JP7101624B2 - 内燃機関の可変動弁機構 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のバルブを駆動するとともに、その駆動状態を内燃機関の運転状況に応じて変更する可変動弁機構に関する。

本出願人は、先に、図７に示す内燃機関の可変動弁機構５１を提案した（特許文献１）。この可変動弁機構５１は、カムシャフト５２に、カム５３と２つの螺旋溝５４，５５とが設けられ、カムシャフト５２と平行に延びるロッカシャフト５６に、ロッカアーム本体５７が揺動可能に支持され、ロッカアーム本体５７に、ロッカシャフト５６と平行に延びるローラ軸５８が設けられ、ローラ軸５８に、カム５３が当接しうるローラ５９がロッカシャフト長方向に変位可能に支持され、２つの螺旋溝５４，５５に択一的に係入する２つの係入アーム６１とローラ５９の両側面を抱持するローラガイド６３（摺接部）とを含むリンクアーム６０が、ロッカシャフト長方向に変位可能に設けられている。そして、リンクアーム６０全体を回動装置により回動させて、一方の係入アーム６１を一方の螺旋溝５４に係入させるか又は他方の係入アーム（図示略）を他方の螺旋溝５５に係入させるかを選択することにより、選択した螺旋溝５４，５５に沿ってリンクアーム６０及びローラ５９をロッカシャフト長方向に変位させて、該ローラ５９に前記カム５３が当接するか又は当接しないかを切り替える機構である。

特開２０１４－２２４４９６号公報

前記リンクアーム６０は、２つの係入アーム６１とローラガイド６３とを一体的に含み、これら全体を回動させるために慣性質量が大きく、また、ローラガイド６３とローラ５９との摺接が回動抵抗になるため、駆動力の大きい回動装置が必要であった。回動装置として例えば電磁ソレノイドを用いる場合には、容量の大きい大型の電磁ソレノイドが必要になり、内燃機関の大型化や、電力消費増加による燃費悪化に繋がるという問題があった。

そこで、本発明の課題は、リンクアームの回動部分の慣性質量を低減し、またローラガイドとローラとの摺接が回動部分の回動抵抗にならないようにし、もって回動装置に要求される駆動力を低減することにある。

本発明の可変動弁機構は、
カムシャフトに、カムと２つの螺旋溝とが設けられ、
カムシャフトと平行に延びるロッカシャフトに、ロッカアーム本体が揺動可能に支持され、
ロッカアーム本体に、ロッカシャフトと平行に延びるローラ軸が設けられ、
ローラ軸に、カムが当接しうるローラがロッカシャフト長方向に変位可能に支持され、
２つの螺旋溝に択一的に係入する２つの係入アームとローラの両側面を抱持するローラガイドとを含むリンクアームが、ロッカシャフト長方向に変位可能に設けられ、
２つの係入アームを回動装置により回動させて、一方の係入アームを一方の螺旋溝に係入させるか又は他方の係入アームを他方の螺旋溝に係入させるかを選択することにより、選択した螺旋溝に沿ってリンクアーム及びローラをロッカシャフト長方向に変位させて、該ローラに前記カムが当接するか又は当接しないかを切り替える内燃機関の可変動弁機構において、
リンクアームが、回動装置により回動する２つの係入アームを含む回動部材と、回動装置により回動しないローラガイドを含む非回動部材とに、分割形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、リンクアームの回動部分である回動部材の慣性質量を低減でき、またローラガイドとローラとの摺接が回動部材の回動抵抗にならないようにでき、もって回動装置に要求される駆動力を低減することができる。回動装置として例えば電磁ソレノイドを用いる場合には、容量の小さい小型の電磁ソレノイドで済み、内燃機関の小型化や、電力消費減少による燃費向上が期待できる。

図１は実施例の可変動弁機構を示し、（ａ）は前上からみた斜視図、（ｂ）は後下からみた斜視図である。 図２は同機構のローラロッカアーム及びリンクアームを示し、（ａ）は前上から見た分解斜視図、（ｂ）は後下から見た分解斜視図である。 図３は同機構のローラを第一カムが当接する位置に変位させた状態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＩＩＩｂ－ＩＩＩｂ側断面図である。 図４も同状態を示し、（ａ）はＩＶａ－ＩＶａ側断面図、（ｂ）は（ａ）からリフトしたときの側断面図である。 図５は同機構のローラを第二カムが当接する位置に変位させた状態を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）はＶｂ－Ｖｂ側断面図である。 図６も同状態を示し、（ａ）はＶＩａ－ＶＩａ側断面図、（ｂ）は（ａ）からリフトしたときの側断面図である。 図７は従来例の可変動弁機構の斜視図である。

１．ロッカアーム本体
ロッカアーム本体は、ローラをローラ軸にロッカシャフト長方向に変位可能に支持する関係で、ロッカシャフト長方向に幅広となるため、複数のバルブ押圧部を設けて、複数のバルブを駆動するタイプとすることが好ましい。但し、１つのバルブを駆動するタイプとしてもよい。
また、ローラ軸に支持するローラの数は、１つでも複数でもよい。

２．リンクアーム
回動部材は、ロッカシャフトに、ロッカシャフト周方向に回動可能に且つロッカシャフト長方向にスライド変位可能に外嵌されていることが好ましい。
非回動部材は、ロッカシャフトに、ロッカシャフト長方向に変位可能に外嵌され、ロッカシャフト周方向に回動不能となっていることが好ましい。
但し、回動部材と非回動部材は、ロッカシャフトとは別の、カムシャフトと平行に延びるシャフトに、上記と同様に外嵌されていてもよい。

回動部材と非回動部材（すなわちリンクアーム）を一緒にロッカシャフト長方向に変位することを容易にするため、回動部材は、非回動部材に、ロッカシャフト長方向に相対変位しないように嵌入していることが好ましい。

ローラガイドの構造は、特に限定されないが、ロッカアーム本体揺動時のローラ軸の動きを逃がす切欠が形成されたガイド壁が、ロッカシャフト長方向にローラ嵌入空間をおいて少なくとも２つ並んで構成されている態様を例示できる。

３．回動装置
回動装置としては、特に限定されないが、電磁ソレノイド、油圧機構、電動モータ機構等によるものを例示できる。

４．ローラに前記カムが当接しないときの態様
ローラに前記カムが当接しないときの態様としては、ローラに別のカムも当接しない態様、ローラに別のゼロリフトの円カムが当接する態様、ローラに別のノーズプロフィールのカムが当接する態様とを例示できる。次に説明する実施例は、ローラに別のノーズプロフィールのカムが当接する態様である。

次に、本発明の実施例を図１～図６を参照して説明する。なお、実施例の各部の構造、形状、数等は例示であり、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更できる。

本実施例の可変動弁機構１は、
カムシャフト２に、カム３と２つの螺旋溝５，７とが設けられ、
カムシャフト２と平行に延びるロッカシャフト９に、ロッカアーム本体１０が揺動可能に支持され、
ロッカアーム本体１０に、ロッカシャフト９と平行に延びるローラ軸１５が設けられ、
ローラ軸１５に、カム３が当接しうるローラ１６がロッカシャフト長方向に変位可能に支持され、
２つの螺旋溝５，７に択一的に係入する２つの係入アーム２３，２４とローラ１６の両側面を抱持するローラガイド３１とを含むリンクアーム２０が、ロッカシャフト長方向に変位可能に設けられ、
２つの係入アーム２３，２４を回動装置４０により回動させて、一方の係入アーム２３を一方の螺旋溝５に係入させるか又は他方の係入アーム２４を他方の螺旋溝７に係入させるかを選択することにより、選択した螺旋溝５，７に沿ってリンクアーム２０及びローラ１６をロッカシャフト長方向に変位させて、該ローラ１６に前記カム３が当接するか又は当接しないかを切り替える機構であって、
リンクアーム２０が、回動装置４０により回動する２つの係入アーム２３，２４を含む回動部材２１と、回動装置４０により回動しないローラガイド３１を含む非回動部材２７とに、分割形成されていることを特徴とする。

カムシャフト長方向と、ロッカシャフト長方向と、ローラ軸長方向は、いずれも図１（ａ）、図３（ａ）及び図５（ａ）での左右方向であって同一である。そこで、以下では、これらの図で左に向かう方向を軸長方向ｄ１といい、右に向かう方向を軸長方向ｄ２という。

［カム等］
カムシャフト２には、軸長方向ｄ１側から軸長方向ｄ２側へ順に、駆動カムとしての第一カム３、第二カム４、第一カム３及び第二カム４と、カムレール溝としての第二螺旋溝７、円環溝６及び第一螺旋溝５とが、並んで設けられている。

２つの第一カム３は、断面形状が円形のベース円と、ベース円から突出した相対的に高リフトかつ狭作用角のノーズとからなり、主に高速回転域で使用されるものである。
２つの第二カム４は、断面形状が円形のベース円と、ベース円から突出した相対的に低リフトかつ広作用角のノーズとからなり、主に低速回転域で使用されるものである。

円環溝６は、リンクアーム２０を軸長方向ｄ１，ｄ２に変位不能に係止するための溝であって、軸長方向にずれない円環状の溝である。

第一螺旋溝５は、リンクアーム２０を軸長方向一方ｄ１に変位させるための溝であって、円環溝６よりも軸長方向他方ｄ２側に設けられている。第一螺旋溝５は、その基端から所定の位置までは、カムシャフト２の回転方向の反対方向に軸長方向ｄ１，ｄ２にずれることなく延びており、該所定の位置からは、カムシャフト２の回転方向の反対方向に進むに従い軸長方向一方ｄ１側に進む螺旋状に延びて円環溝６に合流している。この螺旋状に延びる部分は、第一及び第二カム３，４のベース円作用時に、第一係入アーム２３の先端部が係入する位相に設けられている。

第二螺旋溝７は、リンクアーム２０を軸長方向他方ｄ２に変位させるための溝であって、円環溝６よりも軸長方向一方ｄ１側に設けられている。第二螺旋溝７は、その基端から所定の位置までは、カムシャフト２の回転方向の反対方向に軸長方向ｄ１，ｄ２にずれることなく延びており、該所定の位置からは、カムシャフト２の回転方向の反対方向に進むに従い軸長方向他方ｄ２側に進む螺旋状に延びて円環溝６に合流している。この螺旋状に延びる部分は、第一及び第二カム３，４のベース円作用時に、第二係入アーム２４の先端部が係入する位相に設けられている。

［ロッカアーム］
ロッカアーム本体１０は、図２等に示すように、軸長方向に離間した第一側壁部１１及び第二側壁部１２と、第一側壁部１１と第二側壁部１２の前端部間を連結する前連結部１３と、第一側壁部１１と第二側壁部１２との間に配されて前連結部１３に支持された中間壁部１４と、第一側壁部１１と中間壁部１４との間に架け渡されたローラ軸１５とを含み構成されている。

第一側壁部１１及び第二側壁部１２の長さ方向後部に形成された被支持穴にロッカシャフト９が通され、第一側壁部１１の長さ方向中間部に前記ローラ軸１５が位置し、前連結部１３の下面にバルブＶを押圧するバルブ押圧部１７が形成されている。ロッカアーム本体１０は、ロッカシャフト周方向に揺動可能であるが、ロッカシャフト長方向（軸長方向ｄ１，ｄ２）には変位しないようになっている。

ローラ軸１５には、２つのローラ１６がローラ軸周方向に回転可能に且つローラ軸長方向（軸長方向ｄ１，ｄ２）にスライド変位可能に外嵌されている。

［リンクアーム］
リンクアーム２０は、図２等に示すように、回動部材２１と非回動部材２７とに分割形成され、両部材が組み付けられてなる。

（回動部材）
回動部材２１は、筒状基部２２と、筒状基部２２から、正面視で軸長方向に互いに離間し、側面視でＶ字をなするように、前方へ突出した第一係入アーム２３及び上方へ突出した第二係入アーム２４とを含み構成されている。

筒状基部２２は、ロッカシャフト９に、ロッカシャフト周方向に回動可能に且つロッカシャフト長方向（軸長方向ｄ１，ｄ２）にスライド変位可能に外嵌されている。筒状基部２２の背面には、板状の被押圧部２５が設けられ、被押圧部２５の下部又は上部が択一的に前方へ回動装置４０により押圧されることにより、回動部材２１が回動する。筒状基部２２の下部には、ロッカシャフト長方向にもロッカシャフト周方向にも（後述するボルト３６径よりも）大きい逃がし穴２６が形成され、この逃がし穴２６に後述するスリーブ３９が通っている。

第一係入アーム２３は、その先端部が第一螺旋溝５ないし円環溝６に係入可能に形成されている。第二係入アーム２４は、その先端部が第二螺旋溝７ないし円環溝６に係入可能に形成されている。

（非回動部材）
非回動部材２７は、回動部材２１の筒状基部２２が嵌入する嵌入空間をおいて離れた第一筒状部２８及び第二筒状部２９と、第一筒状部２８と第二筒状部２９の下部間を連結する下連結部３０と、第一筒状部２８から前方へ突出したローラガイド３１とを含み構成されている。

第一筒状部２８及び第二筒状部２９は、ロッカシャフト９に、ロッカシャフト長方向（軸長方向ｄ１，ｄ２）にスライド変位可能に外嵌されている。

第一筒状部２８及び第二筒状部２９の下には、下連結部３０から離れる方向において段状に低くなる係合段部３４が設けられている。

下連結部３０には、ロッカシャフト長方向（軸長方向ｄ１，ｄ２）に延びる長孔３５が形成され、この長孔３５に後述するスリーブ３９が通っている。

ローラガイド３１は、ロッカアーム本体揺動時のローラ軸１５の変位を逃がす切欠３３が形成されたガイド壁３２が、ロッカシャフト長方向（軸長方向ｄ１，ｄ２）に２つのローラ嵌入空間をおいて３つ並んで構成されている。３つのガイド壁３２の下端間は連結底３８で連結され補強されているが、この連結底３８は必須ではない。ローラガイド３１の左右長は、ロッカアーム本体１０の第一側壁部１１と中間壁部１４との間よりも短く、リンクアーム２０の左右長は、ロッカアーム本体１０の第一側壁部１１と第二側壁部１２との間よりも短いので、リンクアーム２０は軸長方向ｄ１，ｄ２に変位可能となっている。

（組み付け）
非回動部材２７の嵌入空間に回動部材２１の筒状基部２２が、ロッカシャフト長方向に相対変位しないように嵌入されて、リンクアーム２０が出来上がり、このリンクアーム２０がロッカアーム本体１０の第一側壁部１１と第二側壁部１２との間に入れられるとともに、ローラ嵌入空間にローラ１６が嵌入された状態で、上述のとおり、第一側壁部１１、第二側壁部１２、第一筒状部２８、第二筒状部２９、及び筒状基部２２にロッカシャフト９が通されている。

そして、スリーブ３９が、非回動部材２７の長孔３５と回動部材２１の逃がし穴２６とを通されてロッカシャフト９に当てられ、該スリーブ３９にボルト３６が通されてロッカシャフト９に交差状に螺着されている。このスリーブ３９と長孔３５と逃がし穴２６の大小関係により、非回動部材２７はロッカシャフト周方向に回動不能且つロッカシャフト長方向に変位可能となっており、回動部材２１はロッカシャフト周方向に回動可能かつロッカシャフト長方向に変位可能となっている。

また、スリーブ３９の下端とボルト３６の頭部との間には、板バネからなる弾性部材３７が挟着されている。弾性部材３７と下連結部３０の下面との間には隙間があり、非回動部材２７のロッカシャフト長方向の変位を許容している。弾性部材３７は軸長方向ｄ１，ｄ２両側に延出し、各延出端部は、リンクアーム２０が軸長方向ｄ１，ｄ２に変位し終わったときに各係合段部３４に係合する抑制部を構成している。この係合により、リンクアーム２０の不要の変位（いずれの係入アーム２３，２４も螺旋溝５，７に係入していないときに、内燃機関の振動等で起こりうる。）が抑制される。

［回動装置］
回動装置４０は、図３、図５等に示すように、被押圧部２５の下部を前方へ押圧して回動部材２１を軸周方向一方ｒ１に回動させるための第一電磁ソレノイド４１と、被押圧部２５の上部を前方へ押圧して回動部材２１を軸周方向他方ｒ２に回動させるための第二電磁ソレノイド４２とからなる。各電磁ソレノイド４１，４２は、ＯＮによりロッドを繰出して回動部材２１を押圧し、ＯＦＦによりロッドを退入させて前記押圧を解除する。

以上のように構成された実施例の可変動弁機構１の可変動弁動作を説明する。
［１］ローラ１６を第一カム３が当接する位置に変位させるとき
図３、図４に示すように、第一電磁ソレノイド４１をＯＮにして、被押圧部２５の下部を前方へ押圧し、回動部材２１を軸周方向一方ｒ１に回動させる。このとき、非回動部材２７は回動しないので、回動部材２１の慣性質量は小さく、ローラガイド３１とローラ１６との接触は回動抵抗とならない。

この回動部材２１の回動により、第一係入アーム２３の先端部が第一螺旋溝５に係入し、第二係入アーム２４の先端部が円環溝６から退出する。前記のとおり、第一螺旋溝５の螺旋状に延びる部分はベース円作用時に第一係入アーム２３が係入する位相にあるので、回動部材２１はカムシャフト２の回転に伴いベース円作用時に第一螺旋溝５に沿って軸長方向一方ｄ１に変位し、非回動部材２７及びローラ１６を押して同様に変位させる。その結果、２つのローラ１６は２つの第一カム３が当接する（且つ第二カム４が当接しない）位置に変位し、第一係入アーム２３が円環溝６に入ることでリンクアーム２０及びローラ１６の左右方向位置が保持される。

そして、図４に示すように、第一カム３によりローラ１６が押圧されてロッカアーム本体１０が揺動し、第一カム３により、バルブＶが高リフトかつ狭作用角でリフトされる。この動弁モードは、主に高速回転域で使用される。

［２］ローラ１６を第二カム４が当接する位置に変位させるとき
図５、図６に示すように、第二電磁ソレノイド４２をＯＮにして、被押圧部２５の上部を前方へ押圧し、回動部材２１を軸周方向他方ｒ２に回動させる。このとき、非回動部材２７は回動しないので、回動部材２１の慣性質量は小さく、ローラガイド３１とローラ１６との接触は回動抵抗とならない。

この回動部材２１の回動により、第二係入アーム２４の先端部が第二螺旋溝７に係入し、第一係入アーム２３の先端部が円環溝６から退出する。前記のとおり、第二螺旋溝７の螺旋状に延びる部分はベース円作用時に第二係入アーム２４が係入する位相にあるので、回動部材２１はカムシャフト２の回転に伴いベース円作用時に第二螺旋溝７に沿って軸長方向他方ｄ２に変位し、非回動部材２７及びローラ１６を押して同様に変位させる。その結果、２つのローラ１６は２つの第二カム４が当接する（且つ第一カム３が当接しない）位置に変位し、第二係入アーム２４が円環溝６に入ることでリンクアーム２０及びローラ１６の左右方向位置が保持される。

そして、図６に示すように、第二カム４によりローラ１６が押圧されてロッカアーム本体１０が揺動し、バルブＶが低リフトかつ広作用角でリフトされる。この動弁モードは、主に低速回転域で使用される。

本実施例によれば、リンクアーム２０の回動部分である回動部材２１の慣性質量を低減でき、また回動部材２１がローラ１６と摺接しないようにでき、もって回動装置４０が要する駆動力を低減することができる。回動装置４０として例えば電磁ソレノイドを用いる場合には、容量の小さい小型の電磁ソレノイドで済み、内燃機関の小型化や、電力消費減少による燃費向上が期待できる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、例えば次のように、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することができる。
（１）第一カム３及び第二カム４をそれぞれ１つにし、ローラ１６を１つにすること。

１ 可変動弁機構
２ カムシャフト
２ リンクアーム
３ 第一カム
４ 第二カム
５ 第一螺旋溝
６ 円環溝
７ 第二螺旋溝
９ ロッカシャフト
１０ ロッカアーム本体
１５ ローラ軸
１７ ローラ
２０ リンクアーム
２１ 回動部材
２２ 筒状基部
２３ 第一係入アーム
２４ 第二係入アーム
２５ 被押圧部
２６ 逃がし穴
２７ 非回動部材
２８ 第一筒状部
２９ 第二筒状部
３０ 下連結部
３１ ローラガイド
３２ ガイド壁
３３ 切欠
３５ 長孔
３６ ボルト
４０ 回動装置
４１ 第一電磁ソレノイド
４２ 第二電磁ソレノイド
ｄ１ 軸長方向一方
ｄ２ 軸長方向他方
ｒ１ 軸周方向一方
ｒ２ 軸周方向他方

Claims (6)

1. カムシャフト（２）に、カム（３）と２つの螺旋溝（５，７）とが設けられ、
   カムシャフト（２）と平行に延びるロッカシャフト（９）に、ロッカアーム本体（１０）が揺動可能に支持され、
   ロッカアーム本体（１０）に、ロッカシャフト（９）と平行に延びるローラ軸（１５）が設けられ、
   ローラ軸（１５）に、カム（３）が当接しうるローラ（１６）がロッカシャフト長方向に変位可能に支持され、
   ２つの螺旋溝（５，７）に択一的に係入する２つの係入アーム（２３，２４）とローラ（１６）の両側面を抱持するローラガイド（３１）とを含むリンクアーム（２０）が、ロッカシャフト長方向に変位可能に設けられ、
   ２つの係入アーム（２３，２４）を回動装置（４０）により回動させて、一方の係入アーム（２３）を一方の螺旋溝（５）に係入させるか又は他方の係入アーム（２４）を他方の螺旋溝（７）に係入させるかを選択することにより、選択した螺旋溝（５，７）に沿ってリンクアーム（２０）及びローラ（１６）をロッカシャフト長方向に変位させて、該ローラ（１６）に前記カム（３）が当接するか又は当接しないかを切り替える内燃機関の可変動弁機構において、
   リンクアーム（２０）が、回動装置（４０）により回動する、２つの係入アーム（２３，２４）を含む回動部材（２１）と、回動装置（４０）により回動しない、ローラガイド（３１）を含む非回動部材（２７）とに、分割形成されていることを特徴とする内燃機関の可変動弁機構。
2. 回動部材（２１）は、ロッカシャフト（９）に、ロッカシャフト周方向に回動可能に且つロッカシャフト長方向にスライド変位可能に外嵌されている請求項１記載の内燃機関の可変動弁機構。
3. 非回動部材（２７）は、ロッカシャフト（９）に、ロッカシャフト長方向に変位可能に外嵌され、ロッカシャフト周方向に回動不能となっている請求項１又は２記載の内燃機関の可変動弁機構。
4. 回動部材（２１）は、非回動部材（２７）に、ロッカシャフト長方向に相対変位しないように嵌入している請求項１～３のいずれか一項に記載の内燃機関の可変動弁機構。
5. ローラガイド（３１）は、ロッカアーム本体揺動時のローラ軸（１５）の動きを逃がす切欠（３３）が形成されたガイド壁（３２）が、ロッカシャフト長方向にローラ嵌入空間をおいて少なくとも２つ並んで構成されている請求項１～４のいずれか一項に記載の内燃機関の可変動弁機構。
6. 回動装置（４０）は、電磁ソレノイド（４１，４２）からなるものである請求項１～５のいずれか一項に記載の内燃機関の可変動弁機構。

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