JP2685963B2 - 内燃機関のバルブ駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は内燃機関のバルブ駆動装置に係り、詳しく
はバルブタイミングやリフト量を任意に変更可能なバル
ブ駆動装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来から内燃機関の性能向上を目的としてバルブタイ
ミングやリフト量を変更するようにしたバルブ駆動装置
が数多く提案されている。その一例としては特開昭64-6
9707号公報に記載の油圧式のバルブ駆動装置を挙げるこ
とができる。このバルブ駆動装置は油圧ポンプからの圧
油を切換弁を介してシリンダヘッドに設けられた油圧シ
リンダに供給し、その切換弁の切換動作に応じて油圧シ
リンダにてバルブを開閉し、かつ、その開閉タイミング
やリフト量を任意に変更できるようになっている。

又、上記した公報では油圧ポンプの具体的な設置方法
については記載されていないが、例えば、第6,7図に示
すように、油圧ポンプ51をシリンダブロツク52側に設置
してベルト53を介してクランクシャフト54にて回転駆動
することが考えられている。そして、この設置方法にお
いては油圧ポンプ51から吐出された圧油を高圧配管55を
経てシリンダヘッド56側の図示しない切換弁及び油圧シ
リンダに供給するようになっている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記したように油圧ポンプ51をシリン
ダブロック52に設置すると、この圧油ポンプ51とシリン
ダヘッド56側の切換弁及び油圧シリンダとが離間するこ
とから、高圧配管55の経路長が長くなって高圧配管55内
の圧油容積（以下、デッドボリュームという）が増大し
てしまう。

第８図は機関始動時における高圧配管内の油圧と機関
回転数との推移を示す図であるが、スタータにてクラン
クシャフトの駆動を開始（時間t₁）しても高圧配管55内
の圧油は速やかに上昇しない。そして、油圧シリンダが
バルブスプリングの付勢力に抗してバルブを開いて機関
の始動が完了するのは始動開始からかなり経過した後
（時間t₂）であることがわかる。従って、第6,7図に示
した油圧ポンプ51の設置方法を採用した場合には、内燃
機関の始動所要時間が非常に長くなり始動性を悪化させ
てしまうという問題が生じる。

本発明の目的は、バルブタイミングやリフト量を任意
に変更可能とした上で、デッドボリュームによる始動性
の悪化を未然に防止することができる内燃機関のバルブ
駆動装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、内燃機関のシリンダヘッドに設けられ、伝
達機構を介してクランクシャフトにより回転駆動されて
吸排気バルブのいずれか一方のバルブを開閉するカムシ
ャフトと、前記シリンダヘッドに設けられ、前記吸排気
バルブの内の他方側のバルブに接続された油圧シリンダ
と、前記他方側のバルブを油圧により開閉駆動させるた
めの圧油を吐出する油圧ポンプと、前記油圧ポンプと前
記油圧シリンダとを連結し、油圧ポンプからの圧油を油
圧シリンダに供給する高圧配管と、前記高圧配管を経て
油圧ポンプから油圧シリンダに供給される圧油を切換制
御し、前記バルブを開閉する切換弁とからなる内燃機関
のバルブ駆動装置において、前記油圧ポンプをシリンダ
ヘッドに設けてカムシャフトにて回転駆動するようにし
た内燃機関のバルブ駆動装置をその要旨とするものであ
る。

［作用］ クランクシャフトが回転すると伝達機構を介してカム
シャフトが回転駆動され、吸排気バルブの内のいずれか
一方のバルブが開閉される。又、このカムシャフトにて
油圧ポンプが駆動され、同ポンプから吐出された圧油は
高圧配管を経て油圧シリンダに供給される。この圧油は
切換弁にて切換制御され、その結果、油圧シリンダにて
吸排気バルブの内の他方側のバルブが開閉される。この
ときのバルブの開閉タイミング、開閉速度、リフト量等
の各値は切換弁により内燃機関の稼働状況に応じた値に
調整される。

上記したバルブ駆動装置では油圧ポンプがシリンダヘ
ッドに設けられているため、油圧ポンプと切換弁及び油
圧シリンダとを連結する高圧配管の経路長が短縮化され
る。従って、高圧配管内の圧油量、いわゆるデッドボリ
ュームが減少し、機関回転数が低くて油圧ポンプの吐出
量が少ない始動時等においても、その油圧が有効に油圧
シリンダまで伝達される。

［実施例］ 以下、この発明を内燃機関の吸気弁側を駆動するバル
ブ駆動装置に具体化した一実施例を第１〜５図に従って
説明する。

第３図は内燃機関のシリンダヘッドの断面図である。
この図に示すように、シリンダヘッド１には燃焼室２と
吸排気ポート3,4が形成され、各吸排気ポート3,4を開閉
し得るように吸排気バルブ5,6が上下動可能に設けられ
ている。各バルブ5,6のステム5a,6aの上端は機構室７内
に突出してリテーナ８が取着され、リテーナ８と機構室
７の下壁との間にはバルブスプリング９が介装されて各
バルブ5,6を閉側に付勢している。

第１図はシリンダヘッド１の平断面図であり、第２図
はカムシャフトとクランクシャフトの位置関係を示す図
である。これらの図と第３図に示すように、前記排気バ
ルブ６のリテーナ８にはリフタ10が取着され、このリフ
タ10上にはカムシャフト11のカム11aが当接している。
カムシャフト11は回転可能に支持され、一対のタイミン
グプーリ12,13とタイミングベルト14とを介してクラン
クシャフト15にて回転駆動されるようになっている。そ
して、カムシャフト11が回転すると、バルブスプリング
９を伸縮させながら排気バルブ６が排気ポート４を開閉
する。尚、シリンダヘッド１上には上記したカムシャフ
ト11や以下に説明するバルブ駆動装置を収容する一対の
ヘッドカバー16が装着されている。又、本実施例では前
記タイミングプーリ12,13とタイミングベルト14によっ
て伝達機構が構成されている。

第４図はバルブ駆動装置の概略を示す図である。この
図と第３図に示すように、前記吸気バルブ５のリテーナ
８の上方にはプランジャプレート17が設置され、このプ
ランジャプレート17には吸気バルブ５のステム5aと対応
するようにシリンダ室18が形成されている。シリンダ室
18内にはプランジャ19が上下動可能に配設され、プラン
ジャ19の下端は吸気バルブ５のステム5aの上端に当接し
ている。本実施例においては前記シリンダ室18とプラン
ジャ19によって油圧シリンダが構成されている。

前記ヘッドカバー16内におけるプランジャプレート17
の上側にはバルブボディ20が設置され、このバルブボデ
ィ20には切換弁を構成する圧油供給弁21が設けられてい
る。この圧油供給弁21を説明すると、バルブボディ20に
はバルブ室22が形成され、バルブ室22には高圧ポート23
及び作動圧ポート24が上方に開口するように形成されて
いる。又、バルブ室22には分配ポート25が前記プランジ
ャブレート17のシリンダ室18と連通するように形成され
ている。バルブ室22内にはスプール26が摺動可能に配設
され、このスプール26は前記高圧ポート23と分配ポート
25との間を断接するようになっている。又、スプール26
の一端は作動圧ポート24内に位置し、他端はバルブボデ
ィ20に形成されたポンプ室27内に臨んでいる。

前記ポンプ室27の一側には絞りを有する入口ポート28
が形成されている。又、このポンプ室27はキャップ29に
よって閉塞され、ポンプ室27内はピストン30にて区画さ
れている。ピストン30とキャップ29との間にはピエゾス
タック31が保持され、ピストン30は皿ばね32によりピエ
ゾスタック31側に付勢されている。このピエゾスタック
31は、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする板厚0.5mm
程度の圧電板の両面に通電電極を配してその圧電板を数
10枚積層して製作され、電圧印加に応じて数10μｍ伸長
する性質を有する。

前記ピエゾスタック31には信号線33により外部のコン
ピュータ34に接続されている。このコンピュータ34には
車両のアクセル開度センサ35、エンジン回転数センサ3
6、エンジン冷却水温センサ37等が接続され、それらの
センサからの検出信号に基づいてコンピュータ34がピエ
ゾスタック31の伸縮動作を制御するようになっている。
そして、このピエゾスタック31の伸縮に応じてポンプ室
27内でピストン30が往復動する。

第４図に示すように、前記高圧ポート23は高圧配管38
を介して油圧ポンプ39と接続され、作動圧ポート24と入
口ポート28には作動圧配管40が接続されている。高圧配
管38内の油圧は圧力調整弁41により60〜400kg/cm²に設
定されており、作動圧配管40内の油圧は圧力調整弁42に
より10〜100kg/cm²に設定されている。

一方、第3,4図に示すように、バルブボディ20には上
記した圧油供給弁21と同一構成の切換弁を構成する圧油
排出弁43が設けられ（第３図にその一部を示す）、両弁
21,43は分配ポート25を介して連通している。そして、
圧油排出弁43のスプール44は分配ポート25と、この分配
ポート25内の圧油を油タンク45に戻すためのドレイン配
管46（第４図に示す）との間を断接する。

第1,2図に示すように、前記油圧ポンプ39はステー47
により支持された状態でシリンダヘッド１に設置され、
前記カムシャフト11の後端と連結されて同カムシャフト
11にて回転駆動されるようになっている。前記高圧配管
38はステー47と配管プレート48（第３図に示す）内に形
成され、配管プレート48から前記高圧ポート23に圧油が
供給されるようになっている。尚、第３図に示すよう
に、配管プレート48には高圧配管38と共に前記作動圧配
管40とドレイン配管46も形成されている。

次に、このように構成した内燃機関のバルブ駆動装置
の作用を説明する。

タイミングベルト14を介してクランクシャフト15によ
りカムシャフト11が回転駆動されると、そのカム11aに
より排気バルブ６のリフタ10が押し下げられ、バルブス
プリング９の付勢力に抗して排気バルブ６が開かれる。
このように排気バルブ６はカムシャフト11の回転に応じ
て開閉され、そのバルブタイミングやリフト量はカム11
aの形状によって決定される。

又、カムシャフト11の回転に伴って油圧ポンプ39が回
転駆動され、その油圧ポンプ39から吐出された圧油は高
圧配管38と作動圧配管40とを経てそれぞれ圧油供給弁21
に供給される。前記コンピュータ34は圧油供給弁21に作
動信号を出力し、その作動信号によってピエゾスタック
31が伸長してポンプ室27内のピストン30を第４図の右方
向に移動させる。このときポンブ室27内の油圧は一時的
に増大してスプール26を右方向に移動させ、高圧ポート
23と分配ポート25との間を連通させる。その結果、高圧
配管38からの圧油は高圧ポート23と分配ポート25とを経
てシリンダ室18内に導入され、プランジャ19がバルブス
プリング９の付勢力に抗して吸気バルブ５を開く。

さらに、コンピュータ34が作動信号の出力を停止する
と、ピエゾスタック31は蓄積された電荷が取り除かれて
原型に収縮する。従って、ピストン30は皿ばね32により
左方に移動され、同時にスプール26は作動圧ポート24内
の油圧によって左方に移動される。その結果、高圧ポー
ト23と分配ポート25とが遮断され、シリンダ室18内に閉
じ込められた圧油にて吸気バルブ５が開状態に保持され
る。

又、コンピュータ34により前記圧油排出弁43に作動信
号が入力されると、図示しないピエゾスタックの伸長に
伴いスプール44が移動され、上記した分配ポート25はド
レイン配管46に連通される。従って、シリンダ室18内の
圧油が分配ポート25とドレイン配管46とを経て油タンク
45に回収され、吸気バルブ５はバルブスプリング９の付
勢力によって閉状態に復帰する。このように吸気バルブ
５は圧油供給弁21と圧油排出弁43によって開閉され、そ
のバルブタイミング、開閉速度、リフト量等の各値は前
記各センサ35〜37にて検出されるアクセル開度、エンジ
ン回転数、エンジン冷却水温等に基づきコンピュータ34
により常に最適な値に制御される。

一方、内燃機関を長時間停止させた後に再始動する場
合には、油圧ポンプ39の停止によって高圧配管38内の油
圧はほぼ大気圧まで低下している。今、スタータにてク
ランクシャフト15を回転させる（以下、クランキングと
いう）と、タイミングベルト14を介してカムシャフト11
が回転駆動される。従って、カムシャフト11の回転に伴
い排気バルブ６が開閉されるとともに、油圧ポンプ39が
回転駆動されて圧油を吐出する。高圧配管38内の油圧が
上昇すると、コンピュータ34はクランキング回転数に応
じた速度で吸気バルブ５を開閉させ、その結果、内燃機
関が始動される。尚、このクランキング時の機関回転数
は200rpm程度でありアイドリングに比較しても非常に低
い。従って、吸気バルブ５が開閉されるのは高圧配管38
内の油圧が所定値以上に上昇した後であり、クランキン
グ開始直後より若干遅れる。

ところで本実施例のバルブ駆動装置においては、油圧
ポンプ39がシリンダヘッド１に設けられているため、油
圧ポンプ39と圧油供給弁21及び圧油排出弁43とを連結す
る高圧配管38の経路長が非常に短い。従って、高圧配管
38内の圧油量、いわゆるデッドボリュームが小さく、上
記した機関回転数が低くて油圧ポンプ39の吐出量の少な
い始動時においても、高圧配管38内の油圧は速やかに上
昇してその油圧が前記シリンダ室18内に有効に伝達され
る。

第５図は始動時における高圧配管38内の油圧と機関回
転数との推移を示す図であるが、この図に示すように、
高圧配管38内の油圧はクランキング開始（時間t₁）後に
速やかに上昇し、吸気バルブ５が開閉されて直ちに機関
が始動される（時間t₂）のがわかる。従って、本実施例
のバルブ駆動装置においては始動所要時間が非常に短
い。

又、上記したように高圧配管38内には60〜400kg/cm²
の高圧の圧油が流れ、しかも、その圧油は圧油供給弁21
と圧油排出弁43の開閉動作に応じて大きな脈動を伴う。
従って、ゴムホース等の剛性の低い材質で高圧配管38を
製作した場合には、圧油の脈動によって共振して騒音を
引き起こしてしまう虞がある。しかしながら、本実施例
のバルブ駆動装置では高圧配管38が剛性の高い配管プレ
ート48とステー47内に設けられているため、圧油による
騒音が低減される。

このように本実施例の内燃機関のバルブ駆動装置は、
油圧ポンプ39をシリンダヘッド１に設けてカムシャフト
11にて回転駆動するようにした。

従って、油圧ポンプ39と圧油供給弁21及び圧油排出弁
43とを連結する高圧配管38の経路長が短縮化され、デッ
ドボリュームが減少することから機関始動時に高圧配管
38内の油圧が速やかに上昇させて直ちに機関を始動させ
ることができる。よって、始動所要時間を短縮して、内
燃機関の始動性を大幅に向上させることができる。

又、騒音源となる高圧配管38を配管プレート48とステ
ー47内に設けたため、圧油による騒音を低減して内燃機
関の静粛性を向上させることができる。

加えて、上記したように油圧ポンプ39を駆動するため
に既存のカムシャフト11を利用したため、例えば、この
シリンダヘッド１側の油圧ポンプ39をベルト、チェー
ン、ギア等を介してクランクシャフト15で駆動する必要
がない。よって、内燃機関の構造を簡素化することがで
きる。

尚、この発明は上記実施例に限定されることはなく、
例えば、上記実施例ではタイミングベルト14を介してカ
ムシャフト11を回転駆動したが、このカムシャフト11を
チェーンやギアを介して駆動してもよい。

又、上記実施例では排気バルブ６をカムシャフト11に
て駆動し吸気バルブ５を油圧で駆動したが、その反対に
吸気バルブ５をカムシャフト11にて駆動し排気バルブ６
を油圧で駆動してもよい。

［発明の効果］ 以上詳述したように本発明の内燃機関のバルブ駆動装
置によれば、バルブタイミングやリフト量を任意に変更
可能とした上で、デッドボリームによる始動性の悪化を
未然に防止することができるという優れた効果を発揮す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例のバルブ駆動装置が組み込まれたシリン
ダヘッドの平断面図、第２図はカムシャフトとクランク
シャフトの位置関係を示す図、第３図はシリンダヘッド
の断面図、第４図はバルブ駆動装置の概略を示す図、第
５図は始動時における高圧配管内の油圧と機関回転数と
の推移を示す図、第6,7図は従来のバルブ駆動装置にお
ける油圧ポンプの設置方法を示す図、第８図は従来のバ
ルブ駆動装置の始動時における高圧配管内の油圧と機関
回転数との推移を示す図である。 １はシリンダヘッド、５は吸気バルブ、６は排気バル
ブ、11はカムシャフト、12,13は伝達機構を構成するタ
イミングプーリ、14は伝達機構を構成するタイミングベ
ルト、18は油圧シリンダを構成するシリンダ室、19は油
圧シリンダを構成するプランジャ、21は切換弁を構成す
る圧油供給弁、38は高圧配管、39は油圧ポンプ、43は切
換弁を構成する圧油排出弁。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 猪頭 敏彦 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式 会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 進藤 健一郎 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自 動車株式会社内 (56)参考文献 実開 平１−61412（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関のシリンダヘッドに設けられ、伝
   達機構を介してクランクシャフトにより回転駆動されて
   吸排気バルブのいずれか一方のバルブを開閉するカムシ
   ャフトと、 前記シリンダヘッドに設けられ、前記吸排気バルブの内
   の他方側のバルブに接続された油圧シリンダと、 前記他方側のバルブを油圧により開閉駆動させるための
   圧油を吐出する油圧ポンプと、 前記油圧ポンプと前記油圧シリンダとを連結し、油圧ポ
   ンプからの圧油を油圧シリンダに供給する高圧配管と、 前記高圧配管を経て油圧ポンプから油圧シリンダに供給
   される圧油を切換制御し、前記バルブを開閉する切換弁
   と からなる内燃機関のバルブ駆動装置において、 前記油圧ポンプをシリンダヘッドに設けてカムシャフト
   にて回転駆動するようにしたことを特徴とする内燃機関
   のバルブ駆動装置。