(57)【要約】【課題】制御軸１２に作用する反力トルクによるウォームギア機構１５の歯面の局部的な摩耗を抑制する。【解決手段】吸気弁のリフト・作動角を連続的に可変制御可能な可変動弁機構を備えており、偏心カムを備えた制御軸の回転位置によって、そのバルブリフト特性が定まる。制御軸は、ウォームギア機構を介して連係した電動モータからなるアクチュエータによって、回転位置が制御される。制御軸の回転位置がθ２〜θ３の範囲では、反力トルクが大であるので、その範囲内で、目標回転位置（実線）が所定期間（Ｔ秒間）一定値に維持されたら、”うねりモード”に移行し、微小振幅でもって、強制的にアクチュエータを往復動させる。これにより、歯面の潤滑油膜が回復し、接触点での局部的な摩耗が抑制される。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関本体に回転自在に支持された制御軸を有し、該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、
機械的連動機構を介して上記制御軸と連係し、かつ上記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、
内燃機関の運転条件に応じて、所望のバルブリフト特性に対応した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装置と、
を備えてなる内燃機関の可変動弁装置において、
上記制御装置は、上記目標回転位置が、所定期間、一定値に維持されているときに、上記アクチュエータを微小振幅で往復動させることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
【請求項２】
上記制御軸の回転位置が所定の角度範囲内にある場合にのみ、上記の往復動を行うことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
【請求項３】
上記角度範囲は、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所定値以上となる領域であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
【請求項４】
上記往復動は、機関運転条件から定まる目標回転位置を中心として両側に動くように行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
【請求項５】
上記往復動は、機関運転条件から定まる目標回転位置から、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低下する方向の一方の側のみで動くように行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
【請求項６】
上記可変動弁機構は、
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、
上記駆動軸の回転運動が伝達されて回転運動もしくは揺動運動するとともに、その回転運動もしくは揺動運動の内燃機関本体に対する中心位置が、上記制御軸の回転位置に応じて変化する中間部材と、
を含み、上記中間部材の運動に伴って吸気弁もしくは排気弁がリフトするとともに、上記中心位置の変化によりリフト特性が変化するように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
【請求項７】
上記アクチュエータは電動モータからなり、上記機械的連動機構は歯車機構からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
【請求項８】
上記制御軸は、バルブリフト特性を変化させる偏心カムを有し、この偏心カムに揺動可能に支持されたロッカアームを介して、上記駆動軸の回転運動が吸気弁もしくは排気弁に伝達されることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の可変動弁装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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に開示されている。この装置は、内燃機関の回転に同期して回転するとともに偏心カムを備えた駆動軸と、この偏心カムの外周に相対回転可能に嵌合したリンクアームと、上記駆動軸と平行に設けられ、かつ偏心カムを備えた少なくとも所定角度範囲内で回転可能な制御軸と、この制御軸の偏心カムに回転可能に装着され、かつ上記リンクアームにより揺動されるロッカアームと、上記駆動軸に回転可能に支持されるとともに、上記ロッカアームにリンクを介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより吸気弁を押圧する揺動カムと、上記制御軸の回転位置を変化させるリフト・作動角制御用アクチュエータと、を備えた構成であり、上記制御軸の偏心カムの回転位置によって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。
【０００３】
また、特許文献２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該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。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２１３３１４号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平８−２６０９２３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
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、運転中に、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、アクチュエータは、この反力トルクに抗して、制御軸を目標のバルブリフト特性に対応した回転位置に保持する必要がある。
【０００７】
ここで、アクチュエータが、機械的な連動機構、例えば歯車機構を介して制御軸に連係している場合には、この反力トルクが歯車機構に作用することになるが、内燃機関が定常運転となって、ある一定のバルブリフト特性に長時間継続的に保持されたとすると、互いに噛み合っている歯面の間の潤滑が不十分となり、フレッチングによる摩耗が生じやすい。
【０００８】
特に、上記の反力トルクは制御軸の回転位置によって必ずしも一定ではなく、ある特定の回転角範囲で大となるため、その範囲に長時間維持されると、高い面圧による摩耗が問題となる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この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を有し、該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、機械的連動機構を介して上記制御軸と連係し、かつ上記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、内燃機関の運転条件に応じて、所望のバルブリフト特性に対応した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装置と、を備えている。
【００１０】
すなわち、内燃機関の運転条件に応じて目標のバルブリフト特性が定まり、このバルブリフト特性に対応して、制御軸の回転位置の目標値が定まる。この目標回転位置となるように、アクチュエータによって制御軸が回転方向に駆動される。
【００１１】
そして、本発明では、上記制御装置は、上記目標回転位置が、所定期間、一定値に維持されているときに、上記アクチュエータを微小振幅で往復動させるようになっている。つまり、定常運転となって内燃機関の運転条件が変化しないと、制御軸の目標回転位置は一定値に維持されるが、この場合に、アクチュエータが強制的に微小量だけ往復動するように制御される。そのため、歯車機構等からなる機械的連動機構が長期間停止せずに、適宜な往復動を繰り返すことになり、局部的な摩耗が抑制される。
【００１２】
【発明の効果】
この発明に係る内燃機関の可変動弁装置によれば、定常運転などで制御軸の目標回転位置がある程度の時間一定値に維持されているときに、アクチュエータを強制的に往復動させることで、歯車機構等からなる機械的連動機構の局部的な摩耗を抑制することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
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。
【００１４】
図１は、可変動弁装置全体の構成を示す構成説明図であり、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。
【００１５】
このリフト・作動角可変機構１は、本出願人が先に提案したものであるが、例えば前述の特許文献１や特開平１１−１０７７２５号公報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。
【００１６】
リフト・作動角可変機構１は、シリンダヘッド（図示せず）に摺動自在に設けられた吸気弁１１と、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た駆動軸２と、この駆動軸２に、圧入等により固定された駆動偏心カム３と、上記駆動軸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の制御偏心カム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、各吸気弁１１の上端部に配置されたタペット１０に当接する揺動カム９と、を備えている。上記駆動偏心カム３とロッカアーム６とはリンクアーム４によって連係されており、ロッカアーム６と揺動カム９とは、リンク部材８によって連係されている。
【００１７】
上記駆動軸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る。
【００１８】
上記駆動偏心カム３は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸２の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リンクアーム４の環状部が回転可能に嵌合している。
【００１９】
上記ロッカアーム６は、略中央部が上記制御偏心カム１８によって揺動可能に支持されており、その一端部に、連結ピン５を介して上記リンクアーム４のアーム部が連係しているとともに、他端部に、連結ピン７を介して上記リンク部材８の上端部が連係している。上記制御偏心カム１８は、制御軸１２の軸心から偏心しており、従って、制御軸１２の角度位置に応じてロッカアーム６の揺動中心は変化する。
【００２０】
上記揺動カム９は、駆動軸２の外周に嵌合して回転自在に支持されており、側方へ延びた端部に、連結ピン１７を介して上記リンク部材８の下端部が連係している。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、該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の上面に当接するようになっている。
【００２１】
すなわち、上記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、徐々にリフトしていくことになる。
【００２２】
上記制御軸１２は、図１に示すように、一端部に設けられたリフト・作動角制御用アクチュエータ１３によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用アクチュエータ１３は、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、例えばウォーム１５ａとウォームホイール１５ｂとからなるウォームギア機構１５を介して、制御軸１２を駆動している。上記制御軸１２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２１によって、上記アクチュエータ１３がクローズドループ制御され、上記制御軸１２の回転位置が目標回転位置に保持されることになる。
【００２３】
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、駆動偏心カム３のカム作用によってリンクアーム４が上下動し、これに伴ってロッカアーム６が揺動する。このロッカアーム６の揺動は、リンク部材８を介して揺動カム９へ伝達され、該揺動カム９が揺動する。この揺動カム９のカム作用によって、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がリフトする。
【００２４】
ここで、リフト・作動角制御用アクチュエータ１３を介して制御軸１２の角度が変化すると、ロッカアーム６の揺動運動の中心位置が動いて該ロッカアーム６の初期位置が変化し、ひいては揺動カム９の初期揺動位置が変化する。
【００２５】
例えば制御偏心カム１８が図の上方へ位置しているとすると、ロッカアーム６は全体として上方へ位置し、揺動カム９の連結ピン１７側の端部が相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム９の初期位置は、そのカム面がタペット１０から離れる方向に傾く。従って、駆動軸２の回転に伴って揺動カム９が揺動した際に、基円面が長くタペット１０に接触し続け、カム面がタペット１０に接触する期間は短い。従って、リフト量が全体として小さくなり、かつその開時期から閉時期までの角度範囲つまり作動角も縮小する。
【００２６】
逆に、制御偏心カム１８が図の下方へ位置しているとすると、ロッカアーム６は全体として下方へ位置し、揺動カム９の連結ピン１７側の端部が相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム９の初期位置は、そのカム面がタペット１０に近付く方向に傾く。従って、駆動軸２の回転に伴って揺動カム９が揺動した際に、タペット１０と接触する部位が基円面からカム面へと直ちに移行する。従って、リフト量が全体として大きくなり、かつその作動角も拡大する。
【００２７】
上記の制御偏心カム１８の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、バルブリフト特性は、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。
【００２８】
ここで、上記制御軸１２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を受ける。このバルブスプリング反力は、制御軸１２に対し概ねシリンダ上方へ向かう方向に作用するが、上記のようにリフト・作動角が大小変化することから、リフト・作動角が大きいほど、バルブスプリング反力は大となる。また、こ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。これらによる制御軸１２への荷重（サイクル中の平均荷重）は、図２に示すように、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、荷重が大となる。
【００２９】
一方、このように制御軸１２に加わる力は、厳密には、その制御偏心カム１８が受けるため、制御軸１２に回転モーメントとして作用する。図３は、制御軸１２および制御偏心カム１８を拡大して示した説明図であって、制御軸１２の回転中心をＯ１、制御偏心カム１８の中心をＯ２とすると、制御軸１２の回転に伴って、制御偏心カム１８の中心Ｏ２が制御軸１２の回転中心Ｏ１の回りに旋回することになるが、前述したリフト・作動角の可変範囲を最大に確保するために、一般に、点Ｏ１を中心に点Ｏ２が約１８０°の角度範囲で移動するように、制御軸１２の回転範囲ないしはアクチュエータ１３の制御範囲が設定されている。つまり、点Ｏ１の下方に位置する点Ｏ２’から上方に位置する点Ｏ２”までの範囲で、点Ｏ２が移動する。そして、この制御偏心カム１８の中心Ｏ２に、矢印Ｐで示すように概ね上方へ向かってロッカアーム６から荷重が作用するので、同じ荷重Ｐであっても、回転モーメントとして作用する”腕の長さ”が異なるため、回転モーメントは大小異なるものとなる。”腕の長さ”は、矢印Ｐに直交する方向で測った点Ｏ１と点Ｏ２との間の距離であるから、制御軸１２の回転範囲の両端となる点Ｏ２’および点Ｏ２”では小さく、両者の中間に点Ｏ２があるときに最大となる。つまり、図４に示すように変化する。
【００３０】
従って、制御軸１２に回転方向に加わる反力トルクは、概ね、図２の特性と図４の特性とを掛け合わせた特性のものとなり、制御軸１２の回転位置に応じて、図５に示すような特性で変化する。つまり、略１８０°である制御軸１２の回転範囲の両端では反力トルクは小さく、かつ回転範囲の中央よりも大リフト・作動角側に片寄った位置（図のθ１）で、反力トルクが最大となる。アクチュエータ１３は、この反力トルクに抗して制御軸１２の回転位置を所期の目標回転位置に保持しようとするので、ウォームギア機構１５の互いに噛み合った歯面に、反力トルクの大きさに応じた面圧が作用する。つまり、歯面の面圧は、制御軸１２の回転位置がθ１にあるときに最大となり、この付近に長時間保持されると、潤滑油膜の形成が不十分となって接触点での局部的な摩耗が懸念される。特に、吸気弁１１の開閉に伴う交番トルクとして反力トルクが作用するので、フレッチングによる摩耗が懸念される。
【００３１】
そこで、本実施例では、図５に示すように、制御軸１２の回転位置が、反力トルクが所定値以上となるθ２〜θ３の範囲にある場合には、運転条件（目標バルブリフト特性）が一定であっても、制御軸１２を微小な振幅でもって強制的に往復回転動作させ、長期間固定されることのないようにするのである。
【００３２】
図６は、このような本実施例の作用を説明するタイムチャートであり、運転条件の変化に伴って変化する制御軸１２の回転位置を示している。ここで、図（Ｂ）は図（Ａ）の一部のみを拡大して示したものである。なお、実線で示す特性は、運転条件に基づいて設定される目標回転位置を示し、破線は、この目標回転位置に対し若干の制御の遅れを伴って追従する実回転位置を示している。図（Ｂ）に拡大して示すように、目標回転位置が反力トルクの大きなθ２〜θ３の範囲にあり、かつ一定値に所定期間（Ｔ秒間）維持されていた場合、強制的な振動を与える”うねりモード”が実行され、目標回転位置が微小振幅で振動するようになる。つまり、アクチュエータ１３によって制御軸１２が微小な往復動を繰り返すことになる。これにより、ウォームギア機構１５の歯面の潤滑油膜が回復し、その接触点での局部的な摩耗が抑制される。上記の”うねりモード”は、例えば、機関運転条件から定まる基本目標回転位置に、周期的に増減する補正量を加算することで、目標回転位置が周期的に振動変化するようにしたもので、特に、この実施例では、上記基本目標回転位置を中心に両側に略対称に変化する特性となっている。
【００３３】
なお、このように目標回転位置が基本目標回転位置からずれることで、バルブリフト特性が変化し、ひいてはシリンダ内に流入する吸入空気量が変化するが、図７に示すように、制御軸１２が一定角度回転したときの吸入空気量の変化割合は、リフト・作動角が大きい領域ほど小さなものとなる。従って、前述したθ２〜θ３の範囲においては、”うねりモード”による吸入空気量変化の影響は小さく、内燃機関の運転性に与える影響は無視できる程度のものとなる。
【００３４】
図８は、上記制御装置２１によるアクチュエータ１３の制御、特に、”うねりモード”への移行の処理を示すフローチャートである。ステップ１では、所定のフラグが”１”にセットされているか否かを判定する。このフラグは、前述した反力トルクの大きなθ２〜θ３の範囲に目標回転位置が固定されている状態であることを示すフラグである。フラグが”０”であれば、ステップ２で目標のリフト・作動角が前述したθ２〜θ３の範囲に対応するものであるか否かを判定し、さらに、ステップ３で目標のリフト・作動角が前回と同じか（変化していないか）判定する。さらに、ステップ４で、制御軸１２の実回転位置（リフト・作動角の実値に相当する）が前回と同じか（変化していないか）判定し、かつステップ５で、このように実回転位置が同じ状態がＴ秒以上継続したか判定する。そして、ステップ２〜ステップ５の条件を全て満たせば、ステップ６で、前述のフラグを”１”にセットする。
【００３５】
このようにして、フラグが”１”となれば、ステップ１からステップ７を経てステップ８へ進み、”うねりモード”へ移行する。また、フラグが”１”となった後、運転条件が変化した場合には、ステップ７からステップ９へ進み、フラグをリセットする。これにより、”うねりモード”は解除される。
【００３６】
次に、この発明の第２の実施例を図９のタイムチャートに基づいて説明する。
【００３７】
この実施例では、”うねりモード”を実行する場合に、機関運転条件に対応した基本の目標回転位置から一方の側へのみ、特に、トルク反力がより小さくなる方向に、変化させるようにしている。つまり、図５のθ２〜θ１の間に基本の目標回転位置がある場合には、θ２に近付くように振動成分を与えた方が、摩耗抑制の効果が大きい。逆に、図５のθ１〜θ３の範囲に基本の目標回転位置がある場合には、θ３に近付くように振動成分を与えた方が、面圧が低下するので、摩耗抑制の効果が大きい。従って、”うねりモード”を開始する際に、そのときの目標回転位置（基本目標回転位置）をθ１と大小比較し、トルク反力がより小さくなる方向に、振動成分を与える。図示例は、図５のθ１〜θ３の範囲に基本の目標回転位置がある場合の”うねりモード”の例を示しており、基本目標回転位置よりも大リフト・作動角側で制御軸１２が往復動することになる。
【００３８】
また、図６および図９の例では、制御軸１２の回転位置を正弦波ないしは三角波状の特性でもって振動させるようにしているが、図１０に示す実施例のように、ステップ的に往復動させるようにしてもよい。但し、この場合は、基本の目標回転位置に対する増減量は比較的小さく設定する必要があり、また、制御周期として、エンジン回転周期よりも十分に大きな値を選定することが好ましい。
【００３９】
なお、図９および図１０は、いずれも、図６の図（Ｂ）の部分に相当する。
【００４０】
以上、この発明の一実施例を説明したが、本発明は、前述した特許文献２のような形式の可変動弁機構についても同様に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】制御軸に加わる荷重と制御軸回転位置との関係を示す特性図。
【図３】制御軸および制御偏心カムの説明図。
【図４】制御軸における回転モーメントの”腕の長さ”と制御軸回転位置との関係を示す特性図。
【図５】制御軸に作用する反力トルクと制御軸回転位置との関係を示す特性図。
【図６】一実施例の作用を説明するタイムチャート。
【図７】制御軸が一定角度回転したときの吸入空気量の変化割合と制御軸回転位置との関係を示す特性図。
【図８】アクチュエータの制御の要部を示すフローチャート。
【図９】異なる実施例の作用を説明するタイムチャート。
【図１０】さらに異なる実施例の作用を説明するタイムチャート。
【符号の説明】
１…リフト・作動角可変機構
２…駆動軸
６…ロッカアーム
１１…吸気弁
１２…制御軸
１８…制御偏心カム
１４…制御軸センサ
２１…制御装置
【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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