JP4715762B2 - エンジンの可変動弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの可変動弁装置に関し、特に、揺動カムをなす第１及び第２分割体を分離する方向に作用する応力を軽減するための技術に関する。

従来より、エンジンの吸排気バルブの開閉時期やバルブリフト量をエンジンの運転状態に応じて変化させることは一般に知られている。そのような可変動弁装置の一例として、特許文献１には、カムシャフトに設けた偏心輪に外輪を嵌める一方、該カムシャフトに吸気バルブをリフトさせる揺動カムを揺動自在に支持し、偏心輪の回転に伴う外輪の変位を揺動カムにリンク手段で伝えるようにし、このリンク手段を、外輪に連結した規制リンクと、揺動カムに連結したリンクとによって構成し、規制リンクの揺動支点と揺動カムの軸心との距離をエンジンの運転状態に応じて変化させるようにしたものが開示されている。

この可変動弁装置によれば、エンジン高回転高負荷時には規制リンクの揺動支点を揺動カム軸心に近づけることにより、バルブ開弁開始時期を早めてバルブリフト量を大きくし、エンジン低回転低負荷時には前記揺動支点を離すことにより、バルブの開弁開始時期を遅らせてバルブリフト量を小さくすることができる。
特開２００４−３０１０５８号公報

ところで、内燃機関における動弁駆動時期の制御に用いられる揺動カムは、カムプロフィール面の摩耗が激しくなった場合には、バルブ開閉性能を維持するために適宜交換する必要がある。

しかし、多気筒型のエンジンにおいては、エンジンの気筒数に合わせて複数の揺動カムが設けられているので、例えば、中央部の揺動カムを交換するに際して、その揺動カムをカムシャフトから取り外す前に、軸端側に向かって隣接する全ての揺動カムを取り外す分解作業が必要となり作業性が悪かった。また、多気筒型のエンジンでは、組み付け性を考慮した場合、各気筒間の位置精度を確保するために、偏心輪をカムシャフトと一体に形成することが好ましい。

そこで、摩耗した揺動カムを交換する場合や、カムシャフトに一体に形成した偏心輪間に揺動カムを取り付ける場合には、揺動カムを、カムプロフィール面を有する第１分割体とカムプロフィール面を有さない第２分割体とに分割して締結ボルトで締結することが考えられる。

しかしながら、揺動カムには、バルブを開閉駆動するタペットやロッカーアームのカムフォロア等がカムプロフィール面に当接しており、カムプロフィール面のベースサークル領域からカムノーズ領域へと移行する際の立ち上がり初期に大きな加速度が生じる。ここで、第１又は第２分割体のうち一方にのみ連結ピンを介してリンク機構が連結されている場合には、エンジンを高回転させたときに第１及び第２分割体の間に大きな応力が働くこととなり、分割面が開いたり滑ったりする等の不具合が生じるおそれがある。

このような問題を解決するために、第１及び第２分割体間における互いの締結力を高めたり、全体を肉厚に構成したりすることも考えられるが、揺動カム全体のサイズや重量が大きくなってしまう。ここで、揺動カムは、往復揺動運動を繰り返すものであるから、その重量はできる限り軽量化することが好ましい。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、揺動カムの剛性を不必要に高めることなく、揺動カムの往復揺動時に第１及び第２分割体に対して曲げ応力を伴って作用する分離力を軽減することにある。

上述した目的を達成するため、本発明は、揺動カムを２つに分割してなる第１及び第２分割体に跨って、リンク機構を連結する連結ピンを両端支持するようにしたことを特徴とする。

具体的に、本発明は、エンジンのクランク軸と平行に配置された駆動軸と、前記駆動軸に揺動可能に軸支されバルブを開閉させる揺動カムと、前記駆動軸と平行に延びるように前記揺動カムに取り付けられた連結ピンに連結され、エンジンの運転状態に応じて該揺動カムの揺動範囲を制御してバルブリフト特性を変更するリンク機構とを備えたエンジンの可変動弁装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、請求項１の発明は、前記揺動カムは、前記駆動軸の軸線を通る平面で分割された、カムプロフィール面を有する第１分割体とカムプロフィール面を有さない第２分割体とが、締結ボルトにより互いに締結されて一体に構成され、
前記第１分割体には、前記連結ピンの一端部を支持する第１ピン支持部が形成され、
前記第２分割体には、前記第１ピン支持部に対向して前記連結ピンの他端部を支持する第２ピン支持部が形成され、
前記連結ピンは、前記第１及び第２ピン支持部に跨ってその両端部が支持されていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１分割体の軸方向の一端側には、前記第２分割体の前記第２ピン支持部よりも軸方向外方に延び且つその先端部に該第２ピン支持部と対向する前記第１ピン支持部を有する延長部が形成され、
前記リンク機構は、前記連結ピンを介して前記揺動カムの軸方向の一端側寄りに配置されていることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１又は２の発明において、前記連結ピンは、ネジ部を有する基端側軸部と、該基端側軸部よりも小径に形成された先端側軸部とで構成され、
前記第１及び第２ピン支持部のうち一方には前記連結ピンの先端側軸部と嵌合する嵌合孔が形成され、他方には前記基端側軸部のネジ部と螺合するネジ孔が形成され、
前記連結ピンが前記第１及び第２ピン支持部のうち前記ネジ孔が形成された側から組み付けられ、前記先端側軸部が前記嵌合孔に嵌合される一方、前記基端側軸部のネジ部が前記ネジ孔に螺合されることで、該連結ピンが該第１及び第２ピン支持部に跨って支持されていることを特徴とするものである。

以上説明したように、本発明によれば、揺動カムの揺動範囲を制御するためのリンク機構を連結するための連結ピンを、第１及び第２分割体に跨って両端支持するようにしたから、バルブの開閉動作に伴って揺動カムをなす第１及び第２分割体を分離する方向に作用する応力を大幅に軽減することができる。すなわち、第１及び第２分割体の間で応力を分散させることで、一方の分割体にのみ応力が集中することを緩和している。また、このような応力を軽減するための対策として揺動カムを肉厚にする等の剛性補強を不必要に高めることがないため、揺動カムの全体構造を大幅に変更することなく、一層のコンパクト化が図れる。

また、第１及び第２分割体に跨って連結ピンを両端支持する際に、連結ピンの圧入ではなくネジ部に螺合して支持するようにしたから、第１及び第２ピン支持部間において変形等が生じることを防止する上で有利となる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

−全体構成−
図１は、本発明の実施形態に係る可変動弁装置をエンジンの吸気バルブに適用した全体構成を示す斜視図であり、図２は可変動弁装置を下方から見たときの全体構成を示すＡ矢視図である。

図１及び図２に示すように、このエンジンは１つの気筒に２つの吸気バルブ１（図３参照）と２つの排気バルブ（図示省略）とを有する４バルブのダブルオーバヘッドカム方式を採用したものである。

図１及び図２において、３はエンジンのクランク軸に同期して回転するカムシャフト（駆動軸）である。吸気バルブ１はカムシャフト３に揺動自在に支持された揺動カム４０によって駆動され、バルブリフト量及びバルブタイミングがエンジンの運転状態に応じて変更される。

吸気バルブ１のリフト量及びタイミングの変更のために、複数の偏心輪６が軸方向に間隔をあけてカムシャフト３に一体に形成され、各偏心輪６に外輪７が回転自在に外嵌めされている。この外輪７と前記揺動カム４０とが１本の連結リンク８（リンク機構）によって連結されている。揺動カム４０は揺動自在にカムシャフト３に軸支されている。なお、図示しないが、揺動カム４０の円筒部４８を軸受部材によってエンジンのシリンダヘッドやカムキャリア等に軸支するようにすれば、揺動カム４０をスムーズに揺動させつつ支持安定化が図れるため好ましい。

また、前記カムシャフト３と平行に回動軸１１が設けられており、この回動軸１１に複数のコントロールアーム１２が軸方向に間隔をあけて配置されている。

前記回動軸１１には、一端が回動軸１１に形成されたネジ孔に締結され他端がコントロールアーム１２の嵌挿孔１２ａを貫通して回動軸１１の径方向外方に延びるスタッドボルト１７が取り付けられている。このスタッドボルト１７は、コントロールアーム１２の一端側（図１では右端側）に配置されている。

前記コントロールアーム１２の嵌挿孔１２ａは周方向に長軸を有する長孔形状に形成され、スタッドボルト１７と嵌挿孔１２ａとの隙間にはスペーサ１８，１８が嵌め込まれている。このスペーサ１８は、回動軸１１とコントロールアーム１２とを組み立てる際に、回動軸１１に対するコントロールアーム１２の相対角度を調整した後で当該隙間に適合する大きさのものが選択されて嵌め込まれる。スペーサ１８の上端部はコントロールアーム１２の外周面よりも上方に突出している。

前記コントロールアーム１２の嵌挿孔１２ａにスペーサ１８が嵌め込まれた状態で、コントロールアーム１２の外周面の曲率半径と略同じ曲率半径の内周面を有する座金１６がコントロールアーム１２にかぶせられる。ここで、座金１６の内周面には、コントロールアーム１２の嵌挿孔１２ａに対応する位置に周方向に長軸を有する長孔形状に形成された嵌合溝１６ａが形成されており、スペーサ１８の上端部が嵌合溝１６ａに嵌合され、座金１６の貫通孔１６ｂから突出したスタッドボルト１７の他端が締結ナット１９により締結されている。なお、図１においてコントロールアーム１２から取り外した状態の座金１６は、説明のために裏返した状態で記載している。また、座金１６は、締結ナット１９から軸方向に間隔をあけて配置された締結ボルト１４によっても締結されている。この締結ボルト１４の先端部は、コントロールアーム１２を貫通して回動軸１１に締結されている。これにより、コントロールアーム１２が回動軸１１に締結される。

また、コントロールアーム１２の他端側（図１では左端側）には、コントロールアーム１２の外周面の曲率半径と略同じ曲率半径の内周面を有する座金１５が締結ボルト１４により取り付けられている。この締結ボルト１４の先端部は、コントロールアーム１２を貫通して回動軸１１に締結されている。これにより、コントロールアーム１２が回動軸１１に締結される。

各コントロールアーム１２と前記外輪７とは、前記偏心輪６の回転に伴う外輪７の変位を前記揺動カム４０が揺動するように規制する規制リンク１３によって連結されている。

前記回動軸１１は、エンジンの運転状態に応じて図示しないモータを作動させて前記コントロールアーム１２を回動させ、前記規制リンク１３の位置を変えて吸気バルブ１のリフト量及びタイミングを変更させるようになっている。この場合、コントロールアーム１２は、エンジン負荷が高くなるほどバルブリフト量が大きくなるように制御される。以下、可変動弁装置のバルブリフト特性の変更について具体的に説明する。

−可変動弁装置のバルブリフト特性の変更−
図３に示すように、吸気バルブ１のステム上端に直動式のタペット２１が設けられ、該タペット２１に揺動カム４０が当接している。吸気バルブ１は、タペット２１内部に設けられたリテーナ２２とシリンダヘッドに設けられたリテーナ２３との間に設けられたバルブスプリング２４によって吸気ポート２５を閉じる方向に付勢されている。

前記連結リンク８は一端が揺動カム４０に連結ピン３１にて回動自在に連結され、規制リンク１３は一端がコントロールアーム１２の先端に連結ピン３２にて回動自在に連結されている。そうして、この連結リンク８と規制リンク１３とは、外輪７を中間において連係している。すなわち、連結リンク８及び規制リンク１３の各々の他端は外輪７を一部を外方へ突出させてなる突出部に連結ピン３３によって同軸で回動自在に連結されている。連結ピン３１〜３３はいずれもカムシャフト３と平行に延びている。

なお、カムシャフト３（偏心輪６）の回転方向は図３における時計方向（右回り）に設定されている。

前記外輪７と連結リンク８とに連結される連結ピン３３はカムシャフト３の上方に配置され、連結点の側方にコントロールアーム１２の回動軸１１が配置されている。コントロールアーム１２の先端の連結ピン３２は規制リンク１３の回動中心である。図３に示すようにコントロールアーム１２の回動によって連結ピン３２を上方へ移動させてカムシャフト３の上方に位置付けると、小リフト制御状態となる。

図３及び図４に示すように、外輪７の位置は偏心輪６の回転に伴って変化し、揺動カム４０が、図３に示すように吸気バルブ１のリフト量零の状態と、図４に示すように直動式のタペット２１を介して吸気バルブ１を大きくリフトさせた状態（揺動カム４０が直動式のタペット２１を介して吸気バルブ１を大きくリフトさせた状態）との間で揺動する。

図５は、大リフト制御状態を示す断面図である。図５に示すように、コントロールアーム１２の回動によって連結ピン３２を下方へ移動させてカムシャフト３に近接させると、大リフト制御状態となる。

図５において、偏心輪６が回転すると、それに伴って外輪７が変位するが、その変位は規制リンク１３によって規制される。すなわち、規制リンク１３は回動軸１１の下方に配置された連結ピン３２を中心に回動するから、外輪７の連結ピン３３は、偏心輪６が１回転する度に、連結ピン３２を中心として往復円弧運動をすることになる。

この往復円弧運動に伴って、外輪７に連結リンク８で連結された揺動カム４０は、図５に示すように吸気バルブ１のリフト量零の状態と、図６に示すように直動式のタペット２１を介して吸気バルブ１を大きくリフトさせた状態（揺動カム４０が直動式のタペット２１を介して吸気バルブ１を大きくリフトさせた状態）との間で揺動する。

図５に示す状態では、揺動カム４０はその基円面がタペット２１に接しており、バルブリフト量は零（吸気バルブ１は閉）となる。図６に示す状態では、揺動カム４０はそのカム面のカムノーズ側の端がタペット２１に接しており、バルブリフトピーク（吸気バルブ１は開）となる。

このように、前記連結リンク８と規制リンク１３とが外輪７を中間において連係しているから、コントロールアーム１２によって規制リンク１３の位置を大きく変更させて揺動カム４０によるバルブリフト量を大きく変化させることができ、このバルブリフト量の制御のみでエンジンの運転状態に応じた最適な吸気量を得ることができるため、スロットルレスとしてポンピングロスを低減することができるとともに、大リフト制御時の吸気充填効率を向上させることができる。

−揺動カムの構成−
図７は揺動カムの構成を示す斜視図、図８は揺動カムを図７とは反対方向から見たときの構成を示す斜視図である。図７及び図８に示すように、揺動カム４０は、１つの気筒に対して２つ設けられた吸気バルブ１，１（図３参照）をそれぞれ開閉するための一対のカム部４７，４７と、両カム部４７，４７同士を連結する円筒部４８とを有し、カムシャフト３の軸線を通る平面で、カムプロフィール面を有する第１分割体４１と、カムプロフィール面を有さない第２分割体４５とに分割されている。第１及び第２分割体４１，４５は、締結ボルト４４により互いに締結されて一体に構成されている。揺動カム４０をなす両カム部４７，４７及び円筒部４８には、カムシャフト３を挿通するための貫通孔４９が軸方向に貫通して形成されている。

前記揺動カム４０のカム部４７，４７のカムプロフィール面には、曲率半径が所定角度範囲だけ一定になっている基円面（ベースサークル領域）と、ベースサークル領域に続いて曲率半径が漸次大きくなっているカム面（カムノーズ領域）とが形成されている（図１２参照）。

前記第１分割体４１の軸方向の一端側には、第２分割体４５よりも軸方向外方に延び且つその先端部に、前記連結リンク８に連結する連結ピン３１の一端部を支持する第１ピン支持部４２を有する延長部４３が形成されている。

前記第２分割体４５には、前記第１ピン支持部４２に対向して前記連結ピン３１の他端部を支持する第２ピン支持部４６が形成されている。

図９は連結ピンの揺動カムへの取り付けを説明する平面図である。図９に示すように、前記連結ピン３１は、ヘッド部３１ａと、ヘッド部３１ａよりも小径でネジ部を有する基端側軸部３１ｂと、該基端側軸部３１ｂよりも小径で連結リンク８の回動中心となる連結軸部３１ｃと、連結軸部３１ｃよりも小径に形成された先端側軸部３１ｄとで構成されている。

前記第１ピン支持部４２には、連結ピン３１の基端側軸部３１ｂのネジ部と螺合するネジ孔４２ａと、ヘッド部３１ａと嵌合する嵌合孔４２ｂとが、揺動カム４０の貫通孔４９の軸方向と平行に形成されている。嵌合孔４２ｂはネジ孔４２ａよりも大径で連結ピン３１の挿通方向手前側（図９では左側）に形成されている。

前記第２ピン支持部４６には、第１ピン支持部４２のネジ孔４２ａと同軸で且つ連結ピン３１の先端側軸部３１ｄと嵌合する嵌合孔４６ａと、嵌合孔４６ａよりも孔径が小さい逃げ孔４６ｂとが形成されている。

そして、連結ピン３１は、第１ピン支持部４２の嵌合孔４２ｂ及びネジ孔４２ａを挿通して、先端側軸部３１ｄが嵌合孔４６ａに嵌合される。そして、基端側軸部３１ｂのネジ部がネジ孔４２ａに螺合されることで、連結ピン３１が第１及び第２ピン支持部４２，４６に跨って、その両端部が支持される。

このように、連結ピン３１が揺動カム４０の軸方向の一端側寄りに配置されるため、連結ピン３１を介して揺動カム４０に連結される連結リンク８は、同様に揺動カム４０の一端側寄り（図１では左側寄り）に配置される。

図１０は第１分割体の分割面の構成を示す斜視図、図１１は第２分割体の分割面の構成を示す斜視図である。また、図１２は揺動カムを軸方向から見たときの構成を示す側面図である。

図１０〜図１２に示すように、前記第１及び第２分割体４１，４５の分割面における径方向内側と外側との間には段差が設けられており、分割面における径方向内側は、カムシャフト３の軸線を通る分割基準面５５をなしている。そして、第１分割体４１の分割面の径方向外側には、一対のカム部４７，４７及び円筒部４８の軸方向の全体に亘って分割基準面５５よりも突出した嵌合凸部５６が形成されている。また、第２分割体４５の分割面の径方向外側には、嵌合凸部５６に対応して分割基準面５５よりも窪んだ嵌合凹部５７が形成されている。

図１２及び図１３に示すように、第１及び第２分割体４１，４５は、締結ボルト４４により互いに一体に締結されている。具体的に、第１分割体４１には締結ボルト４４の軸部を挿通する挿通孔５１が形成され、第２分割体４５には挿通孔５１と同軸で且つ締結ボルト４４の先端ネジ部と螺合するネジ孔５２が形成されている。

前記第２分割体４５のネジ孔５２は、その軸線が揺動カム４０のカム部４７，４７と軸方向にオーバーラップする位置で且つ貫通孔４９を挟んで対向する位置（合計４箇所）に形成されている。このネジ孔５２のうち、曲率半径が漸次大きくなっているカム面（カムノーズ領域）側に形成されたネジ孔５２の下孔５３は、カムノーズ領域に貫通しないように有底孔で形成されている。一方、カムノーズ領域に続いて曲率半径が所定角度範囲だけ一定になっている基円面（ベースサークル領域）側に形成されたネジ孔５２の下孔５４は、ベースサークル領域に貫通しないように、ネジ孔５２の軸線と直交する方向で且つカムプロフィール面の領域外に開口している。下孔５４の開口部は、図１３に示すように軸方向に長軸を有する長孔形状に形成されている。

以上説明したように、本実施形態に係るエンジンの可変動弁装置によれば、揺動カム４０の揺動範囲を制御するための連結リンク８を連結するための連結ピン３１を、第１及び第２分割体４１，４５にそれぞれ形成された第１及び第２ピン支持部４２，４６に跨って両端支持するようにしたから、吸気バルブ１の開閉動作に伴って揺動カム４０をなす第１及び第２分割体４１，４５を分離する方向に作用する応力を大幅に軽減することができる。また、このような応力を軽減するための対策として揺動カム４０を肉厚にする等の剛性補強を不必要に高めることがないため、揺動カム４０の全体構造を大幅に変更することなく、一層のコンパクト化が図れる。

なお、本実施形態では吸気バルブの可変動弁装置について説明したが、本発明は、排気バルブの可変動弁装置として採用することもでき、また、動弁形態としては、タペット型式に限らず、ロッカーアーム型式にも採用することができる。

以上説明したように、本発明は、揺動カムの剛性を不必要に高めることなく、揺動カムの往復揺動時に第１及び第２分割体に対して曲げ応力を伴って作用する分離力を軽減することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

本発明の実施形態に係る可変動弁装置を示す斜視図である。 可変動弁装置の全体構成を示すＡ矢視図である。 小リフト制御時におけるバルブリフト量零時の状態を示す断面図である。 小リフト制御時におけるバルブリフトピーク時の状態を示す断面図である。 大リフト制御時におけるバルブリフト量零時の状態を示す断面図である。 大リフト制御時におけるバルブリフトピーク時の状態を示す断面図である。 揺動カムの構成を示す斜視図である。 揺動カムを別の角度から見たときの構成を示す斜視図である。 連結ピンの揺動カムへの取り付けを説明する平面図である。 第１分割体の構成を示す斜視図である。 第２分割体の構成を示す斜視図である。 揺動カムを軸方向から見たときの構成を示す側面図である。 揺動カムの構成を示す正面図である。

符号の説明

１ 吸気バルブ
３ カムシャフト（駆動軸）
８ 連結リンク（リンク機構）
３１ 連結ピン
３１ｂ 基端側軸部
３１ｄ 先端側軸部
４０ 揺動カム
４１ 第１分割体
４２ 第１ピン支持部
４２ａ ネジ孔
４３ 延長部
４４ 締結ボルト
４５ 第２分割体
４６ 第２ピン支持部
４６ａ 嵌合孔
５５ 分割基準面

Claims (3)

1. エンジンのクランク軸と平行に配置された駆動軸と、
   前記駆動軸に揺動可能に軸支されバルブを開閉させる揺動カムと、
   前記駆動軸と平行に延びるように前記揺動カムに取り付けられた連結ピンに連結され、エンジンの運転状態に応じて該揺動カムの揺動範囲を制御してバルブリフト特性を変更するリンク機構とを備えたエンジンの可変動弁装置であって、
   前記揺動カムは、前記駆動軸の軸線を通る平面で分割された、カムプロフィール面を有する第１分割体とカムプロフィール面を有さない第２分割体とが、締結ボルトにより互いに締結されて一体に構成され、
   前記第１分割体には、前記連結ピンの一端部を支持する第１ピン支持部が形成され、
   前記第２分割体には、前記第１ピン支持部に対向して前記連結ピンの他端部を支持する第２ピン支持部が形成され、
   前記連結ピンは、前記第１及び第２ピン支持部に跨ってその両端部が支持されていることを特徴とするエンジンの可変動弁装置。
2. 請求項１において、
   前記第１分割体の軸方向の一端側には、前記第２分割体の前記第２ピン支持部よりも軸方向外方に延び且つその先端部に該第２ピン支持部と対向する前記第１ピン支持部を有する延長部が形成され、
   前記リンク機構は、前記連結ピンを介して前記揺動カムの軸方向の一端側寄りに配置されていることを特徴とするエンジンの可変動弁装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記連結ピンは、ネジ部を有する基端側軸部と、該基端側軸部よりも小径に形成された先端側軸部とで構成され、
   前記第１及び第２ピン支持部のうち一方には前記連結ピンの先端側軸部と嵌合する嵌合孔が形成され、他方には前記基端側軸部のネジ部と螺合するネジ孔が形成され、
   前記連結ピンが前記第１及び第２ピン支持部のうち前記ネジ孔が形成された側から組み付けられ、前記先端側軸部が前記嵌合孔に嵌合される一方、前記基端側軸部のネジ部が前記ネジ孔に螺合されることで、該連結ピンが該第１及び第２ピン支持部に跨って支持されていることを特徴とするエンジンの可変動弁装置。

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