JP4192807B2 - 可変動弁システム - Google Patents

Description

この発明は、可変動弁システムに係り、特に、制御軸の回転位置に応じて弁体の開弁特性を変化させる可変動弁機構を含む内燃機関の可変動弁システムに関する。

従来、例えば特開２０００−２３４５０７号公報に開示されるように、制御軸の回転位置に応じて内燃機関の弁体の開弁特性を変更する可変動弁機構を備えるシステムが知られている。このシステムは、モータアクチュエータの出力トルクを制御軸に伝達する機構として、平歯車とウォーム歯車とを含む動力伝達機構を備えている。このような構成によれば、モータアクチュエータに生ずる回転を、大きな減速比で制御軸に伝えることができ、さほど大きな力を要せずに、制御軸に対して確実に所望の回転を与えることができる。

特開２０００−２３４５０７号公報 特開２０００−２１３３１７号公報

上述した可変動弁システムは、より具体的には、モータアクチュエータの出力軸と共に回転する第１平歯ギヤと、この第１平歯ギヤと噛み合う第２平歯ギヤとを含む平歯車を備えている。また、第２平歯ギヤと同じ回転軸に固定されたウォームギヤと、このウォームギヤと噛み合うように配置されたウォームホイルとを備えている。つまり、上述した従来のシステムでは、第２平歯ギヤとウォームギヤを同軸上に固定することにより、平歯車とウォーム歯車との間での力の受け渡しを可能としている。

しかしながら、可変動弁システムの動力伝達機構は、内燃機関周辺の小さなスペース内に収めなければならない。このため、その動力伝達機構は、十分に小型化されていることが望ましい。ところが、平歯ギヤとウォームギヤとを同一の軸上に固定する上記の構成によれば、その軸方向には、少なくとも平歯ギヤの厚さと、ウォームギヤの軸長とを合わせた長さが必要となる。このため、上記従来の可変動弁機構は、その軸方向において体格を小型化することが困難であるという特性を有していた。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、動力伝達機構の小型化を実現して内燃機関への搭載性を高めた可変動弁システムを提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、可変動弁システムであって、
制御軸の回転位置に応じて弁体の開弁特性を変化させる可変動弁機構と、
前記制御軸を回転させるためのアクチュエータと、
前記制御軸と前記アクチュエータとの間に介在する動力伝達機構とを備え、
前記動力伝達機構は、
ウォームホイルと、
中心軸を前記ウォームホイルと共用する平歯ギヤとを備え、
前記ウォームホイルと前記平歯ギヤとは同一平面内に配置されていることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記アクチュエータは電動モータであり、
前記動力伝達機構は、
前記電動モータの出力軸と共に回転するウォームギヤと、
前記制御軸と共に回転する第２平歯ギヤと、
前記ウォームギヤと前記第２平歯ギヤとの間に配置されるハイブリッドギヤとを備え、
前記ハイブリッドギヤは、
その外周の一部に前記ウォームホイルを備え、その外周の他の部分に前記平歯ギヤを備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、前記第２平歯ギヤは、その外周の一部にのみギヤ歯を備えていることを特徴とする。

また、第４の発明は、第２または第３の発明において、前記ウォームホイルと前記平歯ギヤとは、互いに同心円となるように、かつ、前記ウォームホイルの径が前記平歯ギヤの径に比して大きくなるように形成されていることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第３の発明において、
前記制御軸は、直線上に並んだ複数の気筒を縦断するように配置され、
前記動力伝達機構は、気筒と気筒の間に配置されることを特徴とする。

第１の発明によれば、制御軸とアクチュエータとの間に介在する動力伝達機構に、ウォームホイルと、そのウォームホイルと中心軸を共用する平歯ギヤとを含めている。ここでは、ウォームホイルと平歯ギヤとが同一平面内に配置されているため、それらの配置に必要な軸方向のスペースを十分に小さくすることができる。

第２の発明によれば、ウォームホイルと平歯ギヤをハイブリッドギヤとして一体化することにより、簡単な構造により、それらを同一平面内に配置し、その結果、それらの配置に必要なスペースを小さくすることができる。

第３の発明によれば、平歯ギヤと噛み合う第２平歯ギヤについても、ギヤ歯は、その外周の一部、つまり、動力の伝達に必要な部分にのみ形成される。このような構成によれば、ギヤ歯の存在しない部分における設計の自由度が増し、更なる軽量化を実現することができる。

第４の発明によれば、ウォームホイルが平歯ギヤより大きな径を有しているため、電動モータから制御軸へ、大きな減速比でトルクを伝達することができる。このため、本発明によれば、電動モータの定格を十分に小さくすることができる。

第５の発明によれば、動力伝達機構を気筒間に配置することができる。本発明における動力伝達機構は、十分に小型化されているため、気筒間のスペース内に収めることができる。また、そのような構成によれば、内燃機関の全長を抑えて、内燃機関自身の搭載性を改善することができる。

実施の形態１．
［実施の形態１の全体構成］
図１は、本発明の実施の形態１の可変動弁システムの全体構成を説明するための斜視図である。本実施形態のシステムは、直列４気筒式の内燃機関に組み合わされるものであり、個々に気筒に対応して設けられた４つの可変動弁機構１０を有している。可変動弁機構１０は、各気筒に配置された吸気弁を、所望の開弁特性を実現しつつ、より具体的には、開弁期間（作用角）およびリフト量を所望の値に変化させつつ、カムの回転に合わせて開閉させるための機構である。

可変動弁機構１０は、カムの回転と同期して揺動する揺動アーム１２を備えている。揺動アーム１２は、後述するように、個々の吸気弁を開弁方向に押圧するための部材である。本実施形態では、内燃機関の個々の気筒に、図示されない吸気弁が２つずつ配置されることから、個々の可変動弁機構１０にも、揺動アーム１２が２つずつ備えられている。

可変動弁機構１０には、２つの揺動アームを貫くように、制御軸（図１には非表示）が貫通している。この制御軸は、４つの可変動弁機構１０の全てを同様に貫通して、内燃機関の４つの気筒を全て縦断するように配置されている。４つの可変動弁機構１０は、その制御軸が回転自在に保持されることにより、内燃機関のシリンダヘッド１４に装着されている。

シリンダヘッド１４には、また、４つの気筒を縦断するようにカムシャフト１６が配置されている。カムシャフト１６には、４つの気筒のそれぞれに対応するカム１８が設けられている。可変動弁機構１０は、後述するように、そのカムの回転に伴って、所望の揺動範囲において揺動アーム１２を揺動させることができる。

また、シリンダヘッド１４には、モータアクチュエータ２０と、その出力軸に連結する動力伝達機構２２とが組み込まれている。動力伝達機構２２は、モータアクチュエータ２０の出力トルクを、上述した制御軸に伝達するための機構である。制御軸は、その出力トルクの伝達を受けることにより、任意の方向に回転することができる。

可変動弁機構１０は、制御軸の回転位置に応じて吸気弁の開弁特性を変化させるように構成されている。このため、本実施形態のシステムによれば、モータアクチュエータ２０を回転させて制御軸の回転位置を適当に変化させると、その結果、吸気弁の開弁特性を適当に変化させることができる。

［可変動弁機構の構成および動作］
次に、図２を参照して、可変動弁機構１０の構成をより詳細に説明する。図２は、図１中にII矢視で示した仮想平面において可変動弁システムを切断することで得られる可変動弁機構１０の側面図である。

図２において、符号２４を付して示す部材は、上述した制御軸である。この図に示すように、制御軸２４は、可変動弁機構１０の中央部を貫通するように設けられている。可変動弁機構１０は、制御軸２４に固定されるコントロールアーム２６を備えている。コントロールアーム２６には、回転軸２８を介して中間アーム３０が連結されている。中間アーム３０の端部にはスライドローラ３２が装着されている。

既述した通り、可変動弁機構１０は、２つの揺動アーム１２を備えている。それら２つの揺動アーム１２の間にはスライドアーム３４が配置されている。揺動アーム１２とスライドアーム３４は、互いに一体化された状態で、制御軸１２の回りを自在に回動することができる。

制御軸２４の外周には、ロストモーションスプリング３６が装着されている。ロストモーションスプリング３６は、その一端が揺動アーム１２に掛留められており、揺動アーム１２の先端部を図２における時計回り方向に付勢している。揺動アーム１２はスライドアーム３４と一体化されているため、その付勢力は、スライドアーム３４をカム１８の方向に押しつける力として作用する。

スライドアーム３４は、上記の付勢力を受けて、中間アーム３０のスライドローラ３２に当接している。また、中間アーム３０は、その付勢力を受けて、カム１８と当接した状態を維持している。このように、可変動弁機構１０においては、ロストモーションスプリング３６の発する付勢力により、スライドローラ３４とカム１８との機械的な当接が常に維持されている。

この状態でカム１８が回転し、カムノーズが中間アーム３０を押圧し始めると、中間アーム３０は、回転軸２８を支点として、スライドローラ３２を下方へ押し下げるように回動する。この際、スライドローラ３２は、スライドアーム３４の表面上を転動しながら、スライドアーム３４及び揺動アーム１２を図２における反時計回り方向に回転させる。

反時計回りの回動は、カム１８の作用点がカムノーズのピークに達するまで継続する。そして、カム１８の作用点がカムノーズのピークを超えると、中間アーム３０が元の位置に戻り始めることにより、スライドアーム３４および揺動アーム１２の回動方向が、図２における時計回り方向に反転する。カム１８の回転中は、以上の動作が繰り返されることにより、その回転と同期した揺動が揺動アーム１２に発生する。

揺動アーム１２の下方には、ロッカーアーム３８が配置されている。ロッカーアーム３８の一端は、油圧ラッシュアジャスタ４０により支持されている。また、ロッカーアーム３８の中央部分には、揺動アーム１２と当接するローラ４２が設けられている。更に、ロッカーアーム３８の他端には、弁軸４４が連結されている。

弁軸４４は、その下端において吸気弁４６に固定されていると共に、図示しないバルブスプリングによって閉弁方向に付勢されている。ロッカーアーム３８は、そのバルブスプリングの付勢力により、揺動アーム１２と当接する方向に押圧されている。

揺動アーム１２には、制御軸２４に対して同心円形状に設けられた同心円部分４８と、その同心円部分４８に隣接する押圧部分５０とが設けられている。揺動アーム１２は、基準の状態では、同心円部分４８をロッカーアーム３８に当接させている（図２に示す状態）。この場合、揺動アーム１２は、ロッカーアーム３８の状態を変えずに回動することができる。

ロッカーアーム３８との当接点は、揺動アーム１２が図２に示す反時計回り方向に回動するに連れて、同心円部分４８と押圧部分５０との境界に近づき、やがては押圧部分５０に移行する。揺動アーム１２が、押圧部分５０においてロッカーアーム３８と当接する状況下では、揺動アーム１２の回転角が増すに連れてロッカーアーム３８が開弁方向に押圧される。その結果、吸気弁４６に開弁リフトが与えられる。

揺動アーム１２は、上述した通り、カム１８の回転と同期して揺動する。そして、揺動アーム１２が揺動する過程において、押圧部分５０がロッカーアーム３８に接する領域では、揺動アーム１２の回転に伴って吸気弁４６に開弁リフトが生ずる。このため、可変動弁機構１０によれば、カム１８の回転中に、その回転動作と同期した状態で吸気弁４０を開閉動作させることができる。

ところで、可変動弁機構１０は、制御軸２４の回転位置に応じて、揺動アーム１２の基準の回転位置を変化させるように構成されている。具体的には、図２に示す状況下で、制御軸２４が時計回り方向に回転させられると、カム１８による規制を受けながら中間アーム３０の姿勢が変化するのに伴い、スライドアーム３４および揺動アーム１２の姿勢も、時計回り方向に変化する。つまり、揺動アーム１２の基準位置が、図２に示す位置より、時計回り方向に所定角度だけ回転した位置に変化する。

揺動アーム１２の基準位置がこのように変化すると、ロッカーアーム３８が押圧され始めるまでに揺動アーム１２に与えるべき回動量は増加する。カム１８の回転に伴う揺動アーム１２の揺動幅はほぼ一定であるから、上記の回動量が増えれば、現実にロッカーアーム３８を押し下げるために利用される回転角は小さくなる。このため、吸気弁４６の作用角及びリフト量は、制御軸２４が図２における時計回り方向に回動されるほど小さなものとなる。

制御軸２４が図２における反時計回り方向に回動されると、上述した現象と逆の現象が生ずる。このため、可変動弁機構１０によれば、制御軸２４が反時計回り方向に回動されるほど、吸気弁４６の作用角及びリフト量が増大する。このように、本実施形態のシステムによれば、制御軸２４の回転位置を変化させることにより、吸気弁４６の作用角及びリフト量を、自由に増減させることが可能である。

［実施の形態１の特徴］
本実施形態の可変動弁システムは、既述した通り、モータアクチュエータ２０を適当に駆動することにより、制御軸２４の回転位置を適当に制御することができる。ここで、本実施形態のシステムは、モータアクチュエータ２０の出力トルクを制御軸２４に伝達するための動力伝達機構２２を、十分に薄型化したうえで第２気筒と第３気筒の間のスペース内に収納している（図１参照）点に特徴を有している。

以下、図３を参照して、その特徴点を詳細に説明する。図３は、図１中にIII矢視で示した仮想平面において可変動弁システムを切断することで得られる動力伝達機構の側面図である。図３に示すように、動力伝達機構２２は、モータアクチュエータ２０の出力軸５２と共に回転するウォームギヤ５４を有している。ウォームギヤ５４は、その軸方向に螺旋状に刻まれたギヤ歯を有しており、ハイブリッドギヤ５６と噛み合わされている。

ハイブリッドギヤ５６は、その外周の一部にウォームホイル５８を備えていると共に、ウォームホイル５８と重ならない位置に平歯ギヤ６０を備えている。ウォームホイル５８には、軸方向に対して斜めに傾斜したギヤ歯が等間隔で複数刻まれている。ハイブリッドギヤ５６は、そのウォームホイル５８において、上述したウォームギヤ５４と連結されている。

ウォームホイル５８と平歯ギヤ６０とは、互いに同一平面内に配置された同心円となるように形成されている。より具体的には、ウォームホイル５８と平歯ギヤ６０とは、回転軸６２を中心として、同一平面内で一体物として回転するように構成されている。平歯ギヤ６０には、第２平歯ギヤ６４が噛み合わされている。第２平歯ギヤ６４は、制御軸２４の周囲に固定されている。このため、動力伝達機構２２によれば、モータアクチュエータ２０の発生する出力トルクを、ウォームギヤ５４、ハイブリッドギヤ５６および第２平歯ギヤ６４を介して制御軸２４に伝達することができる。

以上説明した通り、本実施形態のシステムでは、ウォームホイル５８と平歯ギヤ６０とが、一体化された状態で、同一平面内に配置されるように構成されている。単一の回転軸回りにウォームホイルと平歯ギヤとを形成する場合は、それらのギヤがそれぞれ準備され、互いに重ね合わされた状態で用いられるのが一般的である。

これに対して、上述した構成によれば、ギヤ歯の重ね合わせが不要となることから、それらを収納するために厚さ方向（軸方向）に確保するべきスペースを、一般的な場合に比して十分に小さく（薄く）することができる。このため、本実施形態のシステムによれば、動力伝達機構２２に対して、優れた搭載性を付与することができる。

また、本実施形態のシステムでは、ウォームホイル５８の径が平歯ギヤ６０の径に比して大きくなるようにハイブリッドギヤ５６が形成されている。このような構成によれば、モータアクチュエータ２０から制御軸２４へ向かう正方向の動力伝達を、大きな減速比で行うことができる。

ウォームギヤ５４とウォームホイル５８との組み合わせによれば、一般的な特性として、正方向に高い減速比を得ることができる。本実施形態のシステムによれば、そのような減速比に比して、正方向の減速比を更に高めることができる。このため、本実施形態のシステムによれば、モータアクチュエータ２０の体格を十分に小型化しつつ、制御軸２４の駆動に必要な動力を確保することができる。

また、本実施形態のシステムでは、ウォームホイル５８、平歯ギヤ６０、および第２平歯ギヤ６４を、それぞれ制御軸２４の制御に必要な幅だけ設けることとしている。すなわち、本実施形態における制御軸２４は、吸気弁４６の開弁特性を最大リフト特性と最小リフト特性との間で変化させるのに必要な範囲で回転することができれば十分である。そして、制御軸２４をそのような範囲で回転させるうえでは、ウォームホイル５８や平歯ギヤ６０、更には第２平歯ギヤ６４は、３６０°の全域に設ける必要はない。

そこで、本実施形態では、それらのギヤ歯を動力伝達に必要な角度範囲にのみ設けると共に、ギヤ歯の不要な箇所からは可能な限りギヤ鋼材自体を切削して、動力伝達機構２２の軽量化を図ることとした。その結果、本実施形態のシステムでは、十分な軽量化が実現されている。また、このような構成によれば、それぞれのギヤ歯の慣性モーメントが減るため、応答性の向上効果をも得ることができる。

また、本実施形態のシステムでは、上述した通り、ウォームホイル５８の回転軸６２を制御軸２４とは別に設けて、ウォームホイル５８と制御軸２４の間に平歯ギヤ６０と第２平歯ギヤ６４とを介在させることとしている。このような構成によれば、ウォームホイル５８のサイズや配置に大きな自由度を高めることができる。その結果、カム１８との干渉を避けながらウォームホイル５８に大きな径を確保することなどが可能となる。また、このような構成によれば、モータアクチュエータ２０の搭載位置に関する自由度も高めることができる。

更に、上述した構成によれば、平歯ギヤ６０および第２平歯ギヤ６４が存在していることにより、ウォームギヤ５４とウォームホイル５８の間に作用するトルクが減少する。このため、本実施形態のシステムによれば、ウォームギヤ５４及びウォームホイル５８の摩擦ロスや摩耗を十分に低減することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、動力伝達機構２２及びモータアクチュエータ２０を、第２気筒と第３気筒の間に配置することとしているが、その搭載位置はこれに限定されるものではない。すなわち、それらの機構は、第１気筒と第２気筒との間、或いは第３気筒と第４気筒との間など、他の気筒間のスペースに配置することとしても、更には、内燃機関の端部に余裕がある場合には、その端部に配置することとしてもよい。

本発明の実施の形態１の可変動弁システムの全体構成を説明するための斜視図である。 図１中にII矢視で示した仮想平面において可変動弁システムを切断することで得られる可変動弁機構の側面図である。 図１中にIII矢視で示した仮想平面において可変動弁システムを切断することで得られる動力伝達機構の側面図である。

符号の説明

１０ 可変動弁機構
１２ 揺動アーム
１４ シリンダブロック
１６ カムシャフト
１８ カム
２０ モータアクチュエータ
２２ 動力伝達機構
２４ 制御軸
２６ コントロールアーム
３０ 中間アーム
３４ スライドアーム
３８ ロッカーアーム
４６ 吸気弁
５４ ウォームギヤ
５６ ハイブリッドギヤ
５８ ウォームホイル
６０ 平歯ギヤ
６４ 第２平歯ギヤ

Claims (5)

1. 制御軸の回転位置に応じて弁体の開弁特性を変化させる可変動弁機構と、
   前記制御軸を回転させるためのアクチュエータと、
   前記制御軸と前記アクチュエータとの間に介在する動力伝達機構とを備え、
   前記動力伝達機構は、
   ウォームホイルと、
   中心軸を前記ウォームホイルと共用する平歯ギヤとを備え、
   前記ウォームホイルと前記平歯ギヤとは同一平面内に配置されていることを特徴とする可変動弁システム。
2. 前記アクチュエータは電動モータであり、
   前記動力伝達機構は、
   前記電動モータの出力軸と共に回転するウォームギヤと、
   前記制御軸と共に回転する第２平歯ギヤと、
   前記ウォームギヤと前記第２平歯ギヤとの間に配置されるハイブリッドギヤとを備え、
   前記ハイブリッドギヤは、
   その外周の一部に前記ウォームホイルを備え、その外周の他の部分に前記平歯ギヤを備えることを特徴とする請求項１記載の可変動弁システム。
3. 前記第２平歯ギヤは、その外周の一部にのみギヤ歯を備えていることを特徴とする請求項２記載の可変動弁システム。
4. 前記ウォームホイルと前記平歯ギヤとは、互いに同心円となるように、かつ、前記ウォームホイルの径が前記平歯ギヤの径に比して大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項２または３記載の可変動弁システム。
5. 前記制御軸は、直線上に並んだ複数の気筒を縦断するように配置され、
   前記動力伝達機構は、気筒と気筒の間に配置されることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の可変動弁システム。

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