(57)【要約】内燃機関用のカムシャフトは弁を作動させるためのカム・ローブを含む。このカム・ローブは弁装置をカム・ローブとの接触を離れて弁の最大揚程に揚げるよう作用する開口傾斜部プロファイルを有し、弁装置は、弁が対応する弁座に接触した後の弁のバウンドを最小にするために弁の閉鎖エネルギを十分に消散させることができるように、最小カム・ローブ閉口傾斜部高さより十分に前に、カム・ローブの閉口傾斜部と接触するように戻る。
2006518022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁を作動させるためのカム・ローブであって、前記カム・ローブは弁装置をカム・ローブとの接触を離れて弁の最大揚程に揚げるよう作用する開口傾斜部プロファイルを有し、前記弁装置は、前記弁が対応する弁座に接触した後の弁のバウンドを最小にするために前記弁の閉鎖エネルギを十分に消散させることができるように、最小カム・ローブ閉口傾斜部高さより十分に前に前記カム・ローブの閉口傾斜部と接触するように戻るカム・ローブを備える、高速ばね付勢カムシャフト・システム用のカムシャフト。
【請求項２】
前記カム・ローブが、前記カム・ローブの全事象の中央から前記カム・ローブの前記開口傾斜部に向かって少なくとも約３°カムシャフト前進する最大揚程を有するように、前記弁を作動させるプロファイルを備えている、請求項１に記載のカムシャフト。
【請求項３】
前記弁の最大揚程が、３°〜１２°カムシャフトだけ前進させられている、請求項２に記載のカムシャフト。
【請求項４】
前記弁の最大揚程が、６°〜１２°カムシャフトだけ前進させられている、請求項３に記載のカムシャフト。
【請求項５】
前記カム・ローブが、前記プロファイルの負の速度期間より少なくとも約６°カムシャフト短い正の速度期間を有するプロファイルを備えている、請求項１から４のいずれか一項に記載のカムシャフト。
【請求項６】
前記カム・ローブプロファイルが、前記負の速度期間より６°〜２４°カムシャフト短い正の速度期間を備えている、請求項５に記載のカムシャフト。
【請求項７】
前記カム・ローブプロファイルが、前記負の速度期間より１２°〜１８°カムシャフト短い正の速度期間を備えている、請求項６に記載のカムシャフト。
【請求項８】
前記カム・ローブプロファイルの前記正の速度の絶対値が、前記カム・ローブプロファイルの前記負の速度の絶対値より１０％を超えて大きい、請求項１から７のいずれか一項に記載のカムシャフト。
【請求項９】
前記カム・ローブプロファイルの前記正の速度の絶対値が、前記カム・ローブプロファイルの前記負の速度の絶対値より１０％〜４０％だけ大きい、請求項８に記載のカムシャフト。
【請求項１０】
前記カム・ローブプロファイルの前記正の速度の絶対値が、前記カム・ローブプロファイルの前記負の速度の絶対値より２０％〜４０％だけ大きい、請求項９に記載のカムシャフト。
【請求項１１】
前記カム・ローブが、前記最大弁揚程より前に最小の加速度を有するように前記弁を作動させるプロファイルを備えている、請求項１から１１のいずれか一項に記載のカムシャフト。
【請求項１２】
前記カム・ローブが、前記最大弁揚程より少なくとも３°カムシャフト前に最小の加速度を有するように前記弁を作動させるプロファイルを備えている、請求項１１に記載のカムシャフト。
【請求項１３】
前記最小加速度が、前記最大弁揚程より３°〜２１°カムシャフト前にある、請求項１２に記載のカムシャフト。
【請求項１４】
前記最小加速度が、前記最大弁揚程より９°〜２１°カムシャフト前にある、請求項１３に記載のカムシャフト。
【請求項１５】
前記カム・ローブが、最高正閉口傾斜部加速度より約５％を超えて大きい最高正開口傾斜部加速度を有するプロファイルを備えている、請求項１から１４のいずれか一項に記載のカムシャフト。
【請求項１６】
前記最高正開口傾斜部加速度が、前記最高正閉口傾斜部加速度より５％〜４０％だけ大きい、請求項１５に記載のカムシャフト。
【請求項１７】
前記最高正開口傾斜部加速度が、前記最高正閉口傾斜部加速度より１０％〜２０％だけ大きい、請求項１６に記載のカムシャフト。
【請求項１８】
前記カム・ローブが、前記最高負閉口傾斜部加速度より約５％を超えて少ない前記最高負開口傾斜部加速度を有するプロファイルを備えている、請求項１から１７のいずれか一項に記載のカムシャフト。
【請求項１９】
前記最高負開口傾斜部加速度が、前記最高負閉口傾斜部加速度より５％〜４０％だけ小さい、請求項１８に記載のカムシャフト。
【請求項２０】
前記最高負開口傾斜部加速度が、前記最高負閉口傾斜部加速度より１０％〜２０％だけ小さい、請求項１９に記載のカムシャフト。
【請求項２１】
前記カム・ローブが、前記弁装置を前記カム・ローブから離れて上昇させ、前記弁装置が最小カム・ローブ高さの少なくとも１０％上の前記カム・ローブの前記閉口傾斜部に戻り接触するプロファイルを備えている、請求項１から２０のいずれか一項に記載のカムシャフト。
【請求項２２】
前記弁装置が、最小カム・ローブ高さの１０％〜４０％上の前記カム・ローブの前記閉口傾斜部に戻り接触する、請求項２１に記載のカムシャフト。
【請求項２３】
前記弁装置が、最小カム・ローブ高さの１０％〜２０％上の前記カム・ローブの前記閉口傾斜部に戻り接触する、請求項２２に記載のカムシャフト。
【請求項２４】
内燃機関に使用するための、請求項１から２３のいずれか一項に記載のカムシャフト。
【請求項２５】
請求項１から２４のいずれか一項に記載のカムシャフトを組み込んだ機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２００３年２月１４日出願の米国特許仮出願第６０／４４７３２５号明細書の優先権を主張し、その内容は本明細書に参照によって援用される。
【０００２】
本発明は、内燃機関の動弁機構及び同様な機構に関し、より詳しくは、そのような動弁機構に使用するカム・ローブの形状に関する。
【背景技術】
【０００３】
共振振動数及び構成部品の慣性に部分的に起因して、内燃機関の動弁機構などの高速ばね付勢カムシャフト・システムはすべて、励振振動数が戻しばねの反応振動数を超える点の制限速度を有している。高速エンジンの動弁機構の励振振動数はカムシャフトのローブ形状特性及び動作速度によって決まる。反応振動数は、システムの慣性、戻しばね力並びにばね及び構成部品の固有振動数によって決まる。エンジンの制限速度を上昇させる試みは、１）より低い質量を有する部品を使用することによってシステムの慣性を低下させること、２）戻しばね圧力を増加させることを現行では含む。どちらの方法も有益であるが、現行のレースの傾向は、両方法は最大限まで利用されており、これらのありふれた工業的活用による制限速度上昇の考え得る余地は残されていないことを示してきている。毎分回転数（ＲＰＭ）当たりのより高い出力を追求する別の工業的傾向は、カムシャフト・ローブの開口傾斜を迅速化することであるが、これが出力を増大させることを立証してきたからである。この実施は上記の方法１及び２をさらなる限界まで実施することが必要であることによって、厳しく制限されている。
【０００４】
速度範囲を通して、ばね付勢動弁機構は通常３つの動作モードを行う。低から中のＲＰＭでは、システムは制御されたモードにある。戻しばねは構成部品が互いに接触を維持するのに適切であり、規定のカム動作をシステムを介して弁に伝達する。制限速度に近づき、戻しばねが構成部品を互いに接触させるのを維持できなくなったとき、ロフト・モードに入る。図１（並びに図２及び図４）では、規定の動作（カム・ローブによって規定された動作）は実線で示され、弁及び実際の動作は破線で示されている。動弁機構は、５１でカムシャフト・ローブの加速によって構成部品の慣性の抵抗に逆らって圧縮され、５２で上昇し、構成部品間に隙間を生じさせ、その結果それらの動作はもはやカムシャフトによって規定された動作に従わず、５３でばね及び他のシステム部品の固有振動数によって規定される周期で一回又は複数回衝突する。
【０００５】
さらにＲＰＭが増加するとバウンド・モードに達し、そこでは閉じる弁が衝突エネルギをシリンダ・ヘッドに伝達し、このエネルギが弁を弁座から離れてバウンドさせるように反応する。ばね及び構成部品の振動周波数は一定のままであるが、カムシャフトがより速く回転しているため、カム・ローブ周波数は増加している。これによって部品のカム・ローブに対する衝突が後で起きる。図２を参照。５３での衝突が閉口傾斜部の底部のすぐ近くで起きるので、エネルギは動弁機構によって完全に吸収することができず、弁及び弁座の結合部に伝達される。５４の点で、衝突による弾性的反応が開始し、それは５５で座から弁をバウンドして離すように作用する。このモードにおけるシールの喪失はエンジンの体積効率を減少させ、作り出された増大した振動周波数は、しばしば弁ばねを破損させる可能性がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、弁を動作させるカム・ローブを含む内燃機関用のカムシャフトである。このカム・ローブは、弁装置をカム・ローブとの接触を離れて弁の最大揚程まで揚げるように作用する開口傾斜部プロファイルを有し、弁が対応する弁座に接触した後、弁のバウンドを最小限にするために弁の閉口エネルギを十分に消散させるように、最小のカム・ローブ閉口傾斜部高さより十分に前に、カム・ローブの閉口傾斜部と接触するように戻る弁装置を有する。
【０００７】
本発明の一目的は、上記で論じた従来技術についての問題点を克服することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、弁が弁座と接触した後の弁のバウンドを最小限にすることである。
【０００９】
本発明の別の目的は、弁のバウンドを最小にすることによって、エンジンのＲＰＭ制限を増大させることである。
【００１０】
本発明のこれらの及び他の特徴及び目的は、以下の説明から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、例えば内燃機関に使用する、弁を作動させるカム・ローブを含む高速ばね付勢カムシャフト・システム用のカムシャフトである。このカム・ローブは、弁装置をカム・ローブとの接触を離れて弁の最大揚程まで揚げるように作用する開口傾斜部プロファイルを有し、弁が対応する弁座に接触した後、弁のバウンドを最小限にするために弁の閉口エネルギを十分に消散させるように、最小のカム・ローブ閉口傾斜部高さより十分に前に、カム・ローブの閉口傾斜部と接触するように戻る弁装置を有する。
【００１２】
本発明は、特定の方法の使用によってＲＰＭ限界及びＲＰＭ当たりの出力限界の両者を伸ばす１組のローブ形状特性、又は簡略化するために「ツール」を含む。それは以下の１つ以上を特徴とするが、それに限定されない。
【００１３】
１．最大揚程の前進。
図３ａ．１を参照すると、参照番号１の弁の最大揚程（ＬＭａｘ）は通常、主事象の中央又は中央近くに存在する。ここで、主事象とは傾斜部上のカムプロファイルの部分、すなわち、非対称形のラッシュ傾斜部及び他の形態をしばしば含む可能性のある移動曲線の最終端は抜きにした揚程曲線の主部分として定義される。従来技術のカム・ローブについての最大揚程ＬＭａｘは、基礎円上の全カム・ローブとして定義される全事象では、必ずしも全事象の中央にはない。添付の図はノンスケールである。
【００１４】
本発明では、ＬＭａｘはカム・ローブの開口傾斜部に向かって前進移動する。図３ｂ．１の参照番号２を参照されたい。本発明は、約３カムシャフト度（３°カムシャフト、６°クランクシャフトに等しい）の最小（前進）移動を利用する。最大移動は最適動作条件によって決まらず、現行の弁ばね技術によって課される実際的な機械的限界によって決まる。６°カムシャフト（１２°クランクシャフト）移動を使用する設計が用いられ、好結果であることが判明したが、これはすべての実施例に対して必ずしも最適ではなく、本発明はそのような移動に限定されない。３°〜１２°カムシャフト範囲内の、又はそれ以上の別の前進移動を使用することができる。そのカム・ローブにおける最大揚程は、図３ａ．１及び図３ｂ．１の参照番号３及び４としてそれぞれ示す。
【００１５】
２．短縮された正速度／延長された負速度期間。
本発明は、従来型のカム・ローブと比較して、カム・ローブの実質的により短い正速度（開口傾斜部）期間及び実質的により長い負速度（閉口傾斜部）期間を使用する。図３ａ．２に示す従来型のカム・ローブ速度グラフと図３ｂ．２の本発明によるカム・ローブ速度グラフを比較されたい。従来型カム・ローブについては、正速度（ｐｖ）の存続時間（期間）は負速度（ｎｖ）の存続時間におおよそ等しい。本発明では交点５が前進するような仕方で、正速度（ｐｖ）の期間は短縮され、負速度（ｎｖ）の期間は延長される。図３ｂ．２を参照されたい。本発明では、上記の項目１で論述したＬＭａｘの３°カムシャフト移動に対応する、交点の約３°カムシャフト（６°クランクシャフト）の最小前進移動を使用する。この結果、本発明では、ｐｖ期間はｎｖ期間より最小約６°カムシャフト（１２°クランクシャフト）だけ短い。図３ｂ．２の交点５は、点２におけるＬＭａｘに対応して、図３ｂ．１でも交点６として示される。
【００１６】
３．閉口傾斜部（負）速度の絶対値より大きな開口傾斜部（正）速度の絶対値。
図３ａ．２に示すように、従来型のカム・ローブでは、開口傾斜部（正）速度に対する最大絶対値は、閉口傾斜部（負）速度に対する最大絶対値とほぼ同じである。ｍｐｖ（最大正速度）及びｍｎｖ（最大負速度）で示す線によって示す両絶対値を比較されたい。本発明では、開口傾斜部（正）速度に対する最大絶対値は閉口傾斜部（負）速度に対する最大絶対値より大きい。図３ｂ．２を参照されたい。したがって、図示のように、開口傾斜部速度１２に対する最大絶対値は閉口傾斜部速度１３に対する最大絶対値より大きい。
【００１７】
４．最大弁揚程前の最小カム・ローブ加速度。
従来型カム・ローブについては、最小加速度は、上記で論述したように一般に最大揚程点にある主事象の中心又はその近くにある。図３ａ．３を参照されたい。図３ｂ．３を参照すると、本発明では、最小加速度８は最大揚程７の前にある。したがって、この最小加速度は、最大弁揚程ＬＭａｘの移動より大きい量だけ前進移動させなければならない。これは、上記で論述した主事象の中央前の約３°カムシャフトより小さくない。前進移動の最大量は、最大揚程の移動と同じ制限を共有する。
【００１８】
５．最高正閉口傾斜部加速度より大きな最高正開口傾斜部加速度。
図３ａ．３を参照すると、従来型のカム・ローブでは、最高正開口傾斜部加速度は一般に最高正閉口傾斜部加速度と等しい。図３ｂ．３を参照すると、本発明では、最高正開口傾斜部加速度１０は最高正閉口傾斜部加速度１１より大きい。
【００１９】
６．本明細書で概要を記載した効果を達成する目的で生成される任意の他のローブ形状特性（くぼみ、平坦部、改変された加速度又は速度曲線、又はその他）。
【００２０】
７．本明細書で説明する弁における動作特性をその他の方法で発生させる、レバー、リンク、機械的、流体的又は電気的アクチュエータ、緩衝装置、又はソフトウエアを含むがそれらに限定されない、カム・ローブの複雑な動作を擬態する又はカム・ローブ動作を改変する任意の方法。
【００２１】
本発明の一実施例は、上記で論述した特性の１つ以上を使用することができる。一実施例は、前記特性のすべてを使用する必要はない。
【００２２】
これらのカム・ローブ形状特性の１つ以上を使用してローブを製作することによって生じる効果に以下のものがある。
【００２３】
本発明は、ローブ振動数を改変することによってより高いエンジン回転数を可能にし、制限回転数ＲＰＭ（弁バウンドの発現）を上昇させる。制限回転数は主としてばね及び構成部品の固有振動数により支配され、それらはＲＰＭが上昇しても一定のままである。図４ａ．１及び図４ｂ．１は、ＲＰＭに拘わらない固定されたばね振動周期波を示す。図４ａ．１の参照番号２１と図４ｂ．１の参照番号２８を比較されたい。しかしながら、カム・ローブ振動数は、より高いＲＰＭに伴い増大する。図４ｂ．２に示す、より高いＲＰＭでのカム・ローブの減少する波周期、すなわちより高い振動数を示す図４ｂ．２の参照番号２３と、図４ａ．２の参照番号２２を比較されたい。
【００２４】
システムワイドで、この効果は回転数と共に増加する相対的な振動数を生じさせる。術語「相対的な振動数」は、ばね及び構成部品の固有振動数に対するローブ振動数を記述するために使用される。全システムを単一の制御主体として取り扱うため、速度及び加速度などの相対的な値は、絶対値よりはるかに重要である。これがこの発明全体の１つの基礎である。ばね振動数がより高いと一般により高いＲＰＭ限度が可能になるが、ばね振動数が一定であるため、ＲＰＭが増大してもＲＰＭ限度を上昇させることができない。本発明は、相対的な振動数も低下する、より低い正味の振動数のローブを作り出す。この効果は、ばね振動数を上昇させることと同じである。局所的には、本発明は開口振動数を上昇させ、閉口振動数を低下させるが、正味の効果は、全事象のラッシュ・テークアップで開始し衝突位置に続く（図４ｂ．３の参照番号２６及び図４ｂ．２の参照番号２７）部分の相対的な振動数を低下させることである。
【００２５】
この効果は、エンジンの動作特性をその意図から変化させるので通常望ましくないのが知られている全体事象を引き延ばす（又は全事象の振動数を低下させる）ことなしにもたらされることに注目されたい。
【００２６】
本発明は、全事象中に早くロフトを開始させるが、それは、その期間を減少させることによって圧縮領域の相対的振動数を上昇させるからである。このより短い期間及びその結果としてのより高い振動数は図４にグラフ的に示す。本発明における図４ｂ．３の点２９と２４の間の距離を、従来技術における図４ｂ．２の点２８と２５の間の距離と比較されたい。点２８及び２９は全事象の開始を示しローブの形状によって決まるが、一方、点２５及び２４は圧縮から上昇への交点を示し、大体はばねの固有振動数によって決まる。この期間は、本発明では従来技術によるものよりもやや短いことが分かる。この効果自体が、固定した割合（図４ｂ．１の参照番号２１）で起こるばねの反力に起因する衝突をより早く起こさせる助けになる。
【００２７】
同様の、ただし反対の方式で、次いで本発明はローブを図４ｂ．３の参照番号２６の衝突点に向かって後方側に延長させ、閉口傾斜部の期間を延長させる。このより長い期間及びその結果としてのより低い振動数を図４にグラフ的に示す。本発明における図４ｂ．３の点３１と２４の間の距離を、従来技術における図４ｂ．２の点３０と２５の間の距離と比較されたい。点３０及び３１は全事象の終端を示し、ローブの形状によって決まるが、一方、点２５及び２４は圧縮から上昇への交点を示し、大体はばねの固有振動数によって決まる。この期間は、本発明では従来技術によるものよりもやや長いことが分かる。図４ｂ．３の衝突点２６も、図４ｂ．２の点２７と比較すると全事象に対して左に移動している。この重要性は、これらの２つの特徴が結合して１つの正味の結果をもたらすので、以下で説明する。
【００２８】
本発明は、２つのことを達成することを助けるため、閉口傾斜部の部分も上昇させる。閉口傾斜部を上昇させると、事象の終わり近くで実際と規定の動作の間の物理的な距離を減少させる。図４ｂ．３で、規定の動作は実線で示され、実際の動作は破線で示されている。これらの線の間の距離は、図４ｂ．３で点２６の丁度左ではより少なく示されているが、図４ｂ．２で点２７の丁度左で示す従来技術では、はっきりとより大きい。閉口傾斜部を上昇させることは、規定及び実際の速度はより高いがそれらは互いに対し相対的により低い速度である、傾斜部のより高いところで衝突を生じさせるという別の効果を有する。図４ｂ．２に対する図４ｂ．３での規定の動作に対する実際の動作（実線に対する破線）の収束を比較されたい。本発明では収束の角度がはっきりと少ないことに注目されたい。この角度は衝突速度を示す。本発明は自動車がガードレールに斜めに当って逸れることに比較可能な衝突を生じさせるが、従来技術ではガードレールにまともに衝突することにより似ているという類推を行うことができる。同様に、スキー・ジャンパーが平地に到達する前にエネルギを消散させるために傾斜したスロープ（スキー・ランプ）上に着地することに類推することもできる。
【００２９】
衝突のこれらの３つの改変形態は、１）衝突点を主事象に対して左に移動させること、２）実際と規定の動作の間の物理的な距離を減少させること、３）実際と規定の動作の間の収束角度（速度）を減少させることである。この正味の結果は、より低下した相対速度及び弁が弁座に衝突する前に、カムシャフト（及び全動弁機構）がこの衝突エネルギを吸収するための時間が増加することから、衝突エネルギが減少することである。したがって、着座事象によって吸収されるべきエネルギがより少ない。より少ないエネルギと減衰に寄与する時間がより長いことの組合せが、弁のバウンドをより高いＲＰＭまで遅らせることによって、より高いエンジンＲＰＭを可能にする。本発明のすべての概要を記述した特徴は、この目的に寄与することができる。
【００３０】
本発明は、瞬間弁揚程と弁のポート内に作り出される典型的な流速曲線の間の関係を検討することによって、より高いＲＰＭ当たりの出力の潜在的可能性も提供する。図５を参照されたい。この速度は弁を横切る圧力降下によって発生する。弁が開いているとき圧力降下は最大であり、４１で最高の流量が発生する。圧力降下が減少すると、４２で流量が減少する。従来技術のカム・ローブ形状は、最高の流量及び圧力降下が作り出されるずっと後の、このカーブの４３の位置に最高の弁揚程を置いている。本発明は、最高の弁揚程位置を４１の点に向かって前に移動させる。これによって、より高い最大流速、合計流量、及びそれに伴う出力利益へと転換することができる。
【実施例】
【００３１】
実際のモデル及びそれらの試験結果。
実験目的で集中的に行われた実施例は、高速内燃機関の動弁機構である。この実施例は実験のために選択されたが、それはカムシャフト・ローブの形状を単に変更することによって動作特性の変更に役立つからである。この理由から本明細書のほとんどの実施例及び説明は、高速内燃機関動弁機構がベースになっている。本発明は、この実施例に限定されず、本発明の考え得る実施例の別の実施例はこの特許出願の別の場所で与えられるであろう。（本発明の典型的な実施例でしかない）高速動弁機構の場合は、弁自体の動作の形のみが重要である。特定した形状のカムシャフト・ローブ、又は動弁機構の指定した他の部品を作るためのすべての努力は付随的なものであり、弁の最終的な動作に寄与するためにのみ存在する。
【００３２】
本発明を使用したカム・ローブが製造され、試験された。ローブは図６、図７及び図８に示すように、指定した弁動作を作り出すように製造された。本発明を使用した２つのローブの実施例が、Ｗ０３００５Ｉ及びＷ０３００６Ｉとしてこれらの２つの形状に命名された。Ｏ１Ａ１Ａと命名された従来型のローブが、本発明のカム・ローブと比較するために図６〜図８に含まれている。
【００３３】
図６は弁の揚程動作のグラフである。従来技術のローブＯ１Ａ１Ａの最大揚程位置は、全ローブ形状にわたる左から右のほぼ中央にある。この点に関して、主事象の中央の約２°〜３°未満内の対称性を示すのが従来技術のカム・ローブの典型である。図示の例では、主事象は、ほぼ±７０°カムシャフトの間にある。Ｗ０３００５Ｉ及びＷ０３００６Ｉと命名された、本発明を使用したローブは共にバイアスを示し、最大揚程は開口傾斜部に向かって（左に向かって）移動し、したがって開口傾斜部を短縮し、同時に閉口傾斜部を延長している。この具体的な移動量は約６°カムシャフトであるが、約９°、１２°、１８°カムシャフトまでの、又はある場合には可能性としてはそれ以上の他の量も、異なる実施例に対して最適である可能性がある。本発明は、約３°〜１８°カムシャフト範囲内、又はそれを超える任意の範囲を包含することを意図している。
【００３４】
最大揚程位置のこの移動は、それぞれそれらの継続期間を短縮し、延長することによって、開口傾斜部の相対的振動数を増加させ、閉口傾斜部の相対的振動数を減少させる、改良されたローブ形状特性のこのセットにおける１つの手段である。
【００３５】
図７は同じ３つのローブ形状のそれぞれの速度のグラフである。ローブＯ１Ａ１Ａが全ローブ形状にわたる左から右のほぼ中央にある点で（０°で）正から負の速度に変化するが、ローブＷ０３００５Ｉ及びＷ０３００６Ｉの場合はそうではないことが分かる。それらは主事象の中間点の前で正から負の速度に明瞭に変化している。特に、それらは開口傾斜部に向かって約６°カムシャフトの点でゼロ・ラインを横切っているが、約９°、１２°、１８°カムシャフトまでの、又はある場合には可能性としてはそれ以上の他の量も異なる実施例に対して最適である可能性がある。本発明は、約３°〜１８°カムシャフト範囲内、又はそれを超える任意の範囲を包含することを意図している。
【００３６】
このグラフで示す別の手段は、Ｗ０３００５Ｉ及びＷ０３００６Ｉによって作り出される速度の垂直的な非対称性である。これらは、閉口傾斜部の負の絶対値より明瞭に高い正の絶対値を示す。試験は、任意の特定の実施例に対しても最適であるか否かは未だ示していないが、この開口傾斜部の絶対値は、閉口傾斜部の絶対値より約２０％高い。具体的なエンジンの用途に応じて、最適な数値が１０％〜４０％の間のより高い範囲又はそれを超える範囲内で、かつ、その中の任意の範囲に収まるであろうことは企図している。それに引き換え、従来技術のＯ１Ａ１Ａ設計は、実質的に対称的な速度曲線を示す。この垂直な非対称性が改良されたローブ形状特性のこのセットにおける１つのツールであり、高速の開口傾斜部によって動作のロフト部分を早く起こらせるようにさせること、及び動弁機構がカムシャフトに追いつき再結合ができるように閉口傾斜部中の相対的速度を低下させることの両者の助けとなることができる。
【００３７】
図８は、これら３つのローブ形状の弁動作によって生じる加速度のグラフである。この場合も、Ｏ１Ａ１Ａローブによって生じる加速度は、製造及び測定誤差以外は実質的に対称である。Ｗ０３００５Ｉ及びＷ０３００６Ｉローブは３つの顕著な形で非対称性を示す。揚程及び速度曲線と同様に、負の加速度領域の中心は主事象の中央の左に移動する。揚程及び速度グラフと異なり、最低位置は最大揚程位置にない。すべての実施例では要求されないが、本発明の一実施例では最低加速度位置は最大揚程位置の前でなければならない。Ｗ０３００５Ｉ及びＷ０３００６Ｉローブの場合は、この点はそれぞれ最大揚程位置前に追加して約９°及び１２°である。本発明は、約３°〜２１°カムシャフト範囲内、又はそれを超える任意の範囲を包含することを意図している。
【００３８】
他の量が異なる実施例に対して最適である可能性がある。この移動は、以下を行う改良されたローブ形状特性の、このセットにおける１つの手段である。加速度とローブの任意の点での局所的な半径が相互に関係するので、この効果は、制御点においてカム・ローブ表面を動弁機構の残りの部分から意図的に「離れ」させる小さな半径を導入することなどを考え付くことができる。これが上記で論述したロフトを開始させる助けになる。
【００３９】
図８に示す第２の非対称性は、負の加速度部分の左対右の非対称性である。負の加速度値は閉口傾斜部よりも開口傾斜部で低くなければならない。これは５％〜４０％の又はそれを超える範囲内で、１０％〜２０％を含むその中の任意の範囲であることが予想される。これはロフトが早く開始する助けになり、かつ、カム・ローブが後で追いつくのに役立たないほど速く動弁機構から「離れる」ことも防止する。閉口傾斜部でのより緩やかな加速度の正味効果は、上記で論じたように、後でのより緩やかな衝突をもたらす助けになることである。
【００４０】
加速度曲線で分かる第３のそして最後の非対称性は、開口傾斜部対閉口傾斜部の正の加速度の非対称性である。これは５％〜４０％の又はそれを超える範囲内で、１０％〜２０％を含むその中の任意の範囲であることが予想される。これは上記で論じたように、開口時に余分な「一押し」を導入することによってロフトを早く開始させ、かつ、閉口時に揚がった弁により緩やかに追いつかせることの助けになる。
【００４１】
本発明を考察する別の取り組みは、弁装置が揚がった後でカム・ローブと接触するよう戻る地点２６が、最低カム・ローブ高さ上のほぼ１０％〜４０％の又はそれを超える範囲内で、１０％〜２０％を含むその中の任意の範囲であり、その結果、弁装置内のバウンド・エネルギのかなりの部分が、弁装置が最小カム・ローブ高さに達し、接触する前に消散してしまう。
【００４２】
これらのローブは、競争車産業で現行使用されている成功したカムシャフト設計に対して試験された。試験はエンジンを回転させるスピントロン試験装置及び様々なＲＰＭで弁のバウンドを定量化するためのレーザ測定装置を使用して標準の工業的な方法で行われた。以下は４つの典型的な試験の結果である。結果を図９及び図１０にグラフ的に示す。
【００４３】
図９は、新しい弁ばねが１４５．１ｋｇ（３２０ポンド）の座圧力で取り付けられた２つの試験を重ね合わせて示す。これは、このエンジンへの適用に対する新しいばねの圧力として典型的なものである。破線は従来技術のカムシャフト設計が、９７００ＲＰＭまでに０．５８６８ｍｍ（０．０２７インチ）に間断なく上昇した弁バウンドを作り出したことを示す。一般的な意見の範囲は、エンジンの限界速度は弁バウンドが０．３８１ｍｍ（０．０１５インチ）から０．６３５ｍｍ（０．０２５インチ）を超える点で定義されるということである。本発明によるカムシャフトは、弁バウンドを試験装置の現行の限界である１０７００ＲＰＭに到るまで制御し、本発明が弁バウンドをさらにより高いＲＰＭまで制御するであろうことが予想される。この全試験中、弁バウンドは十分に閾値以下であった。
【００４４】
図１０は、使用能力を超えて磨耗したばねが９５．２５ｋｇ（２１０ポンド）の座圧力で取り付けられた２つの試験を重ね合わせて示す。これはレースの経過中（ただし、終了前）にしばしば起きる状態である。すなわち、エンジンは図９に示すように新しい弁ばねでレースを開始するが、弁ばねはレースが終了する前に図１０に示すレベルに磨耗、劣化する。従来技術のカムシャフト設計は、弁ばねがこのレベルに磨耗したときはエンジンの実用的な動作回転数を８５００ＲＰＭ、又はこのばねが新たに組み込まれたときより１２００ＲＰＭ低いレベルに制限する。本発明に基づくカムシャフトは、弁バウンドを１０７００ＲＰＭに到るまでなお制御した。通常のばねの劣化に対するこの非感受性の故に、本発明に基づくカムシャフトは、従来型のカムシャフト設計で可能であろうよりも高い出力レベルでエンジンがレースを終えることを可能にする、又はそうでなければ、従来型カムシャフト設計では不可能なレースを終了させることができる可能性がある。これの他の考え得る利益はより軽い弁ばねの使用であり、これはシステムにより小さな移動質量、さらに増大するＲＰＭの潜在可能性をつけ加える。そのようなより軽い弁ばねは、本質的により小さな応力を有し、耐久状態でより永く持続する、より薄いばね線から作ることもできる。
【００４５】
単一の開発に基づく１０００ＲＰＭ及び２２００ＲＰＭのこれらの限界回転数の増大は、この工業界では前例のないことである。単一の成功した開発で得られる典型的な増大は、１００ＲＰＭから２００ＲＰＭ程度である。
【００４６】
さらなる試験が、従来技術のカムシャフト及び本発明を使用するカムシャフトの両方を使用するレース用エンジンのコンピュータ・シミュレーションの形態で行われた。結果を図１１及び図１２に示す。コンピュータ・シミュレーションは、この本発明によって設計されたカムシャフト以外何も変更することなく、いくつかの回転数範囲で４０ＨＰ又は５０ＨＰの利得が可能であることを予想する。馬力利得のこれらのレベルは、この工業界における通常の利得と比較すると極端なものである。
【００４７】
コンピュータ・シミュレーションが、本発明のカムシャフトによって出力されるエンジンは、より高いＲＰＭで出力を行う潜在可能性を有することも示すことが分かる。ずっとより高いＲＰＭで動作するこの動弁機構の実証された能力と連結したこの現象の活用は、非常に重要な出力利得に転換することができる。
【００４８】
本明細書で説明した本発明の特徴及び効果は、特定のエンジンの全動作回転数範囲にわたり効果的ではなさそうであり、エンジンの動作範囲の上側の部分で効果的であることに向かっていることに注目されたい。例えばこれは、レース用エンジン又は非常に高い性能のエンジンに対する、８０００ＲＰＭ〜１００００ＲＰＭ又はそれ以上の範囲内、又は道路を走るエンジンに対する５０００ＲＰＭ〜７０００ＲＰＭの範囲内である可能性がある。したがって、本発明のカム・ローブ設計は、１００００ＲＰＭの最大ＲＰＭを有するエンジンでの４０００ＲＰＭでは、本発明のカム・ローブ設計が最良に動作するように意図された動作範囲の上端とは異なって動作することがありそうである。このカム・ローブ形状は、特定のエンジンへの適用及び回転数範囲に対して説明した効果をもたらすように調整／改変することができる。
【００４９】
本明細書での弁装置の使用は、弁自体を含むがカムシャフト及びカム・ローブを除く、弁を作動させるために使用する任意の及びすべての構成部品を包含するためのものである。したがって、カム・ローブが弁と直接接触する場合は、術語「弁装置」は弁を含む。カム・ローブと弁の間にロッカー・アームなどの作動構成部品がある場合は、術語「弁装置」はカム・ローブと弁の両方に接触するロッカー・アームも含む。
【００５０】
本発明は、例えば限定するものではないが空気ポンプなどの、内燃機関以外の高速カムシャフト・システムを使用する機構にも適用可能である。
【００５１】
上記で説明した特徴の多くが、異なる組合せの動弁機構において新たな実施例を作り出すために使用することができるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】（従来技術）従来式のカム・ローブに対して、弁揚程をカム・ローブ上の位置と比較して示すグラフである。
【図２】（従来技術）図１より高いＲＰＭでの従来式のカム・ローブに対して、弁揚程をカム・ローブ上の位置と比較して示すグラフである。
【図３】従来式のカム・ローブ及び本発明によるカム・ローブに対して、弁揚程、カム・ローブ傾斜部速度及びカム・ローブ傾斜部加速度をカム・ローブ上の位置と比較して示すグラフである。
【図４ａ】約６０００ＲＰＭにおける従来技術のカム・ローブに対する弁揚程と本発明によるカム・ローブに対する弁揚程とを比較したグラフである。
【図４ｂ】約９０００ＲＰＭにおける従来技術のカム・ローブに対する弁揚程と本発明によるカム・ローブに対する弁揚程とを比較したグラフである。
【図５】弁ポートを通る流れ速度を示すグラフである。
【図６】従来技術のカム・ローブによる弁揚程を、本発明のカム・ローブの２つの実施例に対して比較したグラフである。
【図７】従来技術のカム・ローブによる弁速度を、本発明のカム・ローブの２つの実施例に対して比較したグラフである。
【図８】従来技術のカム・ローブによる弁加速度を、本発明のカム・ローブの２つの実施例に対して比較したグラフである。
【図９】従来技術のカム・ローブによる新しい弁ばねのバウンドを、本発明のカム・ローブに対して比較したグラフである。
【図１０】従来技術のカム・ローブによる磨耗した弁ばねのバウンドを、本発明のカム・ローブに対して比較したグラフである。
【図１１】従来技術のカム・ローブを使用したエンジンの推定馬力を、本発明のカム・ローブの２つの実施例に対して比較したグラフである。
【図１２】従来技術のカム・ローブを使用したエンジンの推定トルクを、本発明カム・ローブの２つの実施例に対して比較したグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年4月18日(2005.4.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
衝突のこれらの３つの改変形態は、１）衝突点を主事象に対して左に移動させること、２）実際と規定の動作の間の物理的な距離を減少させること、３）実際と規定の動作の間の収束角度（速度）を減少させることである。この正味の結果は、より低下した相対速度及び弁が弁座に衝突する前に、カムシャフト（及び全動弁機構）がこの衝突エネルギを吸収するための時間が増加することから、衝突エネルギが減少することである。したがって、着座事象によって吸収されるべきエネルギがより少ない。より少ないエネルギとより長い減衰時間との組合せが、弁のバウンドをより高いＲＰＭまで遅らせることによって、より高いエンジンＲＰＭを可能にする。本発明のすべての概要を記述した特徴は、この目的に寄与することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項５】
前記カム・ローブが、前記プロファイルの負の速度期間より少なくとも約６°カムシャフト短い正の速度期間を有するプロファイルを備えている、請求項１に記載のカムシャフト。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項８】
前記カム・ローブプロファイルの前記正の速度の絶対値が、前記カム・ローブプロファイルの前記負の速度の絶対値より１０％を超えて大きい、請求項１に記載のカムシャフト。
【手続補正４】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１１】
前記カム・ローブが、前記最大弁揚程より前に最小の加速度を有するように前記弁を作動させるプロファイルを備えている、請求項１に記載のカムシャフト。
【手続補正５】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１５】
前記カム・ローブが、最高正閉口傾斜部加速度より約５％を超えて大きい最高正開口傾斜部加速度を有するプロファイルを備えている、請求項１に記載のカムシャフト。
【手続補正６】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１８】
前記カム・ローブが、前記最高負閉口傾斜部加速度より約５％を超えて少ない前記最高負開口傾斜部加速度を有するプロファイルを備えている、請求項１に記載のカムシャフト。
【手続補正７】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２１】
前記カム・ローブが、前記弁装置を前記カム・ローブから離れて上昇させ、前記弁装置が最小カム・ローブ高さの少なくとも１０％上の前記カム・ローブの前記閉口傾斜部に戻り接触するプロファイルを備えている、請求項１に記載のカムシャフト。
【手続補正８】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２５】
請求項１から２３のいずれか一項に記載のカムシャフトを組み込んだ機構。
【国際調査報告】
2006518022.tif 000016
2006518022.tif 000017