JP6319218B2 - エンジンの駆動力伝達システム - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの駆動力伝達システムに関する。

従来、エンジンの吸気カム軸および排気カム軸は、タイミングチェーンおよびスプロケット等からなる動力伝達機構を介して、クランク軸に連結されている。タイミングチェーンは、吸気バルブおよび排気バルブ等の往復運動による加振力を受ける。

動力伝達機構が有する固有振動数（共振周波数）に、加振力の振動周波数が接近すると、タイミングチェーンが共振状態となって、タイミングチェーンに過大な張力が発生し、その結果、タイミングチェーンの寿命が短くなるという問題がある。

この問題に対処するために、従来、例えば、排気カム軸に連結された燃料ポンプ（例えば、特許文献１参照）のプランジャを排気バルブの往復運動とは逆位相で往復運動させることにより、排気バルブによる加振力を燃料ポンプによる加振力で相殺する等の対策が講じられている。

特開２０１１−４３０９２号公報

ところで、近年、エンジンのさらなる燃費向上のための手段の１つとしてエンジンの高圧縮比化が進められており、このようなエンジンにおいては、バルブタイミングをより精密に制御することが必要とされることから、吸気カムおよび排気カムが可変バルブタイミング機構（ＶＶＴ）により最適な開閉タイミングとなるよう制御される。カム軸と、このカム軸に回転力を伝えるためのスプロケットとは、ＶＶＴを介して相互に接続される。また、燃焼室内への燃料噴射を緻密に制御するために、高圧燃料ポンプが使用されることがある。

一般的なエンジンにおいては、燃料ポンプはカム軸の一端に燃料ポンプ駆動軸が接続され、カム軸とともにタイミングチェーンあるいはタイミングベルトを介してクランクシャフトの回転力によって駆動されるが、高圧燃料ポンプの駆動には大きな駆動力が必要であるため、ＶＶＴを介してカム軸に大きな駆動力を伝達しようとした場合、特にＶＶＴがモータにより駆動される電動ＶＶＴであると、高圧燃料ポンプの駆動に必要なトルクが電動ＶＶＴのモータが発生させることのできるトルクを上回り、ＶＶＴが作動しなくなる虞がある。そのため、カム軸にＶＶＴを設ける場合には、カム軸に高圧燃料ポンプを連結することは適切ではない。ＶＶＴが油圧式である場合にも、燃料ポンプの駆動トルクに打ち勝って作動できるよう高い油圧が必要となり、オイルポンプの仕事が増大し、機械抵抗が増大する。

そこで、本発明者は、高圧燃料ポンプの駆動軸（ポンプ駆動軸）をエンジン高さ方向において、クランク軸とカム軸の間に配置し、ポンプ駆動軸に２つのスプロケットを設けて、一方のスプロケットとクランク軸のスプロケットとに第１のタイミングチェーンを掛け回すとともに、他方のスプロケットと吸気カム軸と排気カム軸とに第２のタイミングチェーンを掛け回すことにより、高圧燃料ポンプを作動させることを考えた。

しかしながら、先行技術文献に開示されるような燃料ポンプを排気カム軸に接続する構成ではないため、排気バルブの往復運動による加振力を燃料ポンプによる加振力で相殺することができないため、タイミングチェーンに作用する加振力を抑制することができず、タイミングチェーンが共振状態となり易くなる虞がある。

本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、タイミングチェーンが共振状態となるのを効果的に抑制することにより、タイミングチェーンの寿命を延ばすことができるエンジンの駆動力伝達システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、エンジンを構成するクランク軸の駆動力を無端伝動部材によりカム軸に伝達する駆動力伝達システムであって、前記クランク軸に設けられたクランクスプロケットと、前記カム軸に設けられたカムスプロケットと、前記クランク軸とカム軸との間に配置された中間軸と、前記中間軸に設けられ、相対回転可能な状態で相対向する第１スプロケットおよび第２スプロケットを有する２段スプロケットと、前記クランクスプロケットと前記第１スプロケットとに巻き掛けられる第１タイミングチェーンと、前記カムスプロケットと前記第２スプロケットとに巻き掛けられる第２タイミングチェーンとを備え、前記２段スプロケットは、前記第１スプロケットと前記第２スプロケットとを繋ぎ、前記第１スプロケットおよび前記第２スプロケットの回転方向に弾性力を発揮するバネにより構成されるバネ部を有することを特徴とする、エンジンの駆動力伝達システムを提供する。

本発明によれば、第１スプロケットと第２スプロケットとの間にバネを第１スプロケットと第２スプロケットの回転方向に弾性力を発揮するように設けることにより、駆動力伝達システム全体の共振周波数が加振力の振動周波数と一致しないように、駆動力伝達システム全体の弾性係数を調節することができる。これにより、ピストン、吸気カムおよび排気カムからの加振力によってタイミングチェーンが共振状態となるのを効果的に抑制することができ、タイミングチェーンの寿命が短くなることを抑制することができる。

本発明においては、前記バネの弾性係数は、前記駆動力伝達システム全体の共振周波数が、エンジンを無負荷状態で運転したときのエンジン回転数であるアイドル回転数に対応するエンジンの振動周波数よりも小さくなる値に設定されていることが好ましい。

この構成によれば、駆動力伝達システム全体の共振周波数が、エンジンの常用域（アイドル回転数以上の回転数域）に対応する振動周波数よりも小さくなるので、タイミングチェーンが共振状態となるのをより一層効果的に抑制することができる。

本発明においては、前記中間軸が、同軸上に燃料ポンプを駆動する燃料ポンプ駆動軸を有することが好ましい。

この構成によれば、中間軸の駆動力は燃料ポンプの駆動にのみ用いられるため、他のエンジン補機の作動に悪影響を与えることなく、燃料ポンプを駆動することができる。

本発明においては、前記カム軸上に可変バルブタイミング機構が設けられていることが好ましい。

この構成によれば、燃料ポンプ駆動の影響を受けることなく、カム軸の回転位相を精密に制御することができる。

以上説明したように、本発明によれば、タイミングチェーンが共振状態となるのを効果的に抑制することにより、タイミングチェーンの寿命を延ばすことができる。

本発明の実施形態に係るエンジンの駆動力伝達システムを示す概略図である。 本発明の実施形態における２段スプロケットを示す斜視図である。 図２に示される２段スプロケットの分解斜視図である。 図２に示される２段スプロケットを示す側面図である。 図２に示される２段スプロケットを示す正面図である。 図５に示される２段スプロケットのＶＩ−ＶＩ断面図である。 図６に示される２段スプロケットのＶＩＩ−ＶＩＩ断面図である。 本発明の実施形態に係るエンジンの駆動力伝達システムをバネ系に模して表した模式図である。 本発明の実施形態の効果を示す図である。 ２段スプロケットにバネを設けない場合において、駆動力伝達システムをバネ系に模して表した模式図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施形態について詳述する。

図１に示されるように、本発明の実施形態に係るエンジンの駆動力伝達システム１は、エンジン３０を構成するクランク軸９の駆動力をタイミングチェーン１１，２により排気カム軸５および吸気カム軸６に伝達するシステムである。

駆動力伝達システム１は、クランク軸９と、クランクスプロケット１０と、排気カム軸５と、排気カムスプロケット３と、吸気カム軸６と、吸気カムスプロケット４と、中間軸１３と、２段スプロケット１６と、第１タイミングチェーン１１と、第２タイミングチェーン２と、排気側可変バルブタイミング機構（以下、「排気側ＶＶＴ」と称する）７と、吸気側可変バルブタイミング機構（以下、「吸気側ＶＶＴ」と称する）８と、テンショナ装置３２，３３とを備えている。

テンショナ装置３３は、第１タイミングチェーン１１に当接するテンションアーム３１と、テンションアーム３１を第１タイミングチェーン１１に向けて押圧するアクチュエータであるテンショナ本体１９とを有している。

テンショナ装置３２は、第２タイミングチェーン２に当接するテンションアーム１４と、テンションアーム１４を第２タイミングチェーン２に向けて押圧するアクチュエータであるテンショナ本体１８とを有している。

排気側ＶＶＴ７は、排気カム軸５に設けられた電動式のＶＶＴであり、クランク軸９に対する排気カム軸５の回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更することにより、排気バルブの開閉タイミングを変更する。排気側ＶＶＴ７を介して、排気カム軸５と排気カムスプロケット３とが連結されている。

吸気側ＶＶＴ８は、吸気カム軸６に設けられた電動式のＶＶＴであり、クランク軸９に対する吸気カム軸６の回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更することにより、吸気バルブの開閉タイミングを変更する。吸気側ＶＶＴ８を介して、吸気カム軸６と吸気カムスプロケット４とが連結されている。

クランク軸９は、ピストン（図示略）の往復運動による駆動力を回転力として取り出す回転軸である。クランクスプロケット１０は、クランク軸９に設けられている。図１に示される例では、クランク軸９は反時計回り方向（左回り方向）に回転する。

中間軸１３は、エンジン高さ方向において、クランク軸９と、排気カム軸５および吸気カム軸６との間に配置された回転軸である。クランク軸９の回転力が、第１タイミングチェーン１１を介して中間軸１３に伝達される。中間軸１３は、燃料ポンプ（図示略）を駆動する燃料ポンプ駆動軸と共通の回転軸である。燃料ポンプは往復移動するプランジャにより燃料を加圧してその燃料をインジェクタに供給するものであり、中間軸１３の回転によりプランジャが駆動され、燃料が圧送されることとなる。また、中間軸１３を支持する中間軸軸受部（図示せず）は、本実施形態においてはシリンダブロックに一体成型されている。このようにすることで中間軸軸受部の支持剛性を高めている。

２段スプロケット１６は、図２〜７に示されるように、相対回転可能な状態で相対向する第１スプロケット１２および第２スプロケット１５を有するとともに、第１スプロケット１２と第２スプロケット１５とを繋いで第１スプロケット１２および第２スプロケット１５の相対回転方向に弾性力を発揮するバネ１７ａ，１７ｂにより構成されるバネ部１７を有する。

詳しく説明すると、２段スプロケット１６は、図３に示されるように、第１スプロケット１２と、第２スプロケット１５と、バネ１７ａ，１７ｂと、ベアリング１８と、フリクションスプリング１９と、リング部材２０と、環状プレート部材２１とを備えている。

第１スプロケット１２は、円環状のスプロケット本体１２ａと、２つの突起部１２ｂとを有している。スプロケット本体１２ａの中央には貫通孔１２ｄが形成されており、この貫通孔１２ｄに円環状のベアリング１８が挿入配置されるとともに、このベアリング１８の内側に中間軸１３が挿通されている。ベアリング１８が第１スプロケット１２と中間軸１３との間に介在することにより、第１スプロケット１２は、中間軸１３に対してその軸周りに回動可能となっている。

図３に示されるように、２つの突起部１２ｂは、貫通孔１２ｄの第２スプロケット１５側の端部において、その径方向に互いに対向する２つの位置から、第２スプロケット１５側へ突出している。

また、図３，６に示されるように、貫通孔１２ｄにおける第２スプロケット１５側の端部に、２つの溝部１２ｃが形成されている。図３に示されるように、２つの溝部１２ｃは、２つの突起部１２ｂを介して第１スプロケット１２の径方向に相対向する位置に形成されている。各溝部１２ｃは、第２スプロケット１５側から見て円弧状に形成される（図３参照）とともに、断面円弧状に形成されている（図６参照）。２つの溝部１２ｃのうち、一方の溝部１２ｃ内にはバネ１７ａが配置され、他方の溝部１２ｃ内にはバネ１７ｂが配置される（図６参照）。

図１に示されるように、第１スプロケット１２およびクランクスプロケット１０に、第１タイミングチェーン１４が巻き掛けられている。

第２スプロケット１５は、第１スプロケット１２の外径よりも小さな外径を有する円環状のスプロケット本体１５ａと、円柱状のバネ保持部１５ｂとを有している。

バネ保持部１５ｂには、その外周部から内周部に向かって切り欠かれた形の２つの凹部１５ｃが形成されている。２つの凹部１５ｃは、バネ保持部１５ｂにおける径方向に相対向する位置に形成されている。図４，７に示されるように、各凹部１５ｃの周方向の長さは、突起部１２ｂの周方向の長さよりも大きい。また、各凹部１５ｃの径方向の長さは、突起部１２ｂの径方向の長さよりも大きい。これにより、第２スプロケット１５の凹部１５ｃ内に第１スプロケット１２の突起部１２ｂが挿入された状態で、第１スプロケット１２が第２スプロケット１５に対して周方向に所定角度の範囲で回動可能となっている。

第２スプロケット１５の凹部１５ｃ内に第１スプロケット１２の突起部１２ｂが挿入された状態で、第１スプロケット１２が第２スプロケット１５に対して相対回転したときに、バネ１７ａ，１７ｂの弾性力（反力）は、その相対回転を抑制するように作用する。

図６，７に示されるように、第２スプロケット１５における第１スプロケット１２側の面には、２つの溝部１５ｄが形成されている。２つの溝部１５ｄは、図７に示されるように、２つの凹部１５ｃを介して第２スプロケット１５の径方向に相対向する位置に形成されている。各溝部１５ｄは、第１スプロケット１２側から見て円弧状に形成される（図７参照）とともに、断面円弧状に形成されている（図６参照）。２つの溝部１５ｄのうち、一方の溝部１５ｄは、第１スプロケット１２における一方の溝部１２ｃに対向しており、他方の溝部１５ｄは、体１スプロケット１２における他方の溝部１２ｃに対向している。そして、一方の溝部１５ｄにはバネ１７ａが配置され、他方の溝部１５ｄにはバネ１７ｂが配置される（図６，７参照）。

図１に示されるように、第２スプロケット１５、排気カムスプロケット３、および吸気カムスプロケット４に、第２タイミングチェーン２が巻き掛けられている。

バネ１７ａ，１７ｂは、圧縮コイルバネである。バネ１７ａは、溝部１２ｃおよび溝部１５ｄ内に配置された状態で、溝部１２ｃおよび溝部１５ｄに沿って円弧状に湾曲している。さらに、バネ１７ａの一端側（第１スプロケット１２の反回転方向側）は、溝部１２ｃおよび溝部１５ｄの周方向一端部の内壁面に当接しており、バネ１７ａの他端側（第１スプロケット１２の回転方向側）は溝部１２ｃおよび溝部１５ｄの周方向他端部の内壁面に当接している。バネ１７ｂも、バネ１７ａと同様の状態で、溝部１２ｃおよび溝部１５ｄ内に配置される。

例えば、クランク軸９の角速度変動により、第１スプロケット１２が、第２スプロケット１５に対して回動する（第１スプロケット１２の回転速度と第２スプロケット１５の回転速度との間に速度差が生じる）と、その回動に伴い、バネ１７ａ，１７ｂが伸縮する。バネ１７ａ，１７ｂが伸縮することにより、上記角速度変動によるクランク軸９のトルク変動がバネ１７ａ，１７ｂに吸収され、その結果、タイミングチェーンシステム（駆動力伝達システム１）での共振発生が抑制される。

バネ１７ａ，１７ｂの弾性係数（バネ定数）は、駆動力伝達システム１全体の共振周波数が、エンジン３０のアイドル回転数に対応するエンジン３０の振動周波数よりも小さくなる値に設定されている（図９参照）。

以下、詳しく説明する。駆動力伝達システム１を構成する第１タイミングチェーン２および第２タイミングチェーン１１をバネと見立てると、駆動力伝達システム１が図８に示されるようなバネの連結体であると考えることができる。

すなわち、クランクスプロケット１０と第１スプロケット１２とが第１タイミングチェーン１１（バネ）で連結され、第１スプロケット１２と第２スプロケット１５とがバネ１７ａ，１７ｂで連結され、第２スプロケット１５と排気カムスプロケット３および吸気カムスプロケット４とが第２タイミングチェーン２で連結されている。

第１タイミングチェーン１１と第２タイミングチェーン２が直列に連結されている場合（図１０参照）のその全体の弾性係数をｋ１とし、バネ１７ａ，１７ｂ全体の弾性係数をｋ２とし、これらを組み合わせた図８に示される連結体全体の質量をｍとすると、その連結体全体の弾性係数ｋ’は、式１（数１参照）で表される。なお、図１０におけるモデルにおいて、符号１６Ａは、バネ１７ａ，１７ｂがない２段スプロケットを表している。

そして、この弾性係数ｋ’のバネの共振周波数ｆ’は、式２（数２参照）で表される。

一方、図１０に示されるバネ連結体（弾性係数ｋ１）の共振周波数ｆは、式３（数３参照）で表される。

式２は、弾性係数ｋ２を含んでいるため、図８に示されるモデルの共振周波数ｆ’は、図１０に示されるモデルの共振周波数ｆよりも小さい（ｆ’＜ｆ）。従って、図９に示されるように、本実施形態では、駆動力伝達システム１全体の共振周波数を小さく設定することが容易となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、第１スプロケット１２と第２スプロケット１５とを繋ぐバネ１７ａ，１７ｂを設けることにより、駆動力伝達システム１全体の共振周波数が加振力の振動周波数と一致しないように、駆動力伝達システム１全体の弾性係数を調節することができる。これにより、タイミングチェーン２，１１が共振状態となるのを効果的に抑制することができ、タイミングチェーン２，１１の寿命が短くなるのを抑制することができる。

また、本実施形態によれば、バネ１７ａ，１７ｂの弾性係数は、駆動力伝達システム１全体の共振周波数ｆ’が、エンジン３０を無負荷状態で運転したときのエンジン回転数であるアイドル回転数に対応するエンジン９の振動周波数よりも小さくなる値に設定されているため、駆動力伝達システム１全体の共振周波数が、エンジン９の常用域に対応する振動周波数よりも小さくなるので、タイミングチェーン２，１１が共振状態となるのをより一層効果的に抑制することができる。

また、本実施形態によれば、中間軸１３を、燃料ポンプを駆動する燃料ポンプ駆動軸としたので、中間軸１３の駆動力は燃料ポンプの駆動のみに用いられ、他のエンジン補機の作動に悪影響を与えることなく、燃料ポンプを駆動することができる。

また、本実施形態によれば、排気カム軸５および吸気カム軸６にＶＶＴが設けられているため、排気カム軸５および吸気カム軸６の回転位相を精密に制御することができる。

また、タイミングチェーンが共振状態となるのを避けるために共振周波数（固有振動数）を小さくするには、タイミングチェーンシステム（駆動力伝達システム）の重量を増やす方法と、タイミングチェーンシステム全体のバネ定数の合成値を小さくする方法とがあるが、本実施形態では、バネを追加することによりタイミングチェーンシステムのバネ定数の合成値を小さくしているため、タイミングチェーンシステムの重量増によるエンジンの機械抵抗増大を抑制しながら燃焼性に悪影響を及ぼすことなく、タイミングチェーンの寿命が短くなるのを抑制することができる。

なお、本実施形態では２本のバネ１７ａ，１７ｂを第１スプロケット１２と第２スプロケット１５の間に配置したが、バネの本数は適宜変更してもよい。

また、本実施形態ではバネを圧縮コイルバネとしたが、その目的はタイミングチェーンシステムのバネ定数の合成値を小さくすることであるため、圧縮コイルバネに代えて板バネやゴムなどを用いてもよい。

また、本実施形態では、クランクスプロケット１０を反時計回り方向（図１参照）に回転させているが、時計回り方向に回転させてもよい。

１ 駆動力伝達システム
２ タイミングチェーン
３ 排気カムスプロケット
４ 吸気カムスプロケット
５ 排気カム軸
６ 吸気カム軸
７ 排気側ＶＶＴ
８ 吸気側ＶＶＴ
９ クランク軸
１０ クランクスプロケット
１２ 第１スプロケット
１５ 第２スプロケット
１６ ２段スプロケット
１７ａ，１７ｂ バネ
１７ バネ部

Claims (5)

1. エンジンを構成するクランク軸の駆動力を無端伝動部材によりカム軸に伝達する駆動力伝達システムであって、
   前記クランク軸に設けられたクランクスプロケットと、
   前記カム軸に設けられたカムスプロケットと、
   前記クランク軸とカム軸との間に配置された中間軸と、
   前記中間軸に設けられ、相対回転可能な状態で相対向する第１スプロケットおよび第２スプロケットを有する２段スプロケットと、
   前記クランクスプロケットと前記第１スプロケットとに巻き掛けられた第１タイミングチェーンと、
   前記カムスプロケットと前記第２スプロケットとに巻き掛けられた第２タイミングチェーンとを備え、
   前記２段スプロケットは、前記第１スプロケットと前記第２スプロケットとを繋ぎ、前記第１スプロケットおよび前記第２スプロケットの回転方向に弾性力を発揮するバネにより構成されるバネ部を有することを特徴とする、エンジンの駆動力伝達システム。
2. 前記バネの弾性係数は、前記駆動力伝達システム全体の共振周波数が、エンジンを所定回転数で運転した時のエンジンの振動周波数よりも小さくなる値に設定されていることを特徴とする、請求項１に記載のエンジンの駆動力伝達システム。
3. 前記所定回転数は、エンジンを無負荷状態で運転するアイドル運転時のエンジン回転数であることを特徴とする、請求項２に記載のエンジンの駆動力伝達システム。
4. 前記中間軸が、同軸上に燃料ポンプを駆動する燃料ポンプ駆動軸を有することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載のエンジンの駆動力伝達システム。
5. 前記カム軸上に可変バルブタイミング機構が設けられていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載のエンジンの駆動力伝達システム。

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