WO2010061829A1 - 可変動弁機構 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関のクランク軸により回転駆動されるインプットシャフトに、卵型カムに代えてクランク機構を設けたことで小型化した可変動弁機構を提供する。 【解決手段】バルブ１３の開閉量を変更する可変機構３０を有する可変動弁機構１０において、内燃機関により回転駆動されるインプットシャフト１２を有し、可変機構３０に連結され、インプットシャフト１２の回転運動をバルブ１３を開閉するための往復運動に変換するクランク機構１４がインプットシャフト１２に設けられていることを特徴とする可変動弁機構。

Description

可変動弁機構

　本発明は、内燃機関の運転状態に応じてバルブ特性を制御する可変動弁機構に関するものである。

　従来、内燃機関の運転状態に応じてバルブのリフト量、作用角及び開閉タイミングを制御する可変動弁機構として図７に示す特許文献１の可変動弁機構１００が知られている。
　この可変動弁機構１００は、内燃機関のクランク軸（図示略）によって回転されるカムシャフト１０１と、バルブ１０２を開閉する動弁部材１０３とを備えている。カムシャフト１０１上には、駆動カム１０４が一体回動可能に固定されるとともに、動弁部材１０３に係合するカム面１０５を備えた揺動カム１０６が相対回動可能に支持されている。
　また、カムシャフト１０１と平行なコントロールシャフト１０７上には、偏心カム１０８を介して可変リンク１０９が揺動可能に支持されている。可変リンク１０９の一端はリング状リンク１１０で駆動カム１０４に連結され、可変リンク１０９の他端がロッド状リンク１１１で揺動カム１０６に連結されている。そして、駆動カム１０４の動力を三本のリンク１０９，１１０，１１１を介して揺動カム１０６に伝え、可変リンク１０９の揺動角度を偏心カム１０８で変化させて、バルブ１０２のリフト量及び作用角を内燃機関の運転状態に応じて変更するようになっている。
特開平１１－３２４６２５号公報

　しかし、上記可変動弁機構１００は、カムシャフト１０１の上方（シリンダから離れる方向）にコントロールシャフト１０７が設けられているため、可変動弁機構１００全体が背高となり、シリンダヘッドの全高が高くなっていた。

　そこで、本発明者らは、可変機構を支持するシャフトとコントロールシャフトとを一体にした可変動弁機構を開発したが、駆動カムがベース円部とカムノーズ部とを有する、いわゆる卵型カムであることから、カムノーズの高さより、コントロールシャフトと駆動シャフトとの距離（軸間ピッチ）を小さくすることができなかった。

　そこで、本発明は、内燃機関により回転駆動されるインプットシャフトに、卵型カムに代えてクランク機構を設けたことで小型化した可変動弁機構を提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明の可変動弁機構は、バルブの開閉量を変更する可変機構を有する可変動弁機構において、内燃機関により回転駆動されるインプットシャフトを有し、前記インプットシャフトの回転運動を前記バルブを開閉するための往復運動に変換するクランク機構が、前記インプットシャフトに設けられ、前記クランク機構が、前記可変機構に連結されていることを特徴としている。

　ここで、バルブの開閉量を変更するとは、特に限定はされないが、バルブを駆動する状態とこの駆動を完全に停止する状態との間で切り替える場合や、バルブを比較的大きいリフト量で開閉する状態と比較的小さいリフト量で開閉する状態との間で切り替える場合等が例示できる。

　可変機構の態様としては、特に限定はされないが、部品数が減り、可変動弁機構全体を小さくできる（特に可変動弁機構の背を低くできる）ことから、クランク機構に連結されている入力揺動部材と、バルブを押圧する出力揺動部材と、回転により入力揺動部材と出力揺動部材との相対位相を変位させるコントロール部材とを有し、入力揺動部材及び出力揺動部材は、インプットシャフトと平行に設けられたコントロールシャフトに揺動可能に軸支され、コントロール部材は、コントロールシャフトに設けられている態様が好ましい。

　また、入力揺動部材及び出力揺動部材に連結部材を介して連結され、コントロール部材の回動により変位する変位部材を有し、変位部材から突出して二つの連結部材を揺動可能に支持している支持部の中心と、コントロールシャフトの軸心との距離が変化することにより、入力揺動部材と出力揺動部材との相対位相が変位する態様がより好ましい。

　また、変位部材の態様としては、特に限定はされないが、コントロール部材に回転自在に外嵌するリング部と、リング部から伸びるアーム部とからなるリングアームや、回転自在に軸支され、コントロール部材に外接するローラ等が例示できる。このうち、変位部材がリングアームである場合には、ロストモーション機構を設けることなく変位部材がコントロール部材の回動に追従できる。一方、変位部材がローラである場合には、コントロール部材との摩擦が小さくなる。

　また、コントロール部材の態様としては、特に限定はされないが、コントロールシャフトの軸心からの距離が漸次変化する外周面を有することが好ましく、具体的な態様としては、コントロールシャフトの軸心から偏倚した円柱状のコントロールカム等が例示できる。

　バルブクリアランスを自動調整できることから、出力揺動部材とバルブとの間に動弁部材を介在させることが好ましい。
　動弁部材の態様としては、特に限定はされないが、基端を支点に揺動するロッカアームや、バルブの軸線方向へ直線移動可能なバルブリフタ等が例示できる。

　本発明によれば、内燃機関により回転駆動されるインプットシャフトに、卵型カムに代えてクランク機構を設けたことで小型化した可変動弁機構を提供することができる。

　バルブ１３の開閉量を変更する可変機構３０を有する可変動弁機構１０において、内燃機関により回転駆動されるインプットシャフト１２を有し、インプットシャフト１２の回転運動をバルブ１３を開閉するための往復運動に変換するクランク機構１４がインプットシャフト１２に設けられ、クランク機構１４が可変機構３０に連結されていることを特徴とする。
　可変機構３０は、クランク機構１４に連結されている入力揺動部材３５と、バルブ１３を押圧する出力揺動部材４０と、回動により入力揺動部材３５と出力揺動部材４０との相対位相を変位させるコントロール部材３１とを有している。入力揺動部材３５と出力揺動部材４０は、インプットシャフト１２と平行に設けられたコントロールシャフト２５に揺動可能に軸支されている。コントロール部材３１は、コントロールシャフト２５に設けられ、コントロールシャフト２５の軸心２６からの距離が漸次変化する外周面３２を有している。可変機構３０は、入力揺動部材３５及び出力揺動部材４０に連結部材４６、４７を介して連結され、コントロール部材３１の回動により変位する変位部材４９を有している。
　変位部材４９から突出して二つの連結部材４６、４７を揺動可能に支持している支持部５０の中心４８と、軸心２６との距離が変化することにより、入力揺動部材３５と出力揺動部材４０との相対位相が変位する。
　変位部材４９は、コントロール部材３１に回転自在に外嵌するリング部４９ａと、リング部４９ａから伸びるアーム部４９ｂとからなるリングアーム４９であり、コントロール部材３１は、軸心２６から偏倚した円柱状のコントロールカム３１である。

　次に、本発明の実施例を図１～図６に基づいて説明する。この実施例の可変動弁機構１０は自動車用ガソリンエンジンの吸気系に用いられている。ただし、同じ機構をガソリンエンジンの排気系に適用することも可能である。図１～図３に示すように、可変動弁機構１０のインプットシャフト１２は、シリンダヘッド１１の上方（シリンダから離れる方向、以下同じである）のハウジング（図示略）に支持され、エンジンのクランク軸によって回転駆動される。

　インプットシャフト１２の中間部のバルブ１３に対応する位置には、クランク機構１４が設けられている。クランク機構１４は、インプットシャフト１２に固着され、その軸心１８から偏倚した略円柱状のクランクピン１５と、クランクピン１５に回転可能に外嵌するリング１７を基端に有するクランクロッド１６とからなっている。

　インプットシャフト１２の下方（シリンダに近づく方向、以下同じである）には、バルブクリアランスを自動調整するロッカアーム２１が、基端側のピボット２２で上下に揺動可能に支持され、バルブ１３上のスプリング（図示略）で上方へ付勢されている。ロッカアーム２１の先端にはバルブ１３を押圧する押圧面２３が設けられ、ロッカアーム２１の中間部にはベースローラ２４が回転可能に支持されている。

　ロッカアーム２１の上方で、軸心２６の高さがインプットシャフト１２の軸心１８の高さと略同じになる高さには、コントロールシャフト２５がインプットシャフト１２と平行に設けられ、コントロールシャフト２５の一端には、エンジンの運転状態に応じて制御され、コントロールシャフト２５を回動させるアクチュエータ（図示略）が連結されている。

　コントロールシャフト２５には、可変機構３０が設けられている。可変機構３０は、コントロールシャフト２５に形成されたコントロールカム３１と、コントロールシャフト２５の軸線方向であるコントロールカム３１の側方で、コントロールシャフト２５に揺動可能に軸支されているカムアーム４０と、コントロールシャフト２５の軸線方向であるカムアーム４０の側方（コントロールカム３１の反対側）で、コントロールシャフト２５に揺動可能に軸支されているメインアーム３５と、メインアーム３５とは第一連結部材４６を介して連結され、カムアーム４０とは第二連結部材４７を介して連結されているリングアーム４９とを有している。

　コントロールカム３１は、コントロールシャフト２５の軸心２６から偏倚した略円柱状のいわゆる偏心カムであり、外周面（カム面）３２は、コントロールシャフト２５の軸心２６からの距離が漸次変化するものとなっている。また、コントロールシャフト２５に固着されており、コントロールシャフト２５の回動によりコントロールカム３１は回動する。

　カムアーム４０は、中間部にコントロールシャフト２５が挿通され、上端に第二連結部材４７が揺動可能に部材５１により軸着されている。下側の面は、ベースローラ２４に当接し、ロッカアーム２１を介してバルブ１３を押圧するカム面４１となっている。
　カム面４１は、コントロールシャフト２５の軸心２６を中心とする弧状曲面のベース面部４４と、ベース面部４４から連続し、凹曲面状のリフト面部４５とからなっている。

　メインアーム３５は、中間部にコントロールシャフト２５が挿通され、一端に第一連結部材４６が揺動可能に部材５２により軸着されている。他端には、クランクロッド１６の先端が揺動可能に部材５３により軸着されている。

　リングアーム４９は、コントロールカム３１に回転可能に外嵌しているリング部４９ａと、リング部４９ａから伸びるアーム部４９ｂとからなっている。アーム部４９ｂの先端は、連結ピン５０により、第一連結部材４６及び第二連結部材４７をそれぞれ揺動可能に軸着している。

　このように構成された可変機構３０は、各部材が揺動可能に連結された状態となっている。

　可変動弁機構１０の作用を図４～図６に従って説明する。

　図４は、コントロールカム３１の回動によるメインアーム３５とカムアーム４０との相対位相の変位を示している。具体的には、図４のａ、ｂは共に、クランクロッド１６の先端がインプットシャフト１２の軸心１８から最も離れた場合である。そして、図４ａは、連結ピン５０の軸心４８が、コントロールシャフト２５の軸心２６に最も近づいている状態、すなわち、連結ピン５０の軸心４８とコントロールシャフト２５の軸心２６との距離が最も短い状態を示し、図４ｂは、連結ピン５０の軸心４８が、コントロールシャフト２５の軸心２６から最も離れている状態、すなわち、連結ピン５０の軸心４８とコントロールシャフト２５の軸心２６との距離が最も長い状態を示している。なお、リングアーム４９、第一連結部材４６及び第二連結部材４７は破線で示し、クランクロッド１６は二点鎖線で示している。
　図４のａ、ｂに示すように、コントロールシャフト２５の回動に伴いコントロールカム３１が回動することにより、リングアーム４９が連続的に変位する。リングアーム４９が連続的に変位することにより、連結ピン５０の軸心４８とコントロールシャフト２５の軸心２６との距離が連続的に変化する。

　連結ピン５０の軸心４８とコントロールシャフト２５の軸心２６との距離が変化することにより、連結ピン５０で軸支されている第二連結部材４７を揺動可能に軸支しているカムアーム４０は、コントロールシャフト２５を中心として揺動し、ベースローラ２４とのカム面４１における当接位置が変化する。
　具体的には、連結ピン５０の軸心４８がコントロールシャフト２５の軸心２６に最も近づいている場合には、図４ａに示すように、カムアーム４０は、リフト面部４５から離れたベース面部４４内の位置でベースローラ２４と当接する。一方、連結ピン５０の軸心４８がコントロールシャフト２５の軸心２６から最も離れている場合には、図４ｂに示すように、カムアーム４０は、リフト面部４５に近いベース面部４４内の位置でベースローラ２４と当接する。
　従って、連結ピン５０の軸心４８とコントロールシャフト２５の軸心２６との距離が長くなるほど、すなわち、連結ピン５０の軸心４８がコントロールシャフト２５の軸心２６から離れるほど、カムアーム４０は、リフト面部４５により近いベース面部４４内の位置でベースローラ２４と当接し、逆に、連結ピン５０の軸心４８とコントロールシャフト２５の軸心２６との距離が短くなるほど、すなわち、連結ピン５０の軸心４８がコントロールシャフト２５の軸心２６に近づくほど、カムアーム４０は、リフト面部４５からより離れたベース面部４４内の位置でベースローラ２４と当接する。

　一方、メインアーム３５は、連結ピン５０で軸支されている第一連結部材４６を一端で揺動可能に軸支しているものの、他端がクランクロッド１６の先端に連結されているため、クランクロッド１６の先端の位置が変化しないことには、メインアーム３５は、揺動しない。従って、連結ピン５０の軸心４８とコントロールシャフト２５の軸心２６との距離が連続的に変化することにより、メインアーム３５とカムアーム４０との相対位相が連続的に変位する。

　図５は、バルブ１３を最小のリフト量で開閉するときの、可変動弁機構１０の作用を示している。図５のａ、ｂのコントロールカム３１の状態は共に、バルブ１３を最大にリフトしたときのリフト量が最小となる状態、すなわち、バルブ１３を最も押し下げているとき（図５ｂの状態）に、連結ピン５０の軸心４８とコントロールシャフト２５の軸心２６との距離が最も短くなる状態となっている。

　図５ａに示すように、クランクロッド１６の先端が、インプットシャフト１２の軸心１８から最も離れている場合には、ベースローラ２４は、リフト面部４５から離れたベース面部４４内の位置でカムアーム４０に当接している。また、バルブ１３は閉鎖位置となっている。

　インプットシャフト１２が回転すると、その回転に伴い、クランクピン１５がインプットシャフト１２の軸心１８を中心として回転する。このクランクピン１５の回転により、基端のリング１７がクランクピン１５に回転可能に外嵌しているクランクロッド１６は、変位し、クランクロッド１６の先端とインプットシャフト１２の軸心１８との距離が変化する。しかし、クランクロッド１６の先端は、メインアーム３５の先端に軸着されていることから、クランクロッド１６の先端（特にメインアームによる軸着軸の軸心）の変位は、コントロールシャフト２５の軸心２６を中心とする円弧上の一定の長さの変位となる。このインプットシャフト１２の回転により、クランクロッド１６の先端が円弧上の一定の長さを往復動することで、インプットシャフト１２の回転運動はメインアーム３５へ作用する（最終的にはバルブ１３を開閉する）往復運動に変換される。

　次に、クランクロッド１６の先端とインプットシャフト１２の軸心１８との距離が変化する（クランクロッド１６の先端が往復動する）と、メインアーム３５が揺動する。メインアーム３５が揺動すると、第一連結部材４６を介してメインアーム３５に連結されているリングアーム４９は、コントロールカム３１を中心として揺動する。リングアーム４９が揺動すると、第二連結部材４７を介してリングアーム４９に連結されているカムアーム４０が揺動する。カムアーム４０が揺動すると、ベースローラ２４は、カム面４１内を摺動する。ベースローラ２４がベース面部４４と当接している間は、ロッカアーム２１には、スプリングの付勢力に抗して、バルブ１３を押し下げる力が生じず、バルブ１３は閉鎖位置で保持されている。そして、ベースローラ２４がリフト面部４５に当接すると、カムアーム４０によりロッカアーム２１が押し下げられる。これにより、押圧面２３がスプリングの付勢力に抗して、バルブ１３を押し下げる。

　図５ｂに示すように、クランクロッド１６の先端が、インプットシャフト１２の軸心１８に最も近づくと、ベースローラ２４がリフト面部４５上を僅かに摺動することになる。これにより、カムアーム４０によって、ロッカアーム２１が小さく押し下げられる。そして、ロッカアーム２１は、スプリングの付勢力に抗して、バルブ１３を小さく押し下げ、バルブ１３は最小のリフト量（Ｌｍｉｎ）で開放される。

　図６は、バルブ１３を最大のリフト量で開閉するときの、可変動弁機構１０の作用を示している。図６のａ、ｂのコントロールカム３１の状態は共に、バルブ１３を最大にリフトしたときのリフト量が最大となる状態、すなわち、バルブ１３を最も押し下げているとき（図６ｂの状態）に、連結ピン５０の軸心４８とコントロールシャフト２５の軸心２６との距離が最も長くなる状態となっている。

　図６ａに示すように、クランクロッド１６の先端が、インプットシャフト１２の軸心１８から最も離れている場合には、ベースローラ２４は、リフト面部４５に近いベース面部４４内の位置でカムアーム４０に当接している。また、バルブ１３は閉鎖位置となっている。

　図６ｂに示すように、クランクロッド１６の先端が、インプットシャフト１２の軸心１８に最も近づくと、ベースローラ２４がリフト面部４５上を長く摺動することにより、カムアーム４０によって、ロッカアーム２１が大きく押し下げられる。そして、ロッカアーム２１は、スプリングの付勢力に抗して、バルブ１３を大きく押し下げ、バルブ１３は最大のリフト量（Ｌｍａｘ）で開放される。

　本実施例によれば、次の（ａ）～（ｅ）の効果が得られる。
（ａ）卵型カムに代えてクランク機構１４を用いたことで、コントロールシャフト２５とインプットシャフト１２との距離（軸間ピッチ）を小さくすることができ、可変動弁機構を小型化できる。このことを、詳説すると、卵型カムは、可変機構の当接している部位を押圧する作用しかできないが、クランク機構は、可変機構の連結している部位を押圧する作用と牽引する作用とを交互に行うことができ、可変機構の当該部位をより大きく変位することができることによる。
（ｂ）卵型カムに代えてクランク機構１４を用いたことで、卵型カムに可変機構が当接するためのロストモーション機構をなくすことができる。
（ｃ）可変機構３０がコントロールシャフト２５に支持されていることで、他の回転制御系の連続可変動弁機構（例えば、可変動弁機構１００）より、シリンダヘッドの全高を低くすることができ、可変動弁機構を小型化できる。
（ｄ）可変機構３０の各部材が連結された状態である、いわゆるリンク機構としたことで、コントロールカムに追従するためのロストモーション機構をなくすことができる。
（ｅ）各バルブ１３毎に可変動弁機構を設ける（単弁完結とする）ことで、シリンダ上方中央部に設けられるプラグチューブや、インジェクター等の周辺部品からの影響を受けることなく内燃機関に搭載できる。

　なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨から逸脱しない範囲で実施することができる。
　例えば、変位部材をコントロールカムに接する部材にし、リングアームをなくした態様等があげられる。

本発明の可変動弁機構の全体図である。 同可変動弁機構の可変機構の斜視図である。 同可変動弁機構の可変機構の分解斜視図である。 同可変動弁機構のコントロールカムの回動によるカムアームの変位の説明図である。 同可変動弁機構におけるバルブリフト量を最小化するときの説明図である。 同可変動弁機構におけるバルブリフト量を最大化するときの説明図である。 従来の可変動弁機構の全体図である。

　１０　　可変動弁機構
　１２　　インプットシャフト
　１３　　バルブ
　１４　　クランク機構
　２１　　ロッカアーム
　２５　　コントロールシャフト
　２６　　コントロールシャフトの軸心
　３０　　可変機構
　３１　　コントロールカム
　３２　　外周面
　３５　　メインアーム
　４０　　カムアーム
　４１　　カム面
　４６　　第一連結部材
　４７　　第二連結部材
　４８　　連結ピンの軸心
　４９　　リングアーム
　４９ａ　リング部
　４９ｂ　アーム部
　５０　　連結ピン

Claims (5)

1. 　バルブ（１３）の開閉量を変更する可変機構（３０）を有する可変動弁機構（１０）において、
   　内燃機関により回転駆動されるインプットシャフト（１２）を有し、
   　前記インプットシャフト（１２）の回転運動を前記バルブ（１３）を開閉するための往復運動に変換するクランク機構（１４）が前記インプットシャフト（１２）に設けられ、　前記クランク機構（１４）が前記可変機構（３０）に連結されていることを特徴とする可変動弁機構。
2. 　前記可変機構（３０）は、前記クランク機構（１４）に連結されている入力揺動部材（３５）と、前記バルブ（１３）を押圧する出力揺動部材（４０）と、回動により前記入力揺動部材（３５）と前記出力揺動部材（４０）との相対位相を変位させるコントロール部材（３１）とを有し、
   　前記入力揺動部材（３５）及び出力揺動部材（４０）は、前記インプットシャフト（１２）と平行に設けられたコントロールシャフト（２５）に揺動可能に軸支され、
   　前記コントロール部材（３１）は、前記コントロールシャフト（２５）に設けられている請求項１記載の可変動弁機構。
3. 　前記コントロール部材（３１）は、前記コントロールシャフト（２５）の軸心（２６）からの距離が漸次変化する外周面（３２）を有し、
   　前記可変機構（３０）は、前記入力揺動部材（３５）及び出力揺動部材（４０）に連結部材（４６、４７）を介して連結され、前記コントロール部材（３１）の回動により変位する変位部材（４９）を有し、
   　前記変位部材（４９）から突出して二つの前記連結部材（４６、４７）を揺動可能に支持している支持部（５０）の中心（４８）と、前記軸心（２６）との距離が変化することにより、前記入力揺動部材（３５）と前記出力揺動部材（４０）との相対位相が変位する請求項２記載の可変動弁機構。
4. 　前記変位部材（４９）は、前記コントロール部材（３１）に回転自在に外嵌するリング部（４９ａ）と、前記リング部（４９ａ）から伸びるアーム部（４９ｂ）とからなるリングアーム（４９）である請求項３記載の可変動弁機構。
5. 　前記コントロール部材（３１）は、前記軸心（２６）から偏倚した円柱状のコントロールカム（３１）である請求項３又は４項記載の可変動弁機構。

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