JP4046527B2 - 可変操作バルブおよび補助的流体圧タペットを備えた内燃機関 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に関する。さらに詳しくは、次のようなタイプの内燃機関に関する。その内燃機関は、「各シリンダに対して設けられた、少なくとも１つの吸気バルブおよび少なくとも１つの排気バルブであって、各バルブが、同バルブを閉止位置に戻して、吸気ダクトと排気ダクトと燃焼チャンバとの連通を制御する弾性手段を備えている、吸気バルブおよび排気バルブ」と「上記吸気バルブおよび排気バルブを、タペットを用いて操作するカムシャフト」とを備えている。少なくとも１つのタペットが、加圧流体を収容した流体チャンバを含む流体手段を介在させて、上記弾性復帰手段の作用に抗して、吸気バルブまたは排気バルブを制御する。加圧流体を収容した上記流体チャンバは、ソレノイドバルブを介して、出口チャンネルに連結することが可能であって、それにより、上記バルブを関連するタペットから離脱させて、弾性復帰手段の作用により同バルブを迅速に閉じることができる。上記流体手段がさらに備えるピストンは、上記バルブのステムと協働するとともに、ガイドブッシュ内にスライド可能に設置されており、当該ピストンは、ガイドブッシュ内で該ピストンによって規定される容量可変チャンバの方を向いている。容量可変チャンバは、ガイドブッシュの端部開口を介して、加圧流体を収容した上記流体チャンバと連通している。上記ピストンが備える端部アペンデージは、バルブの閉止ストロークの最終部分において上記端部開口に挿入されることで、上記可変容量チャンバと加圧流体を収容した上記流体チャンバとの間の連通ポートを制限して、それにより、閉止位置近傍においてバルブストロークを減速させることができるように構成されている。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
上述のタイプのエンジンは、例えば、本件出願人によって出願されたヨーロッパ特許出願(EP-A-0803642、およびEP-A-1091097)に開示されている。
【０００３】
本件出願人が行なった研究および試験の結果、次のようなことが分かった。作動中に幾つかの問題、特に、種々の部品間に生じる‘遊び’に起因するノイズが生じる。これらは、構造的な許容差や磨耗が原因となっている。
【０００４】
特に、エンジンバルブの座(シート)として機能し、シリンダヘッドのキャビティ内に受け入れられるリングは、エンジンの作動中にシリンダヘッドからリングへと連続して与えられる衝撃によって、1/10mmまたは2/10mm移動する。
今までのところ、この問題は、‘遊び’を補償するパッドを使用することで解決されてきた。
【０００５】
【発明の開示】
本発明の目的は、上述の問題を解決することにある。この問題を解決するため、本発明の主題は、本明細書の冒頭で述べたすべての特徴を備えた内燃機関である。さらに、本発明の内燃機関は、補助的な流体タペットを、バルブのステムとバルブを作動させる上述のピストンとの間に配置したことを特徴としている。
【０００６】
実際には、上述の補助的な流体タペットは、アクチュエータピストン(バルブ操作ピストン)の本体内にスライド可能に設置された補助的ピストンで構成される。補助的ピストンの一端は、アクチュエータピストンの内部に位置していて、アクチュエータピストン内のチャンバの方を向いている。このチャンバは、バルブを制御するための加圧流体を収容したチャンバと連通している。補助的ピストンの他端は、アクチュエータピストンの外側に位置していて、バルブステムの端部に当接している。バルブステムに向かう方向におけるストローク端部位置へと補助的ピストンを押し戻すために、弾性手段が提供されている。
【０００７】
アクチュエータピストンの内部に形成された上述のチャンバの内部には、非復帰バルブが配置されている。この非復帰バルブは、補助的な流体タペットのチャンバ内の流体圧チャンバからの加圧流体の通路を形成する。
【０００８】
上述の説明から明らかなように、本発明の内燃機関においては、バルブのステムは、アクチュエータピストンに対して強固には接続されていない。それらの間には、上述の補助的な流体タペットが配置されている。このようにして、補助的な流体タペットは、組立の許容差や部品の磨耗の結果として生じ得るあらゆる‘遊び’を補償する。
【０００９】
本発明の構成は、吸気バルブに対しても、排気バルブに対しても、適用することができる。しかし、排気バルブに対して適用した場合に、特に有益である。排気バルブにおいては、上述の問題が生じ易いからである。
【００１０】
本発明のさらなる特徴および利点は、単なる例示として、図面を参照して以下に説明する実施形態から明らかとなるであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を添付の図面を参照して以下に詳細に説明する。図１および図２は、本件出願人により出願されたヨーロッパ特許出願(EP-A-0803642、およびEP-A-1091097)に開示された内燃機関を示している。この内燃機関は、例えば直列５気筒のマルチシリンダーエンジンであって、円筒状のヘッド１を備えている。
【００１２】
ヘッド１のベース面３には、５気筒の各シリンダ毎に１つのキャビティ２が形成されている。キャビティ２は燃焼チャンバを構成し、そこには、２つの吸気ダクト４、５と、２つの排気ダクト６とが配管されている。２つの吸気ダクト４、５と燃焼チャンバ２との連通は、２つの従来型ポペットタイプ(あるいは、マッシュルームタイプ)の吸気バルブ７によって制御される。各バルブ７は、ヘッド１の本体内にスライド可能に受け入れられたステム８を含む。ヘッド１の内面とバルブのエンドキャップ10との間に配置されたスプリング９によって、各バルブは閉止位置に戻される。
【００１３】
吸気バルブ７を開ける動作は、カムシャフト11を使用して、後述するような方法で制御される。カムシャフト11は、ヘッド１のサポート部内で軸12についてスライド可能に収容されていて、バルブを操作するカム14を複数備える。
【００１４】
吸気バルブ７を操作する各カム14は、軸17に沿ってスライド可能に設けられたタペット16のキャップ15と協働する。図示の例では、予め組み立てられたサブアッセンブリ20の本体19に保持されたブッシュ18内で、軸17は、バルブ７の軸と実質的に90°の角を為している(図３を参照して後述するように、タペットは直線状に配置されていてもよい)。サブアッセンブリ20は、後述するように、吸気バルブ７の操作と関連するすべての電子デバイスおよび流体圧デバイスを収容している。
【００１５】
タペット16は、チャンバＣ内に存在する加圧下の流体(代表的には、エンジン潤滑路から供給されるオイル)およびピストン21を介して、バルブ７のステム８にスラスト荷重を伝達し、これにより、弾性手段９の作用に抗してバルブ７が開く。ピストン21は、ブッシュ22で構成される円筒状本体内にスライド可能に設けられている。ブッシュ22もまた、サブアッセンブリ20の本体19に保持されている。
【００１６】
また、図１に示したような公知の構成においては、各吸気バルブ７に関連する加圧流体を含むチャンバＣは、ソレノイドバルブ24を介して、出口チャンネル23と連通するように設定できる。ソレノイドバルブ24(ここに説明する機能に適した公知のものすべてを採用可能である)は、信号Ｓに従って、電子的制御手段(その全体を参照数字25で示している)により制御される。信号Ｓは、エンジンの動作パラメータ(例えば、アクセルの位置およびエンジンの回転数)を示している。
【００１７】
ソレノイドバルブ24が開くと、チャンバＣがチャンネル23と連通する。その結果、チャンバＣ内の加圧流体がチャンネル23内に流れ込み、各バルブ７のタペット16の連結が解除される。そして、復帰スプリング９の作用によって、吸気バルブ７が即座に閉止位置に戻る。
【００１８】
チャンバＣと出口チャンネル23との連通を制御することによって、開口時間および各吸気バルブ７の開口ストロークを所望の値に変更できる。
【００１９】
複数のソレノイドバルブ24の出口チャンネル23がすべて開いて、１つの共通する縦方向チャンネル26と連通する。チャンネル26は、１または２以上のプレッシャーアキュームレータ27と連通している。図１には、プレッシャーアキュームレータ27が１つだけ現れている。タペット16と関連するブッシュ18、ピストン21と関連するブッシュ22、およびソレノイドバルブ24と関連するチャンネル23、26のすべてを、上述の予め組み立てたアセンブリ20の本体19内に保持しているので、エンジン組立における迅速性および簡易性という点で優れている。
【００２０】
各シリンダに関連する排気バルブ80は、図１に示した例においては、各タペット29を用いてカムシャフト29により、従来からの方法で制御される。
【００２１】
図２は、アセンブリ20の本体19をさらに拡大したもので、ピストン21の構造を詳細に示している。それ自体は知られているが、ピストン21は、ブッシュ22内にスライド可能に設けられたチューブ状本体を有する。チューブ状本体は、容量可変のチャンバ34をその内部に規定している。チャンバ34は、ブッシュ22内に形成した端部中央開口35によって、加圧流体を含むチャンバＣと連通している。
【００２２】
図２に示した公知の構成においては、ピストン21の反対側の端部は、バルブ７のステム８と関連するステム37の端部36にドライブフィット(強固な連結)されている。通常の作動状態においては、カム14は、バルブ７の開きを制御する場合に、タペット16を移動させて、その結果、加圧流体がチャンバＣからチャンバ34へと移動し、続いて、バルブ７がスプリング９の作用に抗して開く。チャンバＣは、ブッシュ18内に形成された放射状ホール71を介して、環状のチャンバ70と連通している。環状チャンバ70は、２つのバルブ７と関連するシリンダと連通している。従来技術によれば、ソレノイドバルブ24を開いてチャンバＣ内の加圧オイルを空にすることで、迅速にバルブを閉じることができる。その場合、バルブ７は、スプリング９の作用により、迅速に閉止位置に戻る。座(シート)に対するバルブ７の過大な衝撃を回避するため、バルブ７が閉止位置に近づいたときに、その速度が減じられる。
【００２３】
このような効果は、従来技術においては、セントラルアペンデージ(central appendage)38で構成さえる流体圧ブレーキング手段によって達成される。セントラルアペンデージ38は、チューブ状ピストン21に配置されており、バルブの閉止ストロークの最終部分において、ブッシュ22の底壁に形成した開口内に挿入されるように構成されている。この閉止ストロークにおいては、ピストン21が上方に押しやられ(て図３参照)、容量可変チャンバ34の容積が減少し、その結果、加圧オイルがチャンバＣに向かって押し流される。
【００２４】
ピストン21の端部に存在するアペンデージ38がブッシュ22の開口内に進入すると、加圧オイルがチャンバ34からチャンバＣへと戻る。この戻りは、従来技術においては、前述の‘遊び’に起因してアペンデージ38と開口35の壁部との間に存在する小さな隙間(図面上には現れない)を通して行なわれる。このようにして、オイルの流出がかなり減速され、その結果、バルブのストロークも減速される。
【００２５】
従来技術においては、非復帰バルブもシリンダ21に関連している。非復帰バルブは、球状の開閉エレメント39を備える。開閉エレメント39は、ピストン21のチューブ状本体の内部において、スプリング40によって、端部中央ホール41を塞ぐ位置へと押圧されている。端部中央ホール41は、ピストン21の内部キャビティからチャンバＣの端面上にまで延在している。
【００２６】
さらに、ピストン21の内部チャンバは、側方通路42と連通している。側方通路42は、ピストン21の端部環状表面にまで延在している。この環状表面は、アペンデージ38を包囲するとともに、チャンバ34の方を向いている。既に説明したように、上述の構造もまた公知である。
【００２７】
次に、球状の開閉エレメント39の機能を説明する。バルブ７の閉止ストロークにおいて、開閉エレメント39は、スプリング40およびチャンバ34のオイル圧力によって、閉止位置に保持される。ソレノイドバルブ24が開かれてチャンバＣ内の加圧オイルが空になると、吸気バルブ７は、スプリング９の作用によって迅速に閉止位置へと戻る。ただし、吸気バルブ７は、アペンデージ38が開口35内に係合することによって、閉止状態となる直前に減速され、その結果、そのシートに大きな衝撃が及ぶのを防止する。
【００２８】
逆に、吸気バルブ７が開くとき、カム14からタペット16を介してピストン21に圧力が迅速に伝達されるのを可能にするために、スプリング40の作用に抗して、開閉エレメント39が開位置へと押しやられる。この開閉エレメント39の移動は、チャンバＣ内からの加圧流体によるスラスト荷重によるものである。
【００２９】
開閉エレメント39が開くと、前記のホール41およびサイドホール42を介して、ピストン21の端部環状表面(この表面は、チャンバ34の方を向いている)に圧力が直接伝わり、その結果、たとえアペンデージ38が開口35内に止まっていたとしても、大きな力をピストン21に伝達できる。
【００３０】
明細書の冒頭で説明したように、上述した従来の構成において生じる欠点は、組立誤差および磨耗の両方に起因して、装置内の多様な部品間に‘遊び’が生じるという事実に原因がある。これらの事実は、バルブヘッドのシートとして機能するリングＷ(図１参照)に対応する領域において、特に顕著である。バルブヘッドは、衝撃を連続的に受ける結果として、シート内へと向かう方向に1/10ｍｍまたは2/10ｍｍ後退する。
【００３１】
このため、従来技術では、‘遊び’を調整するためのパッドが必要となり、それが原因となって、時間の浪費および構造の複雑化といった問題が生じていた。
【００３２】
以上の問題を解決するために、バルブを作動させるための機構を図３および図４に示したように改良した。図３は、簡略化したタイプのバルブ制御システムを示している。図３の例では、タペット16の軸を、バルブのステム８の軸に一致させている。図３および図４においては、図１および図２と共通する要素については、同じ参照数字を付している。
【００３３】
図４を参照すると良く分かるように、ピストン本体21が補助的なピストン360を保持している。補助的ピストン360は、図２のステム37の場合とは異なり、本体21に対して強固には固定されていない。補助的ピストン360は、ピストン21のチューブ状本体の内側に、ガスケット101を介してスライド可能に設置されている。ガスケット101は、ストローク端部を規定する要素として機能する。補助的ピストン360の一端は、ピストン21内に配置されていて、補助的な流体圧タペット100による加圧(102)下でチャンバの方を向いている。
【００３４】
球状の開閉エレメント39の復帰スプリング40は、Ｔ字型ブッシュ103のへッド上に位置している。Ｔ字型ブッシュ103は、ピストン21内の肩部に圧接されていて、その内部にホール104を有している。ホール104は、チャンバ102とホール42とを連通させ、ひいては、容量可変チャンバ34を介した圧力下において、チャンバＣとの連通を与える機能を備える。
【００３５】
補助的な流体圧タペット16の圧力チャンバ102と、加圧オイルの循環路と、の間における上述した連通は、非復帰バルブ105によって制御される。図示の例においては、非復帰バルブ105は、金属製ブッシュで構成されていて、径方向に延在するダイアフラム(図示せず)によって、球状の開閉エレメント106を保持している。開閉エレメント106は、ブッシュ105の底壁に形成されたホール107を閉止する位置へと弾性的に押圧されている。
【００３６】
球状の開閉エレメント106は、それが閉じている間は、加圧オイルが圧力チャンバ102の方向へ流れることを許容して、当該チャンバを孤立させ、反対方向への流れを防止する。
【００３７】
補助的ピストン360は、ピストン21の外部に位置するキャップ状の端部360ａを有している。当該端部360ａは、バルブのステム８の上端面に当接する。補助的ピストン360は、スプリング108によって、バルブステム８の方に向かってストロークの終端位置へと戻される。スプリング108は、キャップ状端部360ａと、当該端部360ａの方を向いたピストン21の端面と、の間に設置されている。
【００３８】
動作中において、チャンバ102内には、加圧オイルが充満していて、これにより、ピストン21と補助的ピストン360との間における伝達経路が確保される。そして、バルブステム８が適正に(すなわち、動作欠陥やノイズの原因となる‘遊び’を生じさせることなく)動作する。
【００３９】
もちろん、補助的な流体圧タペット105の形状および配置は、単なる例示として図示した一例とは全く異なっていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本件出願人によって出願されたヨーロッパ特許出願(EP-A-0803642)に示された具体例に係る内燃機関のシリンダヘッドの断面図である。
【図２】 図１のシリンダヘッドを詳細に示す拡大断面図である。
【図３】 本発明の内燃機関を詳細に示す拡大断面図である。
【図４】 図３をさらに拡大した断面図である。
【符号の説明】
４ 吸気ダクト
６ 排気ダクト
７ 吸気バルブ
８ ステム
９ スプリング(弾性復帰手段)
11 カムシャフト
16 タペット
21 ピストン
22 ブッシュ
23 出口チャンネル
24 ソレノイドバルブ
26 縦方向チャンネル
34 容量可変チャンバ
100 流体圧タペット
102 チャンバ
108 スプリング(弾性復帰手段)
360 補助的ピストン

Claims (1)

  1. 各シリンダに対して設けられた、少なくとも１つの吸気バルブ(７)および少なくとも１つの排気バルブであって、各バルブが、同バルブを閉止位置に戻して、吸気ダクト(４)と排気ダクト(６)と燃焼チャンバとの連通を制御する弾性復帰手段(９)を備えている、吸気バルブ(７)および排気バルブと、
    上記吸気バルブおよび排気バルブを、タペット(16)を用いて操作するカムシャフト(11)と、
    を備えた内燃機関であって、
    少なくとも１つのタペット(16)が、加圧流体を収容した流体チャンバ(Ｃ)を含む流体手段を介在させて、上記弾性復帰手段(９)の作用に抗して、吸気バルブまたは排気バルブを制御し、
    加圧流体を収容した上記流体チャンバ(Ｃ)は、ソレノイドバルブ(24)を介して、出口チャンネル(23)に連結することが可能であって、それにより、上記バルブを関連するタペット(16)から離脱させて、弾性復帰手段(９)の作用により同バルブを迅速に閉じることができ、
    上記流体手段がさらに備えるバルブ操作ピストン(21)は、上記バルブのステム(８)と協働するとともに、ガイドブッシュ(22)内にスライド可能に設置されており、当該バルブ操作ピストンは、ガイドブッシュ(22)内で該ピストンによって規定される容量可変チャンバ(34)の方を向いており、
    容量可変チャンバ(34)は、ガイドブッシュ(22)の端部開口を介して、加圧流体を収容した上記流体チャンバ(Ｃ)と連通しており、
    上記バルブ操作ピストンが備える端部アペンデージは、バルブの閉止ストロークの最終部分において上記端部開口に挿入されることで、上記可変容量チャンバと加圧流体を収容した上記流体チャンバとの間の連通ポートを制限して、それにより、閉止位置近傍においてバルブストロークを減速させることができるように構成されており、
    以下のことを特徴とする、すなわち、
    バルブステム(８)とバルブを操作する上記バルブ操作ピストン(21)との間に、補助的な流体圧タペット(100)を配置し、
    当該補助的な流体タペット (100) は、バルブ操作ピストン (21) の本体内にスライド可能に設置された補助的ピストン (360) で構成されており、
    当該補助的ピストン (360) の一端は、バルブ操作ピストン (21) の内部に配置されていて、バルブ制御システムの加圧チャンバと連通するバルブ操作ピストン内のチャンバ (102) の方を向いていて、
    当該補助的ピストン (360) の他端は、バルブ操作ピストン (21) の外側に位置するとともに、バルブステム ( ８ ) の端部に当接していて、
    バルブステムに向かう方向におけるストローク端部位置へと補助的ピストン (360) を押し戻すためのコイルスプリング (108) を、バルブ操作ピストン (21) の本体外側において、補助的ピストン (360) を囲むように配置したことを特徴とする、内燃機関。
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