JP4296428B2 - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸排気系バルブのリフトの特性を連続的に変更可能な内燃機関の可変動弁装置に関する。

この種の可変動弁装置は、内燃機関の運転状態に応じて吸気弁や排気弁のリフトの特性（駆動位相及びリフト量）を連続的に変更することができる。これにより、例えば自動車用エンジンでは排ガス浄化促進や燃費低減等が達成される。
また、当該装置には、複数個のカムを切り換える、或いはギヤ及びばね等を用いる如く各種の機構が存在するが、この装置の複雑化はエンジンへの搭載を困難にするため、可変動弁装置の簡略化を図る技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１５０３０１号公報

ところで、上記特許文献１に記載の可変動弁装置では、吸気弁はロッカアーム機構からの力を受けて吸気通路を開く一方、閉弁方向に付勢するばね力によって吸気通路を閉じる。このばね力はロッカアーム機構に反力として伝達される。詳しくは、当該ばね力は第１のアームの端部を閉弁方向に押し上げ、この第１のアームに伝達された力は第３のアームを介して第２のアームに伝達され、最終的にはカムに伝達される。

ここで、上記特許文献１に記載の如く、第２のアームの揺動範囲を変えてリフトの特性を連続的に変更可能な可変動弁装置では、第２のアームとカムとの当接点の変更に伴ってこのカムに作用するカム荷重が過度に大きくなることが懸念される。この場合に、カムの幅を大きくすることも考えられるが、これではエンジン前後方向に大きなスペースを要し、やはり搭載性が悪くなるとの問題がある。

このように、上記従来の技術では、装置の簡略化は可能であっても、装置の耐久性及び搭載性においては依然として課題が残されている。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、装置の耐久性及び機関への搭載性の向上を図ることができる内燃機関の可変動弁装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するべく、請求項１記載の内燃機関の可変動弁装置は、内燃機関の吸気弁又は排気弁の開閉駆動を行うロッカアーム機構と、内燃機関に回動自在に設けられ、ロッカアーム機構に係合される偏心シャフトを備えたロッカシャフトと、内燃機関に回動自在に設けられ、ロッカアーム機構を駆動させるカムを備えたカムシャフトとを含み、ロッカシャフトの回動により偏心シャフトの位置を変更させ、吸気弁又は排気弁のリフトの特性を変更可能な可変動弁装置であって、ロッカアーム機構は、ロッカシャフトの軸心を支点として揺動し、吸気弁又は排気弁の閉弁方向に付勢されるばね力に抗して吸気弁又は排気弁を駆動可能な第１のアームと、カムにより駆動され、偏心シャフトの軸心を支点として揺動する第２のアームと、略対向して形成された一対の当接面部を第２のアーム及び第１のアームにそれぞれ当接され、第１のアームと第２のアームとの間に設けられた支持軸の軸心を支点として揺動しながら、第２のアームの揺動変位を第１のアームに伝達する第３のアームとを具備し、支持軸の軸心は、支持軸の軸心から第１のアームとの当接点に作用する力の作用線までの第１の最短距離が、支持軸の軸心から第２のアームとの当接点に作用する力の作用線までの第２の最短距離よりも小さくなる位置に設けられていることを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、第１のアーム及び第２のアームは、第３のアームの両当接面部に対して当接ローラを介してそれぞれ転がり接触することを特徴としている。
また、請求項３記載の発明では、支持軸の軸心は、ロッカシャフトの軸心に対し、第１のアームとの当接点及び第２のアームとの当接点を挟んで反対側の位置に設けられ、吸気弁又は排気弁の最大リフト量が最大となる場合に、第１の最短距離と第２の最短距離との差が最小となる位置に設けられていることを特徴としている。

従って、請求項１記載の本発明の内燃機関の可変動弁装置によれば、当該可変動弁装置には吸気弁或いは排気弁を閉弁方向に付勢するばね力による反力が作用する。具体的には、この反力は第１のアームを介してこの第１のアームと第３のアームとの当接点に作用し、続いて、第３のアームを介してこの第３のアームと第２のアームとの当接点に作用し、最終的にはこの第２のアームからカムに作用する。

そして、第３のアームの支持軸回りのモーメントは、第１のアームとの当接点に作用する力及び支持軸の軸心からこの力の作用線までの第１の最短距離によって求まる第１のモーメントと、第２のアームとの当接点に作用する力及び支持軸の軸心からこの力の作用線までの第２の最短距離によって求まる第２のモーメントとが生じ、これら第１のモーメントと第２のモーメントとがつり合うことになる。

ここで、上記支持軸の軸心の位置は、第１のモーメントに関する第１の最短距離が第２のモーメントに関する第２の最短距離よりも常に小さくなる位置に設けられている。すなわち、上記モーメントのつり合いにおいて、第２のアームとの当接点に作用する力が第１のアームとの当接点に作用する力よりも常に小さくなる。従って、第２のアームからカムに作用するカム荷重を抑えることが可能となり、可変動弁装置の耐久性が向上し、強度面に関する信頼性が向上する。

更に、上記カム荷重が低減可能となれば、このカム幅が小さな寸法で済む。よって、内燃機関の前後方向のスペースが少なくて済み、機関への搭載性向上も図られる。
また、請求項２記載の発明によれば、第２のアームから第３のアームへの揺動変位の伝達、及び第３のアームから第１のアームへの揺動変位の伝達をそれぞれ当接ローラを介して転がり接触で行なうことができる。
また、請求項３記載の発明によれば、ばね力による反力が最大となる最大リフト量が最大の場合にも、上記カム荷重を抑えることが可能となれば、可変動弁装置の耐久性や機関への搭載性がより一層向上する。

以下、図面により本発明の実施形態について説明する。
図１は本実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置２を示す。同図の概略図に示されるように、当該可変動弁装置２は自動車エンジンのシリンダヘッド部分に配設され、ロッカアーム機構２０を介して吸気弁４を駆動し、吸気通路６を開閉している。
詳しくは、上記シリンダヘッドにはカムシャフト１２が回動自在に設けられており、図示しないクランクシャフトの回転に応じ、カムノーズ部１４を有するカム１０の回転がロッカアーム機構２０の往復揺動に適宜変換され、吸気弁４に対して下方向に向かう力を作用させる。これにより、吸気弁４は吸気通路６を開く。一方、この吸気弁４には閉弁付勢ばね８が配設されており、吸気弁４が吸気通路６を閉止する方向に付勢され、上方向に向かう力を作用させる。この力はロッカアーム機構２０に反力として伝達される。

また、上記シリンダヘッドにはロッカシャフト１６が回動自在に設けられており、このロッカシャフト１６とカムシャフト１２とは平行に配設されている。更に、ロッカシャフト１６には偏心シャフト１８が備えられている。具体的には、図２に示されるように、偏心シャフト１８の軸心Ｃ２はロッカシャフト１６の軸心Ｃ１に対して偏心されている。この偏心シャフト１８は、ロッカシャフト１６がモータ等を用いた回動手段によって回動されると、ロッカシャフト１６の軸心Ｃ１に対して回動する。

この偏心シャフト１８にはロッカアーム機構２０が係合されている。より具体的には、本実施形態のロッカアーム機構２０は、バルブ駆動アーム（第１のアーム）２１、特性調整アーム（第２のアーム）２２、及び変位伝達アーム（第３のアーム）２３の３つのアームから構成されており、後述のように、このうちの特性調整アーム２２が上記偏心シャフト１８に係合される。

上記バルブ駆動アーム２１は、吸気弁４を押圧するとともに、閉弁付勢ばね８によるばね力を受容する先端部３１を有し、この先端部３１は変位伝達アーム２３側に位置する後端部４１と、ロッカシャフト１６に揺動自在に支持される揺動支持部６１とに連なっている。これにより、バルブ駆動アーム２１はロッカシャフト１６の軸心Ｃ１を支点として揺動し、上記ばね力に抗して吸気弁４を駆動させる。なお、後端部４１には当接ローラ５１が備えられており、この当接ローラ５１が変位伝達アーム２３に当接されている。つまり、上記先端部３１に伝達された力Ｒは、当接ローラ５１を介して変位伝達アーム２３に伝達される。

一方、特性調整アーム２２は、偏心シャフト１８に揺動自在に支持される揺動支持部３２を有しており、カム１０の回転に応じて偏心シャフト１８の軸心Ｃ２を支点として揺動する。また、この揺動支持部３２は当接ローラ５２、６２を有する接続部４２に連なっている。当接ローラ５２は変位伝達アーム２３に当接され、当接ローラ６２はカム１０に当接されている。よって、上述の変位伝達アーム２３に伝達された力は、当接ローラ５２を介して特性調整アーム２２に伝達され、更に、当接ローラ６２を介してカム１０に伝達される。

そして、上記回動手段がロッカシャフト１６を回動すると、偏心シャフト１８がロッカシャフト１６の軸心Ｃ１の回りを変位する。この変位はカム１０に対する特性調整アーム２２の回転位相を遅角側或いは進角側に変更させる。この結果、吸気弁４のリフトの特性（駆動位相及びリフト量）が連続的に変更される。
変位伝達アーム２３は、上述の如く、バルブ駆動アーム２１の当接ローラ５１と特性調整アーム２２の当接ローラ５２とにそれぞれ当接されており、特性調整アーム２２の揺動変位をバルブ駆動アーム２１に伝達可能に構成されている。

具体的には、変位伝達アーム２３は、当接ローラ５１に転がり接触される変換面部４３（当接面部）及び非変換面部５３と、当接ローラ５２に転がり接触される変換面部６３（当接面部）とを備えている。各当接ローラ５１、５２が変換面部４３、６３に接触される位置では、特性調整アーム２２の揺動変位はバルブ駆動アーム２１に伝達される。これに対し、当接ローラ５１が非変換面部５３に接触される範囲では、当接ローラ５２が変換面部６３に接触される位置であっても、特性調整アーム２２の揺動変位はキャンセルされ、バルブ駆動アーム２１には伝達されない。

また、この変位伝達アーム２３は支持軸３３に揺動自在に支持されている。より詳しくは、本実施形態における支持軸３３の軸心Ｃ３が、ロッカシャフト１６の軸心Ｃ１に対し、バルブ駆動アーム２１との当接点Ｓ１及び特性調整アーム２２との当接点Ｓ２を挟んで反対側の位置に設けられており、変位伝達アーム２３は支持軸３３の軸心Ｃ３を支点として揺動する。なお、この変位伝達アーム２３には、軸心Ｃ３に対して反時針回り方向、換言すれば、変換面部６３を当接ローラ５２に接触させる方向のばね力が作用している。

ここで、図２に示されるように、上記先端部３１に伝達された力Ｒはバルブ駆動アーム２１から変位伝達アーム２３に力Ｆ１として伝達される。この力Ｆ１は当接ローラ５１の回転中心とバルブ駆動アーム２１との当接点Ｓ１とを結ぶ線上に作用する。一方、この力Ｆ１は変位伝達アーム２３から特性調整アーム２２に力Ｆ２として伝達される。この力Ｆ２は特性調整アーム２２との当接点Ｓ２と当接ローラ５２の回転中心とを結ぶ線上に作用する。つまり、支持軸３３回りのモーメントのつり合いは、力Ｆ１と支持軸３３の軸心Ｃ３からこの力Ｆ１の作用線までの第１の最短距離Ｌ１との乗算によって求まる第１のモーメントＭ１と、力Ｆ２と支持軸３３の軸心Ｃ３からこの力Ｆ２の作用線までの第２の最短距離Ｌ２との乗算によって求まる第２のモーメントＭ２との代数和で求められる。

そして、支持軸３３の軸心Ｃ３は、第１の最短距離Ｌ１が第２の最短距離Ｌ２よりも小さくなる位置に設けられている。特に、当該軸心Ｃ３は、最も遅角側、すなわち、カム１０に対する特性調整アーム２２の回転位相が吸気弁４の最大リフト量を得る側に変更された場合においても、荷重伝達比、具体的には、第１の最短距離Ｌ１と第２の最短距離Ｌ２との比（Ｌ１／Ｌ２）がバルブリフト最大時に１となり、これら第１の最短距離Ｌ１と第２の最短距離Ｌ２との差が最小となる位置に設けられている。換言すれば、当該軸心Ｃ３の位置は、力Ｆ２が力Ｆ１よりも常に小さくなる位置に設けられている。

次に、本実施形態の可変動弁装置２の動作について説明する。
図２においてカムシャフト１２が反時針回りに回動されると、カム１０のカム曲線に従い、特性調整アーム２２はその軸心Ｃ２に対して揺動する。詳しくは、特性調整アーム２２はカムノーズ部１４の頂点に近づくに連れて反時針回りに揺動する。同時に、変位伝達アーム２３はその軸心Ｃ３に対して時針回りに揺動し、変換面部４３が当接ローラ５１を押し上げると、バルブ駆動アーム２１がその軸心Ｃ１に対して反時針回りに揺動することから、吸気弁４は下方に向けて移動して吸気通路６が開かれる。

ここで、遅角側、つまり、図２でみてロッカシャフト１６が時針回りに回動されると、偏心シャフト１８がロッカシャフト１６の軸心Ｃ１に対して時針回りに回動する。これにより、特性調整アーム２２の当接ローラ６２とカム１０との当接点Ｓがカム曲線上を反時針回りに移動し、同時に、特性調整アーム２２との当接点Ｓ２は変換面部６３上を軸心Ｃ３から離間する方向に移動する。つまり、この場合には、変位伝達アーム２３が軸心Ｃ３に対して時針回りに揺動し、当接点Ｓ１が非変換面部５３から遠い地点に位置するので、非変換面部５３との接触期間が短くなる。この結果、バルブ駆動アーム２１は、カム１０の回転角が小さいうちから吸気弁４を開弁させるように機能する。

これに対し、進角側、つまり、図２でみて偏心シャフト１８が反時針回りに回動すると、当接点Ｓはカム曲線上を時針回りに移動し、同時に、当接点Ｓ２は変換面部６３上を軸心Ｃ３に近づく方向に移動する。つまり、この場合には、変位伝達アーム２３が軸心Ｃ３に対して反時針回りに揺動し、当接点Ｓ１が非変換面部５３に近い地点に位置することから、非変換面部５３との接触期間が長くなる。この結果、バルブ駆動アーム２１は、カム１０の回転角が大きくなっても吸気弁４を開弁させないように機能する。

そして、図３に示されるように、カム１０の一様な回転に対し、上記遅角側に設定されるに連れてリフト量は大きくなり、一方、上記進角側に設定されるに連れてリフト量は小さくなる。また、最も進角側に設定されると、そのリフトが休止状態となる。更に、上記遅角側に設定されるに連れて各バルブリフトモードでの最大リフト量（図中●で示す）も遅角される。このように、本実施形態の可変動弁装置２では、吸気弁４のリフトの特性（駆動位相及びリフト量）をロッカアーム１６の回動割合に応じて連続的に変更することができる。そして、このリフトの特性を高回転、高負荷の大吸気量が要求される場合には上記遅角側に、低回転、低負荷の小吸気量が要求される場合や排ガス後処理装置の活性化のために排ガス温度を上げたい場合には上記進角側にそれぞれ変更することにより、自動車用エンジンでは排ガス浄化促進や燃費低減等が達成可能となる。

以上のように、本実施形態は、可変動弁装置２には吸気弁４を閉弁方向に付勢するばね力が反力として作用するものの、このばね力をカム１０に伝え難くする点に着目している。そして、第１のモーメントＭ１に関する第１の最短距離Ｌ１が第２のモーメントＭ２に関する第２の最短距離Ｌ２よりも常に小さくなるように、変位伝達アーム２３の支持軸３３の軸心Ｃ３の位置を定めている。

より具体的には、図４に示されるように、図３の如くリフト量が広範囲に変動する場合であっても、変位伝達アーム２３による各バルブリフトモードでの荷重伝達比（Ｌ１／Ｌ２：図中●で示す）は１以下となり、特に、最も遅角側に設定されてリフト量が最大となるバルブリフトモードでの最大バルブリフト時に荷重伝達比が１となる如く、支持軸３３の軸心Ｃ３は、特性調整アーム２２との当接点Ｓ２に作用する力Ｆ２がバルブ駆動アーム２１との当接点Ｓ１に作用する力Ｆ１よりも常に小さくなる位置に設けられている。従って、特性調整アーム２２とカム１０との当接点Ｓに作用するカム荷重Ｆが過度に大きくならないことが分かる。

そして、図５に示される如く、ばね力による静荷重に起因するカム面圧を鑑みると、このカム面圧（図中●で示す）は、荷重伝達比が１未満の範囲において、斜線部分よりも下側の値に抑えられる。つまり、可変動弁装置に対し、カム面圧を下げるための措置が不要となることが分かる。
この結果、本実施形態の可変動弁装置２によれば、特に、先端部３１に伝達された力Ｒが最大となる最大リフト量の場合にもカム荷重Ｆが十分に抑えられることから、装置の耐久性がより一層向上し、強度面に関する信頼性が大幅に向上する。

しかも、この場合にはカム１０のカム幅も小さな寸法で済み、エンジンの前後方向のスペースが少なくて済むので、コンパクトな可変動弁装置２が得られる。よって、１シリンダ当たりのエンジン前後方向の寸法が比較的短いエンジン、例えば同一排気量であってもシリンダボアが小さく、且つ、ストローク量が大きなエンジンであっても容易に搭載できる。

また、本実施形態における支持軸３３の軸心Ｃ３が、ロッカシャフト１６の軸心Ｃ１の近傍ではなく、当接点Ｓ１及び当接点Ｓ２を挟んでロッカシャフト１６の軸心Ｃ１から離れる位置に設けられ、変位伝達アーム２３には、バルブ駆動アーム２１に当接される側には非変換面部５３が設けられているのに対し、特性調整アーム２２に当接される側には非変換面部が設けられていない。従って、これら当接される側にそれぞれ非変換面部を備える場合に比して、リフトの特性の調整が容易となるし、変位伝達アームも容易に加工可能となる。

以上で本発明の一実施形態についての説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更ができるものである。
例えば、上記実施形態では、吸気弁４のリフトの特性を連続的に変更可能な可変動弁装置２について説明されているが、必ずしもこの形態に限定されるものではなく、排気弁のリフトの特性を連続的に変更可能な可変動弁装置であっても良い。この場合にも上記と同様に装置の耐久性及び機関への搭載性の向上を図ることができる。

また、上記実施形態では、支持軸３３の軸心Ｃ３がロッカシャフト１６の軸心Ｃ１に対し、バルブ駆動アーム２１との当接点Ｓ１及び特性調整アーム２２との当接点Ｓ２を挟んで反対側の位置に設けられている。しかし、例えば、当接ローラ５２と当接ローラ６２との距離を長くする、変換面部６３の形状を変更すること等により、上記支持軸の軸心は、ロッカシャフトの軸心と同等の高さ、又はロッカシャフトの軸心よりも低い位置に設けても良い。この場合には、エンジン前後方向のスペースの他、エンジン上下方向のスペースも少なくて済むことになる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の可変動弁装置の概略構成図である。 図１の可変動弁装置における力の伝達等を説明する図である。 図１の可変動弁装置におけるリフトの特性を説明する図である。 図１の可変動弁装置における第３のアームの荷重伝達比とリフト量との関係を示す図である。 図１の可変動弁装置におけるカム面圧と第３のアームの荷重伝達比との関係を示す図である。

符号の説明

２ 可変動弁装置
４ 吸気弁
８ 閉弁付勢ばね
１０ カム
１２ カムシャフト
１６ ロッカシャフト
１８ 偏心シャフト
２０ ロッカアーム機構
２１ バルブ駆動アーム（第１のアーム）
２２ 特性調整アーム（第２のアーム）
２３ 変位伝達アーム（第３のアーム）
３３ 支持軸
４３，６３ 変換面部（当接面部）

Claims (3)

1. 内燃機関の吸気弁又は排気弁の開閉駆動を行うロッカアーム機構と、前記内燃機関に回動自在に設けられ、該ロッカアーム機構に係合される偏心シャフトを備えたロッカシャフトと、前記内燃機関に回動自在に設けられ、前記ロッカアーム機構を駆動させるカムを備えたカムシャフトとを含み、前記ロッカシャフトの回動により前記偏心シャフトの位置を変更させ、前記吸気弁又は前記排気弁のリフトの特性を変更可能な可変動弁装置であって、
   前記ロッカアーム機構は、前記ロッカシャフトの軸心を支点として揺動し、前記吸気弁又は前記排気弁の閉弁方向に付勢されるばね力に抗して該吸気弁又は該排気弁を駆動可能な第１のアームと、前記カムにより駆動され、前記偏心シャフトの軸心を支点として揺動する第２のアームと、略対向して形成された一対の当接面部を前記第２のアーム及び前記第１のアームにそれぞれ当接され、前記第１のアームと前記第２のアームとの間に設けられた支持軸の軸心を支点として揺動しながら、前記第２のアームの揺動変位を前記第１のアームに伝達する第３のアームとを具備し、
   前記支持軸の軸心は、該支持軸の軸心から前記第１のアームとの当接点に作用する力の作用線までの第１の最短距離が、該支持軸の軸心から前記第２のアームとの当接点に作用する力の作用線までの第２の最短距離よりも小さくなる位置に設けられていることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
2. 前記第１のアーム及び第２のアームは、前記第３のアームの両当接面部に対して当接ローラを介してそれぞれ転がり接触することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の可変動弁装置。
3. 前記支持軸の軸心は、前記ロッカシャフトの軸心に対し、前記第１のアームとの当接点及び前記第２のアームとの当接点を挟んで反対側の位置に設けられ、前記吸気弁又は前記排気弁の最大リフト量が最大となる場合に、前記第１の最短距離と前記第２の最短距離との差が最小となる位置に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の可変動弁装置。

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