JP6000726B2 - 内燃機関の動弁装置 - Google Patents
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Description
よって、カムプロフィールによって吸排気弁の閉じ時期と開弁期間とが機械的に固定される内燃機関では、内燃機関の回転速度(回転数)や負荷に応じた最適な吸排気弁の開閉タイミングや期間が存在するにも関わらず、タイミングや期間を最適に制御することができないという問題もある。
また、上記動弁装置は、第一ピストンをカムに向かって付勢する第一バネと、上記弁を閉じる方向に、上記弁と共に第二ピストンを付勢する第二バネとをさらに備えてもよい。
実施の形態1.
まず、この発明の実施の形態1に係る内燃機関の動弁装置101の構成を説明する。なお、以下の実施の形態では、動弁装置は、内燃機関の燃焼室1の吸気ポート2を開閉する吸気弁3の動作を制御するものとして説明するが、燃焼室1の排気ポートを開閉する排気弁の動作を制御するように構成してもよい。さらに、以下の実施の形態における動弁装置は、作動流体として内燃機関の潤滑油を利用した油圧駆動式の動弁装置として説明する。
吸気弁3において、吸気ポート2を開閉する笠状の端部3aと反対側の端部3bには、皿状のリテーナ3cが取り付けられ、さらに、リテーナ3cと燃焼室1の上部部材1aとの間には、吸気弁3の周りを囲むようにしてバルブスプリング3dが取り付けられている。バルブスプリング3dは、リテーナ3cに対して上部部材1aから引き離すように弾性的に付勢し、それにより吸気ポート2を閉じるように吸気弁3を常に付勢する。
ここで、バルブスプリング3dは、第二バネを構成している。
タペット5は、タペット本体5aと、タペット本体5aの先端に回転自在に設けられたタペットローラ5bとを有し、タペットローラ5bを動弁カム4の周面であるカム面4dに当接させている。
ここで、紙面上で、動弁カム4からタペット5を経由してカム側動弁機構10に向かう方向、及び燃焼室1から吸気弁3を経由して弁側動弁機構20に向かう方向を上方と呼び、その反対方向を下方と呼ぶ。
ここで、第一油圧ピストン12は第一ピストンを構成し、第一ピストン戻りバネ13は第一バネを構成している。
さらに、第一油圧シリンダ11は、第一流体通路11dの途中から第一流体通路11dと垂直な方向に分岐して延びる油供給通路11eを有している。油供給通路11eは、端壁11a内を通ったあと第一油圧シリンダ11の外部に開口し、この外部開口には、内燃機関の潤滑油の一部を油供給通路11eを介して第一流体通路11dに供給するための供給路である油供給管15が接続されている。そして、油供給管15と油供給通路11eとの間には、逆止弁16が設けられている。
また、ピストンロッド12bにおけるタペット5側には、ピストンロッド12bの軸方向に垂直な方向に環状に突出するバネ座12cが一体に形成されている。そして、第一ピストン戻りバネ13は、第一油圧シリンダ11の側壁11bの端部とバネ座12cとの間に、ピストンロッド12bの周りを囲むようにして配置され、バネ座12cに対して第一油圧シリンダ11から引き離すように弾性的に付勢し、それにより常にタペットローラ5bを動弁カム4のカム面4dに当接させ押し付ける。
ここで、第二油圧ピストン22は、第二ピストンを構成している。
シリンダ穴21cは、側壁21bの内側に形成されてその途中で内径が変化しており、本体部21aと反対側で開口している。そして、シリンダ穴21cは、開口している側に位置し且つ第二油圧ピストン22が内部を摺動する小径部21caと、本体部21a側に位置し且つ小径部21caよりも大きい内径を有する大径部21cbとを有している。
ここで、第一大気開放穴21eは、外部連通穴を構成している。
そして、シリンダ穴21c内におけるピストンヘッド22aと本体部21aとの間には、略円筒状をした緩衝ピストン23が設けられている。
緩衝ピストン23は、その途中で外径が変化する形状を有している。
ここで、大径部21cbは、緩衝室を構成し、第二油圧室24は、第二流体室を構成している。
そして、図7に示すように、緩衝ピストン23が変位することによって、大径部21cbにおいて、緩衝ピストン23の大径筒部23bと大径部21cbの底部21ccとの間に円筒状の第三油圧室25が形成される。また、緩衝ピストン23の大径筒部23b及び小径筒部23aと大径部21cbの端部21cdとの間に輪状の第四油圧室26が形成される。第四油圧室26内は、緩衝ピストン23と側壁21bとの間から漏れた潤滑油で満たされている。また、第二油圧室24及び第三油圧室25は、連通穴23cを介して互いに連通する。
VVT制御弁27は、第二流体通路21dを挟んでシリンダ穴21cと反対側に配置されている。
スプール弁体27bは、凹部27baと反対側の端部から突出する突起を介して、弁孔27aの外部から弁室部27aa内に延びるアクチュエータ27cの伸縮ロッド27caに連結されている。これにより、スプール弁体27bは、アクチュエータ27cが伸縮ロッド27caを伸長させることによって、弁室部27aa内を縮径部27abに向かって円筒軸方向に摺動する。
また、弁孔27a内には、縮径部27abからスプール弁体27bの凹部27ba内にわたって延在する弁戻りバネ27dが設けられている。弁戻りバネ27dは、スプール弁体27bに対して縮径部27abから引き離すように弾性的に付勢する。
さらに、弁室部27aaにおける弁連通路21fの接続部と縮径部27abとの間には、弁室部27aaの外径を部分的に拡径する拡径部27adが形成されている。拡径部27adは、弁室部27aaの外周を帯状に囲んで輪状に形成されている。
また、カム側動弁機構10と弁側動弁機構20との間には、第一流体通路11dを第二流体通路21dに連通する油連通管30が設けられている。なお、油連通管30の内径は、第一流体通路11d及び第二流体通路21dの内径と同等となっている。
ここで、第一油圧室14、第一流体通路11d、油連通管30、第二流体通路21d及び第二油圧室24は、閉鎖された1つの油圧室100を構成し、油圧室100は、流体室を構成している。また、第一流体通路11d、油連通管30及び第二流体通路21dは、連通路を構成している。そして、油圧室100には、内燃機関の潤滑油が充填されている。
まず、VVT制御弁27を作動しない場合の動弁装置101の動作を説明する。
図1を参照すると、弁側動弁機構20のVVT制御弁27において、ECU40によってアクチュエータ27cが作動されていないとき、弁戻りバネ27dの付勢力によってスプール弁体27bが縮径部27abから離れる方向に移動させられ、スプール弁体27bの連通溝27bbは、弁連通路21fに連通するが、拡径部27ad及び油逃がし穴27eに連通しない。
このとき、第二油圧ピストン22は、作用する油圧を介して動作することによって、第一油圧ピストン12の上方向の変位に連動して下方向に変位する。つまり、第二油圧ピストン22は、カム山部4bのカム面4dの起伏形状に沿うようにして下方に変位する。なお、第一油圧ピストン12の径と第二油圧ピストン22の径とを同一にすれば、互いの変位量は同等となり、第二油圧ピストン22の径の方をより小さくすれば、第二油圧ピストン22を、第一油圧ピストン12の変位に連動させつつ変位量を割り増したかたちで変位させることができる。
図1を参照すると、カム側動弁機構10において、吸気弁3のリフト時、第一油圧ピストン12が上昇すると、油圧室100内の油圧が上昇し、第一油圧ピストン12と第一油圧シリンダ11の側壁11bとの隙間から潤滑油が僅かに漏れる。一方、弁側動弁機構20では、上昇した油圧によって第二油圧ピストン22が下降するが、第二油圧ピストン22と第二油圧シリンダ21の側壁21bとの隙間からも潤滑油が僅かに漏れる。
よって、吸気弁3は常に一定の弁リフト量と開閉タイミングを保持する事が可能となる。
図1に示すように、動弁カム4がベースサークル部4aをタペットローラ5bに当接させているとき、緩衝ピストン23は、第二油圧シリンダ21のシリンダ穴21c内において、大径部21cbの底部21ccに極接近している。
方向Pに回転される動弁カム4がカム山部4bをタペットローラ5bに当接させるようになると、油圧室100内で上昇する油圧が、緩衝ピストン23と大径部21cbの底部21ccとの間、及び第二油圧室24に作用する。第四油圧室26が第一大気開放穴21eを介して大気圧状態の外部に開放されているため、緩衝ピストン23は、第四油圧室26内の潤滑油を第一大気開放穴21eから外部に押し出しつつ、直ちに大径部21cbの端部21cdに当接するまで下方に移動させられて、図2に示すように、底部21ccとの間に第三油圧室25を形成してその容積を最大にする。その後、第二油圧ピストン22が下方に移動させられ、吸気弁3が吸気ポート2を開放する。第二油圧ピストン22を移動させる直前に第三油圧室25が形成されることによって、第二油圧ピストン22に初期に作用する油圧が吸収、緩衝され、吸気弁3の急激な開放が抑えられる。
動弁カム4がさらに方向Pに回転され、タペットローラ5bに当接するカム山部4bのリフト量が減少すると、バルブスプリング3dの付勢力により上方に向かって移動される第二油圧ピストン22によって、油圧室100内の油圧が上昇する。
また、第二流体通路21dよりも大きい断面を有しながらも容積が小さい第三油圧室25内では、潤滑油の油圧が急激に上昇するため、第三油圧室25内の潤滑油は、緩衝材として作用し、第二油圧ピストン22から受ける油圧の変化を緩衝する。さらに、緩衝ピストン23が、第二油圧ピストン22が上昇するに従って上昇して大径部21cbの底部21ccに極接近するまで、つまり、第二油圧ピストン22が最上昇位置に達するまで、第三油圧室25の潤滑油は、第二油圧ピストン22から受ける油圧の変化を緩衝する。よって、吸気弁3は、吸気ポート2にソフトに着座するほか、吸気ポート2の閉鎖開始時から吸気ポート2に着座して閉鎖完了するまでの間において、急激に動作することが抑えられる。
本実施の形態1では、VVT制御弁27は、吸気弁3で吸気ポート2を閉じる際に作動される。
このため、動弁カム4が、ベースサークル部4aをタペットローラ5bに当接させた状態から、カム山部4bをタペットローラ5bに当接させ、さらに、カム山部4bの頂部4baをタペットローラ5bに当接させる状態に至るまで、動弁装置101は、図1及び図2に示されるVVT制御弁27の非作動時と同様の動作を行う。
伸縮ロッド27caが伸長されることによって、スプール弁体27bは、ストッパ27acに当接するまで、弁戻りバネ27dの付勢力に抗して弁室部27aa内を移動させられる。ECU40は、アクチュエータ27cを作動させ続けることによって、スプール弁体27bをストッパ27acに押し付けた状態に維持する。
なお、上述のように吸気弁3が着座する少し前にアクチュエータ27cを非通電として停止させることによって、油逃がし穴27eからの潤滑油の放出量が低減される。潤滑油が放出されると、油供給管15から油圧室100に潤滑油を補給する必要があるが、潤滑油の放出量が低減されることによって潤滑油を補給する作動油圧送ポンプの仕事量が低減され、内燃機関の負荷が低減されることになる。
図9のグラフにおいて、横軸にクランク角度をとり、縦軸に吸気弁3のリフト量及び油圧室100内の油圧をとっている。さらに、クランク角度k1〜k2の間においてアクチュエータ27cが通電され、クランク角度k1〜k2よりもクランク角度dk1だけ遅れたクランク角度k3〜k4の間にスプール弁体27bが開弁、つまりVVT制御弁27が開弁されている。
そして、VVT制御弁27が閉弁されるクランク角度k4よりもクランク角度dk3だけ遅れたクランク角度k6からは、吸気弁3に連結された第二油圧ピストン22に作用する油圧の上昇によって吸気弁3のリフト量の減少速度が低下する。
さらに、後述するように緩衝ピストン23(図7参照)の作用によって、吸気ポート2(図4参照)への着座直前における吸気弁3のリフト量の減少速度が漸次低下すると共に、油圧室100内の油圧の減少速度が漸次低下し、クランク角度k7で、吸気弁3のリフト量が0(零)になると共に、油圧室100内の油圧が作動油圧送圧に収束する。
また、吸気弁3のリフト開始時も、上述したように緩衝ピストン23(図1参照)の作用によって、吸気ポート2(図1参照)からの急激な吸気弁3のリフト、及び油圧室100内での急激な油圧の立ち上がりが抑えられている。
図4及び図8をあわせて参照すると、動弁カム4のカム山部4bの頂部4baがタペットローラ5bに当接する状態において、アクチュエータ27cが作動される直前及び直後は、緩衝ピストン23は、VVT制御弁27の非作動時と同様に下方に移動し、第二油圧シリンダ21のシリンダ穴21cにおける大径部21cbの端部21cdに当接している。
図1を参照すると、内燃機関の停止後、油圧室100内には外部から空気が侵入することがある。空気が混入した潤滑油は、圧縮力を受けたときに体積を減少させて圧縮力を弾性的に吸収してしまうため、第一油圧ピストン12から受けた圧縮力を、時間的に遅れさせると共に低減して第二油圧ピストン22に伝達する。これにより、第二油圧ピストン22は、第一油圧ピストン12に対して遅れて変位すると共に、第一油圧ピストン12の変位量に対応する変位量よりも小さい変位量で変位する。
このため、内燃機関の始動直前(例えば、イグニッションON状態でのセルモータ始動前)に、ECU40は、VVT制御弁27を断続的に複数回、開弁状態にする。これにより、油圧室100内における上方の弁連通路21f近傍に上昇して溜まっている空気が、油逃がし穴27eから外部に放出される。そして、セルモータによって内燃機関が始動され、動弁カム4によって駆動される第一油圧ピストン12が油圧室100内の潤滑油を圧縮すると、潤滑油には油圧が即座に立ち上がり、立ち上がった油圧が低減することなく第二油圧ピストン22に作用して、吸気弁3を、第一油圧ピストン12の動作に対して延滞無く、且つ第一油圧ピストン12の変位量に対応する変位量を低減することなく駆動させる。
この発明の実施の形態2に係る内燃機関の動弁装置201は、実施の形態1に係る動弁装置101の弁側動弁機構20において、第二油圧シリンダ21に緩衝ピストン23を設けないようにしたものである。
なお、実施の形態2において、前出した図における参照符号と同一の符号は、同一または同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
動弁装置201は、実施の形態1の動弁装置101と同様のカム側動弁機構10と、実施の形態1の動弁装置101と異なる弁側動弁機構220とを備えている。
弁側動弁機構220は、有底円筒状の第二油圧シリンダ221と、第二油圧シリンダ221のシリンダ穴221c内に摺動可能に挿入される第二油圧ピストン22とを有している。
第二油圧ピストン22は、シリンダ穴221cから突出するピストンロッド22bで吸気弁3と連結されている。
シリンダ穴221c内では、第二油圧ピストン22のピストンヘッド22aと、ピストンヘッド22aに対向するシリンダ穴221cの底部221ccとの間に、円筒状の第二油圧室224が形成されている。
また、この発明の実施の形態2に係る動弁装置201のその他の構成は、実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
図10を参照すると、VVT制御弁27を作動しない場合、動弁装置201は、実施の形態1の動弁装置101における緩衝ピストン23の動作を除いた動作と同様にして、動作する。
VVT制御弁27を作動させる場合について、VVT制御弁27は、実施の形態1と同様に、吸気弁3で吸気ポート2を閉じる際に作動される。
このため、動弁カム4が、ベースサークル部4aをタペットローラ5bに当接させた状態から、カム山部4bをタペットローラ5bに当接させ、さらに、カム山部4bの頂部4baをタペットローラ5bに当接させる状態に至るまで、動弁装置201は、VVT制御弁27の非作動時と同様の動作を行う。
上述のように、緩衝ピストン23(図1参照)を有していない動弁装置201でも、吸気ポート2を閉じる過程において吸気弁3が吸気ポート2に着座する前にVVT制御弁27を閉弁することによって、吸気弁3の吸気ポート2への急激な着座を防ぐことができる。
また、この発明の実施の形態2に係る動弁装置201のその他の動作は、実施の形態1と同様であるため、説明を省略する。
そして、実施の形態2における動弁装置201によれば、緩衝ピストン23(図1参照)による効果を除き、上記実施の形態1の動弁装置101と同様な効果が得られる。
また、実施の形態1及び2の動弁装置101及び201では、VVT制御弁27は、吸気弁3の閉鎖時に動作して開弁するように構成されていたが、これに限定されるものでない。VVT制御弁27を、吸気弁3の開放時に動作させて開弁し吸気弁3のリフト量を調節するようにしてもよく、内燃機関の排気弁の開放又は閉鎖に適用してもよい。
また、実施の形態1及び2の動弁装置101及び201では、タペット5をローラ式としていたが、これに限定されるものでなく、シム式であってもよい。さらに、タペット5を第一油圧ピストン12に直接連結していたが、これに限定されるものでなく、ロッカーアームを介して連結してもよい。
Claims (4)
- 駆動するカムにより加圧される作動流体の流体圧によって内燃機関の弁を開弁するように駆動する内燃機関の動弁装置において、
カム駆動されることによって摺動する第一ピストンと、
前記作動流体を内部に含むと共に前記第一ピストンが摺動することによって容積が変動する第一流体室と、
内燃機関の弁に連結される第二ピストンと、
前記作動流体を内部に含むと共に前記第二ピストンが摺動することによって容積が変動する第二流体室と、
前記第一流体室を前記第二流体室に連通する連通路と、
前記第一流体室、前記連通路及び前記第二流体室によって形成される流体室内の前記作動流体を選択的に外部に放出可能な制御弁と、
前記第二流体室及び前記連通路の間に設けられた緩衝室と、
前記緩衝室内に設けられ、前記第二流体室から前記連通路に向かう方向及びその反対方向に沿って摺動可能な緩衝ピストンと
を備え、
前記緩衝ピストンは、前記第二流体室を前記連通路に連通する連通穴を有し、
前記緩衝ピストンと前記第二ピストンとは互いに接触しない動弁装置。 - 前記緩衝室は、前記第二ピストンの摺動方向に垂直な方向に、前記第二流体室よりも大きな断面を有すると共に、前記第二流体室側の前記第二流体室よりも広がった端部から延びて前記緩衝室を外部に連通する外部連通穴を有し、
前記緩衝ピストンは、前記緩衝室及び前記第二流体室にわたって延在すると共に、前記緩衝室の内周面に整合する形状の外周面及び前記第二流体室の内周面に整合する形状の外周面を有し、
前記制御弁は、前記第一流体室又は前記連通路に設けられる請求項1に記載の動弁装置。 - 前記流体室には、前記作動流体が供給される供給路が接続され、
前記供給路には、前記供給路から前記流体室への前記作動流体の流通は許容するが、前記流体室から前記供給路への前記作動流体の流通を阻止する逆止弁が設けられる請求項1または2に記載の動弁装置。 - 前記第一ピストンを前記カムに向かって付勢する第一バネと、
前記弁を閉じる方向に、前記弁と共に前記第二ピストンを付勢する第二バネとをさらに備える請求項1〜3のいずれか一項に記載の動弁装置。
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