JP2001329818A - 内燃機関のバルブタイミングリフト可変装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低速域から高速域、あるいは加減速時でのスム
ーズな運転特性と吸排気効率の最適化による低燃費、出
力を向上させる。 【解決手段】吸気バルブ又は排気バルブの少なくともい
ずれか一方の一対のバルブ１ａ，１ｂに，２本のカムシ
ャフト２，３を配設し、各バルブ１ａ，１ｂごとに２個
のプロフィールの異なるカム４ａ，５ａ及び４ｂ、５ｂ
と並設した２本のロッカーアーム８ａ，９ａ及び８ｂ，
９ｂと、２本のロッカーアーム８ａ，９ａ及び８ｂ，９
ｂを連結又は連結解除機構１７ａ，１７ｂとを備えた装
置で、いずれか一方のカムシャフト２，３の端部にはヘ
リカルギア３５，３７を内蔵したカムプーリー３１を構
成し，カム位相角変位も加えたバルブタイミングとリフ
ト可変装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の動弁系
において、吸気又は排気バルブのタイミング及びリフト
を連続的に変化させることにより、出力及びトルクを向
上させ、内燃機関の燃費及び効率を改善するための技術
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、吸気及び排気バルブの開閉時期及
びバルブリフトを可変させる装置としては、例えば特開
昭６３−１０６３０９号公報において、プロフィールの
異なる複数のカムを並設しておき、それぞれに従動する
複数のロッカーアームを、必要に応じて連結又は離脱に
切り替え、運転状況に応じ低速域又は高速域での好まし
いバルブタイミング及びリフト特性を行えるように構成
されたものが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】内燃機関の運転状況に
応じた最適な出力特性と燃焼効率を得るためには、負荷
や回転数に応じたバルブタイミング及びリフトの可変、
最適化が要求されている。その機構として従来は複数の
カムを切り替えたりしていた。しかしこれらの方法は低
速域から高速域に変化する時に出力の急変いわゆる段付
きが発生しスムーズな運転特性が得られなかった。そこ
で本発明では低速域から高速域、あるいは加減速時での
スムーズな運転特性と吸排気効率の最適化による低燃
費、高出力を実現できるようにすることを課題とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載のバルブタイミングリフト可変装置は
一対の吸気あるいは排気バルブのいずれか一方に２本の
カムシャフトを配置し、該カムシャフトには各バルブご
とにプロフィールの異なる２個のカムが並設され、一方
のカムに従動して揺動する第１ロッカーアームと、第１
ロッカーアームに隣接してもう一方のカムに揺動可能に
第２ロッカーアームが配置され上記第１ロッカーアーム
によって開閉駆動されるバルブと、上記第１ロッカーア
ームと第２ロッカーアームとを油圧により連結又は連結
解除機構とを備えた内燃機関のバルブ駆動装置において
上記第２ロッカーアームにはスプリングによって押圧さ
れたロストモーションスプリングが当接され、第２ロッ
カーアームを常時押し上げている。

【０００５】又、該カムシャフトのいずれか一方のカム
シャフトの端部に外周にスプラインギアを設けたインナ
ーシャフトを固着し、その外周に内周にスプラインギ
ア、外周にヘリカルギアを設けたスリーブを噛み合わ
せ、スリーブの外周には内周にヘリカルギアを設けたカ
ムプーリーを噛み合わせ、スリーブがカムシャフト方向
に前後に移動することが可能な装置とで構成されてい
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、図面を基に説明すると図１
には内燃機関本体の動弁駆動部分には一対の吸気バルブ
１ａ，１ｂが配設されており、それらの吸気バルブ１
ａ，１ｂは、機関の回転に同期して１／２の回転比で駆
動されるカムシャフト２，３にそれぞれ一体的に並設さ
れた低速用カム４ａ，４ｂ高速用カム５ａ，５ｂと、カ
ムシャフト２，３と平行なロッカーシャフト６，７に枢
支されてる第１ロッカーアーム８ａ，８ｂ及び第２ロッ
カーアーム９ａ，９ｂとの働きによって開閉駆動され
る。

【０００７】カムシャフト２，３は、機関本体の上方で
回転自在に配設されており、低速用カム４ａ，４ｂと高
速用カム５ａ，５ｂは並設されてそれぞれの吸気バルブ
１ａ，１ｂに対応している。

【０００８】図２おいて、低速用カム４ａ，４ｂは、機
関の低速運転時に対応した形状を有するものであり、カ
ムシャフト２，３の半径方向に沿う外方への突出量が比
較的小さい高位部４ｃ，４ｄを有する。又高速用カム５
ａ，５ｂは機関の高速運転時に対応した形状を有するも
のであり、カムシャフト２，３の半径方向外方への突出
量を低速用カム４ａ，４ｂの高位部４ｃ，４ｄよりも大
とし、かつその高位部４ｃ、４ｄよりも、広い中心角範
囲にわたる高位部５ｃと５ｄを有する

【０００９】図３において、ロッカーシャフト６，７は
カムシャフト２，３よりも下方で固定配置される。この
ロッカーシャフト６，７には低速用カム４ａと４ｂに対
応する第１ロッカーアーム８ａ，８ｂと、高速用カム５
ａと５ｂに対応する第２ロッカーアーム９ａ，９ｂが枢
支され、各ロッカーアームの上面には各カムに摺接する
スリッパ１０ａ，１０ｂ，１１ａ，１１ｂがそれぞれ設
けられている。第１ロッカーアーム８ａ，８ｂは吸気バ
ルブ１ａ，１ｂの上方に延設されており、その先端部に
は、吸気バルブ１ａ，１ｂの上端に当接し得るタペット
ねじ１２ａ，１２ｂが、進退可能に螺着され、緩み防止
用にロックナット１３ａ，１３ｂで固縛されている。

【００１０】吸気バルブ１ａ，１ｂの上部には鍔部１４
ａ，１４ｂが設けられており、この鍔部１４ａ，１４ｂ
と機関部本体との間には吸気バルブ１ａ，１ｂを閉弁方
向に付勢したバルブスプリング１５ａ，１５ｂが介装さ
れる。

【００１１】図４において、第２ロッカーアーム９ａ，
９ｂの端部下部には、押し上げ手段として有底円筒状の
ロストモーションスプリング１６ａ，１６ｂが当接され
ており、このロストモーションスプリング１６ａ，１６
ｂは機関本体との間に介装して、比較的弱いばね力によ
り上方へ付勢される。これにより第２ロッカーアーム９
ａ，９ｂは高速用カム５ａ，５ｂの上下動に従って断発
的に摺接される。

【００１２】図５において第１ロッカーアーム８ａ，８
ｂと第２ロッカーアーム９ａ，９ｂは互いに摺接してお
りそれらが相対的に揺動可能とする状態と、あるいは一
体的に連結する状態と、に切り替え可能な連結切替手段
１７ａと１７ｂが、２つのロッカーアーム間に設けられ
ている。又、連結切替手段１７ａと１７ｂは、ロッカー
アーム間を連結する位置及び、その連結を解除する位置
間で移動可能なピストン１８ａ，１８ｂと、当該ピスト
ンの移動を規制するストッパー１９ａ，１９ｂと、ピス
トン１８ａ，１８ｂを連結解除位置側に移動させるべ
く、ストッパー１９ａ，１９ｂを付勢するスプリング２
０ａ，２０ｂとを備えて構成されている。

【００１３】図５において、吸気バルブ１ａ側を例に説
明すると第１ロッカーアーム８ａには、ロッカーシャフ
ト６と平行に第１ガイド穴２１ａが穿設されており、第
２ロッカーアーム９ａに向けて開放するとともに、この
第１ガイド穴２１ａには円板型のストッパー１９ａが摺
合される。第１ガイド穴２１ａの閉塞端側には挿通孔２
２ａが穿設され、しかもストッパー１９ａと同軸かつ一
体的に設けられた案内棒２３ａが、挿通孔２２ａに挿通
される。さらにストッパー１９ａと第１ガイド穴２１ａ
の閉塞端側との間には、案内棒２３ａをかこむ形のコイ
ル状のスプリング２０ａが介装される。

【００１４】第２ロッカーアーム９ａには、第１ガイド
穴２１ａに対応して第１ロッカーアーム８ａ側に向けて
開放した第２ガイド穴２４ａが穿設されておりこの第２
ガイド穴２４ａの閉塞端側には段部２５ａを介して小径
部２６ａが設けられ、第２ガイド穴２４ａにはピストン
１８ａが摺合されており、このピストン１８ａと第２ガ
イド穴２４ａの閉塞端側との間に油圧室２７ａが画成さ
れる。又第２ロッカーアーム９ａには油圧室２７ａに連
通する油路２８ａが穿設され、ロッカーシャフト６内に
はオイルポンプ（図示せず）に通じる油路２９ａが穿設
され油圧を上昇又は下降させることによりピストン１８
ａを前後に移動させる。

【００１５】ピストン１８ａの軸方向の長さは、その一
端が第２ロッカーアーム９ａの段部２５ａに当接したと
きに、その他端が２本のロッカーアームの境界に位置す
るように、又ストッパー１９ａを規制段部３０ａに当接
させるまで第１ガイド穴２１ａ内に入り込んだときに、
その一端が第２ガイド穴内２４ａに残るように設定され
る。

【００１６】又、上記連結切替手段１７ａは吸気バルブ
１ｂ側にも同一のもの１７ｂが構成されている。

【００１７】次に、カムプーリー３１内に設けられたカ
ム位相角変位装置について図６に示した実施例で説明す
る。まず、吸気カムシャフト２の端部にインナーシャフ
ト３２を固着しその外周にスプラインギア３３を設け、
その外側には内周にスプラインギア３４、外周にヘリカ
ルギア３５を設けたスリーブ３６を差し込み、その外周
には内周にヘリカルギア３７を設けたカムプーリー３１
が、スリーブ３１のヘリカルギア３５と噛み合うように
装着される。スリーブ３６は、カムシャフト方向に前後
に移動が可能であり、スプリング３８によってカムシャ
フト２の外側方向へ付勢されている。

【００１８】又、インナーシャフト３２は連結ボルト３
９でカムシャフト２の端部に固着され、ロックピン４０
でずれを防止している。連結ボルト３９の中心軸には油
路４１が設けられ、カムシャフト２の油路４２と連通し
ている。この油路４２は図示していないシリンダヘッド
の油路を介して、機関のオイルポンプに連通している。

【００１９】このように上記カム位相角変位装置は、図
示しないオイルポンプの油圧によりスリーブ３６がスプ
リング３８に抗して、カムシャフト２の内側方向に移動
させることにより、吸気カムシャフト２をカムプーリー
３１と相対して遅角させバルブタイミングを遅める。

【００２０】上記カムシャフト２のもう一端にギア４３
を設け、相対するもう１本のカムシャフト３にも同一の
ギア４４を設けて、２本のカムシャフトが同位相角とな
るように互いに噛み合わせる。このようにすればカムシ
ャフト２が遅角すれば、カムシャフト３も遅角するとい
うように同じ作用が得られる。これを図７に示す。

【００２１】

【作 用】次に、この実施例の作用を吸気バルブ１ａ
を例に説明すると、機関の低速運転時には図５左側に示
すように、連結手段１７ａを連結解除側に作動せしめ
る。すなわち、油圧室２７ａの油圧を解放するとストッ
パー１９ａのスプリング２０ａのばね力によりピストン
１８ａは第２ロッカーアーム９ａの内部まで移動し、段
部２５ａに当接するまで後退せしめられる。この状態で
ピストン１８ａ及びストッパー１９ａの当接面は第１ロ
ッカーアーム８ａと第２ロッカーアーム９ａの摺接面に
位置し、したがって第１ロッカーアーム８ａと第２ロッ
カーアーム９ａは相互に摺接して相対角変位運動可能な
状態にある。

【００２２】このような連結解除状態にあっては、第１
ロッカーアーム８ａの揺動動作が第２ロッカーアーム９
ａに影響を及ぼすことはなく、第１ロッカーアーム８ａ
は低速用カム４ａのカムプロフィールに応じて揺動す
る。この際第２ロッカーアーム９ａはロストモーション
スプリング１６ａの比較的弱いばね力により、高速カム
５ａに摺接しているだけなので動弁系の摩擦損失は低く
抑えられ、カム打音の低減を図ることができる。

【００２３】上記の動作はもう一方の吸気バルブ１ｂに
も適用される。つまり機関の低速運転時は低速用カム４
ｂのカムプロフィールに応じてタイミング及びリフト量
で開閉作動するので、低速運転に適したトルクが得ら
れ、燃費の低減及びノッキング防止を図ることができ
る。

【００２４】機関の中速運転時には、吸気バルブ１ｂに
おいて連結手段により図５右側に示すように第１ロッカ
ーアーム８ｂと第２ロッカーアーム９ｂが連結される。
すなわち連結手段１７ｂの油圧室２７ｂに油圧が供給さ
れることによりピストン１８ｂは、ばね２０ｂのばね力
に抗してストッパー１９ｂを押圧しながら第１ガイド穴
２１ｂに嵌入し、ストッパー１９ｂが規制段部３０ｂに
押し付けられる。この状態で第１ロッカーアーム８ｂと
第２ロッカーアーム９ｂは相対揺動を阻止され、一体的
に揺動する。

【００２５】したがって一方の吸気バルブ１ｂは高速用
カム５ｂのプロフィールに応じたタイミング及びリフト
量で開閉作動し、他方の吸気バルブ１ａは低速用カム４
ａのプロフィールに応じたタイミング及びリフト量で開
閉作動し、これにより中速運転に適した混合気流入速度
が得られるとともに、吸入混合気量が増えて燃焼室内で
の混合気のかくはんを大とし、燃焼効率が向上し燃費が
良くなる。

【００２６】機関の高速運転に際しては、連結手段１７
ａ，１７ｂにより吸気バルブ１ａ側のロッカーアーム８
ａ，９ａと吸気バルブ１ｂ側のロッカーアーム８ｂ，９
ｂがそれぞれ連結状態となる。したがって上記ロッカー
アームが高速用カム５ａ，５ｂによって揺動する。この
結果両吸気バルブ１ａ，１ｂは高速用のタイミング及び
リフト量で開閉作動し、混合気吸入量の増加により高ト
ルク高出力を得ることができる。

【００２７】つぎに、カムシャフト２端部に設けられた
カム位相角変位装置の作用について説明する。図示しな
いオイルポンプにより昇圧された油圧は油路４２を通
り、スプリング３８に抗してスリーブ３６が移動しヘリ
カルギア３５と３７の偏角作用によりカムシャフト２の
位相角が遅角し、吸気バルブ１ａ，１ｂの開閉時期が遅
まる。又、カムシャフト３もカムシャフト２とギア４
３，４４で噛み合っているので同じく遅角する。

【００２８】上記のカム位相角変位装置により、２つの
吸気バルブ１ａ，１ｂの開閉時期をそれぞれ遅角させる
ことにより、吸気慣性効果により混合気吸入量が増加し
て出力が上昇する。

【００２９】油圧室４２の油圧を減ずれば、スプリング
３８が復元しカムシャフト２，３の位相角は元に戻る。

【００３０】つぎに、上記に説明した２個のカムによる
バルブタイミングリフト可変装置とヘリカルギア付カム
プーリーによるカム位相角変位装置の相乗作用を説明す
る。

【００３１】機関の低速域低負荷運転時は吸気バルブ１
ａを例に説明すると、図５に示すように連結手段１７ａ
を連結解除側に作動せしめる。すなわち油圧室２７ａの
油圧を解放すると、ストッパー１９ａがスプリング２０
ａのばね力により第２ロッカーアーム９ａ側に移動して
ピストン１８ａは段部２５ａに当接するまで後退せしめ
られる。この状態でピストン１８ａとストッパー１９ａ
の当接面は第１ロッカーアーム８ａと第２ロッカーアー
ム９ａの摺接面と同一となり、ロッカーアームは互いに
摺接し相対角変位運動可能な状態となる。つまり、２つ
の吸気バルブ１ａ，１ｂは低速用カム４ａ，４ｂにて作
動する。この状態を図８に示す。

【００３２】低速域高負荷時は２つの吸気バルブ１ａ，
１ｂは上記のごとく低速用カム４ａ，４ｂで作動し、さ
らにはカム位相角変位装置により吸気バルブ１ａ，１ｂ
のカム位相角をそれぞれ遅角させることにより、吸気慣
性効果により混合気吸入量が増加し出力が上昇する。こ
の状態を図９に示す。

【００３３】中速域低負荷時は吸気バルブ１ａは低速用
カム４ａで作動し、もう一方の吸気バルブ１ｂは高速用
カム５ｂで作動する。つまり吸気バルブ１ａは連結解除
とする。つまり吸気バルブ１ｂの作動について説明する
と図５で示すように連結手段１７ｂを連結側に作動せし
める。すなわち油圧室２７ｂに油圧をかけるとピストン
１８ｂは、ストッパー１９ｂのばね力に抗して第１ロッ
カーアーム９ｂ側に移動し、段部３０ｂに当接するまで
押し込められる。この状態で第１ロッカーアーム８ｂと
第２ロッカーアーム９ｂは一体となり高速用カム５ｂに
付勢された第２ロッカーアーム９ｂが作動し、第１ロッ
カーアーム８ｂを介して吸気バルブ１ｂを開閉作動す
る。つまり、吸気バルブ１ａは低速用カム４ａ、吸気バ
ルブ１ｂは高速用カム５ｂで作動し燃焼室内において
は、吸気バルブ１ｂから流れる混合気吸入量は吸気バル
ブ１ａよりも大きいので流入量が増加、互いの流速差に
よりスワールが発生し混合気がよくかくはんされ着火し
やすくなり燃焼効率が向上する。又、吸入量の増加によ
り出力が上昇する。この状態を図１０に示す。

【００３４】中速域高負荷時は、吸気バルブ１ａは低速
用カム４ａ、吸気バルブ１ｂは高速用カム５ｂで作動
し、カム位相角変位装置により低速用カムは遅角、高速
用カムも遅角させることにより混合気吸入量が増加し、
出力が上昇する。この状態を図１１に示す。

【００３５】高速域低負荷時は、吸気バルブ１ａは高速
用カム５ａ、吸気バルブ１ｂも高速用カム５ｂで作動し
吸入混合気量は低速域に比べ大となり出力が増大する。
高速時の燃費重視の運転に適している。この状態を図１
２に示す。

【００３６】高速域高負荷時は、吸気バルブ１ａは高速
用カム５ａ、吸気バルブ１ｂも高速用カム５ｂ、さらに
はカム位相角変位装置により吸気バルブ１ａと１ｂをそ
れぞれ遅角させることにより、高速用カムのリフト増と
あいまって混合気吸入量は大幅に増大し、出力が大幅に
上昇する。

【００３７】以上の実施例では吸気バルブを駆動するた
めの動弁装置について述べたが、本発明を排気バルブに
関連して実施することも可能である。

【００３８】又、カムプーリー内のインナーシャフトの
外周をヘリカルギアとし、かつスリーブの内周もヘリカ
ルギアとすることにより、スリーブの移動による変位角
速度を大とし、カムの位相角変位動作を速くすることも
できる。

【００３９】

【発明の効果】以上請求項１のように構成したので、吸
気あるいは排気バルブの開閉タイミングとバルブリフト
とカム位相角を、負荷や回転数に応じて６以上に細分化
して動弁制御を行うことができる。又ロッカーアーム切
り替え機構は単純な構造のため作動が確実であり、比較
的軽量のためバルブサージングの発生回転数は高めに設
定することが可能である。よって、内燃機関の低速から
高速までのスムーズな運転及び出力が上昇し燃焼効率の
向上により燃費が低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】バルブ駆動装置の縦断面図

【図２】カムシャフトのカムの断面図

【図３】バルブ駆動装置の平面図

【図４】第２ロッカーアームとロストモーションスプリ
ングの断面図

【図５】連結切替手段の平面断面図

【図６】カムプーリー内の断面図

【図７】カムシャフト端部結合ギア及びその断面図

【図８】低速域低負荷時のバルブ特性グラフ

【図９】低速域高負荷時のバルブ特性グラフ

【図１０】中速域低負荷時のバルブ特性グラフ

【図１１】中速域高負荷時のバルブ特性グラフ

【図１２】高速域低負荷時のバルブ特性グラフ

【図１３】高速域高負荷時のバルブ特性グラフ

【符号の説明】

１ａ，１ｂ・・・・吸気バルブ ２，３・・・
・・・カムシャフト ４ａ，４ｂ・・・・低速用カム ４ｃ，４ｄ・
・・・低速用カム高位部 ５ａ，５ｂ・・・・高速用カム ５ｃ，５ｄ・
・・・高速用カム高位部 ６，７・・・・・・ロッカーシャフト ８ａ，８ｂ・
・・第１ロッカーアーム ９ａ，９ｂ・・・・第２ロッカーアーム １０ａ，１０
ｂ・・スリッパ １１ａ，１１ｂ・・スリッパ １２ａ，１２
ｂ・・タペットねじ １３ａ，１３ｂ・・ロックナット １４ａ，１４
ｂ・・鍔部 １５ａ，１５ｂ・・バルブスプリング １６ａ，１６ｂ・・ロストモーションスプリング １７ａ，１７ｂ・・連結切替手段 １８ａ，１８
ｂ・・ピストン １９ａ，１９ｂ・・ストッパー ２０ａ，２０
ｂ・・スプリング ２１ａ，２１ｂ・・第１ガイド穴 ２２ａ，２２
ｂ・・挿通孔 ２３ａ，２３ｂ・・案内棒 ２４ａ，２４
ｂ・・第２ガイド穴 ２５ａ，２５ｂ・・段部 ２６ａ，２６
ｂ・・小径部 ２７ａ，２７ｂ・・油圧室 ２８ａ，２８
ｂ・・油路 ２９ａ，２９ｂ・・油路 ３０ａ，３０
ｂ・・規制段部 ３１・・・・・・・カムプーリー ３２・・・・
・・インナーシャフト ３３・・・・・・・スプラインギア ３４・・・・
・・・スプラインギア ３５・・・・・・・ヘリカルギア ３６・・・・
・・・スリーブ ３７・・・・・・・ヘリカルギア ３８・・・・
・・・スプリング ３９・・・・・・・連結ボルト ４０・・・・
・・・ロックピン ４１・・・・・・・油路 ４２・・・・
・・・油路 ４３・・・・・・・ギア ４４・・・・
・・・ギア ４５・・・・・・・取り付けボルト ４６・・・・
・・・キー

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【手続補正書】

【提出日】平成１３年１月５日（２００１．１．５）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】吸気バルブ又は排気バルブの少なくともい
   ずれか一方に、機関の回転に同期して回転される２本の
   カムシャフト（２）（３）と、当該カムシャフトには一
   対のバルブ（１ａ）（１ｂ）が配設され、当該バルブ
   （１ａ）（１ｂ）ごとに、２個のプロフィールの異なる
   カム（４ａ）（４ｂ）及び（５ａ）（５ｂ）と２個の当
   該カムに従動して揺動する２本のロッカーアーム（８
   ａ）（８ｂ）及び（９ａ）（９ｂ）と２本の当該ロッカ
   ーアームを油圧にて連結又は連結解除することが可能な
   機構（１７ａ）（１７ｂ）をそれぞれに、備えたことを
   特徴としたバルブ駆動装置で、上記２本のカムシャフト
   （２）（３）の少なくともいずれか一方のカムシャフト
   の端部にスプラインギア（３３）を設け、その外周に
   は、内周にスプラインギア（３４）と外周にヘリカルギ
   ア（３５）を設けたスリーブ（３６）を挿入し、スリー
   ブ（３６）の外周には内周にヘリカルギア（３７）を、
   設けたカムプーリー（３１）を噛み合わせスリーブ（３
   ６）がカムシャフト方向に前後に移動することが可能な
   装置と、カムシャフト（２）（３）のもう一方の端部に
   はそれぞれにギア（４３）（４４）を固着させ互いに噛
   み合わせてなる装置で構成された内燃機関のバルブタイ
   ミングリフト可変装置。