JP3468135B2 - ベーン式カム位相可変装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、自動車等の内燃
機関（エンジン）のバルブの開閉タイミングを可変制御
するためのベーン式カム位相可変装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃費向上あるいは環境への配慮から、車
両停止時にエンジンが自動停止するように制御される自
動車が提案されている。この種の車両では、エンジンが
再始動する時のクランキングの圧縮反力による振動が問
題となる。この振動を低減するための一手段として、エ
ンジンの吸気バルブの開弁時機をシフトさせることがで
きるカム位相可変装置を用いて、クランキング時に吸気
バルブを最遅角位相に設定し、吸入空気量を減らすこと
が提案されている。この種の車両において、低中速域で
は、上記カム位相可変装置によって、クランキング時や
アイドリング時よりも吸気バルブを進角側にシフトさせ
ることにより、トルクを増大させることが行われる。し
たがってこの車両をエンジン停止状態からフル加速させ
るには、クランキング時の最遅角状態からエンジン点火
後は素早く進角側に変化させる必要がある。

【０００３】上記カム位相可変装置として、従来より、
ヘリカルスプライン式とベーン式とが知られている。ヘ
リカルスプライン式のカム位相可変装置は、吸気バルブ
を駆動するカムシャフトプーリを、タイミングベルトに
よって駆動される第１の部分とカムシャフトに固定され
る第２の部分とに分割し、これらの間に設けるピストン
にヘリカルスプラインを形成し、このピストンを油圧に
よってカムシャフトの軸線方向に移動させることによ
り、第１の部分と第２の部分の位相をずらして吸気バル
ブの開閉タイミングをシフトさせる。しかしこのもの
は、位相可変範囲を拡大させると、ギヤ部の摩擦が応答
性を悪化させるとか、ギヤ部の延長を伴なうために重量
が増大したりサイズが大きくなるなどの問題を生じる。

【０００４】一方、ベーン式のカム位相可変装置は、カ
ムシャフトと同期回転するスプロケットにハウジングを
固定し、このハウジングの内部に、カムシャフトに固定
されるベーンを相対回転可能に収容したもので、ベーン
とハウジングとの間に遅角油室と進角油室とを形成して
いる。そしてコントロールバルブを介して、上記遅角油
室および進角油室に油を供給することにより、ベーンと
ハウジングとの回転方向の相対位置を変化させ、スプロ
ケットとカムシャフトとの位相をずらして吸気バルブの
開閉タイミングをシフトさせる。従ってベーン式は小形
・軽量に構成でき、応答性に優れるなどの長所がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしベーン式のカム
位相可変装置は、ベーンで仕切られている遅角油室と進
角油室に油が充満していない状態（空気が入っている状
態）で上記位相制御を行うと、吸気バルブの駆動トルク
変動により空気が圧縮されたり膨張するなどしてベーン
の位相が変化し、所望の進角制御あるいは遅角制御を行
うことができないことが問題である。

【０００６】上記ベーンは、エンジン停止時にロック機
構によって最遅角側に固定されるようになっている。そ
してエンジン停止後は、コントロールバルブのスプール
隙間などから油がリークするなどして遅角油室内に空気
が吸い込まれることから、比較的短時間（数分後）に油
量が減少し、長時間停止していると残油量が半分程度ま
で落ちる。このような油挙動はオイル粘度が低いほど早
く進行する。

【０００７】このためエンジン再始動時は遅角油室が油
で満たされていない状態である。従って正確な位相制御
を行うため、遅角油室に油を満たす必要がある。つまり
この作動のための時間が必要となるので、点火後に素早
く進角側に移行させることができず、エンジン停止状態
からのフル加速制御などに支障が生じる。しかもクラン
キング時に遅角油室内に油が満たされるまでは、ロック
機構によってベーンが最遅角側に固定されることになる
から、ロック機構のロックピンなどに過剰な負荷がかか
り、耐久性に悪影響を与えることにもなる。

【０００８】また、前記コントロールバルブがオイルパ
ン油面よりも高い位置にあると、長時間エンジンが停止
していた時には、コントロールバルブからオイルポンプ
に至る供給油路中の油が自重により落ちてしまい、供給
油路に空気が入り込む。このため長時間停車していた車
両では、エンジン始動直後にオイルポンプから遅角油室
に送られる油に空気が混入し、前述の問題を生じてしま
う。

【０００９】従って本発明の目的は、エンジン始動後に
進角制御を速やかに行うことが可能となり、かつ、ロッ
ク機構の負担が軽減するようなベーン式カム位相可変装
置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を果たすための
請求項１に記載された本発明では、エンジンが停止して
いるとき、遅角室内の油はチェックバルブによって逆流
が阻止され、遅角油室内に油が残留する。ベーンは最遅
角側にてロック機構によって固定され、クランキングを
行うことによってエンジンが始動する。このとき遅角油
室に油が確保されているから、エンジン始動後の早期に
進角制御に移行できる。

【００１１】また、エンジン停止後にコントロールバル
ブと上記チェックバルブとの間の供給油路内に存在する
油量が、上記進角油室および遅角油室の合計容量の半分
以上となるようにしたため、エンジン停止後に長期間経
過することによって遅角油室の油量が減少しても、エン
ジンを始動させたときにオイルポンプ等の油圧供給源が
作動することにより、それまで供給油路内に残留してい
た油（チェックバルブによって閉じ込められた空気の混
入していない油）が速やかに遅角油室に充填される。

【００１２】請求項２に対応する発明では、供給油路の
一部を構成するパイプ製の流通部に上記チェックバルブ
の弁体と弁座を内蔵したことにより、チェックバルブを
含む供給油路の構成の簡略化とコンパクト化が可能とな
り、配管レイアウトなどの設計自由度が広がる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、この発明の一実施形態の
ベーン式カム位相可変装置について、添付図面を参照し
て説明する。図１に示すベーン式カム位相可変装置１０
は、エンジンのクランクシャフトと同期して回転するス
プロケット１１に、この発明でいう第１回転部材の一例
として機能するハウジング１２を設けている。スプロケ
ット１１は、図示しないタイミングベルトによってクラ
ンクシャフトと同期回転する。

【００１４】ハウジング１２は、その周壁を構成するハ
ウジングブロック１５と、ハウジングブロック１５の前
面を塞ぐ蓋部１６と、蓋部１６に設けたキャップボルト
１７などによって構成されている。このハウジング１２
は、ボルト１８（図２等に示す）によって、スプロケッ
ト１１の円板部１１ａに液密に締結されている。図２に
示すようにハウジング１２の内部には、正面側からみて
十字形のベーン油室を規定する内壁面１２ａが形成され
ている。

【００１５】エンジンの動弁系を構成するカムシャフト
２０の端部に、この発明でいう第２回転部材として機能
するロータ２１が設けられている。ロータ２１は、中心
部に位置するボルト２２によってカムシャフト２０の端
面に固定され、カムシャフト２０とロータ２１とが一体
に回転するようになっている。カムシャフト２０とロー
タ２１は、スプロケット１１とハウジング１２に対し、
軸回りに相対回転変位可能である。

【００１６】カムシャフト２０は、軸受部材２５によっ
てエンジンのシリンダヘッド側に回転自在に支持されて
いる。軸受部材２５に２系統の流通部２６，２７が形成
されている。第１の流通部２６は、カムシャフト２０に
形成された流通孔３０を介して、ロータ２１の遅角油室
用油路３１に連通している。第２の流通部２７は、カム
シャフト２０に形成された流通孔３２とボルト２２に形
成された流通孔３３を介して、ロータ２１の進角油室用
油路３４に連通している。

【００１７】ハウジング１２の内部にベーン４０が収容
されている。図２に示すようにベーン４０は、ロータ２
１の外周側にロータ２１と一体に放射状に形成されてい
る。すなわちこれらのベーン４０はロータ２１の径方向
に延出している。なお図示例のベーン４０は４枚である
が、２枚あるいはそれ以外の枚数でもかまわない。ベー
ン４０の先端部にはハウジング１２の内壁面１２ａとの
間をシールするためのシール材４１が設けられている。

【００１８】図２に示すように、各ベーン４０の時計回
り側の面４０ａとハウジング１２の内壁面１２ａとの間
に、遅角油室５０が形成されている。各ベーン４０の反
時計回り側の面４０ｂとハウジング１２の内壁面１２ａ
との間に、進角油室５１が形成されている。ハウジング
１２とベーン４０は互いに相対回転変位自在であるか
ら、ハウジング１２とベーン４０との相対位置に応じ
て、遅角油室５０と進角油室５１との容積比が変化する
ことになる。

【００１９】このカム位相可変装置１０は、図３および
図４に示すようにロック機構５５を備えている。ロック
機構５５は、ベーン４０に設けたロックピン５６と、ス
プロケット１１に設けたピン嵌合穴５７と、ロック用油
路５８と、ロック解除用油路５９などからなる。ピン嵌
合穴５７は、ベーン４０が最遅角位置まで回動したとき
にロックピン５６の先端が嵌合できる位置に形成されて
いる。

【００２０】ロック用油路５８はロックピン５６の基端
側と遅角油室５０に連通し、遅角油室５０に導入される
油圧により、ロックピン５６をピン嵌合穴５７に向かっ
て押し出すようになっている。ロック解除用油路５９は
ロックピン５６の先端側と進角油室５１に連通し、進角
油室５１に導入される油圧により、ロックピン５６をピ
ン嵌合穴５７から出す方向に移動させることができるよ
うになっている。

【００２１】図１に示すように、この位相可変装置１０
は油圧を発生するための油圧供給源６１を備えている。
油圧供給源６１としては、エンジンの潤滑系に標準装備
されているオイルポンプ等を利用できる。油圧供給源６
１は、その吐出側に接続される供給油路６２と下記コン
トロールバルブ７０を介して、遅角油室５０と進角油室
５１とに接続される。供給油路６２の途中に、エンジン
潤滑部６３への潤滑油路６４が分岐する分岐部６５が設
けられている。

【００２２】油圧供給源６１および分岐部６５の上方
に、オイルコントロールバルブ７０が設けられている。
このコントロールバルブ７０は、分岐部６５よりも高い
位置において供給油路６２に設けられ、エンジンコント
ロールコンピュータからの指令によってスプール位置を
制御するように構成されている。電磁弁の一種であるコ
ントロールバルブ７０は、例えば制御電流非通電時（デ
ューティ：ゼロ）には図１に示す第１ポジションにあっ
て、遅角油室５０は流通孔３０、流通部２６、第１油路
７１を介して油圧供給源６１と連通する。進角油室５１
は、流通孔３２，３３、流通部２７、第２油路７２を介
してドレンタンク７３、排出油路７４と連通する。ま
た、制御電流通電時（デューティ：１００％）にはスプ
ール位置が第２ポジションに切り替わり、油圧供給源６
１とドレンタンク７３、排出油路７４とが逆になる。そ
してスプール中立位置のときに油路７１，７２を遮断す
るといった制御が行われる。

【００２３】上記供給油路６２は、分岐路６５とコント
ロールバルブ７０との間にパイプ製の流通部８０を有し
ており、この流通部８０にチェックバルブ８１が設けら
れている。このチェックバルブ８１は、コントロールバ
ルブ７０側からの油の逆流を阻止するものであり、分岐
部６５の下流側でかつこの分岐部６５の近傍に設けられ
ている。従ってチェックバルブ８１からコントロールバ
ルブ７０に至る供給油路６２は、その全長がチェックバ
ルブ８１よりも高い位置にある。

【００２４】そしてこの供給油路６２は、コントロール
バルブ７０とチェックバルブ８１との間に存在する油量
が、遅角油室５０および進角油室５１の合計容量（ベー
ン油室容量）の半分以上となるような内容積としてい
る。ベーン油室容量は数十ｃｃ（例えば３０ｃｃ）であ
るから、供給油路６２のバルブ７０，８１間の油量は、
ベーン油室容量の約半分以上（例えば１５ｃｃ以上）と
している。

【００２５】チェックバルブ８１は図５から図７に示さ
れるように構成されている。すなわち、このチェックバ
ルブ８１は、供給油路６２の一部を構成する金属パイプ
製の流通部８０の内部に、弁座８５と弁体８６を備えて
いる。流通部８０は、パイプ８７の一部を上方に向かっ
てテーパ状に拡径成形した漏斗状の拡管部９０の内面を
弁座８５として使用している。弁体８６としては、比重
が油よりも大きく、かつ金属よりも軽い樹脂等の材料か
らなる球体が推奨される。

【００２６】この流通部８０には、弁体８６が上下方向
に移動自在でかつ弁体８６の回りに油の流路が確保され
る弁箱部９１と、弁箱部９１の上方にあって弁体８６の
上昇位置を規制するストッパ部９２などが設けられてい
る。図７に示すようにストッパ部９２の一例は、パイプ
８７の一部を径方向に少し偏平に潰すことにより、弁体
８６の上昇を阻止できるようにしている。

【００２７】この供給油路６２は、チェックバルブ８１
の下流側が弁体８６よりも高い位置にあるため、弁体８
６が弁座８５に密接したときに弁体８６の上方に油が閉
じ込められる。この油の自重による締切り効果により、
弁体８６は弁座８５に確実に密接し、閉弁状態を維持す
ることができる。

【００２８】次に上記ベーン式カム位相可変装置１０の
作用について説明する。エンジン回転中は、クランクシ
ャフトの回転に同期して動くタイミングベルトによりス
プロケット１１が回転する。また、油圧供給源６１によ
って加圧された油が分岐部６５と潤滑油路６４を経てエ
ンジン潤滑部６３に供給され、エンジンの潤滑がなされ
る。

【００２９】クランキング時やアイドリング時あるいは
エンジンが停止するときには、ベーン４０が最遅角側に
位置するようにエンジンコントロールコンピュータによ
ってコントロールバルブ７０が制御される。すなわち油
圧供給源６１から送られる油がコントロールバルブ７０
を経て遅角油室５０に供給され、ベーン４０が最遅角側
に移動する。このとき、ロックピン５６は遅角油室５０
に導入された油圧によってピン嵌合穴５７の方向に押さ
れるため、図８および図９に示すようにロックピン５６
がピン嵌合穴５７に嵌合し、ロック状態になる。

【００３０】一方、エンジンの中低速域では、図２に示
すようにベーン４０が進角側に移動するようにコントロ
ールバルブ７０が制御される。この場合、油圧供給源６
１から送られる油がコントロールバルブ７０を経て進角
油室５１に供給され、ベーン４０が進角側に移動する。
このときロックピン５６は、進角油室５１に導入された
油圧によってピン嵌合穴５７から抜ける方向に付勢され
ている。

【００３１】図１０は、エンジン停止後の経過時間とベ
ーン残油量との関係を測定した結果である。この図にお
いて、実線で示す曲線Ａは、上記チェックバルブ８１を
有するベーン式カム位相可変装置１０のベーン残油量を
示している。この場合、エンジン停止後に３０分経過し
ても約９０％の残油量が確保され、数日間経過すると最
終的には５０％程度の残油量となる。破線Ｂは、チェッ
クバルブ８１を設けない従来装置のベーン残油量を示し
ており、エンジン停止後に数分間で２５％ほど油量が急
減し、その後は徐々に油量が減少して数時間後には５０
％前後の残油量とる。

【００３２】前記実施形態では、コントロールバルブ７
０とチェックバルブ８１との間の供給油路６２に、遅角
油室５０および進角油室５１の合計容量（ベーン油室容
量）の半分以上の油量が確保されているから、エンジン
が長期間停止することによって遅角油室５０の残油量が
減少しても、エンジンを始動させたときにオイルポンプ
等の油圧供給源６１が作動することにより、それまで供
給油路６２内に残留していた油が速やかに遅角油室５０
に充填されることになる。

【００３３】チェックバルブ８１が無いと、エンジンが
長時間停止したときに供給油路６２内の油が空気と置き
換わってしまうから、まず、供給油路６２内の空気を遅
角油室５０に供給し、その後に油が供給されることにな
る。さらにオイルポンプ作動直後の油は、油中に空気を
混入しており、その油で遅角油室５０を満たしても正確
な制御を行い難い。

【００３４】なお、エンジン停止直後の再始動時には、
燃料が気化しやすく、シリンダ内部温度も高いため着火
しやすく、クランキング時間が短く、すぐにエンジン回
転数が上昇し、発生油圧が高まる。前記チェックバルブ
８１の閉弁力は、弁体８６の自重に、弁体８６の上に存
在する油の重さが加わるが、発生油圧が高いため弁体８
６は問題なく開弁する。

【００３５】また、低温時のエンジン始動では燃料が気
化しにくく、シリンダ内部温度も低いため着火しにく
く、クランキング時間が長くなる傾向がある。この実施
形態のチェックバルブ８１は、球状の弁体８６を弁座８
５の上に乗せたものであり、スプリング等の付勢部材を
用いないので、エンジンのクランキング程度の遅いエン
ジン回転によるオイルポンプ油圧でも開弁することがで
き、遅角油室５０に油を速やかに供給することができ
る。しかもこのチェックバルブ８１は構成が簡単で部品
数が少く、軽量に構成することができる。

【００３６】なお、この発明を実施するに当たって、こ
の発明を構成する第１回転部材、第２回転部材、遅角油
室および進角油室、ベーン、供給油路、コントロールバ
ルブ、チェックバルブをはじめとして、各構成要素をそ
れぞれ適宜に変形して実施できることは言うまでもな
い。

【００３７】

【発明の効果】請求項１に記載した発明によれば、エン
ジン停止中に遅角油室内の油が減少することを抑制でき
るため、エンジンを始動させたときに進角制御を速やか
に行っても、ベーンの位相ばたつきが防止され、失火の
発生が回避される。このためクランキングから加速に移
行する際の迅速な進角制御が可能となり、高出力が得ら
れることにより加速性能が向上する。また、クランキン
グ時にベーンを最遅角側に固定するロック機構の負担が
軽減し、始動回数が多くてもロック機構の耐久性が確保
される。

【００３８】また、長期間エンジンが停止することによ
り遅角油室内の油が減少しても、前記チェックバルブと
コントロールバルブとの間の供給油路内に確保されてい
る油（空気の混入していない油）をエンジン始動後に直
ちに遅角油室に充填することができ、遅角油室内に空気
が送り込まれることを回避できる。この場合も迅速な進
角制御が可能となり、加速性能が向上する。またロック
機構の負担が軽減し、耐久性が確保される。

【００３９】請求項２に記載した発明によれば、前記チ
ェックバルブの構成が簡略化し、かつ、供給油路に前記
チェックバルブをコンパクトに組込むことができるた
め、供給油路およびチェックバルブ等を含む配管系のレ
イアウトが容易となり、設計の自由度が広がる。また、
スプリング等の付勢力がないため、始動時の低油圧でも
ベーン油室に油が供給され、迅速な制御が可能となり、
ロック機構の耐久性も確保される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施形態を示すベーン式カム
位相可変装置の断面図。

【図２】 図１中のＦ２−Ｆ２線に沿う上記カム位相可
変装置の非ロック状態の断面図。

【図３】 図２中のＦ３−Ｆ３線に沿う上記カム位相可
変装置の一部の断面図。

【図４】 図２中のＦ４−Ｆ４線に沿う上記カム位相可
変装置の断面図。

【図５】 上記カム位相可変装置に使われるチェックバ
ルブの縦断面図。

【図６】 図５中のＦ６−Ｆ６線に沿う上記チェックバ
ルブの縦断面図。

【図７】 図５中のＦ７−Ｆ７線に沿う上記チェックバ
ルブの横断面図。

【図８】 図１中のＦ２−Ｆ２線に沿う上記カム位相可
変装置のロック状態の断面図。

【図９】 図８中のＦ９−Ｆ９線に沿う上記カム位相可
変装置の断面図。

【図１０】 エンジン停止後の経過時間と残油量との関
係を示す図。

【符号の説明】

１０…ベーン式カム位相可変装置 １２…ハウジング（第１回転部材） ２１…ロータ（第２回転部材） ４０…ベーン ５０…遅角油室 ５１…進角油室 ６１…油圧供給源 ６２…供給油路 ６５…分岐部 ７０…コントロールバルブ ８１…チェックバルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 横山 友 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動 車工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−109908（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−264110（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−54215（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−44912（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01L 1/34

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】クランクシャフトと同期して回転する第１
   回転部材と、 上記第１回転部材に対し相対回転変位可能に設けられか
   つカムシャフトと同期回転する第２回転部材と、 上記第２回転部材に設けられて径方向に延出しかつ上記
   第１回転部材の内部に収容されるベーンと、 上記ベーンと第１回転部材との間に形成される遅角油室
   および進角油室と、 上記遅角油室および進角油室に接続される油圧供給源
   と、 上記遅角油室および進角油室と上記油圧供給源とを接続
   しかつエンジン潤滑油路への分岐部を有した供給油路
   と、 上記油圧供給源および上記分岐部の上方に位置して上記
   供給油路に設けられ上記遅角油室および進角油室への油
   の供給を制御するコントロールバルブと、 上記供給油路の上記分岐部の下流側でかつこの分岐部の
   近傍に位置し上記コントロールバルブ側からの油の逆流
   を阻止するように上記供給油路に設けられたチェックバ
   ルブとを具備し、 上記供給油路は、エンジン停止後における上記コントロ
   ールバルブと上記チェックバルブとの間の供給油路内に
   存在する油量が、上記遅角油室および進角油室の合計容
   量の半分以上となるような内容積をもつ ことを特徴とす
   るベーン式カム位相可変装置。
2. 【請求項２】上記供給油路は、上記コントロールバルブ
   と上記分岐路との間にパイプ製の流通部を有し、この流
   通部に上記チェックバルブの弁体と弁座を内蔵したこと
   を特徴とする請求項１記載のベーン式カム位相可変装
   置。