JPH0452366B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は内燃機関の吸排気弁駆動装置、詳し
くはバルブリフトタイミングを可変制御する内燃
機関の吸排気弁駆動装置に関する。

一般に内燃機関の吸排気弁駆動装置としては第
１図に示すようなものが知られている。このもの
はいわゆるOHC型の吸排気弁駆動装置の例であ
る。第１図において、カムシヤフト１はシリンダ
ヘツド２に配設されており、該シヤフト１はクラ
ンク軸３にベルト４を介して連結されている。５
はロツカシヤフト６に揺動自在に支持されたロツ
カアームであり、このロツカアーム５は一端がカ
ム７に他端がバルブ８のステムエンド８ａに当接
している。したがつて、該装置にあつては、クラ
ンク軸３によりカム７が回転すると、この回転は
ロツカアーム５を介してバルブ８に伝達される結
果、バルブ８は往復動してポート１０を開閉する
ことになる。

しかしながら、この吸排気弁駆動装置にあつて
は、バルブ（吸排気バルブ）のリフト量およびそ
の開閉時期（タイミング）は固定されていたた
め、吸排気弁のオーバラツプ量は機関の運転条件
の変化に拘らず一定値に常時保持されている。そ
の結果、機関の最大出力を確保するためにオーバ
ラツプ量を大きく設定すれば、アイドリング時な
どの吸入負圧の高い低負荷域ではオーバラツプ量
が過大となり、排気のシリンダ内への吹き戻しな
どによる残留ガスの割合が増大して燃焼安定性を
悪化させるという欠点が生じていた。

この欠点を解消するため、近年バルブのリフト
量あるいはその開閉時期を機関の運転条件に応じ
て可変制御するものが各種提案されている。

このような例としては、例えば特開昭54−
142414号公報、特開昭55−25561号公報等に開示
されているように油圧式バルブリフト装置を用い
てバルブリフト量とバルブタイミングの双方を機
関の運転条件に応じて制御するもの、あるいは、
実開昭55−121909号公報に開示されているように
ロツカシヤフト（ロツカアームの支点）を移動さ
せることによりバルブリフト量とバルブタイミン
グとを機関の運転条件に応じて制御するもの、が
ある。

しかしながら、このようにバルブリフト量とバ
ルブタイミングとを可変制御する装置にあつて
は、上述した欠点は解消できるものの以下の問題
点を有していた。すなわち、前者にあつては油圧
式バルブリフト装置が複雑で大型化し重量が増大
して燃費が悪化する要因となること、および、油
温変化、油の種類等による油粘度変化の結果該装
置によるバルブリフト制御が影響を受けるという
問題点があつた。また一方、後者にあつてはバル
ブクリアランスを増加することによりバルブタイ
ミングを制御する構成であるため、バルブの着座
時期がバルブリフト曲線におけるリフト曲線部
（緩衝曲線部から外れる）上に位置する場合が生
じ、その結果、着座時の過大衝撃により騒音発
生、弁座等の摩耗、損傷の発生という問題点があ
つた。

この発明はこのような従来の問題点に着目して
なされたものであり、ロツカアームを介してバル
ブを開閉駆動する内燃機関の吸排気弁駆動装置に
おいて、ロツカアームの一端に、該ロツカアーム
に回動自在に支持されるとともに、該ロツカアー
ムに対応して１つ設けられ、その回動中心を中心
とする円周形状を有する第１フオロワ面および該
第１フオロワ面に接続されて第１フオロワ面と異
なる外周形状を有し、カムのカム面と所定角度を
なして該カム面に当接する少なくとも１つ以上の
第２フオロワ面から構成されたカムフオロワを枢
着し、該角度を機関の運転条件に応じて可変制御
することにより、上記問題点を解決することを目
的としている。

以下、この発明を図面に基づいて説明する。

第２〜４図はこの発明の一実施例を示す図であ
る。まず、構成を説明する。第２，３図におい
て、２１はシリンダヘツドを示し、このシリンダ
ヘツド２１とピストン２２との間にはシリンダ
（燃焼室）２３が画成されている。該シリンダ２
３には吸気ポート２４と排気ポート２５とが開口
しており、これらのポート２４，２５はそれぞれ
吸気バルブ２６および排気バルブ２７によつて開
閉されるようになされている。これらの吸気バル
ブ２６および排気バルブ２７はシリンダヘツド２
１に固着されたバルブガイド２８，２９にその軸
部２６ａ，２７ａがそれぞれ摺動自在に支持され
ており、また、その軸端部（バルブステムエン
ド）２６ｂ，２７ｂはシリンダヘツド２１より突
出している。なお、これらの吸気バルブ２６およ
び排気バルブ２７はそのバルブステムエンド２６
ｂ，２７ｂに固着されたリテーナ３０，３１とシ
リンダヘツド２１の係止面との間に縮設されたバ
ルブスプリング３２，３３により、それぞれ前記
吸気ポート２４および排気ポート２５を閉止する
方向に付勢されている。

３４はシリンダ２３の略上方位置に配設され、
シリンダヘツド２１に回転自在に支持されたカム
シヤフトであり、このカムシヤフト３４には上記
吸気バルブ２６および排気バルブ２７を開閉駆動
するバルブ駆動カム３５が固着されている。ま
た、このバルブ駆動カム３５の回転を吸気バルブ
２６および排気バルブ２７に伝達するロツカアー
ム３６，３７は、上記カムシヤフト３４と平行な
ロツカシヤフト３８，３９によつてその長手方向
略中央部で回動自在（揺動自在）に支持されてい
る。以下吸気バルブ２６の駆動系について説明す
るが、これと対称に配設された排気バルブ２７の
それも同様に構成している。ロツカアーム３６の
一端部にはカムフオロワ４０がピン４１を介して
回転自在に取着されており、このカムフオロワ４
０は、ロツカアーム３６に対応して１つ設けられ
ている。また、このフオロワ４０の下端面には、
ピン４１、すなわち、回動中心を中心とする円周
形状を有する第１フオロワ面４０ａと、該第１フ
オロワ面４０ａの一方側に接続されて第１フオロ
ワ面４０ａと異なる外周形状を有し、カム３５の
カム面３５ａと所定角度をなして該カム面３５ａ
に当接する第２フオロワ面４０ｂと、第１フオロ
ワ面４０ａの他方側に接続されて第１フオロワ面
４０ａと異なる外周形状を有する第３フオロワ面
４０ｃと、から構成されている。なお、第２、３
フオロワ面４０ｂ，４０ｃは図２，３において左
右対称になるように傾斜して形成されている。同
図中α₁，α₂は第２フオロワ面４０ｂとカム面３５
ａとがなす角度を示している。ロツカアーム３６
の他端部にはアジヤストスクリユ４３が螺着され
ており、このアジヤストスクリユ４３の先端は前
記吸気バルブ２６のステムエンド２６ｂに当接し
ている。

ここで、この実施例にあつては、前記カムフオ
ロワ４０の第２フオロワ面４０ｂとカム面３５ａ
とがなす角度α₁，α₂を機関の運転条件に応じて可
変制御する制御手段４４が設けられ、この制御手
段４４はピン４１を中心にカムフオロワ４０を回
動させるようになつている。そして、この手段４
４としては図外のコントロールユニツトにより制
御される負圧アクチユエータ５０を用いている。
すなわち、カムフオロワ４０には上下方向に延在
するガイド軸５１が固着されており、このガイド
軸５１の上端部はガイド軸受５２の上下方向に延
在するガイド孔５２ａに挿入されて摺動自在に支
持されている。ガイド軸受５２は上記ロツカアー
ム３６，３７の上方に配置された水平方向に延在
するコントロールアーム５３に回動自在に保持さ
れており、該コントロールアーム５３はその軸方
向に（水平方向に）摺動自在にカムブラケツト５
４に支持されている。コントロールアーム５３の
一端は該カムブラケツト５４上に設置された負圧
アクチユエータ５０のダイヤフラム６０に連結さ
れており、また、該アーム５３の他端部は上記カ
ムブラケツト５４上に配設されたブラケツト５５
の水平孔５５ａに摺動自在に挿入されている。な
お、５７，５８は該コントロールアーム５３の他
端部に固着された位置決め用のストツパフランジ
である。負圧アクチユエータ５０は上記ダイヤフ
ラム６０によつてハウジング６１内が大気開放の
大気室６２と吸気マニホルドに接続され吸気管負
圧が導入される負圧室６３とに２分されており、
この負圧室６３内にはダイヤフラム６０を大気室
６２側に付勢するスプリング６４が配設されてい
る。

次に作用について説明する。

以上の構成を有する内燃機関の吸排気弁駆動装
置にあつては、機関の運転中はクランク軸に同期
してバルブ駆動カム３５が回転しカムフオロワ４
０を介してロツカアーム３６，３７を揺動させ、
吸、排気バルブ２６，２７を開閉駆動（往復動）
する。

今、機関の高負荷運転域では、制御手段４４の
負圧アクチユエータ５０は作動せず、第３図に示
すように、第２フオロワ面４０ｂとカム面３５ａ
とは所定角度α₂をなして当接している。すなわ
ち、負圧室６３に吸気管負圧が導入されないため
（小さいため）、コントロールアーム５３はスプリ
ング６４に付勢されて、ストツパフランジ５８が
ブラケツト５５に当接するまで同図中左方に移動
している。その結果、第４図ａに示すように吸、
排気バルブ２６，２７はリフトすることになり、
両バルブ２６，２７のオーバラツプ量は比較的大
きく設定されることになる。ここで、オーバラツ
プとは、ピストン２２が排気行程または吸入行程
に移行するとき吸気バルブ２６、排気バルブ２７
が共にそれぞれのポート２４，２５を開いている
時期のことである。オーバラツプ量は該オーバラ
ツプ期間とその時のリフト量との積分値であり、
第４図中斜線で示している。

次いで、機関の低負荷運転域では、図外のコン
トロールユニツトが該運転状態を検出して大きな
吸気管負圧を負圧室６３に導入する結果、ダイヤ
フラム６０が吸引されてコントロールアーム５３
が図中右方へ摺動する。その結果、ガイド軸５１
を介してカムフオロワ４０がピン４１を中心とし
て第２，３図中時計回りに回動し、第２フオロワ
面４０ｂとカム面３５ａとは、第２図中α₁で示す
ように、大きな角度で（α₁＞α₂）当接する。した
がつて、前記カム３５がカムフオロワ４０を押し
上げる時期が高負荷運転時のそれに比べて、第４
図ｂに示すように、遅れることになり、吸気バル
ブ２６の開弁時期（リフトの立上がり時期）が遅
れて、オーバラツプ量は縮小される。

なお、上記実施例は制御手段４４により吸気バ
ルブ２６の開弁時期を可変制御してオーバラツプ
量を変更したが、全く同様の構成で排気バルブ２
７の閉弁時期を可変制御し、あるいは、これらの
双方２６，２７を同時に制御することによりオー
バラツプ量を適宜変更できる。特に、後者のよう
に、吸気バルブ２６の開弁時期と排気バルブ２７
の閉弁時期とを同時に変更すれば、該制御量が前
者の1/2でよく、吸気バルブ２６にあつてはその
開き始めおよび排気バルブ２７にあつてはその閉
じ終わりにおける変化量（制御量）が少なくなる
ため、この変化量による影響、例えば吸気バルブ
２６の閉じ時期の遅れが有効圧縮比を変化させる
こと、また、排気バルブ２７の開き始め時期の進
みが有効膨張行程を変化させることなどを小さく
することができる。このように本実施例では、ロ
ツカアーム３６の一端に、カムフオロワ４０を回
動自在に設け、該フオロワ４０を、その回動中心
を中心とする円周形状を有する第１フオロワ面４
０ａおよび該フオロワ面４０ａに接続されて第１
フオロワ面４０ａと異なる外周形状を有し、カム
３５のカム面３５ａと所定角度をなして該カム面
３５ａに当接する第２フオロワ面４０ｂから構成
しているため、第１フオロワ面４０ａの回動中心
と円周形状中心を一致させることができ、カム３
５に対してカムフオロワ４０を１つ設けるだけ
で、バルブタイミングとしてオーバラツプ量のみ
を可変制御することができる。この結果、装置の
構成を簡易にすることができ、装置の小型化を達
成することができる。

具体的には、第１フオロワ面４０ａの回動中心
と円周形状中心を一致させているため、カムフオ
ロワ４０が回動する際にカム３５とロツカアーム
３６との距離が変化するのを防止することがで
き、吸気バルブ２６が着座している間に該バルブ
２６が開弁するのを防止することができる。この
ため、第３フオロワ面４０ｃから第１フオロワ面
４０ａを介して第２フオロワ面４０ｂにカムフオ
ロワ４０を回動させることができる。したがつ
て、カムフオロワ４０を回動させてもバルブクリ
アランスが変化するのを防止することができ、カ
ム３５に対してカムフオロワ４０を１つ設けるだ
けで、バルブタイミングとしてオーバラツプ量の
みを可変制御することができる。

第５図ａ，ｂおよび第６図はこの発明の他の実
施例を示している。この実施例にあつては、カム
フオロワ７０のフオロワ面７０ａの形状をカム３
５の回転によつて（図中矢印は回転方向を示す。）
バルブリフトが漸増する側と漸減する側とで非対
称となるように形成している。すなわち、フオロ
ワ面７０ａのカム面３５ａの乗り上げ側を平面か
らなる第２フオロワ面７０ｂから構成する一方、
降り下げ側をカムフオロワ７０の回動中心を中心
とする所定曲率半径Ｒの円弧面からなる第１フオ
ロワ面７０ｃから構成している。この結果、吸気
バルブの開弁時期を制御手段によつて遅らせた場
合でも該バルブの閉弁時期は変化しない。したが
つて、機関の高負荷運転域（第５図ａ参照）で吸
気バルブの開き始めを早くした場合と、低負荷運
転域（同ｂ参照）で開き始めを遅くした場合と
は、同ａ−２，ｂ−２に示すように、該バルブの
閉じ終り時期は同一になる。なお、第６図は第５
図中ａ−１，ｂ−１の場合の拡大参照図である。
第６図中実線はａ−１を、仮想線はｂ−１をそれ
ぞれ示している。この実施例にあつても、カムフ
オロワ７０の第１フオロワ面７０ｃの回動中心と
所定曲率半径Ｒの円弧面の中心を一致させている
ため、第１実施例と同様の効果を得ることができ
る。これに加えて、吸気バルブの開弁時期遅れに
伴う閉弁時期遅れがないため、吸入行程で吸入し
た混合気が圧縮行程において吸気管に逆流するこ
とを防止できるとともに、有効圧縮比の低下に起
因する燃焼の悪化をも防止できる。

第７図〜第１３図はこの発明の他の実施例を示
すものである。この実施例は過給器（ターボチヤ
ージヤ）付内燃機関にこの発明を適用したもので
ある。まず、構成を説明する。第７図において、
７１はターボチヤージヤであり、このターボチヤ
ージヤ７１は吸気路（吸気管）７２に介装される
コンプレツサホイール７３と排気路７４に介装さ
れるタービンホイール７５とを備えている。な
お、これらの両ホイール７３，７５はロータシヤ
フト７６で一体に結合されている。一方、第８
図、第９図に詳示するように、吸気弁７７および
排気弁７８の開閉時期を可変制御する弁開閉時期
制御手段８０は以下の構成を有している。すなわ
ち、カムフオロア８１と一体のガイド軸８２は、
水平方向に延在する制御アーム８３に回動自在に
支持された軸受部材８４にその軸方向に移動可能
に支持されている。また、制御アーム８３はシリ
ンダヘツド８５の上部でその軸方向に（水平方向
に）移動可能に設けられ、該アーム８３の一端部
はアクチユエータ８６のダイヤフラム８７に連結
され、その他端部はブラケツト８８に支持されて
いる。アクチユエータ８６はダイヤフラム８７に
よつて２分された大気室８９と圧力室９０とを有
しており、該圧力室９０には吸気管圧力（上記タ
ーボチヤージヤ７１による過給圧）が導入され
る。大気室８９内にはスプリング９１が配設さ
れ、該スプリング９１によりダイヤフラム８７は
圧力室９０側に常時付勢されている。なお、９
２，９３は制御アーム８３の移動を規制するスト
ツパフランジである。本実施例にあつても、第１
実施例と同様にカムフオロワ８１の下端面のフオ
ロワ面８１ａは、回動中心を中心とする円周形状
を有する第１フオロワ面と、該第１フオロワ面に
接続されて１フオロワ面と異なる外周形状を有
し、カム３５のカム面３５ａと所定角度をなして
該カム面３５ａに当接する第２フオロワと、第１
フオロワ面に接続されて１フオロワ面と異なる外
周形状を有する第３フオロワ面と、から構成され
ている。その他の構成は前述の実施例と同様であ
り省略する。

次に作用について説明する。

今、市街地走行状態等機関の低負荷運転時は、
吸気管７２内圧力が低いため、アクチユエータ８
６のダイヤフラム８７はスプリング９１によつ
て、第８図に示すように、圧力室９０側に位置し
ている。その結果、制御アーム８３は同図中左方
へ移動し、カムフオロワ８１を回動するため、フ
オロワ面８１ａとカム面３１ａとのなす角度は小
さく設定される。したがつて、吸気弁７７の開・
閉弁時期は早くなる（第１０図中ａ参照）。なお、
同図中a₁は開弁時期、a₂は閉弁時期を示してい
る。

次に、機関の高負荷運転時にあつては、機関か
ら排出される排気量が増大するため、ターボチヤ
ージヤ７１の回転速度が高まり（タービンホイー
ル７５とロータシヤフト７６で結合されているコ
ンプレツサホイール７３の回転速度が高くな
る。）、吸気を過給する。この結果、吸気管７２内
圧力が高くなり、第９図に示すように、制御アー
ム８３の位置が切換えられる。これにより、カム
フオロワ８１は図中時計回りの方向に回動してフ
オロワ面８１ａとカム面３５ａとのなす角度は大
きくなる。したがつて、吸気弁７７の開・閉弁時
期は遅くなる（第１０図ｂ参照）。なお同図中b₁
は開弁時期、b₂は閉弁時期をそれぞれ示してい
る。

ここで、第１１図を参照して（同図ａは低負荷
運転時、ｂは高負荷運転時を示す）内燃機関にお
ける圧縮比について説明すると、有効圧縮比は
（１＋Vs／Vc）で表され（ここで、Vsは吸気弁７７ の閉弁後から上死点までの行程容積であり、Vc
はピストン上死点での燃焼室空間容積である。）、
低負荷運転時の有効圧縮比（１＋Vs₁／Vc）は、
高負荷運転時のそれ（１＋Vs₂／Vc）と比較して
高く（大きく）なる。ここに、Vs₁は低負荷時の
吸気弁７７閉弁から上死点までの行程容積、Vs₂
は高負荷時のそれであり、上述のようにカムフオ
ロワ８１を制御する結果これらは（Vs₁＞Vs₂）
の関係にある。また、第１２図および第１３図に
示すように、過給器７１付の内燃機関における圧
縮比（ε；ε＝１＋Vs／Vc）は、過給圧０、す
なわち過給器を有しない内燃機関にて設定可能な
圧縮比よりも低く設定する必要があり、これは過
給圧を高める程その傾向が顕著となる（山海堂(株)
発行「ターボ車の知識と特性」p.104参照）。その
理由は、吸入混合気が圧縮される程高温となるた
め、燃焼室９５内で火花点火による正常燃焼に至
る前に一部の混合気（エンドガス）が自発火する
という現象（ノツキング）の発生を防止するため
である。換言すれば、従来の過給器付機関にあつ
ては、高負荷時のノツキング防止から低負荷時の
圧縮比を低く設定していたため、低負荷時の熱効
率を犠牲としていたのに対し、この発明にあつて
は、上述のようにバルブタイミングを制御するこ
とにより、有効圧縮比を低負荷時に高く、高負荷
時に低く設定できるため、低負荷時の熱効率の向
上が図れるとともに、高負荷時のノツキング防止
をも達成できる。したがつて、前述した弁開閉時
期制御手段８０は、この実施例では、圧縮比制御
手段をも兼用することになる。なお、第１２図は
過給圧（縦軸）と圧縮比（横軸）との関係におい
て、高オクタン価の燃料によるノツキング限界ｘ
および低オクタン価の燃料によるノツキング限界
ｙを示している。

以上説明してきたように、この発明によれば、
機関回転に同期して回転するバルブ駆動カムと、
該バルブ駆動カムの回転に応動してバルブを往復
動させるロツカアームと、該ロツカアームに回動
自在に支持されるとともに、該ロツカアームに対
応して１つ設けられ、その回動中心を中心とする
円周形状を有する第１フオロワ面および該第１フ
オロワ面に接続されて第１フオロワ面と異なる外
周形状を有し、カムのカム面と所定角度をなして
該カム面に当接する少なくとも１つ以上の第２フ
オロワ面から構成されたカムフオロワと、機関の
運転条件に応じて該カムフオロワを回動中心を中
心に回動して前記第２フオロワ面とカム面とがな
す角度を可変制御する制御手段と、を備えた内燃
機関の吸排気弁駆動装置としたため、バルブタイ
ミングとしてオーバラツプ量のみを（バルブリフ
ト量を変更せずに）可変制御でき、オーバラツプ
量減少時バルブリフト曲線の緩衝曲線部から外れ
てバルブが着座することなく該着座時の衝撃等に
よる不具合を未然に防止できる。また、第１フオ
ロワ面の回動中心と円周形状中心を一致させるこ
とができるので、カムに対してカムフオロワを１
つ設けることができ、装置の構成を簡易にするこ
とができ、装置の小型化を達成することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は公知の弁駆動装置を示す正面図であ
る。第２〜４図はこの発明に係る内燃機関の吸排
気弁駆動装置の一実施例を示すものであり、第２
図、第３図はそれぞれ低負荷運転時、高負荷運転
時の該装置の状態を示す概略正面断面図、第４図
ａ，ｂは当該運転時のバルブリフト特性を示す図
である。第５図、第６図はこの発明の他の実施例
を示す図であり、第５図ａ，ｂは運転状態に対応
して該装置の要部を示す正面図、第６図は第５図
の部分拡大作用説明図である。第７〜１３図はこ
の発明の他の実施例を示すものであり、第７図は
機関の概略全体図、第８図、第９図はそれぞれ該
機関の低負荷、高負荷運転時の作動状態を示す要
部正面断面図、第１０図は該装置のバルブタイミ
ングを示す図、第１１図は該機関の圧縮比を説明
するためのピストン模式図、第１２図は該装置に
おける過給圧と圧縮比との関係を示す図、第１３
図は該装置の作用説明のためのピストンの模式図
である。 ２６，２７……吸気バルブ、排気バルブ、３５
……バルブ駆動カム、３５ａ……カム面、３６，
３７……ロツカアーム、４０，７０……カムフオ
ロワ、４０ａ，７０ｃ……第１フオロワ面、４０
ｂ，７０ｂ……第２フオロワ面、４０ｃ……第３
フオロワ面、４４……制御手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 機関回転に同期して回転するバルブ駆動カム
   と、該バルブ駆動カムの回転に応動してバルブを
   往復動させるロツカアームと、該ロツカアームに
   回動自在に支持されるとともに、該ロツカアーム
   に対応して１つ設けられ、その回動中心を中心と
   する円周形状を有する第１フオロワ面および該第
   １フオロワ面に接続されて第１フオロワ面と異な
   る外周形状を有し、カムのカム面と所定角度をな
   して該カム面に当接する少なくとも１つ以上の第
   ２フオロワ面から構成されたカムフオロワと、機
   関の運転条件に応じて該カムフオロワを回動して
   前記第２フオロワ面とカム面とがなす角度を可変
   制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする
   内燃機関の吸排気弁駆動装置。