(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の複数のシリンダの各々のバルブを動作させると共にトルクパルスによって可変カム調時装置を動作させるためのトルク増幅カム軸において、
長い軸状部分であって、前記カム軸がその軸状部分の長手方向中心軸線の回りで回転可能な軸状部分と、
前記軸状部分に沿って互いに隔てられた複数のバルブ作動カムであって、前記軸状部分と共に回転可能でありかつシリンダの一つのバルブ用のローラ付きカムフォロアと係合するようになっている外側に突出する部分を有し、そのカムフォロアが前記カム軸に弾力的に偏倚され、複数のバルブ作動カムの外側に突出する部分が前記カム軸の回転軸線に関して互いに円周方向にずらされているバルブ作動カムと、
補足カム部材とを備え、
前記補足カム部材が前記カム軸と共に回転可能でありかつ複数の円周方向に隔てられて外側に突出する部分のある補足カム面を有し、前記補足カム部材の前記補足カム面は前記カム軸にトルクパルスがもたらされるように前記カム軸が回転するときローラ付き補足カムフォロアによって追従され、そのカム軸はトルクパルスとほぼ同期されかつそのトルクパルスに関して調和して向けられ、そのトルクパルスは前記複数のバルブ作動カムの各々と前記複数のバルブ作動ローブの各々と係合するカムフォロアとの間の係合により前記複数のバルブ作動カムによって誘発され、前記補足カム部材によって前記カム軸へ誘発されるトルクパルスは、前記バルブ作動カムによって誘発される前記トルクパルスを増幅し、前記バルブ作動カムによる当該トルクパルスと共に前記可変バルブ調時装置を動作させるための制御信号を与えるのに十分な大きさであることを特徴とするカム軸。
【請求項２】
請求項１に記載のカム軸において、前記補足カム部材の前記補足カム面が三つの外側に突出する部分を有するカム軸。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のカム軸において、前記カム軸が三つのバルブ作動カムを含むカム軸。
【請求項４】
請求項１，２又は３のいずれかに記載のカム軸において、前記補足カム部材が前記軸状部分と共に回転可能であり、前記補足カム面が外側に面しているカム軸。
【請求項５】
請求項１，２，３又は４のいずれかに記載のカム軸において、前記補足カム部材が前記軸状部分と共に単一の部品として一体に形成されているカム軸。
【請求項６】
請求項１，２，３，４又は５のいずれかに記載のカム軸において、前記補足カムフォロアが前記補足カム部材に対して偏倚されているバネ負荷された部材を備えるカム軸。
【請求項７】
請求項１，２，３，４，５又は６のいずれかに記載のカム軸において、前記補足カム部材にロッカーアームとしてのレバーに装着されたローラ式カムフォロアが接触するカム軸。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は機械装置にカムを使用することに関する。更に詳細には、本発明はそのような機械装置において発生される通常のトルクパルスの大きさを増大する、内燃機関用のカム軸に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ばね負荷が加えられたカムフォロアを有する形式の内燃機関に使用するカム軸は、そのカム軸の回転中に一連の反対方向に向けられたトルクパルスを受ける。各パルスの正方向の部分は、カム軸にトルクを加えてカムフォロアによって開かれるバルブの開き動作中にその作動カムの各々をカムフォロアの力に抗して回転させる必要があるため発生し、負方向の部分は、バルブの閉じ動作中に作動カムがカムフォロアの力に抵抗するときカム軸に反対方向のトルクを加えることにより発生する。
【０００３】
結果的に発生するトルクパルスは動作の目的で、例えば米国特許第５，００２，０２３号に示されるように可変カム調時装置（ＶＣＴ）に制御信号を与えるための装置として使用するために使用される。本発明はこの米国特許を参考に明細書に引用している。
【０００４】
しかしながら、ある応用例（通常直列４シリンダ及び６シリンダエンジン）に対して、トルクパルスは上記米国特許によるＶＣＴ装置に加えるのに十分な大きさではない。これらの場合、トルクパルスは有効に利用されるために増幅されなければならない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は機械装置に使用するための改良したカム軸を提供することである。さらに詳細には、本発明の目的は内燃機関用の改良したカム軸を提供することである。
【０００６】
更に特別の目的は、通常の動作中にかなり大きなトルクパルスを受ける内燃機関用のカム軸を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本願の発明は、内燃機関の複数のシリンダの各々のバルブを動作させると共にトルクパルスによって可変カム調時装置を動作させるためのトルク増幅カム軸において、長い軸状部分であって、前記カム軸がその軸状部分の長手方向中心軸線の回りで回転可能な軸状部分と、前記軸状部分に沿って互いに隔てられた複数のバルブ作動カムであって、前記軸状部分と共に回転可能でありかつシリンダの一つのバルブ用のローラ付きカムフォロアと係合するようになっている外側に突出する部分を有し、そのカムフォロアが前記カム軸に弾力的に偏倚され、複数のバルブ作動カムの外側に突出する部分が前記カム軸の回転軸線に関して互いに円周方向にずらされているバルブ作動カムと、補足カム部材とを備え、前記補足カム部材が前記カム軸と共に回転可能でありかつ複数の円周方向に隔てられて外側に突出する部分のある補足カム面を有し、前記補足カム部材の前記補足カム面は前記カム軸にトルクパルスがもたらされるように前記カム軸が回転するときローラ付き補足カムフォロアによって追従され、そのカム軸はトルクパルスとほぼ同期されかつそのトルクパルスに関して調和して向けられ、そのトルクパルスは前記複数のバルブ作動カムの各々と前記複数のバルブ作動ローブの各々と係合するカムフォロアとの間の係合により前記複数のバルブ作動カムによって誘発され、前記補足カム部材によって前記カム軸へ誘発されるトルクパルスは、前記バルブ作動カムによって誘発される前記トルクパルスを増幅し、前記バルブ作動カムによる当該トルクパルスと共に前記可変バルブ調時装置を動作させるための制御信号を与えるのに十分な大きさとなるように構成されている。
【０００８】
【作用】
本発明によれば、カム軸が通常の運転中に受けるトルクパルスを実質的に増加する、内燃機関用のカム軸を提供する。本発明によるカム軸は、余分のカムすなわちカム軸に組み込まれたエンジンバルブ作動カムの数より一つ多いカムを備えている。余分のカムは、エンジンバルブ作動カムフォロアが係合するカムの有効複合形状を補足する形状を有し、かつ余分のカムは余分のばね負荷が加えられるカムフォロアすなわちエンジンバルブの一つを動作させるのでないカムフォロアによって追従される。カム軸の余分のカムの形状は、余分のフォロアとの係合に起因するトルクパルスがエンジンバルブの動作に起因するトルクパルスと方向において同期し、調和し、かつ所望の大きさとなるように、なっている。
【０００９】
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図１Ａ及び図１Ｂは単ローブカムＣと、カム軸がその軸線の回りで回転するときにカムに追従するローラＲとの間で発生する相互作用を示す。ローラＲが取り付けられるフォロア部材はばねＳによってばね負荷が加えられ、ローラＲがカムＣと接触するように偏倚される。図１Ａ及び図１Ｂに示された装置において、カムＣはロッカーアームＡによってエンジンバルブを動作するために使用され、そのロッカーアームは一端にカム従動ローラＲが取り付けられかつ他端においてバルブステムＶの端部と係合する。ローラアーム用のピボットＰはシリンダヘッドＨに関して固定され、かつバルブばねＳはローラＲの反対側にシリンダヘッドＨとローラアームの端部との間で装着されかつカムサイクル中にローラＲとカムＣとの接触を保持するように連続的に圧縮する。
【００１０】
摩擦を無視できると仮定すると、この仮定はローラカムフォロアを有するエンジンに対しては妥当であるが、カムに作用するローラの接触力はカムの局部接触面に垂直な力である。これは、ローラＲがカムＣのローブＬの上昇側のフランクを上り始める場合に対して図１Ａに示されている。接触力Ｆのモーメントアームはカム軸の軸線から計った距離「ｅ」であり、結果として発生するモーメントは積Ｆ×ｅで与えられ、モーメントはカム軸の回転に対抗する。ここでこれを正のトルクと約束上決める。カムが更に回転すると、ローラＲはローブＬの最も高い位置に到達し、接触力のベクトルはカム軸の軸線と交差し、モーメントアーム「ｅ」はゼロになる。この点において、モーメントすなわちトルクはゼロであり、カム軸が更に回転すると、トルクはその極性が図１Ｂに示されるように変化する。
【００１１】
図１Ｂにおいて、カム軸はローラＲがローブＬの下降側を降下し始めるまで回転されている。そのとき接触力によって発生されるモーメントは−Ｆ×ｅであり、図１Ａで発生されるモーメントと反対であり、カム軸の回転方向に作用する。カム軸を更に回転すると、ローラＲはカムの基礎円に達し、モーメントは再びゼロになりかつ回転を続けてローブＬが再び動作するまでここに留まる。
【００１２】
エンジンにおける摩擦損失はカム軸上のカムに対してローラ式のフォロアを使用することによって減少される。これを実施することにより回転するカム軸に作用する連続的な抵抗トルクが減少する。
【００１３】
ローラフォロアＲを有する単カムを備えている図１Ａ及び図１Ｂに示されるようなカム軸に対して、カム軸が全３６０°のサイクル回転するときカム軸が受けるトルクの変化は、図２の曲線で示され、その図２において縦軸はトルクを表す。トルクの実用上一定な摩擦レベルはこの図及び次の図では無視されている。
【００１４】
図２に説明されるトルクパルスを発生するカムに対して、極性が調和しかつあらゆる所望倍率の同期パルスを発生する補足カムが考案された。このようなカム２０及びその補足カム２２は図３に軸２４上に共に取り付けられて示されている。カム軸上の補足カム２２を適切に割り出しかつばね負荷ローラによって適切に負荷を加えることによって、カム軸に作用するトルクの有効倍率が得られる。バルブ作動カムと補足カムとに起因する正味トルクは米国特許第５，００２，０２３号によるＶＣＴ装置を動作するのに十分である。
【００１５】
図１Ａ及び図１Ｂに示されるカムＣに対して、基礎円はカムの最小半径でありかつカムのローブは最大半径である。同様に、補足カムの基礎円は最小の半径であり、かつ最大半径の領域は補足カムのローブに対応する。
【００１６】
ＤＯＨＣ４シリンダエンジンからのカム軸は９０°間隔で隔てられた四つのカムを有する。図２のパターンはカムサイクル毎に４回繰り返される。このパターンは９０°のカム角度を越えて伸びるのでパターンのある併合（ｍｅｒｇｉｎｇ）が発生する。したがって、このようなカム軸の回転中一連の四つのｓｉｎ状のサブサイクルのトルクパルスが図４に示されるように発生する。
【００１７】
ＤＯＨＣ  Ｖ−６エンジンに対して、カム軸は１２０°間隔で隔てられた三つのカムを有する。図５に示されるこのようなカム軸に対するトルクパルスパターンはカム軸の１回転に対して三つのパルスから成る。
【００１８】
ＤＯＨＣ４シリンダエンジン用のトルク増幅カムすなわち補足カム３０は図６に示されるように４ローブカムであり、それに沿ってばね負荷が加えられたローラフォロア３２が枢動する。このようなカムは図４に示される補足トルクパターンを発生するために使用されかつカム軸３４に含まれたときに正味トルクを有効にかなり増加する。
【００１９】
ＤＯＨＣ  Ｖ６エンジンに対して、トルク増幅補足カムすなわち補足カム４０は、対応して図７に示されるように３ローブカムである。補足カム４０は図５に示されるトルクパターンで実質的に増加するように設計され、その動作は４シリンダエンジンに対して上記したものと全体的に類似している。
【００２０】
図８は、試験結果から得た、ローラ式カムフォロアを有するＤＯＨＣ  Ｖ８エンジンのカム軸用のトルクパターンを示す。このエンジンの形状（ｊｅｏｍｅｔｒｙ）により各一つのカム軸によって動作されるバルブに対するバルブ動作間隔が不均等になる。カム軸サイクルにおいて４５°だけ離れて動作する二つのバルブが常にある。この結果、これら二つのバルブからのパルスが非常に重なり合う。観測された結果は単一パルスへの合体である。それ故、全カム軸に対するトルク脈動パターンは、図８に示されるように、カム軸の回転毎に一連の三つのいくぶん不規則なパルスから成っている。このようなトルク脈動は、通常、米国特許第５，００２，０２３号に記載された動作目的、特に直列４シリンダ及び６シリンダへの応用に対しては十分な大きさではない。
【００２１】
ＤＯＨＣ  Ｖ８エンジン用の単一トルク増幅カムすなわち補足カム５０の性質は、図１２に示されるようにカム軸に加えられるべき３ローブカムである。このようなカムの外形は図９に示されている。ばね５４、枢動アームすなわちレバー５６及びローラ５８による補足カム５０の負荷は図１０に示されている。補足カム５０に対するトルク履歴（ｈｉｓｔｏｒｙ）は図１Ａ及び図１Ｂの説明で述べられたものと同じ考えで演繹される。カムサイクル中にトルクがゼロになる六つの点があり、その三つは三つのローブの頂点であり、他の三つはは補足カム５０の三つの低い点である。対の隣接するゼロ（ｎｕｌｌ）点の間で、トルクはローラフォロア５８がローブの上昇面上で動作しているとき正の方向にありかつローラフォロア５８がローブの下降面上で動作しているとき負の方向にある。補足カムは、トルク履歴が図１１に示されたカム軸に寄与し、図８に示されるエンジン作動バルブの集合トルクパターンを増幅するように設計される。
【００２２】
デュアルオーバヘッドカム軸Ｖ８エンジンにおいて、各カム軸はエンジンの四つのシリンダの各々のための一つのバルブを動作することが要求される。したがって、このようなカム軸は四つのシリンダの四つのバルブ、各シリンダ毎に一つのバルブを動作するために、四つのカムを支持する。カム軸のバルブ作動カムはカム軸の長手方向に沿って互いに隔てられ、かつ種々のシリンダを適当な連続でかつ適当な間隔で着火するために互いに円周方向に片寄っていた。前述の特性を有するカム軸は４バルブ作動カムを有し、その各々はカム軸に正のトルク及び負のトルクを連続的に加え、そのカム軸及び動作に関与する種々の機械要素が受ける正味トルクは個々のバルブ作動カムのトルクパルスの合成である。
【００２３】
図１２は、更に、デュアルオーバヘッドカム軸Ｖ８エンジンのシリンダ列における四つのシリンダの吸気バルブを動作させるときに使用するために設計されたカム軸５２を示す。同じシリンダの排気バルブ（図示されていない）を動作するためのカム軸に関するかつエンジンのクランク軸（図示されていない）に関するカム軸５２の位置は、エンジンの性能を増加するために米国特許第５，００２，０２３号に示される装置によって位相調整されるのが好ましく、そのカム軸５２は四つの吸気バルブ作動カム６２、６４、６６及び６８のある長い軸状部分６０を備える。カム６２、６４、６６及び６８は軸状部分６０と共に単一の部品として一体に形成されかつ軸状部分６０に沿って直列に互いに隔てられている。カム軸５２は軸状部分６０の長手方向中央軸線の回りで回転可能である。その点に関して、ほぼ円形の駆動スプロケット７０はカム軸５２の軸状部分６０にキー止めされ、回転運動が図示しない調時チエーンによって加えられるようにしている。
【００２４】
既に説明したように、カム６２、６４、６６及び６８とそれらに対応するばね負荷が加えられたカムフォロアとの係合により、カム軸５２、駆動スプロケット７０及びそれに係合するチエーンに一連の三つのｓｉｎ状のトルクパルスが加えられる。しかしながら、本発明によれば、正味トルクは補足カム５０を有するカム軸５２を設けることによってかなり増加され、その補足カムもカム軸５２と共に単一の部品として一体に形成されている。補足カム５０はカム軸５２の軸状部分６０の端部近くに駆動スプロケット７０から隔てられて配置されている。図１０に示されるように、補足カム５０にはローラカムフォロア５８が追従するようになっており、そのローラカムフォロアはレバー５６の端部に回転するように取り付けられている。レバー５６はレバーの両端部間の位置において固定の支持体７２に枢動可能に取り付けられている。レバー５６の他端はばね５４によって弾力が加えられ、そのばねはカム軸５２の全回転を通してローラ５８が補足カム５０に常に弾力的に偏倚されるように、成形された接触子７４に作用する。補足カム５０はカム６２、６４、６６及び６８の合成に対する補足であり、すなわち補足カムは、調時がほぼ一致し又は同期し、カム６２、６４、６６及び６８によってもたらされるトルクパルスと極性が一致しかつあらゆる所望の大きさのトルクパルスをカム軸５２にもたらする。したがって、スプロケット７０及び調時チエーンが受ける結果として発生するトルクは実質的に増加する。カム６２、６４、６６及び６８からのトルクパルスの大きさが正確に等しくないので、補足カム５０の輪郭に幾分不規則がある。
【００２５】
図１３は、通常のカム軸と共に本発明を実施するために使用するための駆動スプロケットの別の実施例を示す。駆動スプロケット１７０は、三つの半径方向外側に突出しているローブ１７２ａ、１７２ｂ及び１７２ｃのある内側に面したカム面１７２を有する開口部分１７０ａを備える。図示しないばね負荷が加えられた半径方向に作用するカムフォロアはカム面１７２の輪郭に追従するように配置され、それによってカム軸の各回転中に、駆動スプロケット１７０が取り付けられるカム軸に三つのトルクパルスを誘導する。したがって、駆動スプロケット７０の代わりに駆動スプロケット１７０を使用することによって、その機能、すなわち回転するカム軸にトルクパルスを誘導する機能を除去することなく補足カム５０を除去することが可能であり、その回転するカム軸はもたらされるトルクパルスをバルブ作動カムローブによって実質的に増幅する。
【００２６】
本発明は、デュアルオーバヘッドカム軸エンジンにおけるシリンダ列のシリンダの各々のバルブを動作するためのカム軸の形の好ましい実施例に関連して説明した。しかしながら、好ましい実施例の原理、すなわちカム軸によって支持される一つ又はそれ以上の作動カムを補足する別個の補足カムを補足カムに従動するばねで偏倚されたカムフォロアと共に設けることによってカム軸のトルク脈動を増幅し、それによって作動カムによってもたらされるトルク振動と同期しかつそのトルク脈動に関して方向が調和するトルク脈動をカム軸にもたらす原理は、カム軸に作動カムを使用するあらゆる機械装置に適用できる。更に、本発明の自動車への応用において、シリンダ毎に一つの吸気バルブ、一つの排気バルブを使用するエンジン、特にシリンダ毎に二つ又はそれ以上の吸気バルブ、排気バルブを有するエンジンに使用される以外のカム軸にも適用可能である。
【００２７】
【発明の効果】
出願日現在において本発明を実施するために発明者によって意図された最適のモードについて記載されてきたが、本発明の範囲内で種々の改良、変更が可能であることは当業者に容易に理解できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】１Ａ及び１Ｂは、カム軸の単ローブカムとエンジンバルブを動作するためのローラ式フォロアとの間の、カム軸の回転中の異なる点における接触を説明する図である。
【図２】カム軸の動作サイクルに亙って図１のカム軸が受けるトルクパルスのグラフ図である。
【図３】作動カム及び補足のトルク増幅カムを有するカム軸の斜視図である。
【図４】一つのカム軸サイクルに亙るデュアルオーバヘッドカム軸、４サイクルエンジンのカム軸が受けるトルク脈動パターンを示すグラフ図である。
【図５】一つのカム軸サイクルに亙るデュアルオーバヘッドカム軸Ｖ６エンジンのカム軸が受けるトルク脈動パターンを示すグラフ図である。
【図６】ばね負荷が加えられた回動ローラフォロアを有するデュアルオーバヘッドカム軸４シリンダエンジン用の補足トルク増幅カムの端面図である。
【図７】ばね負荷が加えられた回動ローラフォロアを有するデュアルオーバヘッドカム軸Ｖ６シリンダエンジン用の補足トルク増幅カムの輪郭の端面図である。
【図８】ローラカムフォロアが備えられたデュアルオーバヘッドカム軸Ｖ８エンジンの通常のカム軸が受けるトルク脈動パターンを示す図である。
【図９】ばね負荷が加えられたローラ負荷と共に使用するためのデュアルオーバヘッドカム軸Ｖ８エンジン用のトルク増幅カムの輪郭の端面図である。
【図１０】カムフォロアを有する図９の補足カムの係合を説明する概略図である。
【図１１】図１０の補足カム及びカムフォロアによってカム軸に加えられるトルク脈動パターンのグラフ図である。
【図１２】デュアルオーバヘッドカム軸用の本発明によるカム軸の好ましい実施例を説明する斜視図である。
【図１３】本発明の他の実施例のカム軸駆動スプロケットの斜視図である。
【符号の説明】
２０  カム                        ２２  補足カム
２４  軸                          ３０  トルク増幅カム
３２  ローラフォロア              ４０  トルク増幅カム
５０  トルク増幅カム              ５４  ばね
５６  アーム                      ５８  ローラフォロア
６０  軸状部分                    ６２、６４、６６、６８  カム
７０  駆動スプロケット
【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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【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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【図１３】
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