JP4052236B2

JP4052236B2 - 動弁機構

Info

Publication number: JP4052236B2
Application number: JP2003401695A
Authority: JP
Inventors: 公壽辻
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2023-12-01
Also published as: CN100538022C; JP2005163589A; US7140337B2; US20050115531A1; CN1624301A

Description

本発明は、内燃機関の吸気弁及び排気弁の動弁機構に関する。

内燃機関の吸気バルブを、アクチュエータで駆動するカムにより開閉させる動弁機構が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２が存在する。
特開平８−１７７５３６号公報特開昭５９−６８５０９号公報

従来の内燃機関の吸排気弁はバルブスプリングによって弁座に押し付けられている。このバルブスプリングのバネ定数が小さい場合、例えば内燃機関の高回転運転時など弁が高速で開閉されると、吸排気弁と弁座とが衝突した反動で吸排気弁が開くおそれがある。また、弁と弁座との間に煤等のデポジットを噛み込んだ場合にも、弁が開くおそれがある。そこで、バルブスプリングには、弁が高速で開閉された場合の衝突の反動やデポジットの噛み込み等による吸排気弁の開弁（異常開弁）が抑制できるような強さのバネ定数が設定されている。このようなバネ定数の設定は、吸排気弁を開方向へ駆動する駆動源への負荷を増加させ、内燃機関の燃費を悪化させている。

そこで、本発明は、吸排気弁を開方向へ駆動する駆動源への負荷が低減できるとともに、弁が高速で開閉された場合に弁と弁座とが衝突した反動等で吸排気弁が開弁する異常開弁が抑制できる内燃機関の動弁機構を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の動弁機構は、燃焼室を開閉する弁と、前記弁を弁座に向かって押し付ける力を発生するばね手段と、前記弁と接触及び離間が可能な作用部を介して前記弁を開方向へ駆動する駆動機構と、前記作用部と前記弁との離間を抑制する離間抑制手段と、を備え、前記離間抑制手段として、前記作用部から前記弁にかけて架設された抑制ばね手段を備えていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

駆動機構により弁が開方向へ駆動される場合（通常開弁時）は、駆動機構の力が作用部を介して弁に伝達されるので、作用部と弁とが接触して一体に動作する。そのため、離間抑制手段は作用しない。一方、ばね手段は、弁を弁座に向かって押し付ける力を発生させているので、駆動手段によって弁が開方向へ駆動されることで、弁を閉方向へ駆動させる反発力を発生する。従って、弁はばね手段に発生した反発力のみによって閉方向へ駆動される。

一方、異常開弁時は、弁が弁座に衝突したときの反動等で直接弁が開方向へ駆動される。このように直接弁が開方向へ駆動されると、弁は開方向へ移動しようとするが、作用部はほとんど開方向へ移動しない。この場合、作用部と弁とが離間しようとするので、離間抑制手段が作用する。また、弁が開方向へ駆動されているのでばね手段は反発力を発生する。従って、弁に対してばね手段の反発力と離間抑制手段による離間抑制力とが作用し、この両方の力によって弁は閉方向へ駆動される。

このように本発明の内燃機関の動弁機構よれば、異常開弁等により作用部と弁とが離間した場合はばね手段と離間抑制手段とによって弁を閉方向へ駆動できるので、ばね手段のみで弁の異常開弁まで抑制する必要がなくなる。そのため、ばね手段には、異常開弁まで抑制できるようなバネ定数よりも小さいバネ定数を設定することができる。また、駆動機構はばね手段にのみ抗して弁を開方向へ駆動すればよいので、駆動機構の負荷を低減させることができる。

そして、離間抑制手段として作用部と弁とにばねを架設し、作用部と弁とを互いに引き付け合わせることで、離間を抑制することができる。

駆動機構がロッカーアームを備えている場合は、ロッカーアームが作用部として機能する。異常開弁時に弁が反動で開いた場合は弁のみが開方向へ駆動されるので、弁とロッカーアームとが離間する。そのため、ロッカーアームと弁との間に設けられた離間抑制手段に離間抑制力が発生する。従って、異常開弁時は、弁をばね手段と離間抑制手段とによって閉方向へ駆動させることができる。

本発明によれば、駆動機構による弁の通常開弁時はばね手段によってのみ弁が閉方向へ駆動され、異常開弁時はばね手段と離間抑制手段との両方によって弁が閉方向へ駆動される。そのため、ばね手段のバネ定数を従来の動弁機構よりも小さく設定できる。従って、通常開弁時における駆動機構への負荷を低減させるとともに異常開弁を抑制することができる。また、駆動機構への負荷の低減によって内燃機関のエネルギ効率を向上させ、燃費を向上させることができる。

図１に、本発明の一実施形態に係る内燃機関の動弁機構を示す。図１（ａ）に示したように、動弁機構１は、燃焼室２を吸気通路３に対して開閉するための吸気弁４と、弁４を弁座３ａに押し付ける力（図１の矢印Ｂ方向への力）を発生する第一のばね５と、作用部としての中間ステム６を介して弁４を開方向（図１の矢印Ａ方向）へ駆動する駆動機構７と、一端が弁４に固定されるとともに他端が中間ステム６に固定され、弁４及び中間ステム６を互いに押し付ける付勢力を発生する離間抑制手段としての第二のばね８とを備えている。駆動機構７は、駆動源としての電動モータ９と、電動モータ９の出力軸に取り付けられ、回転運動を中間ステム６に伝達するカム１０とを備えている。

次に、上述した動弁機構１の動作を説明する。
図１（ａ）に示したように、カム１０が吸気弁４を開方向（矢印Ａ方向）へ駆動した場合、カム１０が中間ステム６を介して吸気弁４を矢印Ａ方向へ押し下げる。この場合、吸気弁４の矢印Ａ方向への移動により第一のばね５が圧縮されるので、第一のばね５に反発力（図１の矢印Ｃ方向の力）が発生する。この第一のばね５の反発力は、第一のばね５のバネ定数Ｋ_１に吸気弁４の矢印Ａ方向への変位Ｘを掛けたＫ_１Ｘになる。この場合、中間ステム６と吸気弁４とが当接した状態で一体的に開弁方向へ変位するため、第二のばね８は、その両端が相対変位することなく中間ステム６及び吸気弁４とともに開弁方向へ変位する。すなわち、カム１０によって吸気弁４が開弁されるときには、第二のばね８は伸縮しないことになる。従って、吸気弁４は第一のばね５の反発力（図１の矢印Ｃ方向の力）によってのみ矢印Ｂ方向へ駆動される。

一方、図１（ｂ）に示したように、弁４が高速で開閉することにより第一のばね５のみで弁４を弁座３ａに押し付けることが出来ず吸気弁４が異常開弁した場合は、吸気弁４のみが矢印Ａ方向へ移動し、中間ステム６はほとんど移動しない。この場合、吸気弁４と中間ステム６とが離間するので、第二のばね８が上下方向に引っ張られる。そのため、第二のばね８に反発力（図１の矢印Ｄ方向の力）が発生する。この第二のばね８の反発力は、第二のばね８のバネ定数Ｋ_２に吸気弁４の矢印Ａ方向への変位Ｘを掛けたＫ_２Ｘになる。また、吸気弁４の矢印Ａ方向への移動により第一のばね５が圧縮されるので、第一のばね５にも復元力（Ｋ_１Ｘ）が発生する。従って、吸気弁４は、第一のばね５の反発力（図１の矢印Ｃ方向の力）と第二のばね８の反発力（図１の矢印Ｄ方向の力）とを合計した力（Ｋ_１＋Ｋ_２）Ｘによって矢印Ｂ方向へ駆動される。

なお、第一のばねのバネ定数Ｋ_１には、例えば動弁機構１が組み込まれた内燃機関の通常運転時における吸気弁４と弁座３ａとの衝突の反動による開弁が防止できる程度の値を設定することができる。第二のばねのバネ定数Ｋ_２には、例えば異常開弁時に第一のばねのバネ定数Ｋ_１と合計されることで吸気弁４の開方向への移動を抑制できるような値を設定することができる。

図２（ａ）〜（ｄ）は、吸気弁４が駆動機構７により駆動される場合の吸気弁４の矢印Ａ方向への変位、速度、加速度及び反力（第一のばね５の反発力）の時間変化の一例を示している。図２（ｄ）の実線Ｆ１は、図１の実施形態の吸気弁４に作用する反力の時間変化を示している。なお、図２（ｄ）の点線Ｆ２は、図３に示した比較例において吸気弁４が受ける反力の時間変化を示している。図３の比較例では、一個のバルブスプリング１１によって吸気弁４が弁座３ａに押し付けられている。そのため、バルブスプリング１１には、吸気弁４と弁座３ａとの衝突の反動等による異常開弁も抑制できるようにバネ定数（Ｋ_１＋Ｋ_２）が設定されている。図３において図１と共通する部分には同一符号を付してある。

図２（ｄ）から明らかなように、図１の実施形態では第一のばね５の反発力Ｋ_１Ｘにのみ抗して吸気弁４を開ければよいので、図３の比較例と比較して駆動機構７が吸気弁４を開方向へ駆動するための力をＫ_２Ｘ分低減できる。

上述したように、本実施形態によれば、吸気弁４が異常開弁する場合は、第一のばね５と第二のばね８とによっても吸気弁４が閉方向へ駆動されるので、第一のばね５のみによって異常開弁を抑制する必要がない。そのため、第一のばね５には異常開弁が抑制できるようなバネ定数よりも小さいバネ定数を設定できる。また、中間ステム６と吸気弁と４とが離間するような異常開弁時は、第一のばね５と第二のばね８とが吸気弁４を閉方向へ駆動するので、弁４の異常開弁を抑制することができる。

図４に本発明の動弁機構の他の実施形態例を示す。なお、図４において図１と共通する部分には同一符号を付してある。図４の動弁機構１において駆動機構７は、支軸１２を中心として揺動可能に設けられた作用部としてのロッカーアーム１３を介して吸気弁４を開方向へ駆動する。吸気弁４には、第二のばね８を取り付けるための取り付け板４ａが設けられている。図４（ａ）に示したように、第一のばね５は取り付け板４ａと動弁機構１が組み込まれる内燃機関のシリンダヘッド１４との間に設けられている。また、第二のばね８は一端が取り付け板４ａと他端がロッカーアーム１３とそれぞれ接続されることで吸気弁４とロッカーアーム１３とに跨るように配置される。

図４（ａ）は、駆動機構７により吸気弁４が開方向へ駆動された通常開弁時の状態を示している。この場合、ロッカーアーム１３と吸気弁４とが接触したまま一体に動作するので第二のばね８に反発力が発生しない。一方、第一のばね５は吸気弁４の開方向への移動により圧縮されるので、吸気弁４には第一のばね５の反発力（図４の矢印Ｃ方向の力）のみが作用する。

一方、図４（ｂ）に示したように、異常開弁により吸気弁４が開いた場合は、吸気弁４とロッカーアーム１３とが離間するので、第二のばね８に反発力（図４の矢印Ｄ方向の力）が発生する。そのため、吸気弁４には、第一のばね５と第二のばね８との反発力が作用する。なお、直打式の動弁系では本発明にかかる作用部としてロッカーアームの代わりにバルブリフタを適用することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されることなく、種々の形態にて実施してよい。例えば、本発明の動弁機構を排気弁に適用してもよい。また、弁を開方向へ駆動するカムの駆動源は電動モータに限定されず、本発明の動弁機構が組み込まれる内燃機関の出力軸から動力を伝達させてカムを駆動させてもよい。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の動弁機構を示す図。図１の吸気弁の開方向への変位、速度、加速度及び反力の時間変化の一例を示す図。一個のバルブスプリングで吸気弁を弁座に押し付ける動弁機構を示す図。本発明の動弁機構の他の実施形態例を示す図。

符号の説明

１動弁機構
２燃焼室
３ａ弁座
４吸気弁
５第一のばね（ばね手段）
６中間ステム（作用部）
７駆動機構
８第二のばね（離間抑制手段、抑制ばね手段）

Claims

燃焼室を開閉する弁と、前記弁を弁座に向かって押し付ける力を発生するばね手段と、前記弁と接触及び離間が可能な作用部を介して前記弁を開方向へ駆動する駆動機構と、前記作用部と前記弁との離間を抑制する離間抑制手段と、を備え、
前記離間抑制手段として、前記作用部から前記弁にかけて架設された抑制ばね手段を備えていることを特徴とする内燃機関の動弁機構。