JP4469343B2 - 可変動弁機構 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の運転状態に応じバルブ特性を連続的に変化させる可変動弁機構に関する。

従来、複数の気筒を備えた内燃機関において、テーパカムを用いてバルブのリフト量と作用角を連続的に変化させる可変動弁機構が知られている。例えば、図９（ａ）に示す可変動弁機構５０では、シリンダヘッド上のカムハウジング５１にカムシャフト５２とアームシャフト５３とが平行に支持されている。カムシャフト５２上には複数のテーパカム５４が設けられ、アームシャフト５３上にテーパカム５４に係合するテーパローラ５５を備えた揺動アーム５６が支持されている。

そして、揺動アーム５６をカムハウジング５１のジャーナル部５１ａによりテーパカム５４に位置決めし、カムシャフト５２をアクチュエータ５７で軸線方向へ駆動し、テーパカム５４とテーパローラ５５との接触位置を変化させて、揺動アーム５６の初期位相を内燃機関の運転状態に応じて変更するようになっている。なお、特許文献１には、カムシャフト上にテーパカムを備えた可変動弁機構が記載されている。
特許第３３１３４４５号公報

ところが、従来の可変動弁機構５０によると、揺動アーム５６がカムハウジング５１のジャーナル部５１ａによって位置決めされているので、図９（ｂ）に示すように、カムハウジング５１の熱膨張（Ｅ：熱膨張量）に伴い、揺動アーム５６がアームシャフト５３上で軸線方向に変位する。通常、カムハウジング５１はアルミニウム材で成形され、線膨張係数がスチール製のシャフト５２，５３よりも大きいため、熱膨張差によって揺動アーム５６がテーパカム５４よりも大きく変位し、テーパローラ５５とテーパカム５４との接触位置がカムハウジング５１の基準位置（鎖線位置）から離れるほど大きく変化する。従って、複数の気筒間にバルブリフト量のばらつきが発生し、内燃機関の燃費、エミッション、振動等に悪影響が及ぶという問題点があった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、カムハウジングとシャフトとの熱膨張差による影響を排除し、気筒間のバルブリフト量のばらつきを解消できる可変動弁機構を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、内燃機関のシリンダヘッド上にカムハウジングを設置し、カムハウジングにカムシャフトとアームシャフトを平行に支持し、カムシャフト上に複数のテーパカムを設け、アームシャフト上にテーパカムに係合する複数の揺動アームを支持し、カムシャフトとアームシャフトを軸線方向へ相対移動するアクチュエータを備えた可変動弁機構において、揺動アームをテーパカムに位置決めする位置決め部材を備え、該位置決め部材をアームシャフト上に固定するとともに、カムハウジングのジャーナル部の支持穴にアームシャフトの軸線方向へ移動可能に組み付けたことを特徴とする。

上記可変動弁機構において、好ましくは、次の手段を採用することができる。
（１）位置決め部材と揺動アームとの間にシムを介在させ、アームシャフトに交換可能に装着すること。
（２）リング状の位置決め部材をアームシャフト上に嵌挿し、位置決め部材の端面で揺動アームをテーパカムに位置決めすること。
（３）一気筒あたり少なくとも一つの揺動アームをアームシャフト上に支持し、揺動アームの両側に配置した位置決め部材をカムハウジングのジャーナル部に組み付けること。

本発明の可変動弁機構によれば、揺動アームをカムハウジングとは別体の位置決め部材でテーパカムに位置決めし、位置決め部材をカムハウジングに移動可能に組み付けたので、カムハウジングとシャフトとの熱膨張差が位置決め部材によって吸収される。従って、テーパカムと揺動アームとの係合位置をすべての気筒で等しくして、気筒間のバルブリフト量のばらつきを解消できるという効果がある。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図２、図４に示すように、この実施形態の可変動弁機構１はシリンダヘッド３の上方にカムハウジング２を備え、カムハウジング２の複数のジャーナル部２ａにカムシャフト８とアームシャフト１０とが平行に支持されている。カムシャフト８上には複数のテーパカム１１が設けられ、アームシャフト１０上に複数の揺動アーム１３が支持されている。揺動アーム１３にはテーパカム１１に係合するテーパローラ２１が支持され、アクチュエータ２５がカムシャフト８を軸線方向へ駆動して、テーパカム１１とテーパローラ２１との接触位置を変更する。

アームシャフト１０上には揺動アーム１３をテーパカム１１に位置決めする複数のシャフトリング２７が嵌挿されている。シャフトリング２７はアームシャフト１０の定位置に固定され、基準位置のシャフトリング２７Ａを除くすべてがカムハウジング２のジャーナル部２ａにアームシャフト１０の軸線方向へ移動可能に組み付けられている。シャフトリング２７と揺動アーム１３との間にはシム３２が介在し、アームシャフト１０に交換可能に装着されている。

次に、本発明の一実施例を図１〜図７に基づいて説明する。図１、図２に示すように、可変動弁機構１のカムハウジング２は全体がアルミニウム材で平面長四角形に成形され、自動車用ガソリンエンジンのシリンダヘッド３上に設置されている。ガソリンエンジンは四つのシリンダ４を備え、各シリンダ４に二つの吸気バルブ５と二つの排気バルブ６とが設けられている。なお、この実施例では、可変動弁機構１が吸気バルブ５のバルブ特性を制御するように構成されているが、同じ構成を排気バルブ６に適用することもできる。

カムハウジング２の五つのジャーナル部２ａには、それぞれスチール製の吸気カムシャフト８、排気カムシャフト９及びアームシャフト１０が互いに平行に支持されている。吸気カムシャフト８上には一気筒あたり二つのテーパカム１１が固定され、排気カムシャフト９上に同数の排気カム１２が固定され、共にエンジンのクランク軸（図示略）によりカムシャフト８，９と一体に回転される。アームシャフト１０上には一気筒あたり二本の揺動アーム１３が支持され、吸気カムシャフト８の回転に伴い、テーパカム１１によって上下に揺動される。

図２、図３に示すように、揺動アーム１３の下側には一気筒あたり二本のロッカアーム１５が配置され、その基端はピボット１６に支持されている。ロッカアーム１５の先端には吸気バルブ５を叩打するバルブ駆動部１７が設けられ、ロッカアーム１５の中間部にローラ１８が支持されている。揺動アーム１３にはローラ１８に係合する下向きのカム面１９が形成され、その始端（図２の左端）側にアームシャフト１０の軸心を中心とする等半径部１９ａが設けられている。そして、テーパカム１１の回転に伴い、揺動アーム１３がロッカアーム１５を上下に揺動し、ロッカアーム１５が吸気バルブ５を開閉するようになっている。

テーパカム１１は、吸気バルブ５のリフト量をゼロに保つベース部１１ａと、該バルブリフト量を増大させるノーズ部１１ｂと、揺動アーム１３の初期位相を最小化する最小プロフィール１１ｃと、該初期位相を最大化する最大プロフィール１１ｄとを備えている。揺動アーム１３には、テーパカム１１に接触するテーパローラ２１と、テーパローラ２１の反対側でプッシャー２２に係合する突片２３とが設けられ、プッシャー２２にテーパローラ２１をテーパカム１１側へ付勢するスプリング２４が嵌挿されている。

カムハウジング２の一端面には油圧又は電動のアクチュエータ２５（図１参照）が設置され、アクチュエータ２５に吸気カムシャフト８の一端が連結されている。アクチュエータ２５は、ガソリンエンジンの制御装置（図示略）により運転状態に応じて制御され、アームシャフト１０に対して吸気カムシャフト８を軸線方向へ駆動し、テーパカム１１とテーパローラ２１との接触位置を変化させ、テーパカム１１のプロフィールに従って揺動アーム１３の初期位相を連続的に変更するようになっている。

図１、図４に示すように、アームシャフト１０は五つのシャフトリング２７によりカムハウジング２のジャーナル部２ａに支持されている。また、アームシャフト１０上にはスペーサ２８が左右の揺動アーム１３の間に位置するように嵌挿されている。シャフトリング２７及びスペーサ２８は揺動アーム１３と交互に配列され、各シリンダ４において、シャフトリング２７が左側の揺動アーム１３を左側のテーパカム１１に位置決めし、スペーサ２８が右側の揺動アーム１３を右側のテーパカム１１に位置決めしている。なお、揺動アーム１３の右方への移動はテーパカム１１によって規制される。

左端のシャフトリング２７Ａはボルト２９でカムハウジング２の基準位置である左端のジャーナル部２ａにアームシャフト１０と共に固定されている。その他のシャフトリング２７はネジ３０によってアームシャフト１０の定位置に固定されるとともに、ジャーナル部２ａの支持穴３１にアームシャフト１０の軸線方向へ移動可能に支持されている。シャフトリング２７と揺動アーム１３との間には馬蹄形のシム３２（図３参照）が交換可能に介装され、スペーサ２８と揺動アーム１３との間に同様のシム３３が介装されている。そして、シム３２，３３によりテーパカム１１とテーパローラ２１との接触位置を微調整できるようになっている。

次に、上記のように構成された可変動弁機構１の作用について説明する。図５はテーパカム１１の最小プロフィール１１ｃをテーパローラ２１に位置決めした状態を示す。この状態では、図５（ａ）に示すように、揺動アーム１３の初期位相が最小化され、テーパローラ２１がベース部１１ａに係合する期間中、揺動アーム１３とロッカアーム１５が共に静止し、吸気バルブ５が閉鎖位置に保持される。図５（ｂ）に示すように、テーパローラ２１がノーズ部１１ｂの頂点に係合すると、揺動アーム１３とロッカアーム１５が共に最小の角度で揺動し、図７の曲線（イ）に示すように、バルブリフト量と作用角が共に最小化され、吸気バルブ５の開放タイミングが遅く閉鎖タイミングが早く制御される。なお、図７の曲線（ホ）は排気バルブ６のリフト量と作用角を示す。

図６はテーパカム１１の最大プロフィール１１ｄをテーパローラ２１に位置決めした状態を示す。この状態では、図６（ａ）に示すように、テーパローラ２１がロッカアーム１５側へ変位し、揺動アーム１３の初期位相が最大化される。しかし、テーパローラ２１がベース部１１ａに係合する期間中は、揺動アーム１３の等半径部１９ａがローラ１８に係合するため、ロッカアーム１５が静止し、吸気バルブ５が閉鎖位置に保持される。図６（ｂ）に示すように、テーパローラ２１がノーズ部１１ｂの頂点に係合すると、揺動アーム１３とロッカアーム１５が共に最大の角度で揺動し、図７の曲線（ロ）に示すように、バルブリフト量と作用角が共に最大化され、吸気バルブ５の開放タイミングが早く閉鎖タイミングが遅く制御される。

従って、揺動アーム１３の初期位相を変化させることにより、図７の曲線（ハ），（ニ）に示すように、バルブリフト量、作用角および開閉タイミングを任意の中間値に制御することができる。特に、この実施例の可変動弁機構１によれば、テーパローラ２１がローラ１８の軸心と吸気カムシャフト８の軸心とアームシャフト１０の軸心とを結ぶ三角形の領域内に配置されているので、これらの四つの動弁系部品をコンパクトな形態にまとめて、シリンダヘッド３上のカムハウジング２の高さを低く抑えることができる。

また、揺動アーム１３がカムハウジング２と別体のシャフトリング２７とスペーサ２８でテーパカム１１に位置決めされ、シャフトリング２７がジャーナル部２ａに移動可能に支持されているので、図４（ｂ）に示すように、アルミニウム製のカムハウジング２とスチール製のアームシャフト１０との熱膨張差がジャーナル部２ａとシャフトリング２７との相対移動によって吸収される。従って、テーパカム１１とテーパローラ２１との接触位置を四つのシリンダ４で等しくし、気筒間のバルブリフト量のばらつきを解消して、ガソリンエンジンの燃費、エミッション、振動等を改善することができる。

なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、発明の趣旨から逸脱しない範囲で各部の構成を適宜変更して実施することもできる。例えば、図８に示すように、吸気カムシャフト８上に一気筒あたり一つのテーパカム１１を設け、アームシャフト１０上に一気筒あたり一つの揺動アーム３４を支持する。そして、揺動アーム３４にテーパカム１１と係合するテーパローラ２１を支持するとともに、二本のロッカアーム１５のローラ１８に係合する一対のカム片３５を設ける。この構成によれば、一つの揺動アーム３４で二本の吸気バルブ５を駆動できるうえ、アームシャフト１０からスペーサを省略できる利点がある。

本発明の一実施例を示す可変動弁機構の平面図である。 該可変動弁機構の縦断面図である。 該可変動弁機構の斜視図である。 該可変動弁機構の横断面図である。 該可変動弁機構においてバルブリフト量を最小化するときの作用を示す機構図である。 該可変動弁機構においてバルブリフト量を最大化するときの作用を示す機構図である。 バルブリフト量と作用角の関係を示す特性図である。 本発明の変更例を示す可変動弁機構の斜視図である。 従来の可変動弁機構を示す断面図である。

符号の説明

１ 可変動弁機構
２ カムハウジング
３ シリンダヘッド
４ シリンダ
５ 吸気バルブ
８ 吸気カムシャフト
１０ アームシャフト
１１ テーパカム
１３ 揺動アーム
１５ ロッカアーム
２１ テーパローラ
２５ アクチュエータ
２７ シャフトリング
３２ シム

Claims (2)

1. 内燃機関のシリンダヘッド上にカムハウジングを設置し、カムハウジングにカムシャフトとアームシャフトを平行に支持し、カムシャフト上に複数のテーパカムを設け、アームシャフト上にテーパカムと係合する複数の揺動アームを支持し、カムシャフトとアームシャフトを軸線方向へ相対移動するアクチュエータを備えた可変動弁機構において、
   前記揺動アームをテーパカムに位置決めする位置決め部材を備え、該位置決め部材をアームシャフト上に固定するとともに、カムハウジングのジャーナル部の支持穴にアームシャフトの軸線方向へ移動可能に組み付けたことを特徴とする可変動弁機構。
2. 前記位置決め部材と揺動アームとの間にシムを介在させ、アームシャフトに交換可能に装着した請求項１記載の可変動弁機構。

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