JP5299646B2

JP5299646B2 - 可変動弁装置付エンジン

Info

Publication number: JP5299646B2
Application number: JP2010089464A
Authority: JP
Inventors: 礼俊松永; 真一村田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2010-04-08
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2030-04-08
Also published as: JP2011220203A

Description

本発明は、カムの位相を変更可能なカム位相可変機構を備えたエンジンに関するものである。

近年、バルブの開閉時期（カムの位相）を変化させる可変動弁装置として、カム位相可変機構を備えたエンジンが増加してきている。更に、１つの気筒にバルブが複数備えられたエンジンに上記カム位相可変機構を２個使用し、エンジンの運転状態に応じて複数のバルブの全体及び一部の開閉時期を変化させる技術が開発されている。
こうしたエンジンの動弁装置に用いられるカムシャフトは、シャフト部材に別体のカム山部を回動可能に嵌め合わせて組み立てられ、シリンダヘッドに複数形成された軸受け部に回転可能に支持されている。カム位相可変機構は、例えばベーン式アクチュエータのような油圧機器が用いられ、カムシャフトの両端に配置されている。そして、２個のカム位相可変機構のうち一方は複数のバルブ全体の位相を、他方は複数のバルブのうち一部のバルブとその他のバルブとの位相を可変させるスプリット可変を可能としている（特許文献１）。

特開２００９−１４４５２１号公報

上記特許文献１では、カム位相可変機構はオイルポンプからシリンダヘッド及びカムシャフト内に形成された油路を介して作動油が供給される。この油路は、夫々のカム位相可変機構に近接した軸受け部でシリンダヘッド内とカムシャフト内とを連通するように形成されており、相対的に回転する軸受け部とカムシャフトとの間で常に連通するように、軸受け部の内周面に円環状の溝を備えている。

しかしながら、このように相対的に回転する軸受け部とカムシャフトとの間には隙間を有するので、この隙間から作動油が漏れ、カム位相可変機構への作動油の供給量が低下する虞がある。そして、作動油の供給量が低下するとカム位相可変機構の応答性が低下して、バルブの駆動に迅速かつ正確に対応して可変作動を行うことが困難となる虞がある。特に、特許文献１のようにカムシャフトの両端部にカム位相可変機構が２個設けられた場合、いずれも高い応答性が必要となるが、バルブ全体の位相を可変するカム位相可変機構とスプリット可変を行うカム位相可変機構の可変応答性をバランス良く設計する必要が生じたり、いずれか一方を優先した設計が求められたりする。

本発明の目的は、カムシャフトの両端部に夫々設けられたカム位相可変機構の可変応答性をいずれか一方を優先したり、または、そのバランスをとった可変動弁装置付エンジンを提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１の発明は、カムシャフトの両端部にバルブ駆動用カムの位相を可変する油圧駆動式のカム位相可変機構が夫々備えられるとともに、カムシャフトがシリンダヘッドに複数設けられた軸受け部により回転可能に支持される可変動弁装置付エンジンにおいて、両端部に設けられた２個のカム位相可変機構へ作動油を導入する油路は、シリンダヘッド内及びカムシャフト内に夫々形成され、互いに異なる軸受け部においてシリンダヘッド内の油路とカムシャフト内との油路とが連通するように形成されるとともに、２個のカム位相可変機構のうち一方の第１のカム位相可変機構へ作動油を導入する油路はカムシャフトの外周面に円環状の油溝を備え、他方の第２のカム位相可変機構へ作動油を導入する油路は軸受け部の内周面に円環状の油溝を備えることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１において、エンジンは１つの気筒に複数の吸気バルブが備えられ、第１のカム位相可変機構は複数の吸気バルブ全体の位相を可変するとともに、第２のカム位相可変機構は複数の吸気バルブのうち一部の吸気バルブの位相を可変することを特徴とする。
また、請求項３の発明は、請求項２において、第２のカム位相可変機構へ作動油を導入する油路が形成された軸受け部は、第１のカム位相可変機構へ作動油を導入する油路が形成された軸受け部より内径が大きく形成されていることを特徴とする。

本発明の請求項１の可変動弁装置付エンジンによれば、第１のカム位相可変機構へ作動油を導入する油路は回転するカムシャフトの外周面に円環状の油溝を備え、第２のカム位相可変機構へ作動油を導入する油路は固定された軸受け部の内周面に円環状の油溝を備えるので、第１のカム位相可変機構への油溝に供給する油路の開口部ではカムシャフト外周面の円環状油溝内の油も油溝に引きずられて回転しており、開口部に対して油の流れは速く、第２のカム位相可変機構への油溝に供給する油路の開口部では軸受け部内周面の円環状油溝内の油は回転するカム軸面側だけが引きずられて回転しており、開口部に対して油の流れが遅くなる。これにより、油溝への供給油路の開口部付近での圧力差が生じ、第１のカム位相可変機構への油路の開口部付近よりも第２のカム位相可変機構への油路の開口部付近の油圧が低くなり、油溝内へ作動油を供給し易くなる。したがって、第１のカム位相可変機構よりも第２のカム位相可変機構への作動油の流通性が向上し、第２のカム位相可変機構に優先して作動油が供給され迅速に作動可能にすることができる。

本発明の請求項２の可変動弁装置付エンジンによれば、第１のカム位相可変機構による複数の吸気バルブ全体の位相の可変よりも、第２のカム位相可変機構による一部の吸気バルブの位相を優先して可変させることができる。したがって、例えばエンジンの低速低負荷時にオイルポンプからの作動油の供給量が低下した場合でも、第２のカム位相可変機構による所謂吸気バルブのスプリット可変を優先して迅速に行うことができ、要求される最適なカムタイミングに遅れなく変更することができるので、高いドライバビリティを維持しながら燃費性能を向上させることができる。

本発明の請求項３の可変動弁装置付エンジンによれば、第２のカム位相可変機構へ作動油を導入する油路が形成された軸受け部は、第１のカム位相可変機構へ作動油を導入する油路が形成された軸受け部よりも内径が大きく形成されているので、油溝内での作動油の周速が増加し、油路の開口部付近の油圧が増大し難くい。これにより、例えば第２のカム位相可変機構により所謂吸気バルブのスプリット可変を行うようにすれば、この吸気バルブのスプリット可変を優先して迅速に行うことができ、高いドライバビリティと燃費性能が維持されつつ、設計自由度が高くでき、強度信頼性が高められる。また、カムシャフトの両端部に夫々設けられたカム位相可変機構の可変応答性のバランスをとることができる。

本実施形態に係る可変動弁装置付エンジンにおけるシリンダヘッド内の構造を示す上面図である。吸気カムシャフトの及びその支持部の構造を示す断面図である。油溝内での作動油の周速を示す説明図であり、Ａ）はカムシャフト側に油溝を設けた場合、Ｂ）はシリンダヘッド側に油溝を設けた場合を示す。Ｃ）はカムシャフト側に油溝を設けた場合での溝幅方向の断面図、Ｄ）はシリンダヘッド側に油溝を設けた場合での溝幅方向の断面図である。シリンダヘッド側に油溝を設けた場合での、油路の配置例を示す断面図である。

以下、図面に基づき本発明の一実施形態について説明する。
図１は本実施形態の可変動弁装置付エンジン（以下、単にエンジン１という）のシリンダヘッド２内の構造を示す上面図である。図２は、吸気カムシャフト４及びその支持部の構造を示す断面図である。
本実施形態のエンジン１は、ＤＯＨＣ式の動弁機構を有する直列３気筒のエンジンである。図１に示すように、シリンダヘッド２の内部に設けられた排気カムシャフト３及び吸気カムシャフト４には、夫々カムスプロケット５、６が接続され、これらのカムスプロケット５、６はチェーン７を介して図示しないクランクシャフトに連結されている。

エンジン１の１つの気筒８には、２つの吸気バルブ９、１０と図示しない２つの排気バルブとが設けられている。２つの吸気バルブ９、１０は、吸気カムシャフト４に交互に配置された第１の吸気カム１１及び第２の吸気カム１２により駆動される。詳しくは、２つの吸気バルブのうち第１の吸気バルブ９は第１の吸気カム１１に、第２の吸気バルブ１０は第２の吸気カム１２により駆動される。一方、２つの排気バルブは、排気カムシャフト３に固定された排気カム１３により駆動される。

図２に示すように、吸気カムシャフト４は、中空状のアウタカムシャフト２１とアウタカムシャフト２１に挿入されたインナカムシャフト２２とを備えた２重構造となっている。アウタカムシャフト２１及びインナカムシャフト２２は、若干の隙間を有しつつ同心上に配置され、エンジン１のシリンダヘッド２に形成された複数の軸受け部２３ａ〜２３ｅに回動可能に支持されている。

アウタカムシャフト２１には、第１の吸気カム１１が固定されている。また、アウタカムシャフト２１には回動可能に第２の吸気カム１２が支持されている。第２の吸気カム１２は、アウタカムシャフト２１が挿入される略円筒状の支持部１２ａと支持部１２ａの外周から突出し第２の吸気バルブ１０を駆動するカム山部１２ｂとから構成されている。第２の吸気カム１２とインナカムシャフト２２とは固定ピン２４により固定されている。固定ピン２４は、第２の吸気カム１２の支持部１２ａ、アウタカムシャフト２１及びインナカムシャフト２２を貫通しており、インナカムシャフト２２に設けられた孔に略隙間なく挿入されるとともに、両端部がかしめられて支持部１２ａに固定されている。アウタカムシャフト２１には固定ピン２４が通過する長孔２５が周方向に延びて形成されている。よって、第１の吸気カム１１はアウタカムシャフト２１の回転により駆動し、第２の吸気カム１２はインナシャフト２２の回転により駆動する構成となっている。

吸気カムシャフト４の両端には、第１のカム位相可変機構３０及び第２のカム位相可変機構３１が設けられている。第１のカム位相可変機構３０及び第２のカム位相可変機構３１は、例えば公知のベーン式油圧アクチュエータが用いられている。ベーン式油圧アクチュエータは、円筒状のハウジング内にベーンロータが回動可能に設けられて構成されており、ハウジング内への作動油の供給に応じて、ハウジングに対するベーンの回転角度を可変させる機能を有する。

第１のカム位相可変機構３０は吸気カムシャフト４の前端部に設けられている。詳しくは、第１のカム位相可変機構３０のハウジングにカムスプロケット６が固定されているとともに、第１のカム位相可変機構３０のベーンロータにアウタカムシャフト２１が固定されている。
第２のカム位相可変機構３１は、吸気カムシャフト４の後端部に設けられている。詳しくは、第２のカム位相可変機構３１のハウジングにアウタカムシャフト２１が固定されているとともに、第２のカム位相可変機構３１のベーンロータにインナカムシャフト２２が固定されている。

したがって、第１のカム位相可変機構３０は、カムスプロケット６に対するアウタカムシャフト２１の回転角を可変させる機能を有する一方、第２のカム位相可変機構３１は、アウタカムシャフト２１に対するインナカムシャフト２２の回転角を可変させる機能を有する。即ち、第１のカム位相可変機構３０は、排気バルブの開閉時期に対して第１の吸気バルブ９及び第２の吸気バルブ１０全体の開閉時期を可変させる機能を有するとともに、第２のカム位相可変機構３１は、第１の吸気バルブ９の開閉時期と第２の吸気バルブ１０の開閉時期との差を可変させるスプリット可変機能を有する。

図１に示すように、シリンダヘッド２には、アウタカムシャフト２１の実回転角を検出する第１のカムセンサ３２と、第１のカム位相可変機構３０への作動油の吸排を制御する第１のＯＣＶ３３とが固定されている。第１のＯＣＶ３３は、第１のカム位相可変機構３０に近接した位置に配置されており、エンジン１のシリンダブロックに固定された図示しないオイルポンプから、シリンダヘッド２に上下方向に延びて形成された油路４０を介して作動油が供給される。第１のカムセンサ３２は、第１のＯＣＶ３３の制御、即ち第１のカム位相可変機構３０の作動制御に用いられる。

シリンダヘッド２の後部には、第２のカム位相可変機構３１への作動油の吸排を制御する第２のＯＣＶ３４と、第２のカム位相可変機構３１のベーンロータの回転角を検出する第２のカムセンサ３５が固定されている。第２のＯＣＶ３４は、油路４０及びこの油路４０から分岐した油路４１を介して、前記第１のＯＣＶ３３に供給するオイルポンプから作動油が供給される。第２のカムセンサ３５は、第２のカム位相可変機構３１のベーンロータに固定されている部位であるカバー３６に面してシリンダヘッド２に固定されており、カバー３６の実回転角を検出することで、インナカムシャフト２２の実回転角を検出する。

したがって、第２のカムセンサ３５と第１のカムセンサ３２とによりアウタカムシャフト２１とインナカムシャフト２２との実回転角差を検出することが可能となり、この実回転角差が第２のＯＣＶ３４の制御、即ち第２のカム位相可変機構３１の作動制御に用いられる。
図２に示すように、第１のＯＣＶ３３から第１のカム位相可変機構３０へは、シリンダヘッド２に形成された油路５１、吸気カムシャフト４に形成された油路５２を介して作動油が供給される。特に、軸受け部２３ａに支持される吸気カムシャフト４の部位であるカムジャーナル５３には、その外周面に円環状に油溝５４が形成されており、この油溝５４に面して軸受け部２３ａの内周面に油路５１が開口している。これにより、相対的に回転する軸受け部２３ａとカムジャーナル５３との間で常に油路５１、５２が連通する構造となっている。

第２のＯＣＶ３４から第２のカム位相可変機構３１へは、シリンダヘッド２に形成された油路６１、アウタカムシャフト２１に形成された油路６２を介して作動油が供給される。特に、軸受け部２３ｅには、その内周面に円環状に油溝６３が形成されており、この油溝６３に面して、軸受け部２３ｅに支持される吸気カムシャフト４の部位であるカムジャーナル６４の外周面に油路６２が開口している。これにより、相対的に回転する軸受け部２３ｅとカムジャーナル６４との間で常に油路６１、６２が連通する構造となっている。

更に、本実施形態のエンジン１では、第２のカム位相可変機構３１への油路６１が形成された軸受け部２３ｅの内径が、第１のカム位相可変機構３０への油路５１が形成された軸受け部２３ａの内径よりも大きく形成されている。
以上のように、エンジン１には、相対的に回転するシリンダヘッド２の軸受け部２３ａ、２３ｅと吸気カムシャフト４との間で作動油が常に流通可能なように、軸受け部２３ｅの内周面あるいはカムジャーナル５３の外周面のいずれか一方に円環状の油溝５４、６３が設けられている。特に、本実施形態のエンジン１では、第１のカム位相可変機構３０への油路５１が形成された軸受け部２３ａでは、カムジャーナル５３の外周面に円環状の油溝５４が設けられる一方、第２のカム位相可変機構３１への油路６１が形成された軸受け部２３ｅでは、軸受け部２３ｅの内周面に円環状の油溝６３が設けられる。このように、円環状の油溝５４、６３を固定された軸受け部２３ａ、２３ｅ及び回転するカムジャーナル５３、６４のいずれかに設けることで、その油溝５４、６３内への作動油の流入し易さが異なり、作動油の流通性が異なる。以下、その理由について、図３を用いて説明する。

図３は、油溝５４、６３内での作動油の周速を示す説明図であり、Ａ）はカムシャフト（カムジャーナル５３）側に油溝５４を設けた場合での回転方向の断面図、Ｂ）はシリンダヘッド（軸受け部６３ｅ）側に油溝６３を設けた場合での回転方向の断面図である。なお、本図では、周速が比較しやすいように直線的に図示している。また、図３のＣ）は、カムシャフト側に油溝５４を設けた場合での溝幅方向断面図、Ｄ）はシリンダヘッド側に油溝６３を設けた場合での溝幅方向断面図であり、油溝内の速度分布を示す。

第２のカム位相可変機構３１への油溝６３に供給する油路６１の開口部では、軸受け部２３ｅの内周面に設けられた円環状の油溝６３内の油は回転するカムシャフト側だけが引きずられて回転しており、開口部に対して油の流れが遅くなる。これにより、油溝６３への供給油路の開口部付近での圧力差が生じ、第１のカム位相可変機構３０への油路５１の開口部付近よりも第２のカム位相可変機構３１への油路６１の開口部付近の方が油圧が低くなり、油溝６３内へ作動油を供給し易くなる。

図３（Ａ）及び（Ｃ）に示すように、回転するカムシャフト（カムジャーナル５３）側に円環状の油溝５４を設けた場合は、カムシャフト外周面の円環状の油溝５４内の油も油溝５４に引きずられて回転しており、油溝５４内の溝壁近傍では作動油の周速が大きくなる（図中ｂ）。したがって、油溝５４の油路５１の開口部付近での作動油の周速（図中ａ）も比較的大きくなる。

一方、図３（Ｂ）、（Ｄ）に示すように、シリンダヘッド２に固定された部位である軸受け部２３ｅ側に設けられた油溝６３内では、油路６１の開口部付近の反対側においてはカムジャーナル６４の回転に伴って粘性により作動油が回転するが（図中ｃ）、溝壁近傍では作動油が回転し難く周速が比較的小さい（図中ｄ）。したがって、油溝６３の油路６１の開口部付近での作動油の周速（図中ｃ）は比較的小さくなる。

油溝への供給油路の開口部付近での作動油の周速が異なることで、油圧が異なり、この油圧差が軸受け部２３ａ、２３ｅに形成された油路５１、６１から油溝５４、６３内への作動油の流入し易さに影響する。即ち、図３（Ｂ）、（Ｄ）に示すようにシリンダヘッド２側に油溝６３を設けた方が供給油路の開口部付近での油圧が小さく作動油が流入し易くなり、図３（Ａ）、（Ｃ）に示すようにカムシャフト側に油溝５４を設けた方が供給油路の開口部付近での油圧が大きく作動油が流入し難くなる。本実施形態では、シリンダヘッド２側に油溝６３を設けた油路を用いて第２のカム位相可変機構３１に作動油が供給されるので、吸気カムシャフト４側に油溝５４を設けた油路を用いて作動油が供給される第１のカム位相可変機構３０よりも優先して作動油が供給され、第２のカム位相可変機構３１によるスプリット可変の作動応答性を向上させることができる。

したがって、例えばオイルポンプからの作動油の供給量が低下する低負荷低回転時であっても、第２のカム位相可変機構３１によるスプリット可変の応答性を確保することができる。
また、本実施形態では、上記のように、第１のカム位相可変機構３０への油路が形成された軸受け部２３ａより、第２のカム位相可変機構３１への油路が形成された軸受け部２３ｅの方が、内径が大きく形成されているので、これに伴い油溝５４よりも油溝６３内での作動油の周速、特にその最大値が大きくなる。このように周速の最大値が大きくなっても、油溝６３内の供給油路の開口部付近の作動油の周速は低いので、圧力が小さく、油溝６３内に作動油が流入しやすくなる。したがって、第１のカム位相可変機構３０よりも第２のカム位相可変機構３１の方へ作動油が供給され易い状態が維持できる。すなわち、ジャーナル径を大きく設計可能となり高いドライバビリティと燃費性能が維持されつつ、設計自由度が高くでき、強度信頼性が高められる。また、カムジャーナルの油溝配置を異ならせることで供給油路の開口部付近での油圧を調整し、第１のカム位相可変機構３０と第２のカム位相可変機構３１の可変応答性をバランスすることもできる。

なお、本実施形態では、第１のカム位相可変機構３０及び第２のカム位相可変機構３１のいずれも、第１のカム位相可変機構３０に近接した油路４０を介して作動油が供給されるので、オイルポンプから第１のカム位相可変機構３０までの油路の方が、オイルポンプから第２のカム位相可変機構３１までの油路よりも距離が短くなっている。したがって、油路の全体的な距離を考慮すると、第２のカム位相可変機構３１までの油路の方が圧損が大きくなってしまうが、上記のように軸受け部２３ａ、２３ｅの構成により、第２のカム位相可変機構３１への作動油の供給性を向上させることで、作動油の供給性の不利を解消することができる。このように、油圧源から遠い油圧機器に対して油路が形成される軸受け部を拡径させることで、作動油の供給性の低下を回避することができ、オイルポンプ、第１のカム位相可変機構３０及び第２のカム位相可変機構３１の配置や、油路の配置の設計自由度を向上させることができる。

図４（Ａ）〜（Ｄ）は、シリンダヘッド（軸受け部６３ｅ）側に油溝６３を設けた場合での、油溝６３に対する油路６１の配置例を示す断面図である。（Ａ）〜（Ｃ）は溝幅方向の断面図、（Ｄ）は回転方向の断面図である。
シリンダヘッド側に油溝６３を設けた場合には、上記のように、油溝６３内での作動油はカムジャーナル６４側だけが引きずられて回転し、油溝６３に対する油路６１の供給口（開口部）付近の作動油の速度が遅くなるので、油路６１から油溝６３への作動油が供給し易くなる。よって、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、油溝６３への作動油の供給位置及び供給方向を自由に設定しても、作動油が供給不足され難くなり、油路６１の配置等の設計自由度を高くすることが可能となる。

１エンジン
２シリンダヘッド
４吸気カムシャフト
９第１の吸気バルブ
１０第２の吸気バルブ
３０第１のカム位相可変機構
３１第２のカム位相可変機構
２３ａ、２３ｅ軸受け部
５４、６３油溝

Claims

カムシャフトの両端部にバルブ駆動用カムの位相を可変する油圧駆動式のカム位相可変機構が夫々備えられるとともに、前記カムシャフトがシリンダヘッドに複数設けられた軸受け部により回転可能に支持される可変動弁装置付エンジンにおいて、
前記両端部に設けられた２個のカム位相可変機構へ作動油を導入する油路は、前記シリンダヘッド内及び前記カムシャフト内に夫々形成され、互いに異なる前記軸受け部において前記シリンダヘッド内の油路と前記カムシャフト内との油路とが連通するように形成されるとともに、
前記２個のカム位相可変機構のうち一方の第１のカム位相可変機構へ作動油を導入する油路は前記カムシャフトの外周面に円環状の油溝を備え、他方の第２のカム位相可変機構へ作動油を導入する油路は前記軸受け部の内周面に円環状の油溝を備えることを特徴とする可変動弁装置付エンジン。
前記エンジンは１つの気筒に複数の吸気バルブが備えられ、
前記第１のカム位相可変機構は前記複数の吸気バルブ全体の位相を可変するとともに、前記第２のカム位相可変機構は前記複数の吸気バルブのうち一部の吸気バルブの位相を可変させることを特徴とする請求項１に記載の可変動弁装置付エンジン。
前記第２のカム位相可変機構へ作動油を導入する油路が形成された軸受け部は、前記第１のカム位相可変機構へ作動油を導入する油路が形成された軸受け部より内径が大きく形成されていることを特徴とする請求項２に記載の可変動弁装置付エンジン。