JP4292078B2 - 内燃機関の排気弁機構 - Google Patents

Description

本発明は、
内燃機関の排気弁機構であって、
各シリンダー内の少なくとも一つの排気弁、
該排気弁を動作させるための、各シリンダー用のロッカーアーム軸に取りつけられたロッカーアーム、
各ロッカーアーム用のカム要素を有し、該カム要素が前記ロッカーアームの一端の運動伝達手段と協働するカム軸、
前記ロッカーアームの反対端と排気弁との間に配置され、該ロッカーアーム反対端内に第一のシリンダー室を有する第一のピストン−シリンダー装置、
圧力流体を、前記シリンダー室に供給し、また該シリンダー室から流出させる油圧回路、
前記シリンダー室内に配置され、圧力流体が該シリンダー室に供給されたとき、排気弁に向って偏倚させられるピストン、
を有する排気弁機構、
に関する。

ＳＥ−Ａ−４６８ １３２号明細書には、前記タイプの排気弁機構が記載されており、該機構は、追加ローブ（ｌｏｂｅ）付きの排気カムを有する特殊なタイプのカム軸とともに使用して、エンジン制動力を高めることができる。追加カムローブは、そのリフト高が弁機構の通常の弁遊びに一致するように、寸法決めされている。ピストンシリンダー装置により、弁遊びをゼロまで減少させることによって、適当な時間範囲内に、通常の弁遊びに一致する排気弁の一つ以上の追加リフトが可能になる。たとえば、圧縮ストロークの末期に排気弁追加リフトを与えるために、一つの追加カムローブを通常のカムローブに加えて配置することができるが、その場合、圧縮ストローク中に圧縮仕事の一部が失われ、これは膨張ストローク中に回収されない。したがって、エンジンの制動作用が強まる。

前記構成のエンジンの場合、エンジン制動の際の圧縮時の、排気弁の最大リフト高が弁の遊びの大きさまでに制限される。さらに、制動モードにおける排気弁と吸気弁との重なりが、排気弁の最大リフト高が駆動モードの場合に比して弁遊びに対応する距離だけ増大することのために、大きくなる。制動モードの場合、排気マニホールド内の圧力が吸気マニホールド内の圧力よりもずっと大きい（吸気側での１ｂａｒに対して、排気側では約５ｂａｒ）ので、制動モード時には、前記重なりに応じた量の高温排気が排気側と吸気側との間に流れ、そのために、制動モード時のエンジン冷却効率が、駆動モード時に比して、低下する。制動モード時には、噴射ノズルのための冷却媒体として燃料が使用できないので、なおさらである。最後に、排気ロッカーアームは、制動モードに対しては、通常の駆動モードに対するよりも頑丈なように寸法決めしなければならない。というのは、制動モードにおいて排気弁に加わる開放力は、シリンダー内の大きな圧縮圧力からの力に打ち克たなければならないからである。この力は、排気ストローク時の通常の開放に必要な、弁に加わる力よりも相当に大きい。

本発明の一つの目的は、制動モード時の排気弁の追加リフトを、排気弁の通常のリフトに影響を与えることなく実行し、それによって、大きな逆流とエンジン内を通る物質流の減少とを伴う、排気弁と吸気弁との間の重なりの増大を避けることができるように作られた、冒頭で述べたタイプの排気弁機構を実現することである。

本発明のもう一つの目的は、制動モード時の排気弁の追加リフトにおけるリフト高が弁遊びの大きさまでに制限されない排気弁機構を実現することである。

本発明のもう一つの目的は、排気ロッカーアームを制動モードに対して寸法決めする必要がなく、駆動モードに対してのみ寸法決めすればよい排気弁装置（ａｎ ｅｘｈａｕｓｔ ｖａｌｖｅ ｄｅｖｉｃｅ）を実現することである。

前記目的は、本発明により、
ロッカーアームが、前記ロッカーアーム軸の、第一のピストン−シリンダー装置があるのと同じ側に、第二のピストン−シリンダー装置を有し、
該第二のピストン−シリンダー装置が、前記第一のシリンダー室と連絡している第二のシリンダー室を有し、かつ該第二のシリンダー室に圧力流体が供給されたときに排気弁か
ら離れる向きに偏倚させられる第二のピストンを収容しており、
ロッカーアーム軸に取りつけられた第二のロッカーアームが、前記第二のピストンに対して作用する端と、カム軸上のカム要素と協働する運動伝達手段を有する反対端とを有する、
ようにすることによって達成される。

本発明は、二つの独立のロッカーアームを使用し、一つを通常の駆動モード時の排気弁リフトのために使用し、もう一つを制動モード時の排気弁リフトに使用する、という着想にもとづく。通常の排気ロッカーアームは大体１：１．４〜１．６の普通のてこ比を有することができ、駆動モード時に発生する力にのみ合わせて寸法決めすればよい。制動モードのための排気弁ロッカーアームは、独立のカム要素から弁運動を伝達し、したがって、通常の駆動モードのためのカム要素上の追加のカムローブは取り去ることができる。制動モードのためのロッカーアームは、ポンプピストンとして作用して第一のシリンダー室に流体を送る第二のピストンに作用する。第一のシリンダー室内の圧力により、第一のピストンが排気弁の方向に押される。したがって、制動モード時の弁運動が一部油圧により伝達される。第二の排気ロッカーアームは第一の排気ロッカーアームのものとは異なるてこ比たとえば１：０．７〜１．１を有することができ、それによって、弁機構における力と接触圧力とが低下する。第二のロッカーアームと協働するカム要素は第一のロッカーアームのカム要素のものよりも大きな基礎円直径（ｂａｓｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ）を有することができ、したがって、接触圧力が減少し、かつ／またはより迅速な上方または下方運動が与えられる。

本発明により、駆動モード時に追加ローブが作用しないようにするための高くて長いランプが不要になるため、制動モードのために追加のカムローブが通常のカム要素に使用される場合に必要な大きな弁重なりをなくすことができる。したがって、排気マニホールド内の過圧（ｏｖｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅ）によって発生する、排気のシリンダー内への戻り流および吸気孔を通る戻り流が減少する。

以下、添付の図面に示す実施形態を参照しつつ、発明をさらに詳しく説明する。

図１は、内燃機関（図示せず）の弁機構１を模式的に示す。機構１は、ロッカーアーム軸３に揺動できるように取りつけられた排気弁ロッカーアーム２を有している。ロッカーアーム２の一端は、該端に回転できるように取りつけられたカム従節ローラー４を有している。カム従節ローラー４はカム軸６上の模式的に示すカム要素５に接触している。記号“ａ”はカム要素５の基礎円を示し、“ｂ”は該カム要素の最大半径を示す。ロッカーアーム２は、カム従節ローラー４を有する端の反対側の端７には、ピストンシリンダー装置８を有し、該装置は、ロッカーアーム端７に作られたシリンダー室９と該シリンダー室内に収容されたピストン１０とから成る。ピストン１０は、ヨーク１３上のソケット１２内に延びる球状端を有するピストンピン１１を備えている。ヨーク１３は、作動時、二つの排気弁スピンドル１４に圧力を加える。１５は、弁を閉じるための二つの弁ばねを示す。ばね１５のほかに、追加のばね１６があり、該ばねは、ヨーク１３を、このタイプの弁機構に常に存在する遊びがスピンドル１４の端とヨーク１３の下側との間に配置されるような位置に保つことを意図するものである。

弁機構１は、加圧油によって潤滑される。この油は、エンジンオイルポンプによって、エンジンブロック内の流路とシリンダーヘッド（図示せず）とを通してロッカーアーム軸３内の流路１７に供給される。ロッカーアーム２はジャーナル軸受け１８を有し、該軸受けは軸３と軸受け１８との間のわずかな漏れ流によって潤滑される。過剰な油は、全体を２０で示す油圧回路内の戻りライン１９を通して戻される。油圧回路２０は、弁装置２１を有し、該装置は、弁ハウジング２２とばね２３によって偏倚させられている弁要素２４とから成る。ハウジング２２は、出口２５を有し、弁要素が図１に示す位置にあるときには、該出口を通って、戻り流が流れて、エンジンオイル溜めに戻る。ハウジング２２は、圧力媒体（圧縮空気または液圧流体）のための入口２６をも有する。圧力媒体が入口２６を通して供給されると、図１において、弁要素２４は上方に変位し、そのため出口２５が閉じてライン１９を通る戻り流が阻止される。すると、流路１７内の圧力が上昇する。流路１７は流路２７を通じてピストン１０の上方でシリンダー室９と連絡しており、そのため、該ピストンは弁ヨーク１３に向って下方に押されて、該ヨークと弁スピンドル上端面との間の遊びがゼロとなるように調節される。ピストン１０には、圧力を所定のレベルに制限する逃がし弁が備えてある。このレベルを超えると、弁２８、２９が開き、油はピストン内の流路３０を通って流出することができる。

弁遊びがゼロのときの動作時に、シリンダー室９とロッカーアーム軸内の室１７との間の油輸送を防止するために、ロッカーアーム流路２７内に逆止め弁３１（図３）が配置してある。逆止め弁３１は、玉形の弁要素３２を有し、該要素は、油圧回路内の圧力が大きい場合、シリンダー室９内の圧力とばね３３とによって閉鎖位置に保たれる。油圧回路内の圧力は、ばね３３によって偏倚させられているピストン３４の端にも作用する。ピストン３４は玉３２の受け座まで延びる軸３５を有している。回路内の圧力が大きい場合、すなわち弁２１が閉じている場合、この圧力はピストン３４を軸３５の端が玉３２からある距離にある位置に保ち、したがって弁３１は閉じたままになる。弁２１が戻りライン１９を開いて油圧が低下した場合、また油圧によってピストンに加えられる力がばね３３からの力を上回った場合、軸３５が玉３２を押し離して弁３１が開放され、シリンダー室９が戻りライン１９とつながる。

以上、図１を参照して述べたのは先行技術である。

本発明によれば、排気ロッカーアーム２は第二のピストンシリンダー装置４０を有し、該装置は、ロッカーアーム端７から離して配置されたシリンダー室４１と該シリンダー室内に配置されたピストン４２とを有する。図からわかるように、シリンダー室４１は実質的にシリンダー室９と反対に向いている。すなわち、図１、２からわかるように、シリンダー室４１は上方に開いており、流路４８を通じて第一のシリンダー室と連絡している。図２から特にはっきりわかるように、ピストン４２は、ピストン１０と同様に、凹形である。ピストン４２のくぼみの底４３と固定リング４４との間では、コイルばね４５に力が加わっており、それによってシリンダー室４１の底に向ってピストン４２が押されている。第二の排気ロッカーアーム４６が、第一の排気ロッカーアーム２に回転できないように取
りつけられた軸受けブッシュ１８の横方向に延びる部分４７（図３、４参照）に取りつけてある。第二の排気ロッカーアーム４６の一端には、回転できるように取りつけられたカム従節ローラー４９がある。カム従節ローラー４９はカム軸６上の模式的に示すカム要素５０に接触している。“ｃ”は該カム要素の基礎円を示し、“ｄ”は該カム要素の最大半径を示す。ロッカーアーム４６の反対端５１には、調節できるスピンドル５２がねじ込んであり、該スピンドルはピストン４２のくぼみ内に延びており、ガイド５４内の対応するくぼみ内に保持されている球形端５３を有している。

特に図４から明らかなように、ここに示す実施形態の場合、シリンダー室４１はシリンダー室９と同じ断面積を有し、したがってピストン４２のあるストローク長のポンプストロークにより、ピストン１０においても同じストローク長が与えられる。シリンダー室９と４１とが異なる断面積を有する他の実施形態も考えることができるが、その場合、ピストン１０と４２のストローク長はこれらのピストンの断面積に反比例する。二つのシリンダー室９と４１からの反作用力（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ）（これらは異なりうる）は、てこ長さＬ１とＬ３によりロッカーアーム２に反作用トルクを生じる。しかし、ロッカーアーム２と４６の機械的利得（ａｄｖａｎｔａｇｅ）は異なる。それは、第一に、シリンダー室９、４１がロッカーアーム軸２から異なる距離に配置されているからであり、第二に、カム従節ローラー４と４９がロッカーアームの回転軸から異なる距離でそれぞれのロッカーアームに取りつけてあるからである。図２に示す実施形態の場合、排気ロッカーアーム２における比Ｌ２／Ｌ１は約１：１．６であるが、排気ロッカーアーム４６における比Ｌ４／Ｌ３は約１：０．７である。ロッカーアーム２の機械的利得のために適当な間隔は、約１：１．１〜１．６とすることができ、ロッカーアーム４６の機械的利得のためのそれは、約１：０．７〜１．１とすることができる。

通常の駆動モード動作の場合、図１と２に示すように、弁２１は開き、ピストン１０と４２はその端位置にある。制動モードへの移行は、弁２１を閉じて、油圧回路２０内に圧力が蓄積されるようにすることによってなされる。このとき、ピストン１０は下方に変位して、弁遊びを調節してゼロとなるようにし、同時に、ピストン４２は上方に変位して固定リング４４に接する上部端位置に達する。ブレーキカム要素５０は、たとえば、図２に示す最大直径“ｄ”の一つまたは二つのカムローブ（図示せず）を備えることができ、このとき、一つだけのものを、圧縮ストロークの終わりにおける排気弁１４の開放（減圧）のために備えることができ、あるいは、一つを吸気ストロークの最後の部分における排気弁１４の開放（充填）のため、また一つを圧縮ストロークの終わりにおける排気弁１４の開放（減圧）のために備えることができる。まず第一の、次に第二のブレーキカムローブがロッカーアーム４６のカム従節ローラー４９にぶつかって、それによりロッカーアーム４６がピストン４２を押し、油がピストン１０の背後のシリンダー室９内に送られて、該ピストンを押し下げ、それによって排気弁を開放する角度範囲においては、通常の排気ロッカーアーム２のカム従節ローラー４はカム要素５の基礎円“ａ”上にある。二つのロッカーアーム２と４６の前記のようなてこ比の違いにより、通常のロッカーアーム２には限られた反作用トルクが生じ、該トルクは、充填および減圧中に、カム要素５の基礎円“ａ”上のロッカーアーム２のカム従節ローラー４によって連続的に吸収される。したがって、通常の排気ロッカーアーム２そのものは充填および減圧中に動かず、これは軸受けブッシュ１８にとって有利である。該ブッシュがその一端に荷重を受けることがないからである。この構造の場合、二つのロッカーアーム２と４６が協働して充填および減圧過程中に荷重を吸収する。これは、追加の排気弁ロッカーアーム４６が、制動モード動作のために、荷重の主要部分を吸収して排気弁開放の作業を実行しなければならない場合でも、そうである。

図５の線図は、通常の駆動モード動作時の、排気弁のリフト曲線Ａと吸気弁のリフト曲線Ｂとを示す。影をつけた領域Ｃからわかるように、弁の重なりは割合に小さい。破線Ｄは、通常のカム上の追加のカムローブを使用する前述の公知技術によって、弁遊びを調節してゼロにすることにより、駆動モードから制動モードに移行する場合の、排気弁リフトの増大を示す。前述の公知技術を使用する制動モード時のリフト曲線ＡおよびＢを示す図６の線図から明らかなように、弁重なりＣは、駆動モード時に比して、大きく増大する。そのため、前述のように、排気側から吸気側へのかなり大きな逆流が生じる。

図７の線図は、本発明の弁機構１を使用した場合の、制動モード時の、排気弁のリフト曲線Ａと吸気弁のリフト曲線Ｂとを示す。図５との比較からわかるように、この場合、駆動モードから制動モードへの移行において、排気弁の通常のリフト曲線には変化がなく、したがってまた、比較から明らかなように、弁重なりＣも変化しない。

図６と図７の線図を比較するとわかるように、制動モード時の追加リフトＡ１、Ａ２は同じ高さである。前述の公知の技術を使用した場合のリフト高は弁遊びの大きさまでに制限され、実際には高々約１ｍｍである。本発明の弁機構を使用した場合のリフト高は、ピストンがその最高位置にあるときの、弁ディスクとピストン頂部との間のスペースが許容する大きさまでに制限され、したがって図示するものよりもかなり高くできる。さらに、本発明による弁機構は、公知の弁機構の場合よりも大きな力を吸収することができる。したがって、排気弁に対して大きな差圧が許容でき、公知の弁機構の場合の約４５ｂａｒに対して約７０ｂａｒとすることができる。これは、排気マニホールド内の逆圧
（ｃｏｕｎｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）が５ｂａｒの場合、圧縮圧力を約５０ｂａｒから約７５ｂａｒに上げることができるということであり、それは制動力の約３０％の増大に対応する。

本発明による排気弁機構の一つの実施形態の側面図である。この図には、駆動モード時の通常の弁リフトのための排気弁ロッカーアームを通る縦断面を示すが、制動モードのためのロッカーアームは示さない。 図１とは反対の側から見た、本発明の弁機構の側面図である。この図には、制動モードのためのロッカーアームを示し、また通常の弁リフトのためのロッカーアームを部分断面図として示す。 図１の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿うロッカーアームの断面図である。 図１の線ＩＶ−ＩＶに沿うロッカーアームの断面図である。 通常の駆動モードにおける、排気弁および吸気弁のリフト曲線を示す線図である。 公知の排気弁機構における制動モード時の、図５に対応する線図である。 本発明による弁機構における制動モード時の、図５に対応する線図である。

符号の説明

１ 弁機構
２ 排気弁ロッカーアーム
３ ロッカーアーム軸
４ カム従節ローラー
５ カム要素
６ カム軸
７ ２の端
８ ピストンシリンダー装置
９ シリンダー室
１０ ピストン
１１ ピストンピン
１２ ソケット
１３ ヨーク
１４ 排気弁スピンドル
１５ ばね
１６ 追加のばね
１７ 流路
１８ 軸受けブッシュ
１９ 戻りライン
２０ 油圧回路
２１ 弁装置
２２ 弁ハウジング
２３ ばね
２４ 弁要素
２５ 出口
２６ 入口
２７ 流路
２８ 弁
２９ 弁
３０ 流路
３１ 逆止め弁
３２ 玉形の弁要素
３３ ばね
３４ ピストン
３５ 軸
４０ 第二のシリンダー装置
４１ シリンダー室
４２ ピストン
４３ ４２のくぼみの底
４４ 固定リング
４５ コイルばね
４６ 第二の排気ロッカーアーム
４７ １８の部分
４８ 流路
４９ カム従節ローラー
５０ カム要素
５１ ４６の端
５２ スピンドル
５３ ５２の球形端
５４ ガイド
“ａ” ５の基礎円
“ｂ” ５の最大半径
“ｃ” ５０の基礎円
“ｄ” ５０の最大半径
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４ てこ長さ

Claims (8)

1. 内燃機関の排気弁機構であって、
   各シリンダー内の少なくとも一つの排気弁（１４）、
   排気弁を動作させるための、各シリンダー用のロッカーアーム軸（３）に取りつけられたロッカーアーム（２）、
   各ロッカーアーム用の第一のカム要素（５）を有し、該カム要素が前記ロッカーアームの一端の運動伝達手段（４）と協働するカム軸（６）、
   前記ロッカーアームの反対端と排気弁との間に配置され、該ロッカーアーム反対端内に第一のシリンダー室（９）を有する第一のピストン−シリンダー装置（８）、
   圧力流体を、前記シリンダー室に供給し、また該シリンダー室から流出させる油圧回路（２０）、
   前記シリンダー室内に配置され、圧力流体が該シリンダー室に供給されたとき、排気弁に向って偏倚させられるピストン（１０）、
   を有する排気弁機構であって、
   ロッカーアーム（２）が、ロッカーアーム軸（３）に対して、第一のピストンシリンダー装置（８）と同じ側に、第二のピストンシリンダー装置（４０）を有し、
   該第二のピストン−シリンダー装置（４０）が、前記第一のシリンダー室と連絡している第二のシリンダー室（４１）を有し、かつ該第二のシリンダー室に圧力流体が供給されたときに排気弁から離れる向きに偏倚させられる第二のピストン（４２）を収容しており、
   ロッカーアーム軸に取りつけられた第二のロッカーアーム（４６）が、前記第二のピストンに対して作用する端（５３）と、カム軸（６）上の第二のカム要素（５０）と協働する運動伝達手段（４９）を有する反対端とを有する、
   ことを特徴とする排気弁機構。
2. 第二のロッカーアーム（４６）が、前記第一のロッカーアーム（２）の横に、該アームと同じロッカーアーム軸（３）上に取りつけられていることを特徴とする請求項１に記載の排気弁機構。
3. 前記第二のロッカーアームの前記運動伝達手段がカム従節（４９）であって、該従節が、前記カム軸の第一のカム要素（５）の横に間隔をとって配置され、該カム要素と同じカム軸（６）上に取りつけられた第二のカム要素（５０）と協働することを特徴とする請求項２に記載の弁機構。
4. 第二のシリンダー室（４）が、ロッカーアーム軸（３）から、第一のシリンダー室（９）よりも小さな距離に配置されていることを特徴とする請求項１から３の中のいずれか１つに記載の弁機構。
5. 第二のピストン−シリンダー装置（４０）が、第一のピストン−シリンダー装置（８）に対してロッカーアーム軸（３）の軸方向に、配置されていることを特徴とする請求項１から４の中のいずれか１つに記載の弁機構。
6. 第一のロッカーアーム（２）が１：１．４〜１．６のてこ比、即ちロッカーアーム軸（３）の中心からカム従節ローラー（４）の中心までの距離：第一のロッカーアーム（２）の端のピストンピンの中心からロッカーアーム軸（３）の中心までの距離のてこ比、を有し、第二のロッカーアーム（４６）が１：０．７〜１．１のてこ比、即ちロッカーアーム軸（３）の中心からカム従節ローラー（４９）の中心までの距離：第二のロッカーアーム（４６）の端においてねじ込まれたスピンドル（５２）の中心からロッカーアーム軸（３）の中心までの距離のてこ比、を有することを特徴とする請求項４または５に記載の弁機構。
7. 第一のロッカーアーム（２）が、該アームに回転できないように取りつけられたブッシュ（１８）によってロッカーアーム軸（３）上に取りつけられ、また前記ブッシュ（１８）の横方向に延びる部分（４７）であってかつ第二のロッカーアームに向う方向に延びる部分（４７）を有し、第二のロッカーアーム（４６）が前記部分（４７）にジャーナル軸受けを介して連結されていることを特徴とする請求項１から６の中のいずれか１つに記載の弁機構。
8. 前記第一のピストン−シリンダー装置（８）は、
   前記油圧回路（２０）が、前記ロッカーアーム軸に潤滑剤を供給する圧力流体回路であり、また、戻り回路（１９）内に過剰な潤滑剤のために配置された弁手段（２０）が戻り流を阻止するように調節して、第一のピストン−シリンダー装置内の上昇圧力により、第一のピストン（９）を排気弁（１４）に向かって偏倚させることができるようになっている、弁遊び吸収装置
   から成ることを特徴とする請求項１から７の中のいずれか１つに記載の弁機構。

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