(第1実施形態)
以下、本発明を具体化した第1実施形態について、図1〜図11を参照して説明する。
車両には、図1及び図2に示すように、内燃機関としての車両用多気筒ガソリンエンジン(以下、単にエンジンという)11が搭載されている。エンジン11は、複数の気筒(シリンダ)12を有するシリンダブロック13と、その上に取付けられたシリンダヘッド14とを備えている。気筒12毎のシリンダボア12Aにはピストン15が往復動可能に収容されている。各ピストン15は、コネクティングロッド(図示略)を介し、出力軸であるクランクシャフト16(図2参照)に連結されている。各ピストン15の往復運動は、コネクティングロッドによって回転運動に変換された後、クランクシャフト16に伝達される。
ピストン15、シリンダボア12A及びシリンダヘッド14によって囲まれた空間は燃焼室17となっている。シリンダヘッド14には、吸気通路の一部をなす吸気ポート18と、排気通路の一部をなす排気ポート19とが、気筒12毎に設けられている。吸気ポート18の下流端及び排気ポート19の上流端は、シリンダヘッド14の下面において燃焼室17に対応する箇所で開口している。
シリンダヘッド14には、吸気ポート18及び燃焼室17間を開閉する吸気バルブ21と、排気ポート19及び燃焼室17間を開閉する排気バルブ22とが機関バルブとして設けられている。これらの吸気バルブ21及び排気バルブ22は、バルブガイド23により軸方向(図1の略上下方向)へ往復動可能に支持されている。
吸・排気バルブ21,22の上部にはそれぞれリテーナ24が取付けられている。シリンダヘッド14においてバルブガイド23の上部に対応する箇所には、ばね受け座20が設けられている。吸・排気バルブ21,22の周りであって、リテーナ24とばね受け座20との間にはバルブスプリング25が配置されている。これらのバルブスプリング25により、吸・排気バルブ21,22が常に閉弁方向(図1の略上方)へ付勢されている。
シリンダヘッド14における吸気バルブ21の略上方には、吸気カム26を有する吸気カムシャフト27が支持壁部28により回転可能に支持されている(図2参照)。同様に、シリンダヘッド14における排気バルブ22の略上方には、排気カム29を有する排気カムシャフト31が回転可能に支持されている。吸・排気カムシャフト27,31は、タイミングチェーン32、スプロケット(図示略)等によりクランクシャフト16に駆動連結されている。そして、クランクシャフト16の回転がタイミングチェーン32等を介して吸・排気カムシャフト27,31に伝達される。そして、同カムシャフト27,31の回転により、吸・排気バルブ21,22がバルブスプリング25に抗して押下げられて(リフトして)、吸・排気ポート18,19を開放する。
この際、バルブスプリング25には、吸・排気バルブ21,22の慣性力に打勝って、その吸・排気バルブ21,22を吸・排気カム26,29のプロフィールに忠実に追従させることが要求される。この要求を満たすには、最大ばね荷重が、吸・排気バルブ21,22の追従性を確保するために要求される値よりも大きいことが必要である。最大ばね荷重は、吸・排気バルブ21,22が最大量リフトして最大量伸縮したときのばね荷重である。しかし、最大ばね荷重が上記要求値よりも過度に大きいと、吸・排気カムシャフト27,31を回転させるのに不要に大きな力が必要となり、このことが燃費の低下を招く。吸・排気バルブ21,22の追従性を確保しつつ吸・排気カムシャフト27,31の必要駆動力を抑える観点からは、バルブスプリング25の最大ばね荷重の設定が重要となる。そこで、バルブスプリング25の最大ばね荷重として上記要求値よりも若干大きな値が設定される。
ここで、一般に、吸・排気バルブ21,22のリフト量が大きくなるに従い、また吸・排気カム26,29の回転速度が高くなるに従い最大ばね荷重の要求値が大きくなる。また、吸・排気カムシャフト27,31がクランクシャフト16に駆動連結されていることから、吸・排気カム26,29の回転速度とクランクシャフト16の回転速度(エンジン回転速度)とは対応している。そのため、最大リフト量及び作用角といったバルブ特性がエンジン11の運転状態に拘らず一定である排気バルブ22については、エンジン回転速度が採り得る最大値となるときの要求値を基準に、バルブスプリング25の最大ばね荷重が設定されている。また、後述するように、最大リフト量及び作用角がエンジン運転状態に応じて変更される吸気バルブ21については、最大リフト量及び作用角が採り得る最大値となり、かつエンジン回転速度が採り得る最大値となるときの要求値を基準に、バルブスプリング25の最大ばね荷重が設定されている。
吸気通路には、吸気ポート18の下流へ向けて燃料を噴射する燃料噴射弁(図示略)が各気筒12に対応して取付けられている。噴射された燃料は、吸気通路を通って燃焼室17内に導入される吸入空気と混ざり合って混合気となる。なお、燃料噴射弁から燃料を燃焼室17に直接噴射するようにしてもよい。
シリンダヘッド14には、点火プラグ33が各気筒12に対応して取付けられている。そして、前記混合気は点火プラグ33の電気火花によって着火され、爆発・燃焼する。このときに生じた高温高圧の燃焼ガスによりピストン15が往復動され、クランクシャフト16が回転されて、エンジン11の駆動力(出力トルク)が得られる。そして、燃焼ガスは排気ポート19を通じて排気通路へ排出される。
図2に示すように、エンジン11におけるタイミングチェーン32側の端部(図2の左端部)には、クランクシャフト16に対する吸気カムシャフト27の相対回転位相を調節して、吸気バルブ21のバルブタイミング(開閉期間)を進角又は遅角させるバルブタイミング可変機構34が設けられている。また、エンジン11には、各吸気バルブ21の最大リフト量及び作用角を連続的に変更する最大リフト量可変機構35がバルブ特性可変装置として設けられている。ここで、図8に示すように吸気バルブ21の作用角は、クランクシャフト16の回転について、吸気バルブ21が開弁を開始してから閉弁するまでの角度範囲である。また、吸気バルブ21の最大リフト量は、その吸気バルブ21が最も下方まで変位(リフト)させられたときの変位量である。なお、本実施形態では最大リフト量可変機構35によって最大リフト量が変更されると、それに伴って作用角も変更される。このように最大リフト量及び作用角が一対一で対応している。そのため、最大リフト量可変機構35によってこれらの最大リフト量及び作用角を変更する場合には、単に「最大リフト量を変更」と表現するものとする。排気バルブ22については、こうしたバルブタイミング可変機構34や最大リフト量可変機構35は設けられていない。
図2に示すように、最大リフト量可変機構35は、気筒12毎の仲介駆動機構36を備えるほか、全部の仲介駆動機構36に共通する1本の支持パイプ37、1本のコントロールシャフト38及び1つのアクチュエータ39を備えている。
支持パイプ37は気筒12の配列方向(図2の左右方向)へ延びるように配置され、前述した支持壁部28に貫通固定されている。なお、この方向について、特に区別する必要のない場合には「軸方向」といい、区別する必要のある場合には矢印A方向又は矢印B方向というものとする。矢印A方向は、前述したタイミングチェーン32に近づく方向であり、吸気バルブ21の最大リフト量を小さくする方向である。また、矢印B方向はタイミングチェーン32から遠ざかる方向であり、最大リフト量を大きくする方向である。前記貫通固定により、支持パイプ37は軸方向への移動が不能であり、しかも回転不能である。コントロールシャフト38は支持パイプ37内に挿通されており、電動モータ等からなるアクチュエータ39により軸方向へ往復駆動される。
各仲介駆動機構36は、吸気カムシャフト27と吸気バルブ21との間に設けられている(図1参照)。各仲介駆動機構36は、図2及び図3に示すように、入力アーム41と、その軸方向についての両側に配置された一対の出力アーム42,43とを備えている。入力アーム41及び各出力アーム42,43は、それらの相対向する端部において嵌合により連結されている。仲介駆動機構36毎の入力アーム41及び両出力アーム42,43は支持壁部28,28間に配置されており、軸方向への変位が両支持壁部28,28によって規制されている(図5参照)。
図3〜図6に示すように、入力アーム41は一対の支持片44,44を備えており、両支持片44,44間にはローラ45が軸支されている。また、各出力アーム42,43は、ベース円部46と、凹状に湾曲するカム面47Aを有するノーズ47とをそれぞれ備えている。
支持パイプ37と、入力アーム41及び両出力アーム42,43との間には、動力伝達用のスライダ48が配置されている。スライダ48は、支持パイプ37上に回動可能かつ軸方向への移動可能に支持されている。スライダ48をコントロールシャフト38に動力伝達可能に連結するために、同スライダ48の内周面には、周方向に延びる溝部49が形成されている。溝部49は、スライダ48に設けられた貫通孔51によって同スライダ48の外部に連通している(図6参照)。また、支持パイプ37において、各仲介駆動機構36に対応する箇所には、軸方向へ延びる長孔52が形成されている。これらの溝部49及び長孔52には、前述した貫通孔51を通じて挿入された係止ピン53が配置され、その一端部(図5及び図6の下端部)がコントロールシャフト38に圧入固定されている。また、溝部49内に位置する係止ピン53の他端部(図5及び図6の上端部)にはブッシュ54が固定されている。
従って、前述したように支持パイプ37がシリンダヘッド14(支持壁部28)に固定されているが、コントロールシャフト38の軸方向への移動に伴い、係止ピン53が支持パイプ37の長孔52内を移動することで、ブッシュ54を介してスライダ48を軸方向へ移動させることが可能である。さらに、スライダ48自体は、周方向へ延びる溝部49にて係止ピン53及びブッシュ54に係止されていることから、係止ピン53及びブッシュ54にて軸方向の位置は決定されるが、軸周りについては回動可能である。
入力アーム41及びスライダ48間で動力を伝達するために、入力アーム41の内周面には、出力アーム42側ほど時計回り方向へねじれたヘリカルスプライン41Aが形成されている。これに対応して図4に示すように、スライダ48の外周面の軸方向における中間部分には、同方向へねじれたヘリカルスプライン48Aが形成され、これが前述した入力アーム41のヘリカルスプライン41Aに噛合わされている。
また、各出力アーム42,43及びスライダ48間で動力を伝達するために、各出力アーム42,43の内周面には、前記入力アーム41のヘリカルスプライン41Aとは逆方向、すなわち入力アーム41から出力アーム42側へ離れるほど反時計回り方向へねじれたヘリカルスプライン42B,43Cが形成されている。これに対応して、スライダ48の外周面の軸方向における両端部には同方向へねじれたヘリカルスプライン48B,48Cが形成され、これらが前記出力アーム42,43のヘリカルスプライン42B,43Cに噛合わされている。このように、ヘリカルスプライン41A,48Aと、ヘリカルスプライン42B,43C,48B,48Cとは逆方向へねじれている。そのため、コントロールシャフト38の軸方向の移動に連動してスライダ48が同方向へ変位しながら回転することにより、入力アーム41と各出力アーム42,43とに対し互いに逆方向のねじり力が付与され、入力アーム41及び出力アーム42,43の相対位相差が変化する。また、前記ヘリカルスプライン41A,42B,43C,48A,48B,48Cのねじれ方向の設定により、入・出力アーム41〜43の相対位相差はスライダ48が矢印A方向(最大リフト量を小さくする方向)へ変位するに従い小さくなる。
図1に示すように、各仲介駆動機構36のローラ45は、吸気カムシャフト27の吸気カム26に接触しており、同吸気カムシャフト27の回転に伴い吸気カム26による略下向きの力がローラ45に加えられる。また、支持片44及びシリンダヘッド14間にはスプリング55が圧縮状態で配置されており、このスプリング55によりローラ45が常に吸気カム26に押付けられている。そして、吸気カム26のカムプロフィールに応じて変化する略下向きの力と、スプリング55による上向きの力とがつり合うように入力アーム41がコントロールシャフト38を支点として上下に揺動する。
一方、吸気バルブ21及び出力アーム42,43間にはロッカーアーム56が配置され、同ロッカーアーム56を介して出力アーム42,43の揺動が吸気バルブ21に伝達される。すなわち、各ロッカーアーム56は、その基端部(図1の左端部)56Aにおいてアジャスタ57にて揺動可能に支持され、先端部(図1の右端部)56Bにおいて吸気バルブ21に接触している。そして、バルブスプリング25の付勢力が吸気バルブ21を通じてロッカーアーム56の先端部56Bに加わり、同ロッカーアーム56のローラ58が両出力アーム42,43のベース円部46又はノーズ47に接触している。
従って、吸気カムシャフト27が回転すると、仲介駆動機構36では、吸気カム26によって入力アーム41がコントロールシャフト38を支点として上下に揺動する。この揺動はスライダ48を介して各出力アーム42,43に伝達され、同出力アーム42,43が上下に揺動する。これらの揺動する出力アーム42,43によって、対応する吸気バルブ21が駆動されて開弁する。この開弁に伴い吸気ポート18から燃焼室17へ空気が吸入される。
また、アクチュエータ39によってコントロールシャフト38が軸方向へ移動されることで、入・出力アーム41〜43の揺動方向について、入力アーム41と各出力アーム42,43との相対位相差が変更される。この変更に伴い各吸気バルブ21の最大リフト量が連続的に変化する。スライダ48が矢印A方向へ最大量変位して相対位相差が小さいときには最大リフト量が小さく、気筒12当りの吸入空気量が少ない。そして、スライダ48の矢印B方向への移動に伴って相対位相差が増大すると、最大リフト量が大きくなって吸入空気量が多くなる。
また、図1及び図4に示すように仲介駆動機構36においては、吸気カム26により入力アーム41のローラ45に略下向きの力が加わる。この力は、ヘリカルスプライン41A,48Aを通じてスライダ48に伝達される。前述したように、両ヘリカルスプライン41A,48Aが出力アーム42側ほど時計回り方向へねじれている。このねじれ方向と、吸気カム26からの力とにより決定されるスラスト方向の力として、スライダ48には矢印A方向の荷重が作用する。
一方、バルブスプリング25により、吸気バルブ21、ロッカーアーム56等を介して両出力アーム42,43に略上向きの力が加わる。この力は、ヘリカルスプライン42B,43C及び48B,48Cを通じてスライダ48に伝達される。前述したように、これらのヘリカルスプライン42B,43C及び48B,48Cが前記ヘリカルスプライン41A,48Aとは逆方向へねじれている。これらのねじれ方向と、バルブスプリング25からの力(バルブ反力)とにより決定されるスラスト方向の力として、スライダ48には矢印A方向の荷重が作用する。
このように、入力アーム41を通じて作用する荷重と、両出力アーム42,43を通じて作用する荷重とにより、スライダ48は矢印A方向へ移動しようとする。
ところで、図7(A)及び図7(B)は、アクチュエータ39によってコントロールシャフト38を図2の矢印B方向へ最大量移動させたときの仲介駆動機構36の状態を示している。スライダ48が可動範囲における矢印B方向の端に位置している。このときには、入力アーム41と各出力アーム42,43との相対位相差が最大となっている。
特に、図7(A)は、吸気カム26がそのベース円部26Aにおいて、仲介駆動機構36のローラ45に接触している状態を示している。この状態では、両出力アーム42,43のベース円部46においてノーズ47に近い部分がロッカーアーム56のローラ58に接触している。このため、吸気バルブ21は閉弁状態(リフト量が「0」)となる。
吸気カムシャフト27が回転すると、吸気カム26のノーズ26Bによってローラ45が押下げられて、入力アーム41が下方へ揺動する。この揺動がスライダ48を介して各出力アーム42,43に伝達されて、同出力アーム42,43が下方へ揺動する。これらの揺動により、ノーズ47のカム面47Aが直ちにロッカーアーム56のローラ58に接触して、図7(B)に示すように、カム面47Aの略全範囲を使用してローラ58を押下げる。この押下げにより、ロッカーアーム56が基端部56Aを支点として下方へ揺動し、ロッカーアーム56の先端部56Bが大きく吸気バルブ21を押下げ、吸気ポート18を大きく開放(開弁)させる。最大リフト量が最大となり、吸気ポート18から燃焼室17に流入する空気量が最大となる。
前記の状態から、アクチュエータ39によってコントロールシャフト38を図2の矢印A方向へ移動させると、それに連動してスライダ48が回転しながら同方向へ変位する。スライダ48の回転により入力アーム41及び各出力アーム42,43に対し互いに逆方向のねじり力が付与され、入力アーム41及び各出力アーム42,43の相対位相差が変化する。この相対位相差は、スライダ48の変位量が大きくなるほど小さくなる。
吸気カム26のベース円部26Aが、仲介駆動機構36のローラ45に接触するときに、出力アーム42,43のベース円部46についてロッカーアーム56のローラ58との接触箇所がノーズ47から遠ざかる。このため、出力アーム42,43が揺動しても、しばらくはロッカーアーム56のローラ58はノーズ47のカム面47Aに接触することなくベース円部46に接触し続ける。
その後、カム面47Aがローラ58を押下げて、基端部56Aを支点としてロッカーアーム56を下方へ揺動させるが、ローラ58が当初、ノーズ47から離れている分、カム面47Aの使用範囲が少なくなる。その結果、ロッカーアーム56の揺動角度が小さくなり、最大リフト量が小さくなる。こうして、吸気バルブ21は最大時よりも小さな最大リフト量にて吸気ポート18を開放状態にする。吸気バルブ21の開弁に伴い各吸気ポート18から燃焼室17に流入する空気量は、スライダ48の矢印A方向への変位量に応じて少なくなる。
このように、アクチュエータ39によってコントロールシャフト38を通じてスライダ48の位置を調整することにより、図8に示すリフト量パターンの間で、出力アーム42,43によって駆動される吸気バルブ21の最大リフト量を連続的に調整することが可能である。
ところで、吸気バルブ21を付勢するバルブスプリング25について、最大リフト量が最大となるときの要求値を基準に最大ばね荷重を設定することについては、前述した通りである。しかし、こうした設定を行った場合、仮に最大ばね荷重が最大リフト量に拘らず常に一定であるとすると、上記最大時には最大ばね荷重が適切になるものの、最大リフト量が小・中等、最大でない場合には、実際の最大ばね荷重が、上述したバルブスプリング25に要求される値よりも過大になる。
そこで、本実施形態では、吸気バルブ21が最大量リフトするときのバルブスプリング25の最大ばね荷重を、最大リフト量可変機構35による最大リフト量に応じて変更するようにしている。この変更は、ばね荷重変更装置70(ばね荷重変更手段)によって実現される。次に、このばね荷重変更装置70について説明する。
図10及び図11に示すように、吸気バルブ21に対応するばね受け座20は、円形断面を有し、かつ自身の中心線を吸気バルブ21の軸線に合致させた状態の凹部からなる。ばね受け座20内にはシートケース61が組込まれている。シートケース61は、吸気バルブ21と同軸上に配置された内筒部62及び外筒部63と、これら内筒部62及び外筒部63の下端同士を連結する底部64とを備えて構成されている。内筒部62はバルブガイド23に外嵌されている。内筒部62の上端の複数箇所には外方へ突出するストッパ65が設けられている。外筒部63及び底部64はばね受け座20に嵌合されている。底部64には多数の油孔66があけられている。
シリンダヘッド14において、ばね受け座20の下方には気筒配列方向(図10において紙面と直交する方向)へ延びる油路67が設けられている。また、シリンダヘッド14には、上記油路67とばね受け座20とを連通させる油孔68が設けられている。
各シートケース61内には、それぞれ環状をなすアッパシート71及びロアシート72が、それらの各内周面を内筒部62に接触させ、かつ各外周面を外筒部63に接触させた状態で収容されている。
図9〜図11に示すように、アッパシート71の上面の大部分は吸気バルブ21の軸線に対し直交している。この上面において、吸気バルブ21の周りには環状の凹部73が設けられていて、ここでバルブスプリング25の下端を受けている。アッパシート71の下面は、上記上面に対し所定の角度をもって周方向に傾斜する複数の傾斜面74と、隣合う傾斜面74,74間に設けられた複数の受圧面75とを備える。
ロアシート72の下面の大部分は吸気バルブ21の軸線に対し直交している。この下面において、シートケース61の油孔66に対応する箇所には環状溝76が設けられている。ロアシート72の上面は、上記下面に対し所定の角度をもって周方向に傾斜する複数の傾斜面77と、隣合う傾斜面77,77間に設けられた複数の受圧面78とを備える。さらに、ロアシート72には、各受圧面78から環状溝76に貫通する油孔79が設けられている。
なお、図9(A),(B)では、アッパシート71及びロアシート72の傾斜面74,77、受圧面75,78が3つずつ図示されているが、この数に限定されるものではない。ただし、アッパシート71及びロアシート72の各高さを抑えてコンパクトな構造にする観点からは、傾斜面74,77、受圧面75,78の数を「3」、「4」程度にすることが望ましい。
また、アッパシート71の上面に対し傾斜面74がなす角度、及びロアシート72の下面に対し傾斜面77がなす角度は、ばね荷重やアッパシート71及びロアシート72の形状等に応じて10〜20度の範囲で設定されることが望ましい。
さらに、アッパシート71において傾斜面74が受圧面75に対しなす角度、及びロアシート72において傾斜面77が受圧面78に対しなす角度は、アッパシート71及びロアシート72の接触による応力集中を抑制する観点から、いずれも鈍角に設定されることが望ましい。
アッパシート71及びロアシート72は、シートケース61に収納された状態では、傾斜面74,77を互いに密接させた状態で相対回転可能である。図10に示すように、受圧面75を受圧面78に当接させた状態では、アッパシート71及びロアシート72は両受圧面75,78をさらに近づける側へ相対回転することが不能となる。この状態では、アッパシート71は可動範囲の下限位置に位置する。この状態から、傾斜面74,77を摺接させながらアッパシート71及びロアシート72を相対回転させると、アッパシート71がシートケース61内を上昇する。
このとき、シートケース61の内筒部62及び外筒部63と、アッパシート71の傾斜面74及び受圧面75と、ロアシート72の傾斜面77及び受圧面78とによって画成された複数(3つ)の空間が、それぞれ油圧アクチュエータの油圧室81として機能する(図11参照)。
そして、アッパシート71がシートケース61上端のストッパ65に当ったところで、それ以上のアッパシート71の上昇が停止され、ロアシート72とアッパシート71との相対回転が停止される。この状態では、両傾斜面74,77はそれらの一部において互いに接触しており、完全には離反しない。すなわち、アッパシート71及びロアシート72の相対回転には許容限界があり、アッパシート71の傾斜面74とロアシート72の傾斜面77とは常に同じ面同士で接触し、相手側の受圧面78,75を乗り越えることがない。
上記油路67はメインオイル通路82から分岐している。メインオイル通路82には、オイルポンプ83、オイルスイッチングバルブ(以下、OSVと略称する)84、及び逆止弁85が配置されている。オイルポンプ83は、オイルパン86内のオイル80を吸引してメインオイル通路82に吐出する。逆止弁85は、オイルポンプ83からメインオイル通路82を通じて油路67にオイル80が流通するのを許容し、その逆方向、すなわち油路67側からOSV84側にオイル80が逆流するのを阻止する。OSV84は、逆止弁85及びオイルポンプ83間を開放又は遮断する開閉弁である。また、逆止弁85よりも下流側のメインオイル通路82には、リリーフ弁87を備えたリリーフ通路88が接続されている。リリーフ通路88はメインオイル通路82のオイル80をオイルパン86に戻すための通路であり、リリーフ弁87は、リリーフ通路88を開放又は遮断する開閉弁である。
OSV84及びリリーフ弁87は、電子制御装置89によって、最大リフト量可変機構35による最大リフト量に応じて次のように制御される。
<最大リフト量の最大時>
図11は、最大リフト量可変機構35によって最大リフト量が最大にされているときの状態を示している。このときには、油圧室81内のオイル80の油圧により、両受圧面75,78が互いに最も大きく離間し、アッパシート71がシートケース61のストッパ65に当たり、それ以上の上昇が規制されている。このように、アッパシート71が可動範囲の上限位置に位置することで、バルブスプリング25が最も大きく圧縮され、最大ばね荷重が最大となっている。従って、最大リフト量の最大時には、吸気バルブ21を吸気カム26に追従させるために要求される最大ばね荷重が大きいが、この要求が満たされる。こうした状態は、少なくともリリーフ弁87を閉弁させ、油圧室81からオイル80が流出しないようにすることで実現される。OSV84については、これが閉弁されることにより油圧室81へのオイル80の流入が遮断されてもよいし、開弁されることにより油圧室81へオイル80が供給されてもよい。
<最大リフト量の最小時>
図10は、最大リフト量可変機構35によって最大リフト量が最小にされているときの状態を示している。このときには、OSV84が閉弁されてリリーフ弁87が開弁されている。オイルポンプ83によって昇圧された油圧が、メインオイル通路82、油路67等を通じて各ばね荷重変更装置70の各油圧室81に供給されなくなる一方で、同油圧室81の作動油圧がリリーフ通路88等を通じてオイルパン86に開放されている。油圧室81にオイル80が殆どない状態となり、アッパシート71の受圧面75がロアシート72の受圧面78に当接している。アッパシート71が可動範囲の下限位置に位置することで、バルブスプリング25が最も伸長し、最大ばね荷重が最小となっている。従って、最大リフト量の最小時には、吸気バルブ21を吸気カム26に追従させるために要求される最大ばね荷重が小さいが、この要求が満たされる。
<最大リフト量の中間時>
最大リフト量可変機構35によって最大リフト量が上記最大と最小の中間の状態にされているときには、油圧室81内のオイル80の油圧により、両受圧面75,78が互いに離間している。両受圧面75,78の間隔は、上記最大リフト量の最大時よりも狭い。こうした状態は、例えば油圧室81内に所定量のオイル80が貯留された状態で、OSV84及びリリーフ弁87がともに閉弁されることにより実現される。アッパシート71が可動範囲の中間位置(図11の上限位置と図10の下限位置との中間)に位置することで、バルブスプリング25が中程度圧縮され、最大ばね荷重が上記最大と最小の中間となっている。従って、最大リフト量の中間時には、吸気バルブ21を吸気カム26に追従させるために要求される最大ばね荷重が中程度であるが、この要求が満たされる。
<最大リフト量の変更(増大)時>
最大リフト量が最小又は中間から大きくされる場合には、電子制御装置89によってOSV84が開弁されてリリーフ弁87が閉弁される。オイルポンプ83によって昇圧されたオイル80が、油路67、油孔68,79、環状溝76等を通じて、アッパシート71の受圧面75とロアシート72の受圧面78との間の油圧室81に供給される。この供給により、アッパシート71及びロアシート72には、傾斜面74,77を互いに摺動させながら相対回転させようとする力が作用する。この相対回転により両受圧面75,78を互いに離間させながらアッパシート71が上昇し、バルブスプリング25が圧縮され、最大ばね荷重が大きくなる。
なお、アッパシート71がシートケース61のストッパ65に当たるまで上記OSV84の開弁、及びリリーフ弁87の閉弁が続けられると、それ以上の上昇が停止され、上述した最大リフト量の最大時と同様の状態になる。また、アッパシート71がストッパ65に当る前にリリーフ弁87に加えOSV84が閉弁されると、最大ばね荷重は、最大値よりは小さいが、最大ばね荷重の変更前よりも大きな値に変更される。
<最大リフト量の変更(減少)時>
最大リフト量が最大又は中間から小さくされる場合には、電子制御装置89によってOSV84が閉弁されてリリーフ弁87が開弁される。オイルポンプ83によって昇圧されたオイル80が各油圧室81に供給されなくなる一方で、同油圧室81がリリーフ通路88等を通じてオイルパン86に接続されている。ここで、アッパシート71に対し、バルブスプリング25のばね荷重が下向きの力として加わっている。アッパシート71とロアシート72の傾斜面74,77が摺動可能に当接している。そのため、アッパシート71及びロアシート72が相対回転してアッパシート71が下降し、受圧面75がロアシート72の受圧面78に近づき、油圧室81内のオイル80が排出される。このオイル80は、リリーフ通路88を通じてオイルパン86に戻される。アッパシート71が下限位置に達した後には、OSV84及びリリーフ弁87の開閉状態が切り替わらない限り、アッパシート71は下限位置に保持される(図10参照)。上記相対回転に伴うアッパシート71の下降によりバルブスプリング25が伸長し、最大ばね荷重が小さくなる。
なお、アッパシート71の受圧面75がロアシート72の受圧面78に当接するまで上記OSV84の閉弁、及びリリーフ弁87の開弁が続けられると、油圧室81にオイル80が殆どない状態となり、アッパシート71が可動範囲の下限位置に位置し、上述した最大リフト量の最小時と同様の状態になる。また、受圧面75が受圧面78に当接する前に、OSV84に加えリリーフ弁87が閉弁されると、最大ばね荷重は、最小値よりは大きいが、最大ばね荷重の変更前よりも小さな値に変更される。
以上詳述した第1実施形態によれば、次の効果が得られる。
(1)バルブスプリング25の最大ばね荷重を、最大リフト量可変機構35による最大リフト量に応じて変更するようにしている。すなわち、最大ばね荷重を、最大リフト量の最大時には最大にし、同最大リフト量の非最大時には最大時よりも小さな値に変更するようにしている。そのため、最大ばね荷重をそのときの最大リフト量に対応する要求値に近づけることができる。必要以上に大きな力で最大リフト量可変機構35を駆動しなくてもすみ、過大な力で最大リフト量可変機構35を駆動することに伴う燃費の低下を抑制することができる。また、アクチュエータ39の小型化及び低コスト化が可能となる。
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について、第1実施形態との相違点を中心に説明する。
ここで、吸気カム26に対する吸気バルブ21の追従性を確保するうえで、バルブスプリング25に要求される最大ばね荷重に影響を及ぼす要素としては、上述した吸気バルブ21のリフト量に加え、吸気カム26の回転速度が挙げられる。一般には、最大ばね荷重の要求値は、吸気カム26の回転速度が高いときには低いときよりも大きくなる。より正確には、この要求値は吸気カム26の回転速度が高くなるに従って(比例して)大きくなる。
そこで、第2実施形態では、最大リフト量可変機構35による最大リフト量が非最大であるときには、吸気カム26の回転速度が高いほど最大ばね荷重を小さくする度合いを小さくするようにしている。なお、エンジン11では、上述したように吸気カムシャフト27の回転とクランクシャフト16の回転とが一対一で対応している。そのため、ここでは、吸気カム26の回転速度の代用値としてエンジン回転速度を用いている。もちろん、吸気カム26(吸気カムシャフト27)の回転速度を直接用いてもよい。
上記度合いを小さくする場面としては、上記<最大リフト量の最小時>、<最大リフト量の中間時>といった最大リフト量の非変更時、上記<最大リフト量の変更(増大)時>、<最大リフト量の変更(減少)時>といった最大リフト量の変更時が挙げられる。いずれの場面でも、ばね荷重変更装置70におけるアッパシート71の停止位置が、エンジン回転速度が高いほど高くなるように、OSV84及びリリーフ弁87の各開閉状態が電子制御装置89によって制御される。こうした制御が行われると、最大リフト量が同一でも、エンジン回転速度が高いほどアッパシート71によるバルブスプリング25の圧縮量が多くなる。最大リフト量最大時の最大ばね荷重を越えないことを条件に、最大ばね荷重が大きくなり、そのときの最大リフト量及びエンジン回転速度に適した値になる。
従って、第2実施形態によると、上述した(1)の効果に加え、次の効果が得られる。
(2)吸気バルブ21を吸気カム26に追従させるためにバルブスプリング25に要求される最大ばね荷重が、吸気カム26の回転速度が高くなるに従って大きくなることに着目し、最大リフト量可変機構35による最大リフト量の非最大時において、エンジン回転速度が高いほど最大ばね荷重を小さくする度合いを小さくするようにしている。そのため、最大ばね荷重を、エンジン回転速度に応じて変化する要求値により近づけることができる。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について、上記第1及び第2実施形態との相違点を中心に説明する。
最大リフト量可変機構35では、上述したように吸気カム26及びバルブスプリング25により、スライダ48に対し、最大リフト量を小さくさせる方向へ向う力が作用する。この作用に着目し、本実施形態では、最大リフト量可変機構35により最大リフト量が小さくなる方向へ変更されるとき、すなわち上記<最大リフト量の変更(減少)時>において、最大リフト量最大時の最大ばね荷重を越えないことを条件に、最大ばね荷重を変更前よりも大きくするようにしている。
この最大ばね荷重の増大により、スライダ48を同方向へ変位させようとする力が強められる。その結果、コントロールシャフト38及びスライダ48の軸方向についての移動速度が上昇して、入力アーム41及び出力アーム42,43の相対位相差の変更が速く行われる。このようにして、最大リフト量可変機構35による最大リフト量の変更速度が上昇し、変更の応答性が向上する。
従って、第3実施形態によると、上述した(1),(2)の効果に加え、次の効果が得られる。
(3)最大リフト量可変機構35によって最大リフト量が小さくなる方向へ変更されるとき、最大リフト量最大時の最大ばね荷重を越えないことを条件に、最大ばね荷重を変更前よりも大きくするようにしている。このため、最大リフト量可変機構35によって最大リフト量を小さくする際の変更速度を上昇させて、応答性を向上させることができる。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態について図12を参照し、第1〜第3実施形態との相違点(ばね荷重変更装置の構成)を中心に説明する。なお、第1〜第3実施形態と同様の部材、箇所等については同一の符号を付して説明を省略する。
第4実施形態のばね荷重変更装置90は、ばね定数を切替えることによりばね荷重を変更するものであり、吸気バルブ21上端のリテーナ24とばね受け座20との間に補助リテーナ91を備えた構成を有している。補助リテーナ91には貫通孔92があけられており、ここに吸気バルブ21が挿通されている。そのため、補助リテーナ91は吸気バルブ21に対し相対移動可能である。
バルブスプリング25は、長さ方向に複数(図12では2つ)のスプリング構成体93,94に分割されている。上側のスプリング構成体93は、吸気バルブ21の周りであってリテーナ24と補助リテーナ91との間に介装されている。また、下側のスプリング構成体94は、吸気バルブ21の周りであって補助リテーナ91とばね受け座20との間に介装されている。
補助リテーナ91は油圧シリンダ95を介してシリンダヘッド14に連結されている。より詳しくは、油圧シリンダ95のシリンダ95Aがシリンダヘッド14に固定され、ピストン95Bが補助リテーナ91に固定されている。シリンダ95A内にオイル103を供給するために、同シリンダ95Aとオイルパン96とを繋ぐオイル通路97にオイルポンプ98、OSV99及び逆止弁100が配置されている。
オイルポンプ98は、オイルパン96内のオイル103を吸引してオイル通路97に吐出する。逆止弁100は、オイルポンプ98からオイル通路97を通じてシリンダ95A内にオイル103が流通するのを許容し、その逆方向、すなわちシリンダ95A側からOSV99側にオイル103が逆流するのを阻止する。OSV99は、逆止弁100及びオイルポンプ98間を開放又は遮断する開閉弁である。
また、シリンダ95Aからオイル103を排出するために、逆止弁100よりも下流側のオイル通路97には、リリーフ弁101を備えたリリーフ通路102が接続されている。リリーフ通路102はオイル通路97のオイル103をオイルパン96に戻すための通路であり、リリーフ弁101はリリーフ通路102を開放又は遮断する開閉弁である。
OSV99及びリリーフ弁101は、電子制御装置89によって、最大リフト量可変機構35による最大リフト量に応じて制御される。最大リフト量可変機構35による最大リフト量の最大時には、シリンダ95A内にオイル103が満たされた状態で、OSV99及びリリーフ弁101がともに閉弁される。これらの閉弁により、シリンダ95Aに対するオイル103の流入・流出が遮断され、ピストン95Bが往復動不能となる。これに伴い、補助リテーナ91がシリンダヘッド14に対し移動不能となる(ロックされる)。ばね受け座20及び補助リテーナ91の間隔が一定となり、吸気バルブ21の往復動に拘らず下側のスプリング構成体94は伸縮しなくなる。すなわち、スプリング構成体94はバルブスプリングとして機能しなくなる。上側のスプリング構成体93のみがバルブスプリングとして機能する。従って、この場合には、下側のスプリング構成体94が機能しなくなる分バルブスプリング25の実質的な長さが短くなってばね定数が高くなり、それに伴い最大ばね荷重が大きくなる。
最大リフト量可変機構35によって最大リフト量が小さくなる側へ変更される場合には、OSV99が閉弁され、リリーフ弁101が開弁される。オイルポンプ98によって昇圧された作動油圧がシリンダ95A内に供給されなくなる一方で、同シリンダ95A内のオイル103がリリーフ通路102を通じてオイルパン96に排出され、ピストン95Bが往復動自在になる。これに伴い、補助リテーナ91がシリンダヘッド14に対し移動自在(フリー)となって、吸気バルブ21の往復動に伴う上側のスプリング構成体93の伸縮が補助リテーナ91を介して下側のスプリング構成体94に伝達される。この伝達によりスプリング構成体93に加え、スプリング構成体94が伸縮する。このように、両スプリング構成体93,94がともにバルブスプリングとして機能するため、バルブスプリング25の実質的な長さが長くなってばね定数が低くなり、最大ばね荷重が小さくなる。
上記の状態から最大リフト量可変機構35によって最大リフト量が大きくなる側へ変更される場合にはOSV99が開弁され、リリーフ弁101が閉弁される。オイルポンプ98によって昇圧されたオイル103がシリンダ95A内に供給される。同シリンダ95A内にオイル103が充填された状態で、OSV99及びリリーフ弁101がともに閉弁されると、シリンダ95Aに対するオイル103の流入・流出が遮断され、ピストン95Bが往復動不能となる。補助リテーナ91がロックされ、下側のスプリング構成体94が伸縮しなくなる。バルブスプリング25のばね定数が高くなり、最大ばね荷重が大きくなる。
従って、第4実施形態によっても上記第1〜第3実施形態と同様の効果が得られる。
なお、本発明は次に示す別の実施形態に具体化することができる。
・第2実施形態において、最大リフト量可変機構35による最大リフト量の非最大時において、エンジン回転速度が高いときには、低いときよりも、最大ばね荷重を小さくする度合いを小さくしてもよい。例えば、エンジン回転速度が採り得る回転速度領域を複数に分割し、その分割された領域毎に上記度合いを異ならせてもよい。
・第4実施形態において、バルブスプリング25を3つ以上のスプリング構成体に分割するとともに、隣合うスプリング構成体間に補助リテーナを配置する。そして、各補助リテーナ91をシリンダヘッド14に対し移動不能に連結したり、その連結を解除したりしてもよい。
・バルブ特性可変装置は、吸・排気バルブ21,22の最大リフト量及び作用角の一方のみをバルブ特性とし、このバルブ特性を変更するものであってもよい。
・本発明は、吸気バルブ21に代えて又は加えて、排気バルブ22のバルブ特性を変更するバルブ特性可変装置が設けられた内燃機関にも適用可能である。
・ばね荷重変更装置を、前記各実施形態で用いたものとは異なるタイプに変更してもよい。
・上記各実施形態における最大リフト量可変機構35の構成を適宜変更してもよい。
例えば、支持パイプ37を省略し、コントロールシャフト38に支持パイプ37の機能を兼ねさせてもよい。
また、ヘリカルスプライン42B,48B及びヘリカルスプライン43C,48Cのねじれ角を互いに同一にしてもよい。この場合には、気筒12毎の2つの吸気バルブ21,21が同じ最大リフト量にて往復動する。
また、ヘリカルスプライン42B,48B及びヘリカルスプライン43C,48Cのねじれ角を互いに異ならせてもよい。こうすると、同一の気筒12であっても、2つの吸気バルブ21,21が異なる最大リフト量で往復動することとなる。2つの吸気バルブ21,21から異なる流量、あるいは異なるタイミングで燃焼室17内に空気を吸入させることにより、燃焼室17内にスワール等の旋回流を生じさせ、もって燃焼性を改良してエンジン11の性能を向上させることが可能となる。
上述した内容は、ヘリカルスプライン42B,48B又は43C,48Cのねじれ角を異ならせることにより、最大リフト量に差を設けたものである。これに代えて、出力アーム42,43のノーズ47の位相位置に差を設けたり、ノーズ47のカム面47Aの形状に差を設けたりすることで、最大リフト量に差を設けてもよい。
さらに、仲介駆動機構36と吸気バルブ21との間のロッカーアーム56を省略してもよい。この場合、例えば、吸気バルブ21にバルブリフタを設け、出力アーム42,43のノーズ47をバルブリフタに直接接触させる。そして、出力アーム42,43の揺動によってバルブリフタを介して吸気バルブ21を押下げるようにしてもよい。
また、ノーズ47の前記直接接触に代え、ローラを介してノーズ47をバルブリフタに間接的に接触させてもよい。この場合、ノーズ47にローラを支持し、このローラをバルブリフタに転がり接触させてもよいし、バルブリフタにローラを支持し、このローラをノーズ47に転がり接触させてもよい。
・前記各実施形態で用いたものとは異なるタイプの最大リフト量可変機構をバルブ特性可変装置としてもよい。
11…ガソリンエンジン(内燃機関)、21…吸気バルブ(機関バルブ)、22…排気バルブ(機関バルブ)、25…バルブスプリング、26…吸気カム、29…排気カム、35…最大リフト量可変機構(バルブ特性可変装置)、38…コントロールシャフト、39…アクチュエータ、41…入力アーム、42,43…出力アーム、48…スライダ、70,90…ばね荷重変更装置(ばね荷重変更手段)。