JP2006077689A - 可変動弁機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、可変動弁機構に関し、コンパクトな構成とすることで内燃機関への搭載性を悪化させることなく、アクチュエータの駆動力を効果的に低減することを目的とする。
【解決手段】 カム軸３６の側方に、制御軸２２を配置する。制御軸２２の回転に応じて周方向の位置が調整される制御アーム３０を備える。ロッカーアーム１６に当接する揺動カム面２４と、揺動カム面２４と交差するように配置されたローラ当接面２８とを有する第１の揺動アーム２０を制御軸２２に揺動可能に取り付ける。カムローラ４０とスライドローラ４２とを有する第２の揺動アーム３４を、制御アーム３０の揺動支点３２に揺動可能に取り付ける。小作用角設定時におけるカムローラ４０の軸中心位置が、カム軸３６の軸中心と制御軸２２の軸中心とを結ぶ仮想直線上となるように、もしくは、仮想直線よりスライドローラ４２側となるように構成する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、可変動弁機構に係り、特に、カム軸の回転に対する弁体の作用角およびリフト量を機械的に変化させる内燃機関の可変動弁機構に関する。

従来、例えば、特開２００２−３７１８１６号公報には、カムと弁体との間に弁体の作用角およびリフト量を変化させる機構を備える可変動弁機構が開示されている。この可変動弁機構は、制御軸の径方向に突出して設けられた突出部（制御アーム）と、カムの押圧力をロッカーアームに伝達する第一介在アーム（第１の揺動アーム）とを備えている。また、この可変動弁機構は、カムと第一介在アームとの間に介在し、制御軸の回転位置に応じた揺動範囲を揺動する第二介在アームを備えている。この機構では、制御軸の回転位置に応じて第二介在アームの揺動範囲が変化すると、第一介在アームがロッカーアームを介して弁体を押し下げるタイミングおよび弁体の押し下げ量が変化する。このため、上記従来の可変動弁機構によれば、制御軸の回転位置を制御することにより、弁体の作用角およびリフト量を連続的に変化させることができる。

特開２００２−３７１８１６号公報

上記従来の可変動弁機構では、ロッカーアームの上方に、第一介在アーム、第二介在アーム、およびカムが順に積み重ねられるように配置されている。このため、可変動弁機構の全高が増大し、内燃機関への搭載性が良くない。上記従来の可変動弁機構において、内燃機関への搭載性を改善すべく、カムの位置を第一介在アームと同等の高さとすることが考えられる。しかしながら、このような構成とすれば、第二介在アームを介して突出部に作用するカムの押圧力が増大してしまう。突出部に作用するカムの押圧力が増大すると、制御軸を駆動するために必要なトルクが大きくなる。その結果、制御軸を駆動するモータなどのアクチュエータの消費電力が増大し、また、アクチュエータの小型化を図ることができなくなる。

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、コンパクトな構成とすることで内燃機関への搭載性を悪化させることなく、アクチュエータの駆動力を効果的に低減し得る可変動弁機構を提供す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、カム軸の回転に対する弁体の作用角およびリフト量を機械的に変化させる可変動弁機構であって、
前記弁体が配置されるシリンダーの軸線方向に対して前記カム軸の側方に配置された制御軸と、
前記制御軸の回転位置を制御するアクチュエータと、
前記制御軸の径方向に突出して設けられ、前記制御軸の回転に応じて周方向の位置が調整される制御アームと、
カムの押圧力を前記弁体に伝達する揺動カム面と、前記カム軸に対向しかつ前記制御軸の軸方向から見て前記揺動カム面と交差するように配置されたローラ当接面とを有し、前記制御軸に揺動可能に取り付けられた第１の揺動アームと、
カムに当接するカムローラと前記ローラ当接面に当接するスライドローラとを有し、前記制御アームに揺動可能に取り付けられ、前記制御アームの周方向の位置に応じてその揺動範囲が変化する第２の揺動アームとを備え、
小作用角設定時における前記カムローラの軸中心位置が、前記カム軸中心と前記制御軸中心とを結ぶ仮想直線上となるように、もしくは、前記仮想直線より前記スライドローラ側となるように構成されていることを特徴とする。

第１の発明によれば、作用角に対する制御軸トルクの特性を、大作用角に設定されるほど増大されるのではなく、作用角の変化に対して平滑化された特性とすることができる。また、本発明によれば、第２の揺動アームを低く配置することができ、それに伴い、カム軸の搭載位置も下げることができる。このため、本発明によれば、コンパクトな構成とすることで内燃機関への搭載性を悪化させることなく、アクチュエータの駆動力を効果的に低減することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の可変動弁機構１０の構成を説明するための図である。図１に示す可変動弁機構１０は、吸気弁または排気弁として機能する内燃機関の弁体を駆動するための機構である。図１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、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の一端に接している。ロッカーアーム１６の中央部には、ロッカーローラ１８が配設されている。ロッカーローラ１８の上部には、第１の揺動アーム２０が配置されている。

第１の揺動アーム２０は、制御軸２２により回転可能に保持されている。第１の揺動アーム２０には、ロッカーローラ１８と接する面として、揺動カム面２４が形成されている。揺動カム面２４は、第１の揺動アーム２０の回転中心、すなわち、制御軸２２の軸中心からの距離が一定となるように形成された非作用面２４aと、非作用面２４aから離れた位置ほど制御軸２２の軸中心からの距離が遠くなるように形成された作用面２４bとで構成されている。ロッカーアーム１６の他端は、ラッシュアジャスタ２６により支持されている。ロッカーアーム１６は、ラッシュアジャスタ２６により支持された端部を支点として回動することができる。ラッシュアジャスタ２６は、タペットクリアランスをゼロとすべく伸縮する機能を有している。

制御軸２２は、図示しない軸受けを介して、シリンダヘッド等の固定部材に固定されている。そして、制御軸２２には、図示しないアクチュエータ（例えばモータ）が接続されており、内燃機関のECUはアクチュエータを制御することによって制御軸２２の回転角度を任意の角度に調整することができる。また、制御軸２２には、ローラ当接面２８が回転可能に保持されている。ローラ当接面２８は、第１の揺動アーム２０と一体で制御軸２２周りを回転できるように構成されている。また、揺動カム面２４およびローラ当接面２８は、制御軸２２の軸方向から見て交差するように配置されている。このような構成によれば、ローラ当接面２８の位置が低く抑えられるため、後述する第２の揺動アーム３４を低く配置することができ、これにより、高さを抑えたコンパクトな可変動弁機構１０を実現することができる。

更に、制御軸２２には、制御アーム３０が取り付けられている。制御軸２２と制御アーム３０とは、図示しない固定具（例えばピン）により一体化されている。制御アーム３０には、制御軸２２の径方向に突出した位置に揺動支点３２が設けられている。揺動支点３２には、第２の揺動アーム３４が回転可能に保持されている。第２の揺動アーム３４は、カム軸３６に固定されたカム３８に当接するカムローラ４０と、ローラ当接面２８に当接するスライドローラ４２とを備えている。カムローラ４０およびスライドローラ４２は、それぞれ第２の揺動アーム３４により保持された状態で自由に回動することができる。

図１における上下方向は、弁体１２が配置されるシリンダーの軸線方向を示している。図１に示す構成では、カム軸３６は、内燃機関の高さを抑えるべく、図１における制御軸２２の側方に、すなわち、制御軸２２に対してシリンダー軸線方向に直交する方向に配置されており、より詳細に説明すると、第１の揺動アーム２０を保持している制御軸２２とカム軸３６とは、両者の間に第２の揺動アーム３４を介在させた状態で、極力近接するように配置されている。このような構成によれば、高さを抑えたコンパクトな可変動弁機構１０を実現することができる。

可変動弁機構１０は、ロストモーションスプリング４４を備えている。ロストモーションスプリング４４は、その上端がシリンダヘッド等に固定された状態で、第１の揺動アーム２０を付勢している。このロストモーションスプリング４４の付勢力は、ローラ当接面２８がスライドローラ４２をローラ当接面２８の垂線方向に付勢する力として、更には、カムローラ４０をカム３８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、カム３８とローラ当接面２８とが機械的に連結された状態に維持されている。

上述した状態において、カム３８の回転に伴ってカムノーズがカムローラ４０を押圧すると、その力はスライドローラ４２を介してローラ当接面２８に伝達される。スライドローラ４２は、ローラ当接面２８の上を転動しながらカム３８の押圧力を第１の揺動アーム２０に伝え続けることができる。その結果、第１の揺動アーム２０には、制御軸２２を中心とする回転が生ずる。この際、揺動カム面２４とロッカーローラ１８との接触点が非作用面２４aである間は、ロッカーアーム１６にカム３８の押圧力が伝達されることはないが、第１の揺動アーム２０が更に回転することにより、上記接触点が作用面２４bにまで及ぶと、バルブスプリング４６の反力が第１の揺動アーム２０に作用した状態でロッカーアーム１６が押し下げられ、弁体１２に開弁方向の動きが与えられる。

一方、与えられたカム３８の押圧力が減少に転ずると、バルブスプリング４６等の反力により、第１の揺動アーム２０がそれまでとは反対方向に回転することとなる。その結果、上記接触点が作用面２４bから非作用面２４aに向かって変化することで、ロッカーアーム１６が押し戻され、その後、弁体１２が閉弁することとなる。可変動弁機構１０は、以上説明したように、カム３８の押圧力を、カムローラ４０およびスライドローラ４２を介してローラ当接面２８に伝達することで弁体１２を作動させることができる。

図１に示す状態は、カムノーズの頂点がカムローラ４０を押圧した状態、すなわち、弁体１２の最大リフト状態を示している。また、図１に示す状態は、弁体１２の小作用角および小リフト動作が実現される位置に、制御軸２２の回転角度が制御された状態を示している。本実施形態の可変動弁機構１０は、この小作用角設定時において、カムローラ４０の軸中心位置が、制御軸２２の軸中心とカム軸３６の軸中心とを結ぶ仮想直線上となるように構成されている。

以上のように構成された可変動弁機構１０において、アクチュエータによって制御軸２２が回転駆動されることで制御アーム３０の揺動支点３２の周方向位置が変化すると、カムローラ４０とカム３８との当接位置、およびスライドローラ４２とローラ当接面２８との当接位置が変化する。その結果、制御軸２２を中心とする第１の揺動アーム２０の回転角度が変化し、揺動カム面２４とロッカーローラ１８との接触点が変化する。ここでは、カム３８の押圧力が作用していない状態における上記接触点を、第１の揺動アーム２０における「初期接触位置」と称する。具体的には、第１の揺動アーム２０は、制御軸２２が図１における左回り方向に回転するほど、上記初期接触位置が作用面２４bから離れる方向により大きく回転し、また、制御軸２２が図１における右回り方向に回転するほど、上記初期接触位置が作用面２４bに近づく方向により大きく回転する。

可変動弁機構１０において、上述したように、制御軸２２の回転位置を変更することで初期接触位置が変化すると、カム３８の動作に伴ってロッカーアーム１６が弁体１２を押し下げるタイミングおよび弁体１２の押し下げ量が変化する。このため、本実施形態の可変動弁機構１０によれば、制御軸２２を図１における左回り方向に回転させることで、弁体１２の作用角およびリフト量をともに小さくすることができ、制御軸２２を図１における右回り方向に回転させることで、弁体１２の作用角およびリフト量をともに大きくすることができる。このように、本実施形態の可変動弁機構１０によれば、制御軸２２の回転位置に応じて、弁体１２の作用角およびリフト量を連続的に変更することができる。

図２は、制御軸２２に入力されるトルク（T＝F×L）の算出方法を説明するための図である。尚、図２は、大作用角設定時における最大リフト状態を示している。既述した通り、第１の揺動アーム２０は、ロストモーションスプリング４４（図１参照）により付勢されており、その付勢力F_Xは、ローラ当接面２８がスライドローラ４２をローラ当接面２８の垂線方向に付勢する力として、更には、カムローラ４０をカム３８に押し当てる力として作用する。また、弁体１２がリフト動作を行っている間は、バルブスプリング４６（図１参照）の付勢力F_Yがロッカーアーム１６を介して第１の揺動アーム２０に作用する。この付勢力F_Yは、付勢力F_Xと同様に、ローラ当接面２８がスライドローラ４２をローラ当接面２８の垂線方向に付勢する力として、更には、カムローラ４０をカム３８に押し当てる力として作用する。これらの付勢力F_X、F_Yは、リフト量が大きくなるほど増大し、最大リフト状態で最大となる。

上記の付勢力F_X、F_Yが作用している状況下で、カムノーズがカムローラ４０を押圧すると、カムローラ４０には、カム軸３６の軸中心とカムローラ４０の軸中心とを結ぶ仮想直線方向に、カムローラ荷重F₁が作用する。そして、スライドローラ４２には、スライドローラ４２の軸中心を通るローラ当接面２８の垂線方向に、スライドローラ荷重F₂が作用する。それに伴い、制御アーム３０の揺動支点３２には、カムローラ荷重F₁の力点と揺動支点３２とを結ぶ仮想直線方向に、カムローラ荷重F₁の分力F₁’が作用するとともに、スライドローラ荷重F₂の力点と揺動支点３２とを結ぶ仮想直線方向に、スライドローラ荷重F₂の分力F₂’が作用する。揺動支点３２に作用する荷重は、制御軸２２の駆動時に負荷となるものであり、分力F₁’、F₂’のベクトル和として表すことができる。従って、制御軸２２に入力されるトルクTは、揺動支点３２に作用する荷重の、制御軸２２の軸中心と揺動支点３２とを結ぶ仮想直線に直角する方向の成分Fに、制御軸２２の軸中心と揺動支点３２との距離Lを乗じたものとして表すことができる。

上述したバルブスプリング４６等の付勢力F_X、F_Yは、制御軸２２の回転角度がより大作用角側に設定されるほど、第１の揺動アーム２０が図２における右回り方向により大きく回転するため、大きくなる。従って、付勢力F_X、F_Yの増大に伴い、大作用角側の設定ほど制御軸２２に入力されるトルクTが増大すると、小作用角側から大作用角側に向けて制御軸２２を回転させる際に、アクチュエータの駆動力が大きく必要となる。そこで、本実施形態の可変動弁機構１０では、上述したように、小作用角設定時において、カムローラ４０の軸中心位置が、制御軸２２の軸中心とカム軸３６の軸中心とを結ぶ仮想直線上となるように構成している。以下、図３および図４を参照して、本実施形態の構成による効果を説明する。

図３は、所定の可変範囲で制御軸２２の回転角度に変更したときに可変動弁機構１０の各要素に作用する力の変化を説明するための図である。より具体的には、図３（Ａ）は、小作用角設定を、図３（Ｂ）は、中作用角設定を、図３（Ｃ）は、大作用角設定を示している。図３に示すように、カムローラ荷重F₁およびスライドローラ荷重F₂は、制御軸２２の回転角度がより大作用角側に設定されるほど、すなわち、制御軸２２が図３における右回り方向に大きく回転するほど、バルブスプリング４６等の付勢力F_X、F_Yの増大に伴って大きくなっている。これに伴い、スライドローラ荷重の分力F₁’およびその制御軸トルク成分F₁’’は、大作用角側に設定されるほど大きくなっている。

一方、カムローラ荷重の分力F₂’およびその制御軸トルク成分F₂’’については、大作用角側に設定されるほど、カムローラ荷重F₁ベクトルの向きが下方を示すようになる。すなわち、カムローラ荷重F₁ベクトル方向とカムローラ荷重の分力F₂’ベクトル方向とがなす角度θ₁が、大作用角側に設定されるほど大きくなる。その結果、上述した本実施形態のカムローラ４０位置の設定によれば、カムローラ荷重の分力F₂’およびその制御軸トルク成分F₂’’は、大作用角側に設定されるほど大きくなるのではなく、図３（Ａ）に示す小作用角設定から図３（Ｂ）に示す中作用角設定の間では増大するが、中作用角設定から図３（Ｃ）に示す大作用角設定の間では減少に転ずる。

図４は、本実施の形態１の可変動弁機構１０により実現される制御軸トルクTと作用角との関係を示すグラフである。尚、図４に示す制御軸トルクTは、制御軸２２を小作用角側から大作用角側に回転させた際に、制御軸トルクTがその回転力に抗して作用する方向を正としている。図４に示すように、本実施形態のカムローラ４０位置の設定によれば、スライドローラ荷重成分F₂’’は、大作用角に設定されるほど大きくなるが、カムローラ荷重成分F₁’’は、中作用角設定時をピークに大作用角設定側では減少に転じている。従って、制御軸２２に入力されるトルクTは、小作用角設定から中作用角設定に掛けては増大するが、中作用角設定を過ぎると、カムローラ荷重成分F₁’’の減少分がスライドローラ荷重成分F₂’’の増大分を上回るため、大作用角設定になるにつれて減少する。

つまり、本実施形態の設定によれば、大作用角設定になるほど制御軸トルクTが増大するのではなく、中作用角設定から大作用角設定に渡って平滑化された制御軸トルクTの特性を得ることができる。このため、本実施形態の可変動弁機構１０によれば、コンパクトに構成されていることにより内燃機関への搭載性を悪化させることなく、アクチュエータの駆動力を効果的に低減することができる。アクチュエータの体格は、制御軸トルクTのピーク値に基づいて決定されるものである。本実施形態の可変動弁機構１０によれば、制御軸トルクTのピーク値を低減できるため、アクチュエータの小型化が可能となり、また、アクチュエータの消費エネルギの低減、制御軸２２の回転駆動する際の応答性向上を実現することができる。

また、本実施形態の可変動弁機構１０によれば、小作用角設定から中作用角設定の間では、制御軸トルクTが平滑化された中作用角設定から大作用角設定に対して、制御軸トルクTが小さくなる。既述した通り、アクチュエータの体格（必要最大トルク）は、制御軸トルクTのピーク値を基準に定められるものである。つまり、本実施形態の設定によれば、平滑化された中作用角設定から大作用角設定時のピークトルクに基づいて、アクチュエータの仕様が決定される。従って、小作用角設定から中作用角設定の間では、そのような仕様とされたアクチュエータが発生させる十分なトルクで制御軸２２を駆動することができる。内燃機関において、小作用角設定から中作用角設定の間で弁体１２の作用角およびリフト量が制御される状況として、車両の発進時や加速時などの制御軸２２の回転位置制御の高応答性が要求される状況がある。本実施形態の設定によれば、そのような要求を満足できる可変動弁機構１０を実現することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、小作用角設定時において、カムローラ４０の軸中心位置が、制御軸２２の軸中心とカム軸３６の軸中心とを結ぶ仮想直線上となるように構成されている例を示したが、制御軸トルクTを平滑化させるためのカムローラ４０の配置は、これに限定されるものではない。すなわち、カムローラ４０の軸中心位置は、小作用角設定時において、上記仮想直線よりスライドローラ側となるように構成されていてもよい。

本発明の実施の形態１の可変動弁機構の構成を説明するための図である。 制御軸に入力されるトルク（T＝F×L）の算出方法を説明するための図である。 所定の可変範囲で制御軸の回転角度に変更したときに可変動弁機構の各要素に作用する力の変化を説明するための図である。 図１に示す可変動弁機構により実現される制御軸トルクTと作用角との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 可変動弁機構
１２ 弁体
１６ ロッカーアーム
２０ 第１の揺動アーム
２２ 制御軸
２４ 揺動カム面
２４a 非作用面
２４b 作用面
２８ ローラ当接面
３０ 制御アーム
３２ 揺動支点
３４ 第２の揺動アーム
３６ カム軸
３８ カム
４０ カムローラ
４２ スライドローラ

Claims (1)

1. カム軸の回転に対する弁体の作用角およびリフト量を機械的に変化させる可変動弁機構であって、
   前記弁体が配置されるシリンダーの軸線方向に対して前記カム軸の側方に配置された制御軸と、
   前記制御軸の回転位置を制御するアクチュエータと、
   前記制御軸の径方向に突出して設けられ、前記制御軸の回転に応じて周方向の位置が調整される制御アームと、
   カムの押圧力を前記弁体に伝達する揺動カム面と、前記カム軸に対向しかつ前記制御軸の軸方向から見て前記揺動カム面と交差するように配置されたローラ当接面とを有し、前記制御軸に揺動可能に取り付けられた第１の揺動アームと、
   カムに当接するカムローラと前記ローラ当接面に当接するスライドローラとを有し、前記制御アームに揺動可能に取り付けられ、前記制御アームの周方向の位置に応じてその揺動範囲が変化する第２の揺動アームとを備え、
   小作用角設定時における前記カムローラの軸中心位置が、前記カム軸中心と前記制御軸中心とを結ぶ仮想直線上となるように、もしくは、前記仮想直線より前記スライドローラ側となるように構成されていることを特徴とする可変動弁機構。
   

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