JP4787785B2

JP4787785B2 - 可変動弁機構

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Publication number: JP4787785B2
Application number: JP2007110439A
Authority: JP
Inventors: 清史柵木
Original assignee: Otics Corp
Current assignee: Otics Corp
Priority date: 2007-04-19
Filing date: 2007-04-19
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2027-04-19
Also published as: US20080257291A1; US7673602B2; JP2008267249A

Description

本発明は、内燃機関において、複数のロッカアームを連結及び切り離しすることにより、バルブのリフト量又は開閉タイミングを切り替える可変動弁機構に関するものである。

この種の可変動弁機構としては、バルブを押圧する低速用ロッカアームとバルブを直接には押圧しない高速用ロッカアームとを連結及び切り離しするものが知られている。
（ａ）例えば、特許文献１に記載された可変動弁機構では、高速用カムの方が低速用カムよりノーズが高く設定されており、低速運転時には両ロッカアームが切り離され、低速用ロッカアームのみが低速用カムにより揺動してバルブを開閉する。また、高速運転時には両ロッカアームが一体に連結され、高速用カムにより前記揺動より大きく揺動してバルブのリフト量を変化させる可変動弁を行う。

ところが、この可変動弁機構によると、高速運転時には両ロッカアームが一体となって揺動するため、低速運転時に比べ慣性質量が大きくなる。この慣性質量が大きくなると、内燃機関の目標回転速度を満足させる為に、バルブスプリング荷重を増やす必要が生じる。その結果、バルブ駆動時のフリクションが増え、性能が低下したり燃費が悪化したりする。また、ロッカアームやカムフォロワには、高い荷重に耐えられるような強度が必要とされるため、コストアップの要因ともなる。

（ｂ）特許文献２に記載された可変動弁機構では、前記同様に高速用カムの方が低速用カムよりノーズが高く設定されているが、低速運転時には両ロッカアームが一体に連結され、低速用カムにより揺動してバルブを開閉している。また、高速運転時には両ロッカアームが切り離され、高速用ロッカアームのみが高速用カムにより前記揺動より大きく揺動してバルブのリフト量を変化させる可変動弁を行う。

この可変動弁機構に設けられた切替機構によると、低速運転時には両ロッカアームが一体に連結され揺動するが、その揺動に高速用カムが影響しない構成となっている。詳しくは、高速用ロッカアームには高速用カムに摺接するフォロワ及びそのフォロワ穴が設けられており、低速運転時には前記フォロワをフォロワ穴内で空摺動させることにより、高速用カムが高速用ロッカアームに影響を与えないようにしている。また、高速運転時には切替機構に用いる切替ピンで前記フォロワを空摺動させないことにより、高速用カムが高速用ロッカアームを揺動させる仕組みとなっている。

ところが、この可変動弁機構では、ロッカアームに、切替機構だけでなくフォロワの移動を制御する機構も設ける必要があり複雑な構造となってしまう。
特開２００５−２３８０３号公報特開２００２−２１５１８号公報

そこで、本発明の目的は、低速時に比べ高速時の慣性質量を小さくした可変動弁機構を簡単な構造を用いて実現することにある。

本発明は、バルブリフト量の可変ではなくバルブの開閉タイミングの可変を狙ったものである。ただし、本発明においても、高速時のバルブリフト量を十分に確保できるよう、高速用カムのノーズ頂部をなるべく高くしたものが好ましい。

上記課題を解決するために、本発明の可変動弁機構は、低速用カムと高速用カムとを並設するとともに、低速用カムで駆動される低速用ロッカアームと高速用カムで駆動される高速用ロッカアームとを並設し、高速用カムのカムプロフィールを低速用カムのカムプロフィールより超えないように設定することにより、低速時には低速用ロッカアームと高速用ロッカアームとを接続して、低速用カムにより低速用ロッカアームと共に揺動する高速用ロッカアームでバルブを開閉し、高速時には低速用ロッカアームと高速用ロッカアームとを切り離して、低速用カムにより低速用ロッカアームを空揺動させるとともに、高速用カムにより単独で揺動する高速用ロッカアームでバルブを開閉する切替機構を設け、低速用カムのカムプロフィールから得られる、作用角に対するバルブリフト量を示す低速用バルブリフト量曲線を、高速用カムのカムプロフィールから得られる、作用角に対するバルブリフト量を示す高速用バルブリフト量曲線より遅閉じに設定したことを特徴とする。

ここで、特に限定されないが、高速時としては、回転数が３０００ｒｐｍ以上のときを例示でき、低速時としては、それ以下の回転数のときを例示できる。この場合において、特に限定されないが、高速時には、回転数３０００ｒｐｍ以下でスロットル開度が大きいときを含めてもよい。

また、特に限定されないが、高速時のバルブリフト量を十分に確保できるよう、両カムにおけるノーズの高さの差は小さいものが好ましい。両カムのノーズの高さは同じでもよいが、低速時に高速用カムのカムノーズがアームに当接しないよう、僅かに差をつけたものがより好ましい。前記差の好ましい値としては、０．１〜０．６ｍｍを例示できる。

本発明の可変動弁機構によると、簡単な構造を用いて、低速時に比べ高速時の慣性質量を小さくすることができる。さらに、低速時にバルブを遅閉じにしたことにより、ポンピングロスを低減し、燃費を向上させることができる。

低速用カム１０と高速用カム１５とを並設するとともに、低速用カム１０で駆動される低速用ロッカアーム２０と高速用カム１５で駆動される高速用ロッカアーム２５とを並設する。高速用カム１５のカムプロフィールから得られる、作用角に対するバルブリフト量を示す高速用バルブリフト量曲線Ｈを、低速用カム１０のカムプロフィールから得られる、作用角に対するバルブリフト量を示す低速用バルブリフト量曲線Ｌより超えないように設定する。そして、低速時には低速用ロッカアーム２０と高速用ロッカアーム２５とを連結して、低速用カム１０により低速用ロッカアーム２０と共に揺動する高速用ロッカアーム２５でバルブ２を開閉する。また、高速時には低速用ロッカアーム２０と高速用ロッカアーム２５とを切り離して、低速用カム１０により低速用ロッカアーム２０を空揺動させるとともに、高速用カム１５により単独で揺動する高速用ロッカアーム２５でバルブ２を開閉する。低速用バルブリフト量曲線Ｌを高速用バルブリフト量曲線Ｈより遅閉じに設定する。

以下、本発明に係る可変動弁機構９を、一気筒当り吸気バルブ二本、排気バルブ二本の内燃機関において具体化した実施形態として、図１〜図５に基づき説明する。なお、吸気バルブでも排気バルブでも同じ構成となるため、ここでは吸気バルブ側のみを図示して説明する。
可変動弁機構９は、同一のカムシャフト３に並設された低速用カム１０及び高速用カム１５と、サポート４に支持されたロッカシャフト５に並設されるとともに前記カムにより駆動される低速用ロッカアーム２０及び高速用ロッカアーム２５と、前記二つのロッカアームどうしを連結及び切り離しすることによりバルブ２の動作を切り替える切替機構３０とを備え構成されている。

低速用カム１０は、基本部分となるベース円部１１と、該ベース円部１１から突出したカムノーズ１２とを備え構成されている。低速用カム１０の外周面には、低速用ロッカアーム２０に当接するカム面１０ｓが形成されている。
高速用カム１５は、低速用カム１０のものと同じ大きさ及び形状のベース円部１６と、該ベース円部１６から突出したカムノーズ１７とを備え構成されている。高速用カム１５の外周面には、高速用ロッカアーム２５に当接するカム面１５ｓが形成されている。

高速用カム１５のカムプロフィールから得られる、作用角に対するバルブリフト量を示す高速用バルブリフト量曲線Ｈは、図４（Ｃ）に示すように、低速用カム１０のカムプロフィールから得られる、作用角に対するバルブリフト量を示す低速用バルブリフト量曲線Ｌを超えないように設定されている。また、低速用バルブリフト量曲線Ｌは高速用バルブリフト量曲線Ｈより遅閉じに設定されている。本実施例では、例えば高速用カムのノーズの高さＴ（ｈ）は約９．６ｍｍ、低速用カムのノーズの高さＴ（ｌ）は約１０．０ｍｍである。このように両者の差Ｄは約０．４ｍｍと小さく設けられているため、高速時のバルブリフト量を十分に確保できる。

上記両ロッカアームは、サポート４側から高速用ロッカアーム２５、低速用ロッカアーム２０の順に略接して並んでいる。
高速用ロッカアーム２５は、その中心に形成されたロッカシャフト５を挿通する軸穴２６と、先端に形成されたバルブ取付部２７と、基端下部に形成されたフォーク２８と、フォーク２８に両側から支持されたローラ２９とを備え構成されている。このローラ２９は、高速用カム１５のカムノーズ１７と当接している。

低速用ロッカアーム２０は、バルブ取付部２７を持たず、アームの中心から先端にかけて形成されたロッカシャフト５を挿通する軸穴２１と、基端下部に形成されたフォーク２３と、フォーク２３に両側から支持されたローラ２４とを備え構成されている。このローラ２４は、低速用カム１０のカムノーズ１２と当接している。

ここで、ロッカアームのローラの態様として、次の（１）（２）を例示する。
（１）図５（ａ）に示す例のように、高速時に関与する慣性質量を小さくするため、バルブを開閉する高速用ロッカアームのローラ幅Ｗ１の方を低速用ロッカアームのローラ幅Ｗ２より短く形成する。
（２）図５（ｂ）に示す例のように、高リフト化にも安定して対応できるように、バルブを開閉する高速用ロッカアームのローラ幅Ｗ３を、低速用ロッカアームのローラ幅Ｗ４と同じに形成するか又はＷ４より長く形成する。
なお、目的に応じて、上記（１）（２）のいずれの態様を採用してもよい。

切替機構３０は、低速では低速用ロッカアーム２０と高速用ロッカアーム２５とを連結して、低速用カム１０により低速用ロッカアーム２０と共に揺動する高速用ロッカアーム２５でバルブ２を開閉し、高速では低速用ロッカアーム２０と高速用ロッカアーム２５とを切り離して、低速用カム１０により低速用ロッカアーム２０を空揺動させるとともに、高速用カム１５により単独で揺動する高速用ロッカアーム２５でバルブ２を開閉する機構である。この切替機構３０は、サポート４及びロッカアームに形成されたピン穴４ｈ、２０ｈ、２５ｈと、ピン穴４ｈ、２０ｈ、２５ｈを往復する連結ピン３２と、連結ピン３２を一方へ押圧する油圧を与える油路３１と、連結ピン３２を他方へ付勢するコイルバネ３３とを備え構成される。

連結ピン３２は、油路３１から注がれるオイルＯにより押圧される入力ピン３２ａと、入力ピン３２ａに一側端面を当接させる中ピン３２ｂと、中ピン３２ｂの他側端面と当接するプッシャピン３２ｃとを備え構成される。サポート４の低速用ロッカアーム２０側にはピン穴４ｈが凹設され、このピン穴４ｈには入力ピン３２ａが摺動可能に収容されている。高速用ロッカアーム２５の基端上部にはピン穴２５ｈが貫設され、このピン穴２５ｈには中ピン３２ｂが摺動可能に収容されている。低速用ロッカアーム２０の基端上部にはピン穴２０ｈが凹設され、このピン穴２０ｈにはカップ状のプッシャピン３２ｃが摺動可能に収容されるるともにコイルバネ３３が収容され、コイルバネ３３がプッシャピン３２ｃを中ピン３２ｂ側へ付勢している。

油路３１は、シリンダヘッドや給油管からサポート４へ、サポート４からピン穴４ｈへと設けられている。この油路３１にオイルＯが供給されると、その油圧により入力ピン３２ａが押圧される。

以下、切替機構３０による低速用ロッカアーム２０及び高速用ロッカアーム２５の動作について説明する。
（ａ）低速時
例えば回転数３０００ｒｐｍ以下でかつスロットル開度が小さいときには、図３（Ａ）に示すように、油路３１からオイルＯが供給されず、プッシャピン３２ｃがコイルバネ３３に付勢され両ロッカアームのピン穴２０ｈ、２５ｈの境界に跨っている。このとき、両ロッカアームは連結されている。そして、図４（Ａ）に示すように、低速用カム１０により、低速用ロッカアーム２０と共に揺動する高速用ロッカアーム２５でバルブ２を開閉する。またこのとき、高速用カム１５は高速用ロッカアーム２５に触れずに空振りする。

（ｂ）高速時
例えば回転数３０００ｒｐｍ以上のとき又はそれ以下であってもスロットル開度が大きいとき（加速の程度が大きいとき）には、図３（Ｂ）に示すように、油路３１からオイルＯが供給され、入力ピン３２ａが油圧により中ピン３２ｂ側へ押圧され、それに伴い押圧されたプッシャピン３２ｃがピン穴２０ｈの底面に当接して係止されたときには、中ピン３２ｂとプッシャピン３２ｃとの境界が両ロッカアーム２０、２５の境界と一致する。このとき、両ロッカアーム２０、２５は切り離される。そして、図４（Ｂ）に示すように、低速用カム１０により低速用ロッカアーム２０を空揺動させるとともに、高速用カム１５により単独で揺動する高速用ロッカアーム２５を用いてバルブ２を開閉する。

次に、遅閉じを可能とするバルブタイミング切替機構は、低速用カム１０のカムプロフィール及び高速用カム１５のカムプロフィールと、上述の切替機構３０とを用いて実現される。詳しくは、この機構は、低速用カム１０のカムプロフィールから得られる、作用角に対するバルブリフト量を示す低速用バルブリフト量曲線Ｌを、高速用カム１５のカムプロフィールから得られる、作用角に対するバルブリフト量を示す高速用バルブリフト量曲線Ｈより遅閉じに設定することにより、低速時にはバルブ２を相対的に遅閉じにして、バルブ２の開閉タイミングを切り替えるものである。図４（Ｃ）に示すのは、吸気バルブ側に適用した場合の、カムプロフィールから得られるバルブリフト量曲線の一例である。

本実施例に係る可変動弁機構９によると、以下の効果が得られる。
・簡単な構造を用いて、図３（Ｃ）に示すように、低速時に比べ高速時の慣性質量を小さくすることができる。（例えば、高速時に３０％程度の軽量が見込める）。従って、バルブスプリング荷重を減らすことができる。（例えば、３０％程度の低減が見込める）。また、この構造は、現状レベルのバルブスプリング荷重を維持する場合においても、回転数アップなどの性能向上の要求に対する有効な手段となる。
・低速時にバルブ２を遅閉じにしたことにより、ポンピングロスを低減し、燃費を向上させることができる。
・油圧が豊富な高回転域でオイルＯを供給して切替を行うので、油圧低下に対する構造上の配慮が不要となる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、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。

本発明に係る可変動弁機構を示す分解斜視図である。同可変動弁機構の（ａ）は高速用ロッカアーム、（ｂ）は低速用ロッカアームを示す断面図である。同可変動弁機構の（Ａ）及び（Ｂ）は切替機構を示す断面図、（Ｃ）は切替前後の慣性質量を示すグラフである。同可変動弁機構の（Ａ）は低速時の様子、（Ｂ）は高速時の様子を示す正面図、（Ｃ）は低速時及び高速時のカムプロフィールを示すグラフである。同可変動弁機構の一態様を示す底面図である。

符号の説明

２バルブ
９可変動弁機構
１０低速用カム
１５高速用カム
２０低速用ロッカアーム
２５高速用ロッカアーム

Claims

低速用カム（１０）と高速用カム（１５）とを並設するとともに、前記低速用カム（１０）で駆動される低速用ロッカアーム（２０）と前記高速用カム（１５）で駆動される高速用ロッカアーム（２５）とを並設し、
前記高速用カム（１５）のカムプロフィールを前記低速用カム（１０）のカムプロフィールより超えないように設定するとともに、低速時には前記低速用ロッカアーム（２０）と高速用ロッカアーム（２５）とを連結して、前記低速用カム（１０）により前記低速用ロッカアーム（２０）と共に揺動する前記高速用ロッカアーム（２５）でバルブ（２）を開閉し、高速時には前記低速用ロッカアーム（２０）と高速用ロッカアーム（２５）とを切り離して、前記低速用カム（１０）により前記低速用ロッカアーム（２０）を空揺動させるとともに、前記高速用カム（１５）により単独で揺動する前記高速用ロッカアーム（２５）でバルブ（２）を開閉する切替機構（３０）を設け、
前記低速用カム（１０）のカムプロフィールから得られる、作用角に対するバルブリフト量を示す低速用バルブリフト量曲線（Ｌ）を、前記高速用カム（１５）のカムプロフィールから得られる、作用角に対するバルブリフト量を示す高速用バルブリフト量曲線（Ｈ）より遅閉じに設定した可変動弁機構。
前記低速用カム（１０）のカムノーズ（１２）は、前記高速用カム（１５）のカムノーズ（１７）よりも０．１〜０．６ｍｍ高い請求項１記載の可変動弁機構。