JP2008095668A - 可変動弁機構付き内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】片弁可変制御時に実圧縮比の低下を抑制することが可能な可変動弁機構付き内燃機関を提供する。
【解決手段】切換対象バルブの開弁特性が固定され、他の吸気バルブの開弁特性が連続可変とされる片弁可変制御時において、通常は、破線Ｌ１で示すように、切換対象バルブの閉弁時期が下死点BDCよりも遅角側にされる。本発明では、実圧縮比向上のため、実線Ｌ２，Ｌ３で示すように、片弁可変制御時の切換対象バルブの閉弁時期が下死点付近にされる。また、ポンピングロス抑制のため、実線Ｌ５で示すように、片弁可変制御時の切換対象バルブのリフト量が、一点鎖線Ｌ４で示す両弁可変制御時の最大リフト量と同等にされる。
【選択図】図７

Description

本発明は、バルブ開弁特性を機械的に変更可能な可変動弁機構を吸気系に有する可変動弁機構付き内燃機関に係り、特に、片弁可変制御と両弁可変制御とを切り換え可能な可変動弁機構付き内燃機関に関する。

内燃機関の運転状態に応じて、バルブの開弁特性を機械的に変更可能な可変動弁機構を有する装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、内燃機関の運転状態に応じて、複数のバルブの開弁特性を可変とする両弁可変制御と、特定バルブの開弁特性を固定する片弁可変制御とを選択的に実行可能な装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。この装置によれば、片弁可変制御を実行することで、燃焼室内において旋回流（以下「スワール」という。）を発生させることができる。

特開２００３−２３９７１２号公報 特開２００４−１００５５５号公報 国際公開第２００６／０２５５６５号パンフレット

ところで、片弁可変制御時に開弁特性が固定される特定バルブ（切換対象バルブ）の作用角及びリフト量は、スワールの要求から決定される。しかしながら、片弁可変制御時の特定バルブの閉弁時期については、従来十分に考慮されていなかった。このため、片弁可変制御時に特定バルブの閉弁時期が下死点よりも遅角側となることで、実圧縮比が低下する場合があった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、片弁可変制御時に実圧縮比の低下を抑制することが可能な可変動弁機構付き内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、機械式の可変動弁機構を吸気系に有する内燃機関であって、
前記内燃機関の運転状態に応じて、複数の吸気バルブの作用角及びリフト量を共に変更可能な両弁可変制御と、切換対象バルブである少なくとも１つの吸気バルブの作用角及びリフト量を固定すると共に他の吸気バルブの作用角及びリフト量を変更可能な片弁可変制御とを切り換える切換手段と、
制御軸の位置に応じて揺動可能に設けられ、両弁可変制御時に主カムの押圧力を前記複数の吸気バルブに伝達する揺動部材と、
片弁可変制御時に第２カムの押圧力を前記切換対象バルブに伝達する固定アームとを備え、
前記第２カムは、片弁可変制御時の前記切換対象バルブの閉弁時期が下死点付近となるようなカムプロフィールを有することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記第２カムのカムプロフィールは、片弁可変制御時の前記切換対象バルブの開弁時期が上死点付近となり、かつ、片弁可変制御時の前記切換対象バルブのリフト量が両弁可変制御時の最大リフト量と同等になるようなカムプロフィールであることを特徴とする。

また、第３の発明は、機械式の可変動弁機構を吸気系に有する内燃機関であって、
前記内燃機関の運転状態に応じて、複数の吸気バルブの作用角及びリフト量を共に変更可能な両弁可変制御と、切換対象バルブである少なくとも１つの吸気バルブの作用角及びリフト量を固定すると共に他の吸気バルブの作用角及びリフト量を変更可能な片弁可変制御とを切り換える切換手段と、
制御軸の位置に応じて揺動可能に設けられ、両弁可変制御時に主カムの押圧力を前記複数の吸気バルブに伝達する揺動部材と、
片弁可変制御時に第２カムの押圧力を前記切換対象バルブに伝達する固定アームとを備え、
片弁可変制御時の前記切換対象バルブの閉弁時期が下死点付近となるように、カム軸における前記主カムと前記第２カムとの相対位置が調整されたことを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、
前記主カムと前記第２カムとは同一のカムプロフィールを有しており、
前記第２カムの位置が、前記主カムの位置よりも進角側であることを特徴とする。

また、第５の発明は、第４の発明において、
排気バルブの開弁特性を変更可能な第２可変動弁機構と、
前記第２可変動弁機構により、片弁可変制御時の前記排気バルブの閉弁時期を、両弁可変制御時に比して進角側とする制御手段とを更に備えたことを特徴とする。

第１の発明によれば、片弁可変制御時に、第２カムの押圧力が固定アームを介して切換対象バルブに伝達される。この第２カムは、切換対象バルブの閉弁時期が下死点付近となるようなカムプロフィールを有している。よって、片弁可変制御時に、切換対象バルブは下死点付近で閉弁されるため、実圧縮比を向上させることができる。

第２の発明によれば、第２カムは、片弁可変制御時の切換対象バルブのリフト量が両弁可変制御時の最大リフト量と同等になるようなカムプロフィールを有している。片弁可変制御時の切換対象バルブのリフト量は、両弁可変制御時の最大リフト量と同等となるため、ポンピングロスを低減することができる。さらに、第２カムは、片弁可変制御時の切換対象バルブの開弁時期が上死点となるようなカムプロフィールを有している。よって、片弁可変制御時に、切換対象バルブは上死点付近で開弁されるため、排気バルブの開弁特性を変更することなく、吸気通路への吹き返し量（内部ＥＧＲ量）の増加を抑制することができる。

第３の発明によれば、カム軸における主カムと第２カムとの相対位置を調整することで、片弁可変制御時の切換対象バルブの閉弁時期が下死点付近で閉弁されるため、片弁可変制御時に実圧縮比を向上させることができる。

第４の発明によれば、第２カムの位置を主カムの位置よりも進角側に調整することで、主カムと第２カムを同一のカムプロフィールとすることができる。よって、生産性を向上させることができる。

第５の発明によれば、片弁可変制御時の排気バルブ閉弁時期を両弁可変制御時に比して進角側にすることで、バルブオーバーラップ期間を制御することができ、内部ＥＧＲ量を制御することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［システムの構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。本実施の形態１のシステムは、内燃機関１を備えている。内燃機関１は、複数の気筒２を有している。図１には、複数気筒のうちの１気筒のみを示している。

内燃機関１は、内部にピストン３を有するシリンダブロック４を備えている。ピストン３は、クランク機構を介してクランクシャフト５と接続されている。クランクシャフト５の近傍には、クランク角センサ５Ａが設けられている。クランク角センサ５Ａは、クランクシャフト５の回転角度（クランク角度CA）を検出するように構成されている。また、シリンダブロック４には、冷却水温Twを検出する水温センサ６が設けられている。

シリンダブロック４の上部にはシリンダヘッド８が組み付けられている。ピストン３上面からシリンダヘッド８までの空間は燃焼室１０を形成している。シリンダヘッド８には、燃焼室１０内に直接燃料を噴射するインジェクタ９が設けられている。また、シリンダヘッド８には、燃焼室１０内の混合気に点火する点火プラグ１１が設けられている。

シリンダヘッド８は、燃焼室１０と連通する吸気ポート１２を備えている。吸気ポート１２と燃焼室１０との接続部には吸気バルブ１４が設けられている。本実施の形態１のシステムは、気筒毎に設けられた複数の吸気ポート１２に対応して複数の吸気バルブ１４を備えている。図１には、吸気ポート１２と吸気バルブ１４とをそれぞれ１つずつ示している。吸気バルブ１４と吸気カム軸１５に設けられた吸気カム（主カム）１６との間には、可変動弁装置１８が設けられている。可変動弁装置１８は、吸気バルブ１４の開弁特性を機械的に変更可能に構成されている。なお、可変動弁装置１８の詳細については、後述する。また、吸気カム軸１５は、クランクシャフト５の駆動力により回転駆動可能である。

吸気ポート１２には、吸気通路１９が接続されている。吸気通路１９の途中にはサージタンク２１が設けられている。サージタンク２１の上流にはスロットルバルブ２２が設けられている。スロットルバルブ２２は、スロットルモータ２３により駆動される電子制御式のバルブである。スロットルバルブ２２は、アクセル開度センサ２４により検出されるアクセル開度AAに基づいて駆動されるものである。スロットルバルブ２２の近傍には、スロットル開度TAを検出するスロットル開度センサ２５が設けられている。スロットルバルブ２２の上流には、エアフロメータ２６が設けられている。エアフロメータ２６は吸入空気量Gaを検出するように構成されている。エアフロメータ２６の上流にはエアクリーナ２７が設けられている。

また、シリンダヘッド８は、燃焼室１０と連通する排気ポート２８を備えている。排気ポート２８と燃焼室１０との接続部には排気バルブ２９が設けられている。排気バルブ２９は、可変動弁機構３０に接続されている。この可変動弁機構３０は、排気バルブ２９のバルブタイミングを変更可能に構成されている。排気ポート２８には排気通路３１が接続されている。排気通路３１には、排気ガスを浄化する触媒３４が設けられている。触媒３４の上流には、排気空燃比を検出する空燃比センサ３２が設けられている。

また、本実施の形態のシステムは、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０を備えている。ＥＣＵ６０の出力側には、インジェクタ９、点火プラグ１１、可変動弁装置１８、スロットルモータ２３、可変動弁機構３０のほか、後述するポンプ８２及びＯＣＶ８４（図５参照）等が接続されている。ＥＣＵ６０の入力側には、クランク角センサ５Ａ、水温センサ６、アクセル開度センサ２４、スロットル開度センサ２５、エアフロメータ２６、空燃比センサ３１のほか、後述する油圧センサ８７（図５参照）等が接続されている。ＥＣＵ６０は、各センサの出力に基づいて、燃料噴射制御や点火時期制御のような内燃機関全体の制御を実行する。

また、ＥＣＵ６０は、クランク角センサ５Ａの出力に基づいて、機関回転数NEを算出する。また、ＥＣＵ６０は、アクセル開度AAやスロットル開度TA等に基づいて、内燃機関１に要求される負荷KLを算出する。さらに、ＥＣＵ６０は、運転状態（NE,KL）に応じて、燃焼室１０内で発生させるスワールの要求値を算出する。ＥＣＵ６０は、該スワールの要求値を実現させるべく、制御軸４１の位置を制御することで吸気バルブ１４の開弁特性を制御する。

［可変動弁装置の構成］
図２は、図１に示すシステムにおいて、可変動弁装置１８の構成を説明するための斜視図である。
図２に示すように、吸気カム軸１５には、１気筒当たり２つの吸気カム１６，１７が設けられている。そして、第１吸気カム（以下「主カム」という。）１６を中心にして、２つの吸気バルブ１４Ｌ，１４Ｒが左右対称に配置されている。主カム１６と吸気バルブ１４Ｌ，１４Ｒとの間には、主カム１６の回転運動に各吸気バルブ１４Ｌ，１４Ｒのリフト運動を連動させる可変動弁機構４０Ｌ，４０Ｒがそれぞれ設けられている。一方、主カム１６よりも高いカム高さを有する第２吸気カム（以下「大リフトカム」ともいう。）１７は、主カム１６との間で、第２吸気バルブ１４Ｒを挟むようにして配置されている。大リフトカム１７のカムプロフィールについては、後述する（図７参照）。大リフトカム１７と第２吸気バルブ１４Ｒとの間には、大リフトカム１７の回転運動に第２吸気バルブ１４Ｒのリフト運動を連動させる固定動弁機構７０が設けられている。本可変動弁装置１８は、第２吸気バルブ１４Ｒのリフト連動の連動先を、後述するアーム結合機構７２を用いて可変動弁機構４０Ｒと固定動弁機構７０との間で選択的に切り換えることができるように構成されている。

（１）可変動弁機構の構成
図３は、図２に示す可変動弁装置１８における可変動弁機構４０の構成を説明するための図である。具体的には、図３は、可変動弁機構４０を吸気カム軸１５の軸方向から見た図である。尚、左右の可変動弁機構４０Ｌ，４０Ｒは、基本的には、主カム１６に対して対称形であるので、ここでは左右の可変動弁機構４０Ｌ，４０Ｒを区別することなくその構成を説明する。また、本明細書および図面では、左右の可変動弁機構４０Ｌ，４０Ｒを区別しないときには、単に可変動弁機構４０と表記する。同様に、可変動弁機構４０Ｌ，４０Ｒの各構成部品や吸気バルブ１４Ｌ，１４Ｒ等の対称に配置されている部品については、特に区別をする必要がある時以外は、左右を区別するＬ、Ｒの記号は付けないものとする。

図３に示すように、ロッカーアーム３５は吸気バルブ１４によって支持されている。可変動弁機構４０は、主カム１６とロッカーアーム３５との間に介在している。可変動弁機構４０は、主カム１６の回転運動とロッカーアーム３５の揺動運動との連動状態を連続的に変化させるように構成されている。

可変動弁機構４０は、吸気カム軸１５と平行に配置された制御軸４１を有している。この制御軸４１は、図示しない駆動機構により回転駆動される。例えば、駆動機構は、制御軸４１に固定されたウォームホイールと、該ウォームホイールと噛み合わされるウォームギヤと、該ウォームギヤが固定された出力軸を有する電動モータとを備えている。

図３に示すように、制御軸４１には、制御アーム４２がボルト４３によって固定されている。制御アーム４２の一部は、制御軸４１の径方向に突出している。制御アーム４２の突出部には、中間アーム４４がピン４５によって取り付けられている。ピン４５は、制御軸４１の中心から偏心した位置に配置されている。よって、中間アーム４４は、ピン４５を中心にして揺動するように構成されている。中間アーム４４の先端部には、後述するローラ５２，５３が回転可能に設けられている。

制御軸４１には、揺動アーム５０が揺動可能に支持されている。揺動アーム５０は、主カム１６に対向する側に、スライド面５０ａを有している。スライド面５０ａは、第２ローラ５３に接触するように形成されている。スライド面５０ａは、第２ローラ５３が揺動アーム５０の先端側から制御軸４１の軸中心側に向かって移動するほど、主カム１６との間隔が徐々に狭まるような曲面で形成されている。また、揺動アーム５０は、スライド面５０ａの反対側に、揺動カム面５１を有している。揺動カム面５１は、揺動アーム５０の揺動中心からの距離が一定となるように形成された非作用面５１aと、非作用面５１ａから離れた位置ほど制御軸４１の軸中心からの距離が遠くなるように形成された作用面５１ｂとで構成されている。

スライド面５０ａと主カム１６の周面との間には、第１ローラ５２と第２ローラ５３が配置されている。より具体的には、第１ローラ５２は、主カム１６の周面と接触するように配置されている。また、第２ローラ５３は、揺動アーム５０のスライド面５０ａに接触するように配置されている。第１ローラ５２と第２ローラ５３とは、上記中間アーム４４の先端部に固定された連結軸５４によって回転自在に支持されている。中間アーム４４は、ピン４５を支点として揺動するので、これらのローラ５２，５３もピン４５から一定距離を保ちながらスライド面５０ａおよび主カム１６の周面に沿って揺動する。

また、揺動アーム５０には、バネ座５０ｂが形成されている。このバネ座５０ｂには、ロストモーションスプリング３８の一端が掛けられている。ロストモーションスプリング３８の他端は、内燃機関の静止部位に固定されている。ロストモーションスプリング３８は圧縮バネである。ロストモーションスプリング３８から受ける付勢力により、揺動アーム５０のスライド面５０ａが第２ローラ５３に押し当てられ、更に、第１ローラ５２が主カム１６に押し当てられる。これにより、第１ローラ５２及び第２ローラ５３は、スライド面５０ａと主カム１６の周面とに両側から挟み込まれた状態で位置決めされる。

揺動アーム５０の下方には、上記ロッカーアーム３５が配置されている。ロッカーアーム３５には、揺動カム面５１に対向するようにロッカーローラ３６が設けられている。ロッカーローラ３６は、ロッカーアーム３５の中間部に回転自在に取り付けられている。ロッカーアーム３５の一端は、バルブ１４のバルブシャフト１４ａによって支持されており、ロッカーアーム３５の他端は、油圧式ラッシュアジャスタ３７によって回転自在に支持されている。リフト作動の際、バルブシャフト１４ａは、バルブスプリング１４ｂによって、閉方向、すなわち、ロッカーアーム３５を押し上げる方向に付勢されている。ロッカーローラ３６は、この付勢力と油圧式ラッシュアジャスタ３７によって揺動アーム５０の揺動カム面５１に押し当てられている。

上述した可変動弁機構４０の構成によれば、主カム１６の回転に伴って、主カム１６の押圧力が第１ローラ５２及び第２ローラ５３を介してスライド面５０ａに伝達される。その結果、揺動カム面５１とロッカーローラ５６との接点が非作用面５１ａから作用面５１ｂにまで及ぶと、ロッカーアーム３５が押し下げられ、バルブ１４が開弁する。

また、可変動弁機構４０の構成によれば、制御軸４１の回転角度（回転位置）を変化させると、スライド面５０ａ上における第２ローラ５３の位置が変化し、リフト動作時の揺動アーム５０の揺動範囲が変化する。より具体的には、制御軸４１を図３における反時計回り方向に回転させると、スライド面５０ａ上における第２ローラ５３の位置が揺動アーム５０の先端側に移動する。そうすると、主カム１６の押圧力が伝達されることで揺動アーム５０が揺動動作を開始した後に、現実にロッカーアーム３５が押圧され始めるまでに要する揺動アーム５０の回転角度は、制御軸４１が図３における反時計回り方向に回転するほど大きくなる。つまり、制御軸４１を図３における反時計回り方向に回転させることにより、バルブ１４の作用角及びリフト量を小さくすることができる。逆に、制御軸４１を時計回り方向に回転させることにより、バルブ１４の作用角及びリフト量を大きくすることができる。

（２）固定動弁機構の構成
次に、図２及び図４を参照して、固定動弁機構７０の構成について説明する。図４は、図２に示す可変動弁機構４０及び固定動弁機構７０を示す分解斜視図である。
図２に示すように、固定動弁機構７０は、大リフトカム１７と第２揺動アーム５０Ｒとの間に介在している。固定動弁機構７０は、第２揺動アーム５０Ｒの揺動運動を大リフトカム１７の回転運動に連動させるものである。固定動弁機構７０は、大リフトカム１７によって駆動される大リフトアーム７１と、大リフトアーム７１を第２揺動アーム５０Ｒに結合させるアーム結合機構７２（図４参照）とを備えている。アーム結合機構７２は、後述するピン７４、油圧室７５、ピン穴７６、リターンスプリング７７及びピストン７８によって構成されている。

大リフトアーム７１は、制御軸４１上に第２揺動アーム５０Ｒと並んで配置され、第２揺動アーム５０Ｒとは独立して回転可能となっている。大リフトアーム７１には、大リフトカム１７の周面に接触する入力ローラ（以下「大リフトローラ」という。）７３が回転可能に支持されている。
図４に示すように、大リフトアーム７１には、バネ座７１ａが形成されている。このバネ座７１ａには、上記揺動アーム５０と同様に、図示しないロストモーションスプリングが掛けられている。このロストモーションスプリングのバネ力によって、大リフトローラ７３が大リフトカム１７の周面に押し当てられる。

大リフトアーム７１は、第２揺動アーム５０Ｒに向けて出し入れ可能なピン７４を備えている。大リフトアーム７１には、第２揺動アーム５０Ｒ側に開口部を有する油圧室７５が形成されている。この油圧室７５内にピン７４が嵌め込まれている。油圧室７５は、後述する油圧系に接続されている。後述する油圧系（図５参照）により油圧室７５内の油圧が高められた場合に、ピン７４は、その油圧によって油圧室７５から第２揺動アーム５０Ｒに向けて押し出される。

一方、第２揺動アーム５０Ｒには、大リフトアーム７１側に開口部を有するピン穴７６が形成されている。ピン７４とピン穴７６は、制御軸４１を中心とする同じ円弧上に配置されている。これにより、第２揺動アーム５０Ｒが大リフトアーム７１に対して所定の回転角度に位置したとき、ピン穴７６の位置とピン７４の位置とが一致するようになっている。ピン穴７６内には、その奥側からリターンスプリング７７と、リフタとしてのピストン７８とが配置されている。

図５は、ピン７４を作動させるための油圧系の構成を示す概略図である。より詳細には、図５（Ａ）はＯＣＶ８４非作動時の油圧系を、図５（Ｂ）はＯＣＶ８４作動時の油圧系をそれぞれ示す図である。
図５に示すように、制御軸４１内には、油路８１が形成されている。この油路８１は、油圧室７５と、制御軸４１と大リフトアーム７１との摺動隙間と、制御軸４１と第２揺動アーム５０Ｒとの摺動隙間とにそれぞれ接続されている。また、この油路８１は、ポンプ８２に接続されている。油路８１の途中には、排出路８３が接続されている。油路８１と排出路８３との接続部には、オイルコントロールバルブ（以下「ＯＣＶ」という。）８４が設けられている。ＯＣＶ８４は、例えば、ＥＣＵ６０から電圧が印加されると作動する電磁駆動弁である。このＯＣＶ８４をバイパスする油路８５には、オリフィス８６が設けられている。このオリフィス８６は、ＯＣＶ８４非作動時に、各アーム５０Ｌ，５０Ｒ，７１の軸受潤滑のための油量調整を行うものである。また、本油圧系は、油圧センサ８７を備えている。油圧センサ８７は、油路８１内の油圧を検出するように構成されている。

ＥＣＵ６０からＯＣＶ８４に電圧が印加されず、ＯＣＶ８４が非作動中である間は、ポンプ８２により加圧された潤滑油は、排出路８３を通って排出される。このとき、オリフィス８６により流量調整された油量、すなわち、アーム５０Ｌ，５０Ｒ，７１の軸受潤滑に必要な油量に調整されるめ、ピン７４に掛かる油圧は低くなる。よって、ピン７４に掛かる油圧負荷が解除される。
一方、ＥＣＵ６０からＯＣＶ８４に電圧が印加され、ＯＣＶ８４が作動すると、ポンプ８２により加圧された潤滑油は、油路８１を通って上記摺動隙間及び油圧室７５に供給される。このとき、ピン７４に掛かる油圧が高くなる。すなわち、ピン７４に掛かる油圧負荷が維持される。
このように、ＯＣＶ８４を用いて油圧室７５内の油圧（すなわち、ピン７４に掛かる油圧）を制御することにより、ピン７４を作動させることができる。

［実施の形態１の特徴］
（片弁可変制御）
上記システムでは、第２揺動アーム５０Ｒが大リフトアーム７１に対して所定の回転角度に位置したとき、ピン７４とピン穴７６の位置が一致する。ピン穴７６の位置とピン７４の位置とが一致したとき、ピン７４はピストン７８に当接する。このとき、リターンスプリング７７がピストン７８を押す力よりも、油圧室７５内の油圧がピン７４を押す力の方が大きければ、ピン７４は、ピストン７８をピン穴７６の奥に押し込むようにしてピン穴７６内に進入する。つまり、ＯＣＶ８４を作動させて油圧室７５内の油圧を上げることで、ピン７４をピン穴７６に挿入することができる（図５（Ｂ）参照）。ピン７４がピン穴７６内に挿入されると、第２揺動アーム５０Ｒと大リフトアーム７１とが連結される。これにより、第２吸気バルブ１４Ｒのリフト運動の連動先を可変動弁機構２０Ｒから固定動弁機構７０へ切り換えることができる。

この場合、第２揺動アーム５０Ｒには、吸気カム軸１５の回転運動が第２吸気カム１４から大リフトアーム７１を介して伝達される。第２吸気バルブ１４Ｒの開弁特性は、大リフトカム１７、大リフトアーム７１および第２揺動アーム５０Ｒの形状及び位置関係によって機械的に決まり、制御軸４１の回転角度に関係なく常に一定の開弁特性（大作用角／大リフト量）に固定される。すなわち、第２吸気バルブ１４Ｒの開弁特性を一定とする一定制御が行われる。

これに対し、第１揺動アーム５０Ｌには、主カム１６から第１ローラ５２及び第２ローラ５３Ｌを介して吸気カム軸１５の回転運動が伝達される。よって、第１吸気バルブ１４Ｌの開弁特性は、制御軸４１の回転角度に連動して変化することになる。
従って、第２吸気バルブ１４Ｒの開弁特性を固定した状態で、第１吸気バルブ１４Ｌの開弁特性のみを制御軸４１の回転角度に連動させて変化させることができる片弁可変制御を行うことができる。

（両弁可変制御）
一方、ピン穴７６の位置とピン７４の位置とが一致したときに、ＯＣＶ８４を非作動にして油圧室７５内の油圧を下げることで、ピン７４をピン穴７６から抜くことができる（図５（Ａ）参照）。これにより、大リフトアーム７１と第２揺動アーム５０Ｒとの連結が解除される。よって、第２吸気バルブ１４Ｒのリフト運動の連動先を固定動弁機構７０から可変動弁機構２０Ｒへ切り換えることができる。

この場合、カム軸１５の回転運動は、主カム１６から第１及び第２ローラ５２，５３を介して、第１及び第２揺動アーム５０Ｌ，５０Ｒのそれぞれのスライド面５０ａに伝達される。よって、第１吸気バルブ１４Ｌ及び第２吸気バルブ１４Ｒの開弁特性は、同一であり、制御軸４１の回転に連動して変化することとなる。すなわち、第２吸気バルブ１４Ｒの開弁特性を可変とする可変制御が行われる。
従って、第１吸気バルブ１４Ｌの開弁特性と第２吸気バルブ１４Ｒの開弁特性とを制御軸４１の回転角度に連動させて共に変化させることができる両弁可変制御を行うことができる。

図６は、片弁可変領域及び両弁可変領域の一例を示す図である。
図６に示すように、吸気バルブ１４の開弁特性制御は、機関回転数NEと負荷KLとによって定められる運転領域によって決められる。

低回転から中回転の運転領域、すなわち、図６に示す片弁可変領域では、スワールを発生させることが要求される。よって、上記片弁可変制御が行われる。この片弁可変領域では、ピン７４により第２揺動アーム５０Ｒと大リフトアーム７１とが連結されている。このため、第２吸気バルブ１４Ｒの開弁特性が大作用角／大リフト量に固定される。第１吸気バルブ１４Ｌの作用角／リフト量は、制御軸４１の回転角度に応じて連続的に変更される。すなわち、内燃機関の運転状態（機関回転数NE、負荷KL）に応じて制御軸４１の回転角度をＥＣＵ６０により制御することで、該運転状態に最適なスワールを連続的に変化させながら発生させることができる。これにより、内燃機関の燃焼状態を良好にすることができる。燃焼状態を良好にすることで、燃費を向上させることができ、排気エミッション特性（特に、排出ＮＯｘ量の低減効果）を向上させることができる。

一方、高回転の運転領域、すなわち、図６に示す両弁可変領域では、スワールを発生させることが要求されない。よって、上記両弁可変制御が行われる。この両弁可変領域では、ピン７４は大リフトアーム７１内に収まっている。このため、第１吸気バルブ１４Ｌと共に第２吸気バルブ１４Ｒの作用角／リフト量も連続的に変更される。よって、制御軸４１の回転角度に応じて、両方の吸気バルブ１４Ｌ，１４Ｒの開弁特性は共に等しいリフト量／作用角とされる。例えば、高回転高負荷領域では、多くの吸入空気量を得ることが要求されるため、両方の吸気バルブ１４Ｌ，１４Ｒの開弁特性が共に再大作用角／再大リフト量に制御される（図７（Ｂ）におけるＬ４）。

なお、図６に示すように、両弁可変領域と片弁可変領域との境界は、ピン穴７６に対してピン７４の抜き差しが実行されるピン作動線となる。このピン作動線は、冷却水温Twに応じて変更することができる。すなわち、冷却水温Twに応じて、両弁可変領域と片弁可変領域とをそれぞれ定めることができる。

図７は、第２吸気バルブ１４Ｒのリフト特性を示す図である。具体的には、図７（Ａ）は、両弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒのリフト特性を示す図であり、図７（Ｂ）は、片弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒのリフト特性を示す図である。

両弁可変制御時には、図７（Ａ）に示すように、第２吸気バルブ１４Ｒの作用角／リフト量は、連続的に変更される。すなわち、上述したように、制御軸４１の回転角度を制御することで、第２吸気バルブ１４Ｒの作用角／リフト量を連続的に変更することができる。また、片弁可変制御時には、可変側の第１吸気バルブ１４Ｌの作用角／リフト量は、上記両弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒと同様に、連続的に変更される。

一方、第２吸気バルブ１４Ｒの作用角／リフト量は、大作用角／大リフト量に固定される。
ここで、片弁可変制御時に固定される吸気バルブの一般的なリフト特性を、図７（Ｂ）において破線Ｌ１により示す。この破線Ｌ１で示されるリフト特性によれば、バルブ閉弁時期が下死点BDCよりも遅角側となっている。この破線Ｌ１で示される従来の一般的なリフト特性は、スワールの要求から決定されたものであり、バルブ閉弁時期については十分に考慮されていない。破線Ｌ１で示すリフト特性のように、バルブ閉弁時期が下死点よりも遅角側にされると、実圧縮比が低下してしまう可能性がある。

そこで、本実施の形態１では、図７（Ｂ）において実線Ｌ２，Ｌ３で示すように、バルブ閉弁時期が下死点付近となるように、片弁可変制御時に固定される第２吸気バルブ１４Ｒのリフト特性が決定される。すなわち、大リフトカム１７が、第２吸気バルブ１４Ｒの閉弁時期が下死点付近となるようなカムプロフィールを有するように形成される。これにより、片弁可変制御時に、第２吸気バルブ１４Ｒの閉弁時期が下死点付近とされるため、実圧縮比の低下を抑制することができる。なお、実線Ｌ２は、破線Ｌ１で示すリフト特性の作用角を小さくしたリフト特性である。また、実線Ｌ３は、両弁可変制御時で閉弁時期が下死点となる場合のリフト特性と同じリフト特性である。

これらの実線Ｌ２，Ｌ３で示されるリフト特性によれば、バルブ開弁時期が上死点付近とされている。すなわち、大リフトカム１７が、第２吸気バルブ１４Ｒの開弁時期が上死点付近となるようなカムプロフィールを有するように形成されている。このため、排気バルブ２９のバルブタイミングを操作しなくとも、第２吸気バルブ１４Ｒと排気バルブ２９とが共に開弁しているバルブオーバーラップの期間が無いか或いは短くされる。よって、バルブオーバーラップによる既燃ガスの吹き返し量、すなわち、内部ＥＧＲ量の増加を抑制することができ、燃焼安定性の悪化を抑制することができる。

また、図７（Ｂ）において、両弁可変制御時で最大作用角／最大リフト量に制御した場合の吸気バルブのリフト特性を、一点鎖線Ｌ４により示す。この一点鎖線Ｌ４で示されるリフト特性は、上記実線Ｌ２，Ｌ３で示されるリフト特性に比してリフト量が大きい。さらに、この一点鎖線Ｌ４で示されるリフト特性は、上記破線Ｌ１で示されるリフト特性に比してもリフト量が大きい。上述したように、上記破線Ｌ１示されるリフト特性は、スワールの要求から決定されており、一般的にはリフト量が両弁可変制御時の最大リフト量よりも小さくされている。

ここで、片弁可変制御時には、連続可変とされる第１吸気バルブ１４Ｌのリフト量は、固定される第２吸気バルブ１４Ｒのリフト量よりも小さくされる。よって、片弁可変制御時のポンピングロスは、第２吸気バルブ１４Ｒのリフト量によって定まることとなる。すなわち、片弁可変制御時のポンピングロスをできるだけ抑制するためには、第２吸気バルブ１４Ｒのリフト量をできるだけ大きくすることが望ましい。

そこで、図７（Ｂ）において実線Ｌ５で示すように、第２吸気バルブ１４Ｒの開弁時期が上死点付近となり、閉弁時期が下死点付近となり、かつ、リフト量が両弁可変制御時の最大リフト量と同等となるように、片弁可変制御時に固定される第２吸気バルブ１４Ｒのリフト特性が決定される。すなわち、大リフトカム１７が、第２吸気バルブ１４Ｒの開弁時期が上死点付近となり、閉弁時期が下死点付近となり、かつ、リフト量が両弁可変制御時の最大リフト量と同等となるようなカムプロフィールを有するように形成されている。これにより、片弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒのリフト量が、両弁可変制御時の吸気バルブ１４Ｌ，１４Ｒの最大リフト量と同等にされる。このため、片弁可変制御時に、可変側の第１吸気バルブ１４Ｌのリフト量が小さい場合であっても、第２吸気バルブ１４Ｒのバルブ開口面積が大きくされるため、ポンピングロスを抑制することができる。
さらに、この実線Ｌ５で示されるリフト特性によれば、実圧縮比の低下を抑制することができると共に、排気バルブ２９のバルブタイミングを操作しなくとも内部ＥＧＲを少なくすることができ、燃焼安定性の悪化を抑制することができる。

かかる実線Ｌ５で示すリフト特性によれば、片弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒのリフト量／作用角が、両弁可変制御時の最大リフト量と同等のリフト量、かつ、該最大リフト時の作用角よりも小さい作用角にされる。そこで、この実線Ｌ５で示されるリフト特性が、バルブ動作時（開閉時）の慣性力を考慮して実現可能か否かを検討する。

図８は、片弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒのリフト量、加速度及び速度を説明するための図である。具体的には、図８（Ａ）は、片弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒのリフト量を示す図であり、図８（Ｂ）は片弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒの加速度を示す図であり、図８（Ｃ）は片弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒの速度を示す図である。

上記実線Ｌ５で示されるリフト特性を実現するためには、図８（Ｃ）において破線で示すバルブ速度の立ち上がり及び立ち上がりを大きくすることが必要である。すなわち、図８（Ｂ）において破線で示すようなバルブ加速度を実現することが必要である。図８（Ｂ）において、、図７（Ｂ）の実線Ｌ３で示されるリフト特性が得られる時の加速度を、実線で示している。これより、実線Ｌ５で示されるリフト特性を実現するためには、実線Ｌ３で示されるリフト特性を実現する場合の加速度よりも、正（＋）側でより大きくすると共に負（−）側でより小さくすることが必要である。このような加速度を第２吸気バルブ１４Ｒに与える場合、バルブスプリング１４ｂが慣性力に追従できないときには、図８（Ａ）において一点鎖線で示すジャンプや、同図において破線で示すバウンスのようなバルブ動作不良を生じてしまう。

しかしながら、図６に示すように、片弁可変制御は低回転域〜中回転域で実施される。より具体的には、機関回転数NEが2000〜3000rpmで、片弁可変制御が実施される。上記慣性力は、機関回転数NEの２乗に比例するため、かかる低回転域〜中回転域では慣性力はさほど大きくならない。従って、実線Ｌ５で示されるリフト特性（つまり、小作用角／最大リフト量）を実現することができる。

以上説明したように、本実施の形態１によれば、大リフトカム１７のカムプロフィールにより実線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ５のようなリフト特性を実現することで、片弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒの閉弁時期が下死点付近にされる。これにより、片弁可変制御時に実圧縮比の低下を抑制することができる。
さらに、本実施の形態１によれば、この大リフトカム１７のカムプロフィールにより実線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ５のようなリフト特性を実現することで、片弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒの開弁時期が上死点付近にされる。これにより、片弁可変制御時に排気バルブ２９のバルブタイミングを操作しなくとも内部ＥＧＲを少なくすることができ、燃焼安定性の悪化を抑制することができる。
また、本実施の形態１によれば、この大リフトカム１７のカムプロフィールにより実線Ｌ５のようなリフト特性を実現することで、片弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒのリフト量が、両弁可変制御時の最大リフト量と同等にされる。これにより、片弁可変制御時にポンピングロスを抑制することができる。

なお、本実施の形態１においては、吸気バルブ１４Ｌ，１４Ｒが第１及び第３の発明における「吸気バルブ」に、第２吸気バルブ１４Ｒが第１及び第３の発明における「切換対象バルブ」に、第１吸気バルブ１４Ｌが第１及び第３の発明における「他の吸気バルブ」に、アーム結合機構７２が第１及び第３の発明における「切換手段」に、制御軸４１が第１及び第３の発明における「制御軸」に、主カム１６が第１の発明における「主カム」に、揺動アーム５０Ｌ，５０Ｒが第１及び第３の発明における「揺動部材」に、大リフトカム１７が第１及び第２の発明における「第２カム」に、大リフトアーム７１が第１及び第３の発明における「固定アーム」に、それぞれ相当している。

実施の形態２．
次に、図９から図１１を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。以下、本実施の形態２では、上記実施の形態１との相違点を中心に説明することとする。

上記実施の形態１では、主カム１６と大リフトカム１７のカムプロフィールを異なるようにした。具体的には、大リフトカム１７のカムプロフィールを、片弁可変制御時に第２吸気バルブ１４Ｒのリフト特性が図７（Ｂ）において実線Ｌ２，Ｌ３，Ｌ５で示すようなリフト特性となるように形成した。

図９は、本実施の形態２において、吸気カム軸１５における主カム１６Ａと第２カム１７Ａとの相対位置を説明するための図である。図９に示すように、片弁可変制御時に第２吸気バルブ１４Ｒのために用いられる第２カム１７Ａは、両弁可変制御時に用いられる主カム１６Ａと同じカムプロフィールを有している。さらに、片弁可変制御時に第２吸気バルブ１４Ｒの閉弁時期が下死点付近となるように、吸気カム軸１５における第２カム１７Ａの位置が調整されている。また、吸気カム軸１５における主カム１６Ａの位置は、上記実施の形態１における主カム１６の位置と同じである。よって、図９に示すように、第２カム１７Ａのカムノーズが、主カム１６Ａのカムノーズよりも進角側となる。

主カム１６Ａと第２カム１７Ａの相対位置を図９に示すような位置とすることで、図１０に示すように、片弁可変制御時に第２吸気バルブ１４Ｒの閉弁時期が下死点付近とされる。これにより、上記実施の形態１と同様に、片弁可変制御時に実圧縮比の低下を抑制することができ、燃焼安定性の低下を抑制することができる。

また、上記実施の形態１においても説明したように、片弁可変制御時にポンピングロスの低下を抑制することが望ましい。そこで、本実施の形態２では、第２カム１７Ａ（及び主カム１６Ａ）が、片弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒの作用角／リフト量が両弁可変制御時の最大作用角／リフト量と同等となるようなカムプロフィールを有するように形成される。これにより、片弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒの作用角／リフト量が、両弁可変制御時の吸気バルブ１４Ｌ，１４Ｒの最大作用角／最大リフト量と同等にされる。このため、片弁可変制御時に、可変側の第１吸気バルブ１４Ｌの作用角／リフト量が小さい場合であっても、固定側の第２吸気バルブ１４Ｒのバルブ開口面積が大きくされるため、ポンピングロスを抑制することができる。

図１０は、本実施の形態２において、片弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒと排気バルブ２９のリフト特性を示す図である。上述したように、実圧縮比の低下抑制のため、片弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒの閉弁時期が下死点付近とされる。さらに、ポンピングロス抑制のため、該第２吸気バルブ１４Ｒの作用角／リフト量が大きくされる。そうすると、図１０に示すように、第２吸気バルブ１４Ｒの開弁時期が上死点TDCよりも進角側となる場合がある。この場合、第２吸気バルブ１４Ｒと排気バルブ２９が共に開弁されるバルブオーバーラップの期間が所望の期間よりも長くなってしまう可能性がある。バルブオーバーラップ期間が長いほど、内部ＥＧＲ量が多くなり、低回転域では燃焼安定性が低下する可能性がある。

そこで、本実施の形態２では、内部ＥＧＲ量を所望の量に制御すべく、つまり、内部ＥＧＲ量の増加を抑制すべく、図１０に示すように、排気バルブ２９のバルブタイミング（以下「排気バルブタイミング」という。）を進角させることとする。図１１は、機関回転数NEと排気バルブタイミングの進角量との関係を示す図である。図１１に示すように、機関回転数NEが低いほど、排気バルブタイミングの進角量は多くされる。つまり、ＥＣＵ６０は、図１１に示すようなマップを参照して、機関回転数NEに応じた可変動弁機構３０の駆動量を算出し、可変動弁機構３０を駆動させる。これにより、片弁可変制御時の排気バルブ２９の閉弁時期が、両弁可変制御時に比して進角せしめられるため、バルブオーバーラップ期間が短くされる。よって、機関回転数NEが低い場合であっても、燃焼安定性の低下を抑制することができる。

ところで、上記実施の形態２では、機関回転数NEに応じて排気バルブタイミングを進角させることで排気バルブ閉弁時期を進角させているが、排気バルブ２９の作用角を小さくすることで排気バルブ閉弁時期を進角させてもよい。この場合も、上記実施の形態２と同様に、バルブオーバーラップ期間と内部ＥＧＲ量を制御することができ、燃焼安定性の低下を抑制することができる。

なお、本実施の形態２においては、主カム１６Ａが第３及び第４の発明における「主カム」に、第２カム１７Ａが第３及び第４の発明における「第２カム」に、排気バルブ２９が第５の発明における「排気バルブ」に、可変動弁機構３０が第５の発明における「第２可変動弁機構」に、ＥＣＵ６０が第５の発明における「制御手段」に、それぞれ相当している。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 図１に示すシステムにおいて、可変動弁装置１８の構成を説明するための斜視図である。 図２に示す可変動弁装置１８における可変動弁機構４０の構成を説明するための図である。 図２に示す可変動弁機構４０及び固定動弁機構７０を示す分解斜視図である。 ピン７４を作動させるための油圧系の構成を示す概略図である。 片弁可変領域及び両弁可変領域の一例を示す図である。 第２吸気バルブ１４Ｒのリフト特性を示す図である。 片弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒのリフト量、加速度及び速度を説明するための図である。 本発明の実施の形態２において、吸気カム軸１５における主カム１６Ａと第２カム１７Ａとの相対位置を説明するための図である。 本発明の実施の形態２において、片弁可変制御時の第２吸気バルブ１４Ｒと排気バルブ２９のリフト特性を示す図である。 機関回転数NEと排気バルブタイミングの進角量との関係を示す図である。

符号の説明

１ 内燃機関
１４Ｌ 第１吸気バルブ
１４Ｒ 第２吸気バルブ
１５ 吸気カム軸
１６，１６Ａ 主カム
１７，１７Ａ 第２カム
２９ 排気バルブ
３０ 可変動弁機構
４１ 制御軸
５０ 揺動アーム
６０ ＥＣＵ
７１ 大リフトアーム
７２ アーム結合機構

Claims (5)

1. 機械式の可変動弁機構を吸気系に有する内燃機関であって、
   前記内燃機関の運転状態に応じて、複数の吸気バルブの作用角及びリフト量を共に変更可能な両弁可変制御と、切換対象バルブである少なくとも１つの吸気バルブの作用角及びリフト量を固定すると共に他の吸気バルブの作用角及びリフト量を変更可能な片弁可変制御とを切り換える切換手段と、
   制御軸の位置に応じて揺動可能に設けられ、両弁可変制御時に主カムの押圧力を前記複数の吸気バルブに伝達する揺動部材と、
   片弁可変制御時に第２カムの押圧力を前記切換対象バルブに伝達する固定アームとを備え、
   前記第２カムは、片弁可変制御時の前記切換対象バルブの閉弁時期が下死点付近となるようなカムプロフィールを有することを特徴とする可変動弁機構付き内燃機関。
2. 請求項１に記載の可変動弁機構付き内燃機関において、
   前記第２カムのカムプロフィールは、片弁可変制御時の前記切換対象バルブの開弁時期が上死点付近となり、かつ、片弁可変制御時の前記切換対象バルブのリフト量が両弁可変制御時の最大リフト量と同等になるようなカムプロフィールであることを特徴とする可変動弁機構付き内燃機関。
3. 機械式の可変動弁機構を吸気系に有する内燃機関であって、
   前記内燃機関の運転状態に応じて、複数の吸気バルブの作用角及びリフト量を共に変更可能な両弁可変制御と、切換対象バルブである少なくとも１つの吸気バルブの作用角及びリフト量を固定すると共に他の吸気バルブの作用角及びリフト量を変更可能な片弁可変制御とを切り換える切換手段と、
   制御軸の位置に応じて揺動可能に設けられ、両弁可変制御時に主カムの押圧力を前記複数の吸気バルブに伝達する揺動部材と、
   片弁可変制御時に第２カムの押圧力を前記切換対象バルブに伝達する固定アームとを備え、
   片弁可変制御時の前記切換対象バルブの閉弁時期が下死点付近となるように、カム軸における前記主カムと前記第２カムとの相対位置が調整されたことを特徴とする可変動弁機構付き内燃機関。
4. 請求項３に記載の可変動弁機構付き内燃機関において、
   前記主カムと前記第２カムとは同一のカムプロフィールを有しており、
   前記第２カムの位置が、前記主カムの位置よりも進角側であることを特徴とする可変動弁機構付き内燃機関。
5. 請求項４に記載の可変動弁機構付き内燃機関において、
   排気バルブの開弁特性を変更可能な第２可変動弁機構と、
   前記第２可変動弁機構により、片弁可変制御時の前記排気バルブの閉弁時期を、両弁可変制御時に比して進角側とする制御手段とを更に備えたことを特徴とする可変動弁機構付き内燃機関。

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