JP2006520869A - シリンダーヘッドを備えた内燃機関のバルブ機構 - Google Patents

Abstract

本発明は少なくとも１つのカムキャリアに回転方向は固定され軸方向は移動可能な方法で配置された少なくとも１つのカム軸を含む内燃機関のバルブ機構に関する。軸方向張力を伝達する手段が少なくとも１つのカム軸と少なくとも１つのカムキャリアとの間に形成されるので、少なくとも１つのカムキャリアが軸方向に固定される。

Description

本発明は請求項１の前提部分に記載されたシリンダーヘッドを備えた内燃機関に関する。

内燃機関の熱力学的特性を改善するための機械的な装置が知られ、この装置はバルブ機構の作動サイクルに影響を及ぼし、例えば回転数に基づくガス交換バルブの開放時間あるいはリフト量の変更を可能にする。

特許文献１には、カムキャリアがカム主軸に回転固定され軸方向に移動可能に配置された装置が記載されている。この場合、カムキャリアは少なくとも１つのカムが配置された管状部材で構成され、軸方向に複数の異なるカム軌道が共通の基本円から形成される。カム主軸上のカム部の軸方向移動によりガス交換バルブは形状の異なるカム軌道で操作されるが、それぞれのカム軌道はリフト輪郭および／またはリフト位相が相違する。

カムキャリアを軸方向に移動させる有利な装置は特許文献２で知られ、これによるとカムキャリアの両側に曲線経路溝を備えた螺旋駆動溝が形成され、そこにカムキャリアを軸方向に移動させるアクチュエータ部材が嵌め込まれる。

アクチュータ部材が螺旋駆動溝に嵌め込まれることで移動するカムキャリアをカム主軸上の位置に留めるためロック装置が設けられ、このロック装置はカム主軸に配置されカムキャリアに設けられたロック溝とかみ合うロック手段で構成される。カムに形成された３つのカム軌道に対応して、カムキャリアに３つのロック溝が切られる。

ロック装置をカムキャリアの中央に配置したときの主たる欠点は、内燃機関のカム主軸およびシリンダーヘッドの熱膨張係数が様々に異なる原材料で製造されるということに存在する。それにより、カム軸中央のロック装置は内燃機関が低温の場合または運転中で高温の場合には正確にはロックされない。この影響は製造、組立てまたは運転技術における精度の悪さにより大きくなり、そのため内燃機関の確実な運転ができなくなる。

軸方向に異なるカムキャリアを備えたカム主軸用にシリンダーヘッド中央に設けたロック装置が特許文献３で知られ、カム主軸は内燃機関のシリンダーヘッドでカムキャリアを受ける少なくとも１つのカム軸受けで支持される。

ロック装置はカム軸受けに配置され、カムキャリアに切られたロック溝とかみ合うロック手段で構成される。それぞれ２つのカム軌道のある２つのカムを備えたカムキャリアの場合、カムキャリアに軸方向に隣接しロック手段とかみ合う２つのロック溝が必要となる
このシリンダーヘッド中央のロック装置の主な欠点は、軸受け滑面の大部分がロック溝に占められるので、カム軸受けに大きい磨耗が生じることにある。さらに、カム主軸およびカムキャリアはロック手段によりカム軸受けの一方側に移動する。その場合、正確で頻繁に磨かれる軸受け滑面が保証されないロック装置には良好な給油手段装置が必要となる。
ＤＥ４２３０８７７Ａ１ ＥＰ０７９８４５１Ａ１ ＤＥ１０１４８２４３Ａ１

本発明の課題は請求項１の前提部分の特徴に記載されカムキャリアの移動後に熱影響に関係なく確実にその位置が保持されるバルブ機構を作り出すことにある。

この課題は請求項１の特徴部分に記載された特徴により解決され、これによると、カムキャリアに固定された第１の停止面がシリンダーヘッドに固定された第１の停止面に当接する位置によりカムキャリアの第１の軸方向位置が定義される。

これに対応して、カムキャリアに固定された第２の停止面がシリンダーヘッドに固定された第２の停止面に当接する位置によりカムキャリアの第２の軸方向位置が定義される。
この場合、カム主軸と少なくとも１つのカムキャリアとの間において軸方向張力を伝達する手段が形成される。この張力は、第１の軸方向位置にあるカムキャリアをさらにこの第１の軸方向位置の方向に移動するように向けられる。同様に、第２の軸方向位置にあるカムキャリアをさらにこの第２の軸方向位置の方向に移動するように向けられる。この場合、この張力はバルブ機構の熱膨張影響には関係なく効果が生じる。

この場合、カムキャリアに固定された第１の軸方向停止面およびカムキャリアに固定された第２の停止面がカムキャリアの少なくとも１つのカムの側面であるように構成することができる。

シリンダーヘッドに固定された第１の停止面およびシリンダーヘッドに固定された第２の停止面は少なくとも１つのカムキャリアを支持するカム軸受けの側面とすることができる。

本発明の有利なさらなる実施形態によれば、軸方向張力をカム主軸からカムキャリアに伝達する手段はロック装置として形成される。
ロック装置はカム軸に配置され半径方向に可動の状態で収納されたロック手段を備え、このロック手段は半径方向外側に向かう力によってカムキャリアの内面に対して押し付けられる。カムキャリアの内側に軸方向に間隔を保ち円周方向に切られた少なくとも２つのロック溝が形成され、さらにこのロック溝はほぼＶ型でカムキャリアに形成され、ロック溝の両側はロック手段用に斜面が形成される。ロック溝は基本的にカム主軸にも形成することもできるが、この場合はロック装置はカムキャリアに配置されることになる。

発明のさらなる有利な実施形態によれば、半径方向に向かう力はバネ要素の復元力とすることができる。
発明の別の有利な実施形態によれば、ロック手段はロックボルトとし、ロック溝の方に向けられたロックボルトの面は丸く仕上げられる。

本発明の最後の有利な実施形態によれば、少なくとも１つのカム主軸に内燃機関の各シリンダーに１つのカムキャリアが配置される。
次に内燃機関の本発明によるバルブ機構を７枚の図面を使用して実施形態に基づき説明する。

図１から図３に周知の従来の方法で構成され、シリンダークランクケース３０、上部に固定されたシリンダーヘッド３１およびシリンダーヘッドカバー３３を備え外部点火式４シリンダーが一列になった一般的な内燃機関を示す。図示しないが周知の方法で１シリンダー当たり２つの吸気バルブおよび排気バルブが備わり、吸気バルブは吸気カム軸で、排気バルブは排気カム軸１６で周知の方法で制御操作される。このため、吸気カム軸および排気カム軸１６は機関の縦軸に平行に配置され、シリンダー列の両側で回転可能にシリンダーヘッド３１に支持される。

１つのカム主軸１と４つのカムキャリア２で構成された排気カム軸１６および吸気カム軸は、詳細は示さないが、周知の方法で駆動される。
図４に吸気カム軸を示すが、そのカム主軸１に中空軸で形成された４つのカムキャリア２が軸方向に間隔をおいて配置される。この場合、カム部品２はカム主軸１上で軸方向に移動可能であるが回転方向には固定して支持される。図３，４，５，６および７に示すように、各カムキャリア２の両端に、カムキャリア軸の回りに螺旋状に溝で形成された軸方向曲線部１０または１１を有する螺旋駆動部が配設される。

カムキャリア２上に２つのカムが配置され、各カムにおける軸方向にずれた２つの異なるカム軌道６，７または８，９は同一基本円から生じる。２つのカムの間にある各カム部品２の外面の円筒状領域はカム軸受け３に支持される面として形成される。
図３，５，６および７に示すように、各カムキャリア２はこの円筒状面でシリンダーヘッド３１のカム軸受け台３に回転可能にかつ軸方向に移動可能に支持される。

両カム軸受け台３に対向するカムの端面は位置決め面１８，１９として形成される。これに対応して、カムに対向するカム軸受け台３の端面は位置決め面１７または２０として形成される。この場合、カムの両位置決め面１７，１８間の距離はカム軸受け台３の位置決め面１９および２０間の距離よりも大きい。

この場合、位置決め面１７と１９間、または位置決め面１８と２０間で採り得る最大距離はカム軌道６，７、８，９の幅およびカムキャリアが螺旋駆動部の軸方向曲線部１０および１１によって移動する距離に対応する。

内燃機関のガス交換バルブ２７，２８は摩擦減少のためローラ２３付きで形成されたロッカーアーム２１を介してカムにより操作される。
ロッカーアーム２１、２２にはシリンダーヘッドに形成されたバックラッシュ補正要素２５または２６が従来の方法で付設される。

図６および７に示すように、カムキャリア２の内側は互いに平行で軸方向に間隔を保ちカムキャリアの全内周に設けられた２つのロック溝３４，３５が備わる。このロック溝はほぼＶ型に形成され、Ｖ型ロック溝の角は丸く仕上げられる。

両ロック溝３４，３５は半径方向外側から半径方向内側まで斜めに形成されてテーパー面３６または３７となるロック溝壁で作られる。ロック溝３４のテーパー面３６はカム軸１の回転軸に対して傾斜角αを有し、ロック溝３５のテーパー面３７はカム軸１の回転軸に対して傾斜角βを有する。

カム軸には、図５，６，７に示すように、半径方向に開けられた袋穴３８にロック球４０が周知の方法で可動に収納される。ロック球４０は、収納部として形成された袋穴３８の底で一端が支持され他端が球４０で支持された螺旋バネ３９を介し、カムキャリア２の半径方向内面に対して半径方向外側にロック球４０が押し付けられるようにプリテンションが与えられる。

その場合、両方のロック溝３４または３５のテーパー面３６と３７の間隔および袋穴３８の軸方向位置は、図７に示すようにカム８の位置決め面１８が軸受け台３の位置決め面２０の位置にきたときにロック球４０がテーパー面３７に当接し、図５および図６に示すようにカム７の位置決め面１９がカム軸受け台３の位置決め面１７にきたときにロック球４０がロック溝３４のテーパー面３６に当接するように調整される。

この方法で、図５および図６に示すカムキャリア２の位置において、カム７の位置決め面１９が軸受け台３の位置決め面１７に当接したとき、ロック球４０および円周溝３４のテーパー面３６によって、カム軸１の軸力がカムキャリア２に伝達されるが、その軸力の方向は、軸受け台３から位置決め面１７を介してカム９の位置決め面１９に及ぼされる軸力の方向とは反対となる。この方法でカムキャリア２は両軸方向に対して固定される。

カムキャリア２の位置が、図７に示すように、カム８の位置決め面１８が軸受け台３の位置決め面２０に接触する位置となる場合、ロック球４０は第２の円周溝３５のテーパー面３７に接触し、それによってカム軸１からカムキャリア２に軸力が伝達されるが、この軸力の方向は軸受け台３の位置決め面２０からその面を介しカム８の位置決め面１８に及ぼす軸力の方向とは反対となる。この作動位置においてもカムキャリア２は軸方向両側で固定される。

カム主軸をシリンダーヘッドの反対側に種々に拡張しても、球４０とテーパー面３６（図６に示すように第１の位置）またはテーパー面３７（図７に示すような第２の位置）との間の接触点でわずかなずれが生じるだけである。その場合、さらに、球４０を介してテーパー面３６，３７の傾斜αまたはβに応じて必要な軸力がカムキャリア２に伝達される。

図５および６に示す作動状態から図７に示す作動状態までのバルブリフト制御は、図６に示すように、シリンダーヘッド３１に配置されて軸方向曲線部１０に割り当てられた電動アクチュエータの駆動ピン１４が溝として形成された軸方向曲線部１０に嵌り込むことによって調整される。カム軸１およびカムキャリア２の回転によって、駆動ピン１４と軸方向曲線部１０の溝壁との接触により、カムキャリア２は軸方向左に移動し、バネ３９で押し付けられた球４０がカムキャリア２のロック溝３５に入ることになる。

カムキャリア２をさらに軸方向に移動させる際に球４０がテーパー面３７にそって転動する間に、カム８の位置決め面１８は軸受け台３の位置決め面２０まで移動して軸方向に接触することになる。このとき球４０は常に位置決め面３７で軸方向接触を維持する。カムキャリア２は軸方向に固定される。駆動ピン１４は電動アクチュエータ１２を使用して周知の方法で周囲溝として形成された軸方向曲線部１０から再び引き抜かれる。

図７に示す作動状態のバルブリフト制御を図５および図６に示す作動状態のバルブリフト制御に変えるために、軸方向曲線部１１用に割り当てられシリンダーヘッド３１に配置された電動アクチュエータ１３の駆動ピン１５をアクチュエータによって溝として形成された軸方向曲線部１１に挿入する。カム軸１を回転させることによって、軸方向曲線部１１の溝壁と駆動ピン１５の間の接触を介してカムキャリア２は図７において軸方向右に移動するので、ロック球４０はテーパー面３７の輪郭にそってバネ３９のバネ力に対抗してまずロック溝３５から外へ転がり出て、それからロック球４０はロック溝３４のテーパー面３６の輪郭にそってバネ３９の復元力により入り込み、カム７の位置決め面１７は軸受け台３の位置決め面１９に接触することになる。ロック球４０とテーパー面３６との接触が維持される。カムキャリア２は一方ではカム７の位置決め面１７と軸受け台３の位置決め面１９との間の配置関係により、また一方ではテーパー面３６とロック球４０との間の配置関係により、軸方向に固定される。駆動ピン１５は電動アクチュエータ１３を使用して周知の方法で軸方向曲線部１１の円周溝から引き抜かれる。

電動アクチュエータの操作は、詳細には示さないが周知の方法で、図示しないモータ制御装置により制御される。
角度αおよびβは、個々の必要性に応じて、必要な軸方向の固定力がバルブリフト制御用の操作位置で保証され、かつカム軸１をその操作方向に回転させて駆動ピン１４または１５が円周溝１０または１１に嵌め込まれたロック結合が確実に解除できるような角度とされる。例えば、角度αおよびβは１５°と４５°の間の同じ角度、例えばそれぞれ３０°に選択される。

図示する実施例においてはテーパー面３６および３７がその軸方向にそってそれぞれ一定の傾斜角αおよびβとなる場合であるが、動的な軸方向力経過が意味のある限り、テーパー面３６および３７の一方または両方の傾斜は軸方向に変化する傾斜角αまたはβとすることも考えられる。

図３および４に示すカム軸１の４つのカムキャリア２はそれぞれ割り当てられたアクチュエータ１２または１３により、バルブリフト制御を行なう２つの操作位置をこの方法で変えることができる。

バルブリフト制御の調整をこのように構成することは、吸気バルブのみを制御する吸気カム軸１に対しても、また排気バルブのみを制御する排気カム軸１６に対しても可能である。同様に、このような構成を吸気バルブおよび排気バルブの両方を制御する１つのカム軸に設けることも可能である。

図１から３に示すように、一方は吸気バルブのみを制御し、他方は排気バルブのみを制御する２つのカム軸１および１６を備えた内燃機関の場合に、上記実施例に示すバルブリフト制御の調整を２つのカム軸の１方のみに、または両方のカム軸にさせることが可能である。

バルブリフト制御の制御された調整をこのように形成することは、実施例に示す４つのシリンダーを含む複数のシリンダーを有する内燃機関にも可能である。バルブリフト制御の制御された調整をこのように形成することは、異なるシリンダー配置の機関、例えば一列の機関、Ｖ型機関またはＶＲあるいはＷ機関にも可能である。ここに示すバルブリフト制御調整は外部点火方式の内燃機関にも自己点火方式の内燃機関にも可能である。

本発明の４シリンダ内燃機関の側面図 図１のII−II矢視から見た内燃機関の図 図１および図２の内燃機関に組み込まれたシリンダヘッドカバー付きカム軸の斜視図 組み込まれた状態の２つのうちの１つのカム軸の図 カム軸受け台に支持されたカムキャリアを有する図３に示すカム軸の一部 第１のバルブリフト制御位置における図５に示すカムキャリアの部分図 第２のバルブリフト制御位置における図５に示すカムキャリアの部分図

Claims (9)

1. 回転方向に固定され軸方向に移動可能な少なくとも１つのカムキャリア（３）が配置された少なくとも１つのカム軸（１）を備えたシリンダーヘッドのある内燃機関のバルブ機構であって、
   少なくとも１つのカムキャリア（３）は、少なくとも２つの異なるカム軌道（５．１．５．２，６．１．６．２）が形成された少なくとも１つのカム（５，６）を備え、
   シリンダーヘッドに固定された少なくとも１つのカム軸受け（３）で少なくとも１つのカム軸（１，１６）を支持するため、少なくとも１つのカムキャリア（２）が含まれ、
   １つの第１の軸方向位置と少なくとも１つの第２の軸方向位置との間で、少なくとも１つのカム軸（１）に対して少なくとも１つのカムキャリア（２）を軸方向に移動させる手段が備わる内燃機関において、
   カムキャリアの第１の軸方向位置において、カムキャリアに固定された第１の停止面（１７）がシリンダーヘッドに固定された第１の停止面に当接し、
   カムキャリアの第２の軸方向位置において、カムキャリアに固定された第２の停止面（１８）がシリンダーヘッドに固定された第２の停止面に当接し、かつ
   カム軸（１）とカムキャリア（２）の間において、軸方向の張力を伝達するための手段が形成され、軸方向張力によりカムキャリアが第１の軸方向位置の領域において第１の軸方向位置の方向に移動し、第２の軸方向位置の領域において第２の軸方向位置の方向に移動する
   ことを特徴とするバルブ機構。
2. カムキャリアに固定された第１の軸方向停止面（１７）およびカムキャリアに固定された第２の停止面（１７）が少なくとも１つのカムの側面であることを特徴とする請求項１に記載のバルブ機構。
3. シリンダーヘッドに固定された第１の停止面およびシリンダーヘッドに固定された第２の停止面は少なくとも１つのカム軸受けの側面であることを特徴とする請求項１または２に記載のバルブ機構。
4. 軸方向張力をカム主軸（１）からカムキャリア（２）に伝達する手段はロック装置として形成されたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のバルブ機構。
5. ロック装置はカム軸（１）に配置され半径方向に可動の状態で収納されたロック手段（４０）を備え、前記ロック手段（４０）は半径方向外側に向かう力によってカムキャリア（２）の内面に対して押し付けられ、かつカムキャリア（２）の内側に軸方向に間隔を保ち円周方向に切られた少なくとも２つのロック溝（３６，３７）が形成され、さらに前記ロック溝（３６，３７）はカムキャリアにＶ型に形成され、ロック溝の両側はロック手段（４０）用に斜面が形成されたことを特徴とする請求項４に記載のバルブ機構。
6. 半径方向に向かう力はバネ要素の復元力であることを特徴とする請求項５に記載のバルブ機構。
7. ロック手段（４０）はロックボルトであり、かつロック溝の方に向けられたロックボルトの面は丸く仕上げられたことを特徴とする請求項５または６に記載のバルブ機構。
8. ロック手段はロック球（４０）であることを特徴とする請求項５または６に記載のバルブ機構。
9. 少なくとも１つのカム主軸（１）に内燃機関の各シリンダーに１つのカムキャリア（２）が配置されたことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のバルブ機構。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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