JP4251364B2 - ４サイクル内燃機関の動弁機構 - Google Patents

Description

本発明は４サイクル内燃機関の動弁機構に属するものである。

従来の４サイクル内燃機関の動弁機構は弁のリフト時期及びリフト時間及びリフト量が固定されたものが多く、この場合機関の必要とする吸気量は絞り弁すなはちスロットルバルブにより調節されていた。

また可変機構をもつ動弁機構であってもカム軸の位相を変える弁の開閉時期のみ可変とか、カムを複数個用いて運転状態に応じて切り替えるとかであって、特に吸気弁のリフト量を連続的に可変とするものがなかった。

したがって、吸気量の調節は前述のようにスロットルバルブにより行われ、特に自動車等における実用運転域である低、中負荷時には吸気を絞ることによるポンピングロスが大きく発生するために、機関の効率を著しく低下させ、燃費の増大、二酸化炭素の発生量を増加させていた。

本発明は機関の運転状態によって、特に弁のリフト量を自在に可変とし、特に吸気弁に本発明にかかる動弁機構を用いることにより、吸気量を弁自体のみで調節することを可能とすることを目的とするものである。

その結果、スロットルバルブによる調節を不要にすることが出来るために、低、中負荷時のポンピングロスによる損失を低減することが出来る。

しかし、一般的にリフト量を連続的に可変とすることは、従来の単純なＤＯＨＣ及びＳＯＨＣ機構に何らかの機構及び部材を組み込まなければならず、複雑な機構、部材を組み込めば剛性の低下、慣性質量の増加により高速時追従性、性能の低下、摩擦損失の増加を招いてしまうものである。

そして、本発明は上記課題を解決するために、サイクルごとに直接運動する部材に、複雑な部材及び形状、多くのリンク機構を用いることなく、極めて単純で低コストな部材を用いること。

それによって、慣性質量の過大な増加を防ぎ、動弁機構の高速追従性を低下させないこと。

また、単純な機構とすることにより動弁機構の剛性を維持すること。

その結果、機関の効率の向上により、燃費の向上、二酸化炭素発生量を低減することを課題とするものである。

カム軸３と平行に位置する支持アーム取付軸６，６−１により第一ロッカーアーム１０、１０−１の背面近隣のシリンダヘッド部材７，７−１に該支持アーム取付軸６，６−１により、支持アーム５，５−１の一端をそれぞれ軸支して回動自在とする。

該支持アーム取付軸６，６−１の軸中心線Ｌは弁閉時に第一ロッカーアーム１０、１０−１の背面１０−５、１０−３に近隣する上空を通過するようにする。

そして、支持アーム５，５−１の他端を、前記支持アーム取付軸６，６−１と平行に位置する連結軸１とそれぞれ結合し、支持アーム取付軸６，６−１を中心として支持アーム５，５−１及び連結軸１が一体として回動可能とする。

連結軸１には第二ロッカーアーム１９の一端のボス部を軸支して、該連結軸１を中心にして回動自在とする。

そして、前記支持アーム取付軸６，６−１の軸心から連結軸１の軸心までの距離と同じ距離の第二ロッカーアーム１９の他端部に、連結軸１と平行にローラーカムフォロアー１１とそれより小径の第一ロッカーローラーフォロアー９，９−１を近隣して同心に軸支し、それぞれ回転自在とする。

弁閉時の状態に置いて、ローラーカムフォロアー１１にはカムベース円４を接触させ、第一ロッカーローラーフォロアー９，９−１には第一ロッカーアーム１０，１０−１の背面にそれぞれ接触させ、この時ローラーカムフォロアー１１及び第一ロッカーローラーフォロアー９，９−１の軸心と、前記支持アーム取付軸６，６−１とが同一軸線上にあるようにする。

そして、上記支持アーム取付軸６，６−１を中心として、支持アーム５，５−１及び連結軸１を回動させるための駆動機構として、雄ねじ１６と雌ねじ１５を用い、雌ねじ１５を、連結軸１を結合している支持アームボス部に、連結軸１と直角に軸１４により回動自在に軸支し、該雌ねじ１５に雄ねじ１６をねじ込む。

該雄ねじ１６は制御モーター２３により駆動可能に軸支し、雌ねじ１５に対して雄ねじ１６を出入り可能とし、それによって前記連結軸１を回動可能とする。

制御モーター２３はエンジン部材２０に揺動可能に軸結する。

以上の構成のもと、機関の運転状態に応じて制御モーター２３を駆動することで、連結軸１を支持アーム取付軸６，６−１を中心に回動させることにより、該連結軸１にその一端を軸支されている第二ロッカーアーム１９の回動中心を移動させる。

それによって、カムによって駆動されるローラーカムフォロアー１１の運動方向を変化させ、同軸に軸支されている第一ロッカーローラーフォロアー９，９−１の第一ロッカーアーム１０，１０−１を押し下げる方向の運動分力を増減させる。

それによって、弁のリフト量を連続的に可変にしようとする４サイクル内燃機関の動弁機構。

特に予混合機関の吸気弁に本発明の動弁機構を用いれば、連続的に弁のリフト量を変えることが出来るために、機関の運転及び出力の調整に必要な吸気量を弁自体の開閉のみで調節可能となる。

その結果、従来用いられていたスロットルバルブを用いることなく吸気量の調節が可能となり、機関の出力制御が可能となる。

そして、上記の目的を達するための、サイクルごとに往復運動あるいは揺動運動する動弁系の部材において、新たに付加した部材は第二ロッカーアーム１９のみである。

したがって、動弁機構の慣性質量を、特に従来の機関の単純なＤＯＨＣ及びＳＯＨＣ形式に較べて過大にすることなく、その目的を達成するものである。

また、サイクルごとに運動する部材に複雑な形状、多くのリンク機構を用いることなく、極めて単純な部材第二ロッカーアーム１９をひとつ付加しただけなので低コストで、動弁機構の剛性を高くすることが出来る。

さらに、弁のリフト量の変化が連続的であるので、作動時の打音がなく高速運転時にも充分な追従性を持ち、ローラーフォロアーを用いているので摩擦損失も十分に小さいものである。

さらに、公知技術であるカム軸の位相可変機構を本発明にかかる動弁機構に用いれば、弁の開閉時期も合わせて可変になるので弁の可変リフト、可変タイミングが可能となりその効果は倍増するものである。

以上のように、高速性能を落とさずに低、中負荷時のポンピング損失による摩擦損失を低減できることから、燃費の低減、二酸化炭素発生量の低減などの地球環境の維持向上に資するものである。

以下に本発明を実施するための最良の形態を実施例について説明する。

本発明の主要な構成を示す図１について説明すれば、カム軸３と平行に位置する支持アーム取付軸６により第一ロッカーアーム１０の弁押接部の背面１０−５、これは図６に記載されている、に近隣するシリンダヘッド部材７に、該支持アーム取付軸６により支持アーム５の一端を軸支して回動自在とする。

支持アーム６−１においても上記と同様な位置関係により第一ロッカーアーム１０−１の背面１０−３近隣のシリンダヘッド部材７−１に、該支持アーム取付軸６−１により支持アーム５−１の一端を軸支して回動自在とする。

該支持アーム取付軸６及び６−１の軸中心線Ｌは一致するようにし、弁閉時に第一ロッカーアーム１０及び１０−１の弁押接部に近隣し、背面部１０−５及び１０−３に近隣する上空を通過するようにする。

そして、支持アーム５の他端部分を、前記支持アーム取付軸６と平行に位置する連結軸１とを結合する。

同様に、支持アーム５−１の他端部分を連結軸１と結合する。

この場合、支持アーム５及び５−１と連結軸１との結合は回転自在に軸支してもよいが、本実施例では剛性を確保するために固定し結合する。

そして、支持アーム取付軸６及び６−１を中心として支持アーム５及び５−１と連結軸１が一体として回動可能とする。

支持アーム５と支持アーム５−１により支持されている連結軸１において、支持アーム５と支持アーム５−１の間の連結軸１には第二ロッカーアーム１９の一端のボス部を軸支して、該連結軸１を中心に回動自在とする。

そして、前記支持アーム取付軸６及び６−１の軸心から、連結軸１の軸心までの距離と同じ距離を持つ第二ロッカーアーム１９のフォーク状に分岐した他端部に、連結軸１と平行にローラーカムフォロアー軸８により、ローラーカムフォロアー１１を軸支して回転自在とする。

該ローラーカムフォロアー１１には弁閉時の状態において、カムベース円４を接触させる。

該ローラーカムフォロアー１１に近隣して、第一ロッカーローラーフォロアー９を同軸心に軸支して回転自在とし、弁閉時の状態において、該第一ロッカーローラーフォロアー９を第一ロッカーアーム１０の弁押接部近隣の、カム軸側に面する背面１０−５に接触させる。

同じく、該ローラーカムフォロアー１１に近隣して、第一ロッカーローラーフォロアー９と反対側に、第一ロッカーローラーフォロアー９−１を該ローラーカムフォロアー１１と同軸心に軸支して回転自在とする。

そして、弁閉時の状態において、該第一ロッカーローラーフォロアー９−１を第一ロッカーアーム１０−１の弁押接部近隣の、カム軸側に面する背面１０−３に接触させる。

そして、この弁閉時の状態において、ローラーカムフォロアー１１及び第一ロッカーローラーフォロアー９と９−１の軸心と、前記支持アーム取付軸６及び６−１との軸心とが同一軸線Ｌ上にあるようにする。

そして、支持アーム５及び５−１の連結軸１に結合しているそれぞれのボス部には止めピン１７−１と１７をそれぞれ固定して設け、押さえバネ１８のボス部の曲面に沿ってえん曲している両端を、それぞれ止めピン１７−１と１７に掛けて止める。

該押さえバネ１８の中央部は第二ロッカーアーム１９の第一ロッカーアーム１０及び１０−１に面しているアーム部分に押し当てて、その反力によりローラーカムフォロアー１１をカムベース円４に常時押接するようにする。

支持アーム５−１の連結軸１を支持しているボス部にはブラケット１４−１を２枚平行に支持アーム部分の反対側のボス部に設ける。

該ブラケット１４−１の間には雌ねじ１５を連結軸と直角の位置に軸１４により回動自在に軸支して、該雌ねじ１５には雄ねじ１６をねじ込んで挿入する。

該雄ねじ１６は制御モーター２３により駆動可能に軸結し、雌ねじ１５に対して雄ねじ１６を出入り可能とし、該制御モーター２３は軸１２によりエンジン部材２０に軸支し揺動可能とする。

制御モーター２３は制御回路２１を経て、アクセルペダル２２のふみ込み量、ふみ込み速度、位置等を受信して、正転、逆転、停止位置保持等を行うもので、公知技術のサーボモーターあるいはステッピングモーター及びそれに伴う制御回路を用いる。

以上のような構成のもとアクセルペダル２２の操作量に応じて、支持アーム取付軸６及び６−１を中心として、支持アーム５及び５−１を回動させ、連結している連結軸１を回動させる。

当然ながら、連結軸１に連結している第二ロッカーアーム１９も、支持アーム取付軸６及び６−１の軸心と同心のローラーカムフォロアー１１の軸心を中心として回動する。

それによって、カムにより駆動されるローラーカムフォロアー１１の運動方向を変化させ、同軸心に軸支されている第一ロッカーローラーフォロアー９と９−１の第一ロッカーアーム１０、１０−１を押し下げる方向の運動分力を増減させる。

図６に示すように、アクセルペダル２２のふみ込み量のないアイドル状態、又は少ない低負荷の状態で、連結軸１及び第二ロッカーアーム１９がＲ方向に回動し、立ち上がった位置である。

この位置でカムが作用すればローラーカムフォロアー１１は連結軸１を中心に回動し、その回動方向と弁１３と１３−１を押し下げる方向の運動分力との成す角度が大きいので、弁１３と１３−１を押し下げる移動量が小さく、その結果図７に示すようなリフト量Ａとなるものである。

図８は中負荷時の連結軸１及び第二ロッカーアーム１９の位置で、前記図６の位置よりも立ち上がりの小さいＦ方向に回動した状態である。

この位置でカムが作動すればローラーカムフォロアー１１は連結軸１を中心に回動し、その回動方向と弁１３と１３−１を押し下げる方向の運動分力との成す角度が前記図６の場合より小さいので、弁１３と１３−１を押し下げる移動量が図６の場合より大きくなり、その結果図９に示すようなリフト量Ｂとなるものである。

図１０は大負荷時の連結軸１及び第二ロッカーアーム１９の位置で、前記図８の位置よりもさらに立ち上がりの小さいＦ方向に回動した状態である。

この位置でカムが作動すればローラーカムフォロアー１１は連結軸１を中心に回動し、その回動方向と弁１３，１３−１を押し下げる方向の運動分力との成す角度が、前記図８の場合よりさらに少なくなり、ローラーカムフォロアー１１の回動した移動量がほとんど弁１３，１３−１を押し下げる移動量として伝達される。

その結果、図１１に示すリフト量Ｃとなるものである。

以上のように、連結軸１をＦ方向に回動させれば、その回動量に従って、ローラーカムフォロアー１１の回動した移動量の多くが弁を押し下げる移動量として伝達し、弁のリフト量を増加させる。

また、該連結軸１をＲ方向に回動させれば、その回動量に従って、ローラーカムフォロアー１１の回動した移動量がより少なく弁を押し下げる移動量として伝達し、弁のリフト量を減少させる。

また、Ｒ方向、Ｆ方向それぞれの方向への回動は連続的に可変可能である。

図２に示す実施例について説明すれば、第二ロッカーアーム１９−１のフォーク状に分岐した他端部に、ローラーカムフォロアー軸８−１によりローラーカムフォロアー１１−１と第一ロッカーローラーフォロアー９−２を近隣して同軸に、それぞれ回転自在に軸支する。

そして、第一ロッカーローラーフォロアー９−２はＴ字形レバーの形状をした第一ロッカーアーム１０−２の、カム軸側に面した背面１０−４に接触している。

該背面１０−４は第一ロッカー軸と弁押接部分との間にある第一ロッカーアーム１０−２部材のカム軸３側に面する部分である。

動作のしかたは前記第一の実施例と同じである。

図５に示す実施例について説明すれば、第一ロッカーアームを用いることなく、直押しのバケット形のタペット３０，３０−１を用いている。

そして、第二ロッカーアーム１９−２のフォーク状に分岐した他端部に、ローラーカムフォロアー軸８−２によりローラーカムフォロアー１１−２とタペットローラーフォロアー９−３、９−４とを近隣して同軸にそれぞれ回転自在に軸支する。

該タペットローラーフォロアー９−３、９−４はそれぞれタペット３０，３０−１の頂部３１，３１−１に弁閉時の状態において接触している。

そして、カムの作動により第二ロッカーアーム１９−２が連結軸１を中心に回動したときに、該タペットローラーフォロアー９−３，９−４がタペット３０、３０−１の頂部３１，３１−１を転動しながら押し下げ可能とするものである。

そのときの動作の原理は前記第１の実施例と同じである。

第一ロッカーローラフォロアーとタペットローラーフォロアーは機能と、その置かれる位置は同じであるが、説明する上で第一ロッカーアームに接触するものを第一ロッカーローラフォロアー、タペットに接触するものをタペットローラーフォロアーと名づけた。

本発明にかかる４サイクル内燃機関の動弁機構は、ガソリン機関を代表とする予混合機関の吸気弁を駆動する動弁機構に利用される可能性が大きい。

本発明の主要な部分を示す立体図で第一実施例をしめす。 本発明の主要な部分を示す立体図で第二実施例をしめす。 図２の実施例における第二ロッカーアーム１９−１とローラーカムフォロアー１１−１と第一ロッカーローラーフォロアー９−２とローラーカムフォロアー軸８−１と第一ロッカーアーム１０−２との関係を示す図で、連結軸１と平行に切断した断面図である。 図１の実施例における第二ロッカーアーム１９とローラーカムフォロアー１１と第一ロッカーローラーフォロアー９，９−１とローラーカムフォロアー軸８と第一ロッカーアーム１０，１０−１との関係を示す図で、連結軸１と平行に切断した断面図である。 第三の実施例で第一ロッカーアームをバケット形のタペット３０，３０−１としたもので、タペットローラーフォロアー９−３，９−４とタペット頂部３１，３１−１との接触している位置関係を示す連結軸１と平行に切断した断面図である。 は図１に示す実施例でカム軸３の軸方向より見た図で、低負荷あるいはアイドル状態における連結軸１及び第二ロッカーアーム１９の位置を示す側面図。 は図６の位置関係において、カムが作動し連結軸１を中心に第二ロッカーアーム１９が回動し弁１３を押し下げた状態を示す側面図。 は同じく図１に示す実施例で、カム軸３の軸方向より見た図で、図６に示す連結軸１及び第二ロッカーアーム１９が支持アーム取付軸６を中心にＦ方向に回動した位置で中負荷状態をしめす側面図。 図８の位置関係においてカムが作動し、連結軸１を中心に第二ロッカーアームー１９が回動し、弁１３を押し下げた状態を示す側面図。 は同じく図１に示す実施例で、カム軸３軸方向より見た図で、図８に示す位置よりさらにＦ方向に連結軸１及び第二ロッカーアーム１９を回動した位置で大負荷状態を示す側面図。 は図１０の位置関係においてカムが作動し、連結軸１を中心に第二ロッカーアーム１９が回動し、弁１３を押し下げた状態を示す側面図。 連結軸１とローラーカムフォロアー１１と第二ロッカーアーム１９と第一ロッカーアーム１０の、低負荷時の幾何的な動作を示す側面図。 図１２と同じ構成のもと、中負荷時の幾何的な動作を示す側面図。 図１３と同じ構成のもと、弁閉時の中負荷時の幾何的な動作を示す側面図。 図１３と同じ構成のもと、高負荷時の幾何的な動作を示す側面図。

符号の説明

１ 連結軸 ２ カム山 ３ カム軸
４ カムベース円 ５、 ５−１ 支持アーム
６、 ６−１ 支持アーム取付軸 ７、 ７−１ シリンダヘッド部材
８、 ８−１、 ８−２ ローラーカムフォロアー軸
９、 ９−１、 ９−２ 第一ロッカーローラーフォロアー
９−３、 ９−４、 タペットローラーフォロアー
１０、 １０−１ 第一ロッカーアーム
１０−２ Ｔ字型第一ロッカーアーム
１１、 １１−１、 １１−２ ローラーカムフォロアー
１２、 １２−１ 弁バネ
１３、１３−１ 弁
１０−３、 １０−４、 １０−５ 第一ロッカーアーム背面
１２ 軸 ２３ 制御モーター １４ 軸
１４−１ ブラケット １５ 雌ねじ １６ 雄ねじ
１７、 １７−１ 止めピン
１８ 押さえバネ
１９、 １９−１、 １９−２ 第二ロッカーアーム
２０ エンジン部材
２１ 制御回路
２２ アクセル
２５、 ２５−１ 第一ロッカー軸
３０、 ３０−１ バケット形タペット
３１、 ３１−１ タペット頂部
Ｌ，Ｌ−１ 支持アーム取付軸と同一軸心線
Ａ 低負荷時弁リフト量
Ｂ 中負荷時弁リフト量
Ｃ 高負荷時弁リフト量
Ｒ 連結軸１の低負荷側回動方向
Ｆ 連結軸１の高負荷側回動方向

Claims (2)

1. カム軸（３）と平行に位置する支持アーム取付軸（６）（６−１）により、その軸中心線（Ｌ）（Ｌ−１）が弁閉時の第一ロッカーアーム（１０）（１０−１）の背面に近隣する上空を通過するように、シリンダヘッド部材（７）（７−１）に該支持アーム取付軸（６）（６−１）により、支持アーム（５）（５−１）の一端を軸支して回動自在とし、
   該支持アーム（５）（５−１）の他端を、前記支持アーム取付軸（６）（６−１）と平行に位置する連結軸（１）と結合し、支持アーム取付軸（６）（６−１）を中心として支持アーム（５）（５−１）及び連結軸（１）が一体として回動可能とし、
   連結軸（１）には第二ロッカーアーム（１９）（１９−１）（１９−２）の一端を軸支して、該連結軸（１）を中心に回動自在とし、
   前記支持アーム取付軸（６）（６−１）の軸心から連結軸（１）の軸心までの距離と同じ距離を持つように、第二ロッカーアーム（１９）（１９−１）（１９−２）の他端部に連結軸（１）と平行にローラーカムフォロアー（１１）（１１−１）（１１−２）とそれより小径の第一ロッカーローラーフォロアー（９）（９−１）（９−２）を近隣して同心に軸支し、それぞれ回転自在とし、
   弁閉時の状態において、ローラーカムフォロアー（１１）（１１−１）（１１−２）にはカムベース円（４）を接触させ、第一ロッカーローラーフォロアー（９）（９−１）（９−２）には第一ロッカーアーム（１０）（１０−１）（１０−２）の背面に接触させ、この時ローラーカムフォロアー（１１）（１１−１）（１１−２）及び第一ロッカーローラーフォロアー（９）（９−１）（９−２）の軸心と前記支持アーム取付軸（６）（６−１）の軸心とが同一軸心線（Ｌ）（Ｌ−１）上にあるようにした以上の構成のもと連結軸（１）を、支持アーム取付軸（６）（６−１）を中心に回動させることにより、該連結軸（１）にその一端を軸支している第二ロッカーアーム（１９）（１９−１）（１９−２）の回動中心を移動させることによって、第一ロッカーアーム（１０）（１０−１）（１０−２）の背面に接触している第一ロッカーローラーフォロアー（９）（９−１）（９−２）の運動方向を変化させ、該第一ロッカーアーム（１０）（１０−１）（１０−２）を押し下げる方向の運動分力を増減させ、弁のリフト量を可変にしようとする４サイクル内燃機関の動弁機構。
2. 請求項１における第一ロッカーアーム（１０）（１０−１）（１０−２）が直押しのバケット形のタペット（３０）（３０−１）で、該タペットの頂部（３１）（３１−１）にタペットローラーフォロアー（９−３）（９−４）が接触している請求項１記載の４サイクル内燃機関の動弁機構。

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