JP2010059830A - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

内燃機関の可変動弁装置 Download PDF

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Abstract

【課題】内燃機関の,構造簡単な可変動弁装置を提供する。
【解決手段】第1カム17iに先端部前面を摺接させる第1カムフォロワ23iと,第2カム18iに先端部前面を摺接させる第2カムフォロワ24iと,先端部を第1及び第2カムフォロワ23i,24iの両先端部背面に当接可能に対向させ,第1及び第2カムフォロワ23i,24iの一方の揺動を受けて機関弁12iを開閉するリフタ25iと,第1カムフォロワ23iを,第1カム17i及びリフタ25i間に介入する作動位置A及び,第1カム17i及びリフタ25i間から退去する不作動位置B間で移動させるアクチュエータ36とを備え,第2カムフォロワ24iの作動位置Aでは,第1カム17iによる第1カムフォロワ23iの揺動をリフタ25iに伝達し,また不作動位置Bでは,第2カム18iによる第2カムフォロワ24iの揺動をリフタ25i,25eに伝達する。
【選択図】 図2

Description

本発明は,動弁カム軸に,第1カムと,この第1カムよりノーズ高さが低い第2カムとを併設し,これら第1カム及び第2カムの一方を交互に選択し,その選択したカムにより機関弁を開閉作動するようにした,内燃機関の可変動弁装置の改良の改良に関する。
かゝる内燃機関の可変動弁装置は,下記特許文献1に開示されるように,既に知られている。
特公平5−81725号公報
本発明は,かゝる内燃機関の可変動弁装置において,その構造の簡素化を図ることを目的とする。
上記目的を達成するために,本発明は,動弁カム軸に,第1カムと,この第1カムよりノーズ高さが低い第2カムとを併設し,これら第1カム及び第2カムの一方を交互に選択し,その選択したカムにより機関弁を開閉作動するようにした,内燃機関の可変動弁装置において,第1カムの外周面に先端部前面を摺接させて,その外周面に追従揺動するように配置される第1カムフォロワと,第2カムの外周面に先端部前面を摺接させて,その外周面に追従揺動するように配置される第2カムフォロワと,先端部を第1及び第2カムフォロワの両先端部背面に当接可能に対向させ,第1及び第2カムフォロワの一方の揺動を受けて機関弁を開閉するリフタと,第1カムフォロワを,これが第1カム及びリフタ間に介入する作動位置及び,これが第1カム及びリフタ間から退去する不作動位置間で移動させるアクチュエータとを備えてなり,第2カムフォロワの前記作動位置では,第1カムによる第1カムフォロワの揺動をリフタに伝達し,また前記不作動位置では,第2カムによる第2カムフォロワの揺動をリフタに伝達するようにしたことを第1の特徴とする。尚,前記機関弁は,後述する本発明の実施例中の吸気弁12i及び排気弁12eに対応し,また前記第1カムは第1吸気及び排気カム23i,23eに,第2カムは,第2吸気及び排気カム24i,24eにそれぞれ対応し,また前記アクチュエータは電動モータ36に対応する。
また本発明は,第1の特徴に加えて,第2カムフォロワ及びリフタを,機関本体に支持される共通の第1支持軸により揺動自在に支持し,この第1支持軸に回転可能に支持されるレバー部材に,第1支持軸と平行な第2支持軸を介して第1カムフォロワを揺動自在に支持し,このレバー部材に,これを往復回動して第1カムフォロワを前記作動位置と前記不作動位置とに切り換え作動する前記アクチュエータを連結したことを第2の特徴とする。
さらに本発明は,第1又は第2の特徴に加えて,前記機関弁を予混合圧縮自着火式内燃機関の吸気弁及び排気弁とし,前記第1カムを,これにより吸気弁及び排気弁を開閉するとき,それらの開弁時期が一定期間重なるオーバーラップが発生するように形成し,また前記第2カムを,これにより吸気弁及び排気弁を開閉するとき,吸気弁の開き時期と排気弁の閉じ時期とが一定期間離れるネガティブオーバーラップが発生するように形成したことを第3の特徴とする。
本発明の第1の特徴によれば,第1カムフォロワを,これが第1カム及びリフタ間に介入する作動位置及び,これが第1カム及びリフタ間から退去する不作動位置間で移動させるという,簡単な構成により,機関弁に対する第1カム及び第2カムの一方の作動を交互に選択して,機関弁に所望の開弁リフトや開閉タイミングを付与することができる。
本発明の第2の特徴によれば,レバー部材の往復回動により,第1カムフォロワの位置切り換えをスムーズに行うことができ,しかも,第2カムフォロワ及びリフタを共通の第1支持軸により支持するようにしたので,部品点数が削減され,更なる構造の簡素化を図ることができる。
本発明の第3の特徴によれば,第1カムフォロワを作動位置に保持することにより,吸気弁及び排気弁に,内燃機関の火花点火運転に適したオーバーラップ特性を付与することができ,また第1カムフォロワを不作動位置に移動することにより,吸気弁及び排気弁に,内燃機関の予混合圧縮自着火運転に適したネガティブオーバーラップ特性を付与することができる。
本発明の実施の形態を,添付図面に示す本発明の好適な実施例に基づいて説明する。
図1は本発明の実施例に係る可変動弁装置を備える予混合圧縮自着火式内燃機関の縦断側面図,図2は図1中の可変動弁装置の要部拡大図,図3は上記可変動弁装置の斜視図,図4は図3の要部拡大図,図5は図2に対応する作用説明図,図6は上記可変動弁装置における各種カムのリフト特性線図である。
以下,本発明を予混合圧縮自着火式内燃機関に適用した実施例について説明する。
図1及び図3において,予混合圧縮自着火式内燃機関(以下,単に内燃機関という。)Eの機関本体1は,クランクケース2,このクランクケース2の上部に連設され,シリンダボア3aを有するシリンダブロック3と,このシリンダブロック3の上端に接合され,シリンダボア3aに連なる燃焼室4aを有するシリンダヘッド4とを備えており,クランクケース2に支持されるクランク軸5にコンロッド6を介して連接されるピストン7がシリンダボア3aに嵌装される。
シリンダヘッド4には,それぞれ燃焼室4aに開口する吸気ポート10i及び排気ポート10eが形成されると共に,これらを開閉する吸気弁12i及び排気弁12eが設けられる。またシリンダヘッド4には,電極を燃焼室4aに臨ませる点火プラグ14が螺着される。この内燃機関Eの圧縮比は,通常の電気点火式内燃機関より大きく設定される。
さらに,シリンダヘッド4には,吸気ポート10iに吸気道を連ねると共に燃料噴射弁を備えるスロットルボディ(図示せず)が連結され,空気及び燃料の混合気を内燃機関Eに供給するようになっている。
前記吸気弁12i及び排気弁12eには,これらを開閉駆動すると共に,これら弁の開弁リフト及び開弁タイミングを制御する可変動弁装置15が連結される。この可変動弁装置15について,図1〜図6により説明する。
図1に示すように,クランク軸5から調時伝動装置8を介して1/2の減速比で駆動される動弁カム軸16がクランクケース2又はシリンダブロック3に回転自在に支持される。図2〜4に示すように,この動弁カム軸16には,吸気弁12iの開閉を制御する第1吸気カム17i及び第2吸気カム18iが互いに隣接して,また排気弁12eの開閉を制御する第1排気カム17e及び第2排気カム18eが互いに隣接してそれぞれ一体的に形成される。その際,第1吸気カム17i及び第1排気カム17eは互いに隣接し,それらの外側に第2吸気カム18i及び第2排気カム18eが隣接する。
図6に,上記第1,第2吸気カム17i,18i,並びに第1,第2排気カム17e,18eのリフト特性線図,換言すれば吸気弁12i及び排気弁12eの開弁リフト特性が示される。それから明らかなように,第2吸気カム18iのプロファイルは,第1吸気カム17iのプロファイルの範囲に収まっており,また第1吸気カム17iは,第2吸気カム18iよりノーズ部の高さが大きく,さらに第2吸気カム18iのノーズ部の頂点は,第1吸気カム17iのノーズ部の頂点よりクランク角上,一定角度θi進角している。
また,第2排気カム18eのプロファイルは,第1排気カム17eのプロファイルの範囲に収まっており,また第1排気カム17eは,第2排気カム18eよりノーズ部の高さが大きく,さらに第2排気カム18eのノーズ部の頂点は,第1排気カム17eのノーズ部の頂点よりクランク角上,一定角度θe遅角している。
さらに,第1吸気カム17i及び第1排気カム17eが吸気弁12i及び排気弁12eの開閉を支配するときは,吸気弁12iの開き時期と排気弁12eの閉じ時期とが前後して,両弁12i,12e開弁状態が一定期間α重なるオーバーラップが生じるようになっている。即ち,吸気弁12iは上死点前に開き始め,排気弁12eは上死点後に閉じ終わる。
また第2吸気カム18i及び第2排気カム18eが吸気弁12i及び排気弁12eの開閉を支配するときは,吸気弁12iの開き時期と排気弁12eの閉じ時期とが一定期間β離れるネガティブオーバーラップが生じるようになっている。即ち,吸気弁12iは上死点後に開き始め,排気弁12eは上死点前に閉じ終わる。
ところで,可変動弁装置15は,その構造が吸気弁12iの駆動系と排気弁12eの駆動系とで対称的であるので,吸気弁12iの駆動系の構造についてのみ詳細に説明し,排気弁12eの駆動系の構造については,図中,吸気弁12iの駆動系と対応する部分に,末尾の添え字「i」を「e」に変えた同様の符号を付しておき,詳細な説明を省略する。
図2〜図5において,動弁カム軸16に平行して第1支持軸20がシリンダヘッド4に回転自在に支持され,この第1支持軸20に,その回転により揺動するレバー部材22が固着される。このレバー部材22は,第1支持軸20の下方に延びており,その下端部に,第1支持軸20と平行な第2支持軸21が支持される。この第2支持軸21は,第1吸気カム17iの外周面に先端のスリッパ部23aを摺接させる第1カムフォロワ23iを揺動自在に支持し,また第1支持軸20は,第2吸気カム18iの外周面に先端のスリッパ部24aを摺接させる第2カムフォロワ24iを揺動自在に支持する。而して,第1カムフォロワ23iは,第1吸気カム17iの外周面に追従して第2支持軸21周りに揺動し,第2カムフォロワ24iは,第2吸気カム18iの外周面に追従して第1支持軸20周りに揺動するようになっている。
さらに,第1支持軸20は,先端部を第1及び第2カムフォロワ23i,24iのスリッパ部23a,24aの背面に当接可能に対向させるリフタ25iを揺動自在に支持する。而して,リフタ25iは,第1及び第2カムフォロワ23i,24iの何れか一方から揺動を受けるようになっている。
一方,シリンダヘッド4には,吸気弁12iの上端に一端部を当接させるロッカアーム27iが揺動自在に軸支され,このロッカアーム27iの他端部に,プッシュロッド28iを介して上記リフタ25iが連動連結され,リフタ25iの揺動と,吸気弁12iに装着された弁ばね29iとの協働により吸気弁12iを開閉するようになっている。プッシュロッド28iの両端部は球状端部28a,28aに形成され,これら球状端部28a,28aが首振り自在に係合する半球状凹部27a,28aがロッカアーム27iの他端部とリフタ25iの先端部とにそれぞれ形成され,プッシュロッド28iがリフタ25iの揺動をロッカアーム27iに的確に伝達するようになっている。
前記第1カムフォロワ23iは,前記レバー部材22の揺動により,そのスリッパ部23aが第1吸気カム17i及びリフタ25i間に介入する作動位置A(図2及び図4参照)と,そのスリッパ部23aが第1吸気カム17i及びリフタ25i間から退去する不作動位置B(図5参照)との間を移動するようになっている。第1カムフォロワ23iのスリッパ部23aは,第1吸気カム17iに摺接する前面が円弧面に形成されていて,その肉厚が前後に向かって薄くなっており,図2及び図4に示すように,第1カムフォロワ23iの作動位置Aでは,そのスリッパ部23aの厚肉部が第1吸気カム17iの外周面に接するようになっている。そして,第1及び第2カムフォロワ23i,24iのスリッパ部23a,24aが第1及び第2吸気カム17i,18iのベース円部にそれぞれ接するときは,両スリッパ部23a,24aの背面にリフタ25iの先端部が当接するようになっている。
しかしながら,図5に示すように,第1カムフォロワ23iの不作動位置Bでは,第1カムフォロワ23iのスリッパ部23aはリフタ25iから後方へ逃げて薄肉の先端部を第1吸気カム17iの外周面に摺接させるだけとなり,第1カムフォロワ23iの揺動をリフタ25iには伝達し得なくしてある。このとき,第1カムフォロワ23iのスリッパ部23aを第1吸気カム17iとの摺接位置を保持するための,捩じりコイルばねよりなるロストモーションばね32が第2支持軸21に装着され,これにより第1カムフォロワ23iの妄動が抑えられる。
図2において,レバー部材22は,第1支持軸20を中心とするセクタギヤ22で構成され,このセクタギヤ22に,シリンダヘッド4に回転自在に支持される駆動軸34の一端部のウォームギヤ35が噛合する。駆動軸34の他端部には,減速機37を介して電動モータ36(アクチュエータ)が連結され,電動モータ36の作動により,駆動軸34を所定角度正転又は逆転させて,セクタギヤ22を往復揺動させ,第1カムフォロワ23iを作動位置Aへ又は不作動位置Bへと移動させ得るようになっている。前記点火プラグ14,燃料噴射弁及び電動モータ36には,それらの作動を制御する電子制御ユニット(図示せず)が接続される。
尚,可変動弁装置15において,第1支持軸20,第2支持軸21,セクタギヤ22及び電動モータ36等は,吸気弁12iの駆動系及び排気弁12eの駆動系に共通に使用される。
次に,この実施例の作用について説明する。
内燃機関Eの始動及び暖機運転時には,電子制御ユニットがその状態を判定して,火花点火運転とすべく,第1カムフォロワ23iを図2及び図4の作動位置Aに保持するように電動モータ36を作動する。第1カムフォロワ23iは,その作動位置Aに保持されると,そのスリッパ部23aを,第2カムフォロワ24iのスリッパ部24aと並んで動弁カム軸16及びリフタ25i間に介入させる。したがって,第1カムフォロワ23iは第1吸気カム17iによる揺動を,また第2カムフォロワ24iは第2吸気カム18iにより揺動をそれぞれリフタ25iに伝達することになるが,第1及び第2吸気カム17i,18iは,ベース円部では互いに面一になっているが,ノーズ部では,第1吸気カム17iの方が第2吸気カム18iより高くなっているため,第1カムフォロワ23iの方が第2カムフォロワ24iより大きく揺動し,その揺動に従ってリフタ25iも揺動して,プッシュロッド28iを上下動させ,ロッカアーム27iを介して吸気弁12iを開閉する。上記と同様の作用により排気弁12eも,第1排気カム17eにより開閉される。
このように,内燃機関Eの始動及び暖機運転時には,第1吸気カム17i及び第1排気カム17eが吸気弁12i及び排気弁12eの開閉を支配するので,前述のように,吸気弁12iの開き時期と排気弁12eの閉じ時期とが前後して,両弁12i,12e開弁時期が一定期間α重なるオーバーラップが生じるようになり,吸気行程での掃気を確実に行わせ,点火プラグ14による火花点火によって,スムーズな始動及び暖機運転を可能にする。
内燃機関Eの暖機運転が終了すると,電子制御ユニットがその状態を判定して,予混合圧縮自着火運転に切り換えるべく,第1カムフォロワ23iを図5の不作動位置Bへ移動させるように電動モータ36を作動する。第1カムフォロワ23iは,その不作動位置Bにくると,そのスリッパ部23aを,第1吸気カム17i及びリフタ25i間から退去させるので,第1カムフォロワ23iの第1吸気カム17iによる揺動は,最早,リフタ25iに伝達されなくなる。その結果,リフタ25iは,第2吸気カム18iによる第2カムフォロワ24iの揺動を受けるようになり,その揺動によりプッシュロッド28iを上下動させ,ロッカアーム27iを介して吸気弁12iを開閉する。上記と同様の作用により排気弁12eも,第2排気カム18eにより開閉される。
このように,内燃機関Eの暖機運転終了後の予混合圧縮自着火運転状態では,第2吸気カム18i及び第2排気カム18eが吸気弁12i及び排気弁12eの開閉をそれぞれ支配するので,前述のように,吸気弁12iの開き時期と排気弁12eの閉じ時期とが一定期間β離れるネガティブオーバーラップが生じるようになり,内燃機関Eのポンピングロスを減少させると共に,排気行程で燃焼室4a内に既燃ガスを残留させることができる。この残留既燃ガスは,次の吸気行程で新規の混合気に混合して,その混合気温度を効果的に高め,予混合圧縮自着火を確実にすると共に,その混合気の燃焼時にはNOxの発生を抑えることに寄与する。
ところで,可変動弁装置15では,第1カムフォロワ23iを,これが第1吸気カム17i(第1排気カム17e)及びリフタ25i間に介入する作動位置A及び,これが第1吸気カム17i(第1排気カム17e)及びリフタ25i間から退去する不作動位置B間で移動させるという,簡単な構成により,吸気弁12i(排気弁12e)に対する第1吸気カム(第1排気カム)及び第2吸気カム(第2排気カム)の一方の作動を交互に選択して,吸気弁12i(排気弁12e)に所望の開弁リフトや開閉タイミングを付与することができる。
また第2カムフォロワ24i及びリフタ25iは,シリンダヘッド4に支持される共通の第1支持軸20により揺動自在に支持され,この第1支持軸20に回転可能に支持されるレバー部材22(セクタギヤ22)に,第1支持軸20と平行な第2支持軸21を介して第1カムフォロワ23iを揺動自在に支持され,このレバー部材22に,これを往復回動して第1カムフォロワ23iを作動位置Aと不作動位置Bとに切り換える電動モータ36が連結されるので,レバー部材22の往復回動により,第1カムフォロワ23iの位置切り換えをスムーズに行うことができ,しかも,第2カムフォロワ24i及びリフタ25iを共通の第1支持軸20により支持するようにしたので,部品点数が削減され,更なる構造の簡素化を図ることができる。
本発明は,上記実施例に限定されるものではなく,その要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更が可能である。例えば,可変動弁装置は,吸気弁12i及び排気弁12eの何れか一方のみへの適用も可能である。また電動モータ36に代えて,電磁式や油圧式のアクチュエータを使用することもできる。また請求項1及び2記載の可変動弁装置は,上記実施例とは異なる形式の内燃機関にも適用可能である。
本発明の実施例に係る可変動弁装置を備える予混合圧縮自着火式内燃機関の縦断側面図。 図1中の可変動弁装置の要部拡大図。 上記可変動弁装置の斜視図。 図3の要部拡大図。 図2に対応する作用説明図。 上記可変動弁装置における各種カムのリフト特性線図。
符号の説明
E・・・・・内燃機関
1・・・・・機関本体
12i,12e・・・機関弁(吸気弁,排気弁)
15・・・・可変動弁装置
16・・・・動弁カム軸
17i,17e・・・第1カム(第1吸気カム,第1排気カム)
18i,18e・・・第2カム(第2吸気カム,第2排気カム)
20・・・・第1支持軸
21・・・・第2支持軸
22・・・・レバー部材(セクタギヤ)
23i,23e・・・第1カムフォロワ
24i,24e・・・第2カムフォロワ
25i,25e・・・リフタ
36・・・・アクチュエータ(電動モータ)

Claims (3)

  1. 動弁カム軸(16)に,第1カム(17i,17e)と,この第1カム(17i,17e)よりノーズ高さが低い第2カム(18i,18e)とを併設し,これら第1カム及び第2カムの一方を交互に選択し,その選択したカムにより機関弁(12i,12e)を開閉作動するようにした,内燃機関の可変動弁装置において,
    第1カム(17i,17e)の外周面に先端部前面を摺接させて,その外周面に追従揺動するように配置される第1カムフォロワ(23i,23e)と,第2カム(18i,18e)の外周面に先端部前面を摺接させて,その外周面に追従揺動するように配置される第2カムフォロワ(24i,24e)と,先端部を第1及び第2カムフォロワ(23i,23e;24i,24e)の両先端部背面に当接可能に対向させ,第1及び第2カムフォロワ(23i,23e;24i,24e)の一方の揺動を受けて機関弁(12i,12e)を開閉するリフタ(25i,25e)と,第1カムフォロワ(23i,23e)を,これが第1カム(17i,17e)及びリフタ(25i,25e)間に介入する作動位置(A)及び,これが第1カム(17i,17e)及びリフタ(25i,25e)間から退去する不作動位置(B)間で移動させるアクチュエータ(36)とを備えてなり,第2カムフォロワ(24i,24e)の前記作動位置(A)では,第1カム(17i,17e)による第1カムフォロワ(23i,23e)の揺動をリフタ(25i,25e)に伝達し,また前記不作動位置(B)では,第2カム(18i,18e)による第2カムフォロワ(24i,24e)の揺動をリフタ(25i,25e)に伝達するようにしたことを特徴とする,内燃機関の可変動弁装置。
  2. 請求項1記載の内燃機関の可変動弁装置において,
    第2カムフォロワ(24i,24e)及びリフタ(25i,25e)を,機関本体(1)に支持される共通の第1支持軸(20)により揺動自在に支持し,この第1支持軸(20)に回転可能に支持されるレバー部材(22)に,第1支持軸(20)と平行な第2支持軸(21)を介して第1カムフォロワ(23i,23e)を揺動自在に支持し,このレバー部材(22)に,これを往復回動して第1カムフォロワ(23i,23e)を前記作動位置(A)と前記不作動位置(B)とに切り換え作動する前記アクチュエータ(36)を連結したことを特徴とする,内燃機関の可変動弁装置。
  3. 請求項1又は2記載の内燃機関の可変動弁装置において,
    前記機関弁(12i,12e)を予混合圧縮自着火式内燃機関の吸気弁(12i)及び排気弁(12e)とし,前記第1カム(17i,17e)を,これにより吸気弁(12i)及び排気弁(12e)を開閉するとき,それらの開弁時期が一定期間(α)重なるオーバーラップ(α)が発生するように形成し,また前記第2カム(18i,18e)を,これにより吸気弁(12i)及び排気弁(12e)を開閉するとき,吸気弁(12i)の開き時期と排気弁(12e)の閉じ時期とが一定期間(β)離れるネガティブオーバーラップが発生するように形成したことを特徴とする,内燃機関の可変動弁装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2000064863A (ja) * 1998-08-21 2000-02-29 Nissan Motor Co Ltd 4サイクル内燃機関
JP2001263067A (ja) * 2000-03-14 2001-09-26 Nissan Motor Co Ltd 圧縮自己着火式ガソリン機関
JP2001323828A (ja) * 2000-05-16 2001-11-22 Nissan Motor Co Ltd 圧縮自己着火式ガソリン機関

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