JP6778482B2

JP6778482B2 - 可変カムシャフト

Info

Publication number: JP6778482B2
Application number: JP2015235654A
Authority: JP
Inventors: アルテールパトリック; キルシュナーロルフ
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2014-12-05
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2020-11-04
Anticipated expiration: 2035-12-02
Also published as: US9903240B2; DE102014225054A1; US20160160709A1; JP2016109131A

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルに係る内燃エンジンの可変カムシャフトに関するものであり、当該可変カムシャフトは外軸および内軸を備えており、当該内軸は外軸と同軸に設けられかつ一定の角度範囲にわたって回転可能である。

特許文献１は、内燃エンジン用の組み立てられたカムシャフトの形で一般的な可変カムシャフトを開示しており、当該可変カムシャフトは、外軸および内軸を備え、当該内軸は外軸の内部に設けられかつ外軸に対して所定の角度だけ回転し得るように取り付けられ、少なくとも２つのカムを備え、第１カムは全体として内軸と結合して回転しかつ外軸に対して回転できるように設けられている。第２カムは少なくとも２つの部分カム要素を有しており、第１部分カム要素は外軸に回転固定態様で設けられ、第２部分カム要素は内軸に回転固定態様で連結されかつ外軸に対して回転できるように設けられている。このことは、内燃エンジンのガス交換弁の最も可変的な制御の可能性を許容する。

可変的な弁開放時間を有する別のカムシャフトが特許文献２から知られている。

独国特許出願公開第１０２０１００２３５７１号明細書国際特許公開第２０１１／０３２６３２号明細書

先行技術から知られているカムシャフトにおいて、それらが弁を可能な限り最大に開放させる２つの異なるカム輪郭を用いることは往々にして欠点である。このことは小さなピークをもたらし、それはその後より小さなリフト量に戻る。しかしながら、このことは関連する弁駆動システムに比較的大きな動力を与えて開放の間における弁のリフト量を変える。アトキンソンサイクルプロセスのために、例えば、開放プロセスを不変のものにして弁を長時間にわたって開放しておくことが有利である。

本発明は、したがって、一般的なタイプの可変カムシャフトのための向上したまたは少なくとも代替的な実施形態、特に、アトキンソンサイクルにしたがって動作する内燃エンジンにおける利用可能性を向上させかつ経済性にも優れる実施形態を明示するという問題に関する。

この問題は独立請求項１の主題による発明にしたがって解決される。有利な実施形態は従属請求項の主題を形成する。

本発明は、最大リフト量の領域にカムフォロワを駆動するための同一の円弧部を有する、組み立てられた可変カムシャフトのカムのみを使用するという一般的概念に基づいており、当該カムの各々は、円弧部を有していて、最大開放速度において最大可能リフト量で関連する弁の一定開放を実現することができる。本発明に係る可変カムシャフトは、既知の態様で、外軸および内軸を備えており、当該内軸は外軸と同軸に設けられかつ一定の角度範囲にわたって回転可能である。さらに、本発明に係るカムシャフトは、内軸に回転固定態様で連結された少なくとも１つの第１カム、および、第１カムに隣接して設けられかつ外軸に回転固定態様で連結された第２カムを備え、第１および第２カムは、同じ関連する弁に作用し、第１カムの第２カムに対する回転は、弁開放時間の拡大に影響する。本発明によると、第１および第２カムは、最大リフト量の領域に同一の円弧部を有している。さらに本発明によると、２つのカムは、内軸が外軸に対して最大範囲まで回転したときでも、第１カムの円弧部が第２カムの円弧部に途切れることなく連続する態様で設けられている。特に、その後より小さな弁リフト量に戻るピーク／ジャンプ（Sprung）が、従来技術から知られているカムシャフトに存在するものであるが、それにより確実に回避され得る。本発明に係るカムシャフトによると、過度に大きな弁加速のためにカムフォロワがカム輪郭から離れることのリスクを伴うことなく、最大開放速度において最大リフト量で関連する弁の一定開放を実現することがさらに可能である。そのようなカムシャフトは、特に、アトキンソンサイクルにしたがって作動する内燃エンジンに適しており、それだけでなく排ガス温度の管理や点火順序の分離のためにも使用され得る。

本発明に係る解決法の有利な展開では、カムシャフトは、当該カムシャフトにより制御される弁が８〜２５°のクランクシャフト角度範囲にわたって一定開放を有するような態様で設けられていてもよい。関連する弁が開放されるクランクシャフト角度範囲は、関連するカムの円弧部の大きさによって影響され得る。２つの円弧部によってカバーされるクランクシャフト角度範囲が大きいほど、関連する弁はより長い間開放され得る。円弧部は、また、カムフォロワが当該円弧部上で摺動しまたは転がるとき、弁を一定開放位置に留めさせる。

本発明に係る解決法の有利な展開では、弁駆動システムが少なくとも１つの上述したカムシャフトを備えており、第１および第２カムは、また、円頂外形を有している。ここで円頂とは樽形状を意味しており、その結果としてカムフォロワとの接触面積が低減される。このことは、特に、過度に大きな圧縮負荷につながる端部荷重が全く生じないという利点を提供する。

第１および／または第２カムに機能的に連結されたカムフォロワまたはタペットは、便宜的に二段円頂外形を有している。このことは、また、過度に大きな圧縮負荷につながる端部荷重が全く生じないという利点を提供する。

本発明は、また、内燃エンジンに上述した弁駆動システムを実装するという一般的概念に基づいており、内燃エンジンは、アトキンソンサイクルエンジンであるかまたはアトキンソンサイクルにしたがって作動する。この場合、例えば、１つのカムシャフトのみが設けられることが考えられ、当該カムシャフトは内燃エンジンの入口弁および出口弁の両方を駆動する。アトキンソンサイクルにしたがって作動する内燃エンジンは、「吸気／圧縮」および「膨張／排気」のための異なるピストン・ストロークを有していて、したがって異なる吸気量と排気量とを結びつける。アトキンソンサイクルにしたがって作動する内燃エンジンの利点は、ピストンの拡張膨張行程によって混合ガスがさらに膨張し、よってより低い排ガス温度およびより高い効率が実現されることである。しかしながら、最終圧縮圧力、最大燃焼圧力および最大燃焼温度は、オットーエンジンと同じままである。動力行程と比較しての吸気行程の低減は、必然的に、通常の４ストロークエンジンに比べてシリンダ充填の低減をもたらす。アトキンソンサイクルエンジンは、往々にして、向上した効率のためにある程度低減された出力を有しており、例えば充填プロセスまたは充填空気冷却が開始され得る。

本発明の別の重要な特徴および利点は、従属請求項から、図面から、および図面を用いた図の関連する説明から把握され得る。

上述した特徴および以下で説明する特徴が、各ケースにおいて与えられる組合せにおいてのみでなく、本発明の範囲を逸脱することなく他の組合せまたは単独で用いられ得ることは言うまでもない。

図１は、本発明に係るカムシャフトの概略断面図および異なる可能なカム形状を有するカムシャフトの概略側面図である。図２は、弁のリフト量／時間のグラフの概略図である。

以下、本発明の好ましい代表的な実施形態を図面に示すと共により詳細に説明する。同じもしくは類似する、または機能的に同等な構成要素には同じ参照符号を付する。

図１によると、内燃エンジン２（その残部は図示していない）の本発明に係るカムシャフト１は、外軸３および内軸４を備えており、当該内軸４は外軸３と同軸に設けられかつ一定の角度範囲にわたって回転可能である。本発明に係るカムシャフト１は、また、内軸４に回転固定態様で連結された少なくとも１つの第１カム５と、この第１カム５に隣接して設けられかつ外軸３に回転固定態様で連結された少なくとも１つの第２カム６とを備えている。両カム５，６は、同一の関連する弁または当該弁を駆動するカムフォロワ７に作用し、かつ第２カム６に対する第１カム５の回転によって弁開放時間の拡大に影響する。本発明によると、第１および第２カム５，６は、最大リフト量の領域において同一の円弧部８，９を有している。２つのカム５，６は、内軸４が外軸３に対して最大範囲まで回転したときでも、第１カム５の円弧部８が第２カム６の円弧部９に途切れることなく連続する態様で設けられている。２つの円弧部８，９が互いに面一に合わさっているため、所望の延長された弁開放時間が、開放入口または出口弁のリフト量のジャンプを生じることなくそれにより実現され得る。

本発明の有利な展開では、第１および第２カム５，６はまた同一であってもよい。このことは異なる部品の数を減らし、それにより生産、保管および物流のコストを節約する。

本発明に係る解決法の有利な展開では、カムシャフト１は、それにより制御される弁が８〜２５°のクランクシャフト角度範囲にわたって開く態様で設けられていてもよい。もちろん、各々の弁の開放時間は、また、周方向における円弧部８，９の形状および／または長さによっても影響される。各々の円弧部８，９によってカバーされる角度範囲が大きくなるほど、関連する弁の開放時間が長くなる。

図１の中央の図を見ると、カム５，６が側面、すなわちカムフォロワ７のための平坦な断面の摺動面を有しているか、あるいは図１の右に示すように、円頂外形１０を有していることがわかる。図面は、もちろん、可能であれば、円頂外形１０または平坦な断面の摺動面を有するカム５，６が、両カム５，６が同一であることを保証するようにのみ使用されるように理解されるべきである。

図２を見ると、弁がその最大リフト量ｈを有する期間ｔ_１が、外軸３に対する内軸４の回転によって個々のカム５，６の開放時間ｔ_０に対して延長され得ることがわかり、開放時間ｔ_１の間のリフト量ｈは一定である。特に、開放時間ｔ１の間のリフト量ｈに関するジャンプが、それはカムフォロワ７の速度ｄｈ／ｄｔに対応するものであるが、本発明にしたがって形成された円弧部８，９によって回避され得る。図２に示す２つの曲線は、第１カム５および第２カム６の開放曲線を表している。本発明に係るカムシャフト１は、例えば、アトキンソンサイクルにしたがって作動する内燃エンジン２において使用され得るか、または弁駆動システム１１の一部となり得る。

本発明に係るカムシャフト１は、特に、互いに影響を及ぼさないように連続する円弧部８，９により、関連する弁のジャンプのない最大開放を可能にする。

Claims

内燃エンジン（２）の可変カムシャフト（１）を備えた弁駆動システム（１１）であって、
上記可変カムシャフト（１）は、
外軸（３）、および該外軸（３）と同軸に設けられかつ一定の角度範囲にわたって回転可能な内軸（４）と、
上記内軸（４）に回転固定態様で連結された少なくとも１つの第１カム（５）、および、該第１カム（５）に隣接して設けられかつ上記外軸（３）に回転固定態様で連結された第２カム（６）と、を備え、
上記第１および第２カム（５，６）は、同じ関連する弁に作用し、
上記第１カム（５）の上記第２カム（６）に対する回転は、弁開放時間（ｔ）の拡大に影響しており、
上記第１および第２カム（５，６）は、最大リフト量の領域に同一の円弧部（８，９）を有し、
上記第１および第２カム（５，６）は、上記内軸（４）が上記外軸（３）に対して最大範囲まで回転したときでも、上記第１カム（５）の上記円弧部（８）が上記第２カム（６）の上記円弧部（９）に途切れることなく連続する態様で設けられており、
上記内軸（４）が上記外軸（３）に対して最大範囲まで回転したときに、一方の上記円弧部（８，９）における他方の上記円弧部（９，８）と重ならない部分の角度範囲が、両方の上記円弧部（８，９）同士が重なる部分の角度範囲よりも大きく、
上記第１および第２カム（５，６）に機能的に連結されたカムフォロワ（７）またはタペットが設けられ、該カムフォロワ（７）または該タペットは二段円頂外形（１０’）を有し、
上記二段円頂外形（１０’）は、上記第１カム（５）に接触する円頂外形と、上記第２カム（６）に接触する円頂外形と、が前記外軸（３）の軸方向に沿って連続するように構成される
ことを特徴とする弁駆動システム。
請求項１において、
上記可変カムシャフト（１）は、該可変カムシャフト（１）により制御される弁が８〜２５°のクランクシャフト角度に対応する上記弁開放時間（ｔ）の拡大を実現するように設けられている
ことを特徴とする弁駆動システム。
請求項１または２において、
上記第１カム（５）の上記円弧部（８）が、２〜１２．５°の角度範囲において一定半径を有し、
上記第２カム（６）の上記円弧部（９）が、２〜１２．５°の角度範囲において一定半径を有している
ことを特徴とする弁駆動システム。
請求項１〜３のいずれか１項において、
上記第１および第２カム（５，６）が、同一である
ことを特徴とする弁駆動システム。
請求項１〜４のいずれか１項において、
上記第１および第２カム（５，６）が、円頂外形（１０）を有している
ことを特徴とする弁駆動システム。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の弁駆動システム（１１）を備えた内燃エンジン（２）であって、
上記内燃エンジン（２）は、アトキンソンサイクルエンジンとして構成されている
ことを特徴とする内燃エンジン。