JP2002138807A

JP2002138807A - 内燃機関の動弁装置

Info

Publication number: JP2002138807A
Application number: JP2000339478A
Authority: JP
Inventors: Moriyasu Goto; 守康後藤; Shigeiku Enomoto; 榎本　　滋郁; Isao Matsumoto; 功松本
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2000-11-07
Filing date: 2000-11-07
Publication date: 2002-05-17

Abstract

(57)【要約】【課題】内燃機関の吸排気弁の開弁時期、閉弁時期、
開弁期間、リフト量、開弁速度、閉弁速度を簡単な機構
によって自由に制御可能とすること。【解決手段】ＥＣＵ５によって制御されるリニアアク
チュエータ２によって油圧サーボ機構１のスプール２３
を直線方向に移動させ、スプール２３に追従して移動す
るサーボピストン２２によって吸排気弁７を移動させ
る。サーボピストン２２の端部の油圧室２９には油圧ポ
ンプ４から加圧された作動油が供給され、スプール２３
の移動にサーボピストン２２が追いついたときに、両者
の間に形成されたサーボ弁が開弁して油圧室２９の油圧
を低下させるので、サーボピストンと吸排気弁７はその
位置に停止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関の吸排気弁
のための動弁装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の吸気弁或いは排気弁の駆動方
式に関しては、現在はカム駆動が主流となっているが、
燃費の向上や出力の向上等を目的として開閉弁の時期、
開閉弁の期間、及びリフト量を自由に制御することがで
きる機構の必要性が高まって来ている。このような要望
に対して、２つの電磁石とスプリングを組み合わせた電
磁式の動弁機構（特開平１０−１４４５２２号公報参
照）とか、油圧を用いて吸排気弁を駆動する方法に属す
るものでは、２つのＯＮ−ＯＦＦ弁を用いて油圧室への
作動油の出入りを制御する動弁機構（特開平５−２０２
７１０号公報参照）。３方弁を用いて油圧室への作動油
の出入りを制御する動弁機構（特開平３−１６３２８０
号公報参照）、ディーゼルエンジン用の分配型ポンプを
用いて吸排気弁を駆動する動弁機構（特開平６−２７２
５２２号公報参照）などが考案されている。

【０００３】しかしながら、特開平１０−１４４５２２
号公報に記載された電磁式の動弁機構では、エンジンの
負荷に応じて２つの電磁石への通電時期等を精密に制御
しない限り、電磁石によって吸排気弁の作動位置を確実
に保持することができないので、吸排気弁が正常に開閉
弁作動をしない所謂「脱調」の状態に陥ってしまう可能
性が高くなる。また、この動弁機構によってはリフト量
の制御は全く不可能である。

【０００４】特開平５−２０２７１０号公報に記載され
た油圧式の動弁機構では、各吸排気弁毎にＯＮ−ＯＦＦ
弁を２個ずつ設けることが必要であり、全体として非常
に複雑な構成となるから、コスト面でも高価なものとな
る。

【０００５】特開平３−１６３２８０号公報に記載され
た油圧式の動弁機構は１つの吸排気弁を１個の３方弁に
よって制御するものであるから、前述の特開平５−２０
２７１０号公報に記載されたものよりも構成が簡素であ
るが、開閉弁の速度は油圧に依存するため一定であり、
エンジンの低速運転時には吸排気弁の着座時の騒音が問
題になる。この問題の解決のために、油圧発生源である
ポンプを制御する方法も考えられるが、全体として非常
に複雑なシステムになってしまう。また、リフト量を制
御するためには、リフトセンサによるフィードバック制
御を行うことが必要になるが、吸排気弁の上部には油圧
室が設けられるために、リフトセンサを配置することが
難しい。

【０００６】更に、特開平６−２７２５２２号公報に記
載された油圧式の動弁機構においては、吸排気弁の開弁
期間の制御範囲は、分配ロータのポート配置によって制
限されるために、開閉弁の時期や速度等の自由な制御は
不可能である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来技術に
おける前述のような問題に鑑み、内燃機関の吸気弁或い
は排気弁の開弁時期、閉弁時期、開弁期間、リフト量、
開弁速度、閉弁速度を自由に制御可能であるにもかかわ
らず、構成が簡単であって、安価に且つ容易に製造する
ことができる油圧式の動弁装置を提供することを目的と
している。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記の課題を
解決するための手段として、特許請求の範囲の請求項１
に記載された内燃機関の吸排気弁のための動弁装置を提
供する。

【０００９】本発明の動弁機構においては、リニアアク
チュエータの駆動軸に追従する油圧サーボ機構により、
例えばスプールの位置の移動に追従して移動するサーボ
ピストンの位置に応じて、吸排気弁の位置が決まる機構
としているので、制御装置の指令によって移動するスプ
ールの位置により吸排気弁の開弁、閉弁の時期、リフト
量、開閉弁の速度を自由に制御することが可能になる。
具体的に、リニアアクチュエータとしては螺子機構を内
蔵したステッピングモータを使用するのが好適である。
油圧サーボ機構においては、スプールをサーボピストン
内に配置することにより、体格を小型化することができ
る。また、スプールに対して油圧が周囲から作用するよ
うな構造とすれば油圧力をスプールの周囲においてバラ
ンスさせることができるので、スプールを駆動するリニ
アアクチュエータの必要駆動力を小さくすることができ
る。なお、通常は、リニアアクチュエータの駆動軸をス
プールと連動させることにより、サーボピストンを被駆
動部材として、吸排気弁のバルブステムと連動させるの
が好適であるが、場合によってはサーボピストンをリニ
アアクチュエータの駆動軸によって移動させると共に、
スプールを被駆動部材として吸排気弁と連動させること
も可能である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下本発明の好適な実施例につい
て図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明
の第１実施例として、内燃機関の吸排気弁の１つに設け
られた動弁装置を示す縦断面図である。１つの吸気弁又
は排気弁７のバルブステム１１に固定されたリテーナ１
２には、下端をシリンダヘッド上に支持されたバルブス
プリング１３の上端が係合しており、それによってバル
ブステム１１の弁体部がバルブシート１４に着座する方
向に付勢されている。バルブステム１１の上端は、後述
の油圧サーボ機構１によって駆動されるプッシュロッド
２１の下端と当接するように配置される。

【００１１】油圧サーボ機構１の上部には、サーボ機構
１の油圧通路の切り替えを行うスプール２３を駆動する
ためのリニアアクチュエータ２が配設される。第１実施
例においては、リニアアクチュエータ２として、螺子機
構を内蔵したステッピングモータを例示している。リニ
アアクチュエータ２は電子式制御装置（ＥＣＵ）５によ
り、エンジンの回転数やアクセル開度等によって示され
るエンジンの運転状態に応じて制御される。サーボ機構
１にはタンク３から吸い上げた作動油を加圧して供給す
る油圧ポンプ４が設けられた油圧供給通路２６と、作動
中に還流してくる作動油を作動油タンク３へ戻すリター
ン通路２７とを備えている。

【００１２】次に、サーボ機構１の内部構造について説
明する。バルブステム１１と同軸に設けられたシリンダ
２８には、摺動自在にサーボピストン２２が組付けられ
る。サーボピストン２２の下端に面して油圧室２９がシ
リンダ２８内に形成され、この油圧室２９に前記の油圧
供給通路２６が接続される。サーボピストン２２の上端
に面してシリンダ２８内にはスプリング室３０が形成さ
れ、このスプリング室３０には前述のリターン通路２７
が接続される。

【００１３】サーボピストン２２の下端には、前述のプ
ッシュロッド２１が、プッシュロッドスプリング３１に
よって押し付けられている。プッシュロッドスプリング
３１の付勢力は、油圧室２９内に油圧力が供給された際
にプッシュロッド２１が図中下方に向って受ける力より
も常に強くなるように設定されている。

【００１４】サーボピストン２２の上部のスプリング室
３０にはピストンスプリング２５が配設されている。ピ
ストンスプリング２５の付勢力は、バルブスプリング１
３とプッシュロッドスプリング３１の付勢力の合計より
も大きく設定してあり、そのためエンジン停止時等の油
圧ポンプ停止時には、バルブステム１１を吸排気弁７の
全開位置まで押し下げる。

【００１５】サーボピストン２２には一体的にサーボ弁
が設けられている。サーボ弁は、サーボピストン２２の
上端部内に形成されて上端側に向って開口する摺動孔３
２と、該摺動孔３２内に挿入されて上下方向に摺動する
ことができるスプール２３から構成されている。スプー
ル２３は、サーボピストン２２のスプール室３３内に設
けられたスプールスプリング２４により、図中上方に位
置するリニアアクチュエータ２の駆動軸３５に向って付
勢される。なお、スプール２３はその内部にスプール室
３３とスプリング室３０とを連通する通路３４を有す
る。リニアアクチュエータ２の駆動軸３５はその軸線
（図１においては上下方向）に沿って駆動され、スプー
ル２３の位置を制御することによってサーボ機構１を制
御する。

【００１６】次に油圧サーボ機構１の詳細について、図
２を用いて説明する。スプール２３は、その段付きの大
径部の外周面４０が摺動孔３２の内周面に摺接してい
て、摺動孔３２に形成された環状溝４１を開閉する。環
状溝４１は流路４２を介して油圧室２９へ通じている。

【００１７】作動については後に詳述するが、本発明の
第１実施例においては、図２に示すように、スプール２
３の大径部の上端面４３が環状孔４１の上面４４と常に
一致する位置になるように、サーボピストン２２が油圧
によって駆動される。そのため、スプール２３の位置を
リニアアクチュエータ２によって任意に制御することに
より、それに追従するサーボピストン２２の位置を、従
ってバルブステム１１の位置（バルブリフト）を任意に
制御することができる。スプール２３は高圧の作動油圧
を側面において受けるため、その圧力はスプールの周囲
においてバランスしており、スプール２３を動かすリニ
アアクチュエータ２には大きな駆動力を要しないことが
本発明の特徴の１つとなっている。

【００１８】次に図３，４を用いて本発明の第１実施例
の作動を詳細に説明する。図３は吸排気弁７の閉弁時の
作動を示したものである。閉弁時にはＥＣＵ５はリニア
アクチュエータ２によって駆動軸３５を上方に向って駆
動する。スプール２３はスプールスプリング２４により
駆動軸３５に押し付けられているため、駆動軸３５と共
に上方へ移動し、摺動孔３２に設けられた環状溝４１を
塞ぐ。このときにサーボピストン２２の下部の油圧室２
９側の端面に作用する油圧力が、吸排気弁の全閉時にお
けるピストンスプリング２５の付勢力よりも大きく設定
されているため、油圧供給通路２６から油圧室２９へ流
入する作動油の油圧力により、サーボピストン２２は上
方へ移動し、図２に拡大して示した環状溝４１の上面４
４がスプール２３の大径部の上端面４３と一致する位置
まで追従する。その結果プッシュロッド２１も上方へ移
動し、吸排気弁７は閉弁作動をする。

【００１９】図４は吸排気弁７の開弁時の作動を示した
ものである。閉弁時にはＥＣＵ５はリニアアクチュエー
タ２によって駆動軸３５を下方に向って駆動する。それ
によって閉弁時とは逆に環状溝４１は開放され、油圧室
２９内の作動油はサーボピストン内の流路４２を通って
リターン通路２７へ排出される。その結果、ピストンス
プリング２５の付勢力により、サーボピストン２２およ
びプッシュロッド２１は駆動軸３５とスプール２３に追
従するように下方へ移動し、吸排弁７は任意の位置まで
開弁作動をする。

【００２０】本発明の第１実施例では、リニアアクチュ
エータ２として螺子機構付きのステッピングモータを示
したが、リニアモータとかリニアソレノイド等のアクチ
ュエータを使用してもよい。ただし、ステッピングモー
タを使用する場合には、初期位置さえ事前に学習してお
けば、吸排気弁７のリフト量のフィードバックなしにオ
ープンループ制御によるバルブリフトの制御が可能であ
るが、リニアモータとかリニアソレノイドの場合には、
リフトセンサを用いたフィードバック制御がリフト量の
制御に必要となる。

【００２１】次に、図５に示した本発明の第２実施例に
ついて説明する。この実施例における油圧サーボ機構
１’は、シリンダ２８’の中で上下方向に摺動すること
ができるサーボピストン２２’の中に摺動孔３２’が形
成され、それにスプール２３’が挿入されて、その上端
がリニアアクチュエータ２の駆動軸３５と係合している
点で前述の実施例と同様な構造を有するが、油圧供給通
路２６が直接に油圧室２９’に接続しないで、スプール
室３３’を介して接続可能となっている。即ち、油圧供
給通路２６は通路５０を介してスプール室３３’と常時
接続しているが、スプール室３３’と、油圧室２９’に
通じる連通孔５１との間がスプール２３’によって開閉
される。スプール２３’には環状溝５２が設けられてい
て、この環状溝５２がスプール２３’を貫通して設けら
れた通路３４’を介してスプリング室３０’に常時連通
しており、スプリング室３０’がリターン通路２７’を
介して作動油タンク３に接続している。

【００２２】このように、本発明の第２実施例は第１実
施例に比べて若干相違する構造を有するが、その作用効
果は概ね同様である。即ち、吸排気弁７の閉弁作動時に
は、リニアアクチュエータ２の作動によって駆動軸３５
とスプール２３’が上方向へ移動し、スプール室３３’
と油圧室２９’の間が連通孔５１を介して連通する。そ
れによって、油圧供給通路２６から供給される加圧され
た作動油がスプール室３３’から油圧室２９’へ流入し
てサーボピストン２２’を押し上げるので、吸排気弁７
は駆動軸３５とスプール２３’の移動に追従して上昇し
て、バルブシート１４に接触して停止する。

【００２３】吸排気弁７の開弁作動時においては、これ
と反対にリニアアクチュエータ２の駆動軸３５が下方向
へ移動するので、スプールスプリング２４’に抗して押
し下げられたスプール２３’が連通孔５１を閉塞するこ
とにより、油圧室２９’への作動油の供給が停止する。
従って、サーボピストン２２’を押し上げる力が弱まる
ので、吸排気弁７はピストンスプリング２５’に押され
て開弁する。このときのバルブリフト量は、吸排気弁
７、プッシュロッド２１’及びサーボピストン２２’の
移動がスプール２３’の移動に追従する移動であるため
に、ＥＣＵ５の指令によって作動するリニアアクチュエ
ータ２の駆動軸３５の下方への移動量と等しくなるか
ら、ＥＣＵ５によって自由に設定することができる。

【００２４】図６に本発明の第３実施例を示す。第３実
施例における油圧サーボ機構１”は前述の第１実施例又
は第２実施例と大差のないものである。シリンダ２８”
内において上下方向に摺動することができるサーボピス
トン２２”には摺動孔３２”が設けられていて、その中
に第１実施例の場合と同様なスプール２３が挿入されて
いる。しかし、スプール２３の大径部が開閉するものは
摺動孔３２”に開口する連通孔５３である。この場合は
連通孔５３が流路４２’を介してサーボピストン２２”
の下面に形成された油圧室２９”と油圧供給通路２６に
常時連通している。油圧サーボ機構１”の基本的な作動
は、第１実施例及び第２実施例におけるそれと同様に、
駆動軸３５及びスプール２３に対するサーボピストン２
２”の追従作動であるから、ここではその説明を省略す
る。

【００２５】第３実施例の特徴は、むしろサーボピスト
ン２２”の移動を吸排気弁７に伝達する機構にある。第
１実施例及び第２実施例においては、サーボピストン２
２と吸排気弁７のバルブステム１１との間は、それらと
直列に配置されたプッシュロッド２１或いは２１’によ
って連結されている。このような直列配置の場合は、油
圧サーボ機構１又は１’の存在によって、エンジン全体
の高さが従来よりも高くなるという問題が生じる。そこ
で、第３実施例においてはこの問題を解消するために、
サーボピストン２２”の下部に横方向に円形の穴５４を
開けて、穴５４に円柱形の軸５５を回動可能に挿入して
いる。そして、円形の穴５４と直交する横穴５９を通し
て、軸５５に形成されたスリット５６にロッカーアーム
５７の一端を摺動可能に挿入し、ロッカーアーム５７の
中間を油圧サーボ機構１”の横穴６０に設けられたピン
軸５８によって枢着すると共に、他端を吸排気弁７のバ
ルブステム１１に係合させている。

【００２６】図６に示す第３実施例のように構成すれ
ば、サーボピストン２２”の上下方向の移動は円柱形の
軸５５とロッカーアーム５７を介して吸排気弁７へ伝達
されるので、吸排気弁７の開弁作動や閉弁作動が直列配
置の第１実施例や第２実施例の場合と同様に円滑に行わ
れるばかりでなく、油圧サーボ機構１”の存在によって
エンジン全体の高さが従来の動弁機構を用いた場合より
も高くなることがない。なお、円柱形の軸５５を球形と
すること等の変更も可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の全体構成を示す縦断正面
図である。

【図２】図１の要部を拡大して示す縦断正面図である。

【図３】図１に示す第１実施例の閉弁作動時を示す縦断
正面図である。

【図４】図１に示す第１実施例の開弁作動時を示す縦断
正面図である。

【図５】本発明の第２実施例の要部を示す縦断正面図で
ある。

【図６】本発明の第３実施例の要部を示す縦断正面図で
ある。

【符号の説明】

１，１’，１”…油圧サーボ機構２…リニアアクチュエータ３…作動油タンク４…油圧ポンプ７…内燃機関の吸気弁或いは排気弁（吸排気弁）１１…吸排気弁のバルブステム１３…バルブスプリング２１，２１’…プッシュロッド２２，２２’，２２”…サーボピストン２３，２３’…スプール２４，２４’…スプールスプリング２５，２５’，２５”…ピストンスプリング２６…油圧供給通路２７，２７’…リターン通路２８，２８’，２８”…シリンダ２９，２９’，２９”…油圧室３０，３０’，３０”…スプリング室３２，３２’，３２”…摺動孔３３，３３’…スプール室３４，３４’…通路３５…リニアアクチュエータの駆動軸４１…環状溝４２，４２’…流路４３，４３’…スプールの大径部の上端面４４…環状溝の上面５１，５３…連通孔５２…環状溝５５…円柱形の軸５７…ロッカーアーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者榎本滋郁愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者松本功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） 3G018 AB10 AB12 AB16 BA11 BA22 BA38 CA15 CA19 DA08 DA41 DA45 DA52 DA54 DA55 DA56 DA57 DA60 DA62 DA63 DA83 DA85 EA02 EA11 FA01 FA06 FA07 GA02 GA03 GA06 GA07 GA09 GA14 GA18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御装置によって制御作動されるリニア
アクチュエータと、該リニアアクチュエータの駆動軸の
移動に追従して移動する被駆動部材を備えている油圧サ
ーボ機構と、該油圧サーボ機構の前記被駆動部材と内燃
機関の吸排気弁とを連動させる連動機構とからなる内燃
機関の動弁装置。
【請求項２】請求項１において、前記リニアアクチュ
エータが螺子機構を内蔵したステッピングモータである
内燃機関の動弁装置。
【請求項３】請求項１または２において、前記油圧サ
ーボ機構が、前記リニアアクチュエータの前記駆動軸の
移動の方向に形成されたシリンダと、該シリンダ内に挿
入されたサーボピストンと、該サーボピストンに前記リ
ニアアクチュエータの前記駆動軸の移動の方向に形成さ
れた摺動孔内に挿入されたスプールとを備えている内燃
機関の動弁装置。
【請求項４】請求項３において、前記スプールが前記
リニアアクチュエータの前記駆動軸と連動すると共に、
前記サーボピストンが前記被駆動部材として前記内燃機
関の前記吸排気弁と連動する内燃機関の動弁装置。
【請求項５】請求項４において、前記油圧サーボ機構
の前記シリンダ内の前記サーボピストンの一方の端面に
形成された油圧室に油圧ポンプから加圧された作動油が
常時供給されて、前記サーボピストンの前記一方の端面
を前記吸排気弁の閉弁方向に押圧していると共に、前記
スプールの移動に追従して移動する前記被駆動部材であ
る前記サーボピストンが、前記スプールに追いついたと
きに開弁するようにそれらの間に形成されているサーボ
弁が開弁することにより、前記油圧室の圧力が低下する
ように構成されている内燃機関の動弁装置。
【請求項６】請求項４において、前記油圧サーボ機構
の前記シリンダ内の前記サーボピストンの一方の端面に
油圧室が形成されていると共に、前記スプールの移動に
追従して移動する前記被駆動部材である前記サーボピス
トンが、前記スプールに追いついたときに閉弁するよう
にそれらの間に形成されているサーボ弁が開弁すること
により、油圧ポンプから供給される加圧された作動油が
前記油圧室へ供給されて、前記サーボピストンの前記一
方の端面を前記吸排気弁の閉弁方向に押圧するように構
成されている内燃機関の動弁装置。
【請求項７】請求項５または６において、前記サーボ
弁が前記スプールを周囲から均等に押圧する環状溝を備
えている内燃機関の動弁装置。
【請求項８】請求項１ないし７のいずれかにおいて、
前記被駆動部材である前記サーボピストンと前記吸排気
弁のバルブステムが同一直線上に配置されている内燃機
関の動弁装置。
【請求項９】請求項１ないし７のいずれかにおいて、
前記被駆動部材である前記サーボピストンと前記吸排気
弁のバルブステムが同一直線上になく、それらがロッカ
ーアームによって連動するように構成された内燃機関の
動弁装置。
【請求項１０】請求項３において、前記サーボピスト
ンが前記リニアアクチュエータの前記駆動軸と連動する
と共に、前記スプールが前記被駆動部材として前記内燃
機関の前記吸排気弁と連動する内燃機関の動弁装置。