JP2005002812A - ４サイクルエンジンの正逆転切換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンのクランク軸を正転方向と逆転方向とに切り換えることができる４サイクルエンジンの正逆転切換装置を提供する。
【解決手段】シリンダヘッド６には燃焼室７に開口して吸気ポートと排気ポートが形成され、吸気ポートは吸気弁により開閉され、排気ポートは排気弁により開閉される。シリンダヘッド６に回転自在に装着されたカムシャフト１７には、吸気弁用の動弁カム２１と排気弁用の動弁カム２２とがカムシャフト１７に対して正転位置と逆転位置とに切換移動自在に嵌合されている。カムシャフト１７に形成された中空孔２３内に軸方向に摺動自在にシフターロッド２４が嵌合され、シフターロッド２４には動弁カム２１，２２に固定された係合ピン３１，３２が係合するカム溝３３，３４が形成されており、動弁カム２１，２２の位相がクランク軸の正転時と逆転時とで切り換えられる。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はクランク軸を正逆両方向に回転させるようにした４サイクルエンジンの正逆転切換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
バギー車とも言われる全地形走行車つまりＡＴＶ（Ａｌｌ Ｔｅｒｒａｉｎ Ｖｅｈｉｃｌｅ）やスノーモビルなどの特殊な小形車両には、２サイクルエンジンが搭載されることが多い。２サイクルエンジンは４サイクルエンジンと相違して点火時期を調整することによってクランク軸の回転方向を正逆何れの方向にも回転させることができるので、前後進切換機構を車両に搭載することなく、車両を車庫から引き出したりトラックから降ろす際にも車両をエンジンにより後退移動させることができる（特許文献１参照）。
【０００３】
これに対して、４サイクルエンジンは吸気ポートから燃焼室内への新気の供給タイミングと燃焼室からの排気ガスの排出タイミングとを調整するために吸気弁と排気弁とを有し、これらの弁は動弁機構により開閉されるようになっているので、点火時期を調整してもクランク軸を正逆両方向に回転させることは困難である。このため、４サイクルエンジンが搭載される車両をエンジンにより後退移動させるには、別途、歯車やチェーンを備えた前後進切換機構を設ける必要がある（特許文献２および３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−２２３１３９号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平７−１２７７０７号公報
【０００６】
【特許文献３】
特開平７−１９０１５２号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
４サイクルエンジンをレバー操作により正転方向と逆転方向とに切り換えることができれば、前後進切換機構を設けることなく、全地形走行車やスノーモビルなどの特殊な小形車両を安価な車両とすることができる。動弁機構はそれぞれ動弁カムにより揺動し吸気弁を開閉する吸気側のロッカアームと、排気弁を開閉する排気側のロッカアームとを有しており、４サイクルエンジンを正逆両方向に回転させるためには、動弁カムを正転用と逆転用との２種類設けることも考えられるが、これではエンジンの構造が複雑となる。そこで、本発明者は動弁カムの数を増加させることなく、一種類の動弁カムによりクランク軸の回転方向を正逆両方向に切り換えるように研究を行った。
【０００８】
本発明の目的は、エンジンのクランク軸を正転方向と逆転方向とに切り換えることができる４サイクルエンジンの正逆転切換装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の４サイクルエンジンの正逆転切換装置は、ピストンの往復動により回転するクランク軸が装着されるエンジン本体に、燃焼室に開口して形成されたポートを開閉する弁が設けられた４サイクルエンジンの正逆転切換装置であって、前記弁を駆動する動弁カムが正転位置と逆転位置とに切換移動自在に嵌合され、前記クランク軸により回転駆動されるカムシャフトと、前記カムシャフトに形成された中空孔内に軸方向に摺動自在に嵌合され、前記動弁カムに固定された係合ピンが係合するカム溝が形成されたシフターロッドとを有し、前記シフターロッドを軸方向に移動することにより、前記動弁カムの前記カムシャフトに対する回転方向の位相をクランク軸の正転時と逆転時とで切り換えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の４サイクルエンジンの正逆転切換装置は、前記カムシャフトに吸気側の動弁カムと排気側の動弁カムとを装着し、前記弁をロッカアームを介して駆動することを特徴とする。
【００１１】
本発明の４サイクルエンジンの正逆転切換装置は、前記シフターロッドを軸方向に駆動する切換レバーと、前記切換レバーを手動により切換操作する手動操作部材または前記切換レバーを自動的に切換操作するアクチュエータを有することを特徴とする。また、本発明の４サイクルエンジンの正逆転切換装置は、前記燃焼室内の混合気を点火させる点火プラグの点火時期を前記クランク軸の正転時と逆転時とで変化させる点火制御手段を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明にあっては、シフターロッドを移動させることによって、動弁カムのカムシャフトに対する位相を正転用と逆転用とに切り換えることができるので、４サイクルエンジンのクランク軸を正転方向と逆転方向とのいずれの方向にも回転させることができる。本発明にあっては、カムシャフトに吸気側の動弁カムと排気側の動弁カムとを装着し、吸気ポートを開閉する吸気弁を吸気側のロッカアームを介して駆動し、排気ポートを開閉する排気弁を排気側のロッカアームを介して駆動することができる。また、シフターロッドの切換操作は手動操作によって行うこともでき、アクチュエータによって自動的に行うこともできる。点火プラグの点火時期は、クランク軸の正転時と逆転時とで相違したタイミングに切り換えられる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１（Ａ）は４サイクルエンジンの概略構造を示すスケルトン図であり、図１（Ｂ）は同図（Ａ）における１Ｂ−１Ｂ線に沿う方向から見たシリンダヘッドを示す拡大断面図である。
【００１４】
図１（Ａ）に示すように、この４サイクルエンジンは単気筒エンジンであって、クランク軸１が回転自在に装着されるクランクケース２を有し、クランク軸１はシリンダ３内に往復動自在となったピストン４にコネクティングロッド５を介して連結されている。クランクケース２にはシリンダヘッド６が装着され、クランクケース２とシリンダヘッド６によりエンジン本体が形成され、シリンダヘッド６には、図１（Ｂ）に示すように、エンジン本体内に形成される燃焼室７に混合気を供給するための吸気ポート８と、燃焼室７内の燃焼排ガスを外部に排出するための排気ポート９とが形成されている。吸気ポート８は吸気弁１１により開閉され、排気ポート９は排気弁１２により開閉される。燃焼室７内の混合気を点火させるために、図１（Ａ）に示されるように、シリンダヘッド６には点火プラグ１０が設けられている。
【００１５】
シリンダヘッド６には吸気弁１１を開閉駆動するための吸気側のロッカアーム１３がロッカシャフト１４に揺動自在に装着されており、排気弁１２を開閉駆動するための排気側のロッカアーム１５がロッカシャフト１６に揺動自在に装着されている。それぞれのロッカアーム１３，１５を揺動するために、シリンダヘッド６にはカムシャフト１７が回転自在に装着されており、このカムシャフト１７をクランク軸１により駆動するために、クランク軸１に固定されたスプロケット１８と、カムシャフト１７に固定されたスプロケット１９との間にはチェーン２０が掛け渡されている。カムシャフト１７に固定されたスプロケット１９はクランク軸１に固定されたスプロケット１８の２倍の外径となっており、カムシャフト１７はクランク軸１が２回転すると１回転することになる。
【００１６】
図２は図１に示されたシリンダヘッドを示す拡大断面図であり、図３は図２に示されたカムシャフトを示す分解斜視図であり、図４（Ａ）はクランク軸１を正転させるときの動弁カムの位相を示す断面図であり、図４（Ｂ）はクランク軸１を逆転させるときの動弁カムの位相を示す断面図である。
【００１７】
図２に示すように、カムシャフト１７はスプロケット１９が固定された大径の一端部と、その反対側の小径の他端部とにおいてシリンダヘッド６に回転自在に支持されている。カムシャフト１７の外側には吸気弁用の動弁カム２１がカムシャフト１７に対して所定の角度の範囲内に回動自在に嵌合され、さらに排気弁用の動弁カム２２がカムシャフト１７に対して所定の角度の範囲内に回動自在に嵌合されている。２つの動弁カム２１，２２はカムシャフト１７の軸方向に離れており、両方の動弁カム２１，２２の間にはスペーサが組み付けられている。ロッカアーム１３は吸気弁１１に係合する弁作動部１３ａと、動弁カム２１に接触するカム接触部１３ｂとを有し、ロッカアーム１５は排気弁１２に係合する弁作動部１５ａと、動弁カム２２に接触するカム接触部１５ｂとを有している。
【００１８】
このように、カムシャフト１７および動弁カム２１，２２がシリンダヘッド６内に配置され、動弁カム２１，２２がロッカアーム１３，１５に直接接触して開閉駆動するようになっており、図示する動弁機構はＯＨＣ式となっている。ただし、両方のロッカアーム１３，１５を１本のロッカシャフトに装着するようにしても良い。
【００１９】
図２および図３に示すように、カムシャフト１７には他端部に開口部を有する中空孔２３が形成されており、この中空孔２３には軸方向に摺動自在にシフターロッド２４が嵌合されている。このシフターロッド２４にはカムシャフト１７の内周面に軸方向に延びて形成されたキー溝２５に摺動自在に係合する半月キー２６が固定されており、シフターロッド２４はカムシャフト１７と一体となって回転してカムシャフト１７に対しては回転することなく、カムシャフト１７に対して図２において符号Ｓで示すストロークの範囲で軸方向に摺動する。なお、カムシャフト１７の内周面にキーを取り付ける一方、シフターロッド２４にキーが係合するキー溝を形成するようにしても良い。
【００２０】
カムシャフト１７には、図４に示されるように、円周方向に沿って所定の角度θ１の範囲に長孔２７が形成され、さらに円周方向に沿って所定の角度θ２の回転に長孔２８が形成され、両方の長孔２７，２８は相互に動弁カム２１，２２の距離に対応した距離だけ軸方向にずれている。一方の長孔２７には吸気用の動弁カム２１に固定された係合ピン３１が貫通し、他方の長孔２８には排気用の動弁カム２２に固定された係合ピン３２が貫通しており、それぞれの動弁カム２１，２２はそれぞれ長孔２７，２８の円周方向の角度θ１，θ２に対応する長さの範囲でカムシャフト１７に対して回動するようになっている。
【００２１】
図３に示すように、シフターロッド２４の外周面には、係合ピン３１が係合するカム溝３３が円周方向と軸方向との合成方向に延びて円弧状に湾曲傾斜して形成され、係合ピン３２が係合するカム溝３４が、カム溝３３と同様に、円周方向と軸方向との合成方向に延びて円弧状に湾曲傾斜して形成されている。それぞれのカム溝３３，３４の軸方向の長さはストロークＳに対応し、円周方向の長さはそれぞれ前述した角度θ１，θ２に対応した長さとなっている。
【００２２】
図２に示すように、シフターロッド２４の先端部に設けられた大径の端部３５とカムシャフト１７の他端面との間には圧縮コイルばね３６がばね部材として装着されており、この圧縮コイルばね３６によりシフターロッド２４にはカムシャフト１７から突出する方向のばね力が加えられている。ばね部材としては、シフターロッド２４に対して軸方向の推力を加えるのであれば、圧縮コイルばね３６に限られず、どのようなタイプのばね部材を用いるようにしても良い。
【００２３】
クランク軸１を正転させるときのシフターロッド２４のカムシャフト１７に対する軸方向の位置が図２に実線で示す位置であり、そのときの動弁カム２１，２２のカムシャフト１７に対する回転方向の位相が図４（Ａ）に示す位置であるとする。この状態のもとで、シフターロッド２４を図２において二点鎖線で示す位置までストロークＳだけ軸方向に移動させると、それぞれのカム溝３３，３４に沿って係合ピン３１，３２が摺動することから、図４（Ｂ）に示すように、円周方向の長孔２７，２８に沿って動弁カム２１は角度θ１だけ回動し、動弁カム２２は角度θ２だけ回動する。それぞれの動弁カム２１，２２は、カム溝３３，３４が図３に示すように相互に逆向きに傾斜しているので、相互に逆方向に回動する。
【００２４】
シフターロッド２４を図２に実線で示す正転位置と、二点鎖線で示す逆転位置との間で軸方向に移動するために、シリンダヘッド６にシフターロッド２４の端部を覆うように取り付けられたシフターカバー３７には駆動軸３８が回動自在に装着され、この駆動軸３８に固定された駆動アーム３９がシフターロッド２４の端面に当接している。駆動軸３８には切換レバー４０が固定され、この切換レバー４０をばね力により実線で示す正転位置に設定すると、動弁カム２１，２２は図４（Ａ）に示す正転位置となり、ばね力に抗して二点鎖線で示す逆転位置に設定すると、図４（Ｂ）に示す逆転位置となる。この切換レバー４０の駆動は運転者が手動で操作するようにしても良く、アクチュエータなどにより自動的に作動するようにしても良い。
【００２５】
図５は正逆転切換装置の制御回路を示すブロック図であり、コントローラ４１にはエンジンを正転方向と逆転方向とに切り換えるための切換スイッチ４２からの信号が送られるようになっている。図５に示す正逆転切換装置は、切換レバー４０を自動的に作動するようにしており、コントローラ４１からは切換レバー４０を図２に示す正転位置と逆転位置とに作動するためのアクチュエータ４３に駆動信号が送られる。さらに、コントローラ４１からは点火制御手段としての点火制御部４４に制御信号が送られて、所定のタイミングで点火プラグ１０に高電圧が印加されるようになっている。シフターロッド２４の軸方向移動をアクチュエータ４３によって自動的に行うことなく、運転者の手動操作によって行う場合には、切換レバー４０には図示しない手動操作部材が連結されることになる。
【００２６】
図６（Ａ）〜（Ｄ）はクランク軸１が車両を前進走行させるために正転方向に駆動されるときのピストン４と吸排弁１１，１２の開閉状態とを示す行程図であり、図６（Ｅ）は正転時のクランク軸１の回転と吸排弁１１，１２の開閉状態を示す作動線図である。正転時には２つの動弁カム２１，２２はカムシャフト１７に対して図４（Ａ）に示される位相となっており、吸気弁１１は、排気行程の終期にクランク軸１がピストン４の上死点前αのときに開き、下死点後βのときに閉じ、圧縮、爆発及び排気の各行程においては閉じた状態を保持する。一方、排気弁１２は、爆発行程の終期においてピストン４の下死点前γのときに開き、上死点後δのときに閉じ、吸入、圧縮および爆発の各行程においては閉じた状態を保持する。
【００２７】
図７（Ａ）〜（Ｄ）はクランク軸１が車両を後退させるために逆転方向に駆動されるときのピストン４と吸排弁１１，１２の開閉状態とを示す行程図であり、図７（Ｅ）は逆転時のクランク軸１の回転と吸排弁１１，１２の開閉状態を示す作動線図であり、正転時と逆転時とでは、吸排弁１１，１２の開閉タイミングは図６と図７に示されるように切り換えられる。
【００２８】
図６および図７において角度α〜δにより示されるクランク軸１の角度と吸排弁１１，１２の開閉タイミングは、エンジンの種類によって相違するので、図４に示した動弁カム２１，２２の切換回動角度θ１，θ２はエンジンの種類に応じて相違することになる。燃焼室７内に供給された混合気は圧縮された状態のもとで、点火プラグ１０により点火されることになり、点火時期はクランク軸１の回転数などに応じて変化させることができ、ピストン４が上死点に達する前に設定される。したがって、正転時と逆転時とでは点火時期がクランク軸１の角度が相違するので、点火プラグ１０は点火制御部４４からの制御信号によりいずれの方向に回転する場合でも最適な点火タイミングとなるように制御される。
【００２９】
上述のように、吸気側の動弁カム２１と排気側の動弁カム２２のカムシャフト１７に対する位相を正転時と逆転時とで切り換えることができるので、シフターロッド２４を操作することによってクランク軸１を正転方向と逆転方向の任意の方向に回転させることができる。これにより、全地形走行車やスノーモビルなどの特殊な小形車両に前後進切換機構を設けることなく、４サイクルエンジンを搭載することができる。
【００３０】
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。たとえば、図示する動弁機構は１本のカムシャフトに吸気用と排気用の２つの動弁カム２１，２２が設けられ、２つのロッカアーム１３，１５がそれぞれ別々のロッカシャフト１４，１６に揺動自在に装着されたタイプのＯＨＣ型であるが、１本のロッカシャフトに２つのロッカアームを装着するようにしたタイプのＯＨＣ型にも本発明を適用することができる。また、カムシャフトをクランクケースに設け、ロッカアームと動弁カムとの間にプッシュロッドを配置するようにしたＯＨＶ型の動弁機構や、カムシャフトを吸気用と排気用の２本設けるようにしたＤＯＨＣ型の動弁機構にも本発明を適用することができ、ＤＯＨＣ型の場合にはロッカアームを用いるタイプでもロッカアームを用いることなく動弁カムにより吸排弁を直接駆動するタイプでも良い。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、シフターロッドによって動弁カムのカムシャフトに対する位相を正転用と逆転用とに切り換えることができるので、４サイクルエンジンのクランク軸を正転方向と逆転方向とのいずれの方向にも回転させることができる。４サイクルエンジンのクランク軸を正逆両方向に回転させることができるので、前後進切換機構を設けることなく、車両を後退移動させることができ、小形車両を低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は４サイクルエンジンの概略構造を示すスケルトン図であり、（Ｂ）は（Ａ）における１Ｂ−１Ｂ線に沿う方向から見たシリンダヘッドを示す拡大断面図である。
【図２】図１に示されたシリンダヘッドを示す拡大断面図である。
【図３】図２に示されたカムシャフトを示す分解斜視図である。
【図４】（Ａ）はクランク軸を正転させるときの動弁カムの位相を示す断面図であり、（Ｂ）はクランク軸を逆転させるときの動弁カムの位相を示す断面図である。
【図５】正逆転切換装置の制御回路を示すブロック図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｄ）はクランク軸が正転方向に駆動されるときのピストンと吸排弁の開閉状態とを示す行程図であり、（Ｅ）は正転時のクランク軸の回転と吸排弁の開閉状態を示す作動線図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｄ）はクランク軸が逆転方向に駆動されるときのピストンと吸排弁の開閉状態とを示す行程図であり、（Ｅ）は逆転時のクランク軸の回転と吸排弁の開閉状態を示す作動線図である。
【符号の説明】
１ クランク軸
２ クランクケース
６ シリンダヘッド
７ 燃焼室
８ 吸気ポート
９ 排気ポート
１０ 点火プラグ
１１ 吸気弁
１２ 排気弁
１３，１５ ロッカアーム
１７ カムシャフト
２１，２２ 動弁カム
２３ 中空孔
２４ シフターロッド
３１，３２ 係合ピン
２７，２８ 長孔
３３，３４ カム溝
４０ 切換レバー

Claims (4)

1. ピストンの往復動により回転するクランク軸が装着されるエンジン本体に、燃焼室に開口して形成されたポートを開閉する弁が設けられた４サイクルエンジンの正逆転切換装置において、
   前記弁を駆動する動弁カムが正転位置と逆転位置とに切換移動自在に嵌合され、前記クランク軸により回転駆動されるカムシャフトと、
   前記カムシャフトに形成された中空孔内に軸方向に摺動自在に嵌合され、前記動弁カムに固定された係合ピンが係合するカム溝が形成されたシフターロッドとを有し、
   前記シフターロッドを軸方向に移動することにより、前記動弁カムの前記カムシャフトに対する回転方向の位相をクランク軸の正転時と逆転時とで切り換えることを特徴とする４サイクルエンジンの正逆転切換装置。
2. 請求項１記載の４サイクルエンジンの正逆転切換装置において、前記カムシャフトに吸気側の動弁カムと排気側の動弁カムとを装着し、前記弁をロッカアームを介して駆動することを特徴とする４サイクルエンジンの正逆転切換装置。
3. 請求項１または２記載の４サイクルエンジンの正逆転切換装置において、前記シフターロッドを軸方向に駆動する切換レバーと、前記切換レバーを手動により切換操作する手動操作部材または前記切換レバーを自動的に切換操作するアクチュエータを有することを特徴とする４サイクルエンジンの正逆転切換装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の４サイクルエンジンの正逆転切換装置において、前記燃焼室内の混合気を点火させる点火プラグの点火時期を前記クランク軸の正転時と逆転時とで変化させる点火制御手段を有することを特徴とする４サイクルエンジンの正逆転切換装置。

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