JP6217337B2 - エンジンのバルブ構造 - Google Patents

Description

この発明は、吸排気弁を開閉動作させるエンジンのバルブ構造に関する。

従来から、エンジンの吸排気弁のバルブ構造として、タペットを用いた構造がある。

通常、吸排気弁の弁体としては、それぞれ軸状のバルブステムの一端に弁体部である傘部が設けられたバルブ（以下、「バルブ部材」と称する。）が用いられる。バルブ部材は、バルブスプリングによって、傘部が弁孔を閉じる方向に付勢されている。傘部が弁孔に接離することによって、吸排気弁は開閉する。

タペットは、バルブステムの他端、すなわち、傘部を設けた側の反対側の端部（以下、「ステムエンド」と称する。）に配置される。その形状は、平面視円形の端壁部と、その端壁部の周縁からバルブ部材側に立ち上がる円筒状の周壁部とを有するカップ状である。

タペットは、シリンダヘッド内に形成されたガイド孔に嵌り、そのガイド孔の内面に摺動する。ステムエンドは、タペットの端壁部内面に当接し、その端壁部外面に、エンジンのクランク軸の回転とともに回転するカムが当接する。

カムの作用により、タペットを介してバルブステムの他端をバルブスプリングの付勢力に抗して押圧すれば、吸気弁や排気弁を開弁する。また、カムの作用による押圧が弱まれば、バルブ部材はバルブスプリングの付勢力によって移動し、吸気弁や排気弁を閉弁する。

タペットは下向きカップ状であるため、そのタペットの周壁部で囲まれた内部空間に、オイルは落下しない。このため、タペットの端壁部内面やステムエンド、及び、バルブスプリングを保持するリテーナ等に対する潤滑は、バルブ部材の傘部側から上方に向かって飛散してくるオイルによって成されている。

なお、特許文献１〜３には、タペットの端壁部に内外を貫通する通油孔を設けることにより、タペットの端壁部内面やステムエンド、及び、バルブスプリングを保持するリテーナ等に対する潤滑を行う技術が開示されている。

特開２００６−７７７２９号公報 特開２００６−６３９５５号公報 特開２００８−１２８１２１号公報

上記特許文献に記載された技術によれば、タペットの通油孔は、バルブステムのステムエンドの軸心に対向する端壁部の中心付近（特許文献１参照）、又は、その中心から外径寄りに偏心した位置（特許文献２、３参照）に設けられている。

通油孔が、端壁部の中心に設けられていると、通油孔は、ステムエンドの端面によって閉塞する。このため、タペットの周壁部で囲まれた内部空間へのオイルの供給が、止まってしまう場合がある。

また、カムが端壁部外面に摺接した際、端壁部に作用する応力は、バルブステムの軸心に近い中心寄りの部分で小さく、外径寄りの部分で大きくなることが過去の試験結果により判明している。したがって、端壁部の外径寄りの部分に通油孔を設けることは、タペットの強度低下に繋がることがある。強度を維持するためにタペットの部材厚を増大させることは、部品大型化やコストの増大の原因となるので好ましくない。

そこで、この発明の課題は、タペットの強度に影響を及ぼすことなく、タペットの周壁部で囲まれた内部の潤滑、特に、ステムエンドとタペットの端壁部内面との接触部の潤滑を良好なものにすることである。

上記の課題を解決するために、この発明は、軸状のバルブステムの一端にバルブの弁孔に接離する傘部が設けられたバルブ部材と、前記バルブステムの他端が当接する端壁部とその端壁部の周縁から前記傘部側へ立ち上がる周壁部とからなるタペットと、前記タペットの端壁部外面に摺接するカムとを備え、前記タペットは、前記端壁部を貫通する通油孔を備え、前記通油孔は、前記バルブステムの軸心に対して、前記端壁部外面への開口から前記端壁部内面への開口に向かって徐々に半径方向外側に向かうことを特徴とするバルブ構造を採用した。

このとき、前記端壁部は、前記バルブステム側へ突出し前記バルブステムの他端が当接する凸部を備え、前記通油孔の前記端壁部内面への開口は、前記凸部の裾に配置されている構成を採用することができる。

あるいは、前記端壁部は、前記バルブステム側へ突出し前記バルブステムの他端が当接する凸部を備え、前記凸部は、前記バルブステムの他端が当接する頂部と、その頂部の外周に前記半径方向外側に向かうにつれて前記突出方向への高さが低くなる傾斜面を備え、 前記通油孔の前記端壁部内面への開口は、前記傾斜面に配置されている構成を採用することができる。

このとき、前記傾斜面は、前記頂部と、前記周壁部の前記端壁部からの立ち上がり部分とを結んで設けられている構成を採用することができる。

これらの凸部を備えた態様において、前記バルブ部材は、前記バルブステムの軸心が鉛直方向に対して傾斜する向きに配置される構成を採用することができる。

また、これらの各態様における前記通油孔の前記端壁部外面への開口は、前記カムの作用による前記バルブ部材のリフト方向への加速度が、バルブの開放方向を正、閉鎖方向を負とした場合に、負の値となるクランク角の範囲に対応する前記カムと前記端壁部外面との接触点の範囲に配置されている構成を採用することができる。

前記バルブ部材の外周に、コッタを介してバルブスプリング保持用のリテーナが取り付けられており、前記リテーナの前記タペット側に向く面にオイル溜まりを形成し、前記通油孔の前記端壁部内面への開口は、鉛直方向に対して前記オイル溜まりに対向する構成を採用することができる。

この発明は、タペットの端壁部を貫通する通油孔を、バルブステムの軸心に対して、端壁部外面への開口から端壁部内面への開口に向かって徐々に半径方向外側に向かうようにしたので、タペットの強度に影響を及ぼすことなく、タペットの周壁部で囲まれた内部の潤滑、特に、ステムエンドとタペットの端壁部内面との接触部の潤滑を良好なものにすることができる。

この発明の一実施形態のエンジンのバルブ構造を表す正面断面図である。 同実施形態のエンジンのバルブ構造を示す要部拡大図である。 クランク角とバルブ部材のリフト方向への移動量（リフト量）、速度、加速度を示すグラフ図である。 （ａ）〜（ｃ）は、他の実施形態のエンジンのバルブ構造を示す要部拡大図である。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。この実施形態は、自動車用エンジンのバルブ構造である。図面では、この発明に直接関係する部材、手段のみを示し、他の部材等については図示省略している。また、図面では、一つのシリンダ１のみを示しているが、エンジンは、単気筒であってもよいし、複数のシリンダ１を備えた多気筒であってもよい。

図１に示すように、シリンダ１には、燃焼室２に通じるポート３と、このポート３の弁孔４を開閉するバルブ５（以下「バルブ部材５」と称する。）が設けられている。ポート３は吸気ポートと排気ポートとがある。吸気ポート内には、その吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射装置（図示せず）が設けられ、吸気ポート内の吸入空気に燃料を噴射し混合気を形成する。以下、この吸気ポートを例にエンジンのバルブ構造について説明するが、排気ポートにおいても同様の構造を採用することができる。なお、エンジンは、燃料噴射装置を吸気ポート内に設けるものに限らず、燃焼室２内に設けられて、燃焼室２内の吸入空気に燃料を噴射し混合気を形成する、筒内直接噴射式エンジンであってもよい。

バルブ構造は、図１に示すように、バルブ部材５と、そのバルブ部材５を弁孔４の閉弁方向に付勢する弾性部材６（以下、「バルブスプリング６」と称する。）とを備える。バルブ部材５は、軸状のバルブステム５ｂと、そのバルブステム５ｂの一端にバルブの弁孔４に接離する傘部５ａとを備える。バルブステム５ｂは、筒状のバルブステムガイド７を介して、シリンダ１に形成されたバルブ挿通孔に挿通され、シリンダ１に対して軸方向へ進退自在である。

バルブスプリング６は、その下端、すなわち、燃焼室２に近い側の端部がバルブスプリングシートを介してシリンダ１に支持され、その上端、すなわち、シリンダヘッド側の端部は、リテーナ８及びコッタ９を介してバルブステム５ｂに固定されている。リテーナ８は円環状部材であり、その外周部でバルブスプリング６の上端を支持する。リテーナ８の内周部には、コッタ９を介してバルブステム５ｂが挿通される。

コッタ９は、外周面９ｂが円錐面となっている２つ割りの分割コレットである。このコッタ９が、同じく円錐面で構成されるリテーナ８の内周面８ｂと、バルブステム５ｂの外周面とにそれぞれ面接触し、バルブステム５ｂとリテーナ８を固定する。このとき、コッタ９の内面には抜け止め突起９ａが設けられており、この抜け止め突起９ａがバルブステム５ｂの外周面に形成された抜け止め凹部５ｄに入り込んで軸方向への抜け止め機能を発揮する。

なお、この実施形態では、バルブステム５ｂは、コッタ９及びリテーナ８に対して軸周り相対回転不能とされているが、このバルブステム５ｂを、コッタ９及びリテーナ８に対して軸周り相対回転可能に支持する構造を採用する場合もある。

バルブステム５ｂの他端側には、そのバルブステム５ｂの他端（ステムエンド）の端面が当接するタペット１１が配置される。タペット１１は、平面視円形の端壁部１１ａと、その端壁部１１ａの周縁からバルブ部材５側に立ち上がる円筒状の周壁部１１ｂとを有するカップ状の部材である。

タペット１１は、シリンダヘッド内に形成されたガイド孔に嵌り、そのガイド孔の内面に摺動する。ステムエンドは、タペット１１の端壁部１１ａ内面に当接し、また、その端壁部１１ａ外面に、エンジンのクランク軸の回転とともに回転するカム２０が当接する。

カム２０の作用により、タペット１１を介してバルブステム５ｂのステムエンドがバルブスプリング６の付勢力に抗して押圧されれば、バルブ部材５が下降して弁孔４を開放させる。カム２０の作用による押圧力が弱まれば、バルブ部材５は、バルブスプリング６の弾性力によって上昇し、弁孔４を閉鎖する。このように、カム２０の回転によって、バルブ部材５は、所定のタイミングで吸気ポートを開閉する。

なお、カム２０を備えたカムシャフトへの動力の伝達は、カムシャフト側に設けたスプロケットとクランクシャフト側に設けたスプロケットとの間をタイミングチェーン等で連結することにより行われている。

タペット１１は、端壁部１１ａを貫通する通油孔１２を備えている。通油孔１２は、バルブステム５ｂの軸心ｃに対して、端壁部１１ａ外面への開口１２ａから端壁部１１ａ内面への開口１２ｂに向かって、徐々に半径方向外側に向かうように直線状に形成されている。なお、バルブステム５ｂの軸心ｃは、下向きカップ状に配置されたタペット１１の軸心ｃと一致している。

この実施形態では、端壁部１１ａは、図２に示すように、その内面側に、バルブステム５ｂ側へ突出しバルブステム５ｂのステムエンドが当接する凸部１１ｃを備える。

また、この実施形態の凸部１１ｃは、ステムエンドが当接する頂部１１ｅと、その頂部１１ｅの外周に半径方向外側に向かうにつれてその突出方向への高さが低くなる傾斜面１１ｄを備える円錐台状である。

頂部１１ｅは、ステムエンドのフラットな端面が面接触するフラット面である。このため、頂部１１ｅのフラット面は、ステムエンドのフラットな端面とともに、軸心ｃに直交する面方向を有する。また、傾斜面１１ｄは、頂部１１ｅの外周全周に形成された円錐面であり、その円錐面の裾部から周壁部１１ｂの裾部までは、同じく、軸心ｃに直交する面方向を有するフラット面である。

通油孔１２の端壁部１１ａ内面への開口１２ｂは、凸部１１ｃの裾に配置されている。すなわち、通油孔１２は、端壁部１１ａ内面側において、傾斜面１１ｄのすぐ外側、傾斜面１１ｄとその外周のフラット面との境界付近に開口している。

タペット１１は、シリンダ１内に配置された際に、周壁部１１ｂが端壁部１１ａに対して下向きとなるが、端壁部１１ａに通油孔１２を設けたことにより、通油孔１２を通じてシリンダヘッド側からバルブステム５ｂ側にオイルが流下する。このため、タペット１１の端壁部１１ａ内面やステムエンド、及び、バルブスプリング６を保持するリテーナ８やコッタ９に対する潤滑を促進できる。

また、通油孔１２を、タペット１１及びバルブステム５ｂの軸心ｃに対して、端壁部１１ａの外面側から内面側へ向かって徐々に半径方向外側に向かうように傾斜させたので、端壁部１１ａ外面側では、カム２０から作用する押圧力によってタペット１１の部材に生じる応力が小さい部分、すなわち、軸心ｃ寄りの部分に通油孔１２が位置する。このため、タペット１１の強度に及ぼす影響を軽微である。

カム２０から作用する押圧力によってタペット１１の端壁部１１ａに生じる応力は、端壁部１１ａの軸心ｃに近い内径寄りの部分が、外径寄りの部分よりも相対的に小さいことが、歪ゲージ等を用いた応力測定試験より判明している。

カム２０の回転中心周り全周に亘るカム面の一部が端壁部１１ａ外面を押圧する際、カム２０と端壁部１１ａとの当接部は端壁部１１ａの外面に沿って移動する。ここで、カム２０の作用によるバルブ部材５のリフト方向への加速度が、バルブの開放方向を正、閉鎖方向を負とした場合、当接部が外径寄りの部分にある際は、タペット１１及びバルブ部材５はリフト方向へ下降或いは上昇の途中であって、その加速度が正の値となることから、タペット１１に作用する応力も大きくなると考えられる。逆に、当接部が内径寄りの部分にある際は、タペット１１及びバルブ部材５は下降終了から上昇開始へ転じる状況であって、その加速度が負の値となることから、タペット１１に作用する応力が小さくなると考えられる。

したがって、通油孔１２は、作用する応力が相対的に小さい内径寄りの部分に設けることが望ましく、ここでは、少なくとも通油孔１２の端壁部１１ａ外面側の開口１２ａを、端壁部１１ａ内面側の開口１２ｂよりも軸心ｃ寄りに配置している。すなわち、通油孔１２を、カム２０との当接面である端壁部１１ａ外面に近づくほど、軸心ｃに近づくように傾斜させて、タペット１１の部材強度への影響を小さくしている。

なお、通油孔１２の端壁部１１ａ内面側の開口１２ｂも、相対的に発生応力が小さい軸心ｃ寄りの部分であることが望ましいが、通油孔１２の開口１２ｂが、ステムエンドによって塞がれることを回避するため、通油孔１２を前述のような傾斜配置とし、内面側の開口１２ｂを凸部１１ｃの裾としている。

また、この実施形態では、エンジンを水平状態の車両に据え付けた状態で、バルブ部材５は、図２に示すように、バルブステム５ｂの軸心ｃが鉛直方向ｖに対して角度（鋭角）αだけ傾斜する向きに配置される。

ここで、通油孔１２の端壁部１１ａ内面への開口１２ｂは、凸部１１ｃの裾に配置されているので、通油孔１２を通過したオイル（図中矢印ｘ参照）は、端壁部１１ａ内面側において、開口１２ｂから傾斜面１１ｄに沿って流下（図中矢印ｙ参照）し、凸部１１ｃとステムエンドとの当接部に至ることができる。傾斜した通油孔１２及び傾斜面１１ｄが連続し、オイルが傾斜面１１ｄを伝って流れるので、オイルの供給が円滑であり、凸部１１ｃとステムエンドとの当接部の潤滑が良好である。

この実施形態では、通油孔１２の端壁部１１ａ外面側の開口１２ａは、図２に示す内径部Ｗに配置している。内径部Ｗは、カム２０の作用によるバルブ部材５のリフト方向への加速度が、負の値となるクランク角の範囲に対応するカム２０と端壁部１１ａ外面との接触点の範囲である。

これを、図３に基づいて説明すると、図中の符号Ａで示すのが、バルブ部材５のリフト方向への移動量、すなわち、リフト量である。バルブの開放方向を図中上向きの正、閉鎖方向を図中下向きの負としている。図中の符号Ｂで示すのが、バルブ部材５のリフト方向への移動速度である。図中の正、負の向きは同じである。図中の符号Ｃで示すのが、バルブ部材５のリフト方向への加速度である。図中の正、負の向きは同じである。

図３の加速度を示すグラフにおいて、バルブ部材５のリフト方向への加速度が正の値から負の値に移行するθ１時点と、負の値から正の値に移行するθ２時点との間の行程Ｌが、前述の内径部Ｗに相当する。すなわち、クランク角がθ１とθ２との間にある際に、カム２０と端壁部１１ａとが当接する範囲が内径部Ｗである。この内径部Ｗは、他の部分と比較して、カム２０の押圧による発生応力が小さい部分であり、この発生応力が小さい部分に、通油孔１２の端壁部１１ａ外面側の開口１２ｂが臨んでいる。

ここで、図３の速度曲線における放物線の頂点に対応するクランク角は、前述のθ１とθ２の位置に合致する。また、その速度曲線の頂点に相当するクランク角は、リフト量曲線の変曲点に合致する。

なお、通油孔１２の端壁部１１ａ内面側の開口１２ｂも、相対的に発生応力が小さい内径部Ｗにあることが望ましいが、内面側の開口１２ｂは、タペット１１の部材の強度が許す限り、必ずしも内径部Ｗになくてもよい。

また、図１及び図２に示すように、バルブ部材５のバルブステム５ｂの外周には、コッタ９を介してバルブスプリング６保持用のリテーナ８が取り付けられており、リテーナ８のタペット１１側に向く面にオイル溜り１０が設けられている。オイル溜り１０は、リテーナ８の内径部に設けた凹部、及び、コッタ９の上面によって形成されている。

ここで、通油孔１２の端壁部１１ａ内面への開口１２ｂは、鉛直方向ｖに対してオイル溜り１０に対向して配置されているので、通油孔１２を通過したオイル（図２の矢印ｘ参照）は、傾斜面１１ｄに沿って流下（図２の矢印ｙ参照）するオイルも、それ以外のオイルもオイル溜まり１０に導かれやすい。オイル溜まり１０にオイルが滞留していれば、特に、エンジン始動直後の冷間時において、バルブステム５ｂとコッタ９との間、コッタ９とリテーナ８との間、リテーナ８とバルブスプリング６との間、バルブステム５ｂとタペット１１との間等を即時に潤滑できる。

なお、このオイル溜まり１０の設置は、エンジンの用途や仕様に応じて、適宜省略することもできる。

他の実施形態を図４（ａ）〜（ｃ）に示す。

図４（ａ）は、前述の実施形態における凸部１１ｃの周囲において、傾斜面１１ｄの設置を省略したものである。このため、凸部１１ｃは円柱状に突出した形状となっている。

通油孔１２は、タペット１１及びバルブステム５ｂの軸心ｃに対して、端壁部１１ａの外面側から内面側へ向かって徐々に半径方向外側に向かうように傾斜しており、通油孔１２の端壁部１１ａ内面への開口１２ｂを、凸部１１ｃの裾に配置している点は同様である。また、通油孔１２の端壁部１１ａ外面への開口１２ａを、内径部Ｗに配置している点も同様である。さらに、通油孔１２の端壁部１１ａ内面への開口１２ｂも、内径部Ｗに配置している。

ここでは、通油孔１２の端壁部１１ａ内面への開口１２ｂも内径部Ｗに配置しているが、外面側の開口１２ａが内径部Ｗにあれば、内面側の開口１２ｂは内径部Ｗよりも外側になるように配置してもよい。これは、他の各実施形態においても同様である。

図４（ｂ）は、通油孔１２の端壁部１１ａ内面への開口１２ｂを、凸部１１ｃの傾斜面１１ｄに臨ませている。

通油孔１２は、タペット１１及びバルブステム５ｂの軸心ｃに対して、端壁部１１ａの外面側から内面側へ向かって徐々に半径方向外側に向かうように傾斜している点は同様である。また、通油孔１２の端壁部１１ａ外面への開口１２ａを、内径部Ｗに配置している点も同様である。

図４（ｃ）は、同じく、通油孔１２の端壁部１１ａ内面への開口１２ｂを、凸部１１ｃの傾斜面１１ｄに配置したものであるが、ここでは傾斜面１１ｄは、頂部１１ｅと周壁部１１ｂの端壁部１１ａからの立ち上がり部分とを結んで設けられている。その他の構成については、前述の実施形態と同様である。

１ シリンダ
２ 燃焼室
３ ポート
４ 弁孔
５ バルブ部材（バルブ）
５ａ 傘部
５ｂ バルブステム
５ｃ ステムエンド
５ｄ 抜け止め凹部
６ バルブスプリング
７ バルブステムガイド
８ リテーナ
８ａ 基部
８ｂ 内周面
８ｃ 張り出し部
９ コッタ
９ａ 抜け止め突起
９ｂ 外周面
１０ オイル溜まり
１１ タペット
１１ａ 端壁部
１１ｂ 周壁部
１１ｃ 凸部
１１ｄ 傾斜面
１１ｅ 頂部
１２ 通油孔
１２ａ、１２ｂ 開口
２０ カム

Claims (6)

1. 軸状のバルブステムの一端にバルブの弁孔に接離する傘部が設けられたバルブ部材と、
   前記バルブステムの他端が当接する端壁部とその端壁部の周縁から前記傘部側へ立ち上がる周壁部とからなるタペットと、
   前記タペットの端壁部外面に摺接するカムと、
   を備え、
   前記タペットは、前記端壁部を貫通する通油孔を備え、
   前記通油孔は、前記バルブステムの軸心に対して、前記端壁部外面への開口から前記端壁部内面への開口に向かって徐々に半径方向外側に向かい、前記通油孔の前記端壁部外面への開口は、前記カムの作用による前記バルブ部材のリフト方向への加速度が、バルブの開放方向を正、閉鎖方向を負とした場合に、負の値となるクランク角の範囲に対応する前記カムと前記端壁部外面との接触点の範囲に配置されていることを特徴とするバルブ構造。
2. 前記端壁部は、前記バルブステム側へ突出し前記バルブステムの他端が当接する凸部を備え、
   前記通油孔の前記端壁部内面への開口は、前記凸部の裾に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のバルブ構造。
3. 前記端壁部は、前記バルブステム側へ突出し前記バルブステムの他端が当接する凸部を備え、
   前記凸部は、前記バルブステムの他端が当接する頂部と、その頂部の外周に前記半径方向外側に向かうにつれて前記突出方向への高さが低くなる傾斜面を備え、
   前記通油孔の前記端壁部内面への開口は、前記傾斜面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のバルブ構造。
4. 前記傾斜面は、前記頂部と、前記周壁部の前記端壁部からの立ち上がり部分とを結んで設けられていることを特徴とする請求項３に記載のバルブ構造。
5. 前記バルブ部材は、前記バルブステムの軸心が鉛直方向に対して傾斜する向きに配置されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載のバルブ構造。
6. 前記バルブ部材の外周に、コッタを介してバルブスプリング保持用のリテーナが取り付けられており、
   前記リテーナの前記タペット側に向く面にオイル溜まりを形成し、
   前記通油孔の前記端壁部内面への開口は、鉛直方向に対して前記オイル溜まりに対向することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載のバルブ構造。

Images