JP2009228543A - 内燃機関の可変動弁機構 - Google Patents

Abstract

【課題】カム軸後端の部品取付用スペースを確保することが可能な内燃機関の可変動弁機構を低コストで提供する。
【解決手段】第１カムキャリア４０が２つの気筒＃１，＃２を跨ぐように形成され、第２カムキャリア５０を２つの気筒＃３，＃４を跨ぐように形成される。第１カムキャリア４０には、一対の線状溝４５，４６、電磁ピン４７，４８及びアクチュエータ４７ａ，４８ａが設けられる。第１カムキャリア４０前端が軸受け４３により支持され、第１気筒＃１と第２気筒＃２の間における第１カムキャリア４０が軸受け４４により支持されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の可変動弁機構に係る。特に、本発明は、カムキャリアをスライドさせて高リフト用カムと低リフト（もしくはゼロリフト）用カムとを切り替えることにより、バルブリフト量を変更可能な可変動弁機構に関する。

高リフト用カム及び低リフト用カムを有するカムキャリアを気筒毎に備え、該カムキャリアを軸方向に移動させることで２つのカムを切り替えることが可能な装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この装置は、各気筒のカムキャリア毎に、一対の溝と、該溝内を摺動する一対のピンと、該ピンを駆動する一対のアクチュエータとを備えている。この装置によれば、アクチュエータを駆動して何れかのピンを溝内を摺動させることで、カムキャリアの軸方向位置が制御される。その結果、バルブ駆動カムを切り替えることができ、バルブリフト量を変更することができる。

特表２００６−５２０８６９号公報

しかしながら、上記特許文献１の装置では、気筒毎に、一対の溝、ピン及びアクチュエータが設けられているため、構成部品点数が多くなり、コストが増加してしまう。
また、上記特許文献１の装置では、カム軸の端部に、ピンとアクチュエータとが配置される。このため、カム軸の端部に燃料ポンプ駆動用カムやカム角センサ等の部品を取り付けるためのスペースを確保することができず、スペース効率が悪くなってしまう。
また、上記特許文献１の装置では、各気筒のカムキャリア中央部に軸受けが設けられており、カムキャリアが一箇所で支持されている。このため、部品の加工精度によるカムキャリアと軸受けのクリアランスのバラツキや、バルブスプリング荷重のバラツキが生じた場合には、カムキャリアが傾くおそれがある。その結果、カムキャリアを円滑にスライドさせることができない場合がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、カム軸後端の部品取付用スペースを確保することが可能な内燃機関の可変動弁機構を低コストで提供することを目的とする。また、本発明は、カムキャリアの傾きを防止すると共に、カムキャリアを円滑にスライドさせることが可能な内燃機関の可変動弁機構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、線状の溝と高リフト用カム及び低リフト用カムとが設けられたカムキャリアを有し、電磁ピンを該溝内を摺動させることにより該カムキャリアを軸方向にスライドさせることで該高リフト用及び低リフト用カムを切り替え可能な内燃機関の可変動弁機構であって、
前記カムキャリアは、前記内燃機関の複数の気筒に跨るように形成され、
前記カムキャリアの一気筒に対応する部分に、該カムキャリアを一方向にスライドさせるための第１溝と、該第１溝に挿入される第１電磁ピンと、該第１電磁ピンを駆動する第１アクチュエータとが設けられ、
前記カムキャリアの他気筒に対応する部分に、該カムキャリアを該一方向とは反対の他方向にスライドさせるための第２溝と、該第２溝に挿入される第２電磁ピンと、該第２電磁ピンを駆動する第２アクチュエータとが設けられたことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記カムキャリアの一方の端部を支持する第１支持部材と、
前記カムキャリアの気筒間の部分を支持する第２支持部材とを更に備えたことを特徴とする。

第１の発明では、内燃機関の複数の気筒に跨るようにカムキャリアが形成されている。このカムキャリアの一気筒に対応する部分に、第１溝と第１電磁ピンと第１アクチュエータとが設けられると共に、カムキャリアの他気筒に対応する部分に、第２溝と第２電磁ピンと第２アクチュエータとが設けられる。従って、第１の発明によれば、一対の溝、電磁ピン及びアクチュエータを用いて、複数気筒のカムの切り替えを行うことができる。よって、従来に比して、構成部品点数を少なくすることができ、コストを低減することができる。さらに、従来のようにカム軸後端に電磁ピン及びアクチュエータを配置する必要がなくなるため、カム軸後端の部品取付用スペースを確保することができる。

第２の発明によれば、第１支持部材によりカムキャリアの一方の端部が支持されると共に、第２支持部材によりカムキャリアの気筒間部分が支持される。よって、１つのカムキャリアが２つの支持部材により支持されるため、カムキャリアの傾きを防止することができる。これにより、カムキャリアのスライドを円滑に行うことができ、カムの切り替えを確実に行うことができる。さらに、カムキャリアの他方の端部には支持部材が設けられていないため、部品取付用スペースを確保することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態によるシステムの構成の一例を示す図である。図２は、図１に示すシステムに搭載される可変動弁機構の構成を示す図である。

図１に示すシステムは、エンジン１として、直列４気筒型のガソリンエンジン（火花点火内燃機関）を備えている。なお、エンジン１は、ディーゼルエンジン（圧縮着火内燃機関）であってもよい。エンジン１の各気筒２のピストンは、クランク機構を介してクランク軸３に連結されている。クランク軸３の近傍には、クランク角度CAを検出するクランク角センサ４が設けられている。エンジン１の爆発順序は、第１気筒＃１→第３気筒＃３→第４気筒＃４→第２気筒＃２の順である。

エンジン１の各気筒２には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ５が設置されている。各インジェクタ５は、共通のコモンレール６に接続されている。このコモンレール６には、サプライポンプ７によって加圧された燃料が蓄えられる。サプライポンプ７は、後述する吸気カム軸に設けられたカム（図示せず）により駆動される。インジェクタ５は、１サイクル中に任意のタイミングで燃料を筒内に噴射することができる。また、エンジン１の各気筒２には、気筒２内の混合気に点火する点火プラグ８が設けられている。

エンジン１の各吸気ポート９には、２つの吸気バルブ１０が設けられている。すなわち、各気筒２には、２つの吸気バルブ１０が設けられている。吸気バルブ１０は、後述する可変動弁機構１１に接続されている。吸気バルブ１０のリフト量は、可変動弁機構１１により変更可能である。吸気ポート９は、吸気マニホールド１２を介して吸気通路１３に接続されている。吸気通路１３の途中には、スロットル弁１４が設けられている。スロットル弁１４は、スロットルモータ１４ａにより駆動される電子制御式のバルブである。スロットル弁１４は、アクセル開度センサ１６により検出されるアクセル開度AA等に基づいて駆動されるものである。スロットル弁１４の近傍には、スロットル開度TAを検出するスロットル開度センサ１５が設けられている。スロットル弁１４の上流には、吸入空気量Gaを検出するエアフロメータ１７が設けられている。エアフロメータ１７の上流にはエアクリーナ１８が設けられている。

また、エンジン１の各排気ポート１９には、２つの排気バルブ２０が設けられている。すなわち、各気筒２には、２つの排気バルブ２０が設けられている。この排気バルブ２０は、可変動弁機構２１に接続されている。この可変動弁機構２１は、吸気系の可変動弁機構１１と同様の構成を有している。排気バルブ２０のリフト量は、可変動弁機構２１により変更可能である。排気ポート１９は、排気マニホールド２２を介して排気通路２３に接続されている。排気通路２３には、排気ガスを浄化する排気浄化触媒２４が設けられている。排気浄化触媒２４の上流には、排気空燃比を検出する空燃比センサ２５が設けられている。

排気マニホールド２２には、外部ＥＧＲ通路２６の一端が接続されている。外部ＥＧＲ通路２６の他端は、吸気マニホールド１２近傍の吸気通路１３に接続されている。この外部ＥＧＲ通路２６を通して、排気ガス（既燃ガス）の一部を吸気通路１３に還流させること、つまり外部ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)を行うことができる。また、外部ＥＧＲ通路２６の途中には、外部ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２７が設けられている。ＥＧＲクーラ２７の下流には、ＥＧＲ弁２８が設けられている。このＥＧＲ弁２８の開度を大きくするほど、外部ＥＧＲ量（もしくは外部ＥＧＲ率）を増大させることができる。

図１に示すシステムは、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０を備えている。ＥＣＵ３０の出力側には、インジェクタ５、サプライポンプ７、点火プラグ８、可変動弁機構１１，２１、スロットルモータ１４ａ、ＥＧＲ弁２８等が接続されている。また、ＥＣＵ３０の入力側には、クランク角センサ４、スロットル開度センサ１５、アクセル開度センサ１６、エアフロメータ１７、空燃比センサ２５のほか、エンジン１の冷却水温Twを検出する水温センサ２９等が接続されている。ＥＣＵ３０は、クランク角度CAに基づきエンジン回転数NEを算出する。

（可変動弁機構の構成）
次に、図２を参照して、上記システムに搭載される可変動弁機構の構成について説明する。上述したように吸気側の可変動弁機構１１と排気側の可変動弁機構２１とは同一構成を有している。このため、以下、吸気側の可変動弁機構１１について説明する。

図２は、吸気側に配置された可変動弁機構１１の構成を示している。図２に示すように、カム軸（吸気カム軸）３１の軸方向に２つのカムキャリア４０，５０が配置されている。すなわち、カムキャリア４０，５０の中空軸部分にカム軸３１が挿入されている。これらのカムキャリア４０，５０は、カム軸３１とスプライン（図示せず）によって結合されている。これにより、カムキャリア４０，５０は、カム軸３１と一体となって回転する。よって、カムキャリア４０，５０の回転方向は、カム軸３１の回転方向と同一方向に規制される。なお、カム軸３１は、例えば、スプロケットやチェーン等を介して、上記クランク軸３と連結されている。

図２に示すように、第１カムキャリア４０は、第１気筒＃１と第２気筒＃２に跨るように形成されている。また、第２カムキャリア５０は、第３気筒＃３と第４気筒＃４に跨るように形成されている。

第１カムキャリア４０には、各吸気バルブ１０に対応して、高リフト用カム４１と低リフト用カム４２とが形成されている。図３は、第１気筒＃１〜第４気筒＃４のカム配置を、カム軸３１の軸方向から見た図である。図３に示すように、第１気筒＃１と第２気筒＃２のカム４１のノーズは、位相が９０°だけずれている。図４に示すように、第１及び第２気筒＃１，＃２の高リフト用カム４１が、第１カムキャリア４０に設けられている。これにより、図４において矢印で示されるベース円区間において、第１カムキャリア４０を軸方向にスライドさせることで、２つのカム４１，４２の切り替えが可能となる。図４は、カムの切り替えが可能なベース円区間を示す図である。

本実施の形態における低リフト用カム４２は、弁停止用（ゼロリフト用）のカムである。よって、低リフト用カム４２は、ノーズ部分がなく、第１カムキャリア４０の外周部分により構成される。以下、低リフト用カム４２を「ゼロリフト用カム」と称する。

また、第１カムキャリア４０は、２つのカムキャリア軸受け４３，４４により支持されている。詳細には、第１カムキャリア４０の前端部分が軸受け４３により支持され、第１気筒＃１と第２気筒＃２の間における第１カムキャリア４０が軸受け４４により支持されている。このため、第１カムキャリア４０の後端部分には、軸受けが設けられていない。

また、図２に示すように、第１気筒＃１の２つの吸気バルブ１０間の第１カムキャリア４０には、第１カムキャリア４０を一方向（図中左方向）にスライドさせるための線状溝（曲線溝）４５が形成されている。この線状溝４５内を電磁ピン４７が摺動することにより、第１カムキャリア４０が一方向にスライドされる。これにより、第１及び第２気筒＃１，＃２の吸気バルブ１０駆動用カムが、高リフト用カム４１からゼロリフト用カム４２に切り替えられる。電磁ピン４７を駆動するアクチュエータ４７ａは、上記ＥＣＵ３０に接続されている。

一方、第２気筒＃２の２つの吸気バルブ１０間の第１カムキャリア４０には、第１カムキャリア４０を上記一方向とは反対の逆方向（図中右方向）にスライドさせるための線状溝４６が形成されている。この線状溝４６内を電磁ピン４８が摺動することにより、第１カムキャリア４０が逆方向にスライドされる。これにより、第１及び第２気筒＃１，＃２の吸気バルブ１０駆動用カムが、ゼロリフト用カム４２から高リフト用カム４１に切り替えられる。電磁ピン４８を駆動するアクチュエータ４８ａは、上記ＥＣＵ３０に接続されている。

また、第２カムキャリア５０にも、第１カムキャリア４０と同様に、各吸気バルブ１０に対応して、高リフト用カム５１とゼロリフト用カム５２とが形成されている。ゼロリフト用カム５２は、ゼロリフト用カム４２と同様に、弁停止用（ゼロリフト用）のカムであり、第２カムキャリア５０の外周部分により構成される。

また、第２カムキャリア５０は、２つのカムキャリア軸受け５３，５４により支持されている。詳細には、第２カムキャリア５０の前端部分が軸受け５３により支持され、第３気筒＃３と第４気筒＃４の間における第２カムキャリア５０が軸受け５４により支持されている。よって、第２カムキャリア５０の後端部分には、軸受けが配置されない。

また、図２では見えないが、第３気筒＃３の２つの吸気バルブ１０間の第２カムキャリア５０には、第２カムキャリア５０を一方向（図中左方向）にスライドさせるための線状溝５５が形成されている。この線状溝５５内を電磁ピン５７が摺動することにより、第２カムキャリア５０が一方向にスライドされる。これにより、第３及び第４気筒＃３，＃４の吸気バルブ１０駆動用カムが、高リフト用カム５１からゼロリフト用カム５２に切り替えられる。電磁ピン５７を駆動するアクチュエータ５７ａは、上記ＥＣＵ３０に接続されている。

一方、第４気筒＃４の２つの吸気バルブ１０間の第２カムキャリア５０には、第２カムキャリア５０を上記一方向とは反対の方向（図中右方向）にスライドさせるための線状溝５６が形成されている。この線状溝５６内を電磁ピン５８が摺動することにより、第２カムキャリア５０が逆方向にスライドされる。これにより、第３及び第４気筒＃３，＃４の吸気バルブ１０駆動用カムが、ゼロリフト用カム５２から高リフト用カム５１に切り替えられる。電磁ピン５８を駆動するアクチュエータ５８ａは、上記ＥＣＵ３０に接続されている。

かかる線状溝５６、ピン５８及びアクチュエータ５８ａは、既述した特許文献１のようにカムキャリア後端に設けられておらず、第４気筒＃４の２つの吸気バルブ１０間の第２カムキャリア５０に設けられている。また、第２カムキャリア５０後端には、第２カムキャリア５０の軸受けが設けられていない。よって、図２に示す第２カムキャリア５０後端のスペースＳを、燃料ポンプ駆動用カムやカム角センサ等の部品を取り付けるためのスペースとして確保することができるため、スペース効率を高めることができる。

また、図２に示すように、これらのカム４１，４２，５１，５２の下方には、ロッカーアーム３２が配置されている。ロッカーアーム３２の中間部には、カムと接するロッカーローラ３３が回転自在に設けられている。ロッカーアーム３２の一端は、吸気バルブ１０によって支持されており、ロッカーアーム３２の他端は、油圧式ラッシュアジャスタ３４によって支持されている。ロッカーローラ３２は、吸気バルブ１０の付勢力と油圧式ラッシュアジャスタ３４によってカム周面に押し当てられている。

（可変動弁機構の動作）
次に、図５及び図６を参照して、上記可変動弁機構の動作、具体的には、第１カムキャリア４０の動作について説明する。図５は、高リフト用カム４１からゼロリフト用カム４２へ切り替え時（すなわち弁停止時）の第１カムキャリア４０の動作を説明するための図である。図６は、ゼロリフト用カム４２から高リフト用カム４１への切り替え時の第１カムキャリア４０の動作を説明するための図である。

インジェクタ５からの燃料カット時に、排気浄化触媒２４に酸素が流入すると酸化劣化（シンタリング）を起こすことが知られている。燃料カット時の触媒劣化を防止するため、吸排気バルブ１０，２０を停止させることが好適である。これにより、触媒性能を維持することができ、触媒２４に用いられる貴金属の消費を低減することができる。
但し、高速走行時には、瞬時に弁停止を行うことが要求される。例えば、エンジン回転数NEが５０００〜６０００ｒｐｍの場合には、約１５ｍｓｅｃで弁停止を行う必要がある。

本実施の形態によるシステムによれば、応答性の高い電磁ピン４７，４８等を用いている。よって、図４に示すベース円区間において、高リフト用カム４１からゼロリフト用カム４２への切替が可能である。すなわち、弁停止を行う場合には、図５に示すように、ＥＣＵ３０からの信号によりアクチュエータ４８ａを駆動し、電磁ピン４８を線状溝４６に向けて突き出す。これにより、カム軸３１の回転に伴い、電磁ピン４８が線状溝４６内を摺動する。その結果、図５に示すように、第１カムキャリア４０が図中左方向にスライドし、高リフト用カム４１からゼロリフト用カム４２に切り替えられる。他のカムキャリア５０も同様に動作させることで、高速走行時であっても、吸排気バルブ１０，２０の弁停止を確実に行うことができる。

また、燃料カット時以外にも、始動時にいわゆるシェイキングを行うために、吸排気バルブ１０，２０を弁停止させることが好適である。すなわち、クランキング時に空気を筒内に閉じ込めた後、上記燃料カット時と同様に、突き出した電磁ピン４８を線状溝４６内を摺動させる。これにより、第１カムキャリア４０が図中左方向にスライドすることで、高リフト用カム４１からゼロリフト用カム４２に切り替えられる。他のカムキャリア５０も同様に動作させる。そして、吸排気バルブ１０，２０を停止した状態でピストンを動かすことで、圧縮端温度が上昇する。これにより、燃料の霧化が促進されるため、良好な始動特性を得ることができる。

一方、ゼロリフト用カム４２から高リフト用カム４１への切り替え時には、図６に示すように、ＥＣＵ３０からの信号によりアクチュエータ４７ａを駆動して、電磁ピン４７を線状溝４５に向けて突き出す。これにより、カム軸３１の回転に伴い、電磁ピン４７が線状溝４５内を摺動する。その結果、図６に示すように、第１カムキャリア４０が図中右方向にスライドし、ゼロリフト用カム４２から高リフト用カム４１に切り替えられる。これにより、吸排気バルブ１０，２０を通常リフトさせることができる。

上述した吸排気バルブ１０，２０の弁停止は、本実施の形態による可変動弁機構１１，２１に限らず、公知の電動可変動弁機構によっても実現することができるものの、コストが上昇してしまう。本実施の形態による可変動弁機構１１，２１は、安価なコストで実現することができる。

以上説明したように、本実施の形態によれば、第１カムキャリア４０が２つの気筒＃１，＃２を跨ぐように形成され、第２カムキャリア５０を２つの気筒＃３，＃４を跨ぐように形成されている。そして、各カムキャリア４０，５０に、それぞれ一対の線状溝と電磁ピンとアクチュエータとが設けられている。かかる一対の線状溝、電磁ピン及びアクチュエータにより、２つの気筒のカム４１，４２（５１，５２）の切り替えを行うことができる。よって、従来（上記特許文献１）に比して、構成部品点数を少なくすることができ、可変動弁機構１１，２１のコストを低減することができる。さらに、従来のようにカム軸３１後端に電磁ピン及びアクチュエータを配置する必要がなくなるため、カム軸３１後端に燃料ポンプ駆動用カムやカム角センサのような部品を取り付けるためのスペースを確保することができる。
また、本実施の形態によれば、カムキャリア４０（５０）を２つの軸受け４３，４４（５３，５４）で支持しているため、部品の加工精度によるカムキャリア４０（５０）と軸受け４３，４４（５３，５４）のクリアランスのバラツキや、バルブスプリング荷重のバラツキが生じた場合であっても、カムキャリア４０（５０）が傾くことを防止することができる。よって、カムキャリア４０，５０を円滑に軸方向にスライドさせることができる。
さらに、カムキャリア４０，５０の何れかの端部には、軸受けが配置されないため、上記のスペースを確保することができる。

ところで、本実施の形態では、カム軸３１後端に軸受けを設けずにスペースＳを確保しているが、軸受けの位置を変えることでカム軸３１前端にスペースを確保することもできる。

また、本実施の形態では、燃料を筒内に直接噴射する直噴エンジンの例を開示しているが、本発明の適用が可能な内燃機関は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射式エンジンに適用することも可能である。

また、本実施の形態では、内燃機関が、排気ガスを還流するシステム（EGRシステム）を備えているが、本発明の適用が可能な内燃機関は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、排気ガスを還流しない内燃機関に適用することも可能である。

尚、本実施の形態においては、線状溝４５，４６，５５，５６が第１の発明における「溝」に、高リフト用カム４１，５１が第１の発明における「高リフト用カム」に、ゼロリフト用カム４２，５２が第１の発明における「低リフト用カム」に、カムキャリア４０，５０が第１の発明における「カムキャリア」に、それぞれ相当する。また、本実施の形態においては、電磁ピン４７，４８，５７，５８が第１の発明における「電磁ピン」に、エンジン１が第１の発明における「内燃機関」に、アクチュエータ４７ａ，４８ａ，５７ａ，５８ａが第１の発明における「第１アクチュエータ」及び「第２アクチュエータ」に、カムキャリア軸受け４３，５３が第２の発明における「第１支持部材」に、カムキャリア軸受け４４，５４が第２の発明における「第２支持部材」に、それぞれ相当する。

本発明の実施の形態によるシステムの構成の一例を示す図である。 図１に示すシステムに搭載される可変動弁機構の構成を示す図である。 第１気筒＃１〜第４気筒＃４のカム配置を、カム軸３１の軸方向から見た図である。 カムの切り替えが可能なベース円区間を示す図である。 高リフト用カム４１からゼロリフト用カム４２へ切り替え時（弁停止時）の第１カムキャリア４０の動作を説明するための図である。 ゼロリフト用カム４２から高リフト用カム４１への切り替え時の第１カムキャリア４０の動作を説明するための図である。

符号の説明

１ 内燃機関
１０ 吸気バルブ
１１ 可変動弁機構
２０ 排気バルブ
２１ 可変動弁機構
３０ ＥＣＵ
４０，５０ カムキャリア
４１，５１ 高リフト用カム
４２，５２ ゼロリフト用カム
４３，４４，５３，５４ カムキャリア軸受け
４５，４６，５５，５６ 線状溝
４７，４８，５７，５８ 電磁ピン
４７ａ，４８ａ，５７ａ，５８ａ アクチュエータ

Claims (2)

1. 線状の溝と高リフト用カム及び低リフト用カムとが設けられたカムキャリアを有し、電磁ピンを該溝内を摺動させることにより該カムキャリアを軸方向にスライドさせることで該高リフト用及び低リフト用カムを切り替え可能な内燃機関の可変動弁機構であって、
   前記カムキャリアは、前記内燃機関の複数の気筒に跨るように形成され、
   前記カムキャリアの一気筒に対応する部分に、該カムキャリアを一方向にスライドさせるための第１溝と、該第１溝に挿入される第１電磁ピンと、該第１電磁ピンを駆動する第１アクチュエータとが設けられ、
   前記カムキャリアの他気筒に対応する部分に、該カムキャリアを該一方向とは反対の他方向にスライドさせるための第２溝と、該第２溝に挿入される第２電磁ピンと、該第２電磁ピンを駆動する第２アクチュエータとが設けられたことを特徴とする内燃機関の可変動弁機構。
2. 請求項１に記載の内燃機関の可変動弁機構において、
   前記カムキャリアの一方の端部を支持する第１支持部材と、
   前記カムキャリアの気筒間の部分を支持する第２支持部材とを更に備えたことを特徴とする内燃機関の可変動弁機構。

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