JP2006070840A - 動弁装置およびこれを備えた内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で、しかも効果的に燃焼効率を向上させる動弁装置およびこれを備えた内燃機関を提供する。
【解決手段】カム高さとカム作用角がカムシャフト１１方向に沿って連続的に変化する立体カム１３と、立体カム１３のカム面に押圧されてバルブ３１を進退させるバルブリフタ２０との相対移動により、バルブ３１のリフト特性を連続可変する。バルブリフタ２０は、立体カム１３に接触する球状接触子として構成されたタペット２１を有し、バルブ３１のバルブステム軸３１ａによって形成されるＶバンクよりも外側にカムシャフト１１が配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、自動二輪車あるいは自動車などにおける内燃機関において、アクセル開度に応じてバルブのリフト量、リフトタイミングおよび作用角を可変制御する動弁装置に関するものである。

最近の内燃機関において、可変位相とカム切換の組合せが出始め、その後作用角およびリフト量を連続可変する３次元カムを使用する方式の動弁装置が提案されている。たとえば、直打式円筒タペットの頂部に接触角変化に対する追従機構を設け、３次元カムを軸方向にスライドさせることにより、バルブリフト量を無段階に可変するものがある。

この種の動弁装置において気筒あたり４つの吸排気バルブを備え、さらにそれらのバルブの作動タイミングを変更する機構を持つものが開発されている。たとえば吸気側のカム位相を可変制御し、排気側とのオーバラップ量をエンジン回転数に応じて変化させることで、燃焼効率を向上させるようにしている。

また、燃焼効率を向上させる手法として、燃焼室のＳＶ比（表面積／容積）を小さくするために４サイクルエンジンにおいて所謂、バルブ挟み角を小さくする方法が知られている。この場合、動弁機構においてロッカーアームやスイングアームを用いることが多い。

一方、有底円筒型のバルブリフタの底部をカム面に当てて、バルブリフタをバルブステム軸と平行にカムにてリフトさせる直打式エンジンにおいても、バルブ挟み角を小さくする方法としてカムシャフトよりもバルブステム軸を内側に配置することで狭角化は可能である。しかしながら、この場合、バルブリフタの円筒軸に対して略直角に底面を設ける必要から軸をずらすことなる。そして、そのような軸がずれた分の倍程度バルブリフタの径を大きくする必要があるため、そのままでは重量増加によりメカロス（機械的損失）が増大し、高回転化に不利になる等の問題がある。

本発明はかかる実情に鑑み、簡素な構成で、しかも効果的に燃焼効率を向上させる動弁装置およびこれを備えた内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の動弁装置は、カム高さとカム作用角がカムシャフト方向に沿って連続的に変化する立体カムと、前記立体カムのカム面に押圧されてバルブを進退させるバルブリフタとの相対移動により、前記バルブのリフト特性を連続可変するようにした動弁装置であって、
前記バルブリフタは、前記立体カムに接触する球状接触子として構成されたタペットを有し、前記バルブのバルブステム軸によって形成されるＶバンクよりも外側に前記カムシャフトが配置されることを特徴とする。

また、本発明の動弁装置において、前記球状接触子の半径を前記立体カムのベースサークルの半径よりも小さく設定するとともに、前記バルブステム軸に対する前記カムシャフトのオフセット量を前記球状接触子の半径よりも小さく設定することを特徴とする。

また、本発明の動弁装置において、前記オフセット量は、前記カムシャフトの載置面における該カムシャフトの軸心と前記バルブステム軸の延長線の交点との距離もしくはその距離に対応する角度であることを特徴とする。

また、本発明の内燃機関は、吸気バルブおよび排気バルブにより吸排気を制御するようにした内燃機関であって、吸気側または排気側に上記いずれかの動弁装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、この種のエンジンにおいてアクセル開度に応じてバルブリフト量および作用角を無段階可変制御する。この場合、バルブのバルブステムによって形成される、所謂Ｖバンクよりも外側にカムシャフトを配置することにより、バルブ挟み角を小さくし、燃焼室のＳＶ比を小さくして燃焼効率を向上することができる。

以下、図面に基づき、本発明による動弁装置およびこれを備えた内燃機関の好適な実施の形態を説明する。
本発明による動弁装置は、自動二輪車あるいは四輪自動車に搭載される各種のガソリンエンジンに対して有効に適用可能であり、この実施形態ではたとえば図１に示すように自動二輪車のエンジンの例とする。

ここで先ず、本実施形態に係る自動二輪車１００の全体構成を説明する。図１において、鋼製あるいはアルミニウム合金材でなる車体フレーム１０１の前部には、ステアリングヘッドパイプ１０２によって左右に回動可能に支持された２本のフロントフォーク１０３が設けられる。フロントフォーク１０３の上端にはハンドルバー１０４が固定され、ハンドルバー１０４の両端にグリップ１０５を有する。フロントフォーク１０３の下部には前輪１０６が回転可能に支持されるとともに、前輪１０６の上部を覆うようにフロントフェンダ１０７が固定される。前輪１０６は、前輪１０６と一体回転するブレーキディスク１０８を有している。

車体フレーム１０１の後部には、スイングアーム１０９が揺動可能に設けられるとともに、車体フレーム１０１とスイングアーム１０９の間にリヤショックアブソーバ１１０が装架される。スイングアーム１０９の後端には後輪１１１が回転可能に支持され、後輪１１１はチェーン１１２が巻回されたドリブンスプロケット１１３を介して、回転駆動されるようになっている。

車体フレーム１０１に搭載されたエンジンユニット１(実線部)には、エアクリーナ１１４に結合する吸気管１１５から混合気が供給されるとともに、燃焼後の排気ガスが排気管１１６を通って排気される。エアクリーナ１１４は容量確保のためにエンジンユニット１の後方、かつ燃料タンク１１７およびシート１１８の下方にある大きなスペース内に設置される。そのため吸気管１１５はエンジンユニット１の後部側に結合させ、排気管１１６はエンジンユニット１の前部側に結合される。また、エンジンユニット１の上方には、燃料タンク１１７が搭載され、燃料タンク１１７の後方にシート１１８およびシートカウル１１９が連設される。

ここで、エンジンユニット１におけるシリンダヘッド２乃至シリンダヘッドカバー２ａの所定部位には、後述するアクセルモータが装着される。アクセルモータは、たとえばシリンダヘッドカバー２ａの側部に突設されるが、燃料タンク１１７やその他エンジン周辺の部品もしくは部材と相互に干渉しないように配置される。

さらに図１において、１２０はヘッドランプ、１２１はスピードメータ、タコメータあるいは各種インジケータランプ等を含むメータユニット、１２２はステー１２３を介してハンドルバー１０４に支持されるバックミラーである。また、車体フレーム１０１の下部にはメインスタンド１２４が揺動自在に取付けられ、後輪１１１を接地させたり地面から浮かせたりできる。車体フレーム１０１は、前部に設けたヘッドパイプ１０２から後斜め下方へ向けて延設され、エンジンユニット１の下方を包むように湾曲した後、スイングアーム１０９の軸支部であるピボット１０９ａを形成してタンクレール１０１ａおよびシートレール１０１ｂに連結している。

この車体フレーム１０１には、フロントフェンダ１０７との干渉を避けるべく車体フレームと平行にラジエータ１２５が設けられるとともに、このラジエータ１２５から車体フレーム１０１に沿って冷却水ホース１２６が配設され、排気管１１６と干渉することなくエンジンユニット１に連通している。

つぎに、図２はこの実施形態における動弁装置を示す側面図、図３は平面図、図４は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図、図５は図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図、図６は図２のＣ矢視方向図、図７は図２のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。内燃機関であるエンジンユニット１のシリンダ内でピストンが上下に往復動するとともに、ピストンの上部に配置されたシリンダヘッド２内に動弁装置が収容される。本実施形態で説明するエンジンユニット１は並列２気筒（車幅方向）エンジンであって、各気筒において吸気側（ＩＮ）および排気側（ＥＸ）にそれぞれ２つのバルブを有する。

本実施形態の動弁装置は、吸気側においてカム／カムシャフトユニット１０と、カム／カムシャフトユニット１０の下側に配置されるバルブリフタユニット２０と、吸気制御するバルブユニット３０とを含む。
また、排気側においてカム／カムシャフトユニット１０_EXと、カム／カムシャフトユニット１０_EXの下側に配置されるバルブリフタユニット２０_EXと、排気制御するバルブユニット３０_EXとを含む。

さらに、アクセル開度に応じてカム／カムシャフトユニット１０，１０_EXのカム１３，１３_EXを変位させるアクセルシャフトユニット４０を含むが、この実施形態では吸気側のカム／カムシャフトユニット１０と排気側のカム／カムシャフトユニット１０_EXとの間に配置され、吸気側および排気側で共用される。また、２気筒に対して単一のアクセルシャフトが使用される。

吸気側のカム／カムシャフトユニット１０において、図３に示すようにシリンダヘッド２内でベアリング１２を介して回転自在に支持されるカムシャフト１１を備える。なお、この例ではカムシャフト１１は２気筒にまたがって延設される。カムシャフト１１の一端にはスプロケット１５が固着し、排気側のカムシャフト１１_Exの一端にも同様なスプロケット１５_Exが固着しており、これらのスプロケット１５，１５_Exとクランクシャフト（図示せず）の一端に固着するドライブスプロケットとの間には、カムチェーンが巻回装架される。

カムシャフト１１にはその軸方向にカム１３がスライド可能に装着される。この例ではカムシャフト１１とカム１３との間にボール１４が介在するスプラインが構成され、カム１３とカムシャフト１１の相対回転が規制されるとともに、カム１３が直線運動（リニアモーション）するようになっている。なお、カムシャフト１１は概して中空構造を有し、その中空内部が潤滑油路となってスプライン部分等に注油することができる。

ここで、カム１３は「３次元カム」として構成され、長手方向（カムシャフト１１の軸方向）に傾斜するカム面１３ａを有し、バルブリフト量を連続的に変化させる形状とされる。この場合、カム高さと同時にカム作用角およびリフトタイミングも変化し、すなわちバルブリフト量が大きくなるのに従ってカム作用角も大きくなり、さらにはバルブのリフトタイミングも変化させ得るように設定される。

なお、排気側のカム／カムシャフトユニット１０_EXは、図２あるいは図３に示すように吸気側のカム／カムシャフトユニット１０と基本構成が同様であるが、カム１３_EXの具体的な諸元についてはカム１３と異なる。

吸気側のバルブリフタユニット２０において、図４に示すように外周面が球状面とされたタペットローラ２１を備え、その外周面がカム１３に接触する。なお、タペットローラ２１の外周面は、少なくともカム１３と接触する側（図４では左側）が球状面に形成される。タペットローラ２１内には腕部材２２が配置される。タペットローラ２１の内周面は球状面とされており、この内周面と腕部材２２中央の大径部との間にボール２４が介在する。したがって、ボール２４を介してタペットローラ２１が回転可能に支持されるとともに、腕部材２２が揺動可能である。腕部材２２がタペットローラ２１に対して傾いたときにもタペットローラ２１を正常回転可能とする調芯機能を発揮する。

腕部材２２を覆うようにタペットガイド２３が配置される。タペットガイド２３は、その両端開口から腕部材２２の両端部が突出し、取付ボルト２５によってシリンダヘッド２に固定される。また、図６に示されるようにタペットガイド２３にはガイド孔２３ａが形成されており、このガイド孔２３ａの内側にタペットローラ２１が配置される。ガイド孔２３ａはバルブステムの軸方向に沿って形成され、これによりタペットローラ２１がバルブステムの軸方向にのみ移動可能となる。

タペットローラ２１はカム１３のカム面１３ａに押圧されることにより、バルブを進退させるバルブリフタとして機能する。腕部材２２の両端部には、後述するバルブユニットに当接する押圧部２２ａが設けられる。なお、図４に示されるように一方の押圧部２２ａは、アジャストスクリュ２６の先端（下端）に付設されるかたちで設けられる。

排気側のタペットユニット２０_EXは、図５にも示されるように吸気側のタペットユニット２０と基本構成が同様である。

吸気側のバルブユニット３０において、図２に示されるようにバルブステム３１ａがバルブガイド３２によってガイドされる２つの吸気バルブ３１を備える。吸気バルブ３１がリフトすることにより、吸気ポート３を介してエアクリーナ１１４（図１）から導かれる空気と吸気ポート３の下流側に配置されるインジェクタ（図示せず）から噴霧される燃料との混合気が各気筒の燃焼室に導入される。

各バルブステム３１ａの端部にはバルブリテーナ３３が設けられ、バルブリテーナ３３にはバルブシート３４との間に装着されたバルブスプリング３５の弾性力が作用する。さらに、バルブステム３１ａの上端が、腕部材２２の押圧部２２ａにより押圧される。

なお、排気側のバルブユニット３０_EXは、図２に示されるように吸気側のバルブユニット３０と基本構成が同様である。

アクセルシャフトユニット４０において、図２あるいは図３に示すようにカムシャフト１１および１１_EX間に平行に配置されたアクセルシャフト４１と、アクセルシャフト４１に支持されるとともにカム１３，１３_EXに連結するアクセルフォーク４２とを備える。
ここで、本実施形態ではアクセルフォーク４２として、２気筒のうち一方の気筒に配設されるアクセルフォーク４２Ａと、他方の気筒に配設されるアクセルフォーク４２Ｂを有し、後述するようにアクセルフォーク４２Ｂは調整可能である。

アクセルシャフト４１は、送りネジ４１ａを介してドリブンギヤ４３（べベルギヤ）と螺合し、軸方向にスライド可能（図３、矢印Ｅ）に支持される。ドリブンギヤ４３はベアリング４４を介して、シリンダヘッド２に回転自在に支持される。一方、シリンダヘッド２の側部には図７に示されるようにアクセルモータ４５が搭載支持され、その出力軸に固着するドライブギヤ（べベルギヤ）４６がドリブンギヤ４３と噛合する。したがって、アクセルモータ４５の作動により、アクセルシャフト４１が軸方向に所望量スライド移動させることができる。

各アクセルフォーク４２Ａ，４２Ｂは、アクセルシャフト４１と直交方向にカムシャフト１１，１１_EX側へ延出し、それらの両側に二股状の先端部を有する。また、カム１３，１３_EXの端部には、ベアリング４７，４７_EXを介して回転自在にされたフォークガイド４８，４８_EXを備える。アクセルフォーク４２の二股状の各先端はフォークガイド４８，４８_EXの係合溝に係合し、この係合溝に沿って移動可能である。これによりアクセルシャフト４１がその軸方向にスライドするのに連動もしくは同期して、カム１３，１３_EXがカムシャフト１１，１１_EXに沿ってそれぞれスライドする。

この場合、アクセルフォーク４２Ａとアクセルフォーク４２Ｂは、図５に示されるように連結シャフト４９によって相互に連結されている。連結シャフト４９は両端部でアクセルフォーク４２Ａおよびアクセルフォーク４２Ｂに螺着しており、そのねじ調整により相互間距離を調整することができるようになっている。

さて、図２に示されるようにバルブ３１のバルブステム３１ａによって、所謂Ｖバンクが形成されるが、カムシャフト１１，１１_EXはこのＶバンクよりも外側に配置される。この場合、タペットローラ２１の半径ｒ₁を立体カム１３のベースサークル半径ｒ₂よりも小さく設定するとともに、バルブステム３１ａに対するカムシャフト１１のオフセット量をタペットローラ２１の半径よりも小さく設定する。このオフセット量に対応する角度θ_INとする。なお、排気側においても同様に、カムシャフト１１_EXのオフセット量に対応する角度θ_EXとする。

上記の場合、図４に示されるようにシリンダヘッドカバー２ａを利用して、カム位相センサ５０が搭載される。このカム位相センサ５０は、たとえばカムシャフト１１の他端側に植設したピン５１を検知して、カム１３の位相を検出するようになっている。
あるいはまた、各気筒に対して設けられるプラグホール５２は、図７に示されるようにアクセルフォーク４２Ａ，４２Ｂ等と干渉しないように適度に傾斜して配置される。

上記構成においてアクセルグリップ（もしくはアクセルペダル）を操作すると、アクセルモータ４５が作動し、アクセルモータ４５の出力軸の回転によってドリブンギヤ４３を介してアクセルシャフト４１がスライドする。各気筒において、カム１３，１３_EXはアクセルフォーク４２Ａ，４２Ｂを介してアクセルシャフト４１の動きに連動してカムシャフト１１，１１_EXに沿ってスライドする。この実施形態では吸気側に加えて排気側においてもアクセル開度に応じてバルブリフト量および作用角を無段階可変制御する。

このように吸排気量をアイドル回転域から全開域までコントロールし、エンジン回転数（または車両速度）に最も適した吸排気を行うことができる。たとえばエンジン低速時にはタペットローラ２１はカム１３，１３_EXのカム面１３ａ，１３ａ_EXに対してカム高さの比較的低い部位に当接する。この状態で加速、すなわちアクセルを開くと、アクセルモータ４５の作動によりドリブンギヤ４３が回転して、アクセルシャフト４１は図２の右方向にスライドする。カム１３，１３_EXはアクセルフォーク４２Ａ，４２Ｂを介してアクセルシャフト４１の動きに連動してカムシャフト１１，１１_EXに沿って同様にスライドする。カム１３，１３_EXのスライドによりタペットローラ２１，２１_EXは、次第にカム高さの比較的高い部位に当接し、バルブリフト量が増大する。一方、減速時にはアクセルを戻すことで、上記とは逆の動作でバルブリフト量を減少させる。

本発明において特に、バルブステム３１ａによって形成されるＶバンクよりも外側にカムシャフト１１，１１_EXを配置することにより、バルブ挟み角を小さくし、燃焼室のＳＶ比を小さくして燃焼効率を向上することができる。

この場合、カムシャフト１１をオフセットすることで、オフセットなしに比べてバルブリフト量は減少し、その減少量はオフセット量に依存する。オフセット量ｘは、カムシャフト１１の載置面における該カムシャフト１１の軸心とバルブステム軸３１ａの延長線の交点との距離とする。オフセット量ｘに対応する角度θ_INは、次式で求められる。
θ_IN＝ｓｉｎ^-1（ｘ／（ｒ₁＋ｒ₂））
ここで、仮にｘ＝ｒ₁、ｒ₁＝ｒ₂とすると、上式よりθ_IN＝３０°となる。バルブリフト量の減少量を極力抑えるために、ｒ₁＜ｒ₂、ｘ＜ｒ₁に設定し、したがってθ_IN＜３０°未満が好ましい。

ちなみに、図２の図示例ではバルブリフト量がゼロのときθ_IN＝１８°であるが、バルブリフト量８ｍｍでは１４．５°である。バルブリフト量はカム山リフト量（もしくはカム山高さ）の０．９６８倍となり、僅かに３．２％の減少である。つまりバルブを８ｍｍリフトさせるためのカム山リフト量は８．２６ｍｍであり、カム山を僅かに高くするだけで対応することができる。

以上、本発明を種々の実施形態とともに説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
たとえば上記実施形態で説明した具体的な数値例等は、必ずしもこれに限定されず、必要に応じて変更可能である。また、各実施形態において、２気筒エンジンの場合の例を説明したが、本発明は３気筒以上の多気筒エンジンに対しても有効に適用可能である。

本発明の適用例に係るエンジンまわりを含む自動二輪車の構成例を示す図である。 本発明の実施形態における動弁装置の側面図である。 本発明の実施形態における動弁装置の平面図である。 図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 図２のＣ方向矢視図である。 図２のＤ−Ｄ線に沿う断面図である。

符号の説明

１ エンジンユニット
１０ カム／カムシャフトユニット
１１ カムシャフト
１２ ベアリング
１３ カム
２０ バルブリフタユニット
２１ タペットローラ
２２ 腕部材
２３ タペットガイド
３０ バルブユニット
３１ 吸気バルブ
３２ バルブガイド
３３ バルブリテーナ
３４ バルブシート
３５ バルブスプリング
４０ アクセルシャフトユニット
４１ アクセルシャフト
４２ アクセルフォーク
４５ アクセルモータ
４８ フォークガイド
４９ 連結シャフト
１００ 自動二輪車

Claims (4)

1. カム高さとカム作用角がカムシャフト方向に沿って連続的に変化する立体カムと、前記立体カムのカム面に押圧されてバルブを進退させるバルブリフタとの相対移動により、前記バルブのリフト特性を連続可変するようにした動弁装置であって、
   前記バルブリフタは、前記立体カムに接触する球状接触子として構成されたタペットを有し、前記バルブのバルブステム軸によって形成されるＶバンクよりも外側に前記カムシャフトが配置されることを特徴とする動弁装置。
2. 前記球状接触子の半径を前記立体カムのベースサークルの半径よりも小さく設定するとともに、前記バルブステム軸に対する前記カムシャフトのオフセット量を前記球状接触子の半径よりも小さく設定することを特徴とする請求項１に記載の動弁装置。
3. 前記オフセット量は、前記カムシャフトの載置面における該カムシャフトの軸心と前記バルブステム軸の延長線の交点との距離もしくはその距離に対応する角度であることを特徴とする請求項２に記載の動弁装置。
4. 吸気バルブおよび排気バルブにより吸排気を制御するようにした内燃機関であって、
   吸気側または排気側に請求項１〜３のいずれか１項に記載の動弁装置を備えたことを特徴とする内燃機関。

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