JP2007510085A

JP2007510085A - 内燃機関のクランク軸に対するカム軸の相対回転角位置を調節する調節装置

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Publication number: JP2007510085A
Application number: JP2006537099A
Authority: JP
Inventors: シェーファーイェンス; シュタイガーヴァルトマルティーン; ヘイウッドジョナサン
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2003-11-08
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2007-04-19
Also published as: DE10352255B4; DE10352255A1; US20080314345A1; US20070074692A1; US20080236530A1; US7882813B2; WO2005047658A1; US7717072B2

Abstract

本発明は、内燃機関のクランク軸に対するカム軸（２）の相対回転角位置を調節する調節装置（１）であって、三軸伝動装置として形成された調節伝動装置（３）が設けられていて、該調節伝動装置（３）が、クランク軸固定の駆動部分（４）とカム軸固定の被駆動部分と調節モータ（６）の調節モータ軸（５）に結合された調節軸（７）とを有している形式のものに関する。
このような形式の構成において、本発明の構成では、調節モータ（６）が電動モータとして形成されていて、調節軸（７）から空間的に隔てられて配置されており、調節モータ（６）によって生ぜしめられた調節モーメントが、調節軸（７）に機械式にフレキシブルな軸（８）によって伝達されるか、又は空気力式に、圧縮空気によってニューマチックモータ（１３）を運転するコンプレッサ（９）を介して伝達されるか、又は液圧式にハイドロモータ（１６）を介して伝達され、なおこの場合にはポンプ（１４）がハイドロモータのために必要な液圧用液体を準備する。調節モータ（６）は調節軸（７）に対して平行に配置されても又は半径方向に配置されてもよく、調節モータによって生ぜしめられたモーメントは、歯車伝動装置又は二次駆動装置を介して伝達される。

Description

本発明は、内燃機関のクランク軸に対するカム軸の相対回転角位置を調節する調節装置であって、三軸伝動装置として形成された調節伝動装置が設けられていて、該調節伝動装置が、クランク軸固定の駆動部分とカム軸固定の被駆動部分と調節モータの調節モータ軸に結合された調節軸とを有している形式のものに関する。

発明の背景
今日の内燃機関では、ガス交換弁の制御時間を変化させるためにカム軸調節装置が働き、これによって、全負荷範囲及び全回転数範囲にわたる燃費及び出力の改善が達成される。カム軸調節装置を液圧式に操作できることが公知である。液圧式に操作される汎用のカム軸調節装置（アキシャルピストン調節装置、ベーンセル、旋回インペラ及びセグメントインペラ）には次のような利点がある。すなわち液圧式のカム軸調節装置では、制御のために必要な液圧弁を、直接軸方向で調節装置の前に配置する必要はなく、弁のための十分な構造空間がある箇所に、中心からずらして配置することができる。オイルは、シリンダヘッドに設けられた孔を介して調節装置に導かれる。これによって液圧式のカム軸調節装置は極めて短く構成され、狭められた取付け条件下においても取り付けることができる。汎用の液圧式のカム軸調節装置では、調節はエンジンオイルの圧力によって行われるので、カム軸調節装置の機能はエンジンオイルの温度によって強く影響を受ける。低温時には、ひいてはオイルの粘性が高い場合には、カム軸調節装置はまったく反応しないか又は、僅かな容積流によって不活発にしか反応しない。また高温時ひいてはオイルの粘性が極めて低い場合には、高い圧力が形成されないので、このような条件下においてもゆっくりとした調節しか行われない。さらにオイル圧は、ひいてはカム軸調節装置の機能は、内燃機関の回転数によって影響を受ける。

このような欠点は、電動モータと調節伝動装置とから構成された電気式のカム軸調節装置においては排除されている。しかしながら例えばドイツ連邦共和国特許公開第４１１０１９５号明細書から分かるように、このようなカム軸調節装置は通常、電動モータが軸方向において調節伝動装置の前に配置されているので、軸方向において大きな構造空間が必要であるように、構成されている。

発明の課題
ゆえに本発明の課題は、冒頭に述べた形式の、内燃機関のクランク軸に対するカム軸の相対回転角位置を調節する調節装置を改良して、電気式のカム軸調節の利点と、液圧式の調節装置におけるような極めて短い構造形式の利点とを併せ持つ調節装置を提供することである。

本発明の記載
この課題を解決する本発明の構成では、請求項１、請求項２、請求項６、請求項１０及び請求項１４の上位概念部に記載の調節装置において、それぞれの特徴部に記載のように、すなわち調節モータが電動モータとして形成されており、この調節モータが、調節伝動装置から空間的に隔てられて配置されていて、調節モータによって生ぜしめられた調節モーメントが、フレキシブルな軸によって機械式に調節伝動装置に伝達されるようになっているか、又は、コンプレッサを駆動し、該コンプレッサの圧縮空気がニューマチックモータを介して調節伝動装置に作用するか、又は液圧用液体のためのポンプを駆動し、該ポンプがハイドロモータを介して調節伝動装置に作用するようになっているか、又は、調節モータが、カム軸に対して半径方向又は平行に配置されていて、調節モータによって生ぜしめられる調節モーメントが、歯車伝動装置もしくは二次駆動装置を介して調節軸に伝達されるようになっている。

第１の構成では、電動モータを任意に配置することが可能である。電動モータによって生ぜしめられた調節モーメントは、フレキシブルな軸によって伝達される。フレキシブルな軸は、スピードメータケーブルのように、取付け空間に可変に適合されることができ、回転及びモーメントを電動モータ軸から調節伝動装置の調節軸に伝達する。こうような伝達形式の効率は極めて高いので、調節伝動装置と電動モータとを空間的に隔てることができる。内燃機関の周囲における電流供給をあまり強く負荷しないようにするために、出力的には小型であるが、高速で回転する電動モータを使用すると、特に有利である。このような電動モータのモーメントは、フレキシブルな軸を介して調節伝動装置の調節軸に伝達され、この場合における伝達比は有利には１：５０〜１：１２０である。

第２の構成では、調節伝動装置は直接電動モータと結合されているのではなく、ニューマチックモータと結合されている。ニューマチックモータの大きな利点としては次のことが挙げられる。すなわちニューマチックモータは、直接的な調節のために使用される電動モータに比べて軸方向において著しく短く構成することができ、つまり部分的に伝動装置の構造空間内に組み込まれることができる。ニューマチックモータの回転方向は方向切換え弁を介して制御され、この方向切換え弁は必要な圧力空気をコンプレッサから受け取り、このコンプレッサ自体は電動モータによって駆動される。不操作時に遮断位置を占めるような方向切換え弁を使用すると、有利である。コンプレッサ及び電動モータは、調節伝動装置に対して中心をずらして、十分な構造空間が存在する箇所に配置されている。運転中における圧力変動を回避するために、コンプレッサと方向切換え弁との間には、発生するおそれのある圧力変動を補償する圧力容器が配置される。この圧力容器もまた任意に配置することができる。圧力容器の別の利点としては次のことが挙げられる。すなわちこの場合、内燃機関の始動時に、コンプレッサによってなお十分な圧力が生ぜしめられないような場合でも、ニューマチックモータを運転するのに十分な圧力を得ることができる。これによって特に、内燃機関の冷機時始動特性が改善される。電動モータの停止時に圧縮空気が圧力容器から逃げないようにするために、圧力容器とコンプレッサとの間には逆止弁が配置される。

コンプレッサが電動モータを介して駆動される代わりに、ベルトを介して内燃機関によって駆動されることも可能である。しかしながらコンプレッサ回転数が内燃機関の回転数に関連しているのに対して、電動モータの使用時には、コンプレッサは常に内燃機関とは無関係に独立して運転されることができる。また択一的に、ベルトによる駆動形式の際に、吐出容積が可変のモータ、例えばダブルストロークのベーンモータを使用することが可能である。

第３の構成では、調節はハイドロモータを介して行われる。系の構造及び作用形式は、電気・空気力式の系の構造及び作用形式に相当しているが、相違点は、媒体として空気の代わりに液体を使用することである。方向切換え弁は例えば、１つの比例弁、２つの３ポート２位置方向切換え弁、４つの２ポート２位置方向切換え弁によって、又は調整可能なポンプ及び切換え構成又は比例構成の１つの４ポート２位置方向切換え弁によって構成されることができる。この系における利点は、高い圧力を生ぜしめることができることにある。欠点としては、液体の戻し案内に関して幾分大きな手間もしくはコストがかかることがある。液体としては、エンジンオイル回路のオイルや、運転温度の変動にあまり強くさらされない他の付加的な液体を使用することができる。圧力容器が設けられていることに基づいて、圧力は既に内燃機関の始動段階において得ることができる。従ってハイドロモータは、回転角調節のために液圧式の装置に比べてより確実に運転することができる。

調節軸に対して半径方向に構造空間が存在している場合には、調節モータを電動モータとして形成すること及び該電動モータを半径方向に配置することも可能である。電動モータの調節モーメントは、有利には１：１の伝達比を有する歯車伝動装置を介して駆動される。この場合に使用される伝動装置としては、例えばかさ歯車伝動装置、ウォーム歯車伝動装置又はヘリカルギヤ伝動装置が挙げられる。このような系の利点としては、圧力空気ユニットも必要ないし、液体回路への組込みを行う必要がないということが挙げられる。従ってこの系は、構造が単純で、シール性に関して故障が起きにくく、ひいては保守が容易である。

第５の構成としては、調節モータを調節伝動装置に対して平行に配置することが挙げられる。調節モータ軸から調節伝動装置へのモーメント伝達は、二次駆動装置を用いて行われる。この二次駆動装置は例えば、ベルト駆動装置、チェーン駆動装置、カルダン駆動装置として又は付加的な平歯車段として形成されることができる。このような配置形式の利点は、半径方向に配置された電動モータにおけると同じであり、すなわちこの構成では、圧力空気ユニットも必要ないし、液体回路への組込みも行う必要がない。従ってこの系は構造が単純で、シール性に関してトラブルが生じにくく、ひいては保守が容易である。

図面の説明
図１は、電動モータ、フレキシブルな軸、調節伝動装置及びカム軸を備えた電気機械式の系を示す概略図であり、
図２は、電動モータ、コンプレッサ、逆止弁、圧力容器、方向切換え弁、ニューマチックモータ、調節伝動装置及びカム軸を備えた電気空気力式の系を示す概略図であり、
図３は、電動モータ、ポンプ、逆止弁、圧力容器、方向切換え弁、ハイドロモータ、調節伝動装置及びカム軸を備えた電気液圧式の系を示す概略図であり、
図４は、半径方向に配置された調節モータ軸を備えた電気機械式の系を示す断面図であり、
図５は、平行に配置された調節モータを備えた電気機械式の系を示す断面図である。

実施例の記載
図１には、内燃機関のクランク軸（図示せず）に対するカム軸２の相対回転角位置を電気機械式に調節する調節装置１の構成部材の原理的な配置形式が示されており、この調節装置１は、三軸伝動装置（Dreiwellengetriebe）として形成された調節伝動装置３を備えており、この調節伝動装置３は、クランク軸固定の駆動部分４とカム軸固定の被駆動部分と電動モータ６の調節モータ軸５に結合された調節軸７とを有している。電動モータ６によって生ぜしめられる調節モータ軸５の調節モーメントは、フレキシブルな軸８によって機械式に調節軸７に伝達される。これによって電動モータ６と調節伝動装置３との間における空間的な分離が可能である。調節装置１の構成部材の図示の空間的な位置は、単に一例を示しているだけである。なぜならば、フレキシブルな軸８は取付け空間に適合可能であるからである。

図２に示された、内燃機関のクランク軸（図示せず）に対するカム軸２′の相対回転角位置を電気機械式に調節する調節装置１′の構成部材の原理的な配置形式では、調節装置１′は、三軸伝動装置として形成された調節伝動装置３′を備えており、この調節伝動装置３′は、クランク軸固定の駆動部分４′とカム軸固定の被駆動部分とニューマチックモータ１３によって駆動される調節軸７′とを有している。電動モータ６′によって生ぜしめられる調節モータ軸５′の調節モーメントは、コンプレッサ９を駆動し、このコンプレッサ９は圧力容器１０に圧縮空気を供給する。圧力容器１０とコンプレッサ９との間には逆止弁１１が配置されており、これによって内燃機関の始動時やコンプレッサ９がまだ運転されていない時にも、圧縮空気を得ることができる。圧力容器１０は、例えば２つの電磁コイルを備えた４ポート３位置方向切換え弁として切換え構成又は比例構成された方向切換え弁１２と圧力接続されている。この方向切換え弁１２はニューマチックモータ１３を有しており、このニューマチックモータ１３は、調節伝動装置３′の調節軸７′と回動不能に結合されている。

図３に示された、内燃機関のクランク軸（図示せず）に対するカム軸２′′の相対回転角位置を電気機械式に調節する調節装置１′′の構成部材の原理的な配置形式では、調節装置１′′は、三軸伝動装置として形成された調節伝動装置３′′を備えており、この調節伝動装置３′′は、クランク軸固定の駆動部分４′′とカム軸固定の被駆動部分とハイドロモータ１６によって駆動される調節軸７′′とを有している。電動モータ６′′によって生ぜしめられる調節モータ軸５′′の調節モーメントは、ポンプ１４を駆動し、このポンプ１４は液体を、圧力下にあるハイドロアキュムレータ１５に圧送する。ハイドロアキュムレータ１５とポンプ１４との間には逆止弁１１′′が配置されており、これによって内燃機関の始動時やポンプ１４がまだ運転されていない時にも、圧力下の液体を得ることができる。ハイドロアキュムレータ１５は、例えば比例弁として形成された方向切換え弁１２′′と接続されている。この方向切換え弁１２′′はハイドロモータ１６を操作し、このハイドロモータ１６は、調節伝動装置３′′の調節軸７′′と回動不能に結合されている。

図４には、内燃機関のクランク軸（図示せず）に対するカム軸２（図１）の相対回転角位置を電気機械式に調節する調節装置１（図１）の主要な構成部材が、断面図で示されており、この調節装置１は、三軸伝動装置として形成された調節伝動装置３（図１）を備えており、この調節伝動装置３は、クランク軸固定の駆動部分とカム軸固定の被駆動部分と電動モータ６の調節モータ軸５に結合された調節軸７とを有しており、この場合電動モータ６は半径方向に配置されている。電動モータ６によって生ぜしめられる調節モータ軸５の調節モーメントは、歯車伝動装置１７によって機械式に調節軸７に伝達される。これによって電動モータ６及び調節軸７の半径方向における配置形式が可能になる。

図５には、内燃機関のクランク軸（図示せず）に対するカム軸２（図１）の相対回転角位置を電気機械式に調節する調節装置１（図１）の主要な構成部材が、断面図で示されており、この調節装置１は、三軸伝動装置として形成された調節伝動装置３（図１）を備えており、この調節伝動装置３は、クランク軸固定の駆動部分とカム軸固定の被駆動部分と電動モータ６の調節モータ軸５に結合された調節軸７とを有しており、この場合電動モータ６は調節軸７に対して平行に配置されている。電動モータ６によって生ぜしめられる調節モータ軸５の調節モーメントは、二次伝動装置１８によって機械式に調節軸７に伝達される。図５の実施例では二次伝動装置はベルト駆動装置として示されている。

開示されたすべての解決策には、電動モータをもはや調節軸の前に配置する必要がなく、これによって構造空間を著しく短縮できるという利点がある。そして電動モータをエンジンルーム内において任意に配置することができ、これにより、内燃機関全体の構成において大きな自由度を得ることができる。

電動モータ、フレキシブルな軸、調節伝動装置及びカム軸を備えた電気機械式の系を示す概略図である。電動モータ、コンプレッサ、逆止弁、圧力容器、方向切換え弁、ニューマチックモータ、調節伝動装置及びカム軸を備えた電気空気力式の系を示す概略図である。電動モータ、ポンプ、逆止弁、圧力容器、方向切換え弁、ハイドロモータ、調節伝動装置及びカム軸を備えた電気液圧式の系を示す概略図である。半径方向に配置された調節モータ軸を備えた電気機械式の系を示す断面図である。平行に配置された調節モータを備えた電気機械式の系を示す断面図である。

符号の説明

１,１′,１′′ 内燃機関のクランク軸に対するカム軸の相対回転角位置を電気機械式に調節する調節装置、２,２′,２′′ カム軸、３,３′,３′′ 調節伝動装置、４,４′,４′′ 調節伝動装置のカム軸固定の被駆動部分、５,５′,５′′ 電動モータの調節モータ軸、６,６′,６′′ 電動モータ、７,７′,７′′ 調節軸、８フレキシブルな軸、９コンプレッサ、１０圧力容器、１１,１１′′ 逆止弁、１２,１２′′ 方向切換え弁、１３ニューマチックモータ、１４ポンプ、１５ハイドロアキュムレータ、１６ハイドロモータ、１７歯車伝動装置、１８二次駆動装置、１９モータ保持体

Claims

内燃機関のクランク軸に対するカム軸（２）の相対回転角位置を調節する調節装置（１）であって、三軸伝動装置として形成された調節伝動装置（３）が設けられていて、該調節伝動装置（３）が、クランク軸固定の駆動部分（４）とカム軸固定の被駆動部分と調節モータ（６）の調節モータ軸（５）に結合された調節軸（７）とを有している形式のものにおいて、調節モータ（６）が電動モータとして形成されていて、調節軸（７）から空間的に隔てられて配置されており、調節モータ（６）によって生ぜしめられた調節モーメントが、フレキシブルな軸（８）によって機械式に調節軸（７）に伝達されることを特徴とする、内燃機関のクランク軸に対するカム軸の相対回転角位置を調節する調節装置。
内燃機関のクランク軸に対するカム軸（２）の相対回転角位置を調節する調節装置（１）であって、三軸伝動装置として形成された調節伝動装置（３）が設けられていて、該調節伝動装置（３）が、クランク軸固定の駆動部分（４）とカム軸固定の被駆動部分と調節モータ（６）の調節モータ軸（５）に結合された調節軸（７）とを有している形式のものにおいて、調節伝動装置（３）がニューマチックモータ（１３）によって駆動され、電動モータ（６）によって駆動されるコンプレッサ（９）が、ニューマチックモータ（１３）のために必要な圧縮空気を準備することを特徴とする、内燃機関のクランク軸に対するカム軸の相対回転角位置を調節する調節装置。
コンプレッサ（９）とニューマチックモータ（１３）との間に、ニューマチックモータ（１３）の回転方向を制御する方向切換え弁（１２）が配置されている、請求項２記載の調節装置。
コンプレッサ（９）と方向切換え弁（１２）との間に、逆止弁（１１）が配置されている、請求項３記載の調節装置。
方向切換え弁（１２）と逆止弁（１１）との間に、圧力容器（１０）が配置されている、請求項４記載の調節装置。
内燃機関のクランク軸に対するカム軸（２）の相対回転角位置を調節する調節装置（１）であって、三軸伝動装置として形成された調節伝動装置（３）が設けられていて、該調節伝動装置（３）が、クランク軸固定の駆動部分（４）とカム軸固定の被駆動部分と調節モータ（６）の調節モータ軸（５）に結合された調節軸（７）とを有している形式のものにおいて、調節伝動装置（３）がハイドロモータ（１６）によって駆動され、電動モータ（６）によって駆動されるポンプ（１４）が、ハイドロモータ（１６）のために必要な液圧用液体を準備することを特徴とする、内燃機関のクランク軸に対するカム軸の相対回転角位置を調節する調節装置。
ポンプ（１４）とハイドロモータ（１６）との間に、ハイドロモータ（１６）の回転方向を制御する方向切換え弁（１２′′）が配置されている、請求項６記載の調節装置。
ポンプ（１４）と方向切換え弁（１２′′）との間に、逆止弁（１１′′）が配置されている、請求項７記載の調節装置。
方向切換え弁（１２′′）と逆止弁（１１′′）との間に、圧力容器としてハイドロアキュムレータ（１５）が配置されている、請求項８記載の調節装置。
内燃機関のクランク軸に対するカム軸（２）の相対回転角位置を調節する調節装置（１）であって、三軸伝動装置として形成された調節伝動装置（３）が設けられていて、該調節伝動装置（３）が、クランク軸固定の駆動部分（４）とカム軸固定の被駆動部分と調節モータ（６）の調節モータ軸（５）に結合された調節軸（７）とを有している形式のものにおいて、調節モータ（６）が電動モータとして形成されていて、カム軸（２）に対して半径方向に配置されていることを特徴とする、内燃機関のクランク軸に対するカム軸の相対回転角位置を調節する調節装置。
電動モータとカム軸との間に歯車伝動装置（１７）が配置されていて、電動モータによって生ぜしめられる調節モーメントが、歯車伝動装置（１７）を介して機械式に調節軸（７）に伝達される、請求項１０記載の調節装置。
歯車伝動装置（１７）が、かさ歯車伝動装置、ウォーム歯車伝動装置又はヘリカルギヤ伝動装置として形成されている、請求項１１記載の調節装置。
歯車伝動装置の伝達比が１：１である、請求項１１記載の調節装置。
内燃機関のクランク軸に対するカム軸（２）の相対回転角位置を調節する調節装置（１）であって、三軸伝動装置として形成された調節伝動装置（３）が設けられていて、該調節伝動装置（３）が、クランク軸固定の駆動部分（４）とカム軸固定の被駆動部分と調節モータ（６）の調節モータ軸（５）に結合された調節軸（７）とを有している形式のものにおいて、調節モータ（６）が電動モータとして形成されていて、カム軸（２）に対して平行に配置されており、調節モータ（６）によって生ぜしめられる調節モーメントが、二次駆動装置（１８）を介して調節軸（７）に伝達されることを特徴とする、内燃機関のクランク軸に対するカム軸の相対回転角位置を調節する調節装置。
二次駆動装置（１８）がベルト駆動装置、チェーン駆動装置、カルダン駆動装置又は付加的な平歯車段として形成されている、請求項１４記載の調節装置。