JP4659583B2 - 可変動弁機構 - Google Patents

Description

本発明は、複数の気筒が配列された内燃機関において、バルブ特性を制御する可変動弁機構に関する。

従来、リンクを用いてバルブのリフト量、作用角および開閉タイミングを制御する可変動弁機構が知られている。例えば、図９に示す特許文献１の可変動弁機構１００は、内燃機関のクランク軸に連結されたカムシャフト１０１を備えている。カムシャフト１０１上には、回転カム１０２が一体回転可能に固定されるとともに、バルブ１０３を開閉する揺動カム１０４が相対回動可能に支持されている。

カムシャフト１０１と平行なコントロールシャフト１０５上には、揺動アーム１０６が可変カム１０７を介して支持されている。揺動アーム１０６の入力端はリング状リンク１０８を介して回転カム１０２に連結され、揺動アーム１０６の出力端がロッド状リンク１０９を介して揺動カム１０４に連結されている。そして、コントロールシャフト１０５をアクチュエータで駆動し、可変カム１０７の偏心回転により揺動アーム１０６を変位させて、揺動カム１０４の揺動角度を内燃機関の運転状態に応じて変更するように構成されている。
特開平１１−３２４６２５号公報

ところが、従来の可変動弁機構１００によると、バルブ１０３を開閉する揺動カム１０４が回転運動するカムシャフト１０１上に支持されているので、揺動カム１０４を揺動運動させるために、カムシャフト１０１と揺動カム１０４とを長大な２本のリンク１０８，１０９で接続する必要があった。また、揺動カム１０４の揺動角度を変更するために、二本のリンク１０８，１０９の間に揺動アーム１０６を介在させ、揺動アーム１０６を支持するコントロールシャフト１０５上に可変カム１０７を設ける必要もあった。

このため、可変動弁機構１００が大型化し、設置スペースが大きくなり、部品数が増え、構成が複雑化し、組付誤差によってバルブ特性が不安定になりやすいという問題点があった。特に、複数の気筒を備えた多気筒内燃機関、例えば、２バンク構造のガソリンエンジン等の場合は、二本のカムシャフト１０１にそれぞれ可変動弁機構１００を設置する必要があるため、両方の機構１００の誤差によって、気筒間にバルブ特性のバラツキが生じやすくなるという問題点があった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、小型かつ簡単な構成によって安定したバルブ特性が得られる可変動弁機構を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の可変動弁機構は、複数の気筒が配列された内燃機関において、各気筒に設けられた吸気バルブ又は排気バルブのどちらか一方のバルブを開閉するカムを備えたカムシャフトと、カムシャフトを、該シャフトの軸線周りで揺動させる駆動手段と、カムシャフトの揺動量である揺動角度を内燃機関の運転状態に応じて変更する可変手段とからなり、前記カムシャフト上に複数のカムを該シャフトの軸心に関して揺動方向両端側の両側にそれぞれ同等の揺動角度となるよう均等に設け、前記駆動手段が、内燃機関のクランク軸によって回転される駆動軸と、駆動軸の回転運動をカムシャフトの揺動運動に変換する運動変換部材とを含み、前記駆動軸が駆動カムシャフトを含み、駆動カムシャフト上に吸気バルブ又は排気バルブのどちらか他方のバルブを開閉するカムを設けたことを特徴とする。
カムシャフト上に複数のカムを該シャフトの軸心に関して揺動方向両端側の両側にそれぞれ同等の揺動角度となるよう均等に設けた構成によれば、複数のカムがシャフト軸線の両側でそれぞれ同等の角度で揺動するとともに、その揺動角度を可変手段によって均等に制御して、気筒間のバルブ特性のバラツキを抑制できる利点がある。
カムシャフトを駆動する駆動手段が、内燃機関のクランク軸によって回転される駆動軸と、駆動軸の回転運動をカムシャフトの揺動運動に変換する運動変換部材とを含む構成によれば、クランク軸の動力を利用してカムシャフトを揺動できる利点がある。
駆動軸が駆動カムシャフトを含み、駆動カムシャフト上に吸気バルブ又は排気バルブのどちらか他方のバルブを開閉するカムを設けた構成によれば、排気カムシャフト又は吸気カムシャフトを駆動軸として利用するので、可変動弁機構の全体を可変機能を備えない通常タイプの動弁機構と同等にレイアウトできる利点がある。

上記可変動弁機構において、好ましくは、次の手段を採用できる。

（３）運動変換部材がリンクを含み、リンクの一端を駆動軸に連結し、リンクの他端をカムシャフトに連結すること。より好ましくは、一本のリンクの一端を駆動軸の軸心から偏倚した位置に連結し、該リンクの他端をカムシャフトの軸心から偏倚した位置に連結すること。この構成によれば、一本のリンクを用いて、駆動軸の回転運動をカムシャフトの揺動運動に変換できる利点がある。

（４）可変手段が、駆動軸の半回転あたりのリンクの変位量を変更する可変部材と、可変部材を駆動するアクチュエータとを含むこと。可変部材としては、回動運動する部材、直線運動する部材等を例示できる。アクチュエータとしては、油圧ピストン、油圧モータ、電動モータ、電磁ソレノイド、圧電素子等を例示できる。この構成によれば、リンクの往動ストロークと復動ストロークとを等しくし、カムシャフトの両方向への揺動角度を均等に変更できる利点がある。

（５）可変部材及びアクチュエータをカムシャフト又は駆動軸のどちらか一方の軸端に設けること。この構成によれば、従来のコントロールシャフトを不要にでき、可変動弁機構の設置スペースをより一層縮小できるとともに、リンクの間近でカムシャフトの揺動角度を正確に変更できる利点がある。

（７）カムシャフト上に設けられたカムは、複数の気筒を二つのグループに分けた一方のグループの気筒に割り当てられた第一カムと他方のグループの気筒に割り当てられた第二カムとであり、第一カムに並設された第一休止カムと第二カムに並設された第二休止カムとを備えたカムシャフトを軸線方向へ往復駆動するアクチュエータが設けられること。この構成によれば、多気筒内燃機関において、バルブを開閉するカムとバルブを開閉しない休止カムとをアクチュエータで切換え、例えば、半数の気筒を動作させ、残り半数の気筒を休止させるなど、バルブ特性の可変機能に気筒の選択機能を追加して、内燃機関を運転状態に応じてより多様に制御できる利点がある。

本発明の可変動弁機構によれば、カムシャフト自体が揺動するので、カムシャフト上のカムを揺動運動させるための部品が不要となる。従って、可変動弁機構の全体を少数の部品で小型かつ簡単に構成できるとともに、組付誤差を少なくしてバルブ特性を安定させることができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１に示すように、この実施形態の可変動弁機構１は、複数の気筒３を二つのバンクＡ，Ｂに分けて配列した内燃機関２において、気筒３の上方に排気カムシャフト５と吸気カムシャフト７とを備えている。排気カムシャフト５はクランク軸４に連結され、駆動軸として機能する。吸気カムシャフト７には、各気筒３に設けられた複数の吸気バルブ１７を開閉する吸気カム１５が吸気カムシャフト７の軸心に関して対称状に設けられている。

図２に示すように、排気カムシャフト５と吸気カムシャフト７との間には一本のリンク８が介装され、リンク８の一端が排気カムシャフト５の軸線から偏倚した位置に連結され、リンク８の他端が吸気カムシャフト７の軸線から偏倚した位置に連結されている。排気カムシャフト５とリンク８とは、吸気カムシャフト７を自身の軸線周りで揺動する駆動手段を構成している。排気カムシャフト５の軸端には、該シャフト５の半回転あたりのリンク８の変位量を変更する可変部材２３と、可変部材２３を駆動するアクチュエータ２８とが内蔵されている。そして、可変部材２３とアクチュエータ２８とが、吸気カムシャフト７の揺動角度を内燃機関２の運転状態に応じて変更する可変装置２９を構成している。

図１〜図６は本発明の実施例１を示す。図１に示すように、この可変動弁機構１は２バンク構造の自動車用ガソリンエンジン２に装備されている。エンジン２は４本、６本又は８本の気筒３を備え、そのうち半数の気筒３がクランク軸４より片側の第一バンクＡに配列され、残り半数の気筒３が反対側の第二バンクＢに配列されている。第一バンクＡの気筒３と第二バンクＢの気筒３とは、クランク軸４の両側にＶ型となる姿勢又は水平な姿勢で対向配置されている。

各バンクＡ，Ｂの可変動弁機構１は気筒３の上方に排気カムシャフト５を備えている。排気カムシャフト５は、クランク軸４によりベルト（又はチェーン）６を介して一方向に全回転され、可変動弁機構１の駆動軸として機能する。排気カムシャフト５の下方には、吸気カムシャフト７が排気カムシャフト５と平行に設けられている。吸気カムシャフト７は、排気カムシャフト５により一本のリンク８を介して揺動され、可変動弁機構１の従動カムシャフトとして機能する。

図１、図２に示すように、排気カムシャフト５上には複数の排気カム１０が交互に１８０°の角度をおいて固定され、排気カムシャフト５の回転に伴い、各気筒３の排気バルブ１３が排気カム１０のカムプロフィールに従いロッカアーム１２を介して開閉される。吸気カムシャフト７上には複数の吸気カム１５が吸気カムシャフト７の軸心に関して左右対称状に固定され、吸気カムシャフト７の揺動に伴い、各気筒３の吸気バルブ１７が吸気カム１５のカムプロフィールに従いロッカアーム１６を介して開閉される。ロッカアーム１６は、基端がピボット１８で支持され、中間部に吸気カム１５と係合するローラ１９を備えている。

図２、図３に示すように、排気カムシャフト５の一方の軸端にはベルト６に噛み合うプーリ２１（又はスプロケット）が固定され、プーリ２１の偏心位置にキャビティ２２が形成されている。キャビティ２２にはカップ型の可変部材２３が回動可能に収められ、可変部材２３の端面にピン２４が排気カムシャフト５の軸心Ｏを通る円周Ｃ上に位置するように突設されている。吸気カムシャフト７の一端には軸端部材２５が固定され、軸端部材２５の偏心位置にピン２６が突設されている。リンク８は、排気カムシャフト５側のピン２４に連結される入力端８ａと、吸気カムシャフト７側のピン２６に連結される出力端８ｂとを備え、排気カムシャフト５の回転運動を吸気カムシャフト７の揺動運動に変換するようになっている。

キャビティ２２にはアクチュエータとしてのピストン２８が可変部材２３と並べて収められ、可変部材２３とピストン２８とにより可変装置２９が構成されている。キャビティ２２は排気カムシャフト５上の油路を介して油圧コントローラ（図示略）に接続され、油圧コントローラによってピストン２８のストロークがエンジン２の運転状態に応じて制御される。可変部材２３及びピストン２８にはそれぞれ傾斜スプライン２３ａ，２８ａが形成され、スプライン２３ａ，２８ａの係合によって可変部材２３がピストン２８のストロークに応じた角度で回動される。そして、可変部材２３がピン２４を介してリンク８の入力端８ａの位置を調整して、排気カムシャフト５の半回転あたりのリンク８のストロークを変更するようになっている。

次に、可変動弁機構１の作用を図３〜図６に従って説明する。図３は排気カム１０が気筒３の排気バルブ１３を全開しているときの状態を示す。このとき、可変装置２９の可変部材２３はピン２４を排気カムシャフト５の軸心Ｏと一致する位置に配置している。このため、排気カムシャフト５が回転しても、リンク８は動かず、吸気カムシャフト７、ロッカアーム１６が共に静止し、吸気バルブ１７が閉鎖位置に保持される。

図４はエンジン２の低速回転時に吸気バルブ１７を小さなリフト量で開閉するときの状態を示す。このときは、可変装置２９が可変部材２３を小さな角度で回動し、ピン２４を排気カムシャフト５の軸心Ｏから僅かに離れた位置に配置している。この状態で、図４（ａ）に示すように、排気カムシャフト５が半回転すると、リンク８が小さなストロークで吸気カムシャフト７側へ往動する。そして、吸気カムシャフト７が時計回り方向へ僅かに揺動し、片側の吸気カム１５がロッカアーム１６を介して吸気バルブ１７を小さなリフト量で開放する。

図４（ｂ）に示すように、排気カムシャフト５が続けて半回転すると、リンク８が往動時と同じストロークで排気カムシャフト５側へ復動する。そして、吸気カムシャフト７が反時計回り方向へ僅かに揺動し、反対側の吸気カム１５がロッカアーム１６を介して吸気バルブ１７を小さなリフト量で開放する。従って、図６の曲線（イ）に示すように、吸気バルブ１７のリフト量と作用角が共に縮小し、開放タイミングが遅く閉鎖タイミングが早く制御される。なお、図６の曲線（ホ）は排気バルブ１３のリフト量と作用角を示す。

図５はエンジン２の高速回転時に吸気バルブ１７を大きなリフト量で開閉するときの状態を示す。ここでは、可変装置２９が可変部材２３を大きな角度で回動し、ピン２４を排気カムシャフト５の軸心Ｏから遠く離れた位置に配置している。この状態で、図５（ａ）に示すように、排気カムシャフト５が半回転すると、リンク８が大きなストロークで往動する。そして、吸気カムシャフト７が時計回り方向へ大きな角度で揺動し、片側の吸気カム１５がロッカアーム１６を介して吸気バルブ１７を大きなリフト量で開放する。

図５（ｂ）に示すように、排気カムシャフト５が続けて半回転すると、リンク８が往動時と同じストロークで復動する。そして、吸気カムシャフト７が反時計回り方向へ大きな角度で揺動し、反対側の吸気カム１５がロッカアーム１６を介して吸気バルブ１７を大きなリフト量で開放する。このため、図６の曲線（ロ）に示すように、吸気バルブ１７のリフト量と作用角が共に拡大し、開放タイミングが早く閉鎖タイミングが遅く制御される。従って、可変装置２９によりリンク８のストロークを変更することで、図６の曲線（ハ），（ニ）に示すように、吸気バルブ１７の特性を任意の中間値に的確に制御することができる。

図７、図８は本発明の実施例２を示す。この可変動弁機構３１は、吸気カムシャフト７上に休止カムを備え、直列３，４気筒又はＶ型６，８気筒の自動車用ガソリンエンジンにおいて、二つのグループの気筒を交互に駆動できるように構成されている。なお、排気カムシャフト５の構成、吸気カムシャフト７を揺動するための構成、吸気カムシャフト７の揺動角度を変更するための構成は、それぞれ実施例１と同じである。

図７に示す気筒配列例では、吸気カムシャフト７上に＃１気筒と＃３気筒の吸気バルブ１７を開閉する吸気カム１５と、＃２気筒と＃４気筒の吸気バルブ１７を開閉する吸気カム１５とが吸気カムシャフト７の軸心に関して左右対称状に配列されている。なお、吸気バルブ１７は各気筒にそれぞれ二本ずつ設けられ、ロッカアーム１６が二本の吸気バルブ１７を同時に開閉できるようにＴ字形に形成されている。

また、吸気カムシャフト７上には気筒と同数の真円形の休止カム３２ａ〜３２ｄが固定されている。＃１気筒と＃２気筒を休止させるための休止カム３２ａ，３２ｂは、吸気カムシャフト７の軸線方向片側において吸気カム１５に並設されている。＃３気筒と＃４気筒を休止させるための休止カム３２ｃ，３２ｄは、吸気カムシャフト７の軸線方向反対側において吸気カム１５に並設されている。そして、吸気カムシャフト７の軸端部材２５に、吸気カムシャフト７を軸線方向へ往復駆動する油圧又は電動のアクチュエータ３３が内蔵されている。

アクチュエータ３３は、エンジン２のコントローラによって可変部材２３の一回転（排気カムシャフト７の一回転）につき一ストロークを実行するように制御され、吸気カム１５と休止カム３２ａ〜３２ｄとをロッカアーム１６に交互に位置決めする。従って、図７（ａ）に示すように、吸気カムシャフト７が矢印Ｆ方向へ駆動されたときには、＃３気筒と＃４気筒が休止状態に保持され、＃１気筒と＃２気筒の吸気バルブ１７が開閉される。また、図７（ｂ）に示すように、吸気カムシャフト７が矢印Ｒ方向へ駆動されたときには、＃１気筒と＃２気筒が休止状態に保持され、＃３気筒と＃４気筒の吸気バルブ１７が開閉される。

本発明は前記実施例に限定されるものではなく、例えば以下のように、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。
（１）図２の可変装置２９において、可変部材２３及びピストン２８を吸気カムシャフト７の軸端部材２５に内蔵すること。
（２）吸気カムシャフトを駆動軸として用い、吸気カムシャフトによりリンクを介して排気カムシャフトを揺動し、排気カムの揺動角度を可変装置によりエンジンの運転状態に応じて変更すること。

本発明の実施例１を示す可変動弁機構の全体図である。 実施例１の可変動弁機構において排気カムシャフト及び吸気カムシャフトの構成を示す斜視図である。 実施例１の可変動弁機構において排気バルブを開閉するときの作用を示す機構図である。 実施例１の可変動弁機構において吸気バルブを小さなリフト量で開閉するときの作用を示す機構図である。 実施例１の可変動弁機構において吸気バルブを大きなリフト量で開閉するときの作用を示す機構図である。 バルブリフト量と作用角の関係を示す特性図である。 本発明の実施例２を示す可変動弁機構の平面図である。 実施例２の可変動弁機構において排気カムシャフト及び吸気カムシャフトの構成を示す斜視図である。 従来の可変動弁機構を示す断面図である。

符号の説明

１ 可変動弁機構（実施例１）
２ エンジン
３ 気筒
４ クランク軸
５ 排気カムシャフト
７ 吸気カムシャフト
８ リンク
１０ 排気カム
１３ 排気バルブ
１５ 吸気カム
１７ 吸気バルブ
２３ 可変部材
２８ ピストン
２９ 可変装置
３１ 可変動弁機構（実施例２）
３２ 休止カム
３３ アクチュエータ

Claims (5)

1. 複数の気筒が配列された内燃機関において、各気筒に設けられた吸気バルブ又は排気バルブのどちらか一方のバルブを開閉するカムを備えたカムシャフトと、カムシャフトを、該シャフトの軸線周りで揺動させる駆動手段と、カムシャフトの揺動量である揺動角度を内燃機関の運転状態に応じて変更する可変手段とからなり、
   前記カムシャフト上に複数のカムを該シャフトの軸心に関して揺動方向両端側の両側にそれぞれ同等の揺動角度となるよう均等に設け、
   前記駆動手段が、内燃機関のクランク軸によって回転される駆動軸と、駆動軸の回転運動をカムシャフトの揺動運動に変換する運動変換部材とを含み、
   前記駆動軸が駆動カムシャフトを含み、駆動カムシャフト上に吸気バルブ又は排気バルブのどちらか他方のバルブを開閉するカムを設けたことを特徴とする可変動弁機構。
2. 前記運動変換部材がリンクを含み、リンクの一端を駆動軸に連結し、リンクの他端をカムシャフトに連結した請求項１記載の可変動弁機構。
3. 前記可変手段が、駆動軸の半回転あたりのリンクの変位量を変更する可変部材と、可変部材を駆動するアクチュエータとを含む請求項２記載の可変動弁機構。
4. 前記可変部材及びアクチュエータをカムシャフト又は駆動軸のどちらか一方の軸端に設けた請求項３記載の可変動弁機構。
5. 前記カムシャフト上に設けられたカムは、前記複数の気筒を二つのグループに分けた一方のグループの気筒に割り当てられた第一カムと他方のグループの気筒に割り当てられた第二カムとであり、
   前記第一カムに並設された第一休止カムと前記第二カムに並設された第二休止カムとを備えた前記カムシャフトを軸線方向へ往復駆動するアクチュエータが設けられた請求項１〜４のいずれか一項に記載の可変動弁機構。

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