JP2005009487A - エンジンの動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 エンジン回転数が許容回転数を超えて増加する可能性があるときに、バルブの不正運動を効果的に抑制する。
【解決手段】 バルブリフト可変機構を備えたエンジンの動弁装置は、手動変速機のシフトダウンミス等によりエンジン回転数が許容回転数を超えて増加する可能性があるときに、バルブの開角を変化させずにリフト量を減少させる。これにより、バルブのリフト曲線の頂部の曲率を小さくしてバルブに作用する慣性力を低下させることで、バルブの不正運動を防止することができる。しかもバルブのリフト量の減少により吸入空気量の増加を防止し、またエンジンブレーキが効き難くなるのを防止することで、エンジン回転数を減少させてバルブの不正運動が促進されるのを防止することができる。
【選択図】 図８

Description

本発明は、バルブのリフト量を変化させるバルブリフト可変機構を備えたエンジンの動弁装置に関する。

エンジンの動弁機構は、エンジン回転数の二乗に比例して増加するバルブの慣性力に打ち勝つために、バルブスプリングが発生する荷重でバルブを閉弁方向に付勢することが必要である。手動変速機のシフトダウンミス等によりエンジン回転数が許容回転数を越えた場合に、バルブが不正運動して動弁機構が損傷するのを防止するには、前記許容回転数を実現するのに必要なバルブスプリングの荷重を上回る荷重が必要となる。そこで、動弁機構の損傷を防止するために、バルブスプリングの荷重を増加させたり動弁機構の強度を増加させたりすると、重量やコストが増加する問題がある。

下記特許文献１に記載されたエンジンの動弁装置は、バルブのリフト量を変えずに開角を増加させることで、バルブの慣性力を減少させて不正運動の発生防止を図っている。
特開平８−２３２６９３号公報

しかしながら上記従来のものは、エンジン回転数が増加してバルブの不正運動が発生しそうになると、バルブの慣性力を減少させるためにバルブのリフト量を変化させずに開角を増加させるので、本来エンジン回転数を低下させたいにも拘わらずに、吸入空気量が増加することでエンジン回転数が増加してしまい、バルブの不正運動が促進されてしまう可能性があった。またバルブの開角を増加させるとエンジンブレーキの効きが低下するため、有効な制動効果が得られずにバルブの不正運動を抑制できない可能性があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、エンジン回転数が許容回転数を超えて増加する可能性があるときに、バルブの不正運動を効果的に抑制することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明は、バルブのリフト量を変化させるバルブリフト可変機構を備えたエンジンの動弁装置であって、バルブリフト可変機構は、エンジン回転数が増加することによりバルブの不正運動が発生する領域では、バルブのリフト曲線の頂部の曲率が前記不正運動が発生しない曲率になるように、バルブのリフト量を小さくすることを特徴とする。

また請求項２に記載された発明は、請求項１の構成に加えて、前記バルブリフト可変機構は、バルブの開角を変化させずにリフト量を変化させることを特徴とする。

さらに請求項３に記載された発明は、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記バルブリフト可変機構は、前記不正運動が発生するときに、エンジン回転数に応じて、前記不正運動の発生を抑制し得る値まで前記リフト量を減少させることを特徴とする。

尚、実施例の吸気バルブ１９は本発明のバルブに対応する。

請求項１記載の発明によれば、エンジン回転数が増加してバルブの不正運動が発生する可能性があるときにバルブのリフト量を小さくするので、バルブのリフト曲線の頂部の曲率を小さくしてバルブに作用する慣性力を低下させることで、バルブの不正運動を防止することができる。しかもバルブのリフト量の減少により吸入空気量の増加を防止し、またエンジンブレーキが効き難くなるのを防止することで、エンジン回転数を減少させてバルブの不正運動が促進されるのを防止することができる。

請求項２記載の発明によれば、バルブのリフト量を変化させる際にバルブの開角が変化しないので、吸入空気量が増加したりエンジンブレーキが効き難くなったりするのを抑制し、バルブの不正運動を一層確実に防止することができる。しかもバルブのリフト曲線の頂部の曲率を変化させるパラメータとしてリフト量のみを制御するので制御性が向上する。

さらに請求項３記載の発明によれば、エンジン回転数に応じてバルブのリフト量を減少させて不正運動の発生を抑制するので、バルブのリフト量を過不足なく減少させてエンジンの出力の急変を防止しながら、バルブの不正運動を確実に抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の一実施例に基づいて説明する。

図１〜図１０は本発明の一実施例を示すもので、図１はエンジンの部分縦断面図（図２の１−１線断面図）、図２は図１の２−２線断面図、図３は図２の３−３線矢視図、図４はバルブリフト可変機構の側面図、図５はバルブリフト可変機構の斜視図、図６は図３の６方向矢視図、図７は図３の７−７線断面図、図８はバルブリフト可変機構の作用説明図、図９はバルブのリフト曲線を示す図、図１０はバルブリフトに対するバルブ慣性力およびバルブスプリング荷重の関係を示すグラフである。

図１に示すように、直列多気筒エンジンＥは、内部にシリンダボア１１…が設けられたシリンダブロック１２と、シリンダボア１１…に摺動自在に嵌合するピストン１３…と、シリンダブロック１２の頂面に結合されたシリンダヘッド１４と、シリンダヘッド１４およびピストン１３…間に形成された燃焼室１５…と、シリンダヘッド１４の頂面に結合されたヘッドカバー１６とを備える。シリンダヘッド１４に各々の燃焼室１５に連通する吸気ポート１７および排気ポート１８が形成されており、吸気ポート１７が２個の吸気バルブ１９，１９で開閉され、排気ポート１８が２個の排気バルブ２０，２０で開閉される。各々の吸気バルブ１９のステム１９ａはシリンダヘッド１４に設けたバルブガイド２１に摺動自在に嵌合し、上下のスプリングシート２２，２３間に配置したバルブスプリング２４によって閉弁方向に付勢される。また各々の排気バルブ２０のステム２０ａはシリンダヘッド１４に設けたバルブガイド２５に摺動自在に嵌合し、上下のスプリングシート２６，２７間に配置したバルブスプリング２８によって閉弁方向に付勢される。

図１および図２から明らかなように、シリンダヘッド１４に設けたカムシャフトホルダ２９およびカムシャフトキャップ３０間に、吸気カムシャフト３１および排気カムシャフト３２が回転自在に支持される。吸気バルブ１９，１９は吸気カムシャフト３１によってバルブリフト可変機構３３を介して駆動され、排気バルブ２０，２０は排気カムシャフト３２によってバルブリフト・バルブタイミング可変機構３４を介して駆動される。

排気バルブ２０，２０を駆動するバルブリフト・バルブタイミング可変機構３４は周知のものであり、ここではその概略を説明する。カムシャフトホルダ２９に支持した排気ロッカーアームシャフト３５に２個の低速用ロッカーアーム３６，３６の一端と、１個の高速用ロッカーアーム３７の一端とが枢支されており、低速用ロッカーアーム３６，３６の中間部に設けたローラ３８，３８に排気カムシャフト３２に設けた２個の低速用カム３９，３９が当接し、高速用ロッカーアーム３７の中間部に設けたローラ４０に排気カムシャフト３２に設けた高速用カム４１が当接する。低速用ロッカーアーム３６，３６の他端に設けたアジャストボルト４２，４２が排気バルブ２０，２０のステムエンドに当接する。

エンジンＥの低速運転時に、油圧で低速用ロッカーアーム３６，３６および高速用ロッカーアーム３７の結合を切り離すと、低速用ロッカーアーム３６，３６は対応する低速用カム３９，３９により駆動され、排気バルブ２０，２０は低バルブリフト・低開角で開閉される。またエンジンＥの高速運転時に、油圧で低速用ロッカーアーム３６，３６および高速用ロッカーアーム３７を一体に結合すると、高速用ロッカーアーム３７は対応する高速用カム４１により駆動され、高速用ロッカーアーム３７に結合された低速用ロッカーアーム３６，３６により、排気バルブ２０，２０は高バルブリフト・高開角で開閉される。このように、バルブリフト・バルブタイミング可変機構３４により、排気バルブ２０，２０のバルブリフトおよびバルブタイミングが２段階に制御される。

次に、図３〜図６に基づいてバルブリフト可変機構３３の構造を説明すると、バルブリフト可変機構３３は、二股のアッパーリンク６１と、アッパーリンク６１よりも短いロアリンク６２と、ロッカーアーム６３とを備えており、ロッカーアーム６３の上部にはアッパーピン６４を介してアッパーリンク６１の一端とローラ６５とが軸支され、ロッカーアーム６３の下部にはロアピン６６を介してロアリンク６２の一端が軸支される。アッパーリンク６１の他端はカムシャフトホルダ２９に固定したロッカーアームシャフト６７に枢支され、ロアリンク６２の他端は可動支軸６０に枢支される。吸気カムシャフト３１に設けたカム６９がアッパーピン６４に軸支したローラ６５に当接し、ロッカーアーム６３に設けた２個のアジャストボルト７０，７０が吸気バルブ１９，１９のステムエンドに当接する。

前記可動支軸６０は、該可動支軸６０をその軸線と平行な軸線まわりに角変位させることを可能としたクランク部材６８に連結されるものであり、該クランク部材６８は、前記ロッカアーム６３の両側でシリンダヘッド１４のカムシャフトホルダ２９に回動可能に支承される。

クランク部材６８は、一列に並ぶ複数気筒に共通にして各カムシャフトホルダ２９…に支承される単一のものであり、ロッカアーム６３の両側に配置されるウエブ６８ａ，６８ａと、両ウエブ６８ａ，６８ａの基端部外面に直角に連なって前記カムシャフトホルダ２９…に回動可能に支承されるジャーナル部６８ｂ，６８ｂと、両ウエブ６８ａ，６８ａ間を結ぶ連結部６８ｃとを各気筒毎に有してクランク形状に構成され、可動支軸６０は、両ウエブ６８ａ，６８ａ間を結ぶようにしてクランク部材６８に連結される。

このように可動支軸６０をその軸線と平行な軸線まわりに角変位させることを可能として可動支軸６０に連結されるクランク部材６８が、ロッカアーム６３の両側でカムシャフトホルダ２９…に支承されるようにした両持ち支持構造により、クランク部材６８の支持剛性を高め、吸気弁２０…のリフト量可変制御を精密に行うことが可能となる。

また単一のクランク部材６８が、一列に並ぶ複数気筒に共通にして各カムシャフトホルダ２９…に支承されるので、部品点数の増大を回避してエンジンＥのコンパクト化を図ることができる。

しかもクランク部材６８は、ロッカアーム６３の両側に配置されるウエブ６８ａ，６８ａと、両ウエブ６８ａ，６８ａの基端部外面に直角に連なってカムシャフトホルダ２９…に回動可能に支承されるジャーナル部６８ｂ，６８ｂと、両ウエブ６８ａ、６８ａ間を結ぶ連結部６８ｃとを有してクランク形状に構成され、可動支軸６０が、両ウエブ６８ａ，６８ａ間を結ぶようにしてクランク部材６８に連結されるので、角変位駆動されるクランク部材６８の剛性増大を図り、可動支軸６０に捩じりトルクが殆ど作用しないようにすることができ、ロアリンク６２の可動支軸挿通孔６２ａおよび前記ウエブ６８ａ，６８ａの連結孔５９，５９を整合させた状態で連結孔５９，５９に可動支軸６０を圧入することによりロアリンク６２に可動支軸６０を介してクランク部材６８を容易に組付けることができる。

ロッカーアーム６３が図４に示す上昇位置にあるとき、つまり吸気バルブ１９，１９が閉弁状態にあるとき、ロッカーアーム６３の下部を枢支するロアピン６６の軸線Ｌ上にクランク部材６８のジャーナル部６８ｂ…が同軸に配置される。したがってクランク部材６８が、そのジャーナル部６８ｂ…の軸線まわりに揺動すると、可動支軸６０はジャーナル部６８ｂを中心とする円弧Ａ（図４参照）上を移動することになる。

図７を併せて参照して、クランク部材６８の軸方向一端でジャーナル部６８ｂには、ヘッドカバー１６に形成した支持孔１６ａから突出する連結軸部６８ｄが同軸にかつ一体に連設される。前記連結軸部６８ｄの先端にコントロールアーム７１が固定されており、このコントロールアーム７１がシリンダヘッド１４の外壁に設けたアクチュエータモータ７２によって駆動される。すなわちアクチュエータモータ７２により回転するねじ軸７３にナット部材７４が噛み合っており、ナット部材７４にピン７５で一端を枢支された連結リンク７６の他端が、ピン７７，７７でコントロールアーム７１に枢支される。従って、アクチュエータモータ７２を駆動すると、回転するねじ軸７３に沿ってナット部材７４が移動し、ナット部材７４に連結リンク７６を介して接続されたコントロールアーム７１によってジャーナル部６８ｂまわりにクランク部材６８が揺動することで、可動支軸６０が図８（Ａ）の位置と図８（Ｂ）の位置との間を移動する。

ねじ軸７３、ナット部材７４、ピン７５、連結リンク７６、ピン７７，７７およびコントロールアーム７１は、シリンダヘッド１４およびヘッドカバー１６の外側面にボルト７９…で固定される函状のケーシング５２の内側に収納される。前記ケーシング５２の開口部はボルト５３…で着脱可能に固定される蓋部材７８で覆われており、蓋部材７８を取り外すだけで、ねじ軸７３、ナット部材７４、ピン７５、連結リンク７６、ピン７７，７７およびコントロールアーム７１のメンテナンスを容易に行うことができる。しかもケーシング５２はシリンダヘッド１４およびヘッドカバー１６に跨がって結合されるものであり、それによりケーシング５２、シリンダヘッド１４およびヘッドカバー１６の剛性を相互に高め合うことができる。そしてケーシング５２にアクチュエータモータ７２を固定することで、アクチュエータモータ７２の支持剛性も高めることができる。

図３から明らかなように、シリンダ軸線Ｌｓに対して、コントロールアーム７１およびねじ軸７３は、吸気バルブ１９側（図中左側）に配置され、アクチュエータモータ７２は排気バルブ２０側（図中右側）に配置される。このようにコントロールアーム７１およびねじ軸７３と、アクチュエータモータ７２とをシリンダ軸線Ｃｓを挟んで両側に振り分けて配置することにより、アクチュエータモータ７２がシリンダヘッド１４あるいはヘッドカバー１６から外部に張り出す量を最小限に抑えてコンパクト化を図ることができる。

特に、コントロールアーム７１の一端が連結される連結軸部６８ｄに対して、直列に接続されたねじ軸７３およびアクチュエータモータ７２が、シリンダ軸線Ｃｓと直交する軸線を有してシリンダヘッド１４側に配置されるので、アクチュエータモータ７２をシリンダヘッド１４の範囲内に配置して一層のコンパクト化を図るとともに、強固なシリンダヘッド１４によりアクチュエータモータ７２の支持剛性を一層高めることができる。

ところでケーシング５２は、４本のボルト７９…でシリンダヘッド１４およびヘッドカバー１６に固定されており、それらのボルト７９…のうち２本のボルト７９，７９ｈａ，連結軸部６８ｄの両側でシリンダ軸線Ｌｓと直交する方向に並んで配置され、シリンダヘッド１４側の２本のボルト７９，７９の一方は、前記シリンダ軸線Ｌｓに沿って連結軸部６８ｄの下方に配置され、他方のボルト７９は、アクチュエータモータ７２に隣接して配置される。

このようなボルト７９…の配置によれば、移動量の少ないコントロールアーム７１の揺動中心である連結軸部６８ｄの両側でケーシング５２が２本のボルト７９，７９ｄｅヘッドカバー１６に固定され、コントロールアーム７１の揺動範囲の大きいねじ軸７３側では該ねじ軸７３の下方でケーシング５１がボルト７９でシリンダヘッド１４に固定されるので、ケーシング５２の支持剛性を高めつつボルト７９…をコンパクトに配置することができる。

またケーシング５２をシリンダヘッド１４およびヘッドカバー１６に跨がって取り付けると、ねじ軸７３またはアクチュエータモータ７２からボルト７９…が離反してしまう可能性があるが、ねじ軸７３およびアクチュエータモータ７２をシリンダ軸線Ｌｓに直交するようにしてシリンダヘッド１４側に支持することで、ボルト７９…やねじ軸７３をアクチュエータモータ７２に極力近づけて配置することができる。

図７に注目して、クランク部材６８の軸方向一端に配置されるジャーナル部６８ｂを支承するカムシャフトホルダ２９には、ジャーナル部６８ｂに同軸に連なる連結軸部６８ｄを臨ませる油溜め８０が設けられており、連結軸部６８ｄには、油溜め８０内に通じるようにして連結軸部６８ｄの外面に外端を開口した径方向孔８１と、ケーシング５２内に通じるようにして連結軸部６８ｄの外面に外端を開口した径方向孔８２と、両径方向孔８１，８２の内端間を結ぶ軸方向孔８３とが設けられる。またケーシング５２およびシリンダヘッド１４には、ケーシング５２内の下部に溜まったオイルをシリンダヘッド１４内に戻す戻し孔８４が設けられる。

したがってヘッドカバー１６内に飛散したオイルあるいは吸気カムシャフト３１の軸受部から漏出したオイルは油溜め８０に溜まり、油溜め８０の内の油面下に連結軸部６８ｄが没入することにより、油溜め８０内のオイルが、径方向孔８１、軸方向孔８３および径方向孔８２を経てケーシング５２内に滴下されることになる。これにより、ねじ軸７３およびナット部材７４の噛合部が潤滑され、ケーシング５２内の底部に落下したオイルは戻し孔８４からシリンダヘッド１４側に戻される。

次にこの実施例の作用について説明すると、アクチュエータモータ７２でコントロールアーム７１が図３の実線位置に揺動すると、コントロールアーム７１に接続されたクランク部材６８（図５参照）が反時計方向に回転し、図８（Ａ）に示すように可動支軸６０が上昇することで、ロッカーアームシャフト６７、アッパーピン６４、ロアピン６６および可動支軸６０を結ぶ四節リンクの形状が略三角形になる。この状態で吸気カムシャフト３１に設けたカム６９でローラ６５を押圧すると、四節リンクが変形してロッカーアーム６３が鎖線位置から実線位置へと下方に揺動し、アジャストボルト７０，７０が吸気バルブ１９，１９のステムエンドを押圧して高バルブリフトで開弁させる。

アクチュエータモータ７２でコントロールアーム７１が図３の鎖線位置に揺動すると、コントロールアーム７１に接続されたクランク部材６８が時計方向に回動し、図８（Ｂ）に示すように可動支軸６０が下降することで、ロッカーアームシャフト６７、アッパーピン６４、ロアピン６６および可動支軸６０を結ぶ四節リンクの形状が略台形になる。この状態で吸気カムシャフト３１に設けたカム６９でローラ６５を押圧すると、四節リンクが変形してロッカーアーム６３が鎖線位置から実線位置へと下方に揺動し、アジャストボルト７０，７０が吸気バルブ１９，１９のステムエンドを押圧して低バルブリフトで開弁させる。

図９は吸気バルブ１９，１９のバルブリフト曲線を示しており、図８（Ａ）に対応する高バルブリフト時の開角と、図８（Ｂ）に対応する低バルブリフト時の開角とは同一であり、バルブリフト量だけが変化している。

ところで、エンジン回転数が許容回転数を超えて増加すると吸気バルブ１９，１９の開閉速度が増加し、バルブスプリング２４，２４の荷重が不足して吸気バルブ１９，１９が確実に着座しなくなる状態が発生する。

図１０のグラフは、エンジンの最大許容回転数における、バルブのリフト量に対するバルブの慣性力およびバルブスプリングの荷重の関係を示すものであり、バルブの慣性力はリフト量の増加に比例して増加する一方、バルブスプリングの荷重は所定のセット荷重からバルブのリフト量の増加に応じて増加する。バルブの不正運動を防止するには、バルブのリフト量を、バルブスプリングの荷重がバルブの慣性力を上回る範囲に制限する必要がある。バルブのリフト量が小さいほど、バルブスプリングの荷重からバルブの慣性力を差し引いた余裕分が大きくなるため、エンジン回転数が増加してもバルブの不正運動、つまりバルブの着座不良が発生し難くなる。

またエンジン回転数がＮｅ１→Ｎｅ２→Ｎｅ３のように増加すると、それに応じてバルブの慣性力も増加するので、不正運動領域はバルブリフトが低い側に次第に広がってくる。従って、エンジン回転数の増加に応じてバルブリフトを減少させることで、全てのエンジン回転数領域でバルブの不正運動を防止する必要がある。

そこで本実施例では、手動変速機のシフトダウンミス等によりエンジン回転数が許容回転数を越え、吸気バルブ１９，１９の不正運動が発生しそうになると、そのエンジン回転数に応じてバルブリフト可変機構３３を作動させることで、図９に示すように、吸気バルブ１９，１９の開角を変化させずにバルブリフト量を減少させる。その結果、バルブリフト曲線の頂部の曲率が減少して吸気バルブ１９，１９に作用する慣性力が減少し、バルブスプリング２４，２４のセット荷重を特別に高めることなく吸気バルブ１９，１９の不正運動を抑制することができる。

このとき、吸気バルブ１９，１９のバルブリフト量が減少しても、開角が増加しないので吸入空気量が増加することがなく、エンジン回転数が増加しないようにして吸気バルブ１９，１９の不正運動を確実に抑制し、動弁機構の損傷を防止することができる。また吸気バルブ１９，１９の開角が増加しないのでエンジンブレーキの効きが低下することもなく、エンジンブレーキを有効に作用させてエンジン回転数を低下させることで、吸気バルブ１９，１９の不正運動を防止することができる。

このように、吸気バルブ１９，１９のバルブリフト量を減少させることで、バルブスプリング２４，２４の荷重を特別に増加させることなく不正運動を防止できるので、バルブスプリング２４，２４の大型化や、それに伴う動弁機構の強度増加を不要にし、重量やコストの増加を回避することができる。しかもエンジン回転数に応じて吸気バルブ１９，１９のバルブリフト量を必要充分な量だけ減少させるので、エンジンＥの出力の急変を防止しながら吸気バルブ１９，１９の不正運動を確実に抑制することができる。しかも吸気バルブ１９，１９のリフト曲線の頂部の曲率を変化させるパラメータとして開角を用いずにリフト量のみを用いるので制御性が向上する。

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施例ではバルブリフト可変機構３３を吸気バルブ１９，１９だけに適用しているが、排気バルブ２０，２０だけに適用しても良いし、吸気バルブ１９，１９および排気バルブ２０，２０の両方に適用しても良い。

エンジンの部分縦断面図（図２の１−１線断面図） 図１の２−２線矢視図 図２の３−３線断面図 バルブリフト可変機構の側面図 バルブリフト可変機構の斜視図 図３の６方向矢視図 図３の７−７線断面図 バルブリフト可変機構の作用説明図 バルブのリフト曲線を示す図 バルブリフトに対するバルブ慣性力およびバルブスプリング荷重の関係を示すグラフ

符号の説明

１９ 吸気バルブ（バルブ）
３３ バルブリフト可変機構

Claims (3)

1. バルブ（１９）のリフト量を変化させるバルブリフト可変機構（３３）を備えたエンジンの動弁装置であって、バルブリフト可変機構（３３）は、エンジン回転数が増加することによりバルブ（１９）の不正運動が発生する領域では、バルブ（１９）のリフト曲線の頂部の曲率が前記不正運動が発生しない曲率になるように、バルブ（１９）のリフト量を小さくすることを特徴とするエンジンの動弁装置。
2. 前記バルブリフト可変機構（３３）は、バルブ（１９）の開角を変化させずにリフト量を変化させることを特徴とする請求項１記載のエンジンの動弁装置。
3. 前記バルブリフト可変機構（３３）は、前記不正運動が発生するときに、エンジン回転数に応じて、前記不正運動の発生を抑制し得る値まで前記リフト量を減少させることを特徴とする請求項１または請求項２記載のエンジンの動弁装置。

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