JP5298875B2 - 内燃機関の可変動弁装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の吸気弁もしくは排気弁（両者を総称して吸排気弁と記す）のリフトおよび作動角を連続的に変更することができる可変動弁装置に関する。

特許文献１等に示されているように、本出願人は、内燃機関の吸排気弁のリフト・作動角を同時にかつ連続的に拡大，縮小可能な可変動弁装置を種々提案している。これは、吸排気弁を押圧する揺動カムの初期の姿勢を変化させることで、リフト・作動角を変化させるようにしたものであって、内燃機関の回転に同期して回転するとともに、駆動偏心カムを備えた駆動軸と、この駆動偏心カムの外周に回転可能に嵌合したリンクアームと、アクチュエータによって回転角度が制御されるとともに、制御偏心カムを備えた制御軸と、この制御偏心カムに回転可能に装着されるとともに、上記リンクアームに連結され、該リンクアームにより揺動されるロッカアームと、上記駆動軸に回転自在に支持されるとともに、上記ロッカアームにリンク部材を介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより吸排気弁を押圧する揺動カムと、を主に備えている。

そして、上記アクチュエータにより上記制御軸の制御偏心カムの回転位置を変化させることで、吸排気弁のリフトがその作動角とともに増減変化する。

また、特許文献２は、ロッカアームにおけるリンクアームとの連結点ならびにリンク部材との連結点をロッカアーム揺動中心を基準として一方の側に配置し、これらの点が上下の同じ方向へ揺動するように構成するとともに、揺動カムにおけるリンク部材との連結点を、該揺動カムのカムプロフィルのリフト区間とは反対側へ配置した例を開示している。

特開２００２−２５６９０５号公報 特開２００５−２９１０１４号公報

上記特許文献２のような構成では、揺動カムが駆動軸を中心としてシーソー型に揺動し、リンク部材がロッカアームにより持ち上げられると、カムプロフィルが吸排気弁を押し開くことなるが、小リフト・作動角に制御したときに、揺動カムが反リフト側（つまりリフト側への揺動方向とは反対側への揺動方向）へ揺動する際に、リンク部材との連結点がカムフォロア面（例えばタペットの頂面）に近接し、干渉を生じる問題がある。つまり、特許文献１のように揺動カムの先端部つまりカムプロフィルのリフト区間側にリンク部材が連結されている構成であれば、揺動カムのベースサークル区間を十分に大きな角度で確保することができるが、特許文献２のような構成では、ベースサークル区間が限られ、カムフォロア面との干渉による制限が生じる。これにより、リフト・作動角の可変範囲を大きく確保することが困難となる。

そこで、この発明は、リフト・作動角を可変制御するためのロッカアームの揺動中心の移動軌跡を適切なものとすることにより、揺動カムの反リフト側への揺動角の増加（小作動角化するに伴う反リフト側への揺動角の増加）を制限するようにしたものである。

すなわち、この発明に係る内燃機関の可変動弁装置は、内燃機関本体に回転自在に支持され、かつ内燃機関の回転に同期して回転するとともに、駆動偏心カムを備えた駆動軸と、上記駆動偏心カムの外周に回転可能に嵌合したリンクアームと、揺動中心を有するとともに、上記リンクアームに連結され、該リンクアームにより揺動されるロッカアームと、上記駆動軸に回転自在に支持されるとともに、上記ロッカアームにリンク部材を介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより吸排気弁を押圧する揺動カムと、
上記ロッカアームの揺動中心を所定の軌跡に沿って変位させる制御機構と、を備え、上記揺動中心の位置によって吸排気弁の作動角がリフトとともに増減変化するように構成されている。また、
上記駆動軸の回転中心および上記揺動カムの揺動中心を点Ｏ１、
上記駆動偏心カムの中心を点Ｏ２、
上記ロッカアームの揺動中心を点Ｏ４、
上記ロッカアームと上記リンクアームとの連結点を点Ｏ５、
上記リンク部材と上記ロッカアームとの連結点を点Ｏ６、
上記リンク部材と上記揺動カムとの連結点を点Ｏ７、としたときに、
上記ロッカアームは、点Ｏ４から一方へ延びており、点Ｏ５および点Ｏ６が、吸排気弁に向かって上下の同じ方向へ揺動するとともに、点Ｏ７が点Ｏ１を挟んで揺動カムのカムプロフィルのリフト区間とは反対側に位置し、点Ｏ７が吸排気弁から離れる方向に動くと揺動カムが吸排気弁をリフトさせるように構成されている。

そして、最大作動角における点Ｏ４と最小作動角における点Ｏ４とを通る直線Ｌ１に対して、中間作動角における点Ｏ４が、揺動カムの反リフト側への揺動角が相対的に小となる側に存在するように、上記点Ｏ４の移動軌跡が設定されている。

上記制御機構は、例えば、点Ｏ３を中心として回転するように内燃機関本体に回転自在に支持された制御軸からなり、点Ｏ３から偏心して設けられた偏心軸上に、上記ロッカアームが揺動可能に支持されている。

そして、点Ｏ５と点Ｏ６とが互いに同一の点にある構成においては、上記点Ｏ３が、上記直線Ｌ１に対して、点Ｏ１と同じ側に配置されている。また点Ｏ５と点Ｏ６とが互いに異なる点にある構成においては、上記点Ｏ３が、上記直線Ｌ１に対して、点Ｏ１とは反対側に配置されている。

この発明によれば、大作動角に制御している状態からリフト・作動角を小さくすべくロッカアーム揺動中心（点Ｏ４）を変位させたときに、揺動カムの反リフト側への揺動角の増加が比較的少なく、リンク部材と揺動カムとの連結点がカムフォロア面（例えばタペットの頂面）に干渉するという問題を回避することができる。

この発明の第１実施例の構成説明図。 第１実施例の斜視図。 同じく第１実施例の斜視図。 （ａ）最大反リフト側等揺動角線および（ｂ）最大リフト側等揺動角線の説明図。 本実施例における点Ｏ４の移動軌跡の説明図。 揺動カムの揺動角の特性を（ａ）従来例と（ｂ）実施例とで対比して示す特性図。 移動軌跡の好ましい範囲を示す説明図。 好ましい揺動角の特性を示す特性図。 揺動角の特性の他の例を示す特性図。 制御軸の中心Ｏ３の好ましい範囲を示す説明図。 この発明の第２実施例の構成説明図。 第２実施例の斜視図。 同じく第２実施例の斜視図。 本実施例における点Ｏ４の移動軌跡の説明図。 揺動カムの揺動角の特性を（ａ）参考例と（ｂ）実施例とで対比して示す特性図。 この実施例の最大反リフト側等揺動角線についての説明図。 移動軌跡の好ましい範囲を示す説明図。 揺動角の特性の一例を示す特性図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１〜図３は、この発明の第１実施例に係る可変動弁装置の基本的な構成を示している。この可変動弁装置は、シリンダヘッド（図示せず）に回転自在に支持され、かつ内燃機関のクランクシャフトにより駆動される駆動軸１と、この駆動軸１に固定された円盤状の駆動偏心カム２と、同じくシリンダヘッドに回転自在に支持された制御軸３と、この制御軸３に設けられた偏心軸４と、を備えている。ここで、上記偏心軸４は、他の部品との干渉を避けるためにクランクピン状をなし、つまり、制御軸３は、全体としてクランクシャフト状をなしている。なお、上記駆動軸１および制御軸３は、例えば直列に配置された複数気筒に共通のものとなっており、シリンダの上下方向を基準とすると、制御軸３の方が駆動軸１よりも上方（より具体的には斜め上方の位置）に位置している。また上記制御軸３の一端には、図示せぬアクチュエータ（電動モータ、油圧式アクチュエータなど）が連結されており、上記偏心軸４の位置を制御している。

上記駆動偏心カム２の外周には、リンクアーム６の環状部が回転自在に嵌合しており、この環状部の一部からアーム部が延びている。上記偏心軸４には、ロッカアーム７が揺動自在に支持されている。このロッカアーム７は駆動軸１の上方へと一方に延び、その先端部に上記リンクアーム６のアームが回転自在に連結されているとともに、リンク部材１３の上端部が同軸上に連結されている。

駆動軸１に揺動自在に支持された揺動カム１２は、ベースサークル区間とリフト区間とからなるカムプロフィルを有し、有底円筒状のタペット１１を介して吸排気弁を押し開くようになっている。ここで、上記リンク部材１３の下端は、駆動軸１の中心を挟んでリフト区間と反対側の位置つまりベースサークル区間側の位置で、揺動カム１２に連結されている。

上記の構成において、偏心軸４の回転位置に応じて吸排気弁のリフト・作動角が連続的に変化する基本的な原理は、上述した特許文献１等のものと変わりがないが、特に、この実施例では、後述するように、制御軸３ならびに偏心軸４の位置が、リフト・作動角の変化に伴う揺動カム１２の反リフト側への揺動角の変化が小さくなるように設定されている。

以下では、この点について詳しく説明する。

図４は、参考として上記の特許文献２の構成を示しており、特にリフト・作動角を大きく制御した状態での最小リフト時（ａ）およびピークリフト時（ｂ）を対比して示す。また、理解を容易にするために、上述した実施例の各部に実質的に相当する各部に同一の参照符号を付す。さらに各部の中心等の点を以下のように定義する。

点Ｏ１…駆動軸１の回転中心および揺動カム１２の揺動中心、
点Ｏ２…駆動偏心カム２の中心、
点Ｏ３…制御軸３の中心、
点Ｏ４…ロッカアーム７の揺動中心（＝偏心軸４の中心）、
点Ｏ５…ロッカアーム７とリンクアーム６との連結点、
点Ｏ６…リンク部材１３とロッカアーム７との連結点、
点Ｏ７…リンク部材１３と揺動カム１２との連結点。

上記の実施例および図４の参考例では、点Ｏ５と点Ｏ６は同一の点であり、従って点Ｏ５で代表して示す。

例えば図４の（ｂ）のように揺動カム１２がリフト側に最も大きく揺動しているときに、ロッカアーム７の姿勢が変化しなければ、揺動カム１２の姿勢つまり揺動角は変化しないので、仮に、偏心軸４の中心点Ｏ４が図の円Ｃ１に沿って移動したとしても、揺動角は一定である。従って、本明細書では、このような一定の揺動角が得られる点Ｏ４の集合を「等揺動角線」と呼ぶものとする。図４に明らかなように、点Ｏ５と点Ｏ６が同軸なこの例では、点Ｏ５（＝点Ｏ６）を中心とする円として等揺動角線が得られ、円Ｃ１は、リフト側へ最大に揺動したときの揺動角に対応する等揺動角線つまり最大リフト側等揺動角線となる。同様に、（ａ）に示すように、円Ｃ２として、最大反リフト側等揺動角線が得られる。また、曲線Ｃ３は、リフト・作動角を小さくするために制御軸３を動かしたときの点Ｏ４の移動軌跡である。この図から理解できるように、この参考例では、移動軌跡を示す曲線Ｃ３は、最大反リフト側等揺動角線Ｃ２の内周側に大きく入り込む形となっている。

図５は、本実施例の可変動弁装置のリンク構成をいわゆるスケルトン図として示したものであり、円Ｃ１は、上記の最大リフト側等揺動角線である。さらに、円Ｃ１ａは、揺動角を１０°増加した姿勢での等揺動角線、円Ｃ１ｂは、揺動角を２０°増加した姿勢での等揺動角線、円Ｃ１ｃは、揺動角を３０°増加した姿勢での等揺動角線であって、これらは同様に幾何学的に求められる。また円Ｃ２は、上記の最大反リフト側等揺動角線であり、円Ｃ２ａは、揺動角を１０°増加した姿勢での等揺動角線、円Ｃ２ｂは、揺動角を２０°増加した姿勢での等揺動角線、円Ｃ２ｃは、揺動角を３０°増加した姿勢での等揺動角線である。

また、曲線Ｃ４は、本発明において、リフト・作動角を小さくするために制御軸３を動かしたときの点Ｏ４の移動軌跡である。最大作動角における点Ｏ４（図では点Ｏ４１として示す）と最小作動角における点Ｏ４（図では点Ｏ４２として示す）とを通る直線Ｌ１に対して、中間作動角における点Ｏ４（図では点Ｏ４４として示す）が図の右側の領域にあり、円Ｃ２からなるべく離れないように、点Ｏ４の移動軌跡が設定されている。つまり、点Ｏ４４における反リフト側への揺動角は、等揺動角線Ｃ２〜Ｃ２ｃによって示され、最大作動角時から殆ど増加しない。なお、本実施例では、点Ｏ４の移動軌跡は制御軸３の中心である点Ｏ３を中心とした円弧をなすので、制御軸３の中心Ｏ３は、直線Ｌ１よりも図の左下側（つまり点Ｏ１の側）に位置することになる。

従来例を示す曲線Ｃ３は、直線Ｌ１よりも図の左側を通り、中間作動角における点Ｏ４（図では点Ｏ４３として示す）が例えば等揺動角線Ｃ２ａよりも内周側となり、反リフト側への揺動角が大きなものとなる。

図６は、従来例である曲線Ｃ３の場合の揺動角の特性（ａ）と、本発明である曲線Ｃ４の場合の揺動角の特性（ｂ）とを対比して示したものである。ここで、横軸は、駆動軸１の３６０°の回転位置を示し、縦軸の揺動カム１２の揺動角は、反リフト側への揺動方向を正としている。そして、制御軸３を、最大作動角位置、中作動角位置、最小作動角位置、としたときの特性を示している。図示するように、本発明では、従来のものに比べて、最大作動角位置と最小作動角位置との間で、リフト側への揺動角変化を減少させることなく、反リフト側への揺動角変化を小さくすることができる。

なお、上記実施例では、制御軸３の回転運動であるため点Ｏ４の移動軌跡が円弧となるが、何らかのガイド機構によって点Ｏ４の移動軌跡を非円弧形に案内する構成であっても本発明は同様に適用できる。

図８は、さらに好ましい揺動角の特性の例であり、この例では、点Ｏ４を最小作動角位置から最大作動角位置へと変化させた場合にリフト側への揺動角は増加するのに対し、作動角を小さくしたときには反リフト側への揺動角が減少する特性となっている。従って、反リフト側への揺動による干渉の問題をより効果的に回避できる。図７は、このような特性を得るための点Ｏ４の移動軌跡を説明するものであり、円Ｃ１は、前述した最大リフト側等揺動角線、円Ｃ２は、同じく前述した最大反リフト側等揺動角線である。ここで、点Ｏ４の移動軌跡が曲線Ｃ１１として例示するように最大反リフト側等揺動角線Ｃ２の外周側でかつ最大リフト側等揺動角線Ｃ１の内周側（つまり領域Ｄ１）にあれば、図８のような特性が得られる。因みに、点Ｏ４の移動軌跡が最大反リフト側等揺動角線Ｃ２の内周側へ入ってくると、前述した図５の反リフト側等揺動角線Ｃ２ａ〜Ｃ２ｃから理解できるように、反リフト側への揺動角が増加する。なお、点Ｏ４の移動軌跡が曲線Ｃ１２として示すように最大反リフト側等揺動角線Ｃ２に沿っていれば、図９に示すように、点Ｏ４の位置つまり作動角の変化によらず、反リフト側への揺動角が一定となる。

図１０は、図７に示したような点Ｏ４の移動軌跡Ｃ１１を得るために必要な点Ｏ３（制御軸３の中心）の位置の条件を示しており、最大リフト側等揺動角線Ｃ１と最大反リフト側等揺動角線Ｃ２との２つの円の交点を交点Ａ，Ｂとしたときに、上記点Ｏ３が、点Ｏ５（点Ｏ６）と交点Ａ，Ｂとからなる三角形の領域内に位置すればよい。

次に、図１１〜図１３は、点Ｏ５（ロッカアーム７とリンクアーム６との連結点）と点Ｏ６（リンク部材１３とロッカアーム７との連結点）とが互いに異なる点となった第２実施例を示している。なお、ロッカアーム７の一方の揺動に対し、２つの点Ｏ５，Ｏ６が同じ方向に揺動する関係は上記の実施例と同じである。このような構成においても、本発明は同様に適用できる。

図１４は、本実施例の可変動弁装置のリンク構成をいわゆるスケルトン図として示したものであり、曲線Ｃ２１は、最大リフト側等揺動角線、曲線Ｃ２２は、最大反リフト側等揺動角線である。このような等揺動角線Ｃ２１，Ｃ２２に対し、点Ｏ４の移動軌跡は、曲線Ｃ２４として示すように、最大作動角における点Ｏ４（図では点Ｏ４１として示す）と最小作動角における点Ｏ４（図では点Ｏ４２として示す）とを通る直線Ｌ１に対して、中間作動角における点Ｏ４（図では点Ｏ４４として示す）が図の左下側の領域にあり、最大反リフト側等揺動角線Ｃ２２からなるべく離れないように、点Ｏ４の移動軌跡が設定されている。なお、本実施例では、点Ｏ４の移動軌跡は制御軸３の中心である点Ｏ３を中心とした円弧をなすので、制御軸３の中心Ｏ３は、直線Ｌ１よりも図の右上側（つまり点Ｏ１とは反対側）に位置することになる。

参考例の移動軌跡を示す曲線Ｃ２３は、直線Ｌ１よりも図の右上側を通り、中間作動角における点Ｏ４（図では点Ｏ４３として示す）が、最大反リフト側等揺動角線Ｃ２２よりも揺動角が大きな位置となるので、好ましくない。

図１５は、参考例である曲線Ｃ２３の場合の揺動角の特性（ａ）と、本発明である曲線Ｃ２４の場合の揺動角の特性（ｂ）とを対比して示したものである。ここで、横軸は、駆動軸１の３６０°の回転位置を示し、縦軸の揺動カム１２の揺動角は、反リフト側への揺動方向を正としている。そして、制御軸３を、最大作動角位置、中作動角位置、最小作動角位置、としたときの特性を示している。図示するように、本発明では、従来のものに比べて、最大作動角位置と最小作動角位置との間で、リフト側への揺動角変化を減少させることなく、反リフト側への揺動角変化を小さくすることができる。

なお、上記実施例では、制御軸３の回転運動であるため点Ｏ４の移動軌跡が円弧となるが、何らかのガイド機構によって点Ｏ４の移動軌跡を非円弧形に案内する構成であっても本発明は同様に適用できる。

上記実施例における最大リフト側等揺動角線Ｃ２１および最大反リフト側等揺動角線Ｃ２２は、単純に幾何学的に求めることができる。図１６は、その一例として、最大反リフト側等揺動角線Ｃ２２を求める際の手法を示しているが、ここでは、揺動カム１２が反リフト側へ最大に揺動したときのリンク姿勢を描き、各部材のリンク長が固定であることから、点Ｏ５が任意の点Ｏ５’まで移動したとすると、これに伴って移動する点Ｏ６および点Ｏ４の移動後の点Ｏ６’および点Ｏ４’が一義的に定まり、この点Ｏ４’の集合として、最大反リフト側等揺動角線Ｃ２２が求められる。同様に、リフト側へ最大に揺動したときのリンク姿勢から、最大リフト側等揺動角線Ｃ２１が求められる。

図１７は、図７と同様の説明図であって、点Ｏ４の移動軌跡Ｃ２４が最大反リフト側等揺動角線Ｃ２２と最大リフト側等揺動角線Ｃ２１とで挟まれた領域Ｄ２にあれば、図１８に示すように好ましい特性が得られる。

１…駆動軸
２…駆動偏心カム
３…制御軸
４…制御偏心カム
６…リンクアーム
７…ロッカアーム
１２…揺動カム
１３…リンク部材
Ｏ１…駆動軸１の回転中心および揺動カム１２の揺動中心
Ｏ２…駆動偏心カム２の中心
Ｏ３…制御軸３の中心
Ｏ４…ロッカアーム７の揺動中心
Ｏ５…ロッカアーム７とリンクアーム６との連結点
Ｏ６…リンク部材１３とロッカアーム７との連結点
Ｏ７…リンク部材１３と揺動カム１２との連結点

Claims (8)

1. 内燃機関本体に回転自在に支持され、かつ内燃機関の回転に同期して回転するとともに、駆動偏心カムを備えた駆動軸と、
   上記駆動偏心カムの外周に回転可能に嵌合したリンクアームと、
   揺動中心を有するとともに、上記リンクアームに連結され、該リンクアームにより揺動されるロッカアームと、
   上記駆動軸に回転自在に支持されるとともに、上記ロッカアームにリンク部材を介して連結され、該ロッカアームに伴って揺動することにより吸排気弁を押圧する揺動カムと、
   上記ロッカアームの揺動中心を所定の軌跡に沿って変位させる制御機構と、
   を備え、上記揺動中心の位置によって吸排気弁の作動角がリフトとともに増減変化するように構成された内燃機関の可変動弁装置であって、
   上記駆動軸の回転中心および上記揺動カムの揺動中心を点Ｏ１、
   上記駆動偏心カムの中心を点Ｏ２、
   上記ロッカアームの揺動中心を点Ｏ４、
   上記ロッカアームと上記リンクアームとの連結点を点Ｏ５、
   上記リンク部材と上記ロッカアームとの連結点を点Ｏ６、
   上記リンク部材と上記揺動カムとの連結点を点Ｏ７、としたときに、
   上記ロッカアームは、点Ｏ４から一方へ延びており、点Ｏ５および点Ｏ６が、吸排気弁に向かって上下の同じ方向へ揺動するとともに、
   点Ｏ７が点Ｏ１を挟んで揺動カムのカムプロフィルのリフト区間とは反対側に位置し、点Ｏ７が吸排気弁から離れる方向に動くと揺動カムが吸排気弁をリフトさせるように構成された可変動弁装置において、
   最大作動角における点Ｏ４と最小作動角における点Ｏ４とを通る直線Ｌ１に対して、中間作動角における点Ｏ４が、揺動カムの反リフト側への揺動角が相対的に小となる側に存在するように、上記点Ｏ４の移動軌跡が設定されていることを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
2. 上記制御機構は、点Ｏ３を中心として回転するように内燃機関本体に回転自在に支持された制御軸からなり、点Ｏ３から偏心して設けられた偏心軸上に、上記ロッカアームが揺動可能に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
3. 点Ｏ５と点Ｏ６とが互いに同一の点にあるとともに、上記点Ｏ３が、上記直線Ｌ１に対して、点Ｏ１と同じ側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
4. 点Ｏ５と点Ｏ６とが互いに異なる点にあるとともに、上記点Ｏ３が、上記直線Ｌ１に対して、点Ｏ１とは反対側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
5. 上記揺動カムは、有底円筒状のタペットの頂面に当接することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
6. 最大作動角から作動角を減少するように点Ｏ４が変位したときに、揺動カムのリフト側への揺動角が増加するとともに反リフト側への揺動角が減少するように、点Ｏ４の移動軌跡が設定されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の可変動弁装置。
7. 揺動カムがリフト側へ最大に揺動したときのロッカアームの姿勢において等揺動角となり得る点Ｏ４の集合からなる曲線を最大リフト側等揺動角線とし、揺動カムが反リフト側へ最大に揺動したときのロッカアームの姿勢において等揺動角となり得る点Ｏ４の集合からなる曲線を最大反リフト側等揺動角線としたときに、最大作動角から作動角を減少するように変位する点Ｏ４の移動軌跡が、最大反リフト側等揺動角線の外周側でかつ最大リフト側等揺動角線の内周側に位置することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の可変動弁装置。
8. 揺動カムがリフト側へ最大に揺動したときのロッカアームの姿勢において等揺動角となり得る点Ｏ４の集合からなる円を最大リフト側等揺動角線とし、揺動カムが反リフト側へ最大に揺動したときのロッカアームの姿勢において等揺動角となり得る点Ｏ４の集合からなる円を最大反リフト側等揺動角線とし、２つの円の交点を交点Ａ，Ｂとしたときに、上記点Ｏ３が、点Ｏ５（点Ｏ６）と交点Ａ，Ｂとからなる三角形の領域内に位置することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の可変動弁装置。

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