JP2006283700A - 可変動弁システム - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、バルブの開弁特性のうちの少なくともリフト量を連続的または多段階に変更可能な可変動弁システムに関し、広範囲の運転領域で、機構の正常な運動性の確保と低フリクションロス化を実現することを目的とする。
【解決手段】 リフト量などのバルブの開弁特性を連続的または多段階に変更可能な可変動弁機構１０を備える。揺動カムアーム２２とメインカム１４との機械的な連結が維持されるように、揺動カムアーム２２をメインカム１４に向けて付勢するロストモーションスプリング４２を備える。バルブを閉弁方向に付勢するバルブスプリング６０を備える。バルブのリフト量およびメインカム回転速度（エンジン回転速度N）に応じて、ロストモーションスプリング４２およびバルブスプリング６０のそれぞれが発する付勢力に加えるアシスト力を制御するアシスト力制御手段を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、可変動弁システムに係り、特に、内燃機関のバルブの開弁特性を変更可能な可変動弁システムに関する。
に関する。

従来、例えば特許文献１には、バルブのリフト量を２段階に切り換え可能な可変動弁装置が開示されている。より具体的には、この従来の可変動弁装置では、バルブの小リフト動作を実現するための低速型カムと、当該バルブの大リフト動作を実現するための高速型カムとを備えている。そして、この装置は、選択されるカムに応じてバネ定数が２段階に変化するバルブスプリングを備えている。このような構成によれば、リフト量の変化に伴うバルブスプリングのたわみ量の変化に応じて、バルブスプリングのバネ定数を変化させることで、高速域でのバルブの正常な運動性を確保できると共に、フリクションロスを低減することができる。

特開平１０−１４１０２７号公報 実開昭６４−４６４０７号公報

ところで、カムとバルブとの間に備えた可変機構によって、揺動部材の揺動範囲を変化させることで、リフト量などのバルブの開弁特性を連続的または多段階に変更可能な可変動弁装置（この欄では、「リフト連続可変動弁装置」と称する）が知られている。このようなリフト連続可変動弁装置は、一般に、バルブを閉弁方向に付勢するバルブスプリングと、カムとバルブとの間で可変機構および揺動部材を機械的な当接状態に維持するためのロストモーションスプリングとを備えている。

上記のような構成を有するリフト連続可変動弁装置では、バルブスプリングやロストモーションスプリングのたわみ量は、リフト量の変更に伴って変化することとなる。より具体的には、リフト量が小さくなる側に変更されると、一般に、これらのバネのたわみ量は小さくなり、バネ力（バネ荷重）が小さくなる。その一方で、バルブのリフト動作時に可動する可動部の慣性力は、エンジン回転数が高くなるほど大きくなるが、リフト量の変化に関してはほぼ一定となるという特性を有している。従って、上記のリフト連続可変動弁装置において、バルブスプリングやロストモーションスプリングは、小リフト制御時には、大リフト制御時に比して弱いバネ力しか発生させることができないにも関わらず、当該大リフト制御時とほぼ変わらない慣性力に対処しなければならなくなる。その結果、機構の正常な運動性の確保が困難となる。

上述した特許文献１の技術では、リフト量の大きさに応じてバネ特性が２段階に変化するバルブスプリングを有している。しかしながら、この特許文献１の技術において変更されるバネ特性は、静的なものである。リフト連続可変動弁装置では、上記のように、リフト量の変更に伴ってバネのたわみ量が連続的に変化するため、特許文献１の技術では、エンジン回転速度の変化に伴ってバルブスプリングやロストモーションスプリングに要求される必要バネ力を、広範囲なリフト量の制御領域において適切に得ることができない。また、リフト連続可変動弁装置において、リフト量が小さく制御され、かつ、エンジン回転数が高い領域に対して、必要バネ力が得られるようにバネ特性を設定すると、大リフト制御時には、バネ力が過剰となり、フリクションロスが無駄に発生してしまう。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、バルブの開弁特性のうちの少なくともリフト量を連続的または多段階に変更可能な可変動弁システムにおいて、広範囲の運転領域で、機構の正常な運動性の確保と低フリクションロス化を実現し得る可変動弁システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、バルブの開弁特性のうちの少なくともリフト量を変更可能な可変動弁装置であって、
メインカムとバルブの間に介在し、メインカムの回転と同期して揺動することにより当該メインカムの押圧力を前記バルブに伝達する揺動部材と、
前記揺動部材の揺動範囲を変化させる可変機構と、
前記揺動部材と前記メインカムとの機械的な連結が維持されるように、前記揺動部材を前記メインカムに向けて付勢する第１付勢手段と、
前記バルブを閉弁方向に付勢する第２付勢手段と、
前記バルブのリフト量およびまたはメインカム回転速度に応じて、前記第１付勢手段および前記第２付勢手段の少なくとも一方が発する付勢力に加えるアシスト力を制御するアシスト力制御手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記第１付勢手段は、金属バネであるロストモーションスプリングを備え、
前記アシスト力制御手段は、前記ロストモーションスプリングが発する付勢力をアシストすることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、前記第２付勢手段は、金属バネであるバルブスプリングを備え、
前記アシスト力制御手段は、前記バルブスプリングが発する付勢力をアシストすることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１または第２の発明において、前記アシスト力制御手段は、前記メインカムの押圧力が前記揺動部材に作用し、かつ、前記バルブのリフト量が生じていないゼロリフト運転領域下で、前記第１付勢手段が発する付勢力をアシストすることを特徴とする。

また、第５の発明は、第４の発明において、前記アシスト力制御手段は、前記バルブのリフト量が所定量以下に制御されている場合に、前記ゼロリフト運転領域下で、前記第１付勢手段が発する付勢力をアシストすることを特徴とする。

また、第６の発明は、第４または第５の発明において、前記アシスト力制御手段は、前記バルブのリフト量が小さく制御される領域ほど、前記ゼロリフト運転領域下でのアシスト期間を長くすることを特徴とする。

また、第７の発明は、第４または第５の発明において、前記アシスト力制御手段は、前記バルブのリフト量が所定の大リフト量より小さくなるように制御されているときに前記揺動部材に与えられる合計の付勢力が、前記バルブのリフト量が前記所定の大リフト量となるように制御されているときに第１付勢手段のみが発する付勢力となるように、前記第１付勢手段をアシストすることを特徴とする。

第１の発明によれば、バルブのリフト量およびまたはメインカム回転速度の変化に応じて適切にアシスト力を調整することにより、広範囲の運転領域で、機構の正常な運動性の確保と低フリクションロス化を実現することができる。

第２の発明によれば、金属バネであるロストモーションスプリングが発する付勢力を、バルブのリフト量およびまたはメインカム回転速度の変化に応じた適切なアシスト力でアシストすることにより、広範囲の運転領域で、機構の正常な運動性の確保と低フリクションロス化を実現することができる。

第３の発明によれば、金属バネであるバルブスプリングが発する付勢力を、バルブのリフト量およびまたはメインカム回転速度の変化に応じた適切なアシスト力でアシストすることにより、広範囲の運転領域で、機構の正常な運動性の確保と低フリクションロス化を実現することができる。

メインカムの押圧力が揺動部材に作用し、かつ、バルブのリフト量が生じていないゼロリフト運転領域下においても、揺動部材等の部材は可動しており、その可動部の慣性力は、メインカム回転速度の増加に伴って増大する。その一方で、当該ゼロリフト運転領域下で、第１付勢手段が発する付勢力は、特に小リフト制御時では小さいものとなる。第４の発明によれば、そのような慣性力の変化を考慮して、第１付勢手段の付勢力の大小に関わらず、揺動部材とメインカムとの機械的な連結を確実に維持させることができる。

第５の発明によれば、第１付勢手段の付勢力が不足しがちとなる小リフト制御域において、必要な付勢力の確保をすることができると共に、大リフト制御域での余計なアシスト力の消費を抑制することができる。

上記のゼロリフト運転領域は、リフト量の大小に応じて変化する。第６の発明によれば、リフト量の変更に伴うゼロリフト運転領域の変化に応じた適切なアシストを実現することができる。

第７の発明によれば、所定の大リフト量における第１付勢手段の付勢力を基準値として、当該所定の大リフト量よりバルブのリフト量が小さく制御される場合に、上記基準値が得られるようにアシスト力を利用することで、大リフト制御域において、第１付勢手段による無駄な付勢力が発生するのを回避することができる。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１の可変動弁システム１の全体構成を説明するための図である。本実施形態のシステムは、直列４気筒式の内燃機関に組み合わされるものであり、＃１〜＃４の各気筒に対応して４つの可変動弁機構１０を有している。尚、図１においては、＃１気筒に対応する可変動弁機構１０のみを代表して図示し、その他の気筒の可変動弁機構１０の図示を省略している。

可変動弁機構１０は、図１に示すように、ロッカーアーム方式の機械式動弁機構である。可変動弁機構１０におけるカム軸１２の回転運動は、カム軸１２に設けられたメインカム１４によってロッカーアーム１６の揺動運動に変換され、ロッカーアーム１６に支持されるバルブ１８（図２参照）のリフト運動に変換される。この可変動弁機構１０では、メインカム１４によってロッカーアーム１６を直接駆動するのではなく、メインカム１４とロッカーアーム１６との間に可変機構２０および揺動カムアーム２２（揺動部材）を介在させている。

可変機構２０は、揺動カムアーム２２の揺動範囲を変化させることで、メインカム１４の回転運動とロッカーアーム１６の揺動運動との連動状態を連続的に変化させることができる機構である。このため、本実施形態の可変動弁機構１０によれば、この可変機構２０を可変制御することによりロッカーアーム１６の揺動量や揺動タイミングを変化させて、バルブ１８のリフト量やバルブタイミングを連続的に変更することができる。

可変機構２０は、以下に説明するように、制御軸２４、制御アーム２６、および中間アーム２８を主たる構成部材として構成されている。制御軸２４は、カム軸１２と平行に配置されている。制御軸２４は、図示しないアクチュエータ（例えばモータ）によって回転駆動される。また、制御アーム２６は、カム軸１２に回転可能に取り付けられている。制御軸２４と制御アーム２６とは、双方にそれぞれ設けられたギヤ（図示省略）を介して組み合わされており、制御軸２４の回転に同期して制御アーム２６を回転させられるように構成されている。また、中間アーム２８は、制御アーム２６の揺動支点３０に回動可能に取り付けられている。中間アーム２８には、メインカム１４と当接するカムローラ３２と、このカムローラ３２と同軸上に配置され、揺動カムアーム２２に設けられたスライド面３４と当接するスライドローラ３６（図１では、カムローラ３２と同軸上であって、カムローラ３２の奥に配置されている）とが組み込まれている。

揺動カムアーム２２は、制御軸２４に回転可能に保持されている。上記のスライド面３４は、揺動カムアーム２２上に、メインカム１４と対向するように形成されている。スライド面３４は、揺動カムアーム２２がスライドローラ３６と接するための面であり、そのスライドローラ３６が揺動カムアーム２２の先端側から制御軸２４の軸中心側に向かって移動するほど、メインカム１４との間隔が徐々に狭まるような曲面で形成されている。また、スライド面３４の反対側には、ロッカーアーム１６のロッカーローラ３８と接する面として、揺動カム面４０が形成されている。揺動カム面４０は、揺動カムアーム２２の揺動中心からの距離が一定となるように形成された非作用面４０aと、非作用面４０aから離れた位置ほど制御軸２４の軸中心からの距離が遠くなるように形成された作用面４０bとで構成されている。

また、揺動カムアーム２２には、ロストモーションスプリング４２（第１付勢手段）を掛けるためのバネ座４４が設けられている。ロストモーションスプリング４２は一定のバネ特性を有する金属バネであり、ここでは、コイルバネが用いられている。このロストモーションスプリング４２の付勢力は、スライド面３４がスライドローラ３６を付勢し、カムローラ３２をメインカム１４に押し当てる力として作用する。換言すると、この付勢力は、メインカム１４と揺動カムアーム２２との機械的接触を常に維持するための力として作用する。

上述したロストモーションスプリング４２は、一端が開口端とされた円筒状に形成されたリフター４６の内部に収まるように配置されており、このリフター４６を介して揺動カムアーム２２と当接するように組み付けられている。ロストモーションスプリング４２の他端は、シリンダヘッド４８に組み付けられたキャップ５０によって位置決めされている。ロストモーションスプリング４２の周囲には、リフター４６、キャップ５０、およびシリンダヘッド４８によって囲まれた第１の空気室５２が形成されている。リフター４６とシリンダヘッド４８との摺動部には、第１の空気室５２からの空気漏れを防ぐためのシール材５４が組み込まれている。

ロッカーアーム１６の一端には、ステムエンドキャップ５６を介して、バルブ１８を支持するバルブシャフト５８が当接している。バルブシャフト５８は、一端がシリンダヘッド４８に固定されたバルブスプリング６０（第２付勢手段）によって、閉弁方向に、すなわち、ロッカーアーム１６を押し上げる方向に付勢されている。バルブスプリング６０も、一定のバネ特性を有する金属バネであり、ここでは、コイルバネが用いられている。メインカム１４の押圧力が可変機構２０および揺動カムアーム２２を介してロッカーアーム１６に伝達され、バルブスプリング６０のバネ力に抗しながらロッカーアーム１６からバルブシャフト５８にメインカム１４の押圧力が伝達されることによって、バルブ１８の開閉動作が実現される。ステムエンドキャップ５６とシリンダヘッド４８の間には、バルブスプリング６０を覆うように金属製のベローズ６２が組み込まれている。すなわち、バルブスプリング６０の周囲には、シリンダヘッド４８とステムエンドキャップ５６とベローズ６２とにより囲まれた第２の空気室６４が形成されている。また、ロッカーアーム１６の他端は油圧ラッシュアジャスタ６６によって回動可能に支持されている。

本実施形態の可変動弁システム１は、空気ポンプ６８を備えている。空気ポンプ６８の吐出口には、第１の空気室５２および第２の空気室６４にそれぞれ圧縮空気を送り込むための第１のエア供給管７０および第２のエア供給管７２が連通している。第１のエア供給管７０の他端は、第１の空気制御弁７４を介して第１のエアデリバリパイプ７６に連通している。第１の空気制御弁７４の残りの接続口は、大気と連通している。第１のエアデリバリパイプ７６には、当該パイプ７６内の圧力を検出するための第１の圧力センサ７８が取り付けられている。また、第１のエアデリバリパイプ７６は、キャップ５０を介して、各気筒の第１の空気室５２に連通している。

もう一方の第２のエア供給管７２の他端は、第２の空気制御弁８０を介して第２のエアデリバリパイプ８２に連通している。第２の空気制御弁８０の残りの接続口は、大気と連通しており、第２のエアデリバリパイプ８２には、第２の圧力センサ８４が取り付けられている。また、第２のエアデリバリパイプ８２は、各気筒の第２の空気室６４に連通している。

本実施形態のシステムは、ECU８６を備えている。ECU８６には、上述した第１および第２の圧力センサ７８、８４等の各種センサの出力が供給されている。また、ECU８６には、制御軸２４を駆動するための図示しないアクチュエータが接続されている。このため、ECU８６は、そのアクチュエータを制御することによって制御軸２４の回転角度を任意の角度に調整することで、可変機構２０の回転角度を任意に変更させることができる。また、ECU８６には、上述した空気ポンプ６８、空気制御弁７４および８０が接続されている。このため、ECU８６は、上記圧力センサ７８、８４の出力に基づいて上記空気制御弁７４、８０を適当に制御しつつ、空気ポンプ６８を制御することで、第１の空気室５２および第２の空気室６４内の圧力を所望の圧力に調整することができる。

以上の構成によれば、ロストモーションスプリング４２のバネ力やバルブスプリング６０が発するバネ力を、空気バネの原理によりアシストすることが可能となる。上述した空気ポンプ６８、空気制御弁７４および８０、並びに、エアデリバリパイプ７６および８２等を主たる要素とする構成を、以下、「アシスト力制御手段」と称する。尚、空気バネのみを付勢力発生手段とすると、エンジン始動時において空気圧が発生するまでに、動弁機構の良好な作動安定性を確保することができなくなるが、本実施形態の構成によれば、基本的に金属バネによってエンジンの状態に関係なしに付勢力を担わせつつ、必要に応じて、空気バネを利用した高自由度なバネ特性を得ることができる。

次に、図２を参照して、図１に示す可変動弁機構１０の動作を説明する。
図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、可変動弁機構１０がバルブ１８に対して小さなリフトを与えるように動作している様子を示しており、図２（Ａ）は閉弁状態を、図２（Ｂ）はバルブ１８が最大リフト位置に達した状態を、それぞれ示している。また、図２（Ｃ）および図２（Ｄ）は、可変動弁機構１０がバルブ１８に対して大きなリフトを与えるように動作している様子を示しており、図２（Ｃ）は閉弁状態を、図２（Ｄ）はバルブ１８が最大リフト位置に達した状態を、それぞれ示している。尚、図２においては、制御アーム２６の図示を省略している。

（１）可変動弁機構のリフト動作
先ず、図２（Ａ）および図２（Ｂ）を参照して、可変動弁機構１０のリフト動作について説明する。
図２（Ａ）に示す状態は、メインカム１４の押圧力がカムローラ３２に作用しておらず、揺動カム面４０とロッカーローラ３８との接触点X（以下、「ローラ接触点X」と称する）が、ロストモーションスプリング４２の付勢力によって、非作用面４０a上の所定位置に維持されている状態を示している。この状態では、揺動カムアーム２２は、バルブスプリング６０から揺動カムアーム２２を回転させる力を受けていない。本実施形態の可変動弁機構１０では、ローラ接触点Xが非作用面４０aに位置しているときに、バルブ１８が閉弁状態となるように各構成要素の位置関係が設定されている。

上記の状態において、メインカム１４の回転に伴ってカムノーズがカムローラ４２を押圧すると、その力はスライドローラ３６を介してスライド面３４に伝達され、揺動カムアーム２２には、制御軸２４を中心とする図２（Ｂ）における右回り方向の回転が生ずる。この際、ローラ接触点Xが非作用面４０aである間は、ロッカーアーム１６にメインカム１４の押圧力が伝達されることはないが、揺動カムアーム２２が更に回転することにより、ローラ接触点Xが作用面４０bにまでおよぶと、ロッカーアーム１６が押し下げられ、バルブ１８に開弁方向の動きが与えられる。

図２（Ｂ）に示す状態は、カムノーズの頂部がカムローラ３２を押圧した状態を示している。この状態において揺動カムアーム２２の回転量が最大となる。ロストモーションスプリング４２に作用するバネ荷重は、図２（Ａ）に示す閉弁状態を基準とした場合のバネ荷重に対して、たわみ量L_aに相当する分だけ増大する。ロッカーアーム１６の押し下げ量、すなわち、バルブスプリング６０のたわみ量V_aも、この状態において最大となり、ローラ接触点Xは、揺動カムアーム２２の最も先端側に位置することとなる。一方、与えられたメインカム１４の押圧力が減少に転ずると、揺動カムアーム２２がそれまでとは反対方向に回転することとなる。その結果、ローラ接触点Xが作用面４０bから非作用面４０aに向かって変化することで、ロッカーアーム１６が押し戻され、その後、バルブ１８が閉弁することとなる。可変動弁機構１０は、以上説明したように、メインカム１４の押圧力を、カムローラ３２およびスライドローラ３６を介してスライド面３４に伝達することでバルブ１８に対してリフトを与えることができる。

（２）可変動弁機構の作用角およびリフト量の変更動作
図２（Ｃ）に示す大リフト状態は、図２（Ａ）に示す小リフト状態に比して、制御軸２４を図２（Ｃ）における左回り方向により大きく回転させた状態を示している。制御軸２４を図２（Ａ）における左回り方向に回転させると、制御アーム２６は、ギヤを介して、図２（Ｃ）における右回り方向に回転し、揺動支点３０に支持されたスライドローラ３６は、スライド面３４およびメインカム１４との接触を維持しながら制御軸２４に近づく方向に、言い換えれば、カム軸１２の回転方向に移動する。

揺動カムアーム２２は、常にロストモーションスプリング４２によりスライドローラ３６に向けて付勢されているため、スライドローラ３６とスライド面３４との接触点Y（以下、「ローラ接触点Y」と称する）が変化すれば、その変化に追従して自己の回転位置も変化させられる。図２（Ｃ）に示す閉弁状態においては、スライドローラ３６が制御軸２４に近づく方向に移動することで、揺動カムアーム２２は、ローラ接触点Xの初期位置（メインカム１４の押圧力が作用していない状態におけるローラ接触点X）がより作用面４０bに近づく方向に回転する。そして、その揺動カムアーム２２の回転位置の変化に伴って、ロストモーションスプリング４２には、図２（Ａ）に示す閉弁状態を基準とするたわみ量L_bに相当するたわみが生ずる。また、ローラ接触点Xの初期位置が作用面４０bにより近い位置にあると、揺動カムアーム２２の揺動角度幅が同一であるとした場合に、ローラ接触点Xの最終位置（カムノーズの頂部がカムローラ３２と接触した状態におけるローラ接触点X）が揺動カムアーム２２の先端側までより大きく移動することとなる。

更に、スライドローラ３６が制御軸２４に近づく方向に移動すると、揺動カムアーム２２の揺動中心（制御軸２４の軸中心）からローラ接触点Yまでの距離が短くなる。メインカム１４の押圧力によってスライドローラ３６を介してスライド面３４に変位が与えられた場合に、上記の距離が短くなるほど、揺動カムアーム２２の揺動角度幅が大きくなる。揺動カムアーム２２の揺動角度幅が大きくなると、ローラ接触点Xの初期位置が同一であるとした場合に、ローラ接触点Xの最終位置が揺動カムアーム２２の先端側までより大きく移動することとなる。すなわち、図２（Ｄ）に示すカムノーズの頂部がカムローラ３２を押圧した状態において、揺動カムアーム２２の回転量が最大となり、ロストモーションスプリング４２には、図２（Ａ）に示す閉弁状態を基準とするたわみ量L_cに相当するたわみが生ずる。

既述した通り、本実施形態の揺動カムアーム２２の作用面４０bは、非作用面４０aから離れた位置ほど制御軸２４の軸中心からの距離が遠くなるように形成されている。このため、ローラ接触点Xの最終位置が揺動カムアーム２２の先端側までより大きく移動することで、図２（Ｄ）に示すように、バルブ１８の押し下げ量、およびその押し下げ期間、すなわち、バルブ１８のリフト量および作用角が増大する。この図２（Ｄ）に示す状態におけるバルブスプリング６０のたわみ量をV_cとする。以上のように、本実施形態の可変動弁機構１０によれば、制御軸２４を回転駆動して制御アーム２６の回転角度を変更することで、揺動カムアーム２２の揺動範囲が変更され、その結果として、バルブ１８の作用角およびリフト量を連続的に変更することができる。

図３は、図１に示すロストモーションスプリング４２のバネ特性を説明するための図であり、より具体的には、ロストモーションスプリング４２が発するバネ力（バネ荷重）とたわみ量との関係を示している。そのバネ力は、図３に示すように、たわみ量に比例する。従って、ロストモーションスプリング４２に作用する最大バネ荷重（最大リフト位置におけるバネ荷重）は、小リフト側に制御されるほど、たわみ量が小さくなることで小さくなる。また、小リフト制御時におけるロストモーションスプリング４２に作用する初期バネ荷重（閉弁状態におけるバネ荷重）は、大リフト制御時に比してたわみ量L_b分だけ小さくなるという特性を有しているため、小リフト制御時における最大バネ荷重は、このたわみ量L_b分に相当するバネ力だけ小さくなってしまう（不足してしまう）。

図４は、図１に示すバルブスプリング６０のバネ特性を説明するための図であり、バルブスプリング６０が発するバネ力（バネ荷重）とたわみ量との関係を示している。バルブスプリング６０に作用する最大荷重は、バルブのリフト量に比例し、小リフト側に制御されるほど、たわみ量が小さくなることで小さくなってしまう。しかし、バルブスプリング６０の場合は、上記のロストモーションスプリング４２の場合と異なり、閉弁時におけるバネ力（初期バネ荷重）がバルブ１８のリフト量に応じて変化することはない。

ロストモーションスプリング４２またはバルブスプリング６０による付勢力を受ける可動部の慣性力Fe(N)は、次の（１）式の関係に従って算出することができる。
Fe＝We・A・（N/(60・2)・360）² （１）
但し、上記（１）式において、We(kg)は当該可動部の慣性質量、A(mm/deg²)はバルブリフト加速度、N(rev/min)はエンジン回転速度である。

上記（１）式において、慣性質量Weはバルブ１８のリフト量に関わらずにほぼ一定である。上記（１）式によれば、リフト量が小さく制御されるに従ってバルブリフト加速度Aを下げていくこととすれば、小リフト量に制御される領域での慣性力Feを小さくすることができる。しかしながら、リフト量の大小に関係なくバルブ１８の開口面積を十分に確保したいという要求があるため、バルブリフト加速度Aをリフト量に応じてあまり下げることはできず、結果的にはリフト量の大小に依らずにほぼ一定とされる。従って、上記慣性力Feは、エンジン回転速度N（メインカム回転速度）の増加に伴って増大する特性となる。

上述したロストモーションスプリング４２の特性によれば、小リフト制御域では、慣性力Feに対処するための必要バネ力が大リフト制御域に比して不足する傾向となる。どのリフト量域であっても、ロストモーションスプリング４２に対応する可動部の揺動量はほぼ同じであるため、慣性力Feはリフト量に依らずに一定となる。従って、小リフト制御域では、エンジン回転速度の増加に伴って増大する慣性力Feに対応できず、機構の運動性が悪化する。その一方で、そのような小リフトかつ高回転域で必要バネ力を十分に確保するバネ特性とすると、ロストモーションスプリング４２のバネ定数は静的であるため、大リフト制御域でのバネ力が過剰となり、フリクションロスが無駄に発生してしまう。

また、上述したバルブスプリング６０の特性によれば、ロストモーションスプリング４２の場合と同様に、小リフト制御域では、必要バネ力が不足する傾向となる。バルブスプリング６０に対応する可動部の慣性質量はリフト量に応じて変化しないため、慣性力Feはリフト量に応じて大きく変化しない。従って、小リフト制御域では、エンジン回転速度の増加に伴って増大する慣性力Feに対応できず、機構の運動性が悪化する。また、ロストモーションスプリング４２の場合と同様に、大リフト制御域での無駄なフリクションロスが発生してしまう。

そこで、本実施形態のシステムでは、エンジン回転速度Nの高低に依らずに広範囲な運転領域で、機構の正常な運動性の確保と低フリクションロス化を実現すべく、以下の図５に示す手法を用いて、上記アシスト力制御手段によって、ロストモーションスプリング４２やバルブスプリング６０のバネ力を最適化させている。図５は、本発明のアシスト力制御手段によって実現されるバネ特性を説明するための図であり、より具体的には、ロストモーションスプリング４２とバルブ１８のリフト量との関係を示している。尚、図５では、ロストモーションスプリング４２を例に説明しているが、バルブスプリング６０の場合の手法も同様である。

図５に示す手法は、エンジン回転速度Nに応じたバネ特性が得られるように、第１の空気室５２に一定の圧力を供給する手法である。この手法によれば、アシスト力制御手段によるバネ力が加算された後のバネ特性（図５中に実線で示す直線）は、金属バネであるロストモーションスプリング４２の静的なバネ特性（図５中に一点鎖線で示す直線）に対して、エンジン回転速度Nに応じて付加されたアシスト制御手段のバネ力が加算された値を示すことになる。このため、エンジン回転速度の増加に伴って増大する慣性力Feに対応する必要バネ力を、第１の空気室５２の圧力を制御するという比較的容易な手法で得ることができる。また、上記手法は、エンジン回転速度Nのみに応じてバネ特性を変化させるものを示しているが、これに限らず、エンジン回転速度Nとリフト量とに基づいて、バネ特性を変化させてもよい。

図６は、本実施の形態１において、上記図５の手法を実現するために、ECU８６が実行するルーチンのフローチャートである。尚、本ルーチンでは、ロストモーションスプリング４２側の構成についての制御を代表して説明するものとし、バルブスプリング６０側の構成についても同様の制御により実現可能であるため、その詳細な説明を省略する。

図６に示すルーチンでは、先ず、現在の慣性力Feが算出される（ステップ１００）。可動部の慣性質量Weやバルブリフト加速度Aは、設計により決まった値であり、ECU８４は、それらの値を記憶している。このため、慣性力Feは、上述した（１）式に従って、エンジン回転速度Nをリアルタイムに取得することにより算出することができる。

次に、上記ステップ１００において算出された慣性力Feに応じた必要バネ力を得るための必要空気圧P0が算出される（ステップ１０２）。より具体的には、算出される慣性力Feの値が大きいほど、必要空気圧P0がより大きくなるように算出される。次いで、第１の圧力センサ７８に基づいて、空気室圧力（第１のデリバリパイプ７６の内圧）Pが必要空気圧P0より低いか否かが判別される（ステップ１０４）。

上記ステップ１０４において、空気室圧力Pが必要空気圧P0より低い場合には、空気室を加圧すべく、空気制御弁７４がON状態（空気ポンプ６８と第１のデリバリパイプ７６とが連通された状態）に制御される（ステップ１０６）。次いで、空気室圧力P≧P0が成立するか否かが判別され（ステップ１０８）、その成立が認められた場合には、空気制御弁７４がOFF（空気室圧力Pを保持）とされる（ステップ１１０）。

一方、上記ステップ１０４において、空気室圧力P＜上記空気圧P0が不成立であると判定された場合には、空気室を減圧すべく、空気制御弁７４が大気開放可能状態に制御される（ステップ１１２）。次いで、空気室圧力P≦P0が成立するか否かが判別され（ステップ１１４）、その成立が認められた場合には、空気制御弁７４の大気開放可能状態がOFF（空気室圧力Pを保持）とされる（ステップ１１６）。

以上説明した通り、図６に示すルーチンによれば、エンジン回転速度Nの増加に伴う慣性力Feに対応した一定量のアシスト力を、アシスト力制御手段によってロストモーションスプリング４２が発するバネ力に加算して発生させることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、ロストモーションスプリング４２のバネ定数の設定を大きくすることなく、すなわち、大リフト制御域で無駄な過剰バネ力を発生させることなく、小リフトかつ高回転域での必要バネ力を確保できるバネ特性を得ることができる。また、リフト量に関わらずに第１の空気室５２に一定圧力を加える手法であるため、エンジン回転速度Nに応じた不足バネ力を比較的簡便に得ることができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、空気バネの原理を利用したアシスト力制御手段を用いた例を説明したが、本発明におけるアシスト力制御手段を実現する構成はこれに限定されるものではなく、例えば、以下の図７乃至図９を参照して説明する油圧式のアシスト力制御手段であってもよい。

図７は、ロストモーションスプリングが発するバネ力をアシストするアシスト力制御手段の変形例の構成を説明するための図である。この変形例では、図７に示すように、ロストモーションスプリング９０は、ボディ９２の内部に設置されている。そして、ロストモーションスプリング９０の一端がリフター９４を介して揺動カムアーム２２（図１参照）に当接し、かつ、その他端がピストン９６に当接するように構成されている。ボディ９２の内部は、ピストン９６によって２つの空間に分割されており、ロストモーションスプリング９０が設けられていない側の空間は、第１の油圧室９８として機能している。第１の油圧室９８内には、ピストン９６の変位を計測するための第１のギャップセンサ１００が組み込まれている。

第１の油圧室９８には、第１の油路１０２が連通している。第１の油路１０２には、その途中に油圧コントロールバルブ１０４が設けられており、また、その他端は、油圧ポンプ１０６に接続されている。このような構成によれば、ECU１０８が油圧コントロールバルブ１０４を適当に調整することで、第１の油圧室９８内の油圧を所望の圧力に制御することができる。図７（Ｂ）の状態は、図７（Ａ）の状態に比して高い油圧が供給されたことにより、図７（Ａ）の状態に対してピストン９６にΔH分の変位量が生じた状態を示している。

図８は、ロストモーションスプリング９０が発するバネ力とたわみ量の関係を示している。以上の構成によれば、第１の油圧室９８内の油圧を制御して、第１のギャップセンサ１００により検出されるピストン９６の変位ΔHを可変とすることにより、ロストモーションスプリング９０が発するバネ力が可変するようにアシストすることができる。具体的には、上述した図６に類似するルーチンにおいて、空気圧の制御に代えて、慣性力Feに応じて変位ΔHを可変に制御することで、所望の必要バネ力を得ることができる。

図９は、バルブスプリングが発するバネ力をアシストするアシスト力制御手段の変形例の構成を説明するための図である。この変形例では、図９に示すように、バルブスプリング１１０の一端は、シリンダヘッド１１２に直接固定されるのではなく、ピストン１１４に当接するように構成されている。そして、ピストン１１４とシリンダヘッド１１２によって囲まれた空間が形成されており、この空間は第２の油圧室１１６として機能している。第２の油圧室１１６は、その途中に第２の油圧コントロールバルブ１１８が設けられた第２の油路１２０を介して、油圧ポンプ１０６に接続されている。以上の構成によれば、上記図７に示す構成と同様に、第２のギャップセンサ１２２により検出されるピストン１１４の変位ΔHに基づいて、バルブスプリング１１０が発するバネ力が可変するようにアシストすることができる。

実施の形態２．
次に、図１０乃至図１４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ECU８６に図６のルーチンに代えて、後述する図１４のルーチンを実行させることにより実現されるものである。

上述した実施の形態１においては、エンジン回転速度Nに応じたバネ特性が得られるように、第１の空気室５２等に一定の圧力を供給することとしているのに対し、本実施形態のシステムでは、エンジン回転速度Nに加え、制御軸２４により変更されるバルブ１８のリフト量に応じてアシスト力を変化させることにより、余計なアシスト力の発生を抑制させている点に特徴を有している。また、リフト動作中の各区間でアシスト力を変化させている点に特徴を有している。以下、バルブスプリング６０およびロストモーションスプリング４２のそれぞれについてのアシスト力の制御を具体的に説明する。

図１０は、本実施形態におけるバルブスプリング６０についてのアシスト手法について説明するための図である。より具体的には、図１０（Ａ）は、バルブ１８のリフトカーブを、図１０（Ｂ）は、第２の空気制御弁８０の制御状態を表す波形を、図１０（Ｃ）は、第２の空気室６４内の圧力波形を、それぞれ示している。

本実施形態では、図１０に示すように、リフト動作の全区間に対してアシスト力を加えるのではなく、最大リフト位置でアシスト力が最大となるように制御している。具体的には、第２の空気室６４内の圧力上昇の遅れを見込んで、第２の空気制御弁８０を所定時間だけ早めにONとしている。このような制御によれば、上述した実施の形態１の手法と比較して、リフト動作中以外に余計なアシスト力が発生するのを抑制することができる。また、本実施形態では、バルブ１８のリフト量に応じたバネ荷重の不足分を補うように、リフト量が小さく制御されているときほど、アシスト力が大きくなるように制御する。このような制御によれば、リフト量に応じた必要バネ力の不足分を補うことができる。

次に、ロストモーションスプリング４２についてのアシスト手法について説明する。
ロストモーションスプリング４２の場合も、バルブ１８のリフト動作が開始した後については、基本的に上記のバルブスプリング６０と同様の制御を行う。そのうえで、ロストモーションスプリング４２の場合は、以下の図１１および図１２を参照して説明する相違点を有するため、上記の制御に加えて新たな制御を行うこととしている。

図１１は、バルブ１８のリフト量に応じた揺動カムアーム２２の空振り区間θの変化を説明するための図である。ここで、揺動カムアーム２２の揺動カム面４０における非作用面４０aと作用面４０bとの境界点を、「リフト開始点Z」と称する。そして、リフト開始点Zと揺動カムアーム２２の回転中心とを結ぶ直線と、ローラ接触点Xと揺動カムアーム２２の回転中心とを結ぶ直線とのなす角に対応する区間を「空振り区間θ（ゼロリフト運転領域）」と定義する。メインカム１４の回転に伴って、揺動カムアーム２２が当該空振り区間θを回転する間は、バルブ１８にはリフトが生じない。

図１１（Ａ）は、小リフト制御時における閉弁状態を表している。この状態における空振り区間をθ1とする。図１１（Ｂ）に示す大リフト制御時における閉弁状態では、制御軸２４によって揺動カムアーム２２の回転角度が変更されることで、空振り区間θは、θ1からθ2に減少する。図１２のリフトカーブは、小リフト動作時の空振り区間θ1と大リフト動作時の空振り区間θ2との関係を、メインカム１４のリフトカーブを基準として整理して表したものである。揺動カムアーム２２の揺動位置が空振り区間θの範囲内にある場合であっても、中間アーム２８および揺動カムアーム２２はメインカム１４の押圧力を受けて可動しているため、本来的には、リフト量の大小に関わらずに一定のロストモーションスプリング力で揺動カムアーム２２を付勢する必要がある。

しかしながら、既述したように、ロストモーションスプリング４２に作用するバネ荷重は、リフト量が小さく制御されるほど小さくなるため、当該スプリング４２が発するバネ力は小リフトに制御されるほど小さくなる。更に、揺動カムアーム２２の揺動位置が空振り区間θにある場合には、バルブスプリング６０の反力がロッカーアーム１６を介して揺動カムアーム２２に作用しないため、ロストモーションスプリング力のみで、メインカム１４と揺動カムアーム２２との機械的接触を維持しなければならなくなる。このような状況下で、バネ力が不足する小リフト制御時ほど、エンジン回転速度Nの増大に伴う慣性力Feに対応することが困難となる。

そこで、本実施形態では、図１３に示すように、リフト動作中にアシストを行う（図１３中の符号「*1」を付して示す動作）と共に、リフト動作開始前の空振り区間θおよびリフト動作開始後の空振り区間θについてもアシストを行う（図１３中の符号「*2」を付して示す動作）こととしている。ただし、当該空振り区間θでのアシストは、バルブ１８のリフト量が所定量以下に制御されているときにのみ行うこととしている。このような制御によれば、バネ力が不足しがちとなる小リフト制御域において、必要なバネ力の確保をすることができると共に、大リフト制御域での余計なアシスト力の消費を抑制することができる。

また、本実施形態では、リフト量が小さく制御されるときほど、アシスト力を発生させる期間を長くすることとしている。このような制御によれば、リフト量の変更に伴う空振り区間θの変化に応じた適切なアシストを実現することができる。

図１４は、本実施の形態１において、上記図１０および図１３の手法に対応したアシスト力を得るために、ECU８６が実行するルーチンのフローチャートである。尚、本ルーチンは、図１０（Ｂ）または図１３（Ｂ）における空気制御弁の所定のONタイミングが到来した時点で実行されるものとする。また、本ルーチンでは、ロストモーションスプリング４２側の構成についての制御を代表して説明するものとし、バルブスプリング６０側の構成についても同様の制御により実現可能であるため、その詳細な説明を省略する。また、図１４において、実施の形態１における図６に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図１４に示すルーチンでは、先ず、現在の慣性力Feが算出された後（ステップ１００）、バルブ１８のリフト量に基づいて、ロストモーションスプリング４２が発するバネ力が算出される（ステップ２００）。ECU８６は、リフト量と、当該リフト量に制御された際の最大リフト位置でロストモーションスプリング４２が発するバネ力との関係を記憶したマップを備えており、当該マップによって上記バネ力が算出される。

次に、上記バネ力から現在の慣性力Feを減算した値として、不足バネ力が算出され、当該不足バネ力がゼロより小さいか否かが判別される（ステップ２０２）。その結果、当該不足バネ力がゼロより小さいと判定された場合、すなわち、ロストモーションスプリング４２が発するバネ力のみでは現在の慣性力Feに対応できないと判断された場合には、アシスト力制御手段によって、必要バネ力（上記不足バネ力）を得るために必要な空気圧P1が算出される（ステップ２０４）。

次に、空気室圧力Pが必要空気圧P1より低いか否かが判別される（ステップ２０６）。その結果、空気室圧力Pが必要空気圧P1より低い場合には、空気室を加圧すべく、空気制御弁７４がON状態に制御される（ステップ２０８）。次いで、空気室圧力P≧必要空気圧P1が成立するか否かが判別され（ステップ２１０）、その成立が認められた場合には、空気制御弁７４がOFFとされる（ステップ２１２）。

一方、上記ステップ２０６において、空気室圧力Pが必要空気圧P1以上であると判定された場合には、空気室を減圧すべく、空気制御弁７４が大気開放可能状態に制御される（ステップ２１４）。次いで、空気室圧力P≦必要空気圧P1が成立するか否かが判別され（ステップ２１６）、その成立が認められた場合には、空気制御弁７４の大気開放可能状態がOFFとされる（ステップ２１８）。

以上説明した図１４に示すルーチンによれば、エンジン回転速度Nの増加に伴う慣性力Feに対応したアシスト力であって、バルブ１８のリフト量に応じたバネ荷重の不足分を補うアシスト力を、アシスト力制御手段によってロストモーションスプリング４２が発するバネ力に加算して発生させることができる。

ところで、上述した実施の形態２においては、リフト量が小さく制御されるときほど、アシスト力を発生させる期間を長くすることとしているが、本発明のアシスト力制御手段によって揺動カムアーム２２の空振り区間θにアシストする手法は、これに限定されるものではない。例えば、バルブ１８のリフト量が所定の大リフト量であるときのロストモーションスプリング４２が発するバネ力を、機構の機械的接触の維持のために必要なバネ力（基準値）に設定し、バルブ１８のリフト量が当該所定の大リフト量より小さいときに、その基準値を満たすような一定の必要バネ力が得られるように、アシスト力制御手段によってアシストを行うこととしてもよい。このような手法によれば、大リフト制御域での無駄なバネ力の発生を回避することができる。

また、アシスト力制御手段によってロストモーションスプリング４２が発するバネ力をアシストする手法は、上記の手法に限定されるものではなく、例えば、常用域ではロストモーションスプリング力のみに揺動カムアーム２２の付勢を担わせることとし、所定の小リフト制御域において、エンジン回転速度Nが所定の回転速度を上回ったときにのみアシスト力制御手段によるアシストを行うこととしてもよい。

本発明の実施の形態１の可変動弁システムの全体構成を説明するための図である。 図１に示す可変動弁機構が動作を行う様子を示す図である。 図１に示すロストモーションスプリングのバネ特性を説明するための図である。 図１に示すバルブスプリングのバネ特性を説明するための図である。 本発明のアシスト力制御手段によって実現されるバネ特性を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 ロストモーションスプリングが発するバネ力をアシストするアシスト力制御手段の変形例の構成を説明するための図である。 図７に示すロストモーションスプリングが発するバネ力とたわみ量の関係を示している。 バルブスプリングが発するバネ力をアシストするアシスト力制御手段の変形例の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態２におけるバルブスプリングについてのアシスト手法について説明するための図である。 バルブのリフト量に応じた揺動カムアームの空振り区間θの変化を説明するための図である。 バルブのリフト量に応じた揺動カムアームの空振り区間θの変化を説明するためのバルブのリフトカーブである。 本発明の実施の形態２におけるロストモーションスプリングについてのアシスト手法について説明するための図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１ 可変動弁システム
１０ 可変動弁機構
１４ メインカム
１８ バルブ
２０ 可変機構
２２ 揺動カムアーム
２４ 制御軸
３２ カムローラ
３６ スライドローラ
４２、９０ ロストモーションスプリング
５２ 第１の空気室
６０、１１０ バルブスプリング
６４ 第２の空気室
６８ 空気ポンプ
８６、１０８ ECU(Electronic Control Unit)

Claims (7)

1. バルブの開弁特性のうちの少なくともリフト量を連続的または多段階に変更可能な可変動弁システムであって、
   メインカムとバルブの間に介在し、メインカムの回転と同期して揺動することにより当該メインカムの押圧力を前記バルブに伝達する揺動部材と、
   前記揺動部材の揺動範囲を変化させる可変機構と、
   前記揺動部材と前記メインカムとの機械的な連結が維持されるように、前記揺動部材を前記メインカムに向けて付勢する第１付勢手段と、
   前記バルブを閉弁方向に付勢する第２付勢手段と、
   前記バルブのリフト量およびまたはメインカム回転速度に応じて、前記第１付勢手段および前記第２付勢手段の少なくとも一方が発する付勢力に加えるアシスト力を制御するアシスト力制御手段と、
   を備えることを特徴とする可変動弁システム。
2. 前記第１付勢手段は、金属バネであるロストモーションスプリングを備え、
   前記アシスト力制御手段は、前記ロストモーションスプリングが発する付勢力をアシストすることを特徴とする請求項１記載の可変動弁システム。
3. 前記第２付勢手段は、金属バネであるバルブスプリングを備え、
   前記アシスト力制御手段は、前記バルブスプリングが発する付勢力をアシストすることを特徴とする請求項１または２記載の可変動弁システム。
4. 前記アシスト力制御手段は、前記メインカムの押圧力が前記揺動部材に作用し、かつ、前記バルブのリフト量が生じていないゼロリフト運転領域下で、前記第１付勢手段が発する付勢力をアシストすることを特徴とする請求項１または２記載の可変動弁システム。
5. 前記アシスト力制御手段は、前記バルブのリフト量が所定量以下に制御されている場合に、前記ゼロリフト運転領域下で、前記第１付勢手段が発する付勢力をアシストすることを特徴とする請求項４記載の可変動弁システム。
6. 前記アシスト力制御手段は、前記バルブのリフト量が小さく制御される領域ほど、前記ゼロリフト運転領域下でのアシスト期間を長くすることを特徴とする請求項４または５記載の可変動弁システム。
7. 前記アシスト力制御手段は、前記バルブのリフト量が所定の大リフト量より小さくなるように制御されているときに前記揺動部材に与えられる合計の付勢力が、前記バルブのリフト量が前記所定の大リフト量となるように制御されているときに第１付勢手段のみが発する付勢力となるように、前記第１付勢手段をアシストすることを特徴とする請求項４または５記載の可変動弁システム。
   

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