JP7017289B2

JP7017289B2 - 内燃機関のカム装置

Info

Publication number: JP7017289B2
Application number: JP2018013372A
Authority: JP
Inventors: 真人澤下
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-01-30
Publication date: 2022-02-08
Anticipated expiration: 2038-01-30
Also published as: JP2019132159A

Description

本発明は、内燃機関のカム装置に関するものである。

内燃機関では、吸気バルブ及び排気バルブはそれぞれカム軸に設けたカムで開閉されているが、吸気や排気の確実化等のためには、バルブの開閉を可変制御することが有益である。

この点については、従来から、カム軸の回転位相を進角させたり遅角させたりするＶＶＴ装置があるが、ＶＶＴ装置は、バルブの開きタイミングを変更できるに過ぎず、バルブの開き範囲を調節できるものではないため、吸気量や排気量についてきめ細かな制御をできるとは言い難い。

他方、特許文献１には、１つの気筒に対応して一対ずつ（２本ずつ）の吸気バルブと排気バルブとが配置されている内燃機関において、一対のカムを相対回転させることにより、一対のバルブの複合した開閉範囲を変更することが開示されている。更に述べると、特許文献１では、特に、一対の吸気バルブの開き開始タイミングを異ならせることにより、スワール流の生成機能向上を図っている。

特開２０１０－１３８８５９号公報

特許文献１では、一対のバルブの開閉タイミングを異ならせることにより、１つの気筒全体として見るとバルブの開き範囲を変更できるが、一対のバルブは、一方は閉じた状態で他方が開き、他方が開いた状態で一方が閉じる、という動きをするため、吸気量や排気量の調節機能は必ずしも高いとは思われず、従って、高速回転時の吸気量・排気量の変更応答性は必ずしも高くないと推測される。

具体的には、吸気についてみると、２本のバルブの全体としての開き範囲は広がっても、吸気の吸入量はさほど多くならないため、高速回転時に充填効率を高くすることができずに、所望の出力を得られないおそれがある。同様に、排気についてみると、高速回転時に排気性能を高めることができずに、この場合も、排気ガスが気筒内に残ることによって、充填効率の向上を期待できないおそれが懸念される。

また、一対のバルブの開閉タイミングがずれているため、吸気についてみると、気筒内で乱流が発生しやすくなって安定した燃焼を阻害するおそれも懸念される。

本願発明はこのような現状に鑑み成されたものであり、吸気・排気を回転数等の諸条件に応じてきめ細かく制御できる可変式カム装置を提供しようとするものである。

本願発明のカム装置は、
「１本のバルブに対応したカムが、カム軸の軸線方向に分割されて互いに密着又は密接した複数の単位カム体で構成されており、前記複数の単位カム体を前記カム軸の軸心回りに相対回転させることにより、前記複数の単位カム体で構成された複合カムプロフィールが可変式になっている」
という基本構成において、
「前記複数の単位カム体は、前記カム軸とは別体に構成されて前記カム軸に固定された固定式単位カム体と、前記カム軸とは別体に構成されて前記カム軸に相対回転可能に被嵌した可動式単位カム体とで構成されて、
前記可動式単位カム体は、当該可動式単位カム体の内周又は前記カム軸の外周に形成された係合溝に、前記カム軸又は可動式単位カム体から突出したストッパーを摺動可能に密嵌させることにより、前記カム軸及び固定式単位カム体に対して所定角度だけ相対回転することが許容されており、
前記係合溝のうち前記ストッパーを挟んで一方の側にばねを配置して、他方の側に前記カム軸に設けた油圧通路から油圧を供給するか、又は、前記係合溝のうち前記ストッパーを挟んだ両側の部位に、前記カム軸に設けた油圧通路から油圧を個別に供給することにより、前記可動式単位カム体が前記カム軸及び固定式単位カム体に対して相対回動することを許容している」
という特徴を備えている。

複数の単位カム体が相対回転させる態様は、様々なパターンが有り得る。

例えば、進角と遅角との制御の面から見ると、複合カムプロフィールが進角側に広がる態様と、遅角側に広がる態様と、進角側と遅角側との両方に広がる態様とがある。更に、複合カムプロフィールの変更には、無段階の変更と段階的な変更とが有り得る。本願発明のように油圧による変更構造を採用して、油圧の送りをＶＶＴ装置で使用されているオイルコントロールバルブで制御すると、無段階制御を容易に実現できる。

本願発明の特徴は、個々のカムの複合カムプロフィールを変更できることである。従って、１つの気筒に対応して一対ずつの吸気バルブと排気バルブとが存在する内燃機関の場合は、２つの吸気バルブの複合カムプロフィールや２つの排気バルブの複合カムプロフィールをそれぞれ変更して、吸気量や排気量の制御、吸気タイミングや排気タイミングの制御を行える。

このため、高速回転であっても、回転数に応じて吸気量や排気量を応答性よく増大させることを容易に実現できる。その結果、高速回転であっても高い充填効率を確保して、所望の出力を得ることができる。

また、本願発明のように油圧式の変更装置を採用すると、可動式の単位カム体に負荷が掛かっていても相対回転させることができるため、１つの油圧系統で各吸気バルブ又は排気バルブの複合カムプロフィールを一斉に変更できる。このため、コストを抑制できる。

第１実施形態を示す図で、（Ａ）は縦断正面図で（Ｂ）のＡ－Ａ視断面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ－Ｂ視図、（Ｃ）はオイルの供給手段を示す一部破断側面図である。図１（Ｂ）のII=II視断面図で、（Ａ）は基準姿勢での図、（Ｂ）は進角方向に回転させた状態での図である。（Ａ）は第２実施形態の基準姿勢での要部縦断正面図、（Ｂ）は第３実施形態の基準姿勢での要部縦断正面図である。（Ａ）は第４実施形態の要部縦断正面図、（Ｂ）は第５実施形態の要部縦断正面図である。

(1).第１実施形態の基本構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１，２に示す第１実施形態を説明する。この実施形態では、１つのバルブ（吸気バルブ又は排気バルブ）１に対応した１つのカム２が、それぞれ、２つの固定式単位カム体３と、両固定式単位カム体３で挟まれたた１つの可動式単位カム体４とで構成されている。従って、１つのバルブ１は、３つの単位カム体３，４が複合した１つのカム２で駆動される。

本実施形態では，可動式単位カム体４は固定式単位カム体３よりも厚くなっており、２個の固定式単位カム体３の厚さの総和が、１個の可動式単位カム体４の厚さと同じ程度になっている。バルブ１は従来と同じ構造であり、バルブ軸５とこれに固定されたバルブリフター６とを備えており、ばね７で前進方向に付勢されている。

各単位カム体３，４はカム軸８に被嵌しており、カム軸８は、シリンダヘッド９の軸受け部１０とカムキャップ１１とで回転自在に保持されている。そして、図１（Ａ）のとおり、固定式単位カム体３は、例えばキー１２によってカム軸８に固定されている。なお、固定式単位カム体３のキー溝１３は、固定式単位カム体３の前後側面に開口している（そうでないと、固定式単位カム体３を嵌め込みできない。そして、前後の固定式単位カム体３は、カム軸８に被嵌したスナップリング１４でずれ不能に保持されている。

図１（Ａ）に一点鎖線で示すように、カム軸８に、これを横断するように座繰り穴１５を空けて、座繰り穴１５に挿入したビス１６により、カム軸８と固定式単位カム体３とを固定してもよい。この場合、座繰り穴１５の開口部はプラグで塞いだらよい。

図２に示すように、可動式単位カム体４は、カム軸８に回転可能に被嵌しているが、カム軸８に、可動式単位カム体４の突出部（カム部）に向けて突出したストッパー１７を固定している一方、可動式単位カム体４には、ストッパー１７の突出部が嵌まる係合溝１８を周方向に沿ってある程度の範囲で形成している。従って、可動式単位カム体４は、ストッパー１７の厚さ（周方向の厚さ）と係合溝１８の周方向の幅とのクリアランスの分だけ、カム軸８に対して相対回動する。

本実施形態では、可動式単位カム体４は、カム軸８の軸線方向から見て固定式単位カム体３とぴったり重なった状態を基準姿勢としており、この基準姿勢では、ストッパー１７は、係合溝１８の端面のうち、カム軸８の回転方向に向かって前方に位置した一端面（前端面）１８ａに当接している。

更に、可動式単位カム体４は、係合溝１８の他端面（後端面）１８ｂとストッパー１７との間にばね（圧縮コイルばね）１９が配置されている。従って、可動式単位カム体４は、基準状態に付勢されている。ばね１９の一端部は、ストッパー１７に形成したばね受け凹所２０に嵌まっており、かつ、ばね１９は、縮むとばね受け凹所２０に収納されるように設定している。なお、本実施形態では、カム軸８の回転によっても、可動式単位カム体４は基準姿勢で安定するように付勢されている。）。

(2).制御構造
可動式単位カム体４のうち、ストッパー１７を挟んでカム軸８の回転方向に向かって前方側に、係合溝１８と連通した補助溝２１が形成されている。そして、カム軸８に、その軸心を通る長手油圧穴２２と、長手油圧穴２２から分岐して補助溝２１及び係合溝１８に連通しうる枝油圧穴２３とが形成されている。言うまでもないが、枝油圧穴２３は各可動式単位カム体４の箇所に形成されている。

係合溝１８及び補助溝２１は、可動式単位カム体４の前後両側面に開口している（切り開かれている。）。従って、可動式単位カム体４と固定式単位カム体３との間に、オイルの漏れを防止するシール材を介在させるのが好ましい。

図１（Ｃ）に示すように、カム軸８のうち１つのカムキャップ１１の箇所に位置した部位に、長手油圧穴２２に連通して放射方向に延びる１本の横断通路２４と、横断通路２４に連通した環状溝２５とが形成されており、環状溝２５には、カムキャップ１１の内周に形成した半円状通路２６と連通している。半円状通路２６には、カムキャップ１１と軸受け部１０との合わせ面に形成されたオイル通路（図示せず）と連通しており、オイル通路には、オイルポンプで圧送されたオイルが充満している。

図示していないが、長手油圧穴２２に圧油を送る通路のうち適宜部位に、長手油圧穴２２のオイルの送りを制御するオイルコントロールバルブ（ＯＣＶ）が配置されている。オイルコントロールバルブは、１つのカムキャップ１１に取付けてもよいし、シリンダヘッド９に取付けてもよい。

既述のとおり、可動式単位カム体４は、ばね１９によって基準姿勢に付勢されている。そして、長手油圧穴２２に圧油が送られると、図２（Ｂ）に示すように、オイルが補助溝２１に流入することにより、可動式単位カム体４を、カム軸８の回転方向に回転させる。すなわち、可動式単位カム体４は進角方向に回転する。これにより、固定式単位カム体３と可動式単位カム体４とで形成された複合カムプロフィールは、バルブリフター６に当たる頂点部の幅（周方向の幅）が広がった形態になる。

従って、バルブ１の開き範囲が増大する。正確には、バルブ１の閉じタイミングは基準姿勢の場合と同じであるが、開きタイミングが早くなる。従って、バルブ１が吸気バルブである場合は、吸気量を増大させることができる。そして、各バルブ１の箇所において複合カムプロフィールが広がるため、吸気バルブに適用すると、吸気量を大きく増大させることができ、排気バルブに適用すると、排気量を大きく増大させることができる。従って、高速回転域においても、スロットルバルブの開度に素早く応答性した状態で吸気量や排気量を追従させることができて、出力の向上に貢献できる。

長手油圧穴２２に送る油量をオイルコントロールバルブで調整することにより、可動式単位カム体４の回転角度を無段階に調節することができる。従って、回転数や負荷等の各種条件に応じて、バルブ１の開閉をきめ細かく制御できる。実施形態では、可動式単位カム体４は基準姿勢から進角側に回転させているが、基準姿勢から遅角側に回転させることも可能である。可動式単位カム体４の付勢手段としては、カム軸８に巻き掛けたねじりトーションばねを使用することも可能である。

なお、オイルコントロールバルブによる油量調節は、段階的に行うことも可能である。段階的な制御の場合、基準姿勢と回転しきった状態との２段階の制御や、中間段階を含めた３段階の制御など、任意に選択できる。

本実施形態のように、前後の固定式単位カム体３で可動式単位カム体４を挟み込む方式を採用すると、可動式単位カム体４の安定性を向上できる利点がある。また、可動式単位カム体４の厚さと２個の固定式単位カム体３の厚さの総和とを同じ程度に設定すると、可動式単位カム体４を回転させた状態で、バルブリフター６との当たり状態を均一化できるため、磨耗を抑制できる利点がある。また、バルブ軸５の軸心に対して押圧力が作用するため、バルブ軸５のこじれをなくして耐久性を向上できる。

また、本実施形態では、可動式単位カム体４はばね１９で基準姿勢に補正されているため、構造を簡単化できる。オイルコントロールバルブは、ＶＶＴ用に市販されているものを利用できるため、信頼性に優れていると共に、コストダウンにも貢献できる。

(3).他の実施形態
次に、図３，４に示す他の実施形態を説明する。以下の各実施形態でも、カム２は、２つの固定式単位カム体３と１つの可動式単位カム体４とで構成されている。

図３（Ａ）に示す第２実施形態は、基本的には第１実施形態と同様であるが、カム軸８に、第１長手油圧穴２８と第２長手油圧穴２９とを形成して、第１長手油圧穴２８は補助溝２１に連通させて、第２長手油圧穴２９は、係合溝１８のうちストッパー１７を挟んで回転方向後ろ側の部位に、枝油圧穴２３を介して補助溝２１を介して連通させている。

この実施形態では、可動式単位カム体４を基準姿勢に保持することに油圧を利用しており、カム２の機能（動き）は第１実施形態と同じである。第２長手油圧穴２９へのオイルの送りはオイルコントロールバルブで制御してもよいし、第１長手油圧穴２８への圧力よりも低い一定の圧力で加圧しただけでもよい。

図３（Ｂ）に示す第３実施形態では、基準姿勢で、ストッパー１７が係合溝１８の中間部に位置するように設定し、かつ、カム軸８には第１長手油圧穴２８と第２長手油圧穴２９とを形成して、係合溝１８には、ストッパー１７を挟んだ両側から、枝油圧穴２３及び補助溝２１を介して油圧を掛け得るようになっている。従って、この実施形態では、可動式単位カム体４は、基準姿勢を挟んで、進角方向と遅角方向との両方向に回転させることができる。このため、吸気や排気を更にきめ細かく制御できる。

図４に示す第４実施形態は、第３実施形態の変形例である、第３実施形態との相違点は、長手油圧穴２８，２９が大きな断面積になっていて、枝油圧穴２３はごく短くなっている点だけである。

図４（Ｂ）に示す第５実施形態では、ストッパー１７は可動式単位カム体４から内向き突設しており、従って、係合溝１８はカム軸８に形成している。基準姿勢に付勢する手段としては板ばね３０を使用しており、また、枝油圧穴２３はＬ形になっている。符号３１は、プラグである。

ストッパー１７は、ピン３２によって可動式単位カム体４に固定されている（ビスを使用してもよい。）。そこで、カム軸８には、ピン３２を打ち込むための貫通穴３３が軸心を通って形成されており、貫通穴３３はプラグ３４で塞がれている。

以上、本願発明の実施形態を説明したが、本願発明は他にも様々に具体化できる。例えば、カム体は、１個の固定式単位カム体と１個の可動式単位カム体とで構成することも可能である。或いは、複数の可動式単位カム体４のみで構成することも可能である。なお、本願発明は、吸気バルブ用のカム装置と排気バルブ用のカム装置との両方に適用してもよいし、片方のみ適用してもよい。また、ＶＶＴと併用することも可能である。

本願発明は、内燃機関のカム装置に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１バルブ
２カム
３固定式単位カム体
４可動式単位カム体
６バルブリフター
８カム軸
１７ストッパー
１８係合溝
１９，３０可動式単位カム体を基準姿勢に付勢するばね
２１補助溝
２２，２８，２９長手油圧穴
２３枝油圧穴

Claims

１本のバルブに対応したカムが、カム軸の軸線方向に分割されて互いに密着又は密接した複数の単位カム体で構成されており、前記複数の単位カム体を前記カム軸の軸心回りに相対回転させることにより、前記複数の単位カム体で構成された複合カムプロフィールが可変式になっているカム装置であって、
前記複数の単位カム体は、前記カム軸とは別体に構成されて前記カム軸に固定された固定式単位カム体と、前記カム軸とは別体に構成されて前記カム軸に相対回転可能に被嵌した可動式単位カム体とで構成されて、
前記可動式単位カム体は、当該可動式単位カム体の内周又は前記カム軸の外周に形成された係合溝に、前記カム軸又は可動式単位カム体から突出したストッパーを摺動可能に密嵌させることにより、前記カム軸及び固定式単位カム体に対して所定角度だけ相対回転することが許容されており、
前記係合溝のうち前記ストッパーを挟んで一方の側にばねを配置して、他方の側に前記カム軸に設けた油圧通路から油圧を供給するか、又は、前記係合溝のうち前記ストッパーを挟んだ両側の部位に、前記カム軸に設けた油圧通路から油圧を個別に供給することにより、前記可動式単位カム体が前記カム軸及び固定式単位カム体に対して相対回動することを許容している、
内燃機関のカム装置。