JPH04187807A - エンジンの動弁機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本願発明は、エンジンの動弁機構に関する。

【従来の技術】

たとえば、４サイクルガソリンエンジンのシリンダヘッ
ドには、燃料混合気を吸入するための吸気バルブおよび
シリンダ内で燃焼したガスを外部へ排出するための排気
バルブが設けられるとともに、これら各バルブをピスト
ンの排気行程または吸気行程に同期して開閉するための
動弁機構が設けられている。 一般に、ガソリンエンジンにおける動弁機構は、クラン
クシャフトの回転をタイミングブーりを介してカムシャ
フトに伝え、上記カムシャフトに設けたカムによってバ
ルブリフタを往復運動させ、上記各行程に同期して吸気
バルブおよび排気バルブをリフトして開閉できるように
構成されている。 ところで、上記吸気バルブおよび排気バルブは、上述し
たように、エンジンの吸気行程あるいは排気行程に同期
して開閉されるように構成されるのであるが、バルブの
開度（有効バルブ面積）およびバルブの開閉時期（バル
ブタイミング）を変更することによって、エンジンの性
能は大きく変化する。 たとえば、低速回転域においては、ピストンの速度が小
さくなって燃焼室に吸入される混合気の勢いがなくなる
ため、エンジンのトルクが不足する傾向にある。この場
合、吸気バルブのバルブ開度を小さく設定して燃料混合
気の通過断面積をしぼって燃料混合気の流速を高めるこ
とにより吸気効率を高め、トルクを増加させることがで
きる。 一方、高速回転域においては、ピストンの速度か速く吸
入される燃料混合気の勢いはあるが、各吸気行程におけ
る吸気バルブの開いている時間が短くなるため、燃料混
合気の吸入量が不足して、エンジン出力に制限が加わる
。この場合、バルブの開度をできるだけ大きく設定して
燃料混合気を多量に吸入できるようにするのが好ましい
。 また、バルブタイミングは、ピストンの仕事損失、ポン
プ損失をできる限り小さくするとともに、吸排気ガスの
運動エネルギを有効に利用できるように設定する必要が
ある。 たとえば、吸気行程において、エンジンの回転数が上が
るほどバルブが開いている時間が短くなる一方、シリン
ダに流入する燃料混合気の運動エネルギは太き（なる。 したかって、吸気バルブの開く時期をピストンの上死点
より早く設定するとともに、閉じる時期をある程度遅く
設定することにより多量の燃料混合気を吸入することが
できる。 これにより、高回転域における出力をさらに向上させる
ことができる。 上述したように、同じエンジンであっても、エンジン回
転数、エンジン負荷等に応じて最適なバルブ開度および
バルブタイミングがあり、エンジンの運転状態に合わせ
て上記バルブ開度およびバルブタイミングを選択するこ
とができれば、エンジンの性能を最大限に発揮させるこ
とができる。 近年、エンジンの運転状況に応じて、バルブ開度あるい
はバルブタイミングを変更できる種々の可変バルブ機構
が提案されている。

【発明が解決しようとする課題］ ところで、上述したように、バルブ開度あるいはバルブ
タイミングをエンジン回転数等のエンジンの運転状態に
応じて変更できるようにした可変バルブ機構は数多く提
案されているが、これら従来の可変バルブ機構において
は、バルブ開度およびバルブタイミングをエンジン回転
数等に応じて無段階にかつ連続的に変化させることはで
きない。 すなわち、従来の可変バルブ機構は、たとえば、複数の
バルブを設け、エンジン回転数に応じて開状態となるバ
ルブの数を変更することによりバルブ開度を実質的に変
化させたり、カムシャフトに組付けられるカムの位相を
変更することによりバルブタイミングを変更するといっ
た方法が採られている。 しかしながら、これら可変バルブ機構は、エンジン回転
数等がある一定値を超えた場合に、バルブ開度あるいは
バルブタイミングが切り換わるように構成されている。 このため、バルブ開度あるいはバルブタイミングを数段
階にわたって段階的に変更できるにすぎない。 ところが、エンジン回転数、エンジンの負荷、ラジェー
タの水温等のエンジンの運転状態に応じて、最適なバル
ブ開度および最適なバルブタイミングは連続的に変化す
る。 このため、上記従来の可変バルブ機構においては、バル
ブ開度およびバルブタイミングの最適制御が行われてい
るということはできず、エンジンの性能を十分に引き出
しているとはいえない。 本願発明は、上述の事情のもとで考え出されたちのてあ
って、上記従来の問題を解決し、エンジンバルブのバル
ブ開度およびバルブタイミングをエンジンの回転数、負
荷等に応じて連続的にかつ無段階に変化させ、あらゆる
運転状態においてエンジンの性能を最大限に引き出すこ
とのできる動弁機構を提供することをその課題とする。 【課題解決するための手段】 上記課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手
段を講じている。 すなわち、本願発明は、カムシャフトに設けられるカム
によってバルブを開閉するエンジンの動弁機構であって
、 上記カムは、軸方向各位置における軸直角平面内のカム
プロファイルが軸方向に連続的に変化するカム面を有す
るとともに、カムシャフトの軸方向に移動可能となって
おり、 上記カムを上記カムシャフトの軸方向に移動させること
により、上記バルブを作動させるべきカムプロファイル
を無段階に選択できるように構成したことを特徴とする
。

【発明の作用および効果】

本願発明に係る動弁機構は、軸方向各位置における軸直
角平面内のカムプロファイルが軸方向に連続的に変化す
るカム面を有するカムを、カムシャフトの軸方向に移動
させ、所望のカムプロファイルによってエンジンバルブ
を駆動させるように構成されている。 上記カムには、エンジンのあらゆる運転状態に応じて最
適なバルブタイミングおよびバルブリフト量（バルブ開
度）を与えるカムプロファイルが連続的に形成されてお
り、上記カムをカムシャフトの軸方向に移動させること
により、エンジンの運転状態に応じて最適のカムプロフ
ァイルを選択してバルブを開閉することができる。 たとえば、エンジンの低速回転域においては、吸気バル
ブのバルブリフト量を小さく設定することによってバル
ブの有効断面積をしぼり、燃料混合気の流速を高めて燃
焼室に流入する上記燃料混合気の勢いを高めることがで
きる。これによって、低速回転域のトルク特性を向上さ
せることができる。一方、エンジンの高速回転域におい
ては、吸気バルブの開いている時間を長く設定するとと
もに、バルブリフト量を増加させてノ（ルブの有効断面
積を増加させ、燃焼室内に大量の燃料混合気を導入する
ことができる。これにより、高速回転域における出力を
高めることかできる。 すなわち、エンジンの運転状態に応した最適なバルブリ
フト量およびバルブタイミングを選択して、エンジンを
駆動させることが可能となる。 しかも、本願発明に係るカムのカムプロファイルは軸方
向に連続的に変化するように形成されている。このため
、バルブを作動させるべきカムプロファイルを無段階に
かつ連続的に選択することができる。 したがって、エンジン回転数、エンジン負荷、ラジェー
タ水温等の変化に基づいて、バルブリフト量およびバル
ブタイミングを無段階かつ連続的に変化させながら、エ
ンジンを駆動させることができる。このため、刻々と変
化する運転状態に対応して、エンジンの性能を最大限に
引き出すことが可能となる。 また、上記カムをカムシャフトの軸方向に移動させるの
みで、バルブリフト量およびバルブタイミングを同時に
変化させることができるため、構造がきわめて簡単であ
り、精度の高い制御を行うことも容易となる。 【実施例の説明］ 以下、本願発明に係る動弁機構の実施例を、第１図ない
し第１Ｏ図に基づいて具体的に説明する。 第１図は、本実施例に係る動弁機構の概略構成を示す図
である。なお、一般に、エンジンの動弁機構は複数の吸
気バルブおよび排気バルブを開閉駆動させるように構成
されているが、第１図においては、バルブの作動を説明
するため、一つの吸気バルブを駆動させる機構を示しで
ある。 本実施例に係る動弁気機横１は、シリンダヘッド２の上
方に一組のカムシャフト３を設けるいわゆるＤＯＨＣ（
ダブルオーバヘッドカムシャフト）型の動弁機構に本願
発明を適用したものであり、タイミングプーリ４を介し
て図示しないクランクシャフトからの回転力が伝達され
るカムシャフト３に、カム５を相対回転不可能に嵌合し
、このカム５の回転によって吸気バルブ６のバルブリフ
タ７を直接往復運動させるように構成されている。 また、本実施例においては、上記カム５は上記カムシャ
フト３に対して相対回転不可能かつ軸方向摺動可能に套
嵌されており、上記カム５を、制御装置８によって制御
される制御モータ９によってカムシャフト３の軸方向に
摺動させることにより、吸気バルブ６を作動させるべき
カムプロファイル１４を選択できるように構成されてい
る。 本実施例に係る上記カム５は、第２図に示すように、軸
方向各位置における軸直角平面内のカムプロファイル１
４か、軸方向に連続的に変化するカム面１０を備える一
方、軸孔１２には内周スプライン１１が形成されている
。そして、上記カム５は、上記カムシャフト３に形成さ
れた外周スプライン１３に套挿されることにより、上記
カムシャフト３に対して相対回転不可能かつ軸方向摺動
可能に組付けられている。 本実施例における上記カム５のカムプロファイル１４は
、第２図ないし第５図に示すように、その突出部１５の
基準円１６に対する最大突出量およびこの突出部１５の
周方向位置が、カム５の軸方向各位置において連続的に
変化するように形成されており、上記カム５をカムシャ
フト３の軸方向に移動させることにより、所望のカムプ
ロファイル１４を選択できるように構成されている。 本実施例に係る吸気バルブ６は、第１図に示すように、
上記カム５によって直接往復駆動させられるバルブリフ
タ７と、上記バルブリフタ７の先端部に設けられ、シリ
ンダヘッド２の吸気口１７を開閉するバルブヘッド１８
と、上記バルブリフタ７およびバルブヘッドＩ７に弾力
を与えるバルブスプリング１９とを備えて大略構成され
ている。 上記バルブリフタ７は、上記バルブヘッド１８が先端部
に固着されたバルブステム２０と、上記バルブステム２
０の基端部に設けられるカム従動部２１とを備える。上
記カム従動部２１の端面ば球面状に形成されており、上
記カム５のカムプロファイル１４に従動しやすいように
構成されている。 上記バルブスプリング１９は、上記バルブステム２０の
端部に設けられるリテナー２２と上記シリンダヘッド２
の座面２３との間に圧縮状態で介装されており、上記リ
テナー２２を介して、上記バルブリフタ７に弾性押圧力
を加えるように構成されている。そして、バルブの閉時
には、上記バルブヘッド１８を所定の圧力をもってバル
ブシート２４に密着させる一方、バルブの開時には、上
記カム従動部２１を、カム面１０に弾力的に押圧して、
上記バルブリフタ７をカム５のプロファイル１４に従動
させるように構成されている。 さらに、本実施例における動弁機構ｌは、上記カム５を
軸方向両側から挟持し、軸方向に抑圧移動させる押動ア
ーム２５と、この押動アーム２５をカムシャフト３の軸
方向に移動させる制御モータ９と、上記制御モータ９の
動きを制御する制御装置８と、エンジンの回転数等エン
ジンの運転状態を検出する各種センサ２６ａ、２６ｂ、
２６ｃ。 ２６ｄとを備える。 上記押動アーム２５は、平面視略コ字状のアーム部２５
ａと、上記アーム部２５ａからカムシャフト３の軸直角
方向に延出し、上記カムシャフト３と平行な送り雌ねじ
２７ａが形成された駆動部２５ｂとを備え、次に説明す
る制御モータ９によって回転させられる送りねじ２７ｂ
が上記送り雌ねじ２７ａに螺合されることにより、上記
カムシャフト３の軸方向に移動させることができるよう
に構成されている。 上記制御モータ９は、上記制御装置８から出力される出
力信号によって制御され、上記送りねじ２７ｂを所定回
転数回転させることにより、上記押動アーム２５を所定
の軸方向位置に移動させることができる。 上記制御装置８は、上記各種センサ２６ａ、２６ｂ・・
・からの入力信号に基づいて上記制御モータ９を駆動さ
せ、エンジンの作動状態における最適なバルブタイミン
グおよびバルブリフト量を与えるカムプロファイル１４
が上記バルブリフタ７を往復駆動させるように、上記押
動アーム２５介してカム５を移動させる。なお、本実施
例においては、上記押動アーム２５の軸方向位置を検出
するカム位置センサ２８が設けられており、カム５の移
動位置を上記制御装置８にフィードバックして、確実な
カム位置の制御が行えるように構成している。 本実施例においては、第１図に示す回転数センサ２６ａ
の他、ラジェータの水温センサ２６ｂ。 エンジンの負荷状態を検出する負荷センサ２６ｃ、車速
を検出する速度センサ２６ｄ等の種々のセンサが上記制
御装置８に接続されており、これらセンサ２６ａ、２６
ｂ、２６ｃ、２６ｄ−−−−−・からの制御信号か上記
制画装置８に入力され、これら制御信号にもとづいて上
記制御モータ９が制御される。 次に、本実施例の動弁機構１の作用を説明する。 本実施例に係るカム５のカムプロファイル１４は、第３
図ないし第５図に示すように、タイミングプーリ４側端
面から第１図矢印Ｐ方向に向かうにつれて、突出部１５
の突出高さ（Ｈｌ、Ｈ２゜Ｈｌ）が次第に増加するとと
もに、突出部１５の頂部０の周方向位置（θ３．θ２．
θ、）がカムシャフト３の回転方向（矢印Ｔ方向）に次
第に変位するように形成されており、上記カム５がカム
シャフト３の軸方向に移動させられることにより、バル
ブリフト量およびパルプタイミングが変化させられる。 すなわち、第６図に示すように、エンジンが低速回転す
る場合には、バルブリフト量Ｈ１が小さいカムプロファ
イル１４ａを選択する一方、エンジン回転数が上がるに
つれてカム５を矢印Ｑ方向に移動させ、カムプロファイ
ル１４ｂ、１４ｃを順次選択することにより、バルブリ
フト量をＨｌからＨ２Ｈ，へと増加させる。逆に、エン
ジンの回転数が下がるにつれて、上記カムを矢印Ｐ方向
に移動させてバルブリフト量を減少させる。 エンジンが低速回転する場合には、シリンダ内のピスト
ンの速度が低くなるとともに、カムシャフト３の回転数
も低くなることからパルプの開時間も長くなる傾向にあ
る。したがって、燃料混合気を燃焼室に勢いよく導入す
ることか困難となり、低速域におけるトルクか不足する
とともに、回転が安定しないという傾向がある。 本実施例においては、第３図および第６図に示すように
、エンジンの低速回転域において選択されるカムプロフ
ァイル＋４ａは、カム５の作動角θ、か小さく設定され
ているとともに、バルブリフト量Ｈ１も小さく設定され
ている。カム５の作動各０１を小さくすることにより、
パルプの開時間を短縮し、ピストンの仕事損失を低下さ
せることができる。また、バルブリフト量Ｈ１か小さい
ため、燃料混合気の流路がしほられ、混合気の流速を増
加させて燃焼室に混合気を勢いよく導入することができ
る。この結果、アイドリング時等のエンジン回転が安定
するとともに、低速回転域におけるトルクが向上すると
いった効果が期待できる。 一方、エンジンの高速回転域においては、カムシャフト
３の回転速度が上がり、吸気パルプが開いている時間が
短くなる一方、燃料混合気の流速は速くなる。このため
、エンジンの高速回転域においては、パルプの開時間を
長く設定するとともに、リフト量も大きくして、大量の
混合気を燃焼室に導入できるように構成するのが望まし
い。 本実施例においては、第５図および第６図に示すように
、高速回転域において用いられるカム５のカムプロファ
イル１４ｃは、作動角θ、を大きくして、パルプの開時
間を長く設定するとともに、バルブリフト量Ｈ２を大き
く設定している。 さらに、本実施例においては、低速回転域におけるカム
プロファイル１４ａから高速回転域において用いられる
カムプロファイル１４ｃに向かうほど、その突出部１５
の頂点０の周方向位置が、カムプロファイル１４ａの頂
点位置を基準として、θ２からθ、へとカム５の回転方
向（矢印Ｔ方向）に変位させられている。また、パルプ
のリフト開始点Ｓもカム５の回転方向へ変位させられ、
エンジンの回転数が増加するにつれて、パルプのリフト
開始時期が早められている。 この結果、高速回転域において、燃料混合気の慣性力を
利用しつつ多量の燃料混合気を吸入することが可能とな
り、エンジン出力をさらに増加させることができる。 本実施例におけるカムプロファイル１４の選択は、上記
回転数センサ２６ａ等からの検出信号に基づいて、上記
制御装置８が上記制御モータ９を駆動制御し、上記押動
アーム２５を介して上記カム５を移動させることにより
行われる。このため、エンジンの運転状態に最適なバル
ブリフト量およびバルブタイミングを自動的に設定して
エンジンを運転することができる。 また、本実施例においては、パルプを開閉すべき上記カ
ムプロファイル１４を無段階に選択することができるた
め、エンジン回転数、エンジン負荷、ラジェータ水温等
を検出する上記センサ２６ａ、２６ｂ、・・・・・・の
検出信号の変化に基づいて、バルブリフト量およびバル
ブタイミングを無段階かつ連続的に変化させなから、エ
ンジンを駆動させることができる。このため、刻々と変
化する運転状態に対応して、エンジンの性能を最大限に
引き出すことが可能となる。 第７図ないし第９図は、本願発明に係る動弁機構を吸気
バルブおよび排気バルブに適用した場合の各バルブのバ
ルブリフト量とバルブタイミングの変化の一例を示した
ものである。 第７図はエンジンの低速回転域におけるものであり、エ
ンジンの回転数が増加するにつれて第８図、第９図のよ
うに順次変化している。 これらの図に示すように、低速回転域においては、リフ
ト量が小さくまた吸排気のバルブ開時間も短い。一方、
回転数が上がるにつれ、バルブリフト量が増加するとと
もに、バルブの開時間も長くなっている。 また、吸気パルプと排気バルブが同時に開いている、い
わゆるオーバラップ時間も高速域になるほど長くとり、
吸排気の運動エネルギを利用して吸排気効率か高められ
ている。 これらの図に示すように、本実施例に係る動弁機構にお
いては、バルブリフト量とバルブタイミングを、同時に
、しかも、無段階かつ連続的に変化させることができる
ため、吸気パルプと排気ノくルブのバルブタイミングの
関係を自由に調節することができる。 上述したように、本実施例においては上記カム５のカム
プロファイル１４をエンジン回転数等に応じて連続的に
選択することができ、また、制御装置によって自動的に
選択することができるため、あらゆる運転状態において
最適なバルブタイミングおよびバルブリフト量を選定す
ることができる。 第１０図に、本願発明を適用したエンジンおよび従来の
エンジンにおける回転数と出力との関係を示す。この図
において、−点鎖線２９は可変バルブ機構を備えていな
い通常のエンジンの出力曲線、破線３０は従来の可変バ
ルブ機構を備えるエンジンの出力曲線、実線３１は本願
発明に係る動弁機構を備えるエンジンの出力曲線をそれ
ぞれ表している。 この図に示すように、本願発明に係る動弁機構を備える
エンジンの出力曲線３１は、エンジンの全回転域におい
て出力にむらがなく、従来の可変バルブ機構を備えるエ
ンジンの出力曲線３０に表れているように、バルブ等を
切り換える所定の回転数ｎにおいて出力が低下するとり
いったことはない。このため、低速回転域から高速回転
域にいたるまで、エンジンの運転状態に応じて、エンジ
ンの性能を最大限に引き出すことができる。 なお、上記第１θ図にはエンジン出力が最大となるよう
に制御した場合の実施例を示したが、各エンジン回転域
に応じて燃費が最も高くなるようにカムプロファイルを
選定することも可能である。 本願発明は上述の実施例に限定されることはない。 実施例においては、いわゆるＤＯＨＣ型の動弁機構に本
願発明を適用したが、５ＯＨＣ型等他の動弁機構に本願
発明を適用することもできる。 また、実施例においては一つの吸気パルプの開閉機構の
みを示して説明したが、複数の吸気パルプおよび排気バ
ルブを同時に駆動させる動弁機構に本願発明を適用でき
ることはもちろんである。 さらに、本実施例においてはカム５をカムシャフト３の
軸方向に摺動させるよう構成したが、カムをカムシャフ
トに固着し、カムシャフト自体を移動させるように構成
してもよい。 また、カムプロファイルも実施例に限定されることはな
く、エンジンの種類、用途、使用目的等に応じて、所望
のエンジン特性を発揮しつるように設定することができ
る。 また、上記カム５を移動させる機構として、制御装置８
によって制御モータ９を駆動させるように構成したが、
エンジン回転数数等に基づいて機械的に制御する等、他
の制御機構を採用することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本願発明に係る動弁機構の一実施例を示す概略
構成図、第２図は本願発明に係るカムの外観斜視図、第
３図は第２図における■−■線に沿う断面図、第４図は
第２図におけるＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図、第５図は第
２図におけるＶ−■線に沿う断面図、第６図はカムのリ
フト量を示す説明図、第７図ないし第９図は本願発明に
係る動弁機構を採用した場合の吸気パル部と排気バルブ
のバルブリフト量とバルブタイミングとの関係を示す説
明図、第１０図はエンジンの出力とエンジン回転数との
関係を示す図である。 １・・・動弁機構、３・・・カムシャフト、５・・・カ
ム、６・・・バルブ、１０・・・カム面、１４ａ、１４
ｂ、＋４０・・・カムプロファイル。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）カムシャフトに設けられるカムによって、バルブ
   を開閉するエンジンの動弁機構であって、 上記カムは、軸方向各位置における軸直角 平面内のカムプロファイルが軸方向に連続的に変化する
   カム面を有するとともに、カムシャフトの軸方向に移動
   可能となっており、 上記カムを上記カムシャフトの軸方向に移 動させることにより、上記バルブを作動させるべきカム
   プロファイルを無段階に選択できるように構成したこと
   を特徴とする、エンジンの動弁機構。