JP6089431B2 - 可変動弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気弁や排気弁の開閉時期を変更する可変動弁装置に関する。

特許文献１に記載される可変動弁装置は、クランク軸と駆動連結される第１回転体に対して、カム軸と一体となって回転する第２回転体を例えば油圧に基づいて相対回転させることで、カム軸により開閉駆動される弁の開閉時期を変更するようにしている。また、この可変動弁装置は、第２回転体の第１回転体に対する相対回転位相を、最進角位相から最遅角位相までの間の中間ロック位相に固定するロック機構を備えている。

こうした可変動弁装置では、機関始動時の油圧が十分に供給されない状況下で、第２回転体の相対回転位相が中間ロック位相よりも遅角側にあるときに、以下のようにして第２回転体の相対回転位相を中間ロック位相に固定するようにしている。すなわち、カム軸のカムが弁を開閉駆動するのに伴って、第２回転体を遅角側に相対回転させようとする正トルクと、第２回転体を進角側に相対回転させようとする負トルクとが、カム軸に対して交互に作用する。そこで、こうした可変動弁装置では、カム軸に作用する負トルクによって第２回転体を進角側に相対回転させることで、ロック機構のラチェット機能を通じて第２回転体の相対回転位相を漸次進角させる。そして、その相対回転位相が中間ロック位相となったときにロック機構によるロック操作がなされることで、機関始動時に第２回転体の相対回転位相を中間ロック位相に固定するようにしている。

特開２００２−１２２００９号公報

ところで、カム軸に作用する負トルクの大きさによっては第２回転体が進角側に相対回転するときの回転量を十分に確保することができないことがあり、このような場合には、第２回転体の相対回転位相を中間ロック位相に固定することができないといった事態や、中間ロック位相に固定するのに長時間を要してしまうといった事態が生じうる。このような場合、機関始動後早期に弁の開閉時期を機関始動に適した時期とすることができないため、機関始動性が低下する。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、機関始動開始時にカム軸と一体となって回転する第２回転体の相対回転位相が中間ロック位相よりも遅角側にある場合に、機関始動後早期に中間ロック位相に固定することができる可変動弁装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、無端帯が巻き架けられて同無端帯によりクランク軸と駆動連結される非真円形状の外形をなす第１回転体と、カム軸と一体となって回転する第２回転体と、前記カム軸に設けられて弁を開閉駆動するカムと、前記第１回転体に対する前記第２回転体の相対回転位相を変位させることにより前記カムにより開閉駆動される弁の開閉時期を変更する変更機構と、前記第２回転体の相対回転位相を最遅角位相と最進角位相との間にある中間ロック位相に固定するロック機構とを備え、前記第１回転体が回転する際に前記第２回転体から前記カム軸に作用する第１トルクと前記弁の開閉駆動に伴って前記カム軸に作用する第２トルクとを合成した合成トルクの変動量が、前記第２回転体の位相が遅角側に位置するほど大きくなるように、前記第１回転体の頂部と前記カムのカムノーズとの位相差が設定されていることで、遅角側ほど前記カム軸に作用する負トルクが大きくなるように設定されていることを要旨とする。

上記構成では、無端帯によりクランク軸と駆動連結される第１回転体の外形が非真円形状であるため、第１回転体が回転する際に第２回転体からカム軸に作用するトルク（以下、「第１トルク」と称する）が第１回転体の回転位相に応じて周期的に変動する。そのため、第２回転体の相対回転位相が変更されると、第１トルクの変動周期と、弁の開閉駆動に伴ってカム軸に対して作用するトルク（以下、「第２トルク」と称する）の変動周期との関係が変化し、第１トルクと第２トルクとの合成トルクの変動量が増大したり減少したりすることとなる。そこで、上記構成では、合成トルクの変動量が、前記第２回転体の位相が遅角側に位置するほど大きくなるように、前記第１回転体の頂部と前記カムのカムノーズとの位相差が設定されていることで、遅角側ほど前記カム軸に作用する負トルクが大きくなるように設定されている。これにより、カム軸に作用する負トルクが、相対回転位相が中間ロック位相よりも進角側の位相であるときよりも遅角側の位相であるときほど大きくなるように設定される。なお、ここで「負トルク」とは、第２回転体を進角側に回転させようとするトルクである。

したがって、第２回転体が中間ロック位相よりも遅角側の位相にあるときには、カム軸に作用する負トルクによって第２回転体が進角側に相対回転するときの回転量を増大させることができる。これにより、機関始動後早期に第２回転体の相対回転位相を中間ロック位相まで変位させて同位相に固定することができるため、弁の開閉時期を機関始動に適した時期として、機関始動性を向上させることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記変更機構は機関回転速度が所定回転速度を上回るときに前記相対回転位相を強制的に進角させることを要旨とする。

機関回転速度が高くなるとカム軸に作用する合成トルクの変動量が大きくなるため、無端帯の張力は大きくなる。この点、上記構成では、無端帯の張力が大きくなりやすい状況下において、相対回転位相を進角させることで、カム軸に作用する合成トルクの変動量を小さくすることができるため、無端帯の張力が過大となってその耐用寿命が低下することを抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記カム軸には補機を駆動するカムが設けられていることを要旨とする。
カム軸に補機を駆動するカムが設けられる場合、補機用のカムによって補機が駆動されるのに伴い、カム軸には補機の駆動トルク（以下、「第３トルク」と称する）が作用する。このような場合、カム軸に設けられる弁を開閉駆動するためのカムのカムノーズと補機用のカムとのカムノーズのカム軸を中心とした回転位相差によっては、第２トルクと第３トルクとが互いに相殺しあうような変動周期でカム軸に作用して、第２トルクと第３トルクとの合成トルクの変動量が小さくなる場合がある。このような場合でも、第２回転体の相対回転位相を変更することで、第１〜第３の３つのトルクの合成トルクの変動量を増大したり減少したりするため、第２回転体の相対回転位相が中間ロック位相よりも遅角側の位相となるときには、進角側の位相となるときよりも、合成トルクの変動量が大きくなるようにして、カム軸に作用する負トルクを大きくすることができる。これにより、こうした補機用のカムがカム軸に設けられる構成であっても、第２回転体の相対回転位相が中間ロック位相よりも遅角側の位相であるときに、カム軸に作用する負トルクによって第２回転体が進角側に相対回転するときの回転量を確保することができ、相対回転位相を中間ロック位相に固定することができる。

なお、こうしたカム軸に設けられたカムにより駆動される補機としては、例えばブレーキブースタを作動させるためのバキュームポンプの他、請求項４に記載の発明によるように、燃料を燃料噴射装置に圧送する燃料ポンプを挙げることができる。

本発明の第１実施形態に係る可変動弁装置が適用される内燃機関及びその周辺構成を示す模式図。 同実施形態の吸気カム軸の軸線と直交する方向における断面図。 同実施形態の可変動弁機構についてスプロケットを取り外した状態の内部構造を示す断面図。 図３の４−４線断面図 （ａ）及び（ｂ）は、同実施形態における吸気弁のリフト量と吸気カム軸に作用するカムトルクとの関係を示すグラフ。 吸気カム軸に作用するカムトルクとスプロケットの回転に伴うトルクとの合成トルクを示すグラフ。 （ａ）及び（ｂ）は、同実施形態における機関始動時のロック機構の動作を順に示す断面図。 同実施形態における機関回転速度と張力との関係を示すグラフ。 同実施形態におけるベーンロータの位相制御を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態における吸気カム軸と同カム軸に設けられるポンプカムにより駆動される燃料ポンプを示す模式図。 吸気カム軸に作用するカムトルクとポンプカムによるポンプの駆動トルクとの合成トルクを示すグラフ。

（第１実施形態）
以下、図１〜図９を参照し、本発明を内燃機関の吸気弁の開閉時期を変更する可変動弁装置に具体化した第１実施形態について説明する。

図１に示すように、内燃機関１０は第１バンク１１及び第２バンク１２を有するＶ６エンジンであり、各バンク１１，１２にそれぞれ３つの気筒１３を有する。各気筒１３にはピストン１５が往復移動可能に設けられている。ピストン１５は、コンロッド１６を介してクランク軸１７に連結されている。各気筒１３には燃焼室１９を臨むようにして燃料噴射弁１９Ａが設けられている。各気筒１３の燃焼室１９には、吸気ポート２０及び排気ポート２１が接続されている。燃焼室１９と吸気ポート２０は吸気弁２２により連通又は遮断され、燃焼室１９と排気ポート２１は排気弁２３により連通又は遮断される。

吸気弁２２は、スプリング２４によって閉弁方向に付勢されており、排気弁２３は、スプリング２５によって閉弁方向に付勢されている。吸気カム軸２６には気筒１３毎に２つの吸気カム２７が設けられている。そして、図２に示すように、各気筒１３の吸気カム２７は、カムノーズ２７Ａが吸気カム軸２６周りに等間隔を隔てて設けられている。すなわち、カムノーズ２７Ａが、吸気カム軸２６の中心軸周りに１２０°ごとに配設されている。吸気弁２２は、吸気カム軸２６が回転することで、そのカム軸２６に設けられた吸気カム２７がリフタ２４Ａを介してスプリング２４を押圧することで、同スプリング２４が収縮及び復元することにより開閉駆動される。一方、排気弁２３は、排気カム軸２８が回転することで、そのカム軸２８に設けられた排気カム２９がリフタ２５Ａを介してスプリング２５を押圧することで、同スプリング２５が収縮及び復元することにより開閉駆動される。

図１に示すように、各バンク１１，１２において、各吸気カム軸２６の先端には、吸気弁２２の開閉時期を変更する可変動弁機構３０がそれぞれ設けられている。各可変動弁機構３０は、後述するように非真円形状の外形をなすスプロケット３１を備えている。そして、各バンク１１，１２の可変動弁機構３０の各スプロケット３１とクランク軸１７のスプロケット１８とは、タイミングチェーン６１が巻き架けられることで、クランク軸１７と駆動連結されている。すなわち、本実施形態では、各可変動弁機構３０のスプロケット３１が、第１回転体を構成する。また、各バンク１１，１２では、吸気カム軸２６に設けられるスプロケット３１と排気カム軸２８に設けられるスプロケット３２が、タイミングチェーン６２を介して駆動連結されている。これにより、クランク軸１７が回転すると、この回転がタイミングチェーン６１，６２を介してスプロケット３１，３２に伝達されて吸気カム軸２６及び排気カム軸２８がそれぞれ回転する。

図３に示すように、可変動弁機構３０は、上記スプロケット３１と、ハウジング３３と、ハウジング３３内に収容されるベーンロータ３４とを備えている。
ハウジング３３には、スプロケット３１が一体的に取り付けられるとともに、その反対側には、カバー３５が取り付けられている。スプロケット３１は、非真円形状の外形をなしており、具体的には、その軸心Ｃからの距離が他の部位よりも相対的に長い頂部３１Ａが、その軸心周りに等間隔（１２０°）を隔てて設けられている。また、スプロケット３１は、その外延部において頂部３１Ａから離反する部位ほど、軸心Ｃからの距離が相対的に短くなっている。ハウジング３３には、径方向内側に向かって突出する区画壁３３Ａが設けられている。

ベーンロータ３４は、吸気カム軸２６（以下、単に「カム軸２６」ともいう）の端部にボルトで固定されるボス３４Ａを備え、同カム軸２６と一体となって回転する第２回転体を構成する。ベーンロータ３４は、ハウジング３３内の空間に配置されている。ベーンロータ３４には、ハウジング３３の隣り合う区画壁３３Ａの間に向けて突出した３つのベーン３４Ｂが設けられている。各ベーン３４Ｂは、区画壁３３Ａの間に形成されているベーン収容室３６を進角室３７および遅角室３８に区画する。

進角室３７は、ベーン収容室３６内においてベーン３４Ｂよりも矢印Ｘで示すカム軸２６の回転方向の後方側に位置している。遅角室３８は、ベーン収容室３６内においてベーン３４Ｂよりもカム軸２６の回転方向の前方側に位置している。

ハウジング３３及びスプロケット３１に対するベーンロータ３４の相対回転位相（以下、単に「ベーンロータ３４の位相」という）は、ベーン３４Ｂが隣り合う区画壁３３Ａの間で変位可能となるベーンロータ３４の回動可能範囲において、回転方向の最も前方側にあるときの最進角位相と回転方向の最も後方側にあるときの最遅角位相の間で変位する。ベーンロータ３４の位相は、吸気弁２２の開閉時期に対応しており、その最進角位相は、吸気弁２２の開閉時期の最進角タイミングに対応し、最遅角位相は、吸気弁２２の開閉時期の最遅角タイミングに対応している。

また、可変動弁機構３０は、ベーンロータ３４の位相を、最進角位相と最遅角位相との間の中間ロック位相に機械的に固定するロック機構４０を備えている。ベーンロータの位相が中間ロック位相であるときには、吸気弁２２の開閉時期が始動に適した時期となる。なお、本実施形態では、最遅角位相と最進角位相との位相差が４５°であり、最遅角位相から中間ロック位相との位相差が１５°である。

図４に示すロック機構４０は、ロック操作がなされ、ベーンロータ３４の位相が中間ロック位相に固定された状態を示している。
ロック機構４０は、ベーン３４Ｂに設けられた円筒状のロックピン４１と、ロックピン４１が挿脱自在なロック孔４２とを備えている。このロック孔４２は、カバー３５に形成されている。また、ロックピン４１はベーン３４Ｂに形成されたピン収容孔４５に往復動可能に収容されている。ピン収容孔４５は、ロックピン４１により、スプリング収容室４６と解除室４７とに区画されている。スプリング収容室４６には、ロックピン４１をカバー３５側に付勢するロックスプリング４８が収容されている。一方、解除室４７は、後述する作動油が供給されることで、その油圧によりロックピン４１がロックスプリング４８側に付勢される。ロック孔４２は、カバー３５においてその周方向に沿った円弧状をなしており、相対的に深さが浅い上段部４３と、相対的に深さが深い下段部４４とを備えている。上段部４３は、下段部４４よりも遅角側に形成されている。

図１に示すように、内燃機関１０の下部には、作動油を貯留するオイルパン１４が取り付けられるとともに、クランク軸１７の回転力により駆動されてオイルパン１４の作動油を汲み上げるオイルポンプ７０が設けられている。このオイルポンプ７０により作動油が供給される油路７４は、可変動弁機構３０の進角室３７，遅角室３８及び解除室４７に接続されるとともに、同油路７４には、各油室３７，３８，４７に対する作動油の給排状態を変更する油路制御弁７５が設けられている。

内燃機関１０には、機関運転状態を検出するための各種センサが設けられている。こうした各種センサとしては、たとえば、クランク角センサ８１、カム角センサ８２、エアフロメータ８３等がある。クランク角センサ８１は、クランク軸１７の近傍に設けられてクランク角を検出する。カム角センサ８２は、吸気カム軸２６の近傍に設けられて同カム軸２６の位置を検出する。エアフロメータ８３は、吸気通路に設けられて吸入空気量を検出する。これら各種センサから出力される信号は、内燃機関１０の各種装置を統括して制御する制御部８０に取り込まれる。

制御部８０は、演算ユニットをはじめ、各種制御プログラムや演算マップ、制御の実行に際して算出されるデータ等を記憶するメモリ等を備えている。制御部８０は、上述した各センサの検出結果に基づいて内燃機関１０の運転状態を把握し、内燃機関１０の各種装置を制御する。制御部８０は、こうした制御の一つとして、内燃機関１０の運転状態に基づいて、吸気弁２２の開閉時期を制御する。吸気弁２２の開閉時期の制御は、油路制御弁７５の制御を通じて可変動弁機構３０を制御することで行われる。すなわち、本実施形態では、各可変動弁機構３０の進角室３７および遅角室３８に加え、制御部８０と油路制御弁７５とにより、吸気弁２２の開閉時期を変更する変更機構が構成される。

制御部８０の制御により、可変動弁機構３０は以下のように作用する。
機関運転に伴いクランク軸１７が回転するとその駆動力がタイミングチェーン６１を介して各可変動弁機構３０のスプロケット３１に伝達されることで、カム軸２６が回転する。これにより、吸気弁２２はカム軸２６に設けられた吸気カム２７により開閉される。

また、各可変動弁機構３０の進角室３７及び遅角室３８に対する作動油の供給又は排出が油路制御弁７５を通じて制御されると、進角室３７及び遅角室３８の油圧に基づきベーン収容室３６でベーン３４Ｂが変位する。これにより、ベーンロータ３４の位相、すなわちクランク軸１７に対するカム軸２６の相対回転位相が変更され、吸気弁２２の開閉時期が変更される。

具体的には、可変動弁機構３０の進角室３７に対して作動油が供給される一方で遅角室３８の作動油が排出されることにより、ベーンロータ３４の位相が進角側に変位すると、吸気弁２２の開閉時期が進角される。そして、ベーン３４Ｂが遅角室３８の進角側の内壁に当接すると、吸気弁２２の開閉時期は最進角時期となる。また、遅角室３８に対して作動油が供給される一方で進角室３７の作動油が排出されることにより、ベーンロータ３４の位相が遅角側に変位すると遅角側方向に相対回転すると、吸気弁２２の開閉時期は遅角される。そして、ベーン３４Ｂが進角室３７の遅角側の内壁に当接すると、吸気弁２２の開閉時期は最遅角時期となる。

機関停止要求時には、ベーンロータ３４の位相が中間ロック位相になるように油路制御弁７５を通じて進角室３７及び遅角室３８の油圧が制御される。そして、ロック機構４０の解除室４７から作動油が排出されてこの解除室４７の油圧が低くなると、ロックスプリング４８で付勢されているロックピン４１の先端がロック孔４２の下段部４４に挿入されることで、ロックピン４１の変位が規制され、ロック機構４０のロック操作が完了する。すなわち、ベーンロータ３４の位相が中間ロック位相に固定される。

これにより、その後内燃機関１０の始動要求があったときには、ベーンロータ３４の位相が中間ロック位相に固定された状態でクランキングが開始される。これにより、機関始動時に吸気弁２２の開閉時期が始動に適した時期となるため、内燃機関１０は良好に始動することができる。

そして、機関始動後に所定条件が成立すると、ロックピン４１がロック孔４２から抜け出て、ロック機構４０のロック状態が解除される。具体的には、ロック機構４０の解除室４７に作動油が供給されてこの解除室４７の油圧が上昇すると、この油圧に基づく付勢力によりロックピン４１がロック孔４２から抜け出て、ベーンロータ３４の位相が変位可能な状態となる。その後、吸気弁２２の開閉時期が機関運転状態に適した目標時期となるように、油路制御弁７５が制御される。

ところで、機関停止要求時において、何らかの異常が生じてロック機構４０のロック操作がなされなかった場合には、ベーンロータ３４の位相が中間ロック位相に固定さていない状態で機関停止がなされる。こうした機関停止後に、内燃機関１０の始動要求があったときには、吸気弁２２の開閉時期が始動に適した時期となっていない状態でクランキングが開始されることとなる。なお、このような場合、進角室３７及び遅角室３８の各油圧の低下に伴いベーンロータ３４の位相が遅角する方向に向かってベーンロータ３４が相対回転するため、ベーンロータ３４の位相が最遅角時期まで変化することが多い。

そこで、機関異常停止後の機関始動性を向上させるべく、本実施形態のロック機構４０は、ロックピン４１と、ロック孔４２の上段部４３及び下段部４４とにより、カム軸２６に作用するトルクによってベーンロータ３４の位相を中間ロック位相にまで段階的に進角させるラチェット機能を有している。

以下に、カム軸２６に作用するトルクと、ロック機構４０のラチェット機能による機関始動後のロック操作について説明する。
図５に示すように、機関運転中には、吸気カム２７による吸気弁２２の開閉駆動に伴い、ベーンロータ３４の位相を進角側に変位させようとする正トルクと、遅角側に変位させようとする負トルクとがカム軸２６に対して交互に作用する。すなわち、図５（ａ）に示す弁リフト量が増大する期間では、カム軸２６が回転して吸気カム２７のカムノーズ２７Ａによりリフタ２４Ａを介してスプリング２４が押圧されて収縮するため、図５（ｂ）に示すように、正トルクがカム軸２６に作用する。一方、図５（ａ）に示す弁リフト量が減少する期間には、収縮したスプリング２４が元の状態に復元するため、図５（ｂ）に示すように、負トルクがカム軸２６に対して作用する。なお、本実施形態では、カム軸２６に３つ気筒１３に対応した吸気カム２７が設けられているため、各気筒１３の吸気カム２７に対応したカムトルクが１２０°（２４０°クランク角）の位相差でカム軸２６に作用する。

ベーンロータ３４の位相が中間ロック位相に固定されておらず、進角室３７及び遅角室３８の各油室の油圧が十分に上昇していない状況下で、こうしたトルクがカム軸２６に対して作用すると、ベーンロータ３４がスプロケット３１に対して相対回転しようとする。すなわち、負トルクが作用すると、ベーンロータ３４の位相が進角側に変位しようとする。これにより、ベーンロータ３４の位相が中間ロック位相にまで変位して、ロック機構４０のロック操作がなされると、ベーンロータ３４の位相を中間ロック位相に固定することができる。

ところで、カム軸２６に作用する負トルクの大きさによってはベーンロータ３４が進角側に相対回転するときの回転量を十分に確保することができないことがあり、このような場合には、ベーンロータ３４の位相を中間ロック位相に固定することができないといった事態や、中間ロック位相に固定するのに長時間を要してしまうといった事態が生じうる。

そこで、本実施形態では、ベーンロータ３４の位相が、中間ロック位相よりも遅角側の位相にあるときに、負トルクが大きくなるように設定されている。具体的には、カム軸２６に作用する負トルクが、ベーンロータ３４の位相が中間ロック位相よりも進角側の位相であるときよりも遅角側の位相であるときに大きくなるように設定されている。

すなわち、本実施形態では、上記のように可変動弁機構３０のスプロケット３１が非真円形状の外形をなしているため、スプロケット３１が回転する際にベーンロータ３４からカム軸２６に作用するトルク（以下、「第１トルク」と称する）がスプロケット３１の回転位相に応じて周期的に変動する。そのため、ベーンロータ３４の位相が変更されると、第１トルクの変動周期と、上述した吸気弁２２の開閉駆動に伴ってカム軸２６に対して作用するカムトルク（以下、「第２トルク」と称する）の変動周期との関係が変化し、第１トルクと第２トルクとの合成トルクの変動量が増大したり減少したりする。そこで、本実施形態では、ベーンロータ３４の位相が中間ロック位相よりも遅角側の位相となるときに、この合成トルクの変動量が大きくなり、その位相が中間ロック位相よりも進角側の位相となるときには、この合成トルクの変動量が小さくなるように、スプロケット３１の頂部３１Ａとカムノーズ２７Ａとの位置関係を設定する。これにより、ベーンロータ３４の位相が中間ロック位相よりも遅角側であるときに吸気カム軸２６に作用する負トルクが、中間ロック位相よりも進角側の位相であるときに作用する負トルクよりも大きくなる。

図６の実線Ａ及び破線Ｂは、本願発明者が、コンピュータによるシミュレーションにより求めたカム軸２６に作用する合成トルクを示している。なお、図６では、カム軸２６に作用する全トルクから、同カム軸２６が回転するのに利用されるトルクを減算した値、すなわち、ベーンロータ３４の位相の変化に寄与するトルクのみを図示している。

本願発明者は、具体的には、スプロケット３１の頂部３１Ａとカム軸２６に設けられる吸気カム２７のカムノーズ２７Ａとのカム軸２６周りの回転位相差を変化させて、カム軸２６に作用する合成トルクを求めた。そして、スプロケット３１の頂部３１Ａと吸気カム２７のカムノーズ２７Ａとの位相差がＸ°となるときに、図６の実線Ａに示すように、合成トルクの変動量が最大となり、負トルクの絶対値の最大値がトルクＴａとなった。また、スプロケット３１の頂部３１Ａと吸気カム２７のカムノーズ２７Ａとの位相差が（Ｘ＋６０）°のときに、図６の破線Ｂに示すように、合成トルクの変動量が最小となり、負トルクの絶対値の最大値がトルクＴｂとなった。なお、このように、実線Ａで示す合成トルクの変動量が最大となるときのスプロケット３１と吸気カム２７のカムノーズ２７Ａとの位相差と、破線Ｂで示す合成トルクの変動量が最小となるときの位相差との偏差が６０°であるのは、以下の理由によるものと推定される。すなわち、カム軸２６には３つの気筒１３に対応した吸気カム２７のカムノーズ２７Ａが、同カム軸２６周りに１２０°毎で配置されるとともに、スプロケット３１の頂部３１Ａが１２０°で配置される。そのため、スプロケット３１の１つの頂部３１Ａと１つの吸気カム２７のカムノーズ２７Ａとの位相差は、Ｘ°、（Ｘ＋１２０）°、（Ｘ＋２４０）°と１２０°毎に現れ、負トルクが最小となるのは、負トルクが最大となる位相差から最も乖離した位相差（Ｘ＋６０）°、（Ｘ＋１８０）°、（Ｘ＋３００）°になるときである推定されるためである。

そして、本実施形態では、スプロケット３１の頂部３１Ａと吸気カム２７のカムノーズ２７Ａとの位相差がＸ°となるときに、ベーンロータ３４の位相が最遅角位相となるように、カム軸２６と可変動弁機構３０とを組みつけた。これにより、ベーンロータ３４の位相が最遅角位相となるときに、カム軸２６に作用する合成トルクの変動量が最大となるため、負トルクが最大となる。また、本実施形態では、上記のように、最遅角位相から最進角位相までの回転位相差が４５°であるため、ベーンロータ３４の位相が最進角位相にあるときのスプロケット３１の頂部３１Ａと吸気カム２７のカムノーズ２７Ａとの位相差は（Ｘ＋４５）°となる。そして、ベーンロータ３４の位相が最遅角位相から進角側に変位するほど、スプロケット３１の頂部３１Ａと吸気カム２７のカムノーズ２７Ａとの位相差がＸ°よりも大きくなるため、合成トルクの変動量が漸次小さくなり、最進角位相では、合成トルクの変動量が最小となる。以上のようにして、本実施形態では、カム軸２６に作用する負トルクが、ベーンロータ３４の位相が中間ロック位相よりも進角側の位相であるときよりも遅角側の位相であるときに大きくなるように設定されており、遅角側の位相であるときに負トルクの絶対値を大きくすることができる。

本実施形態は上記の態様で合成トルクを設定しているため、以下の作用が得られる。
図７に示すように、機関始動開始時にベーンロータ３４の位相が中間ロック位相よりも遅角側にあるときに負トルクがカム軸２６に作用すると、カム軸２６に駆動連結されたベーンロータ３４の回転速度がクランク軸１７に駆動連結されたハウジング３３の回転速度を一時的に上回る。これにより、図７（ａ）の矢印Ａに示す方向に、ベーンロータ３４がハウジング３３に対して進角側方向に相対回転し、ロックピン４１が進角側に変位する。そして、図７（ｂ）に示すように、ロックピン４１がロック孔４２の上段部４３に対応した位置となり、ロックピン４１が上段部４３に挿入される。この状態において正トルクがカム軸２６に作用することにより開閉時期が遅角する方向にハウジング３３とベーンロータ３４とが相対回転しようとするときには、上段部４３の遅角側の内壁にロックピン４１が当接するため、ベーンロータ３４の位相が遅角側に変位することが規制される。そして、この状態で、カム軸２６に対してさらに作用する負トルクにより、ロックピン４１が下段部４４に対応した位置に変位すると、先の図４に示したように、ロックピン４１がロック孔４２の下段部４４に挿入され、ロック機構４０のロック操作が完了する。

以上のようにして、機関始動開始時にベーンロータ３４の位相が中間ロック位相よりも遅角側にある場合でも、その遅角側にあるときのカム軸２６に作用する負トルクが大きくなるように設定されているため、ベーンロータ３４の進角側に変位する回転量を確保することができ、機関始動後早期に、その位相を中間ロック位相に固定することができる。

ところで、上記のように、本実施形態では、ベーンロータ３４の位相が遅角側にあるほど、カム軸２６に作用する合成トルクの変動量が大きくなるように設定されている。そのため、図８に示すように、ベーンロータ３４の位相に応じて、タイミングチェーン６１の張力が変化する。すなわち、図８の線Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれベーンロータ３４の位相が最遅角位相にあるとき、中間ロック位相にあるとき、最進角位相にあるときのタイミングチェーン６１の張力を示している。この図８に示すように、内燃機関１０の機関回転速度が高くなると、カム軸２６に作用する上記合成トルクの変動量が大きくなるため、タイミングチェーン６１の張力が大きくなる。また、本実施形態では上記の態様で、ベーンロータ３４の位相に遅角側にあるほど、カム軸２６に作用する合成トルクの変動量が大きくなるように設定されているため、図８に示すように、ベーンロータ３４の位相が遅角側にあるほど、タイミングチェーン６１の張力はより大きくなる。このようにタイミングチェーン６１の張力が大きくなると、その耐用寿命が低下してしまう。そこで、本実施形態では、機関回転速度が所定回転速度を上回るときに、ベーンロータ３４の位相を強制的に進角させることで、タイミングチェーン６１の張力が大きくなりやすい状況下において、カム軸２６に作用する合成トルクの変動量を小さくして、張力を低減させる。以下、こうした張力低減のための制御を含むベーンロータ３４の位相制御について、図９を参照して説明する。ベーンロータ３４の位相制御は、図９のフローチャートに示す実行手順に従って、制御部８０によって機関始動後に所定周期毎に実行される。

図９に示すように、ベーンロータ３４の位相制御がスタートすると、まずステップＳ１０において、機関回転速度が検出される。制御部８０は、クランク角センサ８１の検出信号に基づいて、機関回転速度を検出する。次に、ステップＳ１１において、機関回転速度が、最高許容回転数を超えているか否かが判定される。すなわち、内燃機関１０には、その損傷を防止するために許容される機関回転速度の上限値である最高許容回転速度が設定されている。そして、その速度を超えると、機関回転数がいわゆるレッドゾーンに入る。なお、機関回転速度がレッドゾーンにある場合でも、その期間が短時間であれば、内燃機関１０が損傷する可能性は低い。このステップＳ１１では、機関回転速度がこのレッドゾーンにあるか否かが判定される。

機関回転速度がレッドゾーンにはない場合には、ステップＳ１１で否定判定がなされ（ステップＳ１１：ＮＯ）、ステップＳ１２に移り、機関負荷が検出される。制御部８０は、エアフロメータ８３により検出される吸入空気量等に基づいて機関負荷を検出する。そして、ステップＳ１３に移り、検出された機関回転速度及び機関負荷に基づいて把握される機関運転状態に適した吸気弁２２の目標開閉時期を算出する。すなわち、制御部８０は、把握される機関運転状態において要求される燃費性能や機関出力に基づいて吸気弁２２の目標開閉時期を算出する。次に、ステップＳ１４に移り、制御部８０は、ステップＳ１３で算出した吸気弁２２の目標開閉時期と実際の開閉時期とが一致するようにベーンロータ３４の位相を制御する。すなわち、制御部８０が、油路制御弁７５の制御を通じて進角室３７及び遅角室３８への作動油の給排態様を制御することで、ベーンロータ３４の位相を制御する。このようにして、機関回転速度が最高許容回転速度を超えていない場合には、吸気弁２２の開閉時期が機関運転状態に適した目標開閉時期となるように、ベーンロータ３４の位相が制御される。そして、ステップＳ１４の後に、制御部８０は本制御を一旦終了する。

一方、ステップＳ１１において、機関回転速度がレッドゾーンにある場合には、機関回転速度が最高許容回転数を超えている旨が判定され（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、ステップＳ１５に移り、ベーンロータ３４の位相を最進角位相に制御する。これにより、機関回転速度が高いことによってタイミングチェーン６１の張力が大きくなりやすい状況下においてカム軸２６に作用する合成トルクの変動量を小さくするように制御して、タイミングチェーン６１の張力が過大となることを抑制する。そして、ステップＳ１５の後に、制御部８０は、本制御を一旦終了する。すなわち、機関回転速度がレッドゾーンにある場合には、内燃機関１０の燃費や出力性能よりも、タイミングチェーン６１の張力低減を優先した制御が行われる。

以上詳述した本実施形態では、以下の（１）及び（２）の効果を奏することができる。
（１）内燃機関１０には、タイミングチェーン６１が巻き架けられて同タイミングチェーン６１によりクランク軸１７と駆動連結される非真円形状の外形をなすスプロケット３１と、カム軸２６と一体となって回転するベーンロータ３４とが設けられる。そして、制御部８０及び油路制御弁７５により、スプロケット３１に対するベーンロータ３４の位相を変位させることによりカム軸２６により開閉駆動される吸気弁２２の開閉時期が変更される。また、ロック機構４０が、ベーンロータ３４の位相を最遅角位相と最進角位相との間にある中間ロック位相に固定する。そして、このような構成において、カム軸２６に作用する負トルクが、ベーンロータ３４の位相が中間ロック位相よりも進角側の位相であるときよりも遅角側の位相であるときに大きくなるように設定されている。そのため、ベーンロータ３４が中間ロック位相よりも遅角側の位相にあるときには、カム軸２６に作用する負トルクによってベーンロータ３４が進角側に相対回転するときの回転量を増大させることができる。これにより、機関始動後早期にベーンロータ３４の位相を中間ロック位相まで変位させて同位相に固定することができるため、吸気弁２２の開閉時期を機関始動に適した時期として、機関始動性を向上させることができる。

（２）制御部８０は、機関回転速度が最高許容回転速度を上回るときにベーンロータ３４の位相を強制的に最進角位相となるように制御する。これにより、機関回転速度が高くタイミングチェーン６１の張力が大きくなりやすい状況下において、ベーンロータ３４の位相を最進角位相とすることで、カム軸２６に作用する合成トルクの変動量を小さくすることができるため、タイミングチェーン６１の張力が過大となってその耐用寿命が低下することを抑制することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の可変動弁装置の第２実施形態について図１０及び図１１を参照して説明する。第２実施形態では、上記第１実施形態と異なる点を主に説明し、第１実施形態と共通の構成については、同じ符号を用いて示す。なお、特に説明しないその他の構成、作用及び効果は第１実施形態と同じである。

図１０に示すように、本実施形態では、カム軸２６に３つの各気筒１３に対応した吸気カム２７が設けられるとともに、ポンプカム９０が設けられている。ポンプカム９０には、３つのカムノーズ９０Ａがカム軸２６周りに１２０°毎に形成されている。本実施形態では、このポンプカム９０によって、燃料ポンプ１００が駆動される。

燃料ポンプ１００の吸入ポート１０１には、燃料タンクに貯留される燃料がフィードポンプを通じて供給される。また、燃料ポンプ１００の吐出ポート１０２からは、燃料噴射弁１９Ａに接続されるデリバリパイプ１０５へ高圧燃料が圧送される。本実施形態では、燃料噴射装置が、デリバリパイプ１０５と燃料噴射弁１９Ａを備えている。

燃料ポンプ１００には、シリンダ１１０が形成されており、このシリンダ１１０内にはプランジャ１１１が往復移動可能に設けられる。プランジャ１１１の下端部１１１Ａは、カム軸２６に形成されたポンプカム９０と当接する。プランジャ１１１は、スプリング１１２によりポンプカム９０側に付勢されている。カム軸２６の回転に伴い、ポンプカム９０のカムノーズ９０Ａがプランジャ１１１を押圧すると、スプリング１１２が収縮・復元する。スプリング１１２が復元する状態では、プランジャ１１１が加圧室１１３の容積を増大させる方向に移動して、吸入ポート１０１を通じて燃料を吸入する吸入行程が行われ、スプリング１１２が収縮する状態では、プランジャ１１１が加圧室１１３の容積を減少させる方向に移動して、吐出ポート１０２を通じて燃料を圧送する圧送行程が行われる。なお、燃料ポンプ１００には、吸入ポート１０１と加圧室１１３とを連通・遮断する電磁スピル弁１１４が設けられ、制御部８０の制御により吸入行程では電磁スピル弁１１４が開弁される。

本実施形態では、ポンプカム９０により燃料ポンプ１００が駆動され、燃料ポンプ１００の圧送行程では、ポンプカム９０のカムノーズ９０Ａによりプランジャ１１１が押圧されてスプリング１１２が収縮するため、正トルクがカム軸２６に作用する。一方、燃料ポンプ１００の吸入行程では、収縮したスプリング１１２が復元するため、負トルクがカム軸２６に作用する。すなわち、ポンプカム９０の駆動に応じたトルク（以下、「第３トルク」と称する）がカム軸２６に作用する。このようにして、本実施形態では、カム軸２６に第１トルク及び第２トルクに加え、第３トルクも作用する。

そこで、本実施形態では、ポンプカム９０のカムノーズ９０Ａと、吸気カム２７のカムノーズ２７Ａとの回転位相差が以下のように設定される。すなわち、機関始動開始時にベーンロータ３４の位相が中間ロック位相よりも遅角側にあるときに、機関始動後にその位相を中間ロック位相に固定できる程度にベーンロータ３４を進角させることが可能な負トルクが得られ、且つ最進角位相では、タイミングチェーン６１の張力を低下させることができる位相差に設定されている。ポンプカム９０のカムノーズ９０Ａと、吸気カム２７のカムノーズ２７Ａの位相差の設定態様について、図１１を参照して説明する。

図１１は、カム軸２６に作用する第２トルクと第３トルクとの合成トルクを示し、実線Ａは、吸気カム２７のカムノーズ２７Ａとポンプカム９０のカムノーズ９０Ａとのカム軸２６周りの回転位相を同位相にした場合の合成トルクを示し、破線Ｂは、その回転位相差を６０°にした場合の合成トルクを示している。実線Ａに示すように、吸気カム２７のカムノーズ２７Ａとポンプカム９０のカムノーズ９０Ａとを同位相にした場合には、カム軸２６に作用する合成トルクの変動量が増大し、同カム軸２６に作用する負トルクの絶対値を大きくすることができる。そのため、この合成トルクと第１トルクとの合成トルクとにより、機関始動時にベーンロータ３４を中間ロック位相にまで進角させるのに十分な負トルクが得られる。しかしながら、第２トルクと第３トルクとの合成トルクが大きい場合には、この合成トルクと第１トルクとの変動周期を変更しても、３つのトルクの合成トルクの変動量がさほど小さくならず、ベーンロータ３４の位相を最進角位相に制御した場合の張力低減効果が十分に得られない場合がある。一方、破線Ｂで示すように、吸気カム２７のカムノーズ２７Ａとポンプカム９０のカムノーズ９０Ａとの位相差を６０°とした場合には、第２トルクと第３トルクとの合成トルクの変動量が小さくなるため、カム軸２６に作用する負トルクが小さくなる。そのため、吸気カム２７とスプロケット３１の位相を調整してこの合成トルクと第１トルクとの変動周期を変更しても、３つのトルクの合成トルクの変動量を大きくするのに限度があり、カム軸２６に作用する負トルクの大きさもある程度制限されてしまう。

そこで、本実施形態では、ポンプカム９０のカムノーズ９０Ａと、吸気カム２７のカムノーズ２７Ａの回転位相差を０〜６０°の間のＹ°に設定することで、第２トルク及び第３トルクの合成トルクの変動量がその最大値（実線Ａ）と最小値（破線Ｂ）との間の値となるようにしている。そして、第１実施形態と同様の態様で、カム軸２６に作用する負トルクが、ベーンロータ３４の位相が中間ロック位相よりも遅角側にあるときに、進角側にあるときよりも大きくなるようにスプロケット３１の頂部３１Ａと各カムノーズ２７Ａ、カムノーズ９０Ａとの位置関係を設定する。これにより、機関始動開始時に、ベーンロータ３４の位相が中間ロック位相よりも遅角側にある場合でも、カム軸２６に作用する負トルクにより、ベーンロータ３４の位相を進角させる回転量を確保することができ、その位相を中間ロック位相に固定することができる。また、機関回転速度が最高許容回転速度を超えているときには、ベーンロータ３４の位相を最進角位相に制御することで、タイミングチェーン６１の張力を低下させることができる。

以上詳述した本実施形態によれば、上記第１実施形態の（１）及び（２）の効果に加え、以下の（３）の効果を奏することができる。
（３）カム軸２６には、燃料ポンプ１００を駆動するポンプカム９０が設けられており、吸気カム２７のカムノーズ２７Ａとポンプカム９０のカムノーズ９０Ａとの位相差をＹ°に設定することで、第２トルクと第３トルクとの合成トルクと負トルクを所定の大きさに設定する。そして、ベーンロータ３４の位相が中間ロック位相よりも遅角側の位相となるときには、進角側の位相となるときよりも、合成トルクが大きくなるようにして、カム軸２６が受ける負トルクを大きくする。これにより、ベーンロータ３４の位相が中間ロック位相よりも遅角側の位相であるときに、カム軸２６に作用する負トルクによってベーンロータ３４が進角側に相対回転するときの回転量を確保することができ、その位相を中間ロック位相に固定することができる。

（その他の実施形態）
なお、本発明は、上記実施形態にて例示した態様に限られるものではなく、以下に示すように変更して実施することができる。

・上記第２実施形態では、吸気カムのカムノーズとポンプカムのカムノーズとの位相差を０〜６０°の間のＹ°に設定している。しかしながら、吸気カムのカムノーズとポンプカムのカムノーズとの位相差を６０°に設定したり、同位相としたりしてもよい。すなわち、例えば、吸気カムのカムノーズとポンプカムのカムノーズとの位相差を６０°に設定した場合には、第２トルクと第３トルクとの合成トルクの変動量が減少してしまう。このような場合でも、カム軸の軸心からスプロケットの頂部までの距離と他の部位までの距離との偏差を大きくして第１トルクの変動量を大きくすることで、第１〜第３の３つのトルクの合成トルクを増大させることができる。これにより、吸気カム軸に作用する負トルクを、ベーンロータの位相が中間ロック位相よりも進角側にあるときよりも遅角側にあるときに大きくなるように設定することはできる。そのため、機関始動開始時に、ベーンロータの位相が中間ロック位相よりも遅角側にある場合に、吸気カム軸に作用する負トルクによって、その位相を進角側に変位させて中間ロック位相に固定することができる。また、吸気カムのカムノーズとポンプカムのカムノーズとを同位相とした場合には、第２トルクと第３トルクとの合成トルクの変動量は大きくなる。このような場合には、カム軸の軸心からスプロケットの頂部までの距離と他の部位までの距離との偏差を小さくして第１トルクの変動量を小さくする。これにより、タイミングチェーンの張力が過度に増大することを抑えつつ、ベーンロータの位相が中間ロック位相よりも遅角側にある場合に、吸気カム軸に作用する負トルクによって、その位相を進角側に変位させて中間ロック位相に固定することができる。

・上記第２実施形態では、吸気カム軸に燃料ポンプを駆動するポンプカムを設けたが、吸気カム軸には、バキュームポンプを駆動するカムなど、その他の補機を駆動するカムを設けるようにしてもよい。

・上記各実施形態では、ベーンロータの位相が最遅角位相となるときに、吸気カム軸に作用する合成トルクの振幅を最大にして負トルクの絶対値が最大値となるようにしたが、ベーンロータの位相が中間ロック位相よりも遅角側にあるときに進角側にあるときよりも負トルクが大きくなるように設定されていればよい。すなわち、第１実施形態と同様の形状の可変動弁機構において、例えば、ベーンロータの位相が最遅角位相にあるときにスプロケットの頂部と吸気カムとの回転位相差が（Ｘ＋１５）°となり、最進角位相となるときにスプロケットの頂部と吸気カムとの回転位相差が（Ｘ＋６０）°となるようにしてもよい。また、上記各実施形態では、コンピュータによるシミュレーションで、吸気カム軸に作用する負トルクを求めることで、可変動弁機構と吸気カム軸を組み付けたが、吸気カム軸に作用する負トルクは実験によって求めるようにしてもよい。

・上記各実施形態では、機関回転速度が最高許容回転速度を超えるときに、ベーンロータの位相を最進角位相となるように制御したが、機関回転速度が最高許容回転速度よりも低い所定回転速度を超えるときに、ベーンロータの位相を最進角位相となるように制御してもよい。また、機関回転速度が所定回転速度を超えるときに、最進角位相ではなく、単にそのときの位相よりも所定角度進角させるようにしてもよい。また、ベーンロータの位相が最進角位相にあるときよりも、吸気カム軸に作用する合成トルクを低減できる位相があれば、その位相に変化させるようにしてもよい。さらに、可変動弁装置は、このような制御を行わないものであってもよい。

・上記各実施形態では、本発明の可変動弁装置をＶ６エンジンの可変動弁装置に適用したが、適用される内燃機関は、Ｖ６エンジンではなく、気筒数が異なるＶ型エンジンや直列型のエンジンに本発明を適用してもよい。なお、その場合、内燃機関の型や気筒数に応じて非真円形状のスプロケットの外形は適宜変更される。

・上記各実施形態では、非真円形状の第１回転体及び無端帯が、非真円形状のスプロケットとタイミングチェーンであったが、本発明を非真円形状のプーリーとコグドベルトを有する可変動弁装置に適用してもよい。

・上記各実施形態では、吸気弁の開閉時期を変更する可変動弁装置に本発明を適用したが、排気弁の開閉時期を変更する可変動弁装置に本発明を適用してもよい。

１０…内燃機関、１１…第１バンク、１２…第２バンク、１３…気筒、１４…オイルパン、１５…ピストン、１６…コンロッド、１７…クランク軸、１８…スプロケット、１９…燃焼室、１９Ａ…燃料添加弁、２０…吸気ポート、２１…排気ポート、２２…吸気弁、２３…排気弁、２４，２５…スプリング、２４Ａ，２５Ａ…リフタ、２６…吸気カム軸、２７…吸気カム、２７Ａ…カムノーズ、２８…排気カム軸、２９…排気カム、３０…可変動弁機構、３１…スプロケット、３１Ａ…頂部、３２…スプロケット、３３…ハウジング、３３Ａ…区画壁、３４…ベーンロータ、３４Ａ…ボス、３４Ｂ…ベーン、３５…カバー、３６…ベーン収容室、３７…進角室、３８…遅角室、４０…ロック機構、４１…ロックピン、４２…ロック孔、４３…上段部、４４…下段部、４５…ピン収容孔、４６…スプリング収容室、４７…解除室、４８…ロックスプリング、６１，６２…タイミングチェーン、７０…オイルポンプ、７４…油路、７５…油路制御弁、８０…制御部、８１…クランク角センサ、８２…カム角センサ、８３…エアフロメータ、９０…ポンプカム、９０Ａ…カムノーズ、１００…燃料ポンプ、１０１…吸入ポート、１０２…吐出ポート、１０５…デリバリパイプ、１１０…シリンダ、１１１…プランジャ、１１１Ａ…下端部、１１２…スプリング、１１３…加圧室、１１４…電磁スピル弁。

Claims (4)

1. 無端帯が巻き架けられて同無端帯によりクランク軸と駆動連結される非真円形状の外形をなす第１回転体と、カム軸と一体となって回転する第２回転体と、前記カム軸に設けられて弁を開閉駆動するカムと、前記第１回転体に対する前記第２回転体の相対回転位相を変位させることにより前記カムにより開閉駆動される弁の開閉時期を変更する変更機構と、前記第２回転体の相対回転位相を最遅角位相と最進角位相との間にある中間ロック位相に固定するロック機構とを備え、
   前記第１回転体が回転する際に前記第２回転体から前記カム軸に作用する第１トルクと前記弁の開閉駆動に伴って前記カム軸に作用する第２トルクとを合成した合成トルクの変動量が、前記第２回転体の位相が遅角側に位置するほど大きくなるように、前記第１回転体の頂部と前記カムのカムノーズとの位相差が設定されていることで、遅角側ほど前記カム軸に作用する負トルクが大きくなるように設定されている可変動弁装置。
2. 前記変更機構は機関回転速度が所定回転速度を上回るときに前記相対回転位相を強制的に進角させる
   請求項１に記載の可変動弁装置。
3. 前記カム軸には補機を駆動するカムが設けられている
   請求項１又は２に記載の可変動弁装置。
4. 前記補機は、燃料を燃料噴射装置に圧送する燃料ポンプである
   請求項３に記載の可変動弁装置。