JP2009121270A - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ポンプ機構３０を、リフト・作動角可変機構１の係合部５０を利用した簡素な構成としつつ、大リフト・作動角側で不用意に作動することを回避する。
【解決手段】 アクチュエータにより制御軸８の回転位置を変化させることにより、吸気弁４のリフト量と作動角の双方を変化させるリフト・作動角可変機構１を備える。アクチュエータ異常時などでは、制御軸８の回転位置が最小位置を含む所定の最小側範囲にあるときにのみ、リフト・作動角可変機構１の係合部５０がポンプ機構３０のピストン３１に係合し、このピストン３１により油圧室３２が加圧される。加圧された油圧室３２からの供給油圧により、ストッパ機構のストッパが作動し、制御軸８の回転位置を、少なくとも最小位置とならないように機械的に規制する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、吸気弁や排気弁の作動角やバルブリフト量を変更可能な可変動弁機構を備えた内燃機関の可変動弁装置に関する。

特許文献１には、アクチュエータにより駆動される制御軸の回転位置に応じて吸気弁や排気弁のバルブリフト特性、具体的にはバルブリフト量と作動角の双方を連続的に変更可能な可変動弁装置が記載されている。このような可変動弁装置では、機関停止時の他、アクチュエータの異常時のように、アクチュエータの作動が停止している状態での制御軸の回転位置は、バルブリフタ側からの動弁反力等によって、回転可能範囲の両端の限界位置の一方であって、作動角やバルブリフト量が最小となる最小位置となり、このために、所望の吸入空気量が得られずに燃焼安定性を確保できないおそれがある。

そこで、上記の特許文献１では、機関始動時に、制御軸を所定の中間位置に保持するための中間保持機構を設けている。この機構は、制御軸に設けられた位置規制カムと、コイルスプリングによって突出方向へ付勢されるプランジャと、を備えており、位置規制カムが突出姿勢にあるプランジャに突き当たることによって、制御軸の回転位置を所定の中間位置に保持するようになっている。
特開２００３−２６９１２３号公報

しかしながら、上記の特許文献１のものでは、機関運転中には、アクチュエータにより制御軸を中間位置よりも小リフト・小作動角側へ回転駆動するときに、プランジャをコイルスプリングの反力に抗して反突出方向へ押し下げる必要があり、その分、駆動力が増大し、損失の増加やアクチュエータの大型化等を招いてしまう。また、機関運転中におけるアクチュエータの異常時について考慮されていない。

上記特許文献１のようなコイルスプリングを用いずに、高圧化された供給油圧によってストッパを油圧駆動して制御軸を中間位置に保持しようとすると、ストッパへの供給油圧を高圧化するためのポンプ機構が別途必要となり、装置の大型化や複雑化を招いてしまう。また、リフト量や作動角が大きく各部の面圧が高く強度的にも余裕のない状態で、ポンプ機構が作動すると、ストッパや制御軸に大きな負荷が作用してしまい、フリクションの増加や信頼性・耐久性の低下を招くおそれがある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、アクチュエータの異常時などに、制御部材の位置が燃焼運転性を確保できない最小位置を含む所定の最小側範囲となることを機械的に防止することができ、かつ、簡素な構成で、信頼性・耐久性に優れた新規な内燃機関の可変動弁装置を提供することを目的としている。

アクチュエータにより制御部材の位置を変化させることにより、吸気弁又は排気弁のリフト量と作動角の一方又は双方を変化させる可変動弁機構と、この可変動弁機構の係合部と係合することにより作動して、内燃機関の作動油が供給される油圧室を加圧する加圧部材を備えたポンプ機構と、この加圧部材により加圧された油圧室からの供給油圧により作動して、上記制御部材の位置を、少なくとも上記吸気弁又は排気弁のリフト量と作動角の一方又は双方が最小となる最小位置とならないように機械的に規制するストッパを備えたストッパ機構と、を有する。上記制御部材の位置が上記最小位置を含む所定の最小側範囲にあるときにのみ、上記係合部が上記加圧部材と係合可能である。

本発明によれば、アクチュエータの異常時などに、制御部材の位置が燃焼運転性を確保できない最小位置を含む所定の最小側範囲となることを機械的に防止することができる。また、可変動弁機構の一部である係合部を用いてポンプ機構を構成しており、別途ポンプ機構を設ける場合に比して、部品点数の低減化，簡素化及びコンパクト化等を図ることができる。そして、制御部材の位置が最小位置を含む所定の最小側範囲にあるときにのみ、係合部が加圧部材と係合可能であり、つまり最小側範囲を除く大リフト・大作動角側の範囲では係合部が加圧部材と係合することがないので、このように各部の面圧が高く強度的に余裕のない大リフト・大作動角側で誤ってポンプ機構が作動することがかなく、信頼性・耐久性を著しく向上することができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。図７は、本発明に係る内燃機関の可変動弁装置の一例として、内燃機関の吸気弁（又は排気弁）４の作動角及びバルブリフト量の双方を連続的に変更可能なリフト作動角可変機構（ＶＥＬ）１を簡略的に示す斜視図である。なお、この機構１自体は既に公知であるため、ここでは簡単な説明にとどめる。

リフト・作動角可変機構１は、機関出力軸であるクランクシャフト（図示せず）により回転駆動される駆動軸６に偏心して設けられる駆動偏心カム７と、油圧駆動式や電動式のアクチュエータ１６により回転位置が変更・保持される制御部材としての制御軸８と、この制御軸８に偏心して設けられる制御偏心カム９と、この制御偏心カム９に揺動可能に取り付けられるロッカアーム１０と、駆動軸６に揺動可能に取り付けられる揺動カム１２と、駆動偏心カム７とロッカアーム１０の一端とを連係する第１リンク１３と、ロッカアーム１０の他端と揺動カム１２の先端とを連係する第２リンク１４と、を有している。ロッカアーム１０の一端と第１リンク１３の小径端部とは第１連結ピン２１により回転可能に連結され、ロッカアーム１０の他端と第２リンク１４の一端とは第２連結ピン２２により回転可能に連結され、第２リンク１４の他端と揺動カム１２の先端とは第３連結ピン２３により回転可能に連結されている。

クランクシャフトの回転に連動して駆動軸６が回転すると、駆動偏心カム７のカム作用によって第１リンク１３，ロッカアーム１０，第２リンク１４を介して揺動カム１２が所定の揺動範囲内を揺動して、バルブリフタ１１を介して吸気弁４をバルブスプリング反力に抗して押し下し、吸気弁４を開閉作動させる。また、エンジンコントロールユニット１７からの制御信号によってアクチュエータ１６により制御軸８の角度位置を変更すると、ロッカアーム１０の揺動支点である制御偏心カム９の位置が変化し、揺動カム１２の初期位相（揺動角）が変化して、吸気弁４のバルブリフト量（最大リフト量）及び作動角の双方が連続的に拡大又は縮小する。つまり、アクチュエータ１６により駆動される制御軸８の回転位置に応じて吸気弁４のバルブリフト特性が連続的に変化する。特に、このリフト・作動角可変機構１にあっては、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁４の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化し、つまりリフト中心角は実質的に変化しない。

制御部としてのエンジンコントロールユニット１７は、各種制御処理を記憶及び実行するものであり、クランク角センサ１８等により検出される機関回転数、負荷、油水温等に基づいて、上記のリフト・作動角可変機構１の他、燃料噴射弁や点火プラグ等へ制御信号を出力し、その動作を制御する。リフト・作動角可変機構１の制御としては、実際のリフト・作動角あるいは位相を検出するセンサを設けて、クローズドループ制御するようにしても良く、あるいは運転条件に応じて単にオープンループ制御するようにしても良い。

このようなリフト・作動角可変機構１は、コンパクトで機関搭載性に優れ、既存の直動型の動弁系に対して少ない設計変更で容易に適用できる。また、バネやスプリングのない機械的なリンク列で構成されているために損失が少なく、しかも、その摺動部分の多くが面接触であるために、信頼性・耐久性に優れ、潤滑も行い易い。

そして本実施例では、このリフト・作動角可変機構１の係合部５０と係合することにより作動して、内燃機関の作動油が供給される油圧室３２を加圧する加圧部材としてのピストン３１を備えたポンプ機構３０と、このピストン３１により加圧された油圧室３２からの供給油圧により作動して、制御部材としての制御軸８の回転位置を、少なくとも吸気弁のリフト量と作動角の双方が最小となる最小位置とならないように機械的に規制するストッパ４１を備えたストッパ機構４０と、が設けられている。

先ず、図１及び図２を参照してポンプ機構３０の構成について説明する。図１は制御軸８の回転位置が最小位置の状態を、図２は制御軸８の回転位置が最大値の状態を示しており、（Ａ）は揺動カム１２の揺動位置が最小リフト・作動角の状態を、（Ｂ）は揺動カム１２の揺動位置が最大リフト・作動角の状態をそれぞれ表している。また、符号５０Ａは最小揺動時（Ａ）に係合部５０が最もピストン３１側へ移動した状態を示しており、符号５０Ｂは最大揺動時（Ｂ）に係合部５０が最もピストン３１側へ移動した状態を示している。

ピストン３１は、シリンダヘッド２に形成された油圧室３２に一端が臨んだ姿勢で往復動可能に設けられ、このピストン３１の往復動によって油圧室３２内の作動油が加圧される。このピストン３１の反突出側の端部には、径方向外方へ張り出したフランジ部３１が設けられ、このフランジ部３１によりピストン３１の飛び出し・脱落が防止されている。油圧室３２には、内燃機関の作動油を循環させるための周知のオイルポンプ３により所定のフィード圧に調圧された作動油（エンジンオイル）が供給油路３３を介して供給される。この供給油路３３には、油圧室３２からオイルポンプ３側への逆流を防止する第１逆止弁３４と、この供給油路３３を開閉する制御弁３５と、が設けられている。この制御弁３５は、周知の電磁弁（ソレノイドバルブ）であり、上記のエンジンコントロールユニット１７により切換制御される。また、ピストン３１により加圧された油圧室３２内の高圧な作動油を後述するストッパ機構４０のハウジング４３内へ供給する高圧油路３６には、ハウジング４３側から油圧室３２側への逆流を防止する第２逆止弁３７が設けられている。

そして、制御軸８の回転位置が最小位置を含む所定の最小側範囲にあるときにのみ、係合部５０がピストン３１と係合・当接可能であり、ピストン３１が作動可能となるように設定されている。言い換えると、制御軸８の回転位置が最小側範囲にあるときにのみ、ピストン３１の移動軌跡と係合部５０の移動軌跡との少なくとも一部が重なり合い、この最小側範囲よりもリフト・作動角が大きい範囲にあるときには、両移動軌跡が重なることのないように設定されている。

より具体的には、制御軸８の回転位置が最小位置側へ回転するほど、制御偏心カム９がピストン３１側へ移動して、この制御偏心カム９及びこれに取り付けられるロッカアーム１０が全体的にピストン３１側へ近づくように設定されており、このようなロッカアーム１０の一端と第１リンク１３の一端とを第１連結ピン２１を介して連結する連結部に上記の係合部５０を設けている。このために、制御軸８の回転位置が最小位置側へ回転するほど、上記の係合部５０がピストン３１側へ近づくこととなる。

図３はストッパ機構４０の第１実施例を示す断面図である。このストッパ機構４０は、制御軸８の外周より張り出した扇状の係止片部４２を備えている。シリンダヘッド２側には、ストッパ４１を往復動可能に収容するハウジング４３が形成されている。上記のピストン３１により加圧された高圧な作動油が高圧油路３６を介してハウジング４３内へ供給されると、ストッパ４１がハウジング４３より押し出されて係止片部４２の側縁部に突き当てられ、制御軸８の回転位置が所定の中間位置から最小位置側へ移動することが機械的に規制される。ストッパ４１は、略円柱状をなし、その後端面がハウジング４３内の油圧を受ける受圧面をなし、係止片部４２の側縁部に突き当てられる先端部が適宜な半球形状をなしている。なお、ストッパ４１をハウジング４３内に収容される反突出方向へ付勢するリターンスプリングを設けるようにしても良い。

また、高圧油路３６や油圧室３２が過度に高圧とならないように、ストッパ４１自身により開閉されるリリーフ油路４４がシリンダヘッド２に形成されており、ストッパ４１が制御軸８の回転位置を規制する突出位置にあるときに、リリーフ油路４４が開いてハウジング４３内の作動油が排出されて減圧されるようになっている。

本実施例の作用を説明する。アクチュエータ１６やポンプ機構３０の異常時や作動不良時には、リフト・作動角が最小位置に保持されたままとなって燃焼安定性を確保できずに自走が困難となるおそれがある。このようなフェール時には、エンジンコントロールユニット１７からの制御信号により、制御弁３５が「開」とされ、それ以外のときには「閉」とされる。制御弁３５の閉時には、油圧室３２はオイルポンプ３側から作動油が供給されないために低圧状態となる。このため、ピストン３１は、リターンスプリング３８の付勢力によって、油圧室３２内に最も引き込んだ待避位置（図１の最も右寄りの位置）に保持され、係合部５０から最も離間した状態となる。このような待避位置のピストン３１に対して係合部５０が係合・接触することはなく、従って、制御軸８の回転位置つまりリフト・作動角の設定状態にかかわらずピストン３１が往復作動することはない。

上記フェール時に制御弁３５を開くと、油圧室３２にオイルポンプ３側から作動油が供給され、この油圧室３２内の油圧によって、ピストン３１がリターンスプリング３８の付勢力に抗して係合部５０側（図１の左側）へ突出した突出位置へ押し出される。このように突出したピストン３１に対し、制御軸８の回転位置が図１の最小位置を含む所定の最小側範囲にあるときには、係合部５０が係合・当接するようになっている。特に、図１に示す最小位置の状態では、係合部５０（５０Ａ，５０Ｂ）によってピストン３１が待避位置まで押し込まれてフルストロークするように設定されている。このように係合部５０によってピストン３１が押圧されて往復作動し、このピストン３１のポンプ作用によって油圧室３２内に封入された作動油が加圧され、２つの逆止弁３４，３７によって加圧された高圧な作動油が高圧油路３６を介してストッパ機構４０のハウジング４３へ供給されて、上述したようにストッパ機構４０のストッパ４１が作動することとなる。

このような本実施例によれば、リフト・作動角可変機構１の係合部５０を利用したポンプ機構３０によりストッパ４１への供給油圧を加圧して高圧化しているために、可変動弁機構を利用することなくポンプ機構を別途設ける場合に比して、その部品点数を削減でき、コンパクト化，軽量化及び簡素化等を図ることができる。

また、ストッパ機構４０は制御軸８の回転位置が最小位置を含む所定の最小側範囲となることを機械的に規制するものであり、制御軸８の回転位置が最小側範囲よりも大きい大リフト・大作動角側の範囲にあるときには、ストッパ機構により制御軸８の回転位置を制限する必要はないものであるが、このような大リフト・大作動角側では各部の面圧も高く強度的にも余裕のがないので、仮にポンプ機構３０のピストン３１が作動して油圧室３２が加圧されると、無用な負荷を与えるばかりか、動弁部品の耐久性・信頼性の確保が困難なものとなる。本実施例では、制御軸８が一方へ回転するほどリフト量や作動角が連続的に小さく（あるいは大きく）なるという特性を利用し、この制御軸８の回転位置が最小位置を含む所定の最小側範囲にあるときにのみ、リフト・作動角可変機構１の係合部５０がピストン３１と係合・当接可能に構成しており、制御軸８の回転位置が最小側範囲よりも大きい大リフト・大作動角側の範囲にあるときには、係合部５０とピストン３１とが係合・当接することがない。このために、大リフト・大作動角側で、ポンプ機構３０のピストン３１が不用意に作動する可能性を完全に無くすことができ、信頼性・耐久性を著しく向上することができる。

図４及び図５に示す第２実施例のストッパ機構４０Ａにおいては、ストッパ４１が制御軸８の回転位置を規制する所定の突出位置（図５（Ｂ）参照）を越えて過度に突出することのないように、ストッパ４１が所定の突出位置まで突出したときに、ストッパ４１の外周に取り付けられる位置決めリング５１が、ハウジング４３の内壁面に凹設された位置決め溝５２に嵌合して、ストッパ４１が所定の突出位置に位置決め・保持されるようになっている。位置決めリング５１は、ストッパ４１の外周に形成された取付用の周方向溝５３Ａ及びこの周方向溝５３Ａの底面に穿設された径方向溝５３Ｂにそれぞれ嵌合するＣ字状の周方向部５１Ａと、この周方向部５１Ａの一端から径方向内方へ延びる径方向部５１Ｂと、により構成されている。なお、ストッパ４１が突出位置に位置決めされた状態で、上記のリリーフ油路４４が開くように設定されている。この第２実施例では、上記第１実施例と同様の効果が得られることに加え、位置決め溝５２に嵌合する位置決めリング５１によってストッパ４１の不用意な飛び出しや脱落を確実に防止することができる。

図６に示す第３実施例のストッパ機構４０Ｂにおいては、第２実施例の位置決めリング５１に代えて、油圧式の位置決めピン５４が、シリンダヘッド２側に形成されたピン用ハウジング５５に往復動可能に収容配置されている。このピン用ハウジング５５には、上記の制御弁３５の直後の高圧油路３６から分岐した分岐油路５６を介して作動油が供給されるようになっている。そして、制御弁３５が開くと、上記第２実施例と同様、ピストン３１により加圧された油圧室３２内の高い油圧によって、ストッパ４１が作動するとともに、上記のピン用ハウジング５５に供給される高い油圧によって位置決めピン５４がリターンスプリング５７のバネ力に抗して作動し、その先端がストッパ４１に設けられた位置決め溝５８に嵌合して、ストッパ４１が所定の突出位置に位置決めされる。

また、この第３実施例においては、例えばアクチュエータが作動不良状態から正常状態へ復帰した場合のように、制御弁３５が開状態から再び閉じられると、油圧室３２の油圧の低下に伴って、位置決めピン５４が反突出方向（図６の右方向）へ戻って位置決め溝５２から外れ、位置決め状態が解除されるとともに、ストッパ４１がピン用ハウジング５５内に引き込まれた待避位置に復帰することとなり、特別な作業を伴うことなくストッパ４１を初期状態に復帰させることができる。

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、種々の変形・変更を含むものである。例えば、上記実施例では吸気弁４に本発明を適用しているが、同様に排気弁側に適用することもできる。また、可変動弁機構は上記のリフト・作動角可変機構１に限らず、バルブリフト量と作動角の一方を変更するものであっても良い。更に、加圧部材や制御部材は、上記実施例のピストン３１や制御軸８に限られるものではなく、様々な周知の構造のものを用いることが可能である。

制御軸の回転位置が最小位置の状態で、かつ、（Ａ）が揺動カムの揺動位置が最小リフト・作動角の状態を、（Ｂ）が揺動カムの揺動位置が最大リフト・作動角の状態を示す断面図。 制御軸の回転位置が最大位置の状態で、かつ、（Ａ）が揺動カムの揺動位置が最小リフト・作動角の状態を、（Ｂ）が揺動カムの揺動位置が最大リフト・作動角の状態を示す断面図。 本発明の第１実施例に係るストッパ機構を示す断面図。 本発明の第２実施例に係るストッパ機構のストッパ及び位置決めリングを示す分解斜視図。 上記第２実施例のストッパ機構を示す待避状態（Ａ）及び突出状態（Ｂ）での断面図。 本発明の第３実施例に係るストッパ機構を示す断面図。 本発明の可変動弁機構の一例であるリフト・作動角可変機構を示す構成図。

符号の説明

１…リフト・作動角変更機構（可変動弁機構）
４…吸気弁
８…制御軸（制御部材）
１６…アクチュエータ
１７…エンジンコントロールユニット
３０…ポンプ機構
３１…ピストン（加圧部材）
３２…油圧室
４０，４０Ａ，４０Ｂ…ストッパ機構
４１…ストッパ
５０…係合部

Claims (6)

1. アクチュエータにより制御部材の位置を変化させることにより、吸気弁又は排気弁のリフト量と作動角の一方又は双方を変化させる可変動弁機構と、
   この可変動弁機構の係合部と係合することにより作動して、内燃機関の作動油が供給される油圧室を加圧する加圧部材を備えたポンプ機構と、
   この加圧部材により加圧された油圧室からの供給油圧により作動して、上記制御部材の位置を、少なくとも上記吸気弁又は排気弁のリフト量と作動角の一方又は双方が最小となる最小位置とならないように機械的に規制するストッパを備えたストッパ機構と、を有し、
   上記制御部材の位置が上記最小位置を含む所定の最小側範囲にあるときにのみ、上記係合部が上記加圧部材と係合可能であることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
2. 上記油圧室への作動油の供給油路に設けられ、少なくとも上記アクチュエータの異常時に開とされる制御弁を備え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. 上記制御部材がアクチュエータにより回転位置が変更・保持される制御軸であり、
   上記可変動弁機構が、
   吸気弁又は排気弁を開閉させる揺動カムと、
   機関出力により回転駆動される駆動軸に偏心して設けられた駆動偏心カムと、
   上記制御軸に偏心して設けられた制御偏心カムと、
   この制御偏心カムに回転可能に取り付けられたロッカアームと、
   上記駆動偏心カムとロッカアームの一端とを連係する第１リンクと、
   上記揺動カムの先端とロッカアームの他端とを連係する第２リンクと、
   を有するリフト・作動角可変機構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. 上記係合部が、ロッカアームの一端と第１リンクとの連結部である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. 上記制御軸が最小位置側へ回転するほど、上記制御偏心カムが加圧部材の移動範囲に近づくように設定されている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。
6. アクチュエータにより制御部材の位置を変化させることにより、吸気弁又は排気弁のリフト量と作動角の一方又は双方を変化させる可変動弁機構と、
   この可変動弁機構の係合部と係合することにより作動して、内燃機関の作動油が供給される油圧室を加圧する加圧部材と、
   この加圧部材により加圧された油圧室からの供給油圧により作動して、上記制御部材の位置を、少なくとも上記吸気弁又は排気弁のリフト量と作動角の一方又は双方が最小となる最小位置とならないように機械的に規制するストッパと、を有し、
   上記制御部材の位置が上記最小位置を含む所定の最小側範囲にあるときにのみ、上記係合部の移動軌跡と上記加圧部材の移動軌跡との少なくとも一部が重なり合うように設定されていることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。

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