JP4192583B2 - 内燃機関の弁駆動装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の弁駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般の内燃機関の吸気弁及び排気弁は、内燃機関のクランク軸から取り出された動力によって開閉駆動されている。しかし、近年では、開閉時期を変化させるため電動モータによって吸気弁や排気弁を駆動することが試みられている。例えば特許文献１には、カム軸をモータで駆動して吸気弁を開閉させる弁駆動装置が開示されている。また、ＥＧＲ用の弁を対象としたものであるが、バルブステムに設けたねじ機構を利用してモータの回転を弁の直線的な開閉運動に変換する弁駆動装置も知られている（特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１７７５３６号公報
【特許文献２】
特開平１０−７３１７８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、多数の吸気弁及び排気弁をそれぞれ個別に電動モータで駆動するならば、必要な電動モータの個数やそれらの電動モータの消費電力が増加するという不都合がある。
【０００５】
そこで、本発明は、多数の吸気弁及び排気弁をそれぞれ個別に制御しつつ、吸気弁及び排気弁の動力源を共用化可能な弁駆動装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の弁駆動装置は、吸気弁用のカム軸の回転により吸気弁を、排気弁用のカム軸の回転により排気弁をそれぞれ駆動する内燃機関の弁駆動装置において、サンギア、サンギアの回りを周回可能なプラネタリギア、プラネタリギアをサンギアの軸線の回りに回転可能に保持するキャリア、及びプラネタリギアと噛み合うリングギアを有する遊星歯車装置と、前記サンギア、前記キャリア及び前記リングギアの３つの要素うち、いずれか一つの要素を駆動する主駆動手段と、前記サンギア、前記キャリア及び前記リングギアの３つの要素うち、他の一つの要素を駆動する副駆動手段と、を備え、前記サンギア、前記キャリア及び前記リングギアの３つの要素うち、残りの一つの要素から前記吸気弁用のカム軸及び前記排気弁用のカム軸のうちのいずれか一方のカム軸へ回転が出力されるように構成され、前記主駆動手段又は前記副駆動手段のいずれか一方の駆動手段のみが前記吸気弁用のカム軸及び前記排気弁用のカム軸のうちのいずれか他方のカム軸を駆動するための手段として共用されている、ことにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
本発明の弁駆動装置によれば、吸気弁用のカム軸及び排気弁用のカム軸のうちのいずれか一方のカム軸に出力される回転は、遊星歯車装置のサンギア、キャリア、リングギアの３つの要素のうち、主駆動手段及び副駆動手段に駆動される２つの要素の回転によって決定される。そして、主駆動手段又は副駆動手段のいずれか一方の駆動手段のみが吸気弁用のカム軸及び排気弁用のカム軸のうちのいずれか他方のカム軸を駆動するための手段として共用化されている。従って、他方の駆動手段を制御することにより他方のカム軸とは別個に一方のカム軸を制御可能である。例えば、主駆動手段を他方のカム軸と共用し、主駆動手段により駆動される要素の回転数を内燃機関の回転数と比例させても、副駆動手段を制御することにより一方のカム軸に出力される回転の位相を制御して、一方のカム軸の動弁特性を他方のカム軸とは別個に変更することが可能である。なお、本発明において、遊星歯車装置の要素に回転を加える動作も、遊星歯車装置の要素の回転を制動する動作も、力を与えて遊星歯車装置の動作状態を変化させる点で、いずれも「駆動」の範囲に含まれる。
【０００８】
本発明の弁駆動装置において、前記主駆動手段はモータジェネレータであってもよい（請求項２）。この場合、主駆動手段を電気的に制御して、一方のカム軸に出力する回転を制御可能である。
【０００９】
本発明の弁駆動装置において、前記主駆動手段は前記内燃機関であってもよい（請求項３）。この場合、一方のカム軸に出力される動力を内燃機関から供給するため、必要電力を低減可能である。
【００１０】
本発明の弁駆動装置において、前記副駆動手段はモータジェネレータであってもよい（請求項４）。この場合、副駆動手段を電気的に制御して、一方のカム軸に出力する回転を制御可能である。
【００１１】
本発明の弁駆動装置において、前記吸気弁用のカム軸及び前記排気弁用のカム軸は、同一の気筒に対して設けられており、前記主駆動手段は、前記吸気弁用のカム軸及び前記排気弁用のカム軸に対して共用されていてもよい（請求項５）。この場合、主駆動手段の数を減らし、弁駆動装置を小型化することが可能である。
【００１３】
本発明の弁駆動装置において、前記主駆動手段の駆動する要素の回転数を所定の回転数とした場合において、前記一方のカム軸へ回転を出力する要素の回転数を最小回転数として設定された回転数にしたときと、前記一方のカム軸へ回転を出力する要素の回転数を最大回転数として設定された回転数にしたときとで、前記副駆動手段の駆動する要素の回転方向が等しくてもよい（請求項６）。この場合、副駆動手段を常に同一方向で回転させて吸気弁又は排気弁を制御することができる。従って、例えば副駆動手段としてのモータジェネレータを正逆両方向に回転させる場合には駆動回路の素子が増え、モータジェネレータに所定の電流を与えてその回転を停止させるロック制御を行った場合にはモータジェネレータやその駆動回路の特定の相に電流が集中するという不都合が生じるが、これらの不都合を回避することができる。
【００１４】
本発明の弁駆動装置において、前記主駆動手段の駆動する要素の回転数を所定の回転数とした場合において、前記一方のカム軸へ回転を出力する要素の回転数を最大回転数として設定された回転数にしたときと、前記一方のカム軸へ回転を出力する要素の回転を停止させたときとで、前記副駆動手段の駆動する要素の回転数が互いに略等しく、回転方向が互いに逆方向であってもよい（請求項７）。副駆動手段を正逆両方向に回転させる場合において各回転方向への回転数の使用範囲に差があると、最高回転数が大きい側の回転方向を基準として、必要なトルクが得られるように副駆動手段を選定する必要がある。このため、最高回転数が大きいほど副駆動手段はより大きなトルクが求められて大型化する。他方、最高回転数が小さい側の回転方向については副駆動手段の本来の能力が十分に活用されず無駄が生じる。しかし、一方のカム軸へ回転を出力する要素の回転数を最大回転数として設定された回転数にしたときと、そのカム軸へ回転を出力する要素の回転を停止させたときとで、副駆動手段の駆動する要素の回転数が等しく、回転方向が逆方向となるようにすることで、いずれの回転方向にも副駆動手段の能力を無駄なく活用することができ、副駆動手段を小型化することができる。
【００１６】
本発明の弁駆動装置において、前記吸気弁用のカム軸と、前記排気弁用のカム軸との位相のずれを制限する位相制限手段を備えてもよい（請求項８）。吸気弁用のカム軸と排気弁用のカム軸との位相のずれが無制限に拡大すると、例えば、吸気弁及び排気弁が同時に開かれ、シリンダ内で両弁が干渉するという不都合が生じる。しかし、位相制限手段により吸気弁用のカム軸と排気弁用のカム軸との位相のずれを制限することにより、このような不都合を回避することが可能である。
【００１７】
本発明の弁駆動装置において、前記遊星歯車装置の要素のうち前記他の一つの要素の回転を制動する制動手段を備えてもよい（請求項９）。この場合、速やかに他の一つの要素の回転を停止、又は回転数を減少させることにより、制御の応答性を向上させることが可能である。特に、エンジン加減速時のようにカム軸の駆動速度を急に変化させる場合や、副駆動手段を逆回転させて吸気弁や排気弁を停止している状態から副駆動手段を再度正転させて吸気弁や排気弁を動作させるときのように回転方向を切り替える場合において、制御の応答性を向上させることができる。制動手段には、例えば油圧等で機械式に副駆動手段の駆動する要素の回転を制動するものを利用可能である。
【００１８】
本発明の弁駆動装置において、前記内燃機関には複数の気筒が設けられ、前記主駆動手段は前記複数の気筒間で共用されていてもよい（請求項１０）。この場合、主駆動手段を複数の気筒間で共用化して弁駆動装置の小型化を図ることが可能である。なお、複数の気筒を含む気筒群毎に副駆動手段を共用化してもよい。
【００１９】
本発明の弁駆動装置において、カムフリクションの発生時期が互いに重ならない複数の気筒間で前記副駆動手段が共用されていてもよい（請求項１１）。この場合、副駆動手段に要求される動力を増加させることなく、モータジェネレータの数を減らすことが可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
【００２１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の弁駆動装置の第１の実施形態を示す。弁駆動装置１は、車両の動力源として使用される４サイクル式内燃機関の吸気弁及び排気弁をカムによって駆動するように構成されている。すなわち、弁駆動装置１は、主駆動手段としての第１モータジェネレータ（ＭＧ）２が発生する回転運動を、遊星歯車装置３Ａ，３Ｂを介して吸気弁駆動用のカム軸４Ａ及び排気弁駆動用のカム軸４Ｂにそれぞれ伝達してカム軸４Ａ，４Ｂを回転させることにより、吸気弁及び排気弁を駆動する。
【００２２】
図２にも示すように、遊星歯車装置３Ａ，３Ｂは、サンギア軸５と、サンギア軸５と一体回転するサンギア６と、サンギア６と噛み合いつつその周囲を公転する複数（図では３つ）の遊星ギア（プラネタリギア）７…７と、遊星ギア７と噛み合う内歯歯車として構成されたリングギア８と、遊星ギア７をサンギア軸５の軸線の回りに回転自在に支持するキャリア９と、サンギア軸５と同軸上をキャリア９と一体回転可能に設けられたキャリア軸１０と、サンギア軸５と同軸上をリングギア８と一体に回転可能に設けられたリングギア軸１１とを備えている。
【００２３】
遊星歯車装置３Ａ，３Ｂのサンギア軸５はギア１２ａ、１２ｂ、１２ｃを含んだ伝達機構１２を介して第１ＭＧ２の出力軸２ａと接続されている。従って、サンギア６は第１ＭＧ２によって駆動可能である。なお、伝達機構１２は第１ＭＧ２の回転運動をサンギア軸５，５に等しく伝達できればよく、その構成は適宜に変更してよい。また、遊星歯車装置３Ａ，３Ｂのリングギア軸１１はカム軸４Ａ，４Ｂとそれぞれ接続されており、それにより、カム軸４Ａ，４Ｂはリングギア８と一体的に回転駆動される。但し、リングギア軸１１とカム軸４Ａ、４Ｂとの間に伝達機構が設けられてもよい。さらに、遊星歯車装置３Ａ，３Ｂのキャリア軸１０はギア１３ａ、１３ｂを含んだ伝達機構１３を介して副駆動手段としての第２モータジェネレータ（ＭＧ）１４，１４の出力軸１４ａと接続されている。従って、キャリア９は第２ＭＧ１４によって駆動可能である。なお、伝達機構１３を省略して第２ＭＧ１４の出力軸１４ａをキャリア９と直結してもよい。第２ＭＧ１４は、キャリア９に駆動される場合には発電機として機能する。その電力は所定のバッテリーに蓄電可能である。また、第２ＭＧ１４に代えて、発電機としての機能する副駆動手段を設けてもよい。この場合には、副駆動手段は専らキャリア軸１０の回転抵抗を変化させる手段として機能することになる。
【００２４】
以上のように構成された弁駆動装置１においては、第２ＭＧ１４によるキャリア９の回転を変化させることにより、サンギア軸５，キャリア軸１０及びリングギア軸１１の回転運動の相関関係を適宜に変化させることができる。以下、図３を参照して各軸５，１０，１１の回転数の関係を説明する。
【００２５】
図３（ａ）は、サンギア６、キャリア９、リングギア８のそれぞれの歯数と各軸５，１０，１１の回転数（回転速度）との関係を示す共線図である。この図において、縦軸は各ギアの回転数を示し、横軸はギア間の歯数の関係を示す。横軸上にサンギア６の位置Ｓ、及びリングギア８の位置Ｒを取り、位置Ｓと位置Ｒとの距離を１：ρに内分する位置Ｃをキャリア９の位置とする。但し、変数ρはリングギア８の歯数（Ｚｒ）に対するサンギア６の歯数（Ｚｓ）の比である。こうして定義された位置Ｓ、Ｃ、Ｒにそれぞれのギアと一体に設けられたサンギア軸５，キャリア軸１０及びリングギア軸１１の回転数Ｎｓ、Ｎｃ、Ｎｒをプロットする。遊星歯車装置３Ａ、３Ｂは、このようにプロットされた３点が必ず一直線に並ぶという性質を有している。この直線を動作共線と呼ぶ。動作共線は２点が決まれば一義的に定まる。従って、動作共線を用いることにより、３つのギアの回転数のうち２つのギアの回転数から残余のギアの回転数を求めることができる。
【００２６】
例えば、図３（ａ）に実線Ｌ１で示した設定例ではキャリア軸１０の回転数Ｎｃ＝０であるからキャリア軸１０は回転しない。これに対して、例えば破線Ｌ２で示すように第２ＭＧ１４によりキャリア軸１０に回転数Ｎｃ′を与えた場合には、第１ＭＧ２によるサンギア軸５の回転数Ｎｓが一定であるにも拘らず、リングギア軸１１の回転数がＮｒからＮｒ′へと変化する。このような性質を利用すれば、カム軸４Ａ，４Ｂの間で主駆動手段としての第１ＭＧ２が共用されていても、遊星歯車装置３Ａ，３Ｂのそれぞれのキャリア軸１０を第２ＭＧ１４によって互いに独立して駆動することにより、カム軸４Ａ，４Ｂの回転速度を互いに独立して変化させることができる。
【００２７】
また、カム軸４Ａ又は４Ｂが一回転する間に第２ＭＧ１４によるキャリア軸１０の駆動速度を変化させることにより、カム軸４Ａ、４Ｂを一定速度で回転させた場合には得られない吸気弁又は排気弁の動弁特性を得ることができる。この点を図４により説明する。
【００２８】
図４（ａ）は、内燃機関の定常状態（クランク軸が一定速度で回転している状態）の吸気工程における各軸５，１０，１１の回転数の経時変化を、図４（ｂ）はその時の吸気弁のリフト量の経時変化を示している。第１ＭＧ２は弁を駆動するための主たる部分を供給するから、サンギア軸５の回転数は、内燃機関の回転数の上昇に伴って上昇し、内燃機関が定常状態の場合には、図４（ａ）に示すようにサンギア軸５の回転数Ｎｓも一定に保たれる。もし、遊星歯車装置３Ａを介さずにサンギア軸５の回転をカム軸４Ａに伝達した場合には、吸気弁のリフト量の推移は図４（ｂ）に破線Ｌ３で示すようになる。一方、図４（ａ）に示すように、キャリア軸１０の回転数Ｎｃをリングギア軸１１の回転方向を正として、吸気工程の前半に増加させ、吸気工程の後半に回転数を減少させると、リングギア軸１１の回転数Ｎｒもそれに伴って増減する。その結果、図４（ｂ）に実線Ｌ４で示すように、吸気弁のリフト量は吸気工程の早い段階で最大値まで立ち上がり、リフト量の大きい状態が比較的長く維持される。図４（ｃ）及び（ｄ）は吸気弁の開閉期間中においてキャリア軸１０の回転数Ｎｃを増加させた例である。この場合には作用角が小さくなり、吸気量を絞り込むことができる。
【００２９】
遊星歯車装置３Ａ、３Ｂでは、各ギアから伝達されるトルクを動作共線に働く力に置き換えて示したとき、動作共線が剛体として釣り合いが保たれるという性質を有している。従って、リングギア軸１１に要求される回転数に対応して第１ＭＧ２及び第２ＭＧ１４の回転数を決定し、第１ＭＧ２及び第２ＭＧ１４の動力を決定すればよい。
【００３０】
このように、本実施形態では、第１ＭＧ２の回転数を一定としつつ、第２ＭＧ１４を利用してカム軸４Ａ、４Ｂの位相を制御することにより、第１ＭＧ２の制御には複雑な制御を必要としない一方で、吸気弁及び排気弁それぞれの動弁特性の変更を適宜に行うことが可能である。しかも、第２ＭＧ１４は、第１ＭＧ２に比較して出力可能な回転数が低いものを利用可能であり、小型化することが可能である。なお、カムの位相の制御時期、制御量については、内燃機関の燃焼状態等に応じて種々の設定が可能であるが、本発明の要旨ではないので詳細は省略する。
【００３１】
サンギア６、キャリア９、リングギア８の歯数と各軸５、１０、１１の回転数の関係は図３（ａ）に示した例に限らず、様々に設定することができる。他の設定例を図５（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。
【００３２】
図５（ａ）の共線図において、実線Ｌ５はリングギア軸１１の回転数Ｎｒが最小となった場合の動作共線であり、破線Ｌ６は回転数Ｎｒが最大となった場合の動作共線である。回転数Ｎｒが最小となった場合と、回転数Ｎｒが最大となった場合とで、キャリア軸１０の回転方向は同一である。このように設定することで、第２ＭＧ１４を常に同一方向で回転させて吸気弁及び排気弁を動作させることができる。第２ＭＧ１４を正逆両方向に回転させる場合には第２ＭＧ１４に対する駆動回路の素子が増え、第２ＭＧ１４に所定の電流を与えてその回転を停止させるロック制御を行った場合には第２ＭＧ１４やその駆動回路の特定の相に電流が集中するという不都合が生じるが、図５（ａ）の例によればこれらの不都合を回避することができる。なお、図５（ａ）の回転数Ｎｒの最小値及び最大値を、通常カム動作時（クランク軸の回転数の半分の速度でカム軸４Ａ，４Ｂを回転させる動作状態を意味する。）における回転数Ｎｒの最大値、最小値としてもよい。第２ＭＧ１４を一方向のみに回転させる場合に、その一方向への回転の遊星歯車装置３Ａ、３Ｂへの伝達のみを許容し、反対方向への回転伝達を阻止するワンウェイ機構を設けてもよい。
【００３３】
図５（ｂ）はさらに他の設定例を示す。図５（ｂ）の共線図において、実線Ｌ７はリングギア軸１１に最大回転数Ｎｒを与えた場合を、実線Ｌ８はリングギア軸１１の回転数Ｎｒを０に設定した場合、つまり吸気弁又は排気弁を停止させた場合をそれぞれ示している。この例では、リングギア軸１１に最大回転数Ｎｒを与えたときのキャリア軸１０の回転数Ｎｃと、回転数Ｎｒ＝０としたときのキャリア軸１０の回転数Ｎｃ′とが互いに等しい大きさで、回転方向が互いに逆向きとなっている。このような設定を実現するにはギア比ρ、回転数Ｎｓ、Ｎｒとの間に次のような関係を与えればよい。
【００３４】
図５（ｂ）の共線図の幾何学的関係からみて、回転数Ｎｓ，Ｎｃ，Ｎｃ′，Ｎｒ及びギア比ρとの間には次の関係が成立する。
【数１】
Ｎｃ＝（Ｎｒ−ρ×Ｎｓ）／（１＋ρ） ……（１）
Ｎｃ′＝Ｎｓ×ρ／（１＋ρ） ……（２）
【００３５】
そこで、条件Ｎｃ＝Ｎｃ′として（１）、（２）式を連立させてギア比ρについて解けば、
【数２】
ρ＝Ｎｒ／２Ｎｓ ……（３）
となる。
【００３６】
このように回転数Ｎｓ、Ｎｒとギア比ρとの関係を定めた場合には、第２ＭＧ１４の回転数の使用範囲が、回転方向を問わず等しくなる。実際には、カム軸４Ａ，４Ｂの最大回転数Ｎｒが他の条件から与えられるので、ギア比ρ及び／又はサンギア軸５の回転数Ｎｓを調整して上式（３）を満たすようにすればよい。サンギア軸５の回転数Ｎｓが他の条件から与えられて自由に変更できない場合には（３）式を満たすようにギア比ρを調整すればよい。
【００３７】
以上のように回転数ＮｃとＮｃ′との大きさを一致させた場合には、第２ＭＧ１４の回転数の使用範囲が回転方向に拘わりなく一致する。これに対して（３）式が満たされない場合には、回転数Ｎｃ又はＮｃ′のいずれか一方が図５（ｂ）の値よりも大きくなり、他方が図５（ｂ）の値よりも小さくなる。第２ＭＧ１４を正逆両方向に回転させる場合において各回転方向への回転数の使用範囲に差があると、最高回転数が大きい側の回転方向を基準として、必要なトルクが得られるように第２ＭＧ１４の大きさを選定する必要がある。このため、最高回転数が大きいほど第２ＭＧ１４はより大きなトルクが求められて第２ＭＧ１４が大型化する。他方、最高回転数が小さい側の回転方向については第２ＭＧ１４の本来の能力が十分に活用されず無駄が生じる。しかしながら、（３）式を満たす場合には、いずれの方向にも等しい回転数範囲で第２ＭＧ１４を駆動することになるから、いずれの回転方向にも第２ＭＧ１４の能力を無駄なく活用することができ、第２ＭＧ１４を小型化することができる。
【００３８】
なお、ギア比ρの制限等から（３）式を成立させることが困難な場合には、ＮｃとＮｃ′とがほぼ等しい大きさとなるように、（３）式を満たすギア比ρ及び／又は回転数Ｎｓの近似値を採用すればよい。
【００３９】
図３（ａ）、図５（ａ）、（ｂ）の各例では主駆動手段として第１ＭＧ２を利用したが、これに代えて主駆動手段に内燃機関等の熱機関を用いてもよい。この場合、クランク軸の回転を１／２に減速して遊星歯車装置３Ａ、３Ｂに入力するタイミングチェーン等の機構を設ける必要がある。
【００４０】
遊星歯車装置３Ａ，３Ｂの入力及び出力は図３（ａ）、図５（ａ）、（ｂ）の各例のようにリングギア軸１１をカム軸４Ａ，４Ｂへの出力軸として使用する例に限られない。例えば、サンギア軸５に第２ＭＧ１４を接続し、キャリア軸１０にカム軸４Ａ，４Ｂを接続し、リングギア軸１１に第１ＭＧ２を接続することにより、リングギア軸１１を入力軸に、キャリア軸１０を出力軸として選択してもよい。この場合の共線図は図３（ｂ）に示すようになる。他にも、サンギア軸５を出力軸として利用してもよい。
【００４１】
（第２の実施形態）
図６を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、図６において図１との共通部分には同一の参照符号を付してある。
【００４２】
第２の実施形態の弁駆動装置３０では、排気弁を駆動するための遊星歯車装置３Ｂが省略され、主駆動手段としての第１ＭＧ２の出力軸２ａと排気側のカム軸４Ｂとがギア１２ａ、１２ｂ及び伝達軸３１を介して接続されることにより、第１ＭＧ２にてカム軸４Ｂが直接的に駆動される。このような実施形態では、第１ＭＧ２の位相を制御することにより、排気弁の動弁特性を変更することができる。吸気側のカム軸４Ａの動作に関しては、第１ＭＧ２の位相制御がカム軸４Ａの動作に及ぼす影響が排除されつつ吸気弁に所望の動弁特性が与えられるように第２ＭＧ１４の位相を制御すればよい。本実施形態によれば、第２ＭＧ１４の数を減らしつつ、吸気弁及び排気弁の動弁特性をそれぞれ変更することが可能である。なお、遊星歯車装置３Ａへの回転の入力位置は図６の例に限らず、例えば伝達機構１２の適宜の位置又はカム軸４Ｂから遊星歯車装置３Ａへと回転を伝達するようにしてもよい。吸気弁駆動用の遊星歯車装置３Ａを省略し、排気弁駆動用の遊星歯車装置３Ｂを設けてもよい。
【００４３】
（第３の実施形態）
図７を参照して、本発明の第３の実施形態を説明する。なお、図７において図６との共通部分には同一の参照符号を付してある。
【００４４】
第３の実施形態の弁駆動装置４０は、第２の実施形態の弁駆動装置３０と比較して、吸気弁と排気弁との位相のずれを所定の範囲内に制限するための位相制限装置４１を備える点で相違する。位相制限装置４１は、互いに同軸上に配置された位相制限軸４２Ａ、４２Ｂと、カム軸４Ａ，４Ｂの回転を位相制限軸４２Ａ，４２Ｂにそれぞれ伝達する伝達機構４３，４３とを備えている。伝達機構４３は例えばギア４３ａ、４３ｂを備えているが、カム軸４Ａ，４Ｂの回転を位相制限軸４２Ａ，４２Ｂに対して互いに等しい速度比で伝達できるものであればその構成は問わない。
【００４５】
図７（ｂ）に示すように、位相制限軸４２Ａ，４２Ｂの端面は互いに対向し、位相制限軸４２Ｂの端面には凸部４２ａが、位相制限軸４２Ａの端面には円弧を描くように延びる溝部４４ｂがそれぞれ設けられている。凸部４２ａは溝部４２ｂに挿入されている。
【００４６】
以上の位相制限装置４１によれば、カム軸４Ａ，４Ｂが同一速度で回転しているときは凸部４２ａが溝部４２ｂ内で相対的に静止する。しかし、第１ＭＧ２又は第２ＭＧ１４の位相制御によって吸気弁又は排気弁の動弁特性を変化させると、位相制限軸４２Ａ，４２Ｂが相対的に回転して凸部４２ａが溝部４２ｂ内を移動する。しかし、その凸部４２ａの移動範囲は溝部４２ｂ内に制限される。従って、カム軸４Ａ，４Ｂの回転方向に関する相対的な変位量が制限され、その結果、吸気弁と排気弁との位相のずれが所定範囲に制限される。
【００４７】
以上のように吸気弁及び排気弁の位相のずれ量を制限した場合には、第１ＭＧ２や第２ＭＧ１４による位相制御が正常に行えないときでも吸気弁と排気弁との間の位相のずれが無制限に拡大するおそれがない。内燃機関によっては、吸気弁及び排気弁が最大リフト量付近まで開くとシリンダ内で両弁が干渉することがある。クランク軸からの回転でカム軸を駆動する従来型の弁駆動装置では吸気弁及び排気弁を同時的に最大リフト量付近まで開くことができないが、本実施形態の弁駆動装置４０では、位相制限装置４１がなければ吸気弁及び排気弁を最大リフト量付近まで同時に開くことが可能であり、そのような状態が生じないように制御するだけでは制御の失調時（正常な制御が不可能となったとき）に吸気弁及び排気弁が同時に開かれるおそれがある。これに対して、上述した位相制限装置４１によれば、凸部４２ａと溝部４２ｂとの位置を適切に定めることにより、吸気弁及び排気弁の干渉を確実に防止することができる。
【００４８】
なお、位相制限装置４１は、第１の実施形態の弁駆動装置１に設けてもよい。位相制限装置４１の構成は図７の例に限らず、適宜に変更してよい。
【００４９】
（第４の実施形態）
図８を参照して、本発明の第４の実施形態を説明する。なお、図８において図６との共通部分には同一の参照符号を付してある。
【００５０】
図８（ａ）に示すように、第４の実施形態は、第２の実施形態の弁駆動装置３０と比較して、キャリア軸１０の回転を制動するブレーキ装置５１を備える点で相違する。ブレーキ装置５１は、キャリア軸１０と一体的に回転するディスク５２を油圧によって作動するキャリパ５３によって挟み込むディスクブレーキとして構成されている。
【００５１】
以上のようなブレーキ装置５１によれば、第２ＭＧ１４による制御とは別にブレーキ装置５１にてキャリア軸１０の回転を適宜に制動することができるので、第２ＭＧ１４のみでキャリア軸１０を制動する場合と比較して、キャリア軸１０を停止又は減速させる必要が生じたときの制御の応答性を向上させることができる。特に、エンジン加減速時のようにのようにカム軸４Ａ，４Ｂの駆動速度を急に変化させる場合や、第２ＭＧ１４を逆回転させて吸気弁や排気弁を停止している状態から第２ＭＧ１４を再度正転させて吸気弁や排気弁を動作させるときのように回転方向を切り替える場合において、図８（ｂ）に示すようにブレーキ装置５１にてキャリア軸１０の回転数Ｎｃを０（つまり停止状態）に保持することにより、制御の応答性を向上させることができる。また、第２ＭＧ１４が故障してキャリア軸１０の速度を制御不能となった場合にもブレーキ装置５１にてキャリア軸１０を強制的に停止させて吸気弁や排気弁の動弁特性を一定の状態に保持することができる。
【００５２】
なお、ブレーキ装置５１は、遊星歯車装置３Ａに入力される回転を停止等させるものであればよく、例えば、出力軸１４ａ、伝達機構１３、キャリア９の回転を制動するものでもよい。ブレーキ装置５１を第１の実施形態の弁駆動装置１に設けてもよい。
【００５３】
（第５の実施形態）
図９及び図１０を参照して、本発明の第５の実施形態を説明する。なお、図９において図１との共通部分には同一の参照符号を付してある。図９において、遊星歯車装置３Ａ、３Ｂは、便宜上リングギア８の半分を省略する等して簡略化して図示されているが、実際には図１と同様にサンギア６、キャリア９、及びリングギア８は同軸上で回転する。
【００５４】
第５の実施形態の弁駆動装置６０は、直列４気筒式の内燃機関に適用される弁駆動装置として構成されている。弁駆動装置６０は、＃１〜＃４の４つの気筒の吸気弁にそれぞれに対応して設けられた４つの遊星歯車装置３Ａ…３Ａと、各気筒の排気弁にそれぞれ対応して設けられた４つの遊星歯車装置３Ｂ…３Ｂとを備えている。第１ＭＧ２は＃１〜＃４の気筒に対して１つだけ設けられており、それぞれの遊星歯車装置３Ａ，３Ｂのサンギア６…６には共通の第１ＭＧ２から回転運動が伝達される。第２ＭＧ１４に関しては、＃１の気筒と＃４の気筒とで共用されるようにして１つの第２ＭＧ１４が、＃２の気筒と＃３の気筒とで共用されるようにして他の１つの第２ＭＧ１４が設けられている。
【００５５】
図１０に示すように、＃１〜＃４の気筒のそれぞれにおける吸気又は排気のタイミングは、クランク角にして１８０°ずつずらして設定されており、排気及び吸気は気筒番号にして＃１、＃３、＃４、そして＃２の順で行われる。このため、＃１の気筒１と＃４の気筒との間では吸気弁及び排気弁の動作時期がクランク角にして３６０°ずれ、＃２の気筒と＃３の気筒との間では吸気弁及び排気弁の動作時期がクランク角にして３６０°ずれる。このように吸気弁及び排気弁の動作時期がずれていれば、カムによる吸気弁又は排気弁の開閉駆動に伴う摩擦抵抗（カムフリクション）が第２ＭＧ１４に重複して作用することはない。従って、＃１，＃４の気筒間で１つの第２ＭＧ１４を共用し、＃２，＃３の気筒間で他の１との第２ＭＧ１４を共用しても、各気筒に対して１：１で第２ＭＧ１４を設けた場合と比較して、第２ＭＧ１４に要求される出力は増加しない。従って、第２ＭＧ１４を大型化することなく、第２ＭＧ１４の個数を削減することが可能である。なお、第２の実施形態のように、遊星歯車装置３Ａ…３Ａ又は遊星歯車装置３Ｂ…３Ｂのいずれかを省略して、吸気側又は排気側のいずれかのカム軸１１の位相を第１ＭＧ２により制御するようにしてもよい。
【００５６】
以上の実施形態では、＃１，＃４の気筒によって一つの気筒群が構成され、＃２，＃３の気筒によって他の一つの気筒群が構成される。但し、カムフリクションが重なり合わない気筒の組み合わせは内燃機関の構成によって種々に変化するので、気筒群の構成も内燃機関の気筒数とレイアウトに応じて適宜に変化させる必要がある。
【００５７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の弁駆動装置によれば、カム軸に出力される回転は、遊星歯車装置のサンギア、キャリア、リングギアの３つの要素のうち、主駆動手段及び副駆動手段に駆動される２つの要素の回転によって決定される。従って、主駆動手段又は副駆動手段のいずれか一方の駆動手段が他のカム軸を駆動するための手段として共用化されていても、他方の駆動手段を制御することにより他のカム軸とは別個にカム軸を制御可能である。例えば、主駆動手段を他のカム軸と共用し、主駆動手段により駆動される要素の回転数を内燃機関の回転数と比例させても、副駆動手段を制御することによりカム軸に出力される回転の位相を制御して、カム軸の動弁特性を他のカム軸とは別個に変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の弁駆動装置の第１の実施形態を示す図。
【図２】遊星歯車装置の構成を示す図。
【図３】遊星歯車装置を構成するギアの回転数と歯数との関係を示す図。
【図４】図１の弁駆動装置の動作の経時変化を示す図。
【図５】遊星歯車装置を構成するギアの回転数及び歯数の設定例を示す図。
【図６】本発明の弁駆動装置の第２の実施形態を示す図。
【図７】本発明の弁駆動装置の第３の実施形態を示す図。
【図８】本発明の弁駆動装置の第４の実施形態を示す図。
【図９】本発明の弁駆動装置の第５の実施形態を示す図。
【図１０】図９の弁駆動装置の動作の経時変化を示す図。
【符号の説明】
１ 弁駆動装置
２ モータジェネレータ（主駆動手段）
６ 遊星歯車装置
８ カム軸
１０ モータジェネレータ
２０ サンギア
２１ 遊星ギア
２３ キャリア
２４ リングギア
３０ 弁駆動装置
４０ 弁駆動装置
４１ 制限装置
５０ 弁駆動装置
５１ ブレーキ装置
６０ 弁駆動装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の弁駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般の内燃機関の吸気弁及び排気弁は、内燃機関のクランク軸から取り出された動力によって開閉駆動されている。しかし、近年では、開閉時期を変化させるため電動モータによって吸気弁や排気弁を駆動することが試みられている。例えば特許文献１には、カム軸をモータで駆動して吸気弁を開閉させる弁駆動装置が開示されている。また、ＥＧＲ用の弁を対象としたものであるが、バルブステムに設けたねじ機構を利用してモータの回転を弁の直線的な開閉運動に変換する弁駆動装置も知られている（特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−１７７５３６号公報
【特許文献２】
特開平１０−７３１７８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、多数の吸気弁及び排気弁をそれぞれ個別に電動モータで駆動するならば、必要な電動モータの個数やそれらの電動モータの消費電力が増加するという不都合がある。
【０００５】
そこで、本発明は、多数の吸気弁及び排気弁をそれぞれ個別に制御しつつ、吸気弁及び排気弁の動力源を共用化可能な弁駆動装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の弁駆動装置は、吸気弁用のカム軸の回転により吸気弁を、排気弁用のカム軸の回転により排気弁をそれぞれ駆動する内燃機関の弁駆動装置において、サンギア、サンギアの回りを周回可能なプラネタリギア、プラネタリギアをサンギアの軸線の回りに回転可能に保持するキャリア、及びプラネタリギアと噛み合うリングギアを有する遊星歯車装置と、前記サンギア、前記キャリア及び前記リングギアの３つの要素うち、いずれか一つの要素を駆動する主駆動手段と、前記サンギア、前記キャリア及び前記リングギアの３つの要素うち、他の一つの要素を駆動する副駆動手段と、を備え、前記サンギア、前記キャリア及び前記リングギアの３つの要素うち、残りの一つの要素から前記吸気弁用のカム軸及び前記排気弁用のカム軸のうちのいずれか一方のカム軸へ回転が出力されるように構成され、前記主駆動手段又は前記副駆動手段のいずれか一方の駆動手段のみが前記吸気弁用のカム軸及び前記排気弁用のカム軸のうちのいずれか他方のカム軸を駆動するための手段として共用されている、ことにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００７】
本発明の弁駆動装置によれば、吸気弁用のカム軸及び排気弁用のカム軸のうちのいずれか一方のカム軸に出力される回転は、遊星歯車装置のサンギア、キャリア、リングギアの３つの要素のうち、主駆動手段及び副駆動手段に駆動される２つの要素の回転によって決定される。そして、主駆動手段又は副駆動手段のいずれか一方の駆動手段のみが吸気弁用のカム軸及び排気弁用のカム軸のうちのいずれか他方のカム軸を駆動するための手段として共用化されている。従って、他方の駆動手段を制御することにより他方のカム軸とは別個に一方のカム軸を制御可能である。例えば、主駆動手段を他方のカム軸と共用し、主駆動手段により駆動される要素の回転数を内燃機関の回転数と比例させても、副駆動手段を制御することにより一方のカム軸に出力される回転の位相を制御して、一方のカム軸の動弁特性を他方のカム軸とは別個に変更することが可能である。なお、本発明において、遊星歯車装置の要素に回転を加える動作も、遊星歯車装置の要素の回転を制動する動作も、力を与えて遊星歯車装置の動作状態を変化させる点で、いずれも「駆動」の範囲に含まれる。
【０００８】
本発明の弁駆動装置において、前記主駆動手段はモータジェネレータであってもよい（請求項２）。この場合、主駆動手段を電気的に制御して、一方のカム軸に出力する回転を制御可能である。
【０００９】
本発明の弁駆動装置において、前記主駆動手段は前記内燃機関であってもよい（請求項３）。この場合、一方のカム軸に出力される動力を内燃機関から供給するため、必要電力を低減可能である。
【００１０】
本発明の弁駆動装置において、前記副駆動手段はモータジェネレータであってもよい（請求項４）。この場合、副駆動手段を電気的に制御して、一方のカム軸に出力する回転を制御可能である。
【００１１】
本発明の弁駆動装置において、前記吸気弁用のカム軸及び前記排気弁用のカム軸は、同一の気筒に対して設けられており、前記主駆動手段は、前記吸気弁用のカム軸及び前記排気弁用のカム軸に対して共用されていてもよい（請求項５）。この場合、主駆動手段の数を減らし、弁駆動装置を小型化することが可能である。
【００１３】
本発明の弁駆動装置において、前記主駆動手段の駆動する要素の回転数を所定の回転数とした場合において、前記一方のカム軸へ回転を出力する要素の回転数を最小回転数として設定された回転数にしたときと、前記一方のカム軸へ回転を出力する要素の回転数を最大回転数として設定された回転数にしたときとで、前記副駆動手段の駆動する要素の回転方向が等しくてもよい（請求項６）。この場合、副駆動手段を常に同一方向で回転させて吸気弁又は排気弁を制御することができる。従って、例えば副駆動手段としてのモータジェネレータを正逆両方向に回転させる場合には駆動回路の素子が増え、モータジェネレータに所定の電流を与えてその回転を停止させるロック制御を行った場合にはモータジェネレータやその駆動回路の特定の相に電流が集中するという不都合が生じるが、これらの不都合を回避することができる。
【００１４】
本発明の弁駆動装置において、前記主駆動手段の駆動する要素の回転数を所定の回転数とした場合において、前記一方のカム軸へ回転を出力する要素の回転数を最大回転数として設定された回転数にしたときと、前記一方のカム軸へ回転を出力する要素の回転を停止させたときとで、前記副駆動手段の駆動する要素の回転数が互いに略等しく、回転方向が互いに逆方向であってもよい（請求項７）。副駆動手段を正逆両方向に回転させる場合において各回転方向への回転数の使用範囲に差があると、最高回転数が大きい側の回転方向を基準として、必要なトルクが得られるように副駆動手段を選定する必要がある。このため、最高回転数が大きいほど副駆動手段はより大きなトルクが求められて大型化する。他方、最高回転数が小さい側の回転方向については副駆動手段の本来の能力が十分に活用されず無駄が生じる。しかし、一方のカム軸へ回転を出力する要素の回転数を最大回転数として設定された回転数にしたときと、そのカム軸へ回転を出力する要素の回転を停止させたときとで、副駆動手段の駆動する要素の回転数が等しく、回転方向が逆方向となるようにすることで、いずれの回転方向にも副駆動手段の能力を無駄なく活用することができ、副駆動手段を小型化することができる。
【００１６】
本発明の弁駆動装置において、前記吸気弁用のカム軸と、前記排気弁用のカム軸との位相のずれを制限する位相制限手段を備えてもよい（請求項８）。吸気弁用のカム軸と排気弁用のカム軸との位相のずれが無制限に拡大すると、例えば、吸気弁及び排気弁が同時に開かれ、シリンダ内で両弁が干渉するという不都合が生じる。しかし、位相制限手段により吸気弁用のカム軸と排気弁用のカム軸との位相のずれを制限することにより、このような不都合を回避することが可能である。
【００１７】
本発明の弁駆動装置において、前記遊星歯車装置の要素のうち前記他の一つの要素の回転を制動する制動手段を備えてもよい（請求項９）。この場合、速やかに他の一つの要素の回転を停止、又は回転数を減少させることにより、制御の応答性を向上させることが可能である。特に、エンジン加減速時のようにカム軸の駆動速度を急に変化させる場合や、副駆動手段を逆回転させて吸気弁や排気弁を停止している状態から副駆動手段を再度正転させて吸気弁や排気弁を動作させるときのように回転方向を切り替える場合において、制御の応答性を向上させることができる。制動手段には、例えば油圧等で機械式に副駆動手段の駆動する要素の回転を制動するものを利用可能である。
【００１８】
本発明の弁駆動装置において、前記内燃機関には複数の気筒が設けられ、前記主駆動手段は前記複数の気筒間で共用されていてもよい（請求項１０）。この場合、主駆動手段を複数の気筒間で共用化して弁駆動装置の小型化を図ることが可能である。なお、複数の気筒を含む気筒群毎に副駆動手段を共用化してもよい。
【００１９】
本発明の弁駆動装置において、カムフリクションの発生時期が互いに重ならない複数の気筒間で前記副駆動手段が共用されていてもよい（請求項１１）。この場合、副駆動手段に要求される動力を増加させることなく、モータジェネレータの数を減らすことが可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
【００２１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の弁駆動装置の第１の実施形態を示す。弁駆動装置１は、車両の動力源として使用される４サイクル式内燃機関の吸気弁及び排気弁をカムによって駆動するように構成されている。すなわち、弁駆動装置１は、主駆動手段としての第１モータジェネレータ（ＭＧ）２が発生する回転運動を、遊星歯車装置３Ａ，３Ｂを介して吸気弁駆動用のカム軸４Ａ及び排気弁駆動用のカム軸４Ｂにそれぞれ伝達してカム軸４Ａ，４Ｂを回転させることにより、吸気弁及び排気弁を駆動する。
【００２２】
図２にも示すように、遊星歯車装置３Ａ，３Ｂは、サンギア軸５と、サンギア軸５と一体回転するサンギア６と、サンギア６と噛み合いつつその周囲を公転する複数（図では３つ）の遊星ギア（プラネタリギア）７…７と、遊星ギア７と噛み合う内歯歯車として構成されたリングギア８と、遊星ギア７をサンギア軸５の軸線の回りに回転自在に支持するキャリア９と、サンギア軸５と同軸上をキャリア９と一体回転可能に設けられたキャリア軸１０と、サンギア軸５と同軸上をリングギア８と一体に回転可能に設けられたリングギア軸１１とを備えている。
【００２３】
遊星歯車装置３Ａ，３Ｂのサンギア軸５はギア１２ａ、１２ｂ、１２ｃを含んだ伝達機構１２を介して第１ＭＧ２の出力軸２ａと接続されている。従って、サンギア６は第１ＭＧ２によって駆動可能である。なお、伝達機構１２は第１ＭＧ２の回転運動をサンギア軸５，５に等しく伝達できればよく、その構成は適宜に変更してよい。また、遊星歯車装置３Ａ，３Ｂのリングギア軸１１はカム軸４Ａ，４Ｂとそれぞれ接続されており、それにより、カム軸４Ａ，４Ｂはリングギア８と一体的に回転駆動される。但し、リングギア軸１１とカム軸４Ａ、４Ｂとの間に伝達機構が設けられてもよい。さらに、遊星歯車装置３Ａ，３Ｂのキャリア軸１０はギア１３ａ、１３ｂを含んだ伝達機構１３を介して副駆動手段としての第２モータジェネレータ（ＭＧ）１４，１４の出力軸１４ａと接続されている。従って、キャリア９は第２ＭＧ１４によって駆動可能である。なお、伝達機構１３を省略して第２ＭＧ１４の出力軸１４ａをキャリア９と直結してもよい。第２ＭＧ１４は、キャリア９に駆動される場合には発電機として機能する。その電力は所定のバッテリーに蓄電可能である。また、第２ＭＧ１４に代えて、発電機としての機能する副駆動手段を設けてもよい。この場合には、副駆動手段は専らキャリア軸１０の回転抵抗を変化させる手段として機能することになる。
【００２４】
以上のように構成された弁駆動装置１においては、第２ＭＧ１４によるキャリア９の回転を変化させることにより、サンギア軸５，キャリア軸１０及びリングギア軸１１の回転運動の相関関係を適宜に変化させることができる。以下、図３を参照して各軸５，１０，１１の回転数の関係を説明する。
【００２５】
図３（ａ）は、サンギア６、キャリア９、リングギア８のそれぞれの歯数と各軸５，１０，１１の回転数（回転速度）との関係を示す共線図である。この図において、縦軸は各ギアの回転数を示し、横軸はギア間の歯数の関係を示す。横軸上にサンギア６の位置Ｓ、及びリングギア８の位置Ｒを取り、位置Ｓと位置Ｒとの距離を１：ρに内分する位置Ｃをキャリア９の位置とする。但し、変数ρはリングギア８の歯数（Ｚｒ）に対するサンギア６の歯数（Ｚｓ）の比である。こうして定義された位置Ｓ、Ｃ、Ｒにそれぞれのギアと一体に設けられたサンギア軸５，キャリア軸１０及びリングギア軸１１の回転数Ｎｓ、Ｎｃ、Ｎｒをプロットする。遊星歯車装置３Ａ、３Ｂは、このようにプロットされた３点が必ず一直線に並ぶという性質を有している。この直線を動作共線と呼ぶ。動作共線は２点が決まれば一義的に定まる。従って、動作共線を用いることにより、３つのギアの回転数のうち２つのギアの回転数から残余のギアの回転数を求めることができる。
【００２６】
例えば、図３（ａ）に実線Ｌ１で示した設定例ではキャリア軸１０の回転数Ｎｃ＝０であるからキャリア軸１０は回転しない。これに対して、例えば破線Ｌ２で示すように第２ＭＧ１４によりキャリア軸１０に回転数Ｎｃ′を与えた場合には、第１ＭＧ２によるサンギア軸５の回転数Ｎｓが一定であるにも拘らず、リングギア軸１１の回転数がＮｒからＮｒ′へと変化する。このような性質を利用すれば、カム軸４Ａ，４Ｂの間で主駆動手段としての第１ＭＧ２が共用されていても、遊星歯車装置３Ａ，３Ｂのそれぞれのキャリア軸１０を第２ＭＧ１４によって互いに独立して駆動することにより、カム軸４Ａ，４Ｂの回転速度を互いに独立して変化させることができる。
【００２７】
また、カム軸４Ａ又は４Ｂが一回転する間に第２ＭＧ１４によるキャリア軸１０の駆動速度を変化させることにより、カム軸４Ａ、４Ｂを一定速度で回転させた場合には得られない吸気弁又は排気弁の動弁特性を得ることができる。この点を図４により説明する。
【００２８】
図４（ａ）は、内燃機関の定常状態（クランク軸が一定速度で回転している状態）の吸気工程における各軸５，１０，１１の回転数の経時変化を、図４（ｂ）はその時の吸気弁のリフト量の経時変化を示している。第１ＭＧ２は弁を駆動するための主たる部分を供給するから、サンギア軸５の回転数は、内燃機関の回転数の上昇に伴って上昇し、内燃機関が定常状態の場合には、図４（ａ）に示すようにサンギア軸５の回転数Ｎｓも一定に保たれる。もし、遊星歯車装置３Ａを介さずにサンギア軸５の回転をカム軸４Ａに伝達した場合には、吸気弁のリフト量の推移は図４（ｂ）に破線Ｌ３で示すようになる。一方、図４（ａ）に示すように、キャリア軸１０の回転数Ｎｃをリングギア軸１１の回転方向を正として、吸気工程の前半に増加させ、吸気工程の後半に回転数を減少させると、リングギア軸１１の回転数Ｎｒもそれに伴って増減する。その結果、図４（ｂ）に実線Ｌ４で示すように、吸気弁のリフト量は吸気工程の早い段階で最大値まで立ち上がり、リフト量の大きい状態が比較的長く維持される。図４（ｃ）及び（ｄ）は吸気弁の開閉期間中においてキャリア軸１０の回転数Ｎｃを増加させた例である。この場合には作用角が小さくなり、吸気量を絞り込むことができる。
【００２９】
遊星歯車装置３Ａ、３Ｂでは、各ギアから伝達されるトルクを動作共線に働く力に置き換えて示したとき、動作共線が剛体として釣り合いが保たれるという性質を有している。従って、リングギア軸１１に要求される回転数に対応して第１ＭＧ２及び第２ＭＧ１４の回転数を決定し、第１ＭＧ２及び第２ＭＧ１４の動力を決定すればよい。
【００３０】
このように、本実施形態では、第１ＭＧ２の回転数を一定としつつ、第２ＭＧ１４を利用してカム軸４Ａ、４Ｂの位相を制御することにより、第１ＭＧ２の制御には複雑な制御を必要としない一方で、吸気弁及び排気弁それぞれの動弁特性の変更を適宜に行うことが可能である。しかも、第２ＭＧ１４は、第１ＭＧ２に比較して出力可能な回転数が低いものを利用可能であり、小型化することが可能である。なお、カムの位相の制御時期、制御量については、内燃機関の燃焼状態等に応じて種々の設定が可能であるが、本発明の要旨ではないので詳細は省略する。
【００３１】
サンギア６、キャリア９、リングギア８の歯数と各軸５、１０、１１の回転数の関係は図３（ａ）に示した例に限らず、様々に設定することができる。他の設定例を図５（ａ）及び（ｂ）を参照して説明する。
【００３２】
図５（ａ）の共線図において、実線Ｌ５はリングギア軸１１の回転数Ｎｒが最小となった場合の動作共線であり、破線Ｌ６は回転数Ｎｒが最大となった場合の動作共線である。回転数Ｎｒが最小となった場合と、回転数Ｎｒが最大となった場合とで、キャリア軸１０の回転方向は同一である。このように設定することで、第２ＭＧ１４を常に同一方向で回転させて吸気弁及び排気弁を動作させることができる。第２ＭＧ１４を正逆両方向に回転させる場合には第２ＭＧ１４に対する駆動回路の素子が増え、第２ＭＧ１４に所定の電流を与えてその回転を停止させるロック制御を行った場合には第２ＭＧ１４やその駆動回路の特定の相に電流が集中するという不都合が生じるが、図５（ａ）の例によればこれらの不都合を回避することができる。なお、図５（ａ）の回転数Ｎｒの最小値及び最大値を、通常カム動作時（クランク軸の回転数の半分の速度でカム軸４Ａ，４Ｂを回転させる動作状態を意味する。）における回転数Ｎｒの最大値、最小値としてもよい。第２ＭＧ１４を一方向のみに回転させる場合に、その一方向への回転の遊星歯車装置３Ａ、３Ｂへの伝達のみを許容し、反対方向への回転伝達を阻止するワンウェイ機構を設けてもよい。
【００３３】
図５（ｂ）はさらに他の設定例を示す。図５（ｂ）の共線図において、実線Ｌ７はリングギア軸１１に最大回転数Ｎｒを与えた場合を、実線Ｌ８はリングギア軸１１の回転数Ｎｒを０に設定した場合、つまり吸気弁又は排気弁を停止させた場合をそれぞれ示している。この例では、リングギア軸１１に最大回転数Ｎｒを与えたときのキャリア軸１０の回転数Ｎｃと、回転数Ｎｒ＝０としたときのキャリア軸１０の回転数Ｎｃ′とが互いに等しい大きさで、回転方向が互いに逆向きとなっている。このような設定を実現するにはギア比ρ、回転数Ｎｓ、Ｎｒとの間に次のような関係を与えればよい。
【００３４】
図５（ｂ）の共線図の幾何学的関係からみて、回転数Ｎｓ，Ｎｃ，Ｎｃ′，Ｎｒ及びギア比ρとの間には次の関係が成立する。
【数１】
Ｎｃ＝（Ｎｒ−ρ×Ｎｓ）／（１＋ρ） ……（１）
Ｎｃ′＝Ｎｓ×ρ／（１＋ρ） ……（２）
【００３５】
そこで、条件Ｎｃ＝Ｎｃ′として（１）、（２）式を連立させてギア比ρについて解けば、
【数２】
ρ＝Ｎｒ／２Ｎｓ ……（３）
となる。
【００３６】
このように回転数Ｎｓ、Ｎｒとギア比ρとの関係を定めた場合には、第２ＭＧ１４の回転数の使用範囲が、回転方向を問わず等しくなる。実際には、カム軸４Ａ，４Ｂの最大回転数Ｎｒが他の条件から与えられるので、ギア比ρ及び／又はサンギア軸５の回転数Ｎｓを調整して上式（３）を満たすようにすればよい。サンギア軸５の回転数Ｎｓが他の条件から与えられて自由に変更できない場合には（３）式を満たすようにギア比ρを調整すればよい。
【００３７】
以上のように回転数ＮｃとＮｃ′との大きさを一致させた場合には、第２ＭＧ１４の回転数の使用範囲が回転方向に拘わりなく一致する。これに対して（３）式が満たされない場合には、回転数Ｎｃ又はＮｃ′のいずれか一方が図５（ｂ）の値よりも大きくなり、他方が図５（ｂ）の値よりも小さくなる。第２ＭＧ１４を正逆両方向に回転させる場合において各回転方向への回転数の使用範囲に差があると、最高回転数が大きい側の回転方向を基準として、必要なトルクが得られるように第２ＭＧ１４の大きさを選定する必要がある。このため、最高回転数が大きいほど第２ＭＧ１４はより大きなトルクが求められて第２ＭＧ１４が大型化する。他方、最高回転数が小さい側の回転方向については第２ＭＧ１４の本来の能力が十分に活用されず無駄が生じる。しかしながら、（３）式を満たす場合には、いずれの方向にも等しい回転数範囲で第２ＭＧ１４を駆動することになるから、いずれの回転方向にも第２ＭＧ１４の能力を無駄なく活用することができ、第２ＭＧ１４を小型化することができる。
【００３８】
なお、ギア比ρの制限等から（３）式を成立させることが困難な場合には、ＮｃとＮｃ′とがほぼ等しい大きさとなるように、（３）式を満たすギア比ρ及び／又は回転数Ｎｓの近似値を採用すればよい。
【００３９】
図３（ａ）、図５（ａ）、（ｂ）の各例では主駆動手段として第１ＭＧ２を利用したが、これに代えて主駆動手段に内燃機関等の熱機関を用いてもよい。この場合、クランク軸の回転を１／２に減速して遊星歯車装置３Ａ、３Ｂに入力するタイミングチェーン等の機構を設ける必要がある。
【００４０】
遊星歯車装置３Ａ，３Ｂの入力及び出力は図３（ａ）、図５（ａ）、（ｂ）の各例のようにリングギア軸１１をカム軸４Ａ，４Ｂへの出力軸として使用する例に限られない。例えば、サンギア軸５に第２ＭＧ１４を接続し、キャリア軸１０にカム軸４Ａ，４Ｂを接続し、リングギア軸１１に第１ＭＧ２を接続することにより、リングギア軸１１を入力軸に、キャリア軸１０を出力軸として選択してもよい。この場合の共線図は図３（ｂ）に示すようになる。他にも、サンギア軸５を出力軸として利用してもよい。
【００４１】
（第２の実施形態）
図６を参照して、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、図６において図１との共通部分には同一の参照符号を付してある。
【００４２】
第２の実施形態の弁駆動装置３０では、排気弁を駆動するための遊星歯車装置３Ｂが省略され、主駆動手段としての第１ＭＧ２の出力軸２ａと排気側のカム軸４Ｂとがギア１２ａ、１２ｂ及び伝達軸３１を介して接続されることにより、第１ＭＧ２にてカム軸４Ｂが直接的に駆動される。このような実施形態では、第１ＭＧ２の位相を制御することにより、排気弁の動弁特性を変更することができる。吸気側のカム軸４Ａの動作に関しては、第１ＭＧ２の位相制御がカム軸４Ａの動作に及ぼす影響が排除されつつ吸気弁に所望の動弁特性が与えられるように第２ＭＧ１４の位相を制御すればよい。本実施形態によれば、第２ＭＧ１４の数を減らしつつ、吸気弁及び排気弁の動弁特性をそれぞれ変更することが可能である。なお、遊星歯車装置３Ａへの回転の入力位置は図６の例に限らず、例えば伝達機構１２の適宜の位置又はカム軸４Ｂから遊星歯車装置３Ａへと回転を伝達するようにしてもよい。吸気弁駆動用の遊星歯車装置３Ａを省略し、排気弁駆動用の遊星歯車装置３Ｂを設けてもよい。
【００４３】
（第３の実施形態）
図７を参照して、本発明の第３の実施形態を説明する。なお、図７において図６との共通部分には同一の参照符号を付してある。
【００４４】
第３の実施形態の弁駆動装置４０は、第２の実施形態の弁駆動装置３０と比較して、吸気弁と排気弁との位相のずれを所定の範囲内に制限するための位相制限装置４１を備える点で相違する。位相制限装置４１は、互いに同軸上に配置された位相制限軸４２Ａ、４２Ｂと、カム軸４Ａ，４Ｂの回転を位相制限軸４２Ａ，４２Ｂにそれぞれ伝達する伝達機構４３，４３とを備えている。伝達機構４３は例えばギア４３ａ、４３ｂを備えているが、カム軸４Ａ，４Ｂの回転を位相制限軸４２Ａ，４２Ｂに対して互いに等しい速度比で伝達できるものであればその構成は問わない。
【００４５】
図７（ｂ）に示すように、位相制限軸４２Ａ，４２Ｂの端面は互いに対向し、位相制限軸４２Ｂの端面には凸部４２ａが、位相制限軸４２Ａの端面には円弧を描くように延びる溝部４４ｂがそれぞれ設けられている。凸部４２ａは溝部４２ｂに挿入されている。
【００４６】
以上の位相制限装置４１によれば、カム軸４Ａ，４Ｂが同一速度で回転しているときは凸部４２ａが溝部４２ｂ内で相対的に静止する。しかし、第１ＭＧ２又は第２ＭＧ１４の位相制御によって吸気弁又は排気弁の動弁特性を変化させると、位相制限軸４２Ａ，４２Ｂが相対的に回転して凸部４２ａが溝部４２ｂ内を移動する。しかし、その凸部４２ａの移動範囲は溝部４２ｂ内に制限される。従って、カム軸４Ａ，４Ｂの回転方向に関する相対的な変位量が制限され、その結果、吸気弁と排気弁との位相のずれが所定範囲に制限される。
【００４７】
以上のように吸気弁及び排気弁の位相のずれ量を制限した場合には、第１ＭＧ２や第２ＭＧ１４による位相制御が正常に行えないときでも吸気弁と排気弁との間の位相のずれが無制限に拡大するおそれがない。内燃機関によっては、吸気弁及び排気弁が最大リフト量付近まで開くとシリンダ内で両弁が干渉することがある。クランク軸からの回転でカム軸を駆動する従来型の弁駆動装置では吸気弁及び排気弁を同時的に最大リフト量付近まで開くことができないが、本実施形態の弁駆動装置４０では、位相制限装置４１がなければ吸気弁及び排気弁を最大リフト量付近まで同時に開くことが可能であり、そのような状態が生じないように制御するだけでは制御の失調時（正常な制御が不可能となったとき）に吸気弁及び排気弁が同時に開かれるおそれがある。これに対して、上述した位相制限装置４１によれば、凸部４２ａと溝部４２ｂとの位置を適切に定めることにより、吸気弁及び排気弁の干渉を確実に防止することができる。
【００４８】
なお、位相制限装置４１は、第１の実施形態の弁駆動装置１に設けてもよい。位相制限装置４１の構成は図７の例に限らず、適宜に変更してよい。
【００４９】
（第４の実施形態）
図８を参照して、本発明の第４の実施形態を説明する。なお、図８において図６との共通部分には同一の参照符号を付してある。
【００５０】
図８（ａ）に示すように、第４の実施形態は、第２の実施形態の弁駆動装置３０と比較して、キャリア軸１０の回転を制動するブレーキ装置５１を備える点で相違する。ブレーキ装置５１は、キャリア軸１０と一体的に回転するディスク５２を油圧によって作動するキャリパ５３によって挟み込むディスクブレーキとして構成されている。
【００５１】
以上のようなブレーキ装置５１によれば、第２ＭＧ１４による制御とは別にブレーキ装置５１にてキャリア軸１０の回転を適宜に制動することができるので、第２ＭＧ１４のみでキャリア軸１０を制動する場合と比較して、キャリア軸１０を停止又は減速させる必要が生じたときの制御の応答性を向上させることができる。特に、エンジン加減速時のようにのようにカム軸４Ａ，４Ｂの駆動速度を急に変化させる場合や、第２ＭＧ１４を逆回転させて吸気弁や排気弁を停止している状態から第２ＭＧ１４を再度正転させて吸気弁や排気弁を動作させるときのように回転方向を切り替える場合において、図８（ｂ）に示すようにブレーキ装置５１にてキャリア軸１０の回転数Ｎｃを０（つまり停止状態）に保持することにより、制御の応答性を向上させることができる。また、第２ＭＧ１４が故障してキャリア軸１０の速度を制御不能となった場合にもブレーキ装置５１にてキャリア軸１０を強制的に停止させて吸気弁や排気弁の動弁特性を一定の状態に保持することができる。
【００５２】
なお、ブレーキ装置５１は、遊星歯車装置３Ａに入力される回転を停止等させるものであればよく、例えば、出力軸１４ａ、伝達機構１３、キャリア９の回転を制動するものでもよい。ブレーキ装置５１を第１の実施形態の弁駆動装置１に設けてもよい。
【００５３】
（第５の実施形態）
図９及び図１０を参照して、本発明の第５の実施形態を説明する。なお、図９において図１との共通部分には同一の参照符号を付してある。図９において、遊星歯車装置３Ａ、３Ｂは、便宜上リングギア８の半分を省略する等して簡略化して図示されているが、実際には図１と同様にサンギア６、キャリア９、及びリングギア８は同軸上で回転する。
【００５４】
第５の実施形態の弁駆動装置６０は、直列４気筒式の内燃機関に適用される弁駆動装置として構成されている。弁駆動装置６０は、＃１〜＃４の４つの気筒の吸気弁にそれぞれに対応して設けられた４つの遊星歯車装置３Ａ…３Ａと、各気筒の排気弁にそれぞれ対応して設けられた４つの遊星歯車装置３Ｂ…３Ｂとを備えている。第１ＭＧ２は＃１〜＃４の気筒に対して１つだけ設けられており、それぞれの遊星歯車装置３Ａ，３Ｂのサンギア６…６には共通の第１ＭＧ２から回転運動が伝達される。第２ＭＧ１４に関しては、＃１の気筒と＃４の気筒とで共用されるようにして１つの第２ＭＧ１４が、＃２の気筒と＃３の気筒とで共用されるようにして他の１つの第２ＭＧ１４が設けられている。
【００５５】
図１０に示すように、＃１〜＃４の気筒のそれぞれにおける吸気又は排気のタイミングは、クランク角にして１８０°ずつずらして設定されており、排気及び吸気は気筒番号にして＃１、＃３、＃４、そして＃２の順で行われる。このため、＃１の気筒１と＃４の気筒との間では吸気弁及び排気弁の動作時期がクランク角にして３６０°ずれ、＃２の気筒と＃３の気筒との間では吸気弁及び排気弁の動作時期がクランク角にして３６０°ずれる。このように吸気弁及び排気弁の動作時期がずれていれば、カムによる吸気弁又は排気弁の開閉駆動に伴う摩擦抵抗（カムフリクション）が第２ＭＧ１４に重複して作用することはない。従って、＃１，＃４の気筒間で１つの第２ＭＧ１４を共用し、＃２，＃３の気筒間で他の１との第２ＭＧ１４を共用しても、各気筒に対して１：１で第２ＭＧ１４を設けた場合と比較して、第２ＭＧ１４に要求される出力は増加しない。従って、第２ＭＧ１４を大型化することなく、第２ＭＧ１４の個数を削減することが可能である。なお、第２の実施形態のように、遊星歯車装置３Ａ…３Ａ又は遊星歯車装置３Ｂ…３Ｂのいずれかを省略して、吸気側又は排気側のいずれかのカム軸１１の位相を第１ＭＧ２により制御するようにしてもよい。
【００５６】
以上の実施形態では、＃１，＃４の気筒によって一つの気筒群が構成され、＃２，＃３の気筒によって他の一つの気筒群が構成される。但し、カムフリクションが重なり合わない気筒の組み合わせは内燃機関の構成によって種々に変化するので、気筒群の構成も内燃機関の気筒数とレイアウトに応じて適宜に変化させる必要がある。
【００５７】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明の弁駆動装置によれば、カム軸に出力される回転は、遊星歯車装置のサンギア、キャリア、リングギアの３つの要素のうち、主駆動手段及び副駆動手段に駆動される２つの要素の回転によって決定される。従って、主駆動手段又は副駆動手段のいずれか一方の駆動手段が他のカム軸を駆動するための手段として共用化されていても、他方の駆動手段を制御することにより他のカム軸とは別個にカム軸を制御可能である。例えば、主駆動手段を他のカム軸と共用し、主駆動手段により駆動される要素の回転数を内燃機関の回転数と比例させても、副駆動手段を制御することによりカム軸に出力される回転の位相を制御して、カム軸の動弁特性を他のカム軸とは別個に変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の弁駆動装置の第１の実施形態を示す図。
【図２】遊星歯車装置の構成を示す図。
【図３】遊星歯車装置を構成するギアの回転数と歯数との関係を示す図。
【図４】図１の弁駆動装置の動作の経時変化を示す図。
【図５】遊星歯車装置を構成するギアの回転数及び歯数の設定例を示す図。
【図６】本発明の弁駆動装置の第２の実施形態を示す図。
【図７】本発明の弁駆動装置の第３の実施形態を示す図。
【図８】本発明の弁駆動装置の第４の実施形態を示す図。
【図９】本発明の弁駆動装置の第５の実施形態を示す図。
【図１０】図９の弁駆動装置の動作の経時変化を示す図。
【符号の説明】
１ 弁駆動装置
２ モータジェネレータ（主駆動手段）
６ 遊星歯車装置
８ カム軸
１０ モータジェネレータ
２０ サンギア
２１ 遊星ギア
２３ キャリア
２４ リングギア
３０ 弁駆動装置
４０ 弁駆動装置
４１ 制限装置
５０ 弁駆動装置
５１ ブレーキ装置
６０ 弁駆動装置
Claims (11)
- 吸気弁用のカム軸の回転により吸気弁を、排気弁用のカム軸の回転により排気弁をそれぞれ駆動する内燃機関の弁駆動装置において、
サンギア、サンギアの回りを周回可能なプラネタリギア、プラネタリギアをサンギアの軸線の回りに回転可能に保持するキャリア、及びプラネタリギアと噛み合うリングギアを有する遊星歯車装置と、
前記サンギア、前記キャリア及び前記リングギアの３つの要素うち、いずれか一つの要素を駆動する主駆動手段と、
前記サンギア、前記キャリア及び前記リングギアの３つの要素うち、他の一つの要素を駆動する副駆動手段と、
を備え、
前記サンギア、前記キャリア及び前記リングギアの３つの要素うち、残りの一つの要素から前記吸気弁用のカム軸及び前記排気弁用のカム軸のうちのいずれか一方のカム軸へ回転が出力されるように構成され、
前記主駆動手段又は前記副駆動手段のいずれか一方の駆動手段のみが前記吸気弁用のカム軸及び前記排気弁用のカム軸のうちのいずれか他方のカム軸を駆動するための手段として共用されている、ことを特徴とする弁駆動装置。 - 前記主駆動手段はモータジェネレータであることを特徴とする請求項１に記載の弁駆動装置。
- 前記主駆動手段は前記内燃機関であることを特徴とする請求項１に記載の弁駆動装置。
- 前記副駆動手段はモータジェネレータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の弁駆動装置。
- 前記吸気弁用のカム軸及び前記排気弁用のカム軸は、同一の気筒に対して設けられており、前記主駆動手段は、前記吸気弁用のカム軸及び前記排気弁用のカム軸に対して共用されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の弁駆動装置。
- 前記主駆動手段の駆動する要素の回転数を所定の回転数とした場合において、前記一方のカム軸へ回転を出力する要素の回転数を最小回転数として設定された回転数にしたときと、前記一方のカム軸へ回転を出力する要素の回転数を最大回転数として設定された回転数にしたときとで、前記副駆動手段の駆動する要素の回転方向が等しいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の弁駆動装置。
- 前記主駆動手段の駆動する要素の回転数を所定の回転数とした場合において、前記一方のカム軸へ回転を出力する要素の回転数を最大回転数として設定された回転数にしたときと、前記一方のカム軸へ回転を出力する要素の回転を停止させたときとで、前記副駆動手段の駆動する要素の回転数が互いに略等しく、回転方向が互いに逆方向であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の弁駆動装置。
- 前記吸気弁用のカム軸と、前記排気弁用のカム軸との位相のずれを制限する位相制限手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の弁駆動装置。
- 前記遊星歯車装置の要素のうち前記他の一つの要素の回転を制動する制動手段を備えることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の弁駆動装置。
- 前記内燃機関には複数の気筒が設けられ、前記主駆動手段は前記複数の気筒間で共用されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の弁駆動装置。
- カムフリクションの発生時期が互いに重ならない複数の気筒間で前記副駆動手段が共用されていることを特徴とする請求項１０に記載の弁駆動装置。
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