JP2012072671A - 内燃機関のバルブリフタ - Google Patents

Abstract

【課題】冠面のフリクションと摩耗量の両方を低減することが可能なバルブリフタを提供する。
【解決手段】円筒状のスカート部１７と、該スカート部の上端部に一体に設けられて、カムシャフト７に一体に設けられた駆動カム９の外周面９ａが冠面２０を摺動する冠部１８と、からなり、冠面の軸中心Ｙが前記駆動カムのカム幅Ｗの中心Ｘに対して０．９ｍｍ〜１．１ｍｍの範囲でオフセットした状態で配置される内燃機関のバルブリフタ１１である。前記冠面は、中心が最も高くなるように球面凸状に形成されていると共に、該冠面の凸量であるクラウニング量Ｈが１１〜５０μｍの範囲に設定されている。これによって、バルブリフタと駆動カムとの間のフリクションの低減と、バルブリフタの回転の確保による摩耗の発生を抑制する。
【選択図】図５

Description

本発明は、内燃機関のバルブリフタの改良技術に関する。

周知のように、４サイクル内燃機関のカムシャフトの回転を吸気弁や排気弁に伝達するバルブリフタとしては、例えば特許文献１に記載されているように、ほぼ有蓋円筒状に形成されて、円筒状のスカート部の上端部に一体に形成された冠部の平坦状の冠面に前記カムシャフトの駆動カムが回転摺動して回転力を往復運動に変換して、前記吸気弁や排気弁に伝達するようになっている。

ところが、前記冠面が平坦状に形成されていることから、駆動カムが摺動する際のフリクションが大きくなってしまうという技術的課題を招来している。

そこで、例えば特許文献２に記載されたバルブリフタのように、冠面を球面凸状に形成して前記フリクションを低減する改良技術が提供されている。

特開２００１−３４２８１０号公報 特開２００４−２２５６１０号公報

しかしながら、前記特許文献２に記載のバルブリフタにあっては、前記冠面の凸量（クラウニング量）を大きくし過ぎると、作動中におけるバルブリフタの自由な回転が損なわれて、駆動カムの摺動位置での面圧が大きくなって局部的に摩耗が発生するおそれがある。

本発明は、前記従来のバルブリフタの技術的課題に鑑みて案出されたもので、冠面のフリクションと摩耗量の両方を低減することが可能なバルブリフタを提供する。

請求項１記載の発明は、冠部の冠面は、中心が最も高くなるように球面凸状に形成されていると共に、該球面凸状の凸量が１１〜５０μｍの範囲に設定されていることを特徴としている。

好ましくは、前記凸量を１１〜３２μｍの範囲に設定する。

本発明によれば、冠面のフリクションと摩耗量の両方を低減することが可能になる。

本発明に係る内燃機関のバルブリフタの一実施形態を示す縦断面図である。 本実施形態のバルブリフタが適用された内燃機関に要部断面図である。 バルブリフタとカムとのフリクションを測定するフリクション測定器を示す縦断面図である。 バルブリフタとカムとのフリクションとクラウニング量との相対関係を示す特性図である。 Ａはバルブリフタの冠面とカムとの接触状態示す断面図、Ｂはバルブリフタのカムに対するオフセット量を示す断面図である。 バルブリフタの冠面とカムの外周面との接触面幅とバルブリフタの回転許容範囲との関係を示す概略図である。 バルブリフタ冠面とカム外周面との接触面幅と冠面のクラウニング量との関係で、バルブリフタの回転域と非回転域を示す特性図である。 バルブリフタ冠面とカム外周面との接触面幅と冠面のクラウニング量との関係で、バルブリフタの回転域と非回転域を示す特性図である。

以下、本発明にかかる内燃機関のバルブリフタの実施形態を図面に基づいて詳述する。

図２は本発明に係るバルブリフタが適用される内燃機関の要部を示し、例えば４気筒の４サイクルガソリン機関の吸気側と排気側に適用したものである。

この内燃機関は、シリンダヘッド１の内部に形成された吸気ポート２と排気ポート３を開閉する機関弁である１気筒当たりそれぞれ２つの吸気弁４と排気弁５がバルブガイド６ａ，６ｂを介して摺動自在に設けられている。また、シリンダヘッド１の上端部にカム軸受に支持された吸気側、排気側カムシャフト７，８の外周面には、前記各吸気弁４と各排気弁５を開作動させる駆動カム９、１０が一体に設けられている。

前記各吸気弁４と排気弁５は、バルブステムの下端側に有する傘部４ａ、５ａが吸気、排気ポート２、３の開口端に設けられた環状のバルブシート２ａ、３ａに離着座するようになっていると共に、上端部のステムエンド４ｂ、５ｂに固定されたスプリングリテーナ１３ａ、１３ｂとシリンダヘッド１上端部の支持孔１ａ、１ｂの底面との間にそれぞれ弾装されたバルブスプリング１４，１５のばね力によってそれぞれ閉方向に付勢されている。

前記駆動カム９、１０は、図２、図５に示すように、一般的なものであって、側面からみて卵形状に形成されていると共に、所定のカム幅Ｗに設定されている。

また、前記各吸気弁４と排気弁５と各駆動カム７ａ、８ａとの間にバルブリフタ１１、１２が介装されている。この各バルブリフター１１，１２は、鉄系金属である炭素鋼によって一体に形成された直動型であって、吸気側と排気側では同じ構造であるから以下では、説明の便宜上、吸気側のバルブリフタ１１について詳述する。

すなわち、バルブリフタ１１は、図１及び図２に示すように、シリンダヘッド１の上端部に形成されたガイド孔１６内に上下摺動自在に保持された円筒状のスカート部１７と、該スカート部１７の軸方向一端部である上端部に一体に形成された冠部１８と、該冠部１８の下面ほぼ中央位置に一体に設けられて、前記ステムエンド４ｂが当接する円形状のボス部１９と、から主として構成されている。

前記スカート部１７は、薄肉円筒状に形成されて外周面１７ａが前記ガイド孔１６の内周面に所定のフリクションをもって摺動するようになっている。

前記冠部１８は、比較的肉厚に形成され、上面に前記駆動カム９の外周面９ａが摺動する球面凸状の冠面２０が形成されていると共に、該冠面２０と前記駆動カム９の外周面９ａが摺動しない部位に、バルブリフタ１１の内部に潤滑油を導く油孔２１が貫通形成されている。

前記冠面２０は、表面全体に所定の半径の球面凸状に形成されて、中心Ｙが最も高くなるように形成され、最も低い外周縁２０ａから頂部２０ｂまでの凸量（クラウニング量）Ｈが１１〜５０μｍの範囲内に設定されている。

このクラウニング量Ｈの範囲を特定した臨界的意義については、バルブリフタ１１のフリクションの大きさと、前記ガイド孔１６内での回転の有無によって設定され、この点については本願発明者による実験結果に基づくもので、具体的には後述する。

また、前記冠面２０の表面全体には、周知の表面処理技術であるいわゆるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）処理が施され、これによって、高硬度でかつ低摩擦抵抗を有する表面処理層が形成されている。

さらに、前記冠面２０の中心Ｙは、図５Ｂに示すように、前記駆動カム９の幅方向（カム幅Ｗ）の中心Ｘに対して０．９〜１．１ｍｍの範囲で図５Ｂ中、左側に偏心（オフセット）しており、これは、駆動カム９の回転に伴ってこの外周面９ａと冠面２０との間に発生するフリクションによってバルブリフタ１１自体が回転する領域範囲である。つまり、前記冠面２０のオフセット量αが前述の範囲内であれば、駆動カム９の回転力によるバルブリフタ１１の回転を確保することができる。

以下、前記冠面２０のクラウニング量Ｈを１１〜５０μｍに設定した臨界的意義について説明する。

まず、前記冠面２０と駆動カム９との間のフリクションを最終的に求めるために、図３に示す実験用測定機３０を用いて予め前記カムシャフト７のカムトルクＴとバルブリフタ１１のスカート部１７外周面１７ａと前記ガイド孔１６の内周面との間のフリクションを検出する。

前記実験用測定機３０は、内燃機関の一部を模したもので、簡単に説明すれば、機関のシリンダヘッドに相当するほぼ円筒状のシリンダ基体３１上に前後２つの軸受３３，３３によって前記カムシャフト７に相当する単一のカムシャフト３２が回転自在に支持されている。このカムシャフト３２は、前記両軸受３３，３３間に単一の駆動カム３２ａが一体的に設けられていると共に、一端部に図外の駆動機構によって回転駆動する駆動プーリ３４が設けられている。

前記シリンダ基体３１の上端部内には、ほぼ円筒状のベアリング３５が設けられていると共に、該ベアリング３５の内部には単一の吸気弁、排気弁に相当する機関弁３６がバルブリテーナ３７を介して上下摺動自在に保持されている。また、この機関弁３６は、バルブスプリング３８によって閉方向に付勢されていると共に、ステムエンド３６ａと前記駆動カム３２ａとの間にバルブリフタ３９が介装されている。

このバルブリフタ３９は、ベアリング３５内周の小径スリーブ３５ａ内に摺動自在に保持され、冠面３９ａ全体が球面凸状に形成されている。そして、この実験測定機３０で使用されるバルブリフタ３９は、前記冠面３９ａが平坦状に近い曲率半径の大きなものから小さなもの、つまり、前記クラウニング量Ｈが約５μｍ〜４４μｍになっているものを複数用意しておき、これらを選択的に交換して実験したものである。

また、前記ベアリング３５の上端部には、バルブリフタ３９のスカート部外周面と前記小径スリーブ３５ａとの間の側面フリクションを測定するフリクションセンサ４０が設けられていると共に、前記カムシャフト３２のカムトルクを測定するカムトルクセンサ４１が設けられている。

これらの測定は、前記カムシャフト３２の回転数３００ｒｐｍで２時間、油温は８０℃の条件下でラッピングを行った後に、前記フリクションセンサ４０とカムトルクセンサ４１によって測定した。

したがって、前記駆動プーリ３４が回転駆動されることによってカムシャフト３２を介して駆動カム３２ａが回転すると、該駆動カム３２ａがバルブリフタ３９の冠面３９ａ上を摺動して、該バルブリフタ３９が小径スリーブ３５ａ内を上下に摺動して回転運動を往復運動に変換しつつ機関弁３６に伝達する。これによって、機関弁３６は、バルブスプリング３８のばね力とともにバルブリテーナ３７内を上下摺動（開閉作動）する。

この実験では、前述のように、バルブリフタ３９の冠面３９ａのクラウニング量Ｈがそれぞれ異なるものを選択して、前記側面フリクションセンサ４０とカムトルクセンサ４１から検出されたそれぞれの数値に基づいて前記駆動カム３２ａの回転に伴う冠面３９ａのフリクションを求めたもので、カムトルクセンサ４１から検出された全体のトルク数値から、側面フリクションセンサ４０から検出された側面フリクション数値を側面フリクショントルクに変換した数値を差し引いた値を、冠面３９ａのフリクションとして算出したものである。

なお、図３中、４２はシリンダ基体３１の下部内に設けられたバルブリフトセンサである。

図４はこの実験による結果を示す特性図であって、横軸が前記冠面３９ａのクラウニング量Ｈ（μｍ）、縦軸がバルブリフタ３９（冠面３９ａ）のフリクション（Ｎ・ｍ）を示している。

すなわち、クラウニング量Ｈが約５μｍの場合あっては、冠面３９ａがほぼ平坦状に近いことから図中、４つの黒四角で表すように、冠面３９ａのフリクションが０．３〜０．４Ｎ・ｍと比較的大きくなってしまう。

これに対して、クラウニング量Ｈが１１μｍ〜４４μｍの場合にあっては、黒三角で表すように、冠面３９ａのフリクションが漸次低下し、特に１１μｍでは急激にフリクションが低下して約０．２９〜０．３Ｎ・ｍとなり、その後、４４μｍまでは次第に低下して行くことが解った。

図中の折れ線はフリクションとクラウニング量Ｈとの相対的な数値を平均したものであって、この折れ線からも明らかなように、クラウニング量Ｈが１１μｍ以下の場合は、大きなフリクションになるが、１１μｍを境に４４μｍまで漸次低減していることが明らかである。

なお、ほぼ同じクラウニング量Ｈでもフリクションが若干異なるのは、実験測定機の作動のばらつきなどに起因している。

以上の実験結果からして、前記冠面３９ａのクラウニング量Ｈは、冠面３９ａのフリクションを低減する関係で最低でも１１μｍが必要であり、好ましくは、これ以上に設定することが望ましい。

次に、前記駆動カム９の回転に伴う前記ガイド孔１６内でのバルブリフタ１１の回転の有無を、冠面２０と駆動カム９の外周面９ａとの接触幅を変えた実験結果に基づいて説明する。

図５Ａ、Ｂは駆動カム９とバルブリフタ１１、カム幅Ｗ及び駆動カム９に対するバルブリフタ１１のオフセット量αの関係を模式的に示し、この場合、駆動カム９の外周面９ａとバルブリフタ１１の冠面２０の接触面幅をａで示している。つまり、図５Ｂに示すように、駆動カム９のカム幅Ｗの中心Ｘからバルブリフタ１１軸心、つまり冠面２０の中心Ｙをα量だけオフセット配置することによって、基本的に駆動カム９の回転に伴いバルブリフタ１１はフリクションにより回転するが、図６に示すように、前記オフセット量αが同じでも冠面２０のクラウニング量Ｈによって接触面幅ａが大小変化する。

具体的には、クラウニング量Ｈが小さい場合、つまり平坦状に近い場合は、図６Ａに示すように、接触面幅ａがａ１のように大きくなって、バルブリフタ１１に対する駆動カム９のフリクションによる回転力が働いて、該バルブリフタ１１は回転する。

また、クラウニング量Ｈをやや大きくした場合は、図６Ｂに示すように、接触面幅ａはやや小さくなってａ２となるものの、バルブリフタ１１に対する駆動カム９のフリクションによる回転力が働いて、バルブリフタ１１は回転する。

ところが、クラウニング量Ｈを過度に大きくすると、図６Ｃに示すように、前記接触面幅ａは小さくなってａ３となる。この状態では、バルブリフタ１１に対する駆動カム９のフリクションによる回転力が働かなくなり、バルブリフタ１１は回転しなくなるのである。

要するに、前記バルブリフタ１１のガイド孔１６内での回転の有無は、前記冠面２０のクラウニング量Ｈに大きく依存するのである。

そこで、図７と図８は前記冠面２０のクラウニング量Ｈと接触面幅ａとの関係を、前記駆動カム９のカム幅Ｗと、バルブリフタ１１のオフセット量α及び駆動カム９によるバルブリフタ１１への入力荷重を大小変化させてバルブリフタ１１の回転の有無を実験した結果を表したものである。

図７に示す実験例では、前記カム幅Ｗを１０ｍｍ、オフセット量を１ｍｍ、入力荷重を大とした大排気量の機関に適用した場合であって、クラウニング量Ｈを約２０μｍから１００μｍまで大きくしていくと、それに伴って接触面幅ａが小さくなり、クラウニング量Ｈが約２０μｍ〜４０μｍまでは接触面幅ａが７．０ｍｍから約３．７ｍｍまで急激に低下する。クラウニング量Ｈを４０μｍから１００μｍに設定した場合は、接触面幅ａは約３．８ｍｍから１００ｍｍまで漸次小さくなる。

そして、前記接触面幅ａが約３．５ｍｍ以下になるとバルブリフタ１１が回転しなくなり、それ以上であると回転することが解った。つまり、この約３．５ｍｍの接触面幅の境界点は、クラウニング量Ｈが５０μｍであって、それ以下では前記接触面幅ａの関係でバルブリフタ１１は回転するが、５０μｍ以上ではバルブリフタ１１は回転しなくなることが明らかである。

特に、冠面２０全体に施されたダイヤモンドライクカーボンＤＬＣは、冠面２０の摩擦抵抗が小さく、駆動カム９の回転によってバルブリフタ１１自体を回転させる力が小さくなる。したがって、クラウニング量Ｈは、接触面幅ａ３．５ｍｍ以上となる５０μｍ以下で、好ましくは３２μｍ以下が望ましい。

図８に示す実験例では、前記カム幅Ｗを７ｍｍ、オフセット量を０．５ｍｍ、入力荷重を小とした小排気量の機関に適用した場合であって、入力荷重が小さいと駆動カム９を冠面２０に押し付ける力が小さいため、接触面幅ａは小さくなり、クラウニング量Ｈが約１８μｍ〜５０μｍまでは接触面幅ａが約７．０ｍｍから約２．５ｍｍまで急激に低下する。クラウニング量Ｈを５０μｍから１００μｍに設定した場合は、接触面幅ａは約２．５ｍｍから１００ｍｍまで漸次小さくなり、特性ラインは図７の特性ラインよりも下がる傾向になる。

一方、カム幅Ｗ及びオフセット量αは小さいため、バルブリフタ１１が回転しなくなる許容接触面幅ａは小さくなる。この実験例のように、カム幅Ｗが７ｍｍ、オフセット量が０．５ｍｍのとき、許容接触面幅は２．５ｍｍである。このときの冠面２０のクラウニング量Ｈは前記５０μｍと殆ど変化はない。つまり、内燃機関の排気量（入力荷重、カム幅Ｗ、オフセット量α）の相違によって接触面幅ａに対する冠面２０のクラウニング量Ｈの変化はないのである。

すなわち、クラウニング量Ｈを約１７μｍから１００μｍまで漸次大きくしていくと、それに伴って接触面幅ａが小さくなり、該接触面幅ａが約２．５ｍｍ以下になるとバルブリフタ１１が回転しなくなり、それ以上であると回転することが解った。つまり、この約２．５ｍｍの接触面幅ａの境界点は、クラウニング量Ｈが５０μｍであって、それ以下では前記接触面幅ａの関係でバルブリフタ１１は回転するが、５０μｍ以上ではバルブリフタ１１は回転しなくなることが解った。

したがって、前記それぞれの実験結果からして、機関の排気量に拘わらず、前記バルブリフタ１１の回転を得るには、前記クラウニング量が５０μｍ以下である必要があることが解った。

よって、本実施形態では、前記バルブリフタ１１の冠面２０のクラウニング量Ｈを、１１μｍ〜５０μｍに設定したのである。好ましくは１１μｍ〜３２μｍに設定するのが望ましい。

これによって、前記駆動カム９の外周面９ａと冠面２０との間のフリクションを十分に低減しつつバルブリフタ１１の自由な回転を確保して冠面２０の摩耗を十分に抑制することができる。

また、前記バルブリフタ１１を、炭素鋼によって形成したことによって、駆動カム９との摺動箇所のさらなる摩耗の発生を抑制できる。

さらに、この実施形態によれば、前記油孔２１を、冠面２０に駆動カム９が摺動する以外の部位に形成したことから、冠部１８のボス部１９と吸気弁４のステムエンド４ｂとの間に潤滑油を積極的に供給できると共に、駆動カム９の摺動に伴う油孔の孔縁の摩耗や剥離などの発生を抑制できる。

本発明は、前記各実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば内燃機関の仕様を、前記実験例に示した大、小排気量以外の排気量のものに変更したものにも適用できる。

また、前記実施形態では、吸気側のバルブリフタ１１について説明したが、排気側のバルブリフタ１２の冠面のクラウニング量も同じように設定されている。

前記実施形態から把握される前記請求項以外の発明の技術的思想について以下に説明する。
〔請求項ａ〕請求項１に記載の内燃機関のバルブリフタにおいて、
前記冠部の前記冠面がカムと摺動する領域以外の位置に、少なくとも１つの油孔を貫通形成したことを特徴とする内燃機関のバルブリフタ。

この発明によれば、前記油孔を、冠面にカムが摺動する以外の部位に形成したことから、冠部下面側の部位と機関弁との間に潤滑油を積極的に供給できると共に、カムの摺動に伴う油孔の孔縁の摩耗や剥離などの発生を抑制できる。
〔請求項ｂ〕請求項１に記載の内燃機関のバルブリフタにおいて、
前記冠部の偏心量を、該冠部の中心がカムの巾方向の中心に対して０．９ｍｍ〜１．１ｍｍの範囲に設定したことを特徴とする内燃機関のバルブリフタ。

この発明によれば、冠部の偏心量が前述の範囲内であれば、カムの回転力によるバルブリフタの回転を確保することができる。
〔請求項ｃ〕請求項１に記載の内燃機関のバルブリフタにおいて、
前記カムの巾を、６ｍｍ〜１２ｍｍに設定したことを特徴とする内燃機関のバルブリフタ。
〔請求項ｄ〕請求項１に記載の内燃機関のバルブリフタにおいて、
前記バルブリフタ全体を鉄系金属によって形成したことを特徴とする内燃機関のバルブリフタ。

バルブリフタは好ましくは炭素鋼によって形成することによって、カムとの摺動箇所のさらなる摩耗の発生を抑制できる。
〔請求項ｅ〕
円筒状のスカート部と、該スカート部の軸方向一端側に一体に設けられて、冠面にカムの外周面が摺動する冠部と、からなり、該冠部の軸中心が前記カムの巾方向の中心に対してオフセットした位置に配置される内燃機関のバルブリフタであって、
前記冠面は、中心が最も高くなるように球面凸状に形成されていると共に、該球面凸状の凸量が１１μｍ以上で、かつ、前記カムの外周面の接触部位が冠面中心に対して非対称形状となる凸量以下に設定されていることを特徴とする内燃機関のバルブリフタ。

１・・・シリンダヘッド
４・・・吸気弁
５・・・排気弁
７・８・・・吸気、排気側カムシャフト
９・１０・・・駆動カム
１１・１２…バルブリフタ
１４・１５・・・バルブスプリング
１６・・・ガイド孔
１７・・・スカート部
１８・・・冠部
１９・・・ボス部
２０・・・冠面
２１・・・油孔
ａ・・・接触面幅
Ｈ・・・クラウニング量
Ｘ・・・駆動カムのカム幅中心
Ｙ・・・冠面の中心

Claims (3)

1. 円筒状のスカート部と、該スカート部の軸方向一端側に一体に設けられて、冠面にカムの外周面が摺動する冠部と、からなり、該冠部の軸中心が前記カムの巾方向の中心に対して偏心した状態で配置される内燃機関のバルブリフタであって、
   前記冠面は、中心が最も高くなるように球面凸状に形成されていると共に、該球面凸状の凸量が１１〜５０μｍの範囲に設定されていることを特徴とする内燃機関のバルブリフタ。
2. 請求項１に記載の内燃機関のバルブリフタにおいて、
   少なくとも前記冠面に、ダイヤモンドライクカーボン処理を施したことを特徴とする内燃機関のバルブリフタ。
3. 円筒状のスカート部と、該スカート部の軸方向一端側に一体に設けられて、冠面にカムの外周面が摺動する冠部と、からなり、該冠部の軸中心が前記カムの巾方向の中心に対してオフセットした位置に配置される内燃機関のバルブリフタであって、
   前記冠面は、中心が最も高くなるように球面凸状に形成されていると共に、該球面凸状の凸量が１１μｍ以上で、かつ、バルブリフタが前記カムの回転力によって回転する凸量以下に設定されていることを特徴とする内燃機関のバルブリフタ。

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