JP2008240669A - ４行程エンジンの弁ばね装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
ポペット弁の弁ばねとして、旧来の単コイル構造が持っていた、バウンスやジャンプを発生し易い特性を、最新の複コイル構造に劣らない程度に改良すること、弁が開閉する過程で、荷重変位の増加に伴って、荷重が急増する、いわゆる、非線形の荷重特性を与えることが求められている。
【解決手段】
弁ばねの固定部側が比較的大径に捲回され、可動部側が比較的小径に捲回されていて、かつ、固定部側と可動部側との間が、可動部側が小径となる略円錐形に捲回されていることを最も主要な特徴とし、弁ばねのピッチ円径が固定側から可動部側へ向けて小さくなっているために、固定側のばね定数が小さく、可動部側のそれが大きくなる。すなわち、ばね定数が固定側から可動部側へと高くなっていく非線形のばね特性を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車や自動二輪車などの車両用に好適な４行程エンジンに関するものであり、とくに、吸気弁や排気弁を閉じるのに利用される弁ばね装置の改良に関する。

一般に、４行程エンジンでは、燃焼室に通じる吸気通路や排気通路の、弁口を開閉する吸排気弁として、ポペット弁が使用される。また、ポペット弁はコイル状をした弁ばねによって前記弁口を閉じ方向に付勢されており、動弁カムにより弁ばねの弾力に抗して開弁するように構成されている。

ポペット弁の弁ばねとして、毎秒５０回転以上の高速回転が常用される車両用のエンジンには、軽量で生産性のよいコイルばねが多用されている。そして、吸排気弁にバウンスやジャンプを発生することがないよう、前期コイルばねには種々の工夫がなされている。その、最も一般的な構成は、図２で示すように、寸法の異なる２種のコイルばねを内外二重に配し、ばねの共振振動数をエンジンの常用運転速度の域外となるよう設定している。

近年、資源あるいは環境上の要求から、エンジン内部の機械損失、あるいは摩擦損失を最少にすることが検討され、その過程で動弁系の往復重量を軽減する目的で、前記内外二重にした弁ばねを使用する構造（以下、複コイル構造という）から、旧来の１本のみを使用する単純な構造（以下、単コイル構造という）に戻りつつある。

そこで、旧来の単コイル構造が持っていた、バウンスやジャンプを発生し易い特性を、最新の複コイル構造に劣らない程度に改良することが求められることとなった。すなわち、図４で示す弁ばねの変位―荷重特性から明らかなように、弁が開閉する過程で、荷重変位の増加に伴って、荷重が急増する、いわゆる、非線形の荷重特性を与えることが求められている。

弁ばねに非線形の荷重特性を与える手段として、従来、図６で示すように、コイルの両端付近の線間距離Ｘ１を残部の線間距離Ｘ２より狭くして、比較的低い荷重で端部付近の線間を密着させて弾力を消失させる方法、あるいは、逆に、コイルの中央付近の線間距離Ｘ２を狭くして、その部分を比較的低い荷重で密着させることにより、高負荷域のばね定数を高く設定してサージングを防ぐ技術が知られている（特許文献１参照）。

しかしながら、コイルばねの捲き線技術上、ピッチの異なるコイルの多数を、特性のバラツキばく、しかも効率よく製造することが容易でなかった。また、常用する回転域の広い自動二輪車などの高速エンジンでは、線間のピッチを変える程度の変更では、サージングを十分に防止することが難しかった。
特開平１０−１８４７５０号公報

４行程エンジンの弁ばねに固有のサージングを有効的に抑止でき、かつ、製造が容易であり、さらに、動弁系の往復重量を可及的に低減することのできる弁ばねを得ることにある。

本発明は、シリンダヘッドとシリンダヘッドへ摺動自在に挿通されたポペット弁、および前記シリンダヘッドに支持される固定部と前記ポペット弁に係止される可動部とを有する弁ばねを含み、前記弁ばねの固定部側が比較的大径に捲回され、可動部側が比較的小径に捲回されていて、かつ、固定部側と可動部側との間が、可動部側が小径となる略円錐形に捲回されていることを最も主要な特徴とする。

本発明に係る４行程エンジンの弁ばね装置によれば、弁ばねのピッチ円径が固定側から可動部側へ向けて小さくなっているために、固定側のばね定数が小さく、可動部側のそれが大きくなる。すなわち、ばね定数が固定側から可動部側へと高くなっていく非線形のばね特性が得られる。

弁ばねのうちポペット弁の往復運動に付随して運動するばねリテーナその他の可動部側の重量が軽量になるので、弁ばねの往復重量が軽減し、弁ばねの最圧縮時の荷重を減じることができるため、機械損失が減りエンジンの効率を向上させることができる、という利点がある。

以下、図示の実施例を説明する。図１は４行程エンジン１０のアルミニウム製シリンダヘッド１１を排気弁１２の軸線上で断面したものである。前記４行程エンジン１０はシリンダヘッド１１の下面に、燃焼室をなす半球形の凹部１４を有する。凹部１４には大気に連通する排気通路１５が開口しており、そこには前記凹部１４を貫通して燃焼室壁１１ａの上部へ伸びる弁ガイド１６が嵌着されている。

排気弁１２は周知のポペット弁からなり、前記開口を開閉するための弁部１２ａと、その弁部１２ａに連結されたステム部１２ｂとを有する。前記ステム部１２ｂの端部は動弁カム軸１７によって駆動されるロッカーム１８に当接する端面と、ばねリテーナ１９を係止するコッタ２０用の係止溝とが設けられている。なお、以上の構成は従来の４行程エンジンの構成と大差はない。

２５は本発明に係る弁ばね装置である。弁ばね装置２５は前記燃焼室壁１１ａの上面に支持されたばね固定部材２６と、前記ばねリテーナ１９との間に縮設された弁ばね２７を含む。

弁ばね２７は図３（ａ）で示すように、線径がｄの一本の線材を略円錐状に捲回して作られており、その小径側は図２で示す従来の複コイル構造の２本の弁ばねのうち、内側に配される弁ばね２７ｂと略同径に捲回されており、前記ばねリテーナ１９によって支持される可動部側をなしている。かくて、前記ばねリテーナ１９は前記複コイル構造のものより小径で足り、弁周りの往復重量を軽減できる。弁ばね２７の大径側は外側に配される弁ばねと同径、もしくはやや大径に捲回され、ばね固定部材２６を介して前記焼室壁１１ａの上面に不動に支持される固定側をなす。

前記ばね固定部材２６は、図１から明らかなように、鋼板をプレス成形して円板状の底板２６ａとその周縁から上方へ立ち上がる円形の壁面２６ｂとを有する浅い円形のカップ状に作られている。前記円形の壁面２６ｂの内面は前記弁ばね２７の大径をなす固定側の外径より、僅かに小径に作られ、弁ばね２７の大径側外径を若干圧縮した状態で嵌合させることができる。

かくて、弁ばね２７の大径側と円形の壁面２６ｂとは弾性的に一体に係合させることができ、組立て作業が容易なる他、弁ばね２７の圧縮時に、固定側の外径が外方へ膨出する傾向を生じても、自由な変形を阻止するようになっている。すなわち、弁ばね２７が圧縮されると、ばね定数の低い固定側において、端部の捲線はばね固定部材２６を介して燃焼室壁１１ａに押し付けられ支持されているから、それよりやや小径の次の捲線が前記端部の捲線の内側へ接近し、外方へ押し拡げる方向に作用し膨大させるのである。

弁ばね装置２５は、以上のように、弁ばね２７が略円錐形に巻かれているから、その特性は大径側のばね定数が低く単位荷重あたりの変位が大きい。逆に、小径側のばね定数が高く、単位荷重あたりの変位が小さい。よって、ロッカーム１８が弁ばね２７の弾力に抗して排気弁１２を押し下げるとき、まず、大径側の線間が大きく変形して互いに接触し、弾力を失う。このようにして大径側から順次に線間が接触していき、図４中に実線で示すように、圧縮が進むとともに、弁ばね２７全体としてのばね定数が順次に高くなる。同時に、弁ばね２７の共振振動数が変化するので、共振を抑制しサージングの発生を阻止する効果を生じる。

さらに、弁ばね２７のばねリテーナ１９と共に往復運動する部分の重量は、慣性重量として計算されるが、弁ばね２７の可動部が小径に作られているのでそれ自体の重量が軽減される他、リテーナ１９も小径で足り、動弁系の慣性重量が減る。よって、弁ばねの張力を低くしても、確実に閉弁できるようになるという相乗的な効果を生じる。なお、以上の説明は全て排気弁１２について行ったが、図示してない吸気弁についても、同様に適用できることは容易に類推できよう。

前記弁ばね２７の形状は、上記図３で示す直円錐状に捲回されたものに限られず、固定部をなす大径の端部と、可動部をなす小径の端部との間を、必要に応じて、たとえば、図５（ａ）で示すように、小径側がφＳで、大径側がφＬの直円錐ｃから、中央部が外側へ膨らむ形状ｄとしても、また、同図（ｂ）で示すように、前記直円錐ｃから中央部が内側へ窪む形状ｅとしてもよいことはもちろんである。さらに、それらに同図（ａ）で示すように、両端部のピッチｐ１と中央部のピッチｐ２とを異なるものとすることも適宜に行い得る。

本願発明を利用したエンジンの部分断面図である。 従来のエンジンを示す図１相当の部分断面図である。 図1中の要部である弁ばねを取り出して示すもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は大径側の端面図である。 弁ばねの荷重―変位特性を示す特性図である。 弁ばねの変形例を示す中心線図である。 従来の弁ばねを取り出して示す正面図である。

符号の説明

１０ エンジン
１１ シリンダヘッド
１１ａ 燃焼室壁
１２ 排気弁
１２ａ 弁部
１２ｂ ステム部
１４ 燃焼室（凹部）
１５ 排気通路
１６ 弁ガイド
１７ 動弁カム軸
１８ ロッカーム
１９ ばねリテーナ
２０ コッタ
２５ 弁ばね装置
２６ ばね固定部材
２６ａ 底板
２６ｂ 壁面
２７ 弁ばね

Claims (3)

1. シリンダヘッドとシリンダヘッドへ摺動自在に挿通されたポペット弁、および前記シリンダヘッドに支持される固定部と前記ポペット弁に係止される可動部とを有する弁ばねを含み、前記弁ばねの固定部側が比較的大径に捲回され、可動部側が比較的小径に捲回されていて、かつ、固定部側と可動部側との間が、可動部側が小径となる略円錐形に捲回されている４行程エンジンの弁ばね装置。
2. 請求項１において、前記弁ばねの固定部側が比較的大径に捲回され、可動部側が比較的小径に捲回されていて、かつ、固定部側と可動部側との間が固定部側から可動部側へ小径となる複数の円錐面によって略円錐形に捲回されている４行程エンジンの弁ばね装置。
3. 請求項１において、前記弁ばねの固定部側外周面が円筒形の支持内面を備えたばね固定材によって緊縛した状態で保持されている４行程エンジンの弁ばね装置。

Images