JP2005226645A - クランク軸の角度調節装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 クランク軸とカム軸との間の角度関係を調節する、内燃機関のクランク軸の角度調節装置および方法を提供する。
【解決手段】 クランク軸（８０）とカム軸（５０）との間の角度関係を調節するための駆動装置を備えた位相調節装置を有する内燃機関のクランク軸（８０）の角度調節装置において、カム軸（５０）の範囲内に、カム軸（５０）を固定するための固定装置（９０）が配置されている。その角度調節方法において、カム軸（５０）が固定されるとき、前記位相調節装置の前記駆動装置が作動される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、クランク軸とカム軸との間の角度関係を調節するための駆動装置を備えた位相調節装置を有する内燃機関のクランク軸（８０）の角度調節装置および方法に関するものである。

例えば、信号器の手前における停止時間が比較的長い場合、内燃機関の燃料消費量を低減させるために、特に内燃機関の停止が行われる。この停止は、ドライバにより手動で変換可能であるのみならず、いわゆる始動／停止運転により機械式および電子式にも変換可能である。始動／停止運転において頻繁に行われる内燃機関の停止および始動により、内燃機関の起動装置ないしスタータに著しく負荷がかけられる。この負荷を回避するために、直接噴射ガソリン・エンジンを直接始動させることが考慮される。しかしながら、四気筒エンジンの直接始動は各クランク軸位置からは可能ではない。例えば、全てのシリンダが上死点または下死点に位置する場合、直接始動は可能ではない。クランク軸およびそれに対応してシリンダを好ましい位置に移動させるために、典型的には調節モータ、例えば起動装置またはスタータ・ジェネレータが必要とされる。エンジンの始動のために、シリンダは好ましい位置に移動され且つ停止エンジンにおいて燃料が噴射され、混合物の形成が十分に行われた後に点火が行われ且つそれに続く燃焼によりシリンダが動かされる。このとき、起動装置による他のアシストなしにエンジン起動が自力で行われる。

ドイツ特許公開第１００２４４３８号から、内燃機関の始動過程において、例えばスタータ・ジェネレータによりクランク軸を始動位置に移動させることが既知である。このようなスタータ・ジェネレータは、切換伝動装置を用いて内燃機関のクランク軸と結合されていることが好ましい。いわゆる始動／停止運転における高温始動においては、停止過程の開始と共にクランク軸がスタータ・ジェネレータの揺動により始動位置に移動される。低温始動においては、クランク軸はスタータ・ジェネレータによってのみ低温始動に割り当てられている始動位置に回転される。

さらに、内燃機関の経済運転のために、カム軸の位相調節による弁制御時間の可変設定が行われている。このような可変カム軸調節装置ないし位相調節装置は、既に多くの自動車において標準装備となっている。吸気弁および／または排気弁の制御時間を調節するために、カム軸とクランク軸との間の位相がシフトされ、即ちカム軸およびクランク軸は相互に相対的に回転される。カム軸の通常の回転角は、１０°−２５°ＮＷの範囲内にあるが、原理的にはこれ以上の値が使用されてもよい。回転は典型的には油圧によりまたは電気駆動装置を介して行われる。

ドイツ特許公開第１０１０２２０８６号から、例えば電気駆動装置によるカム軸調節が既知である。調節伝動装置は、三軸伝動装置として形成され且つ駆動軸、被駆動軸および調節軸と結合されている。駆動軸は、例えば電動歯車および歯付ベルトを介してクランク軸と固定結合されている。被駆動軸は、カム軸と、調節モータを有する調節軸と固定結合されている。

本発明の課題は、クランク軸とカム軸との間の角度関係を調節する、内燃機関のクランク軸の角度調節装置および方法を提供することである。

本発明によれば、クランク軸とカム軸との間の角度関係を調節するための駆動装置を備えた位相調節装置を有する内燃機関のクランク軸の角度調節装置において、カム軸の範囲内に、カム軸を固定するための固定装置が配置されている。

また、本発明によれば、クランク軸とカム軸との間の角度関係を調節するための駆動装置を備えた位相調節装置を有する内燃機関のクランク軸の角度調節方法において、カム軸が固定されるとき、位相調節装置の駆動装置が作動される。

本発明による装置および方法は、従来技術に比較して、可変カム軸調節を有する内燃機関において、位相調節が、弁時間の制御のためのみならず、クランク軸の角度ないし角度位置／角度姿勢を調節するためにも利用されるという利点を有している。位相調節によるクランク軸の調節は、カム軸の範囲内に、カム軸を固定するための固定装置が配置されていることにより可能となることが有利である。固定装置によりカム軸が固定可能であるので、カム軸の回転運動が阻止され且つ位相の調節においてカム軸の角度位置は変化せず、クランク軸の角度位置が変化するという利点がある。

本発明は更に、有利な改良および改善が可能である。
位相調節装置に対して、油圧装置ではなく電気駆動装置が設けられているので、油圧が存在しないときおよび内燃機関の停止時においても、クランク軸とカム軸との間の位相を操作可能であることが有利である。

他の有利な実施形態により、位相調節装置が油圧駆動装置を備えている。これは、油圧駆動装置に基づく多数の位相調節装置がクランク軸の調節に対しても利用可能であるという特定の利点を有している。特に、内燃機関の停止時になお存在する油圧がカム軸とクランク軸との間の位相を調節するために利用可能である。

油圧駆動装置を有する位相調節装置に対して電動油圧ポンプを設け、これにより、好ましくは内燃機関により駆動される、例えば機械式油圧装置とは独立に油圧が利用可能であることが特に有利である。即ち、当然内燃機関の油圧がもはや存在しない、例えば内燃機関の長時間停止のような内燃機関の運転条件においても、油圧装置により位相調節を操作可能である。即ち、クランク軸とカム軸との間の角度関係を調節するために、内燃機関の停止後の制限された時間区間が利用可能であるのみならず、内燃機関の長時間停止後においてもクランク軸の調節が実行可能であることが有利である。

クランク軸を、位相、即ちクランク軸とカム軸との間の角度関係の調節により、内燃機関の直接始動を可能にする位置に移動させることが特に有利である。このような方法は、特に直接噴射ガソリン・エンジンにおいて、例えば起動装置またはスタータ・ジェネレータのような追加装置が必要とされることなく直接始動を可能にするという利点を有している。

他の好ましい実施形態により、はじめにエンジン始動が存在するかないし希望されているかどうかが検査されることによって内燃機関が始動される。次に、同様に、クランク軸ないしシリンダが直接始動のために好ましい位置に存在するかどうかが検査される。好ましい位置に存在するとき、他の設定なしに直接始動が実行可能である。クランク軸が直接始動のために好ましくない位置にあるとき、カム軸が固定され、およびクランク軸ないしシリンダが、直接始動のために好ましい位置に到達するまで、クランク軸とカム軸との間の位相が調節され、その後に直接始動が実行可能である。

他の好ましい実施形態により、内燃機関の停止後に、直接始動のために、好ましくないクランク軸位置が存在するかどうかが検査される。好ましくないクランク軸位置が存在するとき、カム軸が固定され、クランク軸が、直接始動のために好ましい位置に到達するまで、クランク軸とカム軸との間の角度関係が調節される。その後に、カム軸の固定が再び解放され、クランク軸とカム軸との間の角度関係が元の角度関係にリセットされるか、または直接始動のために適切な角度関係に設定される。これは、内燃機関の始動時に既に好ましい始動条件が存在し且つ直接始動が直ちにまたはクランク軸位置のより少ない補正後に実行可能であるという特定の利点を有している。

他の好ましい実施形態においては、エンジンの停止時にクランク軸が予め好ましい位置に移動される。これは、内燃機関の停止時に既にクランク軸が直接始動のために好ましい位置に存在し、始動希望が存在したときに内燃機関が直接始動により直接始動可能であるという特定の利点を有している。

図示されている本発明の実施例に関する以下の説明から、本発明のその他の特徴、利用可能性および利点が得られる。この場合、説明または図示されている全ての特徴は、それ自身または任意の組み合わせで、特許請求の範囲内におけるその要約またはその引用とは無関係に、並びに明細書ないし図面内におけるその形式ないし図示とは無関係に、本発明の対象を形成する。

図１は、本発明による装置を、例として電動の位相調節装置により示し、この場合、選択された位相調節装置は、単に本発明による方法の原理的説明のためであり、選択された実施例に限定されるものではない。

図示の位相調節装置の中心要素は三軸伝動装置４０を形成し、三軸伝動装置４０の被駆動軸はカム軸５０を形成し、三軸伝動装置４０の調節軸２０は、駆動装置、即ち調節モータ１０と結合されている。駆動歯車３０および歯付ベルト６０を介して、三軸伝動装置４０はクランク軸８０の歯車７０と結合されている。更に、本発明による位相調節装置のために、カム軸５０の範囲内に固定装置９０が設けられている。

内燃機関の正常運転の間に、三軸伝動装置４０は、三軸伝動装置４０の駆動歯車３０とカム軸５０との間の角度関係が調節モータ１０によって調節されることにより、クランク軸８０とカム軸５０との間の位相位置の変化を可能にする。

本発明によるクランク軸８０の調節操作の間に、固定装置９０によりカム軸５０の回転運動を阻止するように設計されている。固定装置９０によってカム軸５０を固定することにより、調節モータ１０の操作において、カム軸５０それ自体は回転運動を行うことなく、駆動歯車３０がカム軸５０に対して相対角度位置内において運動することが達成される。駆動歯車３０は歯付ベルト６０を介してクランク軸８０の歯車７０と固定結合されているので、駆動歯車３０のこのような回転はクランク軸８０の回転運動をも形成する。カム軸５０およびクランク軸８０は典型的には１：２の変速比を有しているので、クランク軸８０はカム軸５０に対して同時に２倍の角度範囲を移動し、したがって、例えば２０°のカム軸５０の調節はクランク軸を４０°調節する。

固定装置は、ブレーキとして、特に電気ブレーキとして形成されていることが好ましく、これにより、ブレーキはエンジン始動時に急速に解放可能である。他の固定装置として、バンド・ブレーキまたはトルク制限器のような機構が考えられる。最後に、当該固定装置は、カム軸５０における摩擦力がクランク軸８０における摩擦力より大きいことを保証しなければならず、これにより、カム軸調節操作において、クランク軸８０は回転するがカム軸５０は固定されたままである。更に、本発明による方法の実行の間に固定装置の作動のために十分に高い油圧の存在が保証されているかぎり、油圧作動の固定装置を設けることもまた考えられる。

カム軸位相調節の選択もまたこの実施例に限定されるものではない。即ち、本発明により、他の位相調節装置を使用することもまた当然考えられる。特に、内燃機関の停止時においてもカム軸の調節のために十分に高い油圧が利用可能であることが保証されているかぎり、油圧位相調節装置の使用もまた考えられる。例えば、追加の電動圧力ポンプが油圧回路内に存在することにより、または油圧回路内になお十分に高い圧力が存在するかぎりにおいて内燃機関の停止直後にクランク軸が調節されることにより、これが保証可能である。

図２に、本発明の方法による内燃機関の直接始動のフローが示されている。ステップ１００において、エンジン始動に対する要求が存在するかどうかが検査される。このような要求が存在しない場合、プログラムはステップ２００において終了される。エンジン始動要求が存在するとき、ステップ１１０において、直接始動のために、好ましくないクランク軸８０の角度位置が存在するかどうかが検査される。好ましいクランク軸８０の角度位置が存在するとき、プログラムは直接ステップ４００に分岐され、且つ他のクランク軸調節なしに直接始動が実行される。好ましくないクランク軸８０の角度位置が存在するとき、ステップ１２０において、カム軸５０が固定装置９０により固定され、ステップ１３０において、カム軸位相調節操作により、クランク軸８０は直接始動のために好ましい位置に移動される。その後に、ステップ１４０において、固定装置９０が解放される。それに続くステップ１５０において、クランク軸８０とカム軸５０との間の角度関係が元の角度関係に、即ちステップ１００の検査において存在した角度関係にリセットされるか、または直接始動のために適切な角度関係に設定される。それに続いて、ステップ４００において、直接始動が実行される。

図３に、内燃機関の直接始動が直接行われないときの本発明による方法のフローが示されている。ステップ５１０において、内燃機関の停止後に、即ち停止直後またはより遅い時点に、直接始動のために、好ましくないクランク軸８０の角度位置が存在するかどうかが検査される。好ましいクランク軸８０の角度位置が存在するとき、以後本方法は終了される。しかしながら、好ましくないクランク軸８０の角度位置が存在するとき、ステップ５２０において、カム軸５０が固定装置９０により固定され、ステップ５３０において、クランク軸８０が直接始動のために好ましい位置に到達するまで、クランク軸８０とカム軸５０との間の角度関係が調節される。その後に、ステップ５４０において、カム軸５０の固定が解放される。それに続くステップ５５０において、クランク軸８０とカム軸５０との間の角度関係が元の角度関係に、即ちステップ５１０の検査において存在した角度関係にリセットされるか、または直接始動のために適切な角度関係に設定される。

上記の方法ステップは、例えば、制御装置に、特にエンジン制御装置、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）またはフラッシュ・メモリ内に、内燃機関の直接始動方法として記憶されていてもよい。この方法は特に、マイクロ・プロセッサで実行可能であり且つこの方法の実行のために適しているプログラムとして記憶されていてもよい。

他の実施例においては、内燃機関に、クランク軸８０とカム軸５０との間の角度関係を調節するための駆動装置を備えた位相調節装置が設けられ、この位相調節装置においては、本発明により、カム軸５０の範囲内にカム軸５０を固定するための固定装置９０が設けられている。

更に、内燃機関の停止直後に、クランク軸を直接始動のために適切な位置に移動させる方法が存在する。このような方法は、特に油圧作動位相調節のために使用されている。油圧は内燃機関の停止後に確かに連続的に低下するが、油圧は、ある時間区間の間は、カム軸５０とクランク軸８０との間の角度関係を調節するのに十分高い値を有している。更に、利用可能な油圧を固定装置の作動のためにも利用することが考えられる。このような方法により、位相調節のために電気部品を省略可能であることが有利である。

更に、電気作動位相調節に対してもまた、内燃機関の停止時に、クランク軸８０を予め直接始動のために好ましい位置に移動させることが有利である。即ち、例えば、クランク軸８０が少なくとも直接始動のために好ましい位置の付近に到達するように、クランク軸８０が、固有の固定装置により、またはカム軸５０の固定装置９０により、内燃機関の停止時における惰性停止過程内においてブレーキ作動されてもよい。即ち、クランク軸８０の停止時に、場合によっては、好ましい位置決めのために回転運動が必要ないか、または僅かな回転運動が必要とされるにすぎない。このような方法は同様に油圧位相調節に対しても実行可能であることは明らかである。

本発明によるクランク軸の調節のために、吸気カム軸が位相調節されるかまたは排気カム軸が位相調節されるかは問題外であり、両方のカム軸を同じように調節することもまた考えられることを注記しておく。

原理的に、本発明による方法のための位相調節は、任意のクランク軸位置に対して、直接始動のために好ましいクランク軸位置が常に達成可能なように最適化されるべきである。このようなクランク軸位置は、典型的には、当該シリンダに対して点火上死点とそれに続く下死点との間に存在する。

更に、本発明による方法を、内燃機関の直接始動のために利用するのみならず、クランク軸をその角度姿勢において変化させることが必要となるあらゆる適用例に対してもまた利用することが考えられる。

本発明による位相調節装置の原理図である。 本発明による方法の流れ図である。 直接始動が直接行われないときの本発明による方法の流れ図である。

符号の説明

１０ 調節モータ
２０ 調節軸
３０ 駆動歯車
４０ 三軸伝動装置
５０ カム軸
６０ 歯付ベルト
７０ 歯車
８０ クランク軸
９０ 固定装置

Claims (10)

1. クランク軸（８０）とカム軸（５０）との間の角度関係を調節するための駆動装置を備えた位相調節装置を有する内燃機関のクランク軸（８０）の角度調節装置において、
   カム軸（５０）の範囲内に、カム軸（５０）を固定するための固定装置（９０）が配置されていることを特徴とするクランク軸の角度調節装置。
2. 前記位相調節装置が、電気駆動装置を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記位相調節装置が、油圧駆動装置を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記位相調節装置が、電動油圧ポンプを含むことを特徴とする請求項１または３に記載の装置。
5. クランク軸（８０）とカム軸（５０）との間の角度関係を調節するための駆動装置を備えた位相調節装置を有する内燃機関のクランク軸（８０）の角度調節方法において、
   カム軸（５０）が固定されるとき、前記位相調節装置の前記駆動装置が作動されることを特徴とするクランク軸の角度調節方法。
6. クランク軸（８０）が、クランク軸（８０）とカム軸（５０）との間の角度関係の調節により、内燃機関の直接始動を可能にする位置に移動されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. エンジン始動が要求されているかどうかを検査するステップ（１００）と、
   直接始動のために、好ましくないクランク軸位置が存在するかどうかを検査するステップ（１１０）と、
   エンジン始動要求および好ましくないクランク軸位置が存在するとき、カム軸が固定されるステップ（１２０）と、
   クランク軸が直接始動のために好ましい位置に到達するまで、クランク軸とカム軸との間の角度関係が調節されるステップ（１３０）と、
   カム軸の固定が解放されるステップ（１４０）と、
   クランク軸とカム軸との間の角度関係が元の角度関係にリセットされるか、または直接始動のために適切な角度関係に設定されるステップ（１５０）と、
   直接始動を実行するステップ（４００）と、
   を有する請求項５または６のいずれかに記載の方法。
8. クランク軸（８０）の角度調節が、エンジンの停止後に行われることを特徴とする請求項５または６のいずれかに記載の方法。
9. エンジンの停止後に、直接始動のために、好ましくないクランク軸位置が存在するかどうかが検査されるステップ（５１０）と、
   好ましくないクランク軸位置が存在するとき、カム軸が固定されるステップ（５２０）と、
   クランク軸が直接始動のために好ましい位置に到達するまで、クランク軸とカム軸との間の角度関係が調節されるステップ（５３０）と、
   カム軸の固定が解放されるステップ（５４０）と、
   クランク軸とカム軸との間の角度関係が元の角度関係にリセットされるか、または直接始動のために適切な角度関係に設定されるステップ（５５０）と、
   を有する請求項５、６および８のいずれかに記載の方法。
10. クランク軸（８０）とカム軸（５０）との間の角度関係を調節する装置を有する内燃機関において、
    カム軸（５０）の範囲内に、カム軸（５０）を固定するための固定装置（９０）が配置されていることを特徴とする内燃機関。

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