(57)【要約】本発明は、内燃機関；好ましくは可変弁タイミングを有する内燃機関に使用する改良カム接触装置に関する。特に、窒化ケイ素と炭化ケイ素を含むセラミックを使用すると、可変プロファイルカムを有する軸方向に変位可能なカムシャフトを、アイドル回転速度と容積効率を改善して作動させる有効なカム接触面を提供することが例証された。
2004506114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に使用する、熱特性が改善されたカム接触装置。
【請求項２】
密度が６ｇ／ｃｃ未満である請求項１に記載のカム接触装置。
【請求項３】
密度が約３．１〜３．２ｇ／ｃｃである請求項２に記載のカム接触装置。
【請求項４】
ヤング率が３１０Ｇｐａより大きい請求項１に記載のカム接触装置。
【請求項５】
ヤング率が約３１０〜４５０Ｇｐａである請求項４に記載のカム接触装置。
【請求項６】
ビッカース硬さが１１５０（Ｈｖ）より大きい請求項１に記載のカム接触装置。
【請求項７】
ビッカース硬さが約１６５０〜２８５０（Ｈｖ）である請求項６に記載のカム接触装置。
【請求項８】
熱膨張係数が１０．５×１０−６／℃より小さい請求項１に記載のカム接触装置。
【請求項９】
熱膨張係数が約３．１〜５．５×１０−６／℃である請求項８に記載のカム接触装置。
【請求項１０】
熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫより低い請求項１に記載のカム接触装置。
【請求項１１】
熱伝導率が約２２〜２６Ｗ／ｍＫである請求項１０に記載のカム接触装置。
【請求項１２】
ワイブルモジュラスが１２より大きい請求項１に記載のカム接触装置。
【請求項１３】
ワイブルモジュラスが約１２〜１８である請求項１２に記載のカム接触装置。
【請求項１４】
耐アブレシブ摩耗性が９００より大きい請求項１に記載のカム接触装置。
【請求項１５】
耐アブレシブ摩耗性が約９４７〜１２６３である請求項１４に記載のカム接触装置。
【請求項１６】
請求項１〜１５に記載の特性のうちの一つ又はそれら特性の組み合わせを有するボールベアリングである請求項１に記載のカム接触装置。
【請求項１７】
ベアリングレース及び支持体内のボールベアリングであって、かつそのボールベアリングの熱膨張係数がそのボールベアリングレースと支持体の熱膨張係数より小さい請求項１に記載のカム接触装置。
【請求項１８】
スチール製のベアリングレース及び支持体内のセラミック製ボールベアリングである請求項１に記載のカム接触装置。
【請求項１９】
ボールベアリングが窒化ケイ素又は炭化ケイ素のいずれか一つである請求項１８に記載のカム接触装置。
【請求項２０】
カム接触材料が、ＣＥＲＡＬＬＯＹ１４７−３１Ｅ、１４７−３１Ｎ、１４７−１Ｅ又は１４１−１のいずれか一つから選択される請求項１に記載のカム接触装置。
【請求項２１】
Ｒ付きホイール、ボールベアリング又は半球形面のいずれか一つである請求項１に記載のカム接触装置。
【請求項２２】
カム接触材料が、ＣＥＲＡＬＬＯＹ１４７−３１Ｅ、１４７−３１Ｎ、１４７−１Ｅ又は１４１−１のいずれか一つから選択される請求項２１に記載のカム接触装置。
【請求項２３】
カム接触装置／カム界面を潤滑にする潤滑システムを有する請求項１〜２２のいずれか一つに記載のカム接触装置。
【請求項２４】
請求項１〜２３のいずれか一つに記載のカム接触装置の、可変プロファイルカムを有する内燃機関での使用。
【請求項２５】
シリンダ、回転カムシャフト、弁及び弁リフタを備え、弁と回転カムシャフトの間を作動連絡している内燃機関において、可変プロファイルカムシャフト及び互いに直線変位できる弁リフタを備え、その弁リフタが、該回転カムシャフトと作動接触する窒化ケイ素製ベアリングを有している改良がなされている内燃機関。
【請求項２６】
燃料をシリンダ中に噴射する燃料噴射ポートを、内部に有する弁座をさらに備えている請求項２５に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連する出願
本願はカナダ特許願第２，２５７，４３７号に関連している。なおこのカナダ特許願は本願に援用するものである。
【０００２】
発明の技術分野
本発明は、内燃機関に使用する改良されたカム接触装置、好ましくは弁タイミングを変えることができる内燃機関に使用する改良されたカム接触装置に関する。詳しく述べると、窒化ケイ素及び炭化ケイ素を含むセラミック類を使用すると、可変プロファイルカムを有する軸方向に変位可能なカムシャフトを、アイドル回転速度と容積効率を改善して作動させる効率的なカム接触面が提供されることが立証されたのである。
【０００３】
発明の背景
内燃機関の設計には、両立しない設計又は性能のパラメータの間の数多くのトレードオフ（ｔｒａｄｅ−ｏｆｆ）が特にバルブタイミングについて必要である。
【０００４】
例えばエンジンを設計する際に、設計者は、満足すべきエンジン機能を損うことなしに、排気排出量を最小限にしかつ燃料節約を高めることを望むであろう。これまで、このようなエンジンの設計は、このような競合するパラメータによって限定され、設計者は、パラメータ間の釣合をとるため設定を曲げてしまうことがある。したがって、設計者は、所望のエンジン性能（例えばトルク又はアイドルの安定性）を損うことがある主要性能の目標（例えば低排出量）に集中することが多い。このような妥協は、エンジンに、呼吸性（ｂｒｅａｔｈａｂｉｌｉｔｙ）、すなわち燃料と空気の最適量の吸気と燃焼後の排ガスの排気を、組み込む設計者の能力が欠けていることが原因である場合が多い。
【０００５】
エンジンの呼吸性は、カム軸、カムローブ、弁リフタ（及び利用される場合、関連するプッシュロッド、ロッカアーム）の物理的構造によって主に決まる。特に、カムの物理的形態又はプロファイル並びにこれらカムの互いの相対的向きが、吸気弁と排気弁が開くタイミング、開いている期間及び弁閉鎖のタイミングを決定し、そして、吸気弁と排気弁それぞれのカム軸まわりの向きとともにシリンダのパワーマップを決定する。
【０００６】
作動環境の高温、高圧及び機械的速度並びに機器部品の物理的複雑さのために、エンジン作動中の弁の調節が困難なので、大部分のエンジンは、弁を開閉する間の相対的タイミングがエンジンの回転速度に対応して変化しない固定されたカムタイミングシステムを利用している。その結果、カムタイミングが固定されたエンジンは、エンジンの性能パラメータ間のトレードオフが必要である。
【０００７】
さらに具体的に述べると、カムシャフトの機能は、弁を適正な時点で開閉し、燃焼の前にシリンダを満たし、そして燃焼の後にシリンダを空にする機能である。これらのカムは、カムシャフトに取り付けられ、そして弁開放のタイミング、開放期間及び弁閉鎖のタイミングを決定するプロファイルを有している。リフタは、弁に開放力／閉鎖力を与えるため、カム表面と密接に接触しかつカム表面に乗っている。したがって、弁を開閉する時期は、カムシャフトの回転に合わせて選択され、クランクシャフトによって順に制御される。
【０００８】
したがって、これらカムやリフタの物理的寸法又は形態及びこれらカムの互いの向きは、所望のエンジン性能を得るため変えることができるパラメータである。
【０００９】
カムの物理的寸法又は設計について、カムの形態及び弁の物理的運動を説明するのに下記の用語が一般に使用される。例えば、カムの基礎円は弁が閉じられる期間を規定し、クリアランスランプは閉鎖と測定可能な弁のリフティングとの間の遷移期間を規定し、フランク又はランプ（ｆｌａｎｋ ｏｒ ｒａｍｐ）は弁開放の時点と特性を規定し、ノーズは弁全開の時点と最大開放の変位を規定し、そして作用時間は弁がその弁座から離れる期間を規定する。
【００１０】
カムのこれらパラメータは各々、エンジン作動中は独立して制御できないので、カムの物理的寸法が、他のパラメータと関連して可能なことの間の折衷が必要である。例えば、作用時間は、シリンダを満たし及び／又は空にするのに充分長く弁を開くことと、弁の開放が長すぎることによって動的圧縮が失われることの折衷であり、そしてリフトを増大するとパワーは増えるが、そのリフト増大はリフタの直径によって限定される。
【００１１】
リフタ（又はタペット）の設計については、リフタの技法はエンジン毎に変えることができる。一般に、リフタの設計の主な目標は、リフタ面とカム面の間の接触を維持しながら、作動中のノイズを最小限にすることである。リフタには、固定式と油圧式の２種の主要クラスがあり、各クラスは平坦部分、きのこ型部分、ローラを含む可変接触末端を設けている。油圧リフタを使用すると一般に、バルブラッシュとノイズが減少する。平坦なタペット−カムは通常、その表面を横切ってわずかにテーパーがついているが、対応するタペットの端面は、通常、整合不良のリフタの内径を補償するため端が凸面になっている。
【００１２】
別のクラスのリフタは、カムと接触するホイール又はローラを備えたローラリフタである。ローラリフタは高度にアグレッシブなランププロファイル（ｈｉｇｈｌｙ ａｇｇｒｅｓｓｉｖｅ ｒａｍｐ ｐｒｏｆｉｌｅ）が可能であり、その結果、ローラのカムとの接触を保持するのに高い弁ばね張力が必要である。またローラリフタは、リフタとカムの間の摩擦損失も減らして、エンジンの総合パワー又は総合効率を増大する。
【００１３】
きのこ型リフタはその末端に膨出部を有し、単位作用時間当りより大きいリフトを提供するのに使用される。
【００１４】
吸気と排気のカムのお互いの相対的向きはエンジンのパワーマップを規定するのに寄与している。具体的に述べると、ローブの分離角（ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ）又はオーバーラップが吸気弁と排気弁が同時に開いている期間を決定し、ローブの分離角が大きいと一般にアイドルの質、アイドルバキューム（ｉｄｌｅ ｖａｃｕｕｍ）及びトップエンドパワー（ｔｏｐ−ｅｎｄ ｐｏｗｅｒ）が改善され、一方、ローブ分離角が小さいと、アイドルの質は低下するが、より良好な中間範囲のトルクを提供する。
【００１５】
カムのデグリーイング（ｄｅｇｒｅｅｉｎｇ）も、エンジンの性能に効果を与えるために利用できるパラメータであり、カムがクランクシャフトに関連して弁を作動させる時点を変えるパラメータである。具体的に述べると、カムシャフトを遅らせると、すなわち弁をカムシャフトに関連して遅らせて開くと、パワーをｒｐｍバンドの高回転側に移して、ロワーエンドトルク（ｌｏｗｅｒ−ｅｎｄ ｔｏｒｑｕｅ）を減らしながら出力を増やすことができる。対照的に、カムシャフトを早めると（弁を早く開くと）、逆の作用がある。
【００１６】
固定されたカムタイミングに関連するいくつかの問題点を調べるために、可変カムタイミングシステムを設計した。このようなシステムは、一般に、三次元の面を有するカムローブと、その三次元のカム面上で軸方向に移動できるリフタを設けている。したがって、カムシャフトの軸方向の位置は、弁のタイミングを制御する特定のカムのプロファイルを決定する。こうして、可変弁タイミングは、エンジン作動中に弁タイミングを変えて、エンジンの性能を、作動条件に整合するように改良することができる。可変カムシステムのカムの相対的形態を変えることによって、吸気カムの独立した位相調整、排気カムの独立した位相調整、吸気カムと排気カムの同等の位相調整又は排気カムと吸気カムの互いに独立した位相調整のどれか一つを行うことができる。
【００１７】
例えば、吸気期間を短くして燃料吸気特性を低下させてシリンダ内混合物を希釈すると、燃費はよくなるがエンジンのトルク応答は低下する。対照的に、リフトと作用時間を大きくして燃料吸気時間を増やしシリンダ内混合物の濃度を上げると、出力が増大することになる。可変弁タイミングシステムは、エンジンのｒｐｍに応じて異なるタイミングプロファイルを提供してエンジンの呼吸性の改良とマニホルド圧力の増大に寄与することによって、このような競合する問題を調整することができる。
【００１８】
高性能の用途において、現在の技術水準は、バルブトレインの作動に用いる最適性能を高める装置として、単一軸ローラ（ａｘｉｓ ｒｏｌｌｅｒ）又はホイールベースのリフタを認めている。しかし、より高いエンジンｒｐｍに対する要望が高まった結果、ホイールベースリフタが、高ｒｐｍエンジンで利用される高張力ばねのもとでは故障することが見出されたのである。一般に、故障は、二つの方式、すなわち、ホイール自体のローラベアリングの故障及び／又はリフタの破壊的故障で起こり、これら故障はともに、弁リフタ及びバルブトレインの振動を生じる「フラットスポッティング（ｆｌａｔ ｓｐｏｔｔｉｎｇ）」が原因である。
【００１９】
さらに、既存のホイールベースリフタの設計は、ローラベアリングに直接潤滑を行わないが、むしろ、ベアリング表面から熱を散逸させる機能を低下させる潤滑は間接的に発生する。したがって、該ホイールは、該二つの表面間の最小限のオイル薄膜によって、ベアリングレースと直接接触しているからベアリングの寿命は短くなる。
【００２０】
単一軸ベースシステムでベアリングの寿命を最大にするため、設計者は、ホイールの直径がリフタ本体の限界内で最大になっていると仮定すると、三つのパラメータの釣り合いをとらねばならない。これら三つの要因は、ローラベアリングの直径、軸の直径及びホイールの厚さである。これらのパラメータは各々、ベアリング面に対する圧縮応力と接触応力を最小限にし、軸の応力を最小限にし、かつローラベアリング内の接触応力に直接影響する軸のたわみを最小限にするため変えなければならない。
【００２１】
従来の可変弁タイミングシステムは、例えば米国特許第２９６９０５１号、ドイツ特許パブリケーション第１９７５５９３７号、スイス特許パブリケーション第３０４４９４号及び米国特許第２３０７９２６号に開示されているが、そのリフタ／カム接触システムは、広く受け入れられた完成又は成功を経験していない。このように成功していない理由は、このようなシステムを実際に作動させたときに経験した故障のためであるといわれている。すなわち、内燃機関の過酷な作動条件下では、従来の可変弁タイミングシステムは、これらシステムのベアリング／レース内でのベアリングの破損を経験すると予測される。
【００２２】
発明の要約
本発明によって、内燃機関に用いる、熱特性が改良されたカム接触装置が提供される。カム接触材料の、それを使用可能にする各種特性が開示されている。これらの特性としては、６ｇ／ｃｃより小さい密度（好ましくは約３．１〜３．２ｇ／ｃｃ）、３１０Ｇｐａより大きいヤング率（好ましくは約３１０〜４５０Ｇｐａ）、１１５０（Ｈｖ）より大きいビッカース硬さ（好ましくは１６５０〜２８５０（Ｈｖ））、１０．５×１０−６／℃より小さい熱膨張係数（好ましくは約３．１〜５．５×１０−６／℃）、５０Ｗ／ｍＫより小さい熱伝導率（好ましくは約２２〜２６Ｗ／ｍＫ）、１２より大きいワイブルモジュラス（好ましくは約１２〜１８）及び９００より大きい耐アブレシブ摩耗性（好ましくは約９４７〜１２６３）のいずれか一つ又はその組み合わせがある。
【００２３】
より具体的な実施態様のカム接触装置はベアリングレース及び支持体内のボールベアリングであり、そのボールベアリングの熱膨張係数は該ベアリングレース及び支持体の熱膨張係数より小さく、より具体的に述べると、そのカム接触装置は、スチール製のベアリングレース及び支持体内のセラミック製ボールベアリングである。
【００２４】
一実施態様のカム接触装置は、窒化ケイ素又は炭化ケイ素製のボールベアリングである。
【００２５】
具体的なカム接触材料としては、ＣＥＲＡＬＬＯＹ１４７−３１Ｅ、１４７−３１Ｎ、１４７−１Ｅ又は１４７−１のうちのいずれか一つがある。
【００２６】
別の実施態様のカム接触装置は、カム接触装置／カムの界面の潤滑を行う潤滑システムを備えている。
【００２７】
本発明のさらに別の実施態様は、可変プロファイルカムを備えた内燃機関内での上記カム接触装置の使用に関する。
【００２８】
さらに、本発明は、シリンダ、回転カムシャフト、弁及び弁リフタを備え、その弁と回転カムシャフトの間を作動連絡している内燃機関であって、さらに可変プロファイルカムシャフト及び互いに直線変位可能でかつ該回転カムシャフトと作動接触する窒化ケイ素製ベアリングを有する弁リフタを備え、そして燃料をシリンダ内に噴射する燃料噴射ポートを内部に有する弁座を備えていてもよい内燃機関を提供するものである。
【００２９】
本発明のこれらの及び他の特徴は、添付図面を参照した下記説明から一層明らかになるであろう。
【００３０】
詳細な説明
概要
図面は、内燃機関に使用され、特に可変弁タイミングエンジンに適合しているカム接触装置の各種設計、及び本発明のカム接触装置を可変弁タイミングエンジンに使用して得た試験結果を示す。
【００３１】
図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃは本発明のカム接触装置の三つの設計を示し、それぞれＲ付きホイールリフタ、球形ベアリングリフタ、及び固定半球形リフタを備えている。図１Ｄは、固定中心線１と可変中心線２の両者を有する可変弁タイミングカムシャフトの端面図である。この説明の文脈中では、カム接触装置は、弁の開閉を直接に又は間接的に行うため回転カム外面に接触又は従動する、内燃機関中のどんな装置をも意味するものとする。したがって、カム接触装置は、弁棒に直接、配置構成された弁リフタ、ロッカアーム又はカム従動子を備えていてもよい。
【００３２】
図１Ａをみると、Ｒ付きホイールリフタ３が側面図と正面図で示されている。この設計では、ローラホイールが、これをリフタベースの固定軸線のまわりを回転させるベアリングで、該リフタの末端に固定されている。
【００３３】
図１Ｂをみると、ボールベアリング弁リフタ４が、組み立てられた形態１０で示され、そして分解されて油圧制動システム５、ベアリング保持器６及び球形ベアリング７を示している。３５は潤滑ポートを示し、そして３６は該リフタの内部受け入れ面を示す。
【００３４】
図１Ｃをみると、固定半球形リフタ８が示され、カム接触装置／カムの界面に潤滑を行う潤滑ポート３７を有する半球形末端を備えている。
【００３５】
図２は球形ベアリング弁ディプレッサ１６と弁座燃料噴射器２０を備えた結合型オーバーヘッドカムシャフトシステムの概略図である。このシステムは、オーバーヘッドカムのレイアウト内の可変プロファイルカム１５、球形ベアリング（又は前記Ｒ付きホイール若しくは半球形）を有するオーバーヘッド弁ディプレッサ１６、シリンダヘッド１７、弁１８及び弁ばね１９を備えている。弁座２０は、燃料送達ライン２２を有する燃料噴射ノズル２１を備えている。吸気ポート２３は、空気を、弁１８を通じてシリンダに送達する。弁ディプレッサ１６は、ベアリングハウジング２５にはめこんだ球形ベアリングレース２４及び弁ばね保持器２６を備えている。
【００３６】
カム接触装置の材料
窒化ケイ素と炭化ケイ素から選択したセラミック製ベアリングを有するリフタの具体的設計例を、固定プロファイルカムシャフトを有する内燃機関（ＩＣＥ）内及び可変プロファイルカムシャフトを有するＩＣＥ内で試験した。他のセラミック材料とその特性を、比較表１に示した。
【００３７】
【表１】
2004506114.tif 000003
参照事項
（１）Ｃｅｒａｄｙｎｅ Ｉｎｃ．の窒化ケイ素の特性
（２）特定環境用ベアリングの研究と開発
Ｈｉｒｏｙｕｋｉ Ｉｔｏ、基本研究・開発センター
Ｓｈｉｇｅｋｉ Ｍａｔｓｕｎａｇａ、精密ベアリング技術部
ＮＳＫコーポレートウェブサイト
（３）特定環境用セラミック材料
Ｓｈｉｎ Ｎｉｉｚｅｋｉ、ベアリング技術センター
ＮＳＫコーポレートウェブサイト
（４）潤滑剤中の極圧添加物のベアリング疲労寿命に対する影響
Ｈ． Ｐ． Ｎｉｘｏｎ、Ｔｈｅ Ｔｉｍｋｅｎ Ｃｏ．米国オハイオ州キャントンコーポレートウェブサイト
（５）セラミック及びセラミックコーティングの熱伝導率
Ａｎｄｒｅｗ Ｓｌｉｆｋａ
ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｏｕｌｄｅｒ．ｎｉｓｔ．ｇｏｖ／ｄｉｖ８５３／Ａｎｎｕａｌ％２０Ｒｅｐｏｒｔ％２０２０００％２０ＨＴＭＬ／Ｐ２３．ｈｔｍｌ
（６）ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｄｏｃｅｒａｍ．ｃｏｍ／ｅ＿ｍａｔ３．ｈｔｍ
（７）Ａｗｒ＝ＦＴ＾１／２×Ｈ＾１．４３×Ｅｍ＾−０．８
【００３８】
セラミック製ボールベアリングリフタの設計は、ロサンゼルスのカウンティエリアに所在のＩｓｋｙ Ｃａｍｓ Ｉｎｃ．で、最初に試験評価された。前記リフタ（以後リフタ１と呼ぶ）には、Ｃｅｒａｄｙｎｅ Ｉｎｃ．から入手した、ＣＥＲＡＬＬＯＹ１４７−３１Ｎ材料製のセラミックベアリングを使用した。
【００３９】
リフタ１は、最初、ＳＰＩＮＴＲＯＮ制御システムを使用してエンジン燃焼なしのエンジン内で試験した。というのは、このＳＰＩＮＴＲＯＮ制御システムは、リフタが故障したときにエンジンが損傷する危険なしにリフタを評価する最良の機会を提供するからである。最初の評価は、低圧弁ばね（２００ｌｂ／インチ）で行い、リフタ／カム表面の界面のより高い接触負荷がカムシャフトのスコーリングをもたらすかどうかを最初に確認した。試験サイクルを８ｈｒで完了したが、リフタ又はカムシャフトに損傷が全くないことは明白であった。次に第二の評価を、高圧力（８００ｌｂ／インチ）のＮＡＳＣＡＲ（Ｎｏｒｔｈ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｓｔｏｃｋ Ｃａｒ）仕様の弁ばねを使用して行った。この試験も８ｈｒにわたって行ったが、リフタまたはカムローブに損傷は全く認められなかった。
【００４０】
第二相の評価を、実運転条件下にてＣｈｅｖｒｏｌｅｔＶ８エンジン：ＺＺ４Ｐ／Ｎ２４５０２６０９で行った。この試験では、２種のリフタ設計、すなわちボールベアリング及びＲ付きホイールを使用し、そしてボールベアリング設計の材料の変化も評価した。図３、４及び５はこれら試験の結果を示し、表２はリフタ／試験設計の要約を示す。
【００４１】
【表２】
2004506114.tif 000004
【００４２】
この試験は米国カリフォルニア州トランス所在のＳｈａｖｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｓの工場で行った。三種の設計例を、高性能ばね（３５６ｌｂ／インチで評価してｐ／ｎ１０１３４３５８）を使用する試験エンジン中に入れた。そのエンジンを起動し、次に負荷のもとで、ｒｐｍを制御して２０００ｒｐｍに設定した。２分後に、顕著な失火が検出されたのでエンジンの運転を中断した。エンジンを直ちに分解して、部品を検査した。
【００４３】
図３は、スチールボールリフタ（リフタ２）の摩耗を原物のスチールボールと比較して示す。図４はリフタ１（左）とリフタ２（右）を示す。図に示すように、リフタ１は材料の損失が全くなくかつカムシャフトのローブは全く損傷していない。リフタ２は広範囲にわたって材料の損失があり、かつカムローブがかなり損傷している。
【００４４】
図５はリフタ３（左と中央）及びリフタ１（右）を示す。この場合、試験によって、リフタ又はカムシャフトローブに損傷は全く認められない。
【００４５】
続いて、エンジンをリフタ１と３とともに再び組立てそして同じ仕様の新しいカムシャフトを取り付けて、各種のｒｐｍ（アイドルから６０００ｒｐｍまで）と負荷で、試験を６ｈｒ続けた。被検エンジンは、指定された同じ出力とトルクのレベルを生成し、エンジン運転の問題点は何も検出されなかった。試験完了後、エンジンを分解して、リフタとカムシャフトを摩耗について測定した。リフタ又はカムシャフトローブにさしたる摩耗はなかった。
【００４６】
可変カムローブプロファイルの試験
可変プロファイルカムシャフトを備えたエンジンの完全試験を下記のように実施した。
被検エンジン：ＣｈｅｖｒｏｌｅｔＬＳ−１ ５．７Ｌオーバーヘッド弁プッシュロッドエンジン圧縮比：１０：１
内径×行程：９９．００×９２．００ｍｍ
シーケンシャル噴射
【００４７】
改良する前、上記エンジンは、定格出力が５４００ｒｐｍで３４５であり、アイドル回転速度は７００ｒｐｍであった。
【００４８】
上記エンジンは、可変プロファイルカムシャフト及びこのカムシャフトを直線変位させるための油圧アクチュエーションシステムを取り付けて改良した。該カムシャフトの可変プロファイルローブが、リフト、作用時間及びデグリーイング（７デグリー）を変えた。上記エンジンの１６個の弁すべてのカム接触装置に、窒化ケイ素製ボールベアリング（Ｃｅｒａｌｌｏｙ１４７−３１Ｎ）を取り付けて改良した。ばね圧３５０ポンドを利用した。
【００４９】
このエンジンは最初５分間作動させ、停止させ次に再び４５分間作動させた。その間、カムシャフトは、該エンジンが低ｒｐｍから高ｒｐｍへと作動するにつれてローブの二つの末端間を軸線方向に変位した。
【００５０】
改良されたカムシャフトについて、エンジン出力を測定したところ５４００ｒｐｍで４２０ｈｐであり、かつ得られた最低アイドル回転速度は４００ｒｐｍであった。容積効率（ＶＥ）の全増加率を計算したところ２５％であった。
【００５１】
アイドル回転速度を４００ｒｐｍ未満に低下させようとする試みは、該エンジンに配置構成された電子制御モジュール（ＥＣＭ）が、加えられるチューニングを一貫して無効にしたので、不成功に終わった。すなわち、アイドル回転速度を４００ｒｐｍ未満に低下させようとすると、制御器のアイドルエア制御モジュールが燃料を加えてアイドル回転速度を高くする。アイドル回転のために利用されるカムプロファイルに基づいて、２００ｒｐｍと低いアイドル回転速度を達成できると予想される。
【００５２】
該エンジンを作動させた後、分解して検査した。カムシャフトとカム接触装置は、摩耗の形跡を全く示さなかった。
【００５３】
考察
原物リフタの試験は、カムシャフトと微小接触点を有するカム接触装置が、ＩＣＥ内で作動しながら非常に高い点圧力に耐えることができることを例証している。具体的に述べると、セラミックの窒化ケイ素製ベアリングを使用すると、固定プロファイルカムシャフトを有する効率的なカム接触装置を提供する。原物リフタの試験結果は、さらに、潤滑スチールベアリングをカム接触装置として使用すると、効果がなく、そのカム接触装置が迅速に破損するに至ることを例証している。
【００５４】
可変プロファイルカムシャフトの試験は、微小接触点を有するカム接触装置が、連続可変カムプロファイルを有する可変弁タイミングシステムを効率的に作動させることができることを例証している。この試験の実際の結果は、固定カムプロファイルエンジンと比べて、アイドル回転速度を著しく低下させ、かつ全エンジン容積効率を著しく高めることを例証した。
【００５５】
スチール及びセラミック製のベアリングの考察
スチールボールの破損は、そのスチールボールがスチール弁本体に対して起こすゴーリング（すなわち局所溶着）が原因のようである。一旦、ゴーリングが始まると、そのボールは、直ちに、ポケット内とカムシャフト上の両方で滑動しかつ転動する。ボールのこのゴーリングと滑動の動作が、ボールの均一な摩耗（０．０４２”）の原因であろう。ボールのカムシャフトに対するこのような非意図的な滑動作動が、カムシャフトに見られる激しい損傷（すなわち溝傷）をもたらした。
【００５６】
セラミック（窒化ケイ素）製ボールが成功したのは、このセラミックの摩擦係数が低くかつ熱散逸特性に優れているためのようである。このセラミックボールは、ゴールしなかったので、そのポケット内で転動し続けることができ、かつカムシャフトとの転動接触を維持できた。このことは、カムシャフトに見られる損傷／摩耗が最小限である原因であろう。ボールは、カムシャフト上で転動すると、リフタ本体のポケット内で滑動しなければならない。その結果、この設計に固有のいくらかの摩擦と熱の発生がある。しかし、該セラミックの摩擦係数は低いので、熱の発生はスチールと比べて少ない。さらに、ボールとリフタ本体の間の滑動面に、リフタを通じて供給されるオイルは、この摩擦をさらに減らしかつボールを冷却できる。
【００５７】
さらにセラミック製ボールは、金属製ボールより剛性なので、負荷によってそれほど変形しない。その結果、ボール内に発生する熱も、セラミック製ボールの方が少ない。
【００５８】
スチールローラアセンブリーはその中にローラ要素をもっている。したがって、カムシャフトに対するローラの転動作動がある。したがってセラミック製ボールの場合、カムシャフトの摩耗は最小限になる。接触応力のために、加工硬化（ｗｏｒｋ ｈａｒｄｅｎｉｎｇ）がカムシャフトに起こることがある。加工硬化は、ローラとセラミック製ボール両者のセットアップ（ｓｅｔ ｕｐ）のためカム軸に見られた細い筋の原因である可能性が最も高い。スチールローラアセンブリーは、転動作動が支配的で滑動作動がないので、摩擦したがって熱の発生が最小であろう。
【００５９】
窒化ケイ素製ボールの場合は次のことがいえる。
ａ）該ボールに対する全摩擦はスチールボールのそれより小さい。
ｂ）摩擦のレベルが低いので、該ボール接触面における熱の発生はスチールボールより少ない。
ｃ）該ボールとカム及び該ボールとカップ（３６）の界面で発生した熱は、該ボールの熱伝導率が、ボール／リフタに供給される油によって冷却が促進されるスチールカップより著しく低いので、該ボールではなくてスチール界面に主な散逸経路を見つける。
ｄ）したがってスチールの接触面は、該ボールより一層温度が上る。
ｅ）したがってスチールの接触面は、熱が増大しかつ膨張係数が高いため、該ボールより膨張する。
ｆ）膨張係数が異なるので、該ボールはまわりのカップより常に小さいままである。したがって該ボールは、熱の蓄積によって、ひっつくことはないであろう。
ｇ）カムのマークは、恐らく接触界面の熱がカムを効果的に加工硬化させた結果であった。
【００６０】
スチール製ボールの場合、次のことがいえる。
ａ）該ボールに対する全摩擦は、窒化ケイ素製ボールより大きい。
ｂ）摩擦のレベルが高いので、該ボールの接触面において、窒化ケイ素製ボールより多量の熱を発生する。
ｃ）該ボールとカム及び該ボールとカップ（３６）の界面で発生した熱は、該ボール並びに該ボール／リフタ界面に供給されたオイルが冷却を促進する接触面を通じて散逸する。
ｄ）したがって、スチール接触面は、該ボールの温度が上がるにつれて温度が上昇する。
ｅ）カムとカップの両者に接触するスチールボールは、カムと接触しているためカップより速く温度が上がる。該ボールは、カップより速く温度が上がれば、カップより速く膨張して、摩擦が増大してカップにひっつき始めることがある。
ｆ）膨張係数が同じと仮定すると、該ボールは、カップより速く温度が上がればカップにひっつくことがある。
ｇ）カム、ボール及びカップの摩耗は、該ボールがカップ内にひっつきはじめて（ゴールしはじめて）、三つの面全体の摩擦と摩耗を有効に増大した結果であろう。
【００６１】
スチール製（Ｒ付き）ホイールの場合次のことがいえる。
ａ）該スチールホイールの全摩擦は窒化ケイ素ボールのそれより大きい。
ｂ）摩擦のレベルが窒化ケイ素製ボールより高いので、該ホイールの接触面により多量の熱が発生する。
ｃ）該ホイールとカム及び該ホイールとローラ（４）の界面で発生する熱はすべて、該ホイールのリム及び接触面を通じて散逸する。
ｄ）したがって、スチール接触面は、ボールの温度が上がるにつれて温度が上がる。
ｅ）該スチールホイールは、窒化ケイ素ボールより接触部分が小さいので、与えられたばね負荷に対して窒化ケイ素ボールより多量の熱を発生する。
ｆ）該スチールホイールは、支持リフタ面に対して大きな間隙を有している。
ｇ）熱膨張している該ホイールはまわりのリフタの面と接触しないので、該スチールホイールは、スチールボールほどにはひっつかない（ゴールしない）であろう。
ｈ）ホイールリムに発生した熱は、カムとローラベアリングを通じてのみ散逸できる。強制オイル冷却浴はない。
ｉ）該スチールホイールは、摩擦のレベルが高く潤滑油が少ないので、窒化ケイ素製ボールより温度が高くなる。
ｊ）カムのマークは、該ホイールとカムの界面で移送される熱が高レベルであったことが原因であろう。カムは摩擦と接触圧の熱によって効果的に熱硬化されていた。そのマークは、カム接触部分における温度と圧力が高いため、窒化ケイ素製ボールより広い範囲にわたっていた。
【００６２】
結論として、窒化ケイ素が成功したのは、セラミックと金属の接触によって発生する熱並びに表１に概説した熱伝導率、熱膨張係数などの材料特性の差に由来するカムローブ金属の硬化が原因であろう。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】本発明のローラリフタの概略図である。
【図１Ｂ】組み立てられた本発明のボールベアリングリフタと分解された同リフタの概略図である。
【図１Ｃ】本発明の半球形固定リフタの概略図である。
【図１Ｄ】固定中心線及び可変中心線の両者を有する可変弁タイミングカムシャフトの端面図を示す。
【図２】球形ベアリング弁ディプレッサと弁座燃料噴射器を備えた複合オーバーヘッドカムシャフトシステムの概略図である。
【図３】エンジン内で作動させたスチールボールベアリングリフタの摩耗パターンを、エンジン内で作動させなかったスチールボールベアリングと比較して示す写真である。
【図４】セラミックベアリングリフタ及びスチールベアリングリフタの摩耗パターンを示す写真である。
【図５】スチール製Ｒ付きホイールリフタとセラミック製ベアリングリフタの摩耗パターンを示す写真である。
【図１Ａ】
2004506114.tif 000005
【図１Ｂ】
2004506114.tif 000006
【図１Ｃ】
2004506114.tif 000007
【図１Ｄ】
2004506114.tif 000008
【図２】
2004506114.tif 000009
【図３】
2004506114.tif 000010
【図４】
2004506114.tif 000011
【図５】
2004506114.tif 000012
【国際公開パンフレット】
2004506114.tif 000013
2004506114.tif 000014
2004506114.tif 000015
2004506114.tif 000016
2004506114.tif 000017
2004506114.tif 000018
2004506114.tif 000019
2004506114.tif 000020
2004506114.tif 000021
2004506114.tif 000022
2004506114.tif 000023
2004506114.tif 000024
2004506114.tif 000025
2004506114.tif 000026
2004506114.tif 000027
2004506114.tif 000028
2004506114.tif 000029
2004506114.tif 000030
2004506114.tif 000031
2004506114.tif 000032
2004506114.tif 000033
2004506114.tif 000034
2004506114.tif 000035
2004506114.tif 000036
2004506114.tif 000037
【国際調査報告】
2004506114.tif 000038
2004506114.tif 000039