JP2011256715A - 動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブリフタはバルブリフタ収容部に対して上下動をするとともに、回転運動も行っている。従来はこれらどちらかの運動に対する摺動抵抗の低減は考慮されていたが、両方の運動に対する摺動抵抗を同時に考慮した摺動抵抗の低減措置はされていなかった。
【解決手段】本発明の動弁装置では、バルブリフタの側面若しくはバルブリフタ収容部内壁面に縦方向にテクスチャ部分と非テクスチャ部分を交互に形成し、テクスチャ部分はさらに微小な動圧発生溝をくまなく配設することで、回転方向には動圧を発生させて流体潤滑による効果を得るとともに、縦方向には摺動抵抗の少ない構成を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、エンジンの動弁系の構成用品であるバルブリフタとシリンダヘッド中に設けられたバルブリフタ収容部に関する。

車両用内燃機関（以後「エンジン」とも呼ぶ）の効率を高め、燃費を向上させるためには、エンジン内部で動く部材が引き起こす損失、いわゆるメカロスを低減する必要がある。なかでも、動弁系に関しては、さまざまな改善が行われてきた。例えば、燃焼室内に吸気を送り、また燃焼後のガスを排気するバルブは、長いプッシュロッドを有するＯＨＶ方式から、カムシャフトを燃焼室の上部に配置したＯＨＣ方式へと進化してきた。ＯＨＣ方式は、カムシャフトをクランク軸からのチェーンによる回転運動で駆動させるので、質量のあるプッシュロッドを線運動させる場合より損失低減させやすい。

ＯＨＣ方式でも、カムがバルブを直接に駆動する方式（ダイレクト方式）では、カムやバルブを軽量化でき、エンジンの高回転、低損失を実現しやすい。一方、カムとカムからの動力をバルブに伝達するバルブリフタに関しては、バルブリフタを収容する収容部の内壁面とバルブリフタの側面との間の摺動摩擦（フリクション）が、メカロスの原因となる。

特許文献１では、バルブリフタの側面若しくはバルブリフタ収容部の内壁面に螺旋状の溝を形成し、バルブリフタの上下動に伴ってバルブリフタ側面を伝って下方へ流れる潤滑油をこの溝で保持し、フリクションを低下させる技術が開示されている。

また、特許文献２には、回転するバルブリフタの頂面に潤滑油誘導溝を形成した円筒形の突出部が開示されている。特にこの突出部表面には、それぞれが平行な傾斜溝や横向きのＶ字溝などが開示されている。

また、特許文献３には、バルブリフタなどの動弁部に微小鉄球によるブラスト処理を行う技術が開示されている。この微小鉄球によるブラスト処理によって、表面に小さなへこみ（ディンプル）が形成される。

実開昭５８−１１１３０５号公報 実開平０１−０７１１０６号公報 特開２００８−０７５５９１号公報

しかし、特許文献１で紹介されている技術は、螺旋状の溝が形成されているので、バルブリフタの上面側から下方側に向かって重力によりオイルが定常的に落下し、オイルの消費量が多くなる。また、バルブリフタの上下動に直角方向の成分を有する溝を形成することは、動作軌跡にわずかな狂いが生じた場合でも大きな抵抗となるため、メカロスを生じやすくなるという課題がある。

特許文献２に記載された技術は、バルブリフタの頂面に形成された円筒状の突出部とシムとの間の回転のための潤滑油誘導溝についての開示であり、円筒内壁と回転する円筒体との摩擦低下には有効であっても、回転しながら上下動を行う場合について、必ずしも有効とは言えない。

具体的には、特許文献２の図７に示された潤滑油誘導溝は、突出部に傾斜した溝が形成されているが、溝は下方から突出部の中央までしか形成されておらず、潤滑油を突出部の上面に持ち上げることはできない。また、特許文献２の図８に示された潤滑油誘導溝は、横向きにしたＶ字形状の溝が上下２段に形成されている。この溝はシムが一定方向に回転した際に、潤滑油を下方から上方に誘導する部分と、上方から下方に誘導する部分が共存されているため、やはり潤滑油を上面側に誘導する効果は低い。

特許文献３に記載された技術は、微小な凹みによって潤滑油を保持することで、摩擦を低減しようとするものであるが、動弁部分では全て流体潤滑でまかなえるものではなく、メタルコンタクトも必ず存在する。特許文献３の技術はそもそもコンタクト面の表面粗さを低下させるので、動弁部分を鏡面仕上げと潤滑油で摩擦抵抗を減少させる従来技術よりも摩擦抵抗を低くするには、動作条件や潤滑油の種類等の条件が著しく制限されるという課題がある。

本発明は上記の課題に鑑み想到されたものであり、回転運動しながら上下動もするバルブリフタ側面とバルブリフタ収容部の内壁面の間の摩擦抵抗を低減させることのできる動弁装置を提供することを目的とする。

具体的には、本発明は、
バルブリフタ収容部に収容されたバルブリフタの頂面の中心からずれた位置に、カムシャフトで回転されるカムのカム山中心を当接させ、前記バルブリフタを回転させながら上下動させる動弁装置であって、
前記バルブリフタの側面若しくは前記バルブリフタ収容部の側壁面に前記バルブリフタの回転運動に伴って動圧を発生させる動圧発生溝を設けることを特徴とする動弁装置を提供する。

また、本発明の動弁装置では、前記動圧発生溝は回転方向下流ほど、前記バルブリフタの頂面に向かうように傾斜している。

本発明の動弁装置に形成された動圧発生溝は、バルブリフタ側面（バルブリフタ収容部でも同じ）に、バルブリフタの回転によって潤滑油が頂面側に向かうように傾斜して形成される。さらに、動圧発生溝が形成されていない領域が、頂面から下方開口部端まで上下方向に所定の幅で直線的に設けられている。したがって、バルブリフタの回転によって潤滑油は動圧発生溝が形成されていない部分にあたり、動圧を発生することで、摩擦抵抗の低減に寄与する。

また、動圧発生溝は、バルブリフタの回転によって潤滑油を下方から上方に向かう方向に誘導するので、バルブヘッドに設けられたオイル溜りに潤滑油をもどし、摺動部分にあった潤滑油を交換する。

また、バルブリフタに対して動圧発生溝が形成されていない部分が所定の幅で上下方向に形成されるため、バルブリフタの上下動に対してメタルコンタクトが発生したとしても、大きな抵抗にはならない。

動弁部分の概略を示す図である。 動弁部分の概略を示す図である。 バルブリフタが回転する様子を示す図である。 本発明のバルブリフタの側面を示す図である。

図１には、動弁装置の概略を示す。動弁装置は、内燃機関の吸気もしくは排気口に配置され、吸気もしくは排気を燃焼室から出し入れする際に作動する。皿状のバルブ１００は棒状のバルブステム１０２に連結されている。バルブステム１０２の他方の端はバルブリフタ１にシム１０４を介して当接されている。また、バルブステム１０２とシム１０４の間にはバルブスプリングリテーナ１０６が配置されている。バルブスプリングリテーナ１０６はコッタ１０５でシム１０４と固定される。バルブスプリング１０８は、バルブステム１０２に挿入され、シリンダヘッド内の所定壁面１１０とバルブスプリングリテーナ１０６との間に配置される。そして、バルブスプリングリテーナ１０６を上方向（バルブが閉じる方向）に付勢する。

これらのバルブ装置はシリンダヘッド内に設けられたバルブリフタ収容部１２０に配置される。バルブステム１０２は、バルブガイド１１２によって摺動軌跡が規制される。バルブリフタ収容部１２０の上部はオイル溜り１２２となっており、カム２とバルブリフタ１の間の摺動部分に潤滑油を供給する。このオイル溜り１２２は、またバルブリフタ側面とバルブリフタ収容部１２０の内壁面にもオイルを供給する。

図２には、カム２がバルブリフタ１を押し下げた状態を示す。バルブリフタ１はエンジンの回転に応じてこの上下動を高速で繰り返すことになる。したがって、バルブリフタ１の側面とバルブリフタ収容部１２０の内壁面の間には摺動抵抗が発生する。

図３は、図１のＡ方向から動弁装置を見た図を示す。カム山の中心６は、バルブリフタ１の頂面４の中央８に当接されるのではなく、中心からわずかに偏って当接される。図３（ｂ）には、カム山がバルブリフタ１の頂面４に当接し、バルブリフタ１を押し下げた様子を示す。カム２は紙面裏側から表側に回転するものとする。カム２がバルブリフタ１の頂面４の中心から偏った位置に当接するため、バルブリフタ１には、カム２の回転に応じて、回転する力１０が加わることとなる。図３（ｃ）は、図３（ｂ）のバルブリフタ１の頂面４を上から見た図であり、矢印の方向にバルブリフタ１が回転することを示す。

図４（ｂ）には、本発明の動弁装置におけるバルブリフタ１の側面を示す。図４（ａ）はバルブリフタ１の頂面４の平面図である。本発明のバルブリフタ１の側面には所定の幅を有する動圧発生溝形成部分１２（以後「テクスチャ部分１２」とも呼ぶ）と、溝のない部分１３（以後「非テクスチャ部分１３」とも呼ぶ。）が形成されている。なお、本明細書では、バルブリフタ１の側面に動圧発生溝を形成した場合について説明を行うが、動圧発生溝は、バルブリフタ１の側面だけではなく、バルブリフタ収容部１２０の内壁面に形成しても同様の効果を得ることができる。

テクスチャ部分１２は、幅が０．１ｍｍ程度であり、非テクスチャ部分１３も同じ程度の幅で形成する。したがって、巨視的には、バルブリフタ１の側面に縦方向の溝と、同じ幅の溝でない部分が所定周期で形成されているように見える。

テクスチャ部分１２には、動圧発生溝１４がバルブリフタ１の上下方向に対して傾斜して、くまなく形成されている。図４（ｃ）に図４（ｂ）のＣ−Ｃ断面である動圧発生溝１４の断面拡大図を示す。動圧発生溝１４は、ピッチ１６が０．５〜２μｍで深さ１８が約０．１〜０．２μｍの山谷形状の溝である。山谷形状は、望ましくは断面が矩形のステップ形状が望ましいが、断面が正弦波状の形状であってもよい。また、山谷形状部分で山の頂点は、非テクスチャ部分１３よりも低くてもよい。なお、ここで「低い」とは、バブルリフタ１の回転軸からの距離が、短いことを意味する。

また、動圧発生溝１４は、バルブリフタ１の上下方向に対しておよそ４５°の角度２０で形成される。この傾斜は、バルブリフタ１の回転方向の下流ほど頂面に向かう方向に傾斜している。すなわち、バルブリフタ１が回転すれば、この溝は下方から上方に潤滑油を掻き上げるように作用する。

なお、このような微小な溝は、スパッタ法を用いたドライエッチング、フォトリソグラフィを利用したウエットエッチング、その他レーザー加工法や放電加工法などで形成することができる。すなわち、本発明の動弁装置では、バルブリフタ１の側面に、縦方向の溝（テクスチャ部分１２）と溝でない部分（非テクスチャ部分１３）を形成し、さらにその溝の中に４５°に傾斜した微小溝をさらに形成した構造となっているとも言える。

次に動圧発生溝１４の作用について説明する。すでに説明したように、バルブリフタ１は上下動を行い、なおかつ回転運動も行う。ここで動圧発生溝１４はバルブリフタ収容部１２０との間の隙間に存在する潤滑油を非テクスチャ部分１３にあてる。これは相対運動であるので、動圧発生溝１４の後方に配置された非テクスチャ部分１３が潤滑油に当たると見てもよい。いずれにしても、潤滑油は、動圧発生溝１４とバルブリフタ収容部１２０の間の隙間から非テクスチャ部分１３とバルブリフタ収容部１２０の間の狭い隙間に流れることとなる。そして、ここの部分で動圧が発生する。

この動圧の結果、バルブリフタ１はバルブリフタ収容部１２０との間を広げようと作用する。この圧力はバルブリフタ１全周にわたって発生するため、バルブリフタ１はバルブリフタ収容部１２０の内壁面から浮き、流体潤滑状態になり摩擦は低減する。つまり、テクスチャ部分１２に形成された動圧発生溝１４は、バルブリフタ１の側面全周にわたって、均一に（テクスチャ部分１２にはくまなく）形成されることが望ましい。どこかで動圧の不均一が生じるとその部分で必ず、しかも常にメタルコンタクトが生じてしまうからである。

また、動圧発生溝１４は４５°に傾斜して形成されているため、上下動方向では、動圧発生溝１４と隣接する動圧発生溝１４の間でも断面積の広いところから狭いところへ潤滑油が流れる現象が生じ、この部分でも動圧発生の効果が得られる。すなわち、上下動でも流体潤滑状態を得ることができ、摩擦抵抗が低下する。

なお、バルブリフタ１の上下運動では、必ずしも理想的な流体潤滑状態が維持されない部分や期間が存在する。その場合は、バルブリフタ１とバルブリフタ収容部１２０の内壁面の間で、メタルコンタクトが発生するが、バルブリフタ１の上下運動に対して、非テクスチャ部分１３が上下運動と平行に形成されているので、大きな摺動抵抗とならない。

また、動圧発生溝１４は、バルブリフタ１の回転方向に対して潤滑油を上方に持ち上げる方向に形成されるため、バルブリフタ１の上下動にしたがって、潤滑油の一部を上部のオイル溜り１２２に持ち返す。そして回転しながら新たな潤滑油をバルブリフタ１とバルブリフタ収容部１２０の隙間に持ち込む。このような作用によって、バルブリフタ１側面の潤滑油は一部が常に入れ替えられる。

また、テクスチャ部分１２は、巨視的には１つの溝でもあるので、テクスチャ部分１２を通じてある程度の量の潤滑油はオイル溜り１２２から下方に流れて、バルブリフタ１とバルブリフタ収容部１２０の間の隙間に充当され、バルブリフタ１の側面全面に渡って、常に潤滑状態を維持することができる。この潤滑状態は、バルブリフタ１の回転方向だけでなく、上下動方向の摺動抵抗を低減させる。

以上のように本発明の動弁装置は、微小な動圧発生溝１４で形成されるテクスチャ部分１２という巨視的には縦溝と非テクスチャ部分１３が、バルブリフタ１の側面に形成されるので、バルブリフタ１の回転方向にも、またバルブリフタ１の上下動方向にも高い潤滑性を発揮し、摺動抵抗の低い動弁装置を提供することができる。

なお、上記の説明のように、本発明ではバルブリフタ１の側面とバルブリフタ収容部１２０の内壁面との間に動圧を発生させて流体潤滑を得るものなので、一方にテクスチャ部分１２を形成した場合は、他方は全面が非テクスチャ部分１３であるのが望ましい。バルブリフタ１の側面とバルブリフタ収容部１２０の内壁面の両方にテクスチャ部分１２が形成されていると、テクスチャ部分１２同士が相対するタイミングでは流体潤滑状態が必ず得られないタイミングが発生するからである。

本発明の動弁装置は、ＯＨＣのダイレクト方式を採用するエンジンの吸排気バルブや、ブレーキ用に好適に利用することができる。

１ バルブリフタ
２ カム
４ バルブリフタの頂面
６ カム山の中心
８ バルブの中心線
１０ バルブリフタを回転させる力
１２ テクスチャ部分
１３ 非テクスチャ部分
１４ 動圧発生溝
１６ 動圧発生溝のピッチ
１８ 動圧発生溝の深さ
２０ 動圧発生溝の角度
１００ バルブ
１０２ バルブステム
１０４ シム
１０６ バルブスプリングリテーナ
１０８ バルブスプリング
１１０ シリンダヘッドの壁面
１１２ バルブガイド
１２０ バルブリフタ収容部
１２２ オイル溜り
１２６ カムシャフト

Claims (2)

1. バルブリフタ収容部に収容されたバルブリフタの頂面の中心からずれた位置に、カムシャフトで回転されるカムのカム山中心を当接させ、前記バルブリフタを回転させながら上下動させる動弁装置であって、
   前記バルブリフタの側面若しくは前記バルブリフタ収容部の側壁面に前記バルブリフタの回転運動に伴って動圧を発生させる動圧発生溝を設けることを特徴とする動弁装置。
2. 前記動圧発生溝は回転方向下流ほど、前記バルブリフタの頂面に向かうように傾斜している請求項１に記載された動弁装置。