JPS5925007A - 内燃機関の吸排気弁駆動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ＯＨ
Ｃ型の吸排気弁駆動装置の例である。第１図において、
カムシャフト（１）はシリンダヘッド（２）に配設され
ており、該シャフト（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）はロッカシャフト（６）に揺動自在に支持された
ロッカアームであり、このロッカアーム（５）は一端が
カム（力に他端がパルプ（８）のステムエンド（８ａ）
Ｋ当接している。したがって、該装置にあっては、クラ
ンク軸（３）によりカム（７）が回転すると、この回転
はロッカアーム（５）を介してパルプ（８）に伝達され
る結果、パルプ（８１は往復動してポート００）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っては、パル
プ（吸排気パルプ）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
ッ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ッ
プ量を太き（設定すれば、アイドリンク時などの吸入負
圧の高い低負荷域ではオーバラップ量が過大となり、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、近年パルプのリフト量あるい
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５４−１４．２４
１４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
ブリフト量とパルプ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５５−１．２
１９０９号公報に開示されているようにロッカシャフト
（ロッカアームの支点）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っては、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、前者にあっ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の粘度変化の結
果核装置によるバルブリフト制御が影響を受けるという
問題点があった。また一方、後者にあってはパルプクリ
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、パルプの着座時期がバルブリフト
曲線におけろリフト曲線部（緩衝曲線部から外れる）」
−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
点があった。

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、ロッカアームを介してパルプを開閉駆動す
る内燃機関の吸排気弁駆動装置において、ロッカアーム
の一端に、カム面と所定角度をなして当接するフォロワ
面を有するカムフォロワを枢着し、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
リンダヘッドを示し、このシリンダヘッド（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（２３）には吸気ポー
ト（２（イ）と排気ポー）　（２５）とが開口しており
、これらのボート（２４）（２５）はそれぞれ吸気バル
ブ（２６）および排気パルプ（２７）によって開閉され
るようになされている。これらの吸気パルプ（２６）お
よび排気バルブ（２ηはシリンダヘッド（２１）に固着
されたパルプガイド（２８）（２９）にその軸部（２６
ａ）（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（パルプステムエンド）　（２６ｂ）
（２７ｂ）はシリンダヘッド（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（
２ηはそのバルブステムエンド（２６＋）Ｘ２７ｂ）　
Ｋ固着されたリテーナ（３０）　（３１）とシリンダヘ
ッド（２１１の係止面との間に縮設されたパルプスプリ
ング（３２）（３３）により、それぞれ前記吸気ポート
（２→および排気ポー）　（２５１を閉止する方向に付
勢されている。

（３４）はシリンダ（２３）の路上方位置に配設され、
シリンダヘッド（２１）に回転自在に支持されたカムシ
ャフトであり、このカムシャツｌ−（３４）には上記吸
気バルブ（２Ｇ）および排気バルブ（２７１を開閉駆動
するパルプ駆動カム（３（ト）が固着されている。また
、このバルブ駆動カム（３５１の回転を吸気バルブ（２
６）および排気バルブ（品に伝達するロッカアーム（３
６）　（３７）は、上記カムシャフト（３４）と平行な
ロッカシャフト（３８）　（３９）によってその長手力
向略中央部で回動自在（揺動自在）に支持されている。

以下吸気パルプ（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（２ηのそれも同様
に構成している。ロッカアーム（３６）の一端部にはカ
ムフォロワ（４０）がピン（４１）を介して回転自在に
取着されており、このカムフォロワ（４［１）の下端面
は前記カム（３５）のカム面（３５ａ）に所定角度をな
して当接するフォロワ面（４０ａ）を構成する。

なお、このフォロワ面（４０ａ）は第２，３図において
左右対称となるように傾斜して形成されている。

同図中（α１）（α２）は該フォロワ面（４０ａ）とカ
ム面（３５ａ）とがなす角度を示している。ロッカアー
ム（３Ｇ）の他端部にはアジャストスクリュ（個が螺着
されており、このアジャストスクリュ（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、この実施例にあっては、前記カムフォロワ（４
０）のフォロワ面（４０ａ）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、この手段（４４
）とｔ、［は図外のコントロールユニットにより制御さ
れる負圧アクチュエータ（５０）を用いている。すなわ
ち、カムフォロワ（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）は上記ロッカアーム（３６１（３η
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
在にカムブラケット（５４）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）　（５
４）上に設置された負圧アクチュエータ（５０）のダイ
ヤフラム（６０）に連結されており、また、該アームＧ
３）の他端部は上記カムブラケット（５４）上に配設さ
れたブラケット（５５）の水平孔（５５ａ）に摺動自在
に挿入されている。

なお、（５７）　ｆ５Ｅｉ）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ッパフラ
ンジである。

負圧アクチユエ−り（５０）は上記ダイヤフラム（６０
）によって・・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
されろ負王室（６３）とに２分されており、この負王室
（６３）内にはダイヤフラム（６０）を大気室−側に付
勢ずろスプリング（財）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っ
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）が回転しカムフォロワ（４（１）を介して
ロッカアーム（１３Ｇ）（３℃を揺動させ、吸、排気バ
ルブ（２６１（２７１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
アクチュエータ（５０）は作動せず、第３図に示すよう
に、フォロワ面（４０ａ）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
−に吸気管負圧が導入されないため（小さいタメ）、コ
ントロールアーム（５３）はスフリンク（６４）に付勢
されて、ストッパフランジ（５８）がブラケット６つに
当接するまで同図中左方に移動している。その結果、第
４図中斜線に示すように吸、排気バルブ（２６）（２７
１はリフトすることになり、両パルプ（２６）（２７１
のオーバラップ量は比較的大きく設定されることになる
。

ここで、オーバラップとは、ピストン（２２１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）が共にそれぞれのボー［２４）（２
５）を開いている時期のことである。オーバラップ量は
該オ、＜ラッ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
ユニッ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
吸引されてコンドロールアームラ３）が図中右方へ摺動
する。その結果、ガイド軸６１）を介してカムフォロワ
（４０）がピン（４１）を中心として第２゜３図中時計
回りに回動し、フォロワ面（４０２）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。したがって、前記カム（３５
）がカムフォロワ（４０）を押し上げる時期が高負荷運
転域のそれに比べて、第４図（１３＋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、オーバラップ量は縮小さ
れる。

なお、上記実施例は制御手段（４４）により吸気バルブ
Ｃ２６）の開弁時期を可変制御してオーバラップ量を変
更したが、全く同様の構成で排気バルブ″（２′？）の
閉弁時期を可変制御し、あるいは、これらの双方（２６
）（２力を同時に制御することによりオーバラップ量を
適宜変更できる。特に、後者のように、吸気バルブ（２
６）の開弁時期と排気バルブ（２ηの閉弁時期とを同時
に変更すれば、該制御量が前者のＡでよく、吸気バルブ
（２６）にあってはその開き始めおよび排気バルブ（２
７）にあっ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（２η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。

第５図（ａｌ　、　（ｂｌおよび第６図はこの発明の他
の実施例を示している。この実施例にあっては、カムフ
ォロワ（７０）のフォロワ面（７０ａ）の形状をカム（
３５）の回転によって（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、フォロワ面（７０ａ
）のカム面（３５ａ）の乗り上げ側を平面で構成する一
方、降り下げ個所定曲率半径（刊の円弧面で構成してい
る。この結果、吸気バルブの開弁時期を制御手段によっ
て遅らせた場合でも該パルプの閉弁時期は変化しない。

したがって、機関の高負荷運転域（第５図（ａｌ参照）
で吸気パルプの開き始めを早（した場合と、低負荷運転
域（同ｆｂ）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、該パルプの閉じ終
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。この実施例の効果としては、吸気パルプの開弁時
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（ターボチャージャ）伺内燃
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、συはターボチャージャであ
り、このターボチャージャ（７１）は吸気路（吸気管）
　（７２）に介装されるコンプレッサホイール６３）と
排気路ｆｆ４）に介装されるタービンホイール（７５１
とを備えている。なお、これらの両ホイール（７３）　
（７５）はロータシャツ）　（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（７９）の開閉時期を可変制御
する弁開閉時期制御手段応０）は以下の構成を有してい
る。すなわち、カムフォロアＳυと一体のガイド軸（ハ
）は、水平方向に延在する制御アーム（へ）に回動自在
に支持された軸受部材（財）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（財）はシリンダヘ
ッド＠９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（財）の一端部はアクチュエータ
（８６）のダイヤフラム１８？）に連結され、その他端
部はブラケット＠印に支持されている。アクチュエータ
剃）はダイヤフラム［Ｆ］ηによって２分された大気室
（ハ）と圧力室（９０）とを有しており、該圧力室（９
０には吸気管圧力（上記ターボチャージャ（７１）によ
る過給圧）が導入される。大気室（へ）内にはスプリン
グ（９］）が配設され、該スプリング（９υによりダイ
ヤフラム（８７）は圧力室（イ）側に常時付勢されてい
る。なお、（９Ｚ　（９３）は制御アーム（８３）の移
動を規制するストッパフランジである。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（
７２１内圧力が低いため、アクチュエータ１８６）のダ
イヤフラム（ト）ηはスプリング（９１）によって、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（ハ）は同図中左方へ移動し、カ
ムフォロワ（８１）を回動するため、フォロワ面（８１
ａ）とカム面（３１ａ）とのなす角度は小さく設定され
る。

したがって、吸気弁σカの開・閉弁時期は早くなる（第
１０図中（ａｌ参照）。なお、同図中（ａｌ）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っては、機関から排出さ
れる排気量が増大するため、ターボチャージャ圓の回転
速度が高まり（タービンホイール（７５１とロータシャ
ツ）ｆｆ６）で結合されているコンプレッサホイールＱ
３の回転速度が高（なる。）、吸気を過給する。この結
果、吸気管聞内圧力が高（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
、カムフォロワ（８１）は図中時計回りの方向に回動し
てフォロワ面（８１ａ）とカム面（３５ａ）とのなす角
度は大きくなる。したがって、吸気弁（７７）の開・閉
弁時期は遅くなる（第１０図（ｂｌ参照）。なお同図中
（ｂｌ）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（ａｌは低負荷運転
時、（１））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＋”）で
表され（ここで、Ｖｓは吸気弁（７７）のＶｃ 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／■Ｃ）は、高ｓ２ 負荷運転時のそれ（１＋／Ｖｃ　’）と比較して高く（
大きく）なる。ここに、（ＶＳ　＋　）は低負荷時の吸
気弁（７η閉弁から上死点までの行程容積、（Ｖｓ　２
　）は高負荷時のそれであり、上述のようにカムフォロ
ワ（８０を制御する結果これらは（Ｖｓｌ　＞　ＶＳ２
　）の関係にある。また、第１２図および第１３図に示
すように、過給器圓付の内燃機関における圧縮比（ε；
ε＝１＋ｖ５／■Ｃ）ハ、過給圧０、スナワチ過給器を
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Ｊ
ｌ）、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（ノッキング）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って
は、高負荷時のノッ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、この発明にあっては、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、高負荷時のノッキン
グ防止をも達成できる。したがって、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
価の燃料によるノッキング限界（Ｘｉおよび低オクタン
価の燃料によるノッキング限界（ｙｌ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、該パルプ駆動カ
ムの回転に応動してバルブを往復動させるロッカアーム
と、該ロッカアームに回動自在に支持され、前記カムの
カム面と所定角度をなして該カム面に当接するフォロワ
面を有するカムフォロワと、機関の運転条件に応じて該
カムフォロワを回動して前記フォ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
オーバラップ量のみを（バルブリフト量を変更せずに）
可変制御でき、オーバラッ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、かつ、簡
易な構成とでき、装置の小型化が達成できる。

【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）　（ｂｌ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（ａｌ　（ｂｌ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）Ｃ１７）・・・・吸気バルブ、排気バルブ１３
５）・・・・・・・・パルプ駆動カム（３５ａ）・・・
・・カム面 （関＋　Ｃ７）・・・・・・ロッカアーム（４０）Ｃ０
）・・・・・・カムフォロワ（４０ａ）（７０ａ）・・
・・・・フォロワ面（４４）・・・・・・制御手段 特許出願人　　　日産自動車株式会社 代理人　　弁理士　有　我　軍　−部 第１図 （ａ　−／ノ 第５図（ａ） （ａ−２） 第Ｆ、図 □ε 第１３図 ３５−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 機関回転に同期して回転するパルプ駆動カムと、該バル
   ブ駆動カムの回転に応動してパルプを往復動させるロッ
   カアームと、該ロッカアームに回動自在に支持され、前
   記カムのカム面と所定角度をなして該カム面に当接する
   フォロワ面を有するカムフォロワと、機関の運転条件に
   応じて該カムフォロワを回動して前記フォロワ面とカム
   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。