JP2011179335A - 張力制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関において、バルブタイミングを進角又は遅角制御する過渡期に生じるタイミングチェーンのフリクションの増大、又は、ばたつきを抑制する。
【解決手段】クランクシャフト１に対してカムシャフト２が進角又は遅角する際の速度に応じて、タイミングチェーン７を押圧する押圧力を変化させる制御を行うチェーンテンショナ１３を構成要素とする張力制御装置を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、クランクシャフトとカムシャフトとを連動させるタイミングチェーン又はタイミングベルトの張力を維持する張力制御装置に関する。

車両に搭載される内燃機関では、そのクランクシャフトとカムシャフトとをタイミングチェーン（又は、ベルト）を介して連動させるものが一般的である。この種の内燃機関においては、タイミングチェーンを押圧してその張力を一定に保つチェーンテンショナを設けることが広く知られている（例えば、特許文献１を参照）。

近時では、内燃機関に、カムシャフトのクランクシャフトに対する進角量又は遅角量を変更することのできる可変バルブタイミング機構を実装することが増えてきている。可変バルブタイミング機構によれば、低速回転時には吸気バルブの開弁タイミングを遅らせ、高速回転時には吸気バルブの開弁タイミングを早めることができ、燃費向上と出力増大との両立を図り得る。

可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関では、吸気バルブの開弁タイミングを進角又は遅角操作する際に、吸気カムシャフトのクランクシャフト又は排気カムシャフトに対する回転位相の変位を伴う。このとき、吸気カムシャフト側のスプロケットからタイミングチェーンに伝わる反力が発生して、タイミングチェーンの一方側が突っ張り、他方側が緩む。その結果、タイミングチェーンとチェーンガイドとのフリクションが増大し、又は、タイミングチェーンがたるんでばたつくという不都合を引き起こすおそれがあった。

特開２００９−１８５６３０号公報

本発明は、以上の点に初めて着目してなされたものであり、可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関において、バルブタイミングを進角又は遅角制御する過渡期に生じるタイミングチェーン又はタイミングベルトのフリクションの増大又はばたつきを抑制することを所期の目的とする。

すなわち本発明の張力制御装置は、クランクシャフトとカムシャフトとをタイミングチェーン又はタイミングベルトを介して連動させており、かつカムシャフトのクランクシャフトに対する進角量又は遅角量を変更する可変バルブタイミング機構を備えている内燃機関に適用されるものであって、クランクシャフトに対してカムシャフトが進角又は遅角する際の速度に応じて、タイミングチェーン又はタイミングベルトを押圧する押圧力を変化させる制御を行うことを特徴とする。

例えば、バルブタイミングを進角又は遅角させる過程で、チェーンガイドが摺接する側のチェーンの張力が増加してチェーンガイドとの間の摩擦が増大する場合においては、チェーンテンショナによる押圧力を減少させることにより、摩擦の低減を図る。逆に、スプロケット間でチェーンの張力が減少してたるみ、ばたつく問題が顕在化する場合においては、チェーンテンショナによる押圧力を増加させることにより張力を補強、ばたつきの低減を図る。

本発明の張力制御装置によれば、バルブタイミングを進角又は遅角制御する過渡期に生じるタイミングチェーン又はタイミングベルトのフリクションの増大又はばたつきを抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る張力制御装置の概略構成を示す図。 同実施形態に係るチェーンテンショナを示す図。 同実施形態に係る張力制御装置による制御手順の概略を示すフローチャート。 同実施形態に係るクランクスプロケットと吸気側スプロケットとの間のタイミングチェーンの張力を示す図。 同実施形態に係る液圧マップの概略を示す図。

以下、本発明の一実施形態を、図１〜図４を参照して説明する。

本実施形態に係る内燃機関では、図１に示すように、クランクスプロケット４、吸気側スプロケット５及び排気側スプロケット６にタイミングチェーン７が巻き掛けられ、このタイミングチェーン７により、クランクシャフト１からもたらされる回転駆動力を吸気側スプロケット５及び排気側スプロケット６を介して吸気カムシャフト２、排気カムシャフト３にそれぞれ伝達している。

吸気カムシャフト２には、クランクシャフト１に対する吸気カムシャフト２の回転位相（カム軸位相）を変化させることを通じて吸気弁の開閉タイミングを変化させる可変バルブタイミング機構８が設けられている。可変バルブタイミング機構８のハウジング８ａは、吸気側スプロケット５に固定されている。これにより、吸気側スプロケット５とハウジング８ａとが一体となってクランクシャフト１に同期して回転する。一方、吸気カムシャフト２の一端部には、ロータ８ｂが固定されている。このロータ８ｂは、ハウジング８ａ内に相対回動自在に収納される。

ハウジング８ａの内部には、複数の流体室８ｃが形成され、各流体室８ｃが、ロータ８ｂの外周部に形成されたベーン８ｄによって進角室８ｅと遅角室８ｆとに区画されている。

この可変バルブタイミング機構８の液圧（特に、油圧）回路には、オイルパン９ａ内の作動液が液圧ポンプ９ｂより供給される。液圧ポンプ９ｂは、内燃機関からの動力で駆動される。液圧ポンプ９ｂと可変バルブタイミング機構８との間にはコントロールバルブ１０が設けられており、液圧の流れをコントロールバルブ１０で制御することにより、オイルパン９ａから汲み上げた作動液が進角室８ｅ又は遅角室８ｆに選択的に供給される。その結果、ハウジング８ａがロータ８ｂに対して相対回動し、吸気弁の開閉タイミングを進角又は遅角させることができる。

クランクスプロケット４と吸気側スプロケット５との間の領域には、テンションアーム１１が設けられている。また、クランクスプロケット４と排気側スプロケット６との間の領域には、チェーンガイド１２が設けられている。タイミングチェーン７は、クランクスプロケット４から繰り出され、吸気側スプロケット５に巻き取られるまでの間に、テンションアーム１１に摺接する。並びに、排気側スプロケット６から繰り出され、クランクスプロケット４に巻き取られるまでの間に、チェーンガイド１２に摺接する。

チェーンテンショナ１３は、テンションアーム１１を介してタイミングチェーン７を押圧し、タイミングチェーン７の張力を一定に保つ役割を担う。本実施形態におけるチェーンテンショナ１３は、液圧アクチュエータであって、図２に示すように、テンションケース１４に設けられた液圧室１５にプランジャ１６が挿入され、そのプランジャ１６が液圧室１５内で進退可能に保持されてなる。

プランジャ１６内部には液圧室１５と連通する圧力室１７が設けられている。液圧室１５及び圧力室１７は、流路１８を介して液圧ポンプ９ｂに連通しており、恒常的に作動液の供給を受ける。

また、プランジャ１６内部には、図２に示すように、このプランジャ１６を突出方向に付勢するスプリング１９も存在している。プランジャ１６は、圧力室１７に導入した作動液の圧力とスプリング１９の弾性付勢力とを受けることにより、タイミングチェーン７に適切な張力を付与する。

チェーンテンショナ１３はダンパを兼ねており、タイミングチェーン７からテンションアーム１１を介してプランジャ１６に強い外圧力が作用したときには、テンションケース１４とプランジャ１６との隙間を介して作動液が漏出するようになっている。

このチェーンテンショナ１３と液圧ポンプ９ｂとの間には、圧力制御弁２０を設けている。この圧力制御弁２０は、例えば電気的駆動弁であり、圧力制御弁２０に内蔵されたコイルに流れる制御電流を増減させることにより出力側圧力、すなわちチェーンテンショナ１３に供給される作動液の圧力を制御可能である。

吸気カムシャフト２の外周側には、図１に示すように、気筒判別のために複数のカム角でカム角信号を出力するカム角センサ２１を設置している。一方、クランクシャフト１の外周側には、所定クランク角毎にクランク角信号を出力するクランク角センサ２２を設置している。カム角センサ２１及びクランク角センサ２２は、作動液の温度や冷却水の温度を検出するセンサ２４、その他の各種センサとともに電子制御ユニット２３に接続している。

電子制御ユニット２３は、ＣＰＵ２３ａ、ＲＡＭ２３ｂ、ＲＯＭ２３ｃ、フラッシュメモリ２３ｄ、Ｉ／Ｏインタフェース２３ｅ等を包有するマイクロコンピュータシステムであり、各種制御用のプログラムをＲＯＭ２３ｃ又はフラッシュメモリ２３ｄに格納しており、そのプログラムを読み込んでＣＰＵ２３ａにて解読し、内燃機関の制御を行う。電子制御ユニット２３は、可変バルブタイミング機構８のコントロールバルブ１０や、チェーンテンショナ１３と液圧ポンプ９ｂとの間に介在する圧力制御弁２０等、さらにはインジェクタ、点火プラグ等と接続しており、これらに制御信号を入力して操作する。

しかして、電子制御ユニット２３は、チェーンテンショナ１３を介してタイミングチェーン７の張力を一定に保つための制御を行う。すなわち、テンションアーム１１、チェーンテンショナ１３、圧力制御弁２０及び電子制御ユニット２３が、本発明に係る張力制御装置の構成要素となる。

例えば、吸気弁の開閉タイミングを進角させる場合には、吸気カムシャフト２に固定されたロータ８ｂに対して、吸気側スプロケット５に固定されたハウジング８ａを相対的に遅角側（図１における反時計回り）に回動させる。この際、図４の実線に示すように、クランクスプロケット４と排気側スプロケット６との間の領域では一時的にタイミングチェーン７の張力が上昇し、タイミングチェーン７とチェーンガイド１２との間の摺動摩擦が増大する。

逆に、吸気弁の開閉タイミングを遅角させる場合には、吸気カムシャフト２に固定されたロータ８ｂに対して、吸気側スプロケット５に固定されたハウジング８ａを相対的に進角側（図１における時計回り）に回動させる。この際、クランクスプロケット４と排気側スプロケット６との間の領域では一時的にタイミングチェーン７の張力が低下し、タイミングチェーン７がたるむ。

本実施形態では、上述したようなタイミングチェーン７のたるみや摺動摩擦の増大を抑制すべく、以下に述べるような制御を行う。この制御の手順を、フローチャートである図３を参照しつつ以下に述べる。

ステップＳ１において、吸気弁開閉タイミングの進角量又は遅角量の現在値を検知し、並びに、吸気弁開閉タイミングの進角量又は遅角量の目標値を決定する。これら現在値の検知及び目標値の決定の手法は、従来周知の可変バルブタイミング機構のそれと同様である。例えば、吸気弁開閉タイミングの進角量又は遅角量の現在値は、カム角センサ２１からの信号とクランク角センサ２２からの信号との間の間隔に基づき検知する。また、吸気弁開閉タイミングの進角量又は遅角量の目標値は、クランク角センサ２２から信号が発せられる間隔から求められるエンジン回転数に基づき決定する。そして、説明は省略するが、吸気弁の開閉タイミングのフィードバック制御を行う。

ステップＳ２において、ステップＳ１で検知した現在値及び決定した目標値をパラメータとして、クランクシャフト１に対して吸気カムシャフト２が進角又は遅角する際の平均進角速度、換言するとロータ８ｂに対するハウジング８ａの相対回動の平均速度を決定する。ここに言う平均進角速度は、
（目標値−現在値）／（現在値から目標値に到達するまでにかかる時間）
を意味する。平均進角速度は、進角室８ｅ及び遅角室８ｆに対して流出入する作動液の流速、または液圧ポンプ９ｂから可変バルブタイミング機構８に向けて吐出する作動液の流量を参酌して推算することができる。

ステップＳ３において、ステップＳ２で決定した平均進角速度、及び作動液の温度をパラメータとして、圧力制御弁２０の出力側圧力の目標値を決定する。出力側圧力の目標値は、図５に示すように、平均進角速度が高いほど低く、平均進角速度が低いほど（平均遅角速度が高いほど）高く設定する。また、作動液の温度が低い場合には作動液の粘性が高くなり、この場合にタイミングチェーン７に与える張力が過剰となることがある。よって、作動液の温度が低いほど、出力側圧力の目標値を低く設定する。

ステップＳ４において、ステップＳ３で決定した出力側圧力の目標値をパラメータとして、圧力制御弁２０の開度を決定する。

上記のステップにより、吸気弁の開閉タイミングを進角させる際の過渡期（ハウジング８ａをロータ８ｂに対し相対的に図１における反時計回りに回動させる最中）には、圧力制御弁２０からの出力側圧力を小さくする、つまりチェーンテンショナ１３がテンションアーム１１を介してタイミングチェーン７を押圧するための液圧を下降させる制御が行われる。結果、図４の破線に示すように、クランクスプロケット４と排気側スプロケット６との間の領域でのタイミングチェーン７の張力が軽減され、タイミングチェーン７とチェーンガイド１２との間の摩擦が緩和される。

逆に、吸気弁の開閉タイミングを遅角させる際の過渡期（ハウジング８ａをロータ８ｂに対し相対的に図１における時計回りに回動させる最中）には、圧力制御弁２０からの出力側圧力を大きくする、つまりチェーンテンショナ１３がテンションアーム１１を介してタイミングチェーン７を押圧するための液圧を上昇させる制御が行われる。結果、クランクスプロケット４と排気側スプロケット６との間の領域でのタイミングチェーン７の張力が補強され、チェーン７のたるみ、ばたつきが抑制される。

以上に述べたように、本実施形態の張力制御装置によれば、ロータ８ｂに対するハウジング８ａの平均進角速度をパラメータとして、平均進角速度が高い場合にはタイミングチェーン７を押圧する押圧力を小さくして張力を軽減する制御を行うことにより、バルブタイミングを進角制御する過渡期におけるチェーンガイド１２とタイミングチェーン７との間の摺動摩擦の増大を抑制することができる。

他方、平均遅角速度が高い（平均進角速度が負で絶対値が大きい）場合にはタイミングチェーン７を押圧する押圧力を大きくして張力を補強する制御を行うことにより、バルブタイミングを遅角制御する過渡期においてクランクスプロケット４と排気側スプロケット６との間の領域で生じるタイミングチェーン７のたるみ、ばたつきを抑制することができる。

さらに、チェーン張力調整機構１３として液圧駆動のものを採用しているので、可変バルブタイミング機構８の液圧回路の液圧供給源である液圧ポンプ９ｂをチェーン張力調整機構１３の液圧回路の液圧供給源として共用し、構造の簡単化を図ることができる。

なお、本発明は以上に述べた実施形態に限らない。

例えば、可変バルブタイミング機構は、排気カムシャフト側に設けてもよい。

また、チェーンテンショナは液圧駆動に限らず、例えば電動式のもの等を採用してもよい。

さらに、タイミングベルトを介してクランクシャフトとカムシャフトとを連動させる構成の内燃機関において、タイミングベルトの張力を調整するためのベルトテンショナの制御に本発明を適用してもよい。

その他、本発明の主旨を損ねない範囲で種々に変更してよい。

１…クランクシャフト
２…（吸気）カムシャフト
７…タイミングチェーン
８…可変バルブタイミング機構
１３…チェーンテンショナ
２３…電子制御ユニット

Claims (1)

1. クランクシャフトとカムシャフトとをタイミングチェーン又はタイミングベルトを介して連動させており、かつカムシャフトのクランクシャフトに対する進角量又は遅角量を変更する可変バルブタイミング機構を備えている内燃機関に適用されるものであって、
   クランクシャフトに対してカムシャフトが進角又は遅角する際の速度に応じて、タイミングチェーン又はタイミングベルトを押圧する押圧力を変化させる制御を行うことを特徴とする張力制御装置。

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