(57)【要約】【課題】同一作動角におけるリフト量を増大し、かつロッカーアームの大型化を抑制する。【解決手段】弁１８のリフト特性・作動角を連続的に変更可能な内燃機関の可変動弁装置であって、機関の回転に同期して揺動する揺動カム６と、揺動カム６に当接するカムフォロワ部１６を備えるロッカーアーム１５と、を備え、カムフォロワ部１６は、少なくとも２つ以上の異なる曲率からなるプロフィルを有する。カムフォロワ部のプロフィルは、例えばバルブイベント初期に当接する部分の曲率は相対的に小さく、バルブイベントが進行したときに当接する部分の曲率は相対的に大きく設定する。【選択図】図２
2009036075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁のリフト特性・作動角を連続的に変更可能な内燃機関の可変動弁装置であって、
機関の回転に同期して揺動する揺動カムと、
前記揺動カムに当接するカムフォロワ部を備えるロッカーアームと、
を備え、
前記カムフォロワ部は、少なくとも２つ以上の異なる曲率からなるプロフィルを有することを特徴とする内燃機関の可変動弁装置。
【請求項２】
前記カムフォロワ部のプロフィルは、弁の開閉動作の加速度が正の区間では曲率が相対的に小さく、負の区間では曲率が相対的に大きいことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
【請求項３】
前記カムフォロワ部のプロフィルは、前記揺動カムのカム面のベースサークル中心からの距離が近い部分では曲率が相対的に小さく、遠い部分では曲率が相対的に大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の可変動弁装置。
【請求項４】
前記カムフォロワ部のプロフィルは、前記揺動カムのカム面のベースサークル中心からの距離が増大するのに伴って漸増することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関の可変動弁装置。
【請求項５】
前記カムフォロワ部のプロフィルは、バルブイベントの初期に前記揺動カムと当接する初期当接部分の曲率が相対的に大きく、前記初期当接部分よりもバルブイベントが進んだときに当接する部分では、前記ベースサークル中心からの距離が近い部分は小さく、遠い部分は大きいことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変動弁装置。
【請求項６】
前記カムフォロワ部のプロフィルは、前記揺動カムのカム面のベースサークル中心からの距離が増大するのに極値をもって変化することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の内燃機関の可変動弁装置。
【請求項７】
前記カムフォロワ部はすべりフォロワであることを特徴とする。請求項１から６のいずれか一つに記載の内燃機関の可変動弁装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変動弁装置に関し、特に揺動カムシャフトを用いて作動角及びリフト量を連続的に可変制御し得る可変動弁装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
揺動カムシャフトを用いた可変動弁装置としては、特許文献１に開示されたもの等が知られている。
【０００３】
特許文献１に開示された可変動弁装置は、バルブリフタを介してバルブを直接駆動するいわゆる直動式であるが、バルブ駆動方式はこれに限られるわけではなく、特許文献２にはロッカーアームを用いたものが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２９３４０６号公報
【特許文献２】特開２００４−２０４８２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、近年では、内燃機関のさらなる高性能化を図るべく、体積効率の向上が課題となっている。体積効率の向上のためには、まず吸入空気量を増大させることが必要であり、そのためには同一作動角あたりの吸気バルブのリフト量を増大させることが有効である。
【０００５】
一般に、同一作動角におけるバルブリフト量を増大させるためには、バルブの加速度を増加させることとなり、この点については、特許文献２のようにロッカーアームを用いた方が、ロッカー比によるリフト量増大の効果が得られるため有利である。
【０００６】
また、曲面状のカムフォロワを有するロッカーアームの場合には、バルブ加速度を増大させるためには、カムプロフィルを内周側に向けて窪んだ部分（以下、凹部という）を有する形状にすることが有効である。
【０００７】
ところが、バルブ加速度を大きくしようとするほど凹部の曲率は大きくなる。そして凹部の曲率が大きくなると、成形時に小型の砥石が必要となる等の理由により生産性が著しく低下するばかりか、カムプロフィルを形成できなくなるおそれもある。
【０００８】
一方、凹部の曲率を緩和するためには、カムフォロワの曲率を小さくすればよい。例えば特許文献２に記載の装置においては、フォロワ部であるローラの半径を大きくすればよい。しかしながら、フォロワの曲率を小さくするとロッカーアームが大型化し、動弁系の質量増加による運動限界の低下や、エンジンの大型化等の弊害を招く。
【０００９】
そこで、本発明では同一作動角におけるリフト量増大による吸入空気量の増大を図りつつ、ロッカーアームの大型化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の内燃機関の可変動弁装置は、弁のリフト特性・作動角を連続的に変更可能な内燃機関の可変動弁装置であって、機関の回転に同期して揺動する揺動カムと、前記揺動カムに当接するカムフォロワ部を備えるロッカーアームと、を備え、前記カムフォロワ部は、少なくとも２つ以上の異なる曲率からなるプロフィルを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、バルブ加速度を大きくするようなカムプロフィルにしても、例えば、カムフォロワ部の一部の曲率を小さくすることによって凹部の曲率が大きくなることを抑制し、かつ他の部分の曲率を大きくすることによってカムフォロワ部の大型化を抑制することができる。これを吸気弁の駆動に用いれば、同一作動角におけるリフト量増大による吸入空気量の増大を図りつつ、オッカーアームの大型化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は、本実施形態で使用するバルブのリフト量及び作動角を可変に制御することができる動弁機構の、揺動カム駆動部分についての概略図であり、シリンダヘッド（図示せず）に備えられる。図２は動弁機構の吸気バルブ駆動部分についての概略図（エンジンフロント側から見た図）である。
【００１４】
なお、ここでいうリフト量とは最大リフト量のことをいう。また、リフト量の可変制御とは最大リフト量を可変制御することをいい、クランクシャフトの回転に同期して開閉する際のリフト量変化は除くものである。
【００１５】
本動弁機構は、吸気弁１８のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構１３と、そのリフトの中心角の位相（クランクシャフトに対する位相）を進角もしくは遅角させる位相可変機構１２と、が組み合わされて構成されている。
【００１６】
なお、このリフト・作動角可変機構１３は、本出願人が先に提案し、位相可変機構１２とともに特開２００２−８９３０３号公報や特開２００２−８９３４１号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。
【００１７】
リフト・作動角可変機構１３は、シリンダヘッド上部の図示せぬカムブラケットに回転自在に支持された中空状の駆動軸１と、この駆動軸１に圧入等により固定された偏心カム２と、上記駆動軸１の上方位置に同じカムブラケットによって回転自在に支持されるとともに駆動軸１と平行に配置された制御軸７と、この制御軸７の偏心カム部８に揺動自在に支持された可変動弁用ロッカーアーム４と、各吸気弁１８の上端部に当接するバルブフォロワ１７を備え、ピボット１９を支点として揺動可能に備えられたバルブ駆動用ロッカーアーム（以下、単にロッカーアームという）１５と、ロッカーアーム１５を介して吸気バルブ１８を開閉駆動する揺動カム６と、を備えている。可変動弁用ロッカーアーム４は一方の端部付近が連結ピン１０を介してリンクアーム３の上方側端部と連結されており、他方の端部付近が連結ピン９を介してリンク部材５の上方側端部と連結されている。リンク部材５の下方側端部は連結ピン１１を介して揺動カム６と連結されている。
【００１８】
上記駆動軸１は、後述するように、タイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動されるものである。
【００１９】
上記偏心カム２は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸１の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リンクアーム３の環状部３ａが回転可能に嵌合している。
【００２０】
上記可変動弁用ロッカーアーム４は、略中央部を上記偏心カム部８が回転可能に貫通している。上記偏心カム部８は、制御軸７の軸心から偏心しており、従って、制御軸７の角度位置に応じて可変動弁用ロッカーアーム４の揺動中心は変化する。
【００２１】
上記揺動カム６は、駆動軸１の外周に嵌合して回転自在に支持されており、駆動軸１の軸方向に対して直角方向へ延びた端部付近に、前述したようにリンク部材５の下端部が連結ピン１１を介して連結している。この揺動カム６の下面には、駆動軸１と同心状の円弧をなす基円面６ｃと、該基円面６ｃから上記端部へと所定の曲線を描いて延びるカム面６ｂと、が連続して形成されており、これらの基円面６ｃならびにカム面６ｂが、揺動カム６の揺動位置に応じてカムフォロワ１６に当接するようになっている。
【００２２】
すなわち、上記基円面６ｃはベースサークル区間として、リフト量がゼロとなる区間であり、揺動カム６が揺動してカム面６ｂがカムフォロワ１６に接触すると、ロッカーアーム１５はピボット１９を支点として傾き、吸気バルブ１８は徐々にリフトしていくことになる。なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。
【００２３】
上記制御軸７は、図１に示すように、一方の端部に設けられたリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ１４によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ１４への油圧供給は、図示しないエンジンコントロールユニットからの制御信号に基づいて制御されている。
【００２４】
このリフト・作動角可変機構１３の作用を説明する。駆動軸１が回転すると、偏心カム２のカム作用によってリンクアーム３が上下動し、これに伴って可変動弁用ロッカーアーム４が制御軸７を揺動軸として揺動する。この可変動弁用ロッカーアーム４の揺動は、リンク部材５を介して揺動カム６へ伝達され、該揺動カム６が揺動する。この揺動カム６のカム作用によって、カムフォロワ１６が押圧され、ロッカーアーム１５が傾いて吸気弁１８がリフトする。
【００２５】
ここで、リフト・作動角制御用油圧アクチュエータ１４を介して制御軸７の角度が変化すると、可変動弁用ロッカーアーム４の揺動中心位置が変化し、ひいては揺動カム６の初期揺動位置が変化する。
【００２６】
例えば、偏心カム部８が上方に位置しているとすると、可変動弁用ロッカーアーム４は全体として上方へ位置し、連結ピン１１が相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム６の初期揺動位置は、そのカム面６ｂがカムフォロワ１６から離れる方向に傾く。従って、駆動軸１の回転に伴って揺動カム６が揺動した際に、基円面６ｃが長い間カムフォロワ１６に接触し続け、カム面６ｂがカムフォロワ１６に接触する期間は短い。このためリフト量が全体として小さくなり、かつ、その開時期から閉時期までの角度範囲、すなわちカムの作動角も縮小する。
【００２７】
逆に、偏心カム部８が下方へ位置しているとすると、可変動弁用ロッカーアーム４は全体として下方へ位置し、揺動カム６の端部が相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム６の初期揺動位置は、そのカム面６ｂがカムフォロワ１６に近付く方向に傾く。従って、駆動軸１の回転に伴って揺動カム６が揺動した際に、カムフォロワ１６と接触する部位が基円面６ｃからカム面６ｂへと直ちに移行する。このためリフト量が全体として大きくなり、かつその作動角も拡大する。
【００２８】
上記の偏心カム部８の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、バルブリフト特性も連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時にかつ連続的に拡大，縮小させることができる。なお、この実施例では、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸気弁１８の開時期と閉時期がほぼ対称に変化する。
【００２９】
次に、位相可変機構１２は、図１に示すように、上記駆動軸１の前端部に設けられたスプロケット２０と、このスプロケット２０と上記駆動軸１とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用アクチュエータ２１と、から構成されている。上記スプロケット２０は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトと同期して回転している。位相制御用アクチュエータ２１は、エンジンコントロールユニット（図示せず）からの制御信号に基づいて制御される。この位相制御用アクチュエータ２１の制御によって、スプロケット２０と駆動軸１とが相対的に回転し、リフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も連続的に得ることができる。位相可変機構１２としては、油圧式、電磁式アクチュエータを利用したものなど、種々の構成が可能である。
【００３０】
なお、前記シリンダヘッドには、燃焼室内の混合気に火花点火するための点火栓（図示せず）が備えられており、前記点火栓の点火時期は運転状態に基づいて制御される。
【００３１】
上述した可変動弁機構を備えるエンジンにおける燃料噴射は、吸気ポート内に噴射するいわゆるポート噴射、又は燃焼室内に直接噴射するいわゆる筒内直接噴射式のいずれであっても構わない。
【００３２】
次に、揺動カム６及びロッカーアーム１５について図２を参照して説明する。
【００３３】
揺動カム６のカムプロフィルは、図２に示すようにカム面６ｂの一部、具体的には吸気バルブ１８の開弁動作（以下、バルブイベントという）の初期に後述するカムフォロワ１６と接する部分（図中破線で囲んだ部分）が、揺動カム６の内周側に窪んだ形状となっている。以下、この窪んだ部分を「凹部」という。
【００３４】
ロッカーアーム１５は揺動カム６の揺動軸６ａに対してカム面６ｂとは反対側を支点１９とし、下面には吸気バルブ１８の上端部と接する略半球状のバルブフォロワ１７を備える。揺動軸６ａは支点１９と吸気バルブ１８との間に位置する。これは、いわゆるロッカー比を設けることによって、リフト量増大の効果を得るためである。
【００３５】
上面に設けたカムフォロワ１６は、揺動カム６の揺動角が変化するのに従ってカム面６ｂとの接触部が移動する、いわゆるすべりタイプである。そして、そのプロフィルは、曲率の異なる２種類の円弧から形成される。なお、ここでいう曲率とは、曲率半径の逆数である。すなわち、「曲率が大きい」とは曲率半径が小さいことをいう。
【００３６】
ここで、カムフォロワ１６のプロフィルについて、図３を参照して説明する。図３の横軸は、揺動カム６の揺動軸６ａをゼロとし、そこから吸気バルブ１８の軸心に対して直交する方向への距離Ｘであり、縦軸はカムフォロワ１６のプロフィルの曲率である。図中の実線ＣＦＰ１は本実施形態のプロフィルについて表している。実線ＣＦＰ２については後述する。
【００３７】
図３に示すように、揺動軸６ａに近い部分の曲率ρ１と遠い部分の曲率ρ２とを比較すると、ρ１＜ρ２という関係になる。すなわち、バルブイベントの前半でカム面６ｂと接する部分の曲率ρ１は相対的に小さく、バルブイベントの後半でカム面６ｂと接する部分の曲率ρ１は相対的に大きい。ρ１とρ２とが切換わる位置は、揺動カム６のカムプロフィルに応じて、例えばバルブ加速度が正から負に変化する位置で切換わるように設定する。
【００３８】
カムフォロワ１６のプロフィルを上記のように設定することにより、吸気バルブ１８のリフト特性と作動角との関係は図４に示すようになる。図４は横軸に作動角、縦軸にリフト量をとった図である。なお、ここで言う作動角とは、一般的な回転カムの場合と同様に、吸気バルブ１８が開弁し始めてから閉弁するまでの駆動軸１の回転角のことをいう。
【００３９】
図４中の実線Ａは本実施形態のリフト特性、実線Ｂは特開２００２−８９３０３号公報や特開２００２−８９３４１号公報等に開示されている、ロッカーアーム１５を用いないいわゆる直打式（以下、従来の連続可変機構という）の場合のリフト特性を表す。
【００４０】
図４に示すように、小作動角から大作動角まで全域に渡って、実線Ａは実線Ｂに対して同一作動角におけるリフト量が大きくなっている。すなわち、同一作動角における吸入空気量が増大し、体積効率が向上している。
【００４１】
ここで、カムフォロワ１６のプロフィルを、バルブイベント前半部分の曲率が相対的に小さくなるように設定しているので、揺動カム６のカムプロフィルの凹部の曲率は緩和される。このため加工性が大幅に悪化したり、加工が不可能になることはない。また、バルブイベント後半でカム面６ｂと接触する部分の曲率が相対的に大きくなるように設定しているので、カムフォロア１６部分の大型化を抑制することができ、これによりロッカーアーム１５が大型化することを防止することができる。
【００４２】
なお、カムフォロワ１６のプロフィルを、図３の実線ＣＦＰ１のようにステップ的に変化させる代わりに、実線ＣＦＰ２のようにρ１に近い曲率からρ２に近い曲率まで、連続的に変化させてもよい。この場合にも、同一作動角におけるバルブリフト量を増大させつつ、揺動カム６の凹部の曲率を緩和させてロッカーアーム１５の大型化を防止することができる。
【００４３】
第２実施形態について図５、図６を参照して説明する。
【００４４】
図５は図２と同様に動弁機構の吸気バルブ駆動部分について表した概略図（エンジンフロント側から見た図）、図６は図３と同様に揺動カム６のよう同軸６ａからの距離Ｘとカムフォロワ１６の曲率との関係を表す図、図７は図４と同様にバルブリフト特性と作動角との関係を表す図である。なお、図６の実線ＣＦＰ３は曲率ρ３、ρ４、ρ５がステップ的に変化する場合について、ＣＦＰ４は後述する連続的に変化させる場合についてそれぞれ表している。図７の実線Ｃは本実施形態のリフト特性、実線Ｄは従来の連続可変機構のリフト特性について表したものである。
【００４５】
本実施形態の構成は、基本的には第１実施形態と同様であるが、カムフォロワ１６のプロフィルが異なる。図５に示すように、カムフォロワ１６は、曲率の異なる３つの円弧からなり、バルブイベント初期の部分の曲率をρ３、中期の部分の曲率をρ４、後期の部分の曲率をρ５とすると、ρ４＜ρ５≦ρ３という関係になる。
【００４６】
すなわち、第1実施形態のカムフォロワ１６のプロフィルを、バルブイベントのごく初期部分だけ曲率を大きくしたものである。
【００４７】
このようにカムフォロワ１６のプロフィルを設定すると、図７に示すようにリフト量は小作動角から大作動角まで全域に渡って従来の連続可変機構よりも大きくなる。ただし、カムフォロワ１６のバルブイベントの初期に揺動カム６のカム面６ｂと接する部分の曲率を相対的に大きくしたことにより、極小作動角時におけるリフト量、すなわち極小作動角時におけるバルブ加速度が相対的に小さくなっている。
【００４８】
これにより、極小作動角領域では、作動角を変化させたときのリフト量の変化代が小さくなるので、例えば、吸気量をスロットルバルブではなく吸気バルブのリフト量で調節するノンスロットル運転を行う場合に、アイドル運転を成立させ易くなる。また、作動角が極小作動角領域より大きくなると、第１実施形態と同様に、同一作動角におけるバルブリフト量を増大させつつ、揺動カム６の凹部の曲率を緩和させてロッカーアーム１５の大型化を防止することができる。
【００４９】
なお、カムフォロワ１６のプロフィルを、図６の実線ＣＦＰ４のようにρ３に近い曲率からρ４に近い曲率へ、そして、ρ４に近い曲率からρ５に近い曲率まで、連続的に変化させても同様の効果を得ることができる。
【００５０】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】可変動弁機構の揺動カム駆動部分についての概略図である。
【図２】吸気バルブ駆動部分についての概略図である（第１実施形態）。
【図３】カムフォロワの曲率の分布を表す図である（第１実施形態）。
【図４】リフト量と作動角の関係を表す図である（第１実施形態）。
【図５】吸気バルブ駆動部分についての概略図である（第２実施形態）。
【図６】カムフォロワの曲率の分布を表す図である（第２実施形態）。
【図７】リフト量と作動角の関係を表す図である（第２実施形態）。
【符号の説明】
【００５２】
１    駆動軸
２    偏心カム
３    リンクアーム
４    可変動弁用ロッカーアーム
５    リンクア部材
６    揺動カム
７    制御軸
８    偏心カム部
１２  位相可変機構
１３  リフト・作動角可変機構
１４  リフト・作動角制御用油圧アクチュエータ
１５  ロッカーアーム
１６  カムフォロワ
１７  バルブフォロワ
１８  吸気弁
１９  支点
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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