JP2009264140A - 開弁特性可変型内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 バルブスプリングにばね力の大きなものを採用することなく、バルブジャンプやバルブバウンスの効果的な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】 ＶＬＣ機構２０は、ローラ２７を排気カムシャフト４側に常時付勢するロストモーションスプリング２８と、ロストモーションスプリング２８を収容／保持する鋼製のスプリングホルダ２９とを有している。スプリングホルダ２９は、先端が開口した有底円筒形状を呈しており、シリンダヘッド１の上面から所定量突出するかたちで、圧入等によってシリンダヘッド１に固着／一体化されている。スプリングホルダ２９は、ローラ２７が最も下降した状態において、その先端がローラ２７との間に所定の間隙Ｓをもって対峙している。
【選択図】 図５

Description

本発明は、開弁特性可変型内燃機関に係り、詳しくは、ばね力の大きなロストモーションスプリングを採用することなく、バルブジャンプやバルブバウンスの効果的な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、カムシャフト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では、コントロールリンクに保持されたローラをカムシャフトのカム面に転接させる構成を採った場合、確実な作動を実現するため、先端に押圧シューを設けたロストモーションスプリングによってローラをカム面に圧接させることが一般的である。
特開２００７−７７９８２号公報 特開２００４−５２１２３４号公報

本発明者等は、バルブリフト可変装置の開発にあたり、ロストモーションスプリングとして圧縮コイルばねを採用し、シリンダヘッドにロストモーションスプリングの基端を保持させることを試みた。しかしながら、シリンダヘッドの上面とコントロールリンクとの間の距離が長い場合にはロストモーションスプリングも長くなり、エンジンの運転時にコントロールリンクの作動に伴って押圧シューへの荷重作用点が変化すると、サイドスラストが作用することによってロストモーションスプリングが倒れやすいことが判明した。なお、一般的に、シリンダヘッドの高さ（厚み）は鋳造や機械加工の都合等から略一定の値となるため、ロストモーションスプリングの保持長もシリンダヘッドの高さによって決まってしまう。

ロストモーションスプリングが倒れた場合、カム面へのローラの圧接力が低下するためにバルブ作動の確実性が損なわれ、エンジンの高回転域においてバルブジャンプやバルブバウンスが生じる虞があった。また、倒れが起きた状態でも十分な圧接力を確保できるように、ばね力の強いロストモーションスプリングを用いることも考えられるが、その場合には、フリクションの増大によってカムシャフトの回転負荷が当然に大きくなり、駆動損失の増大やそれに伴う燃費の悪化等がもたらされる問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みなされたものであり、バルブスプリングにばね力の大きなものを採用することなく、バルブジャンプやバルブバウンスの効果的な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。

第１の発明は、カムホルダに回転自在に保持されたカムシャフトと、シリンダヘッドに摺動可能に保持されたバルブと、前記カムシャフトと前記バルブとの間に配置された開弁特性制御部材と、その基端が前記シリンダヘッドに保持され、前記カムシャフトのカム面に前記開弁特性制御部材を圧接させる弾性部材とを有し、前記開弁特性制御部材の作動態様の変化に伴って前記バルブの開弁特性が変化する開弁特性可変型内燃機関であって、前記シリンダヘッドから突出し、前記弾性部材の保持に供されるガイド手段を備えたことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明に係る開弁特性可変型内燃機関において、前記ガイド手段が前記弾性部材を囲繞することを特徴とする。

また、第３の発明は、第１の発明に係る開弁特性可変型内燃機関において、前記弾性部材がその軸心に中空部を有しており、前記ガイド手段が前記中空部に嵌挿されたことを特徴とする。

また、第４の発明は、第１〜第３の発明に係る開弁特性可変型内燃機関において、前記ガイド手段の先端は、前記開弁特性制御部材の作動時における外形の軌跡に接近していることを特徴とする。

第１の発明によれば、シリンダヘッドから突出したガイド手段に保持されることにより、弾性部材の倒れに起因する開弁特性制御部材のカム面への圧接力の低下が起こり難くなるため、弾性力が比較的小さな弾性部材を採用してもバルブジャンプやバルブバウンスを抑制することが可能となる。また、第２の発明によれば、弾性部材の倒れを効果的に抑制できる。また、第３の発明によれば、ガイド手段が弾性部材の内側に存在するため、ガイド手段と周辺部品との干渉が起こらず、設計自由度の向上等を実現できる。また、第４の発明によれば、弾性部材の保持長さが大きくなることで、弾性部材の倒れを更に効果的に抑制できる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態とその一部変形例とを詳細に説明する。
［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ＶＬＣ（Variable valve Lift Control）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（開弁特性制御部材）２７と、ローラ２７を排気カムシャフト４側に常時付勢するロストモーションスプリング（弾性部材）２８と、ロストモーションスプリング２８を収容／保持する鋼製のスプリングホルダ（ガイド手段）２９とを主要構成要素としている。図２中に符号３０で示す部材は、ロストモーションスプリング２８の先端に装着された押圧シューであり、ローラ２７の外周面に摺接している。また、図１中に符号３１で示す部材はドライブギヤ２２の回転角度を検出する角度センサ（ロータリエンコーダ）であり、図示しないエンジンＥＣＵは、この角度センサ３１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。

ギヤリンク２３は、図４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３２を中心に旋回する。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（図２参照）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、ローラ２７を回転自在に支持するとともに、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。

＜スプリングホルダ＞
スプリングホルダ２９は、先端（上方）が開口した有底円筒形状を呈しており、シリンダヘッド１の上面から所定量突出するかたちで、圧入等によってシリンダヘッド１に固着／一体化されている。スプリングホルダ２９は、図５に示すように、ローラ２７が最も下降した状態（すなわち、ギヤリンク２３が最大リフト位置にあり、かつ、排気カムシャフト４によってローラリンク２５が最も押し下げられた状態）において、その先端がローラ２７との間に所定の間隙Ｓ（例えば、１〜２ｍｍ）をもって対峙している。

≪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。

通常の燃焼状態とする場合、エンジンＥＣＵは、図５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。この際、ローラ２７が最も下降した状態においても、上述した間隙Ｓが設けられているため、ローラ２７とスプリングホルダ２９とが干渉することはない。

一方、圧縮着火が生じやすくするために内部ＥＧＲ量を増大させる場合、エンジンＥＣＵは、図６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６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。この際、ローラ２７が押圧シュー３０の上面を図６中で斜め右方向に摺動することで荷重作用点が変動し、ロストモーションスプリング２８には比較的大きなサイドスラストが作用する。ところが、本実施形態では、ロストモーションスプリング２８は、シリンダヘッド１から突出したスプリングホルダ２９によって保持されているために倒れることがなく、ローラ２７をカムローブ４ｄに所定の圧接力をもって圧接させることができる。

本実施形態では、このような構成を採ったことにより、ばね力の必要以上に強いバルブスプリング９を用いることなく、図７，図８に示すように、エンジン回転速度Ｎｅが高い領域までバルブバウンスおよびバルブジャンプを抑制することができた。図７，図８では、実線が本実施形態に係る試験結果を示し、破線がスプリングホルダ２９を採用しない場合の試験結果を示している。なお、本実施形態の場合、スプリングホルダ２９として鋼製のものを用いたことにより、ロストモーションスプリング２８の伸縮作動に伴うシリンダヘッド１（アルミニウム合金を素材とする鋳造品）の摩耗が効果的に抑制されるようになった。

［一部変形例］
図９は、一部変形例に係るＶＬＣ機構の要部縦断面図である。
一部変形例も、その全体構成は上述した実施形態と略同様であるが、ガイド手段としてスプリングホルダに代えてロッド状のガイドピン４１が用いられている。シリンダヘッド１にはロストモーションスプリング２８が収容されるスプリング保持孔４２が穿設されており、ガイドピン４１は、このスプリング保持孔４２の中心に位置するようにシリンダヘッド１に圧入／一体化されている。図９中、符号４３で示す部材はスプリング保持孔４２の底部に嵌装されたワッシャであり、ロストモーションスプリング２８の基端によるシリンダヘッド１の摩耗を防止している。なお、ガイドピン４１は、ローラ２７が最も下降した状態（図９）において、その先端が押圧シュー３０の下端に所定の間隙Ｓをもって対峙する。本変形例においては、その軸心にガイドピン４１が嵌挿されることにより、ロストモーションスプリング２８の倒れが防止され、実施形態と略同様の作用／効果を奏する。そして、一部変形例では、ガイド手段（ガイドピン４１）がロストモーションスプリング２８の内側に存在するため、周辺部品とロストモーションスプリング２８とが干渉することがなくなり、動弁系のレイアウト等が実施形態の場合に較べて容易となる。

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、上記実施形態では弾性部材として圧縮コイルばねを用いたが、他種の金属ばねをはじめ、樹脂ばね等を採用するようにしてもよい。また、ガイド手段としては、上述した有底円筒状のスプリングホルダやロッド状のガイドピン以外のものを採用することが可能であり、更にはシリンダヘッドと一体に形成する（一体に鋳造する）ようにしてもよい。その他、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。 実施形態に係るＶＬＣ機構の作動範囲を示す図である。 実施形態に係るＶＬＣ機構の作動説明図である。 実施形態に係るＶＬＣ機構の作動説明図である。 実施形態の効果を示すグラフである。 実施形態の効果を示すグラフである。 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
２０ ＶＬＣ機構
２４ コントロールシャフト
２５ ローラリンク
２６ ローラシャフト
２７ ローラ（開弁特性制御部材）
２８ ロストモーションスプリング
２９ スプリングホルダ（ガイド手段）
３０ 押圧シュー
４１ ガイドピン（ガイド手段）
Ｅ エンジン
Ｓ 間隙

Claims (4)

1. カムホルダに回転自在に保持されたカムシャフトと、
   シリンダヘッドに摺動可能に保持されたバルブと、
   前記カムシャフトと前記バルブとの間に配置された開弁特性制御部材と、
   その基端が前記シリンダヘッドに保持され、前記カムシャフトのカム面に前記開弁特性制御部材を圧接させる弾性部材と
   を有し、
   前記開弁特性制御部材の作動態様の変化に伴って前記バルブの開弁特性が変化する開弁特性可変型内燃機関であって、
   前記シリンダヘッドから突出し、前記弾性部材の保持に供されるガイド手段を備えたことを特徴とする開弁特性可変型内燃機関。
2. 前記ガイド手段が前記弾性部材を囲繞することを特徴とする、請求項１に記載された開弁特性可変型内燃機関。
3. 前記弾性部材がその軸心に中空部を有しており、前記ガイド手段が前記中空部に嵌挿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。
4. 前記ガイド手段の先端は、前記開弁特性制御部材の作動時における外形の軌跡に接近していることを特徴とする、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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