JP6248715B2

JP6248715B2 - カム切替装置

Info

Publication number: JP6248715B2
Application number: JP2014048699A
Authority: JP
Inventors: 宏角田
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2034-03-12
Also published as: JP2015172354A

Description

本発明は、カム切替装置に関し、特に、エンジンの吸排気バルブに対応して設けられたカムプロフィールの異なる一対のカムを選択的に切り替えることで吸排気バルブのバルブ特性を可変とするカム切替装置に関する。

従来、カムシャフトにカムプロフィールの異なる２種類のカムを設け、カムシャフトを油圧アクチェータで軸方向にスライド移動させてカムを選択的に切り替えることで、吸排気バルブのバルブ特性を可変とするカム切替装置が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開２００２−４８２３号公報特開２００１−１２３８１１号公報

ところで、吸排気バルブは、バルブスプリングによって常時閉弁方向に付勢されており、カムによって揺動するロッカーアームがバルブスプリングの付勢力に抗して吸排気バルブを押圧することで開弁される。すなわち、吸排気バルブが開閉動作する気筒稼働時は、カムとロッカーアームとの間に常時圧接力が作用することになる。

このため、気筒稼働時にカムシャフトをスライド移動させるカムの切り替えを行う場合は、カムとロッカーアームとの間の圧接力が負荷となり、油圧アクチュエータに大きな油圧を供給する必要がある。特に、複数気筒を直列に配置した複数気筒エンジンでは、各気筒のカムを同時に切り替えようとする場合は、十分な油圧を確保できる大型の油圧アクチェータを用いる必要がある。

また、一般的に、油圧アクチュエータに油圧を供給するポンプはエンジンの動力で駆動するため、アイドル運転時等、エンジン低負荷運転時は油圧が低下する。このため、アイドル運転時等にカムの切り替えを行う場合は、低油圧でもカムシャフトをスライド移動できるよう、ピストンを大型化する必要がある。

本発明はこのような点に鑑みてなされたもので、その目的は、装置の大型化を招くことなくカムの切り替えを行うことができるカム切替装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、エンジンの吸排気バルブに対応して設けられたカムプロフィールの異なる一対のカムを選択的に切り替えることで前記吸排気バルブのバルブ特性を可変とするカム切替装置であって、前記エンジンのクランク軸と連動して回転する第１カム軸と、前記第１カム軸の外周にスプライン嵌合すると共に前記一対のカムが一体回転可能に設けられた第２カム軸と、前記第２カム軸を軸方向にスライド移動させて前記一対のカムを選択的に切り替えるカム軸移動手段と、前記吸排気バルブの開閉動作を停止させて気筒を休止可能な気筒休止手段とを備え、前記一対のカムを選択的に切り替える際は、前記気筒休止手段によって気筒を休止させると共に、前記カム軸移動手段によって前記第２カム軸を軸方向にスライド移動させることを特徴とする。

また、前記カム軸移動手段が前記第２カム軸の両端にそれぞれ設けられた一対の油圧室を含み、前記第２カム軸を軸方向にスライド移動させる際は、一方の油圧室に油圧を供給すると共に、他方の油圧室から油圧を排出させるものでもよい。

また、軸方向にスライド移動する前記第２カム軸をカム選択位置で停止させるロック手段をさらに備え、該ロック手段が、前記第２カム軸の外周に凹設された凹穴と、油圧により付勢されて前記凹穴と係合可能なボールとを含むものでもよい。

また、前記エンジンが複数気筒を直列に配置した直列気筒エンジンであり、前記一対のカムが前記複数気筒の各吸排気バルブにそれぞれ対応して設けられ、前記一対のカムを選択的に切り替える際は、前記気筒休止手段によって前記複数気筒を休止させると共に、前記カム軸移動手段によって前記第２カム軸を軸方向にスライド移動させるものでもよい。

本発明のカム切替機構によれば、装置の大型化を招くことなくカムの切り替えを行うことができる。

本実施形態に係るカム切替機構を示す模式的な部分断面図である。本実施形態に係るカム切替機構によるカムの切り替え動作（前半）を説明する模式的な部分断面図である。本実施形態に係るカム切替機構によるカムの切り替え動作（後半）を説明する模式的な部分断面図である。本実施形態に係る気筒休止機構の休止状態を示す模式的な側面図である。図４のＡ―Ａ線断面図である。本実施形態に係る気筒休止機構の作動状態を示す模式的な側面図である。本実施形態に係る気筒休止機構の要部を示す模式的な断面図である。本実施形態に係るカム切替機構によるカムの切り替え動作を説明するフロー図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係るカム切替装置について説明する。

図１に示すように、本実施形態のエンジンＥは、例えば直列４気筒エンジンであって、エンジンＥの運転状態に応じて一対のカム１２，１３を選択的に切り替えるカム切替装置１０を備えている。また、エンジンＥの各気筒＃１〜４には気筒休止機構４０がそれぞれ設けられている。なお、説明の便宜上、気筒＃２，３については図示を省略している。

カム切替装置１０は、二重カム軸１１と、カムプロフィールの異なる二種類のカム１２，１３と、二重カム軸１１の両端に設けられた一対の油圧駆動機構２０とを備えている。油圧駆動機構２０は、本発明のカム軸移動手段の一例として好ましい。

二重カム軸１１は、エンジンＥの図示しないクランク軸と連動して回転する内側カム軸１１Ａと、内側カム軸１１Ａの外周とスプライン嵌合する外側カム軸１１Ｂとを備えている。内側カム軸１１Ａは本発明の第１カム軸に相当し、外側カム軸１１Ｂは本発明の第２カム軸に相当する。

外側カム軸１１Ｂには、各気筒＃１〜４の吸排気バルブＶにそれぞれ対応して設けられた標準カム１２及び燃費カム１３が一体回転可能に圧入固定されている。標準カム１２は、通常の吸排気工程で吸排気バルブＶを開閉作動させるカムプロフィールを有する。燃費カム１３は、エンジンＥの燃料消費量を低減させる吸排気工程で吸排気バルブＶを開閉作動させるカムプロフィールを有する。

油圧駆動機構２０は、外側カム軸１１Ｂの一端側をスライド移動可能に収容するシリンダを有するハウジング部２２と、外側カム軸１１Ｂのスライド移動を規制するロック機構３０とを備えている。

ハウジング部２２には、シリンダ内周面と外側カム軸１１Ｂの端面とにより区画形成される第１油圧室２３及び、上端を外側カム軸１１Ｂの外周面に臨んで開口させた第２油圧室２４が設けられている。これら第１油圧室２３及び第２油圧室２４には、図示しない油圧回路から油圧を供給又は排出するための油通路２３Ａ，２４Ａがそれぞれ接続されている。

ロック機構３０は、外側カム軸１１Ｂの外周面に形成された左右一対の凹穴３１，３２と、第２油圧室２４内の油圧により外側カム軸１１Ｂの外周面に向けて押し上げられて凹穴３１，３２と選択的に係合可能なロックボール３３と、第２油圧室２４に収容されてロックボール３３を上方に向けて付勢するリターンスプリング３４とを備えている。

ロックボール３３は、標準カム１２を選択する際に図中左側の凹穴３１と係合し、燃費カム１３を選択する際は図中右側の凹穴３２と係合する。リターンスプリング３４は、第２油圧室２４から油圧が排出された際に、ロックボール３３を外側カム軸１１Ｂの外周面に当接させる。

次に、図２，３に基づいて、標準カム１２から燃費カム１３への切り替え動作を説明する。

図２（ａ）は、標準カム１２が選択（ロッカーアーム４１が標準カム１２によって揺動）されている状態を示している。この状態において、左右の第１及び第２油圧室２３，２４には油圧がそれぞれ供給されているため、外側カム軸１１Ｂに作用する左右の油圧は釣り合っている。また、左右のロックボール３３がそれぞれ凹穴３１と係合しているため、外側カム軸１１Ｂのスライド移動は規制されている。

図２（ａ）の状態から、図２（ｂ）に示すように、左側の第１及び第２油圧室２３，２４、右側の第２油圧室２４から油圧を排出すると、外側カム軸１１Ｂの右端面に作用する油圧が大きくなり、さらに左右のロック機構３０による規制が解除される。すると、外側カム軸１１Ｂは図中左方向に向かってスライド移動を開始する。

外側カム軸１１Ｂがスライド移動を開始すると、図３（ａ）に示すように、左右の第２油圧室２４への油圧の供給を再開する。すなわち、左右のロックボール３３は、油圧によって上方に押し上げられてスライド移動する外側カム軸１１Ｂの外周面と摺接する。

その後、図３（ａ）の状態から外側カム軸１１Ｂがさらにスライド移動すると、図３（ｂ）に示すように、左右のロックボール３３はそれぞれ凹穴３２と係合する。この状態で、左側の第１油圧室２３への油圧の供給を再開することで、外側カム軸１１Ｂに作用する左右両端の油圧が釣り合い、標準カム１２から燃費カム１３への切り替えが完了する。なお、燃費カム１３から標準カム１２への切り替えについては、第１及び第２油圧室２３，２４への油圧の給排を逆の順序で行えばよいため、詳細な説明は省略する。

次に、図４〜７に基づいて、本実施形態の気筒休止機構４０の詳細構成を説明する。気筒休止機構４０は、吸排気バルブＶを閉弁状態にするもので、カム１２，１３によって揺動されて吸排気バルブＶを開弁方向に動作させるロッカーアーム４１と、ロッカーアーム４１にロッカーシャフト軸４２でピン連結されてロッカーアーム４１の揺動で上下動するロッカーシャフトブラケット５０と、ロッカーアーム４１の一端と吸排気バルブＶの上端とが常時接触するようにロッカーアーム４１の他端（ロッカーシャフトブラケット５０）を油圧力で保持するラッシュアジャスター６０と、固定系に設けられた電磁ソレノイド７０と、プランジャ７４（図７参照）に設けられてロッカーシャフトブラケット５０に形成された貫通孔５４（図７参照）を通して延びると共にラッシュアジャスター６０の逆止弁６８（図７参照）を開放するニードル８０（図７参照）とを備えている。

ロッカーシャフトブラケット５０は、ロッカーアーム４１にロッカーシャフト軸４２でピン連結されたブラケット本体５１と、磁性体で形成されてブラケット本体５１の上部に設けられたベースマウント５２とを備えている。ブラケット本体５１には、図５に示すように、一対のロッカーアーム４１がロッカーシャフト軸４２を介してピン連結されている。図７に示すように、ロッカーシャフトブラケット５０には、貫通孔５５が形成されている。この貫通孔５５には、ニードル８０が挿通される。なお、図７中の符号５３は、給油経路を示している。

ラッシュアジャスター６０は、図７に示すように、ブラケット本体５１に嵌入されて油圧室６２のアジャスタ側圧力室６２ａを形成するアジャスタ本体６１と、アジャスタ本体６１に上下摺動自在に設けられてロッカーアーム４１（ロッカーシャフトブラケット５０）を油圧で上方に移動させるピストン６４と、ピストン６４に設けられた逆止弁６８とを備えている。アジャスタ本体６１は、少なくともその一部がシリンダヘッドにボルトで固定された板状部材に、ブラケット本体５１に嵌入される円筒状の部材が接合されている。

ピストン６４は、円筒状に形成されており、その上部はロッカーシャフトブラケット５０の下部と接触すると共に、その下部には作動油を流通させる逆止弁６８の弁座となる油孔６５が設けられている。このピストン６４は、ラッシュアジャスター６０との間に介在するピストンスプリング６９によって、ブラケット側圧力室６２ｂに向けて付勢されている。

逆止弁６８は、油圧室６２を上側のブラケット側圧力室６２ｂと下側のアジャスタ側圧力室６２ａとに区画する。また、逆止弁６８は、ニードル８０によって下方に押され開弁し、ブラケット側圧力室６２ｂとアジャスタ側圧力室６２ａとを連通させる。これによりアジャスタ側圧力室６２ａの油圧が低下し、ロッカーシャフトブラケット５０の上下移動が許容され吸排気バルブＶを閉弁状態にする（図４参照）。

一方、逆止弁６８は、チェックボールスプリング６３によって付勢されるチェックボール６８ｂにより油孔６５を塞ぐことで閉弁し、ブラケット側圧力室６２ｂと下側のアジャスタ側圧力室６２ａとを遮断する。これにより、アジャスタ側圧力室６２ａの油圧が上がり、ロッカーシャフトブラケット５０の移動が規制され、吸排気バルブＶが開閉動作するようにロッカーシャフト軸４２を保持する（図６参照）。

電磁ソレノイド７０は、固定系に設けられた電磁コイル７８と、電磁コイル７８で作動される磁性体で形成されたプランジャ７４と、電磁コイル７８の磁界の影響を遮断してプランジャ７４とその下方のベースマウント５２の上部を収納するステンレス等の非磁性材料からなるホルダ７３と、電磁コイル７８を収納するモールド７７と、電磁コイル７８に電流を供給する電源配線部７９とを備えている。プランジャ７４及びベースマウント５２は、電磁コイル７８で発生する磁界により磁化されると、図７に示すように下方に作動される。

プランジャ７４は、下側筒部７４ａと、上側筒部７４ｂとを有する。下側筒部７４ａの筒内には、プランジャ７４をホルダ７３側に向けて付勢するプランジャスプリング７５が介装されている。上側筒部７４ｂの筒内には、ニードル位置調整ネジ７６が螺合されている。このニードル位置調整ネジ７６の下端には、逆止弁６８を開弁するためのニードル８０が設けられている。

ホルダ７３は、円筒状に形成されており、その下端側の筒内にはベースマウント５２が嵌合されている。また、ホルダ７３のベースマウント５２よりも上方の筒内にはプランジャ７４が上下移動可能に収納されている。

ニードル８０は、プランジャ７４にニードル位置調整ネジ７６で取り付けられ、電磁ソレノイド７０が非作動のとき、その先端が逆止弁６８のチェックボール６８ｂから離れた位置に保持される。一方、電磁ソレノイド７０が作動したき、その先端で逆止弁６８のチェックボール６８ｂを押し下げて開弁させる。

モールド７７は、ホルダ７３を上下移動可能に収納している。また、モールド７７には、ホルダ７３を囲むように電磁コイル７８が設けられている。この電磁コイル７８には、電源配線部７９が接続されている。

本実施形態の気筒休止機構４０では、図６に示すように、吸排気バルブＶを開閉動作させるときは、ラッシュアジャスター６０の油圧力によりロッカーシャフトブラケット５０を上方に押し上げると共に、ロッカーアーム４１の一端部を吸排気バルブＶの上端に接した状態で保持させる。この状態でカム１２，１３の作動によりロッカーアーム４１がロッカーシャフト軸４２を支点に揺動されて吸排気バルブＶを開閉動作させる。

一方、吸排気バルブＶを閉弁状態に維持する気筒休止時は、電磁ソレノイド７０の電源配線部７９から電磁コイル７８へ電流を供給して励磁することで、ニードル８０により逆止弁６８を開弁させてアジャスタ側圧力室６２ａ側の油圧を開放する。この状態で、ロッカーアーム４１はカム１２，１３の作動領域から外れ、バルブスプリングＶＳにより吸排気バルブＶが閉弁状態に維持されるようになっている。

次に、図８に示すフローに基づいて、本実施形態のカム切替機構１０によるカム切り替え動作を説明する。なお、図８に示す例は、標準カム１２から燃費カム１３への切り替え動作である。

ステップＳ１では、気筒休止機構４０によって、各気筒＃１〜４の吸排気バルブＶを閉弁状態（気筒休止状態）にする。すなわち、気筒休止状態にすることで、標準カム１２がロッカーアーム４１を介してラッシュアジャスター６０から受ける力を無くした状態にする。この際、左右の第１及び第２油圧室２３，２４には、油圧がそれぞれ供給された状態にしておく（図２（ａ）参照）。

ステップＳ２では、左側の第１及び第２油圧室２３，２４、右側の第２油圧室２４から油圧を排出させる（図２（ｂ）参照）。これにより、外側カム軸１１Ｂに作用する右側の油圧が大きくなり、且つ、ロック機構３０による規制が解除されて、外側カム軸１１Ｂはスライド移動を開始する。なお、ステップＳ１及びＳ２は、同時に行ってもよい。

ステップＳ３では、左右の第２油圧室２４への油圧供給を再開させる（図３（ａ）参照）。すなわち、ロックボール３３は、油圧により押し上げられて外側カム軸１１Ｂの外周面と摺接状態となる。これにより、燃費カム１３がロッカーアーム４１を揺動させる選択位置まで移動した際に、ロックボール３３と凹穴３２とが素早く係合され、外側カム軸１１Ｂを所望の位置で確実にロックすることができる。

ステップＳ４では、左側の第１油圧室２３への油圧の供給を再開させる（図３（ｂ）参照）。これにより、外側カム軸１１Ｂの両端に作用する油圧が釣り合い、標準カム１２から燃費カム１３へのカム切り替えが終了する。

次に、本実施形態に係るカム切替装置１０による作用効果を説明する。

本実施形態では、カム１２，１３の切り替えを行う場合は、まず、気筒休止機構４０によって吸排気バルブＶの開閉動作を停止状態（気筒休止状態）にし、カム１２，１３がロッカーアーム４１を介してラッシュアジャスター６０から受ける力を無くした状態にする。そして、左右何れか一方の第１油圧室２３から油圧を排出し、外側カム軸１１Ｂをスライド移動させるようになっている。すなわち、外側カム軸１１Ｂをスライド移動させる際に、カム１２，１３とロッカーアーム４１とが圧接されていないため、大きな油圧力を確保することなく、カム１２，１３の切り替えが実現できるように構成されている。

したがって、本実施形態のカム切替装置１０によれば、低油圧でもカム１２，１３の切り替えを確実に行うことが可能となり、装置の大型化やコストの上昇を効果的に抑制することができる。特に、複数気筒を備えるエンジンにおいては、大きな油圧を確保することなく、各気筒のカム１２，１３を同時に切り替えることができる。また、エンジン低負荷運転時等、油圧が低下する状態においても、カム１２，１３の切り替えを確実に行うことができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、左右何れか一方の第１油圧室２３をスプリング等で構成してもよい。また、エンジンＥは、直列４気筒エンジンに限定されず、単気筒や４気筒以外の複数気筒エンジンであってもよい。また、気筒休止機構４０は、図示例に限定されず、各気筒＃１〜４を休止できるものであれば、他の公知の構造を適用することもできる。これら何れの場合も上述の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

１０カム切替装置
１１Ａ内側カム軸
１１Ｂ外側カム軸
１２標準カム
１３燃費カム
２０油圧駆動機構
２２ハウジング部
２３第１油圧室
２４第２油圧室
３０ロック機構
３１，３２凹穴
３３ロックボール
４０気筒休止機構
４１ロッカーアーム

Claims

エンジンの吸排気バルブに対応して設けられたカムプロフィールの異なる一対のカムを選択的に切り替えることで前記吸排気バルブのバルブ特性を可変とするカム切替装置であって、
前記エンジンのクランク軸と連動して回転する第１カム軸と、
前記第１カム軸の外周にスプライン嵌合すると共に前記一対のカムが一体回転可能に設けられた第２カム軸と、
前記第２カム軸を軸方向にスライド移動させて前記一対のカムを選択的に切り替えるカム軸移動手段と、
前記吸排気バルブの開閉動作を停止させて気筒を休止可能な気筒休止手段と、を備え、
前記一対のカムを選択的に切り替える際は、前記気筒休止手段によって気筒を休止させると共に、前記カム軸移動手段によって前記第２カム軸を軸方向にスライド移動させる
ことを特徴とするカム切替装置。
前記カム軸移動手段が前記第２カム軸の両端にそれぞれ設けられた一対の油圧室を含み、前記第２カム軸を軸方向にスライド移動させる際は、一方の油圧室に油圧を供給すると共に、他方の油圧室から油圧を排出させる
請求項１に記載のカム切替装置。
軸方向にスライド移動する前記第２カム軸をカム選択位置で停止させるロック手段をさらに備え、該ロック手段が、前記第２カム軸の外周に凹設された凹穴と、油圧により付勢されて前記凹穴と係合可能なボールとを含む
請求項１又は２に記載のカム切替装置。
前記エンジンが複数気筒を直列に配置した直列気筒エンジンであり、
前記一対のカムが前記複数気筒の各吸排気バルブにそれぞれ対応して設けられ、
前記一対のカムを選択的に切り替える際は、前記気筒休止手段によって前記複数気筒を休止させると共に、前記カム軸移動手段によって前記第２カム軸を軸方向にスライド移動させる
請求項１から３の何れか一項に記載のカム切替装置。