JP2006257879A - 内燃機関 - Google Patents

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Abstract

【課題】 筒内残留ガス量増大による燃焼悪化を回避する内燃機関を提供する。
【解決手段】 内燃機関は、排気弁12のリフト・作動角を可変制御するリフト・作動角可変機構1と、排気弁12のリフト中心角の位相を可変制御する位相可変機構2と、リフト・作動角可変機構1及び位相可変機構2の現在の作動位置を検出する第1位置検出センサ58と第2位置検出センサ59を備え、リフト・作動角可変機構1と位相可変機構2のうちのどちらか一方が故障した際に、筒内残留ガス量が最小となる方向に、リフト・作動角可変機構1と位相可変機構2のうち故障していない可変機構を制御することを特徴としている。これによって、リフト・作動角可変機構1と位相可変機構2のうちの一方が故障した際に、筒内残留ガスが増大して燃焼安定性が悪化してしまうことを回避することができる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、内燃機関、特に、排気弁のリフト・作動角を可変制御するリフト・作動角可変機構と、排気弁のリフト中心角の位相を可変制御する位相可変機構と、を備えた内燃機関に関する。
本出願人は、特許文献1において、機関弁の少なくともリフト特性を機関運転状態に応じて可変制御する第1可変機構と、機関弁の少なくとも開閉タイミング特性を機関運転状態に応じて可変制御する第2可変機構と、第1可変機構あるいは第2可変機構の現在の作動位置を検出する位置検出手段と、を備え、第1可変機構または第2可変機構のうち一方が故障した際に位置検出手段によって検出された一方の可変機構の故障時の位置に応じて他方の可変機構の作動を所定範囲内に制御する内燃機関の可変動弁装置を提案している。
この特許文献1においては、第1可変機構または第2可変機構のうちの一方が故障した際に、ピストンとバルブとの干渉、及び吸気弁と排気弁との干渉を回避するようにリフト特性または位相を制御することで、機械的な不具合を回避しつつ機械性能の低下を防止している。
特開2001−65321号公報
しかしながら、この特許文献1においては、排気弁閉時期が上死点より前に過度に進角している状態で第1可変機構または第2可変機構のうちの一方が故障した場合に、排気弁閉時期を上死点側に積極的に遅角するような制御とはなっていないため、場合によっては筒内残留ガス量が増大して燃焼安定性が悪化してしまう虞がある。
本発明の内燃機関は、排気弁のリフト・作動角を機関運転状態に応じて可変制御するリフト・作動角可変機構と、排気弁のリフト中心角の位相を機関運転状態に応じて可変制御する位相可変機構と、リフト・作動角可変機構及び位相可変機構の現在の作動位置を検出する位置検出手段とを備え、リフト・作動角可変機構と位相可変機構のうちのどちらか一方が故障した際に、筒内残留ガス量が最小となる方向に、リフト・作動角可変機構と位相可変機構のうち故障していない可変機構を制御することを特徴としている。
本発明によれば、リフト・作動角可変機構と位相可変機構のうちの一方が故障した際に、筒内残留ガスが増大して燃焼安定性が悪化してしまうことを回避することができる。
本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1は、排気弁側に配置された可変動弁装置を示している。この可変動弁装置は、排気弁12のリフト・作動角を拡大縮小可能なリフト・作動角可変機構1と、排気弁12のリフト中心角の位相を遅進させる位相可変機構2と、を有している。
リフト・作動角可変機構1は、シリンダヘッド11のバルブガイド(図示せず)を介して摺動自在に設けられた1気筒あたり2つの排気弁12,12のリフトリフト量及びリフト作動角を同時にかつ連続的に機関運転状態に応じて可変する。位相可変機構2は、各排気弁12,12のリフト中心角の位相を機関運転状態に応じて可変し、各排気弁12,12の開閉タイミングを変更する。
リフト・作動角可変機構1は、図1〜図3に示すように、シリンダヘッド11上部の軸受14に回転自在に支持された中空状の駆動軸13と、駆動軸13に圧入などによって固設された偏心回転カムである2つの駆動カム15,15と、駆動軸13に揺動自在に支持されて、各排気弁12,12の上端部に配設されたバルブリフター16,16の平坦な上面16a,16aに摺接して各排気弁12,12を開作動させる揺動カム17,17と、駆動カム15と揺動カム17,17との間に連係されて、駆動カム15の回転力を揺動カム17,17の揺動力として伝達する伝達機構18と、伝達機構18の作動位置を可変制御にする制御機構19とを備えている。
駆動軸13は、機関前後方向に沿って配置されていると共に、一端部に設けられた後述する可変機構2のタイミングスプロケット40に巻き掛けられた図外のタイミングチェーン等を介して機関のクランク軸から回転力が伝達されている。
軸受14は、図1に示すようにシリンダヘッド11の上端部に設けられて、駆動軸13の上部を支持するメインブラケット14aと、メインブラケット14aの上端部に設けられて、後述する制御軸32を回転自在に支持するサブブラケット14bとを有し、両ブラケット14a,14bが一対のボルト14c,14cによって上方から共締め固定されている。
両駆動カム15は、図1〜図3に示すようにほぼリング状を呈し、カム本体15aと、カム本体15aの外端面に一体に設けられた筒状部15bとからなり、内部軸方向に駆動軸挿通孔15cが貫通形成されていると共に、カム本体15aの軸心Xが駆動軸13の軸心Yから径方向へ所定量だけオフセットしている。また、この各駆動カム15は、駆動軸13に対し両バルブリフター16,16に干渉しない両外側に駆動軸挿通孔15cを介して圧入固定されていると共に、両方のカム本体15a,15aの外周面15d,15dが同一のカムプロフィールに形成されている。
揺動カム17は、図2に示すようにほぼ横U字形状を呈し、一端部側の円環状の基端部20には駆動軸13が嵌挿されて回転自在に支持される支持孔20aが貫通形成されていると共に、他端部のカムノーズ部21にピン孔21aが貫通形成されている。また、揺動カム17の下面には、カム面22が形成され、基端部20側の基円面22aと基円面22aからカムノーズ部21側に円弧状に延びるランプ面22bとランプ面22bの先端側に有するリフト面22cとが形成されており、基円面22aとランプ面22b及びリフト面22cとが、揺動カム17の揺動位置に応じて各バルブリフター16の上面16a所定位置に当接するようになっている。
伝達機構18は、図2に示すように駆動軸13の上方に配置されたロッカアーム23と、ロッカアーム23の一端部23aと駆動カム15とを連係するリンクアーム24と、ロッカアーム23の他端部23bと揺動カム17とを連係する連係部材であるリンクロッド25とを備えている。
各ロッカアーム23は、図3に示すように、平面からみてほぼクランク状に折曲形成され、中央に有する筒状基部23cが後述する制御カム33に回転自在に支持されている。また、各基部23cの各外端部に突設された一端部23aには、図2及び図3にも示すように、リンクアーム24と相対回転自在に連結するピン26が挿通されるピン孔23dが貫通形成されている一方、各基部23cの各内端部に夫々突設された他端部23bには、各リンクロッド25の一端部25aと相対回転自在に連結するピン27が挿通されるピン孔23eが形成されている。
また、リンクアーム24は、比較的大径な円環状の基部24aと、基部24aの外周面所定位置に突設された突出端24bとを備え、基部24aの中央位置には、駆動カム15のカム本体15aの外周面に回転自在に嵌合する嵌合孔24cが形成されている一方、突出端24bには、ピン26が回転自在に挿通するピン孔24dが貫通形成されている。
さらに、リンクロッド25は、図2に示すように所定長さの略く字形状に折曲形成され、両端部25a,25bには、図3にも示すようにピン挿通孔25c,25dが形成されており、この各ピン挿通孔25c,25dに、ロッカアーム23の他端部23bに有するピン孔23eと揺動カム17のカムノーズ部21に有するピン孔21aにそれぞれ挿通した各ピン27,28の端部が回転自在に挿通している。
そして、このリンクロッド25は、揺動カム17の最大揺動範囲をロッカアーム23の揺動範囲内に規制するようになっている。
尚、各ピン26,27,28の一端部には、リンクアーム24やリンクロッド25の軸方向の移動を規制するスナップリング29,30,31が設けられている。
制御機構19は、機関前後方向に配設された制御軸32と、制御軸32の外周に固定されてロッカアーム23の揺動支点となる制御カム33と、制御軸32の回転位置を制御する電動アクチュエータである電動モータ34とから構成されている。
制御軸32は、駆動軸13と並行に設けられて、前述のように軸受14のメインブラケット14a上端部の軸受溝とサブブラケット14bとの間に回転自在に支持されている。一方、各制御カム33は、夫々円筒状を呈し、図2に示すように軸心P1位置が制御軸32の軸心P2からα分だけ偏倚している。
電動モータ34は、駆動シャフト34aの先端部に設けられた第1平歯車35と制御軸32の後端部に設けられた第2平歯車36との噛合いを介して、制御軸32に回転力を伝達するようになっていると共に、機関の運転状態を検出するコントローラ37からの制御信号によって駆動するようになっている。
一方、位相可変機構2は、図1に示すように駆動軸13の先端部側に設けられ、図外のタイミングチェーンによって機関のクランク軸から回転力が伝達されるタイミングスプロケット40と、駆動軸13の先端部にボルト41によって軸方向から固定されたスリーブ42と、タイミングスプロケット40とスリーブ42との間に介装された筒状歯車43と、筒状歯車43を駆動軸13の前後軸方向へ駆動させる駆動機構である油圧回路44とから構成されている。
タイミングスプロケット40は、筒状本体40aの後端部にチェーン(図示せず)が巻き掛けられたスプロケット部40bがボルト45により固定されていると共に、筒状本体40aの前端開口がフロントカバー40cによって閉塞されている。また、筒状本体40aの内周面には、はす歯形のインナ歯46が形成されている。
スリーブ42は、後端側に駆動軸13の先端部が嵌合する嵌合溝が形成されていると共に、前端部の保持溝内にはフロントカバー40cを介してタイミングスプロケット40を前方に付勢するコイルスプリング47が装着されている。また、スリーブ42の外周面には、はす歯形のアウタ歯48が形成されている。
筒状歯車43は、軸直角方向から2分割されて前後の歯車構成部がピンとスプリングによって互いに接近する方向に付勢されていると共に、内外周面には各インナ歯46とアウタ歯48に噛合いするはす歯形の内外歯が形成されており、前後に形成された第1,第2油圧室49,50へ相対的に供給される油圧によって各歯間を摺接しながら前後軸方向(図1における左右方向)へ移動するようになっている。また、この筒状歯車43は、フロントカバー40cに突当った最大前方移動位置で排気弁12を最遅角位置に制御する一方、最大後方移動位置で最進角位置に制御するようになっている。さらに、第2油圧室50内に弾装されたリターンスプリング51によって第1油圧室49の油圧が供給されない場合に最大前方移動位置に付勢されるようになっている。
油圧回路44は、図外のオイルパンと連通するオイルポンプ52の下流側に接続されたメインギャラリ53と、メインギャラリ53の下流側で分岐して第1,第2油圧室49,50に接続された第1,第2油圧通路54,55と、メインギャラリ53と第1,第2油圧通路54,55との分岐位置に設けられたソレノイド型の流路切換弁56と、流路切換弁56に接続されたドレン通路57とから構成されている。
流路切換弁56は、リフト・作動角可変機構1の電動モータ34を駆動制御する同じコントローラ37からの制御信号によって切換駆動されるようになっている。
コントローラ37は、クランク角センサからの機関回転数信号、エアフローメータからの吸気流量信号(負荷)及び機関油温センサなどの各種のセンサからの検出信号に基づいて現在の機関運転状態を演算等により検出すると共に、制御軸32の現在の回転位置を検出する位置検出手段としての第1位置検出センサ58や駆動軸13とタイミングスプロケット40との相対回動位置を検出する位置検出手段としての第2位置検出センサ59からの検出信号に基づいて、電動モータ34及び流路切換弁56に制御信号を出力している。
すなわち、コントローラ37が、機関回転数、負荷、油温、機関始動後の経過時間などの情報信号から排気弁12の目標リフト特性、つまり制御軸32の目標回転位置を決定して、この指令信号に基づき電動モータ34を回転させることにより制御軸32を介して制御カム33を所定回転角度位置まで回転制御する。また、第1位置検出センサ58により、制御軸32の実際の回転位置をモニターし、フィードバック制御により制御軸32を目標位相に回転させるようになっている。
一方、流路切換弁56側は、前述と同じく各センサからの情報信号から排気弁12の目標進角量を決定して、この指令信号に基づき流路切換弁56により、第1油圧通路54とメインギャラリ53とを所定時間連通させると共に、第2油圧通路55とドレン通路57とを所定時間連通させる。これによって、筒状歯車43を介してタイミングスプロケット40と駆動軸13との相対回動位置を変換して進角側に制御する。また、この場合も第2位置検出センサ59により予め駆動軸13の実際の相対回動位置をモニターして、フィードバック制御により駆動軸13を目標相対回動位置すなわち目標進角量に回転させるようになっている。
そして、本実施形態においては、リフト・作動角可変機構1と位相可変機構2のうちのどちらか一方が故障した際には、筒内残留ガス量が最小となる方向に、リフト・作動角可変機構1と位相可変機構2のうち故障していない可変機構を制御する。換言すれば、リフト・作動角可変機構1と位相可変機構2のうちのどちらか一方が故障した際に、排気弁閉時期の上死点からの進角量が所定量以下となるように、リフト・作動角可変機構1と位相可変機構2のうち故障していない可変機構を制御する。
排気弁閉時期が上死点より前に過度に進角すると、排気弁閉後の燃焼室容積が過度に大きくなるため筒内に既燃ガスが過度に残留し、燃焼安定性が悪化する。そこで、リフト・作動角可変機構1と位相可変機構2のうちのどちらか一方が故障した際には、筒内残留ガス量が最小となる方向に、リフト・作動角可変機構1と位相可変機構2のうち故障していない可変機構を制御することによって、筒内残留ガス量を低減し、燃焼安定性が悪化することを回避する。
図4は、位相可変機構2が最進角固着時にリフト・作動角可変機構1が小リフト状態にある場合、すなわち排気弁12のリフト中心角の位相が最も進角した状態で位相可変機構2が故障し排気弁12のリフト中心角がこの最進角位置で固着(ロック)した際に排気弁11が小リフト・小作動角である場合、のバルブタイミングを示している。この場合にも、排気弁閉時期が上死点よりも過度に進角して筒内残留ガス量が増大するため、燃焼安定性が悪化することになる。
そこで、図5に示すように、排気弁閉時期の上死点からの進角量が所定量以下となるような値に排気弁12のバルブリフト量を固定することで、筒内残留ガス量を低減し、燃焼安定性が悪化することを回避する。
詳述すると、リフト・作動角可変機構1は、位相可変機構2の故障時には、基本的に排気弁閉時期が実験適合等により予め設定された所定範囲内、すなわち排気弁閉時期が上死点(TDC)を跨ぐような予め設定された所定範囲内、となるように制御されており、具体的には、排気弁12はこの所定範囲の進角側限界値と遅角側限界値との間で排気弁閉時期を迎えるようなバルブリフト量に固定される。本実施形態では、排気弁閉時期が遅角側限界値となるバルブリフト量(図5中の太実線を参照)に排気弁12のが固定されている。
また、図6に示すように、排気弁閉時期が上記進角側限界値と上記遅角側限界値との間の値となる範囲でリフト・作動角可変機構1による排気弁のバルブリフト量を可変制御することで、筒内残留ガス量を低減し、燃焼安定性が悪化することを回避するようにしてもよい。換言すれば、排気弁閉時期の上死点からの進角量が所定量以下となるような第1可変域内(図6に示す2本の太実線に囲まれた領域)で排気弁12のバルブリフト量を可変制御するようにしてもよい。
但し、図5及び図6に示すような制御を行う上で、リフト・作動角可変機構1は、排気弁12がピストンや吸気弁に対して干渉しないように制御される。つまり、上記進角側限界値及び上記遅角側限界値は、排気弁12のリフト中心角が固着した位置も考慮した上で最終的に決定される。
図7は、リフト・作動角可変機構1が小リフト・小作動角固着時に位相可変機構2が進角した状態にある場合、すなわち排気弁12のバルブリフト量が小リフトの状態でリフト・作動角可変機構1が固着(ロック)した際に排気弁12のリフト中心角の位相が進角側にある場合、のバルブタイミングを示している。この場合にも、排気弁閉時期が上死点よりも過度に進角して筒内残留ガス量が増大するため、燃焼安定性が悪化することになる。
そこで、図8に示すように、排気弁閉時期の上死点からの進角量が所定量以下となるような値に排気弁12のリフト中心角の位相を遅角し固定することで筒内残留ガス量を低減し、燃焼安定性が悪化することを回避する。
詳述すると、位相可変機構2は、リフト・作動角可変機構1の故障時には、基本的に排気弁閉時期が実験適合等により予め設定された所定範囲内、すなわち排気弁閉時期が上死点(TDC)を跨ぐような予め設定された所定範囲内、となるように制御されており、排気弁12はこの所定範囲の進角側限界値と遅角側限界値との間で排気弁閉時期を向かえるようなリフト中心角に固定される。本実施形態では、排気弁閉時期が遅角側限界値となるリフト中心角に固定されている(図8中の太実線を参照)。
また、図9に示すように、排気弁閉時期が上記進角側限界値と上記遅角側限界値との間の値となる範囲で位相可変機構2による排気弁12のリフト中心角の位相を可変制御することで、筒内残留ガス量を低減し、燃焼安定性が悪化することを回避するようにしてもよい。換言すれば、排気弁閉時期の上死点からの進角量が所定量以下となるような第2可変域内(図9中の2本の太実線で示すリフトプロフィールの各リフト中心角位置の間の範囲)で排気弁12のリフト中心角の位相を可変制御するようにしてもよい。
但し、図8及び図9に示すような制御を行う上で、位相可変機構2は、排気弁12がピストンや吸気弁に対して干渉しないように制御される。つまり、この場合、上記進角側限界値及び上記遅角側限界値は、固着時の排気弁12のバルブリフト量も考慮した上で最終的に決定される。
上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。
(1) 内燃機関は、排気弁のリフト・作動角を機関運転状態に応じて可変制御するリフト・作動角可変機構と、排気弁のリフト中心角の位相を機関運転状態に応じて可変制御する位相可変機構と、リフト・作動角可変機構及び位相可変機構の現在の作動位置を検出する位置検出手段とを備え、リフト・作動角可変機構と位相可変機構のうちのどちらか一方が故障した際に、筒内残留ガス量が最小となる方向に、リフト・作動角可変機構と位相可変機構のうち故障していない可変機構を制御する。これによって、リフト・作動角可変機構と位相可変機構のうちの一方が故障した際に、筒内残留ガスが増大して燃焼安定性が悪化してしまうことを回避することができる。
(2) 内燃機関は、排気弁のリフト・作動角を機関運転状態に応じて可変制御するリフト・作動角可変機構と、排気弁のリフト中心角の位相を機関運転状態に応じて可変制御する位相可変機構と、リフト・作動角可変機構及び位相可変機構の現在の作動位置を検出する位置検出手段とを備え、リフト・作動角可変機構と位相可変機構のうちのどちらか一方が故障した際に、排気弁閉時期の上死点からの進角量が所定量以下となるように、リフト・作動角可変機構と位相可変機構のうち故障していない可変機構を制御する。
(3) 上記(1)または(2)に記載の内燃機関は、位相可変機構が、排気弁のリフト中心角の位相を相対的に進角させた状態で固着した場合、排気弁閉時期の上死点からの進角量が所定量以下となるような所定値に排気弁のバルブリフト量を固定する。
(4) 上記(1)または(2)に記載の内燃機関、位相可変機構が、排気弁のリフト中心角の位相を相対的に進角させた状態で固着した場合、排気弁閉時期の上死点からの進角量が所定量以下となるような第1可変域内で排気弁のバルブリフト量を可変制御する。
(5) 上記(1)〜(4)のいずれかに記載の内燃機関は、リフト・作動角可変機構が、排気弁のバルブリフト量を相対的に小リフト側とした状態で固着した場合、排気弁閉時期の上死点からの進角量が所定量以下となるように排気弁のリフト中心角の位相を遅角し固定する。
(6) 上記(1)〜(4)のいずれかに記載の内燃機関は、リフト・作動角可変機構が、排気弁のバルブリフト量を相対的に小リフト側とした状態で固着した場合、排気弁閉時期の上死点からの進角量が所定量以下となるような第2可変域内で、排気弁のリフト中心角の位相を可変制御する。
排気弁側に配置された可変動弁装置を示す説明図。 図1のA−A線に沿った断面図。 リフト・作動角可変機構の平面図。 位相可変機構が最進角固着時にリフト・作動角可変機構1が小リフト状態にある場合のバルブタイミングを示す説明図。 本発明に係るリフト・作動角可変機構の制御を行った際のバルブタイミングを示す説明図。 本発明に係るリフト・作動角可変機構の制御を行った際のバルブタイミングを示す説明図。 リフト・作動角可変機構が小リフト・小作動角固着時に位相可変機構2が進角した状態にある場合のバルブタイミングを示す説明図。 本発明に係る位相可変機構の制御を行った際のバルブタイミングを示す説明図。 本発明に係る位相可変機構の制御を行った際のバルブタイミングを示す説明図。
符号の説明
1…リフト・作動角可変機構
2…位相可変機構
12…排気弁
13…駆動軸
19…制御機構
23…ロッカアーム
24…リンクアーム
25…リンクロッド
34…電動モータ
37…コントローラ
58…第1位置検出センサ
59…第2位置検出センサ

Claims (6)

  1. 排気弁のリフト・作動角を機関運転状態に応じて可変制御するリフト・作動角可変機構と、排気弁のリフト中心角の位相を機関運転状態に応じて可変制御する位相可変機構と、リフト・作動角可変機構及び位相可変機構の現在の作動位置を検出する位置検出手段とを備え、リフト・作動角可変機構と位相可変機構のうちのどちらか一方が故障した際に、筒内残留ガス量が最小となる方向に、リフト・作動角可変機構と位相可変機構のうち故障していない可変機構を制御することを特徴とする内燃機関。
  2. 排気弁のリフト・作動角を機関運転状態に応じて可変制御するリフト・作動角可変機構と、排気弁のリフト中心角の位相を機関運転状態に応じて可変制御する位相可変機構と、リフト・作動角可変機構及び位相可変機構の現在の作動位置を検出する位置検出手段とを備え、リフト・作動角可変機構と位相可変機構のうちのどちらか一方が故障した際に、排気弁閉時期の上死点からの進角量が所定量以下となるように、リフト・作動角可変機構と位相可変機構のうち故障していない可変機構を制御することを特徴とする内燃機関。
  3. 位相可変機構が、排気弁のリフト中心角の位相を相対的に進角させた状態で固着した場合、排気弁閉時期の上死点からの進角量が所定量以下となるような所定値に排気弁のバルブリフト量を固定することを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関。
  4. 位相可変機構が、排気弁のリフト中心角の位相を相対的に進角させた状態で固着した場合、排気弁閉時期の上死点からの進角量が所定量以下となるような第1可変域内で排気弁のバルブリフト量を可変制御することを特徴とする請求項1または2に記載の内燃機関。
  5. リフト・作動角可変機構が、排気弁のバルブリフト量を相対的に小リフト側とした状態で固着した場合、排気弁閉時期の上死点からの進角量が所定量以下となるように排気弁のリフト中心角の位相を遅角し固定することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の内燃機関。
  6. リフト・作動角可変機構が、排気弁のバルブリフト量を相対的に小リフト側とした状態で固着した場合、排気弁閉時期の上死点からの進角量が所定量以下となるような第2可変域内で、排気弁のリフト中心角の位相を可変制御することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の内燃機関。
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