JP2007278097A - 可変動弁機構 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、可変動弁機構に関し、簡単な構造で、リフト量およびバルブタイミングの双方を高い自由度で可変とすることを目的とする。
【解決手段】可変動弁機構１０は、バルブ１２の開弁特性を可変とするものである。揺動アーム２８には、ロッカーアーム１６のロッカーローラ２２を押圧する押圧面３０が形成されている。カム２４と揺動アーム２８との間には中間部材２６が介在している。中間部材２６は、中間アーム３４に支持されている。第１制御軸３６の回転させると、中間アーム３４の揺動中心であるピン４０の位置が変化する。第２制御軸３８の回転させると、揺動アーム２８の揺動中心であるピン４４の位置が変化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の気筒に設けられたバルブの開弁特性を可変とする可変動弁機構に関する。

内燃機関の吸気弁あるいは排気弁のバルブタイミング（開弁位相）を連続的に変化させることのできる可変バルブタイミング機構（以下、VVT機構と称する）が広く実用化されている。このVVT機構は、タイミングギヤとカムシャフトとの間に、油圧を用いた回転機構を設け、カムシャフトの位相を変化させることにより、バルブタイミングを連続的に進角あるいは遅角することができる。

また、例えば特開２００３−２３９７１２号公報に開示されているように、バルブのリフト量や作用角（開弁期間）を連続的に変化させることのできる可変動弁機構も開発が進められており、一部実用化もされている。この可変動弁機構を火花点火内燃機関の吸気弁に適用すれば、スロットルバルブによらずに吸入空気量を制御する、いわゆるノンスロットル運転が可能となる。ノンスロットル運転によれば、ポンピングロスを大幅に低減することができるので、燃費性能の向上が図れる。

特開２００３−２３９７１２号公報 特開２００２−３７１８１６号公報 特開２００４−１０８３０２号公報 特開平７−６３０２３号公報

リフト量を連続的に可変とする従来の可変動弁機構では、バルブタイミングは、リフト量に応じて一義的に決まってしまう。つまり、リフト量と、バルブタイミングとを独立に変化させることはできず、バルブタイミングのみを自由に変化させることはできない。

しかしながら、出力向上や排気エミッション低減を図るには、リフト量だけでなく、バルブタイミングも、運転状態に応じて高い自由度で変化させる必要がある。このため、従来、リフト量を連続的に可変とする可変動弁機構を搭載する場合には、バルブタイミングを可変とするVVT機構を更に搭載しているのが現状である。それら２種の可変機構を搭載する結果、構造の複雑化・大型化、部品点数の増大、製造コストアップといった問題が生じている。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、簡単な構造で、リフト量およびバルブタイミングの双方を高い自由度で可変とすることのできる可変動弁機構を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の気筒に設けられたバルブと該バルブを駆動するカムとの間に介在し前記バルブの開弁特性を可変とする可変動弁機構であって、
前記バルブを開弁させるための押圧力が入力される入力部と、
前記入力部を押圧する押圧面を有し前記カムの回転に伴って揺動する揺動アームと、
前記カムと前記揺動アームとの間に介在し前記カムの押圧力を前記揺動アームに伝達する中間部材と、
前記中間部材を支持し前記カムの回転に伴って揺動する中間アームと、
前記中間アームの揺動中心位置を可変とする第１可変機構と、
前記揺動アームの揺動中心位置を、前記中間アームの揺動中心位置と独立して可変とする第２可変機構と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記第１可変機構は、その回転位置が制御される第１制御軸を有し、
前記中間アームは、前記第１制御軸の中心から偏心した箇所が揺動中心となるように前記第１制御軸に回動可能に連結されており、
前記第２可変機構は、前記第１制御軸と同軸的に設けられ、その回転位置が前記第１制御軸と独立に制御される第２制御軸を有し、
前記揺動アームは、前記第２制御軸の中心から偏心した箇所が揺動中心となるように前記第２制御軸に回動可能に連結されていることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記第２可変機構により前記揺動アームの揺動中心位置を移動させたとき、前記入力部と前記押圧面との接触点が前記押圧面上を相対的に移動することを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記揺動アームは、前記中間部材に押圧される被押圧面を有し、
前記中間アームの揺動中心位置の移動に伴うリフト量およびバルブタイミングの変化のうち、リフト量の変化を、前記揺動アームの揺動中心位置の移動によって相殺する状態が得られるように、前記押圧面および前記被押圧面の形状が設定されていることを特徴とする。

第１の発明によれば、中間アームの揺動中心位置と、揺動アームの揺動中心位置とをそれぞれ独立に変化させることができる。中間アームの揺動中心位置を移動させると、カムと揺動アームとの間で中間部材が移動することにより、リフト量およびバルブタイミングの双方が変化する。そして、揺動アームの揺動中心位置を移動させると、リフト量を増幅または縮小することができる。そして、第１の発明の可変動弁機構は、中間アームの揺動中心位置の移動方向および移動量と、揺動アームの揺動中心位置の移動方向および移動量との組み合わせ方によって、多様な状態をとることができる。このため、リフト量およびバルブタイミングの双方を高い自由度で可変とすることができる。

第２の発明によれば、第１可変機構および第２可変機構を簡単な構造で実現することができる。また、第１制御軸と第２制御軸とを同軸的に配置することにより、省スペース化が図れ、小型化することができる。

第３の発明によれば、揺動アームの揺動中心位置の移動に伴い、入力部と押圧面との接触点が押圧面上を相対的に移動する。このため、押圧面の形状によって、所望の可変特性を付与することができる。

第４の発明によれば、中間アームの揺動中心位置の移動に伴うリフト量およびバルブタイミングの変化のうち、リフト量の変化を相殺して、リフト量を揃えることができる。つまり、第４の発明によれば、リフト量をほぼ一定に保ったままでバルブタイミングを連続的に可変とすることができる。このため、カムシャフトの位相を変化させるいわゆるVVT機構を併設する必要がないので、構造の簡素化・小型軽量化、部品点数の削減、および製造コストの低減が図れる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１の可変動弁機構を示す側面図である。図１に示す可変動弁機構１０は、バルブ１２を開閉させるものである。バルブ１２は、内燃機関の吸気弁あるいは排気弁である。バルブ１２は、バルブスプリング１４により、閉弁方向（図中の上方向）に付勢されている。

可変動弁機構１０は、ロッカーアーム１６を有している。ロッカーアーム１６の一端は、バルブ１２のバルブステム１８の端部に当接している。ロッカーアーム１６の他端は、シリンダヘッド（図示せず）に支持された支点２０になっている。ロッカーアーム１６は、支点２０を中心として揺動する。ロッカーアーム１６の中央部には、ロッカーローラ２２が円滑に回転可能に設置されている。なお、支点２０は、油圧ラッシュアジャスタ（図示せず）を介して支持されていても良い。

可変動弁機構１０は、カム２４の押圧力をロッカーローラ２２へ伝達する。ロッカーローラ２２が押圧されると、ロッカーアーム１６がバルブステム１８を押圧して、バルブ１２が開弁する。カム２４は、内燃機関のクランク軸に同期して、クランク軸の２分の１の速度で図中の時計回りに回転する。

カム２４とロッカーローラ２２との間には、中間部材２６と、揺動アーム２８とが介在している。カム２４の押圧力は、中間部材２６および揺動アーム２８を介して、ロッカーローラ２２へ伝達される。揺動アーム２８には、ロッカーローラ２２と接触してこれを押圧する湾曲した押圧面３０と、中間部材２６に押圧される湾曲した被押圧面３２とが形成されている。揺動アーム２８の基端部は、第２制御軸３８に対し、回動可能に連結されている。

中間部材２６は円柱状の部材である。この中間部材２６は、中間アーム３４の先端部に固定されている。中間アーム３４の基端部は、第１制御軸３６に対し、回動可能に連結されている。なお、中間部材２６には、カム２４と接触する部分や、被押圧面３２と接触する部分に、回転自在なローラが設けられていても良い。

図２は、揺動アーム２８、中間部材２６、および中間アーム３４を示す斜視図である。図２に示すように、中間アーム３４の基端部には、後述するピン４０を挿通するためのピン孔４２が形成されている。図示の構成では、２本の中間アーム３４によって中間部材２６が支持されている。また、揺動アーム２８の基端部には、後述するピン４４を挿通するためのピン孔４６が形成されている。

本実施形態では、各気筒に対しバルブ１２が吸気弁または排気弁として二つ並んで設置され、その二つのバルブ１２は共通のカム２４により駆動される。また、その二つのバルブ１２に対し、揺動アーム２８は別々に設けられる。一方、図２に示す中間部材２６は、二つのバルブ１２のための中間部材２６が一体となったものである。すなわち、中間部材２６の図２中の上側の部分と下側の部分とは別々の揺動アーム２８に接触し、中間部材２６の中央部がカム２４に接触する。

図３は、揺動アーム２８および中間アーム３４を取り外した状態の第１制御軸３６および第２制御軸３８を示す図である。図３に示すように、第２制御軸３８は中空になっており、その中空部に第１制御軸３６が同軸的に挿通されている。第１制御軸３６には、径方向に突出する突出部４８が設けられている。突出部４８は、第２制御軸３８に形成された開口部５０から、外部へ突出している。突出部４８の先端付近には、ピン４０が設置されている。このピン４０が中間アーム３４のピン孔４２に挿入することにより、中間アーム３４が第１制御軸３６に連結される。中間アーム３４は、ピン４０を中心として回動可能である。

第２制御軸３８にも、径方向に突出する突出部５２が設けられている。突出部５２の先端付近には、ピン４４が設置されている。このピン４４が揺動アーム２８のピン孔４６に挿入することにより、揺動アーム２８が第２制御軸３８に連結される。揺動アーム２８は、ピン４４を中心として回動可能である。

図３は、第１制御軸３６および第２制御軸３８のうち、一つの気筒の二つのバルブ１２に対応する部分を示したものである。この部分においては、二つのバルブ１２に対応する二組の突出部５２が設けられており、各組の突出部５２に揺動アーム２８がそれぞれ連結される。二組の突出部５２の間には、第１制御軸３６の突出部４８が位置している。この突出部４８に、二つのバルブ１２に対して共用される中間部材２６を支持した図２に示す中間アーム３４が連結される。

第１制御軸３６および第２制御軸３８は、その回転位置を独立して制御可能になっている。第１制御軸３６および第２制御軸３８の各々に対しては、そのような回転位置の制御を可能とする図示しない駆動機構が設けられている。その駆動機構としては、例えば、電気モータを駆動源とし、ウォームギヤを伝達機構とするものを用いることができる。

図１に示すように、中間アーム３４の揺動中心であるピン４０の位置は、第１制御軸３６の中心から偏心した位置にある。このため、第１制御軸３６の回転位置を変えることにより、中間アーム３４の揺動中心位置を移動させることができる。中間アーム３４の揺動中心位置を移動させることにより、中間部材２６の位置を移動することができる（図４、図５参照）。

また、揺動アーム２８の揺動中心であるピン４４の位置は、第２制御軸３８の中心から偏心した位置にある。このため、第２制御軸３８の回転位置を変えることにより、揺動アーム２８の揺動中心位置を移動させることができる。揺動アーム２８の揺動中心位置を移動させると、ロッカーローラ２２と押圧面３０との接触点は、押圧面３０上を相対的に移動する（図４、図５参照）。

以上説明したように、可変動弁機構１では、中間アーム３４の揺動中心位置が可変であるのみならず、揺動アーム２８の揺動中心位置もが可変である。このことにより、可変動弁機構１は、バルブ１２のリフト量だけでなく、バルブタイミング（開弁位相）をも高い自由度で可変とすることができる。

すなわち、リフト量を連続的に可変とする従来の可変動弁機構では、リフト量を一定としたままでバルブタイミングを変化させることはできなかった。これに対し、本実施形態の可変動弁機構１では、以下に説明するように、リフト量を一定としたままでバルブタイミングを変化させることができる。

図１に示す状態では、ロッカーローラ２２は押圧面３０のほぼ中央に接触しており、中間部材２６は被押圧面３２のほぼ中央に接触している。そして、カム２４の中心と、中間部材２６の中心と、ロッカーローラ２２の中心とが、側面視でほぼ一直線上に位置している。これにより、この状態では、カム２４のカム山（カムノーズ）５４がもたらす変位がロッカーローラ２２にほとんどそのまま伝達されるので、カム山５４の高さとほぼ同じリフト量が得られる。このような図１に示す状態を以下「位相中立・通常リフト状態」と称する。

図１の位相中立・通常リフト状態から、揺動アーム２８の揺動中心位置を動かすことなく、中間アーム３４の揺動中心位置のみを図中の反時計回りに変位させたと仮定すると、中間部材２６は、カム２４の回転方向と反対方向に移動し、早いタイミングでカム山５４に接触するようになる。すなわち、バルブタイミングが進角する。また、この場合には、図１に示す状態と比べて、中間部材２６と被押圧面３２との接触点が揺動アーム２８の揺動中心から遠くなる。このため、揺動アーム２８の振幅が小さくなり、その結果、リフト量が小さくなる。このような状態を以下「位相進角・小リフト状態」と称する。

上記位相進角・小リフト状態から、揺動アーム２８の揺動中心位置を図中の時計回りに変位させると、図４に示す状態となる。この状態では、位相進角・小リフト状態と同様に、バルブタイミングは進角している。また、ロッカーローラ２２は、揺動アーム２８の中央より先端側に接触している。揺動アーム２８の中央より先端側の部分では、先端側にいくほど、押圧面３０と被押圧面３２との距離が大きくなっている。

図４に示す状態でカム山５４が中間部材２６を介して揺動アーム２８を押すと、ロッカーローラ２２と押圧面３０との接触点Ｐは、揺動アーム２８の更に先端方向へ移動する。すなわち、バルブ１２がリフトする過程で、接触点Ｐは押圧面３０と被押圧面３２との距離が大きくなる方向へ移動する。このため、ロッカーローラ２２はカム山５４の高さよりも大きく変位する。つまり、この状態では、バルブ１２のリフト量は、位相進角・小リフト状態よりも増幅され、図１の位相中立・通常リフト状態のときとほぼ同じリフト量となる。このような図４に示す状態を「位相進角・通常リフト状態」と称する。

一方、図１の位相中立・通常リフト状態から、揺動アーム２８の揺動中心位置を動かすことなく、中間アーム３４の揺動中心位置のみを図中の時計回りに変位させたと仮定すると、中間部材２６は、カム２４の回転方向と同方向に移動し、遅いタイミングでカム山５４に接触するようになる。すなわち、バルブタイミングが遅角する。また、この場合には、図１に示す状態と比べて、中間部材２６と被押圧面３２との接触点が揺動アーム２８の揺動中心に近くなる。このため、揺動アーム２８の振幅が大きくなり、その結果、リフト量が大きくなる。このような状態を以下「位相遅角・大リフト状態」と称する。

上記位相遅角・大リフト状態から、揺動アーム２８の揺動中心位置を図中の反時計回りに変位させると、図５に示す状態となる。この状態では、位相遅角・大リフト状態と同様に、バルブタイミングは遅角している。また、ロッカーローラ２２は、揺動アーム２８の中央より基端側に接触している。揺動アーム２８の中央より基端側の部分では、先端側にいくほど、押圧面３０と被押圧面３２との距離が小さくなっている。

図５に示す状態でカム山５４が中間部材２６を介して揺動アーム２８を押すと、ロッカーローラ２２と押圧面３０との接触点Ｐは、揺動アーム２８の先端方向へ移動する。すなわち、バルブ１２がリフトする過程で、接触点Ｐは押圧面３０と被押圧面３２との距離が小さくなる方向へ移動する。このため、ロッカーローラ２２はカム山５４の高さよりも小さく変位する。つまり、この状態では、バルブ１２のリフト量は、位相遅角・大リフト状態よりも縮小され、図１の位相中立・通常リフト状態のときとほぼ同じリフト量となる。このような図５に示す状態を「位相遅角・通常リフト状態」と称する。

以上説明したように、可変動弁機構１によれば、図５の位相遅角・通常リフト状態から、図１の位相中立・通常リフト状態を経て、図４の位相進角・通常リフト状態に至るまでの間で、リフト量を一定に保ったまま、バルブタイミングを連続的に変化させることができる。すなわち、可変動弁機構１によれば、バルブ１２の開弁特性のうちのバルブタイミングのみを可変とすることができる。このため、カムシャフトの位相を変化させるいわゆるVVT機構を別個に設ける必要がない。それゆえ、構造の簡素化・小型軽量化、部品点数の削減、および製造コストの低減が図れる。

また、可変動弁機構１は、上述した５つの状態以外にも、中間アーム３４の揺動中心位置の移動方向および移動量と、揺動アーム２８の揺動中心位置の移動方向および移動量との組み合わせ方によって、多様な状態をとることができる。その結果、リフト量と、バルブタイミングとを高い自由度で可変とすることができる。

ところで、上述した実施の形態１では揺動アーム２８がロッカーアーム１６を介してバルブ１２を間接的に押圧する構成について説明したが、本発明ではロッカーアーム１６がなく揺動アーム２８がバルブ１２を直接的に押圧する構成としてもよい。また、本発明では、第１制御軸３６と第２制御軸３８とは、同軸上になくてもよい。

また、上述した実施の形態１においては、ロッカーローラ２２が前記第１の発明における「入力部」に、第１制御軸３６、突出部４８、およびピン４０が前記第１の発明における「第１可変機構」に、第２制御軸３８、突出部５２、およびピン４４が前記第１の発明における「第２可変機構」に、それぞれ相当している。

本発明の実施の形態１の可変動弁機構（位相中立・通常リフト状態）を示す側面図である。 揺動アーム、中間部材、および中間アームを示す斜視図である。 揺動アームおよび中間アームを取り外した状態の第１制御軸および第２制御軸を示す図である。 本発明の実施の形態１の可変動弁機構（位相進角・通常リフト状態）を示す側面図である。 本発明の実施の形態１の可変動弁機構（位相遅角・通常リフト状態）を示す側面図である。

符号の説明

１０ 可変動弁機構
１２ バルブ
１４ バルブスプリング
１６ ロッカーアーム
２０ 支点
２２ ロッカーローラ
２４ カム
２６ 中間部材
２８ 揺動アーム
３０ 押圧面
３２ 被押圧面
３４ 中間アーム
３６ 第１制御軸
３８ 第２制御軸
４０，４４ ピン
５４ カム山

Claims (4)

1. 内燃機関の気筒に設けられたバルブと該バルブを駆動するカムとの間に介在し前記バルブの開弁特性を可変とする可変動弁機構であって、
   前記バルブを開弁させるための押圧力が入力される入力部と、
   前記入力部を押圧する押圧面を有し前記カムの回転に伴って揺動する揺動アームと、
   前記カムと前記揺動アームとの間に介在し前記カムの押圧力を前記揺動アームに伝達する中間部材と、
   前記中間部材を支持し前記カムの回転に伴って揺動する中間アームと、
   前記中間アームの揺動中心位置を可変とする第１可変機構と、
   前記揺動アームの揺動中心位置を、前記中間アームの揺動中心位置と独立して可変とする第２可変機構と、
   を備えることを特徴とする可変動弁機構。
2. 前記第１可変機構は、その回転位置が制御される第１制御軸を有し、
   前記中間アームは、前記第１制御軸の中心から偏心した箇所が揺動中心となるように前記第１制御軸に回動可能に連結されており、
   前記第２可変機構は、前記第１制御軸と同軸的に設けられ、その回転位置が前記第１制御軸と独立に制御される第２制御軸を有し、
   前記揺動アームは、前記第２制御軸の中心から偏心した箇所が揺動中心となるように前記第２制御軸に回動可能に連結されていることを特徴とする請求項１記載の可変動弁機構。
3. 前記第２可変機構により前記揺動アームの揺動中心位置を移動させたとき、前記入力部と前記押圧面との接触点が前記押圧面上を相対的に移動することを特徴とする請求項１または２記載の可変動弁機構。
4. 前記揺動アームは、前記中間部材に押圧される被押圧面を有し、
   前記中間アームの揺動中心位置の移動に伴うリフト量およびバルブタイミングの変化のうち、リフト量の変化を、前記揺動アームの揺動中心位置の移動によって相殺する状態が得られるように、前記押圧面および前記被押圧面の形状が設定されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の可変動弁機構。

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