JP2007177628A - 内燃機関の可変動弁システム - Google Patents

Abstract

【課題】
消費電力の低減、部品点数の低減、および制御回路の簡易化を図った電気式の可変動弁システムを提供する。
【解決手段】
クランク軸側の駆動回転部材３０とカム軸２０の側の従動軸部材６０の間に、両者の組付角（回転の位相）を変更するための組付角操作機構４０を介在させ、中間回転部材４１、遊星歯車５２を介してモータ５１によって組付角を制御する。モータ５１は、界磁ロータ７２、電磁ロータ７３、ステータコイル７７，７８から構成され、ステータコイル７７，７８に流す交流電流を制御して、界磁ロータ７２と電磁ロータ７３の両者の回転速度および回転方向を変化させる。電磁ロータ７３の回転によって、遊星歯車５２が制御され、小さい力で中間回転部材４１が駆動され、組付け各操作機構４０が動作する。
【選択図】図５

Description

本発明は、往復動エンジンの吸気弁、排気弁の可変動弁システムに係り、特に４ストロークおよび２ストロークのガソリンエンジン、ディーゼルエンジンなどに用いるのに好適なものである。

往復動エンジンの吸気弁、排気弁のリフト、タイミングを運転状態によって変える可変動弁システムは、エンジンの充填効率、有効圧縮比、残留ガス量を制御し、エンジンの動力性能、エミッション性能を向上するため、近年、広く利用されている。ディーゼルエンジン、或いは、予混合圧縮着火エンジンでは、エンジンの圧縮行程に伴って生じるガスの温度上昇によって、噴射された燃料を自着火している。燃料の自着火は、温度が高く、圧力が高い条件でのみ行われる。燃料にもよるが、温度１０００K、圧力１MPa以上でないと自着火に至らない。

したがって、低温始動時においてはシリンダ壁の温度が低く、ガスの熱がシリンダに奪われるので、圧縮比を、例えば１５以上に高め、シリンダ内のガスの温度と圧力を高めないと、自着火が生ぜず、燃焼を達成することができない。しかし、エンジンの暖機が完了した時点では、高い圧縮比では、ピストンに作用する圧力が高いので機械摩擦損失が増大し、性能が低下しやすい。これを回避するためには、始動完了後は、圧縮比を15以下に低下させ、性能を向上することが提案されている。

始動完了後は、シリンダ壁の温度が高くなり、圧縮比が低くてもシリンダ内混合ガスの熱がシリンダに奪われる割合が少なくなるので、ガスの温度、圧力が高くなり、自着火が行われる。圧縮比は、周知のように、ピストンのクリアランス容積を機械的に変えることによって、或いは、ピストンのストロークを機械的に変えることによって行われるが、機構が複雑になる。これに対して、吸気弁の閉じるタイミングを、クランク角に対して、遅らせるか、早めるかしても、圧縮始めのガスの質量を変えることができ、クランク角度に対する圧力、温度の上昇を遅らせることができる。すなわち、有効圧縮比を低下させることができる。

従来技術としては、２ストロークのディーゼルエンジンにおいて、エンジン始動時と判断されたときに、電動式の可変動弁システム（カムひねりタイプ）により、吸気弁閉時期（ＩＶＣ）を下死点（ＢＤＣ）に近づけて、有効圧縮比を高めている。これで始動時の自着火を確保し、通常運転時はＩＶＣを遅らせて有効圧縮比を低下させて、燃費を低減させるものである（特許文献１）。

これらの技術に対し、油圧式の可変動弁システムも開示されているが、低温始動時の応答性が低くなる問題があり、特に低温始動時の制御には電動式のアクチュエータが望ましい。電動モータによって回転しているカム軸（以後、従動軸部材と称する）の位相を変える場合、モータのケーシングがシリンダヘッドに固定されている（外付け）方がコイルへの給電が容易である。しかし、駆動回転部材と同期して動いているバルブタイミング調整装置を駆動するのに、ボールベアリングなどを介在させて回転運動を吸収する必要がある。または、モータのロータを従動軸部材と同期させて回転させなければならない。いずれも、操作に要する動力の他に摩擦損失などによって、多くの電力を消費する。

特許文献２では、モータの磁石界磁を駆動回転部材に固定されているスプロケットと一体にしたモータ乗り込み方式が開示されている。中間回転部材の初期位置をばね力で定め、ヒステリシスブレーキを利用したブレーキ力で中間回転部材にトルクを作用させ、駆動回転部材と従動軸部材の位相を変化させている。

特許文献３では、外付けの磁石モータを回転させ、減速機を介して、駆動回転部材と従動軸部材の位相を制御している。リング歯車とモータで遊星歯車を付勢し、遊星歯車が中間回転体を付勢している。

特開平１−３１６６３１号公報 特開２００４−１１５３７号公報 特開２００５−４８７０７号公報

しかし、従来のモータを利用した可変動弁システムでは、モータの電流が大きく電力の消費が多くなり、また、極数が多く応答性が遅くなり、システムの信頼性と耐久性の問題があった。

また、外付けのモータでは、部品点数が多く、制御回路が複雑で、システムの信頼性に問題があった。

本発明の目的は、可変動弁システムにおいて、モータの使用に付随した信頼性と耐久性の問題を解決することにある。

この課題を解決するため、ある局面において、本発明は、内燃機関のクランク軸によって回転駆動される駆動回転部材から、吸気弁および排気弁の少なくとも一方の弁を開閉駆動する従動軸部材に回転力を伝達し、前記少なくとも一方の弁の開閉タイミングまたはリフトを調整するバルブ調整装置を有し、前記駆動回転部材から前記従動軸部材にトルクを伝達する手段として、中間回転部材と前記中間回転部材を駆動する遊星歯車を設け、前記遊星歯車を前記駆動回転部材により駆動し、前記駆動回転部材と同期して回転する界磁ロータと固定ステータコイルの作る電磁束と電磁的に結合する電磁ロータにより前記遊星歯車を制御することを特徴とする内燃機関の可変動弁システムを提供するものである。

さらに、ある局面において、本発明は、制御用のセンサを具備し、電磁ロータと界磁ロータの相対的位置を検出して、検出信号によりステータの電流を制御し、電磁ロータの励磁力を変化させる。これによって、可変動弁システムの応答性が向上する。

さらに、ある局面において、本発明は遊星歯車の中心とリング歯車の中心に偏心を持たせる方式となし、電磁ロータの回転方向は時計回りと反時計回りを可能とするために、２対以上の磁極数を持った構造としている。尚、それぞれの対磁極は各々の中心において非磁性体のリングを用いて、溶接法で固定している。

本発明の一実施例によれば、電磁ロータの回転が減速されて遊星歯車に伝達されるので、駆動軸部材の回転位相を変化させない場合は、永久磁石からなる界磁ロータと電磁ロータの磁気結合は小さくてよく、電磁ロータを磁化するためにステータコイルに流す電流は小さくてよいため、電力損失の低減が可能となる。

本発明の一実施例によれば、リング歯車と遊星歯車の組み合わせを有効に利用し、位相に変化がない場合には、遊星歯車を介してクランク軸によってベルトで駆動され、タイミングプーリの力で回転を維持するので、特許文献２に比べて消費電力が少ない。また、応答性を向上するため、モータの磁極の数を少なくしている（例えば４極）。

さらに特許文献３では、位相の変化がないときは、電流を流さないようになっているが、モータが外付けであるので、部品点数が多く、制御回路が複雑になっている。これに対して、本発明の一実施例によれば、モータ乗り込み方式を採用し、部品点数の削減と制御回路の簡易化を図り、可変動弁システムの信頼性、耐久性を向上させている。

本発明の一実施例の概要を述べると以下のようになる。クランク軸によって回転駆動される駆動回転部材と、この駆動回転部材から動力を伝達される従動軸部材とを相対的に回転操作することによって両回転部材の回転位相を変更する回転位相制御手段を有する。

従動軸部材に、カム軸は接続され、吸気弁、排気弁が開閉される。この手段において、従動軸部材の駆動力は、駆動回転部材から中間回転部材を介して得る。この中間回転部材は、クランク軸によって駆動される駆動回転部材および電気的な信号で動作するモータで駆動される遊星歯車の両者から駆動力を得る。

遊星歯車は、駆動回転部材、従動軸部材の軸に対して、偏心して回転し、モータの回転に対し、大きな減速比が得られる。遊星歯車はその外周に配置した、駆動回転部材と結合したリング歯車および隣接して配置したモータの電磁ロータの二つより駆動力を得る。

モータは、界磁ロータ、電磁ロータ、固定のステータから構成され、界磁ロータは駆動回転部材と一緒に回転する。電磁ロータは磁性体の磁極を有し、その磁極と対面する外側の回転部材は、複数の永久磁石のブロックから構成する界磁ロータと磁気的に結合が可能な構成とし、ステータの電磁束により電磁ロータを磁化することにより、回転力を電磁ロータに与える。

以下、本発明の一実施例について図を用いて詳細に説明する。まず、４ストロークエンジンの可変動弁システムについて、図１を参照しながら説明する。エンジン１のクランク軸２は、図中、時計方向に回転している。ビストン３が、最も下に位置する状態が、下死点（ＢＤＣ）の状態で、クランク角度で１８０度とする。クランク軸２が回転し、ピストン３が、最も高い位置に達したときが上死点（ＴＤＣ）の状態で、このときのクランク角度は３６０度である。

通常のディーゼル燃焼の場合は、燃料は、燃料噴射弁４から、シリンダ内に噴射され、ガスの高温、高圧によって自着火し、燃焼する。予混合圧縮着火の場合は、吸気行程に、噴射弁４から燃料を噴射し、シリンダの充填空気と良く混合しておく。ピストン３が上昇すると、シリンダ内の予混合気の温度、圧力が上昇し、混合気が自着火し、燃焼に至る。噴射弁４の燃料噴射タイミングは、クランク角センサ５の信号に応じ、エレクトロニクスコントロールユニット（ＥＣＵ）６によって制御される。

ガソリンエンジンの場合は、吸気行程に、噴射弁４から燃料を噴射し、シリンダの充填空気と良く混合しておく。ピストン３が上昇すると、シリンダ内の予混合気の温度、圧力が上昇し、混合気が点火プラグによって着火され、燃焼に至る。

また、始動時には、スタータ７をクランク軸２に結合させ、クランク軸２を回転させる。さらに、始動時には、グロープラグ８に電流を印加し、グロープラグ８の温度を高めて、燃料の蒸発を促進し、自着火を支援する。触媒コンバータ３０１によって排気を浄化する。

吸気弁９と排気弁１０は、エンジン１の上部に配置され、それぞれ、吸気カム１１、排気カム１２によって駆動される。吸気カム１１は、カム軸２０、リフト位相可変タイプの可変動弁機構１３を介して、タイミングプーリ１４に接続されている。クランク軸２の回転は、タイミングベルト、或いはタイミングチェーンなどを介して、タイミングプーリ１４に伝えられる。水温センサ１５の信号は、ＥＣＵ６に入力される。位相差センサ２８の信号もＥＣＵ６に入力される。４ストロークエンジンの場合、クランク軸２が回転すると、２分の１の回転でタイミングプーリ１４が回転し、可変動弁機構１３の定められた位相差によって、吸気カム１１が回転し、２回転に一回、吸気弁９の開動作を行い、空気をシリンダに吸入する。

また、タイミングプーリ１４が回転すると、それに接続されている排気カム１２が回転し、２回転に一回、排気弁１２の開動作を行い、既燃ガスをシリンダから排出する。

吸気弁９の上流の吸気システム１６には、吸入空気量を測定するためのエアフローセンサ１７、ターボチャージャ１８、及び排気還流弁（ＥＧＲ）１９が配置されている。

図２に、通常の４ストロークディーゼルエンジンにおける、吸気弁９と排気弁１０の開閉のタイミングを示す。排気弁１０は、排気行程の始め、クランク角度−１８０度で開かれる。このタイミングをＥＶＯとする。排気弁１０は、排気行程の終わりに閉じられる。このタイミングをＥＶＣとする。吸気弁９は、吸気行程の始め、クランク角度０度の近くで開かれる。このタイミングをＩＶＯとする。吸気弁９は吸気行程の終わりのＢＤＣの近くで、閉じられる。このタイミングをＩＶＣとする。

ディーゼルエンジンの場合は、圧縮行程の終わりごろ、ＴＤＣの前で、自着火が生じる。ガソリンエンジンの場合は、点火プラグで混合気に着火する。ＩＶＣをＢＤＣより早めると、シリンダに充填されるガスの量が低下し、有効圧縮比が低下するおそれがある。また、ＩＶＣをＢＤＣより遅らせると、シリンダに充填されたガスが、再度、吸気システム１６の方に戻され、シリンダの充填ガスの質量が低下し、有効圧縮比が低下する。従って、運転状態に応じて、可変動弁機構１３を用いて、ＩＶＣは最適に制御される。

２ストロークエンジンの場合は、図３に示すごとく、１回転（３６０度）でサイクルが完了するので、クランク角度１８０度の間に、４ストロークに相当する吸気行程と、圧縮行程が行われる。次の１８０度で、膨張行程と排気行程が行われる。ディーゼルエンジンの場合。ＴＤＣの前で自着火が行われる。一回転に一回、吸気弁９と排気弁１０の開動作が行われるので、２ストロークの場合は、図１において、タイミングプーリ１４は、クランク軸２と同じ回転数で駆動される。システムのその他の構成要素は、４ストロークの場合の要素を流用することができる。ＩＶＣをＢＤＣに近づけると、ガスの質量が多い状態で圧縮されるので、有効圧縮比が高くなる。また、ＩＶＣをＢＤＣに対して遅らせると、吸気システム１６の圧力が一定の場合、シリンダに充填されるガスの量が低下し、有効圧縮比が低下する。

可変動弁機構１３の実施例を図４に示す。可変動弁機構１３は、駆動回転部材３０、リンク４７などからなる組付角操作機構４０、操作力付与手段５０、従動軸部材６０から構成されている。駆動回転部材３０には、その外周部に、タイミングプーリ１４の機能を有するタイミングスプロケット３１が設けられている。タイミングベルト或いはタイミングチェーンを介して、クランク軸２によって駆動回転部材３０が駆動される。従動軸部材６０は、カム軸２０に固定されている。

組付角操作機構４０は駆動回転部材３０と従動軸部材６０の中間に配置されている。組付角操作機構４０によって、駆動回転部材３０とカム軸２０の回転の位相がエンジン１の運転状態に応じて制御される。これによって、クランク軸２の回転に対するカム軸２０の位相が変化し、吸気弁９、排気弁１０の開閉のタイミング（ＥＶＯ，ＥＶＣ，ＩＶＯ，ＩＶＣ）が制御される。

組付角操作機構４０は、操作力付与手段５０によって駆動される。操作力付与手段５０には、モータ５１が組み込まれており、ＥＣＵ６からの電気的な信号によって制御される。操作力付与手段５０は、中間回転部材４１と機械的に接続されている。中間回転部材４１の回転位置を駆動回転部材３０に対して変えることによって、駆動回転部材３０に対するカム軸２０の位相が変化する。

駆動回転部材３０と従動軸部材６０は、図４に示すように、リンク４７、リンク４７の両端のピン４４、ピン４５によって接続される。従動軸部材６０は、ピン４５によりリンク４７に接続されている。

中間回転部材４１には、渦巻き状の渦巻き溝４２が設けられている。この渦巻き溝４２に、リンク４７の外側のピン４４の左側が、摺動可能で挿入されている。一方、ピン４４の右側は、駆動回転部材３０の径方向溝４３に摺動可能で挿入されている。

図４において、中間回転部材４１が、駆動回転部材３０に対して、反時計方向に回転すると、渦巻き溝４２の溝の位置が、外側にずれ、最大で、ピン４４は、ピン４４ａで示したように外側に移動する。

また、回転駆動部材３０に対して、中間回転部材４１を反時計方向に移動すると、渦巻き溝４２の位置が軸中心の方向に移動し、リンク４７のピン４４も軸中心方向に移動し、ピン４５が反時計方向に移動する。これによって、駆動回転部材３０と従動軸部材６０の位相を変えることができる。

一方、リンク４７の内側にはピン４５が設けられている。ピン４５は、従動軸部材６０に接続されている。従って、図４において、ピン４４が、ピン４４ａの位置に移動すると、ピン４５も４５ａに移動する。これによって、駆動回転部材３０に対して、従動軸部材６０は、時計方向に回転する。

図４に示すように、駆動回転部材３０のほぼ半径方向に沿うように、対面する平行な側壁を有する３つの径方向溝４３が形成されている。図４においては、リンク４７は３個配置されている。各リンク４７の外側先端には、駆動回転部材３０の各径方向溝３２に摺動自在に係合する円筒状の突出部を有するピン４４が一体に形成されている。

各リンク４７は、ピン４４が対応する径方向溝４３に係合した状態において、リンク４７、ピン４５を介して従動軸部材６０に連結されているため、中間回転部材４１の回転によって、リンク４７の先端が外力を受けて径方向溝４３に沿って変位する（半径が大きくなったり小さくなったりする）と、駆動回転部材３０と従動軸部材６０はリンク４７の作用によってピン４４の変位に応じた方向および角度だけ相対運動する。

図５に本発明の実施例に用いる可変動弁機構の詳細断面図を示す。図示のごとく、駆動回転部材３０の外周には、タイミングスプロケット３１が配置されている。また、駆動回転部材３０は短軸円筒状の挿通孔３２を備え、その挿通孔３２の部分が、カム軸２０の左端部に結合された従動軸部材６０に対し回転可能に組み付けられている。

また、従動軸部材６０は、図５に示すように、カム軸２０の左端部に付き合わされる基部側外周に拡径部が形成されている。従動軸部材６０は芯部を貫通するボルト６１によってカム軸２０に結合されている。

図５において、従動軸部材６０の左側には、中間回転部材４１が軸受４６を介して回転自在に支持されている。この中間回転部材４１の後面には、図４に示すような断面半円状の渦巻き溝４２が形成され、この渦巻き溝４２に、前記各リンク４７の先端のピン４４が転動自在に案内係合されている。

この実施形態の組付角操作機構４０は、以上に述べたごとく、図４、図５に示したように駆動回転部材３０の径方向溝４３、リンク４７、ピン４４、中間回転部材４１、渦巻き溝４２等によって構成されている。この組付角操作機構４０は、駆動回転部材３０と同期して回転している中間回転部材４１に、カム軸１に対する相対的な回転操作力が入力されると、その操作力が渦巻き溝４２とピン４４の係合部を通してリンク４７の先端を径方向に変位させ、このときリンク４７の作用によって従動軸部材６０に駆動回転部材３０と相対的な回転力を伝達する。

中間回転部材４１に操作力を付与する手段として操作力付与手段５０がある。操作力付与手段５０は、ＥＣＵ６で制御可能なモータ５１を具備している。ここでは、直接、中間回転部材４１を、モータ５１で駆動する代わりに、図５、図６に示したような遊星歯車５２を使った減速手段を介して、中間回転部材４１を駆動する。これによって、モータ５１の駆動トルクを増大し、モータ５１の電力の削減、モータの小型化を図っている。

操作力付与手段５０は、図５、図６に示すように、中間回転部材４１に接して、これを回転方向に付勢する遊星歯車５２、遊星歯車５２と複数の歯数の内一部の歯で噛み合うリング歯車５３、遊星歯車５２をシャフト６１に対して偏心して取り付ける機能を有すロータ保持部材５４、保持部材５４に回動力を与える電磁ロータ７３により構成する。

図５、図６に示すように、この遊星歯車５２の突出部５６は中間回転部材４１の溝部５７と隙間を持って係合している。この係合を介して遊星歯車５２によって中間回転部材４１が駆動される。

図５に示すように、モータ５１は、外側の界磁ロータ７２、中間の電磁ロータ７３、内側のステータ７４から構成される。界磁ロータ７２は、磁石７６と界磁ヨーク７５から構成され、界磁ヨーク７５は駆動回転部材３０にネジで固定され、駆動回転部材３０と一緒に回転する。
ステータ７４は、ステータコイルＡ７７，ステータコイルＢ７８とステータヨーク７９から構成され、図示されていないがエンジン１のシリンダヘッドに固定されている。ステータ７４は、軸受９３によって、電磁ロータ７３、界磁ロータ７２と同心的に保持されている。

図５に示すように、電磁ロータ７３は、遊星歯車５２と係合するロータ保持部材５４と一体に構成されている。電磁ロータ７３には、磁極Ａ８０，磁極Ａ８０と反対側の磁極Ｂ８１、中間磁極８２、非磁性体である接合部材８３および８４から構成され、接合部材８３は磁極Ａ８０と中間磁極８２を、また、接合部材８４は磁極Ｂ８１と中間磁極８２を溶接接合している。

ここで、電磁力によって制御される操作力付与手段５０の動作について説明する。中間回転部材４１を付勢する遊星歯車５２は駆動回転部材３０に一体となったリング歯車５３とモータ５１の電磁ロータ７３から回転力を得る。中間回転部材４１と遊星歯車５２の位相に変化が無い場合は、中間回転部材４１はリング歯車５３から遊星歯車５２を介して回転力を得ている。

図５において、電磁ロータ７３の側面に位置するロータ保持部材５４の一端は軸受５８の外輪に勘合し、軸受け５８の内輪はスペーサ５９に勘合している。ロータ保持部材５４の先端部には軸受９０が勘合しているが、この勘合部の中心はシャフト６１の中心とはｅだけ偏心している。

図６に示すごとく遊星歯車５２の歯の数はリング歯車５３の歯の数より１つ少ない数として、変速比は遊星歯車の歯数対１を得ている。電磁ロータ７３が回転し、これと一体構成のロータ保持部材５４が一回転すると、遊星歯車５２の歯は、偏心ｅに伴う動作で、リング歯車５３のとなりの歯と噛合い、歯のピッチだけ、リング歯車５３と遊星歯車５２の回転の位相が変化する。

図５、図６に示したようにリング歯車５３は、駆動回転部材３０に固定されている。遊星歯車５２の突出部５６、中間回転部材４１の溝部５７を介して、中間回転部材４１を回転することによって、クランク軸２とカム軸２０の位相が変化する。この遊星歯車５２を利用した減速機構によって、モータ５１の駆動力が増幅されるので、モータ５１を小型にすることができる。

図６において、カム軸２０の位相を駆動回転部材３０の位相に対して進めるためには、中間回転部材４１の位相をリング歯車５３に対して反時計方向（Ｘ方向）に移動させるが、そのためには、モータの電磁ロータ７３の位相を界磁ロータ７２に対し時計方向（Ｙ方向）に回転させる。

また、カム軸２０の位相を駆動回転部材３０に対して遅らせる手法は、中間回転部材４１の位相をリング歯車５３に対して図６に示すように時計方向（Ｙ方向）に移動させることにより達成できる。そのためには、モータの電磁ロータ７３の位相を界磁ロータ７２に対し反時計方向（Ｘ方向）に回転させる。

電磁ロータ７３の回転力はステータ７４のステータコイルＡ７７とステータコイルＢ７８に交流電流を流し、磁極８０、８１，８２をＮとSに交互に磁化して、電磁ロータ７３の磁極と界磁ロータ７２の磁石の吸引および反発力で得ることができる。

図７に示すごとく、電磁ロータ７３の磁極Ａ８０と磁極Ｂ８１はその中心が電気角で９０度ずれた構造になっている。この構造では、ステータコイルＡ７７およびステータコイルＢ７８によって作られる回転磁界と電磁ロータ７３の磁極Ａ，Ｂが電磁的に結合し、時計方向および反時計方向の両方向の回転力を得ることが出来る。

上記回転力を得るためには、界磁ロータ７２の磁石位置および電磁ロータ７３の磁極位置をそれぞれ、図５のセンサ９２．９１で感知する。界磁ロータ７２の位置はセンサ９２の磁石の磁気で検出する。電磁ロータ７３の位置は磁極Ｂ８１の側面に突起を設け、その位置をセンサ９１で検知している。

界磁ロータ７２と電磁ロータ７３の関係を、図８と図９を用いて説明する。図８は経過時間に対する、ステータコイルＡ７７とステータコイルＢ７８に流す電流を示す。ステータコイルＡ７７にはＡ（＋）と、その反対方向のＡ（−）電流を流す。ステータコイルＢ７８にはＢ（＋）と、その反対方向のＢ（−）電流を流し、ステータヨーク７９を励磁する。

また、電磁ロータ７３とステータヨーク７９の間のエアーギャップを介して電磁ロータ７３の構成部品である、磁極Ａ８０,磁極Ｂ８１,中間磁極８２を励磁する。電磁ロータ７３の磁極を、図９に示す順番に従って励磁することによって界磁ロータ７２と電磁ロータ７３はその相対位置関係を変化できる。

図９の第（１）の段階（図８の（１）の通電の状態）では界磁ロータ７２の磁石Ｓ１極は、電磁ロータ７３のＮ極に吸引されるとともに、界磁ロータ７２のＮ2極は電磁ロータ７３のＮ極に反発し、界磁ロータ７２は、図９において相対的に時計方向に移動する。これによって、相対的に、電磁ロータ７３と、駆動回転部材３０の位相が変化する。

図９の第（２）の段階（図８の（２）の通電の状態）で電気角９０度位相がずれている電磁ロータ７１の磁極Ｂ８１を励磁すると、（１）の段階と同様に界磁ロータ７２は時計方向に回転力を得る。これによって、相対的に、電磁ロータ７３と、駆動回転部材３０の位相が変化する。

第（３）段階（図８の（３）の通電の状態）ではステータコイルＡ７７に反対方向の電流を流し、第（１）段階と反対方向の励磁を行うことにより界磁ロータ７２を時計方向に回転させる。これによって、相対的に、電磁ロータ７３と、駆動回転部材３０の位相が変化する。

第（４）段階（図８の（４）の通電の状態）では第（２）段階と反対方向にステータコイルＢ７８に電流を流し第（２）段階とは反対に励磁し、界磁ロータ７２を時計方向に回転させる。

第（４）段階の次には第（１）段階と同じ動作が行われ、以降順次ステータコイルＡ８０,およびステータコイルＢ８１に流す電流を制御して回転力を得ている。これによって、相対的に、電磁ロータ７３と、駆動回転部材３０の位相が変化する。

ステータコイルＡ８０、ステータコイルＢ８１の電流は、図１０に示す回路で制御できる。図１０において、電流をＡ(＋)方向に流すためには、回路素子１０１と回路素子１０２を導通し、回路素子１０３，１０４を不導通にする。Ａ(−)方向に電流を流すためには、回路素子１０３，１０４を導通し、回路素子１０１，１０２を不導通にすることで達成できる。

ステータコイルＢ８１に流すＢ電流は、回路素子１０５，１０６，１０７，１０８を用いてＡ電流と同一要領で制御できる。電流切り替えのタイミングは、電磁ロータ７３および界磁ロータ７２の相対位置を検出して制御する。図５のセンサ９２は界磁ロータ９２の磁極を検知し、センサ９１は電磁ロータ７３の位置を検出して、回路素子１０１から１０８までの導通、不導通を制御する。

ステータコイルＡ８０，ステータコイルＢ８１の電流を遮断すると、電磁ロータ７３には、電磁力が作用しないので、上記の時計方向への回転が戻され、界磁ロータ７２は相対的に反時計方向に回転する。従って、ステータコイルＡ８０とステータコイルＢ ８１への電流を制御することによって、界磁ロータ７２と電磁ロータ７３の位相差を加減することができる。

図１１に可変動弁機構１３の位相制御動作のブロック線図を示す。フィードバック素子５０４、例えば、センサ９１、９２によって、クランク軸２に対する実際のカム軸２０の位相を把握する。この値を指令値と比較し、偏差を増幅器５０１に入力する。可変動弁機構１３（ＶＴＣ）５０２は、モータ５１から構成され、モータ５１の回転を、可変動弁機構５０３の位相が指令値になるように増幅器５０１のパルスを制御する。

カム軸２０を駆動するためのトルクは、回転速度、潤滑油の温度などによって変化する。したがって、運転状態に応じて、図５０１のゲインを変化させて、ＶＴＣ５０２の動作の応答性と、安定性を両立させている。本発明では、モータ５１の動力を減速機構と、渦巻き溝を用いて位相に変換しているので、これらの動作を、少ない電力で、高速で達成することができる。

図１２に始動時のＶＴＣの制御動作を示す。エンジン１の始動時には、クランク角センサの５の信号から、ＶＴＣのタイミングを求まる、エンジンの回転速度がゼロで、またはキーオンで、図１４のフローチャートのごとく、水温センサ１５から求まるエンジンの温度が４０℃以下の場合には,低温始動と判断し、ＶＴＣ１３を制御し、ＩＶＣをＢＤＣに近づけ有効圧縮比が高いモードで運転する。ＩＶＣは、ＶＴＣ位相センサ２８によって正確に制御される。

回転速度が５００ｒｐｍ以上になると、始動が完了したものみなし、ＶＴＣを制御しＩＶＣをＢＤＣから位相角Δ（例えばクランク角度で１０度）だけ遅らせる。或いは、４ストロークエンジンの場合は、ＩＶＣをＢＤＣより早くしても有効圧縮比を低下させることができる。

ここで、エンジン停止状態において、ＩＶＣがＢＤＣに設定されている場合と、キーオンと同時に、ＢＤＣに制御される場合が想定される。したがって、ステップ８３、８４、８６では、ＶＴＣ位相センサ２８の信号をベースに、位相角度Δの検出、制御が行われる。すでに、エンジン停止時に、ＩＶＣ＝ＢＤＣに設定されている場合は、ステップ８３でＩＶＣをチェックするだけで、そのままスタータオンの動作に入る。エンジン回転が上昇した時に、ステップ８６で位相角Δだけ、ＩＶＣを遅らせる動作を行う。

エンジン停止時に、ＢＤＣに設定されていない場合は、ステップ８３で、ＩＶＣ＝ＢＤＣの動作を行う。燃料噴射弁４から噴射する燃料質量は、エアフローセンサ１７の空気量、エンジンの回転速度の信号に応じて制御される。また、排気還流弁１９、ターボチャージャ１８の状態も考慮して、燃料質量、燃料噴射のタイミングが決定される。当然、吸気弁のＩＶＣ，ＩＶＣが変化すると、噴射量、噴射タイミングを変更する必要がある。
このため、ＶＴＣ位相センサ２８の信号が、ＥＣＵ６に入力され、ＶＴＣの位相、すなわち、ＩＶＣの位置によって、燃料噴射量が変更される。

有効圧縮比は、ＩＶＣをＢＤＣより早めても低下することができる。吸気行程の途中で、吸気弁９が閉じるので、充填空気量が減り、有効圧縮比が低下する。最遅角の場合のＩＶＣはＢＤＣに近い。最進角の場合のＩＶＣは、ＢＤＣより進んでいる。始動時には、ＩＶＣ≒ＢＤＣに制御し、有効圧縮比を高め、始動性を確保する。始動が完了すると、最進角の位置に制御し、ＩＶＣをＢＤＣより進める。これによって、吸気行程中に吸気弁９が閉じられるので、充填されるガスの質量が低下し、有効圧縮比が低減し、摩擦損失が小さくなり、燃費が低減する。

可変動弁システムとしては、位相角を変えるシステムの他に、例えば、特願２００２−２３５４０に開示されているような、リフトを連続的に変えるシステム（ＶＥＬ）もある。本発明の可変動弁システムは、これらのＶＥＬシステムと組み合わせても利用することができる。

本発明の一実施例の可変動弁システムの構成図である。 本実施例の可変動弁システムの４ストロークエンジンの場合の特性図である。 本実施例の可変動弁システムの２ストロークエンジンの場合の特性図である。 本実施例に用いる可変動弁システムの可変動弁機構である。 本実施例に用いる可変動弁機構の構成図である。 本実施例に用いる遊星歯車を用いた減速手段の構成図である。 本発明の電磁ロータの構成図である。 本実施例に用いるステータコイルの電流の線図である。 本実施例に用いる界磁ロータと電磁ロータの磁極の特性説明図である。 本発明に用いるステータコイルの電気回路図である。 本実施例に用いる可変動弁機構の制御のブロック線図である。 本実施例に用いる可変動弁機構の制御動作説明図である。

符号の説明

１…エンジン、２…クランク軸、３…ピストン、４…燃料噴射弁、５…クランク角センサ、６…エレクトロニクスコントロールユニット（ＥＣＵ）、７…スタータ、８…グロープラグ、９…吸気弁、１０…排気弁、１１…吸気カム、１２…排気カム、１３…可変動弁機構、１４…カム軸タイミングプーリ、１５…水温センサ、１６…吸気システム、１７…エアフローセンサ、１８…ターボチャージャ、１９…排気還流弁（ＥＧＲ）、２０…カム軸、３０…駆動回転部材、４０…組付角操作機構、５０…操作力付与手段、５１…モータ、５２…遊星歯車、５３…リング歯車、６０…従動軸部材、７２…界磁ロータ、７３…電磁ロータ、７４…ステータ

Claims (3)

1. 内燃機関のクランク軸によって回転駆動される駆動回転部材から、吸気弁および排気弁の少なくとも一方の弁を開閉駆動する従動軸部材に回転力を伝達し、前記少なくとも一方の弁の開閉タイミングまたはリフトを調整するバルブ調整装置を有し、前記駆動回転部材から前記従動軸部材にトルクを伝達する手段として、中間回転部材と前記中間回転部材を駆動する遊星歯車を設け、前記遊星歯車を前記駆動回転部材により駆動し、前記駆動回転部材と同期して回転する界磁ロータと固定ステータコイルの作る電磁束と電磁的に結合する電磁ロータにより前記遊星歯車を制御することを特徴とする内燃機関の可変動弁システム。
2. 前記電磁ロータの磁極と前記界磁ロータの磁極の相対位置をセンサで検出し、前記相対位置に応じて前記ステータコイルに流す電流を制御し、前記中間回転部材の回転を制御することを特徴とする第１項記載の内燃機関の可変動弁システム。
3. 前記電磁ロータ及び前記界磁ロータを２対極以上の構成とし、前記ステータコイルの電流通流方向を切り換えることにより、前記電磁ロータの相対的な回転方向を変えることが出来る構造としたことを特徴とする第１項を記載の内燃機関の可変動弁システム。
   

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