JP4016569B2 - 油圧式動弁装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【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)

1. 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。
2. 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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