JP2009191736A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、カムシャフトがバルブ反力を受けて径方向に位置ずれするのを抑制し、カムジャーナルでの打音の発生を低減することを目的とする。
【解決手段】内燃機関１０は、吸気カムシャフト５２と排気カムシャフト５４とを備える。これらのカムシャフト５２，５４には、可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）６２，６４を設ける。また、ＶＶＴ６２，６４には、カムシャフト５２，５４の回転軸線Ｏ1，Ｏ2から偏心した位置に偏心質量７０，７２を設ける。偏心質量７０，７２は、カム５６，５８からカムシャフト５２，５４にバルブ反力が加わるときに、このバルブ反力と反対方向の遠心力をカムシャフト５２，５４に作用させる。これにより、偏心質量７０，７２は、カムシャフト５２，５４がバルブ反力を受けて径方向に位置ずれするのを抑制することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、カムによりバルブを開，閉駆動する構成とした内燃機関に関する。

従来、例えば特許文献１（特開２００２−２２７６１２号公報）に開示されているように、カムによりバルブを開，閉駆動する構成とした内燃機関が知られている。この種の従来技術による内燃機関は、カムジャーナルにより回転可能に支持されたカムシャフトを備えており、カムシャフトには気筒数分のカムが設けられている。そして、カムシャフトの回転時には、これらのカムがバルブスプリングに抗してバルブを押動することにより、バルブが開弁する。

また、従来技術では、吸気側と排気側のカムシャフトにそれぞれアンバランスウェイトを設け、これらのアンバランスウェイトを用いて内燃機関の音質（エンジンサウンド）を改良する構成としている。この場合、アンバランスウェイトは、カムシャフトと共に回転することにより、内燃機関自身を振動させる。これにより、従来技術では、好ましいエンジンサウンドとして認識されるような周波数の音を発生させるようにしている。

特開２００２−２２７６１２号公報

ところで、上述した従来技術において、バルブが開弁するときには、バルブスプリングの反力（バルブ反力）がカムに付加される。しかしながら、このバルブ反力は、カムを介してカムシャフトにも作用し、カムシャフトを径方向に位置ずれさせる外力となる。この結果、カムシャフトは、カムジャーナルに支持された状態で回転しつつ、バルブが開弁する毎に径方向（バルブ側から離れる方向）に位置ずれするようになり、これによってカムジャーナルに衝突することがある。

このため、従来技術では、内燃機関の運転中にカムシャフトとカムジャーナルの衝突音（打音）が断続的に発生し、これによって運転中の騒音が増大するという問題がある。この場合、カムシャフトとカムジャーナルとの間のクリアランスを小さくするには、機械構造的な限界があるので、このクリアランスを小さくすることでカムシャフトの衝突音を低減するのは難しい。

特に、カムシャフトの端部側に可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ＝Variable Valve Timing system）が設けられている場合には、比較的大きな質量をもつＶＶＴがカムシャフトと共に回転することになる。このため、例えばＶＶＴに最も近い気筒において、カムシャフトがバルブ反力により径方向に位置ずれすると、これと一緒に位置ずれしたＶＶＴからカムシャフトに大きな遠心力が作用するようになり、カムシャフトの位置ずれ量が更に増大するという問題がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、カムシャフトがバルブ反力により位置ずれするのを抑制することができ、カムシャフトの打音を小さくして運転時の騒音を低減することが可能な内燃機関を提供することを目的としている。

第１の発明は、カムジャーナルにより回転可能に支持され、バルブスプリングに抗してバルブを開弁させるカムが設けられたカムシャフトと、
前記カムシャフトに設けられ、前記カムシャフトと一緒に回転する回転体と、
前記カムシャフトの回転軸線から偏心した位置で前記回転体に設けられ、前記バルブが開弁することにより前記バルブスプリングの反力であるバルブ反力が前記カムシャフトに作用するときに、当該バルブ反力の影響を遠心力により抑制する偏心質量と、
を備えることを特徴とする。

第２の発明によると、前記偏心質量は、前記バルブのリフト量が最大となったときに前記バルブ反力と反対方向に作用する遠心力が最大となる位置に設ける構成としている。

第３の発明によると、前記偏心質量は、複数気筒のうち前記回転体に最も近い気筒のカムから前記カムシャフトに作用するバルブ反力の影響を抑制する構成としている。

第４の発明によると、前記カムシャフトは、前記カムにより吸気バルブを開，閉させる吸気カムシャフトと、前記カムにより排気バルブを開，閉させる排気カムシャフトとからなり、
前記吸気カムシャフトと前記排気カムシャフトには、それぞれ前記回転体と前記偏心質量とを配置し、
前記吸気カムシャフト側の偏心質量と前記排気カムシャフト側の偏心質量とは、回転位相が互いに１８０°ずれた位置関係となるように配置する構成としている。

第５の発明によると、前記回転体は、機関出力軸の回転角に対して前記バルブの開閉タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構であるか、または前記機関出力軸の回転を前記カムシャフトに伝達するカムスプロケットである構成としている。

第１の発明によれば、カムシャフトが回転するときには、これと一緒に回転体及び偏心質量を回転させることができる。このとき、偏心質量は、カムシャフトの回転軸線を中心とした円軌道上で回転運動を行うので、例えばカムシャフトに加わるバルブ反力と反対方向の遠心力をカムシャフトに作用させることにより、バルブ反力の一部または全部を遠心力により打消すことができる。

これにより、偏心質量は、カムシャフトがバルブ反力を受けて径方向に位置ずれしたり、この位置ずれによりカムシャフトがカムジャーナルに衝突するのを防止することができる。このため、カムシャフトに作用するバルブ反力の影響を抑えることができ、カムシャフトを回転軸線を中心として安定的に回転させることができる。従って、カムシャフトの打音を抑制することができ、運転時の騒音を低減することができる。

第２の発明によれば、カムシャフトに作用するバルブ反力の大きさは、バルブのリフト量に応じて増減する。このため、偏心質量は、カムシャフトに作用するバルブ反力が最大となったときに、バルブ反力と反対方向に最大の遠心力を作用させることができる。従って、偏心質量の遠心力によりバルブ反力の影響を確実に抑制することができる。

第３の発明によれば、例えば回転体が比較的大きな質量を有する場合において、回転体と最も近い気筒でカムシャフトが径方向に位置ずれすると、これと一緒に位置ずれした回転体からカムシャフトに大きな遠心力が作用し、カムシャフトの位置ずれ量が更に増大する虞れがある。これに対し、偏心質量は、回転体に最も近い気筒のカムからカムシャフトに作用するバルブ反力の影響を抑制することができる。従って、カムシャフトの位置ずれをより確実に防止することができる。

第４の発明によれば、吸気カムシャフト側の偏心質量と、排気カムシャフト側の偏心質量とを、回転位相が互いに１８０°ずれた位置関係で配置することができる。これにより、２つの偏心質量による遠心力を、内燃機関に対して互いに逆方向に作用させることができる。つまり、これらの遠心力は、カムシャフトが何れの回転位置にある場合でも、互いに打消し合うことになる。従って、偏心質量を設けたことにより内燃機関の振動が増大するのを回避することができ、低振動型の内燃機関を実現することができる。

第５の発明によれば、偏心質量を可変バルブタイミング機構またはカムスプロケットに配置することができる。これにより、既存の部品を用いて偏心質量の配置スペースを容易に確保することができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
以下、図１乃至図６を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。まず、図１は、実施の形態１のシステム構成を説明するための構成図を示している。図１中に示す内燃機関１０は、例えば直列４気筒型のエンジンにより構成されている。なお、本発明における内燃機関の型式及び気筒数は、実施の形態に限定されるものではない。

内燃機関１０は、各気筒内に配置されたピストン１２と、これらのピストン１２により各気筒内に画成された燃焼室１４とを備えている。各気筒の燃焼室１４には、吸入空気が各気筒に向けて流入する吸気通路１６と、各気筒内で生じた排気ガスが流出する排気通路１８とが接続されている。吸気通路１６には、吸入空気量を検出するエアフローメータ２０と、電子制御式のスロットル弁２２とが設けられている。スロットル弁２２は、アクセル開度等に応じてスロットルモータ２４により開，閉駆動され、その開度に応じて吸入空気量を増減させる。

内燃機関１０の各気筒は、燃料噴射弁２６、点火プラグ２８、吸気バルブ３０及び排気バルブ３２を備えている。また、個々のバルブ３０，３２には、バルブを閉弁方向に常時付勢するバルブスプリング３４（図３参照）と、後述するカム５６，５８の入力をバルブ３０，３２に伝達するための動弁機構３６，３８とがそれぞれ設けられている。

これらの動弁機構３６，３８は、例えば特開２００７−１９２１１１号公報に開示されているように、エンドピボット式のロッカアーム、ロッカローラ、ラッシュアジャスタ等からなり、一般的に公知な構成を有している。一方、内燃機関１０には、機関出力軸であるクランク軸４０の回転角を検出するクランク角センサ４２が設けられている。

また、本実施形態のシステムは、マイクロコンピュータ等からなるＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力側には、前述したエアフローメータ２０、クランク角センサ４２等を含めて各種のセンサが接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力側には、スロットルモータ２４、燃料噴射弁２６、点火プラグ２８等からなる各種のアクチュエータが接続されている。そして、ＥＣＵ５０は、各センサの出力に応じて必要なアクチュエータを作動させることにより、内燃機関の運転状態を制御する。

次に、図２乃至図４を参照して、内燃機関１０のバルブ駆動系統について説明する。図２に示すように、内燃機関１０は、吸気カムシャフト５２と、排気カムシャフト５４とを備えている。これらのカムシャフト５２，５４には、各気筒のバルブ３０，３２を開弁させる複数個のカム５６，５８がそれぞれ設けられている。

また、吸気カムシャフト５２は、図３に示すように、内燃機関のシリンダヘッドに設けられたカムジャーナル６０等により回転可能に支持されている。そして、吸気カムシャフト５２は、クランク軸４０が回転することにより、各気筒の吸気カム５６と一緒に回転駆動される。これにより、各気筒の吸気カム５６は、個々の気筒の開弁タイミングが到来したときに、当該気筒の動弁機構３８をバルブスプリング３４のばね力に抗して押動し、吸気バルブ３０を開弁させる。

また、排気カムシャフト５４も同様に、排気側のカムジャーナル６０等により回転可能に支持されている。そして、排気カムシャフト５４は、クランク軸４０が回転するときに、各気筒の排気カム５８と一緒に回転駆動され、これらの排気カム５８により各気筒の排気バルブ３２を開弁させる。

カムシャフト５２，５４の端部側には、図２に示すように、バルブ３０，３２の開閉タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）６２，６４がそれぞれ設けられている。これらのＶＶＴ６２，６４は、例えば特開２０００−８７７６９号公報に開示されているような公知の構成を有し、カムシャフト５２，５４に連結されたカムスプロケット６２Ａ，６４Ａを備えている。

ここで、クランク軸４０にはクランクスプロケット６６が設けられており、このクランクスプロケット６６は、タイミングチェーン６８を用いてＶＶＴ６２，６４のカムスプロケット６２Ａ，６４Ａと連結されている。このため、クランク軸４０が回転するときには、その回転がタイミングチェーン６８を介してカムスプロケット６２Ａ，６４Ａに伝達され、カムシャフト５２，５４が回転する。

また、ＶＶＴ６２，６４は、カムシャフト５２，５４と一緒に回転しつつ、カムスプロケット６２Ａ，６４Ａをカムシャフト５２，５４に対して一定の角度範囲内で相対回転させる。このとき、カムスプロケット６２Ａ，６４Ａの相対回転量は、ＥＣＵ５０の制御信号に応じて可変に設定される。従って、ＶＶＴ６２，６４によれば、カムシャフト５２，５４の回転位相をクランク軸４０の回転角に対して変化させることができ、これによりバルブ３０，３２の開閉タイミングを進角または遅角させることができる。

ところで、バルブ３０，３２の開弁時には、図３中の矢印Ｆに示すように、バルブスプリング３４の反力がカム５６，５８を介してカムシャフト５２，５４に作用する。このバルブ反力は、カムシャフト５２，５４をバルブ３０，３２から離れる方向（図３中の上向き）に押圧する径方向の外力となる。この結果、カムシャフト５２，５４は、バルブ３０，３２が開弁する毎に径方向に変位し、例えば図３中の位置Ｐでカムジャーナル６０に衝突することがある。

そこで、本実施の形態では、カムシャフト５２，５４と一緒に回転する回転体としてのＶＶＴ６２，６４に偏心質量７０，７２を設け、これらの偏心質量７０，７２に作用する遠心力を用いてバルブ反力の影響を抑制する構成としている。以下、偏心質量７０，７２について説明する。

偏心質量７０，７２は、図２及び図３に示すように、例えば一定の質量をもつ金属製のウェイト等として形成されている。また、図４は、図２のバルブ駆動系統をカムシャフトの軸方向からみた側面図である。この図に示すように、偏心質量７０，７２は、カムシャフト５２，５４の回転軸線Ｏ1，Ｏ2から偏心した位置でＶＶＴ６２，６４に固定され、ＶＶＴ６２，６４と一緒に回転するように構成されている。

そして、カムシャフト５２，５４の回転時には、偏心質量７０，７２が回転軸線Ｏ1，Ｏ2を中心として回転する。このとき、偏心質量７０，７２に加わる遠心力は、力の作用方向が回転軸線Ｏ1，Ｏ2を中心として回転する径方向外向きの力となってカムシャフト５２，５４に作用する。従って、カム５６，５８からカムシャフト５２，５４にバルブ反力が加わるときに、バルブ反力と反対方向の遠心力が偏心質量７０，７２からカムシャフト５２，５４に作用する構成とすれば、バルブ反力の一部または全部を遠心力により打消すことができる。

図５は、バルブの開閉状態と、偏心質量からカムシャフトに作用する遠心力の大きさとの関係を示す特性線図である。図５中の遠心力とは、偏心質量７０，７２からカムシャフト５２，５４に作用する遠心力のうち、バルブ３０，３２に対して近接または離間する方向（図３中の上下方向）の成分を示すものである。

偏心質量７０，７２は、回転軸線Ｏ1，Ｏ2を中心とした円軌道上で回転運動を行う。このため、カムシャフト５２，５４に作用する遠心力の上下方向成分は、図５に示すように、偏心質量７０の回転位置に応じて周期的に変化する。また、カムシャフト５２，５４に作用するバルブ反力の大きさは、バルブ３０，３２のリフト量に応じて増減する。

そこで、本実施の形態では、例えば各気筒のうちＶＶＴ６２，６４に最も近い気筒（＃１気筒）でバルブ３０，３２のリフト量が最大となったときに、偏心質量７０，７２による下向きの遠心力が最大となるように構成している（図５中の時点Ａ，Ｂ）。即ち、偏心質量７０，７２の位置は、＃１気筒でバルブ反力が最大となったときに、バルブ反力と反対方向に作用する遠心力が最大となるように予め設定されている。

これにより、本実施の形態では、＃１気筒のカム５６，５８からカムシャフト５２，５４に加わるバルブ反力の一部または全部を、偏心質量７０，７２の遠心力により打消すことができる。このため、カムシャフト５２，５４がバルブ反力を受けて径方向に位置ずれしたり、この位置ずれによりカムシャフト５２，５４がカムジャーナル６０と衝突するのを防止することができる。従って、カムシャフト５２，５４に作用するバルブ反力の影響を抑えることができ、カムシャフト５２，５４を回転軸線Ｏ1，Ｏ2を中心として安定的に回転させることができる。

特に、比較的大きな質量を有するＶＶＴ６２，６４に最も近い＃１気筒において、カムシャフト５２，５４が径方向に位置ずれすると、これと一緒に位置ずれしたＶＶＴ６２，６４からカムシャフト５２，５４に大きな遠心力が作用し、カムシャフト５２，５４の位置ずれ量が更に増大する虞れがある。これに対し、本実施の形態では、＃１気筒のバルブ反力を偏心質量７０，７２により打消すことができるので、カムシャフト５２，５４の位置ずれをより確実に防止することができる。

また、本実施の形態において、吸気側と排気側の偏心質量７０，７２は、回転位相が互いに１８０°ずれた位置関係で予め配置されている。図６は、このような位置関係で配置された偏心質量７０，７２により生じる遠心力の状態を示すものである。この図６に示すように、偏心質量７０，７２の遠心力は、内燃機関に対して互いに逆方向に作用する。

つまり、偏心質量７０，７２の回転位相を１８０°ずらすことにより、これらの遠心力は、カムシャフト５２，５４が何れの回転位置にある場合でも、互いに打消し合うことになる。従って、偏心質量７０，７２を設けたことにより内燃機関の振動が増大するのを回避することができ、低振動型の内燃機関を実現することができる。

以上、詳述したように、本実施の形態によれば、偏心質量７０，７２を用いることにより、カムシャフト５２，５４が径方向に位置ずれしてカムジャーナル６０と衝突するのを回避することができる。これにより、カムジャーナル６０での打音の発生を抑えることができ、運転時の騒音を低減することができる。また、偏心質量７０，７２をＶＶＴ６２，６４に配置することにより、既存の部品を用いて偏心質量７０，７２の配置スペースを容易に確保することができる。

なお、前記実施の形態では、偏心質量７０，７２を配置する回転体として、ＶＶＴ６２，６４を用いるものとした。しかし、本発明はこれに限らず、例えばＶＶＴを搭載していない内燃機関において、カムスプロケット等に偏心質量を配置する構成としてもよい。ここで、カムスプロケットとは、カムシャフトに取付けられるプーリ状の部品であり、クランクスプロケットとの間にタイミングチェーンが巻装された状態で、クランク軸の回転をカムシャフトに伝達するものである。さらに、本発明は、ＶＶＴやカムスプロケットに限らず、カムシャフトと一緒に回転する任意の部品を回転体として用いることができる。

また、実施の形態では、金属製のウェイト等からなる偏心質量７０，７２をＶＶＴ６２，６４に設ける構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば鋳造等の手段により偏心質量と回転体とを一体形成する構成としてもよい。

また、実施の形態では、吸気カムシャフト５２側と排気カムシャフト５４側の両方に偏心質量７０，７２を配置する構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、カムシャフト５２，５４のうち何れか一方の側だけに偏心質量を配置する構成としてもよい。

また、実施の形態では、内燃機関１０として、直列４気筒型のエンジンを例に挙げて述べた。しかし、本発明はこれに限らず、並列型、Ｖ型、水平対向型などの内燃機関や、任意の気筒数をもつ内燃機関に広く適用することができる。

本発明の実施の形態１による内燃機関を示す全体構成図である。 内燃機関のバルブ駆動系統を示す斜視図である。 カムシャフト、動弁機構、バルブ及びバルブスプリングをカムシャフトの径方向からみた説明図である。 図２のバルブ駆動系統をカムシャフトの軸方向からみた側面図である。 バルブの開閉状態と、偏心質量からカムシャフトに作用する遠心力の大きさとの関係を示す特性線図である。 吸気側の偏心質量と排気側の偏心質量により生じる遠心力の状態を示す説明図である。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ 燃焼室
１６ 吸気通路
１８ 排気通路
２０ エアフローメータ
２２ スロットル弁
２４ スロットルモータ
２６ 燃料噴射弁
２８ 点火プラグ
３０ 吸気バルブ
３２ 排気バルブ
３４ バルブスプリング
３６，３８ 動弁機構
４０ クランク軸（機関出力軸）
４２ クランク角センサ
５０ ＥＣＵ
５２ 吸気カムシャフト
５４ 排気カムシャフト
５６，５８ カム
６０ カムジャーナル
６２，６４ ＶＶＴ（回転体）
６２Ａ，６４Ａ カムスプロケット
６６ クランクスプロケット
６８ タイミングチェーン
７０，７２ 偏心質量
Ｏ1，Ｏ2 回転軸線

Claims (5)

1. カムジャーナルにより回転可能に支持され、バルブスプリングに抗してバルブを開弁させるカムが設けられたカムシャフトと、
   前記カムシャフトに設けられ、前記カムシャフトと一緒に回転する回転体と、
   前記カムシャフトの回転軸線から偏心した位置で前記回転体に設けられ、前記バルブが開弁することにより前記バルブスプリングの反力であるバルブ反力が前記カムシャフトに作用するときに、当該バルブ反力の影響を遠心力により抑制する偏心質量と、
   を備えることを特徴とする内燃機関。
2. 前記偏心質量は、前記バルブのリフト量が最大となったときに前記バルブ反力と反対方向に作用する遠心力が最大となる位置に設けてなる請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記偏心質量は、複数気筒のうち前記回転体に最も近い気筒のカムから前記カムシャフトに作用するバルブ反力の影響を抑制する構成としてなる請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記カムシャフトは、前記カムにより吸気バルブを開，閉させる吸気カムシャフトと、前記カムにより排気バルブを開，閉させる排気カムシャフトとからなり、
   前記吸気カムシャフトと前記排気カムシャフトには、それぞれ前記回転体と前記偏心質量とを配置し、
   前記吸気カムシャフト側の偏心質量と前記排気カムシャフト側の偏心質量とは、回転位相が互いに１８０°ずれた位置関係となるように配置してなる請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の内燃機関。
5. 前記回転体は、機関出力軸の回転角に対して前記バルブの開閉タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構であるか、または前記機関出力軸の回転を前記カムシャフトに伝達するカムスプロケットである請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の内燃機関。

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