JPS61106906A - 内燃機関の吸・排気弁リフト制御装置 - 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】 （技術分野） 本発明は、吸・排気弁のリフト特性を機関運転条件に応
じて可変制御する内燃機関の吸・排気弁リフト制御装置
に関する。

（背景技術） バルブオーバーラツプや新気充填効率等が富に最適に設
定されるように吸・排気弁のリフト特性（開閉時期およ
びリフト量）を可変制御する装置として、例えば第１０
図に示すものがある（参考文献：米国特許第３４１３９
６５号）。

このものの概要を図に基づいて説明すると、吸・排気弁
駆動カム１に一端が当接し、吸・排気弁２のステムエン
ドに嵌合して揺動自由に支持されたロッカアーム３の背
面３ａを湾曲形成し、この背面３ａがレバー４に支点接
触しながらロッカアーム３が揺動することによって吸・
排気弁駆動カム１のリフトを吸・排気弁２に伝達するよ
うになっている。特に前記レバー４は一端が機関本体に
揺動自由に軸支されており、該レバー４の揺動位置（傾
斜）を他端部に当接するリフト制御カム５を油圧アクチ
ュエータ等により機関運転条件に応じて適切な位相に回
転駆動することによって制御し、もってロッカアーム３
の背面３ａとレバー４との接触する支点位置を変化させ
て吸・排気弁２のリフト特性を可変制御するようにして
いる。

例えば、リフト制御カム５によるレバー４の押し下げ量
が大であれば、吸・排気弁駆動カム１のベースサークル
状態においてレバー４の自由端部とロッカアーム３とが
近接しており、従って、吸・排気弁２の開弁時期が早ま
ると共にリフト量が大となる。逆に、リフト制御カム５
による押し下げ量が小であれば、吸・排気弁駆動カム１
のベースサークル状態であってもレバー４の自由端部と
ロッカアーム３とが離間しており、従って、吸・排気弁
２の開弁時期が遅れると共にリフト量が小となるのであ
る。

しかしながら、このような従来の吸・排気弁ｉ、、ｌＩ
　　　　　　　　リフト制御装置にＪ−）’？″は・す
′ト制御れ５２一体の支軸５ａを油圧アクチュエータ等
により回動させてリフト特性を可変制御する構成となっ
ているため、次のような問題点を生じていた。

即ち、ロッカアーム３、レバー４を介してバルブスプリ
ング６の反力がリフト制御カム５あるいはその支軸５ａ
と支持部材（図示せず）に加わるため、レバー４とリフ
ト制御カム５との接触面あるいは、支軸５ａと支持部材
との摺動面に摩擦力を生じ、アクチュエータがこれら摩
擦力に打ち勝づてリフト制御カム５を回動させる必要が
あるため、大きな力を要求され、アクチュエータの大型
化、制御のためのエネルギ損失増大を招く。

特に、いずれかの気筒で常にバルブスプリングの反力が
リフト制御カム５に作用する４気筒以」二の機関では上
記問題は極めて大きなものとなる。

そこで、本出願人は、リフト制御カムを回転させてレバ
ーとロッカアーム背面との接触する支点位置を変えて吸
・排気弁のリフト特性を可変制御する装置において、リ
フト制御カムと、該リフト制御カムの孔にスキマばめ状
態で貫通し、これを回動させるカム制御軸とを回転軸回
りに弾性を有した弾性部材を介して連結し、カム制御軸
を駆動手段により機関運転条件に応じて所定量回転させ
るようにした装置を既に提案している（特願昭５　’９
−８１０５　’２号）。

すなわち、この装置は、ロッカアームが吸・排気弁駆動
カムのベースサークルに当接している状態、即ち、吸・
排気弁の非作動時にリフト制御カムが回動するようにし
てその駆動力を軽減し、もってアクチュエータの小型化
、制御エネルギの損失の低減を図ったものである。

（問題点） しかしながら、このような先願装置にあっては、カム制
御軸とリフト制御カムとを連結する弾性部材の弾性係数
がその変形量に拘らず一定（線形）であったため、以下
の不具合が生じていた。

すなわち、先願装置にあっては、リフト制御カムの回動
に要する駆動力の大半は、該制御カムとこれを支持する
ブラケットとの摺動部に生じる静止摩擦力となる。従っ
て、リフト制御カムの駆動には、該制御カムがその静止
摩擦力に打ち勝って回動し始めるまでは一定のトルクが
必要で、回動開始後はそのトルクは減少することになる
。ところが、この静止摩擦力には各気筒の制御カム間に
て例えば支持ブラケットとの寸法差等によりばらつきが
あるため、各制御カムの作動安定性を向上するには、」
二記弾性部材の弾性係数をある程度大きく設定する必要
がある（第５図参照）。

しかし、このように弾性係数を大きくすると、その駆動
トルクがカムの作動後期には不必要に増大してしまい、
該トルク低減効果が半減することとなっていた。

（解決手段） そこで、本発明は以下の構成により上記不具合を解決す
ることとした。

すなわち、本発明に係る内燃機関の吸・排気弁リフト制
御装置は、吸・排気弁駆動カムと吸・排気弁のステムエ
ンドとに両端がそれぞれ係合して揺動自在に設けられた
ロッカアームの湾曲形成された背面を、該背面に沿って
揺動自在に設けられたレバーに支点接触させ、該レバー
の一端部に係合させたリフト制御カムの回動量を制御し
てレバーの揺動位置を変化させることにより、レバーと
ロッカアームとの接触する支点位置を変化させて吸・排
気弁のリフト特性を可変制御するものにおいて、前記リ
フト制御カムを、弾性部材を介して、その回動方向に弾
性的にカム制御軸に連結し、該カム制御軸を機関の運転
条件に応じて所定量回転させる駆動手段を設けるととも
に、前記弾性部材の弾性率をその変形量が増大するに従
って減少させた構成である。

（作用） 上記構成の内燃機関の吸・排気弁リフト制御装置の作用
について説明する。

ロッカアームの揺動中心はレバーの揺動位置により変化
して吸・排気弁のリフト特性が可変とされるが、該レバ
ーの揺動位置は、リフト制御カムの回動量に応じて変化
する。リフト制御カムは弾性部材を介して駆動手段によ
り機関の運転条件に応じて所定量回動される。このとき
、弾性部材はその変形量が増加するに伴い弾性率が低下
する結果、リフト制御カムの回転初期は略一定の駆動ト
ルクで該カムは回転すると共に、回転後期は低トルクで
回転する。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

一実施例を示す第１図及び第２図において、機関回転に
同期して回転する吸・排気弁駆動カム１１と、吸・排気
弁弁１２のステムエンドとに両端を当接させてロッカア
ーム１３が設けられ、該ロッカアーム１３の湾曲形成さ
れた背面１３ａを支点接触させると共に、ロッカアーム
１３の両側壁から突出するシャフト１３ｂを保持部材１
４を介して凹溝１５８内に保持するレバー】５が設けら
れる。レバー１５に形成されたスプリングシート１５ｂ
と保持部材１４との間には、ロッカアーム１３を下方向
に付勢するバネ定数小のスプリング１６が介装される。

又、シリンダヘッド１７に介装されたブラケット１８に
嵌挿保持された油圧ピボット１９の球状の下端面がレバ
ー１５の吸・排気弁１２ステムエンド側の他端部頂壁に
形成された凹陥部１５ｃに嵌合して、該嵌合部を中心と
してレバー１５を揺動自由に支持すると共に、ブラケッ
ト１８に対して後述する如く回転自由に取り付けられた
リフト制御カム側がレバー１５の吸・排気弁駆動カム１
１例の一端部頂壁に当接してレバー１５の揺動位置を規
制している。

１　　前記油圧ピボソＨ９は下端面が前記レバー】５の
凹陥部１５ｃに嵌合すると共に、周面がブラケット１８
に形成した取付孔１８ａ内に摺動自由に嵌挿された外筒
１９ａと、該外筒１９ａ内に嵌挿される内筒１９ｂとを
備え、かつ、両者の間に形成された油圧室１９ｃにチェ
ックバルブ１９ｄを備えて形成される。

そして、ブラケット１８内部に形成された油圧供給通路
１８ｂから内筒１９ｂ内部及びチェックバルブ１９ｄを
介して油圧を油圧室１９ｃに供給してパルプクリアラン
スを一定に保つようになっている。

前記リフト制御カム２０は外周面に、吸・排気弁１２の
リフト量を段階的に変えるように略平らな６つのカム面
２０ａ〜２Ｏｆを有すると共に、中心部に後述するカム
制御軸２３を挿通する孔２０ｇを有する。また、リフト
制御カム２０の両側から突出して形成された円筒部２０
ｈの外周面は、第２図及び第３図に示すようにブラケッ
ト１８に形成された下部円弧溝１８ｃと、ブラケット１
８上にボルト２１で締結された一対のキャンプ２２に形
成された上部円弧溝２２ａとの間に回動自由に保持され
る。

そして、気筒数個設けたリフト制御カム側の中心部を貫
通して形成された孔２０ｇに一本のカム制御軸２３を通
し、該カム制御軸２３の各リフト制御カム２０両側部分
に夫々嵌挿したコイルスプリングＵの一端をカム制御軸
詔外壁にねじ込んだ止め螺子２３ａに係合すると共に、
該コイルスプリング２４の他端をリフト制御カム側の円
筒部２０ｈ側壁に形成した孔に嵌挿して係止する。

前記カム制御軸２３の一端は、継手２５を介してステッ
ピングモータあの駆動軸２６ａに連結されている。ステ
ッピングモータ２６は制御回路２７により、機関回転数
、絞り弁開度、冷却水温度、吸入空気流量、吸入負圧等
の機関運転条件に基づいて駆動され、カム制御軸２３を
回転させるようになっている。２８はバルブスプリング
である。なお、これらのステッピングモータ２６及び制
御回路２７は駆動手段３０を構成する。

ここで、上記リフト制御カム２０のカム面２０ａ〜２Ｏ
ｆには円周方向に沿って凹溝３１が形成され、この凹溝
３１の底部には上記孔２０　ｇに連通ずる放射孔３２が
対向して一対形成されている。この一対の放射孔３２内
には硬球３３がそれぞれ回転自在に嵌入され、これらの
硬球３３はＵ字形の板ばね３４によりその放射内方で上
記カム制御軸２３の外周面に当接している。すなわち、
板ばね３４は凹溝３１に係止されて硬球３３をカム制御
軸２３に向かって押し付けるもので、そのバネ定数は上
記コイルスプリング２４のそれよりも大とされている。

従って、板ばね３４及び一対のコイルスプリング２４が
カム制御軸２３のトルクをリフト制御カム２０に伝達す
る弾性部材として作用することになり、そのバネ定数は
全体として非線形となるように設定している。すなわち
、バルブ制御カム２０の回転し１ 方向に対してコイルスプリング２４自体はそのねじれ角
（変形量）に対応して一定の（線形の）ハネ定数を有す
るが、板ばね３４は硬球３３を介してトルク制御軸２３
に連係しているため、変形量（拡開量）が一定値を超え
ると後述のようにトルク制御軸２３のトルクをリフト制
御カム２０に伝達しないこととなり、弾性部材全体とし
ての回転方向の弾性率（換言すればトルク伝達率）は非
線形とされるのである。

次に本実施例の作用を説明する。

第１図において、リフト制御カム２０が最もリフト量の
大きいカム面２０ａでレバー１５に当接している状態で
は、レバー１５が吸・排気弁駆動カム１１側に最も押し
下げられた状態となる。このため、ロッカアーム１３の
背面１３ａに支点接触されるレバー１５の下面も下がり
、支点接触点Ａが吸・排気弁駆動カム１１側に移動しつ
つ吸・排気弁１２に伝達され、第４図の曲線Ｘに示すよ
うにリフト量が大きく、かつ、開弁時期が早く閉弁時期
が遅い特性となる。

一方、リフト制御カム２０が回転し、例えば、リフト量
が小さいカム面２０ｅでレバー１５に当接するようにす
ると、レバー５の吸・排気弁駆動カム１１例の端部は凹
陥部１５Ｃを支点とした揺動によって上昇し、レバー１
５の下面１５ｄも上方に後退する。

レバー１５の下面１５ｄはロッカアーム】３が吸・排気
弁駆動カム１１のリフトを吸・排気弁１２に伝えるため
の支点となるが、吸・排気弁駆動カム１１がベースサー
クルでロッカアーム１３に当接している状態の支点の初
期位置が、前記リフト量大のカム面２０ａでレバー１５
が当接しそいる時に比べて第１歯で右側、即ち、リフト
後に支点が移動する方向から遠ざかる側に移動する。こ
の結果、第４図の曲線Ｙに示すように、リフト量が小さ
く、かつ、開弁時期が遅れ、閉弁時期が□早まる特性と
なる。

このようにして、リフト制御カム２０を回動してカム２
０ａ〜２０ｅのいずれかをレバー１５に当接させること
により、吸・排気弁１２のリフト特性を段階的に変化さ
せることができる。

１　ここで、前記リフト制御カム２０の回動は、スチッ
ピングモータ２６の駆動によりカム制御軸２３及びコイ
ルスプリング２４と硬球３３、板ばね３４とからなる弾
性部材を介して行われる。即ち、前記制御回路２７は、
機関運転状態に応じた信号に基づいて設定した駆動パル
スをステッピングモータ２６に出力する。この駆動パル
スは、ステッピングモータ２６の駆動軸２６ａを予め設
定した角度だけ回動させ、継手２５を介してカム制御軸
２３も回動する。

いま、カム制御軸２３が回動するタイミングで、吸・排
気弁１２がリフト中にある気筒においては、ロッカアー
ム１３とレバー１５との接触支点が吸・排気弁駆動カム
１１側に移動しているため、バルブスプリング２８の大
きな反力がロッカアーム１３、レバー１５を介してリフ
ト制御カム２０に作用する。このため、リフト制御カム
２０は固定されたままその両側のコイルスプリング２４
を捩りつつ、また、板ばね３４を拡開しつつカム制御軸
２３のみが回転する。

次いで、吸・排気弁駆動カム１１が回転して吸・排気弁
１２が閉じた後は、ロッカアーム１３とレバー１５との
接触支点は、略服・排気弁１２の上方近くに位置するた
め、バルブスプリング舘の反力は、リフト制御カム２０
には作用せず、リフト制御カム２０に作用する力は、ロ
ッカアーム１３とレバー１５との間に取り付けられたス
プリング１６の弱い力のみとなる。したがって、吸・排
気弁１２リフト中にコイルスプリング２４及び板ばね３
４に貯えられたトルクが前記スプリング１６の弱い力に
打ち勝って、リフト制御カム２０を回動させることがで
きる。

この場合、従来のように、吸・排気弁がリフト中にリフ
ト制御カムをカム制御軸２３により直接駆動するには、
バルブスプリング２８の反力に打ち勝つ強力なトルクが
必要となるが、本発明では、前述したように、一旦コイ
ルスプリング２４及び板ばね３４にトルクを貯えること
により吸・排気弁１２の閉止中にリフト制御カム２０を
回動させることができるため、ステッピングモータ２６
に要求される出力はコイルスプリング２４及び板ばね３
４を隣接するカム面の回動角骨だけ捩るに要する小さな
もので足りる。したがって、スプリングモータ２６は、
小型小容量のものでよく、制御のための機関動力損失も
少なくて済み、ひいては燃費の向上につながる。また、
出力トルク軽減に伴い、ステッピングモータ２６の脱調
（与えた駆動パルス数だけモータが回転−ロず、途中で
停止してしまう現象）の発生を抑制できる。

尚、上記のような制御力軽減の効果は、気筒数が多い機
関はど顕著になる。例えば、４気筒機関では、常にいず
れかの気筒の吸・排気弁１２がリフト状態にあるため、
カム制御軸２３の回転時、当該気筒のリフト制御カム２
０はバルブスプリング２８の反力により固定状態に保持
され、該リフト制御カム２０を直接駆動するためには強
力なトルクが必要になるからである。但し、４気筒より
少ない気筒数の機関でも、全気筒の吸・排気弁が同時に
閉止する期間は限られているため、この間にリフト制御
カムを回動させるには限界があり、いずれかの気筒の吸
・排気弁がリフト状態に入るので、リフト状態に入った
後もステッピングモータを作動させる必要がある。した
がって、結局は、ステッピングモータに強力なトルクを
発生しないとリフト制御カムを目標角度に回動できない
か、又は、自ら脱調してしまうという問題が生じる。

また、本発明では、リフト制御カム２０の孔２０ｇに対
して一本のカム制御軸２３をスキマばめの状態で貫通さ
せる構成としたため、リフト制御カム２０がレバー１５
によりロックされている間にカム制御軸２３を回転させ
る場合、両者のフリクションの発生が抑えられ、孔２０
ｇとカム制御軸２３外周面との間に特別な潤滑を行うこ
ともなく、また、コンパクトなレイアウトが可能になり
、機関の高さも低く抑えられる利点がある。

また、第２図に示すように、一対のコイルスプリング２
４のリフト制御カム２０との係止位置を１８０゜反対側
に設けて、カム制御軸２３の回動時にカム制御軸２３が
リフト制御カム２０の孔２０ｇ内側に片当りしてフリク
ションが増大するのを防止できる。

さらに、リフト制御カム加に設けた円筒部２０ｈをブラ
ケット１８とキャンプ２２との間に支持させ、レバー１
５から受ける荷重を支える構成としたため、カム制御軸
２３には前記荷重が作用せず、該荷重に伴う孔２０ｇと
の摩擦力の発生を防止することができ、この面でも、カ
ム制御軸２３を回動制御するための必要トルクを軽減す
ることができる。

ここで、吸・排気弁１２が非リフト状態にあるときは、
上述のように、リフト制御カム２０はその回動摺接面（
カム面および円筒部２０ｈ外面）に作用する摩擦力及び
コイルスプリング１６の反力に打ち勝って回動するが、
この場合、各気筒間にてその摺動各部に生じる静止摩擦
力にばらつきが生じており、各気筒の各リフト制御カム
２ｏの回動にばらつきが生じることになる。第５図中斜
線域がこのばらつきを示す。同図に示すように、このば
らつきを小さくするには弾性部材２４．３４の弾性率（
ばね定数）を太き（すれば、大きなトルクが発生し、こ
れを克服できる。しかし、この弾性率を大きくすること
は、カム制御軸２３の回動のためのトルクが大きくなる
（従来装置よりは小さいが）。

第５図はこの関係を示すもので、図中θａ、θｂは上記
静止摩擦力のばらつきに起因してカム２ｏが回動を開始
するまでのばねのねじれ角のばらつきを示すものである
。θａが弾性率（ばね定数）の小さい場合、θｂが大き
い場合を示す。また、θＣはカム面の回動（１ステツプ
）に要するねじれ角を示し、Ｔａ、Ｔｂはこのための制
御トルクを示す。Ｔａは弾性率の小さい場合、Ｔｂは大
きい場合である。

すなわち、静止摩擦力のばらつきに対しては弾性率の大
きな弾性部材が、制御トルクの軽減のためには弾性率の
小さな弾性部材が必要となるのである。

そこで、本発明では、トルク制御軸２３とリフト制御カ
ム２０とを連結する弾性部材２４．３４のばね特性を、
第６図に示すように、ねじれ角の小さな領域（静止摩擦
力が作用する領域）でばばね定数（ねじりトルク）を大
とする一方、ねじれ角の大きな領域ではこれを小とした
ものである。この結果、各気筒間でのリフト制御カム２
ｏの作動のばら、　　　　９きを最小限度ま７低減は一
方７は０″制御トルクを低減することができる。

ｉ、、、　　　　　　　ｔ　ｆｉｂ　ｔｆｙ″１　ｎ〜
′°１°°″″１″゛“゛すフト制御カム２０が固定さ
れた状態でカム制御軸２３をステッピングモータ妬によ
り回動させた場合のその制御トルクはコイルスプリング
２４及び板ばね３４に貯えられる弾性エネルギとなるの
である。なお、コイルスプリング２４のばね定数は線形
でばあるが先願装置のそれよりも小としている。

この場合、板ばね３４は以下のように作用する。

ねじれ角（変形量）の小さい範囲では硬球３３が軸２３
の回転により放射孔３２翼ら出る方向（放射外方）に付
勢され、板ばね３４をそのスプリング力に抗して拡開し
ようとする結果、板ばね３４に反力が生じる。一方、硬
球３３は放射孔３２の角部より第１図中斜め方向の反力
を受ける。その結果、これらの反力の合力が放射孔３２
の側壁を押すカとなり、カムを回転させる力となるので
ある。さらに、ねじれ角が大きくなると、板ばね３４を
さらに拡関しなければならないが、この場合、一対の硬
球３３は放射外方に変位してトルク制御軸２３の凹所が
ら完全に脱会してしまい上記側壁を押す方向の合方はほ
とんど生じなくなる。但し、回転に伴う摩擦力　　　　
　　　）：は若干残るものである。以上の結果板ばね３
４のねじれ角とねじりトルクとの関係は第７図に示すも
のとなり、さらにコイルスプリング２４との合わせたそ
の関係は第８図に示すようになる。すなわち、弾性部材
２４．３４の合成したねじれ角とねじりトルクとの関係
は、ねじれ拘止でこれに比例してねじりトルクは急に大
となるが、ねじれ角が大となるとねじりトルクのはほぼ
一定となるのである。

第９図は本発明の他の実施例を示すもので、リフト制御
カム２０とカム制御軸詔との連結状態を断面で図示して
いる。図中４１はリフト制御カム２０の軸孔２０ｇ内周
面の１８０°離隔した位置に形成した凹所に係合させた
一対の硬球である。これらの硬球４１はカム制御軸２３
の径方向に貫通した孔４２内に縮設したコイルスプリン
グ４４に付勢されて上記凹所に押し付けられている。そ
の他の構成は前記実施例と同様である。また、該コイル
スプリング４４の作用は上記実施例中の板ばね３４と同
様となる。

（効果） 以上説明してきたように、本発明によれば、吸・排気弁
のリフト特性を可変制御する場合、その制御トルクを大
幅に低減することができる。また、本発明によれば気筒
間でのリフト制御カムの作動のばらつきを小さくするこ
とができ、例えば該リフト制御カムの過度の回転等を防
止することができその制御の安定性を高めることが可能
となる。

さらに、上記実施例では、リフト制御カムの略平面カム
面の曲率を大きくしてその回動量の切替時の当接音を低
減できるが、本発明は、この場合にも該リフト制御カム
の作動の安定性を十分に保持できる。また、上記実施例
で使用した一対のコイルスプリングに取付角度の誤差等
が生じていても、各気筒間ではリフト制御カムの位相誤
差は生じにくいという効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第８図は本発明に係る内燃機関の吸・排気弁リ
フト制御装置の一実施例を示すものであり、第１図はそ
の概略縦断面図、第２図は同じくその要部平面図、第３
図はそのリフト制御カムの取付部を示す分解斜視図、第
４図はそのバルブリフト特性を示すグラフ、第５図はそ
の弾性部材の特性を説明するためのグラフ、第６図〜第
８図は弾性部材のねじれ角とねじりトルクとの関係を示
すグラフである。第９図は本発明の他の実施例を示すも
のでリフト制御カムとカム制御軸とに取付けられた弾性
部材の縦断面図、第１０図は従来装置を示す縦断面図で
ある。 １１−−−一吸・排気弁駆動カム、 １２−−−−−一吸・排気弁、 １３・・・−ロッカアーム、 １３ａ−・−ロッカアーム背面、 １５−−−一・−レノイー、 ２０−−−−−−リフト制御カム、 ２３−−−一・−カム制御軸、 ２４．３４．４４−−−−−一弾性部材、３０・−一一
一一駆動手段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 吸・排気弁駆動カムと吸・排気弁のステムエンドとに両
   端がそれぞれ係合して揺動自在に設けられたロッカアー
   ムの湾曲形成された背面を、該背面に沿って揺動自在に
   設けられたレバーに支点接触させ、該レバーの一端部に
   係合させたリフト制御カムの回動量を制御してレバーの
   揺動位置を変化させることにより、レバーとロッカアー
   ムとの接触する支点位置を変化させて吸・排気弁のリフ
   ト特性を可変制御する内燃機関の吸・排気弁リフト制御
   装置において、前記リフト制御カムを、弾性部材を介し
   て、その回動方向に弾性的にカム制御軸に連結し、該カ
   ム制御軸を機関の運転条件に応じて所定量回転させる駆
   動手段を設けるとともに、前記弾性部材の弾性率をその
   変形量が増大するに従って減少するように設定したこと
   を特徴とする内燃機関の吸・排気弁リフト制御装置。