JP4253007B2 - 可変動弁機構のカムプロファイル - Google Patents

Description

本発明は、機関弁のバルブリフトを制御する可変動弁機構のコントロールシャフトに設けられたカムのプロファイルに関する。

内燃機関の機関弁のバルブ開角およびバルブリフトを変化させるコントロールシャフトに設けたカムのプロファイルをインボリュート曲線部と円弧部とで構成したものが、下記特許文献１により公知である。

このカムプロファイルは、最低バルブリフトから最高バルブリフトまでの領域ではインボリュート曲線部が作用してバルブリフトを次第に増加させ、最高バルブリフトの領域では円弧部が作用してバルブリフトを一定に保つようになっている。給排気の効率の観点から、内燃機関の停止時に機関弁のバルブ開角およびバルブリフトを最大になる位置に固定することが望ましいが、その位置でカムプロファイルの円弧部を作用させることで、機関弁の弁ばねの反力でコントロールシャフトが回転してバルブ開角およびバルブリフトが減少方向に変化してしまうのを防止している。
特開２００４−３３９９５１号公報

ところで、内燃機関の吸気弁のバルブリフトが小さい領域では、バルブリフトが僅かに変化するだけで吸入空気量が大きく変化して内燃機関の出力も大きく変化するため、バルブリフトの精密な制御が必要になる。しかしながら、コントロールシャフトのカムには弁ばねの反力がカムフォロアを介して伝達されるため、コントロールシャフトが捩じれてカムの位相が変化することでバルブリフトの精密な制御が妨げられる可能性があり、これを防止しようとしてコントロールシャフトを太くすると重量が増加する問題がある。

またバルブリフトが大きい領域では弁ばねの反力も増加するため、その反力によってカムフォロアからカムに大きな反力が作用し、コントロールシャフトに大きな曲げ荷重が作用して撓みが発生したり、コントロールシャフトの軸受けに大きな荷重が作用したりする問題がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、カムを備えたコントロールシャフトで機関弁のバルブリフトを変更する可変動弁機構において、低バルブリフト時のリフト制御精度を高めながら、高バルブリフト時にコントロールシャフトが受ける荷重を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明は、機関弁のバルブリフトを制御する可変動弁機構のコントロールシャフトに設けられたカムのプロファイルであって、前記プロファイルは少なくとも二つのインボリュート曲線部を含み、バルブリフトが小さい側のインボリュート曲線部を規定する基礎円の半径は、バルブリフトが大きい側のインボリュート曲線部を規定する基礎円の半径よりも小さいことを特徴とする可変動弁機構のカムプロファイルが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記プロファイルは、バルブリフトが大きい側から小さい側に向かうにつれて前記基礎円の半径が次第に小さくなるインボリュート曲線部によって連続的に形成されていることを特徴とする可変動弁機構のカムプロファイルが提案される。

尚、実施の形態の吸気弁１６は本発明の機関弁に対応する。

請求項１の構成によれば、可変動弁機構のコントロールシャフトに設けられたカムのプロファイルがインボリュート曲線部で構成されている部分では、カムがカムフォロアから受ける反力が基礎円の接線方向を指向するため、基礎円の半径が小さい低バルブリフト時に前記反力はコントロールシャフトの中心に近い位置を指向し、基礎円の半径が大きい高バルブリフト時に前記反力はコントロールシャフトの中心から遠い位置を指向することになる。

低バルブリフト時は機関弁のバルブリフトを精度良く制御することが要求されるが、前記反力がコントロールシャフトの中心に近い位置を指向することで、コントロールシャフトに加わる捩じりモーメントが小さくなって捩じれ変形が抑制され、機関弁のバルブリフトを制御精度が向上する。このとき、前記反力がコントロールシャフトの中心に近い位置を指向することで、前記反力によるコントロールシャフトの曲げ荷重は大きくなるが、低バルブリフト時には前記反力自体が小さいので問題はない。

一方、高バルブリフト時は前記反力自体が大きくなるが、その反力がコントロールシャフトの中心から遠い位置を指向することで、コントロールシャフトに加わる曲げ荷重を小さく抑えることができる。このとき、前記反力がコントロールシャフトの中心から遠い位置を指向することでコントロールシャフトに加わる捩じりモーメントは大きくなるが、高バルブリフト時にはバルブリフトの制御の要求精度が低いために問題はない。

また請求項２に記載された発明によれば、カムのプロファイルをバルブリフトが大きい側から小さい側に向かうにつれて基礎円の半径が次第に小さくなるインボリュート曲線部によって連続的に形成したので、バルブリフトを低バルブリフトおよび高バルブリフト間で変化させたときにコントロールシャフトに加わる捩じりモーメントが急変するのを防止することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。

図１〜図６は本発明の第１の実施の形態を示すものであり、図１は内燃機関の要部縦断側面図、図２は図１の２−２線断面図、図３は可変動弁機構の要部分解斜視図、図４は高バルブリフト状態での図２の４−４線断面図、図５は低バルブリフト状態での図４に対応した断面図、図６はコントロールシャフトのカムのプロファイルを示す図である。

先ず図１〜図４において、機関本体１４の一部を構成するシリンダヘッド１５には、１気筒に対して一対の機関弁である吸気弁１６，１６が開閉作動可能に配設されており、両吸気弁１６，１６を開閉駆動する可変動弁機構１７は、両吸気弁１６，１６に個別に対応した動弁カム１８，１８が設けられるカムシャフト１９と、前記動弁カム１８，１８の回転軸線すなわちカムシャフト１９の軸線に直交する平面内で変位可能な可動支軸２０で揺動可能に支承されるとともに動弁カム１８，１８に従動して揺動するサブカム２１と、吸気弁１６，１６にそれぞれ個別に連動、連結されるとともに前記サブカム２１にそれぞれ従動する一対のロッカアーム２２，２２と、可動支軸２０に連結されるとともに前記動弁カム１８，１８すなわち前記カムシャフト１９の軸線と平行な軸線まわりの回動を可能とするとともにその回動軸線からオフセットした位置で前記可動支軸２０を保持するコントロールアーム２３と、該コントロールアーム２３を回動駆動する駆動手段２４とを備えるものであり、前記可動支軸２０を変位させることで吸気弁１６，１６のバルブリフトを含む作動特性を変化させることができる。

前記吸気弁１６，１６のステム１６ａ，１６ａはシリンダヘッド１５に配設されたガイド筒２５，２５に摺動自在に嵌合されており、ステム１６ａ，１６ａの上端に設けられるリテーナ２６，２６と、シリンダヘッド１５に当接されるリテーナ２７，２７との間に介設される弁ばね２８，２８により、吸気弁１６，１６は閉弁方向に付勢される。

シリンダヘッド１５には、一対の吸気弁１６，１６の両側に配置されるようにしてカムホルダ２９，２９が設けられ、それらのカムホルダ２９，２９と協働して前記カムシャフト１９を回転自在に支承するキャップ３０，３０がカムホルダ２９，２９の上面に締結される。

ロッカアーム２２，２２の一端部は、油圧タペット３１，３１を介してコントロールアーム２３に揺動可能に支承される。またロッカアーム２２，２２の他端部には、前記吸気弁１６，１６のステム１６ａ，１６ａの上端に当接される弁当接部２２ａ，２２ａが設けられる。さらにロッカアーム２２，２２の中間部にはニードルベアリング３２，３２を介して第１ローラ３３，３３が軸支されており、これらの第１ローラ３３，３３がサブカム２１に転がり接触する。

コントロールアーム２３は、その回動軸線に沿って間隔をあけて前記吸気弁１６，１６の両側に配置される側壁部２３ａ，２３ａと、カムシャフト１９と平行な軸線を回動軸線Ｃとするようにして両側壁部２３ａ，２３ａの外面に直角に連なる軸部２３ｂ，２３ｂと、前記両側壁部２３ａ，２３ａの一端部間を結ぶ第１の連結壁部２３ｃと、前記両側壁部２３ａ，２３ａの他端間を結ぶ第２の連結壁部２３ｄとを一体に有するように構成され、前記軸部２３ｂ，２３ｂは、前記カムホルダ２９，２９に設けられた支持孔３４，３４に回動可能に嵌合される。すなわちコントロールアーム２３はカムホルダ２９，２９で回動可能に支承される。

このコントロールアーム２３の回動軸線Ｃ、すなわち軸部２３ｂ，２３ｂの軸線は両吸気弁１６，１６のステム１６ａ，１６ａの上方に配置されるものであり、ロッカアーム２２，２２の他端部に設けられる前記弁当接部２２ａ，２２ａは、吸気弁１６，１６が閉弁着座状態にあるときに、コントロールアーム２３の回動軸線Ｃを中心とした円弧に沿うように形成される。

前記カムシャフト１９と平行な軸線を有する可動支軸２０は、コントロールアーム２３における両側壁部２３ａ，２３ａの内側に配置されるサブカム２１と、サブカム２１の中間部に介装される円筒状のスペーサ３５とを貫通するものであり、該可動支軸２０の両端が前記両側壁部２３ａ，２３ａの内側面に当接され、両側壁部２３ａ，２３ａにそれぞれ挿通されるボルト３６，３６が可動支軸２０の両端部に螺合され、可動支軸２０およびサブカム２１間にニードルベアリング３７，３７が介装される。

すなわちコントロールアーム２３の両側壁部２３ａ，２３ａに両端が着脱可能に取付けられる可動支軸２０でサブカム２１が回動可能に支承されることになり、しかも可動支軸２０とは別体であるスペーサ３５が、サブカム２１の中間部に介在するようにして可動支軸２０の外周に嵌装される。

しかもサブカム２１においてコントロールアーム２３の軸部２３ｂ，２３ｂおよび前記可動支軸２０間に対応する部分には、カムシャフト１９側に開放した略Ｕ字状に形成されてカムシャフト１９の下方に延びる一対の支持腕部２１ａ，２１ａが一体に連設されており、両支持腕部２１ａ，２１ａの先端間に固定される支軸３８にニードルベアリング３９を介して第２ローラ４０が軸支され、その第２ローラ４０は、カムシャフト１９の動弁カム１８に転がり接触する。すなわちサブカム２１はカムシャフト１９の動弁カム１８に第２ローラ４０が接触することで可動支軸２０の軸線まわりに回動駆動される。

また前記支軸３８に関して前記カムシャフト１９とは反対側で前記サブカム２１には受圧腕部２１ｂが一体に設けられており、その受圧腕部２１ｂには、前記第２ローラ４０を動弁カム１８に転がり接触せしめる側にサブカム２１を付勢するばね力が作用する。すなわちコントロールアーム２３が備えるばね受け孔２３ｅに支持されたロストモーション用ばね４３により付勢された押圧ロッド４４の先端が弾発的に当接する。

ところで、サブカム２１の下面には、ロッカアーム２２，２２の第１ローラ３３，３３を転がり接触せしめる当接面４６，４６が設けられるものであり、各当接面４６は、ロッカアーム２２を回動駆動するリフト部４６ａと、ロッカアーム２２を静止状態に保持すべく可動支軸２０の軸線からの距離を等距離としたベース円部４６ｂとが連なって成るものであり、リフト部４６ａは、動弁カム１８の回動に伴ってサブカム２１が回動する際にロッカアーム２２の第１ローラ３３へのリフト部４６ａの接触点と、可動支軸２０の軸線との間の距離が次第に大きくなるようにして直線状に延びるように形成される。

コントロールアーム２３の第１の連結壁部２３ｃにおいて、前記ロッカアーム２２，２２に対応する部分には、可動支軸２０とは反対側の端部に端壁４７ａ，４７ａを有して前記可動支軸２０とは反対側に延びる有底筒状のタペット装着筒部４７，４７が一体に設けられ、そのタペット装着筒部４７，４７に油圧タペット３１，３１が装着される。

油圧タペット３１は、閉塞端を端壁４７ａに当接させてタペット装着筒部４７内に嵌合、装着される有底円筒状のボディ４８と、該ボディ４８に摺動可能に装着されるプランジャ４９と、前記ボディ４８の閉塞端および前記プランジャ４９の一端間に形成される高圧室５０ならびに前記プランジャ４９内に形成される油室５１間に介装されて前記プランジャ４９の一端に設けられるチェックバルブ５２と、前記高圧室５０の容積を増大させる側に前記プランジャ４９を付勢するばね力を発揮してボディ４８およびプランジャ４９間に設けられる戻しばね５３とを備え、前記プランジャ４９の他端に形成される球状頭部４９ａでロッカアーム２２の一端部が揺動可能に支承される。

而してコントロールアーム２３には、前記油圧タペット３１，３１に油圧を導く油圧路５４が軸部２３ｂ，２３ｂに至るまで設けられており、シリンダヘッド１５から前記軸部２３ｂ，２３ｂを介して前記油圧路５４に油圧が供給される。

駆動手段２４は、可動支軸２０と平行な軸線を有してカムホルダ２９，２９およびキャップ３０，３０間で回転自在に支承されるコントロールシャフト５６と、該コントロールシャフト５６に設けられるカム５７と、前記コントロールシャフト５６を回転駆動する電動モータ５８と、コントロールアーム２３に設けられて前記カム５７に当接するカムフォロア５９とを備えるものであり、この駆動手段２４で前記コントロールアーム２３が軸部２３ｃ，２３ｃの軸線すなわち回動軸線Ｃまわりに回動駆動される。

前記駆動手段２４によってコントロールアーム２３が図４で示す位置に配置されるときには、つまり駆動手段２４のカム５７の最高リフト部がカムフォロア５９に当接するときには、可動支軸２０の軸線まわりに回動するサブカム２１の当接面４６，４６のリフト部４６ａ，４６ａのうちベース円部４６ｂ，４６ｂとは反対側の端部で、ロッカーアーム２２を介して吸気弁１６，１６におけるステム１６ａ，１６ａの上端が開弁方向に駆動されるものであり、この状態で吸気弁１６，１６のバルブリフトｈが最大となる。

また駆動手段２４によってコントロールアーム２３が図５で示すように上方に回動されたときには、つまり駆動手段２４のカム５７の最低リフト部がカムフォロア５９に当接するときには、たとえばサブカム２１の当接面４６，４６のベース円部４６ｂ，４６ｂがロッカーアーム２２の第１ローラ３３に当接するものであり、この状態では吸気弁１６，１６のバルブリフトｈが最小（＝０）となる。

すなわちコントロールアーム２３を駆動手段２４で回動駆動することにより、吸気弁１６，１６のバルブリフトが変化するのであるが、コントロールアーム２３の回動駆動によって動弁カム１８，１８が第２ローラ４０，４０に接触するタイミングも変化することにより、吸気弁１６，１６の開閉タイミングも変化することになる。

次に、図６に基づいてコントロールシャフト５６に設けたカム５７のプロファイルについて説明する。

第１の実施の形態のカムプロファイルは、高バルブリフト側の第１のインボリュート曲線部Ｐ１と、低バルブリフト側の第２のインボリュート曲線部Ｐ２とで構成される。第１のインボリュート曲線部Ｐ１の基礎円Ｃ１は一定の半径Ｒ１を有している。即ち、一定の半径Ｒ１を有する基礎円Ｃ１に巻き付けた糸を巻き戻すとき、その糸の上の一点が描く曲線で第１のインボリュート曲線部Ｐ１が構成される。また第２のインボリュート曲線部Ｐ２は高バルブリフト側から低バルブリフト側に向けて基礎円Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の半径がＲ１→Ｒ２→Ｒ３と連続的に減少している。第１のインボリュート曲線部Ｐ１の低バルブリフト側の端部と第２のインボリュート曲線部Ｐ２の高バルブリフト側の端部とは滑らかに接続し、第２のインボリュート曲線部Ｐ２の低バルブリフト側の端部とベース円部Ｐ３とは滑らかに接続する。

第１のインボリュート曲線部Ｐ１上の任意のａ点がカムフォロアから５９から受ける反力の方向は、ａ点における接線Ｔに直交する法線Ｎの方向であり、その法線Ｎの方向は基礎円Ｃ１に巻き付けた糸が延びる方向である。従って、ａ点にカムフォロア５９から作用する反力の方向は基礎円Ｃ１に対する接線の方向となり、前記反力によりコントロールシャフト５６を捩じるように作用する捩じりモーメントのモーントアームの長さは、基礎円Ｃ１の半径Ｒ１に一致する。このことは、第２のインボリュート曲線部Ｐ２上の任意の点についても当てはまる。

吸気弁１６のバルブリフトが小さい領域ではバルブリフトが僅かに変化するだけで吸入空気量が大きく変化して内燃機関の出力も大きく変化するため、吸気弁１６のバルブリフトを精密に制御することが必要になり、そのためにはコントロールシャフト５６に作用する捩じりモーメントを小さくしてコントロールシャフト５６の捩じれを最小限に抑える必要がある。本実施の形態では、吸気弁１６のバルブリフトが小さいときほどカムプロファイルのインボリュート曲線の基礎円の半径が小さくなるため、カム５７がカムフォロア５９から受ける反力により発生する捩じりモーメントが、前記基礎円の半径（モーメントアーム）が小さくなる分だけ小さくなる。

これにより、コントロールシャフト５６の捩じれを最小限に抑えて、低バルブリフト時におけるバルブリフトの制御精度を高めることができる。特に、第２のインボリュート曲線部Ｐ２のベース円部Ｐ３に近い部分が作用する低バルブリフト時には、弁ばね２８の圧縮量が小さいために前記反力も小さくなり、その分だけ捩じりモーメトも小さくなって精度制御が更に向上する。このように、コントロールシャフト５６を特に大径化することなく捩じれ変形を抑制することができるので、コントロールシャフト５６の重量が増加する虞もない。またコントロールシャフト５６に加わる捩じりモーメントが小さくなると、それを回転駆動する電動モータ５８の負荷も小さくなるため、電動モータ５８の消費電力を削減することができる。

更に、バルブリフトが最低バルブリフトになるときの第２のインボリュート曲線部Ｐ２の基礎円Ｃ３の半径Ｒ３をゼロにすることで、バルブリフトが最低バルブリフトになるときにコントロールシャフト５６に作用する捩じりモーメントをゼロにし，バルブリフトの制御精度を更に高めることができる。しかも第２のインボリュート曲線Ｐ２の基礎円Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の半径Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が連続的に変化するで，バルブリフトを低バルブリフトおよび高バルブリフト間で変化させたときにコントロールシャフト５６に作用する捩じりモーメントが急変するのを防止することができる。

またバルブリフトが大きい領域では弁ばね２８の圧縮量が増加して反力も増加するため、その反力によってカムフォロア５９からカム５７に大きな反力が作用し、コントロールシャフト５６に大きな曲げ荷重が作用して撓みが発生したり、コントロールシャフト５６の軸受けに大きな荷重が作用したりする問題がある。しかしながら、本実施の形態では、第１のインボリュート曲線部Ｐ１が作用する高バルブリフト時に基礎円Ｃ１の半径Ｒ１が大いため、カムフォロア５９からカム５７に作用する反力がコントロールシャフト５６の中心から遠く離れた位置を通過する。その結果、コントロールシャフト５６に加わる曲げ荷重やコントロールシャフト５６の軸受けに加わる荷重を低減し、コントロールシャフト５６の小径化や軸受けの小型化による重量軽減が可能になる。

この場合、前記モーメントアームの増加に伴ってコントロールシャフト５６に作用する捩じりモーメントも増加するが、高バルブリフト時にはバルブリフトが若干増減しても吸入空気量に対する影響が小さいため、コントロールシャフト５６の捩れが問題になることはない。

図７はカムプロファイルの第２の実施の形態を示すものである。

第２の実施の形態のカムプロファイルは、第１の実施の形態のカムプロファイルの第１のインボリュート曲線部Ｐ１と第２のインボリュート曲線部Ｐ２との間を、任意曲線部Ｐ４で接続したものである。任意曲線部Ｐ４は、第１、第２のインボリュート曲線部Ｐ１，Ｐ２を滑らかに接続するものであれば、どのようなものであっても良い。

図８はカムプロファイルの第３の実施の形態を示すものである。

第３の実施の形態のカムプロファイルは、第１の実施の形態のカムプロファイルの第１のインボリュート曲線部Ｐ１よりも高バルブリフト側に任意曲線部Ｐ４を接続したものである。任意曲線部Ｐ４は、第１のインボリュート曲線部Ｐ１に滑らかに接続するものであれば、どのようなものであっても良い。

図９はカムプロファイルの第４の実施の形態を示すものである。

第４の実施の形態のカムプロファイルは、第１の実施の形態のカムプロファイルの第２のインボリュート曲線部Ｐ２よりも低バルブリフト側に任意曲線部Ｐ４を接続したものである。任意曲線部Ｐ４は、第２のインボリュート曲線部Ｐ２およびベース円部Ｐ３に滑らかに接続するものであれば、どのようなものであっても良い。

これら第２〜第４の実施の形態によっても、前記第１の実施の形態の同様の作用効果を発揮することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では機関弁として吸気弁１６，１６を例示したが、本発明の機関弁は排気弁であっても良い。

また実施の形態ではカム５７が当接するコントロールアーム２３のカムフォロア５９をスリッパで構成しているが、それをローラで構成しても良い。

また図６〜図９に示すカム５７のプロファイルでは、最低リフト部がベース円部Ｐ４に接する位置に設定されているが、図５に示すように、カム５７のベース円部Ｐ４から所定量リフトした位置（図５においてカム５７がカムフォロア５９に当接する位置）を最低リフト部としても良い。

内燃機関の要部縦断側面図 図１の２−２線断面図 可変動弁機構の要部分解斜視図 高バルブリフト状態での図２の４−４線断面図 低バルブリフト状態での図４に対応した断面図 コントロールシャフトのカムのプロファイルを示す図 第２の実施の形態に係るコントロールシャフトのカムのプロファイルを示す図 第３の実施の形態に係るコントロールシャフトのカムのプロファイルを示す図 第４の実施の形態に係るコントロールシャフトのカムのプロファイルを示す図

符号の説明

１６ 吸気弁（機関弁）
１７ 可変動弁機構
５６ コントロールシャフト
５７ カム
Ｃ１ 基礎円
Ｃ２ 基礎円
Ｃ３ 基礎円
Ｐ１ 第１のインボリュート曲線部
Ｐ２ 第２のインボリュート曲線部
Ｒ１ 半径
Ｒ２ 半径
Ｒ３ 半径

Claims (2)

1. 機関弁（１６）のバルブリフトを制御する可変動弁機構（１７）のコントロールシャフト（５６）に設けられたカム（５７）のプロファイルであって、
   前記プロファイルは少なくとも二つのインボリュート曲線部（Ｐ１，Ｐ２）を含み、バルブリフトが小さい側のインボリュート曲線部（Ｐ２）を規定する基礎円（Ｃ２，Ｃ３）の半径（Ｒ２，Ｒ３）は、バルブリフトが大きい側のインボリュート曲線部（Ｐ１）を規定する基礎円（Ｃ１）の半径（Ｒ１）よりも小さいことを特徴とする可変動弁機構のカムプロファイル。
2. 前記プロファイルは、バルブリフトが大きい側から小さい側に向かうにつれて前記基礎円（Ｃ１〜Ｃ３）の半径（Ｒ１〜Ｒ３）が次第に小さくなるインボリュート曲線部（Ｐ１，Ｐ２）によって連続的に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の可変動弁機構のカムプロファイル。
   

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