JP2015161220A - エンジンのバルブ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】カムとタペットの間の摺接部において、面圧をより均一に近づける。
【解決手段】バルブステム５ｂの一端に傘部５ａが設けられるバルブ部材５と、バルブステム５ｂの他端が当接する端壁部１１ａと傘部５ａ側へ立ち上がる周壁部１１ｂとからなるタペット１１と、タペット１１の端壁部１１ａ外面に摺接するカム２０と、カム２０の外面に設けられる凹部１０ａからなる入力調整部１０とを備えるバルブ構造である。入力調整部１０は、ある一定の押圧力がタペット１１の端壁部１１ａに作用した場合に端壁部１１ａ各部に生じると想定される部材の軸心方向への変位量が相対的に小さい部分へのカム２０からタペット１１への押圧力が、変位量が相対的に大きい部分への押圧力よりも小さくなるように設定される。
【選択図】図１

Description

この発明は、吸排気弁を開閉動作させるエンジンのバルブ構造に関する。

従来から、エンジンの吸排気弁のバルブ構造として、タペットを用いた構造がある。

通常、吸排気弁の弁体としては、それぞれ軸状のバルブステムの一端に弁体部である傘部が設けられたバルブ（以下、「バルブ部材」と称する。）が用いられる。バルブ部材は、バルブスプリングによって、傘部が弁孔を閉じる方向に付勢されている。傘部が弁孔に接離することによって、吸排気弁は開閉する。

タペットは、バルブステムの他端、すなわち、傘部を設けた側の反対側の端部（以下、「ステムエンド」と称する。）に配置される。その形状は、平面視円形の端壁部と、その端壁部の周縁からバルブ部材側に立ち上がる円筒状の周壁部とを有するカップ状である。

タペットは、シリンダヘッド内に形成されたガイド孔に嵌り、そのガイド孔の内面に摺動する。ステムエンドは、タペットの端壁部内面に当接し、その端壁部外面に、エンジンのクランク軸の回転とともに回転するカムが当接する。

カムの作用により、タペットを介してバルブステムの他端をバルブスプリングの付勢力に抗して押圧すれば、吸気弁や排気弁を開弁する。また、カムの作用による押圧が弱まれば、バルブ部材はバルブスプリングの付勢力によって移動し、吸気弁や排気弁を閉弁する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−１２８１２１号公報

ところで、カムがタペットの端壁部外面に摺接した際、その端壁部に作用する応力は、それぞれの場所におけるタペットの弾性変形の度合いによって異なる。このため、バルブステムの他端が当接する軸心付近では弾性変形が抑制され易く、端壁部に作用する応力が大きくなる場合がある。

場所によって応力が異なると、カムとタペットの間の摺接部において、面圧の不均一が生じやすくなる。面圧の不均一は摩耗度合いの不均一に繋がるので、部材の耐久性や弁動作の精度を高める上で好ましくない。

そこで、この発明の課題は、カムとタペットの間の摺接部において、面圧をより均一に近づけることである。

上記の課題を解決するために、この発明は、軸状のバルブステムの一端にバルブの弁孔に接離する傘部が設けられるバルブ部材と、前記バルブステムの他端が当接する端壁部とその端壁部の周縁から前記傘部側へ立ち上がる周壁部とからなるタペットと、前記タペットの端壁部外面に摺接するカムと、前記カム又は前記タペット若しくはその両方に設けられる入力調整部とを備え、前記入力調整部は、ある一定の押圧力が前記タペットの端壁部に作用した場合に前記タペットの端壁部各部に生じると想定される前記バルブステムの軸心方向への部材の変位量が相対的に小さい部分への前記カムから前記タペットへの押圧力が、前記変位量が相対的に大きい部分への前記カムから前記タペットへの押圧力よりも小さくなるように設定されることを特徴とするバルブ構造を採用した。

ここで、前記入力調整部は、前記カムのカム面又は前記タペットの端壁部の外面若しくはその両方に設けられる凹部で構成することができる。

この構成において、前記タペットの端壁部のうち前記バルブステムの他端が当接する軸心部は、前記変位量が他の部分よりも相対的に小さい部分である場合において、前記凹部は、前記カムのカム面のうち前記軸心部に対向する位置に設けることができる。

また、前記タペットの端壁部は、前記軸心部よりも半径方向外側領域に外径側に向かうにつれて前記変位が相対的に生じやすい環状部を備える場合において、前記凹部は、前記カムのカム面のうち前記環状部の内径寄りの部分に対向するように設けることができる。

前記凹部とその凹部周囲の前記カム面とは、曲率が連続する曲面で滑らかに接続されることが望ましい。

前記入力調整部として前記カム面に凹部を設けた場合において、前記タペットの端壁部は、軸心方向への部材の厚さが外径側に向かうにつれて徐々に厚くなる剛性調整部を備える構成を採用することができる。

この発明は、カム又はタペット若しくはその両方に、端壁部に想定される部材の軸心方向への変位量の差異に合わせて、変位量が相対的に小さい部分への押圧力が、相対的に大きい部分への押圧力よりも小さくなるように設定される入力調整部を設けたので、カムとタペットの間の摺接部において、面圧をより均一に近づけることができる。

この発明の一実施形態のエンジンのバルブ構造を表す正面断面図である。 同実施形態の要部を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は正面断面図である。 他の実施形態を示す正面断面図及び面圧分布図である。 （ａ）（ｂ）は、それぞれさらに他の実施形態を示すタペットの正面断面図である。 （ａ）（ｂ）は、荷重と変位量との関係を示す説明図である。 カムからタペットに力が加わった状態を示す説明図であり、（ａ）は、タペットの断面図、（ｂ）は、タペットの端壁部の上下方向の剛性を示すグラフ図、（ｃ）は、タペットの端壁部のたわみを示すグラフ図、（ｄ）は、タペットの端壁部に生じる面圧の分布を示すグラフ図である。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。この実施形態は、自動車用エンジンのバルブ構造である。図面では、この発明に直接関係する部材、手段のみを示し、他の部材等については図示省略している。また、図面では、一つのシリンダ１のみを示しているが、エンジンは、単気筒であってもよいし、複数のシリンダ１を備えた多気筒であってもよい。

図１に示すように、シリンダ１には、燃焼室２に通じるポート３と、このポート３の弁孔４を開閉するバルブ５（以下「バルブ部材５」と称する。）が設けられている。ポート３は吸気ポートと排気ポートとがある。吸気ポート内には、その吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射装置（図示せず）が設けられ、吸気ポート内の吸入空気に燃料を噴射し混合気を形成する。以下、この吸気ポートを例にエンジンのバルブ構造について説明するが、排気ポートにおいても同様の構造を採用することができる。なお、エンジンは、燃料噴射装置を吸気ポート内に設けるものに限らず、燃焼室２内に設けられて、燃焼室２内の吸入空気に燃料を噴射し混合気を形成する、筒内直接噴射式エンジンであってもよい。

バルブ構造は、図１に示すように、バルブ部材５と、そのバルブ部材５を弁孔４の閉弁方向に付勢する弾性部材６（以下、「バルブスプリング６」と称する。）とを備える。バルブ部材５は、軸状のバルブステム５ｂと、そのバルブステム５ｂの一端にバルブの弁孔４に接離する傘部５ａとを備える。バルブステム５ｂは、筒状のバルブステムガイド７を介して、シリンダ１に形成されたバルブ挿通孔に挿通され、シリンダ１に対して軸方向へ進退自在である。

バルブスプリング６は、その下端、すなわち、燃焼室２に近い側の端部がバルブスプリングシートを介してシリンダ１に支持され、その上端、すなわち、シリンダヘッド側の端部は、リテーナ８及びコッタ９を介してバルブステム５ｂに固定されている。リテーナ８は円環状部材であり、その外周部でバルブスプリング６の上端を支持する。リテーナ８の内周部には、コッタ９を介してバルブステム５ｂが挿通される。

コッタ９は、外周面９ｂが円錐面となっている２つ割りの分割コレットである。このコッタ９が、同じく円錐面で構成されるリテーナ８の内周面８ｂと、バルブステム５ｂの外周面とにそれぞれ面接触し、バルブステム５ｂとリテーナ８を固定する。このとき、コッタ９の内面には抜け止め突起９ａが設けられており、この抜け止め突起９ａがバルブステム５ｂの外周面に形成された抜け止め凹部５ｄに入り込んで軸方向への抜け止め機能を発揮する。

バルブステム５ｂの他端側には、そのバルブステム５ｂの他端（ステムエンド）の端面が当接するタペット１１が配置される。タペット１１は、平面視円形の端壁部１１ａと、その端壁部１１ａの周縁からバルブ部材５側に立ち上がる円筒状の周壁部１１ｂとを有するカップ状の部材である。バルブステム５ｂの軸心ｃは、下向きカップ状に配置されたタペット１１の軸心ｃと一致している。

タペット１１は、シリンダヘッド内に形成されたガイド孔に嵌り、そのガイド孔の内面に摺動する。ステムエンドは、タペット１１の端壁部１１ａ内面に当接し、また、その端壁部１１ａ外面に、エンジンのクランク軸の回転とともに回転するカム２０が当接する。

カム２０の作用により、タペット１１を介してバルブステム５ｂのステムエンドがバルブスプリング６の付勢力に抗して押圧されれば、バルブ部材５が下降して弁孔４を開放させる。カム２０の作用による押圧力が弱まれば、バルブ部材５は、バルブスプリング６の弾性力によって上昇し、弁孔４を閉鎖する。このように、カム２０の回転によって、バルブ部材５は、所定のタイミングで吸気ポートを開閉する。

カム２０を備えたカムシャフトへの動力の伝達は、カムシャフト側に設けたスプロケットとクランクシャフト側に設けたスプロケットとの間をタイミングチェーン等で連結することにより行われている。

この実施形態では、端壁部１１ａは、バルブステム５ｂ側へ突出しバルブステム５ｂのステムエンドが当接する凸部１１ｃを備える。

また、この実施形態の凸部１１ｃは、ステムエンドが当接する頂部と、その頂部の外周に半径方向外側に向かうにつれてその突出方向への高さが低くなる傾斜面１１ｄを備える円錐台状である。

凸部１１ｃの頂部は、ステムエンドのフラットな端面が面接触するフラット面である。このため、頂部のフラット面は、ステムエンドのフラットな端面とともに、軸心ｃに直交する面方向を有する。また、傾斜面１１ｄは、頂部の外周全周に形成された円錐面であり、全体として円錐台状に突出した凸部１１ｃとなっている。タペット１１の端壁部１１ａのうち、この傾斜面１１ｄを含む凸部１１ｃの介在する部分を、軸心部ａを称する（図２（ｂ）参照）。

また、その軸心部ａよりも半径方向外側領域において、傾斜面１１ｄの裾部から周壁部１１ｂの裾部に至る平面視ドーナツ状の範囲を、環状部ｂと称する（同じく図２（ｂ）参照）。

ところで、一般に、この環状部ｂは、ある一定の押圧力がタペット１１の端壁部１１ａに作用した場合に、そのタペット１１の端壁部１１ａ各部に生じると想定される部材の軸心方向への変位量が、外径側に向かうにつれて徐々に大きくなる傾向がある。

この点について説明すると、例えば、図５（ａ）（ｂ）に示すように、タペット１１の端壁部１１ａのうち環状部ｂの部材を、軸心部ａ（軸線ｃ）でバルブステムに支持された片持ち梁に見立てたとする。

仮に、端壁部１１ａの環状部ｂの部材の厚さが一定であり、この片持ち梁の部材は、梁軸直交断面の形状が梁の長さ方向に沿って一定であると仮定する。ここで、片持ち梁（端壁部１１ａ）に、ある一定の押圧力、すなわち、図中ｐに示す等分布荷重が作用した場合、部材は、その軸心方向下向きへの変位量が、外径側に向かうにつれて徐々に大きくなる傾向がある。これは、ある一定の押圧力が、等分布荷重である場合だけでなく、特定の一箇所に作用する集中荷重である場合も同様である。

また、カム２０の回転中心周り全周に亘るカム面２０ａの一部が端壁部１１ａ外面を押圧する際、カム２０と端壁部１１ａとの当接部は、端壁部１１ａの外面に沿って移動する。ここで、タペット１１の端壁部１１ａの外面に、仮に、図６（ａ）に示すような等分布荷重が作用した場合を想定する。タペット１１の剛性は、図６（ｂ）に示すように、バルブステムによって支持された軸心部ａと、軸方向に部材が立ち上がる周壁部１１ｂで高く、その間の環状部ｂで小さくなる。端壁部１１ａにおける部材の軸心方向下向きへの変位量は、図６（ｃ）のように、内径側から外径側に向かうにつれて徐々に大きくなる。このとき、端壁部１１ａに生じる面圧は、図６（ｄ）のように、バルブステム５ｂによって支持された軸心部ａで特に大きく、その軸心部ａの外側領域では小さくなる傾向がある。

そこで、この実施形態では、図１及び図２に示すように、タペット１１の端壁部１１ａの環状部ｂに、軸心方向への部材の厚さが外径側に向かうにつれて徐々に厚くなる剛性調整部１１ｅを設けている。

剛性調整部１１ｅは、傾斜面１１ｄの裾部から周壁部１１ｂの裾部まで、端壁部１１ａ内面がその軸周り全周に亘って、徐々にバルブ部材５側に近づく方向に傾斜して、全体として傘型となっている。この剛性調整部１１ｅにより、環状部ｂの剛性が高まり、特に、環状部ｂのうち、外径寄りの部分が内径寄りの部分よりも軸心方向への押圧力に対する剛性が高くなる。このため、環状部ｂにおける部材の軸心方向下向きへの変位量を、内径側から外径側に至るまで均一に近づけることができる。

変位量が一定に近づけば、特に、外径寄りの部分においてカム２０からの押圧力が、端壁部１１ａの部材の変形によって逃げることが防止される。このため、端壁部１１ａに生じる面圧を、軸心部ａとその外側領域である環状部ｂとの間で、より均一に近づけることができる。面圧が均一に近づけば、タペット１１の摩耗の抑制に繋がり、部材の耐久性や弁動作の精度を高めることができる。一箇所に高い面圧が集中することを、避けることができるからである。

また、この実施形態では、端壁部１１ａに生じる面圧が、バルブステムによって支持された軸心部ａで特に大きい場合を想定し、カム２０に入力調整部１０を備えている。

入力調整部１０は、ある一定の押圧力が、タペット１１の端壁部１１ａに作用した場合に、そのタペット１１の端壁部１１ａ各部に生じると想定される部材の軸心方向への変位量が相対的に小さい部分へのカム２０からタペット１１への押圧力が、その変位量が相対的に大きい部分へのカム２０からタペット１１への押圧力よりも小さくなるように設定される。その変位量の大小の傾向は、ある一定の押圧力が、前述の図５の説明における等分布荷重であっても、集中荷重であっても同じである。

具体的には、入力調整部１０は、カム２０のカム面２０ａに設けられる凹部１０ａで構成される。

ここで、前述のように、タペット１１の端壁部１１ａのうち、バルブステム５ｂの他端が当接する軸心部ａは、部材の軸心方向への変位量が他の部分よりも相対的に小さい部分である。このため、凹部１０ａは、カム２０のカム面２０ａのうち、タペット１１の端壁部１１ａの軸心部ａに対向する位置に設けられる。カム２０を支えるカムシャフトの回転中心線方向に対するカム２０の全幅に対し、その中央付近に凹部１０ａが設けられている。

凹部１０ａは、カム２０の回転中心周り全周に亘って設けることも可能であるが、図２に示すように、その全周に亘るカム面２０ａのうち、カム２０の回転中心から比較的遠い位置にカム面２０ａが存在する方位にのみ凹部１０ａを設けることで充分である。これにより、軸心部ａ付近における高い面圧を緩和することができる。

また、タペット１１の端壁部１１ａの環状部ｂにおいて、この部分は、外径側に向かうにつれて徐々に変位量が大きくなる部分である。すなわち、環状部ｂのうち、内径寄りの部分は、外径側の部分よりも相対的に変位量が小さく、このため、内径寄りの部分の面圧が、外径側の部分の面圧よりも相対的に高くなる場合がある（図６（ｃ）（ｄ）参照）。

したがって、このような場合、入力調整部１０は、カムシャフトの回転中心線方向に対して、軸心部ａに対向する部分だけでなく、環状部ｂのうち内径寄りの部分にも入り込んで設けることが、面圧均一化に有効である。

また、図３に示すように、入力調整部１０の凹部１０ａと、その凹部１０ａ周囲のカム面２０ａとを、曲率が連続する曲面で滑らかに接続してもよい。

凹部１０ａと周囲のカム面２０ａとが滑らかに接続されていれば、カム２０からタペット１１への入力の分布、すなわち、カム２０からタペット１１への押圧力の分布が、不連続となりにくい。カム２０からタペット１１への押圧力の分布が両者の摺接範囲全域に亘って連続的となることは、タペット１１に生じる面圧の均一化の上でさらに好ましい。

この実施形態では、カム２０に入力調整部１０としての凹部１０ａを備えたが、タペット１１側に入力調整部１０としての凹部１０ａを備えた構成も考えられる。例えば、端壁部１１ａの外面のうち、軸心部ａのみに凹部１０ａを設けて、軸心部ａにおけるカム２０からの押圧力を低減する構成が考えられる。

入力調整部１０を設けることによる面圧均一化の効果は、タペット１１側に剛性調整部１１ｅを設けた場合、剛性調整部１１ｅを設けない場合、いずれの場合にも有効であるが、特に、凹部１０ａとその凹部１０ａ周囲のカム面２０ａとの間を滑らかに接続した場合には、図３に示すように、剛性調整部１１ｅを省略することもできる。この例では、軸心部ａの外側領域は、凸部１０ｃの裾部から周壁部１１ｂの裾部に至るまで、バルブステム５ｂの軸心ｃに直交する面方向を有するフラット面となっている。

このように、剛性調整部１１ｅを省略することで、従来低かった環状部ｂの面圧が、逆に高過ぎる状態にならないように調整することもできる。

他の実施形態を図４（ａ）（ｂ）に示す。

図４（ａ）は、剛性調整部１１ｅを、環状部ｂのうち外径寄りの部分にのみ設けたものである。この実施形態において、軸心部ａの凸部１１ｃの設置は省略しているが、軸心部ａに凸部１１ｃを設けた態様も考えられる。また、図４（ｂ）は、図１及び図２の実施形態と同様に、環状部ｂの全体に剛性調整部１１ｅを設けたものであるが、軸心部ａの凸部１１ｃの設置は省略している。いずれの実施形態においても、凸部１１ｃの設置は選択的とすることができる。また、その凸部１１ｃ周囲の傾斜面１１ｄの設置を省略して、凸部１１ｃを円柱状に突出した形状としてもよい。

１ シリンダ
２ 燃焼室
３ ポート
４ 弁孔
５ バルブ部材（バルブ）
５ａ 傘部
５ｂ バルブステム
５ｃ ステムエンド
５ｄ 抜け止め凹部
６ バルブスプリング
７ バルブステムガイド
８ リテーナ
８ａ 基部
８ｂ 内周面
８ｃ 張り出し部
９ コッタ
９ａ 抜け止め突起
９ｂ 外周面
１０ 入力調整部
１０ａ 凹部
１１ タペット
１１ａ 端壁部
１１ｂ 周壁部
１１ｃ 凸部
１１ｄ 傾斜面
１１ｅ 剛性調整部
２０ カム
２０ａ カム面

Claims (6)

1. 軸状のバルブステムの一端にバルブの弁孔に接離する傘部が設けられるバルブ部材と、
   前記バルブステムの他端が当接する端壁部とその端壁部の周縁から前記傘部側へ立ち上がる周壁部とからなるタペットと、
   前記タペットの端壁部外面に摺接するカムと、
   前記カム又は前記タペット若しくはその両方に設けられる入力調整部と、
   を備え、
   前記入力調整部は、ある一定の押圧力が前記タペットの端壁部に作用した場合に前記タペットの端壁部各部に生じると想定される前記バルブステムの軸心方向への部材の変位量が相対的に小さい部分への前記カムから前記タペットへの押圧力が、前記変位量が相対的に大きい部分への前記カムから前記タペットへの押圧力よりも小さくなるように設定されることを特徴とするバルブ構造。
2. 前記入力調整部は、前記カムのカム面又は前記タペットの端壁部の外面若しくはその両方に設けられる凹部で構成されることを特徴とする請求項１に記載のバルブ構造。
3. 前記タペットの端壁部のうち前記バルブステムの他端が当接する軸心部は、前記変位量が他の部分よりも相対的に小さい部分であり、前記凹部は、前記カムのカム面のうち前記軸心部に対向する位置に設けられることを特徴とする請求項２に記載のバルブ構造。
4. 前記タペットの端壁部は、前記軸心部よりも半径方向外側領域に外径側に向かうにつれて前記変位が相対的に生じやすい環状部を備え、前記凹部は、前記カムのカム面のうち前記環状部の内径寄りの部分に対向するように設けられることを特徴とする請求項２又は３に記載のバルブ構造。
5. 前記凹部とその凹部周囲の前記カム面とは、曲率が連続する曲面で滑らかに接続されることを特徴とする請求項３又は４に記載のバルブ構造。
6. 前記タペットの端壁部は、軸心方向への部材の厚さが外径側に向かうにつれて徐々に厚くなる剛性調整部を備えることを特徴とする請求項３又は４に記載のバルブ構造。

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