JP4288220B2 - 内燃機関のバルブタイミング制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関のバルブタイミング制御装置に関する。
従来、ベーンタイプの内燃機関のバルブタイミング制御装置として、特許文献1に記載のものが知られている。この公報には、バルブタイミング制御装置の位相を、内燃機関の停止状態で内燃機関の始動可能な位相とするために、ベーンロータとハウジングとの間に設けられた作動室内にホルダにより保持されたスプリングを設けている。
WO01/055562号
しかしながら、スプリングに抗してベーンが回動した際、ハウジングにおけるシューとベーンとが接触可能となっているため、スプリングの収縮に伴うベーン,ハウジングとスプリングとの接触、もしくは、ベーン,ハウジングとホルダとの摺動により摩耗粉が生じやすくなり、ベーンとハウジングのシューが接触した際、摺動隙間に摩耗粉が入り込んでしまう。その結果、ベーンロータの作動応答性が悪化してしまうという問題があった。
また、油路を通過しない大きさの摩耗が発生した場合、油室内容積が縮小してベーンとハウジングが接触することにより粉砕され、油路を通過して油圧アクチュエータ等に進入し、不具合を生じさせるおそれがある。
本発明は、上述の従来の問題点に着目して成されたもので、摩耗によるベーンロータの作動性劣化を抑制した内燃機関のバルブタイミング制御装置を提供することを目的としている。
上述の目的を達成するため、本発明は、内燃機関のクランクシャフトから回転が伝達される回転伝達部材と、前記回転伝達部材もしくはカムシャフトの一方に固定され、少なくとも軸方向一端側に開口を有するハウジング本体と、該ハウジング本体の開口を封止する少なくとも一枚のプレートによって構成されるハウジングと、前記ハウジング本体の内周側に突出するように形成されることにより作動室が隔成されるシューと、前記回転伝達部材もしくはカムシャフトの他方に固定され、径方向に突出するベーンを有するとともに前記ハウジング内に配置されるベーンロータと、前記作動室を前記ベーンロータによって隔成することで形成され、流体給排手段によって油の供給及び排出が行われる遅角油室と進角油室と前記遅角油室又は前記進角油室に配置され、前記ベーンと前記シューが互いに離れる方向に付勢力を作用させるコイルスプリングと、前記コイルスプリングが配置される前記遅角油室又は前記進角油室内において前記ベーンと前記シューとが接触せず、かつ前記コイルスプリングの線間が接触しないように前記ベーンと前記シューの相対回転を規制する回転規制機構と、を有することを特徴とする。
よって、回転規制機構によりベーンとシューの接触を回避することで、摩耗によるベーンロータの作動性劣化を抑制した内燃機関のバルブタイミング制御装置を提供することができる。
以下、本発明の内燃機関のバルブタイミング制御装置を実現する最良の形態を、図面に示す実施例1に基づいて説明する。
[バルブタイミング制御装置の概略]
実施例1につき図1ないし図8に基づき説明する。図1は、エンジン始動時におけるバルブタイミング制御装置1(以下、VTC1と記載する。)の軸方向断面図及び制御構成を示す図である。図1におけるx軸は、カムシャフト2と平行とする。VTC1はエンジンと接続するカムシャフト2のx軸負方向端部に設けられ、チェーンを介してクランクシャフトから回転が伝達される。
VTC1はハウジング10とベーンロータ20を有する。ベーンロータ20は、カムシャフト2に対しカムボルト3により一体的に固定され、ハウジング10内に設けられてハウジング10の回転軸に対し相対回転自在に収容されている。また、ハウジング10のx軸正方向側にはスプロケット30が隣接して設けられ、巻装されたチェーンによりクランクシャフトの回転が伝達される。
ベーンロータ20とハウジング10の間には複数の油室が画成され、シール40により液密とされている。また、このシール40は内径方向からシールスプリング41により外径方向に付勢されて液密性を確保する。これにより液密とされた油室にオイルポンプ4から供給される作動油を導入し、作動油を介してベーンロータ20とハウジング10との間の回転伝達を行う。
その際、作動油の給排を調整して油室容積を変更することにより、ベーンロータ20とハウジング10を相対回転可能に設けている。すなわち、ベーンロータ20に対してハウジング10が相対回転された状態で両者間の回転力伝達が行われることにより、クランクシャフトの回転に対するカムシャフト2の回転位相を変更する。
また、エンジン停止時にはバルブタイミングをエンジン再始動可能な位相とするため、ベーンロータ20内にはロックピン21が設けられている。エンジン停止時にはこのロックピン21をハウジング10のスリーブ11に嵌め込むことで、ベーンロータ20とハウジング10の相対回転を規制し、バルブタイミングをエンジン再始動に適した位相とする。
このロックピン21はリテーナ22に保持されたスプリング23によってx軸正方向に付勢されており、供給された作動油が作用することによってスプリング力に抗して係合を解除するよう構成される。ベーンロータ20は他のスプリングによって周方向に付勢されているため、エンジンが停止して作動油圧が解消するとベーンロータ20は付勢力に従って方向に移動し、ハウジング10とベーンロータ20の相対回転によってロックピン21がスリーブ11に対応する位置に達するとスリーブ11に嵌め込まれる構成となっている。
このように、エンジン再始動に最適な位置にスリーブ11を設けることで、エンジン停止に伴ってロックピン21はスリーブ11に嵌め込まれ、バルブタイミングの位相をエンジン再始動に好適な位相としている。また、油圧が発生しない状態であってもハウジング10とベーンロータ20とを保持状態とし、吸気及び排気バルブに設けられたバルブスプリングとカムの作用により発生する交番トルクに伴って生じるベーンロータ20のばたつきを防止する。
オイルポンプ4とVTC1の間には油圧制御アクチュエータ5が設けられ、ベーンロータ20とハウジング10の間に画成された油室に給排される作動油圧を制御する。油圧制御アクチュエータ5は、エンジンの作動状態、すなわち水温センサ、クランク角センサ、スロットル開度センサにより検出されるエンジンの温度、エンジン回転数、エンジン負荷等をコントローラ6に入力し、算出された指令信号に応じて駆動され、ベーンロータ20内部に設けられた油圧供給ブロック7を介して作動油の給排を行う。コントローラ6からの指令信号に基づき油圧制御アクチュエータ5が駆動され、複数の油室に作動油が選択的に給排される。
本願実施例において、VTC1は吸気カムシャフトもしくは排気カムシャフトのいずれか一方または両方に設けられていればよく、特に限定しない。また、クランクシャフトの回転がチェーンにより直接両方のカムシャフトに伝達される構成としてもよく、一方のカムシャフトに伝達された後、別途回転伝達部材によって他方のカムシャフトに回転が伝達される構成でもよく、特に限定しない。
[バルブタイミング制御装置の構成]
図2は、VTC1の分解斜視図である。上述のようにVTC1はハウジング10、ベーンロータ20、及びスプロケット30を有する。ベーンロータ20は外周部において略等間隔に設けられた第1、第2ベーン210,220を有し、第1ベーン210は3枚、第2ベーン220は1枚設けられている。第2ベーン220は第1ベーン210よりも周方向幅を大きく設けられており、この第2ベーン220にはx軸方向貫通孔が設けられてロックピン21を軸方向摺動可能に収装する。また、第1、第2ベーン210,220の外径面にはシール40が設けられてハウジング10の内周面と液密に摺接する。
ハウジング10は内周面において径方向内側に突出するシュー110を有し、このシュー110の内径面にはシール50が設けられてベーンロータ20のロータ部230と液密に摺接する。これにより、シュー110と第1、第2ベーン210,220により複数(8つ)の油室が液密に画成される。
また、図中x軸を回転軸として反時計回りの回転を正とすれば、第1、第2ベーン210,220とシュー110により画成される油室のうち、回転正方向をシュー110に、回転負方向を第1または第2ベーン210,220により画成される4つの油室にはスプリングユニット300が設けられている。本願実施例ではこのスプリングユニット300が設けられている油室を進角油室500、スプリングユニット300が設けられていない油室を遅角油室600と定義する(図4参照)。なお、スプリングユニット300を遅角油室600に設けてもよく特に限定しない。
スプリングユニット300は2つの第1、第2コイルスプリング310,320及び保持部330から形成され、第1、第2コイルスプリング310,320は同一の付勢力に設けられている。また、シュー110及び第1、第2ベーン210,220の進角油室500側側面111及び211,221にはそれぞれx軸方向の溝112,212,222が設けられ、保持部330の径方向移動を規制する。
組み付け時にはスプリングユニット300を進角油室500にx軸負方向から挿入し、保持部330を各溝112,212,222に係合させて組み付けを行う。すなわち、1つの進角油室500に2つの第1、第2コイルスプリング310,320が設けられることとなる。
また、この第1、第2コイルスプリング310,320は、VTC1の回転方向に対し並列、かつx軸に対し対称に設けられる。したがって、スプリングユニット300の付勢力はVTC1の回転方向に作用する。なお、本願実施例では1つのスプリングユニット300に設けられるコイルスプリングは2つであるが、3つ以上であってもよく特に限定しない。
また、上述のように第2ベーン220にはx軸方向貫通孔223が設けられ、ロックピン21をx軸方向摺動可能に収装する。ロックピン21には、スプリング23及びリテーナ22が嵌め込まれてx軸正方向に付勢される。さらに、スプロケット30にはスリーブ11をx軸正方向に規制するスリーブ係止部31が設けられ、スリーブ11はスリーブ係止部31においてスプロケット30と当接して係止される。
組みつけの際には、まずハウジング10にベーンロータ20を挿入し、ロックピン21をx軸方向貫通孔223に挿入し、スプリング23、リテーナ22をロックピン21に挿入する。次に4つの進角油室500にスプリングユニット300をそれぞれ係合させ、x軸正方向からスプロケット30をハウジング10に当接させる。その際、スリーブ11及びスリーブ係止部31がx軸方向貫通孔223と同軸上となるよう当接させる。そして、ハウジング10のx軸負方向からフロントプレート60を当接させ、ボルト61により締結し、各部材を一体とする。
[スプリングユニットの詳細]
図3はスプリングユニット300の斜視図である。上述のようにスプリングユニット300は第1、第2コイルスプリング310,320及び保持部330からなり、第1、第2コイルスプリング310,320はそれぞれ両端において保持部330と嵌合し、保持されている。本願実施例1においては、第1、第2コイルスプリング310,320は同径同長とされ、互いに巻線方向が逆向きとなるよう設けられている。
この保持部330は金属薄板をプレス加工することで形成される長方形状部材であり、短辺は曲げ加工により内側に曲げられている。また、円筒状かつ同一方向に垂直に突出する突出部331が2つ設けられ、この突出部331は第1、第2コイルスプリング310,320を嵌合可能な径に設けられている。
組み付けの際には突出部331を第1、第2コイルスプリング310,320の両端と嵌合させることで第1、第2コイルスプリング310,320をそれぞれ保持部330に対し垂直に嵌合させて各コイルスプリングの傾きを極力防止し、圧縮した際にコイルスプリング同士が接触することを極力回避して耐久性を向上させた構成となっている。
[VTC径方向断面]
図4はVTC1の最進角位置における径方向断面図、図5は最遅角位置における径方向断面図である。上述のようにベーンロータ20は3枚の第1ベーン210及び1枚の第2ベーン220を有している。計4枚の第1、第2ベーン210,220を略等間隔に設けることでベーンロータ20の重量バランスを向上させ、VTC1作動時における振動を極力抑える構成となっている。また、各進角油室500にはスプリングユニット300が設けられ、ベーンロータ20を負方向回転側に付勢している。
進角油室500内において第2ベーン220に隣接するベーンロータ20には、外周側に伸びる突起240(回転規制機構)が設けられている。この突起240は、ベーンロータ20における中心部位となるロータ部230からスプリングユニット300に向けて外周側に突出し、シュー110と最遅角位置において当接する。また、突起240は回転軸方向に同一形状で形成され、ベーンロータ20の焼結加工時に型成形により形成されるため、別の部分に特別な機構を設ける必要がなく、簡単な構成で回転規制機構を構成することができるものである。
また、この突起240は、最遅角状態においてシュー110と当接した際にスプリングユニット300が完全に縮小しないような位置に設けられている。すなわち、最遅角状態となった場合、スプリングユニット300が完全に縮小状態となる前に突起240とシュー110が当接し、スプリングユニット300は完全縮小状態とはならない。そのため、最遅角状態においてもスプリングユニット300の保持部330に設けられた突出部331同士は互いに接触せず、干渉し合うことがない。
図4においてはVTC1は最進角状態であり、進角及び遅角油室500,600に油圧が作用していない、または進角油室500の作動油圧とスプリングユニット300の付勢力の和が遅角油室600の作動油圧よりも大きい状態である。この進角状態においては、ハウジング10は正回転方向に付勢され、ベーンロータ20は負回転方向に付勢されるため進角油室500の容積は最大となり、遅角油室600の容積は最小となってVTC1は最進角状態となる。
図5においてはVTC1は最遅角状態であり、遅角油室600の作動油圧が進角油室500の作動油圧とスプリングユニット300の付勢力の和よりも大きい状態である。この遅角状態においては、ハウジング10は負回転方向に付勢され、ベーンロータ20は正回転方向に付勢されるため遅角油室600の容積は最大となり、進角油室500の容積は最小となってVTC1は最遅角状態となる。
このとき、上述のように突起240がシュー110と当接するため、進角油室500には容積が確保された状態を維持するとともに、各スプリング310,320が完全に縮小してスプリング線同士が接触して塑性変形しないよう、ベーン側及びシュー側それぞれの保持330が当接しない位置となっている。このように、線間を確保してスプリング線同士の接触を回避することで、付勢力の変化を防止している。
図4に示すように、最進角状態における進角油室500内では、突起240の頂上付近とコイルスプリング310,320とは若干の隙間が形成された位置関係となるように形成されている。この状態で遅角制御を行うと、仮にコイルスプリング310,320が収縮する際に所定以上内径側に曲がってしまうようなことがあったとしても突起240がガイドとして機能するため、コイルスプリング310,320の変形を防止しつつ適正な付勢力の確保が可能である。最遅角状態においてはコイルスプリング310,320は最縮小状態にあり、図5に示すように突起240とは非接触となる。
[従来例と本願実施例における摩耗保持機能の対比]
図6は、VTC1の最遅角状態における第2ベーン220付近の径方向断面図である。図6に示すように、進角油室500内に設けられたスプリングユニット300の第1、第2コイルスプリング310,320の内径側に摩耗Aが進入したと仮定する。また、この摩耗AはVTC1に作動油の給排を行う油路の径よりも大きく、油路から流出しないため進角油室500内に滞留するものとする。
角状態においては、進角油室500の容積が最小となるため、従来技術のようにベーンロータ20に突起240が設けられていない場合、第1、第2コイルスプリング310,320は2つの保持部330における突出部331同士が当接するまで縮小する。その際摩耗Aが突出部331同士に挟まれると、VTC1の作動力により摩耗Aが破壊されてVTC1内の摺動面に入り込み、VTC1の作動を阻害するおそれがある。
また、突起240が設けられていない場合、破壊された摩耗Aが各コイルスプリング310,320の線間に挟まれると、各コイルスプリング310,320が十分に縮小せず、進角油室500の容積が十分に小さくならないため最遅角状態が達成できないという問題がある。その際破壊された摩耗Aを線間に挟むことで、万一、第1、第2スプリング310,320が破損した場合、破損したスプリングがハウジング10とベーンロータ20との間に進入し、VTC1が動不能となる、というおそれがあった。
さらに、進角油室500内にスプリングユニット300ではなく、スプリングのみを設けて保持部330を設けない場合であったとしても、突起240が設けられていなければ最遅角状態においてシュー110とベーンロータ20とが直接当接することになるため、油路の径よりも大きい摩耗Aは破壊を免れない。また、摩耗が油路の径よりも小さい摩耗Bであったとしても、シュー110とベーンロータ20とが直接当接するため、最遅角状態において滞留する領域が失われ、ハウジング10とベーンロータ20の間等の摺動面に入り込み、VTC1の作動応答性が悪化する、という問題があった。
これに対し本願実施例では、進角油室500内において第2ベーン220に隣接するベーンロータ20に、外周側に伸びる突起240(回転規制機構)を設けることとした。これにより、進角油室500が最小容積となった場合においても保持部330同士の接触を防止することで第1、第2コイルスプリング310,320内径部の容積を確保することが可能となる。よって、第1、第2コイルスプリング310,320内径部は、回転規制機構によって常に容積を有することとなるため、摩耗粉は、この第1、第2コイルスプリング310,320内径部に浮遊することとなり、破壊された摩耗が摺動面に進入することを回避してVTC1の作動応答性を確保することができる。
また、大きな摩耗が破壊した場合、あるいは小さな摩耗が進角油室500内に存在する場合であっても、進角油室500の容積を常に確保することで、進角油室500内に摩耗を浮遊させることで、摺動面への進入することを回避し、作動応答性を確保できる(請求項1に対応。)。
また、ベーンロータ20からスプリングユニット300が配置される進角油室500内に伸びる突起240を回転規制機構とし、ベーンロータ20とハウジング10の相対回転を規制することとした。これにより、突起240を設ける以外、他の部材に特別な機構を設ける必要がなくなり、簡単な構成によりベーンロータ20とハウジング10の相対回転を規制する回転規制機構を設けることができる(請求項2に対応。)。
また、突起240は、ベーンロータ20における中心部位となるロータ部230からスプリングユニット300に向けて外周側に突出させることで、第1、第2コイルスプリング310,320が伸縮する際に所定以上曲がってしまうことを防止するガイド効果を得ることができる(請求項3に対応。)。
さらに、本願実施例では進角油室500に対応する位置に突起240を設けたが、突起240を遅角油室600に対応する位置に設けた場合であっても、本願実施例と同様の作用効果を得ることができる。
[他の実施例]
以上、本発明を実施するための最良の形態を実施例1に基づいて説明してきたが、本発明の具体的な構成は実施例1に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても、本発明に含まれる。
実施例1では第2ベーン220に隣接する進角油室500に対応してベーンロータ20に突起240を設けたが、図7に示すように第2ベーン220の周方向反対側に位置する第1ベーン210に隣接する進角油室500に対応して突起240aを設けてもよい。第2ベーン220はロックピン21を収装するため周方向幅が第1ベーン210よりも大きく、必然的に重量も大きくなるが、第2ベーン220の周方向反対側に位置する第1ベーン210に隣接して突起240aを設けることにより、重量バランスが改善されてVTC1作動時の振動を抑制することができる。
また、図8に示すように、4つの進角油室500全てに突起240bを設けてもよい。突起240bを4つの進角油室500全てに設けることで、各突起240bに作用する荷重を低減して耐久性を向上させることができる。さらに、4つの進角油室500のうち2つまたは3つの進角油室500に突起240bを設けてもよい。4つの進角油室500全てに設ける場合に比べて軽量化を図りつつ、1つの突起240bにかかる荷重の低減を行うことができる。
また、本願実施例では突起240を回転規制機構としたが、第1、第2ベーン210,220とシュー110を接触させない作用を持つものであれば他のものでもよい。例えば、第1、第2ベーン210,220またはシュー110から進角油室500内において周方向に伸びるストッパを設けてもよい。これら他の実施例における各場合においても、突起240aまたは240bを遅角油室600に対応する位置に設けることで同様の作用効果を得ることができる。
更に、上記実施例から把握しうる請求項以外の技術的思想について、以下にその効果とともに記載する。
(イ)請求項1ないし請求項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において、
前記ベーンの1つに内燃機関の始動時に前記ハウジングに対する前記ベーンロータの位置を拘束する拘束機構を設け、
該拘束機構が設けられたベーンに対して周方向反対側のベーンに近接させて前記突起を設け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。
拘束機構が設けられたベーンは拘束機構を収容しなければならないので周方向にある程度の幅を有するが、周方向反対側のベーン付近に突起が設けられているので重量バランスが良好となり、装置が回転した際の振動を極力抑制することができる。
(ロ)上記(イ)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、
前記拘束機構は、前記ベーンに回転軸方向に沿って形成された摺動孔と、
該摺動孔内を摺動可能に設けられたロックピストンと、
前記ロックピストンを前記ベーンから突出する方向に付勢するロックスプリングと、
前記ハウジングに形成され、前記ロックピストンが前記ベーンから突出した際に前記ロックピストン先端を収容可能な収容孔と、
前記ロックピストンを内燃機関の始動状態に応じて解除させる解除機構と、
から構成されてい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。
(ハ)請求項1ないし請求項3、または(イ)及び(ロ)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において、
前記ベーンロータは4枚のベーンを有してい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。
よって、ベーンロータに作用する力をバランスよく配分することが可能となり作動効率を高めることができ、装置が回転した際の振動を極力抑制することができる。
(ホ)請求項2または請求項3、または(イ)、(ロ)及び(ハ)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において、
前記突起は複数箇所に設けられ、該複数の突起が前記ハウジングに対して当接可能となってい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。
複数の突起がハウジングに当接するので突起に作用する荷重を低減することが可能となり、突起の耐久性を向上させることができる。
(ヘ)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において、
前記突起は、前記スプリングを保持する保持器から前記遅角油室及び/又は前記進角油室内に伸びる突起で構成され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。
保持器を加工するのみで回転規制機構を構成することが可能となり、ベーンロータやハウジング等の加工を回避することでコストを抑制することができる。
バルブタイミング制御機構におけるエンジン始動時の側面断面図を含むバルブタイミング制御装置の構成を表す図である。 バルブタイミング制御機構の分解斜視図である。 スプリングユニットの斜視図である。 バルブタイミング制御機構の最進角位置における径方向断面図である。 バルブタイミング制御機構の最遅角位置における径方向断面図である。 バルブタイミング制御機構の最遅角状態における第2ベーン付近の径方向断面図である。 本願バルブタイミング制御機構の他の実施例を示す図である。 本願バルブタイミング制御機構の他の実施例を示す図である。
符号の説明
1 バルブタイミング制御装置
2 カムシャフト
3 カムボルト
4 オイルポンプ
5 油圧制御アクチュエータ
6 コントローラ
7 油圧供給ブロック
10 ハウジング
11 スリーブ
20 ベーンロータ
21 ロックピン
22 リテーナ
23 スプリング
30 スプロケット
110 シュー
210 第1ベーン
220 第2ベーン
223 軸方向貫通孔
230 ロータ部
240 突起
300 スプリングユニット
310,320 コイルスプリング
330 保持部
500 進角油室
600 遅角油室

Claims (3)

  1. 内燃機関のクランクシャフトから回転が伝達される回転伝達部材と、
    前記回転伝達部材もしくはカムシャフトの一方に固定され、少なくとも軸方向一端側に開口を有するハウジング本体と、該ハウジング本体の開口を封止する少なくとも一枚のプレートによって構成されるハウジングと、
    前記ハウジング本体の内周側に突出するように形成されることにより作動室が隔成されるシューと、
    前記回転伝達部材もしくはカムシャフトの他方に固定され、径方向に突出するベーンを有するとともに前記ハウジング内に配置されるベーンロータと、
    前記作動室を前記ベーンロータによって隔成することで形成され、流体給排手段によって油の供給及び排出が行われる遅角油室と進角油室と
    前記遅角油室又は前記進角油室に配置され、前記ベーンと前記シューが互いに離れる方向に付勢力を作用させるコイルスプリングと、
    前記コイルスプリングが配置される前記遅角油室又は前記進角油室内において前記ベーンと前記シューとが接触せず、かつ前記コイルスプリングの線間が接触しないように前記ベーンと前記シューの相対回転を規制する回転規制機構と、
    を有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。
  2. 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、
    前記回転規制機構は、前記ベーンロータから前記コイルスプリングが配置される前記遅角油室又は前記進角油室内に延びる突起で構成され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。
  3. 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、
    前記回転規制機構は、前記ベーンロータにおける中心部位となるロータ部から前記コイルスプリングに向けて外周側に伸びる突起で構成されて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。
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