JP2009236011A - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、動弁系に影響を与えず、開弁期間可変機構の中間位相角をエンジンの最高回転域で適用可能にした内燃機関の可変動弁装置を提供する。
【解決手段】本発明の内燃機関の可変動弁装置は、最小位相角と最大位相角の間の中間位相角を内燃機関の最高回転域で適用する最高回転用とし、バルブ８を駆動するカムローブ１６のカム山部１８を、この中間位相角で適用される内燃機関の最高回転域のときのバルブリフト特性の上り区間Ｖ１と下り区間Ｖ２とが対称になるように形成した。これにより、中間位相角が内燃機関の最高回転域で使用されても、動弁系慣性力の急激かつ大きな変動は抑えられ、当該慣性力が、バルブスプリング９のばね荷重を上回ることはなくなる。
【選択図】図４

Description

本発明は、不等速回転の速度変化を用いてバルブの開弁期間の可変を行う内燃機関の可変動弁装置に関する。

自動車に搭載されるレシプロ式のエンジン（内燃機関）では、適切に吸気や排気のバルブのバルブ特性を制御するため、エンジンの運転状態に応じてバルブの開弁期間を可変させる方式の可変動弁装置が開発されている。
この方式の可変動弁装置の多くは、特許文献１に開示されているようにシリンダヘッドに組み付くカムシャフト（カム駆動シャフト）の外周面に回転自在に外嵌させたカムローブと、カムシャフトの回転を所定周期で速度を変化させてカムローブを伝える開弁期間可変機構とを組み合わせた構造が用いられる。この開弁期間可変機構の多くは、カムシャフトの外周面に、カムローブと並んで、カムシャフトの周りを偏心しながら回転するハーニックリング（中間回転部材）を設け、カムシャフトの一定回転を、ハーモニックリングで、所定の周期で速度が変わる不等速回転に変化させてから、カムローブへ伝えて、カムローブのカム山部でバルブを駆動させる構造が用いられる。そして、ハーモニックリングの偏心した中心の偏心位置をカムシャフトの軸心位置から位相させると、バルブをリフトさせるときのカム山の通過速度が変化して、バルブの開弁期間の可変が行われる。具体的には、ハーモニックリングの中心位置を最もバルブ側に近付けた位置にすると、カムシャフトの軸心位置に対する位相角が最小（０°）となり、最も開弁期間が短く、反対にハーモニックリングの中心位置を最もバルブ側から遠ざけた位置にすると、カムシャフトの軸心位置に対する位相角が最大（１８０°）となり、最も開弁期間が長くなる。

つまり、これら最小位相角と最大位相角との間で、ハーモニックリングの偏心中心位置を変位することによって、バルブの開弁期間が最小から最大まで可変される。
そのため、通常、こうした可変動弁装置は、最大の位相角（１８０°）を、エンジンが最大回転域で運転するときに使用している。
ところで、偏心回転式の開弁期間可変機構においては、最大の位相角がもたらす開弁期間とその周辺の位相角の開弁期間とを比べると、開弁時期、閉弁時期のいずれも曖昧なので、あまり期間的な差が見られない。

そこで、最小位相角（０°）と最大位相角（１８０°）の間の中間の位相角を、エンジンの最高回転域で使用する最高回転用として設定することが考えられている。同設定は、エンジンの最大回転域で十分な開弁期間が確保できるだけでなく、開弁期間可変機構の位相角の使用範囲が狭められるために、エンジンの応答性が良好になる。さらには開弁期間可変機構の位相角を制御するアクチュエータの負担も低減できるなどの利点をもたらす。
特開平１０−２８０９２５号公報

ところが、中間位相角をエンジンの最高回転域で用いると、動弁系の慣性力を支えるバルブスプリングに過負担を与え、カム山からバルブが離れる（ジャンプなどによる）といった動弁系の動き影響を与えてしまうおそれがある。
すなわち、偏心回転式の開弁期間可変機構は、ハーモニックリングの偏心位置がカムシャフトの軸心の周りを位相する関係上、図５に示されるようにバルブのバルブリフトカーブ（バルブリフト特性）としては、破線で示す最小位相角（０°）と実線で示す最大位相角（１８０°）のときは、上り区間と下り区間とは対称になり、一点鎖線で示す中間位相角の領域のときは、上り区間と下り区間とが非対称となる。

ここで、バルブスプリングのばね荷重は、通常、最大の位相角（１８０°）のとき、エンジンの最大回転域の運転時における動弁系の慣性力を十分に抑え続けるように設定される。
ところが、中間位相角をエンジンの最高回転域で使用すると、若干でも開弁期間が小さくなることで動弁系の慣性力は増す。しかも、動弁系の慣性力の角加速度の変動は、バルブリフトカーブの上り区間と下り区間との非対称形状にしたがい大きくなり、これを要因に動弁系の慣性力はバルブリフトカーブのずれる方向へ偏りながら急激に大きくなる。

このため、中間位相角をエンジンの最高回転域で適用すると、動弁系の慣性力がバルブスプリングのばね荷重を上回る現象が生じて、カム山からバルブが離れるおそれがあり、良好なバルブの動きが続けられなくなることがある。
そこで、本発明の目的は、動弁系に影響を与えず、開弁期間可変機構の中間位相角をエンジンの最高回転域で適用可能にした内燃機関の可変動弁装置を提供する。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、開弁期間可変機構は、最小位相角と最大位相角の間の中間位相角を内燃機関の最高回転域で適用する最高回転用とし、バルブを駆動するカムローブのカム山部は、この中間位相角で適用される内燃機関の最高回転域のときのバルブリフト特性の上り区間と下り区間とが対称になるように形成した。
同構成により、開弁期間可変機構の中間位相角が、内燃機関の最高回転域で使用されても、カム山部の変更により、動弁系の慣性力の急激かつ大きな変動は抑えられ、当該慣性力が、バルブスプリングのばね荷重を上回るようなことなくなる。

請求項２に記載の発明は、簡単な構造ですむよう、カム山部には、当該カム山部のカムプロフィールをバルブの上り区間と下り区間とで非対称形状する構成を用いて、中間位相角におけるバルブリフト特性の上り区間と下り区間とを対称にさせた。

請求項１の発明によれば、開弁期間可変機構の中間位相角を、エンジンの最高回転域で使用しても、カム山部の形状の変更により、動弁系の慣性力の変動は抑えられ、動弁系の慣性力が、バルブスプリングのばね荷重を上回ることは避けられる。
それ故、エンジンの応答性の向上やアクチュエータの負担軽減など多くの利点をもたらす、開弁期間可変機構の中間位相角におけるエンジンの最高回転域の適用は、動弁形に影響を与えずにできる。

請求項２の発明によれば、中間位相角のエンジンの最高回転域への適用は、カム山部のカムプロフィールをバルブの上り区間と下り区間とで非対称形状するだけでよく、簡単な構造ですむ。

以下、本発明を図１〜図５に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１は内燃機関の例えば吸気側の動弁系に可変動弁装置を組み込んだ内燃機関の断面図を示している。同図を説明すると、図１中１は、内燃機関のシリンダブロック、例えば４気筒のレシプロ式ガソリンエンジン（以下、単にエンジンという）のシリンダブロック（図１にだけ図示）を示し、２は同シリンダブロック１の頭部に搭載されたシリンダヘッドを示している。

まず、エンジンの基本構造を説明すると、シリンダブロック１には、エンジンの前後方向に直列に並んで４つの気筒４（一部気筒だけ図示）が形成されている。これら気筒４内には、ピストン５がそれぞれ往復動動可能に収められている。ピストン５は、いずれも図示はしないが、コンロッドを介してクランクシャフトに接続してある。
シリンダヘッド２の下面には、気筒４に対応して、それぞれ燃焼室６が形成されている。燃焼室６には、一対の吸気ポート７、一対の排気ポート（図示しない）が形成されている。また燃焼室６には、吸気ポート７を開閉する一対（２つ）の吸気バルブ８（本願のバルブに相当）と、排気ポートを開閉する一対の排気バルブ（図示しない）が設けられている。なお、吸気バルブ８、排気バルブは、いずれもバルブスプリング９により閉じる常閉式である。さらに燃焼室６には、図示はしないが点火プラグがそれぞれ設けられていて、所定の燃焼サイクル（吸気行程、圧縮行程、爆発行程および排気行程の４サイクル）が繰り返されるようにしている。

またシリンダヘッド２の上部には、気筒４が並ぶ方向に沿って吸気用カムシャフト１０（本願のカム駆動シャフトに相当）、排気用カムシャフト（図示しない）が設けられている。この吸気用カムシャフト１０および排気用カムシャフトは、図示しないタイミングチェーン部材などを介して、クランクシャフト端（図示しない）に接続されていて、クランクシャフトから出力される軸出力にて回転駆動される構造となっている。

このエンジンの吸気用カムシャフト１０には、図１に示されるように可変動弁装置１５が組み付けられている。可変動弁装置１５には、カムシャフトの一定回転を不等速回転に変えて、吸気バルブ８の開弁期間を変化させる可変構造が用いられている。同可変構造は、気筒４毎、吸気用カムシャフト１０の外周面に回転自在に嵌挿されたカムローブ１６と、同カムローブ１６毎に組み付く偏心回転式の開弁期間可変機構２８とを組み合わせて構成される。

図２には、このうち１気筒分のカムローブ１６および開弁期間可変機構２８の分解斜視図が示されている。
同図２を参照して、この１気筒分で代表される可変構造の各部を説明すると、カムローブ１６は、吸気用カムシャフト１０の外周面に回転自在に外嵌される筒形の本体部１７と、この本体部１７の外周面に形成された一対（複数）の円板形のカム山部１８と、本体部１７の一方の端部の外周部に突設したボス部１９とを有して構成される。このうちカム山部１８間の外周面が、一対の吸気バルブ８間に設置されている軸受部２０によって回転自在に支持される（図１にだけ図示）。そして、各カム山部１８のカム面は、吸気バルブ８の受け部、例えば吸気バルブ８の基端に装着されたバルブリフタ８ａと直接当接していて、カム山部１８で吸気バルブ８の駆動が行えるようにしている。

開弁期間可変機構２８は、不等速機構３０と、開弁期間を設定する期間設定部４０とを組み合わせて構成してある。不等速機構３０は、吸気用カムシャフト１０の一定回転を不等速回転に変化させて、カムローブ１６へ伝える機構である。具体的には不等速機構３０は、オルダム継手で構成されている。
すなわち、同継手は、図１および図２に示されるようにカムローブ１６のボス部１９側の端部と隣接する吸気用カムシャフト部分に設けた駆動アーム３１と、この駆動アーム３１と隣接する吸気用カムシャフト１０の外周面に回転自在に嵌挿された偏心軸部３３と、この偏心軸部３３の外周面に軸受部３４を介して回転自在に嵌挿されたハーモニックリング３２（本願の中間回転部材に相当）とを有している。

駆動アーム３１は、カムシャフト部分の外周面に固定された固定環３１ａと、ボス部１９とは１８０°ずれた固定環３１ａの地点から直径方向へ突き出るアーム部３１ｂとを有した部品で構成されている。
アーム部３１ｂの先端部の端面とボス部１９の端面とには、１組の中継ピン３５ａ，３５ｂの一方の端部が回転自在に嵌挿される。このうちアーム部３１ｂから突き出た中継ピン３５ａの端部は、ハーモニックリング３２の端面に形成された直径方向に延びるスライド溝３６ａにスライド自在に嵌挿される。またボス部１９から突き出た中継ピン３５ｂの端部は、固定環３３ａの側方を通過して、スライド溝３６ａとは１８０度ずれた地点に形成された直径方向に延びるスライド溝３６ｂにスライド自在に嵌挿される。

これにより、吸気用カムシャフト１０の回転が、駆動アーム３１から中継ピン３５ａを通じてハーモニックリング３２へ伝達され、さらにハーモニックリング３２から中継ピン３５ｂおよびボス部１９を通じてカムローブ１６へ伝わるようにしている。つまり、吸気用カムシャフト１０の回転は、図３（ａ）や図３（ｃ）に示されるように偏心軸部３３の周り（吸気用カムシャフト１０の周り）を遅れや進みを生じながら偏心回転するハーモニックリング３２により、図５（ｂ）中の実線あるいは破線で示されるような所定周期で速度が変化する回転となって、カムローブ１６へ伝えられるようにしている。

期間設定部４０は、図１および図２に示されるように偏心軸部３３に入力ギヤ部４１を一体に設けた構造が用いられる。同入力ギヤ部４１は、吸気用カムシャフト１０の軸心と同一の軸心をもつ円形ギヤで構成され、入力ギヤ部４１から開弁期間を設定する変位を入力すると、偏心軸部３３の偏心した軸心（ハーモニックリング３２の軸心）が、吸気用カムシャフト１０の軸心の周りを偏心位相する。期間設定部４０の各部は、図３（ａ）〜（ｃ）に示されるように吸気バルブ８の最大リフト時に関連付けて設定されていて、偏心軸部３３の軸心位置βが、吸気用カムシャフト１０の軸心位置αの下方（バルブ側）に一直線に並んだ偏心位相、すなわち軸心位置αと軸心位置βがなす位相角０°（最小位相角）にすると、吸気バルブ８を通過するカム山部１８は、ハーモニックリング３２の速度変化から、吸気バルブ８の開弁速度が最大に遅れ、さらに閉弁速度が最大に早まるように変位する（最小開弁期間）。反対に偏心軸部３３の軸心位置βが、吸気用カムシャフト１０の軸心位置αの上方（反バルブ側）に一直線に並んだ偏心位相、軸心位置αと軸心位置βがなす位相角１８０°（最大位相角）にすると、吸気バルブ８を通過するカム山部１８は、ハーモニックリング３２の速度変化から、吸気バルブ８の開弁速度が最大に早まり、さらに閉弁速度が最大に遅れるように変位する（最大開弁期間）。また位相角０〜１８０°間では、偏心位相に応じて開弁速度、閉弁速度は変わる。こうした吸気バルブ８を通過するカム山部１８の速度の変化から、吸気弁８の開弁する期間（開弁期間）が可変されるようになっている。

そして、入力ギヤ部４１は、図１に示されるようにコントロールシャフト４２のギヤ部４２ａが噛み合わせてあり、コントロールシャフト４２につながるアクチュエータ（図示しない）をエンジンの運転状態に応じて制御すると、ハーモニックリング３２の偏心位置がエンジンの運転状態に応じ変化し、吸気バルブ８が、最小位相角０°の最小開弁期間から最大位相角１８０°の最大開弁期間まで調節されるようにしてある。

こうした偏心回転式の開弁期間可変機構２８は、最大位相角の最大開弁期間とその周辺の開弁期間とでは、期間的に格段に差がない（開弁時期、閉弁時期が曖昧なため）。このため、同開弁期間可変機構２８は、最小位相角０°と最大位相角１８０°との間の中間位相角、ここでは最大位相角寄りの中間位相角が、エンジンの最大回転域のときに使用されるように定めてある。

中間位相角を最高回転域で使用するためには、同回転域で生ずる動弁系の慣性力がバルブスプリング９のばね荷重を上回ることを避けることが求められる。
そこで、図４（ａ）〜（ｃ）に示されるようにカム山部１８のカムプロフィールは、図４（ｄ）の一点鎖線に示される同中間位相角（エンジン最大回転域）におけるバルブリフトカーブの上り区間Ｖ１のカーブと下り区間Ｖ２のカーブとが対称になるように、カム山部１８の上り区間のカムプロフィール部分１８ａと下り区間のカムプロフィール部分１８ｂを非対称形状に変更している。具体的には、例えばカム山１８のカムプロフィールは、上り区間は遅らせるようカーブを膨らませ、下り区間は早めるようカーブを削ぎながら遅角方向へずらす手法を用いて、バルブリフトカーブの上り区間Ｖ１と下り区間Ｖ２とを対称形状にさせている。このように中間位相角におけるバルブリフトカーブを対称にすると、エンジンの最高回転域における動弁系慣性力の急激かつ大きな変動が抑えられ、動弁系の慣性力がバルブスプリング９のばね荷重を上回らずにすむ。

カム山部１８のカムプロフィールの変更に伴い、図４（ａ）に示される最小位相角０°（最小開弁期間）のときは、図５（ｄ）中の破線に示されるようにバルブリフトカーブが非対称になるが、同特性は動弁系の慣性力が最小のエンジンの最小回転域で使用されるから、問題はない。また図５（ｃ）に示される最大位相角１８０°（最大開弁期間）のときにも、図５（ｄ）中の実線に示されるようにバルブリフトカーブは非対称になるが、同最大位相角は使用しないので問題はない。

こうしたカム山部１８の採用により、吸気バルブ８は、偏心軸部３３の偏心位相角度を、最小位相角から最高回転域で使用する中間位相角までといった狭い範囲内での可変だけで、動弁系慣性力がバルブスプリング９のばね荷重を上回るような挙動を生じずに、エンジンの低速運転に適した短い開弁期間から、エンジンの高速運転に適した長い開弁期間まで可変ができる。

したがって、動弁系に影響を与えず、中間位相角をエンジンの最高回転域で適用可能にした可変動弁装置１５が実現できる。しかも、中間位相角を最高回転用として使用すると、可変動弁装置１５の位相角の使用範囲が狭められ、エンジンの応答性の向上が図れたり、アクチュエータによる駆動負担の軽減が図れたりするから、優れたエンジン性能が期待できる。

特に中間位相角のエンジンの最高回転域への適用は、カム山部１８のカムプロフィールをバルブの上り区間と下り区間とで非対称形状するだけでよく、簡単な構造である。
また、上述した一実施形態ではハーモニックリングの中心位置を最もバルブ側に近付けた位置、つまり位相角が最小（０°）のとき、最も開弁期間が短く、ハーモニックリングの中心位置を最もバルブ側から遠ざけた位置、つまり位相角が最大（１８０°）のとき、最も開弁期間が長くなるもので説明したが、この関係は中継ピン３５ａおよび３５ｂ、偏心中心及びボス部１９から突き出た中継ピン３５ｂとカム山部１８の位置で決まるため、例えば、ボス部１９から突き出た中継ピン３５ｂがカム山頂点方向に位置し、偏心中心がバルブ側から遠ざかった位置のときに弁開機関が最小となるものでも同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施しても構わない。例えば上述した一実施形態ではエンジンの吸気側に偏心回転式の可変動弁装置を設けた構造を挙げ、この可変動弁装置に本発明を採用したが、これに限らず、エンジンの排気側に設けた偏心回転式の可変動弁装置に本発明を採用しても構わない。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置を示す断面図。 同可変動弁装置の要部の構造を分解した分解斜視図。 同可変動弁装置の作動特性を説明するための図。 カム山の変更したカムプロフィールによって得られるバルブリフト特性を説明するための図。 従来の偏心回転式の可変動弁装置のバルブリフト特性を説明するための線図。

符号の説明

２ シリンダヘッド
８ 吸気バルブ（バルブ）
１０ 吸気用カムシャフト（カム駆動シャフト）
１５ 可変動弁装置
１６ カムローブ
１８ カム山部
２８ 開弁期間可変機構
３２ ハーモニックリング（中間回転部材）

Claims (2)

1. 吸気又は排気のバルブを有するシリンダヘッドと、
   前記シリンダヘッドに回転自在に設けられたカム駆動シャフトと、
   前記カム駆動シャフトの外周面に回転自在に外嵌され、外周部に前記バルブを駆動するカム山部を有するカムローブと、
   前記カム駆動シャフトの回転を、当該カム駆動シャフトの軸心と偏心した中間回転部材で中継して所定周期で速度が変化する回転に変化させて前記カムローブへ伝え、前記カム駆動シャフトの軸心位置に対する前記中間回転部材の偏心位置とがなす位相角を最小〜最大の範囲で可変することにより前記バルブの開弁期間を可変とした開弁期間可変機構とを有し、
   前記開弁期間可変機構は、最小位相角と最大位相角の間の中間位相角を内燃機関の最高回転域で適用する最高回転用として設定し、
   前記カム山部は、この中間位相角で適用される内燃機関の最高回転域のときのバルブリフト特性の上り区間と下り区間とが対称になるように形成される
   ことを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
2. 前記カム山部は、当該カム山部のカムプロフィールにおけるバルブの上り区間と下り区間とを非対称形状にして、前記中間位相角におけるバルブリフト特性の上り区間と下り区間とを対称にさせてあることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。

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