JP2013253524A - 内燃機関のカム角センサの取付け構造 - Google Patents

Abstract

【課題】熱膨張変化による回転角度検出精度の低下を防止する。
【解決手段】内燃機関１０のシリンダヘッド１８により回転可能に支持されたカムシャフト４４の回転角度を検出するカム角センサ７４の取付け構造であって、シリンダヘッドを覆うシリンダヘッドカバー２０に対するカム角センサ７４の取付け構造にして、カムシャフト４４の軸線４８を通りピストンの往復動方向２６に垂直な面を基準面として、カム角センサ７４の軸線はカムシャフト４４の軸線に垂直であり、かつ基準面に対し０°よりも大きく９０°よりも小さい所定の角度、好ましくは２０°以上で５０°以下の角度、特に好ましくは３０°以上で４０°以下の角度をなしている。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関のカム角センサに係り、更に詳細にはカム角センサの取付け構造に係る。

自動車等の車両に搭載される内燃機関に於いては、気筒判別及びカムシャフトタイミングを検出する目的で、カムポジションセンサとも呼ばれるカム角センサによりカムシャフトの回転角度が検出される。カムシャフトはシリンダヘッドに設けられた軸受により回転可能に支持され、カムシャフトにはタイミングロータが一体的に設けられている。例えば下記の特許文献１に記載されている如く、カム角センサはその検出部がタイミングロータの近傍に位置するようシリンダヘッドカバーに取付けられる。

特開２００５−１１３８５０号公報

〔発明が解決しようとする課題〕
内燃機関が運転されると、シリンダヘッドカバーの温度も上昇するので、シリンダヘッドカバーの主要部は膨張変形によってシリンダヘッドより離れる方向へ変位する。そのため、特許文献１に記載されている如く、カム角センサがカムシャフトの上方にて上下方向又はこれに近い方向に延在するよう取付けられると、シリンダヘッドカバーの上方への変位に伴ってカム角センサがタイミングロータより離れる方向へ変位する。その結果、カム角センサの検出感度が低下することに起因してカム角センサの回転角度検出精度が低下する。

また、カム角センサがカムシャフトの側方にて水平方向又はこれに近い方向に延在するようシリンダヘッドカバーに取付けられると、シリンダヘッドカバーの上方への変位に伴ってカム角センサの軸線の方向がタイミングロータの径方向よりずれる。その結果、タイミングロータの突起に対するカム角センサの検出部の相対位置とタイミングロータの回転角度との間の相関関係が変化し、カム角センサの出力に位相ずれが発生することに起因してカム角センサの回転角度検出精度が低下する。

更に、自動車等の車両に搭載される内燃機関に於いては、ブローバイガス還元装置の一部として、カムシャフトの上方にはシリンダヘッドカバーによりＰＣＶ（Positive Crankcase Ventilation）室が形成されている。そして、ＰＣＶ室はバッフルプレートによりカムシャフトが設けられた室より区画されている。

カム角センサがカムシャフトの上方にて上下方向又はこれに近い方向に延在するよう取付けられる場合には、ＰＣＶ室の容積が低減されたり、ＰＣＶ室やバッフルプレートの形状が制約を受けたりすることが避けられない。そのため、ＰＣＶ室内に流れるブローバイガス中に含まれるオイルの持ち去り量が増大してオイル切り性が低下する。

本発明は、カムシャフトの回転角度を検出するカム角センサに関する上述の如き問題に鑑みてなされたものである。そして、本発明の主要な課題は、ＰＣＶ室内に於けるオイル切り性の低下を将来することなく、カム角センサの検出感度の低下や出力の位相ずれを低減することができるカム角センサの取付け構造を提供することである。
〔課題を解決するための手段及び発明の効果〕

上述の主要な課題は、本発明によれば、内燃機関のシリンダヘッドにより回転可能に支持されたカムシャフトの回転角度を検出するカム角センサの取付け構造であって、前記シリンダヘッドを覆うシリンダヘッドカバーに対するカム角センサの取付け構造にして、前記カムシャフトの軸線を通りピストンの往復動方向に垂直な面を基準面として、前記カム角センサの軸線は前記カムシャフトの軸線に垂直であり、かつ前記基準面に対し０°よりも大きく９０°よりも小さい所定の角度をなしていることを特徴とする内燃機関のカム角センサの取付け構造（請求項１の構成）によって達成される。

上記の構成によれば、カム角センサの軸線はカムシャフトの軸線に垂直であり、かつ基準面に対し０°よりも大きく９０°よりも小さい所定の角度をなしている。よって、例えばカム角センサの軸線が基準面に対し９０°である場合に比して、カム角センサの検出感度の低下を低減することができ、またカム角センサの軸線が基準面に対し０°である場合に比して、カム角センサの出力の位相ずれを低減することができる。従ってカム角センサの軸線が基準面に対し所定の角度をなしていない場合に比して、内燃機関の温度の如何に関係なく良好な精度にてカムシャフの回転角度を検出することができる。

また、上記の構成によれば、カム角センサの検出部を必要以上に高感度のものにすることは不要であり、また例えばシリンダヘッドカバーの温度を検出し、検出された温度に基づいてカム角センサの出力の位相ずれを補正することも不要である。

また本発明によれば、上記の構成に於いて、前記所定の角度は２０°以上で５０°以下であるよう構成される（請求項２の構成）。

後に詳細に説明する如く、カム角センサの軸線が基準面に対しなす角度が大きいほどカム角センサの検出感度の低下が大きくなり、逆に、カム角センサの軸線が基準面に対しなす角度が小さいほど出力の位相ずれが大きくなる。上記の構成によれば、所定の角度は２０°以上で５０°以下であるので、カム角センサの検出感度の低下や出力の位相ずれを一層効果的に低減することができ、これにより一層良好な精度にてカムシャフの回転角度を検出することができる。

また本発明によれば、前記所定の角度は３０°以上で４０°以下であるよう構成される（請求項３の構成）。

上記の構成によれば、カム角センサの検出感度の低下やカム角センサの出力の位相ずれを更に一層効果的に低減することができ、これにより更に一層良好な精度にてカムシャフトの回転角度を検出することができる。

また本発明によれば、上記の構成に於いて、前記シリンダヘッドカバーは前記カムシャフトに対し前記シリンダヘッドとは反対の側にＰＣＶ室を郭定しており、前記所定の角度の上限値は前記カム角センサが前記ＰＣＶ室に干渉しない範囲の最大値以下であるよう構成される（請求項４の構成）。

上記の構成によれば、ＰＣＶ室の容積が低減されたり、ＰＣＶ室やバッフルプレートの形状が制約を受けたりすることを回避することができ、カム角センサの設置によってＰＣＶ室に於けるオイル切り性が低下することを確実に回避することができる。
〔課題解決手段の好ましい態様〕

本発明の一つの好ましい態様によれば、上記の構成に於いて、カムシャフトは吸気用カムシャフトであり、カム角センサは吸気用カムシャフトの回転角度を検出するよう構成される。

本発明の他の一つの好ましい態様によれば、上記の構成に於いて、カムシャフトは吸気用カムシャフト及び排気用カムシャフトであり、カム角センサは吸気用カムシャフト及び排気用カムシャフトに対応して設けられ、それぞれ吸気用カムシャフト及び排気用カムシャフトの回転角度を検出するよう構成される。

ローラロッカーアーム式の動弁機構を有する内燃機関に適用された本発明によるカム角センサの取付け構造の一つの実施形態を示す断面図である。 図１に示された吸気側のカム角センサの取付け構造の要部を拡大して示す説明図である。 正常な場合（実線）及び進み側への位相誤差が生じた場合（仮想線）について、カム角センサのパルス状の出力信号を示す図である。 カム角センサの軸線が基準面に対しなす角度θと、シリンダヘッドカバーの温度の変化に伴うカム角センサの検出部とパルサティースの外径との間の距離の変化量ΔＬ及びカム角センサの軸線がパルサティースの表面に対しなす角度の変化量Δαとの間の関係を示すグラフである。

以下に添付の図を参照しつつ、本発明を好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１に於いて、１０は車載の内燃機関の燃焼室の周辺部を示しており、１２及び１４はそれぞれ吸気系の動弁機構及び排気系の動弁機構を示している。また、１６、１８、２０はそれぞれシリンダブロック、シリンダヘッド、シリンダヘッドカバーを示している。シリンダヘッド１８はボルト２２によりシリンダブロック１６の上端に固定され、シリンダヘッドカバー２０はボルト２４によりシリンダヘッド１８の上端に固定されることによりシリンダヘッドを覆っている。

図１には示されていないが、シリンダブロック１６はピストンを往復動可能に受ける複数のシリンダボアを有し、２６はピストンがシリンダボア内を往復動する方向を示している。また、図１には示されていないが、ピストンはシリンダブロック１６及びシリンダヘッド１８と共働して容積可変の燃焼室を郭定しており、燃焼室に開口する吸気ポート及び排気ポートはそれぞれ吸気バルブ２８及び排気バルブ３０により開閉される。吸気バルブ２８及び排気バルブ３０はそれぞれリターンスプリング３２及び３４により閉弁位置へ付勢されている。

吸気バルブ２８及び排気バルブ３０は、それぞれ吸気系の動弁機構１２のローラロッカーアーム３６及び排気系の動弁機構１４のローラロッカーアーム３８により開閉駆動される。ロッカーアーム３６は一端にてラッシュアジャスタ４０により枢動可能に支持され、他端にて吸気バルブ２８のステム部の上端に係合している。ロッカーアーム３６の両端の間にはローラ４２が回転自在に設けられており、ローラ４２は吸気用カムシャフト４４のカムローブ４６に係合している。

カムシャフト４４は回転軸線４８の周りに図１で見て時計回り方向へ回転可能であり、回転軸線４８はシリンダボアの配列方向、即ち図１の紙面に垂直な方向に延在している。カムシャフト４４が回転軸線４８の周りに回転すると、ローラ４２とカムローブ４６との接触点と回転軸線４８との間の距離が変化する。よって、この距離の変化に応じてロッカーアーム３６がラッシュアジャスタ４０の枢点の周りに揺動され、これにより吸気バルブ２８が往復動されることにより開閉駆動される。

尚、図１には詳細に示されていないが、排気系の動弁機構１４は、吸気系の動弁機構１２に対し左右が逆である点を除き、吸気系の動弁機構１２と同様に構成され、同様に作動する。即ち、排気用カムシャフト５０が回転軸線４８と平行に延在する回転軸線５２の周りに図１で見て時計回り方向へ回転することによってローラロッカーアーム３８が揺動され、これにより排気バルブ３０が開閉駆動される。

シリンダヘッドカバー２０は、吸気用カムシャフト４４及び排気用カムシャフト５０の上方に、即ちカムシャフト４４及び５０に対しシリンダヘッド１８とは反対の側に、それぞれＰＣＶ室５４及び５６を郭定している。ＰＣＶ室５４及び５６は図１の紙面に垂直な方向に互いに平行に延在している。

吸気側のＰＣＶ室５４はバッフルプレート５８により吸気用カムシャフト４４が配置された空間６０より区画されており、バッフルプレート５８は部分的に上下に二重構造をなしている。バッフルプレート５８の下方には、カムシャフト４４に潤滑オイルを供給するオイルデリバリーパイプ６２が配設され、パイプ６２はバッフルプレート５８により支持されている。

他方、排気側のＰＣＶ室５６はバッフルプレート６４により排気用カムシャフト５０が配置された空間６６より区画されると共に、サブバッフルプレート６８により上室と下室とに分離されている。バッフルプレート６４の下方には、カムシャフト５０に潤滑オイルを供給するオイルデリバリーパイプ７０が配設され、パイプ７０はバッフルプレート６４により支持されている。

吸気用カムシャフト４４には、その一端に近接してタイミングロータ７２が一体に形成されている。タイミングロータ７２は回転軸線４８の周りにそれぞれ互いに異なる角度範囲に亘り延在する三つのパルサティース（凸部）７２Ａ〜７２Ｃ（図２参照）を有している。タイミングロータ７２に近接した位置には、ＭＲＥタイプのカム角センサ７４が配置されており、シリンダヘッドカバー２０に固定されている。カム角センサ７４の検出部７４Ａはパルサティース７２Ａ〜７２の外径よりも僅かに大きい距離だけ回転軸線４８より隔置されている。

図２に示されている如く、カムシャフト４４の回転軸線４８を通りピストンの往復動方向２６に垂直な面を基準面７６とする。カム角センサ７４の軸線７８がカムシャフト４４の回転軸線４８に垂直に基準面７６に対しなす角度をθとすると、角度θは０°よりも大きく９０°よりも小さい所定の角度である。従って、カム角センサ７４の軸線７８は、基準面７６に平行（θ＝０°）でもなければ、基準面７６に垂直（θ＝９０°）でもない。

カム角センサ７４は、タイミングロータ７２の回転に伴ってその表面と検出部７４Ａとの間の距離が変化し検出部７４Ａを通る磁束が増減することを利用して、タイミングロータ７２の回転角度、従ってカムシャフト４４の回転角度を検出する。そして、カム角センサ７４は、図３に示されている如く、パルサティース７２Ａ〜７２Ｃの角度範囲に対応するパルス状の出力信号を発生する。

内燃機関１０が運転されると、その温度が上昇する。よって、シリンダヘッドカバー２０の温度も上昇するので、シリンダヘッドカバーの主要部は膨張変形によってシリンダヘッド１８より離れる方向へ変位する。そして、シリンダヘッド１８からの距離が大きいほど変位の累積が大きくなり、変位量が大きくなるので、ＰＣＶ室５４及び５６の上縁を郭定する壁部の変位量が最も大きい。

カム角センサ７４の回転角度検出精度は、カム角センサ７４の検出部７４Ａとパルサティース７２Ａ〜７２の外径との間の距離Ｌに依存する。距離Ｌはシリンダヘッドカバー２０の温度Ｔccが高いほど大きくなり、距離Ｌが大きくなるほどカム角センサ７４の検出感度が低下することにより、検出精度が低下する。図４に示されている如く、温度Ｔccの変化に伴う距離Ｌの変化量ΔＬは角度θが大きいほど大きい。

また、カム角センサ７４の軸線７８とパルサティースの表面との交点をＰとすると、カム角センサ７４の回転角度検出精度は、図２で見てカム角センサ７４の軸線７８が交点Ｐに於ける接線８０に対しなす角度αに依存する。図示の実施形態に於いては、角度αは９０°であるが、角度αが小さくなると、カム角センサ７４の出力信号のパルスの位相が進み側へ変化することにより、検出精度が低下する。角度αはシリンダヘッドカバー２０の膨張量が大きいほど小さくなり、図４に示されている如く、温度Ｔccの変化に伴う角度αの変化量Δα、従って出力信号の位相誤差Δφ（図３参照）は角度θが小さいほど大きい。尚、排気用カムシャフト５０の回転角度を検出するカム角センサの場合には、出力信号の位相誤差は遅れ側の誤差になる。

よって、シリンダヘッドカバー２０の温度Ｔccの如何に関係なくカム角センサ７４による回転角度の良好な検出精度を確保するためには、角度θは、２０°以上で５０°以下、特に３０°以上で４０°以下であることが好ましい。従って、実施形態に於ける所定の角度は、２０°以上で５０°以下、好ましくは３０°以上で４０°以下に設定される。

また、上述の如く、カムシャフト４４の上方にはＰＣＶ室５４が設けられているので、角度θが大きい値に設定されると、カム角センサ７４がＰＣＶ室５４に干渉する。即ち、カム角センサ７４を取付けるための部位を確保する必要があるため、ＰＣＶ室の容積が低減されたり、ＰＣＶ室やバッフルプレート５８の形状が制約を受けたりすることが避けられない。そのため、ＰＣＶ室５４内に流れるブローバイガス中に含まれるオイルの持ち去り量が増大してオイル切り性が低下することが避けられない。

よって、カム角センサ７４が設置されることによってＰＣＶ室５４に於けるオイル切り性が低下することがないよう、実施形態に於ける角度θについての所定の角度の上限値は、カム角センサ７４がＰＣＶ室５４に干渉しない範囲の最大値以下に設定される。

尚、図示の実施形態に於いては、排気用カムシャフト５０の回転角度を検出するカム角センサは設けられておらず、排気用カムシャフト５０の回転角度はカム角センサ７４により検出された吸気用カムシャフト４４の回転角度に基づいて推定される。しかし、カム角センサ７４と同様の取付け構造にて排気用カムシャフト５０の回転角度を検出するカム角センサが設けられてもよい。また、カム角センサは、吸気側には設けられず、排気側にのみ設けられてもよい。

以上の説明より解る如く、上述の実施形態のカム角センサの取付け構造によれば、シリンダヘッドカバー２０の膨張変形に伴う距離Ｌの増大に起因するカム角センサ７４の検出感度の低下を低減しつつ、角度αの変化に起因する位相誤差を低減することができる。よって、シリンダヘッドカバー２０の膨張変形に関係なく、従って内燃機関の温度の如何に関係なく、カム角センサ７４によりカムシャフト４４の回転角度を良好な精度にて検出することができる。また、カム角センサ７４の検出部を必要以上に高感度のものにする必要はない。

特に、上述の実施形態によれば、角度θについての所定の角度は、２０°以上で５０°以下、好ましくは３０°以上で４０°以下に設定される。よって、角度θが０°よりも大きく９０°よりも小さい角度であっても、上記望ましい範囲内の値でない場合に比して、カム角センサ７４の検出感度の低下や位相誤差の低減を効果的に達成することができる。

また、上述の実施形態によれば、所定の角度の上限値は、カム角センサ７４がＰＣＶ室５４に干渉しない範囲の最大値以下に設定されるので、カム角センサ７４の設置によってＰＣＶ室５４に於けるオイル切り性が低下することを確実に回避することができる。

尚、内燃機関の温度に基づいてカム角センサ７４の出力信号のパルスの位相を補正することにより、角度αの変化に起因する位相誤差を低減することも考えられる。しかし、角度αの変化に起因する位相誤差は内燃機関の温度と常に一義的な関係にある訳ではなく、また角度αの変化量を高精度に推定しようとすると、例えばカム角センサ７４の近傍の温度を検出するセンサが必要になる。

これに対し、上述の実施形態によれば、内燃機関の温度に基づいてカム角センサ７４の出力信号のパルスの位相を補正することは不要であり、また角度αの変化量を高精度に推定するための温度センサ等も不要である。

以上に於いては本発明を特定の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内にて他の種々の実施形態が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

例えば上述の実施形態に於いては、カムシャフトはローラロッカーアームを介してバルブを開閉駆動するようになっている。しかし、本発明によるカム角センサの取付け構造はカムシャフトがリターンスプリングシートを介してバルブを開閉駆動するタイプの内燃機関に適用されてもよい。

また、カム角センサ７４と同様の取付け構造にて排気用カムシャフト５０の回転角度を検出するカム角センサも設けられる場合には、吸気側のカム角センサの軸線の角度θと排気側のカム角センサの軸線の角度θとが異なる値であってもよい。

また上述の実施形態に於いては、内燃機関１０は車載の内燃機関であるが、本発明によるカム角センサの取付け構造は車載以外の内燃機関に適用されてもよい。

１０…内燃機関、１２，１４…動弁機構、１６…シリンダブロック、１８…シリンダヘッド、２０…シリンダヘッドカバー、３６，３８…ローラロッカーアーム、４４…吸気用カムシャフト、５０…排気用カムシャフト、５４，５６…ＰＣＶ室、５８，６４…バッフルプレート、７２…タイミングロータ、７４…カム角センサ、７６…基準面

Claims (4)

1. 内燃機関のシリンダヘッドにより回転可能に支持されたカムシャフトの回転角度を検出するカム角センサの取付け構造であって、前記シリンダヘッドを覆うシリンダヘッドカバーに対するカム角センサの取付け構造にして、前記カムシャフトの軸線を通りピストンの往復動方向に垂直な面を基準面として、前記カム角センサの軸線は前記カムシャフトの軸線に垂直であり、かつ前記基準面に対し０°よりも大きく９０°よりも小さい所定の角度をなしていることを特徴とする内燃機関のカム角センサの取付け構造。
2. 前記所定の角度は２０°以上で５０°以下であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のカム角センサの取付け構造。
3. 前記所定の角度は３０°以上で４０°以下であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関のカム角センサの取付け構造。
4. 前記シリンダヘッドカバーは前記カムシャフトに対し前記シリンダヘッドとは反対の側にＰＣＶ室を郭定しており、前記所定の角度の上限値は前記カム角センサが前記ＰＣＶ室に干渉しない範囲の最大値以下であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一つに記載の内燃機関のカム角センサの取付け構造。

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