JP2005344724A - カム軸の回動角度を調節するための制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関のクランク軸の回動角度に対してカム軸の回動角度を調節するための制御装置であって、駆動ホイールが設けられており、駆動ホイールが、カム軸とクランク軸とに作用結合されている形式のものを改良する。
【解決手段】カム軸３が肩部３５を備えており、肩部３５が駆動ホイール４の支承部３６に回動可能に支承されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のクランク軸の回動角度に対してカム軸の回動角度を調節するための制御装置であって、駆動ホイールが設けられており、駆動ホイールが、カム軸とクランク軸とに作用結合されている形式のものに関する。

既にドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２２４４４６号明細書から、カム軸に配置され、かつクランク軸と協働する駆動ホイールの設けられた、カム軸の回動角度を調節するための制御装置が公知である。その欠点によれば、駆動ホイールとカム軸との間に、内燃機関のクランク軸の回動角度に対するカム軸の回動角度の調節を及ぼす伝動装置が介在している。カム軸調節のための伝動装置のコストは極めて高くなっている。さらに伝動装置においてエネルギが損失するので、カム軸調節によって、とりわけ達成される燃料節約が低減される。

米国特許第６２５０２６５号明細書から、ハイドロリック式の位相調節装置が公知である。その欠点によれば、高い運転温度の場合に位相調節装置に高い漏れが生じ、これによってカム軸の不都合な調節の行われる恐れがある。位相調節装置の調節速度は、油圧ひいてはエンジン回動数に依存している。これによって内燃機関の運転状態に対するカム軸の回動角度の最適な適合を実現することはできない。
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２２４４４６号明細書 米国特許第６２５０２６５号明細書

したがって本発明の課題は、冒頭で述べたような形式の、カム軸の回動角度を調節するための制御装置を改良することである。

この課題を解決するための本発明の装置によれば、カム軸が、肩部を備えており、肩部が、駆動ホイールの支承部に回動可能に支承されている。

本発明のように構成されていると、簡単な形式で、クランク軸の回動角度に対するカム軸の回動角度の調節が、僅かなエネルギ損失で廉価に実現される。

従属請求項に記載した構成手段によって、独立請求項に記載した制御装置の有利な実施形態および改良形が実現される。

特に有利には、肩部が支承部内で軸方向かつ半径方向で固定されている。有利には、支承部がリング肩部として形成されている。

有利には、カム軸と駆動ホイールとが、少なくとも１つのヒンジ結合部を介して互いに機械的に連結されている。なぜならばこのようにしてカム軸とクランク軸との間の実質的な機械式の位相調節が達成され、このような位相調節は、従来技術に対して極めて簡単に形成され、かつ廉価に製作可能である。

さらに有利には、ヒンジ結合部が２つの脚部を備えており、これらの脚部が、中間ヒンジを介して互いに結合されていて、かつ互いに角度を成して配置されている。

有利な実施形態では、ヒンジ結合部が、それぞれ一方の脚部で支承部に枢着式に取り付けられていて、かつ他方の脚部で肩部に枢着式に取り付けられている。中間ヒンジに及ぼされる軸方向力は、レバーアームを介してカム軸にトルクを及ぼす。

有利には、中間ヒンジが、戻しばねによって、軸方向可動のディスクに押し付けられている。ディスクは、駆動ホイールおよび肩部と共に回動しないように、中間ヒンジと機械式に連結されていない。戻しばねによって、ヒンジ結合部は中間ヒンジで、駆動ホイールから離間する方向でディスクが移動する場合でも、ディスクに追従して、あらゆる時点でディスクに接触するようにされる。

さらに有利には、アクチュエータが、ディスクを軸方向で移動させ、かつヒンジ結合部がカム軸にトルクを及ぼすように、ディスクを介して中間ヒンジに作用する。このようにして簡単に形成された経済的な位相調節が達成される。

有利な実施形態によれば、アクチュエータが電動モータとして形成されている。

さらに有利には、第１のセンサがカム軸に設けられており、第２のセンサがクランク軸に設けられており、これらのセンサが、カム軸もしくはクランク軸の回動角度を検出して、電子制御装置に伝達し、制御装置が、内燃機関の運転状態と両方の回動角度の差とに応じてアクチュエータを制御するようになっている。

次に本発明の実施の形態を図示の実施例を用いて詳しく説明する。

図１には、本発明による、カム軸の回動角度を調整するための制御装置を示した。

制御装置は、少なくとも１つのカム軸の回動角度をクランク軸の回動角度に対して可変に調節するのに役立つ。

内燃機関のクランク軸１は、たとえばチェン、歯付ベルトまたは歯車列として形成された一次伝動装置２を介して、単数または複数のカム軸３を駆動する。このために各カム軸３に駆動ホイール４が対応配置されており、駆動ホイール４は、一次伝動装置２に応じてたとえばベルト車またはチェン車として形成されていて、かつ一次伝動装置２を介してクランク軸１と協働する。駆動ホイール４は、４サイクルエンジンで一般的なように、クランク軸１とカム軸３との間で２対１の伝達比が存在するように形成されている。カム軸３の回転数は、このようにしてクランク軸１の半分の大きさに設定されている。

内燃機関は、吸排気弁５を備えており、吸排気弁５は、カム８によって、少なくとも１つのカム軸３の、カム軸３に関して偏心的に形成されたカムフランクで、開閉される。吸排気弁５は共通のカム軸３によって作動させるか、または個別的に吸気弁５は吸気カム軸３によって、また排気弁５は排気カム軸３によって作動させることができる。吸排気弁５は、ガス交換弁とも呼ばれ、それぞれ弁ばね９によって弁座１０に向かって押し付けられる。閉鎖状態で、吸排気弁５はそれぞれ弁座１０に接触している。

カム８は、第１のカムフランクと第２のカムフランクとを備えたほぼ三角形の横断面を有している。カム８の上昇側の第１のカムフランクは、１機構を介して各吸排気弁５に作用して、これを弁座１０に対応配置された弁ばね９のばね力に抗して、弁座１０から離間する開放方向で押し出す。カム８の下降側の第２のカムフランクでは、弁ばね９は、各吸排気弁５を再び弁ばね９に対応配置された弁座１０に戻す。

クランク軸１に対するカム軸３の調節によって、燃焼室におけるいわゆる負荷変化は、内燃機関の運転状態に最適に適合させることができる。いわゆる弁制御時間、つまり吸排気弁５が開閉される時点は、クランク軸１によって不動に設定されているのではなく、カム軸３の調節によって可変に調節可能である。カム軸３の調節によって、固定の弁制御時間を有する内燃機関の場合よりも、とりわけ比較的高い出力、比較的小さな有害物質エミッションおよび比較的小さな燃料消費が達成される。

本発明によれば、駆動ホイール４とカム軸３との間に、実質的に機械的に機能する位相調節装置１１が設けられており、これは極めて廉価で簡単に形成することができる。

本発明によれば、カム軸３は肩部３５を備えており、肩部３５は駆動ホイール４の支承部３６に回動可能に支承されている。支承部３６は、カム軸３の肩部３５を、カム軸軸線３７に関して軸方向および半径方向で固定するので、軸方向および半径方向で自由度が存在しない。

カム軸３の肩部３５は、たとえばカム軸３の、駆動ホイール４に向いた側の端面に設けられており、支承部３６は、駆動ホイール４の、カム軸３に向いた側の端面に設けられている。

支承部３６は、たとえばリング肩部として形成されており、リング肩部は、肩部３５を周で少なくとも部分的にリング状に包囲して、たとえば両側で半径方向に延びるように係合しいている。リング肩部は、たとえば周方向でみて中断して形成することもできるので、複数の部分リング肩部が肩部３５の周に形成されている。たとえば４つの部分リング肩部が支承部３６として形成されている。

肩部３５は、駆動ホイール４に隣接していて、かつ支承部３６の摩擦を低減するために、駆動ホイール４に対して軸方向で間隔を有している。

本発明によれば、カム軸３と駆動ホイール４とは、少なくとも１つのヒンジ結合部３８を介して互いに機械的に連結されている。

各ヒンジ結合部３８は、たとえば真っ直ぐに延びる２つの脚部４０を備えており、これらの脚部４０は、中間ヒンジ３９を介して互いに結合されていて、かつ互いに角度を成して、もしくはＶ字形に配置されている。たとえば２つのヒンジ結合部３８が設けられている。ヒンジ結合部３８は、たとえば一方の脚部４０で、駆動ホイール４の支承部３６に、また他方の脚部４０で、カム軸３の肩部３５に枢着式に結合されている。脚部４０の、中間ヒンジ３９とは反対側の端部は、カム軸軸線３７に関してそれぞれ偏心的に肩部３５もしくは支承部３６に配置されている。ヒンジ結合部３８の脚部４０は、それぞれ中間ヒンジ３９とは反対側の端部で、図１の図平面に対して垂直に延びる単個の回動軸線を中心に回動可能に支承されている。中間ヒンジ３９もまた、図１の図平面に対して垂直に設けられた単個の回動軸線を有している。ヒンジ結合部３８の脚部４０の長さは次のように設定されていて、つまりヒンジ結合部３８の中間ヒンジ３９が常に駆動ホイール４から離間する方向で脚部４０に対して突出するように設定されている。

カム軸３と駆動ホイール４との間の相対的な回動運動は、たとえばアクチュエータ２１によって形成され、アクチュエータ２１は、たとえば電動モータとして形成されていて、かつ内燃機関に取り付けられている。アクチュエータ２１は、たとえば軸方向可動のディスク４２と協働する。

ディスク４２は、たとえばカム軸３に対して同心的に配置されており、カム軸３はディスク開口４６を貫通している。ディスク４２は、ヒンジ結合部３８の中間ヒンジ３９にルーズに接触するので、駆動ホイール４のトルクは、支承部３６とヒンジ結合部３８と中間ヒンジ３９とを介してディスク４２に伝達されず、ディスク４２は連行回動しない。ヒンジ結合部３８は中間ヒンジ３９で、たとえば戻しばね４７によってディスク４２に押し付けられる。戻しばね４７は、たとえば肩部３５と中間ヒンジ３９との間に配置されていて、肩部３５に支持されていて、軸方向で、かつ肩部３５から離間する方向で中間ヒンジ３９に作用する。

たとえばアクチュエータ２１によって回動駆動されるスピンドル４３は、ディスク４２に設けられたねじ山付区分４４と協働し、ねじ山付区分４４は、たとえば中空円筒形の管片４５に形成されていて、かつ雌ねじ山を備えている。管片４５は、アクチュエータ２１に向いた側で、ディスク４２からカム軸３に向かって突出している。

スピンドル４３のねじ山とねじ山付区分４４の雌ねじ山との協働によって、ディスク４２の並進運動が形成される。アクチュエータ２１は、ディスク４２を軸方向で移動させ、かつこのようにして少なくとも１つの中間ヒンジ３９に軸方向押圧力を及ぼし、軸方向押圧力は、適当なレバーアームを介してカム軸軸線３７に関してトルクとしてカム軸３に作用するので、カム軸３と駆動ホイール４との間の相対回動が達成される。アクチュエータ２１によって駆動されるスピンドル４３の回動方向に応じて、ディスク４２は駆動ホイール４に対して接近するか、または離間する。脚部４０の、中間ヒンジ３９とは反対側の端部間の間隔は、駆動ホイール４およびクランク軸１に対するカム軸３の回動を直接的に規定する。

ディスク４２が駆動ホイール４に向かって移動する（図２）と、ディスク４２は、各中間ヒンジ３９を軸方向力で駆動ホイール４に向かって押し付ける。軸方向力が十分な大きさを有していると、中間ヒンジ３９は駆動ホイール４に向かって移動するので、脚部４０はさらに拡開され、脚部４０によって形成される角度と、脚部４０の、中間ヒンジ３９とは反対側の端部間の間隔とが増加される。このようにしてカム軸３はクランク軸１の回動方向に抗して回動され、したがってクランク軸１に対して後調節される（図３）。

これに対してディスク４２が駆動ホイール４から離間移動する場合、戻しばね４７は中間ヒンジ３９をディスク４２に向かって押し付けるので、脚部４０によって形成される角度と、脚部４０の、中間ヒンジ３９とは反対側の端部間の間隔とが減少され、中間ヒンジ３９はディスク４２に追従する。このようにしてカム軸３はクランク軸１の回動方向で回動され、したがってクランク軸１に対して前調節される。

クランク軸１のトルクは、一次伝動装置２を介して駆動ホイール４に伝達され、また駆動ホイール４の支承部３６とヒンジ結合部３８と肩部３５とを介してカム軸３に伝達される。

アクチュエータ２１が遮断（スイッチオフ）されると、カム軸３は、駆動ホイール４およびクランク軸１と相対回動不能（つまり一緒に回動するように）に結合されるので、カム軸３の不都合な調節は回避される。

位相調節装置１１は、カム軸３の肩部３５と、駆動ホイール４の支承部３６と、ヒンジ結合部３８と、ディスク４２と、アクチュエータ２１とによって形成される。

カム軸３にたとえば第１のセンサ２５が配置されており、第１のセンサ２５は、カム軸３のその都度の回動角度を検出して、第１の信号ライン２７を介して電子制御装置２８に伝達する。クランク軸１にもたとえば第２のセンサ３２が配置されており、第２のセンサ３２は、クランク軸１の回動角度を検出して、第２の信号ライン３３を介して制御装置２８に伝達する。第１のセンサ２５の信号と第２のセンサ３２の信号との比較によって、クランク軸１に対するカム軸３の調節角度を求めることができる。

制御装置２８は、制御ライン２９を介してアクチュエータ２１を、内燃機関の運転状態と、求められたカム軸３とクランク軸１との両方の回動角度の差とに応じて制御する。

カム軸３を調節しようとする場合、アクチュエータ２１は制御ライン２９を介して接続（スイッチオン）される。

駆動ホイール４に対するカム軸３の相対回動は、たとえば機械式または電子式に所定の調節範囲に制限されており、これによって内燃機関のピストンに対する吸排気弁５の衝突が防止される。

図２には、本発明による制御装置を別の角度からみた概略図で示した。

図２に示した制御装置では、図１に示した制御装置と同一かまたは同一機能を有する部材には、同一符号を用いた。

図２に示したディスク４２は、図１に示したディスク４２に対して、駆動ホイール４に向かって移動されているので、クランク軸１の回動方向に対するカム軸３の調節が達成される。

図３には、本発明による制御装置を側面図で概略的に示した。

図３に示した制御装置では、図１および図２に示した制御装置と同一かまたは同一機能を有する部材には、同一符号を用いた。

図３には、ヒンジ結合部３８の、図１に示した調節は波線で示していて、図２に示した調節は実線で示した。

本発明による、カム軸の回動角度を調節するための制御装置を概略的に示す図である。 本発明による、カム軸の回動角度を調節するための制御装置を別の角度から概略的に示す図である。 本発明による、カム軸の回動角度を調節するための制御装置を概略的に示す側面図である。

符号の説明

１ クランク軸、 ２ 一次伝動装置、 ３ カム軸、 ４ 駆動ホイール、 ５ 吸排気弁、 ８ カム、 ９ 弁ばね、 １０ 弁座、 １１ 位相調節装置、 ２１ アクチュエータ、 ２５ センサ、 ２７ 信号ライン、 ２８ 制御装置、２９ 制御ライン、 ３２ センサ、 ３３ 信号ライン、 ３５ 肩部、 ３６ 支承部、 ３７ カム軸軸線、 ３８ ヒンジ結合部、 ３９ 中間ヒンジ、 ４０ 脚部、 ４２ ディスク、 ４３ スピンドル、 ４４ ねじ山付区分、 ４５ 管片、 ４６ ディスク開口、 ４７ 戻しばね

Claims (10)

1. 内燃機関のクランク軸の回動角度に対してカム軸の回動角度を調節するための制御装置であって、
   駆動ホイールが設けられており、駆動ホイールが、カム軸とクランク軸とに作用結合されている形式のものにおいて、
   カム軸（３）が、肩部（３５）を備えており、該肩部（３５）が、駆動ホイール（４）の支承部（３６）に回動可能に支承されていることを特徴とする、内燃機関のクランク軸の回動角度に対してカム軸の回動角度を調節するための制御装置。
2. 肩部（３５）が、支承部（３６）内で、軸方向かつ半径方向で固定されている、請求項１記載の制御装置。
3. 支承部（３６）が、リング肩部として形成されている、請求項１記載の制御装置。
4. カム軸（３）と駆動ホイール（４）とが、少なくとも１つのヒンジ結合部（３８）を介して互いに機械的に連結されている、請求項１記載の制御装置。
5. ヒンジ結合部（３８）が、２つの脚部（４０）を備えており、これらの脚部（４０）が、中間ヒンジ（３９）を介して互いに結合されていて、かつ互いに角度を成して配置されている、請求項４記載の制御装置。
6. ヒンジ結合部（３８）が、それぞれ一方の脚部（４０）で支承部（３６）に枢着式に取り付けられていて、かつ他方の脚部（４０）で肩部（３５）に枢着式に取り付けられている、請求項５記載の制御装置。
7. 中間ヒンジ（３９）が、戻しばね（３７）によって、軸方向可動のディスク（４２）に押し付けられている、請求項５記載の制御装置。
8. アクチュエータ（２１）が、ディスク（４２）を軸方向で移動させるようになっていて、かつヒンジ結合部（３８）がトルクをカム軸（３）に及ぼすように、ディスク（４２）を介して中間ヒンジ（３９）に作用するようになっている、請求項６記載の制御装置。
9. アクチュエータ（２１）が、電動モータである、請求項７記載の制御装置。
10. 第１のセンサ（２５）が、カム軸（３）に設けられており、第２のセンサ（３２）が、クランク軸（１）に設けられており、これらの第１および第２のセンサが、カム軸（３）もしくはクランク軸（１）の回動角度を検出して、電子制御装置（２８）に伝達するようになっており、該制御装置（２８）が、内燃機関の運転状態と両方の回動角度の差とに応じてアクチュエータ（２１）を制御するようになっている、請求項１記載の制御装置。

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