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

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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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