JP4017297B2 - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の可変動弁装置、とりわけ、吸気弁や排気弁である機関弁のリフト特性を制御する第１可変機構とバルブタイミングを制御する第２可変機構とを備えた可変動弁装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、例えば吸気弁のバルブリフト特性を可変にする可変リフト機構とバルブタイミング特性を可変にする可変バルブタイミング機構とを併用してバルブリフト特性の自由度を向上させて機関運転性能を大幅に高める可変動弁装置が従来から種々提供されている（特開平８−１７７４３４号公報等参照）。
【０００３】
すなわち、この可変動弁装置は、カムシャフトに設けられた低速用カムと高速用カムを、機関運転状態に応じて選択的に切り換えて、機関弁である吸気弁あるいは排気弁のカムリフトを可変制御するバルブリフト制御機構と、カムシャフトとクランクシャフトの相対回動位相を機関運転状態に応じて変換して機関弁の開閉時期を可変制御するバルブタイミング制御機構とを備えている。
【０００４】
また、この装置は、例えば前記バルブタイミング制御機構が故障した場合に、バルブリフト制御機構によって低速用カム側に強制的に切り換えるか、あるいはバルブリフト制御機構が故障した場合には、バルブタイミング制御機構によって機関弁の開閉時期を制御してバルブリフト作動中心が上死点から離れる方向にそれぞれ制御することにより、吸気弁と排気弁との干渉を回避する制御機構を備えている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の可変動弁装置にあっては、前述のように各制御機構が故障した際には、吸気弁と排気弁との干渉などを回避するなどのメカニカルな不都合は回避できるものの、かかる故障時における機関性能についての配慮が不十分であった。
【０００６】
つまり、一方の制御機構が故障した際には、バルブリフト制御機構によって一律に低速用カムに選択的に切り換えるか、あるいはバルブリフト制御機構によってバルブリフト作動中心を一律に上死点から離れる方向に制御するため、必ず吸気弁と排気弁のいわゆるバルブオーバラップが小さくなってしまう。したがって、機関高回転の運転領域では機関の出力が大幅に低下してしまい、機関性能を十分に発揮することが困難になる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記従来の可変動弁装置の実情に鑑みて案出されたもので、請求項１記載の発明は、機関弁の少なくともリフト特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第１可変機構と、機関弁の少なくとも開閉タイミング特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第２可変機構と、前記第１可変機構あるいは第２可変機構の現在の作動位置を検出する位置検出手段と、現在の機関運転状態に基づいて前記第１可変機構あるいは第２可変機構の制御目標値を決定する制御目標値決定手段と、前記第１可変機構あるいは第２可変機構のいずれか一方が故障した際に、前記位置検出手段によって検出された一方の可変機構の故障時の位置に基づいて他方の可変機構の制御範囲を所定の範囲に設定すると共に、この設定された所定の制御範囲内で前記検出手段によって検出した前記他方の可変機構の作動位置と前記制御目標値決定手段によって決定された制御目標値とに基づいて、前記他方の可変機構を連続的あるいは段階的にフィードバック制御する制御手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００８】
この発明によれば、機関の所定の運転領域で、例えば第１可変機構が故障した場合は、位置検出手段がその故障時の位置を検出してその情報信号を制御手段に出力する。これにより、制御手段は、従来のように第１可変機構により単に固定的な低速用カムを選択制御させるのではなく、第１可変機構の故障時の位置に応じてメカニカルな各機関弁間の干渉等を回避できる所定範囲内において第２可変機構を可及的に制御する。したがって、機関性能を機関運転状態に応じて可能な限り発揮させることができる。
請求項２記載の発明は、機関弁の少なくともリフト特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第１可変機構と、機関弁の少なくとも開閉タイミング特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第２可変機構と、前記第１可変機構の現在の作動位置を検出する第１位置検出手段と、前記第２可変機構の現在の作動位置を検出する第２位置検出手段と、現在の機関運転状態に基づいて前記第１可変機構の制御目標値を決定する第１制御目標値決定手段と、前記第２可変機構が故障した際に、前記第２位置検出手段によって検出された第２可変機構の故障時の位置に基づいて前記第１可変機構の制御範囲を所定の制御範囲に設定すると共に、この設定された所定の制御範囲内で、前記第１位置検出手段で検出した作動位置と前記第１制御目標値決定手段によって決定された制御目標値とに基づいて、前記第１可変機構を連続的あるいは段階的にフィードバック制御する制御手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
請求項３記載の発明は、機関弁の少なくともリフト特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第１可変機構と、機関弁の少なくとも開閉タイミング特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第２可変機構と、前記第１可変機構の現在の作動位置を検出する第１位置検出手段と、前記第２可変機構の現在の作動位置を検出する第２位置検出手段と、現在の機関運転状態に基づいて前記第２可変機構の制御目標値を決定する第２制御目標値決定手段と、前記第１可変機構が故障した際に、前記第１位置検出手段によって検出された第１可変機構の故障時の位置に基づいて前記第２可変機構の制御範囲を所定の制御範囲に設定すると共に、この設定した所定の制御範囲内で、前記第２位置検出手段によって検出した作動位置と前記第２制御目標値決定手段によって決定された制御目標値とに基づいて、前記第２可変機構を連続的あるいは段階的にフィードバック制御する制御手段と、を備えたことを特徴としている。
【００１０】
請求項４記載の発明は、前記第１可変機構が、外周に駆動カムを有する駆動軸と、支軸に揺動自在に支持されて、揺動することによって機関弁を開閉作動する揺動カムと、一端部が前記駆動カムに回動自在に連係すると共に、他端部が前記揺動カムに回転自在に連係し、揺動中心が制御カムによって可変制御されるロッカアームとを備えたことを特徴としている。
【００１１】
請求項５記載の発明は、前記第１可変機構が、外周に駆動カムを有する駆動軸と、一端部が前記駆動カムの外周に回転自在に連係するリンクアームと、一端部がリンクアームの他端部に回転自在に連係しかつ揺動中心が制御カムによって可変制御されるロッカアームと、機関弁を開閉作動する揺動カムと、該揺動カムとロッカアームの他端部とを機械的に回転自在に連係し、前記揺動カムの最大揺動範囲をロッカアームの揺動範囲内に規制する連係部材と、前記制御カムを機関運転状態に応じて制御軸を介して回転制御するアクチュエータとを備えていることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る可変動弁装置を吸気側に適用した実施形態を示し、シリンダヘッド１１に図外のバルブガイドを介して摺動自在に設けられた１気筒あたり２つの吸気弁１２，１２を備え、かつ該各吸気弁１２，１２のバルブリフトを機関運転状態に応じて可変にする第１可変機構１と、各吸気弁１２，１２のバルブタイミングを機関運転状態に応じて可変にする第２可変機構２とを備えている。
【００１３】
前記第１可変機構１は、図１〜図３に示すように、シリンダヘッド１１上部の軸受１４に回転自在に支持された中空状の駆動軸１３と、該駆動軸１３に圧入などによって固設された偏心回転カムである２つの駆動カム１５，１５と、駆動軸１３に揺動自在に支持されて、各吸気弁１２，１２の上端部に配設されたバルブリフター１６，１６の平坦な上面１６ａ，１６ａに摺接して各吸気弁１２，１２を開作動させる揺動カム１７，１７と、駆動カム１５と揺動カム１７，１７との間に連係されて、駆動カム１５の回転力を揺動カム１７，１７の揺動力として伝達する伝達機構１８と、該伝達機構１８の作動位置を可変制御にする制御機構１９とを備えている。
【００１４】
前記駆動軸１３は、機関前後方向に沿って配置されていると共に、一端部に設けられた後述する可変機構２のタイミングスプロケット４０に巻装された図外のタイミングチェーン等を介して機関のクランク軸から回転力が伝達されている。
【００１５】
前記軸受１４は、図１に示すようにシリンダヘッド１１の上端部に設けられて、駆動軸１３の上部を支持するメインブラケット１４ａと、該メインブラケット１４ａの上端部に設けられて、後述する制御軸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によって上方から共締め固定されている。
【００１６】
前記両駆動カム１５は、図１〜図３に示すようにほぼリング状を呈し、カム本体１５ａと、該カム本体１５ａの外端面に一体に設けられた筒状部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、この各駆動カム１５は、駆動軸１３に対し前記両バルブリフター１６，１６に干渉しない両外側に駆動軸挿通孔１５ｃを介して圧入固定されていると共に、両方のカム本体１５ａ，１５ａの外周面１５ｄ，１５ｄが同一のカムプロフィールに形成されている。
【００１７】
前記揺動カム１７は、図２に示すようにほぼ横Ｕ字形状を呈し、一端部側の円環状の基端部２０には駆動軸１３が嵌挿されて回転自在に支持される支持孔２０ａが貫通形成されていると共に、他端部のカムノーズ部２１にピン孔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、基端部２０側の基円面２２ａと該基円面２２ａからカムノーズ部２１側に円弧状に延びるランプ面２２ｂと該ランプ面２２ｂの先端側に有するリフト面２２ｃとが形成されており、該基円面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所定位置に当接するようになっている。
【００１８】
前記伝達機構１８は、図２に示すように駆動軸１３の上方に配置されたロッカアーム２３と、該ロッカアーム２３の一端部２３ａと駆動カム１５とを連係するリンクアーム２４と、ロッカアーム２３の他端部２３ｂと揺動カム１７とを連係する連係部材であるリンクロッド２５とを備えている。
【００１９】
前記各ロッカアーム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が後述する制御カム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前記一端部２３ａには、図２及び図３にも示すように、リンクアーム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前記他端部２３ｂには、各リンクロッド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。
【００２０】
また、前記リンクアーム２４は、比較的大径な円環状の基部２４ａと、該基部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、前記駆動カム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、前記ピン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。
【００２１】
さらに、前記リンクロッド２５は、図２にも示すように所定長さのほぼく字形状に折曲形成され、両端部２５ａ，２５ｂには、図３にも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、前記ロッカアーム２３の他端部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。
【００２２】
そして、このリンクロッド２５は、前記揺動カム１７の最大揺動範囲を前記ロッカアーム２３の揺動範囲内に規制するようになっている。
【００２３】
尚、各ピン２６，２７，２８の一端部には、リンクアーム２４やリンクロッド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。
【００２４】
前記制御機構１９は、機関前後方向に配設された前記制御軸３２と、該制御軸３２の外周に固定されてロッカアーム２３の揺動支点となる制御カム３３と、制御軸３２の回転位置を制御する電動アクチュエータである電動モータ３４とから構成されている。
【００２５】
前記制御軸３２は、駆動軸１３と並行に設けられて、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、前記各制御カム３３は、夫々円筒状を呈し、図２に示すように軸心Ｐ１位置が制御軸３２の軸心Ｐ２からα分だけ偏倚している。
【００２６】
前記電動モータ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と共に、機関の運転状態を検出するコントローラ３７からの制御信号によって駆動するようになっている。
【００２７】
一方、前記第２可変機構２は、図１に示すように前記駆動軸１３の先端部側に設けられ、図外のタイミングチェーンによって機関のクランク軸から回転力が伝達されるタイミングスプロケット４０と、駆動軸１３の先端部にボルト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とスリーブ４２との間に介装された筒状歯車４３と、該筒状歯車４３を駆動軸１３の前後軸方向へ駆動させる駆動機構である油圧回路４４とから構成されている。
【００２８】
前記タイミングスプロケット４０は、筒状本体４０ａの後端部に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。
【００２９】
前記スリーブ４２は、後端側に駆動軸１３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。
【００３０】
前記筒状歯車４３は、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、内外周面には前記各インナ歯４６とアウタ歯４８に噛合い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。また、この筒状歯車４３は、フロントカバー４０ｃに突当った最大前方移動位置で吸気弁１２を最遅角位置に制御する一方、最大後方移動位置で最進角位置に制御するようになっている。さらに、第２油圧室５０内に弾装されたリターンスプリング５１によって第１油圧室４９の油圧が供給されない場合に最大前方移動位置に付勢されるようになっている。
【００３１】
前記油圧回路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、該メインギャラリ５３の下流側で分岐して前記第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、前記分岐位置に設けられたソレノイド型の流路切換弁５６と、該流路切換弁５６に接続されたドレン通路５７とから構成されている。
【００３２】
前記流路切換弁５６は、前記第１可変機構１の電動モータ３４を駆動制御する同じコントローラ３７からの制御信号によって切換駆動されるようになっている。
【００３３】
前記コントローラ３７は、クランク角センサからの機関回転数信号、エアフローメータからの吸気流量信号（負荷）及び機関油温センサなどの各種のセンサからの検出信号に基づいて現在の機関運転状態を演算等により検出すると共に、制御軸３２の現在の回転位置を検出する第１位置検出センサ５８や駆動軸１３とタイミングスプロケット４０との相対回動位置を検出する第２位置検出センサ５９からの検出信号に基づいて、前記電動モータ３４及び流路切換弁５６に制御信号を出力していると共に、いずれか一方の可変機構１、２が故障してロックしてしまった場合に、該一方の可変機構のロック位置に応じて他方の可変機構を所定範囲内で連続的に可変制御する制御手段である制御回路を備えている。
【００３４】
すなわち、コントローラ３７が、機関回転数、負荷、油温、機関始動後の経過時間などの情報信号から吸気弁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、この指令信号に基づき電動モータ３４を回転させることにより制御軸３２を介して制御カム３３を所定回転角度位置まで回転制御する。また、第１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ーし、フィードバック制御により制御軸３２を目標位相に回転させるようになっている。
【００３５】
具体的には、機関始動初期のクランキング時及びアイドリング時には、コントローラ３７からの制御信号によって電動モータ３４を介して制御軸３２が一方向へ回転制御されて、図４に示すように制御カム３３の軸心Ｐ１が制御軸３２の軸心Ｐ２から図示のように左上方の回動位置に保持され、厚肉部３３ａが駆動軸１３から上方向へ離間回動する。これにより、ロッカアーム２３は、全体が駆動軸１３に対して上方向へ移動し、このため各揺動カム１７はリンクロッド２５を介して強制的に引き上げられて反時計方向へ回動する。したがって、駆動カム１５が回転してリンクアーム２４を介してロッカアーム２３の一端部２３ａを押し上げると、そのリフト量がリンクロッド２５を介して揺動カム１７及びバルブリフター１６に伝達されるが、そのリフト量Ｌは、図４及び図７に示すように小さくなる。このため、ガス流動が強化されて燃焼が改善されて、燃費の向上と機関回転の安定化が図れる。
【００３６】
特に、クランキング時には、バルブリフト量を図７に示すように零または零に近い極小リフト（Ｌｍｉｎ）になるように設定されているため、後述するように機関回転の立ち上がりが良好になる。
【００３７】
一方、高回転高負荷域では、コントローラ３７からの制御信号によって電動モータ３４により制御軸３２が今度は他方向に回転して制御カム３３を図２，図６に示す位置に回転させて厚肉部３３ａを下方向へ回動させる。このため、ロッカアーム２３は、全体が駆動軸１３方向（下方向）へ移動して他端部２３ｂが揺動カム１７をリンクアーム２５を介して下方向へ押圧して揺動カム１７全体を所定量だけ図示の位置（時計方向）に回動させる。したがって、駆動カム１５が回転してリンクアーム２４を介してロッカアーム２３の一端部２３ａを押し上げると、そのリフト量がリンクロッド２５を介して揺動カム１７及びバルブリフター１６に伝達されるが、そのリフト量Ｌは図６に示すように最も大きくなる（Ｌｍａｘ）。そして、その最小リフト（Ｌｍｉｎ）から最大（Ｌｍａｘ）までのリフト量変化は、制御カム３３の回動位置により図７に示すような特性（Ｌ１〜Ｌ６）となる。なお、図７におけるＬｍｉｎは零に近い極小リフトとなっているが、制御軸を前記一方にさらに回転させれば零とすることも可能である。
【００３８】
一方流路切換弁５６側は、前述と同じく各センサからの情報信号から吸気弁１２の目標進角量を決定して、この指令信号に基づき流路切換弁５６により、第１油圧通路５４とメインギャラリ５３とを所定時間連通させると共に、第２油圧通路５５とドレン通路５７とを所定時間連通させる。これによって、筒状歯車４３を介してタイミングスプロケット４０と駆動軸１３との相対回動位置を変換して進角側に制御する。また、この場合も第２位置検出センサ５９により予め駆動軸１３の実際の相対回動位置をモニターして、フィードバック制御により駆動軸を目標相対回動位置すなわち目標進角量に回転させるようになっている。
【００３９】
具体的には、機関始動時から所定時間つまり油温が所定温度Ｔｏに達するまでは、流路切換弁５６により第２油圧室５０のみに油圧が供給されて第１油圧室４９には油圧が供給されない。したがって、図１に示すように筒状歯車４３は、リターンスプリング５１のばね力で、最大前方位置に保持されて、駆動軸１３が最大遅角の回転位置に保持されている。その後、油温が所定温度Ｔｏを越えると、運転条件に応じて、コントローラ３７からの制御信号により流路切換弁５６を駆動させて第１油圧通路５４とメインギャラリ５３を連通させて、第２油圧通路５５とドレン通路５７を連通させる時間が連続的に変化する。これにより、筒状歯車４３は、最前方位置から最後方位置までを移動し、したがって、吸気弁１２の開閉タイミングは、図７に示すように実線の最遅角状態から、破線の最進角まで連続的に可変制御される。
【００４０】
尚、前記吸気弁１２は、第１可変機構１により最大リフトに制御されかつ第２可変機構２により最大遅角位置に制御された状態において、シリンダ内のピストンや対向する排気弁と干渉しないような配置構成に設定されている。
【００４１】
以下、コントローラ３７による第１可変機構１と第２可変機構２との具体的な駆動制御を図８及び図９に示すフローチャートにもとづいて説明する。
【００４２】
すなわち、まず、始動後の油温との関係では、図８示すように、セクションＳ１では、タイマーにより機関始動後から所定時間ｔｏを越えたか否かを判断して、越えた場合はセクションＳ２で油温センサによる情報に基づき現在の油温が所定温度Ｔｏを越えたか否かを判別し、越えた場合はセクションＳ３で第１，第２の両方の可変機構１，２を駆動させるが、セクションＳ１及びセクションＳ２で所定時間ｔｏを越えず、または油温が所定油温Ｔｏ以下であればセクションＳ４で第１可変機構１のみを駆動させて第２可変機構２を駆動させない制御を行う。
【００４３】
したがって、低温始動時は第１可変機構１によるバルブリフト制御のみが行われ、第２可変機構２によるバルブタイミング制御が行われず、吸気弁１２は前述した最遅角側に保持される。よって、この運転域での油圧駆動源に起因する可変作動不良といった問題が生じないと共に、バルブリフト制御による始動性の向上など機関性能の向上が図れる。また、油温上昇後は第２可変機構２も駆動するので、機関性能の大幅な向上が図れる。
【００４４】
次に、前述した第１可変機構１の制御を図９に基づいて説明すれば、まず、セクションＳ１１で、イグニッションスイッチをＯＮすると、その直後にセクションＳ１２において第１可変機構１を最小リフト（零に近い極小リフト）に制御する。続いて、セクションＳ１３でスタータースイッチをＯＮしクランキングが開始した後にセクションＳ１４にて第１可変機構１により、機関回転数（クランキング回転数）の上昇に伴い、リフトを図７に示す実線Ｌ３まで増加する制御を行う。
【００４５】
続いて、セクションＳ１５では、油温センサにより現在の油温が所定温度（Ｔ１）よりも高いか否かを判別し、高い場合はセクションＳ１６において、機関運転状態に応じた第１可変機構１によるリフト可変制御を行う。しかし、油温がＴ１以下の場合は、セクションＳ１７において、第１可変機構１によるリフト制御を前記Ｌ３に固定状態とする。
【００４６】
このように、クランキングを開始した始動初期の時点では、セクションＳ１２で最小リフトに制御されているため、動弁系のフリクションが小さくなっているので、機関回転を速やかに立ち上げることができる。
【００４７】
また、セクションＳ１４でのリフト増加制御により、混合気のガス交換効率が向上して、機関トルクが速やかに立ち上がって、前記機関回転の速やかな立ち上がりと相俟って始動性を大幅に改善できる。
【００４８】
さらに、油温がＴ１以下である場合は、セクションＳ１７においてリフトをＬ３の低いリフトに固定するため、吸気弁１２からの混合気流の速度を増加させて気筒内の強いガス流動を発生させることにより、冷機始動時の燃焼の改善が図れ、燃費性能と排気エミッション性能を向上できる。
【００４９】
また、この実施形態における第１可変機構１は、前述したような図７に示すバルブリフト可変特性を示すが、最大バルブリフトとなる駆動軸１３の位相（バルブリフト位相）について考察すると、Ｌｍａｘからリフトを低下させていくと少しづつ進角し、さらにＬｍｉｎに向かってリフトを低下させていくと、今度は途中から逆に遅角していくといった特異な変化特性を示す。これは、最大バルブリフト時においては、図６に示すように、駆動カム１５の駆動偏心円の動径Ｒ１と、駆動カム１５の軸心Ｘとリンクアーム２４の突起部２４ｂの枢支点Ｚとを結ぶ線Ｒ２が一直線になった瞬間であり、このとき、Ｒ１の方向はシリンダヘッド１１の鉛直方向線Ｑに対して角度θだけ手前側、つまり進角側にある。
【００５０】
次に、制御軸３２が図中時計方向に回動していった場合において、駆動カム１５の動径Ｒ１とリンクアーム２４が一直線になった場合を考察する。すなわち、このとき角度θは、制御軸３２の時計方向の回動とともに、次第に増加してロッカアーム２３の動径Ｒ３と制御カム３３の動径ｅが一直線になったとき（図５参照）に最大となり、制御軸３２がさらに図４に示すように時計方向に回動すると、逆に減少していく（図７参照）。このため、バルブリフト位相は、前述したように特異な変化特性を示すようになるのである。
【００５１】
次に、前記コントローラ３７は、第１，第２可変機構１，２の両方を可変制御させる運転域において、第１可変機構１あるいは第２可変機構２が故障した場合に、前記制御回路によって図１０及び図１１に示すような制御を行う。
【００５２】
まず、図１１に示す制御では、セクションＳ３１で各センサからの情報信号を読み込み、セクションＳ３２で、第１位置検出センサ５８から制御軸３２の実際の回転位置（リフト量と対応）を読み込み、次にセクションＳ３３では前記実回転位置と目標回転位置とを比較して第１可変機構１が故障しているか否かを判別する。ここで故障している、と判別すると、セクションＳ３４において第２可変機構２の制御位置を吸気弁１２とピストン及び吸気弁１２と排気弁がそれぞれ干渉しない制御範囲（進角量）を演算し、さらにセクションＳ３５で第２可変機構２を前記所定の制御範囲内で連続制御を行う。
【００５３】
つまり、第１可変機構１が最大リフト（Ｌｍａｘ）制御中に故障した場合は、両機関弁などの干渉を回避するために、第２可変機構２を最遅角付近で連続制御する。また小リフト（Ｌｍｉｎ〜Ｌ１）域で故障した場合は、第２可変機構２を、最遅角から最進角まで広範囲に連続制御する。これにより性能悪化を抑制できる。さらに、中リフトＬ３域で故障した場合は、最遅角から中間位相の範囲で連続制御する。
【００５４】
したがって、各機関弁やピストンの干渉を回避できる範囲で、第２可変機構２を連続制御したため、機関性能の低下を防止できる。
【００５５】
次に図１０に示す制御では、セクションＳ２１で各センサからの情報信号を読み込んだ後、セクションＳ２２で第２位置検出センサ５９から駆動軸１３の実際の相対回動位置（進角量と対応）を読み込み、次にセクションＳ２３で実相対回動位置と、目標相対回動位置とを比較して、第２可変機構２が故障しているか否かを判断する。
【００５６】
ここで、故障と判断した場合は、セクションＳ２４において、第１可変機構１の制御位置を吸気弁１２とピストン及び排気弁がそれぞれ干渉しない制御範囲（リフト量）を演算し、さらにセクションＳ２５で第１可変機構１を所定の制御範囲内で連続制御を行う。
【００５７】
つまり、第２可変機構２が最進角制御中に故障した場合は、干渉を回避するため、第１可変機構１を図７に示す小リフト域（Ｌmin〜Ｌ1）で連続的に制御する。最遅角側で故障した場合は、干渉の問題がないから最小から最大リフトの全領域で連続制御する。さらに、中間位相で故障した場合は、最小リフトから中リフトＬ３の範囲で連続制御する。
【００５８】
このように、第２可変機構２が故障した場合も吸気弁１２とピストンなどの干渉を回避し得る範囲内で第１可変機構１を連続制御できるため、機関性能の低下を可及的に抑制できる。また、多段階に連続的に制御することによっても、同様の効果が得られる。この場合、制御が簡素化される。
【００５９】
また、本実施形態では、揺動カム１７がロッカアーム２３に対してリンクロッド２５によって連係されているため、揺動カム１７の最大揺動範囲を、リンクロッド２５によりロッカアーム２３の揺動範囲内に規制できる。したがって、たとえ高回転域でも、揺動カム１７の過度な揺動やジャンプなどのいわゆる踊り現象が確実に防止できる。このため、揺動カム１７とロッカアーム２３との離接による衝突が回避されて、打音の発生が防止されると共に、バルブリフトの制御精度の低下が防止され、特に高回転域における機関性能の安定化が図れる。
【００６０】
また、本実施形態では、前述したようにバルブリフト位相がリフト変化とともに特異な変化をするが、第１可変機構１と、駆動軸１３の回転位相を変化させる第２の可変機構２とを組み合わせることによってこの特異な変化を矯正することが可能になる。すなわち、例えば、機関運転状態が高回転あるいは高負荷域で第１可変機構１により大バルブリフトに制御し、第２可変機構２によってバルブリフト位相が上死点に近付くように制御すれば、バルブオーバーラップが大きくなり、排気脈動の負圧波を大きなバルブオーバーラップ期間と同期させることで、気筒内の残留ガスを掃気することができるので、新気の吸入効率を高め、出力を大きく向上させることが可能になるのである。
【００６１】
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば排気側に適用することも可能であり、始動初期に第１可変機構１を零または極小リフト制御することにより、吸気弁１２側の場合と同様に動弁フリクションを小さくでき、機関回転数のスムーズな立ち上がり特性が得られ、さらに機関回転数の増加に伴いリフト量を増加させるように可変制御することによってガス交換効率が向上し、もって良好な始動性が得られるなど、吸気側と同様の作用効果が得られる。
【００６２】
また、排気側に適用した場合も前記吸気側と同じく、いずれか一方の可変機構が故障した場合に他方の可変機構を可及的に制御できるため、メカニカルな不都合を回避しつつ機関性能の低下を防止できることは勿論である。
【００６３】
また、本発明は、各可変機構の駆動源が油圧、電動に拘わらずいかなる駆動源であってもよく、また、両方の可変機構を同じ電動あるいは油圧によって駆動するものに適用することが可能である。
【００６４】
【発明の効果】
請求項１〜３記載の発明によれば、第１可変機構と第２可変機構とによって機関運転状態に応じて該機関性能を大幅に向上させることができることは勿論のこと、第１可変機構あるいは第２可変機構のいずれか一方が故障した場合は、制御手段によって一方の可変機構の故障時の位置に応じて、他方の可変機構を、機関弁とピストンとの干渉及び吸気，排気弁との間の干渉を回避し得る所定範囲内において可及的かつ連続あるいは段階的に制御することができるため、メカニカルな不具合を回避しつつ機関性能の低下を防止できる。
【００６５】
請求項４記載の発明によれば、制御カムを回動することによってバルブリフト量を連続的に可変制御できると共に、該バルブリフト量の変化幅を大きくすることができるため、各可変機構の故障が発生していない場合は勿論のこと故障したとしても機関性能十分に発揮することが可能になる。
【００６６】
しかも、制御カムを用いることに起因して、バルブリフト位相がリフト変化とともに特異な変化を示すが、駆動軸の位相を変化させる第２可変機構を組み合わせることによって、前記特異な変化を矯正することが可能になり、この結果、各可変機構が故障していない場合における機関性能を十分に発揮させることができる。
【００６７】
請求項５記載の発明によれば、連係部材によって、揺動カムの最大揺動範囲をロッカアームの揺動範囲内に規制することができるため、たとえ高回転域でも、揺動カムの過度な揺動やジャンプなどの踊り現象を確実に防止できる。このため、揺動カムとロッカアームとの離接による衝突が回避されて打音の発生が防止できると共に、バルブリフトの制御精度の低下が防止され、特に高回転域における機関性能の安定化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す断面図
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図
【図３】第１可変機構の平面図
【図４】第１可変機構の最小リフト制御の作用説明図
【図５】第１可変機構の最大から最小リフトへ制御する過程を示す作用説明図
【図６】第１可変機構の最大リフト制御の作用説明図
【図７】本実施形態のバルブリフト及びバルブタイミングの特性図
【図８】本実施形態のコントローラーによる制御フローチャート図
【図９】本実施形態のコントローラーによる制御フローチャート図
【図１０】本実施形態のコントローラーによる制御フローチャート図
【図１１】本実施形態のコントローラーによる制御フローチャート図
【符号の説明】
１…第１可変機構
２…第２可変機構
１２…吸気弁
１３…駆動軸
１７…揺動カム
１９…制御機構
２３…ロッカアーム
２４…リンクアーム
２５…リンクロッド（連係部材）
３４…電動モータ
３７…コントローラ
５８…第１位置検出センサ
５９…第２位置検出センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の可変動弁装置、とりわけ、吸気弁や排気弁である機関弁のリフト特性を制御する第１可変機構とバルブタイミングを制御する第２可変機構とを備えた可変動弁装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周知のように、例えば吸気弁のバルブリフト特性を可変にする可変リフト機構とバルブタイミング特性を可変にする可変バルブタイミング機構とを併用してバルブリフト特性の自由度を向上させて機関運転性能を大幅に高める可変動弁装置が従来から種々提供されている（特開平８−１７７４３４号公報等参照）。
【０００３】
すなわち、この可変動弁装置は、カムシャフトに設けられた低速用カムと高速用カムを、機関運転状態に応じて選択的に切り換えて、機関弁である吸気弁あるいは排気弁のカムリフトを可変制御するバルブリフト制御機構と、カムシャフトとクランクシャフトの相対回動位相を機関運転状態に応じて変換して機関弁の開閉時期を可変制御するバルブタイミング制御機構とを備えている。
【０００４】
また、この装置は、例えば前記バルブタイミング制御機構が故障した場合に、バルブリフト制御機構によって低速用カム側に強制的に切り換えるか、あるいはバルブリフト制御機構が故障した場合には、バルブタイミング制御機構によって機関弁の開閉時期を制御してバルブリフト作動中心が上死点から離れる方向にそれぞれ制御することにより、吸気弁と排気弁との干渉を回避する制御機構を備えている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の可変動弁装置にあっては、前述のように各制御機構が故障した際には、吸気弁と排気弁との干渉などを回避するなどのメカニカルな不都合は回避できるものの、かかる故障時における機関性能についての配慮が不十分であった。
【０００６】
つまり、一方の制御機構が故障した際には、バルブリフト制御機構によって一律に低速用カムに選択的に切り換えるか、あるいはバルブリフト制御機構によってバルブリフト作動中心を一律に上死点から離れる方向に制御するため、必ず吸気弁と排気弁のいわゆるバルブオーバラップが小さくなってしまう。したがって、機関高回転の運転領域では機関の出力が大幅に低下してしまい、機関性能を十分に発揮することが困難になる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記従来の可変動弁装置の実情に鑑みて案出されたもので、請求項１記載の発明は、機関弁の少なくともリフト特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第１可変機構と、機関弁の少なくとも開閉タイミング特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第２可変機構と、前記第１可変機構あるいは第２可変機構の現在の作動位置を検出する位置検出手段と、現在の機関運転状態に基づいて前記第１可変機構あるいは第２可変機構の制御目標値を決定する制御目標値決定手段と、前記第１可変機構あるいは第２可変機構のいずれか一方が故障した際に、前記位置検出手段によって検出された一方の可変機構の故障時の位置に基づいて他方の可変機構の制御範囲を所定の範囲に設定すると共に、この設定された所定の制御範囲内で前記検出手段によって検出した前記他方の可変機構の作動位置と前記制御目標値決定手段によって決定された制御目標値とに基づいて、前記他方の可変機構を連続的あるいは段階的にフィードバック制御する制御手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００８】
この発明によれば、機関の所定の運転領域で、例えば第１可変機構が故障した場合は、位置検出手段がその故障時の位置を検出してその情報信号を制御手段に出力する。これにより、制御手段は、従来のように第１可変機構により単に固定的な低速用カムを選択制御させるのではなく、第１可変機構の故障時の位置に応じてメカニカルな各機関弁間の干渉等を回避できる所定範囲内において第２可変機構を可及的に制御する。したがって、機関性能を機関運転状態に応じて可能な限り発揮させることができる。
請求項２記載の発明は、機関弁の少なくともリフト特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第１可変機構と、機関弁の少なくとも開閉タイミング特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第２可変機構と、前記第１可変機構の現在の作動位置を検出する第１位置検出手段と、前記第２可変機構の現在の作動位置を検出する第２位置検出手段と、現在の機関運転状態に基づいて前記第１可変機構の制御目標値を決定する第１制御目標値決定手段と、前記第２可変機構が故障した際に、前記第２位置検出手段によって検出された第２可変機構の故障時の位置に基づいて前記第１可変機構の制御範囲を所定の制御範囲に設定すると共に、この設定された所定の制御範囲内で、前記第１位置検出手段で検出した作動位置と前記第１制御目標値決定手段によって決定された制御目標値とに基づいて、前記第１可変機構を連続的あるいは段階的にフィードバック制御する制御手段と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
請求項３記載の発明は、機関弁の少なくともリフト特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第１可変機構と、機関弁の少なくとも開閉タイミング特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第２可変機構と、前記第１可変機構の現在の作動位置を検出する第１位置検出手段と、前記第２可変機構の現在の作動位置を検出する第２位置検出手段と、現在の機関運転状態に基づいて前記第２可変機構の制御目標値を決定する第２制御目標値決定手段と、前記第１可変機構が故障した際に、前記第１位置検出手段によって検出された第１可変機構の故障時の位置に基づいて前記第２可変機構の制御範囲を所定の制御範囲に設定すると共に、この設定した所定の制御範囲内で、前記第２位置検出手段によって検出した作動位置と前記第２制御目標値決定手段によって決定された制御目標値とに基づいて、前記第２可変機構を連続的あるいは段階的にフィードバック制御する制御手段と、を備えたことを特徴としている。
【００１０】
請求項４記載の発明は、前記第１可変機構が、外周に駆動カムを有する駆動軸と、支軸に揺動自在に支持されて、揺動することによって機関弁を開閉作動する揺動カムと、一端部が前記駆動カムに回動自在に連係すると共に、他端部が前記揺動カムに回転自在に連係し、揺動中心が制御カムによって可変制御されるロッカアームとを備えたことを特徴としている。
【００１１】
請求項５記載の発明は、前記第１可変機構が、外周に駆動カムを有する駆動軸と、一端部が前記駆動カムの外周に回転自在に連係するリンクアームと、一端部がリンクアームの他端部に回転自在に連係しかつ揺動中心が制御カムによって可変制御されるロッカアームと、機関弁を開閉作動する揺動カムと、該揺動カムとロッカアームの他端部とを機械的に回転自在に連係し、前記揺動カムの最大揺動範囲をロッカアームの揺動範囲内に規制する連係部材と、前記制御カムを機関運転状態に応じて制御軸を介して回転制御するアクチュエータとを備えていることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る可変動弁装置を吸気側に適用した実施形態を示し、シリンダヘッド１１に図外のバルブガイドを介して摺動自在に設けられた１気筒あたり２つの吸気弁１２，１２を備え、かつ該各吸気弁１２，１２のバルブリフトを機関運転状態に応じて可変にする第１可変機構１と、各吸気弁１２，１２のバルブタイミングを機関運転状態に応じて可変にする第２可変機構２とを備えている。
【００１３】
前記第１可変機構１は、図１〜図３に示すように、シリンダヘッド１１上部の軸受１４に回転自在に支持された中空状の駆動軸１３と、該駆動軸１３に圧入などによって固設された偏心回転カムである２つの駆動カム１５，１５と、駆動軸１３に揺動自在に支持されて、各吸気弁１２，１２の上端部に配設されたバルブリフター１６，１６の平坦な上面１６ａ，１６ａに摺接して各吸気弁１２，１２を開作動させる揺動カム１７，１７と、駆動カム１５と揺動カム１７，１７との間に連係されて、駆動カム１５の回転力を揺動カム１７，１７の揺動力として伝達する伝達機構１８と、該伝達機構１８の作動位置を可変制御にする制御機構１９とを備えている。
【００１４】
前記駆動軸１３は、機関前後方向に沿って配置されていると共に、一端部に設けられた後述する可変機構２のタイミングスプロケット４０に巻装された図外のタイミングチェーン等を介して機関のクランク軸から回転力が伝達されている。
【００１５】
前記軸受１４は、図１に示すようにシリンダヘッド１１の上端部に設けられて、駆動軸１３の上部を支持するメインブラケット１４ａと、該メインブラケット１４ａの上端部に設けられて、後述する制御軸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によって上方から共締め固定されている。
【００１６】
前記両駆動カム１５は、図１〜図３に示すようにほぼリング状を呈し、カム本体１５ａと、該カム本体１５ａの外端面に一体に設けられた筒状部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、この各駆動カム１５は、駆動軸１３に対し前記両バルブリフター１６，１６に干渉しない両外側に駆動軸挿通孔１５ｃを介して圧入固定されていると共に、両方のカム本体１５ａ，１５ａの外周面１５ｄ，１５ｄが同一のカムプロフィールに形成されている。
【００１７】
前記揺動カム１７は、図２に示すようにほぼ横Ｕ字形状を呈し、一端部側の円環状の基端部２０には駆動軸１３が嵌挿されて回転自在に支持される支持孔２０ａが貫通形成されていると共に、他端部のカムノーズ部２１にピン孔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、基端部２０側の基円面２２ａと該基円面２２ａからカムノーズ部２１側に円弧状に延びるランプ面２２ｂと該ランプ面２２ｂの先端側に有するリフト面２２ｃとが形成されており、該基円面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所定位置に当接するようになっている。
【００１８】
前記伝達機構１８は、図２に示すように駆動軸１３の上方に配置されたロッカアーム２３と、該ロッカアーム２３の一端部２３ａと駆動カム１５とを連係するリンクアーム２４と、ロッカアーム２３の他端部２３ｂと揺動カム１７とを連係する連係部材であるリンクロッド２５とを備えている。
【００１９】
前記各ロッカアーム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が後述する制御カム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前記一端部２３ａには、図２及び図３にも示すように、リンクアーム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前記他端部２３ｂには、各リンクロッド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。
【００２０】
また、前記リンクアーム２４は、比較的大径な円環状の基部２４ａと、該基部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、前記駆動カム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、前記ピン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。
【００２１】
さらに、前記リンクロッド２５は、図２にも示すように所定長さのほぼく字形状に折曲形成され、両端部２５ａ，２５ｂには、図３にも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、前記ロッカアーム２３の他端部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。
【００２２】
そして、このリンクロッド２５は、前記揺動カム１７の最大揺動範囲を前記ロッカアーム２３の揺動範囲内に規制するようになっている。
【００２３】
尚、各ピン２６，２７，２８の一端部には、リンクアーム２４やリンクロッド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。
【００２４】
前記制御機構１９は、機関前後方向に配設された前記制御軸３２と、該制御軸３２の外周に固定されてロッカアーム２３の揺動支点となる制御カム３３と、制御軸３２の回転位置を制御する電動アクチュエータである電動モータ３４とから構成されている。
【００２５】
前記制御軸３２は、駆動軸１３と並行に設けられて、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、前記各制御カム３３は、夫々円筒状を呈し、図２に示すように軸心Ｐ１位置が制御軸３２の軸心Ｐ２からα分だけ偏倚している。
【００２６】
前記電動モータ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と共に、機関の運転状態を検出するコントローラ３７からの制御信号によって駆動するようになっている。
【００２７】
一方、前記第２可変機構２は、図１に示すように前記駆動軸１３の先端部側に設けられ、図外のタイミングチェーンによって機関のクランク軸から回転力が伝達されるタイミングスプロケット４０と、駆動軸１３の先端部にボルト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とスリーブ４２との間に介装された筒状歯車４３と、該筒状歯車４３を駆動軸１３の前後軸方向へ駆動させる駆動機構である油圧回路４４とから構成されている。
【００２８】
前記タイミングスプロケット４０は、筒状本体４０ａの後端部に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。
【００２９】
前記スリーブ４２は、後端側に駆動軸１３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。
【００３０】
前記筒状歯車４３は、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、内外周面には前記各インナ歯４６とアウタ歯４８に噛合い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。また、この筒状歯車４３は、フロントカバー４０ｃに突当った最大前方移動位置で吸気弁１２を最遅角位置に制御する一方、最大後方移動位置で最進角位置に制御するようになっている。さらに、第２油圧室５０内に弾装されたリターンスプリング５１によって第１油圧室４９の油圧が供給されない場合に最大前方移動位置に付勢されるようになっている。
【００３１】
前記油圧回路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、該メインギャラリ５３の下流側で分岐して前記第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、前記分岐位置に設けられたソレノイド型の流路切換弁５６と、該流路切換弁５６に接続されたドレン通路５７とから構成されている。
【００３２】
前記流路切換弁５６は、前記第１可変機構１の電動モータ３４を駆動制御する同じコントローラ３７からの制御信号によって切換駆動されるようになっている。
【００３３】
前記コントローラ３７は、クランク角センサからの機関回転数信号、エアフローメータからの吸気流量信号（負荷）及び機関油温センサなどの各種のセンサからの検出信号に基づいて現在の機関運転状態を演算等により検出すると共に、制御軸３２の現在の回転位置を検出する第１位置検出センサ５８や駆動軸１３とタイミングスプロケット４０との相対回動位置を検出する第２位置検出センサ５９からの検出信号に基づいて、前記電動モータ３４及び流路切換弁５６に制御信号を出力していると共に、いずれか一方の可変機構１、２が故障してロックしてしまった場合に、該一方の可変機構のロック位置に応じて他方の可変機構を所定範囲内で連続的に可変制御する制御手段である制御回路を備えている。
【００３４】
すなわち、コントローラ３７が、機関回転数、負荷、油温、機関始動後の経過時間などの情報信号から吸気弁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、この指令信号に基づき電動モータ３４を回転させることにより制御軸３２を介して制御カム３３を所定回転角度位置まで回転制御する。また、第１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ーし、フィードバック制御により制御軸３２を目標位相に回転させるようになっている。
【００３５】
具体的には、機関始動初期のクランキング時及びアイドリング時には、コントローラ３７からの制御信号によって電動モータ３４を介して制御軸３２が一方向へ回転制御されて、図４に示すように制御カム３３の軸心Ｐ１が制御軸３２の軸心Ｐ２から図示のように左上方の回動位置に保持され、厚肉部３３ａが駆動軸１３から上方向へ離間回動する。これにより、ロッカアーム２３は、全体が駆動軸１３に対して上方向へ移動し、このため各揺動カム１７はリンクロッド２５を介して強制的に引き上げられて反時計方向へ回動する。したがって、駆動カム１５が回転してリンクアーム２４を介してロッカアーム２３の一端部２３ａを押し上げると、そのリフト量がリンクロッド２５を介して揺動カム１７及びバルブリフター１６に伝達されるが、そのリフト量Ｌは、図４及び図７に示すように小さくなる。このため、ガス流動が強化されて燃焼が改善されて、燃費の向上と機関回転の安定化が図れる。
【００３６】
特に、クランキング時には、バルブリフト量を図７に示すように零または零に近い極小リフト（Ｌｍｉｎ）になるように設定されているため、後述するように機関回転の立ち上がりが良好になる。
【００３７】
一方、高回転高負荷域では、コントローラ３７からの制御信号によって電動モータ３４により制御軸３２が今度は他方向に回転して制御カム３３を図２，図６に示す位置に回転させて厚肉部３３ａを下方向へ回動させる。このため、ロッカアーム２３は、全体が駆動軸１３方向（下方向）へ移動して他端部２３ｂが揺動カム１７をリンクアーム２５を介して下方向へ押圧して揺動カム１７全体を所定量だけ図示の位置（時計方向）に回動させる。したがって、駆動カム１５が回転してリンクアーム２４を介してロッカアーム２３の一端部２３ａを押し上げると、そのリフト量がリンクロッド２５を介して揺動カム１７及びバルブリフター１６に伝達されるが、そのリフト量Ｌは図６に示すように最も大きくなる（Ｌｍａｘ）。そして、その最小リフト（Ｌｍｉｎ）から最大（Ｌｍａｘ）までのリフト量変化は、制御カム３３の回動位置により図７に示すような特性（Ｌ１〜Ｌ６）となる。なお、図７におけるＬｍｉｎは零に近い極小リフトとなっているが、制御軸を前記一方にさらに回転させれば零とすることも可能である。
【００３８】
一方流路切換弁５６側は、前述と同じく各センサからの情報信号から吸気弁１２の目標進角量を決定して、この指令信号に基づき流路切換弁５６により、第１油圧通路５４とメインギャラリ５３とを所定時間連通させると共に、第２油圧通路５５とドレン通路５７とを所定時間連通させる。これによって、筒状歯車４３を介してタイミングスプロケット４０と駆動軸１３との相対回動位置を変換して進角側に制御する。また、この場合も第２位置検出センサ５９により予め駆動軸１３の実際の相対回動位置をモニターして、フィードバック制御により駆動軸を目標相対回動位置すなわち目標進角量に回転させるようになっている。
【００３９】
具体的には、機関始動時から所定時間つまり油温が所定温度Ｔｏに達するまでは、流路切換弁５６により第２油圧室５０のみに油圧が供給されて第１油圧室４９には油圧が供給されない。したがって、図１に示すように筒状歯車４３は、リターンスプリング５１のばね力で、最大前方位置に保持されて、駆動軸１３が最大遅角の回転位置に保持されている。その後、油温が所定温度Ｔｏを越えると、運転条件に応じて、コントローラ３７からの制御信号により流路切換弁５６を駆動させて第１油圧通路５４とメインギャラリ５３を連通させて、第２油圧通路５５とドレン通路５７を連通させる時間が連続的に変化する。これにより、筒状歯車４３は、最前方位置から最後方位置までを移動し、したがって、吸気弁１２の開閉タイミングは、図７に示すように実線の最遅角状態から、破線の最進角まで連続的に可変制御される。
【００４０】
尚、前記吸気弁１２は、第１可変機構１により最大リフトに制御されかつ第２可変機構２により最大遅角位置に制御された状態において、シリンダ内のピストンや対向する排気弁と干渉しないような配置構成に設定されている。
【００４１】
以下、コントローラ３７による第１可変機構１と第２可変機構２との具体的な駆動制御を図８及び図９に示すフローチャートにもとづいて説明する。
【００４２】
すなわち、まず、始動後の油温との関係では、図８示すように、セクションＳ１では、タイマーにより機関始動後から所定時間ｔｏを越えたか否かを判断して、越えた場合はセクションＳ２で油温センサによる情報に基づき現在の油温が所定温度Ｔｏを越えたか否かを判別し、越えた場合はセクションＳ３で第１，第２の両方の可変機構１，２を駆動させるが、セクションＳ１及びセクションＳ２で所定時間ｔｏを越えず、または油温が所定油温Ｔｏ以下であればセクションＳ４で第１可変機構１のみを駆動させて第２可変機構２を駆動させない制御を行う。
【００４３】
したがって、低温始動時は第１可変機構１によるバルブリフト制御のみが行われ、第２可変機構２によるバルブタイミング制御が行われず、吸気弁１２は前述した最遅角側に保持される。よって、この運転域での油圧駆動源に起因する可変作動不良といった問題が生じないと共に、バルブリフト制御による始動性の向上など機関性能の向上が図れる。また、油温上昇後は第２可変機構２も駆動するので、機関性能の大幅な向上が図れる。
【００４４】
次に、前述した第１可変機構１の制御を図９に基づいて説明すれば、まず、セクションＳ１１で、イグニッションスイッチをＯＮすると、その直後にセクションＳ１２において第１可変機構１を最小リフト（零に近い極小リフト）に制御する。続いて、セクションＳ１３でスタータースイッチをＯＮしクランキングが開始した後にセクションＳ１４にて第１可変機構１により、機関回転数（クランキング回転数）の上昇に伴い、リフトを図７に示す実線Ｌ３まで増加する制御を行う。
【００４５】
続いて、セクションＳ１５では、油温センサにより現在の油温が所定温度（Ｔ１）よりも高いか否かを判別し、高い場合はセクションＳ１６において、機関運転状態に応じた第１可変機構１によるリフト可変制御を行う。しかし、油温がＴ１以下の場合は、セクションＳ１７において、第１可変機構１によるリフト制御を前記Ｌ３に固定状態とする。
【００４６】
このように、クランキングを開始した始動初期の時点では、セクションＳ１２で最小リフトに制御されているため、動弁系のフリクションが小さくなっているので、機関回転を速やかに立ち上げることができる。
【００４７】
また、セクションＳ１４でのリフト増加制御により、混合気のガス交換効率が向上して、機関トルクが速やかに立ち上がって、前記機関回転の速やかな立ち上がりと相俟って始動性を大幅に改善できる。
【００４８】
さらに、油温がＴ１以下である場合は、セクションＳ１７においてリフトをＬ３の低いリフトに固定するため、吸気弁１２からの混合気流の速度を増加させて気筒内の強いガス流動を発生させることにより、冷機始動時の燃焼の改善が図れ、燃費性能と排気エミッション性能を向上できる。
【００４９】
また、この実施形態における第１可変機構１は、前述したような図７に示すバルブリフト可変特性を示すが、最大バルブリフトとなる駆動軸１３の位相（バルブリフト位相）について考察すると、Ｌｍａｘからリフトを低下させていくと少しづつ進角し、さらにＬｍｉｎに向かってリフトを低下させていくと、今度は途中から逆に遅角していくといった特異な変化特性を示す。これは、最大バルブリフト時においては、図６に示すように、駆動カム１５の駆動偏心円の動径Ｒ１と、駆動カム１５の軸心Ｘとリンクアーム２４の突起部２４ｂの枢支点Ｚとを結ぶ線Ｒ２が一直線になった瞬間であり、このとき、Ｒ１の方向はシリンダヘッド１１の鉛直方向線Ｑに対して角度θだけ手前側、つまり進角側にある。
【００５０】
次に、制御軸３２が図中時計方向に回動していった場合において、駆動カム１５の動径Ｒ１とリンクアーム２４が一直線になった場合を考察する。すなわち、このとき角度θは、制御軸３２の時計方向の回動とともに、次第に増加してロッカアーム２３の動径Ｒ３と制御カム３３の動径ｅが一直線になったとき（図５参照）に最大となり、制御軸３２がさらに図４に示すように時計方向に回動すると、逆に減少していく（図７参照）。このため、バルブリフト位相は、前述したように特異な変化特性を示すようになるのである。
【００５１】
次に、前記コントローラ３７は、第１，第２可変機構１，２の両方を可変制御させる運転域において、第１可変機構１あるいは第２可変機構２が故障した場合に、前記制御回路によって図１０及び図１１に示すような制御を行う。
【００５２】
まず、図１１に示す制御では、セクションＳ３１で各センサからの情報信号を読み込み、セクションＳ３２で、第１位置検出センサ５８から制御軸３２の実際の回転位置（リフト量と対応）を読み込み、次にセクションＳ３３では前記実回転位置と目標回転位置とを比較して第１可変機構１が故障しているか否かを判別する。ここで故障している、と判別すると、セクションＳ３４において第２可変機構２の制御位置を吸気弁１２とピストン及び吸気弁１２と排気弁がそれぞれ干渉しない制御範囲（進角量）を演算し、さらにセクションＳ３５で第２可変機構２を前記所定の制御範囲内で連続制御を行う。
【００５３】
つまり、第１可変機構１が最大リフト（Ｌｍａｘ）制御中に故障した場合は、両機関弁などの干渉を回避するために、第２可変機構２を最遅角付近で連続制御する。また小リフト（Ｌｍｉｎ〜Ｌ１）域で故障した場合は、第２可変機構２を、最遅角から最進角まで広範囲に連続制御する。これにより性能悪化を抑制できる。さらに、中リフトＬ３域で故障した場合は、最遅角から中間位相の範囲で連続制御する。
【００５４】
したがって、各機関弁やピストンの干渉を回避できる範囲で、第２可変機構２を連続制御したため、機関性能の低下を防止できる。
【００５５】
次に図１０に示す制御では、セクションＳ２１で各センサからの情報信号を読み込んだ後、セクションＳ２２で第２位置検出センサ５９から駆動軸１３の実際の相対回動位置（進角量と対応）を読み込み、次にセクションＳ２３で実相対回動位置と、目標相対回動位置とを比較して、第２可変機構２が故障しているか否かを判断する。
【００５６】
ここで、故障と判断した場合は、セクションＳ２４において、第１可変機構１の制御位置を吸気弁１２とピストン及び排気弁がそれぞれ干渉しない制御範囲（リフト量）を演算し、さらにセクションＳ２５で第１可変機構１を所定の制御範囲内で連続制御を行う。
【００５７】
つまり、第２可変機構２が最進角制御中に故障した場合は、干渉を回避するため、第１可変機構１を図７に示す小リフト域（Ｌmin〜Ｌ1）で連続的に制御する。最遅角側で故障した場合は、干渉の問題がないから最小から最大リフトの全領域で連続制御する。さらに、中間位相で故障した場合は、最小リフトから中リフトＬ３の範囲で連続制御する。
【００５８】
このように、第２可変機構２が故障した場合も吸気弁１２とピストンなどの干渉を回避し得る範囲内で第１可変機構１を連続制御できるため、機関性能の低下を可及的に抑制できる。また、多段階に連続的に制御することによっても、同様の効果が得られる。この場合、制御が簡素化される。
【００５９】
また、本実施形態では、揺動カム１７がロッカアーム２３に対してリンクロッド２５によって連係されているため、揺動カム１７の最大揺動範囲を、リンクロッド２５によりロッカアーム２３の揺動範囲内に規制できる。したがって、たとえ高回転域でも、揺動カム１７の過度な揺動やジャンプなどのいわゆる踊り現象が確実に防止できる。このため、揺動カム１７とロッカアーム２３との離接による衝突が回避されて、打音の発生が防止されると共に、バルブリフトの制御精度の低下が防止され、特に高回転域における機関性能の安定化が図れる。
【００６０】
また、本実施形態では、前述したようにバルブリフト位相がリフト変化とともに特異な変化をするが、第１可変機構１と、駆動軸１３の回転位相を変化させる第２の可変機構２とを組み合わせることによってこの特異な変化を矯正することが可能になる。すなわち、例えば、機関運転状態が高回転あるいは高負荷域で第１可変機構１により大バルブリフトに制御し、第２可変機構２によってバルブリフト位相が上死点に近付くように制御すれば、バルブオーバーラップが大きくなり、排気脈動の負圧波を大きなバルブオーバーラップ期間と同期させることで、気筒内の残留ガスを掃気することができるので、新気の吸入効率を高め、出力を大きく向上させることが可能になるのである。
【００６１】
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば排気側に適用することも可能であり、始動初期に第１可変機構１を零または極小リフト制御することにより、吸気弁１２側の場合と同様に動弁フリクションを小さくでき、機関回転数のスムーズな立ち上がり特性が得られ、さらに機関回転数の増加に伴いリフト量を増加させるように可変制御することによってガス交換効率が向上し、もって良好な始動性が得られるなど、吸気側と同様の作用効果が得られる。
【００６２】
また、排気側に適用した場合も前記吸気側と同じく、いずれか一方の可変機構が故障した場合に他方の可変機構を可及的に制御できるため、メカニカルな不都合を回避しつつ機関性能の低下を防止できることは勿論である。
【００６３】
また、本発明は、各可変機構の駆動源が油圧、電動に拘わらずいかなる駆動源であってもよく、また、両方の可変機構を同じ電動あるいは油圧によって駆動するものに適用することが可能である。
【００６４】
【発明の効果】
請求項１〜３記載の発明によれば、第１可変機構と第２可変機構とによって機関運転状態に応じて該機関性能を大幅に向上させることができることは勿論のこと、第１可変機構あるいは第２可変機構のいずれか一方が故障した場合は、制御手段によって一方の可変機構の故障時の位置に応じて、他方の可変機構を、機関弁とピストンとの干渉及び吸気，排気弁との間の干渉を回避し得る所定範囲内において可及的かつ連続あるいは段階的に制御することができるため、メカニカルな不具合を回避しつつ機関性能の低下を防止できる。
【００６５】
請求項４記載の発明によれば、制御カムを回動することによってバルブリフト量を連続的に可変制御できると共に、該バルブリフト量の変化幅を大きくすることができるため、各可変機構の故障が発生していない場合は勿論のこと故障したとしても機関性能十分に発揮することが可能になる。
【００６６】
しかも、制御カムを用いることに起因して、バルブリフト位相がリフト変化とともに特異な変化を示すが、駆動軸の位相を変化させる第２可変機構を組み合わせることによって、前記特異な変化を矯正することが可能になり、この結果、各可変機構が故障していない場合における機関性能を十分に発揮させることができる。
【００６７】
請求項５記載の発明によれば、連係部材によって、揺動カムの最大揺動範囲をロッカアームの揺動範囲内に規制することができるため、たとえ高回転域でも、揺動カムの過度な揺動やジャンプなどの踊り現象を確実に防止できる。このため、揺動カムとロッカアームとの離接による衝突が回避されて打音の発生が防止できると共に、バルブリフトの制御精度の低下が防止され、特に高回転域における機関性能の安定化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す断面図
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図
【図３】第１可変機構の平面図
【図４】第１可変機構の最小リフト制御の作用説明図
【図５】第１可変機構の最大から最小リフトへ制御する過程を示す作用説明図
【図６】第１可変機構の最大リフト制御の作用説明図
【図７】本実施形態のバルブリフト及びバルブタイミングの特性図
【図８】本実施形態のコントローラーによる制御フローチャート図
【図９】本実施形態のコントローラーによる制御フローチャート図
【図１０】本実施形態のコントローラーによる制御フローチャート図
【図１１】本実施形態のコントローラーによる制御フローチャート図
【符号の説明】
１…第１可変機構
２…第２可変機構
１２…吸気弁
１３…駆動軸
１７…揺動カム
１９…制御機構
２３…ロッカアーム
２４…リンクアーム
２５…リンクロッド（連係部材）
３４…電動モータ
３７…コントローラ
５８…第１位置検出センサ
５９…第２位置検出センサ
Claims (5)
- 機関弁の少なくともリフト特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第１可変機構と、
機関弁の少なくとも開閉タイミング特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第２可変機構と、
前記第１可変機構あるいは第２可変機構の現在の作動位置を検出する位置検出手段と、
現在の機関運転状態に基づいて前記第１可変機構あるいは第２可変機構の制御目標値を決定する制御目標値決定手段と、
前記第１可変機構あるいは第２可変機構のいずれか一方が故障した際に、前記位置検出手段によって検出された一方の可変機構の故障時の位置に基づいて他方の可変機構の制御範囲を所定の範囲に設定すると共に、この設定された所定の制御範囲内で前記検出手段によって検出した前記他方の可変機構の作動位置と前記制御目標値決定手段によって決定された制御目標値とに基づいて、前記他方の可変機構を連続的あるいは段階的にフィードバック制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。 - 機関弁の少なくともリフト特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第１可変機構と、
機関弁の少なくとも開閉タイミング特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第２可変機構と、
前記第１可変機構の現在の作動位置を検出する第１位置検出手段と、
前記第２可変機構の現在の作動位置を検出する第２位置検出手段と、
現在の機関運転状態に基づいて前記第１可変機構の制御目標値を決定する第１制御目標値決定手段と、
前記第２可変機構が故障した際に、前記第２位置検出手段によって検出された第２可変機構の故障時の位置に基づいて前記第１可変機構の制御範囲を所定の制御範囲に設定すると共に、この設定された所定の制御範囲内で、前記第１位置検出手段で検出した作動位置と前記第１制御目標値決定手段によって決定された制御目標値とに基づいて、前記第１可変機構を連続的あるいは段階的にフィードバック制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。 - 機関弁の少なくともリフト特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第１可変機構と、
機関弁の少なくとも開閉タイミング特性を機関運転状態に応じて連続的に可変制御する第２可変機構と、
前記第１可変機構の現在の作動位置を検出する第１位置検出手段と、
前記第２可変機構の現在の作動位置を検出する第２位置検出手段と、
現在の機関運転状態に基づいて前記第２可変機構の制御目標値を決定する第２制御目標値決定手段と、
前記第１可変機構が故障した際に、前記第１位置検出手段によって検出された第１可変機構の故障時の位置に基づいて、前記第２可変機構の制御範囲を所定の制御範囲に設定すると共に、この設定した所定の制御範囲内で、前記第２位置検出手段によって検出した作動位置と前記第２制御目標値決定手段によって決定された制御目標値に基づいて、前記第２可変機構を連続的あるいは段階的にフィードバック制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。 - 前記第１可変機構は、外周に駆動カムを有する駆動軸と、支軸に揺動自在に支持されて、揺動することによって機関弁を開閉作動する揺動カムと、一端部が前記駆動カムに回動自在に連係すると共に、他端部が前記揺動カムに回転自在に連係し、揺動中心が制御カムによって可変制御されるロッカアームとを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の可変動弁装置。
- 前記第１可変機構は、外周に駆動カムを有する駆動軸と、一端部が前記駆動カムの外周に回転自在に連係するリンクアームと、一端部がリンクアームの他端部に回転自在に連係しかつ揺動中心が制御カムによって可変制御されるロッカアームと、機関弁を開閉作動する揺動カムと、該揺動カムとロッカアームの他端部とを機械的に回転自在に連係し前記揺動カムの最大揺動範囲をロッカアームの揺動範囲内に規制する連係部材と、前記制御カムを機関運転状態に応じて制御軸を介して回転制御するアクチュエータと、を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の可変動弁装置。
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