JP4600014B2

JP4600014B2 - 内燃機関の可変動弁装置

Info

Publication number: JP4600014B2
Application number: JP2004347933A
Authority: JP
Inventors: 毅有永; 信一竹村; 孝伸杉山; 晋石崎
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2024-12-01
Also published as: JP2006152973A

Description

この発明は、内燃機関の吸気弁等に用いられる可変動弁装置、特に、リフトおよび作動角を同時にかつ連続的に拡大，縮小制御可能な可変動弁装置に関する。

例えば、特許文献１には、吸気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に拡大，縮小制御可能な可変動弁装置が開示されており、このリフト・作動角の可変制御によって、内燃機関の吸入空気量ひいてはトルクを制御する技術が開示されている。

上記可変動弁装置は、駆動軸の外周に回転可能に支持された揺動カムを備えており、この揺動カムがリンク部材によりロッカアームに連動して揺動し、その揺動に応じて吸気弁をバルブスプリング反力に抗して押し開く構成となっている。
特開２００２−２５６９０５号公報

上記のような可変動弁装置を、１気筒当たり２つの吸気弁を備えた燃焼室構造に適用する場合、上記揺動カムは、一対のカム部を有する構成となり、その長手方向（駆動軸軸方向）の１箇所でリンク部材と連結される。そのため、この揺動カムが揺動して２つの吸気弁を押し開いたときに、バルブスプリング反力を受けて揺動カムの姿勢が傾き易く、図８にバルブリフト特性を示すように、リンク部材の連結点に近い側の吸気弁のリフト（Ｖ１）に比較して、連結点から遠い方の吸気弁のリフト（Ｖ２）が相対的に小さくなる、という問題がある。

しかも、多数の気筒について見ると、連結点に近い側の吸気弁のリフト（Ｖ１）は各気筒でほとんど一定であるのに対し、連結点から離れた方の吸気弁のリフト（Ｖ２）は、気筒毎に大きく変動してしまう。

特に、特許文献１のように、吸気弁のリフト・作動角によって吸入空気量を制御する構成では、例えばアイドル時には、数百μｍ程度の微小リフトとなり、弁開口部において吸気流がチョークした状態となって、主にリフト量のみで吸入空気量が定まることになるので、上記のように一方の吸気弁のリフトが小さくなると、シリンダへ流入する吸入空気量が比較的大きく変化し、アイドル時の気筒間ばらつき、等の要因となる。

上記のような２つの現象、つまり一方のバルブリフトの減少ならびに各気筒間のばらつきは、可変動弁装置を構成する２つの軸、つまり駆動軸と制御軸とを、これらを支持するブラケットの間に跨る梁とみなした場合に、これらの梁のスパンと大きく相関することが判明した。すなわち、スパンが長いほど、これら２つの現象が顕著となる。これは、スパンが長いことにより、バルブスプリング反力による軸の撓みが大きくなるためである。

従って、梁となる２つの軸のスパンは、略均等にかつできる限り短く設計されるのが望ましいが、レイアウト上の制約等により、これを実現できないことが多い。

そこで、請求項１の発明は、軸方向の複数箇所で回転可能に支持され、かつ複数気筒に共通の駆動軸と、上記駆動軸に一体に設けられた偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、軸方向の複数箇所で回転可能に支持されるとともに上記駆動軸に平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた複数気筒に共通の制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ上記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、上記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、上記ロッカアームにリンク部材を介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより一対の弁を押圧する揺動カムと、を備えてなる内燃機関の可変動弁装置において、上記制御軸の曲げ剛性が、長手方向に部分的に異なるとともに、上記制御軸の軸径が上記駆動軸の軸径よりも大であることを特徴としている。

このように、制御軸の曲げ剛性を長手方向の各部で適宜に設定することにより、リンク部材の連結点から離れた側のバルブリフトの減少ならびに気筒毎のばらつきを、効果的に抑制することができる。
そして発明では、上記のように、上記制御軸の軸径が上記駆動軸の軸径よりも大である。上記の一方のバルブリフトの減少ならびに各気筒間のばらつきといった現象については、梁として、駆動軸よりも制御軸の方が影響が大きい。従って、制御軸の剛性を高めることで、より効果的に抑制できる。

より具体的な請求項２の発明では、曲げ剛性を異ならせるために、上記制御軸の軸径が、長手方向に部分的に異なる。

また請求項３の発明では、軸方向に沿った支持点の間の距離に応じて、上記軸径が異なる。

請求項４の発明では、支持点の間の距離が相対的に長い区間の軸径が、支持点の間の距離が相対的に短い区間の軸径よりも大である。

また請求項５の発明では、曲げ剛性を異ならせるために、軸内部に長手方向に沿って形成された油路の直径が、長手方向に部分的に異なる。

請求項６の発明では、軸方向に沿った支持点の間の距離に応じて、上記直径が異なる。

請求項７の発明では、支持点の間の距離が相対的に長い区間の油路の直径が、支持点の間の距離が相対的に短い区間の油路の直径よりも小である。

請求項８の発明では、この可変動弁装置が、内燃機関の吸入空気量を制御するように吸気弁側に設けられ、かつアイドル運転時には微小リフトに制御されるようになっている。そして、このアイドル運転時の制御軸の回転角度位置における該制御軸の剛性が、長手方向に異なるように、制御軸の断面形状を設定してある。これにより、特に、微小リフトとなるアイドル運転時の状態で、リンク部材の連結点から離れた側のバルブリフトの減少ならびに気筒毎のばらつきを、効果的に抑制することができる。

また請求項９の発明では、曲げ剛性を異ならせるために、上記制御軸の材質が長手方向に部分的に異なる。

請求項１０の発明では、軸方向に沿った支持点の間の距離に応じて、材質が異なる。

請求項１１の発明では、支持点の間の距離が相対的に長い区間の弾性係数が、支持点の間の距離が相対的に短い区間の弾性係数よりも大である。

また請求項１２の発明は、複数のブラケットで回転可能に支持され、かつ複数気筒に共通の駆動軸と、上記駆動軸に一体に設けられた偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、複数のブラケットで回転可能に支持されるとともに上記駆動軸に平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた複数気筒に共通の制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ上記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、上記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、上記ロッカアームにリンク部材を介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより一対の弁を押圧する揺動カムと、を備えてなる内燃機関の可変動弁装置において、上記駆動軸または上記制御軸を支持する各ブラケットの剛性が、隣接するブラケット間の距離に応じて異なることを特徴としている。例えば、ブラケットの材質の変更、肉厚の変更、等によって剛性を異ならせることができ、これにより、各気筒のリフトをより均一化することができる。

この発明によれば、制御軸の支持点間のスパンが異なる場合であっても、リンク部材の連結点から離れた側のバルブリフトの減少ならびに気筒毎のばらつきを、効果的に抑制することができる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明の可変動弁装置を、内燃機関の吸気弁１のバルブリフト特性を可変制御することにより吸入空気量を制御するようにした吸気制御装置に適用した場合の全体的な構成を示す構成説明図である。この吸気制御装置は、吸気弁１のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小させることが可能な本発明の可変動弁装置つまり第１可変動弁機構１１に、さらに、作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な第２可変動弁機構２１を組み合わせたものである。但し、上記第２可変動弁機構２１は、本発明においては必須のものではない。

リフト・作動角を可変制御する第１可変動弁機構１１は、内燃機関のクランクシャフトにより駆動される駆動軸２２と、この駆動軸２２に固定された偏心カム２３と、回転自在に支持された制御軸３２と、この制御軸３２の偏心カム部３８に揺動自在に支持されたロッカアーム２６と、吸気弁１のタペット３０に当接する揺動カム２９と、を備えており、上記偏心カム２３とロッカアーム２６とはリンクアーム２４によって連係され、ロッカアーム２６と揺動カム２９とは、リンク部材２８によって連係されている。

上記ロッカアーム２６は、略中央部が上記偏心カム部３８によって揺動可能に支持されており、その一端部に、連結ピン２５を介して上記リンクアーム２４のアーム部が連係しているとともに、他端部に、連結ピン２７を介して上記リンク部材２８の上端部が連係している。上記偏心カム部３８は、制御軸３２の軸心から偏心しており、従って、制御軸３２の角度位置に応じてロッカアーム２６の揺動中心は変化する。

上記揺動カム２９は、駆動軸２２の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部に、連結ピン３７を介して上記リンク部材２８の下端部が連係している。この揺動カム２９の下面には、駆動軸２２と同心状の円弧をなすベースサークル面と、該ベースサークル面から所定の曲線を描いて延びるカム面と、が連続して形成されており、これらのベースサークル面ならびにカム面が、揺動カム２９の揺動位置に応じてタペット３０の上面に当接する。上記カム面がタペット３０を押圧すると、吸気弁１は、図示せぬバルブスプリング反力に抗して押し開かれることになり、これに伴い、バルブスプリング反力が、揺動カム２９から各部へ作用する。

上記制御軸３２は、一端部に設けられたリフト・作動角制御用アクチュエータ３３によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用アクチュエータ３３は、例えばウォームギア３５を介して制御軸３２を駆動する電動モータからなり、コントロールユニット１０からの制御信号によって制御される。上記制御軸３２の回転角度は、制御軸センサ３４によって検出される。

上記第１可変動弁機構１１によれば、上記制御軸３２の回転角度位置に応じて吸気弁３のリフトならびに作動角が、両者同時に、連続的に拡大，縮小し、このリフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁１の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。リフト・作動角の大きさは、制御軸３２の回転角度によって一義的に定まるので、上記制御軸センサ３４の検出値により、そのときの実際のリフト・作動角が示される。

なお、図では、１気筒分のみが示されているが、上記駆動軸２２および制御軸３２は複数気筒に共通のものであり、他の偏心カム２３、リンクアーム２４、ロッカアーム２６、リンク部材２８、揺動カム２９、偏心カム部３８等からなるリンク機構は、気筒毎に設けられている。また、Ｖ型内燃機関等では、各バンク毎に、駆動軸２２および制御軸３２が設けられる。

一方、中心角を可変制御する第２可変動弁機構２１は、上記駆動軸２２の前端部に設けられたスプロケット４２と、このスプロケット４２と上記駆動軸２２とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用アクチュエータ４３と、から構成されている。上記スプロケット４２は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトに連動している。上記位相制御用アクチュエータ４３は、例えば油圧式の回転型アクチュエータからなり、コントロールユニット１０からの制御信号によって図示せぬ油圧制御弁を介して制御される。この位相制御用アクチュエータ４３の作用によって、スプロケット４２と駆動軸２２とが相対的に回転し、バルブリフトにおけるリフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も、連続的に得ることができる。この第２可変動弁機構６の制御状態は、駆動軸２２の回転位置に応答する駆動軸センサ３６によって検出される。

従って、第１，第２可変動弁機構１１，２１の制御を組み合わせることにより、吸気弁１の開時期および閉時期をリフト量とともに可変制御でき、シリンダ内に流入する吸気量を負荷に応じて制御することができる。

図２は、上記第１可変動弁機構１１のより具体的な構造を示す斜視図であって、特に、これは、Ｖ型６気筒機関の一つのバンク（つまり３気筒分）用の構成を示す。図３は、この３気筒用の機構における制御軸３２のみを示しており、この制御軸３２は、Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４としてそれぞれ示す４箇所のジャーナル部において、図示せぬシリンダヘッド側のブラケットにより回転自在に支持されている。各気筒の偏心カム部３８は、隣接する２つのジャーナル部の間にそれぞれ位置する。ここで、隣接する支持点の間の距離としては、Ｊ１〜Ｊ２間の距離と、Ｊ３〜Ｊ４間の距離と、は互いにほぼ等しい。これらに比べて、中央のＪ２〜Ｊ３間の距離は、相対的に長い。

図３の実施例では、上記のように支持点間の距離が異なることから、これに対応して、制御軸３２の軸径が異なっている。つまり、Ｊ１〜Ｊ２間の部分およびＪ３〜Ｊ４間の部分では、軸径は、直径Ｄ１であり、Ｊ２〜Ｊ３間の部分では、これよりも大きな直径Ｄ２となっている。これにより、Ｊ２〜Ｊ３間の部分の曲げ剛性が相対的に高い。

図４の実施例では、制御軸３２の軸径つまり外径は、各部で等しい。この制御軸３２は、内部に、中心軸線に沿って長手方向に延びる潤滑油用の油路５１を備えており、上記のように支持点間の距離が異なることに対応して、油路５１の直径が異なっている。つまり、Ｊ１〜Ｊ２間の部分およびＪ３〜Ｊ４間の部分では、油路５１は、直径ｄ１であり、Ｊ２〜Ｊ３間の部分では、これよりも細い直径ｄ２となっている。これにより、Ｊ２〜Ｊ３間の部分の曲げ剛性が相対的に高い。

図５の実施例では、制御軸３２の中央部分つまりＪ２〜Ｊ３間の部分が、他の部分とは異なる材質にて形成されている。ここで、制御軸３２のＪ１〜Ｊ２間の部分およびＪ３〜Ｊ４間の部分の材質の縦弾性係数をＥ１、Ｊ２〜Ｊ３間の部分の材質の縦弾性係数をＥ２とすると、Ｅ２＞Ｅ１の関係があり、つまり、支持点間の距離が長いＪ２〜Ｊ３間の部分の剛性が高くなっている。

従って、これらの実施例では、リフトに伴い各々の偏心カム部３８がバルブスプリング反力を受けたときに、支持点間の距離が相対的に長いＪ２〜Ｊ３間の部分と、相対的に短いＪ１〜Ｊ２間およびＪ３〜Ｊ４間の部分と、で、半径方向の変位がほぼ等しくなり、リンク部材２８との連結点から離れた側の吸気弁１のリフトの減少ならびに気筒毎のばらつきが抑制される。

また、他の実施例として、制御軸３２の軸径等は変えずに、Ｊ２〜Ｊ３間の部分に対応する中央の気筒についてのリンク機構の部品の形状や材質を、他の２つの気筒についてのリンク機構のものと異ならせることで、リフトの均一化を図ることもできる。例えば、ロッカアーム２６と揺動カム２９とを連結するリンク部材２８の剛性を、中央の気筒のものについて、残りの２気筒のものよりも相対的に高くする。これは、例えば肉厚の増加、材質の変更、等によって実現できる。このようにすれば、前述の各実施例と同様に、バルブスプリング反力を受けたときに、中央の気筒でのリフトの減少、特に、リンク部材２８との連結点から離れた側の吸気弁のリフトの減少を抑制することができる。

また、他の実施例として、支持点間の距離が長い中央の２つのジャーナル部Ｊ２，Ｊ３を支持するブラケットの剛性を、残りの２つのジャーナル部Ｊ１，Ｊ４を支持するブラケットの剛性よりも相対的に高く設定することも有効である。これは、例えば肉厚の増加、材質の変更、等によって実現できる。このようにすれば、バルブスプリング反力を受けたときに、中央のＪ２〜Ｊ３間の部分の制御軸３２の半径方向の変位が抑制されるため、前述の各実施例と同様の作用効果が得られる。

次に、図６の実施例は、揺動カム２９に変更を加えたものであって、この揺動カム２９は、駆動軸２２外周に回転可能に嵌合する円筒部６１と、これに一体に形成された一対のカム部６２，６３と、を有し、その一方のカム部６２にリンク部材２８の下端が連結されるようになっているが、一方のカム部６２のプロフィルと他方のカム部６３のプロフィルとを比較すると、同一の揺動角にあるときに、カム部６３の方が僅かに大きなリフト・作動角となるように、設定されている。さらに、３つの気筒の揺動カム２９を比較したときに、中央の気筒の揺動カム２９のカム部６３のプロフィルが、他の２つの気筒のカム部６３のプロフィルよりも僅かに大きなリフト・作動角となるように設定されている。

従って、図７に示すように、従来のものでは、リンク部材２８側のカム部６２による吸気弁リフト（Ｖ１）に比較して他方のカム部６３による吸気弁リフト（Ｖ２）が大きく減少するが、本実施例では、リンク部材２８側のカム部６２によるバルブリフト（Ｖ１）とほぼ等しい特性に、他方のカム部６３による吸気弁リフト（Ｖ２）が得られる。また、気筒間についても、同様に、３つの気筒でほぼ等しいリフト特性が得られる。

可変動弁装置全体の構成説明図。その具体的な斜視図。第１の実施例を示す制御軸の平面図。第２の実施例を示す制御軸の平面図。第３の実施例を示す制御軸の平面図。異なる実施例を示す揺動カムの斜視図。この実施例によるバルブリフトを従来のものと対比して示す特性図。従来の複数気筒のバルブリフト特性を示す特性図。

符号の説明

１１…第１可変動弁機構
２２…駆動軸
２３…偏心カム
２６…ロッカアーム
２８…リンク部材
３２…制御軸
５１…油路
６２，６３…カム部
Ｊ１〜Ｊ４…ジャーナル部

Claims

軸方向の複数箇所で回転可能に支持され、かつ複数気筒に共通の駆動軸と、上記駆動軸に一体に設けられた偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、軸方向の複数箇所で回転可能に支持されるとともに上記駆動軸に平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた複数気筒に共通の制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ上記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、上記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、上記ロッカアームにリンク部材を介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより一対の弁を押圧する揺動カムと、を備えてなる内燃機関の可変動弁装置において、
上記制御軸の曲げ剛性が、長手方向に部分的に異なるとともに、
上記制御軸の軸径が上記駆動軸の軸径よりも大であることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
曲げ剛性を異ならせるために、上記制御軸の軸径が、長手方向に部分的に異な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。
軸方向に沿った支持点の間の距離に応じて、上記軸径が異なることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
支持点の間の距離が相対的に長い区間の軸径が、支持点の間の距離が相対的に短い区間の軸径よりも大である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。
曲げ剛性を異ならせるために、軸内部に長手方向に沿って形成された油路の直径が、長手方向に部分的に異な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。
軸方向に沿った支持点の間の距離に応じて、上記直径が異なることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の可変動弁装置。
支持点の間の距離が相対的に長い区間の油路の直径が、支持点の間の距離が相対的に短い区間の油路の直径よりも小であることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の可変動弁装置。
内燃機関の吸入空気量を制御するように吸気弁側に設けられ、かつアイドル運転時には微小リフトに制御されるとともに、
このアイドル運転時の制御軸の回転角度位置における該制御軸の剛性が、長手方向に異なるように、制御軸の断面形状を設定した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。
軸方向の複数箇所で回転可能に支持され、かつ複数気筒に共通の駆動軸と、上記駆動軸に一体に設けられた偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、軸方向の複数箇所で回転可能に支持されるとともに上記駆動軸に平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた複数気筒に共通の制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ上記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、上記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、上記ロッカアームにリンク部材を介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより一対の弁を押圧する揺動カムと、を備えてなる内燃機関の可変動弁装置において、
上記制御軸の曲げ剛性が、長手方向に部分的に異なるように、上記制御軸の材質が長手方向に部分的に異なることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
軸方向に沿った支持点の間の距離に応じて、材質が異なることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の可変動弁装置。
支持点の間の距離が相対的に長い区間の弾性係数が、支持点の間の距離が相対的に短い区間の弾性係数よりも大であることを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関の可変動弁装置。
複数のブラケットで回転可能に支持され、かつ複数気筒に共通の駆動軸と、上記駆動軸に一体に設けられた偏心カムと、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、複数のブラケットで回転可能に支持されるとともに上記駆動軸に平行に設けられ、かつ偏心カム部を備えた複数気筒に共通の制御軸と、この制御軸の偏心カム部に回転可能に装着され、かつ上記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、上記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、上記ロッカアームにリンク部材を介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより一対の弁を押圧する揺動カムと、を備えてなる内燃機関の可変動弁装置において、
上記駆動軸または上記制御軸を支持する各ブラケットの剛性が、隣接するブラケット間の距離に応じて異なることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。