JP2005207431A

JP2005207431A - 内燃機関のバルブタイミング制御装置

Info

Publication number: JP2005207431A
Application number: JP2005118004A
Authority: JP
Inventors: Hideshi Miyasaka; 英志宮坂
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2018-02-24
Also published as: JP4163700B2

Abstract

【課題】ロック解除初期における回転変動トルクによるベーンの振動を利用して、ロック機構の速やかなロック解除を図る。
【解決手段】タイミングプーリ１と相対回転可能なベーン３を、進角側油圧室３２と遅角側油圧室３３への相対的な油圧の給排により、正逆回転させてタイミングプーリとカムシャフト２との相対回転位相を変換させて、吸気弁の開閉時期を可変にする。前記ベーンとタイミングプーリとの相対回転を規制するロック機構のコイルスプリング３９のばね力を、ベーンに作用する正負の交番変動トルクの平均値よりも高くかつ最大変動トルクよりも低い油圧が受圧室４０に作用した際に、ロックピン３４を後退移動させる設定圧にした。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の吸気弁，排気弁の開閉時期を運転状態に応じて可変にするバルブタイミング制御装置に関する。

従来のバルブタイミング制御装置としては、以下の特許文献１に記載されたベーン式のものが知られている。

概略を説明すれば、このバルブタイミング制御装置は、前記開口端がフロントカバーとリアーカバーで閉塞されたタイミングスプロケットの筒状ハウジングの内部に、カムシャフトの端部に固定されたベーンが回転自在に収納されていると共に、ハウジングの内周面に直径方向から互いに内方へ突出されたほぼ台形状の４つの突状部とベーンの４つの羽根部との間に進角側油圧室と遅角側油圧室が画成されている。そして、機関運転状態に応じて前記進角側と遅角側の各油圧室に油圧が給排されてベーンを正逆回転させることによりタイミングプーリとカムシャフトとの相対回動位相を変化させて、吸気弁の開閉時期を可変にするようになっている。

また、前記１つの突状部とベーンに固定されたリアカバーとの間には、タイミングスプロケットとベーンとの相対回転を規制ロックあるいはロックを解除するロック機構が設けられている。このロック機構はタイミングスプロケットの一つの突状部内に貫通孔がカムシャフト軸方向に沿って形成され、この貫通孔内にロックピンが摺動自在に設けられていると共に、前記ベーンと一体に回転するリアカバーに貫通孔と連続した係止穴が形成されている。また、前記ロックピンは、外端側に弾装されたスプリングのばね力で係止穴側へ付勢されていると共に、前記係止穴の受圧部に供給される油圧によって係止穴から押し出されるようになっている。また、前記スプリングのばね力（付勢力）は、タイミングスプロケットとベーンとの相対回転が生じる時の前記油圧室内における流体圧と等しい流体圧が前記受圧部に作用した際にロックピンに生じる係止穴から抜け出す駆動力よりも小さく設定されている。

したがって、バルブの開閉タイミングの変更を行う際にロックピンが係止穴から抜け出してタイミングスプロケットとベーンとのロックが解除された後に、両者の相対回転が行われることになり、これによってロックピンの損傷等を防止できるようになっている。
特開平９−２８００１７号公報

ところで、一般に内燃機関のカムシャフトには、機関の作動中にバルブスプリングのばね力などに起因して図６に示すような、正及び負の交番変動トルクが発生していることが知られており、この交番変動トルクの正の変動トルクの最大ピーク値Ｐ１と、負の変動トルクの最大ピーク値Ｐ２を平均したものが、つまり図６の斜線に示す両者の面積５１，５２の平均値を交番変動トルクの平均値Ｐ３とされている。

そして、前記従来のバルブタイミング制御装置においてロックピンのロック解除初期の前記遅角側油圧室内の油圧、つまりベーンに作用する流体圧力と前記交番変動トルクとの関係を考察すると、前記ロック解除初期の時点には流体圧力が十分に高くなっていないためベーンは未だ回転していないことから該ベーンには前記交番変動トルクと該交番変動トルクの平均値Ｐ３に等しい流体圧力が作用していると考えられる。ところが、前記交番変動トルクの平均値Ｐ３と等しい流体圧力が交番変動トルクの正負の最大ピーク値Ｐ１，Ｐ２よりも低い圧力であるため、該交番変動トルクの値によっては、つまり相対回転させる流体圧力よりも変動トルクが平均値Ｐ３よりも大きくなっている場合は、前記流体圧力によってロックピンのロック解除がなされるや否やベーンが交番変動トルクに振動して、近接した前記各突状部の側面に打ち付けられて比較的大きな振動打音が発生するおそれがある。この結果、振動騒音の発生とベーン等の耐久性の低下を招来する。

本発明は、前記従来のバルブタイミング制御装置の技術的課題に鑑みて案出されたもので、請求項１記載の発明は、機関のクランクシャフトによって回転駆動する回転体と、該回転体と相対回動可能なカムシャフトと、該カムシャフトの端部に固定されて、前記回転体のハウジング内を摺動回転するベーンと、前記ハウジングの一端開口を閉塞する蓋体と、前記ハウジングの内周面に内方へ突設された複数の隔壁部と、該隔壁部と前記ベーンの両側面との間に画成された遅角側油圧室及び進角側油圧室と、該両油圧室に相対的に油圧を給排して前記ベーンを正逆回転させる油圧回路と、前記各油圧室にそれぞれ接続された油圧回路の２系統の油圧通路を機関運転状態に応じて切り替え制御する制御弁と、前記油圧回路を介して供給された油圧によって回転体とベーンとの相対回転をロックあるいはロックを解除するロック機構とを備えたバルブタイミング制御装置において、前記ロック機構は、機関始動時における前記ベーンに作用する正負の回転変動トルクの平均値から最大トルク値までの範囲内のトルク値に等しい油圧が作用したときにロックを解除するようにしたことを特徴としている。

図１〜図３は本発明に係る内燃機関のバルブタイミング制御装置の第１の実施形態を示し、吸気弁側に適用したものを示している。

すなわち、機関の図外のクランクシャフトによりタイミングベルトを介して回転駆動される回転体たるタイミングプーリ１と、該タイミングプーリ１に対して相対回動可能に設けられたカムシャフト２と、該カムシャフト２の端部に固定されてタイミングプーリ１内に回転自在に収容されたベーン３と、該ベーン３を油圧によって正逆回転させる油圧回路とを備えている。

前記タイミングプーリ１は、図３にも示すように、外周にタイミングベルトが噛合する歯部５ａを有する回転部材５と、該回転部材５の前方に配置されてベーン３を回転自在に収容したハウジング６と、該ハウジング６の前端開口を閉塞する蓋体たる円板状のフロントカバー７と、ハウジング６と回転部材５との間に配置されてハウジング６の後端開口を閉塞するほぼ円板状のリアカバー８とから構成され、これら回転部材５とハウジング６及びフロントカバー７，リアカバー８は、４本の小径ボルト９によって軸方向から一体的に結合されている。

前記回転部材５は、ほぼ円環状を呈し、周方向の約９０°の等間隔位置に各小径ボルト９が螺着する４つの雌ねじ孔１０が前後方向へ貫通形成されていると共に、内部中央位置に後述する通路構成用のスリーブ２５が嵌合する段差径状の嵌合孔１１が貫通形成されている。さらに、前端面には、前記リアカバー８が嵌合する円板状の嵌合溝１２が形成されていと共に、嵌合溝１２の外周側所定位置に係合溝２０が形成されている。

また、前記ハウジング６は、前後両端が開口形成された円筒状を呈し、内周面の周方向の９０°位置には４つの隔壁部１３が突設されている。この隔壁部１３は、横断面台形状を呈し、それぞれハウジング６の軸方向に沿って設けられて、各両端縁がハウジング６の両端縁と同一面になっていると共に、基端側には、小径ボルト９が挿通する４つのボルト挿通孔１４が軸方向へ貫通形成されている。さらに、各隔壁部１３の内端面中央位置に軸方向に沿って切欠形成された保持溝１３ａ内にコ字形のシール部材１５と該シール部材１５を内方へ押圧する板ばね１６が嵌合保持されている。

さらに、前記フロントカバー７は、中央に比較的大径なボルト挿通孔１７が穿設されていると共に、前記ハウジング６の各ボルト挿通孔１４と対応する位置に４つのボルト孔１８が穿設されている。

また、リアカバー８は、後端面に前記回転部材５の嵌合溝１２内に嵌合保持される円板部８ａを有していると共に、中央にスリーブ２５の小径な円環部２５ａが嵌入する嵌入孔８ｃが穿設され、さらに前記ボルト挿通孔１４に対応する位置に４つのボルト孔１９が同じく形成されている。また、リアカバー８の前記係合溝２０に対応する位置に内周面がテーパ状の係合孔２１が貫通形成されている。

前記カムシャフト２は、シリンダヘッド２２の上端部にカム軸受２３を介して回転自在に支持され、外周面所定位置に吸気弁をバルブリフターを介して開作動させる図外のカムが一体に設けられていると共に、前端部にはフランジ部２４が一体に設けられている。

前記べーン３は、焼結合金材で一体に形成され、フランジ部２４と嵌合孔１１に夫々前後部が嵌合した前記スリーブ２５を介して軸方向から挿通した固定ボルト２６によってカムシャフト２の前端部に固定されており、中央に前記固定ボルト２６が挿通するボルト挿通孔２７ａを有する円環状の基部２７と、該基部２７の外周面の周方向の９０°位置に一体に設けられた４つの羽根部２８とを備えている。

前記各羽根部２８は、夫々長方体形状を呈し、各隔壁部１３間に配置されていると共に、各外周面の中央に軸方向に切欠された保持溝２９にハウジング６の内周面６ａに摺接するコ字形のシール部材３０と該シール部材３０を外方に押圧する板ばね３１が夫々嵌着保持されている。また、この各羽根部２８の両側と各隔壁部１３の両側面との間に夫々４つの進角側油圧室３２と遅角側油圧室３３が隔成されている。また、１つの羽根部２８には、前記リアプレート８の係合穴２１に対応した位置に摺動用孔３５が軸方向に沿って貫通形成されていると共に、側部に前記遅角側油圧室３３と摺動用孔３５を連通する通孔３６がほぼ周方向に沿って穿設されている。

さらに、１つの羽根部２８の前記摺動用孔３５には、ロックピン３４が摺動自在に設けられている。このロックピン３４は、図１，図４，図５に示すように中央側の中径状の本体３４ａと、該本体３４ａの先端側にほぼ先細り円錐状に形成された係合部３４ｂと、本体３４ａの後端側に形成された段差大径状のストッパ部３４ｃとから構成されている。また、このストッパ３４ｃと本体３４ａとの間の外周面及び摺動用孔３５の内周面との間に、受圧室４０が形成されていると共に、ストッパ部３４ｃの外端面とフロントカバー７の内端面との間に、ロックピン３４を係合穴２１方向へ付勢するばね部材たるコイルスプリング３９が弾装されており、ロックピン３４の係合部３４ｂは、ベーン３の最大遅角側の回動位置において係合部３４ｂが係合穴２１内に係入するようになっている。

このとき、４枚のベーン３〜３のうちの１枚のベーン３を、これに対向する隔壁部１３に当接させ、他のベーン３とこれに対向するそれぞれの隔壁部１３との間を微小隙間ｓをもって離間状態となるように、ロックピン３４とその係合穴２１との相対的な位置関係が設定されている。ここで、微小隙間ｓは、平均トルクや摺動フリクション及びベーン３の大きさによって決定されるようになっている。

したがって、他のベーン３と隔壁部１３との張り付きが防止されて、回転時の応答性を向上させることができる。

尚、４枚のベーン３の全てを離間状態に設定することも可能である。

前記受圧室４０は、前記通孔３６を介して遅角側油圧室３３に連通し、該遅角側油圧室３３から導入された油圧によってロックピン３４をコイルスプリング３９のばね力に抗して図中左方向、つまり係合部３４ｂを係止穴２１から抜け出す後退方向へ作動させるようになっている。

一方、コイルスプリング３９は、そのばね力が機関作動中にカムシャフト２及びベーン３に発生する正負の交番変動トルクと前記受圧室４０に供給される油圧との関係で設定されている。すなわち、コイルスプリング３９のばね力は、図６に示したように、正の変動トルクの最大ピーク値Ｐ１と負の変動トルクの最大ピーク値Ｐ２の平均値Ｐ３よりも高い油圧が受圧室４０に作用した場合、つまり、平均値Ｐ３から正あるいは負の最大ピーク値Ｐ１，Ｐ２までの範囲内のトルク値に等しい油圧が作用したときにはじめて圧縮変形するばね力に設定されている。このコイルスプリング３９のばね力（ばね荷重）は、具体的には、以下の式によって設定されている。すなわち、
ロックピンを動かす力Ｆは
Ｆ＝ＰＳ
油圧による発生トルクＴｐは
Ｔｐ＝ηＰＢｎ（Ｒ１²−Ｒ２²）／８
よってトルクＴに相当する油圧Ｐｐは
Ｐｐ＝８Ｔ／ηＢｎ（Ｒ１²−Ｒ２²）
一方、油圧室の総体積は
Ｖ＝ｎＢα（Ｒ１²−Ｒ２²）／８
∴Ｐｐ＝Ｔα／ηＶ
∴Ｆ＝ＴαＳ／ηＶ
平均変動トルクをＴ１、ピークトルクをＴ２とすれば、ロックピンのコイルスプリングの荷重Ｆｓｐは
Ｔ１αＳ／ηＶ≦Ｆｓｐ≦Ｔ２αＳ／ηＶ
に設定すればよい。

ここで、Ｐ：油圧、Ｓ：ロックピンの受圧面積、η：機構の機械効率、ｎ：ベーン羽の数、Ｂ：ベーンの長さ、Ｒ１：ベーン羽外径、Ｒ２：ベーン軸外径、α：最大変換角
そして、これら摺動用孔３５、係合穴２１、ロックピン３４、コイルスプリング３９、受圧室４０によってロック機構が構成されている。尚、図中６０はロックピン３４が後退移動する際の空気抜き用の溝であり、フロントカバー７のボルト挿通孔１７に連通されている。

前記油圧回路４は、図１〜図３に示すように進角側油圧室３２に対して油圧を給排する第１油圧通路４１と、遅角側油圧室３３に対して油圧を給排する第２油圧通路４２との２系統の油圧通路を有し、この両油圧通路４１，４２には、供給通路４３とドレン通路４４とが夫々通路切替用の電磁切替弁４５を介して接続されている。前記供給通路４３には、オイルパン４６内の油を圧送するオイルポンプ４７が設けられている一方、ドレン通路４４の下流端がオイルパン４６に連通している。

前記第１油圧通路４１は、シリンダヘッド２２内からカムシャフト２の軸心内部に形成された第１通路部４１ａと、固定ボルト２６の内部軸線方向を通って頭部２６ａ内で分岐形成されて第１通路部４１ａと連通する第１油路４１ｂと、該頭部２６ａの小径な外周面とベーン３の基部２７内のボルト挿通孔２７ａの内周面との間に形成されて第１油路４１ｂに連通する油室４１ｃと、ベーン３の基部２７内にほぼ放射状に形成されて油室４１ｃと各進角側油圧室３２に連通する４本の分岐路４１ｄとから構成されている。

一方、第２油圧通路４２は、シリンダヘッド２２内及びカムシャフト２の内部一側に形成された第２通路部４２ａと、前記スリーブ２５の内部にほぼＬ字形状に折曲形成されて第２通路部４２ａと連通する第２油路４２ｂと、回転部材５の嵌合孔１１の外周側孔縁に形成されて第２油路４２ｂと連通する４つの油通路溝４２ｃと、リアカバー８の周方向の約９０°の位置に形成されて、各油通路溝４２ｃと遅角側油圧室３３とを連通する４つの油孔４２ｄとから構成されている。

前記電磁切替弁４５は、４ポート２位置型であって、内部の弁体が各油圧通路４１，４２と供給通路４３及びドレン通路４４とを相対的に切り替え制御するようになっていると共に、コントローラ４８からの制御信号によって切り替え作動されるようになっている。コントローラ４８は、機関回転数を検出するクランク角センサや吸入空気量を検出するエアフローメータからの信号によって現在の運転状態を検出すると共に、クランク角及びカム角センサからの信号によってタイミングプーリ１とカムシャフト２との相対回動位置を検出している。

以下、本実施形態の作用を説明する。まず、機関始動時及びアイドリング運転時には、コントローラ４８から制御信号が出力された電磁切替弁４８が供給通路４３と第２油圧通路４２を連通させると共に、ドレン通路４４と第１油圧通路４１とを連通させる。このため、オイルポンプ４７から圧送された油圧は第２油圧通路４２（油通路溝４２ｃ→油孔４２ｄ）を通って遅角側油圧室３３に供給される一方、進角側油圧室３２には、機関停止時と同じく油圧が供給されず低圧状態を維持している。したがって、ベーン３は、図２に示すように各羽根部２８が進角側油圧室３２側の各隔壁部１３の一側面に当接した状態になる。したがって、タイミングプーリ１とカムシャフト２との相対回動位置から一方側（遅角側）に保持されて、吸気弁の開閉時期を遅角側に制御する。これによって、慣性吸気の利用による燃焼効率が向上して機関回転の安定化と燃費の向上が図れる。

一方、この運転状態における遅角側油圧室３３内の油圧は、今まだ十分に高くならずに比較的低い状態になっているため、ベーン３は図示の位置に保持されるもののロックピン３４は、図５に示すように、通孔３６から受圧室４０へ供給される油圧よりもコイルスプリング３９のばね力が打ち勝って係合部３４ａがリアプレート８の係合穴２１内に係合した状態を維持する。したがって、ベーン３は、当該遅角側の位置に安定かつ確実に保持されて、遅角側油圧室３３内の油圧の変動やカムシャフト２に発生する正負の変動トルクによる揺動振動の発生を防止でき、ひいては、ベーン３と隔壁部１３との衝突音を防止できる。

また、車両が走行を開始して所定の低回転低負荷域に移行すると、電磁切替弁４５は現状の作動状態を維持し、遅角側油圧室３３内の油圧が高くなると、つまり変動トルクの平均値Ｐ３よりも大きな油圧になると、同じく受圧室４０内の油圧も高くなってロックピン３４はコイルスプリング３９を圧縮変形させながらばね力に抗して後退動し、係合部３４ａが係合穴２１から抜け出して係合が解除される。このため、ベーン３は、自由な回動が許容されることになるが、遅角側油圧室３３内の油圧が高くなっているので、図２に示す位置に安定に保持される。

その後、機関が中回転中負荷域に移行すると、コントローラ４８からの制御信号によって電磁切替弁４５が作動して、供給通路４３と第１油圧通路４１を連通させる一方、ドレン通路４４と第２油圧通路４２を連通させる。したがって、今度は遅角側油圧室３３内の油圧が第２油圧通路４２を通ってドレン通路４４からオイルパン４６内に戻されて遅角側油圧室３３内が低圧になる一方、進角側油圧室３２内に油圧が第１油路４１ａ→４１ｂ→分岐路４１ｄを経由して供給されて高圧となる。このため、ベーン３は図２に示す位置から時計方向に回転して各羽根部２８が反対側（遅角側油圧室側）の各隔壁部１３の他側面に当接する位置まで最大に回転する。尚、この遅角側から進角側へ切り換えられた時点では、遅角側油圧室３３の油圧が排出されて低圧になるものの、ベーン３の回転に伴って該遅角側油圧室３３内の油圧が押圧されて該油圧も比較的高くなっているため、受圧室４０内も高油圧に維持され、したがって、ロックピン３４は、図４に示すように、コイルスプリング３９のばね力に抗して後退位置に保持された状態になっている。したがって、ベーン３は、自由な回転が規制されることなく、遅角側油圧室３３方向へ速やかに回転する。

したがって、タイミングプーリ１とカムシャフト２とは、他方側へ相対回動して吸気弁の開閉時期を進角側へ制御する。これによって、機関のポンプ損失が低減して出力の向上が図れる。

さらに、機関高回転高負荷域に移行すると、電磁切替弁４５が作動してアイドリングなどと同じように供給通路４３と第２油圧通路４２，ドレン通路４４と第１油圧通路４１とを夫々連通させて、進角側油圧室３２を低圧、遅角側油圧室３３を高圧にするため、ベーン３は、図２に示すように反時計方向へ回動して、タイミングプーリ１とカムシャフト２とを一方側へ相対回動させ、吸気弁の開閉時期を遅角側へ制御する。これによって、吸気充填効率の向上による出力の向上が図れる。

尚、機関停止時には、アイドリング運転等を経るためベーン３は、進角側油圧室３２方向へ回転して図２に示す状態となり、ロックピン３４の係合部３４ｂがコイルスプリング３９のばね力で係合孔２１に係合する。また、万一アイドリング運転等を経ないで機関が停止しても、カムシャフト２に発生する変動トルクによりベーン３が進角側油圧室３２方向へ回動して、ロックピン３４が係合穴２１に係合する。

また、各油圧室３２，３３には、機関の運転状態に応じて油圧を適宜給排することによりベーン３を所望の中間位置に保持することも可能である。

このように、本実施形態によれば、各油圧室３２，３３への油圧の給排制御によって吸気弁の開閉時期を可変制御できることは勿論のこと、ロック機構のコイルスプリング３９のばね力を前述のように特異な設定値としたため、ロック解除初期における変動トルクによるベーン３の振動が抑制されて、隔壁部１３との振動打音の発生が防止されると共に、ベーン３等の耐久性の向上が図れる。

本発明は前記実施形態の構成に限定されるものではなく、例えばロック機構の受圧室４０に供給される油圧を遅角側油圧室３３からではなく、これらとは独立した油圧回路を利用することも可能である。

本発明の第１の実施形態を示す図２のＡ−Ａ線断面図。図１のＢ−Ｂ線断面図。本実施形態の分解斜視図。ロック機構のロック状態を示す断面図。ロック機構のロック解除状態を示す断面図。カムシャフトに発生する交番変動トルクの特性図。

符号の説明

１…タイミングプーリ（回転体）
２…カムシャフト
３…ベーン
３ａ，３ｂ…端面
４…油圧回路
５…回転部材
６…ハウジング
６ａ…内周面
７…フロントカバー
７ａ…内端面
８…リアカバー
８ｂ…内端面
１３…隔壁部
２１…係合穴
２７…基部
２８…羽根部
３２…進角側油圧室
３３…遅角側油圧室
３４…ロックピン
３５…摺動用孔
３９…コイルスプリング（ばね部材）
４０…受圧室

Claims

機関のクランクシャフトによって回転駆動する回転体と、
該回転体と相対回動可能なカムシャフトと、
該カムシャフトの端部に固定されて、前記回転体のハウジング内を摺動回転するベーンと、
前記ハウジングの一端開口を閉塞する蓋体と、
前記ハウジングの内周面に内方へ突設された複数の隔壁部と、
該隔壁部と前記ベーンの両側面との間に画成された遅角側油圧室及び進角側油圧室と、
該両油圧室に相対的に油圧を給排して前記ベーンを正逆回転させる油圧回路と、
前記各油圧室にそれぞれ接続された油圧回路の２系統の油圧通路を機関運転状態に応じて切り替え制御する制御弁と、
前記油圧回路を介して供給された油圧によって前記回転体とベーンとの相対回転をロックあるいはロックを解除するロック機構とを備えたバルブタイミング制御装置において、
前記ロック機構は、機関始動時における前記ベーンに作用する正負の回転変動トルクの平均値から最大トルク値までの範囲内のトルク値に等しい油圧が作用したときにロックを解除するようにしたことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。