JP2008128020A - 内燃機関の可変動弁機構 - Google Patents

Abstract

【課題】ファーストコンタクト時のバルブリフタ１０の倒れ込みを防止しつつ、揺動カム９のバルブリフタ１０の冠面１０ａに対するトラベル領域の拡大を図る。
【解決手段】可変動弁機構１は、吸気弁１１のバルブステム２１の端末部２１ａ端面が当接するバルブリフタ１０を押し下げる揺動カム９を有すると共に、バルブリフタ１０の冠面中心Ｐとバルブステムの軸心Ｒが一致するよう構成されている。そして、吸気弁１１の開弁時にバルブリフタ１０に対して揺動カム９が最初に接触するバルブリフタ１０の冠面１０ａ上のファーストコンタクト位置が、揺動カム９のカムベースサークル側にオフセットしている。さらに、ファーストコンタクト位置のバルブリフタ１０の冠面中心Ｐからのオフセット量が、バルブステム２１の端末部２１ａ端面の半径以下に設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の可変動弁機構に関する。

特許文献１には、機関のクランク軸によって回転駆動し、外周に駆動カムが固定された駆動軸と、該駆動軸に揺動自在に設けられ、機関弁をバルブリフターを介して開閉作動させる揺動カムと、一端部がリンクアームを介して上記駆動カムに回転自在に連係し、かつ他端部が上記揺動カムの端部に連係したロッカアームと、該ロッカアームの揺動支点を可変にする可変機構と、該可変機構を機関運転状態に応じて作動制御する制御手段とを備えた可変動弁装置が開示されている。この特許文献１に開示された可変動弁装置は、上記ロッカアームの揺動支点を可変制御することによって上記揺動カムの上記バルブリフターの頂面に対する揺動位置を変化させて機関弁のリフト量を可変制御するものであって、上記揺動カムの揺動中心が上記バルブリフターの軸線に対して、揺動カムのベースサークル側へ所定量オフセットするように配置されている。
特開平１１−３３６５２１号公報

しかしながら、この特許文献１においては、バルブリフター冠面中心からカムべースサークル側への揺動カムの揺動中心のオフセット量に実質的に制限がないため、上記オフセット量が大きい場合、上記機関弁の開弁時に、上記バルブリフターに対して上記揺動カムが最初に接触した際にカムベースサークル側へのバルブリフターの倒れが発生する虞がある。つまり、上記バルブリフターに対して上記揺動カムが最初に接触した際に、上記バルブリフターの倒れ込みにより、偏摩耗の発生や音振性能が悪化してしまう虞がある。

そこで、本発明は、機関弁のバルブステムの端末部端面が当接するバルブリフタを押し下げる揺動カムを有するよう構成され、かつ機関弁のバルブリフト特性を連続的に可変可能な内燃機関の可変動弁機構であって、上記機関弁の開弁時に上記バルブリフタに対して上記揺動カムが最初に接触するバルブリフタ冠面上のファーストコンタクト位置が、上記揺動カムのカムベースサークル側にオフセットした内燃機関の可変動弁機構において、上記ファーストコンタクト位置の上記バルブリフタの冠面中心位置からのオフセット量が、上記バルブステムの端末部端面の半径以下に設定されていることを特徴としている。これによって、機関弁の開弁時にバルブリフタに対して揺動カムが最初に接触するファーストコンタクト時に揺動カムからバルブリフタに作用する応力をバルブステムで支持することができる。

本発明によれば、ファーストコンタクト時にバルブリフタに作用する応力を直下のバルブステムで直接支持することができるので、ファーストコンタクト時におけるバルブリフタの倒れ込みを防止することができ、バルブリフタの倒れ込みにより生じる偏摩耗、振動及びリフタ打音の発生を防止することができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明に係る可変動弁機構１を簡略的に示す斜視図である。この可変動弁機構１は、クランクシャフト（図示せず）の回転に機械的に連動して吸気弁１１を開閉駆動するとともに、制御軸１２の回転に伴って吸気弁１１のリフト特性、詳しくは吸気弁１１のバルブリフト量及び作動角の双方を連続的に変化させるリフト作動角可変機構（ＶＥＬ）を示している。この可変動弁機構１は、例えば前述の特許文献１等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。

可変動弁機構１は、シリンダヘッド上部のカムブラケット（図示せず）に回転自在に支持され、吸気弁１１の上方を気筒列方向に延びる駆動軸２と、この駆動軸２に圧入等により固定され、この駆動軸２と一体的に回転する駆動偏心軸部３と、駆動軸２の上方位置に同じカムブラケットによって回転自在に支持されるとともに駆動軸２と平行に配置された制御軸１２と、この制御軸１２に圧入等により固定され、制御軸１２と一体的に回転する制御偏心軸部１８と、この制御偏心軸部１８に揺動自在に支持された中間部材としてのロッカアーム６と、駆動軸２に揺動可能に取り付けられた厚さが一様な揺動カム９と、を備えている。駆動偏心軸部３とロッカアーム６の一端とはアーム状の第１リンク４によって連係されており、ロッカアーム６の他端と揺動カム９とは、一端がリング状をなす第２リンク８によって連係されている。

駆動軸２は、図示せぬタイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動され、クランクシャフトと機械的に連動して軸周りに回転する。駆動偏心軸部３は、円形外周面を有し、この外周面の中心が駆動軸２の軸心から所定量だけ偏心している。ロッカアーム６は、略中央部が制御偏心軸部１８によって揺動可能に支持されている。ロッカアーム６の一端部には、連結ピン５を介して第１リンク４が連結され、他端部には、連結ピン７を介して第２リンク８が連結されている。制御偏心軸部１８は、制御軸１２の軸心から所定量だけ偏心している。従って、制御軸１２の角度位置に応じてロッカアーム６の揺動中心が変化する。

揺動カム９の先端部と第２リンク８とは連結ピン１７を介して連結されている。この揺動カム９の下面には、円弧状の基円面９ａと、この基円面から所定の曲線を描いて延びるカム面９ｂと、が連続して形成されており、これらの基円面９ａならびにカム面９ｂが、揺動カム９の揺動位置に応じてバルブリフタ（タペット）１０の上面に対向・当接するようになっている。すなわち、基円面９ａはベースサークル区間として、リフト量が０となる区間であり、揺動カム９が揺動してカム面９ｂがバルブリフタ１０に接触すると、吸気弁１１がバルブスプリング反力に抗して押し下げられて、吸気弁１１が徐々にリフトしていくことになる。つまり、吸気弁１１の開弁時には、バルブリフタ１０に対して揺動カム９のカム面９ｂが最初に接触するファーストコンタクト時以降、吸気弁１１が徐々にリフトしていくことになる。

また、バルブリフタ１０の冠面中心Ｐとバルブステム２１の軸心Ｒが一致するよう構成されている。

制御軸１２は、図１に示すように、制御軸１２一端側に設けられた制御軸アクチュエータ１３によって所定回転角度範囲内で回転するように構成されている。この制御軸アクチュエータ１３は、例えばサーボモータのような電動モータからなり、制御軸１２の回転角位置を保持する機能を有し、機械的連動機構であるウォームギヤ機構１５を介して制御軸１２と機械的に連係されている。

ウォームギヤ機構１５は、制御軸アクチュエータ１３の出力軸１３ａに固定され、この出力軸１３ａと一体的に回転するウォーム１５ａと、制御軸１２の一端に圧入等により固定され、この制御軸１２とともに回転するウォームホイール１５ｂと、により構成されている。ウォームホイール１５ｂの外周には、ウォーム１５ａに噛み合うウォームギヤが形成されている。

制御軸１２及びその制御偏心軸部１８の回転角位置は、ポテンショメータ等の制御軸センサ１４によって検出されている。この制御軸センサ１４の検出信号に基づいて、制御装置（制御手段）１９が制御軸アクチュエータ１３へ制御信号を出力し、制御軸１２の回転角位置が目標値となるようにクローズドループ制御される。

この可変動弁機構１の作用を簡単に説明すると、駆動軸２が回転すると、駆動偏心軸部３，第１リンク４，ロッカアーム６，第２リンク８を経由して揺動カム９が揺動する。この揺動カム９によって、バルブリフタ１０が押圧され、図示せぬバルブスプリングのばね力に抗して吸気弁１１が開閉作動する。また、制御軸アクチュエータ１３により制御軸１２の角度位置を変更すると、ロッカアーム６の初期位置が変化して、揺動カム９によるバルブリフト特性が連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時に、連続的に拡大，縮小させることができる。各部のレイアウトによるが、例えば、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁１１の開時期と閉時期とがほぼ対称に変化する。

尚、気筒列方向に延びている駆動軸２及び制御軸１２は気筒列を構成する複数の気筒に共用されるのに対して、可変動弁機構１（リフト作動角可変機構）の構成部品である揺動カム９、ロッカアーム６、第１リンク４、第２リンク８等は気筒列を構成する個々の気筒毎に独立して設けられている。

そして、本発明の第１実施形態においては、図２に示すように、上述したファーストコンタクト時における揺動カム９のバルブリフタ１０の冠面１０ａへの接触位置であるファーストコンタクト位置のバルブリフタ１０の冠面中心Ｐからのオフセット量Ｌが、揺動カム９のカムベースサークル側（図２における右側）に、吸気弁１１のバルブステム２１の端末部２１ａ端面の半径（Ｄ／２）以下の長さとなるよう設定されている。つまり、上記ファーストコンタクト位置のバルブリフタ１０の冠面中心Ｐ位置から揺動カム９のカムベースサークル側（図２における右側）へのオフセット量Ｌが、バルブステム２１の端末部２１ａ端面の半径（Ｄ／２）以下となるよう設定されている。換言すれば、揺動カム９の揺動中心Ｑのバルブリフタ１０の冠面中心Ｐ位置からのオフセット量Ｌが、バルブステム２１の端末部２１ａ端面の半径（Ｄ／２）以下となるよう設定されている。ここでＤは、端末部２１ａ端面の直径である。

尚、上記ファーストコンタクト位置をバルブリフタ１０の冠面中心Ｐに対してオフセットさせることで、揺動カム９のカム面９ｂが接触するバルブリフタ１０の冠面１０ａ上の面積が拡大され、カム面９ｂによる冠面１０ａ上のトラベル領域が大きくなり、最大バルブリフト量が拡大して出力向上が図られる。

このような第１実施形態においては、上記ファーストコンタクト位置が、吸気弁１１のバルブステム２１の端末部２１ａ端面直上の位置に制限されるので、上記ファーストコンタクト時に揺動カム９からバルブリフタ１０に作用する応力をバルブステム２１で支持することができる。つまり、上記ファーストコンタクト時にバルブリフタ１０に作用する応力を直下のバルブステム２１で直接支持することができるので、ファーストコンタクト位置をバルブリフタ１０の冠面中心Ｐからオフセットさせることでファーストコンタクト時にバルブリフタ１０に作用する冠面中心Ｐ回り（バルブステム２１の軸心Ｒ回り）のモーメントを効果的に抑制することができる。

そのため、上記ファーストコンタクト時におけるバルブリフタ１０の倒れ込みを防止することができ、揺動カム９のカム面９ｂのバルブリフタ１０の冠面１０ａに対するトラベル領域を拡大しつつ、バルブリフタ１０の倒れ込みにより生じる偏摩耗、振動及びリフタ打音の発生を防止することができる。

以下、本発明の他の実施形態について説明するが、同一構成要素については同一の名称及び符号を付し、重複する説明を省略する。

図３は、本発明の第２実施形態を示している。この第２実施形態においては、バルブクリアランスＶｃを考慮して、上記ファーストコンタクト位置のバルブリフタ１０の冠面中心Ｐ位置から揺動カム９のカムベースサークル側（図３における右側）へのオフセット量Ｌが決定されている。

すなわち、この第２実施形態においては、上記ファーストコンタクト位置のバルブリフタ１０の冠面中心Ｐ位置から揺動カム９のカムベースサークル側（図３における右側）へのオフセット量Ｌが、吸気弁１１のバルブステム２１の端末部２１ａ端面の半径（Ｄ／２）にバルブクリアランスＶｃを加算した長さ以下となるよう設定されている。

このような第２実施形態においても、上述した第１実施形態と同様に、上記ファーストコンタクト位置が、吸気弁１１のバルブステム２１の端末部２１ａ端面直上の位置に制限されるので、上述した第１実施形態と同様に作用効果を得ることができる。さらに、この第２実施形態においては、上記オフセット量Ｌの許容範囲が、バルブクリアランスＶｃの分だけ、上述した第１実施形態よりも広くなっているので、上述した第１実施形態に比べて揺動カム９のカム面９ｂによるバルブリフタ１０の冠面１０ａ上のトラベル領域を大きくすることができ、最大バルブリフト量の一層の拡大が可能となる。

図４及び図５は、本発明の第３実施形態を示している。この第３実施形態においては、揺動カム９の幅、すなわち揺動カム９の図４における紙面垂直方向の厚みがバルブステム２１の端末部２１ａ端面の半径（Ｄ／２）よりも小さくなるよう設定されている。そして、上記ファーストコンタクト位置のバルブリフタ１０の冠面中心Ｐから揺動カム９のカムベースサークル側（図４における右側、図５における上方側）へのオフセット量Ｌが、バルブステム２１の端末部２１ａ端面の半径（Ｄ／２）と、揺動カム９の内燃機関の気筒列方向へのオフセット量Ｃと、を考慮して設定されている。ここで、揺動カム９の内燃機関の気筒列方向へのオフセット量Ｃは、バルブステム２１の端末部２１ａ端面の半径（Ｄ／２）よりも十分小さい値（例えば１ｍｍ程度）である。

詳述すると、この第３実施形態においては、上記ファーストコンタクト位置のバルブリフタ１０の冠面中心Ｐから揺動カム９のカムベースサークル側（図４における右側、図５における上方側）へのオフセット量Ｌが、次式（１）を満たすように設定されている。

［数３］ Ｌ≦｛（Ｄ／２）²−Ｃ²｝^1/2 …（１）
尚、揺動カム９を冠面中心Ｐから気筒列方向へオフセットさせているのは、バルブリフタ１０に揺動カム９のカム面９ｂが接した際に、バルブリフタ１０が冠面中心Ｐ回りに回転し、カム面９ｂが冠面１０ａの一部分のみに接触しないようにするためである。つまり、揺動カム９を冠面中心Ｐから気筒列方向へオフセットさせることで、冠面１０ａ上におけるカム面９ｂとの接触可能範囲が拡大し、冠面１０ａ上の偏摩耗を防止しているのである。

このような第３実施形態いおいても、上述した第１実施形態と同様に、上記ファーストコンタクト位置が、吸気弁１１のバルブステム２１の端末部２１ａ端面直上の位置に制限されるので、上述した第１実施形態と同様に作用効果を得ることができる。

図６及び図７は、本発明の第４実施形態を示している。この第４実施形態は、揺動カム９の幅、すなわち揺動カム９の図６における紙面垂直方向の厚みがバルブステム２１の端末部２１ａ端面の半径（Ｄ／２）よりも小さくなるよう設定されている。そして、この第４実施形態においては、上記ファーストコンタクト位置のバルブリフタ１０の冠面中心Ｐから揺動カム９のカムベースサークル側（図６における右側、図７における上方側）へのオフセット量Ｌが、バルブステム２１の端末部２１ａ端面の半径（Ｄ／２）と、揺動カム９の内燃機関の気筒列方向へのオフセット量Ｃと、バルブクリアランスＶｃと、を考慮して設定されている。ここで、揺動カム９の内燃機関の気筒列方向へのオフセット量Ｃは、バルブステム２１の端末部２１ａ端面の半径（Ｄ／２）よりも十分小さい値（例えば１ｍｍ程度）である。

詳述すると、この第４実施形態においては、上記ファーストコンタクト位置のバルブリフタ１０の冠面中心Ｐから揺動カム９のカムベースサークル側（図６における右側、図７における上方側）へのオフセット量Ｌが、次式（２）を満たすように設定されている。

［数４］ Ｌ≦｛（Ｄ／２）²−Ｃ²｝^1/2 …（２）
このような第４実施形態いおいても、上述した第１実施形態と同様に、上記ファーストコンタクト位置が、吸気弁１１のバルブステム２１の端末部２１ａ端面直上の位置に制限されるので、上述した第１実施形態と同様に作用効果を得ることができる。

さらに、この第４実施形態においては、上記オフセット量Ｌの許容範囲が、バルブクリアランスＶｃの分だけ、上述した第３実施形態よりも広くなっているので、上述した第３実施形態に比べて揺動カム９のカム面９ｂによるバルブリフタ１０の冠面１０ａ上のトラベル領域を大きくすることができ、最大バルブリフト量の一層の拡大が可能となる。

上記実施形態から把握し得る本発明の技術的思想について、その効果とともに列記する。

（１） 機関弁のバルブステムの端末部端面が当接するバルブリフタを押し下げる揺動カムを有するよう構成され、かつ機関弁のバルブリフト特性を連続的に可変可能な内燃機関の可変動弁機構であって、上記機関弁の開弁時に上記バルブリフタに対して上記揺動カムが最初に接触するバルブリフタ冠面上のファーストコンタクト位置が、上記揺動カムのカムベースサークル側にオフセットした内燃機関の可変動弁機構において、上記ファーストコンタクト位置の上記バルブリフタの冠面中心位置からのオフセット量が、上記バルブステムの端末部端面の半径以下に設定されている。これによって、機関弁の開弁時にバルブリフタに対して揺動カムが最初に接触するファーストコンタクト時に揺動カムからバルブリフタに作用する応力をバルブステムで支持することができる。つまり、上記ファーストコンタクト時にバルブリフタに作用する応力を直下のバルブステムで直接支持することができるので、上記ファーストコンタクト時におけるバルブリフタの倒れ込みを防止することができ、バルブリフタの倒れ込みにより生じる偏摩耗、振動及びリフタ打音の発生を防止することができる。

（２） 機関弁のバルブステムの端末部端面が当接するバルブリフタを押し下げる揺動カムを有するよう構成され、かつ機関弁のバルブリフト特性を連続的に可変可能な内燃機関の可変動弁機構であって、上記機関弁の開弁時に上記バルブリフタに対して上記揺動カムが最初に接触するバルブリフタ冠面上のファーストコンタクト位置が、上記揺動カムのカムベースサークル側にオフセットした内燃機関の可変動弁機構において、上記ファーストコンタクト位置の上記バルブリフタの冠面中心位置からのオフセット量が、上記バルブステムの端末部端面の半径にバルブクリアランスを加えた長さ以下となるよう設定されている。これによって、機関弁の開弁時にバルブリフタに対して揺動カムが最初に接触するファーストコンタクト時に揺動カムからバルブリフタに作用する応力をバルブステムで支持することができる。

（３） 機関弁のバルブステムの端末部端面が当接するバルブリフタを押し下げる揺動カムを有するよう構成され、かつ機関弁のバルブリフト特性を連続的に可変可能な内燃機関の可変動弁機構であって、上記機関弁の開弁時に上記バルブリフタに対して上記揺動カムが最初に接触するバルブリフタ冠面上のファーストコンタクト位置が、上記揺動カムのカムベースサークル側にオフセットした内燃機関の可変動弁機構において、上記ファーストコンタクト位置の上記バルブリフタの冠面中心位置から上記揺動カムのカムベースサークル側へのオフセット量Ｌが、上記揺動カムの内燃機関の気筒列方向へのオフセット量Ｃと、上記バルブステムの端末部端面の半径Ｄ／２と、を用いて設定されている。これによって、機関弁の開弁時にバルブリフタに対して揺動カムが最初に接触するファーストコンタクト時に揺動カムからバルブリフタに作用する応力をバルブステムで支持することができる。

（４） 上記（３）に記載の内燃機関の可変動弁機構は、具体的には、上記オフセット量Ｌが、Ｌ≦｛（Ｄ／２）²−Ｃ²｝^1/2となるように設定されている。

（５） 上記（３）に記載の内燃機関の可変動弁機構は、具体的には、上記オフセット量Ｌが、Ｌ≦Ｖｃ＋｛（Ｄ／２）²−Ｃ²｝^1/2となるように設定されている。

本発明に係る内燃機関の可変動弁機構の概略構成を示す斜視図。 本発明の第１実施形態におけるバルブリフタと揺動カムの位置関係を内燃機関の気筒列方向から見た状態を模式的に示した説明図。 本発明の第２実施形態におけるバルブリフタと揺動カムの位置関係を内燃機関の気筒列方向から見た状態を模式的に示した説明図。 本発明の第３実施形態におけるバルブリフタと揺動カムの位置関係を内燃機関の気筒列方向から見た状態を模式的に示した説明図。 本発明の第３実施形態におけるファーストコンタクト位置の許容範囲を模式的に示した説明図。 本発明の第４実施形態におけるバルブリフタと揺動カムの位置関係を内燃機関の気筒列方向から見た状態を模式的に示した説明図。 本発明の第４実施形態におけるファーストコンタクト位置の許容範囲を模式的に示した説明図。

符号の説明

９…揺動カム
１０…バルブリフタ
２１…バルブステム

Claims (5)

1. 機関弁のバルブステムの端末部端面が当接するバルブリフタを押し下げる揺動カムを有するよう構成され、かつ機関弁のバルブリフト特性を連続的に可変可能な内燃機関の可変動弁機構であって、
   上記機関弁の開弁時に上記バルブリフタに対して上記揺動カムが最初に接触するバルブリフタ冠面上のファーストコンタクト位置が、上記揺動カムのカムベースサークル側にオフセットした内燃機関の可変動弁機構において、
   上記ファーストコンタクト位置の上記バルブリフタの冠面中心位置からのオフセット量が、上記バルブステムの端末部端面の半径以下に設定されていることを特徴とする内燃機関の可変動弁機構。
2. 機関弁のバルブステムの端末部端面が当接するバルブリフタを押し下げる揺動カムを有するよう構成され、かつ機関弁のバルブリフト特性を連続的に可変可能な内燃機関の可変動弁機構であって、
   上記機関弁の開弁時に上記バルブリフタに対して上記揺動カムが最初に接触するバルブリフタ冠面上のファーストコンタクト位置が、上記揺動カムのカムベースサークル側にオフセットした内燃機関の可変動弁機構において、
   上記ファーストコンタクト位置の上記バルブリフタの冠面中心位置からのオフセット量が、上記バルブステムの端末部端面の半径にバルブクリアランスを加えた長さ以下となるよう設定されていることを特徴とする内燃機関の可変動弁機構。
3. 機関弁のバルブステムの端末部端面が当接するバルブリフタを押し下げる揺動カムを有するよう構成され、かつ機関弁のバルブリフト特性を連続的に可変可能な内燃機関の可変動弁機構であって、
   上記機関弁の開弁時に上記バルブリフタに対して上記揺動カムが最初に接触するバルブリフタ冠面上のファーストコンタクト位置が、上記揺動カムのカムベースサークル側にオフセットした内燃機関の可変動弁機構において、
   上記ファーストコンタクト位置の上記バルブリフタの冠面中心位置から上記揺動カムのカムベースサークル側へのオフセット量Ｌが、上記揺動カムの内燃機関の気筒列方向へのオフセット量Ｃと、上記バルブステムの端末部端面の半径Ｄ／２と、を用いて設定されていることを特徴とする内燃機関の可変動弁機構。
4. 上記オフセット量Ｌが、次式（１）を満たすように設定されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の可変動弁機構。
   ［数１］ Ｌ≦｛（Ｄ／２）²−Ｃ²｝^1/2 …（１）
5. バルブクリアランスをＶｃとすると、上記オフセット量Ｌが、次式（２）を満たすように設定されていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の可変動弁機構。
   ［数２］ Ｌ≦Ｖｃ＋｛（Ｄ／２）²−Ｃ²｝^1/2 …（２）

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