JP2006002776A - 内燃機関の弁機構を作動させるためのカム - Google Patents

Abstract

【課題】油圧式の遊隙調節要素の動弁機構に頻繁に生じていたアイドルリフトを効率的に低減する装置。
【解決手段】内燃機関の弁機構を作動させるためのカムであり、カムベース円３３、カム主要領域３２及びプレカム領域３１を有する。プレカム領域３１は、カムベース円３３とカム主要領域３２の間の、カム主要領域３２の上昇セクション３２ａの直ぐ前に形成されている。プレカム領域３１は、カムリフト速度を増大させ、次いでカムリフト速度を低減し、次いでカムリフト速度をさらに増大させるプロフィールを有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、特許請求項１の冒頭に記載された弁機構を作動させるためのカムに関し、また、これに対応して設計された弁機構に関する。さらに、本発明は、弁装置に関する。

内燃機関の弁機構のための油圧式の遊隙調節要素（油圧式弁作動要素、ＨＶＡ要素）が知られている。

例えば、慣用の油圧式弁作動（ＨＶＡ）要素において、バケットタペットがカムにより荷重を受け、それによりピストンとバケットタペットの内側ハウジングとの距離を変化させる。カムが下降しているとき、弁作動ばねがピストンを押し、ピストンでは、タペットがカム又はカムベース円に押し付けられるまで（カムが下降しているとき）、荷重は上向きに解放されている。ピンの下のワーキングスペースにおける空間が増大すると、オイルが貯蔵スペースから流出し、ボール弁を通ってワーキングスペース内に入る。カムが上昇しているとき、ピストンに荷重がかけられ、ボール弁が閉じ、ワーキングスペースに充填されているオイルが、油圧による固定連結部として作用する。バケットタペットの内部の弁には、典型的に、弁ボール、弁ボールばね、弁座、弁キャップ及び復元ばねが設けられており、慣用的な設計において、弁ボールばねは、弁ボールに、弁座に向かう方向の荷重を加える。カム又はバケットタペットにより適切な作動がもたらされると、弁は開閉する。

また、カムが上昇を開始するときに最初に開いている弁を上記の弁装置が含む油圧弁作動要素がある。このタイプの弁は、荷重がかかっていない状態で弁ボールが高圧領域内を自由に移動できるため、自由ボール弁として知られている。バケットタペット内でピストンが適切に移動するとき、高圧領域内の圧力が増大し、これにより、オイル又は油圧流体が、弁ボールを通過してオイル貯蔵空間に流入する。液体が十分な速度を有するとき、弁ボールに作用する摩擦又は流体抵抗が弁を閉鎖させ、弁ボールが弁座に押し付けられる。これが、高圧領域と貯蔵空間の間の流体連通を遮断し、エンジンバルブの作動のための、望ましい、非積極的なロック連結（油圧による固定連結）をもたらす。

また、逆ばね弁として知られているものがあり、この弁においては、荷重がかかっていない状態で弁ボールを弁座から遠ざける方向に押す弁ばねが、弁座と弁ボールの間に設けられている。これらの逆ばね弁は、このタイプの弁ボールを、より良好に、又はより再現可能に制御するものとして知られている。従って、この場合も、カムが下降しているときに、弁は最初は開いている。このタイプの逆ばね弁が非常に有利なのは、弁が機能する能力が、空間における様々な向きにおいて、また、非常に広い範囲の動作角度において均一に保証されることができることである。

しかし、弁閉鎖動作（エンジンバルブを作動させるための非積極的なロック連結を迅速にもたらすための）が、自由ボール弁を用いる場合よりも遅いことを指摘しなくてはならない。なぜなら、流動する油圧流体により加えられるであろう摩擦力は、弁が閉鎖する前に、弁座と弁ボールの間に設けられたばねの力も克服しなければならないからである。

このタイプの逆ばね弁、又は、このタイプの弁を用いて設計された油圧弁作動システムが、米国特許５，７５８，６１３号から知られる。

逆ばね弁及び自由ボール弁は、慣用的な弁よりも大きいアイドルリフトを生じる。エンジンバルブがなお十分に開閉することを保証するために、カムランプ高さを増してカムリフト速度を高めることが必要である。これまで、このようなより高いカムランプが、一定速度をもたらすランプとして設計されてきた。しかし、より高い定速カムランプはカムプロフィールを長くし、また、画定された定速値を超えられない。これがエンジンバルブの開閉を鈍くした。概して、逆ばね弁及び自由ボール弁は、慣用的な油圧式弁作動要素と比較して、さらなるアイドルリフトを生じる。

本発明は、逆ばねＨＶＡ及び自由ボールＨＶＡの動作の形態を慣用の解決法よりも良く考慮した油圧弁作動要素（ＨＶＡ要素）を提供する目的に基づいている。

本発明に従えば、この目的は、特許請求項１に記載された特徴を有する、弁機構を作動させるためのカムと、これに対応する、特許請求項５に記載された特徴を有する弁機構と、特許請求項９に記載された特徴を有する弁装置により達成される。

弁機構を作動させるための、本発明に従うカムの構造は、自由ボールＨＶＡ又は逆ばねＨＶＡを用いる場合に頻繁に生じていたアイドルリフトを効率的に低減するために用いられることができる。慣用のカムを設けることと比較して、このタイプのカムを設けることによりコストがさらにかかることは全くない。

本発明の有利な構造が、従属請求項の主題を構成している。

プレカム領域は、有利には、カムリフト速度の、連続的な、特には、実質的に線形の増大をもたらすための第１セクションと、カムリフト速度を低減するための、第１セクションに続く第２セクションと、実質的に一定のカムリフト速度をもたらすための、第２セクションに続く第３セクションと、カムリフト速度をさらに増大させるための、第３セクションに続く第４セクションと、を含むプロフィールを有する。このような関係において、第４セクションは、エンジンバルブを動作させることができるカム主要領域への遷移部を示す。本発明に従えば、弁ボールは、第３セクションにおいて弁座に押し付けられ、この結果、ＨＶＡ弁が閉じられる。本発明に従えば、第１セクションにおける、カムリフト速度の非常に急速な上昇が、第２セクションにおいてカムリフト速度が低下すること、又は、第３セクションにおいてカムリフト速度が一定に維持されることを可能にし、この結果、エンジンバルブのための作動時間を、慣用の解決法よりも改善することができる。

プレカム領域の第３セクションにおいて得られるカムリフト速度が、エンジンバルブの開放を許容する値を画定することが好都合である。

プレカム領域の第２セクションが、カムリフト速度の線状の減少を実質的に含むことが、同様に好都合であることが分かった。線状に減少するこの性質は、設計面で比較的簡単に実行されることができる。

カム領域に設けられるプレカム領域のプロフィールが、角度範囲αにわたり延在し、角度αが０．１度〜４０度であることが好ましい。

本発明に従う弁機構が、逆ばね弁又は自由ボール弁として設計されたＨＶＡ弁を有して設計されることが特に好ましい。本発明に従って提供されるカムプロフィールは、特にこのタイプの弁と共に用いられると、ＨＶＡ弁のバルブクリアランスにより生じる、エンジンバルブのための作動時間を短縮することができる。

本発明に従う弁装置であって、吸気弁及び排気弁を有し、逆ばね弁又は自由ボール弁が吸気側にのみ取り付けられている装置は、エンジン高回転（高スピード）時のトルク及びパワーを増大することに役立つ。本発明に従えば、エンジン高回転時での低アイドルリフトが実現される。しかし、比較的大きいアイドルリフトがアイドリング速度（無負荷回転数）で形成されるため、アイドリング特性はなお維持される。

逆ばね弁又は自由ボール要素を排気側のみに設けると、内燃機関からの排気を効率的に低減することに役立つ。

このタイプの逆ばね弁又は自由ボール弁を吸気側及び排気側の両方に設けると、トルク及びパワーの増大、並びに排気の低減の両方に役立つ。同時に、従来のＨＶＡ要素のアイドリング特性と同等のアイドリング特性を維持することができる。

これらに関し、概して、逆ばね弁又は自由ボール弁のアイドルリフトはエンジン回転数（エンジンスピード）の関数として変化し、従って、アイドリング時には比較的大きいアイドルリフトが生じ、エンジン高回転時には比較的小さいアイドルリフトが生じるという結論に達する。これは非常に望ましい状態であり、吸気弁と排気弁の交差領域を設計又は計算するときに有利に考慮されることができる
ここで、本発明を、添付図面を参照しつつ、より詳細に示す。

図１は、内燃機関の弁機構の領域１００を示し、この弁機構は、内燃機関のカムシャフトのカム（この図には示さず）により作動される。そして弁機構は、エンジンバルブ又はガス交換弁（同様に、この図には示さず）を作動させる。

図示されている弁機構の領域１００はピストンハウジング１０を有し、ハウジング１０内に、圧力ピストン１２が変位可能に取り付けられている。ピストン１２の内部にキャビティ１４があり、キャビティ１４内に、エンジンオイル圧力を有するオイルが導入されることができる。

ピストン１２は、その下側１２ａに、弁座１６ａとして形成された領域を有する。弁座１６ａは、弁ボール１６ｂの作用を受けることができる。弁ボール１６ｂと弁座１６ａは、逆ばね弁ばねの形態の弁ばね１８、及び復元ばね９と共に、符号２０で総括的に示されているＨＶＡ弁の一部である。

荷重がかかっていない状態では、弁ボール１６ｂは、ＨＶＡ弁ばね１８により、弁座１６ａから或る距離に保持されている。

キャビティ１４は、オイルが高圧で導入されることができる高圧空間２２と、ＨＶＡ弁２０により流体連通されている。

ピストン１２が、カム（図１には示さず）により作動されていることにより下方に移動するとき、高圧空間２２の容積が減少され、その結果として、オイルが高圧空間２２からキャビティ１４内に流出する。このプロセスにおいて、先に述べたように弁ボール１６ｂが弁座１６ａから或る距離を有しているため、ＨＶＡ弁は最初は開いている。

このオイルの流れは、弁ボール１６ｂに加えられる摩擦力を生じ、弁ボール１６ｂに、弁座１６ａの方向に荷重を加える。この摩擦力が、ＨＶＡ弁ばねのばね力、及び、必要であれば弁ボール１６ｂの重量の力を超えるとき、弁ボールは弁座１６ａに向かって移動し、閉鎖位置に、すなわち、弁座１６ａに押し付けられる位置に到達する。ＨＶＡ弁ばね２０が閉鎖位置に達すると、非積極的なロックが弁機構に形成され、これがエンジンバルブ（図示せず）の作動をもたらす。

本発明に従うカム機構を、図２及び図３を参照しつつ、より詳細に説明する。このカム機構は、カム及び圧力ピストン１２の、特に好ましいリフト移動又はリフト速度をもたらす。

カムシャフト（図２に示さず）上に設けられたカムが、図２に符号３０により示されている。カム３０の形状は、比較的尖ったカム主要領域３２、及びカムベース円３３により特徴付けられる。プレカム領域３１の範囲が図２に角度αで示されており、この領域３１が本発明において重要である。プレカム領域３１は、ベース円３３とカム主要領域３２の間の、カム主要領域３２の上昇（ｒｉｓｉｎｇ）セクション３２ａの直ぐ前に形成されている。タペット３４の作動がリフト移動をもたらし、この移動が、それ自体は知られている方法で、図１に示されているようなピストン１２に伝達されることができる。タペット３４は、それ自体は知られている方法で、バケットタペット、ドラッグアーム、ロッカーアーム又はローラタペットとして設計され得る。タペットリフトの時間微分をタペットリフト速度と称し、これは、ピストン１２のリフト速度に対応している。

本発明に従えば、カム３０のカムランプ（傾斜）は、異なる特徴的なカムリフト速度をもたらすセクションがプレカム領域３１に設けられるように構成される。これらのセクションを、図３を参照しつつ、より詳細に説明する。

最初に、カムベース円に続く第１のセクションにおいて、リフト速度は連続的に増大され、弁ボール１６ａの移動を開始する。すなわち、連続的なランプにおける非常に急勾配なこのセクションにより、用いられる油圧オイルの臨界速度に、慣用のシステムを用いるよりもかなり速く達することができる。この後にセクション２が続く。セクション２は、エンジンバルブの開放を可能にする値までリフト速度を低減することを含む。この段階において、弁ボール１６ａは移動しており、さらなるアイドルリフトを生じる。

続く一定速度のランプセクション３において、弁ボール１６ａは弁座１６ｂと接触し、ＨＶＡ弁が閉じる。これが、弁機構の非積極的なロックを生じる。セクション３における一定速度のランプの長さは、弁機構の機械的及び油圧的柔軟性を考慮して設計される。

次いで、セクション４において、エンジンバルブが開く。すなわち、これは、ＨＶＡ弁が閉鎖し、且つ、弁機構に予圧力が加えられた後である。

セクション４の後にカム主要領域が続く。この領域は、図３には示されておらず、カム３０のカムセクション３２により画定される。

図１は、本発明が特に有利に配備されることができる、逆ばね弁として設計されたＨＶＡ弁ばね装置の側方断面概略図である。 図２は、本発明に従う弁機構の作動のために設けられるカムの好ましい実施形態を示す。 図３は、図２に示されたようなカムにより一定の角速度で作動されるタペットのリフト速度をカムシャフトの角度に対してプロットしたグラフを示す。

Claims (9)

1. 内燃機関の弁機構を作動させるためのカムであって、カムベース円（３３）、カム主要領域（３２）及びプレカム領域（３１）を有し、プレカム領域（３１）が、
   カムベース円（３３）とカム主要領域（３２）の間の、カム主要領域（３２）の上昇セクション（３２ａ）の直ぐ前に形成されたカムにおいて、
   プレカム領域（３１）が、カムリフト速度を増大させ、次いでカムリフト速度を低減し、次いでカムリフト速度をさらに増大させるプロフィールを有することを特徴とするカム。
2. プレカム領域（３１）が、カムリフト速度の連続的な増大、特には、実質的に線形の増大をもたらすための第１セクション（１）と、カムリフト速度を低減するための、第１セクション（１）に続く第２セクション（２）と、実質的に一定のカムリフト速度をもたらすための、第２セクション（２）に続く第３セクション（３）と、カムリフト速度をさらに増大させるための、第３セクション（３）に続く第４セクション（４）と、を含むプロフィールを有することを特徴とする請求項１に記載のカム。
3. プレカム領域（３１）の第３セクション（３）にて得られるカムリフト速度が、エンジンバルブの開放を許容する値を画定することを特徴とする請求項１又は２に記載のカム。
4. プレカム領域（３１）の第２セクション（２）が、カムリフト速度の線形の減少を実質的に含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のカム。
5. プレカム領域（３１）のプロフィールが、角度範囲αにわたって延在するカム領域に設けられ、角度αが０．１度〜４０度であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のカム。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のカムにより特徴づけられる、エンジンバルブを作動させるための弁機構。
7. 逆ばね弁として設計されたＨＶＡ弁により特徴づけられる請求項６に記載の弁機構。
8. 自由ボール弁として設計されたＨＶＡ弁により特徴づけられる請求項７に記載の弁機構。
9. 吸気弁及び排気弁を有する内燃機関のための弁装置であって、
   吸気弁及び／又は排気弁が、請求項６〜８のいずれか一項に記載の弁機構により作動されることができることを特徴とする弁装置。

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