JP2011001898A

JP2011001898A - カム位相可変型内燃機関

Info

Publication number: JP2011001898A
Application number: JP2009146224A
Authority: JP
Inventors: Fumihisa Takemoto; 史久竹本; Masayuki Toyokawa; 政行豊川; Kazuki Ichikawa; 和樹市川; Koichiro Shinozaki; 広一郎篠崎
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2009-06-19
Filing date: 2009-06-19
Publication date: 2011-01-06

Abstract

【課題】装置構成や制御に簡易なものを採用しながら、最大出力の確保に要求される排気バルブリフトカーブと、低中速領域における燃費低減に要求される排気バルブリフトカーブとを熱効率の低下を伴わずに連続的に変化させ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】ＶＴＣアクチュエータ２１が最遅角位相で、かつエンジンＥの回転速度が低い場合、カムトルクによってロータ２３が進角側および遅角側に振動するが、その振幅Ｏｒは比較的小さなものとなる。これにより、最遅角位相における開角量が最進角位相の開角量に対してはるかに大きくなり、バルブオーバラップによって所望の内部ＥＧＲを実現できることになる。
【選択図】図５

Description

本発明は、カム位相が連続的に可変制御されるカム位相可変型内燃機関に係り、詳しくは、装置構成や制御に簡易なものを採用しながら、最大出力の確保に要求される排気バルブリフトカーブと、低中速領域における燃費低減に要求される排気バルブリフトカーブとを熱効率の低下を伴わずに連続的に変化させ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、運転状態に応じて吸排気バルブのリフト量や開角量、開弁タイミングを変化させる可変動弁機構を搭載した開弁特性可変型が増加している。可変動弁機構としては、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）が従来より存在する他、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）も出現している。

ＶＬＣとしては、カムシャフトに動弁特性の異なる複数のカムを形成するとともに、各カムに対応するロッカアームをバルブに対して選択的に連結させるものが知られている（特許文献１参照）。また、ＶＴＣとしては、油圧駆動型位相可変機構（Oil Pressure Actuated phaser：以下、ＯＰＡと記す）と、カムトルク駆動型位相可変機構（Cam Torque Actuated phaser：以下、ＣＴＡと記す）とを内装したベーン式のＶＴＣアクチュエータをカムシャフトの端部に設置したものが知られている（特許文献２参照）。

特開２００８−１２１５８５号公報特開２００２−２３５５１３号公報

内燃機関の燃費を改善するためには内部ＥＧＲの導入やポンピングロスの低減、比熱比の増大による熱効率の向上等を図る必要があり、これらを具現化する方法としては、上述した可変動弁機構による排気バルブの閉じ時期の制御が有効である。しかしながら、一つのエンジンにＶＬＣとＶＴＣとを併設した場合、シリンダヘッド回りの構造が非常に複雑になることはもちろんであるが、内部ＥＧＲの導入時にＶＬＣとＶＴＣとを同時に作動させるために制御プログラムも煩雑なものとなり、部品点数および組立作業工数の増加による製造コストの上昇を余儀なくされる問題があった。

一方、ＶＴＣのみが設けられたエンジンでは、最大出力を考慮した排気バルブリフトカーブを採用した場合、内部ＥＧＲを導入すべく最進角状態にすると、排気バルブがＢＤＣ（下死点）の前に開くことになって熱効率が低下する（燃焼エネルギの一部が無駄になる）。逆に、ＢＤＣの前に排気バルブが開かないように進角量を設定した場合、充分な量の内部ＥＧＲを確保できなくなり、低中速領域における燃費低減効果が減少する。更に、ＢＤＣの前に排気バルブが開かないようにベースの開角量を小さくした場合、十分な吸気量が確保できなくなって最大出力が低下する問題があった。

本発明は、上記状況に鑑みなされたものであり、装置構成や制御に簡易なものを採用しながら、最大出力の確保に要求される排気バルブリフトカーブと、低中速領域における燃費低減に要求される排気バルブリフトカーブとを熱効率の低下を伴わずに連続的に変化させ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た第２回転部材と、前記第１回転部材と前記第２回転部材との間に形成され、機関運転時に常時作動油が充填される進角側油室および遅角側油室と、前記進角側油室および遅角側油室に作動油を供給する作動油供給源と、前記進角側油室と前記遅角側油室との間に油圧差を発生させる油圧差発生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、前記油圧差発生手段がスプールバルブであり、前記進角側油室あるいは前記遅角側油室への作動油供給通路面積を増減させることによって前記油圧差を発生させることを特徴とする。

本発明によれば、進角側油室と遅角側油室との間に油圧差を発生させることにより、第１回転部材と第２回転部材とを相対回転させることができる。また、エンジン回転速度が比較的低い運転領域においては、カムトルクによって第１回転部材と第２回転部材とが交番的に相対回転することにより、例えば進角側での開弁量に対して最遅角側での開弁量を大きくすることができる。また、油圧差発生手段をスプールバルブとしたものでは、カム位相等の制御が容易となる。

第１実施形態に係るエンジンの要部透視斜視図である。第１実施形態に係るＶＴＣアクチュエータの分解斜視図である。第１実施形態に係るＶＴＣアクチュエータの概略構成図である。第１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。第１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。第１実施形態に係るカム位相と開角量の関係を示すグラフである。第１実施形態に係るエンジン回転速度と開角変化量の関係を示すグラフである。第１実施形態に係るエンジン油温と開角変化量の関係を示すグラフである。第２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。第２実施形態に係るカム位相と開角量の関係を示すグラフである。

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いくつかの実施形態を詳細に説明する。

［第１実施形態］
≪第１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。

排気カムシャフト５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（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によって作動油供給油路１６が連通／遮断される。クランクスプロケット６の近傍にはエンジン回転速度を検出するクランク角センサ（回転速度検出手段）１８が設置され、排気カムシャフト５の後端にはカム位相を検出するカム位相センサ１９が設置され、エンジンＥの下部（オイルパン内）には油温センサ２０が設置されている。

車室内にはエンジンＥＣＵ７０が設置されており、このエンジンＥＣＵ７０が、各種センサ（図示しないアクセルセンサや吸気量センサ、クランク角センサ１８、カム位相センサ１９、油温センサ２０等）の出力情報に基づき、エンジンＥに付設された各種機器（図示しない燃料噴射弁や点火コイル、電磁シャットバルブ１７、ＶＴＣアクチュエータ２１等）の制御量を決定して駆動電流を出力する。

＜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、外周に排気カムスプロケット９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排気カムシャフト５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、ロータ２３の前面に当接／一体化されるセンタカバー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、ＶＴＣアクチュエータ２１の軸心に保持されるスプールバルブ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の軸心に保持されるバルブスリーブ３８と、バルブスリーブ３８に摺動自在に内嵌するスプール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〜第３ベーン４１〜４３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をそれぞれ所定角度をもって相対回動自在に収容する第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は第３ＯＰＡ６３の構成要素である。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３ベーン室４５〜４７は、それぞれ第１〜第３ベーン４１〜４３により、スプールバルブ２９からの作動油が進角油路５１〜５３を介して供給される進角側油室（以下、単に進角室と記す）４５ａ〜４７ａと、スプールバルブ２９からの作動油が遅角油路５４〜５６を介して供給される遅角側油室（以下、単に遅角室と記す）４５ｂ〜４７ｂとにそれぞれ区画されている。

≪第１実施形態の作用≫
エンジンＥの運転時には、電磁シャットバルブ１７に駆動電流が供給されない（作動油供給油路１６が連通される）。そのため、図４，図５に示すように、オイルポンプ１４から吐出された作動油は、作動油供給油路１６、スプールバルブ２９および進角油路５１〜５３を経由してＶＴＣアクチュエータ２１に供給され、各ＯＰＡ６１〜６３（図４，図５には第１ＯＰＡ６１のみを示すが、第２，第３ＯＰＡ６２，６３も同様である）に充填される。

（進角作動）
例えばエンジンＥが加速運転状態であった場合、エンジンＥＣＵ７０は、リニアソレノイド３１の駆動電流を増加させることで、図４に示すようにスプール３９を進角側（図中、左側）に駆動する。例えば、カム位相ＣＡを最進角とする際、エンジンＥＣＵ７０は、進角油路５１〜５３と遅角油路５４〜５６とをスプール３９の進角側ランド３９ａと遅角側ランド３９ｂとの間に位置させる。これにより、進角室４５ａ〜４７ａの油圧Ｐａと遅角室４５ｂ〜４７ｂの油圧Ｐｂとが等しくなり、ハウジング２２に対してロータ２３が最進角位置まで相対回転することになる。

ＶＴＣアクチュエータ２１が最進角位相で、かつエンジンＥの回転速度が低い場合、排気カムシャフト５に大きなカムトルクが作用することにより、ロータ２３が進角側および遅角側にそれぞ大きな振幅Ｏａをもって振動する（第１〜第３ベーン室４５〜４７内で第１〜第３ベーン４１〜４３が突き当たり位置まで交番的に相対回転する）。これにより、図６に示すように、リフトカーブの中心位置が進角するとともに開角量が小さくなり、ＢＤＣ前に排気バルブ３が開くことなく閉じ時期が大きく進角することで、十分な量の内部ＥＧＲが導入されて燃費の改善が実現される。なお、開角量の変化はエンジン回転速度Ｎｅおよびエンジン油温Ｔｏに依存するため、図７，図８に示すように、必要最低開角変化量が確保できる条件（カムトルク利用上限回転速度以下、かつ、ＶＴＣ作動開始温度以上）で要求開角量が確保できるように、第１〜第３ベーン室４５〜４７の容積等が設定されている。

（遅角作動）
一方、例えばエンジンＥが減速運転状態であった場合、エンジンＥＣＵ７０は、リニアソレノイド３１の駆動電圧を低下させることで、図５に示すようにスプール３９を遅角側（図中、右側）に駆動する。すると、各ＯＰＡ６１〜６３では、スプールバルブ２９と進角油路５１〜５３との連通間隙Ｃａ（スプール３９の進角側ランド３９ａに進角油路５１〜５３が塞がれない寸法）が減少し、進角室４５ａ〜４７ａの油圧Ｐａが遅角室４５ｂ〜４７ｂの油圧Ｐｂに対して有意に低くなる（すなわち、進角室４５ａ〜４７ａと遅角室４５ｂ〜４７ｂとの間に負の油圧差ΔＰ（Ｐａ−Ｐｂ）が発生する）。これにより、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ことになるが、エンジンＥＣＵ７０は、カム位相センサ１９の検出信号に基づき上述した連通間隙Ｃａを適宜調整することで目標とするカム位相ＣＡ（図４では、最遅角位相）を確立する。

ＶＴＣアクチュエータ２１が最遅角位相で、かつエンジンＥの回転速度が高い場合、上述したカムトルクによってロータ２３が進角側および遅角側に振動するが、その振幅Ｏｒは比較的小さなものとなる。これにより、図６に示すように、最遅角位相における開角量が最進角位相の開角量に対してはるかに大きくなり、最大出力発生時に必要となる開角を確保することが可能となる。

［第２実施形態］
第２実施形態は、上述した第１実施形態に対してＶＴＣアクチュエータ２１の構造は変えず、リニアソレノイド３１の制御のみを変更したものである。すなわち、第２実施形態の場合、エンジンＥＣＵ７０は、図９に示すように、最進角位相時にリニアソレノイド３１の駆動電流を減少させることで、図９に示すようにスプール３９を第１実施形態の進角時に対して進角側（図中、左側）にさらに駆動する。すると、各ＯＰＡ６１〜６３では、スプールバルブ２９と遅角油路５４〜５６との連通間隙Ｃｒ（スプール３９の遅角側ランド３９ｂに遅角油路５４〜５６が塞がれない寸法）が減少し、進角室４５ａ〜４７ａの油圧Ｐａが遅角室４５ｂ〜４７ｂの油圧Ｐｂに対して有意に高くなる（すなわち、進角室４５ａ〜４７ａと遅角室４５ｂ〜４７ｂとの間に正の油圧差ΔＰが発生する）。これにより、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ことになるが、エンジンＥＣＵ７０は、カム位相センサ１９の検出信号に基づき上述した連通間隙Ｃｒを適宜調整することで目標とするカム位相ＣＡ（図９では、最進角位相）を確立する。

ＶＴＣアクチュエータ２１が最進角位相で、かつエンジンＥの回転速度が低い場合、前述したカムトルクによってロータ２３が進角側および遅角側に振動するが、その振幅Ｏａは最遅角位相と同様に比較的小さなものとなる。これにより、図１０に示すように、最遅角位相および最進角位相における開角量が中央位相（第１実施形態における最進角位相：図４参照）の開角量に対してはるかに大きくなり、低負荷時におけるバルブオーバラップによって所望の内部ＥＧＲを実現できる一方、高負荷時における吸入空気量の増大を図ることが可能となる。

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、ディーゼルエンジン等にも当然に適用可能である。また、上記実施形態では排気カムシャフト側にＶＴＣアクチュエータを備えたものについて言及したが、吸気カムシャフト側にＶＴＣアクチュエータを備えたカム位相可変型内燃機関に適用してもよい。また、上記実施形態では油圧差発生手段としてスプールバルブを用いたが、他種の油圧制御バルブ等を採用してもよい。その他、エンジンやＶＴＣアクチュエータ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。

３排気バルブ
５排気カムシャフト
１０クランクシャフト
２１ＶＴＣ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）
２９スプールバルブ
３９スプール
４５ａ〜４７ａ進角側油室
４５ｂ〜４７ｂ遅角側油室
５１〜５３進角油路
５４〜５６遅角油路
Ｅエンジン

Claims

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た第２回転部材と、
前記第１回転部材と前記第２回転部材との間に形成され、機関運転時に常時作動油が充填される進角側油室および遅角側油室と、
前記進角側油室および遅角側油室に作動油を供給する作動油供給源と、
前記進角側油室と前記遅角側油室との間に油圧差を発生させる油圧差発生手段と
を備えたことを特徴とするカム位相可変型内燃機関。
前記油圧差発生手段がスプールバルブであり、前記進角側油室あるいは前記遅角側油室への作動油供給通路面積を増減させることによって前記油圧差を発生させ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。