JPH05202712A - 内燃機関の油圧式弁駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は油圧式の弁駆動装置に関し、低負荷・
高回転時に小リフトとすることにより油圧ポンプの駆動
力を軽減することを目的とする。 【構成】油圧ポンプ20は可変容量型として構成され、斜
板等の容量可変手段を具備し、エンジン回転数に応じた
目標油圧が得られるように斜板の角度が制御回路61によ
って制御される。油圧ポンプ20からの作動油の油圧室1
6,16'への導入制御用の高圧側制御弁32と、油圧室16,1
6'からの作動油の排出制御用の低圧側制御弁42とが設け
られる。吸気弁10,10'をリフトさせるときは高圧側制御
弁32は開弁、低圧側制御弁42は閉弁され、吸気弁10,10'
のリフト量は高圧側制御弁32の開弁時間で制御される。
高圧側制御弁32は吸気弁10,10'のリフト量がエンジンの
低回転時及び高回転でも負荷の小さいときは小さく、高
回転で高負荷時に大きくなるように制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、可変容量ポンプから
の油圧を用いて油圧式弁駆動装置によって吸気弁を駆動
する内燃機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】油圧式の弁駆動装置においてはオイルポ
ンプからの作動油を制御弁を介して油圧室に導き、制御
弁の開弁時間を制御することにより吸気弁又は排気弁の
リフトを制御している。特開昭第６１−２２３２０９号
公報では油圧式の弁駆動装置において機関の低回転時に
吸気弁及び排気弁のリフト（揚程）を他の運転時より小
さくすることによって低回転時に燃焼室に形成されるス
ワールを強めて、この運転時の燃焼状態の改善を図って
いる。

【０００３】上述従来技術では油圧ポンプとしては定容
量の油圧ポンプを使用しており、その出口にリリーフ弁
を設けている。リリーフ弁は作動油の圧力が所定値を超
えると開弁され、オイル量が少なくてすむエンジンの低
回転時は余分な作動油はオイルタンク側に戻されるよう
になっている。そのため、低回転側では油圧ポンプが無
駄な仕事をしている結果となり、燃料消費率が悪化する
ことになる。そこで、定容量型の油圧ポンプの代りに可
変容量ポンプを採用することが考えられる。可変容量ポ
ンプを使用した場合油圧ポンプの出口での圧力は回転数
の増大と共に増大するように設定される。そのため油量
はエンジンの回転数の増大とともに増大するため、リリ
ーフ弁を設けることなく低回転時にも高回転時にも丁度
良い量の作動油の供給が行われる。可変容量ポンプの採
用は低回転時の油圧系の応答性の低下を招くが低回転時
は応答速度が低下しても、吸気弁又は排気弁はこれに充
分追従することができるので問題はない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来技術では機関の高
回転時には負荷の大小に関わらず吸気弁のリフトは低回
転時より大きくされていた。負荷の大きい高回転時はリ
フトを大きくすることで吸気効率を上げることができ
る。しかしながら、エンジン回転速度が大きくても負荷
が小さいときはリフトを大きくとる必要はなく、また、
リフトを大きくとることによって可変容量ポンプの仕事
量（＝圧力×オイル量）が増大し、その駆動に要する動
力が大きくなり、燃料消費率が悪化することになる。そ
して、油圧ポンプとして可変容量ポンプを採用したもの
では高回転側での圧力が高いため油量が多いことによっ
て損失が大きくなる問題点がある。

【０００５】この発明は可変容量ポンプの不必要な駆動
力の消費を低減し、燃料消費率を改善することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明の内燃機関の油
圧式弁駆動装置は、図１に示すように、油圧駆動の吸気
弁Ａと、可変容量ポンプＢと、該可変容量ポンプＢより
吸気弁Ａへの油圧の供給を制御するための油圧供給手段
Ｃと、機関の運転条件に応じた吸気弁のリフトを得るた
め油圧供給手段Ｃへの制御信号を形成する弁リフト制御
手段Ｄとを具備した内燃機関の油圧式弁駆動装置におい
て、弁リフト制御手段Ｄは、機関の回転速度検出する手
段Ｅと、機関の負荷を検出する手段Ｆと、機関の回転速
度が所定値より低い運転時又は機関の回転速度が所定値
より大きくても機関の負荷が所定値より小さい運転時に
バルブＡのリフトを小さく、機関の高回転で高負荷時に
リフトが大きくなるように油圧供給手段Ｃへの制御信号
を形成する弁リフト制御信号形成手段Ｇとより構成され
ることを特徴とする。

【０００７】

【作用】油圧供給手段Ｃは可変容量ポンプＢより吸気弁
Ａへの油圧の供給を制御する。弁リフト制御手段Ｄは、
機関の運転条件に応じた吸気弁Ａのリフトを得るため油
圧供給手段Ｃへの制御信号を形成する。回転速度検出手
段Ｅは機関の回転速度検出し、機関負荷検出手段Ｆは機
関の負荷を検出し、弁リフト制御信号形成手段Ｇは機関
の回転速度が所定値より低い運転時又は機関の回転速度
が所定値より大きくても機関の負荷が所定値より小さい
運転時にバルブＡのリフトを小さく、機関の高回転で高
負荷時にバルブＡのリフトが大きくなるように油圧供給
手段Ｃへの制御信号を形成する。

【０００８】

【実施例】図２はこの発明の油圧式弁駆動装置を備えた
内燃機関の上面概略図である。この内燃機関は４気筒と
して構成され、各気筒８に吸気弁１０，１０′及び排気
弁１１，１１′が設けられた所謂４バルブ内燃機関を構
成している。吸気弁１０，１０′及び排気弁１１，１
１′はこの実施例ではいずれも油圧駆動型として構成さ
れる。この発明では排気弁１１，１１′は必ずしも油圧
駆動である必要はなく、通常のカム駆動のものであって
もよい。

【０００９】図３は油圧式の弁駆動装置の全体概略図で
あり、バルブステムに固定されるスプリングシート１０
ａにバルブスプリング１２の上端が着座され、吸気弁１
０はバルブスプリング１２によって吸気弁１０の弁体部
がバルブシート１３に着座されるように閉弁方向に付勢
される。バルブステムの上端は油圧シリンダ１４に対し
て出没自在とされ、バルブステムの上端と油圧シリンダ
１４との間に油圧室１６が形成される。油圧室１６内の
圧力が増大すると吸気弁１０はバルブスプリング１２の
力に抗して下降される。従って、吸気弁１０のリフト
（揚程）は油圧室１６の圧力に応じて変化される。吸気
弁１０′についても同様にスプリングシート１０ａ′、
バルブスプリング１２′、油圧シリンダ１４′、油圧室
１６′が具備される。

【００１０】油圧ポンプ２０は可変容量型であり、例え
ば斜板型として構成される。従来技術では定容量型の油
圧ポンプが使用され、この場合油圧ポンプからの作動油
の容量はエンジンの回転数にかかわらず一定であった。
そこで低回転側の過剰な作動油に対処するため、油圧ポ
ンプの出口にリリーフ弁が設けられ、低回転時の過剰な
作動油はリリーフ弁よりオイルタンクに戻すようになっ
ていた。そのため、油圧ポンプが無駄な仕事を行う結果
となって動力損失の増大の結果を招いていた。この発明
では可変容量型の油圧ポンプ２０を使用することで回転
数の増大に応じて増大する流量特性を持たせ、油圧ポン
プ２０の無駄な仕事を排除し、効率の増大を狙ったもの
である。このような回転数に応じたポンプ容量の変化を
行わしめるためエンジンの回転数に応じた目標油圧が設
定され、この目標油圧が得られるように油圧ポンプ２０
の斜板（図示しない）の角度を変える制御が行われる。
即ち、図４に示すように目標油圧ＰＴは回転数の増大に
応じて増大する設定となっている。後述の制御回路はそ
のときの回転数に応じた目標油圧が得られるようにフィ
ードバック制御を行う。図３において油圧ポンプ２０は
その吸入口が配管２２を介してオイルタンク２４に接続
される。油圧ポンプ２０の出口は配管２６を介して高圧
側アキュムレータ２８に接続され、この高圧側アキュム
レータ２８は配管３０を介して、２ポート開閉弁として
の高圧側制御弁３２に接続される。高圧側制御弁３２は
配管３４，３６，３８，４０を介して吸気弁１０，１
０′の油圧室１６，１６′に接続される。４２は２ポー
ト開閉弁としての低圧側制御弁であり、配管４４を介し
て高圧側制御弁３２からの配管３４と３６との接続点に
接続されている。また低圧側制御弁４２は配管４６を介
して低圧側アキュムレータ４８に接続され、低圧側アキ
ュムレータ４８は配管５０を介してオイルタンク２４に
接続される。

【００１１】吸気弁１０，１０′を開弁させる場合は高
圧側制御弁３２が開放され、一方低圧側制御弁４２は閉
鎖され、オイルタンク２４からのオイルは油圧ポンプ２
０より配管２６、高圧側アキュムレータ２８、配管３
０、高圧側制御弁３２、配管３４，３６，３８又は４０
を介して油圧室１６、１６′に導入され、吸気弁１０，
１０′はバルブスプリング１２，１２′に抗して下降移
動される。所定のリフトが得られたとき高圧側制御弁３
２は閉鎖され、低圧側制御弁４２は閉鎖状態を維持する
ので吸気弁１０，１０′はそのリフトを確保する。吸気
弁１０，１０′を閉弁させる場合は低圧制御弁４２は開
弁され、一方高圧側制御弁３２は閉鎖状態を維持する。
そのため、油圧室１６、１６′からオイルが配管３８又
は４０、配管３６，４４、低圧側制御弁４２、配管４
６、低圧側アキュムレータ４８、配管５０を介してオイ
ルタンク２４に戻される。

【００１２】高圧側制御弁３２及び低圧側制御弁４２は
共に圧電素子アクチュエータに３２Ａ，４２Ａで駆動さ
れる高速応答型の開閉弁として構成され、吸気弁１０，
１０′の高速のリフト制御を行うことができるものであ
る。排気弁１１，１１′の油圧駆動装置は吸気弁１０，
１０′の駆動用の油圧駆動装置と同様であり、高圧側制
御弁３２、低圧側制御弁４２と同様な高圧側制御弁３２
−１、低圧側制御弁４２−１（図２参照）を備えてお
り、夫々高圧側アキュムレータ２８−１、低圧側アキュ
ムレータ４８−１に接続され、高圧側アキュムレータ２
８−１、低圧側アキュムレータ４８−１は配管５２，５
４を介して油圧ポンプ２０からの配管２６、オイルタン
ク２４への配管５０に接続されている。

【００１３】図２における矢印は各気筒の吸気弁１０，
１０′及び排気弁１１，１１′への開閉作動のための作
動油の流れを説明している。高圧側アキュムレータ２
８，低圧側アキュムレータ４８はエンジン本体の気筒が
並ぶ方向に延びており、一端にエンドプレート５６が位
置する。エンドプレート５６に油圧ポンプ２０からの配
管２６が接続される入口孔５７が形成され、高圧側アキ
ュムレータ２８に接続され、かつエンドプレート５６に
低圧側アキュムレータ４８と接続する出口孔５８が形成
され、この出口孔はオイルタンク２４への配管５０に接
続されている。高圧側アキュムレータ２８からの油圧は
矢印ｆ₁ のようにその気筒の高圧側制御弁３２の開弁時
に吸気弁１０，１０′の油圧室に導入され、開弁が行わ
れ、所定リフトに到達後高圧制御弁３２が閉弁され、そ
の後低圧側制御弁４２の開弁によって作動油は低圧側ア
キュムレータ４８を介して矢印ｆ₂ のようにオイルタン
ク側に抜け、油圧室の圧力が降下し、吸気弁１０，１
０′は閉弁される。排気弁１１，１１′の作動について
も同様であり、エンドプレート５６に油圧ポンプ２０か
らの配管５２が接続される入口孔５７−１が形成され、
高圧側アキュムレータ２８−１に接続され、かつエンド
プレート５６に低圧側アキュムレータ４８−１と接続す
る出口孔５８−１が形成され、この出口孔はオイルタン
ク２４への配管５４に接続されている。高圧側アキュム
レータ２８−１からの油圧は矢印ｆ₃ のようにその気筒
の高圧側制御弁３２−１の開弁時に排気弁１１，１１′
の油圧室に導入され、開弁が行われ、所定リフトに到達
後高圧制御弁３２−１が閉弁され、その後低圧側制御弁
４２−１の開弁によって作動油は低圧側アキュムレータ
４８−１を介して矢印ｆ₄ のようにオイルタンク側に抜
け、油圧室の圧力が降下し、排気弁１１，１１′は閉弁
される。

【００１４】図３において制御回路６１はマイクロコン
ピュータにより構成され、エンジンの負荷及び回転数に
応じて吸気弁のリフト量を算出し、算出された量のリフ
トが得られるように高圧側制御弁３２の圧電型のアクチ
ュエータ３２Ａ及び低圧制御弁４２の圧電型アクチュエ
ータ４２Ａの駆動信号を形成する作動を行う。また、制
御回路６１はエンジン回転数に応じた目標油圧が得られ
るように油圧ポンプ２０の出口側の油圧を制御する。

【００１５】クランク角度センサ６２はクランク軸が所
定角度、例えば３０゜及び７２０゜回転する毎にパルス
信号を発生し、３０゜毎の信号は周知のようにそのパル
ス信号の間隔から機関回転数を知るのに利用することが
できると共に、バルブリフトの制御信号の形成のための
割込ルーチンを開始させるトリガ信号となる。また７２
０゜毎のパルス信号はクランク軸の基準位置を知るため
に使用することができる。更に、油圧センサ６３が油圧
ポンプ２０の出口における配管２６に設けられ、油圧ポ
ンプ２０の出口側の油圧を知ることができる。

【００１６】図５は制御回路６１による目標圧の制御の
ためのルーチンのフローチャートを示す。このルーチン
は一定時間毎に実行されるものとする。ステップ７０で
はエンジン回転数が入力され、ステップ７２では油圧セ
ンサ６３によって計測される油圧ポンプ２０の出口側の
油圧ＰＲが入力される。ステップ７４ではエンジン回転
数に応じた目標油圧ＰＴが算出される。即ち、図４に示
すように回転数と目標油圧ＰＴとのマップが備えられ、
現在の回転数に応じた目標油圧ＰＴが補間演算される。
ステップ７６では計測油圧ＰＲ＞目標油圧ＰＴが成立す
るか否か判別される。ステップ７６で計測油圧ＰＲ＞目
標油圧ＰＴのときは現在の油圧が目標油圧より高いと判
定され、ステップ７８に進み、油圧ポンプ２０の斜板角
度が減少され、油圧が下がる方向に制御される。テップ
７６で計測油圧ＰＲ＞目標油圧ＰＴが成立しないときは
ステップ８０に進み、計測油圧ＰＲ＜目標油圧ＰＴが成
立するか否か判別されるされ。ステップ８０で計測油圧
ＰＲ＜目標油圧ＰＴのときは現在の油圧が目標圧より低
いと判定され、ステップ８２に進み、油圧ポンプ２０の
斜板角度が増加され、油圧が増加する方向に制御され
る。ステップ８０で計測油圧ＰＲ＜目標油圧ＰＴでない
とき（即ち、計測油圧ＰＲ＝目標油圧ＰＴであるとき）
は何もせず現在の斜板角度を維持する。このような制御
によってエンジン回転数に応じて図４に示すような目標
圧力に制御することが可能である。

【００１７】図６は吸気弁１０及び１０′のリフトを制
御するための高圧側制御弁３２及び低圧側制御弁４２の
圧電アクチュエータ３２Ａ，４２Ａの制御ルーチンを概
略的に示している。このルーチンはエンジンの１サイク
ル（７２０゜ＣＡ）における所定のタイミングにおいて
実行開始され、そのようなタイミングは、周知の通り、
クランク角度センサ６２からの３０゜ＣＡ信号の到来毎
にインクリメントされ、７２０゜ＣＡ信号の到来によっ
てクリヤされるカウンタの値によって知ることができ
る。図７の(イ) はエンジンの１サイクル（７２０゜Ｃ
Ａ）で各気筒毎に１回起こる制御弁作動演算のタイミン
グを示しており、このタイミングで高圧側制御弁３２及
び低圧側制御弁４２の作動タイミングの演算が行われ、
(ハ) 、(ニ) にて示すように高圧側制御弁３２の開閉作
動、及び低圧側制御弁４２の開閉作動が行われ、(ロ) で
示すように吸気弁１０，１０′の作動が行われる。ステ
ップ１００はエンジンの回転数の入力を示しており、ク
ランク角度センサ６２からの３０゜ＣＡ信号の間隔より
別ルーチンによって算出されているものとする。ステッ
プ１０２では機関の負荷が入力される。機関の負荷とし
ては例えばエンジン１回転あたりの吸入空気量を採用す
ることができる。ステップ１０４は回転数及び負荷に応
じたバルブリフトの算出を示している。図８はエンジン
回転数と負荷との組み合せに対するバルブリフトの設定
を模式的に示しており、エンジン回転数が所定値ｒ₁ 以
下のときは負荷に関わらずまたエンジンが高回転のとき
は負荷が所定値Ｌ₁ より低いときバルブリフトは低い値
に設定される（領域(a) ）。また、エンジンの負荷が所
定値Ｌ₁ より大きいときはエンジン回転数がｒ₁ 〜ｒ₂
の中回転域にあるときは中間のバルブリフトが設定され
る（領域(b) ）。エンジンの負荷が所定値Ｌ₁ より大き
いときでエンジン回転数が所定値ｒ₂ 以上の高回転域に
あるときは大きいバルブリフトが設定される（領域(c)
）。ステップ１０４では現在のエンジン回転数と、負
荷とから選定すべきバルブリフトの値が大、中、小のい
ずれか否か決定される。

【００１８】ステップ１０６，１０８ではステップ１０
４で決定されたバルブリフトを得るための高圧側制御弁
の作動タイミングＴ１及びＴ２、低圧側制御弁の作動タ
イミングＴ３，Ｔ４が算出される。図７において(ロ) は
バルブのリフトの変化を模式的に示しており、高圧側制
御弁３２を開放することにより線ｍ₁ に沿ってリフトは
大きくなり、設定されたバルブリフト値Ｌが得られた時
点Ｔ１で高圧側制御弁３２を閉鎖すると圧力が油圧室１
６、１６′内に保持され、バルブリフトは線ｍ ₂ にて示
すようにＬの値を保持する。バルブの閉鎖時期が到来す
ると低圧側制御弁４２が閉鎖され、バルブリフトはｍ₃
のラインに沿って小さくなる。(ハ) は高圧側制御弁３２
の作動タイミングを模式的に示しており、時刻Ｔ１が到
来すと制御弁３２は開弁され、時刻Ｔ２が到来すると制
御弁３２は閉鎖される。時刻Ｔ１、Ｔ２は設定されたバ
ルブリフト値Ｌが得られるように演算される。即ち、開
弁タイミングは基準点からのクランク角度θとして与え
られており、この基準点に対する現在のクランク角度、
即ち現時刻Ｔ０は既知であるから、設定開弁タイミング
θで開弁開始させるための時刻Ｔ１を知ることができ
る。また、演算されたバルブリフトを得るために必要と
なる高圧側制御弁３２の開弁時間δ₁ も知ることがで
き、これより高圧側制御弁３２を閉鎖するべき時刻Ｔ２
も知ることができる。また、低圧側制御弁４２の開弁開
始時刻については吸気弁１０、１０′のクランク角度と
しての開弁期間Θが与えられていることから、この期間
後に吸気弁１０、１０′を閉弁開始させるための低圧側
制御弁４２の開弁時刻Ｔ３は計算することができ、ま
た、この状態から吸気弁を閉弁せしめるのに必要となる
低圧側制御弁４２の開弁時間δ₂ よりその開弁終了時刻
Ｔ４も知ることができる。

【００１９】ステップ１０６、１０８で設定された作動
時刻は比較レジスタ（図示せず）にセットされ、各時刻
の到来によって制御弁３２，４２の開弁、閉弁を周知の
ように行うことができる。図８のような吸気弁のリフト
量の設定は大きな空気量が必要となる高回転の高負荷域
でリフトを大きくし、エンジン回転数が大きくても低負
荷域では吸気弁のリフトは押えられ、油圧室へ導入する
べき作動油量が減少され、可変容量ポンプ２０を使用し
ていることと相乗されて、油圧ポンプの仕事動力負荷を
大いに軽減することができる。即ち、油圧ポンプ２０
は、従来のリリーフ弁を有した定圧型の油圧ポンプでは
低回転側で余分な油をリリーフさせるため動力負荷の損
失があったことに鑑み、回転数の増大に応じて油量を増
加させて各回転数に応じた油量を得るようにしたもので
あるが、可変容量型の油圧ポンプ２０を使用したとして
も高負荷時における低回転側でリフトを大きくとったと
すると、油圧室１６，１６′への油量が多くなり、油圧
ポンプ２０の駆動のための仕事量が依然として大きい欠
点があるが、この発明のように高回転でも負荷の小さい
ときには吸気弁のリフトを小さな値に抑制することで、
油圧ポンプ２０が行う無駄が排除され、燃料消費性能の
改善を図ることができる。

【００２０】またエンジン低回転時又は高回転でも低負
荷時に吸気弁１０、１０′のリフトが小さくなるため吸
気ポートが絞られることとなるため燃焼室への吸気の流
速が増大され、吸気圧力の変動を大きくすることがで
き、この圧力変動を利用して低中速域の体積効率の向上
に寄与することができ、燃焼効率の向上を図ることがで
きる。

【００２１】尚、排気弁１１，１１′については吸気弁
１０，１０′と同様に油圧制御され、そのリフト作動が
制御される。

【００２２】

【発明の効果】エンジンの高回転であっても負荷が小さ
いときに吸気弁のリフト量を小さくすることにより油圧
ポンプ２０からの必要油圧量が小さくなり、油圧ポンプ
の仕事量が小さくなるので、油圧ポンプの駆動損失が小
さくなり、燃料消費率の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の構成を示す線図である。

【図２】図２は実施例の内燃機関の上面概略図である。

【図３】図３は油圧式弁駆動装置の概略図である。

【図４】図４はエンジン回転数に対する目標油圧の関係
を示す概略図である。

【図５】図５は油圧ポンプの駆動ルーチンのフローチャ
ートである。

【図６】図６は吸気弁の駆動のためのルーチンのフロー
チャートである。

【図７】図７は図６のルーチンによって得られる作動の
タイミングを示す図である。

【図８】図８はエンジン回転数とエンジン負荷との組み
合せに対する吸気弁のリフト量の設定を説明する図であ
る。

【符号の説明】

１０，１０′…吸気弁 １１，１１′…排気弁 １２，１２′…バルブスプリング １４，１４′…油圧シリンダ １６，１６′…油圧室 ２０…油圧ポンプ ２４…オイルタンク ２８…高圧側アキュムレータ ３２…高圧側制御弁 ４２…低圧側制御弁 ４８…低圧側アキュムレータ ６１…制御回路 ６２…クランク角度センサ ６３…圧力センサ ６４…吸入空気量センサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】油圧駆動の吸気弁と、可変容量ポンプと、
   該可変容量ポンプより吸気弁への油圧の供給を制御する
   ための油圧供給手段と、機関の運転条件に応じた吸気弁
   のリフトを得るため油圧供給手段への制御信号を形成す
   る弁リフト制御手段とを具備した内燃機関の油圧式弁駆
   動装置において、弁リフト制御手段は、機関の回転速度
   検出する手段と、機関の負荷を検出する手段と、機関の
   回転速度が所定値より低い運転時又は機関の回転速度が
   所定値より大きくても機関の負荷が所定値より小さい運
   転時に吸気弁のリフトを小さく機関の高回転で高負荷時
   にリフトが大きくなるように油圧供給手段への制御信号
   を形成する弁リフト制御信号形成手段とより構成される
   ことを特徴とする内燃機関の油圧式弁駆動装置。