JP2023149005A - バルブスプリングの振動抑制機構 - Google Patents

Abstract

【課題】バルブスプリングの圧縮時の挙動の影響を受けることなく、バルブスプリングのサージングを効果的に抑制し得るバルブスプリングの振動抑制機構を提供すること【解決手段】カムシャフト１２０の回転に伴って内燃機関の燃焼室１００を開閉する排気バルブ１０８を閉方向に付勢するバルブスプリング１１６の径方向外方に位置する弾性体１２と、弾性体１２をバルブスプリング１１６の径方向でバルブスプリング１１６に当接する当接位置と離反する離反位置との間で往復移動させる往復移動手段１４と、を有するバルブスプリングの振動抑制機構１０である。往復移動手段１４は、排気バルブ１０８の開閉方向の移動に同期して弾性体１２を往復移動させ、且つ排気バルブ１０８が閉方向に移動するときにのみ弾性体１２を前記当接位置に移動させる。【選択図】図３

Description

本発明は、バルブスプリングの振動抑制機構に関し、特に、内燃機関の燃焼室を開閉する吸気または排気バルブを閉方向に付勢するバルブスプリングの振動抑制機構に関する。

車両の内燃機関に一般に設けられる吸気バルブまたは排気バルブは、コイルばねであるバルブスプリングによって閉方向に付勢されており、吸入および排気工程の時にバルブスプリングの付勢力に抗して燃焼室にバルブが押し込まれ、バルブが開状態となる。

これらのバルブは、例えばＤＯＨＣ（ダブルオーバーヘッドカムシャフト）エンジンではカムシャフトに連動して回動するカムのカム山に押し下げられたロッカーアームによって燃焼室内に押し込まれて開状態となり、さらにカムが回動するとベースサークル位置までバルブスプリングの付勢力によってロッカーアームが押し上げられ、この時にバルブが閉位置に戻ることとなる。

このカムシャフトの回転に連動した吸気バルブおよび排気バルブの開閉は、エンジンの回転数が低いときには問題は生じないが、５０００回転など回転数が高くなった場合には、バルブスプリングの固有振動数に近い振動数成分の外力が作用し、バルブスプリングの固有値と外力の周波数が一致すると、バルブスプリングに激しい振動（サージング）が発生し、バルブスプリングに過大なねじりせん断応力が発生する。これは、バルブスプリングによるバルブ閉じ荷重の抜け、動弁部品の挙動悪化、動弁部品の摩耗促進等の悪影響を与える。

特許文献１は、バルブスプリングのサージング抑制のための部品を開示する。具体的には、特許文献１は、吸気または排気バルブを閉方向に付勢するバルブスプリングの軸方向両端部に環状のプロテクタを介在させ、このプロテクタが、該プロテクタの外側の周縁部に立設されてバルブスプリングの巻線の一部にバルブスプリングの径方向外方位置で接触する防振板を有する構造を開示する。

特許文献１の防振板を有するプロテクタによれば、プロテクタの防振板がバルブスプリングの半径方向で接触するため、サージングによるバルブスプリングの横方向および縦方向の振動が抑制されるとされている。

実公平７－０４０６４３号公報

特許文献１の防振板を有するプロテクタによれば、バルブスプリングの横方向および縦方向の振動が抑制されるものの、防振板はバルブスプリングの上下端に取り付けられたプロテクタの外周縁から立設された一部分であるため、バルブスプリングの挙動に追従してしまい、サージング抑制のための構造としては改善の余地がある。

また、防振板はバルブスプリングに直接取り付けられていることから、吸気バルブまたは排気バルブが開く時にはバルブスプリングが圧縮されて半径方向にわずかに拡大する挙動を示すので、防振板がバルブスプリングに接触する。この接触は、バルブスプリングの圧縮を阻害するうえ、この接触により防振板が変形すれば防振板によるバルブスプリングのサージング抑制作用も得られなくなる虞がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、バルブスプリングの圧縮時の挙動の影響を受けることなく、バルブスプリングのサージングを効果的に抑制し得るバルブスプリングの振動抑制機構を提供することにある。

本発明の一実施の形態は、カムシャフトの回転に伴って内燃機関の燃焼室を開閉する吸気または排気バルブを閉方向に付勢するバルブスプリングの径方向外方に位置する弾性体と、該弾性体を前記バルブスプリングの径方向で該バルブスプリングに当接する当接位置と離反する離反位置との間で往復移動させる往復移動手段と、を有し、
前記往復移動手段は、前記吸気または排気バルブの開閉方向の移動に同期して前記弾性体を往復移動させ、且つ前記吸気または排気バルブが閉方向に移動するときにのみ前記弾性体を前記当接位置に移動させることを特徴とする。

本発明によれば、弾性体はバルブスプリングに取り付けられた部材ではないので、バルブスプリングのサージングの抑制が必要なタイミングで弾性体をバルブスプリングの側部に当接させることができ、従来よりも効果的にバルブスプリングのサージングを抑制することができる。さらに、弾性体は吸気または排気バルブが閉位置に在るときのみバルブスプリングの側部に当接し、吸気または排気バルブが開位置に在るときにはバルブスプリングに当接しない。したがって、弾性体は、バルブスプリングの圧縮動作を阻害せず、かつその圧縮動作による影響を受けない。

本発明の実施の形態に係るバルブスプリングの振動抑制機構１０を示す模式図である。 図１の一方のバルブスプリングの振動抑制機構１０の拡大図である。 バルブが閉位置に在る時の、バルブスプリングの振動抑制機構１０を示す拡大図である。 従来のＤＯＨＣエンジンの燃焼室を、吸気および排気バルブ並びにそれらの開閉機構と共に縦断面で示す模式図である。

本発明の実施の形態に係るバルブスプリングの振動抑制機構１０を説明するにあたり、従来の内燃機関の燃焼室およびこの燃焼室に設けられるバルブシステムの構成を図４により説明する。図４は、従来のＤＯＨＣエンジンの燃焼室を、吸気および排気バルブ並びにそれらの開閉機構と共に縦断面で示す模式図である。

図示のように、燃焼室１００には燃焼室１００にガソリンと空気の混合気体を供給する吸気配管１０２と、燃え終わった排ガスを燃焼室１００から排出する排気配管１０４とが接続されており、各配管と燃焼室１００とは吸気バルブ１０６および排気バルブ１０８とで仕切られている。

吸気バルブ１０６および排気バルブ１０８は、バルブシステムにより開閉されるが、両者の構成は一致するので、排気バルブ１０８を開閉するバルブシステムについてここでは説明することとし、吸気バルブ１０６を開閉するバルブシステムについてはその説明を省略する。

排気バルブ１０８は、排気弁を形成するバルブヘッド１０８ａと軸体部分であるステム１０８ｂとからなり、ステム１０８ｂの上端はリテーナ１１０に取り付けられ、リテーナ１１０とシリンダヘッド１１２の上部に固定されたスプリングシート１１４との間にコイルばねであるバルブスプリング１１６が圧縮状態で介装されている。

したがって、図４に示すように、ステム１０８ｂがバルブスプリング１１６のコイルの内部を挿通しており、バルブスプリング１１６の付勢力により排気バルブ１０８は閉方向に付勢されている。

リテーナ１１０の上部にはスイングアーム式のロッカーアーム１１８が設けられている。ロッカーアーム１１８の上部にはカム（第一カム１２２）の外周面が当接しており、カムはカムシャフト１２０と共に回転する。

したがって、カムシャフト１２０の回転によりカム山１２２ａがロッカーアーム１１８を介してバルブスプリング１１６の付勢力に抗して排気バルブ１０８を開位置まで押し下げる。さらにカムシャフト１２０が回転し、カムのベースサークル１２２ｂ部分がロッカーアーム１１８のローラー１１８ａと当接するようになるとバルブスプリングの付勢力により排気バルブ１０８は閉位置まで上昇する。

吸気バルブ１０６についても同様である。したがって、カムシャフト１２０の回転に従って吸気バルブ１０６および排気バルブ１０８が時間差で開閉動作を行うことで、吸入、圧縮、爆発、排気の４工程を繰り返す４サイクルエンジンにおいて、的確なタイミングでその吸入工程でガソリンと空気の混合ガスを燃焼室に供給し、且つ排気工程で燃え終わった排ガスを燃焼室外に排出することができる。

次に、本発明の実施の形態に係るバルブスプリングの振動抑制機構１０を、ＤＯＨＣエンジンの燃焼室に設けられた排気バルブ１０８におけるバルブスプリングの振動抑制機構として、図１～３に基づいて説明する。図１は本発明の実施の形態に係るバルブスプリングの振動抑制機構１０を示す模式図、図２は図１の一方のバルブスプリングの振動抑制機構１０の拡大図、図３はバルブが閉位置に在る時の、バルブスプリングの振動抑制機構１０を示す拡大図である。なお、図１は、図４の矢印Ａ方向を見た矢視図であり、排気配管１０４の記載を省略している。また、図１および図２において、排気バルブ１０８は開位置に在る。

図１および図２に示すように、本発明のバルブスプリングの振動抑制機構１０は、カムシャフト１２０の回転に伴ってエンジン（内燃機関）の燃焼室１００を開閉する排気バルブ１０８を閉方向に付勢するバルブスプリング１１６の径方向外方に位置する弾性体１２と、弾性体１２をバルブスプリング１１６の径方向でこのバルブスプリング１１６に当接する当接位置と離反する離反位置との間で往復移動させる往復移動手段１４と、を有する。

弾性体１２は、往復手段１４に取り付けられており、弾性を有する物体であればどのようなものであってもよく、例えば、樹脂、皮、繊維、木材、金属などが挙げられる。中でも、弾性体１２がエラストマーであることが好ましい。

エラストマーとしては、例えば、天然ゴム、合成ゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴムなどのゴム、ポリスチレン系、オレフィン／アルケン系、ポリ塩化ビニル系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系熱可塑性樹脂などが挙げられる。

往復移動手段１４は、排気バルブ１０８の開閉方向の移動に同期して弾性体１２を往復移動させ、且つ排気バルブ１０８が閉方向に移動するときにのみ弾性体１２を前記当接位置に移動させる。

本実施の形態において、バルブスプリングの振動抑制機構１０はさらにリンク機構２０を有し、往復移動手段１４は、先端に弾性体１２が取り付けられ、基端がこのリンク機構２０に接続されたピストン１６である。

さらに、本実施の形態において、ピストン１６は、内燃機関の構成部材であるシリンダヘッド１１２上部に固定されたシリンダ１８内を摺動する。

本実施の形態において、バルブスプリングの振動抑制機構１０はさらにカムシャフト１２０の排気バルブ１０８の開閉用の第一カム１２２に隣接する第二カム３０を有し、リンク機構２０は、第二カム３０のカムロブ３０ａに起因した上下動をバルブスプリング１１６の径方向への往復移動へと変換する。

リンク機構２０は、本実施の形態では、図２に示すように、ピン２０ａがシリンダヘッド１１２の上部に固定され、ハンドル２０ｂに上下方向（矢印２１０参照）の力を作用させることで従動ピン２０ｃを水平方向、すなわち、バルブスプリング１１６の径方向（矢印２００参照）に移動させるスコットラッセルリンク機構である。ハンドル２０ｂとシリンダヘッド１１２との間にはコイルばね２０ｄが設けられており、したがって、ハンドル２０ｂはこのコイルばね２０ｄにより図示上方へと付勢されている。なお、このリンク機構は一例にすぎず、第二カム３０のカムロブ３０ａに起因した上下動をバルブスプリング１１６の径方向への往復移動へと変換するリンク機構であれば、周知の任意のリンク機構を採用することができる。

したがって、図２に示すように、排気バルブ１０８の開閉方向の移動に同期して弾性体１２のバルブスプリング１１６の径方向への往復移動が、第二カム３０のカムロブ３０ａに起因した上下動がリンク機構２０を介して先端に弾性体１２が取り付けられたピストン１６のバルブスプリング１１６の径方向への往復移動へと変換されることによりなされる。

したがって、本発明のバルブスプリングの振動抑制機構１０によれば、弾性体１２はバルブスプリング１１６に取り付けられた部材ではないので、バルブスプリング１１６のサージングの抑制が必要なタイミングで弾性体１２をバルブスプリング１１６の側部に当接させることができ、従来よりも効果的にバルブスプリング１１６のサージングを抑制することができる。

さらに、図３に示すように、弾性体１２は排気バルブ１０８が閉位置に在るときのみバルブスプリング１１６の側部に当接し、図２に示すように、バルブスプリング１０８が開位置に在るときには第二カム３０のカムロブ３０ａがハンドル２０ａから離れることから、コイルばね２０ｄの作用によりハンドルが上方へと移動し、したがって弾性体１２はピストン１６と共にバルブスプリング１１６の径方向外方へと移動し、バルブスプリング１１６に当接しない。よって、弾性体１２は、バルブスプリング１１６の圧縮動作を阻害せず、かつその圧縮動作による影響を受けない。

さらに、クランクシャフト（図示せず）の回転に連動するカムシャフト１２０に設けた第二カム３０およびリンク機構２０を介して往復移動手段１４が、弾性体１２がバルブスプリング１１６に当接する当接位置と離反する離反位置との間で往復移動するので、バルブスプリング１１６に適切なタイミングで弾性体１２を当接させることが容易であり、且つ動力もエンジンから得ることができるので、前記往復移動のために追加の動力装置を設ける必要もない。

そのうえ、ピストン１６が内燃機関の構成部材であるシリンダヘッド１１２上部に固定されたシリンダ１８内を摺動することから、ピストン１６の往復移動がより安定する。

また、弾性体１２がエラストマーであることで、金属製のばねなどの弾性体を利用する場合と比べてバルブスプリング１１６の振動をより効果的に吸収でき、サージングを効果的に抑制することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されることはなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

例えば、上記実施の形態においては、バルブスプリングの振動抑制機構１０が第二カム３０およびリンク機構２０を有し、ピストン１６（往復移動手段１４）が第二カム３０およびリンク機構２０を介して弾性体１２を往復移動させるが、第二カム３０およびリンク機構２０の構成は必須ではない。

すなわち、本発明のバルブスプリングの振動抑制機構が、第二カム３０およびリンク機構２０を有する代わりに、アクチュエータと、排気バルブの開閉を検知するセンサと、アクチュエータの作動を制御する制御部とを有し、このアクチュエータにより弾性体１２が取り付けられたピストン１６（往復移動手段１４）を往復移動させることとしてもよい。

制御部は、ＣＰＵなどを備えたコンピュータであり、プログラムを展開して対応する処理をＣＰＵに実行させる。この場合、プログラムは、例えば、センサが排気バルブが閉位置に来たことを検知した時にアクチュエータに信号を送り、アクチュエータを作動させるプログラムである。

これにより、排気バルブが閉位置にあるタイミングでピストン１６（往復移動手段１４）がバルブスプリング１１６の径方向でバルブスプリングに当接する当接位置に弾性体１２を移動させ、バルブスプリング１１６のサージングを抑制することができる。

さらに、上記実施の形態において、本発明の実施の形態に係るバルブスプリングの振動抑制機構１０を、排気バルブ１０８のバルブスプリングの振動抑制機構として説明しているが、吸気バルブ１０６のバルブスプリングの振動抑制機構についても同様に適用可能である。

また、上記実施の形態において、弾性体１２は、排気バルブ１０８が閉位置に来る度にバルブスプリング１１６の側部に毎回当接しているが、例えば、排気バルブ１０８が閉位置に３回来る度にバルブスプリング１１６の側部に１回当接することとしてもよい。

具体的には、カムシャフト１２０とリンク機構との間にギヤ比１：３でギヤを介在させることで、排気バルブ１０８が閉位置に３回来る度にバルブスプリング１１６の側部に１回当接する機構を機械的に実現できる。また、アクチュエータを用いる場合には、排気バルブ１０８が閉位置に３回来る度にアクチュエータに信号を送り、アクチュエータを作動させて弾性体１２を当接位置に移動させるプログラムを制御部が備えることとすればよい。

そのうえ、上記実施の形態において、ＤＯＨＣエンジンの燃焼室に設けられた排気バルブ１０８のバルブスプリングの振動抑制機構として説明しているが、この形態に限られるものではない。例えば、ＳＯＨＣ（シングルオーバーヘッドカムシャフト）エンジンなどの他のＯＨＣ（オーバーヘッドカムシャフト）エンジン、ＳＶ（サイドバルブ）エンジン、およびＯＨＶ（オーバーヘッドバルブ）エンジンなど、バルブシステムにより吸気および排気を行う全てのエンジンに対して本発明のバルブスプリングの振動抑制機構を適用することができる。

１０ バルブスプリングの振動抑制機構
１２ 弾性体
１６（１４） ピストン（往復移動手段）
１８ シリンジ
２０ リンク機構
３０ 第二カム
３０ａ カムロブ
１００ 燃焼室
１２０ カムシャフト
１０６ 吸気バルブ
１０８ 排気バルブ
１１２ シリンダヘッド（内燃機関の構成部材）
１１６ バルブスプリング
１２２ 第一カム

Claims (4)

1. カムシャフトの回転に伴って内燃機関の燃焼室を開閉する吸気または排気バルブを閉方向に付勢するバルブスプリングの径方向外方に位置する弾性体と、該弾性体を前記バルブスプリングの径方向で該バルブスプリングに当接する当接位置と離反する離反位置との間で往復移動させる往復移動手段と、を有し、
   前記往復移動手段は、前記吸気または排気バルブの開閉方向の移動に同期して前記弾性体を往復移動させ、且つ前記吸気または排気バルブが閉方向に移動するときにのみ前記弾性体を前記当接位置に移動させることを特徴とするバルブスプリングの振動抑制機構。
2. 前記カムシャフトの前記吸気または排気バルブの開閉用の第一カムに隣接して設けられた第二カムと、
   該第二カムのカムロブに起因した上下動を、前記バルブスプリングの径方向への往復移動へと変換するリンク機構と、をさらに有し、
   前記往復移動手段は、先端に前記弾性体が取り付けられ、基端が前記リンク機構に接続されたピストンであり、
   前記吸気または排気バルブの開閉方向の移動に同期した前記弾性体の前記バルブスプリングの径方向への往復移動が、前記第二カムのカムロブに起因した上下動が前記リンク機構を介して先端に前記弾性体が取り付けられた前記ピストンの前記バルブスプリングの径方向への往復移動へと変換されることによりなされることを特徴とする請求項１に記載のバルブスプリングの振動抑制機構。
3. 前記ピストンが、前記内燃機関の構成部材に固定されたシリンダ内を摺動することを特徴とする請求項２に記載のバルブスプリングの振動抑制機構。
4. 前記弾性体がエラストマーであることを特徴とする請求項１～３の何れか一項に記載のバルブスプリングの振動抑制機構。

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