JP4115461B2 - 内燃機関のバルブタイミング制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気弁，排気弁の開閉時期を運転状態に応じて可変にするいわゆるベーンタイプのバルブタイミング制御装置に関する。

従来のバルブタイミング制御装置としては、以下の特許文献１に記載されたベーンタイプのものが知られている。

概略を説明すれば、このバルブタイミング制御装置は、前記開口端がフロントカバーとリアカバーで閉塞されたタイミングプーリの筒状のハウジング内部に、カムシャフトの端部に固定されたベーンが回転自在に収納されていると共に、ハウジングの内周面に直径方向から互いに内方へ突出されたほぼ台形状の２つの隔壁部とベーンの２つの羽根部との間に進角側油圧室と遅角側油圧室が画成されている。そして、機関運転状態に応じて前記進角側と遅角側の各油圧室に油圧が給排されてベーンを正逆回転させることによりタイミングプーリとカムシャフトとの相対回動位相を変化させて、吸気弁の開閉時期を可変にするようになっている。
特開平８−１２１１２４号公報

しかしながら、前記従来のバルブタイミング制御装置によれば、進角側油圧室と遅角側油圧室との間の作動油のリークを防止するために、例えばベーンとフロントカバー及びリアカバーとの間の摺動隙間をきわめて小さく設定している。したがって、該ベーンと各カバーとの間の摺動摩擦抵抗が大きくなり、該ベーンの円滑な回転が阻害される可能性がある。この結果、機関運転状態の変化に応じたバルブタイミングの高い制御精度が得られないおそれがある。

また、この従来例では、前述のように両油圧室間の作動油のリークを防止するために、ベーンの基部側の巾長さと各隔壁部の先端側の巾長さとを規定するようになっている。すなわち、遅角側油圧室と進角側油圧室，別異の遅角側油圧室と進角側油圧室との間をそれぞれ軸方向の両端面でシールする各ベーンの最短距離を、遅角側油圧室と進角側油圧室，別異の遅角側油圧室と進角側油圧室との間を軸方向の両端面でシールする各隔壁部の最短距離とほぼ等しく設定することによって、ベーンとフロントカバー及びリアカバーとの間を通る各油圧室間の油の漏れを防止するようになっている。

このため、ベーンの巾長さや隔壁部の巾長さを必然的に大きく設定せざるを得ず、この結果、ベーンの羽根部を枚数やタイミングプーリとカムシャフトとの位相変換角度に自ずと制限が生じ、ベーンの羽根部の枚数を３つ以上に増加させることが困難になる。したがって、羽根部の枚数の制約に伴い該ベーンの回転による位相変換の応答性が低下し易くなると共に、位相変換角度の制約に伴ってバルブタイミング制御範囲が制約を受けて機関性能を十分に発揮させることができなくなる。

しかも、ベーンの一つの羽根部の外周面とハウジングの内周面との摺接面積が大きくなるため、両者間で摩擦抵抗がさらに大きくなるおそれがある。

本発明は、前記従来例のバルブタイミング制御装置の実情に鑑みて案出されたもので、請求項１記載の発明は、機関のクランクシャフトによって回転駆動する回転体と、カムシャフトの端部に固定されて、円環状の基部の外周側に複数の羽根部が一体に形成されたベーンと、該ベーンを回転自在に収容したハウジングと、該ハウジングの内周面に内方へ突設された複数の隔壁部と、前記各羽根部に設けられ、前記ハウジングの内周面に摺接するように外方に押圧されるシール部材と、前記隔壁部と前記各羽根部の両側面との間に画成された遅角側油圧室及び進角側油圧室と、該両油圧室に油圧を相対的に給排して前記ベーンを正逆回転させる油路と、該油路から供給される油圧が低い状態では、前記ベーンの回動位置を前記ハウジングに対して維持させるロック機構と、を備えたバルブタイミング制御装置であって、前記ベーンの前端面における摺動する面全体に潤滑油をコーティングしたことを特徴としている。

したがって、この請求項１に記載の発明によれば、ベーンの前端面にコーティングを施すことによって、前記遅角側油圧室と進角側油圧室間のシール作用が得られる。

図１〜図３は本発明に係る内燃機関のバルブタイミング制御装置の実施形態を示し、吸気弁側に適用したものを示している。

すなわち、機関の図外のクランクシャフトにより合成樹脂製のタイミングチェーンを介して回転駆動される回転体たるタイミングスプロケット１と、該タイミングスプロケット１に対して相対回動可能に設けられたカムシャフト２と、該カムシャフト２の端部に固定されてタイミングスプロケット１内に回転自在に収容されたベーン３と、該ベーン３を油圧によって正逆回転させる油圧回路４と、タイミングスプロケット１とベーン３との相対回動を所定位置でロックするか、あるいはロックを解除するロック機構１０とを備えている。

前記タイミングスプロケット１は、図３にも示すように、外周にタイミングチェーンが噛合する歯部５ａを有する回転部材５と、該回転部材５の前方に配置されてベーン３を回転自在に収容したハウジング６と、該ハウジング６の前端開口を閉塞する蓋体たる円板状のフロントカバー７と、ハウジング６と回転部材５との間に配置されてハウジング６の後端開口を閉塞するほぼ円板状のリアカバー８とから構成され、これら回転部材５とハウジング６及びフロントカバー７，リアカバー８は、４本の小径ボルト９によって軸方向から一体的に結合されている。

前記回転部材５は、ほぼ円環状を呈し、周方向の約９０°の等間隔位置に各小径ボルト９が螺着する４つの雌ねじ孔５ｂが前後方向へ貫通形成されていると共に、内部中央位置に後述する通路構成用のスリーブ２５が嵌合する段差径状の嵌合孔１１が貫通形成されている。さらに、前端面には、前記リアカバー８が嵌合する円板状の嵌合溝１２が形成されている。

また、前記ハウジング６は、前後両端が開口形成された円筒状を呈し、内周面の周方向の９０°位置には４つの隔壁部１３が突設されている。この隔壁部１３は、横断面台形状を呈し、それぞれハウジング６の軸方向に沿って設けられて、各両端縁がハウジング６の両端縁と同一面になっていると共に、基端側には、小径ボルト９が挿通する４つのボルト挿通孔１４が軸方向へ貫通形成されている。さらに、各隔壁部１３の内端面中央位置に軸方向に沿って切欠形成された保持溝１３ａ内にコ字形のシール部材１５と該シール部材１５を内方へ押圧する板ばね１６が嵌合保持されている。

さらに、前記フロントカバー７は、中央に比較的大径なボルト挿通孔１７が穿設されていると共に、前記ハウジング６の各ボルト挿通孔１４と対応する位置に４つのボルト孔１８が穿設されている。

また、リアカバー８は、後端面に前記回転部材５の嵌合溝１２内に嵌合保持される円板部８ａを有していると共に、中央にスリーブ２５の小径な円環部２５ａが嵌入する嵌入孔８ｃが穿設され、さらに前記ボルト挿通孔１４に対応する位置に４つのボルト孔１９が同じく形成されている。

前記カムシャフト２は、シリンダヘッド２２の上端部にカム軸受２３を介して回転自在に支持され、外周面所定位置に吸気弁をバルブリフターを介して開作動させる図外のカムが一体に設けられていると共に、前端部にはフランジ部２４が一体に設けられている。

前記べーン３は、焼結合金材で一体に形成され、フランジ部２４と嵌合孔１１に夫々前後部が嵌合した前記スリーブ２５を介して軸方向から挿通した固定ボルト２６によってカムシャフト２の前端部に固定されており、中央に前記固定ボルト２６が挿通するボルト挿通孔２７ａを有する円環状の基部２７と、該基部２７の外周面の周方向の９０°位置に一体に設けられた４つの羽根部２８とを備えている。

前記第１〜第４羽根部２８は、夫々断面ほぼ逆台形状を呈し、各隔壁部１３間に配置されていると共に、各外周面の中央に軸方向に切欠された保持溝２９にハウジング６の内周面６ａに摺接するコ字形のシール部材３０と該シール部材３０を外方に押圧する板ばね３１が夫々嵌着保持されている。また、この各羽根部２８の両側と各隔壁部１３の両側面との間に夫々４つの進角側油圧室３２と遅角側油圧室３３が隔成されている。

また、前記ベーン３の外面には、ドライフィルムコート５０，５１がコーティングされている。具体的には、このドライフィルムコート５０，５１は、テフロン（登録商標）あるいは二硫化モリブデンなどの材料から形成され、ベーン３のフロントカバー７の内端面７ａと摺動する前端面３ａ全体と、各羽根部２８のハウジング６の内周面６ａと摺動する外周面２８ａとに夫々コーティングされている。また、このドライフィルムコート５０，５１は、図４及び図５に示すようにちどり格子状に形成されて、その格子間に矩形状の複数の凹部５２が形成されている。

前記ロック機構１０は、前記回転部材５の嵌合溝１２の外周側所定位置に形成された係合溝２０と、前記係合溝２０に対応した前記リアカバー８の所定位置に貫通形成されて、内周面がテーパ状の係合孔２１と、該係合穴２１に対応した前記１つの羽根部２８のほぼ中央位置に内部軸方向に沿って貫通形成された摺動用孔３５と、該１つの羽根部２８の前記摺動用孔３５内に摺動自在に設けられたロックピン３４と、該ロックピン３４の後端側に弾装されたばね部材であるコイルスプリング３９と、ロックピン３４と摺動用孔３５との間に形成された受圧室４０とから構成されている。

前記ロックピン３４は、鋼材で成形され、図１〜図３に示すように中央側の中径状の本体３４ａと、該本体３４ａの先端側にほぼ先細り円錐状に形成された係合部３４ｂと、本体３４ａの後端側に形成された段差大径状のストッパ部３４ｃとから構成されており、ストッパ部３４ｃの内部凹溝３４ｄの底面とフロントカバー７の内端面との間に弾装された前記コイルスプリング３９のばね力によって係合穴２１方向へ付勢されるようになっていると共に、前記本体３４ａとストッパ３４ｃとの間の外周面及び摺動用孔３５の内周面との間に形成された前記受圧室４０内の油圧によって係合穴２１から抜け出る方向に摺動するようになっている。また、この受圧室４０は、前記羽根部２８の側部に形成された通孔３６によって前記遅角側油圧室３３に連通している。また、ロックピン３４の係合部３４ｂは、ベーン３の最大遅角側の回動位置において係合部３４ｂが係合穴２１内に係入するようになっている。

また、この両者３４ｂ，２１の係合時には、４枚の羽根部２８のうちの一つの羽根部２８を、これに対向する隔壁部１３に当接させ、他の羽根部２８，２８とこれに対向するそれぞれの隔壁部１３との間を微小隙間ｓをもって離間状態となるように、ロックピン３４とその係合穴２１との相対的な位置関係が設定されている。ここで、微小隙間ｓは、平均トルクや摺動フリクション及びベーン３の大きさによって決定されるようになっている。したがって、他のベーン３と隔壁部１３との張り付きが防止されて、回転時の応答性を向上させることができる。尚、４枚の羽根部２８の全てを離間状態に設定することも可能である。

前記受圧室４０は、前記通孔３６を介して遅角側油圧室３３に連通し、該遅角側油圧室３３から導入された油圧によってロックピン３４をコイルスプリング３９のばね力に抗して図中左方向、つまり係合部３４ｂを係止穴２１から抜け出す後退方向へ作動させるようになっている。

一方、コイルスプリング３９は、そのばね力が機関作動中にカムシャフト２及びベーン３に発生する正負の交番変動トルクと前記受圧室４０に供給される油圧との関係で設定されている。すなわち、コイルスプリング３９のばね力は、正の変動トルクの最大ピーク値と負の変動トルクの最大ピーク値の平均値よりも高い油圧が受圧室４０に作用した場合、つまり、平均値から正あるいは負の最大ピーク値までの範囲内のトルク値に等しい油圧が作用したときにはじめて圧縮変形するばね力に設定されている。

尚、図中６０は、ロックピン３４が前後移動する際において、摺動用孔３５から空気が流入、流出する空気流通溝である。

前記油圧回路４は、図１〜図３に示すように進角側油圧室３２に対して油圧を給排する第１油圧通路４１と、遅角側油圧室３３に対して油圧を給排する第２油圧通路４２との２系統の油圧通路を有し、この両油圧通路４１，４２には、供給通路４３とドレン通路４４とが夫々通路切替用の電磁切替弁４５を介して接続されている。前記供給通路４３には、オイルパン４６内の油を圧送するオイルポンプ４７が設けられている一方、ドレン通路４４の下流端がオイルパン４６に連通している。

前記第１油圧通路４１は、シリンダヘッド２２内からカムシャフト２の軸心内部に形成された第１通路部４１ａと、固定ボルト２６の内部軸線方向を通って頭部２６ａ内で分岐形成されて第１通路部４１ａと連通する第１油路４１ｂと、該頭部２６ａの小径な外周面とベーン３の基部２７内のボルト挿通孔２７ａの内周面との間に形成されて第１油路４１ｂに連通する油室４１ｃと、ベーン３の基部２７内にほぼ放射状に形成されて油室４１ｃと各進角側油圧室３２に連通する４本の分岐路４１ｄとから構成されている。

一方、第２油圧通路４２は、シリンダヘッド２２内及びカムシャフト２の内部一側に形成された第２通路部４２ａと、前記スリーブ２５の内部にほぼＬ字形状に折曲形成されて第２通路部４２ａと連通する第２油路４２ｂと、回転部材５の嵌合孔１１の外周側孔縁に形成されて第２油路４２ｂと連通する４つの油通路溝４２ｃと、リアカバー８の周方向の約９０°の位置に形成されて、各油通路溝４２ｃと遅角側油圧室３３とを連通する４つの油孔４２ｄとから構成されている。

前記電磁切替弁４５は、４ポート２位置型であって、内部の弁体が各油圧通路４１，４２と供給通路４３及びドレン通路４４とを相対的に切り替え制御するようになっていると共に、コントローラ４８からの制御信号によって切り替え作動されるようになっている。コントローラ４８は、機関回転数を検出するクランク角センサや吸入空気量を検出するエアフローメータからの信号によって現在の運転状態を検出すると共に、クランク角及びカム角センサからの信号によってタイミングスプロケット１とカムシャフト２との相対回動位置を検出している。

以下、本実施形態の作用を説明する。まず、機関始動時及びアイドリング運転時には、コントローラ４８から制御信号が出力された電磁切替弁４８が供給通路４３と第２油圧通路４２を連通させると共に、ドレン通路４４と第１油圧通路４１とを連通させる。このため、オイルポンプ４７から圧送された油圧は第２油圧通路４２（油通路溝４２ｃ→油孔４２ｄ）を通って遅角側油圧室３３に供給される一方、進角側油圧室３２には、機関停止時と同じく油圧が供給されず低圧状態を維持している。

したがって、ベーン３は、図２に示すように各羽根部２８が進角側油圧室３２側の各隔壁部１３の一側面に当接した状態になる。したがって、タイミングスプロケット１とカムシャフト２との相対回動位置が一方側（遅角側）に保持されて、吸気弁の開閉時期を遅角側に制御する。これによって、慣性吸気の利用による燃焼効率が向上して機関回転の安定化と燃費の向上が図れる。

一方、この運転状態における遅角側油圧室３３内の油圧は、今まだ十分に高くならずに比較的低い状態になっているため、ベーン３は図示の位置に保持されるもののロックピン３４は、通孔３６から受圧室４０へ供給される油圧よりもコイルスプリング３９のばね力が打ち勝って係合部３４ａがリアプレート８の係合穴２１内に係合した状態を維持する。したがって、ベーン３は、当該遅角側の位置に安定かつ確実に保持されて、遅角側油圧室３３内の油圧の変動やカムシャフト２に発生する正負の変動トルクによる揺動振動の発生を防止でき、ひいては、各羽根部２８と隔壁部１３との衝突音を防止できる。

また、車両が走行を開始して所定の低回転低負荷域に移行すると、電磁切替弁４５は現状の作動状態を維持し、遅角側油圧室３３内の油圧が高くなると、同じく受圧室４０内の油圧も高くなって、ロックピン３４がコイルスプリング３９を圧縮変形させながらばね力に抗して後退動し、係合部３４ａが係合穴２１から抜け出して係合を解除する。このため、ベーン３は、自由な回動が許容されることになるが、遅角側油圧室３３内の油圧が高くなっているので、図２に示す位置に安定に保持される。

その後、機関が中回転中負荷域に移行すると、コントローラ４８からの制御信号によって電磁切替弁４５が作動して、供給通路４３と第１油圧通路４１を連通させる一方、ドレン通路４４と第２油圧通路４２を連通させる。したがって、今度は遅角側油圧室３３内の油圧が第２油圧通路４２を通ってドレン通路４４からオイルパン４６内に戻されて遅角側油圧室３３内が低圧になる一方、進角側油圧室３２内に油圧が第１油路４１ａ→４１ｂ→分岐路４１ｄを経由して供給されて高圧となる。このため、ベーン３は、図２に示す位置から時計方向に回転して各羽根部２８が反対側（遅角側油圧室側）の各隔壁部１３の他側面に当接する位置まで最大に回転する。

また、この遅角側から進角側へ切り換えられた時点では、遅角側油圧室３３の油圧が排出されて低圧になるものの、ベーン３の回転に伴って該遅角側油圧室３３内の油圧が押圧されて該油圧も比較的高くなっているため、受圧室４０内も高油圧に維持され、したがって、ロックピン３４は、コイルスプリング３９のばね力に抗して後退位置に保持された状態になっている。したがって、ベーン３は、自由な回転が規制されることなく、遅角側油圧室３３方向へ速やかに回転する。

したがって、タイミングスプロケット１とカムシャフト２とは、他方側へ相対回動して吸気弁の開閉時期を進角側へ制御する。これによって、機関のポンプ損失が低減して出力の向上が図れる。

さらに、機関高回転高負荷域に移行すると、電磁切替弁４５が作動してアイドリング運転時などと同じように供給通路４３と第２油圧通路４２，ドレン通路４４と第１油圧通路４１とを夫々連通させて、進角側油圧室３２を低圧、遅角側油圧室３３を高圧にするため、ベーン３は、図２に示すように反時計方向へ回動して、タイミングスプロケット１とカムシャフト２とを一方側へ相対回動させ、吸気弁の開閉時期を遅角側へ制御する。これによって、吸気充填効率の向上による出力の向上が図れる。

尚、機関停止時には、アイドリング運転等を経るためベーン３は、進角側油圧室３２方向へ回転して図３に示す状態となり、ロックピン３４の係合部３４ｂがコイルスプリング３９のばね力で係合孔２１に係合する。また、万一アイドリング運転等を経ないで機関が停止しても、カムシャフト２に発生する変動トルクによりベーン３が進角側油圧室３２方向へ回動して、ロックピン３４が係合穴２１に係合する。

また、各油圧室３２，３３には、機関の運転状態に応じて油圧を適宜給排することによりベーン３を所望の中間位置に保持することも可能である。

そして、本実施形態によれば、前記ベーン３の前端面３ａと各羽根部２８の外周面２８ａにコーティングされたドライフィルムコート５０，５１によってベーン３とハウジング６及びフロントカバー７との間の摺動摩擦抵抗が大巾に低減される。したがって、ベーン３の常時円滑な回転作用が得られ、この結果、機関運転状態の変化に対するバルブタイミング制御応答性が向上する。

しかも、ドライフィルムコート５０，５１は、ちどり格子状に配置されているため、該格子状の内側に作動油を貯留することができる。したがって、かかる貯留油によってベーン３とハウジング６及びフロントカバー７との間の潤滑性能が向上し、該ベーン３の回転摺動摩擦抵抗が一層低減され、ベーン３の回転性がより良好になる。

また、ドライフィルムコート５０，５１の存在によって、ベーン３とハウジング６内周面６ａやフロントカバー７内端面７ａとの間のシール作用が得られるため、各進角側油圧室３２と各遅角側油圧室３３との間の作動油のリークが防止される。

尚、ドライフィルムコート５０は、図６に示すような菱形やリボン状に配置することも可能であり、また、図７に示すように各羽根部２８の外周面２８ｂの周方向に沿って複数の直線帯状に配置することも可能である。

さらに、本実施形態によれば、ロック機構１０のコイルスプリング３９のばね力を前述のように特異な設定値としたため、ロック解除初期における変動トルクによるベーン３の振動が抑制されて、隔壁部１３との振動打音の発生が防止されると共に、ベーン３等の耐久性の向上が図れる。

図８は本発明の第２の実施形態を示し、ドライフィルムコート５３，５４を羽根部２８ではなく、ベーン３基部２７の外周面２７ａとハウジング６の内周面６ａにそれぞれコーティングしたものである。

この実施形態によれば、ドライフィルムコート５３，５４によってベーン３の常時円滑な摺動性が確保できるとともに、シール機能をも十分に発揮させることができるので、各突起部１３のシール機構１５，１６や各羽根部２８のシール機構３０，３１を廃止することが可能になる。この結果、製造作業能率の向上とコストの低廉化が図れる。

本発明は前記実施形態の構成に限定されるものではなく、例えばロック機構１０の受圧室４０に供給される油圧を遅角側油圧室３３からではなく、これらとは独立した油圧回路を利用することも可能である。また、ドライフィルムコートは、その形状を種々変更することが可能である。ただし、その材料および接着力は、外周面２８ａなどから簡単に剥がれずに、長期にわたりコーティング状態が維持できるできるものでなければならない。

本発明の第１の実施形態を示す図２のＡ−Ａ線断面図。 図１のＢ−Ｂ線矢視図。 本実施形態の分解斜視図。 図２のＣ矢視図。 図４のＤ−Ｄ線断面図。 ドライフィルムコートの他例を示す図２のＣ矢視図。 ドライフィルムコートのさらに異なる例を示す図２のＣ矢視図。 本発明の第２の実施形態を示す図１のＢ−Ｂ線矢視図。

符号の説明

１…タイミングスプロケット（回転体）
２…カムシャフト
３…ベーン
３ａ…前端面
４…油圧回路
６…ハウジング
７…フロントカバー
１０…ロック機構
１３…隔壁部
２７…基部
２８…羽根部
２８ａ…外周面
３２…進角側油圧室
３３…遅角側油圧室
４０…受圧室
５０，５１，５３，５４…ドライフィルムコート（潤滑材）
５２…凹部

Claims (1)

1. 機関のクランクシャフトによって回転駆動する回転体と、
   カムシャフトの端部に固定されて、円環状の基部の外周側に複数の羽根部が一体に形成されたベーンと、
   該ベーンを回転自在に収容したハウジングと、
   該ハウジングの内周面に内方へ突設された複数の隔壁部と、
   前記各羽根部に設けられ、前記ハウジングの内周面に摺接するように外方に押圧されるシール部材と、
   前記隔壁部と前記各羽根部の両側面との間に画成された遅角側油圧室及び進角側油圧室と、
   該両油圧室に相対的に油圧を給排して前記ベーンを正逆回転させる油路と、
   該油路から供給される油圧が低い状態では、前記ベーンの回動位置を前記ハウジングに対して維持させるロック機構と、
   を備えたバルブタイミング制御装置であって、
   前記ベーンの前端面における摺動する面全体に潤滑剤をコーティングしたことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。

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