JP5516699B2 - 可変動弁装置及び内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は可変動弁装置及び内燃機関に関するものである。

従来の機関弁の可変動弁装置として、吸気弁の作動角またはリフト量を連続的に拡大・縮小できるとともに、リフト中心角を連続的に遅角・進角させることのできるものがある（特許文献１参照）。

特開２００２−２５６９０５号公報

しかしながら、前述した従来の可変動弁装置は、吸気弁の作動角またはリフト量を拡大させると、それに伴って吸気弁の開時期が常に進角する構成であった。そのため、吸気弁の作動角またはリフト量を拡大したときに、上死点近傍で吸気弁とピストンとが干渉し易くなる。バルブとピストンとの干渉を回避するためには、ピストンにバルブリセスを設けるなどの対策が必要になる。

本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、バルブとピストンが干渉し易くなるのを抑制することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。

本発明による可変動弁装置は、内燃機関のクランクシャフトに同期して回転する駆動軸と、駆動軸に設けられた駆動カムと、駆動軸に揺動自在に支持される揺動カムと、揺動カムの揺動によって開閉駆動される吸気弁と、駆動軸と平行な揺動軸と、揺動軸に揺動自在に支持されるロッカーアームと、ロッカーアームと駆動カムとを連係する第１リンクと、ロッカーアームと揺動カムとを連係する第２リンクと、揺動軸の駆動軸に対する相対位置を変化させることで吸気弁の作動角及びリフト量を変更する揺動軸位置変更手段と、を備える。可変動弁装置は、これらの部材を、吸気弁の作動角及びリフト量を所定の作動角範囲及びリフト量範囲で変更する間、内燃機関を正面から見たとき、駆動軸の中心と揺動軸の中心とを結ぶ直線の角度変化に伴う吸気弁の開時期変化量と、駆動軸の中心と揺動軸の中心との間の距離の変化に伴う吸気弁の開時期変化量とが、互いに打ち消し合うように、揺動軸が駆動軸に対して変位するように構成し、吸気弁の開時期の変化を抑制する。

本発明によれば、吸気弁のバルブリフト特性は、作動角またはリフト量が大きくなっても、それに伴って開時期が大きく進角することのないバルブリフト特性、すなわち作動角またはリフト量が大きくなったときに、開時期の変化が抑制され、あるいは遅角されるバルブリフト特性となる。

これにより、吸気弁とピストンとの接近を抑制して、干渉し易くなるのを防ぐことができるので、バルブとピストンとの干渉を回避するためのバルブリセスを不要にし、あるいはバルブリセスを設けるにしてもその深さを抑制することができる。

圧縮比可変エンジンを示す図である。 圧縮比可変エンジンによる圧縮比変更方法を説明する図である。 圧縮比可変エンジンの吸気弁可変動弁機構を示す斜視図である。 吸気弁可変動弁機構の一部を構成するリフト・作動角可変機構の駆動軸方向視図である。 吸気弁のフルリフト（最大作動角）時及び（最小作動角）時における揺動カムの最小揺動時及び最大揺動時の位置を示す図である。 図５（Ａ）〜（Ｄ）の骨組みを抜き出して模式的に表した図である。 リフト・作動角可変機構の骨組みを模式的に表した図である。 最小作動角時及び最大作動角時のリフト・作動角可変機構の骨組みを模式的に表した図である。 支点間距離Ｄが相違する２つの可変動弁機構の骨組みを模式的に表した図である。 本実施形態による吸気弁可変動弁機構のバルブリフト特性を示した図である。 図１０に示した各バルブリフト特性の吸気弁開時期と、吸気弁閉時期との関係を示した図である。 各運転状態における吸気弁開時期と吸気弁閉時期との関係を示した図である。 本実施形態による吸気弁可変動弁機構の制御について説明する図である。 本実施形態による吸気弁可変動弁機構の制御について説明する図である。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、この発明に適用されるエンジン１００を示す図である。

エンジン１００は、ピストン行程を変化させて機関圧縮比を連続的に変更する圧縮比可変機構を備える。本実施形態では、圧縮比可変機構として、本出願人が先に提案した例えば特開２００１−２２７３６７号公報等によって公知となっている複リンク式圧縮比可変機構を適用する。以下、この複リンク式圧縮比可変機構を備えたエンジン１００を「圧縮比可変エンジン１００」という。

圧縮比可変エンジン１００は、ピストン１２２とクランクシャフト１２１とを２つのリンク(アッパリンク(第１リンク)１１１、ロアリンク(第２リンク)１１２)で連結するとともに、コントロールリンク(第３リンク)１１３でロアリンク１１２を制御して圧縮比を変更する。

アッパリンク１１１は、上端をピストンピン１２４を介してピストン１２２に連結し、下端を連結ピン１２５を介してロアリンク１１２の一端に連結する。ピストン１２２は、シリンダブロック１２３に形成されたシリンダ１２０に摺動自在に嵌合し、燃焼圧力を受けてシリンダ１２０内を往復動する。

ロアリンク１１２は、一端を連結ピン１２５を介してアッパリンク１１１に連結し、他端を連結ピン１２６を介してコントロールリンク１１３に連結する。また、ロアリンク１１２は、ほぼ中央の連結孔に、クランクシャフト１２１のクランクピン１２１ｂを挿入し、クランクピン１２１ｂを中心軸として揺動する。ロアリンク１１２は左右の２部材に分割可能である。クランクシャフト１２１は、複数のジャーナル１２１ａとクランクピン１２１ｂとを備える。ジャーナル１２１ａは、シリンダブロック１２３及びラダーフレーム１２８によって回転自在に支持される。クランクピン１２１ｂは、ジャーナル１２１ａから所定量偏心しており、ここにロアリンク１１２が揺動自在に連結する。

コントロールリンク１１３は、連結ピン１２６を介してロアリンク１１２に連結する。またコントロールリンク１１３は、他端を連結ピン１２７を介してコントロールシャフト１１４に連結する。コントロールリンク１１３は、この連結ピン１２７を中心として揺動する。またコントロールシャフト１１４にはギアが形成されており、そのギアが圧縮比変更アクチュエータ１３１の回転軸１３３に設けられたピニオン１３２に噛合する。圧縮比変更アクチュエータ１３１によってコントロールシャフト１１４が回転させられ、連結ピン１２７が移動する。

図２は圧縮比可変エンジン１００による圧縮比変更方法を説明する図である。

圧縮比可変エンジン１００は、後述するコントローラ３００が圧縮比変更アクチュエータ１３１を制御することでコントロールシャフト１１４を回転させて連結ピン１２７の位置を変更させて、圧縮比を変更する。例えば図２(Ａ)、図２(Ｃ)に示すように連結ピン１２７を位置Ｐにすれば、上死点位置(ＴＤＣ)が高くなり高圧縮比になる。

そして図２(Ｂ)、図２(Ｃ)に示すように、連結ピン１２７を位置Ｑにすれば、コントロールリンク１１３が上方へ押し上げられ、連結ピン１２６の位置が上がる。これによりロアリンク１１２はクランクピン１２１ｂを中心として反時計方向に回転し、連結ピン１２５が下がり、ピストン上死点におけるピストン１２２の位置が下降する。したがって圧縮比が低圧縮比になる。

次に、図３及び図４を参照して、本発明による圧縮比可変エンジン１００の吸気弁可変動弁機構２００について説明する。図３は、本発明による圧縮比可変エンジン１００の吸気弁可変動弁機構２００を示す斜視図である。図４は吸気弁可変動弁機構２００の一部を構成するリフト・作動角可変機構２１０の駆動軸方向視図である。

吸気弁可変動弁機構２００は、吸気弁２１１（図４参照）のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構２１０と、吸気弁２１１のリフト中心角（吸気弁２１１が最大リフトを迎えるクランク角度位置）の位相を進角又は遅角させる位相可変機構２４０と、を備える。発明に係る機関弁の作動角またはリフト量を変更する可変動弁装置は、本実施形態においてリフト・作動角可変機構２１０として説明される。なお、図３では１つの気筒に対応する一対の吸気弁及びその関連部品のみを簡略的に図示している。

まず、リフト・作動角可変機構２１０の構成及び作用について説明する。

図３に示すように、圧縮比可変エンジン１００の各気筒には、一対の吸気弁の上方に、クランクシャフトに平行に設けられ、気筒列方向に延びる中空状の駆動軸２１３が、シリンダヘッド等に支持されて設けられる。

駆動軸２１３は、一端部に設けられた従動スプロケット２４２等を介して、図示しないベルトやチェーンでクランクシャフトと連係され、クランクシャフトに連動して回転する。本実施形態の駆動軸２１３は、図４において時計周り方向に回転するものとする。

駆動軸２１３には、気筒ごとに、一対の揺動カム２２０が駆動軸２１３に対して回転自在（揺動自在）に支持される。その作用については後で詳述するが、この一対の揺動カム２２０が駆動軸２１３の周りを所定の回転範囲で揺動（上下動）することによって、揺動カム２２０のカムノーズ２２３の下方に位置する吸気弁のバルブリフタが押圧され、吸気弁が下方にリフトする。なお、一対の揺動カム２２０は、駆動軸２１３の外周を覆う円筒部を介して互いに一体化しており、同位相で揺動する。

駆動軸２１３には、駆動カム２１５が設けられる。駆動カム２１５は、その外形を駆動軸２１３の中心から所定量ずれた位置に中心を有する円形とされ、いわゆる偏心カムとなっている。ここでは、偏心した孔を有した円筒状の部材が、圧入等によって駆動軸の外周に固定されている。

駆動カム２１５は、揺動カム２２０とは軸方向にずれた位置に設けられる。そして、駆動カム２１５の外周面には、駆動カム２１５を、後述するロッカーアーム２１７に連係する第１リンクとしての、リンクアーム２２５が回転自在に嵌合する。

リンクアーム２２５は、比較的大径な円環状の基部２２５ａと、基部２２５ａの一部から突設された突出端２２５ｂとを備える。突出端２２５ｂには、ピン孔２２５ｃが貫通形成される。

駆動軸２１３の斜め上方には、クランク形の制御軸２１６が、駆動軸２１３と平行に気筒列方向へ延びて、シリンダヘッドに回転自在に支持される。

制御軸２１６は、機関本体に支持される主軸部２１６ａと、その主軸部２１６ａから所定量だけ偏心し、駆動軸２１３と平行に設けられて、後述するロッカーアーム２１７を揺動可能に支持する揺動軸２１６ｂと、主軸部２１６ａと揺動軸２１６ｂとを接続する接続部２１６ｃと、を備える。

揺動軸２１６ｂの外周面に回転自在に取り付けられるロッカーアーム２１７は、２部材から成り、２本のボルト２１８によって揺動軸２１６ｂ周りに取り付けられる。ロッカーアーム２１７は、連結ピン部２１７ａと、連結部２１７ｂと、を有する。連結ピン部２１７ａ及び連結部２１７ｂは、圧縮比可変エンジン１００を正面から見たときに、駆動軸２１３の中心と揺動軸２１６ｂの中心とを結ぶ直線に対し、揺動カム２２０のカムノーズ２２３と同じ側に設けられる。連結部２１７ｂは、連結ピン部２１７ａよりも揺動軸２１６ｂの中心から遠い位置にある。

制御軸２１６の一端部には、制御軸２１６の主軸部２１６ａを所定回転角度範囲内で回転させて、揺動軸２１６ｂを変位させる電動のリフト量変更アクチュエータ２５０が設けられる。リフト量変更アクチュエータ２５０は、圧縮比可変エンジン１００の運転状態の検出結果に基づきエンジン１００を制御するコントローラ３００からの制御信号に基づいて制御される。制御軸２１６が主軸部２１６ａの中心周りに回転すると、揺動軸２１６ｂの中心はその位置を移動させ、揺動軸２１６ｂに取り付けられたロッカーアーム２１７の姿勢が変化する。そして、ロッカーアーム２１７の姿勢の変化は、後述するように吸気弁２１１の作動角またはリフト量を変更する。リフト量変更アクチュエータ２５０は、揺動軸１２６ｂを変位させることで吸気弁２１１の作動角またはリフト量を変更する揺動軸位置変更手段に相当する。

図４に示すように、揺動カム２２０には、基円面２２０ａと、基円面２２０ａからカムノーズ２２３の先端縁側に円弧状に延びるカム面２２０ｂとが形成される。基円面２２０ａとカム面２２０ｂとが、揺動カム２２０の揺動位置に応じてバルブリフタ２１９に近接して対向し、あるいは当接する。駆動軸２１３の中心と揺動軸２１６ｂの中心とを結ぶ直線に対し、カムノーズ２２３は、機関弁を開くときの揺動カムの回転方向が駆動軸の回転方向と同じになるような向きに設けられている。

揺動軸２１６ｂの軸心Ｐ１は、主軸部２１６ａの軸心Ｐ２から所定量だけ偏心した位置にある。駆動カム２１５の中心Ｐ４は、駆動軸２１３の軸心Ｐ３から所定量だけ偏心した位置にある。

そして、ロッカーアーム２１７の連結ピン部２１７ａ（軸心Ｐ５）は、リンクアーム２２５の突出部２２５ｂに形成されたピン孔２２５ｃに挿通される。これにより、ロッカーアーム２１７とリンクアーム２２５とが連結される。リンクアーム２２５はロッカーアーム２１７と駆動カム２１５を連係する第１リンクに相当し、ロッカーアーム２１７とリンクアーム２２５の連結点である連結ピン部２１７ａの軸心Ｐ５は第１連結点に相当する。

ロッカーアーム２１７の連結部２１７ｂと揺動カム２２０とは、リンク部材２２６によって連結される。リンク部材２２６は、両端部に二股状の第１軸受部２２６ａと第２軸受部２２６ｂとを備える。

第１軸受部２２６ａは、ロッカーアーム２１７の連結部２１７ｂとリンク部材２２６とを連結する連結ピン２３０（軸心Ｐ６）を支持する。ロッカーアーム２１７の連結部２１７ｂは、二股状に形成されたリンク部材２２６の第１軸受部２２６ａの間に配置される。

第２軸受部２２６ｂは、揺動カム２２０とリンク部材２２６とを連結する連結ピン２３１（軸心Ｐ７）を支持する。揺動カム２２０は、二股状に形成されたリンク部材２２６の第２軸受部２２６ｂの間に配置される。

各連結ピン２３０，２３１の一端部には、リンク部材２２６の軸方向の移動を規制するスナップリング（図示せず）が設けられる。リンク部材２２６はロッカーアーム２１７と揺動カム２２０とを連係する第２リンクに相当し、ロッカーアーム２１７とリンク部材２２６の連結点である連結ピン２３０の軸心Ｐ６は第２連結点に相当する。以上から、圧縮比可変エンジン１００を正面から見たときに、ロッカーアーム２１７とリンクアーム２２５の連結点である軸心Ｐ５と、ロッカーアーム２１７とリンク部材２２６の連結点である軸心Ｐ６は、駆動軸の軸心Ｐ３と揺動軸の軸心Ｐ１とを結ぶ直線に対して同じ側、かつ軸心Ｐ６は軸心Ｐ５よりも揺動軸の軸心Ｐ１から遠い位置にあり、揺動カム２２０はその直線に対して軸心Ｐ５と軸心Ｐ６と同じ側にカムノーズ２２３を有している。そしてカムノーズ２２３は、吸気弁２１１を開くときの揺動カム２２０の回転方向が駆動軸２１３の回転方向と同じになるような向きに設けられている。

続いて、再び図３を参照して位相可変機構２４０の構成及び作用について説明する。

位相可変機構２４０は、位相角変更アクチュエータ２４１と油圧装置３０１とを備える。

位相角変更アクチュエータ２４１は、スプロケット２４２と駆動軸２１３とを所定の角
度範囲内において相対的に回転させる。

油圧装置３０１は、圧縮比可変エンジン１００の運転状態の検出結果に基づきエンジン１００を制御するコントローラ３００からの制御信号に基づいて、位相角変更アクチュエータ２４１を制御する。

油圧装置３０１による位相角変更アクチュエータ２４１への油圧制御によって、スプロケット２４２と駆動軸２１３とが相対的に回転し、リフト中心角が進角又は遅角する。

次に、リフト・作動角可変機構２１０の作用について図５〜図９を参照して詳しく説明する。

リフト・作動角可変機構２１０は上記のように構成され、駆動軸２１３がクランクシャフト１２１に連動して回転すると、駆動カム２１５及びその外周に回転自在に嵌合しているリンクアーム２２５を介して、ロッカーアーム２１７が揺動軸２１６ｂの軸心Ｐ１を中心として揺動する。ロッカーアーム２１７の揺動は、リンク部材２２６を介して揺動カム２２０へ伝達され、揺動カム２２０が所定角度範囲内で揺動する。この揺動カム２２０が揺動、すなわち上下動することで、バルブリフタ２１９が押圧され、吸気弁２１１が下方にリフトする。当実施形態では、駆動軸２１３は時計周り方向に回転するものとする。

ここで、リフト量変更アクチュエータ２５０によって、制御軸２１６を所定の回転角度範囲内で回転させると、ロッカーアーム２１７の揺動支点となる揺動軸２１６ｂの軸心Ｐ１の位置は、主軸部２１６ａの軸心を中心にした回転によって変化する。そうすると、エンジン本体に対するロッカーアーム２１７の支持位置が変化する。ロッカーアーム２１７が揺動の途中で、揺動カム２２０を最も引き上げたとき（図５においてロッカーアーム２１７が揺動軸２１６ｂの周りを反時計回りに最も回ったとき）に、揺動カム２２０がバルブリフタ２１９と最も接近している揺動カム面（基円面２２０ａ）の位置を、揺動カム２２０の初期揺動位置とすると、揺動軸２１６ｂの軸心Ｐ１の位置の変化によって初期揺動位置が変化する。その結果、バルブリフタを押し下げるときの揺動カム２２０とバルブリフタ２１９との初期接触位置（カム面２２０ｂがリフタに接触するようになって押し下げ始める）までの揺動カムの揺動量が変化する。その結果、クランクシャフト一回転あたりの揺動カム２２０の揺動角は概ね常に一定であっても、押し下げ開始後の揺動カム２２０の揺動量が変化して、図５及び図６のように最大リフト量（作動角）が変化する。

図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、吸気弁２１１の作動角が最大作動角（フルリフト）に近い状態での、揺動カム２２０の最小揺動時及び最大揺動時の位置を示す図である。図５（Ｃ）及び図５（Ｄ）は、吸気弁２１１の作動角が最小作動角（ゼロリフト）に近い状態での、揺動カム２２０の最小揺動時及び最大揺動時の位置を示す図である。

図６は、発明の理解を容易にするために、図５（Ａ）〜（Ｄ）から軸心Ｐ１〜Ｐ７と、各軸心を結ぶ直線と、を抜き出した図である。

揺動軸２１６ｂの軸心Ｐ１は、主軸部２１６ａの軸心Ｐ２の上方に位置する状態と左下方に位置する状態との間を、主軸部２１６ａの軸心Ｐ２の周りを回転するようにして連続的に移動する（図７のＰ１の軌跡）。図５（Ａ）（Ｂ）又は図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、揺動軸２１６ｂの軸心Ｐ１が、主軸部２１６ａの軸心Ｐ２の上方に位置しているときは、後述する作動角が最小作動角付近にある状態（図５（Ｃ）（Ｄ）又は図６（Ｃ）（Ｄ））よりも、ロッカーアーム２１７が全体として駆動軸の周りを時計回りに回った側へ移動し、それにより、リンク部材２２６も時計回りに回った側に移動した状態となる。

そのため、リンク部材２２６と連結する揺動カム２２０のカムノーズ２２３は、作動角が最小作動角付近にある状態と比べてより大きく下方へ押し下げられる。その結果、作動角が最小作動角付近にある状態よりも、カム面２２０ｂがバルブリフタ２１９に近付く方向に傾く（図５（Ａ）、図６（Ａ）参照）。

そうすると、揺動カム２２０の初期揺動位置と初期接触位置の間隔が狭くなり、駆動軸２１３の回転に伴って揺動カム２２０が揺動した際に、バルブリフタ２１９と近接または接触する部位が基円面２２０ａからカム面２２０ｂへと直ちに移行するようになる。これにより、作動角が最小作動角付近にある状態よりも吸気弁２１１の最大リフト量が大きくなる（図５（Ｂ）、図６（Ｂ）参照）。その結果、吸気弁２１１の開時期から閉時期までのクランク角度区間、つまり吸気弁２１１の作動角も拡大する。

一方、図５（Ｃ）（Ｄ）又は図６（Ｃ）（Ｄ）に示すように、制御軸２１６を回転させて揺動軸２１６ｂの軸中心Ｐ１を主軸部２１６ａの軸中心Ｐ２の左下方に位置させると、作動角が最大作動角付近にある状態（図５（Ａ）（Ｂ）又は図６（Ａ）（Ｂ））よりも、ロッカーアーム２１７は全体として駆動軸の周りを反時計周りに回った側に移動し、それにより、リンク部材２２６も反時計周りに回った側に移動した状態となる。

そのため、リンク部材２２６と連結する揺動カム２２０のカムノーズ２２３は、作動角が最大作動角付近にある状態と比べて上方に引き上げられる。その結果、作動角が最大作動角付近にある状態よりも、カム面２２０ｂがバルブリフタ２１９から離れる方向に傾く（図５（Ｃ）、図６（Ｃ）参照）。

そうすると、揺動カム２２０の初期揺動位置と初期接触位置の間隔が大きくなり、駆動軸２１３の回転に伴って揺動カム２２０が揺動した際に、基円面２２０ａが長くバルブリフタ２１９に近接し続け、カム面２２０ｂがバルブリフタに接触する期間が短くなる。これにより、作動角が最大作動角付近にある状態よりも吸気弁２１１の最大リフト量が小さくなる（図５（Ｄ）、図６（Ｄ）参照）。その結果、吸気弁２１１の作動角も縮小する。

図７は、リフト・作動角可変機構２１０の軸心Ｐ１〜Ｐ７と各軸心を結ぶ直線とを抜き出した図である。図７において、破線は作動角が最小作動角付近にある状態を示し、実線は作動角が最大作動角付近にある状態を示す。

なお、以下では、揺動軸２１６ｂの軸心Ｐ１と、駆動軸２１３の軸心Ｐ３と、を結ぶ線分を「線分Ｐ１Ｐ３」という。また、軸心Ｐ１と、軸心Ｐ３と、の距離を「支点間距離Ｄ」という。さらに、線分Ｐ１Ｐ３と、図中に点線で示した軸心Ｐ３を通る仮想線Ｌと、がなす角を「支点間角度θ」という。

図７に示すように、作動角またはリフト量を最小作動角にある状態から最大作動角にある状態へと変化させるべく、制御軸２１６を所定の回転角度範囲内で回転させて、揺動軸２１６ｂの軸心Ｐ１を、主軸部２１６ａの軸心Ｐ２を中心とする円上を移動させると、支点間角度θが変化するとともに、支点間距離Ｄも変化する。

すなわち、本実施形態によるリフト・作動角可変機構２１０によれば、作動角またはリフト量を最小作動角から最大作動角へ変化させると、支点間角度θは徐々に増加してθｍｉｎからθｍａｘへと変化する。

一方で、支点間距離Ｄは、最小作動角から中間作動角までは徐々に増加していき、ＤｍｉｎからＤｍａｘへと変化する。そして、中間作動角から最大作動角までは徐々に減少していき、ＤｍａｘからＤｍｉｎへと変化して最小作動角時の支点間距離とほぼ同じ長さに戻る。

以下では、図８を参照して、支点間距離Ｄを同じ長さに維持したまま支点間角度θを変化させることによって生じる作用を説明する。続いて、図９を参照して、支点間角度θを同じ角度に維持したまま支点間距離Ｄを変化させることによって生じる作用を説明する。

図８（Ａ）は、最小作動角時を示した図である。図８（Ｂ）は、最大作動角時を示した図である。

図８（Ａ）及び図８（Ｂ）に示すように、支点間距離Ｄを同じ長さに維持したまま支点間角度θをθｍｉｎからθｍａｘへと変化させると（θｍｉｎ＜θｍａｘ）、軸心Ｐ１は、軸心Ｐ３を中心とする円周Ｃ１を時計回りに、下方から上方へと移動する。一方で、軸心Ｐ７は、軸心Ｐ３を中心とする円周Ｃ２を時計回りに、上方から下方へと移動する。つまり、揺動カム２２０のカムノーズに連結された連結ピン２３１（軸心Ｐ７）の位置が下方に移動する。

そうすると、揺動カム２２０のバルブリフタ２１９との初期接触位置と、初期揺動位置は、互いに近づくようになる。その結果、吸気弁２１１の作動角が拡大する。

このように、支点間距離Ｄを同じ長さに維持したまま支点間角度θを大きくすると、吸気弁２１１の作動角は拡大する。

図９は、支点間距離Ｄが相違するが、軸間距離などの他の各部寸法は同一の２つの可変動弁装置の軸心Ｐ１〜Ｐ７と、各軸心を結ぶ直線とを、駆動軸２１３の回転角度位置をほぼ同一の状態で比較した図である。図９（Ａ）及び図９（Ｂ）の支点間角度θは同じであるが、図９（Ａ）の支点間距離Ｄ１は、図９（Ｂ）の支点間距離Ｄ２より短い（Ｄ１＜Ｄ２）。

図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、支点間距離Ｄを長くすると、支点間距離Ｄが短いときよりも揺動軸２１６ｂの軸心Ｐ１は、駆動軸中心Ｐ３から離れて上方に位置する。そうすると、駆動軸の中心Ｐ３と駆動カムの中心Ｐ４の位置、および線分Ｐ１Ｐ５と線分Ｐ５Ｐ４の長さは、互いに等しいことから、線分Ｐ１Ｐ５と線分Ｐ５Ｐ４のなす角は支点間距離Ｄを長くした場合に大きくなる。従って支点間距離Ｄを長くすると、線分Ｐ１Ｐ５は時計回りに回転したのと同様の傾きの変化が生じる。このとき、連結ピン部２１７ａ（軸心Ｐ５）よりも、揺動軸中心Ｐ３から遠く離れた連結部２１７ｂ（軸心Ｐ６）は、てこの原理によって（軸心Ｐ５の位置が大きく変化しない中、軸心Ｐ１が上方に移動することから）図内において下方へと移動することになる。

これにより、リンク部材２２６と揺動カム２２０のカムノーズとを連結する連結ピン２３１の軸心Ｐ７が相対的に下方に押し下げられるので、揺動カム２２０のバルブリフタ２１９との初期接触位置と、初期揺動位置とは、互いに近づくようになる。その結果、吸気弁２１１の作動角が拡大する。

このように、支点間角度θを同じ角度に維持したまま支点間距離Ｄを長くすると、吸気弁２１１の作動角は拡大する。

このように、本実施形態によるリフト・作動角可変機構２１０は、支点間角度θと支点間距離Ｄとを変化させることによって、吸気弁２１１の作動角を変化させている。

次に、本実施形態によるリフト・作動角可変機構２１０の作用について説明する。

図１０は、本実施形態によるリフト・作動角可変機構２１０によるバルブリフト特性を示した図である。図１１は、図１０に示した各バルブリフト特性の吸気弁開時期（ＩＶＯ）と、吸気弁閉時期（ＩＶＣ）との関係を示した図である。いずれの図も、位相可変機構２４０による作動角中心の変更は伴っておらず、リフト・作動角可変機構２１０のみによりバルブリフト特性を変化させた様子を示している。

図１０及び図１１に示すように、本実施形態によるリフト・作動角可変機構２１０によれば、作動角を最小作動角から最大作動角へと変化させていったときに、最小作動角から所定の作動角までは、従来通り作動角が大きくなるとともに吸気弁開時期（ＩＶＯ）が進角する。しかし、所定の作動角から最大作動角までは、作動角を大きくしつつ、吸気弁開時期の進角方向の移動を抑制し、あるいは吸気弁開時期を遅角させることができる。

これは、作動角を最小作動角から最大作動角へと変化させたときに、支点間距離Ｄが、最小作動角から中間作動角までは徐々に増加していくが、中間作動角から最大作動角までは徐々に減少していくためである。

つまり、作動角を最小作動角から最大作動角へと変化させると、支点間角度θが増加することによって作動角が拡大するため、吸気弁開時期が進角する。また、最小作動角から中間作動角までは、支点間距離Ｄも長くなり、これによっても作動角が拡大するため、吸気弁開時期が進角する。

このように、最小作動角から中間作動角までは、支点間角度θと支点間距離Ｄとが、共に増加していくため、作動角が大きくなるとともに吸気弁開時期が進角する。

しかし、中間作動角から最大作動角までは、支点間角度θは増加していくものの、支点
間距離Ｄは短くなっていく。そのため、支点間角度θの増加によって吸気弁開時期が進角する一方で、支点間距離Ｄの減少によって作動角が小さくなって、その分吸気弁開時期が遅角する。

したがって、中間作動角から最大作動角までは、作動角を大きくしつつ、吸気弁開時期の進角方向の移動を抑制し、あるいは吸気弁開時期を遅角させることができる。そして、吸気弁２１１の作動角又はリフト量が拡大するときに、リフト作動角中心は遅角側へ移動するとともに、作動角又はリフト量の拡大に対するリフト作動角中心の遅角側への移動量は、作動角又はリフト量が所定の作動角又はリフト量より小さい側の範囲に比べ、作動角又はリフト量が所定の作動角又はリフト量より大きい側の範囲で拡大する。

このように、本実施形態による吸気弁可変動弁機構は、作動角が最大作動角付近で拡大する時に、吸気弁開時期の進角方向の移動が抑制され、さらに吸気弁開時期が遅角するバルブ特性となっている。そのため、吸気弁２１１の作動角を最大作動角にし、かつリフト中心角を最進角させた状態でのバルブとピストンとの接近の度合いを低減することができる。一方、最小作動角の時は吸気弁開時期が（中間作動角の時に比べて）遅角する、すなわち、作動角範囲全体の進角が抑えられることになるので、吸気弁閉時期も遅角寄りに留まる。この結果、吸気弁閉時期を吸気行程のなるべく遅い時期に留めて、下死点からなるべく離れずに済むため、特に始動時の十分な筒内流入空気量が確保されて機関始動性が向上する。

ここで、ピストンのバルブリセスは、吸気弁可変動弁機構のフェイル時を考慮して、バルブとピストンとの干渉量が最も大きくなる状態を基準にして一定の余裕をもった深さで設けられる。したがって、吸気弁２１１の作動角を最大作動角にし、かつリフト中心角を最進角させた状態でのバルブとピストンとの干渉の可能性を低減する（距離を空ける）ことで、バルブリセスの表面積を減少させることができる。これにより、冷却損失の低減することができる。また、燃焼効率の増加による燃費の向上を図ることができる。

次に、本実施形態による吸気弁可変動弁機構２００の制御について説明する。

図１２は、各運転状態における吸気弁開時期（ＩＶＯ）と吸気弁閉時期（ＩＶＣ）とを決定する制御マップである。

図１２に示すように、エンジン負荷全開・低速時には、作動角がちょうど最小作動角と最大作動角との間の中間作動角に設定され、ＩＶＯが上死点後に設定される。エンジン負荷全開・中速時（運転状態Ａ）には、リフト・作動角可変機構によって、エンジン負荷全開・低速時よりも作動角が拡大され、かつ位相可変機構によって、ＩＶＯが上死点前に設定される。エンジン負荷全開・高速時（運転状態Ｂ）には、リフト・作動角可変機構によって、作動角が最大作動角に設定され、かつ位相可変機構によって、ＩＶＯがエンジン負荷全開・中速時よりもさらに進角側に設定される。

ここで、本実施形態では、運転状態Ａから運転状態Ｂに移行するとき又は運転状態Ｂから運転状態Ａに移行するときに以下の制御が実行される。

運転状態Ａから運転状態Ｂに移行するとき、すなわち、車両が加速状態の場合であって、作動角が大きくなるとともにＩＶＯが進角するバルブタイミングになったときは、吸気弁閉時期（ＩＶＣ）が目標ＩＶＣに到達するまでの間、位相可変機構２４０の駆動を禁止し、リフト・作動角可変機構２１０のみを駆動する。そして、ＩＶＣが目標ＩＶＣに到達した後は、リフト・作動角可変機構２１０と、位相可変機構２４０とを同時に駆動する協調制御を実施して、吸気弁２１１のバルブタイミングを最適なバルブタイミングに制御する。

つまり、図１３に示すように、まずリフト・作動角可変機構２１０のみを駆動して、運転状態Ａから運転状態Ｃに移行してＩＶＣが目標ＩＶＣに到達した後に、リフト・作動角可変機構２１０と、位相可変機構２４０とを同時に駆動して運転状態Ｂに移行する。

リフト・作動角可変機構２１０は電動のリフト量変更アクチュエータ２５０によって駆動されているため、油圧で駆動される位相可変機構２４０に比べて応答速度が速い。したがって、加速時には、まずリフト・作動角可変機構２１０を駆動させて、ＩＶＣを素早く目標ＩＶＣに到達させることで、ＩＶＣが過渡的に目標ＩＶＣよりも遅角した状態となることを防止できる。そのため、充填効率の低下を防止して、運転性能の悪化を防止できる。

一方で、運転状態Ｂから運転状態Ａに移行するとき、すなわち、車両が減速状態にある場合であって、作動角が小さくなるとともにＩＶＯが遅角するバルブタイミングのときは、ＩＶＯが目標ＩＶＯに到達するまでの間、リフト・作動角可変機構２１０の駆動を禁止し、位相可変機構２４０を優先的に駆動させる。そして、ＩＶＯが目標ＩＶＯに到達した後は、リフト・作動角可変機構２１０と、位相可変機構２４０とを協調制御して、吸気弁２１１のバルブタイミングを最適なバルブタイミングに制御する。

つまり、図１４に示すように、まず位相可変機構２４０のみを駆動して、運転状態Ｂから運転状態Ｄに移行してＩＶＯが目標ＩＶＯに到達した後に、リフト・作動角可変機構２１０と、位相可変機構２４０とを同時に駆動して運転状態Ａに移行する。

作動角が小さくなるとともにＩＶＯが進角するバルブタイミングのときに、リフト・作動角可変機構２１０を駆動させてしまうと、ＩＶＯが過度に進角してしまう。そうすると、バルブとピストンとの干渉を回避するためのバルブリセスを拡大する必要があるため、冷却性能等が悪化してしまう。

したがって、このような運転状態のときは、まず位相可変機構２４０を駆動させて、ＩＶＯを目標ＩＶＯに到達させたあとに、リフト・作動角可変機構２１０と、位相可変機構２４０とを協調制御することで、ＩＶＯが過度に進角してしまうことを防止できる。よって、冷却損失等の悪化を防止できる。

以上説明した本実施形態によれば、吸気弁のバルブリフト特性を、所定の作動角から最大作動角までは、作動角が大きくなるとともに吸気弁開時期の進角方向の移動を抑制し、あるいは吸気弁開時期が遅角するバルブリフト特性とした。

これにより、吸気弁２１１の作動角を最大作動角にし、かつリフト中心角を最進角させた状態でのバルブとピストンとの接近の度合いを低減することができる。そのため、バルブリセスの表面積を減少させることができ、冷却損失を低減することができる。また、燃焼効率の増加による燃費の向上を図ることができる。

また、車両が加速状態の場合であって、作動角が大きくなるとともに吸気弁開時期（ＩＶＯ）が遅角するバルブタイミングになったときは、吸気弁閉時期（ＩＶＣ）が目標ＩＶＣに到達するまでの間、位相可変機構２４０の駆動を禁止し、リフト・作動角可変機構２１０のみを駆動する。

これにより、加速時には、まず作動応答性の良いリフト・作動角可変機構２１０を駆動させて、ＩＶＣを素早く目標ＩＶＣに到達させることで、ＩＶＣが過渡的に目標ＩＶＣよりも遅角した状態となることを防止できる。そのため、充填効率の低下を防止して、運転性能の悪化を防止できる。

また、車両が減速状態にある場合であって、作動角が大きくなるとともにＩＶＯが遅角するバルブタイミング、すなわち作動角が小さくなるとともにＩＶＯが進角するバルブタイミングのときは、ＩＶＯが目標ＩＶＯに到達するまでの間、リフト・作動角可変機構２１０の駆動を禁止し、位相可変機構２４０を優先的に駆動させる。

これにより、ＩＶＯが過度に進角してしまうことを防止できる。よって、冷却損失等の悪化を防止できる。

さらに、圧縮比可変エンジンの場合、圧縮比を高圧縮比にするほど燃焼室容積と表面積との比（Ｓ／Ｖ比）が大きくなって、冷却損失が大きくなる。しかし、本実施形態によるリフト・作動角可変機構２１０と組み合わせることで、バルブリセスの表面積を減少させて、表面積を小さくすることができる。これにより、高圧縮化に伴うＳ／Ｖ比の増加を抑えることができ、冷却損失を低減できる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。例えば、実施例に記載したものとは異なる動きを伴う位相可変機構と組合せた場合などに、作動角が大きくなるとともに吸気弁開時期の進角方向の移動を抑制しあるいは吸気弁開時期が遅角させる作動角またはリフト量の範囲を、必要な条件に応じて最大作動角（最大リフト量）付近ではない範囲に設けることが可能である。また、本発明に係る可変動弁装置を排気弁に適用し、排気弁の閉時期変化を抑制することで、排気弁とピストンの接近を抑制するのに利用することも可能である。

１００ 圧縮比可変エンジン（内燃機関）
１２１ クランクシャフト
２１１ 吸気弁（機関弁）
２１３ 駆動軸
２１５ 駆動カム
２１６ｂ 揺動軸
２１７ ロッカーアーム
２２０ 揺動カム
２２３ カムノーズ
２２５ リンクアーム（第１リンク）
２２６ リンク部材（第２リンク）
２４１ 位相角変更アクチュエータ（位相変更手段）
２５０ リフト量変更アクチュエータ（揺動軸位置変更手段）
３００ コントローラ

Claims (12)

1. 内燃機関のクランクシャフトに同期して回転する駆動軸と、
   前記駆動軸に設けられた駆動カムと、
   前記駆動軸に揺動自在に支持される揺動カムと、
   前記揺動カムの揺動によって開閉駆動される吸気弁と、
   前記駆動軸と平行な揺動軸と、
   前記揺動軸に揺動自在に支持されるロッカーアームと、
   前記ロッカーアームと前記駆動カムとを連係する第１リンクと、
   前記ロッカーアームと前記揺動カムとを連係する第２リンクと、
   前記揺動軸の駆動軸に対する相対位置を変化させることで前記吸気弁の作動角及びリフト量を変更する揺動軸位置変更手段と、
   を備え、
   前記吸気弁の作動角及びリフト量を所定の作動角範囲及びリフト量範囲で変更する間、前記内燃機関を正面から見たとき、前記駆動軸の中心と前記揺動軸の中心とを結ぶ直線の角度変化に伴う前記吸気弁の開時期変化量と、前記駆動軸の中心と前記揺動軸の中心との間の距離の変化に伴う前記吸気弁の開時期変化量とが、互いに打ち消し合うように、前記揺動軸が前記駆動軸に対して変位することにより前記吸気弁の開時期の変化が抑制されている、
   ことを特徴とする可変動弁装置。
2. 請求項１に記載の可変動弁装置において、
   前記内燃機関を正面から見たときに、前記ロッカーアームと前記第１リンクとの連結部となる第１連結点と、前記ロッカーアームと前記第２リンクとの連結部となる第２連結点は、前記駆動軸の中心と前記揺動軸の中心とを結ぶ直線に対して同じ側、かつ前記第２連結点は前記第１連結点よりも前記揺動軸の中心から遠い位置にあり、前記揺動カムは前記直線に対して前記第１連結点と前記第２連結点と同じ側にカムノーズを有し、前記駆動軸の回転方向は、前記吸気弁を開くときの前記揺動カムの回転方向と同じである、
   ことを特徴とする可変動弁装置。
3. 請求項２に記載の可変動弁装置において、
   前記吸気弁の作動角及びリフト量を増大するときに、前記直線の角度変化は前記直線を前記駆動軸の回転方向に回転させたのと同じ向きの角度変化であり、前記距離の変化は縮小であることにより、前記吸気弁の開時期の変化が抑制されている、
   ことを特徴とする可変動弁装置。
4. 請求項２又は請求項３に記載の可変動弁装置において、
   前記吸気弁の作動角及びリフト量を増大するときに、前記直線の角度変化に伴う前記吸気弁の開時期変化が進角となり、前記距離の変化に伴う前記吸気弁の開時期変化は遅角となって、互いに打ち消し合うことにより、前記吸気弁の開時期の変化が抑制されている、
   ことを特徴とする可変動弁装置。
5. 請求項４に記載の可変動弁装置において、
   前記所定の作動角範囲及びリフト量範囲の一部において、前記距離の変化に伴う前記吸気弁の開時期の遅角量が、前記直線の角度変化に伴う前記吸気弁の開時期の進角量を上回り、前記吸気弁の開時期は、前記吸気弁の作動角及びリフト量の拡大に伴って遅角する、
   ことを特徴とする可変動弁装置。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１つに記載した可変動弁装置において、
   前記所定の作動角範囲は、所定の作動角から最大作動角までの範囲であり、
   前記所定のリフト量範囲は、所定のリフト量から最大リフト量までの範囲である、
   ことを特徴とする可変動弁装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１つに記載した可変動弁装置を備えた内燃機関であって、
   前記可変動弁装置は、前記吸気弁の作動角の中心位相を連続的に変更させる位相変更手段を含み、
   車両加速時に、吸気弁閉時期が目標吸気弁閉時期に到達するまでの間、前記揺動軸位置変更手段を駆動し、位相変更手段の駆動を禁止するコントローラを備える、
   ことを特徴とする内燃機関。
8. 請求項７に記載した内燃機関において、
   前記コントローラは、車両加速時に吸気弁閉時期が目標吸気弁閉時期に到達した後は、前記揺動軸位置変更手段と前記位相変更手段とを同時に駆動して、吸気弁閉時期をその目標吸気弁閉時期に固定したまま、作動角を目標作動角に制御する、
   ことを特徴とする内燃機関。
9. 請求項７又は請求項８に記載した内燃機関において、
   前記コントローラは、車両減速時に、吸気弁開時期が目標吸気弁開時期に到達するまでの間、前記位相変更手段を駆動し、前記揺動軸位置変更手段の駆動を禁止する、
   ことを特徴とする内燃機関。
10. 請求項９に記載した内燃機関において、
    前記コントローラは、車両減速時に吸気弁開時期が目標吸気弁開時期に到達した後は、前記揺動軸位置変更手段と前記位相変更手段とを同時に駆動して、吸気弁開時期をその目標吸気弁開時期に固定したまま、作動角を目標作動角に制御する、
    ことを特徴とする内燃機関。
11. 請求項８又は請求項１０に記載した内燃機関において、
    前記コントローラは、前記揺動軸位置変更手段と前記位相変更手段のうちいずれか一方の駆動を禁止する制御を、前記目標作動角が所定の作動角から最大作動角までの間の値に設定されているときに実施する、
    ことを特徴とする内燃機関。
12. 請求項７から請求項１０のいずれか１つに記載した内燃機関において、
    前記コントローラは、前記揺動軸位置変更手段と前記位相変更手段のうちいずれか一方の駆動を禁止する制御を、エンジン全負荷時に実施する、
    ことを特徴とする内燃機関。

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