JP2017115652A - 内燃機関の動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ステムガイドとバルブステムとの摺動面における摩耗の発生を抑制する。【解決手段】バルブステム２の外周面に弁傘３側に形成され、ステムガイド１６と摺動する第１摺動面２ａと、弁傘３側とは反対側に形成され、ステムガイド１６と摺動する第２摺動面２ｂと、第１摺動面２ａと第２摺動面２ｂとの間に細径面２ｃが形成されている。エンジンバルブ１は、エンジンバルブ１の開度が全開位置から全閉位置となるまでの期間に比べて長くなるようにエンジンバルブ１を駆動する。【選択図】図３

Description

本発明は、吸気弁または排気弁として用いられるエンジンバルブを備える内燃機関の動弁装置に関する。

従来から、バルブステムの一部を細軸として形成したエンジンバルブが知られている。（例えば、特許文献１を参照。）。具体的には、特許文献１に開示されたエンジンバルブは、ステムガイドと摺動するバルブステムの一部を細軸として形成することにより、エンジンバルブを軽量化している。

特開昭６２−１８６００７号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたエンジンバルブにおいては、細軸を形成していないエンジンバルブに比べて、バルブステム及びステムガイド間の隙間に導かれた潤滑油が流れ出やすく、バルブステムとステムガイドとの隙間に潤滑油が滞留しにくい。

また、一般的にバルブステムの摺動速度は、着座音を抑制するために全閉位置から全開位置となるまでの期間に比べて全開位置から全閉位置となるまでの期間が遅くなるように構成されている。後述する流体潤滑逆理論の式によれば、バルブステムとステムガイドとの摺動面に形成される油膜厚さは、バルブステムのステムガイドに対する摺動速度に比例する。また、ステムガイドとバルブステムの隙間から漏れ出す油量は、全閉位置から全開位置となるまでの期間において形成されるステムガイドとバルブステムとの摺動面における油膜厚さと全開位置から全閉位置となるまでの期間において形成されるステムガイドとバルブステムとの摺動面における油膜厚さの差となる。従って、バルブステムの摺動速度が全閉位置から全開位置となるまでの期間に比べて全開位置から全閉位置となるまでの期間が遅くなるように構成されている場合、油膜厚さの差が大きくなることにより、ステムガイドとバルブステムの隙間から漏れ出す油量が大きくなる。従って、前述した一般的なバルブステムの摺動速度の関係を特許文献１に開示されたエンジンバルブに適用した場合
バルブステムとステムガイドとの隙間の潤滑油が不足した状態で、バルブステムがステムガイドに接触してしまい、バルブステムとステムガイドの摺動面において摩耗が生じる虞がある。

本発明は、上述した課題に対処するためになされたものである。即ち、本発明の目的の一つは、バルブステムの一部に細軸を有するエンジンバルブに適用され、ステムガイドとバルブステムの接触による部品の摩耗の発生を抑制する内燃機関の動弁装置（以下、単に「本発明装置」と称呼する。）を提供することにある。

本発明装置は、ステムガイドと摺動する円筒状の摺動面と前記摺動面の径に比べて径の小さい細径面が形成されたバルブステム部と、前記バルブステム部の一端に連結された弁傘部とを備えるエンジンバルブと、前記弁傘部のリフト量が開口側に最大となる全開位置と前記リフト量が最小となる全閉位置との間で前記エンジンバルブを駆動可能なバルブ駆動装置と、を備える内燃機関の動弁装置であって、前記摺動面は前記弁傘部と前記細径面との間に位置する第１摺動面と、前記細径面と前記バルブステム部の他端との間に位置する第２摺動面とで形成され、前記バルブ駆動装置は、前記エンジンバルブの開度が前記全閉位置から前記全開位置となるまでの期間が、前記エンジンバルブの開度が前記全開位置から前記全閉位置となるまでの期間に比べて長くなるように前記エンジンバルブを駆動するように構成されている。
本発明装置によれば、バルブステムの摺動速度は、全閉位置から全開位置となるまでの期間に比べて、全開位置から全閉位置となるまでの期間が速くなるように構成される。従って、バルブステムの摺動速度が全閉位置から全開位置となるまでの期間に比べて全開位置から全閉位置となるまでの期間が遅くなるように構成されている場合に比べて油膜厚さの差が小さくなり、ステムガイドとバルブステムの隙間から漏れ出す油量を低減することができる。その結果、潤滑油が不足した状態でステムガイドとバルブステムが摺動することを抑制できるので、ステムガイドとバルブステムとの摺動面における摩耗の発生を抑制することができる。

また、本発明装置の一態様において、前記バルブ駆動装置は、カムシャフトを含み、前記全閉位置から前記全開位置となるまでに前記エンジンバルブに作用する前記カムシャフトのカムの外周面の長さは、前記全開位置から前記全閉位置となるまでに前記エンジンバルブに作用する前記カムシャフトのカムの外周面の長さに比べて長くなるように構成されている。

これによれば、カムシャフトが回転することにより、エンジンバルブを駆動する場合に、エンジンバルブが全閉位置から全開位置となるまでの時間が全開位置から全閉位置となるまでの時間に比べて短くなる。従って、全開位置から全閉位置となるまでの期間におけるバルブステムの摺動速度は、全閉位置から全開位置となるまでの期間に比べて速くなるように構成することができる。

本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。

本発明の実施形態に係るエンジンバルブの概略断面図である。 本発明の実施形態に係るエンジンバルブにおけるバルブステムとステムガイドとの隙間の潤滑油の流れを示す図である。 本発明の実施形態に係るエンジンバルブを内燃機関に組み付けた場合の概略断面図である。

以下、本発明の実施形態に係る内燃機関の動弁装置（以下、「本装置」と称呼する。）について図面を参照しながら説明する。

まず、図１を参照しながら、本装置に係るエンジンバルブについて説明する。図１において、エンジンバルブ１は、バルブステム２の一端に弁傘３が一体に連設されている。更にバルブステム２の外周面には、ステムガイド１６と摺動する摺動面として、第１摺動面２ａ及び第２摺動面２ｂとが形成されている。更に第１摺動面２ａと第２摺動面２ｂとの間のバルブステム２の外周面には、第１摺動面２ａ及び第２摺動面２ｂの径に比べて径の小さい細径面２ｃが形成されている。

（バルブステムの外周面に細径面を設けた場合の課題）
図１に示されるようにエンジンバルブ１のバルブステム２の外周面の一部に細径面２ｃを設ける構成とした場合、ステムガイド１６とバルブステム２との間を流れる潤滑油の通過油量Ｑが細径面２ｃを設けていないエンジンバルブに比べて増加し、バルブステム２とステムガイド１６との隙間に潤滑油が滞留しにくい。

具体的には、図２を参照しながら説明する。図２は、エンジンバルブ１のバルブステム２とステムガイド１６との隙間の潤滑油の流れを示す図である。なお、Ｄはバルブステム２の直径、ｙはバルブステム２とステムガイド１６との隙間の長さ、ｌａは第１摺動面２ａのバルブステム２の軸方向の長さ、ｌｂは第２摺動面２ｂのバルブステム２の軸方向の長さ、ｌｍは第１細軸面２ｃのバルブステム２の軸方向の長さ、Ｑはバルブステム２とステムガイド１６との隙間を通過する単位時間当たりの通過油量Ｑを示している。

ステムガイド１６とバルブステム２との隙間を流れる潤滑油の通過油量Ｑは、後述する環状隙間の式（式１）により表すことができる。なお、Δｐは差圧、μは潤滑油の粘性係数、ｌは隙間長さを示している。環状隙間の式については、公知の式であるため詳細な説明は省略するが、エンジンバルブ１の外周面に第１細径面２ｃが形成されていない場合、隙間の長さｌは、ｌａ、ｌｂ及びｌｍを加算した値となる。一方、図２に示すようにバルブステム２の摺動面に第１細径面が形成されている場合、第１摺動面２ａにおける隙間の大きさｌはｌａとなり、第２摺動面２ｂにおける隙間の大きさｌは、ｌｂとなる。従って、式１によれば第１摺動面２ａとステムガイド１６の隙間を通過する油量Ｑ１及び第２摺動面２ｂとステムガイド１６の隙間を通過する油量Ｑ２は、第１細径面２ｃを形成しない場合のバルブステムとステムガイドの間を通過する油量に比べて大きくなる。その結果、第１細径面２ｃを形成することにより、ステムガイド１６とステムバルブ２との隙間における潤滑油の保油性が第１細径面２ｃを形成しない場合に比べて低下する。従って、バルブステム２とステムガイド１６との隙間の潤滑油が不足した状態で、ステムバルブ２とステムガイド１６が摺動することにより、ステムバルブ２とステムガイド１６との摺動面において摩耗が生じる虞がある。
（式１）

そこで、本装置においては、エンジンバルブ１の開度が全閉となる全閉位置から全開となる全開位置となるまでの期間が、エンジンバルブ１の開度が全開位置から全閉位置となるまでの期間に比べて長くなるようにエンジンバルブ１を駆動するように構成されている。具体的には、図３を参照しながら説明する。

図３は、エンジンバルブ１を内燃機関１０のシリンダヘッド１１に組み付けた場合の概略断面図を示している。シリンダヘッド１１には、燃焼室１２に通じる吸気ポート１３が形成されている。なお、図３に示す概略断面図は、吸気ポート１３の径方向中央部を含むようにシリンダヘッド１１を切断した断面を示している。また、吸気ポート１３の燃焼室１２に対する開口部１３ａは、略円形となるように形成され、開口部１３ａの周囲にはエンジンバルブ１の弁傘２が着座する弁座１５が設けられている。

更にシリンダヘッド１１は、外部から吸気ポート３に向かって、吸気ポート３の開口部１３ａに略対面する位置に開口する貫通孔１１ａが形成されている。なお、貫通孔１１ａは、中心線が開口部１３ａの略中心を通過するような位置に形成されている。貫通孔１１ａには円筒状のステムガイド１６が設置されている。

エンジンバルブ１のバルブステム２は、ステムガイド１６を介してシリンダヘッド１１に摺動自在に取り付けられている。なお、バルブステム２の一端には、弁傘３が連結されており、反対側の一端は、バルブ駆動装置４０と接続されている。バルブ駆動装置４０は、ＯＨＣ（オーバーヘッドカムシャフト）として構成されており、バルブステム２の反対側の一端に、コッタ溝４１に係合されたコッタ４２を介してスプリングリテーナ４４が取付けられている。また、シリンダヘッド１１とスプリングリテーナ４４との間には、コイルスプリングからなるバルブスプリング４５が介装されている。バルブスプリング４５の弾性によりシリンダヘッド１１側へ付勢されたエンジンバルブ１の弁傘３が弁座１５に着座することにより吸気ポート３が閉鎖されている。

シリンダヘッド１１には、図示しないクランクシャフトにより回転駆動されるカムシャフト４６、ロッカシャフト４７が並設されている。ロッカシャフト４７に支持されたロッカアーム４８のカムフォロワ部４８ａは、カムシャフト４６が有するカム面４６ａに摺動可能に当接されている。また、ロッカアーム４８のバルブ当接部４８ｂは、バルブステム２の軸端部に当接されている。

ロッカアーム４８は、カムシャフト４６の回転に基づいて揺動する。そして、ロッカアーム４８のバルブ当接部４８ｂが下降するときに、エンジンバルブ１がバルブスプリング４５の弾性に抗して押し下げられる。これにより、弁傘３が弁座１５から離座し、吸気ポート１３が開口される。また、ロッカアーム４８のバルブ当接部４８ｂが上昇するときに、エンジンバルブ１がバルブスプリング４５の弾性復元力により上昇する。これにより、再び吸気ポート３８が閉鎖される。なお、バルブステム２とステムガイド１６との隙間には、バルブ駆動装置４０側から潤滑油が供給される。

カム面４６ａは、弁傘３が弁座１５に着座する全閉位置である期間にカムフォロワ部４８ａと当接する第１カム面４６ｂと、弁傘３が最大の下降位置となり吸気ポート３を開口する全開位置である期間にカムフォロワ部４８ａと当接する第１カム面４６ｃとが形成されている。またカム面４６ａは、弁傘３が全開位置から全閉位置となる間にカムフォロワ部４８ａと当接する当接する第３カム面４６ｄ及び全閉位置から全開位置となる間にカムフォロワ部４８ａと当接する当接する第４カム面４６eが形成されている。第３カム面４６ｄの外周の長さは、第４カム面４６eの外周の長さに比べて短くなるように形成されている。

このように第３カム面４６ｄ及び第４カム面４６ｅを備えるようにカム面４６ａのプロフィールを設定することにより、エンジンバルブ１の開度が全閉となる全閉位置から全開となる全開位置となるまでの期間が、エンジンバルブ１の開度が全開位置から全閉位置となるまでの期間に比べて長くなる。その結果、エンジンバルブ１の開度が全開位置から全閉位置となるまでの期間におけるバルブステム２の摺動速度は、全閉位置から全開位置となるまでの期間における摺動速度に比べて速くなる。

ここで、バルブステム２とステムガイド１６の摺動面における潤滑油の油膜厚さは、後述する流体潤滑逆理論の押し工程の式（式２）及び引き工程の式（式３）により説明することができる。流体潤滑逆理論の式は、周知の式であるので詳細な説明は省略するが、ここで、ｈｏＰは押し工程における油膜厚さ、ｈｏＭは引き工程における油膜厚さ、μは潤滑油の粘性係数、Ｕ_Ｐはエンジンバルブ１の押し工程における摺動速度、Ｕ_Ｍはエンジンバルブ１の引き工程における摺動速度、｜ｄｐ／ｄｘ｜ｍａｘ，Ｐは押し工程における油圧側の最大接触圧力勾配、｜ｄｐ／ｄｘ｜ｍａｘ，Ｍは引き工程における油圧側の最大接触圧力勾配を示している。

エンジンバルブ１の開度が全閉位置から全開位置となるまでの期間は、式２の押し工程とみなすことができ、エンジンバルブ１の開度が全開位置から全閉位置となるまでの期間は、式３の引き工程とみなすことができる。また、ステムガイド１６とバルブステム２から漏れ出す油量ｑは、式４に示されるように押し行程で排出される油膜厚さから引き行程で引き戻される油膜厚さの差となる。従って、ステムガイド１６とバルブステム２から漏れ出す油量ｑは、エンジンバルブ１の引き工程における摺動速度Ｕ_Ｍが速いほど少なくなる。加えて、ステムガイド１６とバルブステム２から漏れ出す油量ｑは、エンジンバルブ１の押し工程における摺動速度Ｕ_Ｐが遅いほど少なくなる。本装置においては、引き工程（即ち、全開位置からと全閉位置までの期間）における摺動速度Ｕ_Ｍは、押し工程（即ち、全閉位置からと全開位置までの期間）における摺動速度Ｕ_Ｐに比べて速くなるようにエンジンバルブ１が駆動される。その結果、ステムガイド１６とバルブステム２から漏れ出す通過油量ｑが低減されることにより、バルブステム２とステムガイド１６の摺動面における摩耗を抑制することができる。
（式２）

（式３）

（式４）

以上、説明したように、本装置においては、第３カム面４６ｄ及び第４カム面４６ｅを備えるようにカム面４６ａのプロフィールを設定することにより、エンジンバルブ１の開度が全閉位置から全開位置となるまでの期間が、エンジンバルブ１の開度が全開位置から全閉位置となるまでの期間に比べて長くなるようにエンジンバルブ１を駆動するように構成することができる。

従って本装置は、全開位置から全閉位置となるまでの期間におけるバルブステム２の摺動速度を全閉位置から全開位置となるまでの期間に比べて速くすることにより、ステムガイド１６とバルブステム２の隙間から漏れ出す油量を低減することができる。その結果、潤滑油が不足した状態でステムガイドとバルブステムが摺動することが抑制されるので、ステムガイドとバルブステムとの摺動面における摩耗の発生を抑制することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、上記実施形態においては、エンジンバルブ１を吸気ポート１３に配置する構成としたが、エンジンバルブ１を排気ポートに設ける構成としてもよい。また、上記実施形態においては、バルブ駆動装置４０をＯＨＣ（オーバーヘッドカムシャフト）とする構成としたが、バルブ駆動装置４０を電駆弁で構成してもよい。

１…エンジンバルブ、２…バルブステム、３…弁傘、１０…内燃機関、１６…ステムガイド、４０…バルブ駆動装置。

Claims (2)

1. ステムガイドと摺動する円筒状の摺動面と前記摺動面の径に比べて径の小さい細径面が形成されたバルブステム部と、前記バルブステム部の一端に連結された弁傘部とを備えるエンジンバルブと、
   前記弁傘部のリフト量が開口側に最大となる全開位置と前記リフト量が最小となる全閉位置との間で前記エンジンバルブを駆動可能なバルブ駆動装置と、を備える内燃機関の動弁装置であって、
   前記摺動面は前記弁傘部と前記細径面との間に位置する第１摺動面と、前記細径面と前記バルブステム部の他端との間に位置する第２摺動面とで形成され、
   前記バルブ駆動装置は、
   前記エンジンバルブの開度が前記全閉位置から前記全開位置となるまでの期間が、前記エンジンバルブの開度が前記全開位置から前記全閉位置となるまでの期間に比べて長くなるように前記エンジンバルブを駆動する内燃機関の動弁装置。
   
2. 請求項１に記載の内燃機関の動弁装置において、
   前記バルブ駆動装置は、カムシャフトを含み、
   前記全閉位置から前記全開位置となるまでに前記エンジンバルブに作用する前記カムシャフトのカムの外周面の長さは、前記全開位置から前記全閉位置となるまでに前記エンジンバルブに作用する前記カムシャフトのカムの外周面の長さに比べて長くなるように構成されている内燃機関の動弁装置。