JP2008019876A - Valve gear for internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、内燃機関の動弁装置に関する。 The present invention relates to a valve gear for an internal combustion engine.
一般の内燃機関の吸気弁及び排気弁は、内燃機関のクランク軸から取り出された動力によって開閉駆動されている。近年では電動機によって吸気弁や排気弁を開閉駆動することが試みられている。例えば、カム軸をステッピングモータで回転駆動して吸気弁を開閉させる動弁装置が提案されている(特許文献1)。その他に、本発明に関する先行技術文献として特許文献2が存在する。
カム機構を電動機で駆動して吸気弁や排気弁を開閉する場合、各弁に設けられたバルブスプリングの反発力によってカム機構に付加されるトルク(以下、バルブスプリングトルクと呼ぶ。)に抗する駆動力を電動機から出力する必要がある。このため、バルブスプリングトルクが大きくなると、消費電力の増加や電動機定格の増大を招く。 When the cam mechanism is driven by an electric motor to open and close the intake valve and the exhaust valve, the torque applied to the cam mechanism by the repulsive force of the valve spring provided in each valve (hereinafter referred to as valve spring torque) is resisted. It is necessary to output the driving force from the electric motor. For this reason, when the valve spring torque increases, the power consumption increases and the motor rating increases.
そこで、本発明は、カム機構を駆動するための電動機に要求される定格出力やその消費電力を抑えることが可能な内燃機関の動弁装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a valve operating device for an internal combustion engine that can suppress a rated output required for an electric motor for driving a cam mechanism and its power consumption.
本発明の内燃機関の動弁装置は、電動機の回転運動を、カム軸に一体回転可能に設けられた複数のカムを有するカム機構により直線運動に変換して、シリンダ開閉用の弁手段をバルブスプリングに抗して駆動する内燃機関の動弁装置において、前記弁手段を駆動する際に前記バルブスプリングから前記カム機構へ付加されるトルクを低減するように作用する反トルクを前記カム機構に付加するトルク低減機構を備え、前記トルク低減機構は、前記複数のカムの間に配置されていることにより、上述した課題を解決する(請求項1)。 The valve operating apparatus for an internal combustion engine according to the present invention converts a rotary motion of an electric motor into a linear motion by a cam mechanism having a plurality of cams provided so as to rotate integrally with a camshaft, and provides a valve means for opening and closing a cylinder as a valve. In a valve operating apparatus for an internal combustion engine that is driven against a spring, an anti-torque acting to reduce the torque applied from the valve spring to the cam mechanism when the valve means is driven is added to the cam mechanism. And the torque reduction mechanism is disposed between the plurality of cams to solve the above-described problem.
本発明の動弁装置においては、カム機構がバルブスプリングの反力に抗して弁手段を開閉する際に、弁の開閉運動に同期して周期的に変動するトルクがカム機構に付加される。このトルクを相殺する反トルクをトルク低減機構がカム機構に付加することにより、電動機に負荷として作用するトルクを減少させ、かつその変動も抑えることができる。また、トルク低減機構が複数のカムの間に配置されているので、トルク低減機構がそのように配置されていない場合と比較してトルク低減機構とカムとの間でカム軸が負担するトルクを減少させてカム軸の軸径を小さくできる。カム軸の軸径が小さくなればカム軸の慣性モーメントも減少し電動機の応答性が改善される。 In the valve operating apparatus of the present invention, when the cam mechanism opens and closes the valve means against the reaction force of the valve spring, torque that periodically varies in synchronization with the opening and closing movement of the valve is added to the cam mechanism. . When the torque reduction mechanism adds a counter torque that cancels this torque to the cam mechanism, the torque acting as a load on the electric motor can be reduced, and fluctuations thereof can also be suppressed. Further, since the torque reduction mechanism is arranged between the plurality of cams, the torque that the camshaft bears between the torque reduction mechanism and the cam as compared with the case where the torque reduction mechanism is not arranged as such. The shaft diameter of the camshaft can be reduced by reducing the diameter. If the shaft diameter of the cam shaft is reduced, the moment of inertia of the cam shaft is also reduced, and the response of the motor is improved.
本発明の動弁装置において、前記トルク低減機構は、前記カム機構のカムの回転速度に対して1/N(但し、Nは整数)倍の回転速度で連動して回転し、表面にカム面が形成された反位相カムと、前記カム面に接触するカム押え部材と、前記カム押え部材を前記反位相カムのカム面に向かって付勢する付勢部材とを具備し、前記反位相カムのカム面の輪郭は、前記バルブスプリングの反力によって前記カム機構に付加されるバルブスプリングトルクを相殺する反トルクが前記付勢部材から前記反位相カムに付加されるように設定されてもよい。このような構成によれば、反位相カムを設けてその表面のカム面に押え部材を接触させて付勢部材で押し付けるという簡素な構成により、バルブスプリングトルクを相殺する反トルクを付加することができる。 In the valve gear according to the present invention, the torque reduction mechanism rotates in conjunction with a rotational speed that is 1 / N (where N is an integer) times the rotational speed of the cam of the cam mechanism, and the cam surface is on the surface. An anti-phase cam formed on the cam surface, a cam pressing member that contacts the cam surface, and a biasing member that biases the cam pressing member toward the cam surface of the anti-phase cam. The cam surface contour may be set such that a counter torque that cancels a valve spring torque applied to the cam mechanism by a reaction force of the valve spring is applied from the biasing member to the anti-phase cam. . According to such a configuration, an anti-torque that cancels the valve spring torque can be applied by a simple configuration in which an anti-phase cam is provided and the pressing member is brought into contact with the cam surface of the cam and pressed by the urging member. it can.
また、前記トルク低減機構は、前記カム機構のカムの回転速度に対して1/N(但し、Nは整数)倍の回転速度で連動して回転し、外周にカム面が形成された反位相カムと、前記カム面に接触するカム押え部材と、前記カム押え部材を前記反位相カムのカム面に向かって付勢する付勢部材とを具備し、前記反位相カムの前記カム面の輪郭は、前記バルブスプリングの反力によって前記カム機構に付加されるバルブスプリングトルクと前記弁手段の運動に伴って前記カム機構に付加される慣性トルクとを合成した合成トルクを相殺する反トルクが前記付勢部材から前記反位相カムに付加されるように設定されてもよい。この場合には、慣性トルクも考慮して反トルクが設定されるので、電動機に負荷として作用するトルクの変動をより小さく抑えることができる。これにより、特に慣性トルクが大きくなる内燃機関の高回転時に弁手段の制御精度を向上させ、内燃機関の吸気又は排気特性を目標とする特性に精度よく制御することができる。低回転時においても吸気弁又は排気弁の動作特性をより開く方向に変化させることができ、それにより低回転時における吸気効率や排気効率を十分に向上させることができる。 The torque reduction mechanism rotates in conjunction with a rotational speed that is 1 / N (where N is an integer) times the rotational speed of the cam of the cam mechanism, and has an antiphase in which a cam surface is formed on the outer periphery. A cam, a cam pressing member that contacts the cam surface, and a biasing member that biases the cam pressing member toward the cam surface of the anti-phase cam, the contour of the cam surface of the anti-phase cam The counter torque that counteracts the combined torque obtained by combining the valve spring torque applied to the cam mechanism by the reaction force of the valve spring and the inertia torque added to the cam mechanism as the valve means moves is the The biasing member may be set to be added to the antiphase cam. In this case, since the counter torque is set in consideration of the inertia torque, the fluctuation of the torque acting as a load on the electric motor can be further suppressed. As a result, the control accuracy of the valve means can be improved especially at the time of high rotation of the internal combustion engine where the inertia torque becomes large, and the intake or exhaust characteristic of the internal combustion engine can be accurately controlled to the target characteristic. Even when the engine speed is low, the operating characteristics of the intake valve or the exhaust valve can be changed in a more open direction, and thereby the intake efficiency and exhaust efficiency can be sufficiently improved at the time of low speed.
本発明の動弁装置において、トルク低減機構の反位相カムに設けられるべきカム面は、本発明によって付加される反トルクの変化特性によって特徴付けることができる。すなわち、本発明の動弁装置においては、前記カム機構が前記弁手段に対して最大リフト量を与えるときの前記カム機構のカムの周方向の位置を境として、前記カム機構のカムが前記バルブスプリングの反力により回転方向と逆方向に押し戻される側に位置している間は前記付勢部材から付加される反トルクが前記反位相カムを前記回転方向に押し出す方向に作用し、前記カム機構のカムが前記バルブスプリングの反力により回転方向に押し出される側に位置している間は前記反トルクが前記反位相カムを前記回転方向と逆方向に押し戻す方向に作用するように、前記反位相カムのカム面の輪郭が設定されてもよい。 In the valve gear of the present invention, the cam surface to be provided on the anti-phase cam of the torque reduction mechanism can be characterized by the anti-torque change characteristic added by the present invention. That is, in the valve operating apparatus according to the present invention, the cam of the cam mechanism is positioned on the valve in the circumferential direction of the cam of the cam mechanism when the cam mechanism gives a maximum lift amount to the valve means. While located on the side pushed back in the direction opposite to the rotation direction by the reaction force of the spring, the counter torque applied from the biasing member acts in the direction to push out the anti-phase cam in the rotation direction, and the cam mechanism While the cam is positioned on the side pushed in the rotational direction by the reaction force of the valve spring, the anti-phase is applied so that the anti-torque acts in a direction to push the anti-phase cam back in the direction opposite to the rotational direction. The contour of the cam surface of the cam may be set.
また、特に慣性トルクが考慮される場合においては、前記カム機構が前記弁手段に対して最大リフト量を与えるときの前記カム機構のカムの周方向の位置を境として、前記カム機構のカムが前記バルブスプリングの反力により回転方向と逆方向に押し戻される側に位置している間は前記付勢部材から付加される反トルクが前記反位相カムを前記回転方向に押し出す方向に作用し、前記カム機構のカムが前記バルブスプリングの反力により回転方向に押し出される側に位置している間は前記反トルクが前記反位相カムを前記回転方向と逆方向に押し戻す方向に作用するとともに、前記カム機構が前記弁手段に対して最大リフト速度を与える位置を境として、前記リフト速度が増加する範囲に前記カム機構のカムが位置している間は前記バルブスプリングトルクのみを相殺するために必要な反トルクよりも相対的に大きな反トルクが前記反位相カムに作用し、前記リフト速度が減少する範囲に前記カム機構のカムが位置している間は前記バルブスプリングトルクのみを相殺するために必要な反トルクよりも相対的に小さな反トルクが前記反位相カムに作用するように、前記反位相カムのカム面の輪郭が設定されてもよい。 In particular, when the inertia torque is taken into consideration, the cam of the cam mechanism is delimited by the circumferential position of the cam of the cam mechanism when the cam mechanism gives the maximum lift amount to the valve means. While positioned on the side pushed back in the direction opposite to the rotation direction by the reaction force of the valve spring, the counter-torque applied from the biasing member acts in a direction to push the anti-phase cam in the rotation direction, While the cam of the cam mechanism is positioned on the side pushed in the rotation direction by the reaction force of the valve spring, the counter torque acts in a direction to push the anti-phase cam back in the direction opposite to the rotation direction, and the cam While the cam of the cam mechanism is positioned within a range in which the lift speed increases from the position where the mechanism gives the maximum lift speed to the valve means, the valve While the counter torque relatively larger than the counter torque necessary for canceling only the ring torque acts on the anti-phase cam, the cam mechanism cam is positioned in a range where the lift speed decreases. The cam surface contour of the anti-phase cam may be set so that a counter-torque that is relatively smaller than the counter-torque required to cancel only the valve spring torque acts on the anti-phase cam.
本発明の動弁装置において、前記トルク低減機構は、前記カム機構のカムの回転速度に対して1/N倍(但し、Nは整数)の回転速度で連動して回転し、表面にカム面が形成された反位相カムと、前記カム面に接触するカム押え部材と、前記カム押え部材を前記反位相カムのカム面に向かって付勢する付勢部材とを具備し、かつ前記付勢部材の圧縮反力が前記バルブスプリングの圧縮反力と前記弁手段の本数との積に等しくなるように設定されてもよい。トルク低減機構の付勢部材の圧縮反力をこのように設定することにより、反位相カムとカムによる吸気弁又は排気弁のリフト特性とを互いに一致させることができる。これにより、カムが有している滑らかなプロファイルに基づいて反位相カムのプロファイルを設定できるので、反位相カムのプロファイルの曲率半径が極端に減少するおそれがない。 In the valve gear of the present invention, the torque reduction mechanism rotates in conjunction with a rotation speed of 1 / N times (where N is an integer) with respect to the cam rotation speed of the cam mechanism, and the cam surface is on the surface. And a biasing member that biases the cam retaining member toward the cam surface of the opposite phase cam, and the biasing member. The compression reaction force of the member may be set to be equal to the product of the compression reaction force of the valve spring and the number of the valve means. By setting the compression reaction force of the biasing member of the torque reduction mechanism in this way, the lift characteristics of the intake valve or the exhaust valve by the anti-phase cam and the cam can be matched with each other. Accordingly, since the anti-phase cam profile can be set based on the smooth profile of the cam, there is no possibility that the radius of curvature of the anti-phase cam profile is extremely reduced.
また、本発明の動弁装置において、前記トルク低減機構は、前記カム機構のカムの回転速度に対して1/N倍(但し、N≧2の整数)の回転速度で連動して回転し、表面にカム面が形成された反位相カムを具備してもよい。この場合には反位相カムの回転速度をカムの回転速度に対して減速させることができる。 Further, in the valve gear according to the present invention, the torque reduction mechanism rotates in conjunction with a rotational speed of 1 / N times (where N ≧ 2 is an integer) with respect to the rotational speed of the cam of the cam mechanism, You may comprise the antiphase cam by which the cam surface was formed in the surface. In this case, the rotational speed of the antiphase cam can be reduced with respect to the rotational speed of the cam.
本発明の上記態様において、「相殺」の概念はカム機構に作用するトルクを反トルクによって低減する場合、及びそのトルクを完全に解消することのいずれの場合も含む。 In the above aspect of the present invention, the concept of “cancellation” includes both the case where the torque acting on the cam mechanism is reduced by the counter torque and the case where the torque is completely eliminated.
本発明によれば、バルブスプリングからカム機構に作用するトルクをトルク低減機構がカム機構に付加する反トルクによって低減することができるので、電動機に負荷として作用するトルクを減少させ、かつそのトルクの変動も抑えることができる。従って、カム機構を駆動するために電動機に対して要求される出力を小さくでき、電動機の消費電力を抑え、電動機に要求される定格出力を低下させることができる。これにより、トルク低減機構が省略される場合と比較して小型の電動機を使用することが可能となる。また、トルク低減機構が複数のカムの間に配置されているので、トルク低減機構がそのように配置されていない場合と比較してトルク低減機構とカムとの間でカム軸が負担するトルクを減少させてカム軸の軸径を小さくできる。これにより、カム軸の慣性モーメントが減少して電動機の応答性が改善される。 According to the present invention, the torque acting on the cam mechanism from the valve spring can be reduced by the counter-torque applied to the cam mechanism by the torque reducing mechanism, so that the torque acting as a load on the motor is reduced and the torque is reduced. Variations can also be suppressed. Accordingly, the output required for the electric motor to drive the cam mechanism can be reduced, the power consumption of the electric motor can be suppressed, and the rated output required for the electric motor can be reduced. Thereby, it becomes possible to use a small electric motor compared with the case where a torque reduction mechanism is abbreviate | omitted. Further, since the torque reduction mechanism is arranged between the plurality of cams, the torque that the camshaft bears between the torque reduction mechanism and the cam as compared with the case where the torque reduction mechanism is not arranged as such. The shaft diameter of the camshaft can be reduced by reducing the diameter. As a result, the moment of inertia of the camshaft is reduced and the responsiveness of the motor is improved.
(第1の形態)
図1は本発明の動弁装置の一形態を示している。図1の動弁装置11A、11Bは多気筒レシプロ式の内燃機関に組み込まれる。この内燃機関において、一つのシリンダ1の2本の吸気弁(弁手段)2が一つの動弁装置11Aにて駆動され、同一シリンダ1の2本の排気弁(弁手段)3が別の動弁装置11Bにて開閉駆動される。図示を省略した他のシリンダに関しても同様に吸気弁及び排気弁が互いに異なる動弁装置11A、11Bにて開閉駆動される。吸気側の動弁装置11Aと排気側の動弁装置11Bとは基本的に同一の構成を有しており、以下では吸気側の動弁装置11Aについて説明する。
(First form)
FIG. 1 shows one embodiment of the valve gear of the present invention. 1 are incorporated in a multi-cylinder reciprocating internal combustion engine. In this internal combustion engine, two intake valves (valve means) 2 of one cylinder 1 are driven by one
吸気側の動弁装置11Aは、駆動源としての電動機(以下、モータと呼ぶ。)12と、モータ12の回転運動を伝達する伝達機構としてのギア列13と、ギア列13から伝達された回転運動を吸気弁2の直線的な開閉運動に変換するカム機構14とを備えている。モータ12には、回転速度の制御が可能なDCブラシレスモータ等が使用される。モータ12には、その回転位置を検出するためのレゾルバ、ロータリエンコーダ等の位置検出センサ(不図示)が内蔵されている。ギア列13は、モータ12の出力軸(不図示)に取り付けられたモータギア15の回転を中間ギア16を介してカム駆動ギア17に伝達する。ギア列13はモータギア15とカム駆動ギア17とが互いに等しい速度で回転するように構成されてもよいし、モータギア15に対してカム駆動ギア17を増速又は減速させるように構成されてもよい。
The intake
図2にも示したように、カム機構14は、カム駆動ギア17と同軸かつ一体回転可能に設けられたカム軸20と、カム軸20に一体回転可能に設けられた二つのカム21と、各カム21に対応してロッカーアーム軸23の回りに揺動可能に支持された一対のロッカーアーム24とを備えている。カム21はカム軸20と同軸の円弧状のベース円21bの一部を半径方向外側に向かって膨らませてノーズ21aを形成した板カムの一種として形成されている。カム21のプロファイルはその全周に亘って負の曲率が生じないように、つまり半径方向外側に向かって凸曲面を描くように設定されている。
As shown in FIG. 2, the
各カム21はロッカーアーム24の一端部24aと対向する。各吸気弁2はバルブスプリング28の圧縮反力によってロッカーアーム24側に付勢され、それにより吸気ポートのバルブシート(不図示)に吸気弁2が密着して吸気ポートが閉じられる。ロッカーアーム24の他端部24bはアジャスター29と接している。アジャスター29がロッカーアーム24の他端部24bを押し上げることにより、ロッカーアーム24はその一端部24aが吸気弁2の上端部と接触した状態に保たれる。
Each
以上のカム機構14においては、モータ12の回転運動がギア列13を介してカム軸20に伝達されると、カム軸20と一体にカム21が回転し、ノーズ21aがロッカーアーム24を乗り越える間にロッカーアーム24がロッカーアーム軸23の回りに一定範囲で揺動する。これにより、ロッカーアーム24の一端部24aが押し下げられ、吸気弁2がバルブスプリング28に抗して開閉駆動される。
In the
図1に示すように、動弁装置11Aにはトルク低減機構30が設けられている。トルク低減機構30はバルブスプリング28が吸気弁2を閉方向に押し戻す力に基づいてカム機構14に作用するトルク(バルブスプリングトルクと呼ぶ。)を低減するために設けられている。図3に詳しく示すように、トルク低減機構30は、カム軸20と一体に回転可能な反位相カム31と、その反位相カム31と対向して配置されたトルク付加装置32とを備えている。反位相カム31の外周面はカム面31aとして構成されている。トルク付加装置32は、ハウジング33と、そのハウジング33から反位相カム31に向かって突出可能な状態でハウジング33に収容された押え部材としてのリフタ34と、リフタ34とハウジング33との間に圧縮状態で装着されてリフタ34を反位相カム31のカム面31aに押し付ける付勢部材としてのスプリング35とを備えている。
As shown in FIG. 1, a
図4に実線で示すように、反位相カム31のカム面31aは、カム軸20と同軸の一定半径の円弧(これをベース円と呼ぶ。)を描いて延びる円弧部31bと、その円弧部31bよりも中心側に後退した後退部31cとを備えている。このようなカム面31aの形状(カムプロファイル)はバルブスプリングトルクに基づいて設定される。以下、カム面31aの設計について説明する。
As shown by a solid line in FIG. 4, the
バルブスプリングトルクTv(N・m)は、バルブスプリング28の圧縮反力をFs(N)、カム軸20が単位角度回転するときの吸気弁2のリフト速度をVv(m/rad)としたときに下式(1)から算出される。
〔数1〕
The valve spring torque Tv (N · m) is obtained when the compression reaction force of the
[Equation 1]
Tv=Fs×Vv …(1) Tv = Fs × Vv (1)
なお、リフト速度Vvについては内燃機関の回転速度によって異なるため、いずれかの回転速度におけるリフト速度Vvを代表して使用する必要がある。リフト速度Vvが大きいほどバルブスプリングトルクTvも増加するため、モータ12の絶対的な負荷を減らすためには内燃機関がなるべく高い速度で回転している時のリフト速度Vvを用いることが望ましく、最適には内燃機関において許容されている最高回転数のときのリフト速度Vvを用いるとよい。
Since the lift speed Vv varies depending on the rotational speed of the internal combustion engine, it is necessary to use the lift speed Vv at any rotational speed as a representative. Since the valve spring torque Tv increases as the lift speed Vv increases, it is desirable to use the lift speed Vv when the internal combustion engine is rotating at a speed as high as possible in order to reduce the absolute load of the
圧縮反力Fs及びリフト速度Vvと、カム21の位相(カム角)との間には例えば図5に示すような相関関係がある。この例において、圧縮反力Fsに関しては吸気弁2を閉位置へ押し戻す方向を正方向にとり、リフト速度Vvは吸気弁2が開く方向へ動作する方向への速度を正方向にとっている。また、バルブスプリングトルクはカム21をモータ12による回転方向と逆方向に押し戻す方向のトルクを正方向にとっている。図5に示すように、吸気弁2のリフト速度Vvはリフト(開動作)が開始される位置P1から上昇を開始し、リフト途中でピークを迎える。そして、吸気弁2の最大リフト量が得られる図5の縦軸位置P2、つまりカム21のノーズ21aの先端がカムフォロア25との接触点に達する位置にてリフト速度Vvは零に復帰し、その後は吸気弁2が閉じる途中にリフト速度Vvが負方向のピークを迎え、吸気弁2が完全に閉じる位置P3でリフト速度Vvが零に戻る。なお、リフト速度Vvの変化は2本の吸気弁2において互いに等しいものとする。
For example, there is a correlation as shown in FIG. 5 between the compression reaction force Fs and the lift speed Vv and the phase of the cam 21 (cam angle). In this example, with respect to the compression reaction force Fs, the direction in which the
一方、バルブスプリング28は吸気弁2が完全に閉じている初期状態においても幾らか圧縮されているため、その圧縮反力Fsは初期状態において正方向に一定の初期値を持っている。吸気弁2が開く位置P1からは圧縮反力Fsが初期値よりも徐々に上昇し、最大リフト位置P2にて圧縮反力Fsはピークに達する。最大リフト位置P2から吸気弁2が完全に閉じる位置P3までの間は圧縮反力Fsが初期値に向かって徐々に減少する。このようなリフト速度Vvと圧縮反力Fsとを乗算すれば図5に実線で示したようなバルブスプリングトルクTvが得られる。バルブスプリングトルクTvの波形はリフト速度Vvの波形と比較して正負のそれぞれのピークが最大リフト位置P2に偏ったような波形である。
On the other hand, since the
カム機構14に作用するバルブスプリングトルクTvを相殺するためには、トルク低減機構30から図5の破線で示したようなバルブスプリングトルクTvと逆位相で相補的な反トルクをカム軸20に付加すればよい。そのような反トルクは、カム機構14が吸気弁2に対して最大リフト量を与えるカム21の位置P2を境として、カム21がバルブスプリング28の反力により回転方向と逆方向に押し戻される側に位置している間(P1〜P2)は反位相カム31をその回転方向に押し出す方向に作用し、カム21がバルブスプリング28の反力により回転方向に押し出される側に位置している間(P2〜P3)は反位相カム31を回転方向と逆方向に押し戻す方向に作用することになる。
In order to cancel the valve spring torque Tv acting on the
トルク低減機構30が付加する反トルクは、スプリング35の圧縮反力とリフタ34のリフト速度との積によって与えられるから、まずスプリング35の圧縮反力(ばね力)を適宜に設定し、図5に示した逆位相のトルクをそのスプリング35の圧縮反力で除することにより、反位相カム31によるリフタ34のリフト速度を求めることができる。そして、求めたリフト速度を積分すればカム21の位相に対する反位相カム31のリフト量が取得でき、取得したリフト量から反位相カム31のカム面31aの形状(プロファイル)を決定することができる。図4に実線で示すカム面31aのプロファイルはこのような手順により得られたものである。
Since the reaction torque applied by the
さらに、反位相カム31をカム軸20に取り付ける際には、吸気弁2のリフト量が最大になるときにリフタ34がカム面31aの後退部31cの最も低い位置にあるように反位相カム31を周方向に位置決めすればよい。以上のように反位相カム31のプロファイル、及びカム軸20に対する周方向の取付位置を設定することにより、バルブスプリングトルクTvを相殺するトルクをトルク低減機構30からカム機構14に付加することができる。これによりモータ12に要求される出力を減少させ、モータ12の消費電力を抑え、定格出力が小さいコンパクトなモータ12を使用することが可能となる。
Further, when the
以上に説明した動弁装置11Aでは二つの吸気弁2のバルブスプリング28のそれぞれから付加されるバルブスプリングトルクを単一の反位相カム31に付加されるトルクにて打ち消すものである。従って、反位相カム31のカム面31aを設計する際には、二本のバルブスプリング28のそれぞれの圧縮反力の和を圧縮反力Fsとして使用することになる。
In the
以上では吸気弁2を駆動するための動弁装置11Aについて説明したが、排気弁3を駆動するための動弁装置11Bについても同様にしてトルク低減機構30を設けることができる。なお、一つのカム軸20に複数のカム21が設けられる場合において、カム軸20には単一の反位相カム31を設けてもよいし、カム21と同数の反位相カム31を設けてもよい。動弁装置11Bにおいて、複数のカム21に対して反位相カム31を一つだけ設ける場合には上記と同様に各バルブスプリング28の圧縮反力の和を圧縮反力Fsとしてカム面31aのプロファイルを設計すればよい。カム21と同数の反位相カム31をカム軸20上に設ける場合には、各反位相カム31のカム面31aのプロファイルを、その反位相カム31で相殺すべきバルブスプリングトルクを発生するバルブスプリング28の圧縮反力と排気弁3のリフト速度とに基づいて設計すればよい。
Although the
(第2の形態)
次に、図6〜図8を参照して本発明の第2の形態を説明する。第2の形態は、吸気弁2又は排気弁3が開閉駆動される際の往復運動部品の慣性力を考慮して反位相カム31のカムプロファイルを設計するものである。なお、動弁装置11A、11Bの機械的構成は第1の形態と同様である。
(Second form)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In the second mode, the cam profile of the
カム機構14を介して吸気弁2又は排気弁3を開閉させる場合、これらの弁2、3に伴ってロッカーアーム24やバルブスプリング28等が往復運動することにより慣性力が発生し、カム機構14にはバルブスプリングトルクに加えて慣性トルクが作用する。内燃機関の回転速度が低い場合にはバルブスプリング28の圧縮反力に基づくバルブスプリングトルクと比較して慣性トルクが十分に小さいが、特に高回転域では慣性トルクの影響が比較的大きくなり、吸気弁2や排気弁3の動弁特性に無視し得ない影響を与えることがある。そこで、この形態では慣性トルクを考慮して反位相カム31のカム面31aの形状を設計している。
When the
慣性トルクの影響を考慮した反位相カム31のカム面31aは、バルブスプリングトルクと慣性トルクとに基づいて、例えば図3に破線で示すようなプロファイルに設定される。慣性トルクTa(N・m)は、慣性力をFa(N)及びカム21のリフト速度をVv(m/rad)としたときに下式(2)から算出される。
〔数2〕
The
[Equation 2]
Ta=Fa×Vv …(2) Ta = Fa × Vv (2)
慣性力Faは、バルブ側等価質量をWe(kg)、吸気弁2又は排気弁3の加速度(バルブ加速度)をVa(m/s2)としたときに下式(3)から算出される。なお、バルブ加速度は内燃機関の回転数によって異なるため、ここでは内燃機関の最高回転数(例えば6000r.p.m.)のときの加速度を使用する。回転数が高いほど慣性トルクの影響が大きく現れるためである。
〔数3〕
The inertial force Fa is calculated from the following equation (3) when the valve-side equivalent mass is We (kg) and the acceleration (valve acceleration) of the
[Equation 3]
Fa=We×Va …(3) Fa = We × Va (3)
バルブ側等価質量Weは、カム機構14によって往復駆動される部品の合計質量であり、図1の動弁装置11Aにおいては、吸気弁2、バルブスプリング28及びロッカーアーム24等の各質量の和である。排気側の動弁装置11Bにおいても同様である。
The valve-side equivalent mass We is the total mass of the components that are driven to reciprocate by the
慣性トルクTaと、慣性力Faの影響を考慮していないバルブスプリングトルクTv(図5に示したものと同じ)とを重ね合わせることにより、図6(a)に示すような合成トルクTの波形が得られる。図6(a)において位置P1〜P3は図5と同じであり、位置Paは吸気弁2又は排気弁3に開方向の最大リフト速度が与えられる位置を、位置Pbは吸気弁2又は排気弁3に閉方向の最大リフト速度が与えられる位置をそれぞれ示している。合成トルクTは、バルブスプリングトルクTvの波形に対して、位置P1〜Pa間の領域A、及び位置P2〜Pb間の領域Cにおいて正(+)方向の慣性トルクTaを、位置Pa〜P2間の領域B、及び位置Pb〜P3間の領域Dにおいて負(−)方向の慣性トルクTbをそれぞれ重ね合わせた波形となる。
By superimposing the inertia torque Ta and the valve spring torque Tv (the same as that shown in FIG. 5) that does not consider the influence of the inertia force Fa, the waveform of the composite torque T as shown in FIG. Is obtained. 6A, the positions P1 to P3 are the same as those in FIG. 5, the position Pa is a position where the maximum lift speed in the opening direction is given to the
(2)式及び(3)式より明らかなように、慣性トルクTaの向きは、リフト速度Vvとバルブ加速度Vaとの積によって定まる。リフト速度Vv(不図示)は、図6(a)の領域A、Bの境界(図中の左側の破線)で極大値、領域B、Cの境界(図中の縦軸)でほぼ0、領域C、Dの境界(図中の右側の破線)で極小値となる一方、リフト速度Vvを微分して得られるバルブ加速度Va(不図示)は、領域A、Dで正の値、領域B、Cで負の値となる。従って、リフト速度Vvとバルブ加速度Vaとの積は、領域A、Cで正の値、領域B、Dで負の値となり、図6(a)のような合成トルクTが得られる。 As apparent from the equations (2) and (3), the direction of the inertia torque Ta is determined by the product of the lift speed Vv and the valve acceleration Va. The lift speed Vv (not shown) is a maximum value at the boundary between the areas A and B in FIG. 6A (the broken line on the left side in the figure), and is almost 0 at the boundary between the areas B and C (vertical axis in the figure). On the other hand, the valve acceleration Va (not shown) obtained by differentiating the lift speed Vv is a positive value in the regions A and D, while the region B is the minimum value at the boundary between the regions C and D (the broken line on the right side in the figure). , C takes a negative value. Accordingly, the product of the lift speed Vv and the valve acceleration Va becomes a positive value in the regions A and C, and a negative value in the regions B and D, and a combined torque T as shown in FIG. 6A is obtained.
図6(a)に示した合成トルクTを打ち消すためには、同図(b)に示した逆位相の反トルクをトルク低減機構30からカム軸20に付加すればよい。このような反トルクは、上述したバルブスプリングトルクTvのみを相殺するために必要な反トルク(図5の破線参照)と比較して次のような特徴を有している。すなわち、図6(b)の反トルクは、カム機構14が吸気弁2又は排気弁3に対して最大リフト速度を与える位置(図6(a)の位置Pa、Pb)を境として、リフト速度が増加する範囲(P1〜Pa、Pb〜P3)にカム21が位置している間はバルブスプリングトルクのみを相殺するために必要な反トルクよりも相対的に大きく、リフト速度が減少する範囲(Pa〜P2、P2〜Pb)にカム21が位置している間はバルブスプリングトルクTvのみを相殺するために必要な反トルクよりも相対的に小さくなる。
In order to cancel the combined torque T shown in FIG. 6 (a), the counter-phase counter-torque shown in FIG. 6 (b) may be applied from the
図6(b)の反トルクから反位相カム31のカム面31aのプロファイルを決定するためには、第1の形態と同様にスプリング35の圧縮反力を適宜に設定し、図6(b)に示した逆位相トルクを設定した圧縮反力で除することにより、反位相カム31によるリフタ34のリフト速度が得られる。このリフト速度を積分すればカム21の各位相に対応した反位相カム31のリフト量が取得され、反位相カム31のプロファイルを決定できる。
In order to determine the profile of the
以上のように、慣性トルクを考慮して反位相カム31のプロファイルを設計した場合、図7(a)、(b)に示すような吸気弁2又は排気弁3のリフト特性が得られる。リフト形状の横軸はクランク角、縦軸はリフト量をそれぞれ示している。図7(a)は内燃機関の高速回転域におけるリフト特性を、図7(b)は低速回転域におけるリフト特性をそれぞれ示している。また、図7(a)、(b)において、実線は合成トルクTを考慮した反位相カム31による吸気弁2又は排気弁3のリフト特性を、破線は慣性トルクを考慮しない反位相カム31による吸気弁2又は排気弁3のリフト特性をそれぞれ示している。
As described above, when the profile of the
図7(a)の破線で示したように、バルブスプリングトルクTvのみを考慮した反位相カム31では、トルク低減機構30からカム軸20に付加するトルクが不足するためにモータ12の回転が遅れてリフト量の立ち上がりが遅れる傾向にある。これに対して慣性トルクTaを考慮した反位相カム31によればリフト量の立ち上がりの遅れを解消できる(図7(a)の実線)。これにより、リフト形状と横軸とで囲まれた面積、いわゆる時間面積を大きくすることができ、吸気弁2や排気弁3を意図した通りの特性で動作させてこれらの制御精度を向上させることができる。また、図7(b)に実線で示したように、慣性トルクTaを考慮した反位相カム31によれば、低速回転域においてもモータトルクを付加することにより時間面積を大きくでき、吸気弁2又は排気弁3から十分に吸気又は排気することができる。
As shown by the broken line in FIG. 7A, in the
なお、内燃機関が最高回転数で運転されているときの慣性トルクに合わせて反位相カム31を設計した場合、カム角(位相)の変化に対するトルク変動が大きくなり、反位相カム31のカム面31aの曲率半径が小さくなる傾向がある。しかしながら、設計上の制約からそのような曲率半径の小さいカム面31aを形成できないことがある。この場合には、合成トルクT(図8の破線)と、バルブスプリングトルクTv(図8の一点鎖線)との中間のトルク特性(図8の実線)に基づいて反位相カム31のプロファイルを設定してもよい。これにより、反位相カム31のプロファイルの曲率半径が極端に小さくなることを回避できるので、慣性トルクTaを考慮しつつ設計上の制約を満足することができる。
When the
本発明は上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。トルク低減機構30の構成は一例であり、種々の変形が可能である。トルク低減機構30は、カム軸20と同軸上に配置される形態に限定されず、モータ12からカム軸20までの回転伝達経路のいずれかの位置にてトルクを付加できればよい。例えば、モータギア15と駆動ギア17との間に設けられた中間ギア16と同軸上に反位相カム31を設けてもよい。あるいは、モータ12からカム軸20までの回転伝達経路外に、カム軸20と噛み合って回転する軸をさらに追加し、その軸に反位相カム31を設けてもよい。但し、トルク低減機構30の反位相カム31が設けられるべき軸は、カム軸20の回転速度に対して1/N(但し、Nは整数)の回転速度で回転している必要がある。カム軸20に作用するバルブスプリングトルクや慣性トルクの周期はカム軸20の開閉運動と同一周期で変動するため、それらのトルクと同一の周期でトルク低減機構30からの反位相トルクを変化させるためには反位相カム31に対してカム軸20が整数倍の速度で回転している関係が成立する必要がある。なお、反位相カム31がカム軸20と等速で回転する場合には反位相カム31の一周をカム21の一周と対応付けてカム面31aのプロファイルを設定すればよいが、反位相カム31がカム軸20よりも遅い速度で回転する場合、つまりN≧2の場合には反位相カム31の1/N周をカム21の一周と対応付けて反位相カム31のプロファイルを決定すればよい。例えばN=3の場合、反位相カム31には図5又は図6(b)に示した反トルクに対応するプロファイルが周方向に3回繰り返し設けられることになる。
The present invention is not limited to the form described above, and may be implemented in various forms. The configuration of the
図2では一つのシリンダ1の2本の吸気弁2に対して一つのトルク低減機構30が設けられているが、トルク低減機構30を吸気弁2毎に分けて設けてもよい。排気側の動弁装置11Bのように複数の排気弁又は吸気弁を互いに異なる複数のカムにて個別に駆動する場合においても、図9に示すように二つのカム21に対して一つのトルク低減機構30を設けてもよい。このようにトルク低減機構30を複数のカム間で共用すれば、カム毎にトルク低減機構を設ける場合と比べてカム軸20の軸線方向に関する長さを短縮でき、動弁装置11A、11Bの設置スペースに対する制限を緩和できる。
In FIG. 2, one
なお、複数のカム21に対して一つのトルク低減機構30を設ける場合、図10に示すようにトルク低減機構30の反位相カム31をカム21同士の間に配置してもよい。この場合、図9の構成と比較してトルク低減機構30とカム21との間でカム軸20が負担するトルクを減少させてカム軸20の軸径を小さくできる。カム軸20の軸径が小さくなればカム軸20の慣性モーメントも減少し、モータ12の応答性が改善される。
In addition, when providing one
本発明はシリンダ1毎に動弁装置11A、11Bを設ける例に限らない。複数のシリンダ1間でカム軸20を共用し、一本のカム軸20に対して一つのトルク低減機構30を設けてもよい。但し、複数のシリンダに跨ってカム軸20を設ける場合には、シリンダ1毎にカム21の位相がずれているため、カム軸20に作用するシリンダ毎のバルブスプリングトルクや慣性トルクを合成したトルクに基づいて反位相カム31のカムプロファイルを決定する必要がある。例えば、等間隔爆発を実現した4気筒の内燃機関において全てのシリンダ1間でカム軸20を共用する場合には、図11(a)に示すように各シリンダ1に対応するトルクがクランク角で180°ずれながらカム軸20に付加されるので、これらの波形を合成した図11(b)に示す合成トルクに基づいて反位相カム31のプロファイルを設定すればよい。
The present invention is not limited to the example in which the valve gears 11A and 11B are provided for each cylinder 1. The
また、複数の吸気弁2又は排気弁3に対して一つのトルク低減機構30を設ける場合、トルク低減機構30のスプリング35の圧縮反力は、1本のバルブスプリング28の圧縮反力と吸気弁2又は排気弁3の本数との積に等しくすることが望ましい。トルク低減機構30のスプリング35の圧縮反力をこのように設定することにより、反位相カム31とカム21による吸気弁2又は排気弁3のリフト特性とを互いに一致させることができる。これにより、カム21が有している滑らかなプロファイルに基づいて反位相カム31のプロファイルを設定できるので、反位相カム31のプロファイルの曲率半径が極端に減少するおそれがない。
When one
1 シリンダ
2 吸気弁(弁手段)
3 排気弁(弁手段)
11A、11B 動弁装置
12 モータ(電動機)
13 ギア列
14 カム機構
20 カム軸
21 カム
24 ロッカーアーム
28 バルブスプリング
30 トルク低減機構
31 反位相カム
32 トルク付加装置
34 リフタ(押え部材)
35 スプリング(付勢部材)
T 合成トルク
Ta、Tb 慣性トルク
Tv バルブスプリングトルク
Vv リフト速度
1
3 Exhaust valve (valve means)
11A,
13
35 Spring (biasing member)
T Synthetic torque Ta, Tb Inertia torque Tv Valve spring torque Vv Lift speed
Claims (7)
前記弁手段を駆動する際に前記バルブスプリングから前記カム機構へ付加されるトルクを低減するように作用する反トルクを前記カム機構に付加するトルク低減機構を備え、
前記トルク低減機構は、前記複数のカムの間に配置されていることを特徴とする内燃機関の動弁装置。 The operation of the internal combustion engine that converts the rotary motion of the electric motor to linear motion by a cam mechanism having a plurality of cams provided so as to be rotatable integrally with the cam shaft, and drives the valve means for opening and closing the cylinder against the valve spring. In the valve device,
A torque reduction mechanism for adding to the cam mechanism anti-torque that acts to reduce the torque applied from the valve spring to the cam mechanism when driving the valve means;
The valve operating device for an internal combustion engine, wherein the torque reduction mechanism is disposed between the plurality of cams.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2007262572A JP2008019876A (en) | 2007-10-05 | 2007-10-05 | Valve gear for internal combustion engine |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102010009281B4 (en) * | 2009-03-09 | 2017-06-01 | GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) | Camshaft damping mechanism and mounting method |
CN111919014A (en) * | 2018-03-28 | 2020-11-10 | 五十铃自动车株式会社 | Valve gear of internal combustion engine |
-
2007
- 2007-10-05 JP JP2007262572A patent/JP2008019876A/en active Pending
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20090224 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20090630 |