JP5625732B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明はエンジンに関し、特に二重構造のカムシャフトを備えるエンジンに関する。

エンジンのカムシャフトとして、二重構造のカムシャフトが知られている。特許文献１では、相対的な位相を変更可能なアウタカム軸およびインナカム軸を備えた動弁装置が開示されている。特許文献２では、内部シャフトおよび外部シャフトが互いに対して回転可能な可変カムシャフトが開示されている。

特許文献３では、機関圧縮比を可変にするとともに、吸気弁を遅閉じにする超高膨張比サイクルで運転を行う火花点火式内燃機関が開示されている。

特開２００９−１４４５２１号公報 特表２０１０−５０２８８４号公報 特開２００８−２７４９６２号公報

図６は二重構造のカムシャフト５０を例示する図である。カムシャフト５０は第１の駆動部６１と、外部カムシャフト６２と、第１のカム６３と、第２の駆動部７１と、内部カムシャフト７２と、第２のカム７３を備えている。第１の駆動部６１は第１のアクチュエータ６１１を、第２の駆動部７１は第２のアクチュエータ７１１を備えている。

カムシャフト５０の位相変更動作は以下の通りである。すなわち、第１のアクチュエータ６１１が、外部カムシャフト６２を駆動することで、第２の駆動部７１を介して内部カムシャフト７２を駆動する。そしてこれにより、カム６３、７３の位相を同時に変更する。また、第２のアクチュエータ７１１が、内部カムシャフト７２を駆動することで、第１のカム６３に対する第２のカム７３の位相を変更する。カムシャフト５０は、両端に設けたアクチュエータ６１１、７１１で吸気または排気うち、いずれか一方を行う機関弁である同種の機関弁の位相を相対的に変更することができる。

図７は第２のカム７３の結合構造を示す図である。外部カムシャフト６２には周方向に沿って長穴６２ａが形成されている。そして、第２のカム７３は外部カムシャフト６２上を周方向に摺動可能に設けられるとともに、長穴６２ａを通じて内部カムシャフト７２と結合手段である結合ピンＰで結合される。このため、第２のカム７３の位相を単独で大きく変更したい場合、その分、長穴６２ａを周方向に沿って長く形成する必要がある。

ところが、外部カムシャフト６２の剛性は長穴６２ａを長く形成する分、低下する。また、同種の機関弁の位相を相対的に変更する場合、第２のカム７３の最終的な位相は両端に設けられたアクチュエータ６１１、７１１によって決定される。このため、第２のカム７３に対応する機関弁は、両端に設けられたアクチュエータ６１１、７１１の位相制御精度が反映される分、定常時の位相精度が低くなる。

本発明は上記課題に鑑み、同種の機関弁の相対的な位相を変更するにあたり、外部カムシャフトの剛性を高めることや、機関弁の定常時の位相精度を高めることが可能な二重構造のカムシャフトを備えるエンジンを提供することを目的とする。

本発明は燃焼室に対して設けられ、吸気または排気のうち、一方を行う複数の第１の機関弁、および前記燃焼室に対して設けられ、吸気または排気のうち、他方を行う第２の機関弁と、前記第１の機関弁側に設けられるとともに、第１のカムを備える第１のカムシャフトと、前記第２の機関弁側に設けられるとともに、外部カムシャフトと、前記外部カムシャフトの内部に相対回転可能に挿入された内部カムシャフトと、前記外部カムシャフトに設けられ、前記第２の機関弁を作動させる外部カムと、前記外部カムシャフト上を周方向に摺動可能に設けられるとともに、前記内部カムシャフトに結合される第２のカムと、を備える第２のカムシャフトと、前記第１のカムシャフトの位相を変更可能な第１の位相変更手段と、前記外部カムシャフトに対する前記内部カムシャフトの位相を変更可能な第２の位相変更手段と、を備え、前記第１の機関弁のうち、一部の機関弁を前記第１のカムで作動させるとともに、前記第２のカムの作動を前記第１の機関弁のうち、他の機関弁に伝達する伝達手段を介して、前記他の機関弁を前記第２のカムで作動させるエンジンである。

また本発明は前記第１の機関弁が吸気弁であるとともに、前記第２の機関弁が排気弁であり、前記第１の位相変更手段が、前記一部の機関弁を遅開きにするとともに、前記第２の位相変更手段が、前記他の機関弁を早開きにする構成であることが好ましい。

また本発明は機関圧縮比を可変にする可変圧縮比機構をさらに備え、前記第１の位相変更手段が、前記一部の機関弁を遅開きにするとともに、前記第２の位相変更手段が、前記他の機関弁を早開きにする場合に、前記可変圧縮比機構が機関圧縮比を高める構成であることが好ましい。

また本発明は前記一部の機関弁の位相可変量が、前記他の機関弁の位相可変量よりも大きい構成であることが好ましい。

本発明によれば、同種の機関弁の相対的な位相を変更するにあたり、外部カムシャフトの剛性を高めることや、機関弁の定常時の位相精度を高めることができる。

エンジンの概略構成図である。 可変圧縮比機構を示す図である。 吸気弁に適用されるバルブタイミングを示す図である。 長穴に必要な角度範囲を説明する図である。 吸気弁の位相可変量を説明する図である。 二重構造のカムシャフトを例示する図である。 第２のカムの結合構造を示す図である。

図面を用いて、本発明の実施例について説明する。

図１はエンジン１の概略構成図である。エンジン１は火花点火式内燃機関であり、複数の吸気弁２と排気弁３とを備えている。吸気弁２および排気弁３は１つの燃焼室Ｅに対して２つずつ設けられている。エンジン１では、吸気弁２が第１の機関弁に相当し、排気弁３が第２の機関弁に相当する。

エンジン１は、第１および第２のカムシャフト１０、２０を備えている。第１のカムシャフト１０は吸気弁２側に、第２のカムシャフト２０は排気弁３側に設けられている。第１のカムシャフト１０は第１のカム１１を備えている。

第２のカムシャフト２０は二重構造のカムシャフトであり、外部カムシャフト２１と、内部カムシャフト２２と、外部カム２３と、第２のカム２４とを備えている。外部カムシャフト２１は中空構造を有している。内部カムシャフト２２は外部カムシャフト２１の内部に相対回転可能に挿入されている。外部カム２３は外部カムシャフト２１に設けられている。外部カム２３は排気弁３それぞれに対応させて設けられており、排気弁３それぞれを作動させる。排気弁３の位相は固定となっている。

第２のカム２４は外部カムシャフト２１上を周方向に摺動可能に設けられている。第２のカム２４は内部カムシャフト２２と結合されている。第２のカム２４の結合構造自体は図６に示す結合構造と同様である。すなわち、第２のカム２４は外部カムシャフト２１に周方向に沿って設けられた長穴２１ａ（図１において図示省略）を通じて、内部カムシャフト２２と前述した結合ピンＰで結合される。

エンジン１は第１のＶＶＴ（Variable Valve Timing）３０と第２のＶＶＴ４０とを備えている。第１のＶＶＴ３０は第１のカムシャフト１０の位相を変更可能な第１の位相変更手段に相当する。第２のＶＶＴ４０は外部カムシャフト２１に対する内部カムシャフト２２の位相を変更可能な第２の位相変更手段に相当する。なお、第２のＶＶＴ４０および外部カム２３には、互いに結合されていることが視覚的にわかるように外部カムシャフト２１と同様のハッチングを施している。

エンジン１は、吸気弁２として第１および第２の吸気弁２ａ、２ｂを備えている。これに対し、第１のカム１１は第１の吸気弁２ａに対応させて、第２のカム２４は第２の吸気弁２ｂに対応させて設けられている。すなわち、エンジン１は第１のカム１１で第１の吸気弁２ａを作動させ、第２のカム２４で第２の吸気弁２ｂを作動させる。

第２のカム２４で第２の吸気弁２ｂを作動させるにあたり、エンジン１は第２のカム２４の作動を第２の吸気弁２ｂに伝達するロッカーアーム４を備えている。したがって、エンジン１はロッカーアーム４を介して第２の吸気弁２ｂを第２のカム２４で作動させる。ロッカーアーム４は伝達手段に相当する。

このように構成されたエンジン１は、第１のＶＶＴ３０で第１の吸気弁２ａの位相を単独で変更可能にしている。また、第２のＶＶＴ４０で第２の吸気弁２ｂの位相を単独で変更可能にしている。そしてこれにより、同種の機関弁である吸気弁２の相対的な位相を変更可能にしている。

図２は可変圧縮比機構５を示す図である。エンジン１は、可変圧縮比機構５とシリンダブロック６とクランクケース７とを備えている。可変圧縮比機構５は、シリンダブロック６とクランクケース７との間に設けられている。可変圧縮比機構５は、シリンダブロック６をクランクケース７に対して上下方向に移動させる。

可変圧縮比機構５が、シリンダブロック６を上方に移動させると、燃焼室Ｅの容積が大きくなる。結果、機関圧縮比が小さくなる。逆にシリンダブロック６を下方に移動させると、燃焼室Ｅの容積が小さくなる。結果、機関圧縮比が大きくなる。可変圧縮比機構５はこのようにして、機関圧縮比を可変にする。可変圧縮比機構５には、具体的には例えば特許文献３が開示する可変圧縮比機構を適用できる。

図３は吸気弁２に適用される主なバルブタイミングを示す図である。燃費点、低速性能点および高速性能点は機関運転状態（例えば機関回転数および負荷）に応じて設定されている。燃費点では、実圧縮比よりも膨張比を大幅に高めた超高膨張比サイクルによる運転を行うことで、燃費の向上を図る。超高膨張比サイクルを行うにあたり、エンジン１は機関圧縮比を高めることで、膨張比を高める。また、第１の吸気弁２ａを遅開きにするとともに、第２の吸気弁２ｂを早開きにする。

第１の吸気弁２ａを遅開きにするにあたり、エンジン１は吸気上死点よりも後のタイミングで第１の吸気弁２ａを開弁する。そして、ＡＢＤＣ９０°ＣＡよりも後のタイミングで第１の吸気弁２ａを閉弁する。また、第２の吸気弁２ｂを早開きにするにあたり、エンジン１は吸気上死点よりも手前のタイミングで第２の吸気弁２ｂを開弁する。そして、吸気下死点直後に第２の吸気弁２ｂを閉弁する。

第１の吸気弁２ａを遅開き（換言すれば遅閉じ）にすることで、実圧縮比を低下させることができる。第２の吸気弁２ｂを早開きにすることで、負圧の低減によるポンピングロス低減を図ることができる。また、排気弁３とのバルブオーバラップの拡大による内部ＥＧＲ量の増大を図ることができる。

超高膨張比サイクルでは、第１の吸気弁２ａの開弁時期を限界まで遅角させることができる。また、第２の吸気弁２ｂの開弁時期を高速性能点で運転を行う場合に設定される吸気弁２ａ、２ｂの開弁時期よりも進角側に設定できる。また、機関圧縮比を燃焼室Ｅの構造上の限界である限界機関圧縮比まで高めることができる。

低速性能点では、エンジン１は吸気弁２ａ、２ｂを早開き（換言すれば早閉じ）にする。そしてこれにより、排気の逆流量を減少させることで、体積効率の向上による性能向上を図る。低速性能点では、超高膨張比サイクルで運転を行う場合に早開きさせる第２の吸気弁２ｂと開弁時期が同じになるように吸気弁２ａ、２ｂの開弁時期を設定できる。

高速性能点では、エンジン１は体積効率が最大になるように吸気弁２ａ、２ｂのバルブタイミングを設定する。そしてこれにより、体積効率の向上による性能向上を図る。高速性能点では、超高膨張比サイクルで運転を行う場合に早開きさせる第２の吸気弁２ｂの開弁時期よりも遅角側、且つ吸気上死点よりも進角側に吸気弁２ａ、２ｂの開弁時期を設定できる。

エンジン１では、第１の吸気弁２ａは第２の吸気弁２ｂよりも位相変更範囲が相対的に広くなっている。すなわち、第１の吸気弁２ａの位相可変量が、第２の吸気弁２ｂの位相可変量よりも大きくなっている。これに対しエンジン１では、位相変更範囲が相対的に広い第１の吸気弁２ａを第１のカム１１で作動させるとともに、位相変更範囲が相対的に狭い第２の吸気弁２ｂを第２のカム２４で作動させる。第１の吸気弁２ａは一部の機関弁に相当し、第２の吸気弁２ｂは他の機関弁に相当する。

次にエンジン１の作用効果について説明する。図４は長穴２１ａに必要な角度範囲の説明図である。図５は吸気弁２の位相可変量の説明図である。図５において、（ａ）はエンジン１の場合、（ｂ）は前述したカムシャフト５０で吸気弁２の位相を相対的に変更する場合を示す。

図４に示すように、長穴２１ａに必要な角度範囲（カム角による角度範囲）は、第２の吸気弁２ｂの位相可変量に応じた分αと、結合ピンＰの径に応じた分β１、β２とを足し合わせた大きさの範囲になる。第２の吸気弁２ｂの位相可変量をクランク角度で表す場合、必要な角度範囲のうち、位相可変量に応じた分αは、その半分である。

図５に示すように、（ａ）の場合には第１の吸気弁２ａの位相可変量がθ１（例えば１１０°ＣＡ）となり、第２の吸気弁２ｂの位相可変量がθ１よりも位相可変量が小さいθ２（例えば３５°ＣＡ）となる。これに対し、エンジン１は第２の吸気弁２ｂを第２のカム２４で作動させる。このためこの場合には、必要な角度範囲が例えばクランク角度３５°ＣＡの半分の１７．５°と結合ピンＰの径に応じた分とを足し合わせたものとなる。結果、この場合には必要な角度範囲が、例えば円周の１／１８程度で済むことになる。

一方、（ｂ）の場合、第２の吸気弁２ｂに対して第１の吸気弁２ａの位相を相対的に変更することになる。そして、第１の吸気弁２ａの位相可変量はθ１である。このためこの場合には、必要な角度範囲が例えばクランク角度１１０°ＣＡの半分の５５°と結合ピンＰの径に応じた分とを足し合わせたものとなる。結果、この場合には例えば少なくとも円周の１／６程度の角度範囲が必要となる。

すなわち、エンジン１は位相変更範囲が相対的に狭い第２の吸気弁２ｂを第２のカム２４で作動させるようにすることで、長穴２１ａに必要な角度範囲を小さくすることができる。そしてこれにより、同種の機関弁である吸気弁２の相対的な位相を変更するにあたり、外部カムシャフト２１の剛性を高めることができる。

またエンジン１は、第１のＶＶＴ３０で第１の吸気弁２ａの位相を単独で変更できるとともに、第２のＶＶＴ４０で第２の吸気弁２ｂの位相を単独で変更できる。このため、吸気弁２の相対的な位相を変更するにあたり、吸気弁２の定常時の位相精度を高めることもできる。具体的には例えばＶＶＴ３０、４０の位相制御精度がそれぞれ±０．５ＣＡであるとした場合、（ｂ）の場合には第１の吸気弁２ａの位相精度が±１．０ＣＡとなるところ、エンジン１は吸気弁２ａ、２ｂそれぞれの位相精度を±０．５ＣＡとすることができる。

また、エンジン１は第１の吸気弁２ａを遅開きにするとともに、第２の吸気弁２ｂを早開きにする運転を含む運転を行うことで、さらには第１の吸気弁２ａを大幅に遅開きにする超高膨張比サイクルの運転を含む運転を行うことで、また、超高膨張比サイクルで運転を行う場合に早開きさせる第２の吸気弁２ｂと開弁時期が同じになるように吸気弁２ａ、２ｂを早開きにする運転を含む運転を行うことで、第１の吸気弁２ａの位相変更範囲が広くなる場合に対して好適である。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば上述した実施例ではエンジン１が火花点火式内燃機関である場合について説明した。しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、エンジンは例えば圧縮着火式内燃機関であってもよい。
また上述した実施例では、吸気弁２が第１の機関弁である場合について説明した。しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、第１の機関弁は例えば排気弁であってもよい。
また上述した実施例では、第１の吸気弁２ａが一部の機関弁、第２の吸気弁２ｂが他の機関弁である場合について説明した。しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、例えば一部の機関弁や他の機関弁は複数であってもよい。
また上述した実施例では、エンジン１が超高膨張比サイクルを行う場合について説明した。しかしながら、本発明においては必ずしもこれに限られず、例えばエンジンは吸気弁を遅閉じにすることで、実圧縮比を低下させる運転など他の適宜の運転を行うものであってもよい。

エンジン １
吸気弁 ２、２ａ、２ｂ
排気弁 ３
ロッカーアーム ４
可変圧縮比機構 ５
第１のカムシャフト １０
第１のカム １１、６３
第２のカムシャフト ２０
外部カムシャフト ２１、６２
内部カムシャフト ２２、７２
外部カム ２３
第２のカム ２４、７３
第１のＶＶＴ ３０
第２のＶＶＴ ４０

Claims (4)

1. 燃焼室に対して設けられ、吸気または排気のうち、一方を行う複数の第１の機関弁、および前記燃焼室に対して設けられ、吸気または排気のうち、他方を行う第２の機関弁と、
   前記第１の機関弁側に設けられるとともに、第１のカムを備える第１のカムシャフトと、
   前記第２の機関弁側に設けられるとともに、外部カムシャフトと、前記外部カムシャフトの内部に相対回転可能に挿入された内部カムシャフトと、前記外部カムシャフトに設けられ、前記第２の機関弁を作動させる外部カムと、前記外部カムシャフト上を周方向に摺動可能に設けられるとともに、前記内部カムシャフトに結合される第２のカムと、を備える第２のカムシャフトと、
   前記第１のカムシャフトの位相を変更可能な第１の位相変更手段と、
   前記第２のカムシャフトの前記外部カムシャフトに対する前記内部カムシャフトの位相を変更可能な第２の位相変更手段と、を備え、
   前記第１の機関弁のうち、一部の機関弁を前記第１のカムで作動させるとともに、前記第２のカムの作動を前記第１の機関弁のうち、他の機関弁に伝達する伝達手段を介して、前記他の機関弁を前記第２のカムで作動させるエンジン。
2. 請求項１記載のエンジンであって、
   前記第１の機関弁が吸気弁であるとともに、前記第２の機関弁が排気弁であり、
   前記第１の位相変更手段が、前記一部の機関弁を遅開きにするとともに、前記第２の位相変更手段が、前記他の機関弁を早開きにするエンジン。
3. 請求項２記載のエンジンであって、
   機関圧縮比を可変にする可変圧縮比機構をさらに備え、前記第１の位相変更手段が、前記一部の機関弁を遅開きにするとともに、前記第２の位相変更手段が、前記他の機関弁を早開きにする場合に、前記可変圧縮比機構が機関圧縮比を高めるエンジン。
4. 請求項２または３記載のエンジンであって、
   前記一部の機関弁の位相可変量が、前記他の機関弁の位相可変量よりも大きいエンジン。

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