JP2009097392A - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 制御不良時等においても吸気弁とピストンとの干渉を確実に回避する。作動角や中心位相の使用領域を狭めることなく、バルブリセスの浅底化を図る。
【解決手段】 制御軸１２の回転位置に応じて吸気弁の作動角を変化させる作動角変更機構１０と、第１回転体２１と第２回転体２２との位相差に応じて作動角の中心位相を変化させる位相変更機構２０と、を備える。制限機構４０は、制御軸１２に連動して作動する作動角側スライダ（作動角側ストッパ）４１と、両回転体２１，２２とともに回転可能で、かつ両回転体２１，２２の位相差に応じて軸方向に移動する位相側スライダ４２と、を有し、位相側スライダ４２のストッパ面４７に作動角側スライダ４１が軸方向に突き当てられることで、作動角及び中心位相の可動範囲が、一方の制限量が大きくなるほど他方の制限量が小さくなるように相互に関連づけて制限される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、吸気弁又は排気弁の作動角を変化させる作動角変更機構と、この作動角の中心位相（バルブタイミング）を変化させる位相変更機構と、を備えた内燃機関の可変動弁装置に関する。

内燃機関の機関運転条件に応じて吸気弁（あるいは排気弁）のバルブリフト特性を高度に制御し、最適な作動特性を得るために、吸気弁の作動角（及びバルブリフト量）を連続的に変更可能な作動角変更機構と、この作動角の中心位相を連続的に変更可能な位相変更機構と、を併用した場合、排気上死点近傍で吸気弁とピストンとが干渉するおそれがある。このような干渉を招くことのないように制御マップ等が予め設定されるものの、制御のフェール時等には、やはり干渉を招く可能性が残されている。そこで、作動角変更機構による作動角の可変範囲と位相変更機構による中心位相の可変範囲とを規制する規制機構を設けたものを本出願人は以前に提案している。

例えば特許文献１では、位相変更機構がヘリカルギアの軸方向位置に応じて中心位相を変化させるものであり、このヘリカルギアとともに軸方向に移動するスライダのストッパと、作動角変更機構の制御軸から径方向に張り出したアームと、を備えている。そして、作動角が大きい場合、アームによりスライダのスライド範囲が制限されて、中心位相の進角量を一定値以下に規制し、中心位相の進角度合いが大きい場合、スライダのストッパによりアームの回転範囲が制限され、作動角の可変範囲を一定値以下に規制するようになっている。

また、特許文献２では、遊星歯車機構を利用して位相制御軸の回転位置に応じて中心位相を変化させる位相変更機構と、作動角制御軸の回転位置に応じて作動角を変化させる作動角変更機構と、を併用するもので、規制機構により平行に配設された位相制御軸と作動角制御軸との回転可能範囲を互いに規制することで、作動角の可変範囲と中心位相の可変範囲とを互いに関連づけて規制するようになっている。

特許文献３では、吸気弁の作動角の中心位相を変更する位相変更機構が、吸気駆動軸と排気カムシャフトとの動力伝達経路に設けられた複数のギヤやリンクを備えたものや、あるいは上記の特許文献２と同様に遊星歯車機構を利用したものであり、作動角の可変範囲と中心位相の可変範囲とを互いに関連づけて規制するようになっている。
特開２００２−２４２６２６号公報 特開２００２−２７６３１６号公報 特開２００２−２６６６１１号公報

しかしながら、特許文献１のように、作動角や中心位相の可変範囲をある一定値以下に制限するものでは、吸気弁とピストンとが干渉するライン（図４の等シビアリティ曲線Ｌ１参照）に対して可変範囲が必要以上に制限され、作動角や中心位相の使用領域を狭めたり、あるいはピストン冠面に凹設される干渉回避用のバルブリセスの大型化を招いてしまう。特許文献２や特許文献３では、作動角の可変範囲と中心位相の可変範囲とを互いに関連づけて連続的に制限するようになっているため、特許文献１のものに比して、吸気弁とピストンとの干渉を招くことなく、その制限量を最小限に抑制することが可能である。しかしながら、これらの特許文献２や特許文献３では、遊星歯車機構を利用した位相変更機構などの複雑な構造の特殊な可変動弁装置に対するものである。

本発明では、いわゆるベーン型のバルブタイミング機構のように、２つの第１，第２回転体の位相差に応じて作動角の中心位相を変更可能な位相変更機構と、制御軸の回転位置に応じて作動角を変化させる作動角可変機構と、を併用した可変動弁装置に対して、簡素な構造でありながら、作動角変更機構や位相変更機構の可変範囲を過度に制限することなく、吸・排気弁とピストンとの干渉を確実に回避することをその目的としている。

制御軸の回転位置に応じて吸気弁又は排気弁の作動角を変化させる作動角変更機構と、
第１回転体と第２回転体との位相差に応じて上記作動角の中心位相を変化させる位相変更機構と、上記作動角の可変範囲と中心位相の可変範囲とを制限する制限機構と、を有する。この制限機構は、上記制御軸に連動して作動する作動角側ストッパと、上記第１，第２回転体の双方に係合し、両回転体とともに回転可能で、かつ両回転体の位相差に応じて軸方向に移動する位相側スライダと、を有し、上記位相側スライダの軸方向一端に設けられるストッパ面に、上記作動角側ストッパが摺接することで、上記両可動範囲が、一方の制限量が大きくなるほど他方の制限量が小さくなるように、互いに関連づけて制限される。

本発明によれば、作動角や中心位相の使用領域を過度に狭めることなく、また干渉回避用のバルブリセスの浅底化を図りつつ、制御不良時等においても吸気弁（又は排気弁）とピストンとの干渉を確実に回避することができる。また、第１，第２回転体の双方に係合する位相側スライダが、機関運転中に高速で回転する両回転体とともに回転する構造であるために、両回転体に対する潤滑部分や軸受部分が実質的に不要であり、簡素な構造で耐久性・信頼性にも優れている。

図５は、本発明に係る内燃機関の可変動弁装置の一例を示す概略構成図である。この可変動弁装置は、吸気弁１の作動角及びバルブリフト量の双方を同時かつ連続的に変化させる作動角変更機構１０と、この吸気弁１の作動角の中心位相（バルブタイミング）を連続的に変化させることで、クランクシャフトのクランク角に対する吸気弁の開時期や閉時期を遅角・進角させる位相変更機構２０と、を備えている。

先ず、作動角変更機構１０の構成について説明すると、吸気弁１の上方には、互いに平行に気筒列方向へ延びる駆動軸１１及び作動角制御軸１２がシリンダヘッドに回転可能に支持されている。駆動軸１１は、後述する位相変更機構２０を介してクランクシャフト（図示省略）から伝達される回転動力により軸周りに回転駆動される。この駆動軸１１には、各吸気弁１のバルブリフタ１ａに当接してこれを押圧する揺動カム１３が回転可能に外嵌されているとともに、この駆動軸１１に対して偏心する駆動偏心カム１４が各気筒毎に固定されており、この駆動偏心カム１４の円形の外周にはリング状の第１リンク１５が回転可能に外嵌している。また、作動角制御軸１２には、各気筒毎に制御カム１６が偏心して固定されており、この制御カム１６の円形の外周にはロッカーアーム１７が回転可能に外嵌している。ロッカーアーム１７の一端部は第１リンク１５の先端部と連結されており、このロッカーアーム１７の他端部は、ロッド状の第２リンク１８の一端と連結されている。この第２リンク１８の他端部は、揺動カム１３の先端部と連結されている。

このような構成により、クランクシャフトに連動して駆動軸１１が回転すると、駆動偏心カム１４を介して第１リンク１５がほぼ並進作動し、この第１リンク１５に連結するロッカーアーム１７が制御カム１６周りに揺動し、第２リンク１８を介して揺動カム１３が揺動する。この揺動カム１３の揺動動作に応じて吸気弁１のバルブリフタ１ａが押圧され、吸気弁１が開閉作動する。

また、機関運転状態に応じて作動角制御軸１２を回動すると、ロッカーアーム１７の揺動中心となる制御カム１６の位置が変化して、ロッカーアーム１７及びリンク１５，１８の姿勢が変化する。これにより、揺動カム１３の揺動範囲や位相が変化して、主に吸気弁１の作動角の大きさ及びバルブリフト量が変化する。

このような構成の作動角変更機構１０は、吸気弁１のバルブリフタ１ａを押圧する揺動カム１３が駆動軸１１と同軸上に配置されているため、揺動カム１３と駆動軸１１との軸ズレ等を生じるおそれがなく、制御精度に優れていると共に、各リンク要素１５，１７，１８を駆動軸１１の周囲に集約させて、機構のコンパクト化を図ることができる。また、駆動偏心カム１４と第１リンク１５との軸受部や、制御カム１６とロッカーアーム１７との軸受部のように、部材間の連結部の多くが面接触となっているため、潤滑が行いやすく、耐久性，信頼性にも優れている。更に、固定カム及びカムシャフトを用いた一般的な内燃機関に適用する場合にも、これら固定カム及びカムシャフトの位置に揺動カム１３及び駆動軸１１を配置すれば良く、レイアウトの変更が非常に少なくて済むため、既存の内燃機関にも容易に適用することができる。そして、吸気弁１の作動角及びバルブリフト量を機関運転状態に応じて任意の大きさに連続的に調整できるため、設定の自由度が高く、機関運転状況に応じて燃費や出力等の運転性能を効果的に向上させることができる。

図１を参照して、位相変更機構２０は、周知のベーン型のものであり、第１回転体２１と第２回転体２２とを備え、両者２１，２２の位相差に応じて作動角の中心位相を連続的に変化させるものである。第１回転体２１は、駆動軸１１の一端にボルト２３で共締め固定され、駆動軸１１と一体的に回転する軸部２４と、この軸部２４の外周から径方向へ張り出した複数のベーン２５と、を有している。第２回転体２２は、ベーン２５を収容するハウジング２６と、このハウジング２６の軸方向一端側より外周側へ張り出したリング状のフランジ部２７と、を有し、このフランジ部２７の外周側に、チェーン（又はタイミングベルト）を介してクランクシャフトから回転動力が伝達されるスプロケット（又はプーリ）２８が設けられている。ハウジング２６内には、ベーン２５の両側に作動油で満たされた進角側の油圧室と遅角側の油圧室とが形成されており、両油圧室への供給油圧は油圧制御弁などの位相用油圧装置３４（図５参照）により切換制御される。そして、両油圧室内の油圧に応じて両回転体の位相差を変化させることで、作動角の中心位相、つまり吸気弁の開時期及び閉時期を連続的に変化させるようになっている。

図５を参照して、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）３５は、各種センサにより検出又は推定されるバルブリフト量，負荷，機関回転数，及び油水温等に基づいて、点火時期制御や燃料噴射制御等の一般的な機関制御を行う他、上記の油圧装置３３，３４へ制御信号を出力し、その動作を制御している。

そして、作動角の可変範囲と中心位相の可変範囲とを互いに関連づけて連続的に制限する制限機構４０を設けている。図１〜図３は本発明の第１実施例に係る制限機構４０を示している。この制限機構４０は、作動角制御軸１２に機械的に連動して作動する作動角側ストッパとしての作動角側スライダ４１と、位相変更機構２０における第１，第２回転体２１，２２の双方に係合する位相側スライダ４２と、を有している。

図２にも示すように、位相側スライダ４２は、略リング状をなす小径部４３と大径部４４とを軸方向に一体に組み合わせた構造をなしている。小径部４３は、同心状に配置された第１回転体２１の軸部２４と第２回転体２２のフランジ部２７との間に介装され、その内周面が第１回転体２１の軸部２４の外周面と直線状のスプライン４５を介してかみ合っており、外周面が第２回転体２２のフランジ部２７の内周面とヘリカルスプライン４６を介してかみ合っている。従って、この位相側スライダ４２は、直線状のスプライン４５によって第２回転体２２と常に一体的に回転し、かつ、位相変更時に両回転体２１，２２が相対回転すると、その位相差に応じて、ヘリカルスプライン４６により第１回転体２１の回転が直線運動に変換されて位相側スライダ４２が第１回転体２１に対して回転しつつ軸方向に移動する。また、この大径部４４の軸方向一端にストッパ面４７が形成されている。このストッパ面４７は、この実施例では平坦な円環面をなしている。

図３にも示すように、作動角側スライダ４１は、シリンダヘッド４８の貫通孔４９を挿通する軸部５０と、この軸部５０の一端に設けられた有底円筒状の嵌合部５１と、を有している。軸部５０の外周面と貫通孔４９の内周面とは直線状のスプライン５２を介してかみ合っており、嵌合部５１の内周面と制御軸１２の一端の外周面とはヘリカルスプライン５３を介してかみ合っている。従って、制御軸１２が回転すると、上記のヘリカルスプライン５３及び直線状のスプライン５２によって、制御軸１２の回転が直線運動に変換されて作動角側スライダ４１が軸方向に移動する。この作動角側スライダ４１の先端には、ストッパ面４７に摺接するローラ５４が回転可能に取り付けられている。

作動角側スライダ４１は、制御軸１２が大作動角側へ回転するほど位相側スライダ４２へ近づく方向（図１の右方向）へ移動し、位相側スライダ４２は、位相変更機構２０が進角側へ変換するほど作動角側スライダ４１へ近づく方向（図１の左方向）へ移動する。そして、作動角側スライダ４１の先端がストッパ面４７に突き当てられると、それ以上の大作動角側・進角側への変換が機械的に制限・禁止される。すなわち、上記の制限機構４０によって、作動角の可変範囲と中心位相の可変範囲とが互いに関連して機械的に制限される。

図４を参照して、符号Ｌ１（Ｌ１’）は、吸気弁とピストン冠面との干渉に対する厳しさに対応する等シビアリティ曲線であり、吸気弁の開時期に相当する。同図において、右上へ向かうほど吸気弁開時期が進角し、左下へ向かうほど吸気弁開時期が遅角する関係にある。中心位相の最大可変範囲と作動角の最大可変範囲とにより定まる機構的に使用可能な領域αに対し、実際の機関運転状態に応じて目標値として使用される使用領域α１（ハッチングを施した領域）は、吸気弁とピストン冠面とが干渉するおそれのある等シビアリティ曲線Ｌ１（Ｌ１’）よりも小作動角・遅角側に制限される。しかしながら、制御不良時等には誤って吸気弁とピストン冠面とが干渉するおそれがあるため、本実施例では、上記の制限機構４０によって、図４の制限ラインＬ０よりも左下側の領域に作動角の可変範囲と中心位相の可変範囲とを機械的に制限している。

ここで上記の制限機構４０により、作動角の可変範囲と中心位相の可変範囲とが、一方の制限量が大きくなると、これに比例する形で他方の制限量が小さくなるように、互いに関連して制限されているため、図４に示すように制限ラインＬ０を等シビアリティ曲線Ｌ１に良好に沿う形で設定することができる。これによって、等シビアリティ曲線をＬ１’からＬ１まで移行することができ、これによって、吸気弁とピストンとの干渉を確実に回避しつつ、ピストン冠面に凹設される干渉回避用のバルブリセスを浅く小さなものとすることができる。つまり、使用領域α１を狭めることなく、またバルブリセスの浅底化を図りつつ、制御不良時等においても吸気弁とピストンとの干渉を確実に回避することができる。

特に本実施例では、位相側スライダ４２が、その小径部４３がスプラインを介して第１回転体２１の軸部２４と第２回転体２２のフランジ部２７との間に同心状に介装された簡素でコンパクトなものとなっている。更に、両回転体２１，２２に係合する位相側スライダ４２が、機関運転中に高速で回転する両回転体２１，２２と一体的に回転する構成であるために、両回転体２１，２２に対する潤滑部分や軸受部分が不要であり、簡素な構造で信頼性・耐久性にも優れている。しかも、作動角側スライダ４１の一端がストッパ面４７に軸方向に突き当てられる構造であるために、寸法精度や信頼性の確保が比較的容易であり、しかも、高速に回転するストッパ面４７に突き当てられる作動角側スライダ４１の一端に、ストッパ面４７上を走行可能なローラ５４が設けられているために、ストッパ面４７との摺接による焼き付き等を招くことがない。

図６及び図７は本発明の第２実施例を示している。なお、この第２実施例では主に第１実施例と異なる部分について説明し、重複する説明を適宜省略する。この第２実施例では、作動角制御軸１２の一端に、作動角側ストッパとして、径方向へ延びるアーム状のレバー６０が設けられている。そして、作動角が増加するほどレバー６０の先端が、位相側スライダ中心軸４２Ａの方向へ近づくように設定されている。また、位相側スライダ４２の大径部４４の軸方向一端に設けられるストッパ面４７Ａが、位相側スライダ中心軸４２Ａへ近づくほどレバー６０（作動角側ストッパ）側へ近づくように、軸直交面に対して傾斜（又は湾曲）する円錐形状のプロフィールを有するものとなっている。

この第２実施例によれば、第１実施例と同様、レバー６０とストッパ面４７とが摺接することで、作動角の可動範囲と中心位相の可動範囲とを、一方の制限量が大きくなると他方の制限量が小さくなるように互いに関連づけて制限することができる。また、この第２実施例においては、ストッパ面４７のプロフィールを適宜に設定することで、制限ラインをより柔軟に設定することが可能であり、例えば図７の破線４７Ｂに示すような凸状のプロフィールとすることで、図４に示すように制限ラインＬ０’を等シビアリティ曲線Ｌ１に沿った適切なものとし、吸気弁とピストンの干渉を回避しつつ使用領域α１の更なる拡大を図ることができる。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形・変更を含むものである。例えば、上記の吸気弁に代えて排気弁側に本発明を適用しても良い。また、上記実施例では作動角変更機構や位相変更機構を油圧駆動式としているが、電動式のものとしてもよい。

また、上記実施例では、位相側スライダ４２が、両回転体２１，２２の一方２１に対して直線状のスプライン４５を介してかみ合うようにし、この回転体２１に対して回転不能に構成しているが、双方の回転体２１，２２に対してヘリカルスプラインを介してかみ合うようにしても良い。この場合、位相側スライダは、機関実動中には双方の回転体とともに高速で回転し、かつ、位相変更時に両回転体を相対回転させると、双方の回転体に対して回転しつつ軸方向に移動することとなる。

本発明の第１実施例に係る制限機構を示す断面図。 図１の位相側スライダを単体で示す斜視図。 図１の作動角側ストッパを単体で示す斜視図。 作動角及び中心位相の可変範囲及び使用領域等を示す特性図。 本発明に係る内燃機関の可変動弁装置の一例を示す構成図。 本発明の第２実施例に係る制限機構の要部を示す斜視図。 上記第２実施例の制限機構を示す断面対応図。

符号の説明

１…吸気弁
１０…作動角変更機構
２０…位相変更機構
２１…第１回転体
２２…第２回転体
４０…制限機構
４１…作動角側スライダ（作動角側ストッパ）
４２…位相側スライダ
４７，４７Ａ…ストッパ面
５４…ローラ
６０…レバー（作動角側ストッパ）

Claims (5)

1. 制御軸の回転位置に応じて吸気弁又は排気弁の作動角を変化させる作動角変更機構と、
   第１回転体と第２回転体との位相差に応じて上記作動角の中心位相を変化させる位相変更機構と、
   上記作動角の可変範囲と中心位相の可変範囲とを制限する制限機構と、を有し、
   この制限機構は、
   上記制御軸に連動して作動する作動角側ストッパと、
   上記第１，第２回転体の双方に係合し、両回転体とともに回転可能で、かつ両回転体の位相差に応じて軸方向に移動する位相側スライダと、を有し、
   上記位相側スライダの軸方向一端に設けられるストッパ面に、上記作動角側ストッパが摺接することで、上記両可動範囲が、一方の制限量が大きくなるほど他方の制限量が小さくなるように、相互に関連づけて制限されることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
2. 上記位相側スライダが、第１，第２回転体の一方に直線状のスプラインを介して一体的に回転しつつ軸方向に移動可能に係合し、かつ、第１，第２回転体の他方にヘリカルスプラインを介して係合し、両回転体の回転位相差に応じて軸方向へ移動することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
3. 上記作動角側ストッパが、上記第１，第２回転体と平行に配置された制御軸の回転に連動して軸方向に移動し、その一端が上記位相側スライダのストッパ面に突き当てられる作動角側スライダであることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
4. 上記位相側スライダのストッパ面に突き当てられる作動角側スライダの一端にローラを設けたことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の可変動弁装置。
5. 上記作動角側ストッパが、上記制御軸の一端から径方向へ延びるレバーであり、
   上記ストッパ面が軸直交面に対して傾斜又は湾曲するプロフィールを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の可変動弁装置。

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