JP4016617B2 - 動弁装置およびこれを備えた内燃機関 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動二輪車あるいは自動車などにおける内燃機関において、アクセル開度に応じてバルブのリフト量、リフトタイミングおよび作用角を可変制御する動弁装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の内燃機関において、以前より燃焼効率の向上を図るべく、種々の工夫あるいは提案等がなされてきている。バルブの開閉タイミングをずらして行なう可変位相方式に始まり、カム切換によるバルブリフトの可変制御やバルブ休止等が採用されてきた。なお、このカム切換方式は、低速用と高速用の２つのカムを用意し、エンジン出力に応じて作用角の小さいものから大きなものに切り換えるというものである。
【０００３】
さらに最近では可変位相とカム切換の組合せが出始め、その後作用角およびリフト量を連続可変する３次元カムを使用する方式が提案されている。
たとえば、直打式円筒タペットの頂部に接触角変化に対する追従機構を設け、３次元カムを軸方向にスライドさせることにより、バルブリフト量を無段階に可変するものがある。
【０００４】
そして、この従来例ではカム軸自体を移動させるようにしているため回転およびスライドともスムースに動作させる必要がある。その場合、ドリブンスプロケットはスライドさせることができないので、ドリブンスプロケット部に出力の大きな油圧装置を設けていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる従来例においては上記のように大型の油圧装置が必要になることから、装置全体として大柄になるばかりか、位相を可変にしようとする場合には両方を正確に制御するためにそれぞれを別系統化して作動制御しなければならず、コストおよび重量が増大せざるを得なくなる。
また、高回転域まで回転させるためには接触角変化追従装置を軽量化しなければならず、その揺動量も大きくなるとＰＶ値が高くなり、焼き付き易くなる。そのためリフト変化幅に制限がつき易い構造となり、０〜最大リフト量の範囲を有効にカバーするのが難しくなる。
【０００６】
さらに、製作に際して平面円筒研削盤を使って形成される３次元（立体）カムであるため接触部分が直線状となり、中間リフトカーブは、最小〜最大リフトカーブを直線的につないだカーブとなって、タイミングやリフトカーブを自由に選ぶことができない。
また、バルブ休止機構を持たない（取り付け難い）ため、低中速時におけるスワール、タンブルを生成して流速を高めることができない。
【０００７】
本発明はかかる実情に鑑み、バルブを最適制御し、燃費改善等に優れた効果を発揮する上、つねに適正かつ円滑動作を保証し高い安全性を実現する動弁装置およびこれを備えた内燃機関を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の動弁装置は、カム高さとカム作用角が連続的に変化するように形成され、カムシャフトと一体回転するとともにその軸方向に相対移動可能に構成されたカムと、前記カムのカム面に押圧されてバルブを進退させるバルブリフタとを備えた動弁装置であって、 この動弁装置は、前記カムシャフトの軸方向に傾斜するカム面を有し、かつ前記カムシャフトの軸方向にスライドすることによりバルブリフト量、バルブリフトタイミングおよびバルブ作動角が連続無段に可変制御されるカムと、前記カムに係合し、かつアクセルモータの駆動力を受けて前記カムシャフトと平行にスライド移動することで前記カムをスライドさせるフォークと、アクセル低開度時に前記バルブリフタの進退動を規制し得る、前記アクセルモータとは別の駆動装置により連動駆動されるフォーク規制機構とを備え、アクセル開度に応じて前記フォーク規制機構を駆動することで、該フォーク規制機構の規制部材が前記フォークと係合して前記フォークのスライド動作を規制することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の動弁装置において、少なくとも２つのバルブを持ち、一方のバルブが休止状態のとき、前記カムによるバルブリフト量が所定値以上にならないように、前記フォークのスライド量を所定範囲内に制限することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の動弁装置において、前記一方のバルブを休止させるためのタペットストッパを有するとともに、前記規制部材は概略Ｌ字状に形成され、そのＬ字の角部にて前記カムシャフトと平行に軸支され、前記規制部材の一端が前記タペットストッパに常時当接するとともに、他端が前記フォークを支持するアクセルシャフトに接近可能としたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の動弁装置において、前記タペットストッパにより前記一方のバルブを休止させる際、前記規制部材の一端側が前記タペットストッパの外周面に沿って揺動し、その他端側が前記アクセルシャフトに接近するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の内燃機関は、吸気バルブおよび排気バルブにより吸排気を制御するようにした内燃機関であって、少なくとも吸気側に上記いずれかの動弁装置を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の内燃機関は、回動自在にフロントフォークを軸支するステアリングヘッドパイプと、該ステアリングヘッドパイプに連結される車体フレームに搭載される燃料タンクと、該燃料タンクの後方に連設されるシートと、該シートおよび燃料タンクの下方に配置されるエアクリーナとを有する自動二輪車において、前記エアクリーナの前方に搭載され、その後部および前記エアクリーナを結合する吸気管と該吸気管が結合されるのと反対側に結合する排気管とを備えた内燃機関であって、カム高さとカム作用角が連続的に変化するように形成され、カムシャフトと一体回転するとともにその軸方向に相対移動可能に構成されたカムと、前記カムのカム面に押圧されてバルブを進退させるバルブリフタとを備える動弁装置を有し、この動弁装置は、前記カムシャフトの軸方向に傾斜するカム面を有し、かつ前記カムシャフトの軸方向にスライドすることによりバルブリフト量、バルブリフトタイミングおよびバルブ作動角が連続無段に可変制御されるカムと、前記カムに係合し、かつアクセルモータの駆動力を受けて前記カムシャフトと平行にスライド移動することで前記カムをスライドさせるフォークと、アクセル低開度時に前記バルブリフタの進退動を規制し得る、前記アクセルモータとは別の駆動装置により連動駆動されるフォーク規制機構とを備え、アクセル開度に応じて前記フォーク規制機構を駆動することで、該フォーク規制機構の規制部材が前記フォークと係合して前記フォークのスライド動作を規制することを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、この種のエンジンにおいてアクセル開度に応じてバルブリフト量および作用角を無段階可変制御する。この場合、吸気量をアイドル回転域から全開域までコントロールし、エンジン回転数に最も適した吸気特性を確保することができる。これにより燃焼効率を有効に高め、燃費や出力を大幅に向上することができる上、構成が比較的簡単でありながら優れた効果を発揮し、実質的コストがかからず製造も容易である。
【００１５】
また特に、アクセル開度に応じてフォークのスライド量を可変制御する規制部材を持つことにより、アクセル開度に応じてフォークをスライドさせ得る範囲が限定される。これによりアクセル開度に最適なバルブリフト量となるようにカムを制御することができる。
また、タペットストッパにより一方のバルブを休止させる際、カムによるバルブリフト量を制限することで、バルブリフタとタペットガイドとの間に生じ得る摩擦抵抗を低減し、バルブリフタの作動を円滑化する。
また、規制部材の一端をタペットストッパに常時当接させることで、規制部材の切換制御をタペットストッパに正確に同期させ、円滑かつ適正動作を保証することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき、本発明による好適な実施の形態を説明する。
本発明による動弁装置は、自動二輪車あるいは四輪自動車に搭載される各種のガソリンエンジンに対して有効に適用可能であり、この実施形態ではたとえば図１に示すように自動二輪車のエンジンを例とする。
【００１７】
ここで先ず、本実施形態に係る自動二輪車１００の全体構成を説明する。図１において、鋼製あるいはアルミニウム合金材でなる車体フレーム１０１の前部には、ステアリングヘッドパイプ１０２によって左右に回動可能に支持された２本のフロントフォーク１０３が設けられる。フロントフォーク１０３の上端にはハンドルバー１０４が固定され、ハンドルバー１０４の両端にグリップ１０５を有する。フロントフォーク１０３の下部には前輪１０６が回転可能に支持されるとともに、前輪１０６の上部を覆うようにフロントフェンダ１０７が固定される。前輪１０６は、前輪１０６と一体回転するブレーキディスク１０８を有している。
【００１８】
車体フレーム１０１の後部には、スイングアーム１０９が揺動可能に設けられるとともに、車体フレーム１０１とスイングアーム１０９の間にリヤショックアブソーバ１１０が装架される。スイングアーム１０９の後端には後輪１１１が回転可能に支持され、後輪１１１はチェーン１１２が巻回されたドリブンスプロケット１１３を介して、回転駆動されるようになっている。
【００１９】
車体フレーム１０１に搭載されたエンジン１(実線部)には、エアクリーナ１１４に結合する吸気管１１５から混合気が供給されるとともに、燃焼後の排気ガスが排気管１１６を通って排気される。エアクリーナ１１４は容量確保のためにエンジン１の後方、かつ燃料タンク１１７およびシート１１８の下方にある大きなスペース内に設置される。そのため吸気管１１５はエンジン１の後部側に結合させ、排気管１１６はエンジン１の前部側に結合される。また、エンジン１の上方には、燃料タンク１１７が搭載され、燃料タンク１１７の後方にシート１１８およびシートカウル１１９が連設される。
【００２０】
ここで、エンジン１のシリンダヘッド２乃至シリンダヘッドカバー２ａの所定部位には、後述するアクセルモータ４５が装着される。アクセルモータ４５はたとえば図示例のように、シリンダヘッドカバー２ａの上面から突設される。その場合、燃料タンク１１７の下部に設けた凹部内にアクセルモータ４５部分が配設されるようになっており、燃料タンク１１７とシリンダヘッドカバー２ａは相互に干渉しないように配置される。
【００２１】
アクセルモータ４５はリンクを用いれば、吸気側でも排気側でも設置可能であるが、排気側に設ける場合燃料タンク１１７に形成する凹部が露出されて、そのままでは外観性が低下するので、それを考慮に入れるとアクセルモータ４５は吸気側に設ける方が好ましい。
【００２２】
さらに図１において、１２０はヘッドランプ、１２１はスピードメータ、タコメータあるいは各種インジケータランプ等を含むメータユニット、１２２はステー１２３を介してハンドルバー１０４に支持されるバックミラーである。また、車体フレーム１０１の下部にはメインスタンド１２４が揺動自在に取付けられ、後輪１１１を接地させたり地面から浮かせたりできる。車体フレーム１０１は、前部に設けたヘッドパイプ１０２から後斜め下方へ向けて延設され、エンジン１の下方を包むように湾曲した後、スイングアーム１０９の軸支部であるピボット１０９ａを形成してタンクレール１０１ａおよびシートレール１０１ｂに連結している。
【００２３】
この車体フレーム１０１には、フロントフェンダ１０７との干渉を避けるべく車体フレームと平行にラジエータ１２５が設けられるとともに、このラジエータ１２５から車体フレーム１０１に沿って冷却水ホース１２６が配設され、排気管１１６と干渉することなくエンジン１に連通している。
【００２４】
また、図２は本発明装置の要部側断面図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。これらの図にも示されるように、この実施形態では並列２気筒エンジンであって、各気筒ごとに吸気側（ＩＮ）および排気側（ＥＸ）にそれぞれ２つのバルブ（つまり４バルブ）を有している。なお、この実施形態では吸気側に適用した例とするが、吸気側および排気側の双方に適用することもできる。シリンダ内で上下に往復動するピストン１の上部にシリンダヘッド２が配置され、このシリンダヘッド２内に動弁装置が収容される。
【００２５】
動弁装置は、気筒の配列方向に沿って配置されるカム／カムシャフトユニット１０と、カム／カムシャフトユニット１０の下側に配置されるタペットユニット２０と、この例では吸気制御するバルブユニット３０と、アクセル開度に応じてカムを変位させるアクセルシャフトユニット４０と、必要に応じてバルブを休止させるバルブ休止ユニット５０とを含んでいる。なお、バルブユニット３０については、排気側も同様の構成であってよい。
【００２６】
カム／カムシャフトユニット１０において、カムシャフト１１は、ベアリング１２（図３）を介してシリンダヘッド２に回転自在に支持される。カムシャフト１１にはその軸方向に後述するカム１３がスライド可能に装着されるが、この例ではカムシャフト１１はたとえば３条のボールスプライン１１ａを有し、そのガイドによってボール１４を介して直線運動（リニアモーション）するようになっている。なお、カムシャフト１１は中空構造とし、その中空内部に潤滑油路を形成してカム１３等に注油することができる。
【００２７】
カムシャフト１１の一端にはスプロケット１５が固着している。排気側のカムシャフト１１Exの一端にもスプロケット１５Exが固着しており、これらのスプロケット１５，１５Exとクランクシャフト（図示せず）の一端に固着するドライブスプロケット４との間にカムチェーン５が巻回装架される（図５参照）。なお、図５に示されるようにチェーンガイド６、チェーンテンショナ７およびチェーンアジャスタ８等を含み、これらによりカムチェーン５が適正走行するようになっている。
【００２８】
ここで、カム１３はいわゆる「３次元カム」として構成され、また各気筒に１つのカム１３が設けられる。図６に示されるように長手方向（カムシャフト１１の軸方向）に緩やかに傾斜するカム部１３ａが延設され、バルブリフト量を連続的に変化させる形状に成形されている。この場合、カム高さと同時にカム作用角およびリフトタイミングも変化し、すなわちバルブリフト量が大きくなるのに従ってカム作用角も大きくなり、さらにはバルブのリフトタイミングも変化させ得るように設定されている。図７は、かかるカム１３の具体的な３次元カム構成諸元の例を示している。このようなカム１３をカムシャフト１１に沿って移動させることにより、吸気バルブのリフト量、作用角およびリフトタイミングを無段階に可変制御することができる。
【００２９】
タペットユニット２０において、タペット２１はその内側にベアリングを収容する収容部を有する円板状（ドーナッツ状）に形成され、ベアリングとしてのボール２２を介してタペット芯材２３を保持する。シリンダヘッド２の適所にはタペットホルダ２４が配置固定されており、タペット２１は、タペットホルダ２４内部に収容されるかたちで浮動保持される。このタペットユニット２０（タペット２１）は、カム１３のカム面に押されてバルブを進退させるバルブリフタとして機能する。
【００３０】
タペット芯材２３は、タペット２１とともにボール２２を収容保持する基部２３ａと、基部２３ａから左右両側へ延びる（カムシャフト方向）腕部２３ｂと、各腕部２３ｂの端部に設けられ、吸気バルブに当接するようにした押圧部２３ｃとを含んでいる。１つのタペット２１によって押圧部２３ｃを介して、２つのバルブを同時に駆動できるようになっている。
【００３１】
タペット２１の外周面は典型的には円弧状（Ｒ状）に形成され、カム１３とは点接触するようになっている。また、タペット２１の内側にタペット芯材２３の基部２３ａとの間にボール２２を介在させることにより、自動調芯機能を持つ。タペット芯材２３の腕部２３ｂは、タペットホルダ２４に設けたガイド溝２４ａ（図２参照）によってガイドされる。このタペットホルダ２４のガイドにより、タペット２１はバルブステム３１ａの軸方向にのみ移動可能になる。
【００３２】
なお、本実施形態では排気側については、図２に示されるように平板状のカム１３Ex（平面カム）とこれに当接する接触平面を持つ円板状のタペット２１Exを有する。
【００３３】
バルブユニット３０において、それぞれのバルブステム３１ａがバルブガイド３２によってガイドされる２つの吸気バルブ３１を含んでいる。また、各バルブステム３１ａの端部には、タペット芯材２３の押圧部２３ｃと当接するタペットシム３３を有し、バルブリテーナ３４とスプリングシート３５の間にバルブスプリング３６が装着される。
【００３４】
アクセルシャフトユニット４０において、カムシャフト１１と平行に配置されたアクセルシャフト４１と、アクセルシャフト４１に固着するとともにカム１３に連結するアクセルフォーク４２を含んでいる。アクセルシャフト４１はその軸方向にスライド可能にシリンダヘッド２によって支持され、一端側でネジリスプライン４１ａを介してドリブンギヤ４３（ホイール）と係合している。ドリブンギヤ４３は複列ボールベアリング４４によって回転自在に支持され、アクセルモータ４５の出力軸に固着したドライブギヤ４６（ウォーム）と噛合する。
【００３５】
アクセルモータ４５は、アクセル変化（アクセル開度や加速・減速方向など）に対応してその出力軸が回転し、その回転はドライブギヤ４６およびドリブンギヤ４３を介して、アクセルシャフト４１のスライド運動に変換される。この例ではアクセルモータ４５はシリンダ軸線方向に沿って配置され、シリンダヘッドカバー２ａによって覆われている。
なお、たとえば自動二輪車の場合にあっては、アクセルグリップの回転操作量をアクセルモータ４５の出力軸の回転量に対応させるようにしてもよい。また、アクセルモータ４５を駆動する際、そのときの走行状況（出力）に合うようにコントローラ（図示せず）によって駆動制御されるようになっている。
【００３６】
アクセルフォーク４２は、ベアリング４７を介してカム１３の端部に回転自在に装着されたフォークガイド４８と係合する。これによりアクセルシャフト４１がその軸方向にスライドするのに連動もしくは同期して、カム１３がカムシャフト１１に沿ってスライドする。
【００３７】
ここで、本発明では特に図３に示されるように、アクセルシャフト４１にはストッパカラー４９が嵌着している。このストッパカラー４９は、後述するようにアクセルフォーク規制機構７０と係合してアクセルフォーク４２のスライド動作を規制するようになっている。
【００３８】
バルブ休止ユニット５０において、２つの吸気バルブ３１の一方を休止させるように構成されたタペットストッパ５１を有する。タペットストッパ５１は、シリンダヘッド２に形成されたガイド孔２ｃに内挿され、カムシャフト１１と平行にスライド可能である。タペットストッパ５１の一端にはタペット芯材２３の嵌合凹部２３ｄに係合可能な球状のストッパ部５１ａを有し、また他端には後述するフォークが係合するフォークガイド５２が取り付けられている。ガイド孔２ｃには、ストッパ部５１ａをタペット芯材２３の嵌合凹部２３ｄ側へ付勢するリターンスプリング５３が装着されている。
【００３９】
駆動装置５４は、カムシャフト１１と平行に配置され、タペットストッパ５１を駆動（進退駆動）するための駆動シャフト５５を進退させる。駆動シャフト５５にはフォーク５６が結合しており、このフォーク５６はタペットストッパ５１のフォークガイド５２と係合する。２つのタペットストッパ５１は相互に、駆動シャフト５５によって連結されており、同期作動するようになっている。
【００４０】
バルブ休止ユニット５０は特にエンジン低速回転域において燃焼室内に吸気スワール流を生成させるために有効であり、つまりエンジン低速時においてはタペットストッパ５１がタペット芯材２３の一端側の支点となり、その他端側の押圧部２３ｃのみが吸気バルブ３１を押し下げ、すなわちリフトさせ、これによりスワール流を生成することができる。
【００４１】
ここで、カムシャフト１１の他端には位相センサユニット６０が設けられている。位相センサユニット６０は、カムシャフト１１の他端に植設されたピン６１とこのピン６１を検出して出力信号を得る位相センサ６２を含んでいる。
【００４２】
また本発明では特に、アクセル開度に応じてアクセルフォーク４２のスライド可能量を可変制御するためのアクセルフォーク規制機構７０を有する（図２）。このアクセルフォーク規制機構７０は概略Ｌ字状を呈し、図８に示されるようにそのＬ字の一端側にタペットストッパ５１のポジションセンサとして機能するセンサアーム７１を有し、また他端側にはアクセルフォーク４２に対する規制部材として機能する規制アーム７２を有する。これらのセンサアーム７１および規制アーム７２は、回転軸７３の両端にそれぞれ固着し、一体的に構成されている。回転軸７３は、たとえばタペットホルダ２４の一部を利用して軸支されるようにしてもよい。
【００４３】
センサアーム７１の先端７１ａは図３にも示されるようにタペットストッパ５１に当接するように、また規制アーム７２の先端７２ａはストッパカラー４９に当接するようにそれぞれ配置される。回転軸７３のまわりには弾機手段であるネジリコイルスプリング７４が装着されており、このネジリコイルスプリング７４の弾力によりセンサアーム７１の先端７１ａが常時タペットストッパ５１の外周面に当接するように付勢される。なお規制アーム７２は、図８に示されるようにシリンダヘッド２側のストッパ部２ｂにより位置規制されている。
【００４４】
上述のようにセンサアーム７１の先端７１ａが常時タペットストッパ５１の外周面に当接するが、ここで図９を参照してタペットストッパ５１はストッパ部５１ａに連設するかたちで、首部５１ｂ、傾斜面部５１ｃおよび大径部５１ｄを有する。タペットストッパ５１がタペット芯材２３に対して進退するのに応じて、センサアーム７１の先端７１ａのタペットストッパ５１に対する当接位置が首部５１ｂ〜大径部５１ｄの間で順に変化する。また、かかるセンサアーム７１の先端７１ａの当接位置の変化により、規制アーム７２の先端７２ａはアクセルシャフト４１に対して接近、離間（アクセルシャフト４１の径方向）する。
【００４５】
なお、ネジリコイルスプリング７４の弾力は、走行時に発生する振動によりセンサアーム７１あるいは規制アーム７２が動くのを規制するのに必要な最小限のものに設定される。これによりセンサアーム７１の先端７１ａが適度な力量でタペットストッパ５１に当接し、タペットストッパ５１の円滑作動を保証する。
【００４６】
上記構成において、アクセルグリップ（もしくはアクセルペダル）を操作するとアクセルモータ４５が作動し、その出力軸の回転によりアクセルシャフト４１がスライドする。たとえば、エンジン低速時には図３に示されるようにタペット２１はカム１３に対して、カム高さの低い部位に当接している。この状態で加速、すなわちアクセルを開くと、アクセルモータ４５の作動によりドリブンギヤ４３が回転して、アクセルシャフト４１は図中、右方にスライドする。カム１３はアクセルフォーク４２を介して、アクセルシャフト４１の動きに連動してカムシャフト１３に沿って、同様に図中、右方にスライドする。なお、このときカム１３のスライド量や速度は、アクセルの開度および開く速さに対応している。カム１３のスライドによりタペット２１は次第に、カム高さの高い部位に当接し、これにより図７に示されるリフト特性に従ってバルブリフト量が増大する。一方、減速時にはアクセルを戻すことで、上記とは逆の動作でバルブリフト量を減少させる。
【００４７】
ここで、上述した本発明の動弁装置あるいは内燃機関において、まず３次元のカム１３をカムシャフト１１上でその軸方向にスライドさせる。これによりカム軸部のシリンダヘッド２の幅を狭くすることで、軽量化およびコンパクト化を図ることができる。また、カムシャフト１３の回転軸受（ベアリング１２）とカム１３のスライド軸受（ボールスプライン１１ａおよびボール１４）を別個にすることで、これら双方をころがり軸受で構成したことによりカム１３を極めて小さい力量で円滑に変位させることができる。
【００４８】
さらに、カム１３のスライド機構に加えて、カムタイミングの変更機構を付加することも可能である。この場合、たとえばスプロケット１５まわりに所謂、連続可変バルブタイミング機構（「ＶＶＴ機構」等と呼ばれている）を設けることで、装置の大型化やコストアップを伴わずに有効に行なうことができる。カムタイミングの変更には、カムシャフト１３自体がスライドしないため、位相センサユニット６０を効果的に使用することができる。
【００４９】
また、上述のようにカム１３のスライド軸受部をボールスプライン１１ａによるころがり軸受で構成することで、滑り抵抗の場合に比べてスライド抵抗を格段に小さくする。これによりアクセルモータ４５を小型化することができ、アクセル可変時の消費電力を小さくすることができる。ころがり軸受においては、滑り軸受の場合よりも軽度の潤滑でも焼き付き難い等の利点がある。
【００５０】
また、１つのアクセルシャフト４１に固定した複数（気筒数分）のアクセルフォーク４２を介してカム１３をスライドさせることで、すべてのカム１３を正確に同調させることができ、複数の気筒のバルブを同調制御することができる。また、気筒ごとに単一のカム１３を設けることにより、カム幅（カムシャフト方向）を大きく確保することができ、バルブリフトカーブを形成するカム１３の傾斜角度を緩く設定可能となる。これによりカム１３のスライド荷重を小さくして、この点でもアクセルモータ４５を小型化するとともに、高い精度のアクセルワークを実現することができる。
【００５１】
また、アクセルフォーク４２とカム１３をベアリング４７を介して回転自在に結合することで、カム１３の高回転域まで回転部の焼付きを防止することができる。加えて、回転部の回転抵抗を小さくすることで動弁駆動の際に生じる機械的損失（メカロス）を減少させる。
【００５２】
また、タペット２１の外周接触面を曲面状に形成し、摺動および回転自在にバルブステム軸方向にストローク可能としたことで、カム１３とタペット２１をつねに点接触させる。これによりカム１３のカム高さ（バルブリフト量）、作用角およびタイミング等を含むカム特性を３次元マップ的に形成することができ、エンジン回転数およびトルクに最適なリフト特性を設定し、つまり低中速域でミラーサイクル化を自在に実現することができる。また、タペット２１とカム１３あるいはタペットシム３３との接触はころがり接触となっており、常に一点で接触しているわけではないため、耐磨耗性に優れ、耐久性を大幅に向上させることができる。それにより、エンジンの高回転化を有効に実現する。
【００５３】
また、タペット２１の中心軸上に自動調芯機能を持つタペット芯材２３を設けるとともに、タペットホルダ２４のガイド溝２４ａによりガイドし、タペット芯材２３の両端の押圧部２３ｃで２つの吸気バルブ３１をリフト可能にする。単一のタペット２１で２つのバルブをリフトすることで、タペット重量を軽くして高回転化とコンパクト化を図ることができる。この場合、タペット２１とカム１３あるいはタペットシム３３との接触は、ころがり接触となっているので耐磨耗性に優れる。さらに、各吸気バルブ３１のバルブステム３１ａにはその軸方向以外の荷重もしくは負荷が作用しないので、バルブガイド３２やタペットガイドの磨耗が僅少になり、実質的にバルブステム３１ａを小径にできるため高回転、高出力化に有利である。また、自動調芯機構をボール２２によるころがり軸受で構成したので、飛沫潤滑でも焼付きなく潤滑し得るため特別な潤滑油の圧送装置を不要とし、構造を簡素化するとともに耐久性を向上する。
【００５４】
また、バルブ休止ユニット５０はタペットストッパ５１によって一方の吸気バルブ３１を休止させることができる。このバルブ休止によりエンジンの低中速回転域において燃焼室内に吸気スワール流あるいはタンブル流を生成し、いわゆるリーンバーン化を可能にする。この場合、燃料の注入速度を速くすることで出力アップを図ることができる。
【００５５】
ここでバルブ休止時には、たとえば図３に示したように他方の吸気バルブ３１側の押圧部２３ｃは、タペットストッパ５１との当接部を支点として押し下げられて、タペット芯材２３が揺動する。両方の吸気バルブ３１をリフトさせる通常のバルブリフト量ｘに対して、バルブ休止時のバルブリフト量ｙとなり、すなわちリフト量は（ｙ／ｘ）倍に増大する。バルブ休止時には片方のポートによる吸気となるから、そのこと自体では吸気抵抗が高くなるが、リフト量の増加により実効バルブ開口面積は拡大する。これによりバルブ休止のＯＮ／ＯＦＦ切替時におけるバルブ開口面積や吸気抵抗による吸気量の差を実質的になくし、あるいは僅少にしてスムースな切替を行なうことができる。
【００５６】
タペットストッパ５１は典型的には球状であるため、押圧部２３ｃに対する支点として円滑かつ適正に機能する。かかる球状支点の位置はシリンダヘッド２の穴加工ピッチの精度で決定されるため、カム軸に対する精度を出し易くしている。また、バルブ休止ユニット５０の構成を簡素化することで、軽量化を図るとともに安価にすることができる。タペットストッパ５１による支点位置の自由度が高いため、バルブリフト量の比率（ｙ／ｘ）を比較的自由に設定することができ、たとえばバルブステム３１ａの中心上に設定することで、ｙ／ｘ＝２とすることが可能である。
【００５７】
さて、本発明装置において特に、バルブ休止時、図９（Ａ）に示されるようにタペットストッパ５１のストッパ部５１ａがタペット芯材２３の嵌合凹部２３ｄに嵌入することで、センサアーム７１の先端７１ａはタペットストッパ５１の大径部５１ｄに当接する。これにより規制アーム７２の先端７２ａがアクセルシャフト４１に接近して、図３のようにストッパカラー４９と当接可能な位置まで回動し、アクセルフォーク４２のスライド動作を規制する。すなわち、図示のようにアクセルフォーク４２のスライド量は距離もしくは長さＳしか与えられず、この距離Ｓに対応するタペットストロークに制限される。
【００５８】
この場合、アクセルフォーク４２が距離Ｓだけスライドしたとき、カム山最大リフト量の（ｙ／ｘ）倍のリフト側バルブリフト量を、バルブとピストンが当たらない量（通常の両バルブリフト時の最大リフト量）以下に設定しておく。また同時にカム山最大リフト量の（ｙ／ｘ）倍に相当するバルブリフト量を、タペット芯材２３が揺動することにより行なわれる自動調芯機能の許容調芯角度（傾斜角）内に設定しておく。
【００５９】
距離Ｓとバルブリフト量の関係を上記のように設定することで、バルブ休止時にリフト側バルブが安全範囲を超えてリフトするのを確実に防止することができる。たとえば万一仮に、タペットストッパ５１の戻り不良、あるいはアクチュエータ類の作動不良もしくは誤動作等が発生した場合でも、バルブとピストンが衝突し、あるいはタペット芯材２３が不調になるのを未然に防ぎ、高い安全性を確保維持することができる。
【００６０】
一方、両バルブリフト時には、駆動装置５４により駆動シャフト５５を介して、タペットストッパ５１をタペット芯材２３から後退させると、図９（Ｂ）に示されるようにタペットストッパ５１のストッパ部５１ａがタペット芯材２３の嵌合凹部２３ｄから離脱する。そして、センサアーム７１の先端７１ａはタペットストッパ５１の首部５１ｂに当接する。これにより規制アーム７２の先端７２ａがアクセルシャフト４１から離間し（図４）、アクセルフォーク４２、したがってカム１３は最大バルブリフト量まで自由にスライド可能となる。
【００６１】
なお、ストッパカラー４９の長さは、アクセルシャフト４１が最大までスライドしても規制アーム７２の先端７２ａがストッパカラー４９と当接可能な長さに設定される。これによりネジリコイルスプリング７４の付勢力が効かなくなった場合でも、アクセルを元の状態に戻すことができる。
【００６２】
また、上述のように規制アーム７２の先端７２ａがストッパカラー４９と当接する際、アクセルシャフト４１のスライド力を受ける側にストッパ部２ｂ（図８参照）が設けられる。アクセルシャフト４１のスライド力をストッパ部２ｂで受けるようにしたことで、テコの原理により回転軸７３をタペットホルダ２４に押し付ける方向にスライド力が作用する。これにより回転軸７３の抜け強度を実質的に低く設定することができ、小型軽量化を図ることができる。
【００６３】
以上、本発明を種々の実施形態とともに説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
たとえば上記実施形態で説明した具体的な数値例等（たとえば、図７に示される３次元カム構成諸元）は、必ずしもこれに限定されず、必要に応じて変更可能である。また、各実施形態において、２気筒エンジンの場合の例を説明したが、本発明は単気筒または３気筒以上のエンジンに対しても有効に適用可能である。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、この種の動弁装置においてアクセル開度に応じてバルブリフト量、作動角およびリフトタイミングを無段階可変制御する。この場合、アクセル開度に応じてフォークのスライド量を可変制御する規制部材を持つことにより、アクセル開度に最適なバルブリフト量となるようにカムを制御することができる。また、タペットストッパにより一方のバルブを休止させる際、カムによるバルブリフト量を制限することで、バルブリフタとタペットガイドとの間に生じ得る摩擦抵抗を低減し、バルブリフタの作動を円滑化する。そして、このように優れた機能、作動特性を維持しながら、高い安全性を保証する等の利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用例に係るエンジンまわりを含む自動二輪車の構成例を示す図である。
【図２】本発明の動弁装置の要部側断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】本発明の動弁装置の要部側断面図である。
【図５】本発明の動弁装置に係るカムシャフトの回転駆動系を示す図である。
【図６】本発明の動弁装置に係る３次元カムを示す斜視図である。
【図７】本発明の動弁装置に係るカムの具体的な３次元カム構成諸元の例を示す図である。
【図８】図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図９】本発明の動弁装置におけるアクセルフォーク規制機構の作用を説明する図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ シリンダヘッド
４ ドライブスプロケット
５ カムチェーン
６ チェーンガイド
７ チェーンテンショナ
８ チェーンアジャスタ
１０ カム／カムシャフトユニット
１１ カムシャフト
１２ ベアリング
１３ カム
２０ タペットユニット
２１ タペット
２２ ボール
２３ タペット芯材
２４ タペットホルダ
３０ バルブユニット
３１ 吸気バルブ
３２ バルブガイド
３３ タペットシム
３４ タペットリテーナ
３５ スプリングシート
３６ バルブスプリング
４０ アクセルシャフトユニット
４１ アクセルシャフト
４２ アクセルフォーク
４３ ドリブンギヤ
４４ ボールベアリング
４５ アクセルモータ
４６ ドライブギヤ
５０ バルブ休止ユニット
５１ タペットストッパ
５２ 回転シャフト
５３ 駆動装置
５４ 揺動アーム
６０ 位相センサユニット
６１ ピン
６２ 位相センサ
７１ センサアーム
７２ 規制アーム
７３ 回転軸
７４ ネジリコイルスプリング
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動二輪車あるいは自動車などにおける内燃機関において、アクセル開度に応じてバルブのリフト量、リフトタイミングおよび作用角を可変制御する動弁装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種の内燃機関において、以前より燃焼効率の向上を図るべく、種々の工夫あるいは提案等がなされてきている。バルブの開閉タイミングをずらして行なう可変位相方式に始まり、カム切換によるバルブリフトの可変制御やバルブ休止等が採用されてきた。なお、このカム切換方式は、低速用と高速用の２つのカムを用意し、エンジン出力に応じて作用角の小さいものから大きなものに切り換えるというものである。
【０００３】
さらに最近では可変位相とカム切換の組合せが出始め、その後作用角およびリフト量を連続可変する３次元カムを使用する方式が提案されている。
たとえば、直打式円筒タペットの頂部に接触角変化に対する追従機構を設け、３次元カムを軸方向にスライドさせることにより、バルブリフト量を無段階に可変するものがある。
【０００４】
そして、この従来例ではカム軸自体を移動させるようにしているため回転およびスライドともスムースに動作させる必要がある。その場合、ドリブンスプロケットはスライドさせることができないので、ドリブンスプロケット部に出力の大きな油圧装置を設けていた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかる従来例においては上記のように大型の油圧装置が必要になることから、装置全体として大柄になるばかりか、位相を可変にしようとする場合には両方を正確に制御するためにそれぞれを別系統化して作動制御しなければならず、コストおよび重量が増大せざるを得なくなる。
また、高回転域まで回転させるためには接触角変化追従装置を軽量化しなければならず、その揺動量も大きくなるとＰＶ値が高くなり、焼き付き易くなる。そのためリフト変化幅に制限がつき易い構造となり、０〜最大リフト量の範囲を有効にカバーするのが難しくなる。
【０００６】
さらに、製作に際して平面円筒研削盤を使って形成される３次元（立体）カムであるため接触部分が直線状となり、中間リフトカーブは、最小〜最大リフトカーブを直線的につないだカーブとなって、タイミングやリフトカーブを自由に選ぶことができない。
また、バルブ休止機構を持たない（取り付け難い）ため、低中速時におけるスワール、タンブルを生成して流速を高めることができない。
【０００７】
本発明はかかる実情に鑑み、バルブを最適制御し、燃費改善等に優れた効果を発揮する上、つねに適正かつ円滑動作を保証し高い安全性を実現する動弁装置およびこれを備えた内燃機関を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の動弁装置は、カム高さとカム作用角が連続的に変化するように形成され、カムシャフトと一体回転するとともにその軸方向に相対移動可能に構成されたカムと、前記カムのカム面に押圧されてバルブを進退させるバルブリフタとを備えた動弁装置であって、 この動弁装置は、前記カムシャフトの軸方向に傾斜するカム面を有し、かつ前記カムシャフトの軸方向にスライドすることによりバルブリフト量、バルブリフトタイミングおよびバルブ作動角が連続無段に可変制御されるカムと、前記カムに係合し、かつアクセルモータの駆動力を受けて前記カムシャフトと平行にスライド移動することで前記カムをスライドさせるフォークと、アクセル低開度時に前記バルブリフタの進退動を規制し得る、前記アクセルモータとは別の駆動装置により連動駆動されるフォーク規制機構とを備え、アクセル開度に応じて前記フォーク規制機構を駆動することで、該フォーク規制機構の規制部材が前記フォークと係合して前記フォークのスライド動作を規制することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の動弁装置において、少なくとも２つのバルブを持ち、一方のバルブが休止状態のとき、前記カムによるバルブリフト量が所定値以上にならないように、前記フォークのスライド量を所定範囲内に制限することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の動弁装置において、前記一方のバルブを休止させるためのタペットストッパを有するとともに、前記規制部材は概略Ｌ字状に形成され、そのＬ字の角部にて前記カムシャフトと平行に軸支され、前記規制部材の一端が前記タペットストッパに常時当接するとともに、他端が前記フォークを支持するアクセルシャフトに接近可能としたことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の動弁装置において、前記タペットストッパにより前記一方のバルブを休止させる際、前記規制部材の一端側が前記タペットストッパの外周面に沿って揺動し、その他端側が前記アクセルシャフトに接近するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の内燃機関は、吸気バルブおよび排気バルブにより吸排気を制御するようにした内燃機関であって、少なくとも吸気側に上記いずれかの動弁装置を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の内燃機関は、回動自在にフロントフォークを軸支するステアリングヘッドパイプと、該ステアリングヘッドパイプに連結される車体フレームに搭載される燃料タンクと、該燃料タンクの後方に連設されるシートと、該シートおよび燃料タンクの下方に配置されるエアクリーナとを有する自動二輪車において、前記エアクリーナの前方に搭載され、その後部および前記エアクリーナを結合する吸気管と該吸気管が結合されるのと反対側に結合する排気管とを備えた内燃機関であって、カム高さとカム作用角が連続的に変化するように形成され、カムシャフトと一体回転するとともにその軸方向に相対移動可能に構成されたカムと、前記カムのカム面に押圧されてバルブを進退させるバルブリフタとを備える動弁装置を有し、この動弁装置は、前記カムシャフトの軸方向に傾斜するカム面を有し、かつ前記カムシャフトの軸方向にスライドすることによりバルブリフト量、バルブリフトタイミングおよびバルブ作動角が連続無段に可変制御されるカムと、前記カムに係合し、かつアクセルモータの駆動力を受けて前記カムシャフトと平行にスライド移動することで前記カムをスライドさせるフォークと、アクセル低開度時に前記バルブリフタの進退動を規制し得る、前記アクセルモータとは別の駆動装置により連動駆動されるフォーク規制機構とを備え、アクセル開度に応じて前記フォーク規制機構を駆動することで、該フォーク規制機構の規制部材が前記フォークと係合して前記フォークのスライド動作を規制することを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、この種のエンジンにおいてアクセル開度に応じてバルブリフト量および作用角を無段階可変制御する。この場合、吸気量をアイドル回転域から全開域までコントロールし、エンジン回転数に最も適した吸気特性を確保することができる。これにより燃焼効率を有効に高め、燃費や出力を大幅に向上することができる上、構成が比較的簡単でありながら優れた効果を発揮し、実質的コストがかからず製造も容易である。
【００１５】
また特に、アクセル開度に応じてフォークのスライド量を可変制御する規制部材を持つことにより、アクセル開度に応じてフォークをスライドさせ得る範囲が限定される。これによりアクセル開度に最適なバルブリフト量となるようにカムを制御することができる。
また、タペットストッパにより一方のバルブを休止させる際、カムによるバルブリフト量を制限することで、バルブリフタとタペットガイドとの間に生じ得る摩擦抵抗を低減し、バルブリフタの作動を円滑化する。
また、規制部材の一端をタペットストッパに常時当接させることで、規制部材の切換制御をタペットストッパに正確に同期させ、円滑かつ適正動作を保証することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき、本発明による好適な実施の形態を説明する。
本発明による動弁装置は、自動二輪車あるいは四輪自動車に搭載される各種のガソリンエンジンに対して有効に適用可能であり、この実施形態ではたとえば図１に示すように自動二輪車のエンジンを例とする。
【００１７】
ここで先ず、本実施形態に係る自動二輪車１００の全体構成を説明する。図１において、鋼製あるいはアルミニウム合金材でなる車体フレーム１０１の前部には、ステアリングヘッドパイプ１０２によって左右に回動可能に支持された２本のフロントフォーク１０３が設けられる。フロントフォーク１０３の上端にはハンドルバー１０４が固定され、ハンドルバー１０４の両端にグリップ１０５を有する。フロントフォーク１０３の下部には前輪１０６が回転可能に支持されるとともに、前輪１０６の上部を覆うようにフロントフェンダ１０７が固定される。前輪１０６は、前輪１０６と一体回転するブレーキディスク１０８を有している。
【００１８】
車体フレーム１０１の後部には、スイングアーム１０９が揺動可能に設けられるとともに、車体フレーム１０１とスイングアーム１０９の間にリヤショックアブソーバ１１０が装架される。スイングアーム１０９の後端には後輪１１１が回転可能に支持され、後輪１１１はチェーン１１２が巻回されたドリブンスプロケット１１３を介して、回転駆動されるようになっている。
【００１９】
車体フレーム１０１に搭載されたエンジン１(実線部)には、エアクリーナ１１４に結合する吸気管１１５から混合気が供給されるとともに、燃焼後の排気ガスが排気管１１６を通って排気される。エアクリーナ１１４は容量確保のためにエンジン１の後方、かつ燃料タンク１１７およびシート１１８の下方にある大きなスペース内に設置される。そのため吸気管１１５はエンジン１の後部側に結合させ、排気管１１６はエンジン１の前部側に結合される。また、エンジン１の上方には、燃料タンク１１７が搭載され、燃料タンク１１７の後方にシート１１８およびシートカウル１１９が連設される。
【００２０】
ここで、エンジン１のシリンダヘッド２乃至シリンダヘッドカバー２ａの所定部位には、後述するアクセルモータ４５が装着される。アクセルモータ４５はたとえば図示例のように、シリンダヘッドカバー２ａの上面から突設される。その場合、燃料タンク１１７の下部に設けた凹部内にアクセルモータ４５部分が配設されるようになっており、燃料タンク１１７とシリンダヘッドカバー２ａは相互に干渉しないように配置される。
【００２１】
アクセルモータ４５はリンクを用いれば、吸気側でも排気側でも設置可能であるが、排気側に設ける場合燃料タンク１１７に形成する凹部が露出されて、そのままでは外観性が低下するので、それを考慮に入れるとアクセルモータ４５は吸気側に設ける方が好ましい。
【００２２】
さらに図１において、１２０はヘッドランプ、１２１はスピードメータ、タコメータあるいは各種インジケータランプ等を含むメータユニット、１２２はステー１２３を介してハンドルバー１０４に支持されるバックミラーである。また、車体フレーム１０１の下部にはメインスタンド１２４が揺動自在に取付けられ、後輪１１１を接地させたり地面から浮かせたりできる。車体フレーム１０１は、前部に設けたヘッドパイプ１０２から後斜め下方へ向けて延設され、エンジン１の下方を包むように湾曲した後、スイングアーム１０９の軸支部であるピボット１０９ａを形成してタンクレール１０１ａおよびシートレール１０１ｂに連結している。
【００２３】
この車体フレーム１０１には、フロントフェンダ１０７との干渉を避けるべく車体フレームと平行にラジエータ１２５が設けられるとともに、このラジエータ１２５から車体フレーム１０１に沿って冷却水ホース１２６が配設され、排気管１１６と干渉することなくエンジン１に連通している。
【００２４】
また、図２は本発明装置の要部側断面図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。これらの図にも示されるように、この実施形態では並列２気筒エンジンであって、各気筒ごとに吸気側（ＩＮ）および排気側（ＥＸ）にそれぞれ２つのバルブ（つまり４バルブ）を有している。なお、この実施形態では吸気側に適用した例とするが、吸気側および排気側の双方に適用することもできる。シリンダ内で上下に往復動するピストン１の上部にシリンダヘッド２が配置され、このシリンダヘッド２内に動弁装置が収容される。
【００２５】
動弁装置は、気筒の配列方向に沿って配置されるカム／カムシャフトユニット１０と、カム／カムシャフトユニット１０の下側に配置されるタペットユニット２０と、この例では吸気制御するバルブユニット３０と、アクセル開度に応じてカムを変位させるアクセルシャフトユニット４０と、必要に応じてバルブを休止させるバルブ休止ユニット５０とを含んでいる。なお、バルブユニット３０については、排気側も同様の構成であってよい。
【００２６】
カム／カムシャフトユニット１０において、カムシャフト１１は、ベアリング１２（図３）を介してシリンダヘッド２に回転自在に支持される。カムシャフト１１にはその軸方向に後述するカム１３がスライド可能に装着されるが、この例ではカムシャフト１１はたとえば３条のボールスプライン１１ａを有し、そのガイドによってボール１４を介して直線運動（リニアモーション）するようになっている。なお、カムシャフト１１は中空構造とし、その中空内部に潤滑油路を形成してカム１３等に注油することができる。
【００２７】
カムシャフト１１の一端にはスプロケット１５が固着している。排気側のカムシャフト１１Exの一端にもスプロケット１５Exが固着しており、これらのスプロケット１５，１５Exとクランクシャフト（図示せず）の一端に固着するドライブスプロケット４との間にカムチェーン５が巻回装架される（図５参照）。なお、図５に示されるようにチェーンガイド６、チェーンテンショナ７およびチェーンアジャスタ８等を含み、これらによりカムチェーン５が適正走行するようになっている。
【００２８】
ここで、カム１３はいわゆる「３次元カム」として構成され、また各気筒に１つのカム１３が設けられる。図６に示されるように長手方向（カムシャフト１１の軸方向）に緩やかに傾斜するカム部１３ａが延設され、バルブリフト量を連続的に変化させる形状に成形されている。この場合、カム高さと同時にカム作用角およびリフトタイミングも変化し、すなわちバルブリフト量が大きくなるのに従ってカム作用角も大きくなり、さらにはバルブのリフトタイミングも変化させ得るように設定されている。図７は、かかるカム１３の具体的な３次元カム構成諸元の例を示している。このようなカム１３をカムシャフト１１に沿って移動させることにより、吸気バルブのリフト量、作用角およびリフトタイミングを無段階に可変制御することができる。
【００２９】
タペットユニット２０において、タペット２１はその内側にベアリングを収容する収容部を有する円板状（ドーナッツ状）に形成され、ベアリングとしてのボール２２を介してタペット芯材２３を保持する。シリンダヘッド２の適所にはタペットホルダ２４が配置固定されており、タペット２１は、タペットホルダ２４内部に収容されるかたちで浮動保持される。このタペットユニット２０（タペット２１）は、カム１３のカム面に押されてバルブを進退させるバルブリフタとして機能する。
【００３０】
タペット芯材２３は、タペット２１とともにボール２２を収容保持する基部２３ａと、基部２３ａから左右両側へ延びる（カムシャフト方向）腕部２３ｂと、各腕部２３ｂの端部に設けられ、吸気バルブに当接するようにした押圧部２３ｃとを含んでいる。１つのタペット２１によって押圧部２３ｃを介して、２つのバルブを同時に駆動できるようになっている。
【００３１】
タペット２１の外周面は典型的には円弧状（Ｒ状）に形成され、カム１３とは点接触するようになっている。また、タペット２１の内側にタペット芯材２３の基部２３ａとの間にボール２２を介在させることにより、自動調芯機能を持つ。タペット芯材２３の腕部２３ｂは、タペットホルダ２４に設けたガイド溝２４ａ（図２参照）によってガイドされる。このタペットホルダ２４のガイドにより、タペット２１はバルブステム３１ａの軸方向にのみ移動可能になる。
【００３２】
なお、本実施形態では排気側については、図２に示されるように平板状のカム１３Ex（平面カム）とこれに当接する接触平面を持つ円板状のタペット２１Exを有する。
【００３３】
バルブユニット３０において、それぞれのバルブステム３１ａがバルブガイド３２によってガイドされる２つの吸気バルブ３１を含んでいる。また、各バルブステム３１ａの端部には、タペット芯材２３の押圧部２３ｃと当接するタペットシム３３を有し、バルブリテーナ３４とスプリングシート３５の間にバルブスプリング３６が装着される。
【００３４】
アクセルシャフトユニット４０において、カムシャフト１１と平行に配置されたアクセルシャフト４１と、アクセルシャフト４１に固着するとともにカム１３に連結するアクセルフォーク４２を含んでいる。アクセルシャフト４１はその軸方向にスライド可能にシリンダヘッド２によって支持され、一端側でネジリスプライン４１ａを介してドリブンギヤ４３（ホイール）と係合している。ドリブンギヤ４３は複列ボールベアリング４４によって回転自在に支持され、アクセルモータ４５の出力軸に固着したドライブギヤ４６（ウォーム）と噛合する。
【００３５】
アクセルモータ４５は、アクセル変化（アクセル開度や加速・減速方向など）に対応してその出力軸が回転し、その回転はドライブギヤ４６およびドリブンギヤ４３を介して、アクセルシャフト４１のスライド運動に変換される。この例ではアクセルモータ４５はシリンダ軸線方向に沿って配置され、シリンダヘッドカバー２ａによって覆われている。
なお、たとえば自動二輪車の場合にあっては、アクセルグリップの回転操作量をアクセルモータ４５の出力軸の回転量に対応させるようにしてもよい。また、アクセルモータ４５を駆動する際、そのときの走行状況（出力）に合うようにコントローラ（図示せず）によって駆動制御されるようになっている。
【００３６】
アクセルフォーク４２は、ベアリング４７を介してカム１３の端部に回転自在に装着されたフォークガイド４８と係合する。これによりアクセルシャフト４１がその軸方向にスライドするのに連動もしくは同期して、カム１３がカムシャフト１１に沿ってスライドする。
【００３７】
ここで、本発明では特に図３に示されるように、アクセルシャフト４１にはストッパカラー４９が嵌着している。このストッパカラー４９は、後述するようにアクセルフォーク規制機構７０と係合してアクセルフォーク４２のスライド動作を規制するようになっている。
【００３８】
バルブ休止ユニット５０において、２つの吸気バルブ３１の一方を休止させるように構成されたタペットストッパ５１を有する。タペットストッパ５１は、シリンダヘッド２に形成されたガイド孔２ｃに内挿され、カムシャフト１１と平行にスライド可能である。タペットストッパ５１の一端にはタペット芯材２３の嵌合凹部２３ｄに係合可能な球状のストッパ部５１ａを有し、また他端には後述するフォークが係合するフォークガイド５２が取り付けられている。ガイド孔２ｃには、ストッパ部５１ａをタペット芯材２３の嵌合凹部２３ｄ側へ付勢するリターンスプリング５３が装着されている。
【００３９】
駆動装置５４は、カムシャフト１１と平行に配置され、タペットストッパ５１を駆動（進退駆動）するための駆動シャフト５５を進退させる。駆動シャフト５５にはフォーク５６が結合しており、このフォーク５６はタペットストッパ５１のフォークガイド５２と係合する。２つのタペットストッパ５１は相互に、駆動シャフト５５によって連結されており、同期作動するようになっている。
【００４０】
バルブ休止ユニット５０は特にエンジン低速回転域において燃焼室内に吸気スワール流を生成させるために有効であり、つまりエンジン低速時においてはタペットストッパ５１がタペット芯材２３の一端側の支点となり、その他端側の押圧部２３ｃのみが吸気バルブ３１を押し下げ、すなわちリフトさせ、これによりスワール流を生成することができる。
【００４１】
ここで、カムシャフト１１の他端には位相センサユニット６０が設けられている。位相センサユニット６０は、カムシャフト１１の他端に植設されたピン６１とこのピン６１を検出して出力信号を得る位相センサ６２を含んでいる。
【００４２】
また本発明では特に、アクセル開度に応じてアクセルフォーク４２のスライド可能量を可変制御するためのアクセルフォーク規制機構７０を有する（図２）。このアクセルフォーク規制機構７０は概略Ｌ字状を呈し、図８に示されるようにそのＬ字の一端側にタペットストッパ５１のポジションセンサとして機能するセンサアーム７１を有し、また他端側にはアクセルフォーク４２に対する規制部材として機能する規制アーム７２を有する。これらのセンサアーム７１および規制アーム７２は、回転軸７３の両端にそれぞれ固着し、一体的に構成されている。回転軸７３は、たとえばタペットホルダ２４の一部を利用して軸支されるようにしてもよい。
【００４３】
センサアーム７１の先端７１ａは図３にも示されるようにタペットストッパ５１に当接するように、また規制アーム７２の先端７２ａはストッパカラー４９に当接するようにそれぞれ配置される。回転軸７３のまわりには弾機手段であるネジリコイルスプリング７４が装着されており、このネジリコイルスプリング７４の弾力によりセンサアーム７１の先端７１ａが常時タペットストッパ５１の外周面に当接するように付勢される。なお規制アーム７２は、図８に示されるようにシリンダヘッド２側のストッパ部２ｂにより位置規制されている。
【００４４】
上述のようにセンサアーム７１の先端７１ａが常時タペットストッパ５１の外周面に当接するが、ここで図９を参照してタペットストッパ５１はストッパ部５１ａに連設するかたちで、首部５１ｂ、傾斜面部５１ｃおよび大径部５１ｄを有する。タペットストッパ５１がタペット芯材２３に対して進退するのに応じて、センサアーム７１の先端７１ａのタペットストッパ５１に対する当接位置が首部５１ｂ〜大径部５１ｄの間で順に変化する。また、かかるセンサアーム７１の先端７１ａの当接位置の変化により、規制アーム７２の先端７２ａはアクセルシャフト４１に対して接近、離間（アクセルシャフト４１の径方向）する。
【００４５】
なお、ネジリコイルスプリング７４の弾力は、走行時に発生する振動によりセンサアーム７１あるいは規制アーム７２が動くのを規制するのに必要な最小限のものに設定される。これによりセンサアーム７１の先端７１ａが適度な力量でタペットストッパ５１に当接し、タペットストッパ５１の円滑作動を保証する。
【００４６】
上記構成において、アクセルグリップ（もしくはアクセルペダル）を操作するとアクセルモータ４５が作動し、その出力軸の回転によりアクセルシャフト４１がスライドする。たとえば、エンジン低速時には図３に示されるようにタペット２１はカム１３に対して、カム高さの低い部位に当接している。この状態で加速、すなわちアクセルを開くと、アクセルモータ４５の作動によりドリブンギヤ４３が回転して、アクセルシャフト４１は図中、右方にスライドする。カム１３はアクセルフォーク４２を介して、アクセルシャフト４１の動きに連動してカムシャフト１３に沿って、同様に図中、右方にスライドする。なお、このときカム１３のスライド量や速度は、アクセルの開度および開く速さに対応している。カム１３のスライドによりタペット２１は次第に、カム高さの高い部位に当接し、これにより図７に示されるリフト特性に従ってバルブリフト量が増大する。一方、減速時にはアクセルを戻すことで、上記とは逆の動作でバルブリフト量を減少させる。
【００４７】
ここで、上述した本発明の動弁装置あるいは内燃機関において、まず３次元のカム１３をカムシャフト１１上でその軸方向にスライドさせる。これによりカム軸部のシリンダヘッド２の幅を狭くすることで、軽量化およびコンパクト化を図ることができる。また、カムシャフト１３の回転軸受（ベアリング１２）とカム１３のスライド軸受（ボールスプライン１１ａおよびボール１４）を別個にすることで、これら双方をころがり軸受で構成したことによりカム１３を極めて小さい力量で円滑に変位させることができる。
【００４８】
さらに、カム１３のスライド機構に加えて、カムタイミングの変更機構を付加することも可能である。この場合、たとえばスプロケット１５まわりに所謂、連続可変バルブタイミング機構（「ＶＶＴ機構」等と呼ばれている）を設けることで、装置の大型化やコストアップを伴わずに有効に行なうことができる。カムタイミングの変更には、カムシャフト１３自体がスライドしないため、位相センサユニット６０を効果的に使用することができる。
【００４９】
また、上述のようにカム１３のスライド軸受部をボールスプライン１１ａによるころがり軸受で構成することで、滑り抵抗の場合に比べてスライド抵抗を格段に小さくする。これによりアクセルモータ４５を小型化することができ、アクセル可変時の消費電力を小さくすることができる。ころがり軸受においては、滑り軸受の場合よりも軽度の潤滑でも焼き付き難い等の利点がある。
【００５０】
また、１つのアクセルシャフト４１に固定した複数（気筒数分）のアクセルフォーク４２を介してカム１３をスライドさせることで、すべてのカム１３を正確に同調させることができ、複数の気筒のバルブを同調制御することができる。また、気筒ごとに単一のカム１３を設けることにより、カム幅（カムシャフト方向）を大きく確保することができ、バルブリフトカーブを形成するカム１３の傾斜角度を緩く設定可能となる。これによりカム１３のスライド荷重を小さくして、この点でもアクセルモータ４５を小型化するとともに、高い精度のアクセルワークを実現することができる。
【００５１】
また、アクセルフォーク４２とカム１３をベアリング４７を介して回転自在に結合することで、カム１３の高回転域まで回転部の焼付きを防止することができる。加えて、回転部の回転抵抗を小さくすることで動弁駆動の際に生じる機械的損失（メカロス）を減少させる。
【００５２】
また、タペット２１の外周接触面を曲面状に形成し、摺動および回転自在にバルブステム軸方向にストローク可能としたことで、カム１３とタペット２１をつねに点接触させる。これによりカム１３のカム高さ（バルブリフト量）、作用角およびタイミング等を含むカム特性を３次元マップ的に形成することができ、エンジン回転数およびトルクに最適なリフト特性を設定し、つまり低中速域でミラーサイクル化を自在に実現することができる。また、タペット２１とカム１３あるいはタペットシム３３との接触はころがり接触となっており、常に一点で接触しているわけではないため、耐磨耗性に優れ、耐久性を大幅に向上させることができる。それにより、エンジンの高回転化を有効に実現する。
【００５３】
また、タペット２１の中心軸上に自動調芯機能を持つタペット芯材２３を設けるとともに、タペットホルダ２４のガイド溝２４ａによりガイドし、タペット芯材２３の両端の押圧部２３ｃで２つの吸気バルブ３１をリフト可能にする。単一のタペット２１で２つのバルブをリフトすることで、タペット重量を軽くして高回転化とコンパクト化を図ることができる。この場合、タペット２１とカム１３あるいはタペットシム３３との接触は、ころがり接触となっているので耐磨耗性に優れる。さらに、各吸気バルブ３１のバルブステム３１ａにはその軸方向以外の荷重もしくは負荷が作用しないので、バルブガイド３２やタペットガイドの磨耗が僅少になり、実質的にバルブステム３１ａを小径にできるため高回転、高出力化に有利である。また、自動調芯機構をボール２２によるころがり軸受で構成したので、飛沫潤滑でも焼付きなく潤滑し得るため特別な潤滑油の圧送装置を不要とし、構造を簡素化するとともに耐久性を向上する。
【００５４】
また、バルブ休止ユニット５０はタペットストッパ５１によって一方の吸気バルブ３１を休止させることができる。このバルブ休止によりエンジンの低中速回転域において燃焼室内に吸気スワール流あるいはタンブル流を生成し、いわゆるリーンバーン化を可能にする。この場合、燃料の注入速度を速くすることで出力アップを図ることができる。
【００５５】
ここでバルブ休止時には、たとえば図３に示したように他方の吸気バルブ３１側の押圧部２３ｃは、タペットストッパ５１との当接部を支点として押し下げられて、タペット芯材２３が揺動する。両方の吸気バルブ３１をリフトさせる通常のバルブリフト量ｘに対して、バルブ休止時のバルブリフト量ｙとなり、すなわちリフト量は（ｙ／ｘ）倍に増大する。バルブ休止時には片方のポートによる吸気となるから、そのこと自体では吸気抵抗が高くなるが、リフト量の増加により実効バルブ開口面積は拡大する。これによりバルブ休止のＯＮ／ＯＦＦ切替時におけるバルブ開口面積や吸気抵抗による吸気量の差を実質的になくし、あるいは僅少にしてスムースな切替を行なうことができる。
【００５６】
タペットストッパ５１は典型的には球状であるため、押圧部２３ｃに対する支点として円滑かつ適正に機能する。かかる球状支点の位置はシリンダヘッド２の穴加工ピッチの精度で決定されるため、カム軸に対する精度を出し易くしている。また、バルブ休止ユニット５０の構成を簡素化することで、軽量化を図るとともに安価にすることができる。タペットストッパ５１による支点位置の自由度が高いため、バルブリフト量の比率（ｙ／ｘ）を比較的自由に設定することができ、たとえばバルブステム３１ａの中心上に設定することで、ｙ／ｘ＝２とすることが可能である。
【００５７】
さて、本発明装置において特に、バルブ休止時、図９（Ａ）に示されるようにタペットストッパ５１のストッパ部５１ａがタペット芯材２３の嵌合凹部２３ｄに嵌入することで、センサアーム７１の先端７１ａはタペットストッパ５１の大径部５１ｄに当接する。これにより規制アーム７２の先端７２ａがアクセルシャフト４１に接近して、図３のようにストッパカラー４９と当接可能な位置まで回動し、アクセルフォーク４２のスライド動作を規制する。すなわち、図示のようにアクセルフォーク４２のスライド量は距離もしくは長さＳしか与えられず、この距離Ｓに対応するタペットストロークに制限される。
【００５８】
この場合、アクセルフォーク４２が距離Ｓだけスライドしたとき、カム山最大リフト量の（ｙ／ｘ）倍のリフト側バルブリフト量を、バルブとピストンが当たらない量（通常の両バルブリフト時の最大リフト量）以下に設定しておく。また同時にカム山最大リフト量の（ｙ／ｘ）倍に相当するバルブリフト量を、タペット芯材２３が揺動することにより行なわれる自動調芯機能の許容調芯角度（傾斜角）内に設定しておく。
【００５９】
距離Ｓとバルブリフト量の関係を上記のように設定することで、バルブ休止時にリフト側バルブが安全範囲を超えてリフトするのを確実に防止することができる。たとえば万一仮に、タペットストッパ５１の戻り不良、あるいはアクチュエータ類の作動不良もしくは誤動作等が発生した場合でも、バルブとピストンが衝突し、あるいはタペット芯材２３が不調になるのを未然に防ぎ、高い安全性を確保維持することができる。
【００６０】
一方、両バルブリフト時には、駆動装置５４により駆動シャフト５５を介して、タペットストッパ５１をタペット芯材２３から後退させると、図９（Ｂ）に示されるようにタペットストッパ５１のストッパ部５１ａがタペット芯材２３の嵌合凹部２３ｄから離脱する。そして、センサアーム７１の先端７１ａはタペットストッパ５１の首部５１ｂに当接する。これにより規制アーム７２の先端７２ａがアクセルシャフト４１から離間し（図４）、アクセルフォーク４２、したがってカム１３は最大バルブリフト量まで自由にスライド可能となる。
【００６１】
なお、ストッパカラー４９の長さは、アクセルシャフト４１が最大までスライドしても規制アーム７２の先端７２ａがストッパカラー４９と当接可能な長さに設定される。これによりネジリコイルスプリング７４の付勢力が効かなくなった場合でも、アクセルを元の状態に戻すことができる。
【００６２】
また、上述のように規制アーム７２の先端７２ａがストッパカラー４９と当接する際、アクセルシャフト４１のスライド力を受ける側にストッパ部２ｂ（図８参照）が設けられる。アクセルシャフト４１のスライド力をストッパ部２ｂで受けるようにしたことで、テコの原理により回転軸７３をタペットホルダ２４に押し付ける方向にスライド力が作用する。これにより回転軸７３の抜け強度を実質的に低く設定することができ、小型軽量化を図ることができる。
【００６３】
以上、本発明を種々の実施形態とともに説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
たとえば上記実施形態で説明した具体的な数値例等（たとえば、図７に示される３次元カム構成諸元）は、必ずしもこれに限定されず、必要に応じて変更可能である。また、各実施形態において、２気筒エンジンの場合の例を説明したが、本発明は単気筒または３気筒以上のエンジンに対しても有効に適用可能である。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、この種の動弁装置においてアクセル開度に応じてバルブリフト量、作動角およびリフトタイミングを無段階可変制御する。この場合、アクセル開度に応じてフォークのスライド量を可変制御する規制部材を持つことにより、アクセル開度に最適なバルブリフト量となるようにカムを制御することができる。また、タペットストッパにより一方のバルブを休止させる際、カムによるバルブリフト量を制限することで、バルブリフタとタペットガイドとの間に生じ得る摩擦抵抗を低減し、バルブリフタの作動を円滑化する。そして、このように優れた機能、作動特性を維持しながら、高い安全性を保証する等の利点を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の適用例に係るエンジンまわりを含む自動二輪車の構成例を示す図である。
【図２】本発明の動弁装置の要部側断面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】本発明の動弁装置の要部側断面図である。
【図５】本発明の動弁装置に係るカムシャフトの回転駆動系を示す図である。
【図６】本発明の動弁装置に係る３次元カムを示す斜視図である。
【図７】本発明の動弁装置に係るカムの具体的な３次元カム構成諸元の例を示す図である。
【図８】図２のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図９】本発明の動弁装置におけるアクセルフォーク規制機構の作用を説明する図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ シリンダヘッド
４ ドライブスプロケット
５ カムチェーン
６ チェーンガイド
７ チェーンテンショナ
８ チェーンアジャスタ
１０ カム／カムシャフトユニット
１１ カムシャフト
１２ ベアリング
１３ カム
２０ タペットユニット
２１ タペット
２２ ボール
２３ タペット芯材
２４ タペットホルダ
３０ バルブユニット
３１ 吸気バルブ
３２ バルブガイド
３３ タペットシム
３４ タペットリテーナ
３５ スプリングシート
３６ バルブスプリング
４０ アクセルシャフトユニット
４１ アクセルシャフト
４２ アクセルフォーク
４３ ドリブンギヤ
４４ ボールベアリング
４５ アクセルモータ
４６ ドライブギヤ
５０ バルブ休止ユニット
５１ タペットストッパ
５２ 回転シャフト
５３ 駆動装置
５４ 揺動アーム
６０ 位相センサユニット
６１ ピン
６２ 位相センサ
７１ センサアーム
７２ 規制アーム
７３ 回転軸
７４ ネジリコイルスプリング
Claims (6)
- カム高さとカム作用角が連続的に変化するように形成され、カムシャフトと一体回転するとともにその軸方向に相対移動可能に構成されたカムと、前記カムのカム面に押圧されてバルブを進退させるバルブリフタとを備えた動弁装置であって、
この動弁装置は、前記カムシャフトの軸方向に傾斜するカム面を有し、かつ前記カムシャフトの軸方向にスライドすることによりバルブリフト量、バルブリフトタイミングおよびバルブ作動角が連続無段に可変制御されるカムと、
前記カムに係合し、かつアクセルモータの駆動力を受けて前記カムシャフトと平行にスライド移動することで前記カムをスライドさせるフォークと、
アクセル低開度時に前記バルブリフタの進退動を規制し得る、前記アクセルモータとは別の駆動装置により連動駆動されるフォーク規制機構とを備え、
アクセル開度に応じて前記フォーク規制機構を駆動することで、該フォーク規制機構の規制部材が前記フォークと係合して前記フォークのスライド動作を規制することを特徴とする内燃機関の動弁装置。 - 少なくとも２つのバルブを持ち、一方のバルブが休止状態のとき、前記カムによるバルブリフト量が所定値以上にならないように、前記フォークのスライド量を所定範囲内に制限することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の動弁装置。
- 前記一方のバルブを休止させるためのタペットストッパを有するとともに、前記規制部材は概略Ｌ字状に形成され、そのＬ字の角部にて前記カムシャフトと平行に軸支され、
前記規制部材の一端が前記タペットストッパに常時当接するとともに、他端が前記フォークを支持するアクセルシャフトに接近可能としたことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の動弁装置。 - 前記タペットストッパにより前記一方のバルブを休止させる際、前記規制部材の一端側が前記タペットストッパの外周面に沿って揺動し、その他端側が前記アクセルシャフトに接近するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の動弁装置。
- 吸気バルブおよび排気バルブにより吸排気を制御するようにした内燃機関であって、
少なくとも吸気側に請求項１〜４のいずれか１項に記載の動弁装置を備えたことを特徴とする内燃機関。 - 回動自在にフロントフォークを軸支するステアリングヘッドパイプと、該ステアリングヘッドパイプに連結される車体フレームに搭載される燃料タンクと、該燃料タンクの後方に連設されるシートと、該シートおよび燃料タンクの下方に配置されるエアクリーナとを有する自動二輪車において、前記エアクリーナの前方に搭載され、その後部および前記エアクリーナを結合する吸気管と該吸気管が結合されるのと反対側に結合する排気管とを備えた内燃機関であって、
カム高さとカム作用角が連続的に変化するように形成され、カムシャフトと一体回転するとともにその軸方向に相対移動可能に構成されたカムと、前記カムのカム面に押圧されてバルブを進退させるバルブリフタとを備える動弁装置を有し、
この動弁装置は、前記カムシャフトの軸方向に傾斜するカム面を有し、かつ前記カムシャフトの軸方向にスライドすることによりバルブリフト量、バルブリフトタイミングおよびバルブ作動角が連続無段に可変制御されるカムと、
前記カムに係合し、かつアクセルモータの駆動力を受けて前記カムシャフトと平行にスライド移動することで前記カムをスライドさせるフォークと、
アクセル低開度時に前記バルブリフタの進退動を規制し得る、前記アクセルモータとは別の駆動装置により連動駆動されるフォーク規制機構とを備え、
アクセル開度に応じて前記フォーク規制機構を駆動することで、該フォーク規制機構の規制部材が前記フォークと係合して前記フォークのスライド動作を規制することを特徴とする内燃機関。
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