JP4239964B2 - 内燃機関の動弁装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関の吸気弁や排気弁を機関の運転状態に応じて異なる駆動タイミングで開閉駆動しうる、内燃機関の動弁装置に関する。
近年、往復動式内燃機関(以下、エンジンという)に備えられる吸気弁や排気弁(以下、これらを総称して機関弁又は単にバルブともいう)の作動特性(開閉タイミングや開放期間)を、エンジンの負荷状態や速度状態に応じて最適なものになるように切り換えることのできる動弁装置(可変動弁機構ともいう)が開発され実用化されている。
このような動弁装置において作動特性を切り換える機構の一つとして、例えばエンジンの低速回転時に適したカムプロフィルを備えた低速用カムとエンジンの高速回転時に適したカムプロフィルを備えた高速用カムとを、エンジンの回転状態に応じて選択的に用いて機関弁を開閉作動させるようにしたものが開発されている(例えば、下記の特許文献1参照)。
以下、図3〜図5を用いて従来の動弁装置の構造の一例について説明すると、図3,図4に示すように、エンジンの各気筒上方のシリンダヘッド10には、各気筒毎に2つの吸気弁11,12と2つの排気弁21,22とが備えられており、これらの吸気弁11,12、排気弁21,22を駆動するために動弁装置30が装備されている。
この動弁装置30は、吸気弁11,12を駆動する吸気弁駆動系と、排気弁21,22を駆動する排気弁駆動系とから構成される。吸気弁駆動系は、カムシャフト31と、カムシャフト31に固設されたカム31a〜31cと、ロッカシャフト32と、ロッカシャフト32に揺動自在に軸支され各カム31a〜31cによって揺動するロッカアーム33〜35とをそなえている。排気弁駆動系は、吸気系と共用のカムシャフト31と、カムシャフト31に固設されたカム31d,31eと、ロッカシャフト36と、ロッカシャフト36に揺動自在に軸支され各カム31d,31eによって揺動するロッカアーム37,38(図4では省略)とをそなえている。
そして、動弁装置30の吸気弁駆動系の部分に、連結切換機構41を有する可変動弁機構40が設けられている。以下、可変動弁機構40について簡単に説明する。
吸気弁駆動用のロッカアーム33〜35のうち、ロッカアーム33,34の一端にはアジャストスクリュ33a,34aが介装され、このアジャストスクリュ33a,34aを介して吸気弁11,12のステム端部がロッカアーム33,34の一端部に当接している。そして、これにより吸気弁11はロッカアーム33の揺動に応じて開閉し、吸気弁12はロッカアーム34の揺動に応じて開閉するようになっている。
また、ロッカアーム33,34の他端にはそれぞれローラ33b,34bが介装されている。また、このローラ33b,34bはいずれもエンジンの低速回転時に対応した低速用カムプロフィルに形成された低速用カム31a,31bに当接しており、低速用カム31a,31bに応じてロッカアーム33,34が揺動すると、吸気弁11,12が低速運転時に適した特性で開くようになっている。
一方、ロッカアーム(第2のロッカアーム)35は、一端の係合突起35aがロッカアーム33,34に係合可能になっており、他端に設けられたローラ35bは、エンジンの高速回転時に対応した高速用カムプロフィルに形成された高速用カム31cに当接している。
また、図5(a),(b)に示すように、ロッカアーム33,34側におけるロッカアーム35の一端が当接しうる部位には、開口部53をそなえたシリンダ50が形成され、このシリンダ50内にはピストン51が内蔵されている。
シリンダ50内には、ロッカシャフト32側から油路(連通路)32bを通じて作動油(ここでは潤滑油が兼用される)が供給されるようになっており、シリンダ50内に油圧が供給されると、図5(b)に示すように、ピストン51が上方に移動して開口部53が閉塞される。また、シリンダ50内の油圧を大気開放すると、図5(a)に示すように、ピストン51がリターンスプリング52の付勢力によって下方に移動し、開口部53が開放される。
そして、このようなシリンダ50内のピストン51と、シリンダ50内の油圧を調整する油圧調整装置(図示略)とから、ロッカアーム33,34とロッカアーム35との連結状態を切り換える連結切換機構41が構成され、この連結切換機構41と吸気弁駆動系とから可変動弁機構40が構成されている。
上述の構成により、油圧調整装置によってシリンダ50内の油圧が排出されると、シリンダ50の開口部53には空間が形成される〔図5(a)参照〕。この場合、高速用カム31cによりロッカアーム35が揺動すると、係合突起35aはこの空間内に進入することになるが、ロッカアーム33,34自体には接触せず、ロッカアーム35はいわゆる空振り状態となる(ロッカアーム非係合)。したがって、ロッカアーム33,34はそれぞれ対応する低速用カム31a,31bに応じて揺動し、吸気弁11,12は低速運転に適した特性で開閉駆動される(低速運転モード)。
一方、油圧調整装置によってシリンダ50内の油圧が高められるとピストン51が突出した係合状態となり、シリンダ50の開口部53がピストン51により閉塞される〔図5(b)参照〕。したがって、ロッカアーム35の揺動時には、ロッカアーム35の一端の係合突起35aはこのピストン51の側面(係合面)54に当接してピストン51を介してロッカアーム33,34を揺動させる(ロッカアーム係合)。このとき、ロッカアーム33,34は、低速用カム31a,31bに対しては離隔しながら、ロッカアーム35に駆動されて高速用カム31cに応じて揺動し、吸気弁11,12をエンジンの高速運転に対応した特性で開閉する(高速運転モード)。
特開2003−343226号公報
ところで上述したような従来の技術では、低速運転モード時(ロッカアーム非係合時)にロッカアーム35を確実に空振りさせるための空間を必要とすること、及びピストン51を下方へ押し下げるためのリターンスプリング52を配設するための空間を必要とすること等の理由からピストン51には比較的大きい径が要求される。
しかしながら、ピストン径が大きいと運転モード切り換え時(特に高速運転モードから低速運転モードへの切り換え時)に必要な油量が多く必要となり、切り換えに時間がかかるという課題が生じるほか、ピストン51とロッカアーム35の係合突起35aとの係合状態が不完全なものとなって、バルブを駆動する反力によりピストン51のリフト途中でピストン51がはじかれて係合突起35aが開口に進入し、低速運転モードに切り換わってしまうおそれがある。そして、このようにピストン51がはじかれてしまうと、ロッカアーム33,34がカムに衝突し、打音が発生するという課題が生じるほか、衝撃が大きい場合にはローラ34a,34bが破損するおそれがある。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、低速運転モードと高速運転モードとの切り換えを速やかに且つ確実に行えるようにした、内燃機関の動弁装置を提供することを目的とする。
このため、本発明の内燃機関の動弁装置は、先端が吸気弁又は排気弁の一方に連係され、ロッカシャフトに揺動自在に支承されて第1のカムにより駆動される第1のロッカアームと、前記ロッカシャフトに揺動自在に支承されて前記第1のロッカアームに隣接するように配置され、前記第1のカムと形状の異なる第2のカムにより駆動される第2ロッカアームと、前記第1のロッカアーム及び第2のロッカアームの一方に形成され、前記ロッカシャフトに設けられる連通路により前記ロッカシャフト内に設けられる油路と連通するシリンダと、前記シリンダ内に摺動自在に装着された第1のピストンと、前記第1,第2ロッカアームの他方に突設され前記第1のピストンに係合可能な係合突起と、前記第1ピストンを前記係合突起が係合しない非係合位置に付勢するリターンスプリングと、前記油路からの油圧により前記リターンスプリングの付勢力に抗して前記第1のピストンを前記係合突起が係合する係合位置に変位させる第2のピストンとをそなえ、該第2のピストンは該第1のピストンよりも小径に形成されていることを特徴としている。
なお、第2のピストンは前記連通路内を移動可能に前記ロッカシャフトに内蔵されることが好ましい。
本発明の内燃機関の動弁装置によれば、第2のピストンを設けることにより第1のピストンを切り換えるために必要な油量を低減することができ、第1のピストンの切り換え(特に非係合位置から係合位置への切り換え)時の切り換え時間を大幅に低減することができるという利点がある。
これにより、第1のロッカアームと第2のロッカアームとの係合及び非係合を確実に切り換えることができるようになる。したがって、第1のピストンと係合突起とが半係合の状態になって、その後バルブを駆動する反力により第1のピストンの切り換え途中で第1のピストンが係合突起にはじかれてしまうような事態を確実に回避することができるまた、第1のピストンがはじかれてしまうことに起因する第1ロッカアームとカムとの衝突音、又は打音の発生を抑制でき、動弁系の耐久性が大きく向上する利点がある。
また、第2のピストンを第1のピストンよりも小径にすることにより、第1のピストンを切り換えるために必要な油量をさらに低減することができ、第1のピストンの切り換え時の切り換え時間を大幅に低減することができる。
さらに、第2のピストンをロッカシャフトに内蔵することにより、第2のピストンに働く油にロッカアームの揺動による乱れが生じないため切り換え時間の低減が可能となる。
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明すると、図1はその要部を示す模式的な断面図であり、図2はその変形例を示す図である。なお、以下では一部従来技術の説明で用いた図3〜図5を流用して説明する。
この動弁装置は、ピストン位置を切り換る機構に特徴があり、この部分を除いては、すでに図3〜図5を参照して説明した従来技術と同様に構成されている。
つまり、図3に示すように、エンジンの各気筒上方のシリンダヘッド10には、各気筒毎に2つの吸気弁11,12と2つの排気弁21,22とが備えられており、これらの吸気弁11,12、排気弁21,22を駆動するために動弁装置30が装備されている。
この動弁装置30は、吸気弁11,12を駆動する吸気弁駆動系と、排気弁21,22を駆動する排気弁駆動系とに分けられる。
吸気弁駆動系は、カムシャフト31と、カムシャフト31に固設されたカム31a〜31cと、吸気用ロッカシャフト32と、このロッカシャフト32に揺動自在に軸支され各カム31a〜31cによって揺動するロッカアーム33〜35とをそなえている。
排気弁駆動系は、吸気系と共用のカムシャフト31と、カムシャフト31に固設されたカム31d,31eと、排気用ロッカシャフト36と、このロッカシャフト36に揺動自在に軸支され各カム31d,31eによって揺動するロッカアーム37,38とをそなえている。
そして、動弁装置30の吸気弁駆動系の部分に、連結切換機構41を有する可変動弁機構40が設けられている。
つまり、吸気弁駆動用のロッカアーム33〜35のうちロッカアーム(第1のロッカアーム)33,34は一端のアジャストスクリュ33a,34aを吸気弁11,12のステム端部に当接させており、吸気弁11はロッカアーム33の揺動に応じて開閉し、吸気弁12はロッカアーム34の揺動に応じて開閉するようになっている。
また、ロッカアーム33,34の他端にはそれぞれローラ33b,34bが介装されている。また、このローラ33b,34bはいずれもエンジンの低速運転時に対応した低速用カムプロフィルに形成された低速用カム(第1のカム)31a,31bに当接しており、低速用カム31a,31bに応じてロッカアーム33,34が揺動すると、吸気弁11,12が低速運転時に適した特性で開閉するようになっている。
一方、ロッカアーム(第2のロッカアーム)35は、一端に突設された係合突起35aがロッカアーム33,34に係合可能になっており、他端に設けられたローラ35bは、エンジンの高速回転時に対応した高速用カムプロフィルに形成された高速用カム(第2のカム)31cに当接している。
また、図1(a),(b)に示すように、ロッカアーム33,34側におけるロッカアーム35の一端が当接しうる部位には、開口部153をそなえたシリンダ150が形成され、このシリンダ150内にはピストン151(第1のピストン)が内蔵されている。なお、開口部153は本実施形態の形状に限定されるものではなく、係合突起35aが揺動しうる空間を確保しうるものであればどのような形状でもよい。
また、ロッカシャフト32内には油路32aが形成されており、この油路32aには図示しない油圧源から作動油(ここでは潤滑油が兼用される)が供給されるようになっている。また、ロッカシャフト32には油路32aとシリンダ150とを連通接続する連通路32bがロッカシャフト23の径方向に沿って形成されている。
また、この連通路32bにはピストン151の径よりも小径に形成されたピン(第2のピストン)60が嵌挿されている。このピン60は連通路32bに対しては僅かに小径に形成されており、油路32a内の作動油圧が低いときにはピン60はロッカシャフト32に内蔵された状態となり、作動油圧が高められると、連通路32b内の液密性を保持しながら内上記ピン60がロッカシャフト32外方へ変位可能に構成されている。
そして、このようにピン60が変位すると、このピン60の上端がピストン151に当接して、リターンスプリング152の付勢力に抗してピストン151を上方に押し上げるようになっている。これにより、図1(b)に示すように、ピストン151が開口部153を閉塞するような位置に駆動される。
また、油路32a内を大気解放して油圧を低減すると、図1(a)に示すように、ピストン151及びピン60がリターンスプリング152の付勢力によって下方に移動し、開口部153が開放されるようになっている。
そして、このようなシリンダ150内のピストン151と、ピストン151に当接してピストン151位置を切り換えるピン60と、連通路32b内の油圧を調整する油圧調整装置(図示省略)とから、ロッカアーム33,34とロッカアーム35との連結状態を切り換える連結切換機構41が構成され、この連結切換機構41と吸気弁駆動系とから可変動弁機構40が構成されている。
このような構成により、油路32a内の油圧が弱められるとピストン151が下降して〔図1(a)参照〕、シリンダ150の開口部153には空間が形成される。この場合、ロッカアーム35が揺動すると、係合突起35aはこの空間内に進入することになるが、ロッカアーム33,34自体には接触せず、ロッカアーム35はいわゆる空振り状態となる(ロッカアーム非係合)。したがって、ロッカアーム33,34は各対応カム31a,31bに応じて揺動し、吸気弁11,12は低速運転に適した特性で開閉駆動される(低速運転モード)。
一方、連通路32b内の油圧が高められるとピン60が上昇するとともにピストン151が突出状態となり、シリンダ150の開口部153がピストン151により閉塞される〔図1(b)参照〕。したがって、ロッカアーム35の揺動時には、ロッカアーム35の一端の係合突起35aはこのピストン151に当接してピストン151を介してロッカアーム33,34を揺動させる。このとき、ロッカアーム33,34は、各対応カム31a,31bに対しては離隔しながら、ロッカアーム35に駆動されて高速用カム31cに応じて揺動し、吸気弁11,12をエンジンの高速回転時に対応した特性で開閉する(高速運転モード)。
本発明の一実施形態としての内燃機関の動弁装置は、上述のように構成されているので、油圧調整装置(ピストン位置切換装置)によって油路32内の油圧を高めると、ピン60が上昇するとともに、このピン60に押圧されてピストン151が突出状態となり〔図1(b)参照〕、シリンダ150の開口部153にはピストン151の係合面154が位置するようになって、ロッカアーム35の揺動時には、ロッカアーム35の一端の係合突起35aはこのピストン151の係合面154に当接してピストン151を介してロッカアーム33,34を揺動させるようになる。すなわち、連結切換機構41が連結状態となって、吸気用のロッカアーム33,34がロッカアーム35と一体に揺動して、高速カム31cのカムプロフィルに応じて吸気弁11,12を開閉駆動するような高速運転モードとなる。
油圧調整装置(ピストン位置切換装置)42によって油路32a内の油圧を弱めると、リターンスプリング152の付勢力によりピストン151及びピン60が下降して〔図1(a)参照〕、シリンダ150の開口部153に空間が形成されて、ロッカアーム35の揺動時には、ロッカアーム35の一端の係合突起35aはこの空間内に進入して、ロッカアーム33,34自体には接触しない。これによって、連結切換機構41は切り離し状態となって、吸気用のロッカアーム33,34はロッカアーム35に影響されることなく揺動して、低速カム31a又は低速カム31bのカムプロフィルに応じて吸気弁11,12を開閉駆動する低速運転モードとなる。
特に、本装置では、連結切換機構41が、ピン60の変位に応じてピストン151位置が切り換えられるような、いわゆる2段ピストンとして構成されているので、ピストン151の切換を確実に実行できるようになる。
つまり、ピストン151の底面に直接油圧が発生しなくともより油路に近いピン60の底面に油圧が発生すればピストン151を切り換えることができるので、切り換え時のレスポンスの向上を図ることができる。
また、ピストン151を油圧により直接切り換え作動させる場合(特に低速運転モードから高速運転モードへ切り換える場合)には、ピストンの151の底面積S1(ピストン径R1と等価)とピストンストロークLとの積で求められる容積分の油量が必要とされる。一方、ピストン151の切り換え時に必要な油量を低減することができれば、ピストン151の切り換え時間を低減することができる。すなわち、この油量を低減できれば、少ない作動油供給量でピストン151を切り換えることができるので、切り換え時のレスポンスの向上を図ることができる。
しかしながら、ピストン151に要求される強度等を考慮すると、ピストン151の更なる小径化やピストンストロークの更なる低減は困難であり、したがって、ピストン151の切り換えに必要な油量を低減するのは困難であった。
そこで、本発明ではピストン151の下方に小径のピン60を設けた2段ピストン構造としているのである。このような構成によれば、ピストン151を移動させるのに必要な油量はピン60の底面積S2(ピン60の径と等価)とストローク量Lとの積となるので、ピン60の径をピストン151よりも小さくすることで、ピストン151の切り換え時間(特に低速運転モードから高速運転モードへ切り換え時間)を低減することができるという利点がある。
また、ロッカシャフト32の油路32aから連通路32bを介してシリンダ50内に油を流入出させた場合、ロッカアームの揺動により油の流れに乱れが生じ、切り換え時間の低減に支障をきたすおそれがあった。
そこで、本発明では、ピン60をロッカシャフト32に内蔵する構成としている。このような構成にすれば、ピン60にはエンジン本体に固定されるロッカシャフト32内の油路32aの油圧が直接働くため、ロッカアームの揺動により油自体が振られることなく、確実な作動油圧を供給でき切り換え時間の低減がさらに行なえる。
これにより、ピストン151とロッカアーム35の係合突起35aとが半係合の状態になって、バルブを駆動する反力によりピストン151のリフト途中でピストン151が係合突起35aにはじかれて低速運転モードに切り換わってしまうといった従来技術の課題を解決することができる。また、ピストン151がはじかれてしまうことに起因するロッカアーム33,34とカムとの衝突音、又は打音の発生を抑制でき、ローラ34a,34bの耐久性が大きく向上するという利点がある。
次に、本実施形態の変形例について図2を用いて説明すると、この変形例では上述の実施形態に対して主にシリンダ150やピストン151の配設された位置が異なって構成されている。
つまり、上述の実施形態においては、低速用カム31a,31b(図3参照)により駆動されるロッカアーム33,34側にシリンダ150,ピストン151,ピン60及びリターンスプリング151を設け、高速カム31cによって駆動されるロッカアーム35に係合突起35aを設けている(図1参照)のに対して、本変形例では、図2に示すように、ロッカアーム33,34に隣接して配置され、高速用カム31cにより駆動される第2ロッカアーム35側に、シリンダ150,ピストン151,ピン60及びリターンスプリング151を設けるとともに、低速用カムにより駆動されるロッカアーム33,34側に係合突起33′,34′を形成したものであり、これ以外は、上述の実施形態と同様に構成されている。
そして、このように構成した場合であっても、上述の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。すなわち、油路32内の油圧を高めると、ピン60が上昇するとともに、このピン60に押圧されてピストン151が突出状態となり、ロッカアーム35の揺動時には、ピストン151を介してロッカアーム33,34が揺動駆動される(高速運転モード)。
また、油路32a内の油圧を弱めると、リターンスプリング152の付勢力によりピストン151及びピン60が下降して、シリンダ150の開口部に空間が形成されて、ロッカアーム35の揺動時には、ロッカアーム33,34の係合突起33′,34′はこの空間内に進入して、吸気用のロッカアーム33,34はロッカアーム35に影響されることなく、低速カム31a又は低速カム31bのカムプロフィルに応じて揺動駆動される(低速運転モード)。
また、ピストン151を移動させるのに必要な油量は、上述した実施形態同様に、ピン60の底面積S2(ピン60の径と等価)とストローク量Lとの積となるので、ピン60の径をピストン151よりも小さくすることで、ピストン151の切り換え時間が低減される。
これにより、ピストン151とロッカアーム33,34の係合突起33′,34′とが半係合の状態になった後、ピストン151が係合突起33′,34′にはじかれて低速運転モードに切り換わってしまうような事態を回避することができる。また、ピストン151がはじかれてしまうことに起因するロッカアーム33,34とカムとの衝突音、又は打音の発生を抑制でき、耐久性が大きく向上するという利点がある。
なお、図2のごとくシリンダ150のピストン151とピン60との間となる部位に外部と連通する呼吸穴155を設けることにより、ピストン151とピン60の背圧が低減され、切り換え時間がさらに低減される。
以上、本発明の実施形態を説明及びその変形例について説明したが、本発明はかかる実施形態や変形例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば第2のピストン(ピン)60の長さは、ピストン151のストローク量や油路32aの径や連通路32bの長さ等に応じて適宜変更可能である。
本発明の一実施形態にかかる内燃機関の動弁装置の要部を示す模式的な断面図であり、(a)はピストンが非係合位置にある時の縦断面図、(b)はピストンが係合位置にある時の縦断面図である。 本発明の一実施形態にかかる内燃機関の動弁装置の変形例を示す模式的な断面図である。 従来の技術を説明するための図であって、図4のB−B矢視断面図である。 従来の技術を説明するための図であって、シリンダヘッド内を示す模式的な側面図である。 従来の技術を説明するための図であって、(a)は非連結状態を示し、(b)は連結状態を示す。
符号の説明
11,12 吸気弁
21,22 排気弁
31a,31b 低速カム(第1のカム)
31c 高速カム(第2のカム)
32 吸気側ロッカシャフト(第1のロッカシャフト)
33,34 第1のロッカアーム
35 第2のロッカアーム
35a 係合突起
36 吸気側ロッカシャフト(第2のロッカシャフト)
41 連結切換機構
60 ピン(第2のピストン)
150 シリンダ
151 ピストン(第1のピストン)
152 リターンスプリング
153 開口部
154 ピストン151の側面(係合部)

Claims (2)

  1. 先端が吸気弁又は排気弁の一方に連係され、ロッカシャフトに揺動自在に支承されて第1のカムにより駆動される第1のロッカアームと、
    前記ロッカシャフトに揺動自在に支承されて前記第1のロッカアームに隣接するように配置され、前記第1のカムと形状の異なる第2のカムにより駆動される第2のロッカアームと、
    前記第1及び第2のロッカアームの一方に形成され、前記ロッカシャフトに設けられる連通路により前記ロッカシャフト内に設けられる油路と連通するシリンダと、
    前記シリンダ内に摺動自在に装着された第1のピストンと、
    前記第1,第2のロッカアームの他方に突設され前記第1のピストンに形成された係合部に係合可能な係合突起と、
    前記第1のピストンを前記係合突起が係合しない非係合位置に付勢するリターンスプリングと、
    前記油路からの油圧により前記リターンスプリングの付勢力に抗して前記第1のピストンを前記係合突起が係合する係合位置に変位させる第2のピストンとをそなえ
    該第2のピストンは該第1のピストンよりも小径に形成されている
    ことを特徴とする、内燃機関の動弁装置。
  2. 該第2のピストンは該連通路内を移動可能に前記ロッカシャフトに内蔵されることを特徴とする、請求項1記載の内燃機関の動弁装置。
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