JP2009257297A - モータ制御エンジン動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷抵抗が小さくエネルギロスの少ないエンジン動弁装置を得る。
【解決手段】バルブを閉じ方向に付勢すると共に、ばね定数がエンジン高回転域でジャンプ及びバウンス現象を抑制できるばねのばね定数より小さな値に設定されたばね２０ｅと、軸方向に動くことにより圧縮方向に付勢できるように設けられたスライダあるいはねじ式の軸方向に移動できる軸を有するモータ３０を備え、モータのコイル３０ｂに通電されたときに前記ばねをスライダあるいは軸の動きで変位させる機構と、エンジン回転速度が所定値以上になった場合に、回転数に応じて前記ばねの一端の変位を制御するモータへの通電を制御する制御手段とからなる。
【選択図】図１

Description

本発明はエンジン動弁装置に係わるもので、とくに高速回転域でジャンプおよびバウンスを抑制することができるエンジン動弁装置に関するものである。

エンジン動弁装置は、エンジン回転数が高くなると、吸気バルブおよび排気バルブが慣性力によってカムと同調しなくなり、カム面あるいは弁座に激突して跳ね返るジャンプおよびバウンス現象が発生し、燃焼効率の低下や騒音の原因となっている。このジャンプおよびバウンス現象を抑制するため、吸気バルブおよび排気バルブにエンジンの最高許容回転速度のジャンプおよびバウンス現象を抑制できる適切なばね定数を有するばねを装着し、適切な初期圧縮力を与えて、吸気および排気バルブを閉じ方向に付勢し、吸気バルブおよび排気バルブとカムとの同調を図ることが行われている。エンジンの最高許容回転速度は、ジャンプおよびバウンスの起こる付近に定められており、一般に５，０００ｒｐｍ以上である。

しかし、車両が法定速度で運転するときのエンジン回転数は３，０００ｒｐｍ以下であり、急加速するときに大きな回転数になる。したがって、低・中速回転域で走行している場合でも、カムには５，０００ｒｐｍ以上の高回転域に耐えるだけの負荷抵抗がかかっているため、エネルギロスが大きくなる、という問題があった。

この問題を解決するため、バルブスプリングの一端を移動自由なスプリングシートで受けるとともに、スプリングシートを油圧によって上下移動させることによりバルブスプリングの取り付け長さを変化させて、バルブスプリングのセット加重を変化させることにより、ジャンプおよびバウンス現象を防止する動弁装置が提案されている。また、本発明者は特許文献２（特願２００７−１３７８１７）で、斥力によって弁ばねを圧縮方向に付勢するように設けられた一対の永久磁石と、コイルを備え、該コイルへ通電されたときにばねを圧縮方向に付勢する磁力が発生するようにした電磁式で、高速回転域のジャンプおよびバウンスを防止する方法を提案している。

しかしながら、油圧式の動弁装置では、油圧によってスプリングを変位させているため、油圧ポンプ・油圧弁・パイプなどを必要とするため、装置が複雑・大型化する。また、応答性が十分でなく、急加速した場合などのようにエンジン回転速度が急激に高くなった場合に、ジャンプ及びバウンスを十分に抑制できない場合がある、という問題点があった。また、電磁式では、制御時の電力が相当に大きくなるという欠点があった。

本発明は、上記の問題を解決するもので、油圧式に比べ小型軽量で構造が簡単、かつ制御時の消費電力も電磁式に比べ極端に小さく、高速回転域でのジャンプおよびバウンス現象を抑制することのできる応答性の良い動弁装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、エンジンに設けられたバルブを閉じ方向に付勢すると共に、ばね定数がエンジン高回転域でジャンプ及びバウンス現象を抑制できるばねのばね定数より小さな値に設定されたばねと、軸方向に動くことにより圧縮方向に付勢できるように設けられたスライダあるいはねじ式の軸方向に移動できる軸を有するモータを備え、モータのコイルに通電されたときに前記ばねをスライダあるいは軸の動きで変位させる機構と、エンジン回転速度が所定値以上になった場合に、回転数に応じて前記ばねの一端の変位を制御するモータへの通電を制御する制御手段とを含むエンジン動弁装置を提供するものである。

請求項１の発明は、エンジンに設けられたバルブを閉じ方向に付勢するばねと、スライダあるいはねじ式の軸方向に移動できる軸を有するモータにより、ばねの一端を軸方向に変位させる機構を備え、モータへの通電により、ばねを変位させて復元力を制御できる装置である。この装置を用いると、エンジン回転速度が所定値以下では、その範囲でジャンプおよびバウンスを起こさないばね復元力で弁は運動する。しかし、エンジンが所定の回転数以上になると、モータを駆動し、回転数に応じた適切な変位をばねに与えることにより復元力を増大して、ジャンプおよびバウンスを防止するものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明の具体的な構成を示したもので、内面にめねじの切られた中空ロータを有するモータと、そのめねじにかみ合うおねじを有し、回転方向に拘束され、モータの回転に伴うめねじの回転により軸方向に移動する中空軸と、その中空軸の中を貫通した弁棒の端に取り付けられたタペットと中空軸の端に取り付けられた円板との間にコイルばねが取り付けられたエンジン動弁装置を提供するものである。

請求項２の発明によれば、モータの回転角を検出し、ばね変位が所定の値になるようにモータのコイルに通電すると、中空ロータが回転し、ロータ内面に切られた雌ねじが回転すると、それに噛み合わされた雄ねじを有する中空軸（バルブガイド）が回転方向を溝付きスライダー等で拘束されているので、軸方向に変位する。この構成では、バルブガイドはねじにより減速されているので、ねじ径とピッチを適切に選定することで、ばねを圧縮するのに十分な往復力を得ることができる。このとき、中空軸の中を貫通した弁棒の端に取り付けられたタペットと中空軸の端に取り付けられた円板との間にコイルばねが取り付けられているので、ばねが変位し、その復元力が回転数に応じて適切に制御されるので、ジャンプおよびバウンスが制御される。

請求項３の発明は、請求項１および請求項２の制御手段として、弁のジャンプおよびバウンスを起こさない限界のばね変位に対するモータの回転量と、制御遅れを減少させるために必要なモータ回転量を算出し、その回転量を制御することを特徴とするエンジン動弁装置を提供するものである。

請求項３の発明によれば、エンジン回転数に応じて、ジャンプおよびバウンスを起こさない限界のばねの変位量を計算し、その変位を与えるのに必要なモータ回転量を計算する。しかし、その値は限界値を与えるものであるので、実際には、それ以上のばね復元力が必要である。さらに、モータ駆動の場合は減速されているので、一般に応答性が良くない。そこで、応答性の遅れを考慮して、さらに適切な変位を足しあわせたものをばねの目標変位とし、目標変位に相当するモータの回転量制御を行うことで、エンジン回転数に応じてばねの復元力を最適とした、すなわち、不必要な負荷トルクの無い動弁装置を構成することができるため、従来の動弁装置に比べ、エネルギ効率が大幅に改善される。

以上説明したように本発明によれば、不必要な負荷トルクの無い動弁装置を構成することができるため、従来の動弁装置に比べ、エネルギ効率が大幅に改善される。また、電動式モータを用いているので、装置が小型・簡便・安価である。

発明を実施するための形態

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。図１に示すように、本実施の形態に係わるエンジン動弁装置は、シリンダヘッド１８に設けられた吸気ポート１５を開閉するための吸気バルブ１２が設けられている。なお、シリンダヘッド１８には、排気ポートを開閉するための排気バルブが設けられ、この排気バルブに本実施形態に係わるばねが設置されているが、吸気における実施形態と排気における実施形態は同様であるので、以下吸気における実施形態を取り上げ、排気に係わる説明は省略する。

吸気バルブ１２は傘部１２ａとステム部１２ｂとステム部１２ｂの先端に形成されたばね受け部１２ｃで構成されており、筒状のバルブガイド２０ａにステム部１２ｂが挿通されている。ばね受け部１２ｃは、カム１０に接しており、カム１０の回転に合わせて吸気バルブ１２がバルブステムの軸方向に変位する。

バルブステムの挿通された筒状のバルブガイド２０ａの外周の一部に雄ねじが切られており、モータの中空ロータ３０ａの内周に切られた雌ねじと噛み合っている。また、バルブガイドのねじの無い排気ポート側はシリンダヘッドに圧入された筒２０ｃに挿通されている。筒２０ｃには凸状の直線突起が軸方向に設けられており、また、バルブガイド２０ａの排気ポート側には、凹状の溝２０ｆが軸方向に設けられており、凹凸で筒２０ｃに組み合わされ、スライダーとなっており、これによりバルブガイドの回転を拘束するとともに軸方向に移動できるようにしている。

バルブガイド２０ａのねじ側の端はスラスト軸受２０ｄで支持されており、スラスト軸受２０ｄはばねを受ける円板２０ｂに圧入されており、円板２０ｂとバルブのばね受け部の間にコイルばねが装着されている。スラスト軸受けは無くても良いが、弁の運動中にばねが回転して弁座である円板２０ｂの摩擦による片減りがあるので、円板を回転自由としてそれを防止している。また、ばねについては、円筒コイルばねでも良いが、本実施例の場合、高速域での制御変位を小さくするため、変位の小さいところでばね定数が小さく、変位の大きいところでばね定数の大きくなる円すいコイルばねを用いており、エンジン高回転域（例えば、５，０００ｒｐｍ以上）でジャンプおよびバウンスを抑制できるばね定数より小さな値に設定されている。

モータ部３０はロータ３０ａが内面にめねじを有する中空であること以外は通常のモータと同様で、バルブステムに対して軸対称であるので、左半分のみを示す。なお、モータの回転量を検出する回転角検出器３０ｄ（本実施例ではエンコーダを使用）が組み込まれており、それを用いてばね変位を計算している。

この発明で、弁の変位を直接計測してフィードバック制御を行うことは、エンジンの機構上難しく、かつ費用も膨大となるため、制御は簡便なエンコーダ等の出力を用いて行うことが望ましい。本発明では、簡易的な復元力、慣性力の計算を行い、慣性力と安全のための余力の合力が復元力と等しくなるようスライダを変位させることでジャンプとバウンス現象を抑える制御方法を提案する。ジャンプは主に慣性力が最大となるカムのトップ付近で発生するため、カムのトップの復元力と慣性力を考える。本実施例で用いた円すいばねの復元力とバルブに加わる慣性力を最小二乗法により近似すると、次式のようになる。
Ｆ_ｋ＝０．００５１７２ｘ^４−０．０９２４８ｘ^３＋０．５９７６ｘ^２＋２．８２５ｘ＋１．２２４（１）
Ｆ_ｉ＝０．０４８３Ｃｒ^２ （２）
ここでＦ_ｋはばねの復元力、ｘはばねの変位、Ｆ_ｉバルブに加わる慣性力、Ｃｒはカムシャフトの回転数である。慣性力と余力による合力と復元力の釣り合い式は、
Ｆ_ｋ（ｘ）＝Ｆ_ｉ（Ｃｒ）＋Ｆ_ｒ （３）
となる。ここでＦ_ｒは余分に与える力である。

式（３）を満たすｘはニュートン法を用いて求められる。ｘはばねの変位（カムのトップの変位＋初期圧縮量（３．２ｍｍ＋目標変位Ｊｍｍ））であるため、ｘが求まることで与えるべき目標変位Ｊも求まる。以上の方法から求めた各回転数における初期圧縮量（３．２ｍｍ＋Ｊｍｍ）とジャンプ発生回転数とばね圧縮量の関係を図２に示す。図２から無制御時のジャンプ発生限界のばねの圧縮量（図中の△印）に比べ目標変位における圧縮量（上記の計算で算出したもので、図中の○印）が大きいことから、制御によって目標変位を与えることができればジャンプを抑制できることがわかる。なお、実際の制御ではモータの応答性を考慮し、さらにＪに補正値Ｃｖを０．１５ｍｍ（Ｃｒ＞２５ｒｐｓ、それ以外は０ｍｍ）加えた変位を基にバルブガイドの位置制御を行う。本実施例の場合、実際の制御区間は２５〜４１ｒｐｓエンジン回転数に換算して３０００〜４９２０ｒｐｍとなる。

以下本実施例に対して実験を行った結果を示す。バルブの運動に影響を及ぼすバルブの質量と寸法等は以下のとおりである。弁質量＝５９ｇ、タペット質量＝１９ｇ、バルブの長さ＝１３６ｍｍ、バルブの傘の直径＝３４ｍｍ、バルブステムの直径＝６ｍｍ。

カムの目標回転数を４１ｒｐｓとしたときの時刻歴応答の結果を図３に示す。図中の実線は弁の変位を、破線はカムの変位を表す。ジャンプとバウンスが無ければ、両結果は重ならなければならないが、本例にようにカム回転数が速い場合は、弁はカムから離れてジャンプし、着座後にバウンスしている。

図４は前記と同じカム回転数（４１ｒｐｓ）で、制御を与えたときの弁の時刻歴応答を示したものである。このときは、ばねに適切な復元力が与えられているため、弁の運動はカムの動きに連動し、ジャンプおよびバウンスが押さえられている。

弁のジャンプとバウンスを５，０００ｒｐｍまで押さえる通常エンジンの動弁系（円筒コイルばね使用で初期圧縮量が２．２５ｍｍ）と本発明の動弁系における一回転の最大負荷トルクと回転数の関係を図５に示す。図５から従来エンジン動弁系の最大トルクが約０．６５４Ｎｍに対して本発明の動弁系の低速域におけるトルクは０．３０９Ｎｍとなり約５３％低減できた。また、従来型動弁系ばねの初期圧縮量は一定で、潤滑の影響を考えなければ、どの回転数においても同じトルクとなるが、本発明の動弁系は回転数に応じて適切な圧縮量を加えるため、制御を行う高速回転域でも従来型エンジンに比べトルクを低減できるという特徴が確認できる。

本発明の実施形態に係わるエンジン動弁装置の構成図である。 ジャンプおよびバウンスを発生する限界のカム回転数（△印）とばね変位の関係およびジャンプおよびバウンスを押さえる目標値（○印）である。 無制御時における弁の変位とカム回転角を表す図である。 制御を行ったときの弁の変位とカム回転角を表す図である。 通常の動弁系と本発明の動弁系の負荷トルクの比較である。

符号の説明

１０ カム
１２ 弁
１２ａ バルブの傘
１２ｂ バルブステム
１２ｃ タペット
１４ バルブシート
１５ 吸気ポート
１８ シリンダヘッド
２０ａ ねじ付きバルブガイド
２０ｂ 円板
２０ｃ 内周にスライダーを有する円筒
２０ｄ スラスト軸受
２０ｅ ばね
２０ｆ スライダ溝
３０ モータ
３０ａ ロータ
３０ｂ コイル
３０ｃ 軸受
３０ｄ 回転角検出器

Claims (3)

1. エンジンに設けられたバルブを閉じ方向に付勢すると共に、ばね定数がエンジン高回転域でジャンプ及びバウンス現象を抑制できるばねのばね定数より小さな値に設定されたばねと、
   軸方向に動くことにより圧縮方向に付勢できるように設けられたスライダあるいはねじ式の軸方向に移動できる軸を有するモータを備え、モータのコイルに通電されたときに前記ばねをスライダあるいは軸の動きで変位させる機構と、
   エンジン回転速度が所定値以上になった場合に、回転数に応じて前記ばねの一端の変位を制御するモータへの通電を制御する制御手段とを含むエンジン動弁装置。
2. 請求項１の構成として、内面にめねじの切られた中空ロータを有するモータと、そのめねじにかみ合うおねじを有し、回転方向に拘束され、モータの回転に伴うめねじの回転により軸方向に移動する中空軸と、その中空軸の中を貫通した弁棒の端に取り付けられたばね取り付け部（タペット）と中空軸の端に取り付けられた円板との間にコイルばねが取り付けられたエンジン動弁装置。
3. 前記ばねの制御手段として、弁のジャンプおよびバウンスを起こさない限界のばね変位に対するモータの回転量と、制御遅れを減少させるために必要なモータ回転量を算出し、その回転量を制御することを特徴とするエンジン動弁装置。

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