、伝達率は限りなく１０割に近づく。本変形例によれば、ピストン１２からクランクピン２８に対しトルクを効率的に伝達することができる。
【0134】
＜実施形態の変形例７＞
本変形例は、変形例６の変形例である。本変形例では、図２４（ａ）及び図２４（ｂ）に示すように、第２歯車６２から突出する突出部８１が設けられ、第１ピン７１の副軸７１ｂが突出部８１に設けられている。第１ピン７１の主軸７１ａは、変形例５と同様に、伸縮用歯車６２の回転軸６２ａと同軸である。また、揺動部材７５では、クランクピン２８側の貫通孔７５ａに第１ピン７１の副軸（ピン）７１ｂが、ピストン１２側の貫通孔７５ｂに第２ピン７２がそれぞれ回転自在に挿通されている。
本変形例は、変形例６の変形例である。本変形例では、図２４（ａ）及び図２４（ｂ）に示すように、第２歯車６２から突出する突出部８１が設けられ、第１ピン７１の副軸７１ｂが突出部８１に設けられている。第１ピン７１の主軸７１ａは、変形例５と同様に、伸縮用歯車６２の回転軸６２ａと同軸である。また、揺動部材７５では、クランクピン２８側の貫通孔７５ａに第１ピン７１の副軸（ピン）７１ｂが、ピストン１２側の貫通孔７５ｂに第２ピン７２がそれぞれ回転自在に挿通されている。
【0135】
本変形例でも、第１ピン７１の副軸７１ｂが、コンロッド１３の軸線Ｘｓ上における固定歯車６１側に最も近い第１位置から、軸線Ｘｓ上における第２ピン７２側に最も遠い第２位置まで移動する期間に、伸縮部材１３，９３は伸びる。一方、第１ピン７１の副軸７１ｂがコンロッド１３の軸線Ｘｓ上における第２位置から第１位置まで移動する期間に、伸縮部材１３，９３は縮む。
【0136】
＜実施形態の変形例８＞
変形例６－７の伸縮機構５０は、実施形態及びその変形例１－５に適用してもよい。この場合、固定歯車６１は、第２クランク２２の子軸Ａ３に固定される。つまり、固定歯車６１は、第２クランク２２の中心Ａ３と同軸となるように第２クランク２２に固定される。伸縮機構５０は、図２５に示すように、ピストン１２が上死点の手前から上死点に近づくに従って、第２クランク２２の回転力を利用して伸縮部材１３，９３を短縮させる。なお、伸縮機構５０は、ピストン１２が上死点の手前から上死点に近づくに従って、第２クランク２２の回転力を利用して伸縮部材１３，９３を伸長させるように構成してもよい。
変形例６－７の伸縮機構５０は、実施形態及びその変形例１－５に適用してもよい。この場合、固定歯車６１は、第２クランク２２の子軸Ａ３に固定される。つまり、固定歯車６１は、第２クランク２２の中心Ａ３と同軸となるように第２クランク２２に固定される。伸縮機構５０は、図２５に示すように、ピストン１２が上死点の手前から上死点に近づくに従って、第２クランク２２の回転力を利用して伸縮部材１３，９３を短縮させる。なお、伸縮機構５０は、ピストン１２が上死点の手前から上死点に近づくに従って、第２クランク２２の回転力を利用して伸縮部材１３，９３を伸長させるように構成してもよい。
【0137】
本変形例では、伸縮部材１３，９３の伸縮量、伸縮部材１３，９３の伸縮タイミング、歯車（例えば非円形歯車）６１，６２の形状、及び、各歯車６１，６２の大きさの最適化により、大端部中心の軌跡Ｋｃの接線との鉛直方向に束縛されず、シリンダ軸ＣＡの傾斜角θａ（図１参照）を最適化することができる。
【産業上の利用可能性】
【0138】
本発明は、レシプロタイプの内燃機関又は圧縮機等に適用可能である。
【符号の説明】
【0139】
１０，１００ 内燃機関
１１ シリンダ
１２ ピストン
１３ コンロッド
１４ クランク機構
１５ 出力軸
２１，１０１ 第１クランク
２２，１０２ 第２クランク
３１，１３１ 第１歯車（固定歯車）
３２ 第２歯車
１１ シリンダ
１２ ピストン
１３ コンロッド
１４ クランク機構
１５ 出力軸
２１，１０１ 第１クランク
２２，１０２ 第２クランク
３１，１３１ 第１歯車（固定歯車）
３２ 第２歯車
【要約】
【課題】ピストンからクランク機構の出力軸に対しトルクを効率的に伝達することが可能な内燃機関を実現する。
【解決手段】内燃機関１０のクランク機構１４は、クランクピン２８を有するクランク２１と、コンロッド１３の他端部に可動に連結され、且つ、クランクピン２８に回転自在に連結された可動部材２２と、可動部材２２に固定された固定歯車３１を含み、固定歯車３１を介してクランク２１の回転力を可動部材２２に伝達することにより、コンロッド１３に対し可動部材２２を動かし、且つ、クランク２１に対し可動部材２２を回転させる伝達機構１４とを有する。可動部材２２として第２クランク２２が設けられ、第２クランク２２は、コンロッド１３の他端部１３ｂに対する回転軸としての子軸Ａ３とを有し、上死点において、クランク２１の回転軸Ａ１から子軸Ａ３に向かって延びる直線Ｌ３に対し、コンロッド１３がなす角度が、９０°±７０°の角度範囲にある。
【選択図】図１
【解決手段】内燃機関１０のクランク機構１４は、クランクピン２８を有するクランク２１と、コンロッド１３の他端部に可動に連結され、且つ、クランクピン２８に回転自在に連結された可動部材２２と、可動部材２２に固定された固定歯車３１を含み、固定歯車３１を介してクランク２１の回転力を可動部材２２に伝達することにより、コンロッド１３に対し可動部材２２を動かし、且つ、クランク２１に対し可動部材２２を回転させる伝達機構１４とを有する。可動部材２２として第２クランク２２が設けられ、第２クランク２２は、コンロッド１３の他端部１３ｂに対する回転軸としての子軸Ａ３とを有し、上死点において、クランク２１の回転軸Ａ１から子軸Ａ３に向かって延びる直線Ｌ３に対し、コンロッド１３がなす角度が、９０°±７０°の角度範囲にある。
【選択図】図１
【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】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】