JP4873193B2

JP4873193B2 - 可変動弁装置付エンジン

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Publication number: JP4873193B2
Application number: JP2009039232A
Authority: JP
Inventors: 真一村田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2009-02-23
Filing date: 2009-02-23
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2029-02-23
Also published as: US20100212619A1; KR20100096021A; CN101813014B; US8235015B2; KR101396736B1; CN101813014A; DE102010008959A1; JP2010196485A

Description

本発明は、吸気カムの位相を変更可能なカム位相可変機構を備えたエンジンに関するものである。

従来より、吸排気バルブの開閉時期（カムの位相）を変化させるカム位相可変機構を備えた可変動弁装置付エンジンが知られている。更に、１つの気筒に吸気バルブが複数備えられたエンジンに上記カム位相可変機構を採用し、エンジンの負荷及び回転速度に応じて複数の吸気バルブの一部のみ開閉時期を変化させる技術が開発されている。
このように複数の吸気バルブのうち一部のみ開閉時期を可変するエンジンでは、エンジンの運転状態に基づいて一部の吸気バルブの開閉時期をカム位相可変機構によって遅角させることで、遅角制御しない吸気バルブと合わせて吸気バルブの開弁時間を延長可能としている（特許文献１）。

特開平３−２０２６０２号公報

特許文献１に記載されているようなカム位相可変機構を備えたエンジンでは、動弁機構のコンパクト化を図るため、ベーン式カム位相可変機構が広く用いられている。しかしながら、ベーン式カム位相可変機構では、構造上の制約により、位相差を大きく発生させることが困難である。したがって、吸気バルブの開閉時期を大きく変化させることができず、吸気バルブの開弁期間を大きく増大してポンピングロスを大幅に低下させることが困難である。

本発明の目的は、動弁機構をコンパクトに抑えつつ、吸気バルブの閉弁時期を遅角するとともに開弁期間を増大してポンピングロスを大幅に低下させることが可能な可変動弁装置付エンジンを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、１つの気筒に第１の吸気バルブ及び第２の吸気バルブを備え、第１の吸気バルブの駆動用カムと第２の吸気バルブの駆動用カムとを枢支するとともに、第１の吸気バルブの駆動用カムが固定された第１の吸気カムシャフトと、第２の吸気バルブの駆動用カムが固定された第２の吸気カムシャフトとを同軸上に配置する吸気カムシャフトを構成し、エンジンのクランク軸に対する第１の吸気バルブの駆動用カム及び第２の吸気バルブの駆動用カムの位相を可変する第１のカム位相可変機構と、第１の吸気バルブの駆動用カムに対する第２の吸気バルブの駆動用カムの位相を可変する第２のカム位相可変機構と、を備え、第２のカム位相可変機構は、第１のカム位相可変機構よりも、可変する位相角度範囲を大きく設定するとともに、第２のカム位相可変機構は、第１の吸気カムシャフトと第２の吸気カムシャフトとの位相を可変させ、第１のカム位相可変機構は、第２のカム位相可変機構とクランク軸との位相を可変させることを特徴とする。

また請求項２の発明は、請求項１において、第１のカム位相可変機構を最遅角側に、第２のカム位相可変機構を最進角側にそれぞれ位置するようにロック機構を設けたことを特徴とする。

また請求項３の発明は、請求項１または２において、第１のカム位相可変機構は、排気カムシャフトの一端部に配置され、第２のカム位相可変機構は、吸気カムシャフトの一端部に配置されること特徴とする。
また請求項４の発明は、請求項１から３において、第２のカム位相可変機構は、電動アクチュエータであることを特徴とする。

本発明の請求項１の可変動弁装置付エンジンによれば、第１の吸気バルブと第２の吸気バルブとの開閉時期の位相差である第２のカム位相可変機構の可変する位相角度範囲を第１のカム位相可変機構よりも、大きくすることで、開弁期間を大きくすることができる。したがって、例えば低負荷低回転時にこの遅角制御と開弁期間の増大制御とをすることで、ポンピングロスを大幅に低減することができ、燃費を大幅に向上させることができる。また、第１の吸気バルブと第２の吸気バルブとの開閉時期の位相差を大きくすることで、筒内流動が高められる。これにより、ポンピングロスを低減した少ない空気量で実圧縮比が低い状態でも燃焼安定性が高められ、さらに燃費を向上させることができる。さらには、空気と燃料の混合も強化されるので、排ガス内の未燃焼成分の排出を低減することができる。

また、第１の吸気バルブの駆動用カムが固定された第１の吸気カムシャフトと、第２の吸気バルブの駆動用カムが固定された第２の吸気カムシャフトとを同軸上に配置して吸気カムシャフトを構成するので、第１の吸気バルブ及び第２の吸気バルブを支持する吸気カムシャフトをコンパクトにすることができ、第２のカム位相可変機構が第１の吸気カムシャフトと第２の吸気カムシャフトとの位相を、第１のカム位相可変機構が第２のカム位相可変機構とクランク軸との位相を個別に可変させるため、第１のカム位相可変機構と第２のカム位相可変機構との位相角度範囲を異ならせることが容易に行え、かつ個別に配置することで設計自由度が高まり、車両への搭載性が高められる。よって、可変動弁機構全体をコンパクトにし、エンジン適用時のレイアウト自由度が高めることができる。
本発明の請求項２の可変動弁装置付エンジンによれば、第１のカム位相可変機構を最遅角側に、第２のカム位相可変機構を最進角側にそれぞれ位置するようにロック機構を設けたので、第１のカム位相可変機構と第２のカム位相可変機構との切り換えポイントを正確に設定することができる。

本発明の請求項３の可変動弁装置によれば、第１のカム位相可変機構は排気カムシャフトの一端に配置され、第２のカム位相可変機構は吸気カムシャフトの一端に配置されるので、位相角度範囲が異なる第１のカム位相可変機構と第２のカム位相可変機構を異なる場所へ個別に配置することができ、さらに車両への搭載性が高められるとともに、可変動弁機構全体の増大化を抑えエンジンの前後寸法の増加を抑えつつ第１のカム位相可変機構及び第２のカム位相可変機構を配置させることができる。

本発明の請求項４の可変動弁装置によれば、第１のカム位相可変機構と第２のカム位相可変機構が個別に配置されているため、容易に第２のカム位相可変機構を電動式にすることができ、低温時でも応答性の良い駆動が可能となる。したがって、冷態始動時のような場合でもポンピングロスの低減等のため迅速にカムの位相を制御することができる。また、油圧作動式と比較して燃費を向上させることができる。

本実施形態の可変動弁装置付エンジンの概略構成図である。エンジンの動弁機構の該略構造図である。吸気カムシャフトの構造を示す縦断面図である。第２の吸気カムの取付部の構造を示す上面図である。第２の吸気カムの取付部の構造を示す断面図である。第１のカム位相可変機構の作動設定に用いられるマップである。第２のカム位相可変機構の作動設定に用いられるマップである。吸気バルブのリフト量の推移を示すタイムチャートである。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態の可変動弁装置付エンジン１の概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態のエンジン１は、ＤＯＨＣ式の動弁機構を有しており、エンジン１の排気カムシャフト３の前端には、カムスプロケット５が固定され、このカムスプロケット５はチェーン６を介してクランクシャフト７に連結されている。また、排気カムシャフト３と吸気カムシャフト２とは、ギヤ６０ａ、６０ｂを介して連結されている。したがって、クランクシャフト７の回転に伴ってカムスプロケット５と共に排気カムシャフト３が回転駆動される一方、ギヤ６０ａ、６０ｂを介して吸気カムシャフト２が回転駆動される。そして、吸気カムシャフト２に備えられた吸気カム１０、１１により吸気バルブ１２、１３が、排気カムシャフト３に備えられた排気カム１４、１５により排気バルブ１６、１７が開閉駆動される。

図２は、エンジン１の動弁機構の該略構造図である。
図２に示すように、エンジン１には、排気カムシャフト３の前端部に第１のカム位相可変機構２０が、吸気カムシャフト２の前端部に第２のカム位相可変機構５０が設けられている。
エンジン１の１つの気筒には、２つの吸気バルブ（第１の吸気バルブ１２、第２の吸気バルブ１３）と２つの排気バルブ１６、１７とが設けられている。第１の吸気バルブ１２及び第２の吸気バルブ１３は燃焼室１８の中央部より右側に前後に並んで配置される一方、２つの排気バルブ１６、１７は燃焼室１８の中央部より左側に前後に並んで配置される。第１の吸気バルブ１２は第１の吸気カム１０に、第２の吸気バルブ１３は第２の吸気カム１１に駆動される。第１の吸気カム１０及び第２の吸気カム１１は、第１の吸気バルブ１２及び第２の吸気バルブ１３の配置に伴って、吸気カムシャフト２に交互に配置される。

第１のカム位相可変機構２０は、公知のベーン式カム位相可変機構が採用される。第１のカム位相可変機構２０は、ギヤ６０ａが固定されたハウジング内にベーンロータが回動可能に設けられ、このベーンロータに排気カムシャフト３を固定して構成されている。排気カムシャフト３には、カムスプロケット５が固定されている。
図１に示すように、第１のカム位相可変機構２０には、オイルコントロールバルブ（以下、ＯＣＶという）３４が接続されている。第１のカム位相可変機構２０は、エンジン１のオイルポンプ３５からＯＣＶ３４の切換に応じてベーンロータとハウジングとの間に形成された油室に作動油が供給されてベーンロータを回動することで、カムスプロケット５に対するギヤ６０ａの回転角を可変する機能を有する。即ち、第１のカム位相可変機構２０は、クランクシャフト７に対する吸気カムシャフト２の位相、即ち第１の吸気バルブ１２及び第２の吸気バルブ１３の開閉時期を連続的に調整可能となっている。

図３〜図５は、吸気バルブの動弁機構の構造図であり、図３は吸気カムシャフト２の構造を示す縦断面図、図４は第２の吸気カム１１の取付部の構造を示す上面図、図５は同断面図である。
図３〜５に示すように、吸気カムシャフト２は、中空状の第１の吸気カムシャフト２１と第１の吸気カムシャフト２１に挿入された第２の吸気カムシャフト２２とを備えた２重構造となっている。第１の吸気カムシャフト２１及び第２の吸気カムシャフト２２は、隙間を有しつつ同心上に配置され、エンジン１のシリンダヘッドに形成された支持部２３に回動可能に支持されている。第１の吸気カムシャフト２１には、第１の吸気カム１０が固定されている。また、第１の吸気カムシャフト２１には回動可能に第２の吸気カム１１が支持されている。第２の吸気カム１１は、第１の吸気カムシャフト２１が挿入される略円筒状の支持部１１ａと支持部１１ａの外周から突出し第２の吸気バルブ１３を駆動するカム部１１ｂとから構成されている。第２の吸気カム１１と第２の吸気カムシャフト２２とは固定ピン２４により固定されている。固定ピン２４は、第２の吸気カム１１の支持部１１ａ、第１の吸気カムシャフト２１及び第２の吸気カムシャフト２２を貫通しており、第２の吸気カムシャフト２２に設けられた孔に略隙間なく挿入されるとともに、両端部がかしめられて支持部１１ａに固定されている。第１の吸気カムシャフト２１には固定ピン２４が通過する長孔２５が周方向に延びて形成されている。

第２のカム位相可変機構５０は、電動モータであり、その本体部５０ａにギヤ６０ｂ及び第１の吸気カムシャフト２１が固定されるとともに、回転軸５０ｂに第２の吸気カムシャフト２２が接続されている。したがって、第２のカム位相可変機構５０は、第１の吸気カムシャフト２１に対する第２の吸気カムシャフト２２の位相、即ち第１の吸気バルブ１２の開閉時期に対する第２の吸気バルブ１３の開閉時期を連続的に遅角側に調整可能となっている。第１の吸気バルブ１２の開閉時期に対して第２の吸気バルブ１３の開閉時期を遅角させると、第１の吸気バルブ１２の開弁時期と第２の吸気バルブ１２の閉弁時期との間の期間である吸気弁の開弁時間が大きくなる。逆に第１の吸気バルブ１２の開閉時期に対して第２の吸気バルブ１３の開閉時期を進角させて同位相とすると吸気弁の開弁時期が小さくなる。

ＥＣＵ４０は、図示しない入出力装置、ＲＯＭ，ＲＡＭ等の記憶装置、中央処理装置（ＣＰＵ）等を備ており、エンジン１の総合的な制御を行う。
ＥＣＵ４０の入力側には、エンジン１のクランク角を検出するクランク角センサ４１、図示しないスロットルバルブの開度を検出するスロットルセンサ４２等の各種センサが接続されている。又、ＥＣＵ４０の出力側には、上記ＯＣＶ３４の他に、第２のカム位相可変機構５０、燃料噴射弁４３及び点火プラグ４４等が接続されている。ＥＣＵ４０は、各センサからの検出情報に基づいて点火時期及び燃料噴射量等を決定し、点火プラグ４４や燃料噴射弁４３を駆動制御する。また、ＥＣＵ４０は、各センサからの検出情報に基づいて、ＯＣＶ３４を駆動制御、即ち第１のカム位相可変機構２０を作動制御するとともに、第２のカム位相可変機構５０を作動制御する。

図６は、第１のカム位相可変機構２０の作動設定に用いられるマップの一例である。
ＥＣＵ４０は、エンジン回転速度Ｎ及び負荷Ｌに応じて第１のカム位相可変機構２０を作動制御する。詳しくは、ＥＣＵ４０は、図６に示すように、低負荷低回転時には最遅角させ、高負荷または高回転となるに従って進角させる。そして、高負荷高回転時には中間位相、低回転高負荷時には最も進角させるように設定されている。

図７は、第２のカム位相可変機構５０の作動設定に用いられるマップの一例である。
ＥＣＵ４０は、エンジン回転速度Ｎ及び負荷Ｌに応じて第２のカム位相可変機構５０を作動制御する。詳しくは、ＥＣＵ４０は、図７に示すように、低負荷低回転時には第１の吸気バルブ１２の開閉時期に対する第２の吸気バルブ１３の開閉時期を遅角側に制御して吸気バルブの開弁期間を大きくし、高負荷または高回転となるに従って開弁期間が小さくなるように第２のカム位相可変機構５０を作動制御する。

図８は、吸気バルブのリフト量の推移を示すタイムチャートである。
図８に示すように、本実施形態のエンジン１では、低負荷低回転時では、第２の吸気バルブ１３は、第１のカム位相可変機構２０により遅角するとともに、第２のカム位相可変機構５０により開弁期間が大きくなるので、第２の吸気バルブ１３の閉弁時期を大きく遅角させることができる。したがって、ポンピングロスが大幅に低減され、燃費を大幅に向上させることができる。特に、第２のカム位相可変機構５０による位相可変範囲を第１のカム位相可変機構２０による位相可変範囲より大きく設定することにより、第１の吸気バルブと第２の吸気バルブとの開閉時期の位相差を大きくし、第２の吸気バルブ１３の閉弁時期を圧縮行程後半まで遅らせることができ、さらにポンピングロスが低減される。このとき、筒内流動が高められ、ポンピングロスを低減した少ない空気量で実圧縮比が低い状態でも燃焼安定性が高められ、さらに燃費を向上させることができる。さらには、空気と燃料の混合も強化されるので、排ガス内の未燃焼成分の排出を低減することができる。なお、第２のカム位相可変機構５０の位相可変範囲の設定は、第１のカム位相可変機構２０と個別に配置されているため、設計自由度が高まり、車両への搭載性が高められる。よって、可変動弁機構全体の増大化を抑えエンジンの前後寸法の増加を抑えながら容易に行え、エンジン適用時のレイアウト自由度が高めることができる。

一方、高負荷高回転時では、第２の吸気バルブ１３は、第１のカム位相可変機構２０により中間位相となるとともに、第２のカム位相可変機構５０により開弁期間が小さくなるので、第２の吸気バルブ１３の閉弁時期が低負荷低回転時より進角する。例えば圧縮行程の前半、即ちピストンによる吸気の吸気ポートへの押し戻しが生じる付近で第２の吸気バルブ１３を閉弁とすることで、吸気の充填効率が高められ、出力を確保することができる。

また、高負荷低回転時では、第１のカム位相可変機構２０により第１の吸気バルブ１２の開弁時期が進角するので、例えば第１の吸気バルブ１２の開弁時期を上死点（ＴＤＣ）または上死点より若干進角させることで、吸気行程初期のポンピングロスを低減させることができるとともに、慣性過給効果や脈動過給効果を強く得ることができる。したがって、高負荷低回転時、具体的には例えば始動時では、燃費を向上しつつ燃焼性を確保して始動性を向上させることができる。

そして、本実施形態では、第１のカム位相可変機構２０を排気カムシャフト３の前端部に配置するとともに、第２のカム位相可変機構５０を吸気カムシャフト２の前端部に配置しているので、これらのカム位相可変機構２０、５０を容易に設置することができるとともに、エンジン１の横幅寸法を殆ど大きくせずにコンパクトに抑えることができる。さらに、第１のカム位相可変機構２０は、第１の吸気バルブ１２、第２の吸気バルブ１３および第２のカム位相可変機構５０を駆動させる必要があるが、このための第１のカム位相可変機構２０を大型化し能力増大したとしてもエンジンの前後寸法等の増加を抑制することができる。

また、吸気バルブ１２、１３の開閉時期を変更する機構として、ベーン式カム位相可変機構や電動モータが用いられるので、リフト量を増減することで吸気バルブの閉弁時期を変更する機構と比較して、フリクションを低減することができ、動弁機構の作動信頼性及び耐久性を向上させることができる。
また、本実施形態では、第２のカム位相可変機構５０が電動モータであるので、低温時でも応答性の良い駆動が可能となる。したがって、冷態始動時のような場合でも迅速に吸気カムの位相を制御することができる。また、油圧アクチュエータと比較して燃費を向上させることができる。なお、第２のカム位相可変機構５０を第１のカム位相可変機構２０と同様に油圧駆動式としてもよい。

また、ＥＣＵ４０は、低温低負荷時では、第１のカム位相可変機構２０を最遅角制御した後に第２のカム位相可変機構５０を制御して開弁期間を大にする。このように第１のカム位相可変機構２０及び第２のカム位相可変機構５０を同時に作動させるのではなく、１つずつ段階的に作動制御するので、第１のカム位相可変機構２０と第２のカム位相可変機構５０とをいずれも油圧駆動式とした場合でも油圧が不足することなく正確な作動制御を行うことができる。

なお、本発明は、第１のカム位相可変機構２０の作動設定に用いられるマップを図６に限定するものではない。また第２のカム位相可変機構５０の作動設定に用いられるマップを図７に限定するものでもない。本発明では、少なくとも低負荷低回転時に、第１のカム位相可変機構２０により最遅角制御するとともに、第２のカム位相可変機構５０により開弁期間を比較的大きくするように設定すればよく、他の領域はエンジンの特性によって適宜設定すればよい。また、第１のカム位相可変機構２０に最遅角ロック機構を、第２のカム位相可変機構５０に最進角ロック機構を設けるとよい。これにより第１のカム位相可変機構２０と第２のカム位相可変機構５０との切り換えポイントを正確に設定することができる。

また、第２のカム位相可変機構５０、あるいは第１の吸気カムシャフト２１と第２の吸気カムシャフト２２との位相差を小さくする方向に付勢するスプリングを設けるとよい。このようにすれば、第１の吸気バルブ１２と第２の吸気バルブ１３との位相差の変動を抑えられ、安定した開弁期間の制御が可能となる。

１エンジン
１２第１の吸気バルブ
１３第２の吸気バルブ
２０第１のカム位相可変機構
２１第１の吸気カムシャフト
２２第２の吸気カムシャフト
４０ＥＣＵ
５０第２のカム位相可変機構

Claims

１つの気筒に第１の吸気バルブ及び第２の吸気バルブを備え、前記第１の吸気バルブの駆動用カムと前記第２の吸気バルブの駆動用カムとを枢支するとともに、前記第１の吸気バルブの駆動用カムが固定された第１の吸気カムシャフトと、前記第２の吸気バルブの駆動用カムが固定された第２の吸気カムシャフトとを同軸上に配置する吸気カムシャフトを構成し、
エンジンのクランク軸に対する前記第１の吸気バルブの駆動用カム及び前記第２の吸気バルブの駆動用カムの位相を可変する第１のカム位相可変機構と、
前記第１の吸気バルブの駆動用カムに対する前記第２の吸気バルブの駆動用カムの位相を可変する第２のカム位相可変機構と、を備え、
前記第２のカム位相可変機構は、前記第１のカム位相可変機構よりも、可変する位相角度範囲を大きく設定するとともに、
前記第２のカム位相可変機構は、前記第１の吸気カムシャフトと前記第２の吸気カムシャフトとの位相を可変させ、
前記第１のカム位相可変機構は、前記第２のカム位相可変機構とクランク軸との位相を可変させることを特徴とする可変動弁装置付エンジン。
前記第１のカム位相可変機構を最遅角側に、前記第２のカム位相可変機構を最進角側にそれぞれ位置するようにロック機構を設けたことを特徴とする請求項１に記載の可変動弁装置付エンジン。
前記第１のカム位相可変機構は、排気カムシャフトの一端部に配置され、前記第２のカム位相可変機構は、前記吸気カムシャフトの一端部に配置されること特徴とする請求項１または２に記載の可変動弁装置付エンジン。
前記第２のカム位相可変機構は、電動アクチュエータであることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の可変動弁装置付エンジン。