JP2015113751A

JP2015113751A - 動弁装置

Info

Publication number: JP2015113751A
Application number: JP2013255418A
Authority: JP
Inventors: 原田　健一; Kenichi Harada; 健一原田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2015-06-22
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: JP6115460B2

Abstract

【課題】内燃機関の運転状態に合わせて、バルブスプリングの適切なばね特性を得ることを課題とする。
【解決手段】動弁装置は、バルブのリテーナー装着側に配置される第１バルブスプリングと、前記第１バルブスプリングよりも前記バルブのバルブヘッド側に配置される第２バルブスプリングと、前記第１バルブスプリングと前記第２バルブスプリングとの間に、前記バルブの軸方向に沿って移動可能に配置された中間シート部材と、前記中間シート部材によって区画されるとともに、前記第２バルブスプリングを収容する油圧室と、オイルポンプが配置され、前記油圧室に対しオイルを供給するオイル供給通路と、前記油圧室からオイルを排出するオイル排出通路と、前記オイル排出通路に配置された封止弁と、前記オイルポンプと前記封止弁の状態を制御する制御部と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、動弁装置に関する。

従来、高回転時のフリクションロスが小さく、かつ余分なエネルギーを不要にして、エンジンの回転速度に対応したバルブスプリングのバネ定数を小さな力で安定して得ることができる内燃機関の動弁装置が知られている。例えば、特許文献１には、バルブスプリングをバルブのステムに沿って往復移動可能に設けられた中間スプリングシートを介して第１スプリングと第２スプリングとを直列に配置した動弁装置が開示されている。特許文献１に開示された動弁装置には、中間スプリングシートの側方に、内燃機関の回転数が所定の回転数になった際に中間スプリングシートのバルブヘッド側への移動を規制する規制手段が設けられている。

特開平６−１１７２０９号公報

ところで、一般的に動弁装置を備える内燃機関では、バルブやポートなどに付着したデポジットがバルブシートとバルブとの間に噛み込まれる可能性がある。このようなデポジットの噛み込みを解消する措置として、デポジットを噛み潰すことができるようにバルブスプリングのセット荷重Ｐ０を高めに設定しておくことが考えられる。
しかしながら、特許文献１に開示された動弁装置では、その構造上、セット荷重Ｐ０を大きく設定することが困難となる場合が考えられる。また、仮にセット荷重Ｐ０を大きく設定できたとしても、その背反として最大荷重Ｐｍａｘが大きくなってしまい、バルブリフト中のフリクションが増大してしまうことが懸念される。

そこで、本明細書開示の動弁装置は、内燃機関の運転状態に合わせて、バルブスプリングの適切なばね特性を得ることを課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書に開示された動弁装置は、バルブのリテーナー装着側に配置される第１バルブスプリングと、前記第１バルブスプリングよりも前記バルブのバルブヘッド側に配置される第２バルブスプリングと、前記第１バルブスプリングと前記第２バルブスプリングとの間に、前記バルブの軸方向に沿って移動可能に配置された中間シート部材と、前記中間シート部材によって区画されるとともに、前記第２バルブスプリングを収容する油圧室と、オイルポンプが配置され、前記油圧室に対しオイルを供給するオイル供給通路と、前記油圧室からオイルを排出するオイル排出通路と、前記オイル排出通路に配置された封止弁と、前記オイルポンプの稼動状態及び前記封止弁の開閉状態を制御する制御部と、を備える。

前記制御部は、前記オイルポンプによる前記油圧室へのオイルの供給を停止して第１ばね特性を得る状態と、前記封止弁を開弁するとともに、前記オイルポンプによる前記油圧室へのオイルの供給を行って第２ばね特性を得る状態と、前記封止弁を閉弁するとともに、前記オイルポンプによる前記油圧室へのオイルの供給を行って第３ばね特性を得る状態を切り替えることができる。

これにより、内燃機関の運転状態に合わせて、バルブスプリングの適切なばね特性を得ることができる。

前記制御部は、バルブとバルブシートとの間におけるデポジットの噛み込みが予測されたとき、又は、バルブとバルブシートとの間におけるデポジットの噛み込みが発生していると判断されたときに、前記動弁装置における前記第２ばね特性の使用領域を拡大する。これにより、積極的にデポジットを噛み潰すことができる。

本明細書開示の動弁装置によれば、内燃機関の運転状態に合わせて、バルブスプリングの適切なばね特性を得ることができる。

図１は実施形態の動弁装置を示す説明図である。図２はばね特性の変化によるばね荷重の変化を示すグラフである。図３はばね特性を変化させる制御の一例を示すグラフである。図４はばね特性を変化させる制御の他の例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

（実施形態）
図１は、実施形態の動弁装置１の概略構成を示している。動弁装置１は、シリンダヘッド２に設けられたバルブガイド２０に支持されたバルブ３を備えるバルブ３は、バルブステム３ａとその一端側に設けられたバルブヘッド３ｂを備える。バルブステム３ａのバルブヘッド３ｂとは反対側の端部には、リテーナー４が設けられている。バルブ３は、バルブヘッド３ｂがバルブシート２ａに着座することにより閉弁状態となる。動弁装置１は、バルブ３のリテーナー４の装着側に配置される第１バルブスプリング５と、この第１バルブスプリング５よりもバルブヘッド３ｂ側に配置される第２バルブスプリングを備える。すなわち、第１バルブスプリング５と第２バルブスプリング６は、バルブ３の軸方向に沿って直列に配置されている。第１バルブスプリング５のばね可動域は、第２バルブスプリング６のばね可動域と比較して長い。動弁装置１は、第１バルブスプリング５と第２バルブスプリング６との間に、バルブ３の軸方向に沿って移動可能に配置された中間シート部材７を備える。中間シート部材７は板状の部材であり、Ｏリング７ａが装着されている。動弁装置１は、シリンダヘッド２のバルブ装着位置に対応させて設けられた凹部に装着されるオイル槽８を備える。オイル槽８の内部には、その内周壁にＯリング７ａを摺動させるように中間シート部材７が配置されている。このオイル槽８の内周壁８ａと中間シート部材７とで区画された領域が油圧室９を形成している。この油圧室９内には、第２バルブスプリング６が収容されている。中間シート部材７は、油圧室９内の油圧に応じてバルブ３の軸方向に沿って双方向に移動することができる。オイル槽８は、内部に段状に形成されたストッパー部８ｂを備える。すなわち、オイル槽８の内部は、開放側の径と比較してバルブヘッド３ｂに近い側となる奥側の径が小さくなっている。ストッパー部８ｂは、中間シート部材７の過剰な移動を規制する。オイル槽８は、その上縁部がフランジ状となっており、ボルト１９によってシリンダヘッド２に固定されている。このとき、板状のストッパー部材１０が共締めにより装着されている。ストッパー部材１０は、油圧室９の上方に位置し、過大な油圧がかかったときに中間シート部材７が抜け落ちて脱落することを防止する。

動弁装置１は、オイルポンプ１２が配置され、油圧室９に対しオイルを供給するオイル供給通路１１を備える。オイルポンプ１２と油圧室９との間には、オイルポンプ１２側へのオイルの逆流を回避する逆止弁１３が配置されている。動弁装置１は、油圧室９からオイルを排出するオイル排出通路１４を備える。オイル排出通路１４には、オイルの排出を止める封止弁１５が設けられている。封止弁１５と油圧室９との間には、油圧室９側の油圧を測定する圧力計１６が設けられている。動弁装置１は、ＥＣＵ１７を備える。ＥＣＵ１７には、内燃機関の回転数ＮＥを測定するＮＥセンサ１８、その他のセンサ類が電気的に接続されている。ＥＣＵ１７は、オイルポンプ１２、封止弁１５及び圧力計１６と電気的に接続されており、オイルポンプ１２の稼動状態及び封止弁１５の開閉状態を制御する制御部として機能する。

ＥＣＵ１７は、オイルポンプ１２の稼動状態及び封止弁１５の開閉状態を組み合わせることにより、第１バルブスプリング５及び第２バルブスプリング６によるばね特性を変化させることができる。具体的に以下に説明する第１ばね特性を得る状態、第２ばね特性を得る状態及び第３ばね特性を得る状態を切り替えることができる。まず、第１ばね特性は、オイルポンプ１２による油圧室９へのオイルの供給を停止することによって実現される。第１ばね特性は、第１バルブスプリング５と第２バルブスプリング６との組み合わせにより実現されるばね特性である。第１バルブスプリング５と第２バルブスプリング６の選択の仕方により任意に設定されるセット荷重Ｐ０及び最大荷重Ｐｍａｘが発揮される。第１バルブスプリング５と第２バルブスプリング６の組み合わせによりばねのフリクションが少ない状態に設定しておくことにより、燃費を低減することができる。例えば、内燃機関の低速域などで有効である。

第２ばね特性は、封止弁１５を開弁するとともに、オイルポンプ１２による油圧室９へのオイルの供給を行うことにより実現される。第２ばね特性は、油圧の封止を行わずに油圧を高めることによりセット荷重Ｐ０を高めることができる。例えば、内燃機関の径年変化により、バルブ３やポートなどに付着したデポジットがシートに噛み込むことが予想されるときや、デポジットの噛み込みを検出したときに、Ｐ０を高める。これによりデポジットを噛み潰すことができ、圧縮抜けを抑制することができる。なお、第２ばね特性では、最大荷重Ｐｍａｘは高まらないため、フリクションの増大、燃費の悪化を抑制することができる。

第３ばね特性は、封止弁１５を閉弁するとともに、オイルポンプ１２による油圧室９へのオイルの供給を行うことによって実現される。第３ばね特性は、オイルポンプ１２によりオイルを供給しつつ、封止弁１５を閉状態とすることにより、セット荷重Ｐ０及び最大荷重Ｐｍａｘの双方を高めている。セット荷重を高めることにより、内燃機関の高回転時などで排気圧力に起因してバルブ３が開弁してしまうことを回避することができる。また、最大荷重Ｐｍａｘを高めることで内燃機関の高回転時のバルブ３のジャンプを回避し、バルブ３の運動性能悪化を抑制することができる。

以下、各ばね特性の内容につき、図２を参照し、具体的に説明する。なお、第１バルブスプリング５や第２バルブスプリングの自由長、ばね定数、その他の数値は、実施形態の理解促進のために示す例示であり、これらの数値に限定されるものではない。

≪第１ばね特性≫
第１ばね特性では、第１バルブスプリング５と第２バルブスプリング６のばね定数の関係によってばね全体としてのばね定数が変化する。中間シート部材７は、第１バルブスプリング５と第２バルブスプリング６との力の釣り合いによって動く。
ここで、第１バルブスプリング５と第２バルブスプリング６の諸元が、
第１バルブスプリング：自由長４７ｍｍばね定数Ｋ１＝３０Ｎ／ｍｍ
第２バルブスプリング：自由長１６ｍｍばね定数Ｋ２＝３０Ｎ／ｍｍ
であるとする。
この場合、例えば、第１バルブスプリングについてのセット高さが３９ｍｍとし、第２バルブスプリングについてのセット高さを８ｍｍとすると、双方の縮み量が８ｍｍずつとなり、双方のばね荷重は２４０Ｎずつとなって釣り合う。このとき、第１バルブスプリング５の長さに第２バルブスプリング６の長さを足したばねの全長は３９＋８＝４７ｍｍとなる。

バルブ３がリフトすると、中間シート部材７がストッパー部８ｂに接触するまでの間は、ばね全体のばね定数は、
（Ｋ１・Ｋ２）／（Ｋ１＋Ｋ２）＝９００／６０＝１５
となる。そして、バルブリフト１ｍｍ毎に、第１バルブスプリング５及び第２バルブスプリング６がそれぞれ０．５ｍｍずつ縮む。

バルブリフト３ｍｍのときに第２バルブスプリング６が１．５ｍｍ縮み、このとき、中間シート部材７がストッパー部８ｂに接触するものとする。中間シート部材７がストッパー部８ｂに接触すると、第２バルブスプリング６は、それ以上縮むことができない。第２バルブスプリング６が縮むことができない状態となると、ばね全体のばね定数は、第１バルブスプリング５のばね定数に依存することとなる。このため、バルブリフト３ｍｍの領域では、ばね定数３０Ｎ／ｍｍのばねとして動作することになる。以上説明した例では、セット荷重Ｐ０が約２４０Ｎ、最大バルブリフト量が１１ｍｍで有るとすると、そのときの最大荷重Ｐｍａｘは、約５２１Ｎとなる。

≪第２ばね特性≫
第２ばね特性では、中間シート部材７の下側に第２バルブスプリング６による荷重と油圧室９内の油圧が作用する。このため、第１バルブスプリング５と第２バルブスプリング６との中立点が変化する。中立点は、油圧室９内の油圧に応じて変化するが、油圧室９内の油圧が高くなるほど、上方に移動し、これに伴ってばねのセット荷重Ｐ０が大きくなる。バルブ３のリフトが開始された後、中間シート部材７がストッパー部８ｂに接触するまでのばね全体のばね定数は第１ばね特性のときと同様となる。ただし、中立点が上方に移動している分、中間シート部材７がストッパー部８ｂに接触するまでのバルブ３のリフト量は大きくなる。中間シート部材７がストッパー部８ｂに接触した後は、第１ばね特性のときと同様にばね全体のばね定数は、第１バルブスプリング５のばね定数に依存することとなる。従って、第２ばね特性において、中間シート部材７がストッパー部８ｂに接触した後のばね荷重は、第１ばね特性と同一である。

第２ばね特性において、セット荷重Ｐ０は、油圧室９内の油圧と中間シート部材７の有効面積とによって変化する。従って、中間シート部材７の有効面積を調整することにより、例えば、３００ｋＰａの油圧を付与したときに、セット荷重Ｐ０を約２８１Ｎに高めることができる。ただし、このようにセット荷重が高められても、封止弁１５が開弁していることから最大リフト時、すなわち、リフト量が１１ｍｍのときの最大荷重Ｐｍａｘは約５２１Ｎとなり、油圧が高められていないときとほぼ同等となる。

≪第３ばね特性≫
第３ばね特性では、封止弁１５が閉弁しており、油圧室９内の油圧が維持される。このため、バルブ３がリフトしても中間シート部材７は移動せず、位置が固定された状態となる。中間シート部材７が移動することができないことから、第２バルブスプリング６は圧縮されない。この結果、ばね全体のばね定数は、リフト全域において第１バルブスプリング５のばね定数に依存する。この結果、例えば、油圧を３００ｋＰａとしてセット荷重Ｐ０を約２８１Ｎに高めるとともに、最大リフト時、すなわち、リフト量が１１ｍｍのときの最大荷重Ｐｍａｘは、約６１０Ｎまで高められる。

以上説明したようなばね特性の切り替えは、ＥＣＵ１７による制御によって行われる。ＥＣＵ１７は、内燃機関の回転数ＮＥに応じてばね特性を切り替える。図３を参照すると、回転数ＮＥの低速域では、燃費性能を重視してフリクションの低減が望まれることから、動弁装置１を第１ばね特性が得られる状態とする。中速域では、徐々に背圧が高くなってくることに鑑み、背圧によってバルブ３が開弁することを防止するために動弁装置１を第１ばね特性が得られる状態とする。そして、高速域では、バルブ３の運動性能悪化を抑制するために油圧維持の状態として最大荷重Ｐｍａｘを高めておく。

また、ＥＣＵ１７は、バルブ３とバルブシート２ａとの間におけるデポジットの噛み込みが予測されたときに動弁装置１における第２ばね特性の使用領域を拡大する。同様に、ＥＣＵ１７は、バルブ３とバルブシート２ａとの間におけるデポジットの噛み込みが発生していると判断されたときに動弁装置１における第２ばね特性の使用領域を拡大する。バルブ３とバルブシート２ａとの間におけるデポジットの噛み込みが予測される場合としては、例えば、内燃機関の運転履歴や車両走行距離に基づいて算出されるデポジットの予測堆積量が予め定めた閾値を超えたような場合が想定される。また、バルブ３とバルブシート２ａとの間におけるデポジットの噛み込みが発生していると判断される場合としては、例えば、吹き抜け等に起因し、燃焼圧センサなどで圧縮低下が検出された場合が想定される。これらの場合に第２ばね特性の使用領域を拡大する。具体的に、図４に示すように低速域から第２ばね特性を得る制御を実行する。このようにセット荷重Ｐ０、すなわち、バルブ閉弁時のばね荷重を高めることによりバルブやポートなどに付着したデポジットをバルブシート２ａとバルブ３（バルブヘッド３ｂ）との間で噛み潰す効果を得る。なお、低速域からの第２ばね特性を得る使用態様に代えて、第２ばね特性を使用する頻度を増加し、これを第２ばね特性の使用領域を拡大する措置とすることもできる。

上記実施形態は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１動弁装置
２シリンダヘッド
３バルブ
３ａバルブステム
３ｂバルブヘッド
４リテーナー
５第１バルブスプリング
６第２バルブスプリング
７中間シート部材
７ａＯリング
８オイル槽
８ａ内周壁
８ｂストッパー部
９油圧室
１０ストッパー部材
１１オイル供給通路
１２オイルポンプ
１３逆止弁
１４オイル排出通路
１５封止弁
１６圧力計
１７ＥＣＵ（制御部）
１８ＮＥセンサ

Claims

バルブのリテーナー装着側に配置される第１バルブスプリングと、
前記第１バルブスプリングよりも前記バルブのバルブヘッド側に配置される第２バルブスプリングと、
前記第１バルブスプリングと前記第２バルブスプリングとの間に、前記バルブの軸方向に沿って移動可能に配置された中間シート部材と、
前記中間シート部材によって区画されるとともに、前記第２バルブスプリングを収容する油圧室と、
オイルポンプが配置され、前記油圧室に対しオイルを供給するオイル供給通路と、
前記油圧室からオイルを排出するオイル排出通路と、
前記オイル排出通路に配置された封止弁と、
前記オイルポンプの稼動状態及び前記封止弁の開閉状態を制御する制御部と、
を備える動弁装置。
前記制御部は、前記オイルポンプによる前記油圧室へのオイルの供給を停止して第１ばね特性を得る状態と、前記封止弁を開弁するとともに、前記オイルポンプによる前記油圧室へのオイルの供給を行って第２ばね特性を得る状態と、前記封止弁を閉弁するとともに、前記オイルポンプによる前記油圧室へのオイルの供給を行って第３ばね特性を得る状態を切り替える請求項１に記載の動弁装置。
前記制御部は、バルブとバルブシートとの間におけるデポジットの噛み込みが予測されたとき、又は、バルブとバルブシートとの間におけるデポジットの噛み込みが発生していると判断されたときに、前記動弁装置における前記第２ばね特性の使用領域を拡大する請求項２に記載の動弁装置。