JP2024055005A - カムシャフト - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関において、バルブ開閉制御の自由度を確保しつつ、カムシャフトのトルク変動を抑制する。
【解決手段】カムシャフト５、６は、カムシャフトの軸線方向において互いに離間された複数のカム５１、６１を備える。複数のカムは、非対称なリフトカーブを有し、第１の気筒に配置された弁７、８を開閉する第１のカムによって生成された負のカムトルクのピーク位置が、第２の気筒に配置された弁を開閉する第２のカムによって正のカムトルクが生成される位相区間に含まれるように形成され、又は第１の気筒に配置された弁を開閉する第１のカムによって生成された正のカムトルクのピーク位置が、第２の気筒に配置された弁を開閉する第２のカムによって負のカムトルクが生成される位相区間に含まれるように形成されている。
【選択図】図３

Description

本発明はカムシャフトに関する。

内燃機関では、タイミングチェーンのような伝動装置を介してクランクシャフトによって回転駆動されるカムシャフトによって弁（吸気弁及び排気弁）の開閉動作が行われる。カムシャフトのカムが弁を開く位相区間では正のカムトルクが生じ、カムシャフトのカムが弁を閉じる位相区間では負のカムトルクが生じる。

カムシャフトの回転時におけるカムトルクの変動が大きくなると、伝動装置に掛かる張力の変動が大きくなり、伝動装置のバタつきや耐久性低下を招く。これに対して、特許文献１に記載の内燃機関では、１サイクルにおいてメインリフト及びサブリフトの二回のバルブリフトが一つのカムによって実施され、メインリフトにより生じるカムトルクがサブリフトにより生じる逆方向のカムトルクにより相殺されるようにカムシャフトが形成されている。

特開２０００－２５７４０８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の手法では、１サイクルにおける複数回のバルブ開閉が必須となり、バルブ開閉制御の自由度が低下する。

そこで、上記課題に鑑みて、本発明の目的は、内燃機関において、バルブ開閉制御の自由度を確保しつつ、カムシャフトのトルク変動を抑制することにある。

本開示の要旨は以下のとおりである。

（１）内燃機関において伝動装置を介してクランクシャフトによって回転駆動されるカムシャフトであって、当該カムシャフトの軸線方向において互いに離間された複数のカムを備え、前記複数のカムは、非対称なリフトカーブを有し、第１の気筒に配置された弁を開閉する第１のカムによって生成された負のカムトルクのピーク位置が、第２の気筒に配置された弁を開閉する第２のカムによって正のカムトルクが生成される位相区間に含まれるように形成され、又は第１の気筒に配置された弁を開閉する第１のカムによって生成された正のカムトルクのピーク位置が、第２の気筒に配置された弁を開閉する第２のカムによって負のカムトルクが生成される位相区間に含まれるように形成されている、カムシャフト。

（２）前記複数のカムは、最大リフト位置が開弁開始位置よりも閉弁完了位置に近い非対称なリフトカーブを有し、前記第１のカムによって生成された負のカムトルクのピーク位置が、前記第２のカムによって正のカムトルクが生成される位相区間に含まれるように形成されている、上記（１）に記載のカムシャフト。

（３）前記複数のカムは、前記第１のカムによって生成された負のカムトルクのピーク位置が、前記第２のカムによって生成された正のカムトルクのピーク位置と略一致するように形成されている、上記（１）又は（２）に記載のカムシャフト。

本発明によれば、内燃機関において、バルブ開閉制御の自由度を確保しつつ、カムシャフトのトルク変動を抑制することができる。

図１は、本発明の実施形態に係るカムシャフトが設けられた内燃機関を概略的に示す図である。 図２は、内燃機関の概略的な部分断面図である。 図３は、吸気弁のバルブリフト量と、吸気カムシャフトに生じるカムトルクとのタイミングチャートを示す図である。 図４は、吸気カムのカムプロフィールの一例を示す図である。 図５は、図４に示されるカムプロフィールを有する複数の吸気カムによって生成されるカムトルクの時間変化を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

図１は、本発明の実施形態に係るカムシャフトが設けられた内燃機関１を概略的に示す図である。内燃機関１は、ピストン２、コンロッド３、クランクシャフト４、吸気カムシャフト５、排気カムシャフト６、吸気弁７及び排気弁８を備える。

本実施形態では、内燃機関１は直列四気筒エンジンであり、内燃機関１には４つの気筒が形成されている。各気筒には、ピストン２と、２つの吸気弁７と、２つの排気弁８とが配置され、ピストン２の上側には燃焼室９が形成される。ピストン２はコンロッド３を介してクランクシャフト４に連結されている。燃焼室９における混合気の燃焼によりピストン２は気筒の軸線方向に往復運動し、ピストン２の往復運動がコンロッド３によってクランクシャフト４の回転運動に変換される。

吸気カムシャフト５の一端には吸気側タイミングスプロケット１０が設けられ、吸気側タイミングスプロケット１０は、タイミングチェーン１２を介して、クランクシャフト４に設けられたタイミングスプロケット１３に連結されている。タイミングスプロケット１３、タイミングチェーン１２及び吸気側タイミングスプロケット１０は、クランクシャフト４の回転運動を吸気カムシャフト５に伝達する伝動装置として機能する。吸気カムシャフト５はこれら伝動装置を介してクランクシャフト４によって回転駆動される。

排気カムシャフト６の一端には排気側タイミングスプロケット１１が設けられ、排気側タイミングスプロケット１１はタイミングチェーン１２を介してタイミングスプロケット１３に連結されている。タイミングスプロケット１３、タイミングチェーン１２及び排気側タイミングスプロケット１１は、クランクシャフト４の回転運動を排気カムシャフト６に伝達する伝動装置として機能する。排気カムシャフト６はこれら伝動装置を介してクランクシャフト４によって回転駆動される。なお、内燃機関１は伝動装置としてタイミングチェーン１２の代わりにタイミングベルトを備えていてもよい。

吸気カムシャフト５は、吸気カムシャフト５の軸線方向に互いに離間された複数の吸気カム５１を備える。本実施形態では、４つの気筒に配置された計８つの吸気弁７を開閉するために、８つの吸気カム５１が吸気カムシャフト５に設けられている。１番気筒に配置された２つの吸気弁７の上方に配置された２つの吸気カム５１は、１番気筒における２つの吸気弁７を同時に開閉する。２番気筒に配置された２つの吸気弁７の上方に配置された２つの吸気カム５１は、２番気筒における２つの吸気弁７を同時に開閉する。３番気筒に配置された２つの吸気弁７の上方に配置された２つの吸気カム５１は、３番気筒における２つの吸気弁７を同時に開閉する。４番気筒に配置された２つの吸気弁７の上方に配置された２つの吸気カム５１は、４番気筒における２つの吸気弁７を同時に開閉する。

排気カムシャフト６は、排気カムシャフト６の軸線方向に互いに離間された複数の排気カム６１を備える。本実施形態では、４つの気筒に配置された計８つの排気弁８を開閉するために、８つの排気カム６１が排気カムシャフト６に設けられている。１番気筒に配置された２つの排気弁８の上方に配置された２つの排気カム６１は、１番気筒における２つの排気弁８を同時に開閉する。２番気筒に配置された２つの排気弁８の上方に配置された２つの排気カム６１は、２番気筒における２つの排気弁８を同時に開閉する。３番気筒に配置された２つの排気弁８の上方に配置された２つの排気カム６１は、３番気筒における２つの排気弁８を同時に開閉する。４番気筒に配置された２つの排気弁８の上方に配置された２つの排気カム６１は、４番気筒における２つの排気弁８を同時に開閉する。

上記のように、本実施形態では、内燃機関１において吸気弁側及び排気弁側のそれぞれにカムシャフトが設けられる。すなわち、内燃機関１はいわゆるＤＯＨＣ（Double Over Head Camshaft）型の内燃機関である。以下、吸気弁側の動弁機構について詳細に説明するが、排気弁側の動弁機構は吸気弁側の動弁機構と同様の構成を有する。すなわち、排気カムシャフト６は吸気カムシャフト５と同様の構成を有する。

図２は、内燃機関１の概略的な部分断面図である。図２には、吸気弁７の周囲の断面図が示されている。内燃機関１は、吸気弁７を駆動する動弁機構を備える。動弁機構は、吸気カムシャフト５、バルブリフタ１４及びバルブスプリング１５を有する。本実施形態では、動弁機構は、吸気カムシャフト５の吸気カム５１がバルブリフタ１４を直接押圧するように構成された直打式（直動式）動弁機構である。

バルブリフタ１４は、円筒形状を有し、シリンダヘッド１６に形成されたガイド穴１６１に沿って摺動可能である。バルブリフタ１４の内面には、吸気弁７のバルブステム７１の端部が当接する。また、バルブステム７１の端部にはコッタ１７によってスプリングリテーナ１８が装着される。バルブスプリング１５はスプリングリテーナ１８とスプリングシート１９との間でバルブステム７１の軸線方向に延在する。

バルブステム７１はバルブガイド２０によって摺動自在に支持される。バルブスプリング１５は吸気弁７を吸気カムシャフト５側に付勢する。この結果、吸気弁７のバルブヘッド７２が、吸気通路と連通する吸気ポート２１の端部を閉じる。

吸気カム５１は、吸気カムシャフト５の軸部５２に固定され、吸気カムシャフト５の回転運動を吸気弁７の直線運動に変換する。吸気カムシャフト５の回転によって吸気カム５１がバルブリフタ１４に接触すると、吸気カムシャフト５の回転力が吸気カム５１を介してバルブリフタ１４に伝達される。この結果、バルブリフタ１４及び吸気弁７が吸気カムシャフト５から離れるように直線移動し、バルブヘッド７２が吸気ポート２１の端部を開く。したがって、クランクシャフト４の回転に伴って吸気カムシャフト５が回転することによって吸気弁７の開閉が行われる。

図３は、吸気弁のバルブリフト量と、吸気カムシャフトに生じるカムトルクとのタイミングチャートを示す図である。図３には、従来技術による比較例（破線）及び本実施形態による実施例（実線）のそれぞれについて、１番気筒（＃１）の吸気カムに関するデータと、１番気筒の次の３番気筒（＃３）の吸気カムに関するデータとが示されている。なお、バルブリフト量の時間変化はリフトカーブと称される。

吸気カムが吸気弁を開いているときには吸気カムシャフトに正のカムトルクが生じ、吸気カムが吸気弁を閉じているときには吸気カムシャフトに負のカムトルクが生じる。正のカムトルクは、吸気弁の開弁が開始される開弁開始位置と、吸気弁のバルブリフト量が最大となる最大リフト位置との間でピークとなる。一方、負のカムトルクは、最大リフト位置と、吸気弁の閉弁が完了する閉弁完了位置との間でピークとなる。なお、正のカムトルクとは、カムシャフトを回転させるのに必要なトルクを意味し、負のカムトルクとは、カムシャフトの回転を促進するトルクを意味する。

図３の例では、３番気筒の吸気弁７の開弁が開始するタイミングが、１番気筒の吸気弁７の閉弁が完了するタイミングよりも僅かに早い。図３に示されるように、比較例の吸気カムは、最大リフト位置（クランク角Ａ１）が開弁開始位置と閉弁完了位置との中間に位置する対称なリフトカーブを有し、３番気筒の吸気カムによって正のカムトルクが生成される前のタイミング（クランク角Ａ３）で、１番気筒の吸気カムによって生成される負のカムトルクがピークとなる。この場合、負のカムトルクのピーク位置において、負のカムトルクが正のカムトルクによって相殺されないため、吸気カムシャフトのトルク変動が大きくなる。この結果、タイミングチェーンのような伝動装置のバタつきや耐久性低下が促進される。

一方、実施例の吸気カムは、最大リフト位置（クランク角Ａ２）が開弁開始位置よりも閉弁完了位置に近い非対称なリフトカーブを有し、３番気筒の吸気カムによって正のカムトルクが生成されているタイミング（クランク角Ａ４）で、１番気筒の吸気カムによって生成される負のカムトルクがピークとなる。この場合、負のカムトルクのピーク位置において、負のカムトルクが正のカムトルクによって相殺されるため、比較例と比べて吸気カムシャフトのトルク変動が小さくなる。

すなわち、本実施形態では、複数の吸気カム５１は、最大リフト位置が開弁開始位置よりも閉弁完了位置に近い非対称なリフトカーブを有し、第１の気筒に配置された吸気弁７を開閉する第１の吸気カム５１によって生成された負のカムトルクのピーク位置が、第２の気筒に配置された吸気弁７を開閉する第２の吸気カム５１によって正のカムトルクが生成される位相区間に含まれるように形成されている。このことによって、負のカムトルクのピーク値（絶対値）を低減することができる。したがって、本実施形態に係る吸気カムシャフト５によれば、バルブ開閉制御の自由度を確保しつつ、吸気カムシャフト５のトルク変動を抑制することができる。

本実施形態では、複数の吸気カム５１は、上述したリフトカーブを得るために、以下のようなカムプロフィールを有する。図４は、吸気カム５１のカムプロフィールの一例を示す図である。本実施形態では、吸気カムシャフト５に設けられた複数の吸気カム５１は同一のカムプロフィールを有する。

図４に示されるように、吸気カム５１は、開弁側緩衝部５１ａ、開弁側揚程部５１ｂ、閉弁側揚程部５１ｃ及び閉弁側緩衝部５１ｄを有する。開弁側緩衝部５１ａ及び開弁側揚程部５１ｂは、最大リフト位置に相当するノーズトップＴよりも開弁側（回転方向前側）に位置し、吸気弁７の開弁に寄与する開弁側区間を形成する。一方、閉弁側揚程部５１ｃ及び閉弁側緩衝部５１ｄはノーズトップＴよりも閉弁側（回転方向後側）に位置し、吸気弁７の閉弁に寄与する閉弁側区間を形成する。開弁側緩衝部５１ａは回転角θａを有し、開弁側揚程部５１ｂは回転角θｂを有し、閉弁側揚程部５１ｃは回転角θｃを有し、閉弁側緩衝部５１ｄは回転角θｄを有する。

吸気カム５１は、回転角θａ及びθｂの和が回転角θｃ及びθｄの和よりも大きくなるように形成されている。言い換えれば、吸気カム５１は、開弁側区間が閉弁側区間よりも長くなるように形成されている。このため、開弁開始位置から最大リフト位置までのクランク角が最大リフト位置から閉弁完了位置までのクランク角よりも長くなり、最大リフト位置が閉弁側に偏ることになる。したがって、斯かるカムプロフィールを有する吸気カム５１によって、最大リフト位置が開弁開始位置よりも閉弁完了位置に近い非対称なリフトカーブが実現される。また、吸気カムシャフト５では、第１の気筒に配置された吸気弁７を開閉する第１の吸気カム５１によって生成された負のカムトルクのピーク位置が、第２の気筒に配置された吸気弁７を開閉する第２の吸気カム５１によって正のカムトルクが生成される位相区間に含まれるように、複数の吸気カム５１の位相が設定される。

図５は、図４に示されるカムプロフィールを有する複数の吸気カム５１によって生成されるカムトルクの時間変化を示す図である。図５には、１番気筒（＃１）～４番気筒（＃４）の吸気カム５１によって生成されるカムトルクが一点鎖線で示され、これら吸気カム５１によって吸気カムシャフト５に生じる合成カムトルクが実線で示されている。また、図５には、参考のために、１番気筒の吸気カム５１によって得られるリフトカーブの波形が破線で示されている。

図５のデータでは、１番気筒の吸気カム５１によって生成された負のカムトルクのピーク位置が、３番気筒の吸気カム５１によって生成された正のカムトルクのピーク位置と略一致し、３番気筒の吸気カム５１によって生成された負のカムトルクのピーク位置が、４番気筒の吸気カム５１によって生成された正のカムトルクのピーク位置と略一致し、４番気筒の吸気カム５１によって生成された負のカムトルクのピーク位置が、２番気筒の吸気カム５１によって生成された正のカムトルクのピーク位置と略一致し、２番気筒の吸気カム５１によって生成された負のカムトルクのピーク位置が、１番気筒の吸気カム５１によって生成された正のカムトルクのピーク位置と略一致している。すなわち、複数の吸気カム５１は、第１の気筒（例えば、１番気筒、３番気筒、４番気筒又は２番気筒）に配置された吸気弁７を開閉する第１の吸気カム５１によって生成された負のカムトルクのピーク位置が、第２の気筒（例えば、３番気筒、４番気筒、２番気筒又は１番気筒）に配置された吸気弁７を開閉する第２の吸気カム５１によって生成された正のカムトルクのピーク位置と略一致するように形成されている。このことによって、負のカムトルクのピーク値だけでなく正のカムトルクのピーク値も低減することができ、吸気カムシャフト５のトルク変動をより一層抑制することができる。なお、本明細書において、負のカムトルクのピーク位置が正のカムトルクのピーク位置と略一致するとは、ピーク位置の差が１０°以下であることを意味する。

なお、複数の吸気カム５１は、最大リフト位置が閉弁完了位置よりも開弁開始位置に近い非対称なリフトカーブを有し、第１の気筒に配置された吸気弁７を開閉する第１の吸気カム５１によって生成された正のカムトルクのピーク位置が、第２の気筒に配置された吸気弁７を開閉する第２の吸気カム５１によって負のカムトルクが生成される位相区間に含まれるように形成されてもよい。このことによって、正のカムトルクのピーク値を低減することができる。したがって、このような変形例によってもバルブ開閉制御の自由度を確保しつつ、吸気カムシャフト５のトルク変動を抑制することができる。この場合、例えば、吸気カム５１は、閉弁側区間が開弁側区間よりも長くなるように形成される。すなわち、図４に示されるカムプロフィールにおいて、回転角θｃ及びθｄの和が回転角θａ及びθｂの和よりも大きくされる。

また、複数の吸気カム５１は、最大リフト位置が閉弁完了位置よりも開弁開始位置に近い非対称なリフトカーブを有し、第１の気筒に配置された吸気弁７を開閉する第１の吸気カム５１によって生成された正のカムトルクのピーク位置が、第２の気筒に配置された吸気弁７を開閉する第２の吸気カム５１によって生成された負のカムトルクのピーク位置と略一致するように形成されてもよい。このことによって、吸気カムシャフト５のトルク変動をより一層抑制することができる。

なお、最大リフト位置を開弁開始位置よりも閉弁完了位置に近付けた場合には、最大リフト位置を閉弁完了位置よりも開弁開始位置に近付けた場合と比べて、開弁速度を緩めることができる。このため、前者の場合には、後者の場合と比べて、吸気弁７の実際の開閉動作が設計上のリフトカーブからずれることを抑制することができ、ひいては吸気弁７の開閉制御の安定性を高めることができる。

以上、本発明に係る好適な実施形態を説明したが、本発明はこれら実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載内で様々な修正及び変更を施すことができる。例えば、吸気弁７及び排気弁８が一つの気筒に一つずつ配置されてもよい。

また、吸気弁７及び排気弁８の開閉に用いられる動弁機構は、カムシャフトのカムがロッカーアームを介してバルブリフタを押圧するロッカーアーム式動弁機構であってもよい。また、内燃機関１は、１つのカムシャフトで吸気弁７及び排気弁８を開閉するＳＯＨＣ（Single Over Head Camshaft）型の内燃機関であってもよい。

１ 内燃機関
４ クランクシャフト
５ 吸気カムシャフト
５１ 吸気カム
６ 排気カムシャフト
６１ 排気カム
７ 吸気弁
８ 排気弁
１０ 吸気側タイミングスプロケット
１１ 排気側タイミングスプロケット
１２ タイミングチェーン
１３ タイミングスプロケット

Claims (3)

1. 内燃機関において伝動装置を介してクランクシャフトによって回転駆動されるカムシャフトであって、
   当該カムシャフトの軸線方向において互いに離間された複数のカムを備え、
   前記複数のカムは、非対称なリフトカーブを有し、第１の気筒に配置された弁を開閉する第１のカムによって生成された負のカムトルクのピーク位置が、第２の気筒に配置された弁を開閉する第２のカムによって正のカムトルクが生成される位相区間に含まれるように形成され、又は第１の気筒に配置された弁を開閉する第１のカムによって生成された正のカムトルクのピーク位置が、第２の気筒に配置された弁を開閉する第２のカムによって負のカムトルクが生成される位相区間に含まれるように形成されている、カムシャフト。
2. 前記複数のカムは、最大リフト位置が開弁開始位置よりも閉弁完了位置に近い非対称なリフトカーブを有し、前記第１のカムによって生成された負のカムトルクのピーク位置が、前記第２のカムによって正のカムトルクが生成される位相区間に含まれるように形成されている、請求項１に記載のカムシャフト。
3. 前記複数のカムは、前記第１のカムによって生成された負のカムトルクのピーク位置が、前記第２のカムによって生成された正のカムトルクのピーク位置と略一致するように形成されている、請求項１又は２に記載のカムシャフト。

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