JP4160408B2

JP4160408B2 - 内燃機関のバルブタイミング制御装置

Info

Publication number: JP4160408B2
Application number: JP2003008951A
Authority: JP
Inventors: 厳典市野澤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-01-17
Filing date: 2003-01-17
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2023-01-17
Also published as: DE102004002395A1; CN1517534A; US6837200B2; US20040139937A1; CN1318745C; JP2004218587A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、内燃機関の吸気弁や排気弁の開閉タイミングを運転状態に応じて制御するバルブタイミング制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種のバルブタイミング制御装置は、クランクシャフトによって回転駆動される駆動回転体が、カムシャフトと一体の従動回転体に必要に応じて相対回動できるように組み付けられ、駆動回転体と従動回転体の組付角が油圧アクチュエータ等から成る組付角変更手段によって適宜制御されるようになっている。
【０００３】
また、今までのバルブタイミング制御装置は、内燃機関の始動時に機関弁のリフトタイミングを最遅角側または最進角側に制御するようにしていたが、近年、車両の運転状況によって機関始動時のリフトタイミングよりもさらに外側のタイミング（最遅角側または最進角側のタイミング）を利用することが検討されており、この場合には、機関始動時のリフトタイミング（機関始動が可能なリフトタイミング）は必然的に最遅角と最進角の間のタイミングとなる。したがって、組付角変更手段は内燃機関の始動時に組付角を中間位置（最遅角位置と最進角位置の間の位置）に戻しておく必要がある。
【０００４】
これに対処し得る従来のバルブタイミング制御装置として、従来、以下のようなものが案出されている。
【０００５】
このバルブタイミング制御装置は、駆動回転体と従動回転体の一方側にロック爪を進退自在に設けると共に、他方側にこのロック爪と中間位置（最遅角位置と最進角位置の間の位置）で嵌合可能な凹部を設け、ロック爪をばね手段によってロック方向（凹部に嵌合される方向）に付勢し、ロック解除時には、ロック爪にばね手段に抗する油圧を作用させるようになっている。
【０００６】
この装置の場合、内燃機関の通常の運転時には、ロック爪に解除油圧を作用させておくことで組付角の自由な変更操作が許容されており、内燃機関の停止時には、油圧の低下と共にロック爪がばね手段によって前方に押圧され、機関が完全停止するまでの間に組付角が中間位置になると、そこでロック爪が凹部に嵌合される。また、機関の停止時にロック爪が凹部に嵌合されなかったときには、再始動の際のクランクキング時に、従動回転体がカムシャフトの交番トルク（バルブスプリングの力と駆動カムのプロフィールとに起因する変動トルク。）によってバタ付くときにロック爪と凹部が嵌合される。（例えば、特許文献１参照。）
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２-１５５７１４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来のバルブタイミング制御装置の場合、交番トルクによるカムシャフトのバタ付きのスピードが非常に速いため、機関始動時には、そのバタ付きによってロック爪が中間位置にある凹部を乗り越えてしまい、ロック爪を凹部に確実に嵌合させることはむずかしい。したがって、機関停止時にロック爪を凹部に嵌合できなかったときには、内燃機関を速やかに始動できない可能性がある。
【０００９】
そこでこの出願の発明は、駆動回転体と従動回転体の組付角を最遅角位置と最進角位置の間の角度位置で確実にロックできるようにして、速やかな機関始動を実現することのできる内燃機関のバルブタイミング制御装置を提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するための手段として、この出願の発明は、組付角変更手段を、回動範囲が夫々所定角度に規制され相互に直列に連結された第１回動機構と第２回動機構を備えた構成とし、拘束手段を、第１回動機構の回動位置を最遅角位置と最進角位置の一方側でロック可能な第１ロック機構と、第２回動機構の回動位置を最遅角位置と最進角位置の他方側でロック可能な第２ロック機構を備えた構成とし、前記第１ロック機構と第２ロック機構によって前記両回動機構を相反位置でロックして、駆動回転体と従動回転体の組付角を機関始動に適した角度位置に維持するようにした。
【００１１】
この発明の場合、駆動回転体と従動回転体の組付角を機関始動に適した角度位置に変更するときには、第１回動機構と第２回動機構の一方を最遅角位置、他方を最進角位置とし、この状態で各ロック機構によってロックする。このとき、両回動機構は夫々回動規制端でロックされるため、いずれの回動機構においてもロック位置を乗り越えて回動することがない。したがって、この発明によれば、組付角を最遅角位置と最進角位置の間の角度位置で確実にロックできるようになり、その結果、速やかな機関始動が可能となる。
【００１２】
また、前記第１回動機構と第２回動機構のうちの一方は油圧で、他方はカムシャフトの交番トルクで夫々駆動し、油圧で駆動される一方の回動機構が機関の停止前に交番トルクによってロック位置に戻されるようにすることが望ましい。
【００１３】
この場合、通常の機関運転時には、一方の回動機構が油圧操作されることによって組付角が変更される。また、機関の停止時（停止直前）には、油圧の低下と共に、一方の回動機構がカムシャフトの交番トルクによってロック位置まで移動し、そこでその一方の回動機構がロック機構によってロックされる。そして、この状態から機関始動のためにクランキングが行われると、カムシャフトの交番トルクによって他方の回動機構が回動可能範囲内でバタ付き、他方の回動機構が一方の回動機構と逆側のロック位置に達し瞬間的に停止したところで、その他方の回動機構がロック機構によってロックされる。この結果、両回動機構は逆側の回動端で夫々ロックされ、組付角変更手段の組付角は最遅角位置と最進角位置の間の角度位置に維持される。
【００１４】
ここで、機関が停止する直前の状態では油温が充分に高まっているため、機関停止時には、一方の回動機構は、作動油の粘性抵抗の影響を大きく受けることなくカムシャフトの交番トルクによって確実にロック位置に戻される。また、クランクキング時には、他方の回動機構が交番トルクによって変動するが、この他方の回動機構は油圧を用いるものでないため、仮に、低温状態でクランキングを行った場合であっても作動油の粘性抵抗によって作動が妨げられることはない。したがって、他方の回動機構は外部の温度の影響を受けることなく、クランクキング時には確実にロック位置に戻される。
【００１５】
油圧操作される単一の回動機構を組付角変更手段として用いた従来のバルブタイミング制御装置においては、クランキング時に交番トルクによるバタ付きを利用して組付角を中間位置まで変位させようとしても、油圧通路内に残存している作動油の粘性抵抗が回動機構の作動の妨げとなってしまう。特に、冷寒時においては、作動油の粘性抵抗が非常に大きくなることから、クランキング時に組付角を大きく変動させることがむずかしく、このことが原因して組付角を中間位置に確実に戻せなくなることがある。しかし、この発明においては、冷寒時においても前述のように組付角を確実に中間位置に戻すことができるため、内燃機関の確実な始動を保証することができる。
【００１６】
尚、この発明における一方の回動機構は、機関の停止前に交番トルクのみによってロック位置に戻されるものに限定されるものでなく、交番トルクの他に、例えば、ばね力等の力を加えるものであっても良い。
【００１７】
また、前記第１回動機構と第２回動機構のうちの一方には、その回動機構に設けられている第１ロック機構または第２ロック機構のロック位置と逆側の回動端でロック可能な第３ロック機構を設け、その同じ回動機構に設けられた二つのロック機構の解除作動を選択的に切換えることが好ましい。
【００１８】
この場合、二つのロック機構が設けられた回動機構のロック位置を、機関始動時とそれ以外の通常運転時とで切換えることにより、通常運転時には、他方の回動機構の操作のみによって安定して組付角を調整できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、この出願の発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２０】
まず、図１〜図１１によってこの出願の発明の第１の実施形態について説明する。
【００２１】
図１において、１は、内燃機関のシリンダヘッド２に回転自在に支持されたカムシャフトであり、この出願の発明にかかるバルブタイミング制御装置はこのカムシャフト１の前端部に設けられている。この実施形態のカムシャフト１は吸気側のカムシャフトであり、その基幹部には吸気弁（図示せず）を開閉駆動するための駆動カム（図示せず）が一体に設けられている。また、この実施形態においては、カムシャフト１自体がこの出願の発明における従動回転体を構成している。
【００２２】
バルブタイミング制御装置は、タイミングチェーン等を介して内燃機関のクランクシャフト（図示せず）によって回転駆動されるチェーンスプロケット３（駆動回転体）と、前端部側にこのチェーンスプロケット３が必要に応じて相対回動できるように組み付けられた前記カムシャフト１と、チェーンプロケット３とカムシャフト１の間に設けられて両者の組付角を操作する組付角変更手段４と、この組付角変更手段４を内燃機関の始動に適した組付角位置でロック可能な拘束手段（第１ロック機構３３及び第２ロック機構４７）と、を備えている。尚、この実施形態の内燃機関の場合、機関始動に適した組付角位置は最遅角位置と最進角位置のほぼ中間位置に設定されている。
【００２３】
組付角変更手段４は、油圧によって駆動される第１回動機構５と、カムシャフト１の交番トルクによって駆動される第２回動機構６とから成り、第１回動機構５は内燃機関の通常運転時に、設定角度ａ（図２参照）の範囲で回動制御され、第２回動機構６は内燃機関の始動時にのみ設定角度ｂ（図６参照）分だけ進角側に一時的に戻されるようになっている。ただし、第１回動機構５と第２回動機構６の最大回動範囲ａ，ｂは、ほぼａ=２ｂの関係となっている。
【００２４】
第１回動機構５は、カムシャフト１の前端部にカムボルト７によって一体に結合されたベーンロータ８と、このベーンロータ８の周囲を囲繞するようにカシャフト１の先端部に回動自在に組み付けられたハウジング９と、を備えている。このハウジング９は、略円筒状のハウジング本体１０の軸方向前後にフロントカバー１１と背面ブロック１２が結合されて成り、ハウジング本体１０の内周面には、図２、図４に示すように、ほぼ９０°間隔で断面台形状の仕切壁１３が４つ突設されている。
【００２５】
一方、ベーンロータ８は、図２、図４に示すように略円筒状の胴部の外周にほぼ９０°間隔で４つの羽根部１４が突設され、この各羽根部１４がハウジング９の隣接する仕切壁１３，１３間に配置されている。ハウジング９とベーンロータ８の相対回動範囲は羽根部１４が仕切壁１３に当接することによって規制され、その規制範囲（回動許容範囲）は前述の設定角度ａとなっている。また、ベーンロータ８の各羽根部１４の一方側の側面とそれに対峙する仕切壁１３の間は進角室１５とされ、各羽根部１４の他方側の側面とそれに対峙する仕切壁１３の間は遅角室１６とされている。したがって、この装置においては進角室１５と遅角室１６の対が計４組設けられている。尚、各羽根部１４と仕切壁１３の先端部にはばね付勢されたシール部材１７が夫々装着され、そのシール部材１７によって隣接する室間の液密が図られている。
【００２６】
また、カムシャフト１には、軸受部を通してシリンダヘッド２側に連続する第１給排通路１８と第２給排通路１９が形成されており、ベーンロータ８の胴部には、進角室１５と遅角室１６を夫々第１給排通路１８と第２給排通路１９に導通させる第１の径方向孔２０と第２の径方向孔（図示せず）が形成されている。そして、第１、第２給排通路１８，１９は、図７に示すような油圧回路に接続されている。この油圧回路は、オイルポンプＰに接続された供給通路２１と、オイルパン２２に導通するドレン通路２３が電磁切換弁２４を介して第１，第２給排通路１８，１９に接続され、電磁切換弁２４が内燃機関の運転状態に応じて図外のコントローラによって適宜制御されることにより、進角室１５と遅角室１６に対する油圧の給排制御が為されるようになっている。尚、オイルポンプＰは内燃機関の動力によって駆動され、機関運転に連動してポンプ作用を行うようになっている。
【００２７】
また、図２〜図５に示すように、ベーンロータ８の一つの羽根部１４には軸方向に沿ってピン孔２５が形成され、そのピン孔２５に、ロックピン２６と、そのロックピン２６を背面ブロック１２方向に付勢するスプリング２７と、そのスプリング２７の他端を支持するリテーナ２８とが収容されている。これに対し、背面ブロック１２のハウジング本体１０側の側面には、ベーンロータ８がハウジング本体１０に対して最遅角位置まで回動変位したところで（羽根部１４が仕切壁１３の一方の側面に当接して回動を規制されたところで）、ロックピン２６の先端部が挿入嵌合されるロック穴２９が形成されている。
【００２８】
ピン孔２５は、フロントカバー１１側から背面ブロック１２側に向かって段差状に縮径して形成され、ロックピン２６の基端側にはピン孔２５の大径部に摺動自在に嵌合されるフランジ部２６ａが形成されている。そして、ピン孔２５の段差面とロックピン２６のフランジ部２６ａの間の空間部は圧力室３０とされ、この圧力室３０にはベーンロータ８の羽根部１４に形成された導通孔３１（図３，図５参照。）を通して遅角室１６の作動油が導入されるようになっている。また、ピン孔２５を備えた羽根部１４のうちの、背面ブロック１２側に臨む側面には、図３，図５に示すように進角室１５とピン孔２５の孔縁を導通する誘導溝３２が形成され、ロックピン２６の先端部にはこの誘導溝３２を通して進角室１５の作動油が誘導されるようになっている。
【００２９】
したがって、ロックピン２６には、進角室１５と遅角室１６の両方の圧力がスプリング２７の力に抗するように作用するため、ロックピン２６がロック穴２９に嵌合した状態で進角室１５と遅角室１６のいずれか一方の圧力が設定値以上になると、ロックピン２６がロック穴２９から外れ、それによってロック解除状態とされる。尚、この実施形態の場合、第１回動機構５の回動をロックする第１ロック機構３３は、ロックピン２６、ロック穴２９，スプリング２７等と前述のロック解除のための構造部によって構成されている。
【００３０】
一方、第２回動機構６は、第１回動機構５の背面ブロック１２にチェーンスプロケット３が回動可能に組み付けられてなり、カムシャフト１の回転作動中に背面ブロック１２に入力されるカムシャフト１の交番トルクによって回転駆動されるようになっている。背面ブロック１２は、第２回動機構６の出力側部材と第１回動機構５の入力側部材として共用しているため、両回動機構５，６は背面ブロック１２を介して相互に直列に連結したかたちとなっている。
【００３１】
背面ブロック１２は、全体が略円筒状に形成され、ハウジング本体１０と逆側のその端面外周には一対の扇状の窪み部３４が形成されている。これに対し、チェーンスプロケット３には、背面ブロック１２の各窪み部３４内に挿入される扇状のストッパ突起３５が突設され、この各ストッパ突起３５が対応する窪み部３４の壁に当接することにより、第２回動機構６の回動範囲が設定角度ｂに規制されるようになっている。尚、窪み部３４とストッパ突起３５の径方向で相互に対峙する壁面は同心の円弧面とされ、これらの円弧面が摺動自在に接触することによってチェーンスプロケット３が背面ブロック１２に回動自在に支持されている。
【００３２】
チェーンスプロケット３側の各ストッパ突起３５には、窪み部３４の底面に向かって開口するピン穴３６が設けられ、その各ピン穴３６に有底円筒状のロックピン３７ａ，３７ｂが夫々摺動自在に収容されると共に、その各ロックピン３７ａ，３７ｂを突出方向に付勢するスプリング３８が収容されている。そして、各ロックピン３７ａ，３７ｂの先端部はほぼ球状の曲面に形成されている。
【００３３】
これに対し、背面ブロック１２には、各窪み部３４の底面に開口するロック穴３９ａ，３９ｂが設けられると共に、その各ロック穴３９ａ，３９ｂの底部に操作ピン４０ａ，４０ｂが進退自在に設けられている。この実施形態の場合、ロック穴３９ａ，３９ｂは背面ブロック１２に直接形成されているのではなく、背面ブロック１２に圧入固定された筒状ブロック４１の前端部の開口によって構成されている。筒状ブロック４１は、ロック穴３９の底面を成す隔壁を有すると共に、その隔壁を挟んでロック穴３９ａ，３９ｂと逆側位置に、背面ブロック１２との間でシリンダ室を形成する凹部４２を有している。また、各操作ピン４０ａ，４０ｂは、その基端部側に前記凹部４２内を前後二室に隔成するフランジ部４３が設けられると共に、その先端部側が隔壁を貫通して各ロック穴３９ａ，３９ｂ内に突出している。
【００３４】
ここで、ロック穴３９ａ，３９ｂは夫々ロックピン３７ａ，３７ｂと嵌合可能とされており、一方のロック穴３９ａは、背面ブロック１２が図６に示すようにチェーンスプロケット３に対して進角側に最大に回動変位したときにロックピン３７ａの位置と合致し、他方のロック穴３９ｂは、背面ブロック１２が逆に図９に示すようにチェーンスプロケット３に対して遅角側に最大に回動変位したときにロックピン３７ｂの位置と合致するように配置されている。
【００３５】
そして、一方のロック穴３９ａに対応する操作ピン４０ａは、スプリング４４ａによって後退方向に付勢されると共に、フランジ部４３の背部側に設けられた圧力室４５ａに作動油が導入されるようになっている。また、他方のロック穴３９ｂに対応する操作ピン４０ｂは、逆に、スプリング４４ｂによって前進方向に付勢されると共に、フランジ部４３の前面側に設けられた圧力室４５ｂに作動油が導入されるようになっている。したがって、各圧力室４５ａ，４５ｂの圧力が設定圧に満たない間は、図１に示すように、一方の操作ピン４０ａはスプリング４４ａの付勢力を受けて後退することで一方のロック穴３９ａを実質的に開口し、他方の操作ピン４０ｂは逆にスプリング４４ｂの付勢力を受けて前進することで他方のロック穴３９ｂを実質的に閉塞する。よって、この状態で背面ブロック１２が図６に示すように進角側の最大規制位置まで変位すると、ロックピン３７ａが図１に示すように一方のロック穴３９ａに嵌合し、そこでロック状態が維持される。
【００３６】
また、前記両圧力室４５ａ，４５ｂは背面ブロック１２からカムシャフト１にかけて形成された第３給排通路４６を介して図７に示す油圧回路の供給通路２１部分に接続されている。したがって、機関運転の開始によってオイルポンプＰの吐出圧が設定値以上に高まると、図８に示すように一方の操作ピン４０ａはスプリング４４ａの力に抗して前進することによって一方のロック穴３９ａを実質的に閉塞し、他方の操作ピン４０ｂは逆にスプリング４４ｂの力に抗して後退することによって他方のロック穴３９ｂを実質的に開口する。よって、この状態から背面ブロック１２が図９に示すように遅角側の最大規制位置まで変位すると、ロックピン３７ｂが図８に示すように一方のロック穴３９ｂに嵌合し、そこでロック状態が維持される。以下では、この背面ブロック１２が遅角側に最大に変位した位置を第２回動機構６の基準位置と呼ぶものとする。また、各操作ピン４０ａ，４０ｂの最大突出量は各ピン４０ａ，４０ｂの先端面がロック穴３９ａ，３９ｂの穴縁とほぼ同高さになるように規制されている。
【００３７】
尚、この実施形態の場合、一方のロックピン３７ａ、ロック穴３９ａ、スプリング３８等とロック解除のための油圧回路がこの出願の発明における第２ロック機構４７を構成し、同様に、他方のロックピン３７ｂ、ロック穴３９ｂ、スプリング３８等とロック解除のための油圧回路が第３ロック機構４８を構成している。
【００３８】
ところで、このバルブタイミング制御装置は、通常の機関運転時には、第２回動機構６が第３ロック機構４８によって基準位置でロックされ、その状態において第１回動機構３３が回動角ａの範囲で油圧制御されるが、内燃機関の停止時には、第１回動機構３３はカムシャフト１の交番トルクによって最遅角側に戻されるようになっている。つまり、カムシャフト１の交番トルクは、図１１に示すように一方のトルク成分の絶対値が他方のトルク成分の絶対値よりも大きいため、機関停止時に制御油圧が低下すると、第１の回動機構５は交番トルクの一方のトルク成分によって最遅角側に押し戻されることとなる。
【００３９】
以上の構成において、内燃機関の運転中に吸気弁の開閉位相を最遅角側に変更する場合には、図７に示す電磁切換弁２４の切換え制御によって第１，第２給排通路１８，１９を供給通路２１とドレン通路２３に夫々接続し、第１回動機構５の遅角室１６に高圧の作動油を導入する一方で進角室１５の作動油を排出する。これにより、ベーンロータ８が図２に示すようにハウジング９に対して最遅角側位置まで回動し、その結果、吸気弁の開閉タイミングの位相が図１０中の（ア）のように変更される。
【００４０】
また、この状態から吸気弁の開閉位相を最進角側に変更する場合には、電磁切換弁２４の切換え制御によって第１，第２給排通路１８，１９に対する作動油の給排を前述と入れ換え、それによって第１回動機構５のベーンロータ８をハウジング９に対して最進角位置まで回動させる。これにより、吸気弁の開閉位相は図１０中の（イ）のように変更される。尚、吸気弁の開閉位相は、最遅角位相と最進角位相の二つの位相に限らず、電磁切換弁２４の制御によって任意位置に変更することができる。また、以上の動作はいずれも内燃機関の運転中であるため、第２回動機構６は図８，図９に示す基準位置でロックされている。
【００４１】
また、内燃機関の運転中にイグニッションキーのオフ操作等によって機関が停止すると、オイルポンプＰの回転の低下に伴なって油圧が低下し、第１回動機構５は前述のようにカムシャフト１の交番トルクを受けて最遅角位置に戻される。このとき第１ロック機構３３のロックピン２６に作用する作動油の圧力が設定値よりも低くなると、ロックピン２６が背面ブロック１２側のロック穴２９に嵌合し、これによって第１回動機構３３が最遅角側でロックされる。
【００４２】
一方、このとき第２回動機構６は、作動油の圧力がある程度高い間は第３ロック機構４８による基準位置でのロックが維持されているが、作動油の圧力が設定値よりも低下すると、第３ロック機構４８のロックピン３７ｂのロックが解除される。この第３ロック機構４８のロックが解除された後、第２回動機構６が進角側にバタ付いたときには、ストッパ突起３５が図６に示すように窪み部３４の一方の壁に当接したところで、第２ロック機構４７のロックピン３７ａがロック穴３９ａに嵌合し、それによって第２回動機構６が進角側でロックされる。尚、第３ロック機構４８のロック解除後に第２回動機構６のバタ付きが生じないときには、第２回動機構６は図９に示す遅角側の回動位置に位置されている。
【００４３】
そして、この状態から内燃機関が始動されるときには以下のようになる。
【００４４】
＜機関停止時に第２回動機構６が進角側でロックされたとき＞
機関停止時に、第１回動機構５と第２回動機構６が既に最進角位置と最遅角位置で夫々ロックされているため、両回動機構５，６を合わせた全体の組付角位置は最遅角位置から回動角ｂだけ進角したほぼ中間の組付角位置となっている。したがって、この状態から内燃機関の始動が行われる場合、オイルポンプＰの油圧が立ち上がっていないクランキング時には、第１回動機構５と第２回動機構６が機関停止時と同じロック状態に維持されるため、機関の始動は、始動に適した中間の組付角位置で行われることとなる。つまり、このときの吸気弁の開閉位相は、図１０中の（ウ）のようになる。
【００４５】
＜機関停止時に第２回動機構６が進角側でロックされなかったとき＞
機関停止時には、第１回動機構５は最遅角位置でロックされているものの、第２回動機構６はいずれ側にもロックされないまま遅角側に回動変位している。この状態からクランキングが行われると、カムシャフト１の交番トルクによって第２回動機構６がバタ付き、チェーンスプロケット３に対して背面ブロック１２が最進角側位置まで回動したところで（回動を規制されたところで）、第２ロック機構６のロックピン２６がロック穴２９に嵌合し、それによって第２回動機構６が最進角位置でロックされる。したがって、これ以降は両回動機構５，６を合わせて組付角位置が前述と同様に中間の組付角位置となり、機関の始動は、始動に適したこの中間の組付角位置で行われることとなる。
【００４６】
よって、このバルブタイミング制御装置はいずれの場合にも内燃機関を確実に始動させることができる。
【００４７】
また、こうして内燃機関が始動され、機関の回転速度の増大と共にオイルポンプＰの吐出圧が高まり、第２，第３ロック機構４７，４８の圧力室４５ａ，４５ｂの圧力が設定値を超えると、図８に示すように、第２ロック機構４７の操作ピン４０ａが突出して同ロック機構４７を解除状態にすると共に、第３ロック機構４８の操作ピン４０ｂが後退することで同ロック機構４８をロック可能な状態にする。したがって、この状態で第２回動機構４７が交番トルク等によって最遅角位置まで回動変位すると、そこで第３ロック機構４８のロックピン３７ｂがロック穴３９ｂに嵌合し、第２回動機構６が基準位置でロックされることとなる。
【００４８】
このバルブタイミング制御装置は、第１回動機構５を遅角側の回動規制端で第１ロック機構３３によってロックすると共に、第２回動機構６を進角側の回動規制端で第２ロック機構４７によってロックするため、いずれの回動機構５，６においても、交番トルクによるバタ付き等によってロックピン２６，３７ａがロック穴２９，３９ａを乗り越えて変動することがなく、その結果、速やかな回動ロックを実現することができる。したがって、この装置によれば、内燃機関を迅速かつ確実に始動させることがきるうえ、回動機構５，６のバタ付きを速やかに止めることができることから、静粛性をも高めることができる。
【００４９】
また、このバルブタイミング制御装置においては、機関停止時に最遅角位置に戻される第１回動機構５を油圧によって駆動し、この回動機構５に直列に連結された第２回動機構６を交番トルクのみによって駆動するようにしているため、冷寒時の外気温の影響を受けることなく、機関始動可能な組付角位置に常時確実に戻すことができるという利点がある。
【００５０】
即ち、第１回動機構５は、油圧によって駆動されるものの、遅角位置での回動ロックは機関の停止時（機関が完全停止する直前）に行われるため、進角室１５や遅角室１６に導入される作動油は機関によって充分に暖められて粘性抵抗が充分に小さくなる。このため、外気温が低い場合であっても、作動油の粘性抵抗の増大によって第１回動機構５がロック位置に戻らなくなるという不具合は生じない。一方、機関の再始動は、機関が長時間経過した後に行われることがあり、この間に冷寒時の外気温によって作動油の粘性抵抗が増大することがある。しかし、機関の始動時には、第１回動機構５を最遅角位置にロックしたまま、第２回動機構６を交番トルクのみによって最進角位置に回動させるため、作動油の粘性抵抗の影響は一切受けることがない。
【００５１】
また、このバルブタイミング制御装置の場合、第２回動機構６には、最進角位置でロック作動する第２ロック機構４７と、最遅角位置でロック作動する第３ロック機構４８が設けられ、これらのロック機構４７，４８のロック解除が作動油の圧力に応じて選択的に切換えられるようになっているため、機関始動のためのクランキング時にのみ第２回動機構６を最進角側に一時的にロックし、それ以後の通常運転においては、第２回動機構６を最遅角側でロックして第１回動機構５のみによる安定した組付角制御を行うことができる。
【００５２】
つづいて、図１２，図１３に示す第２の実施形態について説明する。尚、以下の実施形態の説明においては、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付し、重複する部分については説明を省略するものとする。
【００５３】
この実施形態は基本的な構成は前述の第１の実施形態と同様であるが、第２，第３ロック機構４７，４８のロックピン１３７ａ，１３７ｂとロック穴１３９ａ，１３９ｂの形状が第１の実施形態のものと異なっている。
【００５４】
即ち、第１の実施形態のロックピン３７ａ，３７ｂとロック穴３９ａ，３９ｂはいずれもストレート形状となっていたが、この実施形態の場合、ロックピン１３７ａ，１３７ｂの先端部とロック穴１３９ａ，１３９ｂとに相互に嵌合可能なテーパ面５０，５１が設けられている。具体的には、ロックピン１３７ａ，１３７の先端部には先細り状のテーパ面５０が形成され、ロック穴１３９ａ，１３９ｂには底部に向かって径が狭まるテーパ面５１に形成されており、ロックピン１３７ａ，１３７ｂがロック穴１３９ａ，１３９ｂにほぼ対峙する位置で突出方向の付勢力を受けると、ロックピン１３７ａ，１３７ｂの先端部がロック穴１３９ａ，１３９ｂにガイドされて確実に嵌合される。
【００５５】
したがって、この実施形態においては、第２，第３ロック機構４７，４８による第２回動機構６のロックをより迅速、かつ、確実に行うことができる。
【００５６】
また、図１４，図１５は、この出願の発明の第３の実施形態を示すものである。この実施形態もまた、第２，第３ロック機構４７，４８のロックピン２３７ａ，２３７ｂとロック穴２３９ａ，２３９ｂ部分のみが第１の実施形態のものと異なっている。
【００５７】
この実施形態の場合、ロックピン２３７ａ，２３７ｂの先端部とロック穴２３９ａ，２３９ｂに同様にテーパ面５０，５１が形成されているが、第２回動機構６が一方の回動規制端まで回動したときにおける、ロック穴２３９ａ，２３９ｂのテーパ中心ｏ’がロックピン２３７ａ，２３７ｂのテーパ中心ｏに対して窪み部３４の規制壁３４ａ方向に若干オフセットされている。
【００５８】
この実施形態の場合、ロック穴２３９ａ，２３９ｂのテーパ面５０のうちの、規制壁３４ａと逆側の領域が、ロック時にストッパ突起３５を規制壁３４ａ方向に押し付ける楔作用を為すようになっている。即ち、ロックピン２３７ａ，２３７ｂがスプリング３８の力を受けてロック穴２３９ａ，２３９ｂの規制壁３４ａと逆側の領域に押し付けられると、ロックピン２３７ａ，２３７ｂはロック穴２３９ａ，２３９ｂのテーパ面５１によって両者のテーパ中心ｏ，ｏ’を合致させる方向の力を受け、その結果としてストッパ突起３５が規制壁３４ａに強固に押し付けられることとなる。
【００５９】
したがって、この実施形態においては、前記テーパ面５１による楔作用によって第２回動機構６を常時正確に回動端位置でロックすることができる。
【００６０】
以上では吸気側のカムシャフトにバルブタイミング制御装置を適用した実施形態について説明したが、バルブタイミング制御装置は、勿論、排気側のカムシャフトに適用することも可能である。
【００６１】
図１６は、排気側に適用するのに適した第４の実施形態を示すものである。
【００６２】
この実施形態の装置は、全体の構成は第１の実施形態のものとほぼ同様であるが、第１回動機構５を成すベーンロータ８とハウジング９の間に、ベーンロータ８を進角方向に付勢するゼンマイばね６０を介装している点で異なっている。
【００６３】
バルブタイミング制御装置を排気側に用いる場合には、機関始動時までに第１回動機構５と第２回動機構を夫々最進角位置と最遅角位置でロックする必要があるが、カムシャフト１の交番トルクは遅角成分の方が進角成分よりも大きくなるため、機関停止時に交番トルクだけで第１回動機構５を回動させようとすると、最進角位置に戻したいところが逆に最遅角位置に戻されてしまう。このため、この実施形態においては、機関の停止時に第１回動機構５が進角側に確実に戻されるようにゼンマイばね６０をベーンロータ８とハウジング９の間に介装している。尚、この実施形態の場合、基本的な作用効果は第１の実施形態と同様であるため、作用効果の説明は省略する。
【００６４】
また、以上では油圧によって駆動制御される一方の回動機構（第１回動機構５）をカムシャフト１の前端部に直結し、その回動機構５とチェーンスプロケット３の間に、交番トルクのみによって駆動される他方の回動機構（第２回動機構６）を設けた実施形態について説明したが、図１７に示す第５の実施形態のように両回動機構５，６を入れ換えた配置とすることも可能である。
【００６５】
即ち、図１７に示す実施形態の装置は、前端部にストッパ突起３５を有する従動軸部材７０がカムシャフト１に結合され、この従動軸部材７０に、同部材７０と共に第２回動機構６を成す前面ブロック７１が回動自在に組み付けられている。そして、ストッパ突起３５は前面ブロック７１の窪み部内に挿入されており、従動軸部材７０と前面ブロック７１とは、ストッパ突起３５が窪み部の側壁に当接するまでの範囲で相対回動が許容されている。この実施形態の前面ブロック７１は第１の実施形態の背面ブロック１２に対応し、ストッパ突起３５と前面ブロック７１の間には第１の実施形態と同様の第２，第３ロック機構４７，４８が設けられている。
【００６６】
そして、従動軸部材７０の基部側外周にはベーンロータ８が一体に設けられ、このベーンロータ８の周域にチェーンスプロケット３と一体のハウジング９が回動可能に組み付けられている。ベーンロータ８とハウジング９は第１回動機構５を成し、第１の実施形態と同様に設定角度範囲に回動角が規制されている。また、ベーンロータ８とハウジング９の間には第１の実施形態と同様の第１のロック機構（図示せず）が設けられている。
【００６７】
この実施形態の装置は第１回動機構５と第２回動機構６の配置が第１の実施形態と異なるものの、基本的な機能は第１の実施形態と同様である。
【００６８】
尚、この出願の発明の実施形態は以上で説明したものに限るものではなく、例えば、以上の実施形態では油圧駆動される回動機構を所謂ベーン式のアクチュエータで構成したが、油圧によって直線作動するピストン部の作動をヘリカルギヤによって回転に変換するアクチュエータ等、その他のアクチュエータによって構成することも可能である。
【００６９】
また、上記実施形態では駆動回転体として、タイミングチェーン等を介して回転駆動されるチェーンスプロケット３を用いたものについて説明したが、チェーンスプロケット３の代りにベルトで駆動されるプーリを用いたものや、シザーズギヤ同士の噛合いで回転駆動されるものであっても良い。
【００７０】
また、上記実施形態ではカムシャフト１を従動回転体としたが、カムシャフト１に別体部材を結合して、その別体部材を従動回転体としても良い。
【００７１】
さらに、上記実施形態では第２回動機構６を交番トルクによって駆動するようにしたが、第１回動機構５と第２回動機構６を両方とも油圧で駆動させるようにしても良い。この場合、第２回動機構６には、第２ロック機構４７で拘束される方向に付勢するゼンマイばね等の付勢手段を必要とする。
【００７２】
また、上記実施形態では第１ロック機構３３、第２ロック機構４７、第３ロック機構４８をロックピンとロック穴とばね手段等で構成し、油圧で解除または拘束するようにしたが、レバー部材等を係合溝に係合させてロックするような機構であっても良い。また、解除及び拘束を電磁力を利用して行うことも可能である。
【００７３】
さらにまた、上記実施形態では第１ロック機構３３、第２ロック機構４７、第３ロック機構４８を回転軸方向に移動可能に配置したが、径方向に移動可能に配置することも可能である。特に、第２ロック機構４７と第３ロック機構４８を径方向に移動可能に配置すれば、装置の軸方向寸法を小さくすることが可能である。
【００７４】
また、上記実施形態では第２ロック機構４７と第３ロック機構４８における操作ピン４０ａ，４０ｂを第３給排通路４６から給排される油圧によって操作するようにしているが、操作ピン４０ａ，４０ｂに２つの受圧面を設け、夫々の受圧面に第１回動機構５の進角室１５と遅角室１６の油圧を作用させるようにしても良い。このように構成すれば第３給排通路４６を設ける必要がなく、加工が容易になるばかりでなくカムシャフト１の剛性をも向上させることができる。
【００７５】
次に、上記の各実施形態から把握し得る請求項に記載以外の発明について、以下にその作用効果と共に記載する。
【００７６】
（イ）前記第１ロック機構と第２ロック機構を、機関回転速度に応じた油圧によって作動制御し、前記油圧が設定圧以上になったときに前記両ロック機構のロックを解除するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【００７７】
この場合、第１，第２ロック機構の機関始動時におけるロックと、機関始動後におけるロック解除を簡単な構成によって実現することができる。
【００７８】
（ロ）前記第３ロック機構を、機関回転速度に応じた油圧によって作動制御し、前記油圧が設定圧以下になったときに前記第３ロック機構を解除するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【００７９】
この場合、第３ロック機構の機関始動後におけるロックと、機関停止時におけるロック解除を簡単な構成によって実現することができる。
【００８０】
（ニ）前記第１回動機構と第２回動機構のうちの一方の回動機構の回動角を連続的に可変制御し、他方の回動機構は最遅角位置と最進角位置の二位置に切換え制御することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【００８１】
この場合、両回動機構、特に、他方の回動機構の構造を簡素化することができる。
【００８２】
（ホ）前記第２ロック機構と第３ロック機構は、回動機構の一方の回動部材に進退自在に設けられたロックピンと、他方の回動部材に設けられて両回動部材が一方の回動規制端まで相対回動したときに前記ロックピンが嵌合可能なロック穴と、前記ロックピンを突出方向に付勢するばね手段と、前記ロック穴を開閉する開閉手段とを備えた構成としたことを特徴とすることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【００８３】
この場合、ロックピンは常にばね手段の力によってロック穴に嵌合されるため、必要以上の荷重がロックピンからロック穴やその周縁部の部材に作用することがなく、しかも、ロック解除時にはロック穴が開閉手段によって閉じられるため、両回動部材の相対回動が阻害されることがなくなる。
【００８４】
（ヘ）前記開閉手段を、ロック穴内に進退自在に設けられた操作ピンによって構成したことを特徴とする前記（ホ）に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【００８５】
この場合、第２，第３ロック機構を簡単な構造によって得ることができ、しかも、一方のロック機構と他方のロック機構で各操作ピンの進退作動が逆になるように制御することによって、両ロック機構の選択的な解除作動を容易に実現することができる。
【００８６】
（ト）前記操作ピンを油圧によって進退制御することを特徴とする前記（ヘ）に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【００８７】
この場合、両ロック機構の選択的な解除作動を容易に実現することが可能となる。
【００８８】
（チ）前記操作ピンの最突出高さを、操作ピンの先端面がロック穴の穴縁とほぼ同じ高さになるように規制したことを特徴とする前記（ヘ）または（ト）に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【００８９】
この場合、操作ピンが最大に突出したときに、その先端面がロック穴の穴縁とほぼ同じ高さになるため、ロック解除状態で両回動部材が相対回動する場合であっても、操作ピンの先端部が一方の回動部材と干渉する不具合は生じない。したがって、ロック解除状態での回動機構のスムーズな作動を得ることができる。
【００９０】
（リ）前記ロックピンの先端面を曲面状に形成したことを特徴とする前記（ヘ）〜（チ）のいずれかに記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【００９１】
この場合、操作ピンによる押圧によってロックピンをばね手段の力に抗して後退させ、その状態から両回動部材を相対回動させるときであっても、ロックピンの先端部が曲面状であることから、ロックピンの先端部がロック穴の穴縁に引っ掛かる不具合は生じない。したがって、回動機構のスムーズな作動を得ることができると共に、経時仕様による構成部材の損傷や劣化を未然に防止することができる。
【００９２】
（ヌ）前記第２ロック機構と第３ロック機構のうちの一方のロック機構に、操作ピンを後退方向に付勢するばね手段を設けると共に、他方のロック機構に、操作ピンを突出方向に付勢するばね手段を設け、両ロック機構の各操作ピンに、ばね手段に抗する向きの油圧を作用させることを特徴とする前記（ト）〜（チ）のいずれかに記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【００９３】
この場合、両操作ピンに作用する油圧が小さいときには、一方のロック機構の操作ピンが突出する一方で、他方のロック機構の操作ピンが後退し、この状態から両操作ピンに作用する作動油の圧が大きくなると、一方のロック機構の操作ピンが後退する一方で、他方のロック機構の操作ピンが突出する。したがって、内燃機関の回転速度に応じた油圧を両操作ピンに作用させるだけで、クランキング時のような低圧時にのみ一方のロック機構をロックさせることが可能となる。
【００９４】
（ル）前記第１ロック機構は、回動機構の一方の回動部材に進退自在に設けられたロックピンと、他方の回動部材に設けられて両回動部材が一方の回動規制端まで相対回動したときに前記ロックピンが嵌合可能なロック穴とを備え、前記ロックピンは、ばね手段によって突出方向に付勢されると共に、内燃機関の回転速度に応じた油圧を受けて後退作動することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【００９５】
この場合、簡単な構造でありながら、機関回転速度の遅いクランキング時にロックピンをロック穴に嵌合して回動機構を確実にロックし、機関始動後に油圧が上昇したときには、ロックピンをその油圧によって後退させ、回動機構のロックを解除することができる。
【００９６】
（ヲ）前記ロックピンの先端部とロック穴を、ロックピンの突出作動によって嵌合可能なテーパ形状に形成したことを特徴とする前記（ホ）に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【００９７】
この場合、ロック穴とロックピンのテーパ形状によるガイド作用によって両者がより嵌合され易くなる。
【００９８】
（ワ）前記ロック穴に、ロックピンの先端部が押付けられたときに回動規制端方向に向かう楔作用を発揮するテーパ面を形成したことを特徴とする前記（ホ）に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
【００９９】
この場合、ロックピンとロック穴の当接部による楔作用が働くため、両回動部材を常に正確に回動規制端位置でロックすることが可能となる。
【０１００】
（カ）吸気側カムシャフトに設けられる請求項１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
クランキング時には、一方の回動機構を最遅角位置でロックし、他方の回動機構を、一方の回動機構の最大回動範囲よりも狭い範囲で最進角側に変位させ、そこでロックする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。
【０１０１】
この場合、クランキング時に、吸気弁を最遅角位相と最進角位相の間の開閉位相で作動させることが可能となる。
【０１０２】
（ヨ）排気側カムシャフトに設けられる請求項１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
クランキング時には、一方の回動機構を最進角位置でロックし、他方の回動機構を、一方の回動機構の最大回動範囲よりも狭い範囲で最遅角側に回動させ、そこでロックする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。
【０１０３】
この場合、クランキング時に、排気弁を最遅角位相と最進角位相の間の開閉位相で作動させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この出願の発明の第１の実施形態を示す縦断面図。
【図２】同実施形態を示す図１のＡ−Ａ線に沿う断面図。
【図３】同実施形態を示す図２のＣ−Ｃ線に沿う断面図。
【図４】同実施形態の作動状態を示す図２に対応の断面図。
【図５】同実施形態の作動状態を示す図２のＤ−Ｄ線に沿う断面図。
【図６】同実施形態を示す図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【図７】同実施形態を示す油圧回路図。
【図８】同実施形態の作動状態を示す図１に対応の断面図。
【図９】同実施形態の図８のＥ−Ｅ線に沿う断面図。
【図１０】同実施形態のバルブリフト特性を示すグラフ。
【図１１】同実施形態のカムシャフトの変動トルク特性を示すグラフ。
【図１２】この出願の発明の第２の実施形態を示す断面図。
【図１３】同実施形態の分解断面図。
【図１４】この出願の発明の第３の実施形態を示す図６に対応の部分断面部。
【図１５】同実施形態を示す図１４のＦ−Ｆ線に沿う断面図。
【図１６】この出願の発明の第４の実施形態を示す図１に対応の部分断面図。
【図１７】この出願の発明の第５の実施形態を示す図１に対応の断面図。
【符号の説明】
１…カムシャフト（従動回転体）
３…チェーンスプロケット（駆動回転体）
４…組付角変更手段
５…第１回動機構
６…第２回動機構
３３…第１ロック機構
４７…第２ロック機構
４８…第３ロック機構

Claims

内燃機関のクランクシャフトによって回転駆動される駆動回転体と、カムシャフト若しくは同シャフトに結合された別体部材から成り、前記駆動回転体が必要に応じて相対回動できるように組み付けられた従動回転体と、前記駆動回転体と従動回転体を相対回動させて両者の組付角を操作する組付角変更手段と、前記組付角変更手段を機関始動に適した組付角位置でロック可能な拘束手段と、を備え、前記機関始動に適した組付角が最遅角位置と最進角位置の間に設定されている内燃機関のバルブタイミング制御装置において、
前記組付角変更手段を、回動範囲が夫々所定角度に規制され相互に直列に連結された油圧によって駆動される第１回動機構と交番トルクのみによって駆動される第２回動機構を備えた構成とし、
前記拘束手段を、機関回転速度に応じた油圧によって作動し、前記油圧が所定以下のときに前記第１回動機構の回動位置を最遅角位置と最進角位置の一方側でロックして前記第１回動機構の組付角位置を維持すると共に、前記油圧が所定以上のときに前記ロックを解除する第１ロック機構と、
機関回転速度に応じた油圧によって作動し、前記油圧が所定以下のときに前記第２回動機構の回動位置を最遅角位置と最進角位置の他方側でロックして前記第２回動機構の組付角位置を維持すると共に、前記油圧が所定以上のときに前記ロックを解除する第２ロック機構と、
機関回転速度に応じた油圧によって作動し、前記油圧が所定以上のときに前記第２回動機構の回動位置を前記第２ロック機構と逆側の回動端でロックして前記第２回動機構の組付角位置を維持すると共に、前記油圧が所定以下のときにロックを解除する第３ロック機構と、を備え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。
前記第２ロック機構と第３ロック機構は、回動機構の一方の回動部材に進退自在に設けられたロックピンと、他方の回動部材に設けられて両回動部材が一方の回動規制端まで相対回動したときに前記ロックピンが嵌合可能なロック穴と、前記ロックピンを突出方向に付勢するばね手段と、前記ロック穴を開閉する開閉手段とを備えた構成としたことを特徴とすることを特徴とする請求項1に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
前記開閉手段を、ロック穴内に進退自在に設けられた操作ピンによって構成したことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
前記操作ピンの最突出高さを、操作ピンの先端面がロック穴の穴縁とほぼ同じ高さになるように規制したことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
前記ロックピンの先端面を曲面状に形成したことを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
前記第２ロック機構と第３ロック機構のうちの一方のロック機構に、操作ピンを後退方向に付勢するばね手段を設けると共に、他方のロック機構に、操作ピンを突出方向に付勢するばね手段を設け、両ロック機構の各操作ピンに、ばね手段に抗する向きの油圧を作用させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。