JP4108295B2 - 可変動弁機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の運転状況に応じてバルブのリフト量及び作用角を連続的に又は段階的に変化させる可変動弁機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の出力、トルク、燃費、排気ガスのクリーン度等の諸特性を両立させるため、内燃機関の運転状況に応じてバルブのリフト量又は作用角を連続的に又は段階的に変化させる可変動弁機構が種々考えられている。その一つの代表例として二本のカムシャフトを回転させてロッカアームを揺動させると共に２本のカムシャフトの位相を相対的に変えることによりロッカアームの揺動角を変えて、バルブのリフト量又は作用角を連続的に変化させるようにしたものが知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記代表例のように２本のカムシャフトを回転させるには、１本のカムシャフトを回転させてきた従来の駆動系を大きく変えることになると共に、駆動上難しいという問題があった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、従来の駆動系を大きく変えることなく、１本のカムシャフトを回転させて、バルブのリフト量、作用角及びバルブのリフトタイミングを連続的又は段階的に変化させることができる可変動弁機構を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の可変動弁機構は、ロッカアームの近傍にコントロールシャフトを小角度回転可能に軸支し、コントロールシャフトに、ロッカアームのカム対応部を押圧する押圧面を備えた第一介在アームを該コントロールシャフトの小角度回転とは独立して揺動可能に軸着し、コントロールシャフトに、該コントロールシャフトの半径方向に突出して該コントロールシャフトとともに小角度回転する突出部を設け、突出部の突端に、カム摺接部と第一介在アームを押圧する押圧部とを備え、該カム摺接部と押圧部との距離が第二介在アームの長さ方向に変化する第二介在アームを揺動可能に軸着し、カム摺接部を押圧することで第二介在アーム及び第一介在アームをその順に介してロッカアームを押圧することによりバルブをリフトさせる回転カムを形成した１本のカムシャフトを回転可能に軸支し、コントロールシャフト及び突出部を内燃機関の運転状況に応じ連続的に又は段階的に１回転以内の範囲で小角度回転させることにより第二介在アームを長さ方向に変位させることを介して第一介在アームの揺動開始角を変え、もってカム対応部に対する第一介在アームの押圧面の当接位置を第一介在アームの長さ方向に変えることにより回転カムによるバルブのリフト量及び作用角を変化させるリフト制御装置を設けたことを特徴としている。なお、カム対応部とは、回転カムに第二介在アーム及び第一介在アームを介して対応し押圧される部位という意味である。また、小角度回転とは回転角度が３６０度に達しない回転をいう。
【０００６】
カム対応部、カム摺接部又は押圧部は、固定された硬質チップでも回転可能なローラ又は回動可能な回動部材でもよい。但し、摺動抵抗や摩耗を考慮すると、カム対応部、カム摺接部又は押圧部の少なくともいずれか一つ（好ましくはいずれか二つ、最も好ましくは全て）はロッカアームに回転可能に軸着されたローラ又は第二介在アームに回転可能に軸着されたローラ又は第二介在アームに回動可能に軸着された回動部材が好ましい。
【０００７】
コントロールシャフトとしては、第二介在アームを軸着する突出部が少なくとも一つ以上設けられたものを例示できる。具体的には、第一介在アームの上部に貫設された開口部を貫いて一つ又は二つの突出部がコントロールシャフトに設けられたものや、第一介在アームのコントロールシャフトの長さ方向での一端外側に一つ又は両端外側に一つずつの突出部が形成されたものを例示できる。
【０００８】
ローラと回動部材を同軸上に設ける場合、第二介在アームの先端部と回動部材の上部とをフォーク状にして、ローラを回動部材のフォークで挟持し、さらにそれらを第二介在アーム先端部のフォークで挟持することで第二介在アームにねじれ応力が生じさせないようにしてもよい。また、ローラを第二介在アームの先端部のフォークで挟持して、それらを回動部材の上部のフォークで挟持させてもよい。この場合、回動部材が回動してカムと接触しないように、回動部材の下面と第一介在アームの回動部材の当接面とを平らに形成することで、常に回動部材の下面を第一介在アームに当接させるようにすることが望ましい。
【０００９】
ロッカアーム、第一介在アーム及び第二介在アームは、別の面内で揺動してもよいが、スペース効率上、同一面内で揺動することが好ましい。
【００１０】
ここで、ロッカアームは、次のいずれのタイプでもよい。
（１）ロッカアームの一端部に揺動中心部があり、中央部にカム対応部があり、他端端にバルブ押圧部があるタイプ。（いわゆるスイングアーム）
（２）ロッカアームの中央部に揺動中心部があり、一端部にカム対応部があり、他端端にバルブ押圧部があるタイプ。
【００１１】
揺動中心部としては、次の二態様を例示できる。
（ａ）揺動中心部はピボットに支持された凹球面部である態様。
（ｂ）揺動中心部はシーソアームが回動可能に軸支された軸穴部である態様。
【００１２】
上記（ａ）の態様では、揺動中心部にタペットクリアランス調整機構が設けられることが好ましい。例えば、ピボットに設けた雄ネジをピボット支持材に設けた雌ネジに螺入量調節可能に螺入するようにしたタペットクリアランス調整機構を例示できる。
【００１３】
リフト制御装置としては、特に限定されないが、ヘリカルスプライン機構と、油圧を用いた駆動部と、マイクロコンピュータ等の制御装置とを備えたものを例示できる。
【００１４】
なお、本発明の可変動弁機構は、吸気バルブ又は排気バルブの何れか一方に適用することもできるが、両方に適用することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した可変動弁機構の実施形態例について、図１〜図５を参照して説明する。この可変動弁機構にはスイングアームタイプのロッカアーム１が使用され、ロッカアーム１の一端部は同部に形成された凹球面部２がピボット３に支持されてなる揺動中心部となっている。ロッカアーム１の他端部は二股状に分かれて、それぞれの先端下部にバルブ押圧部４が凹設され、バルブ５の基端部をバルブ押圧部４が押圧するようになっている。
【００１６】
ロッカアーム１の中央部に形成されたローラ配置穴６には、カム対応部としての第一ローラ７が、ロッカアーム１の上面からやや突出するように配され、該第一ローラ７はアーム側壁と直交する軸の周りに回転可能に軸着されている。
【００１７】
ピボット３の軸下部に設けられた雄ネジは、ピボット支持材８に設けられた雌ネジに螺入量調節可能に螺入されて、タペットクリアランス調整機構が構成されている。
【００１８】
第一ローラ７の上方近傍には、略円柱状のコントロールシャフト１０が小角度回転可能に軸支されている。
【００１９】
コントロールシャフト１０には、第一ローラ７を押圧する押圧面２３を備えた第一介在アーム２０が、コントロールシャフトの小角度回転とは独立して揺動可能に軸着されている。第一介在アーム２０は、コントロールシャフト１０が挿通する略円筒状の円筒部２１と、円筒部２１からロッカアーム１でいうバルブ押圧部４側へ向かって延びるアーム部２２を備えている。また、第一介在アーム２０は図示しない部材によってアーム部２２が上昇する方向に付勢されている。
【００２０】
アーム部２２の下面は、第一ローラ７を押圧するための押圧面２３となっていて第一ローラ７の半径よりも大きい曲率半径の凹曲面に形成され、後述するように第一ローラ７に対する押圧面２３の当接位置が第一介在アーム２０の長さ方向に変わっても、押圧面２３はその略垂線方向に第一ローラ７を押圧するようになっている。押圧面２３の上部には円筒部２１から接線方向に延びる平面部２４が形成されている。
【００２１】
第一介在アーム２０の円筒部２１の上面には、平面部２４と円筒部２１の境界付近からコントロールシャフト１０の反対側付近まで円周方向に延びる開口部２５が貫設されている。
【００２２】
コントロールシャフト１０にはコントロールシャフト１０の半径方向に突出してコントロールシャフト１０とともに小角度回転する突出部１１が設けられている。突出部１１は第一介在アーム２０の開口部２５を貫いて開口部２５に突出部１１が係合しており、許容される範囲内で突出部１１とコントロールシャフト１０とに対して第一介在アーム２０が揺動可能になっている。
【００２３】
突出部１１の突端には、カム摺接部としての第二ローラ３４と第一介在アーム２０を押圧する押圧部としての回動部材３３とを備えた第二介在アーム３０が、第二介在アーム３０の基端部に形成されたフォーク片３１にて突出部１１の突端を挟持した状態で揺動可能に軸着されている。
【００２４】
第二ローラ３４と略台形に形成された回動部材３３とは、回動部材３３の上端に形成されたフォークの内側壁に、第二ローラ３４をやや突出させて挟持した状態で、第二介在アーム３０の先端に形成されたフォーク片３２の内側壁と直交する同軸上に配されて、その軸の周りに回転又は回動可能に軸着されている。第二ローラ３４と回動部材３３とは互いに独立して回転又は回動できるようになっている。
【００２５】
回動部材３３は平らな面が下端に形成され、第一介在アーム２０の平面部２４に当接して摺動することができる摺動部３３ａとなっている。前述のとおり第一介在アーム２０はアーム部２２が上昇する方向に常に付勢されているので、回動部材３３は摺動部３３ａを常に平面部２４に当接するようになっている。また、回動部材３３の上端側は、第二ローラ３４がカム摺接部として機能するように第二ローラ３４を広角度に突出させるように形成されている。従って、第二ローラ３４と回動部材３３の摺動部３３ａとの距離は、第二介在アーム３０の長さ方向で変化して、第二ローラの中心位置で最大となる。
【００２６】
第二介在アーム３０の先端上方には、第二ローラ３４を押圧することで第二介在アーム３０及び第一介在アーム２０をその順に介してロッカアーム１を押圧することでバルブ５をリフトさせる回転カム４０を形成したカムシャフト４１が回転可能に軸支されている。回転カム４０はベース円４０ａと、突出量が漸増するノーズ漸増部４０ｂと、最大突出量となるノーズ４０ｃと、突出量が漸減するノーズ漸減部４０ｄとからなっている。
【００２７】
コントロールシャフト１０及び突出部１１を１回転以内の範囲で内燃機関の運転状況に応じ連続的に又は段階的（好ましくは三段階以上、さらに好ましくは四段階以上の多段階）に小角度回転させるリフト制御装置（図示略）がコントロールシャフト１０に接続されている。リフト制御装置によりコントロールシャフト１０及び突出部１１を小角度回転させると、第二介在アーム３０が長さ方向に変位する。そのとき、第二介在アーム３０の第二ローラ３４と回動部材３３とは、それぞれ回転カム４０又は第一介在アーム２０との当接位置を変えながら回転カム４０と第一介在アーム２０との距離を変化させる。これにより第一介在アーム２０は揺動開始角を変えられるようになっていて、第一ローラ７に対する第一介在アーム２０の押圧面２３の当接位置を第一介在アーム２０の長さ方向に変えることにより前記回転カム４０によるバルブ５のリフト量及び作用角を変化させるようになっている。
【００２８】
リフト制御装置は、例えば、ヘリカルスプラインを設けたピストンが油圧により所定角の回転を伴いながら軸方向に移動し、該回転がコントロールシャフト１０を小角度回転させることにより突出部１１の起立角度を１回転以内の範囲で変える構造となっており、内燃機関の回転センサやアクセル開度センサ等からの検知値に基づいてマイクロコンピュータ等の制御装置により制御されるようになっている。
【００２９】
上記の構成により、本実施形態の可変動弁機構は、回転カム４０が第二ローラ３４を押圧すると、第二介在アーム３０が突出部１１との軸着部を中心に揺動し、回動部材３３が摺動部３３ａと平面部２４との当接位置を変えながら第一介在アーム２０を押圧することで第一介在アーム２０が揺動し、第一介在アーム２０が第一ローラ７との当接位置を変えながら第一ローラ７を押圧面２３で押圧することでロッカアーム１が揺動してバルブ５がリフトするようになっている。
【００３０】
またこのとき、コントロールシャフト１０を小角度回転させることにより、第二介在アーム３０は第二ローラ３４と回動部材３３により回転カム４０と第一介在アーム２０を遠ざけるように作用する。このとき第一介在アーム２０がアーム部２２を下降させる方向に揺動して、第一介在アーム２０の揺動開始角を変えることができるようになっている。すると、第一ローラ７に対する第一介在アーム２０の当接位置が第一介在アーム２０の長さ方向に変わり、具体的には、第一介在アーム２０の揺動開始角が高いときには第一ローラ７の当接位置は円筒部２１又はアーム部２２の基端側となり、第一介在アーム２０の揺動開始角が低いときには第一ローラ７の当接位置はアーム部２２の先端側となる。
【００３１】
以上のように構成された可変動弁機構は、次のように作用する。
まず、図３（ａ）→（ｂ）は、最大リフト量・最大作用角が必要な運転状況下における突出部１１の位置とそれによる作用を示している。
図３（ａ）に示すように、最大リフト量・最大作用角が必要な運転状況下では、第二ローラ３４と回動部材３３とが回転カム４０と第一介在アーム２０との間に最大限引き込まれた状態になるように制御されている。従って、第二ローラ３４が回転カム４０のベース円４０ａに摺接しているときの第一介在アーム２０の揺動開始角は最も低くなっている。このとき第一ローラ７は第一介在アーム２０の円筒部２１に当接しており第一ローラ７は最上位置にあるのでバルブ５はリフトしていない。しかし、第一ローラ７の当接位置は押圧面２３に近い位置となっているので、第一介在アーム２０が揺動し始めると速やかに第一ローラ７の当接位置が押圧面２３に移行してロッカアーム１が押下されてバルブ５がリフトする状態になっている。
図３（ｂ）に示すように、第二ローラ３４がノーズ漸増部４０ｂを経てノーズ４０ｃにより押圧されるようになると、回動部材３３は摺動部３３ａを常に第一介在アーム２０の平面部２４に当接した状態で第一介在アーム２０を押圧するので、回動部材３３は第二介在アーム３０に対して回動しながら第一介在アーム２０を押圧し、そのとき第二介在アーム３０も突出部１１の上端の軸着部を中心に揺動し、第二ローラ３４の下方向への変位を許容する。このとき第一介在アーム２０は最大揺動し、第一ローラ７に対する第一介在アーム２０の当接位置が円筒部２１から押圧面２３の先端に移行して、ロッカアーム１は最大押下位置に揺動してバルブ５のリフト量Ｌは発生・増加して最大値Ｌｍａｘに達し、作用角も最大となる。
なお、前記の通り、前記当接位置が変わっても、凹曲面に形成された押圧面２３はその略垂線方向に第一ローラ７を押圧するので、第一介在アーム２０にその長さ方向の応力成分がほとんど生じず、円筒部２１とコントロールシャフト１０との間に負担がかからない。
【００３２】
次に、図４（ａ）→（ｂ）は、微小リフト量・微小作用角が必要な運転状況下における突出部１１の位置とそれによる作用を示している。
図４（ａ）に示すように、微小リフト量・微小作用角が必要な運転状況下では、第二ローラ３４と回動部材３３とが回転カム４０と第一介在アーム２０との間から大きく離間した状態になるように制御されている。従って、第二ローラ３４が回転カム４０のベース円４０ａに摺接しているときの第一介在アーム２０の揺動開始角は最上位置付近になっている。このとき第一ローラ７は第一介在アーム２０の円筒部２１に当接しており第一ローラ７は最上位置にあるのでバルブ５はリフトしていない。
図４（ｂ）に示すように、第二ローラ３４がノーズ漸増部４０ｂを経てノーズ４０ｃにより押圧されるようになるとき、第二ローラ３４がコントロールシャフト１０及びカムシャフト４１から大きく離れているため、第一介在アーム２０への押圧量が図３（ｂ）に比べて小さくなり第一介在アーム２０の揺動量も小さくなる。このとき第一ローラ７に対する第一介在アーム２０の当接位置が円筒部２１より僅かに押圧面２３に移行する程度にとどまるので、第一ローラ７の押下量は微小となりバルブ５のリフト量Ｌ及び作用角はともに微小となる（図６参照）。
【００３３】
なお、図３と図４との中間的なリフト量・作用角が必要な運転状況下では、図３と図４との中間的な突出部１１の角度をリフト制御装置により連続的に又は段階的に作ることで、図６に示すように中間的なリフト量・作用角が連続的に又は段階的に得られる。
【００３４】
次に、図５（ａ）→（ｂ）は、リフト休止が必要な運転状況下における突出部１１の位置とそれによる作用を示している。
図５（ａ）に示すように、リフト休止が必要な運転状況下では、第二ローラ３４と回動部材３３とが回転カム４０と第一介在アーム２０との間から最大限離間した状態になるよう突出部１１の起立角度が制御されている。従って、第二ローラ３４が回転カム４０のベース円４０ａに摺接しているときの第一介在アーム２０の揺動開始角は最上位置になっている。このとき第一ローラ７は第一介在アーム２０の円筒部２１に当接しており第一ローラ７は最上位置にあるのでバルブ５はリフトしていない。
図５（ｂ）に示すように、第二ローラ３４がノーズ漸増部４０ｂを経てノーズ４０ｃにより押圧されるようになるとき、第二ローラ３４がコントロールシャフト１０及びカムシャフト４１から最大限離れているため、第一介在アーム２０への押圧量が図４（ｂ）に比べても更に小さくなり第一介在アーム２０の揺動量も微小となる。このとき第一ローラ７に対する第一介在アーム２０の当接位置が円筒部２１から押圧面２３の方向へ移動するが円筒部２１上にとどまるので、第一ローラ７の押下量は０となりバルブ５はリフト休止状態となる。
【００３５】
次に、本発明を実施した可変動弁機構の第二実施形態例について、図７を参照して第一実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図７は第一実施形態の可変動弁機構に対して、第一介在アーム２０を貫かない突出部１１をコントロールシャフト１０に設けたものである。
【００３６】
第一実施形態では一つの突出部１１が第一介在アーム２０に形成された開口部２５を貫いてコントロールシャフト１０に設けられていたが、本実施形態では第一介在アーム２０の両側面に一つずつ突出部１１が設けられている。機構全体を小さくまとめるために突出部１１の長さが短くしてあるので、第二介在アーム３０の基端部の第一介在アーム２０への当接を逃がす逃がし面２６が第一介在アーム２０に形成されている。
【００３７】
また、第一実施形態では第二介在アームの基端部に形成されたフォーク片３１により突出部１１を挟持したが、本実施形態ではコントロールシャフト１０に設けられた二つの突出部１１が第二介在アーム３０を挟持するので、第二介在アーム３０の基端部はフォーク状に形成する必要がなくなり披軸着部３５となっている。
【００３８】
第一実施形態では開口部２５に突出部１１が係合したため、第一介在アーム２０の揺動可能範囲を突出部１１が規制したが、本実施形態では第一介在アーム２０は突出部１１による揺動可能範囲の規制を受けないので機構設計がしやすくなる。
【００３９】
次に、本発明を実施した可変動弁機構の第三実施形態例について、図８を参照して第二実施形態と異なる部分についてのみ説明する。図８は第二実施形態の可変動弁機構から第二ローラ３４を取り除いたものである。
【００４０】
第二実施形態では、カム摺接部としての第二ローラ３４が第二介在アーム３０の先端部に突出するように軸着されていたが、本実施形態の第二介在アーム３０は、フォーク片３２の上側に回転カム４０により押圧を受けるカム摺接面３６が形成されている。第二介在アーム３０の基端から先端に近づくにつれてカム摺接面３６は第二介在アーム３０から離れてゆくように形成されている。
【００４１】
第二ローラ３４が省かれたことで部品点数を減らすことができる。また回動部材３３は、その上端に第二ローラ３４を挟持するためのフォークを形成する必要がなくなる。
【００４２】
なお、本発明は前記実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば次のように、発明の趣旨から逸脱しない範囲で変更して具体化することもできる。
（１）リフト制御装置の構成や制御の仕方を適宜変更すること。
（２）中央部に揺動中心部があるロッカアームとすること。
（３）押圧部を回転可能なローラとすること。
（４）押圧部とカム摺接部とをそれぞれ別の軸上に設けること。
（５）押圧部とカム摺接部とを同軸上に併設すること。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の可変動弁機構は、上記の通り構成されているので、従来の駆動系を大きく変えることなく、一本のカムシャフトを回転させて、バルブのリフト量及び作用角を連続的又は段階的に変化させることができるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態に係る可変動弁機構を示す斜視図である。
【図２】同可変動弁機構のカムシャフト及び回転カムを省き、第二介在アームを突出部から外した状態を示す斜視図である。
【図３】図１の最大リフト量・作用角が必要なときの同機構の作用を示す断面図である。
【図４】図１の微小リフト量・作用角が必要なときの同機構の作用を示す断面図である。
【図５】図１のリフト休止が必要なときの同機構の作用を示す断面図である。
【図６】同機構により得られるバルブのリフト量及び作用角を示すグラフである。
【図７】本発明の第二実施形態に係る可変動弁機構のカムシャフト及び回転カムを省き、第二介在アームを突出部から外した状態を示す斜視図である。
【図８】本発明の第三実施形態に係る可変動弁機構のカムシャフト及び回転カムを省き、第二介在アームを突出部から外した状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ ロッカアーム
５ バルブ
７ カム対応部としての第一ローラ
２０ 第一介在アーム
１０ コントロールシャフト
２２ アーム部
２３ 押圧面
２４ 平面部
２５ 開口部
１１ 突出部
３０ 第二介在アーム
３３ 押圧部としての回動部材
３４ カム摺接部としての第二ローラ
４０ 回転カム
４１ カムシャフト

Claims (4)

1. ロッカアームの近傍にコントロールシャフトを小角度回転可能に軸支し、
   前記コントロールシャフトに、ロッカアームのカム対応部を押圧する押圧面を備えた第一介在アームを該コントロールシャフトの小角度回転とは独立して揺動可能に軸着し、
   前記コントロールシャフトに、該コントロールシャフトの半径方向に突出して該コントロールシャフトとともに小角度回転する突出部を設け、
   前記突出部の突端に、カム摺接部と前記第一介在アームを押圧する押圧部とを備え、該カム摺接部と押圧部との距離が第二介在アームの長さ方向に変化する第二介在アームを揺動可能に軸着し、
   前記カム摺接部を押圧することで第二介在アーム及び第一介在アームをその順に介してロッカアームを押圧することによりバルブをリフトさせる回転カムを形成した１本のカムシャフトを回転可能に軸支し、
   前記コントロールシャフト及び突出部を内燃機関の運転状況に応じ連続的に又は段階的に１回転以内の範囲で小角度回転させることにより第二介在アームを長さ方向に変位させることを介して第一介在アームの揺動開始角を変え、もってカム対応部に対する第一介在アームの押圧面の当接位置を第一介在アームの長さ方向に変えることにより前記回転カムによるバルブのリフト量及び作用角を変化させるリフト制御装置を設けた可変動弁機構。
2. 前記カム対応部、カム摺接部、又は押圧部の少なくともいずれか一つは前記ロッカアームに回転可能に軸着されたローラ、又は前記第二介在アームに回転可能に軸着されたローラ、又は第二介在アームに回動可能に軸着された回動部材である請求項１記載の可変動弁機構。
3. 前記第一介在アームに開口部が貫設され、前記突出部が該開口部を貫いて設けられた請求項１又は２記載の可変動弁機構。
4. 前記突出部が、前記第一介在アームの前記コントロールシャフトの長さ方向での両端外側に一つずつ設けられた請求項１又は２記載の可変動弁機構。

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