JP2007218231A - ばね装置と、それを用いた内燃機関の動弁機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ばね荷重を変化させることができ、しかも構造が簡単なばね装置を提供する。
【解決手段】シリンダヘッド１１に設けられた固定側ばね受け部材（第１の部材）２１と、弁１３の可動側ばね受け部材（第２の部材）２２との間に、ベローズユニット３０と圧縮コイルばね３１が直列に配置されている。ベローズユニット３０は、伸縮可能な内壁ベローズ５０と、外壁ベローズ５１と、第１および第２の端部材５２，５３とを有し、内部に密閉空間５５が形成されている。このベローズユニット３０は、密閉空間５５に圧縮された状態で封入されたガスＧによって、軸線Ｘ方向に伸張する。ベローズユニット３０の内部の密閉空間５５に、ガスＧとの間で熱の授受が可能な非圧縮性の熱交換物質の一例である液６０が収容されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば内燃機関の動弁機構等に好適に使用することのできるばね装置に関する。

内燃機関の動弁機構は、シリンダヘッドに設けられたポートを開閉する吸気あるいは排気用の弁と、この弁を閉方向に付勢するための弁ばね（圧縮コイルばね）と、前記弁を開方向に駆動するカム機構などによって構成されている。前記弁ばねの取付け荷重および最大荷重は、内燃機関の高回転時に弁がジャンプおよびバウンス（bounce）を起こさないように適切な値に設定されている。低回転時は高回転時よりも動弁機構の慣性力が低下するため、低回転時では弁ばねの荷重は高回転時よりも小さくてよい。しかし圧縮コイルばねを用いた弁ばねでは低回転時と高回転時とでばね荷重を切換えることができない。

例えば特開平１０−２８８０１２号公報（特許文献１）に記載されている動弁機構では、低回転時と高回転時とでばね荷重を切換えることができるようにするために、ガスばねが使用されている。この特許文献１の動弁機構では、ガスばねの圧力を変化させるためのガス圧調整機構を備えている。このガス圧調整機構によって、低回転時のガスばねの圧力を高回転時のガスばねの圧力よりも小さくし、ばね荷重を下げて低回転時のフリクションロスを低減させている。

また特開昭５８−２１７７１１号公報（特許文献２）に記載されている動弁機構では、圧縮コイルばねと、該圧縮コイルばねのばね座の高さを切換えるための油圧室とを備えている。この特許文献２の動弁機構では、油圧室の容積を変化させ、前記ばね座の高さを変化させることによって、圧縮コイルばねの圧縮量を変化させている。
特開平１０−２８８０１２号公報 特開昭５８−２１７７１１号公報

前記特許文献１のガスばねを用いた動弁機構では、内燃機関の回転数に応じてガスの圧力を変化させるためのガス圧調整機構および圧力供給源等が必要である。ガス圧調整機構は、電磁切換弁や配管類によって構成されるため、動弁機構の構造が複雑化し、コストが高くつく。また、ガスの圧力を変化させるための外部動力やエネルギーが必要であり、燃費に悪影響を与える懸念がある。

前記特許文献２の油圧室を用いた動弁機構では、内燃機関の回転数に応じて油圧を変化させるための油圧機構および油圧源等が必要である。この種の油圧機構も電磁切換弁や配管類によって構成されるため、動弁機構の構造が複雑化し、コストが高くつく。また、油圧を変化させるためのエネルギーが必要であるなどの問題がある。

従って本発明の目的は、ばね荷重を変化させるための電磁切換弁や配管類および外部動力が不要であり、構造が簡単で高効率なばね装置を提供することにある。

本発明のばね装置は、第１の部材と、前記第１の部材に対し軸線方向に往復運動する第２の部材と、前記第１の部材と前記第２の部材との間に設けられて前記軸線方向に伸縮可能でかつ内部に密閉空間を有するベローズユニットと、前記ベローズユニットの前記密閉空間の内部に圧縮した状態で封入され前記ベローズユニットを前記軸線方向に伸張させるガスと、前記ベローズユニットの前記密閉空間に収容され前記ガスとの間で熱の授受が可能な非圧縮性の熱交換物質とを具備している。

前記熱交換物質の一例は液である。前記ガスと前記液との間に、前記液よりも熱伝導率の高い熱交換促進部材が設けられているとよい。また前記熱交換物質の一例が固体であってもよい。

前記ベローズユニットの一つの形態は、内壁ベローズと、該内壁ベローズの外側に該内壁ベローズと同心に設けられ該内壁ベローズとの間に前記密閉空間を形成する外壁ベローズと、前記内壁ベローズの一端と外壁ベローズの一端との間を閉鎖する第１の端部材と、前記内壁ベローズの他端と外壁ベローズの他端との間を閉鎖する第２の端部材とを有し、前記内壁ベローズの内側の空間に前記第２の部材の軸部が挿通している。

本発明のばね装置は、前記第１の部材と前記第２の部材との間に、圧縮コイルばねが、前記ベローズユニットと直列に配置されていてもよい。

前記ベローズユニットの他の形態では、内壁ベローズと、該内壁ベローズの外側に該内壁ベローズと同心に設けられ該内壁ベローズとの間に前記密閉空間を形成する外壁ベローズと、前記内壁ベローズの一端と外壁ベローズの一端との間を閉鎖する第１の端部材と、前記内壁ベローズの他端と外壁ベローズの他端との間を閉鎖する第２の端部材とを有し、前記第１の端部材に該ベローズユニットの内側に入り込む凹部が形成され、該凹部に前記圧縮コイルばねの一部が収容されている。

前記圧縮コイルばねは、前記第１の部材と第２の部材との間の距離が所定値以下となるまで圧縮された状態において有効部の素線どうしが接触するものでもよい。また、前記ベローズユニットの伸び側のストロークを規制するためのストッパ部を有していてもよい。

本発明によれば、内燃機関等の運転状態に応じて動弁機構のばね荷重を変化させることが可能なばね装置を提供することができ、ばね荷重を変化させるための電磁切換弁や配管類が不要で構造が簡単であり、ばね荷重を変化させるための外部動力や特別なエネルギーも不要である。

以下に本発明の第１の実施形態に係るばね装置について、図１と図２を参照して説明する。
図１は内燃機関の動弁機構１０の一部を示している。シリンダヘッド１１に、吸気ポート１２と、排気ポート（図示せず）が形成されている。この動弁機構１０は、吸気ポート１２を開閉する吸気弁１３と、吸気弁１３を閉弁方向に付勢するばね装置２０Ａとを備えている。排気ポート（図示せず）に設けられている動弁機構は、吸気弁１３用の動弁機構１０とほぼ同様に構成されているため説明を省略し、以下に吸気弁１３用の動弁機構１０を代表して説明する。

本実施形態の動弁機構１０に使用されているばね装置２０Ａは、第１の部材の一例である固定側ばね受け部材（スプリングシート）２１と、第２の部材の一例である可動側ばね受け部材（リテーナ）２２と、ベローズユニット３０と、圧縮コイルばね３１などを含んでいる。ベローズユニット３０と圧縮コイルばね３１は、固定側ばね受け部材２１と可動側ばね受け部材２２との間に、下記軸線Ｘ方向に直列に配置されている。

弁１３は、軸線Ｘを有する軸部４０と、ポート１２を開閉するための弁体４１とを備えている。軸部４０は軸線Ｘの方向に延びている。軸部４０は、シリンダヘッド１１に設けられた筒形のバルブガイド４２に挿入され、軸線Ｘ方向に往復移動できるようになっている。

第１の部材の一例である固定側ばね受け部材２１がシリンダヘッド１１に取付けられている。第２の部材の一例である可動側ばね受け部材２２が軸部４０の一端４０ａに固定されている。軸部４０の他端４０ｂに弁体４１が設けられている。弁１３と可動側ばね受け部材２２は、固定側ばね受け部材２１に対して軸線Ｘ方向に往復運動する。

軸部４０の一端４０ａにロッカアーム等の弁駆動体４５が当接している。弁駆動体４５は、内燃機関のクランクシャフトの回転に連動して回転するカム（図示せず）によって駆動される。このため内燃機関の回転数に応じて、弁１３の単位時間当りの往復運動の回数が増減することになる。

図１と図２に示すように、ベローズユニット３０は、金属製の内壁ベローズ５０と、金属製の外壁ベローズ５１と、第１の端部材（第１のベローズキャップ）５２と、第２の端部材（第２のベローズキャップ）５３とを有し、軸線Ｘ方向に伸縮可能である。外壁ベローズ５１は内壁ベローズ５０の外側に内壁ベローズ５０と同心に設けられている。第１の端部材５２は、圧縮コイルばね３１の下面を受けるためのばね座５４を兼ねていてもよい。第２の端部材５３は、固定側ばね受け部材２１を兼ねていてもよい。

第１の端部材５２は、内壁ベローズ５０の一端５０ａと外壁ベローズ５１の一端５１ａとの間を閉鎖している。第２の端部材５３は、内壁ベローズ５０の他端５０ｂと外壁ベローズ５１の他端５１ｂとの間を閉鎖している。内壁ベローズ５０の内側の空間Ｓに、軸部４０が挿通している。内壁ベローズ５０と外壁ベローズ５１の一例はそれぞれ円筒形であるが、円筒以外（軸線Ｘと直角な断面が楕円や多角形の筒）であってもかまわない。

内壁ベローズ５０と外壁ベローズ５１との間に密閉空間５５が形成されている。すなわちこの密閉空間５５は、内壁ベローズ５０と外壁ベローズ５１と端部材５２，５３とによって囲まれている。この密閉空間５５の内部に、圧縮性の流体の一例であるガスＧが圧縮された状態で封入されている。ガスＧの圧力によって、ベローズユニット３０が軸線Ｘ方向に伸張するようになっている。このように構成されたベローズユニット３０がガスばねとして機能することによって、弁１３が閉位置の方向に付勢されている。

ベローズユニット３０の前記密閉空間５５に封入されるガスＧとしては、窒素等の不活性なガスが好ましいが、場合によっては空気が使用されてもよい。このばね装置２０Ａは、ベローズユニット３０の伸び側のストロークを規制するためにストッパ部５６を備えている。

ベローズユニット３０の前記密閉空間５５に、ガスＧとの間で熱の授受が可能な非圧縮性の熱交換物質の一例である液６０が収容されている。液６０の量に応じて、密閉空間５５のガスばね容積を調整することができる。すなわちこの液６０は、ばね定数調整用としても機能することができる。液６０の一例は水であるが、油、アルコール等であってもよい。

ガスＧと液６０との間に、液６０よりも熱伝導率の高い熱交換促進部材６１が設けられている。熱交換促進部材６１は、ガスＧと液６０との熱交換を促進するために、例えば金属細線の集合体や金属製のフィン、あるいはヒートパイプが使用される。

ガスＧの熱伝導率は液６０に比べてきわめて小さい。例えば常温（３００Ｋ）での水の熱伝導率が０．６１Ｗ／（ｍ・Ｋ）であるのに対し、空気の熱伝導率は０．０２６１Ｗ／（ｍ・Ｋ）と小さい値である。しかしこの実施形態の場合、ガスＧと液６０との熱交換が熱交換促進部材６１によって促進されるため、両者間の熱伝導が効率良く行なわれる。熱交換促進部材６１が金属の場合、例えば銅の熱伝導率は３９８Ｗ／（ｍ・Ｋ）であり、ガスＧおよび液６０と比較して格段に大きい。熱交換促進部材６１にヒートパイプを用いれば熱伝導率をさらに高めることが可能である。

圧縮コイルばね３１は、ベローズユニット３０と可動側ばね受け部材２２との間に圧縮された状態で配置されている。これらベローズユニット３０と圧縮コイルばね３１は、前記軸線Ｘ方向に直列に配置されている。

圧縮コイルばね３１は、固定側ばね受け部材２１と可動側ばね受け部材２２との間の距離が所定値以下となるまで圧縮された状態において、圧縮コイルばね３１の有効部の素線３２どうしが接触（線間密着）するものでもよい。その場合、弁１３のリフト量が所定値を越えて圧縮コイルばね３１の素線３２どうしが接触したのちは、ベローズユニット３０のみが圧縮されるようになるため、バルブリフトに応じた荷重変動効果が得られ、例えば非線形のばね特性を得ることが可能である。この圧縮コイルばね３１の接触によりサージング抑制効果を発揮できる。

以下に本実施形態のばね装置２０Ａを備えた動弁機構１０の作用について説明する。
内燃機関が運転されると、クランクシャフトの回転に連動して弁駆動体４５が図１に矢印Ａ，Ｂで示す方向に往復運動する。弁駆動体４５が矢印Ａ方向に移動すると、弁１３が開弁方向すなわちポート１２を開口させる方向に移動する。このときベローズユニット３０と圧縮コイルばね３１が軸線Ｘ方向に圧縮されるため、ベローズユニット３０と圧縮コイルばね３１の反発荷重が増加する。

弁駆動体４５が矢印Ｂ方向に移動すると、弁１３はベローズユニット３０と圧縮コイルばね３１の反発荷重によって閉弁方向すなわちポート１２を閉じる方向に移動する。このときベローズユニット３０と圧縮コイルばね３１が軸線Ｘ方向に伸びるため、ベローズユニット３０と圧縮コイルばね３１の反発荷重が低下する。

内燃機関が低回転数で運転されているときには、ベローズユニット３０の内部のガスＧの圧縮と膨張のサイクルが遅く、しかも熱交換促進部材６１によって熱交換が促進されるため、ガスＧと液６０との間で熱交換が有効に行なわれる。このためガスＧが等温変化を繰返し、ベローズユニット３０のばね定数は実質的に上昇することがない。

これに対し内燃機関が高回転数で運転されているとき、すなわちベローズユニット３０の内部のガスＧの圧縮と膨張のサイクルが早くなった場合には、密閉空間５５の内部でのガスＧと液６０との熱交換が間に合わなくなり、ガスＧが断熱変化し、ガスばねとして機能するベローズユニット３０のばね定数が高くなる。

このため、内燃機関が高回転数になった時にベローズユニット３０のガスばね定数が上昇することにより、弁１３がジャンプおよびバウンスを起こすことを抑制することができる。一方、内燃機関が低回転数のときには、前記のように高回転時よりもガスばね定数が低くなることにより、動弁機構１０のフリクションロスを低減することができる。また、金属製の内壁ベローズ５０と外壁ベローズ３１及び密閉空間５５が軸線Ｘ方向に伸縮する際の減衰効果により、弁１３のサージングを抑制する効果も発揮できる。

本実施形態のばね装置２０Ａを備えた動弁機構１０であれば、ベローズユニット３０に封入されたガスＧの状態変化を利用してばね荷重を変化させることができ、圧力を調整するための電磁切換弁や配管類および外部動力が不要なため構造が簡単である。しかも圧力を変化させるための特別なエネルギーも不要であるから高効率であり内燃機関の燃費向上にも好ましいものである。

図３は本発明の第２の実施形態に係るばね装置２０Ｂを示している。このばね装置２０Ｂにおいて、第１の実施形態のばね装置２０Ａと共通の箇所には両者に共通の符号を付して説明を省略し、異なる箇所について以下に説明する。

第２の実施形態のばね装置２０Ｂのベローズユニット３０は、内壁ベローズ５０と、外壁ベローズ５１と、第１の端部材（第１のベローズキャップ）５２と、第２の端部材（第２のベローズキャップ）５３とを有している。そして第１の端部材５２に、ベローズユニット３０の内側に入り込む凹部７０が形成されている。この凹部７０に、圧縮コイルばね３１の一部３３が収容されている。

このように構成された第２の実施形態のばね装置２０Ｂによれば、ベローズユニット３０の凹部７０に圧縮コイルばね３１の一部３３が入り込むため、ばね装置２０Ｂの軸線Ｘ方向に関する長さを第１の実施形態のばね装置２０Ａよりも小さくすることが可能となり、動弁機構１０のコンパクト化に寄与できる。

図４は本発明の第３の実施形態に係るばね装置２０Ｃを示している。このばね装置２０Ｃの圧縮コイルばね３１は、アウタスプリング３１ａとインナスプリング３１ｂとからなるダブルスプリングによって構成されている。アウタスプリング３１ａは、固定側ばね受け部材２１と可動側ばね受け部材２２との間に、ベローズユニット３０と並列に配置されている。インナスプリング３１ｂは、第２の実施形態のばね装置２０Ｂと同様にベローズユニット３０と直列に配置されている。それ以外の構成は第２の実施形態のばね装置２０Ｂと共通である。なお、アウタスプリング３１ａとインナスプリング３１ｂの両方をベローズユニット３０と直列または並列に配置してもよい。

図５は本発明の第４の実施形態に係るばね装置２０Ｄを示している。このばね装置２０Ｄでは、前記圧縮コイルばね３１が使用されず、ベローズユニット３０の反発力のみで弁１３を閉方向に付勢している。それ以外の構成と効果は、第１の実施形態のばね装置２０Ａと共通である。なお、第１の端部材５２は可動側ばね受け部材２２と一体であってもよい。

図６は本発明の第５の実施形態に係るばね装置２０Ｅを示している。このばね装置２０Ｅのベローズユニット３０は、密閉空間５５に収容される熱交換物質として、ガスＧよりも熱伝導率の大きい固体８０が使用されている。固体８０の体積に応じて密閉空間５５の内部のガスばね容積を調整することができる。すなわちこの固体８０は、ばね定数調整用としても機能することができる。

本発明のばね装置は、動弁機構以外にも適用することができる。また本発明を実施するに当たって、第１の部材や第２の部材、ベローズユニット、熱交換物質、熱交換促進部材をはじめとして、本発明の構成要素を適宜に変形して実施できることは言うまでもない。

本発明の第１の実施形態に係るばね装置を備えた動弁機構の断面図。 図１に示されたばね装置のベローズユニットの斜視図。 本発明の第２の実施形態に係るばね装置を備えた動弁機構の断面図。 本発明の第３の実施形態に係るばね装置を備えた動弁機構の断面図。 本発明の第４の実施形態に係るばね装置を備えた動弁機構の断面図。 本発明の第５の実施形態に係るばね装置を備えた動弁機構の断面図。

符号の説明

１０…動弁機構
１１…シリンダヘッド
１２…ポート
１３…弁
２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ…ばね装置
２１…固定側ばね受け部材（第１の部材）
２２…可動側ばね受け部材（第２の部材）
３０…ベローズユニット
３１…圧縮コイルばね
４０…軸部
５０…内壁ベローズ
５１…外壁ベローズ
５２…第１の端部材
５３…第２の端部材
５６…ストッパ部
６０…液（熱交換物質）
６１…熱交換促進部材
７０…凹部
８０…固体（熱交換物質）

Claims (10)

1. 第１の部材と、
   前記第１の部材に対し軸線方向に往復運動する第２の部材と、
   前記第１の部材と前記第２の部材との間に設けられて前記軸線方向に伸縮可能でかつ内部に密閉空間を有するベローズユニットと、
   前記ベローズユニットの前記密閉空間の内部に圧縮した状態で封入され前記ベローズユニットを前記軸線方向に伸張させるガスと、
   前記ベローズユニットの前記密閉空間に収容され前記ガスとの間で熱の授受が可能な非圧縮性の熱交換物質と、
   を具備したことを特徴とするばね装置。
2. 前記熱交換物質が液であることを特徴とする請求項１に記載のばね装置。
3. 前記ガスと前記液との間に、前記液よりも熱伝導率の高い熱交換促進部材が設けられていることを特徴とする請求項２に記載のばね装置。
4. 前記熱交換物質が固体であることを特徴とする請求項１に記載のばね装置。
5. 前記ベローズユニットは、内壁ベローズと、該内壁ベローズの外側に該内壁ベローズと同心に設けられ該内壁ベローズとの間に前記密閉空間を形成する外壁ベローズと、前記内壁ベローズの一端と外壁ベローズの一端との間を閉鎖する第１の端部材と、前記内壁ベローズの他端と外壁ベローズの他端との間を閉鎖する第２の端部材とを有し、前記内壁ベローズの内側の空間に前記第２の部材の軸部が挿通していることを特徴とする請求項１に記載のばね装置。
6. 前記第１の部材と前記第２の部材との間に、圧縮コイルばねが、前記ベローズユニットと直列に配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のばね装置。
7. 前記ベローズユニットは、内壁ベローズと、該内壁ベローズの外側に該内壁ベローズと同心に設けられ該内壁ベローズとの間に前記密閉空間を形成する外壁ベローズと、前記内壁ベローズの一端と外壁ベローズの一端との間を閉鎖する第１の端部材と、前記内壁ベローズの他端と外壁ベローズの他端との間を閉鎖する第２の端部材とを有し、前記第１の端部材に該ベローズユニットの内側に入り込む凹部が形成され、該凹部に前記圧縮コイルばねの一部が収容されていることを特徴とする請求項６に記載のばね装置。
8. 前記圧縮コイルばねは、前記第１の部材と第２の部材との間の距離が所定値以下となるまで圧縮された状態において有効部の素線どうしが接触するものであることを特徴とする請求項６または７に記載のばね装置。
9. 前記ベローズユニットの伸び側のストロークを規制するためのストッパ部を有していることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のばね装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項に記載のばね装置を備えた内燃機関の動弁機構であって、前記第１の部材は該内燃機関のシリンダヘッドに設けられた固定側ばね受け部材であり、前記第２の部材は前記シリンダヘッドのポートを開閉する弁に設けられた可動側ばね受け部材であり、前記弁が前記ベローズユニットによって閉位置の方向に付勢されていることを特徴とする内燃機関の動弁機構。

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