JP2007032513A - 可変動弁機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 テーパカムに係合するローラの摩耗を防止し、バルブ特性を長期間高精度に制御する。
【解決手段】 カムシャフト４にテーパカム１４を設け、バルブ６を駆動するロッカアーム３とカムシャフト４との間に揺動カム５を配置する。揺動カム５に、テーパカム１４と係合する円筒面を備えたローラ１８と、ロッカアーム３の回転体１０に係合するカム面２０とを設ける。ローラ１８をテーパカム１４のテーパ面１４ｃと平行なローラ軸１９で揺動カム５の支持部１７に支持する。アクチュエータ２５でテーパカム１４とローラ１８とをカムシャフト４の軸線方向へ相対移動し、揺動カム５の初期位相を内燃機関の運転状態に応じて変更する。
【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、バルブを駆動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、揺動カムの初期移送を内燃機関の運転状態に応じて変更す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８に示すように、バルブ５１を駆動するロッカアーム５２とカムシャフト５３との間に揺動カム５４を備えている。カムシャフト５３にはテーパカム５５が固定され、揺動カム５４にテーパカム５５と係合するテーパローラ５６が支持されている。そして、アクチュエータ（図示略）でカムシャフト５３を軸線方向へ駆動し、テーパカム５５とテーパローラ５６との相対位置を変え、揺動カム５４の初期位相を内燃機関の運転状態に応じて変更して、バルブ５１のリフト量、作用角および開閉タイミングを制御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５０は、リンク式の機構と比較し、より少数の部品でバルブ特性を制御できる利点がある。しかし、従来の可変動弁機構５０は、テーパローラ５６をカムシャフト５３と平行なローラ軸５７で支持しているため、テーパカム５５がテーパローラ５６に作用させる力のうち、テーパ面５６ａを直角に押す力Ｆがローラ５６の大径側端面を揺動カム５４の片方の支持腕５８に押し付ける。このため、ローラ５６と支持腕５８の相対面に大きな摩擦力が発生し、この部分の摩耗でローラ５６がガタ付き、バルブ特性の制御精度が低下する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、揺動カムの部品摩耗を防止して、バルブ特性を高精度に制御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、テーパカムに係合するローラを揺動カムに支持し、アクチュエータでテーパカムとローラとをカムシャフトの軸線方向へ相対移動し、揺動カムの初期位相を内燃機関の運転状態に応じて変更する可変動弁機構において、ローラをテーパカムのテーパ面と平行なローラ軸で揺動カムに支持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、次の手段を採用できる。
（１）揺動カムにカムシャフト側へ突出する支持部を形成し、支持部にローラ軸をテーパカムのテーパ面と平行に支持すること。
（２）揺動カムをカムシャフトと平行なシャフトで支持し、シャフトに対し傾く傾斜壁を前記支持部に設け、傾斜壁にローラ軸をテーパカムのテー面と平行に支持すること。

（３）ローラの外周にローラ軸の軸線周りに広がる円筒面を形成すること。
（４）円筒面をローラの半径方向外側へ膨らむ弓形に形成すること。
（５）ローラの軸線方向長さをテーパカムの有効軸線方向長さより短くすること。

本発明の可変動弁機構によれば、ローラをテーパカムのテーパ面と平行なローラ軸に支持したので、テーパカムによるローラの押圧力をローラ軸で受け止めることができる。このため、揺動カムとローラの相対面に発生する摩擦力を軽減し、揺動カムの部品摩耗を抑制できる。従って、揺動カムの初期位相を常に正確に変更し、バルブ特性を長期間にわたり高精度に制御することができる。

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上にテーパカム１４を備え、テーパカム１４とバルブ６を駆動するロッカアーム３との間に揺動カム５が配置されている。揺動カム５には、テーパカム１４と係合する円筒面を備えたローラ１８と、ロッカアーム３の係合部（回転体）１０に係合するカム面２０とが設けられている。

ローラ１８はローラ軸１９に支持され、ローラ軸１９がテーパカム１４のテーパ面１４ｃと平行な状態で揺動カム５の支持部１７に支持されている。カムシャフト４はアクチュエータ２５で駆動され、テーパカム１４がローラ１８に対してカムシャフト４の軸線方向へ移動され、揺動カム５の初期位相が内燃機関の運転状態に応じて変更される。

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。このガソリンエンジンには、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３は吸気バルブ側の可変動弁機構１を示すが、同じ機構を排気バルブ（図示略）側に適用することも可能である。

可変動弁機構１は、シリンダヘッド２の上方に、二つのロッカアーム３と、一本のカムシャフト４と、二つの揺動カム５とを備えている。ロッカアーム３は、シリンダヘッド２に支持されたバルブ（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の中間部に回転体１０が軸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、支持部１７がカムシャフト４側へ突設され、支持部１７にテーパカム１４と係合するローラ１８がローラ軸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の回転体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。支持部１７と反対側のボディ５ａには角部２１が突設され、角部２１に当接するプッシャー２２にローラ１８をテーパカム１４側へ付勢するスプリング２３が嵌挿されている。

図３に示すように、支持部１７はシャフト１６の軸線に対して傾く一対の傾斜壁１７ａと凹所１７ｂとを備え、傾斜壁１７ａにローラ軸１９がテーパカム１４のテーパ面１４ｃと平行に支持されている。ローラ１８は凹所１７ｂに収められた状態でローラ軸１９にブシュ２４を介して回転可能に支持されている。ローラ１８の外周には、ローラ軸１９の軸線周りに広がる円筒面１８ａが半径方向外側へ僅かに膨らむ弓形に形成されている。そして、テーパカム１４のカム形状に従って揺動カム５が揺動し、揺動カム５の揺動に伴ってロッカアーム３がバルブ６を駆動するようになっている。

なお、ローラ１８は、軸線方向長さＬａがテーパカム１４の有効軸線方向長さＬｂより短く形成されている。ローラ軸１９は、テーパカム１４の全回転位相において三角形の領域Ａ（図２参照）で変位する。この領域Ａは、テーパカム１４の回転中心（カムシャフト４の軸心）と、揺動カム５の揺動中心（シャフト１６の軸心）と、回転体１０の回転中心（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は、常時、この領域Ａの内側でテーパカム１４に係合する。

一方、カムシャフト４の一端は油圧又は電動のアクチュエータ２５に連結され、アクチュエータ２５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２５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４（ａ），（ｂ）は、テーパカム１４の最小プロフィール１４ｄをローラ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、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、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６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６の曲線（ホ）は排気バルブのリフト量と作用角を示す。

図５（ａ），（ｂ）は、テーパカム１４の最大プロフィール１４ｅをローラ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、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、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が回転体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、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６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、この実施例の可変動弁機構１によれば、揺動カム５の初期位相を変化させることにより、図６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。また、ローラ１８がテーパカム１４の回転中心と揺動カム５の揺動中心と回転体１０の回転中心とによって画定された三角形の内側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。

特に、揺動カム５においては、ローラ軸１９がテーパカム１４のテーパ面１４ｃと平行に設けられているので、テーパカム１４がローラ１８に作用させる力のうち、円筒面１８ａに対し直角の押圧力Ｆがローラ軸１９によって受け止められる。このため、ローラ１８と支持部１７の相対面に発生する摩擦力が小さくなり、この部分の摩耗が抑制され、ローラ１８のガタ付きが防止される。従って、長期間にわたり、揺動カム５の初期位相を常に正確に変化させ、バルブ６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７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と、一つの揺動カム５とを設ける。揺動カム５のボディ５ａに二つのカム面２０と一つの支持部１７とを形成し、支持部１７の一対の傾斜壁１７ａに一つのローラ１８をテーパカム１４のカム面１４ｃと平行なローラ軸１９で支持する。こうすれば、一つのテーパカム１４で二本のバルブ６を開閉可能な二弁一体式の可変動弁機構３１を構成できる。

（２）ロッカアームをＴ字形に形成し、その両端に二つのバルブ駆動部を設け、一本のロッカアームで二本のバルブを駆動すること。この場合も、一つのテーパカムと一つのローラとを備えた二弁一体式の可変動弁機構３１を構成できる。
（３）図１、図７の可変動弁機構１，３１において、回転体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と係合する部位でロッカアーム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。 該可変動弁機構を図１の左方から見た断面図である。 該可変動弁機構のローラ支持構造を示す縦断面図である。 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二弁一体式可変動弁機構の縦断面図である。 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
１４ テーパカム
１４ｃ テーパ面
１７ 支持部
１８ ローラ
１８ａ 円筒面
１９ ローラ軸
２０ カム面
２５ 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、テーパカムに係合するローラを揺動カムに支持し、アクチュエータでテーパカムとローラとをカムシャフトの軸線方向へ相対移動し、揺動カムの初期位相を内燃機関の運転状態に応じて変更する可変動弁機構において、前記ローラをテーパカムのテーパ面と平行なローラ軸で揺動カムに支持したことを特徴とする可変動弁機構。

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