JP2010255575A - 内燃機関のカム位相可変装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カム位相可変装置において、ロータ内の連通油路の開閉に供される油路開閉バルブの外周面とこの油路開閉バルブを収容するバルブ保持孔の内周面との間に生じる隙間を介した作動油の不適切な流通を低減する。
【解決手段】ベーン室４７をＣＴＡ側進角室４７ａとＣＴＡ側遅角室４７ｂとに区画するベーン４３がその外周に立設され、最進角位置と最遅角位置との間で相対回転可能にハウジング２２に収容されたロータ２３と、ＣＴＡ側進角室とＣＴＡ側遅角室とに対する作動油の供給切換制御に供されるスプールバルブ２９と、スプールバルブとＣＴＡ側進角室またはＣＴＡ側遅角室とを連通するロータ内の連通油路４３ｃ，４３ｄに形成されたバルブ保持孔４３ａに収容され、当該連通油路の開閉に供されるバイパスバルブ３６とを備えたＣＴＡ６３において、連通油路４３ｄが、ロータの遠心力作用方向側で、バルブ保持孔の内周面に開口する構成とした。
【選択図】図３

Description

本発明は、自動車等の内燃機関に設けられるカム位相可変装置に関する。

ガソリンエンジンを始め、ディーゼルエンジンやＨＣＣＩ(Homogeneous Charge Compression Ignition：予混合圧縮着火)エンジンにおいては、出力および燃費の向上や有害排出ガス成分の低減等を実現すべく、運転状態に応じて吸排気バルブのリフト量や開弁タイミングを変化させる可変動弁装置を搭載したものが普及している。可変動弁装置としては、バルブリフトを段階的あるいは無段階に可変制御する可変バルブリフト装置（Variable valve Lift Control device：以下、ＶＬＣと記す）が存在する他、カム位相（開弁タイミング）を連続的に可変制御す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）も知られている。

ＶＴＣとしては、高速運転に向いた油圧アクチュエータ（油圧駆動型位相可変機構（Oil Pressure Actuated phaser）：以下、ＯＰＡと記す）と、低速運転に向いたカムトルクアクチュエータ（カムトルク駆動型位相可変機構（Cam Torque Actuated phaser）：以下、ＣＴＡと記す）とを内装し、カムシャフトの端部に設置されるベーン式のものがのものが知られている（特許文献１参照）。

この種のＶＴＣでは、スプールバルブやリニアソレノイド等からなる油路切換制御機構を用いて、ＯＰＡへの油圧供給経路とＣＴＡ内での作動油流動方向とを同時に切り換えることが一般的である。しかし、ＶＴＣを搭載したエンジンでは、油路切換制御機構がフェール（失陥）すると（リニアソレノイドの断線や異物の噛み込みによるスプールの作動不良等が発生すると）、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、本発明者等は、ＶＴＣのフェール時において、ＶＴＣアクチュエータへの油圧供給を電磁シャットバルブ等によって絶つとともに、バイパスバルブによってＣＴＡの作動を無効化するフェールセーフ機構を開発し、既に関連出願を行っている（特許文献２参照）。このＣＴＡでは、図７に示すように、ハウジング１２２のベーン室１４７を進角側油室１４７ａと遅角側油室１４７ｂとに区画するベーン１４３がその外周に立設されるとともに、最進角位置と最遅角位置との間でハウジング１２２と相対回転可能なロータ１２３が設けられている。また、ベーン１４３には、油路の開閉に供されるバイパスバルブ（油路開閉バルブ）１３６と、このバイパスバルブ１３６が収容されたバルブ保持孔１４３ａと、このバルブ保持孔１４３ａと進角側油室１４７ａとを接続する連通油路１４３ｄと、バルブ保持孔１４３ａと図示しないスプールバルブ（切換制御バルブ）とを接続する連通油路１４３ｃとが形成されている。

特開２００２−２３５５１３号公報 特願２００８−３０７６５２号公報

しかしながら、上記特許文献２に記載されたＣＴＡでは、バイパスバルブ１３６により油路を閉鎖した場合に、バイパスバルブ１３６には図７中の矢印Ａで示す方向に遠心力が作用するため、バイパスバルブ１３６の外周面とバルブ保持孔１４３ａの内周面との間に生じる隙間Ｇを介して、連通油路１４３ｃと連通油路１４３ｄとの間で作動油の流通（図７中の矢印Ｂ参照）が生じるという課題があった。ＶＴＣの正常な動作時においてカム位相を安定的に保持するためには、そのような作動油の流通（すなわち、作動油のリーク量）を極力小さくすることが望ましい。

本発明は、このような従来技術の課題を鑑みて案出されたものであり、ロータ内の連通油路において、当該連通油路の開閉に供される油路開閉バルブの外周面と当該油路開閉バルブを収容するバルブ保持孔の内周面との間に生じる隙間を介した作動油の不適切な流通を低減するカム位相可変装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、カム位相可変装置（６３）が、クランクシャフト（１０）に同期して回転するとともに、その内周にベーン室（４７）が形成されたハウジング（２２）と、カムシャフト（４，５）と一体に回転するとともに、前記ベーン室を進角側油室（４７ａ）と遅角側油室（４７ｂ）とに区画するベーン（４３）がその外周に立設され、最進角位置と最遅角位置との間で相対回転可能に前記ハウジングに収容されたロータ（２３）と、前記進角側油室と前記遅角側油室とに対する作動油の供給切換制御に供される切換制御バルブ（２９）と、前記ロータ内に形成され、前記切換制御バルブと前記進角側油室または前記遅角側油室とを連通する連通油路（４３ｃ，４３ｄ）と、前記連通油路に形成されたバルブ保持孔（４３ａ）と、前記バルブ保持孔に収容され、当該連通油路の開閉に供される油路開閉バルブ（３６）とを備え、前記連通油路は、前記ロータの回転に伴う遠心力が作用する方向で、前記バルブ保持孔の内周面に開口する構成とする。

また、第２の発明として、前記ベーンの外周面が、前記進角側油室または前記遅角側油室への開口部位において、前記ハウジングの内周面から離間している構成とすることができる。

上記第１の発明によれば、ロータ内の連通油路に形成されたバルブ保持孔に収容され、当該連通油路の開閉に供される油路開閉バルブに対し、ロータの遠心力がバルブ保持孔の内周面に形成された開口を閉鎖する方向に作用するため、油路開閉バルブの外周面とバルブ保持孔の内周面との間に生じる隙間を介した作動油の不適切な流通を低減することが可能となるという優れた効果を奏する。
また、上記第２の発明によれば、ベーンにおいて連通油路をロータの遠心力作用方向に沿って延設することができるため、連通油路の形成が容易となり、設計の自由度も高まる。

実施形態に係るエンジンの要部透視斜視図 実施形態に係るＶＴＣアクチュエータの分解斜視図 実施形態に係るＶＴＣアクチュエータの概略構成図 実施形態に係るバイパスバルブの作動態様を示す断面図 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 実施形態に係るバイパスバルブの遠心力作用時の状態を示す模式図 従来技術に係るバイパスバルブの模式図

≪実施形態の構成≫
＜全体構成＞
図１に示すエンジン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、クランクシャフト１０の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。

シリンダヘッド１およびシリンダブロック１５には、後述するＶＴＣアクチュエータ２０，２１にオイルポンプ１４からの作動油（エンジンオイル）を供給するための作動油供給油路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１７が装着されており、この電磁シャットバルブ１７が作動することによってＶＴＣアクチュエータ２０，２１に対する作動油の供給形態が切り換えられる。

吸気カムシャフト４の前端には吸気側ＶＴＣアクチュエータ２０が取り付けられ、排気カムシャフト５の前端には排気側ＶＴＣアクチュエータ２１が取り付けられている。吸気カムシャフト４の後端には吸気側カム角センサ１８が設置され、排気カムシャフト５の後端には排気側カム角センサ１９が設置されている。吸気カムシャフト４と吸気バルブ２との間には吸気側ＶＬＣ機構７５が介装され、排気カムシャフト５と排気バルブ３との間には排気側ＶＬＣ機構７６が介装されている。

また、自動車には、各種センサ（両カム角センサ１８，１９、図示しないアクセルセンサ、吸気量センサ、クランク角センサ等）の出力情報に基づき、エンジンＥに付設された各種被制御装置（電磁シャットバルブ１７、両ＶＴＣアクチュエータ２０，２１、両ＶＬＣ機構７５，７６、図示しない燃料噴射弁や点火コイル等）の制御量を決定して駆動電流を出力するエンジンＥＣＵ７０が設置されている。

＜ＶＴＣアクチュエータ＞
図２に示すように、排気側ＶＴＣアクチュエータ２１は、クランクシャフトに同期して回転するとともに、外周に排気カムスプロケット９が形成されたハウジング２２、ハウジング２２内に回転自在に保持されるとともに、排気カムシャフト５の前端にその後端面が締結されてこれと一体に回転するロータ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とを遅角方向に相対回転させるバイアススプリング２８、排気カムシャフト５およびロータ２３の軸心に設置されたスプールバルブ２９、エンジンＥＣＵ７０によって制御されることによってスプールバルブ２９を駆動するリニアソレノイド３１、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に保持されたバイパスバルブ３６、バイパスバルブ３６をフロントプレート２４側に付勢するバイパスバルブスプリング３７等を構成要素としている。なお、スプールバルブ２９は、排気カムシャフト５やロータ２３の軸心に保持されたバルブスリーブ３８と、バルブスリーブ３８に摺動自在に内嵌したスプール３９と、スプール３９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４０とから構成されている。

図３に示すように、ロータ２３の外周には第１ベーン４１と第２ベーン４２と第３ベーン４３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４１〜４３を、所定角度をもって（すなわち、最進角位置と最遅角位置との間で）相対回転可能に収容する第１〜第３ベーン室４５〜４７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１ＯＰＡ６１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ＣＴＡ６３の構成要素である。

第１，第２ベーン室４５，４６は、第１，第２ベーン４１，４２により、ＯＰＡ側進角室４５ａ，４６ａとＯＰＡ側遅角室４５ｂ，４６ｂとにそれぞれ区画されている。スプールバルブ２９からの作動油は、ＯＰＡ側進角油路５１，５２を介してＯＰＡ側進角室４５ａ，４６ａに供給されるとともに、ＯＰＡ側遅角油路５３，５４を介してＯＰＡ側遅角室４５ｂ，４６ｂに供給される。また、第３ベーン室４７は、第３ベーン４３により、ＣＴＡ側進角室４７ａとＣＴＡ側遅角室４７ｂとに区画されている。ＣＴＡ側進角室４７ａとＣＴＡ側遅角室４７ｂとは、それぞれ第１ＣＴＡ油路５５と第２ＣＴＡ油路５６とを介してスプールバルブ２９に連通する。なお、ＯＰＡ側進角油路５１，５２は、後述するように、作動油排出路８１〜８３を介して電磁シャットバルブ１７に接続している。

第１ベーン４１にはロックピン３３とロックピンスプリング３４（図２参照）とが収容されており、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に嵌入する。なお、ロック孔２５ａは、ロータ２３がハウジング２２に対して最遅角位相となった際に、ロックピン３３が嵌入する位置に穿設されている。

＜バイパスバルブ＞
図４に示すように、バイパスバルブ３６は、略円筒状を呈する本体の中間部に連通溝３６ａが形成されており、第３ベーン４３に排気カムシャフト５の軸心と平行に穿設されたバルブ保持孔４３ａ内に摺動自在に保持されている。また、バイパスバルブスプリング３７は、バイパスバルブ３６の軸心に形成されたスプリング保持孔に収容されており、バイパスバルブ３６をバックプレート２５側に常時付勢している。第３ベーン４３には、図３にも示すように、バイパスバルブ３６の一端に電磁シャットバルブ１７からの油圧を導入するための油圧導入孔４３ｂと、ＣＴＡ側進角室４７ａとバルブ保持孔４３ａとを接続する連通油路４３ｄと、後述する中央油路５７とバルブ保持孔４３ａとを接続する連通油路４３ｃとが形成されている。

図４（ａ）に示すように、油圧導入孔４３ｂに油圧が導入されると、バイパスバルブ３６がフロントプレート２４側に移動して両連通油路４３ｃ，４３ｄが遮断される。また、図４（ｂ）に示すように、油圧導入孔４３ｂから油圧が排出されると、バイパスバルブスプリング３７のばね力によってバイパスバルブ３６がバックプレート２５側に移動し、バイパスバルブ３６の連通溝３６ａを介して両連通油路４３ｃ，４３ｄが連通する。

連通油路４３ｃと連通油路４３ｄとは、図３に示すように、ロータ２３の半径方向Ｒ（すなわち、ロータ２３の回転に伴う遠心力が作用する方向）に沿って略直線的に延設されている。バルブ保持孔４３ａの内周面に開口する連通油路４３ｄの内側開口４８（図６参照）は、その内周面におけるロータ２３の遠心力作用方向側に位置する。また、第３ベーン４３の外周面に開口する連通油路４３ｄの外側開口４９（図６参照）は、その外周面におけるロータ２３の遠心力作用方向側に位置する。第３ベーン４３は、外側開口４９が開口する部位が、第３ベーン室４７を画成するハウジング２２の内周面から離間するように設けられている。このような第３ベーン４３の開口部位の構成により、連通油路４３ｃ，４３ｄをロータ２３の遠心力作用方向に沿って延設することが可能となるため、連通油路４３ｃ，４３ｄの形成が容易となり、設計の自由度も高まるという利点がある。なお、本発明に関し、遠心力作用方向（すなわち、遠心力が作用する方向）は、遠心力の方向（例えば、図３中の半径方向Ｒ）のみに厳密に限定されるものではなく、好ましくは、遠心力の方向に対して±４５°の範囲を含むものとする。

≪実施形態の作用≫
以下、図５，図６を更に参照して、本実施形態の作用を説明する。エンジンＥの通常運転時において、エンジンＥＣＵ７０は、両ＶＴＣアクチュエータ２０，２１の通常運転時制御を所定の制御インターバル（例えば、１０ｍｓ）をもって繰り返し実行する。通常運転時制御を開始すると、エンジンＥＣＵ７０は、上述した各種運転情報に基づき両カムシャフト４，５の目標カム位相を決定した後、目標カム位相を実現するための駆動電流を両ＶＴＣアクチュエータ２０，２１のリニアソレノイド３１に対して適宜出力する。また、エンジンＥＣＵ７０は、両カム角センサ１８，１９の出力信号に基づき、両カムシャフト４，５に対するカム位相のフィードバック制御を実行する。

例えば、エンジンＥの運転中に排気カムシャフト５を進角させる場合、エンジンＥＣＵ７０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３９を進角ポジション（図中、右方）に移動させる。すると、オイルポンプ１４から作動油供給油路１６を経由して供給された作動油は、スプール３９およびＯＰＡ側進角油路５１，５２を介してＯＰＡ側進角室４５ａ，４６ａに流入し、第１，第２ベーン４１，４２を進角側に相対回転させる。なお、ＯＰＡ側遅角室４５ｂ，４６ｂ内の作動油は、ＯＰＡ側遅角油路５３，５４を介してスプール３９の左方から外部に排出される。

一方、ＣＴＡ６３では、進角ポジションに移動したスプール３９を介して、第２ＣＴＡ油路５６と中央油路５７とが連通する。そして、排気カムシャフト５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、ＣＴＡ側遅角室４７ｂ内の作動油がＣＴＡ側進角室４７ａに流入して第３ベーン４３を進角側に相対回転させる。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はハウジング２２に対して図中時計回りに相対回転し、排気カムシャフト５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、ＣＴＡ６３が満たされるまで行われる。また、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（作動油供給油路１６ａ，１６ｂが連通され）、オイルポンプ１４からの作動油によって、保持されるとともに、バイパスバルブ３６がフロントプレート２４側に移動して連通油路４３ｃ，４３ｄ間での作動油の流通を遮断する。

遮断状態にあるバイパスバルブ３６は、ロータ２３の回転に伴う遠心力が作用すると、図６に示すように、バルブ保持孔４３ａ内をその遠心力作用方向（矢印Ｃ方向）に移動する。このとき、バルブ保持孔４３ａの内周面６６に形成された連通油路４３ｄの内側開口４８がロータ２３の遠心力作用方向側に位置するため、バイパスバルブ３６は、遠心力の作用により、その内側開口４８を閉鎖する方向に押しつけられることとなる。したがって、ロータ２３の回転時の遠心力により、バイパスバルブ３６の外周面６５とバルブ保持孔の内周面６６との間に隙間Ｇが生じた場合でも、この隙間Ｇを介して作動油が不適切に流通する（すなわち、連通油路４３ｃ，４３ｄの一方側から他方側へリークする）ことを抑制できる。なお、図６では、説明の便宜上、バイパスバルブ３６とバルブ保持孔４３ａとの間に生じる隙間Ｇのサイズを実用上のサイズとは異なる大きさで示している。

本発明を特定の実施形態に基づいて詳細に説明したが、上記実施形態はあくまでも例示であって、本発明はこれらの実施形態によって限定されるものではない。例えば、連通油路４３ｄは、少なくとも内側開口４８がロータ２３の遠心力作用方向側に位置していればよく、油路全体がロータ２３の遠心力作用方向に延在している必要はない。また、連通油路４３ｄの外側開口４９の位置は、第３ベーン４３の外周面におけるハウジング２２の内周面と対峙する側に限定されるものではなく、図７の連通油路１０８と同様に、外側開口４９を第３ベーン４３の側方に形成してもよい。

１ シリンダヘッド
４ 吸気カムシャフト
５ 排気カムシャフト
８ 吸気カムスプロケット
９ 排気カムスプロケット
１０ クランクシャフト
１５ シリンダブロック
１６ 作動油供給油路
１７ 電磁シャットバルブ
２０ ＶＴＣアクチュエータ
２１ 排気側ＶＴＣアクチュエータ
２２ ハウジング
２３ ロータ
２５ａ ロック孔
２６ リードバルブ
２９ スプールバルブ（切換制御バルブ）
３３ ロックピン
３６ バイパスバルブ（油路開閉バルブ）
３６ａ 連通溝
３７ バイパスバルブスプリング
３８ バルブスリーブ
４１ 第１ベーン
４２ 第２ベーン
４３ 第３ベーン
４３ａ バルブ保持孔
４３ｂ 油圧導入孔
４３ｃ 連通油路
４３ｄ 連通油路
４３ｅ 開口部位
４５ 第１ベーン室
４５ａ ＯＰＡ側進角室
４５ｂ ＯＰＡ側遅角室
４６ 第２ベーン室
４６ａ ＯＰＡ側進角室
４６ｂ ＯＰＡ側遅角室
４７ 第３ベーン室
４７ａ ＣＴＡ側進角室（進角側油室）
４７ｂ ＣＴＡ側遅角室（遅角側油室）
４８ 内側開口
４９ 外側開口
５５ 第１ＣＴＡ油路
５６ 第２ＣＴＡ油路
５７ 中央油路
６３ ＣＴＡ（カム位相可変装置）
６５ 外周面
６６ 内周面
７０ エンジンＥＣＵ
８１ 作動油排出路

Claims (2)

1. クランクシャフトに同期して回転するとともに、その内周にベーン室が形成されたハウジングと、
   カムシャフトと一体に回転するとともに、前記ベーン室を進角側油室と遅角側油室とに区画するベーンがその外周に立設され、最進角位置と最遅角位置との間で相対回転可能に前記ハウジングに収容されたロータと、
   前記進角側油室と前記遅角側油室とに対する作動油の供給切換制御に供される切換制御バルブと、
   前記ロータ内に形成され、前記切換制御バルブと前記進角側油室または前記遅角側油室とを連通する連通油路と、
   前記連通油路に形成されたバルブ保持孔と、
   前記バルブ保持孔に収容され、当該連通油路の開閉に供される油路開閉バルブと
   を備え、
   前記連通油路は、前記ロータの回転に伴う遠心力が作用する方向で、前記バルブ保持孔の内周面に開口することを特徴とするカム位相可変装置。
2. 前記ベーンの外周面が、前記進角側油室または前記遅角側油室への開口部位において、前記ハウジングの内周面から離間していることを特徴とする、請求項１に記載のカム位相可変装置。

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