JP3933229B2 - 内燃機関の吸排気弁駆動制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の運転状態に応じて吸気弁・排気弁の開閉時期や作動角を可変制御する吸排気弁駆動制御装置に関する。特に、一対のピンを介して駆動軸とカムシャフトとを連動させる環状ディスクの偏心により、バルブ作動角を狭めることができる吸排気弁駆動制御装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
吸気弁・排気弁の開閉時期や作動角を可変制御する装置は、従来から種々の形式のものが提供されているが、その一つとして例えば実開昭５７−１９８３０６号公報や特開平６−２５１５号公報に記載されているものがある。
【０００３】
これは一種のオルダム継手のような不等速軸継手を利用したもので、機関の回転に同期して駆動される駆動軸の外周に円筒状のカムシャフトを配置し、かつ駆動軸に対しカムシャフトを不等速回転させることで、実際のバルブリフト特性をカムプロフィールに対し変化させる構成となっている。詳しくは、上記カムシャフトは一端部にフランジ部を有し、かつこれに対向するように、駆動軸側にもフランジ部が設けられている。そして、両フランジ部の間に環状ディスクが介装されており、該環状ディスクに、それぞれ１８０゜離れた位置でかつ反対側へ向かって突出する一対のピンが設けられている。これらのピンは、それぞれ、各フランジ部に半径方向に形成された係合溝に係合している。上記環状ディスクが、駆動軸およびカムシャフトと同心位置にあれば、カムシャフトは駆動軸に対し等速で回転するが、偏心位置にある場合には、カムシャフトが不等速回転する。このカムシャフトの不等速回転に伴ってカムによる吸排気弁の開時期および閉時期が変化するのである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにカムシャフトが不等速回転する形式の吸排気弁駆動制御装置においては、カムシャフトの不等速回転に伴って、吸排気弁の運動の最大正加速度が等速回転時よりも大幅に増大する場合がある。このように最大正加速度が過度に大きくなると、動弁系各部の摩耗とりわけ連動機構となるピンと係合溝との接触面での摩耗が促進され、好ましくない。
【０００５】
図９は、一例として立ち上がり側と立ち下がり側とが対称形状をなすカムプロフィールについて、偏心時に想像線のように対称形状を保ったままバルブ作動角が縮小する場合における加速度変化を示している。この図に示すように、バルブ作動角の縮小に伴ってバルブリフト特性が急峻なものとなるので、最大正加速度は増大する。
【０００６】
この発明の目的は、吸排気弁の運動の正加速度が、カムシャフトの不等速回転時にも過度に増大しないようにすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、機関の回転に同期して回転する駆動軸と、この駆動軸と同軸上に配設され、かつ吸排気弁を駆動するカムを外周に有するカムシャフトと、このカムシャフト側に設けられ、かつ半径方向に沿って係合溝が形成されたフランジ部と、このフランジ部に対向するように上記駆動軸側に設けられ、かつ半径方向に沿って係合溝が形成されたフランジ部と、上記両フランジ部の間に配設された環状ディスクと、この環状ディスクの両側部に互いに反対方向に突設されて、上記両フランジ部の各係合溝内に夫々係合するピンと、上記環状ディスクを回転自在に保持するとともに、軸直角方向に沿って揺動可能な制御環と、上記制御環を機関運転状態に応じて揺動させる駆動機構と、を備え、かつ上記駆動機構を介して上記環状ディスクの回転中心を上記駆動軸の回転中心から一方へ偏心させたときに、同心時に比較してバルブ作動角が狭くなるように構成した内燃機関の吸排気弁駆動制御装置において、
上記の偏心時において上記駆動軸の角速度よりも上記カムシャフトの角速度が大となるクランク角の区間でバルブリフト加速度が正となる場合に、その正加速度のピークの位置を、正加速度区間内でカムシャフトの角速度が小さい位置に設定したことを特徴としている。
【０００８】
より具体化した請求項２においては、上記カムシャフトのカムのプロフィールを、開弁時の正加速度区間における正加速度ピーク位置が、当該区間の中の初期となるように設定したことを特徴としている。
【０００９】
すなわち、環状ディスクの中心が駆動軸の中心と合致している同心位置では、カムシャフトは上記環状ディスク等を介して駆動軸に同期して等速で、つまり位相差なしで回転する。この状態では、カムリフト特性に沿ってバルブリフト特性が得られる。
【００１０】
一方、駆動機構によって環状ディスクが一方へ揺動した状態では、環状ディスクの中心が駆動軸の中心から偏心するため、駆動軸とカムシャフトとが不等速で連動するようになり、回転中に位相差を生じる。これにより、バルブ作動角が小さくなる。
【００１１】
図１０は、この種の形式の吸排気弁駆動制御装置における駆動軸とカムシャフトとの回転位相差および両者の角速度比の特性を示している。具体的には、駆動軸の位相をθＤ、角速度をｄθＤ、カムシャフトの位相をθＣ、角速度をｄθＣとして、位相差（θＣ−θＤ）および角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）を示している。この図に示すように、駆動軸が１回転する間に、位相差（θＣ−θＤ）は、最大から最小に変化し、かつ位相が常に変化しない２つの同位相点（Ｐ１，Ｐ２）が存在する。また、角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）も、駆動軸が１回転する間に、最大から最小に変化するが、特に、位相差が負から正へ変化する同位相点Ｐ２において角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）が最大となり、逆に、位相差が正から負へ変化する同位相点Ｐ１において角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）が最小となる。
【００１２】
位相差（θＣ−θＤ）が負であるＰ１〜Ｐ２の領域では、カムシャフトのカム作用は相対的に遅れるものとなり、逆に、位相差が正であるＰ２〜Ｐ１の領域では、カムシャフトのカム作用は相対的に進む。従って、環状ディスクの偏心時にバルブ作動角が小さくなるためには、図中に例示するように、同位相点Ｐ２の付近にカムが形成される。つまり、一般に、角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）が１以上の領域にカムプロフィールが設けられる。このように、角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）が１以上の領域においては、カムによって生じるバルブ運動の加速度は、それだけ大きなものとなる。詳しくは、加速度は、角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）の２乗に比例する。
【００１３】
そのため、例えばカムプロフィールの立ち上がりが図１０のように角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）の増加領域にある場合には、正加速度のピーク位置がなるべく正加速度区間の中の初期にあることが好ましい。つまり、正加速度のピーク位置が遅くなると、それだけ角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）が増加するため、これに伴って最大正加速度が大となる。また、カムプロフィールの立ち下がりが図１０のように角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）の減少領域にある場合には、この立ち上がり区間での正加速度のピーク位置がなるべく正加速度区間の中の後期にあることが好ましい。つまり、正加速度のピーク位置が早いと、それだけ角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）が増加するため、これに伴って最大正加速度が大となる。
【００１４】
従って、角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）の増加もしくは減少傾向を考慮して正加速度のピーク位置を設定することにより、偏心時における最大正加速度の増大を可及的に抑制できる。
【００１５】
【発明の効果】
この発明に係る内燃機関の吸排気弁駆動制御装置によれば、環状ディスクの偏心によってバルブ作動角を狭めた場合でも、最大正加速度の増大を最小限に抑制でき、ピンと係合溝との間の摩耗を抑制できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明に係る吸排気弁駆動制御装置の一実施例を図１〜図６に基づいて説明する。図において、２１は図外の機関クランク軸からスプロケットを介して回転力が伝達される駆動軸、２２は該駆動軸２１の外周に一定の隙間をもって配置され、かつ駆動軸２１の中心Ｘと同軸上に設けられた中空円筒状のカムシャフトである。上記駆動軸２１は、機関前後方向に延設されていると共に、中空状に形成されている。またカムシャフト２２は、各気筒毎に分割して構成されている。
【００１７】
上記カムシャフト２２は、図示せぬシリンダヘッド上端部のカム軸受に回転自在に支持されていると共に、図２に示すように、外周の所定位置に、各気筒一対の吸気弁２３をバルブスプリング２４のばね力に抗してバルブリフター２５を介して開作動させる一対のカム２６が一体に設けられている。また、カムシャフト２２は、上述したように複数個に分割形成されているが、その一方の分割端部に、フランジ部２７が設けられている。また、この複数に分割されたカムシャフト２２の端部間に、それぞれスリーブ２８と環状ディスク２９が配置されている。上記フランジ部２７は、図４にも示すように、中空部から半径方向に沿った細長い矩形状の係合溝３０が形成されていると共に、環状ディスク２９の一方の表面に摺接するフランジ面２７ａを有している。
【００１８】
上記スリーブ２８は、小径な一端部がカムシャフト２２の他方の分割端部内に回転自在に挿入されている共に、駆動軸２１外周に嵌合しており、かつ直径方向に貫通した連結ピン３１を介して該駆動軸２１に連結固定されている。また、スリーブ２８の他端部に設けられたフランジ部３２は、カムシャフト２２側のフランジ部２７と対向して位置し、かつ図５にも示すように、半径方向に沿った細長い矩形状の係合溝３３が形成されていると共に、外周面に環状ディスク２９の他方の表面に摺接するフランジ面２８ａを有している。上記係合溝３３は、カムシャフト２２側フランジ部２７の係合溝３０と１８０°異なる反対側に配置されている。
【００１９】
上記環状ディスク２９は、略ドーナツ板状を呈し、内径がカムシャフト２２の内径と略同径に形成されていて、駆動軸２１の外周面との間に環状の隙間部Ｓが形成されていると共に、小巾の外周部２９ａが環状のベアリングメタル３４を介して制御環３５の内周面に回転自在に保持されている。また、互いに１８０°異なる直径線上の対向位置にそれぞれ保持孔２９ｂ，２９ｃが貫通形成されており、該保持孔２９ｂ，２９ｃには、各係合溝３０，３３に係合する一対のピン３６，３７が嵌合配置されている。この各ピン３６，３７は、互いにカムシャフト軸方向へ逆向きに突出しており、円筒面からなる基部が保持孔２９ｂ，２９ｃ内に回転自在に嵌合支持されていると共に、環状ディスク２９表面から突出する先端部に、図４及び図５に示すように、上記係合溝３０，３３の対向内面３０ａ，３０ｂ、３３ａ，３３ｂと当接する２面巾状の平面部３６ａ，３６ｂ、３７ａ，３７ｂが形成されている。また、上記ピン３６，３７の軸方向への位置決めは、突出方向については、ピン３６，３７の円筒面と上記平面部３６ａ，３６ｂ、３７ａ，３７ｂとの間に生じる段部３６ｃ，３７ｃとフランジ面２７ａ，２８ａとの当接により、また後退方向については、上記保持孔２９ｂ，２９ｃを貫通したピン３６，３７の基端面３６ｄ，３７ｄとフランジ面２８ａ，２７ａとの当接により、それぞれ行われる。
【００２０】
上記制御環３５は、略円環状をなすとともに、図２に示すように、外周の一部にボス部３５ａを有し、該ボス部３５ａを貫通した揺動軸３８を支点として、駆動軸２１の軸方向と直交する面に沿って上下に揺動自在に構成されている。またボス部３５ａと反対側の外周面にレバー部３５ｂが半径方向に沿って突設されており、該レバー部３５ｂを介して駆動機構３９により揺動位置が制御されるようになっている。
【００２１】
上記駆動機構３９は、図２及び図６に示すように、シリンダヘッドの所定部位に互いに対向して形成された第１，第２シリンダ４０，４１と、各シリンダ４０，４１内に出没自在に嵌合した油圧ピストン４２及びリテーナ４３と、上記第１シリンダ４０内に画成される油圧室４０ａに油圧を給排して油圧ピストン４２を進退させる油圧回路４４とを備えている。上記油圧ピストン４２及びリテーナ４３は、互いに対向し、かつ両者の先端の間で、上記レバー部３５ｂの円弧状先端部を上下方向から挾持するようになっている。
【００２２】
上記第２シリンダ４１内に設けられたリテーナ４３は、略有底円筒状に形成され、第２シリンダ４１内に配設されたコイルスプリング４５のばね力で突出方向に付勢されている。また、このリテーナ４３は、ストッパ部４１ｂにより後退位置が規制されるようになっており、このストッパ部４１ｂに当接した最大後退位置つまり油圧ピストン４２の最大突出位置において、環状ディスク２９の回転中心Ｙと駆動軸２１の中心Ｘとが同心状態となるように設定されている。尚、図２の符号４１ｃはエア抜き孔を示す。
【００２３】
ここで、カム２６のプロフィールは、詳細には図示していないが、ベースサークル部からカムノーズ部へ移行する立ち上がり部分では、後述するように、正加速度のピーク位置が正加速度区間の初期に位置するように設定され、逆に、カムノーズ部からベースサークル部へ移行する立ち下がり部分では、正加速度のピーク位置が正加速度区間の後期に位置するように設定されている。
【００２４】
上記油圧回路４４は、一端部が機関のオイルパン４６内に、他端部が油圧室４０ａにそれぞれ連通した油通路４７と、該油通路４７のオイルパン４６側に設けられたオイルポンプ４８と、該オイルポンプ４８の下流側に設けられた３ポート２位置型の電磁切換弁４９とから主として構成されている。尚、この油圧回路４４は、一般に機関潤滑系統を利用して構成され、オイルポンプ４８等を機関潤滑系統と共用したものとなる。上記電磁切換弁４９は、機関回転数や吸入空気量等の運転条件信号に基づいてコントローラ５０により切換制御される。そして、該電磁切換弁４９がＯＮ作動すると、油通路４７が連通して、油圧室４０ａに油圧が供給され、ＯＦＦ作動すると油通路４７下流部分とドレン通路５１とが連通して油圧を解放するようになっている。尚、機関停止時には、電磁切換弁４９は、ＯＦＦ状態に保たれる。
【００２５】
次に、上記のように構成された実施例の作用について説明する。
【００２６】
先ず、機関の所定の運転領域、例えば高速側の領域では、コントローラ５０から電磁切換弁４９にＯＮ信号が出力される。これにより、オイルポンプ４８から油通路４７に圧送された作動油はそのまま油圧室４０ａに供給される。従って、該油圧室４０ａの内圧上昇に伴い油圧ピストン４２が図２，図６の実線で示すようにコイルスプリング４５のばね力に抗してレバー部３５ｂを限界位置まで押し下げるので、制御環３５つまり環状ディスク２９の回転中心Ｙと駆動軸２１の中心Ｘが合致する。この場合は、環状ディスク２９と駆動軸２１との間に回転位相差は生じず、またカムシャフト２２の中心と環状ディスク２９の中心Ｙも合致しているため、両者２２，２９間の回転位相差も生じない。そのため、駆動軸２１，環状ディスク２９およびカムシャフト２２の３者は、ピン３６，３７を介して等速で同期回転する。この結果、図７の（Ａ）の実線に示すようなバルブリフト特性が得られる。このバルブリフト特性は、カムリフト特性に基本的に対応したものであり、これに伴って、図７（Ｂ）に実線で示すような加速度が生じる。ここで、図示するように、正加速度のピーク位置は、正加速度区間の中の初期に位置している。つまり、このような加速度特性となるように、カムプロフィールが設定されているのである。
【００２７】
一方、機関の他の運転領域、例えば低速側の領域では、コントローラ５０から電磁切換弁４９にＯＦＦ信号が出力される。これにより、油通路４７の上流側を遮断すると共に、油通路４７の下流側とドレン通路５１とが連通される。このため、油圧室４０ａ内の油圧が解放され、油圧ピストン４２がバルブスプリング２４及びコイルスプリング４５のばね力で後退する。従って、制御環３５は、図２，図６の一点鎖線で示すようにリテーナ４３により押し上げられる形となり、揺動軸３８を支点として上方へ揺動して、環状ディスク２９の中心Ｙが駆動軸２１の中心Ｘから偏心する。この状態では、スリーブ２８の係合溝３３とピン３７並びにカムシャフト２２の係合溝３０とピン３６との摺動位置が駆動軸２１の１回転毎に移動し、環状ディスク２９の角速度が変化する不等速回転になる。なお、図８は、この偏心時における各部の位置関係を示した説明図である。
【００２８】
これにより、前述したように、駆動軸２１とカムシャフト２２との間で位相差が生じるため、図７の（Ａ）に想像線で示すようなバルブリフト特性が得られ、その作動角は小さくなる。この偏心時においては、図７（Ｂ）に想像線で示すような加速度が生じる。この加速度は、バルブリフト特性が急峻となることから、同心時よりは大きくなるものの、前述したように、正加速度のピーク位置が、正加速度区間の中の初期に位置しているため、最大正加速度の増大が最小限に抑制される。
【００２９】
図７の右半部には、比較例として、正加速度のピーク位置が、正加速度区間の中の後期に位置しているカムプロフィールの場合の特性を示している。このようなカムプロフィールにおいては、環状ディスク２９が偏心した状態では、カムシャフト２２の角速度が一層増大している段階で正加速度のピークを迎えるので、想像線で示すように、最大正加速度が一層大きなものとなる。つまり、本実施例の特性に比較して、ΔＧだけ最大正加速度が増加してしまう。
【００３０】
またカムプロフィールの立ち下がり側については、図示していないが、本実施例では、正加速度のピーク位置が正加速度区間の後期に位置するように設定することで、偏心時にカムシャフト２２の角速度が比較的遅くなった段階で正加速度のピークを迎えることができ、やはり、最大正加速度の増加を最小限に抑制できる。
【００３１】
なお、上記各実施例では、環状ディスク２９が同心位置と偏心位置の２位置にのみ切り換えられるものとして説明したが、環状ディスク２９の偏心量を連続的もしくは段階的に可変制御する場合でも同様である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の要部を示す一部破断図。
【図２】図１のＡ矢視図。
【図３】本実施例の要部を示す平面図。
【図４】図３のＢ−Ｂ線断面図。
【図５】図３のＣ−Ｃ線断面図。
【図６】駆動機構の構成を示す概略図。
【図７】同心時ならびに偏心時におけるバルブリフト特性および加速度特性を、本実施例と比較例とで対比して示す特性図。
【図８】偏心時におけるピン等の位置関係を示す説明図。
【図９】バルブリフト特性と加速度との関係の一例を示す特性図。
【図１０】駆動軸とカムシャフトとの回転位相差および角速度比の特性を対比して示す特性図。
【符号の説明】
２１…駆動軸
２２…カムシャフト
２６…カム
２７…フランジ部
３２…フランジ部
２９…環状ディスク
３０，３３…係合溝
３６，３７…ピン
３９…駆動機構。

Claims (2)

1. 機関の回転に同期して回転する駆動軸と、
   この駆動軸と同軸上に配設され、かつ吸排気弁を駆動するカムを外周に有するカムシャフトと、
   このカムシャフト側に設けられ、かつ半径方向に沿って係合溝が形成されたフランジ部と、
   このフランジ部に対向するように上記駆動軸側に設けられ、かつ半径方向に沿って係合溝が形成されたフランジ部と、
   上記両フランジ部の間に配設された環状ディスクと、
   この環状ディスクの両側部に互いに反対方向に突設されて、上記両フランジ部の各係合溝内に夫々係合するピンと、
   上記環状ディスクを回転自在に保持するとともに、軸直角方向に沿って揺動可能な制御環と、
   上記制御環を機関運転状態に応じて揺動させる駆動機構と、
   を備え、かつ上記駆動機構を介して上記環状ディスクの回転中心を上記駆動軸の回転中心から一方へ偏心させたときに、同心時に比較してバルブ作動角が狭くなるように構成した内燃機関の吸排気弁駆動制御装置において、
   上記の偏心時において上記駆動軸の角速度よりも上記カムシャフトの角速度が大となるクランク角の区間でバルブリフト加速度が正となる場合に、その正加速度のピークの位置を、正加速度区間内でカムシャフトの角速度が小さい位置に設定したことを特徴とする内燃機関の吸排気弁駆動制御装置。
2. 上記カムシャフトのカムのプロフィールを、開弁時の正加速度区間における正加速度ピーク位置が、当該区間の中の初期となるように設定したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の吸排気弁駆動制御装置。

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