JP2012237297A - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の可変動弁装置に関し、バルブの開弁特性の可変自由度を良好に向上させることを目的とする。
【解決手段】回転駆動される駆動カム１６と、非作用面２４ａ１と作用面２４ａ２とを含む揺動カム面２４ａを有し、駆動カム１６の回転に同期して揺動する揺動カムアーム２４と、揺動カムアーム２４を揺動自在に支持する制御軸１８と、駆動カム１６と揺動カムアーム２４との間に介在するカムローラー３０と、ロッカーローラー２８を有するロッカーアーム２６とを備える。制御軸１８を周方向に回転駆動することで、揺動カムアーム２４上のカムローラー３０の位置を変化させる第１アクチュエータと、吸気弁１８が閉弁状態にある時のロッカーローラー２８の軸心を中心とする円弧上を制御軸１８の軸心が移動するように当該制御軸１８を駆動する第２アクチュエータと、を備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の可変動弁装置に係り、特に、バルブの開弁特性を機械的に変更可能な内燃機関の可変動弁装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、バルブの開弁特性を機械的に変更可能とする内燃機関のバルブ制御装置が開示されている。この従来のバルブ制御装置は、バルブのリフト量および作動角（作用角）を連続して変化させるリフト・作動角可変機構と、ロッカーアームのロッカー比を大きくするとバルブの作動角が小さくなるロッカー比可変機構とを備えている。

特開２００９−４１３７２号公報 特開２００４−１１５２３号公報

上述した特許文献１に記載の構成は、ロッカー比を調整するために、ロッカーアームに形成された軸受部に沿ってロッカーローラーを移動させるロッカー比制御アクチュエータを備えている。このようなロッカー比制御アクチュエータには、バルブの開閉動作に伴ってロッカーローラーに作用するバルブスプリングの反力に対抗するだけの強度が必要となる。より具体的には、当該アクチュエータには、ロッカーアームと同等の強度部材が必要となる。このため、現実には、ロッカーローラーを移動させるロッカー比制御アクチュエータは、ロッカーアーム周りの狭いスペースにおいて強度上成立させることが困難であるといえる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、バルブの開弁特性の可変自由度を良好に向上させることのできる内燃機関の可変動弁装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、内燃機関の可変動弁装置であって、
回転駆動される駆動カムと、
揺動中心からの距離が一定となるように形成された非作用面と、当該非作用面と連続して設けられ当該非作用面から離れるにつれ前記揺動中心からの距離が次第に大きくなるように形成された作用面とを含む揺動カム面を有し、前記駆動カムの回転に同期して揺動する揺動部材と、
前記揺動部材を揺動自在に支持する制御軸と、
前記駆動カムと前記揺動部材との間に介在し、前記駆動カムとの接触が維持された状態で当該駆動カムの回転に伴って前記揺動部材上を移動する接触部材と、
前記揺動カム面に接触する円筒部を有し、当該円筒部と接触する前記揺動カム面が前記作用面となる場合に前記揺動部材の揺動動作に連動して揺動し、前記駆動カムの作用力をバルブに伝達するロッカーアームと、
前記制御軸を周方向もしくは軸方向に駆動することで、前記揺動部材上の前記接触部材の位置を変化させる第１アクチュエータと、
前記バルブが閉弁状態にある時の前記ロッカーアームの前記円筒部の軸心を中心とする円弧上を前記制御軸の軸心が移動するように前記制御軸を駆動する第２アクチュエータと、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記バルブが閉弁状態にある時の前記ロッカーアームの前記円筒部の軸心と一致し、かつ前記制御軸の軸心から偏心した位置にある軸心を有し、前記制御軸を支持する偏心軸受を更に備え、
前記第２アクチュエータは、前記偏心軸受の軸心を中心として当該偏心軸受を回転駆動するものであることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記第２アクチュエータの作動に伴って前記制御軸の軸心が前記駆動カムから離れることに伴い、前記バルブの最大リフト量が大きくなり、かつ、前記バルブの作用角が一旦大きくなった後に小さくなる設定を有することを特徴とする。

第１の発明は、上記第１および第２のアクチュエータを備えている。第１アクチュエータによれば、制御軸の駆動によって揺動部材上の接触部材の位置を変化させることで、駆動カムによる揺動部材の揺動開始タイミング、バルブが閉弁状態にある時の揺動カム面の非作用面とロッカーアームの円筒部との接触点、更には揺動部材の揺動量および揺動速度を変化させることができる。また、第２アクチュエータによれば、上記態様で制御軸の軸心位置を変化させることで、第１アクチュエータの調整時とは異なる変化の仕方で、上記揺動開始タイミング、上記接触点、更には上記揺動量および揺動速度を変化させることができる。これらの要素、すなわち、上記揺動開始タイミング、上記接触点、更には上記揺動量および揺動速度は、バルブの最大リフト量、作用角および開き時期に影響を与えるものである。本発明によれば、上述した２種類のアクチュエータを備えているので、バルブの開弁特性の可変自由度を良好に向上させることが可能となる。

第２の発明によれば、偏心軸受の軸心を中心として当該偏心軸受を回転駆動することにより、ロッカーアームの円筒部の軸心を基準として制御軸の軸心位置を好適に変更させられる構成を得ることができる。

第３の発明に係る可変動弁装置は、第２アクチュエータの作動に伴って制御軸の軸心が駆動カムから離れることに伴い、バルブの最大リフト量が大きくなり、かつ、バルブの作用角が一旦大きくなった後に小さくなる設定を有している。このため、バルブの作用角がほぼ最大値を示す時の制御軸の軸心の制御位置と、当該制御位置よりも更に駆動カムから離れた時の制御軸の軸心の制御位置とを選択することにより、バルブの開弁特性が大作用角中リフト量に制御された状態と、この状態よりも中作用角高リフト量に制御された状態とが得られるようにすることができる。これにより、内燃機関の吸気弁に対してこのような開弁特性が得られる可変動弁装置を適用することで、高出力運転時に適した吸気弁の開弁特性（中作用角高リフト量）を得られるようにしつつ、部分負荷運転時に大作用角中リフト量が得られるようにすることができる。このため、内燃機関の出力性能を高く確保しつつ、部分負荷時の燃費向上を図ることのできる吸気弁の開弁特性の変更を実現することができる。

本発明の実施の形態１における内燃機関の可変動弁装置の構成を説明するための斜視図である。 図１に示す可変動弁装置をカム軸の軸方向から見た図である。 図１に示す可変動弁装置を図１と別方向から見た斜視図である。 図１に示す可変動弁装置が備える２種類のアクチュエータの構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１における内燃機関の運転領域に応じた可変動弁装置の開弁特性の設定、および当該設定時の可変動弁装置の制御状態を表した図である。 内燃機関の運転領域との関係で図５に示す可変動弁装置の開弁特性の設定を表した図である。 図５（Ａ）〜（Ｅ）の各図の制御状態において実現される吸気弁のリフトカーブを表した図である。 図１に示す可変動弁装置において、角度α、βの調整に伴う吸気弁の最大リフト量および作用角の変化をそれぞれ３次元的に表した図である。 図８に示す関係を、角度αを横軸にして２次元化して表した図である。

実施の形態１．
［可変動弁装置の構成］
以下、図１乃至図４を参照して、本発明の実施の形態１における可変動弁装置１０の構成について具体的に説明する。
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関の可変動弁装置１０の構成を説明するための斜視図である。図２は、図１に示す可変動弁装置１０をカム軸１４の軸方向から見た図である。図３は、図１に示す可変動弁装置１０を図１と別方向から見た斜視図である。尚、図１乃至図３は、後述する揺動カム面２４ａの非作用面２４ａ１とロッカーローラー２８とが接触する状態にあることにより、吸気弁１２が閉弁状態にある時の可変動弁装置１０を表している。

ここでは、内燃機関の個々の気筒に２つの吸気弁１２と２つの排気弁とが備わっているものとする。本実施形態の可変動弁装置１０は、内燃機関の各気筒に配置された吸気弁１２を駆動するための装置であるものとする。図１乃至図３に示す構成は、個々の気筒に配置される可変動弁装置１０の構成を示している。尚、本可変動弁装置１０は、排気弁を駆動する装置として適用することもできる。

本可変動弁装置１０は、内燃機関（例えば、直列４気筒型エンジン）の全気筒に及ぶように配置されたカム軸１４を備えている。カム軸１４は、クランク軸（図示省略）の回転力を利用して回転駆動される。図２に示すように、カム軸１４には、１気筒当たり１つの駆動カム１６が設けられている。更に、可変動弁装置１０は、以下に説明するように、制御軸１８、制御アーム２０、中間アーム２２、揺動カムアーム２４、ロッカーアーム２６、ロッカーローラー２８、カムローラー３０、第１モータ３８、第２モータ４０および偏心軸受４２を主たる構成部材として備えている。

制御軸１８はカム軸１４に平行に配置されている。図１および図３に示すように、制御軸１８には、Ｔ字状に形成された制御アーム２０が圧入されている。制御アーム２０には、制御軸１８の径方向外側に突出した部位に、制御軸１８と平行な方向に向いた円筒部２０ａが設けられている。円筒部２０ａには、長手状に形成された中間アーム２２の一端が回転自在に連結されている。このように、制御アーム２０の円筒部２０ａの位置は制御軸１８の中心から偏心しており、また、この円筒部２０ａが中間アーム２２の揺動中心として機能する。

揺動カムアーム２４は、制御軸１８に揺動可能に支持されている。揺動カムアーム２４の下方（吸気弁１２側）には、吸気弁１２毎にロッカーアーム２６が配置されている。ロッカーアーム２６の中央部には、ロッカーローラー２８が回転自在に取り付けられている。

揺動カムアーム２４における各ロッカーローラー２８に対向する位置には、ロッカーローラー２８に接触する揺動カム面２４ａが形成されている。揺動カム面２４ａは、揺動カムアーム２４の揺動中心（すなわち、制御軸１８の軸心）からの距離が一定となるように形成された（円弧状の）非作用面２４ａ１と、当該非作用面２４ａ１と連続して設けられ非作用面２４ａ１から離れるにつれ揺動カムアーム２４の揺動中心（制御軸１８の軸心）からの距離が次第に大きくなるように形成された作用面２４ａ２とにより構成されている。

また、揺動カムアーム２４は、図２に示すように、作用面２４ａ２側の先端を駆動カム１６側に向けて配置されている。更に、図１に示すように、揺動カムアーム２４の中央部には、揺動カムアーム２４の揺動中心に近い部位から制御軸１８の径方向外側かつ駆動カム１６側に向けて延びるように形成されたカムローラーホルダー２４ｂが設けられている。カムローラー３０は、駆動カム１６の周面と接触可能な位置において、カムローラーホルダー２４ｂによって支持されている。カムローラーホルダー２４ｂは、カムローラー３０が制御軸１８のほぼ径方向に往復移動するのを案内するためのガイド溝として形成されたものである。

より具体的には、カムローラー３０、中間アーム２２の他端およびカムローラーホルダー２４ｂには、カムローラー３０が両側から中間アーム２２の他端（制御アーム２０の反対側の端部）によって挟まれ、更に、中間アーム２２の他端が両側からカムローラーホルダー２４ｂによって挟まれた状態で、連結軸３２が貫通している。連結軸３２は、カムローラー３０の内部に圧入され、中間アーム２２の他端を回転自在に支持し、カムローラーホルダー２４ｂの溝に係合している。このような構成によって、カムローラー３０は、連結軸３２を介してカムローラーホルダー２４ｂによって回転自在に支持されている。また、連結軸３２を介して中間アーム２２にも連結されているカムローラー３０は、制御アーム２０の円筒部２０ａの中心（中間アーム２２の揺動中心）に対して一定の距離を保ちながら、カムローラーホルダー２４ｂにより案内された状態で揺動カムアーム２４に対する相対移動が許容されている。尚、カムローラーホルダー２４ｂの溝形状、すなわち、カムローラー３０の移動軌跡は、図２に示すような直線的なものに限らず、円弧状等の任意の曲線状のものであってもよい。

また、ロッカーアーム２６の一端は、吸気弁１２の弁軸端によって支持されており、ロッカーアーム２６の他端は、油圧式ラッシュアジャスタ３４によって回転自在に支持されている。吸気弁１２は、バルブスプリング３６によって、閉方向、すなわち、ロッカーアーム２６を押し上げる方向に付勢されている。吸気弁１２が閉弁状態にある時には、ロッカーローラー２８は、油圧式ラッシュアジャスタ３４から受ける力によって、揺動カムアーム２４の揺動カム面２４ａに押し当てられている。吸気弁１２の開弁期間中には、ロッカーローラー２８は、油圧式ラッシュアジャスタ３４から受ける力に加え、バルブスプリング３６の反力によっても揺動カム面２４ａに押し当てられる。

また、揺動カムアーム２４と制御軸１８との間には、図示省略するロストモーションスプリング（例えば、ねじりバネ）が掛け留められている。駆動カム１６の回転中に駆動カム１６とカムローラー３０との接触を常に維持できるようにするために、ロストモーションスプリングの付勢力は、カムローラーホルダー２４ｂを付勢して、カムローラー３０を駆動カム１６に押し当てる力として作用するように設定されている。

図４は、図１に示す可変動弁装置１０が備える２種類のアクチュエータの構成を説明するための図である。
更に、本実施形態の可変動弁装置１０は、制御軸１８を駆動するための２種類のアクチュエータを備えている。第１アクチュエータは、第１モータ３８を利用して制御軸１８を周方向に回転駆動することで、制御アーム２０および中間アーム２２を介してカムローラーホルダー２４ｂ上のカムローラー３０の位置を変化させるものである。第２アクチュエータは、第２モータ４０を利用して、吸気弁１２が閉弁状態にある時のロッカーローラー２８の軸心を中心とする円弧上を制御軸１８の軸心が移動するように制御軸１８を駆動するものである。また、これらの第１、第２アクチュエータは、第１、第２モータ３８、４０の回転位置を保持することで、制御軸１８の周方向位置および制御軸１８の軸心位置を保持する機能を有している。

より具体的には、図１乃至図４に示すように、制御軸１８は、気筒間に配置される偏心軸受４２によって回転自在に支持されている。偏心軸受４２は、吸気弁１２が閉弁状態にある時のロッカーローラー２８の軸心と一致し、かつ制御軸１８の軸心から偏心した位置にある軸心を有している。尚、偏心軸受４２は、自身の軸心を中心として回転自在となる態様で、図示省略するシリンダヘッド（或いはカムキャリア）によって支持されているものとする。

第１モータ３８の出力軸３８ａは、図４に示すように、当該制御軸１８と同軸となる態様で、制御軸１８の一方の端部に固定されている。第１モータ３８は、モータブラケット４４を介して、第１モータ３８に近い偏心軸受４２に、図示省略する固定具を用いて固定されている。第２モータ４０の出力軸４０ａは、図４に示すように、吸気弁１２が閉弁状態にある時のロッカーローラー２８の軸心（偏心軸受の軸心）と同軸となる態様で、上記偏心軸受４２に固定されている。第２モータ４０は、図示省略する固定部材を介してシリンダヘッド等に固定されている。また、これらのモータ３８、４０は、可変動弁装置１０を搭載する内燃機関を制御するためのＥＣＵ（Electronic Control Unit）４６に接続されている。尚、ここでは、モータ３８、４０が制御軸１８や偏心軸受４２に直接的に固定された例を用いて説明を行ったが、これらのモータ３８、４０は、所定の減速比のギヤを介して制御軸１８や偏心軸受４２と連結されるように構成されていてもよい。

［可変動弁装置の動作、および運転領域に応じた可変動弁装置の開弁特性の設定］
上述した構成を有する可変動弁装置１０によれば、駆動カム１６が図２における時計回り方向に回転すると、駆動カム１６の作用力がカムローラー３０を介して揺動カムアーム２４に伝達される。これにより、揺動カムアーム２４が制御軸１８の軸心を中心として図２における反時計回り方向に回転する。また、揺動カムアーム２４の揺動に伴って、カムローラー３０がカムローラーホルダー２４ｂ内で転動する。揺動カムアーム２４が揺動し、揺動カム面２４ａとロッカーローラー２８との接触点（以下、「ロッカーローラー接触点」と称する）が非作用面２４ａ１から作用面２４ａ２に切り替わると、揺動カムアーム２４によってロッカーアーム２６が押し下げられ、吸気弁１２が開弁する。以下、説明の便宜上、非作用面２４ａ１と作用面２４ａ２との境界点を「リフト開始点」と称する。

作用面２４ａ２は、既述したように、非作用面２４ａ１から離れるにつれ揺動カムアーム２４の揺動中心（制御軸１８の軸中心）からの距離が次第に大きくなるように形成されている。このため、駆動カム１６の回転に伴って図２の反時計回り方向の揺動カムアーム２４の回転量が大きくなると、ロッカーアーム２６はより大きく押し下げられることになる。そして、駆動カム１６のカムノーズのピーク点がカムローラー３０と接触するタイミングにおいて、ロッカーアーム２６の押し下げ量が最大となる（すなわち、吸気弁１２のリフト量が最大リフト量に到達する）。駆動カム１６のカムノーズのピーク点を越えた後は、ロッカーアーム２６の押し下げ量が減少し始め、ロッカーローラー接触点がリフト開始点に戻ると、吸気弁１２が閉弁する。

また、本実施形態の可変動弁装置１０は、図４を参照して既述したように、２種類の第１、第２アクチュエータを備えている。本実施形態の可変動弁装置１０は、これらのアクチュエータを用いて吸気弁１２の開弁特性（最大リフト量、作用角および開き時期）を調整するものである。尚、吸気弁１２の閉じ時期は、作用角と開き時期が決まれば定まる値である。

より具体的には、第１モータ３８を回転駆動することにより、制御軸１８の回転角度（回転位置）を任意の角度に調整することができる。また、第２モータ４０を回転駆動することにより、自身の軸心を中心として偏心軸受４２が回転し、これにより、制御軸１８の軸心をロッカーローラー２８の軸心を中心として任意の位置に回転移動させることができる。以下、本明細書中においては、図２に示すように、ロッカーローラー２８の軸線に対する制御軸１８の軸心の回転角度を表す指標として、カム軸１４の軸方向から見て、ロッカーローラー２８の軸心を通る水平線（シリンダヘッドの上下面と平行な線）ａと、制御軸１８の軸心とロッカーローラー２８の軸心とを通る直線ｂとがなす「角度α」を用いることとする。また、制御軸１８の回転角度を表す指標として、カム軸１４の軸方向から見て、制御軸１８の軸心と中間アーム２２の揺動中心とを通る直線ｄと、制御軸１８の軸心とロッカーローラー２８の軸心とを通る直線ｂについての制御軸１８の軸線を通る垂線ｃとがなす「角度β」を用いることとする。付け加えると、ここでは、角度αは、制御軸１８の軸心位置が駆動カム１６に近づく方向に移動した場合に、大きくなる値として定義されている。

図５は、本発明の実施の形態１における内燃機関の運転領域に応じた可変動弁装置１０の開弁特性の設定、および当該設定時の可変動弁装置１０の制御状態を表した図である。図６は、内燃機関の運転領域との関係で図５に示す可変動弁装置１０の開弁特性の設定を表した図である。図７は、図５（Ａ）〜（Ｅ）の各図の制御状態において実現される吸気弁１２のリフトカーブを表した図である。尚、図５（Ａ）〜（Ｅ）のそれぞれにおける左側の図は、弁リフト０状態、すなわち、駆動カム１６のベース円部とカムローラー３０とが接触し、これにより、ロッカーローラー接触点が揺動カム面２４ａの非作用面２４ａ１に位置している状態を示している。また、図５（Ａ）〜（Ｅ）のそれぞれにおける右側の図は、弁リフトＭａｘ状態、すなわち、駆動カム１６のカムノーズのピーク点がカムローラー３０と接触し、吸気弁１２のリフト量が最大リフト量に到達した状態（ただし、弁停止状態である図５（Ｅ）を除く）を示している。

可変動弁装置１０を備える内燃機関では、ＥＣＵ４６が機関回転速度、要求負荷および冷却水温度等から、吸気弁１２の最大リフト量、作用角および開閉時期の適正値（目標値）を算出する。そして、ＥＣＵ４６は、当該目標値が得られるように、モータ３８、４０に駆動指令を発し、カムローラー３０の位置（角度β）と制御軸１８の軸心位置（角度α）を調整する。これにより、可変動弁装置１０は、内燃機関の運転状態に応じて、次の図５（Ａ）〜（Ｅ）に代表的に表したような吸気弁１２の開弁特性に制御される。

図５（Ａ）に示す制御状態は、上記角度α、βを調整して、図７に示すように、吸気弁１２の開弁特性を大作用角かつ中リフト量に制御した時のものである。このような開弁特性は、図６に示すように、内燃機関の部分負荷領域において使用されるものである。より具体的には、この場合の大作用角は、吸気弁１２の遅閉じによるアトキンソンサイクル化を狙った作用角であり、これにより、部分負荷時の燃料消費量の低減を図ることができる。また、この場合の中リフト量は、部分負荷時に、作用角を大きくしつつ最大リフト量を下げることによって、バルブスプリング３６のバネ力の低減による駆動損失の低減を狙ったリフト量である。これらの要因により、部分負荷時に省燃費を得るための最適な開弁特性を得ることができる。

図５（Ｂ）に示す制御状態は、上記角度α、βを調整して、図７に示すように、吸気弁１２の開弁特性を小作用角かつ低リフト量に制御した時のものである。このような開弁特性は、図６に示すように、低速トルクが要求される低回転高負荷領域において使用されるものである。この場合の小作用角によれば、図５（Ａ）の部分負荷時の大作用角制御時よりも、吸気弁１２の閉じ時期を早めることで内燃機関の実圧縮比を高めることで低速トルクを良好に確保できるようになる。

図５（Ｃ）に示す制御状態は、上記角度α、βを調整して、図７に示すように、吸気弁１２の開弁特性を中作用角かつ中リフト量に制御した時のものである。このような開弁特性は、図６に示すように、中速トルクが要求される中回転高負荷領域において使用されるものである。この場合の開弁特性によれば、図５（Ｂ）の低速トルク要求時のものと比べて、機関回転速度の上昇に応じて吸気弁１２の作用角およびリフト量を高めることにより、中速トルクを良好に確保できるようになる。

図５（Ｄ）に示す制御状態は、上記角度α、βを調整して、図７に示すように、吸気弁１２の開弁特性を中作用角かつ高リフト量に制御した時のものである。このような開弁特性は、図６に示すように、高出力が要求される高回転高負荷領域において使用されるものである。高回転高負荷領域では、体積効率向上のために、このような中作用角かつ高リフト量を用いることが最適である。

図５（Ｅ）に示す制御状態は、上記角度α、βを調整して、図７に示すように、吸気弁１２の開弁特性を閉弁位置での弁停止（休止）状態に制御した時のものである。このような開弁特性は、図６に示すように、高出力運転状態からの減速時にフューエルカットを行う場合に用いられる。減速時にフューエルカットが行われる場合に吸気弁１２を弁停止状態に制御することで、排気通路に配置される触媒への新気流入を防止して、触媒の劣化抑制を図ることができる。尚、部分負荷運転中の内燃機関において、スロットルバルブを全開とする加速が要求され、次いで、減速時にフューエルカットが行われる場合には、図５（Ａ）から図５（Ｅ）に向かう順番で、吸気弁１２の開弁特性が調整されることになる。

以上のように、本実施形態の可変動弁装置１０によれば、図５（Ａ）〜図５（Ｅ）に示す制御状態を得るべく、２つのモータ３８、４０を用いて上記角度α、βを調整することで、図７に示すように、吸気弁１２の開弁特性を高い可変自由度で調整することが可能となる。そして、図６に示すように各運転領域に応じた最適な吸気弁１２の開弁特性を得ることができるようになる。

次に、角度α、βの調整が可変動弁装置１０の各構成要素の体勢や位置の変化に与える影響について説明する。すなわち、可変動弁装置１０には、角度α、βの調整に伴って、各構成要素の体勢や位置に以下のような変化が生じ、その結果、吸気弁１２の最大リフト量、作用角および開き時期が変化することになる。

第１モータ３８による制御軸１８の回転角度の変更によって角度βが変化すると、制御アーム２０が回転し、制御軸１８の軸心を中心とする円弧上で中間アーム２２の揺動中心が変化する。その結果、カムローラーホルダー２４ｂ内のカムローラー３０の位置が変化する。より具体的には、図２に示す可変動弁装置１０の構成では、角度βが小さくなるほど、カムローラー３０は制御軸１８の軸心に近づく方向に変化する。

カムローラーホルダー２４ｂ内のカムローラー３０の位置が変化すると、揺動カムアーム２４の体勢（制御軸１８の軸心を中心とする回転角度）が変化する。その結果、吸気弁１２が閉弁している状態において揺動カム面２４ａの非作用面２４ａ１上にあるロッカーローラー接触点が変化する。また、カムローラーホルダー２４ｂ内のカムローラー３０の位置が変化すると、カムローラー３０と駆動カム１６との接触点が変化する。その結果、駆動カム１６がカムローラー３０を介して揺動カムアーム２４を揺動させ始めるタイミングが変化する。この揺動カムアーム２４の揺動開始タイミングの変化は、吸気弁１２の閉弁状態におけるロッカーローラー接触点の位置次第では、吸気弁１２の開き時期に影響を与えることになる。更に、カムローラーホルダー２４ｂ内のカムローラー３０の位置が変化すると、駆動カム１６からカムローラー３０への入力方向が変化し、かつ、揺動カムアーム２４の揺動中心（制御軸１８の軸心）に対するカムローラー３０の位置が変化するので、揺動カムアーム２４の揺動量および揺動速度が変化する。

一方、第２モータ４０による制御軸１８の軸心位置の調整によって角度αが変化した場合にも、駆動カム１６とカムローラー３０との接触点が変化する。その結果、角度βの変化の場合と同様に、駆動カム１６がカムローラー３０を介して揺動カムアーム２４を揺動させ始めるタイミングが変化する。この揺動カムアーム２４の揺動開始タイミングの変化は、吸気弁１２の閉弁状態におけるロッカーローラー接触点の位置次第では、吸気弁１２の開き時期に影響を与えることとなる。また、角度αの変化によって駆動カム１６とカムローラー３０との接触点が変化した場合にも、揺動カムアーム２４の体勢（制御軸１８の軸心を中心とする回転角度）が変化する。その結果、吸気弁１２が閉弁している状態において揺動カム面２４ａの非作用面２４ａ１上にあるロッカーローラー接触点が変化する。更に、角度αの変化によって駆動カム１６とカムローラー３０との接触点が変化した場合にも、駆動カム１６からカムローラー３０への入力方向が変化するので、揺動カムアーム２４の揺動量および揺動速度が変化する。

以上のような角度α、βの調整によって、吸気弁１２の閉弁状態において揺動カム面２４ａの非作用面２４ａ１上にあるロッカーローラー接触点が変わると、吸気弁１２の最大リフト量、作用角および開き時期が変化し得ることとなる。より具体的には、駆動カム１６がカムローラー３０を介して揺動カムアーム２４を揺動させ始めるタイミングが同じであるとすると、閉弁状態でのロッカーローラー接触点がリフト開始点に近いほど、吸気弁１２の開き時期が早くなる。また、揺動カムアーム２４の揺動量が同じであるとすると、閉弁状態でのロッカーローラー接触点がリフト開始点に近いほど、揺動カムアーム２４がロッカーアーム２６を押し下げる期間（すなわち、作用角）および最大押し下げ量（すなわち、最大リフト量）が大きくなる。また、閉弁状態でのロッカーローラー接触点が同じであるとすると、揺動カムアーム２４の揺動量が大きいほど、揺動カムアーム２４がロッカーアーム２６を押し下げる期間（すなわち、作用角）およびその最大押し下げ量（すなわち、最大リフト量）が大きくなる。更に、閉弁状態でのロッカーローラー接触点が同じであり、かつ揺動カムアーム２４の揺動量も同じであるとすると、揺動カムアーム２４の揺動速度が高いほど、揺動カムアーム２４によるロッカーアーム２６の最大押し下げ量（すなわち、最大リフト量）は変わらないが、揺動カムアーム２４がロッカーアーム２６を押し下げる期間（すなわち、作用角）が小さくなる。更にまた、閉弁状態でのロッカーローラー接触点がリフト開始点から十分に離れた位置となるように角度α、βが調整されていると、揺動カムアーム２４の揺動動作時にロッカーローラー接触点が非作用面２４ａ１から作用面２４ａ２に移行しない制御状態（図５（Ｅ））が得られる。この場合には、揺動している揺動カムアーム２４によってロッカーアーム２６が押し下げられることがないので、吸気弁１２は閉弁位置で弁停止状態となる。

次に、図８および図９を新たに参照して、図５（Ａ）〜（Ｅ）に示す５つの制御状態に着目して、角度α、βの調整と、吸気弁１２の最大リフト量、作用角および開き時期の変化との関係について詳述する。

図８は、図１に示す可変動弁装置１０において、角度α、βの調整に伴う吸気弁１２の最大リフト量および作用角の変化をそれぞれ３次元的に表した図である。
図１等に示される各構成要素の配置、形状が用いられている可変動弁装置１０では、図８に示すように、角度α、βの変化に応じて、吸気弁１２の最大リフト量および作用角が変化する。尚、図８に示すように、角度αが小さく、かつ角度βが大きい領域では、吸気弁１２が常時開となる。

図９は、図８に示す関係を、角度αを横軸にして２次元化して表した図である。
図９（Ａ）より、図１等に示す構成の可変動弁装置１０の場合には、角度βの変化にはあまり影響を受けずに、角度αが小さくなるほど（すなわち、揺動カムアーム２４の揺動中心である制御軸１８の軸心の位置が駆動カム１６から離れるほど）、吸気弁１２の最大リフト量が大きくなる傾向にあることが分かる。このように、本可変動弁装置１０の構成の場合には、吸気弁１２の最大リフト量は、主に角度αに依存して変化することが分かる。

図９（Ｂ）より、図１等に示す構成の可変動弁装置１０の場合には、角度αが小さくなるにつれ、途中まではそれに伴い作用角が大きくなるが、その後、角度αが小さくなるにつれ、作用角が減少する傾向にあることが分かる。また、図９（Ｂ）より、角度αが大きい側と小さい側とで、角度βの変化に対する作用角の変化の方向が逆になることが分かる。このように、本可変動弁装置１０の構成の場合には、吸気弁１２の作用角は、角度α、βの双方に依存して変化することが分かる。

ここでは図示していないが、吸気弁１２の開き時期は、角度α、βに依存して変化する。また、吸気弁１２の開き時期は、作用角との相互依存性が強い（図１等に示す構成では、作用角が大きい時に開き時期が早くなる）。その結果、作用角を狙い値に設定しようとした際に、開き時期を狙い値に設定できない場合が生じ得る。そのような場合には、可変動弁装置１０に対して、クランク軸の回転位相に対するカム軸１４の回転位相を調整可能とする位相可変装置（可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構）を別途備えるようにし、当該位相可変装置を用いて吸気弁１２の開き時期を狙い値に調整するようにしてもよい。

尚、図９（Ａ）、（Ｂ）における、角度α、βの変化に伴う最大リフト量および作用角の変化の仕方は、可変動弁装置１０の各構成要素の配置や形状により異なるものとなる。ここでいう「配置」には、カム軸１４に対する制御軸１８の配置などが該当する。また、ここでいう「形状」には、カムローラーホルダー２４ｂの形状（すなわち、カムローラー３０の移動軌跡）や揺動カム面２４ａの作用面２４ａ２の形状などが該当する。

以上のように、本実施形態の可変動弁装置１０によれば、主に角度αを調整することで、吸気弁１２の最大リフト量を調整することができ、角度α、βを調整することで、吸気弁１２の作用角および開き時期を調整することができる。そして、本実施形態では、図８、９に示すように、角度α、βの値に応じて変化する吸気弁１２の最大リフト量および作用角の中から、Ａ〜Ｅの各点を選択し、図７に示すリフトカーブが得られるようにしている。

本実施形態の可変動弁装置１０は、以上説明したように、カムローラー３０の位置を調整可能な（第１モータ３８を利用した）アクチュエータに加え、ロッカーローラー２８の軸心を中心とする円弧上で制御軸１８の軸心を移動させることが可能な（第２モータ４０を利用した）アクチュエータを備えている。これにより、本可変動弁装置１０には、特に、角度αが小さくなるほど（制御軸１８の軸心の位置が駆動カム１６から離れるほど）、図９（Ａ）に示すように吸気弁１２の最大リフト量が大きくなり、かつ、図９（Ｂ）に示すように吸気弁１２の作用角が一旦大きくなった後に小さくなるという設定が備わっている。このような設定を有する本可変動弁装置１０において、図９に示すように、角度αの減少に伴う最大リフト量の増加と連動して作用角がほぼ最大値を示すＡ点と、Ａ点よりも角度αが小さくなる点であってＡ点よりも作用角が小さくなるＤ点とを選択することにより、次のような開弁特性を実現することができる。すなわち、本可変動弁装置１０によれば、最大リフト量と作用角とが常に連動して大きくなるのではなく、作用角を大きくしつつ、最大リフト量が小さくなる制御状態（すなわち、図５（Ａ）に示す大作用角中リフト）を実現することが可能となる。これにより、図６を参照して既述したように、高出力運転時に適した吸気弁１２の開弁特性（中作用角高リフト量）を得られるようにしつつ、部分負荷運転時に大作用角中リフト量が得られるようにすることができる。このため、内燃機関の出力性能を高く確保しつつ、部分負荷時の燃費向上を図ることのできる吸気弁１２の開弁特性の変更を実現することができる。

また、以上の構成を有する可変動弁装置１０によれば、油圧式ラッシュアジャスタ３４とロッカーアーム２６に可変構造を設ける必要がないので、これらの構成要素を、従来からの一般的な構造の踏襲によってコンパクトかつ低コストに使用することができる。更に、上記可変動弁装置１０の構成によれば、制御軸の回転位置の調整機能のみを有し、制御軸の軸心位置の調整機能を有しない構成の可変動弁装置と比べ、偏心軸受４２および第２モータ４０に関する構成を搭載するためのシリンダヘッドの小改造を行うだけで、内燃機関への搭載が可能となる。

ところで、上述した実施の形態１においては、第１モータ３８を用いて制御軸１８を周方向に回転駆動することで、制御アーム２０および中間アーム２２を介して、揺動カムアーム２４上のカムローラー３０の位置を変化させる第１アクチュエータを備えるようにしている。しかしながら、本発明における第１アクチュエータは、上記のものに限定されるものではない。すなわち、制御軸の軸方向の位置変化に応じて揺動部材上の接触部材の位置が変化することで揺動部材の体勢を変化させる可変機構を備えている場合には、第１アクチュエータは、制御軸を軸方向に往復的に駆動する駆動手段（例えば、モータ）を用いるものであってもよい。

また、上述した実施の形態１においては、揺動カム面２４ａに接触するロッカーローラー２８を備えるロッカーアーム２６を備え、また、駆動カム１６と揺動カムアーム２４との双方に接触するカムローラー３０を備えるようにしている。これにより、各接触面での摩擦を良好に低減することができる。しかしながら、本発明におけるロッカーアームの円筒部および接触部材は、必ずしもロッカーローラー２８やカムローラー３０のようにローラーとして構成されたものである必要はない。

尚、上述した実施の形態１においては、揺動カムアーム２４が前記第１の発明における「揺動部材」に、カムローラー３０が前記第１の発明における「接触部材」に、ロッカーアーム２６の中央部に回転自在に取り付けられたロッカーローラー２８が前記第１の発明における「円筒部」に、制御アーム２０、中間アーム２２、カムローラーホルダー２４ｂ、連結軸３２および第１モータ３８が前記第１の発明における「第１アクチュエータ」に、第２モータ４０および偏心軸受４２が前記第１の発明における「第２アクチュエータ」に、それぞれ相当している。

１０ 可変動弁装置
１２ 吸気弁
１４ カム軸
１６ 駆動カム
１８ 制御軸
２０ 制御アーム
２０ａ 制御アームの円筒部
２２ 中間アーム
２４ 揺動カムアーム
２４ａ 揺動カムアームの揺動カム面
２４ａ１ 揺動カム面の非作用面
２４ａ２ 揺動カム面の作用面
２４ｂ カムローラーホルダー
２６ ロッカーアーム
２８ ロッカーローラー
３０ カムローラー
３２ 連結軸
３４ 油圧式ラッシュアジャスタ
３６ バルブスプリング
３８ 第１モータ
３８ａ 第１モータの出力軸
４０ 第２モータ
４０ａ 第２モータの出力軸
４２ 偏心軸受
４４ モータブラケット
４６ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)

Claims (3)

1. 回転駆動される駆動カムと、
   揺動中心からの距離が一定となるように形成された非作用面と、当該非作用面と連続して設けられ当該非作用面から離れるにつれ前記揺動中心からの距離が次第に大きくなるように形成された作用面とを含む揺動カム面を有し、前記駆動カムの回転に同期して揺動する揺動部材と、
   前記揺動部材を揺動自在に支持する制御軸と、
   前記駆動カムと前記揺動部材との間に介在し、前記駆動カムとの接触が維持された状態で当該駆動カムの回転に伴って前記揺動部材上を移動する接触部材と、
   前記揺動カム面に接触する円筒部を有し、当該円筒部と接触する前記揺動カム面が前記作用面となる場合に前記揺動部材の揺動動作に連動して揺動し、前記駆動カムの作用力をバルブに伝達するロッカーアームと、
   前記制御軸を周方向もしくは軸方向に駆動することで、前記揺動部材上の前記接触部材の位置を変化させる第１アクチュエータと、
   前記バルブが閉弁状態にある時の前記ロッカーアームの前記円筒部の軸心を中心とする円弧上を前記制御軸の軸心が移動するように前記制御軸を駆動する第２アクチュエータと、
   を備えることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
2. 前記バルブが閉弁状態にある時の前記ロッカーアームの前記円筒部の軸心と一致し、かつ前記制御軸の軸心から偏心した位置にある軸心を有し、前記制御軸を支持する偏心軸受を更に備え、
   前記第２アクチュエータは、前記偏心軸受の軸心を中心として当該偏心軸受を回転駆動するものであることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の可変動弁装置。
3. 前記第２アクチュエータの作動に伴って前記制御軸の軸心が前記駆動カムから離れることに伴い、前記バルブの最大リフト量が大きくなり、かつ、前記バルブの作用角が一旦大きくなった後に小さくなる設定を有することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の可変動弁装置。

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