JP2018003710A - バルブ開閉駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、内燃機関の吸気バルブの開閉特性を変更することができる内燃機関のバルブ開閉駆動装置を提供する。【解決手段】 本発明は、内燃機関の吸気バルブ２の開閉特性を内燃機関の運転状態に応じて変更可能な内燃機関のバルブ開閉駆動装置であって、内燃機関の運転状態に応じて出力部（リンク部材９０）を移動させるカムスライド駆動ピストン１００と、該カムスライド駆動ピストン１００の出力部（リンク部材９０）の移動を受けてカムシャフトを軸方向から押圧する押圧部（押圧シャフト７０、揺動アーム８０）と、軸方向にスライドされるカムシャフト４０であって軸方向位置に応じてカムプロフィール（５０Ａ，５０Ｂ）が異なるカム５０を備えたカムシャフト４０と、ロッカーアーム３０と、ロッカーアーム３０の揺動により開閉駆動される吸気バルブ２と、を含んで構成した。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジン（内燃機関）の吸排気バルブ等のバルブを開閉させるバルブ開閉駆動装置に関するものである。

従来より、エンジンの高効率化（高出力化、低燃費化等）のために高圧縮比化等した仕様の場合には、高負荷運転領域での圧縮圧力が高くなり、筒内圧（シリンダ内圧）が設計値（シリンダヘッド等の強度限界閾値など）を超えてしまうおそれがある。

これを回避するためには、高負荷運転領域で実圧縮比を低くするために、例えば特許文献１に記載されているようなＶＶＡ（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ａｃｔｕａｔｉｏｎ）により、バルブタイミングを負荷に応じて変更すること（例えば吸気弁を遅閉じすること）、或いは例えば特許文献２に記載されているようにカム形状（プロフィール）を変更することなどが考えられる。

特開２００６−９７５３５号公報 特開平８−６８３０６号公報

しかし、ＶＶＡではバルブ開閉特性切り換えのための精密で膨大な油圧制御機器が必要であり、高コスト化すると共に信頼性等にも十分配慮しなければならないといった実情がある。

また、カムプロフィールの変更では高負荷運転領域でのカムプロフィールを選択した場合、今度は低負荷運転領域や始動時におけるマッチングが不良となって問題が発生する懸念があるといった実情がある。

本発明は、かかる実情に鑑みなされたもので、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、内燃機関（エンジン）の吸気バルブ（或いは排気バルブ）の開閉特性（リフト特性、開閉タイミング、開弁期間等）を変更することができる内燃機関のバルブ開閉駆動装置を提供することを目的とする。

本発明に係る内燃機関のバルブ開閉駆動装置は、
内燃機関の燃焼室と外部とを連通・遮断するためのバルブの開閉特性を内燃機関の運転状態に応じて変更可能な内燃機関のバルブ開閉駆動装置であって、
内燃機関の運転状態に応じて出力部を移動させるカムスライド駆動部と、
該カムスライド駆動部の出力部の移動を受けてカムシャフトを軸方向から押圧する押圧部と、
初期位置に弾性付勢されている一方、前記押圧部により押圧されることで前記弾性付勢に抗して軸方向にスライドされるカムシャフトであって、軸方向位置に応じてカムプロフィールが異なるカムを備えたカムシャフトと、
内燃機関に固定的に取り付けられてその位置で、前記カムシャフトのカムと基端部が当接して揺動されるロッカーアームと、
前記ロッカーアームの揺動により開閉駆動されるバルブと、
を含んで構成したことを特徴とする。

本発明において、内燃機関の運転状態が、吸気マニホールド内の圧力であることを特徴とすることができる。

本発明において、ロッカーアームの前記基端部が、凸状球面形状を有することを特徴とすることができる。

本発明によれば、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、内燃機関（エンジン）の吸気バルブ（或いは排気バルブ）の開閉特性（リフト特性、開閉タイミング、開弁期間等）を変更することができる内燃機関のバルブ開閉駆動装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る内燃機関のバルブ開閉駆動装置の一例を概略的に示した平面図である。 同上実施の形態に係る内燃機関のバルブ開閉駆動装置の一例を概略的に示した側面図である。 同上実施の形態に係る内燃機関のバルブ開閉駆動装置の低負荷時（始動時、初期状態）における作動状態を概略的に示す平面図である。 同上実施の形態に係る内燃機関のバルブ開閉駆動装置の高負荷時における作動状態を概略的に示す平面図である。 （Ａ）は同上実施の形態に係るカムギヤ（カムシャフト回転駆動ギヤ）の一例を示す図であり、（Ｂ）は同上実施の形態に係るカムシャフトの一例を示す正面図であり、（Ｃ）は同上カムギヤと同上カムシャフトのスプライン係合（或いはセレーション係合）部分を説明する斜視図である。 （Ａ）は同上実施の形態に係るカム（左右（カムシャフト軸方向）で異なるカムプロフィールを持つカム）の一構成例を説明する図（正面図及び左右側面図）であり、（Ｂ）は（Ａ）の斜視図（アイソメ図）であり、（Ｃ）は同上実施の形態に係るロッカーアームの基端部（カム当接部）形状を説明する側面図である。 （Ａ）は同上実施の形態に係るカムの低負荷用プロフィールにより作動された吸気バルブのバルブリフト線図であり、（Ｂ）は同カムの高負荷用プロフィール（遅閉じ）により作動された吸気バルブのバルブリフト線図である。

以下、本発明に係る一実施の形態を、添付の図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態により、本発明が限定されるものではない。

本実施の形態に係る内燃機関のバルブ開閉駆動装置１０００は、図１、図２に示すように、内燃機関の燃焼室（気筒：シリンダ）１（１気筒分のみ図示）に臨んで設けられる一対の吸気弁（吸気バルブ）２を開閉駆動する。なお、バルブ開閉駆動装置１０００は、排気弁を駆動するために利用することも可能である。

一対の吸気弁２は、それぞれ、シリンダヘッド（図示せず）に設けられている吸気ポート（図示せず）と、燃焼室１と、を連通・遮断するための開閉弁（ポペット弁）であり、通常はバルブスプリング（図示せず）により閉弁付勢されている。

一対の吸気弁２の各上端を架け渡すようにバルブブリッジ２０が設けられ、このバルブブリッジ２０をロッカーアーム３０の先端部３０Ａが押し下げることにより、一対の吸気弁２は開弁されるようになっている（図２参照）。

ロッカーアーム３０はロッカーシャフト（揺動軸）３０Ｃ廻りに揺動自在にシリンダヘッドに支持され、その基端部３０Ｂが、カムシャフト４０のカム５０に当接されている（図２参照）。なお、ロッカーアーム３０やカム５０は内燃機関１の気筒数分あるが、図１、図２では一気筒分のみ表示している。

ここで、本実施の形態においては、カムシャフト４０は、軸方向（長手方向）に移動（スライド）可能にシリンダヘッドに回転自在に支持され、カムギヤ６０を介してクランクシャフト(図示せず)の回転力が伝達されて回転駆動されるようになっている。

なお、カムシャフト４０はシリンダヘッドに対して軸方向移動（スライド）可能であるが、カムギヤ６０はクランクギヤ等とヘリカルギヤ同士で噛合しているため軸方向へ移動（スライド）することはできないため、カムシャフト４０とカムギヤ６０は、スプライン溝（或いはセレーション溝）４１、６１により一体回転するが軸方向には相対移動（スライド）自在に係合されている（図５（Ａ）〜（Ｃ）参照）。

また、カムシャフト４０は、通常時（初期状態：図１の状態）においては、カムシャフト４０と一体のプレート４２と、シリンダヘッド側と一体でカムシャフト４０を回転自在に挿通しているプレート４３と、の間にセットされたスプリング４４により図１中左方向に弾性付勢されている。

カムシャフト４０の左端には凹状に球面加工された凹状球面部４０Ａが形成されている（図１、図５（Ｂ）等参照）。

この凹状球面部４０Ａに当接する押圧シャフト７０は、その右端が凹状球面部４０Ａの凹状球面形状に対応した凸状球面形状を有するカムシャフト側当接部７０Ａと、揺動アーム８０の先端８０Ａにより押圧されるアーム側当接部７０Ｂと、を含んで構成されている。当該押圧シャフト７０は、軸方向に摺動自在にベアリング等によりシリンダヘッド等に支持されることができる。

揺動アーム８０は、揺動支点８０Ｃ廻りに揺動自在に支持され、先端８０Ａは凸状円弧状（或いは凸状球面形状）で形成され、先端８０Ａと当接するアーム側当接部７０Ｂは、凹状円弧状（或いは凹状球面形状）を有するように構成されている。

なお、カムシャフト４０は回転するため左端を凹状球面部４０Ａとしているが、凹状球面部４０Ａと当接するカムシャフト側当接部やアーム側当接部７０Ｂは回転しないので凸状円弧状とすれば良いが、凸状球面形状としても良いものである。

揺動アーム８０の基端部８０Ｂは、リンク部材９０の先端部に回転自在に連結され、リンク部材９０の基端部はカムスライド駆動ピストン１００の基端側１００Ｂに連結されている。

ここで、カムスライド駆動ピストン１００は、本発明に係るカムスライド駆動部の一例に相当し、リンク部材９０は本発明に係るカムスライド駆動部の出力部の一例に相当する。
また、揺動アーム８０、押圧シャフト７０が、本発明に係る押圧部の一例に相当する。

カムスライド駆動ピストン１００は、シリンダ１１０にＯ−リング等のシール要素１１１を介して摺動自在に収容されていて、先端面１００Ａは、内燃機関の吸気マニホールド（インテークマニホールド）２００に臨んで配設されている。なお、吸気マニホールド（インテークマニホールド）２００は、排気ターボ過給機のコンプレッサ下流側の吸気通路であって、燃焼室１の吸気ポートに接続される吸気通路である。

また、カムスライド駆動ピストン１００は、通常時（初期状態：図１の状態）においては、先端面１００Ａに大きな過給圧（吸気圧力）が作用していないので、スプリング１２０により図１中右方向に弾性付勢され、ストッパ要素（Ｃ−リング等）１５０に突き当てられている。

なお、符号１３０はスプリング１２０を支持して弾性力（反力）を受けるプレートであり、符号１４０はプレート１３０が図１中左方向にそれ以上移動しないようにするためのストッパ要素（Ｃ−リング等）であり、符号１５０は、カムスライド駆動ピストン１００が図１中右方向にそれ以上移動しないようにするためのストッパ要素（Ｃ−リング等）である。

このような構成の本実施の形態に係るバルブ開閉駆動装置１０００では、以下のように動作する。

＜低負荷時＞（通常時、初期状態：図３）
かかる状態では、内燃機関１の負荷が小さい状態であるので、例えば排気過給機付き内燃機関の場合、インテークマニホールド２００内（コンプレッサ下流側）の圧力Ｐ１は低い。このため、スプリング４４がカムシャフト４０を図３中左方向に押し付ける力ＦＳ１と、スプリング１２０がカムスライド駆動ピストン１００を図３中右方向に押す力ＦＳ２とも合力（ＦＳ１＋ＦＳ２）は、圧力Ｐ１がカムスライド駆動ピストン１００の先端面１００Ａに作用することでカムスライド駆動ピストン１００を図３中左方向に押す力Ｆ１（＝Ｐ１×ピストン頂面面積Ａ）より大きく、カムスライド駆動ピストン１００は初期位置（図３の位置）に保持される。

このため、カムシャフト４０と一体のカム５０の低負荷用プロフィール部５０Ａと、ロッカーアーム３０の先端部３０Ａと、が当接するため、一対の吸気バルブ２は、低負荷用プロフィール部５０Ａにより開閉駆動されることになる。このときの一対の吸気バルブ２のバルブリフト（バルブ開閉特性）は、図７（Ａ）のバルブリフト線図のようになる。

＜高負荷時＞（図４）
かかる高負荷状態では、内燃機関１の負荷が大きい状態であるので、例えば排気過給機付き内燃機関の場合、インテークマニホールド２００内の圧力（過給圧）Ｐ１’（＞Ｐ１）は高い。このため、スプリング４４がカムシャフト４０を図４中左方向に押し付ける力ＦＳ１と、スプリング１２０がカムスライド駆動ピストン１００を図４中右方向に押す力ＦＳ２とも合力（ＦＳ１＋ＦＳ２）は、圧力Ｐ１’がカムスライド駆動ピストン１００の先端面１００Ａに作用することでカムスライド駆動ピストン１００を図４中左方向に押す力Ｆ１’（＝Ｐ１’×ピストン頂面面積Ａ）より小さくなる。

このため、カムスライド駆動ピストン１００は図４中左方向に移動されることとなって、揺動アーム８０の下端８０Ｂを図４中左方向移動させて、先端８０Ａを図４中右方向に移動させることになる。

これに伴い、押圧シャフト７０を介して、カムシャフト４０が図４中右方向に移動されることになる。

このため、カムシャフト４０と一体のカム５０の高負荷用プロフィール部５０Ｂと、ロッカーアーム３０の先端部３０Ａと、が当接するため、一対の吸気バルブ２は、高負荷用プロフィール部５０Ｂにより開閉駆動されることになる。このときの一対の吸気バルブ２のバルブリフト（バルブ開閉特性）は、図７（Ｂ）のバルブリフト線図のようになる。

従って、高負荷時には、吸気弁２の閉弁時期（閉じタイミング）を遅くすることができるため、実圧縮比を低下させることができる。このため、エンジンの高効率化（高出力化、低燃費化等）のために高圧縮比化等した場合でも、高負荷運転領域での圧縮圧力を低く抑えることができ、筒内圧（シリンダ内圧）が設計値（シリンダヘッド等の強度限界閾値など）を超えてしまうおそれを回避することができる。

なお、カム５０は、図６（Ａ）、（Ｂ）に拡大して示すように、低負荷用プロフィール部５０Ａから高負荷用プロフィール部５０Ｂへと滑らかに連続的に変化するように、そのカム表面が加工されている。

また、低負荷用プロフィール部５０Ａから高負荷用プロフィール部５０Ｂへとプロフィールが変化することに対応するために、カム５のカム表面と接触するロッカーアーム３０の基端部３０Ｂは、その接触が点接触となるように凸状球面形状に形成されている（図６（Ｃ）参照）。

以上のように、本実施の形態によれば、低負荷運転領域や始動時にマッチングされた低負荷用カムプロフィールと、高負荷運転領域にマッチングされた高負荷用カムプロフィールと、を、内燃機関の運転状態（負荷や始動時など）に応じて、比較的簡単かつ低コストな構成のバルブ開閉駆動装置１０００により、簡単かつ円滑に切り換えることができる。

なお、内燃機関の運転状態を検出する特性値として、本実施の形態のようにインテークマニホールド内圧を利用する場合には、インテークマニホールド内圧は燃焼に対するレスポンスが良いため、応答性に優れた制御が可能となる。

このように、本実施の形態によれば、従来のＶＶＡのようなバルブ開閉特性を切り換えるための精密で膨大な油圧制御機器が不要で、低コストで信頼性に優れた内燃機関のバルブ開閉駆動装置を提供することができる。

すなわち、本実施の形態によれば、比較的簡単かつ低コストな構成でありながら、内燃機関（エンジン）の吸気バルブ（或いは排気バルブ）の開閉特性（リフト特性、開閉タイミング、開弁期間等）を変更することができる内燃機関のバルブ開閉駆動装置を提供することができる。

なお、本実施の形態では、バルブ開閉特性の切り換え（変更）を、吸気弁の閉弁時期の切り換え（早閉じ→遅閉じ、遅閉じ→早閉じ）としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、リフト量、開閉タイミング、開弁期間、開閉速度（リフトの傾斜）などの各種の開閉プロフィール（開閉パターン）のうちの少なくとも一つのバルブ開閉特性を切り替える構成とすることができる。

また、上記では、内燃機関１の負荷（出力）が高くなるに連れて吸気圧力（Ｐ１、Ｐ１‘）が高くなる場合（排気ターボやスーパーチャージャ等の過給機付き内燃機関の場合）を例に説明したが、これに限定されるものではなく、内燃機関１の負荷（出力）が高くなるに連れて吸気圧力（Ｐ１、Ｐ１‘）が小さくなる場合（吸気負圧が大きくなる場合、自然吸気式の内燃機関の場合）にも適用可能である。

また、本実施の形態では、インテークマニホールド内圧（インマニ圧、吸気圧、コンプレッサ下流側の圧力）に応じてカムシャフト４０を軸方向に移動させることで、バルブ開閉駆動に利用するカムのプロフィールを変更するように説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、内燃機関の運転状態（負荷や回転速度等）に応じてカムのプロフィールを変更することができれば良いため、排気圧力、タービン入口圧などの内燃機関の運転状態（負荷や回転速度等）を表す特性値に基づいて、カムのプロフィールを変更することが可能である。

また、本実施の形態では、カムスライド駆動ピストン１００に吸気圧力（Ｐ１、Ｐ１’）を作用させることで、揺動アーム８０を揺動させて、カムシャフト４０を軸方向に移動させ、ロッカーアーム３０に当接するカムプロフィールを切り換える構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、一般的なダイヤフラム（カムスライド駆動部の一例に相当）を採用し、これに吸気圧力（Ｐ１、Ｐ１’）を作用させることで、揺動アーム８０を揺動させて、カムシャフト４０を軸方向に移動させ、ロッカーアーム３０に当接するカムプロフィールを切り換える構成とすることもできる。

ところで、本実施の形態において、内燃機関は、例えばディーゼル燃焼を行うディーゼルエンジンとすることができるが、本発明は、これに限定されるものではなく、ガソリンその他の物質を燃料とする内燃機関とすることができる。

以上で説明した実施の形態は、本発明を説明するための例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることは可能である。

１ 燃焼室（気筒）
２ 弁（バルブ）（吸気弁）
３０ ロッカーアーム
３０Ａ ロッカーアームの先端部（バルブとの当接部）
３０Ｂ ロッカーアームの基端部（カムとの当接部）
４０ カムシャフト
４１ スプライン溝（或いはセレーション溝）
４４ スプリング
５０ カム
５０Ａ 低負荷用プロフィール部
５０Ｂ 高負荷用プロフィール部
６０ カムギヤ
６１ スプライン溝（或いはセレーション溝）
７０ 押圧シャフト（本発明に係る押圧部の一部）
８０ 揺動アーム（本発明に係る押圧部の一部）
１００ カムスライド駆動ピストン（本発明に係るカムスライド駆動部の一例）
１２０ スプリング
２００ 吸気マニホールド（インテークマニホールド：コンプレッサ下流側吸気通路）
１０００ 内燃機関のバルブ開閉駆動装置

Claims (3)

1. 内燃機関の燃焼室と外部とを連通・遮断するためのバルブの開閉特性を内燃機関の運転状態に応じて変更可能な内燃機関のバルブ開閉駆動装置であって、
   内燃機関の運転状態に応じて出力部を移動させるカムスライド駆動部と、
   該カムスライド駆動部の出力部の移動を受けてカムシャフトを軸方向から押圧する押圧部と、
   初期位置に弾性付勢されている一方、前記押圧部により押圧されることで前記弾性付勢に抗して軸方向に移動されるカムシャフトであって、軸方向位置に応じてカムプロフィールが異なるカムを備えたカムシャフトと、
   内燃機関に固定的に取り付けられてその位置で、前記カムシャフトのカムと基端部が当接して揺動されるロッカーアームと、
   前記ロッカーアームの揺動により開閉駆動されるバルブと、
   を含んで構成したことを特徴とする内燃機関のバルブ開閉駆動装置。
2. 内燃機関の運転状態が、吸気マニホールド内の圧力であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のバルブ開閉駆動装置。
3. ロッカーアームの前記基端部が、凸状球面形状を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の内燃機関のバルブ開閉駆動装置。
   
   

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