JP5585573B2

JP5585573B2 - 可変圧縮比内燃機関

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Publication number: JP5585573B2
Application number: JP2011273458A
Authority: JP
Inventors: 栄一神山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-12-14
Filing date: 2011-12-14
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2031-12-14
Also published as: JP2013124578A

Description

本発明は、可変圧縮比内燃機関に関する。

従来から、内燃機関の機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比内燃機関が知られている。このような内燃機関としては、例えば、シリンダブロック及びシリンダブロックの上部に取り付けられたシリンダヘッドを含むシリンダブロック組立体と、シリンダブロック組立体の下部に取り付けられたクランクケースとを具備し、シリンダブロック組立体をクランクケースに対して相対的に移動可能に取り付けたものが挙げられる（例えば、特許文献１）。斯かる内燃機関では、シリンダブロック組立体をクランクケースに対して相対的に移動させることによって燃焼室における機械圧縮比を変更するようにしている。

特開２００３−２０６７７１号公報特開２００７−３３２７９８号公報特開２００５−３２５７０２号公報国際公開第２０１０／１４６７２１号明細書

ところで、特許文献１に記載した可変圧縮比内燃機関は、それぞれ吸気弁及び排気弁を駆動するカムを備えた吸気カムシャフト及び排気カムシャフトと、これらカムシャフトに取り付けられた歯車（以下、それぞれ「吸気弁側歯車」、「排気弁側歯車」という）とを具備する。また、クランクシャフトにも歯車（以下、「クランクシャフト歯車」という）が取り付けられており、この歯車には他の歯車（以下、「タイミング歯車」という）が噛合される。これら吸気弁側歯車、排気弁側歯車およびタイミング歯車にはチェーンベルトが巻回される。このように構成された内燃機関では、クランクシャフトの回転がクランクシャフト歯車からタイミング歯車に伝達され、このタイミング歯車に伝達された回転がチェーンベルトを介して吸気弁側歯車および排気弁側歯車に伝達され、斯くして吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトが回転せしめられる。

上述したように、特許文献１に記載した可変圧縮比内燃機関では、シリンダブロック組立体をクランクケースに対して相対的に移動させることによって燃焼室における機械圧縮比が変更される。ここで、吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトはシリンダヘッドに取り付けられており、クランクシャフトはクランクケースに取り付けられている。したがって、シリンダブロック組立体がクランクケースに対して相対的に移動せしめられると吸気カムシャフトとクランクシャフトとの間の相対位置関係および排気カムシャフトとクランクシャフトとの間の相対位置関係が変わる。

そこで、特許文献１に記載された可変圧縮比内燃機関では、シリンダブロック組立体がクランクケースに対して相対的に上方に移動せしめられると、これに伴ってタイミング歯車もクランクシャフト歯車に対して相対的に上方に移動するようにしている。これにより、シリンダブロック組立体の移動前後で吸気弁側歯車と排気弁側歯車とタイミング歯車との相対位置関係は維持されることになる。しかしながら、このときタイミング歯車とクランクシャフト歯車との間の距離が変化する。この結果、タイミング歯車とクランクシャフト歯車との間の噛み合いが不十分となり、打音が発生する可能性がある。

また、タイミング歯車がクランクシャフト歯車に対して相対的に移動すると、タイミング歯車はクランクシャフト歯車に対して相対的に回転せしめられる。このため、タイミング歯車がクランクシャフト歯車に対して相対的に移動する分だけタイミング歯車の回転位相が変わることになり、これに伴って吸気弁側歯車および排気弁側歯車の回転位相も変わり、その結果、吸気弁および排気弁のバルブタイミングが変化することになる。

特許文献１に記載された可変圧縮比内燃機関では、タイミング歯車がクランクシャフト歯車に対して相対的に移動したときのクランクシャフト歯車に対するタイミング歯車の相対回転量は、タイミング歯車及びクランクシャフト歯車の歯数又はピッチ半径等に応じて変化する。しかしながら、タイミング歯車及びクランクシャフト歯車の歯数又はピッチ半径等を変更することで調整可能な相対回転量は限られており、結果的にはクランクシャフト歯車に対するタイミング歯車の相対回転量は比較的大きくなってしまう。このため、シリンダブロック組立体がクランクケースに対して相対的に上方に移動せしめられると吸気弁側歯車および排気弁側歯車の回転位相が大きく変化してしまうことになる。

そこで、上記問題に鑑みて、本発明の目的は、クランクケースに対してシリンダブロック組立体を変更することに伴って変化する吸気弁側歯車および排気弁側歯車の回転位相を適切に調整可能な可変圧縮比内燃機関を提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の発明では、内燃機関のクランクケースに対してシリンダブロック組立体を相対移動させることで機械圧縮比を変更することができる可変圧縮比内燃機関において、前記シリンダブロック組立体に配置された吸気弁又は排気弁を駆動するカムを備えたカムシャフトと、前記クランクケースに配置されたクランクシャフトと、該クランクシャフトからの駆動力が伝達される第一歯車（例えば、下記実施形態のクランクシャフト歯車）と、前記クランクケースに対する前記シリンダブロックの相対移動に伴って第一歯車に対して相対移動すると共にカムシャフトに駆動力を伝達する第二歯車（例えば、下記実施形態のタイミング歯車）と、前記第一歯車及び第二歯車のそれぞれと噛み合うか又はこれら第一歯車及び第二歯車のそれぞれとベルトを介して連結された第三歯車（例えば、下記実施形態のアイドラ歯車）とを具備し、前記第三歯車は、第一歯車から第二歯車へと駆動力を伝達すると共に、前記第一歯車と第三歯車との中心間距離が一定になるように且つ前記第二歯車と第三歯車との中心間距離が一定になるように支持される、可変圧縮比内燃機関が提供される。

第２の発明では、第１の発明において、前記第二歯車は、前記クランクケースに対する前記シリンダブロックの相対移動に伴って、前記第一歯車に対して直線又は曲線に沿うように相対的に移動可能であり、前記直線又は曲線に沿って第二歯車が移動可能な範囲内に、前記第二歯車の移動方向が前記第一歯車と前記第二歯車の中心間を結んだ直線と垂直になる位置が含まれる。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、前記第二歯車の移動方向が前記第一歯車と前記第二歯車との中心間を結んだ直線と垂直になる位置は、前記第二歯車が移動可能な線状の範囲の中央である。

第４の発明では、第２の発明において、前記第二歯車の移動方向が前記第一歯車と前記第二歯車との中心間を結んだ直線と垂直になる位置は、前記第二歯車が移動可能な線状の範囲のうちの一方の端部である。

第５の発明では、第１の発明において、前記第二歯車は、前記クランクケースに対する前記シリンダブロックの相対移動に伴って、シリンダブロックの相対移動方向と平行な方向において前記第一歯車に対して相対的に直線的に移動可能であり、前記第二歯車が直線的に移動可能な範囲内には、前記第二歯車の移動方向が前記第一歯車と前記第二歯車の中心間を結んだ直線と垂直になる位置が含まれない。

本発明によれば、クランクケースに対してシリンダブロック組立体を変更することに伴って変化する吸気弁側歯車および排気弁側歯車の回転位相を適切に調整可能な可変圧縮比内燃機関が提供される。

可変圧縮比内燃機関の全体図である。可変圧縮比機構の分解斜視図である。図解的に表した内燃機関の側面断面図である。クランクシャフトの出力に基づいてカムシャフトを駆動する駆動系統を概略的に示す図である。クランクシャフト歯車に対してタイミング歯車が相対移動する様子を示す図である。自転角度および公転角度を説明するための図である。タイミング歯車の移動量とタイミング歯車の回転角度との関係を示す図である。クランクシャフト歯車に対してタイミング歯車が相対移動する様子を示す図である。タイミング歯車の移動量とタイミング歯車の回転角度との関係を示す図である。第二実施形態において、クランクシャフト歯車に対してタイミング歯車が相対移動する様子を示す図である。タイミング歯車の移動量とタイミング歯車の回転角度との関係を示す図である。第三実施形態において、クランクシャフト歯車に対してタイミング歯車が相対移動する様子を示す図である。タイミング歯車の移動量とタイミング歯車の回転角度との関係を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

図１に可変圧縮比内燃機関の側面断面図を示す。
図１を参照すると、１は内燃機関を示している。内燃機関１は、クランクケース２、シリンダブロック３、シリンダヘッド４、ピストン５、燃焼室６、燃焼室６の頂面中央部に配置された点火プラグ７、吸気弁８、吸気カムシャフト９、吸気ポート１０、排気弁１１、排気カムシャフト１２、排気ポート１３を具備する。

シリンダヘッド４はシリンダブロック３の上部に固定される。以下の説明では、これらシリンダブロック３及びシリンダヘッド４を総称してシリンダブロック組立体と称する。シリンダブロック３内にはピストン５が往復動する複数のシリンダが設けられ、これらシリンダの壁面とピストン５の上面とシリンダヘッド４の下面によって燃焼室６が画成される。

吸気カムシャフト９は吸気弁８を開閉するカムを備え、その軸線回りで回転可能にシリンダヘッド４に配置される。吸気カムシャフト９が回転せしめられるとそこに設けられているカムによって吸気弁８が開閉駆動される。一方、排気カムシャフト１２は排気弁１１を開閉するカムを備え、その軸線回りで回転可能にシリンダヘッド４に配置される。排気カムシャフト１２が回転せしめられるとそこに設けられているカムによって排気弁１１が開閉駆動される。

加えて、図１に示した実施形態では、内燃機関１は、クランクケース２とシリンダブロック３との連結部に可変圧縮比機構Ａが設けられる。この可変圧縮比機構Ａは、クランクケース２とシリンダブロック組立体とのシリンダ軸線方向の相対位置を変化させることによりピストン５が圧縮上死点に位置するときの燃焼室６の容積を変更することができる。

図２は図１に示す可変圧縮比機構Ａの分解斜視図を示しており、図３は図解的に表した内燃機関の側面断面図を示している。図２を参照すると、シリンダブロック３の両側壁の下方には互いに間隔を隔てた複数個の突出部２０が形成されており、各突出部２０内にはそれぞれ断面円形のカム挿入孔２１が形成されている。一方、クランクケース２の上壁面上には互いに間隔を隔ててそれぞれ対応する突出部２０の間に嵌合せしめられる複数個の突出部２２が形成されており、これらの各突出部２２内にもそれぞれ断面円形のカム挿入孔２３が形成されている。

図２に示したように一対のカムシャフト２４、２５が設けられており、各カムシャフト２４、２５上には一つおきに各カム挿入孔２３内に回転可能に挿入される円形カム２８が固定されている。これら円形カム２８は各カムシャフト２４、２５の回転軸線と共軸をなす。一方、各円形カム２８の両側には図３に示すように各カムシャフト２４、２５の回転軸線に対して偏心配置された偏心軸２７が延びており、この偏心軸２７上に別の円形カム２６が偏心して回転可能に取付けられている。図２に示したようにこれら円形カム２６は各円形カム２８の両側に配置されており、これら円形カム２６は対応する各カム挿入孔２１内に回転可能に挿入されている。

図３（Ａ）に示すような状態から各カムシャフト２４、２５上に固定された円形カム２８を図３（Ａ）において矢印で示したように互いに反対方向に回転させると偏心軸２７が互いに離れる方向に移動するために円形カム２６がカム挿入孔２１内において円形カム２８とは反対方向に回転し、図３（Ｂ）に示したように偏心軸２７の位置が高い位置から中間高さ位置となる。次いで更に円形カム２８を矢印で示した方向に回転させると図３（Ｃ）に示したように偏心軸２７は最も低い位置となる。

なお、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）にはそれぞれの状態における円形カム２８の中心ａと偏心軸２７の中心ｂと円形カム２６の中心ｃとの位置関係が示されている。

図３（Ａ）から図３（Ｃ）を比較するとわかるようにクランクケース２とシリンダブロック３の相対位置は円形カム２８の中心ａと円形カム２６の中心ｃとの距離によって定まり、円形カム２８の中心ａと円形カム２６の中心ｃとの距離が大きくなるほどシリンダブロック３はクランクケース２から離れる。すなわち、可変圧縮比機構Ａは回転するカムを用いたクランク機構によりクランクケース２とシリンダブロック３間の相対位置を変化させていることになる。シリンダブロック３がクランクケース２から離れるとピストン５が圧縮上死点に位置するときの燃焼室６の容積は増大し、したがって各カムシャフト２４、２５を回転させることによってピストン５が圧縮上死点に位置するときの燃焼室６の容積を変更することができる。

特に、図３に示した例では、図３（Ａ）に示した状態と図３（Ｂ）に示した状態との間でシリンダブロック３はクランクケース２に対してΔＤ₁だけ相対移動せしめられ、図３（Ｂ）に示した状態と図３（Ｃ）に示した状態との間でシリンダブロック３はクランクケースに対してΔＤ₂だけ相対移動せしめられる。

図２に示したように各カムシャフト２４、２５をそれぞれ反対方向に回転させるために駆動モータ２９の回転軸にはそれぞれ螺旋方向が逆向きの一対のウォーム３１、３２が取付けられており、これらウォーム３１、３２と噛合するウォームホイール３３、３４がそれぞれ各カムシャフト２４、２５の端部に固定されている。この実施形態では駆動モータ２９を駆動することによってピストン５が圧縮上死点に位置するときの燃焼室６の容積を広い範囲に亘って変更することができる。

図４は、クランクシャフトの出力に基づいて吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを駆動する駆動系統を概略的に示す図である。図からわかるように、吸気カムシャフト９の一端には周面上に歯を備えた平歯車（以下、「吸気弁側歯車」という）４１がその中心軸線が吸気カムシャフト９の軸線に一致するように取り付けられる。また、排気カムシャフト１２の一端には周面上に歯を備えた平歯車（以下、「排気弁側歯車」という）４２がその中心軸線が排気カムシャフト１２の軸線に一致するように取り付けられる。

一方、クランクケース２にはクランクシャフトが設けられる。クランクシャフトは、ピストン５の往復動によってその軸線回りで回転せしめられるようにクランクケース２に配置される。クランクシャフトの一端には歯車（以下、「クランクシャフト歯車」という）４３がその軸線がクランクシャフトの軸線に一致するように取り付けられる。したがって、クランクシャフトが回転するとクランクシャフト歯車４３はその中心軸線回りで回転する。

本実施形態の内燃機関では、中継歯車４４およびアイドラ歯車４５が設けられる。中継歯車４４はタイミング歯車４４ａ及びタイミングスプロケット４４ｂを具備する。タイミングスプロケット４４ｂはタイミング歯車４４ａの一方の側面上に固定される。タイミングスプロケット４４ｂはタイミング歯車４４ａと同軸に配置されると共に、タイミング歯車４４ａと一緒に回転せしめられる。

中継歯車４４はクランクシャフトと平行な軸線回りで回転せしめられる。また、本実施形態では、中継歯車４４は、シリンダブロック３がクランクケース２に対して相対的に移動する方向と同一方向に並進移動可能である。また、クランクシャフト歯車４３は並進移動ができないため、中継歯車４４は、シリンダブロック３がクランクケース２に対して相対的に移動する方向と同一方向に、クランクシャフト歯車４３に対して並進移動可能（すなわち、直線に沿うように移動可能）であるということができる。

特に、本実施形態では、中継歯車４４は、クランクケース２に対するシリンダブロック３の相対移動に伴って、クランクシャフト歯車４３に対して相対移動せしめられる。加えて、中継歯車４４は、シリンダブロック３がクランクケース２に対して相対移動した量と同一の量だけ、クランクシャフト歯車４３に対して相対移動せしめられる。したがって、シリンダブロック３がクランクケース２に対して或る量だけ上方に移動すると、それに伴って中継歯車４４もクランクシャフト歯車４３に対して同一の量だけ上方に移動せしめられる。シリンダブロック３がクランクケース２に対して或る量だけ下方に移動すると、それに伴って中継歯車４４もクランクシャフト歯車４３に対して同一の量だけ下方に移動せしめられる。

なお、上記実施形態では、中継歯車４４は、シリンダブロック３がクランクケース２に対して相対的に移動する方向と同一方向に並進移動可能であるが、必ずしもこの方向に並進移動可能でなくてもよく、クランクシャフト歯車４３に対する相対位置関係が変更できれば他の方向に並進移動可能（直線に沿うように移動可能）であってもよいし、或いは円弧状等、曲線に沿うように移動可能であってもよい。また、上記実施形態では、中継歯車４４は、シリンダブロック３がクランクケース２に対して相対移動した量と同一の量だけ、クランクシャフト歯車４３に対して相対移動せしめられているが、クランクシャフト歯車４３に対する中継歯車４４の相対移動量がクランクケース２に対するシリンダブロック３の相対移動量が比例していれば、必ずしも同一の量だけ相対移動せしめられなくてもよい。

アイドラ歯車４５はクランクシャフトと平行な軸線回りで回転せしめられる。また、本実施形態では、アイドラ歯車４５は、クランクシャフト歯車４３の中心Ｏ₁とアイドラ歯車４５の中心Ｏ₃との間の距離が一定に維持されるように、且つタイミング歯車４４ａの中心Ｏ₂とアイドラ歯車４５の中心Ｏ₃との間の距離が一定に維持されるように、支持される。したがって、アイドラ歯車４５は、クランクシャフト歯車４３及びタイミング歯車４４ａの両方に噛合するように支持されることになる。

特に、上述したように、中継歯車４４、すなわちタイミング歯車４４ａはクランクシャフト歯車４３に対して相対移動せしめられる。しかしながら、上述したようにアイドラ歯車４５はＯ₁、Ｏ₃間及びＯ₂、Ｏ₃間の距離が一定に維持されるように支持されるため、このようにタイミング歯車４４ａが相対移動しても、アイドラ歯車４５はクランクシャフト歯車４３及びタイミング歯車４４ａの両方に噛合した状態で維持される。

アイドラ歯車４５は常にクランクシャフト歯車４３及びタイミング歯車４４ａの両方に噛合しているため、クランクシャフト歯車４３が回転せしめられるとこれに伴ってアイドラ歯車４５が回転せしめられ、アイドラ歯車４５が回転せしめられるとこれに伴ってタイミング歯車４４ａが回転せしめられる。

なお、上記実施形態では、アイドラ歯車４５はクランクシャフト歯車４３及びタイミング歯車４４ａの両方に噛合しているが、これらは必ずしも噛合している必要はなく、例えばベルトやチェーン等を介して連結されていてもよい。ただし、いずれにせよ、アイドラ歯車４５は、中継歯車４４、すなわちタイミング歯車４４ａがクランクシャフト歯車４３に対して相対移動せしめられても、クランクシャフト歯車４３からタイミング歯車４４ａに回転を伝達することができることが必要である。

吸気弁側歯車４１、排気弁側歯車４２及び中継歯車４４のタイミングスプロケット４４ｂにはタイミングチェーン４６が巻回される。したがって、中継歯車４４、すなわちタイミングスプロケット４４ｂが回転せしめられると、タイミングチェーン４６を介して吸気弁側歯車４１と排気弁側歯車４２とが回転せしめられる。すなわち、タイミングスプロケット４４ｂの回転は、タイミングチェーン４６及び吸気弁側歯車４１を介して吸気カムシャフト９に伝達されると共に、タイミングチェーン４６及び排気弁側歯車４２を介して排気カムシャフト１２に伝達される。

図５は、クランクケース２に対するシリンダブロック３の相対移動に伴って、クランクシャフト歯車４３に対してタイミング歯車４４ａが相対移動する様子を示している。図中のＸは、内燃機関のシリンダの軸線と平行であってクランクシャフト歯車４３の中心Ｏ₁を通る直線を示しており、シリンダブロック３はこの軸線Ｘに沿ってクランクケース２に対して相対移動する。一方、図中のＹは、軸線Ｘと平行に延びる直線であり、タイミング歯車４４ａはクランクシャフト歯車４３に対してこの直線Ｙに沿って相対移動する。回転の様子を分かり易くするために、図５の各歯車にはタイミングマークが設けられている。タイミングマークは、各歯車の同一位置に設けられ、各歯車の回転に伴って周方向に移動する。

なお、以下の説明では、説明を簡単にするため、軸線Ｘが鉛直に延びている場合、すなわち内燃機関のシリンダの軸線が鉛直方向に延びている場合を例にとって説明する。しかしながら、内燃機関のシリンダの軸線は必ずしも鉛直方向に延びている必要はなく、鉛直方向から傾いた方向や水平方向等、様々な方向に延びていてもよい。

図５（Ａ）は、シリンダブロック３がクランクケース２に対して最も離れて位置している場合、すなわち可変圧縮比機構Ａが図３（Ａ）に示した状態となっている場合における、クランクシャフト歯車４３、タイミング歯車４４ａ及びアイドラ歯車４５の相対位置関係を示している。図５（Ａ）に示した状態では、タイミング歯車４４ａは、タイミング歯車４４ａが移動可能な直線Ｙ上の範囲のうち最も上方に位置している。このとき、タイミング歯車４４ａの中心Ｏ₂は、クランクシャフト歯車４３の中心Ｏ₁から軸線Ｘに対して垂直に延びる直線（図５中の破線Ｚ）よりも上方に位置する。また、アイドラ歯車４５は、クランクシャフト歯車４３及びタイミング歯車４４ａの両方に噛合せしめられる。

図５（Ｂ）は、シリンダブロック３がクランクケース２に対して移動可能な範囲内の中間位置にある場合、すなわち可変圧縮比機構Ａが図３（Ｂ）に示した状態となっている場合における、クランクシャフト歯車４３、タイミング歯車４４ａ及びアイドラ歯車４５の相対位置関係を示している。図５（Ｂ）に示した状態では、タイミング歯車４４ａは、タイミング歯車４４ａが移動可能な直線Ｙ上の範囲のうち中間に位置している。このとき、タイミング歯車４４ａの中心Ｏ₂は、クランクシャフト歯車４３の中心Ｏ₁から軸線Ｘに対して垂直に延びる直線Ｚ上に位置する。換言すると、このとき、タイミング歯車４４ａの移動方向がクランクシャフト歯車４３の中心Ｏ₁とタイミング歯車４４ａの中心Ｏ₂とを結んだ直線と垂直になっているといえる。また、アイドラ歯車４５は、クランクシャフト歯車４３及びタイミング歯車４４ａの両方に噛合せしめられる。

本実施形態では、図５（Ａ）に示した状態から図５（Ｂ）に示した状態へ変化する際のタイミング歯車４４ａの移動量Δｄ₁は、図３（Ａ）に示した状態と図３（Ｂ）に示した状態との間におけるクランクケース２に対するシリンダブロック３の相対移動量ΔＤ₁に等しい。このため、図３（Ａ）及び図５（Ａ）に示した状態から図３（Ｂ）及び図５（Ｂ）に示した状態に変化しても、吸気弁側歯車４１、排気弁側歯車４２及びタイミング歯車４４ａ間の相対位置関係は変化しない。

また、クランクシャフト歯車４３を固定して（回転しないものとして）考えると、図５（Ａ）に示した状態から図５（Ｂ）に示した状態へ変化する際にアイドラ歯車４５は図５（Ａ）に矢印で示した方向（右回り）に回転せしめられる。このことは、アイドラ歯車４５に設けられたタイミングマークが、図５（Ａ）に示した状態では左斜め上向きであるのに対して図５（Ｂ）では上向きであることからも明らかである。

一方、図５（Ａ）に示した状態から図５（Ｂ）に示した状態へ変化する際にタイミング歯車４４ａはほとんど回転せしめられない。すなわち、タイミング歯車４４ａはアイドラ歯車４５の回転に伴って図５（Ａ）の矢印と同一方向（右回り）に回転する。加えて、タイミング歯車４４ａはアイドラ歯車４５回りで周方向に回転し、これに伴ってタイミング歯車４４ａは図５（Ａ）の矢印とは反対方向（左回り）に回転する。これらの回転を合わせると、タイミング歯車４４ａは結果的にほとんど回転せしめられない。

このように、本実施形態では、図３（Ａ）及び図５（Ａ）に示した状態から図３（Ｂ）及び図５（Ｂ）に示した状態に変化しても、吸気弁側歯車４１、排気弁側歯車４２及びタイミング歯車４４ａ間の相対位置関係は変化せず、またタイミング歯車４４ａも結果的にほとんど回転せしめられない。

図５（Ｃ）は、シリンダブロック３がクランクケース２に対して最も近づいて位置している場合、すなわち可変圧縮比機構Ａが図３（Ｃ）に示した状態となっている場合における、クランクシャフト歯車４３、タイミング歯車４４ａ及びアイドラ歯車４５の相対位置関係を示している。図５（Ｃ）に示した状態では、タイミング歯車４４ａは、タイミング歯車４４ａが移動可能な直線Ｙ上の範囲のうち最も下方に位置している。このとき、タイミング歯車４４ａの中心Ｏ₂は、クランクシャフト歯車４３の中心Ｏ₁から軸線Ｘに対して垂直に延びる直線（図５中の破線Ｚ）よりも下方に位置する。また、アイドラ歯車４５は、クランクシャフト歯車４３及びタイミング歯車４４ａの両方に噛合せしめられる。

本実施形態では、図５（Ｂ）に示した状態から図５（Ｃ）に示した状態へ変化する際のタイミング歯車４４ａの移動量Δｄ₂は、図３（Ｂ）に示した状態と図３（Ｃ）に示した状態との間におけるクランクケース２に対するシリンダブロック３の相対移動量ΔＤ₂に等しい。このため、図３（Ｂ）及び図５（Ｂ）に示した状態から図３（Ｃ）及び図５（Ｃ）に示した状態に変化しても、吸気弁側歯車４１、排気弁側歯車４２及びタイミング歯車４４ａ間の相対位置関係は変化しない。

また、クランクシャフト歯車４３を固定して考えると、図５（Ｂ）に示した状態から図５（Ｃ）に示した状態へ変化する際にアイドラ歯車４５は図５（Ｂ）に矢印で示した方向（右回り）に回転せしめられる。このことは、アイドラ歯車４５に設けられたタイミングマークが、図５（Ａ）に示した状態では上向きであるのに対して図５（Ｂ）では右斜め上向きであることからも明らかである。

一方、図５（Ｂ）に示した状態から図５（Ｃ）に示した状態へ変化する際にタイミング歯車４４ａはほとんど回転せしめられない。すなわち、タイミング歯車４４ａはアイドラ歯車４５の回転に伴って図５（Ｂ）の矢印と同一方向（右回り）に回転する。加えて、タイミング歯車４４ａはアイドラ歯車４５回りで周方向に回転し、これに伴ってタイミング歯車４４ａは図５（Ｂ）の矢印とは反対方向（左回り）に回転する。これらの回転を合わせると、タイミング歯車４４ａは結果的にほとんど回転せしめられない。

このように、本実施形態では、図３（Ｂ）及び図５（Ｂ）に示した状態から図３（Ｃ）及び図５（Ｃ）に示した状態に変化しても、吸気弁側歯車４１、排気弁側歯車４２及びタイミング歯車４４ａ間の相対位置関係は変化せず、またタイミング歯車４４ａも結果的にほとんど回転せしめられない。

次に、図５（Ａ）から図５（Ｃ）に示したようにタイミング歯車４４ａが鉛直方向に並進移動したときのタイミング歯車４４ａの位相変化について説明する。

ここで、アイドラ歯車４５がクランクシャフト歯車４３の周方向に移動した角度（公転角度）をΔθ₃₁、アイドラ歯車４５がクランクシャフト歯車４３の周方向に移動するのに伴って自ら回転した角度（自転角度）をΔθ₃₃とする。また、タイミング歯車４４ａがアイドラ歯車４５の周方向に移動した公転角度をΔθ₂₃、タイミング歯車４４ａがアイドラ歯車４５の周方向に移動するのに伴って自ら回転した自転角度をΔθ₂₂とする。

図６を参照して自転角度及び公転角度についてより詳細に説明する。図６は、クランクシャフト歯車４３とアイドラ歯車４５とを概略的に示している。図中の破線は移動前のアイドラ歯車４５の位置であり、このときタイミングマークはクランクシャフト歯車４３の方を向いた状態となっている。一方、実線は移動後のアイドラ歯車４５の位置であり、このときタイミングマークはクランクシャフト歯車４３の方よりも下向きの状態となっている。

図６からわかるように、アイドラ歯車４５はクランクシャフト歯車４３の周方向にΔθ₃₁だけ回転し、この回転角度が公転角度である。また、この回転に伴ってタイミングマークはΔθ₃₁＋Δθ₃₃だけ回転しており、このうちのΔθ₃₃が自転角度に相当する。

上述したようにアイドラ歯車４５及びタイミング歯車４４ａの各角度を表すと、タイミング歯車４４ａが鉛直方向に並進移動したときのタイミング歯車４４ａの最終的な回転角度（位相変化）Δθ₂は下記式（１）のように表すことができる。
Δθ₂＝Δθ₃₁＋Δθ₃₃＋Δθ₂₃＋Δθ₂₂ …（１）

ここで、クランクシャフト歯車４３、アイドラ歯車４５、タイミング歯車４４ａの歯数又はピッチ円半径をそれぞれｒ₁、ｒ₂、ｒ₃とし、タイミング歯車４４ａが下限位置にあるときの鉛直方向に対する線分Ｏ₁−Ｏ₃の角度をθ₁、タイミング歯車４４ａが下限位置にあるときの鉛直方向に対する線分Ｏ₃−Ｏ₂の角度をθ₃とすると、式（１）は下記式（２）のように変形することができ、また、式（３）が成立する。
Δθ₂＝Δθ₃₁（１＋ｒ₂／ｒ₁）＋Δθ₂₃（１＋ｒ₃／ｒ₂） …（２）
Δθ₂₂＝Sin^-1(Sin(θ₃＋（r₁+r₂)/(r₂+r₃)・(Sinθ₁-Sin(θ₁+Δθ₃₁))))-(θ₃-2・Δθ₃₁)
…（３）

これら式（２）、（３）より、Δθ₂は、３つの歯車４３、４４ａ、４５のピッチ円半径（又は歯数）と、タイミング歯車４４ａが下限位置にあるときの鉛直方向に対する線分Ｏ₁−Ｏ₃の角度θ₁と、タイミング歯車４４ａが下限位置にあるときの鉛直方向に対する線分Ｏ₃−Ｏ₂の角度θ₃とが分かれば、タイミング歯車４４ａの並進方向における移動量とタイミング歯車４４ａの回転角度との関係がわかる。これを図７に示す。

図７は、図５（Ｂ）に示したタイミング歯車４４ａの位置を移動量０としたときの、タイミング歯車４４ａの移動量とタイミング歯車４４ａの回転角度との関係を示す図である。図７の表は、上記式（２）、（３）に基づいて算出したものであり、ｒ₁＝ｒ₂＝ｒ₃＝２５ｍｍ、θ₁＝３３°、θ₃＝３４°とし、必要な圧縮比変化幅（例えば、１０〜２０と仮定）を得るためのシリンダブロックのリフト量（すなわちタイミング歯車４４ａの移動量）を８ｍｍとしている。図７からわかるように、本実施形態では、タイミング歯車４４ａが上下にそれぞれ４ｍｍ程度移動してもタイミング歯車４４ａの回転角度Δθ₂は僅か±０．１２°となる。したがって、本実施形態によれば、タイミング歯車４４ａを並進移動させてもタイミング歯車４４ａの位相はほとんど変化しない。

なお、上記構成とは異なる構成を採用した場合におけるタイミング歯車４４ａの移動量と、タイミング歯車４４ａの回転角度との関係を示す。図８は、内燃機関のシリンダの軸線と平行であってクランクシャフト歯車４３の中心Ｏ₁を通る軸線Ｘ上で、タイミング歯車４４ａの中心が移動するようにクランクシャフト歯車４３、タイミング歯車４４ａ及びアイドラ歯車４５が構成された例を示している。図８（Ａ）では、タイミング歯車４４ａは移動可能な範囲のうち最も下方に位置しており、図８（Ｂ）では、タイミング歯車４４ａは移動可能な範囲のうち最も上方に位置している。

図９は、クランクシャフト歯車４３、タイミング歯車４４ａ及びアイドラ歯車４５がこのように構成された場合の、タイミング歯車４４ａの並進方向における移動量とタイミング歯車４４ａの回転角度との関係を示している。図９からわかるように、本実施形態では、タイミング歯車４４ａが上下にそれぞれ３ｍｍ程度移動するとタイミング歯車４４ａの回転角度Δθ₂は±１１°以上となる。このように、大きな角度変化を生じる理由は、図５に示した例では式（１）においてアイドラ歯車４５の公転角度Δθ₃₁と自転角度Δθ₃₃から事実上タイミング歯車４４ａの公転角度Δθ₂₃と自転角度Δθ₂₂が減算されるのに対して、図９に示した例では式（１）においてアイドラ歯車４５の公転角度Δθ₃₁及び自転角度Δθ₃₃、タイミング歯車４４ａの公転角度Δθ₂₃及び自転角度Δθ₂₂全てが加算されるためである。

したがって、タイミング歯車４４ａが相対移動してもタイミング歯車４４ａの位相がほとんど変化しないようにするという観点からは、タイミング歯車４４ａの直線Ｙ上の移動可能な範囲内に、タイミング歯車４４ａの移動方向（Ｙ）がクランクシャフト歯車４３とタイミング歯車４４ａの中心Ｏ₁、Ｏ₂間を結んだ直線（Ｚ）と垂直になる位置が含まれるように、クランクシャフト歯車４３、タイミング歯車４４ａ、アイドラ歯車４５を構成することが必要となる。

また、図５に示した例では、タイミング歯車４４ａが上下にそれぞれ４ｍｍ程度移動してもタイミング歯車４４ａの回転角度θ₂はわずか０．１２°であるのに対して、図９に示した例では、タイミング歯車４４ａが上下にそれぞれ３ｍｍ程度移動するとタイミング歯車４４ａの回転角度Δθ₂は±１１°以上となる。したがって、クランクシャフト歯車４３、タイミング歯車４４ａ、アイドラ歯車４５の配置を適宜選択することにより、タイミング歯車４４ａに対するタイミング歯車４４ａの回転角度を所望の値にすることができる。

次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態の可変圧縮比内燃機関の構成は基本的に第一実施形態の可変圧縮比内燃機関の構成と同様である。しかしながら、第一実施形態の可変圧縮比内燃機関では、タイミング歯車４４ａの移動方向Ｙがクランクシャフト歯車４３とタイミング歯車４４ａとの中心間を結んだ直線（Ｏ₁−Ｏ₂）と垂直になる位置が、タイミング歯車４４ａの移動可能な線状の範囲の中央となっていた。これに対して、第二実施形態の可変圧縮比内燃機関では、タイミング歯車４４ａの移動方向Ｙがクランクシャフト歯車４３とタイミング歯車４４ａとの中心間を結んだ直線（Ｏ₁−Ｏ₂）と垂直になる位置が、タイミング歯車４４ａの移動可能な直線Ｙ上の範囲の最も上方（上限）とされる。

図１０は、本実施形態において、クランクシャフト歯車に対してタイミング歯車が相対移動する様子を概略的に示す図である。図１０（Ａ）は、シリンダブロック３がクランクケース２に対して最も離れて位置している場合、すなわち可変圧縮比機構Ａが図３（Ａ）に示した状態となっている場合における、クランクシャフト歯車４３、タイミング歯車４４ａ及びアイドラ歯車４５の相対位置関係を示している。図１０（Ａ）に示した状態では、タイミング歯車４４ａは、タイミング歯車４４ａが移動可能な直線Ｙ上の範囲のうち最も上方に位置している。このとき、タイミング歯車４４ａの中心Ｏ₂は、クランクシャフト歯車４３の中心Ｏ₁から軸線Ｘに対して垂直に延びる直線（図１０中の破線Ｚ）上に位置する。

図１０（Ｂ）は、シリンダブロック３がクランクケース２に対して移動可能な範囲内の中間位置にある場合、すなわち可変圧縮比機構Ａが図３（Ｂ）に示した状態となっている場合における、クランクシャフト歯車４３、タイミング歯車４４ａ及びアイドラ歯車４５の相対位置関係を示している。図１０（Ｂ）に示した状態では、タイミング歯車４４ａは、タイミング歯車４４ａが移動可能な範囲のうち中間に位置している。このとき、タイミング歯車４４ａの中心Ｏ₂は、クランクシャフト歯車４３の中心Ｏ₁から軸線Ｘに対して垂直に延びる直線Ｚよりも下方に位置する。

図１０（Ｃ）は、シリンダブロック３がクランクケース２に対して最も近づいて位置している場合、すなわち可変圧縮比機構Ａが図３（Ｃ）に示した状態となっている場合における、クランクシャフト歯車４３、タイミング歯車４４ａ及びアイドラ歯車４５の相対位置関係を示している。図１０（Ｃ）に示した状態では、タイミング歯車４４ａは、タイミング歯車４４ａが移動可能な範囲のうち最も下方に位置している。このとき、タイミング歯車４４ａの中心Ｏ₂は、クランクシャフト歯車４３の中心Ｏ₁から軸線Ｘに対して垂直に延びる直線Ｚよりもかなり下方に位置する。

タイミング歯車４４ａがこのように並進移動した場合の、タイミング歯車４４ａの移動量とそれに伴うタイミング歯車４４ａの回転角度との関係は図１１に示したようになる。すなわち、タイミング歯車４４ａが相対的に上方に移動するほどタイミング歯車４４ａは進角側に回転せしめられる。換言すると、本実施形態では、シリンダブロック３が上昇して機械圧縮比が低くなるにつれて、吸気弁８のバルブタイミング（開弁時期及び閉弁時期）が進角せしめられることになる。

図１１の表は、上記式（２）、（３）に基づいて算出したものであり、タイミング歯車４４ａが中間位置（図１２（Ｂ）に示した位置）にあるときのθ₁＝２３°、θ₃＝４４°とし、必要な圧縮比変化幅（例えば、１０〜２０と仮定）を得るためのシリンダブロックのリフト量（すなわちタイミング歯車４４ａの移動量）が８ｍｍとしている。図１１からわかるように、タイミング歯車４４ａが８ｍｍ上昇すると、タイミング歯車４４ａが約３°進角せしめられる。

ここで、機関回転数が低いときに高いトルクを発生させることができるように内燃機関の設計を行う場合には、機関負荷が高いほど機械圧縮比を低下させることが必要になると共に、機関負荷が高いほど吸気弁８のバルブタイミングを進角することで吸入空気量を増大させることができる。このため、斯かる内燃機関の設計を行う場合には、本実施形態のように歯車を配置することが有効である。これにより、機械圧縮比の変化に伴って油圧式バルブタイミング機構等によってバルブタイミングを変化させる場合には、油圧式バルブタイミング機構によってバルブタイミングを変化させるべき量を減少させることができ、その結果、吸気弁８のバルブタイミングの応答性を高めることができる。

なお、タイミング歯車４４ａの移動可能な範囲のうち最も上方の位置が直線Ｚよりも下方であれば、タイミング歯車４４ａが相対的に上方に移動するほどタイミング歯車４４ａは進角側に回転せしめられることになる。したがって、上記第二実施形態では、タイミング歯車４４ａの移動可能な範囲のうち最も上方の位置が直線Ｚ上とされているが、タイミング歯車４４ａの移動可能な範囲のうち最も上方の位置が直線Ｚよりも下方であれば他の位置になるように構成されてもよい。

次に、本発明の第三実施形態について説明する。第三実施形態の可変圧縮比内燃機関の構成は基本的に第一実施形態の可変圧縮比内燃機関の構成と同様である。ただし、第三実施形態の可変圧縮比内燃機関では、タイミング歯車４４ａの移動方向Ｙがクランクシャフト歯車４３とタイミング歯車４４ａとの中心間を結んだ直線（Ｏ₁−Ｏ₂）と垂直になる位置が、タイミング歯車４４ａの移動可能な直線Ｙ上の範囲の最も下方（下限）とされる。

図１２は、本実施形態において、クランクシャフト歯車に対してタイミング歯車が相対移動する様子を概略的に示す図である。図１２（Ａ）、は、シリンダブロック３がクランクケース２に対して最も近づいて位置している場合、すなわち可変圧縮比機構Ａが図３（Ｃ）に示した状態となっている場合における、クランクシャフト歯車４３、タイミング歯車４４ａ及びアイドラ歯車４５の相対位置関係を示している。図１２（Ａ）に示した状態では、タイミング歯車４４ａは、タイミング歯車４４ａが移動可能な範囲のうち最も上方に位置している。このとき、タイミング歯車４４ａの中心Ｏ₂は、クランクシャフト歯車４３の中心Ｏ₁から軸線Ｘに対して垂直に延びる直線Ｚ上に位置する。

図１２（Ｂ）は、シリンダブロック３がクランクケース２に対して移動可能な範囲内の中間位置にある場合、すなわち可変圧縮比機構Ａが図３（Ｂ）に示した状態となっている場合における、クランクシャフト歯車４３、タイミング歯車４４ａ及びアイドラ歯車４５の相対位置関係を示している。図１２（Ｂ）に示した状態では、タイミング歯車４４ａは、タイミング歯車４４ａが移動可能な範囲のうち中間に位置している。このとき、タイミング歯車４４ａの中心Ｏ₂は、クランクシャフト歯車４３の中心Ｏ₁から軸線Ｘに対して垂直に延びる直線Ｚよりも上方に位置する。

図１２（Ｃ）は、シリンダブロック３がクランクケース２に対して最も離れて位置している場合、すなわち可変圧縮比機構Ａが図３（Ａ）に示した状態となっている場合における、クランクシャフト歯車４３、タイミング歯車４４ａ及びアイドラ歯車４５の相対位置関係を示している。図１２（Ｃ）に示した状態では、タイミング歯車４４ａは、タイミング歯車４４ａが移動可能な範囲のうち最も下方に位置している。このとき、タイミング歯車４４ａの中心Ｏ₂は、クランクシャフト歯車４３の中心Ｏ₁から軸線Ｘに対して垂直に延びる直線Ｚよりもかなり上方に位置する。

タイミング歯車４４ａがこのように並進移動した場合の、タイミング歯車４４ａの移動量とそれに伴うタイミング歯車４４ａの回転角度との関係は図１３に示したようになる。すなわち、タイミング歯車４４ａが相対的に上方に移動するほどタイミング歯車４４ａは遅角側に回転せしめられる。換言すると、本実施形態では、シリンダブロック３が上昇して機械圧縮比が低くなるにつれて、吸気弁８のバルブタイミング（開弁時期及び閉弁時期）が遅角せしめられることになる。

図１３の表は、上記式（２）、（３）に基づいて算出したものであり、タイミング歯車４４ａが中間位置（図１２（Ｂ）に示した位置）にあるときのθ₁＝４３°、θ₃＝２４°とし、必要な圧縮比変化幅（例えば、１０〜２０と仮定）を得るためのシリンダブロックのリフト量（すなわちタイミング歯車４４ａの移動量）を８ｍｍとしている。図１３からわかるように、タイミング歯車４４ａが８ｍｍ上昇すると、タイミング歯車４４ａが約３°遅角せしめられる。

ここで、機関回転数が高いときに高い出力を発生させることができるように内燃機関の設計を行う場合には、機関負荷が高いほど機械圧縮比を低下させることが必要になると共に、機関負荷が高いほど吸気弁８のバルブタイミングを遅角することで慣性過給効果により吸入空気量を増大させることができる。このため、斯かる内燃機関の設計を行う場合には、本実施形態のように歯車を配置することが有効である。これにより、機械圧縮比の変化に伴って油圧式バルブタイミング機構等によってバルブタイミングを変化させる場合には、油圧式バルブタイミング機構によってバルブタイミングを変化させるべき量を減少させることができ、その結果、吸気弁８のバルブタイミングの応答性を高めることができる。

なお、タイミング歯車４４ａの移動可能な範囲のうち最も下方の位置が直線Ｚよりも上方であれば、タイミング歯車４４ａが相対的に上方に移動するほどタイミング歯車４４ａは遅角側に回転せしめられることになる。したがって、上記第三実施形態では、タイミング歯車４４ａの移動可能な範囲のうち最も下方の位置が直線Ｚ上とされているが、タイミング歯車４４ａの移動可能な範囲のうち最も下方の位置が直線Ｚよりも上方であれば他の位置になるように構成されてもよい。

また、上記第二実施形態と第三実施形態とを考えると、タイミング歯車４４ａが直線的に移動可能な範囲内には、タイミング歯車４４ａの移動方向がクランクシャフト歯車４３とタイミング歯車４４ａの中心間を結んだ直線と垂直になる位置が含まれないようにすることで、タイミング歯車４４ａが相対的に上方に移動するほどタイミング歯車４４ａを進角側又は遅角側に回転（位相変化）させることができるといえる。

１内燃機関
２クランクケース
３シリンダブロック
４シリンダヘッド
５ピストン
６燃焼室
８吸気弁
９吸気カムシャフト
１１排気弁
１２排気カムシャフト
４１吸気弁側歯車
４２排気弁側歯車
４３クランクシャフト歯車
４４中継歯車
４４ａタイミング歯車
４５アイドラ歯車

Claims

内燃機関のクランクケースに対してシリンダブロック組立体を相対移動させることで機械圧縮比を変更することができる可変圧縮比内燃機関において、
前記シリンダブロック組立体に配置された吸気弁又は排気弁を駆動するカムを備えたカムシャフトと、前記クランクケースに配置されたクランクシャフトと、該クランクシャフトからの駆動力が伝達される第一歯車と、前記クランクケースに対する前記シリンダブロックの相対移動に伴って第一歯車に対して相対移動すると共にカムシャフトに駆動力を伝達する第二歯車と、前記第一歯車及び第二歯車のそれぞれと噛み合うか又はこれら第一歯車及び第二歯車のそれぞれとベルトを介して連結された第三歯車とを具備し、
前記第三歯車は、第一歯車から第二歯車へと駆動力を伝達すると共に、前記第一歯車と第三歯車との中心間距離が一定になるように且つ前記第二歯車と第三歯車との中心間距離が一定になるように支持される、可変圧縮比内燃機関。
前記第二歯車は、前記クランクケースに対する前記シリンダブロックの相対移動に伴って、前記第一歯車に対して直線又は曲線に沿うように相対的に移動可能であり、前記直線又は曲線に沿って第二歯車が移動可能な範囲内に、前記第二歯車の移動方向が前記第一歯車と前記第二歯車の中心間を結んだ直線と垂直になる位置が含まれる、請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。
前記第二歯車の移動方向が前記第一歯車と前記第二歯車との中心間を結んだ直線と垂直になる位置は、前記第二歯車が移動可能な線状の範囲の中央である、請求項２に記載の可変圧縮比内燃機関。
前記第二歯車の移動方向が前記第一歯車と前記第二歯車との中心間を結んだ直線と垂直になる位置は、前記第二歯車が移動可能な線状の範囲のうちの一方の端部である、請求項２に記載の可変圧縮比内燃機関。
前記第二歯車は、前記クランクケースに対する前記シリンダブロックの相対移動に伴って、シリンダブロックの相対移動方向と平行な方向において前記第一歯車に対して相対的に直線的に移動可能であり、前記第二歯車が直線的に移動可能な範囲内には、前記第二歯車の移動方向が前記第一歯車と前記第二歯車の中心間を結んだ直線と垂直になる位置が含まれない、請求項１に記載の可変圧縮比内燃機関。