JP5310467B2

JP5310467B2 - 動弁装置及びこれを備えた内燃機関

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Publication number: JP5310467B2
Application number: JP2009237624A
Authority: JP
Inventors: 幸作山内
Original assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Current assignee: Suzuki Motor Co Ltd
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2029-10-14
Also published as: JP2011085051A

Description

本発明は、自動二輪車あるいは自動車等における内燃機関において、アクセル開度に応じてバルブのリフト量、リフトタイミング及び作用角を可変制御する動弁装置に関するものである。

この種の動弁装置によれば、カムシャフトに支持された所謂、３次元カムを軸方向にスライドさせることにより、バルブリフト量が無段階に可変制御される。更に、少なくとも２気筒を並列配置した複数気筒の各気筒ごとにかかる動弁装置を有し、多気筒化に対応したものが知られている。

例えば特許文献１に記載のものでは並列２気筒エンジンにおいて、左右それぞれの気筒にこの種の動弁装置を備えている。また、多気筒エンジンの場合にはバルブ作動において気筒間の同調を図る必要があり、特許文献１に記載のものは一方の基準側カムに対して他方の調整側カムを位置調整する調整機構を備えている。

特開２００５−１４６８７３号公報

ところで、特許文献１に記載の連続可変動弁装置では、カムのスライド量を規制するストッパ構造もしくは機構について何ら考慮されていない。この場合、並列２気筒の気筒間においてカムシャフトに対する軸受部を持たない構造となっているため、所定量以上のカムスライドが生じた場合でもカムのオーバーストロークがある程度許容されてしまう。ところが、カムシャフトに対する中間軸受がないため、カムシャフトが捩れてしまい、そのままでは所望のバルブリフト特性が得られない場合がある。

本発明はかかる実情に鑑み、カムのスライド動作を的確に規制し、常に適正なバルブリフト特性を保証する動弁装置及びこれを備えた内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の動弁装置は、隣接気筒に跨って配置されたカムシャフトにスライド可能に装着された立体カムを、アクセルフォークを介してバルブリフタに対して移動させ、各気筒ごとにバルブのリフト特性を連続可変するようにした動弁装置であって、
前記隣接気筒間で前記カムシャフトを支持する中間軸受を有し、この中間軸受の軸方向両側に前記立体カムが当接し得るストッパを設けたことを特徴とする。

また、本発明の動弁装置において、前記ストッパは弾機部材により構成され、前記隣接気筒の一方側の前記立体カムが一方側の前記ストッパと、他方側の前記立体カムが他方側の前記ストッパとそれぞれ弾接することを特徴とする。

また、本発明の動弁装置において、前記ストッパは、その基部が前記中間軸受の内輪に面接触するように前記カムシャフトに係止されることを特徴とする。

また、本発明の動弁装置において、前記弾機部材は皿バネにより構成され、前記カムシャフトに形成した係合溝に係合する止め輪によって前記ストッパを係止するようにしたことを特徴とする。

また、本発明の動弁装置において、吸気側の前記カムシャフトにのみ前記ストッパが配設されることを特徴とする。

また、本発明の内燃機関は、吸気バルブ及び排気バルブにより吸排気を制御するようにした内燃機関であって、吸気側又は排気側に上記いずれかの動弁装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、隣接し合う気筒間位置で中間軸受の両側に、各気筒のカムがそのスライドストローク端で当接し得るストッパを設け、カムの往復動時にオーバーストロークするのを有効に抑制することができる。これにより装置作動上、適正且つ高い安全性を確保することができる。

また、特にアクセル全閉あるいは全開付近の応答速度を、最大スラスト及び速度に設定可能になり、アクセル全開時には加速度感を向上させることができると共に、全閉時にはエンジンブレーキ効果を高めることができる。更には、ストッパとしての皿バネの基部を中間軸受の内輪に面接触させて配置することにより、カムシャフトに対する中間軸受の軸方向位置を正確に設定することができる等々の効果が得られる。

本発明の適用例に係るエンジンまわりを含む自動二輪車の全体構成例を示す図である。本発明の実施形態における動弁装置の平面図である。本発明の実施形態における動弁装置の要部構成を示す断面図である。図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。本発明の動弁装置に係るクランクシャフト駆動系を示す図である。本発明の動弁装置に係るアクセルモータ及びアクセルシャフトの結合関係を示す図である。本発明に係るタペットローラまわりを示す平面図及び図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。本発明に係る中間軸受まわりを示す部分拡大図である。

以下、図面に基づき、本発明による本発明による動弁装置及びこれを備えた内燃機関の好適な実施の形態を説明する。
本発明による動弁装置は、自動二輪車あるいは四輪自動車に搭載される各種のガソリンエンジンに対して有効に適用可能であり、この実施形態では例えば図１に示すように自動二輪車のエンジンの例とする。

ここで先ず、本実施形態に係る自動二輪車１００の全体構成を説明する。図１において鋼製或いはアルミニウム合金材でなる車体フレーム１０１の前部には、ステアリングヘッドパイプ１０２によって左右に回動可能に支持された左右２本のフロントフォーク１０３が設けられる。フロントフォーク１０３の上端にはハンドルバー１０４が固定され、ハンドルバー１０４の両端にグリップ１０５を有する。フロントフォーク１０３の下部には前輪１０６が回転可能に支持されると共に、前輪１０６上部を覆うようにフロントフェンダ１０７が固定される。前輪１０６は、前輪１０６と一体回転するブレーキディスク１０８を有している。

車体フレーム１０１の後部にはスイングアーム１０９が揺動可能に設けられると共に、車体フレーム１０１とスイングアーム１０９の間にリヤショックアブソーバ１１０が装架される。スイングアーム１０９の後端には後輪１１１が回転可能に支持され、後輪１１１はチェーン１１２が巻回されたドリブンスプロケット１１３を介して、回転駆動されるようになっている。

車体フレーム１０１に搭載されたエンジンユニット１(実線部)には、エアクリーナ１１４に結合する吸気管１１５から混合気が供給されると共に、燃焼後の排気ガスが排気管１１６を通って排気される。エアクリーナ１１４は容量確保のためにエンジンユニット１の後方、かつ燃料タンク１１７及びシート１１８の下方にある大きなスペース内に設置される。そのため吸気管１１５はエンジンユニット１の後部側に結合させ、排気管１１６はエンジンユニット１の前部側に結合される。また、エンジンユニット１の上方には、燃料タンク１１７が搭載され、燃料タンク１１７の後方にシート１１８及びシートカウル１１９が連設される。

ここで、エンジンユニット１におけるシリンダヘッド２乃至シリンダヘッドカバー２ａの所定部位には、後述するアクセルモータ４４が装着される。アクセルモータ４４は、例えばシリンダヘッドカバー２ａの側部に突設されるが、燃料タンク１１７やその他エンジン周辺の部品もしくは部材と相互に干渉しないように配置される。

更に図１において、１２０はヘッドランプ、１２１はスピードメータ、タコメータ或いは各種インジケータランプ等を含むメータユニット、１２２はステー１２３を介してハンドルバー１０４に支持されるバックミラーである。また、車体フレーム１０１の下部にはメインスタンド１２４が揺動自在に取付けられ、後輪１１１を接地させたり地面から浮かせたりできる。車体フレーム１０１は、前部に設けたヘッドパイプ１０２から後斜め下方へ向けて延設され、エンジンユニット１の下方を包むように湾曲した後、スイングアーム１０９の軸支部であるピボット１０９ａを形成してタンクレール１０１ａ及びシートレール１０１ｂに連結している。

この車体フレーム１０１には、フロントフェンダ１０７との干渉を避けるべく車体フレームと平行にラジエータ１２５が設けられると共に、このラジエータ１２５から車体フレーム１０１に沿って冷却水ホース１２６が配設され、排気管１１６と干渉することなくエンジンユニット１に連通している。

次に、図２はこの実施形態における動弁装置を示す平面図、図３は動弁装置の要部構成を示す断面図、図４は図３のＡ−Ａ線に沿う断面図である。内燃機関であるエンジンユニット１のシリンダ内でピストンが上下に往復動すると共に、ピストンの上部に配置されたシリンダヘッド２内に動弁装置が収容される。本実施形態で説明するエンジンユニット１は例えば並列２気筒（車幅方向）エンジンであって、各気筒において吸気側（ＩＮ）及び排気側（ＥＸ）にそれぞれ２つのバルブを有する。

本実施形態の動弁装置は、吸気側においてカム／カムシャフトユニット１０と、カム／カムシャフトユニット１０の下側に配置されるバルブリフタユニット（もしくはタペットユニット）２０と、吸気制御するバルブユニット３０とを含む。また、排気側においてカム／カムシャフトユニット１０_EXと、カム／カムシャフトユニット１０_EXの下側に配置されるタペットユニット２０_EXと、排気制御するバルブユニット３０_EXとを含む。

更に、アクセル開度に応じてカム／カムシャフトユニット１０，１０_EXのカム１３，１３_EXを変位させるアクセルシャフトユニット４０を含むが、この実施形態では吸気側のカム／カムシャフトユニット１０と排気側のカム／カムシャフトユニット１０_EXとの間に配置され、吸気側及び排気側で共用される。また、２気筒に対して単一のアクセルシャフトが使用される。

吸気側のカム／カムシャフトユニット１０において、図２に示すようにシリンダヘッド２内でベアリング１２（軸受）を介して回転自在に支持されるカムシャフト１１を備え、この例ではカムシャフト１１は２気筒にまたがって延設される。ここで、本発明ではカムシャフト１１は、その両端のベアリング１２Ａ，１２Ｂとそれらの間に配置されたベアリング１２Ｃ（中間軸受）とによって支持されるが、特に中間軸受の具体的構成については後述するものとする。カムシャフト１１の一端にはスプロケット１５が固着し、排気側のカムシャフト１１_Exの一端にも同様なスプロケット１５_Exが固着しており、図５に示したようにこれらのスプロケット１５，１５_Exとクランクシャフト（図示せず）の一端に固着するドライブスプロケット３との間には、カムチェーン４が巻回装架される。なお、図５に示されるようにチェーンガイド５、チェーンテンショナ６及びテンショナアジャスタ７等を含み、これらによりカムチェーン４が適正走行するようになっている。

カムシャフト１１にはその軸方向にカム１３がスライド可能に装着される。この例ではカムシャフト１１とカム１３との間にキー１４が介在し、カム１３とカムシャフト１１の相対回転が規制されると共に、カム１３がカムシャフト１１に沿って直線運動（リニアモーション）するようになっている。なお、カムシャフト１１は概して中空構造を有し、その中空内部が潤滑油路となってカム１３の内径部等に注油することができる。

ここで、カム１３は「３次元カム」として構成され、長手方向（カムシャフト１１の軸方向）に傾斜するカム面１３ａを有し、バルブリフト量を連続的に変化させる形状とされる。この場合、カム高さと同時にカム作用角及びリフトタイミングも変化し、即ちバルブリフト量が大きくなるのに従ってカム作用角も大きくなり、更にはバルブのリフトタイミングも変化させ得るように設定される。

なお、排気側のカム／カムシャフトユニット１０_EXは、図２あるいは図３に示すように吸気側のカム／カムシャフトユニット１０と基本構成が同様であるが、カム１３_EXの具体的な諸元についてはカム１３と異なる。

吸気側のバルブリフタユニット２０において、図４に示すように外周面が略球状面とされたローラータペット２１を備え、その外周面がカム１３に接触する。ローラータペット２１内にはアーム２２が配置される。ローラータペット２１の内周面は球状面とされており、この内周面とアーム２２中央の大径部との間にボール２４が介在する。従って、ボール２４を介してローラータペット２１が回転可能に支持されると共に、アーム２２が揺動可能である。アーム２２がローラータペット２１に対して傾いたときにも、ローラータペット２１を正常回転可能とする調芯機能を発揮する。

アーム２２を覆うようにタペットガイド２３が配置される。タペットガイド２３は、正面方向（図３）から見ると逆凹形状部分を有し、図４に示すようにその両端開口からアーム２２の両端部が突出する。タペットガイド２３は、取付ボルト２５（図７（ａ）参照）によってシリンダヘッド２に固定される。

また、タペットガイド２３にはガイド孔２３ａ（図３参照）が形成されており、このガイド孔２３ａの内側にローラータペット２１が配置される。ガイド孔２３ａはバルブステムの軸方向に沿って形成され、これによりローラータペット２１がバルブステムの軸方向にのみ移動可能となる。ローラータペット２１がカム１３のカム面１３ａに押圧されることにより、バルブを進退させるバルブリフタとして機能する。アーム２２の両端部には、後述するバルブユニットのタペットシムに当接する押圧部が設けられる。なお、この押圧部は図４に示されるように、アジャストスクリュ２６の先端（下端）によって構成される。

排気側のタペットユニット２０_EXは、吸気側のタペットユニット２０と基本構成が同様である。

吸気側のバルブユニット３０において、図３及び図４に示されるようにバルブステム３１ａがバルブガイド３２によってガイドされる２つの吸気バルブ３１を備える。吸気バルブ３１がリフトすることにより、吸気ポート３３を介してエアクリーナ１１４（図１）から導かれる空気と吸気ポート３３の下流側に配置されるインジェクタ（図示せず）から噴霧される燃料との混合気が各気筒の燃焼室に導入される。

各バルブステム３１ａの端部にはコッタ３４を介してバルブリテーナ３５が設けられ、バルブリテーナ３５にはバルブシート３６との間に装着されたバルブスプリング３７の弾性力が作用する。更にバルブステム３１ａの上端が、前述したアーム２２の押圧部により押圧される。

なお、排気側のバルブユニット３０_EXは、図３に示されるように吸気側のバルブユニット３０と基本構成が同様である。この場合、シリンダ内の燃焼ガスは排気ポート３３_EXを介して、排気管１１６を通って排出される。

次ぎにアクセルシャフトユニット４０において、図２あるいは図３に示すようにカムシャフト１１及び１１_EX間に平行に配置されたアクセルシャフト４１と、アクセルシャフト４１に支持されると共にカム１３，１３_EXに連結するアクセルフォーク４２とを備える。アクセルシャフト４１は軸方向にスライド可能に支持され、一端側で送りネジ４１ａを介してドリブンギヤ４３（べベルギヤ）と螺合する。ドリブンギヤ４３はシリンダヘッド２に回転自在に支持され、図６のようにアクセルモータ４４（図１参照）の出力軸に固着するドライブギヤ４５（べベルギヤ）と噛合する。従って、アクセルモータ４４の作動でアクセルシャフト４１が軸方向に所望量スライド移動させることができる。

２つのアクセルフォーク４２は、アクセルシャフト４１と直交方向にカムシャフト１１，１１_EX側へ延出し、それら両側に二股状の先端部を有する。また、カム１３，１３_EXの端部には、ベアリング４６，４６_EXを介して回転自在に装着されたフォークガイド４７，４７_EXを備える。アクセルフォーク４２の二股状の各先端は、フォークガイド４７，４７_EXの係合溝に係合する。これによりアクセルシャフト４１がその軸方向にスライドするのに連動もしくは同期して、カム１３，１３_EXがカムシャフト１１，１１_EXに沿ってそれぞれスライドする。

なお、アクセルシャフト４１の一端側に設けた送りネジ４１ａは、好適にはボールネジにより構成される。また、ドライブギヤ４５及びドリブンギヤ４３は図示例ではベベルギヤにより構成されるが、その他に平歯車等により構成することもできる。

さて、前述したようにこの実施形態では並列２気筒エンジンとし、図４（及び図２）に示されるようにそれら隣接し合う気筒間位置でカムシャフト１１は、中間軸受としてのベアリング１２Ｃによって支持される。この例ではベアリング１２Ｃはラジアルボール軸受とし、内輪１２ａ、外輪１２ｂ及びボール１２ｃを有する（後述する図８参照）。そして、本発明では特に中間軸受１２Ｃの軸方向両側には、カム１３が当接し得るストッパ１６を設けている。

ここで、図８はベアリング１２Ｃまわりの構成例を示している。図示のようにベアリング１２Ｃの両側に一対のストッパ１６が配設される。ストッパ１６は弾機部材により構成されるが、この例では特に弾機部材として皿バネ１７が用いられる。この場合、ストッパ１６としての皿バネ１７の基部１７ａが、図８に示されるように中間軸受であるベアリング１２Ｃの内輪１２ａに面接触するようになっている。皿バネ１７の基部１７ａはその小径部として、平坦な円板状に形成されており、ベアリング１２Ｃの内輪１２ａの側面に面接触する。

皿バネ１７の基部１７ａをベアリング１２Ｃの内輪１２ａに対して的確に面接触させるために、皿バネ１７は止め輪１８によってカムシャフト１３に対して係止される。この例では止め輪１８としてＣリングを用いるが、この他Ｅリング等であってもよい。これらの場合、カムシャフト１３の外周部に係合溝１９を形成し、止め輪１８が係合溝１９に係合する。このように係止される皿バネ１７の外周部（大径部）１７ｂは、ベアリング１２Ｃの内輪１２ａから反り返るように延出し、カムシャフト１３の軸方向に適度に突出する。

上記の場合、ストッパ１６は本実施形態において吸気側のカムシャフト１３にのみ配設される。

上記構成の動弁装置においてアクセルグリップ（もしくはアクセルペダル）を操作すると、アクセルモータ４４が作動し、アクセルモータ４４の出力軸の回転によってドリブンギヤ４３を介してアクセルシャフト４１がスライドする。各気筒において、カム１３，１３_EXはアクセルフォーク４２を介してアクセルシャフト４１の動きに連動してカムシャフト１１，１１_EXに沿ってスライドする。この実施形態では吸気側においてアクセル開度に応じてバルブリフト量及び作用角を無段階可変制御する。

これによりアイドル回転域から全開域まで吸排気量を好適にコントロールし、エンジン回転数（又は車両速度）に最も適した吸排気を行うことができる。例えばエンジン低速時（アイドリング回転）にはローラータペット２１はカム１３のカム面１３ａに対してカム高さの比較的低い部位に当接する（図４の状態）。この状態で加速、即ちアクセルを開くと、アクセルモータ４４の作動によりドリブンギヤ４３が回転して、アクセルシャフト４１がスライドする。カム１３はアクセルフォーク４２を介して、アクセルシャフト４１の動きに連動してカムシャフト１１に沿って図２の二点鎖線のようにスライドし、カム１３のスライドによりローラータペット２１は次第にカム高さの比較的高い部位に当接し、バルブリフト量が増大する。一方、減速時にはアクセルを戻すことで、上記とは逆の動作でバルブリフト量を減少させる。

カム１３は、上記のようにカムシャフト１１に沿って往復動するが、アクセル全閉、即ちバルブ最小リフト時には図２（及び図８）を参照して、左側気筒のカム１３（の右側端面）が実線で示されるようにベアリング１２Ｃ左側のストッパ１６に当接する。一方、アクセル全開、即ちバルブ最大リフト時には右側気筒のカム１３（の左側端面）が二点鎖線のようにベアリング１２Ｃ右側のストッパ１６に当接する。このように各カム１３の右側又は左側端面が皿バネ１７の外周部（大径部）１７ｂに弾接するように、即ち皿バネ１７の弾性変形範囲内で当接する。

このように隣接し合う気筒間位置で中間軸受１２Ｃの両側に、それぞれのカム１３がそのスライドストローク端で当接し得るストッパ１６を設けることにより、カム１３の往復動時にオーバーストロークするのを有効に抑制することができる。そして、これによりアクセル全閉あるいは全開付近の応答速度を、それらの中間領域と実質的に同様に最大スラスト及び速度に設定可能になる。例えばアクセル全開時には加速度感を向上させることができ、全閉時にはエンジンブレーキ効果を高めることができる。

なお、本実施形態においてアクセルシャフト４１の一端側に設ける送りネジ４１ａとして、ボールネジの他に台形ネジを用いることも可能であるが、そのままではカム１３のスライドストローク端でアクセルシャフト４１の所謂食い付きもしくはロック現象等が発生する可能性がある。本発明では上記のように中間軸受１２Ｃの両側にストッパ１６を設けることで、かかる台形ネジの食い付き等を効果的に防止することができる。装置作動上、適正且つ高い安全性を確保することができる。

また、皿バネ１７の小径部である基部１７ａを中間軸受であるベアリング１２Ｃの内輪１２ａに面接触させて配置することにより、カムシャフト１１に対する中間軸受の軸方向位置を正確に設定することができる。そして、この結果、中間軸受の外輪１２ｂとカムハウジングとの間にノックピン等を設けることなく、中間軸受を位置決め固定することができる。なお、カムシャフト１１はその両端のベアリング１２Ａ，１２Ｂにより、シリンダヘッド２に対して軸方向位置が固定されるため、カムシャフト１１を介して中間軸受が間接的に位置決めされる。
また、上述のように皿バネ１７の小径部にてベアリング１２Ｃの内輪１２ａに面接触させて両側から挟持することで、中間軸受の位置精度を大幅に向上させることができる。

更に、吸気側だけでなく排気側においてもストッパ１６を設けことも可能であり、両側に配置することで、倒れ誤差があった場合でも確実な効果が得られる。この場合、バルブリフト時に発生するカムロブ側のスライド力は、カム山傾斜角が小さくなる排気側では無視し得る程度に極めて小さい。従って、カム山傾斜角が大きく、それに応じてスラスト力も大きくなる吸気側のみ設ければ実質的に十分な効果が得られ、結果的にはコストダウンを図ることができる。

以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
上記実施形態においてアクセルシャフト４１の一端側の送りネジ４１ａとして台形ネジ等を用いることも可能であるが、その場合その送りネジのリード（傾斜角）をその材質の摩擦係数よりも大きく設定する。カムのスライド移動端で送りネジ４１ａの螺合状態にロックが発生するのを防止することができる。

本実施形態では２気筒エンジンの場合について説明したが、３気筒以上の複数気筒において本発明を同様に適用することができる。
また、本実施形態では３次元もしくは立体カムの例で説明したが、その他一般的な連続可変バルブリフト機構に適用することも可能である。

１エンジンユニット、２シリンダヘッド、３ドライブスプロケット、４カムチェーン、５チェーンガイド、６チェーンテンショナ、７テンショナアジャスタ、１０カム／カムシャフトユニット、１１カムシャフト、１３カム、１５スプロケット、２０バルブリフタユニット、２１ローラータペット、２２アーム、２３タペットガイド、３０バルブユニット、３１吸気バルブ、３２バルブガイド、３５バルブリテーナ、３７バルブスプリング、４０アクセルシャフトユニット、４１アクセルシャフト、４２アクセルフォーク、４４アクセルモータ、１００自動二輪車。

Claims

隣接気筒に跨って配置されたカムシャフトにスライド可能に装着された立体カムを、アクセルフォークを介してバルブリフタに対して移動させ、各気筒ごとにバルブのリフト特性を連続可変するようにした動弁装置であって、
前記隣接気筒間で前記カムシャフトを支持する中間軸受を有し、この中間軸受の軸方向両側に前記立体カムが当接し得るストッパを設けたことを特徴とする動弁装置。
前記ストッパは弾機部材により構成され、前記隣接気筒の一方側の前記立体カムが一方側の前記ストッパと、他方側の前記立体カムが他方側の前記ストッパとそれぞれ弾接することを特徴とする請求項１に記載の動弁装置。
前記ストッパは、その基部が前記中間軸受の内輪に面接触するように前記カムシャフトに係止されることを特徴とする請求項１又は２に記載の動弁装置。
前記弾機部材は皿バネにより構成され、前記カムシャフトに形成した係合溝に係合する止め輪によって前記ストッパを係止するようにした請求項２又は３に記載の動弁装置。
吸気側の前記カムシャフトにのみ前記ストッパが配設されることを特徴とする請求項１〜４のいずか１項に記載の動弁装置。
吸気バルブ及び排気バルブにより吸排気を制御するようにした内燃機関であって、
吸気側又は排気側に請求項１〜５のいずれか１項に記載の動弁装置を備えたことを特徴とする内燃機関。