JP5901742B2 - カム軸本体とカム軸本体の回転軸受の間で２つ以上の離間した変位位置に変位可能なカム支持体を備えた内燃機関のガス交換弁用の弁装置および内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の上位概念に係る内燃機関のガス交換弁用の弁装置およびその弁装置を備える内燃機関に関する。

内燃機関の熱力学的特性を向上させるための、弁装置の作動サイクルに干渉する機械式装置が知られており、これは例えば、内燃機関のシリンダーのガス交換弁の開放期間および／またはリフト量を回転数に応じて変化させることを可能にする。

特許文献１より、複数のカム支持体がカム軸本体に対して回転不能かつ軸方向には変位可能に配置された弁装置が既知である。内燃機関のシリンダーの２つのガス交換弁を作動させるために、各カム支持体に軸方向に位置をずらした２つのカム群が設けられており、それぞれカム輪郭が異なる２つのカムを備えている。カム軸本体上において、カム支持体を、離間した２つの変位位置の間で軸方向に変位させることにより、どちらのカム群についても両カムのうち一方をそれぞれ、両ガス交換弁の一方のロッカーアームと当接させることができるため、ガス交換弁のリフト量および／または開放期間を変えることができる。カム軸本体上でカム支持体を軸方向に変位させるには、相互に軸方向に間隔をおいて配置された２つの螺旋駆動器を用いる。各螺旋駆動器には、内燃機関のシリンダーヘッドハウジング内に取り付けられ、向い側にあるカム支持体上のカム状曲線連結部または切替連結部と係合させることのできる伸縮可能な伝動ピンを備えたアクチュエータが含まれる。このカム状曲線連結部または切替連結部について、２つの螺旋駆動器のうち一方においては左回りの螺旋状溝があり、２つの螺旋駆動器のうち他方においては右回りの螺旋状溝があって、対応するアクチュエータの作動によってカム支持体を２つの離間した変位位置の間で交互に変位させることができるようになっている。２つの変位位置のいずれにおいても、カム支持体は、カム群間に配置され且つ位置が固定された回転軸受に片側から圧接されており、カム支持体はこの回転軸受に回動自在に軸支されている。カム支持体は、２つの変位位置のいずれにおいても、カム軸本体の孔に挿設された係止装置のボールによって固定され、このボールはバネによってカム支持体内周の傾斜した縁部に圧接されており、それによりカム群の１つを片側から回転軸受に押圧している。

弁装置の作動サイクルへの影響力を向上させるには、カム群のどれかまたはカム群のそれぞれに少なくとも１つのカムを追加することが望ましい。ただし（各）カム群にもう一種類のカム輪郭を有するカムを１つ追加すると、カム支持体を少なくとも３つの異なる変位位置間で交互に移動させ、選択的にすべてのカムをロッカーアームと当接させることができるようにする必要がある。これを可能にするため、特許文献２において既に、冒頭記載の構成による弁装置が提案されており、この弁装置においては各カム支持体にそれぞれ３つのカムを備えたカム群が２つ設けられ、離間した３つの変位位置の間で変位可能となっている。カム支持体は、３つの変位位置において、内燃機関筐体内に位置を固定して取り付けられた係止装置により固定されるようになっており、この係止装置はカム支持体と共に軸方向で変位可能な回転軸受に対して作用する。その際、係止装置のバネ付勢されたボールが、３つの変位位置において、回転軸受の外側に取り付けられた係止部材に設けられた、二つの突出部により互いに離間された３つの凹部に嵌り込む。外側両方の変位位置においてはボールがそれぞれ２つの突出部の１つの外側の縁部に圧接され、カム支持体をシリンダーヘッドハウジングの、位置が固定された押さえに圧接している。中央の変位位置においてはボールが２つの突出部の間に相補的形状に形成された係止部材の凹部に噛み合う。この解決手段で問題視されているのは、回転軸受をシリンダーヘッドハウジング内で軸方向に変位可能とする必要があり、回転軸受の注油が困難になること、係止装置がシリンダーヘッドハウジング内でカム軸本体の径方向に比較的大きな取付スペースを必要とすること、カム軸本体の下方のロッカーアームの近傍にさらに２つの押さえを変位可能な回転軸受のために設ける必要があるが、その位置には取付スペースの余裕がほとんどないこと、などである。

欧州特許第１６０８８４９号明細書 独国特許出願公開第１０２００７０１０１５０号明細書

このような背景から、本発明が解決しようとする課題は、冒頭記載の構成による弁装置について、回転軸受を変位可能とせずとも済むようにし、また、必要な取付スペースが小さくて済むように改善することにある。

この課題を本発明では、カム軸本体が、カム支持体の両側で位置が固定された回転軸受に軸支され、カム軸本体の収容窪部に配置された係止装置のバネ付勢されたボールが、カム支持体の２つの反対側の外側の変位位置においてカム支持体を、位置が固定された軸方向の押さえに押圧することにより解決する。

本発明は、カム軸を回動自在に軸支するための、位置が固定された回転軸受と、外側両方の離間した変位位置を決めるための押さえを、カム支持体領域にではなく、カム支持体の先端よりも外側、すなわち隣接するカム支持体の間に配置するという思想に基づくものである。こうすることで係止装置のボールを、特許文献１の弁装置と同様に、カム軸本体の側孔に収容し、バネにより内側からカム支持体内周の凹部の傾斜した縁部に圧接して、カム支持体を外側両方の変位位置において位置が固定された押さえの１つに圧接することができ、その押さえはカム支持体に隣接する２つの回転軸受のいずれか、またはこの回転軸受の軸受ブロックにより形成されることが好ましい。これにより必要な取付スペースを大幅に縮小することができる。

カム支持体を１つまたは複数の内側の変位位置に固定するため、バネ付勢されたボールがその変位位置において好適に向い側にあるカム支持体の内周の凹部に嵌り込み、この凹部は傾斜した縁部を有する２つの凹部の間に配置されている。すなわちカム支持体はその内周に少なくとも３つの軸方向前後に並べて配置された凹部を備え、そのうち少なくとも外側両方の凹部が、それぞれ１つの傾斜した縁部によって規定されており、その間に配置された少なくとも１つの凹部から、突出部によって離間されている。カム支持体を外側の変位位置のいずれかからもう一方の外側の変位位置に変位させる場合には、バネ付勢されたボールが連続で突出部を超えて内側（各）凹部を通過して移動する。製造技術上の理由からすべての凹部はカム支持体内周を周回する溝として形成することが好ましく、凹部の軸方向中心間距離が、該当するカムまたはカム輪郭の中心間距離に等しくなる。

特許文献１または特許文献２記載の従来の技術と同様に、カム支持体を軸方向に変位させるための装置には、位置が固定された少なくとも１つのアクチュエータを備える螺旋駆動器を含むことが好ましく、このアクチュエータから少なくとも１つの伝動体を伸長させ、向い側にあるカム支持体のカム状曲線連結部または切替連結部の螺旋状溝に噛合させるようにする。伝動体が右回りまたは左回りの溝のどちらかに噛合連結することで、カム支持体は適宜、カム軸本体上で左または右に変位する。

シリンダーあたり２つの吸気弁または排気弁を備えた内燃機関で両方の弁のリフト量および／または開放期間を同時に変えることができるように、当該カム支持体または各カム支持体には、弁の間隔に等しい軸方向の間隔で配置された２つのカム群が好適に設けられている。カム軸本体が隣接するカム支持体の間で軸支されているため、特許文献１または特許文献２記載の従来の技術のように、各カム支持体の２つのカム群の間の部分に回転軸受を設ける必要がないので、螺旋駆動器のカム状曲線連結部または切替連結部を、本発明のもう１つの好ましい構成として、各カム支持体の２つのカム群の間に配置することができ、よって各カム支持体の取付長を大幅に短くすることができる。また、従来の技術とは異なり、汎用のカム状曲線連結部または切替連結部を有する螺旋駆動器が１つだけあれば、カム支持体を変位させるのに十分である。

さらに、カム状曲線連結部または切替連結部およびカム支持体を軸方向に変位させるための装置の少なくとも１つのアクチュエータの動作を、弁の軸方向の間隔または利用可能なスペースの状況に応じて自由に調整するとよい。好ましくは、カム支持体を外側両方の変位位置においてカム軸本体の下方で回転軸受または回転軸受の軸受ブロックに圧接することにより、カム軸の上方に少なくとも１つのアクチュエータの取付スペースが十分に得られるようにする。

本発明のもうひとつの好ましい構成としては、各カム群の中央のカムが各カム群の外側両方のカムよりもやや幅広になったものがあり、これはシリンダーヘッドおよびカム軸本体の熱膨張により生じる変位リフト量の公差がその場所では外側のカム部分よりも大きくなるためである。

以下に本発明を図面に示す実施例に即してさらに詳細に説明する。

内燃機関のシリンダーの、対となっている吸気弁用の弁装置の一部を示しており、軸方向に変位可能なカム支持体を備え、回転軸受に軸支されたカム軸本体の一部を示す側面図である。 ３つのカム支持体とカム支持体を係止するための係止装置を備えたカム支持体の一部をやや長めに示す縦断面図である。 図２中のIII部の詳細を示す拡大図である。

図にはその一部しか示されていないが、図中上方の、内燃機関のシリンダーヘッドハウジング（図示略）の回転軸受３に回動自在に軸支されたカム軸本体４を備えた内燃機関のシリンダー（図示略）の、対となっている吸気弁２用の弁装置１と、カム軸本体４上で軸方向に変位可能な複数のカム支持体５によって、各シリンダーの吸気弁２のリフト量および／または開放期間を、それ以外のシリンダーの吸気弁２のリフト量および／または開放期間とは独立して変えることができる。

このために弁装置１には、吸気弁２の対のそれぞれに、変位可能なカム支持体５が１つずつ用意されており、当該カム支持体はカム軸本体４に対して回転しないように結合されており、そして、互いに軸方向に間隔をおいて配置された２つのカム群６，７を備えている。２つのカム群６，７はいずれも、弁２のどちらか用の、揺動可能に軸支されたローラロッカーアーム９のローラ８と相互に作用する。ローラ８を通じて、図１に示された、下端に弁頭１０'を設けた弁棒１０が作動し、当該弁棒は、それぞれの弁２を開くために、弁バネ１１（図２）の力に逆らってシリンダーヘッド内で下方に押し下げられる。弁装置１にはさらに、それぞれの弁２ごとに同じく図１に示された油圧式弁隙間調整用部材１２が１つずつ含まれている。

各カム支持体５の２つのカム群６，７はいずれも３つのカム１３，１４，１５を備えており、これらのカムは一部がカム支持体の外周よりも突出し、異なるカム輪郭を有している。カム群６，７は、カム支持体５のカム１３，１４，１５とは直径方向反対側に、基礎円形部１６を有し、この基礎円形部は外径が一定でカム群６，７の軸方向全長および約１８０度の円周角にわたっている。カム１３，１４，１５の基礎円形部１６からの突出の大きさは弁棒１０の所望のリフト量高さに応じて変わり、カム軸本体４の回転方向におけるカム１３，１４，１５の頂点の角度位置は所望の弁２の最大開放時点に応じて変わる。２つのカム群６，７のカム１３，１４，１５のカム輪郭はそれぞれ異なる形状かつ／または異なる寸法でよい。２つのカム群６，７においては、後に解説するように、中央のカム１４が外側両方のカム１３および１５よりもわずかに幅が広い。

２つのカム群６，７の３つのカム１３，１４，１５は、カム支持体５をカム軸本体４上で離間した３つの変位位置の間で軸方向に変位させることにより、選択的にカム群６またはカム群７に属する弁２のロッカーアーム９のローラ８に当接させることができる。

３つの変位位置は、図２において、３つのカム支持体５の例により示されている。左側のカム支持体５は図上ではその外方右側の変位位置にあり、その右側先端１７は隣接する回転軸受３の軸受座１８に左側から当接しており、この回転軸受は左側のカム支持体と中央のカム支持体５の間に配置されており、２つの弁２のロッカーアーム９のローラ８がそれぞれカム群６，７の外方左側のカム１３と当接する。中央に図示されたカム支持体５はその中央の変位位置にあり、その両側の先端１７がそれぞれ２つの隣接する、当該カム支持体５の両側に配置された回転軸受３の軸受座１８から軸方向に間隔を空けており、２つの弁２のロッカーアーム９のローラ８がそれぞれカム群６，７の中央のカム１４と当接している。右側のカム支持体５はその外方左側の変位位置にあり、その左側先端１６が中央のカム支持体と右側のカム支持体５の間にある、隣接の回転軸受３の軸受座１８に右側から当接しており、２つの弁２のロッカーアーム９のローラ８がそれぞれカム群６，７の外方右側のカム１５と当接する。一方、図１においては、その中央の変位位置にあるカム支持体５が１つだけ示されている。

カム支持体５をカム軸本体４に対して回転しないように結合しつつも、カム軸本体４に沿った軸方向の変位を可能にするため、中空円筒状のカム支持体５にはその内周の一部に沿って内歯スプライン１９（図２）が設けられており、カム軸本体４の一部にある相補的な外歯スプライン２０（図１）と係合する。

吸気弁２のリフト量または開放期間を変えるためのカム軸本体４上のカム支持体５の軸方向の変位は必要に応じて行われ、必ずカム群６，７の基礎円形部１６がロッカーアーム９のローラ８に対向する位置にある約１８０度のカム軸本体４の回転角の間で行う。２つの隣接する変位位置の間のカム支持体５の軸方向の変位の大きさは、カム群６，７の隣り合うカム１３，１４またはカム１４，１５の中心間距離に等しい。

カム支持体５を必要に応じて３つの変位位置の任意の位置に変位させることができるように、各カム支持体５に螺旋駆動器２１が１つだけ設けられている。螺旋駆動器２１には、単一のカム状曲線連結部または切替連結部２２が含まれ、この連結部はカム支持体５の軸方向おおよそ中央に、２つのカム群６，７または２つの弁２の間に配置されており、また位置を固定してシリンダーヘッドハウジング内に取り付けられたアクチュエータ２３を含むが、図１では略示的にのみ示す。設計によりアクチュエータ２３には１つまたは複数の伝動ピン２４を備えることができ、当該伝動ピンは選択的にアクチュエータ２３から伸張させて、その露出端を向い側にあるカム状曲線連結部または切替連結部２２の溝２５と係合させ、カム支持体５をそれぞれ２つの隣接するカム１３，１４またはカム１４，１５の中心間距離について離間した３つの変位位置のいずれかに変位させることができる。

カム状曲線連結部または切替連結部２２の外径は、カム状曲線連結部または切替連結部２２が、カム支持体５を中央の変位位置から外側変位位置のいずれかに変位させたときに、ロッカーアーム９のローラ８が回動自在に保持されている保持具３７（図２）と軸方向においてオーバーラップするような寸法となっている。

各カム支持体５をそれぞれ所望の変位位置で固定するために、各カム支持体５には係止装置２６が設けられている。図２に最も分かりやすく図示されているとおり、各係止装置２６にはカム軸本体４の径方向に伸びる止まり穴２７に挿設されたボール２８が含まれ、このボールは止まり穴２７の底部とボール２８の間に配置された付勢用の圧縮コイルバネ２９により径方向に向い側にあるカム支持体５の内周に押圧されている。カム支持体５の、３つの変位位置の間を変位するときにボール２８の向い側に位置する範囲には、カム支持体５の内周に内歯スプライン１９ではなく、軸方向前後に配置された３つの周回する溝３０，３１，３２が設けられている。

中央の溝３１は、ボールの形状に合わせた凹曲線の溝断面を有し、両側で断面が凸曲線の突出部３３，３４によって隣接する外側の溝３０，３２から離間されている。図２において中央のカム支持体５について図示されているように、ボール２８はカム支持体５の中央の変位位置においてバネ２９により中央の溝３１に押し込まれるため、係止凹部として働く溝３１へのボール２９の噛み合わせのみによってカム支持体５がこの中央の変位位置に固定される。この変位位置において螺旋駆動器２１により軸方向の変位力がカム支持体５に働くと、ボール２８は左または右の方向へと２つの突出部３３，３４のいずれかに押しつけられて、この突出部３３，３４によりバネ２９の力に逆らって止まり穴２７の中に押し戻されるため、ボール２８が突出部３３，３４を超えて隣接する溝３０，３２に移動できるようになる。ボール２８の移動は、図２において左側または右側のカム支持体５について図示されているように、カム支持体５がその移動方向前方の先端１７で隣接する回転軸受３の軸受ブロック１８にぶつかった時点で終了する。

２つの外側の溝３０，３２は、その中央の溝３１に向いた側において、それぞれ１つの傾斜した縁部３５，３６によって境界が規定されている。カム支持体５が、外側の各変位位置においてカム支持体５の軸方向の変位動作を制限する、隣の回転軸受３の軸受ブロック１８へ、その移動方向前方の先端１７でぶつかった状態において、この縁部３５または３６にボール２８が圧縮コイルバネ２９により圧接される。ボール２８が傾斜した縁部３５，３６に押圧することにより、図２に矢印で示されているように、ボール２８からカム支持体５に軸方向の分力が働く。この軸方向の分力によって、２つの外側の変位位置においてそれぞれその先端１７のどちらかで移動方向において隣接する回転軸受３の軸受ブロック１８に押圧されることで、カム支持体５が規定された位置に固定され、２つの外側のカム１３，１５のいずれかがロッカーアーム９のローラ８に精度良く向き合うようになる。この理由から、２つの外側のカム１３，１５の幅は、中央のカム１４の幅よりもやや狭くすることができる。

これは図示されていないが、中央の溝３１は必ずしもボール２８の形状に合わせた凹曲線の溝断面を有する必要はなく、たとえば２つの平面状の傾斜した縁部により区切られた三角形の溝断面を有したものでもよく、この場合には中央の溝３１の中にあるボール２８がバネ２９により二箇所の点において２つの縁部に圧接されることになる。

１ 弁装置
２ 吸気弁
３ 回転軸受
４ カム軸本体
５ カム支持体
６ カム群
７ カム群
８ ローラ
９ ローラロッカーアーム
１０ 弁棒
１０’ 弁頭
１１ 弁バネ
１２ 弁隙間調整用部材
１３ カム
１４ カム
１５ カム
１６ 基礎円形部
１７ カム支持体先端
１８ 回転軸受の軸受座
１９ 内歯スプライン
２０ 外歯スプライン
２１ 螺旋駆動器
２２ カム状曲線連結部
２３ アクチュエータ
２４ 伝動ピン
２５ 溝
２６ 係止装置
２７ 止まり穴
２８ ボール
２９ 螺旋付勢バネ
３０ 溝
３１ 溝
３２ 溝
３３ 突出部
３４ 突出部
３５ 縁部
３６ 縁部
３７ ローラ保持具

Claims (13)

1. 内燃機関のガス交換弁用の弁装置であって、
   少なくとも１つのカム軸本体と、
   前記カム軸本体上で軸方向に変位可能で、且つ、カム輪郭が異なる少なくとも３つのカムを有するカム群を少なくとも１つ含む、少なくとも１つのカム支持体と、
   前記カム群のカム数に応じた数の離間した変位位置へと、前記カム支持体をカム軸本体上で軸方向に変位させる装置と、
   前記カム支持体を離間した変位位置に係止するためのバネ付勢されたボールを有する係止装置と、
   を備える弁装置において、
   カム軸本体（４）は、カム支持体（５）の両側で、位置が固定された回転軸受（３）に軸支され、
   係止装置（２６）のバネ付勢されたボール（２８）は、カム軸本体（４）の収容窪部（２７）に配置され、外側の２つの変位位置のそれぞれにおいて、位置が固定された軸方向の押さえ（３，１８）にカム支持体（５）を押圧し、
   各カム群（６，７）の中央のカム（１４）が各カム群（６，７）の外側のカム（１３，１５）よりも幅広であること
   を特徴とする弁装置。
2. 係止装置（２６）のバネ付勢されたボール（２８）が、外側の変位位置の間にある少なくとも１つの内側の変位位置において、その向い側にあるカム支持体（５）の内周の凹部（３１）に嵌り込むことを特徴とする請求項１記載の弁装置。
3. 係止装置（２６）のバネ付勢されたボール（２８）が、内側の変位位置において、向い側にある凹部（３１）に噛み合うことを特徴とする請求項２記載の弁装置。
4. カム支持体（５）がその内周に、少なくとも３つの、軸方向に並べて配置された凹部（３０，３１，３２）を備え、その外側の凹部（３０，３２）の両方がそれぞれ突出部（３３，３４）によってその間に配置された少なくとも１つの凹部（３１）から離間されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の弁装置。
5. 凹部（３０，３１，３２）の軸方向中心同士の距離が、カム群（６，７）の隣接するカム（１３，１４，１５）の中心同士の距離に等しいことを特徴とする請求項４記載の弁装置。
6. 少なくとも外側の凹部（３０，３２）の両方がそれぞれ１つの傾斜した縁部（３５，３６）によって規定されていることを特徴とする請求項４または５記載の弁装置。
7. 凹部がカム支持体（５）内周を周回する溝（３０，３１，３２）であることを特徴とする請求項４，５または６記載の弁装置。
8. カム支持体（５）が互いに軸方向に間隔をおいて配置された２つのカム群（６，７）を備え、前記カム支持体（５）を軸方向に変位させる装置（２１，２２，２３，２４，２５）が、両カム群（６，７）の間に配置された単一のカム状曲線連結部または切替連結部（２２）を有する螺旋駆動器（２１）を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の弁装置。
9. 螺旋駆動器（２１）が、少なくとも１つの伸縮可能な伝動体（２４）を有し位置が固定されたアクチュエータ（２３）を少なくとも１つ含み、前記伝動体がカム状曲線連結部または切替連結部（２２）の螺旋状溝（２５）に噛合することを特徴とする請求項８記載の弁装置。
10. 螺旋駆動器（２１）のカム状曲線連結部または切替連結部（２２）が外側の変位位置の両方においてガス交換弁（２）のうちの１つのロッカーアーム（９）のローラ（８）の保持具（３７）と軸方向にオーバーラップすることを特徴とする請求項８または９記載の弁装置。
11. 係止装置（２６）のバネ付勢されたボール（２８）が外側の変位位置の両方においてそれぞれカム支持体（５）の先端（１７）を軸方向の押さえ（３，１８）に押圧することを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の弁装置。
12. 軸方向の押さえ（３，１８）が、位置が固定された回転軸受（３）のいずれか、または位置が固定された回転軸受（３）のいずれかの軸受ブロック（１８）によって形成されることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の弁装置。
13. 請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の弁装置（１）を少なくとも１つ備えたことを特徴とする内燃機関。

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