JP2015086823A

JP2015086823A - 内燃機関の可変動弁装置

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Publication number: JP2015086823A
Application number: JP2013227640A
Authority: JP
Inventors: 秀俊広瀬; Hidetoshi Hirose; 宮里　佳明; Yoshiaki Miyasato; 佳明宮里; 桂樹友田; Keiki Tomoda; 英行福島; Hideyuki Fukushima
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-05-07

Abstract

【課題】内燃機関のポンプ抵抗を効果的に低減できる内燃機関の可変動弁装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の可変動弁装置（１０）は、内燃機関（１）の吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程のうち２以上の行程の所定期間において吸気バルブ（２）または排気バルブ（２）を開にすることで吸気バルブまたは排気バルブをデコンプ状態に切替える内燃機関の可変動弁装置において、２以上の行程の所定期間において吸気バルブまたは排気バルブがデコンプ状態に切替えられた場合に、吸気バルブまたは排気バルブがデコンプ状態に切替わらない期間の一部において、吸気バルブまたは排気バルブのリフト量が最小となる時期が内燃機関のピストンの上死点近傍または下死点近傍となるようにカムシャフト（３）の位相を変更するカム位相可変部（５０）を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の可変動弁装置に関する。

従来、吸気バルブまたは排気バルブをデコンプ状態に切替えることが可能な可変動弁装置が知られている。このような可変動弁装置の一例として、特許文献１には、可変動弁装置の揺動部材の摺動面に特徴的な隆起部を設けることで、吸気バルブまたは排気バルブをデコンプ状態に切替え可能な可変動弁装置が開示されている。

特開２００５−５４７００号公報

特許文献１に係る技術を応用して、例えば内燃機関の吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程のうち２以上の行程の所定期間において吸気バルブまたは排気バルブを開にすることで吸気バルブまたは排気バルブをデコンプ状態に切替えた場合、このようなデコンプ状態への切替えが実行されない可変動弁装置に比較して内燃機関のポンプ抵抗の低減を図ることができる。しかしながら、このように２以上の行程の所定期間において吸気バルブまたは排気バルブをデコンプ状態に切替えた場合であっても、吸気バルブまたは排気バルブがデコンプ状態に切替わらない期間は存在する。このように吸気バルブまたは排気バルブがデコンプ状態に切替わらない期間において吸気バルブまたは排気バルブのリフト量が最小となる時期を適切に設定することができれば、内燃機関のポンプ抵抗を効果的に低減できると考えられる。しかしながら、このような技術はこれまで開発されていなかった。

本発明は、内燃機関のポンプ抵抗を効果的に低減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。

本発明に係る内燃機関の可変動弁装置は、内燃機関のカムシャフトからリンク機構を介して前記内燃機関の吸気バルブまたは排気バルブを駆動するとともに、前記リンク機構の可変動作により、前記内燃機関の吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程のうち２以上の行程の所定期間において前記吸気バルブまたは前記排気バルブを開にすることで前記吸気バルブまたは前記排気バルブをデコンプ状態に切替える内燃機関の可変動弁装置において、前記２以上の行程の前記所定期間において前記吸気バルブまたは前記排気バルブが前記デコンプ状態に切替えられた場合に、前記吸気バルブまたは前記排気バルブが前記デコンプ状態に切替わらない期間の一部において、前記吸気バルブまたは前記排気バルブのリフト量が最小となる時期が前記内燃機関のピストンの上死点近傍または下死点近傍となるように前記カムシャフトの位相を変更するカム位相可変部を備えることを特徴とする。

本発明に係る内燃機関の可変動弁装置によれば、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程のうち２以上の行程において吸気バルブまたは排気バルブがデコンプ状態に切替えられることで内燃機関のポンプ抵抗の低減を図ることができる。ここで、ピストンの上死点近傍または下死点近傍はピストンスピードが遅い時期である。この点、本発明に係る内燃機関の可変動弁装置によれば、２以上の行程の所定期間において吸気バルブまたは排気バルブがデコンプ状態に切替えられた場合に吸気バルブまたは排気バルブがデコンプ状態に切替わらない期間の一部において吸気バルブまたは排気バルブのリフト量が最小となる時期を、このようなピストンスピードが遅い時期にすることができることから、内燃機関のポンプ抵抗を効果的に低減できる。

以上のように本発明によれば、内燃機関のポンプ抵抗を効果的に低減できる内燃機関の可変動弁装置を提供することができる。

図１（ａ）は内燃機関の可変動弁装置近傍を示す模式図である。図１（ｂ）は揺動アームを拡大した模式図である。図１（ｃ）は図１（ａ）よりも揺動アームがＡ方向に揺動した様子を模式的に示す図である。図１（ｄ）は中作用角および大リフト量が得られる場合のバルブリフト曲線の模式図である。図２（ａ）〜図２（ｃ）は小作用角および小リフト量が得られる場合の可変動弁装置の動作を説明するための模式図である。図３（ａ）〜図３（ｃ）は大作用角および小リフト量が得られる場合の可変動弁装置の動作を説明するための模式図である。実施例に係るカム位相変更処理が実行された場合のバルブのリフト量の変化を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

本発明の実施例に係る内燃機関の可変動弁装置１０は内燃機関１に適用されて用いられる可変動弁装置である。図１（ａ）は内燃機関１の全体構成を説明するための模式図であり、具体的には内燃機関１の可変動弁装置１０の近傍を模式的に図示している。図１（ａ）に示す内燃機関１は車両に搭載されている。内燃機関１は、バルブ２と、カムシャフト３と、可変動弁装置１０とを備えている。なお、可変動弁装置１０の構成を理解し易くするために、図１（ａ）においてバルブ２およびカムシャフト３は想像線によって図示されている。バルブ２は吸気バルブまたは排気バルブである。本実施例においては、バルブ２の一例として吸気バルブを用いる。カムシャフト３はＡ方向（図においては時計回りの方向）に回転する。

可変動弁装置１０は、リンク機構２０と、カム位相可変部５０とを備えている。リンク機構２０は、カムシャフト３とバルブ２とを接続するリンク機構である。このようなリンク機構２０を有することにより、本実施例に係る可変動弁装置１０は、内燃機関１のカムシャフト３からリンク機構２０を介して内燃機関１のバルブ２を駆動している。本実施例に係るリンク機構２０は、揺動アーム３０と、カムシャフト３が当接するカムシャフト当接部３５と、カムフォロワー４０とを備えている。カムフォロワー４０は、揺動アーム３０の動作をバルブ２に伝達する部材である。

揺動アーム３０は、軸を介してカムシャフト当接部３５に接続している。カムシャフト３がＡ方向に回転することでカムシャフト当接部３５が中心軸ｘを中心として揺動した場合、揺動アーム３０も中心軸ｘを中心としてカムシャフト当接部３５と同じ方向に揺動する。また、本実施例に係る揺動アーム３０は、カムシャフト当接部３５に対して相対的に揺動することもできる。具体的には揺動アーム３０は、モータ等の動力源を有する駆動機構によって駆動されることで、中心軸ｘを中心として、カムシャフト当接部３５に対してさらにＡ方向およびＢ方向に揺動する。なお、この揺動アーム３０の揺動機構については、揺動アームを有する公知の可変動弁装置の揺動機構を適用することができるため、これ以上詳細な説明は省略する。

図１（ｂ）は揺動アーム３０を拡大した模式図である。揺動アーム３０は、ベース円区間３２と、第１カム部３３と、第２カム部３４とを有している。ベース円区間３２は、第１カム部３３および第２カム部３４に挟まれた位置に形成されている。ベース円区間３２は、カムフォロワー４０がこのベース円区間３２に当接しても、バルブ２がリフトしない区間（すなわち、ゼロリフト区間）である。第１カム部３３および第２カム部３４は、揺動アーム３０の径方向で外側に突出した部分によって構成されている。具体的には第１カム部３３は、相対的に大きな突起部の頂点であるＰ_１から、この大きな突起部の根元に相当するＰ_２までの領域である。第２カム部３４は、相対的に小さな突起部の根元であるＰ_３から、この小さな突起部の頂点であるＰ_４の領域である。なお、前述したベース円区間３２はＰ_２とＰ_３との間の領域である。

図１（ａ）を参照して、カム位相可変部５０は、カムシャフト３の位相を変更することが可能な装置である。具体的には本実施例に係るカム位相可変部５０は、カム位相切替式のカム位相可変装置によって構成されている。なお、このカム位相可変部５０の機構等の具体的な構成自体は、公知のカム位相可変装置の構成を適用できるため、詳細な説明は省略する。カム位相可変部５０の動作の詳細については後述する。

続いて可変動弁装置１０のベース円区間３２、第１カム部３３および第２カム部３４の詳細について説明する。本実施例に係る可変動弁装置１０は、揺動アーム３０の揺動角度が初期値のときにカムフォロワー４０に当接する揺動アーム３０の位置を変更することで、バルブ２のバルブリフト態様を変更している。

具体的には可変動弁装置１０においては、揺動アーム３０の揺動角度が初期値のときにベース円区間３２の第１カム部３３に近い部分（換言するとＰ_２に近い部分）がカムフォロワー４０に当接した場合、その後、揺動アーム３０が揺動した場合に中作用角および大リフト量のバルブリフト曲線が得られるように、第１カム部３３およびベース円区間３２が設定されている。また可変動弁装置１０においては、揺動角度が初期値のときにベース円区間３２の第１カム部３３から遠い部分（換言するとＰ_３に近い部分）がカムフォロワー４０に当接した場合、その後、揺動アーム３０が揺動した場合に小作用角および小リフト量のバルブリフト曲線が得られるように、第１カム部３３およびベース円区間３２が設定されている。さらに、可変動弁装置１０においては、揺動アーム３０の揺動角度が初期値のときに第２カム部３４がカムフォロワー４０に当接した場合、その後、揺動アーム３０が揺動した場合に大作用角および小リフト量のバルブリフト曲線が得られるように、第２カム部３４およびベース円区間３２が設定されている。この可変動弁装置１０の具体例について図を用いて説明すると次のようになる。

まず、前述した図１（ａ）に加えて、図１（ｃ）および図１（ｄ）を参照して中作用角および大リフト量が得られる場合の可変動弁装置１０の動作の具体例について説明する。なお、図１（ｃ）は図１（ａ）よりも揺動アームがＡ方向に揺動した様子を模式的に示す図である。図１（ｃ）においてカム位相可変部５０の図示は省略されている（これは後述する図２（ａ）および図２（ｂ）並びに図３（ａ）および図３（ｂ）でも同様である）。図１（ｄ）は、中作用角および大リフト量が得られる場合のバルブリフト曲線の模式図である。図１（ａ）を参照して、揺動アーム３０の揺動角度が初期値の場合、揺動アーム３０のベース円区間３２の第１カム部３３の近傍部分がカムフォロワー４０に当接している。この状態から揺動アーム３０がＡ方向に最大角度揺動して図１（ｃ）の状態になった場合、後述する図２（ｂ）の場合よりも第１カム部３３の先端部（Ｐ_１）に近い部分がカムフォロワー４０に当接する。この場合、図１（ｄ）に示すように、中作用角および大リフト量のバルブリフト曲線が得られる。

図２（ａ）〜図２（ｃ）は小作用角および小リフト量が得られる場合の可変動弁装置１０の動作を説明するための模式図である。図２（ａ）に示すように揺動アーム３０の揺動角度が初期値の場合、図１（ａ）の場合よりもベース円区間３２の第１カム部３３から遠い部分がカムフォロワー４０に当接している。この状態から揺動アーム３０がＡ方向に最大角度揺動して図２（ｂ）の状態になった場合、図１（ｃ）の場合よりも第１カム部３３の根元部（Ｐ_２）に近い部分がカムフォロワー４０に当接する。この場合、図２（ｃ）に示すように、小作用角および小リフト量のバルブリフト曲線が得られる。

図３（ａ）〜図３（ｃ）は大作用角および小リフト量が得られる場合の可変動弁装置１０の動作を説明するための模式図である。図３（ａ）に示すように揺動アーム３０の揺動角度が初期値の場合、第２カム部３４がカムフォロワー４０に当接している。この状態から揺動アーム３０がＡ方向に最大角度揺動して図３（ｂ）の状態になった場合、ベース円区間３２がカムフォロワー４０に当接する。この場合、カムシャフト３が回転する際にバルブ２は閉じる方向に移動するため、図３（ｃ）に示すバルブリフト曲線は、図１（ｄ）や図２（ｃ）のバルブリフト曲線とは逆位相になっている。そして、この図３（ｃ）の作用角は図１（ｄ）の作用角よりも大きくなっており（すなわち大作用角）、また図３（ｃ）のリフト量は図２（ｃ）のリフト量よりもさらに小さくなっている（すなわち小リフト量）。なお、第２カム部３４のプロフィールを変更することで、図３（ｃ）のバルブリフト曲線を変更することができる。すなわち、第２カム部３４のプロフィールを調整することで、所望の大作用角・小リフト量のバルブリフト曲線が得られる。

以上のように本実施例に係る可変動弁装置１０は上述した第１カム部３３、ベース円区間３２および第２カム部３４を備えることで、図１（ｄ）、図２（ｃ）および図３（ｃ）に示すようなバルブリフト曲線を得ることができる。特に可変動弁装置１０によれば、図３（ｃ）に示すように大作用角のときのリフト量を、図２（ｃ）に示す小作用角のときのリフト量よりも小さくすることができるため、リフト量および作用角特性の自由度が向上している。

また、可変動弁装置１０によれば、可変動弁装置１０のリンク機構２０の可変動作によりバルブ２を容易にデコンプ状態にすること（クランク角にかかわらずにバルブ２を開にすること）ができる。具体的には可変動弁装置１０によれば、図３（ｃ）のように大作用角・小リフト量とすることが容易にできるため、バルブ２をデコンプ状態とするためにバルブ２の作用角を拡大した場合であっても、バルブ２のリフト量が増大することを抑制できる。その結果、バルブ２をデコンプ状態とするためにバルブ２の作用角を拡大した場合であっても、バルブ２がピストンと緩衝することを抑制できる。すなわち、可変動弁装置１０によれば、バルブ２とピストンとの干渉を抑制しつつバルブ２をデコンプ状態にすることが容易にできる。また、可変動弁装置１０によれば、内燃機関１の吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程のうち２以上の行程の所定期間においてバルブ２をデコンプ状態にすることで、内燃機関１のポンプ抵抗の低減を図ることができる。このような可変動弁装置１０は、ハイブリッド車両やアイドリングストップを実行する車両に搭載された場合に特に大きな効果を発揮することができる。具体的には可変動弁装置１０がこのような車両に搭載された場合において内燃機関１の始動時にバルブ２をデコンプ状態にすることで、内燃機関１の始動時のポンプ抵抗の低減を効果的に図ることができる。その結果、このような車両に搭載された内燃機関１の始動性を向上させることができる。

また、本実施例に係る可変動弁装置１０によれば、第２カム部３４によって大作用角を得る場合、バルブスプリング（バルブ２を付勢するスプリング）のアシストを受けることができる。それにより、可変動弁装置１０の揺動アーム３０を揺動させるモータ等の動力源の負荷を低減させることもできる。その結果、可変動弁装置１０によれば、揺動アーム３０の応答性を向上させることもできる。

続いて本実施例に係るカム位相可変部５０の動作について説明する。まず、本実施例に係る可変動弁装置１０は、リンク機構２０の可変動作により、内燃機関１の吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程のうち２以上の行程の所定期間においてバルブ２を開にすることでバルブ２をデコンプ状態に切替える。そしてカム位相可変部５０は、前述したように２以上の行程の所定期間においてバルブ２がデコンプ状態に切替えられた場合に、バルブ２がデコンプ状態に切替わらない期間の一部において、バルブ２のリフト量が最小となる時期が内燃機関１のピストンの上死点（ＴＤＣ）近傍または下死点（ＢＤＣ）近傍となるようにカムシャフト３の位相を変更する（以下、これをカム位相変更処理と称する）。

具体例を挙げてこれを説明すると次のようになる。例えば本実施例に係るバルブ２（具体的には吸気バルブ）が吸気行程および圧縮行程（すなわち２つの行程）の所定期間において開に切替えられることでバルブ２がデコンプ状態に切替えられたとする。この場合、カム位相可変部５０は、例えば吸気行程および圧縮行程のうち、バルブ２がデコンプ状態に切替わらない期間（つまり、前述した所定期間以外の期間）のうちの一部の期間において、このバルブ２のリフト量が最小となる時期がピストンの上死点近傍または下死点近傍となるようにカムシャフト３の位相を変更する。

なお、上死点近傍とは上死点を含む所定時期の範囲内をいう。具体的には本実施例においては、上死点近傍とは、上死点プラスマイナス１０度（ＣＡ）の範囲内の時期をいい、好ましくは上死点プラスマイナス５度の範囲内の時期をいい、より好ましくは上死点プラスマイナス２度の範囲内の時期をいう。下死点近傍についてもこれと同様である。具体的には下死点近傍とは、下死点を含む所定時期の範囲内をいい、具体的には下死点プラスマイナス１０度の範囲内の時期をいい、好ましくは下死点プラスマイナス５度の範囲内の時期をいい、より好ましくは下死点プラスマイナス２度の範囲内の時期をいう。

本実施例に係るカム位相可変部５０は、上述したカム位相変更処理の一例として、バルブ２のリフト量が最小となる時期がピストンの上死点となるようにカムシャフト３の位相を変更する。これを図で示したものが図４である。具体的には図４は、本実施例に係るカム位相変更処理が実行された場合のバルブ２のリフト量の変化を模式的に図示している。図４の縦軸はバルブ２のリフト量を示し、横軸はクランク角を示している。図４に示すように、本実施例においてバルブ２のリフト量が最小となる時期はピストンの上死点（ＴＤＣ）になっている。

以上のように本実施例に係る可変動弁装置１０によれば、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程のうち２以上の行程においてバルブ２がデコンプ状態に切替えられることから、内燃機関１のポンプ抵抗の低減を図ることができる。また前述したように、可変動弁装置１０によれば、２以上の行程の所定期間においてバルブ２がデコンプ状態に切替えられた場合に、バルブ２がデコンプ状態に切替わらない期間の一部においてバルブ２のリフト量が最小となる時期をピストンの上死点近傍または下死点近傍としている。ここで、ピストンの上死点近傍または下死点近傍はピストンスピードが遅い時期である。そのため、バルブ２のリフト量が最小となる時期をこのようなピストンスピードが遅い時期である上死点近傍または下死点近傍とすることにより、内燃機関１のポンプ抵抗を効果的に低減できる。

なお、本実施例において、デコンプ状態に切替えるバルブ２の一例として吸気バルブを用いている。その結果、リフト量が最小となる時期を上死点近傍または下死点近傍とするバルブ２も吸気バルブである。但し、バルブ２の種類は吸気バルブに限定されるものではなく、例えば排気バルブでもよい。また、本実施例においては、デコンプ状態に切替えるバルブ２の種類と、リフト量が最小となる時期を上死点近傍または下死点近傍とするバルブ２の種類とは同じであるが、これに限定されるものではない。例えば、吸気バルブおよび排気バルブのそれぞれについて可変動弁装置１０が適用されている場合には、デコンプ状態に切替えるバルブ２の種類とリフト量が最小となる時期を上死点近傍または下死点近傍とするバルブ２の種類とを異なるものとしてもよい。

以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１内燃機関
２バルブ
３カムシャフト
１０可変動弁装置
２０リンク機構
５０カム位相可変部

Claims

内燃機関のカムシャフトからリンク機構を介して前記内燃機関の吸気バルブまたは排気バルブを駆動するとともに、前記リンク機構の可変動作により、前記内燃機関の吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程のうち２以上の行程の所定期間において前記吸気バルブまたは前記排気バルブを開にすることで前記吸気バルブまたは前記排気バルブをデコンプ状態に切替える内燃機関の可変動弁装置において、
前記２以上の行程の前記所定期間において前記吸気バルブまたは前記排気バルブが前記デコンプ状態に切替えられた場合に、前記吸気バルブまたは前記排気バルブが前記デコンプ状態に切替わらない期間の一部において、前記吸気バルブまたは前記排気バルブのリフト量が最小となる時期が前記内燃機関のピストンの上死点近傍または下死点近傍となるように前記カムシャフトの位相を変更するカム位相可変部を備えることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。