JP3975652B2

JP3975652B2 - 内燃機関の可変動弁装置

Info

Publication number: JP3975652B2
Application number: JP2000173127A
Authority: JP
Inventors: 信一竹村; 孝伸杉山
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2020-06-09
Also published as: JP2001355464A; EP1162350B1; DE60107146D1; US20020108592A1; EP1162350A2; DE60107146T2; US6598569B2; EP1162350A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、機関運転状態に応じて吸気弁や排気弁の作動角や作動角の位相を変えることができる内燃機関の可変動弁装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、機関低回転低負荷時における燃費の改善や安定した運転性並びに高回転高負荷時における吸気の充填効率の向上による十分な出力を確保する等のために、吸気弁や排気弁の作動角や作動角の位相（バルブタイミング）を変えることができる可変動弁装置が従来から種々提案されている。
【０００３】
例えば特開平５−３３２１１２号公報に開示されている可変動弁装置では、図１２に示すように、吸気弁の作動角を低回転用（ａ）と高回転用（ｂ）のいずれかに切り換える吸気作動角変更機構と、排気弁の作動角の位相を低回転用（ｃ）と高回転用（ｄ）のいずれかに切り換える排気位相変更機構と、が設けられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この公報の可変動弁装置では、両変更機構の切り換え段数がともに２つと少ないために、バルブリフト特性の設定の自由度が小さい。このため、例えば機関がアイドル域，低負荷域，又は低回転高負荷域にあるときには、同じ低回転用の設定（ａ）及び（ｃ）が用いられることとなる。
【０００５】
また、このような低回転用の設定時（ａ），（ｃ）には、残留ガス低減による燃焼安定性の向上及びノック回避を図るために、バルブオーバーラップ量を十分に小さくするかあるいは実質的にゼロ（マイナスオーバーラップ）とする必要がある。しかしながら、上記公報の装置では、低回転用（ａ）の吸気弁の開弁時期が上死点近傍（より具体的には上死点よりも進角側）に設定されているため、例えばマイナスオーバーラップとするためには、低回転用（ｃ）の排気弁の閉弁時期を上死点よりも進角させる必要がある。一方、排気弁の開弁時期は、アイドル時のピストン膨張仕事を有効利用する等の制約により、あまり進角させることはできない。従って、仮に排気弁の閉弁時期を上死点よりも進角させると、排気弁の作動角が小さくなって、高回転域での十分な出力の向上を図れない、という不具合を生じるおそれがある。そこで、出力向上のために排気弁の作動角を大きく設定すると、アイドル時に所望のバルブリフト特性が得られず、燃焼安定性の低下や燃費の低下を招聘する虞がある。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、アイドル域ではバルブオーバーラップ量を十分に小さくあるいはマイナスオーバーラップとして残留ガス量（内部ＥＧＲ量）を低減し、燃焼安定性等の向上を図りつつ、排気弁の作動角を十分に大きく確保して最大出力の向上を図ることができる新規な内燃機関の可変動弁装置を提供することを一つの目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る内燃機関の可変動弁装置は、吸気弁の作動角を、作動角の増加に応じてバルブリフト量が増加するように最小作動角から最大作動角の範囲で変化させる吸気作動角変更機構と、排気弁の作動角の位相を最遅角位相から最進角位相の範囲で変化させる排気位相変更機構と、機関運転状態に基づいて上記吸気作動角変更機構及び排気位相変更機構を駆動制御する制御部と、を有し、機関がアイドル域にあるときには、吸気弁が最小作動角で排気弁が最進角位相となるように制御され、上記最小作動角のときには吸気弁の開弁時期が排気上死点後で、かつ吸気弁の閉弁時期が吸気下死点前となり、上記最進角位相のときには排気上死点後にマイナスオーバーラップが与えられるように排気弁の閉弁時期が排気上死点後でかつ吸気弁の開弁時期前となるように設定され、上記アイドル域から低負荷域への負荷増加時には、吸気弁を最小作動角に保持しつつ、負荷の増加に応じて排気弁を遅角制御することを特徴としている。
【０００８】
また、請求項２に係る発明は、上記アイドル域から低負荷域への負荷増加時には、主として排気弁を遅角制御することを特徴としている。
【０００９】
請求項３に係る発明は、上記吸気弁が最小作動角で排気弁が最遅角位相に制御された第１の制御状態にあるとき、所定のバルブオーバーラップ量が得られるように、排気弁の閉弁時期が吸気弁の開弁時期よりも遅角側に設定されることを特徴としている。
【００１０】
請求項４に係る発明は、上記第１の制御状態から吸気弁の作動角を増加制御する場合、バルブオーバーラップ量が略一定となるように、排気弁の作動角の位相を進角制御することを特徴としている。
【００１１】
請求項５に係る発明は、アイドル域又は低負荷域では、吸気弁の作動角を最小作動角又はその近傍に制御し、高負荷域では、回転数の増加に応じて主に吸気弁の作動角を増加制御することを特徴としている。
【００１２】
請求項６に係る発明は、上記吸気弁の作動角は、アイドル時には排気弁の作動角よりも小さくなり、高回転高負荷時には排気弁の作動角よりも大きくなるように制御されることを特徴としている。
【００１３】
請求項７に係る発明は、高回転高負荷時には中回転高負荷時に比して排気弁の作動角の位相が進角側に設定されることを特徴としている。
【００１４】
請求項８に係る発明は、上記吸気作動角変更機構は、吸気弁の作動角を最小作動角から最大作動角の範囲で任意の作動角に保持できることを特徴としている。
【００１５】
請求項９に係る発明は、上記排気位相変更機構は、排気弁の作動角の位相を最遅角位相から最進角位相の範囲で任意の位相に保持できることを特徴としている。
【００１６】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、例えば機関がアイドル域にあるときには、吸気弁を最小作動角、排気弁を最進角位相へ制御して、吸気弁の開弁時期を上死点後としつつ、排気弁の閉弁時期を上死点後とすることにより、バルブオーバーラップ量を十分に小さく又はマイナス化して、残留ガス量（内部ＥＧＲ量）を十分に抑制し、燃焼安定性の向上を図ることができる。
【００１７】
そして、上記のように排気弁の閉弁時期を上死点後としているために、排気弁の作動角を十分に大きく設定することができ、高回転高負荷域等での最大出力の向上を図ることができる。つまり、アイドル域等での燃費性や燃焼安定性の向上と、高回転高負荷域等での（最大）出力の向上と、を高いレベルで両立することができる。
【００１８】
請求項２に係る発明によれば、アイドル域から低負荷域への負荷増加時には、主に排気弁を遅角制御することにより、吸気弁の作動角の増加に伴うフリクションの増加を抑制することができる。
【００１９】
請求項３に係る発明によれば、吸気弁の作動角を最小作動角としてフリクションの増加を抑制しつつ、所定のバルブオーバーラップ量を与えることができ、内部ＥＧＲによるポンプ損失の低減が可能で、燃費が向上する。
【００２０】
請求項４に係る発明によれば、バルブオーバーラップ量を略一定に保持して不要なポンプ損失を回避しつつ、吸気弁の作動角を増加させる条件、つまり要求吸入空気量を増加させる条件では、内部ＥＧＲ量を低減してトルクを増加させることができる。
【００２１】
請求項５に係る発明によれば、アイドル域又は低負荷域では、作動角が十分に小さい状態に保持されるため、フリクションの低減化や、ガス流動強化による燃焼改善が図られ、更に燃費が向上する。また、高負荷域では、回転数の増加に応じて吸気弁の作動角を増加制御することにより、主に出力の向上を図ることができる。
【００２２】
請求項６に係る発明によれば、アイドル域では吸気弁の作動角を排気弁の作動角よりも小さくすることにより、主に燃費の向上を図ることができる。また、高回転高負荷域では吸気弁の作動角を排気弁の作動角よりも大きくすることにより、主に最大出力の向上を図ることができる。
【００２３】
請求項７に係る発明によれば、高回転高負荷時の排気弁の開弁時期が相対的に早くなり、最大出力の更なる向上を図ることができる。
【００２４】
請求項８に係る発明によれば、吸気弁の作動角を任意の角度に設定することができるため、バルブリフト特性の設定の自由度が増大し、機関運転状態に応じてより適切に吸気弁の作動角を増加又は減少することができる。
【００２５】
請求項９に係る発明によれば、排気弁の作動角の位相を任意の位相に設定することができるため、バルブリフト特性の自由度が増大し、機関運転状態に応じてより適切に排気弁の位相を進角又は遅角することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る可変動弁装置を、各気筒に一対の吸気弁及び一対の排気弁が設けられたガソリン内燃機関に適用した一実施形態について、図１〜１１に基づいて詳細に説明する。
【００２７】
図１に示すように、この可変動弁装置は、吸気弁１２の作動角を最小作動角から最大作動角の範囲で変化させる吸気作動角変更機構１と、図外の排気弁の作動角の位相を最遅角位相から最進角位相の範囲で変化させる排気位相変更機構２と、吸気位置検出センサ５８及び排気位置検出センサ５９等の機関運転状態を検出する各種センサからの信号に基づいて、上記変更機構１，２へ制御信号を出力して、これらの変更機構１，２を駆動制御する制御部（コントローラ）３と、を有している。
【００２８】
先ず、図１〜３を参照して、吸気作動角変更機構１の構成について説明する。シリンダヘッド１１の上部には、軸受１４を介して中空状の駆動軸１３が回転自在に支持されている。この駆動軸１３は、図外の一端に設けられたプーリ（又はスプロケット）及びチェーン（又はタイミングベルト）を介して機関のクランクシャフトから回転動力が伝達され、このクランクシャフトと同期して回転する。この駆動軸１３の外周には、各気筒毎に一対の揺動カム１７，１７が相対回転可能に外嵌されており、各揺動カム１７が各吸気弁１２の上端部に配設されたバルブリフター１６の平坦な上面１６ａに摺接して、この吸気弁１２を開作動させるようになっている。
【００２９】
そして、吸気作動角変更機構１は、上記の駆動軸１３と各揺動カム１７との間の動力伝達経路に設けられ、両者１３，１７を連携するリンクの姿勢を変化させて、主に吸気弁１２の作動角を連続的に変化させるようになっている。
【００３０】
すなわち、この吸気作動角変更機構１は、駆動軸１３の外周に偏心して設けられ、この駆動軸１３と一体的に回転する駆動カム１５と、この駆動カム１５の外周に相対回転可能に外嵌するリング状リンク２４と、駆動軸１３と略平行に気筒列方向へ延びる制御軸３２と、この制御軸３２の外周に偏心して設けられ、この制御軸３２と一体的に回転する制御カム３３と、この制御カム３３の外周に相対回転可能に外嵌するとともに、リング状リンク２４の先端と相対回転可能に連結するロッカアーム２３と、このロッカアーム２３の他端と揺動カム１７の先端とに相対回転可能に連結するロッド状リンク２５と、を有している。
【００３１】
各構成を詳述すると、軸受１４は、図１にも示すように、シリンダヘッド１１との間で駆動軸１３を回転自在に支持するメインブラケット１４ａと、メインブラケット１４ａとの間で制御軸３２を回転自在に支持するサブブラケット１４ｂとを有し、両ブラケット１４ａ，１４ｂが一対のボルト１４ｃ，１４ｃによって上方からシリンダヘッド１１へ共締め固定されている。
【００３２】
駆動カム１５は、ほぼリング状をなすカム本体１５ａと、このカム本体１５ａの軸方向一側に一体的に付帯形成された筒状部１５ｂとからなり、内部軸方向に駆動軸挿通孔１５ｃが貫通形成されていると共に、カム本体１５ａの軸心Ｘが駆動軸１３の軸心Ｙから径方向へ所定量だけオフセットしている。また、この駆動カム１５は、バルブリフター１６，１６に干渉しないように、これらのバルブリフター１６，１６よりも軸方向外側に外れた位置で、駆動軸挿通孔１５ｃを介して駆動軸１３へ圧入固定されている。なお、両カム本体１５ａ，１５ａの外周面１５ｄ，１５ｄは同一のカムプロフィールに形成されている。
【００３３】
揺動カム１７には、図２に示すように横Ｕ字形状をなすジャーナル部１７ａが軸方向一側に付帯形成されている。この揺動カム１７の円環状をなす基端部２０には、駆動軸１３が回転自在に挿通する支持孔２０ａが貫通形成されており、この基端部２０から一体的に張り出したカムノーズ部２１には、ピン孔２１ａが貫通形成されている。また、揺動カム１７の下面にはカム面２２が形成され、このカム面２２には、基端部２０側の基円面２２ａと、この基円面２２ａからカムノーズ部２１側へ円弧状に延びるランプ面２２ｂと、このランプ面２２ｂの先端側に延びるリフト面２２ｃとが設けられている。これらの基円面２２ａとランプ面２２ｂ及びリフト面２２ｃとが、揺動カム１７の揺動位置に応じて各バルブリフター１６の上面１６ａに所定位置に当接するようになっている。
【００３４】
ロッカアーム２３は、図３に示すように、平面からみてほぼクランク状に折曲形成され、中央に有する筒状基部２３ｃが制御カム３３に回転自在に支持されている。また、各基部２３ｃの各外端部に突設された一端部２３ａには、図２および図３にも示すように、リング状リンク２４と相対回転自在に連結するピン２６が挿通されるピン孔２３ｄが貫通形成されている一方、各基部２３ｃの各内端部に夫々突設された他端部２３ｂには、各ロッド状リンク２５の一端部２５ａと相対回転自在に連結するピン２７が挿通されるピン孔２３ｅが形成されている。
【００３５】
リング状リンク２４は、比較的大径な円環状の基部２４ａと、この基部２４ａの外周面所定位置に突設された突出端２４ｂとを備え、基部２４ａの中央位置には、駆動カム１５のカム本体１５ａの外周面に回転自在に嵌合する嵌合孔２４ｃが形成されている一方、突出端２４ｂには、ピン２６が回転自在に挿通するピン孔２４ｄが貫通形成されている。
【００３６】
さらに、ロッド状リンク２５は、図２にも示すように所定長さのほぼく字状に折曲形成され、両端部２５ａ，２５ｂには、図３に示すようにピン挿通孔２５ｃ，２５ｄが形成されており、この各ピン挿通孔２５ｃ，２５ｄにロッカアーム２３に他端部２３ｂに有するピン孔２３ｅと揺動カム１７のカムノーズ部２１に有するピン孔２１ａにそれぞれ挿通した各ピン２７，２８の端部が回転自在に挿通している。このロッド状リンク２５は、揺動カム１７の最大揺動範囲をロッカアーム２３の揺動範囲内に規制するようになっている。
【００３７】
なお、各ピン２６，２７，２８の一端部には、リング状リンク２４やロッド状リンク２５の軸方向の移動を規制するスナップリング２９，３０，３１が設けられている。
【００３８】
これらのロッカアーム２３，リング状リンク２４及びロッド状リンク２５により、駆動軸１３から揺動カム１７へ回転動力を伝達する伝達機構１８が構成されている。また、上記の制御軸３２及び制御カム３３と、制御軸３２を所定の制御範囲内で回転駆動するとともに任意の角度に保持するアクチュエータ３４と、によって制御機構１９が構成されている。
【００３９】
制御軸３２は、駆動軸１３と平行に設けられて、前述のように軸受１４のメインブラケット１４ａの上端部の軸受溝とサブブラケット１４ｂとの間に回転自在に支持されている。一方、各制御カム３３は、夫々円筒状を呈し、図２に示すように軸心Ｐ１の位置が制御軸３２の軸心Ｐ２からα分だけ偏心している。
【００４０】
アクチュエータ３４は、駆動シャフト３４ａの先端部に設けられた第１平歯車３５と制御軸３２の後端部に設けられた第２平歯車３６との噛み合いを介して、制御軸３２に回転力を伝達するようになっている。このアクチュエータ３４は、制御部３からの制御信号によって機関運転状態に応じて駆動制御される。なお、本アクチュエータ３４は、油圧・電制どちらでもよいが、ここではより制御性の良い電制アクチュエータとした。
【００４１】
このような構成により、クランクシャフトと同期して駆動軸１３が回転すると、駆動カム１５を介してリング状リンク２４が実質的に並進作動するとともに、ロッカアーム２３が制御カム３３の軸心Ｐ１周りに揺動し、ロッド状リンク２５を介して揺動カム１７が揺動して、吸気弁１２が開閉駆動される。
【００４２】
また、機関運転状態に応じてアクチュエータ３４を駆動制御し、制御軸３２の位相を変化させることにより、ロッド状リンク２５の揺動中心となる制御カム３３の軸心Ｐ１の位置が変化する。これにより、伝達機構１８の姿勢が変化し、吸気弁１２の作動角の位相が略一定のままで、作動角（及びバルブリフト量）が連続的に変化する。
【００４３】
このような機械的構成を有する吸気作動角変更機構１は、駆動カム１５とリング状リンク２４との摺接部分や制御カム３３とロッカアーム２３との摺接部分等の各部材の連結部分が面接触となっているため、潤滑が行い易く、耐久性，信頼性に優れているとともに、切換時の抵抗も低く抑制される。また、駆動軸１３と同軸上に揺動カム１７が配置されているため、例えば揺動カムを駆動軸とは異なる別の支軸で支持するような構成に比して、制御精度に優れているとともに、装置自体がコンパクトなものとなり、車両搭載性が良い。また、吸気弁１２の作動角を、後述する最小作動角Ｉ１から最大作動角Ｉ５の範囲で任意の作動角に保持することができるため、制御の自由度も高い。
【００４４】
次に、排気位相変更機構２の構成について図１を参照して説明する。排気位相変更機構２は、図外の排気弁を駆動する排気側カムシャフト５と、図外のタイミングチェーンを介して機関のクランクシャフトから回転力が伝達されるタイミングスプロケット４０と、の間の回転動力伝達経路に設けられ、両者５，４０の位相を相対的に変化させることによって、排気弁の作動角の（中心角）位相（バルブタイミング）を変化させるようになっている。
【００４５】
すなわち、排気位相変更機構２は、排気側カムシャフト５の一端部にボルト４１によって軸方向から固定されたスリーブ４２と、タイミングスプロケット４０に一体的に形成される筒状本体４０ａと、両者４２，４０ａにヘリカルスプライを介して噛合する筒状歯車４３と、両者４２，４０ａの位相を変化させるように、この筒状歯車４３を排気側カムシャフト５の前後方向へ駆動する油圧アクチュエータとしての油圧回路４４と、により大略構成されている。
【００４６】
タイミングスプロケット４０は、筒状本体４０ａの後端部にタイミングチェーンが巻装されるスプロケット部４０ｂがボルト４５により固定されていると共に、筒状本体４０ａの前端開口がフロントカバー４０ｃによって閉塞されている。また、筒状本体４０ａの内周面には、はす歯形のインナ歯４６が形成されている。
【００４７】
スリーブ４２は、後端側に排気側カムシャフト５の先端部が嵌合する嵌合溝が形成されていると共に、前端部の保持溝内にはフロントカバー４０ｃを介してタイミングスプロケット４０を前方に付勢するコイルスプリング４７が装着されている。また、スリーブ４２の外周面には、はす歯形のアウタ歯４８が形成されている。
【００４８】
筒状歯車４３は、バックラッシを抑制するために、軸直角方向から２分割されて前後の歯車構成部がピンとスプリングによって互いに接近する方向に付勢されていると共に、内外周面には各インナ歯４６とアウタ歯４８に噛合するはす歯形の内外歯が形成されており、前後に形成された第１、第２油圧室４９，５０へ相対的に供給される油圧によって、各歯間を摺接しながら前後軸方向へ移動するようになっている。
【００４９】
油圧回路４４は、図外のオイルパンと連通するオイルポンプ５２の下流側に接続されたメインギャラリ５３と、このメインギャラリ５３の下流側で分岐して第１、第２油圧室４９，５０に接続された第１、第２油圧通路５４，５５と、分岐位置に設けられたソレノイド型の流路切り換え弁５６と、この流路切り換え弁５６に接続されたドレン通路５７とから構成されている。
【００５０】
流路切り換え弁５６は、吸気作動角変更機構１のアクチュエータ３４を駆動制御する同じ制御部３からの出力信号によって、ＯＮ−ＯＦＦ駆動（デューティー制御）され、後述する３位置に切換制御される。そして、制御部３の出力信号のデューティー比を機関運転状態に応じて変化させることにより、排気弁の位相を所定の制御範囲内で連続的に変化させるとともに任意の位相に保持するようになっている。
【００５１】
より具体的には、流路切り換え弁５６のスプールが図１で最も右側に移動した状態では、第１油圧室４９に油圧が供給されるとともに第２油圧室５０がドレンされる。この結果、筒状歯車４３がフロントカバー４０ｃに突き当たった最大前方移動位置に移動し、排気弁の作動角の位相が最進角位相となる。
【００５２】
一方、流路切り換え弁５６のスプールが図１で最も左側に移動した状態では、第１油圧室４９がドレンされて第２油圧室５０に油圧が供給される。この結果、筒状歯車４３が最大後方移動位置へ移動し、排気弁の位相が最遅角位相となる。
【００５３】
更に、排気弁の位相が目標位相にあるような場合には、流路切り換え弁５６のスプールが図１に示す中立位置に保持される。この場合、両油圧室４９，５０の油圧が保持され、その位置で排気側カムシャフト５の位相が保持される。
【００５４】
このような排気位相変更機構２は、コンパクトで機関への搭載性に優れ、部品点数も低く抑制される。また、上記の吸気作動角変更機構１と併用した場合にも、互いに干渉せずに配置することができる。更に、排気弁の位相を後述する最進角位相Ｅ１から最遅角位相Ｅ３の範囲で任意の位相に保持することができ、制御の自由度が非常に高い。
【００５５】
上記の制御部３には、制御軸３２の現在の回転位置を検出する吸気位置検出センサ５８や、排気側カムシャフト５の回転位置を検出する排気位置検出センサ５９の他、機関回転数を検出するクランク角センサ、吸気流量（負荷）を検出するエアフロメータ，機関油温センサ等の機関運転状態を検出する各種センサが接続されている。そして、制御部３は、上記のセンサ出力に基づいてアクチュエータ３４及び流路切り換え弁５６に制御信号を出力し、吸気弁１２の作動角及び排気弁の作動角の位相を機関運転状態に応じて制御している。
【００５６】
より具体的には、制御部３が機関回転数、負荷、油温、機関始動後に経過時間などの情報から吸気弁１２の目標リフト特性、つまり制御軸３２の目標回転位置を決定して、アクチュエータ３４を駆動制御することにより、制御軸３２を介して制御カム３３が所定回転角度位置まで回動，保持される。なお、好ましくは、吸気位置検出センサ５８により制御軸３２の実際の回転位置をモニタし、制御軸３２が目標位相となるようにフィードバック制御が行われる。
【００５７】
また、前述と同じく各センサからの情報信号から排気弁の目標位相を決定して、流路切り換え弁５６を駆動制御することにより、筒状歯車４３が軸方向に駆動され、この筒状歯車４３の軸方向位置に応じてタイミングスプロケット４０と排気側カムシャフト５との相対回転位相が可変制御される。この場合も、好ましくは排気位置検出センサ５９により排気側カムシャフト５の実際の相対回転位置をモニタし、排気側カムシャフト５が目標位相となるようにフィードバック制御が行われる。
【００５８】
図４は、機関がアイドル域にあるとき（アイドル時）の吸気弁及び排気弁のバルブリフト特性を示している。このようなアイドル時には、吸気弁の作動角が最小作動角Ｉ１となるように制御される。そして、この最小作動角Ｉ１の状態では、吸気弁の開弁時期が上死点よりもある程度（例えば約２０°以上）後側（遅角側）に設定される。一方、排気弁の位相は最進角位相Ｅ１に制御される。そして、この最進角位相Ｅ１のときには、排気弁の閉弁時期が下死点よりも所定角度（例えば約２０°程度）だけ後側（遅角側）で、かつ吸気弁の開弁時期よりも進角側に設定される（マイナスオーバーラップ）。
【００５９】
このように、アイドル時には、吸気弁の作動角及びバルブリフト量が最小となるため、フリクションが低減されるとともに、ガス流動向上による燃焼の安定化を図ることができる。また、吸気弁の開弁時期を上死点後としてバルブオーバーラップをマイナス化しているため、残留ガス量（内部ＥＧＲ量）が低減されるとともに、ピストン上面が吸入負圧にさらされる期間を短縮してポンプ損失の低減化を図ることができる。更に吸気弁の閉弁時期を下死点前としているため、下死点近傍での有効圧縮比が向上し、燃焼性が改善される。
【００６０】
一方、アイドル時の排気弁の開弁時期は、ピストン膨張仕事を有効利用する等の制約のために、過度に進角させることはできない。また、排気弁の閉弁時期は、上記従来例のような一般的なプラスオーバーラップの設定の場合、図４の波形Ｅ０に示すように、残留ガス量（内部ＥＧＲ量）を抑制するために略上死点とするのが良い。一方、本実施形態のようにマイナスオーバーラップの設定の場合には、内部ＥＧＲによる残留ガスはないものの、燃焼室内に閉じ込められる残留ガス量が問題となる。しかしながら、図１１に示すように、排気上死点付近（上死点から上死点後約２０°の範囲）では、ピストンの変位量が小さい等の理由で、排気弁の閉弁時期を変化させても燃焼室内に閉じ込められた残留ガス量があまり変化しない。従って、排気弁の閉弁時期を下死点後の約２０°の範囲で遅角側に設定しても、閉弁時期を上死点に設定した場合と同等の残留ガス量に抑制される。
【００６１】
このようにアイドル域では、バルブオーバーラップをマイナス化しつつ、排気弁の閉弁時期を下死点よりも所定角度Δθだけ後側に設定できるため、その分、排気弁の大作動角化が可能となる。このため、後述する高回転高負荷時等での出力向上を図ることができる。
【００６２】
図５は、例えば上記のアイドル域から低負荷域へ負荷が緩く増加する負荷増加時のバルブリフト特性を示している。このような負荷増加時には、仮にバルブオーバーラップがマイナス化されたままでいるとポンプ損失が増加する可能性があり、かつ、燃焼安定限界も拡大するため、吸気弁の作動角を最小作動角Ｉ１に保持したままで、排気弁の位相を遅角制御する（Ｅ１→Ｅ２）。そして、オーバーラップのプラス化によりポンプ損失を低減し、燃費の向上を図る。ここで、バルブオーバーラップ量を増加するために、上記のように排気弁を遅角化する代わりに吸気弁の作動角を拡大することも考えられるが、この場合、動弁フリクションの増加や吸気系に残留ガスが逆流して減速時のエンストの可能性が考えられるために不利である。
【００６３】
上記の設定状態Ｉ１，Ｅ２から更に負荷が増加するような場合には、図６に示すように、負荷の増加に応じて排気弁を最遅角位相まで遅角化する（Ｅ２→Ｅ３）。これにより、バルブオーバーラップ量が更に増加し、さらなるポンプ損失の低減化を図ることができる。
【００６４】
このように吸気弁が最小作動角Ｉ１、排気弁が最遅角位相Ｅ３の状態（第１の制御状態）から更に負荷が増加するような場合には、図７に示すように、負荷の増加に応じて吸気弁の作動角（及びバルブリフト量）を増加制御する（Ｉ１→Ｉ２）。この場合、過大なバルブオーバーラップによる減速時のエンストを回避するとともに、マイナスオーバーラップによるポンプ損失の増加を回避するため、バルブオーバーラップ量を略一定に維持するように、吸気弁の作動角の拡大に合わせて排気弁の位相を進角制御する（Ｅ３→Ｅ４）。
【００６５】
図８〜１０は、機関が高負荷域にある場合のバルブリフト特性を示している。このような高負荷域では、回転数の増加に応じて主に吸気弁の作動角を増加制御する（Ｉ２→Ｉ３→Ｉ４→Ｉ５）。
【００６６】
より具体的には、低回転高負荷時には、図８に示すように、残留ガスによるノック回避のため、バルブオーバーラップが小さく、かつ、オーバーラップの中心位相が略上死点近傍となるように、吸気弁の作動角を上記低負荷域での設定Ｉ２よりも増加制御するとともに（Ｉ３）、排気弁の位相を最遅角位置Ｅ３よりも進角側に制御する（Ｅ４）。
【００６７】
また、中回転高負荷時には、図９に示すように、上記低回転高負荷時に比してバルブオーバーラップ量を拡大して掃気効果を有効に活用し、充填効率の更なる向上を図るために、吸気弁の作動角を排気弁の作動角と同程度まで増加させるとともに（Ｉ４）、排気弁を最遅角位相Ｅ３またはその近傍まで遅角させる。
【００６８】
更に、高回転高負荷時には、図１０に示すように、吸気弁の作動角を最大作動角Ｉ５に設定し、バルブリフトの増加及び吸気弁の閉弁時期の遅角化により充填効率の向上を図る。また、排気弁の位相は中回転時よりも進角側、より具体的には最進角位相Ｅ１又はその近傍まで進角させて、排気押し出し損失を抑制し、最大出力の向上を図る。
【００６９】
なお、排気弁の作動角は、最大出力時（高回転高負荷時）の吸気弁の最大作動角Ｉ５よりも小さく設定されている。この理由は、排気弁の作動角を仮に最大作動角Ｉ５よりも大きくすると、排気弁の開弁時期が早くなる等の理由によりアイドル域等での燃費の低下を招く虞があるためである。また、排気弁の作動角は、アイドル時や低負荷時及び低回転高負荷時の吸気弁の作動角Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３よりも大きくなるように設定されている。この理由は、排気弁の作動角を仮にアイドル時の吸気弁の作動角よりも小とすると、排気弁の開弁時期が下死点後となってポンプ損失が増加し、燃費，出力性能の低下を招く虞があるためである。つまり、吸気弁の作動角は、アイドル域では排気弁の作動角よりも小さくなり、高回転高負荷域では排気弁の作動角よりも大きくなるように可変制御される。
【００７０】
以上のように本発明を具体的な実施の形態に基づいて詳述してきたが、本発明は上記の内容に限定されるものではなく、種々の変形，変更を含むものである。例えば吸気作動角変更機構１や排気位相変更機構２のハード的な構造は上記の実施形態に限定されるものではなく、アイドル時における吸気弁の開弁時期を上死点後、排気弁の閉弁時期を上死点後に設定可能なものであれば、他の構造であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置を示す構成図。
【図２】上記可変動弁装置の吸気作動角変更機構を示す断面対応図。
【図３】上記可変動弁装置の吸気作動角変更機構を示す上面対応図。
【図４】アイドル域でのバルブリフト特性図。
【図５】アイドル域から低負荷域へ負荷が増加する場合のバルブリフト特性図。
【図６】図５の低負荷域から更に負荷が増加する場合のバルブリフト特性図。
【図７】図６の設定状態から更に負荷が増加する場合のバルブリフト特性図。
【図８】低回転高負荷時のバルブリフト特性図。
【図９】中回転高負荷時のバルブリフト特性図。
【図１０】高回転高負荷時のバルブリフト特性図。
【図１１】排気弁の閉弁時期と残留ガス量との関係を示す特性図。
【図１２】従来例に係るバルブリフト特性を示す特性図。
【符号の説明】
１…吸気作動角変更機構
２…排気位相変更機構
３…制御部
Ｅ１…最進角位相での排気弁の作動角
Ｅ３…最遅角位相での排気弁の作動角
Ｉ１…最小作動角での吸気弁の作動角
Ｉ５…最大作動角での吸気弁の作動角

Claims

吸気弁の作動角を、作動角の増加に応じてバルブリフト量が増加するように最小作動角から最大作動角の範囲で変化させる吸気作動角変更機構と、排気弁の作動角の位相を最遅角位相から最進角位相の範囲で変化させる排気位相変更機構と、機関運転状態に基づいて上記吸気作動角変更機構及び排気位相変更機構を駆動制御する制御部と、を有し、
機関がアイドル域にあるときには、吸気弁が最小作動角で排気弁が最進角位相となるように制御され、
上記最小作動角のときには吸気弁の開弁時期が排気上死点後で、かつ吸気弁の閉弁時期が吸気下死点前となり、上記最進角位相のときには排気上死点後にマイナスオーバーラップが与えられるように排気弁の閉弁時期が排気上死点後でかつ吸気弁の開弁時期前となるように設定され、
上記アイドル域から低負荷域への負荷増加時には、吸気弁を最小作動角に保持しつつ、負荷の増加に応じて排気弁を遅角制御することを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
上記アイドル域から低負荷域への負荷増加時には、吸気弁を最小作動角に保持しつつ、負荷の増加に応じて排気弁を最遅角位相まで遅角制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
上記吸気弁が最小作動角で排気弁が最遅角位相に制御された第１の制御状態にあるとき、所定のバルブオーバーラップ量が得られるように、排気弁の閉弁時期が吸気弁の開弁時期よりも遅角側に設定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
上記第１の制御状態から吸気弁の作動角を増加制御する場合、バルブオーバーラップ量が略一定となるように、排気弁の作動角の位相を進角制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の可変動弁装置。
アイドル域又は低負荷域では、吸気弁の作動角を最小作動角又はその近傍に制御し、高負荷域では、回転数の増加に応じて主に吸気弁の作動角を増加制御することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
上記吸気弁の作動角は、アイドル時には排気弁の作動角よりも小さくなり、高回転高負荷時には排気弁の作動角よりも大きくなるように制御されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
高回転高負荷時には中回転高負荷時に比して排気弁の作動角の位相が進角側に設定されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
上記吸気作動角変更機構は、吸気弁の作動角を最小作動角から最大作動角の範囲で任意の作動角に保持できることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
上記排気位相変更機構は、排気弁の作動角の位相を最遅角位相から最進角位相の範囲で任意の位相に保持できることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。