JP2006070741A - 可変動弁機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 弁体のリフト量又は作用角を可変させる際の駆動負荷を低減し、応答性を向上させること。
【解決手段】 内燃機関の弁体１２のリフト量及び作用角を変化させる可変動弁機構１０であって、クランクの回転に応じて回転するカム２６と、カム２６の作用力を受けて揺動する揺動アーム２２と、揺動アーム２２の作用力を受けて揺動し、弁体１２を開閉方向に駆動するロッカーアーム１６と、所定の回転位置に調整される制御軸５０と、制御軸５０の回転位置に応じて揺動アームの揺動範囲を変化させて、弁体１２のリフト量及び作用角を変化させる可変機構と、カム２６の回転力によって制御軸５０を回転させる際の駆動力をアシストする手段と、を備える。
【選択図】 図１

Description

この発明は、可変動弁機構に係り、特に、カムシャフトの回転と同期して開閉する弁のリフト量及び作用角を変化させることのできる内燃機関の可変動弁機構に関する。

従来、カムシャフトの回転と同期して開閉する弁体のリフト量を変化させる機能を有する可変動弁機構が知られている。例えば、特許第３２４５４９２号公報には、ロッカーレバーとスイングレバーにより、カムのストロークを往復弁に伝達する機構が開示されており、偏心軸を所定量回転させることにより、ロッカーレバーの傾き量が調整され、往復弁の弁ストローク経過を変化させるようにした構成が開示されている。

特許第３２４５４９２号公報 特開２００２−３７１８１６号公報 特開２００４−１０８３０２号公報

しかしながら、特許第３２４５４９２号公報に開示された技術では、バルブスプリング反力がロッカーレバーに加わるため、偏心軸を回転させる負荷がバルブスプリング反力によって増大するという問題が生じる。このため、偏心軸を回転させるモータの負荷が大きくなり、応答性が低下するという問題が生じる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、弁体のリフト量又は作用角を可変させる際の駆動負荷を低減し、応答性を向上させることを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の弁体のリフト量及び作用角を変化させる可変動弁機構であって、クランクの回転に応じて回転するカムと、前記カムの作用力を受けて揺動する揺動部材と、前記揺動部材の作用力を受けて揺動し、前記弁体を開閉方向に駆動するロッカーアームと、所定の回転位置に調整される制御軸と、前記制御軸の回転位置に応じて前記揺動部材の揺動範囲を変化させて、前記弁体のリフト量及び作用角を変化させる可変機構と、前記カムの回転力を用いて、前記制御軸を回転させる際の駆動力をアシストするアシスト手段と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記可変機構は、前記制御軸の回転に応じて回転するアーム部材を含み、前記アシスト手段は、前記アーム部材を前記カムが設けられたカムシャフトの外周に対して回動可能に嵌合させることで構成されることを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記弁体のリフト量及び作用角を小リフト、小作用角側から大リフト、大作用角側へ変化させる際の前記アーム部材の回転方向と、前記カムの回転方向とを同一としたことを特徴とする。

第４の発明は、第２の発明において、前記弁体のリフト量及び作用角を小リフト、小作用角側から大リフト、大作用角側へ変化させる際に前記制御軸にかかる負荷を軽減する方向に前記カムを回転させることを特徴とする。

第５の発明は、第２の発明において、前記弁体のリフト量及び作用角を保持する場合に前記制御軸にかかる負荷を軽減する方向に前記カムを回転させることを特徴とする。

第１の発明によれば、カムの回転力によって制御軸を回転させる際の駆動力をアシストすることができる。従って、弁体のリフト量及び作用角を変化させる際の応答性を高めることができ、制御軸を駆動するアクチュエータの小型化を達成することができる。

第２の発明によれば、制御軸の回転に応じて回転するアーム部材をカムが設けられたカムシャフトの外周に対して回動可能に嵌合させたため、カムシャフトとアーム部材との間のフリクションを利用して、カムシャフトの回転方向にアーム部材を回転させることができる。従って、カムの回転力を用いて、制御軸を回転させる際の駆動力をアシストすることが可能となる。

第３の発明によれば、小リフト、小作用角側から大リフト、大作用角側へ変化させる際のアーム部材の回転方向と、カムの回転方向とを同一としたため、小リフト、小作用角側から大リフト、大作用角側へ変化させる際にバルブスプリング反力が制御軸の回転の負荷となる場合であっても、カムの回転力によって制御軸を回転させる際の駆動力をアシストすることができる。

第４の発明によれば、小リフト、小作用角側から大リフト、大作用角側へ変化させる際に制御軸にかかる負荷を軽減する方向にカムを回転させるようにしたため、大リフト、大作用角側へ変化させる場合の制御軸の負荷を低減することができ、可変動弁動作の応答性向上を達成できる。

第５の発明によれば、弁体のリフト量及び作用角を保持する場合に制御軸にかかる負荷を軽減する方向にカムを回転させるようにしたため、バルブスプリング反力などの要因によってリフト量及び作用角を保持する場合に制御軸に対して負荷がかかる場合であっても、制御軸の負荷を軽減することができる。従って、弁体のリフト量及び作用角を保持することが可能となる。

以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る可変動弁機構１０を示す模式図である。また、図２は、図１に示す可変動弁機構１０を斜め上方から見た状態を示す斜視図である。また、図３は、可変動弁機構１０を分解した状態を示す模式図である。図１〜図３に示す可変動弁機構１０は、内燃機関の弁体を駆動するための機構である。ここでは、内燃機関の個々の気筒に２つの吸気弁と２つの排気弁とが備わっているものとする。そして、図１〜図３に示す構成は、単一の気筒に配設された２つの吸気弁、或いは２つの排気弁を駆動する機構として機能するものとする。

図１〜図３に示す構成は、吸気弁または排気弁として機能する弁体１２を備えている。弁体１２には、それぞれ弁軸１４が固定されている。弁軸１４の端部は、ロッカーアーム１６の一端に設けられたピボットに接している。弁軸１４には、バルブスプリングの付勢力が作用しており、ロッカーアーム１６は、その付勢力を受けた弁軸１４により上方に付勢されている。ロッカーアーム１６の他端は、油圧ラッシュアジャスタ１８により回動可能に支持されている。油圧ラッシュアジャスタ１８によれば、ロッカーアーム１６の高さ方向の位置を油圧により自動調整することにより、タペットクリアランスを自動調整することができる。

ロッカーアーム１６の中央部には、ローラ２０が配設されている。ローラ２０の上部には、揺動アーム２２が配置されている。

また、本実施形態の可変動弁機構１０は、可変動弁動作を行うための制御軸５０を備えている。制御軸５０には、アクチュエータ（不図示）が連結されており、このアクチュエータによって制御軸５０の回転位置が所定の角度に設定される。

図３に示すように、揺動アーム２２には、貫通孔からなる軸受け部２２ａが設けられている。軸受け部２２ａには制御軸５０が挿入されており、揺動アーム２２は制御軸５０に対して回動可能に嵌合している。このように、制御軸５０の外周に揺動アーム２２を嵌合させることで可変動弁機構１０をコンパクトに構成できる。

また、可変動弁機構１０は、クランクシャフトと同期して回転するカムシャフト２４を備えている。図２に示すように、カムシャフト２４には内燃機関の気筒毎にカム２６が設けられている。

揺動アーム２２は二股構造とされ、２つの突起部２２ｂを有している。各突起部２２ｂの下面には揺動カム面が設けられている。揺動カム面は、同心円部２２ｃと押圧部２２ｄとからなり、同心円部２２ｃは、ローラ２０との接触面が軸受け部２２ａと同心円を構成するように設けられている。一方、押圧部２２ｄは、その先端側の部分ほど軸受け部２２ａの中心からの距離が遠くなるように設けられている。２つの突起部２２ｂは、２つの弁体１２のそれぞれに対応して設けられたものであり、各突起部２２ｂに設けられた同心円部２２ｃと押圧部２２ｄは、それぞれ既述したローラ２０（図１参照）に接している。従って、揺動アーム２２によれば、単一の気筒に配設された２つの吸気弁、或いは２つの排気弁を駆動することができる。

また、各突起部２２ｂの上面には、ローラ当接面２２ｅがそれぞれ設けられている。ローラ当接面２２ｅにはスライダーローラ２８が当接する。図３に示すように、スライダーローラ２８は２つの突起部２２ｂのローラ当接面２２ｅに対応するように２箇所に設けられている。そして、２つのスライダーローラ２８の間には、カムローラ３０が設けられている。スライダーローラ２８及びカムローラ３０には、ともにシャフト３２が挿入され、中間アーム３４の一端に回動可能に支持されている。

中間アーム３４の他端は、コントロールアーム３６に対して回動可能に支持されている。図３に示すように、コントロールアーム３６はアーム部材３８、アーム部材４０及びアーム部材４２から構成されている。そして、カム２６の両側において、カムシャフト２４を挟むようにしてアーム部材３８に対してアーム部材４０及びアーム部材４２を固定することで、アーム部材３８、アーム部材４０及びアーム部材４２に設けられた摺動面４３がカムシャフト２４の外周に対して嵌合するように構成されている。これにより、コントロールアーム３６はカムシャフト２４に対して回動自在に支持されている。このように、カムシャフト２４の外周にコントロールアーム３６を嵌合させることで可変動弁機構１０をコンパクトに構成できる。なお、説明の便宜上、図２ではコントロールアーム３６の図示を省略している。

制御軸５０の外周にはギヤ５０ａが設けられている。また、アーム部材３８の外周にはギヤ３８ａが設けられている。ギヤ５０ａとギヤ３８ａは互いに係合している。従って、上述したアクチュエータによって制御軸５０の回転位置を所定の角度に設定することで、コントロールアーム３８の回転位置を所定の角度に設定することができる。

図１に示すように、カムローラ３０はカムシャフト２４のカム２６と当接し、カムローラ３０と同軸に支持されたスライダーローラ２８は揺動アーム２２のローラ当接面２２ｅに当接している。従って、カム２６が回転すると、カムローラ３０が押し下げられ、スライダーローラ２８がローラ当接面２２ｅを下方へ押し下げる。

可変動弁機構１０が弁体１２を作動させるためには、カム２６とローラ当接面２２ｅとが、カムローラ３０およびスライダーローラ２８を介して機械的に連結された状態を維持することが必要である。そして、この要求を満たすためには、ローラ当接面２２ｅを、つまり、揺動アーム２２を、カム２６の方向に付勢することが必要である。図１に示すロストモーションスプリング８０は、その付勢を実現するためのスプリングである。

ロストモーションスプリング８０は、その上端がシリンダヘッド等に固定された状態で、揺動アーム２２のローラ当接面２２ｅが設けられた側と反対側の後端部を付勢している。従って、この状態において、ロストモーションスプリング８０は、揺動アーム２２のローラ当接面２２ｅを上方に引き上げる方向（図１において、制御軸５０を中心として揺動アーム２２が反時計回りに回転する方向）の付勢力を発生する。この付勢力は、ローラ当接面２２ｅがスライダーローラ２８を上方に付勢する力として、更には、カムローラ３０をカム２６に押し当てる力として作用する。その結果、可変動弁機構１０は、図１に示すように、カム２６とローラ当接面２２ｅとが機械的に連結された状態を維持することができる。

次に、上述した図１〜図３、及び図４、図５に基づいて、本実施形態の可変動弁機構１０の動作を説明する。図４は、可変動弁機構１０が弁体１２に対して小さなリフトを与えるように動作している様子を示す。以下、この動作を「小リフト動作」と称す。より具体的には、図４（Ａ）は、小リフト動作の過程で弁体１２が閉弁している様子を、また、図４（Ｂ）は小リフト動作の過程で弁体１２が開弁している様子を、それぞれ表している。

図４（Ａ）において、符号θ_Ａは、揺動アーム２２の回転位置を表すパラメータである。以下、そのパラメータを「アーム回転角θ_Ａ」とする。ここでは、便宜上、揺動アーム２２のローラ当接面２２ｅの先端部と制御軸５０の中心とを結ぶ直線と、水平方向とのなす角をアーム回転角θ_Ａと定義することとする。

可変動弁機構１０において、揺動アーム２２の回転位置、つまり、アーム回転角θ_Ａは、スライダーローラ２８の位置により決定される。また、スライダーローラ２８の位置は、コントロールアーム３６の回転位置、すなわち、制御軸５０の回転位置で決定される。そして、カム２６のベース円２６ａとローラ当接面２２ｅとの距離はローラ当接面２２ｅの先端側ほど大きくなるため、カムローラ３０とカム２６との接触およびスライダーローラ２８とローラ当接面２２ｅとの接触が維持される範囲では、図１においてコントロールアーム３６が反時計回りに回転するほどスライダーローラ２８の位置はローラ当接面２２ｅの先端側に移動し、この結果、ロストモーションスプリング、バルブスプリングの作用力により揺動アーム２２が反時計回りに回転する。このため、可変動弁機構１０においては、スライダーローラ２８が制御軸５０から離れ、揺動アーム２２の先端側へ移動するほど、アーム回転角θ_Ａが小さくなるという現象が生ずる。

図４（Ａ）に示す状態において、スライダーローラ２８の位置は、カムローラ３０がカム２６との接触を保てる範囲で、つまり、カム２６がカムローラ３０の上方への移動を規制し得る範囲で制御軸５０から最も離れた位置に設定されている。従って、図４（Ａ）に示す状態において、アーム回転角θ_Ａは、ほぼ最小の値となっている。可変動弁機構１０は、この場合において、揺動アーム２２の同心円部２２ｃのほぼ中央がロッカーアーム１６のローラ２０に接し、その結果、弁体１２が閉弁状態となるように構成されている。以下、この場合のアーム回転角θ_Ａを、「小リフト時の基準アーム回転角θ_Ａ０」と称す。

図４（Ａ）に示す状態からカム２６が回転すると、図４（Ｂ）に示すように、カムローラ３０がカムノーズにより押圧され、スライダーローラ２８がローラ当接面２２ｅ上を制御軸５０の方向に移動する。これにより、ローラ当接面２２ｅが、その面上を転動するスライダーローラ２８により押し下げられる。その結果、アーム回転角θ_Ａが大きくなる方向に揺動アーム２２が回転し、揺動アーム２２とローラ２０との接触点が、同心円部２２ｃから押圧部２２ｄに移行する。

小リフト動作の際には、上記の如く基準アーム回転角θ_Ａ０が小さな値とされる。このため、カム２６の回転に伴うアーム回転角θ_Ａの最大値も、小リフト動作の場合には比較的小さな値となる。以下、その最大値を「小リフト時の最大アーム回転角θ_ＡＭＡＸ」とする。弁体１２には、アーム回転角θ_Ａが最大アーム回転角θ_ＡＭＡＸとなる時点で最大のリフトが生ずる。可変動弁機構１０は、図４（Ｂ）に示すように、小リフト時の最大アーム回転角θ_ＡＭＡＸが生じた際に、ローラ２０と揺動アーム２２との接触点が僅かに押圧部２２ｄに入り込み、その結果、僅かなリフトが弁体１２に生ずるように構成されている。このため、可変動弁機構１０によれば、上述した小リフト動作を行うことで、カム２６の回転と同期して、小さなリフトを弁体１２に与えることができる。

また、この場合、カム２６の作用力が現実に弁体１２を押し下げる期間、つまり、カム２６の回転に伴って弁体１２が非閉弁状態とされる期間（クランク角幅）も比較的小さなものとなる（以下、この期間を「作用角」と称す）。従って、可変動弁機構１０によれば、小リフト動作を行うことで、弁体１２の作用角を小さくすることができる。

図５は、可変動弁機構１０が弁体１２に対して大きなリフトを与えるように動作している様子を示す。以下、この動作を「大リフト動作」と称す。より具体的には、図５（Ａ）は、大リフト動作の過程で弁体１２が閉弁している様子を、また、図５（Ｂ）は大リフト動作の過程で弁体１２が開弁している様子を、それぞれ表している。

大リフト動作を行う場合は、図５（Ａ）に示すように、スライダーローラ２８の位置が制御軸５０に近接した位置となるように、制御軸５０の回転位置が調整される。その結果、大リフト動作の実行時には、非リフト時におけるアーム回転角θ_Ａ、つまり、基準アーム回転角θ_Ａ０が十分に大きな値とされる。可変動弁機構１０は、その基準アーム回転角θ_Ａ０において、揺動アーム２２とローラ２０との接触点が、同心円部２２ｃの端部に位置するように構成されている。このため、大リフト動作の場合にも、弁体１２は閉弁状態に維持される。

図５（Ａ）に示す状態からカム２６が回転すると、図５（Ｂ）に示すように、カムローラ３０がカムノーズに押圧されることにより、アーム回転角θ_Ａが大きくなる方向に揺動アーム２２が回転する。その結果、揺動アーム２２とローラ２０との接触点が、同心円部２２ｃから押圧部２２ｄに移行する。大リフト動作の際には、上記の如く基準アーム回転角θ_Ａ０が大きな値とされているため、カム２６の回転に伴って生ずる最大アーム回転角θ_ＡＭＡＸも大きな値となる。可変動弁機構１０は、図５（Ｂ）に示すように、そのような最大アーム回転角θ_ＡＭＡＸが生じた際に、ローラ２０と揺動アーム２２との接触点が、十分に押圧部２２ｄに入り込んだ位置となるように構成されている。このため、可変動弁機構１０によれば、上述した大リフト動作を行うことで、カム２６の回転と同期して、大きなリフトと大きな作用角を弁体１２に与えることができる。

このように構成された本実施形態の可変動弁機構１０において、弁体１２にリフトが発生している場合は、バルブスプリング反力がロッカーアーム１６のローラ２０を介して揺動アーム２２の揺動カム面（押圧部２２ｄ）に伝達される。従って、揺動アーム２２は、アーム回転角θ_Ａが小さくなる方向の付勢力をバルブスプリングから受けている。

このため、アーム回転角θ_Ａが大きくなる方向へリフト量、作用角を可変する場合、すなわち、小リフト、小作用角側から大リフト、大作用角側へ可変動弁動作を行う場合は、バルブスプリング反力に対抗してコントロールアーム３６を回転させる必要が生じる。従って、小リフト、小作用角側から大リフト、大作用角側へ可変動弁動作を行う場合は、制御軸５０を駆動するために大きなトルクが必要となる。

このため本実施形態では、図１に示すように、小リフト、小作用角側から大リフト、大作用角側へ可変動弁動作を行う場合のコントロールアーム３６の回転方向と、カムシャフト２４の回転方向が同一方向となるようにしている。

上述したように、アーム部材３８、アーム部材４０及びアーム部材４２に設けられた摺動面４３は、カムシャフト２４の外周に対して嵌合しており、コントロールアーム３６はカムシャフト２４に対して回動可能に嵌合している。従って、小リフト、小作用角側から大リフト、大作用角側へ可変動弁動作を行う場合のコントロールアーム３６の回転方向と、カムシャフト２４の回転方向を同一方向とすることで、カムシャフト２４の外周面と摺動面４３との間に発生するフリクションを利用してコントロールアーム３６を回転させることができる。これにより、小リフト、小作用角側から大リフト、大作用角側へ可変する際のコントロールアーム３６の回転をアシストすることができ、制御軸５０の駆動トルクを低減することができる。

このように、本実施形態の可変動弁機構１０によれば、特別な制御力軽減機構を設けることなく、可変動弁動作の際の制御軸５０の駆動トルクを低減することができる。従って、可変動弁動作の際の応答性を高めることが可能となる。

図６は、本実施形態の他の構成を示す模式図である。図１〜図５に示す構成では、中間アーム３４を介してコントロールアーム３６の回転をスライダーローラ２８及びカムローラ３０に伝達しているが、図６の構成では、コントロールアーム３６と一体化された長孔３６ａを設け、シャフト３２を長孔３６ａに対して嵌合させることでコントロールアーム３６の回転をスライダーローラ２８及びカムローラ３０に伝達している。

図６の構成においても、小リフト、小作用角側から大リフト、大作用角側へ可変動弁動作を行う場合のコントロールアーム３６の回転方向と、カムシャフト２４の回転方向を同一方向とすることで、制御軸５０の駆動トルクを低減することができる。

以上説明したように本実施形態によれば、小リフト、小作用角側から大リフト、大作用角側へ可変動弁動作を行う場合のコントロールアーム３６の回転方向と、カムシャフト２４の回転方向を同一方向としたため、カムシャフト２４の回転力によってコントロールアーム３６の回転をアシストすることができる。従って、制御軸５０の駆動トルクを低減することができ、可変動弁の際の応答性を高めることが可能となる。また、制御軸５０を駆動するアクチュエータを小型化することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る可変動弁機構を示す斜視図である。 図１に示す可変動弁機構を斜め上方から見た状態を示す斜視図である。 可変動弁機構を分解した状態を示す模式図である。 本発明の一実施形態の可変動弁機構が小リフト動作を行う場合の様子を示す図である。 本発明の一実施形態の可変動弁機構が大リフト動作を行う場合の様子を示す図である。 本発明の一実施形態の他の構成を示す模式図である。

符号の説明

１０ 可変動弁機構
１２ 弁体
１６ ロッカーアーム
２２ 揺動アーム
２４ カムシャフト
２６ カム
３６ コントロールアーム
５０ 制御軸

Claims (5)

1. 内燃機関の弁体のリフト量及び作用角を変化させる可変動弁機構であって、
   クランクの回転に応じて回転するカムと、
   前記カムの作用力を受けて揺動する揺動部材と、
   前記揺動部材の作用力を受けて揺動し、前記弁体を開閉方向に駆動するロッカーアームと、
   所定の回転位置に調整される制御軸と、
   前記制御軸の回転位置に応じて前記揺動部材の揺動範囲を変化させて、前記弁体のリフト量及び作用角を変化させる可変機構と、
   前記カムの回転力を用いて、前記制御軸を回転させる際の駆動力をアシストするアシスト手段と、
   を備えたことを特徴とする可変動弁機構。
2. 前記可変機構は、前記制御軸の回転に応じて回転するアーム部材を含み、
   前記アシスト手段は、前記アーム部材を前記カムが設けられたカムシャフトの外周に対して回動可能に嵌合させることで構成されることを特徴とする請求項１記載の可変動弁機構。
3. 前記弁体のリフト量及び作用角を小リフト、小作用角側から大リフト、大作用角側へ変化させる際の前記アーム部材の回転方向と、前記カムの回転方向とを同一としたことを特徴とする請求項２記載の可変動弁機構。
4. 前記弁体のリフト量及び作用角を小リフト、小作用角側から大リフト、大作用角側へ変化させる際に前記制御軸にかかる負荷を軽減する方向に前記カムを回転させることを特徴とする請求項２記載の可変動弁機構。
5. 前記弁体のリフト量及び作用角を保持する場合に前記制御軸にかかる負荷を軽減する方向に前記カムを回転させることを特徴とする請求項２記載の可変動弁機構。

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