JP4440293B2

JP4440293B2 - 開弁特性可変型内燃機関

Info

Publication number: JP4440293B2
Application number: JP2007262021A
Authority: JP
Inventors: 史久竹本; 充杉本; 公典甲村; 武夫小林; 博一都知木
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2027-10-05
Also published as: JP2009091942A; US8011336B2; US20080314346A1

Description

本発明は、運転状態に応じてバルブのリフト量などの開弁特性を変更可能とした開弁特性可変型内燃機関に関するものである。

近年、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関では、出力及び燃費の向上や有害排出ガス成分の低減等を図るべく、種々の開弁特性可変機構を搭載したものが増えている。開弁特性可変機構としては、運転状況に応じて低速型カムと高速型カムとを切り換えるものが従来より存在するが、近年では過渡特性の更なる向上やスロットルレス化等を実現すべく、開弁特性（バルブリフトやバルブタイミング）を連続的に変化させるものも出現している（特許文献１参照）。
特開２００５-２９１０１１号公報

この種の開弁特性可変型内燃機関においては、リンク機構を用いて開弁特性を変化させる構成が多用されているが、この場合、リンク部材の暴れを抑制するために、ばねの付勢力で部材同士を圧接状態に保持する構成とすることが望ましく、特に、開弁特性の変更に応じて、カム及びロッカアームとリンク部材との位置関係が変化することから、この部材間の位置関係の変化を考慮してばねを適切な位置に配置することが望まれる。

さらに、開弁特性可変型内燃機関においては、開弁特性を変化させるリンク機構などにより動弁装置の構造が複雑化するため、レイアウト上の制限が厳しく、ばねの配設位置が制限されることから、ばねの弾発力の伝達効率、すなわちばねの有する弾発力が最終的に部材の暴れを抑制する力として作用する割合が最も高くなる位置にばねを配設することができずに、十分な暴れ抑制効果を得るために、必要以上に大きなばね荷重のばねを採用せざるを得ないという不都合が生じる。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、開弁特性の変更に応じて動弁機構を構成する部材の位置関係が変化しても、部材の暴れを適切に抑制することができるように構成された開弁特性可変型内燃機関を提供することにある。さらに本発明は、ばねの弾発力の伝達効率の低下を回避して部材の暴れを適切に抑制することにより、動弁機構の円滑な動作を確保することができるようにすることを目的とする。

このような課題を解決するために、本発明による開弁特性可変型内燃機関においては、請求項１に示すとおり、吸気または排気を行うバルブ（２）と、駆動側の部材（カム３）の動作に応じて前記バルブを開閉させるロッカアーム（６）と、前記駆動側の部材と前記ロッカアームとの間に介装されるローラ（３１）を遊端側に備え、揺動支点の変位に応じて前記バルブのリフト量を変化させるローラリンク（２２）と、前記ローラを前記駆動側の部材に圧接させる向きに付勢するローラ付勢手段（スプリングユニット４１）とを有し、このローラ付勢手段が、弾性体（コイルばね４２・４３）と、前記揺動支点の変位に応じて移動する前記ローラの全移動領域にて前記ローラに当接して前記弾性体の弾発力により前記ローラを押圧するリテーナ（４４）とを備え、このリテーナの前記ローラに対する当接面（４７）が、前記ローラに作用する押圧力の方向と、前記揺動支点を中心とした前記ローラの運動方向との角度差が小さくなるように、前記ローラの移動方向に沿って傾きが次第に変化する曲面に設定されたものとした。

これによると、リテーナが、揺動支点の変位に応じて移動するローラの全移動領域にてローラに当接して弾性体の弾発力によりローラを押圧するため、開弁特性の変更に応じてローラの位置が変化しても、部材の暴れを適切に抑制することができる。しかも、曲面の傾きに応じて、１方向の弾性体の弾発力が異なる方向に変換され、ローラに対する押圧力を、ローラの位置に応じて適切な方向に設定することができるため、ローラリンクの揺動支点の変位に応じて変化するローラの運動方向の違いによる弾性体の弾発力の伝達効率の低下を避けることができる。特にここでは、ローラに対する押圧力の方向と、ローラの運動方向、すなわちローラリンクの揺動支点を中心としたローラの旋回円に対する接線方向との角度差が小さくなるため、弾発力の伝達効率が低下することを避けることができる。

前記開弁特性可変型内燃機関においては、請求項２に示すとおり、前記弾性体（コイルばね４２・４３）が、前記ローラの移動方向に並んで複数設けられた構成とすることができる。

これによると、弾性体がローラの移動方向に並列配置されるため、倒れタフネス、すなわち弾性体の正規の変形方向とは異なる向きの倒れ変形に対する抵抗力が大きくなる。また複数の弾性体は、同一の取り付け角度とすれば良く、これにより製造が簡単になる。

さらに、バルブのリフト量を大きくした高リフト制御時とバルブのリフト量を小さくした低リフト制御時とでローラの位置が異なることから、高リフト制御時及び低リフト制御時にそれぞれローラが位置する側の弾性体の弾発力を個別に設定して、高リフト制御時及び低リフト制御時の各々に適した押圧力が得られるようにすることができる。

また、低リフト側の弾性体の剛性を高くする、例えばコイルばねを太い線材で形成されたものとすることで、倒れタフネスをより一層高める効果が得られる。

このように本発明によれば、ローラ付勢手段がローラの移動領域の全体に渡って延在するため、開弁特性の変更に応じてローラの位置が変化しても、部材の暴れを適切に抑制することができる。さらに、ローラ付勢手段がローラに当接する当接面にローラの移動方向に沿って傾きが次第に変化する曲面が形成されたため、その曲面の曲率に応じて、１方向の弾性体の弾発力が異なる方向に変換され、ローラに対する押圧力を、ローラの位置に応じて適切な方向に設定することができるため、弾性体の弾発力の伝達効率の低下を回避して部材の暴れを適切に抑制することにより、動弁機構の円滑な動作を確保することができ、さらにエンジンの限界回転数を上げることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明によるエンジンの上部を示す斜視図である。図２は、図１に示したエンジンの開弁特性可変機構を示す斜視図である。図３は、図２に示した開弁特性可変機構の動作状況を示す縦断面図である。

このエンジン（開弁特性可変型内燃機関）は、自動車に搭載される直列４気筒エンジンであり、シリンダヘッド１には、各気筒ごとに２つずつの排気用のバルブ２を備え、このバルブ２を駆動する動弁機構として、カム３を備えたカムシャフト４と、バルブ２とカム３との間に介装されたロッカアーム６と、バルブ２を閉鎖方向に常時付勢するバルブスプリング７とが設けられている。

なお、図示しないが、吸気側にも、各気筒ごとに２つずつの吸気用のバルブが設けられると共に、このバルブを駆動する動弁機構として、カムシャフト、ロッカアーム、及びバルブスプリングが設けられている。

カムシャフト４は、カムホルダ１１により回転自在に支持されている。このカムホルダ１１は、各気筒ごとの動弁室を仕切るように設けられており、シリンダヘッド１の上面にボルトにて締結固定される。

このエンジンには、バルブ２のリフト量を可変制御する開弁特性可変機構が搭載されている。この開弁特性可変機構では、ベースプレート１３の上面に設置された電動モータ（アクチュエータ）１４により、図示しない減速ギア機構を介して、各気筒ごとに設けられたリンク機構１５を連動動作させるギアシャフト（コントロールシャフト）１６が回転駆動される。このギアシャフト１６もカムホルダ１１に回転自在に支持されている。

開弁特性可変機構を構成するリンク機構１５は、図２に示すように、カムホルダ（支持部材）１１に回動可能に支持されたギアリンク２１と、このギアリンク２１に揺動可能に保持されると共に、遊端側をカム３及びロッカアーム６間に介装されたローラリンク２２とを有しており、ギアリンク２１の回動に伴うローラリンク２２の揺動支点の変位に応じてバルブ２のリフト量を変化させるようになっている。

ギアリンク２１は、カムホルダ１１に設けられた支軸２３周りに回動するアーム部２４と、このアーム部２４の遊端側から周方向に延出されて、ギアシャフト１６のギア１７（図１参照）に噛み合うギア部２５とを有しており、電動モータ１４の駆動力により回動動作する。またアーム部２４の遊端側の側面には、ローラリンク２２を揺動可能に保持する軸受け部２６が軸方向に突出した状態で形成されている。ギアリンク２１のギア部２５とカムホルダ１１とは軸方向に対向する面で摺動可能に当接している。

ローラリンク２２は、ギアリンク２１の軸受け部２６に嵌合して揺動支点となる支軸部２７が両端に設けられた基部２８と、この基部２８から延出された１対のアーム部２９とを有している。アーム部２９の先端には、カムシャフト４のカム３に転接するローラ３１と、ロッカアーム６のスリッパ面に転接するローラシャフト３２とを有している。

ロッカアーム６は、カムホルダ１１に保持されたロッカシャフト３４に回転自在に支持される基部３５と、この基部３５から延出された１対のアーム部３６とを有しており、この１対のアーム部３６にはそれぞれ、図３に示すように、バルブ２のステムエンド３７を押圧するチップ部３８の位置を調整するアジャストスクリュ３９が設けられている。

このように構成された開弁特性可変機構においては、ギアシャフト１６の回動に伴って、ギアリンク２１が、支軸２３（図２参照）を中心にして回動し、これに伴ってローラリンク２２の揺動支点となる軸受け部２６が変位し、このギアリンク２１の回動角度位置（リンク角）に応じて、バルブ２のリフト量を無段階に調整することができる。

アイドル運転時等にバルブリフトを低減させる場合には、ギアリンク２１を図３（Ａ）に示す最小リフト位置（例えばリンク角＝０度）とし、この場合、ローラリンク２２の揺動支点となる軸受け部２６が、ロッカアーム６の上方に位置し、カム３によってローラ３１が押し下げられても、矢印で示すようにローラシャフト３２がスリッパ面３３に沿って転動することで、ロッカアーム６の揺動量（すなわち、バルブ２のリフト量）が小さくなる。

一方、高負荷運転時等にバルブリフトを増大させる場合には、ギアリンク２１を図３（Ｂ）に示す最大リフト位置（例えばリンク角＝６０度）とし、この場合、ローラリンク２２の揺動支点となる軸受け部２６が、ロッカアーム６の側方に位置し、カム３によってローラ３１が押し下げられると、スリッパ面３３に沿ったローラシャフト３２の転動が殆ど起こらないことから、バルブ２のリフト量が大きくなる。

図４は、図２に示した開弁特性可変機構の要部を示す斜視図である。図５は、図４に示した開弁特性可変機構の縦断面図である。図６は、図４に示したスプリングユニットの動作状況を示す縦断面図である。図７は、図４に示したスプリングユニットの別の例での動作状況を示す縦断面図である。図８は、図４に示したリテーナの当接面に形成される曲面の一例を示す模式図である。

図４に示すように、開弁特性可変機構には、ローラリンク２２のローラ３１をカム（駆動側の部材）３に圧接させる向きに付勢するスプリングユニット（ローラ付勢手段）４１が設けられている。このスプリングユニット４１は、複数（ここでは２つ）のコイルばね（弾性体）４２・４３と、ローラ３１に当接してコイルばね４２・４３の弾発力によりローラ３１を押圧するリテーナ（ローラ当接部材）４４と、コイルばね４２・４３を保持するばね保持部材４５とを有している。ばね保持部材４５は、図示しない支持部材を介して、カムホルダ１１やシリンダヘッドに固定される。

前記のように、バルブ２の開閉時にカム３の回転に応じてローラリンク２２が揺動するのに伴ってローラ３１が移動し、またバルブ２のリフト量を変化させるためにローラリンク２２の揺動支点の位置を変更するのに応じてローラ３１の位置が変化し、リテーナ４４は、このローラ３１の移動領域の全体に渡って延在するように設けられている。

またコイルばね４２・４３は、ローラ３１の移動方向に並んで設けられている。このコイルばね４２・４３は、図５に示すように、その付勢方向と、バルブスプリング７の付勢方向とが概ね一致するように配置されている。

リテーナ４４において、ローラ３１に当接する当接面４７は、図６に示すように、ローラ３１の移動方向に沿って傾きが次第に変化する曲面に形成されている。この曲面は、図６（Ｂ）に示す高リフト制御時（例えばリンク角＝６０度）にローラ３１が位置する高リフト側４４ｂから、図６（Ａ）に示す低リフト制御時（例えばリンク角＝０度）にローラ３１が位置する低リフト側４４ａに向けて次第に傾きが大きくなる曲率に設定されている。

この当接面４７の曲面により、１方向のコイルばね４２・４３の弾発力が異なる方向に変換され、その傾きに応じて、リテーナ４４からローラ３１に作用する押圧力（ばね反力Ｆ_SPG）を、ローラ３１の位置に応じて適切な方向に設定することができ、図６（Ａ）に示す低リフト制御時には、断面曲線の傾きが大きくなる部分４７ａにローラ３１が位置するため、コイルばね４２・４３の弾発力が、これとは方向が大きく異なる押圧力（ばね反力Ｆ_SPG）に変換される。

一方、図６（Ｂ）に示す高リフト制御時にローラ３１が当接する当接面４７の部分４７ｂは、断面曲線の傾きが、コイルばね４２・４３の弾発力の方向に対して直交する向きとなるため、コイルばね４２・４３の弾発力が方向を変えずにローラ３１に作用する。このとき、ローラ３１に対する押圧力の方向（ばね反力Ｆ_SPGの方向）と、バルブ２の開閉動作時のローラ３１の運動方向、すなわちローラリンク２２の揺動支点を中心としたローラ３１の旋回円に対する接線方向（リンク回転力Ｆ_LINKの方向）とが概ね一致する。

なお、ギアリンク２１及びローラリンク２２の回動中心軸は互いに平行であり、ローラ３１及びこれと当接するリテーナ４４の当接面４７は、軸方向に一定の断面となっている。また、リテーナ４４の当接面４７は、全体を曲面とする他、高リフト制御時にローラ３１が当接する当接面４７の部分４７ｂを、コイルばね４２・４３の弾発力の方向に対して直交する向きに延在する平面としても良い。

図７に示す例は、リテーナ６１のローラ３１に対する当接面６２を平面としたものであり、当接面６２は、図７（Ａ）に示す低リフト制御時（例えばリンク角＝０度）にローラ３１が位置する低リフト側６１ａから、図７（Ｂ）に示す高リフト制御時（例えばリンク角＝６０度）にローラ３１が位置する高リフト側６１ｂまで、全域に渡って真直な断面形状となっている。

この図７の例と図６の例とを比較すると、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）に示す高リフト制御時（例えばリンク角＝６０度）では、両者は同様であるが、図６（Ａ）及び図７（Ａ）に示す低リフト制御時（例えばリンク角＝０度）では、両者は異なり、図６（Ａ）の場合には、ローラ３１に対する押圧力の方向（ばね反力Ｆ_SPGの方向）とローラ３１の運動方向（リンク回転力Ｆ_LINKの方向）とのなす角度αが、図７（Ａ）の場合よりも小さくなり、コイルばね４２・４３の弾発力の伝達効率、すなわちコイルばね４２・４３の弾発力が最終的にローラ３１をカム３に圧接させる力として作用する割合を高めることができる。

また図７の例では、図７（Ａ）に示す低リフト制御時にローラリンク２２が過回転することでリテーナ６１の当接面６２からローラ３１が脱落する可能性があるが、図６の例では、リテーナ４４の曲面部分４７ａの傾きが低リフト側４４ａで大きくなっているため、リテーナ４４の当接面４７からローラ３１が脱落することを防止することができ、さらに高リフト側４４ｂに潤滑油が誘導されて、面圧が大きくなる高リフト側４４ｂの潤滑不足を確実に防止することができる。

なお、コイルばね４２・４３は、高リフト側４４ｂと低リフト側４４ａとで異なるものとしても良い。例えば、低リフト側４４ａのコイルばね４２を太い線材で形成されたものとすることで、倒れタフネスをより一層向上させることができる。

図６の例では、図６（Ａ）に示す低リフト制御時に、ローラ３１に対する押圧力の方向（ばね反力Ｆ_SPGの方向）と、ローラ３１の運動方向、すなわちローラリンク２２の揺動支点を中心としたローラ３１の旋回円に対する接線方向（リンク回転力Ｆ_LINKの方向）との角度差が小さくなるように、リテーナ４４の当接面４７に形成される曲面の曲率を設定したが、図８に示すように、ローラ３１に対する押圧力の方向（ばね反力Ｆ_SPGの方向）と、バルブ２の開閉動作時のローラ３１の運動方向（リンク回転力Ｆ_LINKの方向）とが一致するように、曲面の曲率を設定することも可能である。

この場合、複数のリンク角の各々において、ローラ３１に対する押圧力（ばね反力Ｆ_SPG）がローラ３１の運動方向に作用する点を求め、それらの各リンク角ごとの点を結ぶように当接面４７の断面曲線を設定すれば良い。

図９・図１０は、バルブの挙動（バウンス及びバルブジャンプ）の計測結果を示すグラフである。図９では、エンジン回転数（NE）とバウンス（Bounce）との相関関係を、図１０では、エンジン回転数（NE）とバルブジャンプ量（VLV Jump）との相関関係をそれぞれ示しており、実施例は、図６に示した構成によるもの、比較例は、図７に示した構成によるものである。

図９に示すように、図６に示した構成による実施例、すなわちリテーナに曲面部分を形成した場合では、図７に示した構成による比較例、すなわちリテーナに曲面部分がなく、当接面を平面とした場合と比較して、バウンスの発生が抑えられており、また限界回転数が向上している。また、図１０に示すように、図６に示した構成による実施例では、図７に示した構成による比較例と比較して、バルブジャンプ量が抑制されている。

なお、前記の例では、ローラ付勢手段を構成する弾性体にコイルばねを採用したが、本発明はこれに限定されるものではなく、トーションばねやゴム材からなるものなど、種々の弾性体を用いることが可能である。

本発明によるエンジンの上部を示す斜視図である。図１に示したエンジンの開弁特性可変機構を示す斜視図である。図２に示した開弁特性可変機構の動作状況を示す縦断面図である。図２に示した開弁特性可変機構の要部を示す斜視図である。図４に示した開弁特性可変機構の縦断面図である。図４に示したスプリングユニットの動作状況を示す縦断面図である。図４に示したスプリングユニットの別の例での動作状況を示す縦断面図である。図４に示したリテーナの当接面に形成される曲面の一例を示す模式図である。バルブの挙動（バウンス）の計測結果を示すグラフである。バルブの挙動（バルブジャンプ）の計測結果を示すグラフである。

符号の説明

２バルブ
３カム（駆動側の部材）
４カムシャフト
６ロッカアーム
７バルブスプリング
１５リンク機構
２１ギアリンク
２２ローラリンク
３１ローラ
４１スプリングユニット（ローラ付勢手段）
４２・４３コイルばね（弾性体）
４４リテーナ、４４ａ低リフト側、４４ｂ高リフト側
４５ばね保持部材
４７当接面
６１リテーナ、６１ａ低リフト側、６１ｂ高リフト側
６２当接面

Claims

吸気または排気を行うバルブと、
駆動側の部材の動作に応じて前記バルブを開閉させるロッカアームと、
前記駆動側の部材と前記ロッカアームとの間に介装されるローラを遊端側に備え、揺動支点の変位に応じて前記バルブのリフト量を変化させるローラリンクと、
前記ローラを前記駆動側の部材に圧接させる向きに付勢するローラ付勢手段とを有し、
このローラ付勢手段が、弾性体と、前記揺動支点の変位に応じて移動する前記ローラの全移動領域にて前記ローラに当接して前記弾性体の弾発力により前記ローラを押圧するリテーナとを備え、
このリテーナの前記ローラに対する当接面が、前記ローラに作用する押圧力の方向と、前記揺動支点を中心とした前記ローラの運動方向との角度差が小さくなるように、前記ローラの移動方向に沿って傾きが次第に変化する曲面に設定されたことを特徴とする開弁特性可変型内燃機関。
前記弾性体が、前記ローラの移動方向に並んで複数設けられたことを特徴とする請求項１に記載の開弁特性可変型内燃機関。