以下、実施形態を図面と共に詳細に説明する。
図1、2は、本実施例の可変動弁装置1の外観図である。可変動弁装置1は、車両等に搭載される内燃機関に採用される。可変動弁装置1は、カムシャフトS、カムシャフトSに設けられたカムユニットCU、を含む。カムシャフトSは、カムユニットCUの一端に接続した部分SA、カムユニットCUの他端に接続した部分SB、を含む。カムシャフトSは、内燃機関からの動力により回転する。カムシャフトSと共にカムユニットCUが回転することにより、ロッカーアームRを介してバルブVをリフトさせる。バルブVは、内燃機関の吸気バルブ又は排気バルブであり、機関バルブの一例である。
カムユニットCUは、カムシャフトSよりも径が大きくカムシャフトSの部分SA、SBに連結されたカムベース部10、カムベース部10に連結された2つのカムロブ部20、を含む。カムベース部10は、略円柱状であり、カムシャフトSの軸方向(以下、軸方向と称する)から見た場合に略円形のベース円部11を有している。ベース円部11は、カムベース部10の外周面に相当する。2つのカムロブ部20は、軸方向に所定の間隔をあけて並んでいる。2つのカムロブ部20は、それぞれ2つのロッカーアームRを押して2つのバルブVをリフトさせる。カムベース部10の軸方向の厚さは、カムロブ部20の軸方向の厚さよりも厚い。
図2に示すように、カムベース部10は、2つのカムロブ部20の間に凹部10Hが形成されている。凹部10Hは、2つのロッカーアームRがカムベース部10に接触する部分の間に形成されている。凹部10Hは、ロッカーアームRに接触しない。2つの支持シャフト33は、2つのカムロブ部20をそれぞれカムベース部10と共に軸方向に貫通している。カムロブ部20は、支持シャフト33を支点としてカムベース部10に対して揺動する。カムロブ部20は、カムベース部10のベース円部11から最大限に突出した高位置とベース円部11から突出しない低位置間を揺動可能である。支持シャフト33の端部は凹部10H内で露出している。2つのカムロブ部20には、それぞれストッパピン34Pが貫通している。
カムベース部10の凹部10Hでは、2つのスプリング34sが支持シャフト33の端部に巻かれている。スプリング34sの一端は凹部10Hの内側面を押し、スプリング34sの他端はストッパピン34Pを押している。即ち、スプリング34sは、ストッパピン34Pが凹部10Hから離れるように付勢している。これにより、カムロブ部20はカムベース部10から突出するように付勢される。スプリング34sは、付勢部材の一例である。
図1、2において、左側のカムロブ部20は高位置にあり、右側のカムロブ部20は低位置にある。本実施例の場合、カムロブ部20が高位置でロックされている場合には、カムロブ部20がロッカーアームRを駆動してバルブVをリフトさせる。カムロブ部20が低位置でロックされている場合には、カムロブ部20はロッカーアームRに接触する又は接触せずにバルブVはリフトしない。尚、図1、2においては、理解を容易にするために一方のカムロブ部20のみを高位置にあるが、実際には後述するように2つのカムロブ部20は共に同じ位置に位置づけられる。
図3A、3Bは、軸方向からみたカムユニットCUの断面図である。図3Aは、高位置にあるカムロブ部20を示し、図3Bは、低位置にあるカムロブ部20を示している。カムロブ部20は、カムベース部10の経路Tを回避した略U字状又は略L字状である。カムロブ部20の基端側は支持シャフト33が貫通している。図3A、3Bにおいて、カムシャフトSは反時計方向に回転する。これに伴いカムベース部10、カムロブ部20も反時計方向に回転する。カムベース部10には、ストッパピン34Pが貫通した長孔14が形成されている。カムロブ部20の揺動に伴って移動するストッパピン34Pの移動範囲を長孔14が規制することにより、カムロブ部20の揺動範囲が規制している。
図3A、3Bに示すように、カムベース部10のベース円部11には部分的に突部11aが設けられている。突部11aは、カムロブ部20が高位置にある場合に、軸方向から見た場合にカムベース部10の回転方向とは逆方向でベース円部11の外面からカムロブ部20の外面に移行する部分に設けられている。ベース円部11からの突部11aの高さは、ベース円部11から高位置にあるカムロブ部20の最大の高さよりも低い。突部11aは、ベース円部11上に軸方向に延びるようにして形成されている。突部11aは、例えば、カムシャフトS周りに10〜30°程度の範囲にわたって形成されている。突部11aについては詳しくは後述する。
スプリング34sは、カムロブ部20を支持シャフト33周りに時計方向に付勢している。従って、スプリング34sによるカムロブ部20の付勢方向は、カムシャフトSの回転方向とは逆である。
図4A、4Bは、カムユニットCUの内部構造を示した断面図である。図4A、4Bにおいては、2つのカムロブ部20は共にリフト状態にある。図4A、4Bは、図3AのA−A断面図に相当する。図4A、4Bに示すように、カムユニットCUは、軸方向でのカムユニットCUの中心に軸方向に対称に形成されている。従って、以下の説明では2つのカムロブ部20のうち一方について説明する。カムベース部10には、カムロブ部20を収納可能なスリット12が形成されている。カムベース部10内には、カムシャフトSの軸心上で延びた経路T、経路Tから径方向外側に延びた経路T5、T6が形成されている。経路T5、T6は、それぞれ経路Tから径方向外側に延び、次に軸方向に延びて2つのカムロブ部側に延びている。経路T6は第1経路の一例である。経路T5は、第2経路の一例である。
オイルコントロールバルブOCVは電磁駆動式の流量制御弁であり、ECU5によって制御される。ECU5は、制御部の一例である。オイルパンに貯留されたオイルはオイルポンプPにより経路T内に供給される。オイルポンプPは、内燃機関のクランクシャフトに連動した機械式である。オイルコントロールバルブOCVは、オイルポンプPにより経路T内に供給される油圧を、オイルコントロールバルブOCVに印加される電流値に基づいてリニアに調整できる。オイルコントロールバルブOCVは、油圧制御弁の一例である。尚、油圧制御弁は、段階的に経路T内に供給される油圧を調整可能なものであってもよい。ECU5は、CPU、ROM、RAMなどから構成され、内燃機関全体の動作を制御する。ROMには、後述する制御を実行するためのプログラムが格納されている。
カムベース部10は、2つのカムロブ部20にそれぞれ作用するピン15P、16P、17Pを保持している。2つのカムロブ部20はそれぞれピン26Pを保持している。ピン26Pは、ロック部材の一例である。図4Bは、ピン15P等を省略した図である。カムロブ部20は、支持シャフト33が貫通した基端部から離れた自由端部を有し、カムロブ部20の自由端部側にはピン26Pを保持した孔26が形成されている。孔26は、カムロブ部20を軸方向に貫通している。孔26は、保持孔の一例である。
カムベース部10には、スリット12に連通した孔15、16が形成されている。孔15、16は、スリット12に対して同一側に形成されている。孔15、16は、軸方向に延び、底面を有している。孔15、16には、それぞれピン15P、16Pが収納されている。孔15の底面とピン15Pとの間にはピン15Pに連結されたスプリング15Sが配置されている。孔16の底面とピン16Pとの間にはピン16Pに連結されたスプリング16Sが配置されている。スプリング16Sは、カムロブ部20に向けてピン16Pを付勢している。スプリング15Sは、ピン15Pが孔15から離脱しない程度の長さに設定されている。スプリング15Sは、第2スプリングの一例である。スプリング16Sは、第1スプリングの一例である。
カムベース部10には、スリット12を介して孔16に対向する孔17が形成されている。孔17には、ピン17Pが収納されている。孔17は、経路T6に連通している。孔17は、孔16と同軸上に位置している。孔17は、軸方向に延びている。
カムロブ部20が高位置にある場合、孔16、17、26は軸方向に並び、ピン16P、17P、26Pは軸方向に並ぶ。換言すれば、カムロブ部20が揺動範囲の一端でこのような位置に位置づけられるように、ストッパピン34Pに係合した長孔14によりカムロブ部20の揺動範囲が規定されている。リフト状態においては、スプリング16Sの付勢力により、ピン16Pが孔16、26に共通に挿入され、ピン26Pは孔26、17に共通に挿入される。これにより、カムロブ部20はリフト状態でカムベース部10にロックされる。孔17は、第1ロック孔の一例である。
また、図4Aに示すように、クランクシャフトに対するカムシャフトSの相対回転の位相を変更可能な公知の位相変更装置8が設けられている。カムシャフトSの位相を変更することにより、カムユニットCUによって開閉されるバルブの開閉タイミングを変更することができる。位相変更装置8についてもオイルコントロールバルブOCV´及びオイルポンプP´によって供給される油圧により、カムシャフトSの位相が変更される。
次に、カムロブ部20のロックについて詳細に説明する。図5A〜6Bは、カムロブ部20のロックの説明図である。オイルコントロールバルブOCV及びオイルポンプPにより経路Tを介して経路T5、T6内にオイルが供給されると、図5Aに示すように、ピン17Pがスプリング16Sの付勢力に抗してカムロブ部20側に押される。これにより、ピン16Pは孔26から離脱し、ピン26Pは孔17から離脱する。即ち、ピン16P、17P、26Pは、それぞれ孔16、17、26に収納される。これにより、高位置でカムロブ部20のロックが解除される。
カムロブ部20のロックが解除された状態でカムシャフトSが回転することにより、カムロブ部20はロッカーアームRから反力を順に受ける。これにより、図5Bに示すように、カムロブ部20はスプリング34sの付勢力に抗して低位置に移動する。換言すれば、スプリング34sの付勢力は、カムロブ部20のロックが解除されている状態でロッカーアームRからの反力のみでカムロブ部20は低位置に移動可能な程度に設定されている。このようにロッカーアームRはロックが解除されたカムロブ部20を低位置側に付勢する。カムロブ部20が低位置にある場合には、孔15、26とは同軸上に並ぶ。換言すれば、カムロブ部20が揺動範囲の他端でこのような位置に位置づけられるように、ストッパピン34Pに係合した長孔14によりカムロブ部20の揺動範囲が規定されている。ロッカーアームRは、バブルを駆動するためのカムフォロアの一例である。尚、カムフォロアは、カムに直接駆動されるバルブリフタであってもよい。
ピン26Pは経路T5からのオイルの圧力により、図5Cに示すように、スプリング15Sの付勢力に抗して孔15、26に共通に挿入される。これにより、リフト停止状態でカムロブ部20はロックされる。このように、オイルが所定の圧力以上で経路T内に供給されている間は、カムロブ部20は低位置でロックされる。孔15は、第2ロック孔の一例である。
次にオイルコントロールバルブOCVにより経路Tへのオイルの供給が停止されると、図6Aに示すように、スプリング15Sの付勢力によりピン26Pが孔15から離脱して孔26に収納される。これにより、低位置でカムロブ部20のロックが解除される。
次に、スプリング34sの付勢力に従って、図6Bに示すように、カムロブ部20が低位置から高位置へ移動する。実際には、カムロブ部20がロッカーアームRに接触していない間に、スプリング34sの付勢力に従ってカムロブ部20は高位置へと移行する。カムロブ部20が高位置にある状態では、前述したようにピン16P、26P、17Pが軸方向に並ぶ。
この状態で、図4Aに示すように、スプリング16Sの付勢力に従って、ピン16Pが孔16、26に共通に挿入され、同様にピン26Pは孔26、17に共通に挿入される。これにより、高位置でカムロブ部20がロックされる。以上のようにしてカムロブ部20が高位置及び低位置でロックされる。孔26、ピン26P、スプリング15S、16S、孔15、17等は、ロック機構の一例である。このようにカムロブ部20が低位置でもロックされるので、カムロブ部20を安定した状態で保持でき、信頼性や耐久性が確保されている。
図1、2、3A、3B、4A、4Bに示したように、カムベース部10は、カムシャフトSに連結されており、カムシャフトSはカムベース部10を貫通していない。このため、カムベース部10の軸方向の断面積を確保することができ、カムベース部10の強度を確保することができる。カムシャフトSはカムベース部10を貫通していないためカムシャフトSの径を細くする必要はない。このためカムシャフトSの強度も確保されている。カムベース部10に形成された孔15、16、17、カムロブ部20に形成された孔26などは、全て軸方向に延びている。このため、例えば、軸方向と交差する方向に延びた孔を設けこの孔内を摺動するピンを配置した場合と比較して、カムベース部10の軸方向での断面積を確保することができる。これにより、カムユニットCUの強度が確保されている。
図3A、3Bに示したように、カムロブ部20の自由端は、カムロブ部20の基端側からカムシャフトSの回転方向から逆方向に離れている。ここで、カムロブ部20の基端側は、支持シャフト33により揺動の支点となっている。このため、ロッカーアームRの反力により、カムロブ部20がカムシャフトSの回転方向と逆方向に揺動するのが容易となる。これによって、ロックが解除された状態で、カムロブ部20の低位置から高位置へ移動が容易となっている。また、低位置へ移動する際のカムロブ部20が受けるロッカーアームRからの反力による負荷が低減され、カムロブ部20の耐久性が確保されている。
また、カムベース部10は、2つのカムロブ部20を支持している。このため、カムベース部10は軸方向の長さを確保しているため強度が確保されている。また、カムベース部10を2つのカムロブ部20に共通化して使用しているため部品点数も削減されている。
また、図2、4Aに示したように、スプリング15S、16S、34sは、カムロブ部20に対して軸方向に配置されている。例えばこのようなスプリング34s等をカムロブ部20に対して径方向に重なる位置に配置する場合と比較して、カムロブ部20の軸方向での断面積を確保できる。これによりカムロブ部20の強度を確保することができる。
また、上述したようにスプリング34sが配置された凹部10Hは、ロッカーアームRに接触しない部分に設けられているので、この部分を有効利用している。スプリング34sが、ロッカーアームRに接触するカムベース部10の部分から退避した位置に配置されていることにより、ロッカーアームRが接触するカムベース部10の部分の軸方向の断面積も確保されている。これにより、カムベース部10の強度も確保されている。
図3Aに示したように、経路T5の出口はスリット12に開口するように形成され、この出口は、カムロブ部20が高位置にある場合にはカムロブ部20によって閉鎖されている。カムロブ部20は、この出口を閉鎖するように先端側が延びている。このため、カムロブ部20の位置を高位置から低位置へ切り替える場合に、経路T5の出口から油が流出することを防止できる。これにより、経路T、T5、T6内の油圧の低下を抑制でき、高位置でのカムロブ部20のロックの解除の応答性の低下が抑制されている。
次に、突部11aについて説明する。図7A、7Bは、それぞれ図3A、3Bに対応した突部11aの拡大図である。突部11aは、図7Aに示すように、軸方向から見て、ベース円部11の外面と高位置にあるカムロブ部20の外面との境界付近から径方向に突出している。このように突部11aは、高位置にあるカムロブ部20よりも外側に突出している。このため、カムロブ部20が高位置でロックされている場合、カムベース部10の反時計方向の回転に伴ってベース円部11、突部11a、カムロブ部20、ベース円部11の順にロッカーアームRのローラに接触する。高位置でのカムロブ部20のロックが解除されると、カムベース部10の回転に伴ってカムロブ部20はロッカーアームRから力を受けて高位置から低位置へと退避移動する。突部11aは、このようなカムロブ部20の退避移動を補助するために設けられている。
図8は、比較例を示した図である。比較例ではベース円部11には突部11aは設けられていない。高位置でのカムロブ部20のロックが解除されている場合に、カムロブ部20がロッカーアームRに与える力と、ロッカーアームRからカムロブ部20が受ける力とについて説明する。作用点PPは、ロッカーアームRに接触するカムロブ部20の外面上の点であり、カムシャフトSの回転に伴ってロッカーアームRに接触する面がベース円部11の外面からカムロブ部20の外面に移行した直後でのロッカーアームRに接触するカムロブ部20の外面上の点である。接線L1は、作用点PPでの接線である。
垂線L2は、支持シャフト33の中心を通過し接線L1に垂直である。支持シャフト33の中心は、カムロブ部20の揺動の支点である。距離Lは、接線L1と垂線L2の交点から作用点PPまでの距離を示している。力Fは、作用点PPでカムロブ部20がロッカーアームRを押す力を示している。スプリング34sによるカムロブ部20に作用するモーメントNとすると、モーメントN=距離L×力Fと示すことができる。バルブVには、バルブVが閉じるように付勢する不図示のバルブスプリングが設けられている。バルブスプリング荷重RPは、このバルブスプリングがカムユニットCUに与える荷重を示している。力Fとバルブスプリング荷重RPとの関係により、カムロブ部20が退避移動する。
ここで、カムロブ部20が高位置に付勢されている状態では、スプリング34sによるカムロブ部20に作用するモーメントNは一定である。このため、距離Lが小さいほど、力Fが増大する。従って、力Fが増大してバルブスプリング荷重RPを上回ると、カムロブ部20がスムーズに低位置へと退避移動しないおそれがある。これにより、意図せずにロッカーアームRが駆動してバルブが駆動するおそれがある。
図9は、意図しないバルブリフトの説明図である。図9には、リフト状態、リフト停止状態での正常なバルブVのリフト量を示している。上述したように、高位置でのカムロブ部20のロックが解除されているにもかかわらず、開弁時期の初期で意図しないバルブリフトが生じるおそれがある。
本実施例では、上述したように突部11aが設けられている。これにより、ロッカーアームRに接触する面がベース円部11からカムロブ部20に移行する過程において、突部11aがロッカーアームRに接触して突部11aによりロッカーアームRが押されて若干バルブVがリフトする。バルブVがリフトすることにより、バルブスプリングは圧縮されてバルブスプリング荷重RPは増大する。バルブスプリング荷重RPが増大した後にカムロブ部20がロッカーアームRに接触することにより、カムロブ部20は増大したバルブスプリング荷重RPを受ける。これにより、カムロブ部20の退避移動が促進される。
また、突部11aを設けることにより、距離Lが大きくなる。距離Lが大きいほど、力Fが小さくなる。これにより、カムロブ部20の退避移動が促進される。
以上のようにカムロブ部20の退避移動が促進されるので、高位置でのロックが解除された状態でのバルブVの予期せぬリフトが抑制される。これにより、可変動弁機構1の動作の安定性が確保される。
尚、図4〜6に示したように、突部11aの軸方向の長さは、カムベース部10全体にわたって形成されているがこれに限定されない。即ち、突部11aの軸方向の長さは、ロッカーアームRに接触しうるだけの長さを有していればよい。
次に、リフト停止状態で突部11aによりバルブを開く場合について説明する。図10は、リフト停止状態で突部11aによりバルブを開くの場合の説明図である。本実施例の可変動弁装置1は、吸気カムシャフト及び排気カムシャフトの双方に設けられている。また、上述した位相変更装置8も、吸気カムシャフト及び排気カムシャフトの双方に設けられている。2つの位相変更装置8は、それぞれ、クランクシャフトに対する吸気カムシャフト及び排気カムシャフトの回転位相をそれぞれ変更する。
バルブ停止状態において、ECU5は、吸気側の可変動弁装置1の突部11aが上死点で吸気バルブを開くように吸気側の位相変更装置8により吸気カムシャフトの位相を変更する。同様に、バルブ停止状態では、ECU5は、排気側の可変動弁装置1の突部11aが下死点で排気バルブを開くように排気側の位相変更装置8により排気カムシャフトの位相を変更する。このように、上死点で吸気バルブを開き下死点で排気バルブを開くことにより、筒内の体積変化量を小さくすることができる。これにより、ポンプ損失の増大を抑制できる。
尚、上死点又は下死点のいずれか一方で吸気バルブ又は排気バルブが開いてもよい。従って、吸気カムシャフト又は排気カムシャフトの一方側にのみ位相変更装置8が設けられていてもよい。
尚、図10において、バルブリフト状態での吸気バルブ及び排気バルブのそれぞれの最大リフト量は異なっている。これは、吸気側及び排気側にそれぞれ配置された可変動弁装置1では、カムロブ部20の高位置が異なっているからである。このようにカムロブ部20の高位置が異なっている可変動弁装置1を吸気側及び排気側に配置してもよい。吸気側及び排気側で同じ可変動弁装置1を配置してもよい。
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
本実施例では、カムロブ部20がカムベース部10から突出していない位置にある場合を低位置として説明した。しかしながらこれに限定されず、例えば、カムロブ部20は、カムベース部10のベース円部11から突出した高位置と、第高位置よりも突出量が小さいがベース円部11から突出した低位置との間を揺動してもよい。
リフト状態において、ピン17Pを介さずに直接ピン26Pにオイルの圧力を作用させてもよい。また、ピン15P、16Pを介さずにスプリング15S、16Sが直接ピン26Pを付勢してもよい。
カムベース部10は、カムシャフトと一体に成型されていてもよいし、本実施例のように別体で成型した後に接合してもよい。
ロック機構は、高位置でのみカムロブ部20をロックし、低位置ではロックしないものであってもよい。即ち、カムベース部10は、経路T5や、15、15P、15Sを備えていなくてもよい。この場合、ロックが解除された状態でカムロブ部20は、スプリング34sの付勢力とロッカーアームRからの力により高位置及び低位置間を往復しながらカムベース部10とともに回転する。
ロック機構は、油圧の作用によりカムロブ部20をロックするものに限定されない。例えば、カムロブ部20をロックするロック部材をアクチュエータによって駆動するものであってもよい。