JP4031973B2 - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、吸気あるいは排気バルブの駆動位相およびバルブリフト量を変化させることのできる内燃機関の可変動弁装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジン等の内燃機関の排出ガス対策あるいは燃費低減等のために、吸排気系のバルブの位相あるいはリフト量を、内燃機関の運転状態に応じて変化させることが知られている。そのための可変動弁装置として、油圧力によってカム位相を連続的に変化させるベーン式可変位相動弁装置が知られている。
【０００３】
また、内燃機関の運転状態に応じて複数種類のカムを切換えることにより、バルブの駆動位相とリフト量を運転状態に適合させるカム切換式の動弁装置も知られている。
【０００４】
あるいは、ステッピングモータによって駆動されるギヤと中間レバーおよびリターンスプリング等を用い、バルブの駆動位相とリフト量を変化させることができるようにした機械式の連続可変動弁装置も知られている。（例えば下記特許文献１を参照）
【０００５】
【特許文献１】
特許第３２４５４９２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ベーン式可変位相動弁装置は、ベーンの位置を変化させることによってバルブの駆動位相をずらすことができるが、バルブのリフト量を変化させることができない。
【０００７】
これに対しカム切換式の動弁装置や機械式の連続可変動弁装置は、リフト量と位相をずらすことができるが、カム切換式の動弁装置は複数種類のカムを必要とするため部品数が多く構造も複雑になる。また機械式の連続可変動弁装置では、リフト量を変化させる機構と、位相をずらす機構を別々に必要とし、構造が複雑化し、寸法も大きくなる。
【０００８】
また、従来の一般的な連続位相可変動弁装置の場合、吸気バルブの閉弁時期を遅角させると開弁開始時期も遅角してしまう。このため、吸気および排気のバルブオーバーラップが減少あるいは無くなり、ポンピングロスによる燃費悪化が発生するなどの問題がる。
【０００９】
従って本発明の目的は、比較的簡単な構成によりバルブの駆動位相およびバルブリフト量を連続的に変化させることのできる可変動弁装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の可変動弁装置は、請求項１に記載したように、内燃機関に回転自在に設けられたカムシャフトと、回動可能なロッカシャフトと、ロッカアーム機構とを有している。このロッカアーム機構は、前記ロッカシャフトに揺動自在に支持され前記吸気または排気バルブを駆動可能な第１アームと、前記カムにより駆動され前記ロッカシャフト側を支点として揺動する第２アームと、前記ロッカシャフトの近傍に配置された支持軸に揺動自在に設けられ前記第２アームの揺動により変位されて前記第１アームを駆動する第３アームと、前記ロッカシャフトを回動させることにより前記第２アームの前記支点を変位させる可変機構とを具備している。
【００１１】
前記可変機構によって変位する前記第２アームの前記支点の位置に応じて、前記カムに対する第２アームの回転位相が進角あるいは遅角するため、第２アームと第３アームを介して駆動される第１アームの駆動位相が進角あるいは遅角することになる。
【００１２】
本発明の好ましい形態では、請求項２に記載したように、前記第３アームが伝達面部を有し、この伝達面部は、第２アームの揺動量を変換して第１アームを駆動すべく、支持軸の中心から該伝達面部までの距離が変化する変換部を備えている。
【００１３】
前記可変機構は、例えば請求項３に記載したように、前記ロッカシャフトを回動させることにより前記第２アームの前記支点を変位させるとともに、前記第２アームの前記カムとの当接部を前記カムのベース円の周方向に移動させることによって前記カムに対する前記第２アームの回転位相を変化させるものである。
【００１４】
本発明の好ましい形態では、請求項４に記載したように、前記伝達面部は、前記支持軸の中心から該伝達面部までの距離が第３アームの回転方向に変化しない非変換部を有し、前記カムに対する第２アームの回転位相が前記可変機構によって所定角度進角された状態において、第２アームの揺動開始から前記所定角度にほぼ相当する揺動量を該非変換部によってキャンセルするようにしている。
【００１５】
本発明の好ましい形態では、請求項５に記載したように、前記第２アームは、その基端部がロッカシャフト側に設けた接続部材によって回動可能に支持され、第２アームの一部に設けた当接部がカムに当接するとともに第２アームの他端側に設けた作動部が第３アームに当接し、かつ、前記第３アームに設けられ前記第２アームの当接部をカムに当接させる方向に前記第２アームを変位させるよう前記第３アームを付勢するスプリングを備えている。
【００１６】
本発明の好ましい形態では、請求項６に記載したように、前記第１アームに二股状のシャフト嵌挿部を形成し、これら二股状のシャフト嵌挿部間に前記第２アームの一部を位置させている。あるいは、請求項７記載したように、前記第２アームに二股状の基端部を形成し、これら基端部間に前記第１アームの一部を位置させてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の第１の実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
図１に示す可変動弁装置１０は、内燃機関（一例として自動車用エンジン）の例えば吸気系を構成する吸気バルブ１１を開閉駆動するものである。吸気バルブ１１は、弁ばね１２によって吸気通路１３を閉止する方向に付勢されている。なお、排気バルブ側にこの可変動弁装置１０と同様の動弁装置が設けられていてもよい。
【００１８】
可変動弁装置１０は、内燃機関のシリンダヘッド（図示せず）に回転自在に設けられたカムシャフト２０と、ロッカシャフト２１と、カムシャフト２０に形成されたカム２２の回転運動によって前記バルブ１１を開閉駆動するロッカアーム機構２３とを備えている。
【００１９】
カムシャフト２０とロッカシャフト２１は、互いに平行となるように配置されている。カムシャフト２０は、内燃機関のクランクシャフト（図示せず）の回転に応じて、図１に矢印Ｒ１で示す方向に回転するようになっている。
【００２０】
ロッカシャフト２１は、図１に矢印Ｒ２で示す方向に揺動可能すなわち往復回動することができる。このロッカシャフト２１は、図２に示す可変機構２５によって、前記矢印Ｒ２方向に揺動する。ロッカシャフト２１に、例えばスタッドボルト等の球面状の自在継手部２６を有する接続部材２７が取付けられている。
【００２１】
ロッカアーム機構２３は、以下に説明する第１アーム３１と、第２アーム３２と、第３アーム３３を含んでいる。
第１アーム３１は、ロッカシャフト２１に相対回転自在（揺動自在）に支持されている。第１アーム３１にアジャストスクリュー３５が設けられ、カムシャフト２０が矢印Ｒ１で示す方向に回動したとき、アジャストスクリュー３５の先端がバルブ１１を開弁方向に駆動するようになっている。このアジャストスクリュー３５によって、第１アーム３１とバルブ１１との間に遊びがなくなるよう調整可能である。アジャストスクリュー３５の近傍に、ローラ等の力伝達部材３６を備えた力伝達部３７が設けられている。
【００２２】
図２に示されるように、第１アーム３１は、アジャストスクリュー３５が設けられている端部４０と、ロッカシャフト２１が挿通するシャフト嵌挿部４１，４２とを有している。シャフト嵌挿部４１，４２は、端部４０から二股状に分岐する形状に形成されている。
【００２３】
ロッカシャフト２１とカムシャフト２０との間に第２アーム３２が設けられている。この第２アーム３２は、自在継手部２６に対して揺動自在に嵌合する基端部５０と、後述する第３アーム３３の中継部６６に当接する作動部５１とを有している。
【００２４】
基端部５０と作動部５１との間に、カム２２に転接するローラ等のカムフォロア５２を有する当接部５３が設けられている。このため第２アーム３２は、カム２２の回転に伴って、ロッカシャフト２１側の自在継手部２６の中心Ｃ１を支点として揺動することになる。
【００２５】
すなわち可変機構２５によってロッカシャフト２１を矢印Ｒ２方向に揺動させると、第２アーム３２の基端部５０がロッカシャフト２１の周方向に変位し、これに伴い、当接部５３がカム２２の周方向に変位するため、カム２２に対する第２アーム３２の回転位相を遅角側あるいは進角側に変化させることができる。
【００２６】
第２アーム３２の少なくとも一部は、第２アーム３２の当接部５３がカム２２のベース円２２ｂに当接している状態において、前記シャフト嵌挿部４１，４２間に位置している。
【００２７】
このようにシャフト嵌挿部４１，４２間に第２アーム３２の一部を挟み込む構成によれば、第２アーム３２とカム２２との接触部、あるいは第２アーム３２と第３アーム３３との接触部などに偏荷重が生じた場合でも、第２アーム３２がロッカシャフト２１の軸線方向に変位することを防止でき、偏摩耗等の不具合を防ぐことができる。
【００２８】
ロッカシャフト２１の近傍に、ロッカシャフト２１と平行に支持軸６０が配置されている。この支持軸６０に、伝達カムとして機能する第３アーム３３が揺動自在に設けられている。第３アーム３３は、スプリング６１によって、図１中の反時計回り方向、すなわち第２アーム３２の当接部５３をカム２２に当接させる方向に付勢されている。
【００２９】
第３アーム３３に、第１アーム３１の力伝達部３７に接する伝達面部６５と、第２アーム３２の作動部５１に当接する中継部６６が設けられている。カム面として機能する伝達面部６５は、第２アーム３２が揺動することに伴って、第３アーム３３の回転方向、すなわち支持軸６０の周方向に変位する。
【００３０】
従って第２アーム３２が揺動すると、力伝達部３７と伝達面部６５との接触位置が支持軸６０の周方向に変位することになる。すなわちカム２２の凸部２２ａによって第２アーム３２が自在継手部２６を中心として第３アーム３３側に揺動され、中継部６６を介して第３アーム３３が時計回りに回動したとき、伝達面部６５によって第１アーム３１が矢印Ｒ３方向に回動することにより、バルブ１１が開弁することになる。
【００３１】
さらに詳しくは、伝達面部６５は、支持軸６０の中心Ｃ２からの距離が変化しない非変換部７０と、支持軸６０の中心Ｃ２からの距離が第３アーム３３の先端部３３ａに向かって増加する変換部７１とを有している。すなわちこの伝達面部６５は、第２アーム３２の揺動量を変換して第１アーム３１を駆動すべく、第３アーム３３の回転方向に関して支持軸６０の中心Ｃ２からの距離が変化するよう形成されている。
【００３２】
一方、非変換部７０は、カム２２に対する第２アーム３２の当接部５３の回転位相が可変機構２５によって所定角度進角されたとき、第２アーム３２の揺動開始からほぼ前記所定角度までの揺動量をキャンセルすることができるようなカム面形状としている。
【００３３】
次に、上記可変動弁装置１０の動作について説明する。
図１はロッカシャフト２１が可変機構２５によって中立位置Ｎよりも角度θ１だけ遅角側に駆動された状態を示している。この場合、第２アーム３２の当接部５３は、カム２２に対して中立点Ｐ１よりも遅角側（図１において左側）に角度αだけ変位している。また、第２アーム３２の作動部５１が図１において左側に変位している。
【００３４】
この状態でカムシャフト２０が矢印Ｒ１方向に回転し、図３に示すようにカム２２の凸部２２ａが第２アーム３２の当接部５３を押上げると、第２アーム３２が自在継手部２６の中心Ｃ１を支点として反時計回りに回動する。このため第２アーム３２の作動部５１が中継部６６を押し、第３アーム３３が時計回りに回動する。これにより、伝達面部６５の変換部７１が力伝達部３７を押すため、第１アーム３１が回動してバルブ１１が開弁する。
【００３５】
この場合、図１に示すように開弁前に力伝達部３７が変換部７１の近傍に位置しているため、第３アーム３３が時計回りに回転する際に、伝達カムとして機能する第３アーム３３の伝達面部６５のうち、力伝達部３７と接する非変換部７０が短くなり、結果として変換部７１が長くなる。
【００３６】
このため、カム角が小さいうちから第１アーム３１がバルブ１１を開弁させる方向に駆動され始め、しかも力伝達部３７が変換部７１を長い範囲にわたって接しながら第１アーム３１が矢印Ｒ３方向に押される。このため大きなバルブリフト量Ｈ１（図３に示す）となる。
【００３７】
このため図４に曲線Ｌ１で示すように、バルブリフトが大きく、かつ、バルブリフトのピークが遅角する。この場合、高回転、高負荷の大吸気量に適したバルブの駆動となる。
【００３８】
図５は、ロッカシャフト２１が可変機構２５によって中立位置Ｎに駆動された状態を示している。この場合、第２アーム３２の当接部５３は、カム２２に対し前記中立点Ｐ１において接している。また、第２アーム３２の作動部５１が図５において、図１と比較して右側に少し変位することにより、第３アーム３３が反時計回りに少し回転する。このため図１の状態と比較して、伝達カムとして機能する第３アーム３３の伝達面部６５のうち、力伝達部３７と接する非変換部７０がやや長くなり、結果として変換部７１がやや短くなる。
【００３９】
この状態でカムシャフト２０が回転し、図６に示すようにカム２２の凸部２２ａが第２アーム３２の当接部５３を押上げると、第２アーム３２が自在継手部２６の中心Ｃ１を支点として反時計回りに回動する。このため第２アーム３２の作動部５１が中継部６６を押し、第３アーム３３が時計回りに回動する。これにより、伝達面部６５の変換部７１が力伝達部３７を押すため、第１アーム３１が回動してバルブ１１が開弁する。
【００４０】
言い換えると、図５に示す閉弁時において、伝達面部６５に接している力伝達部３７から変換部７１までの距離が少し長くなる。すなわち、図１よりも長い非変換部７０を経たのちに、力伝達部３７と変換部７１が当接することになる。このため第３アーム３３が時計回りに回転する際に、力伝達部３７が変換部７１によって中程度の長さにわたって押されながら、第３アーム３３が時計回りに回転する。このため中程度のバルブリフト量Ｈ２（図６に示す）となり、かつ、図４に曲線Ｌ２で示すようにバルブの駆動位相が中立となるため、中回転、中負荷の吸気量に適したバルブの駆動となる。
【００４１】
図７は、ロッカシャフト２１が可変機構２５によって中立位置Ｎよりも角度θ２だけ進角側に駆動された状態を示している。この場合、第２アーム３２の当接部５３は、カム２２に対して中立点Ｐ１よりも進角側（図１において右側）に角度βだけ変位している。また、第２アーム３２の作動部５１が図７において右側に変位し、第３アーム３３が反時計回りに変位しているため、図５の状態と比較して、伝達カムとして機能する第３アーム３３の伝達面部６５のうち、力伝達部３７と接する非変換部７０がさらに長くなり、結果として、変換部７１がさらに短くなる。
【００４２】
この状態でカムシャフト２０が回転し、図８に示すようにカム２２の凸部２２ａが第２アーム３２の当接部５３を押上げると、第２アーム３２が自在継手部２６の中心Ｃ１を支点として反時計回りに回動する。このため第２アーム３２の作動部５１が中継部６６を押し、第３アーム３３が時計回りに回動する。これにより、伝達面部６５の変換部７１が力伝達部３７を押すため、第１アーム３１が回動してバルブ１１が開弁する。
【００４３】
この場合、伝達カムとして機能する第３アーム３３の伝達面部６５のうち、力伝達部３７と接する非変換部７０の期間（距離）が長いため、第２アーム３２の揺動に伴って第３アーム３３が時計回りに回転する際、力伝達部３７が変換部７１上を移動する距離が短い。このため第１アーム３１の回動量は僅かであり、バルブリフト量Ｈ３（図８に示す）が小さくなる。このため図４に曲線Ｌ３で示すようにバルブの駆動位相が進角するとともに、バルブリフトが小さくなるため、低回転、低負荷の小吸気量に適したバルブの駆動となる。
【００４４】
上記構成の可変動弁装置１０を吸気系に適用すれば、吸気バルブ１１の開き側を固定して閉じ側を連続的に変えることができるため、高膨張比サイクルとすることができる。
【００４５】
また、慣性吸気との相乗作用により、燃費低減を図ることが可能である。慣性吸気とは、ピストンの吸入作用で生じた圧力の脈動が、吸気管内の吸気に慣性を起こすことを言う。この慣性吸気を利用して、吸気の脈動のピーク時期に吸気バルブ１１を閉じ始めることにより、ピストンが下死点を過ぎても新気がシリンダ内に流入を続け、体積効率を高めることができる。エンジンの回転数によって脈動のピーク時期が異なるため、ピーク時期に合わせて吸気バルブ１１を閉弁し始めることにより吸入空気量を増大できる。
【００４６】
前記実施形態の可変動弁装置１０では、図４の曲線Ｌ１の開弁開始から終了までの位相と、バルブリフト量を基準として、曲線Ｌ２，Ｌ３に示すように、ロッカシャフト２１を可変機構２５によって駆動した場合に、第２アーム３２のカム２２に対して進角させた期間が、第３アーム３３の非変換部７０と力伝達部３７と接する期間を長くすることによってキャンセルされることにより、開弁開始時期を略一定とすることができる。
【００４７】
従って、この可変動弁装置１０によれば、開弁開始時期を固定したまま閉弁時期を変化させることができるため、慣性吸気の脈動に合わせて閉弁時期を変化させることにより、吸入空気量の増大を図り、燃費低減の効果が得られる。
【００４８】
また、空気量を最適に制御することで良好な燃焼状態となり、未燃物等が減少して排出ガス成分が良化する。
【００４９】
従来の一般的な連続位相可変動弁装置の場合、吸気バルブの閉弁時期を遅角させると開弁開始時期も遅角してしまう。このため、吸気および排気のバルブオーバーラップが減少あるいは無くなり、ポンピングロスが発生する。
【００５０】
これに対して前記実施形態の可変動弁装置１０によれば、開弁開始時期を固定した状態で閉弁時期を遅角することができるので、バルブオーバーラップを保ったまま閉弁時期を遅角させることにより、吸入空気量増加の効果が得られる。このため燃費低減の効果が得られる。
【００５１】
一般に低負荷で空気過剰になると排気温度が低くなるが、前記実施形態の可変動弁装置１０によれば、エンジンの運転状態に応じて吸入空気量を制御できるので、低負荷時に吸入空気量を減少させることにより、排気温度を高くすることができる。このため、触媒が活性化されて触媒が効果的に機能する。この場合には触媒によって排出ガスを浄化できるので、排出ガス成分が少し悪化しても燃費が良い状態にエンジン本体をセッティングすることができる。これにより、エンジン本体の燃費を良くするとともに、排出ガスを触媒で浄化することにより、高燃費と排出ガスの浄化を両立できることになる。また、この可変動弁装置１０によれば、低負荷時に吸入空気量を減少させることにより、吸入空気量を制御するための吸気または排気絞りを設ける必要もなく、コスト低減が可能である。
【００５２】
図９は本発明の第２の実施形態の可変動弁装置１０Ａを示している。この可変動弁装置１０Ａでは、第２アーム３２の基端部５０側に二股部３２ａ，３２ｂが形成されている。そして第２アーム３２がカム２２のベース円２２ｂ（図１に示す）に接している状態において、第１アーム３１の少なくとも一部が、二股部３２ａ，３２ｂ間に位置している。それ以外の構成と作用および効果については、前記第１の実施形態の可変動弁装置１０と同様であるため、両者に共通の個所に共通の符号を付して説明は省略する。
【００５３】
この第２の実施形態のように、二股部３２ａ，３２ｂ間に第１アーム３１の一部を挟み込む構成によれば、第２アーム３２とカム２２との接触部、あるいは第２アーム３２と第３アーム３３との間の接触部などに偏荷重が生じた場合でも、第２アーム３２がロッカシャフト２１の軸線方向に変位することを防止できるので、偏摩耗等の不具合を防ぐことができる。
【００５４】
図１０は本発明の第３の実施形態の可変動弁装置１０Ｂを示している。この可変動弁装置１０Ｂは、第１アーム３１のシャフト嵌挿部３１ａが二股状になっていない点で、前記第１の実施形態の可変動弁装置１０と相違する。それ以外の構成と作用および効果については、前記第１の実施形態の可変動弁装置１０と同様であるため、両者に共通の個所に共通の符号を付して説明は省略する。
【００５５】
なお、図７の状態からさらに第２アーム３２をカム２２に対して進角可能と設定することによって、図４のＬ４に示す休筒状態（バルブリフト量が極小またはゼロ）とすることもでき、燃費低減の効果が得られる。
【００５６】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明によれば、可変機構によって第２アームのロッカシャフト側の支点を変位させることにより、支点の位置に応じて吸気または排気バルブの駆動位相を連続的に変化させることができる。
【００５７】
請求項２に記載した発明によれば、第３アームの伝達面部に、支持軸の中心からの距離が変化する変換部を設けたことにより、第２アームの揺動量が第３アームにより変換されて第１アームに伝達される。このため、第２アームのロッカシャフト側の前記支点の位置を前記可変機構によって移動させることにより、吸気または排気バルブのリフト量を変化させることができる。
【００５８】
請求項３に記載した発明によれば、前記支点をロッカシャフトの軸まわりに変位させる可変機構により、吸気または排気バルブの駆動位相を連続的に変化させることができる。
【００５９】
請求項４に記載した発明によれば、可変機構によってカムに対する第２アームの回転位相が所定角度進角されても、非変換部によって第２アームの揺動開始から略所定角度の揺動量がキャンセルされることにより、バルブリフト量にかかわらず開弁開始時期を略同一にすることができる。
【００６０】
請求項５に記載した発明によれば、第３アームを付勢するスプリングを設けたことにより、第２アームが常にカムに当接するように第２アームと第３アームの位置を保持することができる。
【００６１】
請求項６と請求項７に記載した発明によれば、第２アームとカムとの間の接触部、あるいは第２アームと第３アームとの接触部などに偏荷重が生じても、第２アームがロッカシャフトの軸線方向に変位することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の一実施形態を示す可変動弁装置の位相が遅角した状態における閉弁時の正面図。
【図２】 図１に示された可変動弁装置の一部の平面図。
【図３】 図１に示された可変動弁装置の位相が遅角した状態における開弁時の正面図。
【図４】 図１に示された可変動弁装置のカム角とバルブリフトとの関係を示す図。
【図５】 図１に示された可変動弁装置の位相中立状態における閉弁時の正面図。
【図６】 図１に示された可変動弁装置の位相中立状態における開弁時の正面図。
【図７】 図１に示された可変動弁装置の位相が進角した状態における閉弁時の正面図。
【図８】 図１に示された可変動弁装置の位相が進角した状態における開弁時の正面図。
【図９】 本発明の第２の実施形態を示す可変動弁装置の一部の平面図。
【図１０】 本発明の第３の実施形態を示す可変動弁装置の一部の平面図。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ…可変動弁装置
１１…バルブ
２０…カムシャフト
２１…ロッカシャフト
２２…カム
２３…ロッカアーム機構
２５…可変機構
２６…自在継手部
２７…接続部材
３１…第１アーム
３２…第２アーム
３３…第３アーム
３７…力伝達部
６０…支持軸
６１…スプリング
６５…伝達面部
７０…非変換部
７１…変換部
【発明の属する技術分野】
この発明は、吸気あるいは排気バルブの駆動位相およびバルブリフト量を変化させることのできる内燃機関の可変動弁装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用エンジン等の内燃機関の排出ガス対策あるいは燃費低減等のために、吸排気系のバルブの位相あるいはリフト量を、内燃機関の運転状態に応じて変化させることが知られている。そのための可変動弁装置として、油圧力によってカム位相を連続的に変化させるベーン式可変位相動弁装置が知られている。
【０００３】
また、内燃機関の運転状態に応じて複数種類のカムを切換えることにより、バルブの駆動位相とリフト量を運転状態に適合させるカム切換式の動弁装置も知られている。
【０００４】
あるいは、ステッピングモータによって駆動されるギヤと中間レバーおよびリターンスプリング等を用い、バルブの駆動位相とリフト量を変化させることができるようにした機械式の連続可変動弁装置も知られている。（例えば下記特許文献１を参照）
【０００５】
【特許文献１】
特許第３２４５４９２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ベーン式可変位相動弁装置は、ベーンの位置を変化させることによってバルブの駆動位相をずらすことができるが、バルブのリフト量を変化させることができない。
【０００７】
これに対しカム切換式の動弁装置や機械式の連続可変動弁装置は、リフト量と位相をずらすことができるが、カム切換式の動弁装置は複数種類のカムを必要とするため部品数が多く構造も複雑になる。また機械式の連続可変動弁装置では、リフト量を変化させる機構と、位相をずらす機構を別々に必要とし、構造が複雑化し、寸法も大きくなる。
【０００８】
また、従来の一般的な連続位相可変動弁装置の場合、吸気バルブの閉弁時期を遅角させると開弁開始時期も遅角してしまう。このため、吸気および排気のバルブオーバーラップが減少あるいは無くなり、ポンピングロスによる燃費悪化が発生するなどの問題がる。
【０００９】
従って本発明の目的は、比較的簡単な構成によりバルブの駆動位相およびバルブリフト量を連続的に変化させることのできる可変動弁装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の可変動弁装置は、請求項１に記載したように、内燃機関に回転自在に設けられたカムシャフトと、回動可能なロッカシャフトと、ロッカアーム機構とを有している。このロッカアーム機構は、前記ロッカシャフトに揺動自在に支持され前記吸気または排気バルブを駆動可能な第１アームと、前記カムにより駆動され前記ロッカシャフト側を支点として揺動する第２アームと、前記ロッカシャフトの近傍に配置された支持軸に揺動自在に設けられ前記第２アームの揺動により変位されて前記第１アームを駆動する第３アームと、前記ロッカシャフトを回動させることにより前記第２アームの前記支点を変位させる可変機構とを具備している。
【００１１】
前記可変機構によって変位する前記第２アームの前記支点の位置に応じて、前記カムに対する第２アームの回転位相が進角あるいは遅角するため、第２アームと第３アームを介して駆動される第１アームの駆動位相が進角あるいは遅角することになる。
【００１２】
本発明の好ましい形態では、請求項２に記載したように、前記第３アームが伝達面部を有し、この伝達面部は、第２アームの揺動量を変換して第１アームを駆動すべく、支持軸の中心から該伝達面部までの距離が変化する変換部を備えている。
【００１３】
前記可変機構は、例えば請求項３に記載したように、前記ロッカシャフトを回動させることにより前記第２アームの前記支点を変位させるとともに、前記第２アームの前記カムとの当接部を前記カムのベース円の周方向に移動させることによって前記カムに対する前記第２アームの回転位相を変化させるものである。
【００１４】
本発明の好ましい形態では、請求項４に記載したように、前記伝達面部は、前記支持軸の中心から該伝達面部までの距離が第３アームの回転方向に変化しない非変換部を有し、前記カムに対する第２アームの回転位相が前記可変機構によって所定角度進角された状態において、第２アームの揺動開始から前記所定角度にほぼ相当する揺動量を該非変換部によってキャンセルするようにしている。
【００１５】
本発明の好ましい形態では、請求項５に記載したように、前記第２アームは、その基端部がロッカシャフト側に設けた接続部材によって回動可能に支持され、第２アームの一部に設けた当接部がカムに当接するとともに第２アームの他端側に設けた作動部が第３アームに当接し、かつ、前記第３アームに設けられ前記第２アームの当接部をカムに当接させる方向に前記第２アームを変位させるよう前記第３アームを付勢するスプリングを備えている。
【００１６】
本発明の好ましい形態では、請求項６に記載したように、前記第１アームに二股状のシャフト嵌挿部を形成し、これら二股状のシャフト嵌挿部間に前記第２アームの一部を位置させている。あるいは、請求項７記載したように、前記第２アームに二股状の基端部を形成し、これら基端部間に前記第１アームの一部を位置させてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の第１の実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
図１に示す可変動弁装置１０は、内燃機関（一例として自動車用エンジン）の例えば吸気系を構成する吸気バルブ１１を開閉駆動するものである。吸気バルブ１１は、弁ばね１２によって吸気通路１３を閉止する方向に付勢されている。なお、排気バルブ側にこの可変動弁装置１０と同様の動弁装置が設けられていてもよい。
【００１８】
可変動弁装置１０は、内燃機関のシリンダヘッド（図示せず）に回転自在に設けられたカムシャフト２０と、ロッカシャフト２１と、カムシャフト２０に形成されたカム２２の回転運動によって前記バルブ１１を開閉駆動するロッカアーム機構２３とを備えている。
【００１９】
カムシャフト２０とロッカシャフト２１は、互いに平行となるように配置されている。カムシャフト２０は、内燃機関のクランクシャフト（図示せず）の回転に応じて、図１に矢印Ｒ１で示す方向に回転するようになっている。
【００２０】
ロッカシャフト２１は、図１に矢印Ｒ２で示す方向に揺動可能すなわち往復回動することができる。このロッカシャフト２１は、図２に示す可変機構２５によって、前記矢印Ｒ２方向に揺動する。ロッカシャフト２１に、例えばスタッドボルト等の球面状の自在継手部２６を有する接続部材２７が取付けられている。
【００２１】
ロッカアーム機構２３は、以下に説明する第１アーム３１と、第２アーム３２と、第３アーム３３を含んでいる。
第１アーム３１は、ロッカシャフト２１に相対回転自在（揺動自在）に支持されている。第１アーム３１にアジャストスクリュー３５が設けられ、カムシャフト２０が矢印Ｒ１で示す方向に回動したとき、アジャストスクリュー３５の先端がバルブ１１を開弁方向に駆動するようになっている。このアジャストスクリュー３５によって、第１アーム３１とバルブ１１との間に遊びがなくなるよう調整可能である。アジャストスクリュー３５の近傍に、ローラ等の力伝達部材３６を備えた力伝達部３７が設けられている。
【００２２】
図２に示されるように、第１アーム３１は、アジャストスクリュー３５が設けられている端部４０と、ロッカシャフト２１が挿通するシャフト嵌挿部４１，４２とを有している。シャフト嵌挿部４１，４２は、端部４０から二股状に分岐する形状に形成されている。
【００２３】
ロッカシャフト２１とカムシャフト２０との間に第２アーム３２が設けられている。この第２アーム３２は、自在継手部２６に対して揺動自在に嵌合する基端部５０と、後述する第３アーム３３の中継部６６に当接する作動部５１とを有している。
【００２４】
基端部５０と作動部５１との間に、カム２２に転接するローラ等のカムフォロア５２を有する当接部５３が設けられている。このため第２アーム３２は、カム２２の回転に伴って、ロッカシャフト２１側の自在継手部２６の中心Ｃ１を支点として揺動することになる。
【００２５】
すなわち可変機構２５によってロッカシャフト２１を矢印Ｒ２方向に揺動させると、第２アーム３２の基端部５０がロッカシャフト２１の周方向に変位し、これに伴い、当接部５３がカム２２の周方向に変位するため、カム２２に対する第２アーム３２の回転位相を遅角側あるいは進角側に変化させることができる。
【００２６】
第２アーム３２の少なくとも一部は、第２アーム３２の当接部５３がカム２２のベース円２２ｂに当接している状態において、前記シャフト嵌挿部４１，４２間に位置している。
【００２７】
このようにシャフト嵌挿部４１，４２間に第２アーム３２の一部を挟み込む構成によれば、第２アーム３２とカム２２との接触部、あるいは第２アーム３２と第３アーム３３との接触部などに偏荷重が生じた場合でも、第２アーム３２がロッカシャフト２１の軸線方向に変位することを防止でき、偏摩耗等の不具合を防ぐことができる。
【００２８】
ロッカシャフト２１の近傍に、ロッカシャフト２１と平行に支持軸６０が配置されている。この支持軸６０に、伝達カムとして機能する第３アーム３３が揺動自在に設けられている。第３アーム３３は、スプリング６１によって、図１中の反時計回り方向、すなわち第２アーム３２の当接部５３をカム２２に当接させる方向に付勢されている。
【００２９】
第３アーム３３に、第１アーム３１の力伝達部３７に接する伝達面部６５と、第２アーム３２の作動部５１に当接する中継部６６が設けられている。カム面として機能する伝達面部６５は、第２アーム３２が揺動することに伴って、第３アーム３３の回転方向、すなわち支持軸６０の周方向に変位する。
【００３０】
従って第２アーム３２が揺動すると、力伝達部３７と伝達面部６５との接触位置が支持軸６０の周方向に変位することになる。すなわちカム２２の凸部２２ａによって第２アーム３２が自在継手部２６を中心として第３アーム３３側に揺動され、中継部６６を介して第３アーム３３が時計回りに回動したとき、伝達面部６５によって第１アーム３１が矢印Ｒ３方向に回動することにより、バルブ１１が開弁することになる。
【００３１】
さらに詳しくは、伝達面部６５は、支持軸６０の中心Ｃ２からの距離が変化しない非変換部７０と、支持軸６０の中心Ｃ２からの距離が第３アーム３３の先端部３３ａに向かって増加する変換部７１とを有している。すなわちこの伝達面部６５は、第２アーム３２の揺動量を変換して第１アーム３１を駆動すべく、第３アーム３３の回転方向に関して支持軸６０の中心Ｃ２からの距離が変化するよう形成されている。
【００３２】
一方、非変換部７０は、カム２２に対する第２アーム３２の当接部５３の回転位相が可変機構２５によって所定角度進角されたとき、第２アーム３２の揺動開始からほぼ前記所定角度までの揺動量をキャンセルすることができるようなカム面形状としている。
【００３３】
次に、上記可変動弁装置１０の動作について説明する。
図１はロッカシャフト２１が可変機構２５によって中立位置Ｎよりも角度θ１だけ遅角側に駆動された状態を示している。この場合、第２アーム３２の当接部５３は、カム２２に対して中立点Ｐ１よりも遅角側（図１において左側）に角度αだけ変位している。また、第２アーム３２の作動部５１が図１において左側に変位している。
【００３４】
この状態でカムシャフト２０が矢印Ｒ１方向に回転し、図３に示すようにカム２２の凸部２２ａが第２アーム３２の当接部５３を押上げると、第２アーム３２が自在継手部２６の中心Ｃ１を支点として反時計回りに回動する。このため第２アーム３２の作動部５１が中継部６６を押し、第３アーム３３が時計回りに回動する。これにより、伝達面部６５の変換部７１が力伝達部３７を押すため、第１アーム３１が回動してバルブ１１が開弁する。
【００３５】
この場合、図１に示すように開弁前に力伝達部３７が変換部７１の近傍に位置しているため、第３アーム３３が時計回りに回転する際に、伝達カムとして機能する第３アーム３３の伝達面部６５のうち、力伝達部３７と接する非変換部７０が短くなり、結果として変換部７１が長くなる。
【００３６】
このため、カム角が小さいうちから第１アーム３１がバルブ１１を開弁させる方向に駆動され始め、しかも力伝達部３７が変換部７１を長い範囲にわたって接しながら第１アーム３１が矢印Ｒ３方向に押される。このため大きなバルブリフト量Ｈ１（図３に示す）となる。
【００３７】
このため図４に曲線Ｌ１で示すように、バルブリフトが大きく、かつ、バルブリフトのピークが遅角する。この場合、高回転、高負荷の大吸気量に適したバルブの駆動となる。
【００３８】
図５は、ロッカシャフト２１が可変機構２５によって中立位置Ｎに駆動された状態を示している。この場合、第２アーム３２の当接部５３は、カム２２に対し前記中立点Ｐ１において接している。また、第２アーム３２の作動部５１が図５において、図１と比較して右側に少し変位することにより、第３アーム３３が反時計回りに少し回転する。このため図１の状態と比較して、伝達カムとして機能する第３アーム３３の伝達面部６５のうち、力伝達部３７と接する非変換部７０がやや長くなり、結果として変換部７１がやや短くなる。
【００３９】
この状態でカムシャフト２０が回転し、図６に示すようにカム２２の凸部２２ａが第２アーム３２の当接部５３を押上げると、第２アーム３２が自在継手部２６の中心Ｃ１を支点として反時計回りに回動する。このため第２アーム３２の作動部５１が中継部６６を押し、第３アーム３３が時計回りに回動する。これにより、伝達面部６５の変換部７１が力伝達部３７を押すため、第１アーム３１が回動してバルブ１１が開弁する。
【００４０】
言い換えると、図５に示す閉弁時において、伝達面部６５に接している力伝達部３７から変換部７１までの距離が少し長くなる。すなわち、図１よりも長い非変換部７０を経たのちに、力伝達部３７と変換部７１が当接することになる。このため第３アーム３３が時計回りに回転する際に、力伝達部３７が変換部７１によって中程度の長さにわたって押されながら、第３アーム３３が時計回りに回転する。このため中程度のバルブリフト量Ｈ２（図６に示す）となり、かつ、図４に曲線Ｌ２で示すようにバルブの駆動位相が中立となるため、中回転、中負荷の吸気量に適したバルブの駆動となる。
【００４１】
図７は、ロッカシャフト２１が可変機構２５によって中立位置Ｎよりも角度θ２だけ進角側に駆動された状態を示している。この場合、第２アーム３２の当接部５３は、カム２２に対して中立点Ｐ１よりも進角側（図１において右側）に角度βだけ変位している。また、第２アーム３２の作動部５１が図７において右側に変位し、第３アーム３３が反時計回りに変位しているため、図５の状態と比較して、伝達カムとして機能する第３アーム３３の伝達面部６５のうち、力伝達部３７と接する非変換部７０がさらに長くなり、結果として、変換部７１がさらに短くなる。
【００４２】
この状態でカムシャフト２０が回転し、図８に示すようにカム２２の凸部２２ａが第２アーム３２の当接部５３を押上げると、第２アーム３２が自在継手部２６の中心Ｃ１を支点として反時計回りに回動する。このため第２アーム３２の作動部５１が中継部６６を押し、第３アーム３３が時計回りに回動する。これにより、伝達面部６５の変換部７１が力伝達部３７を押すため、第１アーム３１が回動してバルブ１１が開弁する。
【００４３】
この場合、伝達カムとして機能する第３アーム３３の伝達面部６５のうち、力伝達部３７と接する非変換部７０の期間（距離）が長いため、第２アーム３２の揺動に伴って第３アーム３３が時計回りに回転する際、力伝達部３７が変換部７１上を移動する距離が短い。このため第１アーム３１の回動量は僅かであり、バルブリフト量Ｈ３（図８に示す）が小さくなる。このため図４に曲線Ｌ３で示すようにバルブの駆動位相が進角するとともに、バルブリフトが小さくなるため、低回転、低負荷の小吸気量に適したバルブの駆動となる。
【００４４】
上記構成の可変動弁装置１０を吸気系に適用すれば、吸気バルブ１１の開き側を固定して閉じ側を連続的に変えることができるため、高膨張比サイクルとすることができる。
【００４５】
また、慣性吸気との相乗作用により、燃費低減を図ることが可能である。慣性吸気とは、ピストンの吸入作用で生じた圧力の脈動が、吸気管内の吸気に慣性を起こすことを言う。この慣性吸気を利用して、吸気の脈動のピーク時期に吸気バルブ１１を閉じ始めることにより、ピストンが下死点を過ぎても新気がシリンダ内に流入を続け、体積効率を高めることができる。エンジンの回転数によって脈動のピーク時期が異なるため、ピーク時期に合わせて吸気バルブ１１を閉弁し始めることにより吸入空気量を増大できる。
【００４６】
前記実施形態の可変動弁装置１０では、図４の曲線Ｌ１の開弁開始から終了までの位相と、バルブリフト量を基準として、曲線Ｌ２，Ｌ３に示すように、ロッカシャフト２１を可変機構２５によって駆動した場合に、第２アーム３２のカム２２に対して進角させた期間が、第３アーム３３の非変換部７０と力伝達部３７と接する期間を長くすることによってキャンセルされることにより、開弁開始時期を略一定とすることができる。
【００４７】
従って、この可変動弁装置１０によれば、開弁開始時期を固定したまま閉弁時期を変化させることができるため、慣性吸気の脈動に合わせて閉弁時期を変化させることにより、吸入空気量の増大を図り、燃費低減の効果が得られる。
【００４８】
また、空気量を最適に制御することで良好な燃焼状態となり、未燃物等が減少して排出ガス成分が良化する。
【００４９】
従来の一般的な連続位相可変動弁装置の場合、吸気バルブの閉弁時期を遅角させると開弁開始時期も遅角してしまう。このため、吸気および排気のバルブオーバーラップが減少あるいは無くなり、ポンピングロスが発生する。
【００５０】
これに対して前記実施形態の可変動弁装置１０によれば、開弁開始時期を固定した状態で閉弁時期を遅角することができるので、バルブオーバーラップを保ったまま閉弁時期を遅角させることにより、吸入空気量増加の効果が得られる。このため燃費低減の効果が得られる。
【００５１】
一般に低負荷で空気過剰になると排気温度が低くなるが、前記実施形態の可変動弁装置１０によれば、エンジンの運転状態に応じて吸入空気量を制御できるので、低負荷時に吸入空気量を減少させることにより、排気温度を高くすることができる。このため、触媒が活性化されて触媒が効果的に機能する。この場合には触媒によって排出ガスを浄化できるので、排出ガス成分が少し悪化しても燃費が良い状態にエンジン本体をセッティングすることができる。これにより、エンジン本体の燃費を良くするとともに、排出ガスを触媒で浄化することにより、高燃費と排出ガスの浄化を両立できることになる。また、この可変動弁装置１０によれば、低負荷時に吸入空気量を減少させることにより、吸入空気量を制御するための吸気または排気絞りを設ける必要もなく、コスト低減が可能である。
【００５２】
図９は本発明の第２の実施形態の可変動弁装置１０Ａを示している。この可変動弁装置１０Ａでは、第２アーム３２の基端部５０側に二股部３２ａ，３２ｂが形成されている。そして第２アーム３２がカム２２のベース円２２ｂ（図１に示す）に接している状態において、第１アーム３１の少なくとも一部が、二股部３２ａ，３２ｂ間に位置している。それ以外の構成と作用および効果については、前記第１の実施形態の可変動弁装置１０と同様であるため、両者に共通の個所に共通の符号を付して説明は省略する。
【００５３】
この第２の実施形態のように、二股部３２ａ，３２ｂ間に第１アーム３１の一部を挟み込む構成によれば、第２アーム３２とカム２２との接触部、あるいは第２アーム３２と第３アーム３３との間の接触部などに偏荷重が生じた場合でも、第２アーム３２がロッカシャフト２１の軸線方向に変位することを防止できるので、偏摩耗等の不具合を防ぐことができる。
【００５４】
図１０は本発明の第３の実施形態の可変動弁装置１０Ｂを示している。この可変動弁装置１０Ｂは、第１アーム３１のシャフト嵌挿部３１ａが二股状になっていない点で、前記第１の実施形態の可変動弁装置１０と相違する。それ以外の構成と作用および効果については、前記第１の実施形態の可変動弁装置１０と同様であるため、両者に共通の個所に共通の符号を付して説明は省略する。
【００５５】
なお、図７の状態からさらに第２アーム３２をカム２２に対して進角可能と設定することによって、図４のＬ４に示す休筒状態（バルブリフト量が極小またはゼロ）とすることもでき、燃費低減の効果が得られる。
【００５６】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明によれば、可変機構によって第２アームのロッカシャフト側の支点を変位させることにより、支点の位置に応じて吸気または排気バルブの駆動位相を連続的に変化させることができる。
【００５７】
請求項２に記載した発明によれば、第３アームの伝達面部に、支持軸の中心からの距離が変化する変換部を設けたことにより、第２アームの揺動量が第３アームにより変換されて第１アームに伝達される。このため、第２アームのロッカシャフト側の前記支点の位置を前記可変機構によって移動させることにより、吸気または排気バルブのリフト量を変化させることができる。
【００５８】
請求項３に記載した発明によれば、前記支点をロッカシャフトの軸まわりに変位させる可変機構により、吸気または排気バルブの駆動位相を連続的に変化させることができる。
【００５９】
請求項４に記載した発明によれば、可変機構によってカムに対する第２アームの回転位相が所定角度進角されても、非変換部によって第２アームの揺動開始から略所定角度の揺動量がキャンセルされることにより、バルブリフト量にかかわらず開弁開始時期を略同一にすることができる。
【００６０】
請求項５に記載した発明によれば、第３アームを付勢するスプリングを設けたことにより、第２アームが常にカムに当接するように第２アームと第３アームの位置を保持することができる。
【００６１】
請求項６と請求項７に記載した発明によれば、第２アームとカムとの間の接触部、あるいは第２アームと第３アームとの接触部などに偏荷重が生じても、第２アームがロッカシャフトの軸線方向に変位することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の一実施形態を示す可変動弁装置の位相が遅角した状態における閉弁時の正面図。
【図２】 図１に示された可変動弁装置の一部の平面図。
【図３】 図１に示された可変動弁装置の位相が遅角した状態における開弁時の正面図。
【図４】 図１に示された可変動弁装置のカム角とバルブリフトとの関係を示す図。
【図５】 図１に示された可変動弁装置の位相中立状態における閉弁時の正面図。
【図６】 図１に示された可変動弁装置の位相中立状態における開弁時の正面図。
【図７】 図１に示された可変動弁装置の位相が進角した状態における閉弁時の正面図。
【図８】 図１に示された可変動弁装置の位相が進角した状態における開弁時の正面図。
【図９】 本発明の第２の実施形態を示す可変動弁装置の一部の平面図。
【図１０】 本発明の第３の実施形態を示す可変動弁装置の一部の平面図。
【符号の説明】
１０，１０Ａ，１０Ｂ…可変動弁装置
１１…バルブ
２０…カムシャフト
２１…ロッカシャフト
２２…カム
２３…ロッカアーム機構
２５…可変機構
２６…自在継手部
２７…接続部材
３１…第１アーム
３２…第２アーム
３３…第３アーム
３７…力伝達部
６０…支持軸
６１…スプリング
６５…伝達面部
７０…非変換部
７１…変換部
Claims (7)
- 内燃機関に回転自在に設けられたカムシャフトと、
前記内燃機関に設けられた回動可能なロッカシャフトと、
前記カムシャフトに形成されたカムによって駆動されて吸気または排気バルブを開閉するロッカアーム機構とを有し、
前記ロッカアーム機構は、
前記ロッカシャフトに揺動自在に支持され前記吸気または排気バルブを駆動可能な第１アームと、
前記カムにより駆動され前記ロッカシャフト側を支点として揺動する第２アームと、
前記ロッカシャフトの近傍に配置された支持軸に揺動自在に設けられ前記第２アームの揺動により変位されて前記第１アームを駆動する第３アームと、
前記ロッカシャフトを回動させることにより前記第２アームの前記支点を変位させる可変機構と、
を具備したことを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。 - 前記第３アームは、前記第２アームの揺動により変位されて前記第１アームを駆動すべく前記第１アームと接する伝達面部を有し、
該伝達面部は、前記第２アームの揺動量を変換して前記第１アームを駆動すべく、前記支持軸の中心から該伝達面部までの距離が変化する変換部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。 - 前記可変機構は、前記ロッカシャフトを回動させることにより前記支点を変位させるとともに、前記第２アームの前記カムとの当接部を前記カムのベース円の周方向に移動させることによって、前記カムに対する前記第２アームの回転位相を変化させることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
- 前記伝達面部は、前記支持軸の中心から該伝達面部までの距離が前記第３アームの回転方向に変化しない非変換部を有し、
前記カムに対する前記第２アームの回転位相が前記可変機構によって所定角度進角された状態において、前記第２アームの揺動開始から前記所定角度にほぼ相当する揺動量を該非変換部によってキャンセルすることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の可変動弁装置。 - 前記第２アームは、その基端部が前記ロッカシャフト側に設けた接続部材によって回動可能に支持され、
前記第２アームの一部に設けた当接部が前記カムに当接するとともに該第２アームの他端側に設けた作動部が前記第３アームに当接し、かつ、
前記第３アームに設けられ前記第２アームの前記当接部を前記カムに当接させる方向に前記第２アームを変位させるよう前記第３アームを付勢するスプリングを備えていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。 - 前記第１アームは、前記ロッカシャフトを挿通するシャフト嵌挿部が前記バルブ側の端部から二股状に分岐する形状をなし、
この二股状のシャフト嵌挿部間に前記第２アームの一部が位置していることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の可変動弁装置。 - 前記第２アームは、前記基端部側が前記作動部側から二股状に分岐する形状をなし、
この二股状の基端部間に前記第１アームの一部が位置することを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の可変動弁装置。
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