JP2007032512A - 可変動弁機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 カムシャフトと揺動カムとロッカアームをコンパクトな形態に配置し、機構高さを低く抑え、テーパカムの変位量をロッカアームに効率よく伝え、テーパ部品のテーパ角を小さくする。
【解決手段】 カムシャフト４にテーパカム１４を設け、テーパローラ１８を揺動カム５に支持し、ロッカアーム３にローラ１０を設け、アクチュエータ２４でテーパカム１４とテーパローラ１８とをカムシャフト４の軸線方向へ相対移動する。ロッカアーム３をシリンダヘッド２側の低所に配置し、揺動カム５をロッカアーム３より上方の高所に配置し、カムシャフト４を揺動カム５より横方向の位置に配置する。テーパローラ１８はテーパカム１４の回転中心と揺動カム５の揺動中心とローラ１０の回転中心とを結ぶ三角形の内側でテーパカム１４に係合する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の運転状態に応じてバルブ特性を変更する可変動弁機構に関する。

従来、リンクを用いた可変動弁機構が知られている。例えば、特許文献１には、内燃機関のクランク軸によって駆動されるカムシャフト上に回転カムを固定するとともに、バルブを開閉する揺動カムを支持し、回転カムをリング状リンクを介してロッカアームの一端に連結し、ロッカアームを制御カム上に揺動可能に支持し、ロッカアームの他端をロッド状リンクを介して揺動カムに連結し、制御カムをアクチュエータで回動して、揺動カムの揺動角度を内燃機関の運転状態に応じて変化させる可変動弁機構が記載されている。

また、従来、テーパカムを用いた可変動弁機構も知られている。例えば、特許文献２の可変動弁機構５０は、図７に示すように、バルブ５１を駆動するロッカアーム５２の上方に揺動カム５３を配置し、揺動カム５３より上方にカムシャフト５４を配置し、カムシャフト５４上にテーパカム５５を備えている。揺動カム５３には、テーパカム５５と係合するテーパローラ５６と、ロッカアーム５２の係合部５７に係合するカム面５８とが設けられている。そして、カムシャフト５４をアクチュエータで軸線方向へ駆動し、テーパカム５５とテーパローラ５６との相対位置を変化させ、揺動カム５３の初期位相を内燃機関の運転状態に応じて変更するようになっている。
特開平１１−３２４６２５号公報 特許第３３１３４４５号公報

テーパカム式の可変動弁機構は、リンク式の機構と比較し、より少数の部品でバルブ５１のリフト量、作用角および開閉タイミングを高精度に制御できる利点がある。しかし、従来の可変動弁機構５０は、ロッカアーム５２と揺動カム５３とカムシャフト５４とを上下方向（バルブ５１の軸線方向）に並べて配置しているので、シリンダヘッド５９からテーパカム５５までの機構高さが高くなる問題点があった。

また、テーパカム５５の回転に伴い、テーパローラ５６がテーパカム５５の回転中心５５ａと係合部５７の接点５７ａとを結ぶカム作用線Ｌの側方へ逃げるため、テーパカム５５からロッカアーム５２へのカム変位量の伝達効率が低下する。このため、所要のバルブ特性を確保するためには、カム５５およびローラ５６のテーパ角αを大きくする必要があった。しかし、テーパ角を大きくすると、部品が大型化するばかりでなく、テーパ面に作用するスラスト荷重と摩擦力が増え、部品摩耗が発生しやすくなるうえ、内燃機関の燃費に悪影響を及ぼすという問題点があった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、機構高さを抑えることができるとともに、テーパ部品のテーパ角を小さくすることができる可変動弁機構を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、カムシャフトにテーパカムを設け、バルブを駆動するロッカアームとカムシャフトとの間に揺動カムを配置し、揺動カムにテーパカムと係合するテーパローラを支持し、ロッカアームに揺動カムと係合する係合部を設け、テーパカムとテーパローラとをカムシャフトの軸線方向に相対移動するアクチュエータを備えた可変動弁機構において、テーパローラがテーパカムの回転中心と揺動カムの揺動中心と係合部の中心とを結ぶ三角形の内側でテーパカムに係合するように、カムシャフトと揺動カムとロッカアームとを配置したことを特徴とする。

上記可変動弁機構において、好ましくは、次の手段を採用することができる。
（１）ロッカアームをシリンダヘッドに最も近い低所に配置し、揺動カムをシリンダヘッドからロッカアームよりも離れた高所に配置し、カムシャフトを揺動カムから横方向へ離れた位置に配置すること。

（２）揺動カムがテーパローラを前記三角形の内側に支持する支持部を備えること。
（３）テーパカムが全回転位相においてテーパローラの回転中心を前記三角形の内側で変位させるカムプロフィールを備えること。

（４）テーパローラの回転中心を通る直線のうち、揺動カムの揺動中心を通る直線とカムシャフトの回転中心を通る直線のなす角度が１３０〜１７０°であること、さらには１３５〜１６５°であること。該角度が１３０°未満になると、バルブリフト量が減少し、該角度が１７０°を超えると、テーパカムとテーパローラに作用するスラスト荷重が増大する。

本発明の可変動弁機構によれば、テーパローラをテーパカムの回転中心と揺動カムの揺動中心と係合部の中心とを結ぶ三角形の内側に収めたので、カムシャフトと揺動カムとロッカアームとをコンパクトな形態に配置して、機構高さを低く抑えることができる。また、テーパローラが該三角形の内側でテーパカムに係合するので、テーパカムの変位量が揺動カムを介してロッカアームに効率よく伝えられる。従って、テーパカムとテーパローラにテーパ角の小さな小型の部品を用い、テーパ面に作用するスラスト荷重と摩擦力を軽減して、部品摩耗を抑制でき、内燃機関の燃費向上にも役立つという効果がある。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、この可変動弁機構１は、カムシャフト４にテーパカム１４を設け、テーパカム１４に係合するテーパローラ１８を揺動カム５に支持し、バルブ６を駆動するロッカアーム３に揺動カム５のカム面２０に係合するローラ１０を設け、テーパカム１４とテーパローラ１８とをカムシャフト４の軸線方向へ相対移動するアクチュエータ２４を備えて構成されている。

図２に示すように、ロッカアーム３はシリンダヘッド２に最も近い低所に配置され、揺動カム５がシリンダヘッド２からロッカアーム３よりも離れた高所に配置され、カムシャフト４は揺動カム５から横方向へ離れた位置に配置されている。そして、テーパローラ１８が、テーパカム１４の全回転位相において、該カム１４の回転中心４ａと揺動カム５の揺動中心１６ａとローラ１０の回転中心１１ａとを結ぶ三角形Ａの内側でテーパカム１４に係合するようになっている。

次に、可変動弁機構１の構成と作用を実施例に基づいて詳細に説明する。この実施例では、内燃機関として自動車用ガソリンエンジンを例示する。このエンジンには、一つのシリンダにつき二本の吸気バルブと二本の排気バルブとが設けられている。図１，図２は吸気バルブ側の可変動弁機構を示すが、同じ機構を排気バルブに適用することもできる。

可変動弁機構１は、シリンダヘッド２の上方にロッカアーム３とカムシャフト４と揺動カム５とを備えている。一対のロッカアーム３は、シリンダヘッド２に支持された２本のバルブ（吸気バルブ）６の上方に配置されている。カムシャフト４と揺動カム５は、共にロッカアーム３の上方においてシリンダヘッド２からの高さがほぼ同等となる位置に配置され、カムシャフト４が揺動カム５の横方向に位置している。

ロッカアーム３の基端には凹部７が形成され、凹部７に嵌入するピボット８によりロッカアーム３が上下方向（バルブ６の軸線方向）へ揺動可能に支持されている。ロッカアーム３の先端にはバルブ６を駆動する駆動部９が設けられ、ロッカアーム３の中間部にローラ１０がローラ軸１１によって支持されている。なお、ピボット８はシリンダヘッド２に固定されたホルダ１２に高さ調整可能に螺合されている。

カムシャフト４には一つのシリンダにつき二つのテーパカム１４が固定的に設けられ、エンジンのクランク軸によりカムシャフト４と一体に回転される。テーパカム１４には、所定の角度範囲でバルブ６のリフト量をゼロに保つベース部１４ａと、残りの角度範囲でバルブリフト量を増大させるノーズ部１４ｂとが設けられている。テーパカム１４の全周にはテーパ面１４ｃが形成され、テーパ面１４ｃに揺動カム５の初期位相を最小化する最小プロフィール１４ｄと、揺動カム５の初期位相を最大化する最大プロフィール１４ｅとが設定されている。

揺動カム５は、ロッカアーム３とカムシャフト４との間において、カムシャフト４と平行なシャフト１６に支持されている。揺動カム５のボディ５ａには、一対の支持部１７がカムシャフト４側へ突設され、支持部１７にテーパローラ１８が軸１９により支持されている。支持部１７の下面には、ロッカアーム３のローラ１０に係合するカム面２０が形成され、その一端にロッカアーム３を駆動しない等半径部２０ａが設けられている。

テーパローラ１８の外周には、テーパカム１４のテーパ面１４ｃに係合するテーパ面１８ａが形成されている。ボディ５ａには角部２１がテーパローラ１８の反対側へ突設され、角部２１にプッシャー２２を介して係合するスプリング２３のバネ力により、テーパローラ１８がテーパカム１４に係合する方向へ付勢されている。そして、テーパカム１４のカムプロフィールに従い、揺動カム５がローラ１０を介してロッカアーム３を駆動するようになっている。

テーパローラ１８の回転中心１９ａ（軸１９の軸心）は、テーパカム１４の全回転位相において図２に示す領域Ａで変位する。この領域Ａは、テーパカム１４の回転中心４ａ（カムシャフト４の軸心）と、揺動カム５の揺動中心１６ａ（シャフト１６の軸心）と、ローラ１０の回転中心１１ａ（ローラ軸１１の軸心）とを結ぶ三角形によって画定されている。そして、テーパローラ１８が常時この三角形の内側でテーパカム１４に係合するように、ロッカアーム３がシリンダヘッド２側の低所に、揺動カム５がロッカアーム３より上方の高所に、カムシャフト４が揺動カム５の横方向にそれぞれ配置されている。

なお、図２において、テーパカム１４の回転中心４ａとローラ１０の回転中心１１ａを結ぶ直線Ｌは可変動弁機構１のカム作用線である。テーパカム１４のベース部１４ａがテーパローラ１８に係合する位相において、テーパローラ１８の回転中心１９ａを通る直線のうち、テーパカム１４の回転中心４ａを通る直線と揺動カム５の揺動中心１６ａを通る直線Ｌ２とがなす角度βは１５０°である。テーパカム１４およびテーパローラ１８のテーパ角αは、例えば１０〜３０°が好ましく、１５〜２０°がより好ましい。

一方、カムシャフト４の一端は油圧又は電動アクチュエータ２４に連結され、アクチュエータ２４によってカムシャフト４が軸線方向へ往復駆動される。そして、この可変動弁機構１は、制御装置（図示略）によりアクチュエータ２４の駆動量をエンジンの運転状態に応じて制御し、テーパカム１４とテーパローラ１８との相対位置をカムシャフト４の軸線方向に変化させ、揺動カム５の初期位相を変えて、バルブ６のリフト量、作用角および開閉タイミングを変更するように構成されている。

次に、上記のように構成された可変動弁機構１の作用について説明する。図３（ａ），（ｂ）は、テーパカム１４の最小プロフィール１４ｄをテーパローラ１８に位置決めした状態を示す。この状態では、（ａ）に示すように、揺動カム５の初期位相が最小化され、テーパローラ１８がベース部１４ａに係合する期間中、揺動カム５とロッカアーム３が静止し、バルブ６が閉鎖位置に保持される。（ｂ）に示すように、テーパローラ１８がノーズ部１４ｂの頂点に係合すると、揺動カム５とロッカアーム３が共に最小の角度で揺動し、図５の曲線（イ）に示すように、バルブリフト量と作用角が共に最小化され、吸気バルブ６の開放タイミングが遅く閉鎖タイミングが早く制御される。なお、図５の曲線（ホ）は排気バルブのリフト量と作用角を示す。

図４（ａ），（ｂ）は、テーパカム１４の最大プロフィール１４ｅをテーパローラ１８に位置決めした状態を示す。この状態では、（ａ）に示すように、テーパローラ１８がロッカアーム３側へ変位し、揺動カム５の初期位相が最大化される。しかし、テーパローラ１８がベース部１４ａに係合する期間中は、揺動カム５の等半径部２０ａがローラ１０に係合するため、ロッカアーム３が静止し、バルブ６が閉鎖位置に保持される。（ｂ）に示すように、テーパローラ１８がノーズ部１４ｂの頂点に係合すると、揺動カム５とロッカアーム３が最大の角度で揺動し、図５の曲線（ロ）に示すように、バルブリフト量と作用角が共に最大化され、吸気バルブ６の開放タイミングが早く閉鎖タイミングが遅く制御される。

従って、揺動カム５の初期位相を変化させることにより、図５の曲線（ハ），（ニ）に示すように、バルブリフト量、作用角および開閉タイミングを任意の中間値に制御することができる。特に、この実施例の可変動弁機構１によれば、テーパローラ１８がロッカアーム３とカムシャフト４と揺動カム５とによって画定された三角形の領域Ａ内に収められているので、これらの四つの動弁系部品をコンパクトな形態にまとめてシリンダヘッド２上に搭載でき、可変動弁機構１の全高を低く抑えることができる。

また、テーパローラ１８は、テーパカム１４の全スラスト方向位置およびラジアル方向位置において、常に三角形の領域Ａ内でテーパカム１４に係合するので、揺動カム５がテーパカム１４の変位量をロッカアーム３に効率よく伝えることができる。このため、テーパカム１４とテーパローラ１８を共に小さなテーパ角αで設計して、これらのテーパ面１４ｃ，１８ａに作用するスラスト荷重および摩擦力を軽減することができる。従って、テーパカム１４、テーパローラ１８、揺動カム５の支持部１７等の部品摩耗を抑制できるとともに、自動車用ガソリンエンジンの燃費向上を促進することができる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、例えば以下のように、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。
（１）図６に示すように、カムシャフト４に一シリンダあたり一つのテーパカム１４を設け、揺動カム５に一つの支持部１７と二つのカム片３２とを設ける。そして、支持部１７にテーパカム１４に係合するテーパローラ１８を支持し、カム片３２にロッカアーム３のローラ１０に係合するカム面３３を形成する。この可変動弁機構３１によれば、それぞれ一つのテーパカム１４とテーパローラ１８によって二本のバルブ６を駆動することができる。

（２）図６の可変動弁機構３１において、ロッカアームをＴ字形に形成し、ロッカアームに二つのバルブ駆動部を設け、一つのロッカアームで二本のバルブを駆動すること。
（３）図１、図６の可変動弁機構１，３１において、ローラ１０にかえて超硬チップを使用し、超硬チップを揺動カム５のカム面２０，３３に係合する部位のロッカアーム３に固定的に設けること。

本発明の一実施例を示す可変動弁機構の斜視図である。 該可変動弁機構の部品配置を示す断面図である。 該可変動弁機構においてバルブリフト量を最小化するときの作用を示す断面図である。 該可変動弁機構においてバルブリフト量を最大化するときの作用を示す断面図である。 バルブリフト量と作用角の関係を示す特性図である。 本発明の変更例を示す可変動弁機構の斜視図である。 従来の可変動弁機構を示す断面図である。

符号の説明

１ 可変動弁機構
２ シリンダヘッド
３ ロッカアーム
４ カムシャフト
５ 揺動カム
６ バルブ
１０ ローラ
１４ テーパカム
１８ テーパローラ
２０ カム面
２４ アクチュエータ
３１ 可変動弁機構

Claims (1)

1. カムシャフトにテーパカムを設け、バルブを駆動するロッカアームとカムシャフトとの間に揺動カムを配置し、揺動カムにテーパカムと係合するテーパローラを支持し、ロッカアームに揺動カムと係合する係合部を設け、テーパカムとテーパローラとをカムシャフトの軸線方向に相対移動するアクチュエータを備えた可変動弁機構において、
   前記テーパローラがテーパカムの回転中心と揺動カムの揺動中心と係合部の中心とを結ぶ三角形の内側でテーパカムに係合するように、前記カムシャフトと揺動カムとロッカアームとを配置したことを特徴とする可変動弁機構。

Images