(57)【要約】【課題】カム機構を駆動するための電動機に要求される定格出力やその消費電力を抑えることが可能な内燃機関の動弁装置を提供する。【解決手段】電動機１２の回転運動を、カム軸２０一体回転可能に設けられた二つのカム２１を有するカム機構１４により直線運動に変換して、シリンダ開閉用の弁手段２、３をバルブスプリング２８に抗して駆動する内燃機関の動弁装置１１Ａ、１１Ｂにおいて、弁手段を駆動する際にバルブスプリング２８からカム機構１４へ付加されるトルクを低減するように作用する反トルクをカム機構１４に付加するトルク低減機構３０を二つのカム２１の間に設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機の回転運動を、カム軸に一体回転可能に設けられた複数のカムを有するカム機構により直線運動に変換して、シリンダ開閉用の弁手段をバルブスプリングに抗して駆動する内燃機関の動弁装置において、
前記弁手段を駆動する際に前記バルブスプリングから前記カム機構へ付加されるトルクを低減するように作用する反トルクを前記カム機構に付加するトルク低減機構を備え、
前記トルク低減機構は、前記複数のカムの間に配置されていることを特徴とする内燃機関の動弁装置。
【請求項２】
前記トルク低減機構は、前記カム機構のカムの回転速度に対して１／Ｎ倍（但し、Ｎは整数）の回転速度で連動して回転し、表面にカム面が形成された反位相カムと、前記カム面に接触するカム押え部材と、前記カム押え部材を前記反位相カムのカム面に向かって付勢する付勢部材とを具備し、前記反位相カムのカム面の輪郭は、前記バルブスプリングの反力によって前記カム機構に付加されるバルブスプリングトルクを相殺する反トルクが前記付勢部材から前記反位相カムに付加されるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の動弁装置。
【請求項３】
前記トルク低減機構は、前記カム機構のカムの回転速度に対して１／Ｎ倍（但し、Ｎは整数）の回転速度で連動して回転し、表面にカム面が形成された反位相カムと、前記カム面に接触するカム押え部材と、前記カム押え部材を前記反位相カムのカム面に向かって付勢する付勢部材とを具備し、前記反位相カムの前記カム面の輪郭は、前記バルブスプリングの反力によって前記カム機構に付加されるバルブスプリングトルクと前記弁手段の運動に伴って前記カム機構に付加される慣性トルクとを合成した合成トルクを相殺する反トルクが前記付勢部材から前記反位相カムに付加されるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の動弁装置。
【請求項４】
前記カム機構が前記弁手段に対して最大リフト量を与えるときの前記カム機構のカムの周方向の位置を境として、前記カム機構のカムが前記バルブスプリングの反力により回転方向と逆方向に押し戻される側に位置している間は前記付勢部材から付加される反トルクが前記反位相カムを前記回転方向に押し出す方向に作用し、前記カム機構のカムが前記バルブスプリングの反力により回転方向に押し出される側に位置している間は前記反トルクが前記反位相カムを前記回転方向と逆方向に押し戻す方向に作用するように、前記反位相カムのカム面の輪郭が設定されていることを特徴とする請求項２に記載の動弁装置。
【請求項５】
前記カム機構が前記弁手段に対して最大リフト量を与えるときの前記カム機構のカムの周方向の位置を境として、前記カム機構のカムが前記バルブスプリングの反力により回転方向と逆方向に押し戻される側に位置している間は前記付勢部材から付加される反トルクが前記反位相カムを前記回転方向に押し出す方向に作用し、前記カム機構のカムが前記バルブスプリングの反力により回転方向に押し出される側に位置している間は前記反トルクが前記反位相カムを前記回転方向と逆方向に押し戻す方向に作用するとともに、前記カム機構が前記弁手段に対して最大リフト速度を与える位置を境として、前記リフト速度が増加する範囲に前記カム機構のカムが位置している間は前記バルブスプリングトルクのみを相殺するために必要な反トルクよりも相対的に大きな反トルクが前記反位相カムに作用し、前記リフト速度が減少する範囲に前記カム機構のカムが位置している間は前記バルブスプリングトルクのみを相殺するために必要な反トルクよりも相対的に小さな反トルクが前記反位相カムに作用するように、前記反位相カムのカム面の輪郭が設定されていることを特徴とする請求項３に記載の動弁装置。
【請求項６】
前記トルク低減機構は、前記カム機構のカムの回転速度に対して１／Ｎ倍（但し、Ｎは整数）の回転速度で連動して回転し、表面にカム面が形成された反位相カムと、前記カム面に接触するカム押え部材と、前記カム押え部材を前記反位相カムのカム面に向かって付勢する付勢部材とを具備し、かつ前記付勢部材の圧縮反力が前記バルブスプリングの圧縮反力と前記弁手段の本数との積に等しくなるように設定されている請求項１に記載の動弁装置。
【請求項７】
前記トルク低減機構は、前記カム機構のカムの回転速度に対して１／Ｎ倍（但し、Ｎ≧２の整数）の回転速度で連動して回転し、表面にカム面が形成された反位相カムを具備することを特徴とする請求項１に記載の動弁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の動弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般の内燃機関の吸気弁及び排気弁は、内燃機関のクランク軸から取り出された動力によって開閉駆動されている。近年では電動機によって吸気弁や排気弁を開閉駆動することが試みられている。例えば、カム軸をステッピングモータで回転駆動して吸気弁を開閉させる動弁装置が提案されている（特許文献１）。その他に、本発明に関する先行技術文献として特許文献２が存在する。
【特許文献１】特開平８−１７７５３６号公報
【特許文献２】特開昭５９−６８５０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
カム機構を電動機で駆動して吸気弁や排気弁を開閉する場合、各弁に設けられたバルブスプリングの反発力によってカム機構に付加されるトルク（以下、バルブスプリングトルクと呼ぶ。）に抗する駆動力を電動機から出力する必要がある。このため、バルブスプリングトルクが大きくなると、消費電力の増加や電動機定格の増大を招く。
【０００４】
そこで、本発明は、カム機構を駆動するための電動機に要求される定格出力やその消費電力を抑えることが可能な内燃機関の動弁装置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】
【０００５】
本発明の内燃機関の動弁装置は、電動機の回転運動を、カム軸に一体回転可能に設けられた複数のカムを有するカム機構により直線運動に変換して、シリンダ開閉用の弁手段をバルブスプリングに抗して駆動する内燃機関の動弁装置において、前記弁手段を駆動する際に前記バルブスプリングから前記カム機構へ付加されるトルクを低減するように作用する反トルクを前記カム機構に付加するトルク低減機構を備え、前記トルク低減機構は、前記複数のカムの間に配置されていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。
【０００６】
本発明の動弁装置においては、カム機構がバルブスプリングの反力に抗して弁手段を開閉する際に、弁の開閉運動に同期して周期的に変動するトルクがカム機構に付加される。このトルクを相殺する反トルクをトルク低減機構がカム機構に付加することにより、電動機に負荷として作用するトルクを減少させ、かつその変動も抑えることができる。また、トルク低減機構が複数のカムの間に配置されているので、トルク低減機構がそのように配置されていない場合と比較してトルク低減機構とカムとの間でカム軸が負担するトルクを減少させてカム軸の軸径を小さくできる。カム軸の軸径が小さくなればカム軸の慣性モーメントも減少し電動機の応答性が改善される。
【０００７】
本発明の動弁装置において、前記トルク低減機構は、前記カム機構のカムの回転速度に対して１／Ｎ（但し、Ｎは整数）倍の回転速度で連動して回転し、表面にカム面が形成された反位相カムと、前記カム面に接触するカム押え部材と、前記カム押え部材を前記反位相カムのカム面に向かって付勢する付勢部材とを具備し、前記反位相カムのカム面の輪郭は、前記バルブスプリングの反力によって前記カム機構に付加されるバルブスプリングトルクを相殺する反トルクが前記付勢部材から前記反位相カムに付加されるように設定されてもよい。このような構成によれば、反位相カムを設けてその表面のカム面に押え部材を接触させて付勢部材で押し付けるという簡素な構成により、バルブスプリングトルクを相殺する反トルクを付加することができる。
【０００８】
また、前記トルク低減機構は、前記カム機構のカムの回転速度に対して１／Ｎ（但し、Ｎは整数）倍の回転速度で連動して回転し、外周にカム面が形成された反位相カムと、前記カム面に接触するカム押え部材と、前記カム押え部材を前記反位相カムのカム面に向かって付勢する付勢部材とを具備し、前記反位相カムの前記カム面の輪郭は、前記バルブスプリングの反力によって前記カム機構に付加されるバルブスプリングトルクと前記弁手段の運動に伴って前記カム機構に付加される慣性トルクとを合成した合成トルクを相殺する反トルクが前記付勢部材から前記反位相カムに付加されるように設定されてもよい。この場合には、慣性トルクも考慮して反トルクが設定されるので、電動機に負荷として作用するトルクの変動をより小さく抑えることができる。これにより、特に慣性トルクが大きくなる内燃機関の高回転時に弁手段の制御精度を向上させ、内燃機関の吸気又は排気特性を目標とする特性に精度よく制御することができる。低回転時においても吸気弁又は排気弁の動作特性をより開く方向に変化させることができ、それにより低回転時における吸気効率や排気効率を十分に向上させることができる。
【０００９】
本発明の動弁装置において、トルク低減機構の反位相カムに設けられるべきカム面は、本発明によって付加される反トルクの変化特性によって特徴付けることができる。すなわち、本発明の動弁装置においては、前記カム機構が前記弁手段に対して最大リフト量を与えるときの前記カム機構のカムの周方向の位置を境として、前記カム機構のカムが前記バルブスプリングの反力により回転方向と逆方向に押し戻される側に位置している間は前記付勢部材から付加される反トルクが前記反位相カムを前記回転方向に押し出す方向に作用し、前記カム機構のカムが前記バルブスプリングの反力により回転方向に押し出される側に位置している間は前記反トルクが前記反位相カムを前記回転方向と逆方向に押し戻す方向に作用するように、前記反位相カムのカム面の輪郭が設定されてもよい。
【００１０】
また、特に慣性トルクが考慮される場合においては、前記カム機構が前記弁手段に対して最大リフト量を与えるときの前記カム機構のカムの周方向の位置を境として、前記カム機構のカムが前記バルブスプリングの反力により回転方向と逆方向に押し戻される側に位置している間は前記付勢部材から付加される反トルクが前記反位相カムを前記回転方向に押し出す方向に作用し、前記カム機構のカムが前記バルブスプリングの反力により回転方向に押し出される側に位置している間は前記反トルクが前記反位相カムを前記回転方向と逆方向に押し戻す方向に作用するとともに、前記カム機構が前記弁手段に対して最大リフト速度を与える位置を境として、前記リフト速度が増加する範囲に前記カム機構のカムが位置している間は前記バルブスプリングトルクのみを相殺するために必要な反トルクよりも相対的に大きな反トルクが前記反位相カムに作用し、前記リフト速度が減少する範囲に前記カム機構のカムが位置している間は前記バルブスプリングトルクのみを相殺するために必要な反トルクよりも相対的に小さな反トルクが前記反位相カムに作用するように、前記反位相カムのカム面の輪郭が設定されてもよい。
【００１１】
本発明の動弁装置において、前記トルク低減機構は、前記カム機構のカムの回転速度に対して１／Ｎ倍（但し、Ｎは整数）の回転速度で連動して回転し、表面にカム面が形成された反位相カムと、前記カム面に接触するカム押え部材と、前記カム押え部材を前記反位相カムのカム面に向かって付勢する付勢部材とを具備し、かつ前記付勢部材の圧縮反力が前記バルブスプリングの圧縮反力と前記弁手段の本数との積に等しくなるように設定されてもよい。トルク低減機構の付勢部材の圧縮反力をこのように設定することにより、反位相カムとカムによる吸気弁又は排気弁のリフト特性とを互いに一致させることができる。これにより、カムが有している滑らかなプロファイルに基づいて反位相カムのプロファイルを設定できるので、反位相カムのプロファイルの曲率半径が極端に減少するおそれがない。
【００１２】
また、本発明の動弁装置において、前記トルク低減機構は、前記カム機構のカムの回転速度に対して１／Ｎ倍（但し、Ｎ≧２の整数）の回転速度で連動して回転し、表面にカム面が形成された反位相カムを具備してもよい。この場合には反位相カムの回転速度をカムの回転速度に対して減速させることができる。
【００１３】
本発明の上記態様において、「相殺」の概念はカム機構に作用するトルクを反トルクによって低減する場合、及びそのトルクを完全に解消することのいずれの場合も含む。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、バルブスプリングからカム機構に作用するトルクをトルク低減機構がカム機構に付加する反トルクによって低減することができるので、電動機に負荷として作用するトルクを減少させ、かつそのトルクの変動も抑えることができる。従って、カム機構を駆動するために電動機に対して要求される出力を小さくでき、電動機の消費電力を抑え、電動機に要求される定格出力を低下させることができる。これにより、トルク低減機構が省略される場合と比較して小型の電動機を使用することが可能となる。また、トルク低減機構が複数のカムの間に配置されているので、トルク低減機構がそのように配置されていない場合と比較してトルク低減機構とカムとの間でカム軸が負担するトルクを減少させてカム軸の軸径を小さくできる。これにより、カム軸の慣性モーメントが減少して電動機の応答性が改善される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１の形態）
図１は本発明の動弁装置の一形態を示している。図１の動弁装置１１Ａ、１１Ｂは多気筒レシプロ式の内燃機関に組み込まれる。この内燃機関において、一つのシリンダ１の２本の吸気弁（弁手段）２が一つの動弁装置１１Ａにて駆動され、同一シリンダ１の２本の排気弁（弁手段）３が別の動弁装置１１Ｂにて開閉駆動される。図示を省略した他のシリンダに関しても同様に吸気弁及び排気弁が互いに異なる動弁装置１１Ａ、１１Ｂにて開閉駆動される。吸気側の動弁装置１１Ａと排気側の動弁装置１１Ｂとは基本的に同一の構成を有しており、以下では吸気側の動弁装置１１Ａについて説明する。
【００１６】
吸気側の動弁装置１１Ａは、駆動源としての電動機（以下、モータと呼ぶ。）１２と、モータ１２の回転運動を伝達する伝達機構としてのギア列１３と、ギア列１３から伝達された回転運動を吸気弁２の直線的な開閉運動に変換するカム機構１４とを備えている。モータ１２には、回転速度の制御が可能なＤＣブラシレスモータ等が使用される。モータ１２には、その回転位置を検出するためのレゾルバ、ロータリエンコーダ等の位置検出センサ（不図示）が内蔵されている。ギア列１３は、モータ１２の出力軸（不図示）に取り付けられたモータギア１５の回転を中間ギア１６を介してカム駆動ギア１７に伝達する。ギア列１３はモータギア１５とカム駆動ギア１７とが互いに等しい速度で回転するように構成されてもよいし、モータギア１５に対してカム駆動ギア１７を増速又は減速させるように構成されてもよい。
【００１７】
図２にも示したように、カム機構１４は、カム駆動ギア１７と同軸かつ一体回転可能に設けられたカム軸２０と、カム軸２０に一体回転可能に設けられた二つのカム２１と、各カム２１に対応してロッカーアーム軸２３の回りに揺動可能に支持された一対のロッカーアーム２４とを備えている。カム２１はカム軸２０と同軸の円弧状のベース円２１ｂの一部を半径方向外側に向かって膨らませてノーズ２１ａを形成した板カムの一種として形成されている。カム２１のプロファイルはその全周に亘って負の曲率が生じないように、つまり半径方向外側に向かって凸曲面を描くように設定されている。
【００１８】
各カム２１はロッカーアーム２４の一端部２４ａと対向する。各吸気弁２はバルブスプリング２８の圧縮反力によってロッカーアーム２４側に付勢され、それにより吸気ポートのバルブシート（不図示）に吸気弁２が密着して吸気ポートが閉じられる。ロッカーアーム２４の他端部２４ｂはアジャスター２９と接している。アジャスター２９がロッカーアーム２４の他端部２４ｂを押し上げることにより、ロッカーアーム２４はその一端部２４ａが吸気弁２の上端部と接触した状態に保たれる。
【００１９】
以上のカム機構１４においては、モータ１２の回転運動がギア列１３を介してカム軸２０に伝達されると、カム軸２０と一体にカム２１が回転し、ノーズ２１ａがロッカーアーム２４を乗り越える間にロッカーアーム２４がロッカーアーム軸２３の回りに一定範囲で揺動する。これにより、ロッカーアーム２４の一端部２４ａが押し下げられ、吸気弁２がバルブスプリング２８に抗して開閉駆動される。
【００２０】
図１に示すように、動弁装置１１Ａにはトルク低減機構３０が設けられている。トルク低減機構３０はバルブスプリング２８が吸気弁２を閉方向に押し戻す力に基づいてカム機構１４に作用するトルク（バルブスプリングトルクと呼ぶ。）を低減するために設けられている。図３に詳しく示すように、トルク低減機構３０は、カム軸２０と一体に回転可能な反位相カム３１と、その反位相カム３１と対向して配置されたトルク付加装置３２とを備えている。反位相カム３１の外周面はカム面３１ａとして構成されている。トルク付加装置３２は、ハウジング３３と、そのハウジング３３から反位相カム３１に向かって突出可能な状態でハウジング３３に収容された押え部材としてのリフタ３４と、リフタ３４とハウジング３３との間に圧縮状態で装着されてリフタ３４を反位相カム３１のカム面３１ａに押し付ける付勢部材としてのスプリング３５とを備えている。
【００２１】
図４に実線で示すように、反位相カム３１のカム面３１ａは、カム軸２０と同軸の一定半径の円弧（これをベース円と呼ぶ。）を描いて延びる円弧部３１ｂと、その円弧部３１ｂよりも中心側に後退した後退部３１ｃとを備えている。このようなカム面３１ａの形状（カムプロファイル）はバルブスプリングトルクに基づいて設定される。以下、カム面３１ａの設計について説明する。
【００２２】
バルブスプリングトルクＴｖ（Ｎ・ｍ）は、バルブスプリング２８の圧縮反力をＦｓ（Ｎ）、カム軸２０が単位角度回転するときの吸気弁２のリフト速度をＶｖ（ｍ／ｒａｄ）としたときに下式（１）から算出される。
〔数１〕
【００２３】
Ｔｖ＝Ｆｓ×Ｖｖ      …（１）
【００２４】
なお、リフト速度Ｖｖについては内燃機関の回転速度によって異なるため、いずれかの回転速度におけるリフト速度Ｖｖを代表して使用する必要がある。リフト速度Ｖｖが大きいほどバルブスプリングトルクＴｖも増加するため、モータ１２の絶対的な負荷を減らすためには内燃機関がなるべく高い速度で回転している時のリフト速度Ｖｖを用いることが望ましく、最適には内燃機関において許容されている最高回転数のときのリフト速度Ｖｖを用いるとよい。
【００２５】
圧縮反力Ｆｓ及びリフト速度Ｖｖと、カム２１の位相（カム角）との間には例えば図５に示すような相関関係がある。この例において、圧縮反力Ｆｓに関しては吸気弁２を閉位置へ押し戻す方向を正方向にとり、リフト速度Ｖｖは吸気弁２が開く方向へ動作する方向への速度を正方向にとっている。また、バルブスプリングトルクはカム２１をモータ１２による回転方向と逆方向に押し戻す方向のトルクを正方向にとっている。図５に示すように、吸気弁２のリフト速度Ｖｖはリフト（開動作）が開始される位置Ｐ１から上昇を開始し、リフト途中でピークを迎える。そして、吸気弁２の最大リフト量が得られる図５の縦軸位置Ｐ２、つまりカム２１のノーズ２１ａの先端がカムフォロア２５との接触点に達する位置にてリフト速度Ｖｖは零に復帰し、その後は吸気弁２が閉じる途中にリフト速度Ｖｖが負方向のピークを迎え、吸気弁２が完全に閉じる位置Ｐ３でリフト速度Ｖｖが零に戻る。なお、リフト速度Ｖｖの変化は２本の吸気弁２において互いに等しいものとする。
【００２６】
一方、バルブスプリング２８は吸気弁２が完全に閉じている初期状態においても幾らか圧縮されているため、その圧縮反力Ｆｓは初期状態において正方向に一定の初期値を持っている。吸気弁２が開く位置Ｐ１からは圧縮反力Ｆｓが初期値よりも徐々に上昇し、最大リフト位置Ｐ２にて圧縮反力Ｆｓはピークに達する。最大リフト位置Ｐ２から吸気弁２が完全に閉じる位置Ｐ３までの間は圧縮反力Ｆｓが初期値に向かって徐々に減少する。このようなリフト速度Ｖｖと圧縮反力Ｆｓとを乗算すれば図５に実線で示したようなバルブスプリングトルクＴｖが得られる。バルブスプリングトルクＴｖの波形はリフト速度Ｖｖの波形と比較して正負のそれぞれのピークが最大リフト位置Ｐ２に偏ったような波形である。
【００２７】
カム機構１４に作用するバルブスプリングトルクＴｖを相殺するためには、トルク低減機構３０から図５の破線で示したようなバルブスプリングトルクＴｖと逆位相で相補的な反トルクをカム軸２０に付加すればよい。そのような反トルクは、カム機構１４が吸気弁２に対して最大リフト量を与えるカム２１の位置Ｐ２を境として、カム２１がバルブスプリング２８の反力により回転方向と逆方向に押し戻される側に位置している間（Ｐ１〜Ｐ２）は反位相カム３１をその回転方向に押し出す方向に作用し、カム２１がバルブスプリング２８の反力により回転方向に押し出される側に位置している間（Ｐ２〜Ｐ３）は反位相カム３１を回転方向と逆方向に押し戻す方向に作用することになる。
【００２８】
トルク低減機構３０が付加する反トルクは、スプリング３５の圧縮反力とリフタ３４のリフト速度との積によって与えられるから、まずスプリング３５の圧縮反力（ばね力）を適宜に設定し、図５に示した逆位相のトルクをそのスプリング３５の圧縮反力で除することにより、反位相カム３１によるリフタ３４のリフト速度を求めることができる。そして、求めたリフト速度を積分すればカム２１の位相に対する反位相カム３１のリフト量が取得でき、取得したリフト量から反位相カム３１のカム面３１ａの形状（プロファイル）を決定することができる。図４に実線で示すカム面３１ａのプロファイルはこのような手順により得られたものである。
【００２９】
さらに、反位相カム３１をカム軸２０に取り付ける際には、吸気弁２のリフト量が最大になるときにリフタ３４がカム面３１ａの後退部３１ｃの最も低い位置にあるように反位相カム３１を周方向に位置決めすればよい。以上のように反位相カム３１のプロファイル、及びカム軸２０に対する周方向の取付位置を設定することにより、バルブスプリングトルクＴｖを相殺するトルクをトルク低減機構３０からカム機構１４に付加することができる。これによりモータ１２に要求される出力を減少させ、モータ１２の消費電力を抑え、定格出力が小さいコンパクトなモータ１２を使用することが可能となる。
【００３０】
以上に説明した動弁装置１１Ａでは二つの吸気弁２のバルブスプリング２８のそれぞれから付加されるバルブスプリングトルクを単一の反位相カム３１に付加されるトルクにて打ち消すものである。従って、反位相カム３１のカム面３１ａを設計する際には、二本のバルブスプリング２８のそれぞれの圧縮反力の和を圧縮反力Ｆｓとして使用することになる。
【００３１】
以上では吸気弁２を駆動するための動弁装置１１Ａについて説明したが、排気弁３を駆動するための動弁装置１１Ｂについても同様にしてトルク低減機構３０を設けることができる。なお、一つのカム軸２０に複数のカム２１が設けられる場合において、カム軸２０には単一の反位相カム３１を設けてもよいし、カム２１と同数の反位相カム３１を設けてもよい。動弁装置１１Ｂにおいて、複数のカム２１に対して反位相カム３１を一つだけ設ける場合には上記と同様に各バルブスプリング２８の圧縮反力の和を圧縮反力Ｆｓとしてカム面３１ａのプロファイルを設計すればよい。カム２１と同数の反位相カム３１をカム軸２０上に設ける場合には、各反位相カム３１のカム面３１ａのプロファイルを、その反位相カム３１で相殺すべきバルブスプリングトルクを発生するバルブスプリング２８の圧縮反力と排気弁３のリフト速度とに基づいて設計すればよい。
【００３２】
（第２の形態）
次に、図６〜図８を参照して本発明の第２の形態を説明する。第２の形態は、吸気弁２又は排気弁３が開閉駆動される際の往復運動部品の慣性力を考慮して反位相カム３１のカムプロファイルを設計するものである。なお、動弁装置１１Ａ、１１Ｂの機械的構成は第１の形態と同様である。
【００３３】
カム機構１４を介して吸気弁２又は排気弁３を開閉させる場合、これらの弁２、３に伴ってロッカーアーム２４やバルブスプリング２８等が往復運動することにより慣性力が発生し、カム機構１４にはバルブスプリングトルクに加えて慣性トルクが作用する。内燃機関の回転速度が低い場合にはバルブスプリング２８の圧縮反力に基づくバルブスプリングトルクと比較して慣性トルクが十分に小さいが、特に高回転域では慣性トルクの影響が比較的大きくなり、吸気弁２や排気弁３の動弁特性に無視し得ない影響を与えることがある。そこで、この形態では慣性トルクを考慮して反位相カム３１のカム面３１ａの形状を設計している。
【００３４】
慣性トルクの影響を考慮した反位相カム３１のカム面３１ａは、バルブスプリングトルクと慣性トルクとに基づいて、例えば図３に破線で示すようなプロファイルに設定される。慣性トルクＴａ（Ｎ・ｍ）は、慣性力をＦａ（Ｎ）及びカム２１のリフト速度をＶｖ（ｍ／ｒａｄ）としたときに下式（２）から算出される。
〔数２〕
【００３５】
Ｔａ＝Ｆａ×Ｖｖ      …（２）
【００３６】
慣性力Ｆａは、バルブ側等価質量をＷｅ（ｋｇ）、吸気弁２又は排気弁３の加速度（バルブ加速度）をＶａ（ｍ／ｓ2）としたときに下式（３）から算出される。なお、バルブ加速度は内燃機関の回転数によって異なるため、ここでは内燃機関の最高回転数（例えば６０００r.p.m.）のときの加速度を使用する。回転数が高いほど慣性トルクの影響が大きく現れるためである。
〔数３〕
【００３７】
Ｆａ＝Ｗｅ×Ｖａ      …（３）
【００３８】
バルブ側等価質量Ｗｅは、カム機構１４によって往復駆動される部品の合計質量であり、図１の動弁装置１１Ａにおいては、吸気弁２、バルブスプリング２８及びロッカーアーム２４等の各質量の和である。排気側の動弁装置１１Ｂにおいても同様である。
【００３９】
慣性トルクＴａと、慣性力Ｆａの影響を考慮していないバルブスプリングトルクＴｖ（図５に示したものと同じ）とを重ね合わせることにより、図６（ａ）に示すような合成トルクＴの波形が得られる。図６（ａ）において位置Ｐ１〜Ｐ３は図５と同じであり、位置Ｐａは吸気弁２又は排気弁３に開方向の最大リフト速度が与えられる位置を、位置Ｐｂは吸気弁２又は排気弁３に閉方向の最大リフト速度が与えられる位置をそれぞれ示している。合成トルクＴは、バルブスプリングトルクＴｖの波形に対して、位置Ｐ１〜Ｐａ間の領域Ａ、及び位置Ｐ２〜Ｐｂ間の領域Ｃにおいて正（＋）方向の慣性トルクＴａを、位置Ｐａ〜Ｐ２間の領域Ｂ、及び位置Ｐｂ〜Ｐ３間の領域Ｄにおいて負（−）方向の慣性トルクＴｂをそれぞれ重ね合わせた波形となる。
【００４０】
（２）式及び（３）式より明らかなように、慣性トルクＴａの向きは、リフト速度Ｖｖとバルブ加速度Ｖａとの積によって定まる。リフト速度Ｖｖ（不図示）は、図６（ａ）の領域Ａ、Ｂの境界（図中の左側の破線）で極大値、領域Ｂ、Ｃの境界（図中の縦軸）でほぼ０、領域Ｃ、Ｄの境界（図中の右側の破線）で極小値となる一方、リフト速度Ｖｖを微分して得られるバルブ加速度Ｖａ（不図示）は、領域Ａ、Ｄで正の値、領域Ｂ、Ｃで負の値となる。従って、リフト速度Ｖｖとバルブ加速度Ｖａとの積は、領域Ａ、Ｃで正の値、領域Ｂ、Ｄで負の値となり、図６（ａ）のような合成トルクＴが得られる。
【００４１】
図６（ａ）に示した合成トルクＴを打ち消すためには、同図（ｂ）に示した逆位相の反トルクをトルク低減機構３０からカム軸２０に付加すればよい。このような反トルクは、上述したバルブスプリングトルクＴｖのみを相殺するために必要な反トルク（図５の破線参照）と比較して次のような特徴を有している。すなわち、図６（ｂ）の反トルクは、カム機構１４が吸気弁２又は排気弁３に対して最大リフト速度を与える位置（図６（ａ）の位置Ｐａ、Ｐｂ）を境として、リフト速度が増加する範囲（Ｐ１〜Ｐａ、Ｐｂ〜Ｐ３）にカム２１が位置している間はバルブスプリングトルクのみを相殺するために必要な反トルクよりも相対的に大きく、リフト速度が減少する範囲（Ｐａ〜Ｐ２、Ｐ２〜Ｐｂ）にカム２１が位置している間はバルブスプリングトルクＴｖのみを相殺するために必要な反トルクよりも相対的に小さくなる。
【００４２】
図６（ｂ）の反トルクから反位相カム３１のカム面３１ａのプロファイルを決定するためには、第１の形態と同様にスプリング３５の圧縮反力を適宜に設定し、図６（ｂ）に示した逆位相トルクを設定した圧縮反力で除することにより、反位相カム３１によるリフタ３４のリフト速度が得られる。このリフト速度を積分すればカム２１の各位相に対応した反位相カム３１のリフト量が取得され、反位相カム３１のプロファイルを決定できる。
【００４３】
以上のように、慣性トルクを考慮して反位相カム３１のプロファイルを設計した場合、図７（ａ）、（ｂ）に示すような吸気弁２又は排気弁３のリフト特性が得られる。リフト形状の横軸はクランク角、縦軸はリフト量をそれぞれ示している。図７（ａ）は内燃機関の高速回転域におけるリフト特性を、図７（ｂ）は低速回転域におけるリフト特性をそれぞれ示している。また、図７（ａ）、（ｂ）において、実線は合成トルクＴを考慮した反位相カム３１による吸気弁２又は排気弁３のリフト特性を、破線は慣性トルクを考慮しない反位相カム３１による吸気弁２又は排気弁３のリフト特性をそれぞれ示している。
【００４４】
図７（ａ）の破線で示したように、バルブスプリングトルクＴｖのみを考慮した反位相カム３１では、トルク低減機構３０からカム軸２０に付加するトルクが不足するためにモータ１２の回転が遅れてリフト量の立ち上がりが遅れる傾向にある。これに対して慣性トルクＴａを考慮した反位相カム３１によればリフト量の立ち上がりの遅れを解消できる（図７（ａ）の実線）。これにより、リフト形状と横軸とで囲まれた面積、いわゆる時間面積を大きくすることができ、吸気弁２や排気弁３を意図した通りの特性で動作させてこれらの制御精度を向上させることができる。また、図７（ｂ）に実線で示したように、慣性トルクＴａを考慮した反位相カム３１によれば、低速回転域においてもモータトルクを付加することにより時間面積を大きくでき、吸気弁２又は排気弁３から十分に吸気又は排気することができる。
【００４５】
なお、内燃機関が最高回転数で運転されているときの慣性トルクに合わせて反位相カム３１を設計した場合、カム角（位相）の変化に対するトルク変動が大きくなり、反位相カム３１のカム面３１ａの曲率半径が小さくなる傾向がある。しかしながら、設計上の制約からそのような曲率半径の小さいカム面３１ａを形成できないことがある。この場合には、合成トルクＴ（図８の破線）と、バルブスプリングトルクＴｖ（図８の一点鎖線）との中間のトルク特性（図８の実線）に基づいて反位相カム３１のプロファイルを設定してもよい。これにより、反位相カム３１のプロファイルの曲率半径が極端に小さくなることを回避できるので、慣性トルクＴａを考慮しつつ設計上の制約を満足することができる。
【００４６】
本発明は上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。トルク低減機構３０の構成は一例であり、種々の変形が可能である。トルク低減機構３０は、カム軸２０と同軸上に配置される形態に限定されず、モータ１２からカム軸２０までの回転伝達経路のいずれかの位置にてトルクを付加できればよい。例えば、モータギア１５と駆動ギア１７との間に設けられた中間ギア１６と同軸上に反位相カム３１を設けてもよい。あるいは、モータ１２からカム軸２０までの回転伝達経路外に、カム軸２０と噛み合って回転する軸をさらに追加し、その軸に反位相カム３１を設けてもよい。但し、トルク低減機構３０の反位相カム３１が設けられるべき軸は、カム軸２０の回転速度に対して１／Ｎ（但し、Ｎは整数）の回転速度で回転している必要がある。カム軸２０に作用するバルブスプリングトルクや慣性トルクの周期はカム軸２０の開閉運動と同一周期で変動するため、それらのトルクと同一の周期でトルク低減機構３０からの反位相トルクを変化させるためには反位相カム３１に対してカム軸２０が整数倍の速度で回転している関係が成立する必要がある。なお、反位相カム３１がカム軸２０と等速で回転する場合には反位相カム３１の一周をカム２１の一周と対応付けてカム面３１ａのプロファイルを設定すればよいが、反位相カム３１がカム軸２０よりも遅い速度で回転する場合、つまりＮ≧２の場合には反位相カム３１の１／Ｎ周をカム２１の一周と対応付けて反位相カム３１のプロファイルを決定すればよい。例えばＮ＝３の場合、反位相カム３１には図５又は図６（ｂ）に示した反トルクに対応するプロファイルが周方向に３回繰り返し設けられることになる。
【００４７】
図２では一つのシリンダ１の２本の吸気弁２に対して一つのトルク低減機構３０が設けられているが、トルク低減機構３０を吸気弁２毎に分けて設けてもよい。排気側の動弁装置１１Ｂのように複数の排気弁又は吸気弁を互いに異なる複数のカムにて個別に駆動する場合においても、図９に示すように二つのカム２１に対して一つのトルク低減機構３０を設けてもよい。このようにトルク低減機構３０を複数のカム間で共用すれば、カム毎にトルク低減機構を設ける場合と比べてカム軸２０の軸線方向に関する長さを短縮でき、動弁装置１１Ａ、１１Ｂの設置スペースに対する制限を緩和できる。
【００４８】
なお、複数のカム２１に対して一つのトルク低減機構３０を設ける場合、図１０に示すようにトルク低減機構３０の反位相カム３１をカム２１同士の間に配置してもよい。この場合、図９の構成と比較してトルク低減機構３０とカム２１との間でカム軸２０が負担するトルクを減少させてカム軸２０の軸径を小さくできる。カム軸２０の軸径が小さくなればカム軸２０の慣性モーメントも減少し、モータ１２の応答性が改善される。
【００４９】
本発明はシリンダ１毎に動弁装置１１Ａ、１１Ｂを設ける例に限らない。複数のシリンダ１間でカム軸２０を共用し、一本のカム軸２０に対して一つのトルク低減機構３０を設けてもよい。但し、複数のシリンダに跨ってカム軸２０を設ける場合には、シリンダ１毎にカム２１の位相がずれているため、カム軸２０に作用するシリンダ毎のバルブスプリングトルクや慣性トルクを合成したトルクに基づいて反位相カム３１のカムプロファイルを決定する必要がある。例えば、等間隔爆発を実現した４気筒の内燃機関において全てのシリンダ１間でカム軸２０を共用する場合には、図１１（ａ）に示すように各シリンダ１に対応するトルクがクランク角で１８０°ずれながらカム軸２０に付加されるので、これらの波形を合成した図１１（ｂ）に示す合成トルクに基づいて反位相カム３１のプロファイルを設定すればよい。
【００５０】
また、複数の吸気弁２又は排気弁３に対して一つのトルク低減機構３０を設ける場合、トルク低減機構３０のスプリング３５の圧縮反力は、１本のバルブスプリング２８の圧縮反力と吸気弁２又は排気弁３の本数との積に等しくすることが望ましい。トルク低減機構３０のスプリング３５の圧縮反力をこのように設定することにより、反位相カム３１とカム２１による吸気弁２又は排気弁３のリフト特性とを互いに一致させることができる。これにより、カム２１が有している滑らかなプロファイルに基づいて反位相カム３１のプロファイルを設定できるので、反位相カム３１のプロファイルの曲率半径が極端に減少するおそれがない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の動弁装置を示す斜視図。
【図２】カム機構を示す斜視図。
【図３】図１の動弁装置に設けられるトルク低減機構の詳細を示す図。
【図４】図３の反位相カムのプロファイルを示す図。
【図５】カム角とバルブスプリングトルクとの相関関係の一例を示す図。
【図６】慣性トルクを考慮した場合のカム角と合成トルクとの相関関係の一例を示す図。
【図７】慣性トルクを考慮して反位相トルクを付加した場合におけるクランク角と吸気弁又は排気弁のリフト量との相関関係の一例を示す図。
【図８】反位相トルクをバルブスプリングトルクと合成トルクとの中間的な値に設定した場合のカム角とトルクとの相関関係の一例を示す図。
【図９】反位相カムの配置例を示す図。
【図１０】反位相カムの他の配置例を示す図。
【図１１】カム軸を複数のシリンダで共用した場合の合成トルクの波形を示す図。
【符号の説明】
【００５２】
１  シリンダ
２  吸気弁（弁手段）
３  排気弁（弁手段）
１１Ａ、１１Ｂ  動弁装置
１２  モータ（電動機）
１３  ギア列
１４  カム機構
２０  カム軸
２１  カム
２４  ロッカーアーム
２８  バルブスプリング
３０  トルク低減機構
３１  反位相カム
３２  トルク付加装置
３４  リフタ（押え部材）
３５  スプリング（付勢部材）
Ｔ  合成トルク
Ｔａ、Ｔｂ  慣性トルク
Ｔｖ  バルブスプリングトルク
Ｖｖ  リフト速度
【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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