JP4487878B2

JP4487878B2 - 内燃機関のバルブタイミング制御装置

Info

Publication number: JP4487878B2
Application number: JP2005215210A
Authority: JP
Inventors: 文彦今村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-07-26
Filing date: 2005-07-26
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2025-07-26
Also published as: JP2007032380A

Description

この発明は、内燃機関のバルブタイミングを可変制御するバルブタイミング制御装置に関し、特に、駆動回転体と従動回転体との相対的な回転位相を油圧で変化させる形式のバルブタイミング制御装置の改良に関する。

例えば内燃機関の吸気弁のバルブタイミングを機関運転条件に応じて遅進させるために、特許文献１等に記載されているようなベーン式バルブタイミング制御装置が知られている。これは、半径方向へ延びた複数のベーンを有するロータと、このロータを収容した円盤状のハウジングと、を備えたものであって、上記ロータがカムシャフトの端部に固定されるとともに、上記ハウジングに、クランクシャフトとタイミングチェーンを介して連動するスプロケットが取り付けられている。上記ハウジングは、上記ベーンがそれぞれ噛み合わされる複数の扇形の凹部を有し、この凹部とベーンとの噛み合いによって、上記ロータと上記ハウジングとは、所定角度範囲だけ相対回転可能となっている。そして、各凹部内には、ベーンを挟んで、一方に進角側油圧室が、他方に遅角側油圧室が、それぞれ区画され、これらの油圧室へ導入する油圧を適宜に可変制御することで、ロータとハウジングとの相対位相が可変制御され、ひいては、カムシャフトのクランクシャフトに対する位相が変化するようになっている。

ここで、この種のバルブタイミング制御装置においては、油圧がまだ十分に発生し得ない機関始動時に、バルブタイミングを所定の位置に安定的に確保するために、ロータとハウジングとの間にロック機構が設けられるのが一般的であり、このロック機構によって、所定位置、例えば最遅角位置もしくは最進角位置に固定し得る構成となっている。例えば、上記特許文献１に記載の装置では、いずれかのベーンの挿入孔に、軸方向に沿って摺動可能にロックピンが嵌合しており、このロックピンが、ハウジングの側壁面に設けたロック孔に係合するようになっている。上記ロックピンは、コイルスプリングによってロック孔へ向けて常時突出するように付勢されており、かつロック孔側には、ロック解除のためのロック解除油圧室が設けられている。つまり、内燃機関の停止の際には、ロータがハウジングに対し所定位置例えば最遅角位置となったときに、ロックピンがロック孔に係合し、ロータがハウジングに対し固定される。そして、機関の始動に伴って十分な油圧が発生すると、この油圧が上記ロック解除油圧室を通してロックピンに作用し、該ロックピンが後退してロック解除される。なお、このロック解除油圧室へ導かれる油圧は、一般に、遅角側油圧室もしくは進角側油圧室へ導入される油圧の一部であり、いずれかの油圧室へ導入される油圧が高まるにつれて、ロック解除油圧室の油圧も高くなる。
特開２００３−２２７３２０号公報

機関停止時に油圧配管内に空気が滞留している状態で機関を始動すると、オイルポンプにより油圧が立ち上がると同時に油圧配管内に滞留している空気が一気に押し出されるため、空気を含んだ油が遅角側油圧室もしくは進角側油圧室を経由してロック解除油圧室内へ導かれ、不用意にロック解除が行われるおそれがある。このように、機関始動直後に不用意にロック解除が行われると、カムシャフトに作用する交番トルクによって、ベーンとハウジングとが繰り返し衝突して、不快な打音（異音）を発生するという問題がある。

このように空気を含んだ油による不用意なロック解除を防止するために、上記の特許文献１のようにロックピンの受圧面積を縮小したり、ロックピンを嵌合方向へ付勢するリターンスプリングの荷重を増大したり、あるいは、ロック解除後の打音の発生を抑制するために、機関始動後のファーストアイドル回転数を高くすること等が考えられる。

しかしながら、ロックピンの受圧面積を縮小したりリターンスプリングの荷重を増大すると、ロックピンが抜け難くなるので、ロック解除を安定して速やかに行うことができず、機関始動性を損ねるおそれがある。また、ファーストアイドル回転数を高くすると、ファン騒音やトルク段差等を招くおそれがある。本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであって、機関始動時の不用意なロック解除と、これに伴う打音・異音の発生を効果的に低減・解消することを主たる目的としている。

本発明に係る内燃機関のバルブタイミング制御装置は、クランクシャフトにより回転駆動される駆動回転体と、吸気又は排気カムシャフトと一体的に回転する従動回転体と、進角側油圧通路と遅角側油圧通路の供給油圧を切り換える油圧制御弁と、を有し、上記進角側油圧通路と遅角側油圧通路の供給油圧に応じて駆動回転体と従動回転体との相対位相を変更する内燃機関のバルブタイミング制御装置であって、
上記駆動回転体と従動回転体のいずれか一方に設けられた半径方向に延びるベーンが、他方に設けられた凹部内に配置され、
上記ベーンの両側に、上記進角側油圧通路が接続する進角側油圧室と、上記遅角側油圧通路が接続する遅角側油圧室と、が形成され、
これら進角側油圧室と遅角側油圧室への供給油圧に応じて駆動回転体と従動回転体との相対位相が変化するものであり、
上記駆動回転体と従動回転体とを最遅角位相にロック可能で、かつ、上記遅角側油圧通路に連通するロック解除油圧室へ所定の油圧が供給されるとロック解除となるロック機構を有し、
機関始動開始から所定期間、油圧制御弁により進角側油圧通路と遅角側油圧通路の双方を遮断するとともに、
機関始動開始から所定期間が経過すると、遅角側油圧通路へ油圧が供給されるように油圧制御弁を切り換えることを特徴としている。

機関始動開始直後では、未だ油圧が低いため、仮に不用意にロック機構がロック解除されると、カムシャフトに作用する交番トルク等に起因して、例えばハウジングとベーンのような駆動回転体と従動回転体とがばたついて、不快な打音・異音を生じるおそれがある。本発明によれば、機関始動開始から所定期間、油圧制御弁により進角側油圧通路と遅角側油圧通路の双方を遮断しているため、遅角側油圧通路に連通するロック解除油圧室へ油が供給されることがなく、不用意にロック解除が行われることがない。そして、機関始動から上記所定期間経過後には、機関回転数の上昇に伴い油圧が高くなるので、遅角側油圧通路に油圧が供給されると、ロック解除油圧室内の油圧も急速に上昇して速やかにロック解除が行われ、かつ、高い油圧により駆動回転体と従動回転体とがばたつくことなく所定位置に保持されるので、上記の打音・異音を生じることがない。このように本発明によれば、機関始動時の不用意なロック解除と、これに伴う打音・異音の発生を効果的に低減・解消することができる。

図１及び図２は、この発明に係る内燃機関のバルブタイミング制御装置の一実施例を示す断面図である。このバルブタイミング制御装置は、駆動回転体としての略円盤状をなすハウジング１と、このハウジング１内に収容された従動回転体としてのロータ２と、から大略構成されている。ハウジング１は、軸方向中央のボディ１５と、その前後両端を覆うフロントエンドプレート１６およびリヤエンドプレート１７と、を有し、これらがボルト１４により固定されている。リヤエンドプレート１７の外周にはカムスプロケット３が形成されており、このカムスプロケット３と図示せぬクランクシャフトのクランクスプロケットとに図示せぬタイミングチェーンが巻き掛けられている。また、ロータ２は、上記ハウジング１に対し後述するように所定角度だけ相対回転可能となっており、かつカムシャフト４の前端にセンターボルト４Ａによって固定されている。つまり、ハウジング１がクランクシャフトに同期して回転するとともに、このハウジング１とともにロータ２が回転してカムシャフト４が駆動され、かつハウジング１とロータ２との相対回転によって、カムシャフト４のクランクシャフトに対する位相が遅進する構成となっている。なお、ハウジング１およびロータ２は、カムシャフト４の回転中心に対し同軸状に配置されている。

上記ロータ２は、半径方向に延びた複数個例えば３個ないし４個のベーン５を備えている。具体的には、ロータ２は内周側に環状部６を有し、この環状部６からほぼ一定の角度間隔でもってベーン５が突出している。一方、ハウジング１の内部には、上記ベーン５がそれぞれ収容される扇形の凹部７が複数形成されており、かつ隣接する凹部７の間には、上記環状部６に達する凸部８がそれぞれ設けられている。上記ベーン５は、上記凹部７にそれぞれ噛み合っており、このベーン５と凹部７との噛み合いによって、上記ロータ２と上記ハウジング１とは、所定角度範囲だけ相対回転可能となっている。そして、各凹部７内には、ベーン５を挟んで、圧力室として、一方に進角側油圧室９が、他方に遅角側油圧室１０が、それぞれ区画されている。従って、進角側油圧室９へ油圧が供給されるとバルブタイミングが進角する方向へロータ２が相対回転し、かつ遅角側油圧室１０へ油圧が供給されるとバルブタイミングが遅角する方向へロータ２が相対回転する。各ベーン５及び凸部８の先端部には、進角側油圧室９と遅角側油圧室１０との間をシールするために、適宜な金属からなるアペックスシール１１がそれぞれ配置されている。

また、ハウジング１とロータ２を回転方向に固定・ロックするロック機構１２が設けられている。具体的には、ベーン５には、ロータ２の軸方向に沿ったプランジャ嵌合孔１３が形成されており、このプランジャ嵌合孔１３内にロックピン１９が摺動可能に嵌合している。一方、リヤエンドプレート１７には、上記ロータ２の最遅角位置に対応して、ロックピン１９の端部が係合可能なロック孔１８が凹設されている。ロックピン１９は、コイルスプリング２１によって常時突出方向、つまりロック孔１８に嵌合する方向（図１の右方向）へ付勢されている。

ロック孔１８には、ロックピン１９の端面との間にロック解除油圧室２３が画成されている。このロック解除油圧室２３は、適宜な油圧通路２０を介して後述する遅角側油圧通路２５及び進角側油圧通路２４の少なくとも一方（この例では遅角側油圧通路２５）に接続しており、遅角側油圧室１０もしくは進角側油圧室９へ供給される油圧と同一の油圧がロック解除用の油圧として作用する。

進角側油圧室９には、進角側油圧通路２４を通して油圧が供給され、遅角側油圧室１０には、遅角側油圧通路２５を通して油圧が供給される。これらの油圧通路２４，２５への供給油圧は、油圧制御弁３２によって切り換えられる。詳しくは、油圧制御弁３２には、油圧供給通路３０と作動油をオイルパン３３へ排出するドレン通路３１とが接続されている。油圧供給通路３０にはオイルパン３３内の油を圧送するオイルポンプ３４が設けられる。このオイルポンプ３４は内燃機関のクランクシャフトにより機械的に回転駆動されるもので、従って、機関回転数が高くなるほどオイルポンプ３４からの吐出圧・供給油圧が高くなる。

油圧制御弁３２は、リターンスプリング３２Ａに抗してスプール３２Ｂを進退駆動するソレノイド３２Ｃを有している。ソレノイド３２Ｃは、機関制御部３５からの出力信号のデューティ比に応じてＯＮ−ＯＦＦ駆動される。機関制御部３５は、周知のように各種制御処理を記憶及び実行する機能を有し、機関運転状態に応じて上記のデューティ比を変化させることにより、スプール３２Ｂを進角位置４１・遅角位置４２及び保持位置４３へ切換制御する。

スプール３２Ｂが進角位置４１にあるとき、油圧供給油路３０と進角側油圧通路２４とが連通し、進角側油圧室９へ油圧が供給されるとともに、ドレン通路３１と遅角側油圧通路２５とが連通し、遅角側油圧室１０の作動油がオイルパン３３へ排出される。スプール３２Ｂが初期位置である遅角位置４２にあるとき、油圧供給油路３０と遅角側油圧通路２５とが連通し、遅角側油圧室１０に油圧が供給されるとともに、ドレン通路３１と進角側油圧通路２４とが連通し、進角側油圧室９の作動油がオイルパン３３へ排出される。スプール３２Ｂが保持位置４３にあるとき、進角側油圧通路２４と遅角側油圧通路２５の双方が遮断され、進角側油圧室９及び遅角側油圧室１０の油圧が保持される。

内燃機関の停止時には、ロータ２がハウジング１に対し最遅角位置となったときに、ロック機構１２のロックピン１９がコイルスプリング２１により押圧されてロータ２の軸方向へ摺動し、ロックピン１９の端部がロック孔１８に係合する。これにより、ロータ２とハウジング１とが機関始動に適した所定の位相つまり最遅角位相に固定される。従って、次の機関始動時におけるクランキングの際に、バルブタイミングが機関始動に適した位相に安定的に維持され、確実な始動が可能となる。

そして本実施例では、機関始動開始Ｔ０から所定期間ΔＴ（図４参照）、油圧制御弁３２のスプール３２Ｂを保持位置４３に保持して、進角側油圧通路２４と遅角側油圧通路２５の双方を遮断する。図３は、このような本実施例の制御の流れを示すフローチャートである。ステップ１では、機関始動を開始したか、つまりクランキングを開始したかを判定する。機関始動が開始されると、ステップ２へ進み、油圧制御弁３２を保持位置４３に保持する。ステップ３では、機関始動開始Ｔ０から所定期間ΔＴが経過したかを判定する。この所定期間ΔＴは、後述するようにロック解除油圧室２３へ供給される油圧がベーン５のバタツキを抑制し得る所定の基準値ΔＰ（図４参照）以上に速やかに立ち上がる期間に相当し、例えば予め設定された一定時間（例えば、約３秒）である。機関始動開始Ｔ０から所定期間ΔＴが経過したと判定されると、ステップ４へ進み、油圧制御弁３２を遅角位置４２へ切り換える。

図４は、機関始動時の機関回転数とロック解除油圧室２３へ供給される油圧の変化を示すタイミングチャートである。図中、実線Ｌ１は本実施例に対応し、破線Ｌ２は、機関始動時に油圧制御弁３２を遅角位置４２のままとする比較例に対応している。

本実施例では、機関始動開始Ｔ０から所定期間ΔＴ、油圧制御弁３２を保持位置４３に保持して、進角側油圧通路２４及び遅角側油圧通路２５の双方を遮断している。従って、進角側油圧通路２４や遅角側油圧通路２５等の油圧配管内に溜まった空気（エア）が進角側油圧室９や遅角側油圧室１０へ流入することがなく、エア圧によりロックピン１９が不用意にロック孔１８から抜けてロック解除されることを確実に防止することができる。

機関始動開始Ｔ０から所定期間ΔＴを経過した時点Ｔ１では、機関回転数Ｎｅの上昇に伴いオイルポンプ３４からの供給油圧が十分に上昇しているために、油圧制御弁３２を保持位置４３から遅角位置４２へ切り換えることにより、図４に示すようにロック解除油圧室２３へ供給される油圧が、ベーン５を安定して保持し得る所定の基準値ΔＰを越えて急激に立ち上がるために、ロックピン１９が速やかにロック孔１８から抜けてロック解除され、かつ、ロック解除後にも高い油圧によりベーン５がハウジング１の凹部７に対して最遅角位相に保持され、ベーン５のバタツキによる打音・異音の発生を確実に抑制・回避することができる。

これに対して比較例では、圧力勾配が緩やかな機関始動直後にロックピン１９が不用意に解除されると、ロック解除油圧室２３へ供給される油圧の立ち上がりが低いために、ベーン５のバタツキを抑えられずに、打音・異音を生じることとなってしまう。

なお、上述した実施例では、所定期間ΔＴを予め設定された固定時間としているが、これに代えて、例えばオイルポンプ３４の吐出圧を検出する油圧センサを設け、この吐出圧に基づいて、ロック解除油圧室２３へ供給される油圧が所定の基準値ΔＰ以上となるかを判定し、この判定結果に基づいて、油圧制御弁３２を保持位置４３から遅角位置４２（又は進角位置４１）へ切り換えるようにしても良い。

本発明の一実施例に係る内燃機関のバルブタイミング制御装置を示す構成図。上記実施例のバルブタイミング制御装置を示す断面図。上記実施例の制御の流れを示すフローチャート。機関始動時の機関回転数とロック解除油圧室へ供給される油圧の変化を示すタイミングチャート。

符号の説明

１…ハウジング
２…ロータ
４…カムシャフト
５…ベーン
７…凹部
９…進角側油圧室
１０…遅角側油圧室
１２…ロック機構
１８…ロック孔
１９…ロックピン
２３…ロック解除油圧室
２４…進角側油圧通路
２５…遅角側油圧通路
３０…油圧供給通路
３２…油圧制御弁
３４…オイルポンプ

Claims

クランクシャフトにより回転駆動される駆動回転体と、吸気又は排気カムシャフトと一体的に回転する従動回転体と、進角側油圧通路と遅角側油圧通路の供給油圧を切り換える油圧制御弁と、を有し、上記進角側油圧通路と遅角側油圧通路の供給油圧に応じて駆動回転体と従動回転体との相対位相を変更する内燃機関のバルブタイミング制御装置であって
、
上記駆動回転体と従動回転体のいずれか一方に設けられた半径方向に延びるベーンが、他方に設けられた凹部内に配置され、
上記ベーンの両側に、上記進角側油圧通路が接続する進角側油圧室と、上記遅角側油圧通路が接続する遅角側油圧室と、が形成され、
これら進角側油圧室と遅角側油圧室への供給油圧に応じて駆動回転体と従動回転体との相対位相が変化するものであり、
上記駆動回転体と従動回転体とを最遅角位相にロック可能で、かつ、上記遅角側油圧通路に連通するロック解除油圧室へ所定の油圧が供給されるとロック解除となるロック機構を有し、
機関始動開始から所定期間、油圧制御弁により進角側油圧通路と遅角側油圧通路の双方を遮断するとともに、
機関始動開始から所定期間が経過すると、遅角側油圧通路へ油圧が供給されるように油圧制御弁を切り換え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。
上記ロック機構は、上記駆動回転体及び従動回転体の一方に設けられたロック孔と、
上記駆動回転体及び従動回転体の他方に設けられ、上記ロック解除油圧室内の油圧がロック孔から離間する方向へ作用するロックピンと、
上記ロックピンをロック孔に嵌合する方向へ付勢する付勢手段と、を有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。
内燃機関により回転駆動されて油を加圧するオイルポンプを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。