JP3606237B2

JP3606237B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP3606237B2
Application number: JP2001224519A
Authority: JP
Inventors: 俊一青山; 克也茂木; 研史牛嶋; 亮介日吉
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-07-25
Filing date: 2001-07-25
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2021-07-25
Also published as: DE60222059T2; EP1279798A2; EP1279798A3; DE60222059D1; JP2003035111A; US20030019448A1; US6647935B2; EP1279798B1

Description

【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１ａ，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１２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、ＥＣＵ１１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２０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２３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２４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、ＥＣＵ１１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２４ｂ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１４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４６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４３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６０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（１）及びＲ／Ｌ域（２）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（３）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（４），（５）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（５）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（４）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８及び図９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ΔＤ０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２３Ａ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，１４Ａ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２４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２３Ａ，１４Ａを同じ方向（図の右方向）へ同じ寸法ΔＤ６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６０の圧縮比の可変幅の拡大効果について説明する。図１４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１０〜１５ｍｍ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２０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

Claims

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。