JP2013019358A - 可変動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のバルブの開閉時期を変化させることが可能な可変動弁装置を提供する。
【解決手段】可変動弁装置１１は、気筒１つあたりに複数の吸気バルブ１５，１６を有している。吸気バルブ１５，１６は、第１および第２のカム２５，２６によって開閉駆動される。第１および第２のカム２５，２６の位相を変化させるアクチュエータ部１３は、ハウジング４１と、ロータ４２を有している。ロータ４２は、ハウジング４１に対して所定の位相可変範囲内で進角側と遅角側とに回動することができる。アクチュエータ部１３は、位相可変範囲のうち初期位置（最遅角と最進角との間となる中間位置）を境として進角側の位相可変領域では、第１および第２のカム２５，２６の双方が同時に位相変化するように制御部６１によって制御される。位相可変範囲のうち遅角側の位相可変領域では、第１および第２のカム２５，２６の一方のみの位相が変化するように制御され、かつ、遅角側の位相可変領域の方が進角側の位相可変領域よりも大きくなるよう構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、エンジンの吸気バルブ等を開閉駆動するための可変動弁装置に関する。

吸気バルブあるいは排気バルブの開閉時期をエンジンの運転状況等に応じて変化させることが可能な可変動弁装置が知られている。例えば特許文献１，２に開示されているように、クランクシャフトと同期して回転するスプロケットに対して、カムシャフトの回転の位相を変化させることができるように構成された可変動弁装置が公知である。この種の可変動弁装置では、アクチュエータによってカムシャフトの位相を変化させることにより、吸気バルブの開閉時期を進角側あるいは遅角側に変化させることができるようになっている。アクチュエータとしては、油圧式あるいは電動式のものが知られている。

また、各気筒（シリンダ）ごとに複数の吸気バルブを有するエンジンにおいて、各気筒ごとに吸気バルブどうしの位相を互いに変化させることが可能な可変動弁装置も提案されている。この種の可変動弁装置では、カムシャフトに対して複数の吸気バルブ用のカムの位相を互いに独立して変化させることができるように構成されている。このため一方のカムの位相を変化させるための第１のアクチュエータと、他方のカムの位相を変化させるための第２のアクチュエータが使われるのが通例である。

特開２０００−１７９３１１号公報 特開２００１−５００６３号公報

前記したように１つの気筒あたりに複数の吸気バルブを備えた可変動弁装置において、一方の吸気バルブ用のカムと他方の吸気バルブ用のカムがそれぞれ別々のアクチュエータによって独立して駆動される構造であると、動弁装置が大形化する原因となり、また、各バルブの位相を同時に変化させるときに大きな駆動エネルギーを必要とすることがある。特に、進角側と遅角側とで位相変化に差をもたせたい場合に、必ずしも全てのカムの位相を変える必要がないこともありえる。そのような場合に、従来の可変動弁装置では各カムの動きを必要最小限に抑える上で改善の余地があった。

従ってこの発明は、１気筒あたりに少なくとも２つの吸気バルブを有するエンジンにおいて、各バルブの開閉時期をエンジンの運転状況に応じて好ましい状態にすることができる可変動弁装置を提供することにある。

本発明の可変動弁装置は、エンジンのクランクシャフトと同期して回転する駆動側回転体と、第１のバルブを駆動するための第１のカムを含む第１の被動側回転体と、第２のバルブを駆動するための第２のカムを含む第２の被動側回転体と、前記駆動側回転体に対して前記第１および第２の被動側回転体を進角側または遅角側に所定の位相可変範囲内で変化させるアクチュエータ部と、制御手段とを有している。この制御手段は、前記位相可変範囲のうち中間位置を境として一方側の位相可変領域では前記第１のカムと第２のカムの位相を同時に変化させるよう前記アクチュエータ部を駆動し、他方側の位相可変領域では前記第１のカムと第２のカムのうちの一方の位相のみを変化させるよう前記アクチュエータ部を駆動し、かつ、前記一方側の位相可変領域と他方側の位相可変領域の大きさを互いに異ならせるものである。

前記第１および第２のカムの一例は、１つの気筒に設けられた第１および第２の吸気バルブを駆動するためのものであり、前記制御手段は、前記位相可変範囲のうち進角側の位相可変領域では前記第１のカムと第２のカムの位相を同時に変化させ、前記位相可変範囲のうち遅角側の位相可変領域では前記第１のカムと第２のカムのうち一方の位相を変化させるようにしている。さらに、前記進角側の位相可変領域よりも前記遅角側の位相可変領域の方が大きくしてもよい。

本発明によれば、各気筒ごとに少なくとも２つの吸気バルブのためのカムを有する可変動弁装置において、１つのアクチュエータ部によって、各カムを進角側に移動させる場合と遅角側に移動させる場合とで位相変化に差をもたせることができ、エンジンの運転状況等に応じた進角あるいは遅角操作を行なうことができる。

本発明の１つの実施形態に係る可変動弁装置を模式的に示す断面図。 図１に示された可変動弁装置のアクチュエータ部をシャフト部材の軸線と直角な方向に切断した断面図。 図１に示された可変動弁装置が進角側に作動する際のアクチュエータ部を示す断面図。 図１に示された可変動弁装置が遅角側に作動する際のアクチュエータ部を示す断面図。 図１に示された可変動弁装置のアクチュエータ部の作動を説明するための模式図。 図１に示された可変動弁装置のアクチュエータ部が第１の位相可変モードに切換わった状態を説明するための模式図。 図１に示された可変動弁装置のアクチュエータ部が進角側に移動した状態を説明するための模式図。 図１に示された可変動弁装置のアクチュエータ部が第２の位相可変モードに切換わった状態を説明するための模式図。 図１に示された可変動弁装置のアクチュエータ部が遅角側に移動した状態を説明するための模式図。 図１に示された可変動弁装置の吸気バルブのリフト量とクランク角との関係を示す図。

以下に本発明の１つの実施形態に係る可変動弁装置について、図１から図１０を参照して説明する。
図１は、エンジンのシリンダヘッド１０に設けられた可変動弁装置１１を模式的に示している。この可変動弁装置１１は、後に説明する組立カムシャフト１２と、油圧式のアクチュエータ部１３とを有している。このエンジンは、各気筒（シリンダ）ごとに少なくとも２つの吸気バルブ１５，１６と排気バルブ（図示せず）とを有している。例えば吸気バルブ１５，１６は、図１に示す可変動弁装置１１によって開閉駆動される。

組立カムシャフト１２は、アウタシャフト２１およびインナシャフト２２からなる二重構造のシャフト部材２０と、シャフト部材２０に組付けられた第１および第２のカム２５，２６とを含んでいる。アウタシャフト２１はパイプ状をなし、このアウタシャフト２１内にインナシャフト２２が回転可能に設けられている。

シャフト部材２０は長手方向に延びる軸線Ｘ１を有している。インナシャフト２２は、アウタシャフト２１に対して軸線Ｘ１まわりに回動（相対回転）可能である。アウタシャフト２１は、シリンダヘッド１０に設けられた軸受部３０，３１，３２等によって、回転自在に支持されている。アウタシャフト２１の一方の端部（アクチュエータ部１３側）にフランジ部２１ａが設けられている。

第１のカム２５はアウタシャフト２１に固定され、第１のカム２５とアウタシャフト２１とが一体に回転するようになっている。第１のカム２５の外周には、第１の吸気バルブ１５を開閉駆動するためのカムプロフィルを有するカム面２５ａが形成されている。

第２のカム２６は、アウタシャフト２１に対して軸線Ｘ１まわりに回動可能である。第２のカム２６は連結部材３５によってインナシャフト２２に固定され、第２のカム２６とインナシャフト２２とが一体に回転するようになっている。連結部材３５はインナシャフト２２に固定され、アウタシャフト２１に形成された開口部３６からアウタシャフト２１の径方向に突出している。第２のカム２６の外周には、第２の吸気バルブ１６を開閉駆動するためのカムプロフィルを有するカム面２６ａが形成されている。第２のカム２６は軸線Ｘ１方向に延びる筒部２６ｂを有し、筒部２６ｂの端部にカムローブ２６ｃが形成されている。

図２は、アクチュエータ部１３をシャフト部材２０の軸線Ｘ１と直角な方向に切断して模式的に示した断面図である。このアクチュエータ部１３は、エンジンのクランクシャフト３９（図１に示す）によって回転駆動されるスプロケット４０と、スプロケット４０に設けられたハウジング４１と、ハウジング４１の内部に収容されたロータ４２などを備えている。スプロケット４０は、チェーンあるいはタイミングベルト等の動力伝達部材４５（図１に示す）によって、クランクシャフト３９と同期して回転する。

ハウジング４１の内部には、ロータ４２によって、複数の進角ベーン室５０と、複数の遅角ベーン室５１とが形成されている。進角ベーン室５０と遅角ベーン室５１とは、それぞれ、遅角油路５２と進角油路５３を介して、油圧ユニット６０に接続されている。油圧ユニット６０はＥＣＵ（electronic control unit）等の制御部６１によって制御され、エンジンの運転状況等に応じて遅角油路５２と進角油路５３に油圧を供給することができるようになっている。

例えば、油圧ユニット６０によって発生させた油圧が遅角油路５２から遅角ベーン室５１に供給されると、ロータ４２がハウジング４１に対して遅角側に回動する。また、油圧が進角油路５３から進角ベーン室５０に供給されると、ロータ４２がハウジング４１に対して進角側に回動する。

ハウジング４１はスプロケット４０に固定されている。このためハウジング４１はスプロケット４０と一体に回転する。ロータ４２は、インナシャフト２２にボルト５５によって固定されている。このためロータ４２はインナシャフト２２と一体に回転する。ロータ４２がハウジング４１に対して遅角側あるいは進角側に回動すると、アウタシャフト２１とインナシャフト２２の位相（軸線Ｘ１まわりの相対位置）が変化し、その結果、カム２５，２６の位相が変化することになる。

ロータ４２に組込まれたロックピン５６は、例えばエンジンの始動時あるいは低回転時等のようにロータ４２が最遅角と最進角との間となる中間位置、すなわち初期位置にあるときに、スプロケット４０側のピン嵌合孔５７に嵌合することにより、ロックピン５６を介してスプロケット４０とロータ４２とが互いに固定されるようになっている。

前記スプロケット４０とハウジング４１などによって、クランクシャフト３９によって駆動される駆動側回転体７０が構成されている。駆動側回転体７０の構成要素であるスプロケット４０は、動力伝達部材４５を介してクランクシャフト３９と同期して回転する。よって、駆動側回転体７０の位相はクランクシャフト３９の位相と対応している。

一方、アウタシャフト２１と、第１のカム２５などによって、第１の被動側回転体７１が構成されている。第１のカム２５はアウタシャフト２１に固定されているため、第１のカム２５とアウタシャフト２１は軸線Ｘ１まわりに一体に回転する。アウタシャフト２１の端部に設けられたフランジ部２１ａは、スプロケット４０に対して軸線Ｘ１まわりに相対回転可能である。

インナシャフト２２と、第２のカム２６と、連結部材３５と、ロータ４２などによって、第２の被動側回転体７２が構成されている。すなわち、第２の被動側回転体７２の構成要素であるインナシャフト２２と第２のカム２６とロータ４２とは、互いに軸線Ｘ１まわりに一体に回転する。

これら第１の被動側回転体７１と第２の被動側回転体７２とは、油圧ユニット６０から供給される油圧によって、駆動側回転体７０に対して軸線Ｘ１まわりの位相（進角あるいは遅角）を変化させることが可能である。すなわち油圧ユニット６０と制御部６１とは、駆動側回転体７０に対して第１の被動側回転体７１と第２の被動側回転体７２の位相を変化させるための制御手段の一例を構成している。

この可変動弁装置１１は、第１の位相可変モードと第２の位相可変モードとを切換えるための切換機構８０を備えている。ここで第１の位相可変モードとは、駆動側回転体７０に対して第１の被動側回転体７１と第２の被動側回転体７２とが同時に位相が変化するモードである。第２の位相可変モードとは、駆動側回転体７０に対して第２の被動側回転体７２のみの位相が変化するモードである。

切換機構８０は切換部材８１を有している。切換部材８１の一例は、シャフト部材２０の軸線Ｘ１方向に移動可能な円柱形のピンである。この切換部材８１は、スプロケット４０に形成された第１の孔８２と、アウタシャフト２１のフランジ部２１ａに形成された第２の孔８３と、第２のカム２６のカムローブ２６ｃに形成された第３の孔８４とにわたって軸線Ｘ１と平行な方向に移動可能に挿入され、油圧ユニット６０から遅角油路５２または進角油路５３に供給される油圧に応じて、軸線Ｘ１方向に移動するようになっている。

図３は、切換部材８１が第１の位置に移動した状態（第１の位相可変モード）を示している。切換部材８１が第１の位置（第１の位相可変モード）にあるとき、切換部材８１がアウタシャフト２１の孔８３と第２のカム２６の孔８４に嵌合するとともに、スプロケット４０の孔８２から抜け出る。これにより、アウタシャフト２１と第２のカム２６とが互いに結合されるとともに、アウタシャフト２１と第２のカム２６がスプロケット４０から切離された状態となる。このため、アウタシャフト２１に固定されている第１のカム２５と、第２のカム２６とが、互いに一体となって軸線Ｘ１まわりに回動可能となる。

図４は、切換部材８１が第２の位置に移動した状態（第２の位相可変モード）を示している。切換部材８１が第２の位置（第２の位相可変モード）にあるとき、切換部材８１がスプロケット４０の孔８２とアウタシャフト２１の孔８３に嵌合するとともに、第２のカム２６の孔８４から抜け出る。これにより、スプロケット４０とアウタシャフト２１とが互いに結合されるとともに、アウタシャフト２１に対して第２のカム２６が切離されるため、第２のカム２６が軸線Ｘ１まわりに回動可能となる。

図５から図９は、第１および第２の被動側回転体７１，７２の動作を説明するための模式図である。これらの図はアクチュエータ部１３の動作をわかりやすく説明するために便宜的に表した模式図であるから、図１から図４に示したアクチュエータ部１３とは形状やレイアウトが異なっている。

図５は、図１に対応する模式図であって、アクチュエータ部１３の初期モード、すなわち最遅角と最進角との間の中間位置となる初期位置を示している。初期モードでは、切換部材８１がスプロケット４０の孔８２とアウタシャフト２１の孔８３に嵌合している。初期モードの一例はエンジンの始動時あるいは低回転時（アイドリング時）であり、油圧が上昇していないため、ロックピン５６がスプロケット４０のピン嵌合孔５７に嵌合している。このため初期モードでは、駆動側回転体７０に対して第１の被動側回転体７１と第２の被動側回転体７２がロックされた状態となり、第１のカム２５と第２のカム２６の位相変化は生じることなく前記初期位置（イニシャル）のままである。

図６と図７は、それぞれ図３に対応する模式図であって、アクチュエータ部１３の第１の位相可変モードを示している。第１の位相可変モードでは、図６に示すように進角油路５３から供給される油圧によって切換部材８１がスプロケット４０の孔８２から抜け出るとともに、切換部材８１がアウタシャフト２１の孔８３と第２のカム２６の孔８４に嵌合する。これにより、第１の被動側回転体７１と第２の被動側回転体７２とが互いに結合されるとともに、駆動側回転体７０に対して第１の被動側回転体７１と第２の被動側回転体７２が切離された状態となる。このため第１のカム２５と第２のカム２６とが一体となって回動できるようになる。

この第１の位相可変モードでは、図７に示すように進角油路５３に油圧が供給されると、第１の被動側回転体７１と第２の被動側回転体７２とが、同時に、駆動側回転体７０に対して位相可変領域Ｔ１内で進角側に回動することにより、第１のカム２５と第２のカム２６とが進角側に移動する。

図８と図９は、それぞれ図４に対応する模式図であって、アクチュエータ部１３の第２の位相可変モードを示している。第２の位相可変モードでは、図８に示すように遅角油路５２から供給される油圧によって切換部材８１がロータ４２の孔８４から抜け出るとともに、切換部材８１がスプロケット４０の孔８２に嵌合する。これにより、駆動側回転体７０と第１の被動側回転体７１とが互いに結合されるとともに、第２の被動側回転体７２が、第１の被動側回転体７１から切離された状態となる。このため第２の被動側回転体７２のみが、駆動側回転体７０に対して回動可能となる。

この第２の位相可変モードでは、図９に示すように遅角油路５２に油圧が供給されると、第１の被動側回転体７１が初期位置（最遅角と最進角との間となる中間位置）に止まったまま、第２の被動側回転体７２のみが、駆動側回転体７０に対して位相可変領域Ｔ２内で遅角側に回動することにより、第２のカム２６のみが遅角側に移動する。

図１０は、前記実施形態の可変動弁装置１１の第１および第２のバルブ１５，１６のリフト量（開閉時期）とクランク角との関係を示している。前記したようにスプロケット４０とハウジングに４１とを含む駆動側回転体７０に対して、第１のカム２５と第２のカム２６が進角側の位相可変領域Ｔ１で移動する。また遅角側には、第２のカム２６のみが遅角側の位相可変領域Ｔ２で移動する。よって、トータルとしての位相可変範囲Ｓは、進角側の位相可変領域Ｔ１と遅角側の位相可変領域Ｔ２とを合わせた量となる。進角側の位相可変領域Ｔ１と前記遅角側の位相可変領域Ｔ２とは、前記初期位置を境に互いに隣接して設定されている。

遅角側の位相可変領域Ｔ２は、進角側の位相可変領域Ｔ１よりも大きい。一例として、進角側の位相可変領域Ｔ１はクランク角３５°相当であるのに対し、遅角側の位相可変領域Ｔ２がクランク角４５°相当となるように、位相可変範囲Ｓ（クランク角８０°相当）で、前記初期位置を境として進角側と遅角側とで可変範囲の配分比率が設定されている。

こうすることにより、限られた位相可変範囲Ｓ内で、遅角側の位相可変領域Ｔ２をなるべく大きくとることが可能となり、第２のカム２６によって駆動される第２の吸気バルブ１６の閉弁時期の遅延を大きくとることができる。この場合、例えばポンプロスを小さくすることができるとともに燃費向上を図ることが可能である。この例では遅角側の位相可変領域Ｔ２が進角側の位相可変領域Ｔ１よりも大きくなるため、遅角駆動時には進角駆動時よりも多くの油圧が必要となるが、遅角駆動時にアクチュエータ部１３は第２の被動側回転体７２（第２のカム２６）のみを移動させればよいため、油圧の低下を抑制でき応答性を確保することができる。

また、例えばエンジンの性能を重視する時などには、第１の位相可変モードによって、第１のカム２５と第２のカム２６とを同時に進角側に移動させることにより、エンジン出力に対応することができる。一方、燃費を重視する時には、第２の位相可変モードによって、第２のカム２６のみを遅角側に位相変化させるといった制御を制御部６１によって行なうことができる。

なお、図１０に２点鎖線Ｚで示すように、第１のカム２５と第２のカム２６の閉弁時期をずらすように各カム２５，２６のカムプロフィルを互いに異ならせてもよい。こうすることにより、内部ＥＧＲ（internal exhaust gas recirculation）の取込み時に吸気管へのＥＧＲ逆流が均一化するとともに、閉弁時には気筒内で均一化されたガスが片方の吸気バルブから押出されるため、気筒内に排気によるスワールを生成することができ、混合が良くなって燃焼を良化することが可能である。

また、他の実施形態として、第１および第２のカム２５，２６のカムプロフィルの位相を初期位置からずらしてあってもよい。ずらす方向は進角側あるいは遅角側のいずれかである。この場合も前記実施形態と同様に、進角側の位相可変領域Ｔ１内で第１のカム２５と第２のカム２６が同時に同一位相量だけ移動する。遅角側の位相可変領域Ｔ２内では、第２のカム２６のみが移動する。遅角側の位相可変領域Ｔ２は進角側の位相可変領域Ｔ１よりも大きくしている。この実施形態によれば、第１および第２の吸気バルブの開閉のための各カムの位相を最初からずらしておくことにより、例えば排気の再吸入による内部ＥＧＲ取込み時に、一方の吸気バルブによって気筒内に吸気によるスワールを生じさせることができ、燃焼を良化することが可能であるとともに、内部ＥＧＲによってポンプロスを減らすことも可能である。

なお本発明を実施するに当たり、アクチュエータ部やカム等の具体的な形状、構成をはじめとして、駆動側回転体や第１の被動側回転体、第２の被動側回転体など可変動弁装置を構成する要素の形状や配置等の具体的な態様、あるいは進角側の位相可変領域と遅角側の位相可変領域との配分割合等を種々に変更して実施できることは言うまでもない。

１１…可変動弁装置、１３…アクチュエータ部、２０…シャフト部材、２１…アウタシャフト、２２…インナシャフト、２５…第１のカム、２６…第２のカム、４０…スプロケット、４２…ロータ、５６…ロックピン、６１…制御部、７０…駆動側回転体、７１…第１の被動側回転体、７２…第２の被動側回転体、８０…切換機構、８１…切換部材。

Claims (3)

1. エンジンのクランクシャフトと同期して回転する駆動側回転体と、
   第１のバルブを駆動するための第１のカムを含む第１の被動側回転体と、
   第２のバルブを駆動するための第２のカムを含む第２の被動側回転体と、
   前記駆動側回転体に対して前記第１および第２の被動側回転体を進角側または遅角側に所定の位相可変範囲内で変化させるアクチュエータ部と、
   前記位相可変範囲のうち中間位置を境として一方側の位相可変領域では前記第１のカムと第２のカムの位相を同時に変化させるよう前記アクチュエータ部を駆動し、他方側の位相可変領域では前記第１のカムと第２のカムのうちの一方の位相のみを変化させるよう前記アクチュエータ部を駆動し、かつ、前記一方側の位相可変領域と他方側の位相可変領域の大きさを互いに異ならせる制御手段を有したことを特徴とする可変動弁装置。
2. 前記第１および第２のカムは、１つの気筒に設けられた第１および第２の吸気バルブを駆動するためのものであり、前記制御手段は、前記位相可変範囲のうち進角側の位相可変領域では前記第１のカムと第２のカムの位相を同時に変化させ、前記位相可変範囲のうち遅角側の位相可変領域では前記第１のカムと第２のカムのうち一方の位相を変化させることを特徴とする請求項１に記載の可変動弁装置。
3. 前記進角側の位相可変領域よりも前記遅角側の位相可変領域の方が大きいことを特徴とする請求項２に記載の可変動弁装置。

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