JP5527524B2 - 可変動弁装置付エンジン - Google Patents

Description

本発明は、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。

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２個使用し、エンジンの運転状態に応じて複数のバルブの全体及び一部の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、インナカムシャフト及びアウタカムシャフトからなる２重構造のシャフトが用いられており、上記複数のバルブのうち一部のバルブをインナカムシャフトで、他のバルブをアウタカムシャフトで開閉可能な構成になっている。カム位相可変機構は、例えばベーン式油圧アクチュエータが用いられており、カムシャフトの両端に配置され、一方のカム位相可変機構によってインナカムシャフト及びアウタカムシャフトの両方の回転角をまとめて可変させ、他方のカム位相可変機構によってインナカムシャフトとアウタカムシャフトとの回転角差を可変させる所謂スプリット可変が可能になっている（特許文献１）。

特開２００９−１４４５２１号公報

上記特許文献１では、エンジンの運転状況に基づいて、２個のカム位相可変機構の作動を制御することで、バルブの開閉時期を可変制御している。そして、このようなバルブの開閉時期の制御を正確に行うために、インナカムシャフト及びアウタカムシャフトの実回転角を検出するカムセンサを夫々設け、カム位相可変機構の作動制御に用いることが一般的である。

しかしながら、カムシャフトは、その一端部に設けたスプロケットに回転力が伝達されて駆動されるので捩れが発生する。この捻れは、トルク変動に伴い変動するとともに、上記特許文献１のようにカムシャフトの両端にカム位相可変機構のような重量物が設けられている場合には更に大きくなる虞がある。したがって、カムセンサによりカムシャフトの実回転角を検出しても、カムシャフトの捻れや捩れ振動によりその検出量に大きく誤差が発生する虞がある。

特に、上記のような２個のカム位相可変機構を備えた可変動弁装置では、カムシャフトの捻れや捩れ振動による回転角の検出誤差が２箇所に生じる為、検出誤差が非常に大きくなり、このスプリット可変の正確な作動が困難になる虞がある。
本発明の目的は、２重構造のカムシャフトを備え、複数のバルブのうち一部の位相を可変可能にしたエンジンにおいて、２個のカムシャフトの回転角差を正確に検出可能とする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つの気筒に吸気または排気用のバルブを複数備え、複数のバルブのうち一部のバルブの駆動用カムを駆動する第１のカムシャフトと複数のバルブの他のバルブの駆動用カムを駆動する第２のカムシャフトとを同軸上に備えるともに、第１のカムシャフト及び第２のカムシャフトの一端部に配置され、第１のカムシャフトに対する第２のカムシャフトの回転角を可変させることで第１のカムシャフトと第２のカムシャフトとの位相差を可変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において、第１のカムシャフトの回転角を検出する第１の検出手段と、第２のカムシャフトの回転角を検出する第２の検出手段とを備え、第１の検出手段及び第２の検出手段は、カム軸方向で全ての駆動用カムよりカム位相可変機構側に配置され、第１の検出手段と第２の検出手段との検出結果に応じた第１のカムシャフトと第２のカムシャフトとの位相差に基づき、カム位相可変機構を作動制御す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のカムシャフトの端部に、クランクシャフトの回転力が伝達されるカムスプロケットを備え、第１の検出手段及び第２の検出手段は、カム軸方向でカムスプロケットに対して反対側に配置され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のカムシャフトの他端部に、第１のカムシャフト及び第２のカムシャフトの位相を可変させるカム位相可変機構を更に備え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、第１の検出手段により検出された一方のカムシャフトの回転角と、第２の検出手段により検出された他方のカムシャフトの回転角との差により、２本のカムシャフトの実位相差を求めることが可能となる。第１の検出手段及び第２の検出手段がカム軸方向で全ての駆動用カムよりカム位相可変機構側に配置されることにより、第１の検出手段及び第２の検出手段が全ての駆動用カムの外側で軸方向に互いに近接して配置されるので、カムシャフトの捻れや捩れ振動に伴う第１の検出手段の検出値と第２の検出手段の検出値の差が抑制される。また、第１の検出手段及び第２の検出手段がカム位相可変機構に近接して配置されるので、カム位相可変機構によるバルブの位相差の可変制御を正確に制御することができる。これにより、安定してエンジン運転が制御されるため、燃費の向上や振動の抑制が図られる。

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の検出手段及び第２の検出手段が、クランクシャフトの回転力が伝達するカムスプロケットとカム軸方向で反対側に配置されるので、クランクシャフトの回転力が伝達して第１のカムシャフトに捻れが発生しても、第１の検出手段及び第２の検出手段における検出値への影響を低減できる。
本発明の請求項３の可変動弁装置付エンジンによれば、第１のカムシャフト及び第２のカムシャフトの位相をまとめて可変させるカム位相可変機構を更に備えることで、複数のバルブの位相差を可変制御することに加えて、複数のバルブの位相を可変制御可能となり、バルブの開閉制御を正確かつ自由度を高く行うことができる。

本実施形態に係るエンジンにおけるシリンダヘッド内の構造を示す上面図である。 動弁装置の構造を示す縦断面図の第１の実施例である。 動弁装置の構造を示す縦断面図の第２の実施例である。 動弁装置の構造を示す縦断面図の第３の実施例である。

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）のシリンダヘッド２内の構造を示す上面図である。図２は、吸気カムシャフト４及びその支持部の構造を示す断面図である。
本実施形態のエンジン１は、ＤＯＨＣ式の動弁機構を有する直列３気筒のエンジンである。図１に示すように、シリンダヘッド２の内部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４には、夫々カムスプロケット５、６が接続され、これらのカムスプロケット５、６はチェーン７を介して図示しないクランクシャフトに連結されている。

エンジン１の１つの気筒８には、２つの吸気バルブ９、１０と図示しない２つの排気バルブとが設けられている。２つの吸気バルブ９、１０は、吸気カムシャフト４に交互に配置された第１の吸気カム１１及び第２の吸気カム１２により駆動される。詳しくは、２つの吸気バルブのうち第１の吸気バルブ９は第１の吸気カム１１に、第２の吸気バルブ１０は第２の吸気カム１２により駆動される。一方、２つの排気バルブは、排気カムシャフト３に固定された排気カム１３により駆動される。

図２に示すように、吸気カムシャフト４は、中空状のアウタカムシャフト２１とアウタカムシャフト２１に挿入されたインナカムシャフト２２とを備えた２重構造となっている。アウタカムシャフト２１及びインナカムシャフト２２は、若干の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２に形成された複数の軸受け部２３ａ〜２３ｅに回動可能に支持されている。

アウタカムシャフト２１には、第１の吸気カム１１が固定されている。また、アウタカムシャフト２１には回動可能に第２の吸気カム１２が支持されている。第２の吸気カム１２は、アウタカムシャフト２１が挿入される略円筒状の支持部１２ａと支持部１２ａの外周から突出し第２の吸気バルブ１０を駆動するカム山部１２ｂとから構成されている。第２の吸気カム１２とインナカムシャフト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１２の支持部１２ａ、アウタカムシャフト２１及びインナカムシャフト２２を貫通しており、インナカムシャフト２２に設けられた孔に略隙間なく挿入され固定されている。アウタカムシャフト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。よって、第１の吸気カム１１はアウタカムシャフト２１の回転により駆動し、第２の吸気カム１２はインナカムシャフト２２の回転により駆動する構成となっている。

吸気カムシャフト４の両端には、第１のカム位相可変機構３０及び第２のカム位相可変機構３１が設けられている。第１のカム位相可変機構３０及び第２のカム位相可変機構３１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。

第１のカム位相可変機構３０は吸気カムシャフト４の前端部に設けられている。詳しくは、第１のカム位相可変機構３０のハウジング３０ａにカムスプロケット６が固定されているとともに、第１のカム位相可変機構３０のベーンロータ３０ｂにアウタカムシャフト２１が固定されている。
第２のカム位相可変機構３１は、吸気カムシャフト４の後端部に設けられている。詳しくは、第２のカム位相可変機構３１のハウジング３１ａにアウタカムシャフト２１が固定されているとともに、第２のカム位相可変機構３１のベーンロータ３１ｂにインナカムシャフト２２が固定されている。

したがって、第１のカム位相可変機構３０は、カムスプロケット６に対するアウタカムシャフト２１の回転角を可変させる機能を有し、第２のカム位相可変機構３１は、アウタカムシャフト２１に対するインナカムシャフト２２の回転角を可変させる機能を有する。即ち、第１のカム位相可変機構３０は、排気バルブの開閉時期に対して第１の吸気バルブ９及び第２の吸気バルブ１０全体の開閉時期を可変させる機能を有し、第２のカム位相可変機構３１は、第１の吸気バルブ９の開閉時期と第２の吸気バルブ１０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。

シリンダヘッド２には、第１のカム位相可変機構３０への作動油の吸排を制御する第１のＯＣＶ３２と、アウタカムシャフト２１の実回転角を検出する第１のカムセンサ３３とが固定されている。また、シリンダヘッド２の後部には、第２のカム位相可変機構３１の下半部を収容するカバー３４が固定されており、このカバー３４には、第２のカム位相可変機構３１への作動油の吸排を制御する第２のＯＣＶ３５と、第２のカム位相可変機構３１のベーンロータ３１ｂの回転角を検出する第２のカムセンサ３６とが固定されている。

第１のＯＣＶ３２及び第２のＯＣＶ３５は、エンジン１のシリンダブロックに固定されたオイルポンプ３７から作動油が供給される構造となっている。
第１のＯＣＶ３２から第１のカム位相可変機構３０へは、シリンダヘッド２に形成された油路４１、及びカムジャーナル４２に形成された油路４３を介して作動油が供給される。カムジャーナル４２は、軸受け部２３ａに支持されるアウタカムシャフト２１の前端部の部位であり、円柱状に形成されている。軸受け部２３ａには、その内周面に円環状に油溝４４が形成されており、この油溝４４に面してカムジャーナル４２の外周面に油路４３が開口している。これにより、相対的に回転する軸受け部２３ａとカムジャーナル４２との間で、常に油路４１と油路４３とが連通した構造となっている。また、第１のＯＣＶ３２のドレーンは、軸受け部２３ａの内周面に設けられた油溝４５、及びカムジャーナル４２に設けられた油路４６を介して、アウタカムシャフト２１とインナカムシャフト２２との間の空間４７に排出される。この空間４７にドレーンされた作動油は、油路４８や長穴２５を介して軸受け部２３ｂ〜２３ｃや第２のカム１２の内周面の摺動部に潤滑油として供給される。

第２のＯＣＶ３５から第２のカム位相可変機構３１へは、シリンダヘッド２に形成された油路５０、及びカムジャーナル５１に形成された油路５２を介して作動油が供給される。カムジャーナル５１は、軸受け部２３ｅに支持されるアウタカムシャフト２１の後端部の部位であり、筒状に形成されている。軸受け部２３ｅには、その内周面に円環状に油溝５３が形成されており、この油溝５３に面して、カムジャーナル５１の外周面に油路５２が開口している。これにより、相対的に回転する軸受け部２３ｅとカムジャーナル５１との間で常に油路５０と油路５２とが連通した構造となっている。

第１のカムセンサ３３は、カムジャーナル５１に設けられたセンサ用ターゲット６０が検出面の前を通過するように配置されており、アウタカムシャフト２１の回転に伴うセンサ用ターゲット６０の通過タイミングを検出することで、アウタカムシャフト２１の実回転角を検出する。センサ用ターゲット６０は、カムジャーナル５１の前端部の一部が半径外方に延びて形成されており、軸受け部２３ｅに軸方向に近接して配置されている。

第２のカムセンサ３６は、第２のカム位相可変機構３１のベーンロータ３１ｂに固定されているセンサ用ターゲット６１が検出面の前を通過するように配置されており、インナカムシャフト２２の回転に伴うセンサ用ターゲット６１の通過タイミングを検出することで、インナカムシャフト２２の実回転角を検出する。センサ用ターゲット６１は、第２のカム位相可変機構３１の後面を覆う円板状の部材であり、その縁部の一部が突出して第２のカムセンサ３６の検出面に相対するように形成されている。

ＥＣＵ７０は、エンジン１の運転状態（トルク、回転速度等）を入力するとともに第１のカムセンサ３３及び第２のカムセンサ３６の検出値を入力し、第１のＯＣＶ３２及び第２のＯＣＶ３５を制御する。詳しくは、ＥＣＵ７０は、エンジン１の運転状態に基づいて、第１の吸気バルブ９及び第２の吸気バルブ１０全体の位相に対応するアウタカムシャフト２１の回転角の目標値と、第１の吸気バルブ９と第２の吸気バルブ１０との開閉時期の位相差に相当するアウタカムシャフト２１とインナカムシャフト２２との実回転角差の目標値とを演算する。更に、ＥＣＵ７０は、第１のカムセンサ３３により入力したアウタカムシャフト２１の実回転角と第２のカムセンサ３６により入力したインナカムシャフト２２の実回転角との差により、アウタカムシャフト２１とインナカムシャフト２２との実回転角差を求める。そして、ＥＣＵ７０は、第１のカムセンサ３３により入力したアウタカムシャフト２１の実回転角が目標値に一致するように、第１のＯＣＶ３２を制御して第１のカム位相可変機構３０を作動制御するとともに、アウタカムシャフト２１とインナカムシャフト２２との実回転角差が目標値に一致するように第２のＯＣＶ３５を制御して第２のカム位相可変機構３１を作動制御する。

即ち、第１の吸気バルブ９と第２の吸気バルブ１０全体の位相は、第１のカム位相可変機構３０により可変制御され、第１のカムセンサ３３によって検出されるアウタカムシャフト２１の回転角によって実際の位相が確認される。第１の吸気バルブ９と第２の吸気バルブ１０との開閉時期の位相差は、第２のカム位相可変機構３１により可変制御され、第１のカムセンサ３３及び第２のカムセンサ３６により検出されるアウタカムシャフト２１とインナカムシャフト２２との回転角差によって実際の位相差が確認される。

特に、本実施形態では、センサ用ターゲット６０は、アウタカムシャフト２１の後端部のカムジャーナル５１に設けられており、いずれの第１の吸気カム１１及び第２の吸気カム１２よりも後方の位置でアウタカムシャフト２１の回転角を検出する。一方、第２のカムセンサ３６は、アウタカムシャフト２１の後端部に配置されている第２のカム位相可変機構３１に近接して配置されている。よって、第１のカムセンサ３３及び第２のカムセンサ３６は、いずれの第１の吸気カム１１及び第２の吸気カム１２よりも後方側に設けられ、第２のカム位相可変機構３１の近傍で吸気カムシャフト４の軸方向に互いに近接して配置されている。

このように第１のカムセンサ３３及び第２のカムセンサ３６が吸気カムシャフト４の軸方向に互いに近接して配置されているので、吸気カムシャフト４へ入力するトルクにより吸気カムシャフト４に捻れが発生しても、第１のカムセンサ３３の検出位置と第２のカムセンサ６１の検出位置との間での捻れ量は小さく抑えられる。したがって、第１のカムセンサ３３及び第２のカムセンサ３６の検出値によって求められるアウタカムシャフト２１とインナカムシャフト２２との回転角差に対する捻れによる誤差が抑制され、第２のカム位相可変機構３１の制御を正確に行うことができる。

本実施形態では、第２のカム位相可変機構３１によって、１つの気筒８の複数の吸気バルブ９、１０のうち一部のバルブ（第１の吸気バルブ９）とその他のバルブ（第２の吸気バルブ１０）との位相差を可変するスプリット可変を制御するので、上記のように第２のカム位相可変機構３１を正確に制御可能にすることで、エンジン１の排気、出力、燃費等の各種性能を効率的に向上させることができる。例えば低速低負荷時に位相差を増加させるように制御すれば、低速低負荷時のポンピングロスを確実に低下させ、燃費性能及び排気性能を確実に向上させることができる。

なお、以上の実施形態では、吸気カムシャフト４に本発明を適用したが、排気カムシャフト３にも同様に適用することができる。
また、以上の実施形態では、センサ用ターゲット６０をアウタカムシャフト２１に、センサ用ターゲット６１をカム位相可変機構３１に配置しているが、図３に示すようにセンサ用ターゲット６０を第２のカム位相可変機構３１に配置したり（第２実施例）、図４に示すようにセンサ用ターゲット６１をインナカムシャフト２２に配置したりすることができる（第３実施例）。

また、捩れ振動に伴い検出値の振動が発生するが、概ね同期した検出値となるので、２つの検出値の差分を制御に使う場合は検出値のノイズ除去の必要がない。また、ノイズ処理をして検出値を使う場合でもずれが生じる可能性が低減でき、安定したエンジン運転制御ができる。
さらに、以上の実施形態ではDOHCの３気筒エンジンに本発明を適用したが、SOHCエンジンや気筒数の異なるエンジンにも同様に適用することができる。

１ エンジン
４ 吸気カムシャフト
２１ アウタカムシャフト
２２ インナカムシャフト
３０ 第１のカム位相可変機構
３１ 第２のカム位相可変機構
３３ 第１のカムセンサ
３６ 第２のカムセンサ

Claims (3)

1. １つの気筒に吸気または排気用のバルブを複数備え、前記複数のバルブのうち一部のバルブの駆動用カムを駆動する第１のカムシャフトと前記複数のバルブの他のバルブの駆動用カムを駆動する第２のカムシャフトとを同軸上に備えるともに、前記第１のカムシャフト及び前記第２のカムシャフトの一端部に配置され、前記第１のカムシャフトに対する前記第２のカムシャフトの回転角を可変させることで前記第１のカムシャフトと前記第２のカムシャフトとの位相差を可変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において、
   前記第１のカムシャフトの回転角を検出する第１の検出手段と、前記第２のカムシャフトの回転角を検出する第２の検出手段とを備え、
   前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段は、カム軸方向で全ての前記駆動用カムより前記カム位相可変機構側に配置され、
   前記第１の検出手段と前記第２の検出手段との検出結果に応じた前記第１のカムシャフトと前記第２のカムシャフトとの位相差に基づき、前記カム位相可変機構を作動制御することを特徴とする可変動弁装置付エンジン。
2. 前記第１のカムシャフトの端部に、クランクシャフトの回転力が伝達されるカムスプロケットを備え、
   前記第１の検出手段及び前記第２の検出手段は、前記カム軸方向で前記カムスプロケットに対して反対側に配置され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。
3. 前記第１のカムシャフトの他端部に、前記第１のカムシャフト及び前記第２のカムシャフトの位相を可変させるカム位相可変機構を更に備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の可変動弁装置付エンジン。

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