JP2014015866A - 可変動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の内燃機関のレイアウトを活かしたまま、機関弁のリフト量を変更する可変動弁装置を提供する。
【解決手段】可変動弁装置１００は、エンジンのクランクシャフトと駆動連結したロッカーシャフト２０と、カムプロフィールの異なる低速カム１１，１２と高速カム１３とを有し、シザースギア３１，３２を介してロッカーシャフト２０と連結したカムシャフト１０と、低速カム１１，１２により駆動される低速アーム４１，４２と、高速カム１３により駆動される高速アーム４３と、低速アーム４１，４２と高速アーム４３との結合、分離を切替える切替手段４１ｄ，４２ｄ，４３ｄとを有し、ロッカーシャフト２０に対して回転方向に摺動自在に取り付けられ、吸気弁７１，７２を駆動する揺動アーム４０と、ロッカーシャフト２０に取り付けられ、クランクシャフトに対するロッカーシャフト２０の位相を変更する位相可変機構６０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、可変動弁装置に関する。

内燃機関には、機関弁のリフト量や作用角を変化させる可変動弁装置が設けられている。このような可変動弁装置が、例えば、特許文献１，２に開示されている。特許文献１の可変動弁装置では、カムが設けられたカム軸がクランク軸に同期して回転し、バルブのリフト量を変化させるために回転する制御軸がアクチュエータにより制御されている。

特許文献２の可変動弁機構は、カム、ローラ、バルブリフト機構、ロッカーアーム、ラッシュアジャスタを備え、バルブリフト機構の入力アームと出力アームとの相対位相差を変化させて、バルブ作用角およびバルブリフト量を変更する。この可変動弁機構では、カムが設けられたカムシャフトがタイミングチェーンを介して連結されたクランクシャフトにより駆動され、入力アームと出力アームとの相対位相差を変化させるコントロールシャフトがシャフト用のアクチュエータにより駆動されている。

特開２０１１−１９０７１５号公報 特開２００５−３５１２１９号公報

引用文献１の可変動弁装置や引用文献２の可変動弁機構では、機関弁のリフト量を変更するために揺動アームを組み込むため、カムシャフトの位置を従来の位置から変更しなければならない。このため、従来の内燃機関のレイアウトを変更せざるを得ないため、従来、用いられていた部品についての配置換えや部品の入れ替えが生じ、大きなコストがかかる。

そこで、本発明は上記課題に鑑み、従来の内燃機関のレイアウトを活かしたまま、機関弁のリフト量を変更する可変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可変動弁装置は、エンジンのクランクシャフトと駆動連結した第１シャフトと、カムプロフィールの異なる低速カムと高速カムとを有し、シザースギアを介して前記第１シャフトと連結した第２シャフトと、前記低速カムにより駆動される低速アームと、前記高速カムにより駆動される高速アームと、前記低速アームと前記高速アームとの結合、および分離を切替える切替手段と、を有し、前記第１シャフトに対し、回転方向に摺動自在に取り付けられ、ロッカーアームへ作用して機関弁を駆動する揺動アームと、前記第１シャフトに取り付けられ、前記クランクシャフトに対する前記第１シャフトの位相を変更する位相変更手段と、を備える。

本発明の可変動弁装置は、従来の内燃機関のレイアウトを活かしたまま、機関弁のリフト量を変更することが可能である。

エンジンのヘッド側から見た実施の形態の可変動弁装置の平面図である。 位相可変機構が設けられている側から見た実施の形態の可変動弁機構の側面図である。 第１低速アームの分解図である。 第２低速アームの分解図である。 高速アームの分解図である。 図２中のＡ−Ａ面の断面図である。 図６中の第１ピン内のピストンと第３ピン内のピストンが移動した状態の断面図である。 エンジンの低速回転時に吸気弁がリフトした様子を示した図である。 エンジンの高速回転時に吸気弁がリフトした様子を示した図である。 （ａ）に実施の形態の可変動弁装置を示し、（ｂ）に従来の形態の動弁装置を示して、実施の形態と従来の形態とを比較した図である。

以下、本発明の実施の形態の可変動弁装置１００について、図１〜図１０を参照しながら説明する。可変動弁装置１００は、気筒が直列に配置されたレシプロエンジンに搭載される。可変動弁装置１００はエンジンのシリンダヘッド（図示していない）に保持されて、エンジンの吸気弁をリフト（開閉）する装置である。本実施の形態で説明するエンジンは１気筒あたり２つの吸気弁を備えている。

図１はエンジンのヘッド側から見た本実施の形態の可変動弁装置１００の平面図である。図１では、気筒１つ分の構造が示されている。可変動弁装置１００は、エンジンのクランクシャフト（図示していない）に平行に回転軸を有するカムシャフト１０とロッカーシャフト２０とを備えている。カムシャフト１０とロッカーシャフト２０とはシザースギア３１，３２で連結されている。シザースギア３１はカムシャフト１０の一端に設けられている。シザースギア３２は、ロッカーシャフト２０の一端に設けられている。

また、カムシャフト１０には、１気筒あたり第１低速カム１１、第２低速カム１２と高速カム１３とが設けられている。第１低速カム１１、第２低速カム１２、高速カム１３は、カムシャフト１０と一体に回転する。第１低速カム１１と第２低速カム１２のカムの形状は同一であり、第１低速カム１１と第２低速カム１２とは、同一の位相となるように組みつけられている。高速カム１３は、第１低速カム１１、および第２低速カム１２よりもカムリフトの大きなカムである。高速カム１３の位相は第１低速カム１１、および第２低速カム１２と同一である。ロッカーシャフト２０のシザースギア３２の設けられていない側の端部にはスプロケット５０と位相可変機構６０が設けられている。

スプロケット５０は、タイミングチェーン（図示していない）を介してクランクシャフトに駆動連結している。このため、ロッカーシャフト２０はクランクシャフトに連動して回転する。位相可変機構６０は、ロッカーシャフト２０と一体に回転するように結合したベーンロータと、スプロケット５０に結合したハウジングと、を備え（いずれも図示していない）、ベーンロータをハウジング内に相対回転可能に組み込んで構成されている。位相可変機構６０は、ハウジング内部を油圧で制御することにより、ハウジングに対してベーンロータを相対回転し、スプロケット５０とロッカーシャフト２０との間に位相差を生じさせる。すなわち、位相可変機構６０は、クランクシャフトに対してロッカーシャフト２０の位相を変更する。

ロッカーシャフト２０には、１気筒あたり１つの揺動アーム４０が、ロッカーシャフト２０の回転方向に摺動可能に取り付けられている。図１、図２に示すように、揺動アーム４０は、第１低速アーム４１、第２低速アーム４２、及び高速アーム４３を備えている。第１低速アーム４１、第２低速アーム４２と高速アーム４３が設けられている部分のロッカーシャフト２０の外周面２１は滑らかに加工されており、第１低速アーム４１、第２低速アーム４２、及び高速アーム４３は、ロッカーシャフト２０の回転方向に摺動可能である。

図２は位相可変機構６０が設けられている側から見た可変動弁機構１００の側面図である。なお、図２ではシザースギア３１，３２、スプロケット５０、位相可変機構６０を省略している。図２に示すように、第１低速アーム４１は、ノーズ部４１ａ、接触面４１ｂを備えている。ノーズ部４１ａには、第１低速ローラ４１ｃが第１ピン４１ｄを軸に回転可能に組みつけられている。そして、第１低速アーム４１は、第１低速ローラ４１ｃが第１低速カム１１に当接するように配置されている。第１低速ローラ４１ｃが第１低速カム１１のノーズ部分により押されると、第１低速アーム４１がロッカーシャフト２０周りに回転する。図３は、第１低速アーム４１の分解図である。第１ピン４１ｄの内部にはシリンダ４１ｅが形成されており、シリンダ４１ｅにはピストン４１ｆが摺動可能に組み込まれる。また、シリンダ４１ｅにはオイルの供給通路４１ｇが接続している。オイルの供給通路４１ｇは組付け時に第１低速アーム４１に形成されているオイル通路４１ｈと連通する。

第２低速アーム４２は、第１低速アーム４１と同様の構成をしている。図４は、第２低速アーム４２の分解図である。図４に示すように、第２低速アーム４２は、ノーズ部４２ａ、接触面４２ｂを備えている。ノーズ部４２ａには、第２低速ローラ４２ｃが第２ピン４２ｄを軸に回転可能に組みつけられる。そして、第２低速アーム４２は、第２低速ローラ４２ｃが第２低速カム１２に当接するように配置される。第２低速ローラ４２ｃが第２低速カム１２のノーズ部分により押されると、第２低速アーム４２がロッカーシャフト２０周りに回転する。第２ピン４２ｄの内部にはシリンダ４２ｅが形成されており、シリンダ４２ｅにはピストン４２ｆとスプリング４２ｇが組み込まれる。

図５は、高速アーム４３の分解図である。高速アーム４３はノーズ部４３ａを備えている。ノーズ部４３ａには高速ローラ４３ｃが第３ピン４３ｄを軸に回転可能に組みつけられる。そして、高速アーム４３は、高速ローラ４３ｃが高速カム１３に当接するように配置される。高速ローラ４３ｃが高速カム１３のノーズ部分により押されると、高速アーム４３がロッカーシャフト２０周りに回転する。第３ピン４３ｄの内部にはシリンダ４３ｅが形成されており、シリンダ４３ｅにはピストン４３ｆが摺動可能に組み込まれる。

ここで、図６、図７を参照しながら、第１低速アーム４１、第２低速アーム４２、高速アーム４３の内部の構造を説明する。図６は、図２中のＡ−Ａ面の断面図である。図７は図６中のピストン４１ｆ、ピストン４３ｆが移動した状態の断面図である。

揺動アーム４０が組付けられると、図６に示すように第１ピン４１ｄ、第２ピン４２ｄ、第３ピン４３ｄが一直線に並ぶ。このとき、当然ながら、第１ピン４１ｄ内のシリンダ４１ｅ、第２ピン４２ｄ内のシリンダ４３ｅ、第３ピン４３ｄ内のシリンダ４２ｅも一直線に並ぶ。図６に示した状態では、シリンダ４１ｅ内にピストン４１ｆが収まり、シリンダ４３ｅ内にピストン４３ｆが収まっているので、第１低速アーム４１、第２低速アーム４２、高速アーム４３はそれぞれ独立して動作することが可能になっている。この状態で、カム１１〜１３から作用を受けた場合、第１低速アーム４１は第１低速カム１１のカムリフトで動作する。同様に、第２低速アーム４２は第２低速カム１２のカムリフトで動作し、高速アーム４３は高速カム１３のカムリフトで動作する。

オイル通路４１ｈ、供給通路４１ｇにオイルが供給されると、オイルの油圧により、ピストン４１ｆが押されて移動する。ピストン４１ｆの移動は、シリンダ４１ｅ内のオイルを押し出し、さらに、高速アーム４３内のシリンダ４３ｅのオイルを押し、その結果ピストン４３ｆが移動する。図７はこのときの状態を示している。このとき、ピストン４１ｆにより第１低速アーム４１と高速アーム４３とが連結し、ピストン４３ｆにより第２低速アーム４２と高速アーム４３とが連結する。この状態でカム１１〜１３のノーズ部分から力を受けた場合、第１低速アーム４１、第２低速アーム４２、高速アーム４３が一体となって動作する。オイル通路４１ｈ、供給通路４１ｇへのオイルの供給は、図６、図７に示す、油圧制御部４９により行われる。油圧制御部４９は、例えば、電磁弁、ポンプ、これらを制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）を備えて構成されていてもよい。ＥＣＵは、エンジンの回転速度に基づき、オイル通路４１ｈへのオイルの供給を実行する。また、オイル通路４１ｈ、供給通路４１ｇへのオイルの供給は、ロッカーシャフト２０の側面、または内部を通り供給されることとしてもよい。油圧制御部４９による、オイル通路４１ｈ、供給通路４１ｇへのオイルの供給が停止されると、スプリング４２ｇの復元力によりピストン４３ｆとピストン４１ｆとがオイル供給前の位置に戻る。これにより、再び、第１低速アーム４１、第２低速アーム４２、高速アーム４３はそれぞれ独立して動作することになる。

さらに、可変動弁装置１００は、１気筒あたり、第１ロッカーアーム４４、第２ロッカーアーム４５を備えている。第１ロッカーアーム４４と第２ロッカーアーム４５とはローラ・フィンガフォロワタイプのロッカーアームである。第１低速アーム４１の接触面４１ｂは、第１ロッカーアーム４４の第１ロッカーローラ４４ａと接触している。第１ロッカーアーム４４の一端４４ｂは吸気弁７１に当接する。吸気弁７１と当接する端部と反対の端部４４ｃにはＨＬＡ（Hydraulic Lash Adjuster）４６が設けられている。第２低速アーム４２の接触面４２ｂは、第２ロッカーアーム４５の第２ロッカーローラ４５ａと接触している。第２ロッカーアーム４５の一端４５ｂは吸気弁７２と当接する。吸気弁７２と当接する端部と反対の端部４５ｃにはＨＬＡ４７が設けられている。

次に、可変動弁装置１００が吸気弁７１，７２をリフトする動作について説明する。エンジンの運転中では、タイミングチェーンによりクランクシャフトと駆動連結したロッカーシャフト２０が回転する。さらに、ロッカーシャフト２０とカムシャフト１０とがシザースギア３１，３２により連結されているため、ロッカーシャフト２０の回転はカムシャフト１０へ伝達する。そして、カムシャフト１０が回転することにより、カムシャフト１０と一体に回転する第１低速カム１１、第２低速カム１２および高速カムが、第１低速アーム４１、第２低速アーム４２及び高速アーム４３に作用し、第１低速アーム４１、第２低速アーム４２及び高速アーム４３がロッカーシャフト２０周りに回転する。回転した第１低速アーム４１と第２低速アーム４２とは、第１ロッカーアーム４４と第２ロッカーアーム４５とを駆動するので、吸気弁７１，７２がリフトする。

本実施の形態の可変動弁装置１００はエンジンの回転数に応じて、吸気弁７１，７２のリフト量を変更する。より詳しく説明すると、可変動弁装置１００は、エンジンの低速回転時には小さいリフト量で吸気弁７１，７２を駆動し、エンジンが高速回転する際には大きいリフト量で吸気弁７１，７２を駆動する。

初めにエンジンの低速回転時の可変動弁装置１００の動作について説明する。図８は、エンジンの低速回転時に吸気弁７１，７２がリフトした様子を示した図である。

可変動弁装置１００は、エンジンが低速回転の時には、第１ピン４１ｄのシリンダ４１ｅ内への油圧の供給は停止しておく。このときの第１ピン４１ｄ、第２ピン４２ｄ、第３ピン４３ｄ内の様子は図６の通りである。この状態のとき、第１低速アーム４１、第２低速アーム４２、高速アーム４３はそれぞれ単独に回転が可能な状態である。

この低速回転の運転状態では、第１低速カム１１が第１低速アーム４１を押し、第１低速アーム４１の接触面４１ｂが第１ロッカーアーム４４の第１ロッカーローラ４４ａを押すことにより、第１ロッカーアーム４４が吸気弁７１へ作用し、吸気弁７１がリフトする。同時に、第２低速カム１２が第２低速アーム４２を押し、第２低速アーム４２の接触面４２ｂが第２ロッカーアーム４５の第２ロッカーローラ４５ａを押すことにより、第２ロッカーアーム４５が吸気弁７２へ作用し、吸気弁７２がリフトする。また、このとき、高速カム１３も、高速アーム４３を押し、高速アーム４３がロッカーシャフト２０周りに回転するが、高速アーム４３は第１低速アーム４１、第２低速アーム４２と分離して動作するので、第１ロッカーアーム４４、第２ロッカーアーム４５に対して空振りとなる。

このようにエンジンの低速回転時には、吸気弁７１，７２はカムリフトの小さい第１低速カム１１、第２低速カム１２のカムプロフィールでリフトするため、吸気弁７１，７２は小さいリフト量でリフトする。

続いてエンジンの高速回転時の可変動弁装置１００の動作について説明する。図９は、エンジンの高速回転時に吸気弁７１，７２がリフトした様子を示した図である。

可変動弁装置１００は、エンジンが高速回転の時には、第１ピン４１ｄのシリンダ４１ｅ内へ油圧を供給する。油圧の供給により、ピストン４１ｆ、ピストン４３ｆが移動する。このときの第１ピン４１ｄ、第２ピン４２ｄ、第３ピン４３ｄ内の様子は図７の通りである。このとき、ピストン４１ｆ、ピストン４３ｆにより、第１低速アーム４１、第２低速アーム４２、高速アーム４３は一体に回転する。この場合、揺動アーム４０は、カムリフトの大きい高速カム１３のカムプロフィールで動作するため、吸気弁７１，７２は高速カム１３のカムプロフィールで動作する。すなわち、吸気弁７１，７２は大きいリフト量でリフトする。

また、可変動弁装置１００は、位相可変機構６０により、クランクシャフトの回転に対してロッカーシャフト２０の位相を変更することもできる。ロッカーシャフト２０とカムシャフト１０とはシザースギア３１，３２で連結されているので、ロッカーシャフト２０の位相が変更されると、同時にクランクシャフトに対するカムシャフト１０の位相が変更される。この結果、カム１１〜１３のノーズ部分が第１低速アーム４１、第２低速アーム４２、高速アーム４３を押す位相のタイミングが変更されるので、吸気弁７１，７２の作用角を変更しないで、リフト開始から終了までの位相（リフト期間の位相）を変更できる。

以上より、可変動弁装置１００は、揺動アーム４０により吸気弁７１，７２のリフト量を段階的に変更することが可能であり、位相可変機構６０により吸気弁７１，７２のリフト期間の位相を変更することが可能である。

次に可変動弁装置１００のもたらす効果を説明する。図１０は、（ａ）に本実施の形態の可変動弁装置１００を示し、（ｂ）に従来の形態の動弁装置２００を示して、本実施の形態と従来の形態とを比較した図である。従来の形態の動弁装置２００は、エンジンのクランクシャフトに平行に回転軸を有するカムシャフト２１０と、カムシャフト２１０と一体になって回転するカム２１１，２１２を備えている。カム２１１，２１２は、同一の形状、同一の位相となるように組みつけられている。カムシャフト２１０の一端（図１０中の紙面手前側の端部）には、スプロケットと位相可変機構と（いずれも図示していない）が設けられており、スプロケットはタイミングチェーン（図示していない）を介してクランクシャフトと駆動連結されている。また、従来の形態の動弁装置２００は、ロッカーアーム４４，４５、吸気弁７１，７２を備えている。スプロケット、位相可変機構、ロッカーアーム４４，４５、吸気弁７１，７２は実施の形態のものと同一である。カム２１１，２１２は、ロッカーアーム４４，４５を駆動することにより、吸気弁７１，７２をリフトする。

従来の動弁装置２００では、スプロケットはカムシャフト２１０に設けられている。仮に従来の動弁装置２００に、吸気弁のリフトを多段切替する揺動アームの構成を組み込む場合、カムシャフトとロッカーアームとの間に揺動アームのロッカーシャフトを組み込むことになるため、クランクシャフトとカムシャフトとの間が広がり、エンジンが大型化する。また、クランクシャフトとカムシャフトとの間が広がることにより、タイミングチェーンが長くなるなど、部品も変更しなければならず、コストがかかってしまう。

本実施の形態では、クランクシャフトからの動力を、ロッカーシャフト２０を介してカムシャフト１０へ伝達する。このため、ロッカーシャフト２０を従来の動弁装置２００のカムシャフト２１０の位置に配置することができる。これにより、従来の動弁装置２００のレイアウトをそのまま利用できるため、コストを最小限に抑えることができる。また、シザースギア３１，３２によりカムシャフト１０とロッカーシャフト２０とを連結するため、カムシャフト１０をロッカーシャフト２０の近くに配置することができ、エンジンをコンパクトにすることができる。

また、可変動弁装置１００では、揺動アーム４０はロッカーシャフト２０に対して摺動自在に取り付けられているので、揺動アーム４０はロッカーシャフト２０の回転に影響を受けない。このため、位相可変機構６０により、位相が変更されてもその影響を受けることがない。

また、ＨＬＡ４６，４７を設けたフィンガーフォロアタイプのロッカーアーム４４，４５を使用することにより、カム１１〜１３の位置を変えることなく、吸気弁７１，７２のリフト量の切替が可能である。

なお、上記実施の形態では、可変動弁装置１００は吸気弁７１，７２をリフトするものと説明したが、エンジンの排気弁をリフトすることとしてもよい。

上記実施の形態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。

１０ カムシャフト（第２シャフト）
１１ 第１低速カム
１２ 第２低速カム
１３ 高速カム
２０ ロッカーシャフト（第１シャフト）
３１，３２ シザースギア
４０ 揺動アーム
４１ 第１低速アーム
４２ 第２低速アーム
４３ 高速アーム
４１ｄ 第１ピン（切替手段の一部）
４２ｄ 第２ピン（切替手段の一部）
４３ｄ 第３ピン（切替手段の一部）
４４ 第１ロッカーアーム
４５ 第２ロッカーアーム
６０ 位相可変機構（位相変更手段）
７１，７２ 吸気弁（機関弁）
１００ 可変動弁装置

Claims (1)

1. エンジンのクランクシャフトと駆動連結した第１シャフトと、
   カムプロフィールの異なる低速カムと高速カムとを有し、シザースギアを介して前記第１シャフトと連結した第２シャフトと、
   前記低速カムにより駆動される低速アームと、前記高速カムにより駆動される高速アームと、前記低速アームと前記高速アームとの結合、および分離を切替える切替手段と、を有し、前記第１シャフトに対し、回転方向に摺動自在に取り付けられ、ロッカーアームへ作用して機関弁を駆動する揺動アームと、
   前記第１シャフトに取り付けられ、前記クランクシャフトに対する前記第１シャフトの位相を変更する位相変更手段と、
   を備えたことを特徴とする可変動弁装置。

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