JP5533103B2 - 可変動弁機構 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の可変動弁機構に関する。

従来、内燃機関のバルブの作用角を可変とする可変動弁機構が開発されている。例えば、特許文献１には、バルブ１２を駆動するためのカム１４とバルブ１２との間に介在する揺動アーム１８を備えた可変動弁装置１０が開示されている。該可変動弁装置１０においては、揺動アーム１８は制御軸１６を中心に揺動可能に支持されており、揺動アーム１８はカム１４の回転に伴って揺動する。そして、制御軸１６を回転させることによって、カム４の回転に伴う揺動アーム１８の揺動範囲を変化させ、それによって、バルブ１２の作用角を変化させる。

また、特許文献２には、揺動カム６と、揺動カム６の揺動に伴って機械弁１８を駆動させるロッカーアーム１５とを備えた可変動弁装置が開示されている。該可変動弁装置においては、ロッカーアーム１５の支持部１９と弁接触部１７との間に揺動カム６と接触するカムフォロア部１６が設けられている。また、該カムフォロア部１６の支持部側の方が弁接触部側よりも曲率が大きくなっている。尚、上記の各符号は上記各公報における明細書に記載された符号である。

また、近年では、シリンダブロックとクランクケースとのうち一方を他方に対して相対移動させることで機械圧縮比を可変とする可変圧縮比機構と可変動弁機構とを備えた高膨張比内燃機関が開発されている。高膨張比内燃機関では、内燃機関の機関負荷が比較的低いときに、機械圧縮比を高くすると共に吸気バルブの閉弁時期を遅角することで有効圧縮比を低下させることにより膨脹比を高める高膨張比運転が行われる。

特開２００９−１０８７９７号公報 特開２００９−１３８６２３号公報

可変動弁機構によってバルブの作用角を大きくすると、バルブの最大リフト量が大きくなる。このとき、作用角の増加量に対して最大リフト量の増加量が大きい。そのため、作用角を増大させると、バルブ開閉時のバルブの加速度（又は減速度）が増大する。この場合、バルブを閉弁方向に付勢するバルブスプリングの張力が増大することになる。そのため、バルブを開弁する時のカムの駆動トルクが増加する。その結果、内燃機関の燃費の悪化を招く虞がある。

また、高膨張比内燃機関においては、機械圧縮比が高められた時に、吸気バルブの閉弁時期を遅角させるべく吸気バルブの作用角を増大させる。従って、吸気バルブの作用角を増大させた時の最大リフト量が大きいと、ピストン頂面のバルブリセスをより深くする必要が生じる。しかしながら、ピストン頂面のバルブリセスが深くなると、燃焼室のＳ／Ｖ比が増大するため、冷却損失が増大する。その結果、内燃機関の燃費の悪化を招く虞がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、可変動弁機構において、バルブの
作用角を増大させたときのバルブの最大リフト量の増加量を抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。

本発明では、上記課題を解決するために以下の手段を採用した。即ち、第一の発明に係る可変動弁機構は、
内燃機関のバルブの作用角を可変とする可変動弁機構であって、
前記バルブのバルブシャフトに一端が支持されたロッカーアームと、
前記バルブを駆動するためのカムと前記ロッカーアームとの間に介在し、制御軸を中心に揺動可能に支持されており、前記カムの回転に伴って揺動する揺動アームと、
前記ロッカーアームの中間部に回転自在に取り付けられており、前記揺動アームの前記ロッカーアーム側に形成されたロッカー側曲面に接触するように配置されたロッカーローラと、
前記揺動アームの前記ロッカー側曲面の反対側に形成されたカム側曲面と前記カムとの間に挟まれて回転可能に支持されている中間ローラと、
を備え、
前記揺動アームの揺動に伴って該揺動アームの前記ロッカー側曲面を前記ロッカーローラが移動することで、前記バルブが開閉駆動し、
前記揺動アームの前記カム側曲面を前記中間ローラが、前記制御軸側に移動することで前記バルブの作用角が増大し、前記揺動アームの先端側に移動することで前記バルブの作用角が減少する可変動弁機構において、
前記揺動アームの前記ロッカー側曲面における先端側であって前記バルブの作用角を大作用角側に制御したときに前記ロッカーローラが位置する部分が凹状に形成されていることを特徴とする。

揺動アームのロッカー側曲面を上記のような形状とすることで、バルブの作用角を増大させた時のバルブの最大リフト量の増加量を抑制することができる。

第二の発明に係る可変動弁機構は、
内燃機関のバルブの作用角を可変とする可変動弁機構であって、
前記バルブのバルブシャフトに一端が支持されたロッカーアームと、
前記バルブを駆動するためのカムと前記ロッカーアームとの間に介在し、制御軸を中心に揺動可能に支持されており、前記カムの回転に伴って揺動する揺動アームと、
前記ロッカーアームの中間部に回転自在に取り付けられており、前記揺動アームの前記ロッカーアーム側に形成されたロッカー側曲面に接触するように配置されたロッカーローラと、
前記揺動アームの前記ロッカー側曲面の反対側に形成されたカム側曲面と前記カムとの間に挟まれて回転可能に支持されている中間ローラと、
を備え、
前記揺動アームの揺動に伴って該揺動アームの前記ロッカー側曲面を前記ロッカーローラが移動することで、前記バルブが開閉駆動し、
前記揺動アームの前記カム側曲面を前記中間ローラが、前記制御軸側に移動することで前記バルブの作用角が増大し、前記揺動アームの先端側に移動することで前記バルブの作用角が減少する可変動弁機構において、
前記揺動アームの前記カム側曲面における前記制御軸側であって前記バルブの作用角を大作用角側に制御したときに前記中間ローラが位置する部分が弾性部材よって形成されていることを特徴とする。

揺動アームのカム側曲面を上記のように形成することで、バルブの作用角を増大させた時のバルブの最大リフト量の増加量を抑制することができる。

本発明においては、バルブの作用角を大きくするほど、揺動アームのカム側曲面における中間ローラの位置が制御軸により近い位置となる。また、本発明においては、前記弾性部材の厚さが大きいほど、バルブの最大リフト量の増加量を抑制することができる。そこで、前記弾性部材の厚さを、制御軸に近い部分ほど大きくしてもよい。

本発明によれば、バルブの作用角を増大させたときのバルブの最大リフト量の増加量を抑制することができる。

実施例１に係る可変動弁機構の概略構成を示す図である。 実施例１に係る可変動弁機構においてバルブの作用角を変更したときの動作を示す図である。 従来の可変動弁機構によってバルブの作用角を小作用角側に制御した時と大作用角側に制御した時とにおいて、バルブリフト量が最大リフト量となったときの様子を示す図である。図３（ａ）はバルブの作用角を小作用角側に制御した時を示しており、図３（ｂ）はバルブの作用角を大作用角側に制御した時を示している。 実施例１に係る揺動アームの形状を示す図である。 従来の可変動弁機構及び実施例１に係る可変動弁機構によってバルブの作用角を制御したときのバルブリフト量の変化とバルブ開閉時のバルブの加速度の変化を示す図である。図５（ａ）は従来の可変動弁機構を用いた場合を示しており、図５（ｂ）は実施例１に係る可変動弁機構を用いた場合を示している。 実施例２に係る揺動アームの概略構成を示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例１＞
本発明の実施例１について図１〜５に基づいて説明する。図１は、本実施例に係る可変動弁機構の概略構成を示す図である。

図１に示す可変動弁機構４０は、内燃機関のバルブ１４を駆動するものである。バルブ１４は、吸気バルブ又は排気バルブのいずれであってもよい。可変動弁機構４０は、内燃機関のクランク軸によって回転駆動されるカム軸１５に設けられたカム１６と、バルブ１４のバルブシャフト１４ａに一端が支持されたロッカーアーム３５を有している。可変動弁機構４０は、カム１６の回転運動とロッカーアーム３５の揺動運動との連動状態を連続的に変化させるように構成されている。

可変動弁機構４０は、さらに、カム軸１５と平行に配置された制御軸４１を有している。制御軸４１は、回転駆動可能に構成されている。また、図１に示すように、制御軸４１には、制御アーム４２及び揺動アーム５０が支持されている。制御アーム４２は、ボルト４３によって制御軸４１に固定されている。揺動アーム５０は、制御軸４１に揺動可能に支持されている。また、揺動アーム５０は、そのアーム状に伸びた部分がカム１６とロッカーアーム３５との間に位置するように設置されている。

制御アーム４２の一部は、制御軸４１の径方向に突出している。制御アーム４２の突出部には、中間アーム４４がピン４５によって取り付けられている。ピン４５は、制御軸４
１の中心から偏心した位置に配置されている。よって、中間アーム４４は、ピン４５を中心にして揺動するように構成されている。中間アーム４４の先端部には、後述する第一中間ローラ５２及び第二中間ローラ５３が回転可能に設けられている。

揺動アーム５０のカム１６に対向する側にはカム側曲面５０ａが形成されている。また、揺動アーム５０のカム側曲面５０ａの反対側にはロッカー側曲面５１が形成されている。ロッカー側曲面５１は、揺動アーム５０の揺動中心からの距離が一定となるように形成された非作用面５１ａと、非作用面５１ａから離れた位置ほど制御軸４１の軸中心からの距離が遠くなるように形成された作用面５１ｂとで構成されている。

カム側曲面５０ａとカム１６の周面との間には、同一軸中心の第一中間ローラ５２及び第二中間ローラ５３が配置されている。第一中間ローラ５２は、カム１６の周面と接触するように配置されている。第二中間ローラ５３は、揺動アーム５０のカム側曲面５０ａに接触するように配置されている。第一中間ローラ５２及び第二中間ローラ５３は、中間アーム４４の先端部に固定された連結軸５４によって回転自在に支持されている。中間アーム４４は、ピン４５を支点として揺動するので、第一中間ローラ５２及び第二中間ローラ５３もピン４５から一定距離を保ちつつ、カム１６の周面又はカム側曲面５０ａに沿って回転しながら揺動する。

また、揺動アーム５０には、バネ座５０ｂが形成されている。このバネ座５０ｂには、ロストモーションスプリング３８の一端が掛けられている。ロストモーションスプリング３８の他端は、内燃機関の静止部位に固定されている。ロストモーションスプリング３８は圧縮バネである。ロストモーションスプリング３８から受ける付勢力により、揺動アーム５０のカム側曲面５０ａが第二中間ローラ５３に押し当てられ、更に、第一中間ローラ５２がカム１６に押し当てられる。これにより、第一中間ローラ５２及び第二中間ローラ５３は、カム側曲面５０ａとカム１６の周面とに両側から挟み込まれた状態で位置決めされる。

揺動アーム５０の下方には、上記ロッカーアーム３５が配置されている。ロッカーアーム３５には、ロッカー側曲面５１に対向するようにロッカーローラ３６が設けられている。ロッカーローラ３６は、ロッカーアーム３５の中間部に回転自在に取り付けられている。上述したように、ロッカーアーム３５の一端は、バルブ１４のバルブシャフト１４ａによって支持されている。一方、ロッカーアーム３５の他端は、油圧式ラッシュアジャスタ３７に回転自在に支持されている。

バルブシャフト１４ａは、バルブスプリング１４ｂによって、閉弁方向、すなわち、ロッカーアーム３５を押し上げる方向に付勢されている。ロッカーローラ３６は、この付勢力と油圧式ラッシュアジャスタ３７の油圧によって揺動アーム５０のロッカー側曲面５１に押し当てられている。

本実施例に係る可変動弁機構４０によれば、カム１６の回転に伴って、カム１６の押圧力が第一中間ローラ５２及び第二中間ローラ５３を介してカム側曲面５０ａに伝達される。その結果、揺動アーム５０が揺動し、ロッカーローラ３６がロッカー側曲面５１を回転しながら移動する。そして、ロッカー側曲面５１とロッカーローラ３６との接点が非作用面５１ａから作用面５１ｂにまで及ぶと、ロッカーアーム３５が押し下げられ、バルブ１４が開弁する。

ここで、本実施例に係る可変動弁機構４０によってバルブ１４の作用角の変更するときの動作について図２に基づいて説明する。可変動弁機構４０において、制御軸４１の回転角度を変化させると、図２に示すように、カム側曲面５０ａ上における第二中間ローラ５
３の位置が変化し、リフト動作時の揺動アーム５０の揺動範囲が変化する。具体的には、制御軸４１を図２における反時計回り方向に回転させると、カム側曲面５０ａ上における第二中間ローラ５３の位置が揺動アーム５０の先端側（図２に示す小作用角位置側）に移動する。そうすると、カム１６の押圧力が伝達されることで揺動アーム５０が揺動動作を開始した後に、現実にロッカーアーム３５が押圧され始めるまでに要する揺動アーム５０の回転角度は、制御軸４１が図１における反時計回り方向に回転するほど大きくなる。つまり、制御軸４１を図１における反時計回り方向に回転させると、バルブ１４の開弁時におけるバルブ１４のリフト量が小さくなる。その結果、バルブ１４の作用角を減少させることができる。

逆に、制御軸４１を図２における時計回り方向に回転させると、カム側曲面５０ａ上における第二中間ローラ５３の位置が揺動アーム５０の制御軸４１側（図２に示す大作用角位置側）に移動する。これにより、バルブ１４の開弁時におけるバルブ１４のリフト量が大きくなる。その結果、バルブ１４の作用角を増大させることができる。尚、制御軸４１は電動モータ等を駆動源として回転させることができる。

（揺動アームの形状）
図３は、従来の可変動弁機構によってバルブの作用角を小作用角側に制御した時と大作用角側に制御した時とにおいて、バルブリフト量が最大リフト量となったときのそれぞれの様子を示す図である。該従来の可変動弁機構の構成は、揺動アームの一部の形状を除いて、上記した本実施例に係る可変動弁機構４０の構成と同一である。図３（ａ）はバルブの作用角を小作用角側に制御した時を示しており、図３（ｂ）はバルブの作用角を大作用角側に制御した時を示している。

図３（ｂ）に示すように、バルブの作用角を大作用角側に制御した時はバルブの最大リフト量が、バルブの作用角を小作用角側に制御した時のバルブの最大リフト量に比べて大きく増加する。そのため、バルブの作用角を増大させると、バルブ開閉時のバルブの加速度（又は減速度）が増大することになる。この場合、バルブを開弁する時に、バルブを閉弁方向に付勢するバルブスプリングの張力が増大することになるため、カム１６の駆動トルクが増加する。その結果、内燃機関の燃費の悪化を招く虞がある。また、該可変動弁機構を高膨張比内燃機関に適用した場合、バルブの最大リフト量が増大すると、ピストン頂面のバルブリセスをより深くする必要が生じる。しかしながら、バルブリセスをより深くすることによっても、冷却損失の増大に伴って、内燃機関の燃費の悪化を招く虞がある。

そこで、本実施例においては、バルブ１４の作用角を大作用角側に制御した時におけるバルブ１４の最大リフト量の増加量を抑制すべく、揺動アーム５０の形状を図４に示すような形状とした。つまり、本実施例に係る揺動アーム５０においては、そのロッカー側曲面５１の作用面５１ｂの先端側であってバルブ１４の作用角を大作用角側に制御したときにロッカーローラ３６が位置する部分５１ｄが凹状に形成されている。以下、該凹状の部分を凹状部５１ｄと称する。

尚、図４における破線は従来の揺動アームの形状を示している。この破線で示したように、従来の揺動アームの形状においても、そのロッカー側曲面の先端部が凹状になっている場合がある。しかしながら、この従来の揺動アームにおいて凹状になっている部分はバルブの作用角を大作用角側に制御した場合であってもロッカーローラが接触しない部分である。

図５は、従来の可変動弁機構及び本実施例に係る可変動弁機構４０によってバルブの作用角を制御したときのバルブリフト量の変化とバルブ開閉時のバルブの加速度の変化を示す図である。図５（ａ）は従来の可変動弁機構を用いた場合を示しており、図５（ｂ）は
本実施例に係る可変動弁機構４０を用いた場合を示している。

図５（ａ）及び（ｂ）における上段及び下段の横軸は内燃機関のクランクアングルを表している。図（ａ）及び（ｂ）における、上段の縦軸はバルブリフト量を表しており、下段の縦軸はバルブの加速度を表している。また、図５（ａ）及び（ｂ）において、実線はバルブの作用角を小作用角側に制御した場合を示しており、破線はバルブの作用角を大作用角側に制御した場合を示している。

本実施例に係る可変動弁機構４０によってバルブ１４の作用角を大作用角側に制御した場合、ロッカーローラ３６がロッカー側曲面５１の凹状部５１ｄに位置することで、その凹状の深さ分だけバルブ１４が上方に持ち上がることになる。そのため、図５に示すように、従来の可変動弁機構によってバルブの作用角を大作用角側に制御した場合に比べて、バルブの作用角の大きさは同等としつつ、バルブの最大リフト量が小さくなる。また、最大リフト量が小さくなった結果、バルブ開閉時のバルブの加速度（又は減速度）も小さくなる。

このように、本実施例に係る可変動弁機構４０によれば、バルブ１４の作用角を増大させたときのバルブ１４の最大リフト量の増加量を抑制することができる。従って、バルブ１４の作用角を大作用角側に制御したときにおけるバルブ開弁時のカム１６の駆動トルクの増加を抑制することができる。また、本実施例に係る可変動弁機構４０を高膨張比内燃機関に適用した場合においては、ピストン頂面のバルブリセスの深さを抑制することができる。これらの結果、内燃機関の燃費の悪化を抑制することができる。

尚、本実施例に係る可変動弁機構４０においては、揺動アーム５０のロッカー側曲面５１の凹状部５１ｄの深さによって、バルブ１４の作用角を大作用角側に制御したときのバルブ１４の最大リフト量が決まる。そこで、本実施例では、凹状部５１ｄの深さを、バルブ１４の作用角を大作用角側に制御したときのバルブ１４の最大リフト量が、バルブ１４の作用角を小作用角側に制御したときのバルブ１４の最大リフト量と同等以下となるような深さとするのが好ましい。

＜実施例２＞
本発明の実施例２について図６に基づいて説明する。尚、ここでは、実施例１と異なる点についてのみ説明する。

（揺動アームの構成）
図６は、本実施例に係る可変動弁機構４０の揺動アーム５０の概略構成を示す図である。本実施例に係る揺動アーム５０においては、そのカム側曲面５０ａにおける制御軸４１側であってバルブ１４の作用角を大作用角側に制御したときに第二中間ローラ５３が位置する部分が弾性部材５０ｄによって形成されている。また、図６に示すように、弾性部材５０ｄの厚さが、制御軸４１に近い部分ほど大きくなっている。

このように、カム側曲面５０ａを弾性部材５０ｄによって形成することで、カム１６の押圧力が第一中間ローラ５２及び第二中間ローラ５３を介してカム側曲面５０ａに伝達された際に、その押圧力が、弾性部材５０ｄが弾性変形することによって吸収される。そのため、揺動アーム５０の揺動量が減少する。その結果、バルブ１４のリフト量が減少することになる。

従って、本実施例に係る可変動弁機構４０によってバルブの作用角を大作用角側に制御した場合も、実施例１の場合と同様、従来の可変動弁機構によってバルブの作用角を大作用角側に制御した場合に比べて、バルブの作用角の大きさは同等としつつ、バルブの最大
リフト量が小さくなる。また、最大リフト量が小さくなった結果、バルブ開閉時のバルブの加速度（又は減速度）も小さくなる。

このように、本実施例に係る可変動弁機構４０によっても、バルブ１４の作用角を増大させたときのバルブ１４の最大リフト量の増加量を抑制することができる。そのため、上述した理由と同様の理由により、内燃機関の燃費の悪化を抑制することができる。

また、本実施例に係る可変動弁機構４０においては、バルブ１４の作用角を大きくするほど、揺動アーム５０のカム側曲面５０ａにおける第二中間ローラ５３の位置が制御軸４１により近い位置となる。ここで、上述したように、本実施例においては、弾性部材５０ｄの厚さは制御軸４１に近い部分ほど大きくなっている。弾性部材５０ｄの厚さが大きいほど、その弾性変形量が大きくなるため、カム１６の押圧力をより吸収することができる。つまり、弾性部材５０ｄの厚さが大きいほど、バルブ１４の最大リフト量を小さくできる。従って、弾性部材５０ｄを上記のような形状とすることで、バルブ１４の最大リフト量の増加量をより抑制することができる。

尚、上記実施例１と２とは組み合わせることができる。つまり、可変動弁機構の揺動アームにおいて、ロッカー側曲面に実施例１に係る凹状部を設けるとともに、カム側曲面に実施例２に係る弾性部材を設けてもよい。これによれば、バルブの作用角を大作用角側に制御したときのバルブの最大リフト量の増加量をより抑制することができる。

１４・・バルブ
１４ａ・・バルブシャフト
１４ｂ・・バルブスプリング
１６・・カム
３５・・ロッカーアーム
３６・・ロッカーローラ
４０・・可変動弁機構
４１・・制御軸
５０・・揺動アーム
５０ａ・・カム側曲面
５０ｄ・・弾性部材
５１・・ロッカー側曲面
５１ｄ・・凹状部
５２・・第一中間ローラ
５３・・第二中間ローラ

Claims (1)

1. 内燃機関のバルブの作用角を可変とする可変動弁機構であって、
   前記バルブのバルブシャフトに一端が支持されたロッカーアームと、
   前記バルブを駆動するためのカムと前記ロッカーアームとの間に介在し、制御軸を中心に揺動可能に支持されており、前記カムの回転に伴って揺動する揺動アームと、
   前記ロッカーアームの中間部に回転自在に取り付けられており、前記揺動アームの前記ロッカーアーム側に形成されたロッカー側曲面であって、前記揺動アームの揺動中心からの距離が一定となるように形成された非作用面と、前記非作用面から離れた位置ほど前記揺動中心からの距離が遠くなるように形成された作用面とを有する前記ロッカー側曲面に接触するように配置されたロッカーローラと、
   前記揺動アームの前記ロッカー側曲面の反対側に形成されたカム側曲面と前記カムとの間に挟まれて回転可能に支持されている中間ローラと、
   を備え、
   前記揺動アームの揺動に伴って該揺動アームの前記ロッカー側曲面を前記ロッカーローラが移動することで、前記バルブが開閉駆動し、
   前記揺動アームの前記カム側曲面を前記中間ローラが、前記制御軸側に移動することで前記バルブの作用角が増大し、前記揺動アームの先端側に移動することで前記バルブの作用角が減少する可変動弁機構において、
   前記揺動アームの前記ロッカー側曲面の前記作用面における先端側であって前記バルブの作用角を大作用角側に制御したときに前記ロッカーローラが位置する部分が、凹状であって、且つ、前記バルブの作用角を大作用角側に制御したときの前記バルブの最大リフト量が前記バルブの作用角を小作用角側に制御したときの前記バルブの最大リフト量と同等以下となるような深さを有する凹状部として形成されていることを特徴とする可変動弁機構。

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