JP4289193B2 - エンジンの可変動弁装置 - Google Patents

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Description

本発明は、バルブのリフト量を変化可能に構成されたエンジンの可変動弁装置に関する技術分野に属する。
従来より、エンジンの運転状態に応じて、エンジンの吸排気バルブの開閉時期やバルブリフト量を変化させるようにすることは知られている。そのような可変動弁装置の一例として、カムシャフトに設けた偏心部に駆動リンクを外嵌めする一方、該カムシャフトに吸気バルブをリフトさせる揺動カムを揺動自在に支持し、上記偏心部の回転に伴う上記駆動リンクの変位を上記揺動カムにリンク手段で伝えるようにし、このリンク手段を、駆動リンクに連結したロッカアームと、揺動カムに連結したリンクとによって構成し、ロッカアームの揺動支点と揺動カムの軸心との距離をエンジンの運転状態に応じて変化させるようにしたものがある(特許文献1参照)。
この可変動弁装置によれば、エンジン高回転高負荷時にはロッカアームの揺動支点を揺動カム軸心に近づけることにより、バルブ開弁開始時期を早めてバルブリフト量を大きくし、エンジン低回転低負荷時には上記揺動支点を離すことにより、バルブの開弁開始時期を遅らせてバルブリフト量を小さくすることができる。
また、可変動弁装置の他の例として、カムシャフトに支持アームを回動自在に支持し、この支持アーム先端に上記特許文献1と同様のロッカアームを揺動自在に支持し、エンジン低回転低負荷時には、上記支持アームを回動させてロッカアームの揺動支点をカムシャフトの軸心回りに変位させることにより、バルブ開弁開始時期を遅らせることなくバルブリフト量を小さくするようにする試みがなされている(特許文献2参照)。
特開平11−107725号公報 特開平11−264307号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載されているように、エンジン低回転低負荷時にバルブリフト量が小さくなるだけでなく、バルブ開弁開始時期が遅くなる可変動弁装置では、これを吸気バルブに適用した場合、バルブリフト量が小さくなると、排気バルブと吸気バルブとのオーパラップ期間を確保することができなくなる。このため、燃焼排ガスの排出に不利になり、或いは内部EGR効果を得ることができなくなることや、ポンピングロスを小さくすることができない等の不具合がある。
一方、上記特許文献2に記載されているような、バルブ開弁開始時期を遅らせることなくバルブリフト量を小さくするという試みも、ロッカアームを支持するアーム及びこの支持アームを変位させるアクチュエータが必要となり、部品点数が多くなって可変動弁装置が複雑なものになるとともに、その重量が増大する。
また、上記両特許文献1,2のものでは、カムシャフトの軸方向一方側から見て、揺動カムの回動中心であるカムシャフトの軸心がバルブ軸線の延長線上にあり、これにより、バルブの上端部に設けたバルブリフターにおいてバルブリフト時に揺動カムのカムノーズ先端部が当接する箇所は、バルブリフター周縁部ないしその近傍だけとなり、この結果、バルブリフターにおけるカムノーズ当接面が偏摩耗するとともに、バルブが傾いてバルブ自体も偏摩耗し易くなってリフト量の誤差を招いてしまう。しかも、バルブリフターにおけるカムノーズ先端部の当接範囲が非常に狭い(カムノーズ先端部のトラベル量が小さい)ので、カムノーズを鋭く尖らせることが困難となって、大きなリフト量を得るためには、偏心部の偏心量を比較的大きくしなければならなくなり、この結果、大きなスペースが必要となる。
本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、カムシャフトの偏心部に駆動リンクを回転自在に外嵌めし、該カムシャフトにバルブリフト用の揺動カムを揺動可能に支持して、上記偏心部の回転に伴う上記駆動リンクの変位によって上記揺動カムを揺動させるようにした可変動弁装置に対して、バルブ開弁開始時期を大きく変化させることなくバルブリフト量を容易に変化させることができるようにするとともに、可変動弁装置を小型化しかつバルブリフト誤差を出来る限り低減しようとすることにある。
上記の目的を達成するために、この発明では、リンク機構によって、揺動カムと駆動リンクとを連結しかつ偏心部の回転に伴う駆動リンクの変位を揺動カムが揺動するように規制し、このリンク機構の位置を、揺動カムによるバルブのリフト量が変化するように変更するコントロール部材を設けるようにするとともに、カムシャフトの軸方向一方側から見て、揺動カムのバルブリフト時の回動方向をカムシャフトの回転方向と同じにし、揺動カムの回動中心であるカムシャフトの軸心を、バルブ軸線の延長線に対して、リフト量零状態における揺動カムのカムノーズ先端位置とは反対側にずらすようにし、更に、一対の上記揺動カムを、同一気筒においてカムシャフト軸方向に並設される2つの上記バルブにそれぞれ対応するように互いに一体形成し、上記一方の揺動カムのカムノーズの幅方向中央と他方の揺動カムのカムノーズの幅方向中央との間のカムシャフト軸方向に沿った間隔を、上記両バルブ軸線間の間隔よりも小さく設定するようにした
具体的には、請求項1の発明では、エンジンのクランク軸に同期して回転するカムシャフトと、上記カムシャフトに設けられ、該カムシャフトの軸心回りに偏心して回転する偏心部と、上記カムシャフトの軸心回りに揺動可能に設けられ、直動式タペットを介してバルブをリフトさせる揺動カムと、上記カムシャフトの偏心部に回転自在に外嵌めされた駆動リンクと、上記揺動カムと駆動リンクとを連結するとともに、上記偏心部の回転に伴う該駆動リンクの変位を上記揺動カムが揺動するように規制するリンク機構と、上記リンク機構の位置を、上記揺動カムによる上記バルブのリフト量が変化するように変更するコントロール部材とを備えたエンジンの可変動弁装置を対象とする。
そして、上記揺動カムは、上記カムシャフトの軸方向一方側から見て、上記バルブリフト量が零となるリフト量零状態においては、該揺動カムのカムノーズ先端が上記バルブ軸線の延長線両側のいずれか一方に位置するようになされていて、該リフト量零状態から上記カムシャフトの回転方向と同じ方向に回動しながらバルブをリフトさせるように構成されており、上記揺動カムの回動中心である上記カムシャフトの軸心が、該カムシャフトの軸方向一方側から見て、上記バルブ軸線の延長線に対して、上記リフト量零状態における該揺動カムのカムノーズ先端位置とは反対側にずれており、同一気筒において2つの上記バルブが上記カムシャフト軸方向に並設されており、一対の上記揺動カムが、上記2つのバルブにそれぞれ対応するように互いに一体形成されてなり、上記一方の揺動カムのカムノーズの幅方向中央と他方の揺動カムのカムノーズの幅方向中央との間のカムシャフト軸方向に沿った間隔が、上記両バルブ軸線間の間隔よりも小さく設定されているものとする。
上記の構成により、カムシャフトの回転に伴って偏心部が回転すると、駆動リンクとリンク機構との連結点が該リンク機構に規制された所定の軌跡で運動し、この駆動リンクの変位がリンク機構を介して揺動カムに伝わり、該揺動カムが揺動してバルブがリフトする。そうして、コントロール部材によってリンク機構の位置を変更して、駆動リンクとリンク機構との連結点をほぼカムシャフト軸心回りに変位させると、それに伴って上記駆動リンクとリンク機構との連結点の運動軌跡が変化し、これにより、揺動カムの揺動態様が変化してバルブリフト量が変化する。このバルブリフト量の変更にあたっては、小リフト制御時に大リフト制御時よりもカムシャフトの回転方向手前側の回転角度でバルブリフトのピークが現れるようにリンク機構の位置を変更させるようにすれば、バルブ開弁開始時期をバルブリフト量の変更に拘わらず略揃えることが可能になる。そして、このように構成することは、揺動カムのバルブリフト時の回動方向がカムシャフトの回転方向と同じである場合の方が異なる場合よりも容易であり、バルブ開弁開始時期を揃えるための特別な手段は不要となる。また、揺動カムのバルブリフト時の回動方向をカムシャフトの回転方向と同じにすることで、駆動リンクやリンク機構、揺動カム等を、カムシャフトの回転角の変化に対して揺動カムの揺動角の変化が急峻になるように配置することができて、小さい開弁角(カムシャフトの回転角)で大きなバルブリフト量が得られる狭角リフト化を容易に実現することができるようになる。この結果、バルブ開弁開始時期を揃えることに加えて、バルブの早閉じを実現することができ、可変動弁装置を吸気バルブに適用した場合に、ポンピングロスの低減化を図ることができる。さらに、揺動カムの回動中心であるカムシャフトの軸心を、バルブ軸線の延長線に対して、リフト量零状態における揺動カムのカムノーズ先端位置とは反対側にずらすことで、直動式タペットにおいてバルブリフト時に揺動カムのカムノーズ先端部が当接する箇所が、タペット周縁部から略中心部までと広い範囲に亘る(リフトピーク時にカムノーズ先端部がタペットの略中心部に当接する)こととなり、この結果、タペットにおけるカムノーズ当接面が偏摩耗し難くなるとともに、バルブの傾きによる偏摩耗を低減することができる。しかも、タペットにおけるカムノーズ先端部の当接範囲が広くなる(カムノーズ先端部のトラベル量が大きくなる)ことで、カムノーズを鋭く尖らせることが容易となり、偏心部の偏心量が比較的小さくても、大きなバルブリフト量が容易に得られるようになる。よって、可変動弁装置全体を小型化しつつ、バルブ開弁開始時期を大きく変化させることなくバルブリフト量を容易に変化させることができるとともに、そのバルブリフト量の誤差を低減することができる。
そして、同一気筒において吸排気バルブが2つずつある場合に、その2つの吸気バルブ又は2つの排気バルブを、互いに一体形成してなる一対の揺動カムにより同時にリフトさせることができ、駆動リンクやリンク機構等の部品点数を増大させなくても済み、可変動弁装置全体の小型化やコストの低減化を図ることができる。一方、このように一対の揺動カムを一体形成することで小型化やコスト低減化を図ろうとすると、通常は、揺動カムとリンク機構との連結点が、一方の揺動カム側にのみ位置することになるので、揺動カムとカムシャフトとの僅かな隙間により一対の揺動カム全体がカムシャフトに対して傾き易くなり、このため、両カムノーズ間のカムシャフト軸方向に沿った間隔が大きくなるほど、両カムノーズのバルブ軸方向位置が互いに大きくずれるようになり、2つのバルブ間でリフト誤差が生じてしまう。しかし、この発明では、一方の揺動カムのカムノーズの幅方向中央と他方の揺動カムのカムノーズの幅方向中央との間のカムシャフト軸方向に沿った間隔を両バルブ軸線間の間隔よりも小さく設定するので、揺動カムがカムシャフトに対して或る程度傾いても、両カムノーズのバルブ軸方向位置のずれ量を小さく抑えることができる。この結果、2つのバルブ間でのリフト誤差を出来る限り小さくすることができる。また、2つのバルブ軸線を含む平面に垂直な方向から見て、カムノーズが直動式タペットに対して該タペットの中心軸(バルブ軸)からカムシャフト軸方向にずれて当接することになるので、バルブリフト時にタペットが中心軸回りに回動し、これにより、タペットにおけるカムノーズ当接面の偏摩耗をより一層有効に防止することができる。
請求項2の発明では、請求項1の発明において、揺動カムは、直動式タペットを介して吸気バルブをリフトさせるものであり、上記吸気バルブの軸線が、シリンダボアセンターに対して傾斜しており、上記揺動カムの回動中心であるカムシャフトの軸心が、該カムシャフトの軸方向一方側から見て、上記吸気バルブ軸線の延長線に対してシリンダボアセンター側にずれているものとする。
このことにより、可変動弁装置が吸気バルブに適用されて、エンジン低回転低負荷時にはポンピングロスを小さくして燃費改善効果を増大させることができるとともに、エンジン高回転高負荷時には吸気の充填効率向上による十分な出力を確保することができるようになる。そして、揺動カムの回動中心であるカムシャフトの軸心を、シリンダボアセンター側にずらすことで、エンジンのシリンダヘッドを幅方向に小さくすることができる。一方、シリンダボアセンター上には、通常、点火プラグのサービスホールが存在するが、上記の如く可変動弁装置全体が小型になるので、サービスホールと干渉しないように配設することができる。
以上説明したように、本発明のエンジンの可変動弁装置によると、カムシャフトの軸心回りに揺動可能に設けられ、バルブをリフトさせる揺動カムと、カムシャフトの偏心部に外嵌めした駆動リンクとをリンク機構で連結し、該リンク機構により、偏心部の回転に伴う駆動リンクの変位を揺動カムが揺動するように規制し、このリンク機構の位置を、揺動カムによるバルブのリフト量が変化するように変更するコントロール部材を設けるとともに、揺動カムを、カムシャフトの軸方向一方側から見て、リフト量零状態においては、該揺動カムのカムノーズ先端がバルブ軸線の延長線両側のいずれか一方に位置するようにして、該リフト量零状態からカムシャフトの回転方向と同じ方向に回動しながらバルブをリフトさせるように構成し、揺動カムの回動中心であるカムシャフトの軸心を、該カムシャフトの軸方向一方側から見て、バルブ軸線の延長線に対して、リフト量零状態における揺動カムのカムノーズ先端位置とは反対側にずらすようにし、更に、一対の上記揺動カムを、同一気筒においてカムシャフト軸方向に並設される2つの上記バルブにそれぞれ対応するように互いに一体形成し、上記一方の揺動カムのカムノーズの幅方向中央と他方の揺動カムのカムノーズの幅方向中央との間のカムシャフト軸方向に沿った間隔を、上記両バルブ軸線間の間隔よりも小さく設定するようにしたことにより、可変動弁装置全体を小型化しつつ、バルブ開弁開始時期を大きく変化させることなくバルブリフト量を容易に変化させることができるとともに、狭角リフト化とバルブリフト量の誤差の低減化とを図ることができる。また、2つのバルブ間でのリフト誤差を出来る限り小さくすることができるとともに、タペットにおけるカムノーズ当接面の偏摩耗をより一層有効に防止することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(可変動弁装置の基本構成)
図1は、本発明の実施形態に係る可変動弁装置を4気筒エンジンの吸気バルブに適用した全体構成を示す。同図において、3はエンジンのクランク軸に同期して軸心X(図2、図10等参照)回りに回転するカムシャフトである。このエンジンは1つの気筒に2つの吸気バルブ1,2と2つの排気バルブ(図示省略)とを有する4バルブのダブルオーバヘッドカム方式を採用したものである。つまり、同一気筒において2つの吸気バルブ1,2がカムシャフト3の軸方向に並設されていることになる。尚、吸気バルブ1,2の軸線Y1,Y2(図2、図10等参照)及び排気バルブの軸線は、シリンダボアセンターに対して傾斜(上方に向かってエンジン外側(吸気バルブ1,2と排気バルブとで互いに反対側)に傾斜)している。
上記カムシャフト3における後述の偏心部6以外の部分(カムシャフト本体)には、各気筒毎に一対の揺動カム4,5が揺動自在に支持されている。これら一対の揺動カム4,5は、上記2つの吸気バルブ1,2にそれぞれ対応するように互いに一体形成されてなっている。つまり、両揺動カム4,5は、その間に設けた略円筒状の連結部50で互いに連結されてなっていて、カムシャフト3の軸心(カムシャフト3の回転中心)X回りに一体で揺動する。そして、1つの気筒における吸気バルブ1,2の各々は、上記揺動カム4,5によって直動式タペット21(図2参照)を介してそれぞれリフトされ、そのバルブリフト量及びバルブタイミングがエンジンの運転状態に応じて変更されるようになっている。
上記各気筒における吸気バルブ1,2のリフト量及びタイミングの変更のために、上記カムシャフト3には、該カムシャフト3の回転時にカムシャフト3の軸心X回りに偏心して回転する4つの偏心部6がそれぞれ一体的に設けられている。これら4つの偏心部6は、各々、カムシャフト3の軸心Xに対して偏心しかつ平行に延びる中心軸を有する円形偏心カムからなっていて、各気筒毎にそれぞれ対応して設けられている。この各偏心カムはカムシャフト本体よりも大きい径を有している。そして、上記各偏心部6には、駆動リンク7の一端部が回転自在に外嵌めされ、この駆動リンク7の他端部と上記揺動カム5とが1本の連結リンク8によって連結されている。また、上記カムシャフト3と平行にコントロールシャフト11が設けられており、このコントロールシャフト11には、4つのコントロールアーム(コントロール部材)12がそれぞれ結合固定されている。この各コントロールアーム12の先端部と上記駆動リンク7の他端部とが規制リンク13によって連結されている。この規制リンク13は、上記偏心部6の回転に伴う駆動リンク7の変位を上記連結リンク8を介して上記揺動カム4,5が揺動するように規制するものである。このことで、上記連結リンク8及び規制リンク13は、揺動カム5と駆動リンク7とを連結しかつ上記偏心部6の回転に伴う該駆動リンク7の変位を揺動カム5(及び揺動カム4)が揺動するように規制するリンク機構を構成する。
上記コントロールシャフト11には、円周の一部のみに歯が形成されたウォーム歯車14が結合されている。このウォーム歯車14の歯に、モータ15で回転駆動されるウォーム16が噛み合っている。そうして、エンジンの運転状態に応じてモータ15を作動させて上記コントロールアーム12をコントロールシャフト11の軸心回りに回動させることで、上記規制リンク13の位置(リンク機構の位置)を変えて吸気バルブ1,2のリフト量及びタイミングを変更させるようになっている。この場合、コントロールアーム12は、エンジン負荷が高くなるほど吸気バルブ1,2のリフト量が大きくなるように制御される。以下、可変動弁装置について具体的に説明する。
図2(b)に示すように、吸気バルブ2のステム上端に直動式タペット21が設けられ、該タペット21に揺動カム5が当接している。吸気バルブ2は、タペット21内部に設けられたリテーナ22とシリンダヘッドに設けられたリテーナ23との間に設けられたバルブスプリング24によって吸気ポート25を閉じる方向に付勢されている。尚、吸気バルブ1も吸気バルブ2と同様の構成になっている。
上記連結リンク8の一端部は、揺動カム5において揺動カム4とは反対側面におけるカムノーズとは揺動中心を挟んで反対側部分に、ピン31にて回動自在に連結され、規制リンク13の一端部は、コントロールアーム12の先端部にピン32にて回動自在に連結されている。そうして、この連結リンク8と規制リンク13とは、駆動リンク7を中間において連係している。すなわち、連結リンク8及び規制リンク13の各々の他端部は、駆動リンク7の他端部に連結ピン33によって同軸で回動自在に連結されている。尚、上記ピン31〜33はいずれもカムシャフト3と平行に延びている。
上記駆動リンク7と連結リンク8との連結ピン33はカムシャフト3の上方に配置され、該連結点の側方にコントロールアーム12の回動中心(コントロールシャフト11の軸心)が配置されている。コントロールアーム12の先端のピン32は規制リンク13の回動中心である。このピン32をコントロールシャフト11の下方に配置した図2は、大リフト制御時の状態を示し、図3に示すようにコントロールアーム12の回動によってピン32を上方へ移動させてカムシャフト3の上方に位置付けると、小リフト制御時の状態となる。
図2(a)及び(b)に示すように、駆動リンク7の位置は偏心部6の回転に伴って変化し、この駆動リンク7の位置変化により揺動カム5が連結リンク8を介して、吸気バルブ2のリフト量が零となるリフト量零状態(図2(a)参照)と、リフト量がピークとなるリフトピーク状態(図2(b)参照)との間で揺動する。上記リフト量零状態では、揺動カム5は、カムシャフト3の軸方向一方側から見て、該揺動カム5のカムノーズ先端が吸気バルブ2の軸線Y2の延長線両側のいずれか一方(この実施形態では、シリンダボアセンターとは反対側(図2の右側))に位置するようになされている。そして、揺動カム5は、カムシャフト3の軸方向一方側から見て、このリフト量零状態からカムシャフト3の回転方向と同じ方向(この実施形態では、図2で時計回り方向(右回り))に回動しながら吸気バルブ2をリフトさせるようになっている。つまり、カムシャフト3の回転方向と揺動カム5のバルブリフト時の回動方向とが同じになっている。尚、小リフト制御時の図3の場合も、上記大リフト制御時と同様であり、吸気バルブ1と揺動カム4との関係は、吸気バルブ2と5揺動カム5との関係と同じである。
図4に上記可変動弁装置の作動を具体的に示す。尚、同図では、コントロールアーム12、連結リンク8及び規制リンク13については直線で表している。また、T3は偏心部6の中心(偏心カムの中心軸)の回転軌跡である。また、上述の如く吸気バルブ1と揺動カム4との関係は吸気バルブ2と揺動カム5との関係と同じであって、揺動カム4は揺動カム5と同様に働くので、以下では、吸気バルブ2と揺動カム5との関係で当該可変動弁装置を説明する。
まず、揺動カム5の周面には、曲率半径が所定角度範囲一定になっている基円面(ベースサークル区間)θ1と、該θ1に続いて曲率半径が漸次大きくなっているカム面(リフト区間)θ2とが形成されている。カムシャフト3(偏心部6)の回転方向は図4で時計回り方向に設定されている。図4に実線で示す状態は、コントロールアーム12が大リフト制御時の位置とされ、かつ駆動リンク7の連結ピン33が最も上方に位置付けられたリフトピーク状態である。このときに、揺動カム5はカム面θ2のカムノーズ先端側の端がタペット21に当接(後述の如く、この実施形態では、カムシャフト3の軸方向一方側から見てタペット21の略中心部に当接)した状態になるように設けられている。
図4の実線状態において、偏心部6が回転すると、それに伴って駆動リンク7が変位するが、その変位は規制リンク13によって規制される。すなわち、規制リンク13はコントロールシャフト11の下方に配置されたピン32を中心に回動するから、駆動リンク7の連結ピン33は、偏心部6が1回転する度に、ピン32を中心として往復円弧運動T1をすることになる(規制リンク13は実線状態と破線状態との間で往復回動する)。
上記連結ピン33の往復円弧運動T1に伴って、駆動リンク7に連結リンク8で連結された揺動カム5は、実線状態と破線状態との間で揺動運動をする。揺動カム5は破線状態ではその基円面θ1がタペット21に接しており、バルブリフト量は零(吸気バルブ1,2は閉)となる。そして、連結ピン33が上方に移動するときに、ピン31も上方に移動して、揺動カム5におけるカムノーズとは揺動中心を挟んで反対側部分が上方に移動し、これにより、カムノーズは下方(吸気バルブ2側)に移動して、吸気バルブ2をリフトさせる。
上記揺動カム5が図4の実線状態(大リフト制御時のリフトピーク状態)と破線状態(リフト量零状態)との間で揺動するときの吸気バルブ1,2のリフト特性を図5にL1で示す。
次にコントロールアーム12を図4に実線で示す状態からコントロールシャフト11の軸心回りに上方へ回動させて、規制リンク13の回動中心であるピン32を大リフト制御時よりもカムシャフト3の回転方向手前側に位置付けた一点鎖線で示す略水平な状態にすると、小リフト制御時の状態となる。すなわち、偏心部6が回転するとき、駆動リンク7の連結ピン33は規制リンク13によって変位が規制され、コントロールシャフト11の側方に配置されたピン32を中心として往復円弧運動T2をすることになる(規制リンク13は一点鎖線状態と二点鎖線状態との間で往復回動する)。
上記連結ピン33の往復円弧運動T2に伴って、駆動リンク7に連結リンク8で連結された揺動カム5は、一点鎖線状態と破線状態との間で揺動運動をする。尚、本例の場合、連結ピン33が往復円弧運動T2によってリフト量零状態になったときの位置(二点鎖線位置)は、往復円弧運動T1によってリフト量零状態になったときの位置(破線位置)と略同じであるから、連結ピン33が往復円弧運動T2によって二点鎖線位置に位置付けられたときの揺動カム5の状態は破線状態で代用した。
揺動カム5が図4の一点鎖線状態(小リフト制御時のリフトピーク状態)と破線状態(リフト量零状態)との間で揺動するときの吸気バルブ1,2のリフト特性を図5にL2で示す。
図5に示すように、大リフト制御時から小リフト制御時へ移行すると、リフトピーク状態でのバルブリフト量が小さくなり、このことで、コントロールアーム12によるリンク機構(規制リンク13)の位置変更によりバルブリフト量が変化することになる。尚、バルブリフト量は、コントロールアーム12の図4の実線状態と一点鎖線状態との間における回動位置に応じて無段階に変化させることができる。
そうして、大リフト制御時から小リフト制御時への移行にあたっては、コントロールアーム12の回動により規制リンク13の回動中心であるピン32を移動させて連結ピン33の往復円弧運動の位置をT1からT2へ、すなわち、カムシャフト3の回転方向手前側に移動させている。これにより、大リフト制御時にはリフトピーク状態での偏心部6の中心はTaに位置するが、小リフト制御時にはリフトピーク状態での偏心部6の中心はTbに移動する。つまり、大リフト制御時から小リフト制御時に移行したとき、リフトピーク状態ではTaとTbとに関する中心角θ3だけ進角することになる。
このように、リフトピーク状態でのバルブリフト量を小さくしていくと、バルブリフトのピーク時が進角するから、図5に示すように、バルブリフト量の大小に拘わらず吸気バルブ1,2の開弁開始時期を略揃える上で有利になる。このように開弁開始時期を揃えるための各部材の位置関係は、揺動カム4,5のバルブリフト時の回動方向がカムシャフト3の回転方向と同じである場合の方が異なる場合よりも容易に得られる。
しかも、上記連結リンク8と規制リンク13とが駆動リンク7を中間において連係しているから、コントロールアーム12によって規制リンク13の位置を大きく変更させて揺動カム5によるバルブリフト量を大きく変化させることができ、このバルブリフト量の制御のみでエンジンの運転状態に応じた最適な吸気量を得ることができるため、スロットルレスとしてポンピングロスを低減することができるとともに、大リフト制御時の吸気充填効率を向上させることができる。
また、上記実施形態では、各気筒において、揺動カム4と揺動カム5とを互いに一体形成して、揺動カム5と駆動リンク7とを1本の連結リンク8で連結し、該連結リンク8及び規制リンク13各々の一端を駆動リンク7に連結する構成としたから、部品点数を少なくして構成を簡単にすることができ、可変動弁装置のコンパクト化及び軽量化に有利になる。しかも、コントロールアーム12の回動中心(コントロールシャフト11の軸心)を駆動リンク7の連結ピン33の側方に配置したから、可変動弁装置全体が嵩高なものにならず、エンジンの全高が増大することを防止することができる。
(リンク機構の適正化)
可変動弁装置のコンパクト化を図る方策の一つとして、カムシャフト3の偏心部6を小さくする(つまり偏心量を小さくする)ことが挙げられる。また、可変動弁装置では、狭角リフト化の実現、つまり、小さい開弁角(カムシャフト3の回転角)で大きなバルブリフト量を得て吸気バルブ1,2の早閉じを実現し、それによってポンピングロスを低減して燃費の向上を図りたいという要求がある。
可変動弁装置のコンパクト化を図るべく偏心部6の偏心量を小さくした場合、駆動リンク7の連結ピン33の往復円弧運動の角度変化は小さくなる。この状態で狭角リフト化を図るには、連結ピン33の角度の微小変化に対して、揺動カム5のピン31(以下、揺動カムピンという)の角度変化を大きくする必要がある。
このことについて、図6を参照しながら説明する。図6(a)は、連結ピン33の往復円弧運動の軌跡T4と、揺動カムピン31の揺動運動の軌跡T5とをそれぞれ示している(軌跡T4,T5は実際には円弧となるが、同図では円で示している)。また、図6(b)も同様であり、軌跡T4,T5は、図6(a)及び(b)で同じである。
図6(a)は、揺動カムピン31の角度変化の接線が、連結ピン33の角度変化の接線に対して直角に比較的近い角度で交わる箇所で、揺動カムピン31を揺動させた場合を示していて、この場合、連結リンク8の長さは比較的短くなる。これに対し、図6(b)は、揺動カムピン31の角度変化の接線が、連結ピン33の角度変化の接線に対して略平行となる箇所で、揺動カムピン31を揺動させた場合を示していて、この場合、連結リンク8の長さは比較的長くなる。
図6(a)及び(b)を比較すると、連結ピン33の角度がdxだけ微小変化したときに、揺動カムピン31のdx方向への変位量は図6(a)及び(b)共に同程度であるが、図6(a)の場合における揺動カムピン31の角度変化(α)は、図6(b)の場合における揺動カムピン31の角度変化(β)よりも大きいことがわかる。図6(a)に示すように、揺動カムピン31を連結ピン33に近接した位置で、その揺動カムピン31を揺動させることで、揺動カム5を効率よく揺動させることが可能になり、可変動弁装置のコンパクト化を図りつつ、狭角リフト化の実現が図られる。また、連結リンク8の長さが短くなることから、可変動弁装置の更なるコンパクト化が図られると共に、リンクの剛性の点でも有利になる。さらに、揺動カムピン31を連結ピン33に近接させることで連結リンク8が他部材と干渉しなくなることから、連結リンク8の屈曲を小さくすることができ、リンクの高剛性の点でより一層有利になる。
このように、揺動カム5の揺動カムピン31を連結ピン33に近接させることで揺動カムピン31を効率よく揺動させることができるが、吸気バルブ2のリフト量と開弁角とは、揺動カム5のカムノーズをどのように配置させるかによって決定される。
このことについて、図7及び図8を参照しながら説明する。図7は、図6(a)に示すリンク構造において、カムシャフト3の回転角(クランク角)に対する揺動角の変化、つまり揺動プロファイルを示している。この揺動プロファイルにおいて、E1で囲まれた領域は、連結ピン33がその往復円弧運動の最下部ないしその近傍に位置するときに対応し、E2で囲まれた領域は、連結ピン33がその往復円弧運動の最上部ないしその近傍に位置するときに対応する。これによると、E1で囲まれた領域は、クランク角変化に対する揺動角の変化が緩やかであり、E2で囲まれた領域を含めてE1以外の領域ではクランク角変化に対する揺動角の変化が急峻である。尚、揺動プロファイルは、コントロールアーム12の図4の実線状態と一点鎖線状態との間における回動位置によって変化するが、上記の傾向は同じである。
ここで、図6(a)に示すリンク構造においては、図8(a)に示すように、連結リンク8により揺動カム5をタペット21から引き離す方向に引っ張る(同図の実線の矢印参照)ことで吸気バルブ2を開弁させる(カムシャフト3の軸方向一方側から見て、揺動カム5のバルブリフト時の回動方向がカムシャフト3の回転方向と同じになっている)場合と、図8(b)に示すように、揺動カム5をタペット21側に押す(同図の矢印参照)ことで、吸気バルブ2を開弁させる(カムシャフト3の軸方向一方側から見て、揺動カム5のバルブリフト時の回動方向がカムシャフト3の回転方向と反対になっている)場合との2つが考えられる。図8(a)の場合には、揺動カム5のカムノーズは揺動中心を挟んで揺動カムピン31とは逆側に位置し、図8(b)の場合には、カムノーズは揺動中心に対して揺動カムピン31と同じ側に位置する。そして、図8(b)の場合には、連結ピン33が最下部ないしその近傍に位置するときにバルブがリフトされた状態にあるので、このバルブリフト状態においては、図7におけるE1領域の揺動プロファイル、つまり揺動角の変化が緩やかな揺動プロファイルを利用することになり、その結果、開弁角が大きくなる。これに対し、図8(a)の場合には、連結ピン33が最上部ないしその近傍に位置するときにバルブがリフトされた状態にあるので、このバルブリフト状態においては、図7におけるE2領域の揺動プロファイル、つまり揺動角の変化が急峻な揺動プロファイルを利用することになり、その結果、開弁角が小さくなる。したがって、狭角リフト化を実現するには、図8(a)に示すように、揺動カム5のカムノーズを揺動中心を挟んで揺動カムピン31とは逆側に設けることが必要となる。また、この場合、小リフト制御時におけるE2領域の揺動プロファイルを大リフト制御時よりも急峻にすることで、小リフト制御時の方が大リフト制御時よりもクランク角変化に対する揺動角の変化を急峻にすることができ、これにより、ポンピングロスがより一層改善されて、燃費改善効果を増大させることができる。
さらに、リフトピーク状態から吸気バルブ2の閉じ方向に揺動カム5が戻る際に、バルブスプリング反力がカムノーズに作用するが、カムノーズを揺動中心を挟んで揺動カムピン31とは逆側に設けることによって、その揺動カムピン31には、揺動カム5を戻す方向のモーメントが作用する(図8(a)の破線の矢印参照)。それによって、揺動カムピン31に入力される荷重が緩和されるという利点がある。
以上、説明したように、可変動弁装置のコンパクト化と狭角リフト化とを両立させるためにリンク機構を最適化させると、カムシャフト3、コントロールシャフト11、揺動カム4,5、偏心部6、駆動リンク7、連結リンク8、規制リンク13及びコントロールアーム12の配置は、図8(a)に示すようになる。同図は、上述したように、リフトピーク状態を示していて、コントロールアーム12、連結リンク8及び規制リンク13によって、カムシャフト3の軸方向一方側から見て略N字が形成されるように、これらコントロールアーム12、連結リンク8、規制リンク13がそれぞれ配置される。また、リフトピーク状態において、連結ピン33が、コントロールアーム12の回動中心(コントロールシャフト11の軸心)に近接して配設される。そして、揺動カム4,5がカムシャフト3の回転方向と同じ方向に回動しながら吸気バルブ1,2をリフトさせることになる。
(カムシャフトの配置)
図2、図3及び図9(a)に示すように、揺動カム5の回動中心であるカムシャフト3の軸心Xは、該カムシャフト3の軸方向一方側から見て、吸気バルブ2の軸線Y2の延長線に対して、リフト量零状態における該揺動カム5のカムノーズ先端位置とは反対側にずれている。この実施形態では、上記の如く上記カムノーズ先端が吸気バルブ2の軸線Y2の延長線に対してシリンダボアセンターとは反対側(図2及び図3の右側)に位置しているので、カムシャフト3の軸心Xは、吸気バルブ2の軸線Y2の延長線に対してシリンダボアセンター側(左側)にずれている。
仮に、図9(b)に示すように、通常のエンジンと同様にしてカムシャフト3の軸心Xを吸気バルブ2の軸線Y2の延長線上に配置したとすると、タペット21においてバルブリフト時に揺動カム5のカムノーズ先端部が当接する箇所は、タペット21周縁部ないしその近傍だけとなり、この結果、タペット21におけるカムノーズ当接面が偏摩耗するとともに、吸気バルブ2が傾いて吸気バルブ2自体も偏摩耗し易くなってリフト量の誤差を招いてしまう。しかも、タペット21におけるカムノーズ先端部の当接範囲が非常に狭い(カムノーズトラベル量が小さい)ので、カムノーズを鋭く尖らせることが困難となって、大きなバルブリフト量を得るためには、偏心部6のカムシャフト3の軸心Xに対する偏心量を比較的大きくしなければならなくなる。
一方、図9(a)に示すように、カムシャフト3の軸心Xを吸気バルブ2の軸線Y2の延長線に対してカムノーズ先端位置と反対側にずらすと、タペット21においてバルブリフト時に揺動カム5のカムノーズ先端部が当接する箇所が、タペット21周縁部から略中心部までと広い範囲に亘る(上記カムシャフト3の軸心Xのずらし量によっては、より広い範囲とすることも可能である)こととなり、この結果、タペット21におけるカムノーズ当接面が偏摩耗し難くなるとともに、吸気バルブ2の傾きによる偏摩耗を低減することができる。しかも、タペット21におけるカムノーズ先端部の当接範囲が広くなる(カムノーズトラベル量が大きくなる)ことで、カムノーズを鋭く尖らせることが容易となり、偏心部6の偏心量が比較的小さくても、大きなバルブリフト量が容易に得られるようになる。したがって、コントロールアーム12により変化するバルブリフト量の該変化範囲の最大値が同じであれば、カムシャフト3の軸心Xを吸気バルブ2の軸線Y2の延長線対してカムノーズ先端位置と反対側にずらす場合の方が、吸気バルブ2の軸線Y2の延長線上に配置する場合よりも偏心部6の偏心量が小さくて済み、その分だけ可変動弁装置全体を小型化することができる。
(揺動カムのカムシャフト軸方向の位置)
また、本実施形態では、図10に示すように、上記一対の揺動カム4,5のうち一方の揺動カム4のカムノーズの幅方向(カムシャフト3の軸方向)中央と他方の揺動カム5のカムノーズの幅方向中央との間のカムシャフト3の軸方向に沿った間隔d1が、2つの吸気バルブ1,2の軸線Y1,Y2間の間隔d2よりも小さく設定されている。つまり、2つの吸気バルブ1,2の軸線Y1,Y2を含む平面に垂直な方向から見て、揺動カム4のカムノーズの幅方向中央位置が吸気バルブ1の軸線Y1に対して揺動カム5側にずれており、揺動カム5のカムノーズの幅方向中央位置が吸気バルブ2の軸線Y2に対して揺動カム4側にずれている。尚、図10中、61はシリンダヘッド本体であり、62は、シリンダヘッド本体61に固定されるカムジャーナルであり、このカムジャーナル62とシリンダヘッド本体61との間に、一対の揺動カム4,5間に設けた連結部50が回動可能となるような断面円形の孔が形成されている。
上記一対の揺動カム4,5及び連結部50の中心部には、カムシャフト3が嵌合しているが、カムシャフト3との間には僅かな隙間がある。また、連結部50とカムジャーナル62又はシリンダヘッド本体61との間にも僅かな隙間(上記カムシャフト3との間の隙間よりも大きい)がある。一方、連結リンク8は、上記の如く揺動カムピン31にて揺動カム5にしか連結されていない。このため、バルブリフト時には、一対の揺動カム4,5及び連結部50の中心軸がカムシャフト3の軸心Xに対して傾き、この傾きにより、両揺動カム4,5におけるカムノーズの吸気バルブ1,2の軸方向位置が互いにずれることになる。すなわち、バルブリフト時には、連結リンク8と連結された揺動カム5の方が揺動カム4よりも上方へ引き上げられるので、吸気バルブ2のリフト量が吸気バルブ1よりも小さくなる。このときの両揺動カム4,5同士のリフトずれ量は、両カムノーズ間のカムシャフト3の軸方向に沿った間隔が大きい程、大きくなる。
しかし、本実施形態では、一方の揺動カム4のカムノーズの幅方向中央と他方の揺動カム5のカムノーズの幅方向中央との間のカムシャフト軸方向に沿った間隔d1を出来る限り小さく設定することで、両揺動カム4,5におけるカムノーズの吸気バルブ1,2の軸方向位置のずれ量を小さく抑えて、2つの吸気バルブ1,2間でのリフト誤差を出来る限り小さくすることができる。
また、2つの吸気バルブ1,2の軸線Y1,Y2を含む平面に垂直な方向から見て、両揺動カム4,5のカムノーズがタペット21に対して該タペット21の中心軸(吸気バルブ1,2の軸線Y1,Y2)からカムシャフト3の軸方向にずれて当接することになるので、バルブリフト時にタペット21が中心軸回りに回動し、これにより、タペット21におけるカムノーズ当接面の偏摩耗をより一層有効に防止することができる。
尚、タペット21において両揺動カム4,5のカムノーズの当接位置が中心軸からカムシャフト3の軸方向にずれ過ぎると、カムノーズ先端部のカムシャフト3と垂直な方向のトラベル量が小さくなるので、この点から上記間隔d1を小さくすることは限界がある。このことより、カムノーズ先端部のトラベル量を維持しつつ吸気バルブ1,2間でのリフト誤差を小さくするためには、図10に示すように、両揺動カム4,5の対向面とは反対側の面間のカムシャフト3に沿った距離d3を、吸気バルブ1,2の軸線Y1,Y2間の間隔d2よりも大きく設定するのがよい。
したがって、上記実施形態では、カムシャフト3の軸心X回りに揺動可能に設けられ、吸気バルブ2をリフトさせる揺動カム5と、カムシャフト3の偏心部6に外嵌めした駆動リンク7とを連結リンク8で連結し、偏心部6の回転に伴う駆動リンク7の変位を、駆動リンク7に連結した規制リンク13で規制して、該変位により連結リンク8を介して揺動カム5が揺動(同時に揺動カム4が揺動)するようにし、この規制リンク13の位置を、揺動カム5による吸気バルブ2のリフト量が変化するように変更するコントロール部材12を設けるとともに、揺動カム5を、カムシャフト3の軸方向一方側から見て、リフト量零状態においては、該揺動カム5のカムノーズ先端が吸気バルブ2の軸線Y2の延長線両側のいずれか一方に位置するようにして、該リフト量零状態からカムシャフトの回転方向と同じ方向に回動しながら吸気バルブ2をリフトさせるように構成し、揺動カム5の回動中心であるカムシャフト3の軸心Xを、該カムシャフト3の軸方向一方側から見て、吸気バルブ2の軸線Y2の延長線に対して、リフト量零状態における揺動カム5のカムノーズ先端位置とは反対側にずらすようにしたことにより、小リフト制御時に大リフト制御時よりもカムシャフト3の回転方向手前側の回転角度でバルブリフトのピークが現れるように規制リンク13の位置を変更させることが容易にでき、特別な手段を用いなくても吸気バルブ2(及び吸気バルブ1)の開弁開始時期を揃えることができる。また、小さい開弁角で大きなバルブリフト量が得られる狭角リフト化を容易に実現することができる。この結果、ポンピングロスを低減して燃費の向上化を図ることができる。しかも、揺動カム4,5のカムノーズ先端部のトラベル量が大きくなることでカムノーズを鋭く尖らせることができて、可変動弁装置全体を小型化することができるとともに、タペット21や吸気バルブ1,2の偏摩耗を低減してバルブリフト量の誤差を低減することができる。
また、特に、カムシャフト3の軸心Xをシリンダボアセンター側にずらすことで、エンジンのシリンダヘッドを幅方向に小さくすることができる。一方、このようにしても、可変動弁装置全体が小型になるので、シリンダボアセンター上の点火プラグのサービスホール等と干渉することはなく、可変動弁装置を容易に配設することができる。
さらに、一対の揺動カム4,5を、2つの吸気バルブ1,2にそれぞれ対応するように互いに一体形成して、1つの連結リンク8により揺動させるようにし、一方の揺動カム4のカムノーズの幅方向中央と他方の揺動カム5のカムノーズの幅方向中央との間のカムシャフト3の軸方向に沿った間隔d1を、吸気バルブ1,2の軸線Y1,Y2間の間隔d2よりも小さく設定したので、両揺動カム4,5を1つの連結リンク8により揺動させることで該揺動カム4,5の中心軸がカムシャフト3の軸心Xに対して傾いたとしても、2つの吸気バルブ1,2間でのリフト誤差を出来る限り小さくすることができるとともに、タペット21におけるカムノーズ当接面の偏摩耗をより一層有効に防止することができる。
尚、上記実施形態では、カムシャフト3の軸方向一方側から見て、揺動カム5のカムノーズ先端を吸気バルブ2の軸線Y2の延長線のシリンダボアセンターと反対側に位置させ、カムシャフト3の軸心Xを吸気バルブ2の軸線Y2の延長線に対してシリンダボアセンター側にずらすようにしたが、これとは逆に、カムノーズ先端を吸気バルブ2の軸線Y2の延長線のシリンダボアセンター側に位置させ、カムシャフト3の軸心Xを吸気バルブ2の軸線Y2の延長線に対してシリンダボアセンターとは反対側にずらすようにしてもよい。この場合、図8(a)と同様の構成で、可変動弁装置における全部材の位置関係を、吸気バルブ2の軸線Y2に対して対称となるようにすればよい。但し、上記実施形態のように構成する方が、エンジンのシリンダヘッドを幅方向に小さくすることができて好ましい。
また、リンク機構は、上記実施形態のような連結リンク8及び規制リンク13に限らず、揺動カム4,5と駆動リンク7とを連結しかつ偏心部6の回転に伴う該駆動リンク7の変位を揺動カム4,5が揺動するように規制するものであればどのような構成であってもよく(但し、カムシャフト3の軸方向一方側から見て、揺動カム4,5のバルブリフト時の回動方向をカムシャフト3の回転方向と同じとし、カムシャフト3の軸心を、吸気バルブ1,2の軸線Y1,Y2の延長線に対して、リフト量零状態における揺動カム4,5のカムノーズ先端位置とは反対側にずらせる構成でなければならない)、コントロール部材は、上記実施形態のようなコントロールアーム12に限らず、上記リンク機構の位置を、揺動カム4,5による吸気バルブ1,2のリフト量が変化するように変更するものであればよい。さらに、本発明は、排気バルブにも適用することができる。
本発明は、例えばエンジンの運転状態に応じて、エンジンの吸排気バルブの開閉時期やバルブリフト量を変化させるようにするエンジンの可変動弁装置に有用である。
本発明の実施形態に係る可変動弁装置を示す斜視図である。 可変動弁装置の大リフト制御時の状態を示す断面図であり、(a)はリフト量零状態を示し、(b)はリフトピーク状態を示す。 可変動弁装置の小リフト制御時の状態を示す断面図であり、(a)はリフト量零状態を示し、(b)はリフトピーク状態を示す。 可変動弁装置の作動の説明図である。 可変動弁装置のバルブリフト特性を示すグラフである。 連結ピンの角度変化に対する揺動カムピンの角度変化を示す説明図である。 揺動プロファイルを示すグラフである。 可変動弁装置において連結リンクにより揺動カムを引っ張ることでバルブをリフトさせる構成(a)と揺動カムを押すことでバルブをリフトさせる構成(b)とを示す断面図である。 可変動弁装置の大リフト制御時におけるリフトピーク状態を示す断面図であり、(a)は、カムシャフトの軸心を吸気バルブの軸線の延長線に対してカムノーズ先端位置とは反対側にずらした場合を示し、(b)は、カムシャフトの軸線を吸気バルブの軸線の延長線上に配置した場合を示す 2つの吸気バルブの軸線を含む平面に垂直な方向から見たときの揺動カムと吸気バルブとのカムシャフトの軸方向に沿った位置関係を示す側面図である。
符号の説明
1,2 吸気バルブ
3 カムシャフト
4,5 揺動カム
6 偏心部
7 駆動リンク
8 連結リンク(リンク機構)
11 コントロールシャフト
12 コントロールアーム(コントロール部材)
13 規制リンク(リンク機構)
21 直動式タペット

Claims (2)

  1. エンジンのクランク軸に同期して回転するカムシャフトと、
    上記カムシャフトに設けられ、該カムシャフトの軸心回りに偏心して回転する偏心部と、
    上記カムシャフトの軸心回りに揺動可能に設けられ、直動式タペットを介してバルブをリフトさせる揺動カムと、
    上記カムシャフトの偏心部に回転自在に外嵌めされた駆動リンクと、
    上記揺動カムと駆動リンクとを連結するとともに、上記偏心部の回転に伴う該駆動リンクの変位を上記揺動カムが揺動するように規制するリンク機構と、
    上記リンク機構の位置を、上記揺動カムによる上記バルブのリフト量が変化するように変更するコントロール部材とを備えたエンジンの可変動弁装置であって、
    上記揺動カムは、上記カムシャフトの軸方向一方側から見て、上記バルブリフト量が零となるリフト量零状態においては、該揺動カムのカムノーズ先端が上記バルブ軸線の延長線両側のいずれか一方に位置するようになされていて、該リフト量零状態から上記カムシャフトの回転方向と同じ方向に回動しながらバルブをリフトさせるように構成されており、
    上記揺動カムの回動中心である上記カムシャフトの軸心が、該カムシャフトの軸方向一方側から見て、上記バルブ軸線の延長線に対して、上記リフト量零状態における該揺動カムのカムノーズ先端位置とは反対側にずれており、
    同一気筒において2つの上記バルブが上記カムシャフト軸方向に並設されており、
    一対の上記揺動カムが、上記2つのバルブにそれぞれ対応するように互いに一体形成されてなり、
    上記一方の揺動カムのカムノーズの幅方向中央と他方の揺動カムのカムノーズの幅方向中央との間のカムシャフト軸方向に沿った間隔が、上記両バルブ軸線間の間隔よりも小さく設定されていることを特徴とするエンジンの可変動弁装置。
  2. 請求項1記載のエンジンの可変動弁装置において、
    揺動カムは、直動式タペットを介して吸気バルブをリフトさせるものであり、
    上記吸気バルブの軸線が、シリンダボアセンターに対して傾斜しており、
    上記揺動カムの回動中心であるカムシャフトの軸心が、該カムシャフトの軸方向一方側から見て、上記吸気バルブ軸線の延長線に対してシリンダボアセンター側にずれていることを特徴とするエンジンの可変動弁装置。
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