JP2016079858A - エンジンの吸排気弁の動弁構造 - Google Patents
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Abstract
【課題】吸排気弁の動弁機構をより簡素な構造にし、よりメンテナンスを低減できる構造とする。【解決手段】バルブ部材5のバルブステム5bをシリンダ1に対してバルブガイド6を介して軸方向進退可能に支持し、モータ10の駆動力によりバルブ部材5を軸方向に進退させて吸排気弁を開閉させるエンジンの動弁構造とした。モータ10は、回転軸10aの回転方向、回転の開始及び停止、ならびに回転速度を制御可能であり、回転軸10aの回転をバルブステム5bの軸方向への進退運動に変換する駆動力変換手段を備える。駆動力変換手段は、バルブステム5bの軸周り外周面に形成されるネジ部11と、回転軸10aに取り付けられバルブステム5bのネジ部11に噛み合う歯を備えるヘリカル歯車12とで構成される。また、バルブガイド6は、バルブステム5bのネジ部11に係合する係合部15を備える。【選択図】図1
Description
この発明は、エンジンの吸排気弁を開閉動作させる動弁構造に関する。
従来から、エンジンの吸排気弁を開閉動作させる動弁構造として、カムシャフトとバルブスプリングを用いた構造がある。
通常、吸排気弁の弁体としては、それぞれ軸状のバルブステムの一端に弁体部である傘部が設けられたバルブ(以下、「バルブ部材」と称する。)が用いられる。バルブ部材は、バルブスプリングによって、傘部が弁孔を閉じる方向に付勢されている。傘部が弁孔に接離することによって、吸排気弁は開閉する。
バルブステムの他端、すなわち、傘部を設けた側の反対側の端部であるステムエンドには、タペットが配置される。タペットの外面に、エンジンのクランク軸の回転とともに回転するカムシャフトに設けられたカムローブが当接する。カムローブのカム面が、タペットを介してバルブステムの他端をバルブスプリングの付勢力に抗して押圧すれば、吸気弁や排気弁を開弁する。また、カム面による押圧が弱まれば、バルブ部材はバルブスプリングの付勢力によって移動し、吸気弁や排気弁を閉弁する(例えば、特許文献1,2参照)。
カムシャフトとバルブスプリングを用いた従来の吸排気弁の動弁構造によれば、バルブ部材を動作させる駆動力伝達手段として、カムシャフトやその支持機構、カムシャフトにエンジンの駆動力を伝達するためのチェーンやギヤ、バルブ部材に取り付けられるタペット、バルブスプリング、その他の多数の部品が必要となる。これらの部品は、可動部、摺動部が多いため、部品の調整や交換、注油などのメンテナンスを必要とする。
また、バルブ部材とシリンダとの間にバルブスプリングを介在させることは、リテーナやコッタなど、バルブ周辺の構造を複雑にする要因の一つともなっている。
そこで、この発明の課題は、吸排気弁の動弁機構をより簡素な構造にし、よりメンテナンスを低減できる構造とすることである。
上記の課題を解決するために、この発明は、軸状のバルブステムの一端に吸排気弁の弁孔に接離する傘部が設けられるバルブ部材と、前記バルブステムをシリンダに対して軸方向進退可能に支持するバルブガイドと、通電による磁界の変化により駆動力を発生させる駆動源とを備え、前記駆動源の駆動力により前記バルブ部材を軸方向に進退させて前記吸排気弁の弁孔を開閉させるエンジンの動弁構造を採用した。
ここで、前記駆動源は、回転軸の回転方向、回転の開始及び停止、ならびに、回転速度を制御可能なモータであり、前記回転軸の回転を、前記バルブステムの軸方向への進退運動に変換する駆動力変換手段を備える構成を採用することができる。
前記駆動力変換手段は、前記バルブステムの軸周り外周面に形成されるネジ部と、前記回転軸に取り付けられ前記バルブステムのネジ部に噛み合う歯を備えるヘリカル歯車とで構成することができる。
前記バルブステムの軸周り外周面にネジ部が形成される場合、前記バルブガイドは、前記バルブステムのネジ部に係合する係合部を備えることが望ましい。
前記モータは、前記エンジンの燃焼室より上方に位置するシリンダヘッド内の空間に備えられ、前記空間には、前記バルブステムの他端側のステムエンドが臨んでおり、前記バルブステムの外面と前記バルブガイドの内面との間には、前記バルブステムの軸周り回転により、前記バルブステムと前記バルブガイドとの間に潤滑油を送り込むことができる隙間が設けられている構成を採用することができる。
前記バルブステムの外面と前記バルブガイドの内面との間に、前記バルブステムと前記バルブガイドとの間に送り込まれた潤滑油の燃焼室への落下を阻止するオイルシールを備える構成を採用することができる。
これらの各構成において、前記駆動力変換手段は、一つの気筒に配置される複数のバルブ部材のバルブステムを、単一のモータの駆動力により軸方向へ進退させるものである構成を採用することができる。
この発明は、電力により発生する駆動力により、エンジンの吸排気弁のバルブ部材を進退させるようにしたので、カムシャフトやその支持機構、カムシャフトにエンジンの駆動力を伝達するためチェーンやギヤ、その他、タペット、バルブスプリングなど多数の部品を不要とでき、より簡素な動弁装置、よりメンテナンスを低減できる動弁装置を実現できる。
以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図面では、この発明に直接関係する部材、手段のみを示し、他の部材等については図示省略している。また、エンジンは、単気筒であってもよいし、複数のシリンダ1を備えた多気筒であってもよい。
図1に示すように、エンジンのシリンダ1には、燃焼室2に通じるポート3と、このポート3の弁孔4を開閉するバルブ部材5が設けられている。ポート3は吸気ポートと排気ポートとがある。吸気ポート内には、その吸気ポート内に燃料を噴射する燃料噴射装置(図示せず)が設けられ、吸気ポート内の吸入空気に燃料を噴射し混合気を形成する。
吸気ポート及び排気ポートを開閉するバルブ構造は、軸状のバルブステム5bの一端に吸排気弁の弁孔4に接離する傘部5aが設けられるバルブ部材5と、バルブステム5bをシリンダ1に対して軸方向進退可能に支持する筒状のバルブガイド6とを備える。バルブステム5bは、シリンダ1に形成されたバルブ挿通孔にバルブガイド6を介して挿通されている。
燃焼室2より上方に位置するシリンダヘッド内の空間7には、通電による磁界の変化により駆動力を発生させる駆動源10を備える。この実施形態では駆動源10としてサーボモータを採用し、その駆動源10の電源としては、例えば、このエンジンを搭載する車両が備えるバッテリからインバータ等を経由して引き出された三相交流電源を使用している。以下、駆動源10としてのサーボモータを「モータ10」と称する。
一般に、サーボモータは、回転軸の回転速度や回転角度(方位)を制御する機能を有する。その回転速度や回転角度を検出するための検出器や、回転速度や回転角度を制御するためのドライバを備え、回転速度制御や回転角度制御(位置制御)を可能としている。
モータ10が配置される空間7には、バルブステム5bの他端側のステムエンドが臨んでいる。この空間7は、従来のエンジンにおいて、カムシャフトなどが配置される燃焼室2の上部の閉鎖空間であり、その内部にはシリンダヘッド及びシリンダブロックを循環して冷却及び潤滑を担う潤滑油が供給されている。
モータ10は、その駆動力により軸周り回転可能な回転軸10aを備える。回転軸10aの回転方向、回転の開始及び停止、ならびに、回転速度は、このエンジンを搭載する車両が備える電子制御ユニット(Electronic Control Unit)で制御可能である。回転軸10aの回転の開始及び停止の位置が制御可能であるので、すなわち、回転軸10aの回転量(回転角度)も制御可能である。
また、モータ10とバルブ部材5との間には、回転軸10aの軸周り回転を、バルブステム5bの軸方向への進退運動に変換する駆動力変換手段を備える。
この実施形態では、駆動力変換手段は、バルブステム5bの軸周り外周面に形成されるネジ部11と、回転軸10aに取り付けられバルブステム5bのネジ部11に噛み合う歯を備えるヘリカル歯車12とで構成されている。バルブステム5bのネジ部11は、ヘリカル歯車12の歯12aに噛み合う螺旋状の雄ネジとなっている。
回転軸10aは、シリンダヘッドに支持されたフレーム13に軸受14を介して軸周り回転可能に支持されている。ヘリカル歯車12は回転軸10aに嵌合し、その回転軸10aと一体に軸周り回転可能である。
また、バルブガイド6には、バルブステム5bのネジ部11に係合するガイド手段15として係合部を備える。この実施形態では、係合部は、バルブステム5bのネジ部11に噛み合う雌ネジを採用している。
モータ10の駆動力によって、ヘリカル歯車12が回転するとバルブステム5bは軸周りに回転する。この回転に伴って、バルブステム5bのネジ部11と、それに係合するガイド手段15とは互いに軸方向へ相対移動するように摺動し、固定のバルブガイド6に対してバルブステム5bの軸方向移動がガイドされる。
モータ10の回転軸10aの回転方向、回転の開始及び停止、ならびに、回転速度が制御され、バルブ部材5は、所定のタイミング及び速度で軸方向への進退を繰り返し、吸排気弁の弁孔4が開閉される。
このように、モータ10の回転により吸排気弁を開閉させる構造とすることで、カムなどの複雑なバルブ開閉部品を大幅に削減し、コストの低減や装置の信頼性向上を実現することができる。同時に、バルブ部材の駆動をモータ10による電子制御とすることで、バルブ部材5を動作させるタイミングや速さなど各種設定の自由度が高まり、作動の完全フレキシブル化を実現することができる。
具体的には、モータ10への通電時間、通電のタイミング、通電させる周波数を変更、調整することにより、バルブのリフトカーブを任意に変更可能である。リフトカーブを任意に設定できれば、吸気ポート内のスロットル弁を廃止したノンスロットル構造も容易に実現できる。
また、カムシャフトを用いた従来の動弁構造と比較して、エンジンの回転をカムシャフトに伝達するための多くの駆動部品が不要になり、エンジン構造の大幅な簡素化、小型化が可能である。
モータ10の応答性に関し、モータ10の反応速度は、通常のガソリンエンジンにおける最高回転数でのバルブ作動時間の数十分の一程度であるため、実用性に問題はない。
さらに、この実施形態では、バルブステム5bの外面とバルブガイド6の内面との間に、バルブステム5bの軸周り回転により、バルブステム5bとバルブガイド6との間に潤滑油を送り込むことができる隙間が設けられている。
すなわち、バルブステム5bが軸周り回転しながら、バルブステム5bの外面とバルブガイド6の内面との間に潤滑油を巻き込む構造のため、摩耗によるバルブガイド6の内径拡大や、摺動部の焼き付きが生じにくい。これは、バルブステム5bの軸周り回転による開閉動作を前提とするこの実施形態の構造特有の効果である。
このとき、バルブステム5bの外面とバルブガイド6の内面との間に、バルブステム5bとバルブガイド6との間に送り込まれた潤滑油の燃焼室への落下を阻止するオイルシール20を備えた構成とすることができる。オイルシール20は、例えば、図2に示すように、バルブガイド6の下部に設けることが望ましい。このオイルシール20を配置したことにより、燃焼室2へのオイルダウンの発生を防ぐことが可能である。したがって、この構成では、従来、バルブガイド6の上端付近に設けられていたオイルシールの設置を省略することができる。
この実施形態のエンジンは、モータ10を、一つの気筒に配置される吸気側のバルブ部材5と排気側のバルブ部材5にそれぞれ設けたダブルモータ形式としたが、例えば、図2及び図3に示す実施形態のように、一つのモータ10で吸気側のバルブ部材5と排気側のバルブ部材5の両方を駆動するシングルモータ形式としてもよい。
このとき、駆動力変換手段は、一つの気筒に配置される吸気側のバルブ部材5と排気側のバルブ部材5の両方のバルブステム5bを、単一のモータ10の駆動力により軸方向へ進退させるように駆動力を変換するものとなる。
また、上記の各実施形態では、一つの気筒に備えられた吸気側のバルブ部材5と排気側のバルブ部材5を、一つの又は二つのモータ10で駆動したが、この構成は、一つの気筒に吸気側のバルブ部材5と排気側のバルブ部材5を一つずつ備えた2バルブ形式、一つの気筒に吸気側のバルブ部材5と排気側のバルブ部材5を二つずつ備えた4バルブ形式など、種々のエンジン形式において採用可能である。
例えば、4バルブ形式においては、向かい合う一組の吸気側のバルブ部材5と排気側のバルブ部材5、及び、もう一組の吸気側のバルブ部材5と排気側のバルブ部材5を、それぞれ一つのモータ10で駆動してもよい。又は、その各バルブ部材5を、対応するそれぞれのモータ10でそれぞれ別々に駆動してもよい。
また、上記の各実施形態では、バルブガイド6には、バルブステム5bのネジ部11に係合するガイド手段15として、バルブステム5bのネジ部11に噛み合う雌ネジを採用したが、ガイド手段15は雌ネジには限定されず、例えば、図4に示すように、ガイド手段15として、バルブステム5bのネジ部11に噛み合う突起を採用してもよい。
このように、ガイド手段15は、モータ10の駆動力により軸方向へ進退するバルブステム5bを、その軸周り回転及び軸方向移動に関して、ガイドする機能を有していればよい。
上記の実施形態では、通電による磁界の変化により駆動力を発生させる駆動源10としてサーボモータを採用したが、サーボモータ以外にも、ステッピングモータなど回転軸の回転方向、回転の開始及び停止、ならびに、回転速度を制御可能な各種モータや、ソレノイドなどを採用できる。ソレノイドの駆動軸が直線方向への移動である場合、駆動力変換手段の設置を省略できる。
1 シリンダ
2 燃焼室
3 ポート
4 弁孔
5 バルブ部材(バルブ)
5a 傘部
5b バルブステム
5c ステムエンド
6 バルブガイド
7 空間
10 駆動源(モータ)
10a 回転軸
11 ネジ部
12 ヘリカル歯車
12a 歯
13 フレーム
14 軸受
15 ガイド手段(係合部)
20 オイルシール
2 燃焼室
3 ポート
4 弁孔
5 バルブ部材(バルブ)
5a 傘部
5b バルブステム
5c ステムエンド
6 バルブガイド
7 空間
10 駆動源(モータ)
10a 回転軸
11 ネジ部
12 ヘリカル歯車
12a 歯
13 フレーム
14 軸受
15 ガイド手段(係合部)
20 オイルシール
Claims (7)
- 軸状のバルブステムの一端に吸排気弁の弁孔に接離する傘部が設けられるバルブ部材と、
前記バルブステムをシリンダに対して軸方向進退可能に支持するバルブガイドと、
通電による磁界の変化により駆動力を発生させる駆動源とを備え、
前記駆動源の駆動力により前記バルブ部材を軸方向に進退させて前記吸排気弁の弁孔を開閉させるエンジンの動弁構造。 - 前記駆動源は、回転軸の回転方向、回転の開始及び停止、ならびに、回転速度を制御可能なモータであり、
前記回転軸の回転を、前記バルブステムの軸方向への進退運動に変換する駆動力変換手段、
を備える請求項1に記載のエンジンの動弁構造。 - 前記駆動力変換手段は、
前記バルブステムの軸周り外周面に形成されるネジ部と、
前記回転軸に取り付けられ前記バルブステムのネジ部に噛み合う歯を備えるヘリカル歯車と、
で構成される請求項2に記載のエンジンの吸排気弁の動弁構造。 - 前記バルブガイドは、前記バルブステムのネジ部に係合する係合部、
を備える請求項3に記載のエンジンの動弁構造。 - 前記モータは、前記エンジンの燃焼室より上方に位置するシリンダヘッド内の空間に備えられ、
前記空間には、前記バルブステムの他端側のステムエンドが臨んでおり、
前記バルブステムの外面と前記バルブガイドの内面との間には、前記バルブステムの軸周り回転により、前記バルブステムと前記バルブガイドとの間に潤滑油を送り込むことができる隙間が設けられている請求項3又は4に記載のエンジンの動弁構造。
- 前記バルブステムの外面と前記バルブガイドの内面との間に、前記バルブステムと前記バルブガイドとの間に送り込まれた潤滑油の燃焼室への落下を阻止するオイルシールを備える請求項5に記載のエンジンの動弁構造。
- 前記駆動力変換手段は、一つの気筒に配置される複数のバルブ部材のバルブステムを、単一のモータの駆動力により軸方向へ進退させるものである請求項2から6の何れか1項に記載のエンジンの動弁構造。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014210789A JP2016079858A (ja) | 2014-10-15 | 2014-10-15 | エンジンの吸排気弁の動弁構造 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112824654A (zh) * | 2019-11-19 | 2021-05-21 | 北京汽车动力总成有限公司 | 一种发动机用气门机构、发动机和具有其的车辆 |
WO2022250345A1 (ko) * | 2021-05-27 | 2022-12-01 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 배터리 팩, 및 그것을 포함하는 자동차 |
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2014
- 2014-10-15 JP JP2014210789A patent/JP2016079858A/ja active Pending
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CN112824654B (zh) * | 2019-11-19 | 2022-02-25 | 北京汽车动力总成有限公司 | 一种发动机用气门机构、发动机和具有其的车辆 |
WO2022250345A1 (ko) * | 2021-05-27 | 2022-12-01 | 주식회사 엘지에너지솔루션 | 배터리 팩, 및 그것을 포함하는 자동차 |
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