JP2007146844A

JP2007146844A - 内燃機関用タペット

Info

Publication number: JP2007146844A
Application number: JP2006318439A
Authority: JP
Inventors: Majo Cecur; セカーマジョ; Kynan L Church; ロンチャーチキーナン
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 2005-11-25
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2007-06-14
Also published as: US7484488B2; EP1790835B1; US20070151534A1; DE602005016577D1; EP1790835A1

Abstract

【課題】、エンジンの吸気ポペットバルブに使用する改良したタペットを提供すること。
【解決手段】タペットアセンブリ（２７）は、カムローブプロファイル（２１）に係合する第１従動部（２９）と、エンジンポペットバルブ（１１）に係合する第２従動部（３３）を含む。ラッチ部材（５７）は、ハイリフト状態を提供するために、第１従動部を伸長位置（図３）に作動できる。第１従動部は第１停止面（７３）を、また、第２従動部は第２停止面（７７）をそれぞれ有しており、ラッチ部材が後退したときに、リフト部（２５）は第１従動部に係合して、停止面が係合するまで第１従動部をタペットバルブに向けて移動させる。その後、さらに、第１従動部（２９）を下方に移動させて、ローリフト状態（図４）を提供するように第２従動部（３３）を移動させる。本発明によれば、ポート燃料噴射形式のガソリンエンジン内の未燃焼燃料の集積を防止することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンカムシャフトのカムローブプロファイルの運動をエンジンのポペットバルブに直接的に伝達する内燃機関用タペットに関するものである。特に、本発明は、「直接作動」形式のエンジンバルブトレインに関するものである。

本発明の改良したタペットは、種々の形式のエンジンで使用されるだろうが、エンジンで使用する燃料の形式から見ると、本発明は、一対の吸気ポペットバルブの内、一方の吸気ポペットバルブを不作動にする吸気バルブを使用する形式の吸気ポート燃料噴射形式（ＰＦＩ形式）のガソリンエンジンで使用される場合に特に有利である。さらに、本発明は、当業者にはよく理解されている用語である「スワール」制御に利用される上述した形式のエンジンバルブコントロールシステムにおいて有利である。

直接作動式バルブトレインのエンジンポペットバルブにリフトを伝える観点から見ると、二つの一般的な形式のタペットが存在する。第１形式のタペットは、一般的な機械式すなわち油圧式タペット（「バケットタペット」）であり、単一のカムローブプロファイルから入力を受けて、その結果、エンジンのポペットバルブに単一の「バルブ動作」を伝達する。第２形式のタペットは、特許文献１に開示された一般的な形式の「デュアルリフト（２重リフト）」タペットである。特許文献１に開示された形式のデュアルリフトタペットでは、タペットは、中央部と、ローリフトカムと係合してローリフトバルブ動作を提供する、中央部を備えた外側部と、一対のハイリフトカムローブプロファイルと係合してハイリフトバルブ動作を提供する、タペットの外側部分と、を含んでいる。このように、公知の先行技術であるタペットを直接作動させるデュアルリフトは、３個の独立したカムローブプロファイル（１個のローリフトと２個のハイリフト）を有しているため、製造コストが高くなるだけでなく、一つにまとめることが困難となってしまう。
米国特許第５，１９３，４９６号明細書

本発明の改良したタペット及び改良したバルブコントロールシステムは、「チャージモーション」（すなわち、吸気ポペットバルブを通過した後の混合気のフローパターン）として参照される改善努力と関連させて開発された。特に、吸気ポート燃料噴射形式のガソリンエンジンの中間速度でチャージモーションを向上させた。デュアルリフトタペットは特別な適用においては必要だが、前述した理由により、各吸気ポペットバルブにデュアルリフトバルブ動作を達成するためだけに、各吸気バルブ用に、３個、或は、２個の独立したカムローブプロファイルを必要とすることは明らかに受け入れがたいことであると信じられてきた。

また、吸気ポート燃料噴射形式を利用した特別な形式のエンジンに適用するために、デュアルリフトタペットは、通常のリフトバルブ動作（「ハイリフト」）、或は、バルブ不作動の動作のどちらも受け入れがたいことが、本発明の開発過程で決定された。エンジンの低速作動中に、２つの吸気ポペットバルブの内の一方を不作動にすると、燃料は吸気ポート内に直接噴射されるため、期間の終了後、多量の燃料が不作動バルブの背後に集積されてしまうことが観察された。次に、吸気ポペットバルブの一方を、再び通常のリフトモードで作動させると、集積された多量の燃料が燃焼室の中に引き込まれ、その結果、制御不能な燃焼状態となってしまう。このような制御不能な燃焼状態により、エンジンの作動上で様々な問題、すなわち、余分の不要な廃棄物やＮＶＨ（ｎｏｉｓｅ−ｖｉｂｒａｔｉｏｎ−ｈａｒｓｈｎｅｓｓ：騒音、振動、耳障り音）の状態を引き起こしてしまう。

本発明の目的は、上述した従来技術の問題を解決できるような、エンジンの吸気ポペットバルブに使用する改良したタペット及び改良したバルブコントロールシステムを提供することである。

また、本発明の目的は、通常のリフトモード及び他のモードにおいて、少なくとも吸気ポート燃料噴射システムの作動による燃料集積を阻止するように作動させることができるような、改良したタペット及び改良したバルブコントロールシステムを提供することである。

さらに、本発明は、上述した目的を達成すると共に、複数のカムローブプロファイルを必要とすることなく、各吸気バルブが複数のリフト状態を達成することができるような、改良したタペット及び改良したバルブコントロールシステムを提供することを目的とする。

上述した本発明の目的は、エンジンタペットバルブと、ベースサークル部及びリフト部を含むカムローブプロファイルを有するカムシャフトと、を含む内燃機関用のタペットを提供することにより達成される。タペットは、カムローブプロファイルとエンジンポペットバルブとの間で作動可能に配設されている。タペットは、カムローブプロファイルに係合するのに適した反転カップ状の第１従動部と、第１従動部内に往復動自在に配設され、エンジンポペットバルブに係合するのに適した正立カップ状の第２従動部と、を有している。空動きスプリングは、第１従動部及び第２従動部と協働して、第１従動部を、第２従動部に対して伸長位置に向けて付勢し、かつ、カムローブプロファイルのベースサークル部に係合するように作動可能である。

改良したタペットは、第２従動部と協働して作動可能であって、後退した非係合位置と伸長した係合位置との間で移動自在で、第１従動部に係合して第１従動部を第２従動部に関して伸長位置に固定して、エンジンポペットバルブのハイリフトを提供するラッチ部材を含むラッチ機構を特徴とする。第１停止面を有する第１従動部と第２停止面を有する第２従動部とが整列するように配設され、ラッチ部材が後退した非係合位置にあるとき、カムローブプロファイルのリフト部が第１従動部に係合して、第１従動部をエンジンポペットバルブに向けて移動させる。この第１従動部の移動により、第１停止面が前記第２停止面に係合するまで空動きスプリングを圧縮させ、その後、さらに、第１従動部の移動により第２従動部を移動させて、エンジンポペットバルブのローリフトを提供する。

図を参照すると、これらの図は本発明を限定するつもりではないが、図１は本発明に関連する形式のバルブコントロールシステムの簡略化した斜視図であり、一般的に「直接作動」形式として参照されるものである。図１に示すバルブコントロールシステムでは、符号１１で示すエンジンポペットバルブは、頭部１３とバルブステム１５を有している。内燃機関の当業者には周知のように、シリンダヘッド（図示省略）内にはバルブシートインサート１７が収容されており、エンジンポペットバルブ１１が閉位置にあるときに、頭部１３はバルブシートインサート１７に着座される。図１には、エンジンポペットバルブ１１は、全開状態（以下、「ハイリフト」状態という）で示されている。

カムシャフト手段１９によってエンジンポペットバルブ１１に開閉運動が伝達されるが、カムシャフト手段にはカムローブ２１が形成されており、このカムローブは、ベースサークル部２３及びリフト部２５を有するカムローブプロファイル（以下、参照符号「２１」で表示する）を備えている。カムローブプロファイル２１とエンジンポペットバルブ１１との間には、符号２７で示すタペットアセンブリがある。

図２及び図３を参照すると、この実施の形態では、タペットアセンブリ２７は、外側従動部２９を有しており、また、例示するだけであるが、反転した（すなわち、通常の方向において開口部は「下方」である）カップ状の部材である。この外側従動部２９は、カムローブプロファイル２１と実質的に常に係合するように適用される従動部上面３１を備えた「上側」壁部３０を有している。

タペットアセンブリ２７は、また、外側従動部２９内に往復動自在に配設された内側従動部３３を有している。図３に最もよく示すように、内側従動部３３は、下面にバルブ先端面３５を形成する下側壁部３４を有している。好適には、内側従動部３３は、外側従動部２９と同様ではないが、ほぼカップ状に形成されており、図２に示すように、上方に開口している。以下に使用する「上側」及び「下側」という用語及び同意語は、本発明を限定するように解釈されるべきではなく、単なる説明上、図１に示すタペットアセンブリが通常作動位置であると仮定していることを理解すべきである。

外側従動部２９の円筒状壁は、その内壁面に環状溝３７が形成されており、タペットアセンブリ２７が完全に組み付けられると、図３にも示すように、Ｃクリップに形成されたストッパ３９が環状溝に配設される。外側従動部２９の上側壁部３０と内側従動部３３の下側壁部３４との軸方向の間にあるコイル状の圧縮スプリング４１は、図３の伸長位置に示すように、外側従動部２９を内側従動部３３から離れるように付勢する。図３に示す伸長位置は、従動部上面３１がカムローブ２１のベースサークル部２３に係合している状態に相当する。外側従動部２９が内側従動部３３に対して伸長している位置は、ストッパ３９を配置することにより決定される。

コイル状の圧縮スプリング４１の周囲にはオイル通路壁部材４３があり、このオイル通路壁部材は薄いスチール片或は他の金属片により形成されている。内側従動部３３には、内側環状溝４５（図２参照）が形成されており、この内側環状溝にオイル供給通路手段４７を介して圧力流体が受け入れられる。オイル通路壁部材４３を内側従動部３３内に配設すると内側環状溝４５は「閉鎖」され、環状圧力室を形成して、オイル供給通路４７を介して圧力流体が受け入れられて、タペットアセンブリ２７を以下に説明するラッチ状態に作動する。図２に示すように、圧力流体は、外側従動部２９の円筒状壁に形成された流体ポート手段４９により、内側従動部３３のオイル供給通路４７に進入する。

引き続き主として図２を参照すると、外側従動部２９の円筒状壁には、複数のラッチ窓５１が形成されており、各ラッチ窓は、上側湾曲ラッチ面５３（図３に最もよく示されている）を有している。内側従動部３３には、（ラッチ窓５１の数に対応する）複数の径方向のラッチ孔５５が形成されており、各ラッチ孔５５内には、ラッチ平面５９を有する円筒状ラッチ部材５７が配設されている。エンジン構成部材の当業者には周知のように、ラッチ部材５７は、通常（流体ポート４９内に圧力流体が存在しない状態）、図３に最もよく示されているリターンスプリング手段６１により後退した非係合位置に保持されている。

引き続き主として図２を参照すると、外側従動部２９の円筒状壁には、垂直方向のスロット６３が形成されており、また、内側従動部３３には孔６５が形成されている。好適には、この孔６５内には、案内ピン６７がプレスばめされており、このピン６７の外端が垂直方向のスロット６３内に収容されている。このようにして、当業者には周知のように、外側従動部２９は、内側従動部３３に対する回転位置が固定（回転しないように）されるが、案内ピン６７の外端がスロット６３内に垂直方向に移動することにより、軸方向の移動は許容される。

外側従動部２９の上側壁部３０には環状突状部７１が形成されており、この環状突状部は、好適には、外側従動部２９と一体に形成されている。環状突状部７１の下面には、環状停止面７３が形成されている。同様に、内側従動部３３には、上端に環状停止面７７を有する環状直立部７５が形成されている。好適には、環状突状部７１と環状直立部７５は、ほぼ同一の内径と外径を有しており、以下に説明するように、環状停止面７３及び７７は、作動状態では対面して係合するように配設されている。好適には、図３に最もよく示すように、圧縮スプリング４１は、その外径が、環状突状部７１及び環状直立部７５の内径よりもわずかに小さいものが選択される。その結果、外側従動部２９及び内側従動部３３が相対的に軸方向に移動する場合、圧縮スプリング４１は、環状突状部７１及び環状直立部７５内に収容されて保持される。

本発明のバルブコントロールシステムがベースサークルモードで作動される場合、当業者には周知のように、圧縮スプリング４１は、従動部上面３１をベースサークル部２３に係合させた状態を維持し、また、バルブ先端面３５をエンジンポペットバルブ１１のバルブステム１５に係合させた状態に維持する。

タペットアセンブリ２７を通常リフト（「ハイリフト」）モードで作動させる場合、圧力流体が流体ポート４９に供給され、そこからオイル供給通路４７を介して環状溝４５に供給される。環状溝４５は各径方向ラッチ孔５５に連通されているため、環状溝４５内に存在するコントロール圧力により、ラッチ部材５７は、リターンスプリング６１の付勢力に対抗して、後退した非係合位置から伸長した係合位置に径方向外側に付勢される。ラッチ部材５７がラッチ位置にあるときは、外側従動部２９のラッチ面５３にラッチ部材５７のラッチ面５９が係合して、外側従動部２９及び内側従動部３３は、図３に示すように、互いに軸方向が固定される。このラッチ状態では、図３に示すように、外側従動部２９は内側従動部３３に対して伸長位置に維持される。この伸長位置では、カムシャフト１９が回転すると、カムローブ２１のリフト部２５が従動部上面３１に係合して、タペットアセンブリ２７を一体に「下方」に移動させると共に、エンジンポペットバルブ１１は、バルブリターンスプリング（図示省略）の付勢力に対向して、常閉位置から全開「ハイリフト」位置（すなわち、図１に示すエンジンポペットバルブ１１の位置）に移動する。ラッチ状態でタペットアセンブリ２７を作動させると、図４に示す「ハイリフト」曲線となる。

本発明の特徴によれば、「不作動」と呼ばれる状態で本発明のバルブコントロールシステムを作動させたい場合には、通常、流体ポート４９に供給されているコントロール圧力を中断して（流体をシステムリザーバへドレインさせて、低圧状態とする）、環状溝４５内の流体圧力を減少させる。流体コントロール圧力が存在しないと、リターンスプリング６１はラッチ部材５７を後退した非係合位置に付勢するため、ラッチ面５９はラッチ面５３に係合することがなくなる。上述した非ラッチ非係合状態でタペットアセンブリ２７を作動させると、従動部上面３１にベースサークル部２３が係合することにより、タペットアセンブリ２７は、図３に示す完全伸長位置となる。カムシャフト１９が回転し続けると、リフト部２５が従動部上面３１に係合して、外側従動部２９は「下方」に移動し始める（すなわち、エンジンポペットバルブ１１に対向する方向）。

内燃機関の当業者には理解できるように、圧縮スプリング４１の付勢力は、エンジンポペットバルブ１１用のバルブリターンスプリング（図示省略）の付勢力よりも実質的に小さい。そのため、カムローブ２１のリフト部２５が外側従動部２９を下方に移動させると、圧縮スプリング４１は、エンジンポペットバルブ１１を下方へ移動させるように圧縮され始める。

カムシャフト１９がカムローブ２１のリフト部２５と一緒に回転し続けて、「ピーク」と呼ばれるリフトに近づくと、外側従動部２９は、圧縮スプリング４１を圧縮して、環状停止面７３が環状停止面７７に係合するまで、下方へ移動し続ける。この環状停止面７３と環状停止面７７の接触は、図４に示すカム角度のほぼ−１５°で起きる。カムシャフト１９が環状停止面７３と環状停止面７７が係合したまま回転し続けると（図４に示す−１５°を超えて）、従動部上面３１と係合するリフト部２５のピーク部分は、再び、タペットアセンブリ２７を、図４に示す「ローリフト」曲線で示されるローリフト状態（「ブリップ」モード）で一体で作動させる。用語「ブリップ」は、通常のハイリフト状態と比較した本発明のローリフト状態が、リフト量（ミリメートル）及びリフト期間（カムの回転角度）からみて、単にハイリフトの小さい部分のバルブリフトとなることを示す際に用いられる。例示するだけであるが、本発明により改良されたエンジンでは、ハイリフトは、約８．０ｍｍであり、ローリフト（ブリップ）は約０．５ｍｍであった。また、ハイリフト期間は、約１４０°のカム角度であり、ローリフトは約３０°のカム角度であった。

カムローブ２１のリフト部２５が、図４に示すほぼ＋１５°に近づくと、外側従動部２９を上方に付勢する圧縮スプリング４１は、停止面７３が停止面７７から離れるようにして、その後、カムシャフト１９の引き続く回転により、外側従動部２９は、図３に示す伸長位置に戻される。この状態では、ポペットバルブ１１は、バルブリターンスプリングの作用で、「ブリップ」の直前の状態である全閉位置（ローリフト曲線、リフト＝０）に戻される。背景技術で説明したように、この小さいリフト量（ブリップ）の目的は、燃料を吸気ポペットバルブ１１の背後に集積させるよりは、むしろ吸気から燃焼室へ通過するのを許容することである。

図５を参照すると、特に、「速度」曲線を参照すると、ローリフト（ブリップ）モードにおけるバルブの加速度が負であることに注意されたい。丁度−１５°のカム角度で、ブリップが始まり、速度（停止面７７と停止面７３との衝突速度）は低下して、加速度はほぼゼロとなり、次に、ポペットバルブがローリフトに移行するにつれて（負の方向に）増加する。次に、＋１５°のカム角度で、ブリップが終了して、速度（バルブとバルブシートとの衝突速度）は再び低下して、加速度は再びほぼゼロになる。これは本発明の重要な特徴であり、衝突速度（及び加速度）値が、図５に示す値よりも実質的に大きくなった場合には、本発明のタペットアセンブリ２７でも耐久性やＮＶＨ（ｎｏｉｓｅ−ｖｉｂｒａｔｉｏｎ−ｈａｒｓｈｎｅｓｓ：騒音、振動、耳障り音）の問題となるであろう。

本発明は、前述した明細書において詳細に説明されており、本発明の種々の変更や修正は、明細書を読んで理解することにより、当業者には明らかになると思う。それらの変更や修正は、添付した請求項の範囲内である限り、本発明に含まれるものである。

図１は、本発明のタペットを使用するバルブコントロールシステムの一部の斜視図である。図２は、本発明の改良したタペットの部分断面拡大斜視図である。図３は、本発明の改良したタペットを組み立てた部分断面斜視図である。図４は、リフトとカム角度（°）の関数のグラフであり、本発明の改良したタペット及び改良したバルブコントロールシステムの作動を示す。図５は、カムプロファイル速度とカム角度（°）の関数のグラフであり、本発明の改良したタペット及び改良したバルブコントロールシステムの作動を示す。

符号の説明

１１エンジンポペットバルブ
１３頭部
１５バルブステム
１７バルブシートインサート
１９カムシャフト
２１カムローブ
２３ベースサークル部
２５リフト部
２７タペットアセンブリ
２９外側従動部
３０上側壁部
３１従動部上面
３３内側従動部
３４下側壁部
３５バルブ先端面
３７環状溝
３９ストッパ
４１コイル状圧縮スプリング
４３オイル通路壁部材
４５内側環状溝
４７オイル供給通路
４９流体ポート
５１ラッチ窓
５３上側湾曲ラッチ面
５５ラジアルラッチ孔
５７円筒状ラッチ部材
５９ラッチ平面
６１リターンスプリング
６３垂直スロット
６５孔
６７ピン
７１環状突状部
７３環状停止面
７５環状直立部
７７環状停止面

Claims

エンジンポペットバルブ（１１）と、ベースサークル部（２３）及びリフト部（２５）を含むカムローブプロファイル（２１）を有するカムシャフト（１９）と、を含む内燃機関用タペット（２７）であって、該タペット（２７）は、前記カムローブプロファイル（２１）と前記エンジンポペットバルブ（１１）との間で作動可能に配設されており、前記タペット（２７）は、前記カムローブプロファイル（２１）に係合するのに適した反転カップ状の第１従動部（２９）と、前記第１従動部（２９）内に往復動自在に配設され、前記エンジンポペットバルブ（１１）に係合するのに適した正立カップ状の第２従動部（３３）と、を有し、空動きスプリング（４１）は、前記第１従動部（２９）及び前記第２従動部（３３）と協働して、前記第１従動部（２９）を、前記第２従動部（３３）に関して、かつ、前記カムローブプロファイル（２１）のベースサークル部（２３）に係合するように、伸長位置（図３）に向けて付勢するように作動可能である、内燃機関用タペット（２７）において、
（ａ）前記第２従動部（３３）と協働して作動可能であって、後退した非係合位置（図３）と伸長した係合位置（図１）との間で移動自在で、前記第１従動部（２９）に係合して前記第１従動部を前記第２従動部（３３）に関して前記伸長位置（図３）に固定して、前記エンジンポペットバルブ（１１）のハイリフト（図１）を提供するラッチ部材（５７）を含むラッチ機構と、
（ｂ）第１停止面（７３）を有する第１従動部（２９）と第２停止面（７７）を有する第２従動部（３３）が整列するように配設され、前記ラッチ部材（５７）が後退した非係合位置（図３）にあるとき、前記カムローブプロファイル（２１）のリフト部（２５）が前記第１従動部（２９）に係合して、該第１従動部を前記エンジンポペットバルブ（１１）に向けて移動させて、前記第１停止面（７３）が前記第２停止面（７７）に係合するまで前記空動きスプリング（４１）を圧縮させて、その後、さらに、前記第１従動部（２９）を移動させて、前記エンジンポペットバルブ（１１）のローリフト（図４）を提供するように前記第２従動部（３３）を移動させること、を特徴とするタペット。
前記エンジンポペットバルブ（１１）のローリフト（図４）は、前記ハイリフト（図１）の比較的小さい部分を構成することを特徴とする請求項１に記載のタペット。
前記ハイリフト（図１）は第１動作期間（図４）を限定し、また、前記ローリフト（図４）は第２動作期間（図４）を限定し、該第２動作期間は前記第１動作期間の比較的小さい部分を構成することを特徴とする請求項２に記載のタペット。
前記ラッチ機構は、半径方向に移動するように配向された複数の前記ラッチ部材（５７）と、該ラッチ部材を前記後退した非系合位置（図３）へ半径方向内側に向けて付勢するリターンスプリング（６１）を有する前記第２従動部（３３）を構成することを特徴とする請求項１に記載のタペット。
前記第２従動部（３３）は、複数の前記ラッチ部材（５７）の半径方向の内側に設けられた環状圧力室（４５）を有し、前記第１従動部（２９）及び前記第２従動部（３３）は協働して、前記環状圧力室（４５）に圧力流体を供給する流体通路（４９，４７）を形成し、前記環状圧力室（４５）内の前記圧力流体は、前記ラッチ部材（５７）を、前記伸張した係合位置（図１）へ半径方向外側に向けて付勢することを特徴とする請求項４に記載のタペット。
前記第１従動部（２９）は、前記第１停止面（７３）を形成する第１環状部（７１）を有し、また、前記第２従動部（３３）は、前記第２停止面（７７）を形成する第２環状部（７５）を有し、前記空動きスプリングは、前記環状部（７１）と前記第２環状部（７５）内に配設されるコイル状圧縮スプリング（４１）から構成されることを特徴とする請求項１に記載のタペット。