JP2004068808A - 位相器 - Google Patents

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Abstract

【課題】チャンバ内でのベーンの移動を抑制してロータ回転時に不快なノイズが発生するのを防止する。
【解決手段】ハウジング1のキャビティをロータ2のベーン5によってチャンバ6,7に分割する。各チャンバ6,7を接続し、キャビティ内でのベーン5の振動を容易にする流路12,13を設ける。各チャンバ6,7間での流体の流れが生じるように、少なくとも二つの開口を形成するように配置され、少なくとも一つの開口が閉塞状態に保持されるように配置されたバルブ4と、ハウジング1およびロータ2間の回転を停止または減速させるように配置され、流体の流れから独立してロック機構がハウジング1およびロータ2をロックするのを許容するバイパス通路30とを設ける。バイパス通路30は、各チャンバ6,7を接続する通路13aから所定の距離32だけ隔てられて配置されている。
【選択図】  図2

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可変カムシャフトタイミング(VCT: variable camshaft timing)の分野に関する。より詳細には、本発明は、バイパス通路の形成によりノイズを低減させるVCT装置用液圧戻り抑制機構に関する。
【0002】
【従来の技術およびその課題】
内燃機関の性能は、エンジンの種々のシリンダのインテークバルブを駆動するカムシャフトと、エグゾーストバルブを駆動するカムシャフトという二本のカムシャフトを使用することによって改良することが可能である。
【0003】
典型的には、このようなカムシャフトの一方は、第1のスプロケットおよびチェーン駆動装置を介してまたは第1のベルト駆動装置を介して、エンジンのクランクシャフトによって駆動され、他方のカムシャフトは、第2のスプロケットおよびチェーン駆動装置を介してまたは第2のベルト駆動装置を介して、前記一方のカムシャフトによって駆動される。あるいは、双方のカムシャフトが、単一のクランクシャフトにより駆動されるチェーン駆動装置またはベルト駆動装置により運転される。
【0004】
二本のカムシャフトを備えたエンジンの性能は、一方のカムシャフト(通常はインテークバルブ駆動用のカムシャフト)の他方のカムシャフトおよびクランクシャフトに対する位置関係を変えることにより、エグゾーストバルブに対するインテークバルブの運転の点からまたはクランクシャフトの位置に対する各バルブの位置の点からエンジンタイミングを変更することによって、アイドル運転の質、燃費、低減排気ガスおよび上昇トルクの観点からさらに改良を加えることが可能である。
【0005】
引用することによってすべて本明細書の中に含まれる以下の米国特許により開示された情報を考慮することは、本発明の背景を探るのに有用である。
【0006】
米国特許第 5,002,023号は、本発明の分野におけるVCTシステムについて記述している。このシステムの液圧装置は、適切な作動流体要素を備えるとともに逆方向に作用する一対の液圧シリンダを有している。
【0007】
作動流体要素は、作動流体を一方のシリンダから他方のシリンダにまたはその逆方向に選択的に移送しており、これにより、クランクシャフトに対するカムシャフトの周方向位置をアドバンスさせまたはリタードさせている。
【0008】
制御システムは、一方または他方のシリンダからの作動流体の排出がバルブ内のスプールを中央位置つまり零位置から一方向または他の方向に移動させることによって行われる制御バルブを使用している。
【0009】
スプールの移動は、スプールの一端に作用する制御液圧Pcの増加または減少に応じて、さらにスプリングの一端に作用する液圧と他端に作用する圧縮スプリングによる機械的な押付力との間の関係に応じて、生じる。
【0010】
【特許文献1】
米国特許第 5,002,023号
【0011】
米国特許第 5,107,804号は、本発明の分野における他のタイプのVCTシステムについて記述しており、このシステムの液圧装置は、囲繞されたハウジング内にローブを備えたベーンを有している。このベーンは、上述の米国特許第 5,002,023号により開示された逆方向作用のシリンダに取って代わっている。
【0012】
ベーンは、ハウジング内でローブの一方の側から他方の側にまたはその逆方向に作動流体を移動させることによりハウジングに対してベーンを一方の側から他方の側に振動させる適切な作動流体要素を有しており、ベーンはハウジングに対して振動可能つまり周方向に移動可能に構成されている。
【0013】
このようなベーンの振動は、クランクシャフトに対するカムシャフトの位置をアドバンスまたはリタードさせるのに効果的なものである。このVCTシステムの制御システムは、米国特許第 5,002,023号に開示されたものと同一であって、スプールバルブに作用する同種の力に反応する同一タイプのスプールバルブを使用している。
【0014】
【特許文献2】
米国特許第 5,107,804号
【0015】
米国特許第 5,172,659号および米国特許第 5,184,578号はいずれも、スプールの一端に作用する液圧による力とスプールの他端に作用する機械的な力とを釣り合わせようとする試みによって発生する、上述したタイプのVCTシステムの問題に取り組んでいる。
【0016】
米国特許第 5,172,659号および米国特許第 5,184,578号の双方に開示された改良制御システムは、スプールの両端に作用する液圧による力を利用している。スプールの一端に作用する液圧による力は、最大液圧Psでエンジンオイルギャラリから直接供給される作動流体に起因している。
【0017】
スプールの他端に作用する液圧による力は、減圧Pc下でPWMソレノイドからの作動流体に反応して作用する液圧シリンダまたはその他の倍力装置に起因している。スプールの対向端の各々に作用する力が元々同じ作動流体に基づいた液圧であるため、作動流体の圧力または粘性の変化は自己否定的なものであって、スプールの中央位置または零位置には影響を与えない。
【0018】
【特許文献3】
米国特許第 5,172,659号
【0019】
【特許文献4】
米国特許第 5,184,578号
【0020】
米国特許第 5,289,805号は、改良されたVCT方法を提供している。この方法は、所定の設定値を追跡する挙動を生じさせる液圧PWMスプール位置制御および進んだ制御アルゴリズムを利用している。
【0021】
【特許文献5】
米国特許第 5,289,805号
【0022】
米国特許第 5,361,735号においては、カムシャフトが、非振動の回転のために一端に固定されたベーンを有している。カムシャフトはまた、カムシャフトとともに回転しかつカムシャフトに対して振動可能なタイミングベルト駆動のプーリを有している。ベーンは、プーリの対向凹部内にそれぞれ受け入れられた対向配置のローブを有している。カムシャフトは、通常の運転中に発生するトルクパルスに反応して変化する傾向がある。
【0023】
カムシャフトは、エンジン制御ユニットからの信号に反応して制御バルブのバルブ本体内でのスプールの位置を制御することによって、凹部からのエンジンオイルの流れを選択的に許容しまたは阻止することにより、アドバンスまたはリタードするようになっている。スプールは、好ましくはステッピングモータ型の電気モータによって回転させられるロータリー・リニア運動移動手段によって一定の方向に付勢されている。
【0024】
【特許文献6】
米国特許第 5,361,735号
【0025】
米国特許第 5,497,738号は、VCTシステムの実施態様で利用された最大液圧Psにおいてエンジンオイルギャラリから直接供給された作動流体に起因してスプールの一端に作用する液圧による力を除去する制御システムについて開示している。
【0026】
ベントスプールの他端に作用する力は、好ましくは可変力ソレノイド型の電気機械的アクチュエータによるものであり、この力は、種々のエンジンパラメータを監視するエンジン制御ユニット(ECU)から出力された電気信号に反応してベントスプールに直接作用している。
【0027】
ECUは、カムシャフト位置およびクランクシャフト位置に対応するセンサ信号を受け取り、この位置情報を利用して相対位相角を計算する。好ましくは、位相角誤差を補償するクローズドループフィードバックシステムが採用されている。可変力ソレノイドの使用が、緩慢な動的応答性の問題を解決する。
【0028】
このような装置は、スプールバルブの機械的応答性と同程度に速くなるように設計でき、確かに従来の完全液圧差圧制御システムよりもかなり速くなっている。応答性が速くなることにより、増加したクローズドループゲインを使用することができ、これにより、構成要素の許容誤差および運転環境に対してシステムがそれほど敏感でないようにすることが可能である。
【0029】
【特許文献7】
米国特許第 5,497,738号
【0030】
米国特許第 5,657,725号は、駆動のためにエンジンオイル圧を利用する制御システムを示している。このシステムは、ベーンが一端に固定されたカムシャフトを有しており、ベーンはカムシャフトとともに回転可能でカムシャフトに対して振動しないようになっている。
【0031】
カムシャフトはまた、カムシャフトとともに回転しかつカムシャフトとともに振動するハウジングを有している。ベーンは、ハウジングの対向凹部内に受け入れられた対向ローブを有している。ベーンおよびハウジングが相対的に振動でき、これにより、カムシャフトの位相がクランクシャフトの位相に対して変化するように、凹部はローブよりも周方向長さが長くなっている。
【0032】
カムシャフトは、通常の運転中に受けるエンジンオイル圧および(または)カムシャフトトルクパルスに反応して方向を変える。エンジン運転状態を示すエンジン制御ユニットからの信号に反応してスプールバルブ本体内のスプールの位置を制御することによって、凹部からリターンラインを通るエンジンオイルの流れを選択的に許容しまたは阻止することにより、カムシャフトはアドバンスまたはリタードすることができる。
【0033】
スプールは、エンジン制御ユニットからの信号に反応してその対向端に作用する液圧による力を制御することによって、選択的に配置される。ベーンは、回転中にカムシャフトが受ける一方向の摩擦トルクに対して反作用の力を作用させるように、最も端の位置に付勢されている。
【0034】
【特許文献8】
米国特許第 5,657,725号
【0035】
米国特許第 6,247,434号は、エンジンオイルによって駆動される多数位置可変カムシャフトタイミングシステムを示している。このシステム内には、カムシャフトに同期して回転するようにハブがカムシャフトに固定されている。
【0036】
また、ハウジングがハブを囲繞しており、ハウジングは、ハブおよびカムシャフトとともに回転可能であり、所定の回転角の範囲内でハブおよびカムシャフトに対して振動可能になっている。ドライブベーンは、ハウジング内において半径方向に配置されており、ハブの外面と協働する。
【0037】
ドリブンベーンは、ハウジング内において半径方向に配置されており、ハブの内面と協働する。ロック装置は、油圧に反応して、ハウジングおよびハブ間の相対運動を防止している。また制御装置が、ハブに対するハウジングの振動を制御している。
【0038】
【特許文献9】
米国特許第 6,247,434号
【0039】
米国特許第 6,250,265号は、内燃機関のためのアクチュエータロック機構を備えた可変バルブタイミングシステムを示している。この可変バルブタイミングシステムは、ベーンが固定されたカムシャフトを有しており、ベーンは、カムシャフトとともに回転しかつカムシャフトに対して振動しないようになっている。ベーンは、周方向に延びかつ半径方向外方に延びる複数のローブを有している。
【0040】
ベーンは、各ローブに対応する複数の凹部を有する環状ハウジングによって囲繞されており、各ローブは、対応する各凹部に受け入れられている。ハウジングがカムシャフトおよびベーンとともに回転しているときにベーンおよびカムシャフトに対するハウジングの振動を許容するように、各凹部は、ローブの周方向長さよりも長い周方向長さを有している。
【0041】
ベーンおよびカムシャフトに対するハウジングの振動は、ローブの対向側の各凹部内の加圧エンジンオイルによって励起されている。好ましくは、凹部内の油圧は、運転中のカムシャフトの回転時に、カムシャフトのトルクパルスから一部引き出されている。
【0042】
環状ロックプレートは、カムシャフトおよび環状ハウジングと同芯に配置されている。また、環状ロックプレートは、ロックプレートが環状ハウジングと係合してベーンに対する周方向の動きを防止する第1の位置と、ベーンに対する環状ハウジングの周方向の動きを許容する第2の位置との間で、カムシャフトの長手方向の中心軸に沿って環状ハウジングに対して移動可能になっている。
【0043】
ロックプレートは、第1の位置に向かってスプリングにより付勢されるとともに、エンジンオイル圧により、第1の位置から離れて第2の位置に向かって押圧される。ロックプレートは、エンジンオイル圧がスプリングの付勢力に打ち勝つほど十分に高いときに、これは環状ハウジングおよびベーンの相対位置を変化させるように要求される唯一のときであるが、カムシャフトを挿通する流路によって第2の位置にさらされる。
【0044】
【特許文献10】
米国特許第 6,250,265号
【0045】
米国特許第 6,263,846号は、ベーン型可変カムシャフトタイミングシステムのための制御バルブを示している。この制御バルブは、カムシャフトおよびこれに固定されてカムシャフトとともに回転するハブを有する内燃機関を含んでいる。また、ハウジングがハブを囲繞しており、ハウジングは、ハブおよびカムシャフトとともに回転可能であり、ハブおよびカムシャフトに対して振動可能になっている。
【0046】
ドライブベーンは、ハウジング内において半径方向内方に配置されており、ハブとともに協働する。ドリブンベーンは、ハウジングと協働するようにハブ内において半径方向外方に配置されている。また、ドリブンベーンは、アドバンスチャンバおよびリタードチャンバを周方向に交互に限定するように、ドライブベーンと周方向に交互に配置されている。
【0047】
ハブに対するハウジングの振動を制御するための構成は、電子エンジン制御ユニットと、電子エンジン制御ユニットに反応してアドバンスチャンバに対するエンジンオイル圧を調整するアドバンス制御バルブとを有している。電子エンジン制御ユニットに反応するリタード制御バルブは、リタードチャンバに対してエンジンオイル圧を調整する。
【0048】
アドバンス通路は、アドバンス制御バルブおよびアドバンスチャンバ間でエンジンオイル圧を伝達する。リタード通路は、リタード制御バルブおよびリタードチャンバ間でエンジンオイル圧を伝達する。
【0049】
【特許文献11】
米国特許第 6,263,846号
【0050】
米国特許第 6,311,655号は、ベーン取付けのロックピストン装置を有する多数位置可変カムタイミングシステムを示している。
【0051】
カムシャフトおよび可変カムシャフトタイミングシステムを有する内燃機関において、ロータはカムシャフトに固定されるとともに、カムシャフトに対して回転可能で振動しないように構成されている。ハウジングは、ロータを囲繞するとともに、ロータおよびカムシャフトの双方に対して回転可能になっており、さらに、最リタード位置および最アドバンス位置間においてロータおよびカムシャフトの双方に対して振動可能になっている。
【0052】
ロック装置は、ロータまたはハウジングのいずれか一方の内部に設けられるとともに、最リタード位置、最アドバンス位置およびこれらの間の位置において、ロータまたはハウジングのいずれか他方に係脱可能に係合しており、ロータおよびハウジング間の相対運動を防止している。
【0053】
ロック装置は、ロータをハウジングに固定するために、キーとその逆側に設けられたセレーションとを備えたロックピストンを有している。制御装置は、ハウジングに対するロータの振動を制御する。
【0054】
【特許文献12】
米国特許第 6,311,655号
【0055】
米国特許第 6,374,787号は、エンジンオイル圧によって駆動される多数位置可変カムシャフトタイミングシステムを示している。ハブがカムシャフトに同期して回転するようにカムシャフトに固定されている。ハウジングは、ハブを囲繞しており、ハブおよびカムシャフトとともに回転するとともに、所定の回転角の範囲内でハブおよびカムシャフトに対して振動するようになっている。
【0056】
ドライブベーンは、ハウジング内において半径方向に配置されており、ハブの外面と協働している。ドリブンベーンは、ハブ内において半径方向に配置されており、ハウジングの内面と協働している。油圧に反応するロック装置は、ハウジングおよびハブ間の相対運動を防止している。制御装置は、ハブに対するハウジングの振動を制御している。
【0057】
【特許文献13】
米国特許第 6,374,787号
【0058】
米国特許第 6,477,999号は、ベーンが固定されたカムシャフトを示しており、ベーンはカムシャフトとともに回転しかつカムシャフトに対して振動しないようになっている。カムシャフトはまた、カムシャフトとともに回転しかつカムシャフトに対して振動するスプロケットを有している。ベーンは、スプロケットの対向凹部内にそれぞれ受け入れられた対向ローブを有している。
【0059】
ベーンおよびスプロケットが互いに振動できるように、凹部はローブよりも大きな周方向長さを有している。カムシャフトの位相は、通常の運転中に受けるパルスに反応して変化する。
【0060】
カムシャフトの位相は、制御バルブのバルブ本体内部でスプールの位置を制御することによって、好ましくはエンジンオイルである加圧作動流体の流れを選択的に阻止しまたは許容することにより、アドバンス方向またはリタード方向のいずれかにおいて与えられた方向にのみ変化するように許容されている。
【0061】
スプロケットは、カムシャフトの回転軸から離れて平行に延びる通路を有している。通路内には、ピンがスライド可能に設けられており、ピンは、その自由端が通路を越えて突出する位置までスプリングによって弾性的に付勢されている。ベーンは、所定のスプロケットおよびカムシャフト位置において通路と整列するポケット部を備えたプレートを有している。
【0062】
ポケット部は、作動流体を受け入れており、液圧が通常の運転レベルにあるとき、ピンの自由端がポケット部内に進入しないようにするだけの十分な液圧がポケット部内に存在している。一方、液圧が低いときには、ピンの自由端はポケット部内に進入して、所定の位置でカムシャフトおよびスプロケットと係合する。
【0063】
【特許文献14】
米国特許第 6,477,999号
【0064】
ところで、ハウジングをアドバンスチャンバおよびリタードチャンバに分割するベーンは、ハウジングによって限定されたキャビティ内で振動する傾向がある。たとえば、この振動はカムトルク特性によって発生する。ロータが回転すると、ベーンは、ハウジングの部分に接触しまたは当該部分で物理的に停止させられる。このような接触や停止が不快なノイズを発生する。
【0065】
したがって、チャンバ内に液圧が戻るのを抑制してベーンの移動を抑制するようにして、ノイズ低減のための適切な位置にベーンを配置することにより、不快なノイズを低減させる手段を有していることが望ましい。
【0066】
このように本発明は、チャンバ内でのベーンの移動を抑制でき、ロータ回転時に不快なノイズが発生するのを防止できる位相器を提供することを目的とする。
【0067】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明に係る位相器は、ハウジングのキャビティ内においてロータのベーンにより分割されてなる第1および第2のチャンバ間での流体の流れが生じるように、少なくとも二つの開口を形成するように配置され、少なくとも一つの開口が閉塞状態に保持されるように配置されたバルブと、ハウジングおよびロータ間の回転を停止または減速させるように配置され、流体の流れから独立してロック機構がハウジングおよびロータをロックするのを許容する少なくとも一つのバイパス通路とを備えている。
【0068】
請求項2の発明では、請求項1において、バイパス通路がロータの内部に形成されている。請求項3の発明では、請求項1において、バイパス通路が、第1および第2のチャンバを接続する通路に関連して所定の距離だけ隔てられて配置されている。請求項4の発明では、請求項1において、二つのバイパス通路が各キャビティに設けられている。
【0069】
請求項5の発明に係る位相器の製造方法は、ハウジングのキャビティ内においてロータのベーンにより分割されてなる第1および第2のチャンバ間での流体の流れが生じるように、少なくとも二つの開口を形成するように配置され、少なくとも一つの開口が閉塞状態に保持されるように配置されたバルブを提供する工程と、ハウジングおよびロータ間の回転を停止または減速させるように配置され、流体の流れから独立してロック機構がハウジングおよびロータをロックするのを許容する少なくとも一つのバイパス通路を提供する工程とを備えている。
【0070】
請求項6の発明では、請求項5において、バイパス通路がロータの内部に形成されている。請求項7の発明では、請求項5において、バイパス通路が、第1および第2のチャンバを接続する通路に関連して所定の距離だけ隔てられて配置されている。請求項8の発明では、請求項5において、二つのバイパス通路が各キャビティに設けられている。
【0071】
本発明においては、中央配置のスプールバルブを内部に備えたロータを有するVCT位相器において、ロータがその一体的な延長部として形成された少なくとも一つのベーンを有しており、ベーンがロックされる中間位置が設けられている。
【0072】
中央配置のスプールバルブを内部に備えたロータを有するVCT位相器においては、ハウジング内で振動するベーンが所定の中間位置に配置されるように、液圧バイパス通路が設けられている。
【0073】
中央配置のスプールバルブを備えたロータを有するカムトルク駆動(CTA:cam torque actuated)型のVCT位相器においては、ハウジング内で振動するベーンが所定の中間位置に配置されるように、液圧バイパス通路が設けられている。
【0074】
中央配置のスプールバルブを備えたロータを有するカムトルク駆動(CTA)型のVCT位相器においては、ハウジング内で振動するベーンが所定の中間位置に配置されるように、少なくとも一つの液圧バイパス通路が設けられている。
【0075】
中央配置のスプールバルブを備えたロータを有する油圧駆動(OPA: oil pressure actuated)型のVCT位相器においては、ハウジング内で振動するベーンが所定の中間位置に配置されるように、液圧バイパス通路が設けられている。
【0076】
中央配置のスプールバルブを備えたロータを有する油圧駆動(OPA)型のVCT位相器においては、ハウジング内で振動するベーンが所定の中間位置に配置されるように、少なくとも一つの液圧バイパス通路が設けられている。
【0077】
中央配置のスプールバルブを備えたロータを有するカムトルク駆動(CTA)型のVCT位相器においては、ハウジング内で振動するベーンが所定の中間位置に配置されるように、液圧バイパス通路が設けられている。さらに、バイパス回路の開放時に不快な振動をさらに減少させるように、排出ポートに流路制限が加えられている。
【0078】
中央配置のスプールバルブを備えたロータを有するカムトルク駆動(CTA)型のVCT位相器においては、ハウジング内で振動するベーンが所定の中間位置に配置されるように、少なくとも一つの液圧バイパス通路が設けられている。さらに、バイパス回路の開放時に不快な振動をさらに減少させるように、排出ポートに流路制限が加えられている。
【0079】
中央配置のスプールバルブを備えたロータを有する油圧駆動(OPA)型のVCT位相器においては、各ベーンがハウジング内で振動することにより、各ベーンを所定の中間位置に配置するように、一対の液圧バイパス通路が設けられている。
【0080】
中央配置のスプールバルブを備えたロータを有するカムトルク駆動(CTA)型のVCT位相器においては、各ベーンがハウジング内で振動することにより、各ベーンを所定の中間位置に配置するように、一対の液圧バイパス通路が設けられている。
【0081】
VCT位相器において、いずれの方向からも非常に迅速に戻り防止(detent)位置に到達するように、2方向性のまたは二つのバイパス構造が設けられている。
【0082】
本発明においては、相対回転可能なハウジングおよびロータを有する位相器が提供されている。ハウジングは、ロータに固定されたベーンによって分割されるように配置された少なくとも一つのキャビティを有している。ベーンは、キャビティを第1および第2のチャンバに分割している。位相器はさらに、第1および第2のチャンバを接続する流路を有しており、これにより、キャビティ内部でのベーンの振動(周方向移動)を容易にしている。
【0083】
位相器は、a)第1および第2のチャンバ間での流体の流れを生じさせるために少なくとも二つの開口を形成するように配置されるとともに、少なくとも一つの開口を閉塞状態にするように配置されたたバルブと、b)ハウジングおよびロータ間の回転を停止させまたは減速させるように配置され、これにより、流体の流れからは独立して、ロック機構がハウジングおよびロータをロックすることができる少なくとも一つのバイパス通路とを備えている。
【0084】
また、本発明においては、相対回転可能なハウジングおよびロータを有する位相器が提供されている。ハウジングは、ロータのベーンによって分割されるように配置された少なくとも一つのキャビティを有している。
【0085】
ベーンは、キャビティを第1および第2のチャンバに分割している。位相器はさらに、第1および第2のチャンバを接続する流路を有しており、これにより、キャビティ内部でのベーンの振動(周方向移動)を容易にしている。
【0086】
また、本発明では、以下の工程a),b)を含む方法が提供されている。すなわち
a)第1および第2のチャンバ間での流体の流れを生じさせるために少なくとも二つの開口を形成するように配置されるとともに、少なくとも一つの開口
を閉塞状態にするように配置されたバルブを提供する工程。
【0087】
b)ハウジングおよびロータ間の回転を停止させまたは減速させるように配置され、これにより、流体の流れからは独立して、ロック機構がハウジングおよびロータをロックすることができる少なくとも一つのバイパス通路を提供
する工程。
【0088】
本発明およびその目的をさらに理解するためには、図面、図面の簡単な説明、本発明の好ましい実施態様の詳細な説明および特許請求の範囲に注意が向けられるべきである。
【0089】
図1において、ベーン型VCT位相器は、ハウジング1を有している。ハウジング1の外周は、タイミングチェーン9と噛み合ってタイミングチェーン9により駆動されるスプロケット歯8を有している。ハウジング1の内部には、流体チャンバ6,7を含むキャビティが限定されている。
【0090】
ハウジング1の内部に同芯に配置されかつハウジング1に対して回転自在になっているのは、チャンバ6,7間に配置されたベーン5を有するロータ2と、流路12,13を介してそれぞれチャンバ6,7に加圧流体を送出する中央の制御バルブ4である。
【0091】
バルブ4によって流路12に導入された加圧流体は、ハウジング1に対してベーン5を反時計回りに押して、チャンバ6から流出したオイルを流路13およびバルブ4に送る。
【0092】
本明細書中の記述が一般のベーン位相器に共通したものであり、図1に示されたベーン、チャンバ、流路およびバルブの特定の配置が本発明の教示の範囲内で変更され得るということが、当該分野の当業者には理解されるだろう。たとえば、ベーンの数および配置は変更可能である。位相器の中には、ただ一つのベーンしか有していないものもあれば、12個ものベーンを有しているものもある。
【0093】
またベーンは、ハウジング上に配置されて、チャンバ内においてロータ上で往復動するようにしてもよい。ハウジングは、チェーン、ベルトまたはギヤによって駆動され、ハウジングの外周には、図示されたようなスプロケット歯の他に、ベルトと係合する歯付プーリまたはギヤ歯を形成するようにしてもよい。
【0094】
図2および図3は、本発明の位相器を詳細に示している。図2には、カムトルク駆動(CTA: cam torque actuated)型のVCT機構20の液圧装置が示されており、チャンバ6,7への流路12a,13aの詳細な構成が示されている。
【0095】
ロータ2が時計回りに回転すると、ロータ2のベーン5がロータ2ともに回転する。図示しないコントローラによって制御されるように配置されたアクチュエータ920は、一組の流体回路を完成するために示されたスプールバルブのようなバルブ4を位置決めする。
【0096】
アクチュエータ920からスプールバルブ4の第1の端部4aに押付力を作用させるとともに、スプリングのような弾性部材22からスプールバルブ4の第2の端部4bに等しい付勢力を作用させることにより、スプールバルブ4の均衡位置が得られる。
【0097】
CTA機構のために、流体は流路12aを通ってチャンバ7を出るが、チェックバルブ24が流体の流れを阻止するので、流体は流路12aから第1の開口25を通る。流路26内の実質的な流量は、チェックバルブ28を通ってチャンバ6に流入する。このような流体の流れにより、ロータ2およびベーン5がハウジング1に対して回転移動する。
【0098】
より詳細には、ベーン5は、ハウジング1のキャビティ内で時計回りに移動する。バイパス通路30は、ベーン5がそれ以上時計回りに移動するのを防止するように配置されている。ベーン5のそれ以上の移動を防止する機構は、以下のように機能する。
【0099】
すなわち、ロータ2がハウジング1に関連して時計回りに回転するとき、チャンバ6には、チャンバ7から流出する流体が導入される。このとき、バイパス通路30が設けられていなければ、チャンバ6の正味の実質的な容量が増加するのにともなって、チャンバ7の正味の実質的な容量が減少することになる。
【0100】
ところが、この場合には、バイパス通路30が設けられているので、チャンバ6内の流体がバイパス通路30を通って流出を開始する。チャンバ6の外部に流出する流体は、バイパス通路30からバイパス通路34を通り、さらにバイパス通路36を通って第1の開口25に戻る。
【0101】
このように、チャンバ外部への流体の流出は、ハウジング1に対するロータ2の回転を停止させ、または、ロック機構がハウジング1およびロータ2を中間位置でロックするほど十分にロータ2の回転を減速させる。これにより、流体の流れからは独立して中間位置が維持されることになる。なお、ロック機構は、本発明のものには限定されず、任意のタイプのものでよい。
【0102】
本発明においては、バイパス通路30を含むバイパス回路が、ベーン5の移動を停止させ、またはベーン5の移動を少なくとも減速させるように形成されている。また、バイパス通路30の位置がキャビティ内におけるベーン5の所望の中間位置を許容するように適切に配置されているということが注目されるべきである。
【0103】
たとえば、流路12a,13aを含むバイパス回路間の寸法関係は、中間位置が予めリセットされるように、設定されている。より詳細には、中間位置のために、流路12aおよびバイパス通路30間の距離32が予め設定されている。
【0104】
所望の流体の流れを許容しかつ零位置を維持するように、スプールバルブ4の形状が適切に形成されていることが注目されるべきである。さらに、バイパス通路30がロータ2の内部に形成されており、またはロータ2とは別個に形成されているということが理解されるべきである。
【0105】
図2から分かるように、バイパス回路がなければ、VCTは、ロータ2の中央に配置されたスプールバルブ4の位置に基づいてアドバンスまたはリタード(あるいは現在位置を保持)するように制御される。スプールバルブ4は、位相の変化の向きおよび速さを決定するが、典型的には、特定の中間位相位置で停止するために、カムシャフト上の位置フィードバックセンサを必要とする。この点で、特定の中間位相位置をオイルの流れからは独立したものにするのが望ましい。
【0106】
エンジンクランキングサイクル時のようにエンジンオイルポンプがVCTにオイルを供給していない状態においてVCT位相器をロックするロックピンを多くのVCT機構が採用してきた。このようなロックピンは、典型的には、VCT機構内において最も端に位置する機械的なストッパ部に配置されている。
【0107】
VCTは、オープンループモードで運転され、ロックピンが係合するストッパ部に配置されるように制御される。機械的なストッパ部は、ロックピンが確実に係合するように、ロータを適切な位置に配置させる。
【0108】
本発明は、ベーン5がロック位置を提供するのに機械的なストッパ位置まで移動しなければならないというこれまでの制約を打破しようとしている。本発明はさらに、オープンループ制御モードにおいて、ロックピンが整列して確実な係合が行われる中間位相位置にVCTシステムまたは位相器が移動できるようにしている。
【0109】
図2に示されたカムトルク駆動装置の場合には、スプールバルブがそのストロークの一端にセットされているとき、オイルのような作動流体は、一方のチャンバ(たとえば第1のチャンバ6)から流出して他方のチャンバ(たとえば第2のチャンバ7)を満たす。
【0110】
もし流体がリタードチャンバから排出されてアドバンスチャンバを満たすように許容されていれば、カムシャフトはアドバンス位相位置に到達する。たとえば、チャンバ6がアドバンスチャンバであり、チャンバ7がリタードチャンバである。
【0111】
アドバンスチャンバからリタードチャンバに戻るバイパス通路を設けたことにより、アドバンスチャンバは或るレベルまで満たされるだけであり、アドバンスチャンバ内の流体はバイパス通路を介して漏出する。チャンバ6と流体連絡するように配置されたバイパス穴の位置は、ロック状態が発生する相対的な位相角を決定する。
【0112】
図3には、油圧駆動(OPA)型のVCT機構が示されている。このVCT機構の運転原理は、図2のCTA型のVCT機構と同じである。すなわち、中間位相位置を決定するために、バイパス通路30がチャンバ6の充填を制限している。図2のVCT機構との違いは、バイパス回路内のオイルが、CTA型のVCT機構のように内部で使用されるのではなく、外部の油溜めまたは排油口に排出されている点である。
【0113】
さらに、所望の作用を得るために、バイパス通路30以外のOPA型VCT機構もまた用いられている。たとえば、流体を供給する供給源38が導入されており、一対の排出路40および流路12a,12bがそれぞれの回路とともに導入されている。
【0114】
図4は図2の変形例である。この場合には、図4に示すように、バイパス回路44が開放されているときに、排出ポート42に流量制限が加えられるように構成されている。この流路制限は、中間位置までの駆動速度を低下させるが、それと同時に、中間位置に到達するときに発生する振動を少なくする。この場合には、スプールバルブ4に図2のものよりも延長した部分を形成することによって、このような流路制限が達成されている。
【0115】
図5においては、2方向のまたは二つのバイパス通路を可能にする第2のバイパス通路50が設けられている。この二つのバイパス通路を有する実施態様の運転は、上述の実施態様の運転の場合と同様であるが、二つのバイパス通路を有する構造が位相器をより速やかに戻り抑制位置(detent position)に到達させることを許容している点が上述の実施態様と異なっている。
【0116】
図5には、位相器内において戻り抑制位置におかれた二つのバイパス通路を有する構造が示されている。同図に示すように、戻り抑制位置において、双方の通路つまり通路30,50は、中間位置のメンテナンスに寄与している。戻り抑制位置に到達する際の運転は、以下のとおりである。
【0117】
戻り抑制位置に到達する前にベーン5が右方に付勢されているとき、チャンバ6との間で流体連絡が行われないので通路30内に流体の流れは生じない。なお、右方に付勢される際のシナリオは図5には示されていないが、戻り抑制位置に到達する直前にこのシナリオを想像できるだろう。この点において、通路50は、流体回路52によりチャンバ6,7間の流体連絡を維持している。
【0118】
流体回路52は、戻り抑制位置または中間位置に到達するまで維持されている。同様に、戻り抑制位置に到達するまでもしバルブ5が右方に付勢されていれば、通路30を通る流体回路(図示せず)が生じる。図5に示すように、双方の通路30,50は、均衡状態が維持されるように、チャンバ6,7と流体連絡している。
【0119】
図5においては、第2のバイパス通路50との距離である寸法54を、第1のバイパス通路30との距離である寸法56と同一にすることにより、所望の中間位置がハウジング1内においてキャビティの中央位置になるということが注目されるべきである。
【0120】
しかしながら、中間位置は、図6に示すように寸法54および56を変えることにより、ハウジング1内において任意の適切な位置であってよい。図6のVCT機構の運転は、図6の各寸法54,56にそれぞれ対応する寸法58,60が異なることにより中間位置がキャビティの中央以外の位置に配置されるという点を除いて、実質的に図5のVCT機構の運転の場合と同様である。
【0121】
図5および図6がCTA型のVCTシステムを示しているということが注目されるべきであるが、当該システムにおける2方向性は、OPA型のVCTシステムのようなその他のVCTシステムに適用可能である。また、図5および図6は、本発明の一部を概略的に示す図であって、実際の物理的構造関係を示してはいない。
【0122】
図7から図10は、2方向構造つまり二つの通路を有する構造が単一通路構造に対して優れている点を示す実験データである。図7は単一の通路を有するCTA位相器モデルを示しており、図8は二つの通路つまり2方向性の通路を有するCTA位相器モデルを示している。
【0123】
中間位置の戻り防止機構が係合した後で振幅が変動している点に注目していただきたい。図8では、図7と比較して振幅の変動が減少されている。振幅変動が減少したことは、ベーン5がハウジング1と接触する少ない機会に表れており、これにより、不快なノイズを低減させている。図9および図10は、エンジン低速回転時における同様の結果を示しており、それぞれ図7および図8に対応している。
【0124】
以下の事項は、本発明に関連する用語および概念である。
ベーンの中間位置は、ベーンの側面がハウジングのキャビティの側壁に接触していない位置として定義される。
【0125】
上記流体が作動流体であるということが注目されるべきである。作動流体は、ベーン位相器内でベーンを移動させる流体のことである。典型的には、作動流体はエンジンオイルを含んでいるが、これとは別個の作動流体であってもよい。本発明のVCTシステムは、カムトルク駆動(CTA)VCTシステムである。
【0126】
VCTシステムは、ベーンを移動させるのにエンジンバルブを開閉させる力によって生じるカムシャフト内のトルク逆転現象を使用している。CTAシステム内の制御バルブは、アドバンスチャンバからリタードチャンバへの流体の流れを許容しており、これにより、ベーンの移動を許容しまたは流体の流れを停止させて、ベーンを所定位置にロックしている。
【0127】
CTA位相器はまた、漏れによる損失を補填するためにオイル導入口を有しているが、位相器を移動させるのにエンジンオイル圧を使用してはいない。ベーンは、チャンバ内に収容されるとともに、作動流体が作用する半径方向の部材である。ベーン位相器は、チャンバ内で移動するベーンによって駆動される位相器である。
【0128】
エンジンには、一つまたはそれ以上のカムシャフトがある。カムシャフトは、ベルト、チェーン、ギヤまたは他のカムシャフトにより駆動される。カムシャフト上には、バルブを押圧するローブが設けられている。
【0129】
多数本のカムシャフトを有するエンジンにおいては、大抵の場合、エグゾーストバルブ用に1本のシャフトが設けられ、インテークバルブ用に1本のシャフトが設けられている。V型エンジンは、通常、各バンクに1本ずつ2本のカムシャフトを有しているか、または各バンクにインテークバルブ用およびエグゾーストバルブ用の4本のカムシャフトを有している。
【0130】
チャンバは、ベーンが回転する空間領域として定義されている。チャンバは、クランクシャフトに対してバルブを先に開放させるアドバンスチャンバと、クランクシャフトに対してバルブを後で開放させるリタードチャンバとに分割されている。
【0131】
チェックバルブは、ただ一つの方向のみの流体の流れを許容するバルブとして定義されている。クローズドループは、一つの特性を他の特性に反応させて変化させるとともに、その変化が正しくなされたかどうかチェックして、所望の結果が得られるように作用を調整する制御システムとして定義されている。
【0132】
たとえば、ECUからの命令に反応して位相器位置を変化させるバルブを移動させ、実際の位相器位置をチェックして、バルブを再度正規の位置に移動させる。制御バルブは、位相器への流体の流れを制御するバルブである。制御バルブは、油圧またはソレノイドによって駆動される。
【0133】
クランクシャフトは、ピストンからの動力により、トランスミッションおよびカムシャフトを駆動する。スプールバルブは、スプール型の制御バルブとして定義されている。典型的には、スプールは穴内に配置されて、一方の通路を他方の通路に連絡している。スプールは、大抵の場合、位相器のロータの中心軸に配置されている。
【0134】
差圧制御システム(DPCS: differential pressure control system)は、スプールの各端部に作用する作動流体圧を利用して、スプールバルブを移動させるシステムである。スプールの一端は他端よりも大きくなっており、一端に作用する流体は通常は油圧制御のPWMバルブによって制御され、全供給圧はスプールの他端に供給されており、これにより、差圧が生じている。
【0135】
バルブ制御ユニット(VCU: valve control unit)は、VCTシステムを制御するための制御回路である。典型的には、VCUは、ECUからの命令に反応して作動する。
【0136】
ドリブンシャフトは、VCT内において動力を受ける任意のシャフトであり、大抵の場合、カムシャフトである。ドライブシャフトは、VCT内において動力を供給する任意のシャフトであり、大抵の場合はクランクシャフトであるが、一方のカムシャフトに対する他方の駆動カムシャフトの場合もある。
【0137】
ECUは、車載コンピュータであるエンジン制御ユニットである。エンジンオイルは、エンジンを潤滑するのに使用されるオイルであり、制御バルブを介して位相器を駆動するのに圧力を作用させている。
【0138】
ハウジングは、チャンバを備えた位相器の外側部分として定義されている。ハウジングの外側部分は、タイミングベルト用のプーリ、タイミングチェーン用のスプロケットまたはタイミングギヤ用のギヤである。作動流体は、ブレーキオイルやパワーステアリングオイルと同様に、液圧シリンダに使用される任意のオイルである。なお、作動流体は、必ずしもエンジンオイルと同じでなくてもよい。
【0139】
ロックピンは、位相器を所定位置にロックするように配置されている。ロックピンは、エンジン始動時や停止時のように、油圧が低すぎて位相器を保持できない場合に通常用いられる。
【0140】
OPA型のVCTシステムは、ベーンを移動させるのにエンジンオイル圧をベーンの一方の側または他方の側に作用させる一般的な位相器を使用している。
【0141】
オープンループは、作用を確認するフィードバックを行うことなく、一つの特性を他方の特性に反応して変化させる(たとえば、ECUからの命令信号に反応してバルブを移動させる)制御システム内で用いられている。
【0142】
位相は、カムシャフトおよびクランクシャフト間(または、位相器が他方のカムによって駆動される場合にはカムシャフト間)の相対的角度位置として定義されている。位相器は、カムに据え付けられる全体の部分として定義されている。
【0143】
位相器は、典型的には、ロータおよびハウジング、さらにはスプールバルブおよびチェックバルブから構成されている。ピストン位相器は、内燃機関のシリンダ内のピストンによって駆動される位相器である。ロータは、カムシャフトに装着された、位相器の内側部分である。
【0144】
PWMは、電圧または流体圧のオン・オフパルスのタイミングを変化させることによって、変化する力または圧力を提供している。ソレノイドは、機械的アームを移動させるのにコイル内を流れる電流を使用する電気式アクチュエータである。
【0145】
可変力ソレノイド(VFS: variable force solenoid)は、通常は供給電流のPWM(パルス幅変調)によってその駆動力が変化し得るソレノイドである。VFSは、オン・オフソレノイドに対向している。
【0146】
スプロケットは、エンジンタイミングチェーンのようなチェーンとともに使用される部材である。タイミングとは、ピストンが或る限定位置(通常は上死点(TDC))に達する時刻と他の事象が起こる時刻との間の関係として定義される。
【0147】
たとえば、VCTまたはVVTシステムにおいては、タイミングは通常、バルブが開くまたは閉じるときに関係している。点火時刻は、点火プラグが点火するときに関係している。
【0148】
トーション・アシスト(TA)位相器またはトルク・アシスト位相器は、OPA位相器の変形例であって、オイル供給ラインにチェックバルブを付加しており(つまり、単一のチェックバルブの実施態様)、または各チャンバへの供給ラインにチェックバルブを付加している(つまり、二つのチェックバルブの実施態様)。
【0149】
チェックバルブは、トルク逆転による油圧パルスが油圧システム内に伝搬するのを阻止するとともに、ベーンがトルク逆転により後退するのを停止させる。TAシステムにおいては、前方へのトルク効果によるベーンの動きが許容されている。このため、トーション・アシストという表現が用いられている。ベーンの動きのグラフは、階段状である。
【0150】
VCTシステムは、位相器、制御バルブ、制御バルブアクチュエータおよび制御回路を有している。可変カムタイミング(VCT)は、エンジンのインテークバルブおよび(または)エグゾーストバルブを駆動する一つまたはそれ以上のカムシャフト間の角度関係(位相)を制御しまたは変化させるための方法であって物ではない。角度関係はまた、クランクシャフトがピストンに連結されているところのカムおよびクランクシャフト間の位相関係を含んでいる。
【0151】
可変バルブタイミング(VVT: variable valve timing)は、バルブタイミングを変化させる任意の方法である。VVTはVCTに関連している。VVTは、カムの形状を変えることによって、あるいは、カムに対するカムローブの関係、カムまたはバルブに対するバルブアクチュエータの関係を変えることによって、達成される。
【0152】
またVVTは、電気式または液圧式アクチュエータを使用してバルブを個々に制御することによって、達成される。言い換えれば、すべてのVCTはVVTであるが、VVTがすべてVCTであるというわけではない。
【0153】
本発明が関連する分野の当業者は、上述の教示内容を考慮するとき、本発明の精神および本質的な特徴部分から外れることなく、本発明の原理を採用する種々の変形例やその他の実施態様を構築し得る。上述の実施態様はあらゆる点で単なる例示としてのみみなされるべきものであり、限定的なものではない。
【0154】
それゆえ、本発明の範囲は、上記記述内容よりもむしろ添付の請求の範囲に示されている。したがって、本発明が個々の実施態様に関連して説明されてきたものの、構造、順序、材料その他の変更は、本発明の範囲内においてではあるが、当該技術分野の当業者にとって明らかであろう。
【0155】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明に係る位相器によれば、ハウジングおよびロータ間の回転を停止させまたは減速させるように、流体の流れからは独立してロック機構がハウジングおよびロータをロックするのを許容する少なくとも一つのバイパス通路を設けるようにしたので、チャンバ内でのベーンの移動を抑制でき、ロータ回転時に不快なノイズが発生するのを防止できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による位相器の概略構成図である。
【図2】CTA型のVCTシステムに使用される本発明の装置を示している。
【図3】OPA型のVCTシステムに使用される本発明の装置を示している。
【図4】図2の改良例を示している。
【図5】本発明の第1の改良実施態様を示している。
【図6】本発明の第2の改良実施態様を示している。
【図7】二つの通路がなく単一の通路のみを有する場合の実験データを示している。
【図8】二つの通路を有する場合の実験データを示している。
【図9】二つの通路がなく単一の通路のみを有する場合において、図7と異なるエンジン速度における同様の実験データを示している。
【図10】二つの通路を有する場合において、図8と異なるエンジン速度における同様の実験データを示している。
【符号の説明】
1: ハウジング
2: ロータ
4: バルブ
5: ベーン
6: 第1のチャンバ
7: 第2のチャンバ
12: 流路
13: 流路
30: バイパス通路
34: バイパス通路
36: バイパス通路

Claims (8)

  1. 相対回転可能なハウジング1およびロータ2を有する位相器であって、ハウジング1が、ロータ2のベーン5によって分割された少なくとも一つのキャビティを有し、ベーン5がキャビティを第1のチャンバ6および第2のチャンバ7に分割するとともに、前記位相器が、第1および第2のチャンバ6,7を接続し、キャビティ内でのベーン5の振動を容易にする流路12,13をさらに備えており、前記位相器が、
    a)第1および第2のチャンバ6,7間での流体の流れが生じるように、少なくとも二つの開口を形成するように配置されるとともに、少なくとも一つの
    開口が閉塞状態に保持されるように配置されたバルブ4と、
    b)ハウジング1およびロータ2間の回転を停止または減速させるように配置されるとともに、流体の流れから独立してロック機構がハウジング1およびロータ2をロックするのを許容する少なくとも一つのバイパス通路30,34,36と、
    を備えた位相器。
  2. 請求項1において、
    バイパス通路30,34,36がロータ2の内部に形成されている、
    ことを特徴とする位相器。
  3. 請求項1において、
    バイパス通路30,34,36が、第1および第2のチャンバ6,7を接続する通路12,13に関連して所定の距離32だけ隔てられて配置されている、
    ことを特徴とする位相器。
  4. 請求項1において、
    二つのバイパス通路30,34,36が各キャビティに設けられている、
    ことを特徴とする位相器。
  5. 相対回転可能なハウジング1およびロータ2を有する位相器であって、ハウジング1が、ロータ2に固定されたベーン5によって分割された少なくとも一つのキャビティを有し、ベーン5がキャビティを第1のチャンバ6および第2のチャンバ7に分割するとともに、前記位相器が、第1および第2のチャンバ6,7を接続し、キャビティ内でのベーン5の振動を容易にする流路12,13をさらに備えており、前記位相器の製造方法が
    a)第1および第2のチャンバ6,7間での流体の流れが生じるように、少なくとも二つの開口を形成するように配置されるとともに、少なくとも一つの開口が閉塞状態に保持されるように配置されたバルブ4を提供する工程と、
    b)ハウジング1およびロータ2間の回転を停止または減速させるように配置されるとともに、流体の流れから独立してロック機構がハウジング1およびロータ2をロックするのを許容する少なくとも一つのバイパス通路30,3
    4,36を提供する工程と、
    を備えた位相器の製造方法。
  6. 請求項5において、
    バイパス通路30,34,36がロータ2の内部に形成されている、
    ことを特徴とする位相器の製造方法。
  7. 請求項5において、
    バイパス通路30,34,36が、第1および第2のチャンバ6,7を接続する通路12,13に関連して所定の距離32だけ隔てて配置されている、
    ことを特徴とする位相器の製造方法。
  8. 請求項5において、
    二つのバイパス通路30,34,36が各キャビティに設けられている、
    ことを特徴とする位相器の製造方法。
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