JP4481294B2 - 開弁特性可変型内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、開弁特性可変型内燃機関に係り、詳しくは、比較的簡便な構成を採りながら、開弁特性の設定自由度を向上させる技術に関する。

近年、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関（以下、単にエンジンと記す）では、出力および燃費の向上や有害排出ガス成分の低減等を図るべく、種々の開弁特性可変機構を搭載したものが増えている。開弁特性可変機構としては、運転状況に応じて低速型カムと高速型カムとを切り換えるものが従来より存在するが、近年では過渡特性の更なる向上やスロットルレス化等を実現すべく、開弁特性（バルブリフトやバルブタイミング）を連続的に変化させるものも出現している。

この種の開弁特性可変機構としては、カムシャフトとロッカアームとの間に先端のローラやローラシャフトが介装される揺動式のコントロールリンクを介装させ、コントロールアームの揺動支点となるコントロールシャフトを支持シャフト回りに旋回させるものが知られている（特許文献１，２参照）。特許文献１の開弁特性可変機構は、カムシャフトのカムローブにローラを転接させるとともに、ロッカアームに形成された凹円弧状のスリッパ面にローラと同軸のローラシャフトを転接させており、ローラがカムローブのベース円に転接した状態でスリッパ面の円弧中心とカムシャフトの回転中心とが一致するように構成されている。また、特許文献２の開弁特性可変機構も、カムシャフトのカムローブにローラを転接させているが、ローラと同軸のタペットローラはロッカアームに形成された凸形状のスリッパ面に転接させている。
特開２００１−１６４９１１号公報 特開２００５−３４４７０２号公報

自動車用エンジンでは、高リフト時にバルブクリアランスを小さくして動弁系の衝撃荷重を低減させたり、低リフト時にバルブクリアランスを大きくしてバルブを瞬時に閉じさせたりするというように、バルブリフトの大小に応じてバルブクリアランスを変化させることが望ましい。しかしながら、特許文献１の開弁特性可変機構では、スリッパ面の円弧中心とカムシャフトの回転中心とが一致しているため、コントロールシャフトの位置（すなわち、バルブリフトの大小）に拘わらずバルブクリアランスが一定となってしまう他、バルブリフト特性を変更する際にカムローブ（すなわち、カムシャフト）の新規製作等が必要になる等の問題があった。一方、特許文献２の開弁特性可変機構では、タペットローラがロッカアームの凸形状のスリッパ面に転接しているため、タペットローラの初期位置が微少にずれただけでバルブリフト特性が大幅に狂ってしまう等の問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みなされたものであり、比較的簡便な構成を採りながら、開弁特性の設定自由度を向上させることができる開弁特性可変型内燃機関を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、カムシャフトに形成されるとともに、所定のベース円を有するカムと、バルブを開弁方向に押圧するバルブ押圧部を有するとともに、支持軸を中心に揺動するロッカアームと、前記カムに転接する第１ローラと、前記ロッカアームに形成された凹円弧状のスリッパ面に転接する第２ローラとをその先端に回動自在に保持するローラリンクと、前記ローラリンクの基端を揺動自在に保持するコントロールシャフトと、前記コントロールシャフトを所定の移動軌跡に沿って移動させるコントロールシャフト駆動手段と
を備えた開弁特性可変型内燃機関であって、前記スリッパ面に対峙する方向に前記カムの回転中心が位置し、前記コントロールシャフトの移動範囲では、前記第１ローラが当該ベース円に転接した状態において、前記ベース円の中心と前記スリッパ面の円弧中心とがオフセットしたことを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載された開弁特性可変型内燃機関において、前記コントロールシャフトの移動範囲では、前記第１ローラが当該ベース円に転接した状態において、前記ロッカアームのバルブ押圧部と前記バルブとの間隙が０．３５ｍｍ以内となることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ベース円の中心とスリッパ面の円弧中心との相対位置を適宜設定することで、第２ローラの初期位置のずれに起因するバルブリフト特性の大きな狂いを伴うことなく、バルブリフトに対するバルブクリアランスの値を比較的自由に変更することができるとともに、カムシャフトを新規に製作することなくバルブリフト特性を変更することもできる。また、請求項２の発明によれば、動弁系に過度の衝撃荷重が作用しない範囲で、バルブを瞬時に閉じさせることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態およびその一部変形例を詳細に説明する。
図１は実施形態に係るエンジンの上部を示す要部透視斜視図であり、図２は実施形態に係るエンジンの上部を示す縦断面であり、図３は実施形態に係るＶＬＣ機構の要部を示す斜視図であり、図４は実施形態に係るＶＬＣ機構の要部を示す縦断面図である。

≪実施形態の構成≫
＜全体構成＞
図１に示すエンジン（開弁特性可変型内燃機関）Ｅは自動車用の４サイクル直列４気筒エンジンであり、そのシリンダヘッド１には、図２に示すように、各気筒２つずつの排気バルブ２と吸気バルブ３とを備え、これらバルブ２，３を排気カムシャフト４と吸気カムシャフト５とによって駆動するＤＯＨＣ４バルブ型の動弁機構が設けられている。なお、排気バルブ２と排気カムシャフト４との間には排気ロッカアーム６が介装され、吸気バルブ３と吸気カムシャフト５との間には吸気ロッカアーム７が介装されている。また、排気バルブ２および吸気バルブ３は、バルブスプリング８，９によってそれぞれ閉鎖方向に常時付勢されている。図１中、符号１０で示す部材は、排気ロッカアーム６の揺動支点となるロッカシャフトである。

シリンダヘッド１の上面には５つのカムホルダ（支持部材）１１〜１５が締結されており、これらカムホルダ１１〜１５によって両カムシャフト４，５や両ロッカアーム６，７が回転あるいは揺動自在に支持されている。なお、本実施形態では、各カムホルダ１１〜１５のうち、右端のものをフロントカムホルダ１１、中央のものをセンタカムホルダ１３、左端のものをリヤカムホルダ１５、その他の２つをミドルカムホルダ１２，１４とそれぞれ記す。また、各カムホルダ１１〜１５の上面には平板状のベースプレート１８が設置されており、このベースプレート１８とヘッドカバー１９とによって動弁機構が覆われている。

本実施形態のエンジンＥには、開弁特性可変機構として、排気バルブ２のリフト量を可変制御するＶＬＣ（Variable valve Lift Control）機構２０が搭載されている。

＜ＶＬＣ機構＞
図３に示すように、ＶＬＣ機構２０は、ベースプレート１８（図２には示さず）の上面に両カムシャフト４，５と平行に設置された電動モータ２１と、図示しない減速ギヤ機構を介してこの電動モータ２１に回転駆動されるギヤシャフト２２と、ギヤシャフト２２に形成されたギヤ２２ａに噛み合うドリブンギヤ部２３ａ，２４ａとシャフトホルダ部２３ｂ，２４ｂとをそれぞれ有する左右一対のギヤリンク２３，２４と、両ギヤリンク２３，２４のシャフトホルダ部２３ｂ，２４ｂにそれぞれ回動自在に支持されたコントロールシャフト２５と、コントロールシャフト２５がその基端に嵌挿されたローラリンク２６と、ローラリンク２６の先端にローラシャフト（第２ローラ）２７を介して回動自在に支持されたローラ（第１ローラ）２８とを主要構成要素としている。

図１中に符号２９で示す部材は電動モータ２１の回転量を検出するセンサ（ロータリエンコーダ）であり、図示しないエンジンＥＣＵは、このセンサ２９の検出信号に基づきコントロールシャフト２５の位置を判定し、電動モータ２１への供給電流をフィードバック制御する。また、図２，図３中に符号３０で示す部材はギヤリンク２３，２４をカムホルダ１１〜１５に揺動自在に支持させる支持ピンである。また、符号３１で示す部材はアジャストスクリュー（バルブ押圧部）であり、排気ロッカアーム６に装着されて排気バルブ２のステム端２ａを押圧する。

両ギヤリンク２３，２４は、図４中に実線で示す位置（最小リフト位置）と破線で示す位置（最大リフト位置）との間で無段階に回動し、これによって、コントロールシャフト２５（すなわち、シャフトホルダ部２３ｂ，２４ｂ）が支持ピン３０を中心に旋回することになる。ローラリンク２６は、ギヤリンク２３，２４が最小リフト位置にある場合には最小リフト点Ｐg１を中心に揺動し、ギヤリンク２３，２４が最大リフト位置にある場合には最大リフト点Ｐg２を中心に揺動する。

ローラ２８は、排気カムシャフト４のカムローブ４ａに転接している。また、ローラシャフト２７は、排気ロッカアーム６に形成された円弧状のスリッパ面６ａに転接している。本実施形態の場合、スリッパ面６ａに対峙する方向には排気カムシャフト４の回転中心が位置しており、コントロールシャフト２５の移動範囲では、ローラ２８がカムローブ４ａのベース円Ｃｂに転接した状態において、ベース円Ｃｂの中心Ｐｃに対してスリッパ面６ａの円弧中心Ｐｓが図４中で斜め左上方にオフセットしている。したがって、スリッパ面６ａの曲率半径Ｒは、ベース円Ｃｂの中心Ｐｃとスリッパ面６ａの円弧中心Ｐｓとが一致している場合に較べ、有意に大きく設定されている。

≪実施形態の作用≫
自動車のエンジンＥが始動されると、エンジンＥＣＵは、運転者によるスロットルペダルの踏込量や冷却水温等、種々の運転情報に基づき排気バルブ２の目標リフト量を設定し、ＶＬＣ機構２０の電動モータ２１に駆動電流を出力する。すると、図示しない減速ギヤ機構を介してギヤシャフト２２が電動モータ２１によって回転駆動され、ギヤシャフト２２のギヤ２２ａにドリブンギヤ部２３ａ，２４ａで噛み合ったギヤリンク２３，２４が正逆いずれかの方向に回転駆動される。

アイドル運転時等にバルブリフトを低減させる場合、エンジンＥＣＵは、図５に示すように、ギヤリンク２３，２４を最小リフト位置に回動させ、最小リフト点Ｐｇ１を中心にローラリンク２６を揺動させるようにする。これにより、カムローブ４ａによってローラ２８が押し下げられても、図５中に矢印で示すようにローラシャフト２７がスリッパ面６ａに沿って転動することで、排気ロッカアーム６の揺動量（すなわち、排気バルブ２のリフト量）が最小となる。

一方、高負荷運転時等にバルブリフトを増大させる場合、エンジンＥＣＵは、図６に示すように、ギヤリンク２３，２４を最大リフト位置に回動させ、最大リフト点Ｐｇ２を中心にローラリンク２６を揺動させるようにする。これにより、カムローブ４ａによってローラ２８が押し下げられると、スリッパ面６ａに沿ったローラシャフト２７の転動が殆ど起こらないことから、排気バルブ２のリフト量が最大となる。

本実施形態では、前述したように、ローラ２８がカムローブ４ａのベース円Ｃｂに転接した状態において、ベース円Ｃｂの中心Ｐｃに対してスリッパ面６ａの円弧中心Ｐｓが斜め上方にオフセットしている。これにより、コントロールシャフト２５の位置（すなわち、ローラリンク２６の揺動支点）が変動すると、ローラシャフト２７がスリッパ面６ａを転動し、アジャストスクリュー３１と排気バルブ２のステム端２ａとの間隙（すなわち、バルブクリアランス）Ｓが変化する。すると、バルブクリアランスＳは、ローラリンク２６が最小リフト点Ｐｇ１を中心に揺動する際には図７中に実線で示すように比較的大きく（例えば、０．３５ｍｍ）となり、ローラリンク２６が最大リフト点Ｐｇ２を中心に揺動する際には図７中に二点鎖線で示すように殆ど０となる。

その結果、本実施形態では、最小リフト時においては、図８中に実線で示すように排気バルブ２が瞬時に閉じることによって圧力波が大きくなり、脈動効果を向上させることができた。また、最大リフト時においては、図８中に二点鎖線で示すように排気バルブ２の開弁および閉弁が滑らかに行われ、動弁系（アジャストスクリュー３１やステム端２ａ間等）の衝撃荷重が低減されるようになった。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態は本発明を排気バルブ側のリフト量のみを可変制御する直列４気筒ＤＯＨＣガソリンエンジンに適用したものであるが、吸気バルブ側のリフト量も可変制御するものや、Ｖ型エンジンやＳＯＨＣエンジン、ディーゼルエンジン等にも当然に適用可能である。また、カムのベース円の中心とスリッパ面の円弧中心との位置関係についても、上記実施形態での例示に限られるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば任意に設定可能である。また、上記実施形態ではアクチュエータによる動力伝達部材の駆動に平歯車機構を採用したが、ウォーム減速機構やチェーン駆動機構、カム機構等を採用してもよい。また、開弁特性可変機構の具体的構成等についても、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。

実施形態に係るエンジンの上部を示す要部透視斜視図である。 実施形態に係るエンジンの上部を示す縦断面である。 実施形態に係るＶＬＣ機構の要部を示す斜視図である。 実施形態に係るＶＬＣ機構の要部を示す縦断面図である。 ＶＬＣ機構の作動説明図である。 ＶＬＣ機構の作動説明図である。 ＶＬＣ機構の作動に伴うバルブクリアランスの変化を示す図である。 実施形態に係るバルブリフト−バルブタイミング線図である。

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ 排気バルブ
３ 吸気バルブ
４ 排気カムシャフト
４ａ カムローブ（カム）
６ 排気ロッカアーム
６ａ スリッパ面
２０ ＶＬＣ機構
２１ 電動モータ
２２ ギヤシャフト
２３ ギヤリンク
２４ ギヤリンク
２５ コントロールシャフト
２６ ローラリンク
２７ ローラシャフト（第２ローラ）
２８ ローラ（第１ローラ）
３１ アジャストスクリュー（バルブ押圧部）
Ｃｂ ベース円
Ｅ エンジン

Claims (2)

1. カムシャフトに形成されるとともに、所定のベース円を有するカムと、
   バルブを開弁方向に押圧するバルブ押圧部を有するとともに、支持軸を中心に揺動するロッカアームと、
   前記カムに転接する第１ローラと、前記ロッカアームに形成された凹円弧状のスリッパ面に転接する第２ローラとをその先端に回動自在に保持するローラリンクと、
   前記ローラリンクの基端を揺動自在に保持するコントロールシャフトと、
   前記コントロールシャフトを所定の移動軌跡に沿って移動させるコントロールシャフト駆動手段と
   を備えた開弁特性可変型内燃機関であって、
   前記スリッパ面に対峙する方向に前記カムの回転中心が位置し、
   前記コントロールシャフトの移動範囲では、前記第１ローラが当該ベース円に転接した状態において、前記ベース円の中心と前記スリッパ面の円弧中心とがオフセットしたことを特徴とする開弁特性可変型内燃機関。
2. 前記コントロールシャフトの移動範囲では、前記第１ローラが当該ベース円に転接した状態において、前記ロッカアームのバルブ押圧部と前記バルブとの間隙が０．３５ｍｍ以内となることを特徴とする、請求項１に記載された開弁特性可変型内燃機関。

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