JP4285647B2

JP4285647B2 - エンジンのカム位相可変装置

Info

Publication number: JP4285647B2
Application number: JP2003338232A
Authority: JP
Inventors: 豊作小和瀬
Original assignee: Fuji Jukogyo KK
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2003-09-29
Publication date: 2009-06-24
Anticipated expiration: 2023-09-29
Also published as: JP2005105888A

Description

本発明は、燃焼室に開口してシリンダヘッドに形成されたポートを開閉する弁体を駆動するカムの位相を可変するエンジンのカム位相可変装置に関する。

近年、自動車に搭載されるエンジンでは、排気ガスの環境への影響、高出力化を考慮し、例えば、特許文献１や特許文献２に開示されているように、吸気バルブと排気バルブとの少なくとも一方のバルブタイミングを可変することのできる可変バルブタイミング制御装置が実用化されている。

このような可変バルブタイミング制御装置では、エンジン回転数センサを初めとする各種センサによりエンジン運転状態を検出し、油圧や電気的な駆動源を用いたアクチュエータを制御装置によって駆動制御することで、吸気バルブと排気バルブとのバルブオーバーラップ量をエンジン運転状態に応じて最適に制御している。
特開平２００１−２６３１０２号公報特開平２００１−３５５４６２号公報

しかしながら、発電機や作業機、スノーモビル等の原動機として使用される汎用エンジンにおいては、コスト、重量、艤装上の面から、油圧や電気的なアクチュエータやセンサ類、制御装置等を備えることは困難であり、これらを要しない簡素な構成のカム位相可変装置が望まれている。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、油圧や電気的な駆動源を要することなく、簡素な機構でカム位相を可変することのできるエンジンのカム位相可変装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明によるエンジンのカム位相可変装置は、燃焼室に開口してシリンダヘッドに形成されたポートを開閉する弁体を駆動するカムの位相を可変するエンジンのカム位相可変装置であって、クランクシャフトによって回転駆動される固定カムと、上記固定カムに連設され、上記固定カムに対して位相がずれるように相対回転可能な可動カムと、上記固定カムの回転に伴う遠心力により開角する第１のフライウェイトと、上記第１のフライウェイトの回転軸に上記可動カムを連結し、上記第１のフライウェイトの回転により上記可動カムを上記固定カムに対して位相がずれるように相対回転可能とする連結部とを備えたことを特徴とする。

その際、上記連結部を、上記第１のフライウェイトの回転軸に軸中心から偏心して設けた孔と、上記可動カムに設けた孔とに偏心ピンを挿入して構成することが望ましく、また、上記第１のフライウェイトを、上記固定カムに固設されて上記クランクシャフトからの回転を上記固定カムに伝達する回転伝達部に配設することが望ましい。さらに、上記固定カムの回転に伴う遠心力により開角する第２のフライウェイトを備えるデコンプ機構では、この第２のフライウェイトを、上記固定カムに固設され、上記クランクシャフトからの回転を上記固定カムに伝達する回転伝達部に配設することが望ましい。

本発明のエンジンのカム位相可変装置は、油圧や電気的な駆動源を要することなく、簡素な機構でカム位相を可変することができ、エンジン運転状態に応じた効率の良い吸排気タイミングとすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図５は本発明の実施の一形態に係わり、図１はエンジンの要部断面図、図２はカム位相可変機構の断面図、図３は図２のＡ矢視図、図４は低速時のフライウェイト及び可動カムの位相を示す説明図、図５は高速時のフライウェイト及び可動カムの位相を示す説明図である。

図１においては、符号１は、発電機や作業機、スノーモビル等の原動機として使用される汎用エンジンであり、同図においては、ＳＯＨＣエンジンである。このエンジン１は、クランクケース２と一体形成されるシリンダ３を傾斜させて全高を低く構成しており、クランクケース２に回動自在に軸支されるクランクシャフト４に、シリンダ３内で摺動自在に往復動するピストン５がコネクティングロッド６を介して連設されている。

尚、符号７は、コネクティングロッド６のクランクシャフト４を把持する大端部に固設されるオイルスクレーパであり、このオイルスクレーパ７によってクランクケース２の底部に貯留される潤滑オイルを掻上げ、各部を潤滑する。

ピストン５の上部には、シリンダヘッド８とシリンダ３とにより燃焼室９が形成され、この燃焼室９に、弁体としての吸気バルブ１０、排気バルブ１１、及び図示しない点火プラグが臨まされている。シリンダヘッド８には、吸気バルブ１０によって開閉される吸気ポート１２と排気バルブ１１によって開閉される排気ポート１３とが形成されており、下方に開口される吸気ポート１２が図示しないエアクリーナに連通され、上方に開口される排気ポート１３が排気管１４を介してマフラ１５に連通されている。

吸気バルブ１０及び排気バルブ１１は、バルブスプリングによって閉弁方向に付勢され、各バルブ１０，１１のステムエンドがシリンダヘッド８に揺動自在に軸支されるロッカーアーム１６，１６の一端に当接されている。ロッカーアーム１６，１６の他端には、シリンダヘッド８に軸支されるシャフト１７に装着されたカム１８に摺接するスリッパ部が設けられ、カム１８の回転によりロッカーアーム１６，１６が揺動し、吸気バルブ１０及び排気バルブ１１が開閉駆動される。

本形態においては、カム１８の軸方向一側に、回転伝達部の一例として、カム１８と一体回転するカムスプロケット１９が設けられており、このカムスプロケット１９がクランクシャフト４に固設されたクランクスプロケット２０に図示しないチェーンを介して連結され、カム１８がクランクシャフト４の１／２の速度で同期回転するように設定されている。尚、カムスプロケット１９に代えてカムギヤを設けても良く、例えば、カムギヤをクランクシャフトに設けたクランクギヤに直接あるいはアイドラギヤを介して噛合させ、クランクシャフトの回転をカムに伝達するようにしても良い。

ここで、カム１８には、カム位相を可変する位相可変機構が設けられており、カム１８を低速域と高速域とで異なったカム位相とし、エンジン１の運転領域に応じた最適なバルブタイミングに設定することができる。このカム位相可変機構は、電源や油圧等の作動用駆動源を要することなく、簡素な機械要素のみで構成されるものであり、以下、カム位相可変機構について説明する。

図２に示すように、カム１８は、中空状の内部にシャフト１７が貫通装着される固定カム２１と、この固定カム２１に連結され、固定カム２１に対して相対回転可能な可動カム２２とからなり、固定カム２１の可動カム２２と反対側の端部に、カムスプロケット１９が一体的に形成されている。尚、固定カム２１とカムスプロケット１９とを別部材で構成し、両者を固定するようにしても良い。

固定カム２１と可動カム２２とは、低速域においては、同位相の状態で一体的に回転し、予め設定されたカムプロフィールに従ったタイミングで吸気バルブ１０及び排気バルブ１１が開閉される。一方、高速域では、可動カム２２が固定カム２１に対して相対回転してカム位相が可変され、吸気バルブ１０と排気バルブ１１との少なくとも一方の開閉タイミングが可変される。

例えば、排気バルブ１１を開閉するロッカーアーム１６のスリッパ部を固定カム２１に摺接させ、吸気バルブ１０を開閉するロッカーアーム１６のスリッパ部を可動カム２２に摺接させることにより、高速域における固定カム２１と可動カムとの互いの位相をずらし、吸気バルブ１０の開閉タイミングを可変する。或いは、固定カム２１に吸気バルブ１０側のロッカーアーム１６のスリッパ部を摺接させ、可動カム２２に排気バルブ１１側のロッカーアーム１６のスリッパ部を摺接させることにより、高速域における排気バルブ１１の開閉タイミングを可変する。

更には、吸気バルブ１０と排気バルブ１１との双方のロッカーアーム１６，１６のスリッパ部を固定カム２１及び可動カム２２に摺接させるようにしても良い。この場合には、固定カム２１と可動カム２２とによるカムプロフィールが低速域と高速域とで変化し、吸気バルブ１０及び排気バルブ１１の開閉タイミングが可変される。

具体的には、可動カム２２は、固定カム２１のカムスプロケット１９と反対側に設けられた小径部２１ａに相対回転可能に嵌合されており、軸端部に装着されたサークリップ２３によって抜止めされている。また、カムスプロケット１９の固定カム２１と反対側の面にはボス１９ａが突設され、このボス１９ａ側部のカム頂点側（ベースサークルからランプを経て突出する側）に、カムスプロケット１９から固定カム２１にかけて軸方向に貫通する貫通孔２４が穿設されている。貫通孔２４には、カムスプロケット１９の回転に伴う遠心力で開角するフライウェイト２５（第１のフライウェイト）を軸端に形成したフライウェイトシャフト２６が挿通され、ボス１９ａの端部に装着されたサークリップ２７により、フライウェイト２５のカムスプロケット１９からの抜止めがなされている。

図３に示すように、フライウェイト２５は略Ｌ字状に形成され、カムスプロケット１９の側面に立設されたピン２８と、フライウェイト２５の基部に立設されたピン２９との間に張設されたスプリング３０により、フライウェイト２５がボス１９ａに押圧される方向（閉角方向）へ常時付勢されている。また、カムスプロケット１９側面のピン２８と反対側の部位には、ストッパピン３１が立設され、図３中に破線で示すように、フライウェイト２５が遠心力によって開角したとき、フライウェイト２５の基部側側面がストッパピン３１に当接して開角方向の開度が規制される。スプリング３０は、低速域の遠心力ではフライウェイト２５を閉角状態に保持し、高速域の遠心力によってフライウェイト２５が開角するよう、スプリング荷重が設定されている。

可動カム２２はフライウェイトシャフト２６に連結され、フライウェイト２５の回転により可動カム２２が固定カム２１に対して相対回転可能とされている。本形態においては、可動カム２２とフライウェイトシャフト２６とを連結する連結部を、図２に示すように、偏心ピン３２を用いて構成し、この偏心ピン３２を介して可動カム２２が固定カム２１に対して相対回転可能としている。

偏心ピン３２は、可動カム２２のカム頂点側に穿設された孔２２ａに回転自在に嵌入される太径部３２ａと、フライウェイトシャフト２６に回転軸中心から偏心量ｅだけ偏心して穿設された孔２６ａに回転自在に嵌入される細径部３２ｂとを有し、可動カム２２の孔２２ａが偏心ピン３２の太径部３２ａに対して僅かに遊びを有するように形成されている。これにより、フライウェイト２５の開角動作に連動して偏心ピン３２が揺動運動したとき、可動カム２２が固定カム２１に対して相対回転可能となる。

尚、可動カム２２とフライウェイトシャフト２６とを、偏心ピン３２を用いることなく、リンク機構やギヤ機構を介して可動カム２２が固定カム２１に対して相対回転可能に連結することも可能である。例えば、可動カム２２の孔２２ａをフライウェイトシャフト２６より若干大きい径の貫通孔として内歯ギヤを形成すると共に、フライウェイトシャフト２６を延長して延長部分に外歯ギヤを形成し、可動カム２２側の内歯ギヤとフライウェイトシャフト２６側の外歯ギヤとを噛合させることで連結部を構成し、フライウェイト２５の開角動作に連動して可動カム２２を固定カム２１に対して相対回転させるようにしても良い。

一方、図２，図３において、符号４０は、周知のデコンプ機構のフライウェイト（第２のフライウェイト）であり、カムスプロケット１９の側面に、カム位相可変用のフライウェイト２５に略対向して配設され、図示しないスプリングによって閉角方向に付勢されている。また、デコンプ機構のフライウェイト４０の基部に立設されたシャフト４１が、カムスプロケット１９のボス１９ａ側部に穿設された孔を挿通して固定カム２１のベースサークルに形成されている溝部に臨まされている。

以上のカム位相可変機構を有するエンジン１は、エンジン回転数が設定回転数（例えば、３０００ｒｐｍ）より低い低速域の運転状態においては、フライウェイト２５に作用する遠心力よりもスプリング３０の付勢力が大きく、図４に示すように、フライウェイト２５が閉角状態に保持される。従って、低回転数域においては、固定カム２１と可動カム２２とが同位相の位置に保持され、低回転域で最適特性を得られるよう予め設定されたカムプロフィールに従ったタイミングで吸気バルブ１０と排気バルブ１１とが開閉される。

次に、エンジン回転数が上昇し、エンジン回転数が設定回転数以上の高速域に達すると、図５に示すように、フライウェイト２５に作用する遠心力がスプリング３０の付勢力を上回り、フライウェイト２５が開角してフライウェイトシャフト２６が回動し、このフライウェイトシャフト２６の回動により、偏心ピン３２が揺動する。例えば、図５に半時計回り方向で示す方向にフライウェイト２５が開角し、フライウェイトシャフト２６に挿入された偏心ピン３２が揺動して細径部３２ｂが閉角時の初期位置から角度θの位置に変位すると、この細径部３２ｂの変位に連動して、太径部３２ａを介して可動カム２２が固定カム２１に対して進角方向（図の半時計回り方向）に相対回転する。

その結果、例えば、可動カム２２によって吸気バルブ１０を開閉する場合には、高回転域における吸気バルブ１０の開閉タイミングが進角方向に可変され、吸気バルブ１０と排気バルブ１１とのバルブオーバーラップを増加させて充填効率及び掃気効率を高めることができ、エンジン出力の向上や燃費低減を実現することができる。

また、固定カム２１及び可動カム２２の両者で吸気バルブ１０及び排気バルブ１１を開閉駆動する場合には、高速域において、固定カム２１と進角側に相対回転した可動カム２２との双方を合成したカムプロフィールとなり、同様に、高速域でのバルブオーバーラップを増加させて充填効率及び掃気効率を高め、エンジン出力向上や燃費低減を実現することができる。

尚、カムにかかる力はカム頂点を境としてランプ期間の昇りと下降とで逆転するが、偏心ピン３２の偏心量や取付け位置を適切に設定することにより、キックバックによる位相のずれは発生しない。

このように、電源や油圧等の作動用駆動源を要することなく、簡素な機械要素のみのカム位相可変機構で低速域と高速域とに対して効率の良い吸排気タイミングとすることができる。また、このような簡素な機械要素のみでカム位相可変機構を構成するため、コスト上昇や重量増を最小限に抑制することができるばかりでなく、回転部分を全て面接触とすることができ、応力分散を図って耐摩耗性を向上することができる。更に、カム位相可変機構をカム単体としてコンパクトに構成できることから、デコンプ機構との併用が容易であり、汎用エンジンに効果的に適用することができる。

エンジンの要部断面図カム位相可変機構の断面図図２のＡ矢視図低速時のフライウェイト及び可動カムの位相を示す説明図高速時のフライウェイト及び可動カムの位相を示す説明図

符号の説明

１エンジン
４クランクシャフト
８シリンダヘッド
９燃焼室
１０吸気バルブ
１１排気バルブ
１２吸気ポート
１３排気ポート
１８カム
１９カムスプロケット
２１固定カム
２２可動カム
２５フライウェイト
２６フライウェイトシャフト
３２偏心ピン
ｅ偏心量

代理人弁理士伊藤進

Claims

燃焼室に開口してシリンダヘッドに形成されたポートを開閉する弁体を駆動するカムの位相を可変するエンジンのカム位相可変装置であって、
クランクシャフトによって回転駆動される固定カムと、
上記固定カムに連設され、上記固定カムに対して位相がずれるように相対回転可能な可動カムと、
上記固定カムの回転に伴う遠心力により開角する第１のフライウェイトと、
上記第１のフライウェイトの回転軸に上記可動カムを連結し、上記第１のフライウェイトの回転により上記可動カムを上記固定カムに対して位相がずれるように相対回転可能とする連結部とを備えたことを特徴とするエンジンのカム位相可変装置。
上記連結部を、上記第１のフライウェイトの回転軸に軸中心から偏心して設けた孔と、上記可動カムに設けた孔とに偏心ピンを挿入して構成することを特徴とする請求項１記載のエンジンのカム位相可変装置。
上記第１のフライウェイトを、上記固定カムに固設され、上記クランクシャフトからの回転を上記固定カムに伝達する回転伝達部に配設したことを特徴とする請求項１又は２記載のエンジンのカム位相可変装置。
上記固定カムに作用するデコンプ機構をさらに備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のエンジンのカム位相可変装置。
上記デコンプ機構は、上記固定カムの回転に伴う遠心力により開角する第２のフライウェイトを備え、
上記第２のフライウェイトを、上記固定カムに固設され、上記クランクシャフトからの回転を上記固定カムに伝達する回転伝達部に配設したことを特徴とする請求項４記載のエンジンのカム位相可変装置。