JP2012102699A - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、カムの強度・剛性を高く維持すると共に、機構の複雑化・肥大化を抑制することのできる内燃機関の可変動弁装置を提供することを目的とする。
【解決手段】カムシャフトと同期して回転する別体のカムピースと、カムピースの外周面に形成され、リフト部又はベース円部として機能する第１カムロブ、及びベース円部又はリフト部として機能する第２カムロブと、カムピースの両側面を貫通しカムシャフトの周長よりも長い周長を有する貫通孔とを備える。さらに、貫通孔にカムシャフトが挿入された状態で、カムピースの重心とカムシャフトの軸線との距離を変更することにより、第１カムロブをリフト部として機能させると共に第２カムロブをベース円部として機能させる第１モードと、第１カムロブをベース円部として機能させると共に第２カムロブをリフト部として機能させる第２モードとを変更する制御を実施する。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の可変動弁装置に関する。

従来、例えば特許文献１（特開平７−００４２１７号公報）に開示されているように、可変動弁装置を備えた内燃機関が知られている。特許文献１の可変動弁装置では、カムノーズ部とカムベース円部とが分割されて形成されている。また、カムベース円部とカムノーズ部との境界にオイル溜まり室が設けられている。さらに、オイル溜まり室とカムシャフトジャーナル部とが連通するように構成されている。このような構成によれば、カムジャーナルからオイル溜まり室に供給される油圧により、カムノーズ部の突出量を変化させて、バルブリフト量を変更することができる。

特許文献２（特開２００９−２６４２００号公報）には、並置された一対のロッカーアームをカムシャフトの低速用吸気カムおよび高速用吸気カムにそれぞれ当接させるとともに、一対のロッカーアームの連結および分離を、該ロッカーアームの内部に形成したピン孔に摺動自在に嵌合する連結ピンにより達成することで、機関弁のバルブリフトおよびバルブタイミングを変更する可変動弁装置が開示されている。

特開平７−００４２１７号公報 特開２００９−２６４２００号公報 特開２０１０−１５６２３８号公報 特表２０１０−５０２８８４号公報

しかしながら、上述した特許文献１の可変動弁装置では、カムを構成するカムノーズ部とカムベース円部とが分割されて形成されているため、分割された部分の強度・剛性が低いという課題がある。また、上述した特許文献２の可変動弁装置では、カム自体は一つの部材として構成されているものの、その他の機構が複雑化・肥大化してしまうという課題がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、カムの強度・剛性を高く維持すると共に、機構の複雑化・肥大化を抑制することのできる内燃機関の可変動弁装置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、内燃機関の可変動弁装置であって、
カムシャフトと、
前記カムシャフトと同期して回転する別体のカムピースと、
前記カムピースの外周面に形成され、リフト部又はベース円部として機能する第１カムロブ、及び、ベース円部又はリフト部として機能する第２カムロブと、
前記カムピースの両側面を貫通し、前記カムシャフトの周長よりも長い周長を有する貫通孔と、
前記貫通孔に前記カムシャフトが挿入された状態で、前記カムピースの重心と前記カムシャフトの軸線との距離を変更することにより、前記第１カムロブをリフト部として機能させると共に前記第２カムロブをベース円部として機能させる第１モードと、前記第１カムロブをベース円部として機能させると共に前記第２カムロブをリフト部として機能させる第２モードと、を変更するモード変更手段と、を備え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、
前記カムピースとバルブとの間に介在し、前記カムピースの回転運動を該バルブの開閉運動に変換して伝達する中間部材と、
前記カムピースに向けて前記中間部材を常時付勢する付勢手段と、を更に備え、
前記モード変更手段は、前記付勢手段に常時付勢される前記中間部材が回転する前記カムピースを付勢することにより、前記カムピースの重心と前記カムシャフトの軸線との距離を変更すること、を特徴とする。

また、第３の発明は、第１又は第２の発明において、
前記カムシャフトの内部に設けられ、前記貫通孔に前記カムシャフトが挿入された状態で、前記貫通孔の前記第１カムロブ側に接続される第１油路、及び、前記貫通孔の前記第２カムロブ側に接続される第２油路を更に備え、
前記モード変更手段は、前記第１油路に油圧を供給することにより前記第１モードに変更し、前記第２油路に油圧を供給することにより前記第２モードに変更すること、を特徴とする。

また、第４の発明は、第１又は第２の発明において、
前記カムシャフトの外周面を貫通し、前記貫通孔に前記カムシャフトが挿入された状態で、前記貫通孔の前記第１カムロブ側と前記第２カムロブ側とを連通する連通孔と、
前記貫通孔及び前記連通孔内に充填された流体と、
前記連通孔を開閉する連通孔開閉手段と、
前記第１モード又は前記第２モードに変更された状態で、前記連通孔開閉手段により前記連通孔を閉じる保持手段と、を更に備えることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明のいずれかにおいて、
前記第１カムロブをリフト部として機能させた場合に前記第１カムロブに加わる負荷を算出する負荷算出手段と、
前記負荷算出手段により算出された負荷の蓄積値が設計値を超えるか否かを判定する蓄積負荷判定手段と、を更に備え、
前記蓄積値が前記設計値を超えた場合に、前記モード変更手段により前記第２モードに変更する負荷分散手段、を備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、カムピースの外周面に第１カムロブと第２カムロブとが形成されているため、カムピースの強度・剛性を高く維持することができる。また、カムピースの貫通孔にカムシャフトが挿入された状態で、カムピースの重心とカムシャフトの軸線との距離を変更することにより、いずれのカムロブをリフト部として機能させるかベース円部として機能させるか（モード）を切り替えることができる。このようなカムを用いることにより、動弁機構の複雑化・肥大化を抑制することが可能となる。

第２の発明によれば、付勢手段に常時付勢される中間部材が、回転するカムピースを付勢することにより、カムピースの重心とカムシャフトの軸線との距離を変更することができる。このため、本発明によれば、カムピースの回転と常時加わる付勢力とを利用して、カムピースを変位させ、応答性及び確実性高くモードを切り替えることができる。

第３の発明によれば、カムシャフトの内部に設けられた第１油路又は第２油路に油圧を供給することにより、モードを切り替えることができる。

第４の発明によれば、連通孔を閉じることにより、貫通孔及び連通孔内に充填された流体が自由に移動できない状態とすることができる。オイルが自由に移動できない状態とすることによって、当該モードで運転することができる。

第５の発明によれば、リフト部として機能させた第１カムロブに加わる負荷の蓄積値が設計値を超えた場合に、第２モードに変更することができる。そのため、カムロブに加わる負荷を分散させることができる。このため、本発明によれば、負荷によるカムロブの疲労を最大１／２にできるため、品質保証を最大２倍にすることが可能となる。

本発明の実施の形態１の可変動弁装置の一部を概略的に示す図である。 本発明の実施の形態１におけるカムシャフトとスイッチカムの構成について説明するための図である。 本発明の実施の形態１におけるスイッチカムのスイッチ機構について説明するための図である。 スイッチカムのモード切り替えによるカム位相の変化について説明するための図である。 本発明の実施の形態１における弁開放制御について説明するための図である。 本発明の実施の形態１における片弁リフト制御について説明するための図である。 本発明の実施の形態１における弁停止制御について説明するための図である。 本発明の実施の形態２の可変動弁装置１２をカムシャフトの軸方向から示した概略図である。 本発明の実施の形態２における保持ＯＮ区間（保持制御区間）を示す図である。 本発明の実施の形態２におけるスイッチカムの保持機構（油圧式）について説明するための図である。 本発明の実施の形態２におけるスイッチカムの保持機構（電磁式）について説明するための図である。 本発明の実施の形態３におけるスイッチカムのスイッチ前後の燃焼サイクルを説明するための図である。 本発明の実施の形態３においてＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。 エンジン回転数とカムロブ面圧との関係を定めた関係マップである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。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．
［システムの概略構成］
図１〜図７を参照して本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１の可変動弁装置の一部を概略的に示す図である。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、車両等に搭載され、その動力源とされる４サイクルエンジンである。内燃機関１０の可変動弁装置１２には、カムシャフト１４が設けられている。カムシャフト１４には、これと同期して回転するメインカム１６とスイッチカム１８とが取り付けられている。

メインカム１６は、カムシャフト１４と一体に組み付けられた従来のカムである。メインカム１６は、カムシャフト１４と同軸の円弧状のベース円部と、当該ベース円の一部を半径方向外側に向かって膨らませるように形成されたリフト部とを有するカム（リフトカム）である。後述する本発明に係るスイッチカム１８は、その外周面の形状はメインカム１６と同様であるが、カムシャフト１４とは別体のカムとして構成されている。なお、スイッチカム１８は、メインカム１６の機能を包含するため、両方のカムをスイッチカム１８としてもよい。

図２は、カムシャフト１４とスイッチカム１８の構成について説明するための図である。図２は、カムシャフト１４及びスイッチカム１８を、カムシャフト１４の軸方向から示した概略図である。

カムシャフト１４は、その外周面に外円弧部２０ａ、２０ｂと平面部２２ａ、２２ｂとを有している。外円弧部２０ａ、２０ｂは、カムシャフト１４の半径を径とする。平面部２２ａ、２２ｂは、平行に形成されている。以下の説明において、外円弧部２０ａ、２０ｂを特に区別しない場合には、単に外円弧部２０という。平面部２２ａ、２２ｂを特に区別しない場合には、単に平面部２２という。

スイッチカム１８の一部であるカムピース２４は、その両側面を貫通する貫通孔２６により筒状（環状）に形成されている。また、貫通孔２６を囲むカムピース２４の内周面は、内円弧部２８ａ、２８ｂとスライド面部３０ａ、３０ｂとにより形成されている。内円弧部２８ａ、２８ｂは、カムシャフト１４の外円弧部２０と同径である。スライド面部３０ａ、３０ｂは、平行に形成されている。スライド面部３０ａ、３０ｂ間は、平面部２２ａ、２２ｂ間と略同じ又は若干広く形成されている。以下の説明において、内円弧部２８ａ、２８ｂを特に区別しない場合には、単に内円弧部２８という。スライド面部３０ａ、３０ｂを特に区別しない場合には、単にスライド面部３０という。

図２に示す通り、貫通孔２６の周長は、カムシャフト１４の周長よりも長く形成されている。そのため、カムピース２４の内周面に囲まれた貫通孔２６の断面積は、カムシャフト１４の断面積よりも大きい。そして、カムシャフト１４は、平面部２２ａがスライド面部３０ａに、平面部２２ｂがスライド面部３０ｂに摺接する状態で貫通孔２６に挿入されている。カムピース２４は、スライド面部３０と平面部２２とが摺接しながら、図２の矢印α方向、矢印β方向にスライド可能である。スライドにより、カムピース２４の重心とカムシャフト１４の軸線との距離（オフセット量）が変更される。

さらに、カムピース２４の外周面には、カムロブＡとカムロブＢとが形成されている。カムピース２４を矢印α方向にスイッチさせることより、内円弧部２８ｂが外円弧部２０ｂに接する。このとき、カムシャフト１４の軸心からカムロブＡの最頂点までの距離は、該軸心に関して該最頂点と反対側に位置するカムロブＢの頂点までの距離よりも長くなる。この状態において、カムロブＡをリフト部として、カムロブＢをベース円部として機能させることができる（以下、この状態を通常モードという。）。

一方、カムピース２４を矢印β方向にスイッチさせることにより、内円弧部２８ａが外円弧部２０ａに接する。このとき、カムシャフト１４の軸心からカムロブＡの最頂点までの距離は、該軸心に関して該最頂点と反対側に位置するカムロブＢの頂点までの距離よりも短くなる。この状態において、カムロブＡをベース円部として、カムロブＢをリフト部として機能させることができる（以下、この状態を切替モードという）。

［スイッチカム１８のスイッチ機構］
次に、図３を用いてスイッチカム１８のスイッチ機構について説明する。図３（Ａ）は、カムシャフト１４及びスイッチカム１８を、カムシャフト１４の軸線に垂直な平面で切断した断面図である。図３（Ｂ）は、カムロブＡからカムロブＢにかけてカムシャフト１４の軸線を含む平面で切断した断面図である。

図３（Ｂ）に示すように、カムピース２４の両側面には、スライド用シール３２が貫通孔２６を囲むように環状に設けられている。カムシャフト１４には、カムピース２４の両側面のスライド用シール３２を挟み込み、貫通孔２６を密閉するシール用ハウジング３４が立設されている。シール用ハウジング３４は、カムシャフト１４と一体に組み付けられ、カムピース２４をスイッチさせても貫通孔２６の密閉を保つ大きさを有している。

カムシャフト１４の内部には、２つの油路３６ａ、３６ｂが設けられている。油路３６ａは、貫通孔２６のカムロブＡ側と連通している。油路３６ｂは、貫通孔２６のカムロブＢ側と連通している。油路３６ａ、３６ｂには、ＯＣＶ（Oil Control Valve）３８等により油圧が供給される。

ＯＣＶ３８は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０の出力側に電気的に接続されている。また、ＥＣＵ５０には、カムシャフト１４の回転角（ｄｅｇ）を検出するカム角センサ５２、クランク角（ｄｅｇＣＡ）を検出するクランク角センサ５４、点火プラグ、インジェクタ等が電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、各種センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各種アクチュエータを作動させることにより、内燃機関１０の運転状態を制御する。

ＥＣＵ５０によりＯＣＶ３８は制御され、図３に示すように油路３６ａのみに油圧が供給される場合には、内円弧部２８ａと外円弧部２０ａとスライド面部３０とシール用ハウジング３４とで囲まれた貫通孔２６のカムロブＡ側にオイルが流れ込み、カムロブＡ側に油圧室が形成される。その結果、カムピース２４は、図２の矢印α方向にスイッチされ、その状態（通常モード）で保持される。

同様に、油路３６ｂのみに油圧が供給される場合には、内円弧部２８ｂと外円弧部２０ｂとスライド面部３０とシール用ハウジング３４とで囲まれた貫通孔２６のカムロブＢ側にオイルが流れ込み、カムロブＢ側に油圧室が形成される。その結果、カムピース２４は、図２の矢印β方向にスイッチされ、その状態（切替モード）で保持される。このように、ＥＣＵ５０はモード切り替え制御を実施する。

図４は、スイッチカム１８のモード切り替えによるカム位相の変化について説明するための図である。ＥＣＵ５０によって、通常モードから切替モードにモードが切り替えられると、上述のようにカムピース２４は矢印β方向にスイッチされる。その結果、カム位相は、通常モードとは１８０ｄｅｇ（３６０ｄｅｇＣＡ）逆方向に変更されることとなる。

次に、このようなスイッチカム１８を用いて実現できる３つの弁制御（弁開放制御、片弁リフト制御、弁停止制御）についてそれぞれ説明する。

［弁開放制御］
まず、１つ目の弁制御である弁開放制御について、図５を参照して説明する。弁開放制御を実現する構成として、可変動弁装置１２は、メインカム１６及びスイッチカム１８の回転力のいずれもが共通の吸気バルブに伝達される動弁機構を有する。例えば、メインカム１６及びスイッチカム１８の回転運動を吸気バルブの開閉運動に変換する共通の中間部材（例えばロッカーアーム）を備えた動弁機構を有する。上述したスイッチカム１８以外の動弁機構の構成自体は、公知の技術であるため、その説明は省略する。

このような構成において、ＥＣＵ５０によってスイッチカム１８が切替モードに制御されると（図５）、スイッチカム１８の位相はメインカム１６と１８０ｄｅｇ逆の位相に変更される。そのため、３６０ｄｅｇ常に吸気バルブをリフトした状態とすることができ、吸気の呼吸を止めることができる。その結果、ポンプ損失の低減を図ることができる。この制御はデコンプ等で使用される。

ところで、上述した弁開放制御を実現する構成として、可変動弁装置１２は、メインカム１６の回転運動を１つの吸気バルブの開閉運動に変換する中間部材（例えばロッカーアーム）と、スイッチカム１８の回転運動を１つの吸気バルブの開閉運動に変換する中間部材とをそれぞれ備え、これら２つの中間部材を連結／非連結可能な動弁機構を有するものであってもよい。この場合、２つの中間部材が連結状態において、メインカム１６及びスイッチカム１８の回転力のいずれもが共通の吸気バルブに伝達されることとなる。

また、上述した弁開放制御を実現する構成では、メインカム１６及びスイッチカム１８の回転力を吸気バルブに伝達する構成としている。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、メインカム１６及びスイッチカム１８の回転力を排気バルブに伝達する構成についても同様に適用可能である。なお、この点は以下の片弁リフト制御、弁停止制御でも同様である。

［片弁リフト制御］
続いて、２つ目の弁制御である片弁リフト制御について、図６を参照して説明する。片弁リフト制御を実現する構成として、可変動弁装置１２は、メインカム１６の回転力が伝達される吸気バルブと、スイッチカム１８の回転力が伝達される吸気バルブとが独立した動弁機構を有する。例えば、メインカム１６の回転運動を１つの吸気バルブの開閉運動に変換する中間部材（例えばロッカーアーム）と、スイッチカム１８の回転運動を１つの吸気バルブの開閉運動に変換する中間部材とをそれぞれ備えた動弁機構を有する。上述したスイッチカム１８以外の動弁機構の構成自体は、公知の技術であるため、その説明は省略する。

このような構成において、ＥＣＵ５０は、スイッチカム１８のカムロブＡ及びカムロブＢを常にベース円部として中間部材に作用させるように、スイッチカム１８を常時スイッチさせるモード切り替え制御を実施する。これにより、図６に示すように、スイッチカム１８側の吸気バルブを弁停止状態（カムプロフィールの設定により微少リフト状態も可能）とすることができる。その結果、筒内にスワール流を生じさせることができ、燃焼改善を図ることができる。

［弁停止制御］
最後に、３つ目の弁制御である弁停止制御について、図７を参照して説明する。弁停止制御を実現する構成として、可変動弁装置１２は、２つのスイッチカム１８の回転力が共通の又は個別の吸気バルブに伝達される動弁機構を有する。例えば、２つ目の弁制御で述べた動弁機構において、図１に示すメインカム１６に変えてスイッチカム１８を備えた動弁機構を有する。

このような構成において、ＥＣＵ５０は、２つのスイッチカム１８のカムロブＡ及びカムロブＢを常にベース円部として中間部材に作用させるように、２つのスイッチカム１８を常時スイッチさせるモード切り替え制御を実施する。これにより、図７に示すように、吸気バルブを弁停止状態とすることができる。その結果、触媒貴金属の低減や回生効率の向上を図ることができる。

以上説明したように、本発明に係るスイッチカム１８によれば、カムピースが一体形成されているため、強度、剛性を高く維持することができる。また、カムシャフト１４の軸心とカムピース２４重心とをオフセットすることによりカム位相を可変制御することができる。さらに、動弁機構の複雑化・肥大化を抑制しつつ、上述した弁開放制御、片弁リフト制御、弁停止制御を実現することができる。

尚、上述した実施の形態１においては、カムシャフト１４が前記第１の発明における「カムシャフト」に、カムピース２４が前記第１の発明における「カムピース」に、カムロブＡが前記第１の発明における「第１カムロブ」に、カムロブＢが前記第１の発明における「第２カムロブ」に、貫通孔２６が前記第１の発明における「貫通孔」に、通常モードが前記第１の発明における「第１モード」に、切替モードが前記第１の発明における「第２モード」に、ＥＣＵ５０によるモード切り替え制御が前記第１の発明における「モード変更手段」に、油路３６ａが前記第３の発明における「第１油路」に、油路３６ｂが前記第３の発明における「第２油路」に、それぞれ相当している。

実施の形態２．
［可変動弁装置１２の概略構成］
次に、図８〜図１１を用いて本発明の実施の形態２について説明する。図８は、本実施形態の可変動弁装置１２をカムシャフト１４の軸方向から示した概略図である。図８において、カムシャフト１４、カムピース２４の形状については図２で説明した内容と同じであるため、同一の符号を付してその説明を省略する。

図８（Ａ）に示すように、カムシャフト１４と平行に配置されたロッカーシャフト６０を備えている。ロッカーシャフト６０には、ロッカーアーム６２が回転自在に取り付けられている。ロッカーアーム６２の中央部位には、カムピース２４と接することができる位置に、図示省略するローラが回転可能に取り付けられている。また、ロッカーアーム６２におけるロッカーシャフト６０の反対側の端部には、バルブ６４（吸気バルブ又は排気バルブ）の基端部が当接している。

ロッカーシャフト６０は、ＨＬＡ（Hydraulic Lash Adjuster）６６を介して内燃機関１０の静止部材である図示省略するカムキャリア（或いはシリンダヘッド等）に支持されているものとする。このため、ロッカーアーム６２は、ＨＬＡ６６から押し上げ力を受けることによって、カムピース２４に向けて付勢されている。また、ロッカーアーム６２は、バルブスプリング６８の付勢力（反力）によってカムピース２４に押し付けられている。上記のように構成されたロッカーアーム６２は、スイッチカム１８の作用力とＨＬＡ６６及びバルブスプリング６８の付勢力との協働により、ロッカーシャフト６０を支点として揺動するようになる。ロッカーアーム６２が揺動されることにより、バルブ６４は開閉されるようになっている。

上述した実施の形態１における弁停止制御は、一例として、触媒貴金属低減のために燃料カット（Ｆ／Ｃ）と共に実施される。好適に弁停止制御を実現するためには、サイクルバイサイクルでモードを切り替えることのできる応答性及び確実性の高い動弁機構が求められる。しかしながら、従来のカムピースでは慣性重量が大きく、応答性の高い可変制御は難しい。上述した特許文献２（特開２００９−２６４２００号公報）に開示されているロッカーアームの連結および分離を連結ピンで切り替える機構も、低回転で使用されるものであり、高回転では確実性が低く、また機構も複雑である。

これに対して、本発明に係るスイッチカム１８のカムピース２４は、カムシャフト１４の断面積よりも大きな貫通孔２６を有しており、従来のカムピースに比して慣性重量が小さい。さらに、図８（Ａ）の矢印γ方向にバルブスプリング６８の反力が常時加わっていることに着目すると、バルブスプリング６８の反力を利用することができる。そこで、本実施形態の可変動弁装置１２では、バルブスプリング６８の反力を利用して、カムピース２４をスイッチさせることにより、通常モードと切替モードとを高速に切り替えることとした。

［スイッチカム１８のモード切り替え動作］
図８を用いて、本実施形態におけるスイッチカム１８のモード切り替え動作について説明する。図８（Ａ）は、スイッチ開始点（カム角０ｄｅｇ）を示す図である。ロッカーアーム６２は、バルブスプリング６８の反力によってカムピース２４を常時矢印γ方向に付勢している。

カムシャフト１４が反時計回りに回転するに伴い、カムピース２４は、そのカムロブＢ側にバルブスプリング６８の反力を受ける（図８（Ｂ））。カムピース２４は、バルブスプリング６８の反力によって矢印δ方向にスイッチを開始する。

その後、カム角９０ｄｅｇにおいて通常モードとなりスイッチが完了する（図８（Ｃ））。さらに、カム角１８０ｄｅｇにおいて、次のスイッチが開始される（図８（Ｄ））。後述する保持機構によってカムピース２４を保持しない間は、スイッチカム１８は、カム角１８０ｄｅｇ毎にモードが切り替わることとなる。この間、ロッカーアーム６２に付勢されるカムピースの外周面はベース円部として機能することとなり、応答性・確実性高く閉弁状態を維持することができる。

[スイッチカム１８の保持機構]
次に、スイッチカム１８のモードを保持する保持機構について図９〜図１０を参照して説明する。例えば、通常モードにスイッチした状態を保持する場合には、図８（Ｃ）に示すようにスイッチした後、図９に示す保持ＯＮ区間（保持制御区間）が終了するまでにカムピース２４を固定する保持制御を実施する必要がある。

図１０は、上述の保持制御を実現するための具体的な保持機構について説明するための図である。図１０（Ａ）は、カムシャフト１４及びスイッチカム１８を、カムシャフト１４の軸線に垂直な平面で切断した断面図である。図１０（Ｂ）は、カムロブＡからカムロブＢにかけてカムシャフト１４の軸線を含む平面で切断した断面図である。図１０において、図３と同様の構成については、同一の符号を付してその説明を簡略又は省略する。

図１０（Ｂ）に示すように、カムピース２４の両側面には、スライド用シール３２が貫通孔２６を囲むように環状に設けられている。カムシャフト１４には、カムピース２４の両側面のスライド用シール３２を挟み込み、貫通孔２６を密閉するシール用ハウジング３４が立設されている。シール用ハウジング３４は、カムシャフト１４と一体に組み付けられ、カムピース２４をスイッチさせても貫通孔２６の密閉を保つ大きさを有している。

カムシャフト１４には、その外周面を貫通し、貫通孔２６のカムロブＡ側とカムロブＢ側とを連通する連通孔７０が形成されている。密閉された貫通孔２６及び連通孔７０内にはオイルが充填されている。カムシャフト１４の内部には、軸方向にスライド可能な板状のスライドベーン７２が挿入されている。スライドベーンには穴部７４が設けられている。スライドベーン７２は、ＥＣＵ５０の出力側に電気的に接続されるソレノイド等のアクチュエータ７６によりカムシャフト１４の軸方向にスライドされる。

ＥＣＵ５０により、穴部７４と連通孔７０とが一致するようにスライドベーン７２がスライドされることにより、貫通孔２６のカムロブＡ側とカムロブＢ側とが連通する。このとき、貫通孔２６のカムロブＡ側とカムロブＢ側との間をオイルが自由に移動できる状態となる。一方、スライドベーン７２の穴部７４以外の部分で連通孔７０が塞がれることにより、貫通孔２６のカムロブＡ側とカムロブＢ側とが遮蔽される。そのため、オイルが自由に移動できない状態となる。

このような保持機構によれば、穴部７４と連通孔７０とが一致させて、オイルが自由に移動できる状態とすることによって、バルブスプリング６８の反力を利用したスイッチカム１８のモード切り替えを実現することができる。加えて、穴部７４と連通孔７０とをずらして、オイルが自由に移動できない状態とすることによって、スイッチカム１８のモードを固定することができる。なお、ＥＣＵ５０による保持制御の制御タイミングは、カム角センサからの入力値に応じて予め設定されている。

以上説明したように、本実施形態の可変動弁装置１２によれば、カムシャフト１４の回転と、バルブスプリング６８の反力とを利用して、応答性及び確実性高くスイッチカム１８のモードを切り替えることができる。特別なスイッチ機構を要さず保持機構のみでよいため、モード切り替えに必要な推力を大幅に減少させることできる。さらに、動弁機構の体格縮小、簡素化、低コスト化を図ることが可能となる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、スイッチカム１８の保持機構を、油圧式の機構としているが、これに限定されるものではない。例えば、電磁式の保持機構としても良い。図１１を参照して具体的に説明する。図１１（Ａ）は、カムシャフト１４及びスイッチカム１８を、カムシャフト１４の軸線に垂直な平面で切断した断面図である。図１１（Ｂ）は、カムシャフト１４の上面図である。図１０と共通する要素には同一の符号を付して説明を省略する。

図１１に示すように、カムシャフト１４の連通孔７０にはコイル８０が内蔵されている。コイル８０は、回転するカムシャフト１４に内蔵するため、電源との接続はスリップリングなどを用いる。このような構成において、カムシャフト１４がカムロブＡ側（切替モード）又はカムロブＢ側（通常モード）のいずれかにあるときにコイル８０に通電する。カムピース２４には、磁性材料が用いられており磁気回路として使用される。電磁気の特性としてストローク×２〜４乗のオーダーで吸引力特性が変わるため、コイル８０内蔵部に近いカムピース面（図１１の例では、内円弧部２８ｂ）に大きな吸引力が働き、カムシャフト１４の外円弧部２０とカムピース２４の内円弧部２８とが吸着された状態で保持される。

尚、上述した実施の形態２においては、バルブ６４が前記第２の発明における「バルブ」に、ロッカーアーム６２が前記第２の発明における「中間部材」に、バルブスプリング６８が前記第２の発明における「付勢手段」に、連通孔７０が前記第４の発明における「連通孔」に、オイルが前記第４の発明における「流体」に、スライドベーン７２が前記第４の発明における「連通孔開閉手段」に、ＥＣＵ５０が前記第４の発明における「保持手段」に、それぞれ相当している。

実施の形態３．
［可変動弁装置１２の概略構成］
次に、図１２〜図１４を参照して本発明の実施の形態３について説明する。本実施形態の可変動弁装置１２は、実施の形態１のスイッチ機構、又は、実施の形態２の保持機構を有するスイッチカム１８を備えている。さらに、スイッチカム１８のモード切り替えにより、吸気バルブ及び排気バルブ両方の開閉特性を変更することのできる構成を有している。例えば、スイッチカム１８が設けられた１つのカムシャフトの回転力を吸気バルブと排気バルブとに作用させるＳＯＨＣ（Single OverHead Camshaft）形式の動弁機構を備えた構成を有している。このような構成において、ＥＣＵ５０に後述する図１３のルーチンを実施させることで実現することができる。

なお、本発明は、吸気バルブと排気バルブとで作用するスイッチカム１８が独立しているＤＯＨＣ（Double OverHead Camshaft）形式の動弁機構においても、スイッチカム１８のモードを同時に切り替えさえすれば適用可能である。

カムシャフトと一体に固定された従来のカムは、バルブスプリングの最大荷重を常に同じ部位で受けるためリフト部として機能するカムロブ部に摩耗や耐ピッチング性の問題が生じやすい。そこで、スイッチカム１８を備えた本実施形態の可変動弁装置１２では、リフト部として使用されるカムロブＡ、カムロブＢの使用状況を算出し、使用状況に応じてスイッチカム１８のモードを切り替えることとした。

［特徴的制御］
具体的なスイッチカム１８の制御概要について説明する。図１２は、スイッチ前とスイッチ後の燃焼サイクルを説明するための図である。上述した図４に示す通り、モードを切り替えることによりカム位相は１８０ｄｅｇ変更される。その結果、スイッチ後の燃焼サイクルでは、吸気行程が膨張行程に変更される。同様に、圧縮行程が排気行程に、膨張行程が吸気行程に、排気行程が圧縮行程に変更される。そのため、スイッチ後の燃焼サイクルにおいても、スイッチ前の燃焼サイクルと同じ順番でバルブが開閉されることとなる。ここで、点火時期、燃料噴射時期を３６０ｄｅｇＣＡずらすことにより、スイッチ後の燃焼サイクルが実現される。なお、複数気筒を有する場合には、全気筒でスイッチカム１８のモードを切り替える。

図１３は、上述の動作を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンのフローチャートである。図１３に示すルーチンでは、まず、ステップＳ１００において、スイッチカム１８のカムロブＡをリフト部として機能させる通常モードであるか否かが判定される。通常モードであるか否かは、ＥＣＵ５０の制御データから判定することができる。

通常モードである場合には、次に、カムロブＡの蓄積負荷が算出される（ステップＳ１１０）。具体的には、負荷は、カムロブＡに作用する面圧とバルブリフト回数との積として算出される。

ここで、カムロブＡに作用する面圧は、エンジン回転数から算出される。ＥＣＵ５０には、図１４に示すような、エンジン回転数とカムロブ面圧との関係を定めた関係マップが記憶されている。この関係マップは、低回転ほど面圧が高い関係にあり、面圧の傾きは、バルブスプリング荷重及びリフト量の設計に応じて予め定められている。この関係マップからエンジン回転数に応じたカムロブ面圧が算出される。

また、バルブリフト回数は、走行距離とエンジン回転数との積として算出される。よって、負荷を算出することができる。さらに、負荷を累積することにより、カムロブＡの蓄積負荷が算出される。

一方、ステップＳ１００において、カムロブＢがリフト部として機能する切替モードであると判定される場合には、カムロブＢの蓄積負荷が算出される（ステップＳ１２０）。カムロブＢの蓄積負荷は、ステップＳ１１０の処理と同様の処理を実行することにより算出することができる。

その後、ステップＳ１３０において、カムロブＡの蓄積負荷がカムロブＢの蓄積負荷よりも設定値以上大きいか否かが判定される。ステップＳ１３０の判定条件が成立しない場合には、本ルーチンの処理は終了される。一方、ステップＳ１３０の判定処理が成立する場合には、スイッチカム１８を切替モードに変更する（ステップＳ１４０）。

以上説明したように、図１３に示すルーチンによれば、リフト部として使用されるカムロブの蓄積負荷の増大に応じて、スイッチカム１８のモードを切り替えることができる。このため、本実施形態の可変動弁装置１２によれば、カムロブの蓄積負荷を分散させることができ、負荷によるカムロブの疲労を最大１／２にできる為、品質保証を最大２倍にすることが可能となる。

ところで、上述した実施の形態１のシステムにおいては、ステップＳ１３０の判定条件が成立しない場合には、本ルーチンの処理を終了することとしているが、これに限定されるものではない。続けて、カムロブＢの蓄積負荷がカムロブＡの蓄積負荷よりも設定値以上大きいか否かを判定し、この判定条件が成立する場合に、スイッチカム１８を通常モードに変更する処理を加えることとしてもよい。

尚、上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップＳ１１０の処理を実行することにより前記第５の発明における「負荷算出手段」が、上記ステップＳ１３０の処理を実行することにより前記第５の発明における「蓄積負荷判定手段」が、上記ステップＳ１４０の処理を実行することにより前記第５の発明における「負荷分散手段」が、それぞれ実現されている。

１０ 内燃機関
１２ 可変動弁装置
１４ カムシャフト
１６ メインカム
１８ スイッチカム
２０ａ、２０ｂ 外円弧部
２２ａ、２２ｂ 平面部
２４ カムピース
２６ 貫通孔
２８ａ、２８ｂ 内円弧部
３０ａ、３０ｂ スライド面部
３２ スライド用シール
３４ シール用ハウジング
３６ａ、３６ｂ 油路
３８ ＯＣＶ（Oil Control Valve）
５０ ＥＣＵ（Electronic Control Unit）
５２ カム角センサ
５４ クランク角センサ
６０ ロッカーシャフト
６２ ロッカーアーム
６４ バルブ
６６ ＨＬＡ（Hydraulic Lash Adjuster）
６８ バルブスプリング
７０ 連通孔
７２ スライドベーン
７４ 穴部
７６ アクチュエータ
８０ コイル
Ａ、Ｂ カムロブ

Claims (5)

1. カムシャフトと、
   前記カムシャフトと同期して回転する別体のカムピースと、
   前記カムピースの外周面に形成され、リフト部又はベース円部として機能する第１カムロブ、及び、ベース円部又はリフト部として機能する第２カムロブと、
   前記カムピースの両側面を貫通し、前記カムシャフトの周長よりも長い周長を有する貫通孔と、
   前記貫通孔に前記カムシャフトが挿入された状態で、前記カムピースの重心と前記カムシャフトの軸線との距離を変更することにより、前記第１カムロブをリフト部として機能させると共に前記第２カムロブをベース円部として機能させる第１モードと、前記第１カムロブをベース円部として機能させると共に前記第２カムロブをリフト部として機能させる第２モードと、を変更するモード変更手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
2. 前記カムピースとバルブとの間に介在し、前記カムピースの回転運動を該バルブの開閉運動に変換して伝達する中間部材と、
   前記カムピースに向けて前記中間部材を常時付勢する付勢手段と、を更に備え、
   前記モード変更手段は、前記付勢手段に常時付勢される前記中間部材が回転する前記カムピースを付勢することにより、前記カムピースの重心と前記カムシャフトの軸線との距離を変更すること、
   を特徴とする請求項１記載の内燃機関の可変動弁装置。
3. 前記カムシャフトの内部に設けられ、前記貫通孔に前記カムシャフトが挿入された状態で、前記貫通孔の前記第１カムロブ側に接続される第１油路、及び、前記貫通孔の前記第２カムロブ側に接続される第２油路を更に備え、
   前記モード変更手段は、前記第１油路に油圧を供給することにより前記第１モードに変更し、前記第２油路に油圧を供給することにより前記第２モードに変更すること、
   を特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の可変動弁装置。
4. 前記カムシャフトの外周面を貫通し、前記貫通孔に前記カムシャフトが挿入された状態で、前記貫通孔の前記第１カムロブ側と前記第２カムロブ側とを連通する連通孔と、
   前記貫通孔及び前記連通孔内に充填された流体と、
   前記連通孔を開閉する連通孔開閉手段と、
   前記第１モード又は前記第２モードに変更された状態で、前記連通孔開閉手段により前記連通孔を閉じる保持手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の可変動弁装置。
5. 前記第１カムロブをリフト部として機能させた場合に前記第１カムロブに加わる負荷を算出する負荷算出手段と、
   前記負荷算出手段により算出された負荷の蓄積値が設計値を超えるか否かを判定する蓄積負荷判定手段と、を更に備え、
   前記蓄積値が前記設計値を超えた場合に、前記モード変更手段により前記第２モードに変更する負荷分散手段、
   を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の内燃機関の可変動弁装置。

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