JP2003035111A - 内燃機関 - Google Patents
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Abstract
機関におけるクランク軸方向視の新規なレイアウトを提
供する。 【解決手段】 クランクシャフト8から伝達される回転
動力により軸回りに回転する吸気駆動軸23に、この吸
気駆動軸23の回転に連動して所定の回転範囲内を揺動
し、吸気弁1のバルブリフタ1cを直接的に押圧する揺
動カム24を回転可能に取り付ける。クランクシャフト
8の軸方向視で、吸気駆動軸23の軸心23Aを、吸気
弁1のバルブ中心線1dに対し、吸気方向F1へオフセ
ットする。クランクシャフト8の軸心8Aを、シリンダ
軸線L0に対し、吸気方向F1へオフセットする。
Description
機関に関し、特に、所定の回転範囲内を揺動する揺動カ
ムにより、吸気弁のバルブリフタを直接的に押圧する形
式の内燃機関に関する。
弁(吸気弁及び排気弁)の動弁機構として、クランクシ
ャフトに連動して回転するカムシャフト(駆動軸)に固
定された固定カムにより、吸・排気弁のバルブリフタ
(タペット)を直接的に押圧する直動式の固定動弁機構
が知られている。このような直動式の固定動弁機構は、
簡素かつコンパクトな構成で回転限界の向上を図れる等
の点で、ロッカーアーム式やレバー式の動弁機構に比し
て優れている。このような直動式の動弁機構では、固定
カムとバルブリフタとが広い範囲で偏らずに接触するた
めに、一般的にはカムシャフトの軸心(回転中心)が吸
・排気弁のバルブ中心線(バルブステムの中心軸線)の
延長線上に配置される。従って、吸・排気弁の一対のカ
ムシャフトの軸心間の軸間距離と、吸・排気弁の一対の
バルブ中心線のなすバルブ狭角とは、一義的な比例関係
にある。例えば、バルブ狭角を小さくすると軸間距離が
小さくなる関係にある。
ク機構の多くは、クランクシャフトのクランクピンとピ
ストンのピストンピンとを一本のコンロッドで連携した
単リンク式の構成となっている。このような単リンク式
の構成では、ピストンのサイドスラストを抑制するよう
に、一般的にはクランクシャフトの軸心がシリンダ軸線
上に配置されている。
は、実質的に直動式の動弁レイアウトで、吸気弁(ある
いは排気弁)の作動角やバルブリフト量を連続的に変更
するリフト作動角変更機構を先に提案している(図4参
照)。このようなリフト作動角変更機構では、吸気弁の
上方に、クランクシャフトに連動して回転する駆動軸が
上記のカムシャフトと同じように配設され、この駆動軸
に揺動カムが回転可能に支持されている。この揺動カム
は、駆動軸から伝達される回転動力により所定の回転範
囲内で揺動(往復回転運動)することにより、吸気弁を
直接的に押圧駆動する。そして、揺動カムの初期位相
(例えば揺動範囲の中心位相)を変化させることによ
り、作動角やバルブリフト量を連続的に変更することが
できる。
た固定カムを用いる場合とは異なり、揺動カムの揺動中
心となる駆動軸の軸心を、吸気弁のバルブ中心線に対し
てオフセットさせた方が、揺動カムとバルブリフタとの
接触範囲が広がるとともに吸気弁のサイドスラストが低
減されて有利になる傾向にある。しかしながら、単に吸
気弁の駆動軸のみをオフセットさせようとすると、吸・
排気弁の駆動軸(カムシャフト)とクランクシャフトと
の位置関係が異なるものとなって、クランクシャフトか
ら駆動軸(カムシャフト)への動力伝達系を含めた機関
レイアウトや設計値の大幅な変更を余儀なくされる。
クランクピンとピストンのピストンピンとを複数のリン
クで連携し、機関圧縮比に対応するピストンストローク
特性、特にピストン上死点位置を変更する複リンク式の
ピストンストローク変更機構を先に提案している(図2
参照)。このような複リンク式の構成では、上述した単
リンク式の構成とは異なり、クランクシャフトの軸心を
シリンダ軸線上に配置することが必ずしも最良とはいえ
ない。しかしながら、単にクランクシャフトをシリンダ
軸線に対してオフセットさせると、やはり吸・排気弁の
駆動軸とクランクシャフトとの位置関係が変化してしま
う。
たものであり、所定の回転範囲内を揺動して吸気弁のバ
ルブリフタを直接的に押圧する揺動カムを備えた内燃機
関において、クランク軸方向視における新規なレイアウ
トを提供するものである。
は、クランクシャフトから伝達される回転動力により軸
回りに回転する吸気駆動軸と、この吸気駆動軸に回転可
能に支持され、この吸気駆動軸の回転に連動して所定の
回転範囲内を揺動し、吸気弁のバルブリフタを直接的に
押圧する揺動カムと、を有している。そして、クランク
シャフトの軸方向視で、吸気駆動軸の軸心を、吸気弁の
バルブ中心線に対し、シリンダ軸線から吸気弁側へ向か
う吸気方向へオフセットするとともに、クランクシャフ
トの軸心を、シリンダ軸線に対し、上記吸気方向へオフ
セットすることを特徴としている。
シャフトの軸心とを同じ吸気方向(シリンダ軸線から遠
のく方向)へオフセットしている。従って、吸気駆動軸
の軸心をオフセットしているにもかかわらず、クランク
シャフトと吸・排気駆動軸との位置関係を適正化するこ
とができる。言い換えると、クランクシャフトと吸・排
気駆動軸との位置関係を適正な状態に保ちつつ、吸気駆
動軸及びクランクシャフトをオフセットさせることがで
きる。
排気駆動軸が所定位置(例えば略対称位置)に配置され
るように、シリンダ軸線の直交方向において、吸気弁の
バルブ中心線から吸気駆動軸の軸心までのオフセット量
が、シリンダ軸線からクランクシャフトの軸心までのオ
フセット量の略2倍に設定される。
ために、好ましくは直動式の固定動弁機構が適用され
る。すなわち、上記吸気駆動軸と平行に配設され、クラ
ンクシャフトから伝達される回転動力により軸回りに回
転する排気駆動軸と、この排気駆動軸に固定され、排気
弁のバルブリフタを直接的に押圧する固定カムと、を有
する構成とする。
軸と揺動カムとを機械的に連携し、吸気駆動軸の回転動
力を揺動カムへ伝達するとともに、揺動カムの初期位相
を変化させて、吸気弁の作動角及びバルブリフト量の少
なくとも一方(典型的には双方)を連続的に変更するリ
フト作動角変更機構を有している。すなわち、本発明
は、揺動カムを利用した実質的に直動式の動弁レイアウ
トのリフト作動角変更機構を備えた内燃機関に好適であ
る。
気駆動軸に偏心して設けられた駆動偏心カムと、吸気弁
の作動角及びバルブリフト量の少なくとも一方の変更時
に回動制御される制御軸と、この制御軸に偏心して設け
られた制御偏心カムと、この制御偏心カムに回転可能に
支持されるロッカーアームと、このロッカーアームの一
端と駆動偏心カムとを連携する第1のリンクと、ロッカ
ーアームの他端と揺動カムの先端とを連携する第2のリ
ンクと、を有している。
きに、上記揺動カムのカムノーズが吸気方向へ向かって
回転するように設定されている。この場合、揺動カムの
揺動中心となる吸気駆動軸の軸心がバルブ中心線の延長
線上に配置されている場合に比して、揺動カムとバルブ
リフタとの接触範囲を拡大することができる。
ピストンのピストンピンとを複数のリンクで連携し、圧
縮比に対応するピストンストローク特性を変更する複リ
ンク式のピストンストローク変更機構を有する内燃機関
では、単リンク式の構成とは異なり、クランクシャフト
の軸心を積極的にオフセットして圧縮比の変化量(感
度)を高めることが可能で、本発明に適している。
ば、クランクピンに回転可能に支持されるロアリンク
と、このロアリンクとピストンピンとを連携するアッパ
ーリンクと、ピストンストローク特性の変更時に回動制
御されるピストン制御軸と、このピストン制御軸に偏心
して設けられた制御偏心軸部と、この制御偏心軸部とロ
アリンクとを連携する制御リンクと、を有している。
なる吸気駆動軸の軸心をバルブ中心線に対してオフセッ
トしているにもかかわらず、クランクシャフトと吸・排
気駆動軸との位置関係を適正化することが可能である。
フトの軸心を吸気方向へオフセットしており、逆に言え
ば、クランクシャフトの軸心に対してシリンダ軸線が排
気方向へオフセットすることとなるため、シリンダヘッ
ドやシリンダブロック等の機関構成部材が全体的にクラ
ンクシャフトの軸心に対して排気方向へオフセットする
こととなる。従って、比較的温度が低くエアクリーナや
エアコンプレッサ等の樹脂部品が配設される吸気弁側の
機関外部空間が相対的に広がる形となり、その搭載性が
向上する。
実施形態に係る内燃機関の基本的な構成について簡単に
説明する。シリンダヘッド3には、吸気通路及び排気通
路を開閉する吸気弁1及び排気弁2のバルブステム1
a,2aがバルブガイド1b,2bを介して摺動可能に
支持されている。バルブステム1a,2aの上方には有
底円筒状のバルブリフタ1c,2cがそれぞれ配設され
ている。シリンダブロック4には各気筒毎にシリンダ5
が凹設され、各シリンダ5内にはピストン6が摺動可能
に配設され、ピストン6の上方に燃焼室7が画成されて
いる。また、シリンダブロック4にはクランクシャフト
8がメインベアリングキャップ9を介して回転可能に取
り付けられている。クランクシャフト8には、クランク
シャフト8の軸心(回転中心)8Aに対して偏心するク
ランクピン8aが各気筒毎に設けられているとともに、
カウンターウエイト8bが間欠的に設けられている。ま
た、シリンダブロック4の下部には潤滑油を溜めるオイ
ルパン10が固定されている。
変更機構20,40,60を示すシステム構成図であ
る。この内燃機関は、吸気弁1のバルブリフト量及び作
動角(リフト作動角)を連続的に変更するリフト作動角
変更機構20と、吸気弁1の作動角の中心位相を進角側
又は遅角側へ連続的に変更する位相変更機構40と、ピ
ストン6のストローク特性を連続的に変更するピストン
ストローク変更機構60と、を有している。機関制御部
としてのECU(エンジン・コントロール・ユニット)
11には、ノッキングの強度を検出するノックセンサ1
2等の各種センサよりエンジン回転数,エンジン負荷,
吸入負圧,排気温度等の機関運転状態を表すパラメータ
が入力されている。これらのパラメータに基づいて、E
CU11は、点火進角制御装置13へ制御信号を出力し
て点火時期を制御するとともに、燃料噴射量及び噴射時
期等の一般的な機関制御を行う他、上述したリフト作動
角,中心位相,及びピストンストローク特性を制御して
いる。つまり、ECU11は、リフト作動角変更機構2
0の油圧駆動部としてのリフト・作動角制御用油圧アク
チュエータ21への作動油圧を切換・調節する油圧制御
弁等のリフト作動角制御用油圧装置22、位相変更機構
40の油圧室41への作動油圧を切換・調節する油圧制
御弁等の位相制御用油圧装置42、及びピストンストロ
ーク変更機構60の駆動部としての電動モータ61へそ
れぞれ制御信号を出力し、これら油圧装置22,42及
び電動モータ61の動作を制御している。
位相変更機構40とを併用することにより、吸気弁1の
リフト作動角及び中心位相を連続的に変更可能なことに
加え、吸気弁1の開時期及び閉時期を互いに独立して調
整可能となり、吸気弁1のバルブリフト特性を高度に制
御できる。従って、吸気弁1のバルブリフト特性を制御
して吸入空気量を正確に調整することができる。
斜視図である。各気筒には一対の吸気弁1及び一対の排
気弁2(図1,2参照)が配設され、吸気弁1の上方に
は、気筒列方向に延びる吸気駆動軸23が配設されてい
る。この吸気駆動軸23は、従来のカムシャフトと同
様、クランクシャフト8から回転動力が伝達され、クラ
ンクシャフト8に連動して軸回りに回転する。この吸気
駆動軸23に、吸気弁1のバルブリフタ1cを直接的に
押し下げる揺動カム24が回転可能に外嵌・支持されて
いる。この揺動カム24は、バルブリフタ1cを押し下
げるカムノーズ24aを備えた一対のカム本体24b
を、円筒状のジャーナル部24cによって一体的に接続
した構造となっており、カム本体24bの外周面には、
カムノーズ24aへ向けて大径化する所定のカム面が形
成されている。この揺動カム24と吸気駆動軸23とが
リフト作動角変更機構20によって機械的に連携されて
いる。
動軸23に偏心して固定又は一体形成された円筒状又は
円柱状の駆動偏心カム25と、吸気駆動軸23と平行に
気筒列方向へ延び、リフト作動角の変更時に回動制御さ
れる制御軸26と、この制御軸26に偏心して固定又は
一体形成された円筒状又は円柱状の制御偏心カム27
と、この制御偏心カム27に回転可能に支持されるロッ
カーアーム28と、このロッカーアーム28の一端と駆
動偏心カム25とを連携するリング状の第1リンク29
と、ロッカーアーム28の他端と揺動カム24とを連携
するロッド状の第2リンク30と、を有している。
の中心が吸気駆動軸23の軸心に対して偏心しており、
この外周面に、第1リンク29の一端が回転可能に外嵌
している。制御偏心カム27は、円周面をなす外周面の
中心が制御軸26の軸心に対して偏心しており、この外
周面に、ロッカーアーム28の中央部が回転可能に外嵌
している。ロッカーアーム28の一端と第1リンク29
の他端とは第1連結ピン31によって回転可能に連結さ
れている。ロッカーアーム28の他端と第2リンク30
の一端とは第2連結ピン32によって回転可能に連結さ
れている。第2リンク30の他端と揺動カム24の一方
のカム本体24bの先端(カムノーズ24a)とは、第
3連結ピン33によって回転可能に連結されている。
圧アクチュエータ21により制御軸26が所定の回転角
度に保持されている状態では、クランクシャフト8に連
動して吸気駆動軸23が回転すると、第1リンク29の
一端を支持する駆動偏心カム25の中心が吸気駆動軸2
3の軸心まわりに回転し、この第1リンク29と連携す
るロッカーアーム28が揺動する。このロッカーアーム
28の揺動運動は、第2リンク30を介して揺動カム2
4へ伝達され、揺動カム24が所定の回転範囲内を揺動
する。このように揺動する揺動カム24がバルブリフタ
1cを直接的に押圧して、吸気弁1が開閉作動する。
11よりリフト作動角制御用油圧装置22へ制御信号を
出力し、リフト作動角制御用油圧アクチュエータ21へ
の作動油圧を切り換えて、制御軸26の角度を変化させ
る。これにより、ロッカーアーム28の揺動中心となる
制御偏心カム27の中心が制御軸26の軸心に対して回
転変位する。このため、ロッカーアーム28及びリンク
29,30の初期姿勢が変化し、揺動カム24の初期位
相が変化する。この結果、実際に使用されるカム本体2
4bのカム面の範囲が変化して、吸気弁1のバルブリフ
ト特性が変更される。制御偏心カム27の位置は連続的
に変化させ得るので、これに伴って、バルブリフト特性
は連続的に変化する。具体的には図5に示すように、吸
気弁1の作動角の中心位相が略一定のままで、吸気弁1
のバルブリフト量及び作動角の双方が連続的に拡大又は
縮小する。
点として、第1に、クランクシャフト8に連動して回転
する吸気駆動軸23に、バルブリフタ1cを直接的に押
圧する揺動カム24が同軸上に設けられており、従来の
カムシャフト及び固定カムを備えた直動式の固定動弁機
構とほぼ同様のレイアウトとなるため、コンパクトな構
成で回転限界の向上を図れるとともに、揺動カム24と
吸気駆動軸23との軸ズレ等を生じるおそれがなく、制
御精度に優れている。第2に、駆動偏心カム25と第1
リンク29との軸受部や、制御偏心カム27とロッカー
アーム28との軸受部のように、部材間の連結部の多く
が面接触となっており、潤滑が行いやすいことに加え、
リターンスプリング等の付勢手段を敢えて必要としない
ため、耐久性,信頼性にも優れている。
動角変更機構20は適用されておらず、従来公知の固定
カムを用いた直動式の固定動弁機構が適用されている。
すなわち、図2に示すように、クランクシャフト8に連
動して回転するカムシャフトとしての排気駆動軸14
が、上記の吸気駆動軸23と平行に配設されており、こ
の排気駆動軸14に、排気弁2のバルブリフタ2cを直
接的に押し下げる固定カム15が固定されている。
クランクシャフト8に対する吸気駆動軸23の位相を変
化させるヘリカルスプライン式のVTC(バルブ・タイ
ミング・コントロール)機構 を示す断面図である。吸
気駆動軸23の一端部の外周には、吸気側のカムプーリ
43が同軸状に配設されている。なお、吸気駆動軸23
と平行に配設される排気駆動軸14(図2参照)にも、
このカムプーリ43と同径の排気側カムプーリが固定さ
れており、互いに並設される吸気側及び排気側のカムプ
ーリと、クランクシャフト8の一端に固定されたクラン
クプーリと、にわたって、タイミングベルトが巻き掛け
られている。このタイミングベルトによって、クランク
シャフト8の回転動力が吸気駆動軸23及び排気駆動軸
14に伝達され、クランクシャフト8に連動して(一般
的には半分の速度で)吸気駆動軸23及び排気駆動軸1
4が軸回りに回転する。なお、これらのカムプーリ,ク
ランクプーリ,タイミングベルトに代えて、カムスプロ
ケット,クランクスプロケット,タイミングチェーンを
用いても良い。
カムプーリ43の内周に固定又は一体形成され、このカ
ムプーリ43と一体的に回転する駆動ギア部44と、吸
気駆動軸23の外周に固定又は一体形成され、この吸気
駆動軸23と一体的に回転する従動ギア部45と、両ギ
ア部44,45に噛合するヘリカルギア47が外周面及
び内周面に形成された筒状のプランジャ46と、プラン
ジャ46の一側に画成される油圧室41と、を有してい
る。この油圧室41の作動油圧を、上記の位相制御用油
圧装置42により変化させることにより、プランジャ4
6がリターンスプリング48のばね力に抗して軸方向へ
移動して、このプランジャ46に噛合するカムプーリ4
3と吸気駆動軸23との相対的な位相が変化する。これ
により、クランクシャフト8及びカムプーリ43に対す
る吸気駆動軸23の回転位相が変化して、図7にも示す
ように吸気弁1の作動角の中心位相がクランク角度に対
して進角側又は遅角側へ連続的に変化する。
位相変更機構40の制御としては、実際のリフト作動角
あるいは位相を検出するセンサを設けて、これらリフト
作動角や中心位相をフィードバック制御するようにして
も良く、あるいは機関運転条件に応じて単にオープンル
ープ制御するようにしても良い。
リフト作動角変更機構20及び位相変更機構40を適用
し、吸気弁のバルブリフト特性を高度に制御しつつ、吸
入空気量や機関出力等への影響が小さい排気弁側にはこ
れらの変更機構を適用せず、固定カム15を用いたシン
プルな直動式の固定動弁機構を適用して、構成の簡素化
を図っている。
変更機構60について説明する。ピストンストローク変
更機構60は、各気筒のピストン6にピストンピン6a
を介して一端が連結されるアッパリンク62と、クラン
クシャフト8のクランクピン8aに回転可能に外嵌・支
持されるロアリンク63と、を有し、アッパリンク62
の他端とロアリンク63とが第1リンク連結ピン64に
より回転可能に連結されている。すなわち、ピストン6
のピストンピン6aとクランクシャフト8のクランクピ
ン8aとを複数のリンク62,63により連携した複リ
ンク式の構成となっている。なお、ロアリンク63は、
後からクランクピン8aに組付可能な半割構造をなして
いる。
は、このクランクシャフト8と平行に気筒列方向(図の
紙面直交方向)へ延びるピストン制御軸65がメインベ
アリングキャップ9及びサブベアリングキャップ67を
介してシリンダブロック4へ回転可能に支持されてい
る。ピストン制御軸65は、ウォーム68及びウォーム
ホイール69を介して電動モータ61に接続されてお
り、この電動モータ61により回動・保持される。ま
た、図示していないが、このピストン制御軸65には、
円筒状又は円柱状の制御偏心軸部としてのピンジャーナ
ルが各気筒毎に固定又は一体形成されている。ピンジャ
ーナルの軸心P1はピストン制御軸65の軸心P2に対
して所定量偏心しており、このピンジャーナルに、制御
リンク71の一端が回転可能に外嵌・支持されている。
この制御リンク71の他端は、第2リンクピン72を介
してロアリンク63に回転可能に連結されている。従っ
て、制御リンク71に連結する部分のロアリンク63の
運動軌跡が制御リンク71の揺動範囲に規制されてい
る。
御軸65の角度を変化させると、制御リンク71の揺動
支点となるピンジャーナルの軸心P1がピストン制御軸
65の軸心P2に対して回転変位し、制御リンク71の
揺動範囲、すなわちロアリンク63の運動拘束条件が変
化する。これにより、ピストン6のストローク特性、特
にピストン上死点位置が変化して、幾何学的な圧縮比、
すなわちピストン上死点位置での燃焼室容積に対するピ
ストン下死点位置での燃焼室容積の比によって定義され
る見かけの圧縮比εが連続的に変化する。なお、実際の
有効圧縮比ε′は、上記の圧縮比εだけでなく、吸気弁
1の開時期及び閉時期によっても変化する。
0は、機関圧縮比を連続的に変更可能で、かつ、ピスト
ンストローク特性自体を適正化できることに加え、制御
リンク71をロアリンク63に連結しているため、この
制御リンク71に連結するピストン制御軸65を、比較
的スペースに余裕のあるクランクシャフト8の斜め下
方、より具体的にはオイルパン10の内部近傍に配置す
ることができ、機関搭載性に優れており、ピストンスト
ローク変更機構60の適用に伴うシリンダブロック4の
大型化を十分に抑制できる。なお、好ましくは実際のピ
ストンストロークを検出するセンサを設けて、このピス
トンストローク特性をフィードバック制御する。
している。一般的には、トルク(負荷)の増加に応じて
ノッキングの可能性が増すので、圧縮比εを低くしてい
く。
時期(IVO)、及び閉時期(IVC)の好ましい一設
定例を示している。アイドル域及びR/L域等の部
分負荷域では、吸気弁の作動角を比較的小さくするとと
もに、IVCを下死点より相当早く閉じる設定とし、ポ
ンプ損失の低減を図る。また、この部分負荷域のように
トルクの低い領域では、図8に示すように、幾何学的な
圧縮比εを高めて燃焼性能の向上を図る。加速域で
は、負荷の増加に伴ってIVCを下死点へ近づける方向
へ遅角制御し、吸気充填効率の向上を図りつつ、ノッキ
ングの発生を確実に防止するために、負荷の増加に応じ
て圧縮比εを低下させる。全開域,では、吸入空気
量を最大限に確保するようにリフト作動角を拡大して有
効圧縮比ε′を高める一方、幾何学的な圧縮比εを相対
的に低く抑制する。また、全開高速域では、ノッキン
グの発生要因となる過酸化物等の化学反応が進行する前
に燃焼が終わるため、全開低速域に比して圧縮比εを
高くする。これにより、膨張比も高くなるため、排気温
度が低下し、排気系に配置された触媒の劣化を緩和でき
るメリットもある。このように、予め用意された図7及
び図8に示すような制御マップに基づいて、吸気弁のリ
フト作動角、中心位相φ、及び圧縮比εが制御される。
ャフト8の軸方向視における本実施形態の特徴的なレイ
アウト構成について説明する。先ず、クランクシャフト
8の軸心8Aを、シリンダ5のシリンダ軸線(ピストン
ピン6aの往復軸線)L0に対し、シリンダ軸線L0か
ら吸気弁側(図の右側)へ向かう吸気方向F1へ、所定
のオフセット量ΔD0だけオフセットさせている。ま
た、揺動カム24の揺動中心となる吸気駆動軸23の軸
心23Aを、吸気弁1のバルブステム1aに沿うバルブ
中心線1dに対し、やはり吸気方向F1へオフセットさ
せている。一方、排気弁側では、固定カム15の回転中
心である排気駆動軸14の軸心14Aを、排気弁2のバ
ルブステム2aに沿うバルブ中心線2dの延長線上に配
置している。従って、シリンダ軸線L0に対する吸気駆
動軸23の軸心23Aのオフセット量ΔD2が、シリン
ダ軸線L0に対する排気駆動軸14の軸心14Aのオフ
セット量ΔD1よりも大きくなっている。
リンダ軸線L0に平行なクランク基準線L1に対し、吸
・排気駆動軸23,14の軸心23A,14Aが所定位
置(例えば対称位置)に配置されるように、図11に示
すように、シリンダ軸線L0に直交する方向(図の左右
方向)において、吸気弁1のバルブ中心線1dから吸気
駆動軸23の軸心23Aまでのオフセット量ΔD5が、
上述したクランク軸心8Aのオフセット量ΔD1の約2
倍となるように設定されている。
3Aをバルブ中心線1dに対してオフセットしているに
もかかわらず、吸・排気弁の双方に固定カムを用いた直
動式の固定動弁機構を適用した従来の一般的な内燃機関
と同様、クランク軸心8Aを通るクランク基準線L1に
対して吸・排気弁の駆動軸23,14の軸心23A,1
4Aを所定位置(例えば略対称位置)に配置することが
できる。従って、固定動弁機構を用いた従来の内燃機関
に対し、カムプーリ又はカムスプロケット等が配置され
る機関前側の動力伝達系のレイアウトや設計値等を変更
する必要がなく、その適用が容易である。つまり、シリ
ンダヘッド3やシリンダブロック4の内部形状の変更や
吸・排気弁のバルブシートの変更等の比較的容易な変更
により、従来の直動式固定動弁機構を備えた内燃機関に
適用可能であるため、実現性が高い。
シャフトの軸心8Aを吸気方向F1へオフセットしてお
り、逆に言えば、クランクシャフトに対してシリンダ軸
線が排気方向F2へオフセットしている。このため、シ
リンダヘッド3やシリンダブロック4等の機関骨格部材
がクランクシャフト8に対して排気方向F2へオフセッ
トすることとなる。従って、比較的温度が低くエアクリ
ーナやエアコンプレッサ等の樹脂部品が配設される吸気
弁側の機関外部空間が相対的に広がる形となり、その搭
載性が向上する。
23Aのオフセット方向及びその作用・効果について、
第1比較例(a)を参照しつつ説明する。第1比較例
(a)のように、バルブ中心線1dの延長線上に駆動軸
の軸心23Aを配置した場合、揺動カム24とバルブリ
フタ1cとの接触範囲が、バルブ中心線1dよりも一方
の側ΔSに限定される。このように接触範囲がΔS以下
に限定されることにより、リフト作動角の可変幅が縮小
されるとともに、バルブリフタ1cに作用するサイドス
ラストが大きくなる傾向にある。
弁の上りリフト区間のとき、つまり揺動カム24が最大
リフトへ向けて回転しているときに、揺動カム24のカ
ムノーズ24aが、吸気駆動軸23の軸心23Aのオフ
セット方向である吸気方向F1へ向けて回転するように
設定されている。つまり上りリフト区間におけるカムノ
ーズ24aの回転方向γが吸気方向F1と実質的に同方
向に設定されている。このため、揺動カム24がバルブ
中心線1dをまたぐ広い範囲でバルブリフタ1cと接触
することができる。この結果、第1比較例(a)に比し
て、接触範囲を大きくしてリフト作動角の可変幅を拡大
できるとともに、揺動カム24からバルブリフタ1cへ
作用するサイドスラストを低減することができる。この
点からも、揺動カム24を用いた構造では、揺動カム2
4の揺動中心となる駆動軸の軸心23Aをバルブ中心線
1dに対してオフセットさせた方が良い。
軸との軸間距離は、典型的には互いに並設される一対の
吸・排気駆動軸のカムプーリ(又はカムスプロケット)
の寸法等により、例えば所定の最小軸間距離S1以上に
制約される。言い換えると、軸間距離をS1よりも短く
する場合、カムプーリ又はカムスプロケット等を含むク
ランクシャフトから吸・排気駆動軸への動力伝達系の全
面的な変更を余儀なくされる。ここで、吸・排気弁側の
双方に固定カムを備えた直動式の固定動弁機構を適用し
た第2比較例では、一般的には駆動軸の軸心23A’,
14A’が、バルブ中心線1d’,2d’上に配置され
る。これに対し、本実施形態では、吸気駆動軸23の軸
心23Aをバルブ中心線1dに対して吸気方向F1へオ
フセットさせているため、同じ軸間距離S1を確保しつ
つ、バルブ中心線1d,2dのなすバルブ狭角αが、第
2比較例のバルブ狭角α’よりも小さくなる。すなわ
ち、軸間距離の短縮化を招くことなくバルブ狭角を小さ
くできる。
て吸気駆動軸23のみをオフセットさせると、シリンダ
軸線L0に対する吸気弁のバルブ中心線1dの傾きのみ
が大きくなってしまう。そこで本実施形態では、双方の
バルブ中心線1d,2dの傾きが同じように変化するよ
うに、第2比較例に対して吸・排気弁の駆動軸の軸心2
3A,14Aを同じ方向(図の右方向)へ同じ寸法ΔD
6だけオフセットさせている。
いて、図12を参照して説明する。本実施形態のように
バルブ狭角を小さくすると、燃焼室7の容積に対する表
面積の比であるS/V比も小さくなる。このようにS/
V比が小さくなると、燃焼室の形状が良くなり、高い圧
縮比での燃焼性能が向上するとともに、吸・排気弁が小
径化して軽量化される。その反面、吸・排気弁の弁径が
小さくなるため、一般的には吸入空気量の確保が難しく
なるが、本実施形態では、リフト作動角変更機構20に
より吸気弁のリフト作動角を機関運転状態に応じて調整
できるので、必要に応じて十分な吸入空気量を確保でき
る。
縮比εを変更するピストンストローク変更機構(高膨張
比化システム)60を用いる場合、圧縮比が標準値ε1
に固定されている従来の一般的な内燃機関に比して、全
体的に高い圧縮比を使用することができる。また、過給
システムと組み合わせて用いる場合、比出力の向上を図
るために、過給時には圧縮比εを上記の標準値ε1より
も低くすることが好ましい。
ルブ狭角α’が比較的大きい機関で圧縮比εを大きくす
ると、ピストン上死点位置での燃焼室のS/V比が急激
に増大し、燃焼時の冷却損失が大きくなったり火炎伝播
が遅くなって、圧縮比の調整による燃費性能等の向上効
果が相殺されてしまう。これに対し、本実施形態のよう
にバルブ狭角αを十分に小さくしていると、圧縮比の増
加(ピストン上死点位置の上昇)に伴うS/V比の増加
が抑制され、燃費性能等の向上効果を有効に得ることが
できる。
ャフト8の軸心8Aをシリンダ軸線L0に対してオフセ
ットさせることによる、ピストンストローク変更機構6
0の圧縮比の可変幅の拡大効果について説明する。図1
4に示すピストン上死点時において、クランクピン中心
P3とロアリンク−アッパリンクの連結中心P4とを結
ぶ線と、シリンダ軸線L0に平行なクランク基準線L1
と、のなす角度をβとすると、図15に示すように、ク
ランクオフセット量ΔD0が大きくなるほど、角度βが
大きくなる。また、この角度βが小さくなるほど、ロア
リンクの回転変位に対するアッパリンク62のシリンダ
軸線L0に沿う方向の上下変位は小さくなり、角度βが
大きくなるほど、ロアリンク63の回転変位に対するア
ッパリンク62の上下変位は大きくなる。このアッパリ
ンク62の上下変位量は、ピストン上死点位置の変位
量、ひいては圧縮比の変化量に対応している。従って、
クランクオフセット量ΔD0を大きくするほど、角度β
が大きくなって、ピストンストローク変更機構60で変
更される圧縮比の変化量(感度)が高くなる。この結
果、コンパクトな構成で圧縮比の可変幅を十分に得るこ
とができる。典型的には、上記のクランクオフセット量
を、好ましくは5mm以上、より好ましくは10〜15
mmに設定する。
されるものではない。例えば、リフト作動角変更機構2
0や位相変更機構40を電動式としたり、ピストンスト
ローク変更機構60を油圧駆動式としても良い。
軸方向視における特徴的なレイアウトを示す断面対応
図。
図。
動角の特性変化を示す特性図。
を示す特性図。
示す説明図。
果を説明するための説明図。
明するための断面対応図。
す特性図。
比の変化を示す特性図。
果を説明するための断面対応図。
の変化を示す特性図。
Claims (8)
- 【請求項1】 クランクシャフトから伝達される回転動
力により軸回りに回転する吸気駆動軸と、この吸気駆動
軸に回転可能に支持され、この吸気駆動軸の回転に連動
して所定の回転範囲内を揺動し、吸気弁のバルブリフタ
を直接的に押圧する揺動カムと、を有し、 クランクシャフトの軸方向視で、吸気駆動軸の軸心を、
吸気弁のバルブ中心線に対し、シリンダ軸線から吸気弁
側へ向かう吸気方向へオフセットするとともに、クラン
クシャフトの軸心を、シリンダ軸線に対し、上記吸気方
向へオフセットすることを特徴とする内燃機関。 - 【請求項2】 上記吸気駆動軸と平行に配設され、クラ
ンクシャフトから伝達される回転動力により軸回りに回
転する排気駆動軸と、 この排気駆動軸に固定され、排気弁のバルブリフタを直
接的に押圧する固定カムと、を有することを特徴とする
請求項1に記載の内燃機関。 - 【請求項3】 上記吸気駆動軸と揺動カムとを機械的に
連携し、吸気駆動軸の回転動力を揺動カムへ伝達すると
ともに、揺動カムの初期位相を変化させて、吸気弁の作
動角及びバルブリフト量の少なくとも一方を連続的に変
更するリフト作動角変更機構を有することを特徴とする
請求項1又は2に記載の内燃機関。 - 【請求項4】 上記リフト作動角変更機構は、吸気駆動
軸に偏心して設けられた駆動偏心カムと、吸気弁の作動
角及びバルブリフト量の少なくとも一方の変更時に回動
制御される制御軸と、この制御軸に偏心して設けられた
制御偏心カムと、この制御偏心カムに回転可能に支持さ
れるロッカーアームと、このロッカーアームの一端と駆
動偏心カムとを連携する第1のリンクと、ロッカーアー
ムの他端と揺動カムの先端とを連携する第2のリンク
と、を有することを特徴とする請求項3に記載の内燃機
関。 - 【請求項5】 吸気弁の上りリフト区間のときに、上記
揺動カムのカムノーズが吸気方向へ向かって回転するよ
うに設定されていることを特徴とする請求項1〜4のい
ずれかに記載の内燃機関。 - 【請求項6】 上記シリンダ軸線の直交方向において、
吸気弁のバルブ中心線から吸気駆動軸の軸心までのオフ
セット量が、シリンダ軸線からクランクシャフトの軸心
までのオフセット量の略2倍に設定されていることを特
徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の内燃機関。 - 【請求項7】 クランクシャフトのクランクピンとピス
トンのピストンピンとを複数のリンクで連携し、ピスト
ンストローク特性を変更する複リンク式のピストンスト
ローク変更機構を有することを特徴とする請求項1〜6
のいずれかに記載の内燃機関。 - 【請求項8】 上記ピストンストローク変更機構は、ク
ランクピンに回転可能に支持されるロアリンクと、この
ロアリンクとピストンピンとを連携するアッパーリンク
と、ピストンストローク特性の変更時に回動制御される
ピストン制御軸と、このピストン制御軸に偏心して設け
られた制御偏心軸部と、この制御偏心軸部とロアリンク
とを連携する制御リンクと、を有することを特徴とする
請求項7に記載の内燃機関。
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