JP4674563B2

JP4674563B2 - 動弁装置

Info

Publication number: JP4674563B2
Application number: JP2006090843A
Authority: JP
Inventors: 明彦港
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2006-03-29
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: JP2007263037A

Description

本発明は、流体圧を利用してバルブの開閉を行う動弁装置に関するものである。

近年、内燃機関の吸排気弁を、開閉時期を可変に動作させる可変動弁機構として、流体圧を利用してバルブの開閉を行うタイプの動弁装置が知られている。

例えば、本願出願人らは、特許文献１および特許文献２にて、駆動エネルギの低減を図った動弁装置を提案している。

特許文献１の動弁駆動装置は、例えば、コモンレール式エンジンに適用されるもので、作動流体に燃料（以下、作動油という）を用いている。

図３に示すように、特許文献１の動弁駆動装置３００は、バルブ（エンジンバルブ）３０１を閉弁方向に付勢するスプリング３０２および磁石３０３と、バルブ３０１を開弁させるための作動油が導入される制御室３０４と、その制御室３０４に高圧の作動油を供給する高圧供給源３０５と、その高圧供給源３０５の作動油よりも低圧の作動油が貯留される低圧室３０６とを備える。具体的には、高圧供給源３０５は、コモンレール圧を供するサプライポンプであり、高圧（例えば、数１０〜数１００ＭＰａ）の作動油を供給する。一方、低圧室３０６内には、燃料タンク３０７からフィードポンプ３０８により圧送された、約０．５ＭＰａ程度の作動油が貯留される。

制御室３０４を高圧供給源３０５に連通する高圧路３０９には、高圧制御弁３１０が設けられ、制御室３０４を低圧室３０６に連通する低圧路３１１には、低圧室３０６から制御室３０４に向かう流れのみを許容するチェック弁３１２が設けられる。また、制御室３０４には、作動流体を燃料タンク３０７に排出するための排出路３１３が接続される。

バルブ３０１を開弁するには、基本的には、高圧制御弁３１０を開弁して制御室３０４に作動流体を導入するが、図３の動弁駆動装置３００では、駆動エネルギの低減を図るべく、高圧制御弁３１０の開弁期間を短くして、高圧作動流体の使用量を低減するようにしている。

すなわち、高圧制御弁３１０を短時間だけ開弁して、バルブ３０１に開弁（リフト）に必要とされる初期開弁エネルギ（作動用圧力×作動流量）を付与し、バルブ３０１が下降して制御室３０４内の圧力が低下したら低圧室３０６からリフト量保持のための容量を満たす作動流体を供給するようにしている。

また、図４に示すように、特許文献２の動弁駆動装置３２０では、排出路３１３（図３参照）を省略すると共に、低圧路３１１に、制御室３０４を低圧室３０６あるい燃料タンク３０７のいずれかに連通させる第二作動弁３１４を設けるようにしている。また、動弁駆動装置３２０の低圧室３０６には、フィードポンプ３０８の下流から低圧室３０６に作動流体を供給する供給油路３１５が接続される。

国際公開第ＷＯ２００２／０７９６１４号特開２００３−３２８７１３号公報

しかしながら、上述した動弁駆動装置３００、３２０では、バルブ３０１の開弁時に、制御室３０４内が過度に減圧されてしまい、制御室３０４内の作動油に減圧沸騰や溶解空気の析出が発生してしまうという問題があった。

図３の動弁駆動装置３００では、バルブ３０１が開弁を始めると、制御室３０４は、この容積変化に伴い圧力が急激に減圧され、その制御室３０４内の圧力が、低圧室３０６より低い圧力となった場合に、チェック弁３１２が開弁し、低圧室３０６から低圧作動油が制御室３０４に流入する。

このとき、チェック弁３１２の動作遅れがあることに加え、十分な開口面積の確保が困難であり、また、低圧室３０６の作動油の圧力が比較的低い（フィードポンプの吐出圧、０．５ＭＰａ程度）ことから、制御室３０４内の圧力は過度に低下する。

この過度の圧力低下により、作動油中に溶解していた空気が析出したり、更に圧力が低下した場合には減圧沸騰状態となり作動油蒸気が発生することとなる。この結果、バルブ３０１のリフト量の制御性、安定性が損なわれる。

また、図４の動弁駆動装置３２０では、高圧制御弁３１０の作動でバルブ３０１が上下動する時に、作動流体が低圧室３０６側に吐出されるので、低圧室３０６内の圧力が、バルブ３０１の閉弁ごとに徐々に上昇するようになっている。しかし、エンジン始動時は、低圧室３０６にはフィードポンプ３０８による比較的低い圧力の作動流体しか貯留されておらず、圧力が上昇するまでの間に、制御室３０４にて負圧による気泡が発生するという問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、作動流体の減圧沸騰や溶解空気の析出を防止することができる動弁装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、バルブを開閉すべく作動油が供給・排出される制御室と、その制御室に連通させた低圧室と、コモンレール圧の作動油を貯留する高圧供給源と、その高圧供給源から上記制御室への作動油供給を制御する高圧制御弁とを備え、上記高圧制御弁を作動させ上記高圧供給源から上記制御室に作動油を供給して上記バルブを開弁させ、上記高圧制御弁の作動により上記制御室の圧力が所定値以下になると上記低圧室からコモンレール圧よりも低圧の作動油を上記制御室に供給して上記バルブの開弁を保持させる動弁装置において、上記制御室と上記低圧室とを連通するための第一通路と、その第一通路に設けられ、上記制御室が上記低圧室よりも減圧したときに、上記第一通路を開放して上記低圧室の作動油を上記制御室に供給するためのチェック弁と、そのチェック弁の上流側および下流側の第一通路を連通するための第二通路と、その第二通路に設けられ、上記低圧室を昇圧すべく上記第二通路を開放して上記制御室から上記低圧室への作動油供給を制御する導入弁とを備え、エンジン始動時に上記高圧制御弁および上記導入弁を作動させ上記高圧供給源から上記制御室を介して上記低圧室に作動油を供給するものである。

好ましくは、上記低圧室を調圧すべく、上記低圧室の作動油を逃がすレギュレータを備え、そのレギュレータの設定圧が作動油の飽和蒸気圧以上に設定されたものである。

本発明によれば、作動流体の減圧沸騰や溶解空気の析出を防止することができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態の動弁装置は、例えば、車両のディーゼルエンジン（以下、エンジンという）などに適用され、そのエンジンの吸気バルブあるいは排気バルブをなすエンジンバルブ（以下、バルブという）の開閉を行うものである。さらに、本実施形態のエンジンはコモンレール式エンジンであり、動弁装置は、コモンレール圧を利用してバルブの開閉を行う。

図１に基づき、本実施形態の動弁装置を説明する。

図１に示すように、動弁装置１は、吸気バルブまたは排気バルブをなすバルブ２を開閉すべく作動流体（例えば軽油など、以下作動油という）が供給・排出される制御室３に、その制御室３が減圧したときに作動油を供給する低圧室４を連通させたものである。

具体的には、動弁装置１は、エンジンのシリンダヘッド１００に固定されたアクチュエータボディ１１を備え、そのアクチュエータボディ１１内に、バルブ２の上部を収容すると共に、制御室３を区画形成する。

また、動弁装置１は、制御室３に加圧された作動油を供給するための供給手段５と、制御室３から作動油を排出するための排出手段６と、供給手段５などによりバルブ２の動弁作動を制御するための制御手段７とを備える。

供給手段５は、高圧の作動油を貯留する高圧供給源５１と、その高圧供給源５１と制御室３とを連通するための高圧路５２と、その高圧路５２を開閉するための高圧制御弁５３とを有する。

本実施形態の高圧供給源５１は、エンジンのコモンレールで構成され、そのコモンレール５１には、サプライポンプ（図示せず）にてコモンレール圧（例えば、数１０〜数１００ＭＰａ）に昇圧された高圧の燃料（作動油）が貯留される。

高圧制御弁５３は、図例では、圧力バランス弁をなし、アクチュエータボディ１１内に設けられる。高圧制御弁５３は、バランス弁本体５３１を昇降可能に収容するバランス室５３２と、そのバランス室５３２にオリフィス５３３を介して連通し、そのオリフィス５３３を開閉するためのアマチュア５３４を収容するアマチュア室５３５とを備える。

バランス室５３２には、制御室３に連通する第一高圧路５２１が接続され、その接続口がバランス弁本体５３１により開閉される。また、バランス室５３２内には、第一高圧路５２１（接続口）を閉塞すべくバランス弁本体５３１を下方に付勢するバランス弁スプリング５３６が設けられる。

また、バランス室５３２の上部および中間部には、コモンレール５１に連通する第二高圧路５２２および第三高圧路５２３とが各々接続される。それら第一高圧路５２１から第三高圧路５２３は、アクチュエータボディ１１内に形成され、上記高圧路５２の一部を構成している。

アマチュア室５３５には、オリフィス５３３を閉塞すべくアマチュア５３４を下方に付勢するアマチュアスプリング５３７と、そのアマチュアスプリング５３７に抗してアマチュア５３４を引き上げて、オリフィス５３３を開放するための電磁ソレノイド５３８とが設けられる。

高圧制御弁５３の閉弁時は、第二高圧路５２２から供給される作動油がバランス弁本体５３１の上面を下方に付勢して、高圧路５２（第一高圧路５２１）が閉塞される。

一方、高圧制御弁５３の開弁時は、電磁ソレノイド５３８によりアマチュア５３４が引き上げられて、バランス弁本体５３１の上方の作動油がアマチュア室５３５に流入して、バランス弁本体５３１の上面にかかる作動油圧が低下する。その結果、バランス弁本体５３１が上昇して、高圧路５２（第一高圧路５２１および第三高圧路５２３）が開放される。

排出手段６は、制御室３から排出された作動油を回収する燃料タンク６１と、その燃料タンク６１と制御室３とを連通するための排出路６２と、その排出路６２を開閉する排出弁６３とを備える。

制御室３は、バルブ２とアクチュエータボディ１１とにより区画形成される。

具体的には、バルブ２は、弁体部２１とその弁体部２１から上方に延出するステム部２２とで構成され、そのステム部２２の上部（ピストン部）が、アクチュエータボディ１１内に形成されたステム穴１１１に収容される。

制御室３は、バルブ２の上面と、そのバルブ２を収容するステム穴１１１の内側面および天井面とにより区画形成される。

その制御室３を区画形成するバルブ２の上面は、制御室３の作動油圧を受ける受圧面をなす。すなわち、制御室３に作動油が供給されると、その作動油により受圧面が押圧されて、バルブ２が開弁方向に（図１では、下方）に付勢される。

一方、バルブ２のステム部２２には鍔部２２１が形成され、その鍔部２２１の下方には鍔部２２１を押圧してバルブ２を閉弁方向（図１では、上方）に付勢するバルブスプリング８が設けられ、鍔部２２１の上方には鍔部２２１を吸引してバルブ２を閉弁方向に付勢する磁石（図例では、永久磁石）９が設けられる。

低圧室４は、供給手段５（コモンレール５１）の作動油圧よりも低圧な作動油を貯留し、その作動油を、バルブ２の開弁に伴い制御室３内の圧力が低圧室４よりも減圧したときに、制御室３に供給するようになっている。

具体的には、本実施形態の動弁装置１は、制御室３と低圧室４とを連通するための第一通路１２と、その第一通路１２に設けられ、制御室３が低圧室４よりも減圧したときに、第一通路１２を開放して低圧室４の作動流体を制御室３に供給するためのチェック弁１３と、そのチェック弁１３の上流側（図１において、左側）および下流側（図１において、右側）の第一通路１２を連通するための第二通路１４と、その第二通路１４に設けられ、低圧室４を昇圧すべく第二通路１４を開放して制御室３の作動流体を低圧室４に導入するための導入弁（逃がし弁）１５とを備える。

その導入弁１５は、制御信号を通信可能に制御手段７に接続される。図例では、導入弁１５は、電磁弁であり、その電磁ソレノイド１５１の通電が制御手段７により切り替えられる。

さらに、本実施形態の動弁装置１は、低圧室４を調圧すべく、低圧室４の作動流体を逃がすレギュレータ１８を備え、そのレギュレータ１８の設定圧が作動流体の飽和蒸気圧以上に設定される。図例では、設定圧は、約２．０ＭＰａに設定される。

具体的には、低圧室４に、燃料タンク６１（作動油タンク）に連通するリリーフ通路４１が接続され、そのリリーフ通路４１にレギュレータ１８が設けられる。

燃料タンク６１は、低圧室４よりもさらに低圧に設定されており、レギュレータ１８は、低圧室４（リリーフ通路４１）の作動油圧が設定圧を超えたときに、低圧室４からリリーフ通路４１を通じて燃料タンク６１に作動油を排出する。これにより、低圧室４内の圧力は設定圧を超えることがない。

また、低圧室４には、低圧室４内の作動油圧を検出するための圧力センサ（圧力スイッチ）１９が取り付けられる。その圧力センサ１９は、検出油圧を送信可能に制御手段７に接続される。

制御手段７は、例えば、エンジン制御装置などが考えられる。制御手段７には、圧力センサ１９や、クランク角センサ（図示せず）などのセンサ類からの検出信号が入力される。また、制御手段７は、高圧制御弁５３や導入弁１５などアクチュエータ類に制御信号を出力する。

次に、本実施形態の動弁装置１の制御方法を説明する。

まず、通常時の動弁作動制御について概略を説明する。

本実施形態では、通常時の動弁作動制御において、バルブ２の開弁駆動エネルギ（作動用圧力×作動油流量）を低減すべく、高圧制御弁５３（バランス弁本体５３１）を短時間だけ開弁して、バルブ２に下降のための初期エネルギを供し、その後、バルブ２の下降により制御室３の容積が増大して、制御室３が減圧されたときは、低圧室４から比較的低圧の作動油（以下、低圧側作動油という）を補ってリフト量を保持するようにしている。

ここで、図３の動弁駆動装置のように、低圧室３０６の作動油圧力（低圧側作動油圧力）が低いと、その低圧室３０６から供給された作動油の圧力が制御室３０４にて過度に低下してしまい、減圧沸騰や溶解空気の析出が発生してしまう。

そこで、本実施形態では、エンジンの始動時など通常の動弁作動制御を行う前に、予め低圧室４内の圧力（低圧側作動油圧力）を比較的高く（具体的には、作動油の飽和蒸気圧以上に）設定するようにした。

すなわち、本実施形態の制御方法は、動弁装置１によりエンジンの吸気バルブあるいは排気バルブ２を駆動させ、その動弁装置１を制御するものであり、エンジンを始動すべく、そのエンジンをクランキングする際に、制御手段７にて、高圧制御弁５３を開弁して制御室３内に加圧された作動油を供給すると共に高圧制御弁５３（バランス弁本体５３１）を開弁して制御室３内に供給された作動油をさらに低圧室４に導入し、低圧室４内を所定圧（図例では、作動油の飽和蒸気圧）以上に高める。

さらに、本実施形態の制御手段７は、圧力センサ１９にて低圧室４が作動油の飽和蒸気圧以上に高められたことを検知した後、動弁装置１の制御を、通常の動弁作動制御に移行する。

このように、本実施形態では、通常の動弁作動制御（具体的には、バルブ２のリフト）が実行される前に、予め、低圧室４内の圧力を作動流体の飽和蒸気圧以上に高めておくことで、バルブ２の開弁に伴い制御室３が減圧しても、低圧室４から供給された作動流体の圧力が過度に低下してしまうことがない。それにより、制御室３での減圧沸騰や溶解空気の析出を防止することができる。

次に本実施形態の動弁装置１の制御方法を詳細に説明する。

まず、エンジンの始動時において、スタータなどによりクランキングが開始されてエンジンのクランク軸が回転すると、その回転と同時にサプライポンプが作動する。そのサプライポンプからの吐出によりコモンレール５１の圧力が上がるので、このときに、高圧制御弁５３と導入弁１５を同時に開弁させる。それら両弁１５、５３の開弁により、コモンレール５１からの作動油が低圧室４まで導かれ、低圧側作動油圧力が所定の圧力まで上昇する。このようにエンジンが完爆するよりも先に、まず低圧室４の作動油圧を上昇させる。

このとき、レギュレータ１８により低圧室４内の圧力は設定圧（規定値）以上には上昇することがない。その設定圧は、バルブ２が着座している状態でバルブスプリング８や磁石９あるいは作動油圧などがバルブ２に付与する着座保持力に打ち勝ってエンジンバルブ２を開弁させるまでの圧力ではないことから、動弁機構には何ら悪影響を及ぼさない（バルブ２が下降（開弁）することはない）。

つまり、設定圧は、作動油の飽和蒸気圧以上で、かつ、設定圧によりバルブ２の受圧面が受ける力が、バルブスプリング８や磁石９などによる閉弁力よりも小さくなるように設定される。

さらに、圧力センサ１９（圧力スイッチでも可）にて低圧室４内の圧力を検出し、その低圧室４内の圧力がレギュレータ１８の設定圧以上になったか否かを判定する。

圧力センサ１９にて、低圧室４内の圧力（低圧側作動油圧力）が所定圧（設定圧）まで上昇したことを感知した後（具体的には、設定圧以上になった時点で）、高圧制御弁５３および導入弁１５を略同時に閉弁させる。

その後、通常の動弁作動制御（動作モード）を開始する。

なお、通常動作時は、この動弁装置１の油圧駆動動弁系を開弁動作させるための高圧作動油が、開弁動作後には低圧室４側へと開放されることから、低圧室４内の圧力が低下することはなく、また、レギュレータ１８によって過度に圧力が上昇することなく、所定圧に保持される。

つまり、通常の動弁作動制御では、制御手段７は、バルブ２の閉弁作動時に、排出弁６３を開弁して制御室３の作動油を排出路６２から排出すると共に、導入弁１５を開弁して、制御室３の作動油を低圧室４に導入するようにしている。このとき、導入弁１５は、制御室３の作動油を排出するための逃がし弁として働くことになる。

これにより、通常の動弁作動制御時も低圧室４は設定圧に保持される。

次に、図２のフローチャートに基づき本実施形態の制御方法の一例を説明する。

図２のフローチャートは、例えば、エンジンの始動時に制御手段７により実行される。

まず、ステップＳ１では、制御手段７は、キーがＯＮか否かを判断する。

ステップＳ１でキーがＯＮの場合、エンジンを始動すべくクランキングが行われると判断されるので、制御手段７は、ステップＳ２で、圧力センサ１９の検出圧力を基に低圧室４が設定圧未満であるか否かを判断する。

ステップＳ２で、圧力センサ１９の検出圧力が設定圧未満の場合、制御手段７は、ステップＳ３で、コモンレール５１の作動油を制御室３を通じて低圧室４内に供給する。具体的には、制御手段７は、高圧制御弁５３の電磁ソレノイド５３８に通電して高圧路５２を開放すると共に、導入弁１５の電磁ソレノイド１５１に通電して第２通路１４を開放する。本実施形態では、高圧路５２の開放（高圧制御弁５３の開弁）と第２通路１４の開放（導入弁１５の開弁）を同時に行う。

制御手段７は、ステップＳ３の後、ステップＳ２に戻る。

制御手段７は、以上のプロセスを、ステップＳ２で低圧室４が設定圧であると判断するまで行い、設定圧になった後は、通常の動弁作動制御に移行する。

このように、本実施形態では、エンジンの始動時に（完爆前に）、予め低圧側作動油の圧力を設定圧（図例では２．０ＭＰａ）まで上昇させることで、バルブ２の開弁動作時に、制御室３内の圧力が過度に減圧することを防止でき、気泡の発生、すなわち減圧沸騰や溶解空気の析出を防止できる。

ここで、例えば、図３の動弁駆動装置３００において、低圧側作動油の圧力を上昇させるためには（例えば、フィードポンプ３０８の吐出圧（０．５ＭＰａ）程度から２．０ＭＰａ程度に上昇）、通常だと油圧ポンプが必要となり、エンジンへの搭載上の問題が生じるが、本実施形態では、始動時に高圧制御弁５３と導入弁１５とを共に開弁させることで高圧側のポンプ（サプライポンプ）を利用して低圧室４内の圧力を上昇させることができる。

その結果、追加の油圧ポンプなどを必要とせず、搭載性を悪化させることなく、バルブモーションに悪影響を及ぼす減圧沸騰や溶解空気の析出を回避することができる。

また、本実施形態では、低圧室４内の圧力が設定圧まで迅速に上昇するので、エンジンが完爆するまで（つまり、バルブ２の開弁動作が行われるまで）充分に時間的な余裕があり、動弁機構の作動に支障をきたすことがない。

その他にも、制御室３を、高圧側（コモンレール５１）から低圧室４に至る通路の一部として利用するので、コモンレール５１を低圧室４に連通させる配管を新規に必要とせず、レイアウトの単純化と製造コストの低減とを図ることができる。

また、本実施形態の動弁装置１は、図３の動弁駆動装置３００に、主に第２通路１４および導入弁１５の追加するだけで構成できるので、既存のバルブ２やアクチュエータボディ１１をそのまま利用でき、設計コストおよび製造コストの低減を図ることができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

図１は、本発明に係る一実施形態による動弁装置を示す。図２は、本実施形態の動弁装置の制御方法を説明するフローチャートの一例である。図３は、従来の動弁装置を示す。図４は、従来の動弁装置を示す。

符号の説明

１動弁装置
２バルブ
３制御室
４低圧室
１２第一通路
１３チェック弁
１４第二通路
１５導入弁（逃がし弁）

Claims

バルブを開閉すべく作動油が供給・排出される制御室と、その制御室に連通させた低圧室と、コモンレール圧の作動油を貯留する高圧供給源と、その高圧供給源から上記制御室への作動油供給を制御する高圧制御弁とを備え、
上記高圧制御弁を作動させ上記高圧供給源から上記制御室に作動油を供給して上記バルブを開弁させ、
上記高圧制御弁の作動により上記制御室の圧力が所定値以下になると上記低圧室からコモンレール圧よりも低圧の作動油を上記制御室に供給して上記バルブの開弁を保持させる動弁装置において、
上記制御室と上記低圧室とを連通するための第一通路と、その第一通路に設けられ、上記制御室が上記低圧室よりも減圧したときに、上記第一通路を開放して上記低圧室の作動油を上記制御室に供給するためのチェック弁と、そのチェック弁の上流側および下流側の第一通路を連通するための第二通路と、その第二通路に設けられ、上記低圧室を昇圧すべく上記第二通路を開放して上記制御室から上記低圧室への作動油供給を制御する導入弁とを備え、
エンジン始動時に上記高圧制御弁および上記導入弁を作動させ上記高圧供給源から上記制御室を介して上記低圧室に作動油を供給することを特徴とする動弁装置。
上記低圧室を調圧すべく、上記低圧室の作動油を逃がすレギュレータを備え、そのレギュレータの設定圧が作動油の飽和蒸気圧以上に設定された請求項１記載の動弁装置。