JP2010053708A - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、装置の組立作業に影響を与えずに、揺動部材の揺動軸の軸線方向の変位が抑えられる内燃機関の可変動弁装置を提供する。
【解決手段】本発明の可変動弁装置は、回転カム２０のカム変位を受けて揺動する揺動部材４０と、揺動部材に当接し同揺動部材の揺動によりバルブ１７を駆動するバルブ側部材５０のどちらか一方にカム面５８ａを有し、他方にカム面に当接する入力子５８を備えた構造で、入力子の両側に、揺動部材とバルブ側部材との揺動部材の揺動軸方向への変位を規制するガイド部６１を設けた。同構成により、揺動部材やバルブ側部材の組付けを行なうだけで、揺動部材の揺動軸方向の変位の規制が行なわれる。
【選択図】図３

Description

本発明は、吸気や排気のバルブを駆動するバルブ駆動出力を制御する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、近時、エンジンの排出ガスの対策やポンピングロスの改善を図るために、シリンダヘッドに、バルブのバルブ駆動出力を連続的に制御する可変動弁装置を搭載することが行われつつある。
こうした可変動弁装置の多くは、吸入空気量の調整を担うために、少なくともバルブリフト量（リフト特性）を連続的に変化させる構造が用いられる。同構造には、例えば特許文献１に開示されているようにカムシャフトに形成されている吸気カム（回転カム）のカム変位を受ける揺動カムと、吸気バルブを駆動するロッカアームとを組み合わせて、リフト特性を変化させる構造がある。同構造には、吸気カムのカム変位を受けて揺動するよう揺動カムをシリンダヘッドに揺動自在に組み付け、この揺動カムの端部に形成してあるリフト特性用のカム面に、ロッカアームの端部の入力子を当接させて、外部の指示で揺動カムの揺動姿勢を変位させると、入力子が接触するカム面の領域、つまり入力子が行き交うカム面の領域を変化させて、リフト特性を変える機構が用いられる。そして、リフト特性（バルブリフト量や開閉タイミングや開弁期間など）が変化したバルブ駆動出力で、ロッカアームを駆動し、吸気バルブを駆動させる構造としてある。

ところで、こうした可変動弁装置は、バルブリフト量を低バルブリフトから高バルブリフトまで制御することが求められ、吸気量をバルブリフトで制御する場合は気筒毎や経時変化でのバルブリフト量の誤差は燃焼変動による排ガス悪化や振動となるために、高い組付精度が要求される。特に揺動カムは、揺動姿勢を変位させることによって、リフト特性を可変させる部品なので、揺動カム面とロッカアーム入力子とのミスアライメントが生じると、揺動カム位置とロッカアーム入力子との揺動軸方向の移動が発生し、安定したリフトが得られないことがある。また、揺動軸の軸線方向の変位でも、フリクションの変化により、ロッカアームへ伝わるバルブ駆動出力がばらつくことがある。

これらのばらつきを抑えるよう、ロッカアームは、既存の動弁系を流用して、揺動軸の軸線方向への変位を規制、具体的にはロッカシャフト（ロッカアームを支持する支持部材）をシリンダヘッドに固定するホルダ部材を用いて、ロッカアームの揺動軸の軸線方向へのずれを規制している。
揺動カムは、ロッカアームとは異なり、別途、支持シャフトを用いて支持する支持構造が用いられる。そのため揺動カムのずれ規制の多くは、支持シャフトに、揺動カムの揺動軸の軸線方向の変位を規制する部材を設けることが検討されている。具体的には複数バルブの構造にも対処できるよう、ロッカアームの両側の支持シャフトの部分に、スリーブ部材を嵌挿して、揺動カムの揺動軸の軸線方向への変位を規制することが検討されている。
特開２００５−２９９５３６号公報

ところが、スリーブ部材で揺動カムの軸線方向の変位を規制する構造は、可変動弁装置を組立てる際、気筒毎に、別途、スリーブ部材を揺動カムの両側に組み付ける作業が求められる。このため、可変動弁装置の組立作業が面倒になる。しかも、装置中心での組立てが増えるので、組立てそのものが難しくなりやすい。
そこで、本発明の目的は、装置の組立作業に影響を与えずに、揺動部材の揺動軸の軸線方向の変位が抑えられる内燃機関の可変動弁装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するために、回転カムのカム変位を受けて揺動する揺動部材と、揺動部材に当接し同揺動部材の揺動によりバルブを駆動するバルブ側部材のどちらか一方にカム面を有し、他方にカム面に当接する入力子を備えた構造で、入力子の両側に、揺動部材とバルブ側部材との揺動部材の揺動軸方向への変位を規制するガイド部を設けて、揺動部材の揺動軸方向の変位が規制されるようにした。

請求項２に記載の発明は、さらにフリクションの軽減が図れるよう、入力子は、カム面と転接する回転自在なローラから構成し、ガイド部は、カム面を両側から囲うよう、ローラを支持する軸部のうち、当該ローラの両端部と軸部の端を保持するロッカアーム側の保持部との間の軸部分にそれぞれ回転自在に設けられたワッシャ部材から構成した。
請求項３に記載の発明は、さらに動弁重量の軽減が図れるよう、揺動部材はカム面を有する揺動カムで、バルブ側部材は入力子を有するアルミ合金製のロッカアームであり、さらにローラは、ベアリング部材で回転自在に支持されるものとした。

請求項１の発明によれば、ガイド部により揺動部材とバルブ側部材との組み付け作業性が向上し、かつ、揺動部材やバルブ側部材の組付けを行なうだけで、揺動部材の揺動軸の軸線方向の変位の規制が行なわれる。
よって、カム面と入力子とのミスアライメントから生じる揺動部材とバルブ側部材との揺動軸方向の移動も規制され、気筒毎のリフト誤差も小さく、安定したリフトが得られ、気筒毎の燃焼差や燃焼の変動による排ガス悪化や振動を小さくすることができる。

しかも、入力子の両側にガイド部を設ける構造は、入力子とカム面の幅方向のずれが規制できるため、入力子とカム面の幅寸法を許容できる面圧の必要最小限まで狭めることができ、揺動部材やバルブ側部材の重量の低減、すなわち動弁重量の低減ができ、バルブの動弁特性の向上が図れる。
請求項２の発明によれば、回転自在なローラ並びに回転自在なワッシャ部材により、フリクションの発生をできるだけ抑えることができる。しかも、ワッシャ部材の回転変位によって、ワッシャ部材の磨耗の進行が抑えられ、高い信頼性をもたらす。また、ワッシャ部材の回転により揺動カムとの摺動フリクションも低く抑えることができる。

請求項３の発明によれば、ロッカアームのアルミ合金製化により、ロッカアームの重量が軽減されるだけでなく、ワッシャ部材が、ロッカアームのアルミ合金製化で必須の部品、すなわちベアリング部材の端がロッカアームの保持部に接触し、摩耗するのを防ぐ接触防止部材を兼ねるために、接触防止部材が不要となる。それ故、ベアリング部材幅まで入力子幅を狭めることができ、カム面幅も狭くすることができ、揺動部材やバルブ側部材の重量の低減、すなわち、可変動弁装置の動弁重量を大幅に軽減することができ、一層、バルブの動弁特性の向上が図れる。さらには、ワッシャ部材が接触防止部材となるため、ロッカアームとの接触面積が大きくなり、摩耗が抑制されるので、アルミ合金も低級化でき、コスト低減も可能となる。

以下、本発明を図１〜図６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、例えばレシプロ式ガソリンエンジンの本体を示し、図２は図１中のＡ−Ａ線に沿う可変動弁装置の断面を示し、図３および図４は可変動弁装置の要部となる各部の構造を示し、図５および図６はバルブ特性を変化したときの可変動弁装置の挙動を示している。

図１および図２中１はエンジン本体を構成するシリンダブロック、２は同じくシリンダブロック１の上部に搭載されたシリンダヘッドをそれぞれ示している。このうちシリンダブロック１は、エンジン本体の前後方向に４つの気筒４（図２に一部だけ図示）が形成されている。これら気筒４内にはそれぞれピストン６が往復動可能に収めてある。このピストン６が、コンロッド７、クランクピン（図示しない）を介して、シリンダブロック１の下部に設けたクランクシャフト（図示しない）に連結してある。

シリンダヘッド２は、図２に示されるように下面に気筒４にならってそれぞれ燃焼室１１が形成されている。これら各燃焼室１１の両側には、先端側が２つに分れた吸気ポート１２、同じく排気ポート１３が設けられている。また吸気ポート１２の各先端部には一対の吸気バルブ１７（片側だけ図示：本願のバルブに相当）が設けられ、排気ポート１３には一対の排気バルブ１８（片側だけ図示）が設けられている。なお、燃焼室１１の中央には点火プラグ（図示しない）が設けられ、図示はしないが吸気ポート１２とつながる吸気マニホールドには燃料噴射弁が設けられる。

シリンダヘッド２の上部には、図１に示されるように所定の間隔で前後方向に複数のホルダ部材２３が設置されている。これらホルダ部材２３の下部には、カムシャフト２２が回転自在に支持されている。このカムシャフト２２は、クランクシャフトからの軸出力で駆動される部品である。このカムシャフト２２の外周部には、図２に示されるように気筒毎に、吸気用カム２０（本願の回転カムに相当）と排気用カム２１（一部だけ図示）が設けられている。

さらにシリンダヘッド２の上部には、吸気バルブ１７のリフト特性を可変する可変動弁装置、例えば吸気バルブ１７の開閉タイミングとバルブリフト量とを連続的に可変可能とした可変動弁装置２５が組付けられている。
可変動弁装置２５は、図１および図２に示されるように気筒毎、燃焼室１１の頭上に配置されたスイングカム４０（本願の揺動部材、揺動カムに相当）と、同スイングカム４０の吸気バルブ１７側に配置された吸気ロッカアーム５０（本願のバルブ側部材、ロッカアームに相当）と、スイングカム４０の揺動姿勢を制御するセンタロッカアーム３０（伝達部材）とを組み合わせて構成される。このうちのスイングカム４０は、ホルダ部材２３間に掛け渡した支持シャフト２７に揺動自在に組付き、吸気ロッカアーム５０は、同じく支持シャフト２７の吸気バルブ１７側に掛け渡した回動可能な制御シャフト２８に回動自在に組付き、センタロッカアーム３０は吸気用カム２０の直上に組付き、吸気バルブ１７のリフト特性を可変（変化）する機構を構成している。

すなわち、図２に示されるようにセンタロッカアーム３０は、例えばＬ形のアーム３１と、同アーム３１の屈曲する部分に回転自在に組付けた滑りローラ３２とを有した構造が用いられている。このうち滑りローラ３２は、吸気用カム２０のカム面と転接していて、吸気用カム２０のカム変位を受けて上下動する。アーム３１の横方向に延びるアーム部３１ａは、制御シャフト２８の直径方向に挿通されたピン部材３３を介して、制御シャフト２８の外周部に支持される。これで、吸気用カム２０のカム変位が、滑りローラ３２、さらにはアーム部３１ａ端を支点としたアーム３１の揺動変位により、上方向に延びるアーム部３１ｂから、上方のスイングカム４０へ伝えられる。と共に制御シャフト２８が回動変位すると、センタロッカアーム３０は、吸気用カム２０との転接位置を変更しながら、カムシャフト２２の軸心と交差する方向（進角や遅角方向）へ変位するようになっている。なお、ピン部材３３が挿入された通孔には、当該ピン部３３の突出し量を調整するためのねじ部材３４が進退可能に螺挿され、気筒毎にバルブ開閉時期やバルブリフト量の調整が行える構造としてある。

スイングカム４０には、図２に示されるように一端部が支持シャフト２７に回動自在に支持され、反対側の他端部がロッカアーム５０側へ向かって延びるアーム部材が用いられる。アーム部材の他端部の端面には、上下方向に延びる帯形のリフト特性用のカム面４２が形成されている。またアーム部材の下部には、アーム部３１ｂの端面に形成してある斜面３５と転接する滑りローラ４３が設けられ、センタロッカアーム３０が駆動されると、スイングカム４０が支持シャフト２７を支点に揺動するようにしてある。と共に制御シャフト２８の回動変位により、センタロッカアーム３０の吸気用カム２０に対する転接位置が変更すると、スイングカム４０の姿勢（揺動姿勢）が変位（傾く）する構造にもなっている。

吸気ロッカアーム５０には、図１〜図４に示されるように重量を低減するためにアルミ合金製の部品、具体的には二股に分かれたアルミ合金製の部品が用いられている。同ロッカアーム５０は、例えば、先端部に吸気バルブ１７を押動するアジャストスクリュ部５２を有し、他端部の一側面に軸取付穴５３（図４にだけ図示）を有し、中間部にロッカ支持孔５４が形成された一対のアーム部材５５（アルミ合金製）と、両支持孔５４に端部を圧入することによって一対のアーム部材５５を、その間に入力子取付スペースを空けて対称に連結するシャフト５６（鋼製：本願の軸部に相当）と、この入力子取付スペースのシャフト部分に、ニードルベアリング５７（本願のベアリング部材に相当）を介して回転自在に設けられた鋼製のローラ５８（ニードルローラ）を組み合わせた構造が用いられている。そして、フリクションを低減するために用いたローラ５８から、本願の入力子５８ａを構成している。このうち両ロッカ支持孔５４には、制御シャフト２８が回動自在に嵌挿され、アーム部材５５の各先端部に有るアジャストスクリュ部５２を吸気バルブ１７のステム端に配置し、ローラ５８の外周面をスイングカム４０のカム面４２に転接させている。また吸気ロッカアーム５０の揺動軸の軸線方向の動きは、隣接配置されているホルダ部材２３によって規制され、ロッカアーム５０を所定の地点に位置決めている。これにより、吸気用カム２０のカム変位でスイングカム４０が揺動すると、カム面４２でローラ５８を押すあるいは戻るといった挙動で、バルブ駆動出力が吸気ロッカアーム５０へ入力される。つまり、吸気ロッカアーム５０は、制御シャフト２８を支点に揺動し、吸気バルブ１７を開閉させる。

このとき、スイングカム４０の揺動姿勢が変位すると、ローラ５７が転接するカム面４２の領域が変化し、このリフト特性の変化したバルブ駆動出力で、吸気バルブ１７を駆動する。
ここで、リフト特性の変化のメカニズムを説明すると、上下方向に延びるカム面４２は、例えば、上部側が吸気用カム２０のベース円に相当するベース円区間とし、下部側がベース円区間と連続したリフト区間として形成してあり、制御シャフト２８の回動変位により、センタロッカアーム３０の滑りローラ３２が、吸気用カム２０の進角方向あるいは遅角方向へ変位すると、スイングカム４０の姿勢が変化する。このとき、ローラ５８が転動するカム面４２の領域が変化し、ローラ５８が揺動するベース区間とリフト区間の比率が変わる。この進角方向の位相変化、遅角方向の位相変化を伴うベース区間、リフト区間の比率の変化により、吸気バルブ１７のバルブリフト量は、吸気用カム２０のトップのカムプロフィルがもたらす低リフトから、吸気用カム２０の頂部から基端部までの全体のカムプロフィルがもたらす高リフトまで連続的に可変される。と同時に、吸気バルブ１７の開閉タイミングが、開弁タイミングよりも閉弁タイミングが大きく可変される。このリフト特性が変化したバルブ駆動出力により、吸気バルブ１７の動きが変化する。

こうしたリフト特性の可変が適正に行なわれるよう、スイングカム４０は、軸線方向（スラスト方向）の動きが規制されている。
このスイングカム４０の規制には、図１および図２に示されるように吸気ロッカアーム５０の入力側の端部に一対の規制用のガイド部６０を設ける構造が用いられている。このガイド部６０の詳しい構造は、図３の分解斜視図および図４の断面図に示されている。

図３および図４を参照して一対のガイド部６０の構造を説明すると、ガイド部６０は、一対のワッシャ部材６１（鋼製）を用いて構成してある。すなわち、ガイド部６０は、吸気ロッカシャフト５０の入力子５８ａをなすローラ５８の両端側に、一対のワッシャ部材６１を組付けて構成される。具体的には、一対のワッシャ部材６１は、ローラ５８を支持するシャフト５６のうち、ローラ５８の両端面と、シャフト５６の端を保持する各アーム部材５５部分、具体的にはアーム部材５５の他端部で形成される保持部６２間のシャフト部分に、それぞれ回転自在に嵌挿して、ローラ５８の端面の近くに組付けてある。一対のワッシャ部材６１は、いずれもローラ５８とカム面４２とが転接する転接部６４（図４〜図６に図示）を越える外径を有している。このときのローラ５８の端から突き出るワッシャ部材６１により、カム面４２を幅方向両側から囲い、カム面４２とローラ５８との双方を所定の位置に位置決めている。これで、スイングカム４０と吸気ロッカアーム５０とは、常に良好な接触姿勢が保たれ、スイングカム４０から出力されるバルブ駆動出力が適正に吸気ロッカアーム５０へ入伝わるようにしている。

なお、図１および図２において、６５はスイングカム４０を介してセンタロッカアーム３０を吸気用カム２０に押し付けるプッシャ、６６は排気用カム２１のカム変位で排気バルブ１８を駆動する排気ロッカアーム、６７は同排気ロッカアーム６６を支持するロッカシャフトを示す。
このように吸気ロッカアーム５０に設けたガイド部６１で、スイングカム４０の軸線方向を規制する構造は、ガイド部６０が吸気ロッカアーム５０の一部として含まれる。それ故、可変動弁装置２５の組立工程で、スイングカム４０、吸気ロッカアーム５０の組付作業を行なうと、別途、手を加えずに、ロッカアーム５０の入力子５８ａとスイングカム４０のカム面４２との位置を決める作業中、そのまま、スイングカム４０のカム面４２の両側に、吸気ロッカアーム５０に設けてあるガイド部６０が配置されるようになる。

これにより、スイングカム４０は、別途、スリーブを支持シャフトに組付けるような、面倒で、可変動弁装置２５の組立てを難しくするような作業を強いられずに、軸線方向の変位が規制される。
しかも、ガイド部６１は、図５に示されるように制御シャフト２８の回動変位で、スイングカム４０の揺動姿勢を変位させて、カム面４２を垂直に近い角度となる姿勢にし、カム面４２のローラ５８が行き交う領域（比率）を、高バルブリフト量をもたらす領域に設定（例えば最も短いベース円区間と最も長いリフト区間となる比率）しても、あるいは図６に示されるようにスイングカム４０の揺動姿勢の変位で、カム面４２が下側へ傾く姿勢にし、カム面４２のローラ５８が行き交う領域（比率）を、低バルブリフト量をもたらす領域に設定（リフト区間が短くなる比率）しても、常にカム面４２の両側を行き交うので、どのような動きでも、安定したスイングカム４０のスラスト方向の規制が約束される。

したがって、可変動弁装置２５の組立作業に影響を与えず、さらには良好に、スイングカム４０の軸線方向（スラスト方向）の位置を規制することができる。これにより、スイングカム４０のカム面４２と吸気ロッカアーム５０の入力子５８ａとのミスアライメントから生じるスイングカム４０のカム面４２と吸気ロッカアーム５０の入力子５８ａとの揺動軸方向の移動も規制され、安定したリフトが得られ、気筒毎のリフト誤差も小さく、燃焼変動による排ガス悪化や振動を小さくすることができる。

しかも、吸気ロッカアーム５０の入力子５８ａの両側にガイド部６０を設けると、入力子５８ａをカム面４２の幅寸法の近くまで狭めることができ、吸気ロッカアーム５０の重量の低減が図れ、動弁重量の低減から、吸気バルブ１７の動弁特性の向上を図ることができる。
そのうえ、入力子５８ａとして回転自在なローラ５８を用い、ガイド部６０として回転自在なワッシャ部材６１を用いると、フリクションの発生をできるだけ抑えることができる。加えて、ワッシャ部材６１は、回転するという挙動により、磨耗が抑制されるようになるので、カム面４２の側部やローラ５８に接触したり、保持部６２に接触したりするなど、負担の大きなワッシャ部材６１の磨耗の進行が抑えられ、高い信頼性をもたらす。また、ワッシャ部材６１の回転によりカム面４２の側部との摺動フリクションも低く抑えることができる。

しかも、吸気ロッカアーム５０をアルミ合金製化すると、吸気ロッカアーム５０の重量が軽減されるだけでなく、ワッシャ部材６１が、吸気ロッカアーム５０のアルミ合金製化で必須となる部品、具体的にはニードルベアリング５７の端が吸気ロッカアーム５０の保持部６２に接触するのを防ぐ接触防止部材を兼ねるために、当該接触防止部材が不要となる。これにより、ニードルベアリング５７までローラ５８の幅を狭めることができ、カム面４２の幅も狭くすることができ、スイングカム４０やアルミ合金製の吸気ロッカアーム５０、の動弁重量を大幅に軽減することができ、大幅に吸気バルブ１７の動弁特性の向上を図ることができる。さらには、ワッシャ部材６１が接触防止部材となり大径となるため、アーム部材５５の端部で形成される保持部６２との接触面積が大きくなり、摩耗が抑制されるので、アルミ合金も低級化でき、コスト低減も可能となる。

なお、本発明は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可変して実施しても構わない。例えば一実施形態では、吸気バルブを連続的に可変する可変動弁装置に本発明を適用したが、これに限らず、排気バルブを連続的に可変する可変動弁装置に本発明を適用してもよい。

本発明の一実施形態に係る内燃機関に搭載された可変動弁装置の一部を示す斜視図。 図１中のＡ−Ａ線に沿う断面図。 可変動弁装置のロッカアームに設けたガイド部の外観を、揺動カムと共に示す斜視図。 図３中のＢ−Ｂ線に沿う断面図。 可変動弁装置が高リフト量に制御されたときにおける揺動カムの規制状態を示す断面図。 可変動弁装置が低リフト量に制御されたときにおける揺動カムの規制状態を示す断面図。

符号の説明

２ シリンダヘッド
１７ 吸気バルブ（バルブ）
２０ 吸気用カム（回転カム）
２５ 可変動弁装置
２７ 支持シャフト
３０ センタロッカアーム
４０ スイングカム（揺動部材、揺動カム）
５０ 吸気ロッカアーム（バルブ側部材、ロッカアーム）
５６ シャフト（軸部）
５７ ニードルベアリング（ベアリング部材）
５８ ローラ（入力子）
５８ａ カム面
６１ ワッシャ部材（ガイド部）
６２ 保持部

Claims (3)

1. 内燃機関に回転自在に設けられた回転カムと、
   前記回転カムのカム変位を受けて揺動するように前記内燃機関に揺動自在に設けられる揺動部材と、
   前記揺動部材に当接し、同揺動部材の揺動によりバルブを駆動するバルブ側部材と
   を具備する内燃機関の可変動弁装置であって、
   前記揺動部材と前記バルブ側部材とのどちらか一方にカム面を有し、他方にカム面に当接する入力子を備え、
   前記入力子の両側に設けられ、前記揺動部材と前記バルブ側部材との前記揺動部材の揺動軸方向への変位を規制するガイド部
   を備えることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
2. 前記入力子は、前記カム面と転接する回転自在なローラから構成され、
   前記ガイド部は、前記カム面を両側から囲うよう、前記ローラを支持する軸部のうち、当該ローラの両端部と前記軸部の端を保持するロッカアーム側の保持部との間の軸部分にそれぞれ回転自在に設けられたワッシャ部材から構成される
   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。
3. 前記揺動部材はカム面を有する揺動カムで、前記バルブ側部材は前記入力子を有するアルミ合金製のロッカアームであり、さらにローラは、ベアリング部材で回転自在に支持されるものであることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の可変動弁装置。

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