JP3799462B2

JP3799462B2 - ベーン式カム位相可変装置

Info

Publication number: JP3799462B2
Application number: JP35287298A
Authority: JP
Inventors: 真一村田; 秀樹宮本; 友横山
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1998-12-11
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2018-12-11
Also published as: JP2000179365A

Description

【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、例えばベーン式のものがある。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。
【０００４】
【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。
【０００５】
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、比較的短時間に油量が減少する。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。
【０００６】
このためエンジン再始動時に遅角油室が油で満たされていない状態となり、そのまま進角制御を行ってしまうと、ベーンを所定位置に保持できなくなり、カムシャフトとスプロケットの位相ばたつきを生じ、失火の原因となる。また、位相ばたつきによって、ベーン等の油圧アクチュエータ構成要素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。このため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。このことはベーン式に限らず、ヘリカル式等の油圧を用いてカム位相可変するものにもあてはまる。
【０００７】
さらには、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、オイルポンプからコントロールバルブ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、油温が下がっていることにより粘度が高く、流動しにくいことから、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空気の混入した油が比較的ゆっくりと遅角油室に供給され、遅角油室内の空気が排出されにくいことから、前述の問題が助長されてしまう。
【０００８】
そこで、エンジン始動後に無条件に所定時間の間、カム位相制御を中止することも考えられるが、そのようにすると、例えばハイブリッド車のように短時間のエンジン停止後にエンジンを再始動し、始動と同時に高出力が要求される状況においては、上記所定時間はベーンが最遅角側に保持されたままとなるため、高出力が出せずにドライバビリティが悪化してしまう。
【０００９】
従って本発明の目的は、位相ばたつきを防止することができ、かつ、エンジン停止時間が短い時に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、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、ベーンと遅角油室および進角油室を含み上記第１回転部材と上記第２回転部材との相対回転角を調整可能に設けられた油圧アクチュエータと、上記ベーンに設けられたロックピンと上記ベーンが最遅角位置に回動した状態において上記ロックピンが嵌合するピン嵌合穴とを有すると共に上記進角油室に導入される油圧により上記ロックピンの上記ピン嵌合穴への嵌合が解除されるよう構成されたロック機構と、上記油圧アクチュエータへの油の供給を制御するコントロールバルブと、エンジンの温度を検出するエンジン温度検出手段と、エンジンの運転状態を検出するエンジン運転状態検出手段と、制御手段とを具備している。
エンジン温度検出手段は、エンジン始動時の油温あるいはエンジン冷却水等の温度を検出し、エンジンの温度に関する電気的な信号を出力する。エンジンが暖まっていれば、エンジンが停止していた時間が短く、油が低粘度に維持されていて流動しやすい状態にあると判断される。エンジン運転状態検出手段は、エンジンの回転あるいはアクセル開度などを検出し、エンジンが動いているか否かの情報やエンジンの運転速度などに関する信号を出力する。
【００１１】
エンジンコントロールコンピュータ等を利用する制御手段は、エンジン運転状態検出手段から出力される電気的な信号に基き、エンジンが動いている間、コントロールバルブの作動を制御して油圧アクチュエータを作動させ、カム位相を可変制御する。この制御手段は、エンジン始動後の所定時間内は上記ロック機構の上記ロックピンを上記ピン嵌合穴に嵌合させることにより上記ベーンを最遅角側に固定しかつ上記エンジン運転状態検出手段の出力に基くカム位相可変制御を中止し、上記エンジン温度検出手段から検出されるエンジン温度の高さに応じて上記所定時間を短く設定することにより、始動後の所定時間は上記ベーンを上記ロック機構によって最遅角側にロックした状態で運転する。すなわちエンジン温度が高いときには上記所定時間を短縮し（ゼロでもよい）、エンジン始動後に速やかにコントロールバルブによるカム位相制御を開始できるようにする。
【００１２】
【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に設けたハウジング１２を備えている。スプロケット１１とハウジング１２は、この発明でいう第１回転部材の一例である。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。
【００１３】
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。
【００１４】
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、その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。すなわちカムシャフト２０とロータ２１は、スプロケット１１とハウジング１２に対して軸回りに相対回転変位可能であり、後述する油圧アクチュエータ５３によって相対回転角を変えることができる。
【００１５】
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。
【００１６】
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２１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。
【００１７】
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。
【００１８】
上記ベーン４０と遅角油室５０と進角油室５１などは、この発明で言う第１回転部材（スプロケット１１など）と第２回転部材（ロータ２１）との相対回転角を調整するための油圧アクチュエータ５３を構成する。
【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６１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、後述するエンジン運転センサ９２の出力に基いて、エンジンコントロールコンピュータ等の下記制御手段９０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。
【００２３】
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６１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油路７１，７２を遮断するといった制御が行われる。
【００２４】
上記供給油路６２は、分岐路６５とコントロールバルブ７０との間の流通部８０にチェックバルブ８１を備えている。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。
【００２５】
上記チェックバルブ８１を備えた供給油路６２を採用したことにより、エンジン停止後に３０分経過してもベーン油室（遅角油室５０と進角油室５１）には約９０％の残油量が確保され、さらに長期間が経過してようやく５０％程度の残油量に至る。なお、チェックバルブ８１を設けない場合には、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で５０％前後の残油量となる。いずれにせよ、放置時間が長ければ残油量は減少する。
【００２６】
この実施形態のカム位相可変装置１０は、エンジンコントロールコンピュータ等を利用した制御手段９０と、エンジン温度を検出するためのエンジン温度検出手段の一例として機能する温度センサ９１と、エンジンの運転状態を検出するためのエンジン運転状態検出手段として機能するエンジン運転センサ９２を備えている。温度センサ９１は、例えば潤滑油の温度あるいは冷却水温を検出するものである。エンジン運転センサ９２は、例えばエンジン回転数あるいはアクセル開度などを検出することによって、エンジンが動いているか否かを判断し、かつ、エンジンの運転速度などに関する電気的な信号を制御手段９０に出力するようになっている。
【００２７】
制御手段９０は、エンジン運転センサ９２の出力に基いてコントロールバルブ７０の作動を制御して油圧アクチュエータ５３によりカム位相を可変制御する。そしてこの制御手段９０は、エンジン始動後の所定時間内は、エンジン運転センサ９２の出力に基く前記カム位相制御を中止し、温度センサ９１が検出するエンジン温度の高さに応じて上記所定時間を短縮するようにプログラミングされている。
【００２８】
図５は、制御手段９０の機能の一例として、しきい値に基いて前記所定時間を判断する場合を示している。このフローチャートの機能例では、エンジン始動時にエンジン潤滑油の油温を検出し、油温が例えば６０℃のしきい値に達しているか否かを判断する。そして油温が上記しきい値（６０℃）に達している場合に、エンジン停止時間が短いと判断する。
【００２９】
言い換えると、エンジン停止時間が短かければ油圧アクチュエータ５３の遅角油室５０に十分な残油量があると判断され、かつ、油温が高いことにより油の粘度が低く、流通抵抗が小さいことにより、油圧供給源６１から遅角油室５０に短時間で油が供給されると判断することができる。従ってこの場合、前記所定時間を短縮する（例えばゼロにする）ことにより、エンジン始動後に直ちにコントロールバルブ７０を作動させて、カム位相進角制御を行うようにしている。
【００３０】
また図５に示すフローチャートにおいて、油温が前記しきい値に達していない場合には、エンジン停止から長時間経過していたと判断する。その場合、遅角油室５０の残油量が減少している可能性があるとともに、油の粘度が高くなっていて流通抵抗が大きいと判断される。従ってこの場合には、遅角油室５０に油が充填されるまでにある程度時間がかかると判断することにより、前記所定時間を長く設定し、エンジン始動後のカム位相進角制御を一時中止するように構成されている。
【００３１】
なお、上記しきい値を用いる代りに、油温と時間との関係を表すマップをコンピュータのメモリに記憶しておき、このマップに基いて前記所定時間を設定するように構成してもよい。その場合、エンジン停止後の経過時間とベーン油室の残油量との関係を予め測定しておき、また、エンジン始動からベーン油室に油が満たされるのに要する時間を予め求めてマップ化しておき、始動時のエンジン温度が低いときほど前記所定時間を長く設定するような制御を行ってもよい。このような制御を行えば、ベーン油室に油が満たされた直後に進角制御が行えるため、いかなる状況においても、その状況下で、正確かつ一番早い制御を行うこととなる。
【００３２】
次に上記カム位相可変装置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。
【００３３】
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制御手段９０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６および図７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。
【００３４】
エンジンの始動時に、温度センサ９１からの電気的な出力とエンジン運転センサ９２からの電気的な出力が制御手段９０に入力され、エンジン始動後の所定時間内は、前記カム位相制御を中止し、かつ、温度センサ９１によって検出されるエンジン温度の高さに応じて上記所定時間を短縮する。すなわち、エンジン温度が高ければ速やかにカム位相制御に移行できるようにし、エンジン温度が低い場合には所定時間だけカム位相制御を中止する。カム位相制御を中止している間、ベーン４０は主にロック機構５５によって最遅角側に保持され、クランクキングおよびエンジン始動後の回転が維持される。
【００３５】
前記実施形態では、チェックバルブ８１の下流側からコントロールバルブ７０に至る間の供給油路６２に油が常に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（チェックバルブ８１によって閉じ込められていた空気の混入していない油）が速やかに遅角油室５０に充填されることになる。このため前記所定時間（待ち時間）を可及的短く設定することが可能となる。
【００３６】
そしてエンジンの中低速域では、エンジン運転センサ９２の出力に基いて、図２に示すようにベーン４０がエンジン回転数に応じて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６１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。
【００３７】
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、油圧アクチュエータ、コントロールバルブ、エンジン温度検出手段、エンジン運転状態検出手段をはじめとして、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。
【００３８】
【発明の効果】
請求項１に記載した発明によれば、エンジンが長時間停止していてもエンジン始動後に油圧アクチュエータ内に油が満たされたのちにカム位相制御に移行するため、位相ばたつきが防止され、失火の発生が回避される。また、短時間のエンジン停止後の再始動時にはクランキングから加速に移行する際の迅速なカム位相制御が可能となり、高出力が得られることにより加速性能が向上する。また、油圧アクチュエータ内に空気が入ったまま位相制御が行われてしまうことを回避できるため、ベーン等の油圧アクチュエータ構成要素の負担が軽減し、始動回数が多くても耐久性が確保される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示すカム位相可変装置の断面図。
【図２】図１中のＦ２−Ｆ２線に沿う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制御手段の機能を示すフローチャート。
【図６】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７】図６中のＦ７−Ｆ７線に沿う上記カム位相可変装置の断面図。
【符号の説明】
１０…ベーン式カム位相可変装置
１１…スプロケット（第１回転部材）
１２…ハウジング（第１回転部材）
２１…ロータ（第２回転部材）
５３…油圧アクチュエータ
７０…コントロールバルブ
９０…制御手段
９１…温度センサ（エンジン温度検出手段）
９２…エンジン運転センサ（エンジン運転状態検出手段）

Claims

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、
ベーンと遅角油室および進角油室を含み上記第１回転部材と上記第２回転部材との相対回転角を調整可能に設けられた油圧アクチュエータと、
上記ベーンに設けられたロックピンと上記ベーンが最遅角位置に回動した状態において上記ロックピンが嵌合するピン嵌合穴とを有すると共に上記進角油室に導入される油圧により上記ロックピンの上記ピン嵌合穴への嵌合が解除されるよう構成されたロック機構と、
上記油圧アクチュエータへの油の供給を制御するコントロールバルブと、
エンジンの温度を検出するエンジン温度検出手段と、
エンジンの運転状態を検出するエンジン運転状態検出手段と、
上記エンジン運転状態検出手段の出力に基いて上記コントロールバルブの作動を制御してカム位相を可変制御するとともに、エンジン始動後の所定時間内は上記ロック機構の上記ロックピンを上記ピン嵌合穴に嵌合させることにより上記ベーンを最遅角側に固定しかつ上記エンジン運転状態検出手段の出力に基くカム位相可変制御を中止し、上記エンジン温度検出手段から検出されるエンジン温度の高さに応じて上記所定時間を短く設定することにより、始動後の所定時間は上記ベーンを上記ロック機構によって最遅角側にロックした状態で運転するように構成された制御手段と、
を具備したことを特徴とするベーン式カム位相可変装置。