JP5080426B2

JP5080426B2 - 内燃機関の動弁装置

Info

Publication number: JP5080426B2
Application number: JP2008288816A
Authority: JP
Inventors: 啓介美澤; 幸徳川本
Original assignee: 株式会社赤阪鉄工所
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-11-11
Also published as: JP2010116797A

Description

この発明は内燃機関の動弁装置に係り、特に、油圧を利用して吸気弁及び排気弁を開閉する構成に関する。

一般的な内燃機関において、吸気弁及び排気弁は、所定のカムプロフィールを有するカムを回転させることによって開閉される。例えば特許文献１に記載の内燃機関によれば、クランク軸とカムとがギヤを介して連結され、クランク軸に駆動されてカムが回転する。回転するカムは、そのカムプロフィールに沿って往復動するタペット及びプッシュロッドを介してロッカーアームを揺動させ、揺動するロッカーアームが吸気弁及び排気弁を開閉させる。

特開平１１−２２９８２１号公報

ここで、内燃機関の吸気弁及び排気弁において、それらの最適な開閉時期と開弁期間とは、内燃機関の機関回転速度や負荷等の状況に応じて変化する。しかしながら、特許文献１に記載の内燃機関における吸気弁及び排気弁は、これらの状況に関わらずカムのプロフィールに沿って開閉する。すなわち、状況によっては吸気弁及び排気弁が最適な時期及び期間で開閉しないため、燃費の低減や排出ガスのクリーン化が困難であるという問題点を有していた。

また、カムに従動するタペット、プッシュロッド及びロッカーアームは、カムプロフィールに応じて変動する加速度で動作するため、最大加速度を発生する時点において、その慣性力は最も大きくなる。すなわち、高回転運転時において、これらの部品が最大加速度で動作する際に破損するのを防止するためには、部品自体の剛性を高くする必要がある。しかしながら、部品の剛性を高めれば重量も重くなるため、機械損失が大きくなって燃費が悪化するという問題点を有していた。

また、ロッカーアームを介して吸気弁及び排気弁を開閉させる場合、内燃機関の運転中に吸気弁及び排気弁が熱膨張することに起因して弁着座面でガス抜けが発生するのを防止するため、弁ステムとロッカーアームとの間に隙間を設けることが一般的である。しかしながら、この隙間があるためにロッカーアームと弁ステムとが打撃し合い、非常に大きい騒音が発生するという問題点を有していた。

さらに、カムを駆動するための動力を、ギヤを介してクランク軸から取り出す場合、特に４サイクル機関においては、カムの回転数を機関回転数の半分に減速する必要があるため、ギヤトレーンが複雑になって製造コストを低減することが困難になるとともに、ギヤ騒音が発生するという問題点を有していた。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、吸気弁及び排気弁を最適な開閉時期及び開弁期間で動作させて燃費の低減及び排出ガスのクリーン化を図るとともに、構造を簡素化して騒音、製造コスト及び整備コストを低減した内燃機関の動弁装置を提供することを目的とする。

この発明に係る内燃機関の動弁装置は、タンク内の作動油を昇圧して吐出する油圧源と、油圧源から供給される作動油によって作動して、内燃機関の吸気弁を開閉する吸気弁アクチュエータ及び排気弁を開閉する排気弁アクチュエータと、油圧源と吸気弁アクチュエータとの間、及び油圧源と排気弁アクチュエータとの間にそれぞれ設けられる油圧制御弁とを備え、各油圧制御弁は、（ａ）吸気弁アクチュエータまたは排気弁アクチュエータに接続される出力ポート、及びタンクに接続される排出ポートが形成される第一収容室と、第一収容室の端部に開口部を介して連通するとともに、油圧源に接続される供給ポートが形成される第二収容室とを内部に有する制御弁本体、（ｂ）第一収容室内に摺動可能に設けられるシート弁であって、開口部を開閉して出力ポートと開口部との連通及び遮断を切り換えるとともに、開口部を開いた場合に、出力ポートと排出ポートとを遮断し、開口部を閉じた場合に、出力ポートと排出ポートとを連通するシート弁、（ｃ）第二収容室内に摺動可能に設けられ、第二収容室内を開口部側と供給ポート側とに区画する仕切弁、及び（ｄ）仕切弁を開口部側に付勢する仕切弁ばねを備え、仕切弁は、開口部側に配置される大径部、大径部より小さい外径を有し、供給ポート側に配置される小径部、及び大径部と小径部との間に形成され、第二収容室との間に油圧制御室を区画する中間部を有するとともに、第二収容室内の供給ポート側から第二収容室内の開口部側に貫通する貫通孔と、貫通孔に設けられ、第二収容室内の供給ポート側から第二収容室内の開口部側への作動油の流通のみを許容する逆止弁とを有し、油圧制御室は、シート弁が開口部を開いた場合に、開口部に接続され、シート弁が開口部を閉じた場合に、排出ポートに接続されることを特徴とするものである。

シート弁によって開口部を閉じると、出力ポートと排出ポートとが連通されるため、吸気弁アクチュエータまたは排気弁アクチュエータ内の作動油が油圧制御弁に戻され、吸気弁及び排気弁を閉弁させることができる。また、シート弁によって閉じられた開口部内には、仕切弁の貫通孔を流通した作動油が流入する。開口部が閉じられた場合、油圧制御室と排出ポートとは連通しているため、油圧制御室が開放され、それによって仕切弁が供給ポート側に移動するとともに、開口部内及び第二収容室内の開口部側に、所定量、且つ所定の油圧の作動油が蓄えられる。

一方、シート弁によって開口部を開いた場合、開口部は出力ポートに連通されるため、高圧の作動油が吸気弁アクチュエータ及び排気弁アクチュエータ内に供給され、吸気弁及び排気弁が開弁される。また、開口部が開いた場合、油圧制御室内にも高圧の作動油が流入するため、仕切弁は仕切弁ばねのばね力によって開口部側に移動して、所定量の作動油を確実に吸気弁アクチュエータまたは排気弁アクチュエータに確実に供給する。

シート弁による開口部の開閉は、例えば油圧を用いるとともに、クランク軸からの角度信号に基づいた電気信号等によって制御することができるため、内燃機関の運転状況に応じた最適な制御が可能になる。また、吸気弁及び排気弁を開閉するために、カム、タペット、プッシュロッド及びロッカーアームを用いる必要がなく、ギヤを用いてクランク軸から駆動力を取り出す必要もないため、動弁装置の構成を簡素化できる。したがって、内燃機関の動弁装置において、吸気弁及び排気弁を最適な開閉時期及び開弁期間で動作させて燃費の低減及び排出ガスのクリーン化を図るとともに、構造を簡素化して騒音、製造コスト及び整備コストを低減することが可能となる。

制御弁本体は、第一収容室の、第二収容室とは反対側の端部に連通するとともに、油圧源に接続されるパイロット圧供給ポート、及びタンクに接続されるパイロット圧排出ポートが形成される第三収容室をさらに有し、第三収容室内には、パイロット圧供給ポートとパイロット圧排出ポートとを選択的に開閉して、シート弁による開口部の開閉を制御するスプール弁が摺動可能に設けられてもよい。

第三収容室内でスプール弁を移動させることによって、パイロット圧供給ポートとパイロット圧排出ポートとを選択的に開閉することができるため、例えば電磁ソレノイド等を用いてスプール弁を動作させるだけで、油圧制御弁全体の動作を制御することができる。また、スプール弁を制御弁本体内に収容したので、構造を複雑にすることなく吸気弁及び排気弁の動作を制御することが可能となる。

排気弁アクチュエータは、油圧制御弁の出力ポートに接続される第一シリンダ室及び第二シリンダ室を内部に有する排気弁アクチュエータ本体と、第一シリンダ室内に摺動可能に設けられる副ピストンと、第二シリンダ室内に摺動可能に設けられ、排気弁に連結される主ピストンとを備え、副ピストンは、第一シリンダ室内を摺動する本体部と、本体部に固定され且つ第二シリンダ室内に延出するロッド部と、第一シリンダ室と第二シリンダ室とを連通する連通路とを有しており、本体部は、主ピストンより大きい外径を有してもよい。

油圧制御弁の出力ポートに接続される第一シリンダ室に主ピストンより大きい外径を有する副ピストンを設け、副ピストンの連通路を介して第一シリンダ室と第二シリンダ室とを連通したので、まず燃焼室内の高い圧力に抗して、副ピストンの大きな力で排気弁を少し開弁させることができる。排気弁が開いて燃焼室内の高い圧力が抜けた後は、連通路を介して第二シリンダ室内に流入した小流量の作動油によって主ピストンを動かして、排気弁を全開させることができる。また、排気弁が閉じる際、第一シリンダ室内で作動油が圧縮されることによって制動作用が生じるため、排気弁の着座時における衝撃を緩衝することができる。

吸気弁アクチュエータは、油圧制御弁の出力ポートに接続される小径内周部、及び小径内周部より大きい内径を有する大径内周部からなる第三シリンダ室を内部に有する吸気弁アクチュエータ本体と、小径内周部内に配置される上部ピストン部、及び大径内周部内に配置される下部ピストン部を有し、第三シリンダ室内に摺動可能に設けられるとともに、吸気弁に連結される吸気弁側ピストンとを備え、吸気弁側ピストンは、小径内周部から大径内周部に貫通する連通路と、連通路に設けられ、小径内周部から大径内周部への作動油の流通のみを許容する逆止弁と、連通路から分岐して上部ピストン部の外周面に開口するとともに、吸気弁の閉弁時に、小径内周部内に移動する分岐孔とを有してもよい。

油圧制御弁から作動油が供給されると、作動油は連通路及び逆止弁を介して大径内周部に流入し、その油圧によって吸気弁側ピストンが移動して吸気弁を開弁する。一方、吸気弁の閉弁時において、大径内周部内の作動油は分岐孔が小径内周部内に移動するまで排出される。分岐孔が小径内周部内に移動すると、第三シリンダ室内の作動油が圧縮されることによって制動作用が生じるため、吸気弁の着座時における衝撃を緩衝することができる。

この発明によれば、内燃機関の動弁装置において、吸気弁及び排気弁を最適な開閉時期及び開弁期間で動作させて燃費の低減及び排出ガスのクリーン化を図るとともに、構造を簡素化して騒音、製造コスト及び整備コストを低減することが可能となる。

以下に、この発明の実施の形態について添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の動弁装置１（以下、動弁装置１と略称する）を概略的に示す。
動弁装置１が適用される内燃機関のシリンダヘッド２には、図示しない燃焼室内に吸気を供給するための吸気通路２ａと、燃焼室内に生じる排気を外部に排出するための排気通路２ｂとが形成されている。また、シリンダヘッド２には、吸気通路２ａを開閉する吸気弁６と、排気通路２ｂを開閉する排気弁３とが設けられている。吸気弁６の弁ステム６ａにはリテーナ７が固定されており、吸気弁６は、シリンダヘッド２とリテーナ７との間に設けられた吸気弁ばね８によって閉弁する方向に付勢されている。排気弁３も同様に、シリンダヘッド２と排気弁３の弁ステム３ａに固定されたリテーナ４との間に設けられた排気弁ばね５によって閉弁する方向に付勢されている。

動弁装置１は、以上のように構成される内燃機関の吸気弁６及び排気弁３を作動油の油圧を利用して開閉させるものであって、吸気弁６には、作動油によって作動する吸気弁アクチュエータ１２が接続されている。排気弁３にも、作動油によって作動する排気弁アクチュエータ１１が接続されている。また、吸気弁アクチュエータ１２及び排気弁アクチュエータ１１には、これらの動作を制御するための油圧制御弁１４が、出力経路１３を介して個別に接続されている。油圧制御弁１４、吸気弁アクチュエータ１２及び排気弁アクチュエータ１１の構成については後述する。

また、動弁装置１は、内部に作動油が溜められるタンク１８を備えており、タンク１８には、電動モータ１９に駆動されるポンプ２０がフィルタ２１を介して接続されている。ここで、電動モータ１９及びポンプ２０は、動弁装置１における油圧源を構成する。ポンプ２０には作動油供給経路１７の一端が接続されており、タンク１８内の作動油はポンプ２０によって昇圧されて作動油供給経路１７に吐出される。作動油供給経路１７の他端は、吸気弁アクチュエータ１２及び排気弁アクチュエータ１１に作動油を均等に分配するためのコモンレール１６に接続されている。また、作動油供給経路１７の途中には、ポンプ２０が吐出した作動油の逆流を防止する逆止弁２２が設けられている。

コモンレール１６には、各油圧制御弁１４に対する作動油供給経路１５が接続されており、各油圧制御弁１４と、対応する吸気弁アクチュエータ１２及び排気弁アクチュエータ１１とは、出力経路１３を介して接続されている。また、各油圧制御弁１４には、分岐した作動油排出経路２３の一端がそれぞれ接続されており、合流した作動油排出経路２３の他端は、フィルタ２４及びクーラ２５を介してタンクに接続されている。

ここで、図２を用いて、油圧制御弁１４の構成について説明する。
油圧制御弁１４は、図２の矢印で示す上下方向を長手方向とする制御弁本体５１を備えている。制御弁本体５１の上方側の端部近傍には、長手方向に対して垂直に延在する円筒状の第三収容室５５が形成されており、その内周面５２には、２つの環状溝５７、５９が形成されている。環状溝５７の底部にはパイロット圧供給ポート５６が形成されており、パイロット圧供給ポート５６には、作動油供給経路１５が接続されている。一方、環状溝５９の底部にはパイロット圧排出ポート５８が形成されており、パイロット圧排出ポート５８には、作動油排出経路２３が接続されている。

第三収容室５５の内部には、パイロット圧供給ポート５６とパイロット圧排出ポート５８とを選択的に開閉するスプール弁５３が摺動可能に設けられている。スプール弁５３は、軸方向における中央部が窪んだ略円筒形状を有する部材であって、一方の端部側は中空になっており、その内部にスプール弁ばね５４が設けられている。スプール弁ばね５４は、パイロット圧供給ポート５６を開き、且つパイロット圧排出ポート５８を閉じる方向に、スプール弁５３を付勢している。また、スプール弁５３の他方の端部には図示しない電磁ソレノイドが設けられている。電磁ソレノイドに通電することによって、スプール弁５３を、スプール弁ばね５４のばね力に抗して移動させ、パイロット圧供給ポート５６を閉じるとともにパイロット圧排出ポート５８を開くことが可能となっている。

第三収容室５５の下方側には、制御弁本体５１の長手方向を軸方向として延在する円筒状の第一収容室６４が形成されている。第三収容室５５と第一収容室６４とは、連通孔６０を介して連通している。第一収容室６４の内部には、上方側に開口し、且つ下方側に底部６２ｂが配置された有底の略円筒形状を有するシート弁６２が摺動可能に設けられている。また、シート弁６２の内周部にはシート弁ばね６３が設けられており、シート弁６２を下方側に付勢している。第一収容室６４の内周面６１には、軸方向に沿って上下に並んだ上部環状溝６１ａと下部環状溝６１ｂとが形成されている。一方、シート弁６２の外周面のうち、上部環状溝６１ａ及び下部環状溝６１ｂに対向する部位には、径方向内側に窪んだ凹部６２ａが形成されている。

また、第一収容室６４の下方側には、シート弁６２の底部６２ｂを囲む環状溝６７が形成されており、環状溝６７の下端部には、シート弁６２の底部６２ｂと接触することによって閉じられる開口部７１が形成されている。上部環状溝６１ａの底部には、作動油排出経路２３が接続される排出ポート６５が形成されている。下部環状溝６１ｂの底部には接続ポート６６が形成されており、接続ポート６６と、環状溝６７の底部に形成された接続ポート６９とが接続経路８２を介して接続されている。また、環状溝６７の底部には、出力経路１３が接続される出力ポート６８が形成されている。

すなわち、シート弁６２は、第一収容室６４内を上下動することによって、開口部７１を開閉し、開口部７１と出力ポート６８との連通及び遮断を切り換えることが可能となっている。また、シート弁６２が上方側に移動して開口部７１を開いた場合、下部環状溝６１ｂはシート弁６２の外周面によって遮断される。したがって、上部環状溝６１ａもシート弁６２によって遮断された状態となるため、出力ポート６８と排出ポート６５とが遮断される。一方、シート弁６２が下方側に移動して開口部７１を閉じた場合、上部環状溝６１ａと下部環状溝６１ｂとは、シート弁６２の凹部６２ａを介して連通する。したがって、出力ポート６８と排出ポート６５とは、環状溝６７、接続ポート６９、接続経路８２、接続ポート６６、下部環状溝６１ｂ、シート弁６２の凹部６２ａ、上部環状溝６１ａを順次介して連通する。

開口部７１の下方には、制御弁本体５１の長手方向を軸方向として、制御弁本体５１の下端部近傍まで延在する円筒状の第二収容室７５が形成されており、第二収容室７５の下端部には、作動油供給経路１５が接続される供給ポート７６が形成されている。また、第二収容室７５内には、下方側に開口する有底の略円筒形状を有する仕切弁７３が摺動可能に設けられており、第二収容室７５内を、開口部７１側と供給ポート７６側とに区画している。仕切弁７３は、上方側、すなわち開口部７１に対向する側に配置され、外径Ｄ１を有する大径部７３ｃと、下方側、すなわち供給ポート７６側に配置され、大径部７３ｃより小さい外径Ｄ２を有する小径部７３ｄとを有している。仕切弁７３の内周部には仕切弁ばね７４が設けられており、仕切弁７３を開口部７１側に付勢している。

仕切弁の７３の底部である大径部７３ｃには、第二収容室７５内の供給ポート７６側から開口部７１側に貫通する貫通孔７３ａが形成されている。また、貫通孔７３ａ内には、供給ポート７６を介して第二収容室７５内に供給される作動油を、供給ポート７６側から開口部７１側にのみ流通させる逆止弁７７が設けられている。逆止弁７７は、貫通孔７３ａ内に設けられた球状部材７７ａと、球状部材７７ａを下方側に付勢するばね７７ｂとからなり、ばね７７ｂのばね力に抗して球状部材７７ａを上方側に移動しうる圧力が作用した場合に、作動油を開口部７１側に流通させる。

また、大径部７３ｃと小径部７３ｄとの間には、小径部７３ｄより小さい外径を有する中間部７３ｂが形成されており、第二収容室７５の内周面７２に形成された環状溝７８との間に油圧制御室７９を区画している。環状溝７８の底部には接続ポート８０が形成されており、接続ポート８０には、接続経路８１の一端が接続されている。接続経路８１の他端は、第一収容室６４の環状溝６７と下部環状溝６１ｂとを連通する接続経路８２に接続されている。したがって、シート弁６２が開口部７１を開いた場合、油圧制御室７９は、接続ポート８０、接続経路８１、接続経路８２、接続ポート６９、環状溝６７を介して開口部７１に連通した状態となる。また、シート弁６２が開口部７１を閉じた場合には、油圧制御室７９は、接続ポート８０、接続経路８１、接続経路８２、接続ポート６６、下部環状溝６１ｂ、シート弁６２の凹部６２ａ、上部環状溝６１ａを介して排出ポート６５に連通した状態となる。

次に、図３を用いて排気弁アクチュエータ１１の構成について説明する。
排気弁アクチュエータ１１は、排気弁アクチュエータ本体３１を備えており、その上端部には、出力経路１３を介して油圧制御弁１４の出力ポート６８に接続される接続ポート３７が形成されている。排気弁アクチュエータ本体３１の内部には、接続ポート３７を介して出力経路１３が接続される第一シリンダ室３６、第一シリンダ室３６より小さい内径を有する第二シリンダ室３９、及び第一シリンダ室３６と第二シリンダ室３９とを連通する孔部３３が形成されている。

第一シリンダ室３６内には、副ピストン３５が摺動可能に設けられている。副ピストン３５は、第一シリンダ室３６内に配置される本体部３５ａと、本体部３５ａの下端部から孔部３３内を通って第二シリンダ室３９内に延出するロッド部３５ｂとを有している。また、副ピストン３５には、その軸方向に沿ってロッド部３５ｂの下端部近傍まで延在する連通路３５ｃと、連通路３５ｃの下端部から側方に分岐して第二シリンダ室３９内に開口する連通路３５ｄが形成されており、第一シリンダ室３６と第二シリンダ室３９とが、連通路３５ｃ及び３５ｄを介して連通している。

第二シリンダ室３９内には、主ピストン３８が摺動可能に設けられている。主ピストン３８は、本体部３８ａと、本体部３８ａの下端部から延びるロッド部３８ｂとを有している。ロッド部３８ｂは、排気弁アクチュエータ本体３１を貫通して外部に延出しており、その先端部に、排気弁３の弁ステム３ａが連結されている。このように、排気弁アクチュエータ１１は、主ピストン３８と、主ピストン３８より大きい外形を有する副ピストン３５とを備えている。また、副ピストン３５の下面側において、第一シリンダ室３６の内周面３２には、外部に貫通する絞り孔３１ａが設けられている。排気弁アクチュエータ１１に作動油が供給された場合、この絞り孔３１ａによって、副ピストン３５の動作速度が制御される。第二シリンダ室３９の内周面３４においても、主ピストン３８の下面側には、主ピストン３８の動作速度を制御するための絞り孔３１ｂが設けられている。

次に、図４を用いて吸気弁アクチュエータ１２の構成について説明する。
吸気弁アクチュエータ１２は、吸気弁アクチュエータ本体４１を備えており、その内部には、小径内周部４２と、小径内周部４２より大きい内径を有する大径内周部４３とからなる第三シリンダ室４３ａが形成されている。小径内周部４２には、出力経路１３を介して油圧制御弁１４の出力ポート６８に接続される接続ポート４５が形成されている。第三シリンダ室４３ａ内には、吸気弁側ピストン４４が摺動可能に設けられている。吸気弁側ピストン４４は、小径内周部４２内に配置される上部ピストン部４４ａ、大径内周部４３内に配置される下部ピストン部４４ｂ、及び下部ピストン部４４ｂの下端部から延びるロッド部４４ｃを有している。ロッド部４４ｃは、吸気弁アクチュエータ本体４１を貫通して外部に延出しており、その先端部には吸気弁６の弁ステム６ａが連結されている。

吸気弁側ピストン４４の上部ピストン部４４ａには、その軸方向に沿って上部ピストン部４４ａの下端部近傍まで延在する連通路４６と、連通路４６の下端部から側方に分岐して大径内周部４３内に貫通する連通路４８とが形成されている。また、連通路４６の下端部には、球状部材４９ａとばね４９ｂとからなり、小径内周部４２から大径内周部４３への作動油の流通のみを許容する逆止弁４９が設けられている。さらに、逆止弁４９の上方側、すなわち小径内周部４２に開口している側には、連通路４６から分岐して上部ピストン部４４ａの外周面に開口する分岐孔４７が形成されている。分岐孔４７は、吸気弁６の閉弁時において小径内周部４２内に収容されている。また、吸気弁側ピストン４４が移動して吸気弁６が開弁すると、分岐孔４７は大径内周部４３内に配置されるようになっている。

次に、この発明の実施の形態１に係る内燃機関の動弁装置の動作について説明する。
まず、吸気弁６及び排気弁３を閉弁させる際の動作について、図５〜７を用いて説明する。
図５に示すように、油圧制御弁１４の図示しない電磁ソレノイドへの通電を遮断すると、スプール弁５３は、スプール弁ばね５４のばね力によって図５の矢印Ａで示す方向に移動して、パイロット圧供給ポート５６を開く。パイロット圧供給ポート５６が開かれると、作動油供給経路１５から第三収容室５５内に高圧状態の作動油が流入する。第三収容室５５内の作動油は、連通孔６０を介して第一収容室６４内に供給され、作動油の圧力とシート弁ばね６３のばね力とによって、シート弁６２が図５の矢印Ｂで示すように下方側に移動して開口部７１を閉じる。

シート弁６２は、開口部７１を閉じるとともに上部環状溝６１ａと下部環状溝６１ｂとを連通させるため、出力ポート６８と排出ポート６５とは、環状溝６７、接続ポート６９、接続経路８２、接続ポート６６、下部環状溝６１ｂ、上部環状溝６１ａを順次介して連通する。一方、仕切弁７３が設けられている第二収容室７５内にも、作動油供給経路１５及び供給ポート７６を介して高圧状態の作動油が供給されている。第二収容室７５内の供給ポート７６側にある作動油は、仕切弁７３の逆止弁７７を開いて開口部７１側に流入し、開口部７１内に高圧の作動油を蓄える。

ここで、仕切弁７３と第二収容室７５との間に区画された油圧制御室７９は、シート弁６２が開口部７１を閉じたことによって排出ポート６５に連通している状態であるため、その内部の圧力は開放される。すなわち、油圧制御室７９内の圧力が高い状態において、大径部７３ｃと小径部７３ｄとの受圧面積の差によって、仕切弁７３を上方側に移動させるように作用していた荷重がなくなった状態となる。したがって、仕切弁７３は、仕切弁ばね７４のばね力と第二収容室７５内における供給ポート７６側の圧力とに抗して、図５の矢印Ｃで示すように下方側に移動し、開口部７１側の空間に所定量且つ所定の圧力の作動油が蓄えられる。

以上のように油圧制御弁１４が作動すると、排気弁アクチュエータ１１内の圧力も開放されるため、図６の矢印Ｄに示すように、排気弁３が排気弁ばね５のばね力によって閉弁される。また、排気弁３が閉弁する際、排気弁３は排気弁アクチュエータ１１内の副ピストン３５及び主ピストン３８を押し上げるが、副ピストン３５が主ピストン３８より大きい外径を有するため、排気弁３の動作は着座する前に緩衝される。このようにして排気弁アクチュエータ１１内の作動油は油圧制御弁１４内に戻される。

また、吸気弁６を閉弁させる際の油圧制御弁１４の動作も排気弁３の場合と同様であり、出力ポート６８と排出ポート６５とが連通される。吸気弁アクチュエータ１２内の圧力が開放されると、吸気弁６は吸気弁ばね８のばね力によって図７の矢印Ｅで示すように閉弁する。ここで、吸気弁アクチュエータ１２の吸気弁側ピストン４４には、逆止弁４９が設けられた連通路４６と、吸気弁６が開弁している時は大径内周部４３内に配置される分岐孔４７とが設けられている。したがって、吸気弁６は、分岐孔４７が小径内周部４２内に収容されて閉じられるまで閉弁し、分岐孔４７が閉じられると、逆止弁４９も閉じて吸気弁６の着座時の衝撃を緩衝する。

次に、吸気弁６及び排気弁３を開弁させる際の動作について、図８〜１０を用いて説明する。
図８に示すように、油圧制御弁１４の図示しない電磁ソレノイドに通電されると、スプール弁５３は、スプール弁ばね５４のばね力に抗して図８の矢印Ｆで示す方向に移動して、パイロット圧排出ポート５８を開く。パイロット圧排出ポート５８が開かれると、第一収容室６４内の圧力が、連通孔６０、第三収容室５５、パイロット圧排出ポート５８を介して開放される。第一収容室６４内の圧力が開放されると、開口部７１内に蓄えられていた高圧状態の作動油の圧力によってシート弁６２が、図８の矢印Ｇで示すように上方側に移動して開口部７１を開く。ここで、シート弁６２は、上方側に移動すると下部環状溝６１ｂを遮断するため、出力ポート６８と排出ポート６５との連通が遮断される。

開口部７１が開かれ、出力ポート６８と排出ポート６５との連通が遮断されると、開口部７１内に蓄えられていた高圧状態の作動油は、出力ポート６８、出力経路１３を介して排気弁アクチュエータ１１または吸気弁アクチュエータ１２へ送られる。また、開口部７１が開かれると、開口部７１と、仕切弁７３と第二収容室７５との間に区画された油圧制御室７９とが連通するため、高圧状態の作動油は、油圧制御室７９内にも流入する。このようにして油圧制御室７９内の圧力が高くなると、仕切弁７３の大径部７３ｃと小径部７３ｄとの受圧面積の差によって、仕切弁７３を上方側に押し上げる荷重が作用するため、仕切弁７３は、仕切弁ばね７４のばね力によって、図８の矢印Ｈで示すように上方側に移動し、蓄えていた高圧状態の作動油を確実に吸気弁アクチュエータ１２または排気弁アクチュエータ１１に送る。

以上のように油圧制御弁が作動すると、油圧制御弁１４から排気弁アクチュエータ１１に作動油が供給される。排気弁アクチュエータ１１に送られた作動油は、まず、第一シリンダ室３６内に流入し、主ピストン３８より大きい外形を有する副ピストン３５を少し移動させる。ここで、燃焼行程直後の燃焼室内は、発生した排気の圧力によって高圧状態となっているが、排気弁３を副ピストン３５によって少しだけ開弁させることによって、燃焼室内の圧力が抜ける。次いで、作動油は連通路３５ｃ、３５ｄを介して第二シリンダ室３９内に流入した作動油が主ピストン３８を動かすが、燃焼室内の圧力は副ピストン３５が排気弁３を開弁させた時点で低下しているため、小流量の油圧で主ピストン３８を移動させ、排気弁３を全開させることができる。

一方、吸気弁アクチュエータ１２側において、小径内周部４２内に流入した作動油は、吸気弁側ピストン４４の逆止弁４９を開いて大径内周部４３内に流入する。吸気弁６を開弁させる際の燃焼室内の圧力は高圧状態ではないため、吸気弁側ピストン４４によって吸気弁６を開弁させることができる。吸気弁側ピストン４４が下方側に移動して、分岐孔４７が大径内周部４３内に配置されると、作動油は分岐孔４７を介して小径内周部４２から大径内周部４３内に流入する。

このように、内燃機関の動弁装置１において、油圧制御弁１４を上記のように構成したので、シート弁６２が開口部７１を閉じると、出力ポート６８と排出ポート６５とが連通されるため、吸気弁アクチュエータ１２または排気弁アクチュエータ１１内の作動油が油圧制御弁１４に戻され、吸気弁６及び排気弁３を閉弁させることができる。また、シート弁６２によって閉じられた開口部７１内には、仕切弁７３の貫通孔７３ａを流通した作動油が流入する。開口部７１が閉じられた場合、油圧制御室７９と排出ポート６５とは連通しているため、油圧制御室７９が開放され、それによって仕切弁７３が供給ポート７６側に移動するとともに、開口部７１内及び第二収容室７５内の開口部７１側に、所定量、且つ所定の油圧の作動油が蓄えられる。

一方、シート弁６２によって開口部７１を開いた場合、開口部７１は出力ポート６８に連通されるため、高圧の作動油が吸気弁アクチュエータ１２及び排気弁アクチュエータ１１内に供給され、吸気弁６及び排気弁３が開弁される。また、開口部７１が開いた場合、油圧制御室７９内にも高圧の作動油が流入するため、仕切弁７３は仕切弁ばね７４のばね力によって開口部７１側に移動して、所定量の作動油を確実に吸気弁アクチュエータ１２または排気弁アクチュエータ１１に確実に供給する。

シート弁６２による開口部７１の開閉は、例えば油圧を用いるとともに、クランク軸からの角度信号に基づいた電気信号等によって制御することができるため、内燃機関の運転状況に応じた最適な制御が可能になる。また、吸気弁６及び排気弁３を開閉するために、カム、タペット、プッシュロッド及びロッカーアームを用いる必要がなく、ギヤを用いてクランク軸から駆動力を取り出す必要もないため、動弁装置１の構成を簡素化できる。したがって、内燃機関の動弁装置１において、吸気弁６及び排気弁３を最適な開閉時期及び開弁期間で動作させて燃費の低減及び排出ガスのクリーン化を図るとともに、構造を簡素化して騒音、製造コスト及び整備コストを低減することが可能となる。

また、油圧制御弁１４の制御弁本体５１に第三収容室５５を形成し、その内部にスプール弁５３を設けたので、第三収容室５５内でスプール弁５３を移動させることによって、パイロット圧供給ポート５６とパイロット圧排出ポート５８とを選択的に開閉することができる。したがって、例えば電磁ソレノイド等を用いてスプール弁５３を動作させるだけで、油圧制御弁１４全体の動作を制御することができる。また、スプール弁５３を制御弁本体５１内に収容したので、構造を複雑にすることなく吸気弁６及び排気弁３の動作を制御することが可能となる。

また、排気弁アクチュエータ１１において、油圧制御弁１４の出力ポート６８に接続される第一シリンダ室３６に主ピストン３８より大きい外径を有する副ピストン３５を設け、副ピストン３５の連通路３５ｃ、３５ｄを介して第一シリンダ室３６と第二シリンダ室３９とを連通したので、まず燃焼室内の高い圧力に抗して、副ピストン３５の大きな力で排気弁３を少し開弁させることができる。排気弁３が開いて燃焼室内の高い圧力が抜けた後は、連通路３５ｃ、３５ｄを介して第二シリンダ室３９内に流入した小流量の作動油によって主ピストン３８を動かして、排気弁３を全開させることができる。また、排気弁３が閉じる際、第一シリンダ室３６内で作動油が圧縮されることによって制動作用が生じるため、排気弁３の着座時における衝撃を緩衝することができる。

また、吸気弁アクチュエータ１２において、吸気弁側ピストン４４に逆止弁４９が設けられる連通路４６、４８と、分岐孔４７とを形成したので、油圧制御弁１４から作動油が供給されると、作動油は連通路４６、４８及び逆止弁４９を介して大径内周部４３に流入し、その油圧によって吸気弁側ピストン４４が移動して吸気弁６を開弁する。一方、吸気弁６の閉弁時において、大径内周部４３内の作動油は分岐孔４７が小径内周部４２内に移動するまで排出される。また、分岐孔４７が小径内周部４２内に移動すると、第三シリンダ室４３ａ内の作動油が圧縮されることによって制動作用が生じるため、吸気弁６の着座時における衝撃を緩衝することができる。

この発明の実施の形態１に係る内燃機関の動弁装置を示す概略図である。実施の形態１に係る内燃機関の動弁装置における電磁ソレノイド式油圧制御弁を示す断面側面図である。実施の形態１に係る内燃機関の動弁装置における排気弁アクチュエータを示す断面側面図である。実施の形態１に係る内燃機関の動弁装置における吸気弁アクチュエータを示す断面側面図である。実施の形態１に係る内燃機関の動弁装置における電磁ソレノイド式油圧制御弁の動作を説明するための断面側面図である。実施の形態１に係る内燃機関の動弁装置における排気弁側の動作を説明するための概略図である。実施の形態１に係る内燃機関の動弁装置における吸気弁側の動作を説明するための概略図である。実施の形態１に係る内燃機関の動弁装置における電磁ソレノイド式油圧制御弁の動作を説明するための断面側面図である。実施の形態１に係る内燃機関の動弁装置における排気弁側の動作を説明するための概略図である。実施の形態１に係る内燃機関の動弁装置における吸気弁側の動作を説明するための概略図である。

符号の説明

１内燃機関の動弁装置、３排気弁、６吸気弁、１１排気弁アクチュエータ、１２吸気弁アクチュエータ、１４油圧制御弁、１８タンク、１９電動モータ（油圧源）、２０ポンプ（油圧源）、３１排気弁アクチュエータ本体、３５副ピストン、３５ａ副ピストンの本体部、３５ｂ副ピストンのロッド部、３５ｃ，３５ｄ副ピストンの連通路、３６第一シリンダ室、３９第二シリンダ室、３８主ピストン、４１吸気弁アクチュエータ本体、４２小径内周部、４３大径内周部、４３ａ第三シリンダ室、４４吸気弁側ピストン、４４ａ上部ピストン部、４４ｂ下部ピストン部、４６，４８連通路、４７分岐孔、４９逆止弁、５１制御弁本体、５３スプール弁、５５第三収容室、５６パイロット圧供給ポート、５８パイロット圧排出ポート、６２シート弁、６４第一収容室、６５排出ポート、６８出力ポート、７１開口部、７３仕切弁、７３ａ貫通孔、７３ｂ中間部、７３ｃ大径部、７３ｄ小径部、７４仕切弁ばね、７５第二収容室、７６供給ポート、７７逆止弁、７９油圧制御室。

Claims

タンク内の作動油を昇圧して吐出する油圧源と、
前記油圧源から供給される前記作動油によって作動して、内燃機関の吸気弁を開閉する吸気弁アクチュエータ及び排気弁を開閉する排気弁アクチュエータと、
前記油圧源と前記吸気弁アクチュエータとの間、及び前記油圧源と前記排気弁アクチュエータとの間にそれぞれ設けられる油圧制御弁と
を備え、
前記各油圧制御弁は、
（ａ）前記吸気弁アクチュエータまたは前記排気弁アクチュエータに接続される出力ポート、及び前記タンクに接続される排出ポートが形成される第一収容室と、
前記第一収容室の端部に開口部を介して連通するとともに、前記油圧源に接続される供給ポートが形成される第二収容室と
を内部に有する制御弁本体、
（ｂ）前記第一収容室内に摺動可能に設けられるシート弁であって、
前記開口部を開閉して前記出力ポートと前記開口部との連通及び遮断を切り換えるとともに、
前記開口部を開いた場合に、前記出力ポートと前記排出ポートとを遮断し、
前記開口部を閉じた場合に、前記出力ポートと前記排出ポートとを連通するシート弁、
（ｃ）前記第二収容室内に摺動可能に設けられ、前記第二収容室内を前記開口部側と前記供給ポート側とに区画する仕切弁、
及び
（ｄ）前記仕切弁を前記開口部側に付勢する仕切弁ばね
を備え、
前記仕切弁は、
前記開口部側に配置される大径部、前記大径部より小さい外径を有し、前記供給ポート側に配置される小径部、及び前記大径部と前記小径部との間に形成され、前記第二収容室との間に油圧制御室を区画する中間部を有するとともに、
前記第二収容室内の前記供給ポート側から前記第二収容室内の前記開口部側に貫通する貫通孔と、前記貫通孔に設けられ、前記第二収容室内の前記供給ポート側から前記第二収容室内の前記開口部側への前記作動油の流通のみを許容する逆止弁とを有し、
前記油圧制御室は、
前記シート弁が前記開口部を開いた場合に、前記開口部に接続され、
前記シート弁が前記開口部を閉じた場合に、前記排出ポートに接続されることを特徴とする内燃機関の動弁装置。
前記制御弁本体は、前記第一収容室の、前記第二収容室とは反対側の端部に連通するとともに、前記油圧源に接続されるパイロット圧供給ポート、及び前記タンクに接続されるパイロット圧排出ポートが形成される第三収容室をさらに有し、
前記第三収容室内には、前記パイロット圧供給ポートと前記パイロット圧排出ポートとを選択的に開閉して、前記シート弁による前記開口部の開閉を制御するスプール弁が摺動可能に設けられる請求項１に記載の内燃機関の動弁装置。
前記排気弁アクチュエータは、
前記油圧制御弁の前記出力ポートに接続される第一シリンダ室及び第二シリンダ室を内部に有する排気弁アクチュエータ本体と、
前記第一シリンダ室内に摺動可能に設けられる副ピストンと、
前記第二シリンダ室内に摺動可能に設けられ、前記排気弁に連結される主ピストンと
を備え、
前記副ピストンは、前記第一シリンダ室内を摺動する本体部と、前記本体部に固定され且つ前記第二シリンダ室内に延出するロッド部と、前記第一シリンダ室と前記第二シリンダ室とを連通する連通路とを有しており、前記本体部は、前記主ピストンより大きい外径を有する請求項１または２に記載の内燃機関の動弁装置。
前記吸気弁アクチュエータは、
前記油圧制御弁の前記出力ポートに接続される小径内周部、及び前記小径内周部より大きい内径を有する大径内周部からなる第三シリンダ室を内部に有する吸気弁アクチュエータ本体と、
前記小径内周部内に配置される上部ピストン部、及び前記大径内周部内に配置される下部ピストン部を有し、前記第三シリンダ室内に摺動可能に設けられるとともに、前記吸気弁に連結される吸気弁側ピストンと
を備え、
前記吸気弁側ピストンは、
前記小径内周部から前記大径内周部に貫通する連通路と、
前記連通路に設けられ、前記小径内周部から前記大径内周部への前記作動油の流通のみを許容する逆止弁と、
前記連通路から分岐して前記上部ピストン部の外周面に開口するとともに、前記吸気弁の閉弁時に、前記小径内周部内に移動する分岐孔と
を有する請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の動弁装置。