JP2010112252A - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

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５２およびボールねじ機構５３を有するアクチュエータ５１によって動かされる。電動モータ５２の回転軸とボールねじ５５との間に摩擦クラッチからなるクラッチ機構６１が介在しており、電動モータ５２の電流つまり回転速度を可変制御することで、クラッチの滑り量が変化する。小作動角側では大電流とし、大作動角側では小電流とすることで、小作動角側では滑り量が大となり、所望の減速比が得られる。
【選択図】図３

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リンク機構に過ぎず、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、クラッチ機構の滑りを利用して、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ねじ上を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、上記電動モータの回転軸と上記ボールねじとの間に、滑り量の可変制御が可能なクラッチ機構を備える。

上記のクラッチ機構は、例えば、入力側の駆動トルクつまり電動モータの電流を可変制御することで、滑り量を制御でき、あるいは電磁クラッチを用いて滑り量を制御することができ、これによって、電動モータの回転角度とボールねじ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５３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５４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の回転軸と同軸かつ直列に配置されたボールねじ５５と、このボールねじ５５に螺合して該ボールねじ５５の回転に伴って直線移動するボールナット５６と、を備えている。なお、ボールナット５６のバックラッシュを抑制するために、ボールナット５６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５４は、上記制御軸３２の端部に固定されたアーム部材５７と、このアーム部材５７の先端と上記ボールナット５６とを連結したリンク部材５８と、から構成されている。

そして、本発明では、上記電動モータ５２の回転軸と上記ボールねじ５５との間に、滑り量の可変制御が可能なクラッチ機構６１が介在している。このクラッチ機構６１は、乾式ないし湿式の摩擦クラッチからなり、電動モータ５２と一体に回転する入力側フランジ部材６２と、この入力側フランジ部材６２に複数の連結ピン６３を介して連結されたクラッチプレート部材６４と、このクラッチプレート部材６４の前面に貼着された摩擦材６５と、この摩擦材６５と接するクラッチ係合面を有する出力側フランジ部材６６と、を備えており、上記出力側フランジ部材６６がボールねじ５５に固定されている。なお、通常、摩擦材６５に適宜な押付力を付与するためのスプリングワッシャ等のばね部材を備えているが、図示省力してある。

ここで、上記クラッチ機構６１は、入力側の回転速度が小さければ摩擦材６５の静止摩擦領域が用いられ、回転速度が大きければ動摩擦領域が用いられるように、構成されている。従って、制御軸３２を動かす際に電動モータ５２に通電される電流値を可変制御することで、クラッチ機構６１の滑り量を可変制御することができる。滑り量が大きいほど、電動モータ５２の一定の回転角度に対するボールねじ５５の回転変位は小さくなるので、減速比が大となる。なお、この減速比とは、電動モータ５２の回転角度変位を入力とし、ボールねじ５５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ボールねじ５５ひいては制御軸３２の回転角度変位が小さいことを意味する。

図４は、電動モータ５２に与える電流の大きさと減速比とを、吸気弁３の作動角（換言すれば、制御軸３２の回転角度位置に相当する）との関係でまとめて示した特性図である。前述したように、吸気弁３のリフト・作動角を一義的に定める制御軸３２の回転角度位置は制御軸センサ３４によって検出され、機関運転条件に対応した目標値となるようにフィードバック制御されるのであるが、その際に電動モータ５２に与えられる電流値の大きさが、現在の作動角の値に応じて、図４の線Ｍ１，Ｍ２の特性に沿って決定される。線Ｍ１は作動角拡大方向に動かす場合の特性、線Ｍ２は作動角縮小方向に動かす場合の特性、をそれぞれ示しており、それぞれの場合でボールねじ５５の駆動に必要なトルクが異なるため、ヒステリシスを有する特性となっているが、全体的な傾向としては、作動角が小さな領域では大きな電流が与えられ、作動角が大きな領域では小さな電流が与えられるようになっている。そして、作動角の可変範囲の概ね半分くらいの位置を境として、小作動角側の大電流では動摩擦となり、大作動角側の小電流では静止摩擦となる。

従って、小作動角側では、クラッチ機構６１は大きな滑りを伴い、その減速比が大きい。逆に、大作動角側では、クラッチ機構６１の滑り量は小さくなり、減速比は小さい。そして、線Ｍ１，Ｍ２の特性に沿って電動モータ５２の電流を可変制御することにより、線Ｒで示す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。なお、実際の電流値の可変制御は、例えば、上記の線Ｍ１，Ｍ２の特性に沿った制御マップを用いることにより実現できる。

次に、図５は、クラッチ機構として電磁クラッチ７１を用いた実施例を示している。この電磁クラッチ７１は、そのストロークの増減により摩擦材７２に対する押付力を変化させることができる形式となっており、この押付力の変化に伴って滑り量が変化する。

図６は、図４と同様に、電動モータ５２に与える電流の大きさと減速比とを、吸気弁３の作動角（換言すれば、制御軸３２の回転角度位置に相当する）との関係でまとめて示した特性図である。この実施例では、図示するように、電動モータ５２に与える電流の大きさは、作動角によって変化せず、一定である。一方、電磁クラッチ７１の押付力（これはクラッチとしての伝達トルクに比例する）は、線Ｆの特性のように制御され、この結果、前述の実施例と同様に、線Ｒで示す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。

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。 作動角に対する電流値および減速比の特性を示す特性図。 電磁クラッチを用いた実施例の説明図。 この実施例の押付力および減速比の作動角に対する特性を示す特性図。

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…ボールねじ機構
５５…ボールねじ
６１…クラッチ機構

Claims (4)

1. 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ねじ上を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、上記電動モータの回転軸と上記ボールねじとの間に、滑り量の可変制御が可能なクラッチ機構を備えることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
2. 上記クラッチ機構が摩擦クラッチからなり、上記電動モータの電流の可変制御によりその滑り量を制御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. 上記クラッチ機構が電磁クラッチからなり、該クラッチの押付力の可変制御により滑り量を制御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。
4. 上記電動モータの回転角度と上記ボールねじ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、上記滑り量を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。

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