JP4535973B2

JP4535973B2 - 可変動弁機構

Info

Publication number: JP4535973B2
Application number: JP2005269298A
Authority: JP
Inventors: 憲杉浦; 勝敏北川; 富保平野
Original assignee: Otics Corp
Current assignee: Otics Corp
Priority date: 2005-09-15
Filing date: 2005-09-15
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2025-09-15
Also published as: JP2007077939A

Description

本発明は、内燃機関の運転状態に応じてバルブ特性を制御する可変動弁機構に関する。

従来、リンクを用いてバルブのリフト量、作用角および開閉タイミングを制御する可変動弁機構が知られている。例えば、図８に示す特許文献１の可変動弁機構１００は、内燃機関のクランク軸によって回転されるカムシャフト１０１を備えている。カムシャフト１０１上には、駆動カム１０２が一体回転可能に固定されるとともに、バルブリフタ１０３を介してバルブ１１０を駆動する揺動カム１０４が相対回動可能に支持されている。

カムシャフト１０１と平行なコントロールシャフト１０５上には、揺動アーム１０６が可変カム１０７を介して支持されている。揺動アーム１０６の入力端はリング状リンク１０８を介して駆動カム１０２に接続され、揺動アーム１０６の出力端がロッド状リンク１０９を介して揺動カム１０４に接続されている。そして、コントロールシャフト１０５をアクチュエータで駆動し、可変カム１０７の偏心回転により揺動アーム１０６を変位させ、駆動カム１０２に対する揺動カム１０４の初期位置を変更するようになっている。
特開平１１−３２４６２５号公報

ところが、従来の可変動弁機構１００によると、揺動アーム１０６をコントロールシャフト１０５上に支持して、二本のリンク１０８，１０９で駆動カム１０２と揺動カム１０４とに接続しているので、駆動カム１０２から揺動カム１０４までの動力伝達経路が複雑化するという問題点があった。また、その動力伝達経路がリンク１０８，１０９によって閉じられているため、カムシャフト１０１の動力による可変カム１０７の保持力が大きくなり、コントロールシャフト１０５を駆動するアクチュエータが大型化するという問題点もあった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、駆動カムから動弁部材への動力伝達経路を簡単に構成できるとともに、コントロールシャフトを小型のアクチュエータで駆動できる可変動弁機構を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の可変動弁機構は、駆動カムが設けられたカムシャフトと、アクチュエータに連結されたコントロールシャフトと、カムシャフトの回転に伴ってバルブを駆動する動弁部材と、動弁部材に対向する案内部材と、案内部材と動弁部材との間に位置する支点の周りで揺動可能な揺動アームと、コントロールシャフトの動力を用いて揺動アームの揺動支点となる支点軸をカムシャフト側とコントロールシャフト側とに調整する可変部材とを備え、揺動アームに駆動カムと接触する入力部と、動弁部材に接触するカム面と、案内部材に当接する当接部とを設け、可変部材がコントロールシャフト上に設けられたアームと、アームを揺動アームの支点軸に接続するリンクとを備えており、揺動アームは、コントロールシャフト側においてロッカアームと案内部材との間に位置する基端部と、カムシャフト側に位置する先端部とを備え、揺動アームの基端部に支点軸が設けられ、揺動アームと該揺動アームから両側方に突出した支点軸の両端部に接続された一対のリンクとの間の支点軸上に、揺動アームの基端部より小径の当接部としての一対の当接リングが支持され、案内部材には一対のガイド部が下方へ突設され、各ガイド部に形成された下向きの案内面が各当接リングに当接していることを特徴とする。

ここで、揺動アームに関し、好ましくは、次の構成を採用できる。
（１）揺動アームをカムシャフトとコントロールシャフトと動弁部材と案内部材とで囲まれた領域内に配置すること。
（２）コントロールシャフト側に位置する揺動アームの基端に支点軸を設け、カムシャフト側に位置する揺動アームの先端に前記入力部を設けること。
（３）支点軸上に前記当接部を設けること。
（４）揺動アームのカム面が、支点軸の軸線を中心とする円筒面に含まれる等半径部と、該円筒面より動弁部材側に広がるリフト部とを備えること。

動弁部材に関し、好ましくは、次の構成を採用できる。
（５）動弁部材に揺動アームのカム面と接触するローラを設けること。
（６）動弁部材として、基端を支点に揺動するロッカアームを使用すること。
（７）動弁部材として、中間部を支点に揺動するスイングアームを使用すること。
（８）動弁部材として、バルブの軸線方向へ直線移動可能なカップ型リフタを使用すること。

案内部材に関し、好ましくは、次の構成を採用できる。
（８）案内部材を可変動弁機構のハウジングに固定すること。
（９）案内部材が揺動アームの当接部に当接する案内面を備え、該案内面が動弁部材のローラの軸心を中心とする円筒面に含まれていること。

可変部材に関し、好ましくは、次の構成を採用できる。
（１０）可変部材として、中心がコントロールシャフトの軸心から偏倚した偏心カムを用いること。

駆動カムに関し、好ましくは、次の構成を採用できる。
（１２）駆動カムに、カムシャフトの所定の角度範囲でバルブリフト量をゼロに保つベース部と、残りの角度範囲でバルブリフト量を増大させるノーズ部とを設けること。
（１３）駆動カムとして、中心がカムシャフトの軸心から偏倚した偏心カムを用いること。

本発明の可変動弁機構によれば、次のような効果が得られる。
（ａ）揺動アームをコントロールシャフトから切り離し、揺動アームの入力部およびカム面をそれぞれ駆動カムと動弁部材とに接触させているので、駆動カムから動弁部材への動力伝達経路をごく少数の部品で簡単に構成できる。
（ｂ）揺動アーム上の当接部が案内部材に当接しているので、カムシャフトの動力が揺動アームを介して案内部材側と可変部材側とに分散する。このため、カムシャフトの動力による可変部材の保持力を小さくし、コントロールシャフトを駆動するアクチュエータに小型・低出力機器を使用できる。
（ｃ）揺動アームのカム面が動弁部材に接触し、揺動アームの入力部が駆動カムに接触するので、カム面と動弁部材との接点位置を変えると、同時に入力部と駆動カムとの接点位置も変化する。従って、一つの揺動アームにより、バルブリフト量ごとにピーク位相が変化する自律位相タイプのバルブ特性が得られる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、この可変動弁機構１は、駆動カム１１を備えたカムシャフト５と、アクチュエータ１２に連結されたコントロールシャフト６と、カムシャフト５の回転に伴ってバルブ４を駆動するロッカアーム（動弁部材）７と、ロッカアーム７に上方から対向する案内部材８と、ロッカアーム７と案内部材８との間に位置する支点軸２５の周りで揺動可能な揺動アーム９と、コントロールシャフト６の動力を用いて支点軸２５の位置をカムシャフト５側とコントロールシャフト６側とに調整する可変部材１０とを備えている。そして、揺動アーム９に、駆動カム１１に接触する入力ローラ２７と、ロッカアーム７のベースローラ１６に接触するカム面２４と、案内部材８の案内面１９に当接するリング２６とが設けられている。

次に、本発明の実施例１を図１〜図６に基づいて説明する。この実施例の可変動弁機構１は自動車用ガソリンエンジンの吸気系に用いられている。ただし、同じ機構をガソリンエンジンの排気系に適用することも可能である。図１〜図３に示すように、可変動弁機構１のハウジング２はシリンダヘッド３の上方に設置されている。バルブ（吸気バルブ）４は、周知のように、シリンダヘッド３に昇降可能に支持され、スプリング（図示略）で上方へ付勢され、上端がハウジング２の内側に挿入されている。

ハウジング２の高所には、カムシャフト５とコントロールシャフト６とが平行に支持されている。ハウジング２の低所には、バルブ４を駆動する動弁部材としてのロッカアーム７がカムシャフト５とコントロールシャフト６との間に位置するように配置されている。ハウジング２の上部には、案内部材８がロッカアーム７との間に所定の間隔をおいて上方から対向するように固定されている。そして、揺動アーム９がカムシャフト５、コントロールシャフト６、ロッカアーム７および案内部材８とで囲まれた領域内に配置され、揺動アーム９とコントロールシャフト６との間に可変部材１０が介装されている。

カムシャフト５上には駆動カム１１が固定され、ガソリンエンジンのクランク軸によってカムシャフト５と一体に回転駆動される。駆動カム１１には、カムシャフト５の所定の角度範囲でバルブ４のリフト量をゼロに保つベース部１１ａと、カムシャフト５の残りの角度範囲でバルブリフト量を増大させるノーズ部１１ｂとが設けられている。コントロールシャフト６の一端は油圧又は電動のアクチュエータ１２に連結され、アクチュエータ１２がガソリンエンジンの制御装置（図示略）によりエンジンの運転状態に応じて制御される。

ロッカアーム７は基端側のピボット１３により上下に揺動可能に支持され、ピボット１３がハウジング２に固定のホルダ１４に高さ調整可能に螺合されている。ロッカアーム７の先端にはバルブ４を押圧する押圧部１５が設けられ、ロッカアーム７の中間にベースローラ１６がローラ軸１７により回転可能に支持されている。案内部材８には一対のガイド部１８が下方へ突設され、ガイド部１８に下向きの案内面１９がローラ軸１７の軸線を中心とする円筒面２０に含まれるように形成されている。

揺動アーム９は、コントロールシャフト６側においてロッカアーム７と案内部材８との間に位置する基端部２２と、カムシャフト５側に位置する先端部２３と、ロッカアーム７のベースローラ１６に接触する下向きのカム面２４とを備えている。基端部２２には揺動アーム９の揺動支点となる支点軸２５が設けられ、支点軸２５上に案内部材８の案内面１９に当接する一対の当接リング２６が支持されている。先端部２３には駆動カム１１に接触する入力ローラ２７が軸２８によって支持されている。カム面２４には、支点軸２５の軸線を中心とする円筒面２９に含まれる等半径部２４ａと、その円筒面２９より下側（ロッカアーム７側）に広がるリフト部２４ｂとが形成されている。

可変部材１０はアーム３１と一対のリンク３２とを備えている。アーム３１はコントロールシャフト６上に固定され、アクチュエータ１２によって左右に回動される。リンク３２の一端はアーム３１の先端軸３３に接続され、リンク３１の他端が揺動アーム９の支点軸２５に接続されている。そして可変部材１０は、コントロールシャフト６の動力を用いて支点軸２５の位置をカムシャフト５側とコントロールシャフト６側とに調整し、カム面２４とベースローラ１６との初期接点位置を変更するように構成されている。

次に、可変動弁機構１の作用を図４、図５に従って説明する。図４は揺動アーム９を最小の角度で動作させるときの状態を示す。このとき、可変部材１０は揺動アーム９の支点軸２５をコントロールシャフト６側へ引き寄せ、カム面２４とベースローラ１６との初期接点位置Ｐを等半径部２４ａの始端側に調整している。この状態で、カムシャフト５が駆動されると、図４（ａ）に示すように、駆動カム１１のベース部１１ａが入力ローラ２７に接触している期間中は、揺動アーム９が揺動せず、ロッカアーム７が静止し、バルブ４が閉鎖位置に保持される。

図４（ｂ）に示すように、ノーズ部１１ｂの頂点が入力ローラ２７に接触すると、揺動アーム９が支点軸２５を中心に下方へ揺動し、カム面２４のリフト部２４ｂがベースローラ１６を押し下げる。しかし、初期接点位置Ｐが等半径部２４ａの始端側に設定されているので、リフト部２４ｂとベースローラ１６との接触範囲が限られ、ロッカアーム７が最小の角度で揺動する。従って、図６の曲線（イ）に示すように、バルブリフト量および作用角が共に最小化される。なお、図６の曲線（ホ）は排気バルブのリフト量と作用角を示す。

図５は揺動アーム９を最大の角度で動作させるときの状態を示す。このとき、可変部材１０は支点軸２５をカムシャフト５側へ移動し、初期接点位置Ｐを等半径部２４ａの終端側に変更している。しかし、案内部材８が揺動アーム９の当接リング２６をベースローラ１６と同心の案内面１９に沿わせて案内するので、初期接点位置Ｐが変化しても、ロッカアーム７の初期位相には変化が生じない。このため、図５（ａ）に示すように、ベース部１１ａが入力ローラ２７に接触している期間中は、揺動アーム９とロッカアーム７が共に静止し、バルブ４が閉鎖位置に保持される。

図５（ｂ）に示すように、ノーズ部１１ｂの頂点が入力ローラ２７に接触すると、揺動アーム９が支点軸２５を中心に下方へ揺動し、リフト部２４ｂの終端側がベースローラ１６に接触し、ロッカアーム７が最大の角度で揺動する。これにより、図６の曲線（ロ）に示すように、バルブリフト量および作用角が共に最大化される。従って、可変部材１０で初期接点位置Ｐを変えることにより、図６の曲線（ハ），（ニ）に示すように、バルブ特性を任意の中間値に的確に制御することができる。また、初期接点位置Ｐを変えると、同時に駆動カム１１に対する入力ローラ２７の接点位相α，β（図４ａ、図５ｂ参照）も変化する。このため、バルブリフト量の変化に連動し、リフト量が最大となるときのピーク位相が変化し、図６の曲線（イ）〜（ニ）に示すような自律位相タイプのバルブ特性が得られる。

ところで、この実施例の可変動弁機構１によれば、揺動アーム９をコントロールシャフト６から切り離し、入力ローラ２７およびカム面２４をそれぞれ駆動カム１１とベースローラ１６とに直接的に接触させているので、駆動カム１１からロッカアーム７への動力伝達経路を揺動アーム９のみで簡単に構成することができる。また、揺動アーム９の当接リング２６が案内部材３１の案内面３３に当接しているため、カムシャフト５の動力が揺動アーム９の基端部２２でハウジング２側と可変部材１０側とに分散する。従って、カムシャフト５の動力による可変部材１０の保持力を小さくし、コントロールシャフト６を駆動するアクチュエータ１２に小型・低出力の油圧又は電動機器を使用できる利点がある。

なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、例えば以下のように、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。
（１）図７に示すように、可変動弁機構４１の動弁部材にカップ型リフタ４２を使用すること。カップ型リフタ４２は、ハウジング２のガイド孔４３にバルブ４の軸線方向へ摺動可能に嵌挿され、スプリング４４で揺動アーム９側へ付勢されている。カップ型リフタ４２の上面には、揺動アーム９のカム面２４に接触するベースローラ４５が支持され、ベースローラ４５とカム面２４との初期接点位置が可変部材１０により前記実施例と同様に調整される。
（２）動弁部材にＴ字形のロッカアームを使用し、その両端に二つのバルブ押圧部を設け、一本のロッカアームで二本のバルブを駆動する二弁一体式の可変動弁機構を構成すること。

本発明の実施例を示す可変動弁機構の斜視図である。図１の可変動弁機構の主要部を分解して示す斜視図である。図１の可変動弁機構を左側から見た断面図である。図１の可変動弁機構においてバルブリフト量を最小化するときの作用を示す機構図である。図１の可変動弁機構においてバルブリフト量を最大化するときの作用を示す機構図である。バルブリフト量と作用角の関係を示す特性図である。本発明の変更例を示す可変動弁機構の断面図である。従来の可変動弁機構を示す断面図である。

符号の説明

１可変動弁機構
４バルブ
５カムシャフト
６コントロールシャフト
７ロッカアーム
８案内部材
９揺動アーム
１０可変部材
１１駆動カム
１２アクチュエータ
２４カム面
２５支点軸
２６当接リング
２７入力ローラ
４１可変動弁機構
４２カップ型リフタ

Claims

駆動カムが設けられたカムシャフトと、アクチュエータに連結されたコントロールシャフトと、カムシャフトの回転に伴ってバルブを駆動する動弁部材と、動弁部材に対向する案内部材と、案内部材と動弁部材との間に位置する支点の周りで揺動可能な揺動アームと、コントロールシャフトの動力を用いて揺動アームの揺動支点となる支点軸をカムシャフト側とコントロールシャフト側とに調整する可変部材とを備え、揺動アームに駆動カムと接触する入力部と、動弁部材に接触するカム面と、案内部材に当接する当接部とを設け、可変部材がコントロールシャフト上に設けられたアームと、アームを揺動アームの支点軸に接続するリンクとを備えており、
揺動アームは、コントロールシャフト側においてロッカアームと案内部材との間に位置する基端部と、カムシャフト側に位置する先端部とを備え、揺動アームの基端部に支点軸が設けられ、
揺動アームと該揺動アームから両側方に突出した支点軸の両端部に接続された一対のリンクとの間の支点軸上に、揺動アームの基端部より小径の当接部としての一対の当接リングが支持され、
案内部材には一対のガイド部が下方へ突設され、各ガイド部に形成された下向きの案内面が各当接リングに当接していることを特徴とする可変動弁機構。