JP2012233426A

JP2012233426A - 動弁装置、及びエンジン

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Publication number: JP2012233426A
Application number: JP2011101760A
Authority: JP
Inventors: Manabu Tateno; 学立野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-04-28
Filing date: 2011-04-28
Publication date: 2012-11-29

Abstract

【課題】二重構造カム軸における外側の軸と内側の軸のそれぞれに設けられたカムが係合する機関弁のリフト量の差異を抑制した動弁装置を提供する。
【解決手段】動弁装置１は、外軸２１と、外軸２１に対して相対回転可能に設けられた内軸２２とを有する二重構造のカム軸２と、外軸２１に固定された第１カム体３と、内軸２２に固定された第２カム体４と、機関駆動軸から得られる動力をカム軸２へ伝達する油圧アクチュエータ７と、第１カム体３を外周側から支持して外軸２１を回転可能に支持する第１軸受５と、第２カム体４を外周側から支持して内軸２２を回転可能に支持する第２軸受６と、を備える。動弁装置１は、第２軸受６により内軸２２を支持し、回転中心の変動を抑制して機関弁のリフト量の差異を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、機関駆動軸から動力を得る動弁装置に関する。

内燃機関において、カム軸を外側と内側の二重構造とし、外側、内側それぞれの軸に機関弁を開閉する動弁カムを有し、外側、内側の軸の回転位相を変更する動弁装置が知られている。特許文献１の動弁装置のカム軸は、クランク軸の駆動トルクが入力される駆動トルク入力部と、カム軸を回動させて位相を変更する位相制御機構の回動トルクが入力される回動トルク入力部とを有し、駆動トルク入力部と回動トルク入力部とが、カム軸方向で吸気カムおよび２以上のジャーナルを挟んで配置されている。特許文献２のカム軸は、互いに相対回動可能な内側軸と外側軸を備えたカム軸であって、カムが外側軸上に相対回動可能に支承され、外側軸の切り欠きを介して内側軸に固定されている。

特開２００９−１４４５２１号公報特表２００８−５３０４１２号公報

二重構造のカム軸では、外側の軸、内側の軸のそれぞれに動弁カムが固定されている。この動弁カムはＨＬＡ（ハイドロリックラッシュアジャスタ）等の部品を介して機関弁へ動力を伝達する。動弁カムが固定された外側の軸と内側の軸とを互いに相対回転可能に構成することにより、動弁カムの位相差を生み出し、機関弁の開閉タイミングをずらすことができる。

図７は従来から知られた二重構造のカム軸１０２の断面図である。図７（ａ）、（ｂ）は、外側の軸に固定されたカム位置における断面図である。図７（ｃ）、（ｄ）は、内側の軸に固定されたカム位置における断面図である。従来の二重構造のカム軸１０２では、外側の軸１２１をジャーナル軸受（図示しない）で回転可能に支持している。外側の軸１２１に固定されたカム１３１は外側の軸１２１との間にクリアランスを設けることなく固定されているため、回転動作時に機関弁やＨＬＡ等の動弁系部品の慣性力やこれらに備わるバネからの復元力（矢示Ｂ）を受けても回転中心が変動しない（図７（ｂ））。

一方、内側の軸１２２は外側の軸１２１に対して回転可能とするために、外側の軸１２１との間にクリアランスｅを有して配置される（図７（ｃ）、（ｄ））。同様に、内側の軸１２２に固定されたカム１４１は外側の軸１２１との間にクリアランスｆを有して配置されている。なお、図７中のクリアランスｅ、ｆは説明のために誇張して描かれている。

このような内側の軸１２２は軸端部で支持されているが、軸中央部をジャーナル軸受で支持することはしていない。このため、内側の軸１２２に固定されたカム１４１が動弁系部品の慣性力やバネの復元力を受けると、クリアランスの分だけ回転中心が変動してしまう（図７（ｄ））。この影響により機関弁のリフト時にリフト量が減少し、その結果、内側の軸１２２のカム１４１が開閉する機関弁のリフト量と外側の軸１２１のカム１３１が開閉する機関弁のリフト量とに差異Δｇが生じる。このようなリフト量の差異Δｇは、二重構造のカム軸１０２を備えた動弁装置が吸気弁に用いられた場合、内側の軸１２２のカム１４１と外側の軸１２１のカム１３１のそれぞれが開閉する吸気弁による吸入空気量にばらつきを発生させる。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、二重構造カム軸における外側の軸と内側の軸のそれぞれに設けられたカムが開閉する機関弁のリフト量の差異を抑制した動弁装置を提供することを目的とする。

かかる課題を解決する本発明の動弁装置は、外軸と、前記外軸に対して相対回転可能に設けられた内軸とを有する二重構造のカム軸と、前記外軸に固定された第１カム体と、前記内軸に固定された第２カム体と、機関駆動軸から前記カム軸へ動力を伝達する動力伝達部と、前記第１カム体を外周側から支持して前記外軸を回転可能に支持する第１軸受と、前記第２カム体を外周側から支持して前記内軸を回転可能に支持する第２軸受と、を備えたことを特徴とする。この構成により、第２軸受により内軸が支持されて回転中心の変動が抑制されるので、外軸と内軸のそれぞれに設けられたカムが開閉する機関弁のリフト量の差異が抑制できる。

上記の構成の動弁装置において、前記第１軸受と前記第２軸受とが、前記外軸の回転中心線と前記内軸の回転中心線とが一致するように前記外軸と前記内軸とを保持する構成することができる。この構成により、動弁系部品の慣性力やバネの復元力の影響に依らず、機関弁のリフト量の差異が抑制できる。

上記の構成の動弁装置において、前記第１軸受と前記第２軸受とを同一部品としてもよい。このように同一部品で外軸と内軸とを固定することにより、クリアランスの影響を低下できる。

上記の構成の動弁装置において、前記第１軸受と前記第１カム体との間の第１軸受クリアランス、及び前記第２軸受と前記第２カム体との間の第２軸受クリアランスを、前記第２カム体と前記外軸との間に形成する軸カム間クリアランスよりも小さくし、前記軸カム間クリアランスを、前記外軸と前記内軸との間に形成する軸間クリアランスよりも小さく構成してもよい。この構成により、カム体と軸受との間のクリアランスを小さくすることにより、第１カムと第２カムとのカム間のクリアランスの差異による機関弁のリフト量の差異を抑制した状態で支持できる。さらに、外軸、内軸間のクリアランスが確保されるため、両軸間の円滑な相対運動が確保できる。

また、本発明は、上記に記載の動弁装置と、前記第１軸受と前記第２軸受とを固定する固定部とを備えたエンジンを提供することができる。固定部として、動弁装置を組み込む内燃機関のシリンダヘッド、カムハウジングなどを選択することができる。

本発明は、二重構造カム軸における外側の軸と内側の軸のそれぞれに設けられたカムが開閉する機関弁のリフト量のばらつきを抑制した動弁装置を提供することができる。

動弁装置を断面にして示した説明図である。動弁装置と吸気弁とを示した説明図である。動弁装置内のクリアランス部分を拡大した説明図である。従来の二重構造のカム軸の内側の軸に係る機関弁の低速回転時のリフト量を示した説明図である。従来の二重構造のカム軸を備えた動弁装置による吸気弁のリフト量の一例である。固定部に固定された動弁装置を示した説明図である。従来から知られた二重構造のカム軸の断面図である。

以下、本発明を実施するための一形態を図面と共に詳細に説明する。

本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は本実施例における動弁装置１の概略構成を断面にして示した説明図である。図２は動弁装置１と吸気弁１１、１２とを示した説明図である。動弁装置１は複数の気筒（シリンダ）を有するレシプロエンジンに搭載される。動弁装置１は、吸気弁１１、１２の開閉動作を行う。動弁装置１が開閉する吸気弁１１、１２は、エンジン内のシリンダへ吸入空気を供給する吸気ポートの開口部に配置されている。動弁装置１と吸気弁１１、１２との間には、動弁系部品（ハイドロリックラッシュアジャスタとロッカーアーム）が配置されている。なお、図面中のクリアランスは説明のために誇張して描かれている。

次に、動弁装置１の構造を説明する。動弁装置１は、カム軸２、第１カム体３、第２カム体４、第１軸受５、第２軸受６を備えている。カム軸２は外軸２１と内軸２２とを有する二重構造である。外軸２１と内軸２２とは軸Ａ周りに回転可能に配置されている。さらに、内軸２２は外軸２１に対して相対回転可能に設けられている。外軸２１と内軸２２との間には、軸間クリアランスａが形成されている。内軸２２には固定用穴２３が設けられている。

第１カム体３は第１カム３１を有する円筒状部材であって、外軸２１の外周に圧入固定されている。第１カム３１の動作は、動弁系部品を介して吸気弁１１へ伝達される。第２カム体４は第２カム４１を有する円筒状部材である。第２カム体４は外軸２１上を周方向に摺動可能に設けられている。第２カム体４と外軸２１との間には軸カム間クリアランスｂが形成されている。さらに、この第２カム体４は結合ピン２４により、内軸２２の外周に固定されている。結合ピン２４は、外軸２１に周方向に沿って設けられた長穴２５を貫通するように配置されて、第２カム体４と内軸２２とを結合する。この構成により、第１カム体３は外軸２１と一体に回転し、第２カム体４は内軸２２と一体に回転する。また、第２カム４１の動作は、動弁系部品を介して吸気弁１２へ伝達される。

第１軸受５は第１カム体３の支持部３２において、第１カム体３を外周側から回転可能に支持する。第１カム体３は外軸２１に固定されているため、いわば、第１軸受５は外軸２１を回転可能に支持する。第１軸受５と第１カム体３との間には、第１軸受クリアランスｃが形成されている。また、第２軸受６は第２カム体４の支持部４２において、第２カム体４を外周側から回転可能に支持する。第２カム体４は内軸２２に固定されているため、いわば、第２軸受６は内軸２２を回転可能に支持する。第２軸受６と第２カム体４との間には、第２軸受クリアランスｄが形成されている。第１軸受５と第２軸受６とは、外軸２１の回転中心線と内軸２２の回転中心線とが一致するように外軸２１と内軸２２とを支持している。また、第１軸受５と第２軸受６とは、カム軸２の回転動作、すなわち、外軸２１、内軸２２が回転動作する場合であっても、外軸２１の回転中心線と内軸２２の回転中心線とが一致するように保持する。第１軸受５、第２軸受６はカム軸２の長さに応じて、軸方向数箇所に複数個設けることとしてもよい。第１軸受５、第２軸受６は各々外軸２１、内軸２２のたわみを抑制するように軸全体を支えるように配置されている。

また、動弁装置１は油圧アクチュエータ７を備えている。油圧アクチュエータ７は、エンジンのクランクシャフト（機関駆動軸、図示しない）から得られる回転動力をカム軸２へ伝達する機構である。油圧アクチュエータ７はハウジング７１と、ハウジング７１内に収納されるベーン７２とを備えている。ハウジング７１の外周にはスプロケット部７３が形成されており、クランクシャフトからの回転を伝えるチェーン（図示しない）が掛けられる。このハウジング７１には外軸２１が固定されている。

ベーン７２には凹部が形成されており、この凹部は、ハウジング７１の内壁とともに油圧室７４を区画する。油圧室７４へ作動油を供給、排出することにより、ベーン７２がハウジング７１に対して回転する。ベーン７２には、内軸２２がボルト７５で固定されている。動弁装置１には、作動油の供給、排出用の通路として、第１制御油路７６と第２制御油路７７が設けられている。第１制御油路７６、第２制御油路７７は、それぞれ油圧室７４と接続している。第１制御油路７６から油圧室７４内へ作動油が供給され、油圧室７４から第２制御油路７７へ作動油が排出される場合、ベーン７２がハウジング７１に対して進角方向に回転する。これにより、内軸２２が外軸２１に対して進角方向に回転する。反対に、第２制御油路７７から油圧室７４内へ作動油が供給され、油圧室７４から第１制御油路７６へ作動油が排出される場合、ベーン７２がハウジング７１に対して遅角方向に回転する。これにより、内軸２２は外軸２１に対して遅角する方向へ回転する。油圧室７４への作動油の供給、排出は、制御部７８により制御される。従って、制御部７８により、外軸２１に対する内軸２２の回転位相が独立して変更される。この構成により、動弁装置１は第１カム３１と第２カム４１との間に回転位相差を生み出し、吸気弁１１、１２間の開閉タイミングを変更する。

次に、動弁装置１内の主要な部品のクリアランスについて説明する。図３は動弁装置１内のクリアランス部分を拡大した説明図である。図３（ａ）は第１カム体３付近のクリアランスを拡大した説明図である。図３（ｂ）は第２カム体４付近のクリアランスを拡大した説明図である。図３に示すように、軸間クリアランスａの幅をΔａ、軸カム間クリアランスｂの幅をΔｂ、第１軸受クリアランスｃの幅をΔｃ、第２軸受クリアランスｄの幅をΔｄとした場合、以下の式が成立するように、動弁装置１が構成されている。
Δａ＞ Δｂ（１）
Δｂ＞ Δｃ（２）
Δｂ＞ Δｄ（３）
すなわち、第１軸受クリアランスｃ、及び第２軸受クリアランスｄを、軸カム間クリアランスｂよりも小さくし、軸カム間クリアランスｂを、軸間クリアランスａよりも小さくしている。なお、軸Ａを水平方向に一致させて配置した場合、重力により部品が沈み込むため、実際のクリアランスは、鉛直方向下側が最も小さく、鉛直方向上側が最も大きくなる。このため、上記のクリアランスの幅Δａ、Δｂ、Δｃ、Δｄは部品間に形成したクリアランスの平均距離を示すものとする。

さらに、動弁装置１において、第１軸受５と第２軸受６とは同一部品としてもよい。このとき、第１カム体３の支持部３２の位置における外周径と第２カム体４の支持部４２の位置における外周径とが等しくなるように構成する。

次に従来例を説明しつつ、本実施例の効果を説明する。図４は従来の二重構造のカム軸の内側の軸に係る機関弁の低速回転時のリフト量を示した説明図である。図４の縦軸はリフト量を示し、横軸はカム角を示している。図４中の実線は実際の値を示し、破線は設計値を示している。なお、図４において、説明のため、実際値と設計値のリフト量の差異を大きく示している。ここでの従来のカム軸における内側の軸は軸端部で支持されているが、軸中央部で軸全体を支えるように支持されていない。図４によると、実際の開弁、閉弁のタイミングは、設計値とほぼ等しい。しかしながら、実際のリフト量は、設計値と異なる。以下、この相違に関して説明する。

機関弁の動弁系部品には、機関弁を閉じるための構成としてバネが組み込まれている。バネは機関弁を閉じる方向に復元力が作用するように組み込まれている。従って、機関弁の開閉時にカムはこのバネによる力を受ける。機関弁の開閉動作時には、動弁系部品が移動するため慣性力が生まれる。この動弁系部品の慣性力は、機関弁の開弁期間においてバネの復元力の方向とは逆向きとなる。カムの頂点付近では、動弁系部品の慣性力が低下するため、カムに加わる力の中でバネの復元力の影響が大きくなる。このため、カムとカムを固定した内側の軸が機関弁側から押し戻されて、機関弁のリフト方向とは反対向き（閉弁する方向）に移動する。これにより、機関弁のリフト量が低下する。このため、図４に示すように、機関弁の開弁期間のリフト量は、開弁途中まで設計値に追従するが、頂上付近で設計値より減少する。反対に機関弁の閉弁期間では、動弁系部品の慣性力がバネの復元力と同じ方向に働く。この影響により、閉弁するまでの間、カムとカムを固定した内側の軸をリフトする方向とは反対向きに押しつけるため、リフト量が設計値より減少する。動弁系部品の慣性力は、カムの回転数が上昇するほど増大する。設計段階において、高速回転時に適合させてバネの力を設定するため、低回転の場合ほど、リフト量の減少が大きくなる。すなわち、低回転時において、設計値と実際値との乖離が大きくなる。

この実際値と設計値とのリフト量の差は、最大でも、外側の軸と内側の軸との間のクリアランスに相当する幅であり、この差は機関弁のリフト量と比べて僅かであるといえる。しかしながら、開弁期間を考慮し、図４における機関弁の時間面積（機関弁のリフト量を時間積分したもの）の設計値と実際値とを比較した場合、数％の誤差が生じている。すなわち、カム軸の内側の軸の変動は、エンジンの性能に大きな影響を及ぼしている。

図５は、従来の二重構造のカム軸を備えた動弁装置による吸気弁のリフト量の一例である。この動弁装置は、外側の軸と内側の軸とにより、２つの吸気弁を独立して制御する。図５（ａ）は２つの吸気弁の位相を同時に変更する場合を示し、図５（ｂ）は外側の軸を進角し、内側の軸を遅角して吸気を吹き戻す場合を示している。図５（ａ）のように、２つの吸気弁の位相を同時に変更する場合、内軸側にかかる吸気弁の時間面積が減少するため、吸気効率が悪化してエンジンの性能が低下する。特に、低回転時における吸気流速は遅いため、吸気慣性効果が低いことからも吸気の取り込み量を減少させる。また、図５（ｂ）のように、外側の軸を進角し、内側の軸を遅角して、吸気吹き戻しを実行する場合、吸気の吹き戻り量が低下しポンプ損失が増加するため燃費が悪化する。また、従来の二重構造のカム軸を備えた動弁装置を、排気弁の動作に用いた場合にも排気脈動効果に影響を及ぼす。

上記のような現象は、二重構造のカム軸における内軸が機関弁のリフト動作時に変動してしまうことが原因である。上記の構造の説明の通り、本発明の動弁装置１は、第１軸受５が外軸２１を支持するとともに、第２軸受６が内軸２２の軸を支持する。これにより、内軸２２の軸全体が支持されるため、回転動作時の動弁系部品の慣性力やバネによる力が変動しても内軸２２の変動が抑制される。これにより、内軸２２と一体に固定された第２カム体４の一部の第２カム４１の変動も抑制されるため、第２カム４１に係る吸気弁１２のリフト量の減少が抑制される。この結果、吸気弁１２における吸入空気量の減少が抑制される。さらに、第１カム３１に係る吸気弁１１と第２カム４１に係る吸気弁１２のリフト量の誤差が抑制される。これにより、吸入空気量のばらつきが抑制される。

さらに、第１軸受５と第２軸受６とは同一部品とすることにより、第１軸受５と第１カム体３におけるはめ合いと、第２軸受６と第２カム体４とのはめ合いとの寸法許容差、及び寸法公差が等しくなる。言い換えると、第１軸受クリアランスｃと第２軸受クリアランスｄとが等しくなる（Δｃ＝Δｄ）。この結果、外軸２１、内軸２２の回転変動誤差が等しくなるため、第１カム３１に係る吸気弁１１と第２カム４１とに係る吸気弁１２とのリフト量の誤差が抑制される。これにより、吸入空気量のばらつきが抑制される。

また、本実施例の動弁装置１は図６に示すように、固定部８により固定することができる。図６は固定部８に固定された動弁装置１を示した説明図である。より詳しくは、動弁装置１は、第１軸受５と第２軸受６とを支持するエンジンのシリンダヘッドに設けた固定部８によりエンジンに固定されている。この固定部８は、第１軸受５と第２軸受６とを支持するカムハウジングとしてもよく、カムハウジングを介して動弁装置１をエンジンに固定することができる。このように、外軸２１を支持する第１軸受５と、内軸２２を支持する第２軸受６とを支持することにより、外軸２１と内軸２２の両方の軸を支持することができる。

なお、動弁装置１は、第１カム３１と第２カム４１との位相を同時に変更することもできるし、一方のカム（例えば、第１カム３１）を進角し、他方のカム（例えば、第２カム４１）を遅角することもできる。また、ピストンの位置との関係から、シリンダ内に取り込んだ吸気を吹き戻すように、開閉タイミングを変更することができる。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、さらに本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

例えば、動力伝達部は上記の油圧アクチュエータ７の構成に限られない。また、油圧により作動するもの以外にも電磁力により作動する構成も採用可能である。さらに、上記構成において、内軸２２は、外軸２２に対して相対的に回転可能に支持され、回転中心線の変動が抑制されていればよい。すなわち、内軸２２を支持する軸受は、第２カム体４を介して支持する構成に限られない。例えば、上記の実施例において、別途、内軸２２を回転可能に支持するとともに、第２軸受６により支持される支持部材を設けてもよい。この場合、第２軸受６は第２カム体４を支持する代わりに支持部材を支持する。このような支持部材は、外軸２１の回転を妨げることなく、内軸２２を外軸２１に対して相対回転可能に支持するものであればよい。また、支持部材は内軸２２の長さに応じて、内軸２２の軸全体を支えるように複数個備えることとしてもよい。

また、上記の実施例では、動弁装置１を吸気弁の開閉動作に用いているが、動弁装置１は気筒（シリンダ）内から燃焼ガスを排気する排気ポートの開口部に配置される排気弁の開閉動作に用いることもできる。さらに、動弁装置１を備えたエンジンは、ピストンとシリンダヘッドとの相対位置を変更して、機械圧縮比を変更する可変圧縮比機構を備えていてもよい。動弁装置１と可変圧縮比機構とを好適に組み合わせて制御することにより、実圧縮比を一定に維持しつつポンプ損失を低減することができる。

１動弁装置
２カム軸
２１外軸
２２内軸
３第１カム体
３１第１カム
４第２カム体
４１第２カム
５第１軸受
６第２軸受
７油圧アクチュエータ（動力伝達部）
８固定部
ａ軸間クリアランス
ｂ軸カム間クリアランス
ｃ第１軸受クリアランス
ｄ第２軸受クリアランス

Claims

外軸と、前記外軸に対して相対回転可能に設けられた内軸とを有する二重構造のカム軸と、
前記外軸に固定された第１カム体と、
前記内軸に固定された第２カム体と、
機関駆動軸から得られる動力を前記カム軸へ伝達する動力伝達部と、
前記第１カム体を外周側から支持して前記外軸を回転可能に支持する第１軸受と、
前記第２カム体を外周側から支持して前記内軸を回転可能に支持する第２軸受と、
を備えたことを特徴とする動弁装置。
前記第１軸受と前記第２軸受とが、前記外軸の回転中心線と前記内軸の回転中心線とが一致するように前記外軸と前記内軸とを保持することを特徴とした請求項１の動弁装置。
前記第１軸受と前記第２軸受とが同一部品であることを特徴とする請求項１または２記載の動弁装置。
前記第１軸受と前記第１カム体との間の第１軸受クリアランス、及び前記第２軸受と前記第２カム体との間の第２軸受クリアランスを、前記第２カム体と前記外軸との間に形成する軸カム間クリアランスよりも小さくし、前記軸カム間クリアランスを、前記外軸と前記内軸との間に形成する軸間クリアランスよりも小さくすることを特徴とした請求項１乃至３のいずれか一項記載の動弁装置。
請求項１乃至４のいずれか一項記載の動弁装置と、前記第１軸受と前記第２軸受とを固定する固定部とを備えたエンジン。