JPH10169420A - 内燃機関の吸排気弁駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 バルブ作動角が狭くなるようにバルブリフト
特性が変化した場合のバルブ運動の最大正加速度の増大
を最小限に抑制し、摩耗を防止する。 【解決手段】 機関と同期回転する駆動軸と円筒状カム
シャフトとの間に、環状ディスクが介在しており、該デ
ィスクの１８０゜離れた位置にある一対のピンと、駆動
軸およびカムシャフトに半径方向に設けた係合溝を介し
て、駆動軸とカムシャフトとが連動する。環状ディスク
を一方に偏心させると、カムシャフトが不等速回転とな
り、同心時のバルブリフト特性（実線）に対し、バルブ
作動角が狭い特性（想像線）が得られる。このとき、立
ち上がり時の正加速度のピークが正加速度区間の中で初
期となるようにカムプロフィールが設定されており、カ
ムシャフトの角速度増加に伴う最大正加速度の増加が最
小限となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、内燃機関の運転
状態に応じて吸気弁・排気弁の開閉時期や作動角を可変
制御する吸排気弁駆動制御装置に関する。特に、一対の
ピンを介して駆動軸とカムシャフトとを連動させる環状
ディスクの偏心により、バルブ作動角を狭めることがで
きる吸排気弁駆動制御装置の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】吸気弁・排気弁の開閉時期や作動角を可
変制御する装置は、従来から種々の形式のものが提供さ
れているが、その一つとして例えば実開昭５７−１９８
３０６号公報や特開平６−２５１５号公報に記載されて
いるものがある。

【０００３】これは一種のオルダム継手のような不等速
軸継手を利用したもので、機関の回転に同期して駆動さ
れる駆動軸の外周に円筒状のカムシャフトを配置し、か
つ駆動軸に対しカムシャフトを不等速回転させること
で、実際のバルブリフト特性をカムプロフィールに対し
変化させる構成となっている。詳しくは、上記カムシャ
フトは一端部にフランジ部を有し、かつこれに対向する
ように、駆動軸側にもフランジ部が設けられている。そ
して、両フランジ部の間に環状ディスクが介装されてお
り、該環状ディスクに、それぞれ１８０゜離れた位置で
かつ反対側へ向かって突出する一対のピンが設けられて
いる。これらのピンは、それぞれ、各フランジ部に半径
方向に形成された係合溝に係合している。上記環状ディ
スクが、駆動軸およびカムシャフトと同心位置にあれ
ば、カムシャフトは駆動軸に対し等速で回転するが、偏
心位置にある場合には、カムシャフトが不等速回転す
る。このカムシャフトの不等速回転に伴ってカムによる
吸排気弁の開時期および閉時期が変化するのである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うにカムシャフトが不等速回転する形式の吸排気弁駆動
制御装置においては、カムシャフトの不等速回転に伴っ
て、吸排気弁の運動の最大正加速度が等速回転時よりも
大幅に増大する場合がある。このように最大正加速度が
過度に大きくなると、動弁系各部の摩耗とりわけ連動機
構となるピンと係合溝との接触面での摩耗が促進され、
好ましくない。

【０００５】図９は、一例として立ち上がり側と立ち下
がり側とが対称形状をなすカムプロフィールについて、
偏心時に想像線のように対称形状を保ったままバルブ作
動角が縮小する場合における加速度変化を示している。
この図に示すように、バルブ作動角の縮小に伴ってバル
ブリフト特性が急峻なものとなるので、最大正加速度は
増大する。

【０００６】この発明の目的は、吸排気弁の運動の正加
速度が、カムシャフトの不等速回転時にも過度に増大し
ないようにすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、機関の回転に
同期して回転する駆動軸と、この駆動軸と同軸上に配設
され、かつ吸排気弁を駆動するカムを外周に有するカム
シャフトと、このカムシャフト側に設けられ、かつ半径
方向に沿って係合溝が形成されたフランジ部と、このフ
ランジ部に対向するように上記駆動軸側に設けられ、か
つ半径方向に沿って係合溝が形成されたフランジ部と、
上記両フランジ部の間に配設された環状ディスクと、こ
の環状ディスクの両側部に互いに反対方向に突設され
て、上記両フランジ部の各係合溝内に夫々係合するピン
と、上記環状ディスクを回転自在に保持するとともに、
軸直角方向に沿って揺動可能な制御環と、上記制御環を
機関運転状態に応じて揺動させる駆動機構と、を備え、
かつ上記駆動機構を介して上記環状ディスクの回転中心
を上記駆動軸の回転中心から一方へ偏心させたときに、
同心時に比較してバルブ作動角が狭くなるように構成し
た内燃機関の吸排気弁駆動制御装置において、上記の偏
心時において上記駆動軸の角速度よりも上記カムシャフ
トの角速度が大となるクランク角の区間でバルブリフト
加速度が正となる場合に、その正加速度のピークの位置
を、正加速度区間内でカムシャフトの角速度が小さい位
置に設定したことを特徴としている。

【０００８】より具体化した請求項２においては、上記
カムシャフトのカムのプロフィールを、開弁時の正加速
度区間における正加速度ピーク位置が、当該区間の中の
初期となるように設定したことを特徴としている。

【０００９】すなわち、環状ディスクの中心が駆動軸の
中心と合致している同心位置では、カムシャフトは上記
環状ディスク等を介して駆動軸に同期して等速で、つま
り位相差なしで回転する。この状態では、カムリフト特
性に沿ってバルブリフト特性が得られる。

【００１０】一方、駆動機構によって環状ディスクが一
方へ揺動した状態では、環状ディスクの中心が駆動軸の
中心から偏心するため、駆動軸とカムシャフトとが不等
速で連動するようになり、回転中に位相差を生じる。こ
れにより、バルブ作動角が小さくなる。

【００１１】図１０は、この種の形式の吸排気弁駆動制
御装置における駆動軸とカムシャフトとの回転位相差お
よび両者の角速度比の特性を示している。具体的には、
駆動軸の位相をθＤ、角速度をｄθＤ、カムシャフトの
位相をθＣ、角速度をｄθＣとして、位相差（θＣ−θ
Ｄ）および角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）を示している。
この図に示すように、駆動軸が１回転する間に、位相差
（θＣ−θＤ）は、最大から最小に変化し、かつ位相が
常に変化しない２つの同位相点（Ｐ１，Ｐ２）が存在す
る。また、角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）も、駆動軸が１
回転する間に、最大から最小に変化するが、特に、位相
差が負から正へ変化する同位相点Ｐ２において角速度比
（ｄθＣ／ｄθＤ）が最大となり、逆に、位相差が正か
ら負へ変化する同位相点Ｐ１において角速度比（ｄθＣ
／ｄθＤ）が最小となる。

【００１２】位相差（θＣ−θＤ）が負であるＰ１〜Ｐ
２の領域では、カムシャフトのカム作用は相対的に遅れ
るものとなり、逆に、位相差が正であるＰ２〜Ｐ１の領
域では、カムシャフトのカム作用は相対的に進む。従っ
て、環状ディスクの偏心時にバルブ作動角が小さくなる
ためには、図中に例示するように、同位相点Ｐ２の付近
にカムが形成される。つまり、一般に、角速度比（ｄθ
Ｃ／ｄθＤ）が１以上の領域にカムプロフィールが設け
られる。このように、角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）が１
以上の領域においては、カムによって生じるバルブ運動
の加速度は、それだけ大きなものとなる。詳しくは、加
速度は、角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）の２乗に比例す
る。

【００１３】そのため、例えばカムプロフィールの立ち
上がりが図１０のように角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）の
増加領域にある場合には、正加速度のピーク位置がなる
べく正加速度区間の中の初期にあることが好ましい。つ
まり、正加速度のピーク位置が遅くなると、それだけ角
速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）が増加するため、これに伴っ
て最大正加速度が大となる。また、カムプロフィールの
立ち下がりが図１０のように角速度比（ｄθＣ／ｄθ
Ｄ）の減少領域にある場合には、この立ち上がり区間で
の正加速度のピーク位置がなるべく正加速度区間の中の
後期にあることが好ましい。つまり、正加速度のピーク
位置が早いと、それだけ角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）が
増加するため、これに伴って最大正加速度が大となる。

【００１４】従って、角速度比（ｄθＣ／ｄθＤ）の増
加もしくは減少傾向を考慮して正加速度のピーク位置を
設定することにより、偏心時における最大正加速度の増
大を可及的に抑制できる。

【００１５】

【発明の効果】この発明に係る内燃機関の吸排気弁駆動
制御装置によれば、環状ディスクの偏心によってバルブ
作動角を狭めた場合でも、最大正加速度の増大を最小限
に抑制でき、ピンと係合溝との間の摩耗を抑制できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、この発明に係る吸排気弁駆
動制御装置の一実施例を図１〜図６に基づいて説明す
る。図において、２１は図外の機関クランク軸からスプ
ロケットを介して回転力が伝達される駆動軸、２２は該
駆動軸２１の外周に一定の隙間をもって配置され、かつ
駆動軸２１の中心Ｘと同軸上に設けられた中空円筒状の
カムシャフトである。上記駆動軸２１は、機関前後方向
に延設されていると共に、中空状に形成されている。ま
たカムシャフト２２は、各気筒毎に分割して構成されて
いる。

【００１７】上記カムシャフト２２は、図示せぬシリン
ダヘッド上端部のカム軸受に回転自在に支持されている
と共に、図２に示すように、外周の所定位置に、各気筒
一対の吸気弁２３をバルブスプリング２４のばね力に抗
してバルブリフター２５を介して開作動させる一対のカ
ム２６が一体に設けられている。また、カムシャフト２
２は、上述したように複数個に分割形成されているが、
その一方の分割端部に、フランジ部２７が設けられてい
る。また、この複数に分割されたカムシャフト２２の端
部間に、それぞれスリーブ２８と環状ディスク２９が配
置されている。上記フランジ部２７は、図４にも示すよ
うに、中空部から半径方向に沿った細長い矩形状の係合
溝３０が形成されていると共に、環状ディスク２９の一
方の表面に摺接するフランジ面２７ａを有している。

【００１８】上記スリーブ２８は、小径な一端部がカム
シャフト２２の他方の分割端部内に回転自在に挿入され
ている共に、駆動軸２１外周に嵌合しており、かつ直径
方向に貫通した連結ピン３１を介して該駆動軸２１に連
結固定されている。また、スリーブ２８の他端部に設け
られたフランジ部３２は、カムシャフト２２側のフラン
ジ部２７と対向して位置し、かつ図５にも示すように、
半径方向に沿った細長い矩形状の係合溝３３が形成され
ていると共に、外周面に環状ディスク２９の他方の表面
に摺接するフランジ面２８ａを有している。上記係合溝
３３は、カムシャフト２２側フランジ部２７の係合溝３
０と１８０°異なる反対側に配置されている。

【００１９】上記環状ディスク２９は、略ドーナツ板状
を呈し、内径がカムシャフト２２の内径と略同径に形成
されていて、駆動軸２１の外周面との間に環状の隙間部
Ｓが形成されていると共に、小巾の外周部２９ａが環状
のベアリングメタル３４を介して制御環３５の内周面に
回転自在に保持されている。また、互いに１８０°異な
る直径線上の対向位置にそれぞれ保持孔２９ｂ，２９ｃ
が貫通形成されており、該保持孔２９ｂ，２９ｃには、
各係合溝３０，３３に係合する一対のピン３６，３７が
嵌合配置されている。この各ピン３６，３７は、互いに
カムシャフト軸方向へ逆向きに突出しており、円筒面か
らなる基部が保持孔２９ｂ，２９ｃ内に回転自在に嵌合
支持されていると共に、環状ディスク２９表面から突出
する先端部に、図４及び図５に示すように、上記係合溝
３０，３３の対向内面３０ａ，３０ｂ、３３ａ，３３ｂ
と当接する２面巾状の平面部３６ａ，３６ｂ、３７ａ，
３７ｂが形成されている。また、上記ピン３６，３７の
軸方向への位置決めは、突出方向については、ピン３
６，３７の円筒面と上記平面部３６ａ，３６ｂ、３７
ａ，３７ｂとの間に生じる段部３６ｃ，３７ｃとフラン
ジ面２７ａ，２８ａとの当接により、また後退方向につ
いては、上記保持孔２９ｂ，２９ｃを貫通したピン３
６，３７の基端面３６ｄ，３７ｄとフランジ面２８ａ，
２７ａとの当接により、それぞれ行われる。

【００２０】上記制御環３５は、略円環状をなすととも
に、図２に示すように、外周の一部にボス部３５ａを有
し、該ボス部３５ａを貫通した揺動軸３８を支点とし
て、駆動軸２１の軸方向と直交する面に沿って上下に揺
動自在に構成されている。またボス部３５ａと反対側の
外周面にレバー部３５ｂが半径方向に沿って突設されて
おり、該レバー部３５ｂを介して駆動機構３９により揺
動位置が制御されるようになっている。

【００２１】上記駆動機構３９は、図２及び図６に示す
ように、シリンダヘッドの所定部位に互いに対向して形
成された第１，第２シリンダ４０，４１と、各シリンダ
４０，４１内に出没自在に嵌合した油圧ピストン４２及
びリテーナ４３と、上記第１シリンダ４０内に画成され
る油圧室４０ａに油圧を給排して油圧ピストン４２を進
退させる油圧回路４４とを備えている。上記油圧ピスト
ン４２及びリテーナ４３は、互いに対向し、かつ両者の
先端の間で、上記レバー部３５ｂの円弧状先端部を上下
方向から挾持するようになっている。

【００２２】上記第２シリンダ４１内に設けられたリテ
ーナ４３は、略有底円筒状に形成され、第２シリンダ４
１内に配設されたコイルスプリング４５のばね力で突出
方向に付勢されている。また、このリテーナ４３は、ス
トッパ部４１ｂにより後退位置が規制されるようになっ
ており、このストッパ部４１ｂに当接した最大後退位置
つまり油圧ピストン４２の最大突出位置において、環状
ディスク２９の回転中心Ｙと駆動軸２１の中心Ｘとが同
心状態となるように設定されている。尚、図２の符号４
１ｃはエア抜き孔を示す。

【００２３】ここで、カム２６のプロフィールは、詳細
には図示していないが、ベースサークル部からカムノー
ズ部へ移行する立ち上がり部分では、後述するように、
正加速度のピーク位置が正加速度区間の初期に位置する
ように設定され、逆に、カムノーズ部からベースサーク
ル部へ移行する立ち下がり部分では、正加速度のピーク
位置が正加速度区間の後期に位置するように設定されて
いる。

【００２４】上記油圧回路４４は、一端部が機関のオイ
ルパン４６内に、他端部が油圧室４０ａにそれぞれ連通
した油通路４７と、該油通路４７のオイルパン４６側に
設けられたオイルポンプ４８と、該オイルポンプ４８の
下流側に設けられた３ポート２位置型の電磁切換弁４９
とから主として構成されている。尚、この油圧回路４４
は、一般に機関潤滑系統を利用して構成され、オイルポ
ンプ４８等を機関潤滑系統と共用したものとなる。上記
電磁切換弁４９は、機関回転数や吸入空気量等の運転条
件信号に基づいてコントローラ５０により切換制御され
る。そして、該電磁切換弁４９がＯＮ作動すると、油通
路４７が連通して、油圧室４０ａに油圧が供給され、Ｏ
ＦＦ作動すると油通路４７下流部分とドレン通路５１と
が連通して油圧を解放するようになっている。尚、機関
停止時には、電磁切換弁４９は、ＯＦＦ状態に保たれ
る。

【００２５】次に、上記のように構成された実施例の作
用について説明する。

【００２６】先ず、機関の所定の運転領域、例えば高速
側の領域では、コントローラ５０から電磁切換弁４９に
ＯＮ信号が出力される。これにより、オイルポンプ４８
から油通路４７に圧送された作動油はそのまま油圧室４
０ａに供給される。従って、該油圧室４０ａの内圧上昇
に伴い油圧ピストン４２が図２，図６の実線で示すよう
にコイルスプリング４５のばね力に抗してレバー部３５
ｂを限界位置まで押し下げるので、制御環３５つまり環
状ディスク２９の回転中心Ｙと駆動軸２１の中心Ｘが合
致する。この場合は、環状ディスク２９と駆動軸２１と
の間に回転位相差は生じず、またカムシャフト２２の中
心と環状ディスク２９の中心Ｙも合致しているため、両
者２２，２９間の回転位相差も生じない。そのため、駆
動軸２１，環状ディスク２９およびカムシャフト２２の
３者は、ピン３６，３７を介して等速で同期回転する。
この結果、図７の（Ａ）の実線に示すようなバルブリフ
ト特性が得られる。このバルブリフト特性は、カムリフ
ト特性に基本的に対応したものであり、これに伴って、
図７（Ｂ）に実線で示すような加速度が生じる。ここ
で、図示するように、正加速度のピーク位置は、正加速
度区間の中の初期に位置している。つまり、このような
加速度特性となるように、カムプロフィールが設定され
ているのである。

【００２７】一方、機関の他の運転領域、例えば低速側
の領域では、コントローラ５０から電磁切換弁４９にＯ
ＦＦ信号が出力される。これにより、油通路４７の上流
側を遮断すると共に、油通路４７の下流側とドレン通路
５１とが連通される。このため、油圧室４０ａ内の油圧
が解放され、油圧ピストン４２がバルブスプリング２４
及びコイルスプリング４５のばね力で後退する。従っ
て、制御環３５は、図２，図６の一点鎖線で示すように
リテーナ４３により押し上げられる形となり、揺動軸３
８を支点として上方へ揺動して、環状ディスク２９の中
心Ｙが駆動軸２１の中心Ｘから偏心する。この状態で
は、スリーブ２８の係合溝３３とピン３７並びにカムシ
ャフト２２の係合溝３０とピン３６との摺動位置が駆動
軸２１の１回転毎に移動し、環状ディスク２９の角速度
が変化する不等速回転になる。なお、図８は、この偏心
時における各部の位置関係を示した説明図である。

【００２８】これにより、前述したように、駆動軸２１
とカムシャフト２２との間で位相差が生じるため、図７
の（Ａ）に想像線で示すようなバルブリフト特性が得ら
れ、その作動角は小さくなる。この偏心時においては、
図７（Ｂ）に想像線で示すような加速度が生じる。この
加速度は、バルブリフト特性が急峻となることから、同
心時よりは大きくなるものの、前述したように、正加速
度のピーク位置が、正加速度区間の中の初期に位置して
いるため、最大正加速度の増大が最小限に抑制される。

【００２９】図７の右半部には、比較例として、正加速
度のピーク位置が、正加速度区間の中の後期に位置して
いるカムプロフィールの場合の特性を示している。この
ようなカムプロフィールにおいては、環状ディスク２９
が偏心した状態では、カムシャフト２２の角速度が一層
増大している段階で正加速度のピークを迎えるので、想
像線で示すように、最大正加速度が一層大きなものとな
る。つまり、本実施例の特性に比較して、ΔＧだけ最大
正加速度が増加してしまう。

【００３０】またカムプロフィールの立ち下がり側につ
いては、図示していないが、本実施例では、正加速度の
ピーク位置が正加速度区間の後期に位置するように設定
することで、偏心時にカムシャフト２２の角速度が比較
的遅くなった段階で正加速度のピークを迎えることがで
き、やはり、最大正加速度の増加を最小限に抑制でき
る。

【００３１】なお、上記各実施例では、環状ディスク２
９が同心位置と偏心位置の２位置にのみ切り換えられる
ものとして説明したが、環状ディスク２９の偏心量を連
続的もしくは段階的に可変制御する場合でも同様であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の要部を示す一部破断図。

【図２】図１のＡ矢視図。

【図３】本実施例の要部を示す平面図。

【図４】図３のＢ−Ｂ線断面図。

【図５】図３のＣ−Ｃ線断面図。

【図６】駆動機構の構成を示す概略図。

【図７】同心時ならびに偏心時におけるバルブリフト特
性および加速度特性を、本実施例と比較例とで対比して
示す特性図。

【図８】偏心時におけるピン等の位置関係を示す説明
図。

【図９】バルブリフト特性と加速度との関係の一例を示
す特性図。

【図１０】駆動軸とカムシャフトとの回転位相差および
角速度比の特性を対比して示す特性図。

【符号の説明】

２１…駆動軸 ２２…カムシャフト ２６…カム ２７…フランジ部 ３２…フランジ部 ２９…環状ディスク ３０，３３…係合溝 ３６，３７…ピン ３９…駆動機構。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 信 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 (72)発明者 山田 吉彦 神奈川県厚木市恩名1370番地 株式会社ユ ニシアジェックス内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 機関の回転に同期して回転する駆動軸
   と、 この駆動軸と同軸上に配設され、かつ吸排気弁を駆動す
   るカムを外周に有するカムシャフトと、 このカムシャフト側に設けられ、かつ半径方向に沿って
   係合溝が形成されたフランジ部と、 このフランジ部に対向するように上記駆動軸側に設けら
   れ、かつ半径方向に沿って係合溝が形成されたフランジ
   部と、 上記両フランジ部の間に配設された環状ディスクと、 この環状ディスクの両側部に互いに反対方向に突設され
   て、上記両フランジ部の各係合溝内に夫々係合するピン
   と、 上記環状ディスクを回転自在に保持するとともに、軸直
   角方向に沿って揺動可能な制御環と、 上記制御環を機関運転状態に応じて揺動させる駆動機構
   と、 を備え、かつ上記駆動機構を介して上記環状ディスクの
   回転中心を上記駆動軸の回転中心から一方へ偏心させた
   ときに、同心時に比較してバルブ作動角が狭くなるよう
   に構成した内燃機関の吸排気弁駆動制御装置において、 上記の偏心時において上記駆動軸の角速度よりも上記カ
   ムシャフトの角速度が大となるクランク角の区間でバル
   ブリフト加速度が正となる場合に、その正加速度のピー
   クの位置を、正加速度区間内でカムシャフトの角速度が
   小さい位置に設定したことを特徴とする内燃機関の吸排
   気弁駆動制御装置。
2. 【請求項２】 上記カムシャフトのカムのプロフィール
   を、開弁時の正加速度区間における正加速度ピーク位置
   が、当該区間の中の初期となるように設定したことを特
   徴とする請求項１記載の内燃機関の吸排気弁駆動制御装
   置。