(57)【要約】【課題】内燃エンジンの燃料効率を、エンジンが軽負荷の場合であっても改善する。【解決手段】４行程内燃エンジンの燃料経済性を改善する２つの特徴を提供する。その第１はエンジンが軽負荷で動作するとき通常より高い圧縮比を与えることであり、この圧縮比はアイドリング時の非常に高いものからフル・パワー時の通常のものまで変化する。これは給気弁に伴い且つスロットルに連結される移動可能なピストンによって実現される。その第２は、アイドルのとき弁が主ピストンの上心のところで開き、その全揚程の一部分でのみ開き、上心を過ぎた約７０°クランクシャフトで閉じるように、給気弁の可変タイミング並びに開度の可変量を設ける。【選択図】図１
2010096174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼チャンバを画成するエンジン・シリンダ内で往復動し且つエンジン・クランクシャフトに連結される少なくとも１つのパワー・ピストンを有し、且つ前記クランクシャフトによって回転させられるカムシャフトを有し、且つエンジンのパワー出力を変更するように移動可能なスロットル制御器とスリーブ及び前記スリーブ内を前記燃焼チャンバまで軸方向に延びる移動経路に沿って移動可能な弁ピストンとを有する燃料給気弁とを有する内燃エンジンにおいて、
前記スロットル制御器が前記エンジンのパワー出力を増加させるように移動されるとき、前記燃焼チャンバの容積を増加させそれによって圧縮比を減少させるための第１の手段と、
前記スロットル制御器が前記エンジンの前記パワー出力を増加させるように移動されるとき、前記給気弁の開度を増加させる第２の手段と、
前記スロットル制御器が前記エンジンの前記パワー出力を増加させるように移動されるとき、前記パワー・ピストンの各給気ストローク中、前記給気弁をより早く開口させ且つ前記給気弁をより遅く閉じるための第３の手段とを備える、改善された内燃エンジン。
【請求項２】
前記第１の手段が、前記スロットル制御部が前記エンジンの前記パワー出力を増加させるように移動されるとき、前記弁ピストンを前記燃焼チャンバから離れて移動させるように前記スロットル制御器と前記弁ピストンを連結する第１のリンケージ手段を含む、請求項１に記載の改善された内燃エンジン。
【請求項３】
前記スロットル制御器が回転可能なスロットル・シャフトを含み、前記第１のリンケージ手段が前記スロットル・シャフトに固定され且つ前記弁ピストンに連結される偏心輪構成部品を含む、請求項２に記載の改善された内燃エンジン。
【請求項４】
前記給気弁が、前記弁ピストンの内側端部のところで着座するヘッド端部及び前記弁ピストンを介して摺動可能に且つ同軸に延びる弁ステムとを有する弁部材を含み、前記第２の手段が、前記弁部材を往復動で開かせ且つそれが閉じ得るように駆動するための、前記弁ピストンに搭載される弁カム及び前記弁ステムの外側端部に連結される弁カム・フォロワとを含む、請求項１に記載の改善された内燃エンジン。
【請求項５】
前記弁ピストンに搭載される前記弁カムがロッカー・カムを備える、請求項４に記載の改善された内燃エンジン。
【請求項６】
前記カムシャフトに自由に回転する方式で搭載されるローラ・レバー・ヨークをさらに含み、ローラ・レバーが前記ローラ・レバー・ヨークに枢動可能に支持され、カム・フォロイング・ローラが前記ローラ・レバー上に支持され且つ前記カムシャフトに固定される単一のローブ・カムと係合するように配設され、それによって前記ローラ・レバーが前記ローラ・レバー・ヨーク上のその搭載部で往復動的に枢動するように前記単一のローブ・カムによって駆動される、請求項４に記載の改善された内燃エンジン。
【請求項７】
前記ローラ・レバー・ヨークに隣接する一端部のところに枢動的に搭載される駆動レバーをさらに含み、前記ローラ・レバーが前記駆動レバーに突き当たり、前記ローラ・レバーの往復動動作に呼応して前記駆動レバーを往復動的に移動させるように配設されるカム表面を含む、請求項６に記載の改善された内燃エンジン。
【請求項８】
前記駆動レバーが自由端部を含み、且つ前記駆動レバーの前記自由端部から前記弁カムまで延びるリンクをさらに含み、それによって前記駆動レバーの往復動動作が前記弁部材を往復動させるように前記弁カムに伝達される、請求項７に記載の改善された内燃エンジン。
【請求項９】
前記弁カムがロッカー・カムを備える、請求項８に記載の改善された内燃エンジン。
【請求項１０】
前記弁カム・フォロワが前記弁カムを受けるための全体的に方形の開口部を含み、且つ前記弁カム・フォロワが、共に前記弁部材を前記燃焼チャンバに向かって前進させ且つ開かせ、且つ前記弁部材を後退させ且つ閉じるように、前記弁部材を駆動するように配置される、請求項８に記載の改善された内燃エンジン。
【請求項１１】
前記第３の手段が、前記給気弁に隣接して枢動的に固定されるベル・クランク、前記ベル・クランクの一部分を前記スロットル・シャフト上の前記偏心輪構成部品にリンクさせるための手段、及び前記ベル・クランクの別の部分を前記ローラ・レバー・ヨークにリンクさせるための手段とを含み、それによってエンジン・パワーを増加させるための前記スロットル・シャフトの移動が、前記ローラ・レバー・ヨークが前記カムシャフトの周りを部分的に回転し、それによって前記ローラ・レバー・ヨークが前記カム・ローラ・フォロワと前記単一のローブ・カムの係合のタイミングを遅らせる方向に回転させられるように、前記ローラ・レバー・ヨークを回転させ且つ引っ張るように前記ベル・クランクを引っ張る、請求項８に記載の改善された内燃エンジン。
【請求項１２】
前記ベル・クランクによる前記ローラ・レバー・ヨークの前記回転が、前記ローラ・レバーの前記カム表面を前記駆動レバーの前記枢動的搭載部に向かって移動するようにさらにさせ、それによって前記駆動レバーの前記往復動動作が、前記弁カムをより大きな振幅で駆動するように振幅が増加させられ、前記給気弁がより長い時間期間より大きな範囲で開くようにさせる、請求項１１に記載の改善された内燃エンジン。
【請求項１３】
前記給気弁がどのような戻りばねも有さない、請求項１０に記載の改善された内燃エンジン。
【請求項１４】
前記弁カムが、第１の一定の半径を有する第１の部分と第２の一定の半径を有する第２の部分とを有する外周カム形成表面を含み、前記第１及び第２の部分が対称的に配置される、請求項１０に記載の改善された内燃エンジン。
【請求項１５】
前記方形開口部を径間し且つ前記弁カムを前記方形開口部内にとらえるように延びるカム座部材をさらに含み、前記カム座部材がその一端部で前記弁ピストンに回転可能にピン留めされる、請求項１４に記載の改善された内燃エンジン。
【請求項１６】
前記カム・フォロワに固定され、前記カム座部材を前記カムに突き当て且つ前記弁を閉位置に押しやるようにカム座部材のもう１つの端部に突き当たるように配設されるばねをさらに含む、請求項１５に記載の改善された内燃エンジン。
【請求項１７】
前記第３の手段が、前記ローラ・レバー・ヨークに隣接して配設されるサーボモータ・シャフトと、前記サーボモータ・シャフト上に搭載され、且つ前記サーボモータ・シャフトの回転が、前記ローラ・レバー・ヨークを前記カムシャフトの周りに部分的に回転させ、それによって前記ローラ・レバー・ヨークが前記カム・ローラ・フォロワと前記単一のローブ・カムの係合のタイミングを遅らせる方向に回転させるように前記ローラ・レバー・ヨークにリンクされる偏心輪とを含む、請求項８に記載の改善された内燃エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２００７年１１月６日出願の米国特許仮出願第６１／００２，２１２号の出願日優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、１つ又は複数のシリンダ内で往復動する１つ又は複数のパワー・ピストンを有する内燃エンジンに関する。特に本発明は、パワー・ピストンが燃料吸入行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を循環的に行う４行程サイクルで動作するこのタイプのエンジンに関する。より詳しくは、本発明は燃料と空気の混合物をこのタイプのエンジンのシリンダ内に通す給気弁及び弁動作構成部品に関する。本発明は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている２００４年１月６日発行の本発明者の以前の米国特許第６，６７２，２７０号より優れた改善と見なすこともできる。
【背景技術】
【０００３】
燃料効率は、供給される仕事の１馬力時当たりに消費される燃料のポンドとして定義することができる。上記で定義したタイプのほとんどのエンジンの燃料効率は、パワー出力又はエンジン回転数の関数として大きく変化する。効率は、エンジンがそのフル・パワー出力のとき又はその近くで、且つ安定した回転数で動作するとき最も高い。効率は、エンジンが低下したパワー出力で動作するとき減少する。そのようなエンジンの使用の多くは、大半の時間、パワー出力が低下されていることを要する。これは自動車エンジンの場合に最も顕著である。自動車エンジンは、時々、高パワー出力の期間を可能にするように設計される。これは例えば、自動車専用道路入り口ランプ上で又は車両を追い越す間車両を加速するために、又は上り坂で速度を維持するために必要になる。車両が自動車専用道路又は高速道路上で安定した速度で走っている、又は交通状況によって減速させられるとき、パワー出力は低下する。車両がエンジン・アイドリングで一時的に停止するとき、パワー出力は中断する。
【０００４】
これらの要因の結果、実際には、ほとんどの従来型の自動車エンジンが大半の時間、低下した燃料効率で動作することになる。これは動作コストを増加させ、非生産的に燃料源を消費し、且つ環境内への汚染物の放出を減少させる努力に対し悪影響を及ぼす。
【０００５】
この問題点は、一部には、典型的な自動車エンジンが、エンジンがフル・パワー出力で又はその近くで動作するとき最適な性能をもたらす低い圧縮比を有するように設計されているために生じる。より高い圧縮比は、エンジンが低下したパワー出力で動作している間、より大きな効率をもたらすことになるが、従来型のエンジンでは、この高い比により燃料燃焼が過度に速くなり、エンジンが最大パワー出力で又はその近くで動作しなければならないとき、デトネーション又は「ノッキング」が生じる。燃料デトネーションはエンジン構成部品を激しく歪め、許容できない騒音を生み出し、エンジン効率を極端に低下させる。
【０００６】
エンジン負荷の関数として変化する圧縮比を有するエンジンを設計することによって、より効率的な総合的動作を実現できることはこれまでに認められている。負荷が軽いとき、その状態の下ではデトネーションは問題ではないので、圧縮比を高くすることができる。アトキンソン・サイクルで動作するエンジンでは、給気ストロークがパワー又は膨張ストロークよりずっと短くなるように、シリンダ内のパワー・ピストンの移動長さを変更させる機構が設けられている。いくつかの従来型エンジンは、パワー・ピストン・シリンダと連通するチャンバ内で往復動する補助ピストンを有する。補助ピストンの移動は、エンジン負荷の変化に応答して圧縮比を変更する。この補助ピストンは燃焼チャンバ内で相当な量のスペースを占める。これによって、給気及び排気弁が最適な給排気容量に対して望ましいであろうより小さくすることが必要になる。これらの従来種類のエンジンは、エンジンを相当に複雑にし、非常に急速に磨耗しやすい、嵩張る追加の構成部品を必要とする。
【０００７】
ミラー・サイクル内燃エンジンはパワー出力の関数として圧縮比を変更するが、上記で説明した欠点がない。しかしながら、従来のミラー・サイクル・エンジンの動作モードは、燃焼チャンバの有効サイズが比較的小さいことが必要であり、行程容積１リットル当たりのパワー出力が低くなる。
【０００８】
従来のミラー・サイクル・エンジンの燃料給気弁及び弁動作機構は、燃料効率にやはり悪影響を及ぼす他の問題点を解決するように設計されていない。例えば運転者は、従来型エンジンの回転数及びパワー出力を空気及び燃料の流れ経路内に設置されるスロットル弁で制御する。このエンジンは、スロットル弁によって形成される流れ経路収縮部を介して混合物を引くために動力を消費しなければならない。このスロットル損失は、スロットル弁を通る流量と弁の上流側と下流側の間の圧力差の積の関数である。エンジンが最大パワーで動作するとき完全に開いた弁の両端の圧力差が最小になるので、スロットル損失は最小になる。このスロットル損失は、エンジンがアイドリング回転数で又はその近くで動作するとき、弁を通る流量がそのとき最小になるのでやはり最小になる。エンジン出力パワー範囲の中間区域でスロットル損失は大幅に上昇し、エンジン・パワーのほとんど３０％を消費する場合がある。上記で指摘してきたように、自動車エンジンは大半の時間この中間パワー区域内で動作する。スロットル及びその付随する損失をなくすことは、エンジンの燃料効率を相当に増大させるであろう。
【０００９】
別の要因は、ガソリン燃料への添加剤（又は重要な構成物質）としてのエタノールの使用の増加である。燃焼チャンバ内への燃料投入の自然発生的な、あるいはノッキングとして知られているデトネーションは、パワー喪失及びエンジンへの損傷を引き起こすことが観察されてきている。エタノール添加剤は、自然発生的なデトネーションを減少させることが知られているが、アルコールはガソリンよりエネルギ密度が少なく、出力及び燃料効率が低下する。エタノール・ベース燃料の経済性を実現するために、この燃料混合物から最大の効率を引き出すことが極めて望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、４行程内燃エンジンの燃料効率を改善することを目標とする３つの特徴を提供するための方法及び装置を含む。これらの特徴のうちの第１のものは、エンジンが軽負荷で動作するとき通常より高い圧縮比を提供することであり、それはアイドリング時の非常に高いものからフル・パワーでの通常のものまで変化する。これはスロットルに連結される、燃焼チャンバ内の移動可能ピストンによって達成される。
【００１１】
これらの特徴のうちの第２のものは、アイドルのときに弁が主ピストンの上心（ｔｏｐ  ｃｅｎｔｅｒ）で開き、その全揚程の一部分しか開かず、上心を過ぎた約７０度クランクシャフトで閉じるように、給気弁の開口の可変タイミング並びに開度の可変量を提供することである。スロットルが開くとき、給気引き込みに対し可能な限りほとんど流れ抵抗を作り出さないように、この給気弁は各開偏位のときそれ以上に開口する。各弁作動中のその開偏位の中間点は、開持続時間がより長くなるときこの弁が、主ピストンがその給気ストロークを開始するとき常に開き始めるがより遅く閉じるのに必要なだけ、クランクシャフトと同じ方向に移動する。最後に、フル・パワーでは、この給気弁は主ピストンが上心に来るわずか前に開き始め、完全に開き、且つ主ピストンが下心に到達し圧縮ストロークを開始したいくらか後に閉じる。
【００１２】
本発明の第３の特徴は、給気弁の可変タイミングの機能を可変圧縮比機能から分離する機構を提供し、それによってより優れた制御と効率を提供することである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の可変圧縮及び可変給気弁タイミング機構を示す、内燃エンジンのシリンダ及びシリンダ・ヘッドの横断立面図である。
【図２】可変圧縮及び可変給気弁タイミング機構の追加の部分を示す、図１におけるような横断立面図である。
【図３】本発明の可変圧縮及び可変給気弁タイミング機構の別の実施例を示す、内燃エンジンのシリンダ及びシリンダ・ヘッドの横断立面図である。
【図４】カムの極限位置を示す、図３の実施例のカム及びカム・フォロワの側立面図である。
【図５】カムの極限位置を示す、図３の実施例のカム及びカム・フォロワの側立面図である。
【図６】垂直中央線周りに対称的な、一定直径カムの形状を示す平面図である。
【図７】図６におけるような、ただし従来型のカムに見られるであろうような同じ８０°揚程部分を示す平面図である。
【図８】異なるエンジン負荷状態に対する可変給気弁動作及び動作円弧及び開円弧の比較のグラフ図である。
【図９】本発明のロッカー・カムの幾何学的形状特徴を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明は一般に内燃エンジンのための改良を含む。図１では、典型的な内燃往復動エンジン１２は、中でパワー・ピストン１７が往復動し、且つピストンが燃料吸入ストローク、圧縮ストローク、膨張ストローク及び排気ストロークを繰り返し行う４行程サイクルで動作する１つ又は複数のシリンダ１３を有する。このタイプのエンジン１２は、各シリンダ１３のヘッド端部１８のところに１つ又は複数の燃料給気弁１４及び１つ又は複数の排気弁１６を有する。本発明のこの最初の実施例は、各シリンダ１３のところに単一の給気弁１４及び単一の排気弁１６を有する。
【００１５】
この給気及び排気弁１４、１６は、エンジン・ブロック１１に固定されるシリンダ・ヘッド部材１９内を延び、ヘッド・ガスケット２１がこのヘッド部材とエンジン・ブロックの間に配設される。ヘッド部材１９及びエンジン・ブロック１１は、流体冷却剤が知られた方法で介して循環する内部通路２２を有する。
【００１６】
排気弁１６は、そこからステム２４が上向きにシリンダ・ヘッド部材１９内の凹部２６内に延びる円形のヘッド２３を有する従来型のポペット式のものであってよい。この円形のヘッド２３は、ヘッド部材内の排気流れ通路２８の端部のところのヘッド部材１９の下側のところで、共形の円形弁座２７内に着座する。凹部２６内に着座する圧縮ばね２９が、排気弁１６を弁の閉位置に付勢する。以下で詳細に説明されるであろう弁アクチュエータ機構は、パワー・ピストン１７の排気ストローク中排気弁１６を一時的に開かせる。
【００１７】
一般にポッドペット弁タイプである通常の燃料給気弁と異なり本発明は、本発明の目的：負荷要求に応答してパワー・シリンダの圧縮比を変更すること、及び給気弁のタイミング並びに開ドウェルを変更することを満足するように設計される給気弁機構１４を提供する。図１を続けて参照すると、この給気弁機構１４は、シリンダ・ヘッド内の弁穴の内側を覆い且つ耐磨耗表面を提供するスリーブ３４内に摺動可能に受けられる往復動可能なピストン３３を含む。パワー制御シャフト（スロットル・シャフト）３１が、シリンダ・ヘッドに沿って延びるように支持され、偏心輪３２がエンジンの各シリンダ用にシャフト３１に搭載される。ピストン３３の上端部は、ピストン３３が燃焼チャンバに向かって又は燃焼チャンバから離れてスリーブ３４内で平行移動するように駆動されるように、偏心輪３２にピン３６によって連結される。スロットル・シャフトは、運転者のスロットル制御器（例えば、アクセルペダル）への直接的な機械的結合の出力であり得るが、最新の車両ではこのシャフト３１は通常、スロットル入力センサ、圧力及び温度センサ、等によって駆動されるサーボ・モータの出力であり得ることに留意されたい。
【００１８】
ピストンの内側端部が、パワー制御シャフト３１の角度偏位に応答して燃焼チャンバに向かって移動するとき、チャンバの有効容積は減少し、それにしたがって圧縮比は増加する。
【００１９】
その上、給気弁はピストン３３内の中央開口部を介して延びる弁ステム４４を含み、円形ヘッド４３はステム４４の内側端部のところで支持される。ヘッド４３は、ヘッド部材内の給気流れ通路４８の端部のところでヘッド部材１９の下側の共形の円形弁座４７内に着座するように寸法設定される。圧縮ばね４９が、弁ステムを外向きに付勢し、弁ヘッドが着座し閉じているのを維持するためにピストン３３内に着座している。
【００２０】
ピストン３３の上側端部は、全体的に正反対にその外側端部内に延びる横断方向スロット５０が設けられ、その中で偏心輪ストラップ３２の下側端部がピン３６によって固定される。その上、この給気弁機構は、アクスル５２によってピストン３３に枢動的に連結されるロッカー・カム５１を含む。ロッカー・カム５１は、弁ステム上に突き当たるカム・フォロワ５３の平らな直面する表面５４上に突き当たる。駆動ピン５６が、以下に説明する機構の指示の下で、その平らな表面５４との係合上でカムを前後に揺動するようにロッカー・カム５１の偏心ローブ上に配置される。このロッカー・カム５１は、弁ステムにゼロ揚程（開口動作）を与える一定の半径Ｒ１を有する部分５７を伴う（図１及び９内の）左縁部のところで開始する独特の外形を有する。それは、約６０°の角度を通るロッカー変位を伴う、増加する揚程を与える増加する半径部分５８内に円滑に移行する。この部分５８の対向する端部のところに、一定の半径Ｒ２を有するカム表面部分５９が存在する。
【００２１】
このロッカー・カム５１は、回転カムで達成可能であると知られていない機能性を提供する。これは、部分的にはカム表面部分５７〜５９の形体に、且つ部分的にはカム５１が回転ではなく前後に揺動するように設計されることに起因し、この揺動作動は以下に説明するように制御可能である。さらにこの揺動動作に本来的に備わっている方向の逆転は、異なる弁タイミング位置で起こることができ、より柔軟な且つ制御可能な給気弁作動に繋がる。このカム部分５７は、かなりの円弧を通して弁揚程を全く与えず、カムが時計回りに回転するとき増加する揚程を与える部分５８内に円滑に移行する。部分５８の最大揚程端のところのカム表面５９も一定の半径であり、その結果、弁は、カムが最大揚程の点を過ぎて移動するときですら完全に開いたままであることができる。
【００２２】
図２で、この給気弁機構は、固定枢動軸６２周りを回転するベル・クランク６１をさらに含む。この三角形のベル・クランク６１は、偏心輪３２に連結されるリンク６３に１つの頂点のところで結合される。したがって、偏心輪３２がシャフト３１の周りを反時計方向に回転するとき、リンク６３はベル・クランク６１を上向きに引っ張り、ベル・クランクを枢動軸６２の周りを時計方向に回転させる。クランク６１の第３の頂点は、回転カムシャフト６７上に回転可能に固定されるローラ・レバー・ヨーク６６に連結するように横方向に延びるリンク６４に回転可能にピン留めされる。したがって、リンク６４がクランク６１によって左向きに引っ張られるとき、ローラ・レバー・ヨーク６６は、カムシャフト６７の周りを時計回りに回転する。ローラ・レバー６８は、そのヨーク６６上に枢動可能にピン留めされ、カムシャフト６７上に搭載される単一のローブ・カム７２によって係合されるカム・フォロワ・ローラ７１を支持する。ローラ・レバー６８は、アクスル７６によって枢動可能に固定されるレバー７４上に突き当たるように配設されるカム表面７３を含む。レバー７４の自由端は、その反対側端部のところでロッカー・カム５１のローブのピン５６に枢動可能にピン留めされるリンク７８に調整可能なねじ結合７７によって固定される（図１及び９も参照）。ばね７９が、レバー６８内のローラをカム７２に押し付けて維持するように絶え間なくレバー７４を押し付け、システム内に遊びが生じるのを防止する。
【００２３】
上記で述べたように、スロットル・シャフト３１が反時計回りに回転するとき、リンク６４はベル・クランク６１によって左向きに引っ張られ、ローラ・レバー・ヨーク６６はカムシャフト６７の周りを時計回りに（カムシャフト６７の回転と同じ方向に）回転する。これによって、ローラ・レバー６８がカムシャフト６７の中央の周りを時計回りに、位相角が減少する方向に引っ張られ、カム表面７３がレバー７４の表面に沿って固定された枢動軸７６により近く移動するようにさせられる。したがって、カム・ローブ７２がローラと係合しカム表面７３を右向きに押すとき、レバー７４はさらに移動し、リンク７８をさらに引っ張り、ロッカー・カム５１をアクスル５２上で時計回り方向にさらに回転させ、カム・フォロワ５３をさらに押し下げ給気弁をさらに開かせる。したがって、給気弁はわずかにより早く開き、（それがより低いパワー出力の位置にあるであろうよりも）相当により遅く閉じる。これは、給気弁の開時間が遅れる（後で起こる）ことを意味する。図８を参照すると、弁タイミングに対する正味の効果がグラフィカルに示されている。給気弁動作が、アイドル、中間、及び一杯に開いた（フル・スロットル）エンジン動作に対して示されていることに留意されたい。同様に、各エンジン設定に対する開円弧及び動作円弧が示されている。開及び動作円弧内の差はロッカー・カム５１の「過剰移動（ｏｖｅｒｔｒａｖｅｌ）」に見られる；すなわち、ロッカー・カムは常に閉じた、ゼロ揚程ゾーン５７内で開始し、揚程部分５８まで可変距離を移動し次いで逆転する、あるいは逆転前に完全揚程部分５９まで、最後まで移動することができる。この過剰移動は、弁が完全に開いている又は完全に閉じているとき、ゼロ揚程領域５７及び５９で起こることができる。したがって、この開円弧は、ゼロ揚程部分におけるドウェル時間に起因して、動作円弧より常により狭い。
【００２４】
したがって、図８を参照すると、（ロッカー・カムが部分５７から５８に移動するときの）アイドル開円弧は、すべてのゼロ揚程部分５７も同様に含むアイドル動作円弧よりずっと狭い。他のエンジン設定と比較すると、両方とも相対的に狭い。同様に中間動作円弧は、わずかに遅れたタイミングで開始し、中間エンジン速度の間、ロッカー・カムが揚程表面５８上をずっとさらに遠く移動することに起因して、アイドル動作円弧よりずっと広い。同様に、この一杯に開いた動作円弧はさらにより時間が遅れ、ずっとより広い角度を通過し延びる。ねじ切りされた結合部７７は、組立時に最適弁動作を得るための調整を可能にする。レバー７４の作用表面は、パワー範囲全体を通じて弁タイミングと開持続時間の最適な組み合わせを得るような輪郭にすることができる。
【００２５】
本発明の動作を要約すると、偏心輪３２を反時計回りに移動させることによってスロットルが開くとき、３つの事項が一緒に起こる：
１）ピストン３３が上昇し、燃焼チャンバの容積を増加させ、それによって圧縮比を低下させる；
２）図２を具体的に参照して説明した機構によって動作する、ロッカー・カム５１の作動にしたがって給気弁がさらに開く；
３）開持続時間の期間が遅れるように、エンジンの他の事象に対して相対的に給気弁がわずかにより早く開き且つ相当により遅れて閉じる。
【００２６】
排気弁は従来技術で知られている任意の方式でカムシャフト６７によって駆動され、その動作は本発明の存在及び動作によって影響されないことに留意されたい。
【００２７】
図１及び２の機構で、ピストン３３も動作させる偏心輪３２に結合されるベル・クランク６１の使用を介して、圧縮比の変更が給気弁タイミングの変更と（文字通り且つ比喩的に）リンクしていることが理解できる。図３で本発明の別の実施例が、圧縮比変更と給気弁タイミング及びドウェルの独立制御も可能にしながら、前の実施例と同じ結果を達成するように設計されている。そうすることで、それは給気弁機構の閉付勢ばね４９も削除する。この構成の利点は、タイミング及び圧縮比の変更の大きさが給気弁開口のタイミング及び持続時間から独立であることのみならず、ロッカー・カム５１とフォロワ５３の間の摩擦並びにフォロワ６３とピストン３３のその穴の間の摩擦も極めて多く低減され、カム７２が行うべく要求される仕事が少なくなることでもある。
【００２８】
図３の実施例は、プライム（’）添え字を有する対応する参照番号が付けられた、前の実施例で説明した構成部品のうちの多くを使用する。この実施例では、スロットル・シャフト３１’は、コンピュータによって駆動されるサーボモータによって作動させられる。コンピュータは、圧力、温度、エンジン回転数、加速器位置、等などの入力に基づいて所望の圧縮比を計算し、それにしたがってシャフト３１’を回転させる。その上、給気弁タイミング及び揚程制御機構が、最適給気弁タイミング及び持続時間の計算に基づいて異なるコンピュータ信号によって駆動される別のサーボモータによって駆動される。この第２のサーボモータは、ローラ・レバー・ヨーク６６’にリンクされる偏心輪８５を支持するシャフト８０を回転させるように連結される。その結果、シャフト８０の回転は、シャフト８０のサーボモータ作動がシャフト３１’のサーボモータ作動と独立であることを除き、前の実施例でベル・クランク６１が行ったのと同じ方式でローラ・レバー・ヨーク６６’を回転させる。
【００２９】
さらに、前のロッカー・カム及びそのカム・フォロワ及びばね４９が削除される。給気弁ステム４４’の内側端部は、アクスル８３によってピストン３３’に固定されるカム８２と動作的に係合するボックスタイプのカム・フォロワ８１に固定される。カム・フォロワ８１は、上向きに開き且つその中にカム８２を受けるコファ状の凹部８４を含み、カム座８６は、カム・フォロワ８１の左垂直側に枢動的に連結され、箱凹部８４の開口部を径間するように配設される。押さえねじ９５が、カム座８６の自由端を貫通してカム・フォロワ８１の右側まで延び、座８６上を押し付ける螺旋ばね９６を固定する。リンク７８’は、レバー７４’とカム８２の間の距離の長さ調整を可能にする偏心ブッシング９０によって一端でレバー７４’に連結される１対の並行ロッドとして構築される。もう１つの端部でこのリンク７８’は、中にカム及びフォロワが配置される凹部３３’内でカム及びフォロワを位置合わせして維持するように、カム８２及びカム・フォロワ８１の両側に偏心的に連結する。カム８２がフォロワ８１内で往復動するとき、それがフォロワ８１を弁ステム４４’と同軸の方向に上下に往復動するように駆動し、前の実施例を参照して上記で説明した機構に応答して給気弁を開閉することが理解できる。座８６を下に押すばね９６は、カム８２との継続した接触を維持し、弁ステムを上向きに閉弁位置に押しやる一定の力を作り出す。
【００３０】
図４でカム８２は、給気弁を閉じるように弁ステムを上向きに同じ程度まで必然的に駆動する、フォロワ８１の最大上側移動点までアクスル８３の周りを反時計回りに回転して示されている。フォロワ８１はカム８２の円筒状部分上にあり、したがってカムがいくらかの小さな量だけ過剰移動すべき場合でさえ静止して保持される。図５では、リンク７８’がカム８２をほぼ８０°時計回りに引っ張っている。最大量まで下向きに駆動されているこのフォロワは、再びカムの円筒状部分上にある。したがって、図４及び５は、フォロワ８１の移動の限界を示す。（この８０°偏位は必須ではないが、エンジン・レイアウトに適するように実験的に又は設計によって設定することができることに留意されたい。）
【００３１】
カム８２の形状に対する要求は単純であり、単純なデザイン・ルールを使用して達成可能である。図６に示すようにこのカムは、大きな半径の円筒状部分９１及び小さな半径の円筒状部分９２が存在する独特な対称的外形を有する。これら２つの半径の相違は、カムが（前の実施例のロッカー・カムに類似する）ボックス・フォロワに加えるであろう動きの量である。大きな半径及び小さな半径を一緒に結合する曲がったフランク部９３及び９４は、垂直中央線周りの互いの鏡像である。各フランク部は、通常の弁作動カムの１つのフランク部と似ている。それは、中間点で最大速度部分内に溶け込み、次いで再び円筒状部分に連結する緩やかな減速部分内に溶け込む緩やかな加速部分を有する。全ての場合で、１つの円筒状部分の端部と次の円筒状部分の開始部との間の角距離はほぼ８０°である。このようにすると、カムはいつでもボックス・フォロワの上側平表面及び下側平表面の両方と接触したままになる。
【００３２】
正確なカム・フランク部曲線は、それが合致すべき以下の３つの基準しか持たないので重要ではない：
ａ）フォロワがその最大速度に加速されるその中間点までの上昇の外形は、フォロワを減速させ、フォロワの速度を最大からゼロに持っていく上昇の第２の半分と同じであるが向きが逆でなければならない。
ｂ）カムの反対側のフォロワ戻りフランク部の外形は、第１の側のフォロワ上昇フランク部の鏡像でなければならない。
ｃ）同一であるが反対の上昇及び下降フランク部は、互いから離れてカムの直径が一定になる点まで角度が付いている。
このようにすると、カムはいつでもボックス・フォロワの上側平表面及び下側平表面の両方と接触したままになる。
【００３３】
図７は例示の目的のみの、どのように同じフランク部９３及び９４が、従来型に構成される、単一のローブ・カム上に表れるかを示す、カム８２用の別の考え得る形状設計を示す。
【００３４】
図３に戻ると、弁ステム４４’のねじ切りされた端部がカム・フォロワ８１の底部内にねじ込まれている。ばね８７が、フォロワ８１の右垂直脚内にねじ込まれた停止ねじ９５を取り囲む。エンジン設計者に良く知られている理由で、弁４３’は、カム８２がそれを押し開けていないときはいつでも、弁座４７’にしっかりと押し付けられたままでなければならない。この状態を確実にするために、組立時にカム８２は、その小さな半径の円筒状部分又はヒールがフォロワ８１の底部にあるように回転させられる。次いで弁ステム４４’が、隙間８８が約０．３０５ｍｍ（０．０１２インチ）のクリアランスまで開く点までフォロワ８１内にねじ込まれる。次いでねじクランプ固定ねじ８９が、ピストン３３’の側面の穴を介してアクセスされ且つ締め付けられ、組立品を好ましい配置に固定する。
【００３５】
図３の実施例のほとんどの部分の動作は、図１及び２を参照して説明したものと同じである。すなわち、ローラ・レバー・ヨーク６８’及びローラ７１’はカム７２’によって駆動され、レバー７４’及びリンク７８’はカム８２を往復動させるように往復動動作を伝達する。しかしながらサーボ・シャフト８０が、前に説明したように給気弁タイミングを改変するために、ローラ・レバー・ヨークをカムシャフト６７’の周りを回転するように回転させる。主要な差は、カム・フォロワ８１がカム８２の回転に起因して給気弁が開及び閉するように駆動し、給気弁ばね４９及びロッカー・カム５１をなくすことである。そして、パワー・シリンダの圧縮比を変更するためのピストン３３’の動作は、ローラ・レバー・ヨーク６８’の動作並びに給気弁タイミング及び開の持続時間のその制御から完全に分離される。
【００３６】
本発明の好ましい実施例の前述の説明は、例示及び説明の目的で示されてきた。それは網羅的であること、あるいは本発明を開示された正確な形態に限定するためではなく、多くの改変及び変形形態が本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく上記の教示に照らして可能である。説明した実施例は、本発明の原理及びその実際的な用途を最も良く明らかにし、それによって当業者が本発明を様々な実施例で、且つ企図される特定の目的に適するように様々な改変で最良に利用できるように選択されている。本発明の範囲は本明細書に添付される特許請求の範囲によって定義されるものとする。
【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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【外国語明細書】
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