JP2010138714A - 吸排気弁駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】動弁系の重量を増大させることなくリフト量を可変にすることができる吸排気弁駆動装置を提供する。
【解決手段】エンジン２の吸気弁３１または排気弁３２が、ロッカーシャフト４を支点にカム５の回転に応じて揺動するロッカーアーム６によりリフトされ、そのロッカーアーム６は、一端部に上記吸気弁３１または上記排気弁３２が係合すると共に他端部に上記カム５が摺接し、それら両端部の間に上記ロッカーシャフト４が係合する吸排気弁駆動装置１において、上記ロッカーシャフト４を上記ロッカーアーム６に沿って移動させ上記ロッカーアーム６の揺動の支点を変更して、上記吸気弁３１または上記排気弁３２のバルブリフト量Ｌを変更するバルブリフト量変更手段７を備えたものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、エンジンの吸気弁または排気弁を開閉すると共に、そのバルブリフト量を可変とした吸排気弁駆動装置に関するものである。

従来、車両に搭載された原動機（エンジン）の吸入空気量、負荷に応じて、吸気弁・排気弁の位相やバルブリフト量を可変とすることにより、より良い効率、燃費向上、排ガス低減を可能とする機構が、種々提案されている（特許文献１参照）。

例えば、吸気弁・排気弁の位相を可変にするものとしては、図４に示すようなカム位相可変機構がある。

図４に示すように、カムシャフト１０１には、吸気弁または排気弁を開閉するための複数のカム１０２と、クランクシャフトからの回転をカムシャフト１０１に伝達するためのドリブンギア１０３とが設けられる。そのドリブンギア１０３の内部には、作動油が供給・排出される作動油室が形成され、その作動油室内には、カムシャフト１０１に結合されたベーンが回動可能に収容される。

この図４のカム位相可変機構では、作動油室内の作動油の油圧制御によりカムシャフト１０１をドリブンギア１０３に対して回動させることで、カム１０２が吸気弁・排気弁を押圧するタイミングを変更して位相を可変としている。

また、吸気弁・排気弁のバルブリフト量を可変にするものとしては、ＢＭＷのバルブトロニック（登録商標）が知られている。そのバルブトロニックの概要を図５に基づき説明する。図５（ａ）は、高リフト時のバルブ閉状態を示し、図５（ｂ）は高リフト時のバルブ開状態を示す。図５（ｃ）は、低リフト時のバルブ閉状態を示し、図５（ｄ）は低リフト時のバルブ開状態を示す。

図５（ａ）−図５（ｄ）において、１１１は吸気弁または排気弁、１１２はカム、１１３はスイングアーム式のロッカーアーム、１１４はロッカーアーム１１３の回動中心をなすラッシュアジャスターである。

この図５の機構では、カム１１１とロッカーアーム１１３との間に中間アーム１１５が設けられる。カム１１１は、ロッカーアーム１１３に直接作動せず、中間アーム１１５を介して作動する。中間アーム１１５の上方にはピボットポイント１１６が設けられる。そのピボットポイント１１６を左右に動かすことにより中間アーム１１５のレバー比が変化し、ロッカーアーム１１３のレバー比が変化する。このように、図５の機構は、バルブリフト量が図５（ａ）および（ｂ）と、図５（ｃ）および（ｄ）との間で連続的に、かつ大きな変化を得る構造になっている。

特開２００３−２１４１２３号公報

しかしながら、図５の機構は、中間アーム１１５が追加されているため、動弁系（吸排気弁や、その吸排気弁にカムからの動力を伝達する部材）の重量が増加してしまい、バルブスプリング荷重を強くしなければならない。また、中間アーム１１５とロッカーアーム１１３との間に摩擦が生じるため、燃費の得られる効果を減ずることになる。また、図５の機構には、ピボットポイント１１６を動かすための動力源を外部に追加する必要がある。

他方、図４の機構は、バルブ開閉時期のクランクアングルに対するタイミングを可変にすることはできるが、バルブリフト量を変えることはできない。特に、圧縮比の高いディーゼル機関においては、ピストンにバルブリセス（逃げ）を十分に設けることができず、位相をずらすとバルブとピストンの干渉を引き起こす。

以上のように、従来の機構には、バルブリフト量を可変にできない（図４）、または動弁系の重量が増大してしまう（図５）という問題があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、動弁系の重量を増大させることなくバルブリフト量を可変にすることができる吸排気弁駆動装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンの吸気弁または排気弁が、ロッカーシャフトを支点にカムの回転に応じて揺動するロッカーアームによりリフトされ、そのロッカーアームは、一端部に上記吸気弁または上記排気弁が係合すると共に他端部に上記カムが摺接し、それら両端部の間に上記ロッカーシャフトが係合する吸排気弁駆動装置において、上記ロッカーシャフトを上記ロッカーアームに沿って移動させ上記ロッカーアームの揺動の支点を変更して、上記吸気弁または上記排気弁のバルブリフト量を変更するバルブリフト量変更手段を備えたものである。

好ましくは、上記バルブリフト量変更手段は、上記ロッカーシャフトを保持するロッカーシャフトキャリアと、上記ロッカーシャフトを上記ロッカーアームに沿って移動させるべく、上記ロッカーシャフトキャリアを、上記ロッカーシャフトからオフセットされた回動軸まわりに回動させるキャリア回動手段とを有するものである。

好ましくは、上記ロッカーシャフトが上記ロッカーアームに当接すると共に、そのロッカーアームにおける上記ロッカーシャフトとの当接面が上記ロッカーシャフトの回動軌跡に沿った曲面状に形成されたものである。

本発明によれば、動弁系の重量を増大させることなくバルブリフト量を可変にすることができるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態の吸排気弁駆動装置は、例えば、車両に搭載されたディーゼルエンジンなどに適用される。

図１から図３に基づき本実施形態の吸排気弁駆動装置の概略構造を説明する。なお、図１において、左が車両前方、右が車両後方である。

図１に示すように、本実施形態のディーゼルエンジン（以下エンジンという）２は、複数（図１では４つ）の気筒を有する多気筒エンジンである。図例のエンジン２では、１つの気筒に２つの吸気弁３１と２つの排気弁３２とが各々設けられる。

これら吸気弁３１と排気弁３２とを開閉駆動するための吸排気弁駆動装置１がエンジン２に設けられる。ここで、本実施形態の吸排気弁駆動装置１は、吸気弁３１と排気弁３２とのいずれをも対象とし得るので、以下、吸気弁３１および排気弁３２をあわせてバルブ３として説明する。

図２に示すように、エンジン２のシリンダヘッド２１には、気筒内に吸気を供給するための、或いは排気を排出するためのポート２２が形成され、そのポート２２がバルブ３により開閉される。そのバルブ３は、閉弁時、図示しないバルブスプリングにより閉弁側（図２では上側）に付勢されてポート２２のバルブシート２３に着座する。他方、開弁時には、バルブ３のステム３０１が吸排気弁駆動装置１により開弁側（図２では下側）に押圧されてリフトする。

その吸排気弁駆動装置１は、ロッカーシャフト４を支点として回動するロッカーアーム６を介してカムシャフト５１のカム５のリフトをバルブ３に伝える構造を有するエンジン２（原動機）に適用される。吸排気弁駆動装置１は、ロッカーシャフト４をロッカーシャフトキャリア８に保持させ、そのロッカーシャフトキャリア８を回転させることによってロッカーシャフト４を移動させることが可能となるような構造を有する。吸排気弁駆動装置１は、ロッカーシャフト４の位置を移動させることにより、バルブリフト時（開弁時）のロッカーアーム６の支点が変わり、連続的にバルブリフト量を変化させることを可能ならしめる装置である。

より具体的には、吸排気弁駆動装置１は、エンジン２により回転駆動されるカムシャフト５１と、カムシャフト５１に設けられカムシャフト５１と一体的に回転するカム５と、そのカム５の回転に応じてロッカーシャフト４を支点に揺動してバルブ３をリフトさせるロッカーアーム６と、そのロッカーアーム６のロッカー比を変更することでバルブ３のバルブリフト量Ｌを変更するバルブリフト量変更手段７とを備える。

これらカムシャフト５１、カム５、ロッカーアーム６、およびバルブリフト量変更手段７は、シリンダヘッド２１の上部に設けられたロッカーケース２５内に収容される。カムシャフト５１は、シリンダヘッド２１の上面と同じ高さに中心を持つように配置されている。カムシャフト５１とバルブ３の上に、ロッカーアーム６が置かれており、ロッカーアーム６は、その上に置かれているロッカーシャフト４を支点としてカム５のカムリフト量をバルブ３に伝える。

図１に示すように、カムシャフト５１は、シリンダヘッド２１の長手方向（図１の左右方向）に、シリンダヘッド２１のほぼ全長に亘り延びる。カムシャフト５１は、シリンダヘッド２１の幅方向（図１の上下方向）のほぼ中央に配置され、バルブ３（吸気弁３１および排気弁３２）に対して上記幅方向に離間する。カムシャフト５１には、その軸方向に間隔を隔てて複数（図例では５つ）の軸受部５２が形成され、それら軸受部５２がシリンダヘッド２１および／またはロッカーケース２５に回転自在に支持される。

カムシャフト５１の一端（図１の左端）には、ドリブンギヤ５３が設けられ、そのドリブンギヤ５３に、図示しない動力伝達機構（ギヤトレーンなど）を介してエンジン２のクランク軸からの回転駆動力が伝達される。

そのカムシャフト５１には複数のカム５が設けられる。カム５は、各バルブ３（吸気弁３１および排気弁３２）ごとに各々形成される。

図２に示すように、カム５は、バルブ３のステム３０１の上端部とほぼ同じ高さ位置に配置される。それらカム５とバルブ３との上方には、ロッカーアーム６が配置される。

そのロッカーアーム６は、カムシャフト５１と直交する方向に延びる。そのロッカーアーム６は、一端部（左端部）にバルブ３が係合すると共に他端部（右端部）にカム５が摺接し、それら両端部の間にロッカーシャフト４が係合する。具体的には、ロッカーアーム６の左端部の下面に、バルブ３のステム３０１の上端に当接するリフタ６２が設けられ、右端部の下面に、カム５と摺接するスリッパ６１が設けられる。

ロッカーアーム６の上面には、ロッカーシャフト４が当接する当接面６３が形成される。その当接面６３は下方に窪む曲面形状を有し、ロッカーアーム６の長手方向に所定長さ延びる。詳しくは後述するが、本実施形態では、ロッカーシャフト４がロッカーアーム６の長手方向に円弧状の軌跡に沿って移動可能であることから、当接面６３は、ロッカーシャフト４の回動軌跡とほぼ同じ形状（断面円弧状）に形成される。

ロッカーアーム６は、シリンダヘッド２１および／またはロッカーケース２５に設けられた図示しない支持部材により、その長手方向（図２の左右方向）と幅方向（図２の紙面表裏方向）とに移動不能に支持される。

ロッカーシャフト４は、ロッカーアーム６の上方にロッカーアーム６の当接面６３に当接させて配置される。図１に示すように、ロッカーシャフト４は、カムシャフト５１とほぼ平行にシリンダヘッド２１のほぼ全長に亘り延びる。そのロッカーシャフト４が、バルブリフト量変更手段７により保持される。

そのバルブリフト量変更手段７は、ロッカーシャフト４を保持するロッカーシャフトキャリア８と、そのロッカーシャフトキャリア８を、ロッカーシャフト４から上方にオフセットされた回動軸Ｃまわりに回動させるキャリア回動手段９と、ロッカーシャフトキャリア８の回動角を検出するためのキャリア回動角検出手段をなす回転角センサ７１とを有する。

ロッカーシャフトキャリア８は、回動軸Ｃに同心的な円板状に形成された複数（図例では５つ）の保持部材８１を有する。それら保持部材８１は、ロッカーシャフト４の軸方向に沿って並べられる。図例の保持部材８１は、ロッカーシャフト４の両端部と、各気筒間とに各々配置される。保持部材８１は、シリンダヘッド２１および／またはロッカーケース２５に、回動軸Ｃまわりに回動自在に収容される。

図２に示すように、各保持部材８１には、ロッカーシャフト４が嵌合する保持穴８２が形成される。その保持穴８２は、保持部材８１の中心（回動軸Ｃ）から下方に離間した位置に配置される。図１に示すように、これら保持部材８１のうち、最も右側の保持部材８１にキャリア回動手段９が連結される。

そのキャリア回動手段９は、油圧で作動するベーン型の揺動アクチュエータからなる。

すなわち、ロッカーシャフト４は、ロッカーシャフトキャリア８に保持されており、そのロッカーシャフトキャリア８の後端は、キャリア回動手段９の後述する作動油室９２のベーン９３に連結シャフト９４を介して接合されている。そのロッカーシャフトキャリア８の後端に設けられた作動油室９２に、作動油がオイルコントロールバルブ３を介してロッカーシャフトキャリア８の内部に設けられた油通路９２１を通り導かれる。

より具体的には、キャリア回動手段９は、シリンダヘッド２１および／またはロッカーケース２５に固定されたハウジング９１と、そのハウジング９１内に形成され作動油（図例ではエンジン２の潤滑油）が供給または排出される作動油室９２と、その作動油室９２内に相対回動可能に収容されたベーン９３と、そのベーン９３をロッカーシャフトキャリア８に連結する連結シャフト９４と、ベーン９３を回動させるべく作動油室９２内の作動油の流量（または油圧）を制御するためのオイルコントロールバルブ９５とを有する。

連結シャフト９４は、ハウジング９１に回動自在に支持され回動軸Ｃと同心的に配置される。連結シャフト９４は、左端がロッカーシャフトキャリア８に結合され右端がベーン９３の後述するボス部９６に結合される。その連結シャフト９４には、回転角センサ７１のための検出歯（図示せず）が形成される。

図３に示すように、ベーン９３は、ボス部９６と、そのボス部９６から放射状に径方向外側に延びる複数のベーン本体９７とを有する。ベーン本体９７は扇状に形成され、作動油室９２内に配置される。

作動油室９２は、ハウジング９１内にベーン本体９７と同じ数だけ形成される。それら作動油室９２は、ベーン９３のボス部９６まわり（回動軸Ｃまわり）に周方向に間隔を隔てて配置される。各作動油室９２は、ベーン本体９７とほぼ同様の扇状に形成され、ベーン本体９７が周方向に揺動可能なようにベーン本体９７よりも周方向に長く形成される。

オイルコントロールバルブ９５は、作動油室９２の流入量および流出量をコントロールするものであり、作動油室９２に連通する２つの油通路９２１、９２１と、シリンダヘッド２１などに形成された潤滑油供給ライン９８および潤滑油排出ライン９９とに各々接続される。

また、オイルコントロールバルブ９５は、エンジン２の電子コントロールユニット（以下、ＥＣＵという）１０に接続され、そのＥＣＵ１０からの制御信号を受信する。

このＥＣＵ１０がオイルコントロールバルブ９５により作動油室９２の流量を制御してベーン本体９７に作用する油圧を調整することで、ベーン９３（ロッカーシャフトキャリア８）の回動角度が所定範囲θ内で連続的に変更される。

回転角センサ７１は、連結シャフト９４の回動角を、ロッカーシャフトキャリア８の回動角として検出する。回転角センサ７１は、連結シャフト９４の検出歯（図示せず）に臨ませて、キャリア回動手段９のハウジング９１に取り付けられる。回転角センサ７１は、ＥＣＵ１０に接続されＥＣＵ１０に検出値を送信する。

次に、図２に基づき本実施形態の吸排気弁駆動装置１の作用を説明する。

図２に示すように、エンジンからの駆動力によりカムシャフト５１が回転すると、その回転に伴いカム５は、ロッカーアーム６のスリッパ６１を上方に押圧する。スリッパ６１を押圧されたロッカーアーム６は、ロッカーシャフト４との当接位置を支点に反時計回りに回動し、その回動に伴いロッカーアーム６のリフタ６２がバルブ３のステム３０１を下方に押圧する。これにより、バルブ３が押し下げられてバルブシート２３から下方に離間し、バルブ３がリフトする。

このときのバルブ３のバルブリフト量Ｌは、カム５のカムリフト量に、ロッカー比（ロッカーシャフト４からリフタ６２までの距離／ロッカーシャフト４からスリッパ６１までの距離）を乗じたものになる。

つまり、バルブリフト量Ｌを変更するパラメータとしては、カムリフト量および／またはロッカー比が考えられるが、本実施形態では、ロッカーシャフト４（支点）の位置を変更することでロッカー比を変更し、バルブリフト量Ｌを変更する。

具体的には、キャリア回動手段９によりロッカーシャフトキャリア８を回動させると、その回動に伴いロッカーシャフト４がロッカーアーム６の長手方向に移動し、ロッカーシャフト４とロッカーアーム６との当接位置が変わる。これにより、ロッカーアーム６の揺動（回動）の支点が変わり、ロッカー比が変わり、バルブリフト量Ｌが変わる。

例えば、図２のＡ位置にロッカーシャフト４が位置するときに、ロッカーシャフトキャリア８を反時計回りに所定角度θ回動させると、ロッカーシャフト４は円周Ｔに沿ってリフタ６２側に図１のＢ位置まで移動する。この場合、ロッカー比は小さくなり、バルブリフト量Ｌが小さくなる。なお、バルブリフト量Ｌの変更は、全ての気筒のバルブ３（吸気弁３１または排気弁３２）で一度に行われる。

このように、ロッカーシャフトキャリア８の回動方向によりバルブリフト量Ｌが増大するか減少するかが決まり、ロッカーシャフトキャリア８の回動角の大きさによりバルブリフト量Ｌの大きさ（変更量）が決まる。

このバルブリフト量Ｌの制御が、例えばＥＣＵ１０によりエンジン２の運転状態に基づいて行われる。その制御の一例を説明すると、まず、ＥＣＵ１０はエンジン負荷やエンジン回転数などから目標バルブリフト量を求め、その求めた目標バルブリフト量を得るためのロッカーシャフトキャリア８の目標角度を求める。次に、ＥＣＵ１０は、求めた目標角度に、回転角センサ７１により検出されるロッカーシャフトキャリア８の実際の角度が一致するように、オイルコントロールバルブ９５を制御する。

これにより、バルブリフト量Ｌを、エンジン２の回転や負荷に応じた最適なバルブリフト量に制御することが可能となる。

このように、本実施形態の吸排気弁駆動装置１では、動弁系の重量を増大させることなくバルブリフト量Ｌを可変にすることができる。

すなわち、エンジン２のバルブリフト量Ｌを可変とすることは、排ガス、燃費に対して著しく効果があるが、本実施形態の吸排気弁駆動装置１は、図５の既知の装置と異なり、カムシャフト５１を直接動かしているため、動弁系の重量も増加せず、また、従来の図５の機構のように中間アーム１１５などを必要としないことから、その燃費の効果はたいへん大きい。

また、本実施形態では、ロッカーアーム６の当接面６３をロッカーシャフト４の回動軌跡に沿って下方に窪む曲面状に形成したので、その当接面６３上でロッカーシャフト４をスムーズに移動させることができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、吸排気弁駆動装置１を適用するエンジンは、ディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジンでもよい。

また、キャリア回動手段は、ベーン型の揺動アクチュエータに限定されず、様々なものが可能である。例えば、キャリア回動手段は、電動モータ（ＤＣモータなど）でもよい。

また、上述の実施形態では、ロッカーシャフトがロッカーアームの上面に当接するが、これに限定されず、ロッカーアームに、ロッカーシャフトが挿通されロッカーシャフトの移動軌跡に沿って延びるスリットを形成することも考えられる。

また、上述の実施形態では、ロッカーシャフトを回動軸まわりに回動させたが、これに限定されず、ロッカーシャフトを直動させるようにしてもよい。例えば、バルブリフト量変更手段を、ロッカーシャフトを保持するロッカーシャフトキャリアと、そのロッカーシャフトキャリアおよびロッカーシャフトを、ロッカーアームの長手方向に沿って移動させるキャリア直動手段（リニアアクチュエータなど）とで構成することが考えられる。

図１は、本発明に係る一実施形態による吸排気弁駆動装置の平面図である。 図２は、本実施形態の吸排気弁駆動装置の側面図である。 図３は、本実施形態のキャリア回動手段の模式図である。 図４は、従来の吸排気弁駆動装置の概略図である。 図５は、従来の他の吸排気弁駆動装置の概略図である。

符号の説明

１ 吸排気弁駆動装置
２ エンジン
３ バルブ
４ ロッカーシャフト
５ カム
６ ロッカーアーム
７ バルブリフト量変更手段
８ ロッカーシャフトキャリア
９ キャリア回動手段
３１ 吸気弁
３２ 排気弁

Claims (3)

1. エンジンの吸気弁または排気弁が、ロッカーシャフトを支点にカムの回転に応じて揺動するロッカーアームによりリフトされ、そのロッカーアームは、一端部に上記吸気弁または上記排気弁が係合すると共に他端部に上記カムが摺接し、それら両端部の間に上記ロッカーシャフトが係合する吸排気弁駆動装置において、
   上記ロッカーシャフトを上記ロッカーアームに沿って移動させ上記ロッカーアームの揺動の支点を変更して、上記吸気弁または上記排気弁のバルブリフト量を変更するバルブリフト量変更手段を備えたことを特徴とする吸排気弁駆動装置。
2. 上記バルブリフト量変更手段は、上記ロッカーシャフトを保持するロッカーシャフトキャリアと、上記ロッカーシャフトを上記ロッカーアームに沿って移動させるべく、上記ロッカーシャフトキャリアを、上記ロッカーシャフトからオフセットされた回動軸まわりに回動させるキャリア回動手段とを有する請求項１記載の吸排気弁駆動装置。
3. 上記ロッカーシャフトが上記ロッカーアームに当接すると共に、そのロッカーアームにおける上記ロッカーシャフトとの当接面が上記ロッカーシャフトの回動軌跡に沿った曲面状に形成された請求項２記載の吸排気弁駆動装置。

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