JP2003035111A - 内燃機関 - Google Patents

内燃機関

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JP2003035111A JP2001224519A JP2001224519A JP2003035111A JP 2003035111 A JP2003035111 A JP 2003035111A JP 2001224519 A JP2001224519 A JP 2001224519A JP 2001224519 A JP2001224519 A JP 2001224519A JP 2003035111 A JP2003035111 A JP 2003035111A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 吸気弁側にのみ揺動カム２４を適用した内燃
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

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レシプロ式の内燃
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。
【０００２】
【従来の技術】レシプロ式の内燃機関における吸・排気
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。
【０００３】また、既存の内燃機関のピストン−クラン
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。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、本出願人等
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。
【０００５】このような揺動カムを用いる場合、上述し
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。
【０００６】また、本出願人等は、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。
【０００７】本発明は、このような課題に鑑みてなされ
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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明に係る内燃機関
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。
【０００９】このように、吸気駆動軸の軸心とクランク
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。
【００１０】典型的にはクランクシャフトに対して吸・
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。
【００１１】一方、排気弁側には、構成の簡素化を図る
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。
【００１２】本発明の更なる特徴として、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（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。
【００１３】このリフト作動角変更機構は、例えば、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、を有している。
【００１４】好ましくは、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。
【００１５】また、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、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。
【００１６】上記ピストンストローク変更機構は、例え
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。
【００１７】
【発明の効果】本発明によれば、揺動カムの揺動中心と
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。
【００１８】また、シリンダ軸線に対してクランクシャ
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。
【００１９】
【発明の実施の形態】先ず図２を参照して、本発明の一
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。
【００２０】図３は、この内燃機関に適用される３つの
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。
【００２１】このように、リフト作動角変更機構２０と
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。
【００２２】図４は、リフト作動角変更機構２０の概略
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。
【００２３】このリフト作動角変更機構２０は、吸気駆
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。
【００２４】駆動偏心カム２５は、円周面をなす外周面
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。
【００２５】上記の構成により、リフト作動角制御用油
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。
【００２６】また、リフト作動角の変更時には、ＥＣＵ
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。
【００２７】このようなリフト作動角変更機構２０の利
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。
【００２８】なお、排気弁側には、このようなリフト作
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。
【００２９】図６は、位相変更機構４０の一例として、
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。
【００３０】位相変更機構としてのＶＴＣ機構４０は、
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。
【００３１】なお、リフト作動角変更機構２０ならびに
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。
【００３２】このように本実施形態では、吸気弁側には
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。
【００３３】再び図２を参照して、ピストンストローク
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。
【００３４】また、クランクシャフト８の斜め下方に
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。
【００３５】そして、電動モータ６１によりピストン制
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。
【００３６】このようなピストンストローク変更機構６
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。
【００３７】図８は、圧縮比εの好ましい一設定例を示
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。
【００３８】図９は、吸気弁の作動角、中心位相φ、開
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。
【００３９】次に図１及び図２を参照して、クランクシ
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。
【００４０】更に言えば、クランク軸心８Ａを通ってシ
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。
【００４１】これにより、吸気弁側のみ駆動軸の軸心２
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。
【００４２】また、シリンダ軸線Ｌ０に対してクランク
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。
【００４３】図１０を参照して、吸気駆動軸２３の軸心
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。
【００４４】これに対し、本実施形態（ｂ）では、吸気
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。
【００４５】図１１を参照して、吸気駆動軸と排気駆動
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。
【００４６】また、仮に第２比較例のレイアウトに対し
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。
【００４７】上述したバルブ狭角を小さくする効果につ
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。
【００４８】図１３を参照して、本実施形態のように圧
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。
【００４９】しかしながら、仮に第２比較例のようにバ
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。
【００５０】図１４及び図１５を参照して、クランクシ
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。
【００５１】なお、本発明は上述した実施の形態に限定
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関のクランク
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２】図１の内燃機関の断面対応図。
【図３】図１の内燃機関の基本構成を示すシステム構成
図。
【図４】リフト作動角変更機構を示す斜視対応図。
【図５】リフト作動角変更機構による吸気弁のリフト作
動角の特性変化を示す特性図。
【図６】位相変更機構の一例を示す断面図。
【図７】位相変更機構による吸気弁の作動角の位相変化
を示す特性図。
【図８】圧縮比の好ましい一設定例を示す特性図。
【図９】吸気弁の開時期及び閉時期の好ましい設定例を
示す説明図。
【図１０】吸気駆動軸のオフセット方向及びその作用効
果を説明するための説明図。
【図１１】吸・排気弁及びその駆動軸のレイアウトを説
明するための断面対応図。
【図１２】バルブ狭角と燃焼室のＳ／Ｖ比との関係を示
す特性図。
【図１３】圧縮比の調整及びそれに伴う燃焼室のＳ／Ｖ
比の変化を示す特性図。
【図１４】クランクシャフトのオフセットに伴う作用効
果を説明するための断面対応図。
【図１５】クランクオフセット量ΔＤ０に対する角度β
の変化を示す特性図。
【符号の説明】
１…吸気弁 ２…排気弁 ８…クランクシャフト ６…ピストン １４…排気駆動軸 １５…固定カム ２０…リフト作動角変更機構 ２３…吸気駆動軸 ２４…揺動カム
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０１Ｌ 13/00 Ｆ０１Ｌ 13/00 ３０１Ｋ Ｆ０２Ｄ 15/02 Ｆ０２Ｄ 15/02 Ｃ Ｆ０２Ｆ 1/24 Ｆ０２Ｆ 1/24 Ｆ 7/00 ３０１ 7/00 ３０１Ｆ (72)発明者 牛嶋 研史 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 日吉 亮介 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 3G016 AA08 AA09 AA19 BA19 BA28 BA30 BA34 BA36 BA40 BB04 BB06 CA06 CA09 CA25 CA41 CA47 CA57 DA01 DA08 DA23 GA01 GA02 3G018 AB07 AB17 BA02 BA09 BA17 BA32 CA13 DA05 DA12 DA15 DA19 DA83 DA85 EA02 EA11 EA16 EA17 FA01 FA06 FA07 FA27 GA14 3G024 AA19 AA47 DA10 3G092 AA01 AA11 AA12 AB02 DA01 DA03 DA05 DA07 DD06 DG07 EA01 EA02 EA03 EA04 EA22 FA03 FA50 GA04 GA08 GA12 GA18 HA05Z HA11Z HD01Z HE01Z

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【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。
  7. 【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。
  8. 【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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