JP2007077940A - 可変動弁機構 - Google Patents

Abstract

【課題】 部品点数が少ない簡単な構成で安定したバルブ特性を得る。
【解決手段】 可変動弁機構１は、カムシャフト２上に設けられた回転カム４と、回転カム４に接触して変位する入力ローラ１６と、バルブ５を駆動するロッカアーム６と、回転カム４の動力をロッカアーム６に伝える伝動アーム１９と、伝動アーム１９に接触する可変アーム１５と、可変アーム１５を駆動するアクチュエータ１３とを備えている。伝動アーム１９の基端を入力ローラ１６に連結し、伝動アーム１９の先端側にロッカアーム６と接触する駆動部２２と、可変アーム１５の回転接触子２０が接触するカム面２１とを設け、可変アーム１５の回動に伴ってカム面２１と回転接触子２０との初期接点位置を変更する。カム面２１のリフト部をベース部よりも伝動アーム１９の基端側に形成する。
【選択図】 図１

Description

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。

従来、リンクを用いてバルブのリフト量、作用角および開閉タイミングを制御する可変動弁機構が知られている。例えば、図１１に示す特許文献１の可変動弁機構１００は、内燃機関のクランク軸によって回転されるカムシャフト１０１を備えている。カムシャフト１０１上には、回転カム１０２が一体回転可能に固定されるとともに、バルブリフタ（動弁部材）１０３を介してバルブ１１０を駆動する駆動アーム１０４が相対回動可能に支持されている。

カムシャフト１０１と平行なコントロールシャフト１０５上には、揺動アーム１０６が可変カム１０７を介して支持されている。揺動アーム１０６の入力端はリング状リンク１０８を介して回転カム１０２に連結され、揺動アーム１０６の出力端がロッド状リンク１０９を介して駆動アーム１０４に連結されている。そして、コントロールシャフト１０５をアクチュエータで駆動し、可変カム１０７の偏心回転により揺動アーム１０６を変位させ、回転カム１０２に対する駆動アーム１０４の初期位置を変更するように構成されている。
特開平１１−３２４６２５号公報

ところが、従来の可変動弁機構１００によると、回転カム１０２の動力をバルブリフタ１０３に伝えるために、二本のリンク１０８，１０９と、二本のアーム１０４，１０６が必要であった。このため、可変動弁機構１００の部品点数が増え、構成が複雑化するばかりでなく、組付誤差によってバルブ特性が不安定になるという問題点があった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、部品点数が少ない簡単な構成で安定したバルブ特性が得られる可変動弁機構を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の可変動弁機構は、カムシャフト上に設けられた回転カムと、回転カムに接触して変位する入力部材と、バルブを駆動する動弁部材と、回転カムの動力を動弁部材に伝える伝動アームと、伝動アームに接触する接触部を備えた可変アームと、可変アームを駆動するアクチュエータとからなり、伝動アームの基端を入力部材に連結し、伝動アームの先端側に動弁部材を駆動する駆動部と、可変アームの接触部が接触するカム面とを設け、可変アームの移動に伴ってカム面と接触部との初期接点位置を変更することを特徴とする。

ここで、回転カムに関して、次の構成を採用できる。
（１）回転カムに、所定の角度範囲でバルブリフト量をゼロに保つ等半径部と、残りの角度範囲でバルブリフト量を増大させるノーズ部とを設けること。
（２）回転カムに、中心がカムシャフトの軸心から偏倚した偏心カムを用いること。

入力部材に関しては、次の構成を採用できる。
（３）入力部材を揺動アームの先端に支持し、揺動アームの基端をカムシャフトと平行な軸で揺動可能に支持すること。
（４）可変動弁機構のハウジングに支持部材を固定し、支持部材に入力部材を案内する案内面を設けること。
（５）入力部材に回転体を用いること。

動弁部材に関しては、次の構成を採用できる。
（６）動弁部材に基端を支点に揺動するロッカアームを使用すること。
（７）動弁部材に中間部を支点に揺動するスイングアームを使用すること。
（８）動弁部材にバルブの軸線方向へ直線移動可能なバルブリフタを使用すること。

伝動アームに関しては、次の構成を採用できる。
（９）伝動アームのカム面に、動弁部材の運動量をゼロに保つベース部と、動弁部材の運動量を漸増させるリフト部とを設け、リフト部をベース部よりも伝動アームの基端側に形成すること。
（１０）伝動アームの先端を動弁部材と可変アームの接触部との間に挿入すること。
（１１）伝動アームのカム面を上向きに形成し、伝動アームの駆動部を下向きに設けること。

可変アームの駆動方式としては、次の構成を採用できる。
（１２）可変アームと前記揺動アームを共通の支持軸上に相対回動可能に支持し、支持軸とは別のコントロールシャフトをアクチュエータに連結し、可変アームをアクチュエータによりコントロールシャフトを介して駆動すること。
（１３）前記コントロールシャフト上に制御カムを設け、可変アームに制御カムのカム面に追従して揺動する揺動体を設けること。
（１４）可変アームと揺動アームを共通のコントロールシャフト上に相対回動可能に支持し、コントロールシャフトをアクチュエータに連結し、可変アームをアクチュエータによりコントロールシャフトを介して駆動すること。

本発明の可変動弁機構によれば、回転カムに接触する入力部材に伝動アームの基端を連結し、伝動アームの先端側に動弁部材を駆動する駆動部と、可変アームに係合するカム面とを設けたので、回転カムから動弁部材への動力伝達経路をごく少数の部品で簡単に構成でき、組付誤差を少なくして、バルブ特性を安定させることができるという優れた効果を奏する。また、カム面のリフト部をベース部よりも伝動アームの基端側に形成した場合は、伝動アームのアーム比が低速回転時よりも高速回転時の方が大きくなり、高速運転に適した高出力のバルブ特性が得られる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、この実施形態の可変動弁機構１は、カムシャフト２上に設けられた回転カム４と、回転カム４に接触して変位する入力ローラ１６と、バルブ５を駆動するロッカアーム６と、回転カム４の動力をロッカアーム６に伝える伝動アーム１９と、伝動アーム１９に接触する回転接触子２０を備えた可変アーム１５と、可変アーム１５を駆動するアクチュエータ１３とから構成されている。

伝動アーム１９の基端は入力ローラ１６に連結され、伝動アーム１９の先端側にロッカアーム６と接触する駆動部２２と、可変アーム１５の回転接触子２０が接触するカム面２１とが設けられ、可変アーム１５の移動に伴ってカム面２１と回転接触子２０との初期接点位置が変更される。図２に示すように、カム面２１はロッカアーム６の揺動量をゼロに保つベース部２１ａと、ロッカアーム６の揺動量を漸増させるリフト部２１ｂとを備え、リフト部２１ｂがベース部２１ａよりも伝動アーム１９の基端側に形成されている。

図１〜図６は本発明の実施例１を示す。この可変動弁機構１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できる。図１〜図３に示すように、可変動弁機構１のカムシャフト２は、シリンダヘッド３の上方に設けられ、エンジンのクランク軸（図示略）によって回転される。カムシャフト２上には回転カム４が固定され、カムシャフト２の下側にバルブ（吸気バルブ）５を開閉するロッカアーム６が配設されている。

回転カム４には、所定の角度範囲でバルブ５のリフト量をゼロに保つ等半径部４ａと、残りの角度範囲でバルブリフト量を増大させるノーズ部４ｂとが設けられている。ロッカアーム６は、基端側のピボット７で上下に揺動可能に支持され、先端にバルブ５の上端を押圧する押圧部８を備え、中間に回転カム４の動力を受け入れるベースローラ９を備えている。なお、実施例１の可変動弁機構１は、一つのシリンダにつき、一つの回転カム４が二本のロッカアーム６を駆動して二本のバルブ５を開閉するように構成されている。

ロッカアーム６の上方には、コントロールシャフト１０と支持軸１１とが共にカムシャフト２と平行に設けられている。コントロールシャフト１０上には、中心がコントロールシャフト１０の軸心から偏倚した制御カム１２が固定されている。コントロールシャフト１０の一端は油圧又は電動のアクチュエータ１３に連結され、アクチュエータ１３が制御装置（図示略）によりエンジンの運転状態に応じて制御される。支持軸１１上には、一本の揺動アーム１４と二本の可変アーム１５とが相対回動可能に支持されている。揺動アーム１４の先端には、回転カム４に接触する入力ローラ１６がローラ軸１７によって支持され、回転カム４のカム形状に従って上下に変位するようになっている。

揺動アーム１４の両側には、回転カム４の動力をロッカアーム６に伝える二本の伝動アーム１９が配設されている。伝動アーム１９は嘴状に形成され、基端がローラ軸１７の両端に回動可能に連結され、先端がロッカアーム６のベースローラ９と可変アーム１５の回転接触子２０との間に挿入されている。伝動アーム１９の先端側には、回転接触子２０が係合する上向きのカム面２１と、ベースローラ９に接触してロッカアーム６を駆動する下向きの駆動部２２とが設けられている。カム面２１は、ロッカアーム６の揺動量をゼロに保つベース部２１ａと、ロッカアーム６の揺動量を漸増させるリフト部２１ｂとを含み、リフト部２１ｂがベース部２１ａよりも伝動アーム１９の基端側に形成されている。

そして、可変アーム１５がアクチュエータ１３によりコントロールシャフト１０と制御カム１２を介して回動され、可変アーム１５の回動に伴って回転接触子２０とカム面２１との初期接点位置が変更されるようになっている。なお、可変アーム１５は制御カム１２との相対面に凹部２３（図３ｂ参照）を備え、凹部２３に制御カム１２のカム面（外周面）と接触するシム２４がコントロールシャフト１０の軸線と直角な軸線周りで揺動可能に支持されている。伝動アーム１９の駆動部２２とカム面２１のベース部２１ａとは、共に支持軸１１の軸線を中心とする円筒面に含まれている。図１、図３（ａ）には、二本の伝動アーム１９を一本の揺動アーム１４に組み付けた構成を例示したが、二本の伝動アーム１９を二本の揺動アーム１４に別々に組み付けることも可能である。

次に、可変動弁機構１の作用を図４〜図６に従って説明する。図４はガソリンエンジンの低速回転時にバルブ５を最小のリフト量で開閉するときの状態を示す。このとき、図４（ａ）に示すように、可変アーム１５の回転接触子２０は、伝動アーム１９のカム面２１において、ベース部２１ａの始端側に接触している（Ｐは初期接点位置を示す）。この状態で、カムシャフト２が駆動されると、回転カム４の等半径部４ａが揺動アーム１４の入力ローラ１６に係合している期間中は、ベース部２１ａのカム作用によって、揺動アーム１４、伝動アーム１９およびロッカアーム６がそれぞれ静止し、バルブ５が閉鎖位置に保持される。

図４（ｂ）に示すように、回転カム４のノーズ部４ｂの頂点が入力ローラ１６に係合すると、揺動アーム１４が下方へ揺動し、伝動アーム１９が左方へ変位し、カム面２１のリフト部２１ｂが回転接触子２０に接触し、駆動部２２がベースローラ９を介してロッカアーム６を押し下げる。しかし、初期接点位置Ｐがベース部２１ａの始端側に設定されているため、リフト部２１ｂの作用範囲が限られ、ロッカアーム６が最小の角度で揺動する。従って、図６の曲線（イ）に示すように、バルブリフト量と作用角が共に最小化され、吸気バルブ５の開放タイミングが遅く閉鎖タイミングが早く制御される。なお、図６の曲線（ホ）は排気バルブのリフト量と作用角を示す。

図５はガソリンエンジンの高速回転時にバルブ５を最大のリフト量で開閉するときの状態を示す。ここでは、図５（ａ）に示すように、可変アーム１５が制御カム１２によって支持軸１１の軸線周りで回動され、回転接触子２０とカム面２１との初期接点位置Ｐがベース部２１ａの終端側に変更されている。このとき、伝動アーム１９の駆動部２２とベース部２１ａとが支持軸１１と同心の円筒面に含まれているので、可変アーム１５の回動に伴ってロッカアーム６の初期位相に変化が生じない。このため、回転カム４の等半径部４ａが入力ローラ１６に係合する期間中は、揺動アーム１４、伝動アーム１９、ロッカアーム６がそれぞれ静止し、バルブ５が閉鎖位置に保持される。

図５（ｂ）に示すように、ノーズ部４ｂの頂点が入力ローラ１６に係合すると、伝動アーム１９が左方へ大きく変位し、リフト部２１ｂが回転接触子２０に接触し、駆動部２２がベースローラ９を介してロッカアーム６を押し下げる。このときは、初期接点位置Ｐがベース部２１ａの終端側に変更されているので、リフト部２１ｂの作用範囲が拡張し、ロッカアーム６が最大の角度で揺動する。このため、図６の曲線（ロ）に示すように、バルブリフト量と作用角が共に最大化され、吸気バルブ５の開放タイミングが早く閉鎖タイミングが遅く制御される。従って、可変アーム１５により回転接触子２０とカム面２１との初期接点位置Ｐを変えることで、図６の曲線（ハ），（ニ）に示すように、バルブ特性を任意の中間値に制御することができる。

この実施例１の可変動弁機構１によれば、次のような作用・効果が得られる。
（１）回転カム４に接触する入力ローラ１６に伝動アーム１９の基端を連結し、伝動アーム１９の先端側にカム面２１と駆動部２２とを設けたので、回転カム４からロッカアーム６への動力伝達経路を入力ローラ１６と伝動アーム１９の二部品で簡単に構成できる。
（２）カム面２１のリフト部２１ｂをベース部２１ａよりも伝動アーム１９の基端側に形成したので、伝動アーム１９のアーム比がエンジンの低速回転時よりも高速回転時の方が大きくなる（図４ｂのＬ１／Ｌ２＜図５ｂのＬ３／Ｌ４）。この結果、高速回転時のバルブ特性（図６の曲線ロ）において、バルブリフト量／作用角の値を従来（曲線ヘ）よりも増加させ、比較的長い開弁期間（作用角幅）にバルブ５を大きく開いて、高速運転に適した高出力のバルブ特性を得られる。

（３）揺動アーム１４と可変アーム１５を支持軸１１上に相対回動可能に支持したので、制御カム１２の動力が揺動アーム１４に伝わらない。このため、揺動アーム１４と伝動アーム１９を静止させた状態で、回転接触子２０とカム面２１との初期接点位置Ｐを的確に変更できる。
（４）カムシャフト２の回転時には、回転カム４の動力が揺動アーム１４を介して支持軸１１に作用するが、可変アーム１５の駆動軸であるコントロールシャフト１０が支持軸１１とは別に設けられているので、回転カム４からコントロールシャフト１０への動力伝達を絶ち、可変アーム１５を小型・低出力のアクチュエータ１３で駆動できる。
（５）制御カム１２が可変アーム１５上のシム２４に接触しているので、シム２４の揺動により駆動系部材の寸法誤差や組付誤差を吸収し、可変アーム１５を正確な角度で回動して、バルブ特性を安定化できる。

図７〜図９は本発明の実施例２を示す。この可変動弁機構３１では、実施例１の動弁機構１から支持軸１１と制御カム１２と省かれ、揺動アーム１４と可変アーム１５とがコントロールシャフト１０上に相対回動可能に支持されている。つまり、揺動アーム１４はコントロールシャフト１０上に揺動可能に支持され、可変アーム１５がキー３２でコントロールシャフト１０に一体回動可能に結合されている。コントロールシャフト１０はアクチュエータ（図示略）に連結され、可変アーム１５がアクチュエータによりコントロールシャフト１０を介して揺動アーム１４の揺動軸線周りで回動される。その他の構成は実施例１と同じである。

従って、実施例２の可変動弁機構３１も、実施例１の動弁機構１と同様に動作し、同等の作用・効果を発揮する。加えて、支持軸１１および制御カム１２を省いた点で、機構全体の部品点数をより少なくできる利点もある。なお、図８にバルブリフト量を最小化するときの動作を示し、図９にバルブリフト量を最大化するときの動作を示した。

図１０は本発明の実施例３を示す。この可変動弁機構４１は、可変アーム４２および伝動アーム４３の支持構造において、実施例１，２の可変動弁機構１，３１と相違する。可変アーム４２は、基端にコントロールシャフト１０上の制御カム１２に外嵌するリング部４４を備え、先端に伝動アーム４３のカム面４５に接触する回転接触子４６とガイドリング４７とを備え、制御カム１２の偏心回転に伴って回転接触子４６がカムシャフト４とコントロールシャフト１０との間で略水平に移動するように構成されている。伝動アーム４３は、基端が入力ローラ１６のローラ軸１７に連結され、先端側に回転接触子４６が接触する上向きのカム面４５と、ロッカアーム６のベースローラ９に係合する下向きの駆動部４８とが設けられている。

カム面４５は、ロッカアーム６の揺動量をゼロに保つベース部４５ａと、ロッカアーム６の揺動量を漸増させるリフト部４５ｂとを含み、リフト部４５ｂがベース部４５ａよりも伝動アーム４３の基端側に形成されている。入力ローラ１６は、実施例１，２の揺動アーム１４にかえて支持部材４９に支持され、支持部材４９が可変動弁機構４１のハウジング（図示略）に固定されている。支持部材４９には、ローラ軸１７上のガイドリング５０に係合する第一案内面５１と、可変アーム４２上のガイドリング４７に係合する第二案内面５２とが設けられている。そして、案内面５１，５２、カム面４５のベース部４５ａおよび駆動部４８が、それぞれ軸線を一致させた異なる半径の円筒面に含まれるように形成されている。

この可変動弁機構４１によれば、入力ローラ１６をハウジングに固定の支持部材４９に支持したので、可変動弁機構４１から一つの可動部品（実施例１，２の揺動アーム１４）を省略できる利点がある。また、支持部材４９の第二案内面５２がカム面４５との間で回転接触子４６を案内するので、回転カム４の動力の一部を支持部材４９からハウジング側に逃がし、コントロールシャフト１０に作用する負荷を少なくして、アクチュエータ（図示略）に小型・低出力の油圧又は電動機器を使用できる利点もある。その他の作用・効果は実施例１と同じである。

本発明の実施例１を示す可変動弁機構の斜視図である。 実施例１の可変動弁機構を図１の左方から見た断面図である。 実施例１の可変動弁機構において揺動アーム、可変アーム、伝動アーム、ロッカアームの組付構造を示す断面図である。 実施例１の可変動弁機構においてバルブリフト量を最小化するときの作用を示す機構図である。 実施例１の可変動弁機構においてバルブリフト量を最大化するときの作用を示す機構図である。 バルブリフト量と作用角の関係を示す特性図である。 本発明の実施例２を示す可変動弁機構の断面図である。 実施例２の可変動弁機構においてバルブリフト量を最小化するときの作用を示す機構図である。 実施例２の可変動弁機構においてバルブリフト量を最大化するときの作用を示す機構図である。 本発明の実施例３を示す可変動弁機構の断面図である。 従来の可変動弁機構を示す断面図である。

符号の説明

１ 可変動弁機構（実施例１）
２ カムシャフト
４ 回転カム
５ バルブ
６ ロッカアーム
１０ コントロールシャフト
１１ 支持軸
１３ アクチュエータ
１４ 揺動アーム
１５ 可変アーム
１６ 入力ローラ
１５ カム面
１９ 伝動アーム
２０ 回転接触子
２１ カム面
２１ａ ベース部
２１ｂ リフト部
２２ 駆動部
３１ 可変動弁機構（実施例２）
４１ 可変動弁機構（実施例３）
４２ 可変アーム
４３ 伝動アーム
４５ カム面
４５ａ ベース部
４５ｂ リフト部
４６ 回転接触子
４８ 駆動部
４９ 支持部材

Claims (2)

1. カムシャフト上に設けられた回転カムと、回転カムに接触して変位する入力部材と、バルブを駆動する動弁部材と、回転カムの動力を動弁部材に伝える伝動アームと、伝動アームに接触する接触部を備えた可変アームと、可変アームを駆動するアクチュエータとからなり、伝動アームの基端を入力部材に連結し、伝動アームの先端側に動弁部材を駆動する駆動部と、可変アームの接触部が接触するカム面とを設け、可変アームの移動に伴ってカム面と接触部との初期接点位置を変更することを特徴とする可変動弁機構。
2. 前記カム面が、動弁部材の運動量をゼロに保つベース部と、動弁部材の運動量を漸増させるリフト部とを備え、リフト部をベース部よりも伝動アームの基端側に形成した請求項１記載の可変動弁機構。

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