JP4604358B2 - 内燃機関及びその制御システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関及びその制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピストンが下死点にあるときの燃焼室側の容積であるシリンダ容積と、ピストンが上死点にあるときの燃焼室側の容積である隙間容積と、の比は圧縮比εと呼ばれている。一方、作動ガス容積の最大値である有効シリンダ容積と作動ガス容積の最小値である有効隙間容積と、の比は有効圧縮比ε′と呼ばれ、両者は熱力学的取り扱い上では区別されている。
【０００３】
ピストン上死点位置を変化させることにより、圧縮比εを可変制御する複リンク式ピストンストローク可変機構が、本出願人により、本願に先行して出願されている。
【０００４】
このようなピストンストローク可変機構が採用されたいわゆる可変圧縮比エンジンにおいては、圧縮比εは、基本的に従来の固定圧縮比エンジンより概略高い側で使うことになる。
【０００５】
また、可変圧縮比エンジンの場合、過給機と組み合わせて比出力の向上を図る考え方があるが、この場合は図１４に示すように、過給時では圧縮比εを固定圧縮比エンジンの固定圧縮比よりも相対的に減少させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ピストンストロークによって決定される圧縮比ε大きくした場合、図１４に示すように、上死点位置での燃焼室のＳ／Ｖ比（燃焼室表面積／燃焼室体積）が増大するため、燃焼時の冷却損失が大きくなるという問題がある。
【０００７】
また、上死点位置での燃焼室のＳ／Ｖ比が大きく、かつ有効圧縮比ε′が高くない場合には、燃焼室での火炎伝播が遅くなり、圧縮比εを機関運転条件に応じて制御することで得られる燃費性能向上の効果が減殺される傾向が生じるという問題がある。
【０００８】
一方、上死点位置での燃焼室のＳ／Ｖ比は、図１５に示すように、吸排気弁のバルブ挟角を減少させると減少するが、バルブ挟角を小さくすると、これまでのエンジンでは、吸排気弁の弁径も小さくなり、高速での吸気量が減少して出力が低下する他に、吸排気弁を駆動するカムシャフト間の距離が小さくなるため、通常のようなスプロケットによるチェーンレイアウトが難しくなるなど、トレードオフの発生が避けられないという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、上死点位置での燃焼室のＳ／Ｖ比を増大させずに、かつ出力性能悪化等のトレードオフを招かないエンジン構成を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１に記載の発明は、駆動軸に回転可能かつ揺動可能に装着された揺動カムの揺動によって、吸気弁及び排気弁の双方をリフトする内燃機関において、前記揺動カムの揺動中心に対して、吸気弁及び排気弁の双方のバルブステムの中心線が、燃焼室中心を通る軸線側に位置することを特徴としている。これによって、駆動軸及び揺動カムのレイアウトを変更することなくバルブ挟角を小さくでき、相対的に上死点位置でのＳ／Ｖ比が小さくなる。
【００１１】
また、前記揺動カムは、前記吸気弁もしくは前記排気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に拡大，縮小制御可能なリフト・作動角可変機構の構成部材である。
【００１２】
前記リフト・作動角可変機構は、前記駆動軸により回転駆動される偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、前記駆動軸と平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた回動可能な制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ前記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、前記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、前記ロッカアームにリンクを介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより前記吸気弁もしくは前記排気弁のバルブリフタを押圧する前記揺動カムと、を備えており、前記制御軸の偏心カム部の回動位置を変化させることにより前記吸気弁もしくは前記排気弁のリフト・作動角が同時に増減変化するように構成されている。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、ピストン上死点位置を変化させるピストンストローク可変機構と、内燃機関の回転数及び負荷を検出する手段とを有し、内燃機関の回転数及び負荷に応じて、前記ピストンストローク可変機構と前記リフト・作動角可変機構とを制御することを特徴としている。ピストン上死点位置を変化させることで、圧縮比εを可変制御可能となる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、内燃機関の負荷が小さい状態においては、内燃機関の圧縮比εが高くなるよう前記ピストンストローク可変機構を制御すると共に、前記吸気弁の閉時期を下死点から遠ざけることによって、内燃機関の有効圧縮比ε′を低下させていることを特徴としている。圧縮比εを高くすることで良好な燃焼を維持しつつ、有効圧縮比ε′を下げることでポンプ損失の低減が可能になると共に、圧縮比εの増加によるＳ／Ｖ比の増加が抑制される。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の発明において、前記ピストンストローク可変機構は、ピストンのピストンピンに一端が連結されるアッパーリンクと、このアッパーリンクとクランクシャフトのクランクピンとに連結されるロアーリンクと、クランクシャフトに対して略平行に延びるコントロールシャフトと、一端が前記コントロールシャフトに揺動可能に連結されると共に、他端が前記ロアーリンクに連結され、前記コントロールシャフトに対する揺動中心が、前記コントロールシャフトの回転中心に対して偏心した制御リンクと、を有し、前記コントロールシャフトを回動させることによって、ピストン上死点位置を変化させることを特徴としている。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれかに記載の発明において、前記ピストンストローク可変機構により、前記ピストンのクランク回転に関するストローク特性を、略単振動としたことを特徴としている。ピストンストローク可変機構は、アッパーリンク、ロアーリンク及び制御リンクを有する複リンク式の機構であるためピストンのクランク回転に関するストローク特性を、略単振動にすることが可能となる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項２〜５のいずれかに記載の発明において、内燃機関の回転数が高い状態においては、前記吸気弁及び前記排気弁あるいはその一方のリフト・作動角を拡大制御することを特徴としている。バルブ挟角が小さくなると、吸排気弁の弁径は相対的に減少するが、内燃機関の負荷が大きいときには、弁径の減少量に応じてリフト・作動角を拡大することで、出力の低下を補うことができる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項２〜６のいずれかに記載の発明において、前記内燃機関の負荷の検出手段として、吸入負圧、吸入空気量、スロットル開度もしくは燃料噴射量のいずれかを用いていることを特徴としている。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、前記バルブリフタの中心に対して、前記揺動カムの揺動中心を燃焼室中心を通る前記軸線に関して外側に配置し、かつ前記吸気弁及び排気弁、あるいはその一方が最大リフトされたときに、前記バルブリフタに対する前記揺動カムの接触位置が、燃焼室中心を通る前記軸線から最も遠ざかるように前記バルブリフタを駆動させることを特徴としている。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の発明において、前記吸気弁のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構を有していることを特徴としている。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、駆動軸及び揺動カムのレイアウトを変更することなく吸排気弁のバルブ挟角を小さくすることができる。また、吸排気弁のバルブ挟角を小さくすることで、圧縮比εを高くすることによって増加する上死点位置でのＳ／Ｖ比を相対的に小さくでき、冷却損失が低減することができる。
【００２２】
そして、請求項２のように、ピストンストローク可変機構により圧縮比εを運転条件に応じて可変制御する場合においても、圧縮比εを高くすることによって増加する上死点位置でのＳ／Ｖ比を相対的に小さくすることができ、出力性能を悪化させることなく冷却損失を低減することができる。
【００２３】
請求項３では、圧縮比εを高くすることで良好な燃焼を維持しつつ、有効圧縮比ε′を下げることでポンプ損失の低減が可能になると共に、圧縮比εの増加による上死点位置でのＳ／Ｖ比の増加が抑制される。すなわち、出力性能を悪化させることなく冷却損失を低減することができる。
【００２４】
請求項５のようにすれば、２次振動を低減することができる。
【００２５】
また、請求項６では、内燃機関の負荷が大きい条件では、バルブ挟角を小さくすることで減少した吸気弁の弁径に応じてリフト・作動角を拡大することで、出力の低下を補うことができる。
【００２６】
そして、請求項８のようにすれば、吸排気弁のバルブ挟角の設定範囲を大きくすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２８】
図１は、内燃機関の吸気弁側可変動弁機構の構成を示す構成説明図であり、この可変動弁機構は、吸気弁４のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構１と、そのリフトの中心角の位相（図示せぬクランクシャフトに対する位相）を進角もしくは遅角させる位相可変機構２と、が組み合わされて構成されている。
【００２９】
図２は、リフト・作動角可変機構１のみを示しており、図１および図２に基づいて、このリフト・作動角可変機構１を説明する。
【００３０】
リフト・作動角可変機構１は、シリンダヘッド３に図示せぬバルブガイドを介して摺動自在に設けられた吸気弁と、シリンダヘッド３上部のカムブラケット５に回転自在に支持された中空状の駆動軸６と、この駆動軸６に、圧入等により固定された偏心カム７と、駆動軸６の上方位置に同じカムブラケット５に回転自在に支持されるとともに駆動軸６と平行に配置された制御軸８と、この制御軸８の偏心カム部９に揺動自在に支持されたロッカアーム１０と、各吸気弁の上端部、すなわちバルブステム４の上端部に配置されたバルブリフタ１１に当接する揺動カム１２と、を備えている。偏心カム７とロッカアーム１０とはリンクアーム１３によって連係されており、ロッカアーム１０と揺動カム１２とは、リンク部材１４によって連係されている。
【００３１】
駆動軸６は、後述するように、タイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動されるものである。
【００３２】
偏心カム７は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸６の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リンクアーム１３の環状部１３ａが回転可能に嵌合している。
【００３３】
ロッカアーム１０は、略中央部が偏心カム部９によって支持されており、その一端部に、リンクアーム１３の延長部１３ｂが連係しているとともに、他端部に、リンク部材１４の上端部が連係している。偏心カム部９は、制御軸８の軸心から偏心しており、従って、制御軸８の角度位置に応じてロッカアーム１０の揺動中心は変化する。
【００３４】
揺動カム１２は、駆動軸６の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びたカムノーズ部１２ａに、リンク部材１４の下端部が連係している。この揺動カム１２の下面には、駆動軸６と同心状の円弧をなす基円面１５ａと、該基円面１５ａから端部１２ａへと所定の曲線を描いて延びるカム面１５ｂと、が形成されており、これらの基円面１５ａならびにカム面１５ｂが、揺動カム１２の揺動位置に応じてバルブリフタ１１の上面に当接するようになっている。
【００３５】
すなわち、基円面１５ａはベースサークル区間として、リフト量が０となる区間であり、揺動カム１２が揺動してカム面１５ｂがバルブリフタ１１に接触すると、徐々にリフトしていくことになる。なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。
【００３６】
そして、揺動カム１２の揺動中心Ｑ、すなわち駆動軸６の軸心Ｑに対して、吸気弁のバルブステム４中心軸の延長線Ｌが、図２における右側、すなわち燃焼室中心を通る軸線Ｒ（詳細は後述、図２中には図示せず）側に位置するよう構成されている。
【００３７】
制御軸８は、図１に示すように、一端部に設けられたリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ１６によって所定回転角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ１６への油圧供給は、エンジンコントロールユニット１７からの制御信号に基づき、第１油圧制御部１８によって制御されている。尚、アクチュエータ１６は、このアクチュエータ１６の駆動油圧がＯＦＦの条件において、吸気弁を小リフト・小作動角側に付勢するよう構成されている。
【００３８】
このリフト・作動角可変機構１の作用を説明すると、駆動軸６が回転すると、偏心カム７のカム作用によってリンクアーム１３が上下動し、これに伴ってロッカアーム１０が揺動する。このロッカアーム１０の揺動は、リンク部材１４を介して揺動カム１２へ伝達され、該揺動カム１２が揺動する。この揺動カム１２のカム作用によって、バルブリフタ１１が押圧され、吸気弁がリフトする。
【００３９】
ここで、リフト・作動角制御用油圧アクチュエータ１６を介して制御軸８の角度が変化すると、ロッカアーム１０の初期位置が変化し、ひいては揺動カム１２の初期揺動位置が変化する。
【００４０】
例えば偏心カム部９が図の上方へ位置しているとすると、ロッカアーム１０は全体として上方へ位置し、揺動カム１２のカムノーズ部１２ａが相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム１２の初期位置は、そのカム面１５ｂがバルブリフタ１１から離れる方向に傾く。従って、駆動軸６の回転に伴って揺動カム１２が揺動した際に、基円面１５ａが長くバルブリフタ１１に接触し続け、カム面１５ｂがバルブリフタ１１に接触する期間は短い。従って、リフト量が全体として小さくなり、かつその開時期から閉時期までの角度範囲つまり作動角も縮小する。
【００４１】
逆に、偏心カム部９が図の下方へ位置しているとすると、ロッカアーム１０は全体として下方へ位置し、揺動カム１２の端部１２ａが相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム１２の初期位置は、そのカム面１５ｂがバルブリフタ１１に近付く方向に傾く。従って、駆動軸６の回転に伴って揺動カム１２が揺動した際に、バルブリフタ１１と接触する部位が基円面１５ａからカム面１５ｂへと直ちに移行する。従って、リフト量が全体として大きくなり、かつその作動角も拡大する。
【００４２】
偏心カム部９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、図３に示すように、連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時に、連続的に拡大，縮小させることができる。特に、このものでは、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。
【００４３】
次に、位相可変機構２は、図１に示すように、駆動軸６の前端部に設けられたスプロケット１９と、このスプロケット１９と駆動軸６とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用油圧アクチュエータ２０と、から構成されている。スプロケット１９は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。位相制御用油圧アクチュエータ２０への油圧供給は、エンジンコントロールユニット１７からの制御信号に基づき、第２油圧制御部２１によって制御されている。この位相制御用油圧アクチュエータ２０への油圧制御によって、スプロケット１９と駆動軸６とが相対的に回転し、図４に示すように、リフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。位相可変機構２としては、油圧式のものに限られず、電磁式アクチュエータを利用したものなど、種々の構成が可能である。
【００４４】
尚、リフト・作動角可変機構１ならびに位相可変機構２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、クローズドループ制御するようにしても良く、あるいは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。
【００４５】
図５は、本願と同一出願人によって提案された複リンク式ピストンストローク可変機構２４を示している。
【００４６】
このピストンストローク可変機構２４は、各気筒のピストン２５にピストンピン２６を介して一端が連結されたアッパーリンク２７と、このアッパーリンク２７の他端にアッパーリンクピン２８を介して揺動可能に連結されると共に、クランクシャフト２９のクランクピン３０に連結されるロアーリンク３１と、クランクシャフト２９と略平行に延びるコントロールシャフト３２と、一端がコントロールシャフト３２に揺動可能に連結されると共に、他端が制御リンクピン３３を介してロアーリンク３１に揺動可能に連結される制御リンク３４と、を有している。
【００４７】
コントロールシャフト３２には、制御リンク３４の一端に設けられたベアリング（図示せず）に回転可能に支持されるピンジャーナル（図示せず）が、クランクシャフト２９の軸方向に間欠的に形成されている。
【００４８】
このピンジャーナルの回転中心Ｐ１は、コントロールシャフト３２の回転中心Ｐ２に対して所定量偏心しており、この回転中心Ｐ１を揺動支点として、制御リンク３４がコントロールシャフト３２に対して揺動する。
【００４９】
従って、コントロールシャフト３２が回動すると、制御リンク３４の揺動支点Ｐ１の位置が変化し、これに伴って、ピストン上死点位置が変化する。すなわち、ピストン上死点位置での燃焼室側の容積とピストン下死点位置での燃焼室側の容積の比によって定義される内燃機関の圧縮比εを増減させることができる。
【００５０】
尚、コントロールシャフト３２は、ウォーム３５及びウォームホイール３６を介して接続されたアクチュエータ３７を駆動源として回転駆動され、このアクチュエータ３７は、エンジンコントロールユニット１７により機関運転状態に応じて駆動制御される。
【００５１】
また、ピストンストローク可変機構の制御としては、実際のピストンストロークを検出するセンサを設けて、クローズドループ制御するようにしても良く、あるいは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。
【００５２】
図６は、本願発明の燃焼制御システムの全体構成を示す説明図であって、上述した図１に示す内燃機関の吸気弁側可変動弁機構と上述した図５の示すピストンストローク可変機構とを組み合わせたものである。
【００５３】
ここで、３８はノッキングの強度を検出するノック検出手段としてのノックセンサであり、このノックセンサ３８の検出値はコントロールユニット１７に入力される。また、ピストンストローク可変機構のコントロールシャフト３２の駆動源であるアクチュエータ３７は、コントロールユニット１７からの指令に基づいて駆動制御される。
【００５４】
また、本実施例においては、クランク角センサによって内燃機関の回転数を、スロットル弁の開度によって内燃機関の負荷を、それぞれ検出し、これらの各検出値は、エンジンコントロールユニット１７へ入力される。そして、３９は、エンジンコントロールユニット１７からの指令に基づいて、点火時期を調整する点火時期調整手段である点火進角装置である。
【００５５】
尚、内燃機関の負荷の検出手段としては、スロットル弁の開度ではなく、吸入負圧、吸入空気量もしくは燃料噴射量のいずれかを用いることも可能である。
【００５６】
図７は、リフト・作動角可変機構１、位相可変機構２及びピストンストローク可変機構とが組み合わされた内燃機関において、ピストンストロークによる燃焼室の容積変化のみで決まる圧縮比εの制御特性を示している。
【００５７】
一方、有効圧縮比ε′は、機関運転状態に応じて最適制御される図８に示すような吸気弁閉時期（ＩＶＣ）によって決まることになる。
【００５８】
アイドル及び部分負荷（Ｒ／Ｌ等）の運転条件▲１▼、▲２▼（図８を参照）では、吸気弁のリフト・作動角は比較的小さく、ＩＶＣも下死点より相当早く閉じる特性となる。これにより、大幅なポンプ損失の低減が図れるが、圧縮比εが従来機関並だと有効圧縮比ε′が低下して燃焼が悪化するため、図７に示すように、このような低負荷領域では圧縮比εを高めている。
【００５９】
加速領域での運転条件▲３▼（図８を参照）では、吸気充填効率を高める必要から、ＩＶＣが下死点に近づく方向に制御するため、有効圧縮比ε′を低下させることが、ノッキングの発生を事前に防止する上からも必要となる。
【００６０】
全開出力での運転条件では、最大限に吸気量を確保するため、有効圧縮比ε′も高くなる。そのためピストンストロークによって決定される圧縮比εを低下させ、全開の低速条件▲４▼（図８を参照）では、従来機関並に近づけることが必要となる。全開の高速条件▲５▼（図８を参照）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、ピストンストロークによって決定される圧縮比εは低速条件のときよりも高くすることができる。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。
【００６１】
尚、このように運転状態に応じて決定される吸気弁のリフト・作動角、中心角Φ及びピストンストロークによって決定される圧縮比εは、予め用意された制御マップに基づいて制御され、通常のスロットル開度、もしくはアクセル開度による点火進角制御も合わせて行われる。
【００６２】
図９に示すリフト・作動角可変機構は、上述した本願発明のリフト・作動角可変機構１とは異なり、揺動カム１２′の揺動中心Ｑ′（駆動軸の軸心）が、バルブステム４′中心線の延長線Ｌ′上に位置している。これは、従来のカム機構と同じ配置になっている。
【００６３】
従来のカム機構の場合、バルブリフタの当接するカムはフル回転するため、バルブリフタの中心線上にカム軸の中心があるのが最も合理的であるが、バルブリフタに当接するカムが揺動カム方式の場合、カムはフル回転しないため、バルブリフタと組み合わせて使用する場合ある程度自由度が得られる。
【００６４】
図１０は、本願発明の要部を示す断面図であって、バルブステム４中心線の傾きを立て、バルブ挟角を小さくした場合のレイアウトである。
【００６５】
バルブリフタ１１は、その中心が燃焼室中心を通る軸線Ｒ側、すなわち図１０における左側に配置されているが、揺動カム１１の配置はそのままである。
【００６６】
詳述すれば、燃焼室を基準として、揺動カム１２の揺動中心Ｑがバルブリフタ１１の中心よりも外側（図１０における右側）に配置されており、吸気弁が最大リフトした時に、バルブリフタ１１に対する揺動カム１２の接触位置が上記軸線Ｒから最も遠ざかるように、バルブリフタ１１は駆動される。換言すれば、揺動カム１２は、カムノーズ部１２ａが上記軸線Ｒ側（図１０における左側）を向いた姿勢で、バルブリフタ１１を駆動する構成となっている。
【００６７】
揺動カム１２のカムノーズ部１２ａが上記軸線Ｒ側に向いていれば、このようなバルブリフタ１１との位置関係の変更に問題はなく、むしろ揺動カム１２とバルブリフタ１１との接点が、バルブリフタ１１中心付近になるため、バルブリフタ１１に作用するモーメントが軽減するという効果がある。
【００６８】
すなわち、比較的広い範囲で、吸排気弁のバルブ挟角を変えられるメリットが揺動カム１２とバルブリフタ１１との組み合わせにおいて得ることができる。
【００６９】
従来のエンジンのカム駆動の場合、このようにバルブ挟角を変えるには、大きな設計変更となる。例えば、カムシャフトの位置が変わるので、エンジンフロント側の駆動レイアウトは全面変更となる。また、スプロケット間の距離が近い場合は、他の駆動方式に移行しなければならない。カムシャフトの配置変更に伴うシリンダヘッド上面のレイアウトも全面変更となり、全く新規のシリンダヘッドとなる。
【００７０】
これに対し、図９から図１０への変更の場合、シリンダヘッド内部のポート形状及びウォータジャケット形状などの鋳型変更と、バルブリフタ及びバルブステムの加工変更、バルブ及びバルブシートなどの部品変更だけで済むため、多くのバリエーションの設定も可能である。
【００７１】
図１１は、吸排気弁に適用した実施例である。揺動カム１２のカムノーズ部１２ａを対向させるように配置することで、吸排気弁の挟角θの許容範囲を大きくとることができ、吸排気弁のバルブ挟角を小さくすることが可能となる。
【００７２】
図１２に、吸気弁のリフト・作動角を拡大した場合の比出力の向上効果を示す。吸気の平均流速が増大しないようにバルブ挟角を小さくすることにより吸気弁の弁径が減少した分、高速時、すなわち内燃機関の回転数が高い時の吸気弁のリフト・作動角を拡大することができれば、出力の低下を補うことができる。これは、吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大，縮小制御可能なリフト・作動角可変機構を備えたエンジンに適用した場合の大きな利点メリットである。
【００７３】
図１３は、上述したピストンストローク可変機構２４で得られるピストンストローク特性を示している。従来からある一般的な単リンク式のクランク機構に比べ、アッパーリンク、ロアーリンク及び制御リンクを備えた複リンク式のピストンストローク可変機構２４では単振動に近いピストンストローク特性を得ることが可能となる。
【００７４】
このように単振動に近いピストンストローク特性の場合、２次振動が低減できるため振動特性を大幅に改良することができる。
【００７５】
また、上死点付近でのピストン速度が遅くなるために冷却損失の点では不利ではあるが、燃焼室内の混合気は燃えやすく、そして、ピストンがすぐに下がり、すぐトルク変換される訳ではないので静粛性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】可変動弁機構を示す構成説明図。
【図２】リフト・作動角可変機構の要部断面図。
【図３】リフト・作動角可変機構によるリフト・作動角の特性変化を示す特性図。
【図４】位相可変機構によるバルブリフト特性の位相変化を示す特性図。
【図５】内燃機関の断面図にして、ピストンストローク可変機構を示す説明図。
【図６】内燃機関の燃焼制御システムの全体構成を示す説明図。
【図７】ピストンストローク可変機構によって決定される圧縮比εのエンジン運転条件に対応した制御特性を示す特性線図。
【図８】エンジンの運転条件の変化に伴う吸気弁の開閉時期の変化を示す説明図。
【図９】バルブリフタ中心の延長線上に駆動軸の軸線が配設された内燃機関の上部の断面図。
【図１０】本発明の要部を示す断面図にして、バルブリフタ中心の延長線上の外側に駆動軸の軸線が配設された内燃機関の上部の断面図。
【図１１】本発明に係る内燃機関のバルブ制御システムを吸気弁と排気弁に適用した場合を示す、内燃機関の上部の断面図。
【図１２】吸気弁のリフト・作動角と比出力との相関関係を示す特性線図。
【図１３】単リンク式クランク機構のピストンストローク特性と複リンク式ピストンストローク可変機構のピストンストローク特性とを比較した特性線図。
【図１４】高膨張比システムの圧縮比使用範囲と上死点位置でのＳ／Ｖ比の関係を示す特性線図。
【図１５】吸排気弁のバルブ挟角と上死点位置でのＳ／Ｖ比の関係を示す特性線図。
【符号の説明】
１…リフト・作動角可変機構
２…位相可変機構
２４…ピストンストローク可変機構
４…バルブステム
６…駆動軸
１１…バルブリフタ
１２…揺動カム
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関及びその制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ピストンが下死点にあるときの燃焼室側の容積であるシリンダ容積と、ピストンが上死点にあるときの燃焼室側の容積である隙間容積と、の比は圧縮比εと呼ばれている。一方、作動ガス容積の最大値である有効シリンダ容積と作動ガス容積の最小値である有効隙間容積と、の比は有効圧縮比ε′と呼ばれ、両者は熱力学的取り扱い上では区別されている。
【０００３】
ピストン上死点位置を変化させることにより、圧縮比εを可変制御する複リンク式ピストンストローク可変機構が、本出願人により、本願に先行して出願されている。
【０００４】
このようなピストンストローク可変機構が採用されたいわゆる可変圧縮比エンジンにおいては、圧縮比εは、基本的に従来の固定圧縮比エンジンより概略高い側で使うことになる。
【０００５】
また、可変圧縮比エンジンの場合、過給機と組み合わせて比出力の向上を図る考え方があるが、この場合は図１４に示すように、過給時では圧縮比εを固定圧縮比エンジンの固定圧縮比よりも相対的に減少させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ピストンストロークによって決定される圧縮比ε大きくした場合、図１４に示すように、上死点位置での燃焼室のＳ／Ｖ比（燃焼室表面積／燃焼室体積）が増大するため、燃焼時の冷却損失が大きくなるという問題がある。
【０００７】
また、上死点位置での燃焼室のＳ／Ｖ比が大きく、かつ有効圧縮比ε′が高くない場合には、燃焼室での火炎伝播が遅くなり、圧縮比εを機関運転条件に応じて制御することで得られる燃費性能向上の効果が減殺される傾向が生じるという問題がある。
【０００８】
一方、上死点位置での燃焼室のＳ／Ｖ比は、図１５に示すように、吸排気弁のバルブ挟角を減少させると減少するが、バルブ挟角を小さくすると、これまでのエンジンでは、吸排気弁の弁径も小さくなり、高速での吸気量が減少して出力が低下する他に、吸排気弁を駆動するカムシャフト間の距離が小さくなるため、通常のようなスプロケットによるチェーンレイアウトが難しくなるなど、トレードオフの発生が避けられないという問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、上死点位置での燃焼室のＳ／Ｖ比を増大させずに、かつ出力性能悪化等のトレードオフを招かないエンジン構成を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
そこで、請求項１に記載の発明は、駆動軸に回転可能かつ揺動可能に装着された揺動カムの揺動によって、吸気弁及び排気弁の双方をリフトする内燃機関において、前記揺動カムの揺動中心に対して、吸気弁及び排気弁の双方のバルブステムの中心線が、燃焼室中心を通る軸線側に位置することを特徴としている。これによって、駆動軸及び揺動カムのレイアウトを変更することなくバルブ挟角を小さくでき、相対的に上死点位置でのＳ／Ｖ比が小さくなる。
【００１１】
また、前記揺動カムは、前記吸気弁もしくは前記排気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に拡大，縮小制御可能なリフト・作動角可変機構の構成部材である。
【００１２】
前記リフト・作動角可変機構は、前記駆動軸により回転駆動される偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、前記駆動軸と平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた回動可能な制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ前記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、前記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、前記ロッカアームにリンクを介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより前記吸気弁もしくは前記排気弁のバルブリフタを押圧する前記揺動カムと、を備えており、前記制御軸の偏心カム部の回動位置を変化させることにより前記吸気弁もしくは前記排気弁のリフト・作動角が同時に増減変化するように構成されている。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、ピストン上死点位置を変化させるピストンストローク可変機構と、内燃機関の回転数及び負荷を検出する手段とを有し、内燃機関の回転数及び負荷に応じて、前記ピストンストローク可変機構と前記リフト・作動角可変機構とを制御することを特徴としている。ピストン上死点位置を変化させることで、圧縮比εを可変制御可能となる。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、内燃機関の負荷が小さい状態においては、内燃機関の圧縮比εが高くなるよう前記ピストンストローク可変機構を制御すると共に、前記吸気弁の閉時期を下死点から遠ざけることによって、内燃機関の有効圧縮比ε′を低下させていることを特徴としている。圧縮比εを高くすることで良好な燃焼を維持しつつ、有効圧縮比ε′を下げることでポンプ損失の低減が可能になると共に、圧縮比εの増加によるＳ／Ｖ比の増加が抑制される。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の発明において、前記ピストンストローク可変機構は、ピストンのピストンピンに一端が連結されるアッパーリンクと、このアッパーリンクとクランクシャフトのクランクピンとに連結されるロアーリンクと、クランクシャフトに対して略平行に延びるコントロールシャフトと、一端が前記コントロールシャフトに揺動可能に連結されると共に、他端が前記ロアーリンクに連結され、前記コントロールシャフトに対する揺動中心が、前記コントロールシャフトの回転中心に対して偏心した制御リンクと、を有し、前記コントロールシャフトを回動させることによって、ピストン上死点位置を変化させることを特徴としている。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項２〜４のいずれかに記載の発明において、前記ピストンストローク可変機構により、前記ピストンのクランク回転に関するストローク特性を、略単振動としたことを特徴としている。ピストンストローク可変機構は、アッパーリンク、ロアーリンク及び制御リンクを有する複リンク式の機構であるためピストンのクランク回転に関するストローク特性を、略単振動にすることが可能となる。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項２〜５のいずれかに記載の発明において、内燃機関の回転数が高い状態においては、前記吸気弁及び前記排気弁あるいはその一方のリフト・作動角を拡大制御することを特徴としている。バルブ挟角が小さくなると、吸排気弁の弁径は相対的に減少するが、内燃機関の負荷が大きいときには、弁径の減少量に応じてリフト・作動角を拡大することで、出力の低下を補うことができる。
【００１８】
請求項７に記載の発明は、請求項２〜６のいずれかに記載の発明において、前記内燃機関の負荷の検出手段として、吸入負圧、吸入空気量、スロットル開度もしくは燃料噴射量のいずれかを用いていることを特徴としている。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の発明において、前記バルブリフタの中心に対して、前記揺動カムの揺動中心を燃焼室中心を通る前記軸線に関して外側に配置し、かつ前記吸気弁及び排気弁、あるいはその一方が最大リフトされたときに、前記バルブリフタに対する前記揺動カムの接触位置が、燃焼室中心を通る前記軸線から最も遠ざかるように前記バルブリフタを駆動させることを特徴としている。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の発明において、前記吸気弁のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構を有していることを特徴としている。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、駆動軸及び揺動カムのレイアウトを変更することなく吸排気弁のバルブ挟角を小さくすることができる。また、吸排気弁のバルブ挟角を小さくすることで、圧縮比εを高くすることによって増加する上死点位置でのＳ／Ｖ比を相対的に小さくでき、冷却損失が低減することができる。
【００２２】
そして、請求項２のように、ピストンストローク可変機構により圧縮比εを運転条件に応じて可変制御する場合においても、圧縮比εを高くすることによって増加する上死点位置でのＳ／Ｖ比を相対的に小さくすることができ、出力性能を悪化させることなく冷却損失を低減することができる。
【００２３】
請求項３では、圧縮比εを高くすることで良好な燃焼を維持しつつ、有効圧縮比ε′を下げることでポンプ損失の低減が可能になると共に、圧縮比εの増加による上死点位置でのＳ／Ｖ比の増加が抑制される。すなわち、出力性能を悪化させることなく冷却損失を低減することができる。
【００２４】
請求項５のようにすれば、２次振動を低減することができる。
【００２５】
また、請求項６では、内燃機関の負荷が大きい条件では、バルブ挟角を小さくすることで減少した吸気弁の弁径に応じてリフト・作動角を拡大することで、出力の低下を補うことができる。
【００２６】
そして、請求項８のようにすれば、吸排気弁のバルブ挟角の設定範囲を大きくすることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２８】
図１は、内燃機関の吸気弁側可変動弁機構の構成を示す構成説明図であり、この可変動弁機構は、吸気弁４のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構１と、そのリフトの中心角の位相（図示せぬクランクシャフトに対する位相）を進角もしくは遅角させる位相可変機構２と、が組み合わされて構成されている。
【００２９】
図２は、リフト・作動角可変機構１のみを示しており、図１および図２に基づいて、このリフト・作動角可変機構１を説明する。
【００３０】
リフト・作動角可変機構１は、シリンダヘッド３に図示せぬバルブガイドを介して摺動自在に設けられた吸気弁と、シリンダヘッド３上部のカムブラケット５に回転自在に支持された中空状の駆動軸６と、この駆動軸６に、圧入等により固定された偏心カム７と、駆動軸６の上方位置に同じカムブラケット５に回転自在に支持されるとともに駆動軸６と平行に配置された制御軸８と、この制御軸８の偏心カム部９に揺動自在に支持されたロッカアーム１０と、各吸気弁の上端部、すなわちバルブステム４の上端部に配置されたバルブリフタ１１に当接する揺動カム１２と、を備えている。偏心カム７とロッカアーム１０とはリンクアーム１３によって連係されており、ロッカアーム１０と揺動カム１２とは、リンク部材１４によって連係されている。
【００３１】
駆動軸６は、後述するように、タイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動されるものである。
【００３２】
偏心カム７は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸６の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リンクアーム１３の環状部１３ａが回転可能に嵌合している。
【００３３】
ロッカアーム１０は、略中央部が偏心カム部９によって支持されており、その一端部に、リンクアーム１３の延長部１３ｂが連係しているとともに、他端部に、リンク部材１４の上端部が連係している。偏心カム部９は、制御軸８の軸心から偏心しており、従って、制御軸８の角度位置に応じてロッカアーム１０の揺動中心は変化する。
【００３４】
揺動カム１２は、駆動軸６の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びたカムノーズ部１２ａに、リンク部材１４の下端部が連係している。この揺動カム１２の下面には、駆動軸６と同心状の円弧をなす基円面１５ａと、該基円面１５ａから端部１２ａへと所定の曲線を描いて延びるカム面１５ｂと、が形成されており、これらの基円面１５ａならびにカム面１５ｂが、揺動カム１２の揺動位置に応じてバルブリフタ１１の上面に当接するようになっている。
【００３５】
すなわち、基円面１５ａはベースサークル区間として、リフト量が０となる区間であり、揺動カム１２が揺動してカム面１５ｂがバルブリフタ１１に接触すると、徐々にリフトしていくことになる。なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。
【００３６】
そして、揺動カム１２の揺動中心Ｑ、すなわち駆動軸６の軸心Ｑに対して、吸気弁のバルブステム４中心軸の延長線Ｌが、図２における右側、すなわち燃焼室中心を通る軸線Ｒ（詳細は後述、図２中には図示せず）側に位置するよう構成されている。
【００３７】
制御軸８は、図１に示すように、一端部に設けられたリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ１６によって所定回転角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ１６への油圧供給は、エンジンコントロールユニット１７からの制御信号に基づき、第１油圧制御部１８によって制御されている。尚、アクチュエータ１６は、このアクチュエータ１６の駆動油圧がＯＦＦの条件において、吸気弁を小リフト・小作動角側に付勢するよう構成されている。
【００３８】
このリフト・作動角可変機構１の作用を説明すると、駆動軸６が回転すると、偏心カム７のカム作用によってリンクアーム１３が上下動し、これに伴ってロッカアーム１０が揺動する。このロッカアーム１０の揺動は、リンク部材１４を介して揺動カム１２へ伝達され、該揺動カム１２が揺動する。この揺動カム１２のカム作用によって、バルブリフタ１１が押圧され、吸気弁がリフトする。
【００３９】
ここで、リフト・作動角制御用油圧アクチュエータ１６を介して制御軸８の角度が変化すると、ロッカアーム１０の初期位置が変化し、ひいては揺動カム１２の初期揺動位置が変化する。
【００４０】
例えば偏心カム部９が図の上方へ位置しているとすると、ロッカアーム１０は全体として上方へ位置し、揺動カム１２のカムノーズ部１２ａが相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム１２の初期位置は、そのカム面１５ｂがバルブリフタ１１から離れる方向に傾く。従って、駆動軸６の回転に伴って揺動カム１２が揺動した際に、基円面１５ａが長くバルブリフタ１１に接触し続け、カム面１５ｂがバルブリフタ１１に接触する期間は短い。従って、リフト量が全体として小さくなり、かつその開時期から閉時期までの角度範囲つまり作動角も縮小する。
【００４１】
逆に、偏心カム部９が図の下方へ位置しているとすると、ロッカアーム１０は全体として下方へ位置し、揺動カム１２の端部１２ａが相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム１２の初期位置は、そのカム面１５ｂがバルブリフタ１１に近付く方向に傾く。従って、駆動軸６の回転に伴って揺動カム１２が揺動した際に、バルブリフタ１１と接触する部位が基円面１５ａからカム面１５ｂへと直ちに移行する。従って、リフト量が全体として大きくなり、かつその作動角も拡大する。
【００４２】
偏心カム部９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、図３に示すように、連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時に、連続的に拡大，縮小させることができる。特に、このものでは、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。
【００４３】
次に、位相可変機構２は、図１に示すように、駆動軸６の前端部に設けられたスプロケット１９と、このスプロケット１９と駆動軸６とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用油圧アクチュエータ２０と、から構成されている。スプロケット１９は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。位相制御用油圧アクチュエータ２０への油圧供給は、エンジンコントロールユニット１７からの制御信号に基づき、第２油圧制御部２１によって制御されている。この位相制御用油圧アクチュエータ２０への油圧制御によって、スプロケット１９と駆動軸６とが相対的に回転し、図４に示すように、リフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。位相可変機構２としては、油圧式のものに限られず、電磁式アクチュエータを利用したものなど、種々の構成が可能である。
【００４４】
尚、リフト・作動角可変機構１ならびに位相可変機構２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、クローズドループ制御するようにしても良く、あるいは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。
【００４５】
図５は、本願と同一出願人によって提案された複リンク式ピストンストローク可変機構２４を示している。
【００４６】
このピストンストローク可変機構２４は、各気筒のピストン２５にピストンピン２６を介して一端が連結されたアッパーリンク２７と、このアッパーリンク２７の他端にアッパーリンクピン２８を介して揺動可能に連結されると共に、クランクシャフト２９のクランクピン３０に連結されるロアーリンク３１と、クランクシャフト２９と略平行に延びるコントロールシャフト３２と、一端がコントロールシャフト３２に揺動可能に連結されると共に、他端が制御リンクピン３３を介してロアーリンク３１に揺動可能に連結される制御リンク３４と、を有している。
【００４７】
コントロールシャフト３２には、制御リンク３４の一端に設けられたベアリング（図示せず）に回転可能に支持されるピンジャーナル（図示せず）が、クランクシャフト２９の軸方向に間欠的に形成されている。
【００４８】
このピンジャーナルの回転中心Ｐ１は、コントロールシャフト３２の回転中心Ｐ２に対して所定量偏心しており、この回転中心Ｐ１を揺動支点として、制御リンク３４がコントロールシャフト３２に対して揺動する。
【００４９】
従って、コントロールシャフト３２が回動すると、制御リンク３４の揺動支点Ｐ１の位置が変化し、これに伴って、ピストン上死点位置が変化する。すなわち、ピストン上死点位置での燃焼室側の容積とピストン下死点位置での燃焼室側の容積の比によって定義される内燃機関の圧縮比εを増減させることができる。
【００５０】
尚、コントロールシャフト３２は、ウォーム３５及びウォームホイール３６を介して接続されたアクチュエータ３７を駆動源として回転駆動され、このアクチュエータ３７は、エンジンコントロールユニット１７により機関運転状態に応じて駆動制御される。
【００５１】
また、ピストンストローク可変機構の制御としては、実際のピストンストロークを検出するセンサを設けて、クローズドループ制御するようにしても良く、あるいは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。
【００５２】
図６は、本願発明の燃焼制御システムの全体構成を示す説明図であって、上述した図１に示す内燃機関の吸気弁側可変動弁機構と上述した図５の示すピストンストローク可変機構とを組み合わせたものである。
【００５３】
ここで、３８はノッキングの強度を検出するノック検出手段としてのノックセンサであり、このノックセンサ３８の検出値はコントロールユニット１７に入力される。また、ピストンストローク可変機構のコントロールシャフト３２の駆動源であるアクチュエータ３７は、コントロールユニット１７からの指令に基づいて駆動制御される。
【００５４】
また、本実施例においては、クランク角センサによって内燃機関の回転数を、スロットル弁の開度によって内燃機関の負荷を、それぞれ検出し、これらの各検出値は、エンジンコントロールユニット１７へ入力される。そして、３９は、エンジンコントロールユニット１７からの指令に基づいて、点火時期を調整する点火時期調整手段である点火進角装置である。
【００５５】
尚、内燃機関の負荷の検出手段としては、スロットル弁の開度ではなく、吸入負圧、吸入空気量もしくは燃料噴射量のいずれかを用いることも可能である。
【００５６】
図７は、リフト・作動角可変機構１、位相可変機構２及びピストンストローク可変機構とが組み合わされた内燃機関において、ピストンストロークによる燃焼室の容積変化のみで決まる圧縮比εの制御特性を示している。
【００５７】
一方、有効圧縮比ε′は、機関運転状態に応じて最適制御される図８に示すような吸気弁閉時期（ＩＶＣ）によって決まることになる。
【００５８】
アイドル及び部分負荷（Ｒ／Ｌ等）の運転条件▲１▼、▲２▼（図８を参照）では、吸気弁のリフト・作動角は比較的小さく、ＩＶＣも下死点より相当早く閉じる特性となる。これにより、大幅なポンプ損失の低減が図れるが、圧縮比εが従来機関並だと有効圧縮比ε′が低下して燃焼が悪化するため、図７に示すように、このような低負荷領域では圧縮比εを高めている。
【００５９】
加速領域での運転条件▲３▼（図８を参照）では、吸気充填効率を高める必要から、ＩＶＣが下死点に近づく方向に制御するため、有効圧縮比ε′を低下させることが、ノッキングの発生を事前に防止する上からも必要となる。
【００６０】
全開出力での運転条件では、最大限に吸気量を確保するため、有効圧縮比ε′も高くなる。そのためピストンストロークによって決定される圧縮比εを低下させ、全開の低速条件▲４▼（図８を参照）では、従来機関並に近づけることが必要となる。全開の高速条件▲５▼（図８を参照）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、ピストンストロークによって決定される圧縮比εは低速条件のときよりも高くすることができる。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。
【００６１】
尚、このように運転状態に応じて決定される吸気弁のリフト・作動角、中心角Φ及びピストンストロークによって決定される圧縮比εは、予め用意された制御マップに基づいて制御され、通常のスロットル開度、もしくはアクセル開度による点火進角制御も合わせて行われる。
【００６２】
図９に示すリフト・作動角可変機構は、上述した本願発明のリフト・作動角可変機構１とは異なり、揺動カム１２′の揺動中心Ｑ′（駆動軸の軸心）が、バルブステム４′中心線の延長線Ｌ′上に位置している。これは、従来のカム機構と同じ配置になっている。
【００６３】
従来のカム機構の場合、バルブリフタの当接するカムはフル回転するため、バルブリフタの中心線上にカム軸の中心があるのが最も合理的であるが、バルブリフタに当接するカムが揺動カム方式の場合、カムはフル回転しないため、バルブリフタと組み合わせて使用する場合ある程度自由度が得られる。
【００６４】
図１０は、本願発明の要部を示す断面図であって、バルブステム４中心線の傾きを立て、バルブ挟角を小さくした場合のレイアウトである。
【００６５】
バルブリフタ１１は、その中心が燃焼室中心を通る軸線Ｒ側、すなわち図１０における左側に配置されているが、揺動カム１１の配置はそのままである。
【００６６】
詳述すれば、燃焼室を基準として、揺動カム１２の揺動中心Ｑがバルブリフタ１１の中心よりも外側（図１０における右側）に配置されており、吸気弁が最大リフトした時に、バルブリフタ１１に対する揺動カム１２の接触位置が上記軸線Ｒから最も遠ざかるように、バルブリフタ１１は駆動される。換言すれば、揺動カム１２は、カムノーズ部１２ａが上記軸線Ｒ側（図１０における左側）を向いた姿勢で、バルブリフタ１１を駆動する構成となっている。
【００６７】
揺動カム１２のカムノーズ部１２ａが上記軸線Ｒ側に向いていれば、このようなバルブリフタ１１との位置関係の変更に問題はなく、むしろ揺動カム１２とバルブリフタ１１との接点が、バルブリフタ１１中心付近になるため、バルブリフタ１１に作用するモーメントが軽減するという効果がある。
【００６８】
すなわち、比較的広い範囲で、吸排気弁のバルブ挟角を変えられるメリットが揺動カム１２とバルブリフタ１１との組み合わせにおいて得ることができる。
【００６９】
従来のエンジンのカム駆動の場合、このようにバルブ挟角を変えるには、大きな設計変更となる。例えば、カムシャフトの位置が変わるので、エンジンフロント側の駆動レイアウトは全面変更となる。また、スプロケット間の距離が近い場合は、他の駆動方式に移行しなければならない。カムシャフトの配置変更に伴うシリンダヘッド上面のレイアウトも全面変更となり、全く新規のシリンダヘッドとなる。
【００７０】
これに対し、図９から図１０への変更の場合、シリンダヘッド内部のポート形状及びウォータジャケット形状などの鋳型変更と、バルブリフタ及びバルブステムの加工変更、バルブ及びバルブシートなどの部品変更だけで済むため、多くのバリエーションの設定も可能である。
【００７１】
図１１は、吸排気弁に適用した実施例である。揺動カム１２のカムノーズ部１２ａを対向させるように配置することで、吸排気弁の挟角θの許容範囲を大きくとることができ、吸排気弁のバルブ挟角を小さくすることが可能となる。
【００７２】
図１２に、吸気弁のリフト・作動角を拡大した場合の比出力の向上効果を示す。吸気の平均流速が増大しないようにバルブ挟角を小さくすることにより吸気弁の弁径が減少した分、高速時、すなわち内燃機関の回転数が高い時の吸気弁のリフト・作動角を拡大することができれば、出力の低下を補うことができる。これは、吸気弁のリフト・作動角を連続的に拡大，縮小制御可能なリフト・作動角可変機構を備えたエンジンに適用した場合の大きな利点メリットである。
【００７３】
図１３は、上述したピストンストローク可変機構２４で得られるピストンストローク特性を示している。従来からある一般的な単リンク式のクランク機構に比べ、アッパーリンク、ロアーリンク及び制御リンクを備えた複リンク式のピストンストローク可変機構２４では単振動に近いピストンストローク特性を得ることが可能となる。
【００７４】
このように単振動に近いピストンストローク特性の場合、２次振動が低減できるため振動特性を大幅に改良することができる。
【００７５】
また、上死点付近でのピストン速度が遅くなるために冷却損失の点では不利ではあるが、燃焼室内の混合気は燃えやすく、そして、ピストンがすぐに下がり、すぐトルク変換される訳ではないので静粛性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】可変動弁機構を示す構成説明図。
【図２】リフト・作動角可変機構の要部断面図。
【図３】リフト・作動角可変機構によるリフト・作動角の特性変化を示す特性図。
【図４】位相可変機構によるバルブリフト特性の位相変化を示す特性図。
【図５】内燃機関の断面図にして、ピストンストローク可変機構を示す説明図。
【図６】内燃機関の燃焼制御システムの全体構成を示す説明図。
【図７】ピストンストローク可変機構によって決定される圧縮比εのエンジン運転条件に対応した制御特性を示す特性線図。
【図８】エンジンの運転条件の変化に伴う吸気弁の開閉時期の変化を示す説明図。
【図９】バルブリフタ中心の延長線上に駆動軸の軸線が配設された内燃機関の上部の断面図。
【図１０】本発明の要部を示す断面図にして、バルブリフタ中心の延長線上の外側に駆動軸の軸線が配設された内燃機関の上部の断面図。
【図１１】本発明に係る内燃機関のバルブ制御システムを吸気弁と排気弁に適用した場合を示す、内燃機関の上部の断面図。
【図１２】吸気弁のリフト・作動角と比出力との相関関係を示す特性線図。
【図１３】単リンク式クランク機構のピストンストローク特性と複リンク式ピストンストローク可変機構のピストンストローク特性とを比較した特性線図。
【図１４】高膨張比システムの圧縮比使用範囲と上死点位置でのＳ／Ｖ比の関係を示す特性線図。
【図１５】吸排気弁のバルブ挟角と上死点位置でのＳ／Ｖ比の関係を示す特性線図。
【符号の説明】
１…リフト・作動角可変機構
２…位相可変機構
２４…ピストンストローク可変機構
４…バルブステム
６…駆動軸
１１…バルブリフタ
１２…揺動カム
Claims (9)
- 駆動軸に回転可能かつ揺動可能に装着された揺動カムの揺動によって、吸気弁及び排気弁の双方をリフトする内燃機関であって、
前記揺動カムは、前記吸気弁もしくは前記排気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に拡大，縮小制御可能なリフト・作動角可変機構の構成部材であり、
前記リフト・作動角可変機構は、前記駆動軸により回転駆動される偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、前記駆動軸と平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた回動可能な制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ前記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、前記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、前記ロッカアームにリンクを介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより前記吸気弁もしくは前記排気弁のバルブリフタを押圧する前記揺動カムと、を備えており、前記制御軸の偏心カム部の回動位置を変化させることにより前記吸気弁もしくは前記排気弁のリフト・作動角が同時に増減変化すると共に、当該駆動軸の回転運動を当該揺動カムの揺動運動に変換するよう構成され、
前記駆動軸は、その軸方向で見たときに対応するバルブステムの上端に配置されたバルブリフタの上方に位置すると共に、その端部に設けられたスプロケットを介してクランクシャフトに連動し、
前記揺動カムは、その揺動中心が、前記駆動軸の軸方向で見たときに、バルブリフタ上方の駆動軸回転中心と一致すると共に、機関運転中は、バルブリフトが無いゼロリフトのときも揺動運動を行うよう構成されている内燃機関において、
前記揺動カムの揺動中心に対して、吸気弁及び排気弁の双方のバルブステムの中心線が、燃焼室中心を通る軸線側に位置することを特徴とする内燃機関。 - ピストン上死点位置を変化させるピストンストローク可変機構と、内燃機関の回転数及び負荷を検出する手段とを有し、内燃機関の回転数及び負荷に応じて、前記ピストンストローク可変機構と前記リフト・作動角可変機構とを制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御システム。
- 内燃機関の負荷が小さい状態においては、内燃機関の圧縮比εが高くなるよう前記ピストンストローク可変機構を制御すると共に、前記吸気弁の閉時期を下死点から遠ざけることによって、内燃機関の有効圧縮比ε′を低下させていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御システム。
- 前記ピストンストローク可変機構は、ピストンのピストンピンに一端が連結されるアッパーリンクと、このアッパーリンクとクランクシャフトのクランクピンとに連結されるロアーリンクと、クランクシャフトに対して略平行に延びるコントロールシャフトと、一端が前記コントロールシャフトに揺動可能に連結されると共に、他端が前記ロアーリンクに連結され、前記コントロールシャフトに対する揺動中心が、前記コントロールシャフトの回転中心に対して偏心した制御リンクと、を有し、前記コントロールシャフトを回動させることによって、ピストン上死点位置を変化させることを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の制御システム。
- 前記ピストンストローク可変機構により、前記ピストンのクランク回転に関するストローク特性を、略単振動としたことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の内燃機関。
- 内燃機関の回転数が高い状態においては、前記吸気弁及び前記排気弁、あるいはその一方のリフト・作動角を拡大制御することを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載の内燃機関の制御システム。
- 前記内燃機関の負荷の検出手段として、吸入負圧、吸入空気量、スロットル開度もしくは燃料噴射量のいずれかを用いていることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の内燃機関の制御システム。
- 前記バルブリフタの中心に対して、前記揺動カムの揺動中心を燃焼室中心を通る前記軸線に関して外側に配置し、かつ前記吸気弁及び排気弁、あるいはその一方が最大リフトされたときに、前記バルブリフタに対する前記揺動カムの接触位置が、燃焼室中心を通る前記軸線から最も遠ざかるように前記バルブリフタを駆動させることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関。
- 前記吸気弁のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構を有していることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の内燃機関。
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