JP2005511943A - カムシャフト位相偏位機構 - Google Patents

Abstract

作動中にトルク変動を受けるエンジンカムシャフトのための油圧式位相偏位機構が提示される。その機構は、油圧媒体として磁気粘性流体を使用し、磁場の選択的付与により磁気粘性流体の流動特性を変化させるように制御される。

Description

本発明は、エンジンカムシャフトのための位相偏位機構に関する。

多数のカムシャフト位相偏位機構（本文ではフェーザーとも称される）がこれまで提案され、また現に使用されているが、それらは油圧式に、多くはエンジンオイルを用いて作動させられるものである。これらのフェーザーは、効率的であると説明されてきたが、それらは高度のオイル需要を有し、時として補助ポンプ及び関連費用の損失を要求する。エンジンのシリンダヘッド内に大量のオイルが存在することは、ベルト駆動式カムシャフトの場合におけるベルト汚染と結び付いた問題と共に、排油と空気混入に関する問題を引き起こす可能性がある。

さらに、油圧作動の使用は自動調節弁を必要とし、これはエンジンＥＰＵからの電気的入力に応答してオイルの流動を制御し得るものであるが、この自動調節弁は重大な費用上及び実装上の関わり合いを有している。

米国特許（ＵＳ−Ａ−５，０５６，４７７）は、作動中にトルク変動を受けるエンジンカムシャフトのための位相偏位機構を開示している。その機構は、回転のために閉油圧回路により互いに接続された駆動部材及び被動部材からなり、その閉油圧回路は、一方の容積が増加するに従って他方の容積が減少するような態様で互いに連結された複数の可変容積作用室から形成されている。作用室間の流体の流動は、ソレノイドバルブにより制御され、駆動部材の位相を被動部材に対して偏位させるものである。
米国特許（ＵＳ−Ａ−５，０５６，４７７）

その最も広い態様によれば、本発明は、作動中にトルク変動を受けるエンジンカムシャフトのための油圧式位相偏位機構を提供し、その機構は、閉油圧回路を含み、作動中にトルク変動を受けるエンジンカムシャフトのための油圧式位相偏位機構において、油圧回路が油圧媒体として磁気粘性流体を使用し、そしてその油圧回路における油圧媒体の流動を制御するために、電磁石が選択的に磁場を付与して磁気粘性流体の流動特性を変化させるように配備されたことを特徴としている。

本発明の第二の態様によれば、作動中にトルク変動を受けるエンジンカムシャフトのための位相偏位機構が提供され、その機構は、回転のために閉油圧回路により互いに接続された駆動部材及び被動部材からなり、その閉油圧回路は、一方の容積が増加するに従って他方の容積が減少するような態様で互いに連結された複数の可変容積作用室から形成され、作用室間の流体の流動が駆動部材の位相を被動部材に対して偏位させるものにおいて、作用室が磁気粘性流体で満たされると共に通路を介して互いに連結され、その通路に沿って流体の流動が磁場の選択的付与により制御されることを特徴としている。

磁気粘性流体は、付与された磁場に対してそれらの特性の変化で応答する物質である。それらは、減衰係数が流体に付与される磁場を介して制御され得る減衰システムを与える回転式及び往復式の両方の減衰システムに利用されてきている。

エンジンカムシャフトに作用するフェーザーは、ポペットバルブのスプリングからの反作用のために常にトルク変動を受ける。バルブがカム上の上り斜面により開放されつつある間、カムシャフトは抵抗し、バルブスプリングの力が抑えられているが、その反面、バルブが閉鎖することを許容されつつあるとき、バルブスプリングはカムシャフトを加速するように力を付与する。従って、フェーザーがある方向では相対運動を許容し、別の方向では運動を抑制するように設計されているという条件の下に、反動トルクは、カムシャフトをクランクシャフトに関して前進及び後退させるように利用される。

駆動部材、即ち回転のためにクランクシャフトに連結された部材が、被動部材、即ち回転のためにカムシャフトに連結された部材に油圧式に接続されているフェーザーにおいては、各対の互いに連結された作用室間に、互いに逆方向にバイアスされた逆止め弁を有する二つの流路を設けることにより、ある方向では運動を許容すると共に他の方向では許容しないことが可能であろう。しかしながら、このようなフェーザーは、二つの分離した流体の流路に沿って、流動を制御するための磁場を付与することを必要としよう。

磁気粘性流体は非常に速い応答時間を有し、それらの流動特性は磁場の付与又は除去時に何ミリ秒という時間内で変化するものである。本発明の好ましい実施態様では、この特性は、各対の互いに連結された作用室間に一つの流路が設けられ、電磁石が流路に沿って流れる流体に変調された振幅の磁場を付与する場合に有利に利用される。その変調は、カムシャフトの回転速度に関係する周波数と、駆動部材及び被動部材の相対的位相が変更されるべき方向により決定される位相とを有している。

所望の位相変化を達成するために一つの電磁石が使用されることができるので、電磁石をエンジンに固定されるようにし、そしてその磁気回路が流路を横切るように配置することが可能であり、その流路は必然的にカムシャフトと共に回転せねばならない。電磁石がカムシャフトと共に回転する必要がないという事実は、簡素でより強い構造に寄与するものである。

フェーザーは、翼型のもの、即ち弓形空洞内で移動可能な半径方向の仕切り翼体を有する翼型であることが好ましい。特に、油圧回路は、好ましくは、駆動部材及び被動部材の一方と共に回転する、二つの直径方向に対向する弓形空洞からなり、各々は、二つの部材の他方と共に回転する二つの半径方向の仕切り翼体の各々により二つの作用室に分割されている。

本発明を、実施例により、以下の添付図面に照らしてさらに説明する。
図１は、本発明に係る、組み立てられたフェーザーの斜視図であり、図２は、図１におけるフェーザーの正面図であり、図３は、図２におけるＡ−Ａ面に沿った断面図であり、図４は、図３におけるＢ−Ｂ面に沿った断面図であり、図５は、図３におけるＣ−Ｃ面に沿った断面図であり、そして図６は、図２に示されるフェーザーの分解組み立て斜視図である。

図示されたフェーザーは、油圧制御される用途によく利用される翼型位相調整システムと構造において類似している。図示された実施態様は二つの翼用空洞を有するが、多くの他の設計が明らかに可能であることは、当技術分野における熟練した者により理解されるところである。フェーザーは、カムシャフトのトルク反転の影響下に移動し、従って外部のエネルギー源を必要としない。

フェーザー１０は、磁気粘性流体で満たされた封止ユニットから構成され、それはボルト１４によりエンジンカムシャフト１２前端に固定されている。封止ユニットのケーシングは、二つの部分、即ちエンジンクランクシャフトにより駆動されるスプロケット１６と、ボルト２０によりスプロケット１６に締め付け固定されている皿型カバー１８から形成されている。

スプロケット１６とカバー１８との間に含まれる扁平な円筒状の室はハブ２２を含み、それは、図４に示されるように、カムシャフト１２前端にキーで固定されている。二つの仕切り翼体２４がハブ２２の半径方向の隙間に設置されている。二つの三日月形ブロック２６がボルト２８によりスプロケット１６に締め付け固定されている。ブロック２６の内面は、ハブ２２の円筒状の半径方向外面を封止し、またそれらの外面は、皿型カバー１８により画定される室の外壁を封止している。それらの間には、図４に最もよく示すように、既述の構成要素が二つの弓形空洞を画定し、それらは、半径方向の仕切り翼体２４により、符号５０、５２、５３及び５４で示される四つの作用室に分割されている。

ハブ２２及び仕切り翼体２４は、協働して、カムシャフトと共に回転する被動部材を形成し、他方、図４に示される残りの部材は、エンジンクランクシャフトと共に回転する駆動部材の要部を形成している。被動部材に対する駆動部材の回転は、カバー１８の端面における溝３４により形成される通路を介して互いに連結された四つの作用室の容積変化を伴う。作用室は対をなして互いに連結され、作用室５０は作用室５４と連結されると共に作用室５２は作用室５６と連結されている。従って、仕切り翼体２４の時計方向運動の間に例えば作用室５２から送出された流体は、図４に見られるように、作用室５６内に流入することになる。

一対の作用室を連結する各通路は、磁極片３６及び３８の間に画定されたラビリンスを含んでいる。磁極片３６、３８は、カバー１８内に設けられた強磁性挿入体として形成されている。カバー１８、ハブ２２及びブロック２６は、後に詳述される磁気回路と干渉しないように、総て非強磁性体、好ましくはアルミニウムから形成されている。

封止ユニットの内部は磁気粘性流体を含み、それは作用室５０〜５６を満たしている。ハブ２２とスプロケット１６との間に配置されたシール３０及びボルト１４を取り囲む第二のシール４４は、流体の漏出を防止している。

トルクスプリング３２は、ハブ２２とスプロケット１６の間で作動する。スプリング３２は、カムシャフト１２の位相をスプロケット１６に対して前進させる方向に作用している。しかしながら、何れかのバルブがカムシャフト１２により開放されつつある間、カムシャフト１２は、位相を後退させるように作用すると共にスプリング３２のバイアスに打ち勝つ反動トルクを受けることになる。従って、エンジンサイクルの異なる時間で、カムシャフトは、その位相をスプロケット１６に対して前進させる方向及び後退させる方向の何れかの方向に作用する逆方向のトルクを受けるものである。もし、トルクが作用している間に油圧回路の作用室間で流体の流動が容認されているならば、その場合は、カムシャフトの位相がトルクの作用下に変化することになる。他方、もし、通路３４に沿った流体の流動が禁止されているならば、その場合は、カムシャフトの位相は変化しない状態のままである。スプリング３２は、カムシャフトを前進及び後退させるように作用する力が実質的に等しく、従って両方向に同じ速度で調節が起こることを確実にするように仕上げられる。

通路３４の中で磁気粘性流体が磁場にさらされるとき、それは粘性流体として作用し、磁極片３６及び３８の間におけるラビリンスの曲がりくねった道筋のために流動が生じず、連結はロックされる。他方、磁場が取り去られるとき、流体は自由に流動し、カムシャフト１２がスプロケット１６に対して回転することを許容するようになる。従って、磁極片３６、３８に磁場を供給する一つの固定状態に設けられた電磁石の使用により、位相を制御することが可能である。

特に、一定の磁場が付与されるとき、油圧回路が総ての時間でロックされ、位相の変化が生じないようにすることができる。もし、磁場が、クランクシャフトの回転速度に比例する周波数で断続的に励磁され、そして磁場のスイッチが切られているときにおけるカムシャフトへの反動トルクの方向に依存しているならば、カムシャフトの位相は前進又は後退させられることができる。

磁場は、フェーザーの外側にあって、エンジンチェーンカバー又はそれに類似のものに設けられた固定コイルにより発生させられる。磁場は、フェーザーの前方にあって、両ラビリンスの外側部材３８と接する鉄製のリング４２と、強磁性であって、両ラビリンスの共有中心部と接する中心ボルト１４との間で発生させられる

当技術分野における熟練した者であれば、既述のフェーザーに仕立てられ得る多数の改造があることを理解することであろう。仕切り翼体及び空洞のデザインや数は、提示されたものから示唆的に多様化することができる。さらに、空洞内における仕切り翼体よりむしろカムシャフトを位置決めするための油圧シリンダーを用いる類似のシステムを設計することも可能である。

もし、翼用空洞間の連結通路が異なる性質のものであったとすれば使用され得たであろう代替的な制御方法がある。そこでは、通路が、流体を一方向に通過させることのみ許容された一方向バルブを介して弓形空洞と連結するように設計され、第二組の通路が、流体を反対方向に流動させることを許容するように配備され、そしてカムシャフトのタイミングが、磁場を一方又は他方の組の通路内における流体を横切って移動させることにより制御されることになろう。しかしながら、この解決法は、二つの独立した磁気回路を必要とし、ユニットのデザインを一層複雑にするが、しかしクランクシャフトの回転と直接同調するようにコイルの切り替えを行う必要性を排除するものである。

本発明に係る、組み立てられたフェーザーの斜視図である。 図１におけるフェーザーの正面図である。 図２におけるＡ−Ａ面に沿った断面図である。 図３におけるＢ−Ｂ面に沿った断面図である。 図３におけるＣ−Ｃ面に沿った断面図である。 図２に示されるフェーザーの分解組み立て斜視図である。

Claims (7)

1. 閉油圧回路を含み、作動中にトルク変動を受けるエンジンカムシャフトのための油圧式位相偏位機構において、油圧回路が油圧媒体として磁気粘性流体を使用し、そしてその油圧回路における油圧媒体の流動を制御するために、電磁石が選択的に磁場を付与して磁気粘性流体の流動特性を変化させるように配備されたことを特徴とする油圧式位相偏位機構。
2. 作動中にトルク変動を受けるエンジンカムシャフトのための位相偏位機構であって、回転のために閉油圧回路により互いに接続された駆動部材及び被動部材からなり、その閉油圧回路は、一方の容積が増加するに従って他方の容積が減少するような態様で互いに連結された複数の可変容積作用室から形成され、作用室間の流体の流動が駆動部材の位相を被動部材に対して偏位させるようにした位相偏位機構において、作用室が磁気粘性流体で満たされると共に通路を介して互いに連結され、その通路に沿って流体の流動が磁場の選択的付与により制御されることを特徴とする位相偏位機構。
3. 請求項２に記載の位相偏位機構において、各対の互いに連結された作用室間に一つの流路が設けられ、電磁石が流路に沿って流れる流体に変調された振幅の磁場を付与し、その変調が、カムシャフトの回転速度に関係する周波数と、駆動部材及び被動部材の相対的位相が変更されるべき方向により決定される位相とを有する位相偏位機構。
4. 請求項３に記載の位相偏位機構において、電磁石が使用時には固定状態に設けられ、電磁石の磁気回路が流路を横切るようにした位相偏位機構。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の位相偏位機構において、作用室が弓形空洞内を移動可能な半径方向の仕切り翼体により画定されている位相偏位機構。
6. 請求項５に記載の位相偏位機構において、駆動部材及び被動部材の一方と共に回転する、二つの直径方向に対向する弓形空洞を含み、各々が、二つの部材の他方と共に回転する二つの半径方向の仕切り翼体の各々により二つの作用室に分割された位相偏位機構。
7. 請求項２〜６の何れかに記載の位相偏位機構において、各々が一方向バルブを含む二つの磁気回路がタイミングを各々前進及び後退させるために配備された位相偏位機構。
   

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