JPH10339111A - カムシャフト - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 吸入効率を大幅に高めて出力を飛躍的に増大
でき、またバルブジャンプ，バウンス，スプリングサー
ジング等の異常現象の発生を防止できるようにしたカム
シャフトを提供する。 【解決手段】 バルブリフトｙをカム角度θの関数：ｙ
＝ｆ（θ）とするとき、カム角度２〜４０度の区間にお
いてバルブリフトが実質的に最大値ｙ_max を維持するよ
うカムノーズ形状が設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、４サイクルエンジ
ンの動弁装置を構成する吸気バルブ用又は排気バルブ用
カムシャフトに関し、特に吸入効率を大幅に高めて出力
を飛躍的に増大でき、またバルブジャンプ，バウンス，
スプリングサージング等のバルブの異常挙動を防止でき
るようにしたカムノーズ形状の改善に関する。

【０００２】

【従来の技術】４サイクルエンジンの動弁装置は、吸気
バルブ，排気バルブを吸気カムシャフト，排気カムシャ
フトのカムノーズによりバルブリフタ，ロッカアーム等
を介して開閉駆動するように構成されている。

【０００３】バルブリフタを直接カムノーズで押圧する
直動式動弁機構に採用された従来のカムシャフトとし
て、図８に示す形状のカムノーズ１０を有し、かつ図９
に示すバルブリフトｙ＝ｆ（θ），速度係数ｙ′＝ｄｆ
（θ）／ｄθ，及び加速度係数ｙ′′＝ｄｆ² （θ）／
ｄθ² を有するものがある。

【０００４】即ち、従来例のカムシャフトのカムノーズ
１０は、半径Ｒｏ一定の円形をなすベース円部１０ａと
実際にバルブを開閉駆動するバルブリフト部１０ｂとか
らなり、バルブリフトｙを、バルブの開き始め付近では
極緩やかに増加させ、続いて放物線状に増加・減少さ
せ、バルブの閉じ終わり付近では再び極緩やかに減少さ
せるようにその形状が設定されている。

【０００５】上記従来のカムノーズ１０による速度係数
ｙ′は、上記バルブリフトの放物線的増加開始付近にお
いて正側の最大値となり、最大バルブリフト位置で負側
に反転し、バルブリフトの放物線的減少終了付近で負側
の最大値となり、また加速度係数ｙ′′は上記バルブリ
フトの放物線的増加開始付近，及び放物線的減少終了付
近で正側の最大値となり、その間の期間では負側の所定
範囲内で連続的に変化する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のカムシャフ
トを使用した動弁装置では、高出力化を図るためにエン
ジン回転速度を高めていくとバルブジャンプ，バウンス
等の異常現象が発生する問題がある。

【０００７】上記バルブジャンプ，バウンス現象とは、
エンジン回転速度を高めていくと、図１０に示すよう
に、バルブの開き側（リフトカーブの上り側）において
正規のリフトカーブに対して歪み（ジャンプ）が生じ始
め、この上り側の歪みの影響によりバルブの閉じ側（リ
フトカーブの下り側）がより大きく歪み、さらに高速回
転になるとバルブが着座した後に再度リフトする（バウ
ンス）といった現象をいい、最悪の場合にはバルブの破
損等を招く結果となる。エンジンの高回転高出力化を図
るにはこれらの異常現象の発生を防止できるカムシャフ
トの開発が望まれる。

【０００８】また、エンジンの高出力化を図るには、吸
入効率，及び排気効率を高めて吸入空気量を増加するこ
とが重要であり、従来から各種の工夫がなされている
が、カムシャフトのカムノーズの形状自体によって吸入
効率，排気効率を高めることができれば動弁系の構造を
複雑にすることがなく、より合理的である。

【０００９】本発明は、上記従来の状況に鑑みてなされ
たもので、吸入効率を大幅に高めて出力を飛躍的に増大
でき、またバルブジャンプ，バウンス，スプリングサー
ジング等の異常現象の発生を防止できるようにしたカム
シャフトを提供することを課題としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、バル
ブリフトｙをカム角度θの関数：ｙ＝ｆ（θ）とすると
き、カム角度２〜４０度の区間においてバルブリフトが
実質的に最大値ｙ_maxを維持するようカムノーズ形状が
設定されていることを特徴とするカムシャフトである。

【００１１】請求項２の発明は、バルブリフトｙをカム
角度θの関数：ｙ＝ｆ（θ）とするとき、カム角度２〜
４０度の区間において速度係数ｙ′＝ｄｆ（θ）／ｄθ
が実質的に零を維持するようカムノーズ形状が設定され
ていることを特徴とするカムシャフトである。

【００１２】請求項３の発明は、バルブリフトｙをカム
角度θの関数：ｙ＝ｆ（θ）とするとき、カム角度２〜
４０度の区間において加速度係数ｙ′′＝ｄｆ² （θ）
／ｄθ² が実質的に零を維持するようカムノーズ形状が
設定されていることを特徴とするカムシャフトである。

【００１３】ここで本発明において、バルブリフトを実
質的に最大値に維持する，速度係数を実質的に零に維持
する，加速度係数を実質的に零に維持するとは、本発明
の目的を達成可能の範囲で一定の幅を有するとの意味で
あり、具体的には第２実施形態で説明する程度の幅を包
含しているとの意味である。

【００１４】また、本発明において、最大バルブリフト
を維持するカム角度を２〜４０度としたのは以下の理由
による。まず、２度未満の場合には、バルブ全開期間が
従来のものに比べて十分に大きいとは言えず、本発明の
作用効果が得られない。また４０度を越えると、カムの
有効開角度の制約から後述するようにバルブ開き始め、
閉じ終わり付近での加速度係数が異常に大きくなり、バ
ルブ打音が大きくなり、極端な場合はカム，バルブの破
損につながる。

【００１５】

【発明の作用効果】本発明に係るカムシャフトによれ
ば、カム角度２〜４０度の区間において実質的に最大バ
ルブリフトが保持されるので、バルブが最大開度（全開
状態）に一定期間保持されることとなり、吸気カムシャ
フトの場合には吸入効率を、排気カムシャフトの場合に
は排気効率を大幅に向上でき、出力を飛躍的に向上でき
る効果がある。そして本発明のカムシャフトを、ピスト
ン速度が最大となるクランク角度位置に上記カム角度区
間２〜４０度が一致するよう組み付けることにより、吸
入効率及び排気効率をより一層高めることができ、また
過給エンジンとの組み合わせによりさらに吸入効率を高
めることができる。

【００１６】また吸入効率が高いので、同じエンジン出
力を得るのに最大バルブリフトを低く設定することも可
能であり、このように設定した場合には、バルブスプリ
ングをばね荷重の小さいものにすることができ、動弁系
の耐久性を向上でき、また動弁系のロス馬力を低減でき
る効果がある。

【００１７】また上記カム角度区間２〜４０度でバルブ
リフトが最大値に保持されてバルブの動きが停止され、
従ってこのカム角度区間では加速度係数が実質的に零と
なるので、バルブ駆動系に作用する慣性力は実質的に零
となる。そのため、バルブリフトカーブにおける上り側
でバルブジャンプの兆候が生じても上記最大バルブリフ
ト領域でこの兆候を消去でき、従って下り側において上
り側の影響を受けることがなく、その結果、バルブジャ
ンプ，バウンス等のバルブの異常挙動の発生を防止で
き、またバルブの着座時の騒音を低減でき、動弁系の静
かなエンジンを実現できる効果がある。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。図１〜図４は本発明の第１実
施形態によるカムシャフトを説明するための図であり、
図１はカムノーズ形状を示す図、図２はバルブリトフカ
ーブと速度係数カーブを示す図、図３はバルブリフトカ
ーブと加速度係数カーブを示す図、図４はバルブタイミ
ング図である。

【００１９】図１において、１は本実施形態のカムシャ
フトのカムノーズ部分を示しており、このカムシャフト
は、バルブに装着された円筒状のバルブリフタをカムノ
ーズで直接押圧する直動式動弁機構に採用されるもので
ある。上記カムノーズ１は、半径がＲｏ一定の円弧で構
成されたベース円部１ａと、上り部１ｂ，最大リフト部
１ｃ，及び下り部１ｄからなり有効開角度θ（この例で
はクランク角度で２９２度）のバルブリフト部とから構
成されている。

【００２０】上記上り部１ｂは、図２，図３に示すよう
に、バルブリフトがカム角度θ１の区間（バルブ開き始
め領域）では極緩やかに増加し、次のθ２，θ３の区間
（バルブ開き領域）で大きく増加するようにその形状が
設定されている。また上記下り部１ｄは上記上がり部１
ｂと略対称に形成されており、バルブリフトがカム角度
θ３′，θ２′の区間（バルブ閉じ領域）では大きく減
少し、最後のθ１′の区間（バルブ閉じ終わり領域）で
は極緩やかに減少するようにその形状が設定されてい
る。

【００２１】そして上記最大リフト部１ｃは、本発明の
特徴部分をなすもので、カム角度θ４の区間に渡って半
径がＲ一定の円弧をなすように形成されている。本実施
形態では上記半径Ｒは上記ベース円部１ａの半径Ｒｏよ
り８ｍｍ大きく形成されている。また上記カム角度区間
θ４は、エンジンの要求特性に応じて適宜選択されるの
であるが、カム角度で２〜４０度の範囲内で選択され
る。

【００２２】本実施形態のカムノーズ１のカム形状をバ
ルブリフトｙ，速度係数ｙ′，及び加速度係数ｙ′′の
カム角度に対する変化カーブを用いて従来のカムシャフ
トと比較しつつさらに詳細に説明する。

【００２３】先ず、図２のバルブリフトカーブに示すよ
うに、カム角度θ１の区間ではバルブリフトｙは極めて
緩やかに増加し、従来のカムシャフトの場合と同様であ
る。

【００２４】カム角度θ２，θ３の区間では、本実施形
態のバルブリフトは従来のものより立ち上がりが早くな
っている。これはカム角度θ４の区間におけるバルブ停
止動作を確保するために従来のものより早期に最大バル
ブリフトに達し得るようにするためである。

【００２５】そしてカム角度θ４の区間では、従来のバ
ルブリフトは連続的に増加していってかつ連続的に減少
している。従って従来のバルブ開度は全閉状態がら増加
していってカム角度０の一瞬で最大開度となり、続いて
全閉状態に向けて連続的に減少し、全体として見ると放
物線状のカーブを描いている。

【００２６】これに対し、本実施形態では、バルブリフ
ト（バルブ開度）は全閉状態から増加していってカム角
度θ４の区間において最大開度に保持され、しかる後に
全閉状態に向けて減少し、全体とし見ると台形状のカー
ブを描いている。具体的には、最大リフト部１ｃが半径
Ｒ（＝Ｒｏ＋８ｍｍ）一定であることから、バルブリフ
トはカム角度θ４の区間では最大値（８ｍｍ）一定に保
持される。

【００２７】次に、図２の速度係数カーブに示すよう
に、カム角度θ１の区間では速度係数ｙ′は極めて緩や
かに増加し、従来のカムシャフトの場合と同様である。

【００２８】従来の速度係数はカム角度θ２，θ３の境
界付近で正側最大値となり、カム角度０にて零となり、
カム角度θ２′，θ３′の境界付近で負側最大値とな
る。一方、本実施形態の速度係数は、正側，負側最大値
とも上記従来のカムシャフトより大きくなっており、か
つカム角度θ４の区間内において零に保持される。

【００２９】また図３の加速度係数カーブに示すよう
に、加速度係数ｙ′′は、本実施形態のカムシャフト，
従来のカムシャフトの何れでも、カム角度θ１の区間で
は略零であり、またカム角度θ２にて最大値を示し、カ
ム角度θ１の区間では本実施形態，従来とも概ね同様の
値となる。一方、カム角度θ２の区間における最大値で
見ると本実施形態の方が大きくなっている。上述のカム
角度θ４を４０度を越えて大きくするとこの最大値が異
常に大きくなり、動弁系の耐久性が低下し、極端な場合
は破損の原因となる。従ってθ４は４０度以下とする必
要がある。

【００３０】カム角度θ３，θ４，θ３′の区間では、
従来のカムシャフトの加速度係数はカム角度０において
負側最大値を示すように連続的に変化している。これに
対して本実施形態では、上記カム角度θ４の区間におい
て加速度係数は零に保持される。

【００３１】次に本実施形態カムシャフトの作用効果を
説明する。図４に示すように、本実施形態のカムノーズ
形状を有するカムシャフトは、ピストン速度が最大とな
るクランク角度（吸気行程の場合は上死点後７５〜１１
０度）に吸気の慣性遅れを考慮したクランク角度（概ね
５〜１０度）を加算したクランク角度位置に上記最大バ
ルブリフト領域（θ４）の開始点（最大バルブリフト
点）が一致するように動弁系に組み込まれる。

【００３２】具体的には、吸気カムシャフトの場合は、
上死点後（ＡＴＤＣ）８０〜１１０度の範囲内に上記最
大バルブリフト点が一致するように動弁系に組み込まれ
る。また排気カムシャフトの場合は、下死点後（ＡＢＤ
Ｃ）７０〜１１０度の範囲内に上記最大バルブリフト点
が一致するように動弁系に組み込まれる。

【００３３】本実施形態の吸気カムシャフト及び排気か
ムシャフトを備えたエンジンでは以下の作用効果が得ら
れる。ピストンの最大速度点において吸気バルブが最大
リフト（全開）となり、かつ上記カム角度θ４の区間に
おいてこの最大リフト状態が保持されるので、吸入効率
が大幅に向上し、エンジン出力が飛躍的に向上する。過
給エンジンの場合にはこの最大リフト状態に維持された
吸気弁開口から空気が押し込まれることとなるので、よ
り一層吸入空気量が増加し、出力向上効果が増大する。
またこのように吸入効率が高まると、バルブオーバーラ
ップ時に残留ガスを排気側に押し出す効果が得られこの
点からも吸入効率が高まる。

【００３４】またピストンの最大速度点において排気バ
ルブが最大リフト（全開）となり、かつ上記カム角度θ
４の区間においてこの最大リフト状態が保持されるの
で、排気効率が飛躍的に向上し、シリンダ内の残留ガス
が減少し、この点からも吸入効率が向上し、また燃焼室
内温度の低下によりノッキングの発生防止にも有利とな
る。

【００３５】上述のように吸入効率が高いので、同じエ
ンジン出力を得るのに最大バルブリフトを低く設定する
ことも可能であり、このように設定した場合には、バル
ブスプリングをばね荷重の小さいものにすることがで
き、動弁系の耐久性を向上でき、また動弁系のロス馬力
を低減できる。

【００３６】ここで、バルブ駆動系の等価重量をｍと
し、カムシャフト回転速度をＮ，ｋを定数とすると、該
バルブ駆動系に作用する慣性力Ｆは以下の式で表され
る。 Ｆ＝ｍ×α ＝ｍ×ｙ′′×Ｎ² ×ｋ 即ち、加速度係数ｙ′′が零若しくは極小であればバル
ブ駆動系に作用する慣性力は零若しくは極小となる。

【００３７】本実施形態では図３から明らかなように、
カム角度θ４の区間でバルブリフトが最大値に保持され
てバルブの動きが停止され、従ってこのカム角度θ４の
区間では加速度係数が零となるので、バルブ駆動系に作
用する慣性力は零となる。そのため、バルブリフトカー
ブにおける上り側でバルブジャンプの兆候が生じても上
記最大バルブリフト領域でこの兆候を消去でき、従って
下り側において上り側の影響を受けることがない。その
結果、バルブジャンプ，バウンス等の発生を防止でき、
またバルブの着座時の騒音を低減でき、動弁系の静かな
エンジンを実現できる。

【００３８】本発明にかかるカムシャフトによる出力向
上効果を確認するために行った実験結果について説明す
る。本実験では、排気量２０００ｃｃの過給機付き４気
筒エンジンを用い、上記第１実施形態のカムシャフト
（最大バルブリフトを保持するカム角度θ４＝１０度，
有効カム開角度θ＝１４６度（クランク角で２９２
度））を用いた場合（以下本発明例と記す）、及び図
８，図９に示す従来のカムシャフトを用いた場合（以下
従来例と記す）のクランク軸出力を計測した。計測結果
を表１に示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１において、過給圧は吸気管のスロット
ルバルブ上流側で計測し、排気圧は排気管の過給機上流
側で計測した。また過給圧は過給機の排気ガス逃がしバ
ルブの開度を変化させることにより所要の値に調整し
た。

【００４１】表１から判るように、６０００ｒｐｍでは
従来例４４６Ｐｓに対し本発明例は４８６Ｐｓと８．９
％増加した。なお、この場合、本発明例の過給圧を従来
例の過給圧に一致させた場合の出力を比例換算すると５
１８Ｐｓとなり、１６．２％の増加となる。

【００４２】９０００ｒｐｍでは従来例５８２Ｐｓに対
し８０４Ｐｓと３８．１％増加した。なお、過給圧を従
来例１４００ｍｍＨｇに対して１３００ｍｍＨｇと低く
設定した場合でも本発明例の出力は６９４Ｐｓと１９．
２％増加した。

【００４３】表１において、排気圧と過給圧との関係を
見ると、従来例では排気圧が過給圧より大幅に高くなっ
ているのに対し、本発明例では排気圧と過給圧との差が
それほど大きくはなく、つまり本発明例では排気圧が従
来例に比較して大幅に低くなっていることが判る。これ
は本発明例のカムシャフトを使用した場合、排気バルブ
が最大バルブリフト状態（全開）にカム角度で１０度の
区間保持され、排気効率が大幅に高くなったことから、
排気管内での動圧成分が減少して相対的に静圧成分が増
加し、そのため従来の動圧過給から静圧過給に変化して
過給機の効率が高まり、その結果排気圧が低くても所要
の過給圧が得られたものと考えられる。

【００４４】ここで上記速度係数ｙ′は、カムノーズと
バルブリフタ，ロッカアーム等との間のすべり相対速度
を表しており、上記第１実施形態の如くこの速度係数が
零のカム角度区間θ４を有するカムノーズは、該カムノ
ーズとバルブリフタ等との摺接面間に油膜を確保する関
係上、上記バルブリフタがカムノーズに対して相対的に
回転し、摺接ポイントが変化するように構成された動弁
系において採用することが望ましい。

【００４５】図５〜図７は上記摺接ポイントが変化しな
い、例えばスリッパタイプのロッカアームを用いた場合
にも支障なく採用できるようにしたカムシャフト例であ
る。即ち、上記第１実施形態のカムノーズの最大リフト
部１ｃが半径Ｒ一定の真円の円弧で構成されているのに
対し、本第２実施形態のカムノーズの最大リフト部１ｃ
は、図７に示すように、上記カム角度θ４の中心点が半
径Ｒで、該カム角度θ４の開始点及び終了点が０．１ｍ
ｍ以下の範囲で低くなった円弧状に形成されている。即
ち、本第２実施形態は、カム角度θ４の区間でバルブが
完全に停止するのではなく、０．１ｍｍ以下の範囲内で
移動する不完全停止型となっている。

【００４６】そのため、本第２実施形態では、速度係数
ｙ′は図５の速度係数カーブに示すように、上記カム角
度θ４の区間においても僅かな正値及び負値を有するこ
ととなる。これにより上記ロッカアームがスリッパタイ
プのものであっても摺動ポイントが変化するので、摺動
面間に油膜が形成される。

【００４７】一方、図５，図６のバルブリフトカーブに
示すように上記カム角度θ４の開始点におけるバルブリ
フトは最大バルブリフトより０．１ｍｍ小さくなるので
あるが、この値は極小であり実質的に零と見ることがで
き、バルブはカム角度θ４の区間において実質的に最大
バルブリフト状態につまり全開状態に保持されることと
なり、上記第１実施形態の場合と同様に吸入効率を向上
できる等の効果が得られる。

【００４８】また本第２実施形態の加速度係数ｙ′′
は、図６の加速度係数カーブに示すように、上記カム角
度θ４の区間においても僅かな値を有することとなる
が、この値は極小であり、実質的には零と見ることがで
き、上記第１実施形態の場合と同様にバルブ駆動系に作
用する慣性力を極小にでき、バルブジャンプ，バウンス
等のバルブの異常挙動を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態によるカムシャフトのカ
ムノーズを示す図である。

【図２】上記第１実施形態カムシャフトのバルブリフト
カーブ，速度係数カーブを示す図である。

【図３】上記第１実施形態カムシャフトのバルブリフト
カーブ，加速度係数カーブを示す図である。

【図４】上記第１実施形態カムシャフトを用いた動弁系
のバルブタイミング図である。

【図５】本発明の第２実施形態によるカムシャフトのバ
ルブリフトカーブ，速度係数カーブを示す図である。

【図６】上記第２実施形態カムシャフトのバルブリフト
カーブ，加速度係数カーブを示す図である。

【図７】上記第２実施形態カムシャフトのカムノーズの
拡大図である。

【図８】従来のカムシャフトのカムノーズを示す図であ
る。

【図９】従来のカムシャフトのバルブリフトカーブ，速
度係数カーブ，加速度係数カーブを示す図である。

【図１０】従来のカムシャフトの問題点を説明するため
のバルブリフトカーブを示す図である。

【符号の説明】 １ カムノーズ ｙ バルブリフト ｙ′ 速度係数 ｙ′′ 加速度係数 θ カム角度 θｗ 所定のカム角度区間

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バルブリフトｙをカム角度θの関数：ｙ
   ＝ｆ（θ）とするとき、カム角度２〜４０度の区間にお
   いてバルブリフトが実質的に最大値ｙ_max を維持するよ
   うカムノーズ形状が設定されていることを特徴とするカ
   ムシャフト。
2. 【請求項２】 バルブリフトｙをカム角度θの関数：ｙ
   ＝ｆ（θ）とするとき、カム角度２〜４０度の区間にお
   いて速度係数ｙ′＝ｄｆ（θ）／ｄθが実質的に零を維
   持するようカムノーズ形状が設定されていることを特徴
   とするカムシャフト。
3. 【請求項３】 バルブリフトｙをカム角度θの関数：ｙ
   ＝ｆ（θ）とするとき、カム角度２〜４０度の区間にお
   いて加速度係数ｙ′′＝ｄｆ² （θ）／ｄθ² が実質的
   に零を維持するようカムノーズ形状が設定されているこ
   とを特徴とするカムシャフト。