JP3597532B2 - 可変バルブタイミングシステム - Google Patents

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は内燃機関のための可変バルブ制御システムの技術に関する。さらに詳しくは、本発明は完全に制御しうる（fully flexible）バルブタイミングシステムに関するものであって、負荷の制御と有効バルブ領域の改善とを可能にしている。
従来技術の記載
厳しく改善された燃費の要求とあいまって厳しい排ガス基準が、自動車用機関が設計される方法において顕著な変化を要求している。
最近まで固定されたバルブタイミングの自動車用機関が普通であった。その結果、もし設計点近辺の速度で走行しないならば、総合的な性能は理想的な性能を下回り、とりわけ低速作動条件下で逆流と充填希釈（charge dilution）を起すという問題を惹き起する。
この問題に対処するためにいくつかの解決策が提案されている。かかる解決策は、たいてい固定ソフト、２位置位相（２−way phasing）に依存している。これは主としてクランクシャフトに関して吸気カムシャフトを回転させる機構から構成され、低速下での減少したオーバーラップと、高速下での吸気バルブの遅い閉鎖とを与えている。バルブのリフト面がクランク角度によって固定されているので、閉鎖角度がいささかでも変化すると開放角度を補償し、開放角度がいささかでも変化すると閉鎖角度を補償する。
このトレードオフ（tradeoff）を最小にする、より洗練されたアプローチは、リフト曲線を修正するようにECUからの所定の時間ごとの信号に応答して作用する制御可能な電子−補正アクチュエータを採用することである。より広い負荷範囲にわたって改善された性能を得られるが、負荷制御機構によるポンプ損失の結果発生する残留排気ガスの掃気の問題を完全に克服していない。
完全に制御しうる制御システムは、負荷制御機能を設けることによってポンプ損失を取り除き最適の解決策を与えている。前記システムは、ひじょうに狭い負荷範囲以外では、この目的を満足するための所用の融通性（flexibility）を示してはいない。そのうえさらに、流れとタイムラグの固有の問題により、現在の電子油圧システムは高回転において劣化する。この目的は可変バルブ駆動（UVA）機構を構成することである。かかる最適な制御システムを達成する最近のアプローチは主として高速ソレノイド、または油空圧方式に集中している。しかしながら、これらのアプローチは複雑かつ高価であり、機関に顕著な出力消費を強いることになる。
他のアプローチにおいて、バルブはレバーシステムによる２つのカムシャフトによって操作される。かかるアプローチのうちの１つは米国特許出願第4,714,057号明細書に記載されている。当該特許出願に教示されたアプローチは設計を制限している。制限された位相は負荷の制御のために充分ではない。かかる位相システムはいかなるものでも、バルブのバネにかなりの背圧を受けるため、何らかの安定手段を必要としている。そのうえさらに、コストと、スペースの必要性は相当なものである。
バルブの油空圧制御の他の構成は、米国特許第4,615,306号明細書、4,615,307号明細書および4,889,084号明細書に提案されているが、これらは多かれ少なかれ高速または高コストおよび（または）スペースの必要性のもとに、遅い応答時間、劣化を起す。
このように、エンジン用のバルブについて融通性のあるタイミングの制御に対する満足な配列と、耐久性とには長いあいだニーズがあった。
最適な負荷制御装置としてバルブを機能せしめることも要求されている。
あらゆる速度と負荷におけるシリンダへの空気流量を最大にすることも要求されている。
バルブの有効面積を最大にすることも望まれている。
発明の要旨
したがって、本発明は改善されたバルブの開口の配列を開口期間の制御配列を提供している。
性能および燃費を改善し、すすの生成を減少するためにバルブの駆動を改善し連続した融通性を改善することが、さらに他の目的である。
バルブが機関の負荷を制御しうるようにすることによってポンプ損失を除去することが、本発明のさらに他の目的である。
機関の吸気（breathing）を改善しうるようにバルブの有効面積を２倍にすることが本発明のさらに他の目的である。
叙上の目的を比較的低コストでかつ高い信頼度で達成することが本発明のさらに他の目的である。
本発明の叙上の目的および他の目的は、吸気バルブの閉鎖位相角度を進めることによって、バルブの開放期間について改善された制御を与えることによって、本発明の好ましい実施例に従って達成される。閉鎖位相の角度はステップなしに変化される。かかる配列は開放位相角度とオーバーラップ期間とに影響を与えることなく機能し、バルブの部分的位相または全位相に適用される。
もし吸気管が常に大気圧または大気圧以上であるのなら、逆流の問題は回避されることが観察される。かかる条件下では、動作曲線のこの部位における位相の必要性を除いてオーバーラップ領域の変化の必要性は減少する。
これにより低コストで簡易でコンパクトな構成が達成れる。シリンダに入れられる充填量は、クランクシャフトの回転角度によってバルブの動作時間の関数となりうる。
好ましい実施例において、高速油圧駆動装置は、カムプロファイル（断面形状）によりバルブを開放または閉鎖するためにアクチュエータを経由してバルブに周期的な変動ストロークを与えるために第１（主）カムシャフトと相互作用させるために位置づけられている。第２（制御）カムシャフトは、油圧流体を吐出してアクチュエータ上で圧力リリーフ機構と相互作用するように位置づけられている。これにより第１カムシャフトの現在の向きにかかわらずアクチュエータを押し込み、バルブを閉鎖した位置までバルブを戻す。全範囲位相機構は制御カムシャフトの従動側端部に取り付けられる。これは制御カムシャフトを第１カムシャフトに関して位相を合わされうるようにせしめ、制御プロファイルすなわちバルブの動作期間を調整せしめている。
他の実施例において、有効バルブ面積の顕著な増大が主カムシャフトを“広い”カムローブ（lobe）に取り込むことによって実現される。
これらは、たとえば排気と吸気など２つの連続したストロークのあいだにバルブを作動せしめるために機能する。一体化した（merged）吸気／排気マニホールドを有することにより吸気システムにさらなる変更がなされる。このばあい、吸気および排気路はたがいに連結され、まっすぐに貫いた通路を形成している。空気圧縮手段は通路全体にわたって空気の流れを維持し、その結果バルブのオリフィス部から吐出されたガスは吐出方向に発散し、新気が上流方向から流入される。これは可変圧縮比機関にとくに有用な特徴であり、燃焼室表面の大部分が有効なバルブ領域には不利となる副ピストンによって占められる。
図面の簡単な記載
本発明の叙上の実施例および他の実施例は、添付図面とともに以下の詳細な説明から完全に理解されるであろう。添付図面において類似の参照符号は類似の要素を示している。
図１は配列の断面図である。
図２は配列の他の実施例の断面図である。
図３はワイドローブカムの断面図である。
図４は一体型吸−排気マニホールドの断面図である。
図５は高速アクチュエータの詳細な図面である。
好ましい実施例の説明
図面を参照しながら説明する。図１は内燃機関におけるバルブ101のために示されている本発明にしたがって構成された配列10の断面図を示している。
バルブ101は、シリンダーヘッド103の部分図に設けられるように示されている。バルブ用のバネ、クリップ、弁座などの詳細は、当該技術において公知であるとして示されていない。
潤滑経路104は潤滑油システムのための導管（conduit）を構成するものであるが、シリンダーヘッド103の内部に形成されるように示されている。
油圧アクチュエータ140は、シリンダーヘッド103上に設けられ、潤滑経路104に連結され、バルブ101に隣接するように位置づけられる。
カムシャフト110はアクチュエータ上のシリンダーヘッドに設けられる。カム111は、カムシャフト110に設けられる。該カムシャフトが回転するとカム上昇面111をしてアクチュエータ頂部ピストン142と接触せしめる。該頂部ピストンの下向きの運動は加圧流体媒体141を経て下部プランジャ143に伝達され、該下部プランジャをしてバルブ101を開位置に移動せしめる。バルブ開放のタイミングはカムシャフト110の回転によって設定される。
配列10は、さらなる制御要素としてアクチュエータの本体に形成された逃し弁144を規定している。この制御要素がバルブ101の開放期間の調整を許している。
制御カムシャフト120は逃し弁144に隣接して設けられる。制御面121を有する制御カムが制御カムシャフトに設けられ、制御カムシャフトの回転のあらかじめ選択された部位で逃し弁144のピン148と係合するように位置づけられる。
制御カムシャフトは、John K.Williamsに付与された米国特許第4,747,375号明細書（以下、'375特許という）の中に教示された配列によって駆動されうる。この'375特許の配列は、クランクシャフトをして全負荷範囲にわたって変化しうる位相（phasing）カムシャフトを駆動せしめる。本発明は、制御面121と逃し弁144のピン148との係合を調整するために、この可変位相ユニットを利用している。
このシステムの１つの利点は、制御カムシャフトが主カムシャフトよりも低コストで軽く製造しうることである。なぜなら、制御カムシャフトは圧力逃し機構とのみ相互作用するからである。したがって、位相ユニットもアクセルペダルに直接連結されうるので、たいへん軽い。
図２は本発明の他の実施例を示している。該実施例のばあい、アクチュエータ140はロッカーアーム102を経てバルブと相互作用する。ロッカーアーム102はアクチュエータの頂部にヒンジ結合されている。カムシャフト110は複数のロッカーアーム（それぞれがバルブ用）に設けられる。カム112はカムシャフト110に設けられ、かつロッカーアーム102に摺動自在に接触する。この実施例で示されたカム112は、叙上のワイドローブカムである。
一連の動作の最初に、カムシャフト110が回転すると前記カム上昇面112をしてロッカーアーム102と接触せしめる。ロッカーアーム102は、ヒンジ結合されたマウントから旋回し、バルブ101を開放位置まで押し込む。このばあいのタイミングは、特定のシリンダーの排気ストローク開始時期と一致する。バルブは排気ストロークのあいだ開放したままであり、こののち吸気ストロークにはいる。
制御カムシャフト120は、アクチュエータ140に隣接して設けられ、制御面121叙上のように逃がしピン148によって係合されている。制御カム121がさらに回転するとし、制御面は逃がしピン148をして内側に押圧せしめ油圧流体を解放すると、アクチュエータ140は引っ込み、図示されているように旋回点140を下向きに移動する。これはロッカーアーム102の反対側の端部の対応する上向きの運動をしてバルブ101をバルブ閉鎖バネの影響下で閉鎖位置の状態にせしめるという上向きの運動を引き起こす。ロッカー102の頂部表面はカム112とロッカー102との摺動接触点によって形成された第２旋回点の回りのロッカーの旋回を促進しうる形状を有している。
この実施例のさらなる利点は、アクチュエータの磨耗が減じられアクチュエータがシンプルに製造されることである。なぜなら前記第１実施例２重ストロークよりむしろ１サイクル毎に１つの機能を実行しているからである。このようにこの態様では、アクチュエータは高々１つの移動自在のプランジャで機能しうる。
ワイドカムローブ112は、図１に示された第１実施例に用いることができる。もし要すれば、ローブ112は中央が僅かに窪んだり、谷部を有していたりすることにより、ピストン160がそのストロークの頂部付近にあるときバルブを僅かに引っ込めることができる。
図４は、２重機能バルブとともに用いられる一体型の吸−排気システムの実施例を示している。マニホールド150は、バルブに対して上流部151と、下流部152とから構成される。クランクシャフトによって駆動される一体ルート型（integral root）またはスクロール型のブロワ153が導管151および152の中を通る空気を加圧するマニホールドが取り付けられているように示されている。バルブ101を開放すると、高圧の排気ガスが通路に排出されブロワによって発生された空気流により吐出方向に加圧される。このプロセスはピストンが上死点（TDC）に移動するあいだ継続する。圧力が均衡すると、空気流の影響下で新気がシリンダー空間を充填し始める。つぎの吸気ストロークで、ピストン160がしだいに空間を解放し、新気をしだいに吸入しつつ下降し始める。このストロークのあいだのある点でバルブ101はバルブ制御システムの制御下で閉鎖し、シリンダーへの空気の供給を遮断する。
バルブがTDC付近（ガスの圧力均衡がえられた直後）にあるとき、燃料噴射のパルスが開始され、バルブが閉鎖する前に停止する。この燃料噴射のパルス幅はバルブ作動（valve duration）パルスと位相を合わされてもよく、あるいは噴射は従来のように作動されたシリンダー内の別々のバルブ孔を貫いてもよい。
別々の小さいバルブが、燃焼室内において主バルブを横切るように位置づけられTDC付近で瞬時に開き、捕捉されたガスを流出するようにしてもよい。好ましい実施例において、通路150はシリンダーと連通する点で鋭角に曲げられているように示されている。これは高速回転下でシリンダーの充填を促進する空気流によってラム効果を生成する。
図５は高速アクチュエータの詳細な構成を示している。叙上のようにたいていのアクチュエータの設計は短い応答時間に悩まされている。この短い応答時間は高rpm（毎分回転数）における作動プロファイルに重大な劣化を引き起こすものである。応答時間を増加させるために、多くのばあい、圧力容器内に排出された油圧流体を貯蔵している。該圧力容器は導管を介して連結されいるので、通路の制限により遅延が起こる。アクチュエータと容器とのあいだの流体の伝達はソレノイドによってなされているので、このユニットのコストが付加される。
図５に示されたアクチュエータは排出された流体を貯蔵し、中立期間のあいだのできるだけ短い時間内に該流体を戻すために一体型の圧力容器を有している。好ましい実施例において、アクチュエータ140はケーシングおよび移動自在のプランジャ142および143によって形成された内部空間141を覆っている。プランジャ142および143は、アクチュエータの本体内に形成された小さい円柱状の孔の中に摺動自在に嵌合しうる第２小径で形成される。これは、応答時間を改善しているプランジャの相対運動ために変位した流体の体積を減じる。第１チャンバ141はチェック弁144によって第２チャンバ145と連通している。チェック弁144は流体の迅速な伝達を促進するために該チャンバに対して大きい径を有している。第２チャンバ145は、バネ147によってチェック弁144の方向に付勢された移動自在のピストン146を有している。ピン148は、アクチュエータ本体内の孔と前記摺動自在のピストン146内の第２の孔とを摺動自在に貫きチェック弁144と連通している。ピン148の内側への運動はチェック弁144を開き、油圧流体を容器145内に流入せしめ付勢バネ147に抗してピストン146を押圧する。ピンの２カ所にフランジが設けられており、移動を制限している。ストロークが完結し、プランジャ上のカム面の圧力が逃がされると、チャンバからの流体が、バネ147に蓄えられたエネルギーによってチャンバ141側に付勢されている。ピストン146および142はコンパクトさと低重量とのために中央が空洞になったように示されている。
他のチェック弁149は、まず機関の潤滑油システムから油圧流体をアクチュエータに入れる。この構成の他の特徴は、バネ147のバネ定数がバルブのバネ105のバネ定数と整合され、弁座における過度に高い流速を回避するためにバルブへの戻り量を決定していることである。あるいは、ピストン146の背面の空間を流体が占めるようにせしめ、目盛りを付けられた吐出孔から該流体を吐出して緩衝が達成される。
好ましい実施例において、チャンバ145はあらかじめ選択された小さい孔を含み、過度の流体を流出する。アクチュエータの基部には、シリンダーヘッドに取り付けるためにフランジが取り付けられている。潤滑油の入口側通路は、機関潤滑油システムからの対応する潤滑油供給路104と一致する。他のバネはプランジャ142の外側フランジとハウジング140とのあいだに介装され、カム面に対してプランジャを付勢しレスポンスを改善している。
他の実施例において、逃がしピン148は、アクチュエータに取り付けられた小さい２位置ソレノイドによって動作されてもよい。ECUからの信号はアクチュエータを動作するために用いることができる。動作のいくつかのモードにおいて、各シリンダーにおける多くのバルブは、シリンダー内への流入速度を増大するために無力であってもよい。これは制御カム121のための分割したローブを有することと、吸気がバルブのいくつかで始まる前にピン148を係合することによってなされる。
さらに他の動作モードで、アクチュエータは従来の絞り弁とともに用いられ、アクチュエータが（完全に延長された位置で）高rpmで完全に無力にされ、充填流れが上部負荷範囲で普通に制御されてもよい。
したがって、本明細書の読者（reader）は叙上の如き本発明は、機関のバルブのために広範囲に改善され、かつ効率的なバルブ制御システムを示していることが分かるであろう。そのうえさらに、当該システムは非常にコストパフォーマンスの高い方法で従来技術の多くの欠点を克服している。システムの信頼性が改善され、同時にエネルギー消費および運動要素の応力が減じられる。
叙上の装置において本発明の精神および範囲を逸脱することなく変更がなされうるので、前記明細書中に含まれたすべての事項が添付図面に示されたように、一例としての意味であって、その意味に限定されないと解釈されることが意図されている。

Claims (7)

1. シリンダーバルブ（101）の動作を個々に制御するための油圧機関バルブタイミングシステム（10）であり、
   前記システムが、
   前記個々のバルブに対して第１カム面（111、112）を有する第１回転カムシャフト手段（110）と、
   個々のバルブに往復運動を伝達するために前記バルブと第１回転カム手段とのあいだに介在された油圧アクチュエータ手段（140）と、
   前記個々のアクチュエータ手段のための制御カム手段を有する第２回転制御カムシャフト手段（120）と、
   前記第１回転カムシャフト手段に関して前記制御カム手段と位相を合わせるためのシャフト位相手段と
   を備えたシステムであって、
   前記油圧アクチュエータ手段（140）が、油圧流体の解放によって収縮自在の内部油圧空間（141）を有し、それにより、当該油圧アクチュエータ手段が、第１カム回転手段のストロークにうちかつ有効長さを調節自在であり、かつ、
   前記第２回転制御カムシャフト手段（120）が前記アクチュエータ手段（140）と相互作用し、周期的に前記内部油圧空間（141）から油圧流体を吐出して、それにより、前記第１回転カムシャフト手段によって生み出される軸方向の変位の反対の効果をあたえ、
   前記制御カム手段（121）が、前記油圧アクチュエータ 手段（140）の本体内に形成された逃し弁（144）と相互 作用し、前記逃し弁の開放が、前記油圧アクチュエータ 手段の有効長さの減少を可能にし、かつ、
   前記逃し弁が閉位置に向かってバネで付勢されてなる
   ことを特徴とする油圧機関バルブタイミングシステム。
2. 前記逃し弁（144）が、前記第２回転制御カム手段（120）を係合するピン（148）に連結されてなる請求の範囲第１項記載の油圧機関バルブタイミングシステム。
3. 前記内部油圧空間（141）から吐出された流体を受けることができるチャンバ（145）を有し、該チャンバ（145）が、内部に配設されたスライド自在のバネで付勢されたピストン（146）を有し、かつ、
   前記逃し弁（144）が、バルブストロークの終了時に、前記チャンバ（145）から前記内部油圧空間（141）へ流体を返すことを許容するために適合されたチェック弁である請求の範囲第１項または第２項記載の油圧機関バルブタイミングシステム。
4. ロッカーアーム（102）が、前記油圧アクチュエータ手段（140）と前記シリンダーバルブ（101）とのあいだに設けられ、かつ、
   前記ロッカーアームが、前記アクチュエータ手段にヒンジ結合されてなる請求の範囲第１項、第２項または第３項記載の油圧機関バルブタイミングシステム。
5. 前記バルブ手段（101）が、吸気バルブおよび排気バルブの両方である請求の範囲第項１項、第２項または第３項記載の油圧機関バルブタイミングシステム。
6. 前記第１回転カム手段（110）が、排気ストロークおよび吸気ストロークのあいだで前記シリンダーバルブ（101）を開状態に維持するために適合されたワイドカムローブ（112）を有してなる請求の範囲第５項記載の油圧機関バルブタイミングシステム。
7. 前記ワイドカムローブ（112）が、当該ローブの表面のほぼ中央に窪みを有しており、前記シリンダのピストンがそのストロークの頂部付近にあるあいだ、前記窪みが前記バルブをわずかに後退することができる請求の範囲第６項記載の油圧機関バルブタイミングシステム。

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