JP4328966B2 - 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、ロッカシャフトには球面状の自在継手部を有する接続部材が設けられ、この自在継手部の下側にて第２のアームが揺動自在に嵌合されている。そして、ロッカシャフトの回動により、カムに対する第２のアームの回転位相を変えてリフトの特性を変更する。しかし、この自在継手部は摩耗等によってその部品寸法が初期値に対して変わり得るので、当該構造では第２のアームが自在継手部から外れるおそれがある。

そこで、このロッカシャフトに偏心シャフトを設けることが考えられる。具体的には、偏心シャフトの軸心をロッカシャフトの軸心に対してロッカシャフトの外径の範囲内で偏心させ、このロッカシャフトの端部に対して直列に偏心シャフトの端部を設ける。そして、この偏心シャフトに第２のアームを係合させる構造である。
しかしながら、当該構造におけるリフトの特性の変更は、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て行われる。よって、カムに対する要求された第２のアームの回転位相を確保するためには、ロッカシャフトを大径にする、或いはロッカシャフトの回動量を大きくしなければならず、この構造では搭載性に関する懸念が依然として残されている。

また、上述の可変動弁装置には、機関の駆動に伴って大きな負荷が作用する点を鑑みれば、上記の搭載性のみならず、装置の耐久性についても同時に満たさなければならない。
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、機関への搭載性向上、且つ、装置の耐久性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、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、吸気弁又は排気弁を駆動可能な第１のアームと、カム側がカムに当接されて駆動し、ロッカシャフト側を支点として揺動する第２のアームと、第２のアーム及び第１のアームにそれぞれ当接され、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、第２のアームは、ロッカシャフト側の支点としてロッカシャフトの外径よりも外側の位置に配された支点を有し、且つ、ロッカシャフトの回動によって位置変更がなされる偏心軸部材と、偏心軸部材とロッカシャフトとを連結する連結部材とを備え、連結部材が、偏心軸部材を軸支する連結本体部と、連結本体部から延在され、ロッカシャフトを貫通した状態にてロッカシャフトに係止される軸部とを有し、偏心軸部材が、連結本体部に偏心ピンを軸支して偏心ピンをロッカシャフトに配し、偏心ピンに第２のアームを揺動自在に支持してロッカシャフト側の支点としたことを特徴としている。

また、請求項２記載の発明では、第２のアームは、カム側にてカムに当接されるローラを有し、ローラと偏心ピンとの間には、カムとの干渉を回避するカム受容部が設けられていることを特徴としている。
更に、請求項３記載の発明では、第２のアームは、第３のアームに面接触する当接平面部を有し、第３のアームは、当接平面部に面接触する変換平面部を有す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、偏心ピンの軸心は、ロッカシャフトの外径よりも内側の位置ではなく、この外径よりも外側の位置に配されており、ロッカシャフトの半径よりも大きな偏心量に設定されている。よって、従来の如くロッカシャフトを大径にする、或いはロッカシャフトの回動量を大きくすることなく、ロッカシャフトの軸心に対するロッカシャフト側の支点、つまり、第２のアームの軸心までの偏心量が大きくなる。この結果、装置のコンパクト化を図りつつ、カムに対する要求された第２のアームの回転位相が確保可能となり、機関への搭載性の向上に寄与する。

また、偏心ピンが連結本体部に軸支されているので、従来に比して摩耗等によっては外れ難くなる。この結果、強度面からみた装置の信頼性も向上する。
また、請求項２記載の発明によれば、カムの一部分がカム受容部内に収められる構造であるため、第２のアームとカムとの干渉が回避される。よって、機関の上下方向のスペースが少なくて済み、搭載性がより一層向上する。

更に、請求項３記載の発明によれば、第２のアームと第３のアームとは、当接平面部と変換平面部とで互いに面接触されることから、円弧面と円弧面或いは平面との接触による荷重や変位の伝達に比して接触面積が大きくなり、接触面圧が低減される。従って、強度面からみた装置の信頼性がより一層向上するし、更に、機関の前後方向のスペースが少なくて済むので、この場合にも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を介して図示しない吸気弁を駆動し、吸気通路を開閉している。なお、当該可変動弁装置２は排気弁を開閉駆動させても良い。

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、上記吸気弁に対して下方向に向かう力を作用させて吸気通路を開く。
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、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。このロッカシャフト１６とロッカアーム機構２０とは、後述の如く平坦部１８から突出された部分にナット１９を用いてボルト固定され、ロッカシャフト１６がステッピングモータ等を用いた回動手段によって回動されると、上記吸気弁のリフトの特性（駆動位相及びリフト量）が連続的に変更される。

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いる。
具体的には、上記バルブ駆動アーム２１は、図２にも示されるように、吸気弁を押圧する先端部３１を有している。なお、この先端部３１にはアジャストスクリュー８１が設けられている。また、この先端部３１は変位伝達アーム２３側に向けて延在される後端部４１、４１に連なっており、先端部３１と各後端部４１との間には、ロッカシャフト１６に挿通されるシャフト嵌挿部６１、６１が設けられている。このように、バルブ駆動アーム２１はロッカシャフト１６に揺動自在に支持され、ロッカシャフト１６の軸心Ｃ１を支点として揺動して吸気弁を駆動させる。また、各後端部４１、４１は段付きのローラ支持軸７１で結合され、このローラ支持軸７１に当接ローラ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に当接される。

一方、特性調整アーム２２は、ロッカシャフト側からカム側に向けて延在され、このカム側がカム１０に当接されることによりロッカシャフト側を支点として揺動する。詳しくは、図３にも示されるように、まず、ロッカシャフト側には偏心ピン（偏心軸部材）８２に揺動自在に支持される揺動支持部３２、３２を有し、各揺動支持部３２は接続部７２Ａ、７２Ａを介してカム側に向かう後端部４２、４２に連なっている。この各後端部４２はローラ支持軸９２で結合され、このローラ支持軸９２にはカム１０に当接される当接ローラ（ローラ）６２が備えられている。

そして、当接ローラ６２と偏心ピン８２とは平行に配設されており、これら当接ローラ６２と偏心ピン８２との間、換言すれば、各接続部７２Ａ、７２Ａ及び当接ローラ６２並びに偏心ピン８２で囲まれた空間部分が肉抜き部（カム受容部）７２として形成されている。
また、各揺動支持部３２、３２の間には、偏心ピン８２とロッカシャフト１６とを連結する連結部材２４が備えられている。より具体的には、この連結部材２４は、連結本体部３４と、嵌合軸部（軸部）４４とから構成されており、嵌合軸部４４が連結本体部３４からロッカシャフト１６に向けて延在され、その嵌合軸部４４の先端部分がロッカシャフト１６を貫通して上述のナット１９に螺合されることにより、連結部材２４がロッカシャフト１６に係止される。

これに対し、連結本体部３４は各揺動支持部３２、３２の間にて偏心ピン８２を軸支する。従って、ロッカシャフト側の支点、すなわち、連結本体部３４に軸支される偏心ピン８２の軸心Ｃ２は、嵌合軸部４４に貫通されたロッカシャフト１６の軸心Ｃ１に対して、ロッカシャフト１６の外径よりも外側の位置に配されて偏心している。そして、上記回動手段がロッカシャフト１６を回動すると、偏心ピン８２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、吸気弁のリフトの特性が連続的に変更されることになる。

また、ローラ支持軸９２で結合された各後端部４２、４２には、変位伝達アーム２３に当接される当接部５２が延在されており、当接部５２は、当接ローラ６２の外周側のうち、肉抜き部７２とは反対側の外周部分を覆っている。更に、この当接部５２は変位伝達アーム２３に面接触される当接平面部１０２を備えている。
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の当接部５２とにそれぞれ当接され、支持軸３３を支点として揺動することにより、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、図４、図５にも示されるように、当接ローラ５１に転がり接触される変換面部４３及び非変換面部５３を備えている。そして、この変換面部４３は後方、つまり、図示しないリターンスプリング側に向けて延在される後端部７３、７３に連なっており、変換面部４３と各後端部７３との間には、支持軸３３に挿通される支持軸嵌挿部８３、８３が設けられている。各支持軸嵌挿部８３の下側部分は、当接部５２に接する当接軸部６３がブシュ９３を用いて回転自在に支持されている。一方、各支持軸嵌挿部８３の後側部分は、上記リターンスプリングに当接されるばね受容軸部１１３がブシュ１２３を用いて回転自在に支持されている。

そして、当接軸部６３には上記当接平面部１０２に面接触される変換平面部１０３が備えられており、当接ローラ５１が変換面部４３に、当接部５２が当接軸部６３にそれぞれ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。一方、当接ローラ５１が非変換面部５３に接触される位置では、当接部５２の当接平面部１０２が当接軸部６３の変換平面部１０３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。なお、ばね受容軸部１１３にも下方に向けて平坦部分をなす平面部１３３が備えられており、リターンスプリングのばね力を受けている。このばね力は変換平面部１０３を当接平面部１０２に接触させる方向に作用する。これにより、変位伝達アーム２３は支持軸３３の軸心Ｃ３に対して反時針回りに回動させる方向に付勢されている。

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。
最も遅角側、つまり、図６に示される偏心ピン８２の位置において、カムシャフト１２が図示の如く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、当接ローラ６２がカムノーズ部１４との当接によって押し上げられると、特性調整アーム２２はその軸心Ｃ２に対して反時針回りに揺動する。同時に、変位伝達アーム２３はリターンスプリングからの付勢力に抗し、その軸心Ｃ３に対して時針回りに揺動する。そして、変換面部４３が当接ローラ５１を押し出すと、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し、カム１０の回転角の小さいうちから吸気弁を開弁駆動させる。

一方、最も進角側、つまり、図７に示されるように、ロッカシャフト１６の回動により、偏心ピン８２が図６に示される位置から反時針回りに大きく回動すると、特性調整アーム２２の当接ローラ６２とカム１０との当接点がカム曲線上を時針回りに移動し、同時に、特性調整アーム２２は、当接部５２の当接平面部１０２の先端部分が当接軸部６３の変換平面部１０３から離間する方向に移動する。これにより、変位伝達アーム２３はリターンスプリングからの付勢力によって、その軸心Ｃ３に対して反時針回りに揺動し、当接ローラ５１が非変換面部５３に当接される。そして、この場合には、カムシャフト１２が図示の如く反時針回りに回動し、変位伝達アーム２３が時針回りに揺動するが、当接ローラ５１はカムシャフト１２が１回転する間に非変換面部５３の範囲内から出ることがないので、バルブ駆動アーム２１は揺動せず、吸気弁のリフト量が略零になって休止状態となる。また、このときの特性調整アーム２２はカムシャフト１２に近づくため、カムノーズ部１４との干渉が発生するおそれがあるが、特性調整アーム２２に肉抜き部７２を設けることで上記干渉を防止でき、且つ、構造のコンパクト化が図られる。

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吸気量を減少させて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、本実施形態では、偏心ピン８２の軸心Ｃ２が、ロッカシャフト１６の外径よりも内側の位置ではなく、ロッカシャフト１６の外径よりも外側の位置に配されており、ロッカシャフト１６の軸心Ｃ１に対する偏心ピン８２の軸心Ｃ２の偏心量がロッカシャフト１６の半径よりも大きく形成されている。つまり、従来の如くロッカシャフトを大径にする、或いはロッカシャフトの回動量を大きくすることなく、大きな偏心量が得られる。よって、ロッカシャフト１６の重量が軽減されるし、また、回動手段の作動量も低減される。この結果、コンパクトな可変動弁装置２が達成されるとともに、カム１０に対する要求された特性調整アーム２２の回転位相が確保可能となり、自動車用エンジンへの搭載性が大幅に向上する。

また、偏心ピン８２が連結部材２４に軸支されているので、従来に比して摩耗等によっては外れ難くなる。従って、可変動弁装置２の耐久性も向上する。
更に、進角状態では、カムノーズ部１４と特性調整アーム２２とが近づくために干渉の問題があるが、カムノーズ部１４が肉抜き部７２内に収められる構造であることから、特性調整アーム２２とカム１０との干渉が回避される。よって、この干渉を避けるための措置、例えば、カム１０の下側の空間や、変位伝達アーム２３を上方向に逃がす空間を余計に設けておく必要がないので、自動車用エンジンの上下方向のスペースが少なくて済み、上記搭載性がより一層向上する。

更にまた、特性調整アーム２２と変位伝達アーム２３とは、当接平面部１０２と変換平面部１０３とで互いに面接触される。よって、円弧面と円弧面との接触や円弧面と平面との接触による荷重や変位の伝達に比して接触面積が大きくなり、接触面圧が低減される。よって、例えば動弁系のクラッシュ限界回転速度が高く設定可能となり、可変動弁装置２の耐久性がより一層向上する。更に、例えば、当接部５２の幅や、当接軸部６３の長さが小さな寸法で済み、自動車用エンジンの前後方向のスペースが少なくて済むので、この場合にも搭載性向上により一層寄与する。

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、特性調整アーム２２が偏心ピン８２に対して揺動する可変動弁装置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、ピンに代えてボルトを用いた可変動弁装置であっても良く、この場合にも上記と同様に機関への搭載性及び装置の耐久性の向上を図ることができる。

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第１のアームの斜視図である。 図１の可変動弁装置における第２のアームの斜視図である。 図１の可変動弁装置における第３のアームの斜視図である。 図１の可変動弁装置における第３のアームの斜視図である。 図１の可変動弁装置における動作を説明する図である。 図１の可変動弁装置における動作を説明する図である。

符号の説明

２ 可変動弁装置
１０ カム
１２ カムシャフト
１６ ロッカシャフト
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）
２４ 連結部材
３４ 連結本体部
４４ 嵌合軸部（軸部）
６２ 当接ローラ（ローラ）
７２ 肉抜き部（カム受容部）
８２ 偏心ピン（偏心軸部材）
１０２ 当接平面部
１０３ 変換平面部

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を駆動可能な第１のアームと、カム側が前記カムに当接されて駆動し、ロッカシャフト側を支点として揺動する第２のアームと、該第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、
   前記第２のアームは、前記ロッカシャフト側の支点として該ロッカシャフトの外径よりも外側の位置に配された支点を有し、且つ、該ロッカシャフトの回動によって位置変更がなされる偏心軸部材と、該偏心軸部材と前記ロッカシャフトとを連結する連結部材とを備え、
   該連結部材は、前記偏心軸部材を軸支する連結本体部と、該連結本体部から延在され、前記ロッカシャフトを貫通した状態にて該ロッカシャフトに係止される軸部とを有し、
   前記偏心軸部材は、前記連結本体部に偏心ピンを軸支して該偏心ピンを前記ロッカシャフトに配し、前記偏心ピンに前記第２のアームを揺動自在に支持して前記ロッカシャフト側の支点としたことを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
2. 前記第２のアームは、前記カム側にて前記カムに当接されるローラを有し、該ローラと前記偏心ピンとの間には、前記カムとの干渉を回避するカム受容部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
3. 前記第２のアームは、前記第３のアームに面接触する当接平面部を有し、前記第３のアームは、該当接平面部に面接触する変換平面部を有す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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