JP2009215965A - 内燃機関の可変バルブタイミング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で最遅角位置と最進角位置との各々でロータ２２を機械的にロックできるようにする。
【解決手段】油圧式の可変バルブタイミング装置は、一定角度相対回動可能なハウジング２１とロータ２２とからなり、ベーン３４ａ〜３４ｄの両側の進角側油圧室３７および遅角側油圧室３８への油圧供給によって回動する。ロック機構４１はロータ２２を貫通したシリンダ４２内を摺動するロックピン４３からなり、コイルスプリングの付勢力により一端が最遅角位置の第１係合孔に係合する。運転時は、進角側油圧室３７の油圧によりロックピン４３が反対側へ付勢され、第１係合孔から離脱するとともに、この油圧により最進角位置において他端が第２係合孔に係合する。運転中は最進角位置に機械的に保持されるので、油圧供給によるエネルギの損失が少ない。
【選択図】図２

Description

この発明は、内燃機関の吸気弁もしくは排気弁のバルブタイミングを遅進させる回転型の可変バルブタイミング装置に関する。

例えば内燃機関の吸気弁のバルブタイミングを機関運転条件に応じて遅進させるために、特許文献１，２等に記載されているような回転型の可変バルブタイミング装置が知られている。これは、例えばクランクシャフトに同期して回転するハウジングと、このハウジング内に同軸状に収容され、かつ例えばカムシャフト前端に固定されるロータと、を備え、両者間に周方向に形成される進角側油圧室および遅角側油圧室に各々供給される油圧を制御することで、ロータをハウジングに対し相対的に回動させ、バルブリフトのクランク角に対する位相を変化させる構成となっている。

ここで、この種の可変バルブタイミング装置においては、油圧がまだ十分に発生し得ない始動時に、バルブタイミングを所定の位置に安定的に確保するために、ロータとハウジングとの間にロック機構が設けられるのが一般的であり、引用文献１，２に開示されているように、始動時に、最遅角位置、最進角位置あるいは適当な中間位置に固定するために、ロータに軸方向に沿って貫通形成したシリンダ内にロックピンを配置し、このロックピンが機関停止時にばね力により突出してロック孔に係合することで、ロータを固定するロック機構が知られている。
特開平１１−１８２２１４号公報 特開２００２−２１３２６２号公報

しかしながら、上記従来のロック機構は、始動時（あるいは機関停止時）に特定の位置にロータを固定保持するためのものであり、始動後の運転中は、常に油圧制御によってハウジングとロータとの相対位置を目標位置に保持する必要があり、オイルポンプの駆動に関連して内燃機関の燃費への悪影響が大きい。

そこで、この発明は、例えば機関の始動時に用いられる進角側もしくは遅角側の一方の回転限界位置と例えば機関の運転中に用いられる他方の回転限界位置との双方で、１つのロック機構により機械的な固定保持が行えるようにしたものである。すなわち、この発明に係る内燃機関の可変バルブタイミング装置は、内燃機関の吸気弁もしくは排気弁を直接もしくは間接に駆動するカムシャフトとクランクシャフトのいずれか一方と連動して回転するハウジングと、このハウジングの内側に同心状に配置され、かつ他方と連動して回転するロータと、を備え、上記ロータの半径方向に延びるベーンが、上記ハウジング側に設けられた凹部内に配置されて該ベーンの両側に第１，第２圧力室がそれぞれ形成され、上記ロータを第１の回転方向へ向けて付勢する第１圧力室の流体圧と第２の回転方向へ向けて付勢する第２圧力室の流体圧とによって上記ロータが上記ハウジングに対し所定の角度範囲内で相対的に回動するように構成されている。

そして、特に、上記ロータに軸方向に沿って貫通形成されたシリンダと、このシリンダ内に摺動可能に配置されたロックピンと、上記ロータが上記ハウジングに対し上記第１の回転方向への回転限界位置にあるときに上記ロックピンの一端が係合可能な位置に上記ハウジングに設けられた第１係合部と、上記ロータが上記ハウジングに対し上記第２の回転方向への回転限界位置にあるときに上記ロックピンの他端が係合可能な位置に上記ハウジングに設けられた第２係合部と、からなるロック機構を備えている。

この発明によれば、例えば機関の始動時に用いられる進角側もしくは遅角側の一方の回転限界位置と例えば機関の運転中に用いられる他方の回転限界位置との双方で、ロータがハウジングに対し機械的に固定保持されるため、流体圧が不十分な始動時に確実な始動が可能になるとともに、運転中の流体圧によるロータの保持に要するエネルギが軽減され、燃費の向上が可能である。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この発明に係る可変バルブタイミング装置を作動角可変機構と組み合わせて内燃機関の吸入空気量制御に利用した場合のシステム構成を示す構成説明図であって、内燃機関１は、吸気弁３と排気弁４とを有し、かつ吸気弁３の動弁機構として、吸気弁３のリフト・作動角を連続的に拡大・縮小させることが可能な作動角可変機構すなわち第１可変動弁機構（ＶＥＬ）５と、そのバルブリフト特性の位相をクランクシャフトのクランク角に対し遅進させる本発明の可変バルブタイミング装置すなわち第２可変動弁機構（ＶＴＣ）６と、を備えている。また、吸気通路７には、モータ等のアクチュエータにより開度が制御される電子制御スロットル弁２が設けられている。ここで、上記スロットル弁２は、吸気通路７内に、ブローバイガスの処理などのために必要な僅かな負圧（例えば−５０ｍｍＨｇ）を発生させるためだけに用いられており、吸入空気量の調整は、基本的に、上記第１，第２可変動弁機構５，６により吸気弁３のバルブリフト特性を変更することで行われる。すなわち、吸入空気量の調整をスロットル弁開度に依存しない実質的なスロットルレス運転が実現される。これらの第１，第２可変動弁機構５，６および電子制御スロットル弁２は、コントロールユニット１０によって制御されている。

また、燃料噴射弁８が吸気通路７に配設されており、上記のように吸気弁３により調整された吸入空気量に応じた量の燃料が、この燃料噴射弁８から噴射される。従って、内燃機関１の出力は、第１，第２可変動弁機構５，６により吸入空気量を調整することによって制御される。

上記のコントロールユニット１０には、運転者により操作されるアクセルペダルに設けられたアクセル開度センサ１１からのアクセル開度信号ＡＰＯ、エンジン回転速度センサ１２からのエンジン回転速度信号Ｎｅ、吸入空気量センサ１３からの吸入空気量信号、などが入力されており、コントロールユニット１０は、これらの信号に基づいて、燃料噴射量、点火時期、スロットル弁開度、作動角目標値、中心角目標値、等を演算し、燃料噴射弁８、点火プラグ９、スロットル弁２、第１，第２可変動弁機構５，６、等を制御する。

上記第１可変動弁機構５は、例えば特開２００６−９７６４７号公報に記載されているようなバルブリフト特性、すなわちリフトと作動角とが両者同時に拡大・縮小変化するとともに、作動角が大となるほど作動角の中心角が遅角するバルブリフト特性を有しており、換言すれば、作動角の大小変化に対し、吸気弁３の開時期の変化量が閉時期の変化量よりも小さい特性を有している。この第１可変動弁機構５は、上記公報に記載のように、偏心カムを備えたカムシャフトの動作が可変ジオメトリのリンク機構を介して吸気弁３に伝達されるものであって、このカムシャフトと機関のクランクシャフトとの間に、第２可変動弁機構６が介在している。

図２は、上記第２可変動弁機構６の詳細を示す正面図であって、この第２可変動弁機構６は、略円盤状をなすハウジング２１と、このハウジング２１内に同心状に収容されたロータ２２と、から大略構成されている。上記ハウジング２１は、図５，図６に示すように、両端面が開口した略円筒状のボディ２３と、このボディ２３の端面をそれぞれ覆うようにボディ２３に固定されたフロントエンドプレート２４およびリアエンドプレート２５と、を備えている。図２は、上記フロントエンドプレート２４を取り除いた状態を示している。上記ボディ２３の外周には、図示せぬカムスプロケットが固定されており、図示せぬクランクシャフトのクランクスプロケットとの間に図示せぬタイミングチェーンが巻き掛けられている。また、ロータ２２は、上記ハウジング２１に対し後述するように所定角度だけ相対回転可能となっており、かつ図示せぬカムシャフトの前端にセンターボルト２６によって固定されている。

上記ボディ２３の内周側には、半径方向へ突出した略台形の断面形状をなす４つの隔壁部３１が略９０°間隔に設けられており、各々の先端にシール部材３２が設けられている。これに対し、ロータ２２は、上記シール部材３２が外周面に接する円形の基部３３を有するとともに、この基部３３から外周側に半径方向へ突出した４つのベーン３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄが略９０°間隔に設けられており、上記の４つの隔壁部３１により形成される４箇所の凹部３５の各々に上記ベーン３４ａ〜３４ｄが入り込んでいる。各ベーン３４ａ〜３４ｄの先端には、ボディ２３の内周面に接するシール部材３６が設けられている。このベーン３４ａ〜３４ｄと凹部３５との噛み合いによって、上記ロータ２２と上記ハウジング２１とは、所定角度範囲だけ相対回転可能となっている。そして、各凹部３５内には、ベーン３４ａ〜３４ｄを挟んで、第１，第２圧力室として、一方に進角側油圧室３７が、他方に遅角側油圧室３８が、それぞれ区画されている。従って、進角側油圧室３７へ油圧が供給されるとバルブタイミングが進角する方向へロータ２２が相対回転し、遅角側油圧室３８へ油圧が供給されるとバルブタイミングが遅角する方向へロータ２２が相対回転する。なお、各々のベーン３４ａ〜３４ｄは、ロータ２２が最進角位置および図１に示す最遅角位置にあるときに、その側面が上記隔壁部３１の傾斜した側面に接するように、逆台形状の断面形状をなしている。

４つのベーン３４ａ〜３４ｄの中で、１つのベーン３４ａは残りのベーン３４ｂ〜３４ｄに比べて周方向の寸法が大きく形成されており、上記ロータ２２を最進角位置および最遅角位置の各々で固定保持するためのロック機構４１がこのベーン３４ａに配置されている。このロック機構４１は、上記ベーン３４ａにロータ２２の軸方向に沿って貫通形成された円筒状のシリンダ４２と、このシリンダ４２内に摺動可能に配置された略円柱状のロックピン４３と、を備えており、上記ハウジング２１のフロントエンドプレート２４には、上記ロータ２２が最進角位置にあるときに上記ロックピン４３と合致する第１係合孔４４（図３、図６参照）が凹設され、リアエンドプレート２５には、上記ロータ２２が最遅角位置にあるときに上記ロックピン４３と合致する第２係合孔４５（図４、図５参照）が凹設されている。上記ロックピン４３は、図５、図６に示すように、その全長が上記シリンダ４２の全長よりも僅かに短く、かつ中央の大径部４３ａがシリンダ４２の内径に比較的密に嵌合しているとともに、フロントエンドプレート２４に対向する第１端部４３ｂおよびリアエンドプレート２５に対向する第２端部４３ｃがそれぞれ小径をなし、大径部４３ａに対しステップ状に径が変化している。これによって、シリンダ４２内の両端部つまり第１端部４３ｂ側と第２端部４３ｃ側とにそれぞれ実質的な油圧室（第１シリンダ室４２ａ、第２シリンダ室４２ｂ）が形成され、上記大径部４３ａと第１，第２端部４３ｂ，４３ｃとの段差が受圧面となっている。また、ロックピン４３は、第１端部４３ｂ側の段差面とリテーナ４７との間に圧縮状態で設けられたコイルスプリング４８によって、第２端部４３ｃがシリンダ４２から突出する方向へ常に付勢されている。

上記第１シリンダ室４２ａは、ロータ２２（ベーン３４ａ）のフロントエンドプレート２４側の面に凹設された第１油溝４９（図６、図２参照）を介して隣接する遅角側油圧室３８に連通しており、上記第２シリンダ室４２ｂは、ロータ２２（ベーン３４ａ）のリアエンドプレート２５側の面に凹設された第２油溝５０（図５、図２参照）を介して隣接する進角側油圧室３７に連通している。

また上記フロントエンドプレート２４には、第２係合孔４５と対向するように小さな第１空気抜き孔５１が開口形成されている。この第１空気抜き孔５１は、ロータ２２が最遅角位置にあるときにシリンダ４２と連通し、第１シリンダ室４２ａを大気開放する。なお、ロータ２２が最遅角位置に達したときに初めて第１シリンダ室４２ａと連通し得るように、最遅角位置におけるシリンダ４２の仮想円の最も遅角側となる位置に偏って第１空気抜き孔５１が配置されている（図３参照）。同様に、上記リアエンドプレート２５には、第１係合孔４４と対向するように小さな第２空気抜き孔５２が開口形成されており、これも、ロータ２２が最進角位置に達したときに初めて第２シリンダ室４２ｂと連通し得るように、最進角位置におけるシリンダ４２の仮想円の最も進角側となる位置に偏って配置されている。

４つの進角側油圧室３７は、それぞれロータ２２に半径方向に設けられた進角側油通路５５を介して外部の第１油圧通路５６に連通している。同様に、４つの遅角側油圧室３８は、それぞれロータ２２に半径方向に設けられた遅角側油通路５７を介して外部の第２油圧通路５８に連通している。そして、バルブタイミングを変化させる油圧源として機関出力により機械的に駆動されるオイルポンプ５９を備えており、このオイルポンプ５９およびドレン通路６０に、スプール弁型の電磁制御弁６１を介して上記の第１，第２油圧通路５６，５８が選択的に接続されるようになっている。

上記電磁制御弁６１は、適当な周波数の駆動信号のＯＮ−ＯＦＦデューティ比を可変制御することで、進角側油圧室３７および遅角側油圧室３８の油圧を連続的に変化させることができるものであり、特に、ソレノイドの非通電時には、リターンスプリングにより定まるスプールの初期位置として、進角側油圧室３７がオイルポンプ５９に接続され、遅角側油圧室３８がドレン通路６０に接続されるように、油圧回路が構成されている。従って、この実施例では、後述するようにロータ２２が最進角位置にロックされた状態では、消費電力の抑制のために、電磁制御弁６１のソレノイドがＯＦＦに保たれるようになっている。

上記のように構成された第２可変動弁機構６においては、内燃機関の停止時には、ロックピン４３がコイルスプリング４８によってリアエンドプレート２５側へ付勢されているので、ロータ２２がハウジング２１に対し最遅角位置となったときに、第２端部４３ｃがシリンダ４２から突出して第２係合孔４５内に係合し、ロータ２２を最遅角位置に固定保持する（図５参照）。従って、次の始動時におけるクランキングの際に、バルブタイミングが最遅角位置に安定的に維持され、確実な始動が可能となる。

そして、始動後、内燃機関のオイルポンプ５９により発生する油圧が上昇すると、所期のバルブタイミング制御が開始され、ロータ２２のハウジング２１に対する相対回転位相が可変制御される。基本的には、この実施例では、前述した特性の第１可変動弁機構５と組み合わせることで、第２可変動弁機構６は、運転中は基本的に最進角位置に制御される。従って、電磁制御弁６１を介して進角側油圧室３７に油圧が供給されるが、この進角側への油圧は、同時に、第２油溝５０を介してロック機構４１における第２シリンダ室４２ｂへ導入される。この第２シリンダ室４２ｂへ導かれた油圧によりロックピン４３はコイルスプリング４８のばね力に抗してシリンダ４２内を摺動し、第２端部４３ｃが第２係合孔４５から離脱する。なお、このとき第１シリンダ室４２ａは第１空気抜き孔５１を介して大気開放されているので、ロックピン４３の移動を阻害することがない。

ロックピン４３が第２係合孔４５から離脱すると、進角側油圧室３７の油圧によりロータ２２が回動し、最進角位置に達する。このとき、ロックピン４３は進角側油圧室３７の油圧によりコイルスプリング４８のばね力に抗して付勢され続けるので、ロータ２２が最進角位置に達したときに、図６に示すように、第１端部４３ｂが第１係合孔４４内に係合し、ロータ２２を最進角位置に機械的に固定保持する。前述したように、最進角位置に制御する機関運転中は電磁制御弁６１のソレノイドへの通電が停止され、オイルポンプ５９が常に進角側油圧室３７に連通し、遅角側油圧室３８がドレン通路６０に接続した状態に維持される。従って、ロックピン４３の機械的保持によりオイルポンプ５９の油圧供給に伴うエネルギの損失が低減するとともに、電磁制御弁６１の可変制御に伴う電力消費も抑制され、結果として、内燃機関の燃費向上に寄与する。

図６のように最進角位置でロック機構４１によりロックされた状態で機関が停止すると、油圧低下に伴ってロックピン４３がコイルスプリング４８のばね力により復帰し、第１係合孔４４から離脱する。従って、カムシャフトに作用する反力等による遅角側への移動が可能となる。なお、このとき、第２シリンダ室４２ｂは第２空気抜き孔５２を介して大気開放されているので、ロックピン４３の移動を阻害することがない。

また、最進角位置で運転中に、何らかの条件に応じて遅角側へバルブタイミングを変化させる必要が生じた場合には、電磁制御弁６１から遅角側油圧室３８へ供給された油圧が第１油溝４９を介して第１シリンダ室４２ａへ導入されるため、これがコイルスプリング４８のばね力に加わってロックピン４３を付勢することとなり、また同時に進角側油圧室３７の油圧が低下するので、ロックピン４３が移動して第１係合孔４４から離脱する。

このように、本実施例の構成では、単一のロックピン４３およびシリンダ４２からなる単一のロック機構４１によって最進角位置および最遅角位置の各々の機械的なロックが行え、２つの独立したロック機構を用いる場合に比較して構成が簡素となり、かつロータ２２の大型化を回避できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、例えば排気弁側に適用することも可能であり、また上記で説明した特定の構成のもの以外の作動角可変機構と組み合わせて用いることもできる。また上記実施例では、ロックピン４３の移動を円滑化するために第１，第２空気抜き孔５１，５２を設けているが、これらは必ずしも必須ではなく、省略することも可能である。

この発明に係る可変バルブタイミング装置を作動角可変機構と組み合わせた吸入空気量制御システムの構成説明図。 この発明に係る可変バルブタイミング装置の一実施例を、フロントエンドプレートを取り除いて示した正面図。 その要部をフロントエンドプレートとともに示す正面図。 最進角位置にある状態を示す要部の図２と同様の正面図。 最遅角位置にあるときの要部の周方向に沿った断面での断面図。 最進角位置にあるときの要部の周方向に沿った断面での断面図。

符号の説明

３…吸気弁
５…第１可変動弁機構
６…第２可変動弁機構
２１…ハウジング
２２…ロータ
２４…フロントエンドプレート
２５…リアエンドプレート
３７…進角側油圧室
３８…遅角側油圧室
４１…ロック機構
４２…シリンダ
４３…ロックピン
４４…第１係合孔
４５…第２係合孔
４８…コイルスプリング
４９…第１油溝
５０…第２油溝
５１…第１空気抜き孔
５２…第２空気抜き孔
５９…オイルポンプ
６１…電磁制御弁

Claims (11)

1. 内燃機関の吸気弁もしくは排気弁を直接もしくは間接に駆動するカムシャフトとクランクシャフトのいずれか一方と連動して回転するハウジングと、このハウジングの内側に同心状に配置され、かつ他方と連動して回転するロータと、を備え、上記ロータの半径方向に延びるベーンが、上記ハウジング側に設けられた凹部内に配置されて該ベーンの両側に第１，第２圧力室がそれぞれ形成され、上記ロータを第１の回転方向へ向けて付勢する第１圧力室の流体圧と第２の回転方向へ向けて付勢する第２圧力室の流体圧とによって上記ロータが上記ハウジングに対し所定の角度範囲内で相対的に回動する内燃機関の可変バルブタイミング装置において、
   上記ロータに軸方向に沿って貫通形成されたシリンダと、このシリンダ内に摺動可能に配置されたロックピンと、上記ロータが上記ハウジングに対し上記第１の回転方向への回転限界位置にあるときに上記ロックピンの一端が係合可能な位置に上記ハウジングに設けられた第１係合部と、上記ロータが上記ハウジングに対し上記第２の回転方向への回転限界位置にあるときに上記ロックピンの他端が係合可能な位置に上記ハウジングに設けられた第２係合部と、からなるロック機構を備えてなる内燃機関の可変バルブタイミング装置。
2. 上記ロックピンが上記第１係合部に係合しているときに上記第２圧力室へ供給された流体圧によって上記ロックピンが上記第１係合部から離脱することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。
3. 上記ロックピンが上記第２係合部に係合しているときに上記第１圧力室へ供給された流体圧によって上記ロックピンが上記第２係合部から離脱することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。
4. 上記ロックピンは、第２係合部へ係合する方向へばね部材によって付勢されているとともに、第１圧力室の流体圧が上記ばね部材の付勢力に抗して上記ロックピンを上記第１係合部に係合させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。
5. 上記第２圧力室の流体圧が上記シリンダ内の上記ロックピンの上記一端側へ導かれ、上記第１圧力室の流体圧が上記シリンダ内の上記ロックピンの他端側へ導かれていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。
6. 吸気弁の駆動に用いられるとともに、上記第１の回転方向がバルブタイミングの進角側であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。
7. 吸気弁の作動角を連続的に拡大・縮小するとともに作動角の拡大に伴ってリフトの中心角が遅角する特性を備えた作動角可変機構と組み合わせて用いられることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。
8. 流体圧源とドレン通路と上記第１，第２圧力室との間の連通を制御する電磁式制御弁が、非通電時に、上記第１圧力室を流体圧源に連通し、上記第２圧力室を上記ドレン通路に連通するように構成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。
9. 上記ロータが上記ハウジングに対し上記第１の回転方向への回転限界位置に達したときに上記シリンダと連通する空気抜き孔が、上記ロックピンの上記他端側となる上記ハウジングの側壁に開口形成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。
10. 上記ロータが上記ハウジングに対し上記第２の回転方向への回転限界位置に達したときに上記シリンダと連通する空気抜き孔が、上記ロックピンの上記一端側となる上記ハウジングの側壁に開口形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。
11. 機関始動後は上記第１圧力室へ流体圧が供給されるとともに上記第２圧力室の流体圧がドレンされ、上記ばね部材の付勢力に抗して上記ロックピンが上記第１係合部に係合することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の可変バルブタイミング装置。

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