JP2001123811A - 内燃機関のバルブ特性可変装置 - Google Patents

内燃機関のバルブ特性可変装置

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JP2001123811A
JP2001123811A JP30227699A JP30227699A JP2001123811A JP 2001123811 A JP2001123811 A JP 2001123811A JP 30227699 A JP30227699 A JP 30227699A JP 30227699 A JP30227699 A JP 30227699A JP 2001123811 A JP2001123811 A JP 2001123811A
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intake
cam
cams
combustion engine
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Shinichiro Kikuoka
振一郎 菊岡
Yoshihiko Masuda
義彦 増田
Yoshito Moriya
嘉人 守谷
Hideo Einaga
秀男 永長
Shuji Nakano
修司 中野
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Toyota Motor Corp
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Toyota Motor Corp
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    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L13/00—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations
    • F01L13/0015—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque
    • F01L2013/0078—Modifications of valve-gear to facilitate reversing, braking, starting, changing compression ratio, or other specific operations for optimising engine performances by modifying valve lift according to various working parameters, e.g. rotational speed, load, torque by modification of cam contact point by axially displacing the camshaft
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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  • Valve Device For Special Equipments (AREA)
  • Output Control And Ontrol Of Special Type Engine (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内燃機関のバルブ特性可変装置において、制
御量のばらつきを抑えるとともに、同制御量の変更幅を
拡大することにある。 【解決手段】 内燃機関には、一気筒当たり２つの吸気
バルブ２０ａ，２０ｂが設けられている。これら吸気バ
ルブ２０ａ，２０ｂは、吸気カムシャフト１１に設けら
れた吸気カム１２，１３により開閉される。各吸気カム
１２，１３のうち、一方のカム１２のみが吸気カムシャ
フト１１の軸方向においてそのバルブリフト量が変化す
る補助カム山部１２ｂを有している。この補助カム山部
１２ｂにより、一方の吸気バルブ２０ａのみが排気行程
中に開弁することにより、排気の再循環が行われる。こ
の排気の再循環量は吸気カムシャフト１１が油圧アクチ
ュエータ１４によりその軸方向に変位させられることに
より変更される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、３次元カムが設け
られたカムシャフトをその軸方向に変位させることで、
同３次元カムにより開閉される吸気バルブ或いは排気バ
ルブのバルブ特性を可変とする内燃機関のバルブ特性可
変装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関のバルブ特性可変装置として
は、例えば、特開平１０―８９０３３号公報に記載され
るものが知られている。図７は、上記公報におけるバル
ブ特性可変装置の構成を概略的に示している。
【０００３】図７に示されるように、このバルブ特性可
変装置１００は、吸気カム１０１及び排気カム１０２が
設けられたカムシャフト１０３と、カムシャフト１０３
の一端に設けられ同カムシャフト１０３を軸方向に変位
させる油圧アクチュエータ１０４とを備えている。
【０００４】また、排気カム１０２には、図示しない主
カム山部と、同主カム山部の回転方向後方に補助カム山
部１０２ａとが設けられている。従って、排気バルブ
（図示略）は、排気行程において主カム山部により開弁
させられるとともに、吸気行程においても、補助カム山
部１０２ａにより一時的に開弁させられるようになる。
このように、排気バルブを吸気行程において一時的に開
弁させることにより、いわゆる内部ＥＧＲ（ EGR：Exha
ust Gas Recirculation ）が行われるようになる。
【０００５】また、主カム山部は、そのバルブリフト量
がカムシャフト１０３の軸方向において一定となるよう
に設定されているのに対し、補助カム山部１０２ａはバ
ルブリフト量が同軸方向において異なるように設定され
ている。従って、油圧アクチュエータ１０４によりカム
シャフト１０３を軸方向に変位させることで、補助カム
山部１０２ａにおいて排気バルブと当接される部位のカ
ムプロフィール、換言すれば、排気バルブのバルブ特性
を変化させることができる。そして、このように排気バ
ルブのバルブ特性を可変とすることにより、燃焼室内に
残留する排気の量、即ち、内部ＥＧＲ量を変更すること
ができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、近年では吸
気効率や排気効率の向上を図るべく多バルブ方式、即
ち、一気筒当たり複数の吸気バルブ或いは複数の排気バ
ルブを有する内燃機関も増えつつある。
【０００７】こうした内燃機関の排気カムにおいて、上
記のような３次元形状を有する補助カム山部を設けるよ
うにすると、一気筒当たり単一の排気バルブ及び吸気バ
ルブを有する内燃機関と比較して、個々の排気カムにお
ける補助カム山部の最大バルブリフト量を必然的に小さ
くする必要がある。多バルブ方式を採用する内燃機関で
あれ、単一バルブ方式を採用する内燃機関であれ、内部
ＥＧＲ量の最大値は殆ど変わらないからである。
【０００８】そして、このように補助カム山部の最大バ
ルブリフト量が相対的に小さく設定されると、同一のバ
ルブリフト量の変化ΔＬに対する内部ＥＧＲ量のばらつ
き幅が相対的に増大するようになる。
【０００９】また、バルブクリアランス、カムの製造公
差等によるバルブリフト量のばらつきを考慮すると、内
部ＥＧＲ量を制御可能なバルブリフト量には下限が存在
しており、上記のように補助カム山部の最大バルブリフ
ト量が相対的に小さく設定されていると、内部ＥＧＲ量
を変更する際の変更幅も相対的に小さく制限されてしま
うようになる。
【００１０】本発明は、こうした実情に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、内燃機関の制御量を変更すべ
くバルブ特性を可変とする内燃機関のバルブ特性可変装
置において、制御量のばらつきを抑えるとともに、同制
御量の変更幅を拡大することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の手段及びその作用効果について以下に記載する。請求
項１に記載の発明は、一気筒当たり複数設けられた吸気
バルブ及び同じく複数設けられた排気バルブのいずれか
を開閉する複数のカムと、これら複数のカムが設けられ
た軸方向に移動可能なカムシャフトと、同カムシャフト
を軸方向に変位させるアクチュエータとを備え、前記複
数のカムは主カム山部とバルブリフト量が前記軸方向で
異なる補助カム山部とを有する３次元カムを含むもので
あり、前記アクチュエータによるカムシャフトの変位に
応じた前記補助カム山部のバルブリフト量変化に基づい
て前記３次元カムにより開閉されるバルブのバルブ特性
を変更するようにした内燃機関のバルブ特性可変装置に
おいて、前記複数のカムは前記補助カム山部を有してい
ないカムを含むことを要旨とする。
【００１２】上記構成によれば、前記複数のカムは補助
カム山部を有していないカムを含んで構成されるため、
そのカムの分だけ３次元カムにより開閉されるバルブの
バルブ特性の変化幅が大きく確保されるようになる。そ
して、このようにバルブ特性の変化幅が大きく確保され
ることで、その変化に対する制御量のばらつきを相対的
に小さく抑えることができるようになるとともに、バル
ブ特性の有効変化幅も大きくなるため、制御量の変更幅
を拡大することができるようになる。
【００１３】請求項２に記載の発明は、請求項１記載の
内燃機関のバルブ特性可変装置において、前記複数のカ
ムは前記３次元カムを１つのみ含むことを要旨とする。
上記構成によれば、３次元カムにより開閉されるバルブ
のバルブ特性の変化幅が更に大きく確保されるようにな
るため、上記請求項１に記載した発明の作用効果を更に
確実に奏することができるようになる。
【００１４】請求項３に記載の発明は、請求項１又は２
記載の内燃機関のバルブ特性可変装置において、前記複
数のカムは前記吸気バルブを開閉するものであり、前記
３次元カムの主カム山部は吸気行程中に前記吸気バルブ
を開閉し、前記補助カム山部は排気行程中に前記吸気バ
ルブを開閉するものであることをその要旨としている。
【００１５】また、請求項４に記載の発明は、請求項１
又は２記載の内燃機関のバルブ特性可変装置において、
前記複数のカムは前記排気バルブを開閉するものであ
り、前記３次元カムの主カム山部は排気行程中に前記排
気バルブを開閉し、前記補助カム山部は吸気行程中に前
記排気バルブを開閉するものであることをその要旨とし
ている。
【００１６】請求項３に記載した発明の上記構成によれ
ば、３次元カムの補助カム山部によって排気行程中に吸
気バルブが開弁されることにより、燃焼室内における一
部の既燃焼ガスが吸気通路にも導入されるようになる。
そして、この既燃焼ガスは、その後の吸気行程中に吸気
バルブが３次元カムの主カム山部によって開弁されるこ
とにより、吸入空気とともに再び燃焼室に戻されるよう
になる。また、このように燃焼室に戻される既燃焼ガス
の量、即ち内部ＥＧＲ量は、３次元カムにより開閉され
る吸気バルブのバルブ特性を変更することによって制御
される。
【００１７】また、請求項４に記載した発明の上記構成
によれば、３次元カムの主カム山部によって排気行程中
に排気バルブが開弁されることにより、燃焼室内の既燃
焼ガスが排気通路に排出される。そして、その後の吸気
行程中に排気バルブが３次元カムの補助カム山部によっ
て開弁されることにより、排気通路に排出された既燃焼
ガスの一部が再び燃焼室に戻されるようになる。また、
この内部ＥＧＲ量は、３次元カムにより開閉される排気
バルブのバルブ特性を変更することによって制御され
る。
【００１８】従って、請求項３又は請求項４に記載した
発明の上記構成によれば、吸気バルブ或いは排気バルブ
のバルブ特性の変化幅が大きく確保されることで、その
変化に対する内部ＥＧＲ量のばらつきを相対的に小さく
抑えることができるようになるとともに、同内部ＥＧＲ
量の変更幅を拡大することができるようになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】以下、本発明を一気筒当たり２つ
の吸気バルブを有する内燃機関に適用するようにした一
実施の形態について図１〜図５を参照して説明する。な
お、図１は本実施形態にかかるバルブ特性可変装置の全
体構成を示し、また、図２は図１の２ａ―２ａ線、２ｂ
―２ｂ線に沿った断面構造を、図３は同装置によるバル
ブリフト量の変更態様をそれぞれ示している。
【００２０】図１に示されるように、バルブ特性可変装
置１０は、その軸方向（カム軸方向）に移動可能な吸気
カムシャフト１１、各気筒の吸気バルブ２０ａ，２０ｂ
と対応するように吸気カムシャフト１１に設けられた吸
気カム１２，１３、吸気カムシャフト１１の一端に設け
られ、同吸気カムシャフト１１をカム軸方向に変位させ
る油圧アクチュエータ１４等を備えて構成されている。
【００２１】吸気カムシャフト１１は、その他端に設け
られたタイミングプーリ等を介してクランクシャフト
（図示略）に駆動連結されている。この吸気カムシャフ
ト１１が回転することにより、吸気カム１２，１３によ
り各吸気バルブ２０ａ，２０ｂの一端に設けられたバル
ブリフタ２１が押圧される。これにより、バルブリフタ
２１と連動する吸気バルブ２０ａ，２０ｂが開閉駆動さ
れる。
【００２２】また、図２（ａ）に示されるように、各吸
気カム１２，１３のうち一方の吸気カム１２には、主に
吸気行程において吸気バルブ２０ａを開弁させる主カム
山部１２ａと、この主カム山部１２ａの回転方向前方に
設けられ、排気行程において吸気バルブ２０ａを一時的
に開弁させる補助カム山部１２ｂとが設けられている。
主カム山部１２ａは、カム軸方向においてそのバルブリ
フト量とバルブ作用角とが一定であり、補助カム山部１
２ｂは、カム軸方向においてそのバルブリフト量とバル
ブ作用角とが徐々に大きくなるように設けられている。
【００２３】これに対して、図２（ｂ）に示されるよう
に、各吸気カム１２，１３のうち他方の吸気カム１３に
は、主に吸気行程において吸気バルブ２０ｂを開弁させ
る主カム山部１３ａのみが設けられており、上記補助カ
ム山部１２ｂに相当するものは設けられていない。この
主カム山部１３ａは、主カム山部１２ａと同様にカム軸
方向においてそのバルブリフト量とバルブ作用角とが一
定である。このように本実施の形態では、各吸気カム１
２，１３のうち一方の吸気カム１２のみが３次元カムと
して構成されている。
【００２４】従って、図３（ａ），（ｂ）において実線
で示されるように、各吸気バルブ２０ａ，２０ｂのう
ち、一方の吸気カム１２により開閉される吸気バルブ２
０ａは、吸気行程のみならず、排気行程においても一時
的に開弁するようになる（同図（ａ）参照）。そして、
このように吸気バルブ２０ａが開弁することにより、燃
焼室（図示略）内における一部の既燃焼ガスが吸気通路
（図示略）にも導入されるようになる。そして、この既
燃焼ガスは、その後の吸気行程中に吸気バルブ２０ａが
一方の吸気カム１２の主カム山部１２ａによって開弁さ
れることにより、吸入空気とともに再び燃焼室に戻され
るようになる。
【００２５】図１に示されるように、油圧アクチュエー
タ１４は、シリンダ１６と、同シリンダ１６内にカム軸
方向に移動可能に配設されたピストン１７とにより構成
されている。同ピストン１７は、吸気カムシャフト１１
と一体となってカム軸方向に移動可能なように同吸気カ
ムシャフト１１に対しベアリング１５を介して連結され
ている。また、シリンダ１６の内部は、ピストン１７に
より第１の油圧室１８ａと第２の油圧室１８ｂとに区画
されており、各油圧室１８ａ，１８ｂには油通路１９
ａ，１９ｂがそれぞれ接続されている。これら油通路１
９ａ，１９ｂを通じて各油圧室１８ａ，１８ｂの一方に
作動油が供給され、他方から作動油が排出されることに
より、吸気カムシャフト１１はカム軸方向において変位
するようになる。
【００２６】このように油圧アクチュエータ１４によっ
て吸気カムシャフト１１をカム軸方向に変位させること
により、３次元カムである吸気カム１２の吸気バルブ２
０ａと当接する部位におけるカムプロフィールが変化
し、同吸気バルブ２０ａの排気行程中におけるバルブリ
フト量及びバルブ作用角といったバルブ特性が変更され
るようになる。そして、こうしたバルブ特性の変更に伴
って、内部ＥＧＲ量も適宜変更されるようになる。
【００２７】本実施形態では、一対の吸気カム１２，１
３のうち、一方の吸気カム１２のみを、カム軸方向にお
いてそのバルブリフト量とバルブ作用角が徐々に大きく
なる３次元カムとし、他方の吸気カム１３をカム軸方向
においてそのバルブリフト量とバルブ作用角が一定であ
るカムとしている。
【００２８】図４は、２つの吸気カム１２，１３の双方
に補助カム山部を設けるようにした比較例と、本実施形
態とにおけるバルブリフト量と内部ＥＧＲ量との関係を
示すグラフである。同図４に示されるように、本実施形
態の構成においては、所定の内部ＥＧＲ量αを得るため
に、補助カム山部１２ｂの最大バルブリフト量Ｌmaxを
比較例よりも相対的に大きく設定する必要がある。
【００２９】そして、このように最大バルブリフト量Ｌ
max が相対的に大きく設定されることにより、本実施形
態においては、同図に実線で示されるように、バルブリ
フト量の変化に対して内部ＥＧＲ量が比較例（一点鎖
線）よりも緩やかに変化するようになる。このため、製
造公差によりバルブリフト量がばらついたとしても、本
実施形態においては、そのバルブリフト量の変化ΔＬに
よる内部ＥＧＲ量のばらつき幅δ１を比較例のばらつき
幅δ２よりも小さく抑えることができるようになる。
【００３０】また、バルブクリアランス、吸気カム１２
の製造公差等によるバルブリフト量のばらつきを考慮す
ると、内部ＥＧＲ量を制御可能なバルブリフト量には下
限値Ｌmin が存在することとなる。このため、補助カム
山部１２ｂの最大バルブリフト量Ｌmax が相対的に大き
く設定される本実施形態では、バルブリフト量が下限値
Ｌmin をとるときの内部ＥＧＲ量が比較例よりも減少す
るようになる。その結果、本実施形態においては、その
減少分だけバルブリフト量の有効変化幅が拡大され、そ
の拡大により対応する内部ＥＧＲ量の変更幅Ｒ１を、比
較例における変更幅Ｒ２より大きくとることができるよ
うになる。
【００３１】更に、こうしたバルブリフト量変化の他、
図５（ａ）に示されるように、本実施形態によれば、バ
ルブ作用角の変更幅Ａ１についても、これを比較例（同
図（ｂ）参照）の変更幅Ａ２より拡大することができる
ようになり、排気圧に応じた適切なタイミングで排気を
吸気通路に導入することができるようにもなる。
【００３２】以上詳述したように、この実施形態にかか
るバルブ特性可変装置１０によれば、吸気カム１２，１
３のうち、一方のカム１２のみを３次元カムとし、他方
のカム１３はバルブリフト量がカムシャフトの軸方向で
一定のカムとして構成するようにしているため、このカ
ムを有する分だけ、３次元カムのバルブリフト量の変化
幅が大きく確保されるようになる。その結果、バルブリ
フト量の変化に対する内部ＥＧＲ量のばらつき幅を相対
的に小さく抑えることができるようになるとともに、バ
ルブリフト量の有効変化幅も大きくなるため、内部ＥＧ
Ｒ量の変更幅を拡大することができるようになる。
【００３３】なお、上記実施形態は例えば、以下のよう
に構成を適宜変更することもできる。 ・上記実施形態では、本発明にかかるバルブ特性可変装
置を一気筒当たり２つの吸気バルブを有する内燃機関に
適用するようにしたが、同装置は吸気バルブを一気筒当
たり複数有する内燃機関であれば適用することができ
る。例えば、一気筒当たり３つの吸気バルブを有する内
燃機関に同装置を適用するようにしてもよい。この場合
には、３つの吸気カムのうち１つのみ或いは２つを３次
元カムとする。
【００３４】このような構成にしても、上記の効果を奏
することができる。特に、前者のように、３次元カムを
１つのみ設けることで、内部ＥＧＲ量のばらつき幅をよ
り小さく、且つ、内部ＥＧＲ量の変更幅の更なる拡大を
図ることができるようになる。
【００３５】・上記実施形態では、本発明にかかるバル
ブ特性可変装置を一気筒当たり複数の吸気バルブを有す
る内燃機関に適用するようにしたが、これを一気筒当た
り複数の排気バルブを有する内燃機関に適用するように
してもよい。この場合、補助カム山部を主カム山部の回
転方向後方に設け、同補助カム山部によって排気バルブ
を吸気行程中にも開弁させるようにする。
【００３６】・上記実施形態では、吸気カムの一方を３
次元カムとするようにしたが、吸気カム及び排気カムの
それぞれ一方を３次元カムとするようにしてもよい。 ・上記実施形態では、吸気バルブを排気行程中に開弁さ
せる補助カム山部を主カム山部とは別に設けることで、
内部ＥＧＲを行うようにした。これを、主カム山部の全
体を３次元形状とし、バルブオーバーラップ期間を変化
させることで内部ＥＧＲ量を変更するようにしてもよ
い。
【００３７】・上記実施形態では、補助カム山部のバル
ブリフト量にピークをもたせるようにしたが、これを例
えば、図６に示すような態様に設定するようにしてもよ
い。すなわち、補助カム山部のバルブリフト量にピーク
をもたせずに主カム山部のバルブリフト量に連続的につ
ながるように補助カム山部を設けてもよい。また、排気
カムの補助カム山部の場合においても、同様に構成する
ことができる。
【００３８】・上記実施形態では、各吸気カム１２，１
３のうち他方の吸気カム１３は、カム軸方向においてカ
ムプロフィールが一定である主カム山部１３ａを有する
構成としたが、これには限定されない。例えば、この他
方の吸気カムは内部ＥＧＲ量変化が小さい範囲でカムプ
ロフィールが変化する形状を有するように主カム山部を
構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態にかかるバルブ特性可変装置の概略
構成図。
【図２】図１の２ａ―２ａ線及び２ｂ―２ｂ線に沿った
断面図。
【図３】吸気バルブ及び排気バルブの開弁態様を示すタ
イミングチャート。
【図４】バルブリフト量と内部ＥＧＲ量との関係を示す
グラフ。
【図５】吸気バルブの開弁態様を示すタイミングチャー
ト。
【図６】他の実施形態にかかる吸気バルブの開弁態様を
示すタイミングチャート。
【図７】従来構成にかかるバルブ特性可変装置の概略構
成図。
【符号の説明】
１０…バルブ特性可変装置、１１…吸気カムシャフト、
１２，１３…吸気カム、１２ａ，１３ａ…主カム山部、
１２ｂ…補助カム山部、１４…油圧アクチュエータ、２
０ａ，２０ｂ…吸気バルブ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 守谷 嘉人 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車 株式会社内 (72)発明者 永長 秀男 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車 株式会社内 (72)発明者 中野 修司 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車 株式会社内 Ｆターム(参考） 3G016 BA36 CA08 DA01 3G092 DA04 FA06 HA13X

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一気筒当たり複数設けられた吸気バルブ及
    び同じく複数設けられた排気バルブのいずれかを開閉す
    る複数のカムと、これら複数のカムが設けられた軸方向
    に移動可能なカムシャフトと、同カムシャフトを軸方向
    に変位させるアクチュエータとを備え、前記複数のカム
    は主カム山部とバルブリフト量が前記軸方向で異なる補
    助カム山部とを有する３次元カムを含むものであり、前
    記アクチュエータによるカムシャフトの変位に応じた前
    記補助カム山部のバルブリフト量変化に基づいて前記３
    次元カムにより開閉されるバルブのバルブ特性を変更す
    るようにした内燃機関のバルブ特性可変装置において、 前記複数のカムは前記補助カム山部を有していないカム
    を含むことを特徴とする内燃機関のバルブ特性可変装
    置。
  2. 【請求項２】請求項１記載の内燃機関のバルブ特性可変
    装置において、 前記複数のカムは前記３次元カムを１つのみ含むことを
    特徴とする内燃機関のバルブ特性可変装置。
  3. 【請求項３】請求項１又は２記載の内燃機関のバルブ特
    性可変装置において、 前記複数のカムは前記吸気バルブを開閉するものであ
    り、前記３次元カムの主カム山部は吸気行程中に前記吸
    気バルブを開閉し、前記補助カム山部は排気行程中に前
    記吸気バルブを開閉するものであることを特徴とする内
    燃機関のバルブ特性可変装置。
  4. 【請求項４】請求項１又は２記載の内燃機関のバルブ特
    性可変装置において、 前記複数のカムは前記排気バルブを開閉するものであ
    り、前記３次元カムの主カム山部は排気行程中に前記排
    気バルブを開閉し、前記補助カム山部は吸気行程中に前
    記排気バルブを開閉するものであることを特徴とする内
    燃機関のバルブ特性可変装置。
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Cited By (6)

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