JP4042661B2 - 弁開閉時期制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸・排気弁の開閉時期を制御する弁開閉時期制御装置に関する。

近年、内燃機関の運転状態に応じて吸気弁または排気弁の開閉時期を変更可能とする弁開閉時期制御装置がカムシャフトの一端に取付けられるようになっている。一方、負圧発生装置や燃料ポンプ等の補機類の被駆動装置もエンジンの全高の低減のためカムシャフトの一端に取付けられるようになっている。

例えば、被駆動装置として内燃機関の一端に負圧を得る往復動ピストン型バキュームポンプを配置して、カムシャフトの一端にポンプを構成するクランクアームを固設しクランクアームに連係されたコンロッド等を介してピストンを往復運動させるポンプの駆動装置がある（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、この装置はカムシャフトにクランクアームを直接に固設しているため、カムシャフトの中心とクランクアームの中心を高精度に位置合せをする必要があり、組付けが非常に困難である。

また、動力伝達方法として、内燃機関のカムシャフトの一端に燃料ポンプの駆動軸をオルダム継手を介して接続しカムシャフトによって燃料ポンプを駆動するようにした駆動装置がある。このような駆動装置においては、オルダム継手を構成するカップリング部材と燃料ポンプの駆動軸との間にポンプ側カップリングを配置して駆動軸へ動力伝達を行っている（例えば、特許文献２参照。）。

しかしながら、この装置はカップリング部材と燃料ポンプの駆動軸との間にポンプ側カップリングを配置しナットにより固定するため、部品点数が増加し組付けが複雑になる。また、ポンプ側カップリングにより被駆動装置の取付け長さが長くなる。これにより、被駆動装置の取付けの自由度が減少するとともに、ひいてはエンジンの全長が長くなり搭載の自由度が減少する。

また、弁開閉時期制御装置と被駆動装置を別々にカムシャフトに取付けることは組付けが複雑になるとともに、体格が大きくなりエンジンの搭載の自由度が減少する。
実公平７−１２６７５号公報 特開２００１−２６３０２５号公報

そこで本発明は、弁開閉時期制御装置において、被駆動装置を駆動する構造を設けるとともに簡素な構造とすることを技術的課題とする。

上記課題を解決するための第１ の技術的手段は、内燃機関のクランクシャフトまたはカムシャフトの一方と一体的に回転するハウジング部材と、前記ハウジング部材に相対回転可能に組付けられ前記カムシャフトまたは前記クランクシャフトの他方と一体的に回転するロータ部材と、前記ハウジング部材と前記ロータ部材との間に形成され、前記ロータ部材に一体的に設けられるベーンによって進角油室と遅角油室とに二分される流体圧室と、前記ハウジング部材に移動可能に配設されるロック部材が前記ロータ部材に形成される受容穴に没入して前記相対回転を規制し、前記受容穴から退出して前記相対回転を許容するロック機構と、前記進角油室と前記遅角油室および前記ロック機構へ作動油を給排する油圧回路とを備えた弁開閉時期制御装置において、前記ハウジング部材の軸方向一端側にプレートが配置され、前記プレートに被駆動装置に連結される継手部材と係合可能な係合溝が形成されていることである。

請求項１に記載の発明によれば、前記ハウジング部材の軸方向一端側にプレートが配置され、前記プレートに被駆動装置に連結される継手部材と係合可能な係合溝が形成されていることにより、被駆動装置を弁開閉時期制御装置のハウジング部材を介して取付けるとともに駆動することができるため、被駆動装置の駆動部材の部品点数を低減することができ、被駆動装置を組付ける作業性の向上をはかることができる。また、被駆動装置の駆動部材の全長を短縮することができ、エンジンの搭載の自由度が向上できる。さらに、係合溝をプレートのみで形成できるため容易に形成することができる。また、プレートを交換すことによって継手部材の種類に容易に係合し対応することができる。

上記課題を解決するために、請求項２に記載の発明にて講じた技術的手段は、前記プレートは鉄系焼結合金からなることである。

請求項２に記載の発明によれば、プレートは鉄系焼結合金からなることにより、焼結合金の自己潤滑性のため、係合溝と継手部材との耐摩耗性が向上することができる。

上記課題を解決するために、請求項３に記載の発明にて講じた技術的手段は、前記プレートの一端側に略円筒状の突部が形成され、前記突部に前記係合溝が形成されていることである。

請求項３に記載の発明によれば、プレートの一端側に略円筒状の突部が形成され、突部に係合溝が形成されていることにより、係合溝を小型に形成できるとともに、容易に形成することができる。

上記課題を解決するために、請求項４に記載の発明にて講じた技術的手段は、前記係合溝の表面部には熱処理または表面処理が行われていることである。

請求項４に記載の発明によれば、係合溝の表面部には熱処理または表面処理が行われていることにより、係合溝の耐摩耗性が向上できる。また、プレートの係合溝を除く部位の加工性を向上することができる。

上記課題を解決するために、請求項５に記載の発明にて講じた技術的手段は、前記突部が高密度に成形されていることである。

請求項５に記載の発明によれば、突部が前記プレートの前記突部以外の部位より高密度に成形されていることにより、係合溝の耐摩耗性が向上できる。また、プレートの係合溝を除く部位の加工性を向上することができる。

上記課題を解決するために、請求項６に記載の発明にて講じた技術的手段は、前記円筒部には前記係合溝を延在させる突出部が形成されていることである。

請求項７に記載の発明によれば、円筒部には係合溝を延在させる突出部が形成されていることにより、重量増加を押さえながら係合溝の強度を向上することができる。

上記課題を解決するために、請求項７に記載の発明にて講じた技術的手段は、前記係合溝の底に連通溝が形成されていることである。

請求項７に記載の発明によれば、係合溝の底に連通溝が形成されていることにより、継手部材と係合溝との摺動による摩耗紛を排出することができるため、継手部材および係合溝の耐摩耗性を向上することができる。

上記課題を解決するために、請求項８に記載の発明にて講じた技術的手段は、前記被駆動装置の駆動トルクのピークが前記カムシャフトの駆動トルクのピークと次のピークとの中間回転角位置になるように、前記係合溝の回転角位置を設定したことである。

請求項８に記載の発明によれば、被駆動装置の駆動トルクがカムシャフトの駆動トルクのピークと次のピークとの中間回転角位置になるように、係合溝の回転角位置を設定したことにより、係合溝に加わる負荷トルクを低減できるため、係合溝の耐摩耗性を向上できると共に、係合溝を小型化することができる。

請求項１乃至請求項８に記載の発明では、弁開閉時期制御装置において、被駆動装置を駆動する構造を設けるとともに簡単な構造とすることができる。

以下、本発明に従った弁開閉時期制御装置の実施の形態を図面に基づき、説明する。

図１乃至図５に示す弁開閉時期制御装置１は、内燃機関のシリンダヘッド１００に回転自在に支持されたカムシャフト１０と、カムシャフト１０の先端部に一体的に組付けられたロータ２０とからなる弁開閉用のロータ部材２を有している。また、弁開閉時期制御装置１は、ロータ２０に対して所定範囲で相対回転が可能となるように組付けられるハウジング３０、フロントプレート４０、リアプレート５０から成るハウジング部材３を有している。ハウジング３０の外周には、タイミングスプロケット３１が一体に形成されている。さらに、ロータ２０とフロントプレート４０間に組付けられたトーションスプリング６０と、ロータ２０に組付けた４枚のベーン７０と、ハウジング３０に組付けたロックピン（ロック部材）８０等が備えられている。また、ハウジング部材３の軸方向一端（図示左側）にはバキュームポンプ（被駆動装置）３００が継手部材３１０を介して連結されている。尚、被駆動装置は、燃料ポンプであってもよい。

タイミングスプロケット３１には、周知のように、クランクシャフト１１０から図示していないクランクスプロケットとタイミングチェーン１２０を介して、図２にカムシャフト回転方向として示される時計方向に回転動力が伝達される。尚、本実施形態においては、一例として内燃機関のクランクシャフト１１０の回転を、タイミングチェーン１２０を介してハウジング３０のタイミングスプロケット３１に回転動力が伝達される構成について説明するが、これに限定されるものではない。例えば、別の構成として、タイミングチェーン１２０に代わってベルト部材を用い、タイミングスプロケット３１をプーリに置き換えても良い。

カムシャフト１０は、排気弁(図示省略)を開閉する周知のカム(図示省略)を有し、カムシャフト１０の内部にはカムシャフト１０の軸方向に延びる遅角通路（油圧回路）１１と進角通路（油圧回路）１２が設けられている。遅角通路１１は、カムシャフト１０に設けた径方向の通路７１及び環状溝１４とシリンダヘッド１００に設けた接続通路１６を通して切換弁２００の第１接続ポート２０１に接続されている。また、進角通路１２は、カムシャフト１０に設けた径方向の通路７２及び環状溝１３とシリンダヘッド１００に設けた接続通路１５を通して切換弁２００の第２接続ポート２０２に接続されている。

切換弁２００はそのソレノイド２０３へ通電することによりスプール２０４を図示していないスプリングに抗して移動させる周知のものである。その通電時には、図１に示すように内燃機関によって駆動されるオイルポンプ２０５に接続された供給ポート２０６が第１接続ポート２０１に連通すると共に、第２接続ポート２０２が排出ポート２０７に連通するように構成されている。また非通電時には、供給ポート２０６が第２接続ポート２０２に連通すると共に、第１接続ポート２０１が排出ポート２０７に連通するように構成されている。このため切換弁２００の通電時には遅角通路１１に作動油（油圧）が供給され、非通電時には進角通路１２に作動油（油圧）が供給される構成となっている。切換弁２００は単位時間当たりの通電と非通電の割合を変えるデューティ制御される。例えば、デューティ比５０％で制御すると、第１及び第２ポート２０１，２０２と供給及び排出ポート２０６，２０７は互いに全く連通しない状態になる。

ロータ２０はその軸心に形成された貫通穴２０ａを通して単一の取付けボルト９５によってカムシャフト１０に一体的に固着され、ロータ部材２を構成している。貫通穴２０ａは、取付けボルト９５によって前端（図１左側）が閉塞されている。ロータ２０には、４つのベーン溝２１、受容穴２２が形成されている。ベーン溝２１には４枚のベーン７０がそれぞれ径方向に移動可能に取り付けられ、ベーン溝２１の底部とベーン７０の底面との間にはベーンスプリング７３が配置されている。これにより、ベーン７０は、外方に向けて付勢されて、ハウジング３０の摺動面を摺動する。受容穴２２にはカムシャフト１０及びロータ２０とハウジング３０の相対位置が所定の位相（最進角位置）で同期したとき、図１に示すように、その頭部が所定量没入するロックピン８０が配置されている。また、ロータ２０は、径方向に延びるそれぞれ４つの遅角通路２３および進角通路２４を備えて、遅角通路２３の１つに連通して油溝２５が外周に形成されると共に、受容穴２２が連通されている。遅角通路２３は貫通穴２０ａを介して遅角通路１１に連通されている。進角通路２４は、軸方向に設けられた進角通路２４ａを介して進角通路１２に連通されている。

ハウジング部材３は、ハウジング３０の軸方向の両側に、フロントプレート４０とリアプレート５０が接合され、５本の連結ボルト９０によって一体的に組み付けられて構成されている。ハウジング部材３は、ロータ２０の外周に所定角度範囲で相対回転可能に組付けられている。ハウジング部材３の軸方向一端（図示左側）にはバキュームポンプ３００が継手部材３１０を介して連結されている。

ハウジング３０はその外周にタイミングスプロケット３１が一体に形成されている。ハウジング３０の内周には４個の凸部３３が形成されている。これら凸部３３の内周面はロータ２０の外周面上で接しており、ハウジング３０がロータ２０に回転自在に支承されている。ある一つの凸部にはロックピン８０を収容する退避孔３４と、退避孔３４と連通し、ロックピン８０を径方向内方へと付勢するスプリング８１の収容穴３５が形成されている。

フロントプレート４０の一端側には、バキュームポンプ３００に連結される継手部材３１０と係合する直径方向の係合溝４２が形成された略円筒形状の円筒部４１が設けられている。また、円筒部４１には係合溝４２を延在させる直径方向の突出部４３が形成されている。また、円筒部４１には係合溝４２およびトーションスプリング６０のフック取付部４５が互いに周方向に異なる位置に形成されているため、バキュームポンプ３００と弁開閉時期制御装置１の取付け長さが短縮できる。また、係合溝４２の底には継手部材３１０と係合溝４２との摺動による摩耗紛を排出することができる連通溝４４が直径方向に形成されている。尚、連通溝４４の隅部がＲ形状に形成されているとよい。これにより、バキュームポンプ３００から継手部材３１０を介して係合溝４２に加わる負荷トルクによるよる隅部への応力を低減することができると共に、後述する熱処理による割れを防止することができる。本実施形態では、フロントプレート４０は、鉄系焼結合金から成形されており、潤滑性が向上されると共に耐摩耗性が向上されている。また、係合溝４２が形成される略円筒形状の円筒部４１は突状に形成されることにより、円筒部４１つまり係合溝４２の表面の密度を他の部位より高くすることができ、ピッチング耐摩耗性を向上している。また、係合溝４２の表面４２ａには熱処理または表面処理を行ってもよい。これにより、係合溝４２の表面４２ａの耐摩耗性を、更に向上することができる。尚、熱処理としては高周波焼入れ焼き戻しがあり、表面処理としては、ガス軟窒化処理、スチーム処理がある。

尚、カムシャフト１０は間欠的な排気弁の開閉作動および弁開閉時期制御装置１の開閉時期の変更により駆動トルクが図６に示すようにθ１〜θ１’の４つのピークが生じるように周期的に変動する。また、バキュームポンプ３００も駆動トルクが図７のθ３’に示すように周期的に変動する。このため、バキュームポンプ３００をフロントプレート４０に連結して駆動するようにすると、カムシャフト１０の駆動トルクのピークとバキュームポンプ３００の駆動トルクのピークとが重なり、図８のθ４’に示すように係合溝４２に加わる負荷トルクが増幅される場合がある。これを防止するために、本実施形態では、図７のθ３に示すようにバキュームポンプ３００の駆動トルクがカムシャフト１０の駆動トルクのピークと次のピークとの中間回転角位置になるように、係合溝４２の回転角位置が設定されている。このため、総トルクが図８のθ４に示すようにΔｔだけ低減されている。

各ベーン７０は、ハウジング３０とロータ２０との間およびハウジング３０の周方向に隣り合う凸部３３の間に形成される流体圧室Ｒ０を進角油室Ｒ１と遅角油室Ｒ２とに区画している。最進角側ではベーン７０ａが凸部３３の周方向の一側面３３ａに当接する位置で相対回転が規制され、最遅角側ではベーン７０ｂが凸部３３の周方向の他側面３３ｂに当接する位置で規制される。進角側ではロックピン８０の頭部が受容穴２２に入り込むことでロータ２０とハウジング３０の相対回転を規制する。

トーションスプリング６０は、一端をフロントプレート４０に係止し、他端をロータ２０に係止して取付けられ、ロータ２０をハウジング３０、フロントプレート４０及びリアプレート５０に対して進角側（図２の時計方向）に付勢している。従って、ロータ２０の進角側への作動応答性の向上が図られている。

以上のように構成した本実施の弁開閉時期制御装置１の作用を説明する。内燃機関が停止している時はオイルポンプ２０５が停止しており、且つ切換弁２００が非通電の状態にあるので、流体圧室Ｒ０には作動油（油圧）が供給されていない。このとき、図２に示すように、ロックピン８０の頭部８０ａがロータ２０の受容穴２２に没入しロックされ、ロータ２０とハウジング３０の相対回転が規制されている。内燃機関を始動してオイルポンプ２０５が駆動されても、切換弁２００に通電するデューティ比が小さい（単位時間当たりの非通電時間に対する通電時間の割合が小さい）間は、オイルポンプ２０５から供給される作動油（油圧）は接続通路１５、進角通路１２および進角油通路２４を通って実質的に進角油室Ｒ１に供給されるだけなので、弁開閉時期制御装置１はロック状態に維持される。

内燃機関の運転条件によって、弁開閉時期に遅角が必要になると、切換弁２００に通電するデューティ比が大きくされ、スプール２０４の位置が切り換えられる。オイルポンプ２０５から供給される作動油（油圧）は、接続通路１６、遅角通路１１および遅角油通路２３を通って、あるいは受容穴２２に供給され作動油溝２４ａを通って進角油室Ｒ１へと供給される。このとき、受容部２２に供給された作動油（油圧）は、油圧溝２２ｂおよび連通溝２２ｃを通して、ロックプレート８０の先端部８０ａに導入される。これにより、ロックプレート８０の先端部８０ａへの作動油の流路面積が大きくなるため、作動油を速く導入することができる。また、ロックプレート８０の先端部８０ａの作動油と接する面積が広くなるため、ロックプレート８０を解除する油圧を大きくすることができる。このため、ロックプレート８０が受容部２２から退出するまでに要する時間を短くすることができる。従って、外部ロータ３０と内部ロータ２０が相対回転する前に、ロックプレート８０の先端部８０ａに十分な油圧が加わりロックプレート８０が受容部２２から退出し、ロックプレート８０が内部ロータ２０と外部ロータ３０に挟まれて退出不良となり、ロックの解除不良が発生することを防止することができる。

一方、遅角油室Ｒ２にあった作動油（油圧）は、遅角油通路２３、遅角通路１１および接続通路１６を介して切換弁２００の排出ポート２０７から排出され、外部ロータ３０に対し内部ロータ２０は進角側に相対回転される。外部ロータ３０の凸部３３Ａの側面３３ａとベーン７０Ａの側面７０ａとが当接し、外部ロータ３０に対して内部ロータ２０の進角側への相対回転が規制される。

次に、内燃機関の運転条件によって、弁開閉時期に遅角が必要になると、切換弁２００に通電するデューティ比が小さくされ、スプール２０４の位置が切り換えられる。オイルポンプ２０５から供給される作動油（油圧）は、接続通路１６、遅角通路１１および遅進角油通路２３を通って遅角油室Ｒ２へと供給される。一方、進角油室Ｒ１にあった作動油（油圧）は、進角油通路２４、進角通路１２および接続通路１５を介して切換弁２００の排出ポート２０７から排出され、外部ロータ３０に対し内部ロータ２０は遅角側（図２の反時計方向）に相対回転される。外部ロータ３０の凸部３３Ｂの側面３３ｂとベーン７０Ｂの側面７０ｂとが当接し、外部ロータ３０に対して内部ロータ２０の遅角側への相対回転が規制される。なお、受容部２２から作動油（油圧）が排出されると、外部ロータ３０に移動可能に配設されるロックプレート８０が受容部２２に没入して外部ロータ３０と内部ロータ２０との相対回転が規制される。

尚、内燃機関の運転中、バキュームポンプ３００はフロントプレート４０に形成された係合溝４２に係合した継手部材３１０を介して回転駆動される。このときバキュームポンプ３００の回転中心とフロントプレート４０の回転中心とのずれにより、係合溝４２と継手部材３１０との間に相対的な摺動が起こり、摩耗紛が発生しようとするが、係合溝４２の底に形成された連通溝４４を介して排出され、継手部材３１０および係合溝４２の耐摩耗性を向上することができる。

また、弁開閉時期制御装置１内の各摺動部を潤滑する潤滑油（作動油）を、例えばフロントプレート４０とロータ２０とのクリアランスを介して、係合溝４２に供給することができる。このため、継手部材３１０および係合溝４２の耐摩耗性を向上することができる。また、潤滑用の油路構造を新たに設ける必要がないため、構造を簡素化できる。

本発明に従った弁開閉時期制御装置の実施形態を示す縦断側面図である。 図１のII−II線に沿った断面図である。 本発明に従った弁開閉時期制御装置をフロントプレート４０から見た正面図である。 図３の矢印Ａ側から見たフロントプレート４０の要部を示す側面図である。 図４のＢ部詳細図である。 カムシャフト１０の駆動トルクを示す説明図である。 バキュームポンプ３００の駆動トルクを示す説明図である。 バキュームポンプ３００の駆動トルクとカムシャフト１０の駆動トルクとの総トルクを示す説明図である。

符号の説明

１・・・弁開閉時期制御装置
２・・・ロータ部材
３・・・ハウジング部材
１０・・・カムシャフト
１１・・・遅角通路（油圧回路）１１
１２・・・進角通路（油圧回路）１２
２２・・・受容穴（ロック機構）
４０・・・フロントプレート（プレート）
４１・・・突部
４２・・・係合溝
４３・・・突出部
４４・・・連通溝
７０・・・ベーン
８０・・・ロックピン（ロック部材：ロック機構）
１１０・・・クランクシャフト
１２０・・・タイミングチェーン
３００・・・バキュームポンプ（被駆動部材）
３１０・・・継手部材
Ｒ０・・・流体圧室
Ｒ１・・・進角油室
Ｒ２・・・遅角油室

Claims (8)

1. 内燃機関のクランクシャフトまたはカムシャフトの一方と一体的に回転するハウジング部材と、
   前記ハウジング部材に相対回転可能に組付けられ前記カムシャフトまたは前記クランクシャフトの他方と一体的に回転するロータ部材と、
   前記ハウジング部材と前記ロータ部材との間に形成され、前記ロータ部材に一体的に設けられるベーンによって進角油室と遅角油室とに二分される流体圧室と、
   前記ハウジング部材に移動可能に配設されるロック部材が前記ロータ部材に形成される受容穴に没入して前記相対回転を規制し、前記受容穴から退出して前記相対回転を許容するロック機構と、
   前記進角油室と前記遅角油室および前記ロック機構へ作動油を給排する油圧回路とを備えた弁開閉時期制御装置において、
   前記ハウジング部材の軸方向一端側にプレートが配置され、前記プレートに被駆動装置に連結される継手部材と係合可能な係合溝が形成されていることを特徴とする弁開閉時期制御装置。
2. 前記プレートは鉄系焼結合金からなることを特徴とする請求項１に記載の弁開閉時期制御装置。
3. 前記プレートの一端側に略円筒状の突部が形成され、前記突部に前記係合溝が形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の弁開閉時期制御装置。
4. 前記係合溝の表面部には熱処理または表面処理が行われていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載の弁開閉時期制御装置。
5. 前記突部が前記プレートの前記突部以外の部位より高密度に成形されていることを特徴とする請求項３に記載の弁開閉時期制御装置。
6. 前記円筒部には前記係合溝を延在させる突出部が形成されていることを特徴とする請求項３または請求項５に記載の弁開閉時期制御装置。
7. 前記係合溝の底に連通溝が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の弁開閉時期制御装置。
8. 前記被駆動装置の駆動トルクのピークが前記カムシャフトの駆動トルクのピークと次のピークとの中間回転角位置になるように、前記係合溝の回転角位置を設定したことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の弁開閉時期制御装置。

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