JPH066886B2 - 多気筒内燃機関の吸・排気弁リフト制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、吸・排気弁のリフト特性を機関運転条件に応
じて可変制御する多気筒内燃機関の吸・排気弁リフト制
御装置に関する。

〈従来の技術〉 バルブオーバラップや新気充填効率等が常に最適に設定
されるように吸・排気弁のリフト特性（開閉時期及びリ
フト量）を可変制御する装置として、例えば第８図に示
すものがある（参考文献：米国特許第３４１３９６５
号）。

このものの概要を図に基づいて説明すると、吸・排気弁
駆動カム１に一端が当接し、吸・排気弁２のステムエン
ドに嵌合して揺動自由に指示されたロッカアーム３の背
面３ａを湾曲形成し、この背面３ａがレバー４に支点接
触しながらロッカアーム３の両端が揺動することによっ
て吸・排気弁駆動カム１のリフトを吸・排気弁２に伝達
するようになっている。特に前記レバー４は一端が機関
本体に揺動自由に軸支されており、該レバー４の揺動位
置（傾斜）を他端部に当接するリフト制御カム５を油圧
アクチュエータ等により機関運転条件に応じて適切な位
相に回転駆動することによって制御し、もってロッカア
ーム３の背面３ａとレバー４との接触する支点位置を変
化させて吸・排気弁２のリフト特性を可変制御するよう
にしている。

例えば、リフト制御カム５によるレバー４の押し下げ量
が大であれば、吸・排気弁駆動カム１のベースサークル
状態においてレバー４の自由端部とロッカアーム３とが
近接しており、従って、吸・排気弁２の開弁時期が早ま
ると共にリフト量が大となる。逆に、リフト制御カム５
による押し下げ量が小であれば、吸・排気弁駆動カム１
のベースサークル状態でレバー４の自由端部とロッカア
ーム３とが離間しており、従って、吸・排気弁２の開弁
時期が遅れると共にリフト量が小となるのである。

しかしながら、このような従来の吸・排気弁リフト制御
装置にあっては、リフト制御カム５と一体の支軸５ａを
油圧アクチュエータ等によりリフト特性を可変制御する
構成となっているため、次のような問題を生じていた。

即ち、ロッカアーム３，レバー４を介してバルブスプリ
ング６の反力がリフト制御カム５あるいはその支軸５ａ
の支持部材（図示せず）に加わるため、レバー４とリフ
ト制御カム５との接触面あるいは、支軸５ａと支軸部材
との摺動面に摩擦力を生じ、アクチュエータがこれら摩
擦力に打ち勝ってリフト制御カム５を回転させる必要が
あるため、大きな力を必要とされ、アクチュエータの大
型化、制御のためのエネルギ損失増大を招く。

特に、いずれかの気筒で常にバルブスプリングの反力が
リフト制御カム５に作用する４気筒以上の機関では上記
問題は極めて大きなものとなる。

また、リフト制御カム５のカム面が長円形状（又は偏心
円形状）となっているため、レバー４からの反力の方向
とリフト制御カム５の回転軸中心とのずれによってリフ
ト制御カム５に回転方向のモーメントが作用し、カム面
とレバー４との係合面が移動し易く、信頼性が悪い上
に、前記モーメントに対向する力を常に加えておく必要
があるため、この面からもエネルギ損失を招くという問
題があった。

以上の問題点に鑑み、本願出願人はリフト特性を多段階
に切り換え可能な構成とし、かつ、リフト制御カムと該
カムを回転駆動する制御軸とを弾性部材を介して軸回り
所定量相対回転可能に連結させた構成のリフト制御装置
を提案している（特開昭60−26109号公報参照）。

このものでは、リフト特性の切換時に吸・排気弁がリフ
ト中の気筒では、リフト制御カムは回転せず、制御軸の
みが回転して弾性部材が捩じれて回転力を蓄積し、リフ
ト終了後にカムが回転して特性が切り換えられる。これ
により、制御軸駆動用のアクチュエータの駆動力を軽減
できる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、上記のように吸・排気弁の非リフト期間
（吸・排気弁駆動カムのベースサークル期間）中にリフ
ト特性を切り換えるようにしたものにおいても、次のよ
うな問題点があった。即ち、リフト制御カムを２段階以
上切り換える場合、切換信号に応じてステッピングモー
タ等のアクチュエータにより、制御軸が切換リフト相当
分回転駆動されるため、非リフト期間中にある気筒では
制御軸の回転に遅れなく目標リフト特性に切り換えられ
る一方、リフト期間中にある気筒では、その間リフト特
性が全く切り換えられず、同時期に気筒間で２段階以上
異なる吸・排気弁リフト特性で運転される状態が存在す
ることとなり、切換時の運転性が悪化する可能性があっ
た。

本発明はこのような問題点に鑑みなされたもので、吸・
排気弁のリフト特性切換時に気筒間でリフト特性が大き
く異なることを防止して運転性の悪化を確実に防止でき
るようにした多気筒内燃機関の吸・排気弁リフト制御装
置を提供することを目的とする。

〈問題点を解決するための手段〉 このため本発明は、吸・排気弁のリフト特性を多段階に
切換可能な可変機構を有し、かつ、気筒毎に吸・排気弁
の非リフト期間中にリフト特性が切換可能に構成された
多気筒内燃機関の吸・排気弁リフト制御装置において、 機関運転条件に基づいて多段のリフト特性から１つのリ
フト特性を選択する選択手段と、 リフト特性が前記選択されたリフト特性に一致するまで
前記可変機構を切り換え動作させる駆動手段と、 前記切り換え動作の際に、全ての気筒のリフト特性が１
段階切り替わるのを待って次のリフト特性への切り換え
を開始するように前記駆動手段を制御する制御手段と、 を有することを特徴とする。

〈作用〉 かかる構成により、リフト特性が２段階以上切り換えら
れる場合に、全ての気筒が１段階切り替わるのを待って
から次のリフト特性への切換が開始されるため、気筒間
で同時に２段階以上リフト特性が異なることがなく、運
転特性の悪化を防止できる。

〈実施例〉 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

一実施例を示す第１図において、機関回転に同期して回
転する吸・排気弁駆動カム11と、吸・排気弁12のステム
エンドとに両端を当接させてロッカアーム13が設けら
れ、該ロッカアーム13の湾曲形成された背面13ａを支点
接触させると共に、ロッカアーム13の両側壁から突出す
るシャフト13ｂを保持部材14を介して凹溝15ａ内に保持
するレバー15が設けられる。レバー15に形成されたスプ
リングシート15ｂと保持部材14との間には、ロッカアー
ム13を下方向に付勢するバネ定数小のスプリング16が介
装される。

又、シリンダヘッド17に固定されたブラケット18に嵌挿
保持された油圧ピボット19の球状の下端面がレバー15の
吸・排気弁12ステムエンド側の他端部頂壁に形成された
凹陥部15ｃに嵌合して、該嵌合部を中心としてレバー15
を揺動自由に支持すると共に、ブラケット18に対して後
述する如く回転自由に取り付けられたリフト制御カム20
がレバー15の吸・排気弁駆動カム11側の端部頂壁に当接
してレバー15の揺動位置を規制してている。

前記油圧ピボット19は下端面が前記レバー15の凹陥部15
ｃに嵌合すると共に、周面がブラケット18に形成した取
付孔18ａ内に摺動自由に嵌挿された外筒19ａと、該外筒
19ａ内に嵌挿される内筒19ｂとを備え、かつ、両者の間
に形成された油圧室19ｃにチェックバルブ19ｄを備えて
形成される。そして、ブラケット18内部に形成された油
圧供給通路18ｂから内筒19ｂ内部及びチェックバルブ19
ｄを介して油圧を油圧室19ｃに供給してバルブクリアラ
ンスを一定に保つようになっている。

前記リフト制御カム20は外周面に、吸・排気弁12のリフ
ト量を段階的に変えるように略平らな６つのカム面Ｃ_１
〜Ｃ_６を有すると共に、中心部に後述するカム制御軸23
を挿通する孔20ａを有する。また、リフト制御カム20の
両側から突出して形成された円筒部20ｂの外周面は、第
２図及び第３図に示すようにブラケット18に形成された
下部円弧溝18ｃと、ブラケット18上にボルト21で締結さ
れた一対のキャップ22に形成された上部円弧溝22ａとの
間に回転自由に保持される。

そして、気筒数個設けたリフト制御カム20の中心部を貫
通して形成された孔20ａに一本のカム制御軸23を通し、
該カム制御軸23の各リフト制御カム20両側部分に夫々嵌
挿したコイルスプリング24の一端をカム制御軸23外壁に
ねじ込んだ止め螺子23ａに係止すると共に、該コイルス
プリング24の他端をリフト制御カム20の円筒部20ｂ側壁
に形成した孔に嵌挿して係止する。

前記カム制御軸23の一端は、継手25を介して駆動手段と
してのステッピングモータ26の駆動軸26ａに連結されて
いる。ステッピングモータ26は制御手段としての制御回
路27によりカム制御軸23を回転させるようになってい
る。

ここで、制御回路27はマイコン等で構成され、機関回転
数，絞り弁開度，冷却水温度，吸入空気流量，吸入負圧
等の機関運転条件に応じてカム面Ｃ_１〜Ｃ_６の中からレ
バー15と係合するカム面を選択し、係合状態にあるカム
面から選択されたカム面への切換時、隣接するカム面へ
の切換移動に相当する回転角分だけステッピングモータ
26に駆動パルスを出力してカム制御軸23を回転させた
後、全ての気筒のリフト制御カム20が隣接するカム面に
切換移動するのを待って次の隣接するカム面への切換移
動を開始するように、ステッピングモータ26を制御する
ようになっている（詳細は後述する）。28はバルブスプ
リングである。

次に、本実施例の一連の作用を説明する。

第１図において、リフト制御カム20が最もリフト量の大
きいカム面Ｃ_１でレバー15に当接している状態では、レ
バー15が吸・排気弁駆動カム11側に最も押し下げられた
状態となる。このため、ロッカアーム13の背面13ａに支
点接触されるレバー15の下面も下がり、支点接触点Ａが
吸・排気弁駆動カム11側に移動しつつ吸・排気弁12に伝
達され、第４図の曲線Ｘに示すようにリフト量が大き
く、かつ、開弁時期が早く閉弁時期が遅い特性となる。

一方、リフト制御カム20が回転し、例えば、リフト量が
小さいカム面Ｃ_５でレバー15に当接するようにすると、
レバー15の吸・排気弁駆動カム11側の端部は凹陥部15ｃ
を支点とした揺動によって上昇し、レバー15の下面15ｄ
も上方に後退する。

レバー15の下面15ｄはロッカアーム13が吸・排気弁駆動
カム11のリフトを吸・排気弁12に伝えるための支点とな
るが、吸・排気弁駆動カム11がベースサークルでロッカ
アーム13に当接している状態の支点の初期位置が、前記
リフト量大のカム面Ｃ_１でレバー15が当接している時に
比べて第１図で右側、即ち、リフト後に支点が移動する
方向から遠ざかる側に移動する。この結果、第５図の曲
線Ｙに示すように、リフト量が小さく、かつ、開弁時期
が遅れ、閉弁時期が早まる特性となる。

このようにして、リフト制御カム20を回動してカム面Ｃ
_１〜Ｃ_６のいずれかをレバー15に当接させることによ
り、吸・排気弁12のリフト特性を段階的に変化させるこ
とができる。

ここで、前記リフト制御カム20の回動は、制御回路27か
らの信号に応じたステッピングモータ26の駆動によりカ
ム制御軸23及びコイルスプリング24を介して行われる。

かかる制御動作を第５図，第６図のフロチャート及び第
７図のタイムチャートを参照しつつ説明する。

第５図は、カム面の切換制御を開始させるためのルーチ
ンを示す。

Ｓ１では、機関回転数，絞り弁開度，冷却水温度，吸入
空気流量，吸入負圧等の信号に基づいて検出される機関
運転条件に最適の吸・排気弁の開閉特性が得られるよう
にカム面Ｃ_１〜Ｃ_６の中から所定のカム面Ｃｘを選択す
る。

Ｓ２では、前記選択されたカム面Ｃｘが現在係合状態に
あるカム面Ｃｉと一致しているか否かを判定し、この判
定がＹＥＳの場合は現状に維持し、ＮＯである場合、即
ち、係合カム面を切り換えるべきであると判定された場
合はＳ３へ進む。

Ｓ３では現在隣接するカム面への切換移動を開始してか
ら次のカム面への切換移動を開始するまでの期間中（Ｂ
ＵＳＹ状態）にあるか否かを後述するカム面切換制御ル
ーチンにおいてセットされるＢＵＳＹ・ＦＬＡＧによっ
て判定し、ＢＵＳＹ・ＦＬＡＧが１であるＢＵＳＹ状態
においては前記切換制御動作が完了するまで待機し、Ｂ
ＵＳＹ状態が解除されてＢＵＳＹ・ＦＬＡＧが０となっ
た時にＳ４へ進んでカム面の切換制御を開始する。

第６図にカム面切換制御ルーチンを示す。

即ち、Ｓ11において、ＢＵＳＹ・ＦＬＡＧを１とした
後、Ｓ12において、現在係合状態にあるカム面Ｃｉから
前記Ｓ１で選択されたカム面Ｃｘに近い側の隣接するカ
ム面（Ｃ_i+1又はＣ_i-1）への切換移動に要するリフト制
御カム20の回転角からステッピングモータ26に与える駆
動パルス数ｎｉを設定する。

Ｓ13において、ステッピングモータ26へ駆動用の電流を
出力すると共に、Ｓ12で設定された数ｎｉの駆動パルス
をステッピングモータ26に出力する（第７図のａ，
ｂ）。これにより、該モータ26の駆動軸26ａ，継手25を
介してカム制御軸23が駆動パルスｎｉに応じた角度だけ
回転する（第７図のｃ）。

この場合、カム制御軸23が回動するタイミングで吸・排
気弁12がリフトしていない気筒（第７図で♯２，♯３，
♯４気筒）においては、ロッカアーム13とレバー15との
接触支点は、略吸・排気弁12の上方近くに位置するた
め、バルブスプリング28の反力は、リフト制御カム20に
は作用せず、リフト制御カム20に作用する力は、ロッカ
アーム13とレバー15との間に取り付けられたスプリング
16の弱い力のみとなる。したがって、カム制御軸23の回
転にコイルスプリング24を介してリフト制御カム20が追
従して回転し、前記カム面Ｃｉに隣接するカム面がレバ
ー15と係合する（第７図のｄ）。

一方、カム制御軸23が回転するタイミングで、吸・排気
弁12がリフト中にある気筒（第７図の例では♯１気筒）
においては、ロッカアーム13とレバー15との接触支点が
吸・排気弁駆動カム11側に移動しているため、バルブス
プリング28の大きな反力がロッカアーム13，レバー15を
介してリフト制御カム20に作用する。このため、リフト
制御カム20は固定されたままその両側のコイルスプリン
グ24を捩じりつつ、カム制御軸23のみが回転する（第７
図のｅ）。駆動パルスの出力後、設定時間ｔ_１はステッ
ピングモータ26への通電を継続する。この間に前記リフ
ト制御カム20が固定状態にあった気筒の吸・排気弁駆動
カム11が回転して吸・排気弁12が閉じると、吸・排気弁
12リフト中にコイルスプリング24に貯えられたトルクが
前記スプリング16の弱い力に打ち勝って、リフト制御カ
ム20を回転させることができる（第７図のｆ）。

ここで、リフト制御カム20の回転に要する時間は、リフ
ト制御カム20の慣性モーメント及びコイルスプリング24
のバネ定数及び摩擦力によって定まり、機関回転数には
左右されないので、常に一定した良好な切換制御が行え
る。

尚、ステッピングモータ26への通電を継続するのは、コ
イルスプリング24に貯えられたトルクを保持するためで
ある。

このようにして、全ての気筒のリフト制御カム20が回転
して隣接するカム面との切換移動が完了し、前記設定時
間ｔ_１が経過すると、Ｓ14においてステッピングモータ
26への通電をＯＦＦとし、該ＯＦＦ状態を設定時間ｔ_２
保持する。これは、ステッピングモータ26へ与えられた
駆動パルス数ｎｉと、実際にステッピングモータ26が回
転した角度とがずれるといういわゆる脱調現象を生じた
場合でも、ステッピングモータ26の出力トルクを０とす
ることによりスプリング16の付勢力でリフト制御カム20
の略平らなカム面はレバー15と安定状態に係合する位置
まで自動的に修正されるようにするためである。

Ｓ16では、上記のようにして切り換えられた現在の係合
カム面をＣｉにセットし、Ｓ17でＢＵＳＹ・ＦＬＡＧを
０とする。

Ｓ18では、現在の係合カム面Ｃｉが選択されたカム面Ｃ
ｘと一致しているか否かを判定し、一致していない場合
は、Ｓ11〜Ｓ17へのフローを繰り返して次に隣接するカ
ム面への切換制御を行う。

そして、以上の操作により係合カム面Ｃｉが選択された
カム面Ｃｘに一致すると切換制御は停止され、Ｓ19へ進
みステッピングモータ26への通電電流をカム面の係合状
態を安定させるのに必要なだけの小電流に減少させて電
流消費を節減する。

このように、従来吸・排気弁がリフト中にリフト制御カ
ムをカム制御軸により直接駆動する時にはバルブスプリ
ングの反力に打ち勝つ強力なトルクが必要であったのに
対し、本発明では、一旦コイルスプリング24にトルクを
貯えることにより吸・排気弁12の閉止中にリフト制御カ
ム20を回転させることができ、また、隣接するカム面へ
の切換制御が完了してから次の隣接するカム面への切換
制御を行うという段階的な制御により、ステッピングモ
ータ26に要求される出力はコイルスプリング24に隣接す
るカム面への回転角分だけ捩じるに要する小さなもので
足りる。したがって、ステッピングモータ26は、小型小
容量のものでよく、制御のための機関動力損失も少なく
て済み、ひいては燃費の向上につながる。また、出力ト
ルク軽減に伴い、ステッピングモータ26の脱調の発生を
抑制できる。

尚、上記のような制御力軽減の効果は、気筒数が多い程
顕著になる。

そして、カム面を略平らにしたことにより、係合状態を
安定に保持できると共に、切換制御中もコイルスプリン
グ24の捩れ過ぎが防止されて耐久性を向上でき、かつ、
リフト制御カム20が過度に回転してカム面とカム面との
中間部分に係合することも確実に防止できる。

また、本実施例では、カム制御軸の駆動手段としてステ
ッピングモータを使用したため、コンパクトな構造で電
子制御も行い易い利点があるが、駆動手段はこれに限ら
ず、油圧アクチュエータを用い、油圧回路切換によって
制御するもの等にも適用できることは勿論である。

尚、全ての気筒のリフト特性が１段階切り換えられたこ
とを検出するのは、各気筒のリフト特性（現在係合中の
カム面）を検出して行うという最も基本的な構成であっ
てもよいことは勿論である。また、本発明に係るリフト
特性の切り換え制御は、本実施例のハードウエア構成に
対する適用に限られるものでもなく、リフト特性の切り
換えが吸・排気弁の非リフト期間中に行われるものであ
ればよい。

〈発明の効果〉 以上説明したように本発明によれば、全ての気筒がリフ
ト特性を１段階ずつ切り換えを終了してから次のリフト
特性の切り換えを開始する構成としたため、気筒間で同
時に２段階以上リフト特性が異なることを確実に防止で
き、以て、運転性の悪化を防止できるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の要部縦断面図、第２図は同
上実施例の要部平面図、第３図は同上実施例のリフト制
御カムの取付方法を示す分解斜視図、第４図は同上実施
例の弁リフト特性を示すグラフ、第５図は同上実施例の
カム切換制御を開始させるルーチンを示すフローチャー
ト、第６図は同上実施例のカム面切換制御ルーチンを示
すフローチャート、第７図は同上実施例の各部の信号及
び作動切換状態を示すタイムチャート、第８図は従来の
内燃機関の吸・排気弁リフト制御装置の一例を示す縦断
面図である。 11…吸・排気弁駆動カム、12…吸・排気弁、13…ロッカ
アーム、15…レバー、20…リフト制御カム、23…カム制
御軸、24…コイルスプリング、26…ステッピングモー
タ、27…制御回路、Ｃ_１〜Ｃ_６…カム面

フロントページの続き (72)発明者 尾藤 博通 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−26109（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】吸・排気弁のリフト特性を多段階に切換可
   能な可変機構を有し、かつ、気筒毎に吸・排気弁の非リ
   フト期間中にリフト特性が切換可能に構成された多気筒
   内燃機関の吸・排気弁リフト制御装置において、 機関運転条件に基づいて多段のリフト特性から１つのリ
   フト特性を選択する選択手段と、 リフト特性が前記選択されたリフト特性に一致するまで
   前記可変機構を切り換え動作させる駆動手段と、 前記切り換え動作の際に、全ての気筒のリフト特性が１
   段階切り替わるのを待って次のリフト特性への切り換え
   を開始するように前記駆動手段を制御する制御手段と、 を有することを特徴とする多気筒内燃機関の吸・排気弁
   リフト制御装置。