説明

可変動弁装置及び内燃機関

【課題】エンジンの冷却損失を減少させ、燃費を向上させることを目的とする。
【解決手段】吸気弁の作動角またはリフト量を所定の作動角範囲または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可変動弁装置を構成し、吸気弁の開時期の変化を抑制する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2002−256905号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【0005】
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。
【課題を解決するための手段】
【0006】
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。
【0007】
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、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機関弁と、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機関弁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と、を備える。可変動弁装置は、これらの部材を前記機関弁の作動角またはリフト量の拡大に伴って、前記機関弁の開時期が遅角するように構成される。
【0008】
あるいは、可変動弁装置は、これらの部材を、前記機関弁の作動角またはリフト量を所定の作動角範囲または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機関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機関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ように構成し、前記機関弁の開時期の変化を抑制する。
【0009】
あるいは、可変動弁装置は、これらの部材を、前記機関弁の作動角また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、作動角また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、作動角またはリフト量が所定の作動角またはリフト量より小さい側の範囲に比べ、作動角またはリフト量が所定の作動角またはリフト量より大きい側の範囲で増大するように構成する。
【発明の効果】
【0010】
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。
【0011】
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。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】圧縮比可変エンジンを示す図である。
【図2】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。
【図3】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。
【図4】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。
【図5】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6】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。
【図7】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。
【図8】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。
【図9】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。
【図10】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11】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。
【図12】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。
【図13】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。
【図14】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。
【発明を実施するための形態】
【0013】
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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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)。
【0055】
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。
【0056】
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。
【0057】
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)。
【0058】
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。
【0059】
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。
【0060】
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。
【0061】
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。
【0062】
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。
【0063】
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。
【0064】
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。
【0065】
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。
【0066】
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。
【0067】
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。
【0068】
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。
【0069】
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)。
【0070】
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。
【0071】
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。
【0072】
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。
【0073】
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。
【0074】
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。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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。
【0078】
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。
【0079】
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。
【0080】
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。
【0081】
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。
【0082】
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。
【0083】
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。
【0084】
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。
【0085】
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。
【0086】
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。
【0087】
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。
【0088】
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。
【0089】
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。
【0090】
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。
【0091】
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。
【0092】
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。
【0093】
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。
【0094】
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。
【0095】
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。
【0096】
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。
【0097】
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。
【0098】
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。
【0099】
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。
【0100】
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。
【0101】
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。
【0102】
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。
【符号の説明】
【0103】
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

【特許請求の範囲】
【請求項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機関弁と、
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機関弁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と、
を備え、
前記機関弁の作動角またはリフト量の拡大に伴って、前記機関弁の開時期が遅角することを特徴とする可変動弁装置。
【請求項2】
請求項1に記載の可変動弁装置において、
前記機関弁の作動角またはリフト量の拡大に伴って、前記駆動軸の中心と前記揺動軸の中心との間の距離を短くすることで、前記機関弁の作動角またはリフト量の拡大に伴って、前記機関弁の開時期が遅角することを特徴とする可変動弁装置。
【請求項3】
請求項1又は請求項2に記載の可変動弁装置において、
前記機関弁の作動角またはリフト量を所定の作動角範囲またはリフト量範囲で変更する間、前記機関弁の作動角またはリフト量の拡大に伴って前記機関弁の開時期が遅角することを特徴とする可変動弁装置。
【請求項4】
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機関弁と、
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機関弁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と、
を備え、
前記機関弁の作動角またはリフト量を所定の作動角範囲または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機関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機関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機関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。
【請求項5】
請求項4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、前記機関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。
【請求項6】
請求項5に記載の可変動弁装置において、
前記機関弁の作動角または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、前記機関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。
【請求項7】
請求項5又は請求項6に記載の可変動弁装置において、
前記機関弁の作動角または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機関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機関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、前記機関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。
【請求項8】
請求項7に記載の可変動弁装置において、
前記所定の作動角範囲または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機関弁の開時期の遅角量が、前記直線の角度変化に伴う前記機関弁の開時期の進角量を上回り、前記機関弁の開時期は、前記機関弁の作動角または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。
【請求項9】
請求項3から請求項8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またはリフト量範囲は、所定の作動角またはリフト量から最大作動角または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。
【請求項10】
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機関弁と、
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機関弁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と、
を備え、
前記機関弁の作動角また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、作動角また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、作動角またはリフト量が所定の作動角またはリフト量より小さい側の範囲に比べ、作動角またはリフト量が所定の作動角またはリフト量より大きい側の範囲で増大することを特徴とする可変動弁装置。
【請求項11】
請求項1から請求項10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、前記機関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、
前記機関弁は吸気弁であり、
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。
【請求項12】
請求項11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。
【請求項13】
請求項11又は請求項12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。
【請求項14】
請求項13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。
【請求項15】
請求項11から請求項14までのいずれか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、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。
【請求項16】
請求項11から請求項14までのいずれか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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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【図12】
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【図13】
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【図14】
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【公開番号】特開2013−32780(P2013−32780A)
【公開日】平成25年2月14日(2013.2.14)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2012−248273(P2012−248273)
【出願日】平成24年11月12日(2012.11.12)
【分割の表示】特願2008−205488(P2008−205488)の分割
【原出願日】平成20年8月8日(2008.8.8)
【出願人】(000003997)日産自動車株式会社 (16,386)
【Fターム(参考)】