JP6220309B2 - エンジンの動弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの動弁装置に関し、特に、エンジンの運転状態に応じてエンジンバルブの開弁特性を変化させるエンジンの動弁装置に関する。

特許文献１には、作業機などの原動機（駆動源）に用いられるエンジンの一例が記載されている。特許文献１に記載されたエンジンでは、クランクシャフトの回転に伴ってカムギヤが回転すると共に、このカムギヤに設けられたカムが、その外周面に当接した部材を介してプッシュロッドを上下させることによってエンジンバルブ（吸気バルブ、排気バルブ）を開閉している。

特開平１０−２９９６２６号公報

しかし、特許文献１に記載のエンジンにおいては、エンジン運転中のエンジンバルブの開弁特性（リフト量や開閉期間）が一定であり、例えば、エンジンの運転状態に応じてより好ましい開弁特性に変更することができない。

そこで、本発明は、エンジンの運転状態に応じてエンジンバルブの開弁特性を変化させることのできるエンジンの動弁装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面によると、カム部を有すると共に支持軸に回転可能に支持されてクランクシャフトに連動して回転するカム部材を含み、当該カム部材の前記カム部の外周面に当接するカムフォロア部材を介してエンジンバルブを開閉する携帯作業機用エンジンの動弁装置は、前記カム部の前記外周面に当接すると共に前記カム部材の回転に連動して揺動する第１カムフォロア部材、前記第１カムフォロア部材の揺動動作に応じて軸方向に移動する第１プッシュロッド及び前記第１プッシュロッドに連結された第１ロッカアームを介して吸気バルブを開閉すると共に、前記カム部の前記外周面に当接すると共に前記カム部材の回転に連動して揺動する第２カムフォロア部材、前記第２カムフォロア部材の揺動動作に応じて軸方向に移動する第２プッシュロッド及び前記第２プッシュロッドに連結された第２ロッカアームを介して排気バルブを開閉するように構成されている。前記カム部材は、その回転軸線方向である前記支持軸の軸線方向に移動可能であり、前記カム部材の前記カム部の前記外周面は、前記支持軸の軸線方向における一端側から他端側に向かって傾斜したテーパ面部を有して形成されている。そして、前記携帯作業機用エンジンの動弁装置は、前記カム部材が前記支持軸の軸線方向に移動することによって、前記支持軸の軸線方向における前記カム部の前記外周面と前記第１カムフォロア部材及び前記第２カムフォロア部材のそれぞれとの当接位置が変化して前記吸気バルブ及び前記排気バルブの開弁特性を変化させるように構成されている。

前記携帯作業機用エンジンの動弁装置によれば、支持軸に回転可能に支持されたカム部材を前記支持軸の軸線方向に移動させることによって、エンジンバルブ（吸気バルブ及び排気バルブ）の開弁特性を変化させることができる。このため、携帯作業機用エンジンの運転状態に応じてカム部材を適宜移動させることにより、携帯作業機用エンジンの運転状態に応じたエンジンバルブ（吸気バルブ及び排気バルブ）の好ましい開弁特性を得ることができる。

本発明の一実施形態による動弁装置が適用されたエンジンの概略断面図である。 図１のＡ−Ａ概略断面図である。 前記動弁装置の要部拡大図である。 図３のＢ−Ｂ断面図である。 前記動弁装置のカムギヤの構成を示す拡大図である。 エンジン低回転時（エンジン停止時を含む）の動弁装置の状態を示す図である。 エンジン低回転時のエンジンバルブ（吸気バルブ、排気バルブ）のリフトカーブを示めす図である。 エンジン高回転時の動弁装置の状態を示す図である。 エンジン高回転時のエンジンバルブ（吸気バルブ、排気バルブ）のリフトカーブを示めす図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による動弁装置が適用されたエンジン１の概略断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ概略断面図である。このエンジン１は、主に刈払機などの携帯作業機の原動機（駆動源）として使用される。エンジン１には、エンジンバルブ、すなわち、エンジン１の吸気バルブ２及び排気バルブ３を開閉するための動弁装置３０が設けられている。

動弁装置３０は、駆動ギヤ３１と、カムギヤ３２と、カムフォロア部材（第１カムフォロア部材３３、第２カムフォロア部材３４）と、プッシュロッド（第１プッシュロッド３５、第２プッシュロッド３６）と、ロッカアーム（第１ロッカアーム３７、第２ロッカアーム３８）と、を含む。

駆動ギヤ３１は、エンジン１のクランクシャフト４に取り付けられており、クランクシャフト４と共に回転する。カムギヤ３２は、駆動ギヤ３１に噛み合うギヤ歯が周縁に形成されたギヤ部３２１と、カム部３２２とを一体的に有している。カムギヤ３２は、第１支持軸１１に回転可能に支持されており、クランクシャフト４（駆動ギヤ３１）の回転に連動して第１支持軸１１回りに回転する。すなわち、本実施形態においては、第１支持軸１１の軸線が、カムギヤ３２の回転軸線となっている。

第１カムフォロア部材３３及び第２カムフォロア部材３４は、それぞれ第１支持軸１１の上方に配設された第２支持軸１２の揺動可能に支持されている。第１カムフォロア部材３３及び第２カムフォロア部材３４は、それぞれカムギヤ３２のカム部３２２の外周面（カム面）に当接しており、カムギヤ３２（カム部３２２）の回転に連動して第２支持軸１２回りに揺動（回動）する。本実施形態において、第１カムフォロア部材３３は、左上方からカム部３２２の外周面に当接し、第２カムフォロア部材３４は、右上方からカム部３２２の外周面に当接している（図１参照）。すなわち、第１カムフォロア部材３３と第２カムフォロア部材３４とは、所定の位相差を持って揺動するようになっている。

第１プッシュロッド３５は、一端が第１カムフォロア部材３３に連結されると共に他端が第１ロッカアーム３７の一端に連結されており、第１カムフォロア部材３３の揺動運動を第１ロッカアーム３７に伝達する。また、第２プッシュロッド３６は、一端が第２カムフォロア部材３４に連結されると共に他端が第２ロッカアーム３８の一端に連結されており、第２カムフォロア部材３４の揺動運動を第２ロッカアーム３８に伝達する。そして、第１ロッカアーム３７の他端が吸気バルブ２に連結され、第２ロッカアーム３８の他端が排気バルブ３に連結されている。

本実施形態において、駆動ギヤ３１、カムギヤ３２、第１カムフォロア部材３３、及び第２カムフォロア部材３４は、ピストン１３を往復動可能に収容するシリンダ１４の側方に設けられたバルブ駆動室１５に収容されている。第１ロッカアーム３７及び第２ロッカアーム３８は、シリンダ１４の上方に設けられた動弁室１６に収容されている。第１プッシュロッド３５及び第２プッシュロッド３６は、バルブ駆動室１５と動弁室１６とを連通する第１連通路１７、第２連通路１８にそれぞれ配置されている。バルブ駆動室１５、動弁室１６、第１連通路１７、及び第２連通路１８には、例えばクランクシャフト４を収容するクランク室内でミスト化された潤滑オイル（オイルミスト）が供給され、この供給されたオイルミストによって動弁装置１０を構成する上記各部品が潤滑される。

エンジン１（クランクシャフト４）が回転すると、駆動ギヤ３１を介してカムギヤ３２が回転駆動される。カムギヤ３２が回転すると、カム部３２２の外周面に当接した第１カムフォロア部材３３及び第２カムフォロア部材３４が第２支持軸１２回りに揺動し、これにより、第１プッシュロッド３５及び第２プッシュロッド３６がそれぞれ軸方向（上下方向）に移動する。そして、第１プッシュロッド３５の軸方向の移動に伴って第１ロッカアーム３７が吸気バルブ２を開閉し、第２プッシュロッド３６の軸方向の移動に伴って第２ロッカアーム３８が排気バルブ３を開閉する。このようにして、動弁装置３０は、エンジン１の吸気バルブ２及び排気バルブ３を開閉する。

ここで、本実施形態において、カムギヤ３２は、第１支持軸１１上を移動可能に、換言すれば、回転軸線方向に移動可能に設けられている。そして、動弁装置３０は、カムギヤ３２が第１支持軸１１上を移動、すなわち、回転軸線方向に移動することにより、吸気バルブ２及び排気バルブ３の開弁特性（リフト量及び／又は開弁期間）を同時に変化させるように構成されている。以下、動弁装置３０の構成についてさらに説明する。

図３は、動弁装置３０の要部拡大図あり、図４は、図３のＢ−Ｂ断面図である。なお、図３においては、説明の便宜上、第２カムフォロア部材３４及び第２プッシュロッド３６を省略している。

図４に示すように、本実施形態において、シリンダ１４が形成されたシリンダ部材２０の外面にはカバー部材２１が取り付けられており、シリンダ部材２０とカバー部材２１との間にバルブ駆動室１５が形成されている。バルブ駆動室１５内において、カムギヤ３２を回転可能に支持する第１支持軸１１は、シリンダ部材２０とカバー部材２１によって両端支持されており、第１カムフォロア部材３３（及び図示省略された第２カムフォロア部材３４）を揺動可能に支持する第２支持軸１２は、シリンダ部材２０の外面に立設されている。そして、動弁装置３０は、カムギヤ３２などの上述した各部品に加えて、保持プレート３９、複数の遠心ウエイト４０、及びスプリング部材４１をさらに含んでいる。

図５は、カムギヤ３２の構成を示す拡大図である。
上述のように、カムギヤ３２は、ギヤ部３２１とカム部３２２とが一体化されて構成されており、ギヤ部３２１側の側面（以下「ギヤ側側面」という）３２ａと、カム部３２２側の側面（以下「カム側側面」という）３２ｂとを有する。また、カムギヤ３２は、第１支持軸１１が挿通される軸挿通孔３２３を有する。ここで、ギヤ部３２１は、カムギヤ３２が第１支持軸１１上を移動した場合であっても駆動ギヤ３１と噛み合うように、所定の幅（厚さ）を有して形成されている。

本実施形態において、カムギヤ３２のカム部３２２の外周面は、ギヤ部３２１から離れる方向に下り勾配となるテーパ面部３２２ａを有している。換言すれば、カム部３２２の外周面は、カムギヤ３２が第１支持軸１１に支持された状態において、第１支持軸１１の軸線方向（すなわち、カムギヤ３２の回転軸線方向）における一端側から他端側に向かって傾斜したテーパ面部３２２ａを有して形成されている。

また、カムギヤ３２のギヤ側側面３２ａには、軸挿通孔３２３の近傍から径方向に延びる複数（ここでは６個）のガイド溝３２４が形成されている。換言すれば、各ガイド溝３２４は、カムギヤ３２が第１支持軸１１に支持された状態において、第１支持軸１１の軸線（すなわち、カムギヤ３２の回転軸線）に直交する方向に延びている。本実施形態において、複数（６個）のガイド溝３２４は、周方向に等間隔で配置されている。また、各ガイド溝３２４の底部３２４ａは、挿通孔３２３から離れるに従って、すなわち、第１支持軸１１の軸線（カムギヤ３２の回転軸線）から離れるに従って徐々に浅くなるように傾斜している。

図４に戻って、保持プレート３９は、円盤状に形成されて第１支持軸１１に装着されている。保持プレート３９は、カムギヤ３２よりもシリンダ部材２０側に配置されており、一方の面がカムギヤ３２のギヤ側側面３２ａに所定の隙間を開けて対向している。また、保持プレート３９の他方の面は、シリンダ部材２０の凸部２０ａに当接しており、これにより、保持プレート３９は、カムギヤ３２から離れる方向の移動が規制されている。好ましくは、保持プレート３９は、第１支持軸１１に固定されている。保持プレート３９は、カムギヤ３２から離れる方向の移動が規制されていればよく、上記以外の方法、例えば、第１支持軸１１を段付き軸とすることによって、保持プレート３９のカムギヤ３２から離れる方向の移動を規制するようにしてもよい。

複数の遠心ウエイト４０は、それぞれ球状に形成されて、カムギヤ３２と保持プレート３９との間に配置されている。遠心ウエイト４０としては、例えばベアリングに使用されるスチールボールを採用することができる。本実施形態において、複数の遠心ウエイト４０のそれぞれは、カムギヤ３２のギヤ側側面３２ａに形成された各ガイド溝３２４内に摺動及び転動可能に配置されている。すなわち、各遠心ウエイト４０は、自身が収容されたガイド溝３２３に沿って移動可能であり、また、自身が収容されたガイド溝３２３内のいずれの位置においても転動可能である。

スプリング部材４１は、カムギヤ３２を挟んで保持プレート３９とは反対側に、すなわち、カムギヤ３２のカム側側面３２ｂとカバー部材２１との間に配置されている。スプリング部材４１は、第１支持軸１１に装着されており、一端がカムギヤ３２のカム側側面３２ｂに当接し、他端がカバー部材２１に内面に当接している。スプリング部材４２１は、カムギヤ３２を保持プレート３９に向かって付勢しており、これにより、複数の遠心ウエイト４０は、カムギヤ３２と保持プレート３９とによって挟持される。ここで、各遠心ウエイト４０は、カムギヤ３２が回転していない状態においては、各ガイド溝３２４内の最も内側の位置（カムギヤ３２の回転軸線に最も近い位置）に保持される。

次に、図６〜図９を参照して本実施形態による動弁装置３０の動作を説明する。
図６は、エンジン低回転時（エンジン停止時を含む）の動弁装置３０の状態を示し、図７は、エンジン低回転時の吸気バルブ２及び排気バルブ３のリフトカーブを示している。
また、図８は、エンジン高回転時の動弁装置３０の状態を示し、図９は、エンジン高回転時の吸気バルブ２及び排気バルブ３のリフトカーブを示している。

図６に示すように、エンジン低回転時には、カムギヤ３２は、スプリング部材４１によって付勢されて、保持プレート３９に最も近づいた位置にある。また、各遠心ウエイト４０が、カムギヤ３２のガイド溝３２３内の径方向の最も内側に位置している（カムギヤ３２の回転軸線に最も近い位置にある）。このため、第１カムフォロア部材３３は、カム部３２２の外周面（テーパ面部３２２ａ）のカバー部材２１側の部位、すなわち、カム部３２２の外周面の回転軸線からの距離が小さい領域に当接する。同様に、第２カムフォロア部材３４もカム部３２２の外周面（テーパ面部３２２ａ）のカバー部材２１側の部位に当接する。したがって、エンジン低回転時においては、第１カムフォロア部材３３及び第２カムフォロア部材３４の揺動量が小さく、吸気バルブ２及び排気バルブ３のリフト量が小さく、開弁期間も短くなる。また、バルブオーバーラップも小さくなる（図７参照）。

エンジン回転数が上昇すると、遠心力の作用により各遠心ウエイト４０はカムギヤ３２のガイド溝３２３内を径方向外側に向かって移動する。そして、この各遠心ウエイト４０の移動に伴ってカムギヤ３２がスプリング部材４１の付勢力に抗して第１支持軸１１上を保持プレート３９から離れる方向に移動する。すなわち、カムギヤ３２は、エンジン回転数に応じた遠心力の作用によって保持プレート３９から離れる方向に移動する。すると、カム部３２２の外周面（テーパ面部３２２ａ）において、第１カムフォロア部材３３及び第２カムフォロア部材３４が当接する領域が変化する。

そして、エンジン高回転時には、図８に示すように、各遠心ウエイト４０が、カムギヤ３２のガイド溝３２３内の径方向の最も外側に位置し、カムギヤ３２は、保持プレート３９から最も離れて位置する。このため、第１カムフォロア部材３３は、カム部３２２の外周面（テーパ面部３２２ａ）のギヤ部３２１側の部位、すなわち、カム部３２２の外周面の回転軸線からの距離が大きい領域に当接する。したがって、エンジン高回転時においては、第１カムフォロア部材３３及び第２カムフォロア部材３４の揺動量が大きくなり、図９に示すように、エンジン低回転時（図７）に比べて、吸気バルブ２及び排気バルブ３のリフト期間（開弁期間）が長くなり、リフト量も大きくなる。また、バルブオーバーラップも大きくなる。なお、図９における破線は、エンジン低回転時の吸気バルブ２及び排気バルブ３のリフトカーブを示している。

本実施形態において、カムギヤ３２が本発明の「カム部材」に相当し、保持プレート３９が本発明の「対向部材」に相当し、スプリング部材４１が本発明の「付勢部材」に相当する。また、複数の遠心ウエイト４０が本発明の「駆動部材」に相当する。

本実施形態による動弁装置３０によると、エンジン１の運転状態、特にエンジン回転数に応じてエンジンバルブ（吸気バルブ２、排気バルブ３）の開弁特性を変化させることができる。このため、スプリング部材４１の付勢力及びカムギヤ３２のカム部３２２の外周面形状などを適宜設定することによって、エンジン１の運転状態（エンジン回転数）に応じたエンジンバルブの好ましい開弁特性が得られる。

また、本実施形態による動弁装置３０において、カムギヤ３２のカム部３２２の外周面は、第１支持軸１１の軸線方向（カムギヤ３２の回転軸線方向）における一端側から他端側に向かって傾斜したテーパ面部３２２ａを有する。そして、動弁装置３０は、カムギヤ３２が第１支持軸１１上を移動することにより、第１支持軸１１の軸線方向におけるカム部３２２の外周面とカムフォロア部材（第１カムフォロア部材３３、第２カムフォロア部材３４）との当接位置が変化してエンジンバルブの開弁特性を変化させる。具体的には、カムギヤ３２は、複数の遠心ウエイト４０がエンジン１の回転数に応じた遠心力の作用によってガイド溝３２３内を径方向外側に向かって移動することにより、スプリング部材４１の付勢力に抗して保持プレート３から離れる方向に移動する。このため、複雑な制御などを必要とすることなく、比較的簡単な構成によってエンジン１の運転状態に応じた吸気バルブ２及び排気バルブ３の開弁特性を得ることができる。

ところで、上記実施形態において、カムギヤ３２のカム部３２２の外周面は、一つのテーパ面部３２２ａを有しているが、カム部３２２の外周面は、傾斜角度の異なる複数のテーパ面部を有することができる。前記テーパ面部が曲面として形成されてもよい。

また、上記実施形態において、動弁装置３０は、保持プレート３９を有している。しかし、これに限るものではない。保持プレート３９と同様の機能を有する部材、すなわち、カムギヤ３２のギヤ側側面３２ａに対向する対向面を有すると共にカムギヤ３２から離れる方向の移動が規制され且つカムギヤ３２との間に複数の遠心ウエイト４０を保持できる部材を、保持プレート３９に代えて採用することができる。保持プレート３９を省略し、シリンダ部材２０の外面の一部に保持プレート３９としての機能を持たせてもよい。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形や変更が可能であることはもちろんである。

１…エンジン、２…吸気バルブ、３…排気バルブ、４…クランクシャフト、１１…第１支持軸、１２…第２支持軸、３０…動弁装置、３１…駆動ギヤ、３２…カムギヤ、３３…第１カムフォロア部材、３４…第２カムフォロア部材、３５…第１プッシュロッド、３６…第２プッシュロッド３６、３７…第１ロッカアーム、３８…第２ロッカアーム、３９…保持プレート、４０…遠心ウエイト、４１…スプリング部材、３２１…ギヤ部、３２２…カム部、３２２ａ…テーパ面部

Claims (6)

1. カム部を有すると共に支持軸に回転可能に支持されてクランクシャフトに連動して回転するカム部材を含み、当該カム部材の前記カム部の外周面に当接するカムフォロア部材を介してエンジンバルブを開閉する携帯作業機用エンジンの動弁装置であって、
   前記カム部の前記外周面に当接すると共に前記カム部材の回転に連動して揺動する第１カムフォロア部材、前記第１カムフォロア部材の揺動動作に応じて軸方向に移動する第１プッシュロッド及び前記第１プッシュロッドに連結された第１ロッカアームを介して吸気バルブを開閉すると共に、
   前記カム部の前記外周面に当接すると共に前記カム部材の回転に連動して揺動する第２カムフォロア部材、前記第２カムフォロア部材の揺動動作に応じて軸方向に移動する第２プッシュロッド及び前記第２プッシュロッドに連結された第２ロッカアームを介して排気バルブを開閉するように構成され、
   前記カム部材は、その回転軸線方向である前記支持軸の軸線方向に移動可能であり、
   前記カム部材の前記カム部の前記外周面は、前記支持軸の軸線方向における一端側から他端側に向かって傾斜したテーパ面部を有して形成され、
   前記カム部材が前記支持軸の軸線方向に移動することによって、前記支持軸の軸線方向における前記カム部の前記外周面と前記第１カムフォロア部材及び前記第２カムフォロア部材のそれぞれとの当接位置が変化して前記吸気バルブ及び前記排気バルブの開弁特性を変化させるように構成された、携帯作業機用エンジンの動弁装置。
2. 前記エンジンの回転数に応じて前記カム部材を前記支持軸の軸線方向に移動させる駆動部材を含む、請求項１に記載の携帯作業機用エンジンの動弁装置。
3. 前記カム部材の一側面に対向する対向面を有すると共に前記カム部材から離れる方向への移動が規制された対向部材と、
   前記カム部材の前記一側面と前記対向部材の前記対向面との間に配置され、前記支持軸の軸線に直交する方向に移動可能な複数の遠心ウエイトと、
   前記複数の遠心ウエイトを前記カム部材と前記対向部材とで挟持するように前記カム部材を前記対向部材に向かって付勢する付勢部材と、
   を有し、
   前記複数の遠心ウエイトが前記エンジンの回転数に応じた遠心力の作用で前記支持軸の軸線に直交する方向に移動することにより前記カム部材が前記付勢部材の付勢力に抗して前記対向部材から離れる方向に移動し、これによって、前記支持軸の軸線方向における前記カム部の前記外周面と前記第１カムフォロア部材及び前記第２カムフォロア部材のそれぞれとの当接位置が変化して前記吸気バルブ及び前記排気バルブの開弁特性を変化させるように構成された、請求項１又は２に記載の携帯作業機用エンジンの動弁装置。
4. 前記カム部材の前記一側面には、それぞれが前記支持軸の軸線に直交する方向に延びると共にその底部が傾斜して前記支持軸の軸線から離れるに従って徐々に浅くなる複数のガイド溝が形成され、
   前記複数の遠心ウエイトのそれぞれは、球状に形成されて各ガイド溝内に摺動及び転動可能に配置されている、請求項３に記載の携帯作業機用エンジンの動弁装置。
5. 前記カム部材は、前記カム部と前記クランクシャフトからの駆動力が伝達されるギヤ部とを一体的に有し、
   前記対向部材は、前記支持軸に装着され、
   前記複数の遠心ウエイトのそれぞれが前記エンジンの回転数に応じた遠心力の作用で各ガイド溝内を前記支持軸の軸線から離れる方向に移動することにより前記カム部材が前記付勢部材の付勢力に抗して前記支持軸上を前記対向部材から離れる方向に移動し、これによって、前記支持軸の軸線方向における前記カム部の前記外周面と前記第１カムフォロア部材及び前記第２カムフォロア部材のそれぞれとの当接位置が変化して前記吸気バルブ及び前記排気バルブの開弁特性を変化させるように構成された、請求項４に記載の携帯作業機用エンジンの動弁装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一つに記載の携帯作業機用エンジンの動弁装置を有するエンジンが原動機として使用された携帯作業機。