JP2007239495A - エンジンの可変動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】極小リフト時に可変動弁機構が有するばらつき拡大を最小限とする。
【解決手段】本発明は、吸入空気量の調整をする吸気弁１１２と、一端部が支点として支持され、他端部が前記吸気弁１１２のステムエンドと当接するロッカアーム１１４と、前記ロッカアーム１１４の両端部間に当接し、揺動運動により前記ロッカアーム１１４を介して前記吸気弁１１２をリフトさせる揺動カム１２０と、を備える内燃機関の可変動弁機構１０において、揺動カム１２０のカムトラベルを吸気弁１１２側からロッカアーム１１４の支点側に移るようにして、小リフト時には小ロッカ比とし、大リフト時には大ロッカ比とすることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明はエンジンの可変動弁装置に関する。

内燃機関において、吸入空気量の調整を吸気弁で代行し、部分負荷時のポンプ損失を低減する技術がある。この技術として、揺動カムを用い、揺動カムに形成されているカム面の領域を移動させることによってロッカアームを押圧し、吸気弁のバルブリフト量を連続的に可変としたロッカアーム式の吸気弁可変動弁機構に関する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２０４８２２号公報

しかし、前述した従来のロッカアーム式の吸気弁可変動弁機構は、カム面とロッカアームの接触部がロッカアームの支点側から吸気弁側へ移る構成となっていた。このため、小リフト時ほどロッカ比が大となり、わずかなカムの動きが拡大されて吸気弁に伝達されてしまい、アイドル運転時などの極小空気量を制御するような場合、正確な吸気量制御が難しいという問題点があった。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、小リフト時には小ロッカ比、大リフト時には大ロッカ比となるロッカアーム式の吸気弁可変動弁機構を提供することを目的とする。

本発明は、吸入空気量の調整をする吸気弁と、一端部が支点として支持され、他端部が前記吸気弁のステムエンドと当接するロッカアームと、前記ロッカアームの両端部間に当接し、揺動運動により前記ロッカアームを介して前記吸気弁をリフトさせる揺動カムと、を備える内燃機関の可変動弁機構において、前記揺動カムのカムトラベルを前記吸気弁側から前記ロッカアームの支点側に移るようにして、小リフト時には小ロッカ比とし、大リフト時には大ロッカ比とすることを特徴とする。

本発明によれば、ロッカアーム式の吸気弁可変動弁機構において、吸気弁の小リフト時には小ロッカ比とし、大リフト時には大ロッカ比とすることで、吸気弁可変動弁機構の構成部品ばらつきに起因する各気筒の低吸入空気領域でのリフト量ばらつきを最小限に抑えることができる。

以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。
（第一実施形態）
まず図１及び図２を参照して、本発明にかかる内燃機関の吸気弁可変動弁機構１０を説明する。図１は、本発明にかかる内燃機関の吸気弁可変動弁機構１０を示す図である。図２はリフト・作動角可変機構２の駆動軸方向視図である。

吸気弁可変動弁機構１０は、吸気弁１１２のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構２（吸気弁可変手段）と、そのリフトの中心角の位相を進角又は遅角させる位相可変機構３と、が組み合わされて構成されている。なお、図１では一つの気筒に対応する一対の吸気弁１１２及びその関連部品のみを簡略的に図示している。

内燃機関の各気筒には、一対の吸気弁１１２と図示しない一対の排気弁が設けられている。吸気弁１１２の上方には、気筒列方向に延びる中空状の駆動軸１１３が設けられている。駆動軸１１３は、一端部に設けられた従動スプロケット１３等を介して、図示しないベルトやチェーンで機関のクランク軸と連係され、機関のクランク軸に連動して軸周りに回転する。

駆動軸１１３には、気筒ごとに、一対の揺動カム１２０が駆動軸１１３に対して回転自在に取り付けられている。その作用については後で詳述するが、この一対の揺動カム１２０が駆動軸１１３を中心として所定の回転範囲で揺動（上下動）することによって、その下方に位置するロッカアーム１１４のスリッパ面１１４ａが押圧され、吸気弁１１２が下方にリフトする。なお、一対の揺動カム１２０は、互いに円筒等で同位相に固定されている。ロッカアーム１１４は、一端部がピボット１１９によって枢支されており、他端部上面のスリッパ面１１４ａが揺動カム１２０に押圧されると共に、他端部の下面が吸気弁１１２のステムエンドに当接している。

揺動カム１２０は、その基端部側に支持孔１２２ａが貫通形成されており、駆動軸１１３の外周面に回転自在に支持されている。そして、そのカムノーズ１２３側の端部にピン孔１２３ａが貫通形成されている。揺動カム１２０の基端下面には、基円面１２４ａと、基円面１２４ａからカムノーズの先端縁側に円弧状に延びるカム面１２４ｂとが形成されており、基円面１２４ａとカム面１２４ｂとが、揺動カム１２０の揺動位置に応じてロッカアーム１１４のスリッパ面１１４ａに当接する。その際、基円面１２４ａからカム面１２４ｂへの接触が滑らかに行われるように、基円面１２４ａとカム面１２４ｂの間には、基円面１２４ａよりやや大径の円弧状のランプ面を設けている。

揺動カム１２０は、そのカムノーズ１２３側がロッカアーム支点（ピボット１１９）側に向くように配置する。さらに、揺動カム１２０の揺動中心（つまり駆動軸１１３の軸心Ｐ３）（以下、「カム中心」という）が吸気弁１１２の軸線１３０（以下、「バルブ軸線」という）に対してロッカアーム支点の反対側となるように、すなわち、ロッカアーム支点、バルブ軸線１３０、カム中心Ｐ３の順に並ぶように配置する。

また、駆動軸１１３の外周には、この駆動軸１１３の軸心Ｐ３から所定量だけ偏心した位置に、円筒状の駆動カム１１５の中心Ｐ４が位置するように、駆動カム１１５が圧入等によって固定されている。駆動カム１１５は、揺動カム１２０から軸方向に所定の距離だけ離れた位置に固定されている。そして、駆動カム１１５の外周面には、第一リンク１２５の基端が、回転自在に嵌合している。第一リンク１２５は、比較的大径な円環状の基部１２５ａと、基部１２５ａの一部から突設された突出端１２５ｂとを備えている。突出端１２５ｂには、ピン孔１２５ｄが貫通形成されている。

駆動軸１１３の斜め上方には、制御軸１１６が、駆動軸１１３と平行に気筒列方向へ延びて、回転自在に支持されている。制御軸１１６の外周面には、この制御軸１１６の軸心Ｐ２から所定量だけ偏心した位置に、円筒状の制御カム１１７の中心Ｐ１が位置するように、制御カム１１７が圧入等によって固定されている。そして、制御カム１１７には、リンクアーム１１８が、制御カム１１７の外周面に回転自在に嵌合している。リンクアーム１１８は、制御カム１１７の軸心Ｐ１を支点として揺動する。

なお、リンクアーム１１８は、制御カム１１７に支持される中央の基端部１１８ａを中心に、軸方向と垂直に左右方向に伸び、その両端には一端部１１８ｂと他端部１１８ｃを有する。また、一端部１１８ｂ及び他端部１１８ｃには、ピン孔１１８ｄ及び１１８ｅがそれぞれ貫通形成されている。

リンクアーム１１８の一端部１１８ｂと、第一リンク１２５の突出端１２５ｂとは、リンクアーム１１８が上方に位置するように、両者を挿通する連結ピン１２１によって連結する。そして、リンクアーム１１８の他端部１１８ｃと、第二リンク１２６の一端部１２６ａとは、両者を挿通する連結ピン１２８によって連結する。さらに、第二リンク１２６の他端部１２６ｂと、揺動カム１２０のカムノーズ１２３側の端部とは、両者を挿通する連結ピン１２９によって、リンクアーム１１８の下方に揺動カム１２０が位置するように連結する。各ピン１２１，１２８，１２９の一端部には、第１リンク１２５や第２リンク１２６の軸方向の移動を規制するスナップリングが設けられている。

以上のように構成されるリフト・作動角可変機構２によって、機関のクランク軸に連動して駆動軸１１３が回転すると、駆動カム１１５及び第１リンク１２５を介してリンクアーム１１８が制御カム１１７の中心Ｐ１を中心として揺動するとともに、第２リンク１２６を介して揺動カム１２０が所定の角度範囲を揺動する。この揺動カム１２０がロッカアーム１１４の上面に接触して、このロッカアーム１１４を押し下げることで、吸気弁１１２が開閉駆動される。

また、制御軸１１６は、一端部に設けられたリフト量制御アクチュエータ１１によって所定回転角度範囲内で回転するように制御される。制御軸１１６が回転すると、リンクアーム１１８の揺動支点となる制御カム１１７の中心Ｐ１も回転変位して、機関本体に対してリンクアーム１１８の支持位置が変化し、この制御軸１１６が適用される気筒列の全ての気筒の吸気弁１１２のバルブリフト特性、詳しくはリフト量及び作動角の双方が連続的に変更・制御される。図３に吸気弁のリフト量と作動角との関係を示す。

なお、リフト量制御アクチュエータ１１は、機関の運転状態を検出するコントローラ４からの制御信号に基づいて、第一油圧装置６によって制御されている。本発明では、内燃機関の吸入空気量制御をスロットルバルブではなく吸気弁１１２のバルブリフト量及び開弁時間で行う。そのため、機関回転速度が低回転時には小リフト、高回転時には大リフトとなるように制御する。なお、後で詳述するが、上記「小リフト」「大リフト」は最大リフト量が小さいか大きいかを意味している。

また、位相可変機構３は、スプロケット１３と駆動軸１１３とを所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相角制御アクチュエータ１２から構成されている。位相角制御アクチュエータ１２は、機関の運転状態を検出するコントローラ４からの制御信号に基づいて、第二油圧装置７によって制御されている。この位相角制御アクチュエータ１２への油圧制御によって、スプロケット１３と駆動軸１１３とが相対的に回転し、リフト中心角が遅角する。

続いてリフト・作動角可変機構２の作用を詳述する。

前述したように、駆動軸１１３がクランクシャフトに連動して回転すると、駆動カム１１５及びその外周に回転自在に嵌合している第１リンク１２５を介してリンクアーム１１８が制御カム１１７の中心Ｐ１を中心として揺動（上下動）する。リンクアーム１１８の揺動は、第２リンク１２６を介して揺動カム１２０へ伝達され、揺動カム１２０が所定角度範囲を揺動する。この揺動カム１２０が揺動、すなわち上下動することによって、ロッカアーム１１４が押圧され、吸気弁１１２が下方にリフトする。

ここで、リフト量制御アクチュエータ１１を介して制御軸１１６が回転すると、リンクアーム１１８の揺動支点となる制御カム１１７の中心Ｐ１も回転変位して、機関本体に対してリンクアーム１１８の支持位置が変化し、ひいては揺動カム１２０の初期揺動位置が変化する。したがって、揺動カム１２０と、ロッカアーム１１４のスリッパ面１１４ａとの初期接触位置も変化する。クランク軸一回転あたりの揺動カム１２０の揺動角は常に一定なので、以下のように最大リフト量が変化する。

例えば、図２のように、制御カム１１７の中心Ｐ１が制御軸１１６の軸心Ｐ２の上方に位置し、制御カムの厚肉部１１７ａが上方に位置している場合には、リンクアーム１１８は全体として上方へ位置し、揺動カム１２０の上端部１２３が相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム１２０の初期位置は、そのカム面１２４ｂがロッカアーム１１４から離れる方向に傾く。したがって、駆動軸１１３の回転に伴って揺動カム１２０が揺動した際に、基円面１２４ａが長くロッカアーム１１４に接触し続け、カム面１２４ｂがロッカアーム１１４に接触する期間が短くなる。このため、吸気弁１１２の最大リフト量が小さくなる。つまり、小リフトとなる。また、吸気弁１１２の開時期から閉時期までのクランク角度区間、つまり吸気弁１１２の作動角も縮小する。

一方、図２において、制御カム１１７の中心Ｐ１が制御軸１１６の軸心Ｐ２の下方に位置し、制御カムの厚肉部１１７ａが下方に位置している場合には、リンクアーム１１８は全体として下方へ位置し、揺動カム１２０の上端部１２３が相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム１２０の初期位置は、そのカム面がロッカアーム１１４に近付く方向に傾く。したがって、駆動軸１１３の回転に伴って揺動カム１２０が揺動した際に、ロッカアーム１１４と接触する部位が基円面１２４ａからカム面１２４ｂへと直ちに移行する。このため、吸気弁１１２の最大リフト量が大きくなる。つまり、大リフトとなる。また、吸気弁１１２の作動角も拡大する。

上記の小リフト時と大リフト時について、揺動カム１２０とロッカアーム１１４の接触位置の軌跡（以下、「カムトラベル」という）を比較すると、大リフト時の方が、ロッカアーム支点の近くまで伸びることになる。したがって、ロッカ比も大きくなる。

また、上記の制御カム１１７の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、吸気弁１１２のバルブリフト特性は連続的に変化する。つまり、図３に示したように吸気弁１１２のリフト量及び作動角を、両者同時に連続的に拡大、縮小させることができる。各部のレイアウトによるが、例えば、吸気弁１１２のリフト量及び作動角の大小変化に伴い、吸気弁１１２の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。

図４（Ａ）（Ｂ）は、揺動カム１２０が揺動してロッカアーム１１４を押し下げていく様子を拡大して示した駆動軸方向視図である。本実施形態では、前述したように、カム中心がバルブ軸線に対してロッカアーム支点の反対側となるように、すなわち、ロッカアーム支点、バルブ軸線１３０、カム中心Ｐ３の順に並ぶように配置している。

そして、図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、揺動カム１２０のカムノーズ側の端部１２３をロッカアーム支点側に向けることで、揺動カム１２０が揺動すると、揺動カム１２０とロッカアーム１１４との接触部（以下、「カムフォロア接触部」という）が吸気弁１１２側からロッカアーム支点側へと移るようにしている。したがって、リフト前（図４（Ａ）の状態）は、カムフォロア接触部が吸気弁１１２側に近いためロッカ比が小さくなる。一方、リフト後（図４（Ｂ）の状態）は、カムフォロア接触部がロッカアーム支点側に近いため、ロッカ比が大きくなる。なお、揺動カム１２０は、ロッカアーム１１４の上面と基円面１２４ａ、ランプ部、カム面１２４ｂの順に接触する。また、カムフォロア接触部は、バルブ軸線１３０よりもロッカアーム支点側に存在する。

一般にロッカアームで吸気弁を駆動する場合、ロッカ比を１より大きく設定することでリフト量を多く稼げるというメリットがある。しかし、従来は、ロッカアーム支点、カム中心、バルブ軸線の順に並ぶように配置し、カムのノーズを吸気弁の軸方向に向けることで、カム面とロッカアームとの接触部がロッカアーム支点側から吸気弁側へ移るようにしていた。そのため、小リフト時はロッカ比が大きく、大リフト時はロッカ比が小さくなっていた。

上述したように、本発明では吸気弁可変動弁機構１０によって、スロットルバルブを使わずにバルブリフト量で吸気量を調整している。ここで、吸気弁可変動弁機構１０の構成部品ばらつきを完全に無くすことは難しい。そのため、極小空気量を制御するような小バルブリフト時（例えば、アイドル運転状態）にロッカ比が大となってしまうと、各気筒におけるリフト量のばらつきは拡大する。その結果、燃焼悪化や燃費排気特性の悪化を招く可能性がある。

これに対して、本実施形態では、小リフト時にはロッカ比が小さく、大リフト時にはロッカ比が大きくなるように構成する。そのため、極小リフト時において、吸気弁可変動弁機構１０の構成部品ばらつきに起因する各気筒のリフト量ばらつきを最小限に抑えることができる。その結果、吸気量制御の精度を向上でき、燃焼悪化や燃費排気特性の悪化を防止することができる。

また、ロッカアーム１１４の支点部はピボット１１９によって枢支されているため、支点部クリアランスによるばらつきが生じやすい。しかし、本実施形態では、カムフォロア接触部が常にバルブ軸線１３０よりもロッカアーム支点側になるように構成しているため、ロッカアーム支点にかかる荷重は常に下向きとなる。したがって、支点部クリアランスによるばらつき変化を抑制でき、極小リフト時に吸気弁可変動弁機構１０が有するばらつき 拡大を最小限に抑えることができる。

さらに、ロッカアーム１１４のカムフォロア部をスリッパ形の摺動部材で構成したスリッパタイプとしたため、カムフォロア部にローラを用いたニードルタイプに比べて、カムフォロア部（スリッパ面１１４ａ）の曲率半径を小さくすることができる。したがって、ロッカアーム１１４の吸気弁１１２側の荷重を低減でき、稼働部慣性重量低減、運動限界向上が可能となる。

（第二実施形態）
図５は、本発明の第二実施形態を示す図であり、ロッカ比が１より小さくなる領域を有するロッカアーム式の吸気弁駆動部分を拡大して示した駆動軸方向視図である。

なお、前述した第一実施形態と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

図５に示すように、ロッカ比を１より小さくするために、カムフォロア接触開始位置をバルブ軸線１３０に対してロッカアーム支点と反対側に設定している。この場合、揺動カム１２０がロッカアーム１１４を押し下げると、吸気弁１１２のステムエンドを支点として、ロッカアーム支点に上向きの力が働くため、ロッカアーム１１４の支点がピボットだと外れてしまう。そこで、ロッカアーム１１４の支点を、シリンダヘッドに取り付けられたロッカシャフト１３１に回転自在に支持することで、バルブ軸線１３０に対し、ロッカアーム支点と反対側にカムフォロア接触部が存在しても、支点が外れないようにしている。

また、上述したように、大リフト時は、小リフト時と比べて、カムフォロア接触開始位置が若干ロッカアーム支点側に移るため、ロッカ比が大きくなる。しかし、カムフォロア接触開始位置をバルブ軸線に対してロッカアーム支点と反対側に設定し、ロッカ比を１より小さくすることで、大リフト時においても、極小リフト時のロッカ比をほぼ１近傍とすることができる。図６は、カムフォロア接触開始位置における最大ロッカ比とリフト量を表したグラフである。図６（Ａ）は、リフト開始時のロッカ比が１．０強、すなわち、カムフォロア接触開始位置がバルブ軸よりも若干ロッカアーム支点側に寄っている場合を表している。一方、図６（Ｂ）は、リフト開始時のロッカ比が１．０弱、すなわち、カムフォロア接触開始位置がバルブ軸に対してロッカアーム支点側と反対側である場合を表している。

以上説明した本実施形態によれば、第一実施形態の効果に加えて、ロッカアーム支点をロッカシャフト１３１で構成したため、バルブ軸線１３０に対し、ロッカアーム支点と反対側にカムフォロア接触開始位置を設定できる。そのため、ロッカ比が１より小さい領域を活用できるため、極小リフト時に吸気弁可変動弁機構１０が有するばらつき拡大を最小限とすることができる。

本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

例えば、カム中心Ｐ３が吸気弁１１２の軸線１３０に対してロッカアーム支点寄りになるように、すなわち、ロッカアーム支点、揺動カム中心、吸気弁軸線の順に並ぶように配置した場合でも、揺動カム１２０のカムノーズ側の端部１２３をロッカアーム支点側に向け、カムトラベルが、小リフト時にはロッカ比が小さく、大リフト時にはロッカ比が大きくなるようにカムフォロア形状を適切に設定してもよい。

吸気弁可変動弁機構を示す図である。 吸気弁可変動弁機構の駆動軸方向視図である。 吸気弁可変動弁機構で調整した吸気弁のリフトと作動角との関係を示す図である。 揺動カムがロッカアームを押し下げていく様子を拡大して示した駆動軸方向視図である。 ロッカ比が１より小さくなる領域を有するロッカアーム式の吸気弁駆動部分を拡大して示した駆動軸方向視図である。 カムフォロア接触開始位置における最大ロッカ比とリフト量を表したグラフである。

符号の説明

１０ 可変動弁機構
１１２ 吸気弁
１１４ ロッカアーム
１１４ａ スリッパ面（スリッパ部）
１２０ 揺動カム
１３１ ロッカシャフト

Claims (8)

1. 吸入空気量の調整をする吸気弁と、
   一端部が支点として支持され、他端部が前記吸気弁のステムエンドと当接するロッカアームと、
   前記ロッカアームの両端部間に当接し、揺動運動により前記ロッカアームを介して前記吸気弁をリフトさせる揺動カムと、
   を備える内燃機関の可変動弁機構において、
   前記揺動カムのカムトラベルが前記吸気弁側から前記ロッカアームの支点側に移るようにして、小リフト時ほど小ロッカ比とし、大リフト時ほど大ロッカ比とする、
   ことを特徴とする可変動弁機構。
2. 前記揺動カムのカムノーズ側は、前記ロッカアームの支点側を向いている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変動弁機構。
3. 前記揺動カムの揺動中心は、前記吸気弁の軸線に対して、前記ロッカアームの支点の反対側に設ける、
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の可変動弁機構。
4. 前記カムトラベルが、前記吸気弁の軸線よりも、常に前記ロッカアームの支点側に存在する、
   ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１つに記載の可変動弁機構。
5. 前記カムトラベルが、前記吸気弁の軸線と交差する、
   ことを特徴とする請求項１から３までのいずれか１つに記載の可変動弁機構。
6. 前記ロッカアームの支点となる一端部をロッカシャフトで回転自在に支持する、
   ことを特徴とする請求項１から５までのいずれか１つに記載の可変動弁機構。
7. 前記ロッカアームは、前記揺動カムと当接する面にスリッパ部を備えた、
   ことを特徴とする請求項１から６までのいずれか１つに記載の可変動弁機構。
8. 機関回転速度が低回転時には小リフトとし、高回転時には大リフトとする、
   ことを特徴とする請求項１から７までのいずれか１つに記載の可変動弁機構。

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