JP5577733B2

JP5577733B2 - 可変動弁機構の油圧ダンピング構造

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Publication number: JP5577733B2
Application number: JP2010032754A
Authority: JP
Inventors: 亮北畠; 明彦港; 武志徳丸
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2014-08-27
Anticipated expiration: 2030-02-17
Also published as: JP2011169206A

Description

本発明は、エンジンバルブの開弁時期又は閉弁時期を変更することができる可変動弁機構に適用され、エンジンバルブをダンピングするための油圧ダンピング構造に関する。

従来のカム駆動動弁機構に対し、エンジンバルブ又はブリッジと連結されたピストンを付与し、更にピストンに連なる油圧制御機構を付加することで、従来のカムによる動作に加えてエンジンバルブの閉弁時期を任意に遅延することができる可変動弁機構が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、カムによるバルブ駆動を廃止し、カムに代えてエンジンバルブを油圧駆動とする、所謂カムレス方式の可変動弁機構も提案されている（例えば、特許文献２、３参照）。

特開２００７−３０３４３８号公報特許第３９５２８４５号公報特許第４３２１４４８号公報

ところで、可変動弁機構の部品の長寿命化を図ると共に可変動弁機構の作動時（特に、エンジンバルブ着座時）の静粛性を確保するために、エンジンバルブをダンピングするためのオイルダンパ（油圧ダンピング構造）を可変動弁機構に設けることが好ましい。

しかしながら、一般的なオイルダンパは特に作動油の温度変化による粘度変化の影響により、ダンピング性能を広い温度範囲で確保することが難しい。特に、エンジンオイルのように作動油の温度変化による粘度変化の影響が大きい場合、一部の温度帯でしかダンピング機能を得ることができず、エンジンバルブがダンピングしない若しくはバウンスを起こす虞がある。

例えば、特開平５−７９５２８号公報の図１に記載のオイルダンパによれば（以下の括弧内の符号は特開平５−７９５２８号公報の図１に示されている符号を示す）、流体室〔３０〕に充填される流体の熱による体積変動に応じてロッド（調節部材）〔２５〕が作動することにより、第１室〔５〕と第２室〔６〕とを連通するオリフィス〔２３〕の開度が変化することで、作動油の温度によらず安定したダンピングを行うことができる。しかし、流体室〔３０〕内の流体の体積膨張により移動するロッド〔２５〕が第３室〔１８〕内の作動油が高圧になる場合正常に作動できるかが問題となる。また、新たに作動油を充填する流体室〔３０〕を追加しなければならず装置の大型化につながり、かつ部品点数の増加につながる。

そこで、本発明の目的は、装置の大型化や部品点数の増加を招くことなく、作動油の温度に依存することなく適切なダンピング効果を得ることにある。

上記目的を達成するために、本発明は、内燃機関の吸気弁又は排気弁をなすエンジンバルブと、該エンジンバルブを閉弁方向に付勢するスプリングと、該スプリングの付勢力に抗して前記エンジンバルブを開弁方向に押圧するカムと、前記エンジンバルブと連結されたピストンと、該ピストンが摺動可能に挿入されるピストン挿入孔を有する制御室と、該制御室の作動油の導入・排出を制御することで前記エンジンバルブの閉弁時期を制御する油圧制御機構とを備えた可変動弁機構の油圧ダンピング構造において、前記制御室が、前記ピストン挿入孔の長手方向中間部の側方につなげて形成された側方空間部を有すると共に、該側方空間部よりピストン先端側の前記ピストン挿入孔に形成され前記ピストンの先端が進入可能なダンピング室を有し、該ダンピング室には、前記油圧制御機構の油圧導入ラインが接続され、前記側方空間部には、前記油圧制御機構の油圧排出ラインが接続され、前記ピストン先端の前記側方空間部に臨む角部には、前記ダンピング室及び前記側方空間部の境界と前記ピストン先端との間にオリフィスを形成するための切り欠きが設けられ、前記ピストンが、前記制御室を構成する材料よりも線膨張係数が大きな材料で形成され作動油の高温時と低温時とでオリフィスの有効流路面積を変更するものである。

前記ピストンはアルミニウムからなり、前記制御室を構成する材料は鉄系材料又はステンレスからなるのが好ましい。

本発明によれば、装置の大型化や部品点数の増加を招くことなく、作動油の温度に依存することなく適切なダンピング効果を得ることができるという優れた効果を奏する。

図１（ａ）は本発明の一実施形態に係る油圧ダンピング構造が適用される可変動弁機構の概略図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の要部拡大図である。図２は、図１（ｂ）のII−II線断面図である。図３は、ピストン位置に対するオリフィス有効流路面積を示すグラフである。図４（ａ）は本発明の一実施形態に係る油圧ダンピング構造が適用される可変動弁機構におけるバルブリフトを示すグラフであり、図４（ｂ）は本発明の一実施形態に係る油圧ダンピング構造が適用される可変動弁機構におけるエンジンバルブベロシティ（速度）を示すグラフである。図５（ａ）は高温側でオリフィスを最適化した比較例におけるエンジンバルブリフトを示す図であり、図５（ｂ）は低温側でオリフィスを最適化した比較例におけるエンジンバルブリフトを示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示すように、本実施形態に係る油圧ダンピング構造が適用される可変動弁機構１０は、通常のカム駆動動弁系に対し、ブリッジ１１又はエンジンバルブ（バルブ）１２と連結されたピストン１３を付与し、更にピストン１３に連なる油圧制御系（油圧制御機構）１４を付加した内燃機関用可変動弁機構である。

具体的には、本実施形態の可変動弁機構１０は、内燃機関の吸気弁又は排気弁をなすエンジンバルブ（本実施形態では、吸気弁）１２と、エンジンバルブ１２を閉弁方向（図１（ａ）中の上方向）に付勢するスプリング１５と、スプリング１５の付勢力に抗してエンジンバルブ１２を開弁方向（図１（ａ）中の下方向）に押圧するカム１６とを備えている。なお、図１（ａ）はエンジンバルブ１２が全開である状態を示し、図２（ｂ）はエンジンバルブ１２が全閉である状態を示す。

エンジンバルブ１２は、バルブステム１７にてシリンダヘッド１８に昇降可能に支持されている。エンジンバルブ１２には、リテーナ１９が取り付けられており、リテーナ１９とシリンダヘッド１８の間に、スプリング１５が圧縮状態で配設されている。エンジンバルブ１２には、略Ｔ字形状のブリッジ１１が取り付けられており、ブリッジ１１の上部に、ロッカーアーム２０が係合されている。ブリッジ１１は、シリンダヘッド１８に固定されたガイドピン２１に昇降可能に支持されている。

カム１６は、ロッカーアーム２０を介してエンジンバルブ１２を押圧するようになっている。つまり、エンジンバルブ１２は、ロッカーアーム２０を介してカム１６により押圧されるようになっている。

本実施形態の可変動弁機構１０は、エンジンバルブ１２と連結されたピストン１３と、ピストン１３が摺動可能に挿入されるピストン挿入孔２２を有する制御室２３とを備えている。

制御室２３は、ハウジング２４内に形成されたピストン挿入孔２２と、ピストン挿入孔２２の長手方向中間部側方につなげて形成された側方空間部２５と、ピストン挿入孔２２に挿入されたピストン１３とにより区画形成されている。図示省略しているが、ハウジング２４は、シリンダヘッド１８に固定されている。

また、本実施形態では、ピストン１３先端（上端）の角部に切り欠き２６を設けると共に、制御室２３内にピストン１３先端が進入可能なダンピング室２７を形成している。本実施形態では、ピストン挿入孔２２の長手方向中間部側方につなげて側方空間部２５を形成することにより、ピストン挿入孔２２上部をダンピング室２７として用いる。また、ピストン１３における切り欠き２６が設けられた部分の上面は上方に僅かに凸となっている。

本実施形態の可変動弁機構１０は、制御室２３への作動油（本実施形態では、エンジンオイル）の導入及び制御室２３からの作動油の排出を制御することでエンジンバルブ１２の閉弁時期を制御する油圧制御機構１４を備えている。

制御機構１４は、導入ライン２８及び排出ライン２９を介して制御室２３に接続された作動油タンク３０と、導入ライン２８に設けられ、作動油タンク３０の作動油を制御室２３に導入するための第一の作動弁３１と、排出ライン２９に設けられ、制御室２３内の作動油を作動油タンク３０へと排出するための第二の作動弁３２とを有している。

第一の作動弁３１は、チェック弁からなる。チェック弁３１は、作動油タンク３０側から制御室２３側への作動油の流通を許容し、制御室２３側から作動油タンク３０側への作動油の流通を阻止するものである。チェック弁３１は、制御室２３の圧力が負圧となると自ずと開弁され、開弁時に作動油タンク３０の作動油を導入ライン２８を介して制御室２３に供給することを可能とする。

第二の作動弁３２は、電磁式の逃がし弁からなる。逃がし弁３２は、コントローラ３３によって開閉が制御され、開弁時に制御室２３内の作動油を排出ライン２９を介して作動油タンク３０に排出することを可能とする。本実施形態の逃がし弁３２はノーマルオープン型のものであるが、逃がし弁３２はノーマルクローズ型のものであっても良い。

次に、本実施形態の可変動弁機構１０の作動を説明する。

エンジンバルブ１２を開弁する際には、逃がし弁３２を閉じておく。エンジンバルブ１２は、ロッカーアーム２０を介してカム１６によりスプリング１５の付勢力に抗して開弁方向に押圧されて、カム１６のカムプロファイルに従って開弁される。このとき、ブリッジ１１を介してエンジンバルブ１２と連結されたピストン１３も、エンジンバルブ１２の開弁方向に移動される。

逃がし弁３２が閉じられていると共に、ピストン１３がエンジンバルブ１２の開弁方向に移動されるため、制御室２３の圧力が負圧となり、チェック弁３１が自ずと開かれる。これにより、ピストン１３の移動に伴い、作動油タンク３０の作動油が導入ライン２８を介して制御室２３に導入される。

エンジンバルブ１２をカム１６のカムプロファイルに応じた閉弁時期に閉弁させる場合には、カム１６のピーク位置近傍のタイミングで、逃がし弁３２を開く。一方、エンジンバルブ１２をカム１６のカムプロファイルに応じた閉弁時期よりも遅く閉弁させる場合には、カム１６がピーク位置を過ぎて閉弁側に移行しても、逃がし弁３２を閉じたままとし、その後逃がし弁３２を任意のタイミングで開く。

エンジンバルブ１２の閉弁に伴いピストン１３が上昇し、制御室２３内の作動油を逃がし弁３２から作動油タンク３０に排出する。ピストン１３が上昇するに伴いピストン１３上面とダンピング室２７下端との間の流路は狭まり、ダンピング室２７の圧力が上昇することにより、ピストン１３及びピストン１３と連結されたエンジンバルブ１２の速度が減じられて、エンジンバルブ１２がダンピングされる。

本実施形態では、ピストン１３先端の角部に切り欠き２６を設けると共に、制御室２３内にピストン１３先端が進入可能なダンピング室２７を形成し、ピストン１３先端の切り欠き２６とダンピング室２７下端との間の隙間をオリフィス３４として、作動油をオリフィス３４を介してダンピング室２７（ピストン挿入孔２２）から制御室２３（側方空間部２５）へと排出することによりダンピング室２７の圧力上昇を制御する。

しかし、エンジンオイルのように作動油の温度変化による粘度変化の影響が大きい場合、オリフィス３４の有効流路面積（エンジンバルブ１２が全閉であるときのピストン１３上面とダンピング室２７下端との間の隙間面積）Ａ（図１（ｂ）参照）を固定して（作動油の温度に依らず一定として）シミュレーションを行うと、図５に示すように一部の温度帯でしかダンピング機能を確認することができず、エンジンバルブ１２がダンピングしない（図５（ｂ））若しくはバウンスを起こす（図５（ａ））。

そこで、本実施形態では、材料間の熱膨張差を利用し、オリフィス３４の有効流路面積Ａを作動油の温度により変更する。具体的には、制御室２３及びダンピング室２７（ハウジング２４）を構成する材料（例えば、鉄系材料又はステンレス（ＳＵＳ））よりも線膨張係数が大きな材料（例えば、アルミニウム）をピストン１３に採用し、ピストン１３の運動方向に対する熱膨張を利用することでピストン１３上面とダンピング室２７下端との間のオリフィス３４の有効流路面積Ａが作動油の温度により異なるようにする。つまり、作動油の温度上昇に伴い作動油の粘性が低下し、一方作動油の温度上昇に伴いピストン１３が運動方向（ピストン挿入孔２２の長手方向）に熱膨張するので、ピストン１３のダンピング室２７への進入距離が作動油が高温の場合に低温の場合と比較して延び（図３参照）、オリフィス３４の有効流路面積Ａが作動油が高温の場合に低温の場合と比較して狭くなることで、図５に示すようにダンピング効果を広い温度域で確保することが可能となる。

以上要するに、本実施形態によれば、ピストン１３先端の角部に切り欠き２６を設けると共に、制御室２３内にピストン１３先端が進入可能なダンピング室２７を形成し、エンジンバルブ１２のリフトに伴いピストン１３先端をダンピング室２７に進入させて、切り欠き２６とダンピング室２７との間の隙間を介してダンピング室２７から作動油を排出することによりエンジンバルブ１２をダンピングし、且つピストン１３は、制御室２３及びダンピング室２７を構成する材料よりも線膨張係数が大きな材料からなるようにして油圧ダンピング構造を構成したので、作動油の温度に依存することなく適切なダンピング効果を得ることが可能となり、可変動弁機構１０の部品の長寿命化を図ることができると共に可変動弁機構１０の作動時の静粛性を広い運転領域において確保することができる。また、本実施形態によれば、新規な部品点数を増加させることなく、また構造的にも簡便であるので可変動弁機構１０の小型化・低コスト化を図ることができる。

また、ピストン１３はアルミニウムからなり、制御室２３及びダンピング室２７を構成する材料は鉄系材料又はステンレスからなるので、作動油の温度上昇に応じて、線膨張係数が比較的高いアルミニウムからなるピストン１３を運動方向に膨張させることができ、オリフィス３４の有効流路面積Ａを作動油が高温の場合に低温の場合と比較して狭くすることが可能となる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。

１０可変動弁機構
１２エンジンバルブ（バルブ）
１３ピストン
１４油圧制御機構
２２ピストン挿入孔
２３制御室
２６切り欠き
２７ダンピング室

Claims

内燃機関の吸気弁又は排気弁をなすエンジンバルブと、該エンジンバルブを閉弁方向に付勢するスプリングと、該スプリングの付勢力に抗して前記エンジンバルブを開弁方向に押圧するカムと、前記エンジンバルブと連結されたピストンと、該ピストンが摺動可能に挿入されるピストン挿入孔を有する制御室と、該制御室の作動油の導入・排出を制御することで前記エンジンバルブの閉弁時期を制御する油圧制御機構とを備えた可変動弁機構の油圧ダンピング構造において、
前記制御室が、前記ピストン挿入孔の長手方向中間部の側方につなげて形成された側方空間部を有すると共に、該側方空間部よりピストン先端側の前記ピストン挿入孔に形成され前記ピストンの先端が進入可能なダンピング室を有し、該ダンピング室には、前記油圧制御機構の油圧導入ラインが接続され、前記側方空間部には、前記油圧制御機構の油圧排出ラインが接続され、前記ピストン先端の前記側方空間部に臨む角部には、前記ダンピング室及び前記側方空間部の境界と前記ピストン先端との間にオリフィスを形成するための切り欠きが設けられ、前記ピストンが、前記制御室を構成する材料よりも線膨張係数が大きな材料で形成され作動油の高温時と低温時とでオリフィスの有効流路面積を変更することを特徴とする可変動弁機構の油圧ダンピング構造。
前記ピストンはアルミニウムからなり、前記制御室を構成する材料は鉄系材料又はステンレスからなる請求項１に記載の可変動弁機構の油圧ダンピング構造。