JP5151901B2 - Variable valve operating device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
この発明は、機械的な機構により内燃機関の吸気弁もしくは排気弁の作動角を連続的に拡大・縮小変化させることが可能な可変動弁機構と、その作動角を変更するためのアクチュエータと、を備えてなる内燃機関の可変動弁装置に関する。 The present invention includes a variable valve mechanism capable of continuously expanding and reducing the operating angle of an intake valve or an exhaust valve of an internal combustion engine by a mechanical mechanism, an actuator for changing the operating angle, The present invention relates to a variable valve operating apparatus for an internal combustion engine.
内燃機関の吸気弁や排気弁のバルブリフト特性、特にその作動角を連続的に拡大・縮小させることが可能な可変動弁機構が本出願人らによって従来から種々提案されている。特許文献1は、その一例として、偏心カム(制御カム)を備えた制御軸の回転位置に応じて吸気弁もしくは排気弁のリフトと作動角とが両者同時に拡大・縮小変化する可変動弁装置を開示している。上記制御軸は、電動モータからなるアクチュエータによって、減速機構となるボールねじ機構を介して回転方向に駆動されるように構成されており、特に、この特許文献1では、ボールナットと制御軸とを連結するリンク部材の傾斜角度を工夫することで、弁のリフト・作動角の大小に対応して、減速比が変化するようにしている。また、特許文献2には、同様のリフト・作動角を変更する可変動弁機構を吸気弁に適用することで、スロットル弁に依存せずに吸入空気量を制御し得るようにした内燃機関の吸入空気量制御装置が開示されている。
上記のような吸気弁もしくは排気弁の作動角を連続的に変化させる可変動弁装置においては、作動角が最も小さくなるときに相対的に高い制御精度が求められるので、アクチュエータの変位に対する制御軸の変位が小さな所謂感度の低い特性が望ましい。その反面、大作動角側では、運転条件の変化に対する制御の応答性の点で、逆に、アクチュエータの一定の変位に対し制御軸が大きく変位することが要求される。 In the variable valve operating apparatus that continuously changes the operating angle of the intake valve or the exhaust valve as described above, a relatively high control accuracy is required when the operating angle is the smallest. The so-called low sensitivity characteristic with a small displacement is desirable. On the other hand, on the large operating angle side, on the contrary, the control shaft is required to be largely displaced with respect to a certain displacement of the actuator in terms of control responsiveness to changes in operating conditions.
特に、上記可変動弁機構を吸気弁側に利用して吸入空気量を制御するような場合には、吸入空気量が少ない低負荷域で最小作動角となるので、この最小作動角付近での高い制御分解能が必要であり、また加速時には吸入空気量を速やかに増大させるために大作動角側での高い応答性が必要となる。 In particular, when the intake valve is controlled by using the variable valve mechanism on the intake valve side, the minimum operating angle is obtained in a low load range where the intake air is small. High control resolution is required, and high responsiveness on the large operating angle side is required in order to quickly increase the intake air amount during acceleration.
しかしながら、上記特許文献1の装置は、ボールナットと制御軸側のアームとを1つのリンク部材でもって単純に連結した一般的な構成に過ぎず、実際には、減速比の変化幅は非常に小さく、望ましい特性を得ることができない。 However, the device of Patent Document 1 is merely a general configuration in which a ball nut and an arm on the control shaft side are simply connected with a single link member. It is too small to obtain the desired characteristics.
そこで、この発明は、電動モータと制御軸との間のリンク機構をより多くのリンクから構成するとともにその自由度をカム機構により制限するようにして、所望の減速比の特性を得るようにしたものである。すなわち、この発明は、吸気もしくは排気の弁の作動角を機構的に連続的に拡大・縮小可能な可変動弁機構と、この可変動弁機構の作動角を変更するためのアクチュエータと、を備えるとともに、上記可変動弁機構が最小作動角位置から最大作動角位置まで所定の角度範囲内で回動する制御軸を有し、この制御軸の回転位置によって上記作動角が定まる内燃機関の可変動弁装置を前提としている。そして、本発明では、上記アクチュエータは、電動モータおよび該電動モータの回転によってボールナットが直進運動するボールねじ機構を備えるとともに、上記制御軸と上記ボールナットとを連係するリンク機構を備えており、このリンク機構が、上記制御軸に固定された第1リンクと、上記ボールナットに一端が回動可能に連結された第2リンクと、一端が上記第1リンクの先端に回動可能に連結され、他端が上記第2リンクの他端に回動可能に連結された第3リンクと、上記第2リンクと第3リンクとの連結点の移動軌跡を所定の軌跡に規制するカム機構と、を備える。 Therefore, in the present invention, the link mechanism between the electric motor and the control shaft is constituted by a larger number of links and the degree of freedom is limited by the cam mechanism so as to obtain a desired reduction ratio characteristic. Is. That is, the present invention includes a variable valve mechanism that can mechanically continuously expand / reduce the operating angle of an intake or exhaust valve, and an actuator for changing the operating angle of the variable valve mechanism. In addition, the variable valve mechanism has a control shaft that rotates within a predetermined angle range from the minimum operating angle position to the maximum operating angle position, and the variable operation of the internal combustion engine in which the operating angle is determined by the rotational position of the control shaft. A valve device is assumed. In the present invention, the actuator includes an electric motor and a ball screw mechanism in which the ball nut moves linearly by the rotation of the electric motor, and a link mechanism that links the control shaft and the ball nut. The link mechanism includes a first link fixed to the control shaft, a second link having one end rotatably connected to the ball nut, and one end rotatably connected to a tip of the first link. A third link having the other end rotatably connected to the other end of the second link, and a cam mechanism for restricting a movement locus of a connection point between the second link and the third link to a predetermined locus; Is provided.
上記のように、制御軸に固定された第1リンクとボールナットとの間に、2つのリンクつまり第2リンクおよび第3リンクが介在することで、リンク機構としての自由度が増えるが、第2リンクと第3リンクとの連結点の移動軌跡をカム溝などのカム機構により規制することで、ボールナットの直線移動に対する制御軸の回転運動が一義的に定まる。そして、カム溝などのカム機構による移動軌跡の設定によって、電動モータの回転角度と制御軸の回転角度との間の減速比を、所望の特性でもって大きく変化させることが可能となる。 As described above, since the two links, that is, the second link and the third link, are interposed between the first link fixed to the control shaft and the ball nut, the degree of freedom as a link mechanism increases. By restricting the movement locus of the connection point between the second link and the third link by a cam mechanism such as a cam groove, the rotational movement of the control shaft with respect to the linear movement of the ball nut is uniquely determined. The reduction ratio between the rotation angle of the electric motor and the rotation angle of the control shaft can be greatly changed with desired characteristics by setting the movement locus by a cam mechanism such as a cam groove.
この発明によれば、可変動弁機構の制御軸を回転方向に動かすアクチュエータにおいて、電動モータの回転角度と制御軸の回転角度との間の減速比を、所望の特性でもって大きく変化させることが可能となり、例えば、小作動角側での高い制御精度と大作動角側での高い応答速度とを両立させることができる。 According to the present invention, in the actuator that moves the control shaft of the variable valve mechanism in the rotation direction, the reduction ratio between the rotation angle of the electric motor and the rotation angle of the control shaft can be greatly changed with desired characteristics. For example, it is possible to achieve both high control accuracy on the small operating angle side and high response speed on the large operating angle side.
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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、この発明に係る可変動弁装置を内燃機関の吸入空気量制御に利用した場合のシステム構成を示す構成説明図であって、内燃機関1は、吸気弁3と排気弁4とを有し、かつ吸気弁3の動弁機構として、吸気弁3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に係る可変動弁装置すなわち第1可変動弁機構(VEL)5と、作動角の中心角を連続的に遅進させることが可能な位相可変機構すなわち第2可変動弁機構(VTC)6と、を備えている。また、吸気通路7には、モータ等のアクチュエータにより開度が制御される電子制御スロットル弁2が設けられている。ここで、上記スロットル弁2は、吸気通路7内に、ブローバイガスの処理などのために必要な僅かな負圧(例えば−50mmHg)を発生させるためだけに用いられており、吸入空気量の調整は、基本的に、上記第1,第2可変動弁機構5,6により吸気弁3のバルブリフト特性を変更することで行われる。すなわち、吸入空気量の調整をスロットル弁開度に依存しない実質的なスロットルレス運転が実現される。これらの第1,第2可変動弁機構5,6および電子制御スロットル弁2は、コントロールユニット10によって制御されている。
FIG. 1 is a configuration explanatory view showing a system configuration when the variable valve system according to the present invention is used for intake air amount control of an internal combustion engine. The internal combustion engine 1 includes an
また、燃料噴射弁8が吸気通路7に配設されており、上記のように吸気弁3により調整された吸入空気量に応じた量の燃料が、この燃料噴射弁8から噴射される。従って、内燃機関1の出力は、第1,第2可変動弁機構5,6により吸入空気量を調整することによって制御される。
A
上記のコントロールユニット10には、運転者により操作されるアクセルペダルに設けられたアクセル開度センサ11からのアクセル開度信号APO、エンジン回転速度センサ12からのエンジン回転速度信号Ne、吸入空気量センサ13からの吸入空気量信号、などが入力されており、コントロールユニット10は、これらの信号に基づいて、燃料噴射量、点火時期、スロットル弁開度、作動角目標値、中心角目標値、等を演算し、燃料噴射弁8、点火プラグ9、スロットル弁2、第1,第2可変動弁機構5,6、等を制御する。
The
図2は、上記第1,第2可変動弁機構5,6の構成を示す構成説明図である。これらの第1可変動弁機構5および第2可変動弁機構6は、その機械的な構成は公知であり、例えば、上述した特許文献1,2に記載の装置と同様の構成を有している。従って、その概要のみを説明する。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration of the first and second
リフト・作動角を可変制御する第1可変動弁機構5は、内燃機関1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に固定された駆動偏心カム23と、回転自在に支持された制御軸32と、この制御軸32の制御偏心カム38に揺動自在に支持されたロッカアーム26と、吸気弁3のタペット30に当接する揺動カム29と、を備えており、上記駆動偏心カム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。
The first
上記ロッカアーム26は、略中央部が上記制御偏心カム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。上記制御偏心カム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。
The
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基円面と、該基円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、これらの基円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。
The
上記制御軸32は、一端部に連係する後述するリフト・作動角制御用アクチュエータ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は、コントロールユニット10からの制御信号により制御される例えばDCモータからなり、上記制御軸32の回転角度が制御軸センサ34によって検出され、目標のリフト・作動角に対応する目標の回転角度となるようにフィードバック制御される。
The
上記第1可変動弁機構5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3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の回転位置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・作動角が示されることになる。
According to the first
一方、中心角を可変制御する第2可変動弁機構6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、本実施例では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。
On the other hand, the second
図3は、上記制御軸32の回転位置ひいてはリフト・作動角を変化させるリフト・作動角制御用アクチュエータ51の構成を模式的に示したものであり、このアクチュエータ51は、DCモータ等の電動モータ52と、この電動モータ52の回転運動を直線運動に変換する減速機構を兼ねたボールねじ機構と、このボールねじ機構による直線運動を上記制御軸32の回転運動として伝達するリンク機構と、から大略構成されている。上記ボールねじ機構は、電動モータ52の回転軸に直結あるいは適宜なカップリングを介して連結されたボールねじ53と、このボールねじ53に螺合して該ボールねじ53の回転に伴って直線移動するボールナット54と、を備えている。なお、ボールナット54のバックラッシュを抑制するために、ボールナット54を軸方向の一方へ付勢する図示せぬコイルスプリングを一般に備えている。
FIG. 3 schematically shows the structure of a lift / working
上記リンク機構としては、制御軸32の端部に基端が固定されて該制御軸32とともに回動する第1リンク55と、上記ボールナット54に一端が回動可能に連結された第2リンク56と、一端が上記第1リンク55の先端に回動可能に連結され、他端が上記第2リンク56の他端に回動可能に連結された第3リンク57と、を備えている。そして、さらに、上記第2リンク56と第3リンク57との連結点となる連結ピン58の移動軌跡を所定の軌跡に規制するように、カム機構となるカム溝59を備えている。このカム溝59は、例えば、リンク機構やボールねじ機構を収容するハウジングの内壁面に、一対のカム溝59が対向して形成され、連結ピン58の両端が摺動可能に係合する。このカム溝59によって、リンク機構の自由度が制限されるため、ボールナット54の直線移動に対し、制御軸の回転角度位置が一義的に定まることとなる。なお、第1,第2,第3リンク55,56,57は、図示するように、制御軸32とボールナット54との間で、3本のリンクが概ね横向きの台形状をなすように互いに連結されている。
The link mechanism includes a
上記カム溝59の形状つまり連結ピン58が移動し得る軌跡は、制御軸32が所望の特性に沿って回動するように種々の形状とすることができるが、一つの実施例では、ボールねじ53の軸方向とほぼ平行な第1の区間59Aと、この第1の区間59Aの端部からボールナット54に近づくように斜めに折れ曲がった第2の区間59Bと、を有する略L字形をなしている。なお、ボールナット54は、リフト・作動角を小作動角とすべきときに図の左方に位置し、リフト・作動角を大作動角とすべきときに図の右方へ移動するものであり、従って、第2の区間59Bは、第1の区間59Aの大作動角側の端部に接続されている。
The shape of the
図4は、上記リンク機構の作動ならびにこれに伴う減速比の特性を示している。ここで、減速比とは、電動モータ52の回転角度変位を入力とし、制御軸32の回転角度変位を出力としたときの減速比であり、従って、減速比が大とは、電動モータ52の単位角度の回転に対し制御軸32の回転角度変位が小さいことを意味する。なお、図4では、各リンクをいわゆるスケルトン図として示している。
FIG. 4 shows the characteristics of the operation of the link mechanism and the accompanying reduction ratio. Here, the reduction ratio is a reduction ratio when the rotation angle displacement of the
図4の(a)は、作動角が最小作動角である場合のリンク機構の状態を示しており、ボールナット54は、図の左端の位置にある。このとき、3本のリンク55,56,57は、前述したように横向きの台形状をなし、第2リンク56は、ボールねじ53の軸方向に対しほぼ直交した姿勢にある。そして、連結ピン58は、カム溝59の中で、第1の区間59Aの始点となる図の左方の端部に位置する。この状態では、図示するように、第1リンク55とカム溝59(連結ピン58が位置する第1の区間59A)とのなす角は比較的に小さい。従って、電動モータ52の回転に伴ってボールナット54が図の右方へ移動し、これに伴って連結ピン58が図の右方へ移動しようとしても、第1リンク55と第3リンク57との連結点60の位置はあまり変化せず、制御軸32の回転角度変位は小さい。従って、連結ピン58が第1の区間59Aを移動する最小作動角〜中作動角の領域では、図4の(d)の左側部分に示すように、比較的大きな減速比となる。
FIG. 4A shows the state of the link mechanism when the operating angle is the minimum operating angle, and the
これに対し、図4の(c)は、作動角が最大作動角付近である場合のリンク機構の状態を示しており、ボールナット54は、図の右端付近の位置にある。そして、連結ピン58は、カム溝59の中で、第2の区間59Bの終端となる図の右方の端部付近に位置する。このとき、3本のリンク55,56,57は、やはり横向きの台形状の姿勢を保っているが、図示するように、第1リンク55とカム溝59(連結ピン58が位置する第2の区間59B)とのなす角は比較的に大きい。従って、電動モータ52の回転に伴ってボールナット54が図の右方へ移動すると、これに伴って移動する連結ピン58に従動して第1リンク55つまり制御軸32が大きく回転する。従って、連結ピン58が第2の区間59Bを移動する中作動角〜最大作動角の領域では、図4の(d)の右側部分に示すように、相対的に小さな減速比となる。
On the other hand, FIG. 4C shows the state of the link mechanism when the operating angle is near the maximum operating angle, and the
図4の(b)は、ボールナット54が中間的な位置にあって連結ピン58が第1の区間59Aおよび第2の区間59Bの間のコーナ部分に位置する場合のリンク機構の状態を示しているが、この状態つまり所定の中作動角の状態を境として、図4の(d)に示すように、減速比がステップ的に変化することとなる。
FIG. 4B shows a state of the link mechanism when the
図4の(d)は、減速比の特性を模式的に示しているが、上記の略L字形のカム溝59の構成によれば、実際には、図5のような減速比の特性が得られる。従って、小作動角側では、リフト・作動角の変化速度は遅くなるものの、制御精度が高くなり、例えば、アイドル時等における微小なリフト・作動角による吸入空気量の制御を高精度に実現できる。他方、大作動角側では、リフト・作動角の変化速度が速くなり、過渡変化時に応答性に優れたリフト・作動角の制御を達成できる。
FIG. 4D schematically shows the characteristics of the reduction ratio. However, according to the configuration of the substantially L-shaped
また、上記の構成では、カム溝59の第1の区間59Aと第2の区間59Bとが各々直線状をなし、これらがコーナ部分においてL字形に接続されているため、連結ピン58がコーナ部分に位置する中作動角の状態では、図6に示すように、逆に制御軸32からバルブスプリング反力による交番トルクT1,T2が入力されても、連結ピン58がコーナ部分の壁面を押すような形となってコーナ部分に保持され、ボールナット54の軸方向に作用する力は非常に小さくなる。そのため、この制御位置では、電動モータ52に保持トルクを発生させなくても、交番トルクT1,T2に対抗して制御軸32の回転角度位置を保持することが可能である。従って、内燃機関の運転条件として最も使用頻度の高い中作動角がこのコーナ部分の位置に対応するように設定すれば、その制御位置を保持するための通電が不要であり、電力消費を抑制できる。
Further, in the above configuration, the
また同様に、機関の停止の際には、バルブスプリング反力に抗して連結ピン58がこのコーナ部分の位置に保持されるようになるので、リフト・作動角が過度に縮小することが制限され、再始動時に当初から中作動角となる。従って、内燃機関の始動性が向上する。
Similarly, when the engine is stopped, the connecting
なお、上記実施例では、カム機構として略L字形のカム溝59を用いているが、例えば曲線状のカム溝によって比較的滑らかに変化する減速比の特性を得るようにしてもよく、あるいは、カム溝以外の適宜なカム機構によって連結点の位置を規制するように構成することもできる。
In the above embodiment, the substantially L-shaped
図7は、上記カム溝59の異なる実施例を示しており、この実施例では、カム溝59の第1の区間59Aが第1の部品例えば第1の板状部品にスリット状に開口形成されているとともに、第2の区間59Bが第2の部品例えば第2の板状部品にスリット状に開口形成され、両者を重ね合わせることで略L字形のカム溝59が構成されている。そして、第1の区間59Aを有する第1の板状部品を第2の板状部品に対しカム溝59のコーナ部分を中心として回動させることで、第1の区間59Aの傾斜を図の+側および−側へ変化させることができるようになっている。
FIG. 7 shows a different embodiment of the
このように第1の区間59Aの傾斜を変化させることで、図9に模式的に示すように、小作動角側の減速比の特性を、機関の運転中に変化させることができる。なお、図9における「+」「−」は、図7の変化の方向に対応している。
By changing the inclination of the
同様に、図8に示すように、第2の区間59Bを有する第2の板状部品を第1の板状部品に対し回動することも可能であり、これによって、図9に示すように、大作動角側の減速比の特性を変化させることができる。
Similarly, as shown in FIG. 8, it is also possible to rotate the second plate-like component having the
このような実施例によれば、機関運転条件等に応じたより適切な減速比の特性を得ることが可能となる。 According to such an embodiment, it is possible to obtain a more appropriate speed reduction ratio characteristic according to engine operating conditions and the like.
3…吸気弁
5…第1可変動弁機構
32…制御軸
51…アクチュエータ
52…電動モータ
53…ボールねじ
54…ボールナット
55…第1リンク
56…第2リンク
57…第3リンク
58…連結ピン
59…カム溝
DESCRIPTION OF
Claims (6)
上記アクチュエータは、電動モータおよび該電動モータの回転によってボールナットが直進運動するボールねじ機構を備えるとともに、上記制御軸と上記ボールナットとを連係するリンク機構を備え、
このリンク機構が、上記制御軸に固定された第1リンクと、上記ボールナットに一端が回動可能に連結された第2リンクと、一端が上記第1リンクの先端に回動可能に連結され、他端が上記第2リンクの他端に回動可能に連結された第3リンクと、上記第2リンクと第3リンクとの連結点の移動軌跡を所定の軌跡に規制するカム機構と、を備えることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。 A variable valve mechanism capable of mechanically continuously expanding and reducing the operating angle of the intake or exhaust valve, and an actuator for changing the operating angle of the variable valve mechanism, and the variable valve In a variable valve operating apparatus for an internal combustion engine, the mechanism has a control shaft that rotates within a predetermined angle range from a minimum operating angle position to a maximum operating angle position, and the operating angle is determined by the rotational position of the control shaft.
The actuator includes an electric motor and a ball screw mechanism in which the ball nut moves linearly by rotation of the electric motor, and a link mechanism that links the control shaft and the ball nut.
The link mechanism includes a first link fixed to the control shaft, a second link having one end rotatably connected to the ball nut, and one end rotatably connected to a tip of the first link. A third link having the other end rotatably connected to the other end of the second link, and a cam mechanism for restricting a movement locus of a connection point between the second link and the third link to a predetermined locus; A variable valve operating apparatus for an internal combustion engine, comprising:
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