JP2016079858A - エンジンの吸排気弁の動弁構造 - Google Patents

Abstract

【課題】吸排気弁の動弁機構をより簡素な構造にし、よりメンテナンスを低減できる構造とする。【解決手段】バルブ部材５のバルブステム５ｂをシリンダ１に対してバルブガイド６を介して軸方向進退可能に支持し、モータ１０の駆動力によりバルブ部材５を軸方向に進退させて吸排気弁を開閉させるエンジンの動弁構造とした。モータ１０は、回転軸１０ａの回転方向、回転の開始及び停止、ならびに回転速度を制御可能であり、回転軸１０ａの回転をバルブステム５ｂの軸方向への進退運動に変換する駆動力変換手段を備える。駆動力変換手段は、バルブステム５ｂの軸周り外周面に形成されるネジ部１１と、回転軸１０ａに取り付けられバルブステム５ｂのネジ部１１に噛み合う歯を備えるヘリカル歯車１２とで構成される。また、バルブガイド６は、バルブステム５ｂのネジ部１１に係合する係合部１５を備える。【選択図】図１

Description

この発明は、エンジンの吸排気弁を開閉動作させる動弁構造に関する。

従来から、エンジンの吸排気弁を開閉動作させる動弁構造として、カムシャフトとバルブスプリング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。

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であるステムエンドには、タペットが配置される。タペットの外面に、エンジンのクランク軸の回転とともに回転するカムシャフトに設けられたカムローブが当接する。カムローブのカム面が、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、カム面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１，２参照）。

特開２００５−０４２５８７号公報 特開２００８−２４８７５６号公報

カムシャフトとバルブスプリングを用いた従来の吸排気弁の動弁構造によれば、バルブ部材を動作させる駆動力伝達手段として、カムシャフトやその支持機構、カムシャフトにエンジンの駆動力を伝達するためのチェーンやギヤ、バルブ部材に取り付けられるタペット、バルブスプリング、その他の多数の部品が必要となる。これらの部品は、可動部、摺動部が多いため、部品の調整や交換、注油などのメンテナンスを必要とする。

また、バルブ部材とシリンダとの間にバルブスプリングを介在させることは、リテーナやコッタなど、バルブ周辺の構造を複雑にする要因の一つともなっている。

そこで、この発明の課題は、吸排気弁の動弁機構をより簡素な構造にし、よりメンテナンスを低減できる構造とすることである。

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吸排気弁の弁孔に接離する傘部が設けられるバルブ部材と、前記バルブステムをシリンダに対して軸方向進退可能に支持するバルブガイドと、通電による磁界の変化により駆動力を発生させる駆動源とを備え、前記駆動源の駆動力により前記バルブ部材を軸方向に進退させて前記吸排気弁の弁孔を開閉させるエンジンの動弁構造を採用した。

ここで、前記駆動源は、回転軸の回転方向、回転の開始及び停止、ならびに、回転速度を制御可能なモータであり、前記回転軸の回転を、前記バルブステムの軸方向への進退運動に変換する駆動力変換手段を備える構成を採用することができる。

前記駆動力変換手段は、前記バルブステムの軸周り外周面に形成されるネジ部と、前記回転軸に取り付けられ前記バルブステムのネジ部に噛み合う歯を備えるヘリカル歯車とで構成することができる。

前記バルブステムの軸周り外周面にネジ部が形成される場合、前記バルブガイドは、前記バルブステムのネジ部に係合する係合部を備えることが望ましい。

前記モータは、前記エンジンの燃焼室より上方に位置するシリンダヘッド内の空間に備えられ、前記空間には、前記バルブステムの他端側のステムエンドが臨んでおり、前記バルブステムの外面と前記バルブガイドの内面との間には、前記バルブステムの軸周り回転により、前記バルブステムと前記バルブガイドとの間に潤滑油を送り込むことができる隙間が設けられている構成を採用することができる。

前記バルブステムの外面と前記バルブガイドの内面との間に、前記バルブステムと前記バルブガイドとの間に送り込まれた潤滑油の燃焼室への落下を阻止するオイルシールを備える構成を採用することができる。

これらの各構成において、前記駆動力変換手段は、一つの気筒に配置される複数のバルブ部材のバルブステムを、単一のモータの駆動力により軸方向へ進退させるものである構成を採用することができる。

この発明は、電力により発生する駆動力により、エンジンの吸排気弁のバルブ部材を進退させるようにしたので、カムシャフトやその支持機構、カムシャフトにエンジンの駆動力を伝達するためチェーンやギヤ、その他、タペット、バルブスプリングなど多数の部品を不要とでき、より簡素な動弁装置、よりメンテナンスを低減できる動弁装置を実現できる。

この発明の一実施形態のエンジンの動弁構造を表す縦断正面図である。 他の実施形態を示す要部拡大図である。 図２の要部斜視図である。 さらに他の実施形態を示す要部拡大の縦断正面図である。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。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、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、エンジンのシリンダ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を開閉するバルブ部材５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。

吸気ポート及び排気ポートを開閉するバルブ構造は、軸状のバルブステム５ｂの一端に吸排気弁の弁孔４に接離する傘部５ａが設けられるバルブ部材５と、バルブステム５ｂをシリンダ１に対して軸方向進退可能に支持する筒状のバルブガイド６とを備える。バルブステム５ｂは、シリンダ１に形成されたバルブ挿通孔にバルブガイド６を介して挿通されている。

燃焼室２より上方に位置するシリンダヘッド内の空間７には、通電による磁界の変化により駆動力を発生させる駆動源１０を備える。この実施形態では駆動源１０としてサーボモータを採用し、その駆動源１０の電源としては、例えば、このエンジンを搭載する車両が備えるバッテリからインバータ等を経由して引き出された三相交流電源を使用している。以下、駆動源１０としてのサーボモータを「モータ１０」と称する。

一般に、サーボモータは、回転軸の回転速度や回転角度（方位）を制御する機能を有する。その回転速度や回転角度を検出するための検出器や、回転速度や回転角度を制御するためのドライバを備え、回転速度制御や回転角度制御（位置制御）を可能としている。

モータ１０が配置される空間７には、バルブステム５ｂの他端側のステムエンドが臨んでいる。この空間７は、従来のエンジンにおいて、カムシャフトなどが配置される燃焼室２の上部の閉鎖空間であり、その内部にはシリンダヘッド及びシリンダブロックを循環して冷却及び潤滑を担う潤滑油が供給されている。

モータ１０は、その駆動力により軸周り回転可能な回転軸１０ａを備える。回転軸１０ａの回転方向、回転の開始及び停止、ならびに、回転速度は、このエンジンを搭載する車両が備える電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）で制御可能である。回転軸１０ａの回転の開始及び停止の位置が制御可能であるので、すなわち、回転軸１０ａの回転量（回転角度）も制御可能である。

また、モータ１０とバルブ部材５との間には、回転軸１０ａの軸周り回転を、バルブステム５ｂの軸方向への進退運動に変換する駆動力変換手段を備える。

この実施形態では、駆動力変換手段は、バルブステム５ｂの軸周り外周面に形成されるネジ部１１と、回転軸１０ａに取り付けられバルブステム５ｂのネジ部１１に噛み合う歯を備えるヘリカル歯車１２とで構成されている。バルブステム５ｂのネジ部１１は、ヘリカル歯車１２の歯１２ａに噛み合う螺旋状の雄ネジとなっている。

回転軸１０ａは、シリンダヘッドに支持されたフレーム１３に軸受１４を介して軸周り回転可能に支持されている。ヘリカル歯車１２は回転軸１０ａに嵌合し、その回転軸１０ａと一体に軸周り回転可能である。

また、バルブガイド６には、バルブステム５ｂのネジ部１１に係合するガイド手段１５として係合部を備える。この実施形態では、係合部は、バルブステム５ｂのネジ部１１に噛み合う雌ネジを採用している。

モータ１０の駆動力によって、ヘリカル歯車１２が回転するとバルブステム５ｂは軸周りに回転する。この回転に伴って、バルブステム５ｂのネジ部１１と、それに係合するガイド手段１５とは互いに軸方向へ相対移動するように摺動し、固定のバルブガイド６に対してバルブステム５ｂの軸方向移動がガイドされる。

モータ１０の回転軸１０ａの回転方向、回転の開始及び停止、ならびに、回転速度が制御され、バルブ部材５は、所定のタイミング及び速度で軸方向への進退を繰り返し、吸排気弁の弁孔４が開閉される。

このように、モータ１０の回転により吸排気弁を開閉させる構造とすることで、カムなどの複雑なバルブ開閉部品を大幅に削減し、コストの低減や装置の信頼性向上を実現することができる。同時に、バルブ部材の駆動をモータ１０による電子制御とすることで、バルブ部材５を動作させるタイミングや速さなど各種設定の自由度が高まり、作動の完全フレキシブル化を実現することができる。

具体的には、モータ１０への通電時間、通電のタイミング、通電させる周波数を変更、調整することにより、バルブのリフトカーブを任意に変更可能である。リフトカーブを任意に設定できれば、吸気ポート内のスロットル弁を廃止したノンスロットル構造も容易に実現できる。

また、カムシャフトを用いた従来の動弁構造と比較して、エンジンの回転をカムシャフトに伝達するための多くの駆動部品が不要になり、エンジン構造の大幅な簡素化、小型化が可能である。

モータ１０の応答性に関し、モータ１０の反応速度は、通常のガソリンエンジンにおける最高回転数でのバルブ作動時間の数十分の一程度であるため、実用性に問題はない。

さらに、この実施形態では、バルブステム５ｂの外面とバルブガイド６の内面との間に、バルブステム５ｂの軸周り回転により、バルブステム５ｂとバルブガイド６との間に潤滑油を送り込むことができる隙間が設けられている。

すなわち、バルブステム５ｂが軸周り回転しながら、バルブステム５ｂの外面とバルブガイド６の内面との間に潤滑油を巻き込む構造のため、摩耗によるバルブガイド６の内径拡大や、摺動部の焼き付きが生じにくい。これは、バルブステム５ｂの軸周り回転による開閉動作を前提とするこの実施形態の構造特有の効果である。

このとき、バルブステム５ｂの外面とバルブガイド６の内面との間に、バルブステム５ｂとバルブガイド６との間に送り込まれた潤滑油の燃焼室への落下を阻止するオイルシール２０を備えた構成とすることができる。オイルシール２０は、例えば、図２に示すように、バルブガイド６の下部に設けることが望ましい。このオイルシール２０を配置したことにより、燃焼室２へのオイルダウンの発生を防ぐことが可能である。したがって、この構成では、従来、バルブガイド６の上端付近に設けられていたオイルシールの設置を省略することができる。

この実施形態のエンジンは、モータ１０を、一つの気筒に配置される吸気側のバルブ部材５と排気側のバルブ部材５にそれぞれ設けたダブルモータ形式としたが、例えば、図２及び図３に示す実施形態のように、一つのモータ１０で吸気側のバルブ部材５と排気側のバルブ部材５の両方を駆動するシングルモータ形式としてもよい。

このとき、駆動力変換手段は、一つの気筒に配置される吸気側のバルブ部材５と排気側のバルブ部材５の両方のバルブステム５ｂを、単一のモータ１０の駆動力により軸方向へ進退させるように駆動力を変換するものとなる。

また、上記の各実施形態では、一つの気筒に備えられた吸気側のバルブ部材５と排気側のバルブ部材５を、一つの又は二つのモータ１０で駆動したが、この構成は、一つの気筒に吸気側のバルブ部材５と排気側のバルブ部材５を一つずつ備えた２バルブ形式、一つの気筒に吸気側のバルブ部材５と排気側のバルブ部材５を二つずつ備えた４バルブ形式など、種々のエンジン形式において採用可能である。

例えば、４バルブ形式においては、向かい合う一組の吸気側のバルブ部材５と排気側のバルブ部材５、及び、もう一組の吸気側のバルブ部材５と排気側のバルブ部材５を、それぞれ一つのモータ１０で駆動してもよい。又は、その各バルブ部材５を、対応するそれぞれのモータ１０でそれぞれ別々に駆動してもよい。

また、上記の各実施形態では、バルブガイド６には、バルブステム５ｂのネジ部１１に係合するガイド手段１５として、バルブステム５ｂのネジ部１１に噛み合う雌ネジを採用したが、ガイド手段１５は雌ネジには限定されず、例えば、図４に示すように、ガイド手段１５として、バルブステム５ｂのネジ部１１に噛み合う突起を採用してもよい。

このように、ガイド手段１５は、モータ１０の駆動力により軸方向へ進退するバルブステム５ｂを、その軸周り回転及び軸方向移動に関して、ガイドする機能を有していればよい。

上記の実施形態では、通電による磁界の変化により駆動力を発生させる駆動源１０としてサーボモータを採用したが、サーボモータ以外にも、ステッピングモータなど回転軸の回転方向、回転の開始及び停止、ならびに、回転速度を制御可能な各種モータや、ソレノイドなどを採用できる。ソレノイドの駆動軸が直線方向への移動である場合、駆動力変換手段の設置を省略できる。

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
６ バルブガイド
７ 空間
１０ 駆動源（モータ）
１０ａ 回転軸
１１ ネジ部
１２ ヘリカル歯車
１２ａ 歯
１３ フレーム
１４ 軸受
１５ ガイド手段（係合部）
２０ オイルシール

Claims (7)

1. 軸状のバルブステムの一端に吸排気弁の弁孔に接離する傘部が設けられるバルブ部材と、
   前記バルブステムをシリンダに対して軸方向進退可能に支持するバルブガイドと、
   通電による磁界の変化により駆動力を発生させる駆動源とを備え、
   前記駆動源の駆動力により前記バルブ部材を軸方向に進退させて前記吸排気弁の弁孔を開閉させるエンジンの動弁構造。
2. 前記駆動源は、回転軸の回転方向、回転の開始及び停止、ならびに、回転速度を制御可能なモータであり、
   前記回転軸の回転を、前記バルブステムの軸方向への進退運動に変換する駆動力変換手段、
   を備える請求項１に記載のエンジンの動弁構造。
3. 前記駆動力変換手段は、
   前記バルブステムの軸周り外周面に形成されるネジ部と、
   前記回転軸に取り付けられ前記バルブステムのネジ部に噛み合う歯を備えるヘリカル歯車と、
   で構成される請求項２に記載のエンジンの吸排気弁の動弁構造。
4. 前記バルブガイドは、前記バルブステムのネジ部に係合する係合部、
   を備える請求項３に記載のエンジンの動弁構造。
5. 前記モータは、前記エンジンの燃焼室より上方に位置するシリンダヘッド内の空間に備えられ、
   前記空間には、前記バルブステムの他端側のステムエンドが臨んでおり、
   前記バルブステムの外面と前記バルブガイドの内面との間には、前記バルブステムの軸周り回転により、前記バルブステムと前記バルブガイドとの間に潤滑油を送り込むことができる隙間が設けられている請求項３又は４に記載のエンジンの動弁構造。
   
6. 前記バルブステムの外面と前記バルブガイドの内面との間に、前記バルブステムと前記バルブガイドとの間に送り込まれた潤滑油の燃焼室への落下を阻止するオイルシールを備える請求項５に記載のエンジンの動弁構造。
7. 前記駆動力変換手段は、一つの気筒に配置される複数のバルブ部材のバルブステムを、単一のモータの駆動力により軸方向へ進退させるものである請求項２から６の何れか１項に記載のエンジンの動弁構造。

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