JPH10299445A - 可変動弁機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 可変動弁機構により、トルク、出力、燃費、
排気ガスのクリーン性等の諸特性を内燃機関の全回転域
にわたって最大限に向上させるとともに、アイドリング
を安定させる。 【解決手段】 アイドリング用カム３と、カムプロフィ
ールを変化させた立体カム２と、立体カム２を軸方向へ
変位させる変位装置５と、揺動してバルブ７を開閉する
スイングアーム８と、スイングアーム８に設けられ、ア
イドリング域及び低回転・軽負荷域においてアイドリン
グ用カム３に接触するアイドリング用接触部１２と、ス
イングアーム８にアイドリング用接触部１２とは独立し
て設けられ、前記以外の運転領域において立体カム２に
接触する追従接触部１６を含む追従接触機構１３とを備
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の運転領
域に応じて、バルブタイミング及びリフト量を変化させ
る可変動弁機構に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、内燃機関の低回転時と高回転
時とで、バルブタイミング（開弁作用角と位相とを含
む）及びリフト量を二段階に変化させる動弁機構が種々
知られている。これらの可変動弁機構によれば、一般的
な動弁機構に比べて、トルク、出力、燃費、排気ガスの
クリーン度等の諸特性がかなり向上する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、これら従来
の可変動弁機構は、変化がわずか二段階なので、内燃機
関の運転状況に応じた精密な制御が難しく、トルク特性
に谷が生じるとか、低回転時のトルクと高回転時の出力
との両立が難しいとか、一つのバルブに対して二つ〜三
つのアーム等が必要になるため、構造が複雑になり、コ
ンパクト化が難しいとか、切替機構としてはピンを高油
圧で移動させるタイプが主流であったため、一回での切
替不良や異音や摩耗の発生があるとかという問題があっ
た。

【０００４】そこで、本発明者は先に、カムプロフィー
ルを連続的に変化させた立体カムを備えたカムシャフト
と、該カムシャフトを軸方向へ連続的に又は段階的に変
位させる変位装置と、該立体カムのカムプロフィールに
基づいて揺動することによりバルブを開閉するアームと
を備えた可変動弁機構を発明した（特開平９−２１３０
５号公報）。同発明によれば、上記の諸問題を解決する
ことができたが、アイドリング（アイドル回転）を安定
させることについて課題が残っていた。

【０００５】つまり、立体カムでアイドリングを安定さ
せるためには、各気筒での立体カムのカムプロフィール
加工精度と気筒間のカムピッチ精度とが要求される。し
かし、ノーズ部が傾斜する立体カムは加工精度を高める
ことが難しく、将来の生産技術の改良による向上は考え
られるものの、大量生産ではどうしても限界がある。ま
た、気筒間のカムピッチ精度については、加工精度が向
上したとしても、熱膨張による変化が加わるため、やは
り限界がある。これらの精度の限界により、アイドリン
グ域でアームが立体カムのどこに接触するかが定まら
ず、オーバーラップ角等がばらついてアイドリングの安
定性が損なわれるのである。今後は、ますます省資源・
低燃費指向により超低回転・静粛アイドリングが要求さ
れるものと予想されるが、この場合、アイドリングの安
定性は最も重要な条件となる。

【０００６】そこで、本発明の目的は、バルブタイミン
グ及びリフト量を連続的に又は段階的に変化させること
により、トルク、出力、燃費、排気ガスのクリーン性等
の諸特性を内燃機関の全回転域にわたって最大限に向上
させることができるだけでなく、アイドリングを安定さ
せることもできる新規な可変動弁機構を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の可変動弁機構は、カムプロフィールが軸方
向に変化しないアイドリング用カムと、低回転用カムプ
ロフィールから高回転用カムプロフィールまでカムプロ
フィールを軸方向に連続的に変化させた立体カムと、前
記立体カムを軸方向へ連続的に又は段階的に変位させる
変位装置と、前記アイドリング用カム又は前記立体カム
のカムプロフィールに基づいて揺動することによりバル
ブを開閉するアームと、前記アームに設けられ、内燃機
関の主にアイドリング域において前記アイドリング用カ
ムに接触するアイドリング用接触部と、前記アームに前
記アイドリング用接触部とは独立して設けられ、内燃機
関の主にアイドリング域以外の運転領域において前記立
体カムの回転に伴う接触線角度の変化に追従しながら前
記立体カムに接触する追従接触部を含む追従接触機構と
を備えたことを特徴としている。

【０００８】ここで、アイドリング用カムと立体カムと
は、カムシャフト上に同軸状に設けられていることが好
ましい。

【０００９】アイドリング用カムのバルブタイミングの
位相、開弁作用角及びリフト量と、立体カムの低回転用
カムプロフィールにおけるバルブタイミングの位相、開
弁作用角及びリフト量と、高回転用カムプロフィールに
おけるバルブタイミングの位相、開弁作用角及びリフト
量とは、個々の内燃機関における要求事項に応じて適宜
設定することができる。もっとも、多くの場合、低回転
用カムプロフィールは開弁作用角及びリフト量が小さ
く、高回転用カムプロフィールは開弁作用角及びリフト
量が大きい。

【００１０】アイドリング用カムのリフト量に対し立体
カムの低回転用カムプロフィールにおけるリフト量が同
一又は小さい場合には、アイドリング用カムのベース径
に対し立体カムのベース径を同一にするとよい。

【００１１】アイドリング用カムのリフト量に対し立体
カムの低回転用カムプロフィールにおけるリフト量が大
きい場合には、その差分だけアイドリング用カムのベー
ス径に対し立体カムのベース径を小さくするとよい。

【００１２】変位装置により立体カムを段階的に変位さ
せる場合、二段階に変化させてもよいが、その場合は二
段階の変位を調節できるようにすることが好ましい。さ
らに好ましくは、立体カムを少なくとも三段階に変位さ
せることである。最も好ましくは、立体カムを連続的に
変位させることである。変位装置は特定の構造に限定さ
れず、油圧、電磁力等を利用したものを例示できる。

【００１３】アームは、特に限定されないが、次のもの
を例示できる。 １） 一端部がロッカシャフトに揺動可能に軸支され、
他端部にバルブ押圧部を備え、中央部に追従接触部付ロ
ーラ機構を備えたスイングアーム。 ２） 一端部がピボットに揺動可能に支持され、他端部
にバルブ押圧部を備え、中央部に追従接触部付ローラ機
構を備えたスイングアーム。 ３） 一端部に追従接触部付ローラ機構を備え、他端部
にバルブ押圧部を備え、中間部がロッカシャフトに揺動
可能に軸支されたロッカアーム。

【００１４】アイドリング用接触部は、内燃機関のアイ
ドリング域のほか低回転・軽負荷域においてもアイドリ
ング用カムに接触し、追従接触部は、内燃機関のアイド
リング域及び低回転・軽負荷域以外の運転領域において
立体カムに接触することが好ましい。アイドリング域か
ら低回転・軽負荷域への移行時にカムを切替えると、内
燃機関の運転者がその切替えに気付きやすいためであ
る。

【００１５】アイドリング用接触部は、特に限定されな
いが、アームに設けられた不動面や、回転可能に設けら
れたローラ等を例示できる。不動面としては、アームの
表面自体や、アームに取付けられたパッドを例示でき
る。パッドとしては、焼結金属製のパッドを拡散接合に
よってアームに固定したものや、高クロム鋳鉄製のパッ
ドをろう付けによってアームに固定したものを例示でき
る。

【００１６】追従接触機構は、特に限定されないが、ア
ームに設けられた半円筒内面座と、該半円筒内面座に揺
動可能に嵌合された追従接触部とからなるものを例示で
きる。

【００１７】なお、本発明の可変動弁機構は、吸気バル
ブ又は排気バルブの何れか一方に適用することもできる
が、両方に適用することが好ましい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を吸気バルブ及び排
気バルブの両方に適用した可変動弁機構の実施形態につ
いて、図面を参照して説明する。よって、実施形態にお
いて単にバルブというときは、吸気バルブと排気バルブ
の両方を指す。

【００１９】図１、図４等に示すように、カムシャフト
１上には、右側の低回転用カムプロフィールから左側の
高回転用カムプロフィールまで、カムプロフィールを軸
方向に連続的に変化させた立体カム２が形成されてい
る。立体カム２はベース円部２ａとノーズ部２ｂとから
なり、ベース円部２ａは、低回転用カムプロフィールに
おいても高回転用カムプロフィールにおいても同一半径
であるため、傾斜の無い円柱面である。しかし、ノーズ
部２ｂは、低回転用カムプロフィールにおいては開弁作
用角及びリフト量が小さく、高回転用カムプロフィール
においては開弁作用角及びリフト量が大きいため、円錐
面のように傾斜している。

【００２０】また、カムシャフト１上における立体カム
２の低回転用カムプロフィール側の隣には、カムプロフ
ィールが軸方向に変化しないアイドリング用カム３が同
軸状に並設されている。アイドリング用カム３は傾斜の
無いベース円部３ａとノーズ部３ｂとからなり、そのカ
ムプロフィール（図８ａの曲線Ｉ）は、立体カム２の中
回転用カムプロフィール（図８ｂの曲線Ｌ）と略同一で
ある。従って、アイドリング用カム３のベース径と立体
カム２のベース径とは同一とされている。なお、アイド
リング用カム３と立体カム２との間には、後述する追従
接触部１６の縁角部を逃がすための間隙部４が設けられ
ている。

【００２１】カムシャフト１の端部には、内燃機関の回
転数等の運転状況に応じてカムシャフト１を軸方向へ連
続的に変位させる変位装置５が設けられている。変位装
置５は、スプラインを用いたカムシャフト１のガイド部
と、油圧を用いたカムシャフト１の駆動部とからなり
（いずれも図示略）、内燃機関の回転センサやアクセル
開度センサ等に基づいて作動するマイクロコンピュータ
等の制御装置（図示略）により制御されるようになって
いる。

【００２２】カムシャフト１の斜め下方に配されたロッ
カシャフト６には、アイドリング用カム３又は立体カム
２のカムプロフィールに基づいて揺動することにより隣
り合う二つのバルブ７を同時に開閉するスイングアーム
８が回動可能に軸着されている。スイングアーム８は、
右端部にロッカシャフト６の挿通孔９を備え、左端部の
二股状に分かれた二つの分岐部８ａには、それぞれバル
ブクリアランス調整可能なバルブ押圧部としての雄ねじ
付ピン１０及びその固定ナット１１とを備えている。ま
た、スイングアーム８の中央部上面には、次のように構
成されたアイドリング用接触部１２と追従接触機構１３
とが互いに独立した形で設けられている。

【００２３】アイドリング用接触部１２は、図２等に示
すように、スイングアーム８の中央部上面における幅方
向の一方側に拡散接合によって固定された焼結金属製の
パッドである。アイドリング用接触部１２は、内燃機関
の負荷を伴わないアイドリング域と低回転・軽負荷域と
においてアイドリング用カム３に接触するようになって
いる。なお、アイドリング用接触部１２は長手方向中央
部がわずかに隆起する曲面になっている（平面でもよ
い）。

【００２４】追従接触機構１３は、図２等に示すよう
に、スイングアーム８の中央部上面における幅方向の他
方側に凹設された半円筒内面座１４と、該半円筒内面座
１４に揺動（ロール運動）可能に嵌合された追従接触部
１６とからなる。

【００２５】半円筒内面座１４の左端は突き抜けるよう
に開放されており、邪魔物が無いため、半円筒内面座１
４の精密加工を容易にかつ精度良く行うことができる。
また、半円筒内面座１４の長手方向略中央部には係合凹
部１５が設けられている。係合凹部１５の内底面は平ら
又は緩い湾曲凹面であるため、係合凹部１５の加工を容
易に行うことができるとともに、係合凹部１５の両内側
面の研磨加工を容易にかつ精度良く行うことができる。

【００２６】追従接触部１６は、半円筒内面座１４に揺
動可能に接触する半円柱面１７と、立体カム２に接触す
る平らな接触面１８とを含む、半割り円柱状のものであ
る。半円柱面１７の長手方向中央部には扇形の係合凸部
１９が一体的に設けられ、該係合凸部１９が係合凹部１
５に係合して揺動可能に挟まれている。この係合によ
り、追従接触部１６の長手方向の端面が現れた状態で、
追従接触部１６の長手方向の移動が規制されている。な
お、接触面１８は長手方向中央部がわずかに隆起する曲
面になっている（平面でもよい）。

【００２７】追従接触部１６は、内燃機関のアイドリン
グ域及び低回転・軽負荷域以外の運転領域において、前
記揺動により、立体カム２の回転に伴う接触線角度の変
化に追従しながら、接触面１８が立体カム２に接触する
ようになっている。このとき、立体カム２は追従接触部
１６の接触面１８をその長手方向に摺接していくが、前
記の通り追従接触部１６の長手方向の移動を規制してい
るので、追従接触部１６が半円筒内面座１４から外れる
ことはない。また、追従接触部１６の長手方向の端面が
現れた状態で、追従接触部１６の長手方向の移動を規制
しているので、該端面に規制壁を設ける必要が無い。こ
のため、追従接触部１６のカム当たり面長さ（接触面１
８の長手方向長さ）を最大限にとることができ、もって
立体カム２のノーズ部２ｂ高さを高くして、バルブ７の
リフト量を最大限にとることができる。

【００２８】本実施形態の可変動弁機構は、次のように
作用する。 （１）まず、内燃機関のアイドリング域においては、図
４に示すように、カムシャフト１が左方向へ変位し切
り、アイドリング用カム３のベース円部３ａ（図４ａ）
ないしノーズ部３ｂ（図４ｂ）がアイドリング用接触部
１２に接触してスイングアーム８を押圧する。このと
き、立体カム２のベース円部２ａ（図４ａ）は追従接触
部１６の接触面１８に接触するが、ノーズ部２ｂ（図４
ｂ）は接触面１８の縁部に接触して追従接触部１６を傾
動させるにすぎず、接触面１８の大半部から離れている
から実質的には作用しない。

【００２９】従って、スイングアーム８はアイドリング
用カム３のカムプロフィールに基づいて揺動し、図８ａ
の曲線Ｉに示すように、排気側及び吸気側のバルブ７を
小さい開弁作用角及びリフト量で開閉させる。このアイ
ドリング用カム３のカムプロフィールは軸方向に変化せ
ず、カムシャフト１の軸方向位置の制御精度には影響さ
れない。また、ノーズ部３ｂに傾斜の無いアイドリング
用カム３は高い加工精度が期待できる。このため、排気
バルブと吸気バルブとのオーバーラップ角はＸ0 に決ま
り、アイドリングが安定する。そして、前述したような
超低回転・静粛アイドリングも可能となり、市街地走行
における実用燃費を大幅に向上できる可能性がある。

【００３０】（２）次に、内燃機関が低回転・軽負荷域
に至ると、図５に示すように、カムシャフト１が少し右
方向へ変位するが、このときはまだアイドリング域と同
様に、アイドリング用カム３のベース円部３ａ（図５
ａ）ないしノーズ部３ｂ（図５ｂ）がアイドリング用接
触部１２に接触してスイングアーム８を押圧する。立体
カム２のノーズ部２ｂ（図５ｂ）は接触面１８の大半部
から離れている。

【００３１】従って、スイングアーム８はアイドリング
用カム３のカムプロフィールに基づいて揺動する（図８
ａの曲線Ｉ）。このように、低回転・軽負荷域もアイド
リング用カム３によることとし、アイドリング域から低
回転・軽負荷域への移行時にカムを切替えないようにし
たので、内燃機関の運転者がその切替えに気付くおそれ
がない。

【００３２】また、前記アイドリング域とこの低回転域
では、一般的にカムとカムフォロアとの間の平均速度が
低下して、潤滑状態が混合潤滑又は境界潤滑に移行する
ため、この状態で運転を継続すると、カム及びカムフォ
ロアのスカッフィング摩耗が促進される。従って、この
運転領域に、局部的に強い接触が生じる立体カム２を使
用することは不利である。しかし、本実施形態では、こ
の運転領域に、接触幅を大きく取りやすいアイドリング
用カム３を使用しているので、アイドリング用カム３及
びアイドリング用接触部１２の摩耗を軽減することがで
きる。

【００３３】（３）次に、内燃機関が中回転域又は中負
荷域に至ると、図６に示すように、カムシャフト１がま
た少し右方向へ変位し、立体カム２の中回転用カムプロ
フィールにおけるノーズ部２ｂ（図６ｂ）が追従接触部
１６の接触面１８全体に接触してスイングアーム８を押
圧するようになる。すなわち、追従接触部１６は立体カ
ム２の１回転毎に揺動して、接触線角度の変化に追従し
ながら立体カム２に接触し、ノーズ部２ｂに押圧され
る。このときを境にして、アイドリング用カム３のノー
ズ部３ｂ（図６ｂ）がアイドリング用接触部１２から離
れるようになる。

【００３４】従って、スイングアーム８は中回転用カム
プロフィールに基づいて揺動し、図８ｂの曲線Ｌに示す
ように、排気側及び吸気側のバルブ７を小さい開弁作用
角及びリフト量で開閉させ、トルクを高めるとともに、
燃費を向上させる。

【００３５】（４）次に、内燃機関が高回転域又は高負
荷域に至ると、図７に示すように、カムシャフト１がさ
らに右方向へ変位し、立体カム２の高回転用カムプロフ
ィールにおけるノーズ部２ｂ（図７ｂ）が追従接触部１
６の接触面１８全体に接触してスイングアーム８を押圧
するようになる。すなわち、追従接触部１６は、立体カ
ム２の１回転毎に揺動して、接触線角度の変化に追従し
ながら立体カム２に接触し、ノーズ部２ｂに押圧され
る。アイドリング用カム３のノーズ部３ｂ（図７ｂ）
は、アイドリング用接触部１２から完全に離れている。

【００３６】従って、スイングアーム８は高回転用カム
プロフィールに基づいて揺動し、図８ｂの曲線Ｈに示す
ように、バルブ７を大きい開弁作用角及びリフト量で開
閉させ、吸気量を増やし、高速出力を高める。

【００３７】そして、上記の（３）から（４）に至る途
中においても、回転数、負荷、アクセル開度等の運転状
況に応じて、カムシャフト１が変位装置５により連続的
に変位し、立体カム２の各カムプロフィールが追従接触
部１６の接触面１８に対応する。従って、スイングアー
ム８はその各カムプロフィールに基づいて揺動し、図８
ｂの曲線Ｍに示すように、バルブ７を中間的な開弁作用
角及びリフト量で開閉させ、運転状況に応じたトルク及
び出力を発生させる。

【００３８】以上のように、本実施形態の可変動弁機構
によれば、内燃機関のアイドリング域から高回転又は高
負荷域まで、バルブタイミング及びリフト量を連続的に
変化させて、内燃機関の運転状況に応じた精密な制御を
行なうことができ、もってトルク、出力、燃費、排気ガ
スのクリーン性等の諸特性を全回転域にわたって最大限
に向上させることができる。

【００３９】また、カムシャフト１の変位によって、前
記変化をスムーズかつ静かに行なわせることができ、さ
らに、一つのバルブ７に対して一つのスイングアーム８
で済むようにでき、構造をシンプルにしてコンパクト化
を図ることができる。

【００４０】なお、本発明は前記実施形態の構成に限定
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変更して具体化することもできる。 （１）スイングアーム８の右端部をピボットに揺動可能
に支持すること。 （２）スイングアーム８に変えてロッカアームを使用す
ること。 （３）カムシャフト１を段階的に変位させるようにする
こと。 （４）変位装置５の構成や制御の仕方を適宜変更するこ
と。

【００４１】（５）アイドリング用接触部１２をスイン
グアーム８の上面自体とすること。 （６）アイドリング用接触部１２であるパッドをスイン
グアーム８に対して取替可能に取付けること。前記追従
接触部１６はもとより取替可能である。従って、アイド
リング用接触部１２及び追従接触部１６としてそれぞれ
厚さの少しずつ異なるものを用意し、それぞれの厚さを
適宜選択して取替えることにより、バルブクリアランス
調整をすることができる。この場合、雄ねじ付ピン１０
と固定ナット１１は省略できる。

【００４２】

【発明の効果】本発明の可変動弁機構は、上記の通り構
成されているので、バルブタイミング及びリフト量を連
続的に又は段階的に変化させることにより、トルク、出
力、燃費、排気ガスのクリーン性等の諸特性を内燃機関
の全回転域にわたって最大限に向上させることができる
だけでなく、アイドリングを安定させることもできると
いう優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を具体化した実施形態の可変動弁機構を
示す斜視図である。

【図２】同可変動弁機構のスイングアームの分解斜視図
である。

【図３】同可変動弁機構の断面図である。

【図４】内燃機関のアイドリング域における図３のＩＶ
−ＩＶ線断面図である。

【図５】内燃機関の低回転・低負荷域における図３のＩ
Ｖ−ＩＶ線断面図である。

【図６】内燃機関の中回転域又は中負荷域における図３
のＩＶ−ＩＶ線断面図である。

【図７】内燃機関の高回転域又は高負荷域における図３
のＩＶ−ＩＶ線断面図である。

【図８】同可変動弁機構によるバルブタイミング及びリ
フト量を示すグラフである。

【符号の説明】 １ カムシャフト ２ 立体カム ２ａ ベース円部 ２ｂ ノーズ部 ３ アイドリング用カム ３ａ ベース円部 ３ｂ ノーズ部 ４ 間隙部 ５ 変位装置 ６ ロッカシャフト ７ バルブ ８ スイングアーム ８ａ 分岐部 ９ 挿通孔 １０ 雄ねじ付ピン １１ 固定ナット １２ アイドリング用接触部 １３ 追従接触機構 １４ 半円筒内面座 １５ 係合凹部 １６ 追従接触部 １７ 半円柱面 １８ 接触面 １９ 係合凸部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 カムプロフィールが軸方向に変化しない
   アイドリング用カムと、 低回転用カムプロフィールから高回転用カムプロフィー
   ルまでカムプロフィールを軸方向に連続的に変化させた
   立体カムと、 前記立体カムを軸方向へ連続的に又は段階的に変位させ
   る変位装置と、 前記アイドリング用カム又は前記立体カムのカムプロフ
   ィールに基づいて揺動することによりバルブを開閉する
   アームと、 前記アームに設けられ、内燃機関の主にアイドリング域
   において前記アイドリング用カムに接触するアイドリン
   グ用接触部と、 前記アームに前記アイドリング用接触部とは独立して設
   けられ、内燃機関の主にアイドリング域以外の運転領域
   において前記立体カムの回転に伴う接触線角度の変化に
   追従しながら前記立体カムに接触する追従接触部を含む
   追従接触機構とを備えたことを特徴とする可変動弁機
   構。
2. 【請求項２】 前記アイドリング用カムと前記立体カム
   とが、カムシャフト上に同軸状に設けられた請求項１記
   載の可変動弁機構。
3. 【請求項３】 前記アイドリング用カムのリフト量に対
   し前記立体カムの低回転用カムプロフィールにおけるリ
   フト量が同一又は小さい場合には、前記アイドリング用
   カムのベース径に対し前記立体カムのベース径を同一に
   する請求項１又は２記載の可変動弁機構。
4. 【請求項４】 前記アイドリング用カムのリフト量に対
   し前記立体カムの低回転用カムプロフィールにおけるリ
   フト量が大きい場合には、その差分だけ前記アイドリン
   グ用カムのベース径に対し前記立体カムのベース径を小
   さくする請求項１又は２記載の可変動弁機構。
5. 【請求項５】 前記アイドリング用接触部は、内燃機関
   のアイドリング域のほか低回転・軽負荷域においても前
   記アイドリング用カムに接触し、前記追従接触部は、内
   燃機関のアイドリング域及び低回転・軽負荷域以外の運
   転領域において前記立体カムに接触する請求項１、２、
   ３又は４記載の可変動弁機構。
6. 【請求項６】 前記アイドリング用接触部は、前記アー
   ムに設けられた不動面である請求項１、２、３、４又は
   ５記載の可変動弁機構。
7. 【請求項７】 前記追従接触機構は、前記アームに設け
   られた半円筒内面座と、該半円筒内面座に揺動可能に嵌
   合された追従接触部とからなる請求項１、２、３、４、
   ５又は６記載の可変動弁機構。