JP2012255351A - 内燃機関の可変動弁機構 - Google Patents

Abstract

【課題】制御軸に設けられた検出片の検出精度を向上させることのできる内燃機関の可変動弁機構を提供する。
【解決手段】この可変動弁機構は、機関バルブのバルブ特性を変更する可変機構部とこの可変機構部を動作させるための駆動部とを備え、可変機構部の制御軸３４０と駆動部の出力軸２２１とが連結されており、制御軸３４０の外周面には、制御軸３４０の移動をセンサにて検出するための検出片が設けられている。制御軸３４０にはその軸の軸心に向かって縮径するテーパ面３４５ａを有したフランジ３４５を設けるとともに、出力軸２２１にはフランジ３４５のテーパ面３４５ａに対応して当接するテーパ面１８１ａを有したコネクタ１８０を設ける。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の可変動弁機構に関するものである。

特許文献１に記載されているように、吸気バルブや排気バルブといった機関バルブのバルブ特性を機関運転状態に応じて変更する可変動弁機構が知られている。この可変動弁機構は、機関バルブのバルブ特性を変更する可変機構部と、この可変機構部を動作させるための駆動部とを備えており、可変機構部の制御軸と駆動部の出力軸とが連結されている。そして、制御軸を移動させることによってバルブ特性を変更するようにしている。また、同文献１に記載の装置では、制御軸の移動をセンサで検出するために、当該制御軸の外周面にセンサ用の検出片を設けるようにしている。

特開２００９−１９７７６６号公報

ここで、可変機構部の制御軸と駆動部の出力軸との連結部においてがたつきが生じていると、制御軸もがたついてしまうため、検出片とセンサとの相対位置が不安定になり、その結果、センサによる検出片の検出精度が低下するおそれがある。

この発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、制御軸に設けられた検出片の検出精度を向上させることのできる内燃機関の可変動弁機構を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、機関バルブのバルブ特性を変更する可変機構部と同可変機構部を動作させるための駆動部とを備え、前記可変機構部の制御軸と前記駆動部の出力軸とが連結されており、前記制御軸の外周面には同制御軸の移動をセンサにて検出するための検出片が設けられている内燃機関の可変動弁機構であって、前記制御軸と前記出力軸とは、調心機構を介して連結されていることをその要旨とする。

同構成によれば、制御軸と出力軸とが調心機構を介して連結されているため、制御軸の軸心と出力軸の軸心とが一致するように作用する付勢力が制御軸には作用する。この付勢力によって制御軸のがたつきが抑えられるため、検出片とセンサとの相対位置は安定するようになり、その結果、センサによる検出片の検出精度を向上させることができるようになる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の可変動弁機構において、前記調心機構は、前記制御軸と前記出力軸との接触面がテーパ形状とされることにより構成されていることをその要旨とする。

同構成によれば、制御軸と出力軸との接触面がテーパ形状とされることにより、制御軸の軸心と出力軸の軸心とを一致させる付勢力を制御軸及び出力軸に作用させることができる。従って、上記調心機構を簡易な構成にて具現化することができる。

上記調心機構のより具体的な構成としては、請求項３に記載の発明によるように、前記制御軸及び前記出力軸のいずれか一方には当該軸の軸心に向かって縮径するテーパ面を有したフランジが設けられており、他方には前記フランジのテーパ面に対応して当接するテーパ面を有した連結部材が設けられている、という構成を採用することができる。

本発明にかかる内燃機関の可変動弁機構を具体化した一実施形態にあって、これが適用されるエンジンのシリンダヘッド周りの構造を示す断面図。 同実施形態における可変動弁機構の破断斜視図。 同実施形態における可変動弁機構の可変機構部、駆動部、及び制御装置を示す模式図。 同実施形態における制御軸と出力軸との接続部の構造を示す断面図。

以下、この発明にかかる内燃機関の可変動弁機構を具体化した一実施形態について、図１〜図４を参照して説明する。
図１に示されるように、内燃機関の機関本体１は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０の上方に載置されたシリンダヘッド２０とを備えている。

シリンダブロック１０の内部に形成された円筒状のシリンダ１１には、ピストン１２が摺動可能に収容されている。シリンダブロック１０の上部にはシリンダヘッド２０が組み付けられており、シリンダ１１の内周面、ピストン１２の上面及びシリンダヘッド２０の下面によって燃焼室１３が区画形成されている。

シリンダヘッド２０には、燃焼室１３に連通する吸気ポート２１及び排気ポート２２が形成されている。吸気ポート２１は吸気通路３０の一部を構成している。また、排気ポート２２は排気通路４０の一部を構成している。

吸気ポート２１には、同吸気ポート２１と燃焼室１３とを連通・遮断する吸気バルブ３１が設けられている。排気ポート２２には、同排気ポート２２と燃焼室１３とを連通・遮断する排気バルブ４１が設けられている。各バルブ３１、４１はバルブスプリング２４によって閉弁方向に付勢されている。

また、シリンダヘッド２０の内部には、各バルブ３１、４１に対応してラッシュアジャスタ２５が設けられている。そして、このラッシュアジャスタ２５と各バルブ３１、４１との間にはロッカアーム２６が架設されている。ロッカアーム２６は、一端がラッシュアジャスタ２５に支持されており、他端が各バルブ３１、４１の端部に当接されている。

更に、シリンダヘッド２０には、各バルブ３１、４１を駆動する吸気カムシャフト３２及び排気カムシャフト４２がそれぞれ回動可能に支持されている。吸気カムシャフト３２には吸気カム３２ａが形成されており、排気カムシャフト４２には排気カム４２ａが形成されている。排気カム４２ａの外周面は、排気バルブ４１に当接しているロッカアーム２６のローラ２６ａに当接されている。これにより、機関運転中において、図１に矢印で示す方向に排気カムシャフト４２が回転すると、排気カム４２ａの作用により、ラッシュアジャスタ２５によって支持された部分を支点としてロッカアーム２６が揺動する。そしてロッカアーム２６の揺動により、排気バルブ４１が開弁方向にリフトされる。

一方、吸気バルブ３１に当接するロッカアーム２６と吸気カム３２ａとの間には、吸気バルブ３１のバルブ特性を変更する可変動弁機構の一部を構成する可変機構部３００が設けられている。この可変機構部３００は入力アーム３１１と出力アーム３２１とを有しており、これら入力アーム３１１及び出力アーム３２１はシリンダヘッド２０に固定された支持パイプ３３０を中心に揺動可能に支持されている。ロッカアーム２６は、バルブスプリング２４の付勢力によって出力アーム３２１側に付勢され、同ロッカアーム２６の中間部分に設けられたローラ２６ａが出力アーム３２１の外周面に当接されている。

また、可変機構部３００の外周面には凸部３１３が設けられており、この凸部３１３には、シリンダヘッド２０内に固定されたスプリング５０の付勢力が作用する。このスプリング５０の付勢力により、入力アーム３１１の先端に設けられたローラ３１１ａが吸気カム３２ａの外周面に当接している。これにより、機関運転中において、図１に矢印で示す方向に吸気カム３２ａが回転すると、吸気カム３２ａの作用により、可変機構部３００は支持パイプ３３０を中心に揺動する。そして、出力アーム３２１によってロッカアーム２６が押圧されることにより、ラッシュアジャスタ２５によって支持されている部分を支点としてロッカアーム２６が揺動する。このロッカアーム２６の揺動により、吸気バルブ３１は開弁方向にリフトされる。

上記支持パイプ３３０には、その軸方向に沿って移動可能な制御軸３４０が挿入されている。可変機構部３００は、制御軸３４０を軸方向に変位させることにより、支持パイプ３３０を中心とした入力アーム３１１と出力アーム３２１との相対位相差、即ち図１に示す角度θを変更する。

次に、図２を参照して、可変機構部３００の構成を更に詳しく説明する。
図２に示されるように、シリンダヘッド２０に固定された支持パイプ３３０の内部には、制御軸３４０が軸方向に移動可能に挿入されている。また、支持パイプ３３０には円筒状のスライダ３５０が軸方向に移動可能に外嵌されている。

この円筒状のスライダ３５０の内壁には、その周方向に沿って延伸する溝３５３が形成されている。そして、この溝３５３には、制御軸３４０に形成された凹部に基端部が挿入された係止ピン３４１が嵌合されている。また、支持パイプ３３０の管壁には、その軸方向に延伸する長孔３３１が形成されており、係止ピン３４１はこの長孔３３１を通じてスライダ３５０の溝３５３に係止されている。これによりスライダ３５０は、支持パイプ３３０及び制御軸３４０を中心に自由に揺動し、且つ制御軸３４０の軸方向の変位に連動して移動可能にされている。

また、スライダ３５０の外周面には、その中央部分にヘリカルスプライン３５１が形成されるとともに、その両端部分にはヘリカルスプライン３５１と歯すじが逆向きに傾斜したヘリカルスプライン３５２が形成されている。

このスライダ３５０には、図２に示されるように入力部３１０と、これを挟むように配設される一対の出力部３２０とが外嵌されている。入力部３１０の内周面には、ヘリカルスプライン３１２が形成されており、このヘリカルスプライン３１２がスライダ３５０のヘリカルスプライン３５１と噛合している。また、入力部３１０の外周面には、制御軸３４０の径方向に突出する一対の入力アーム３１１が形成されており、これら一対の入力アーム３１１の間にはローラ３１１ａが回動自在に支持されている。

一方、一対の出力部３２０の内周面にはヘリカルスプライン３２２が形成されており、このヘリカルスプライン３２２がスライダ３５０のヘリカルスプライン３５２とそれぞれ噛合している。また、出力部３２０の外周面には、制御軸３４０の径方向に突出する出力アーム３２１がそれぞれ形成されている。

このように構成された可変機構部３００では、制御軸３４０が軸方向に沿って変位すると、これに連動してスライダ３５０が軸方向に変位する。スライダ３５０の外周面に形成されたヘリカルスプライン３５１、３５２は、歯すじの形成方向がそれぞれ異なっており、入力部３１０及び出力部３２０の内周面に形成されたヘリカルスプライン３１２，３２２とそれぞれ噛合されている。そのため、スライダ３５０が軸方向に変位すると、入力部３１０と出力部３２０はそれぞれ逆の方向に回動する。その結果、入力アーム３１１と出力アーム３２１との相対位相差が変更され、吸気バルブ３１の最大リフト量及び開弁期間が変更される。具体的には、図２に示す矢印Ｈｉ方向に制御軸３４０を変位させると、制御軸３４０とともにスライダ３５０がＨｉ方向に移動する。これに伴って入力アーム３１１と出力アーム３２１との相対位相差、即ち図１に示す角度θが大きくなり、吸気バルブ３１の最大リフト量ＶＬ及び開弁期間ＩＮＣＡＭが大きくなる。一方、図２に示される矢印Ｌｏ方向に制御軸３４０を変位させると、制御軸３４０とともにスライダ３５０がＬｏ方向に移動するのに伴って入力アーム３１１と出力アーム３２１との相対位相差が小さくなり、吸気バルブ３１の最大リフト量ＶＬ及び開弁期間ＩＮＣＡＭが小さくなる。

本実施形態の内燃機関では、このように吸気バルブ３１の最大リフト量ＶＬ及び開弁期間ＩＮＣＡＭが変更されることにより吸入空気量ＧＡが調量される。
次に、図３を参照して、可変機構部３００の制御軸３４０を軸方向に変位させる駆動源である駆動部２００、及び駆動部２００の制御態様を説明する。

図３に示されるように、駆動部２００は、電動式のモータ２１０と、モータ２１０の回転運動を直線運動に変換して出力する出力軸２２１を有した変換機構２２０とを備えている。なお、本実施形態では、モータ２１０としてＤＣブラシレスモータが採用されている。

制御軸３４０の先端部と出力軸２２１の先端部とは、コネクタ１８０を介して連結されている。これにより、モータ２１０を所定の範囲、例えば１０回転分の回転角範囲（０〜３６００°）内で回転させると、モータ２１０の回転運動が変換機構２２０の出力軸２２１を通じて直線運動に変換されて制御軸３４０に伝達され、制御軸３４０が軸方向に変位して可変機構部３００が駆動される。

因みに、モータ２１０を逆回転させると、制御軸３４０は、図３に示す矢印Ｈｉ方向に移動し、上述したように可変機構部３００の入力アーム３１１と出力アーム３２１との相対位相差が大きくなる。一方、モータ２１０を正回転させると、制御軸３４０は図３に示すように矢印Ｌｏ方向に移動し、入力アーム３１１と出力アーム３２１との相対位相差が小さくなる。

なお、可変機構部３００では、バルブスプリング２４からの反力により、入力アーム３１１と出力アーム３２１との相対位相差が小さくなる方向に力が作用する。この力によってスライダ３５０には、駆動部２００から離れる方向に移動しようとする力が働き、同スライダ３５０を介して制御軸３４０には、駆動部２００から離れる方向に移動させようとする付勢力が作用する。

制御軸３４０の矢印Ｈｉ方向への移動及び矢印Ｌｏ方向への移動は、制御軸３４０に設けられた図示しないストッパによって所定の範囲内で規制されるようになっており、このストッパによって規制される位置が制御軸３４０の可動限界位置となっている。

このように駆動部２００を駆動して制御軸３４０をその軸方向に変位させることにより吸気バルブ３１の最大リフト量ＶＬ及び開弁期間ＩＮＣＡＭは、制御軸３４０の軸方向の位置に対応して変化する。また、制御軸３４０の軸方向の位置は、駆動部２００の駆動量、より詳しくはモータ２１０の回転角に対応して変化する。

駆動部２００には、モータ２１０の相対回転角を検出する回転角センサＳ１が設けられている。
回転角センサＳ１は、可変動弁機構の駆動制御、換言すればモータ２１０の回転駆動制御を行うモータ用制御装置１５０に接続されている。このモータ用制御装置１５０では、上記可動限界位置を基準位置とし、この基準位置とセンサＳ１で検出される相対回転角とに基づいてモータ２１０の絶対回転角が算出される。この絶対回転角は、可動限界位置からの制御軸３４０の位置と一致するため、同絶対回転角に基づいて制御軸３４０の軸方向の位置を示すストローク値Ｓが算出される。

そして、モータ用制御装置１５０は、モータ２１０の回転量を調整することにより制御軸３４０の軸方向の位置を変更する。
また、制御軸３４０の近傍には、制御軸３４０の移動を検出するシャフトセンサ５００が設置されている。シャフトセンサ５００は、制御軸３４０の外周面に設けられたターゲット４００（検出片）の通過を非接触で検出するものであり、検出素子としてホール素子が内蔵されている。そして、シャフトセンサ５００の下をターゲット４００が移動するときのホール素子の出力波形に対して所定の信号処理が施されることにより、シャフトセンサ５００からは、ターゲット４００が予め定められた特定位置に来たときにエッジ出力が発生される。このシャフトセンサ５００からのエッジ出力に基づき、モータ用制御装置１５０は、制御軸３４０が正常に移動していることを検出する。

モータ用制御装置１５０で算出された上記ストローク値Ｓは、機関用制御装置１００に入力される。この機関用制御装置１００には、例えば以下のような各種センサが接続されている。

・車両の運転者によって踏み込み操作されるアクセルペダルの踏み込み量（アクセル操作量ＡＣＣＰ）を検出するアクセルセンサ１１１。
・内燃機関の吸気通路３０に設けられたスロットルバルブの開度（スロットル開度ＴＡ）を検出するスロットルセンサ１１２。

・上記吸気通路３０を介して燃焼室１３に吸入される空気の量、すなわち吸入空気量ＧＡを検出するエアフロメータ１１３。
・内燃機関のクランクシャフトの回転角を検出するクランク角センサ１１４。

・内燃機関の冷却水の温度を検出する水温センサ１１５。
機関用制御装置１００は、各種センサから出力された信号等に基づいて機関運転状態を把握する。そして、その把握した機関運転状態に基づいて燃料噴射制御や点火時期制御といった各種機関制御を行う。

また、機関用制御装置１００は、上記可変機構部３００及び上記駆動部２００とで構成される可変動弁機構の駆動制御も行う。具体的には、機関用制御装置１００は、上記ストローク値Ｓに基づいて吸気バルブ３１の最大リフト量ＶＬの現状値を算出する。また、同機関用制御装置１００は、機関運転状態に基づいて最大リフト量ＶＬの目標値である目標最大リフト量ＶＬｐを算出する。この目標最大リフト量ＶＬｐは、モータ用制御装置１５０に入力され、同モータ用制御装置１５０では、目標最大リフト量ＶＬｐに対応する目標ストローク値Ｓｐが算出される。そして、実際のストローク値Ｓが目標ストローク値Ｓｐと一致するようにモータ２１０の回転駆動制御が行われることにより、実際の最大リフト量ＶＬが目標最大リフト量ＶＬｐに向けて変更される。

ところで、上述したように、モータ用制御装置１５０は、シャフトセンサ５００によるターゲット４００の検出を通じて、制御軸３４０が正常に移動していることを検出する。
ここで、制御軸３４０の端部と出力軸２２１の端部とが接続されるコネクタ１８０においてがたつきが生じていると、制御軸３４０が本来の軸心位置に対してがたついてしまうため、ターゲット４００とシャフトセンサ５００との相対位置が不安定になり、ターゲット４００の検出精度が低下するおそれがある。

そこで、本実施形態では、そのような検出精度の低下を抑えるべく、制御軸３４０と出力軸２２１とを、調心機構を介して連結するようにしている。以下、その調心機構の構造について、図４を参照しつつ説明する。

図４に示すように、制御軸３４０の端部には、テーパ面３４５ａを有したフランジ３４５が設けられている。このテーパ面３４５ａは、制御軸３４０の軸心に向かって縮径している、つまりテーパ面３４５ａの中心軸は制御軸３４０の軸心と一致している。そして、テーパ面３４５ａの縮径方向は可変機構部３００の配設側であり、逆にいえば、テーパ面３４５ａは制御軸３４０の端部方向に向かって拡径されている。

出力軸２２１と制御軸３４０とは、連結部材としてのコネクタ１８０によって連結されている。このコネクタ１８０と出力軸２２１の端部とはピン１９０で固定されている。またコネクタ１８０の内部には、上記フランジ３４５よりも大きな空間１８１が形成されており、同空間１８１内にフランジ３４５が挿入される。そして、空間１８１を構成する壁面のうち、制御軸３４０側にある壁面は、フランジ３４５のテーパ面３４５ａが当接する面、つまりテーパ面３４５ａに対応して当接するテーパ面１８１ａとして形成されており、このテーパ面１８１ａとフランジ３４５のテーパ面３４５ａとは、同じテーパ角をもって形成されている。

次に、テーパ面１８１ａ及びテーパ面３４５ａで構成される上記調心機構の作用を説明する。
まず、上述したように、制御軸３４０には、バルブスプリング２４からの反力に起因した上記付勢力、すなわち制御軸３４０を駆動部２００から離間させる方向に作用する付勢力が作用するため、フランジ３４５のテーパ面３４５ａはコネクタ１８０のテーパ面１８１ａに押し付けられる。そして、制御軸３４０と出力軸２２１とは、上記テーパ面３４５ａとテーパ面１８１ａとで接触する。このように制御軸３４０と出力軸２２１との接触面がテーパ形状となっているため、制御軸３４０の軸心と出力軸２２１の軸心とを一致させようとする付勢力が制御軸３４０及び出力軸２２１に作用する。この制御軸３４０に作用する付勢力によって当該制御軸３４０のがたつきが抑えられるようになるため、ターゲット４００とシャフトセンサ５００との相対位置が安定するようになり、その結果、シャフトセンサ５００によるターゲット４００の検出精度が向上するようになる。

以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
（１）制御軸３４０と出力軸２２１とを調心機構を介して連結するようにしている。このように制御軸３４０と出力軸２２１とが調心機構を介して連結されているため、制御軸３４０の軸心と出力軸２２１の軸心とが一致するように作用する付勢力が制御軸３４０には作用する。この付勢力によって制御軸３４０のがたつきが抑えられるため、ターゲット４００とシャフトセンサ５００との相対位置が安定するようになり、シャフトセンサ５００によるターゲット４００の検出精度が向上するようになる。

（２）上記調心機構は、制御軸３４０と出力軸２２１との接触面をテーパ形状とすることで構成している。より詳細には、制御軸３４０にはその軸の軸心に向かって縮径するテーパ面３４５ａを有したフランジ３４５を設けるようにしており、出力軸２２１にはフランジ３４５のテーパ面３４５ａに対応して当接するテーパ面１８１ａを有したコネクタ１８０を設けるようにしている。このように制御軸３４０と出力軸２２１との接触面をテーパ形状とすることにより、制御軸３４０の軸心と出力軸２２１の軸心とを一致させる付勢力を制御軸３４０及び出力軸２２１に作用させることができる。従って、上記調心機構を簡易な構成にて具現化することができるようになる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
・コネクタ１８０のテーパ面１８１ａとフランジ３４５のテーパ面３４５ａとのテーパ角を異ならせるようにしてもよい。

・出力軸２２１側にコネクタ１８０を設けるとともに制御軸３４０側にフランジ３４５を設けるようにしたが、これとは逆に、出力軸２２１側にフランジ３４５を設けるとともに制御軸３４０側にコネクタ１８０を設けるようにしてもよい。

・シャフトセンサ５００はホール素子を備えるセンサであったが、この他の検出素子を備えるものでもよい。例えば、電磁ピックアップコイルやＭＲ（磁気抵抗）素子を備えるセンサでもよい。

・調心機構として制御軸３４０と出力軸２２１との接触面をテーパ形状とするようにしたが、この他の態様で調心機構を具体化してもよい。
・上記可変動弁機構は機関バルブの最大リフト量及び開弁期間を変更可能な機構であった。この他、機関バルブの最大リフト量のみ、あるいは機関バルブの開弁期間のみを変更可能な機構であっても本発明は同様に適用することができる。

・上記可変動弁機構が排気バルブ４１のバルブ特性を変更するものであっても本発明は同様に適用することができる。

１：機関本体、１０：シリンダブロック、１１：シリンダ、１２：ピストン、１３：燃焼室、２０：シリンダヘッド、２１：吸気ポート、２２：排気ポート、２４：バルブスプリング、２５：ラッシュアジャスタ、２６：ロッカアーム、２６ａ：ローラ、３０：吸気通路、３１：吸気バルブ、３２：吸気カムシャフト、３２ａ：吸気カム、４０：排気通路、４１：排気バルブ、４２：排気カムシャフト、４２ａ：排気カム、５０：スプリング、１００：機関用制御装置、１１１：アクセルセンサ、１１２：スロットルセンサ、１１３：エアフロメータ、１１４：クランク角センサ、１１５：水温センサ、１５０：モータ用制御装置、１８０：コネクタ、１８１：空間、１８１ａ：テーパ面、１９０：ピン、２００：駆動部、２１０：モータ、２２０：変換機構、２２１：出力軸、３００：可変機構部、３１０：入力部、３１１：入力アーム、３１１ａ：ローラ、３１２：ヘリカルスプライン、３１３：凸部、３２０：出力部、３２１：出力アーム、３２２：ヘリカルスプライン、３３０：支持パイプ、３３１：長孔、３４０：制御軸、３４１：係止ピン、３４５：フランジ、３４５ａ：テーパ面、３５０：スライダ、３５１：ヘリカルスプライン、３５２：ヘリカルスプライン、３５３：溝、４００：ターゲット（検出片）、５００：シャフトセンサ。

Claims (3)

1. 機関バルブのバルブ特性を変更する可変機構部と同可変機構部を動作させるための駆動部とを備え、前記可変機構部の制御軸と前記駆動部の出力軸とが連結されており、前記制御軸の外周面には同制御軸の移動をセンサにて検出するための検出片が設けられている内燃機関の可変動弁機構であって、
   前記制御軸と前記出力軸とは、調心機構を介して連結されている
   ことを特徴とする内燃機関の可変動弁機構。
2. 前記調心機構は、前記制御軸と前記出力軸との接触面がテーパ形状とされることにより構成されている
   請求項１に記載の内燃機関の可変動弁機構。
3. 前記制御軸及び前記出力軸のいずれか一方には当該軸の軸心に向かって縮径するテーパ面を有したフランジが設けられており、他方には前記フランジのテーパ面に対応して当接するテーパ面を有した連結部材が設けられている
   請求項２に記載の内燃機関の可変動弁機構。

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