JP6774284B2 - 内燃機関の動弁装置と内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関におけるバルブの開閉を油圧で制御する油圧駆動式の動弁装置とこの動弁装置を備えた内燃機関に関する。

従来、船舶などで使用される比較的遅い回転速度で運転する内燃機関の吸排気弁を開閉する動弁装置として、油圧式の動弁装置が用いられている。油圧式の動弁装置は、機械式の動弁装置と比較して運転時の騒音が低く、動作による油の飛散が少なく船内環境をクリーンに維持することができる利点がある。
例えば、図１８に示す従来の油圧駆動動弁装置１００では、カム１０１で押動される駆動油圧ピストン１０２を摺動可能に収納した駆動シリンダ１０３と吸排気弁１０４を開閉させる受動油圧ピストン１０５を収納した受動シリンダ１０６とが油圧回路１０７によって接続されている。油圧回路１０７の上流側には新たな作動油を機関本体から供給する逆止弁１０８が設置されている。

このような４サイクル型の内燃機関においては燃焼室内のガス交換を行う吸気弁及び排気弁を有している。この弁駆動装置は通常はカムの動作に連動しており、吸排気弁の動作タイミングは常に一定となる。一方、機関の負荷毎に対する最適な吸排気弁動作タイミングは異なるため、従来の動弁装置では低負荷側もしくは高負荷側のどちらか一方の吸排弁動作タイミングに合わせてバルブタイミングを決定すると、もう一方は機関性能を犠牲にせざるを得ない。
機械式の動弁装置では、カムギヤとカム軸の位相をずらすことでリフトタイミングの調整を行う機構が多く見られるが、燃料噴射ポンプの駆動を吸排気弁駆動用と共通のカム軸で行う場合には同時に燃料噴射タイミングが変わるため採用が難しい。

従来の可変バルブタイミングを備えた油圧駆動式動弁装置の一例として特許文献１〜３に記載されたものが提案されている。
特許文献１に記載された内燃機関の動弁装置は、第一油圧室の容積を変動させる第一油圧ピストンと、第二油圧室の容積を変動させる第二油圧ピストンとを備え、第一油圧室と第二油圧室を連通する流体通路内の潤滑油を選択的に外部に放出する可変バルブタイミング（ＶＶＴ)制御弁を備えている。ＶＶＴ制御弁はＥＣＵと電気的に接続されていて、例えば吸気弁を閉じる際に電気的にアクチュエータを作動させることで作動油を外部に放出するとしている。

また、特許文献２に記載された内燃機関の動弁装置は、それぞれピストンを往復動させる第一シリンダと第二シリンダを接続する油圧経路を有していて、第二シリンダ内を摺動するプランジャ内に連通孔を形成している。連通孔に接続された第二シリンダ側面の溝部に作動油を排出する作動油排出経路が接続され、作動油排出経路に電子制御による排出量調整弁が設けられて開度を調整している。
プランジャが作動油を加圧する際に連通路を介して作動油の一部が排出されるので作動油の圧力上昇が遅くなり、排気弁の開タイミングを遅らせる。プランジャが作動油を減圧する際には、加圧途中で作動油の一部が排出されており作動油圧が低下しているため排気弁の閉タイミングを早めることができる。

また、特許文献３に記載された内燃機関の可変動弁装置では、カム側プランジャが主油圧室の作動油を加圧することで吸排気弁を開弁する。吸排気弁のリフトの途中でソレノイドの働きでパイロット弁体をリフトさせて背圧室の圧力を解放すると、主弁体がリフトして作動油の油圧がアキュムレータに開放され吸排気弁はリフト途中で着座動作に転じる。各サイクル毎にソレノイドの通電停止時期を可変制御することにより、リフト量及びリフトタイミングを可変制御することができる。また、背圧室の作動油を副シリンダの圧力吸収室に導入させることで主弁体をリフトさせ、吸排気弁の開弁時期を遅らせることができる。

特開２０１４−２９１３８号公報 特開２０１５−１３２１９２号公報 特開平０７−１８９６３４号公報

ところで、図１８に示すような吸排気弁を油圧で駆動する油圧駆動動弁装置においても、バルブタイミングを可変とする機構を備えた動弁装置として特許文献１〜３に示すものが提案されているが、バルブタイミング制御はクランク角度位置の検出と連動した電磁弁（電動アクチュエータ）等の電気的手段の操作による常時制御が主流であり、これらの制御装置ではコストが高くなり安価に動弁装置を提供できないという欠点があった。

本発明は、このような実情に鑑みて、サイクル毎の常時制御を伴うことなくバルブ開閉タイミングを可変とした製造コストの低廉な内燃機関の動弁装置と内燃機関を提供することを目的とする。

本発明による内燃機関の動弁装置は、カムによって加圧される作動油の油圧でバルブを開閉する内燃機関の動弁装置であって、駆動するカムによって往復動する駆動ピストンと、駆動ピストンを往復動させて作動油の容積を変化させる駆動シリンダと、往復動することでバルブを開閉する受動ピストンと、受動ピストンを往復動させて作動油の容積を変化させる受動シリンダと、駆動シリンダ及び受動シリンダを接続していて内部に充填された作動油の油圧を受動ピストンに伝達する油圧伝達路と、油圧伝達路に接続されていて開閉動作によって作動油を排出する動作を行うバルブユニットと、バルブユニットに一端が接続され他端が受動シリンダの内壁に開口されていて受動ピストンの往復動により開閉が切り換えられるバイパス流路と、バルブユニットを通して油圧伝達路の作動油を排出させる排出流路とを備え、前記バルブユニットは、前記バイパス流路を通した作動油の排出による油圧の変化を受けて開弁可能で開弁時に作動油を前記排出流路に排出する開閉弁と、前記開閉弁に設けたパイロットポートを介して前記油圧伝達路の作動油が導入され、この導入された作動油の圧力によって前記開閉弁で前記排出流路を閉弁させるパイロット室とを有し、前記パイロット室に前記バイパス流路が接続されており、バルブユニット内の油圧低下に応じて排出流路から作動油を排出することで油圧伝達路内の油圧を変動させて、バルブの開弁または閉弁のタイミングを変更するようにしたことを特徴とする。
本発明による動弁装置では、内燃機関の運転において、バルブユニット内の作動油が内燃機関の運転行程に応じてバイパス流路を介して受動シリンダの内壁まで流れ、受動ピストンの往復動の際にバイパス流路が開放されて作動油が排出されることでバルブユニット内の油圧が低下すると排出流路から油圧伝達路内の作動油が排出される。これによって油圧伝達路内の油圧が変動するため、受動ピストンを作動させてバルブの開弁または閉弁のタイミングを変更できる。そのため、内燃機関の運転中に回転速度や負荷等の要因に応じてバルブを開閉するタイミングを変動することができる。

また、本発明による内燃機関の動弁装置は、カムによって加圧される作動油の油圧でバルブを開閉する内燃機関の動弁装置であって、往復動することでバルブを開閉する受動ピストンと、受動ピストンを往復動させて作動油の容積を変化させる受動シリンダと、受動シリンダに接続されていて作動油の油圧を受動ピストンに伝達する油圧伝達路と、油圧伝達路に接続されていて開閉動作によって作動油を内燃機関の運転行程に応じて排出する動作を行うバルブユニットと、バルブユニットに一端が接続され他端が受動シリンダの内壁に開口されていて受動ピストンの往復動により開閉が切り換えられるバイパス流路と、バルブユニットを通して油圧伝達路の作動油を排出させる排出流路とを備え、前記バルブユニットは、前記バイパス流路を通した作動油の排出による油圧の変化を受けて開弁可能で開弁時に作動油を前記排出流路に排出する開閉弁と、前記開閉弁に設けたパイロットポートを介して前記油圧伝達路の作動油が導入され、この導入された作動油の圧力によって前記開閉弁で前記排出流路を閉弁させるパイロット室とを有し、前記パイロット室に前記バイパス流路が接続されており、バルブユニット内の油圧低下に応じて排出流路から作動油を排出することで油圧伝達路内の油圧を変動させて、バルブの開弁または閉弁のタイミングを変更するようにしたことを特徴とする。

本発明による内燃機関の動弁装置は、カムによって加圧される作動油の油圧でバルブを開閉する内燃機関の動弁装置であって、駆動するカムによって往復動する駆動ピストンと、駆動ピストンを往復動させて作動油の容積を変化させる駆動シリンダと、往復動することでバルブを開閉する受動ピストンと、受動ピストンを往復動させて作動油の容積を変化させる受動シリンダと、駆動シリンダ及び受動シリンダを接続していて内部に充填された作動油の油圧を受動ピストンに伝達する油圧伝達路と、油圧伝達路に接続されていて開閉動作によって作動油を排出するバルブユニットと、バルブユニットに一端が接続され他端が駆動シリンダの内壁に開口されていて駆動ピストンの往復動により開閉が切り換えられるバイパス流路と、バルブユニットを通して油圧伝達路の作動油を排出させる排出流路とを備え、前記バルブユニットは、前記バイパス流路を通した作動油の排出による油圧の変化を受けて開弁可能で開弁時に作動油を前記排出流路に排出する開閉弁と、前記開閉弁に設けたパイロットポートを介して前記油圧伝達路の作動油が導入され、この導入された作動油の圧力によって前記開閉弁で前記排出流路を閉弁させるパイロット室とを有し、前記パイロット室に前記バイパス流路が接続されており、バルブユニット内の油圧低下に応じて排出流路から作動油を排出することで油圧伝達路内の油圧を変動させて、バルブの開弁または閉弁のタイミングを変更するようにしたことを特徴とする。
本発明による動弁装置では、内燃機関の運転において、バルブユニット内の作動油がバイパス流路を介して駆動シリンダの内壁まで流れ、駆動ピストンの往復動の際にバイパス流路が開放されて作動油が排出されることでバルブユニット内の油圧が低下すると排出流路から油圧伝達路内の作動油が排出される。これによって油圧伝達路内の油圧が変動するため、受動ピストンを作動させてバルブの開弁または閉弁のタイミングを変更できる。そ
のため、内燃機関の運転中に回転速度や負荷等の要因に応じてバルブを開閉するタイミングを変動することができる。

しかも、本発明では、受動ピストンの往復動によってバイパス流路が開弁するとバルブユニットのパイロット室の油圧が低下するため開閉弁が開弁し、排出流路を通して油圧伝達路の油圧を排出することで油圧伝達路の油圧が変動し、受動ピストンを移動させてバルブの閉弁のタイミングを変更することができる。

また、受動ピストンの外周面に作動油排出部が設けられ、受動ピストンがリフトしてバルブが開状態とされたときにバイパス流路と作動油排出部が連通するようにしてもよい。
受動ピストンがリフトしてバルブが開状態になると、受動ピストンの作動油排出部がバイパス流路の開口と連通するため、バイパスユニット内の作動油が作動油排出部に排出されてバルブの閉弁のタイミングを変更する。例えば、バルブの開弁タイミングやリフト量に大きな変化を与えない一方で、バルブの閉弁タイミングをより大きい割合で変化させることができる。
或いは、前記駆動ピストンがリフト移動して前記バルブが開状態とされたときに前記バイパス流路の他端の開口が開放させられるようにしてもよい。

また、バイパス流路には作動油を貯留するアキュムレータが設けられていることが好ましい。
バイパス流路の作動油が排出される際、アキュムレータに貯留された作動油がバイパス流路に排出されるためにバイパスユニットの圧力低下を遅延させ、更に油圧伝達路の油圧変動と受動ピストンの閉弁動作開始を遅延させることができる。このアキュムレータの作動圧力、容量等を設定することで、バイパス流路から作動油の排出が開始してから開閉弁が開弁するまでのタイミングを設定できる。

また、バイパス流路には開閉を切り替える切替弁が設けられていてもよい。
電磁弁等からなる切替弁を閉弁することで可変バルブタイミングシステムをＯＦＦにし、開弁することでＯＮにすることができる。これにより内燃機関の運転中に回転速度や負荷等の要因に応じて可変バルブタイミングシステムのＯＮ、ＯＦＦを制御して、バルブを開閉するタイミングを変動することができる。また、電磁弁のサイクル毎の常時制御を必要としない。

また、排出流路には排出された作動油を貯留する回生アキュムレータが接続されており、回生アキュムレータには貯留された作動油を油圧伝達路に循環させる循環流路が接続されていてもよい。
排出流路を通して排出される作動油を回生アキュムレータに貯留させ、排出流路の閉弁後に回生アキュムレータの作動油を油圧伝達路に戻すことができる。

また、バルブユニットのパイロット室には、開閉弁を開弁させる圧力を設定するプリロードアジャスタが設置されていてもよい。
プリロードアジャスタによって開閉弁を開弁させる圧力を設定することで、開閉弁の閉弁タイミングを設定できる。

本発明は上述したいずれかに記載された動弁装置を備えた内燃機関である。
動弁装置によって燃焼室の吸排気弁であるバルブを開閉するタイミングを可変調整することができ、しかも可変バルブタイミングシステムを備えた動弁装置を低廉に製造できる。

本発明に係る内燃機関の動弁装置及びこの動弁装置を備えた内燃機関によれば、内燃機関の運転中に、吸気行程または排気行程中の適切なタイミングで排出流路を開いて作動油の一部を排出することで油圧伝達路の圧力を変動させて、吸気バルブや排気バルブ等のバルブの開閉タイミングを可変にすることができる。
しかも、この排出流路の開閉は、バルブの開閉を行う受動ピストンの往復の動作によりシリンダ内壁に設けられたバイパス流路の開口を開閉することによりバルブユニットを介して行うことができる。そのため、サイクル毎の常時制御を必要としないでバルブの開閉タイミングを変更できるので低廉に動弁装置を製造できる。

本発明の第一実施形態による内燃機関の動弁装置の要部構成を示す図である。 図１に示す動弁装置の可変バルブタイミングシステムの要部拡大図である。 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は実施形態による動弁装置のバルブタイミング可変動作原理を示す図である。 （ｅ）、（ｆ）、（ｇ）、（ｈ）はバルブタイミング可変動作原理を示す図である。 （ｉ）はバルブタイミング可変動作原理を示す図である。 第二実施形態による内燃機関の動弁装置の要部構成を示す図である。 第三実施形態による内燃機関の動弁装置の要部構成を示す図である。 第四実施形態による内燃機関の動弁装置の要部構成を示す図である。 第五実施形態による内燃機関の動弁装置の要部構成を示す図である。 第六実施形態による内燃機関の動弁装置の要部構成を示す図である。 第七実施形態による内燃機関の動弁装置の要部構成を示す図である。 実施形態と機械的リフトの動弁装置におけるバルブユニットのばね荷重を３６．６Ｎに設定した場合のグラフであって、（ａ）はバルブリフトとクランク角の関係を示す図、（ｂ）は油圧流路内の油圧を示す図である。 同じく、ばね荷重を１５２．４Ｎに設定した場合のグラフであって、（ａ）はバルブリフトとクランク角の関係を示す図、（ｂ）は油圧流路内の油圧を示す図である。 同じく、ばね荷重を２３１．３Ｎに設定した場合のグラフであって、（ａ）はバルブリフトとクランク角の関係を示す図、（ｂ）は油圧流路内の油圧を示す図である。 同じく、ばね荷重を３３５．３Ｎに設定した場合のグラフであって、（ａ）はバルブリフトとクランク角の関係を示す図、（ｂ）は油圧流路内の油圧を示す図である。 同じく、ばね荷重を３６５．８Ｎに設定した場合のグラフであって、（ａ）はバルブリフトとクランク角の関係を示す図、（ｂ）は油圧流路内の油圧を示す図である。 同じく、パイロットアキュムレータのない場合のグラフであって、（ａ）はバルブリフトとクランク角の関係を示す図、（ｂ）は油圧流路内の油圧を示す図である。 従来の動弁装置の要部構成を示す図である。

以下、本発明の各実施形態による内燃機関の動弁装置を図１〜図１７を参照して説明する。
図１及び図２は本発明の第一実施形態による内燃機関の動弁装置１を示すものである。図１に示す動弁装置１は例えば船舶用ディーゼルエンジンの油圧駆動動弁装置である。この動弁装置１はバルブ閉じ時期を可変にする油圧駆動動弁装置用可変バルブタイミングシステムを備えている。動弁装置１は、吸気カムまたは排気カム(以下、単にカム２という）の回転を伝達する駆動油圧ピストン手段３とバルブとしての吸気弁または排気弁(以下、簡便のために吸気弁４という)を開閉作動する受動油圧ピストン手段５とが、作動油が充填された油圧伝達路としての油圧流路６によって連結されている。

駆動油圧ピストン手段３はローラガイドケース８内に駆動シリンダ９が形成され、駆動シリンダ９内には駆動ピストン１０が摺動して往復動するように嵌合されている。駆動ピストン１０のロッドの下端部にはローラガイド１２が固定され、このローラガイド１２にはカム２が当接していてリフト時即ちカム部が当接した時に駆動ピストン１０を押し上げ可能とされている。駆動シリンダ９は駆動ピストン１０の昇降によって作動油が充填された内部空間９ａの容積を増減できる。
駆動シリンダ９は油圧流路６に接続されており、油圧流路６中の駆動シリンダ９との接続部近傍には作動油供給管１４が接続されている。この作動油供給管１４には逆止弁１５が設置され、作動油供給管１４と逆止弁１５により作動油供給部が構成される。油圧流路６の油圧が低下した場合には逆止弁１５を開弁して図示しない機関本体から作動油を供給することになる。

また、受動油圧ピストン手段５は動弁ケース１７内に作動油が充填された受動シリンダ１８が形成され、受動シリンダ１８内には受動ピストン２０が摺動して往復動するように嵌合されている。受動シリンダ１８には油圧流路６が接続されている。受動ピストン２０の下端部には吸気弁棒（または排気弁棒）２１を介して吸気弁４（または排気弁）が連結されている。カム２のリフト時には駆動ピストン１０が上昇し、受動ピストン２０が降下して吸気弁４を開弁する。カム２のリフト終了時には駆動ピストン１０が下降し、受動ピストン２０が上昇して吸気弁４を閉弁する。吸気弁４には受動ピストン２０を上方の閉弁方向に付勢する弁ばね２３が圧縮状態で装着されている。受動シリンダ１８は受動ピストン２０の昇降によって作動油が充填された内部空間１８ａの容積を増減できる。

次に受動油圧ピストン手段５に設置された可変バルブタイミングシステム２５について説明する。受動シリンダ１８の内部空間１８ａにはバルブユニット２６が接続されている。図２に示すように、バルブユニット２６に形成されたパイロット室２７は開閉弁としての主弁体２８とアジャストプレート２９によって両端が封止されて設置されている。
主弁体２８は小径の貫通孔をなすパイロットポート２８ａを通して油圧流路６とパイロット室２７(背圧室)とを連通しており、油圧流路６内の作動油がパイロット室２７内に流入可能とされている。主弁体２８とアジャストプレート２９との間には主弁ばね３０が圧縮状態で装着されていて、主弁体２８に後述する閉弁方向の負荷を与えている。アジャストプレート２９はその外側に取り付けたプリロードアジャスタ３１によって主弁ばね３０の圧縮荷重（プリロード）の大きさを調整可能とされている。

即ち、プリロードアジャスタ３１による主弁ばね３０の圧縮荷重を大きく設定すると主弁体２８の閉弁荷重が上昇し、主弁体２８が開弁してから閉弁するまでの時間が短縮されて吸気弁４の閉弁進角量は小さくなる。他方、プリロードアジャスタ３１による主弁ばね３０の圧縮荷重を小さく設定すると主弁体２８の閉弁荷重が低下し、主弁体２８が開弁してから閉弁するまでの時間が長くなって吸気弁４の閉弁進角量は大きくなる。
また、拡張機能として機関本体の負荷、回転数や給気圧等の信号に応じてプリロードアジャスタ３１をサーボモータやリニアアクチュエータ等のアクチュエータで制御することで、シームレスにバルブタイミングを可変にすることができる。

パイロット室２７には閉弁状態の主弁体２８で閉塞される排出流路３２が接続されており、排出流路３２の他端は動弁ケース１７の外部（のドレン配管）に開口されている。主弁体２８は常態において、主弁ばね３０とパイロット室２７内の油圧による閉弁方向の付勢力が油圧流路６内の油圧による開弁方向の付勢力より大きく、油圧流路６とパイロット室２７との間を閉鎖する閉弁状態に保持されている。パイロット室２７内の油圧が低下して油圧流路６内の油圧が相対的に高くなった場合には、主弁体２８が主弁ばね３０の付勢力とパイロット室２７内の油圧に抗してアジャストプレート２９側に移動して開弁可能とされている。主弁体２８の開弁によって油圧流路６内の作動油がバルブユニット２６を通して排出流路３２に排出される。

また、パイロット室２７に一端が接続され他端が受動シリンダ１８の内壁に開口して接続されたバイパス流路３３が形成されている。バイパス流路３３において、バルブユニット２６の下流側にパイロットアキュムレータ３４が接続されている。パイロットアキュムレータ３４は蓄圧室３７に設置したアキュムレータピストン３８がアキュムレータばね３９によって付勢されている。
そして、パイロット室２７内の油圧がアキュムレータばね３９の付勢力より高い場合にはアキュムレータピストン３８がアキュムレータばね３９を圧縮することで作動油を蓄圧室３７内に貯留する。パイロット室２７内の油圧がアキュムレータばね３９の付勢力より低下した場合には、蓄圧室３７に蓄圧した作動油を放出することでバイパス流路３３及びパイロット室２７内の油圧の低下を抑制し遅延させる。パイロットアキュムレータ３４を設置することで後述するように吸気弁４のフルリフト量の低下を抑制することができる。

また、バイパス流路３３にはパイロットアキュムレータ３４の下流側にパイロット切替弁４１が設置されている。パイロット切替弁４１は例えば電磁弁等からなるものであり、動弁装置１において、可変バルブタイミングシステム２５の使用時にはバイパス流路３３を開弁し、不使用時にはバイパス流路３３を閉弁するように切り換える。
パイロット切替弁４１の下流側には受動シリンダ１８の内壁の開口付近にオリフィス４２が設置されている。オリフィス４２は動弁ケース１７の受動シリンダ１８の壁面に連通している。また、受動シリンダ１８と受動ピストン２０により形成される排出溝部４３ａはバイパス流路３３のオリフィス４２から排出される作動油を受け入れる構造を有しており、排出溝部４３ａの下方にも排出された作動油を貯留する貯留溝部４３ｂが形成されている。排出溝部４３ａと貯留溝部４３ｂは内部の貫通孔を介して連通しており、オリフィス４２から吐出された作動油は排出溝部４３ａを通って貯留溝部４３ｂに降下する。

そのため、吸気弁４の非リフト時にはオリフィス４２の出口が受動ピストン２０の外周面によって閉塞され、吸気弁４のリフト時には受動ピストン２０の排出溝部４３ａに連通してパイロット室２７内の作動油を排出可能となる。
なお、動弁ケース１７に形成された排出流路３２の下方には径方向に延びていて受動シリンダ１８と外部のドレン配管に連通する排出補助口４４が形成されている。排出流路３２や排出溝部４３ａに排出された作動油が排出補助口４４を経由してドレン配管によって、機関本体で回収される。
また、パイロットアキュムレータ３４が蓄圧室３７から蓄圧した作動油を放出する作動圧力はオリフィス４２の出口が受動ピストン２０の排出溝部４３ａと連通した際の油圧流路６の油圧において、主弁体２８が開弁し始めるパイロット室２７内の油圧以上の大きさとすることが望ましい。また、パイロットアキュムレータ３４の作動圧力を吸気弁４のバルブクラッキング圧以上に設定することで、吸気弁４のリフト開始時期の遅延を防ぐことが可能となる。

ここで、オリフィス４２と受動ピストン２０の排出溝部４３ａの位置関係について説明する。
吸気弁４のフルリフト位置に近い所でリフト(降下)した受動ピストン２０の排出溝部４３ａとオリフィス４２とが連通するように設置すると、主弁体２８の開弁が吸気弁４のフルリフト位置に近い所で生じるため、吸気弁４の最大リフト量の低下を最低限に抑えることができる。しかし、一方で、吸気弁４のフルリフト位置近傍で排出溝部４３ａがオリフィス４２に連通するように設定した場合、主弁体２８が開弁して受動ピストン２０のリフト量が減少した際に、すぐにオリフィス４２が排出溝部４３ａからずれて受動ピストン２０により閉塞される。すると、主弁体２８が閉弁することから吸気弁４の閉弁の進角量は減少する。

これを回避する方法として主弁体２８のパイロットポート２８ａの内径を縮小することが考えられるが、パイロットポート２８ａの内径を縮小すると主弁体２８の入口側油圧である油圧流路６内の油圧に対するパイロット室２７内の油圧の追従性が悪化する。そのため、油圧流路６内の脈動などの外乱により意図せぬタイミングで主弁体２８が開弁する懸念がある。

これに対してバルブユニット２６の下流側にパイロットアキュムレータ３４を設置すると、オリフィス４２が受動ピストン２０の排出溝部４３ａに連通してから主弁体２８が開弁するまでの間、パイロットアキュムレータ３４内の作動油を放出する時間だけ主弁体２８の開弁タイミングが遅角するから、オリフィス４２が受動ピストン２０の排出溝部４３ａに連通する位置を吸気弁４のフルリフト位置より低い位置に設定可能となる。
これによって、吸気弁４の最大到達リフト量を稼ぐことが可能となり、同時にオリフィス４２が受動ピストン２０の排出溝部４３ａに連通する位置の低下に伴い、オリフィス４２が再び受動ピストン２０により閉塞されるときの吸気弁４のリフト量を低くすることが可能であるため、吸気弁４の閉弁タイミングの進角量を大きく設定することができる。

本実施形態による動弁装置１は上述した構成を備えており、次に図３乃至図５に基づいて可変バルブタイミングシステム２５の動作を説明する。
動弁装置１において可変バルブタイミングシステム２５を適用しない場合、パイロット切替弁４１を閉弁しておく。この場合、油圧流路６からバイパス流路３３を通したオリフィス４２からの作動油の排出は起こらない。そのため、バルブユニット２６の主弁体２８は開弁せず、油圧流路６内の作動油が吸気弁４のリフト中にバルブユニット２６の排出流路３２から排出されないため、カム２のプロフィールに沿ったバルブタイミングで吸気弁４がリフトする。

次に可変バルブタイミングシステム２５を適用する場合、パイロット切替弁４１を開弁しておく。
図１において、吸気弁４の閉弁状態で、受動ピストン２０はバイパス流路３３の出口開口に設けたオリフィス４２の上側に排出溝部４３ａが位置して静止している。図３（ａ）に示すように、カム２が回転してリフトを開始すると、駆動ピストン１０が押動されて上昇（リフト）を始める。駆動ピストン１０が上昇することによって油圧流路６では駆動シリンダ９側から受動シリンダ１８側に作動油が流れ、油圧流路６及び受動シリンダ１８の内部空間１８ａ内の油圧が上昇する。

そして、作動油の圧力による受動ピストン２０を押す力が弁ばね２３の付勢力（荷重）と吸気弁４を押す力を超えると、受動ピストン２０及び吸気弁４がリフト(下降)を開始し、燃焼室２２内に吸気弁４が開弁し始める。
この時、油圧流路６内の作動油の一部は、バルブユニット２６の主弁体２８のパイロットポート２８ａを介してパイロット室２７内に流入し、パイロット室２７からバイパス流路３３のオリフィス４２までの作動油（以下、識別のため、この作動油をパイロット油と呼称する）の圧力を上昇させる。

次に、図３（ｂ）に示すように、パイロット室２７及びバイパス流路３３内のパイロット油の昇圧に伴い、パイロットアキュムレータ３４ではアキュムレータばね３９の付勢力に抗してアキュムレータピストン３８が押されて蓄圧室３７内にパイロット油が貯留される。この状態で、バイパス流路３３のオリフィス４２の出口は下方にリフトする受動ピストン２０の外周面に当接して封止されており、パイロット油はバイパス流路３３内に保持される。
図３（ｃ）において、油圧流路６内の昇圧によって更に受動ピストン２０のリフトが進むと、オリフィス４２が受動ピストン２０の排出溝部４３ａに連通し始め、バイパス流路３３内のパイロット油がオリフィス４２を通って排出され始める。排出溝部４３ａに排出されたパイロット油は受動ピストン２０の内部の貫通孔を通って下方の貯留溝部４３ｂ内に降下する。

図３（ｄ）において、バイパス流路３３から排出溝部４３ａへのパイロット油の排出が進むと、バルブユニット２６のパイロット室２７及びバイパス流路３３内の油圧が低下する。すると、パイロットアキュムレータ３４に貯留されていたパイロット油がバイパス流路３３内に放出され、パイロット室２７内の油圧の低下を抑えて保持する。
そして、図４（ｅ）に示すようにパイロットアキュムレータ３４からの作動油の放出が終了すると、パイロット室２７内の油圧が低下する。図４（ｆ）に示すように、バルブユニット２６におけるパイロット室２７の油圧低下が進むと、油圧流路６内の油圧による主弁体２８の開弁荷重が主弁ばね３０の付勢力とパイロット室２７内の油圧による主弁体２８の閉弁荷重との和以上となって、主弁体２８が主弁ばね３０方向に開弁する。主弁体２８の開弁に伴って油圧流路６内の作動油が排出流路３２から排出される。

すると、図４（ｇ）に示すように、油圧流路６からの作動油の排出が進んで油圧流路６内の油圧が低下するため、受動ピストン２０が上昇して吸気弁４のバルブリフトが低下し、吸気弁４が早期の閉弁作動（早閉じ）を開始する。受動ピストン２０の上昇によりオリフィス４２が受動ピストン２０の外周面によって閉塞されると、パイロット室２７内の油圧が再び上昇を開始する。
そして、図４（ｈ）に示すように、主弁体２８のパイロットポート２８ａを通して作動油がパイロット室２７内に流入することでパイロット室２７内の油圧上昇が進み、主弁体２８が閉弁する。すると、排出流路３２からの作動油の排出が停止する。図５（ｉ）において、カム２が更に回転して駆動ピストン１０のリフト量が低下することで油圧流路６内の油圧が低下して吸気弁４が閉弁する。このように、バルブリフトの途中工程である図４（ｆ）〜（ｈ）の間で排出流路３２から油圧流路６内の作動油を排出して油圧を低下させ、吸気弁４のリフト量を低減させているため、カム２のリフト期間よりも早く吸気弁４が閉弁する。即ち、カム２のプロフィールにおけるバルブリフト終了位置よりも早めにバルブを閉弁させるため、早閉じが行われる。

上述のように本実施形態による動弁装置１によれば、電磁弁等のパイロット切替弁４１の開閉操作だけで可変バルブタイミングシステム２５のＯＮ、ＯＦＦを切り換えて、油圧によって吸気弁４の閉弁タイミングを変更することができる。そのため、クランク角度やカム角度と同期したリアルタイムな電磁弁等の制御が不要となるため、高価な制御装置を必要としない低廉な可変バルブタイミングシステム２５を得られる。
上記効果により低負荷から高負荷にかけてバルブタイミングを変更可能となり、エミッションと熱効率のトレードオフ改善が期待される。
更に、吸気弁４の早閉じによるミラーサイクルでは有効圧縮比が減じるため、低負荷時は圧縮端温度・圧力が低くなること、吸気弁閉じ位置における燃焼室容積が小さいことによるトラップ空気量の減少により燃料の着火性および燃焼が悪化して排煙濃度が上昇する懸念があった。これに対して本実施形態では、低負荷時に吸気弁４の閉じ開始を下死点近傍に変更することで上述した課題を解消して排煙濃度の改善を期待できる。

また、可変バルブタイミングシステム２５のバイパス流路３３にパイロットアキュムレータ３４を備えたため、パイロットアキュムレータ３４内の作動油を放出する時間だけ主弁体２８の開弁タイミングが遅れてオリフィス４２が排出溝部４３ａに連通する位置を吸気弁４のフルリフト位置より低い位置に設定できる。これによって最大到達リフト量を稼ぐと共にオリフィス４２が排出溝部４３ａに連通する位置の低下に伴いオリフィス４２が再び受動ピストン２０によって閉塞されるときの吸気弁４のリフト量を低くすることができるため、閉弁タイミングの進角量を大きく設定することができる。
また、バルブユニット２６にプリロードアジャスタ３１を設けて主弁ばね３０のプリロード値を調整することで主弁体２８の開閉タイミングを変化させて、吸気弁４のバルブリフトタイミングを短くまたは長く調整することができる。

なお、本発明は上述の第一実施形態による動弁装置１に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜の変更や置換等が可能であり、これらはいずれも本発明に含まれる。次に本発明の他の実施形態や変形例について説明するが、上述した実施形態と同一または同様な部分、部材には同一の符号を用いて説明する。

次に本発明の第二実施形態による動弁装置１Ａを図６により説明する。
図６に示す動弁装置１Ａの可変バルブタイミングシステム２５では、パイロット切替弁４１をバルブユニット２６の上流側でバイパス流路３３に設置した。本実施形態によれば、パイロット切替弁４１の開閉切り替えによって、油圧流路６からバルブユニット２６への作動油の流入を制御することができる。しかも、本実施形態では、上述した第一実施形態による動弁装置１と同様の動作を得られる。

図７は本発明の第三実施形態による動弁装置１Ｂを示すものである。
本実施形態による動弁装置１Ｂは、バイパス流路３３の出口にオリフィス４２を設置しないで省略した。これにより、受動ピストン２０のリフト時にバイパス流路３３からパイロット油が比較的短時間で排出溝部４３ａに排出され、パイロットアキュムレータ３４からのパイロット油の放出も比較的短時間で行われるため、吸気弁４の早閉じが比較的早期に行われる。
本実施形態による動弁装置１Ｂでは、バルブタイミング可変時の最大リフト量の減少を容認可能な場合や、パイロットアキュムレータ３４の容量を大きく設定可能な場合など、排出流路３２の出口からパイロット油の排出速度を減ずる必要が無い場合に有効な構造である。

図８は本発明の第四実施形態による動弁装置１Ｃを示すものである。
本実施形態による動弁装置１Ｃは、バイパス流路３３にオリフィス４２に加えてパイロットアキュムレータ３４を設置しないで省略した。
本実施形態による動弁装置１Ｃでは、バイパス流路３３の出口がリフト（降下）する受動ピストン２０の排出溝部４３ａに連通した場合に、バルブユニット２６のパイロット室２７からパイロット油が排出されて油圧が低下する際にパイロットアキュムレータ３４によるパイロット室２７の油圧低下遅延を生じさせることなく主弁体２８を開弁させて排出流路３２から油圧流路６内の作動油を排出する。本実施形態では、最大リフト量の減少を容認可能な場合に有効な最も簡素な構造である。

図９は本発明の第五実施形態による動弁装置１Ｄを示すものである。
本実施形態による動弁装置１Ｄは、例えば第一実施形態に示す可変バルブタイミングシステム２５において、排出流路３２の下流側端部に回生アキュムレータ４５を設置した。この回生アキュムレータ４５は、蓄圧室４６にアキュムレータピストン４７が設置され、アキュムレータピストン４７をアキュムレータばね４８の付勢する構成を備えている。また、排出流路３２は回生アキュムレータ４５の近傍で分岐されて油圧流路６に接続された循環流路４９が設置され、循環流路４９には逆止弁５０が設置されている。
回生アキュムレータ４５の作動圧力は機関本体の供給油圧以上の油圧に設定し、且つアキュムレータばね４８の取付荷重に対するバルブクラッキング油圧以下で動作するように設定することが好ましい。このような構成を採用することで、吸気弁４のバルブリフトの着座を阻害することなくスムーズに油圧流路６内に作動油を循環させることが出来る。なお、吸気弁４がリフト動作を行う際には、逆止弁５０により油圧流路６から回生アキュムレータ４５への作動油流入は遮断される

本実施形態による動弁装置１Ｄによれば、バルブリフト時にバルブユニット２６のパイロット室２７に設けた主弁体２８が開弁した際に排出流路３２を通って排出される作動油を、回生アキュムレータ４５のアキュムレータピストン４７を排出流路３２の油圧によってリフトさせることで蓄圧室４６に一時的に貯留する。そして、主弁体２８が閉弁して油圧流路６の圧力が低下すると、アキュムレータばね４８の付勢力によって蓄圧室４６内の作動油は循環流路４９の逆止弁５０を介して油圧流路６に循環する。

本第五実施形態によれば、排出流路３２を介して排出される作動油をバルブリフト終了時に回生アキュムレータ４５を介して油圧流路６内に循環させることができるため、作動油のドレン量が最小限となり、可変バルブタイミングシステム２５の消費エネルギーを低減することができる。
また、油圧流路６において、作動油の昇圧に使用したエネルギーの一部を回生アキュムレータ４５を介して循環することができるため、可変バルブタイミング動作時の消費エネルギーを低減できる。

図１０は本発明の第六実施形態による動弁装置１Ｅを示すものである。
本実施形態では可変バルブタイミングシステム５２を受動シリンダ１８に代えて駆動シリンダ９を備えたローラガイドケース８に設置した。可変バルブタイミングシステム５２は第一実施形態による可変バルブタイミングシステム２５と同一構成を備えており、同一の機能を有する。そのため、可変バルブタイミングシステム５２の各部材に可変バルブタイミングシステム２５の各部材と同一の符号を用いて説明する。
駆動シリンダ９の内部空間９ａにバルブユニット２６が接続され、そのパイロット室２７と駆動シリンダ９の内壁との間にバイパス流路３３が設置されている。バイパス流路３３には上流側から下流側に向けてパイロットアキュムレータ３４とパイロット切替弁４１が順次接続され、更に駆動シリンダ９の開口付近にオリフィス４２が設置されている。

また、パイロット室２７には閉弁状態の主弁体２８で閉塞される排出流路３２が接続されている。排出流路３２の他端は、駆動シリンダ９と外部のドレン配管を連通する排出補助口４４に接続され、排出補助口４４はローラガイドケース８の外部のドレン配管に開口されている。そのため、排出流路３２や駆動ピストン１０の排出溝部４３ａに排出された作動油は排出補助口４４を経由してドレン配管によって機関本体で回収される。

本実施形態による動弁装置１Ｅにおいても、第一実施形態と同様に、電磁弁等のパイロット切替弁４１の開弁操作で可変バルブタイミングシステム５２をＯＮに切り換える。パイロット切替弁４１を開くことで、バルブユニット２６内の作動油が内燃機関の運転行程に応じてバイパス流路３３のオリフィス４２を介して駆動シリンダ９の内壁へ流れる。駆動ピストン１０の往復動の際にバイパス流路３３の出口が開放されて作動油が排出溝部４３ａに排出される。バイパス流路３３の油圧はパイロットアキュムレータ３４からのパイロット油の放出による圧力低下の遅延を介してバルブユニット２６内の油圧が低下すると、排出流路３２から油圧流路６内の作動油が排出される。これによって油圧流路６内の油圧が低下するため、受動ピストン２０を作動させて吸気弁４の閉弁のタイミングを変更できる。

そのため、内燃機関の運転中に回転速度や負荷等の要因に応じてパイロット切替弁４１の開閉を操作することでバルブタイミングを変更することができる。
なお、本実施形態では、バイパス流路３３の出口の開閉操作は駆動ピストン１０によって行われるため、駆動ピストン１０がカム２で押し上げられている間は吸気弁４のバルブリフトが低下してもバルブユニット２６の主弁体２８は閉弁することを抑えられる。

図１１は本発明の第七実施形態による動弁装置１Ｆを示すものである。
本実施形態による動弁装置１Ｆは、第六実施形態と同様に可変バルブタイミングシステム５２を駆動シリンダ９に設置したものであり、排出流路３２の排出口をローラガイドケース８内に接続したものである。本実施形態によれば、油圧流路６内の作動油を排出流路３２を通してローラガイドケース８内に排出し、カムケースからシリンダブロックで回収するようにしたものである。
本実施形態においても第六実施形態による動弁装置１と同様の動作を得られる。

次に上述した実施形態による動弁装置１〜１Ｆにおいて、油圧流路６内の油圧変化に応じたクランクアングルと吸気弁４(排気弁)のバルブリフト量との関係について求めた計算結果について図１２〜図１７により説明する。各図において、比較例として機械式の動弁装置によるクランクアングルと吸気弁のバルブリフト量との関係を演算し、メカニカルリフト（Mechanical Lift）として示した。各実施例において、図１２〜図１６は第一実施形態による動弁装置１を用いたものであり、パイロット切替弁４１をＯＮとし、パイロットアキュムレータ３４を設置した。そして、バルブユニット２６のプリロードアジャスタ３１の位置調整による主弁ばね３０のプリロード値を順次変化させた。

図１２に示す実施例１はプリロード値を３６．６Ｎとした場合である。実施例１は、吸気弁４のバルブリフトのピークで主弁体２８を開弁して作動油を排出流路３２から排出することで、油圧流路６内の油圧の変化に対応してバルブリフト量が低下し、主弁体２８の閉弁時まで比較例（メカニカルリフト）に対してバルブリフト量が低下した。主弁体２８の閉弁時以降はほぼ同一の軌跡でリフト量が変化した。ピーク時における実施例とメカニカルリフトとのバルブリフト量の差により吸気弁４の早閉じを確認できた。実施例１において主弁体２８の開弁時を符号Ａ、閉弁時を符号Ｂで示す。

同様に、図１３では実施例２のプリロード値を１５２．４Ｎ、実施例３ではプリロード値を２３１．３Ｎ、実施例４ではプリロード値を３３５．３Ｎ、実施例５ではプリロード値を３６５．８Ｎとした。主弁ばね３０のプリロード値が大きくなるに従って、油圧流路６の油圧変化が小さくなり、バルブリフト量はメカニカルリフトに近づいていった。そのため、リフト量の早閉じの効果が小さくなった。
また、図１７は、第一実施形態からパイロットアキュムレータを省略した実施例６であり、動弁装置１Ｃにおいてパイロットアキュムレータを固定して計算した。この実施例６では、パイロットアキュムレータ３４を固定したため、吸気弁４のリフト量はフルリフト位置近傍まで遅延できず、フルリフト位置に到達する前の段階で閉じ始めた。
そのため、パイロットアキュムレータ３４を設置した方が、吸気弁４のリフト低下開始をフルリフト位置近傍まで遅延させることができる。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 動弁装置
２ カム
４ 吸気弁(排気弁)
６ 油圧流路
９ 駆動シリンダ
１０ 駆動ピストン
１８ 受動シリンダ
２０ 受動ピストン
２５ 可変バルブタイミングシステム
２６ バルブユニット
２７ パイロット室
２８ 主弁体
２８ａ パイロットポート
３０ 主弁ばね
３１ プリロードアジャスタ
３２ 排出流路
３３ バイパス流路
３４ パイロットアキュムレータ
３７、４６ 蓄圧室
３８、４７ アキュムレータピストン
３９ アキュムレータばね
４１ パイロット切替弁
４２ オリフィス
４３ａ 排出溝部
４５ 回生アキュムレータ
４９ 循環流路

Claims (10)

1. カムによって加圧される作動油の油圧でバルブを開閉する内燃機関の動弁装置であって、
   駆動する前記カムによって往復動する駆動ピストンと、
   前記駆動ピストンを往復動させて作動油の容積を変化させる駆動シリンダと、
   往復動することで前記バルブを開閉する受動ピストンと、
   前記受動ピストンを往復動させて作動油の容積を変化させる受動シリンダと、
   前記駆動シリンダ及び受動シリンダを接続していて内部に充填された作動油の油圧を前記受動ピストンに伝達する油圧伝達路と、
   前記油圧伝達路に接続されていて開閉動作によって作動油を排出するバルブユニットと、
   前記バルブユニットに一端が接続され他端が前記受動シリンダの内壁に開口されていて前記受動ピストンの往復動により開閉が切り換えられるバイパス流路と、
   前記バルブユニットを通して前記油圧伝達路の作動油を排出させる排出流路とを備え、
   前記バルブユニットは、前記バイパス流路を通した作動油の排出による油圧の変化を受けて開弁可能で開弁時に作動油を前記排出流路に排出する開閉弁と、前記開閉弁に設けたパイロットポートを介して前記油圧伝達路の作動油が導入され、この導入された作動油の圧力によって前記開閉弁で前記排出流路を閉弁させるパイロット室とを有し、前記パイロット室に前記バイパス流路が接続されており、
   前記バルブユニット内の油圧低下に応じて前記排出流路から作動油を排出することで前記油圧伝達路内の油圧を変動させて、前記バルブの開弁または閉弁のタイミングを変更するようにしたことを特徴とする内燃機関の動弁装置。
2. カムによって加圧される作動油の油圧でバルブを開閉する内燃機関の動弁装置であって、
   往復動することで前記バルブを開閉する受動ピストンと、
   前記受動ピストンを往復動させて作動油の容積を変化させる受動シリンダと、
   前記受動シリンダに接続されていて作動油の油圧を前記受動ピストンに伝達する油圧伝達路と、
   前記油圧伝達路に接続されていて開閉動作によって作動油を排出するバルブユニットと、
   前記バルブユニットに一端が接続され他端が前記受動シリンダの内壁に開口されていて前記受動ピストンの往復動により開閉が切り換えられるバイパス流路と、
   前記バルブユニットを通して前記油圧伝達路の作動油を排出させる排出流路とを備え、
   前記バルブユニットは、前記バイパス流路を通した作動油の排出による油圧の変化を受けて開弁可能で開弁時に作動油を前記排出流路に排出する開閉弁と、前記開閉弁に設けたパイロットポートを介して前記油圧伝達路の作動油が導入され、この導入された作動油の圧力によって前記開閉弁で前記排出流路を閉弁させるパイロット室とを有し、前記パイロット室に前記バイパス流路が接続されており、
   前記バルブユニット内の油圧低下に応じて前記排出流路から作動油を排出することで前記油圧伝達路内の油圧を変動させて、前記バルブの開弁または閉弁のタイミングを変更するようにしたことを特徴とする内燃機関の動弁装置。
3. カムによって加圧される作動油の油圧でバルブを開閉する内燃機関の動弁装置であって、
   駆動する前記カムによって往復動する駆動ピストンと、
   前記駆動ピストンを往復動させて作動油の容積を変化させる駆動シリンダと、
   往復動することで前記バルブを開閉する受動ピストンと、
   前記受動ピストンを往復動させて作動油の容積を変化させる受動シリンダと、
   前記駆動シリンダ及び受動シリンダを接続していて内部に充填された作動油の油圧を前記受動ピストンに伝達する油圧伝達路と、
   前記油圧伝達路に接続されていて開閉動作によって作動油を排出するバルブユニットと、
   前記バルブユニットに一端が接続され他端が前記駆動シリンダの内壁に開口されていて前記駆動ピストンの往復動により開閉が切り換えられるバイパス流路と、
   前記バルブユニットを通して前記油圧伝達路の作動油を排出させる排出流路とを備え、
   前記バルブユニットは、前記バイパス流路を通した作動油の排出による油圧の変化を受けて開弁可能で開弁時に作動油を前記排出流路に排出する開閉弁と、前記開閉弁に設けたパイロットポートを介して前記油圧伝達路の作動油が導入され、この導入された作動油の圧力によって前記開閉弁で前記排出流路を閉弁させるパイロット室とを有し、前記パイロット室に前記バイパス流路が接続されており、
   前記バルブユニット内の油圧低下に応じて前記排出流路から作動油を排出することで前記油圧伝達路内の油圧を変動させて、前記バルブの開弁または閉弁のタイミングを変更するようにしたことを特徴とする内燃機関の動弁装置。
4. 前記受動ピストンの外周面に作動油排出部が設けられ、前記受動ピストンがリフト移動して前記バルブが開状態とされたときに前記バイパス流路と前記作動油排出部が連通するようにした請求項１または２に記載された内燃機関の動弁装置。
5. 前記駆動ピストンがリフト移動して前記バルブが開状態とされたときに前記バイパス流路の他端の開口が開放させられるようにした請求項３に記載された内燃機関の動弁装置。
6. 前記バイパス流路に作動油を貯留するアキュムレータが設けられている請求項１から５のいずれか１項に記載された内燃機関の動弁装置。
7. 前記バイパス流路には開閉を切り替える切替弁が設けられている請求項１から６のいずれか１に記載された内燃機関の動弁装置。
8. 前記排出流路には排出された作動油を貯留する回生アキュムレータが接続されており、前記回生アキュムレータには貯留された作動油を前記油圧伝達路に循環させる循環流路が接続されている請求項１から７のいずれか１項に記載された内燃機関の動弁装置。
9. 前記バルブユニットのパイロット室には、前記開閉弁を開弁させる圧力を設定するプリロードアジャスタが設置されている請求項１から８のいずれか１項に記載された内燃機関の動弁装置。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載された内燃機関の動弁装置を備えた内燃機関。

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