JP6278037B2 - 内燃機関の動弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関（以下、エンジンともいう）の吸気バルブを動作させる動弁装置に関し、特に、吸気バルブのリフト量を連続的に変更する可変機構を備えたものに係る。

従来よりエンジンの動弁装置として、バルブタイミングを変更するＶＶＴ（Variable Valve Timing）やバルブリフト量を変更するＶＶＬ（Variable Valve Lift）などが知られている。例えば特許文献１に記載の動弁装置は、カムシャフトの回転に伴い揺動して、吸気バルブを動作させる揺動アームと、その揺動範囲を変更することによって、吸気バルブのリフト量を連続的に変化させる可変リフト機構と、を備えている。

また、例えば特許文献２に記載されているように、複数のカムが設けられたカムキャリア（カムピース）をカムシャフトに外挿し、その軸方向にスライドさせることにより、いずれかのカムを選択するようにしたカム切替方式の可変機構も知られている。このものでは、カムキャリアの外周に螺旋状のガイド溝を設けて、その外方からシフトピンを係合させることにより、カムシャフトと一体に回転するカムキャリアをカム軸方向にスライドさせる。

特開２００９−０５２４１９号公報 特開２０１０−５２０３９５号公報

ところで近年、ガソリンエンジンにおいても熱効率の向上のために、通常の火花点火による燃焼とは異なる燃焼、例えばＨＣＣＩ(Homogeneous Charge Compression Ignition)燃焼などを実用化しようとする試みがある。このような燃焼は一般的に、車両のエンジンに要求される負荷および回転数の全ての運転状態においては実現困難なため、通常の燃焼と切り替えることが、即ちエンジンの運転状態を通常の運転モードとこれとは異なる運転モードとに切り替えることが、提案されている。

しかしながら、前記特許文献１のようにアームの揺動範囲を変更するようにした可変リフト機構では、吸気バルブのリフト量を連続的に変化させることはできるものの、そのリフトカーブは基本的にカムのプロフィールに従うものとなるので、作用角なども含めたリフト特性全般を大幅に変化させることは困難である。このため、前記のような運転モードの切り替えに要求される吸気バルブのリフト特性の変更は実現できない。

そこで、前記特許文献２のようなカム切替方式の可変機構も組み合わせて、吸気バルブのリフト特性を大幅に変化させることが考えられるが、こうして２種類の機構を組み合わせると構造が複雑になってしまい、故障の発生する懸念がある。また、前記可変リフト機構は、吸気バルブからバルブスプリングの反力を受けながら動作するものなので、元来、動作の遅れが生じやすく、ＨＣＣＩ燃焼のような制御に求められる高い応答性を得ることは難しいと考えられる。

かかる実状を考慮して本発明の目的は、吸気バルブのリフト量を連続的に変更可能な可変機構を備えた動弁装置において、通常の運転モードと、これとは異なる運転モードとの切り替えを可能としながら、リフト量の制御の応答性を高め、しかも、故障に対するフェールセーフを図ることにある。

本発明では、エンジンの気筒毎２つの吸気バルブの一方については、そのリフト特性を変更しないシンプルな構成としながら、他方の吸気バルブについては、可変リフト機構とカム切替機構を組み合わせて、リフト特性の大幅な変更を可能とした。すなわち、本発明は、気筒毎に２つの吸気バルブを備えるエンジン（内燃機関）に搭載され、その各吸気バルブをそれぞれ、カムシャフトの回転に伴って揺動する２つの揺動アームによって動作させるようにした動弁装置が対象である。

そして、前記２つの揺動アームのうちの一方は、カムシャフトに固定された一方のカムによって揺動され、このカムのプロフィールに従って一方の吸気バルブを動作させるものとする。また、他方の揺動アームは、カムシャフト上に設けられた他方のカムによって揺動されるとともに、その揺動範囲が可変機構によって変更されることにより、他方の吸気バルブのリフト量を連続的に変化させるものとする。その上で、前記他方のカムとして、カムシャフトに外挿されたカムピース上にカム軸方向に並べて、互いにプロフィールの異なるカムを複数、設けておき、そのうちのいずれかを前記カムピースのスライドによって選択する構成とした。

前記のように構成された動弁装置においては、エンジンの運転中にカムシャフトの回転に伴い、気筒毎の一方の揺動アームが一方のカムによって揺動され、そのプロフィールに従って一方の吸気バルブを動作させるようになる。また、他方の揺動アームは他方のカムによって揺動されるとともに、その揺動範囲が可変機構によって変更されることにより、他方の吸気バルブのリフト量を連続的に変化させることができる。

こうして揺動アームの揺動範囲を変化させる可変機構は、前記他方の吸気バルブからはバルブスプリングの反力を受けながら動作することになるが、一方の吸気バルブからは反力は受けないので、その分、機械的な摩擦抵抗が小さくなって、動作の遅れが減少する。このことで、可変機構の動作による前記他方の吸気バルブのリフト量の制御の応答性が向上し、例えばＨＣＣＩ燃焼の制御に求められる高い応答性を得ることができる。

さらに、前記他方のカムは、カムシャフトに外挿したカムピース上に複数、設けられており、そのうちのいずれかを選択することによって、作用角なども含めたリフト特性全般を大幅に変化させることができる。よって、エンジンの通常の運転モードと、これとは異なる運転モードとの切り替えが可能となる。加えて、前記したように一方の吸気バルブについては、そのリフト量の可変機構もカムの切替機構も存在しないので、これらの機構が故障したとしても一方の吸気バルブの動作には影響がなく、フェールセーフが図られる。

好ましくは前記他方のカムとして、前記一方のカムと同じプロフィールの通常カムと、これよりもリフト量の小さな低リフトカムとの２つを設けることである。通常カムのプロフィールが前記一方のカムと同じなので、負荷率の高い運転状態における吸気の充填効率を高める上で有利になる。また、低負荷など吸気の流量が少なくなる運転状態では、通常カムによって駆動される他方の吸気バルブのリフト量を、可変機構によって減少させることにより、吸気の流速を高めて気筒内のスワール流を強化し、燃焼性を向上できる。

一方、通常とは異なる運転モードとするために、低リフトカムに切り替えたときには、通常カムに比べて吸気バルブからの反力が小さくなるので、機械的な摩擦抵抗による可変機構の動作の遅れがさらに減少する。これにより、通常とは異なる運転モードにおける他方の吸気バルブのリフト量の制御の応答性がさらに向上し、例えばＨＣＣＩ燃焼に好適な高応答の制御を実現できる。

そうして通常とは異なる運転モードにおいてＨＣＣＩ燃焼を行うのであれば、前記他方のカムの低リフトカムは、前記他方の吸気バルブを気筒の排気行程において開くように設ける。こうすると、その他方の吸気バルブが排気行程で開くことにより、気筒内の排気の一部が一旦、吸気ポートに排出された後に、次の吸気行程において再び気筒内に流入するようになる。つまり、吸気系へ排気の一部を吹き戻すことによって、いわゆる内部ＥＧＲが行われる。

そして、前記低リフトカムによって押圧される他方の揺動アームの揺動範囲が、可変機構によって変更されることにより、前記他方の吸気バルブのリフト量が連続的に変化するようになる。これにより、内部ＥＧＲガスの分量、即ち、吸気中に含まれる排気の割合を精度良く調整できるので、高温の内部ＥＧＲガスによる気筒内温度の制御の精度が向上し、混合気をより好適なタイミングで自着火させることが可能になる。つまり、ＨＣＣＩ燃焼を行うために、気筒内温度を高精度に制御することができるようになる。

より好ましいのは、前記のように低リフトカムに切り替えたときには、吸気バルブからのバルブスプリングの反力が小さくなることに着目し、これを受ける低リフトカムのカム幅、即ちカム軸方向の寸法を通常カムに比べて小さくすることである。こうすることで、低リフトカムと他方の揺動アームとの摺接面積を小さくして、機械的な摩擦抵抗をさらに小さくすることが可能になるので、可変機構の動作の遅れをさらに低減して、吸気バルブのリフト量の制御の応答性をより一層、高めることが可能になる。

前記可変機構の具体的な構成としては、例えば、前記揺動アームに隣接してその支軸の周りを揺動可能に設けられ、前記他方のカムによって押圧される入力アームと、この入力アームと揺動アームとを相対角度が変更可能に連結する可動連結部材と、当該可動連結部材を動作させて、前記入力アームおよび揺動アームの相対角度を調整する調整部材と、を備えるものとすればよい。

本発明に係るエンジンの動弁装置によると、バルブリフト量を連続的に変更可能な可変機構を備えた動弁装置において、気筒毎２つの吸気バルブの一方については、そのリフト特性を変更しないシンプルな構成とし、他方の吸気バルブについては前記可変機構にカム切替機構を組み合わせて、リフト特性の大幅な変更を可能としたことで、通常の運転モードと、これとは異なる運転モードとの切り替えを可能としながら、リフト量の制御の応答性を高めることができ、しかも、故障に対するフェールセーフも図られる。

本発明の実施の形態に係るエンジンの動弁装置の概略構成図である。 可変リフト機構およびカム切替機構を離間させて示す斜視図である。 吸気側の動弁装置の断面図であって、最大リフト量の状態を示す。 可変リフト機構のアームアッセンブリの分解斜視図である。 最小リフト量の状態を示す図３相当図である。 吸気カムシャフトに外挿されたカムピースの構造を示す部分断面図である。 シフトピンとガイド溝との係合によってカムピースをスライドさせるカム切替機構の動作を説明する図である。 実施の形態の動弁装置における吸気バルブのリフト特性の変化を示す説明図である。

以下、本発明をガソリンエンジン（内燃機関）に適用した実施の形態について、図面を参照して説明する。図１には上方から見て模式的に示すように、エンジン１の上部（シリンダヘッド）にはカムハウジング２が配設されて、吸排気の動弁系（動弁装置）を収容している。すなわち、図１には破線で示すように一列に並んで設けられた３つの気筒３のそれぞれに、２つの吸気バルブ１０および２つの排気バルブ１１が設けられていて、吸気カムシャフト１２および排気カムシャフト１３によって駆動されるようになっている。

また、吸気カムシャフト１２および排気カムシャフト１３の端部（図１では右端部）にはそれぞれ、バルブタイミングを連続的に変更可能なＶＶＴ（Variable Valve Timing）１４が設けられている。そして、吸気カムシャフト１２には気筒３毎に、吸気バルブ１０のリフト量（最大リフト量）を連続的に変更可能な可変リフト機構４と、吸気バルブ１０を駆動するカム６１，６２を切り替えるカム切替機構６と、が設けられている。

詳しくは、まず、各気筒３の２つの吸気バルブ１０のうち、吸気カムシャフト１２の軸線Ｘの方向（カム軸方向）における一側（図１の左側）の吸気バルブ１０（一方の吸気バルブ）に対応して、吸気カムシャフト１２には固定カム１２ａ（一方のカム）が設けられている。そして、図２に矢印Ｒとして示す吸気カムシャフト１２の回転に伴い、前記の固定カム１２ａが揺動アーム４０（一方の揺動アーム）を揺動させ、ロッカアーム１５（図３を参照）を介して前記一側の吸気バルブ１０を動作させるようになっている。

すなわち、図２にも示すように前記の揺動アーム４０は、固定カム１２ａの摺接するローラ４０ａと、ロッカアーム１５を押圧するノーズ４０ｂとを備えており、ロッカシャフト４１に揺動自在に外挿されている。そして、回転する固定カム１２ａによりローラ４０ａが押圧されることによって、ロッカシャフト４１の周りを揺動し、その固定カム１２ａのプロフィールに従って前記一側の吸気バルブ１０を動作させる。

これに対し、各気筒３における軸線Ｘ方向の他側（図１における右側）の吸気バルブ１０（他方の吸気バルブ）は、吸気カムシャフト１２上に軸線Ｘ方向に並んで設けられた２つのカム６１，６２（他方のカム）のいずれかによって動作される。すなわち、後述するようにいずれかのカム６１，６２がカム切替機構６によって選択され、以下に図３を参照して説明するように、アームアッセンブリ５０の出力アーム５２（他方の揺動アーム）を揺動させて、ロッカアーム１５を介して他側の吸気バルブ１０を動作させる。

−可変リフト機構−
本実施の形態では、前記のように揺動して、各気筒３の他側の吸気バルブ１０を動作させる出力アーム５２の揺動範囲が、可変リフト機構４によって変更されるようになっており、これにより他側の吸気バルブ１０のリフト量が連続的に変化する。可変リフト機構４は、前記図２の他、図３〜５にも示すように、ロッカシャフト４１、コントロールシャフト４２および各気筒３のアームアッセンブリ５０を備えている。

前記ロッカシャフト４１は中空パイプからなり、吸気カムシャフト１２と平行に、即ち軸線Ｘの方向に延びていて、前記揺動アーム４０や出力アーム５２などの揺動支軸として機能する。また、ロッカシャフト４１の中心孔にはコントロールシャフト４２が挿入されており、アクチュエータ４３（図１にのみ示す）によって駆動される。アームアッセンブリ５０は、気筒３毎にロッカシャフト４１に外挿されていて、コントロールシャフト４２によって動作され、吸気バルブ１０のリフト量を連続的に変更する可変機構である。

すなわち、図３に表れているように軸線Ｘ方向に見ると、アームアッセンブリ５０は、ロッカシャフト４１に揺動自在に外挿されて、吸気カムシャフト１２のカム６１，６２とロッカアーム１５との間に介設されており、いずれかのカム６１，６２が摺接するローラ５１ａと、ロッカアーム１５を押圧するノーズ５２ａとを備えている。そして、いずれかのカム６１，６２によりローラ５１ａが押圧されることによって、ロッカシャフト４１の周りを揺動し、ロッカアーム１５を介して吸気バルブ１０を動作させる。

詳しくは図４に分解して示すように、アームアッセンブリ５０は、ローラ５１ａの設けられた入力アーム５１と、ノーズ５２ａを有する出力アーム５２と、を備えている。これらの入力アーム５１および出力アーム５２は、軸線Ｘ方向に隣接して並んだ状態で、スライダギヤ５３を外周側から覆うようにロッカシャフト４１に外挿されている。このスライダギヤ５３が、前記入力アーム５１と出力アーム５２とを相対角度が変更可能に連結する可動連結部材である。

すなわち、スライダギヤ５３は円筒状とされ、ロッカシャフト４１にスライド可能に外挿されていて、その外周における軸線Ｘ方向の一側および他側（図４の左側および右側）の端部にそれぞれヘリカルスプライン５３ａ，５３ｂが形成されている。これらのヘリカルスプライン５３ａ，５３ｂがそれぞれ、入力アーム５１および出力アーム５２の内側に形成されたヘリカルスプライン５１ｂ，５２ｂと噛み合って、入力アーム５１と出力アーム５２とを連結している。

また、図３に表れているように、入力アーム５１のローラ５１ａは、ロストモーションスプリング１６によってカム６１，６２（図３ではカム６１）に押しつけられる。一方、出力アーム５２にはそのベース円からノーズ５２ａにかけての部分に、ロッカアーム１５のローラ１５ａが押しつけられる。これにより、吸気カムシャフト１２の回転に伴い入力アーム５１が揺動されると、これと一体になって揺動する出力アーム５２によってロッカアーム１５が動作され、吸気バルブ１０がリフトされるようになる。

そして、コントロールシャフト４２が軸線Ｘ方向に変位すると、これに連動してスライダギヤ５３がロッカシャフト４１上で軸線Ｘ方向に変位し、入力アーム５１および出力アーム５２を互いに逆の向きに回動させる。スライダギヤ５３は、ロッカシャフト４１に形成された長穴を貫通するピン（図示せず）によって、コントロールシャフト４２と一体に軸線Ｘ方向に変位するようになっており、この変位がヘリカルスプライン５３ａ，５３ｂとヘリカルスプライン５１ｂ，５２ｂとの噛み合いによって、入力アーム５１および出力アーム５２の周方向の変位に変換されるのである。

つまり、コントロールシャフト４２は、スライダギヤ５３を動作させて入力アーム５１および出力アーム５２の相対角度を調整する調整部材であり、その軸線Ｘ方向の変位は、アームアッセンブリ５０においてスライダギヤ５３により、入力アーム５１および出力アーム５２の周方向の変位に変換される。これにより入力アーム５１と出力アーム５２との角度が変化することによって、以下に説明するように吸気バルブ１０のリフト量が連続的に変更される。

例えば、コントロールシャフト４２が軸線Ｘ方向の他側（図１，２，４の右側）に最大限に移動した状態では、図３に示すように入力アーム５１のローラ５１ａと出力アーム５２のノーズ５２ａとの角度（相対位相差）が最大になる。これにより、図３の右側に示すように、カム６１によって入力アーム５１のローラ５１ａが押し下げられた状態において、ロッカアーム１５の変位量が最大になって、吸気バルブ１０は最大のリフト量で動作するようになる。

この状態からコントロールシャフト４２が軸線Ｘ方向の一側（図１，２，４の左側）に移動すると、入力アーム５１のローラ５１ａと出力アーム５２のノーズ５２ａとの角度は徐々に小さくなってゆく。そして、図５に示すように角度が最小になると、同図の右側に示すように、カム６１によって入力アーム５１のローラ５１ａが押し下げられた状態でも、ロッカアーム１５の変位量は小さくなり、吸気バルブ１０は最小のリフト量で動作するようになる。

−カム切替機構−
本実施の形態では、前記のように可変リフト機構４を介して吸気バルブ１０を駆動するカム６１，６２が、カム切替機構６によって切り替えられる。すなわち、前記図２，４に表れているように吸気カムシャフト１２には、各気筒３に設けられた固定カム１２ａの軸線Ｘ方向の他側（図２、４の右側）に隣接して、プロフィールの異なる２つのカム６１，６２を有する円筒状のカムピース６０が外挿されている。

図示の例では２つのカム６１，６２のうち、左側（軸線Ｘ方向の一側）のカム６１が、固定カム１２ａと同じプロフィールを有するもの（以下、通常カム６１という）で、右側（軸線Ｘ方向の他側）のカム６２は、それよりもリフト量の小さな低リフトカム６２である。この低リフトカム６２は、気筒３の吸気行程ではなく、排気行程において吸気バルブ１０を開くように設けられている。

一例として低リフトカム６２による吸気バルブ１０のリフト量は、通常カム６１の半分以下とされていて、その分、バルブスプリング１０ａからの反力が小さくなることにより、機械的な摩擦抵抗が小さくなる。また、本実施の形態では低リフトカム６２の幅（軸線Ｘ方向の寸法）も通常カム６１に比べて小さくなっており、このことによっても機械的な摩擦抵抗が小さくなる。なお、それら通常カム６１および低リフトカム６２のベース円は同径であり、互いに連続する円弧面として形成されている。

そして、図６にも示すように、２つのカム６１，６２は一体としてリング状に形成され、円筒状のスリーブ６３の端部に嵌合されて、カムピース６０を構成している。図３に表れているように、カムピース６０（スリーブ６３）の内周にはスプラインの内歯が形成され、吸気カムシャフト１２の外周に形成されたスプラインの外歯と噛み合っている。これによりカムピース６０は、吸気カムシャフト１２に外挿されて一体に回転するとともに、軸線Ｘ方向にはスライドするようになる。

また、カムピース６０をスライドさせるためにその外周には、以下に述べるようにシフトピン６５ａの係合されるガイド溝６４が設けられている。すなわち、本実施の形態では、前記スリーブ６３における軸線Ｘ方向の他端部に、通常カム６１よりは外径が小さく、低リフトカム６２よりは大きな環状の拡径部６３ａが形成されており、その外周には全周に亘って周方向に延びるガイド溝６４が設けられている。

一方、前記の図２，３に示すように吸気カムシャフト１２の斜め上方には、気筒３毎にシフトピン６５ａを進退駆動するアクチュエータ６５が配設され、例えば軸線Ｘ方向に延びるステー（図示せず）によってカムハウジング２に支持されている。このアクチュエータ６５は、例えば電磁ソレノイドによってシフトピン６５ａを駆動するものであり、そのオン状態ではシフトピン６５ａが進出して、前記ガイド溝６４と係合するようになる。

そうしてシフトピン６５ａが進出してガイド溝６４と係合することにより、以下に図７も参照して説明するように、吸気カムシャフト１２の回転に伴い、カムピース６０の外周面において相対的にはシフトピン６５ａが周方向に移動しながら、軸線Ｘ方向にも、即ち図６に矢印で示すように斜めに移動するようになる。このとき実際には、シフトピン６５ａに対してカムピース６０が回転しながら軸線Ｘ方向にスライドする。

以下では、図６，図７における左側および右側（軸線Ｘ方向の一側および他側）を説明の便宜上、単に左側および右側と呼ぶものとする。まず、図６に表れているようにガイド溝６４は、スリーブ６３の拡径部６３ａの外周面において左側寄りおよび右側寄りの部位を、それぞれ直線的に周方向に延びる直溝部６４ａ，６４ｂと、これらの直溝部６４ａ，６４ｂ同士を繋ぐＳ字状の湾曲溝部６４ｃ、６４ｄとからなる。

そして、図３などを参照して上述したように通常カム６１によって、アームアッセンブリ５０およびロッカアーム１５を介して、吸気バルブ１０を吸気行程で開動作させているとき、即ち、カムピース６０が右側の通常位置にあるときには、図６に表れているように左側の直溝部６４ａとアクチュエータ６５のシフトピン６５ａとが対向している。この状態でアクチュエータ６５をオンさせて、シフトピン６５ａを進出させると、図７の上段に示すようにシフトピン６５ａがガイド溝６４の左側の直溝部６４ａと係合する。

こうして直溝部６４ａと係合したシフトピン６５ａは、図２に矢印Ｒとして示す吸気カムシャフト１２およびカムピース６０の回転に伴い図中、下側に移動して湾曲溝部６４ｃに到達し、図７の中段に示すように湾曲溝部６４ｃに沿って斜めに移動するようになる。つまり、シフトピン６５ａは、カムピース６０の外周面に対して相対的には右側に移動するようになり、これにより実際には、カムピース６０を左側に押圧してスライドさせる。

そうしてカムピース６０が左側にスライドし、図７の下段に示すようにシフトピン６５ａが右側の直溝部６４ｂに到達すると、カムピース６０は左側の低リフト位置に切り替えられるので、ここでシフトピン６５ａを後退させて、ガイド溝６４との係合を解除する。この低リフト位置では低リフトカム６２が選択され、アームアッセンブリ５０およびロッカアーム１５を介して吸気バルブ１０を排気行程で動作させるようになる。

なお、そのようにして通常位置から低リフト位置に切り替えられるカムピース６０のスライド量Ｓ（図６に示す）は、通常カム６１および低リフトカム６２の間隔と同じである。また、図示はしないが本実施の形態では、吸気カムシャフト１２とスリーブ６３との間に、カムピース６０を通常位置または低リフト位置にそれぞれ保持するロック機構が設けられている。また、前記ガイド溝６４の深さは、左側および右側の直溝部６４ａ，６４ｂのそれぞれの途中でほぼゼロになっており、ここにおいて前記のようにシフトピン６５ａが後退することにより、ガイド溝６４との係合がスムーズに解除される。

さらに、詳しい説明は省略するが、前記のように通常位置から低リフト位置へ切り替えるのと反対に、低リフト位置にあるカムピース６０のガイド溝６４にアクチュエータ６５のシフトピン６５ａを係合させることにより、カムピース６０を右側にスライドさせて、通常位置に戻すことができる。すなわち、シフトピン６５ａをガイド溝６４の右側の直溝部６４ｂに係合させ、湾曲溝部６４ｄに沿って左側の直溝部６４ａに到達した後に、シフトピン６５ａを後退させればよい。

そのようにアクチュエータ６５を制御する制御装置としては、エンジン１のＥＣＵが用いられる。ＥＣＵは、エンジン１のクランク角センサや吸気カムシャフト１２の位置を検出するカム角センサなどから入力する信号に基づいて、ガイド溝６４に関する位置の情報を取得し、前記のようにシフトピン６５ａをガイド溝６４に係合させるタイミングを決定して、アクチュエータ６５を制御する。

−吸気バルブのリフト特性の変化−
次に、前記した可変リフト機構４およびカム切替機構６の動作を組み合わせて、気筒３毎の吸気バルブ１０のリフト特性を変更する動弁系の動作について、図８も参照して説明する。この図８において左側に実線で示すリフトカーブＥｘは、排気バルブ１１のリフト特性を表しており、右側に実線または破線で示すリフトカーブＩｎ１，Ｉｎ２が、一側および他側の吸気バルブ１０のリフト特性を表している。

まず、エンジン１の運転中には各気筒３の一方の揺動アーム４０が、吸気カムシャフト１２の固定カム１２ａによって揺動され、そのプロフィールに従って一側の吸気バルブ１０を動作させる。これにより、一側の吸気バルブ１０のリフト特性は、図８の上段に示すリフトカーブＩｎ１のようになり、可変リフト機構４およびカム切替機構６が動作しても変化しない。

これに対し各気筒３の他側の吸気バルブ１０のリフト特性は、前記した可変リフト機構４およびカム切替機構６の動作によって、以下のように変更される。すなわち、まず、エンジン１が通常の運転モードにあれば、カム切替機構６によって通常カム６１が選択され、吸気カムシャフト１２と一体に回転する通常カム６１により、アームアッセンブリ５０の出力アーム５２およびロッカアーム１５を介して、他側の吸気バルブ１０が動作される。

このとき、出力アーム５２の揺動範囲が変更されることにより、他側の吸気バルブ１０のリフト量が連続的に変化する。すなわち、例えば可変リフト機構４が図３を参照して上述した最大リフト量の状態であれば、他側の吸気バルブ１０のリフト特性は、図８の上段に実線のリフトカーブＩｎ１として示すもの、即ち、前記一側の吸気バルブ１０と同じものとなる。このことは気筒３の吸気充填効率を高める上で有利であり、例えば負荷の高い運転状態やエンジン１の温間再始動時などに好適である。

また、可変リフト機構４の動作によって他側の吸気バルブ１０のリフト特性は、図８の中段に実線および破線のリフトカーブＩｎ２として示すように、前記の最大リフト量の状態から図５を参照して上述した最小リフト量の状態まで、連続的に変化する。これにより、他側の吸気バルブ１０のリフト量が一側に比べて小さくなるので、例えば低負荷など吸気の流量が少なくなる運転状態でも、吸気の流速を高めて気筒３内のスワール流を強化し、燃焼性を高めることができる。

次に、エンジン１が通常とは異なる運転モード、例えばＨＣＣＩ燃焼を行う運転モードにあって、いわゆる内部ＥＧＲによる筒内温度の制御が行われる場合は、各気筒３の他側の吸気バルブ１０を駆動するカムとして、カム切替機構６により低リフトカム６２が選択される。この低リフトカム６２は、吸気カムシャフト１２と一体に回転し、アームアッセンブリ５０の出力アーム５２およびロッカアーム１５を介して、他側の吸気バルブ１０を気筒３の排気行程で開動作させる。

そして、その通常とは異なる運転モードにおいても、前記したように各気筒３の一側の吸気バルブ１０のリフト特性は変化せず、図８の下段に実線のリフトカーブＩｎ１として示すように、一側の吸気バルブ１０は前記した通常の運転モードと同様に固定カム１２ａのプロフィールに従って動作するようになる。これにより、ＨＣＣＩ燃焼を行うことができる低負荷低回転側での運転に十分な吸気充填効率が得られる。

一方、各気筒３の他側の吸気バルブ１０は、図８の下段に破線のリフトカーブＩｎ２として示すように、排気行程の初期から中期にかけて開かれる。これにより、気筒３内の排気の一部が一旦、吸気ポートに排出された後に、次の吸気行程において再び気筒３内に流入するようになる。このように吸気系へ排気の一部を吹き戻すことによって、いわゆる内部ＥＧＲが行われ、筒内温度をＨＣＣＩ燃焼に適したものとすることができる。

すなわち、そうして排気行程で開かれる他側の吸気バルブ１０のリフト量が、可変リフト機構４の動作によって、図８の下段に破線のリフトカーブＩｎ２として示すように連続的に変化するようになる。例えば、リフト量を小さくすれば内部ＥＧＲガスの分量、即ち、吸気中に含まれる排気の割合が少なくなり、リフト量を大きくすれば内部ＥＧＲガスの分量が多くなる。このようにして高温の内部ＥＧＲガスの分量を精度良く調整することで、筒内温度を高精度に制御して、ＨＣＣＩ燃焼に好適なものとすることができる。

以上、説明したように本実施の形態に係るエンジン１においては、気筒３毎２つの吸気バルブ１０の一側を吸気カムシャフト１２の固定カム１２ａによって駆動するようにし、可変機構を介さないシンプルな構成とする一方、他側の吸気バルブ１０については、可変リフト機構４およびカム切替機構６によって、そのリフト特性の大幅な変更を可能としながら、連続的にリフト量を変更することができる。

これにより、火花点火による通常の運転モードと、例えばＨＣＣＩ燃焼のような通常とは異なる運転モードとを切り替えることができるとともに、それら両方の運転モードにおいて吸気バルブ１０のリフト量の制御の応答性を高めることができる。これは、可変リフト機構４のアームアッセンブリ５０が前記一側の吸気バルブ１０からのバルブスプリング１０ａの反力を受けないようになり、機械的な摩擦抵抗による動作の遅れが減少するからである。

特に、通常とは異なる運転モードにおいては、カム切替機構６によって選択される低リフトカム６２のリフト量が小さいため、その分、他側の吸気バルブ１０からのバルブスプリング１０ａの反力も小さくなり、低リフトカム６２のカム幅が狭いことも相俟って機械的な摩擦抵抗はさらに小さくなる。よって、アームアッセンブリ５０の動作の遅れがより一層、減少し、ＨＣＣＩ燃焼の制御に求められる高い応答性が得られる。

加えて本実施の形態では、前記したように気筒３毎の一側の吸気バルブ１０については、可変リフト機構４もカム切替機構６も介さずに、固定カム１２ａによって駆動するようにしているので、いずれかの機構が故障したとしても一側の吸気バルブ１０の動作には影響がない。つまり、可変リフト機構４やカム切替機構６の故障に対するフェールセーフが図られている。

−他の実施形態−
本発明は、上述した実施の形態の構成に何ら限定されない。実施の形態はあくまで例示に過ぎず、本発明の構成は勿論、用途などについても限定しない。例えば、実施の形態における可変リフト機構４の構成は一例に過ぎず、カムシャフトの回転に伴って揺動するアームの揺動範囲が、可変機構によって変更されることにより、吸気バルブのリフト量を連続的に変化させるものであればよい。

また、前記実施の形態のように揺動アーム４０や出力アーム５２によってロッカアーム１５を動作させ、これを介して吸気バルブ１０を動作させる構造（ロッカーアーム式）にも限定されない。例えば揺動アーム４０や出力アーム５２によって吸気バルブ１０の頂部を押圧する、いわゆる直動式の構造であってもよい。

また、カム切替機構６についても前記実施の形態には限定されない。例えば、吸気カムシャフト１２に外挿されたカムピース６０の外周には、前記実施の形態のようなガイド溝６４の代わりに、特許文献１に記載されているＹ字状のガイド溝など、公知の種々の形状のガイド溝を設けてもよい。また、ガイド溝にも限定されず、シフトピン６５ａと係合してカムピース６０をスライドさせるような形状のガイド部を設けてもよい。

さらに、前記実施の形態では、カムピース６０に通常カム６１および低リフトカム６２を設けるとともに、この低リフトカム６２のカム幅は通常カム６１よりも狭くしているが、これにも限定されず、低リフトカム６２のカム幅は通常カム６１と同じであってもよい。また、低リフトカム６２にも限定されず、通常カム６１とは作用角が異なっているが、リフト量は同様のカムを設けてもよいし、ゼロリフトのカムであってもよい。

また、前記実施の形態では低リフトカム６２を、気筒３の排気行程において吸気バルブ１０を開くように設けているが、これにも限定されず、例えば排気行程から吸気行程にかけて吸気バルブ１０を開くように設けてもよいし、吸気行程であっても通常カム６１とは大きく異なる期間において吸気バルブ１０を開くように設けてもよい。通常カム６１についても、前記実施の形態のように固定カム１２ａと同じプロフィールとする必要はない。

さらにまた、前記実施の形態では一例として、直列３気筒のガソリンエンジン１に本発明の動弁装置を適用した場合について説明したが、これにも限定されず、例えば直列４気筒、或いは５気筒以上のガソリンエンジンにも本発明は適用可能であり、さらに、ガソリンエンジンにも限定されず、アルコール燃料を用いるエンジンにも本発明は適用可能である。

本発明は、エンジンの動弁系に吸気バルブのリフト量を連続的に変更可能なリフト可変機構を備える場合に、通常の燃焼状態と異なる燃焼状態との切り替えを可能としながら、制御の応答性を高めることができるので、例えばＨＣＣＩ燃焼などを行うエンジンに適用して効果が高い。

１ エンジン（内燃機関）
３ 気筒
４ 可変リフト機構
４０ 一方の揺動アーム
４１ ロッカシャフト（支軸）
４２ コントロールシャフト（調整部材）
５０ アームアッセンブリ（可変機構）
５１ 入力アーム
５２ 出力アーム（他方の揺動アーム）
５３ スライダギヤ（可動連結部材）
６ カム切替機構
６０ カムピース
６１ 通常カム（他方のカム）
６２ 低リフトカム（他方のカム）
６３ スリーブ
６４ ガイド溝
６５ アクチュエータ
６５ａ シフトピン
１０ 吸気バルブ
１２ 吸気カムシャフト
１２ａ 固定カム（一方のカム）
Ｘ 吸気カムシャフトの軸線（カム軸方向）

Claims (5)

1. 気筒毎に２つの吸気バルブを備える内燃機関に搭載され、その各吸気バルブをそれぞれ、カムシャフトの回転に伴って揺動する２つの揺動アームによって動作させるようにした動弁装置であって、
   前記２つの揺動アームのうちの一方は、カムシャフトに固定された一方のカムによって揺動され、このカムのプロフィールに従って一方の吸気バルブを動作させるものであり、
   前記２つの揺動アームのうちの他方は、カムシャフト上に設けられた他方のカムによって揺動されるとともに、その揺動範囲が可変機構によって変更されることにより、他方の吸気バルブのリフト量を連続的に変化させるものであり、
   前記他方のカムとして、カムシャフトに外挿されたカムピース上にカム軸方向に並んで、互いにプロフィールの異なるカムが複数、設けられ、そのうちのいずれかが前記カムピースのスライドによって選択されるように構成されている内燃機関の動弁装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の動弁装置において、
   前記他方のカムとして、前記一方のカムと同じプロフィールを有する通常カムと、これよりもリフト量の小さな低リフトカムとの２つが設けられている、内燃機関の動弁装置。
3. 請求項２に記載の内燃機関の動弁装置において、
   前記低リフトカムは、前記他方の吸気バルブを気筒の排気行程において開くように設けられている、内燃機関の動弁装置。
4. 請求項２または３のいずれかに記載の内燃機関の動弁装置において、
   前記低リフトカムのカム軸方向の寸法が前記通常カムよりも小さい、内燃機関の動弁装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の動弁装置において、
   前記可変機構は、
   前記揺動アームに隣接してその支軸の周りを揺動可能に設けられ、前記他方のカムによって押圧される入力アームと、
   前記入力アームと揺動アームとを相対角度が変更可能に連結する可動連結部材と、
   前記可動連結部材を動作させて、前記入力アームおよび揺動アームの相対角度を調整する調整部材と、
   を備えている、内燃機関の動弁装置。

Images