内燃エンジンの動弁装置
【課題】バルブのリフト量及び開閉タイミングの双方を可変にすることが可能な動弁装置であって、構成が簡単化されたものを提供する。
【解決手段】エンジンと同期して回転する回転部材１と、回転部材１から駆動力の伝達を受けるカムシャフト２とを備える。回転部材１とカムシャフト２とは同軸に配置され、これらの間には相対回動角を可変となすカム機構５が設けられている。カム機構５は、カムシャフト２に付設された径方向のピン５１と、回転部材１に設けられピン５１に係合するカム溝５２とからなり、カム溝５２はカムシャフト２の軸方向と平行な方向に対して斜めに延びている。カムシャフト２には三次元カム２１が取り付けられており、バルブ開駆動力は三次元カム２１からロッカーアーム４を介してバルブ３へと伝達される。カムシャフト２には軸方向移動駆動手段７が接続されている。
【解決手段】エンジンと同期して回転する回転部材１と、回転部材１から駆動力の伝達を受けるカムシャフト２とを備える。回転部材１とカムシャフト２とは同軸に配置され、これらの間には相対回動角を可変となすカム機構５が設けられている。カム機構５は、カムシャフト２に付設された径方向のピン５１と、回転部材１に設けられピン５１に係合するカム溝５２とからなり、カム溝５２はカムシャフト２の軸方向と平行な方向に対して斜めに延びている。カムシャフト２には三次元カム２１が取り付けられており、バルブ開駆動力は三次元カム２１からロッカーアーム４を介してバルブ３へと伝達される。カムシャフト２には軸方向移動駆動手段７が接続されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃エンジンの動弁装置に関するものであり、とくに弁（バルブ）のリフト量及び開閉タイミングの双方を可変となす動弁装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃エンジンにおいては、シリンダ内へと吸入した燃料混合気を密閉シリンダ内で圧縮し着火爆発させることで、駆動出力を得ている。爆発により形成された燃焼ガスはシリンダから排気される。シリンダへの吸気及びシリンダからの排気を適正に行うために、吸気バルブ及び排気バルブを適時開閉させる制御が行われる。この制御のために、エンジンの出力シャフトからタイミングベルトを介して動弁装置のカムシャフトへと同期回転力が入力される。カムシャフトには、吸気側カムまたは排気側カムが固定されている。吸気バルブ及び排気バルブはそれぞれ、バルブスプリングにより、常時、シリンダの吸気開口及び排気開口を閉じる向きに付勢されている。カムシャフトの吸気側カムまたは排気側カムは、吸気側ロッカーアームまたは排気側ロッカーアームの入力部と係合している。これらのロッカーアームは、それぞれロッカーシャフトに回動可能に取り付けられており、出力部が吸気バルブのステムまたは排気バルブのステムと係合している。ロッカーアームは、その入力部の吸気側カムまたは排気側カムとの係合関係に基づき、出力部が適時バルブスプリングの付勢力に抗してバルブステムを押し吸気開口または排気開口を開くようになっている。
【０００３】
内燃エンジンに関しては、燃費改善及び排気ガス浄化を目的とする研究が絶えず続けられている。その目的のためには、エンジンの動作状態に応じて吸気バルブ及び排気バルブの開閉のタイミング及びこれらのバルブのリフト量を適正に制御することが求められる。このような目的の達成に繋がる１つの技術として、以下に述べるようなエンジン効率低下防止のためのノンスロットリング技術がある。
【０００４】
エンジンの出力を決定する１つの要因として、１行程当たりシリンダへと吸入される燃料混合気（燃料直噴方式の場合には空気）の量すなわち吸気量が挙げられる。吸気量は吸気経路中に設けられたスロットルバルブの開度を変化させることで、変化させることができる。
【０００５】
しかしながら、このスロットルバルブの開度を調節することによる吸気量調節は、エンジンにポンピングロスを引き起こし、とくに低出力時にはスロットルバルブの開度を小さくするので、ポンピングロスの影響が大きくなり、エンジンの効率低下の原因となる。
【０００６】
このような原因によるエンジン効率低下を防止するために、スロットルバルブを使用せずに吸気量の調節を行うノンスロットリングの技術が提案されている。ノンスロットリングのための機構としては、動弁装置により吸気バルブのリフト量を変化させるものが挙げられる。このようなノンスロットリング技術に適用可能な動弁機構すなわち動弁装置は、例えば、特開２００３−５６３２２号公報（特許文献１）及び特開２００５−２８２４７４号公報（特許文献２）に開示されている。
【特許文献１】特開２００３−５６３２２号公報
【特許文献２】特開２００５−２８２４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１または特許文献２に開示された動弁装置では、バルブリフト量を変化させるために、カムシャフトに固定される吸気側カムとして所謂三次元カムを使用しており、ロッカーシャフトを適時軸方向に移動させることで、ロッカーアームに付設されたローラとカムシャフトに固定された三次元カムとの軸方向当接位置を変化させている。
【０００８】
一方、上記ノンスロットリング技術の実用化のためには、バルブリフト量の変化に伴い発生する吸気バルブ開のタイミングの変動を十分に小さなものとすることが必要である。このような吸気バルブ開タイミングの調節を行うために、上記特許文献１または特許文献２には、具体的には詳細に開示されていないが、可変バルブタイミング機構を付加することが提案されている。
【０００９】
しかし、このような別途のバルブタイミング機構の付加は、更にエンジンの構成を複雑化する要因となる。
【００１０】
本発明は、以上の如き技術的課題に鑑みて、バルブのリフト量及び開閉タイミングの双方を可変にすることが可能な動弁装置であって、構成が簡単化されたものを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
内燃エンジンの吸気または排気のバルブの開閉を制御するための動弁装置であって、エンジンと同期して回転する回転部材と、該回転部材から駆動力の伝達を受けるカムシャフトとを備え、該カムシャフトから前記バルブへとバルブ開駆動力を伝達する動弁装置において、
前記回転部材と前記カムシャフトとは同軸に配置されており、これらの間には相対回動角を可変となすカム機構が設けられており、
前記カムシャフトには三次元カムが取り付けられており、前記バルブ開駆動力は前記三次元カムを介して前記バルブへと伝達され、
前記カムシャフトには、その軸方向移動を駆動する軸方向移動駆動手段が接続されていることを特徴とする動弁装置、
が提供される。
【００１２】
本発明の一態様においては、前記カム機構は、前記カムシャフト及び前記回転部材のうちの一方に付設された径方向のピンと、前記カムシャフト及び前記回転部材のうちの他方に設けられ前記ピンに係合するカム溝とからなり、該カム溝は前記カムシャフトの軸方向と平行な方向に対して斜めに延びている。本発明の一態様においては、前記カム溝は、前記カムシャフトの軸方向と平行な方向に対する傾きが前記軸方向の位置に応じて変化している。本発明の一態様においては、前記カム機構は、前記カムシャフトの軸方向移動に基づくバルブリフト量の変動に伴うバルブ開タイミングの変動を補償するように形成されている。
【００１３】
本発明の一態様においては、前記回転部材は、エンジンの出力シャフトと同期して回転する駆動シャフトに取り付けられた第１のギヤと噛み合う第２のギヤを備えている。本発明の一態様においては、前記軸方向移動駆動手段はステップモータと前記カムシャフトに回転可能に取り付けられたアーム部材とを含んでおり、前記ステップモータの出力回転軸に付された雄ねじと前記アーム部材に形成された雌ねじとを噛み合わせてなるものである。
【００１４】
本発明の一態様においては、前記カムシャフトから前記バルブへとバルブ開駆動力を伝達するロッカーアームが設けられており、前記三次元カムと前記ロッカーアームの入力部とが係合している。本発明の一態様においては、前記ロッカーアームの入力部には前記三次元カムと係合するローラーフォロワが設けられている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の動弁装置によれば、エンジンと同期して回転する回転部材をカムシャフトに対して同軸に配置し、これらの間に相対回動角を可変となすカム機構を設け、カムシャフトに三次元カムを取り付け、該三次元カムを介してバルブへとバルブ開駆動力を伝達し、カムシャフトに軸方向移動駆動手段を接続しているので、軸方向移動駆動手段によりカムシャフトを軸方向に移動させることで、三次元カムによりバルブリフト量を変化させ且つ同時にカム機構によりバルブ開閉タイミングを変化させることが可能になり、装置構成が簡単化される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は本発明による動弁装置の一実施形態を示す模式図であり、ここで、（ａ）は模式的平面図で、（ｂ）は模式的正面図で、（ｃ）は模式的側面図である。図２は本実施形態の動弁装置の模式的分解斜視図であり、図３はその模式的部分分解図である。図４は本実施形態の動弁装置のカム機構を示す模式図であり、ここで、（ａ）は模式的断面図で、（ｂ）は模式的平面図である。
【００１８】
本実施形態の動弁装置は、エンジンと同期して回転する回転部材１と、該回転部材１から駆動力の伝達を受けるカムシャフト２と、該カムシャフト２から吸気バルブ３へとバルブ開駆動力を伝達するためのロッカーアーム４とを備えている。
【００１９】
回転部材１は、カムシャフト２に被せられるようにして該カムシャフトと同軸に配置されている。これら回転部材１とカムシャフト２との間には、それらの相対回動角を可変となすカム機構５が設けられている。カム機構５は、カムシャフト２に付設された径方向のピン５１と、回転部材１に設けられピン５１に係合するカム溝５２とからなる。但し、カム機構としては、回転部材１に径方向内方へと突出するようにピンを設け、該ピンに係合するようにカムシャフトの周面にカム溝を形成したものであってもよい。カム機構は、カムシャフト２の軸方向移動に伴い、該カムシャフトに対して回転部材１が回転し、これによりカムシャフト２に対する回転部材１の相対回動角を変化させるものである。
【００２０】
カム溝５２は、カムシャフト２の軸方向と平行な方向に対して斜めに延びている。カム溝５２は、例えば、図４に示されているように、カムシャフト２の軸方向と平行な方向に対して角度θをなして延びている。この角度θは、後述する所望のバルブ開閉タイミングに基づき適宜設定することができ、カム溝５２の全長に亘り一定であってもよいし、カムシャフト２の軸方向の位置に応じて変化するものであってもよい。
【００２１】
回転部材１は、カムシャフト２と同軸に形成されたギヤ（第２のギヤ）１１を備えている。一方、エンジンの不図示の出力シャフトから不図示のタイミングベルトを介して駆動シャフト６へと駆動力が伝達される。駆動シャフト６は、カムシャフト２と平行に配置されており、タイミングベルトが巻き掛けられるタイミングプーリ６１と、ギヤ（第１のギヤ）６２とが取り付けられている。ギヤ６２は、上記回転部材１のギヤ１１と噛み合っている。
【００２２】
カムシャフト２には、三次元カム２１が取り付けられている。三次元カム２１は、カムシャフト２の周方向（カムシャフトの軸方向の周りの方向）に関してバルブリフト量を最大にする部分（すなわち図１（ｂ）において最上部に位置する部分）の近傍の形状が略円錐面形状をなしている（図１（ｃ）参照）。この三次元カム２１は、ロッカーアーム４の入力部と係合している。この係合は、カムシャフト２と平行にロッカーアーム入力部に配置されたピン４１に回転可能に取り付けられたローラーフォロワ４２に対してなされている。ローラーフォロワ４２は、三次元カム２１の上記バルブリフト量を最大にする部分と線接触するような円錐面形状をなしている（図１（ｃ）参照）。
【００２３】
カムシャフト２には、その軸方向移動を駆動する軸方向移動駆動手段７が接続されている。軸方向移動駆動手段７は、ステップモータ７１と、カムシャフト２にその回転中心の周りで相対的に回転可能に取り付けられたアーム部材７２とを含んでいる。ここで、ステップモータ７１の出力回転軸には雄ねじ７１’が付されており、アーム部材７２には不図示の雌ねじが形成されており、これら雄ねじ７１’と雌ねじとが噛み合わされている。これにより、ステップモータ７１を所要角度正転または逆転させることで、カムシャフト２を軸方向に所要ストロークで往復移動させることができる。
【００２４】
ロッカーアーム４は、カムシャフト２と平行なロッカーシャフト４３を中心として回動可能であり、ロッカーシャフト４３に関して上記入力部とは反対側に位置する出力部がバルブ３のステムの上端に当接可能に配置されている。図１（ｂ）に示されているように、バルブ３は、バルブスプリング３１により常時シリンダの吸気開口８を閉じる向きに付勢されている。ロッカーアーム４が三次元カム２１との係合に基づきロッカーシャフト４３の周りで揺動することで、所要のタイミングで、吸気バルブ３がリフトせしめられ（図１（ｂ）において下方へと移動せしめられ）、吸気バルブ３がリフト量Ｌをもって開かれる。図１（ｂ）に示されているように、シリンダの吸気開口８は吸気経路９に連なっている。
【００２５】
次に、本実施形態の動弁装置の動作につき、図５、図６及び図７を参照して説明する。図５及び図６において、（ａ）は図１（ｂ）に対応する図であり、（ｂ）は図１（ｃ）に対応する図である。
【００２６】
図５は、最小バルブリフト量の場合を示す。すなわち、軸方向移動駆動手段７によりカムシャフト２が図５（ｂ）及び図４（ｂ）その他において軸方向に左へと移動して、ストローク左限位置にある場合である。この場合には、三次元カム２１がローラーフォロワ４２の左側部分すなわち小径部分に当接するので、ロッカーシャフト４３の周りでのロッカーアーム４の回動角度は最小になり、従ってバルブリフト量（ピーク値）は最小値Ｌ１となる。
【００２７】
図６は、最大バルブリフト量の場合を示す。すなわち、軸方向移動駆動手段７によりカムシャフト２が図５（ｂ）及び図４（ｂ）その他において軸方向に右へと移動して、ストローク右限位置にある場合である。この場合には、三次元カム２１がローラーフォロワ４２の右側部分すなわち大径部分に当接するので、ロッカーシャフト４３の周りでのロッカーアーム４の回動角度は最大になり、従ってバルブリフト量（ピーク値）は最大値Ｌ２となる。
【００２８】
図６の状態と図５の状態とでは、カムシャフト２に対する回転部材１の相対回動角が異なる。この最小バルブリフト量の場合と最大バルブリフト量の場合との相対回動角の差は、図４（ｂ）においてピン５１がカム溝５２のストローク左限位置にある場合の図４（ａ）におけるピン５１の方向と、図４（ｂ）においてピン５１がカム溝５２のストローク右限位置にある場合の図４（ａ）におけるピン５１の方向との角度差に相当し、図４（ａ）において角度φで示されている。この相対回動角の差の角度φは、例えば、３０度程度とすることができる。
【００２９】
図７はエンジンのクランク角に対するバルブリフト変化を示す図である。図７において、（ａ）は上記実施形態とは異なりカム機構５がなく回転部材１がカムシャフトに固定されているものとした場合の図である。この場合には、カムシャフト２が軸方向に移動してバルブリフト量が最小値Ｌ１と最大値Ｌ２との間で変化すると、バルブ開タイミングがクランク角ａ１とクランク角ａ２との間で変化する。このようなバルブ開タイミングの変動をできるだけ少なくするために、上記本発明実施形態では、カムシャフト２に対する回転部材１の相対回動角を、バルブリフト量が最小値Ｌ１をとる時と最大値Ｌ２をとる時との間で、クランク角でいえばａ１とａ２との差に相当する角度φだけ変化させている。これにより、図７において、（ｂ）で示すように、バルブリフト量が最小値Ｌ１の時と最大値Ｌ２の時とでのバルブ開タイミングのずれが生じないようにしている。
【００３０】
以上の説明では、単純化してバルブリフト量が最小値Ｌ１の時及び最大値Ｌ２の時のみに関して説明した。この場合には、カム溝５２の形状を、例えば角度θが一定の直線状としてもよい。更に詳細には、最小値Ｌ１及び最大値Ｌ２の間のバルブリフト量の場合についても、同様にしてバルブ開タイミングの変動が少なくなるようにカムシャフト２に対する回転部材１の相対回動角を設定することができる。このように、一般的には、カム溝５２の形状は、三次元カム２１の形状に応じて種々の形態をとり、角度θがカムシャフト軸方向の位置に応じて変化するものとなる。かくして、カム機構５は、カムシャフト２の軸方向移動に基づくバルブリフト量の変動に伴うバルブ開タイミングの変動を補償するように形成されている。
【００３１】
図８は本発明による動弁装置の他の実施形態を示す模式図であり、ここで、（ａ）は模式的平面図で、（ｂ）は模式的正面図で、（ｃ）は模式的側面図である。図９は本実施形態の動弁装置の模式的分解斜視図である。これらの図８及び図９において、上記図１〜６におけると同様の部材または部分には同一の符号が付されている。図８及び図９は、それぞれ上記実施形態の図１及び図２に対応する部分を示す。
【００３２】
本実施形態においては、ローラーフォロワ４２の形状が図１他の実施形態のものとは異なる。すなわち、本実施形態では、ローラーフォロワ４２は円筒形状（または円盤形状）をなしており、その一方の円形状端縁（図８（ａ）では下側に位置する端縁：図８（ｃ）では左側に位置する端縁）が三次元カム２１と接触する。
【００３３】
次に、本実施形態の動弁装置の動作につき、図１０及び図１１を参照して説明する。図１０及び図１１において、（ａ）は図８（ｂ）に対応する図であり、（ｂ）は図８（ｃ）に対応する図である。
【００３４】
図１０は、最小バルブリフト量の場合を示す。すなわち、軸方向移動駆動手段７によりカムシャフト２が図１０（ｂ）その他において軸方向に左へと移動して、ストローク左限位置にある場合である。この場合には、三次元カム２１の右側部分にローラーフォロワ４２の左側端縁が当接するので、ロッカーシャフト４３の周りでのロッカーアーム４の回動角度は最小になり、従ってバルブリフト量（ピーク値）は最小値Ｌ１となる。
【００３５】
図１１は、最大バルブリフト量の場合を示す。すなわち、軸方向移動駆動手段７によりカムシャフト２が図１０（ｂ）その他において軸方向に右へと移動して、ストローク右限位置にある場合である。この場合には、三次元カム２１の左側部分にローラーフォロワ４２の左側端縁が当接するので、ロッカーシャフト４３の周りでのロッカーアーム４の回動角度は最大になり、従ってバルブリフト量（ピーク値）は最大値Ｌ２となる。
【００３６】
図１１の状態と図１０の状態とでは、カムシャフト２に対する回転部材１の相対回動角が異なる。この最小バルブリフト量の場合と最大バルブリフト量の場合との相対回動角の差については、上記の図１他の実施形態において図４他を参照して説明した通りである。
【００３７】
以上の実施形態では、カムシャフト２の三次元カム２１からロッカーアーム４を介してバルブ３へとバルブ開駆動力を伝達するロッカーアーム式の動弁機構を有する例を示したが、本発明のバルブのリフト量及び開閉タイミングの双方を可変にする動弁装置は、ロッカーアームを用いることなく三次元カム２１からバルブ３へとバルブ開駆動力を伝達する直動式の動弁機構を有するものにも適用できる。この場合、バルブリフターに上記ピン４１及びローラーフォロワ４２と同等なピン及びローラーフォロワを取り付けておけばよい。
【００３８】
以上の実施形態ではバルブ開タイミングの変動を補償することでノンスロットリングに適用する例を示したが、本発明のバルブのリフト量及び開閉タイミングの双方を可変にする動弁装置は、他の燃費改善及び排気ガス浄化の目的その他の目的にも使用することができる。その場合には、所望のバルブリフト量変化及び所望のバルブ開閉タイミング（バルブ開時間を含む）に応じて、三次元カム２１の形状及びカム機構５の特性（例えばカム溝５２の形状）を適宜設定することができる。
【００３９】
更に、以上の実施形態では吸気バルブに関して述べたが、本発明のバルブのリフト量及び開閉タイミングの双方を可変にする動弁装置は、排気バルブに適用することも可能である。排気バルブに適用する目的としては、例えば、予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）方式のエンジンにおける内部ＥＧＲ量を最適に制御することが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による動弁装置の一実施形態を示す模式図であり、（ａ）は模式的平面図で、（ｂ）は模式的正面図で、（ｃ）は模式的側面図である。
【図２】図１の動弁装置の模式的分解斜視図である。
【図３】図１の動弁装置の模式的部分分解図である。
【図４】図１の動弁装置のカム機構を示す模式図であり、（ａ）は模式的断面図で、（ｂ）は模式的平面図である。
【図５】図１の動弁装置の動作説明のための模式図である。
【図６】図１の動弁装置の動作説明のための模式図である。
【図７】図１の動弁装置におけるバルブリフト変化を示す図である。
【図８】本発明による動弁装置の一実施形態を示す模式図であり、（ａ）は模式的平面図で、（ｂ）は模式的正面図で、（ｃ）は模式的側面図である。
【図９】図８の動弁装置の模式的分解斜視図である。
【図１０】図８の動弁装置の動作説明のための模式図である。
【図１１】図８の動弁装置の動作説明のための模式図である。
【符号の説明】
【００４１】
１ 回転部材
１１ ギヤ
２ カムシャフト
２１ 三次元カム
３ 吸気バルブ
３１ バルブスプリング
４ ロッカーアーム
４１ ピン
４２ ローラーフォロワ
４３ ロッカーシャフト
５ カム機構
５１ 径方向ピン
５２ カム溝
６ 駆動シャフト
６１ タイミングプーリ
６２ ギヤ
７ 軸方向移動駆動手段
７１ ステップモータ
７１’ 雄ねじ
７２ アーム部材
８ 吸気開口
９ 吸気経路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃エンジンの動弁装置に関するものであり、とくに弁（バルブ）のリフト量及び開閉タイミングの双方を可変となす動弁装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
内燃エンジンにおいては、シリンダ内へと吸入した燃料混合気を密閉シリンダ内で圧縮し着火爆発させることで、駆動出力を得ている。爆発により形成された燃焼ガスはシリンダから排気される。シリンダへの吸気及びシリンダからの排気を適正に行うために、吸気バルブ及び排気バルブを適時開閉させる制御が行われる。この制御のために、エンジンの出力シャフトからタイミングベルトを介して動弁装置のカムシャフトへと同期回転力が入力される。カムシャフトには、吸気側カムまたは排気側カムが固定されている。吸気バルブ及び排気バルブはそれぞれ、バルブスプリングにより、常時、シリンダの吸気開口及び排気開口を閉じる向きに付勢されている。カムシャフトの吸気側カムまたは排気側カムは、吸気側ロッカーアームまたは排気側ロッカーアームの入力部と係合している。これらのロッカーアームは、それぞれロッカーシャフトに回動可能に取り付けられており、出力部が吸気バルブのステムまたは排気バルブのステムと係合している。ロッカーアームは、その入力部の吸気側カムまたは排気側カムとの係合関係に基づき、出力部が適時バルブスプリングの付勢力に抗してバルブステムを押し吸気開口または排気開口を開くようになっている。
【０００３】
内燃エンジンに関しては、燃費改善及び排気ガス浄化を目的とする研究が絶えず続けられている。その目的のためには、エンジンの動作状態に応じて吸気バルブ及び排気バルブの開閉のタイミング及びこれらのバルブのリフト量を適正に制御することが求められる。このような目的の達成に繋がる１つの技術として、以下に述べるようなエンジン効率低下防止のためのノンスロットリング技術がある。
【０００４】
エンジンの出力を決定する１つの要因として、１行程当たりシリンダへと吸入される燃料混合気（燃料直噴方式の場合には空気）の量すなわち吸気量が挙げられる。吸気量は吸気経路中に設けられたスロットルバルブの開度を変化させることで、変化させることができる。
【０００５】
しかしながら、このスロットルバルブの開度を調節することによる吸気量調節は、エンジンにポンピングロスを引き起こし、とくに低出力時にはスロットルバルブの開度を小さくするので、ポンピングロスの影響が大きくなり、エンジンの効率低下の原因となる。
【０００６】
このような原因によるエンジン効率低下を防止するために、スロットルバルブを使用せずに吸気量の調節を行うノンスロットリングの技術が提案されている。ノンスロットリングのための機構としては、動弁装置により吸気バルブのリフト量を変化させるものが挙げられる。このようなノンスロットリング技術に適用可能な動弁機構すなわち動弁装置は、例えば、特開２００３−５６３２２号公報（特許文献１）及び特開２００５−２８２４７４号公報（特許文献２）に開示されている。
【特許文献１】特開２００３−５６３２２号公報
【特許文献２】特開２００５−２８２４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１または特許文献２に開示された動弁装置では、バルブリフト量を変化させるために、カムシャフトに固定される吸気側カムとして所謂三次元カムを使用しており、ロッカーシャフトを適時軸方向に移動させることで、ロッカーアームに付設されたローラとカムシャフトに固定された三次元カムとの軸方向当接位置を変化させている。
【０００８】
一方、上記ノンスロットリング技術の実用化のためには、バルブリフト量の変化に伴い発生する吸気バルブ開のタイミングの変動を十分に小さなものとすることが必要である。このような吸気バルブ開タイミングの調節を行うために、上記特許文献１または特許文献２には、具体的には詳細に開示されていないが、可変バルブタイミング機構を付加することが提案されている。
【０００９】
しかし、このような別途のバルブタイミング機構の付加は、更にエンジンの構成を複雑化する要因となる。
【００１０】
本発明は、以上の如き技術的課題に鑑みて、バルブのリフト量及び開閉タイミングの双方を可変にすることが可能な動弁装置であって、構成が簡単化されたものを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明によれば、以上の如き目的を達成するものとして、
内燃エンジンの吸気または排気のバルブの開閉を制御するための動弁装置であって、エンジンと同期して回転する回転部材と、該回転部材から駆動力の伝達を受けるカムシャフトとを備え、該カムシャフトから前記バルブへとバルブ開駆動力を伝達する動弁装置において、
前記回転部材と前記カムシャフトとは同軸に配置されており、これらの間には相対回動角を可変となすカム機構が設けられており、
前記カムシャフトには三次元カムが取り付けられており、前記バルブ開駆動力は前記三次元カムを介して前記バルブへと伝達され、
前記カムシャフトには、その軸方向移動を駆動する軸方向移動駆動手段が接続されていることを特徴とする動弁装置、
が提供される。
【００１２】
本発明の一態様においては、前記カム機構は、前記カムシャフト及び前記回転部材のうちの一方に付設された径方向のピンと、前記カムシャフト及び前記回転部材のうちの他方に設けられ前記ピンに係合するカム溝とからなり、該カム溝は前記カムシャフトの軸方向と平行な方向に対して斜めに延びている。本発明の一態様においては、前記カム溝は、前記カムシャフトの軸方向と平行な方向に対する傾きが前記軸方向の位置に応じて変化している。本発明の一態様においては、前記カム機構は、前記カムシャフトの軸方向移動に基づくバルブリフト量の変動に伴うバルブ開タイミングの変動を補償するように形成されている。
【００１３】
本発明の一態様においては、前記回転部材は、エンジンの出力シャフトと同期して回転する駆動シャフトに取り付けられた第１のギヤと噛み合う第２のギヤを備えている。本発明の一態様においては、前記軸方向移動駆動手段はステップモータと前記カムシャフトに回転可能に取り付けられたアーム部材とを含んでおり、前記ステップモータの出力回転軸に付された雄ねじと前記アーム部材に形成された雌ねじとを噛み合わせてなるものである。
【００１４】
本発明の一態様においては、前記カムシャフトから前記バルブへとバルブ開駆動力を伝達するロッカーアームが設けられており、前記三次元カムと前記ロッカーアームの入力部とが係合している。本発明の一態様においては、前記ロッカーアームの入力部には前記三次元カムと係合するローラーフォロワが設けられている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の動弁装置によれば、エンジンと同期して回転する回転部材をカムシャフトに対して同軸に配置し、これらの間に相対回動角を可変となすカム機構を設け、カムシャフトに三次元カムを取り付け、該三次元カムを介してバルブへとバルブ開駆動力を伝達し、カムシャフトに軸方向移動駆動手段を接続しているので、軸方向移動駆動手段によりカムシャフトを軸方向に移動させることで、三次元カムによりバルブリフト量を変化させ且つ同時にカム機構によりバルブ開閉タイミングを変化させることが可能になり、装置構成が簡単化される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１は本発明による動弁装置の一実施形態を示す模式図であり、ここで、（ａ）は模式的平面図で、（ｂ）は模式的正面図で、（ｃ）は模式的側面図である。図２は本実施形態の動弁装置の模式的分解斜視図であり、図３はその模式的部分分解図である。図４は本実施形態の動弁装置のカム機構を示す模式図であり、ここで、（ａ）は模式的断面図で、（ｂ）は模式的平面図である。
【００１８】
本実施形態の動弁装置は、エンジンと同期して回転する回転部材１と、該回転部材１から駆動力の伝達を受けるカムシャフト２と、該カムシャフト２から吸気バルブ３へとバルブ開駆動力を伝達するためのロッカーアーム４とを備えている。
【００１９】
回転部材１は、カムシャフト２に被せられるようにして該カムシャフトと同軸に配置されている。これら回転部材１とカムシャフト２との間には、それらの相対回動角を可変となすカム機構５が設けられている。カム機構５は、カムシャフト２に付設された径方向のピン５１と、回転部材１に設けられピン５１に係合するカム溝５２とからなる。但し、カム機構としては、回転部材１に径方向内方へと突出するようにピンを設け、該ピンに係合するようにカムシャフトの周面にカム溝を形成したものであってもよい。カム機構は、カムシャフト２の軸方向移動に伴い、該カムシャフトに対して回転部材１が回転し、これによりカムシャフト２に対する回転部材１の相対回動角を変化させるものである。
【００２０】
カム溝５２は、カムシャフト２の軸方向と平行な方向に対して斜めに延びている。カム溝５２は、例えば、図４に示されているように、カムシャフト２の軸方向と平行な方向に対して角度θをなして延びている。この角度θは、後述する所望のバルブ開閉タイミングに基づき適宜設定することができ、カム溝５２の全長に亘り一定であってもよいし、カムシャフト２の軸方向の位置に応じて変化するものであってもよい。
【００２１】
回転部材１は、カムシャフト２と同軸に形成されたギヤ（第２のギヤ）１１を備えている。一方、エンジンの不図示の出力シャフトから不図示のタイミングベルトを介して駆動シャフト６へと駆動力が伝達される。駆動シャフト６は、カムシャフト２と平行に配置されており、タイミングベルトが巻き掛けられるタイミングプーリ６１と、ギヤ（第１のギヤ）６２とが取り付けられている。ギヤ６２は、上記回転部材１のギヤ１１と噛み合っている。
【００２２】
カムシャフト２には、三次元カム２１が取り付けられている。三次元カム２１は、カムシャフト２の周方向（カムシャフトの軸方向の周りの方向）に関してバルブリフト量を最大にする部分（すなわち図１（ｂ）において最上部に位置する部分）の近傍の形状が略円錐面形状をなしている（図１（ｃ）参照）。この三次元カム２１は、ロッカーアーム４の入力部と係合している。この係合は、カムシャフト２と平行にロッカーアーム入力部に配置されたピン４１に回転可能に取り付けられたローラーフォロワ４２に対してなされている。ローラーフォロワ４２は、三次元カム２１の上記バルブリフト量を最大にする部分と線接触するような円錐面形状をなしている（図１（ｃ）参照）。
【００２３】
カムシャフト２には、その軸方向移動を駆動する軸方向移動駆動手段７が接続されている。軸方向移動駆動手段７は、ステップモータ７１と、カムシャフト２にその回転中心の周りで相対的に回転可能に取り付けられたアーム部材７２とを含んでいる。ここで、ステップモータ７１の出力回転軸には雄ねじ７１’が付されており、アーム部材７２には不図示の雌ねじが形成されており、これら雄ねじ７１’と雌ねじとが噛み合わされている。これにより、ステップモータ７１を所要角度正転または逆転させることで、カムシャフト２を軸方向に所要ストロークで往復移動させることができる。
【００２４】
ロッカーアーム４は、カムシャフト２と平行なロッカーシャフト４３を中心として回動可能であり、ロッカーシャフト４３に関して上記入力部とは反対側に位置する出力部がバルブ３のステムの上端に当接可能に配置されている。図１（ｂ）に示されているように、バルブ３は、バルブスプリング３１により常時シリンダの吸気開口８を閉じる向きに付勢されている。ロッカーアーム４が三次元カム２１との係合に基づきロッカーシャフト４３の周りで揺動することで、所要のタイミングで、吸気バルブ３がリフトせしめられ（図１（ｂ）において下方へと移動せしめられ）、吸気バルブ３がリフト量Ｌをもって開かれる。図１（ｂ）に示されているように、シリンダの吸気開口８は吸気経路９に連なっている。
【００２５】
次に、本実施形態の動弁装置の動作につき、図５、図６及び図７を参照して説明する。図５及び図６において、（ａ）は図１（ｂ）に対応する図であり、（ｂ）は図１（ｃ）に対応する図である。
【００２６】
図５は、最小バルブリフト量の場合を示す。すなわち、軸方向移動駆動手段７によりカムシャフト２が図５（ｂ）及び図４（ｂ）その他において軸方向に左へと移動して、ストローク左限位置にある場合である。この場合には、三次元カム２１がローラーフォロワ４２の左側部分すなわち小径部分に当接するので、ロッカーシャフト４３の周りでのロッカーアーム４の回動角度は最小になり、従ってバルブリフト量（ピーク値）は最小値Ｌ１となる。
【００２７】
図６は、最大バルブリフト量の場合を示す。すなわち、軸方向移動駆動手段７によりカムシャフト２が図５（ｂ）及び図４（ｂ）その他において軸方向に右へと移動して、ストローク右限位置にある場合である。この場合には、三次元カム２１がローラーフォロワ４２の右側部分すなわち大径部分に当接するので、ロッカーシャフト４３の周りでのロッカーアーム４の回動角度は最大になり、従ってバルブリフト量（ピーク値）は最大値Ｌ２となる。
【００２８】
図６の状態と図５の状態とでは、カムシャフト２に対する回転部材１の相対回動角が異なる。この最小バルブリフト量の場合と最大バルブリフト量の場合との相対回動角の差は、図４（ｂ）においてピン５１がカム溝５２のストローク左限位置にある場合の図４（ａ）におけるピン５１の方向と、図４（ｂ）においてピン５１がカム溝５２のストローク右限位置にある場合の図４（ａ）におけるピン５１の方向との角度差に相当し、図４（ａ）において角度φで示されている。この相対回動角の差の角度φは、例えば、３０度程度とすることができる。
【００２９】
図７はエンジンのクランク角に対するバルブリフト変化を示す図である。図７において、（ａ）は上記実施形態とは異なりカム機構５がなく回転部材１がカムシャフトに固定されているものとした場合の図である。この場合には、カムシャフト２が軸方向に移動してバルブリフト量が最小値Ｌ１と最大値Ｌ２との間で変化すると、バルブ開タイミングがクランク角ａ１とクランク角ａ２との間で変化する。このようなバルブ開タイミングの変動をできるだけ少なくするために、上記本発明実施形態では、カムシャフト２に対する回転部材１の相対回動角を、バルブリフト量が最小値Ｌ１をとる時と最大値Ｌ２をとる時との間で、クランク角でいえばａ１とａ２との差に相当する角度φだけ変化させている。これにより、図７において、（ｂ）で示すように、バルブリフト量が最小値Ｌ１の時と最大値Ｌ２の時とでのバルブ開タイミングのずれが生じないようにしている。
【００３０】
以上の説明では、単純化してバルブリフト量が最小値Ｌ１の時及び最大値Ｌ２の時のみに関して説明した。この場合には、カム溝５２の形状を、例えば角度θが一定の直線状としてもよい。更に詳細には、最小値Ｌ１及び最大値Ｌ２の間のバルブリフト量の場合についても、同様にしてバルブ開タイミングの変動が少なくなるようにカムシャフト２に対する回転部材１の相対回動角を設定することができる。このように、一般的には、カム溝５２の形状は、三次元カム２１の形状に応じて種々の形態をとり、角度θがカムシャフト軸方向の位置に応じて変化するものとなる。かくして、カム機構５は、カムシャフト２の軸方向移動に基づくバルブリフト量の変動に伴うバルブ開タイミングの変動を補償するように形成されている。
【００３１】
図８は本発明による動弁装置の他の実施形態を示す模式図であり、ここで、（ａ）は模式的平面図で、（ｂ）は模式的正面図で、（ｃ）は模式的側面図である。図９は本実施形態の動弁装置の模式的分解斜視図である。これらの図８及び図９において、上記図１〜６におけると同様の部材または部分には同一の符号が付されている。図８及び図９は、それぞれ上記実施形態の図１及び図２に対応する部分を示す。
【００３２】
本実施形態においては、ローラーフォロワ４２の形状が図１他の実施形態のものとは異なる。すなわち、本実施形態では、ローラーフォロワ４２は円筒形状（または円盤形状）をなしており、その一方の円形状端縁（図８（ａ）では下側に位置する端縁：図８（ｃ）では左側に位置する端縁）が三次元カム２１と接触する。
【００３３】
次に、本実施形態の動弁装置の動作につき、図１０及び図１１を参照して説明する。図１０及び図１１において、（ａ）は図８（ｂ）に対応する図であり、（ｂ）は図８（ｃ）に対応する図である。
【００３４】
図１０は、最小バルブリフト量の場合を示す。すなわち、軸方向移動駆動手段７によりカムシャフト２が図１０（ｂ）その他において軸方向に左へと移動して、ストローク左限位置にある場合である。この場合には、三次元カム２１の右側部分にローラーフォロワ４２の左側端縁が当接するので、ロッカーシャフト４３の周りでのロッカーアーム４の回動角度は最小になり、従ってバルブリフト量（ピーク値）は最小値Ｌ１となる。
【００３５】
図１１は、最大バルブリフト量の場合を示す。すなわち、軸方向移動駆動手段７によりカムシャフト２が図１０（ｂ）その他において軸方向に右へと移動して、ストローク右限位置にある場合である。この場合には、三次元カム２１の左側部分にローラーフォロワ４２の左側端縁が当接するので、ロッカーシャフト４３の周りでのロッカーアーム４の回動角度は最大になり、従ってバルブリフト量（ピーク値）は最大値Ｌ２となる。
【００３６】
図１１の状態と図１０の状態とでは、カムシャフト２に対する回転部材１の相対回動角が異なる。この最小バルブリフト量の場合と最大バルブリフト量の場合との相対回動角の差については、上記の図１他の実施形態において図４他を参照して説明した通りである。
【００３７】
以上の実施形態では、カムシャフト２の三次元カム２１からロッカーアーム４を介してバルブ３へとバルブ開駆動力を伝達するロッカーアーム式の動弁機構を有する例を示したが、本発明のバルブのリフト量及び開閉タイミングの双方を可変にする動弁装置は、ロッカーアームを用いることなく三次元カム２１からバルブ３へとバルブ開駆動力を伝達する直動式の動弁機構を有するものにも適用できる。この場合、バルブリフターに上記ピン４１及びローラーフォロワ４２と同等なピン及びローラーフォロワを取り付けておけばよい。
【００３８】
以上の実施形態ではバルブ開タイミングの変動を補償することでノンスロットリングに適用する例を示したが、本発明のバルブのリフト量及び開閉タイミングの双方を可変にする動弁装置は、他の燃費改善及び排気ガス浄化の目的その他の目的にも使用することができる。その場合には、所望のバルブリフト量変化及び所望のバルブ開閉タイミング（バルブ開時間を含む）に応じて、三次元カム２１の形状及びカム機構５の特性（例えばカム溝５２の形状）を適宜設定することができる。
【００３９】
更に、以上の実施形態では吸気バルブに関して述べたが、本発明のバルブのリフト量及び開閉タイミングの双方を可変にする動弁装置は、排気バルブに適用することも可能である。排気バルブに適用する目的としては、例えば、予混合圧縮着火（ＨＣＣＩ）方式のエンジンにおける内部ＥＧＲ量を最適に制御することが挙げられる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明による動弁装置の一実施形態を示す模式図であり、（ａ）は模式的平面図で、（ｂ）は模式的正面図で、（ｃ）は模式的側面図である。
【図２】図１の動弁装置の模式的分解斜視図である。
【図３】図１の動弁装置の模式的部分分解図である。
【図４】図１の動弁装置のカム機構を示す模式図であり、（ａ）は模式的断面図で、（ｂ）は模式的平面図である。
【図５】図１の動弁装置の動作説明のための模式図である。
【図６】図１の動弁装置の動作説明のための模式図である。
【図７】図１の動弁装置におけるバルブリフト変化を示す図である。
【図８】本発明による動弁装置の一実施形態を示す模式図であり、（ａ）は模式的平面図で、（ｂ）は模式的正面図で、（ｃ）は模式的側面図である。
【図９】図８の動弁装置の模式的分解斜視図である。
【図１０】図８の動弁装置の動作説明のための模式図である。
【図１１】図８の動弁装置の動作説明のための模式図である。
【符号の説明】
【００４１】
１ 回転部材
１１ ギヤ
２ カムシャフト
２１ 三次元カム
３ 吸気バルブ
３１ バルブスプリング
４ ロッカーアーム
４１ ピン
４２ ローラーフォロワ
４３ ロッカーシャフト
５ カム機構
５１ 径方向ピン
５２ カム溝
６ 駆動シャフト
６１ タイミングプーリ
６２ ギヤ
７ 軸方向移動駆動手段
７１ ステップモータ
７１’ 雄ねじ
７２ アーム部材
８ 吸気開口
９ 吸気経路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジンの吸気または排気のバルブの開閉を制御するための動弁装置であって、エンジンと同期して回転する回転部材と、該回転部材から駆動力の伝達を受けるカムシャフトとを備え、該カムシャフトから前記バルブへとバルブ開駆動力を伝達する動弁装置において、
前記回転部材と前記カムシャフトとは同軸に配置されており、これらの間には相対回動角を可変となすカム機構が設けられており、
前記カムシャフトには三次元カムが取り付けられており、前記バルブ開駆動力は前記三次元カムを介して前記バルブへと伝達され、
前記カムシャフトには、その軸方向移動を駆動する軸方向移動駆動手段が接続されていることを特徴とする動弁装置。
【請求項２】
前記カム機構は、前記カムシャフト及び前記回転部材のうちの一方に付設された径方向のピンと、前記カムシャフト及び前記回転部材のうちの他方に設けられ前記ピンに係合するカム溝とからなり、該カム溝は前記カムシャフトの軸方向と平行な方向に対して斜めに延びていることを特徴とする、請求項１に記載の動弁装置。
【請求項３】
前記カム溝は、前記カムシャフトの軸方向と平行な方向に対する傾きが前記軸方向の位置に応じて変化していることを特徴とする、請求項２に記載の動弁装置。
【請求項４】
前記カム機構は、前記カムシャフトの軸方向移動に基づくバルブリフト量の変動に伴うバルブ開タイミングの変動を補償するように形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の動弁装置。
【請求項５】
前記回転部材は、エンジンの出力シャフトと同期して回転する駆動シャフトに取り付けられた第１のギヤと噛み合う第２のギヤを備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の動弁装置。
【請求項６】
前記軸方向移動駆動手段はステップモータと前記カムシャフトに回転可能に取り付けられたアーム部材とを含んでおり、前記ステップモータの出力回転軸に付された雄ねじと前記アーム部材に形成された雌ねじとを噛み合わせてなるものであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の動弁装置。
【請求項７】
前記カムシャフトから前記バルブへとバルブ開駆動力を伝達するロッカーアームが設けられており、前記三次元カムと前記ロッカーアームの入力部とが係合していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の動弁装置。
【請求項８】
前記ロッカーアームの入力部には前記三次元カムと係合するローラーフォロワが設けられていることを特徴とする、請求項７に記載の動弁装置。
【請求項１】
内燃エンジンの吸気または排気のバルブの開閉を制御するための動弁装置であって、エンジンと同期して回転する回転部材と、該回転部材から駆動力の伝達を受けるカムシャフトとを備え、該カムシャフトから前記バルブへとバルブ開駆動力を伝達する動弁装置において、
前記回転部材と前記カムシャフトとは同軸に配置されており、これらの間には相対回動角を可変となすカム機構が設けられており、
前記カムシャフトには三次元カムが取り付けられており、前記バルブ開駆動力は前記三次元カムを介して前記バルブへと伝達され、
前記カムシャフトには、その軸方向移動を駆動する軸方向移動駆動手段が接続されていることを特徴とする動弁装置。
【請求項２】
前記カム機構は、前記カムシャフト及び前記回転部材のうちの一方に付設された径方向のピンと、前記カムシャフト及び前記回転部材のうちの他方に設けられ前記ピンに係合するカム溝とからなり、該カム溝は前記カムシャフトの軸方向と平行な方向に対して斜めに延びていることを特徴とする、請求項１に記載の動弁装置。
【請求項３】
前記カム溝は、前記カムシャフトの軸方向と平行な方向に対する傾きが前記軸方向の位置に応じて変化していることを特徴とする、請求項２に記載の動弁装置。
【請求項４】
前記カム機構は、前記カムシャフトの軸方向移動に基づくバルブリフト量の変動に伴うバルブ開タイミングの変動を補償するように形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の動弁装置。
【請求項５】
前記回転部材は、エンジンの出力シャフトと同期して回転する駆動シャフトに取り付けられた第１のギヤと噛み合う第２のギヤを備えていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の動弁装置。
【請求項６】
前記軸方向移動駆動手段はステップモータと前記カムシャフトに回転可能に取り付けられたアーム部材とを含んでおり、前記ステップモータの出力回転軸に付された雄ねじと前記アーム部材に形成された雌ねじとを噛み合わせてなるものであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の動弁装置。
【請求項７】
前記カムシャフトから前記バルブへとバルブ開駆動力を伝達するロッカーアームが設けられており、前記三次元カムと前記ロッカーアームの入力部とが係合していることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の動弁装置。
【請求項８】
前記ロッカーアームの入力部には前記三次元カムと係合するローラーフォロワが設けられていることを特徴とする、請求項７に記載の動弁装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−２１８０８７（Ｐ２００７−２１８０８７Ａ）
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２９７８６（Ｐ２００６−２９７８６）
【出願日】平成１８年２月７日（２００６．２．７）
【出願人】（０００１２９８５１）株式会社ケイセブン (39)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月３０日（２００７．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月７日（２００６．２．７）
【出願人】（０００１２９８５１）株式会社ケイセブン (39)
【Ｆターム（参考）】
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