(57)【要約】【課題】内燃機関の可変動弁機構の構造を簡単化及び簡素化することができて、従来技術の内燃機関の動弁機構にも組み入れ易く、大きな設計変更を必要としない内燃機関の可変動弁機構を提供する。【解決手段】内燃機関の可変動弁機構において、カム１５からの変位をバルブシャフト１２ａの軸方向の変位に転換する変位転換機構の一部に圧電素子１７ａを設けて構成すると共に、低バルブリフト量でバルブ１２を開閉するときは、圧電素子１７ａを体積膨張させず、高バルブリフト量でバルブ１２を開閉するときは、圧電素子１７ａに電圧を印加して体積膨張させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気弁又は排気弁のバルブをバルブスプリングの付勢力により閉弁し、カム軸に固定されたカムからの変位を直接又は間接にバルブシャフトの軸方向の変位に転換して、前記バルブスプリングの付勢力に抗して前記バルブを開弁すると共に、そのバルブリフト量を可変させる内燃機関の可変動弁機構において、
前記カムからの変位を前記バルブシャフトの軸方向の変位に転換する変位転換機構の一部に圧電素子を設けて構成すると共に、
低バルブリフト量で前記バルブを開閉するときは、前記圧電素子を体積膨張させず、高バルブリフト量で前記バルブを開閉するときは、前記圧電素子に電圧を印加して体積膨張させることを特徴とする内燃機関の可変動弁機構。
【請求項２】
高バルブリフト量で前記バルブを開閉弁するときにおいて、前記圧電素子に電圧を印加して体積膨張させる期間を、前記カムのみによるバルブリフト量が、前記カムのみによる最大バルブリフト量の３０％以上１００％以下の範囲内で設定された設定バルブリフト量を超えている期間の間のみとすることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の可変動弁機構。
【請求項３】
前記変位転換機構の一部にブリッジがある場合には、前記ブリッジの一部又は全部を前記圧電素子で形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の可変動弁機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カム軸に設けたカムにより吸気弁又は排気弁のバルブをリフトさせる内燃機関の可変動弁機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
カム軸に設けたカムによりロッカーアームを介したりして吸気弁又は排気弁のバルブをリフトさせる内燃機関の可変動弁機構は、エンジンの燃焼サイクルに応じて、吸気弁及び排気弁を開閉させると共に、エンジンの運転状態に応じて、そのバルブリフト量を変更させてエンジンの出力を最適化している。例えば、エンジンが高回転している時には、吸気弁及び排気弁のバルブリフト量を変化させて、エンジンの低回転時より大きくすることにより、エンジンの出力の増加による、気筒内に導入される空気量と気筒内から排出される排気ガス量の増加に対応している。
【０００３】
この内燃機関の可変動弁機構の従来技術の一例を図５及び図６に示す。図５は吸気弁又は排気弁のバルブリフト量が低量である場合（低リフト）を示し、図６はバルブリフト量が高量である場合（高リフト）を示している。図５及び図６に示すように、この内燃機関の可変動弁機構１０Ｘは、カム軸１４、カム１５、センターロッカーアーム１８Ｘ、ロッカーアーム１６、このロッカーアーム１６の制御軸１６ａを駆動するモータ（図示しない）、スイングカム１９Ｘ、バルブ１２等を備えた構造である。
【０００４】
低リフト時では、カム軸１４が回転すると、カム１５のカム山の動きが、センターロッカーアーム１８Ｘ、ロッカーアーム１６、バルブ１２へと伝達されて、バルブ１２がリフトする。一方、高リフト時では、モータにより制御軸１６ａを回転させて、センターロッカーアーム１８Ｘの支点１８Ｘａの位置をＡ点（図５）からＢ点（図６）に移動させる。これにより、センターロッカーアーム１８Ｘの回転量が大きくなり、バルブ１２のバルブリフト量が高くなる。なお、スイングカム１９Ｘは、センターロッカーアーム１８Ｘの動きを規制している。
【０００５】
しかし、このような内燃機関の可変動弁機構１０Ｘにおいては、バルブリフト量が一定の動弁機構に対して、スイングカム１９Ｘ、センターロッカーアーム１８Ｘ等の部品が追加で必要となり、これらの部品はカム軸１４の上方に配置する必要があるため、スペースを取るという問題がある。
【０００６】
一方、エンジンに供給する水素の量を、水素供給管に設けた圧力制御弁と、リフトと開放時間を制御できる水素供給弁で制御するようにした水素エンジンにおいて、この水素供給弁を、多数のピエゾ素子を積層して、印加電圧に応じて厚さを増大させる電歪アクチュエータで制御する水素エンジンにおける燃料制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
しかしながら、この水素エンジンにおける燃料制御方法では、ピエゾ素子による水素供給弁の制御方法が提案されてはいるが、内燃機関の動弁機構にピエゾ素子を用いることは記載も示唆もない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平４−３１８２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、上記のことを鑑みてなされたものであり、その目的は、内燃機関の可変動弁機構の構造を簡単化及び簡素化することができて、従来技術の内燃機関の動弁機構にも組み入れ易く、大きな設計変更を必要としない内燃機関の可変動弁機構を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関の可変動弁機構は、内燃機関の吸気弁又は排気弁のバルブをバルブスプリングの付勢力により閉弁し、カム軸に固定されたカムからの変位を直接又は間接にバルブシャフトの軸方向の変位に転換して、前記バルブスプリングの付勢力に抗して前記バルブを開弁すると共に、そのバルブリフト量を可変させる内燃機関の可変動弁機構において、前記カムからの変位を前記バルブシャフトの軸方向の変位に転換する変位転換機構の一部に圧電素子を設けて構成すると共に、低バルブリフト量で前記バルブを開閉するときは、前記圧電素子を体積膨張させず、高バルブリフト量で前記バルブを開閉するときは、前記圧電素子に電圧を印加して体積膨張させるように構成される。
【００１１】
この構成によれば、カムのみで低バルブリフト量を実現し、変位転換機構の一部に圧電素子（ピエゾ素子）を設けると共に、この圧電素子を体積膨張させるための電圧を印加する電圧制御装置を設けるだけで、内燃機関の動弁機構を内燃機関の可変動弁機構にすることができるので、センターロッカーアームやスイングカム等の部品を必要とせず、内燃機関の可変動弁機構の構造を簡単化及び簡素化することができる。
【００１２】
また、内燃機関の動弁機構の変位転換機構の一部に圧電素子を組み入れたり、変位転換機構の一部を圧電素子で形成したりするだけなので、従来技術の内燃機関の動弁機構にも組み入れ易く、また、大きな設計変更を必要としない。
【００１３】
さらに、カムのリフト量に圧電素子の体積膨張に起因する変位量を加えることで高バルブリフト量を実現しているので、圧電素子の膨張量は高バルブリフト量と低バルブリフト量との差分のみとなり、高バルブリフト用として要求される圧電素子の体積膨張量を、カムを使用しないで圧電素子の体積膨張量のみでバルブをリフトする場合に比べて、著しく小さくすることができる。
【００１４】
また、上記の内燃機関の可変動弁機構において、高バルブリフト量で前記バルブを開閉弁するときにおいて、前記圧電素子に電圧を印加して体積膨張させる期間を、前記カムのみによるバルブリフト量が、前記カムのみによる最大バルブリフト量の３０％以上１００％以下、好ましくは５０％以上１００％以下、より好ましくは８０％以上１００％以下の範囲内で設定された設定バルブリフト量を超えている期間の間のみとするように構成されると、次の効果を奏することができる。
【００１５】
つまり、バルブの着座時、あるいは、その付近のカムアングルにおいても、圧電素子の体積膨張を継続させていると、バルブが弁座に着座せず、隙間が生じて完全に閉弁できなくなる場合が生じるが、これを防止するために、圧電素子への電圧印加の期間を設定バルブリフト量を超えている期間に限定して、カムによりバルブリフト量が比較的高くなっている領域でのみ圧電素子の体積膨張による変位の増加分を上乗せしてバルブリフト量を高くしている。従って、カムによりバルブリフト量が比較的低くなってくるバルブの着座時は、カムのみによるバルブリフト量となるので、確実に着座でき、バルブを完全に閉弁できる。
【００１６】
なお、設定バルブリフト量が大きい程、即ち１００％に近づくほど、電圧の印加期間を短縮できるので、省エネルギーの面からは好ましいが、バルブリフトカーブが滑らかにならないので、この設定バルブリフト量は、目標とするバルブリフトカーブに応じて設定される。
【００１７】
上記の内燃機関の可変動弁機構において、前記変位転換機構の一部にブリッジがある場合には、前記ブリッジの一部又は全部を前記圧電素子で形成すると、圧電素子の体積膨張による変位の増加量がそのまま、カムの変位量に加わる高バルブリフトの増加変位量になるので、変位増加量の計算が単純化し、圧電素子の設計が著しく簡単化する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の内燃機関の可変動弁機構によれば、カムのみで低バルブリフト量を実現し、変位転換機構の一部に圧電素子（ピエゾ素子）を設けると共に、この圧電素子を体積膨張させるための電圧を印加する電圧制御装置を設けるだけで、内燃機関の動弁機構を可変動弁機構にすることができるので、スイングカムやセンターロッカーアーム等の部品を必要とせず、可変動弁機構の構造を簡単化及び簡素化することができる。また、動弁機構の変位転換機構の一部に圧電素子を組み入れたり、変位転換機構の一部を圧電素子で形成したりするだけなので、従来技術の内燃機関の動弁機構にも組み入れ易く、また、大きな設計変更を必要としない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る実施の形態の内燃機関の可変動弁機構の構成を模式的に示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の内燃機関の可変動弁機構を用いた場合の、吸気弁の高バルブリフトと低バルブリフトを示す図である。
【図３】高バルブリフトにおける圧電素子への電圧の印加状況を示す図である。
【図４】従来技術に係る内燃機関の動弁機構の一例を示す図である。
【図５】従来技術に係る内燃機関の可変動弁機構で、吸気弁又は排気弁のバルブの低バルブリフトの状態を示す図である。
【図６】従来技術に係る内燃機関の可変動弁機構で、吸気弁又は排気弁のバルブの高バルブリフトの状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関の可変動弁機構について図面を参照しながら説明する。なお、ここでは、ＯＨＣ式の動弁機構を基に説明するが、本発明は、これに限定されずに、ＯＨＶ式の動弁機構等でも適用可能である。
【００２１】
最初に、本発明と従来技術との差を明確にするために、図４に示すような、従来技術に係る内燃機関の動弁機構１０Ｙについて説明する。この動弁機構１０Ｙは、本発明のような可変動弁機構ではなくバルブリフト量は一定であり、シリンダヘッドカバー１１、シリンダヘッド２０の内部に配設された吸気弁又は排気弁のバルブ１２をバルブスプリング１３の付勢力により閉弁し、この付勢力に抗して、カム軸１４に固定されたカム１５からの変位をロッカーアーム１６を介してブリッジ１７Ｙに伝達し、このブリッジ１７Ｙの変位によりバルブシャフト１２ａをその軸方向に変位させて、バルブ１２を開弁する動弁機構である。
【００２２】
つまり、内燃機関の吸気弁又は排気弁のバルブ１２をバルブスプリング１３の付勢力により閉弁し、カム軸１４に固定されたカム１５からの変位をロッカーアーム１６を介して間接にバルブシャフト１２ａの軸方向の変位に転換して、バルブスプリング１３の付勢力に抗してバルブ１２を開弁する。
【００２３】
この動弁機構１０Ｙでは、バルブ１２のバルブリフト量を変化させないので、図５及び図６に示す可変動弁機構１Ｘのセンターロッカーアーム１８Ｘ、スイングカム１９Ｘは備えていない。
【００２４】
そして、図１に示すように、本発明に係る実施の形態の可変動弁機構１０は、カム１５の変位をバルブシャフト１２ａの軸方向の変位に転換する変位転換機構の一部、ここでは、ロッカーアーム１６の変位を２つのバルブシャフト１２ａに伝達するブリッジ１７に圧電素子（ピエゾ素子）１７ａを設けて構成される。
【００２５】
言い換えれば、図４に示す内燃機関の動弁機構１０Ｙのブリッジ１７Ｙに圧電素子１７ａを組み入れるか、ブリッジ１７Ｙの一部又は全部を圧電素子１７ａで形成したブリッジ１７に置き換えて構成される。なお、図１では、見易くするためにバルブスプリング１３を省いて図示している。
【００２６】
このブリッジ１７の一部又は全部を圧電素子１７ａで形成すると、圧電素子１７ａの体積膨張による変位増加量がそのまま、カム１５の変位量に加わる高バルブリフトの増加変位量になるので、変位増加量の計算が単純化し印加する電圧の制御が容易となり、また、圧電素子１７ａの設計が著しく簡単化する。
【００２７】
なお、ブリッジ１７を設けない場合には、バルブシャフト１２ａとロッカーアーム１６との接触する部分に圧電素子１７ａを配設するか、バルブシャフト１２ａの上端側（弁体とは反対側）の一部を圧電素子１７ａで形成する。
【００２８】
また、圧電素子１７ａに印加する電圧を制御する電圧制御装置２１を設け、低バルブリフト量でバルブ１２を開閉するときは、圧電素子１７ａに電圧を印加することなく圧電素子１７ａを体積膨張させず、一方、高バルブリフト量でバルブ１２を開閉するときは、電圧制御装置２１から圧電素子１７ａに電圧を印加して圧電素子１７ａを体積膨張させる。
【００２９】
例えば、内燃機関の運転状態が低負荷又は低回転であり、低バルブリフトで開閉弁する場合は、圧電素子１７ａに電圧を印加しないで、カム１５のみの変位でバルブ１２のバルブリフトを行い、内燃機関の運転状態が高負荷又は高回転であり、高バルブリフトで開閉弁する場合は、圧電素子１７ａに電圧を印加して体積膨張させて、カム１５の変位量に加えて圧電素子１７ａの体積膨張に起因する変位を上乗せして、バルブ１２のバルブリフト量を大きくする。即ち、内燃機関の運転状態に応じて、この圧電素子１７ａに印加する電圧の大きさを変化してその体積膨張を変化させることで、バルブ１２のバルブリフト量を変化させる。
【００３０】
この構成によれば、変位転換機構の一部に、即ち、ロッカーアーム１６とバルブシャフト１２ａとの間に介在するブリッジ１７に、圧電素子１７ａを組み入れることで、又は、ブリッジ１７の一部又は全部を圧電素子１７ａで形成することで、内燃機関の動弁機構１０Ｙを内燃機関の可変動弁機構１０に変化させることができるので、図５及び図６に示すような内燃機関の可変動弁機構１０Ｘのスイングカム１９Ｘやセンターロッカーアーム１８Ｘ等の部品を必要とせず、内燃機関の可変動弁機構１０の構造を単純化及び簡素化することができる。
【００３１】
また、変位転換機構の一部のブリッジ１７に圧電素子１７ａを組み入れたり、変位転換機構の一部を圧電素子１７ａで形成したりするだけなので、従来技術の内燃機関の動弁機構に組み入れ易く、大きな設計変更を必要としない。
【００３２】
さらに、カム１５のリフト量に圧電素子１７ａの体積膨張に起因する変位量を加えることで高バルブリフト量を実現しているので、圧電素子１７ａで必要とされる体積膨張による変位量は高バルブリフト量と低バルブリフト量との差分となるので、高バルブリフト用として要求される圧電素子１７ａの体積膨張量を、カム１５を使用しないで圧電素子の体積膨張量のみでバルブ１２をリフトする場合に比べて、著しく小さくすることができる。
【００３３】
また、内燃機関の可変動弁機構１０において、高バルブリフト量でバルブ１２を開閉弁するときは、図２及び図３に示すように、圧電素子１７ａに電圧を印加して体積膨張させる期間Ｔ１を、カム１５のみによるバルブリフト量が、カム１５のみによる最大バルブリフト量の３０％以上１００％以下、好ましくは５０％以上１００％以下、より好ましくは８０％以上１００％以下の範囲内で設定された設定バルブリフト量を超えている期間の間のみとするように構成する。
【００３４】
つまり、バルブ１２の着座時、あるいは、その付近のカムアングルにおいても、圧電素子１７ａの体積膨張を継続させていると、バルブ１２が弁座（図示しない）に着座せず、バルブ１２と弁座の間に隙間が生じて完全に閉弁できなくなる場合が生じる。これを防止するために、圧電素子１７ａへの電圧印加の期間Ｔ１を設定バルブリフト量Ｌ１を超えている期間に限定して、カム１５によりバルブリフト量（細線）が比較的高くなっている領域でのみ圧電素子１７ａの体積膨張による変位の増加分ΔＬを上乗せしてバルブリフト量（図２の太線）を高くしている。従って、バルブ１２の着座時は、カム１５のみによるバルブリフト量（図２の細線）となるので、確実に着座でき、バルブ１２を完全に閉弁できる。
【００３５】
なお、設定バルブリフト量Ｌ１が大きい程、即ち１００％に近づくほど、電圧の印加期間Ｔ１を短縮できるので、設定バルブリフト量Ｌ１を大きくすることが省エネルギーの面からは好ましいが、カム軸１４の回転角とバルブリフト量との関係であるバルブリフトカーブが滑らかになり難くなるので、この設定バルブリフト量Ｌ１の値は、目標とするバルブリフトカーブに応じて設定される。
【００３６】
また、圧電素子１７ａへ印加する電圧の大きさを徐々に大きくしたり小さくしたりすることで、バルブリフトカーブ（細線と太線）を図２に示す点線のように滑らかにすることができるので、バルブリフトカーブを滑らかにする必要がある場合には、圧電素子１７ａへ印加する電圧の大きさを図３に示す点線のように連続的又は段階的に徐々に変化させる。
【００３７】
なお、この実施の形態の内燃機関の可変動弁機構１０では、ブリッジ１７に圧電素子１７ａを設けたが、圧電素子１７ａの体積膨張による変位の増加をバルブシャフト１２ａの軸方向の変位の増加にできればよく、ＯＨＣ（オーバーヘッドカムシャフト）式の場合には、圧電素子１７ａを設ける場所は、ブリッジ１７に限定されず、例えば、ロッカーアーム１６、カム１５に圧電素子を設けてもよい。また、カムノーズの一部、ロッカーアーム１６におけるカム１５に当接する部位、ロッカーアーム１６におけるブリッジ１７が当接する部位等が考えられる。
【００３８】
また、ＯＨＶ（オーバーヘッドバルブシステム）式の動弁機構の場合には、圧電素子を設ける場所としては、カムノーズ、タペット、プッシュロッド、ロッカーアーム等の部材や、これらの部材間の接触部分や、カムとタペットとの間、ロッカーアームとバルブシャフトとの間等が考えられる。
【００３９】
なお、カムがバルブシャフトの一端側に設けられたリフタに当接するリフタ方式の場合には、圧電素子を設ける場所としては、カムノーズ、リフタ等が考えられる。
【００４０】
従って、本発明に係る実施の形態の内燃機関の可変動弁機構１０によれば、カム１５のみで低バルブリフト量を実現し、変位転換機構の一部に圧電素子１７ａを設けると共に、この圧電素子１７ａを体積膨張させるための電圧を印加する電圧制御装置２１を設けるだけで、内燃機関の動弁機構を可変動弁機構１０にすることができるので、図５及び図６に示すようなセンターロッカーアーム１８Ｘやスイングカム１９Ｘ等の部品を必要とせず、内燃機関の可変動弁機構１０の構造を簡単化及び簡素化することができる。
【００４１】
また、動弁機構の変位転換機構の一部に圧電素子１７ａを組み入れたり、変位転換機構の一部を圧電素子１７ａで形成したりするだけなので、従来技術の内燃機関の動弁機構にも組み入れ易く、また、大きな設計変更を必要としない。
【符号の説明】
【００４２】
１０、１０Ｘ  内燃機関の可変動弁機構
１０Ｙ  内燃機関の動弁機構
１１  シリンダヘッドカバー
１２  バルブ
１２ａ  バルブシャフト
１３  バルブスプリング
１４  カム軸
１５  カム
１６  ロッカーアーム
１７、１７Ｙ  ブリッジ
１８Ｘ  センターロッカーアーム
１８Ｘａ  センターロッカーアームの支点
１９Ｘ  スイングカム
２０  シリンダヘッド
【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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