JP5182528B2 - 可変動弁装置付エンジン - Google Patents

Description

本発明は、過給機を備えた可変動弁装置付エンジンに関する。

近年、バルブの開閉時期（カムの位相）を変化させる可変動弁装置として、カム位相可変機構を備えたエンジンが増加してきている。更に、１つの気筒に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、エンジンの運転状態に応じて複数の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。
こうしたエンジンの動弁装置に用いられるカムシャフトは、シャフト部材に別体のカム山部を回動可能に嵌め合わせて組み立てられている。カム位相可変機構は、例えばベーン式アクチュエータのような油圧機器が用いられ、カムシャフトの端部に配置されている。
そして、カム位相可変機構は、シャフト部材とカム山部との位相を可変させ、カム山部により駆動されるバルブの開閉時期を可変可能としている（特許文献１）。

一方、エンジンには排気のエネルギーを利用して吸気を過給し、出力を増加させるターボチャージャが広く用いられている。そして、このようなターボチャージャを備えたエンジンの排気バルブに対してカム位相可変機構を採用し、例えば低速時に排気バルブの開弁時期を進角させて排気のブローダウンエネルギーを確保し、過給圧を上昇させる技術が開発されている（特許文献２）。

特開２００９−１４４５２１号公報 特許第４１５１３９５号公報

しかしながら、上記特許文献２のような排気バルブの開弁時期の進角によってターボチャージャの過給圧を上昇させるエンジンにおいて、上記特許文献１のような構成の動弁装置を備えると、多気筒エンジンでは気筒毎にカム山部を備えなければならず、カムシャフトの構造が複雑化し、重量やコストの増加を招いてしまう。更に、カム山部の個数が多いことでカム位相可変機構により駆動される部分の重量が増加してしまうので、可変応答性が低下する虞がある。

そこで、本発明の目的は、排気バルブの開弁時期の進角によりターボチャージャの過給圧を上昇させる可変動弁装置付エンジンにおいて、動弁装置の構成を簡素化して、重量及びコストを低減するとともに可変応答性を向上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、排気バルブの駆動用カムの位相を可変するカム位相可変機構と、タービンを有するターボチャージャとを備える多気筒の可変動弁装置付エンジンにおいて、エンジンは少なくともターボチャージャに近接する気筒に第１の排気バルブとタービンに近い側に配置される第２の排気バルブが備えられ、カム位相可変機構は、パイプ部材で形成されたアウタカムシャフト内にインナカムシャフトを回動可能に収めて構成される排気シャフト部材を有し、アウタカムシャフトの外周部に第１の駆動用カムが設けられるとともに、アウタカムシャフトの軸心周りに回動可能に前記第２の駆動用カムが設けられ、第１の駆動用カムで第１の排気バルブを駆動し、第２の駆動用カムにて第２の排気バルブを駆動し、アウタカムシャフトに対しインナカムシャフトを変位させて、第２の駆動用カムの位相を第１の駆動用カムに対して可変するよう構成することで、第２の排気バルブの位相を第１の排気バルブに対して可変するものであり、され、少なくともターボチャージャの過給圧上昇が必要なとき第２の駆動用カムを第１の駆動用カムに対して進角させるカム位相制御手段を備え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、可変動弁装置付エンジンは、気筒が直列に配置されたエンジンであるとともに、いずれかの気筒に近接してターボチャージャのタービンが備えられ、カム位相可変機構は、ターボチャージャのタービンに近接する一部の気筒の第２の排気バルブを第２の駆動用カムで駆動させ位相を可変可能に構成したことを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項２において、可変動弁装置付エンジンは、直列４気筒のエンジンであるとともに、ターボチャージャのタービンが中央の２つの気筒に近接して備えられ、カム位相可変機構は、４つの気筒のうち中央の２つの気筒のみ第２の駆動用カムで駆動させ位相を可変可能に構成したことを特徴とする。
また、請求項４の発明は、請求項２または３において、カム位相可変機構は１つの気筒の複数の排気バルブのうち第２の排気バルブのみ第２の駆動用カムで駆動させ位相を進角可能とし、第１の排気バルブの第１の駆動用カムの位相は固定されていることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１〜４の何れかにおいて、カム位相制御手段は、少なくともエンジンの低回転で負荷を上昇させる運転時の膨張行程で第２の駆動用カムを進角させるようカム位相可変機構を制御することを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項２〜５の何れかにおいて、可変動弁装置付エンジンはカム位相可変機構に最も近接した気筒の排気バルブの駆動用カムの位相を可変可能に構成したことを特徴とする。

本発明の請求項１の可変動弁装置付エンジンによれば、ターボチャージャに近接する気筒の第２の排気バルブについてカム位相可変機構により駆動用カムの位相を可変可能にしているので、全ての気筒の排気バルブの位相を可変させる場合と比較して動弁装置の構成を簡素化することができる。よって、動弁装置の重量及びコストが低減されるとともにその設計自由度を向上させることが可能となる。更に、カム位相可変機構によって可変駆動される部分の重量を低減させて可変応答性を向上させることが可能となる。
また、カム位相可変機構により開弁時期を進角させた第２の排気バルブからタービンまでの排気経路を比較的短くすることができる。よって、開弁時期を進角させた第２の排気バルブからの排気を迅速にかつ圧力低下を抑えてタービンに流入させることができ、開弁時期を進角させた気筒数が少なくとも効率的に過給圧を上昇させることができる。

本発明の請求項２の可変動弁装置付エンジンによれば、直列気筒のうち、ターボチャージャのタービンに近接した一部気筒の第２の排気バルブの駆動用カムの位相を可変可能に構成しているので、カム位相可変機構により開弁時期を進角させた第２の排気バルブからタービンまでの排気経路を比較的短くすることができる。よって、開弁時期を進角させた第２の排気バルブからの排気を迅速にかつ圧力低下を抑えてタービンに流入させることができ、開弁時期を進角させた気筒数が少なくとも効率的に過給圧を上昇させることができる。

本発明の請求項３の可変動弁装置付エンジンによれば、直列に並ぶ４つの気筒のうち、ターボチャージャのタービンに近接した中間の２つの気筒のみ第２の排気バルブの駆動用カムの位相を可変可能に構成しているので、カム位相可変機構により開弁時期を進角させた第２の排気バルブからタービンまでの排気経路を比較的短くすることができる。よって、開弁時期を進角させた第２の排気バルブからの排気を迅速にかつ圧力低下を抑えてタービンに流入させることができ、開弁時期を進角させた気筒数が少なくとも効率的に過給圧を上昇させることができる。

本発明の請求項４の可変動弁装置付エンジンによれば、カム位相可変機構は、１つの気筒の複数の排気バルブのうち第２の排気バルブのみ進角可能とし第１の排気バルブの駆動用カムの位相を固定したので、カム位相可変機構により第２の排気バルブの開閉時期が進角された気筒であっても排気バルブの最終閉弁時期は進角せず、排気効率の低下を回避し出力の低下を防止することができる。また、排気バルブの最終閉弁時期は全ての気筒で同じため既燃ガスの残留量の差も少なく、気筒毎の燃焼ばらつきがなく、NVHや排ガスの悪化も防止することができる。

本発明の請求項５の可変動弁装置付エンジンによれば、効率的に過給圧を上昇させることにより、加速性能を高めることができる。
本発明の請求項６の可変動弁装置付エンジンによれば、カム位相可変機構に最も近接した気筒の排気バルブの駆動用カムの位相を可変可能にしたので、カム位相可変機構に駆動される部位の構成をコンパクトにすることができる。

本実施形態に係るエンジンの吸排気系の概略構成図である。 シリンダヘッド内の構造を示す上面図である。 排気カムシャフトの構造を示す断面図である。 ３気筒の場合の排気カムシャフトの構造を示す断面図である。

以下、図面に基づき本発明の一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（以下、単にエンジン１という）の吸排気系の概略構成図、図２はエンジン１のシリンダヘッド２内の構造を示す上面図である。図３は、エンジン１の排気カムシャフト３の構造を示す断面図である。
図１に示すように、エンジン１は、直列４気筒のエンジンであり、各気筒４ａ〜４ｄに吸気バルブ５及び排気バルブ６、７を２つずつ備えている。吸気バルブ５は各気筒４ａ〜４ｄの右側に前後に並び、排気バルブ６、７は左側に前後に並んで配置されている。エンジン１の右側には吸気マニホールド８が、左側には排気マニホールド９が設けられている。また、エンジン１にはターボチャージャ１０が備えられている。ターボチャージャ１０は排気通路１１に介装されたタービン１２と、吸気通路１３に介装されたコンプレッサ１４とにより構成されており、排気によって駆動されたタービン１２の回転力によりコンプレッサ１４を回転駆動して、吸気を過給する機能を有する。本実施形態のエンジン１では、タービン１２は、エンジン１の前後方向中央部に配置されており、このタービン１２に向かって各気筒４ａ〜４ｄの排気バルブ６、７から排気通路が集合するように排気マニホールド９が形成されている。

図２に示すように、エンジン１は、排気カムシャフト３（排気シャフト部材）及び吸気カムシャフト２０を備えたＤＯＨＣ式の動弁装置を有する。シリンダヘッド２の内部に設けられたカムジャーナル１５に回転自在に支持された排気カムシャフト３及び吸気カムシャフト２０には、夫々カムスプロケット２１、２２が接続され、これらのカムスプロケット２１、２２はチェーン２３を介して図示しないエンジン１のランクシャフトに連結されている。

エンジン１の吸気バルブ５は、吸気カムシャフト２０に固定された吸気カム２４により駆動される。一方、排気バルブ６、７は、排気カムシャフト３に設けられた第１の排気カム２５（第１の駆動用カム）、第２の排気カム２６（第２の駆動用カム）により駆動される。
図３に示すように、排気カムシャフト３は、中空状のアウタカムシャフト３０とアウタカムシャフト３０に挿入されたインナカムシャフト３１とを備えた２重構造となっている。アウタカムシャフト３０及びインナカムシャフト３１は、若干の隙間を有しつつ同心上に配置されている。

アウタカムシャフト３０には、第１の排気カム２５が固定されている。また、アウタカムシャフト３０には回動可能に第２の排気カム２６が支持されている。第２の排気カム２６は、アウタカムシャフト３０が挿入されるパイプ部材で形成された略円筒状の支持部２６ａと支持部２６ａの外周から突出し排気バルブ７を駆動するカム山部２６ｂとから構成されている。カム山部２６ｂは、１つの支持部２６ａの両端部に夫々設けられている。第２の排気カム２６とインナカムシャフト３１とは固定ピン３２により固定されている。固定ピン３２は、第２の排気カム２６の支持部２６ａ、アウタカムシャフト３０及びインナカムシャフト３１を貫通しており、インナカムシャフト３１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２６ａに固定されている。アウタカムシャフト３０には固定ピン３２が通過する長孔３３が周方向に延びて形成されている。よって、第１の排気カム２５はアウタカムシャフト３０の回転により駆動し、第２の排気カム２６はインナカムシャフト３１の回転により駆動する構成となっている。

排気カムシャフト３の前端には、カム位相可変機構４０が設けられている。カム位相可変機構４０は、例えば公知のベーン式油圧アクチュエータが用いられている。ベーン式油圧アクチュエータは、円筒状のハウジング（カバー）内にベーンロータが回動可能に設けられて構成されており、ハウジング内への作動油の供給に応じて、ハウジングに対するベーンの回転角度を可変させる機能を有する。そして、カム位相可変機構４０のハウジングにカムスプロケット２１及びアウタカムシャフト３０が固定されているとともに、カム位相可変機構４０のベーンロータにインナカムシャフト３１が固定されている。

したがって、カム位相可変機構４０は、カムスプロケット２１に対するインナカムシャフト３１の回転角を可変させる機能を有する。即ち、カム位相可変機構４０は、第１の排気カム２５により駆動される排気バルブ６（第１の排気バルブ）の開閉時期と第２の排気カム２６により駆動される排気バルブ７（第２の排気バルブ）の開閉時期との差を可変させるスプリット可変機能を有する。
特に、本実施形態では、第２の排気カム２６が４つの気筒４ａ〜４ｄのうち中央の２つの気筒４ｂと４ｃとの間に１つ設けられ、その両端の２つのカム山部２６ｂで、中央の気筒４ｂ、４ｃの夫々中央側の排気バルブ７のみ駆動する。その他の排気バルブ６は、アウタカムシャフト３０に固定された第１の排気カム２５により駆動される。したがって、直列に４つ並ぶ気筒４ａ〜４ｄのうち、中央の２つの気筒４ｂ、４ｃのみカム位相可変機構４０による排気バルブ７の開閉時期を可変させる可変機能を有しており、外側の２つの気筒４ａ、４ｄは開閉時期の可変機能を有していない。

カム位相可変機構４０は、ＯＣＶ（オイルコントロールバルブ）４１により作動油の給排が制御される。ＯＣＶ４１は、ＥＣＵ４２により作動制御され、エンジン１の運転状態に基づいて作動制御される。ＥＣＵ４２は、所定の運転状態、例えば低速からの加速時に排気バルブ７の開閉時期が膨張行程で進角するようにＯＣＶ４１を制御する（カム位相制御手段）。

以上のように、本実施形態では、低速からの加速時に排気バルブ７の開閉時期を膨脹行程で進角させるので、排気のブローダウンエネルギーが増加し、ターボチャージャ１０の過給圧を上昇させることができる。したがって、低速からの加速時におけるターボチャージャ１０のレスポンスを向上させて、エンジン１の出力を確保することができる。
特に、本実施形態では、４つの気筒４ａ〜４ｄ全ての排気バルブ６、７の開閉時期を可変させるのではなく、一部の気筒４ｂ、４ｃの排気バルブ７の開閉時期を可変させる構造としたので、第１の排気カム２５より比較的大きくかつ複雑な構造の第２の排気カム２６を全ての気筒４ａ〜４ｄに設ける必要がなく、動弁装置の構造を簡素化し、重量及びコストを低減させるとともに、動弁装置の設計自由度を向上させることができる。

更に、本実施形態では、４つの気筒４ａ〜４ｄのうち隣り合った２つの気筒４ｂ、４ｃの隣り合った排気バルブ７の開閉時期を進角させるので、両端にカム山部２６ｂを備えた１つの第２の排気カム２６で２つの排気バルブ７を駆動することができ、動弁装置の構造を更に簡素化することができる。
加えて、一部の気筒４ｂ、４ｃの排気バルブ７の開閉時期をカム位相可変機構４０にて可変させる構造なので、可変するための負荷が小さく、可変応答性が高められ、素早く過給圧を上昇させることができる。排気カムシャフト３の重量を低減させることができ、動弁装置の重量をより低減させることができる。さらにはインナカムシャフト３１をアウタカムシャフト３０の約半分の長さに短くすることができるので、捩れによる剛性低下も避けられるため、バルブの正確な駆動が高回転まで保障され、信頼性が高められる。

また、開閉時期を進角させる２つの排気バルブ７は、４つの気筒のうち中央の２つの気筒４ｂ、４ｃの中央側の排気バルブ７であって、エンジン１の全ての排気バルブ６、７のうち最もエンジン１の前後方向の中央に配置されているものである。ここで、ターボチャージャ１０のタービン１２が、４つの気筒４ａ〜４ｄが並ぶエンジン１の前後方向で中央に配置されているので、２つの排気バルブ７からタービン１２への排気の経路を他の排気バルブ６から経路より短くかつ排気の流れをスムーズにさせることができる。したがって、このように中央の排気バルブ７を開作動させることで、各排気バルブ６、７からの排気のうち最も早くかつ圧力低下の少ない排気をタービン１２に到達させることができ、一部の排気バルブ７のみ開弁時期を進角させる構成であっても、効率的に過給圧を上昇させることができる。また、直列４気筒のエンジンの場合、一般的に１→３→４→２番、即ち４ａ→４ｃ→４ｂ→４ｄの気筒の順で爆発が行われるので、上記のように排気バルブ７の開弁時期が進角される気筒４ｂ、４ｃの爆発が等間隔となり、エンジン１の振動を抑えることができる。

また、本実施形態では、カム位相可変機構４０は１つの気筒４ｂ、４ｃに設けられた２つの排気バルブ６、７のうち１つの排気バルブ７の開閉時期が進角制御され、他の排気バルブ６の位相は固定される。したがって、カム位相可変機構４０により開弁時期を進角させたとしてもその気筒４ｂ、４ｃの各最終となる閉弁時期は進角せず、排気効率の低下を防止し出力の低下を回避することができる。

さらには、排気バルブの最終となる閉弁時期は全ての気筒で同じため既燃ガスの残留量の差も少なく、気筒毎の燃焼ばらつきがなく、NVHや排ガスの悪化も防止することができる。
また、本実施形態では、カム位相可変機構４０として油圧式ベーンアクチュエータを用いているが、このかわりに電磁弁により一部の気筒の排気バルブ７を直接開閉させる構造が考えられる。このようにすれば、吸気カムシャフト３の構造を簡素化するとともにカム位相可変機構４０への油圧回路を不要とするといった利点を有する。しかしながら、膨張行程時における筒内圧が比較的高い状態での開弁作動を確実に実行させるために、電磁弁の能力を比較的高いものとしなければならず、電磁弁のコストや外形が大幅に増大するといった問題点があるので、このような問題点と上述の利点とを全体的に考慮して適宜選択して採用してもよい。

なお、本実施形態では、４つの気筒４ａ〜４ｄの中央の２つの気筒４ｂ、４ｃの更に中央側のバルブ７のみ可変制御するようにしたが、本発明はこれに限定するものではない。本発明は、排気バルブの開弁時期を膨脹行程で進角させてターボチャージャの過給圧を上昇させる多気筒のエンジンにおいて、少なくとも一部の排気バルブのみ開弁時期を進角させる構造とすれば、動弁装置の構造を簡素化することができる。

更に、一部の排気バルブのみ開弁時期を進角させる際に、カム位相可変機構４０に近い気筒の排気バルブを進角させるようにしてもよい。例えば図４に示すように、３気筒のエンジンの場合には、カム位相可変機構４０に最も近い前側の気筒の前側の排気バルブの駆動用カムをカム位相可変機構４０により可変制御される第２の排気カム２６にすればよい。このようにすれば、カム位相可変機構４０と第２の排気カム２６とが近接して配置されるので、インナカムシャフト３１を短くすることができる。したがって排気カムシャフト３の重量を低減させることができ、動弁装置の重量をより低減させることができ、さらには捩れによる剛性低下も避けられるため、バルブの正確な駆動が高回転まで保障され、信頼性が高められる。

１ エンジン
３ 排気カムシャフト
４ａ〜４ｄ 気筒
６、７ 排気バルブ
１０ ターボチャージャ
１２ タービン
２５ 第１の排気カム
２６ 第２の排気カム
４０ カム位相可変機構

Claims (6)

1. 排気バルブの駆動用カムの位相を可変するカム位相可変機構と、タービンを有するターボチャージャとを備える多気筒の可変動弁装置付エンジンにおいて、
   前記エンジンは少なくとも前記ターボチャージャに近接する気筒に第１の排気バルブと前記タービンに近い側に配置される第２の排気バルブが備えられ、
   前記カム位相可変機構は、パイプ部材で形成されたアウタカムシャフト内にインナカムシャフトを回動可能に収めて構成される排気シャフト部材を有し、前記アウタカムシャフトの外周部に第１の駆動用カムが設けられるとともに、前記アウタカムシャフトの軸心周りに回動可能に第２の駆動用カムが設けられ、前記第１の駆動用カムで前記第１の排気バルブを駆動し、前記第２の駆動用カムにて前記第２の排気バルブを駆動し、前記アウタカムシャフトに対し前記インナカムシャフトを変位させて、前記第２の駆動用カムの位相を第１の駆動用カムに対して可変するよう構成することで、前記第２の排気バルブの位相を前記第１の排気バルブに対して可変するものであり、少なくとも前記ターボチャージャの過給圧上昇が必要なとき前記第２の駆動用カムを前記第１の駆動用カムに対して進角させるカム位相制御手段を備えたことを特徴とする可変動弁装置付エンジン。
2. 前記可変動弁装置付エンジンは、気筒が直列に配置されたエンジンであるとともに、いずれかの気筒に近接して前記ターボチャージャのタービンが備えられ、
   前記カム位相可変機構は、前記ターボチャージャのタービンに近接する一部の気筒の前記第２の排気バルブを前記第２の駆動用カムで駆動させ位相を可変可能に構成したことを特徴とする請求項１の可変動弁装置付エンジン。
3. 前記可変動弁装置付エンジンは、直列４気筒のエンジンであるとともに、前記ターボチャージャのタービンが中央の２つの気筒に近接して備えられ、
   前記カム位相可変機構は、４つの気筒のうち前記中央の２つの気筒のみ前記第２の駆動用カムで駆動させ位相を可変可能に構成したことを特徴とする請求項２に記載の可変動弁装置付エンジン。
4. 前記カム位相可変機構は１つの気筒の複数の排気バルブのうち前記第２の排気バルブのみ第２の駆動用カムで駆動させ位相を進角可能とし、前記第１の排気バルブの第１の駆動用カムの位相は固定されていることを特徴とする請求項２または３に記載の可変動弁装置付エンジン。
5. 前記カム位相制御手段は、少なくとも前記エンジンの低回転で負荷を上昇させる運転時の膨張行程で前記第２の駆動用カムを進角させるよう前記カム位相可変機構を制御することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の可変動弁装置付エンジン。
6. 前記可変動弁装置付エンジンは前記カム位相可変機構に最も近接した気筒の排気バルブの駆動用カムの位相を可変可能に構成したことを特徴とする請求項２〜５の何れかに記載の可変動弁装置付エンジン。

Images