JP2000205320A

JP2000205320A - 内燃機関の弁ばね

Info

Publication number: JP2000205320A
Application number: JP556899A
Authority: JP
Inventors: Yuji Isono; 裕司礒野; Ikoku Son; 維国孫; Keiichirou Teratoko; 圭一郎寺床; Masahiko Asano; 昌彦浅野
Original assignee: Suncall Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Suncall Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 1999-01-12
Filing date: 1999-01-12
Publication date: 2000-07-25

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、内燃機関のエネルギ効率を向上させ
るべく、内燃機関の弁ばねについて横力を低減させるこ
とを目的とする。【解決手段】本発明に係る弁ばね２６は、セット高さか
ら最大使用高さの間で有効巻数が整数（本発明では整数
±０．１２５で定義される。）となるように、材料の持
つ耐久限度内で諸元化したものである。「有効巻数が整
数となる」ことは、弁ばねの横力の低減させる効果を確
保し、また、「セット高さから最大使用高さの間で有効
巻数が整数となる」ことは、弁ばね２６がセット高さか
ら最大使用高さに圧縮される間で、弁ばねの有効巻数が
整数となることが確保している。即ち、本発明に係る弁
ばねは、自然状態での有効巻数ではなく、セット高さか
ら最大使用高さの間で有効巻数が整数となるように設計
されることにより、弁ばねの使用時における横力の低減
が図られている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の弁ばね
に関し、横力の低減を図ることを目的とする。

【０００２】

【従来の技術】コイルばねは、ばね線材を螺旋状に巻回
したものであり、巻回部により弾性力を発揮するもので
ある。従来、内燃機関の弁ばねはコイルばねが用いられ
ている。弁ばねの設計は、使用時の荷重値を材料の持つ
耐久限度内で諸元化していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】一般に、コイルばね
は、コイル軸方向に圧縮された場合にコイル軸と直角方
向に力（以下、横力という。）が発生することが知られ
ている。この横力は、圧縮力がコイルばねの巻回部を介
して横方向に作用するものであると考えられる。

【０００４】ところが、内燃機関の弁ばねの設計では、
弁ばねの横力が内燃機関の発生させるエネルギに対して
極めて小さいことから、弁ばねの横力が内燃機関のエネ
ルギ効率の向上に及ぼす影響について考慮されてこなか
った。

【０００５】近年、内燃機関のエネルギ効率の向上が重
要視されており、本発明者は、弁ばねの横力が内燃機関
のエネルギ効率に及ぼす影響について検討した。横力が
作用すると、バルブを傾けようとする力が作用し、バル
ブ摺動部の摩擦抵抗が増大し、その結果、カム軸のトル
クが増大する可能性があることが想定された。毎分数千
回転で使用される内燃機関においては弁ばねの横力に基
づくエネルギ損失を減少させることが望ましいと考えら
れる。

【０００６】そこで、本発明は、内燃機関のエネルギ効
率を向上させるべく、内燃機関の弁ばねについて横力を
低減させることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る内燃機関の
弁ばねは、横力の低減を図るべく、セット高さから最大
使用高さまでの間で有効巻数が整数となるように設計さ
れたものである。

【０００８】なお、弁ばねの横力を低減させる効果は、
有効巻数が整数近傍の場合にも同様に得られるので、本
明細書において、有効巻数に関して整数というときは、
整数又は整数近傍（整数±０．１２５）を意味するもの
とする。

【０００９】また、有効巻数は６から１２の整数となる
ように設計されることが望ましい。

【００１０】また、弁ばねの直角度は１．５ｄｅｇ以下
に抑えることが望ましく、より好適には、弁ばねの直角
度を１．０ｄｅｇ以下に抑えることが望ましい。

【００１１】また、弁ばねに用いられるばね線材の断面
は応力の低下と扁平化を図った異形断面で構成しても良
い。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の弁ばねを内燃機関
のバルブ装置に適用した実施形態について、図面に基づ
いて説明する。

【００１３】図８に示すように、この実施形態の内燃機
関は、シリンダ機構で構成され、吸気孔１０ａと排気孔
１０ｂとを有する燃焼室１０と、燃焼室１０の吸気孔１
０ａと排気孔１０ｂにそれぞれ連通する吸気配管１０ｃ
・排気配管１０ｄと、吸気配管１０ｃ・排気配管１０ｄ
の開閉をそれぞれ制御するバルブ装置２０とを備える。

【００１４】図１に示すように、内燃機関のバルブ装置
２０は、バルブ２２と、ガイド２４と、弁ばね２６と、
リテーナ２８と、リフタ３０と、カム機構３２とを有す
る。

【００１５】バルブ２２は、弁部２２ａと、ステム部２
２ｂとを有する。弁部２２ａは燃焼室１０の吸気孔１０
ａと排気孔１０ｂにそれぞれ密着するように設けられる
部位で、ステム部２２ｂは、弁部２２ａから直角に伸び
る部位である。

【００１６】ガイド２４は、吸気配管１０ｃ・排気配管
１０ｄにそれぞれ取付けられ、バルブ２２を前記両配管
（１０ｃ，１０ｄ）の外側から操作できるように、バル
ブ２２のステム部２２ｂを前記両配管（１０ｃ，１０
ｄ）の内側から外側へ摺動自在に導く部材である。

【００１７】弁ばね２６は、コイルばねで構成され、バ
ルブ２２のステム部２２ｂに挿通された状態で前記両配
管（１０ｃ，１０ｄ）の外側に固定される。

【００１８】リテーナ２８は、バルブ２２のステム部２
２ｂの端部外側面に取付けられ弁ばね２６をバルブ２２
に固定する部材である。

【００１９】リフタ３０は、バルブ２２のステム部２２
ｂの端部に取付けられ、外側面３０ａが内燃機関の外壁
１０ｅに摺動自在に配設される。また、リフタ３０の外
側の端面にはカム機構３２のカム３４が当接する当接面
３０ｂを有する。

【００２０】カム機構３２は、エンジンのシリンダ機構
に対して所定のタイミングでバルブ２２を開閉させる機
構で、エンジンのクランクシャフト（図示省略）にタイ
ミングベルト（図示省略）を介して連結され、クランク
シャフトに対して１／２の回転速度で回転するカムシャ
フト３２ａと、カムシャフト３２ａに取付けられてリフ
タ３０に当接する略卵型のカム３２ｂとを備える機構で
ある。

【００２１】バルブ２２は、弁ばね２６の作用によっ
て、常時リフタ３０がカム３２ｂに当接するように支持
されている。なお、バルブ２２はカム３２ｂの突出部３
２ｂ１がリフタ３０に当接していないときは、配管（１
０ｃ，１０ｄ）を閉鎖し、カム３２ｂの突出部３２ｂ１
がリフタ３０に当接するときに配管（１０ｃ，１０ｄ）
を開放する。

【００２２】以下、本実施形態における弁ばね２６につ
いて詳述する。

【００２３】弁ばね２６は、自然状態での高さを「自然
高さ」といい、バルブ装置２０に取付けられた状態での
高さを「セット高さ」といい、カム機構３２によって最
大まで圧縮された状態での高さを「最大使用高さ」と
いう。図２に示すように、弁ばね２６は、両端の巻回部
分を座巻部２６ａといい、座巻部２６ａを除いた部分を
有効巻部２６ｂという。弁ばね２６はバルブ装置２０に
設置された状態で安定するように、弁ばね２６の端部を
為す座巻部２６ａが巻回軸に対して直角となるように研
磨されている。弁ばね２６は、有効巻部２６ｂの巻数を
有効巻数という。有効巻数は、弁ばね２６の全巻数から
両端の座巻部２６ａの巻数を引いた巻数で示される。例
えば、弁ばね２６の全巻数が７で、座巻部２６ｂの巻数
が両端でそれぞれ１である場合、有効巻数は７−２より
５となる。有効巻数は弁ばね２６が弾性力を発揮し得る
巻数を示す。

【００２４】また、弁ばね２６の横力は、図３に示す装
置により計測することができる。

【００２５】図３において、２６は弁ばねを、４２は上
プレートを、４４は下プレートを、４６はボールベアリ
ングを、４８はロードセルをそれぞれ示す。この装置
は、上プレート４２が弁ばね２６に固定されており、下
プレート４４が弁ばね２６にフリーな状態であり、ロー
ドセル４８が下プレート４４に当接する状態で、下プレ
ート４４の円周方向に６個のロードセル４８が等分配置
されたものである。上プレート４２には、弁ばね２６の
高さ方向の荷重が負荷される。このとき上プレート４２
が固定されているので、弁ばね２６の横力は、下プレー
ト４４がロードセル４８を押す力として検出される。

【００２６】本実施形態の弁ばね２６は、セット高さに
おける所要の荷重値と、最大使用高さにおける所要の荷
重値と、弁ばね２６がセット高さから最大使用高さの間
で有効巻数が整数となることを、材料の持つ耐久限度内
で諸元化したものである。

【００２７】弁ばね２６の設計に、セット高さでの荷重
値と最大使用高さでの荷重値とを考慮することは、従来
から行われている。これは、弁ばね２６が使用時に壊れ
ることなく、所要の機能（バルブの閉鎖）を発揮し得る
ことを確保するものである。

【００２８】一方、「弁ばねがセット高さから最大使用
高さの間で有効巻数が整数となること」という条件は、
従来考慮されていなかった。

【００２９】図４は、有効巻数と横力との関係を示す図
面で、セット高さにおける有効巻数が異なる弁ばね２６
を用意し、それぞれセット高さ時の相当荷重を負荷して
横力を計測したものである。図４によれば、有効巻数が
整数となる場合に横力が低減しており、弁ばね２６の横
力の低減には有効巻数を整数巻とすることが有効な手段
であると考察される。なお、図４に示すように、有効巻
数は整数近傍（整数±０．１２５）である場合に、有効
巻数が整数である場合と同様に横力が低減される。つま
り横力を低減させる効果は、有効巻数が整数又は整数近
傍の場合に得られる。従って、本明細書において、有効
巻数に関して整数というときは、整数又は整数近傍（整
数±０．１２５）を意味するものとする。

【００３０】即ち、「弁ばねがセット高さから最大使用
高さの間で有効巻数が整数となること」の条件におい
て、有効巻数が整数となることは、弁ばね２６の横力の
低減させる効果を確保するための条件である。

【００３１】弁ばね２６の有効巻数を整数とすれば横力
の低減が図られることは上述したが、内燃機関のエネル
ギ効率を向上させるためには、弁ばね２６の使用時にお
ける横力を低減させることが必要である。

【００３２】弁ばね２６の有効巻数は、弁ばね２６が圧
縮されると有効巻部２６ｂの両端が座巻部２６ａに接し
て減少し、弁ばね２６が圧縮状態から開放されるにつれ
て、有効巻部２６ｂの両端が座巻部２６ａから離れて増
加する。このため、上記「セット高さから最大使用高さ
の間で有効巻数が整数となること」との条件は、弁ばね
２６がセット高さから最大使用高さに圧縮される間で、
弁ばね２６の有効巻数が整数となることが確保してい
る。

【００３３】即ち、この実施形態に係る弁ばね２６は、
自然状態での有効巻数ではなく、セット高さから最大使
用高さの間で有効巻数が整数となるように設計されるこ
とにより、弁ばね２６の使用時における横力の低減が図
られている。

【００３４】上述の実施形態に係る弁ばねが内燃機関の
エネルギ効率を向上させることに対して有効であるかを
検証するため、従来設計に基づく弁ばねを用いた場合
と、本実施形態に係る弁ばね２６を用いた場合とについ
てカムシャフトの駆動トルクを計測した。この比較試験
に使用した従来設計に基づく弁ばねと本実施形態に係る
弁ばねの構成を後記表１に示す。なお、本実施形態に係
る弁ばね２６は、セット高さにおいて有効巻数が整数と
なるように設計されたものである。

【００３５】カムシャフトの駆動力の計測は、図５に示
す装置５０によって行なった。この装置は、モータ５２
と、トルク変換装置５４と、エンジンヘッド５６とを、
シャフト連結具５８を介して直列的に連結したものであ
る。この装置によって、エンジンヘッド５６のカムシャ
フト５６ａの駆動力は、モータ５２の駆動力としてトル
ク変換装置５４から検出される。

【００３６】図６は、エンジンヘッド５６のカムシャフ
ト５６ａの回転数を２０００ｒｐｍとしたとき、エンジ
ンヘッド５６の弁ばねを従来設計に基づく弁ばねと本実
施形態に係る弁ばね２６で、それぞれエンジンヘッド５
６のカムシャフト５６ａの駆動トルクを計測したもので
ある。

【００３７】従来設計に基づく弁ばねでは、最大横力が
２．０６（ｋｇｆ）で駆動トルクが４．５（ｋｇｆ・ｃ
ｍ）であるのに対し、本実施形態に係る弁ばね２６で
は、最大横力が０．７９（ｋｇｆ）で駆動トルクが４．
１（ｋｇｆ・ｃｍ）となる。弁ばねの横力は約６１．６
％低減され、カムシャフトの駆動トルクは約７．５％低
減される。通常、自動車等のエンジンは数千回転で回転
しているので、カムシャフトの駆動トルクを低減させる
ことにより、相当のエネルギ効率の向上が図られる。

【００３８】次に、弁ばね２６の直角度の影響について
考察する。

【００３９】弁ばね２６の直角度は、弁ばね２６を水平
な基準面上に設置した場合、自然状態での弁ばね２６の
巻回軸と基準面垂直軸とのなす角度として定義される。

【００４０】図７に示すように、弁ばね２６は直角度が
大きくなると横力が増加する。従って、本実施形態の弁
ばね２６による横力の低減効果を有効なものとするため
には、直角度を小さくする必要がある。図７によれば、
直角度は１．５以下で横力への影響が小さくなってお
り、直角度が１．０以下で横力への影響が略一定とな
る。従って、本実施形態の弁ばね２６は、直角度を１．
５以下、より好ましくは１．０以下とすることが望まし
い。

【００４１】次に、弁ばね２６の有効巻数と横力との関
係について説明する。

【００４２】また、弁ばね２６の横力は、ピッチが小さ
くなるに連れて横力の発生が小さくなる。これは、有効
巻部２６ｂのばね線材が水平に近くなるので、弁ばねに
負荷される圧縮力が横力方向に作用しにくくなり、横力
の低減を図ることができる。従って、有効巻数は多くす
ればより横力の低減を図れるが、有効巻数は、弁ばね２
６の収容スペースとの関係で弁ばね２６の密着高さに限
界があり、ばね線材の耐久限度を考慮すれば、線材の線
径を細くすることにも限度がある。弁ばね２６の有効巻
数は６〜１２であることが望ましい。

【００４３】次に、本発明における弁ばねの設計上の問
題点とその対策について説明する。

【００４４】本発明に係る弁ばね２６の設計では、弁ば
ね２６の有効巻数が固定化される。このため、従来の設
計による弁ばね２６に比べて有効巻数が減少する場合
は、弁ばね２６に作用する応力値が増加し、弁ばね２６
の耐久限度を超える可能性がある。また、従来の設計に
よる弁ばねに比べて有効巻数が増加する場合は、弁ばね
が圧縮されたときの密着高さが規格外となる可能性があ
る。

【００４５】有効巻数が減少する場合は、応力値が増加
するので弁ばねの断面を大きくするなどの対策が必要と
なる。また、有効巻数が増加する場合は、断面を扁平化
させ、密着高さを規格内に抑えることが必要となる。

【００４６】上述のような問題が生じた場合の対策とし
て、例えば、弁ばねの線材断面を特開平９−１３３１６
８号に記載される異形断面とすることによって、応力値
の低下や断面の扁平化を図ることができる。

【００４７】

【表１】

【００４８】

【発明の効果】本発明に係る内燃機関の弁ばねは、横力
の低減を図るべく、セット高さから最大使用高さまでの
間で有効巻数が整数となるように設計されているので、
弁ばねの使用時における横力の低減を図ることができ
る。これにより、カムシャフトの駆動トルクを低減さ
せ、内燃機関のエネルギ効率の向上が図られる。

【００４９】また、有効巻数を６から１２の整数となる
ように設計したものでは、弁ばねの有効巻部のばね線材
が水平に近くなるので、弁ばねに負荷される圧縮力が横
力方向に作用しにくくなり、横力の低減を図ることがで
きる。

【００５０】また、弁ばねの直角度を１．５ｄｅｇ以下
又は１．０ｄｅｇ以下に抑えたものでは、直角度が弁ば
ねの横力に及ぼす影響が低減するので、セット高さから
最大使用高さまでの間で有効巻数が整数となるように設
計した効果が得られ易くなる。

【００５１】また、弁ばねに用いられるばね線材の断面
は応力の低下と扁平化を図った異形断面としたもので
は、ばね線材の断面は応力の低下と扁平化が図られるの
で、セット高さから最大使用高さまでの間で有効巻数が
整数となるように設計した場合の不都合を解消できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るバルブ装置の縦断
面図。

【図２】本発明の一実施形態に係る弁ばねの側面図。

【図３】本発明の一実施形態に係る弁ばねの横力を測
定する装置を示す図面。

【図４】有効巻数と横力との関係を示す図面。

【図５】駆動トルクを測定する装置を示す図面。

【図６】駆動トルクの測定結果を示す図面。

【図７】直角度と横力との関係を示す図面。

【図８】内燃機関の吸排気構造を示す図面。

【符号の説明】

２０バルブ装置２２バルブ２４ガイド２６弁ばね２８リテーナ３０リフタ３２カム機構

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者孫維国京都府京都市右京区梅津西浦町十四番地サンコール株式会社内 (72)発明者寺床圭一郎京都府京都市右京区梅津西浦町十四番地サンコール株式会社内 (72)発明者浅野昌彦愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 3J059 AA10 BA01 BA08 EA20 GA08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】横力の低減を図るべく、セット高さから最
大使用高さまでの間で有効巻数が整数となるように設計
されたことを特徴とする内燃機関の弁ばね。
【請求項２】前記有効巻数が６から１２の整数となるよ
うに設計されたことを特徴とする請求項１記載の内燃機
関の弁ばね。
【請求項３】弁ばねの直角度を１．５ｄｅｇ以下に抑え
たことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の弁ばね。
【請求項４】弁ばねの直角度を１．０ｄｅｇ以下に抑え
たことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の弁ばね。
【請求項５】上記弁ばねに用いられるばね線材の断面が
応力の低下と扁平化を図った異形断面で構成されている
ことを特徴とする請求項１乃至４記載の内燃機関の弁ば
ね。