JP4594283B2 - 開弁特性可変型内燃機関 - Google Patents

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Description

本発明は、燃焼室に設けられたバルブを開閉するエンジンの動弁装置に係り、特にコントロールシャフトの旋回によってバルブの開弁特性を変化させる技術に関する。
4サイクルガソリンエンジン(以下、単にエンジンと記す)では、出力およ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多くなっている。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、カム位相とバルブリフトとを個別に可変制御するものが主流となってきている。
バルブリフトの可変制御に供されるバルブリフト可変装置としては、コントロールシャフトの回転位置に応じて弁体の開弁特性を変化させるバルブリフト可変機構において、コントロールシャフトを駆動する電動アクチュエータをエンジン上部のコントロールシャフト中央の位置に設置し、電動アクチュエータの駆動力を伝達するウォームホイルと、コントロールシャフトに設けられた平歯ギヤに噛み合う平歯ギヤとが、同一平面内に配置されたバルブリフト可変装置が提案されている(特許文献1参照)。
この種のバルブリフト可変装置を多気筒エンジンに搭載する場合、各気筒のバルブリフト可変機構を作動させるコントロールシャフト(旋回軸やカム軸、回転軸等)の外周や端部に動力伝達部材(例えば、セクタギヤ)を別体あるいは一体に形成し、この動力伝達部材をシリンダヘッドの中央部や端部に設置した電動アクチュエータによって駆動する構成が採られている。
特開2005−248874号公報
しかしながら、従来のバルブリフト可変装置では、例えば動力伝達部材をシリンダヘッドの端部に設置した場合、電動アクチュエータの駆動力が作用するコントロールシャフト上の動力伝達部材の設置位置から、コントロールシャフトに設けられた各気筒のバルブリフト可変機構までの距離がそれぞれ異なる。また、動力伝達部材をシリンダヘッドの中央部に設置した場合には、動力伝達部材をコントロールシャフトの中央部に配置して各バルブリフト可変機構までの距離を短縮することができるが、未だそれら距離には大きな差が存在する。
このように駆動力伝達位置から各バルブリフト可変機構までの距離の差が大きな場合、図9に示すように、コントロールシャフト26にはたわみ及びねじれによる変位が生じ、各バルブリフト可変機構(ローラリンク27)の作動量が異なってしまう。そのため、バルブリフト量が各気筒間で異なる結果となり、全気筒のバルブリフト量を正確に制御することができない。ここで、コントロールシャフトのたわみ及びねじれを小さくするために、その径を大きくして剛性を高めることも考えられるが、バルブリフト可変装置が大型化或いは重量化されるため好ましくない。
本発明は、このような背景に鑑みなされたもので、バルブリフト可変装置におけるコントロールシャフトの変形量を低減して各気筒間のバルブリフト量の差を縮減するとともに、バルブリフト可変装置を備えたエンジンの軽量化及び小型化を図ることを目的とする。
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、気筒列方向に延在するとともに支持部材によって旋回自在に支持され、その旋回により、直列する気筒のすべてについてバルブの開弁特性を変化させる単一のコントロールシャフトと、前記コントロールシャフトの駆動に供される単一のモータとを備えた多気筒の開弁特性可変型内燃機関であって、前記モータ、単一の回転子と、該回転子から前記コントロールシャフトの軸方向に延出する一対の出力軸と、該出力軸にそれぞれ設けられた一対の駆動部を有し、前記一対の駆動部は、直列する気筒を前記コントロールシャフトの軸方向について2分した第1気筒群および第2気筒群のそれぞれの略中央に配設され、前記コントロールシャフト前記一対の駆動部によって駆動されるように構成する。
また、請求項の発明は、請求項に記載された開弁特性可変型内燃機関において、前記支持部材は、カムシャフトを支持するカムホルダであり、前記一対の駆動部と前記コントロールシャフトとの間に一対の動力伝達部材が介装され、当該一対の動力伝達手段は、それぞれ単一のカムホルダに形成された一対の支持壁に挟まれるかたちで回動自在に支持されるように構成する。
請求項1の発明によれば、開弁特性可変型内燃機関において、単一のモータに駆動部を2箇所設けることにより、コントロールシャフトの駆動力伝達位置を2箇所とし、各気筒のバルブリフト可変機構の設置位置から駆動力伝達位置までの距離を短縮することができる。これにより、コントロールシャフトを大型化・重量化することなく、コントロールシャフトのたわみ及びねじれによる各バルブリフト可変機構の作動量の差を小さくすることができる。また同時に、モータを2基にすることなく駆動部のみを2箇所とすることにより、アクチュエータの重量及び設置空間を小さくしてバルブリフト可変装置の軽量化及び小型化が図られるとともに、部品点数や組立工数が増大することも回避される。また、第1気筒群と第2気筒群のそれぞれの略中央に一対の駆動部を設けることにより、コントロールシャフトに設けられた各気筒のバルブリフト可変機構から駆動力伝達位置までの距離を最短にし、且つ、コントロールシャフトのたわみ及びねじれによる各バルブリフト可変機構の作動量の差を最小にして、より正確なバルブリフト量制御を行うことができる。これにより、設計値通りのバルブリフト量を確保するとともに、気筒間の差異を低減して空気量制御の安定化が図られる。
また、請求項の発明によれば、コントロールシャフトが動力伝達部材を介して旋回駆動される場合において、動力伝達部材が片持ちされることによってその支持剛性が低くなり、コントロールシャフトに微少なたわみが生じて各気筒のバルブリフト量に差が生じる虞を排除することができる。
以下、本発明の一実施形態およびその一部変形例を、図面を参照しながら説明する。
[実施形態]
≪実施形態の構成≫
図1は実施形態に係るヘッドカバーを透視してエンジンの上部の要部斜視を示し、図2はこのエンジン上部の側面を電動モータのカバーの一部を破断して示し、図3は図2中のIII矢視をそれぞれ示し、図4は実施形態に係るVLC機構の要部の斜視を示している。
図1に示すエンジンE(開弁特性可変型内燃機関)は自動車用の4サイクル直列4気筒ガソリンエンジンであり、そのシリンダヘッド1には、図2,図3に示すように、直線上に配設された各気筒C1〜C4につき2つずつの排気バルブ2と吸気バルブ3とを備え、これらバルブ2,3を排気カムシャフト4と吸気カムシャフト5とによって駆動するDOHC4バルブ型の動弁機構が設けられている。なお、本実施形態では、各気筒C1〜C4のうち、右端のものを第1気筒C1とし、左端に向かって順に第2気筒C2、第3気筒C3、第4気筒C4とそれぞれ記す。
排気バルブ2と排気カムシャフト4との間には排気ロッカアーム6が介装され、吸気バルブ3と吸気カムシャフト5との間には吸気ロッカアーム7が介装されている。また、排気バルブ2および吸気バルブ3は、バルブスプリング9,10によって閉鎖方向に常時付勢されている。
図2に示すように、シリンダヘッド1の上面には5つのカムホルダ11〜15が締結されている。なお、本実施形態では、各カムホルダ11〜15のうち、右端のものをフロントカムホルダ11、中央のものをセンタカムホルダ13、左端のものをリヤカムホルダ15、その他の2つをミドルカムホルダ12,14とそれぞれ記す。フロントカムホルダ11は第1気筒C1の前方(図面右側)に配置され、リヤカムホルダ15は第4気筒C4の後方(図面左側)に配置されており、センタカムホルダ13及びミドルカムホルダ12,14は、第1気筒C1から第4気筒C4までの各気筒間にそれぞれ配置されている。これらカムホルダ11〜15によって両カムシャフト4,5や両ロッカアーム6,7が回転自在に支持されている。
各カムホルダ11〜15の上面には平板状のベースプレート18がそれぞれの上部に架け渡されるように設置されており、各カムホルダ11〜15の上部を連結して一体とし、このベースプレート18とヘッドカバー19とによって動弁機構が覆われている。ベースプレート18の上面には電動モータ(アクチュエータ)21が、4つの気筒C1〜C4の直列方向における略中央部に配置、固定されている。
排気カムシャフト4は、その両端をフロントカムホルダ11及びリヤカムホルダ15によって支持され、軸方向中央部分をセンタカムホルダ13によって支持されている。ミドルカムホルダ12,14は排気側に左右一対の支持壁12a,12b及び14a,14bをそれぞれ有しており、これら支持壁12a,12b及び14a,14bによって排気カムシャフト4の軸方向中央部分と両端との中間部をそれぞれ支持されている。
本実施形態のエンジンEには、開弁特性可変機構として、両カムシャフト4,5の角度位相を可変制御する2つのVTC(Variable valve Timing Control)機構41,42と、排気バルブ2のリフト量を可変制御するVLC(Variable valve Lift Control)機構20とが搭載されている。
<VLC機構>
図2〜図4に示すように、VLC機構20は、ベースプレート18(図4には示さず)の上面に両カムシャフト4,5と平行に設置された電動モータ21と、電動モータ21の両端に延出した一対のシャフト(シャフト)21a,21bに取り付けられた扇状のドライブギヤ(動力伝達手段)22,23と、円弧状のドリブンギヤ部24a,25aとシャフトホルダ部24b,25bとをそれぞれ有するギヤリンク(動力伝達手段)24,25と、ギヤリンク24,25のシャフトホルダ部24b,25bに回動自在に支持されたコントロールシャフト26と、コントロールシャフト26がその基端に嵌挿されたローラリンク27と、ローラリンク27の先端にローラシャフト28を介して回動自在に支持されたローラ29と、ローラ29を排気カムシャフト4側に常時付勢するスプリングユニット30とを主要構成要素としている。なお、図1,図2中に符号36で示す部材はドライブギヤ22の回転角度を検出するセンサ(ロータリエンコーダ)であり、図示しないエンジンECUは、このセンサ36の検出信号に基づきコントロールシャフト24の位置を判定し、電動モータ21への供給電流をフィードバック制御する。
図3に示すように、ギヤリンク24は、支持ピン31を介してミドルカムホルダ14の左右支持壁14a,14bに挟まれるかたちで回動自在に支持されており、ドリブンギヤ部25aに噛み合ったドライブギヤ22によって回転駆動される。なお、支持ピン31は、その左右端面が排気カムシャフト4に形成されたスラストフランジによって係止されている。ミドルカムホルダ12も同様に左右支持壁12a,12bに挟まれるかたちで回転自在に支持されている(図2参照)。
図5はVLC機構の作動範囲を示しており、ギヤリンク23は、図5中に実線で示す位置(最小リフト位置)と破線で示す位置(最大リフト位置)との間で無段階に回動し、これによって、コントロールシャフト26(すなわち、シャフトホルダ部24b)が支持ピン31を中心に旋回することになる。ミドルカムホルダ14における左右支持壁14a,14bの端面には、ギヤリンク23の反時計回りへの回動を規制する上部ストッパ部14cと、ギヤリンク24の時計回りへの回動を規制する下部ストッパ部14dとが形成されている。すなわち、本実施形態では、ギヤリンク23の回動範囲の規制は、独立したストッパ部材を設置するのではなく、センタカムホルダ13にストッパ部13a,13bを形成することによってなされている。なお、ギヤリンク24は、最小リフト位置と最大リフト位置との間でのみ回動するため、通常運転時にシャフトホルダ部24bがストッパ部14c,14dに接触することはない。通常作動時においてシャフトホルダ部23bやストッパ部13a,13bに接触による摩耗等は生じない。そして、何らかの原因によりギヤリンク23が最小リフト位置や最大リフト位置からオーバランすると、シャフトホルダ部23bが上部ストッパ部13aまたは下部ストッパ部13bに係止される。
コントロールシャフト26は、ミドルカムホルダ14以外のカムホルダ11,12,13,15にも、フロントリンクホルダ32やシャフトホルダ部24b、センタリンクホルダ33、リヤリンクホルダ34を介して旋回自在に支持されている。フロントリンクホルダ32はフロントカムホルダ11の端面に軸支されているが、センタリンクホルダ33及びリヤカムホルダ34は、図4に示すように、保持部33a,34aから延設された左右の腕部33b,34bでセンタカムホルダ13及びリヤカムホルダ15を挟むかたちで軸支されている。
図4に示すように、リヤリンクホルダ34はピン38によってリヤカムホルダ15に連結され、ピン38の脱落はC形止め輪39によって防止されている。また、図示はしないが、フロントリンクホルダ32及びセンタリンクホルダ33も、リヤカムホルダ15と同様の形態でフロントカムホルダ11及びセンタカムホルダ13に軸支されている。なお、フロントカムホルダ11、センタカムホルダ13及びリヤカムホルダ15にも、ミドルカムホルダ14と同様に、フロントリンクホルダ32、センタリンクホルダ33及びリヤリンクホルダ34の反時計回りへの回動を規制する上部ストッパ部と、これらの時計回りへの回動を規制する下部ストッパ部が形成されている。
図5に示すように、ローラリンク27は、ギヤリンク24が最小リフト位置にある場合には最小リフト点P1を中心に揺動し、ギヤリンク24が最大リフト位置にある場合には最大リフト点P2を中心に揺動する。ローラ29は、ローラリンク27に形成された左右一対のリンクレバー27a,27bによって挟持され、排気カムシャフト4のカムローブ4aに転接している。また、ローラシャフト28は、排気ロッカアーム6に形成された円弧面6aに転接している。なお、円弧面6aは、最小リフト点P1の斜め上方内側に中心P3を有している。
<電動モータ>
図2に示すように、ベースプレート18の上面には、電動モータ21がボルトによってコントロールシャフト26と平行に固定されている。電動モータ21は、回転子を内部に含むモータ本体部21cを中央に備え、両端には回転子による回転力を出力するシャフト21a,21bを備えている。モータ本体部はセンタカムシャフト13の上方に配置され、シャフト21a,21bはそれぞれミドルカムシャフト12,14の上方に配設されている。
コントロールシャフト26(又は排気カムシャフト5)の軸方向における、シャフト21a,21bが配設される位置は、気筒C1〜C4を第1気筒群C1,C2と第2気筒群C3,C4とに2分した場合の、第1気筒群の中央と第2気筒群の中央とである。換言すれば、コントロールシャフト26の軸方向における、第1気筒群用の2つのローラリンク27の中央と、第2気筒群用の2つのローラリンク27の中央とに、ギヤリンク24,25が配設されている。ギヤリンク24,25と噛み合うドライブギヤ23,24が、モータシャフト21a,21bの先端にそれぞれ取り付けられており、モータの回転によって同一方向に同時に回転駆動されてコントロールシャフト26に駆動力を伝達する。
≪実施形態の作用効果≫
以下に本実施形態における作用効果について説明する。図6は最小リフト位置におけるVLC機構の作動を示し、図7は最大リフト位置におけるVLC機構の作動を示している。自動車のエンジンEが始動されると、図示しないエンジンECUは、運転者によるスロットルペダルの踏込量や冷却水温等、種々の運転情報に基づき排気バルブ2の目標リフト量を設定し、VLC機構20の電動モータ21に駆動電流を出力する。すると、電動モータ21のシャフト21a,21bに取り付けられたドライブギヤ22,23が回転し、ドライブギヤ22,23にドリブンギヤ部24a,25aで噛み合ったギヤリンク24,25が正逆いずれかの方向に回転駆動される。
圧縮着火可能な内部EGR量を増大させる燃焼状態を得る場合、エンジンECUは、図9に示すように、ギヤリンク23を最小リフト位置に回動させ、最小リフト点P1を中心にローラリンク25を揺動させるようにする。これにより、カムローブ4aによってローラ29が押し下げられても、図6中に矢印で示すように円弧面6aに沿ってローラシャフト28が転動することにより、排気ロッカアーム6の揺動量(すなわち、排気バルブ2のリフト量)が最小となる。また、通常の燃焼状態とする場合、エンジンECUは、図7に示すように、ギヤリンク24を最大リフト位置に回動させ、最大リフト点P2を中心にローラリンク25を揺動させるようにする。これにより、カムローブ4aによってローラ29が押し下げられると、円弧面6aに沿ったローラシャフト28の転動が殆ど起こらないことから、排気バルブ2のリフト量が最大となる。
図8は実施形態に係るコントロールシャフト変位量を模式的に示している。電動モータ21が2つのシャフト21a,21bを有し、これらがコントロールシャフト26の軸方向において第1気筒群の中央及び第2気筒群の中央に配設されるため、各気筒のローラリンク27からギヤリンク24,25までの距離が短くなるだけでなく、本実施形態ではこれら距離が等しくなるため、コントロールシャフト26のたわみ及びねじれによる変位量が等しくなり、より正確に各バルブリフト量を制御することができる。また、これにより、コントロールシャフト26を大型化・重量化することなく、コントロールシャフト26のたわみ及びねじれによる各バルブリフト可変機構の作動量の差が最小にされている。同時に、電動モータ21を2基にすることなくシャフトのみを2箇所とすることにより、電動モータの重量及び設置空間を小さくしてVLC機構20の軽量化及び小型化が図られているとともに、部品点数や組立工数が増大することを回避されている。
ドライブギヤ22,23によってギヤリンク24,25が駆動される際、ギヤリンク24,25にはドライブギヤ22,23とドリブンギヤ部24a,25aとの噛み合いによって、下方への比較的大きな付勢力が作用する。ところが、本実施形態では、ギヤリンク24,25がミドルカムホルダ12,14の左右支持壁12a,12b及び14a,14bによって支持されているため、ギヤリンク24,25およびコントロールシャフト26に微少な傾きや捩れが生じることがなくなり、より正確に各バルブリフト量を制御することができる。
またカムホルダ11〜15は、カムシャフト4,5やロッカアーム6,7、ギヤリンク23も支持するため、様々な力の作用を受けるが、ベースプレート18がカムホルダ11〜15の上部を連結固定することにより、特に倒れに対する剛性が高められ、コントロールシャフト26に不要な力が加わることを回避している。
[一部変形例]
図10は一部変形例に係るヘッドカバーを透視してエンジンの上部の要部斜視を示し、図11は一部変形例に係るVLC機構の要部断面を示している。図10,図11に示すように、一部変形例も上述した実施形態と略同様の構成を採っているが、電動モータ21とギヤリンク23との間の動力伝達方法等が異なっている。すなわち、一部変形例では、実施形態で用いた扇状のドライブギヤ22に代えて、多段ギヤ列50(動力伝達手段)が採用されている。
図11に示すように、多段ギヤ列50は、4枚のギヤ(第1ギヤ51〜第4ギヤ54)によって構成されている。第1ギヤ51は、歯数の少ない比較的小径の平ギヤであり、電動モータ21のシャフト21aに取り付けられている。また、第2ギヤ52は、第1ギヤ51に噛み合う大ギヤ部52aと、第3ギヤ53に噛み合う小ギヤ部52bとを有する段付ギヤである。また、第3ギヤ53は、第2ギヤ52と第4ギヤ54との間に介在するアイドラギヤであり、センサ36が連結されている。また、第4ギヤ54は、第3ギヤ53に噛み合う小ギヤ部54aと、ギヤリンク23のドリブンギヤ部23aに噛み合う大ギヤ部54bとを有する段付ギヤである。
一部変形例では、このような構成を採ったことにより、電動モータ21の回転が比較的大きな減速比をもってギヤリンク23に伝達されるようになり、電動モータ21として発生トルクや体格の小さいものを採用できた。また、電動モータ21やセンサ36を比較的低い位置に設置できるため、実施形態のものに較べてエンジンEの重心や全高が低くなり、自動車の運動性能やエンジンEの搭載性等を向上させることもできた。
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態は本発明を排気バルブ側のリフト量のみを可変制御する直列4気筒DOHCガソリンエンジンに適用したものであるが、吸気バルブ側のリフト量も可変制御するものや、V型エンジンやSOHCエンジン、ディーゼルエンジン等にも当然に適用可能である。また、上記実施形態ではアクチュエータの駆動力の伝達に動力伝達手段を用い、動力伝達手段として平歯車機構を採用したが、アクチュエータの駆動部が直接コントロールシャフトを駆動する構成としたり、動力伝達手段としてウォーム減速機構やチェーン駆動機構、カム機構等を採用してもよい。また、開弁特性可変機構の具体的構成等についても、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。
実施形態に係るエンジンの上部を示す要部透視斜視図 実施形態に係るエンジンの上部を示す側面図 図2中のIII矢視図 実施形態に係るVLC機構の要部を示す斜視図 VLC機構の作動範囲を示す図 最小リフト位置におけるVLC機構の作動説明図 最大リフト位置におけるVLC機構の作動説明図 実施形態に係るコントロールシャフト変位量を示す模式図 従来技術によるコントロールシャフト変位量を示す模式図 一部変形例に係るエンジンの上部を示す要部透視斜視図 一部変形例に係るVLC機構を示す要部断面図
符号の説明
1 シリンダヘッド
2 排気バルブ
3 吸気バルブ
4 排気カムシャフト
5 吸気カムシャフト
6 排気ロッカアーム
11 フロントカムホルダ(支持部材)
12 ミドルカムホルダ(支持部材)
12a,12b 支持壁
13 センタカムホルダ(支持部材)
14 ミドルカムホルダ(支持部材)
14a,14b 支持壁
15 リヤカムホルダ(支持部材)
18 ベースプレート
20 VLC機構
21 電動モータ(アクチュエータ)
21a,21b シャフト(駆動部)
22,23 ドライブギヤ(動力伝達手段)
24,25 ギヤリンク(動力伝達手段)
26 コントロールシャフト
50 多段ギヤ列(動力伝達手段)
C1 第1気筒
C2 第2気筒
C3 第3気筒
C4 第4気筒
E エンジン(開弁特性可変型内燃機関)

Claims (2)

  1. 気筒列方向に延在するとともに支持部材によって旋回自在に支持され、その旋回により、直列する気筒のすべてについてバルブの開弁特性を変化させる単一のコントロールシャフトと、
    前記コントロールシャフトの駆動に供される単一のモータ
    を備えた多気筒の開弁特性可変型内燃機関であって、
    前記モータ、単一の回転子と、該回転子から前記コントロールシャフトの軸方向に延出する一対の出力軸と、該出力軸にそれぞれ設けられた一対の駆動部を有し、
    前記一対の駆動部は、直列する気筒を前記コントロールシャフトの軸方向について2分した第1気筒群および第2気筒群のそれぞれの略中央に配設され、
    前記コントロールシャフト前記一対の駆動部によって駆動されることを特徴とする開弁特性可変型内燃機関。
  2. 前記支持部材は、カムシャフトを支持するカムホルダであり、
    前記一対の駆動部と前記コントロールシャフトとの間に一対の動力伝達部材が介装され、当該一対の動力伝達手段は、それぞれ単一のカムホルダに形成された一対の支持壁に挟まれるかたちで回動自在に支持さ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。
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