JP2010101171A

JP2010101171A - 内燃機関の可変動弁装置

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Publication number: JP2010101171A
Application number: JP2008270476A
Authority: JP
Inventors: Yuzo Akasaka; 裕三赤坂
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2008-10-21
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2010-05-06
Anticipated expiration: 2028-10-21
Also published as: JP5151901B2

Abstract

【課題】リフト・作動角を連続的に可変制御する可変動弁機構において、小作動角側での高い制御精度と大作動角側での高い応答速度とを両立させる。
【解決手段】可変動弁機構は、制御軸３２の回転角度位置によってリフト・作動角が一義的に定まり、制御軸３２は、電動モータおよびボールねじ機構を有するアクチュエータによって動かされる。ボールナット５４と制御軸３２とは、第１，第２，第３リンク５５，５６，５７を介して連係しており、第２，第３リンク５６，５７の連結ピン５８の移動軌跡がカム溝５９によって規制される。カム溝５９は、略Ｌ字形をなし、小作動角側の第１の区間５９Ａでは、減速比が大となり、大作動角側の第２の区間５９Ｂでは、減速比が小となる。
【選択図】図４

Description

この発明は、機械的な機構により内燃機関の吸気弁もしくは排気弁の作動角を連続的に拡大・縮小変化させることが可能な可変動弁機構と、その作動角を変更するためのアクチュエータと、を備えてなる内燃機関の可変動弁装置に関する。

内燃機関の吸気弁や排気弁のバルブリフト特性、特にその作動角を連続的に拡大・縮小させることが可能な可変動弁機構が本出願人らによって従来から種々提案されている。特許文献１は、その一例として、偏心カム（制御カム）を備えた制御軸の回転位置に応じて吸気弁もしくは排気弁のリフトと作動角とが両者同時に拡大・縮小変化する可変動弁装置を開示している。上記制御軸は、電動モータからなるアクチュエータによって、減速機構となるボールねじ機構を介して回転方向に駆動されるように構成されており、特に、この特許文献１では、ボールナットと制御軸とを連結するリンク部材の傾斜角度を工夫することで、弁のリフト・作動角の大小に対応して、減速比が変化するようにしている。また、特許文献２には、同様のリフト・作動角を変更する可変動弁機構を吸気弁に適用することで、スロットル弁に依存せずに吸入空気量を制御し得るようにした内燃機関の吸入空気量制御装置が開示されている。
特開２００７−２８５３０８号公報特開２００２−２５６９０５号公報

上記のような吸気弁もしくは排気弁の作動角を連続的に変化させる可変動弁装置においては、作動角が最も小さくなるときに相対的に高い制御精度が求められるので、アクチュエータの変位に対する制御軸の変位が小さな所謂感度の低い特性が望ましい。その反面、大作動角側では、運転条件の変化に対する制御の応答性の点で、逆に、アクチュエータの一定の変位に対し制御軸が大きく変位することが要求される。

特に、上記可変動弁機構を吸気弁側に利用して吸入空気量を制御するような場合には、吸入空気量が少ない低負荷域で最小作動角となるので、この最小作動角付近での高い制御分解能が必要であり、また加速時には吸入空気量を速やかに増大させるために大作動角側での高い応答性が必要となる。

しかしながら、上記特許文献１の装置は、ボールナットと制御軸側のアームとを１つのリンク部材でもって単純に連結した一般的な構成に過ぎず、実際には、減速比の変化幅は非常に小さく、望ましい特性を得ることができない。

そこで、この発明は、電動モータと制御軸との間のリンク機構をより多くのリンクから構成するとともにその自由度をカム機構により制限するようにして、所望の減速比の特性を得るようにしたものである。すなわち、この発明は、吸気もしくは排気の弁の作動角を機構的に連続的に拡大・縮小可能な可変動弁機構と、この可変動弁機構の作動角を変更するためのアクチュエータと、を備えるとともに、上記可変動弁機構が最小作動角位置から最大作動角位置まで所定の角度範囲内で回動する制御軸を有し、この制御軸の回転位置によって上記作動角が定まる内燃機関の可変動弁装置を前提としている。そして、本発明では、上記アクチュエータは、電動モータおよび該電動モータの回転によってボールナットが直進運動するボールねじ機構を備えるとともに、上記制御軸と上記ボールナットとを連係するリンク機構を備えており、このリンク機構が、上記制御軸に固定された第１リンクと、上記ボールナットに一端が回動可能に連結された第２リンクと、一端が上記第１リンクの先端に回動可能に連結され、他端が上記第２リンクの他端に回動可能に連結された第３リンクと、上記第２リンクと第３リンクとの連結点の移動軌跡を所定の軌跡に規制するカム機構と、を備える。

上記のように、制御軸に固定された第１リンクとボールナットとの間に、２つのリンクつまり第２リンクおよび第３リンクが介在することで、リンク機構としての自由度が増えるが、第２リンクと第３リンクとの連結点の移動軌跡をカム溝などのカム機構により規制することで、ボールナットの直線移動に対する制御軸の回転運動が一義的に定まる。そして、カム溝などのカム機構による移動軌跡の設定によって、電動モータの回転角度と制御軸の回転角度との間の減速比を、所望の特性でもって大きく変化させることが可能となる。

この発明によれば、可変動弁機構の制御軸を回転方向に動かすアクチュエータにおいて、電動モータの回転角度と制御軸の回転角度との間の減速比を、所望の特性でもって大きく変化させることが可能となり、例えば、小作動角側での高い制御精度と大作動角側での高い応答速度とを両立させることができる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る可変動弁装置を内燃機関の吸入空気量制御に利用した場合のシステム構成を示す構成説明図であって、内燃機関１は、吸気弁３と排気弁４とを有し、かつ吸気弁３の動弁機構として、吸気弁３のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小させることが可能な本発明に係る可変動弁装置すなわち第１可変動弁機構（ＶＥＬ）５と、作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な位相可変機構すなわち第２可変動弁機構（ＶＴＣ）６と、を備えている。また、吸気通路７には、モータ等のアクチュエータにより開度が制御される電子制御スロットル弁２が設けられている。ここで、上記スロットル弁２は、吸気通路７内に、ブローバイガスの処理などのために必要な僅かな負圧（例えば−５０ｍｍＨｇ）を発生させるためだけに用いられており、吸入空気量の調整は、基本的に、上記第１，第２可変動弁機構５，６により吸気弁３のバルブリフト特性を変更することで行われる。すなわち、吸入空気量の調整をスロットル弁開度に依存しない実質的なスロットルレス運転が実現される。これらの第１，第２可変動弁機構５，６および電子制御スロットル弁２は、コントロールユニット１０によって制御されている。

また、燃料噴射弁８が吸気通路７に配設されており、上記のように吸気弁３により調整された吸入空気量に応じた量の燃料が、この燃料噴射弁８から噴射される。従って、内燃機関１の出力は、第１，第２可変動弁機構５，６により吸入空気量を調整することによって制御される。

上記のコントロールユニット１０には、運転者により操作されるアクセルペダルに設けられたアクセル開度センサ１１からのアクセル開度信号ＡＰＯ、エンジン回転速度センサ１２からのエンジン回転速度信号Ｎｅ、吸入空気量センサ１３からの吸入空気量信号、などが入力されており、コントロールユニット１０は、これらの信号に基づいて、燃料噴射量、点火時期、スロットル弁開度、作動角目標値、中心角目標値、等を演算し、燃料噴射弁８、点火プラグ９、スロットル弁２、第１，第２可変動弁機構５，６、等を制御する。

図２は、上記第１，第２可変動弁機構５，６の構成を示す構成説明図である。これらの第１可変動弁機構５および第２可変動弁機構６は、その機械的な構成は公知であり、例えば、上述した特許文献１，２に記載の装置と同様の構成を有している。従って、その概要のみを説明する。

リフト・作動角を可変制御する第１可変動弁機構５は、内燃機関１のクランクシャフトにより駆動される駆動軸２２と、この駆動軸２２に固定された駆動偏心カム２３と、回転自在に支持された制御軸３２と、この制御軸３２の制御偏心カム３８に揺動自在に支持されたロッカアーム２６と、吸気弁３のタペット３０に当接する揺動カム２９と、を備えており、上記駆動偏心カム２３とロッカアーム２６とはリンクアーム２４によって連係され、ロッカアーム２６と揺動カム２９とは、リンク部材２８によって連係されている。

上記ロッカアーム２６は、略中央部が上記制御偏心カム３８によって揺動可能に支持されており、その一端部に、連結ピン２５を介して上記リンクアーム２４のアーム部が連係しているとともに、他端部に、連結ピン２７を介して上記リンク部材２８の上端部が連係している。上記制御偏心カム３８は、制御軸３２の軸心から偏心しており、従って、制御軸３２の角度位置に応じてロッカアーム２６の揺動中心は変化する。

上記揺動カム２９は、駆動軸２２の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部に、連結ピン３７を介して上記リンク部材２８の下端部が連係している。この揺動カム２９の下面には、駆動軸２２と同心状の円弧をなす基円面と、該基円面から所定の曲線を描いて延びるカム面と、が連続して形成されており、これらの基円面ならびにカム面が、揺動カム２９の揺動位置に応じてタペット３０の上面に当接する。

上記制御軸３２は、一端部に連係する後述するリフト・作動角制御用アクチュエータによって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用アクチュエータは、コントロールユニット１０からの制御信号により制御される例えばＤＣモータからなり、上記制御軸３２の回転角度が制御軸センサ３４によって検出され、目標のリフト・作動角に対応する目標の回転角度となるようにフィードバック制御される。

上記第１可変動弁機構５によれば、上記制御軸３２の回転角度位置に応じて吸気弁３のリフトならびに作動角が、両者同時に、連続的に拡大，縮小し、このリフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁３の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。リフト・作動角の大きさは、制御軸３２の回転位置によって一義的に定まるので、上記制御軸センサ３４の検出値により、そのときの実際のリフト・作動角が示されることになる。

一方、中心角を可変制御する第２可変動弁機構６は、上記駆動軸２２の前端部に設けられたスプロケット４２と、このスプロケット４２と上記駆動軸２２とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用アクチュエータ４３と、から構成されている。上記スプロケット４２は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。上記位相制御用アクチュエータ４３は、本実施例では油圧式の回転型アクチュエータからなり、コントロールユニット１０からの制御信号によって図示せぬ油圧制御弁を介して制御される。この位相制御用アクチュエータ４３の作用によって、スプロケット４２と駆動軸２２とが相対的に回転し、バルブリフトにおけるリフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。この第２可変動弁機構６の制御状態は、駆動軸２２の回転位置に応答する駆動軸センサ３６によって検出される。

図３は、上記制御軸３２の回転位置ひいてはリフト・作動角を変化させるリフト・作動角制御用アクチュエータ５１の構成を模式的に示したものであり、このアクチュエータ５１は、ＤＣモータ等の電動モータ５２と、この電動モータ５２の回転運動を直線運動に変換する減速機構を兼ねたボールねじ機構と、このボールねじ機構による直線運動を上記制御軸３２の回転運動として伝達するリンク機構と、から大略構成されている。上記ボールねじ機構は、電動モータ５２の回転軸に直結あるいは適宜なカップリングを介して連結されたボールねじ５３と、このボールねじ５３に螺合して該ボールねじ５３の回転に伴って直線移動するボールナット５４と、を備えている。なお、ボールナット５４のバックラッシュを抑制するために、ボールナット５４を軸方向の一方へ付勢する図示せぬコイルスプリングを一般に備えている。

上記リンク機構としては、制御軸３２の端部に基端が固定されて該制御軸３２とともに回動する第１リンク５５と、上記ボールナット５４に一端が回動可能に連結された第２リンク５６と、一端が上記第１リンク５５の先端に回動可能に連結され、他端が上記第２リンク５６の他端に回動可能に連結された第３リンク５７と、を備えている。そして、さらに、上記第２リンク５６と第３リンク５７との連結点となる連結ピン５８の移動軌跡を所定の軌跡に規制するように、カム機構となるカム溝５９を備えている。このカム溝５９は、例えば、リンク機構やボールねじ機構を収容するハウジングの内壁面に、一対のカム溝５９が対向して形成され、連結ピン５８の両端が摺動可能に係合する。このカム溝５９によって、リンク機構の自由度が制限されるため、ボールナット５４の直線移動に対し、制御軸の回転角度位置が一義的に定まることとなる。なお、第１，第２，第３リンク５５，５６，５７は、図示するように、制御軸３２とボールナット５４との間で、３本のリンクが概ね横向きの台形状をなすように互いに連結されている。

上記カム溝５９の形状つまり連結ピン５８が移動し得る軌跡は、制御軸３２が所望の特性に沿って回動するように種々の形状とすることができるが、一つの実施例では、ボールねじ５３の軸方向とほぼ平行な第１の区間５９Ａと、この第１の区間５９Ａの端部からボールナット５４に近づくように斜めに折れ曲がった第２の区間５９Ｂと、を有する略Ｌ字形をなしている。なお、ボールナット５４は、リフト・作動角を小作動角とすべきときに図の左方に位置し、リフト・作動角を大作動角とすべきときに図の右方へ移動するものであり、従って、第２の区間５９Ｂは、第１の区間５９Ａの大作動角側の端部に接続されている。

図４は、上記リンク機構の作動ならびにこれに伴う減速比の特性を示している。ここで、減速比とは、電動モータ５２の回転角度変位を入力とし、制御軸３２の回転角度変位を出力としたときの減速比であり、従って、減速比が大とは、電動モータ５２の単位角度の回転に対し制御軸３２の回転角度変位が小さいことを意味する。なお、図４では、各リンクをいわゆるスケルトン図として示している。

図４の（ａ）は、作動角が最小作動角である場合のリンク機構の状態を示しており、ボールナット５４は、図の左端の位置にある。このとき、３本のリンク５５，５６，５７は、前述したように横向きの台形状をなし、第２リンク５６は、ボールねじ５３の軸方向に対しほぼ直交した姿勢にある。そして、連結ピン５８は、カム溝５９の中で、第１の区間５９Ａの始点となる図の左方の端部に位置する。この状態では、図示するように、第１リンク５５とカム溝５９（連結ピン５８が位置する第１の区間５９Ａ）とのなす角は比較的に小さい。従って、電動モータ５２の回転に伴ってボールナット５４が図の右方へ移動し、これに伴って連結ピン５８が図の右方へ移動しようとしても、第１リンク５５と第３リンク５７との連結点６０の位置はあまり変化せず、制御軸３２の回転角度変位は小さい。従って、連結ピン５８が第１の区間５９Ａを移動する最小作動角〜中作動角の領域では、図４の（ｄ）の左側部分に示すように、比較的大きな減速比となる。

これに対し、図４の（ｃ）は、作動角が最大作動角付近である場合のリンク機構の状態を示しており、ボールナット５４は、図の右端付近の位置にある。そして、連結ピン５８は、カム溝５９の中で、第２の区間５９Ｂの終端となる図の右方の端部付近に位置する。このとき、３本のリンク５５，５６，５７は、やはり横向きの台形状の姿勢を保っているが、図示するように、第１リンク５５とカム溝５９（連結ピン５８が位置する第２の区間５９Ｂ）とのなす角は比較的に大きい。従って、電動モータ５２の回転に伴ってボールナット５４が図の右方へ移動すると、これに伴って移動する連結ピン５８に従動して第１リンク５５つまり制御軸３２が大きく回転する。従って、連結ピン５８が第２の区間５９Ｂを移動する中作動角〜最大作動角の領域では、図４の（ｄ）の右側部分に示すように、相対的に小さな減速比となる。

図４の（ｂ）は、ボールナット５４が中間的な位置にあって連結ピン５８が第１の区間５９Ａおよび第２の区間５９Ｂの間のコーナ部分に位置する場合のリンク機構の状態を示しているが、この状態つまり所定の中作動角の状態を境として、図４の（ｄ）に示すように、減速比がステップ的に変化することとなる。

図４の（ｄ）は、減速比の特性を模式的に示しているが、上記の略Ｌ字形のカム溝５９の構成によれば、実際には、図５のような減速比の特性が得られる。従って、小作動角側では、リフト・作動角の変化速度は遅くなるものの、制御精度が高くなり、例えば、アイドル時等における微小なリフト・作動角による吸入空気量の制御を高精度に実現できる。他方、大作動角側では、リフト・作動角の変化速度が速くなり、過渡変化時に応答性に優れたリフト・作動角の制御を達成できる。

また、上記の構成では、カム溝５９の第１の区間５９Ａと第２の区間５９Ｂとが各々直線状をなし、これらがコーナ部分においてＬ字形に接続されているため、連結ピン５８がコーナ部分に位置する中作動角の状態では、図６に示すように、逆に制御軸３２からバルブスプリング反力による交番トルクＴ１，Ｔ２が入力されても、連結ピン５８がコーナ部分の壁面を押すような形となってコーナ部分に保持され、ボールナット５４の軸方向に作用する力は非常に小さくなる。そのため、この制御位置では、電動モータ５２に保持トルクを発生させなくても、交番トルクＴ１，Ｔ２に対抗して制御軸３２の回転角度位置を保持することが可能である。従って、内燃機関の運転条件として最も使用頻度の高い中作動角がこのコーナ部分の位置に対応するように設定すれば、その制御位置を保持するための通電が不要であり、電力消費を抑制できる。

また同様に、機関の停止の際には、バルブスプリング反力に抗して連結ピン５８がこのコーナ部分の位置に保持されるようになるので、リフト・作動角が過度に縮小することが制限され、再始動時に当初から中作動角となる。従って、内燃機関の始動性が向上する。

なお、上記実施例では、カム機構として略Ｌ字形のカム溝５９を用いているが、例えば曲線状のカム溝によって比較的滑らかに変化する減速比の特性を得るようにしてもよく、あるいは、カム溝以外の適宜なカム機構によって連結点の位置を規制するように構成することもできる。

図７は、上記カム溝５９の異なる実施例を示しており、この実施例では、カム溝５９の第１の区間５９Ａが第１の部品例えば第１の板状部品にスリット状に開口形成されているとともに、第２の区間５９Ｂが第２の部品例えば第２の板状部品にスリット状に開口形成され、両者を重ね合わせることで略Ｌ字形のカム溝５９が構成されている。そして、第１の区間５９Ａを有する第１の板状部品を第２の板状部品に対しカム溝５９のコーナ部分を中心として回動させることで、第１の区間５９Ａの傾斜を図の＋側および−側へ変化させることができるようになっている。

このように第１の区間５９Ａの傾斜を変化させることで、図９に模式的に示すように、小作動角側の減速比の特性を、機関の運転中に変化させることができる。なお、図９における「＋」「−」は、図７の変化の方向に対応している。

同様に、図８に示すように、第２の区間５９Ｂを有する第２の板状部品を第１の板状部品に対し回動することも可能であり、これによって、図９に示すように、大作動角側の減速比の特性を変化させることができる。

このような実施例によれば、機関運転条件等に応じたより適切な減速比の特性を得ることが可能となる。

本発明に係る可変動弁装置を吸入空気量の制御に用いる場合のシステム構成図。第１可変動弁機構の概略を示す斜視図。リフト・作動角制御用アクチュエータの構成を模式的に示した説明図。小作動角（ａ）、中作動角（ｂ）および大作動角（ｃ）でのリンク機構の作動ならびにこれに伴う減速比の特性（ｄ）を模式的に示す説明図。より具体的な減速比の特性を示す特性図。制御軸側から力が作用したときの説明図。第１の区間を可変としたカム溝の実施例を示す説明図。第２の区間を可変としたカム溝の実施例を示す説明図。図８および図９の例による減速比の特性の変化を模式的に示す特性図。

符号の説明

３…吸気弁
５…第１可変動弁機構
３２…制御軸
５１…アクチュエータ
５２…電動モータ
５３…ボールねじ
５４…ボールナット
５５…第１リンク
５６…第２リンク
５７…第３リンク
５８…連結ピン
５９…カム溝

Claims

吸気もしくは排気の弁の作動角を機構的に連続的に拡大・縮小可能な可変動弁機構と、この可変動弁機構の作動角を変更するためのアクチュエータと、を備えるとともに、上記可変動弁機構が最小作動角位置から最大作動角位置まで所定の角度範囲内で回動する制御軸を有し、この制御軸の回転位置によって上記作動角が定まる内燃機関の可変動弁装置において、
上記アクチュエータは、電動モータおよび該電動モータの回転によってボールナットが直進運動するボールねじ機構を備えるとともに、上記制御軸と上記ボールナットとを連係するリンク機構を備え、
このリンク機構が、上記制御軸に固定された第１リンクと、上記ボールナットに一端が回動可能に連結された第２リンクと、一端が上記第１リンクの先端に回動可能に連結され、他端が上記第２リンクの他端に回動可能に連結された第３リンクと、上記第２リンクと第３リンクとの連結点の移動軌跡を所定の軌跡に規制するカム機構と、を備えることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
上記電動モータの回転角度と上記制御軸の回転角度との間の減速比が、小作動角側で相対的に大きくなるように、上記カム機構により上記移動軌跡が規制され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。
上記カム機構は、上記連結点における連結ピンが係合するカム溝からなることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
上記カム溝が、略Ｌ字形をなし、上記電動モータの回転角度と上記制御軸の回転角度との間の減速比が相対的に大きな小作動角側の第１の区間と、相対的に小さな大作動角側の第２の区間と、を備え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。
上記カム溝は、小作動角側の領域は、小作動角位置にある第１リンクとカム溝とのなす角が相対的に小さく、大作動角側の領域は、大作動角位置にある第１リンクとカム溝とのなす角が相対的に大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の内燃機関の可変動弁装置。
上記カム溝が、それぞれ異なる部品からなる複数の区間を含み、これらの部品を相対的に動かすことによって上記軌跡が変化することを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。