JP4016569B2 - 油圧式動弁装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の吸気、排気弁を駆動するための油圧式動弁装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、内燃機関の吸気及び排気弁を駆動するための動弁機構は、クランク軸により駆動されるカムシャフトを有し、カムシャフトに配置され回転するカムピースの凸部により押圧され、常時閉弁方向に付勢されたスプリングに抗して開弁するものが一般的である。
【0003】
一方、内燃機関の最適な吸排気時期は運転状態、特にエンジン回転数に左右されるため開弁時期などを制御する可変動弁機構が従来より考えられており、従来の可変動弁機構においては、カムの位相を機械的に変更したり、位相やカムリフト量の異なる別のカムが有効になるように機械的に切替える機構を有するものが多かった。このような構成にすることにより、多少の位相やリフト量の可変制御をすることは比較的容易に行なうことが可能になってきている。
【0004】
また、機械的な駆動装置に代えて油圧によって吸排気弁を駆動する動弁装置も提案されている。
【0005】
例えば実開昭61−160204には、図5に示すように、バルブの作動をカムシャフト、或いはバルブスプリングによらず完全な油圧作動力により開閉を行なっているものが開示されている。本従来例では、油圧タンクからポンプにより高圧オイルタンクに作動油を供給している。この高圧オイルタンクからのオイルを、バルブ後端に設けた油圧シリンダに対して4個のバルブによって制御しながら、供給、排出を行なうことで、自由なタイミング、リフト量を行なうことが出来るようになっている。
【0006】
さらには、特開平9−4424に開示された可変動弁装置においては、カムによりカム側プランジャを駆動し、油圧室の作動油を加圧して弁駆動機構に送り、適宜必要に応じたタイミングにて加圧作動油を低圧側に開放することによりバルブリフト量の可変化を実現している。
【0007】
しかし、従来技術の実開昭61−160204においては、閉弁方向のスプリングを廃して、開弁、閉弁ともに油圧による付勢力により駆動することにしているので開閉弁の制御上の自由度は向上しているものの、一つの吸排気弁に対して4つの弁を適切なタイミングで制御しなければならず、一気筒に4弁の場合は16個の弁を、そして多気筒の内燃機関であればこれを気筒数分制御する必要が生じ現実的には実現困難な面がある。
【0008】
さらに、従来例の特開平9−4424においては、動弁機構のリフト量は制御可能であるものの駆動力は結局カムの回転によるプランジャの押圧力によって得ているため、タイミングを自由に変化させることは出来ない。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来から提案されている機械的なカムピースのリフトカーブにより駆動される動弁機構、もしくはそのカムの位相を変化させる、切替える等の可変動弁機構においては、結局カムピースにより完全に開弁・閉弁タイミング及びリフト量が支配されるため、たとえ可変機構を設けたとしても可変制御幅の自由度が低く、動弁機構の要求仕様が異なると新規にカムシャフト及び周辺機構を設計し直す必要があった。また、開弁時期を制御する手法とリフト量を制御する手法が異なるために開弁時期とリフト量を変化させるには構造が複雑化するという問題があった。
【0010】
一方、油圧による動弁装置も、例えば前掲の文献に示される動弁装置が知られてはいるが、前述したように、未だ、解決すべき課題が残されている。
【0011】
本発明は、油圧による動弁装置において、内燃機関の吸排気弁を駆動するための圧油の量を極力少なくし、駆動に要するエネルギーを減少させて、機関の動力損失を減少させることができる動弁装置を提供するものである。また、そのような動弁装置において、リフトタイミング、リフト量を自由に変化させることが出来る動弁機構を提供するものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】
以上のような目的を達成するための本発明における油圧式動弁装置は、内燃機関の吸気弁または排気弁を駆動する油圧式動弁装置であって、吸気弁または排気弁のバルブ(2)の閉弁時に形成され、前記バルブ(2)の後端面を圧力受圧面(9)とする圧力室(4)と、開弁時に前記バルブ(2)が所定量移動したときに前記圧力室(4)と連結される低圧の油圧シリンダ(3)と、開弁時に前記圧力室(4)に圧油を供給する圧油供給装置と、前記バルブ(2)を閉弁方向に付勢するスプリング(14)とを備え、前記バルブ(2)の開弁時には、前記圧油供給装置から前記圧力室(4)に圧油を供給して前記バルブ(2)に開弁方向の運動エネルギーを与え、かつ、前記圧力室(4)が前記油圧シリンダ(3)に連結されるまでには前記圧力室(4)への圧油の供給を停止し、その後は慣性力により、前記バルブ(2)が開弁方向の運動を継続するよう構成されており、さらに、前記油圧シリンダ(3)は連通路(33)によって他の油圧シリンダ(3’)に連結されるとともに、前記連通路(33)には調整弁(34)が設けられ、その開度を調整することにより、前記バルブ(2)のリフト量及び速度を変化させることを特徴とするものである。
【0014】
また、前記圧力室(4)に圧油を供給する圧力供給口(21)には、前記圧力供給口(21)を遮断する作動ピストン(5)が設けられ、前記作動ピストン(5)の前記圧力供給口(21)と反対側には、制御バルブ(17)を備えた圧力制御室(7)が形成されており、さらに、前記圧油供給装置には、定圧の圧油を蓄圧する蓄圧器(23)が設けられるとともに、前記圧力制御室(7)と前記作動ピストン(5)の圧力供給口(21)側には、前記蓄圧器(23)からの圧油が供給されており、開弁時には、前記制御バルブ(17)を開いて前記圧力制御室(20)の油圧を低下させ、前記作動ピストン(5)を移動させ、前記圧力室(4)に圧油を供給することを特徴とするものである。
【0015】
以上の構成によれば、本発明の油圧式動弁装置では吸排気弁を駆動するための油圧を開弁時初期にのみ与えることにより、駆動に要するエネルギーを減少できると同時に、バルブの開閉弁時期に関して、なんらカムシャフトのような機械的な制限を受けること無く、自由なタイミングに設定することが出来る。
【0016】
さらには、バルブ2が開弁したあとに、連通路33に設けた調整弁34の開度を制御することによりバルブ2のリフト量やリフト速度までを自由に変更できる。
【0017】
本構成によれば初期にバルブに与える圧力や圧力の供給時間、調整弁の開度、蓄圧室の圧力等を変化させることにより様々な可変制御が可能であり極めて自由度の高い油圧式動弁装置を実現することが可能となる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。
本発明の動弁装置の外観略図を図1に、具体的な構成を図2に示す。
【0019】
本発明の油圧式動弁装置1は、上下に摺動自在に保持された吸排気用のバルブ2を駆動するものである。前記バルブ2は、バルブ2の軸周囲に設けられたスプリングフランジ13とバルブケース31内のスプリング室32に設けられたスプリング14により、閉弁方向に付勢されている。
【0020】
前記バルブ2の後端部には圧力室4を有し、バルブ2後端面は駆動力が与えられる圧力受圧面9となっている。
【0021】
圧力室4には圧力室に作動油を供給する圧力供給口21が配置されるとともに、圧力制御ユニット6により制御される作動ピストン5が配置され、それによって圧力供給口の開閉が行なわれる。
【0022】
作動ピストン5の先端部分には、高圧作動油が供給されることにより、作動ピストンを上方(開弁方向)に付勢するための圧力溜り8があり、他端部には高圧作動油が供給され内蔵するスプリングと共に作動ピストン5を下方(閉弁方向)に付勢している圧力制御室7を有している。
【0023】
上記圧力溜り8及び圧力制御室7には、油圧供給ポンプから供給される高圧作動油を蓄圧している蓄圧器23から高圧油供給路(19,20,28,29)を通じて作動油が常時供給されている。
【0024】
作動ピストン5は、閉弁時には、その後端部(圧力制御室7)と先端部(圧力溜り8)に高圧作動油が供給され、開弁方向と閉弁方向の付勢力はほぼバランスしており、圧力制御室7に配置されたスプリングにより閉弁状態を保持できるようになっている。
【0025】
開弁時にバルブ2を下降させる場合、圧力制御室7に臨み他方でリザーバタンクに開放されるオリフィスの通路16を開閉する圧力制御ユニット6の作動により、作動ピストン5を上昇させて前記圧力室4に作動油を噴射しながら供給する。以下に図3を用いてその作動を説明する。
【0026】
圧力制御ユニット6は、電磁コイル35、アーマチャ17、スプリング36リーク通路18からなり、定常状態(バルブ2が閉弁している状態)ではアーマチャ17がオリフィス16を閉じており、作動ピストン5は圧力供給口から高圧作動油が噴射されないように圧力供給口を閉鎖している(図3−(a))。
【0027】
バルブ2を開弁する場合は、まず上記した圧力制御ユニット6において電磁コイル35に通電しアーマチャ17を引き上げ、オリフィス16が開放される。開放されると圧力制御室7にある高圧作動油がこのオリフィス16を通じてリークするため圧力制御室7の圧力は低下する。
【0028】
圧力制御室7の圧力が低下すると、作動ピストン5の先端部に位置する圧力溜りとの圧力バランスが崩れ、圧力溜りの高圧作動油による上昇(開弁方向)の付勢力が、圧力制御室7の圧力とスプリングによる閉弁方向の付勢力に打ち勝ち作動ピストン5が上昇する。
【0029】
作動ピストン5が上昇すると圧力供給口21が開放され、蓄圧器23から供給されている高圧作動油が圧力室に向けて噴射しながら供給される。蓄圧器23の圧力は任意に設定可能であるが例えば80MP程度の圧力が設定される。この噴射された油がバルブ後端の圧力受圧面に衝突し、バルブ2に下向方向の運動エネルギーが与えられ、バルブ2が開弁方向に移動する(図3(b))。
【0030】
バルブ2が所定量開弁方向に移動すると圧力室4がその下方に位置するシリンダ3と連通し、圧力室4に噴射された高圧作動油が低圧のシリンダに流れ込んだ所で一気に圧力が低下する。圧力が低下しても初期に与えられたバルブの運動エネルギーで所定量バルブの開弁方向への移動は続く(図3(c))。
【0031】
次に油圧式動弁装置全体の具体的な作動を図2及び図3、並びに図4に示すタイミングチャートにより説明する。
【0032】
本発明においては、図2の実施例に示すように、バルブ2がリフトを開始した後に圧力室4と連通されるシリンダ3とシリンダ3と連通させられた別のシリンダ3’を有している。またこのシリンダ3、3’は連通路33を通じて接続されている。この連通路の途中にはその開度面積が可変制御可能な調整弁34が設けられている。そして低圧で開弁し、作動油を開放するためのリリーフ弁27がシリンダ3の下流側に位置するシリンダ3’に設けられている。またシリンダ3’の圧力低下に応じて作動油の補填を行なう補給路38も設けられている。
【0033】
この実施例における、バルブ2の開弁作動について説明する。機関の運転状態に応じてバルブの目標開弁タイミングt1が決定される(詳細は省略)。このタイミングに合わせて圧力制御ユニット6に対する通電が開始される。圧力制御ユニット6により圧力室4に圧力供給口2から作動油圧が供給される動作は図3を基に説明した通りである。この通電開始タイミングは、通電が開始されてから実際に作動油圧が供給されバルブがリフト開始されるまでタイムラグがある為、所定期間遡って設定される。
【0034】
t1の時点からバルブ2のリフトが開始される。リフト開始の初期段階では図3の(b)に示すように圧力室4はバルブ2の圧力受圧面により実質的に閉鎖された空間となっており、勢い良く噴射された作動油圧によりバルブに運動エネルギーが与えられて、リフト量は急速に増加する。リフト量が所定量(図4中(a)ライン)を越えると圧力室4はシリンダ3と連通し急激に圧力受圧面9にかかる圧力は低下する。この時点では基本的に圧力制御ユニット6からの作動油の噴射は停止しており、与えられた上記運動エネルギーによりバルブリフトが継続される。
【0035】
圧力室4がシリンダ3と連通した後はバルブの移動と共に、シリンダ3の容積は増大する。そのため補給路38からシリンダ3’及び連通路33を介してシリンダ3に作動油が流入することとなる。
【0036】
ここで、これ迄閉鎖していた調整弁34を開弁作動するための通電が開始される(t1〜)。実際にはt1で調整弁への通電を開始しても時間遅れを伴って開弁するため、調整弁が実際に開くのはバルブリフトが(a)ラインを超える頃になるようにされるのが好ましい。調整弁34の開度が大きければシリンダ3’からの補填が迅速に行われ、バルブリフトの開弁速度が損なわれずに速いリフト速度が維持される。
【0037】
図4の一点鎖線で示すグラフが調整弁全開すなわち開度100%の場合であり、この時はシリンダ3への作動油圧の補填が迅速に行われる為バルブリフトの減速は最小限に押さえられる(最大リフト速度となる)。また実線で示すものが調整弁34の開度50%の場合であり、バルブリフトは実線のようになる。そして2点鎖線で示すのが開度20%の場合であり、シリンダ3へのシリンダ3’への作動油圧の補填が調整弁34の開度により大きく制限される為バルブリフト速度は低く押さえられる。このように制御されたバルブは最大リフト量に達するまでリフトする。
【0038】
バルブが必要とする最大リフトに達した時点で、調整弁34は完全に閉弁される。バルブのリフトはシリンダ3の容積を拡大しながら行なわれるものである為シリンダ3’から連通路33を通じて行われる作動油の補填が絶たれると容積の拡大が出来なくなる。即ち最大リフト状態で調整弁34を閉じるとバルブはその移動を停止しリフト状態が保持される。また、バルブが閉弁側に戻る為にはシリンダ3に補填された作動油を今度は連通路33を通じてシリンダ3’側に戻す必要がある。次にバルブ2の閉弁制御について述べる。
【0039】
機関の運転状態に応じて定められる目標閉弁タイミング(t3:詳細は省略する)に基づいて閉弁制御が行なわれる。バルブが最大リフトしている状態、即ち調整弁34が全閉している状態から、目標閉弁タイミングに基づき調整弁34が開弁される。調整弁34が開弁されることにより、それまで絶たれていたシリンダ3からシリンダ3’への作動油の戻りが可能となり、スプリング14のばね力によりシリンダ3の容積が減少しながらバルブ2が閉弁作動する。
【0040】
開弁時と同様に閉弁作動時においても調整弁34の開度を調節することにより閉弁速度を可変制御することが可能となる。図4のt3で実線で示す開度100%の場合は最大の閉弁速度となり、点線で示すように開度を絞った場合(50%)はバルブの閉弁作動がゆっくりとなる。また閉弁作動時にバルブの後端にある圧力受圧面9により圧力室4が閉鎖され始めるとバルブ後端周囲の僅かな隙間から漏れ出すだけになるのでリフト終了直前ではバルブの移動速度がダンピングされる。このダンピング効果はバルブの好ましくないバウンス(閉じたバルブが閉弁時の勢いの反動でまた開いてしまう)を防止する効果も有している。
【0041】
また、最大リフト時点において調整弁34を閉弁することによりバルブリフトが停止されるとともにリフト状態が保持されるが、これを図4の点線(b)にあるようなリフト量において、即ちt1から所定時間経過したt2’の時点で調整弁34を閉弁するとリフト量を少なく(この場合はハーフリフト)制御することも可能である。バルブを閉弁するときは(例えばt4’)のタイミングで調整弁34を前記同様に開放すれば良い。
【0042】
上記実施例の蓄圧器についてはエンジンが複数気筒の場合は各気筒共通の蓄圧装置であるコモンレールとしても良く、またその圧力を一定に維持するためには蓄圧器に設けられた圧力センサーによるフィードバック制御が好ましいが、一定圧力でリリーフするリリーフ弁による圧力保持構造でも良い。
【0043】
圧力作動油については専用の作動油であっても良いし、エンジンの潤滑油、或いは燃料油を使用しても同様の制御が可能な事は言うまでもない。また、蓄圧器に対する作動油の供給はポンプにより行なっているが、エンジンの燃焼室に対する燃料供給システムにおいてコモンレールを用いている場合はそのコモンレールから圧力を供給する事も可能である。
【0044】
【発明の効果】
以上本発明の油圧式動弁装置によれば、吸排気弁を駆動する作動油によって与えられるバルブの運動エネルギーを有効に活用し、駆動のための作動油の量を最小限に抑えることができる。したがって、作動油の圧力を高めるために必要な動力は減少し内燃機関の動力損失が少なくなる。さらに、油圧式動弁装置に設けた調整弁の開度を制御することによりバルブのリフト量やリフト速度を自由に変更できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の動弁装置外観を示す図面である。
【図2】本発明の実施の形態を示す内部断面図である。
【図3】a〜c圧力制御ユニットの作動とバルブの開閉制御を示す図面である。
【図4】本発明に係わる調整弁34と電磁弁Hとバルブリフトのタイミングチャート図である。
【図5】従来技術を示す図面である。
【符号の説明】
1 油圧式動弁装置
2 吸排気バルブ
3 シリンダ
4 圧力室
5 作動ピストン
6 圧力制御ユニット
7 圧力制御室
8 圧力溜り
9 圧力受圧面
10、11、18 リーク通路
12 リザーバタンク
13 スプリングフランジ
14 バルブスプリング
15 吸排気ポート
16 オリフィス
17 制御バルブアーマチャ
19、20、28,29 高圧油供給路
21 圧力供給口
22 ECU
23 蓄圧器コモンレール
24 圧力センサ
25 油圧供給ポンプ
26 逆止弁
27 リリーフ弁
30 シリンダヘッド
31 バルブケース
32 スプリング室
33 連通路
34 調整弁
35 電磁コイル
36 スプリング
37 ポンプ制御弁
38 補給路
Claims (2)
- 内燃機関の吸気弁または排気弁を駆動する油圧式動弁装置であって、
吸気弁または排気弁のバルブ(2)の閉弁時に形成され、前記バルブ(2)の後端面を圧力受圧面(9)とする圧力室(4)と、開弁時に前記バルブ(2)が所定量移動したときに前記圧力室(4)と連結される低圧の油圧シリンダ(3)と、開弁時に前記圧力室(4)に圧油を供給する圧油供給装置と、前記バルブ(2)を閉弁方向に付勢するスプリング(14)とを備え、
前記バルブ(2)の開弁時には、前記圧油供給装置から前記圧力室(4)に圧油を供給して前記バルブ(2)に開弁方向の運動エネルギーを与え、かつ、前記圧力室(4)が前記油圧シリンダ(3)に連結されるまでには前記圧力室(4)への圧油の供給を停止し、その後は慣性力により、前記バルブ(2)が開弁方向の運動を継続するよう構成されており、さらに、
前記油圧シリンダ(3)は連通路(33)によって他の油圧シリンダ(3’)に連結されるとともに、前記連通路(33)には調整弁(34)が設けられ、その開度を調整することにより、前記バルブ(2)のリフト量及び速度を変化させることを特徴とする油圧式動弁装置。 - 前記圧力室(4)に圧油を供給する圧力供給口(21)には、前記圧力供給口(21)を遮断する作動ピストン(5)が設けられ、前記作動ピストン(5)の前記圧力供給口(21)と反対側には、制御バルブ(17)を備えた圧力制御室(7)が形成されており、さらに、前記圧油供給装置には、定圧の圧油を蓄圧する蓄圧器(23)が設けられるとともに、前記圧力制御室(7)と前記作動ピストン(5)の圧力供給口(21)側には、前記蓄圧器(23)からの圧油が供給されており、開弁時には、前記制御バルブ(17)を開いて前記圧力制御室(20)の油圧を低下させ、前記作動ピストン(5)を移動させて、前記圧力室(4)に圧油を供給することを特徴とする請求項1記載の油圧式動弁装置。
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