JP5043592B2 - 開弁特性可変型動弁装置 - Google Patents

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動弁装置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型動弁装置を搭載したものが増えている。この開弁特性可変型動弁装置としては、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。

この種の開弁特性可変型動弁装置においては、バルブの開弁特性を変更する制御部材をアクチュエータで駆動するようにしており、このアクチュエータでは、電動モータなどの駆動源の他に、その駆動力を減速する減速機構などが、ハウジング内に収容された構成となっている（特許文献１参照）。
特開２００７−１６７２６号公報

しかしながら、アクチュエータのハウジング、特に減速機構の収容部分には、ギアなどの多数の部品により複雑な構造となることから、大きな容積が必要になり、アクチュエータの大型化及び重量の増大を招くという問題がある。

また、開弁特性可変型動弁装置では、気筒の配列方向に長く延在するシャフトを介して各気筒ごとの動弁機構を連動させる構成となるが、アクチュエータをシリンダベッドの側方に配置したサイド駆動方式では、シャフトの歪みによる影響により、アクチュエータからの距離の違いに応じて、各気筒ごとの動弁機構の動作に大きなずれが生じる問題点があり、これに対して、シリンダベッドの上方で気筒の配列方向の中央部にアクチュエータを配置するセンタ駆動方式とすると、前記の問題点を改善することができる。

しかるに、このセンタ駆動方式では、アクチュエータの高さが、補機類を含めたエンジンの全高に大きな影響を及ぼすため、エンジンの全高に制限がある場合には、取付対象となるプレートに沿う向きの寸法を大きくしてでもアクチュエータの高さを低く抑えたハウジング形状とすることが望ましいが、このようにハウジング形状に大きな制約があると、設計自由度が低下して、アクチュエータの小型化及び軽量化がより一層困難になるという問題がある。

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、アクチュエータの小型化及び軽量化を図ることができるように構成された開弁特性可変型動弁装置を提供することにある。

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動弁装置においては、請求項１に示すとおり、動弁室（１０）内に設けられて吸気または排気を行うバルブ（２）の開弁特性を変更する制御部材（コントロールシャフト２０、ギアリンク２１、及びローラリンク２２）と、この制御部材を駆動するアクチュエータ（１４）とを有し、前記制御部材として、複数の気筒（５）ごとに設けられた気筒別制御部材（ローラリンク２２）と、この気筒別制御部材を連動動作させるために気筒の配列方向に延在するコントロールシャフト（２０）と、このコントロールシャフトに前記アクチュエータの駆動力を伝達するギア付き制御部材（ギアリンク２１）とを有し、前記動弁室には、カムシャフト（４）を回転自在に支持すると共に前記動弁室を気筒ごとに仕切るようにカムホルダ（１１）が設けられて、このカムホルダに形成された隙間に前記ギア付き制御部材が配置され、前記アクチュエータが、電動モータ（４１）と、この電動モータの駆動力を多段に減速して前記ギア付き制御部材に伝達するギア機構（４２）と、前記電動モータ及びギア機構を収容保持するハウジング（４７）とを備え、このアクチュエータが、前記動弁室の上側を覆うように設けられたベースプレート（１３）の上面において、前記コントロールシャフトの中央部で駆動力が伝達されるように気筒の配列方向の中央部に配置され、且つ、前記電動モータ及び前記ギア機構の回転軸が気筒の配列方向に平行となるように配置され、前記ギア機構が、前記電動モータ側のギヤ（第１ギア５１）に歯合する大径ギヤ（第２ギア５２）と、前記ギア付き制御部材のギア部（２５）に歯合する小径ギヤ（第３ギア５３）と、前記大径ギヤ及び前記小径ギヤを同軸的且つ相対回転不能に接合するシャフト（５５）とを有し、前記小径ギヤと前記シャフトとが一体形成されると共に、前記大径ギヤが圧入により前記シャフトに対して固定されて、このシャフトが軸受（５６・５７）を介して前記ハウジングに支持され、前記大径ギヤが、前記ハウジングから一部突出して前記ベースプレートの開口（９１）を通って前記動弁室における前記カムホルダの隙間に前記ギア付き制御部材と共に収容され、且つ、前記ギア付き制御部材のギア部に所要の間隙をおいて近接配置されたものとした。

これによると、大径ギヤに歯数の多い大径のものを用いることで、大きな減速比を得ることができる。そして、大径ギヤをハウジングから突出させて動弁室に一部収容されるようにしたため、ハウジングの径方向の寸法を小さくすることができ、さらに大径ギヤを制御部材のギア部に近接配置することで、ハウジングの軸方向の寸法を小さくすることができ、これによりアクチュエータの小型化及び軽量化を図ることができる。

さらに、大径ギヤと小径ギヤとの軸方向位置を高精度に、且つ実機での組み付け状態に基づいて現実的に管理することができる。このため、制御部材のギア部を、小径ギヤに適切に歯合させると同時に、大径ギヤとの間に所要の間隙を確実に確保することができ、これにより大径ギヤと制御部材との接触を避けて円滑な動作を実現することができる。

このように本発明によれば、大径ギヤに歯数の多い大径のものを用いることで、大きな減速比を得ることができる。そして、大径ギヤをハウジングから突出させて動弁室に一部収容されるようにしたため、ハウジングの径方向の寸法を小さくすることができ、さらに大径ギヤを制御部材のギア部に近接配置することで、ハウジングの軸方向の寸法を小さくすることができ、これによりアクチュエータの小型化及び軽量化を図ることができる。

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型動弁装置を示す斜視図である。図３は、図２に示した開弁特性可変型動弁装置の動作状況を示す縦断面図である。

このエンジンは、図１に示すように、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５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及びカム３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、吸気側にも、各気筒ごとに２つずつの吸気用のバルブ８が設けられると共に、このバルブを駆動する動弁装置として、図示しないが、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、動弁室１０を各気筒５ごとに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、排気用のバルブ２のリフト量を可変制御する開弁特性可変型動弁装置が搭載されている。この開弁特性可変型動弁装置は、動弁室１０の上側を覆うように設けられたベースプレート１３の上面に設置されたアクチュエータ１４と、このアクチュエータ１４により駆動されるリンク機構とを有している。なお、同様の機構による開弁特性可変型動弁装置を吸気用のバルブ８に適用することも可能である。

開弁特性可変型動弁装置のリンク機構は、図２に示すように、横方向に延在するコントロールシャフト（制御部材）２０と、カムホルダ１１に回動可能に支持されると共にコントロールシャフト２０を旋回可能に保持するギアリンク（制御部材）２１と、コントロールシャフト２０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（制御部材）２２とを有している。

ローラリンク２２は各気筒ごとに設けられており、ギアリンク２１の回動に伴うコントロールシャフト２０の旋回に応じて連動動作し、これによるローラリンク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。コントロールシャフト２０はリンクホルダ３０を介してカムホルダ１１に旋回可能に支持されている。なお、ギアリンク２１及びローラリンク２２の回動中心線は互いに平行となっている。

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円弧状に延出されて、アクチュエータ１４側のギアに噛み合うギア部２５とを有しており、アクチュエータ１４の駆動力により回動動作する。またアーム部２４の遊端側には、コントロールシャフト２０を回動可能に保持するシャフトホルダ２６が形成されている。

ローラリンク２２は、コントロールシャフト２０に嵌合して揺動支点となる基部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と、その位置を調整するアジャストスクリュ３９とが設けられている。

このように構成された開弁特性可変型動弁装置においては、ギアリンク２１が、支軸２３（図２参照）を中心にして回動するのに伴ってローラリンク２２の揺動支点となるコントロールシャフト２０が変位することでバルブ２のリフト量が変化し、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の揺動支点となるコントロールシャフト２０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の揺動支点となるコントロールシャフト２０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１に示したアクチュエータ１４の要部断面図である。図５は、図４のＶ−Ｖ線で切断した断面図である。図６は、図４のVI−VI線で切断した断面図である。図７は、図１に示したアクチュエータの周辺部を示す断面図である。図８は、図７に示したギアアセンブリの分解斜視図である。

アクチュエータ１４は、図４に示すように、ギアリンク２１を駆動する電動モータ（駆動源）４１と、この電動モータ４１の運動をギアリンク２１に伝達するリンク駆動用ギア機構４２と、ギアリンク２１の角度位置（リンク角）を検出するポジションセンサ４３（図１参照）と、ギアリンク２１の運動をポジションセンサ４３に伝達するセンサ検出用ギア機構４４とを有している。

電動モータ４１は、ブラシレスモータであり、エンジンＥＣＵにおいて、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いて設定されたバルブ２の目標リフト量、すなわちギアリンク２１の回動角度位置（リンク角）にポジションセンサ４３の検出位置が一致するように電動モータ４１の駆動電流が制御される。

リンク駆動用ギア機構４２は、図５に示すように、電動モータ４１の出力軸４５に設けられた第１ギア５１と、この第１ギア５１に歯合する第２ギア５２と、この第２ギア５２に同軸的且つ相対回転不能に設けられた第３ギア５３とを有しており、この第３ギア５３がギアリンク２１に歯合することで、電動モータ４１の駆動力が２段階に減速されてギアリンク２１に伝達される。

リンク駆動用の第２ギア５２及び第３ギア５３は、シャフト５５で連結されており、このシャフト５５は、軸受５６・５７を介してハウジング４７に支持されている。

図６に示すように、センサ検出用ギア機構４４は、ギアリンク２１に歯合する第１ギア６１と、この第１ギア６１に同軸的且つ相対回転不能に設けられた第２ギア６２と、この第２ギア６２に歯合する第３ギア６３とを有しており、この第３ギア６３と一体的に、ポジションセンサ４３の検出部６５に係合するセンサ係合部６６が回転することで、ポジションセンサ４３によりギアリンク２１の角度位置（リンク角）が検出される。

ポジションセンサ４３は、いわゆるホールセンサであり、ハウジング内に、検出部６５の回転を検出するためのホール素子、永久磁石、及び制御基板などが収容されている。

センサ検出用の第１ギア６１及び第２ギア６２は、シャフト６８で連結されており、このシャフト６８は、軸受６９を介してハウジング４７に支持されている。センサ検出用の第３ギア６３はシャフト７１の一端側に連結され、シャフト７１の他端側にはセンサ係合部６６が連結されており、このシャフト７１は、軸受７２を介してハウジング４７に支持されている。

このアクチュエータ１４のハウジング４７は、図７に示すように、ギア５１〜５３・６１〜６３の軸線方向に分割された第１・第２・第３の３つの分割体８１・８２・８３で構成されている。各分割体８１・８２・８３は、アルミニウム合金などの金属材料の鋳造により製作される。

第１の分割体８１には、図５に示すように、電動モータ４１が収容されると共に、リンク駆動用の第２ギア５２及び第３ギア５３の軸受５６を保持する軸受保持部８５が設けられている。第１の分割体８１と第２の分割体８２との間に画成される空室８８には、リンク駆動用の第１ギア５１及び第２ギア５２が収容されている。第２の分割体８２には、リンク駆動用の第２ギア５２及び第３ギア５３の軸受５７を保持する軸受保持部８６が設けられており、また図６に示すように、センサ検出用の第１ギア６１及び第２ギア６２の軸受６９を保持する軸受保持部８７が設けられている。

図５に示すように、第１の分割体８１と第２の分割体８２との接合部分には、ベースプレート１３に対向する側に開口８９が開設されており、この開口８９にギアリンク２１が挿入されてリンク駆動用の第３ギア５３に歯合する。またこの開口８９から第２ギア５２が突出している。さらに図６に示すように、開口８９からセンサ検出用の第１ギア６１が突出してギアリンク２１に歯合している。

図７に示すように、ベースプレート１３には、アクチュエータ１４側から突出したリンク駆動用の第２ギア５２、及び軸受保持部８５・８６を受容すると共に、ギアリンク２１のギア部２５をアクチュエータ１４側のリンク駆動用の第３ギア５３に歯合させるために、開口９１が開設されている。

リンク駆動用ギア機構４２では、第１・第２・第３のギア５１・５２・５３及びギアリンク２１により、電動モータ４１の出力軸４５からコントロールシャフト２０に至るまでに２段階の減速が行われ、第２ギア５２に歯数の多い大径のギアを用いることで、大きな減速比を得ることができ、さらに大径の第２ギア５２をハウジング４７から突出させて動弁室１０に一部収容されるようにしているため、ハウジング４７の径方向の寸法を小さくすることができる。

ギアリンク２１は、前記のようにカムホルダ１１に支持された支軸２３を中心にして回動し、ギアリンク２１が円滑に回動するようにカムホルダ１１の側面との間に所要の遊びが設けられており、この遊びによりギアリンク２１が軸方向に僅かに変位し、このギアリンク２１の変位によりギアリンク２１のギア部２５と第２ギア５２とが接触しないように、両者の軸方向の間隙Ｃが設定される。

またギアリンク２１のギア部２５は、アーム部２４の遊端側から周方向に円弧状に延出されると共に（図２参照）、薄肉に形成されており、これによりハウジング４７の軸方向の寸法を小さくすることができるが、ギアリンク２１のギア部２５は片持ち形状となるため、薄肉化と相まって製作誤差によりギア部２５の軸方向位置がずれることがあり、このギア部２５の製作誤差によりギアリンク２１のギア部２５と第２ギア５２とが接触しないように、両者の軸方向の間隙Ｃが設定される。

リンク駆動用の第２ギア５２（大径ギヤ）及び第３ギア５３（小径ギヤ）とは、シャフト５５を介して同軸的且つ相対回転不能に接合されてギアアセンブリ１０１を構成しており、このギアアセンブリ１０１は、図８に示すように、第３ギア５３とシャフト５５とが一体形成されると共に、第２ギア５２が圧入によりシャフト５５に対して固定されるようになっており、これにより第２ギア５２と第３ギア５３との軸方向位置を高精度に管理することができ、例えば実機での組み付け状態に基づいて軸方向位置の微調整を容易に行うことができる。

なお、第３ギア５３とシャフト５５とが一体形成されたギア付きシャフト１０２、及び第２ギア５２は、ステンレス鋼などの金属材料からなり、ギア付きシャフト１０２は、棒材の切削加工の後に歯切り加工を行うなどの加工法で得ることができる。

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型動弁装置を示す斜視図である。 図２に示した開弁特性可変型動弁装置の動作状況を示す縦断面図である。 図１に示したアクチュエータの要部断面図である。 図４のＶ−Ｖ線で切断した断面図である。 図４のVI−VI線で切断した断面図である。 図１に示したアクチュエータの周辺部を示す断面図である。 図７に示したギアアセンブリの分解斜視図である。

符号の説明

２ バルブ
１０ 動弁室
１３ ベースプレート
１４ アクチュエータ
２０ コントロールシャフト（制御部材）
２１ ギアリンク（制御部材）
２２ ローラリンク（制御部材）
２５ ギア部
４１ 電動モータ（駆動源）
４２ リンク駆動用ギア機構
４３ ポジションセンサ
４４ センサ検出用ギア機構
４７ ハウジング
５１ リンク駆動用の第１ギア
５２ リンク駆動用の第２ギア（大径ギヤ）
５３ リンク駆動用の第３ギア（小径ギヤ）
５５ シャフト
６１〜６３ センサ検出用ギア
１０１ ギアアセンブリ

Claims (1)

1. 動弁室内に設けられて吸気または排気を行うバルブの開弁特性を変更する制御部材と、この制御部材を駆動するアクチュエータとを有し、
   前記制御部材として、複数の気筒ごとに設けられた気筒別制御部材と、この気筒別制御部材を連動動作させるために気筒の配列方向に延在するコントロールシャフトと、このコントロールシャフトに前記アクチュエータの駆動力を伝達するギア付き制御部材とを有し、
   前記動弁室には、カムシャフトを回転自在に支持すると共に前記動弁室を気筒ごとに仕切るようにカムホルダが設けられて、このカムホルダに形成された隙間に前記ギア付き制御部材が配置され、
   前記アクチュエータが、電動モータと、この電動モータの駆動力を多段に減速して前記ギア付き制御部材に伝達するギア機構と、前記電動モータ及びギア機構を収容保持するハウジングとを備え、
   このアクチュエータが、前記動弁室の上側を覆うように設けられたベースプレートの上面において、前記コントロールシャフトの中央部で駆動力が伝達されるように気筒の配列方向の中央部に配置され、且つ、前記電動モータ及び前記ギア機構の回転軸が気筒の配列方向に平行となるように配置され、
   前記ギア機構が、前記電動モータ側のギヤに歯合する大径ギヤと、前記ギア付き制御部材のギア部に歯合する小径ギヤと、前記大径ギヤ及び前記小径ギヤを同軸的且つ相対回転不能に接合するシャフトとを有し、前記小径ギヤと前記シャフトとが一体形成されると共に、前記大径ギヤが圧入により前記シャフトに対して固定されて、このシャフトが軸受を介して前記ハウジングに支持され、
   前記大径ギヤが、前記ハウジングから一部突出して前記ベースプレートの開口を通って前記動弁室における前記カムホルダの隙間に前記ギア付き制御部材と共に収容され、且つ、前記ギア付き制御部材のギア部に所要の間隙をおいて近接配置されたことを特徴とする開弁特性可変型動弁装置。

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