可变气门装置的制作方法

专利名称：可变气门装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可变气门装置，更具体地涉及一种用于内燃发动机 的能够M地改变气门的气门开启特性的可变气门装置。
背景技术：
例如专利文献1披露了用于内燃发动机的能够机械地改变气门的气 门开启特性的可变气门装置。在此可变气门装置的单个凸轮轴上固定有
两个旋转凸轮第一旋转凸轮和第二旋转凸轮。就设置于单个气缸中的 两个进气门 一一第一进气门和第二进气门来说，第一旋转凸轮驱动开启 或者关闭第一进气门，第二旋转凸轮驱动开启或关闭第二进气门。包括 四连杆机构的可变气门传动机构各自置于第一旋转凸轮和第一进气门 之间以及第二旋转凸轮和第二进气门之间。
可变气门传动机构的四连杆机构包括四个主要元件输入臂、传动 臂、摇臂以及控制臂。输入臂包括邻接旋转凸轮的输入部分。传动臂以 能够摇动的方式耦连到输入臂。以能够摇动的方式耦连到传动臂的同 时，摇臂还能够绕旋转控制轴摇动，以将传递自旋转凸轮的驱动力传递 到开启或关闭进气门的输出部分。绕旋转控制轴以能够旋转的方式被驱 动的同时，控制臂还能以能够摇动的方式耦连到输入臂。通过控制四连 杆^*的位姿能够机械地改变进气门的气门开启特性，从而改变旋转凸 轮相对于输入部分的位置。
上述的传统可变气门装置还包括选择机构，用于将第二进气门的气 门开启特性的控制方法从可变控制改变到固定控制，或者从固定控制改 变到可变控制。更具体地，可变气门装置包括耦连机构，其将与第一进 气门相关的四连杆机构(第一连杆^J)耦连到与第二进气门相关的四 连杆机构(第二连杆机构)。可变气门装置还包括另一机构，用于将第 二连杆机构的位姿保持在当耦连脱开时使得第二进气门的操作角变成
最大值或最小值的位姿。耦连机构包括在每个四连杆机构的控制臂内延
伸的通孔和插在通孔中的耦连销。用于在耦连脱开时保持第二连杆;W^ 的位姿的机构包括在固定板内延伸的通孔、在第二连杆机构的控制臂 (第二控制臂)内延伸的通孔以及上述的耦连销。
耦连销总是M第二控制臂内的通孔。在保持接合第二控制臂内的 通孔的同时，耦连销能够向着第一连杆机构的控制臂(第一控制臂)侧 或者固定板侧移动。当耦连销移向第 一控制臂侧并且插进第 一控制臂的 通孔时，第二控制臂通过耦连销耦连到第一控制臂。当第一和第二控制 臂耦连在一起时，第一连杆机构和第二连杆机构总是呈现相同的位姿。 因此，在这种情况下，第一和第二气门能够控制为具有相同的气门开启 特性。
另一方面，当耦连销向固定板侧移动并且插进固定板内的通孔时， 第二控制臂通过耦连销耦连到固定板。当第二控制臂耦连到固定板时， 第二连杆机构固定到预定位姿。在这种情况下，第一连杆机构的位姿控 制为能够改变旋转凸轮相对于输入部分的位姿。这仅允许机械地改变第 一气门的气门开启特性，而第二气门的气门开启特性固定。
具体地，根据上述的可变气门装置，能够选择性地执行两种不同控 制模式中的任意一种，即，第一进气门和第二进气门具有相同气门开启 特性的控制模式(双气门可变控制)或者第一进气门和第二进气门之间 具有不同气门开启特性的控制模式(单气门可变控制)。因此，改变第 一进气门和第二进气门之间的气门开启特性，或者具体地，改变两个气 门之间的升程会使进气流量变化。it^燃烧室内产生旋涡流，从而稳定 燃烧室内的燃烧。
本申请人得知包括上述文献在内的以下文献作为本发明的现有技术。日本专利^>开No. 2004-100555

发明内容
根据现有技术的^J，其配置成，当双气门可变控制切换到单气门 可变控制时，第二连杆机构经由当前操作角暂时呈现实现第二进气门的
操作角的最大值或最小值的位姿。这种方法意味着，当控制模式在双气 门可变控制和单气门可变控制之间切换时，必需控制当前操作范围内的 操作角控制到其最大值或者最小值。另外，选,的控制模式后，必需 使要可变控制的第 一进气门移动到在这些进气门之间产生进气流量有 效差所需的升程。
这样，从双气门可变控制切换到单气门可变控制需要一定量的时 间。另外，在切换时，还需要控制点火正时和燃料喷射量以防止内燃发 动机的扭矩经受任何突然的改变。这使燃料的经济性变差。但是，在现 有技术的机构中，没有对缩短切换操作时间方面进行考虑。现有技术在 这方面还有研究的余地。
做出本发明以解决上述问题，本发明的目的是提供一种可变气门装 置，其允许将气门的气门开启特性从可变控制改变到固定控制，或者从 固定控制改变到可变控制，并且其能够实现两种控制模式之间的迅速切 换操作。
上述目的通过一种可变气门装置实现，其中多个气门中的要,皮切换 的至少一个气门的气门开启特性的控制从可变控制模式下的控制改变 到固定控制模式下的控制或者从固定控制模式下的控制改变到可变控 制模式下的控制。所述可变气门装置包括摇动构件，其设置于主凸轮和 所述气门之间，所述摇动构件将所述主凸轮的压力传递到所述气门。提 供了气门开启特性可变装置，其用于将所述摇动构件的位姿控制在预定 范围内以可变地控制所述要被切换的气门的气门开启特性。还提供了气 门开启特性固定装置，其用于固定地控制所述要4皮切换的气门的气门开 启特性。还提供了改变装置，其用于将所述要被切换的气门的气门开启 特性的控制从所述可变控制模式下的控制切换到所述固定控制模式下 的控制或者从所述固定控制模式下的控制切换到所述可变控制模式下 的控制。所述改变装置设置成，允许所述要被切换的气门的气门开启特 性在所述摇动构件处于与需要切换所述要被切换的气门的气门开启特 性的操作范围相关的位姿下改变。
在本发明的第二方面中，根据本发明第一方面的所述需要切换所述
要被切换的气门的气门开启特性的操作范围包括用于降低NOx或者提 高燃料经济性的低发动机速度范围或者低负荷范围。
在本发明的第三方面中，所述气门开启特性可变装置包拾没置于所 述主凸轮与所述要被切换的气门之间的中间构件以及用于改变所述中 间构件的位置的控制装置。所述中间构件由包括所述要净皮切换的气门在 内的所述多个气门共用。还提供了与所述主凸轮分开的第二凸轮。所述 气门开启特性固定装置包括与所述第二凸轮的旋转同相摇动的输入臂。 所述改变装置使得用于移动所述要被切换的气门的所述摇动构件与所 述输入臂之间的耦连掩^或者脱开。所述第二凸轮没置成具有比所述主 凸轮更大的凸轮高度。
在本发明的第四方面中，所述改变装置设置成使得，当需要切换所 述要被切换的气门的气门开启特性的操作范围在预定范围内时，当所述 摇动构件处于实现所述要被切换的气门在所述预定范围内的最小操作 角和/或最小升程的位姿的情况下，所述要被切换的气门的气门开启特性 能够切换。
在本发明的第五方面中，所述改变装置设置成使得，当需要切换所 述要被切换的气门的气门开启特性的操作范围在预定范围内时，当所述 摇动构件处于实现所述要被切换的气门在所述预定范围内的最大操作 角和/或最大升程的位姿的情况下，所述要被切换的气门的气门开启特性 能够切换。
在本发明的第六方面中，所述气门开启特性可变装置包拾没置于所 述主凸轮和所述要被切换的气门之间的中间构件以及用于改变所述中 间构件的位置的控制装置。所述中间构件由包括所述要净皮切换的气门在 内的所述多个气门共用。还提供了与所述主凸轮分开的第二凸轮。所述 气门开启特性固定装置包括与所述第二凸轮的旋转同相摇动的输入臂。 所述改变装置包括销，所述改变装置使得所述销在用于移动所述要被切 换的气门的所述摇动构件与所述输入臂之间的耦连掩^或脱开。用于移
销插入所述销孔内。所述销孔的入口部分包括导引表面，所述导引表面 形成为用于导引插入或者移出所述销孔的所述销。
在本发明的第七方面中，所述导引表面相对于所述销孔的轴线具有 倾斜角，所述倾斜角朝向所述销孔的入口部分变小。
在本发明的第八方面中，所述第二凸轮的轮廓设置成使得所述第二
门相位。
根据本发明第 一方面，与在要被切换的气门的气门开启特性可变范 围内的最大值或最小值处进行切换的情况相比，有效地缩短了切换操作 所需的时间。
当需要切换所述要被切换的气门的气门开启特性的操作范围是为
了降低NOx或者提高燃油经济性的低的发动fct度范围或者低负荷范 围时，如果在要被切换的气门的气门开启特性的可变范围内的最大值或 最小值处进行切换，则切换操作所需的时间将更长。根据本发明第二方 面，能够有效地缩短这种操作时间。
如果中间构件由包括要被切换的气门在内的多个气门共用，并且如 果选择主凸4Mt为驱动凸轮，则主凸轮驱动这些气门以提供相同的气门 开启特性。在这种情况下，假设试图在摇动构件处于需要切换要被切换 的气门的气门开启特性的操作范围的位姿下切换要被切换的气门的气 门开启特性。如果在这种情况下第二凸轮具有和主凸轮一样的凸轮高 度，则不可能将由第二凸轮驱动的要被切换的气门的升程控制到大于由 主凸轮驱动的其它气门的升程的值。另一方面，根据本发明第三方面， 中间构件的存在不影响由第二凸轮控制的要被切换的气门的升程的上 限值。然后，在摇动构件处于用于所需操作范围的位姿下，可以切换要 被切换的气门的气门开启特性。
根据本发明第三方面，在完成切换^Mt后，要被切换的气门的升程
能够立即改变到大的升程。另外，才艮据本发明第四方面，能够进一步缩 短用于在完成切换操作后将可变控制的其它气门控制到足够小的升程
的^Mt时间。
根据本发明第五方面，在要被切换的气门的气门开启特性已经改变 到固定控制后的任何时候，除要被切换的气门外的其它气门可在操作角 或升程与要在根据本发明第五方面的预定范围内切换的气门的操作角 或升程相比较小的范围内变化。这防止了在第二凸轮和输入臂之间产生 间隙。因此，在升程操作期间，可防止在第二凸轮和输入臂之间产生噪 音或冲击负荷。
根据本发明第六方面，即使销没有轴向地与销孔对齐，由于销由导
引表面导引，所以摇动构件的旋转使销与销孔轴向对齐。这实现了销的
耦连。因此，根据本发明能够有效地缩短切换IMt的^Mt时间。
根据本发明第七方面，能够降低当销的耦连脱开时摇动构件移动的 速度。因此，根据本发明能够防止销的耦连脱开期间由构件之间的接触 产生的噪声或冲击负荷。
根据本发明第八方面，不使用任何用于改变气门相位的机构，能够 改变由第二凸轮驱动的要被切换的气门的气门开启相位和由主凸轮驱 动的其它气门的气门开启相位。


图i是用于示出设置在根据本发明第一实施方式的可变气门装置的 驱动凸轮和气门之间的机构的视图。
图2是示出图1中所示的可变气门^J从凸轮轴的轴线方向看的视图。
图3是示出图1中所示的可变气门^和固定气门机构的分解立体图。
图4A和4B是用于示出图1中所示可变气门装置内销孔的位置设定 的视图。
图5是用于示出根据本发明第二实施方式的可变气门装置的布置的 视图。
图6是示出由可变气门装置实现的气门的气门开启特性的曲线图。
图7是用于示出根据本发明第二实施方式的可变气门装置的布置的 改型示例的视图。
图8是示出由可变气门装置实现的气门的气门开启特性的曲线图。
图9示出用于示出在根据本发明第三实施方式的可变气门装置中在 执行单气门可变控制时的操作范围的扭矩曲线图。
图10A和10B是用于示出在执行单气门可变控制的范围的小操作角 侧执行销切换操作时出现的问题的视图。
图11A和11B是用于示出根据本发明第三实施方式的当作出销切换
^Mt的i殳定时的^Mt的视图。
图12是用于示出根据本发明第四实施方式的可变气门装置的布置 的视图。
图13是用于示出针对本发明第四实施方式的臂耦连机构的布置的 截面图。
图14A和14B示出图13的部分A的放大视图。
图15A和15B是用于示出本发明第四实施方式的销切换操作的视图。
图16是用于示出销切换操作期间第二摇动凸轮臂的操作的视图。 图17是示出图13的部分A的放大视图。
具体实施例方式
第一实施方式
[可变气门装置的构造
图1是用于示出设置在根据本发明第一实施方式的可变气门装置1 的驱动凸轮和气门之间的W^的视图。这里假设内燃发动机的每个气釭 具有两个进气门和两个排气门。图1中所示的布置用作驱动设置在单个 气缸中的两个进气门或两个排气门的机构。
参照图1，可变气门装置1的凸轮轴10为每个气釭提供了两个驱动 凸轮12、 14。两个气门——第一气门16L和第二气门16R——关于两 个驱动凸轮中的一个(第一驱动凸轮)12对称设置。每个可变气门^J 20L、 20R设置在第一驱动凸轮12和每个气门16L、 16R之间。可变气 门^20L、 20R在^Mt上将每个气门16L、 16R的升程运动耦连到第 一驱动凸轮12的转动运动。
两个驱动凸轮中的另一个(第二驱动凸轮14 )设置成使得第二气门 16R夹置在第一驱动凸轮12和第二驱动凸轮14之间。固定气门机构30 置于第二驱动凸轮14和第二气门16R之间。固定气门机构30在操作上 将第二气门16R的升程运动耦连到第二驱动凸轮14的转动运动。可变
气门装置1设置成使得能够在可变气门;W^ 20R和固定气门^ 30之 间选择第二气门16R的升程运动耦连的元件。
(1)可变气门^J的详细构造
首先参照图2,将详细描述可变气门机构20L、 20R的布置。图2 是示出图1中所示的可变气门M20从凸轮轴10的轴线方向看的视图。 因为左、右可变气门机构20L、 20R基本上关于第一驱动凸轮12对称， 所以这里将不加区分地描述左、右可变气门机构20L、 20R。在本说明 书及其附图中，当不区分左可变气门机构20L和右可变气门W^J 20R 时，此机构将简称为可变气门机构20。类似地，除非有必要区分左侧和 右侧的部件，否则可变气门机构20L、 20R的每个部件以及包括气门 16L、 16R在内的对称设置的零部件将以不附带符号L或R的方式简称。
参照图2,在可变气门装置1中，通过气门16支撑摇臂32。可变 气门机构20设置在第一驱动凸轮12和摇臂32之间，连续地改变第一 驱动凸轮12的转动运动和摇臂32的摇动运动之间的操作耦连状况。
如下面将描述的那样，可变气门机构20包括作为其主要部件的控 制轴34、控制臂36、连杆臂38、摇动凸轮臂40、第一滚子42以及第 二滚子44。控制轴34设置为平行于凸轮轴10延伸。控制轴34的旋转 角能够由未图示的机构(例如电动机等)控制到任意值。
控制臂36与控制轴34通过螺栓46 (参见图1) 一体地固定。控制 臂36从控制轴34径向突出。弧形的连杆臂38安装在此突出部上。连 杆臂38的后端部使用销48以能够旋转的方式耦连到控制臂36。销48 从控制轴34的中心偏离，用作连杆臂38摇动运动的支点。
以能够摇动的方式支撑在控制轴34上的摇动凸轮臂40 ^:置成4吏得 其前端朝向第一驱动凸轮12旋转方向的上游侧。摇动凸轮^臂40包括形 成在与第一驱动凸轮12相对的侧面上的滑动表面50。滑动表面50接触 第二滚子44。滑动表面50形成为弯曲表面，使得当第二滚子44从摇动 凸轮臂40的前端侧向控制轴34的轴心移动时，距第一驱动凸轮12的 间距逐渐变小。摇动凸轮表面52形成在摇动凸轮臂40的与滑动表面50 相对的侧面上。摇动凸轮表面52包括非操作面52a和操作面52b。非操 作面52a形成为距摇动凸轮臂40的摇动中心的距离恒定不变。梯:作面 52b形成为使得随着操作面52b远离非操作面52a,操作面52b距控制
轴34的轴心的距离逐渐变大。
第一滚子42和第二滚子44置于摇动凸轮臂40的滑动表面50和第 一驱动凸轮12的外围表面之间。更具体地，第一滚子42设置成接触第 一驱动凸轮12的外围表面，第二滚子44设置成接触摇动凸轮臂40的 滑动表面50。第一滚子42和第二滚子44都以能够旋转的方式支撑在固 定到前述连杆臂38前端部的耦连轴54上。连杆臂38能够绕销48枢转。 因此，第一和第二滚子42、 44分别能够沿着滑动表面50和第一驱动凸 轮12的外围表面摇动，同时与销48保持预定的距离。
未图示的空动弹簧钩到摇动凸l^臂40上。空动弹簧是压缩弹簧。 来自空动弹簧的迫动力用作允许滑动表面50迫动第二滚子44、并且使 第一滚子42压靠第一驱动凸轮12的迫动力。因此，第一滚子42和第 二滚子44通it^两侧夹置而正确定位在滑动表面50和第一驱动凸轮12 的外围表面之间。空动弹簧不限于压缩弹簧；相反，该弹簧例如可以是 扭转弹簧。
上述摇臂32设置在摇动凸轮臂40的下方。摇臂32包括设置成与 摇动凸轮表面52相对的摇动滚子56。摇动滚子56以能够旋转的方式安 装在摇臂32的中部。摇臂32具有由气门16的气门杆58支撑的第一端。 摇臂32还具有由液压间隙调节器60以能够旋转的方式支撑的第二端。 在升程操作中，气门杆58被沿着关闭方向一一即通过未图示的气门弹 簧向上推动摇臂32的方向一一迫动。另外，通过此迫动力和液压间隙 调节器60，摇动滚子56压靠摇动凸轮臂40的摇动凸轮^表面52。
根据可变气门^KJ20的布置，当第一驱动凸轮12旋转时，第一驱 动凸轮12的压力通过第一滚子42和第二滚子44传递到滑动表面50。 因此，摇动凸轮表面52和摇动滚子56之间的接触点从非操作面52a移 动到操作面52b,进而向下推动摇臂32，打开气门16。
另外，根据可变气门机构20的布置，改变控制轴34的旋转角度会 改变第二滚子44在滑动表面50上的位置。这改变了升程操作中摇动凸 轮臂40的摇动范围。更具体地，如图2中所示当控制轴34逆时针转动 时，滑动表面50上的第二滚子44朝向摇动凸轮臂40的前端侧移动。 随着如图2中所示控制轴34的逆时针方向旋转的角度增加，摇动凸轮 臂40在从摇动凸轮臂40由于所传递的第一驱动凸轮12的压力开始其
摇动运动时起至实际压力开始作用在摇臂32上止的一段时间内需要旋 转的角度变大。具体地，根据可变气门机构20，在图2中观察时，逆时 针旋转控制轴34使气门16的操作角和升程变小。另一方面，在图2中 观察时，顺时针旋转控制轴34使气门16的操作角和升程变大。
(2)固定气门^的详细构造
下面将参照图1和3详细描述固定气门机构30。
参照图1，固定气门W^ 30设置在第二驱动凸轮14和第二摇动凸 轮臂40R之间。固定气门机构30在操作上将第二摇动凸轮臂40R的摇 动运动耦连到第二驱动凸轮14的转动运动。固定气门机构30包括大升 程臂70和臂耦连机构72 (参见图3 )。大升程臂70通过第二驱动凸轮 14驱动。臂耦连机构72将大升程臂70耦连到第二摇动凸轮臂40R。
大升程臂70与第二摇动凸轮臂40R并排设置在控制轴34上。大升 程臂70能够独立于第二摇动凸轮臂40R旋转。输入滚子74以能够旋转 的方式支撑在大升程臂70上。输入滚子74接触第二驱动凸轮14的外 围表面。未图示的空动弹簧钩到大升程臂70上。空动弹簧的弹簧力用 作向上M输入滚子74以抵靠第二驱动凸轮14的外围表面的迫动力。
图3是示出图1中所示的可变气门W^J 20和固定气门机构30的分 解立体图。参照图3,大升程臂70包括能够朝向第二摇动凸轮臂40R 前进以及从第二摇动凸轮臂40R缩回的销76。大升程臂70还包括形成 于其中的液压室78。液压室78在第二摇动凸轮臂40R侧具有开口。销 76装配进液压室78。液压油通过未图示的^Ji路径供给到液压室78。 当通过上述布置使'M室78内的'M增加时，销76i殳计成通过';^朝 向第二摇动凸轮臂40R推出液压室78外。
另一方面，第二摇动凸轮臂40R包括形成于其中的销孔80。销孔 80在大升程臂70侧具有开口 。销76和销孔80设置在绕控制轴34相同 的圆弧上。此布置产生如下结果。具体地，当第二摇动凸轮臂40R相对 于大升程臂70位于预定的旋转角时，销孔80与销76对齐。复位弹簧 82和活塞84沿着从后向前的顺序置于销孔80内。
才艮据前述布置，当销孔80与销76对齐时，销76扭i接活塞84。如 果此时液压室78内推动销76的液压力大于复位弹簧82推动活塞84的 力，则销76前进到销孔80内，好像销76将活塞84推进销孔80内一
样。当销76插进销孔80时，第二摇动凸轮40R和大升程臂70通过销 76耦连到一起。具体地，销76、供应有液压油的液压室78、销孔80、 复位弹簧82以及活塞84构成臂耦连机构72。
在可变气门装置1内设置成当第二摇动凸l^臂40R相对于大升臂 70位于预定的旋转角时，销76和销孔80相互对齐。当销76正确地与 销孔80对齐时，销76插进销孔80，使得大升程臂70与第二摇动凸轮 臂40R耦连。在可变气门装置l中，通过^f吏用臂耦连机构72将大升程 臂70耦连到第二摇动凸轮臂40R，在操作上与第二气门16R的升程运 动耦连的元件能够从可变气门机构20R切换到固定气门机构30。相反， 通过脱开由臂耦连机构72实现的大升程臂70和第二摇动凸轮臂40R之 间的耦连，在操作上与第二气门16R的升程运动耦连的元件从固定气门 机构30切换到可变气门机构20R。
当大升程臂70和第二摇动凸轮臂40R不耦连在一起时，凸轮轴10 的转动运动从第一驱动凸轮12经由第一滚子42和第二滚子44传递到 第一摇动凸轮^臂40L和第二摇动凸轮臂40R的每个滑动表面50。因此， 在这种情况下，通过在操作上耦连到控制轴34的旋转，能够提供控制 使得第一气门16L的操作角和升程与第二气门16R的操作角和升程具 有相同的特性(双气门可变控制)。
另一方面，当大升程臂70和第二摇动凸轮臂40R耦连在一起时， 凸轮轴10的转动运动经由大升程臂70从第二驱动凸轮14传递到第二 摇动凸轮臂40R。大升程臂70和第二摇动凸轮臂40R在控制轴34旋转 而将滑动表面50R上的第二滚子44R移动到下面将参照图4描述的位 置的情况下耦连在一起。因此，第二气门16R的气门开启特性通过第二 驱动凸轮14、大升程臂70和第二摇动凸轮臂40R的形状和位置关系机 械限定。从而，不管控制轴34的旋转角如何，第二气门16R的气门开 启特性固定并且恒定。另一方面，凸轮轴10的转动运动经由第一滚子 42和第二滚子44L从第一驱动凸轮12传递到第一摇动凸轮臂40L。因 此，在这种情况下，以与大升程臂70和第二摇动凸轮臂40R没有耦连 在一起时相同的方式，第一气门16L的气门开启特性随控制轴34的旋 转角变化。
如前所述，根据可变气门装置l，当大升程臂70和第二摇动凸轮臂 40R耦连到一起时，只能可变地控制第一气门16L的气门开启特性(单气门可变控制)。可变气门装置1允许气门16的升程和^^t角两者都如 前述连续地变化。贯穿本i兌明书下面的部分，除非另外i兌明，气门16 的"升程和^Mt角"可能筒称为气门16的"^Mt角"或者"升程"。
(3)第一实施方式中销孔位置和凸轮轮廓的设定
图4A和4B是用于示出图1中所示可变气门装置l内销孔80的位 置设定的视图。更具体地，图4A是示出可变气门装置A内销孔的位置 设定的视图，可变气门装置A称为根据本发明第一实施方式的可变气门 装置1的对比构造。图4B是示出根据本发明第一实施方式的可变气门 装置1内销孔80的位置设定的视图。假设除了销孔位置设定和第二驱 动凸轮的凸轮高度外，用于对比的可变气门装置A具有与根据本发明第 一实施方式的可变气门装置1相同的布置。这里将称摇动滚子56和第 二摇动凸轮臂40R之间的接触点为"滚子接触点X"，称第二摇动凸轮 臂40R的非操作面52a和操作面52b之间的边界点为"升程起动点Y"。 另外，在连接第二摇动凸轮臂40R的旋转中心P和摇动滚子56的旋转 中心Q的直线与连接旋转中心P和升程起动点Y的直线之间形成的角
将称为"臂角e"。
从生产设置有第一驱动凸轮12和第二驱动凸轮14的凸轮轴10的 生产率的角度来看，优选为第一驱动凸轮12与第二驱动凸轮14具有相 同的凸轮轮廓。在图4A所示的可变气门装置A中，第一驱动凸轮和第 二驱动凸轮没置成具有相同的凸轮^^廓。在可变气门装置A中，不管控 制模式是双气门可变控制或是单气门可变控制，第二摇动凸轮臂侧的第 二滚子试图将第一驱动凸轮的压力传递到第二摇动凸轮臂的滑动表面。 因此，在第一驱动凸轮和第二驱动凸轮没置成具有相同的凸轮高度的情 况下，如果销孔位置设定成使得由固定气门机构实现的升程小于由可变 气门机构可变地实现的最大升程，则在达到最大升程后由可变气门^J 驱动的气门将进一步由可变气门机构驱动。因此，4吏得单气门可变控制 不可用。
因此，为了独立地控制固定侧的第二气门的^作角，同时在单气门 可变控制中通过可变气门机构实现操作角的最大可变范围，必需将销孔 位置设定为使得第二摇动凸轮臂的位姿可实现由可变气门机构得到的 可变范围的最大操作角或者更大。图4A中所示的可变气门装置A表示 考虑上述事项的销孔位置的设定。
更具体地，图4A示出驱动凸轮的压力不作用在第二摇动凸轮臂上 的情况。图4A还示出通过控制轴控制第二摇动凸轮臂的位姿从而达到 最大操作角的情况。在可变气门装置A中，第二摇动凸^^臂内销孔的位 置设定成当第二摇动凸轮臂呈现上述位姿时，销与销孔对齐。这种情况 下的臂角e称为91。通过上述方式i殳定销孔位置，由于充分扩大了两气 门之间的升程差，所以允许形成更有效的旋涡流。
另一方面，在根据本发明第一实施方式的可变气门装置l中，确定 销孔80的位置时考虑了下面的事项。具体地，在内燃发动机中，为了 在燃烧室内产生有效的旋涡流，并以在例如低负荷操作范围或者低发动 机速度范围一一在该范围气门16的操作角约为100到200° CA——减 小NOx排放量为最终目的，可以发出用于单气门可变控制的请求。类 似地，在内燃发动机中，在低负荷操作范围或者^^动M度范围内例 如以提高燃油经济性为最终目的，可以发出用于单气门可变控制的请 求。接收到这种请求后，在内燃发动机中，以减少NOx或者提高燃油 经济性为指标，双气门可变控制切换到单气门可变控制的范围设定到预 定的低发动fcl度范围或低负荷操作范围。
在根据本发明第一实施方式的可变气门装置l中，第二摇动凸轮臂 40R上销孔80的位置设定成满足下述情况。具体地，参照图4B,在臂 角9是大于上述角91的角62的情况下，或者换句话说，在第二摇动凸
气门16的可变范围中间的^Ht角的情况下，销76应该与销孔80对齐。 换句话说，销孔80的位置设定成当第二摇动凸轮臂40R处于实现从双 气门可变控制到单气门可变控制的切换操作(后面有时简称为"销切换 操作")所需操作范围的操作角的位姿时，能够执行此销切换操作。
更具体地，根据本发明第一实施方式，销孔80的位置设定成使得 当^^作角朝控制到约100到200° CA的范围内时，即，当操作角被控 制为用于开始单气门可变控制以减小NOx或者用于相关的目的的操作 角时，能够执行销切换操作。另外，销孔80的位置设定成使得在需要 销切换^^作的范围(例如，使得操作角落入约100到200° CA内的范 围)的最小^^作角侧(在下面的情况中，当第二摇动凸轮臂40R呈现的 位姿产生IOO。 CA的^^作角时)能够执行销切换操作。
在根据本发明第一实施方式的可变气门装置l中，第一驱动凸轮12
和第二驱动凸轮14的轮廓设定成使得第二驱动凸轮14的凸轮高度大于 第一驱动凸轮12的凸轮高度，如图4B所示。具体地，第二驱动凸轮 14的凸轮高度设置成使得当销被耦连时第二气门16R的操作角变成等 于或大于由可变气门机构20驱动的第一气门16L的操作角最大值的值。
执行上述销切换操作以遵循下面给出的步骤。具体地，需要操作时 间T1，在操作时间T1期间，控制轴34被驱动，用于将第二摇动凸轮 臂40R在内燃发动机当前操作状态下的操作角位姿改变到允许销孔80 对齐销76的操作角位姿。当完成销切换操作并且第二摇动凸^^臂40R 耦连到大升程臂70时，第二气门16R的升程运动立即切换到由固定气 门机构30执行的操作。然而，对于由可变气门机构20驱动的第一气门 16L，在完成销切换操作以后需要操作时间T2。在这段时间T2期间， 第一摇动凸轮臂40L移动以实现能够产生所需旋涡流的小操作角位姿。
才艮据本发明第一实施方式的可变气门装置1的布置，当第二摇动凸 轮臂40R呈需要前述销切换操作的操作角位姿时，执行销切换操作。因 此，与销孔位置设定到根据可变气门机构20的操作角可变范围的最大 值的可变气门装置A (示于图4A中)中的操作时间相比，能够缩短操 作时间T1。在可变气门装置l中，设置成使得第二驱动凸轮14具有大 于第一驱动凸轮12的凸轮高度的凸轮高度。这允许在单气门可变控制 中被驱动以实现常值的第二气门16R的操作角被设定成等于或者大于 由可变气门机构20实现的最大升程。另外，根据本发明第一优选实施 方式，釆取方法改变第一驱动凸轮12和第二驱动凸轮14之间的凸轮高 度，从而实现上述的第二气门16R的特性。这允许第二气门16R的操 作角在销切换^^作完成后立即改变到所需的大^Mt角。
如前所述，在销耦连在适当的位置后需要操作时间T2，在时间T2 期间，第一摇动凸轮臂40L从执行销耦连操作的操作角位姿移动到能够 产生所需旋涡流的小^Mt角位姿。与销孔位置设定成根据可变气门^J 20的IMt角可变范围的最大值的可变气门装置A(示于图4A中)相比， 根据本发明第一实施方式的可变气门装置1能够缩短此操作时间T2。
要产生足够的旋涡流，使第一气门16L和第二气门16R之间的升程 差更大是有效的。因此，被控制以在销耦连后实现这种所需旋涡流的第 一摇动凸轮臂40L的操作角位姿基本上较小。在根据本发明第一实施方 式的可变气门装置l中，如上所述，销孔80的位置设定成允许在需要
销切换操作的范围的最小操作角处执行销切换操作。因此，可以迅速地
将第一摇动凸轮臂40L的操作角位姿改变到目标的足够小的操作角位 姿。具体地，可以更有效地缩短操作时间T2。
本发明的第一实施方式的元件与本发明其它方面的元件之间的对 应如下所述。具体地，分别地，第一实施方式中的第一气门16L对应于 本发明第一方面中的"要被切换的气门，，；第一实施方式中的摇动凸轮 臂40对应于本发明第一方面的"摇动构件，，；第一实施方式中的控制轴 34、控制臂36、连杆臂38、第一滚子42、第二滚子44以及滑动表面 50对应于本发明第一方面的"气门开启特性可变装置"；第一实施方式 中的大升程臂70对应于本发明第 一方面中的"气门开启特性固定装置"； 第 一实施方式中的臂耦连装置72对应于本发明第 一方面的"改变装置"。
类似地，分别地，第一实施方式中的第一滚子42和第二滚子44对 应于本发明的第三方面中的"中间构件"；第一实施方式中的控制轴34、 控制臂36以及连杆臂38对应于本发明第三方面的"控制装置"；第一 实施方式中的第二驱动凸轮14对应于本发明第三方面的"第二凸轮，，； 以及第一实施方式中的大升程臂70对应于本发明的第三方面的"输入
第二实施方式
下面将参照图5到8描述本发明的第二实施方式。
图5是用于示出根据本发明第二实施方式的可变气门装置卯的布 置的视图。除凸轮轴92的布置外，根据本发明第二实施方式的可变气 门装置卯具有如才艮据本发明第一实施方式的可变气门装置1相同的布 置。具体地，在可变气门装置90中，销孔80的位置也设置成使得当第 二摇动凸轮臂40R处于用于实现从双气门可变控制到单气门可变控制 的切换操作(销切换操作)所需的操作范围的操作角的位姿时，能够执 行销切换操作。
参照图5，可变气门装置卯具有与第一实施方式的可变气门装置相 同的布置，其中第二驱动凸轮96的凸轮高度大于第一驱动凸轮94的凸 轮高度。另夕卜，第一驱动凸轮94以不同于第二驱动凸轮96在凸轮轴92 上的角度安装在凸轮轴92上。具体地，第二驱动凸轮96在相对于第一 驱动凸轮94的前进侧偏转预定角oc的位置固定到凸轮轴92。
图6是示出通过可变气门装置90实现的气门16的气门开启特性的 曲线图。根据上述可变气门装置卯的布置，由第二驱动凸轮96驱动的 第二气门16R的气门开启时间能够相对于第一气门16L的可变控制气 门开启时间提前，因此在单气门可变控制期间通过大升程臂70和第二 摇动凸轮臂40R能够实现给定的气门开启特性。根据这种用于凸轮轴 92的设定，首先通过开启第二气门16R在气缸内产生真空之后，能够 打开受控提供小操作角的第一气门16L。这增加了当小操作角侧的第一 气门16L开启时的进气的流速，允许产生有效的旋涡流。在不使用改变 气门16相位的机构(VVT机构)的情况下即可实现此效果。
根据本发明第二实施方式，设置成第二驱动凸轮96在相对于第 一驱动凸轮94前进侧偏转预定角度oc的位置固定到凸轮轴92。被采用 以改变两个凸轮的相位的技术不限于本发明中的技术。图7是用于示出 这种改进示例的布置的视图。在图7所示的可变气门装置100中，不同 于图5中所示的可变气门装置卯，第一驱动凸轮102固定在相对于第二 驱动凸轮104前进侧偏转预定角P的位置。
图8是示出由可变气门装置100实现的气门16的气门开启特性的 视图。根据上述可变气门装置100的布置，在单气门可变控制期间，由 可变气门机构20可变控制的第一气门16L的气门开启时间能够相对于 由固定气门机构30驱动的第二气门16R的气门开启时间提前。根据用 于凸轮轴106的这种设定，通#气缸内产生真空前首先开启第一气门 16L能够有效地减小泵送损失。在不使用改变气门16相位的机构(VVT 机构)的情况下能够实现这种效果。
第三实施方式
下面将参照图9到11A和11B描述本发明的第三实施方式。
除了以下两点外，根据本发明第三实施方式的可变气门装置110具 有与根据本发明第一实施方式的可变气门装置l相同的布置。具体地， 当执行从双气门可变控制到单气门可变控制的切换操作(销切换操作) 时，第二摇动凸轮臂40R的位姿不同。另外，第二驱动凸轮114与第一 驱动凸轮112的高度不同。
图9示出在根据本发明第三实施方式的可变气门装置110中执行单 气门可变控制的^^范围的扭矩曲线图。参照图9，在重负荷、高速度
范围下执行两个气门都被设定为实现大操作角的双气门可变控制。在重
负荷、高速度范围以外的范围执行仅改变第一气门16L以提供小操作角 的单气门可变控制。在前述的第一实施方式中，设置成在执行这种单气 门可变控制的范围的最小操作角侧执行销切换操作。另一方面，根据本 发明第三实施方式的可变气门装置110的特征在于，在执行这种单气门 可变控制的范围的最大操作角侧执行销切换:^作。
图10A和10B是用于示出当在执行单气门可变控制的范围的小操作 角侧执行销切换操作时出现的问题的视图。图IOA是示出接触摇动凸轮 臂40的第二滚子44位于摇动凸轮臂40的前端侧，即，小^Mt角控制 状态的情况的视图。图IOB是示出在图10A所示的情况下执行销切换 操作以设定单气门可变控制状态以及然后旋转控制轴34以朝向控制轴 34的轴心移动第二滚子44即大操作角控制状态的情况的视图。在图10B 所示的情况下，在固定操作角侧的第二驱动凸轮14和输入滚子74之间 产生有间隙。这是由于如下原因。具体地，第二摇动凸轮臂40R和大升 程臂70在图10A所示情况下使用销76耦连在一起；然后第二滚子44 移动以改变第二摇动凸轮臂40R的位姿，从而导致大升程臂70的位姿 改变。因此产生于第二驱动凸轮14和输入滚子74之间的间隙使得第二 驱动凸轮14在每个升程动作中反复接触输入滚子74。因此在接触时产 生噪声和冲击负荷。
图11A和11B是用于示出当作出用于根据本发明第三实施方式的销 切换操作的设定时执行的操作的视图。图11A是示出第二滚子44位于 产生单气门可变控制的范围的最大操作角的位置的情况的视图。根据本 发明第三实施方式，第二摇动凸轮臂40R包括置于其中的销孔116，从 而在上述的情况下能够执行销切换操作。图IIB是示出在图IIA所示的
轴34以朝向摇动凸轮臂40的前端侧移动第二滚子44即小^作角控制 状态的情况的视图。在图IIB所示的情况下，可变^Mt角侧的第一摇动 凸轮臂40L保持接触第二滚子44;但是，当第二滚子44沿离开控制轴 34的方向移动时，在固定操作角侧的第二摇动凸轮"臂40R和第二滚子 44之间产生间隙。
如前所述，根据本发明第三实施方式中所做的设定，总是在小于执 行销切换操作的操作角的操作角侧执行单气门可变控制。因此，在单气 门可变控制期间，在第二摇动凸轮臂40R和第二滚子44之间产生间隙； 但是，由于第二驱动凸轮14和输入滚子74之间没有间隙，所以不像图 IOA和IOB所示的布置，在升程运动期间不产生噪声或冲击负荷。
第四实施方式
下面将参照图12到17描述本发明的第四实施方式。
图12是用于示出根据本发明第四实施方式的可变气门装置120的 布置的视图。参照图12,除下面几点外，才艮据本发明第四实施方式的可 变气门装置120具有与才艮据本发明第一实施方式的可变气门装置1的布 置相同的布置。具体地，用于移动第一滚子42的第一驱动凸轮12具有 与用于移动输入滚子74的第二驱动凸轮122的轮廓相同的轮廓。另夕卜， 臂耦连机构124具有不同于本发明第一实施方式中对等部分的布置。
更具体地，在根据本发明第四实施方式的臂耦连机构124中，当第 二摇动凸轮臂126R变成实现最大操作角的位姿时销76的轴线与销孔 128的轴线对齐。图12示出第二摇动凸轮臂126R处于实现相对于如上 所述布置的销孔128少预定值的最大操作角的位姿的情况。具体地，图 12示出销76与销孔128没有轴向对齐的情况。本发明的第四实施方式 的特征在于允许臂耦连机构124在图12所示的情况下执行销切换操作。
图13是用于示出针对根据本发明第四实施方式的臂耦连机构124 的布置的截面图。尽管液压室78在图3所示的布置中设置在大升程臂 70侧，但是在第四实施方式中，假定M路径132和液压室134不设置 在大升程臂130侧，而是设置在第二摇动凸轮臂126R侧。进一步假定， 大升程臂130侧包括容纳活塞136和复位弹簧138的销孔128。根据本 发明第四实施方式的臂耦连机构124的特征在于图13中大升程臂130 中销孔128中用"A"标出的部分的形状。
图14A和14B是示出图13的部分A的放大视图。更具体地，图14A 是示出从液压室134侧看的销孔128的视图。图14B是示出部分A的 横截面的^L图。参照图14A和14B，在销孔128的入口处形成有用于导 引销76的导引表面128a。导引表面128a形成为使得在第二摇动凸轮臂 126R移进以用于销切换操作的侧面(图14B的右侧)的部分处形成有 更大地凹进的半径，从而保证销76更容易地插进销孔128。导引表面 128a形成为朝向销孔128的入口半径逐渐变大的辐射状。更具体地，导
引表面128a形成为使得相对于销孔128的轴线的倾斜角朝向销孔128 的入口逐渐变小。即使在液压室78设置在大升程臂70侧的布置中(图 3中所示的布置)，如果在第二摇动凸轮臂40R侧设置类似于导引表面 128a的导引表面，也能类似地实现臂耦连机构124的这些布置。
图15A和15B是用于示出本发明第四实施方式中的销切换操作的视 图。图15A是示出销76与销孔128没有轴向对齐的情况的视图。根据 本发明第四实施方式的臂耦连机构124，即使当销76与销孔128没有轴 向对齐，施加有;^Ji的销76也能被导引到导引表面128a，其旋转第二 摇动凸轮臂126R以4吏销76图15B中所示与销孔128轴向对齐。这允 许销76插进销孔128。
图16是用于示出销切换操作期间第二摇动凸轮臂126R的操作的视 图。上面参照的图12与图15A的情况相关。根据本发明第四实施方式 的臂耦连机构124，即使当销76如图12中所示与销孔128没有轴向对 齐时，也能够执行销切换操作。图16示出在图12所示情况下试图进行 销切换操作之后由于图15B中所示第二摇动凸轮臂126R的旋转而完成 销切换操作的情况。具体地，通过这种销切换操作，当销76插进销孔 128时，销切换操作开始前与第一摇动凸轮臂40L处于相同位姿的第二 摇动凸轮臂126R旋转到图16中所示的位置。
如前所述，本发明的第四实施方式中的布置不需要驱动控制轴34 以将第二摇动凸|^臂126R移动到销76与销孔128轴向对齐的操作角位 姿，用于执行销切换操作。具体地，当需要单气门可变控制时，用于将 第二摇动凸轮臂126R移动到能够进行销切换操作的操作角位姿的操作 时间得以减少。另外，才艮据本发明第四实施方式中所^L的布置，第二摇 动凸轮臂126R本身旋转到致使销76耦连的最大操作角的位置。这不需 要如前述第一和第二实施方式中那样将第二驱动凸轮122的凸轮高度设 置成大于第一驱动凸轮12的凸轮高度。但是，应当注意，在本发明第 四实施方式中所做的布置中，第二驱动凸轮122也可以设置成具有不同 于第一驱动凸轮12的凸轮高度的凸轮高度。
在上述臂耦连机构124的布置中，导引表面128a形成为朝向销孔 128的入口半径逐渐增大的辐射状。因此，当单气门可变控制切换到双 气门可变控制时，即，当销76移出销孔128时，通过图17中所示导引 表面128a的形状的作用，带有销76的第二摇动凸轮臂126R朝向小操作角侧移动的速度能够逐渐地减小。因此，在销76的耦连释放后第二 摇动凸轮臂126R重新接触第二滚子44时，接触可以变得緩和，从而有 利于减小接触时产生的噪声或者冲击负荷。
在本发明的第四实施方式，销孔128中的导引表面128a形成为辐 射状。根据本发明的导引表面的形状不限于辐射状。例如，导引表面可 以斜切成多个台阶，使得关于销孔的轴线的倾斜角朝向销孔的入口变 小。
根据本发明第四实施方式的导引表面128a对应于本发明第六方面 的"导引表面"。
权利要求
1.一种可变气门装置，其中多个气门中的要被切换的至少一个气门的气门开启特性的控制从可变控制模式下的控制改变到固定控制模式下的控制或者从固定控制模式下的控制改变到可变控制模式下的控制，所述可变气门装置包括摇动构件，其设置于主凸轮和所述气门之间，所述摇动构件将所述主凸轮的压力传递到所述气门；气门开启特性可变装置，其用于将所述摇动构件的位姿控制在预定范围内以可变地控制所述要被切换的气门的气门开启特性；气门开启特性固定装置，其用于固定地控制所述要被切换的气门的气门开启特性；以及改变装置，其用于将所述要被切换的气门的气门开启特性的控制从所述可变控制模式下的控制切换到所述固定控制模式下的控制或者从所述固定控制模式下的控制切换到所述可变控制模式下的控制；其中所述改变装置设置成，允许所述要被切换的气门的气门开启特性在所述摇动构件处于与需要切换所述要被切换的气门的气门开启特性的操作范围相关的位姿下改变。
2.如权利要求1所述的可变气门装置，其中所述需要切换所述要被切换的气门的气门开启特性的操作范 围包括用于降低NOx或者提高燃料经济性的低发动fel度范围或者低 负荷范围。
3.如权利要求1或2所述的可变气门装置，其中所述气门开启特性可变装置包括设置于所述主凸轮与所述要 被切换的气门之间的中间构件以及用于改变所述中间构件的位置的控 制装置；其中所述中间构件由包括所述要被切换的气门在内的所述多个气 门共用； 包括与所述主凸轮分开的第二凸轮；其中所述气门开启特性固定装置包括与所述第二凸轮的旋转同相 摇动的输入臂；其中所述改变装置使得用于移动所述要被切换的气门的所述摇动 构件与所述输入臂之间的耦连接合或者脱开；其中所述第二凸轮设置成具有比所述主凸轮更大的凸轮高度。
4. 如权利要求3所述的可变气门装置，其中所述改变装置设置成使得，当需要切换所述要被切换的气门的 气门开启特性的^Mt范围在预定范围内时，当所述摇动构件处于实现所 述要被切换的气门在所述预定范围内的最小操作角和/或最小升程的位 姿的情况下，所述要4皮切换的气门的气门开启特性能够切换。
5. 如权利要求3所述的可变气门装置，其中所述改变装置设置成使得，当需要切换所述要被切换的气门的 气门开启特性的^^t范围在预定范围内时，当所述摇动构件处于实现所 述要被切换的气门在所述预定范围内的最大操作角和/或最大升程的位 姿的情况下，所述要#皮切换的气门的气门开启特性能够切换。
6. 如权利要求1或2所述的可变气门装置，其中所述气门开启特性可变装置包括设置于所述主凸轮和所述要 被切换的气门之间的中间构件以及用于改变所述中间构件的位置的控 制装置；其中所述中间构件由包括所述要被切换的气门在内的所述多个气 门共用；包括与所述主凸轮分开的第二凸轮；其中所述气门开启特性固定装置包括与所述第二凸轮的旋转同相 摇动的输入臂； 其中所述改变装置包括销，所述改变装置使得所述销在用于移动所开；其中用于移动所述要被切换的气门的所述摇动构件或者所述输入 臂包括销孔，所述销插入所述销孔内；以及其中所述销孔的入口部分包括导引表面，所述导引表面形成为用于 导引插入或者移出所述销孔的所述销。
7. 如权利要求6所述的可变气门装置，其中所述导引表面相对于所述销孔的轴线具有倾斜角，所述倾斜角 朝向所述销孔的入口部分变小。
8. 如权利要求1到7中任一项所述的可变气门装置，其中所述第二凸轮的轮廓设置成使得所述第二凸轮实现的所述要 被切换的气门的相位不同于由所述主凸轮实现的气门相位。
全文摘要
本发明提供了一种用于选择性地切换双气门可变控制和单气门可变控制的作为改变装置的臂耦连机构(72)。在大升程臂(70)和第二摇动凸轮臂(40R)用销(76)耦连在一起的情况下，实现单气门可变控制。用于移动第二气门(16R)的第二摇动凸轮臂(40R)包括形成在其上的销孔(80)，销(76)插入销孔(80)中。销孔(80)的位置设定成使得提供控制以实现开始单气门可变控制以减小NOx的操作角时能够执行销切换操作。第二驱动凸轮(14)适于具有大于第一驱动凸轮(12)的凸轮高度的凸轮高度。
文档编号F01L13/00GK101189413SQ20068002000
公开日2008年5月28日 申请日期2006年5月10日 优先权日2005年6月6日
发明者江崎修一 申请人:丰田自动车株式会社