JP2007502934A - 可変弁装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、特に内燃機関のための可変弁装置であって、自由カムフォロワーによってカムシャフトの制御カムがバルブストロークの調整を行うためのバルブに作動し、回転可能な制御面上で支持される可変弁装置を提供する。バルブストロークは最大値からゼロまで連続的に変化することができ、一方、バルブクリアランスは不変の状態に保たれる。一つの場合においてこのシステムは、カムローブ、制御軸（７）およびバルブアクチュエータ（５）の間に閉じ込められたローラー（６）であるのみである。

Description

本発明は、特に内燃機関のための可変弁装置であって、回転可能な制御面上で支持される自由カムフォロワーによってカム軸の制御カムがバルブに作動してバルブストロークの調整を行う可変弁装置を提供する。このバルブストロークは最大値からゼロまで連続的に変化することができ、一方、バルブクリアランスは不変の状態に保たれる。
最も近い先行技術は、特許出願PCT/GR02100035である。可変弁作動システムが実際に提供するものは、不変に最適化された吸排気であって、よって、全ての回転域およびあらゆる負荷において最適化された燃焼である。更に、低い回転数および高い回転数にてエンジンの効率的な回転域を提供し、より高い回転域の重要性をアップグレードする。
この提案された可変弁装置は、より少なくかつ簡素な部品から成る。これは、一つには速く動く部品が軽量かつ強固であるためと、更に一つには協働する部材間の摺動が回転に変化し、摩擦（フリクション）および磨耗を最小限に抑えるため、より高い回転域においての信頼性を高める。
現在の技術的に最高水準のエンジンの変更態様は、簡素化したものになっている（油圧制御装置による２つの動作モード(米国特許第6,470, 841号)を提供し、図１５に示されるように、大量生産のエンジンの中で動力集中度の世界記録を保持する）。そこにおいては、技術的に最高水準のエンジンの多くの部品は省かれ、残りの部品は、より簡素かつ強固になってきており、更に、その制御を純粋に機械的に行うことができるからである。制御軸（コントロールシャフト）の回転は、実際には容易であることが分かっており、助力を必要としない。アクセルペダルから直接来ている「スロットル」ケーブルで十分である。最高の状態に改良し、かつ同時にそれを単純化することは、大変聞こえがよい。
これは、その無限の動作モードにもかかわらず、単一モードのものとさえ比較しても、より信頼性が高い動弁機構（valve train system）である。エンジンが中回転域から低回転域もしくは部分荷重で動作する場合（ほとんどの場合はこれに当てはまり、ほんの僅かに圧縮されたバルブスプリングのために短いバルブストロークおよび弱い復元力を意味する）、その荷重、磨耗およびこの弁機構への摩擦は、従来よりも単に少なくなるのみならず、何倍も少なくなるのである（揺動エネルギーは、復元力とバルブストロークの両方ともに対して直線的に比例している）。
提案された機構は、ワイヤによる駆動無しで、かつ、可変バルブタイミング、サーボモータ、特別な中央制御装置等の付加的な支持機構無しで機能することができる。
提案された機構は、制御が容易かつ安価である。制御軸の回転は、スライダに沿う制御部材の摺動と比較した場合、より単純かつより精密な運動であって、いくつかの先行技術特許で用いられている。
摺動する制御軸の場合には、米国特許第５，３７３，８１８号に記載されているように、バルブリフトとバルブが開いた状態である作動時間とは、共に必然的に変化する（小さなリフトは、短い作動時間のみと組み合わされることができ、一方、長い作動時間は、大きなバルブリフトのみと組み合わされることができる）。重い荷重での低回転域で、エンジンは、小さなリフトおよび長い作動時間を必要とし、それらが「はさみ（scissor）」動作に基づいているため、そうした機構においては不可能である（短いリフトにおけるバルブは、カムローブの先端のみによって開く）。本出願において、バルブリフトがたとえどの程度であっても、バルブ作動時間は実質的に一定であることができる。
図１および図２は、可変リフト用の機構の一般形態を示している。カムフォロワー（カム従動節）(６)は、カム軸(１)の制御カム(２)によって移動される。制御面を押し付けるかまたは制御面に支持されるカムフォロワ（６）は、バルブアクチュエータ(５)およびバルブ(４)を移動させる。バルブアクチュエータ(５)とカムフォロワ(６)との接触は、バルブアクチュエータ(５)上の接触面(８)に沿って起こる。
バルブリフト（弁揚程）を変化させるために、制御面(７)は、一般に、ケーシングに対して相対的に回転可能である。この制御面がケーシングの恒常的な軸（９）を中心に回転可能である場合において、バルブクリアランスを全てのバルブリフトの範囲で一定もしくは許容できる程に小さく保つために、この制御面(７)の回転軸（９）は、休止位置（rest position)（カムフォロワ(６)が制御カム(２)の基礎円(３)と制御面との両方に接触する時）においてカムフォロワ(６)の軸と実質的に一致しなければならない。カムフォロワ(６)の軸が休止位置において制御面(７)の回転軸（９）と一致する場合、制御面(７)のプロファイルに関わらず、クリアランスは一定のままである。
カムフォロワ(６)の軸が休止位置において軸(９)に対して離間（offset：オフセット）している場合、バルブクリアランスは、制御面(７)の特定のプロフィールの形態においてのみ、一定のままであることができる。より詳細には、制御面(７)が円筒状の初期部分を有しており、その回転軸(９)が円筒面の軸に一致する場合、カムフォロワーが制御面(７)のこの円筒状の初期部分において作動する限り、バルブクリアランスは一定のままであることができる。制御面(７)の円筒状の初期部分を過ぎると、別の部分（これに沿ってカムフォロワーがバルブアクチュエータを移動させ、バルブを開く）へと続くことができる。
図３は、こうしたシステムを示している。カムフォロワーが全てのカム軸角度において制御面(７)の円筒状の初期部分だけに沿って移動するため、第１列において、バルブ・ストローク（弁行程）はゼロである。第２列において、カムフォロワーは移動するが、バルブは最初は閉じたままであって、後になってのみ、カムフォロワ(６)は中リフトのためにバルブを移動し始める。第３列において、制御面はその軸（＋の位置）を中心に回転し、カムフォロワーは、多くの角度および長ストロークのためにバルブを開く。このようなシステムは、可変バルブリフト、可変作動時間、可変タイミングおよび一定のバルブクリアランスを提供する。これは米国特許第５，３７３，８１８号に記載されているシステム同様に作動し、これは単に簡素なものとなっている。
制御面(７)は、中間部材、スライダ、協働する部材間の遊び、それら全てを配置するスペースならびにそれらの余分な質量およびコストを回避するために、回転可能なシャフト（カム軸に対して平行である）に装着することができる。こうしたシステムにおいては、関係するサブシステムを調整するための中央制御装置と同様に、付加的な可変バルブタイミングシステムが必要である。図４は、バルブアクチュエータ（５）に回転可能に取り付けられたローラーを有する図３の機構を右に示しており、そこにおいて、接触面（８）は、このローラーの周囲であることを示す。
図６および図７は、バルブに適用されるシステムを示している。制御面(７)は、＋の位置での軸を中心に回転可能である。２つの曲面(７)および(８)が「平行」である場合（カムフォロワーが面（８）を移動させること無しに（７）と（８）との間のスペースで動くことができることを意味する）、このリフト（揚程）は、ゼロである。面(７)が回転するにつれて、右に示されるように、制御カムによるカムフォロワーの移動によって、面(８)およびバルブアクチュエータ(５)が移動され、バルブを開く。制御面(７)を更に回転させることによって、結果として生じるバルブリフトは増加する。
ゼロ・バルブストロークまたは小さいバルブストロークが望ましい場合、制御面(７)をバルブアクチュエータの面（８）から得る方法があり、更にその逆もある（図５に示される）。図５において、接触面(８)は、ランダムに選択される。カムフォロワーは、面(８)と接触してこの面(８)に沿って動き、右に示すように対応する面(７)を得る。図１６に示されるように、円筒状の代わりに球状のカムフォロワーを使用して、ボールベアリングの溝に類似する、「適正な溝」を有する制御面／接触面の組が作られる。
一定の作動時間、バルブ開閉の一定のタイミングおよびバルブリフトの全範囲に沿って一定のクリアランスで、ゼロから始まる連続的に可変するバルブストロークを提供するために適切な制御面（７）／接触面（８）の無限の組みが存在することは明らかである。
図８は、制御面(７)および接触面(３)の両方が平面（すなわち最も単純であることができるプロフィール）である場合のシステムを示している。
制御面(７)がバケット・リフターの平らな上面(８)に平行となる時に、このリフトはゼロになる。制御面(７)が軸(９)およびカム軸によって規定される平面に対して垂直に近づくにつれて、バルブリフトは増加する。そのクリアランスは一定である。バルブが開いている作動時間は一定である。バルブ開閉のタイミングは一定である。図１７は、バルブの移動（垂直軸）対、クランク軸回転角（水平軸）を示している。左の曲線の組は、排気バルブのものであって、右の曲線の組は、吸気バルブのものである。この曲線は、６５度、３３度、１８度、８度、３度および１度の制御面回転を示す。バルブは、実質的に一定のクランク軸角度で開閉する。角度のオーバーラップ（重なり）が不変のままであるにもかかわらず、実際のオーバーラップは最大バルブリフトと共に急進的に変化する。作動ガスの観点から、実際のオーバーラップは、どのくらいの時間吸入および排気の両方が開いたままでいるかと、排気および吸入がこの間にどれくらい容易に連通するかとによる。
一定の作動時間およびタイミングが、基底変数としての制御面(７)の回転を伴って、エンジンの制御を容易にする。この制御面(７)は、通常のバルブスプリングの動作によって、このスプリングが開放される時に「アイドリング」位置に戻る。最も簡素な場合において、加速ペダルは、単なる紐(string)によって、制御面(７)を回転させることができ、バルブリフトを増加し、よってより多くの混合がシリンダに入ることができる（従来の火花点火機関のスロットルバルブの回転での制御に類似している）。
摩擦を最小にするために、カムローブ（２）、制御面（７）および接触面（８）上で転がるかまたは摺動するローラーカムフォロワーの代わりに、組み合わされたローラーカムフォロワーを図９に示されるように用いることができる。中央ピンは、制御軸に機械加工される平面上で転がり、中間リングは、制御カム上で転がり、２つのサイドリングは、バケット・リフターの上面上で転がる。
図１０は、一対のバルブを作動している一般的なカムフォロワーの場合を示す。制御面は平面であって、カムフォロワーの内部ピンが制御軸に装着された平らな制御面上で転がり、中間リングは制御カム上で転がり、平らな上部バルブアクチュエータ上で転がるサイドリングのそれぞれは、一つのバルブを作動させる。 左側は、短いバルブストロークのためであって、右側は、長いバルブストロークのためである。中央において、異なる視点からの制御軸と、分解されたカムフォロワーとが示されている。
単純かつ軽量の構造に加え、このシステムは、短く、部品をほとんど含まない。ローラーは市場で容易に見つけることができ、制御軸は、平面制御面を伴うことでより容易に作ることができる。
図１１および図１５は、上記記載のシステムの、円筒状制御面(７)を備える別の実施例を示している。図１１において、カムフォロワ(６)は、制御カム上、制御面（７）上およびローラーの周囲である接触面（８）上で転がるかまたは摺動する。図１５に示すように、摩擦を小さくするために、ローラ（６）は、円筒状制御面(７)上で転がる内部ピンを有しており、一方、中間リングは、制御カム上で転がり、２つのサイドリングは、ロッカーアームのローラー(８)上で転がる。
先の分析において、カムフォロワーは、実質的に自由である。これは、ロッカーアームまたはレバーが適所にそれを保持する必要がないことを意味する。カムフォロワーは、制御カム、制御面および接触面の間に閉じ込められる。カムフォロワーは、制御軸と、接触面と、カム軸との適切な横断面の形態によって軸方向に適当に保たれる。
制御面(７)または接触面(８)が、軸からカムフォロワーを一定の距離に保つための円筒状の形態（それらが軸からカムフォロワーを一定の距離に保つことを実際に意味する）である場合、この円筒面を、図１２に示すように軸を中心に旋回する適当なレバーによって置換することができる。
制御面(７)または接触面(８)が一定の曲率である場合、図１３および図１４に示すように、カムフォロワーは部分的にのみ円筒状または球状であることができる。
図１５は、一対のバルブを駆動するロッカーアーム・バルブアクチュエータの場合における、図１１の機構の用途を示す。カムフォロワーの内部ピンは、制御軸上に機械加工された円筒面上で転がり、一方、カムフォロワーの外部リングは、制御カム上で転がると共に、摩擦を少なくするためにロッカーアームに回転可能に取り付けられたローラー上でも転がる。
ゼロバルブリフト（いくつかのバルブまたはシリンダを停止させるために使用される）と、短いバルブストロークとにおいて、カムフォロワーを制御カムに接触する状態に保つためにスプリング機構が加えられる。
カムフォロワーを確実に適所に置くために（特に最端の位置で）、制御面もしくは接触面またはケーシングは、ストッパーとして作用するように適切に変更することができる。
固定した制御軸の場合、すなわち制御軸がスラストウオール（thrust wall）に交換される場合において、ユニークな動作モードにもかかわらず、動弁機構は実際に改善される。図８の右側の制御軸を動かないように保つ場合、バケット・リフター・バルブアクチュエータを側部、重量および強度において最小化することができる。それは、カムローブに接触することが無いためと、スラスト荷重がその前になされるためである。
図１８および図１９に示されるサイドカム軸の配置において、カムローブは、バケット・リフターおよびプッシュロッドを移動させる。このプッシュロッドは、次に第１のロッカーアームを移動させる。第１のロッカーアームは、自由ローラーを移動させ、この自動ローラーは、今度は第２のロッカーアームを移動させ、この第２のロッカーアームは、最後にバルブを移動させる。制御軸の回転角に従い、バルブのストロークは連続的に変化するが、バルブクリアランスは一定のままである。
この機構は、先に記載した機構と同じように作動するが、カムローブが自由ローラーを直接ではなく、リンク機構やレバーなどを介して間接的に移動させる点が異なる。
図２０および図２１に示されるサイドカム軸の配置と比較して、以下で説明するように、図１８および図１９の配置が好ましい。
これはまず最初に完全なもしくは「全振幅」のカムローブ動作を第1のロッカーアームの幅の広い揺動としてシリンダヘッド上（すなわちバルブに近い）に伝え、その後にのみ、自由ローラーを備える機構は、制御軸の角位置に従い、カムローブ動作を長いかより短いバルブストロークに変更する。これに反して、図２０および図２１の配置は、カムローブによって直接作動する自由ローラーを備えており、精度が必要とされる短いリフトにおいてそれほど精密になることができない。その理由は、中間ジョイントおよびシレンダヘッドにカムローブ動作を伝達するために関係する部材の弾力は、短いリフト（例えば０．２〜０．３mmのリフト）をバルブへ正確に伝達することができないためである。
それは、接近性およびスペースの不足の問題でもある。サイドカムエンジンをアップグレードする場合（たとえばＶ８）、図１８および図１９を参照すると、全ての変更態様は、容易に接近できて新しい部品を取り付けるための広いスペースがあると共にロッカーアームおよび制御軸のためのいくつかの支持手段があるシレンダヘッドのみに関する。これに反して、図２０および図２１によるサイドカムエンジンのアップグレードは、ブロックの大幅な変更を必要とし、一方、スペースおよびカム軸域の接近性は、好ましいものでない。
図２２〜２４に示すように、この機構は、オーバーヘッド・カム軸の構成にもおいても適用することができ、設計者により大きな自由度を与える（例えば吸排気のための一般的なオーバーヘッド・カム軸の使用）。
最も近い先行技術において提案される全ての構成は、同様に変更することが可能である。本発明において、カムフォロワーとして最も近い先行技術において示される部材は、最も近い先行技術の旋回可能に連結されたレバーを備えた型である図２５に示されるように、カムローブによって直接は移動されず、レバーまたはリンク機構を介して間接的に移動される。
このシステムは、あらゆるポペットバルブエンジンに適用できる。
本発明が詳細に図と共に説明されてきたが、これは図示および例示のためであって、限定するものでないということは明確に理解されよう。本発明の精神および範囲は、添付の請求の範囲の用語によって、限定されるべきである。
図１は、基本的な概念を示している。 図２は、基本的な概念を示している。 図３は、基本的な概念を示している。 図４は、基本的な概念を示している。 図５は、基本的な概念を示している。 図６は、基本的な概念を示している。 図７は、基本的な概念を示している。 図８は、平坦なバケット・リフター(bucket lifter)および平坦な制御面（control surface）の場合が示される。 図９は、平坦なバケット・リフター(bucket lifter)および平坦な制御面（control surface）の場合が示される。 図１０は、平坦なバケット・リフター(bucket lifter)および平坦な制御面（control surface）の場合が示される。 図１１は、円筒状の制御面の場合を示している。 図１２は、レバー（旋回可能にバルブアクチュエータに連結される）が、ローラーを保持している場合を示している。 図１３は、部分的に円筒状のローラーの場合を示している。 図１４は、部分的に円筒状のローラーの場合を示している。 図１５は、ロッカーアームの場合の用途を示している。 図１６は、球状ローラーの場合を示している。 図１７は、バルブストロークに対するクランク角度の図表（プロット）を示している。 図１８は、カムローブ（カムの突出部）によるローラーの間接的な駆動を示している。 図１９は、カムローブ（カムの突出部）によるローラーの間接的な駆動を示している。 図２０は、カムローブ（カムの突出部）によるローラーの間接的な駆動を示している。 図２１は、カムローブ（カムの突出部）によるローラーの間接的な駆動を示している。 図２２は、カムローブ（カムの突出部）によるローラーの間接的な駆動を示している。 図２３は、カムローブ（カムの突出部）によるローラーの間接的な駆動を示している。 図２４は、カムローブ（カムの突出部）によるローラーの間接的な駆動を示している。 図２５は、最も近い先行技術の機構に基づいて、サイドカムの場合の用途を示している。

Claims (11)

  1. ケーシングと、
    カム軸(１)に装着されておりこれと共に回転するカム(２)と、
    バルブ(４)と、
    前記バルブ(４)を移動させるためのバルブアクチュエータ(５)と、
    前記ケーシングの軸(９)を中心に角度的に移動可能な制御面(７)と、
    ローラー(６)と、
    を備えており、
    前記ローラー(６)は、前記カム（２）、前記制御面（７）および前記バルブアクチュエータ（５）の間にて、これら３つに実質的に当接して配置されており、
    前記ローラー(６)は、前記カム(２)のカム作用の下に、前記制御面(７)に沿って移動され、
    前記バルブアクチュエータ(５)は、前記ローラー(６)によって移動され、
    前記バルブ(４)は、前記制御面(７)の角変位に従い可変であるストロークで前記バルブアクチュエータ(５)によって移動されることを特徴とする可変弁装置。
  2. 前記ローラーは、前記カム、前記制御面および前記弁アクチュエータの間に閉じ込められた実質的に自由なローラーであることを特徴とする請求項１に記載の可変弁装置。
  3. 前記ローラーは、部分的にのみ円筒状であるかまたは回転立体の一部分であることを特徴とする請求項１に記載の可変弁装置。
  4. 前記可変弁装置は、バルブの可変作動時間を伴って作動し、
    前記制御面(７)が、作動部へと続く空動きの初期部分を備えており、
    前記空動きの初期部分は、実質的に回転面であって、この部分の軸は、前記制御面(７)が回りを角度的に移動可能である前記軸（９）に一致しており、
    前記制御面（７）が回りを角度的に移動可能である前記軸（９）と、前記ローラー（６）の軸とが前記バルブ（４）が閉じておりこのローラー（６）が前記カム（２）の基礎円域に接触する時に、互いに実質的に離間されていることを特徴とする請求項１に記載の可変弁装置。
  5. 前記制御面（７）が回りを角度的に移動可能である前記軸（９）は、前記バルブ（４）が閉じており、前記ローラー（６）が前記カム（２）の基礎円域に接触する時に、このローラー（６）の軸に実質的に一致することを特徴とする請求項１に記載の可変弁装置。
  6. 前記制御面（７）と、前記バルブアクチュエータ上の面（８）は、平らまたは円筒状であって、前記面（８）に沿って前記ローラー（６）が前記バルブアクチュエータ（５）に接触することを特徴とする請求項１に記載の可変弁装置。
  7. ケーシングと、
    回転のためにカム軸上に装着されたカムと、
    バルブと、
    前記バルブを移動させるためのバルブアクチュエータと、
    前記ケーシングの軸を中心に角度的に移動可能である制御面と、
    ローラーと、
    レバーと、
    を少なくとも有しており、
    前記ローラーは、前記レバーの一端に装着されており、
    このレバーは、その他端においてスイベルジョイントで前記バルブアクチュエータに旋回可能に連結されており、このスイベルジョイントは、前記バルブアクチュエータ上で実質的に非可動であるスイベルジョイントであって、
    前記ローラーは、前記カムと前記制御面との間でこれら双方に実質的に同時に当接して配置されており、
    前記ローラーは、前記カムのカム作用の下に前記制御面に沿って移動され、
    前記バルブアクチュエータは、前記レバーを介して前記ローラーによって移動され、
    前記バルブは、前記制御面の前記角変位に従い可変であるストロークで、前記バルブアクチュエータによって移動されることを特徴とする可変弁装置。
  8. ケーシングと、
    カム軸(１)に装着されておりこれと共に回転するカム(２)と、
    バルブ(４)と、
    前記バルブ(４)を移動させるためのバルブアクチュエータ(５)と、
    前記ケーシングの軸(９)を中心に角度的に移動可能な制御面(７)と、
    表面（３７）を有するロッカー（３５）と、
    ローラー(６)と、
    を少なくとも有しており、
    前記ロッカーは（３５）は、前記ケーシング上に枢支されており、揺動するように回転するために前記カム（２）によって駆動され、
    前記ローラー(６)は、前記面（３７）、前記制御面（７）および前記バルブアクチュエータ（５）の間にて、これら３つに実質的に当接して配置されており、
    前記ロッカー（３５）の前記表面（３７）は、前記カム(２)のカム作用の下に、前記制御面(７)に沿って前記ローラー(６)を移動させ、
    前記バルブアクチュエータ(５)は、前記ローラー(６)によって移動され、
    前記バルブ(４)は、前記制御面(７)の角変位に従い可変であるストロークで前記バルブアクチュエータ(５)によって移動されることを特徴とする可変弁装置。
  9. 前記ロッカー（３５）は、プッシュロッド（３４）の第１端部に接続されており、このプッシュロッド（３４）は、前記カム(２)を係合する第２端部を有することを特徴とする請求項８に記載の可変弁装置。
  10. カム軸(１)に装着されておりこれと共に回転するカム(２)と、
    カムフォロワー（３３）と、
    バルブ(４)と、
    前記バルブ(４)を移動させるためのバルブ移動装置(５)と、
    前記バルブ移動装置（５）上で実質的に非可動であるスイベルジョイントで前記バルブ移動装置（５）に旋回可能に連結されているバルブレバー（６１）と、
    軸(９)を中心に回転可能であると共に、スイベルジョイント(１１)で前記バルブレバー（６１）に旋回可能に連結されている制御レバー（８）と、
    経路に沿って前記軸(９)を移動させるための調整装置と、
    前記バルブ(４)のストロークは、前記経路に沿う前記軸(９)の移動に従って可変であって、
    前記バルブレバー（６１）および前記制御レバー(８)との間の前記スイベルジョイントは、「制御カムからロッカーアームへ、ロッカーアームからスイベルジョイントへ」もしくは「制御カムからプッシュロッドへ、プッシュロッドからロッカーへ、ロッカーからスイベルジョイントへ」といったリンク機構ならびに公知技術を介して間接的に前記カムによって移動されることを特徴とする可変弁装置。
  11. 前記ローラーは、摩擦を減少させるためにこのローラーが当接する部材上での摺動を制限するためにピンとリングを有することを特徴とする請求項１に記載の可変弁装置。
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