JP2008075614A - 開弁特性可変型内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 動力伝達部材の支持剛性の向上やコントロールシャフトの捩れの抑制等を実現した開弁特性可変型内燃機関を提供する。
【解決手段】 ギヤリンク２３は、支持ピン３１を介してセンタカムホルダ１３の左右支持壁１６，１７に回動自在に支持されており、ドリブンギヤ部２３ａに噛み合ったドライブギヤ２２によって回転駆動される。センタカムホルダ１３における左右支持壁１６，１７の端面には、ギヤリンク２３の反時計回りへの回動を規制する上部ストッパ部１３ａと、ギヤリンク２３の時計回りへの回動を規制する下部ストッパ部１３ｂとが形成されている。
【選択図】 図４

Description

本発明は、開弁特性可変型内燃機関に係り、詳しくは、動力伝達部材の支持剛性の向上やコントロールシャフトの捩れの抑制等を実現する技術に関する。

４サイクルガソリンエンジン（以下、単にエンジンと記す）では、出力および燃費の向上や有害排出ガス成分の低減等を図るべく、種々の開弁特性可変機構を搭載したものが多くなっている。開弁特性可変機構としては、運転状況に応じて低速型カムと高速型カムとを切り換えるものが従来より存在するが、近年では過渡特性の更なる向上やスロットルレス化等を実現すべく、カム位相とバルブリフトとを個別に可変制御するものが主流となってきている。

バルブリフトの可変制御に供されるバルブリフト可変装置としては、カムとロッカアームとの間にバルブリフト可変用のコントロールアームやコントロールリンクを介装させ、コントロールアームの支点やコントロールリンクのジオメトリー等を変化させることによってバルブリフトを変更するものが提案されている（特許文献１，２参照）。この種のバルブリフト可変装置を多気筒エンジンに搭載する場合、各気筒のバルブリフト可変機構を作動させるコントロールシャフト（旋回軸やカム軸、回転軸等）の外周や端部に動力伝達部材（例えば、セクタギヤ）を別体あるいは一体に形成し、この動力伝達部材をシリンダヘッドの中央部や端部に設置した電動アクチュエータによって駆動する構成が採られている。
特開２００４−５２１２３４号公報 特開２００５−２４８８７４号公報

上述した従来のバルブリフト可変装置には、以下に述べるように、動力伝達部材やコントロールシャフトの支持等に係る種々の問題があった。すなわち、上述した特許文献のバルブリフト可変装置では、動力伝達部材が支持部材（カムホルダ等）の側方に配置されているため、動力伝達部材が片持ちされることになってその支持剛性が低くなったり、動力伝達部材のスラスト方向の移動規制が行い難くなったりすることが避けられなかった。また、電動アクチュエータをコントロールシャフトの軸方向中央付近に設置しても、支持部材が存在するためにコントロールシャフトをその軸方向における中間位置で駆動することができず、上述した動力伝達部材の支持剛性の低下も相俟って、コントロールシャフトに微少な傾きや捩れが生じたりする虞があった。一方、バルブリフト可変装置では、過大なバルブリフト等を防止する都合上、コントロールシャフトや動力伝達部材の可動範囲を規制する必要があるが、そのためのストッパをシリンダヘッドに設けた場合、部品点数や組立工数が増大して製品価格が上昇する問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みなされたものであり、動力伝達部材の支持剛性の向上やコントロールシャフトの捩れの抑制等を実現した開弁特性可変型内燃機関を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、支持部材に旋回自在に支持され、その旋回によってバルブの開弁特性を変化させるコントロールシャフトと、前記コントロールシャフトの駆動に供されるアクチュエータと、前記アクチュエータの駆動力を前記コントロールシャフトに伝達する動力伝達部材とを備えた開弁特性可変型内燃機関であって、前記動力伝達部材は、前記支持部材に形成された一対の支持壁に挟まれるかたちで回動自在に支持されたことを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載された開弁特性可変型内燃機関において、前記一対の支持壁には、前記動力伝達部材を支持するための軸受がそれぞれ形成されたことを特徴とする。

また、請求項３の発明は、請求項１または請求項２に記載された開弁特性可変型内燃機関において、前記支持部材には、前記コントロールシャフトの旋回範囲を規制するストッパが形成されたことを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された開弁特性可変型内燃機関において、前記動力伝達部材は、前記コントロールシャフトの軸方向における略中央部に位置したことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、動力伝達部材の支持剛性が向上し、コントロールシャフトに傾きや捩れが生じ難くなるとともに、スラスト方向の移動規制が行いやすくなる。また、請求項２の発明によれば、軸受の長さを比較的大きくすることができ、長期間に亘る運転が行われても支持ピン等の摩耗等が起こり難くなる。また、支持部材としてカムホルダを採用した場合、カムシャフトの軸受長さが大きくなるため、カムシャフトの倒れ等が起き難くなる。また、請求項３の発明によれば、何らかの原因で動力伝達部材のオーバランが発生しても、バルブのオーバリフト等が生じなくなって騒音の発生や機関性能の低下等が抑制される。また、請求項４の発明によれば、コントロールシャフトの傾きや捩れがより生じ難くなる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態およびその一部変形例を詳細に説明する。
［実施形態］
図１は実施形態に係るエンジンの上部を示す要部透視斜視図であり、図２は実施形態に係るＶＬＣ機構の要部を示す斜視図であり、図３は図２中の要部破断III矢視図であり、図４はセンタカムホルダとギヤリンクとの連結状態を示す斜視図であり、図５はセンタカムホルダとギヤリンクとの連結部位を示す回転断面図であり、図６はＶＬＣ機構の作動範囲を示す図である。なお、実施形態では、説明の便宜上、図１中の斜め左下を左とする。

≪実施形態の構成≫
＜全体構成＞
図１に示すエンジン（開弁特性可変型内燃機関）Ｅは自動車用の４サイクル直列４気筒ガソリンエンジンであり、そのシリンダヘッド１には、図２，図３に示すように、各気筒２つずつの排気バルブ２と吸気バルブ３とを備え、これらバルブ２，３を排気カムシャフト４と吸気カムシャフト５とによって駆動するＤＯＨＣ４バルブ型の動弁機構が設けられている。なお、排気バルブ２と排気カムシャフト４との間には排気ロッカアーム６が介装され、吸気バルブ３と吸気カムシャフト５との間には吸気ロッカアーム７が介装されている。また、排気バルブ２および吸気バルブ３は、バルブスプリング９，１０によって閉鎖方向に常時付勢されている。

シリンダヘッド１の上面には５つのカムホルダ（支持部材）１１〜１５が締結されており、これらカムホルダ１１〜１５によって両カムシャフト４，５や両ロッカアーム６，７が回転自在に支持されている。なお、本実施形態では、各カムホルダ１１〜１５のうち、右端のものをフロントカムホルダ１１、中央のものをセンタカムホルダ１３、左端のものをリヤカムホルダ１５、その他の２つをミドルカムホルダ１２，１４とそれぞれ記す。図２に示すように、センタカムホルダ１３は排気側に左右一対の支持壁１６，１７を有しており、これら支持壁１６，１７によって排気カムシャフト４の軸方向中央部分が支持されている。また、各カムホルダ１１〜１５の上面には平板状のベースプレート１８が設置されており、このベースプレート１８とヘッドカバー１９とによって動弁機構が覆われている。

本実施形態のエンジンＥには、開弁特性可変機構として、両カムシャフト４，５の角度位相を可変制御する２つのＶＴＣ（Variable valve Timing Control）機構４１，４２と、排気バルブ２のリフト量を可変制御するＶＬＣ（Variable valve Lift Control）機構２０とが搭載されている。

＜ＶＬＣ機構＞
図２，図３に示すように、ＶＬＣ機構２０は、ベースプレート１８（図２には示さず）の上面に両カムシャフト４，５と平行に設置された電動モータ（アクチュエータ）２１と、電動モータ２１のシャフト２１ａに取り付けられた扇状のドライブギヤ（平歯車）２２と、円弧状のドリブンギヤ部２３ａとシャフトホルダ部２３ｂとを有するギヤリンク（動力伝達部材）２３と、ギヤリンク２３のシャフトホルダ部２３ｂに回動自在に支持されたコントロールシャフト２４と、コントロールシャフト２４がその基端に嵌挿されたローラリンク２５と、ローラリンク２５の先端にローラシャフト２６を介して回動自在に支持されたローラ２７と、ローラ２７を排気カムシャフト４側に常時付勢するスプリングユニット２８とを主要構成要素としている。なお、図１中に符号２９で示す部材はドライブギヤ２２の回転角度を検出するセンサ（ロータリエンコーダ）であり、図示しないエンジンＥＣＵは、このセンサ２９の検出信号に基づきコントロールシャフト２４の位置を判定し、電動モータ２１への供給電流をフィードバック制御する。

図３〜図５に示すように、ギヤリンク２３は、支持ピン３１を介してセンタカムホルダ１３の左右支持壁１６，１７に回動自在に支持されており、ドリブンギヤ部２３ａに噛み合ったドライブギヤ２２によって回転駆動される。なお、支持ピン３１の左右端面は、排気カムシャフト４に形成されたスラストフランジ４ａ，４ｂによって係止されている。

図４，図５に示すように、支持ピン３１の外周面には軸方向に沿って油溝３１ａが形成される一方、センタカムホルダ１３の左右支持壁１６，１７には油孔１６ａ，１７ａが穿設されており、排気カムシャフト４に形成された油孔４ｃからのエンジンオイルがこれら油孔１６ａ，１７ａと油溝３１ａとを介して支持ピン３１の外周面に供給される。また、センタカムホルダ１３とベースプレート１８とには、排気カムシャフト４の油孔４ｃからのエンジンオイルを上方に噴出させるための油孔１６ｂ，１７ｂ，１８ａが穿設されている。

ギヤリンク２３は、図６中に実線で示す位置（最小リフト位置）と破線で示す位置（最大リフト位置）との間で無段階に回動し、これによって、コントロールシャフト２４（すなわち、シャフトホルダ部２３ｂ）が支持ピン３１を中心に旋回することになる。センタカムホルダ１３における左右支持壁１６，１７の端面には、ギヤリンク２３の反時計回りへの回動を規制する上部ストッパ部１３ａと、ギヤリンク２３の時計回りへの回動を規制する下部ストッパ部１３ｂとが形成されている。すなわち、本実施形態では、ギヤリンク２３の回動範囲の規制は、独立したストッパ部材を設置するのではなく、センタカムホルダ１３にストッパ部１３ａ，１３ｂを形成することによってなされている。なお、ギヤリンク２３は、最小リフト位置と最大リフト位置との間でのみ回動するため、通常作動時においてシャフトホルダ部２３ｂやストッパ部１３ａ，１３ｂに接触による摩耗等は生じない。そして、何らかの原因によりギヤリンク２３が最小リフト位置や最大リフト位置からオーバランすると、シャフトホルダ部２３ｂが上部ストッパ部１３ａまたは下部ストッパ部１３ｂに係止される。

コントロールシャフト２４は、センタカムホルダ１３以外のカムホルダ１１，１２，１４，１５にも、フロントリンクホルダ３３やミドルリンクホルダ３４、リヤリンクホルダ３５を介して旋回自在に支持されている。フロントリンクホルダ３３はフロントカムホルダ１１の端面に軸支されているが、ミドルリンクホルダ３４は、図２に示すように、保持部３４ａから延設された左右の腕部３４ｂ，３４ｃでミドルカムホルダ１２，１４を挟むかたちで軸支されている。

ミドルリンクホルダ３４はピン３８によってミドルカムホルダ１２，１４に連結され、ピン３８の脱落はＣ形止め輪３９によって防止されている。ピン３８には、排気カムシャフト４に連通する図示しない油孔を介して、ミドルカムホルダ１２，１４から潤滑用のエンジンオイルが供給される。また、図示はしないが、リヤリンクホルダ３５も、ミドルリンクホルダ３４と同様の形態でリヤカムホルダ１５に軸支されている。なお、ミドルカムホルダ１１，１２やリヤカムホルダ１５にも、センタカムホルダ１３と同様に、ミドルリンクホルダ３４やリヤリンクホルダ３５の反時計回りへの回動を規制する上部ストッパ部と、ミドルリンクホルダ３４やリヤリンクホルダ３５の時計回りへの回動を規制する下部ストッパ部とが形成されている。

図６に示すように、ローラリンク２５は、ギヤリンク２３が最小リフト位置にある場合には最小リフト点Ｐ１を中心に揺動し、ギヤリンク２３が最大リフト位置にある場合には最大リフト点Ｐ２を中心に揺動する。ローラ２７は、ローラリンク２５に形成された左右一対のリンクレバー２５ａ，２５ｂによって挟持され、排気カムシャフト４のカムローブ４ｄに転接している。また、ローラシャフト２６は、排気ロッカアーム６に形成された円弧面６ａに転接している。なお、円弧面６ａは、最小リフト点Ｐ１の斜め上方内側に中心Ｐ３を有している。

≪実施形態の作用≫
自動車のエンジンＥが始動されると、エンジンＥＣＵは、運転者によるスロットルペダルの踏込量や冷却水温等、種々の運転情報に基づき排気バルブ２の目標リフト量を設定し、ＶＬＣ機構２０の電動モータ２１に駆動電流を出力する。すると、電動モータ２１のシャフト２１ａに取り付けられたドライブギヤ２２が回転し、ドライブギヤ２２にドリブンギヤ部２３ａで噛み合ったギヤリンク２３が正逆いずれかの方向に回転駆動される。

圧縮着火可能な内部ＥＧＲ量を増大させる燃焼状態を得る場合、エンジンＥＣＵは、図７に示すように、ギヤリンク２３を最小リフト位置に回動させ、最小リフト点Ｐ１を中心にローラリンク２５を揺動させるようにする。これにより、カムローブ４ｄによってローラ２７が押し下げられても、図７中に矢印で示すようにローラシャフト２６が円弧面６ａに沿って転動することで、排気ロッカアーム６の揺動量（すなわち、排気バルブ２のリフト量）が最小となる。また、通常の燃焼状態とする場合、エンジンＥＣＵは、図８に示すように、ギヤリンク２３を最大リフト位置に回動させ、最大リフト点Ｐ２を中心にローラリンク２５を揺動させるようにする。これにより、カムローブ４ｄによってローラ２７が押し下げられると、円弧面６ａに沿ったローラシャフト２６の転動が殆ど起こらないことから、排気バルブ２のリフト量が最大となる。

ドライブギヤ２２によってギヤリンク２３が駆動される際、ギヤリンク２３にはドライブギヤ２２とドリブンギヤ部２３ａとの噛み合いによって、下方への比較的大きな付勢力が作用する。ところが、本実施形態では、ギヤリンク２３がセンタカムホルダ１３の左右支持壁１６，１７によって支持されているため、ギヤリンク２３が排気カムシャフト４の軸方向中央に位置することも相俟って、ギヤリンク２３およびコントロールシャフト２４に微少な傾きや捩れが生じることがなくなる。また、ギヤリンク２３を支持する支持ピン３１には、左右支持壁１６，１７との間だけでなく、前述した油溝３１ａによってギヤリンク２３との間にもエンジンオイルが流入するため、長期間に亘る運転が行われても各摺動面の摩耗等が起こり難くなる。なお、排気カムシャフト４は、センタカムホルダ１３における支持長が他のカムホルダ１１，１２，１４，１５における支持長より有意に大きくなるため、その支持剛性が高くなって傾き等が効果的に抑制され、各気筒間におけるバルブリフトのばらつきが低減された。

一方、何らかの原因でギヤリンク２３が最小リフト位置や最大リフト位置からオーバランした場合、本実施形態では、ギヤリンク２３のシャフトホルダ部２３ｂが左右支持壁１６，１７の上部ストッパ部１３ａまたは下部ストッパ部１３ｂに係止される。また、ミドルカムホルダ１１，１２やリヤカムホルダ１５も同様に、ミドルカムホルダ１１，１２やリヤカムホルダ１５の上部ストッパ部または下部ストッパ部に係止される。これにより、排気バルブ２のオーバリフト等が生じなくなり、騒音の発生や機関性能の低下等が抑制される。

［一部変形例］
図９は一部変形例に係るエンジンの上部を示す要部透視斜視図であり、図１０は一部変形例に係るＶＬＣ機構を示す要部断面図である。
図９，図１０に示すように、一部変形例も上述した実施形態と略同様の構成を採っているが、電動モータ２１とギヤリンク２３との間の動力伝達方法等が異なっている。すなわち、一部変形例では、実施形態で用いた扇状のドライブギヤに代えて、多段ギヤ列５０が採用されている。

図１０に示すように、多段ギヤ列５０は、４枚のギヤ（第１ギヤ５１〜第４ギヤ５４）によって構成されている。第１ギヤ５１は、歯数の少ない比較的小径の平ギヤであり、電動モータ２１のシャフト２１ａに取り付けられている。また、第２ギヤ５２は、第１ギヤ５１に噛み合う大ギヤ部５２ａと、第３ギヤ５３に噛み合う小ギヤ部５２ｂとを有する段付ギヤである。また、第３ギヤ５３は、第２ギヤ５２と第４ギヤ５４との間に介在するアイドラギヤであり、センサ２９が連結されている。また、第４ギヤ５４は、第３ギヤ５３に噛み合う小ギヤ部５４ａと、ギヤリンク２３のドリブンギヤ部２３ａに噛み合う大ギヤ部５４ｂとを有する段付ギヤである。

一部変形例では、このような構成を採ったことにより、電動モータ２１の回転が比較的大きな減速比をもってギヤリンク２３に伝達されるようになり、電動モータ２１として発生トルクや体格の小さいものを採用できた。また、電動モータ２１やセンサ２９を比較的低い位置に設置できるため、実施形態のものに較べてエンジンＥの重心や全高が低くなり、自動車の運動性能やエンジンＥの搭載性等を向上させることもできた。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態は本発明を排気バルブ側のリフト量のみを可変制御する直列４気筒ＤＯＨＣガソリンエンジンに適用したものであるが、吸気バルブ側のリフト量も可変制御するものや、Ｖ型エンジンやＳＯＨＣエンジン、ディーゼルエンジン等にも当然に適用可能である。また、上記実施形態ではアクチュエータによる動力伝達部材の駆動に平歯車機構を採用したが、ウォーム減速機構やチェーン駆動機構、カム機構等を採用してもよい。また、開弁特性可変機構の具体的構成等についても、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。

実施形態に係るエンジンの上部を示す要部透視斜視図である。 実施形態に係るＶＬＣ機構の要部を示す斜視図である。 図２中の要部破断III矢視図である。 センタカムホルダとギヤリンクとの連結状態を示す斜視図である。 センタカムホルダとギヤリンクとの連結部位を示す回転断面図である。 ＶＬＣ機構の作動範囲を示す図である。 ＶＬＣ機構の作動説明図である。 ＶＬＣ機構の作動説明図である。 一部変形例に係るエンジンの上部を示す要部透視斜視図である。 一部変形例に係るＶＬＣ機構を示す要部断面図である。

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ 排気バルブ
４ 排気カムシャフト
６ 排気ロッカアーム
１３ センタカムホルダ（支持部材）
１３ａ 上部ストッパ部（ストッパ）
１３ｂ 下部ストッパ部（ストッパ）
１６ 支持壁
１７ 支持壁
２０ ＶＬＣ機構
２１ 電動モータ（アクチュエータ）
２２ ドライブギヤ
２３ ギヤリンク（動力伝達部材）
２４ コントロールシャフト
３１ 支持ピン
５０ 多段ギヤ列
Ｅ エンジン

Claims (4)

1. 支持部材に旋回自在に支持され、その旋回によってバルブの開弁特性を変化させるコントロールシャフトと、
   前記コントロールシャフトの駆動に供されるアクチュエータと、
   前記アクチュエータの駆動力を前記コントロールシャフトに伝達する動力伝達部材と
   を備えた開弁特性可変型内燃機関であって、
   前記動力伝達部材は、前記支持部材に形成された一対の支持壁に挟まれるかたちで回動自在に支持されたことを特徴とする開弁特性可変型内燃機関。
2. 前記一対の支持壁には、前記動力伝達部材を支持するための軸受がそれぞれ形成されたことを特徴とする、請求項１に記載された開弁特性可変型内燃機関。
3. 前記支持部材には、前記コントロールシャフトの旋回範囲を規制するストッパが形成されたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載された開弁特性可変型内燃機関。
4. 前記動力伝達部材は、前記コントロールシャフトの軸方向における略中央部に位置したことを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された開弁特性可変型内燃機関。

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