JP2004225542A - Continuously variable valve timing mechanism - Google Patents

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JP2004225542A JP2003010537A JP2003010537A JP2004225542A JP 2004225542 A JP2004225542 A JP 2004225542A JP 2003010537 A JP2003010537 A JP 2003010537A JP 2003010537 A JP2003010537 A JP 2003010537A JP 2004225542 A JP2004225542 A JP 2004225542A
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Masaru Ogura
勝 小倉
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a continuously variable valve timing mechanism for improving responsiveness of control, and securing sure follow-up performance of a rocker arm. <P>SOLUTION: This continuously variable valve timing mechanism is constituted so as to move the rocker arm in the axial direction of a camshaft according to an engine speed or a load by opening-closing a valve by pivotally moving an intake/exhaust valve by the rocker arm for rocking by slidingly contacting with a three-dimensional cam formed on the rotating camshaft. The rocker arm 3 is pivotally moved by rotational control of a shaft of a motor 11 threadedly engaging with a rocker shaft 6. Since there is no need to move the three-dimensional cam in the axial direction, a control space is not required, and a degree of freedom of design is also enhanced. Since rotation and the axial directional movement can be separated, the valve timing can be highly accurately changed. Moreover, the responsiveness is improved by quickly performing these controls by rotational control of the shaft of the motor 11. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関等における吸・排気バルブの開閉時期を機関回転数あるいは負荷に応じて変更することができる連続可変バルブタイミング機構に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、化石燃料の枯渇化が叫ばれており、各界にて省エネルギーに関する研究が盛んに行われ、内燃機関等においても、高出力を確保しつつ、低燃費で厳しい排気ガス規制対策が求められている。低燃費を図る方法としては、ミラーサイクルが有効な手段として注目され、内燃機関と電気モータとを組み合わせたハイブリッド機関や定置式機関が実用化されている。ところが、圧縮比と膨張比とが異なるため、部分負荷では著しい燃費の低減が得られるものの、原理的に最大出力が低下するところから、その解決策は常に期待されているところである。ところで、内燃機関において広範囲の回転域で高トルクを確保するためには、吸入バルブ閉時期を回転速度に比例して遅らせることが必要となる。これを実現する方法として、可変バルブタイミング機構が研究されており、回転速度に比例して吸入バルブ閉時期を遅らせて、回転数あるいは負荷に応じてバルブタイミングを最適に設定すると、有効圧縮比の増加と体積効率の増加によって低燃費と高トルクとを両立できる。
【0003】
このように、バルブリフトとタイミングを負荷・機関回転数に対応して変化させると、体積効率の向上によるトルクバンドの拡大や燃費改善が期待できることが確認されている(下記非特許文献1参照)。連続可変バルブタイミング機構に関する研究は、カム軸を移動する方法(下記非特許文献2参照)、ニューマチックによる方法(下記非特許文献3参照)、不等速性を利用した方法(下記非特許文献4参照)、揺動カムによる方法(下記非特許文献5参照)等があるがいずれもまだ実用域には達していない。最近、バルブリフトとカム軸位相を独立して連続可変するシステムが実用化され燃費改善の効果が示された(下記非特許文献6参照)。
【0004】
【非特許文献1】
野平英隆、欧州における燃費向上技術の動向、自動車技術、vol.56、2002。
【非特許文献2】
Titolo A MTZ、”Variable valve control from Fiat”May 1986、185〜188頁。
【非特許文献3】
Geringer B、”Calculation and development of an electrically and hydraulically controlled variable valve timing for S.l engine”7th International Vienna Engine Symposium、24−25 April 1986。
【非特許文献4】
野原他、JSAE Paper20005493。
【非特許文献5】
山田他、JSAE Paper20015065。
【非特許文献6】
熊野学、”BMWの「バルブトロニック」システム”、CAR GRAPHIC 8月号、2001。
【特許文献1】
特願平11−254449号(特開平2001−82117)
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、これらの従来の連続可変バルブタイミング機構では、カム軸自体を軸方向に移動させることによって、3次元カムにおける低リフト位置、中リフト位置、および高リフト位置に吸・排気バルブを位置させて、カム軸の回転角度に対する吸・排気バルブのリフトすなわち開閉弁するバルブタイミングを変更するように構成される等、精度上不利となる虞れがあり、また3次元カムの移動空間が他の部品によって妨げられる虞れもあって設計の自由度が制限されて理想とするカムの設計が行い難い他、多気筒型機関に採用された場合は、カム軸が軸動する間、いずれかのバルブが動作中であることからカム軸の移動のためにある程度の動力が必要であり、動力装置が大型化することは免れず、その制御系も複雑になる欠点があった。しかも、これらの従来の3次元カムのリフトは、図3(b)のリフト曲線に示すように、低リフトおよび高リフトのいずれでもその頂点位置が変化しないので、バルブの開閉時期も変化し、不具合を生じる。そのため、油圧等によるカム軸位相制御装置が別途必要になった。
【0006】
そのようなことから、本件発明者は、詳細な原理等は後述するが、カム軸の移動に代えて、ロッカーアームを機関回転数あるいは負荷に応じてカム軸の軸方向に移動させるように構成した画期的な連続可変バルブタイミング機構を提案した(上記特許文献1参照)。これにより、リフト面を有する3次元カム自体を移動することがないので必要制御スペースが小さくできて、設計の自由度が高く、回転と軸動を分離できて高精度でバルブタイミングを変更でき、体積効率を広範囲の回転域で改善して高トルク域を拡大して確保するとともに、負荷に応じてバルブタイミングを最適に設定して燃費改善が図れることとなった。
【0007】
本発明は、前記本件発明者の提案になる連続可変バルブタイミング機構をさらに改良して、制御スペースの制約が少なく、多気筒型機関に採用しても制御系への負担も少ない、高精度にてバルブタイミングを変更することが可能なことはもとより、制御の応答性の向上とロッカーアームの確実な追従性の確保を可能とした連続可変バルブタイミング機構を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
このため本発明は、回転するカム軸に形成された3次元カムに摺接して揺動するロッカーアームにより吸・排気バルブが軸動して開閉弁するバルブタイミング機構であって、前記ロッカーアームを機関回転数あるいは負荷に応じてカム軸の軸方向に移動させるように構成した連続可変バルブタイミング機構において、前記ロッカーアームの軸動をロッカーシャフトに螺合するモータ軸の回転制御によりなされるように構成したことを特徴とする。また本発明は、前記3次元カム形状は、カム軸方向に沿って、バルブリフトを直線的に変化させるとともに、バルブ開閉時期を変化させるように捻った位相が付与されたことを特徴とする。また本発明は、前記バルブリフト量とバルブ開閉時期を吸気と排気とで異なった特性で変化させるように構成したことを特徴とする。また本発明は、前記ロッカーアームと3次元カムとの間に介設されて、該3次元カムに摺接するタペットと、該タペットを球面で支持する球面軸受をロッカーアームに設けるとともに、前記球面軸受を前記3次元カムの傾斜角のほぼ1/2の傾斜角で傾斜設置したことを特徴とするもので、これらを課題解決のための手段とするものである。
【0009】
【実施の形態】
以下、本発明における連続可変バルブタイミング機構の1つの実施の形態を図面に基づいて説明する。本発明の基本的な構成は、図1および図9に示すように、回転するカム軸12に形成された3次元カム1に摺接して揺動するロッカーアーム3により吸・排気バルブ5が軸動して開閉弁するバルブタイミング機構であって、前記ロッカーアーム3を機関回転数あるいは負荷に応じてカム軸12の軸方向に移動させるように構成した連続可変バルブタイミング機構において、前記ロッカーアーム3の軸動をロッカーシャフト(ロッカーアームシャフト)6に螺合するモータ11の軸の回転制御によりなされるように構成したことを特徴とするものである。
【0010】
以下に、本発明の連続可変バルブタイミング機構について、原理の説明および実験結果による機関性能を含めて詳述する。本システムを4気筒ガソリン機関に適用し、3次元カム、揺動タペットおよび移動ロッカーアームとの組み合わせによる本発明の簡潔な構造の連続可変バルブタイミング機構を試作搭載し、その機構構成および機関性能を明らかにするものである。
【0011】
<連続可変バルブタイミング機構のコンセプト>
機関を行程体積に見合った最適条件で運転させて高性能を得るためには、回転数および負荷等の運転状況に応じてバルブタイミングとリフト量を変化させる吸排気連続可変バルブタイミング機構は有効な手段の一つである。低速域では吸入弁を早く閉じて吸入空気の逆流を防止し、高速域では、吸入弁を遅く閉じて吸入弁部の開口時間面積を増加させて慣性による吸入空気を増加させるようにすれば、体積効率が増加してトルクバンドが拡大されるばかりでなく、有効圧縮比も増加して熱効率が改善される。図1に示したものは、これらを実現させるために前記特許文献1として本件発明者が提案した基本的な構成を含むもので、3次元カム1と移動ロッカーアーム3との組み合わせになる連続吸排気可変バルブタイミング機構である。
【0012】
<作動原理>
本機構はカム軸12に形成された3次元カム1と、そのカム面に沿って線接触する揺動タペット(ピロー)2と、これを受ける球状軸受4を有する移動ロッカーアーム3とによって構成される。移動ロッカーアーム3はロッカーシャフト6に軸支されている。移動ロッカーアーム3の自由端はバルブスプリング7により復元付勢されたバルブ5の頭部を押圧すべく当接されている。3次元カム1の形状はカム軸12方向に沿って、バルブリフトが直線的に変化するとともに、バルブ開閉時期を変化できるように捻った位相が与えられる。このことによって、回転数に対応したバルブ時間面積と最適バルブタイミングが与えられる。
【0013】
図2は移動ロッカーアーム3による可変バルブタイミングを示す。移動ロッカーアーム3はカム軸12に平行に配置され、その揺動タペット2は低リフトではカムの低い位置(a)で、中リフトではカムの中位(b)で、高リフトではカムの高い位置(c)で接触させるようにする。このように、移動ロッカーアーム3を機関の負荷および回転数に対応して3次元カム軸12に平行に移動させれば、図3(a)に示すバルブリフト曲線の矢印のようにリフトと位相とを連続制御できる。吸入バルブ開時期は高リフトになるほど進角させ、バルブ閉止時期は高リフトに進めるほど遅くなるように設定されている。このように可変化することにより、低速から高速まで高トルク域が拡大される。また、排気バルブ開時期は低速域と低負荷時には、低リフトにてバルブ開時期を遅くしてシリンダ内の膨張仕事を増加させ、ピストンへの仕事を増加させる。一方、高速域と高負荷時には高リフトにて進角させ、バルブ開口時間面積を大きくして排気を充分に行わせ、排気効率の向上を図る。排気バルブ閉時期は低速域と低負荷時には、低リフトにてバルブ閉止時期を早くしてオーバーラップを減少させ、アイドル安定性の向上と吸入混合気の逆流の低減をねらい、燃費改善を図ることができる。一方、高速域と高負荷時には、高リフトにてバルブ閉止時期を遅くして、オーバーラップを大きくし、排気を充分に行わせて排気効率の向上を図る。図4はバルブタイミング線図で、吸排気バルブタイミングは広範囲に連続可変にできるように設定される。
【0014】
<バルブリフトおよび加速度特性>
図5はバルブリフト量を変化させた時のバルブリフト曲線および加速度曲線を示す。図に示すように、曲線aは吸気バルブの最高リフト曲線と加速度で、曲線bは最低リフト曲線と加速度である。同様に曲線cは排気バルブの最高リフト曲線と加速度で、曲線dは最低リフト曲線と加速度である。低リフトカム曲線の設計にあたっては、高リフトカム曲線の内側に入るようにすることによって揺動回数が1周で1回となるようにすれば、揺動タペットの角加速度変化が小さくなり、カムの耐久性と信頼性に有利になる。
【0015】
<試作した連続可変吸排気バルブタイミング機構>
実験に用いたガソリン機関諸元を以下に示す。
4気筒、排気量1795cc、ボアストーク82×85、圧縮比11.5、EFI燃料供給システム、DOHC4型バルブ、Pent roof型燃焼室。
【0016】
図6にバルブタイミング機構を構成する動弁系部品を示す。これらの部品は3次元カムとこれに線接触する揺動タペットおよびこれと連動してバルブに往復運動を伝えるロッカーアームによって動弁系を構成する。試作カムシャフトは切削加工で製作することにし、材料にはカムシャフトの過酷な動作環境と加工性を考慮し、SCM415を選択し、切削加工後には表面硬度を加えるため全面に浸炭焼き入れを施した。また、高温環境下での熱ひずみによる応力集中を避けるため、3次元カム表面には研磨仕上げを施した。タペット球面軸受がロッカーシャフトに平行に付いている場合、カムからタペットに力が加わった時に、軸受部の接触面積が小さいためにタペットが外れてしまう危険性がある。
【0017】
そこで、図1および図2にも明確に示されるように、移動ロッカーアーム3の揺動タペット2の球面軸受4に12度の傾斜角を与えた。この傾斜角は3次元カム1の最大傾斜角の約1/2に設定し、3次元カム1から揺動タペット2に荷重が加わった時に、それをタペット球面軸受4で充分に受けることができ、揺動タペット2が外れ難くなる。また、揺動タペット2と移動ロッカーアーム3との干渉問題も解決できた。
【0018】
図7は連続可変バルブタイミングシステムの基本構成を示すものである。吸排気用の移動ロッカーアーム3の支持軸孔部にはロッカーシャフト6が貫通し、ロッカーアーム3にはその揺動を許容する楕円孔を施し、ここにロックピンを挿入してロッカーシャフト6に固定する。したがって、ロッカーシャフト6を移動させると、ロッカーアーム3は揺動運動した状態で3次元カム軸12に平行に移動することが可能である。この一連の動作によって連続可変バルブタイミングが構成される。これらの機構部品として、3次元カム1、揺動タペット2および移動ロッカーアーム3による極めて部品点数が少ない簡潔な機構によって連続可変バルブバルブタイミングが構成できる。図8にシリンダヘッドに組み付けられた可変バルブタイミング機構を示す。
【0019】
<DCモータによる可変バルブタイミング制御>
・可変バルブタイミング制御方法
図9に本発明で提案する可変バルブタイミング機構の制御方法を示す。制御方法は、ギヤードDCモータ11の回転軸に固定した雄ねじ8をロッカーシャフト6内の雌ねじに螺合挿入し、モータ11を回転させることによってロッカーシャフト6をその軸方向に入出させ、これと連結する移動ロッカーアーム3をカム軸と平行に変位させるものである。ギヤードDCモータ11を反時計方向に回転させると、モータ出力軸に固定された雄ねじ8がロッカーシャフト6の雌ねじ内を回転してXL方向の推力が作用し、移動ロッカーアーム3の移動が行われる。また、ギヤードDCモータ11を時計方向に回転させると、ロッカーシャフト6がXR方向に変位する。また、ロッカーシャフト6には溝Jが施され、この部分に外部ケーシングよりピンPが挿入され、ロッカーシャフト6の移動中にこれが回転しないように拘束している。
【0020】
図10に機関に搭載された制御用ギヤードモータ11の周辺を示す。バルブ作動中は、ロッカーアームに大きな力が作用して、ロッカーアームの移動を妨げるように作用し、特に、高リフト方向にモータの力でロッカーアームを移動させる場合、モータには大きなトルクが必要とされるが、本機構では制御が容易で、起動時に大きなトルクを得ることが可能なDCモータを選択し、ギヤードタイプの大きな減速比(75程度)のモータを選定するとともに可変機構をスクリュー方式にすることによって負荷の大きいバルブ作動中においても迅速、容易かつ正確に可変制御を行うことができる。
【0021】
<可変バルブタイミング制御回路>
本機構にて使用されたDCモータ駆動回路例のブロック図を図11に示す。モータ仕様は定格12Vギヤードタイプで無負荷時回転数394rpm、減速後の最大効率時のトルクは0.735N・m(4.054A/330rpm時)、モータロック時の電流は20Aである。図12にMOS−FETを用いたHブリッジによるモータ制御回路例を示す。図において、正転の場合はMOS−FETのA−DをON、B−CをOFFにし、逆転の場合はA−DをOFF、B−CをONにする。ブレーキの場合は、B−DをON、A−CをOFFにすればモータの両端子が接地短絡する。それぞれのMOS−FETには出力保護用にダイオード4組接続した。Hブリッジ入力端にはフォトカプラを接続し、スイッチングノイズの低減を図った。
【0022】
ロッカーアームの移動検出は樹脂製のボビンにコイルを巻いた非接触変位計9(図9参照、以下同様)をロッカーシャフト6内に挿入し、そのインダクタンス変化を周波数F−電圧V変換器を用い、出力される電圧値を計測することによってロッカーアーム3の変位を測定した。DCモータの駆動制御はPCから送信される回転角、回転方向制御信号によって行う。モータの制御回路がパソコンから回転開始信号を受信すると、モータ制御ロジック回路がFETをスイッチングし、モータが回転する。ロッカーアームが移動するとF−Vトランスデューサから出力される電圧が変化する。出力電圧はA/Dコンバータを介してマイコンに入力し、パソコンから送信された設定電圧と比較し、設定値に達するとモータに停止(制動)指示を送信する。本回路は正逆回転およびブレーキ制御が可能で、無負荷状態での制動能力は制動信号送信後、スクリュー角約30度で停止する。
【0023】
<モータリング実験>
吸入空気量は吸気バルブのリフト量と開口時間で表される吸気バルブ開口時間面積の影響を受ける。従って、3次元カムは低速時では吸気開始時期を遅らせ、バルブリフトを低くするとともに、閉止時期を早く設定した。また、高速時は吸入開始時期を早期化し、バルブリフトを高くするとともに、閉止時期を遅く設定した。シリンダ内最高圧力は吸気温度が一定であれば吸入空気量に比例して高くなる。したがって、各回転数における最適バルブタイミングはシリンダ内最高圧力を測定すれば求められる。そこで、モータリング運転によって、回転数一定のもとで吸気バルブ閉止タイミングを変化させ、各バルブ閉止タイミングにおけるシリンダ内圧力を測定した。そして、シリンダ内最高圧力が最大となる吸気バルブ閉止タイミングを求めた。図13は各回転数における吸気バルブ閉止タイミングに対するシリンダ内最高圧力Pmax と、その時の最大バルブリフト量を示す。図より各回転数においてシリンダ内最高圧力が最大となる吸気バルブ閉止タイミングが存在する。これがその機関回転数における最適吸気バルブ閉止タイミングである。また、高速になるほど吸気バルブ閉止タイミングが遅れ、リフト量も増加していることが分かる。
【0024】
<発火運転実験>
前記図13では回転数毎の最適吸気バルブ閉止タイミングが求められた。本実験では発火運転によるトルクを測定し、機関回転数毎の軸平均有効圧力が最大となる吸気バルブ閉止タイミングを求める。図14はスロットル全開で機関回転数毎にバルブタイミングを変化させた場合の軸平均有効圧力BMEPを示す。各回転数とも軸平均有効圧力の最大値を示す吸気バルブ閉止タイミングは前記図13に示されたモータリング実験におけるシリンダ内最高圧力の最大値を示す最適吸気バルブ閉止タイミングとほぼ同じ値を示した。
【0025】
図15に機関回転数に対する最大軸平均有効圧力および正味燃料消費率とその時の最大バルブリフト量、最適バルブ閉止タイミングを示す。ノーマル機関の実験では3500rpmで最適バルブタイミングとなるカム位相を固定して回転数を変化させて行った。本発明による試作機関の軸平均有効圧力はノーマル機関と比較して、2500rpm以下では低速ほど出力が向上し、1000rpmで17%程度の改善効果が示された。また、高速域では4000rpmを境に高速になるほど出力が増加し、5000rpmにおいて約4%の出力向上が示された。正味燃料消費率はノーマル機関に比べ2000rpmから3000rpm間で改善が認められ、2500rpmにおいて約7.5%の燃費向上効果が示された。吸気バルブタイミングは機関回転数の増加に従って、最適バルブ閉止タイミングが遅れ、最大リフト量も増加している。
【0026】
これらの結果から、機関回転数に対して最適バルブタイミングを設定することによって中低速域での燃費向上と、低速域から高速域までの広い回転域にわたってノーマル機関より優れた出力性能を示すことが実験によって実証された。以上のように、3次元カムと移動ロッカーアームの組み合わせによる簡潔な構造の連続可変バルブタイミング機構を提案・試作し、これを4気筒ガソリン機関に適用し、そのモータリング実験と発火運転実験を行い、次の結果が得られた。
【0027】
(1)ノーマル機関と比較し、中低速域での燃費向上が認められ、2500rpmにおいて燃料消費率が221.7g/(kw・h)を示し、極めて高い燃費低減効果を実現した。
(2)低速域から高速域までの広い回転域にわたってノーマル機関より優れた出力性能を示すことが実証された。
(3)モータリング運転からシリンダ内最高圧力の最大値を示す最適吸気バルブ閉止タイミングが存在する。
(4)発火運転において、各機関回転数で最適吸気バルブ閉止タイミングにて最大の軸平均有効圧力が得られた。
(5)モータリング運転の最大シリンダ内最高圧力によって求められる最適吸気バルブ閉止タイミングと、発火運転の軸平均有効圧力の最大値を示す最適吸気バルブ閉止タイミングはほぼ同一値を示した。
(6)3次元カム、揺動タペットおよび移動ロッカーアームとの組み合わせによる試作バルブタイミングリフト機構は極めて簡潔な構造により安定した運転が実証できた。
(7)DCモータによってスクリューを回転させてロッカーアームを変位させる可変バルブタイミング制御システムは高い応答性と安定した制御を行うことができた。
(8)球面軸受を3次元カムの傾斜角のほぼ1/2の傾斜角で傾斜設置したことにより、3次元カムからの荷重が揺動タペットに加わっても、それをタペット球面軸受で充分に受けることができ、また、揺動タペットと移動ロッカーアームとの干渉問題もなく、揺動タペットが外れ難く、簡潔な構造によりロッカーアームの確実な追従性を維持して安定した制御による運転が可能であることが実証できた。
【0028】
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明の趣旨の範囲内で、3次元カムの形状(捻り形状すなわち移動ロッカーアームの軸方向ストロークとバルブリフトとの関係を決める3次元カムにおけるカム面形状)、揺動タペットの形状、移動ロッカーアームの形状およびそれらの間の関連構成、ロッカーシャフトの形状および該シャフトへのロッカーアームの軸支形態、モータの形式、モータ軸とロッカーシャフトとの螺合形態、モータによる機関回転数あるいは負荷に応じたロッカーシャフトの軸動を伴う回転制御形態、揺動タペットの球状軸受への軸支形態および球状軸受のロッカーアームへの設置形態等については適宜選定することができる。また、実験装置の各諸元等は例示的なもので、これらを限定的に解釈してはならない。
【0029】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明では、回転するカム軸に形成された3次元カムに摺接して揺動するロッカーアームにより吸・排気バルブが軸動して開閉弁するバルブタイミング機構であって、前記ロッカーアームを機関回転数あるいは負荷に応じてカム軸の軸方向に移動させるように構成した連続可変バルブタイミング機構において、前記ロッカーアームの軸動をロッカーシャフトに螺合するモータ軸の回転制御によりなされるように構成したことにより、3次元カムを軸方向に移動させる必要がないので、制御スペースを要せず、設計の自由度が高くなる他、回転と軸方向移動とを分離できるので、高精度にてバルブタイミングを変更できる。しかも、これらの制御がモータ軸の回転制御により迅速になされて応答性が向上する。
【0030】
また、前記3次元カム形状が、カム軸方向に沿って、バルブリフトを直線的に変化させるとともに、バルブ開閉時期を変化させるように捻った位相が付与された場合は、リフトと位相とを連続制御して、バルブ開時期を高リフトになるほど進角させ、バルブ閉止時期を高リフトに進めるほど遅くなるように設定されて可変化することにより、低速から高速までの高トルク域が拡大される。さらに、前記バルブリフト量とバルブ開閉時期を吸気と排気とで異なった特性で変化させるように構成した場合は、吸気バルブの閉弁時期を回転数に比例して遅らせて、体積効率を広範囲の回転域で改善して高トルク域を拡大して確保したり、また、吸気バルブの閉弁時期を負荷に対応して最適に設定することで燃費が改善できる。さらに、排気バルブの開弁時期を回転数と負荷の増加に比例して早くすることで、排気効率が向上するとともに、ピストンに有効に圧力が作用して燃費が改善できる。
【0031】
さらにまた、前記ロッカーアームと3次元カムとの間に介設されて、該3次元カムに摺接するタペットと、該タペットを球面で支持する球面軸受をロッカーアームに設けるとともに、前記球面軸受を前記3次元カムの傾斜角のほぼ1/2の傾斜角で傾斜設置した場合は、3次元カムからの荷重が揺動タペットに加わっても、それをタペット球面軸受で充分に受けることができる。また、揺動タペットと移動ロッカーアームとの干渉問題もなく、揺動タペットが外れ難く、簡潔な構造によりロッカーアームの確実な追従性を維持して安定した制御による運転が可能となる。かくして、制御スペースの制約が少なく、多気筒型機関に採用しても制御系への負担も少ない、高精度にてバルブタイミングを変更することが可能なことはもとより、制御の応答性の向上とロッカーアームの確実な追従性の確保を可能とした連続可変バルブタイミング機構が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の可変バルブタイミング機構の1つの実施の形態を示すもので、3次元カム上における揺動タペットの挙動を示す説明図である。
【図2】同、移動ロッカーアームの移動時の3次元カム上における揺動タペットの挙動を示す可変バルブタイミングの説明図である。
【図3】バルブリフト曲線図で、本願発明のものと従来のものとの比較図である。
【図4】本発明の可変バルブタイミング機構のバルブタイミング線図である。
【図5】同、バルブリフト量変化に伴うバルブリフト曲線および加速度曲線図である。
【図6】同、可変バルブタイミング機構の動弁系構成部品を示す。
【図7】同、基本構成部品図である。
【図8】同、シリンダヘッドに組み付けられた可変バルブタイミング機構を示す。
【図9】同、バルブタイミングの制御方法を示す説明図である。
【図10】同、機関に搭載された制御用ギヤードモータ周辺を示す図である。
【図11】同、DCモータ駆動回路ブルック図である。
【図12】同、Hブリッジによるモータ制御回路を示す。
【図13】同、各回転数毎の吸気バルブ閉止タイミングに対するシリンダ内最高圧力と、その時の最大バルブリフト量を示す図である。
【図14】同、スロットル全開で、機関回転数毎にバルブタイミングを変化させた場合の軸平均有効圧力を示す図である。
【図15】同、機関回転数に対する最大軸平均有効圧力および正味燃料消費率とその時の最大バルブリフト量、最適バルブ閉止タイミングを示す図である。
【符号の説明】
1 3次元カム
2 揺動タペット
3 移動ロッカーアーム
4 球状軸受
5 吸・排気バルブ
6 ロッカーシャフト(ロッカーアーム軸)
7 バルブスプリング
8 スクリュー
9 コイル
10 ピン
11 DCモータ
12 3次元カム軸
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a continuously variable valve timing mechanism that can change the opening / closing timing of intake / exhaust valves in an internal combustion engine or the like according to the engine speed or load.
[0002]
[Prior art]
In recent years, fossil fuel depletion has been called for, and research on energy saving has been actively conducted in various fields.In internal combustion engines, etc., strict exhaust gas control measures with low fuel consumption while ensuring high output are required. I have. As a method for achieving low fuel consumption, a Miller cycle is attracting attention as an effective means, and a hybrid engine or a stationary engine combining an internal combustion engine and an electric motor has been put to practical use. However, since the compression ratio and the expansion ratio are different, a remarkable reduction in fuel consumption can be obtained at a partial load, but the solution is always expected because the maximum output is reduced in principle. By the way, in order to secure high torque in a wide range of rotation in an internal combustion engine, it is necessary to delay the intake valve closing timing in proportion to the rotation speed. As a method to realize this, a variable valve timing mechanism has been studied, and when the intake valve closing timing is delayed in proportion to the rotation speed and the valve timing is optimally set according to the rotation speed or load, the effective compression ratio can be reduced. An increase in fuel consumption and an increase in volumetric efficiency can achieve both low fuel consumption and high torque.
[0003]
As described above, it has been confirmed that, when the valve lift and the timing are changed in accordance with the load and the engine speed, the expansion of the torque band and the improvement of the fuel efficiency can be expected by improving the volumetric efficiency (see Non-Patent Document 1 below). . Research on a continuously variable valve timing mechanism includes a method of moving a camshaft (see Non-Patent Document 2 below), a method using pneumatics (see Non-Patent Document 3 below), and a method using unequal velocity (see Non-Patent Document 2 below). 4) and a method using an oscillating cam (see Non-Patent Document 5 below), but none of them have reached the practical range yet. Recently, a system in which the valve lift and the camshaft phase are continuously and independently variable has been put to practical use, and the effect of improving fuel efficiency has been shown (see Non-Patent Document 6 below).
[0004]
[Non-patent document 1]
Hidetaka Nohira, Trend of Fuel Efficiency Improvement Technology in Europe, Automotive Technology, vol. 56, 2002.
[Non-patent document 2]
Titolo A MTZ, "Variable valve control from Fit" May 1986, pages 185-188.
[Non-Patent Document 3]
Geringer B, "Calculation and development of an electrically and and hydraulically controlled variable available timing for S.Eng., 4th International, 7th International, 7th International.
[Non-patent document 4]
Nohara et al., JSAE Paper 200005493.
[Non-Patent Document 5]
Yamada et al., JSAE Paper20015065.
[Non-Patent Document 6]
Manabu Kumano, "BMW's" Valvetronic "System," CAR GRAPHIC August, 2001.
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application No. 11-254449 (JP-A-2001-82117)
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in these conventional continuously variable valve timing mechanisms, the intake / exhaust valve is positioned at a low lift position, a medium lift position, and a high lift position on the three-dimensional cam by moving the camshaft itself in the axial direction. And the lift of the intake / exhaust valve with respect to the rotation angle of the camshaft, that is, the timing of opening and closing the valve, may be disadvantageously increased. The degree of freedom of design is limited due to the possibility of being hindered by the design, and it is difficult to design an ideal cam. In addition, when the cam is used in a multi-cylinder engine, any one of the valves is operated while the camshaft is axially moved. However, since the power unit is in operation, a certain amount of power is required for the movement of the camshaft, and the power unit is inevitably increased in size, and its control system is complicated. In addition, the lift of these conventional three-dimensional cams does not change its apex position in either the low lift or the high lift as shown in the lift curve of FIG. Causes malfunction. Therefore, a camshaft phase control device using a hydraulic pressure or the like is required separately.
[0006]
For this reason, the inventor of the present invention has a configuration in which the rocker arm is moved in the axial direction of the camshaft according to the engine speed or load, instead of moving the camshaft, although the detailed principle and the like will be described later. A novel and innovative variable valve timing mechanism has been proposed (see Patent Document 1). As a result, the three-dimensional cam having the lift surface itself does not move, so that the required control space can be reduced, the degree of freedom in design is high, the rotation and the axial movement can be separated, and the valve timing can be changed with high accuracy. The volume efficiency has been improved over a wide range of revolutions to secure a high torque range, and the fuel efficiency has been improved by optimally setting the valve timing according to the load.
[0007]
The present invention further improves the continuously variable valve timing mechanism proposed by the inventor of the present invention, so that the control space is less restricted, the load on the control system is reduced even when adopted in a multi-cylinder engine, and the precision is improved. It is an object of the present invention to provide a continuously variable valve timing mechanism which can change the valve timing, and further, can improve control responsiveness and ensure reliable followability of the rocker arm.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, the present invention is a valve timing mechanism in which an intake / exhaust valve pivots by a rocker arm that swings by slidingly contacting a three-dimensional cam formed on a rotating camshaft. In a continuously variable valve timing mechanism configured to move in the axial direction of a camshaft according to an engine speed or a load, the axial movement of the rocker arm is controlled by rotation control of a motor shaft screwed to the rocker shaft. It is characterized by comprising. Further, the present invention is characterized in that the three-dimensional cam shape is provided with a phase that is twisted so as to change the valve lift linearly and to change the valve opening / closing timing along the cam axis direction. Further, the present invention is characterized in that the valve lift amount and the valve opening / closing timing are changed with different characteristics between intake and exhaust. The present invention also provides a rocker arm having a tappet interposed between the rocker arm and a three-dimensional cam and slidably contacting the three-dimensional cam, and a spherical bearing for supporting the tappet with a spherical surface. Of the three-dimensional cams are installed at an inclination angle of about 1/2 of the inclination angle of the three-dimensional cam, and these are used as means for solving the problem.
[0009]
Embodiment
Hereinafter, an embodiment of a continuously variable valve timing mechanism according to the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIGS. 1 and 9, the basic configuration of the present invention is that the intake / exhaust valve 5 is pivoted by the rocker arm 3 which swings by slidingly contacting the three-dimensional cam 1 formed on the rotating camshaft 12. A continuously variable valve timing mechanism for moving the rocker arm 3 in the axial direction of the camshaft 12 according to the engine speed or the load. Is performed by rotation control of a shaft of a motor 11 screwed to a rocker shaft (rocker arm shaft) 6.
[0010]
Hereinafter, the continuously variable valve timing mechanism of the present invention will be described in detail, including a description of principles and engine performance based on experimental results. This system is applied to a 4-cylinder gasoline engine, and a prototype of a simple variable valve timing mechanism having a simple structure according to the present invention using a combination of a three-dimensional cam, a swinging tappet, and a moving rocker arm is mounted on a trial basis. It is clear.
[0011]
<Concept of continuously variable valve timing mechanism>
In order to obtain high performance by operating the engine under the optimal conditions commensurate with the stroke volume, a continuously variable intake / exhaust valve timing mechanism that changes the valve timing and the lift amount according to the operating conditions such as the rotation speed and load is effective. It is one of the means. In the low-speed range, the intake valve closes early to prevent backflow of intake air, and in the high-speed range, the intake valve is closed slowly to increase the opening time area of the suction valve section to increase intake air due to inertia. Not only is the volume efficiency increased and the torque band is expanded, but also the effective compression ratio is increased and the thermal efficiency is improved. 1 includes a basic structure proposed by the present inventor as Patent Document 1 in order to realize these, and a continuous suction unit which is a combination of a three-dimensional cam 1 and a movable rocker arm 3 is shown in FIG. This is an exhaust variable valve timing mechanism.
[0012]
<Operation principle>
The mechanism comprises a three-dimensional cam 1 formed on a camshaft 12, a swing tappet (pillow) 2 that makes linear contact along the cam surface, and a movable rocker arm 3 having a spherical bearing 4 for receiving the same. You. The movable rocker arm 3 is supported by a rocker shaft 6. The free end of the movable rocker arm 3 is abutted to press the head of the valve 5 urged back by the valve spring 7. The shape of the three-dimensional cam 1 is given a twisted phase so that the valve lift changes linearly and the valve opening / closing timing can be changed along the camshaft 12 direction. This provides a valve time area and an optimal valve timing corresponding to the number of revolutions.
[0013]
FIG. 2 shows variable valve timing by the movable rocker arm 3. The movable rocker arm 3 is arranged parallel to the camshaft 12, and the swinging tappet 2 has a low cam position (a) at a low lift, a medium cam position (b) at a medium lift, and a high cam height at a high lift. The contact is made at the position (c). As described above, if the movable rocker arm 3 is moved in parallel with the three-dimensional camshaft 12 in accordance with the load and the number of revolutions of the engine, the lift and the phase as indicated by the arrow of the valve lift curve shown in FIG. And can be controlled continuously. The opening timing of the intake valve is set to be advanced as the lift is increased, and the valve closing timing is set to be delayed as the lift is advanced. By making such a change, the high torque range is expanded from a low speed to a high speed. In addition, when the exhaust valve is opened in a low speed range and at a low load, the valve opening timing is delayed at a low lift to increase the expansion work in the cylinder and increase the work on the piston. On the other hand, at the time of a high speed range and a high load, the valve is advanced by a high lift, the valve opening time area is increased, and the exhaust is sufficiently performed, thereby improving the exhaust efficiency. When the exhaust valve is closed at low speeds and low load, the valve close timing is advanced with a low lift to reduce overlap, improve idle stability and reduce backflow of the intake air-fuel mixture, and improve fuel efficiency. Can be. On the other hand, in a high-speed range and a high load, the valve closing timing is delayed at a high lift, the overlap is increased, and the exhaust is sufficiently performed to improve the exhaust efficiency. FIG. 4 is a valve timing diagram in which the intake and exhaust valve timing is set to be continuously variable over a wide range.
[0014]
<Valve lift and acceleration characteristics>
FIG. 5 shows a valve lift curve and an acceleration curve when the valve lift amount is changed. As shown in the figure, the curve a is the maximum lift curve and acceleration of the intake valve, and the curve b is the minimum lift curve and acceleration. Similarly, curve c is the maximum lift curve and acceleration of the exhaust valve, and curve d is the minimum lift curve and acceleration. In designing a low lift cam curve, if the number of swings is set to be one in one round by entering the inside of the high lift cam curve, the angular acceleration change of the swing tappet will be small, and the cam durability will be reduced. It is advantageous for performance and reliability.
[0015]
<Prototype continuously variable intake and exhaust valve timing mechanism>
The specifications of the gasoline engine used in the experiment are shown below.
4-cylinder, displacement 1,795 cc, borestoke 82 × 85, compression ratio 11.5, EFI fuel supply system, DOHC 4 type valve, Pent proof type combustion chamber.
[0016]
FIG. 6 shows valve train components constituting the valve timing mechanism. These components constitute a valve train by a three-dimensional cam, a swing tappet in linear contact with the three-dimensional cam, and a rocker arm that transmits reciprocating motion to the valve in conjunction with the tappet. The prototype camshaft is manufactured by cutting, and the material is selected SCM415 in consideration of the severe operating environment and workability of the camshaft. After cutting, the entire surface is carburized and quenched to add surface hardness. did. In order to avoid stress concentration due to thermal strain in a high temperature environment, the three-dimensional cam surface was polished. When the tappet spherical bearing is provided parallel to the rocker shaft, there is a risk that the tappet may come off when a force is applied from the cam to the tappet due to a small contact area of the bearing portion.
[0017]
Therefore, as clearly shown in FIGS. 1 and 2, the spherical bearing 4 of the swing tappet 2 of the movable rocker arm 3 is given a 12-degree inclination angle. This inclination angle is set to about 1/2 of the maximum inclination angle of the three-dimensional cam 1, and when a load is applied from the three-dimensional cam 1 to the swing tappet 2, it can be sufficiently received by the tappet spherical bearing 4. , The swing tappet 2 is less likely to come off. Further, the problem of interference between the swing tappet 2 and the movable rocker arm 3 was solved.
[0018]
FIG. 7 shows the basic configuration of a continuously variable valve timing system. A rocker shaft 6 penetrates through a support shaft hole of the moving rocker arm 3 for intake and exhaust, and an elliptical hole is formed in the rocker arm 3 to allow the rocker to swing. Fix it. Therefore, when the rocker shaft 6 is moved, the rocker arm 3 can move in parallel with the three-dimensional cam shaft 12 in a swinging motion. This series of operations constitutes a continuously variable valve timing. As these mechanical components, a continuously variable valve timing can be constituted by a simple mechanism having a very small number of components, including the three-dimensional cam 1, the swing tappet 2, and the movable rocker arm 3. FIG. 8 shows a variable valve timing mechanism assembled to the cylinder head.
[0019]
<Variable valve timing control by DC motor>
・ Variable valve timing control method
FIG. 9 shows a control method of the variable valve timing mechanism proposed in the present invention. The control method is as follows. The male screw 8 fixed to the rotating shaft of the geared DC motor 11 is screwed into the female screw in the rocker shaft 6, and the motor 11 is rotated so that the rocker shaft 6 enters and exits in the axial direction, and is connected thereto. The movable rocker arm 3 is displaced in parallel with the cam shaft. When the geared DC motor 11 is rotated in the counterclockwise direction, the male screw 8 fixed to the motor output shaft rotates in the female screw of the rocker shaft 6 and a thrust in the XL direction acts to move the movable rocker arm 3. . When the geared DC motor 11 is rotated clockwise, the rocker shaft 6 is displaced in the XR direction. The rocker shaft 6 is provided with a groove J, into which a pin P is inserted from the outer casing to restrain the rocker shaft 6 from rotating during movement.
[0020]
FIG. 10 shows the periphery of the control geared motor 11 mounted on the engine. While the valve is operating, a large force acts on the rocker arm to hinder the movement of the rocker arm, and especially when the rocker arm is moved by the motor in a high lift direction, a large torque is required for the motor. However, this mechanism selects a DC motor that is easy to control and can obtain a large torque at startup, selects a geared type motor with a large reduction ratio (about 75), and uses a screw type variable mechanism. Thus, the variable control can be performed quickly, easily and accurately even during the operation of the valve with a large load.
[0021]
<Variable valve timing control circuit>
FIG. 11 shows a block diagram of an example of a DC motor drive circuit used in this mechanism. The motor specification is a rated 12V geared type, the number of revolutions at no load is 394 rpm, the torque at the maximum efficiency after deceleration is 0.735 N · m (at 4.054 A / 330 rpm), and the current when the motor is locked is 20 A. FIG. 12 shows an example of a motor control circuit based on an H-bridge using a MOS-FET. In the figure, in the case of normal rotation, AD of the MOS-FET is turned ON and BC is turned OFF, and in the case of reverse rotation, AD is turned OFF and BC is turned ON. In the case of a brake, if BD is turned ON and AC is turned OFF, both terminals of the motor are short-circuited to ground. Four sets of diodes were connected to each MOS-FET for output protection. A photocoupler was connected to the H-bridge input terminal to reduce switching noise.
[0022]
For detecting the movement of the rocker arm, a non-contact displacement meter 9 (see FIG. 9, the same applies hereinafter) in which a coil is wound around a resin bobbin is inserted into the rocker shaft 6, and the inductance change is measured using a frequency F-voltage V converter. The displacement of the rocker arm 3 was measured by measuring the output voltage value. The drive control of the DC motor is performed by a rotation angle and rotation direction control signal transmitted from the PC. When the motor control circuit receives the rotation start signal from the personal computer, the motor control logic circuit switches the FET, and the motor rotates. When the rocker arm moves, the voltage output from the FV transducer changes. The output voltage is input to the microcomputer via the A / D converter, is compared with the set voltage transmitted from the personal computer, and when the set voltage is reached, a stop (braking) instruction is transmitted to the motor. This circuit can perform forward / reverse rotation and brake control, and the braking ability under no load condition stops at a screw angle of about 30 degrees after transmitting the braking signal.
[0023]
<Motoring experiment>
The intake air amount is affected by the intake valve opening time area represented by the lift amount and the opening time of the intake valve. Therefore, in the three-dimensional cam, at a low speed, the intake start timing is delayed, the valve lift is reduced, and the closing timing is set earlier. At high speeds, the suction start timing was earlier, the valve lift was higher, and the closing timing was set later. If the intake air temperature is constant, the maximum pressure in the cylinder increases in proportion to the intake air amount. Therefore, the optimum valve timing at each rotation speed can be obtained by measuring the maximum cylinder pressure. Therefore, the closing timing of the intake valve was changed under a constant rotation speed by the motoring operation, and the pressure in the cylinder at each valve closing timing was measured. Then, the intake valve closing timing at which the maximum pressure in the cylinder becomes maximum was determined. FIG. 13 shows the maximum cylinder pressure Pmax with respect to the intake valve closing timing at each rotation speed, and the maximum valve lift at that time. As shown in the figure, there is an intake valve closing timing at which the maximum pressure in the cylinder becomes maximum at each rotation speed. This is the optimum intake valve closing timing at that engine speed. Also, it can be seen that the intake valve closing timing is delayed and the lift amount is increased as the speed is increased.
[0024]
<Ignition driving experiment>
In FIG. 13, the optimal intake valve closing timing for each rotation speed was determined. In this experiment, the torque caused by the ignition operation is measured, and the intake valve closing timing at which the shaft average effective pressure at each engine speed becomes maximum is obtained. FIG. 14 shows the shaft average effective pressure BMEP when the valve timing is changed for each engine speed when the throttle is fully open. At each rotation speed, the intake valve closing timing indicating the maximum value of the shaft average effective pressure was almost the same value as the optimal intake valve closing timing indicating the maximum value of the maximum cylinder pressure in the motoring experiment shown in FIG. .
[0025]
FIG. 15 shows the maximum shaft average effective pressure and the net fuel consumption rate with respect to the engine speed, the maximum valve lift at that time, and the optimal valve closing timing. In the experiment of the normal engine, the rotation was changed while the cam phase at which the optimum valve timing was obtained was fixed at 3500 rpm. Compared with the normal engine, the shaft average effective pressure of the prototype engine according to the present invention improved at lower speeds at 2500 rpm or less, and showed an improvement effect of about 17% at 1000 rpm. In the high-speed range, the output increased as the speed became higher at 4000 rpm, and the output was improved by about 4% at 5000 rpm. The net fuel consumption rate was improved between 2000 rpm and 3000 rpm compared to the normal engine, and a fuel efficiency improvement effect of about 7.5% was shown at 2500 rpm. As for the intake valve timing, as the engine speed increases, the optimal valve closing timing is delayed, and the maximum lift amount also increases.
[0026]
From these results, it can be seen that by setting the optimal valve timing for the engine speed, fuel efficiency is improved in the middle and low speed range, and output performance superior to the normal engine over a wide rotation range from low speed to high speed. Demonstrated by experiments. As described above, we proposed and prototyped a simple and continuously variable valve timing mechanism with a combination of a three-dimensional cam and a moving rocker arm, applied it to a four-cylinder gasoline engine, and conducted motoring and ignition driving experiments. The following results were obtained.
[0027]
(1) Compared to the normal engine, the improvement in fuel efficiency in the middle to low speed range was recognized, and the fuel consumption rate was 221.7 g / (kw · h) at 2500 rpm, and an extremely high fuel efficiency reduction effect was realized.
(2) It has been demonstrated that the output performance is superior to that of a normal engine over a wide rotation range from a low speed range to a high speed range.
(3) There is an optimal intake valve closing timing indicating the maximum value of the maximum pressure in the cylinder from the motoring operation.
(4) In the ignition operation, the maximum shaft average effective pressure was obtained at the optimal intake valve closing timing at each engine speed.
(5) The optimum intake valve closing timing obtained by the maximum cylinder maximum pressure in the motoring operation and the optimal intake valve closing timing indicating the maximum value of the shaft average effective pressure in the ignition operation showed almost the same value.
(6) The prototype valve timing lift mechanism using the combination of the three-dimensional cam, the swing tappet, and the movable rocker arm demonstrated stable operation with an extremely simple structure.
(7) The variable valve timing control system in which the rocker arm is displaced by rotating the screw by the DC motor was able to perform high responsiveness and stable control.
(8) Since the spherical bearing is installed at an inclination angle of about 1/2 of the inclination angle of the three-dimensional cam, even if a load from the three-dimensional cam is applied to the swing tappet, it can be sufficiently applied by the tappet spherical bearing. The rocking tappet does not interfere with the moving rocker arm, and the rocking tappet does not easily come off.Simple structure enables reliable control of the rocker arm and operation with stable control It was proved that it was.
[0028]
The embodiments of the present invention have been described above. However, within the scope of the present invention, the shape of the three-dimensional cam (twisted shape, that is, the three-dimensional cam that determines the relationship between the axial stroke of the movable rocker arm and the valve lift). , Rocking tappet shape, moving rocker arm shape and related configuration between them, rocker shaft shape and rocker arm pivotal support to the shaft, motor type, motor shaft and rocker shaft Screw type, rotation control type with rocker shaft axial movement according to engine speed or load by motor, rocking tappet on a spherical bearing, and spherical bearing on rocker arm Can be appropriately selected. In addition, the specifications of the experimental apparatus are illustrative, and should not be construed as limiting.
[0029]
【The invention's effect】
As described above in detail, the present invention employs a valve timing mechanism in which a suction / exhaust valve pivots by a rocker arm that swings in sliding contact with a three-dimensional cam formed on a rotating camshaft to open and close. In the continuously variable valve timing mechanism configured to move the rocker arm in the axial direction of the camshaft according to the engine speed or the load, a motor shaft for screwing the axial movement of the rocker arm to the rocker shaft is provided. Since the three-dimensional cam does not need to be moved in the axial direction, it is not necessary to move the three-dimensional cam in the axial direction, so there is no need for control space, and the degree of freedom in design is increased. In addition, rotation and axial movement are separated. The valve timing can be changed with high accuracy. In addition, these controls are quickly performed by the rotation control of the motor shaft, and the responsiveness is improved.
[0030]
In addition, when the three-dimensional cam shape is provided with a valve lift linearly changing along the cam axis direction and a phase twisted so as to change the valve opening / closing timing, the lift and the phase are continuous. High torque range from low speed to high speed is expanded by controlling and changing the valve opening timing to be advanced as the lift increases and the valve closing timing to be delayed as the lift is advanced. . Further, when the valve lift amount and the valve opening / closing timing are changed with different characteristics between the intake and the exhaust, the closing timing of the intake valve is delayed in proportion to the rotation speed, and the volumetric efficiency is widened. Fuel economy can be improved by improving the rotation range to secure a high torque range by expanding it, or by setting the intake valve closing timing optimally according to the load. Further, by increasing the opening timing of the exhaust valve in proportion to the increase in the rotation speed and the load, the exhaust efficiency is improved, and the pressure is effectively applied to the piston, so that the fuel efficiency can be improved.
[0031]
Still further, a tappet interposed between the rocker arm and the three-dimensional cam and slidably contacting the three-dimensional cam, and a spherical bearing for supporting the tappet with a spherical surface are provided on the rocker arm, and the spherical bearing is provided on the rocker arm. In the case where the three-dimensional cam is installed at an inclination angle of about 1/2 of the inclination angle of the three-dimensional cam, even if a load from the three-dimensional cam is applied to the swing tappet, it can be sufficiently received by the tappet spherical bearing. In addition, there is no problem of interference between the swing tappet and the movable rocker arm, the swing tappet is hardly disengaged, and the simple structure enables the rocker arm to reliably follow and maintain stable control for operation. Thus, there is little restriction on the control space, there is little burden on the control system even when adopted in a multi-cylinder engine, and it is possible to change the valve timing with high accuracy, as well as to improve control responsiveness. Provided is a continuously variable valve timing mechanism capable of ensuring the followability of a rocker arm.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view showing one embodiment of a variable valve timing mechanism of the present invention, and is an explanatory view showing a behavior of a swing tappet on a three-dimensional cam.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a variable valve timing showing a behavior of a swing tappet on a three-dimensional cam when the movable rocker arm is moved.
FIG. 3 is a valve lift curve diagram, which is a comparison diagram between the present invention and a conventional one.
FIG. 4 is a valve timing diagram of the variable valve timing mechanism of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a valve lift curve and an acceleration curve accompanying a change in the valve lift amount.
FIG. 6 shows the valve operating system components of the variable valve timing mechanism.
FIG. 7 is a basic component diagram.
FIG. 8 shows a variable valve timing mechanism assembled to the cylinder head.
FIG. 9 is an explanatory diagram showing a method of controlling valve timing.
FIG. 10 is a diagram showing the periphery of a control geared motor mounted on the engine.
FIG. 11 is a block diagram of a DC motor drive circuit.
FIG. 12 shows a motor control circuit using an H-bridge.
FIG. 13 is a diagram showing the maximum pressure in the cylinder with respect to the intake valve closing timing for each rotation speed and the maximum valve lift at that time.
FIG. 14 is a diagram showing the shaft average effective pressure when the valve timing is changed for each engine speed when the throttle is fully opened.
FIG. 15 is a diagram showing a maximum shaft average effective pressure and a net fuel consumption rate with respect to an engine speed, a maximum valve lift amount at that time, and an optimal valve closing timing.
[Explanation of symbols]
1 3D cam
2 Swing tappet
3 Moving rocker arm
4 Spherical bearing
5 Intake and exhaust valves
6 Rocker shaft (rocker arm axis)
7 Valve spring
8 Screw
9 coils
10 pin
11 DC motor
12 3D camshaft

Claims (4)

回転するカム軸に形成された3次元カムに摺接して揺動するロッカーアームにより吸・排気バルブが軸動して開閉弁するバルブタイミング機構であって、前記ロッカーアームを機関回転数あるいは負荷に応じてカム軸の軸方向に移動させるように構成した連続可変バルブタイミング機構において、前記ロッカーアームの軸動をロッカーシャフトに螺合するモータ軸の回転制御によりなされるように構成したことを特徴とする連続可変バルブタイミング機構。A valve timing mechanism in which an intake / exhaust valve pivots by a rocker arm that swings by slidingly contacting a three-dimensional cam formed on a rotating camshaft, wherein the rocker arm is driven by an engine speed or a load. A continuously variable valve timing mechanism configured to move the rocker arm in the axial direction of the cam shaft in response to the rotation of a motor shaft screwed to the rocker shaft. Continuously variable valve timing mechanism. 前記3次元カム形状は、カム軸方向に沿って、バルブリフトを直線的に変化させるとともに、バルブ開閉時期を変化させるように捻った位相が付与されたことを特徴とする請求項1に記載の連続可変バルブタイミング機構。2. The three-dimensional cam shape according to claim 1, wherein the valve lift is linearly changed along a cam axis direction, and a phase twisted so as to change a valve opening / closing timing is provided. 3. Continuously variable valve timing mechanism. 前記バルブリフト量とバルブ開閉時期を吸気と排気とで異なった特性で変化させるように構成したことを特徴とする請求項2に記載の連続可変バルブタイミング機構。3. The continuously variable valve timing mechanism according to claim 2, wherein the valve lift amount and the valve opening / closing timing are changed with different characteristics between intake and exhaust. 前記ロッカーアームと3次元カムとの間に介設されて、該3次元カムに摺接するタペットと、該タペットを球面で支持する球面軸受をロッカーアームに設けるとともに、前記球面軸受を前記3次元カムの傾斜角のほぼ1/2の傾斜角で傾斜設置したことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の連続可変バルブタイミング機構。A tappet interposed between the rocker arm and the three-dimensional cam and slidably in contact with the three-dimensional cam, and a spherical bearing for supporting the tappet with a spherical surface are provided on the rocker arm, and the spherical bearing is provided on the three-dimensional cam. The continuously variable valve timing mechanism according to any one of claims 1 to 3, wherein the tilt angle is set to be approximately 1/2 of the tilt angle of (i).
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