JP4096869B2 - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の吸気弁や排気弁に用いられる可変動弁装置、特に、リフト特性を連続的に可変制御可能な可変動弁装置に関する。

例えば吸気弁のリフト特性を連続的に可変制御できる可変動弁装置が、特許文献１や特許文献２に開示されている。この装置は、クランクシャフトに連動して回転し、駆動偏心軸部を有する駆動軸と、アクチュエータにより所定の実動使用区間内で回転位置が制御され、制御偏心軸部を有する制御軸と、この制御偏心軸部に揺動可能に装着されたロッカアームと、駆動軸に揺動可能に支持された揺動カム（動弁カム）と、駆動偏心軸部とロッカアームの一端とを連係する第１リンクと、ロッカアームの他端と揺動カムとを連係する第２リンクとを備えている。駆動軸の回転に伴って揺動する揺動カムにより吸気弁が開閉駆動され、かつ、アクチュエータにより制御軸（制御偏心軸部）の回転位置を変更することにより、吸気弁のリフトがその作動角とともに増減変化するように構成されている。

また、特許文献３には、バルブリフト特性としてリフト量は一定のまま作動角を連続的に可変制御可能な可変動弁装置が開示されている。この装置は、内燃機関本体に回転自在に支持され、かつ内燃機関の回転に同期して回転する駆動軸と、同じく内燃機関本体に回転自在に支持され、かつアクチュエータによって回転角度が制御される制御軸と、上記駆動軸の回転運動がピンを介して伝達されて回転運動するとともに、その回転運動の内燃機関本体に対する中心位置が、上記制御軸の回転角度に応じて変化する中間部材としての環状ディスクと、この環状ディスクの回転運動に伴って回転し、吸気弁を押圧するカムと、を備えており、環状ディスクの回転中心位置が変化することによりこの環状ディスクさらにはカムが不等速回転し、弁開閉時期ならびに作動角が変化するように構成されている。
特開２０００−２１３３１４号公報 特開２００３−１４８２３３号公報 特開平８−２６０９２３号公報

上記のように制御軸を介してバルブリフト特性を可変制御する可変動弁装置においては、バルブスプリング反力や各部品の慣性力などによる反力トルクが制御軸に作用し、制御軸を回転させようとする。従って、制御軸が所定の実動使用区間を越えて過度に回転することのないように、従来では、例えば制御軸の回転範囲を機械的に規制するストッパ機構が設けられる。例えば、制御軸が所定の実動使用区間を越えて過度に回転しようとすると、シリンダヘッド等の機関本体に固定されたストッパ機構の係止ピンが制御軸の一部に当接・係止し、制御軸のそれ以上の回転を防止・規制する。

しかしながら、このように機械的なストッパ機構を設けることは、特にアクチュエータがウォームギヤ機構を介して制御軸に連係している場合、レイアウト性，機能性，信頼性及びコストの面でも、あまり好ましいものではない。その理由は、制御軸に作用する反力トルク等に起因して、制御軸がストッパ機構により係止された状態に保持されると、ウォームギヤ機構、特に、そのウォームとウォームギヤとの噛み合い部分に過大な力が作用した状態となる。従って、ウォームやウォームホイールの変形を招くことがないようにウォームギヤ機構に高い剛性・強度が求められ、大型化や重量増加やコスト増加等を招いてしまう。また、上記噛み合い部分のフリクションが増大して、この噛み合い部分の局所的な摩耗を招いたり、制御軸の固着やロックを招くおそれがあるので、機能性・信頼性の面でも好ましくない。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものである。本発明に係る内燃機関の可変動弁装置は、内燃機関本体に回転自在に支持された制御軸の回転位置に応じてバルブリフト特性が変化する可変動弁機構と、上記制御軸にウォームギヤ機構を介して連係され、制御軸を回転方向に駆動するとともに、その回転位置を保持するアクチュエータと、を有する。上記ウォームギヤ機構が、上記制御軸とともに回転するウォームホイールと、このウォームホイールの外周に形成されたウォームギヤと、このウォームギヤに噛み合うウォームと、を有する。上記ウォームギヤは、ウォームホイールの周方向一部である所定のギヤ形成区間にのみ形成されている。上記制御軸の周方向位置の中で、バルブスプリング反力を含めて上記制御軸に作用する反力トルクが互いに接近する方向に反転する死点が、上記ギヤ形成区間に存在する。

この発明によれば、ウォームギヤをウォームホイールの周方向一部である所定のギヤ形成区間にのみ形成しているため、例えば制御軸に作用する反力トルクを考慮することにより、上述したような機械的なストッパ機構を省略することが可能となる。従って、部品点数及びコストを低減し、かつ、レイアウト性・機能性及び信頼性を向上することができる。

以下、この発明を、自動車用内燃機関の吸気弁に適用した実施の形態について説明する。図１は、可変動弁装置全体の構成を示す構成説明図である。この可変動弁装置は、可変動弁機構として、吸気弁のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構１を備えている。このリフト・作動角可変機構１は、本出願人等が先に提案したものであるが、例えば前述の特許文献１や特許文献２等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。

リフト・作動角可変機構１は、シリンダヘッド上部のカムブラケット（図示せず）に回転自在に支持され、吸気弁１１の上方を気筒列方向に延びる駆動軸２と、この駆動軸２に圧入等により固定され、この駆動軸２と一体的に回転する駆動偏心軸部３と、駆動軸２の上方位置に同じカムブラケットによって回転自在に支持されるとともに駆動軸２と平行に配置された制御軸１２と、この制御軸１２に圧入等により固定され、制御軸１２と一体的に回転する制御偏心軸部１８と、この制御偏心軸部１８に揺動自在に支持された中間部材としてのロッカアーム６と、駆動軸２に揺動可能に取り付けられた揺動カム（動弁カム）９と、を備えている。駆動偏心軸部３とロッカアーム６の一端とはアーム状の第１リンク４によって連係されており、ロッカアーム６の他端と揺動カム９とは、一端がリング状をなす第２リンク８によって連係されている。

駆動軸２は、図示せぬタイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動され、クランクシャフトと連動して軸周りに回転する。駆動偏心軸部３は、円形外周面を有し、この外周面の中心が駆動軸２の軸心から所定量だけ偏心している。ロッカアーム６は、略中央部が制御偏心軸部１８によって揺動可能に支持されている。ロッカアーム６の一端部には、連結ピン５を介して第１リンク４が連結され、他端部には、連結ピン７を介して第２リンク８が連結されている。制御偏心軸部１８は、制御軸１２の軸心から所定量だけ偏心している。従って、制御軸１２の角度位置に応じてロッカアーム６の揺動中心が変化する。

揺動カム９の先端部と第２リンク８とは連結ピン１７を介して連結されている。この揺動カム９の下面には、駆動軸２と同心状の円弧をなす基円面と、この基円面から所定の曲線を描いて延びるカム面と、が連続して形成されており、これらの基円面ならびにカム面が、揺動カム９の揺動位置に応じてタペット１０の上面に対向・当接するようになっている。すなわち、基円面はベースサークル区間として、リフト量が０となる区間であり、揺動カム９が揺動してカム面がタペット１０に接触すると、吸気弁がバルブスプリング反力に抗して押し下されて、吸気弁が徐々にリフトしていくことになる。

リフト・作動角制御用アクチュエータ１３は、制御軸１２を回転方向に駆動するとともに、その回転位置を保持する機能を有し、例えばサーボモータのような電動モータからなり、機械的連動機構であるウォームギヤ機構１５を介して制御軸１２に連係されている。図２及び図３にも示すように、ウォームギヤ機構１５は、アクチュエータの出力軸１３ａに固定され、この出力軸１３ａと一体的に回転するウォーム１５ａと、制御軸１２に圧入等により固定され、この制御軸１２とともに回転するウォームホイール１５ｂと、により構成されている。ウォームホイール１５ｂの外周には、ウォーム１５ａに噛み合うウォームギヤ１５ｃが形成されている。後述するように、ウォームホイール１５ｂは、周方向一部である所定のギヤ形成区間θ１にのみウォームギヤ１５ｃが形成された略扇状の、いわゆるセクタギヤである。

再び図１を参照して、制御軸１２及びその制御偏心軸部１８の回転角度（回転位置）は、回転角度センサつまり制御軸センサ１４によって検出されており、この検出した実際の回転位置に基づいて、制御装置（制御手段）２１によって、アクチュエータ１３がクローズドループ制御され、制御軸１２の回転位置が目標回転位置となるように制御される。

このリフト・作動角可変機構１の作用を簡単に説明すると、駆動軸２が回転すると、駆動偏心軸部３，第１リンク４，ロッカアーム６，第２リンク８を経由して揺動カム９が揺動する。この揺動カム９によって、タペット１０が押圧され、図示せぬバルブスプリングのばね力に抗して吸気弁１１が押し下されて、開閉作動する。また、リフト・作動角制御用アクチュエータ１３により制御軸１２の角度位置を変更すると、ロッカアーム６の初期位置が変化して、揺動カム９によるバルブリフト特性が連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時に、連続的に拡大，縮小させることができる。各部のレイアウトによるが、例えば、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁１１の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。

揺動カム９には、吸気弁１１のバルブリフトに伴って、バルブスプリング反力が作用する。このバルブスプリング反力は、リフト・作動角が大きいほど大きくなり、かつ、リンク４，８やロッカアーム６等を介して制御軸１２にも作用する。この制御軸１２には、上記のバルブスプリング反力に加えて、各部品の慣性力による反力も作用する。これらの反力による制御軸１２への荷重は、リフト・作動角に対応する制御軸１２の回転位置に応じて変化し、大リフト・作動角となる回転位置であるほど大きくなる。一方、このように制御軸１２に加わる荷重は、厳密には、その制御偏心軸部１８が受けるため、制御軸１２に反力トルクとして作用する。

図４に示すように、揺動カム９の回転中心である駆動軸２の中心をカム中心Ｏ１、制御軸１２の中心を制御軸中心Ｏ２とすると、制御軸１２へ作用する荷重（サイクル中の平均荷重、あるいは最大荷重）Ｆの方向は、概ね、カム中心Ｏ１と制御軸中心Ｏ２とを結ぶ基準線Ｌ１と一致し、かつ、カム中心Ｏ１から制御軸中心Ｏ２へ向かう方向となる。この荷重Ｆによって制御偏心軸部１８を介して制御軸１２に作用する反力トルクは、制御軸の角度位置、つまり制御偏心軸部１８の中心位置によって異なる。例えば、制御偏心軸部１８の中心位置が基準線Ｌ１よりも図４の左側にある場合、反力トルクの作用方向Ｔ１は時計回りの方向となり、制御偏心軸部の中心位置が基準線Ｌ１よりも図４の右側にある場合、反力トルクの作用方向Ｔ２は反時計回りの方向となる。つまり、制御軸１２の周方向位置の中で、カム中心Ｏ１から最も遠い第１位置Ｐ１が、反力トルクが互いに接近する方向に反転する死点（ｄｅａｄ ｐｏｉｎｔ）となり、カム中心Ｏ１に最も近い第２位置Ｐ２が、反力トルクが互いに離間する方向に反転する思案点（ｃｈａｎｇｅ ｐｏｉｎｔ）となる。

なお、制御偏心軸部１８の中心（制御軸１２の角度位置）が第１位置Ｐ１に近づくほど、つまりカム中心Ｏ１から離れるほど、リフト作動角が小さくなり、制御偏心軸部１８の中心が第２位置Ｐ２に近づくほど、つまりカム中心Ｏ１に近づくほど、リフト作動角が大きくなる関係にある。また、制御装置２１による制御軸１２の目標回転位置が取り得る実動使用区間θ２は、概ね９０°程度である。

本実施例の特徴的な構成として、ウォームギヤ１５ｃが、ウォームホイール１５ｂの周方向一部である所定のギヤ形成区間θ１にのみ形成されている。このギヤ形成区間θ１の両端を含めて、このギヤ形成区間θ１から外れた領域では、ウォーム１５ａとウォームホイール１５ｂとが噛み合うことなく空転するように、ウォームホイール１５ｂが小径化されている。従って、万が一、ウォーム１５ａがギヤ形成区間θ１の両端に達すると、ウォーム１５ａとウォームホイール１５ｂとが噛み合うことなく空転するようになっている。

ギヤ形成区間θ１は、上記の実動使用区間θを含んでおり、かつ、この実動使用区間θ２を越えて周方向に延在している。但し、従来のセクタギヤのように実動使用区間から外れた部分の寸法精度が低いことはなく、実動使用区間θ２から外れた部分も含めてギヤ形成区間θ１の全長にわたって所期の寸法精度を維持するように設定されている。

死点である第１位置Ｐ１はギヤ形成区間θ１に存在している。つまり、ギヤ形成区間θ１が第１位置Ｐ１を越えて所定の第１延長区間θ３（例えば４０〜５０°、好ましくは４５°）だけ周方向に延長形成されている。従って、仮に制御軸１２が実動使用区間θ２から死点Ｐ１を越えて小リフト作動角側へ過度に回転しても、制御軸１２には実動使用区間θ２へ向かう方向Ｔ２の反力トルクが作用するため、制御軸１２は実動使用区間θ２へ向かう方向（図４の反時計回りの方向）へ速やかに戻される。また、ギヤ形成区間θ１が死点Ｐ１を越えて所定の第１延長区間θ３だけ延在しているため、この区間θ３ではウォームとウォームギヤとの噛み合い状態が維持され、信頼性・安定性に優れている。

万が一、制御軸１２が第１延長区間θ３を越えて更に小リフト作動角側へ回転しようとしても、ウォームとウォームホイールとが噛み合うことなく空転し、かつ、制御軸には死点Ｐ１へ向かう方向Ｔ２の反力トルクが作用するため、それ以上、制御軸１２が小リフト作動角側へ変位するおそれはなく、制御軸が死点Ｐ１へ向けて戻されることとなる。

思案点である第２位置Ｐ２は、ギヤ形成区間θ１から外れている。つまり、ギヤ形成区間θ１が第２位置Ｐ２まで延長形成されていない。従って、仮に制御軸１２が実動使用区間θ２を越えて大リフト作動角側へ過度に回転しても、制御軸１２には実動使用区間θ２へ向かう方向Ｔ１の反力トルクが常に作用するため、制御軸１２は実動使用区間θ２の方向へ強制的に速やかに戻される。ギヤ形成区間θ１は思案点Ｐ２に達していないため、制御軸１２が大リフト作動角側へ過度に回転したとしても、制御軸１２に作用する反力トルクの方向が実動使用区間θ２から離れる方向Ｔ２に反転するおそれはない。また、ギヤ形成区間θ１には、実動使用区間θ２よりも大リフト作動角側に所定の延長区間θ４（例えば４０〜５０°、より好ましくは４５°）が確保されているため、仮に制御軸１２が実動使用区間θ２を越えて大リフト作動角側へ過度に回転しても、ウォームとウォームギヤとの噛み合い状態が安定して維持される。

このように本実施例では、制御軸に作用する反力トルク（カム中心Ｏ１との位置関係）を考慮してギヤ形成区間θ１を設定しているため、機械的なストッパ機構や、制御軸の回転位置を実動使用区間θ２へ戻すための戻りばねのような付勢手段を省略することが可能となる。つまり、ストッパ機構や付勢手段に頼らず、反力トルクを利用して制御軸の回転領域を実質的に制限・規制することができる。従って、これらの機械的なストッパ機構や付勢手段を設けた場合に比して、部品点数及びコストが抑制されるとともに、レイアウト性・機能性・信頼性が著しく向上する。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、前述した特許文献３のような形式の可変動弁機構についても本発明を同様に適用することが可能である。また、上記実施例ではアクチュエータの出力軸にウォームが直接的に固定されているが、例えばアクチュエータとウォームとの間に減速機構を設けるようにしても良い。

この発明に係る内燃機関の可変動弁装置の一実施例を示す構成説明図。 アクチュエータと制御軸とを連係するウォームギヤ機構を示す正面図。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図。 本実施例の要部をなすギヤ形成区間を示す説明図。

符号の説明

１…リフト・作動角可変機構（可変動弁機構）
９…揺動カム（動弁カム）
１２…制御軸
１３…アクチュエータ
１５…ウォームギヤ機構
１５ａ…ウォーム
１５ｂ…ウォームホイール
１５ｃ…ウォームギヤ
１８…制御偏心軸部
２１…制御装置（制御手段）
θ１…ギヤ形成区間
θ２…実動使用区間
Ｔ１，Ｔ２…反力トルクの方向
Ｐ１…第１位置（死点）
Ｐ２…第２位置（思案点）

Claims (7)

1. 内燃機関本体に回転自在に支持された制御軸の回転位置に応じてバルブリフト特性が変化する可変動弁機構と、上記制御軸にウォームギヤ機構を介して連係され、制御軸を回転方向に駆動するとともに、その回転位置を保持するアクチュエータと、を有し、
   上記ウォームギヤ機構が、上記制御軸とともに回転するウォームホイールと、このウォームホイールの外周に形成されたウォームギヤに噛み合うウォームと、を有し、
   上記ウォームギヤは、ウォームホイールの周方向一部である所定のギヤ形成区間にのみ形成されており、
   上記制御軸の周方向位置の中で、バルブスプリング反力を含めて上記制御軸に作用する反力トルクが互いに接近する方向に反転する死点が、上記ギヤ形成区間に存在する内燃機関の可変動弁装置。
2. 上記ギヤ形成区間の両端では、上記ウォームとウォームホイールとが噛み合うことなく空転する請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
3. 上記制御軸の周方向位置の中で、バルブスプリング反力を含めて上記制御軸に作用する反力トルクが互いに離間する方向に反転する思案点が、上記ギヤ形成区間から外れている請求項１又は２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
4. 上記可変動弁機構が、吸気弁又は排気弁をバルブスプリング反力に抗して押し下す動弁カムを有し、
   上記制御軸の周方向位置の中で上記動弁カムの中心から最も遠い第１位置が、上記ギヤ形成区間に存在する請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
5. 上記可変動弁機構が、吸気弁又は排気弁をバルブスプリング反力に抗して押し下す動弁カムを有し、
   上記制御軸の周方向位置の中で上記動弁カムの中心に最も近い第２位置が、上記ギヤ形成区間から外れている請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
6. 機関運転状態に応じて制御軸の回転位置が所定の目標回転位置となるように上記アクチュエータを制御する制御手段を有し、
   上記ギヤ形成区間は、上記目標回転位置が取り得る実動使用区間を越えるように設定されている請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
7. 上記可変動弁機構が、
   制御軸と一体的に回転し、かつ、この制御軸の中心に対して偏心した制御偏心軸部と、
   この制御偏心軸部に揺動可能に取り付けられるロッカーアームと、
   内燃機関本体に回転自在に支持され、クランクシャフトに連動して回転する駆動軸と、
   この駆動軸に揺動可能に取り付けられ、吸気弁又は排気弁をバルブスプリング反力に抗して押し下す動弁カムと、
   上記駆動軸と一体的に回転し、かつ、この駆動軸の中心に対して偏心した駆動偏心軸部と、
   上記ロッカーアームの一端と駆動偏心軸部とを連係する第１のリンクと、
   上記ロッカーアームの他端と動弁カムとを連係する第２のリンクと、
   を有する請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。

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