JP2016061287A - 内燃機関の可変動弁機構 - Google Patents

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Abstract

【課題】ロッカアームを小型・軽量化する。
【解決手段】可変動弁機構1は、ロッカアーム20と、ロッカアーム20に取り付けられた切換ピン40と、切換ピン40を第1位置から第2位置に変位させる変位装置50と、切換ピン40を第2位置から第1位置に戻すリターンスプリング49とを備えている。そして、切換ピン40を変位させることでバルブ7の駆動状態を切り換える。そして、ロッカアーム20は、切換ピン40の一端部がロッカアーム20から外部に突出して露出する寸法で形成されている。そして、リターンスプリング45は、切換ピン40の一端部に、ロッカアーム20の外部に露出するように外嵌されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、内燃機関のバルブを駆動するとともに、その駆動状態を内燃機関の運転状況に応じて切り換える可変動弁機構に関する。
可変動弁機関の中には、特許文献1,2に示す可変動弁機構がある。それらの可変動弁機構は、ロッカアームと、ロッカアームに取り付けられた切換ピンと、切換ピンを第1位置から第2位置に変位させる変位装置と、切換ピンを第2位置から第1位置に戻すリターンスプリングとを備えている。そして、切換ピンを変位させることでバルブの駆動状態を切り換える。
独国特許出願公開第10220904号明細書 特開2008−208746号公報 実開平5−89816号公報
特許文献1,2の可変動弁機構では、いずれもロッカアームが、その内部に切換ピンとリターンスプリングとが納まるだけの寸法で形成されているため、ロッカアームが大きく重くなってしまう。そのため、ロッカアームが揺動時に不安定になったり、揺動時の慣性質量が大きくなることで燃費悪化に繋がるおそれがある。
また、特許文献1,2の可変動弁機構によれば、カムのノーズが作用するノーズ区間でのバルブのリフト量は変更することができるが、カムのベース円が作用するベース円区間でのバルブのリフト量は、零から変更することができない。そのため、次に示す課題は、解決することができない。
すなわち、圧縮行程の途中や、膨張行程の途中や、各上死点や、各下死点で停止した気筒では、吸気側及び排気側ともバルブが閉じた状態で停止するため、気筒内が密閉されてしまう。そのため、内燃機関の次の始動時には、気筒内での圧縮抵抗や膨張抵抗が大きくなってしまう。そのため、始動性が低下する。また更に、それにより、モータで加えるべき始動負荷も大きくなり、燃費悪化に繋がる。そして、このような気筒内の密閉は、上記の通り、吸気側及び排気側ともバルブが閉じた状態、すなわち、ベース円区間で内燃機関が停止することで起きる。よって、ベース円区間でのリフト量は零から変更できない上記の可変動弁機構では、解決することができない。
そして、このような問題は、全ての気筒が同時に密閉されたときに特に顕著になる。具体的には、例えば4気筒の内燃機関では、2気筒が下死点で停止し、他の2気筒が上死点で停止することで、4気筒全てが密閉されてしまうことがある。この場合、内燃機関の次の始動時には、下死点で停止している2気筒では、バルブから排気されることなく気筒内の空間が縮小することで圧縮抵抗が大きくなり、上死点で停止している他の2気筒では、バルブから吸気されることなく気筒内の空間が拡大することで膨張抵抗が大きくなる。よって、4気筒全てで圧縮抵抗や膨張抵抗が大きくなる。
また、更に、このような問題は、ハイブリッドエンジンや、アイドルストップを行うエンジン等で、特に顕著になる。なぜなら、このようなエンジンでは、モータで内燃機関を始動させる始動頻度が多いため、その都度、モータで多くの電流(電力)が消費されてしまうからである。
そこで、ロッカアームを小型・軽量化することを第1の目的とし、内燃機関の始動時に気筒内が密閉されないようにして始動負荷を低減することを第2の目的とする。
上記第1の課題(ロッカアームの小型・軽量化)を達成するため、本発明の内燃機関の可変動弁機構は、次のように構成されている。すなわち、カムに駆動されて揺動してバルブを駆動するロッカアームと、ロッカアームに第1位置と第2位置とに変位可能に取り付けられた切換ピンと、切換ピンを第1位置から第2位置に変位させる変位装置と、切換ピンを第2位置から第1位置に戻すリターンスプリングとを備え、切換ピンを変位させることでバルブの駆動状態を切り換える可変動弁機構において、ロッカアームは、切換ピンの一端部がロッカアームから外部に突出して露出する寸法で形成され、リターンスプリングは、切換ピンの一端部に、ロッカアームの外部に露出するように外嵌されたことを特徴とする。
切換ピンを変位させることでバルブの駆動状態を切り換える切換構造は、特に限定されないが、次のa,bの態様を例示する。
[a]ロッカアームにカムに当接する入力部材が取り付けられ、切換ピンが第1位置及び第2位置の一方から他方に変位すると、ロッカアームに入力部材が相対移動不能に連結され、他方から一方に変位すると、その連結が解除されるように構成された態様。このような態様は、高リフト駆動と低リフト駆動との切換を行う場合や、駆動と休止との切換を行う場合に採用できる。
[b]ロッカアームにカムに当接する繰出部材が取り付けられ、切換ピンが第1位置及び第2位置の一方から他方に変位するとロッカアームから繰出部材がカムの回転中心側に繰り出し、他方から一方に変位するとロッカアームに繰出部材が退入するように構成された態様。このような態様は、高リフト駆動と低リフト駆動との切換を行う場合や、通常駆動と常時開放駆動との切換を行う場合に採用できる。
上記b(繰出部材)の場合の具体的な態様は、特に限定されないが、次のb1,b2の態様を例示する。
[b1]繰出部材が退入した退入時は、カムのベース円が作用するベース円区間ではバルブを閉じ、カムのノーズが作用するノーズ区間ではバルブを相対的に小さいリフト量で開く低リフト駆動状態になり、繰出部材が繰り出した繰出時は、ベース円区間ではバルブを閉じ、ノーズ区間では、相対的に大きいリフト量でバルブを開く高リフト状態になるように構成された態様。
[b2]繰出部材が退入した退入時は、カムのベース円が作用するベース円区間ではバルブを閉じ、カムのノーズが作用するノーズ区間ではバルブを開く通常状態になり、繰出部材が繰り出した繰出時は、ベース円区間及びノーズ区間のいずれの区間でもバルブを開く常時開放状態になるように構成された態様。
上記のb2(通常⇔常時開放)の態様において、通常状態及び常時開放状態にするタイミングは、特に限定されないが、上記第2の課題(始動負荷の低減)を解決するため、次の態様であることが好ましい。すなわち、退入時(通常時)は、内燃機関の始動時以外の時を含み、繰出時(常時開放時)は、内燃機関の始動時を含む態様である。
また更に、上記のb2(通常⇔常時開放)の態様において、カムは、単一のプロフィールのみを備えていてもよいが、繰出時(常時開放時)に、ノーズ区間でのリフト量が退入時(通常時)よりも大きくなって駆動抵抗が大きくならないように、次の2つのプロフィールを備えていることが好ましい。すなわち、カムは、繰出部材を介さずにロッカアームを駆動する通常プロフィールと、繰出部材を介してロッカアームを駆動する常時開放プロフィールとを備え、退入時(通常時)は、ベース円区間及びノーズ区間のいずれの区間でも通常プロフィールに従ってロッカアームを駆動し、繰出時(常時開放時)は、ベース円区間では常時開放プロフィールに従ってロッカアームを駆動し、ノーズ区間では通常プロフィールに従ってロッカアームを駆動することで、繰出時(常時開放時)も、ノーズ区間では退入時(通常時)と同じリフト量でバルブを駆動するように構成された態様である。
切換ピンが突出する方向は、特に限定されないが、次のc,dの態様を例示する。
[c]切換ピンは、ロッカアームの幅方向に変位可能に設けられ、切換ピンの一端部は、ロッカアームの幅方向に突出した態様。
[d]切換ピンは、ロッカアームの長さ方向に変位可能に設けられ、切換ピンの一端部は、ロッカアームの長さ方向に突出した態様。
本発明によれば、ロッカアームは、切換ピンの一端部がロッカアームから外部に突出して露出する寸法で形成されるので、ロッカアームが小さくなる。また、リターンスプリングは、切換ピンの一端部に、ロッカアームの外部に露出するように外嵌されるので、リターンスプリングによって、ロッカアームが大きくなってしまうこともない。そのため、ロッカアームが小型で軽量になる。そのため、ロッカアームの揺動時の安定性が増す。また、揺動時の慣性質量が小さくなることで燃費向上に繋がる。
実施例1の可変動弁機構を示す斜視図である。 実施例1の可変動弁機構のロッカアームを示す斜視図である。 実施例1の可変動弁機構において、aは繰出部材を退入させた退入時を示す側面断面図、bは繰出部材を繰り出した繰出時を示す側面断面図である。 実施例1の可変動弁機構の退入時(通常時)において、aはのベース円区間での状態を示す側面断面図、bはノーズ区間での状態を示す側面断面図である。 実施例1の可変動弁機構の繰出時(常時開放時)において、aはのベース円区間での状態を示す側面断面図、bはノーズ区間での状態を示す側面断面図である。 実施例1の可変動弁機構において、内燃機関の回転角度とバルブのリフト量との関係を示すグラフである。 実施例2の可変動弁機構を示す側面断面図である。 特許文献3において、aは動弁機構を示す側面図、bは内燃機関の回転角度とバルブのリフト量との関係を示すグラフである。
図1〜図7に示す本発明の可変動弁機構1,2は、カム10に駆動されて揺動してバルブ7を駆動するロッカアーム20と、ロッカアーム20に第1位置と第2位置とに変位可能に取り付けられた切換ピン40と、切換ピン40を第1位置(後側)から第2位置(前側)に変位させる変位装置50と、切換ピン40を第2位置(前側)から第1位置(後側)に戻すリターンスプリング49とを備えている。そして、切換ピン40を変位させることでバルブ7の駆動状態を切り換える。
詳しくは、ロッカアーム20に、カム10に当接する繰出部材30が取り付けられている。そして、切換ピン40が第1位置(後側)から第2位置(前側)に変位すると、図3bに示すようにロッカアーム20から繰出部材30がカム10の回転中心側に繰り出すように構成されている。また、切換ピン40が第2位置(前側)から第1位置(後側)に戻ると、図3aに示すようにロッカアーム20に繰出部材30が退入するように構成されている。
そして、ロッカアーム20は、切換ピン40の一端部がロッカアーム20から外部に突出して露出する寸法で形成されている。また、リターンスプリング49は、切換ピン40の一端部に、ロッカアーム20の外部に露出するように外嵌されている。
図1〜図6に示す本実施例1の可変動弁機構1は、排気用のバルブ7を開く方向に周期的に押圧することで、バルブ7を周期的に開閉する機構である。そのバルブ7には、バルブ7を閉じる方向に付勢するバルブスプリング8が外嵌されている。この可変動弁機構1は、カム10と、ロッカアーム20と、繰出部材30と、切換ピン40と、変位装置50と、ラッシュアジャスタ60とを含み構成されている。
カム10は、内燃機関が2回転する毎に1回転するカムシャフト18に突設されている。このカム10は、繰出部材30を介さずにロッカアーム20を駆動する通常プロフィール12,12と、繰出部材30を介してロッカアーム20を駆動する常時開放プロフィール13とを備えている。具体的には、このカム10は、その幅方向の両側に左右2つの通常プロフィール12,12を間隔をおいて備え、その相互間に常時開放プロフィール13を備えている。そして、各通常プロフィール12は、断面形状が真円形の通常ベース円12aと、通常ベース円12aから突出した通常ノーズ12bとを含み構成されている。そして、常時開放プロフィール13は、通常ベース円12aよりも径の大きい真円形の常時開放ベース円13aと、両端部以外が通常ノーズ12bと同一形状の常時開放ノーズ13bとを含み構成されている。そのため、通常ベース円12aからの通常ノーズ12bの突出高さよりも、常時開放ベース円13aからの常時開放ノーズ13bの突出高さの方が低い。そして、左右2つの通常プロフィール12,12は、ロッカアーム20の左右2つのローラ22,22に当接する。また、常時開放プロフィール13は、繰出部材30に摺接する。
ロッカアーム20は、その後端部がラッシュアジャスタ60によって揺動可能に支持されている。そして、前端部がバルブ7に当接している。そして、長さ方向中間部に、カム10の通常プロフィール12,12に当接する左右2つのローラ22,22が、1本のローラ軸23を介して回転可能に取り付けられている。
繰出部材30は、左右2つのローラ22,22の相互間に配置されている。そして、この繰出部材30は、その長さ方向中間部が支持軸38を介してロッカアーム20に回動可能に取り付けられている。その回動方向の一方から他方に回動することで後部がロッカアーム20から繰り出し、他方から一方に回動することで後部がロッカアーム20に退入するように構成されている。そして、この繰出部材30の後端部には、切換ピン40の前端部が当接している。そして、この繰出部材30の後端部には、切換ピン40が第1位置(後側)から第2位置(前側)に変位する際に切換ピン40から受ける力を繰出方向(回動方向の他方)への力に変換するための傾斜面34が形成されている。そして、この繰出部材30の前端部の下面とロッカアーム20の上面との間には、繰出部材30を退入方向(回動方向の一方)に付勢する退入用スプリング39が取り付けられている。
切換ピン40は、ロッカアーム20の長さ方向に延びるピンであって、その後部がロッカアーム20の後端面から後方に突出している。その切換ピン40の後部には、コイル状のリターンスプリング49が外嵌されている。そのリターンスプリング49は、切換ピン40を第1位置側(後方)に付勢している。詳しくは、リターンスプリング49は、前端が、ロッカアーム20の後端面に当接し、後端が、切換ピン40の後端部に嵌められたリング部材48の前面に当接している。そして、切換ピン40の前部には、後部よりも拡径された拡径部45が形成されている。
変位装置50は、ロッカアーム20の内部における切換ピン40の拡径部45の後方に設けられた油圧室52と、その油圧室52に油圧を供給する油路56とを含み構成されている。その油路56は、ラッシュアジャスタ60の内部を経由している。そして、油圧室52の油圧を上げる(ONにする)ことで、拡径部45を油圧で第2位置側(前方)に押圧して切換ピン40を第1位置(後側)から第2位置(前側)に移動させる。これにより、繰出部材30の傾斜面34が切換ピン40に押圧されて、繰出部材30が回動方向の他方に回動してその後部がロッカアーム20から繰り出す。そして、切換ピン40の前端部が繰出部材30の後端部の下方に入り込む。また、油圧室52の油圧を下げる(OFFにする)と、リターンスプリング49の付勢力で切換ピン40が第2位置(前側)から第1位置(後側)に移動する。これにより、退入用スプリング39の付勢力で繰出部材30が回動方向の一方に回動してその後部がロッカアーム20に退入する。そして、繰出部材30の後部の左右の両側部がロッカアーム20の上部に押し付けられる。
ラッシュアジャスタ60は、カム10とローラ22との間に生じたクリアランスを過不足なく自動で埋めるための油圧式のラッシュアジャスタである。このラッシュアジャスタ60は、上方に開口した有底筒状のボディ61と、下部がボディ61に挿入されたプランジャ65とを含み構成されている。そして、そのプランジャ65の上端でロッカアーム20の後端部を揺動可能に支持している。
[機能]
そして、図3aに示すように繰出部材(30)が退入した退入時は、次に示す通常状態になる。すなわち、その通常状態では、ベース円区間A(カム10のベース円12a,13aが作用する区間をいう。以下同じ。)では、図4aに示すようにバルブ7を閉じ、ノーズ区間B(カム10のノーズ12b,13bが作用する区間)では、図4bに示すようにバルブ7を開く。
詳しくは、この退入時(通常時)は、次のようにして、ベース円区間A及びノーズ区間Bのいずれの区間でも、図4a,bに示すように通常プロフィール12,12に従ってロッカアーム20を駆動する。すなわち、退入時のベース円区間Aでは、図4aに示すように、通常ベース円12a,12aにローラ22,22が当接し、常時開放ベース円13aと繰出部材30との間には微小隙間(相対的に小さい隙間)が形成される。そして、退入時のノーズ区間Bでは、図4bに示すように、通常ノーズ12b,12bでローラ22,22を押圧し、常時開放ノーズ13bと繰出部材30との間には隙間(相対的に大きい隙間)が形成される。
その一方、図3bに示すように繰出部材(30)が繰り出した繰出時は、次に示す常時開放状態になる。すなわち、その常時開放状態では、ベース円区間A及びノーズ区間Bのいずれの区間でも、図5a,bに示すようにバルブ7を開く。
詳しくは、この繰出時(常時開放時)は、次のようにして、ベース円区間Aでは、図5aに示すように、常時開放プロフィール13(常時開放ベース円13a)に従ってロッカアーム20を駆動し、ノーズ区間Bでは、図5bに示すように、通常プロフィール12,12(通常ノーズ12b,12b)に従ってロッカアーム20を駆動する。すなわち、繰出時のベース円区間Aでは、図5aに示すように、常時開放ベース円13aに繰出部材30が当接し、通常ベース円12a,12aとローラ22,22との間には隙間(相対的に大きな隙間)が形成される。そして、繰出時のノーズ区間Bでは、図5bに示すように、通常ノーズ12b,12bでローラ22,22を押圧し、常時開放ノーズ13bと繰出部材30との間には微小隙間(相対的に小さい隙間)が形成される。
よって、図6に示すように、退入時(通常時)も繰出時(常時開放時)も、ノーズ区間Bでは通常プロフィール12,12(通常ノーズ12b,12b)に従って同じリフト量でバルブ7を駆動する。そして、退入時(通常時)は、内燃機関の始動時以外の時を含み、繰出時(常時開放時)は、内燃機関の始動時を含んでいる。
[効果]
本実施例1によれば、次のA〜Eの効果を得ることができる。
[A]ロッカアーム20は、切換ピン40がロッカアーム20から外部に突出して露出する寸法で形成されるので、ロッカアーム20が小さくなる。また、リターンスプリング49は、切換ピン40に、ロッカアーム20の外部に露出するように外嵌されるので、リターンスプリング49によってロッカアーム20が大きくなってしまうこともない。そのため、ロッカアーム20が小型で軽量になる。そのため、ロッカアーム20の揺動時の安定性が増す。また、揺動時の慣性質量が小さくなることで、燃費の向上に繋がる。
[B]内燃機関の始動時には常時開放状態になるため、始動時に気筒が密閉されてしまうことがない。そのため、始動性が向上するとともに、その時にモータで加えるべき始動負荷も軽減されて、燃費の向上に繋がる
[C]繰出時(常時開放時)も、図6に示すように、ノーズ区間Bでは退入時(通常時)と同じリフト量でバルブ7を駆動するため、図8に示す先行文献3の動弁機構90の場合とは違い、常時開放時に、ノーズ区間Bでのリフト量が増加してしまうことがない。そのため、ノーズ区間Bでのリフト量の増加によって駆動抵抗が増加して、始動負荷の低減が妨げられるといった心配がない。
[D]退入時(通常時)のノーズ区間Bでは、図3aに示すように、常時開放プロフィール13(常時開放ノーズ13b)と繰出部材30との間に隙間が形成されるため、このときに、図3bに示すように、繰出部材30を簡単に繰り出すことができる。
[E]本実施例1は、ロッカアームを介してバルブを駆動する従来の動弁機構のロッカアームを、上記のロッカアーム20(繰出部材等30,40,49,50が設けられたロッカアーム20)に置き換えるだけで実施することができるので、他の部分についてはそのまま従来品を利用することができる。
図7に示す本実施例2の可変動弁機構2は、実施例1の可変動弁機構1と比較して、変位装置50がロッカアーム20の後方外部に設けられ、後方外部から切換ピン40の後端部を押圧する点で相違し、その他の点で同様である。
本実施例2によれば、実施例1に記載のA〜Eの効果に加え、次のFの効果を得ることができる。
[F]切換ピン40は、ロッカアーム20の後端から後方に突出して露出しているので、ロッカアーム20の後方外部に設けられた変位装置50で切換ピン40の後端部を簡単に押圧することができる。そして、このように変位装置50をロッカアーム20の外部に設けることで、ロッカアーム20が更に小型で軽量になる。そのため、ロッカアーム20の揺動時の安定性が更に増す。また、揺動時の慣性質量が更に軽減されて更なる燃費向上に繋がる。
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもでき、例えば、次の変更例のように変更することもできる。
[変更例1]
変位装置50を、切換ピン40を電磁力で変位させる電磁式の変位装置(電磁ソレノイド)にしてもよい。
[変更例2]
常時開放ベース円13aを通常ベース円12a,12aとを同一形状(同一径)にして、常時開放ノーズ13bを通常ノーズ12b,12bよりも低くすることで、通常ノーズ12bの突出高さよりも常時開放ノーズ13bの突出高さの方が低くなるようにしてもよい。
[変更例3]
可変動弁機構1,2を、吸気用のバルブに対して設置してもよい。
1 可変動弁機構(実施例1)
2 可変動弁機構(実施例2)
7 バルブ
10 カム
12 通常プロフィール
12a 通常ベース円
12b 通常ノーズ
13 常時開放プロフィール
13a 常時開放ベース円
13b 常時開放ノーズ
20 ロッカアーム
30 繰出部材
40 切換ピン
49 リターンスプリング
50 変位装置
A ベース円区間
B ノーズ区間

Claims (5)

  1. カム(10)に駆動されて揺動してバルブ(7)を駆動するロッカアーム(20)と、ロッカアーム(20)に第1位置と第2位置とに変位可能に取り付けられた切換ピン(40)と、切換ピン(40)を第1位置から第2位置に変位させる変位装置(50)と、切換ピン(40)を第2位置から第1位置に戻すリターンスプリング(49)とを備え、切換ピン(40)を変位させることでバルブ(7)の駆動状態を切り換える可変動弁機構において、
    ロッカアーム(20)は、切換ピン(40)の一端部がロッカアーム(20)から外部に突出して露出する寸法で形成され、
    リターンスプリング(49)は、切換ピン(40)の一端部に、ロッカアーム(20)の外部に露出するように外嵌されたことを特徴とする可変動弁機構。
  2. ロッカアーム(20)にカム(10)に当接する繰出部材(30)が取り付けられ、切換ピン(40)が第1位置及び第2位置の一方から他方に変位するとロッカアーム(20)から繰出部材(30)がカム(10)の回転中心側に繰り出し、他方から一方に変位するとロッカアーム(20)に繰出部材(30)が退入するように構成された請求項1記載の可変動弁機構。
  3. 繰出部材(30)が退入した退入時は、カム(10)のベース円(12a,13a)が作用するベース円区間(A)ではバルブ(7)を閉じ、カム(10)のノーズ(12b,13b)が作用するノーズ区間(B)ではバルブ(7)を開く通常状態になり、
    繰出部材(30)が繰り出した繰出時は、ベース円区間(A)及びノーズ区間(B)のいずれの区間でもバルブ(7)を開く常時開放状態になるように構成された請求項2記載の内燃機関の可変動弁機構。
  4. 退入時は、内燃機関の始動時以外の時を含み、繰出時は、内燃機関の始動時を含む請求項3記載の内燃機関の可変動弁機構。
  5. カム(10)は、繰出部材(30)を介さずにロッカアーム(20)を駆動する通常プロフィール(12)と、繰出部材(30)を介してロッカアーム(20)を駆動する常時開放プロフィール(13)とを備え、
    退入時は、ベース円区間(A)及びノーズ区間(B)のいずれの区間でも通常プロフィール(12)に従ってロッカアーム(20)を駆動し、繰出時は、ベース円区間(A)では常時開放プロフィール(13)に従ってロッカアーム(20)を駆動し、ノーズ区間(B)では通常プロフィール(12)に従ってロッカアーム(20)を駆動することで、繰出時も、ノーズ区間(B)では退入時と同じリフト量でバルブ(7)を駆動するように構成された請求項3又は4記載の内燃機関の可変動弁機構。
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