JP3865771B2 - バルブ制御機構 - Google Patents
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Description
内燃機関では、シリンダヘッドの吸気ポートと排気ポートの開閉にポペットバルブを用いるのが普通である。また、ポペットバルブの運動は、通常、カムシャフトによって制御される。カムシャフトはエンジンの回転と同期して回転し、かつ複数のカムを有する。各ポペットバルブにはタペットアセンブリが設けられ、各タペットアセンブリはカムシャフトの1つのカムと係合する。これらタペットアセンブリはカムシャフトのカムからポペットバルブへ運動を中継する。
従来のエンジンでは、あるカムの揚力(LIFT)はエンジン状態に関係なく、常に被制御ポペットバルブに伝達されるが、揚力の伝達が望ましくない場合もある。現在のエンジンは各シリンダヘッドに4つ以上のポペットバルブのついているものが多数あり、これによりエンジンの高速回転時および高負荷時の性能が改善される。しかしエンジンが低速または低負荷時には4つの弁すべてを使用する必要はなく、エンジンの排気ガスおよび燃料効率の悪化の原因となりうる。このため、一定のエンジン動作条件ではポペットバルブを非作動状態にできる様々なカム機構が従来提案されている。
DE−2952037には、ポペットバルブを非作動状態にするバルブ制御機構が記載されている。バルブ制御機構は内部に軸方向の掘削したような穴(bore)を有する円筒形部材を含み、穴の一端は閉じられている。被制御ポペットバルブのステムは円筒形部材の穴中をスライド可能である。円筒形部材には、円筒形部材の半径方向に可動なロック部材が設けられる。ロック部材はポペットバルブと円筒形部材とが互いに対して自由にスライドできる第一の位置と、ロック部材がポペットバルブのステム上面と係合しているためにポペットバルブと円筒形部材とが一緒に運動する第二の位置との間を移動可能である。タペットアセンブリの円筒形部材はエンジンのカムシャフトのカムと係合する。このため、ロック部材が第二の位置にある時は、円筒形部材によって係合されたカムの揚力が円筒形部材によってポペットバルブまで伝達され、ポペットバルブが作動する。しかし、タペットアセンブリのロック部材が第一の位置にある時は、円筒形部材はポペットバルブと相対的にスライドするため、カムの揚力によって円筒形部材とポペットバルブとは相対的な運動しか行わず、ボペットバルブには揚力は中継されない。つまり、ポペットバルブは非作動状態にされる。
DE−2952037のシステムでは、ポペットバルブのステム自身がタペットアセンブリの円筒形部材内で移動できなければならない。このためいくつかの欠点が生じる。まず、ポペットバルブのステムやシリンダヘッドの構成などの既存の構成要素の配列を変更しなければならない。第二に、バルブを非作動状態にした際にバルブがずっと完全に閉じたままだと問題が生じる。つまり、燃料噴射型エンジンでは、一般に燃料はポペットバルブの背後へ向けて噴射され、空気がポペットバルブを通過する時にシリンダ中へ放出される。従って、もしポペットバルブがある一定期間の間、完全に閉じたままだと、ポペットバルブの背後で燃料パドルが形成されるため、その後ポペットバルブが開いた時に悪影響が生じる。
DE−2952037のシステムを使用するためには、高精度の機械加工技術を用いてエンジンのシリンダヘッドを製造する必要がある。またDE−2952037のシステムではポペットバルブのステムが円筒形部材の穴中で移動できなければならない。使用中はポペットバルブはシリンダヘッドの第一の穴中に位置し、円筒形部材はシリンダヘッドの第二の穴中に位置する。実際には双方の穴は別個に加工される。DE−2952037のシステムの使用にあたっては、軸方向の確実な整合を得るために2つの穴の加工には注意が必要である。
WO91/12413には、エンジンの穴中に同軸に設置された第一および第二のタペット部材を有するバルブ制御機構が記載されている。外側のタペット部材はエンジンのカムシャフトに取り付けられた第一のカムと係合し、内側のタペット部材は第一のカムより揚力が低いカムシャフト上の第二のカムと係合する。内側タペットは外側タペットの全長に沿って軸方向に延びる穴中でスライド可能である。内側タペットはエンジンのシリンダヘッドバルブのステムの上面に当接する。内側と外側のタペットを固定して一緒に運動させるためにロック手段が設けられる。内側と外側のタペットがロックされていない時は、バルブの制御は揚力の低いカムの輪郭に従う内側タペットによって行われる。タペットがロックされている時は、バルブは揚力の高い方のカムの揚力に従って制御される。
本発明はバルブ列中での使用に適したバルブ制御機構を提供する。バルブ制御機構は、内燃機関のカムシャフト上に配置されるカムからシリンダヘッドバルブまで揚力を伝達し、カムに当接する第1当接部材とシリンダヘッドバルブのステム上面に当接する第2当接部材とを含む。バルブ制御機構は、エンジンの穴中でスライド可能な第1タペット部材と、第1タペット部材と相対的にスライド可能な第2タペット部材と、第1および第2のタペット部材を固定して共に運動させることのできるロック手段とを備え、ロック手段が第1および第2のタペット部材を固定して共に運動させる場合は、バルブ制御機構はカムの全揚力をシリンダヘッドバルブに伝達し、ロック手段が第1および第2のタペット部材を互いに相対的に運動させる場合は、シリンダヘッドバルブを持ち上げる代わりに、カムの揚力の少なくとも一部によって内側および外側のタペット部材が相対的に運動させられ、これによりバルブ制御機構はシリンダヘッドバルブに伝達されるカムの揚力量を減じる。
本発明は、一方のタペット部材が他方のタペット部材を介してのみカムシャフトに接続可能であることを特徴とする。
本発明は、エンジン中で既存の構成要素を大幅に変えることなく使用できるバルブ制御機構を提供する。バルブ制御機構は、バルブを完全に非作動状態にするのではなく少し持ち上げられるように簡単に変換できる。またこの機構では、エンジンシリンタヘッド中の2つの異なる穴を正確に整合する必要がない。この機構はオーバヘッドカムシャフトエンジンにもプッシュロッドエンジンにも等しく応用できる。
カムに接続可能なタペット部材は、カムと直接または間接に(揺動可能なカムフォロワ部材などを介して)係合する。他方のタペット部材は、オーバヘッドカムシャフトエンジンではシリンダヘッドバルブのステムに、またはプッシュロッドエンジンではプッシュロッドのステムに当接するのが普通である。
第1タペット部材は好ましくは内部に穴を有する外側タペット部材であり、第2タペット部材は好ましくは外側タペット部材の穴中をスライド可能な内側タペット部材である。
バルブ制御機構は、ロック手段が内側および外側タペット部材を相対的に運動させる時は、カムの揚力をシリンダヘッドバルブにまったく伝えないように構成できる。
また、バルブ制御機構は、ロック手段が内側および外側タペット部材を相対的に運動させる時は、カムの揚力の一部をシリンダヘッドバルブに伝えるように構成することもできる。これには外側タペット部材中の穴の一方端を閉じ、カムの各回転ごとにまずカムの揚力が増大すると、内側タペット部材を外側タペット部材の一方端の閉じた穴に沿って閉端に当接するまでスライドさせる。その後、カムの揚力がさらに大きくなると、シリンダヘッドバルブが持ち上げられる。
好ましくは内側タペット部材は、使用中は穴の閉端に向き合う表面を有し、この表面上にはオイル保持手段が設けられ、オイル保持手段は使用中にこの表面が穴の閉端との当接部に近づくと、内側と外側のタペット部材間の相対運動を減衰させる働きをする油膜を表面上に保持する。
本発明の第一の好ましい実施形態において、ロック手段は、内側タペット部材に設けられる穴中をスライド可能なロックピンと、外側タペット部材に設けられるスロットとを含み、ロックピンは、内側タペット部材から外向きに延びて外側タペット部材のスロットと係合する第一の位置と、外側タペット部材のスロットとの係合からはずれる第二の位置との間でスライド可能である。
第一の好ましい実施形態では、好ましくはロック手段は、ロックピンを第二の位置に付勢するバネ手段と、バルブ制御機構に作動流体を供給し、ロックピンを加圧してバネ手段の付勢力に抗して第二の位置から第一の位置へスライドさせるように動作する作動流体供給手段とを含む。
本発明の第二の好ましい実施形態では、ロック手段は、外側タペット部材に設けられる穴中をスライド可能なロックピンと、内側タペット部材に設けられるスロットとを含み、ロックピンは、外側タペット部材から内向きに延びて内側タペット部材のスロットと係合する第一の位置と、内側タペット部材のスロットとの係合からはずれる第二の位置との間でスライド可能である。
第二の好ましい実施形態では、好ましくはロック手段は、ロックピンを第一の位置に付勢するバネ手段と、作動流体を供給し、ロックピンを加圧してロックピンをバネ手段の付勢力に抗して第一の位置から第二の位置へスライドさせるように動作する作動流体供給手段とを含む。
好ましくは、内側および外側のタペット間で作用して、ロックピンが外側タペット部材のスロットと整列する位置に内側および外側タペットを相対的に付勢する付勢手段が設けられる。付勢手段は好ましくは、ほぼ平らな状態まで圧縮可能で、外側タペット部材の閉穴中に位置するテーパ付けされたバネを含む。
好ましくは、内側タペット部材の閉穴中には油圧式ラッシュアジャスタが設けられ、これは使用中はエンジン部品の摩耗を補償するように延びる。
WO91/12413では、バルブ制御機構はロックピンを備える。ロックピンは、外側タペット部材の横穴中で、内側タペット部材と係合してタペット部材が一緒に運動するよう固定する位置と、ロックピンが完全に外側タペット部材内に位置決めされ、内側および外側タペット部材が互いに対して自由に運動する位置との間をスライド可能である。ロックピンを永久付勢するようにバネが設けられ、このバネは内側および外側タペット部材が互いに対して自由に運動するような位置にロックピンを配置する働きをする。ロックピンが2つのタペットと相互に係合する位置にバネに抗してロックピンを移動させるには油圧が用いられる。
本発明の第二の局面では、バルブ列中での使用に適したバルブ制御機構を提供する。バルブ制御機構は、内燃機関のカムシャフト上に配置されるカムから内燃機関のシリンダヘッドバルブまで揚力を伝達し、カムに当接する第1当接部材とシリンダヘッドバルブのステム上面に当接する第2当接部材とを含む。
バルブ制御機構は、バルブ制御機構使用中はカムと係合する第1タペット部材と、バルブ制御機構使用中はシリンダヘッドバルブと係合する、第1タペット部材と相対的に移動可能な第2タペット部材と、第1および第2のタペット部材を固定して共に運動させるロック手段とを備え、ロック手段は、ロック手段が第1および第2のタペット部材を固定して共に運動させ、かつロック手段を介して第1タペット手段によって係合されるカムからの揚力を、バルブ制御機構が第1タペット手段から第2タペット手段へ、さらにシリンダヘッドバルブへ伝達する第一の動作状態を有する。
ロック手段は、ロック手段が第1および第2タペット部材を互いに相対的に運動させ、かつロック手段を介して第1タペット部材から第2タペット部材へ揚力がまったく伝達されない第二の動作状態を有する。
本発明は、ロック手段が、ロック手段を永久付勢してロック手段を第一の動作状態に付勢する付勢手段を含むことを特徴とする。
注目すべき点は、第1タペット部材は直接、または他のバルブ列要素(カムと第1タペット部材との間に介挿されるカムフォロワ部材など)を介して間接にカムと係合できることである。さらに、第2タペット部材も直接または間接に(プッシュロッドおよびロッカーアームなどを介して)、バルブと係合できる。
2つのタペット部材がロック手段によって固定および解除される先行技術のバルブ不能化およびカム輪郭切替システム(WO91/12413など)は、2つのタペット部材を共に固定するのに油圧が必要となるように構成できる。しかし、エンジン始動時には油圧は利用できないため、タペット部材はロックされない。エンジン始動時は全バルブが作動している方が有効なのに、例えばあるバルブに関連したタペット部材がロックされていない場合は、そのバルブは非作動状態にされてしまうため、これは不利である。本発明の第2局面は、2つのタペット部材が固定されて一緒に運動する状態にロック手段を付勢することで、この問題を解決する。本発明のこの局面は2つのタペット部材(レシプロ円筒型タペット部材、ロッカーフォロワ、フィンガーフォロワなど)が共に固定されて2つの異なるバルブ動作状態の切り替えができるシステムならば、どのシステムにも応用可能である。
好ましくは、バルブ制御機構は、ロック手段制御用の油圧制御手段を備える。油圧制御手段はロック手段に供給される作動流体の圧力を制御することにより、ロック手段の第一と第二の動作状態を切り替える。また油圧制御手段は、ロック手段が第一の動作状態で動作するよう制御する時には付勢手段を上回るには不十分な第一の油圧を加え、ロック手段が第二の動作状態で動作するよう制御する時には付勢手段を上回るのに十分な第一の油圧より高い第二の油圧を加える。
好ましくは、ロック手段はロックピンを含み、ロックピンは、第1または第2タペット部材の穴中で、これらタペット部材と相互に係合しタペット部材を結合して一緒に運動させる第一の位置と、タペット部材と相互に係合せずタペット部材が互いに自由に運動可能な第二の位置との間を移動可能である。
好ましくは、付勢手段はロックピンを第二の位置に付勢するバネ手段を含む。
好ましくは、第1タペット部材は外側タペット部材であり、第2タペット部材は外側タペット部材の穴の軸に沿ってスライド可能な内側タペット部材であり、ロックピンは外側タペット部材の穴中をスライド可能であり、付勢手段はロックピンを内向きに付勢させるように働くバネを含む。
好ましくは、内側タペット部材中の通路を介して作動流体を供給して、ロックピンの一番内側の表面に作用する油圧制御手段が設けられる。
次に本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照して説明する。
図1は、本発明のバルブ制御機構の第一の実施形態を示す、エンジンのシリンダヘッドの一部断面の概略図である。
図2は本発明のバルブ制御機構の第二の実施形態を示す、エンジンのシリンダヘッドの一部断面の概略図である。
図3は本発明のバルブ制御機構の第三の実施形態を示す、エンジンのシリンダヘッドの一部断面の概略図である。
図1において、カムシャフト10及びこれに取り付けられたカム11が示されている。カムシャフト10は、これが設けられたエンジンのクランクシャフトの回転速度に関する速度で、駆動システム(例えば、カムベルト、チェーン、または歯車列)によって回転駆動される。
カム11の揚力は、バルブ制御機構1を介して、制御されたポペットバルブに中継される。
カム11は、バルブ制御機構1の円筒型外側タペット部材12の上面と係合している。外側タペット部材12は、エンジンのシリンダヘッドに形成された穴内を摺動可能である。円筒型タペット部材12は、その内側に形成された閉穴内に、内側タペット部材13を含んでいる。内側タペット部材13は本質的に円筒形であり、その外径は、外側タペット部材12に形成された穴の直径と一致する。
前記外側タペット部材12と、内側タペット部材13との間で、バネ14が動作する。
円筒型内側タペット13の中央には、円筒形の穴が形成されており、この穴の内部に従来の構成を有する油圧式ラッシュアジャスタ15が設けられている。油圧式ラッシュアジャスタ15は、内側タペット部材13とバルブ17の上部との間で作用する。バルブ17は、内燃機関のポペットバルブであり、通常は吸入バルブであるが、排気バルブでもよい。
バルブ17には、バルブスプリング18に作用するスプリングリテーナ16が取り付けられている。バルブスプリング18は、バルブ17を付勢して、図示しないバルブシートに当接させる。
内側タペット部材13には、その直径方向を横切って穴が形成されており、ここに2つのロックピン20及び21が設けられている。ロックピン20及び21は、バネ22と23によってそれぞれ内側方向に付勢されている。バネ22は、ロックピン20と、直径方向に延びる穴に設けられたショルダ24との間で作用し、バネ23は、ロックピン21と、直径方向に延びる穴に設けられたショルダ25との間で作用する。
外側タペット12の内側表面の周囲を延びるようにスナップリング26が取り付けられており、これによって外側タペット部材12に対する内側タペット部材13の下向きの運動が制限される。内側タペット部材13は、バネ14によって付勢され、スナップリング26に係合する。
バルブ制御機構1は、使用時には、以下に説明する2つの動作状態を有する。第1の動作状態では、図1に示されているように、ロックピン20及び21は付勢バネ23及び22によって内向きに保持されている。このように、ロックピン20及び21は外側円筒部材12と係合することなく保持されており、外側タペット部材12は内側タペット部材13に対する移動が可能である。したがって、第1の動作状態では、カム11の揚力は、外側タペット部材と内側タペット部材13との間の相対運動によって吸収されるために、バルブ17には伝わらない。なお、バルブスプリング18はバネ14より硬いため、バルブスプリング18によってバルブ17が動くより前に、バネ14の圧縮によってタペット部材12と13との間の相対運動が始まる。
タペットアセンブリ1の第2の動作状態では、ロックピン20及び21は、内側タペット部材13から半径方向外向きに押圧され、外側タペット部材12に形成されたスロット27及び28に係合する。このとき、ロックピン20及び21は、その半径方向における最内端面に作用する油圧力によって外方向に押される。油圧式ラッシュアジャスタ15及びロックピン20、21の半径方向最内端面はいずれも、内側部材13内の図示されない通路を介して作動流体の供給口に接続されている。内側部材13のこの通路は、図示されている断面部分から、内側タペット部材13の外側表面に形成された開口部まで延びている。内側タペット部材の外側表面に形成されたこの開口部は、外側タペット部材に形成されたスロットと位置合わせされており、このスロットは、エンジンのシリンダヘッドに設けられた作動流体の通路と位置合わせされている。
油圧力の影響で外方向に移動したロックピン20及び21は、外側タペット部材12に形成されたスロット27及び28に係合する。こうして、外側タペット部材12は内側タペット部材13にロックされ、両者はともに動く。その結果、カム11の揚力は、外側タペット部材12及び2つのロックピン20、21を介して、内側タペット部材13、さらにバルブ17に伝えられるので、バルブにはカム11の全揚力が供給され、バルブ17が作動する。
ロックピン20及び21の最内端面への作動流体の供給は、図示されない制御システムによって制御される。制御システムは、油圧式ラッシュアジャスタ15だけに流体を供給できる低圧力から、バネ22及び23の付勢力を上回ってロックピン20及び21を半径方向外向きに移動させる高圧力に、油圧力を切り替えることができる。油圧力が、高圧力から低圧力に再び切り替えられると、付勢バネ22及び23はロックピン20及び21とを、もとの後退位置に戻す。この結果、外側タペット部材12は内側タペット部材13に対して移動することができる。(したがって、バルブは非作動状態になる。)
スナップリング26は、外側タペット部材12に対する内側タペット部材13の下方向への運動を限定すると同時に、油圧式ラッシュアジャスタ15の固定された動作基準となる。アジャスタ15などの油圧式ラッシュアジャスタは従来から周知であるため、油圧式ラッシュアジャスタ15については本願明細書では詳細な説明を省き、ここでは、油圧式ラッシュアジャスタ15が延びて、使用中に発生した摩耗を吸収することを述べるに留まる。
図示されるように、カム機構は、バルブ17を完全な作動状態または完全な非作動状態のいずれかにすべく動作可能である。これは、内側タペット13の上面が外側タペット部材12の上端面の下側部に係合する前に、外側タペット12と内側タペット13との間に許可される相対運動より、カム11の揚力の方が小さいためである。しかし、バルブ制御機構を修正して、カム11の揚力を、タペット部材12と13との間の可能な最大相対運動より大きくすることもできる。この場合には、バルブは完全な非作動状態にはならず、以下のようになる。すなわち、ロックピン20及び21が後退して、タペット部材12及び13が互いに対して自由に移動できるようになると、内側部材13の上面がタペット部材12の上面の下側部に突き当たるまでは、カム11はタペット部材を互いに移動させる。その後は、カムからの揚力はバルブ17に伝わる。したがって、バルブ制御機構の第1状態において、バルブ17はわずかな時間少量の揚力を受けており、完全な非作動状態にない。
実際には、バルブを完全な非作動状態にせず、これにわずかな揚力を供給する方が、燃料噴射エンジンにおいては好ましい。燃料噴射エンジンでは、燃料は一般的に吸入バルブの後面に噴射される。吸入バルブが完全に非作動状態になると、そのあいだに燃料のだま(puddle)が生成される可能性があり、これによって次にバルブを開くときに望ましくない影響がでる。そこで、最少量の揚力を最短時間供給することにより、非作動状態の吸入バルブ後部に燃料がたまるのを避けることができると同時に、バルブの非作動状態の効果をも維持することができる。
バルブ制御機構1の第1動作状態(バルブが非作動状態にあるか最少揚力がバルブに供給される状態)における動作は、低エンジン速度かつ低エンジン負荷で行われる。一方、タペットアセンブリは、その第2動作状態(制御されたバルブが全揚力を受ける状態)では、高エンジン速度及び高負荷で動作する。これは、図示されない制御システムによって、ロックピン20及び21に供給される作動流体の圧力を、ある検出されたエンジン速度及びエンジン負荷での低圧力から高圧力(またはその逆)に切り替えることによって行われる。
ロックピン20及び21は、第1動作状態におけるバルブ制御機構1の往復質量(reciprocating mass)を最小化するために、内側部材13から外方向に延びて外側タペット部材12に係合するよう配置されている。これにより、第1動作状態でのバルブ制御機構1のエンジン損失が低減される。
本発明によるバルブ制御機構の第2実施形態を図2に示す。図2においても、カムシャフト10及びこれに取り付けられて共に回転するカム11が示されている。符号2によって示されるバルブ制御機構の第2実施形態は、すでに説明したバルブ制御機構1と多くの点で共通する。バルブ制御機構2は、外側タペット部材112と、その内部に設けられた内側タペット部材113とを含む。内側タペット部材113は、外側タペット部材112内に設けられた閉穴の内部を、外側タペット部材112に対して摺動可能である。バネ114は、内側タペット部材113と外側タペット部材112との間に作用し、内側タペット部材113を付勢して、外側タペット部材112の内部に設けられたスナップリング126にこれを係合させる。
第2バルブ制御機構2には油圧式ラッシュアジャスタが含まれないため、内側タペット部材113は、タペットアセンブリによって制御されるポペットバルブ117に直接当接している。バルブ117は、バルブスプリング118によって付勢され、そのバルブシートに係合する。バルブスプリング118は、バルブ117に取り付けられたスプリングリテーナ116に作用する。
内側タペット部材113内に直径方向に延びる穴に、ロックピン120及び121が設けられている。ロックピン120及び121は、バネ122及び123によってそれぞれ付勢され、スプリングシート130に突き当たる。スプリングシート130は、内側タペット部材113の中央に取り付けられ、バネ114を保持している。バネ124は、ロックピン120と、直径方向に延びる穴に設けられたショルダ124との間に作用する。同様に、バネ123は、ロックピン121と、直径方向に延びる穴に設けられたショルダ125との間で作用する。
タペットアセンブリ2は、油圧式ラッシュアジャスタを含まない代わりに、外側タペット部材112とカム11との間に差し込まれた機械シム131を利用している。シム131は、異なる厚さを有する他のシムと交換が可能で、正確な作業間隙(working clearance)を供給し、エンジン部品の摩耗(例えばカムの摩耗)を補償することができる。
内側タペット部材113の上面には、オイルリテーナ140が設けられている。オイルリテーナ140は、内側タペット部材113の上面においてリッジ(山)の形状を有し、実際には内側タペット部材113の上部に油膜を保持している。オイルリテーナは、内側タペット部材113と外側タペット部材112との間で可能な最大相対運動をカム11の揚力が上回るようにバルブ制御機構2が構成されている場合に効果的である。すでに説明したように、上記のような場合には、内側タペット部材113の上面が外側タペット112の上面の下側部に突き当たると、カム11から伝えられたわずかな揚力がポペットバルブ117に供給される。この場合、油膜を設けることにより、内側タペット113の上面と、外側タペット112の上面の下側部との間の衝撃が減衰され、過度なノイズ及び摩耗を防ぐことができる。図2から、実際には、外側タペット部材112の下側部に、その下側面の周囲に沿って形成されたリッジ132が設けられていることがわかる。内側タペット部材113の上面が、外側タペット部材112の下端面に近づくにつれ、リッジ132とオイルリテーナリッジ140との間には、次第に狭くなる環状の間隙が形成される。この間隙を通過してオイルが供給される。これは、内側タペット部材123が外側タペット部材112に突き当たる最終的な運動を緩和させるのに非常に効果的である。
図2に示した第2実施形態では、第1動作状態において、バルブ制御機構が制御されたバルブ117にわずかな揚力を供給する構成を説明したが、必要に応じて、タペットアセンブリを修正して、バルブの完全な非作動状態が実現できるような効果的な構成を実現させることも可能である。
第1の実施形態と同様に、図2の実施形態においても、内側タペットから半径方向外向きに延び、バルブ非作動状態でのタペットアセンブリの往復質量を低減するロックピンが含まれている。
第1の実施形態と同様に、第2実施形態は、ロックピン120、121の半径方向最内端面に油圧力を供給するためのオイル通路を有する。ロックピン120及び121は、油圧を供給されることにより移動が可能である。実際には、図示されている実施形態では、スプリングシート130の下部に位置するチャンバ133がオイル通路に接続される。オイル通路は、内側タペット113を通過して延び、内側タペット113の外表面に形成された開口部につながっている。この開口部が外側タペット112に設けられた長さ方向に延びるスロットに位置合わせされており、さらにこのスロットが、シリンダヘッドに設けられたオイル通路の開口4と位置合わせされている。図示されない制御機構が設けられ、低エンジン速度及び低負荷での低圧と、高エンジン速度及び高負荷での高圧との間で供給される流体の圧力を切り替える。
油圧力が低圧から高圧に切り替わると、ピン120及び121は、半径方向外側に力を加えられ、外側タペット112に設けられたスロット127及び128に係合する。これにより、内側タペット113と外側タペット112の両者は共に動き、カム11の揚力はバルブ117に伝えられる。一方、油圧が高圧から低圧に切り替わると、バネ122及び123がロックピン120及び121を後退位置に戻す。この状態では、外側タペット112は内側タペット113に対して自由に動き、バルブ117は非作動状態である(あるいは、わずかな揚力だけを受ける)。
図1及び図2に示されている実施形態では、油圧力が低いときには、バネ22、24及び122、124の付勢力により、内側タペット13及び113は、外側タペット12及び112に接続されない状態を維持する。しかし、このような動作方法が問題を生じる場合も考えられる。コールドスタートの場合、エンジン中のオイルの圧力は低く、ロックピンが内側タペットと外側タペットとを接続するには不十分である。ところが、コールドスタートの状況では、良好なエンジンのスタートを実現するために、すべてのバルブが駆動されるのが効果的である。したがって、状況によっては、エンジンオイルの圧力が低い場合に内側タペットと外側タペットとを接続しなければならない場合がある。図3に示されている実施形態においてこれが実現される。
図3には、カム11から、制御されるバルブ217への揚力の伝達を制御するバルブ制御機構3が示されている。カム11はカムシャフト10に取り付けられており、カムシャフト10は、これが設けられているエンジンのクランクシャフトの回転速度に関する速度で、駆動システムによって回転駆動される。
カム11は、バルブ制御機構3の円筒型外側タペット部材212の上面に係合している。外側タペット部材212は、エンジンのシリンダヘッドに形成された穴内を摺動可能である。外側タペット部材212は、その内部に内側タペット部材213を含む。内側タペット部材は、外側タペット部材212内の形成された、閉穴において、外側タペット部材212に対する摺動運動が可能である。内側タペット部材213は本質的に円筒形であって、その外径は、外側タペット部材212に形成された円筒形穴の最内端面の内径に一致する。
外側タペット部材212と内側タペット部材213との間において、バネ214が作用する。バネ214は、外側タペット部材212の閉穴の上部から延びるにつれ、内側に細くなっていることが図からわかる。外側タペット部材212内に形成された閉穴も、これに対応する先細部分229を有する。すなわち、先細部は229、本質的にほぼ円筒形である穴230の上部から、やはり本質的にほぼ円筒形である穴231の下部へと延びる部分である。円筒形の穴最上部230は穴の最大径部であり、円筒形の穴最下部231は穴の最小径部である。穴の最小径部231の内径は、内側タペット部材213の外径と一致する。
内側タペット部材213の最上部周囲にスプリングシート232が設けられている。スプリングシート232は、外側タペット部材212に形成された穴内にバネ214を確実に位置させる。バネ214は先細の形状を有するが、その圧縮時には、バネの高さ全体が、バネ214を形成する金属ストランドの径に一致する、ほぼ平坦な状態にまで圧縮することができる。このようなバネの使用により、バネが完全に圧縮された場合に、外側タペット212と内側タペット213との間の最大相対運動が、両者の間で作用するバネの高さのために大きく制限されることがない。
内側タペット部材213の中央には、円筒形の閉穴が形成されている。そして、この円筒穴内には、内側タペット部材213と、バルブ制御機構3によって制御されるバルブ217の上部との間で作用する油圧式ラッシュアジャスタ215が設けられている。バルブ217は、通常、内燃機関のポペットバルブであり、通常の吸入バルブであるが、排気バルブでもよい。
バルブ217には、スプリングリテーナ216が取り付けられている。そしてバルブスプリング218がこのスプリングリテーナ216に作用する。バルブスプリング218は、バルブ217のバルブステムの上部から、バルブ217のバルブステムの底部に向かって先細になっている。(なお、ここでは、バルブのヘッドに最も近いバルブステムの端部をバルブステムの底部とする。)バルブスプリング218は、バルブ217を付勢して、図示しないバルブシートに当接させる。
外側タペット部材212の直径方向を横切って穴が形成されている。この穴には、2つのロックピン220及び221が配設されている。ロックピン220及び221は、バネ222及び223によってそれぞれ内側に付勢される。バネ222は、ロックピン220と、直径方向に延びる穴に設けられた当接部材224との間で作用する。バネ223は、ロックピン221と、直径方向に延びる穴に設けられたバネ部材224との間で作用する。バネ部材224とロックピン220との間の体積(volume)を逃がす(vent)ように、外側タペット部材212には開口部233が形成されている。開口部233は、ロックピン220の運動を妨げる、ロックピン220後方での油圧ロックの確立を防ぐ。同様にして、開口部234を形成することにより、ロックピン221と当接部材225との間の体積が逃がされる。
内側タペット部材213には穴が形成され、これにより、供給された作動流体を内側タペット部材213の外部に設けられた開口部227及び228を介して、ロックピン220及び221の半径方向最内端面に作用させることができる。この穴は、図3に示された断面から延び、外側タペット部材212を通過して形成された穴に位置合わせされる。さらに、外側タペットの穴は、エンジンのシリンダヘッドに形成された穴の口と一致し、これによって作動流体の供給が可能になる。作動流体を供給する際の圧力は、図示されない制御機構によって、低圧状態と高圧状態との間で切り替えられる。
使用時には、バルブ制御機構3は2つの動作状態で動作する。図3に示されている第1の動作状態では、ロックピン220及び221は、バルブ制御機構3に供給され、ロックピン222及び221の端部面222A及び221Aとにそれぞれ作用する作動流体の加圧力によって、内側タペット部材213に接続されない状態で保持される。ロックピン221及び222は、外側タペット部材を通過してその直径方向に延びる穴内部において、その全体が油圧によって押圧されるため、ロックピン220、221と、内側タペット部材213との間には相互作用は全く発生しない。この結果、内側タペット部材213は外側タペット部材212に対して自由に動き、カム11の揚力は、内側タペット部材213と外側タペット部材212との間の相対運動によって、少なくともその一部が吸収される。
バルブ制御機構3の選択された大きさ及びカム11の揚力により、バルブ17は、第1動作状態において完全な非作動状態にされるか、あるいは短時間わずかな揚力を受けるかのいずれかが可能である。すなわち、すでに説明したように、外側タペット部材212に形成された閉穴の端部236に内側タペット部材が突き当たるまで、内側タペット部材と外側タペット部材の間で可能な相対運動よりカム11の揚力が小さければ、バルブは非作動状態になる。しかし、内側タペット部材と外側タペット部材の間で可能な最大相対運動よりカム11の揚力が大きい場合、内側タペット部材213の上面235は、外側タペット部材212に形成された穴の閉端部を形成する表面236に当接する。このような当接が起こると、カム11のさらに大きい揚力が制御されたバルブ17に中継される。
タペットアセンブリ3の第2動作状態においては、ロックピン222及び233は外側タペット部材212から半径方向内側に付勢されて、内側タペット部材213の外表面に形成された開口部227及び228に係合する。ロックピン222及び221は、これにかかる油圧力が低レベルで、バネ222及び223の付勢力を中和するのに不十分である場合、バネ222及び223の付勢力によって半径方向内側に押圧される。このように、ロックピン220及び221は開口部227及び228に係合しているので、外側タペット部材212と内側タペット部材213はロックされて共に動き、カム11の全揚力がバルブ制御機構によってカム11から制御されたバルブ17に伝わる。
内側タペット部材213、外側タペット部材212、及び作動流体を中継するシリンダヘッドのそれぞれに形成された穴は、カム11の底部円形部が外側タペット部材212の上面に係合する時に互いに位置が揃う。バルブ制御機構3のロック状態とロック解除状態との切り替えは、カムの底部円形部が係合している間にのみ行われ、それ以外の場合にはロックピン220及び221に供給される油圧力を維持する必要はない。内側タペット部材213と外側タペット部材212の位置が合わせられていない場合(すなわち、両者がロックされず、外側タペット部材212がカム11によって内側タペット部材213に対して移動する場合)、ロックピン220は内側タペットの表面に形成された開口227及び228に係合することはできない。一方、内側タペット部材213と外側タペット部材212がロックされ、両者がカム11によって動く場合には、ロックピン220及び221から伝達される力はこれらを適所に維持するのに十分である。
上記の説明から、図3の実施形態は、図1及び図2の実施形態とは逆の方法で動作することがわかる。すなわち、図3の実施形態においては、バルブ制御機構3に供給される作動流体の圧力が低レベルにあると、内側タペット部材と外側タペット部材がロックされ、両者が共に動く。一方、バルブ制御機構3に供給される作動流体の圧力が高レベルにあると、内側タペット部材213と外側タペット部材212はその接続を解かれ、制御されたバルブはカム11の揚力を全く受けないかあるいはその一部のみを受ける。
供給される作動流体の圧力は、図面に示されていない制御システムによって制御される。この制御システムは、内側タペット部材213と外側タペット部材212との接続が解除されるように、油圧力を低圧力から高圧力に切り替えることができる。次に、油圧力が高圧力から低圧力に切り替わると、付勢バネ222及び223が作用して内側タペット部材213と外側タペット部材212を再び接続する。
エンジンのスタート時にはオイルの圧力は低く、この始動時にすべてのバルブが作動されるのが効果的であるため、低オイル圧力でタペット部材が接続されるバルブ制御機構を有することは効果的である。バルブ制御機構には制御システムが設けられ、この制御システムが、エンジン速度、負荷、温度の1つ以上をモニタし、測定された信号をメモリに格納されたマッピングテーブルと比較して、特定のバルブを作動させるべきか否かを判断する。このように、温度の低いエンジン始動時において、バルブを作動させることができる。つづいて、エンジン温度が上がると、エンジン速度に応じて、コントローラがバルブ制御動作を切り替えることができる。すなわち、エンジン速度が低ければバルブを作動させず、エンジン速度が高ければバルブを作動させる。本発明のこの態様は、添付の図面に示されているバルブ非作動化タペットだけでなく、WO91/12413,EP−A−0265281,EP−A−0343931,EP−A−0364069,EP−A−0293209の特許明細書、さらには未公開の出願PCT/GB94/00619およびGB 9401248.1の明細書に記載されるカム輪郭切り替え及びバルブ非作動化システムも適用が可能である。さらに、実際には、ロックされて共に動くことのできる2つのタペット部材(円筒形タペットまたは、ロッカーアームやフィンガーフォロワ(finger followers)の形状を有する)を備えたいかなるシステムにも適応できる。
本発明のバルブ制御機構は本質的に簡素かつコンパクトであり、エンジンのシリンダヘッドを実質的に修正する必要がない。実際に、単に従来のエンジンに取り付けられた油圧式ラッシュアジャスタを本発明によるバルブ制御機構に置き換えるだけで、既存のエンジンをバルブ非作動制御することができる。多くのエンジンが、油圧式ラッシュアジャスタと、油圧式ラッシュアジャスタを供給するシリンダヘッド内にオイル通路をすでに有している。そのため、油圧式ラッシュアジャスタを、本発明によるタペットアセンブリと交換し、既存のオイル通路内の圧力を高圧と低圧の間で切り替える手段をエンジンに供給することは簡単である。本発明のバルブ制御機構は、エンジンに用いられるバルブのステムを位置合わせする必要がなく、また、シリンダヘッドの通路を特別に位置合わせする必要もない。
上記3つの実施形態においては、オーバーヘッドカムエンジンに用いられるバルブ制御機構が示されているが、プッシュロッドエンジンにおいても上記実施形態を用いることができる。その場合には、内側タペットは、バルブステムではなくプッシュロッドに係合する。
また、上記の3つの実施形態では、外側タペットがカムに係合し、内側タペットがバルブに係合したが、これを逆にした機構も使用可能である。さらに、タペット部材が直接カム及びバルブに当接する必要もなく、タペット部材を、カムからバルブに揚力を中継するより大きい機構の一部にすることもできる。
例示された3つの実施形態では、内側タペット部材及び外側タペット部材の位置合わせされた穴と、外側タペット部材の穴と位置合わせされたシリンダヘッドの穴とによって、作動流体が内側タペット部材に供給される。しかしながら、全動作行程を通じてこのような穴の一致を維持するために、タペット部材が互いに回転したり、シリンダヘッドに対して回転するのを防ぐための手段を設ける必要がある。内側タペットと外側タペットは、外側タペット部材の内側表面と内側タペット部材の外側表面に形成された、互いに一致する軸方向に延びる溝に第1のピンを挿入することによって、回転方向に位置合わせされた固定位置に保持することができる。外側タペットは、外側タペット部材の外側表面とシリンダヘッド穴の内側表面に形成された、互いに一致する軸方向に延びる溝に第2のピンを挿入することにより、それ自体が、固定された回転位置に保持される。あるいは、外側タペット部材の外側表面またはシリンダヘッドの穴の内側表面の周囲にオイルギャラリ(油孔;油送管)を取り付け、これによって外側タペット部材の回転位置を固定する必要を省くこともできる。すなわち、オイルギャラリを設けることにより、外側タペット部材がいかなる相対回転位置にあろうと、作動流体をこれに供給することができると共に、当接面の間に潤滑膜を形成できるという効果も得られる。いずれの構成が用いられるとしても、エアロックの発生を防ぐために、穴またはオイルギャラリ、あるいはその両者が、軸方向の相対運動の可能な最大範囲を通じて、常に塞がれていることが重要である。例えば、内側タペット部材の穴は外側タペット部材によって常に塞がれている。
Claims (9)
- バルブ列中での使用に適したバルブ制御機構(1;2)であって、内燃機関のカムシャフト(10)上に配置されるカム(11)から内燃機関のシリンダヘッドバルブ(17;117)まで揚力を伝達し、カム(11)に当接する第1タペット部材(12;112)と、シリンダヘッドバルブ(17;117)のステム上面に当接する第2タペット部材(13;113)と、を有し、
バルブ制御機構は、
エンジンの穴中でスライド可能な第1タペット部材(12;112)と、
前記第1タペット部材(12;112)と相対的に移動可能な第2タペット部材(13;113)と、
前記第1タペット部材(12;112)および第2タペット部材(13;113)を固定して共に運動させることのできるロック手段(20,21,22,23,24,25,27,28;120,121,122,123,124,125,127,128)と、
を備え、
前記ロック手段(20,21,22,23,24,25,27,28;120,121,122,123,124,125,127,128)が前記第1タペット部材(12;112)および第2タペット部材(13;113)を固定して共に運動させる場合は、前記バルブ制御機構(1;2)は前記カム(11)の全揚力を前記シリンダヘッドバルブ(17;117)に伝達し、
前記ロック手段(20,21,22,23,24,25,27,28;120,121,122,123,124,125,127,128)が前記第1タペット部材(12;112)および第2タペット部材(13;113)を互いに相対的に運動させる場合は、前記シリンダヘッドバルブ(17;117)を持ち上げるよりは、前記カム(11)揚力の少なくとも一部によって、前記第1タペット部材(12;112)および第2タペット部材(13;113)が相対的に運動させられ、これにより前記バルブ制御機構(1,2)は前記カム(11)から前記シリンダヘッドバルブ(17;117)まで伝達される揚力の量を減じることができ、
前記一方のタペット部材(13;113)は前記他方のタペット部材(12;112)を介してのみ前記カムシャフト(10)に接続可能であり、
前記第1タペット部材(12;112)は内部に穴を有する外側タペット部材(12;112)であり、前記第2タペット部材(13;113)は前記外側タペット部材(12;112)の穴中でスライド可能な内側タペット部材(13;113)であり、
前記ロック手段(20,21,22,23,24,25,27,28;120,121,122,123,124,125,127,128)は、
前記内側タペット部材(13;113)と前記外側タペット部材(12;112)と係合する第一の位置と、前記内側タペット部材(13;113)と前記外側タペット部材(12;112)と係合しない第二の位置との間をスライド可能なロックピン(20,21;120,121)と、
前記内側タペット部材(13;113)と前記外側タペット部材(12;112)間で作用して、前記ロックピン(20,21;120,121)が第二の位置から前記内側タペット部材(13;113)と前記外側タペット部材(12;112)と係合する第一の位置へスライド可能な位置に前記内側タペット部材(13;113)と前記外側タペット部材(12;112)を相対的に付勢するバネ(14;114)と、
を有し、
前記外側タペット部材(12;112)上には、前記外側タペット部材(12;112)に対する前記内側タペット部材(13;113)の相対的な運動を制限するスナップリング(26;126)が設けられ、
前記バネ(14;114)は、内側タペット部材(13;113)を付勢して、前記内側タペット部材(13;113)の運動を制限している前記スナップリング(26;126)に係合させるものであり、
前記スナップリング(26;126)は、これに内側タペット部材(13;113)が係合したとき、前記ロックピン(20,21;120;121)が第一の位置と第二の位置との間をスライド可能となるように、配置されている、
ことを特徴とするバルブ制御機構。 - 請求の範囲1に記載のバルブ制御機構において、
前記バルブ制御機構(1;2)は、前記ロック手段(20,21,22,23,24,25,27,28;120,121,122,123,124,125,127,128)が前記内側タペット部材(13;113)および外側タペット部材(12;112)を互いに相対的に運動させる場合は、前記カム(11)の揚力を前記シリンダヘッドバルブ(17;117)へまったく伝えないことを特徴とするバルブ制御機構。 - 請求の範囲1に記載のバルブ制御機構において、
前記バルブ制御機構(1;2)は、前記ロック手段(20,21,22,23,24,25,27,28,120,121,122,123,124,125,127,128)が前記内側タペット部材(13,113)および外側タペット部材(12,112)を互いに相対的に運動させる場合は、前記カム(11)の揚力の一部を前記シリンダヘッドバルブ(17,117)へ伝えることを特徴とするバルブ制御機構。 - 請求の範囲3に記載のバルブ制御機構において、
前記外側タペット部材(12;112)の穴の一方端は閉じており、前記カム(11)の各回転時にまず前記カム(11)の揚力が増大すると、前記内側タペット部材(13;113)は前記外側タペット部材(12;112)の前記一方端の穴沿いに前記穴の閉端に当接するまでスライドし、その後、前記カム(11)の揚力がさらに増大すると、前記シリンダヘッドバルブ(17;117)が持ち上げられることを特徴とするバルブ制御機構。 - 請求の範囲4に記載のバルブ制御機構において、前記内側タペット部材(13;113)は、使用中に前記穴の閉端と向き合う表面を有し、前記表面上にはオイルリテーナ(140)が設けられ、前記オイルリテーナ(140)は使用中に前記表面が前記穴の閉端との当接部に近づくと前記内側タペット部材(13;113)および外側タペット部材(12;112)間の相対運動を減衰するように働く油膜を前記表面上に保持することを特徴とするバルブ制御機構。
- 請求の範囲1〜5のいずれか1項に記載のバルブ制御機構において、
前記ロックピン(20,21;120,121)は前記内側タペット部材(13;113)に設けられた穴中をスライド可能であり、
スロット(27,28;127,128)が前記外側タペット部材(12;112)に設けられ、
第一の位置におけるロックピン(20,21;120,121)は、前記内側タペット部材(13;113)から外向きに延びて前記外側タペット部材(12;112)のスロットと係合し、第二の位置における前記外側タペット部材(12;112)のスロット(27,28;127,128)との係合からはずれることを特徴とするバルブ制御機構。 - 請求の範囲6に記載のバルブ制御機構において、
前記ロック手段(20,21,22,23,24,25,27,28;120,121,122,123,124,125,127,128)は、前記ロックピン(20,21;120,121)を前記第二の位置に付勢するバネ手段(22,23;122,123)と、
前記バルブ制御機構(1;2)に作動流体を供給し、前記ロックピン(20,21;120,121)を加圧して前記バネ手段(22,23;122,123)の前記付勢力に抗して前記第二の位置から前記第一の位置へスライドさせるように動作する作動流体供給手段と、
を含むことを特徴とするバルブ制御機構。 - 請求の範囲1〜7のいずれか1項に記載のバルブ制御機構において、
前記内側タペット部材(13)の前記閉穴中には油圧式ラッシュアジャスタ(15)が設けられ、前記油圧式ラッシュアジャスタ(15)は、使用中にエンジン部品の摩耗を補償するよう延びていることを特徴とするバルブ制御機構。 - 請求の範囲1〜8のいずれか1項に記載のバルブ制御機構であって、
前記ロック手段(20,21,22,23,24,25,27,28;120,121,122,123,124,125,127,128)を制御する油圧制御手段を備え、
前記油圧制御手段は、前記ロック手段(20,21,22,23,24,25,27,28;120,121,122,123,124,125,127,128)に供給される作動流体の圧力を制御することにより前記ロック手段(20,21,22,23,24,25,27,28;120,121,122,123,124,125,127,128)の前記第一および第二の動作状態を切り替えることを特徴とするバルブ制御機構。
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