專利名稱：內燃機的氣門機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及內燃機的氣門機構。
背景技術：
內燃機的進氣門和排氣門被如此驅動，即由從內燃機的曲柄軸輸出的動力打開和關閉。近年來，試圖通過電動機驅動進氣門和排氣門以使它們打開和關閉，例如，提出了一個氣門機構，其通過步進電機使凸輪軸旋轉，從而打開和關閉進氣門(日本專利申請特開(JP-A)8-177536)。另外，JP-A 59-68509也作為與本發明相關的現有技術文獻而存在。
當通過電動機驅動凸輪機構來打開和關閉進氣門與排氣門時，必需從電動機輸出一個克服施加到凸輪機構上的轉矩的驅動力，該轉矩基于為每個氣門提供的氣門彈簧的推斥力，(在下文中，該轉矩稱為氣門彈簧轉矩)。因而，當氣門彈簧轉矩增大時，引起了電力消耗的增大和電動機額定功率的增加。
發明內容
因而，本發明的一個目標是提供一種內燃機的氣門機構，其能限制用來驅動凸輪機構的電動機所需的額定功率和其電力消耗。
為了實現上述目標，根據本發明，提供了一種內燃機的氣門機構，其包括凸輪機構和轉矩減小機構，該凸輪機構用來將電動機的旋轉運動轉變成線性運動，以克服氣門彈簧驅動用于打開和關閉氣缸的氣門，該轉矩減小機構用來將一相反轉矩增加到凸輪機構，該相反轉矩起作用以便在驅動氣門時，減小從氣門彈簧施加到凸輪機構的轉矩。
在根據本發明的氣門機構中，在克服氣門彈簧的反作用力打開和關閉氣門時，施加到凸輪機構上的轉矩周期性地與氣門的打開和關閉運動同步波動。轉矩減小機構將抵消所述轉矩的相反轉矩施加到凸輪機構，由此能減小作為負載施加到電動機上的轉矩，并可能限制其波動。
在根據本發明的氣門機構中，轉矩減小機構可以包括反相凸輪、凸輪保持件和推動件，該反相凸輪以凸輪機構中凸輪轉速的1/N(其中N是整數)倍的轉速以聯鎖方式旋轉并具有形成于其表面上的凸輪面，該凸輪保持件與所述凸輪面接觸，該推動件將凸輪保持件推向反相凸輪的凸輪面。反相凸輪上的凸輪面的輪廓可以如此設定，即把相反轉矩從推動件施加到反相凸輪，所述相反轉矩抵消基于氣門彈簧的反作用力施加到凸輪機構的氣門彈簧轉矩。根據上述結構，基于布置反相凸輪、使保持件開始接觸反相凸輪表面上的凸輪面并通過推動件擠壓的簡單結構，可能加上抵消氣門彈簧轉矩的相反轉矩。
此外，轉矩減小機構可以包括反相凸輪、凸輪保持件和推動件。該反相凸輪以凸輪機構中凸輪轉速的1/N(其中N是整數)倍的轉速以聯鎖方式旋轉，并具有形成于其外周面上的凸輪面；該凸輪保持件與所述凸輪面接觸；該推動件將凸輪保持件推向反相凸輪上的凸輪面。反相凸輪上的凸輪面的輪廓可以如此設定，即把相反轉矩從推動件施加到反相凸輪，所述相反轉矩抵消一個聯合轉矩，該聯合轉矩通過結合氣門彈簧轉矩和慣性轉矩而獲得，該氣門彈簧轉矩根據氣門彈簧的反作用力而被施加到凸輪機構，該慣性轉矩按照氣門的運動而施加到凸輪機構。在這種情況下，由于在設定相反轉矩時考慮到慣性轉矩，所以可能將作為負載施加到電動機的轉矩的波動限制得更小，因而，在內燃機高速旋轉，慣性轉矩顯著增大時，可能改善氣門的控制精度，并可能將內燃機的進氣特性或排氣特性精確控制到目標特性。甚至在低速旋轉時，也可能在更大的開度方向上改變進氣門或排氣門的操作特性，從而使進氣效率或排氣效率在低速旋轉時得到充分的改善。
在根據本發明的氣門機構中，設置在轉矩減小機構的反相凸輪上的凸輪面的特征可以在于根據本發明施加的相反轉矩的變化特性。即，在根據本發明的氣門機構中，反相凸輪上的凸輪面的輪廓可以如此設置，即在凸輪機構將最大升程量施加到氣門時、以凸輪機構中凸輪的外周方向上的位置為分界線，在凸輪機構的凸輪位于一側期間，即基于氣門彈簧的反作用力，凸輪在與旋轉方向相反的方向上被推回的那一側，從推動件施加的相反轉矩在這樣一個方向上施加，即在上述旋轉方向上推出反相凸輪的方向；而在凸輪機構的凸輪位于一側期間，即基于氣門彈簧的反作用力，凸輪在旋轉方向被推出的那一側，相反轉矩在這樣一個方向上施加，即在與上述旋轉方向相反的方向上將反相凸輪推回的方向。
此外，特別是在考慮到慣性轉矩時，反相凸輪上的凸輪面的輪廓可以如此設定，即在凸輪機構將最大升程量施加到氣門時、以凸輪機構中凸輪的外周方向上的位置為分界線，在凸輪機構中的凸輪位于一側期間，即基于氣門彈簧的反作用力，凸輪在與旋轉方向相反的方向上被推回的那一側，從推動件施加的相反轉矩在這樣一個方向上施加，即在上述旋轉方向上推出反相凸輪的方向；而在凸輪機構的凸輪位于一側期間，即基于氣門彈簧的反作用力，凸輪在旋轉方向被推出的那一側，相反轉矩在這樣一個方向上施加，即在與上述旋轉方向相反的方向上將反相凸輪推回；以便以凸輪機構將最大提升速度施加到氣門的位置為分界線，在凸輪機構的凸輪位于提升速度增大的范圍中時，比僅僅抵消氣門彈簧轉矩所需的相反轉矩相對要大的相反轉矩被施加到反相凸輪，而在凸輪機構的凸輪位于提升速度減小的范圍中時，比僅僅抵消氣門彈簧轉矩所需的相反轉矩相對要小的相反轉矩被施加到反相凸輪。
在根據本發明的優選實施例中，可以為內燃機的一個氣缸提供多個進氣或排氣門，可以提供多個凸輪用來驅動同一氣缸的氣門，以便所述多個凸輪由公共的凸輪軸可旋轉地驅動，可以為多個凸輪公共地提供反相凸輪。在該實施例中，反相凸輪可以布置在凸輪之間。
在根據本發明的上述方面中，概念“抵消”既包括由相反轉矩減小施加到凸輪機構的轉矩的情況，又包括完全抵消該轉矩的情況。
根據本發明，由于從氣門彈簧施加到凸輪機構的轉矩能被轉矩減小機構施加到凸輪機構的相反轉矩減小，所以能減小作為負載施加到電動機的轉矩，并能限制轉矩的波動。因而，能減小驅動凸輪機構所需的電動機輸出功率，電動機的電力消耗能得到限制，能降低電動機所需的額定輸出功率。從而，與沒有轉矩減小機構的情況相比，能使用緊湊的電動機。
圖1是透視圖，表示根據本發明的氣門機構；圖2是透視圖，表示凸輪機構；圖3是一個圖，表示設置在圖1的氣門機構上的轉矩減小機構的細節；圖4是表示圖3中的反相凸輪的輪廓的圖；圖5是一個圖，表示凸輪角與氣門彈簧轉矩之間的相互關系的一個例子；圖6A和6B是表示在考慮到慣性轉矩的情況下，凸輪角與聯合轉矩之間的相互關系的例子的圖；圖7A和7B是表示在考慮到慣性轉矩時施加反相轉矩的情況下，凸輪角與進氣門或排氣門的升程量之間的相互關系的例子的圖；圖8是一個圖，表示在將反相轉矩設定成氣門彈簧轉矩和聯合轉矩之間的一個中間值的情況下，凸輪角與轉矩之間的相互關系的例子；
圖9是一個圖，表示反相凸輪的布置的例子；圖10是反相凸輪布置的另一個例子；圖11A和11B是表示當在多個氣缸中共用一凸輪軸時，聯合轉矩的波形的圖。
具體實施例方式
(第一實施例)圖1表示根據本發明的氣門機構的一個實施例。圖1中的氣門機構11A和11B安裝在多缸往復式內燃機中。在該內燃機中，一個氣缸1的兩個進氣門2由一個氣門機構11A驅動，同一個氣缸1的兩個排氣門3由另一個氣門機構11B驅動以打開和關閉。關于其它氣缸(未示出)，進氣門和排氣門被以同樣的方式由不同的氣門機構11A和11B驅動以打開和關閉。進氣側的氣門機構11A和排氣側的氣門機構11B基本上具有同樣的結構，下面將給出進氣側的氣門機構11A的說明。
進氣側的氣門機構11A設有用作驅動源的電動機(下文中，稱為馬達)12、傳動機構13和凸輪機構14，傳動機構13相當于用來傳遞馬達12的旋轉運動的傳遞機構，凸輪機構14將從傳動機構13傳遞的旋轉運動轉變成進氣門2的線性打開和關閉運動。作為馬達12，采用了能控制轉速的DC無電刷馬達或類似馬達。馬達12包括位置檢測傳感器(未示出)，例如分解器、旋轉編碼器或用來檢測馬達12的旋轉位置的類似裝置。傳動機構13通過中間齒輪16將馬達齒輪15的轉動傳遞到凸輪驅動齒輪17，馬達齒輪15安裝在馬達12的輸出軸(未示出)上。傳動機構13可以構造成使得馬達齒輪15和凸輪驅動齒輪17以相同速度旋轉，或可以構造成使得凸輪驅動齒輪17的速度相對于馬達齒輪15增大或減小。
在圖2中也示出了，凸輪機構14設有凸輪軸20、兩個凸輪21和一對搖臂24，凸輪軸20被提供成與凸輪驅動齒輪17同軸且整體地旋轉，兩個凸輪21被提供成與凸輪軸20整體旋轉，一對搖臂24被如此支承以便繞著搖臂軸23與各自的凸輪21一致地擺動。凸輪21形成為一種平板凸輪，其中通過使圓弧基圓21b的一部分朝著外側在徑向方向上突出而形成尖端21a，其中圓弧基圓21b與凸輪軸20同軸形成。凸輪21的輪廓如此設定，即在凸輪21的整個外周面上不產生任何負曲率，也就是說，在徑向方向上朝外側形成一凸曲線。
每個凸輪21都與搖臂24的一個端部24a相對，每個進氣門2都被氣門彈簧28的壓縮反作用力推向搖臂24一側，由此進氣門2緊密地附著于進氣口的閥座(未示出)，于是進氣口被封閉。搖臂24的另一端部24b接觸調節器29，調節器29將搖臂24的另一端部24b向上壓，搖臂24保持在這樣一個狀態中，其中一個端部24a接觸進氣門2的上端部。
在上述凸輪機構14中，當馬達12的旋轉運動通過傳動機構13傳遞到凸輪軸20時，凸輪21與凸輪軸20整體旋轉，在尖端21a越過搖臂24期間，搖臂24在一個固定范圍內繞著搖臂軸23擺動。因而，搖臂24的一個端部24a被壓下，進氣門2被驅動，從而克服氣門彈簧28打開和關閉。
如圖1所示，轉矩減小機構30設置在氣門機構11A中。轉矩減小機構30用來減小施加到凸輪機構14的轉矩，該轉矩基于氣門彈簧28在關閉方向上推回進氣門2的力(下文中，該轉矩稱為氣門彈簧轉矩)。如圖3中更詳細示出的，轉矩減小機構30設有能與凸輪軸20整體旋轉的反相凸輪31和轉矩施加裝置32，轉矩施加裝置32布置成與反相凸輪31相對。反相凸輪31的外周面構造為凸輪面31a，轉矩施加裝置32設有外殼33、相當于保持件的升降桿34和相當于推動件的彈簧35，升降桿34以能從外殼33朝反相凸輪31突出的狀態容納于外殼33中，彈簧35以壓縮狀態附著在升降桿34和外殼33之間，并將升降桿34壓向反相凸輪31上的凸輪面31a。
如圖4中的實線所示，反相凸輪31的凸輪面31a設有圓弧部31b和背部31c，圓弧部31b在畫一個具有固定半徑的圓弧(稱為基圓)的情況下延伸并與凸輪軸20同軸，背部31c從圓弧部31b朝中心側后退(凹進)。上述凸輪面31a的形狀(凸輪輪廓)基于氣門彈簧轉矩設定，下面將給出凸輪面31a的設計說明。
假定氣門彈簧28的壓縮反作用力設定成Fs(N)，和在凸輪軸20以單位角旋轉時，進氣門2的提升速度設定成Vv(m/rad)，氣門彈簧轉矩Tv(N·m)根據下面的公式(1)計算。
Tv＝Fs×Vv (1)在這種情況下，由于提升速度Vv根據內燃機的轉速是不同的，所以必需代表性地使用任何轉速中的提升速度Vv。由于氣門彈簧轉矩Tv根據提升速度Vv的增加而增加，所以希望采用內燃機以優選較高速度旋轉時的提升速度Vv，以便減小馬達12的絕對負載，最好采用在內燃機中允許的最高速度時的提升速度Vv。
例如圖5中所示的相互關系在壓縮反作用力Fs和提升速度Vv與凸輪21的相位(凸輪角)之間成立。在該例子中，壓縮反作用力Fs的正方向被設定成把進氣門2推回到關閉位置的方向，提升速度Vv的正方向被設定成在打開方向上操作進氣門2的方向。此外，氣門彈簧轉矩的正方向被設定成由馬達21在與旋轉方向相反的方向上推回凸輪21的方向。如圖5中所示，進氣門2的提升速度從開始提升(打開操作)的位置P1開始上升，并在升程的中間達到最大。此外，提升速度Vv在圖5中縱軸上的位置P2處返回到0(零)，在位置P2，獲得進氣門2的最大升程量，即，凸輪21的尖端21a的前端到達了與凸輪隨動件25的接觸點的位置，此后，在進氣門2的關閉操作的中間，提升速度Vv在負方向上達到峰值，然后，提升速度Vv在位置P3返回到0(零)，進氣門2在位置P3完全關閉。在這種情況下，提升速度Vv的變化在兩個進氣門2之間彼此相等。
另一方面，由于即使在進氣門2完全關閉的初始狀態中，氣門彈簧28也被稍微壓縮，所以在初始狀態中，壓縮反作用力Fs在正方向上具有固定的初始值。在打開進氣門2的位置P1之后，壓縮反作用力Fs從初始值逐漸增大，并且壓縮反作用力Fs在最大升程位置P2達到峰值。在最大升程位置P2和進氣門2完全關閉的位置P3之間，壓縮反作用力Fs朝著初始值逐漸減小。通過使提升速度Vv與壓縮反作用力Fs相乘來獲得如圖5中實線所示的氣門彈簧轉矩Tv，與提升速度Vv的波形相比，氣門彈簧轉矩Tv的波形是這樣一個波形，其中正峰值和負峰值偏向最大升程位置P2。
為了抵消施加到凸輪機構14的氣門彈簧轉矩Tv，優選地，將一個互補的相反轉矩從轉矩減小機構30施加到凸輪軸20，該互補的相反轉矩的相位與氣門彈簧轉矩Tv相反，由圖5中的虛線表示。在以凸輪21的位置P2為分界線的情況下，其中在位置P2凸輪機構14將最大升程量施加到進氣門2，在凸輪21位于一側期間(P1到P2)，即基于氣門彈簧28的反作用力，凸輪21在與旋轉方向相反的方向上被推回的那一側，上述相反轉矩在這樣一個方向上施加，即在反相凸輪31的旋轉方向上推出反相凸輪31的方向，，而在凸輪21位于一側期間(P2到P3)，即基于氣門彈簧28的反作用力，凸輪21在旋轉方向被推出的那一側，相反轉矩在這樣一個方向上施加，即在與旋轉方向相反的方向上將反相凸輪31推回的方向。
由于能通過彈簧35的壓縮反作用力和升降桿34的提升速度的乘積來獲得轉矩減小機構30施加的相反轉矩，所以通過首先合適地設定彈簧35的壓縮反作用力(彈簧力)，然后用彈簧35的壓縮反作用力除圖5中所示的反相的轉矩，能確定由反相凸輪31施加的升降桿34的提升速度。此外，通過對確定的提升速度求積分，能獲得反相凸輪31相對于凸輪21的相位的升程量，并能從獲得的升程量確定反相凸輪31的凸輪面31a的形狀(輪廓)。由圖4中的實線所示的凸輪面31a的輪廓能根據上述程序獲得。
此外，在將反相凸輪31安裝到凸輪軸20上時，優選地，將反相凸輪31這樣定位在外周方向上，即在進氣門2的升程量變成最大時，升降桿34存在于凸輪面31a的背部31c的最低位置處。通過設定反相凸輪31的輪廓和在外周方向上相對于凸輪軸20的安裝位置，能將抵消氣門彈簧轉矩Tv的轉矩從轉矩減小機構30施加到凸輪機構14。因而，能減小馬達12所需的輸出功率，能限制馬達12的電力消耗，和能使用具有小額定輸出功率的緊湊型馬達12。
在上述氣門機構11A中，從兩個進氣門2的每個氣門彈簧28施加的氣門彈簧轉矩通過施加到單個反相凸輪31的轉矩抵消，因而，在設計反相凸輪31的凸輪面31a時，兩個氣門彈簧28各自的壓縮反作用力的和被用作壓縮反作用力Fs。
上面描述了用來驅動進氣門的氣門機構11A，然而，關于用來驅動排氣門3的氣門機構11B，轉矩減小機構30能以同樣的方式提供。在這種情況下，當在一個凸輪軸20上提供多個凸輪21時，在凸輪軸20上提供單個反相凸輪31，或提供與凸輪21相同數量的反相凸輪31。在氣門機構11B中，當相對于多個凸輪21僅僅提供一個反相凸輪31時，凸輪面31a的輪廓以與上述同樣的方式設計，以便各個氣門彈簧28的壓縮反作用力的和被設定成壓縮反作用力Fs。當在凸輪軸20上提供與凸輪21同樣數量的反相凸輪31時，則基于氣門彈簧28的壓縮反作用力和排氣門3的提升速度來設計每個反相凸輪31的凸輪面31a的輪廓，其中氣門彈簧28的壓縮反作用力產生會被反相凸輪31抵消的氣門彈簧轉矩。
(第二實施例)下面，將參考圖6到8給出根據本發明的第二實施例的說明。根據第二實施例，在進氣門2或排氣門3被驅動以便打開和關閉時，在考慮到往復運動部件的慣性力的同時，設計反相凸輪31的凸輪輪廓。在這種情況下，氣門機構11A和11B的機械結構與第一實施例相同。
在通過凸輪機構14打開和關閉進氣門2或排氣門3的情況下，搖臂24、氣門彈簧28等等根據氣門2或3的運動進行往復運動，由此產生慣性力，除了氣門彈簧轉矩之外，慣性轉矩也被施加到凸輪機構14。當內燃機的轉速低時，與基于氣門彈簧28的壓縮反作用力的氣門彈簧轉矩相比，慣性轉矩十分小，然而，特別是在高轉速范圍中，慣性轉矩的影響變得相當大，并且存在對進氣門2或排氣門3的氣門移動特性產生相當大的影響的情況。因而，在本實施例中，在考慮到慣性轉矩的同時，設計反相凸輪31的凸輪面31a的形狀。
基于氣門彈簧轉矩和慣性轉矩，考慮到慣性轉矩影響的反相凸輪31的凸輪面31a例如設定成圖3中的虛線所示的輪廓。假定慣性力設定成Fa(N)，凸輪21的提升速度設定成Vv(m/rad)，慣性轉矩Ta(N·m)能根據下面的公式(2)計算。
Ta＝Fa×Vv (2)假定氣門側等效質量設定成We(kg)，進氣門2或排氣門3的加速度(氣門加速度)設定成Va(m/s2)，則慣性力Fa能根據下面的公式(3)計算。在這種情況下，由于相應于內燃機的轉速，氣門加速度是不同的，所以使用內燃機處于最大轉速時的加速度(例如，6000rpm)，這是因為轉速越高，慣性轉矩的影響顯得越大。
Fa＝We×Va (3)氣門側等效質量We是由凸輪機構14引起進行往復運動的部件的總質量，在圖1的氣門機構11A中，它是進氣門2、氣門彈簧28、搖臂24等等各自質量的和。同樣的情況適用于排氣側的氣門機構11B。
圖6A中所示的聯合轉矩T的波形能通過疊加慣性轉矩Ta和氣門彈簧轉矩Tv(與圖5中所示相同)獲得，其中氣門彈簧轉矩Tv在不考慮慣性力Fa的影響的情況下獲得。圖6A中的位置P1到P3與圖5中的相同，位置Pa表示這樣一個位置，在該位置，在打開方向上的最大提升速度被施加到進氣門2或排氣門3，而位置Pb表示這樣一個位置，在該位置，在關閉方向上的最大提升速度被施加到進氣門2或排氣門3。聯合轉矩T形成一個波形，其中在位置P1與Pa之間的范圍A中和在位置P2與Pb之間的范圍C中，在正(+)方向上的慣性轉矩Ta重疊在氣門彈簧轉矩Tv的波形上，而在位置Pa與P2之間的范圍B中和在位置Pb與P3之間的范圍D中，在負(-)方向上的慣性轉矩Tb重疊在氣門彈簧轉矩Tv的波形上。
如從公式(2)和(3)中明顯看出的，慣性轉矩Ta的方向基于提升速度Vv和氣門加速度Va的乘積來確定。提升速度Vv(未示出)在圖6A中的范圍A和B之間的分界線(圖中的左側虛線)上是最大值，在范圍B和C之間的分界線(圖中的縱軸)上近似是0(零)，在范圍C和D之間的分界線(圖中的右側虛線)上是最小值。另一方面，通過求提升速度Vv的微分獲得的氣門加速度Va(未示出)在范圍A和D中是正值，而在范圍B和C中是負值。因而，提升速度Vv和氣門加速度Va的乘積在范圍A和C中是正值，而在范圍B和D中是負值，由此獲得圖6A中所示的聯合轉矩T。
為了抵消圖6A中所示的聯合轉矩T，優選地，將圖6B中所示的反相的相反轉矩從轉矩減小機構30施加到凸輪軸20，與僅僅抵消上述氣門彈簧轉矩Tv所需的相反轉矩(參考圖5中的虛線)相比，上述相反轉矩具有下面的特征，換句話說，在以凸輪機構14將最大提升速度施加到進氣門2或排氣門3的位置(圖6A中的位置Pa和Pb)為分界線的情況下，在凸輪21位于提升速度增大的范圍中(P1到Pa和Pb到P3)時，圖6B中的相反轉矩比僅僅抵消氣門彈簧轉矩所需的相反轉矩相對要大，而在凸輪21位于提升速度減小的范圍中(Pa到P2和P2到Pb)時，圖6B中的相反轉矩比僅僅抵消氣門彈簧轉矩Tv所需的相反轉矩相對要小。
為了基于圖6B中的相反轉矩確定反相凸輪31的凸輪面31a的輪廓，能通過以與第一實施例相同的方式合適地設定彈簧35的壓縮反作用力和用設定的壓縮反作用力除圖6B中所示的反相轉矩，獲得反相凸輪31施加的升降桿34的提升速度。通過求提升速度的積分，能獲得與凸輪21的每個相位相應的反相凸輪31的升程量，并能確定反相凸輪31的輪廓。
如上所述，當在考慮到慣性轉矩的同時設計反相凸輪31的輪廓時，能獲得如圖7A和7B中所示的進氣門2或排氣門3的升程特性。升程形狀的橫軸表示凸輪角，縱軸表示升程量。圖7A表示在內燃機高速旋轉范圍中的升程特性，圖7B表示在低速旋轉范圍中的升程特性。在圖7A和7B中，實線表示在考慮到聯合轉矩T時，反相凸輪31引起的進氣門2或排氣門3的升程特性，虛線表示在不考慮慣性轉矩時，反相凸輪31引起的進氣門2或排氣門3的升程特性。
如圖7A中的虛線所示，在反相凸輪31中，當僅僅考慮氣門彈簧轉矩Tv時，由于從轉矩減小機構30施加到凸輪軸20的轉矩不足，所以有延遲馬達12的旋轉和延遲升程量的上升的趨勢。相反，當考慮到慣性轉矩Ta時(圖7A中的實線)，升程量上升的延遲能被反相凸輪31抵消。因而，能增加由升程形狀和橫軸圍繞的面積，即，所謂的時間面積，并能根據預期特性操作進氣門2或排氣門3，以便改善其控制精度。此外，如圖7B中的實線所示，在考慮到慣性轉矩Ta時，根據反相凸輪31，甚至在低轉速范圍中，也能通過施加電動機轉矩來增加時間面積，并能從進氣門2或排氣門3充分地進氣或排氣。
在這種情況下，當遵照內燃機以最大轉速運行時的慣性轉矩來設計反相凸輪31時，轉矩波動相對于凸輪角(相位)的改變而增大，并有反相凸輪31上的凸輪面31a的曲率半徑變小的趨勢。然而，有一種可能性，即具有小曲率半徑的凸輪面31a由于設計限制而不能形成，在這種情況下，反相凸輪31的輪廓可以基于聯合轉矩T(圖8中的虛線)和氣門彈簧轉矩Tv(圖8中的單點劃線)之間的中間轉矩特性(圖8中的實線)來設定。因而，能避免反相凸輪31的輪廓的曲率半徑變得極其小的情況，并能在考慮到慣性轉矩Ta時滿足設計限制。
本發明能按照各種方式實現，而不局限于上述實施例。轉矩減小機構30的結構相當于一個例子，能作出各種改變。轉矩減小機構30不局限于轉矩減小機構與凸輪軸20同軸布置的實施例，而是能以任何方式構造，只要轉矩能施加到從馬達12到凸輪軸20的轉動傳遞路徑上的任何位置。例如，反相凸輪31設置在與中間齒輪16相同的軸線上，中間齒輪16設置在馬達齒輪15和驅動齒輪17之間。作為替換方案，還可以將一個與凸輪軸20嚙合旋轉的軸加到從馬達12到凸輪軸20的轉動傳遞路徑的外側，而反相凸輪31可以設置在該軸上。在這種情況下，需要設有轉矩減小機構30的反相凸輪31的軸以這樣一個轉速旋轉，該轉速是凸輪軸20的轉速的1/N(其中N是整數)。由于施加到凸輪軸20的氣門彈簧轉矩和慣性轉矩的周期以與凸輪軸20的打開和關閉運動相同的周期波動，所以需要建立一種關系，即凸輪軸20以反相凸輪31旋轉速度的整倍數速度旋轉，以便在與轉矩的周期相同的周期中，改變來自轉矩減小機構30的反相轉矩。當反相凸輪31以與凸輪軸20相同的速度旋轉時，優選地，通過使反相凸輪31的一圈與凸輪21的一圈相對應，來設定凸輪面31a的輪廓。然而，當反相凸輪31以低于凸輪軸20的速度旋轉時，即，當建立關系N≥2時，優選地，通過使反相凸輪31的1/N圈與凸輪21的一圈相對應，來確定反相凸輪31的輪廓。例如，在N＝3的情況下，與圖5或6B中所示的相反轉矩相應的輪廓在外周方向上重復三次地設置在反相凸輪31上。
在圖2中，在一個氣缸1的兩個進氣門2中提供了一個轉矩減小機構30，然而，轉矩減小機構30可以單獨設置在每個進氣門2中。即使當如同排氣側的氣門機構11B中那樣，多個排氣門或進氣門由多個不同凸輪獨立驅動時，也可以在兩個凸輪21中提供一個轉矩減小機構30，如圖9中所示。當如上所述在多個凸輪之間共用轉矩減小機構30時，與在每個凸輪中提供轉矩減小機構的情況相比，能縮短凸輪軸20關于軸向方向的長度，并能減小關于氣門機構11A或11B的安放空間的限制。
當為多個凸輪21提供一個轉矩減小機構30時，轉矩減小機構30的反相凸輪31可以布置在凸輪21之間，如圖10中所示。在這種情況下，與圖9中的結構相比，能減小由轉矩減小機構30和凸輪21之間的凸輪軸20承載的轉矩，所以能使凸輪軸20的軸直徑變小。當凸輪軸20的軸直徑變小時，凸輪軸20的慣性力矩減小，所以能改善馬達12的響應。
本發明不局限于在每個氣缸1中提供氣門機構11A或11B的例子，凸輪軸20可以在多個氣缸1之間共用，可以在一個凸輪軸20中提供一個轉矩減小機構30。當凸輪軸20設置在多個氣缸上面時，凸輪21的相位相對每個氣缸1改變。因而，需要基于這樣一個轉矩來確定反相凸輪31的凸輪輪廓，該轉矩通過聯合被施加到凸輪軸20的每個氣缸的氣門彈簧轉矩和慣性轉矩而獲得。例如，當在恰好完成點火的四缸內燃機中的所有氣缸1之間共用凸輪軸20時，當如圖11A中所示以180度的凸輪角變位時，與每個氣缸1對應的轉矩施加到凸輪軸20上，因而，優選地，基于圖11B中所示的和通過聯合這些波形獲得的聯合轉矩來設定反相凸輪31的輪廓。
此外，當為多個進氣門2或排氣門3提供一個轉矩減小機構30時，希望使轉矩減小機構30中的彈簧35的壓縮反作用力等于一個氣門彈簧28的壓縮反作用力與進氣門2或排氣門3的數量的乘積。通過以上述方式設定轉矩減小機構30中的彈簧35的壓縮反作用力，能使由反相凸輪31和凸輪21引起的進氣門2或排氣門3的升程特性彼此一致，因而，能基于凸輪21的平滑輪廓來設定反相凸輪31的輪廓，并且沒有反相凸輪31的曲率半徑極端減小的風險。
權利要求
1.一種內燃機的氣門機構，包括凸輪機構(14)，其用來將電動機(12)的旋轉運動轉變成線性運動，以克服氣門彈簧(28)而驅動用于打開和關閉氣缸(1)的氣門(2；3)，其特征在于，包括轉矩減小機構(30)，其用來將一相反轉矩增加到所述凸輪機構，該相反轉矩起作用以便在驅動所述氣門時，減小從所述氣門彈簧施加到所述凸輪機構的轉矩。
2.如權利要求1所述的氣門機構，其特征在于，所述轉矩減小機構包括反相凸輪(31)、凸輪保持件(34)和推動件(35)，所述反相凸輪(31)以凸輪機構中凸輪(21)轉速的1/N倍的轉速以聯鎖方式旋轉，其中N是整數，并具有形成于其表面上的凸輪面(31a)，所述凸輪保持件(34)與所述凸輪面接觸，所述推動件(35)將所述凸輪保持件推向所述反相凸輪的凸輪面，所述反相凸輪上的凸輪面的輪廓可以如此設定，即相反轉矩從所述推動件被施加到反相凸輪，所述相反轉矩抵消基于氣門彈簧的反作用力施加到凸輪機構的氣門彈簧轉矩。
3.如權利要求1所述的氣門機構，其特征在于，所述轉矩減小機構包括反相凸輪(31)、凸輪保持件(34)和推動件(35)，所述反相凸輪(31)以凸輪機構中凸輪(21)轉速的1/N倍的轉速以聯鎖方式旋轉，其中N是整數，并具有形成于其表面上的凸輪面(31a)，所述凸輪保持件(34)與所述凸輪面接觸，所述推動件(35)將所述凸輪保持件推向所述反相凸輪的凸輪面，所述反相凸輪上的凸輪面的輪廓如此設定，即相反轉矩從所述推動件被施加到反相凸輪，所述相反轉矩抵消一個聯合轉矩，該聯合轉矩通過聯合被施加到所述凸輪機構的氣門彈簧轉矩和按照氣門的運動施加到所述凸輪機構的慣性轉矩而獲得，所述氣門彈簧轉矩基于氣門彈簧的反作用力。
4.如權利要求2所述的氣門機構，其特征在于，所述反相凸輪上的凸輪面的輪廓如此設置，即以凸輪機構中凸輪當所述凸輪機構將最大升程量施加到氣門時的外周方向上的位置為分界線，在所述凸輪機構的凸輪位于一側期間，即基于氣門彈簧的反作用力，凸輪在與旋轉方向相反的方向上被推回的那一側，從所述推動件施加的相反轉矩在這樣一個方向上施加，即在旋轉方向上推出所述反相凸輪的方向，而在所述凸輪機構的凸輪位于一側期間，即基于氣門彈簧的反作用力，凸輪在旋轉方向被推出的那一側，所述相反轉矩在這樣一個方向上施加，即在與旋轉方向相反的方向上將所述反相凸輪推回的方向。
5.如權利要求3所述的氣門機構，其特征在于，所述反相凸輪上的凸輪面的輪廓如此設定，即以凸輪機構中凸輪當所述凸輪機構將最大升程量施加到氣門時的外周方向上的位置為分界線，在凸輪機構的凸輪位于一側期間，即基于氣門彈簧的反作用力，凸輪在與旋轉方向相反的方向上被推回的那一側，從推動件施加的相反轉矩在這樣一個方向上施加，即在旋轉方向上推出反相凸輪的方向，而在凸輪機構的凸輪位于一側期間，即基于氣門彈簧的反作用力，凸輪在旋轉方向被推出的那一側，相反轉矩在這樣一個方向上施加，即在與旋轉方向相反的方向上將反相凸輪推回的方向；從而，以凸輪機構將最大提升速度施加到氣門的位置為分界線，在凸輪機構的凸輪位于提升速度增大的范圍中時，比僅僅抵消氣門彈簧轉矩所需的相反轉矩相對要大的相反轉矩被施加到反相凸輪，而在凸輪機構的凸輪位于提升速度減小的范圍中時，比僅僅抵消氣門彈簧轉矩所需的相反轉矩相對要小的相反轉矩被施加到反相凸輪。
6.如權利要求2或3所述的氣門機構，其特征在于，為所述內燃機的一個氣缸(1)提供多個進氣門或排氣門(2；3)，提供多個凸輪(21)用來驅動同一氣缸的氣門，以便所述多個凸輪(21)由公共的凸輪軸(20)可旋轉地驅動，并為所述凸輪公共地提供所述反相凸輪(31)。
7.如權利要求6所述的氣門機構，其特征在于所述反相凸輪布置在所述凸輪之間。
全文摘要
提供了一種內燃機的氣門機構，包括凸輪機構和轉矩減小機構，凸輪機構用來將電動機的旋轉運動轉變成線性運動，以克服氣門彈簧驅動用于打開和關閉氣缸的氣門，轉矩減小機構用來將一相反轉矩增加到凸輪機構，該相反轉矩起作用以便在驅動氣門時，減小從氣門彈簧施加到凸輪機構的轉矩。
文檔編號F01L9/04GK1626775SQ20041010069
公開日2005年6月15日 申請日期2004年12月8日 優先權日2003年12月8日
發明者日下康, 淺田俊昭, 江崎修一, 辻公壽 申請人:豐田自動車株式會社