JP2013044282A - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】全てのリフト位置でモータ停止時に制御軸の回転位置を保持し易くし、可変動弁制御を正確に行えるようにする。
【解決手段】電動モータ８からウォームシャフト７１とウォームホイール７２とからなる減速機構７０を介して制御シャフト２８を所定角度範囲内で回転させ、当該制御シャフト２８の回転位置に応じて吸気バルブの開閉量を可変制御する内燃機関の可変動弁装置であって、ワンウェイクラッチ８７を備えたフリクション付加装置８０によって、吸気バルブの低リフト側への回転時にのみ、ウォームシャフト７１にフリクションが付加されるようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、吸気バルブあるいは排気バルブの開閉時期やバルブリフト量を変更する内燃機関の可変動弁装置に関する。

近年、吸気バルブや排気バルブの開閉時期やバルブリフト量を変化させる可変動弁装置を備えたエンジン（内燃機関）が増加してきている。可変動弁装置は、例えばカムシャフトに備えられたカムとバルブとの間にロッカアームを備え、ロッカアームを介してカムによりバルブを駆動する構造の動弁装置において、ロッカアームの揺動中心を移動させることでバルブの開閉時期やバルブリフト量を変更可能としている。ロッカアームの揺動中心は、例えば制御軸の回転駆動により変更可能であって、制御軸は電動モータにより、減速機構を介して所定角度範囲内で回転可能な構成となっている。

このように、減速機構を用いて電動モータの回転駆動を制御軸に伝達する構成の可変動弁装置では、通常、制御軸の回転位置を規制するストッパが備えられている。更に、ストッパによる規制直前にストッパから離間する方向に向けて制御軸の回転を付勢するスプリングを備えた可変動弁装置が提案されている（特許文献１）。このような構成により、特許文献１の可変動弁装置では、ストッパにより制御軸の回転が規制された状態でエンジンが停止することを防止して、始動時において常に制御軸の両方向への回転を可能としており、よって可変動弁装置の作動を確保して、エンジンの始動不良を防止することができる。

特開２００４−７６６２１号公報

可変動弁装置を備えたエンジンにおいて、上記特許文献１のようにねじ軸及びナットを用いた減速機構の他にも、より簡単な構造でかつ制御軸の回転位置、即ちバルブのリフト位置の保持がされるように、ウォームシャフトとウォームホイールとからなる減速機構が広く採用されている。
しかしながら、ウォームシャフトとウォームホイールとからなる減速機構を用いたとしても、通常、バルブスプリングの反力によって常に制御軸が一方向（例えば低リフト側）に向けて回転するよう付勢されているので、モータの停止後に制御軸の回転位置が移動してしまう虞がある。特に、バルブスプリングによる付勢方向側に向けて制御軸が回転中に、エンスト等により突然モータが停止した場合には、慣性力によって制御軸の回転位置が更に移動し易くなる。

このようにエンジン停止後に制御軸の回転位置が移動することは、制御軸の回転位置をセンサ等で検出している可変動弁装置では、制御軸の回転位置を正確に検出することができなくなり、その後の可変動弁制御が正確に行われなくなる虞がある。
また、バルブの低中リフト位置でモータが停止したときに、慣性等により更に低リフト側に回転しようとしてストッパにより回転が規制されると、ウォームシャフトとウォームホイールとが強く噛み込んでしまう虞がある。

このようにウォームシャフトとウォームホイールとが強く噛み込んだ状態でエンジンが停止すると、次回のエンジン始動時に、モータの駆動力が不足して可変動弁装置の作動が不能となり、特に低温状態ではエンジンの始動が困難となる虞がある。
そこで、本発明の目的は、全てのリフト位置でモータ停止時に制御軸の回転位置を保持し、可変動弁制御を正確に行うことが可能な内燃機関の可変動弁装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の内燃機関の可変動弁装置は、モータから減速手段を介して制御軸を所定角度範囲内で回転させ、当該制御軸の回転位置に応じてバルブのリフト量を可変制御する内燃機関の可変動弁装置であって、制御軸の回転にフリクションを付加可能なフリクション付加手段と、制御軸の一方向の回転時にのみ、制御軸に対しフリクション付加手段によりフリクションが付加されるように、制御軸とフリクション付加手段とを接続するワンウェイクラッチと、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２の内燃機関の可変動弁装置は、請求項１において、ワンウェイクラッチは、バルブの低リフト側への制御軸の回転に対しフリクション付加手段によってフリクションが付加されるように設置されることを特徴とする。
また、請求項３の内燃機関の可変動弁装置は、請求項１または２において、減速手段は、モータに回転駆動されるウォームシャフトと、制御軸に固定されたウォームホイールとにより構成され、フリクション付加手段は、ワンウェイクラッチを介してウォームシャフトにフリクションを付加可能にしたことを特徴とする。

また、請求項４の内燃機関の可変動弁装置は、請求項３において、モータは、ウォームシャフトの一端部を駆動し、フリクション付加手段は、ワンウェイクラッチを介してウォームシャフトの他端部に設けられたことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ワンウェイクラッチとフリクション付加手段とによって、制御軸の一方向の回転時にのみ、制御軸の回転に対してフリクションが付加されるので、全ての制御軸の回転位置においてモータ停止時に制御軸の一方向の回転を抑制して、回転位置を保持させることができる。これにより、例えば予期しない内燃機関の停止によりモータが停止した場合、制御軸の回転位置を保持することから、次回の内燃機関の始動時において、センサ等による制御軸の回転位置の検出値のズレを防止して、可変動弁装置の制御を正確に行うことができる。

請求項２の発明によれば、ワンウェイクラッチとフリクション付加手段とによって、バルブの低リフト側への制御軸の回転時にのみフリクションが付加されるので、バルブスプリングによって低リフト側へ制御軸が付勢されるような一般的な構造の内燃機関において、バルブスプリングの反力に抗して、モータ停止時において制御軸の回転位置を保持させることができる。

請求項３の発明によれば、フリクション付加手段によって、内燃機関停止に伴うモータ停止時に慣性によるウォームシャフトの回転を抑制することができるので、例えばストッパによりウォームホイールの回転が規制される手前の状態（所謂ストロークエンド位置）でモータが停止した場合に、ウォームシャフトとウォームホイールとの噛み込みを防止することができる。

したがって、ウォームシャフトとウォームホイールとの噛み込みによる次回の内燃機関始動時での可変動弁装置の作動不良を回避して、内燃機関の始動不良を防止することができる。
請求項４の発明によれば、フリクション付加手段及びワンウェイクラッチをウォームシャフトの端部にコンパクトにまとめることができ、内燃機関の動弁装置の大型化を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るエンジンの概観を示す斜視図。 可変動弁機構の構造を示す断面図。 制御シャフトの回転駆動部の構造を示す断面図である。 フリクション付加装置の構造を示す断面図である。 制御シャフトの制御角度に対するウォームシャフトの駆動トルクの関係を示すグラフである。

以下、本発明を図１〜図４に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１は、内燃機関、例えば直列４気筒ガソリンエンジン（以下、エンジン１という）の斜視図、図２は可変動弁機構２１の構造を示す断面図、図３は制御シャフト２８の回転駆動部の構造を示す断面図、図４はフリクション付加装置８０の構造を示す断面図である。
図１に示すように、エンジン１は、シリンダブロック２と、シリンダブロック２の上部に搭載されたシリンダヘッド３、シリンダヘッド３の上方を覆うロッカカバー４を備えている。シリンダヘッド３とロッカカバー４との間の空間には、吸気バルブ１４及び排気バルブ１５を駆動する動弁機構が備えられている。更に、本実施形態では吸気バルブ１４のバルブ特性を連続的に可変する可変動弁装置２０が備えられている。シリンダヘッド３の上部には、可変動弁装置２０の構成部品の１つとして、電動モータ８（モータ）が固定されており、当該電動モータ８は、駆動軸８ａがロッカカバー４内に位置するように配置されている。

図２に示すように、シリンダヘッド３とシリンダブロック２との間に各気筒毎に形成された燃焼室１１の両側には、夫々吸気ポート１２及び排気ポート１３が形成されている。シリンダヘッド３には、吸気ポート１２を開閉する吸気バルブ１４、及び排気ポート１３を開閉する排気バルブ１５が設けられている。吸気バルブ１４及び排気バルブ１５は、いずれもバルブスプリング１６によって低リフト側（閉じる方向）へ付勢されている。

本実施形態のエンジン１は、１本のカムシャフト２６で吸気バルブ１４及び排気バルブ１５を駆動するＳＯＨＣ式の動弁機構を採用しており、カムシャフト２６に各気筒毎に吸気用カム２６ａ及び排気用カム２６ｂが設けられている。
可変動弁装置２０は、吸気バルブ１４のバルブ特性を連続的に可変する可変動弁機構２１と、排気バルブ１５をカムシャフト２６の回転に伴って一義的に開閉させるロッカアーム機構２２とを各気筒毎に１つに集約してユニットにした構造が用いられている。

カムシャフト２６は、吸気バルブ１４と排気バルブ１５との間の中央部にシリンダヘッド３に回転自在に支持され、エンジン１の前後方向に全気筒に亘って延びている。カムシャフト２６の上方には、排気用ロッカシャフト２７と、吸気用ロッカシャフトを兼ねる制御シャフト２８（制御軸）とがシリンダヘッド３に回転自在に支持されている。制御シャフト２８及び排気用ロッカシャフト２７は、互いに左右間隔をおいて、カムシャフト２６と平行に配置されている。

可変動弁機構２１は、ロッカアーム４０、スイングカム５０、センタロッカアーム６０を備えている。ロッカアーム４０は、二股に分かれたアーム部材が用いられる。このアーム部材の中間部が、制御シャフト２８に回転自在に支持される。アーム部材の先端部は側方へ張り出して、吸気バルブ１４を押すアジャストスクリュ部４１が設けられている。アーム部材の基端部にはローラ４２が設けられ、当該ローラ４２が制御シャフト２８の上方に位置するように配置されている。

スイングカム５０は、一端部がカムシャフト２６の上方に配置された支持シャフト２９に回転自在に支持され、他端部がロッカアーム４０のローラ４２へ向かって突き出るスイングカム部材で形成される。そして、他端面に形成されているカム面５１が、ローラ４２と転接する。スイングカム５０の下部には、受け部をなす滑りローラ５２が回転自在に組み込まれている。

センタロッカアーム６０は、吸気用カム２６ａ、制御シャフト２８、滑りローラ５２で囲まれる地点に配置される。このセンタロッカアーム６０は、上方の滑りローラ５２へ向かうアーム部６１と、制御シャフト２８直下へ向かう横向きのアーム部６２とをもち、Ｌ形をなしている。このうちアーム部６１の先端面に形成されている斜面６１ａは、スイングカム５０の滑りローラ５２と転接する。なお、この斜面６１ａは、制御シャフト２８側が低く、支持シャフト２９側が高くなっている。またアーム部６１，６２の交差する部分に支持されている滑りローラ６３は、吸気用カム２６ａのカム面と転接し、吸気用カム２６ａのカム変位がアーム部６１を通じて、スイングカム５０へ出力されるようにしている。アーム部６２の端部に屈曲自在に支持されているピン部６４は、制御シャフト２８に形成されている通孔に回転自在に差し込まれている。この差込みにより、センタロッカアーム６０は、屈曲点を支点として揺動自在に支持される。したがって、制御シャフト２８が回転変位すると、センタロッカアーム６０は、吸気用カム２６ａとの転接位置を変更しながら、吸気用カム２６ａのカム面を進角方向や遅角方向へ変位する。そして、この変位により、吸気バルブ１４のバルブリフト量や開閉タイミングが、同時に連続的に可変される。

なお、ピン部６４が挿入された通孔には、当該ピン部６４の突出し量を調整するためのねじ部材６５が進退可能に螺挿されていて、気筒毎に吸気バルブ１４のバルブ開閉時期やバルブリフト量の調整が行えるようにしてある。
また、図２中６６は、スイングカム５０を介してセンタロッカアーム６０を吸気用カム２６ａへ押し付ける付勢部品、例えばプッシャを示す。

排気バルブ１５は、ロッカアーム機構２２のロッカアーム６７を介して、カムシャフト２６に設けられた排気用カム２６ｂにより駆動される。ロッカアーム６７は、排気用ロッカシャフト２７に回転自在に支持され、一端部に有るローラ部材（図示しない）を排気用カム２６ｂのカム面に転接させる。ロッカアーム６７の他端部は、側方へ張り出され、排気バルブ１５を押すアジャストスクリュ部６７ａが設けられている。

図３に示すように、制御シャフト２８は、減速機構７０を介して電動モータ８により回転駆動される構成となっている。減速機構７０は、ウォームシャフト７１と扇形のウォームホイール７２とからなる減速機構であって、ウォームホイール７２は制御シャフト２８の一端にボルト７３によって固定され、ウォームシャフト７１は電動モータ８の駆動軸８ａにオルダム継手７４を介して接続されている。

ウォームシャフト７１は、シリンダヘッド３に固定されたフレーム７５に両端が回転自在に支持されている。フレーム７５には、ウォームホイール７２の端部に接触することで、ウォームホイール７２の回転（揺動）を規制するストッパ７６が設けられている。ストッパ７６は、低リフト側へのウォームホイール７２の回転を所望の位置で規制可能なように構成されている。

特に、本実施形態では、ウォームシャフト７１の回転にフリクションを付加するフリクション付加装置８０が備えられている。
フリクション付加装置８０は、フレーム７５に設けられており、電動モータ８とは反対側のウォームシャフト７１の端部に接続されている。
図４に示すように、フリクション付加装置８０は、円筒状のハウジング８１、スプリング８２、回転筒部材８３、２枚のスペーサ８４、８５からなるフリクション付加部８６（フリクション付加手段）と、ワンウェイクラッチ８７とにより構成されている。

ハウジング８１は、外周壁の一端部に雄ねじ部８１ａが設けられ、フレーム７５に設けられた雌ねじ部７５ａに締結されて、ウォームシャフト７１と同軸上に配置されている。ハウジング８１の内壁には、ウォームシャフト７１側の内径が小さくなるように段差８１ｂが設けられている。
回転筒部材８３は、円筒状に形成され、外周部の軸方向一部に外周方向全体に亘って断面４角形状に突出する鍔部８３ａが形成されている。回転筒部材８３の内部には、ウォームシャフト７１側の端部からワンウェイクラッチ８７が挿入されて固定され、回転筒部材８３とワンウェイクラッチ８７とが同軸上に配置されている。

ハウジング８１内には、ワンウェイクラッチ８７が固定された回転筒部材８３、スプリング８２、スペーサ８４、８５が収納されている。スペーサ８４、８５は、円環板状に形成され、回転筒部材８３が挿入されており、鍔部８３ａを両側から挟み込むように配置されている。回転筒部材８３は、ハウジング８１内で回転可能に、かつハウジング８１に設けられた段差８１ｂにスペーサ８４を介して接触し、ウォームシャフト７１側への移動が規制されるように配置されている。

スプリング８２は、コイルスプリングであって、ハウジング８１と回転筒部材８３との間に挿入されている。スプリング８２は、ハウジング８１内でスペーサ８５と、ハウジング８１のウォームシャフト７１とは反対側の内壁から中心方向に突出するように設けたスナップリング８８との間に配置されている。スナップリング８８と、スプリング８２との間には、円環板状のスペーサ８９が挿入されている。そして、スプリング８２は、ハウジング８１に対し、スペーサ８５を介して回転筒部材８３をウォームシャフト７１側に付勢するように配置されている。

したがって、回転筒部材８３がハウジング８１に対して回転すると、スプリング８２によって押し付けられたスペーサ８４、８５と回転筒部材８３の鍔部８３ａとの間の摩擦により、回転筒部材８３の回転にフリクションが与えられる構成となっている。
ワンウェイクラッチ８７は、内部にウォームシャフト７１の一端部が挿入、固定されており、ウォームシャフト７１と回転筒部材８３との間に配置され、回転筒部材８３に対して、高リフト側へのウォームシャフト７１の回転が許容され、低リフト側へのウォームシャフト７１の回転が規制される。したがって、ウォームシャフト７１の高リフト側への回転時にはフリクション付加部８６によってウォームシャフト７１の回転にフリクションが付加されず、ウォームシャフト７１を低リフト側へ回転しようとすると、回転筒部材８３もともに回転し、フリクションが与えられる。

電動モータ８は、図示しないコントロールユニットによりエンジン１の運転状態に基づいて作動制御される。制御シャフト２８には回転位置を検出する図示しない角度センサが設けられており、この角度センサの検出情報に基づいて、電動モータ８はフィードバック制御される。
以上のような構成により、本実施形態の可変動弁装置２０では、低リフト側へウォームシャフト７１を回転しようとすると、フリクション付加部８６によってフリクションが与えられるので、如何なる制御シャフト２８の回転位置、即ち如何なる吸気バルブ１４のリフト位置でも低リフト側への回転が抑制される。

なお、本実施形態のエンジン１では、バルブスプリング１６の反力によってウォームホイール７２が低リフト側へ回転するよう付勢されているが、フリクション付加部８６によるフリクションによって、このバルブスプリング１６による付勢力が緩和される。また、低リフト側へのウォームシャフト７１の回転駆動中に予期しないエンジン停止に伴い電動モータ８が停止した場合、慣性力によってウォームシャフト７１が更に低リフト側へ回転しようとしても、フリクション付加部８６によるフリクションによって、この慣性力も緩和され、ウォームシャフト７１の回転を抑制することができる。

このように、如何なるリフト位置でも電動モータ８停止後にウォームシャフト７１の回転が抑制されるので、エンジン１停止後のウォームシャフト７１の回転位置、即ち制御シャフト２８の回転位置が保持され、制御シャフト２８の回転位置を測定する角度センサの検出値のズレを防止することができる。よって、次回のエンジン運転時における可変動弁制御を正確に行うことができる。

また、ストッパ７６により制御シャフト２８の回転が最小リフト状態で規制される手前の状態で電動モータ８が停止した場合、更に低リフト側へ回転しようとする力が緩和されるので、ウォームシャフト７１とウォームホイール７２との噛み込みを防止することができる。
このように、ウォームシャフト７１とウォームホイール７２との噛み込みが防止されるので、電動モータ８の能力が低くても可変動弁装置２０の作動を確保することができる。特に低温状態での始動時でも可変動弁装置２０の作動を確保可能となり、エンジン１の始動不良を防止することができる。

また、本実施形態では、高リフト側へのウォームシャフト７１の回転時には、ワンウェイクラッチ８７によってウォームシャフト７１の回転が許容されるので、フリクション付加装置８０によるフリクションが付加されない。
図５は、高リフト側への回転時及び低リフト側への回転時において、夫々制御シャフト２８の制御角度（回転位置）に対するウォームシャフト７１の駆動トルクの関係を示している。図中、実線が本実施形態のように低リフト側への回転時でフリクションを付加した場合、２点鎖線が、高リフトへの回転時（フリクションは付加されない）での、ウォームシャフト７１の駆動トルクを示す。また、参考例として、図中、破線が低リフト側への回転時でフリクションを付加しない場合を示している。

図中実線で示すように、本実施形態では、高リフトから低リフト側への回転時には、制御シャフト２８の全ての角度範囲で、フリクションの付加によりウォームシャフト７１の駆動トルクが上昇する。また、低リフトから高リフト側への回転時にはフリクションが与えられないので、ウォームシャフト７１の駆動トルクが上昇しない。したがって、高リフト側への回転時には、バルブスプリング１６の反力により低リフト側への回転時よりも上昇しているウォームシャフト７１の駆動トルクを更に上昇させる必要がなく、電動モータ８の能力を抑制することができる。

なお、本発明は上述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、バルブスプリング１６が高リフト側に付勢するような構造の動弁装置では、本実施形態とは逆に高リフト側への回転時にフリクションが与えられるように構成するとよい。
また、フリクション付加装置８０をウォームシャフト７１と電動モータ８との間に設けてもよい。または、フリクション付加装置８０によってウォームシャフト７１にフリクションを付加するのではなく、制御シャフト２８自体、あるいは制御シャフト２８の回転に伴う駆動部に設けてもよい。

また、本願発明は、排気バルブの可変動弁装置にも適用可能であり、更にはリフト量と開閉タイミングのいずれか一方のみ変更するような可変動弁装置等、各種可変動弁装置に適用する事が可能である。

１ エンジン
１４ 吸気バルブ
２０ 可変動弁装置
２８ 制御シャフト
７０ 減速機構
７１ ウォームシャフト
７２ ウォームホイール
８０ フリクション付加装置
８６ フリクション付加部
８７ ワンウェイクラッチ

Claims (4)

1. モータから減速手段を介して制御軸を所定角度範囲内で回転させ、当該制御軸の回転位置に応じてバルブのリフト量を可変制御する内燃機関の可変動弁装置であって、
   前記制御軸の回転にフリクションを付加可能なフリクション付加手段と、
   前記制御軸の一方向の回転時にのみ、前記制御軸に対し前記フリクション付加手段によりフリクションが付加されるように、前記制御軸と前記フリクション付加手段とを接続するワンウェイクラッチと、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
2. 前記ワンウェイクラッチは、前記バルブの低リフト側への前記制御軸の回転に対し前記フリクション付加手段によってフリクションが付加されるように設けら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。
3. 前記減速手段は、前記モータに回転駆動されるウォームシャフトと、前記制御軸に固定されたウォームホイールとにより構成され、
   前記フリクション付加手段は、前記ワンウェイクラッチを介して前記ウォームシャフトにフリクションを付加可能にした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。
4. 前記モータは、前記ウォームシャフトの一端部を駆動し、
   前記フリクション付加手段は、前記ワンウェイクラッチを介して前記ウォームシャフトの他端部に設けられた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。

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