JP2009222021A - カム位相可変型内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 油圧制御弁の失陥時等においても、エンジン停止後の再始動時に所定のカム位相が確立されるようにしたカム位相可変型内燃機関を提供する。
【解決手段】 油圧開放バルブ３６は、バルブ本体３７内にボール弁３８とコイルスプリング３９とを収容したものであり、ハウジング２２における第３ベーン室４７の近傍に外周側から圧入されている。油圧開放バルブ３６は、コイルスプリング３９側がハウジング２２の外周に開放される一方、ボール弁３８側がリリーフ油路５７を介して第３ベーン室４７の遅角側油圧室４７ｂに連通している。エンジンＥの始動後に吸気カムシャフト４の回転速度が所定値を超えると、ボール弁３８は、その遠心力によってロータ２３の軸心から離間し、コイルスプリング３９のばね力に打ちかってバルブ本体３７の弁座に着座し、油圧開放バルブ３６を閉弁させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、カム位相可変型内燃機関に係り、詳しくは、油圧制御弁の失陥時等においても、エンジン停止後の再始動時に所定のカム位相が確立されるようにする技術に関する。

４サイクルエンジン（以下、単にエンジンと記す）では、出力および燃費の向上や有害排出ガス成分の低減等を図るべく、種々の可変動弁機構を搭載したものが多くなっている。可変動弁機構としては、低速型カムと高速型カムとを切り換えるものが従来より存在するが、近年ではカム位相とバルブリフトとを個別に連続可変制御することで過渡特性の更なる向上やスロットルレス化等を実現したものが主流となってきている。カム位相の可変制御に供されるバルブタイミングコントロール装置（Variable Timing Control Device：以下、ＶＴＣと記す）は、シリンダヘッドにおけるカムシャフトの端部付近に設置された油圧アクチュエータ（以下、ＶＴＣアクチュエータと記す）や、ＶＴＣアクチュエータへの供給油圧（エンジン油圧）を制御するためのリニアソレノイド等から構成されている（特許文献１参照）。

特許文献１のＶＴＣアクチュエータは、複数枚のベーンを有するロータと、ロータを相対回転可能に収納するハウジングとを有し、ハウジングに形成された進角室と遅角室とに作動油（エンジンオイル）が適宜供給されるとロータとハウジングとが相対回転する構造が採られており、ロータがカムシャフト側に固着される一方でハウジングにカムスプロケットが一体化されている。この種のＶＴＣアクチュエータを搭載したエンジンでは、進角室や遅角室に作動油を供給する油圧制御弁が失陥し（異物の噛み込みによる作動不良等が発生し）、カム位相の制御が行えなくなってしまう可能性がある。そこで、カム位相制御の異常が検出された場合、燃料噴射量を増大させることによってエンジンの失火やストールを防止するフェールセーフ制御が提案されている（特許文献２参照）。
特開２００２−２８５８７２号公報 特許第２５６９９９９号

しかしながら、特許文献２のフェールセーフ制御を採用した場合にも、カム位相の可変範囲の設定によっては、過大なバルブオーバラップが生じて十分な吸気量が確保できなくなり、燃料噴射量を増大させても失火やストールが発生する可能性があった。また、この種のカム位相可変型のエンジンでは、その停止時にロックピン等によってハウジングとロータとを所定のロック角度で固定させ、次回の再始動が円滑に行われるようにしたものが多いが、油圧制御弁の失陥時等においてはハウジングとロータとがロック角度で固定されなくなる可能性もあった。この場合、エンジンがストールした後、再始動させることもできなくなり、運転者に多大な不安を与える虞があった。

本発明は、上記状況に鑑みなされたものであり、油圧制御弁の失陥時等においても、エンジン停止後の再始動時に所定のカム位相が確立されるようにしたカム位相可変型内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明は、所定の角度範囲をもってカム位相が可変制御されるカム位相可変型内燃機関であって、クランクシャフトに同期して回転する第１回転部材と、カムシャフトと一体に回転するとともに前記第１回転部材に相対回転可能に連結される第２回転部材と、前記第１回転部材と前記第２回転部材との相対回転の制御に供される油圧回路と、前記油圧回路内の油圧を開放する油圧開放手段と、前記油圧開放手段の作動時において、前記第１回転部材と前記第２回転部材とを所定の結合角度をもって結合／一体化するカム位相固定手段とを備えたことを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明に係るカム位相可変型内燃機関において、前記油圧開放手段が弁体と付勢手段とを有するバルブであり、前記バルブは、前記付勢手段によって前記弁体が前記カムシャフトの軸心側に付勢されることで開弁し、前記カムシャフトの回転に伴う遠心力によって前記弁体が前記カムシャフトの軸心から離間することで閉弁することを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明に係るカム位相可変型内燃機関において、前記油圧回路への供給油圧を遮断する油圧遮断手段を備えたことを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明に係るカム位相可変型内燃機関において、前記油圧遮断手段がシリンダヘッドに配置されたことを特徴とする。

第１の発明によれば、油圧開放手段によって油圧回路の油圧が開放されると、カムトルクによって第１回転部材と第２回転部材とが進角側と遅角側との間で交番的に相対回動し、相対角度が所定の結合角度（例えば、始動時のカム位相となる角度）となった時点で第１回転部材と第２回転部材とがカム位相固定手段によって固定され、円滑なエンジンの再始動が実現される。また、第２の発明によれば、エンジンの停止時に第１，第２回転部材が停止することで付勢手段によってバルブが開弁するため、油圧開放手段に電力等を用いる駆動機構や制御装置が不要なる。また、第３の発明によれば、油圧制御弁の失陥時等においては、油圧遮断手段によって油圧回路への供給油圧を遮断し、第１回転部材と第２回転部材とがカム位相固定手段によって固定されたままの状態とさせることで、例えば整備工場等へ自動車が自走することが可能となる。また、第４の発明によれば、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの双方にカム位相可変機構が装着されていても、１つの油圧遮断手段で両方のカム位相可変機構の油圧を開放できる。

以下、図面を参照して、本発明に係るカム位相可変型内燃機関の一実施形態を詳細に説明する。
図１は実施形態に係る自動車用エンジンの要部透視斜視図であり、図２は実施形態に係るＶＴＣアクチュエータの分解斜視図であり、図３は実施形態に係るＶＴＣアクチュエータの概略構成図である。

≪実施形態の構成≫
＜全体構成＞
図１に示すエンジン（カム位相可変型内燃機関）Ｅは、自動車に搭載されるＤＯＨＣ４バルブ型の４サイクル直列４気筒ガソリンエンジンであり、そのシリンダヘッド１に、各気筒２本ずつの吸気バルブ２および排気バルブ３、これら吸排気バルブ２，３を駆動する吸気カムシャフト４および排気カムシャフト５を備えている。両カムシャフト４，５は、クランクスプロケット６、カムチェーン７、吸気カムスプロケット８、排気カムスプロケット９を介して、クランクシャフト１０によって１／２の回転速度をもって回転駆動される。また、クランクシャフト１０は、コネクティングロッド１１を介してピストン１２に連結されるとともに、チェーン１３を介して斜め下方に設置されたオイルポンプ１４を駆動する。

吸気カムシャフト４の前端にはＶＴＣアクチュエータ２１が取り付けられ、シリンダヘッド１およびシリンダブロック１５にはオイルポンプ１４からの作動油（エンジンオイル）をＶＴＣアクチュエータ２１に供給するための油路１６が形成されている。また、シリンダヘッド１にはノーマルオープン型の電磁シャットバルブ（油圧遮断手段）１７が装着されており、この電磁シャットバルブ１７によって油路１６が連通／遮断される。なお、電磁シャットバルブ１７は、図示しないエンジンＥＣＵからの駆動電流によって閉鎖（遮断）駆動される。

＜ＶＴＣアクチュエータ＞
図２に示すように、ＶＴＣアクチュエータ２１は、外周に吸気カムスプロケット８が形成されたハウジング（第１回転部材）２２、ハウジング２２内に回転自在に保持されるとともに吸気カムシャフト４の前端にその後面が締結されるロータ（第２回転部材）２３、ハウジング２２の前面を覆うフロントプレート２４、ハウジング２２の後面を覆うバックプレート２５、フロントプレート２４の内周側に配置されたリードバルブ２６、リードバルブ２６をロータ２３に固定するリードバルブカバー２７、ハウジング２２とロータ２３とを進角方向に相対回動させるバイアススプリング２８、吸気カムシャフト４およびロータ２３の軸心に保持されたバルブスリーブ２９、バルブスリーブ２９に摺動自在に内嵌したスプールバルブ（油圧制御弁）３０、エンジンＥＣＵによって制御されることによってスプールバルブ３０を軸方向に駆動するリニアソレノイド３１、スプールバルブ３０をリニアソレノイド３１側に付勢するリターンスプリング３２、ロータ２３に保持されたロックピン３３、ロックピン３３をバックプレート２５側に付勢するロックピンスプリング３４、ロータ２３に保持されてロータ２３内の油路から油路１６への作動油の逆流を防止するチェックバルブ３５、ハウジング２２に保持された油圧開放バルブ（油圧開放手段）３６等を構成要素としている。

図３に示すように、ロータ２３の外周には比較的薄幅の第１，第２ベーン４１，４２と比較的厚幅の第３，第４ベーン４３，４４とが立設される一方、ハウジング２２の内周にはこれらベーン４１〜４４を所定角度（本実施形態では、３５°）をもって相対回動自在に収容する第１〜第４ベーン室４５〜４８が形成されている。本実施形態の場合、第１ベーン４１および第１ベーン室４５は第１油圧駆動型位相可変機構（Oil Pressure Actuated phaser：以下、ＯＰＡと記す）６１の構成要素であり、第２ベーン４２および第２ベーン室４６は第２ＯＰＡ６２の構成要素であり、第３ベーン４３および第３ベーン室４７はカムトルク駆動型位相可変機構（Cam Torque Actuated phaser：以下、ＣＴＡと記す）６３の構成要素である。

第４ベーン４４にはロックピン３３およびロックピンスプリング３４が収容されており、ロックピン解除油路への作動油の供給が行われない場合にのみ、ロックピンスプリング３４のばね力によってロックピン３３の先端がバックプレート２５に形成されたロック孔２５ａに嵌入可能となる。なお、ロック孔２５ａは、始動に適したカム位相（始動時カム位相：本実施形態では、最進角位相）が得られる位置に設けられている。図３中、符号４９で示す部材はロータ２３の外周に設けられたロータ側シールであり、符号５０で示す部材はハウジング２２の内周に設けられたハウジング側シールである。

第１，第２ベーン室４５，４６は、第１，第２ベーン４１，４２により、スプールバルブ３０からの作動油が供給油路５１，５２を介して供給される進角側油圧室４５ａ，４６ａと、ドレイン通路５３，５４に連通する遅角室４５ｂ，４６ｂとにそれぞれ区画されている。また、第３ベーン室４７は、第３ベーン４３により、進角側油路５６とリードバルブ２６の第２弁体２６ｂとを介してスプールバルブ３０に連通する進角側油圧室４７ａと、遅角側油路５５とリードバルブ２６の第１弁体２６ａとを介してスプールバルブ３０に連通する遅角側油圧室４７ｂとに区画されている。

＜油圧開放バルブ＞
油圧開放バルブ３６は、バルブ本体３７内にボール弁（弁体）３８とコイルスプリング（付勢手段）３９とを収容したものであり、ハウジング２２における第３ベーン室４７の近傍に外周側から圧入されている。油圧開放バルブ３６は、コイルスプリング３９によってボール弁３８がロータ２３の軸心（すなわち、吸気カムシャフト４の軸心）側に付勢されるように、ラジアル方向に設置されている。また、油圧開放バルブ３６は、コイルスプリング３９側がハウジング２２の外周に開放される一方、ボール弁３８側がリリーフ油路５７を介して第３ベーン室４７の遅角側油圧室４７ｂに連通している。なお、コイルスプリング３９は、エンジンＥの停止時や極低速回転時において、ボール弁３８をロータ２３の軸心側に移動させることにより、油圧開放バルブ３６を開弁させる。そして、エンジンＥの始動後に吸気カムシャフト４の回転速度が所定値（例えば、３００ｒｐｍ）を超えると、ボール弁３８は、その遠心力によってロータ２３の軸心から離間し、コイルスプリング３９のばね力に打ちかってバルブ本体３７の弁座に着座し、油圧開放バルブ３６を閉弁させる。

≪実施形態の作用≫
以下、図４〜図８の模式図を参照して本実施形態の作用を説明する。
＜進角作動＞
エンジンＥの運転中に吸気カムシャフト４を進角させる場合、エンジンＥＣＵは、図４に示すように、電磁シャットバルブ１７によって油路１６を連通させた状態で、リニアソレノイド３１によってスプールバルブ３０を進角位置（図中、右方）に移動させる。すると、オイルポンプ１４から油路１６を経由して供給された作動油は、ロックピン３３を解除状態で保持するとともに、スプールバルブ３０を介して第１，第２ＯＰＡ６１，６２側の進角側油圧室４５ａ，４６ａに流入して第１，第２ベーン４１，４２を進角側に付勢する。なお、エンジンＥの通常運転時には、電磁シャットバルブ１７に駆動電流が供給されず（油路１６が連通され）、オイルポンプ１４からの作動油によってロックピン３３が解除状態で保持される。一方、ＣＴＡ６３では、吸気カムシャフト４に進角側のカムトルクが作用し、ハウジング２２に対してロータ２３が進角側に相対回転するごとにリードバルブ２６の第２弁体２６ｂが開き、遅角側油圧室４７ｂ内の作動油が進角側油圧室４７ａに流入する。また、遅角側のカムトルクが作用した場合には、リードバルブ２６の第１，第２弁体２６ａ，２６ｂは閉じ、作動油の移動は起こらずにカム位相が保持される。これら第１，第２ＯＰＡ６１，６２およびＣＴＡ６３の作動により、ロータ２３がハウジング２２に対して図中時計回りに相対回転し、吸気カムシャフト４が進角する。なお、ＣＴＡ６３への作動油の供給は、エンジンＥの運転開始時に、チェックバルブ３５を介してＣＴＡ６３が満たされるまで行われる。

＜遅角作動＞
エンジンＥの運転中に吸気カムシャフト４を遅角させる場合、エンジンＥＣＵは、図５に示すように、リニアソレノイド３１によってスプールバルブ３０を遅角位置（図中、左方）に移動させる。すると、第１，第２ＯＰＡ６１，６２では、進角側油圧室４５ａ，４６ａ内の作動油がスプールバルブ３０を介してドレイン通路５３，５４から排出され、第１，第２ベーン４１，４２を進角側に付勢する付勢力がなくなる。一方、ＣＴＡ６３では、吸気カムシャフト４に遅角側のカムトルクが作用し、ハウジング２２に対してロータ２３が遅角側に相対回転するごとにリードバルブ２６の第１弁体２６ａが開き、進角側油圧室４７ａ内の作動油が遅角側油圧室４７ｂに流入する。また、進角側のカムトルクが作用した場合には、リードバルブ２６の第１，第２弁体２６ａ，２６ｂは閉じ、作動油の移動は起こらずにカム位相が保持される。これら第１，第２ＯＰＡ６１，６２およびＣＴＡ６３の作動により、ロータ２３がハウジング２２に対して図中反時計回りに相対回転し、吸気カムシャフト４が遅角する。

＜保持作動＞
上述した進角作動や遅角作動によって目標とするカム位相が得られると、エンジンＥＣＵは、図６に示すように、リニアソレノイド３１によってスプールバルブ３０を保持位置（図中、中央）に移動させる。すると、第１，第２ＯＰＡ６１，６２では、進角側油圧室４５ａ，４６ａ内の作動油がスプールバルブ３０によって封じ込められ、第１，第２ベーン４１，４２が移動できなくなる。一方、ＣＴＡ６３では、進角側油圧室４７ａと遅角側油圧室４７ｂとの間で作動油が移動できなくなり、第３ベーン４３も移動できなくなる。これら第１，第２ＯＰＡ６１，６２およびＣＴＡ６３の作動により、ロータ２３がハウジング２２に対して相対回転しなくなり、吸気カムシャフト４のカム位相が保持される。

＜停止作動＞
運転者がイグニッションキーをＯＦＦにしてエンジンＥを停止させるとエンジンＥの回転速度は急速に低下するが、エンジンＥＣＵは、その後所定時間にわたり電磁シャットバルブ１７に駆動電流を供給する一方で、リニアソレノイド３１への駆動電流の供給を停止する。すると、図７に示すように、ロックピン３３に供給されていた作動油が電磁シャットバルブ１７から排出され、ロックピンスプリング３４のばね力によってロックピン３３がバックプレート２５側に付勢されるようになる。また、第１，第２ＯＰＡ６１，６２では、リターンスプリング３２に付勢されたスプールバルブ３０が遅角位置に移動することにより、進角側油圧室４５ａ，４６ａ内の作動油がスプールバルブ３０を介してドレイン通路５３，５４から排出される。そして、吸気カムシャフト４の回転速度の低下に伴って油圧開放バルブ３６が開放することにより、ＣＴＡ６３内の作動油もＶＴＣアクチュエータ２１の外部に排出される。これにより、吸気カムシャフト４が受けるカムトルクによってロータ２３とハウジング２２とが進角側と遅角側との間で交番的に相対回転し、始動時カム位相（最進角位相）となった瞬間に、ロックピン３３がロック孔２５ａに嵌入してロータ２３とハウジング２２とがロックされる。

＜異常時作動＞
リニアソレノイド３１の断線やスプールバルブ３０の固着等が生じ、カム位相の制御が行えなくなった場合、エンジンＥＣＵは、インストルメントパネル等に設置された異常警告灯を点灯させるとともに、エンジンＥの再始動時に電磁シャットバルブ１７への電流供給を行う。図８に示すように、スプールバルブ３０が例えば遅角位置で固着していた場合、第１，第２ＯＰＡ６１，６２では、進角側油圧室４５ａ，４６ａの作動油がスプールバルブ３０を介してドレイン通路５３，５４から排出される。また、ＣＴＡ６３内では、油圧開放バルブ３６が開弁することにより、クランキング時の遠心力によって遅角側油圧室４７ｂの作動油が排出される。これにより、吸気カムシャフト４が受けるカムトルクによってロータ２３とハウジング２２とが進角側に断続的に相対回転し、始動時カム位相（最進角位相）となった瞬間にロックピン３３がロック孔２５ａに嵌入し、ロータ２３とハウジング２２とがロックされて円滑な再始動が実現される。なお、異常時作動においては、停止作動時とは異なって進角側油圧室４７ａには作動油が存在したままとなるが、第３ベーン４３の側面を通過して遅角側油圧室４７ｂから進角側油圧室４７ａに空気がリークするため、動きだしの瞬間を除くと、第３ベーン４３（ロータ２３）の回動がその作動油によって阻害されることはない。そして、運転者は、始動時カム位相のままエンジンＥを運転させ、自動車を整備工場等に搬送することができるようになる。

本実施形態では、上述したように、比較的簡易かつ安価な構造を採りながら、異常時におけるエンジンＥの再始動を円滑に行うことができるようになる。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態は本発明を直列４気筒ＤＯＨＣガソリンエンジンに適用したものであるが、Ｖ型エンジンやディーゼルエンジン等にも当然に適用可能である。また、上記実施形態は吸気カムシャフト側のみにＶＴＣを備えたエンジンに本発明を適用したものであるが、排気カムシャフト側にもＶＴＣを備えたエンジンに適用してもよく、その場合にもシリンダヘッドに設置した１つの電磁シャットバルブで両ＶＴＣへの作動油の供給を停止できる。また、上記実施形態では、ＣＴＡの進角側油圧室側のみに油圧開放バルブを設置したが、ＶＴＣアクチュエータからの作動油の迅速かつ確実な排出を図るべく、ＣＴＡの進角側油圧室側やＯＰＡ側にも油圧開放バルブを設置してもよい。更に、上記実施形態は、カム位相制御手段としてＣＴＡとＯＰＡとを有するＶＴＣアクチュエータに本発明を適用したものであるが、本発明は、ＯＰＡのみを有するＶＴＣアクチュエータにも適用可能である。その場合、結合角度が最進角位相に設定されていれば遅角側油圧室に油圧開放バルブを設置し、結合角度が最遅角位相に設定されていれば進角側油圧室に油圧開放バルブを設置すればよい。その他、ＶＴＣアクチュエータをはじめ、エンジンや動弁機構の具体的構成等についても、本発明の主旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。進角側油圧室からの作動油の迅速かつ確実な排出を図るべく、ＯＰＡ側にも油圧開放バルブを設置してもよい。

実施形態に係るエンジンの要部透視斜視図である。 実施形態に係るＶＴＣアクチュエータの分解斜視図である。 実施形態に係るＶＴＣアクチュエータの概略構成図である。 実施形態に係るＶＴＣアクチュエータの進角作動を示す模式図である。 実施形態に係るＶＴＣアクチュエータの遅角作動を示す模式図である。 実施形態に係るＶＴＣアクチュエータの保持作動を示す模式図である。 実施形態に係るＶＴＣアクチュエータの停止作動を示す模式図である。 実施形態に係るＶＴＣアクチュエータの異常時作動を示す模式図である。

符号の説明

１ シリンダヘッド
４ 吸気カムシャフト
８ 吸気カムスプロケット
１０ クランクシャフト
１４ オイルポンプ
１６ 油路
１７ 電磁シャットバルブ（油圧遮断手段）
２１ ＶＴＣアクチュエータ
２２ ハウジング（第１回転部材）
２３ ロータ（第２回転部材）
２６ リードバルブ
３０ スプールバルブ
３１ リニアソレノイド
３２ リターンスプリング
３３ ロックピン
３６ 油圧開放バルブ（油圧開放手段）
３７ バルブ本体
３８ ボール弁（弁体）
３９ コイルスプリング（付勢手段）
６１ 第１ＯＰＡ
６２ 第２ＯＰＡ
６３ ＣＴＡ
Ｅ エンジン

Claims (4)

1. 所定の角度範囲をもってカム位相が可変制御されるカム位相可変型内燃機関であって、
   クランクシャフトに同期して回転する第１回転部材と、
   カムシャフトと一体に回転するとともに前記第１回転部材に相対回転可能に連結される第２回転部材と、
   前記第１回転部材と前記第２回転部材との相対回転の制御に供される油圧回路と、
   前記油圧回路内の油圧を開放する油圧開放手段と、
   前記油圧開放手段の作動時において、前記第１回転部材と前記第２回転部材とを所定の結合角度をもって結合／一体化するカム位相固定手段と
   を備えたことを特徴とするカム位相可変型内燃機関。
2. 前記油圧開放手段が弁体と付勢手段とを有するバルブであり、
   前記バルブは、前記付勢手段によって前記弁体が前記カムシャフトの軸心側に付勢されることで開弁し、前記カムシャフトの回転に伴う遠心力によって前記弁体が前記カムシャフトの軸心から離間することで閉弁することを特徴とする、請求項１に記載されたカム位相可変型内燃機関。
3. 前記油圧回路への供給油圧を遮断する油圧遮断手段を備えたことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載されたカム位相可変型内燃機関。
4. 前記油圧遮断手段がシリンダヘッドに配置されたことを特徴とする、請求項３に記載されたカム位相可変型内燃機関。

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