JP4305335B2 - 可変動弁機構 - Google Patents

Description

この発明は、可変動弁機構に係り、特に、カムシャフトの回転と同期して開閉する弁のリフト量を変化させることのできる内燃機関の可変動弁機構に関する。

従来から、カムシャフトの回転と同期して開閉する弁体の開弁、閉弁タイミングを可変する機構が知られている。例えば、特開平７−３０１１４４号公報には、クランクシャフトの回転に対する吸気側カムシャフトの回転位相を変化させることにより、吸気バルブの開閉タイミングを連続的に変化させるようにした可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）が開示されている。

特開平７−３０１１４４号公報 特開平５−１１８２３２号公報

しかしながら、上記公報に記載された可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）は、タイミングプーリーに対するカムシャフトの回転位相を油圧駆動によって変化させるものである。このような大掛かりな機構を内燃機関に組み込むと、機関の構造が複雑になり、重量が増大するといった問題が生じる。また、駆動部の慣性質量が大きくなるため、特に高回転型の機関では燃費が悪化するなどの問題が生じる。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、簡素な構成で弁体の開弁、閉弁タイミングを可変するとともに、弁体のリフト量を可変することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の弁体のリフト量を変化させる可変動弁機構であって、クランクの回転に応じて回転するカムと、所定範囲で揺動して前記弁体を開閉方向に駆動するロッカーアームと、前記カムの作用力を前記ロッカーアームへ伝達するローラと、前記ローラを支持する制御リンクと、制御リンクを支持すると共に、前記カムが設けられたカムシャフトに対して回動可能な制御アームと、前記制御アームの回転位置を可変する可変機構と、を備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記ロッカーアームは、前記カムシャフトの回転中心を中心とする円弧状のローラ当接面を有し、前記ローラは、前記ローラ当接面上を転動しながら前記カムの作用力を前記ロッカーアームへ伝達することを特徴とする。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記ロッカーアームと前記ローラとの間のクリアランスを調整する調整手段を更に備えたことを特徴とする。

第１の発明によれば、ロッカーアームとカムとの間に介在する中間構成部材が、弁体のリフト量を可変する際に位置が可変されるローラのみであるため、可変動弁機構を簡素に構成することができ、ローラの位置を可変することのみによって弁体のリフト量を可変することができる。これにより、可変動弁機構を構成する部材の部品点数を削減することができ、慣性質量を低減することができる。従って、各構成部材の耐久性を向上させることができ、機関の高回転化を図ることが可能となる。

第２の発明によれば、カムシャフトの回転中心を中心とする円弧状のローラ当接面をロッカーアームに設けたため、カムの基礎円とローラとが接触している状態でローラの位置を可変させた場合に、確実に閉弁状態を維持することができる。

第３の発明によれば、制御リンクをカムシャフトに対して回動可能に支持するようにしたため、可変動弁機構の小型化を達成することができる。

第４の発明によれば、カムシャフトの回転中心を軸とする円弧状のローラ当接面をロッカーアームに設けたため、ローラの位置を可変する毎に弁体の閉弁状態を調整する必要がなくなる。従って、ＨＬＡ等の機構が不要となり、ＨＬＡリークダウン等による高回転域の運動性への影響を排除することが可能となる。

以下、図面に基づいてこの発明の一実施形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。なお、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る可変動弁機構１０を示す斜視図である。また、図２は、図１に示す可変動弁機構１０を分解した状態を示す模式図である。図１及び図２に示す可変動弁機構１０は、内燃機関の弁体を駆動するための機構であって、単一の気筒に配設された吸気弁、或いは排気弁を駆動する機構として機能するものである。

図１及び図２に示す構成は、吸気弁または排気弁として機能する弁体１２を備えている。弁体１２には、それぞれ弁軸１４が固定されている。弁軸１４の端部は、ロッカーアーム１６の一端に設けられたピボットに接している。弁軸１４には、後述するバルブスプリング６２の付勢力が作用しており、ロッカーアーム１６の一端は、その付勢力を受けた弁軸１４により上方に付勢されている。ロッカーアーム１６の他端は、ロッカーシャフト１８に挿入され、回動可能に支持されている。

図２に示すように、ロッカーアーム１６の上面にはローラ当接面１６ａが設けられており、ローラ当接面１６ａ上にはローラ２０ｂが配設される。ローラ２０ｂの両側にはローラ２０ａが配置され、ローラ２０ａ、ローラ２０ｂは共にシャフト２１によって制御リンク２２の一端に回動可能に支持されている。本実施形態において、ローラ２０ａとローラ２０ｂは同一の直径を有するものとする。制御リンク２２の他端にはシャフト２４が挿入され、シャフト２４は制御アーム２６に装着されている。これにより、制御リンク２２はシャフト２４を回転中心として回転することができ、制御アーム２６に対して回動可能に支持されている。

本実施形態の可変動弁機構１０は、クランクシャフトと同期して回転するカムシャフト２８を備えている。図２に示すように、カムシャフト２８には内燃機関の気筒毎にカム３０が設けられている。

図２に示すように、制御アーム２６はリンク部材３２とリンク部材３４から構成されている。そして、カムシャフト２８を挟むようにしてリンク部材３２とリンク部材３４を固定することで、リンク部材３２及びリンク部材３４に設けられた摺動面３２ａ，３４ａがカムシャフト２８の外周に対して嵌合するように構成されている。これにより、制御アーム２６はカムシャフト２８に対して回動自在に支持されている。このように、カムシャフト２８を制御アーム２６の回転中心とすることで、可変動弁機構１０をコンパクトに構成することができる。

また、本実施形態の可変動弁機構１０は、可変動弁動作を行うための制御軸４０を備えている。制御軸４０には、アクチュエータ（不図示）が連結されており、このアクチュエータによって制御軸４０の回転位置が所定の角度に設定される。

制御軸４０の外周の一部にはギヤ４０ａが設けられている。また、リンク部材３２の外周にはギヤ３２ｂが設けられている。ギヤ４０ａとギヤ３２ｂは互いに係合している。従って、上述したアクチュエータによって制御軸４０の回転位置が所定の角度に設定されると、制御アーム２６の回転位置が所定の角度に設定される。

図３は、図１の可変動弁機構１０を上側から見た状態を示す模式図である。図３に示すように、制御軸４０とカムシャフト２８は平行に配置され、制御軸４０のギヤ４０ａとリンク部材３２のギヤ３２ｂは互いに係合している。

図４は、図３の一点鎖線Ｉ−Ｉ’に沿った断面を示す模式図であって、本実施形態の主要部を示している。ここで、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は共に閉弁時の状態を示しており、図４（Ａ）は、可変動弁機構１０が大リフト動作側に設定された状態を、図４（Ｂ）は、可変動弁機構１０が小リフト動作側に設定された状態を示している。

図４に示すように、ロッカーアーム１６の一端はバルブスプリング６２の付勢力を受けた弁軸１４により支持されている。そして、カム３０はローラ２０ａに接しており、ロッカーアーム１６の上方への移動を規制している。つまり、図４に示す状態から弁体１２が開かれると、ローラ２０ａ，２０ｂを介してロッカーアーム１６のローラ当接面１６ａがカム３０と機械的に連結された状態が実現される。

そして、図４に示す閉弁状態では、ローラ当接面１６ａとローラ２０ｂとの間のクリアランス、及びローラ２０ａとカム３０との必要クリアランスが所定値（タペットクリアランス）となるように弁軸１４の軸端のシムによりクリアランスが調整されている。

カム３０の回転に伴ってカムノーズがローラ２０ａを押圧すると、その力は同軸上のローラ２０ｂによりロッカーアーム１６のローラ当接面１６ａに伝達される。この際、ローラ２０ｂは、ローラ当接面１６ａの上を転動しながらカム３０の作用力をロッカーアーム１６に伝え続けることができる。その結果、ロッカーアーム１６にロッカーシャフト１８を中心とする回転が生じ、ロッカーアーム１６により弁軸１４が押し下げられ、弁体１２に開弁方向の動きが与えられる。可変動弁機構１０は、以上説明したように、カム３０の作用力を、ローラ２０ａ，２０ｂを介してロッカーアーム１６に伝達することで弁体１２を作動させることができる。

上述したように、制御軸４０の回転位置を所定の角度に設定することで、制御アーム２６の回転位置が所定の角度に設定される。そして、ローラ２０ａ，２０ｂを支持する制御リンク２２は制御アーム２６に支持されているため、制御アーム２６を回転させるとローラ２０ａ，２０ｂが移動する。本実施形態の可変動弁機構１０は、ローラ２０ａ，２０ｂの位置を可変することで、開弁時の弁体１２のリフト量を可変する。

図４（Ａ）に示すように、可変動弁機構１０が大リフト動作側に設定される場合は、ローラ２０ａ，２０ｂの位置がロッカーシャフト１８に近接する位置となるように制御軸４０が駆動され、制御アーム２６の回転位置が設定される。一方、図４（Ｂ）に示すように、可変動弁機構１０が小リフト動作側に設定される場合は、ローラ２０ａ，２０ｂの位置がロッカーシャフト１８から十分に離れた位置となるように制御アーム２６の回転位置が設定される。

ロッカーアーム１６のローラ当接面１６ａは、カムシャフト２８の回転中心を中心とし、（カム３０の基礎円の半径）＋（ローラ２０ａ，２０ｂの直径）の半径を有する円弧から構成されている。また、制御アーム２６はカムシャフト２８に対して回動可能に支持されているため、図４に示す閉弁状態で制御アーム２６を回転させた際のローラ２０ａ，２０ｂの軌跡は、カムシャフト２８を中心とする円弧状の軌跡となる。

このため、カム３０の基礎円がローラ２０ａに対向（当接）している閉弁状態では、ローラ２０ａ，２０ｂがロッカーアーム１６の支点に対して位置を変えても、弁体１２のリフトが発生せず、閉弁状態が維持される。

一方、制御アーム２６を回転させてローラ２０ａ，２０ｂの位置を可変すると、カム３０に対するローラ２０ａ，２０ｂの位置が変わるため、バルブタイミングが可変する。また、ローラ２０ａ，２０ｂの位置を可変すると、ロッカーアーム１６の支点（ロッカーシャフト１８）に対するローラ２０ａ，２０ｂの位置が変わるため、ロッカーアーム比が可変する。従って、ローラ２０ａ，２０ｂの位置を可変することで、弁体１２のリフト量を可変することができる。

図４（Ａ）に示すように、大リフト動作の場合は、ローラ２０ａ，２０ｂとロッカーアーム１６との接触点Ｐ１がロッカーアーム１８の回転中心Ｏに近接しているため、カム３０によって押し下げられたローラ２０ａ，２０ｂの移動量に対する弁体１２の移動量の比が大きくなり、大リフト動作が実現される。

一方、図４（Ｂ）に示すように、小リフト動作の場合は、ローラ２０ａ，２０ｂとロッカーアーム１６との接触点Ｐ１がロッカーアーム１８の回転中心Ｏから十分に離れているため、ローラ２０ａ，２０ｂの移動量に対する弁体１２の移動量の比が小さくなり、小リフト動作が実現される。

従って、本実施形態の可変動弁機構１０によれば、ロッカーアーム１６のローラ当接面１６ａとカム３０との間でローラ２０ａ，２０ｂの位置を可変させることで、弁体１２のリフト量を可変することができる。

また、ローラ当接面１６ａをローラ２０ａ，２０ｂの軌跡に対して同心円となるように設けたため、弁体１２の軸端のシムにより閉弁時におけるカム３０の基礎円とローラ２０ａとのクリアランスを所定値に調整することで、閉弁時にリフト量を可変した場合に機構誤差により弁体１２が開いてしまうことを確実に抑止できる。従って、リフト量を可変する毎に閉弁時における閉弁不良を防止するＨＬＡ（ハイドロリックラッシュアジャスター）等の機構が不要となり、ＨＬＡのリークダウン等による高回転域の運動性への影響を排除することが可能となる。更に、ローラ当接面１６ａは円加工による単純加工で形成できるため、加工精度を高めることができ、部品歪み等による寸法誤差を最小限に抑えることができる。

更に、カム３０とロッカーアーム１６との間にはローラ２０ａ，２０ｂのみが介在する構成であるため、ローラ２０ａ，２０ｂは、ロッカーアーム１６とカム３０間で大リフト、小リフトのいずれの状態でもタペットクリアランスを維持しながら保持される。従って、カム３０とロッカーアーム１６との間に介在する中間構成機構をカム３０側に押し付けておくためのロストモーションスプリングを別途設ける必要がなくなり、部品点数を削減することができる。

次に、図５及び図６に基づいて、本実施形態の可変動弁機構１０によって弁体１２のリフト量を可変した場合の、弁体１２の開閉タイミングの変化について説明する。

図５は、弁体１２のリフト量を大リフト動作側、小リフト動作側のそれぞれに設定した場合に、開閉タイミングの変化を説明するための模式図である。図５では、大リフト動作側に設定された場合のローラ２０ａ，２０ｂを実線で、小リフト動作側に設定された場合のローラ２０ａ，２０ｂを破線で示している。

図５に示すように、カム３０は角度θの範囲に形成されている。そして、小リフト動作、大リフト動作のいずれの場合においても、カムシャフト２８が回転してカム３０とローラ２０ａとの接触点Ｐ２_大リフト、Ｐ２_小リフトが角度θの範囲内に位置するときに、弁体１２がリフトする。従って、本実施形態の可変動弁機構１０では、大リフト動作側に設定された場合、小リフト動作側に設定された場合、のいずれの場合においても、弁体１２が開いている間の作用角は一定となる。このように、本実施形態の可変動弁機構１０によれば、弁体１２のリフト量のみを可変し、作用角を可変させない機構を簡素な構成で実現できる。

図６は、本実施形態の可変動弁機構１０を用いて内燃機関を構成した場合に、クランク角と弁体１２のリフト量との関係を示す特性図である。図６では、可変動弁機構１０により吸気弁のリフト量を可変した場合を示している。図６において、実線は吸気弁を大リフト動作側に設定した場合を、破線は吸気弁を小リフト動作側に設定した場合を示している。また、図６において、一点鎖線は排気弁のリフト量を示している。

図６に示すように、可変動弁機構１０が小リフト動作側に設定された場合、大リフト動作側の場合に比べて開弁タイミング、閉弁タイミングともに遅角側へシフトする。これは、図５において、カムシャフト２８が矢印方向に回転した場合に、接触点Ｐ２_小リフトの方が接触点Ｐ２_大リフトよりも遅れてカム３０に押圧されるためである。

これにより、小リフト動作の際には吸気弁が遅閉じとなり、吸気行程で筒内に吸入された混合気の一部が圧縮行程で吸気ポート側に戻される。従って、圧縮行程で圧縮される混合気の量が大リフト動作側に比べて減少することになり、ポンピングロスを低減することができる。また、小リフト動作の場合はバルブスプリング６２の反力が低減されているため、カムシャフト２８の回転に伴うフリクションロスも低減されている。従って、小リフト動作時に遅角側へ開閉タイミングをシフトすることで、ポンピングロス、フリクションロスを共に低減することができ、機関の効率を高めることが可能となる。

以上説明したように本実施形態によれば、ロッカーアーム１６とカム３０との間にローラ２０ａ，２０ｂのみを介在させているため、可変動弁機構１０を簡素に構成することができ、ローラ２０ａ，２０ｂの位置を可変することのみによって弁体１２のリフト量、開閉タイミングを可変することができる。これにより、可変動弁機構１０を構成する部材の部品点数を削減することができ、慣性質量を低減することができる。従って、各構成部材の耐久性を向上させることができ、機関の高回転化を図ることが可能となる。

なお、本実施形態では、制御アーム２６を回転させることでローラ２０ａ，２０ｂの位置を変化させているが、ローラ２０ａ，２０ｂの位置を変化させる手段として他の方法を用いても良い。

本発明の一実施形態に係る可変動弁機構を示す斜視図である。 図１に示す可変動弁機構を分解した状態を示す模式図である。 図１の可変動弁機構を上側から見た状態を示す模式図である。 図３の一点鎖線Ｉ−Ｉ’に沿った断面を示す模式図である。 弁体のリフト量を大リフト動作側、小リフト動作側のそれぞれに設定した場合に、開閉タイミングの変化を説明するための模式図である。 本実施形態の可変動弁機構を用いて内燃機関を構成した場合に、クランク角と弁体のリフト量との関係を示す特性図である。

符号の説明

１０ 可変動弁機構
１２ 弁体
１６ ロッカーアーム
１６ａ ローラ当接面
２０ａ，２０ｂ ローラ
２２ 制御リンク
２６ 制御アーム
２８ カムシャフト
３０ カム

Claims (3)

1. 内燃機関の弁体のリフト量を変化させる可変動弁機構であって、
   クランクの回転に応じて回転するカムと、
   所定範囲で揺動して前記弁体を開閉方向に駆動するロッカーアームと、
   前記カムの作用力を前記ロッカーアームへ伝達するローラと、
   前記ローラを支持する制御リンクと、
   制御リンクを支持すると共に、前記カムが設けられたカムシャフトに対して回動可能な制御アームと、
   前記制御アームの回転位置を可変する可変機構と、
   を備えたことを特徴とする可変動弁機構。
2. 前記ロッカーアームは、前記カムシャフトの回転中心を中心とする円弧状のローラ当接面を有し、
   前記ローラは、前記ローラ当接面上を転動しながら前記カムの作用力を前記ロッカーアームへ伝達することを特徴とする請求項１記載の可変動弁機構。
3. 前記ロッカーアームと前記ローラとの間のクリアランスを調整する調整手段を更に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の可変動弁機構。

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