JP4552902B2 - バルブタイミング調整装置 - Google Patents

Description

本発明は、クランク軸からのトルク伝達によりカム軸が開閉する吸気弁及び排気弁のうち少なくとも一方のバルブタイミングを調整する内燃機関のバルブタイミング調整装置に関する。

従来、電動モータや電磁ブレーキ等の電磁アクチュエータを利用してバルブタイミングを調整するバルブタイミング調整装置が知られている。こうしたバルブタイミング調整装置の一種に、内燃機関の始動性確保と燃費・出力向上との両立を図るべく、内燃機関の始動時においてクランク軸及びカム軸の間の相対位相（以下、機関位相という）を最進角位相及び最遅角位相の間の中間位相に保持可能としたものが、特許文献１に開示されている。この特許文献１に開示の装置では、ブレーキ軸から位相変化機構へ制動トルクを与えて機関位相を変化させる電磁ブレーキと別に、内燃機関停止時に作動するサブブレーキを設け、当該サブブレーキと位相変化機構のスプリングとのトルクバランスによって中間位相を実現している。
特開２００５−１４６９９３号公報

しかし、特許文献１に開示の装置では、内燃機関停止前の低回転状態において位相変化機構を通じてカム軸からブレーキ軸に作用する正負のカムトルクが温度条件等により大きく変化し易いことから、上記トルクバランスを高精度に調整することが難しくなる。そのため、内燃機関の停止状態において実現される中間位相の精度が低下してしまい、内燃機関を適切に始動することができなくなるおそれがある。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、内燃機関の運転に適したバルブタイミング調整を実現するバルブタイミング調整装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明によると、電動モータがモータ軸に発生させるコギングトルクのピーク値は、電動モータへの通電の停止状態において位相変化機構を通じてカム軸からモータ軸に作用する正負のカムトルクの絶対値よりも大きくなるように、設定されている。故に、内燃機関の停止に伴って電動モータへの通電が停止した状態下、正又は負のカムトルクがモータ軸に作用したとしても、コギングトルクが当該カムトルクに打ち勝つことでモータ軸が保持されるので、位相変化機構によって機関位相も保持される。これにより内燃機関の停止中は、電動モータへの通電停止によって実現される機関位相を内燃機関の始動に適切な位相に保持することができるので、その始動性が確保される。したがって、請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の運転、特に始動に適したバルブタイミング調整を実現することができる。

請求項２に記載の発明によると、コギングトルクのピーク値は、正負のカムトルクの絶対値のうち少なくとも一方の最大予測値よりも大きくなるように設定されているので、電動モータへの通電停止状態下においてコギングトルクがカムトルクに確実に打ち勝つことができる。したがって、モータ軸の保持性、ひいては機関位相の保持性を高めて内燃機関の始動性を十分に確保することができる。

請求項３に記載の発明によると、内燃機関の停止に必須の条件は、内燃機関の停止指令であるイグニッションスイッチのオフ指令、又は内燃機関のアイドル回転状態における回転数である。そして、かかる条件を検知して、電動モータへの通電により機関位相として所定の位相を実現した後、電動モータへの通電を停止するので、電動モータへの通電停止により実現される機関位相が略一定となる。その結果、コギングトルクの作用によって内燃機関の停止中に保持される機関位相も略一定となるので、内燃機関始動時における機関位相を安定化することができる。

請求項４に記載の発明によると、モータステータの発生磁界を受けることによりモータ軸と共に回転する永久磁石は、モータステータの内周側に配置されたモータ軸の外周壁に設けられるので、永久磁石の磁力をモータステータへ直接的に作用させることが可能になる。ここでコギングトルクは、永久磁石の磁力がモータステータに作用することにより発生するので、その磁力の直接的な作用によれば、コギングトルクを効率的に発生させることができる。尚、モータステータの発生磁界を受けることによりモータ軸と共に回転する永久磁石については、例えばモータ軸の内部に埋設されていてもよい。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。図１は、本発明の一実施形態によるバルブタイミング調整装置１を示している。バルブタイミング調整装置１は、内燃機関のクランク軸（図示しない）からカム軸２へ機関トルクを伝達する伝達系に設けられている。バルブタイミング調整装置１は電動モータ４、通電制御回路６及び位相変化機構８を組み合わせてなり、クランク軸及びカム軸２の間の機関位相を変化させることにより内燃機関の吸気弁のバルブタイミングを調整する。

図１，２に示すように、電動モータ４はブラシレスモータであり、ハウジング１００、軸受１０１、モータ軸１０２及びモータステータ１０３を備えている。ハウジング１００は、ステー（図示しない）を介して内燃機関に固定される。ハウジング１００内には、二つの軸受１０１及びモータステータ１０３が収容固定されている。各軸受１０１は、モータ軸１０２の軸本体１０４を支持している。この支持によりモータ軸１０２は、図２の方向Ｘ，Ｙへ正逆回転可能となっている。モータ軸１０２において軸本体１０４から外周側へ突出するロータ部１０５には、その回転方向に等間隔に並ぶ形態で複数の永久磁石１０６が設けられている。これにより各永久磁石１０６は、モータ軸１０２と共に正逆回転可能となっている。回転方向において隣り合う永久磁石１０６同士は、互いに逆極性の磁極をロータ部１０５の外周側に形成している。モータステータ１０３はロータ部１０５の外周側に同心的に配置されており、コア１０８及びコイル１０９を有している。コア１０８は鉄片を積層して形成され、モータ軸１０２の回転方向に等間隔に複数設けられている。各コア１０８に個別に巻装されているコイル１０９には、通電制御回路６が電気的に接続されている。

図１に示す通電制御回路６は、例えば電動モータ４の駆動ドライバ及び当該ドライバの制御用マイクロコンピュータ等から構成され、電動モータ４のハウジング１００内に収容固定されている。尚、通電制御回路６については、その少なくとも一部分をハウジング１００の外部に設けてもよい。通電制御回路６は、電動モータ４の各コイル１０９への通電を内燃機関の運転状況等に応じて制御する。このように制御された通電を受けて電動モータ４は、各永久磁石１０６に作用する回転磁界を各コイル１０９の励磁により発生することで、当該回転磁界に応じた方向Ｘ，Ｙの回転トルクをモータ軸１０２へ与えて、モータ軸１０２を回転駆動する。

図１に示すように、位相変化機構８は、駆動側回転体１０、従動側回転体２０、遊星キャリア４０及び遊星歯車５０を備えている。

図１，３に示すように駆動側回転体１０は、歯車部材１２とスプロケット１３とを同軸上に螺子止めしてなる。筒状の歯車部材１２において周壁部は、歯底円の内周側に歯先円を有する駆動側内歯車部１４を形成している。筒状のスプロケット１３には、外周側へ突出する複数の歯１９が設けられている。スプロケット１３は、それら歯１９とクランク軸の複数の歯との間で環状のタイミングチェーンが巻き掛けられることにより、クランク軸と連繋している。したがって、クランク軸から出力された機関トルクがタイミングチェーンを通じてスプロケット１３に入力されるとき駆動側回転体１０は、クランク軸と連動して当該クランク軸に対する相対位相を保ちつつ回転する。このとき駆動側回転体１０の回転方向は、図３の反時計方向となる。

図１，４に示すように、従動側回転体２０は有底筒状であり、駆動側回転体１０の内周側に同心的に配置されている。従動側回転体２０の底部は、カム軸２に同軸上に螺子止めされて連繋する連繋部２１を形成している。この連繋により従動側回転体２０は、カム軸２と連動して当該カム軸２に対する相対位相を保ちつつ回転可能となっており、また駆動側回転体１０に対して相対回転可能となっている。尚、駆動側回転体１０に対して従動側回転体２０が進角する相対回転方向が方向Ｘであり、駆動側回転体１０に対して従動側回転体２０が遅角する相対回転方向が方向Ｙである。

従動側回転体２０の周壁部は、歯底円の内周側に歯先円を有する従動側内歯車部２２を形成している。ここで、従動側内歯車部２２の内径は駆動側内歯車部１４の内径よりも小さく設定され、また従動側内歯車部２２の歯数は駆動側内歯車部１４の歯数よりも少なく設定されている。従動側内歯車部２２は、駆動側内歯車部１４に対して軸方向へずれて隣接する形態でスプロケット１３の内周側に嵌合している。

図１，３，４に示すように、遊星キャリア４０は全体として筒状であり、内周面部により入力部４１を形成している。入力部４１は、回転体１０，２０及びモータ軸１０２に対して同心的に配置されている。入力部４１には溝部４２が開口しており、当該溝部４２に嵌合する継手４３を介して遊星キャリア４０がモータ軸１０２と連結されている。この連結により遊星キャリア４０は、モータトルクの発生に応じてモータ軸１０２と共に回転可能となっており、また駆動側回転体１０に対して相対回転可能となっている。

遊星キャリア４０は、外周面により偏心部４４を形成している。偏心部４４は内歯車部１４，２２に対し偏心して配置され、遊星歯車５０の中心孔５１の内周側にベアリング４５を介して嵌合している。この嵌合により遊星歯車５０は、偏心部４４の偏心中心周りに自転しつつ遊星キャリア４０の回転方向へ公転する遊星運動を実現可能となっている。

遊星歯車５０は二段の筒状であり、歯底円の外周側に歯先円を有する駆動側外歯車部５２及び従動側外歯車部５４をそれぞれ大径部分及び小径部分によって形成している。ここで、駆動側外歯車部５２の歯数は駆動側内歯車部１４の歯数よりも所定数Ｎ（ここでは一つ）少なく設定され、また従動側外歯車部５４の歯数は従動側内歯車部２２よりも所定数Ｎ少なく設定されている。したがって、従動側外歯車部５４の歯数は駆動側外歯車部５２の歯数よりも少なくなっている。駆動側外歯車部５２は駆動側内歯車部１４の内周側に配置されて、当該歯車部１４と噛み合っている。また、駆動側外歯車部５２よりも連繋部２１側の従動側外歯車部５４は従動側内歯車部２２の内周側に配置されて、当該歯車部２２と噛み合っている。

以上の構成により回転体１０，２０の内部には、駆動側内歯車部１４と従動側内歯車部２２とが遊星歯車５０を介して連繋してなる差動歯車機構６０が形成されている。この差動歯車機構６０によると、遊星キャリア４０が駆動側回転体１０に対して相対回転しないときには、遊星歯車５０が内歯車部１４，２２との噛合位置を保ちつつ、回転体１０，２０と共に回転する。したがって、機関位相は変化せず、バルブタイミングが保持される。

一方、モータトルクの方向Ｘへの増大等により、モータ軸１０２と共に遊星キャリア４０が駆動側回転体１０に対して方向Ｘへ相対回転するときには、遊星歯車５０が内歯車部１４，２２との噛合位置を変化させつつ遊星運動することで、従動側回転体２０が駆動側回転体１０に対して方向Ｘへ相対回転する。したがって、機関位相はクランク軸に対するカム軸２の進角側へと変化し、それに合わせてバルブタイミングが進角する。

また一方、モータトルクの方向Ｙへの増大等により、モータ軸１０２と共に遊星キャリア４０が駆動側回転体１０に対して方向Ｙへ相対回転するときには、遊星歯車５０が内歯車部１４，２２との噛合位置を変化させつつ遊星運動することで、従動側回転体２０が駆動側回転体１０に対して方向Ｙへ相対回転する。したがって、機関位相はクランク軸に対するカム軸２の遅角側へと変化し、それに合わせてバルブタイミングが遅角する。

次に、本実施形態の特徴部分について説明する。本実施形態においてアイドル回転状態の内燃機関がイグニッションスイッチのオフ指令等の停止指令を受けて停止するときには、通電制御回路６がその停止指令を検知して各コイル１０９への通電を制御することにより、機関位相を図５に示す所定の位相Ｐｈに保持する。そしてこの後、内燃機関の回転数が閾値Ｒｔｈ（例えば２００ｒｐｍ）以下になると、通電制御回路６が各コイル１０９への通電を停止する。その結果、内燃機関が完全停止すると同時にモータ軸１０２も完全停止することになるが、通電停止からモータ軸１０２の完全停止までに要する時間は非常に短い（例えば０．１秒程度）ので、図５に示すように機関位相は位相Ｐｈよりも僅かに遅角側の位相Ｐｓで止まる。そこで本実施形態では、停止した内燃機関の次の始動を許容する始動位相に位相Ｐｓが設定される。

さらに本実施形態においては、図１，２に示すように各永久磁石１０６が断面円弧状に形成され、モータステータ１０３の内周側に配置されたロータ部１０５の外周壁１１０に装着されている。これにより各永久磁石１０６とモータステータ１０３とは、モータ軸１０２の径方向において空間１１２を挟んで向き合っている。したがって、各コイル１０９への非通電時には、各永久磁石１０６の磁力が空間１１２を通じて直接的に各コア１０８に作用することで、それらコア１０８が磁化されるため、モータ軸１０２には、その回転位置に応じて図６に示すように脈動するコギングトルクが発生する。このコギングトルクのうち正負のピーク値が図６に示すＴｐであり、本実施形態では、下記式（１）を満たすように設定されている。ここで、式（１）におけるＴｃは、各コイル１０９への通電が停止される内燃機関の停止状態でカム軸２がバルブ反力により回転することにより、位相変化機構８を通じてモータ軸１０２に作用する正又は負のカムトルクの絶対値である。
Ｔｐ＞Ｔｃ ・・・（１）

上述したように内燃機関の停止状態で発生する正負のカムトルクの絶対値Ｔｃは、より厳密には、カム軸２の回転位置や温度条件等に応じて変化する。そこで、本実施形態では、正負のカムトルクの絶対値Ｔｃのうち双方についての予測される最大値Ｔｃｍａｘに対し、コギングトルクのピーク値Ｔｐが下記式（２）を満たすように設定されている。
Ｔｐ＞Ｔｃｍａｘ ・・・（２）

以上説明したコギングトルクのピーク値設定によると、内燃機関の停止に伴って機関位相が始動位相Ｐｓに達した状態下、バルブ反力によるカムトルクがモータ軸１０２に作用したとしても、当該カムトルクにモータ軸１０２のコギングトルクが打ち勝つことができる。その結果、モータ軸１０２は、カムトルクの作用にかかわらず始動位相Ｐｓの実現位置に保持される。しかも、この始動位相Ｐｓについては、上述したように内燃機関の停止に伴って機関位相が所定の位相Ｐｈから僅かに変化することで実現されるので、機関停止毎に略一定の値となる。

このような本実施形態によれば、内燃機関の停止時には始動位相Ｐｓを安定的に獲得し、さらに内燃機関の停止中は始動位相Ｐｓを確実に保持することができるので、内燃機関の次の始動には、当該始動が困難又は不能となる事態を回避することができる。即ち本実施形態によれは、内燃機関の運転、中でも始動に適したバルブタイミング調整を実現することができる。

以上、本実施形態では、通電制御回路６が特許請求の範囲に記載の「通電制御手段」に相当する。

ここまで、本発明の一実施形態について説明してきたが、本発明は当該実施形態に限定して解釈されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態に適用することができる。

例えば電動モータ４としては、モータ軸１０２にコギングトルクを発生するものであれば、上述したブラシレスモータ以外の種類のモータであってもよい。また、コギングトルクのピーク値Ｔｐについては、内燃機関の停止状態においてストッパ機能により正負のカムトルクのいずれか一方のみがモータ軸１０２に作用する場合等には、正負のカムトルクの絶対値Ｔｃのうちいずれか一方についての予測される最大値Ｔｃｍａｘに対し上記式（２）を満たすように設定してもよい。

永久磁石１０６の配設形態については、モータ軸１０２の例えばロータ部１０５の内部に永久磁石１０６が埋設される形態であってもよい。また、永久磁石１０６の配設数及び形状については、仕様に応じて適宜設定することができる。さらにまた、モータステータ１０３を構成するコア１０８及びコイル１０９のそれぞれの配設数については、永久磁石１０６の配設数等に応じて適宜設定することができる。

内燃機関の停止に必須の条件としては、内燃機関が停止する際に必ず現出する条件であれば、上述した内燃機関の停止指令以外にも、例えばアイドル回転状態の内燃機関の回転数等を採用してもよい。また、内燃機関の停止時及び停止中に実現する始動位相については、上述した最遅角位相及び最進角位相の間の中間位相Ｐｓ以外にも、最遅角位相又は最進角位相であってもよい。

電動モータ４に組み合わされる位相変化機構８としては、モータ軸１０２の回転に応じて機関位相を変化させることによりバルブタイミングを調整可能な機構であれば、適宜採用することができる。

本発明の一実施形態によるバルブタイミング調整装置を示す図であって、図３のI−I線断面図である。 図１のII−II線断面図である。 図１のIII−III線断面図である。 図１のIV−IV線断面図である。 本発明の一実施形態によるバルブタイミング調整装置の特徴的作動を説明するための特性図である。 本発明の一実施形態によるバルブタイミング調整装置の特徴的構成を説明するための特性図である。

符号の説明

１ バルブタイミング調整装置、２ カム軸、４ 電動モータ、６ 通電制御回路（通電制御手段）、８ 位相変化機構、１００ ハウジング、１０１ 軸受、１０２ モータ軸、１０３ モータステータ、１０４ 軸本体、１０５ ロータ部、１０６ 永久磁石、１０８ コア、１０９ コイル、１１０ 外周壁、１１２ 空間、Ｐｈ 位相（所定の位相）、Ｐｓ 始動位相、Ｔｃ カムトルクの絶対値、Ｔｃｍａｘ 最大値（最大予測値）、Ｔｐ コギングトルクのピーク値

Claims (4)

1. クランク軸からのトルク伝達によりカム軸が開閉する吸気弁及び排気弁のうち少なくとも一方のバルブタイミングを調整する内燃機関のバルブタイミング調整装置であって、
   モータ軸を有し、前記モータ軸にコギングトルクを発生させる電動モータと、
   前記電動モータへの通電により前記モータ軸の回転を制御し、前記内燃機関の停止に伴って前記電動モータへの通電を停止する通電制御手段と、
   前記クランク軸及び前記カム軸に連繋し、前記モータ軸の回転に応じて前記クランク軸及び前記カム軸の間の相対位相を変化させる位相変化機構と、を備え、
   前記コギングトルクのピーク値は、前記電動モータへの通電の停止状態において前記位相変化機構を通じて前記カム軸から前記モータ軸に作用する正負のカムトルクの絶対値よりも大きくなるように、設定されていることを特徴とするバルブタイミング調整装置。
2. 前記コギングトルクのピーク値は、前記正負のカムトルクの絶対値のうち少なくとも一方の最大予測値よりも大きくなるように設定されている請求項１に記載のバルブタイミング調整装置。
3. 前記内燃機関の停止に必須の条件は、前記内燃機関の停止指令であるイグニッションスイッチのオフ指令、又は前記内燃機関のアイドル回転状態における回転数であり、
   前記通電制御手段は、前記条件を検知して、前記電動モータへの通電により前記相対位相として所定の位相を実現した後、前記電動モータへの通電を停止することを特徴とする請求項１又は２に記載のバルブタイミング調整装置。
4. 前記電動モータは、
   通電により磁界を発生するモータステータと、
   前記モータステータの内周側に配置される前記モータ軸と、
   前記モータ軸の外周壁に設けられ、前記モータステータの発生磁界を受けることにより前記モータ軸と共に回転する永久磁石と、
   を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のバルブタイミング調整装置。

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