(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カム位相と開弁角度幅とが可変制御される開弁特性可変型内燃機関であって、
バルブの開閉に供される第１カムが外周に形成されるとともに、当該バルブの開閉に供される第２カムが相対回転可能に外嵌するアウタカムシャフトと、
前記アウタカムシャフトに相対回転可能に内設され、前記第２カムと一体に回転するインナカムシャフトと、
前記アウタカムシャフトと前記インナカムシャフトとの間に介装され、当該アウタカムシャフトと当該インナカムシャフトとに相対回転力を付与する付勢手段と、
クランクシャフトに同期して回転する第１回転部材と、前記アウタカムシャフトと前記インナカムシャフトとのどちらか一方と一体に回転するとともに、前記第１回転部材に相対回転可能に連結された第２回転部材とを有し、前記第１回転部材および前記第２回転部材の間に形成された進角側油圧室と遅角側油圧室とに連絡する油圧回路を切り換えることにより、前記アウタカムシャフトと前記インナカムシャフトとのどちらか一方のカム位相を変化させるカム位相可変手段と、
前記アウタカムシャフトと前記インナカムシャフトとのどちらか他方を所定のカム位相で前記第１回転部材に結合するロック手段と
を備えたことを特徴とする開弁特性可変型内燃機関。
【請求項２】
前記アウタカムシャフトおよび前記インナカムシャフトが排気カムシャフトであり、
前記付勢手段は、前記第１カムの位相と前記第２カムの位相とが一致する方向に前記相対回転力を付与し、
前記ロック手段は、前記アウタカムシャフトと前記インナカムシャフトとのどちらか他方を最遅角位置で前記第１回転部材に結合することを特徴とする、請求項１に記載された開弁特性可変型内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カム位相可変機構と２重式カムシャフトとを備えた開弁特性可変型内燃機関に係り、単一のＶＴＣアクチュエータをもってカム位相と開角（開弁角度幅）とを可変制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
４サイクルガソリンエンジン（以下、単にエンジンと記す）では、出力および燃費の向上や有害排出ガス成分の低減等を図るべく、種々の可変動弁機構を搭載したものが多くなっている。可変動弁機構としては、低速型カムと高速型カムとを切り換えるものが従来より存在するが、近年ではカム位相とバルブリフトとを個別に連続可変制御することで過渡特性の更なる向上やスロットルレス化等を実現したものが主流となってきている。
【０００３】
カム位相の可変制御に供されるバルブタイミングコントロール装置（Variable Timing Control Device：以下、ＶＴＣと記す）は、シリンダヘッドにおけるカムシャフトの端部付近に設置された油圧アクチュエータ（以下、ＶＴＣアクチュエータと記す）や、ＶＴＣアクチュエータへの供給油圧（エンジン油圧）を制御するための油圧制御弁等から構成されている。このＶＴＣアクチュエータは、複数枚のベーンを有するロータと、ロータを相対回転可能に収納するハウジングとを有し、ハウジングに形成された進角室と遅角室とに作動油（エンジンオイル）を適宜供給することでロータとハウジングとを相対回転させる構造が採られており、ロータがカムシャフト側に固着される一方でハウジングにカムスプロケットが一体化されている（特許文献１参照）。
【０００４】
一方、本出願人は、吸気カムシャフトを固定側のアウタカムシャフトと可動側のインナカムシャフトとからなる２重構造とし、位相変更手段（ＶＴＣアクチュエータと同様の油圧アクチュエータ）によってアウタカムシャフトとインナカムシャフトとの位相を異ならせることにより、吸気開角（開弁から閉弁までの期間に対応する開弁角度幅）を可変制御する可変開角動弁装置を過去に提案した。この装置では、アウタカムシャフトに形成された固定吸気カムとインナカムシャフトに形成された可動吸気カムとが同一のカムプロフィールを有しており、アウタカムシャフトとインナカムシャフトとの位相が同一である場合には通常の吸気カムと同様に機能し、アウタカムシャフトとインナカムシャフトとの位相をずらすと（アウタカムシャフトに対してインナカムシャフトを相対回転させると）、固定吸気カムの高位部と可動吸気カムの高位部とが円周方向に連続することで吸気開角が大きくなる（特許文献２参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１のＶＴＣでは、カムシャフトの位相を進角側や遅角側に連続的に変化させることができるものの吸排気の開角は一定であり、特許文献２の可変開角動弁装置では、吸気開角を連続的に変化させることができるもののカムシャフトの位相が固定であるため、どちらか一方を採用しても望ましい開弁特性が得られないことがあった。例えば、排気側おいては、低回転高負荷運転領域でカム位相を最遅角にするとともに開角を小さくしてノッキングを抑制する一方、高回転高負荷運転領域ではカム位相を進角させるとともに排気開角を大きくして（吸排気オーバラップを確保して）確実な掃気を行うことが求められる。しかしながら、このような開弁特性を実現すべく特許文献１のＶＴＣと特許文献２の可変開角動弁装置との双方を排気カムシャフトに適用することは、ＶＴＣアクチュエータと位相変更手段とをシリンダヘッドに併設することになり、設置スペースを確保することが難しくなるだけでなく、機構の複雑化や構成備品点数の増大が許容できる範囲を越えてしまうため、量産エンジン用の可変動弁機構として非現実的であった。
【０００６】
本発明は、このような背景に鑑みなされたもので、単一のＶＴＣアクチュエータをもってカム位相と開角との可変制御を実現した開弁特性可変型内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る開弁特性可変型内燃機関は、カム位相と開角とが可変制御される開弁特性可変型内燃機関であって、バルブ（３）の開閉に供される第１カム（６８）が外周に形成されるとともに、当該バルブの開閉に供される第２カム（７３）が相対回転可能に外嵌するアウタカムシャフト（６１）と、前記アウタカムシャフトに相対回転可能に内設され、前記第２カムと一体に回転するインナカムシャフト（６２）と、前記アウタカムシャフトと前記インナカムシャフトとの間に介装され、当該アウタカムシャフトと当該インナカムシャフトとに相対回転力を付与する付勢手段（６３）と、クランクシャフトに同期して回転する第１回転部材（２２）と、前記アウタカムシャフトと前記インナカムシャフトとのどちらか一方と一体に回転するとともに、前記第１回転部材に相対回転可能に連結された第２回転部材（２３）とを有し、前記第１回転部材および前記第２回転部材の間に形成された進角側油圧室（５１ａ〜５４ａ）と遅角側油圧室（５１ｂ〜５４ｂ）とに連絡する油圧回路（５５，５６）を切り換えることにより、前記アウタカムシャフトと前記インナカムシャフトとのどちらか一方のカム位相を変化させるカム位相可変手段（２１）と、前記アウタカムシャフトと前記インナカムシャフトとのどちらか他方を所定のカム位相で前記第１回転部材に結合するロック手段（３６）とを備えた。
【０００８】
また、本発明の第２の側面では、前記アウタカムシャフトおよび前記インナカムシャフトが排気カムシャフトであり、前記付勢手段は、前記第１カムの位相と前記第２カムの位相とが一致する方向に前記相対回転力を付与し、前記ロック手段は、前記アウタカムシャフトと前記インナカムシャフトとのどちらか他方を最遅角位置で前記第１回転部材に結合する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、例えばカム位相可変手段によってアウタカムシャフトとインナカムシャフトとを所定のカム位相に一体に回転させた後、ロック手段によって両カムシャフトのどちらか一方を第１回転部材に結合させる。次に、カム位相可変手段によって両カムシャフトのどちらか他方を回転させると、両カムシャフトのカム位相がずれて開角が増大する。また、アウタカムシャフトおよびインナカムシャフトが排気カムシャフトであるものでは、所定の運転領域で両カムシャフトのカム位相を最遅角にするとともに開角を小さくしてノッキングを抑制できる一方、両カムシャフトの一方を最遅角でロックした状態で他方を進角させることで排気開角を大きくして確実な掃気を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態に係る自動車用エンジンの要部透視斜視図である。
【図２】実施形態に係る排気側可変動弁機構の分解斜視図である。
【図３】実施形態に係る排気側可変動弁機構の正面図である。
【図４】図３中のＩＶ−ＩＶ断面図である。
【図５】図４中のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】実施形態における始動時の作用を示す模式図である。
【図７】実施形態における始動時の作用を示すグラフである。
【図８】実施形態における通常運転領域での作用を示す模式図である。
【図９】実施形態における低回転高負荷運転領域での作用を示す模式図である。
【図１０】実施形態における高回転高負荷運転領域での作用を示す模式図である。
【図１１】実施形態における高回転高負荷運転領域での作用を示す模式図である。
【図１２】実施形態における高負荷運転領域での作用を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明に係る開弁特性可変型内燃機関の一実施形態を詳細に説明する。
【００１２】
≪実施形態の構成≫
＜全体構成＞
図１に示すエンジン（開弁特性可変型内燃機関）Ｅは、自動車に搭載されるＤＯＨＣ４バルブ型の４サイクル直列４気筒ガソリンエンジンであり、そのシリンダヘッド１に、各気筒２本ずつの吸気バルブ２および排気バルブ３、これら吸排気バルブ２，３を駆動する吸気カムシャフト４および排気カムシャフト５を備えている。両カムシャフト４，５は、クランクスプロケット６、カムチェーン７、吸気カムスプロケット８、排気カムスプロケット９を介して、クランクシャフト１０によって１／２の回転速度をもって回転駆動される。また、クランクシャフト１０は、コネクティングロッド１１を介してピストン１２に連結されるとともに、チェーン１３を介して斜め下方に設置されたオイルポンプ（作動油供給源）１４を駆動する。吸気カムシャフト４の前端には吸気側ＶＴＣアクチュエータ２０が取り付けられ、排気カムシャフト５の前端には排気側ＶＴＣアクチュエータ２１が取り付けられ、シリンダヘッド１およびシリンダブロック１５にはオイルポンプ１４からの作動油（エンジンオイル）を両ＶＴＣアクチュエータ２０，２１に供給するための油路１６が形成されている。
【００１３】
＜可変動弁機構＞
図２に示すように、排気側ＶＴＣアクチュエータ（以下、単にＶＴＣアクチュエータと記す）２１は、外周に排気カムスプロケット９が形成されたハウジング（第１回転部材）２２、ハウジング２２内に回転自在に保持されるロータ（第２回転部材）２３、ロータ２３の軸心に圧入等によって固着・一体化される円筒状のロータエクステンション２４、ハウジング２２の前面を覆うフロントカバー２５、ハウジング２２の後面を覆うバックプレート２６、ロータエクステンション２４の軸心に保持されたオイルコントロールバルブ（以下、ＯＣＶと記す）３０、エンジンＥＣＵ（図示せず）に制御されることでＯＣＶ３０を駆動するリニアソレノイド３１、ロータ２３に軸方向摺動自在に保持された第１ロックピン３３、第１ロックピン３３をバックプレート２６側に付勢する第１ロックピンスプリング３４、ハウジング２２に軸方向摺動自在に保持された第２ロックピン３６、第２ロックピン３６を排気カムシャフト５側に付勢する第２ロックピンスプリング３７等を構成要素としている。
【００１４】
図３に示すように、ロータ２３の外周には第１〜第４ベーン４１〜４４が立設される一方、ハウジング２２の内周にはこれらベーン４１〜４４を所定角度をもって相対回動自在に収容する第１〜第４ベーン室５１〜５４が形成されている。ハウジング２２やロータ２３には、ＯＣＶ３０からの作動油を第１〜第４ベーン室５１〜５４の進角側油室５１ａ〜５４ａに供給する進角側油路５５と、ＯＣＶ３０からの作動油を第１〜第４ベーン室５１〜５４の遅角側油室５１ｂ〜５４ｂに供給する遅角側油路５６と、油路１６からの作動油を第１ロックピン３３に供給する第１ロック解除油路５７とが形成されている。また、バックプレート２６には、図示しないスプールバルブ等からの作動油を第２ロックピン３６に供給する第２ロック解除油路５８が形成されている。
【００１５】
図４にも示すように、第１ロックピン３３および第１ロックピンスプリング３４が第１ベーン４１に収容される一方、バックプレート２６にはロータ２３の最遅角位置で第１ロックピン３３の先端が嵌入するロックピンキャッチ３８が嵌着されている。また、第２ロックピン３６および第２ロックピンスプリング３７がハウジング２２における第２ベーン室５２と第３ベーン室５３との間に収容される一方、排気カムシャフト５のフランジ部６５（後述）には第２ロックピン３６の先端が嵌入するロックピンキャッチ３９が嵌着されている。なお、図４では、第１，第２ロックピン３３，３６がロックピンキャッチ３８，３９にそれぞれ嵌入した状態を示している。
【００１６】
＜排気カムシャフト＞
図４，図５にも示すように、排気カムシャフト５は、カムホルダ６０に回転自在に保持されたアウタカムシャフト６１と、アウタカムシャフト６１に相対回転可能に内嵌したインナカムシャフト６２と、インナカムシャフト６２に対してアウタカムシャフト６１を進角側に常時付勢するバイアススプリング（ねじりコイルスプリング）６３とから構成されている。
【００１７】
アウタカムシャフト６１は、ＶＴＣアクチュエータ２１のバックプレート２６に対峙するフランジ部６５を有するとともにその外周がカムホルダ６０の内周に摺接するベース６６と、ベース６６に圧入・一体化された中空のシャフト本体６７と、シャフト本体６７に外嵌・一体化された一対の第１カム６８とを有している。なお、第１カム６８は、圧入や焼き嵌め等により、シャフト本体６７に強固に一体化されている。
【００１８】
インナカムシャフト６２は、ロータエクステンション２４の後端（図４中、右端）に圧入・一体化された中実のシャフト本体７１と、シャフト本体７１に固定ピン７２を介して固着された第２カム７３とを有している。第２カム７３は、第１カム６８に挟まれた状態で、アウタカムシャフト６１の外周に相対回転自在に遊嵌している。また、アウタカムシャフト６１のシャフト本体６７には固定ピン７２が遊嵌する長孔６９が形成されており、固定ピン７２（すなわち、第２カム７３）が第１カム６８に対して所定の角度範囲で相対回転可能となっている。
【００１９】
バイアススプリング６３は、その両端がアウタカムシャフト６１とインナカムシャフト６２とに各々圧入された係止ピン７５，７６に掛けられており、アウタカムシャフト６１をインナカムシャフト６２に対して進角方向に常時付勢している。第１カム６８は、通常時においてはバイアススプリング６３に付勢されることで第２カム７３と重なるが（そのカム位相が第２カム７３と同一となるが）、外力が加わることによって図５中に二点差線で示すように第２カム７３に対して遅角側に回転する。
【００２０】
≪実施形態の作用≫
以下、図６〜図１２の模式図やグラフも参照して本実施形態の作用を説明する。
＜エンジン始動時＞
エンジンＥの始動時には、十分な作動油がＶＴＣアクチュエータ２１に供給されないため、カムトルクによってハウジング２２内でロータ２３が不用意に回転することを防止すべく、図６に示すように、前回の停止時に第１ロックピン３３によってロータ２３が最進角位置に保持される。なお、第２ロックピン３６は、第２ロック解除油路５８からの作動油が供給されず排気カムシャフト５のフランジ部６５に押し付けられるが、角度位相が異なることによりロックピンキャッチ３９に嵌入することはない。そのため、アウタカムシャフト６１は、バイアススプリング６３に付勢されてインナカムシャフト６２と一体に回転する。この状態では、図７に示すように、吸気開角と排気開角とがオーバラップしないため、確実な始動が可能となる。
【００２１】
＜中低負荷運転領域＞
エンジンＥが始動すると、油路１６からの作動油が第１ロック解除油路５７を介して第１ロックピン３３に供給される一方、エンジンＥＣＵは、第２ロック解除油路５８を介して第２ロックピン３６に作動油を供給する。これにより、第１ロックピン３３によるロータ２３とハウジング２２との結合が断たれ、ロータ２３が進角側あるいは遅角側に回転することが可能となる。そして、第２ロックピン３６を解除側に付勢する油圧が加わるため、第２ロックピン３６がロックピンキャッチ３９上を通過しても、第２ロックピン３６とロックピンキャッチ３９とが係合しなくなる。これにより、エンジンＥＣＵが進角側油路５５や遅角側油路５６を介して進角側油室５１ａ〜５４ａまたは遅角側油室５１ｂ〜５４ｂに作動油を供給することで、図８に示すように、ロータ２３が進角側あるいは遅角側に回転してインナカムシャフト６２（第２カム７３）のカム位相が変化するが、この場合もアウタカムシャフト６１はバイアススプリング６３に付勢されてインナカムシャフト６２と一体に回転する。
【００２２】
＜高負荷運転領域＞
エンジンＥが低回転低負荷運転状態にあるときに運転者がアクセルペダルを強く踏み込むと（すなわち、低回転高負荷運転領域に移行すると）、エンジンＥＣＵは、図９に示すように、先ず遅角側油路５６を介して遅角側油室５１ｂ〜５４ｂに作動油を供給する一方、第２ロックピン３６の作動油を第２ロック解除油路５８から排出させる。これにより、ロータ２３が遅角側に回転してアウタカムシャフト６１（第１カム６８）およびインナカムシャフト６２（第２カム７３）のカム位相は最遅角となるとともに、アウタカムシャフト６１（ベース６６のフランジ部６５）が第２ロックピン３６によってハウジング２２に固定される。
【００２３】
加速に伴ってエンジンＥの回転速度が上昇すると（すなわち、高回転高負荷運転領域に移行すると）、エンジンＥＣＵは、第２ロックピン３６の作動油を第２ロック解除油路５８から排出させた状態で、進角側油路５５を介して進角側油室５１ａ〜５４ａに作動油を供給する。これにより、図１０に示すように、ロータ２３が進角側に回転してインナカムシャフト６２（第２カム７３）のカム位相は進角する（図１０は、最進角状態を示す）が、アウタカムシャフト６１（第１カム６８）は、第２ロックピン３６によってハウジング２２に固定されていることから、図１１に示すようにそのカム位相が最遅角のままとなる。その結果、第１カム６８の高位部と第２カム７３の高位部とが円周方向に連続することで排気開角が有意に大きくなる。
【００２４】
本実施形態ではこのような構成を採ったことにより、図１２（ａ）に示すように、低回転高負荷運転領域においては、小さな開角のまま排気バルブ３の開弁タイミングを遅くするとともに吸排気オーバラップを確保することにより、燃焼室の掃気が促されるとともに点火順序が隣り合う気筒からの排気脈動の影響も少なくなってノッキングが抑制される。また、図１２（ｂ）に示すように、高回転高負荷運転領域においては、排気効率を高めるべく排気バルブ３の開弁タイミングを早くしても、開角が大きくなることで適正な吸排気オーバラップが確保され、確実な掃気による出力の向上等が実現される。
【００２５】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこれらに限られるものではない。例えば、上記実施形態は排気側の動弁機構に本発明を適用したものであるが、本発明は吸気側の動弁機構にも当然に適用可能である。また、上記実施形態では、アウタカムシャフトが最遅角位置でハウジングに固定されるものとしたが、最遅角と最進角との間の任意の位置で固定されるようにしてもよいし、複数の位置で固定される（例えば、複数の第２ロックピンやロックピンキャッチを用いることにより、開角を多段階に可変制御する）ものとしてもよい。また、上記実施形態ではインナカムシャフトがロータと一体に回転し、アウタカムシャフトが第２ロックピンによってハウジングに固定されるものとしたが、アウタカムシャフトがロータと一体に回転し、インナカムシャフトが第２ロックピンによってハウジングに固定されるものとしてもよい。また、上記実施形態では、ロータとロータエクステンションとの接合や、ロータエクステンションとインナカムシャフトとの接合に圧入を採用したが、これらをセレーションやスプライン等によって接合させるようにしてもよい。また、上記実施形態では、ＶＴＣアクチュエータをＯＣＶによって駆動し、第２ロックピンを別のスプールバルブによって駆動するようにしたが、ＶＴＣアクチュエータと第２ロックピンとを単一の油圧制御弁で駆動するようにしてもよい。また、第２ロックピンをロックピンキャッチに係合させるにあたり、上記実施形態では第２ロック解除油路を介して第２ロックピンから作動油を積極的に排出させるようにしたが、第２ロックピンへの作動油の供給を停止し、各部材（ハウジングや第２ロックピン等）の間隙から作動油を漏洩させることで第２ロックピンに加わる油圧を低減させてもよい。その他、ＶＴＣアクチュエータやカムシャフトの具体的機構をはじめ、エンジンの具体的構成等についても、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。
【符号の説明】
【００２６】
３      排気バルブ
５      排気カムシャフト
１０    クランクシャフト
２１    排気側ＶＴＣアクチュエータ（カム位相可変手段）
２２    ハウジング（第１回転部材）
２３    ロータ（第２回転部材）
３６    第２ロックピン（ロック手段）
５１ａ〜５４ａ  進角側油室
５１ｂ〜５４ｂ  遅角側油室
５５    進角側油路（油圧回路）
５６    遅角側油路（油圧回路）
６１    アウタカムシャフト
６２    インナカムシャフト
６３    バイアススプリング（付勢手段）
６８    第１カム
７３    第２カム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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