JP4530678B2 - 可変カムタイミング位相器 - Google Patents

Description

本発明は、可変カムシャフトタイミング（ＶＣＴ: variable camshaft timing）システムの分野に関する。より詳細には、本発明は、単一の再循環チェックバルブ（および吸入バルブ）を備えたカムトルク駆動の位相器に関する。

米国特許第 5,002,023号は、本発明の分野におけるＶＣＴシステムについて記述している。このシステムの液圧装置は、適切な作動流体要素を備えるとともに逆方向に作用する一対の液圧シリンダを有している。

作動流体要素は、作動流体を一方のシリンダから他方のシリンダにまたはその逆方向に選択的に移送しており、これにより、クランクシャフトに対するカムシャフトの周方向位置をアドバンスさせまたはリタードさせている。

制御システムは、一方または他方のシリンダからの作動流体の排出がバルブ内のスプールを中央位置つまり零位置から一方向または他の方向に移動させることによって行われる制御バルブを使用している。

スプールの移動は、スプールの一端に作用する制御液圧Ｐc の増加または減少に応じて、さらにスプリングの一端に作用する液圧と他端に作用する圧縮スプリングによる機械的な押付力との間の関係に応じて、生じる。

米国特許第 5,107,804号は、本発明の分野における他のタイプのＶＣＴシステムについて記述しており、このシステムの液圧装置は、囲繞されたハウジング内にローブを備えたベーンを有している。このベーンは、上述の米国特許第 5,002,023号により開示された逆方向作用のシリンダに取って代わっている。

ベーンは、ハウジング内でローブの一方の側から他方の側にまたはその逆方向に作動流体を移動させることによりハウジングに対してベーンを一方の側から他方の側に振動させる適切な作動流体要素を有しており、ベーンはハウジングに対して振動可能つまり周方向に移動可能に構成されている。

このようなベーンの振動は、クランクシャフトに対するカムシャフトの位置をアドバンスまたはリタードさせるのに効果的なものである。このＶＣＴシステムの制御システムは、米国特許第 5,002,023号に開示されたものと同一であって、スプールバルブに作用する同種の力に反応する同一タイプのスプールバルブを使用している。
米国特許第 5,002,023号明細書 米国特許第 5,107,804号明細書

本発明が解決しようとする課題は、新規な構成を有する、つまりアドバンスチャンバおよびリタードチャンバ間の流体の流れを単一の再循環チェックバルブで制御できる可変カムタイミング位相器を提供することにある。

請求項１の発明は、少なくとも一つのカムシャフトを有する内燃機関のための可変カムタイミング位相器において、駆動力を受け入れる外周部を有するハウジングと、ハウジング内に同軸に配置されたカムシャフトに連結されるロータと、ロータの穴にスライド可能に設けられ、複数のランドを有するスプールを備えたスプールバルブと、リターン通路内に設けられた再循環チェックバルブとを備えている。ハウジングおよびロータは、複数のチャンバを分割する少なくとも一つのベーンを限定しており、少なくとも一つのチャンバがアドバンスチャンバで、他方のチャンバがリタードチャンバであって、ベーンが、ハウジングおよびロータの相対的角度位置を変更するように回転可能になっており、スプールがアドバンス位置からホールド位置を通ってリタード位置までスライド可能になっている。スプールバルブは、アドバンスチャンバおよびリタードチャンバまで作動流体を送出するためのアドバンスエグゾースト通路、リタードエグゾースト通路およびリターン通路を有しており、アドバンスエグゾースト通路およびリタードエグゾースト通路はリターン通路に連結されている。スプールがリタード位置におかれているとき、作動流体がアドバンスチャンバからアドバンスエグゾースト通路を通ってリターン通路にのみ流れるとともに、スプールがアドバンス位置におかれているとき、作動流体がリタードチャンバからリタードエグゾースト通路を通ってリターン通路にのみ流れるように、再循環チェックバルブが配置されている。

請求項２の発明では、請求項１において、チェックバルブを有する作動流体の供給手段をさらに備えている。

請求項３の発明では、請求項１において、リターン通路に連結された供給通路をさらに備えている。

請求項４の発明では、請求項１において、アドバンスチャンバおよびリタードチャンバへの導入ラインに連結された供給通路をさらに備えている。

請求項５の発明では、請求項４において、アドバンスチャンバおよびリタードチャンバの導入ラインに連結された各供給通路にチェックバルブをさらに備えている。

本発明によれば、少なくとも一つのカムシャフトを有する内燃機関のための可変カムタイミング位相器が、ハウジングと、ロータと、スプールバルブと、再循環チェックバルブとを備えている。ハウジングおよびロータは、チャンバをアドバンス側およびリタード側に隔てる少なくとも一つのベーンを限定している。

スプールバルブは、ロータの穴に取り付けられ、複数のランドを有するスプールを備えている。スプールは、アドバンス位置から保持（ホールド）位置を介してリタード位置までスライド可能になっている。位相器はまた、作動流体をチャンバまで送出するために、アドバンス・エグゾースト通路、リタード・エグゾースト通路およびリターン通路を有している。

再循環チェックバルブは、リタード通路内に配置されており、スプールがリタード位置にあるときには、アドバンスチャンバからリターン通路への流体の流れのみを許容し、またスプールがアドバンス位置にあるときには、リタードチャンバからリターン通路への流体の流れのみを許容している。

本発明およびその目的をさらに理解するためには、図面、図面の簡単な説明、本発明の好ましい実施態様の詳細な説明および特許請求の範囲に注意が向けられるべきである。

本発明によれば、単一の再循環チェックバルブをリターン通路内に設けたことにより、アドバンスチャンバおよびリタードチャンバ間の流体の流れを当該単一の再循環チェックバルブを用いて制御できる新規な構成に係る可変カムタイミング位相器を実現できる。

以下、本発明の実施態様を添付図面に基づいて説明する。
内燃機関は、ピストンのコネクティングロッドによって駆動されるクランクシャフトと、シリンダの吸気バルブまたは排気バルブを駆動する一つまたはそれ以上のカムシャフトとを備えている。カムシャフト上のタイミングスプロケット（またはプーリ、ギヤ）は、チェーン（またはベルト、ギヤ）などのタイミング駆動装置を介してクランクシャフトに連結されている。

図面では、ただ一つのカムシャフトが示されているが、カムシャフトは、オーバヘッドカムシャフト型またはインブロックカムシャフト型のいずれかの単一カムシャフトエンジンにおけるただ一つのカムシャフトでもよいし、ダブルカムシャフトエンジンにおける２本のカムシャフト（吸気バルブ駆動カムシャフトおよび排気バルブ駆動カムシャフト）のうちの１本のカムシャフトでもよいし、Ｖ型オーバヘッドカムエンジンにおける４本のカムシャフトのうちの１本のカムシャフトでもよいし、あるいは、シリンダの各バンクにおける２本のカムシャフトでもよい、ということが理解されるだろう。

可変カムタイミング（ＶＣＴ：Variable Cam Timing）システムにおいて、カムシャフト上のタイミングギヤが、「位相器」として知られる可変角カップリングによって置き換えられている。

この位相器は、カムシャフトに連結されたロータと、タイミングギヤに連結された（またはタイミングを構成する）ハウジングとを有しており、カムシャフトが角度制限の範囲内でタイミングギヤから独立して回転して、カムシャフトおよびクランクシャフトの相対的タイミングを変化させるのを許容している。

本明細書中で用いられる「位相器」という用語は、ハウジングおよびロータを含むとともに、カムシャフトのタイミングをクランクシャフトからオフセットさせるのを許容するようにハウジングおよびロータ間の相対的角度位置を制御するすべての部品を含んでいる。当該分野で知られているように、多数カムエンジンのいずれにおいても、各カムシャフト上に一つの位相器が配置されていることが理解されるだろう。

図１に示すように、ロータ１は、取付フランジ８を介してカムシャフト９に固定されており、ロータ１およびロータフロントプレート４はねじ１４によって固定されている。ロータ１は、各々半径方向外方に延びかつ直径方向に対向する一対のベーン１６を有している。

ベーン１６は、ハウジングボディ２に形成された凹部１７内に延びている。インナープレート５、ハウジングボディ２およびアウタープレート３は、ねじ１３によって、取付フランジ８、ロータ１およびロータフロントプレート４の回りに一体に固定されている。

これにより、アウタープレート３およびインナープレート５によって囲繞され、ベーン１６を保持する凹部１７が、流体を密封するチャンバを形成している。タイミングギヤ１１は、ねじ１２によってインナープレート５に連結されている。総体的に、インナープレート５、ハウジングボディ２、アウタープレート３およびタイミングギヤ１１は、本明細書中では「ハウジング」と呼称されている。

ロータ１のベーン１６は、ハウジングボディ２内において半径方向外方に延びる凹部１７内に配置されている。各凹部１７の周方向の長さは、ロータ１に対するハウジングの制限された振動を許容するように、凹部１７内に受け入れられたベーン１６の周方向長さよりも若干大きくなっている。

ベーン１６の受入溝１９には、リニアエキスパンダ７によって外方に付勢されたベーンチップ６が設けられている。ベーンチップ６は、凹部１７の内側面とベーン１６の間からエンジンオイルが漏れないようにするためのものであって、ベーンチップ６により、各凹部は、図３ないし図８に示すような対向チャンバ１７ａおよび１７ｂに分割されている。

ハウジング２内の各チャンバ１７ａ，１７ｂは、液圧を維持できるように構成されている。これにより、チャンバ１７ａに圧力を作用させると、ロータ１が時計回りに移動し、チャンバ１７ｂに圧力を作用させると、ロータ１が反時計回りに移動する。

図２は、スプールバルブ１０９を収容するロータ１の分解組立図である。スプールバルブ１０９は、スプール１０４および円筒状部材１１５を有している。リテーニングリング２０４が、スプール１０４の一端に係合している。

プラグ２０２が、円筒状部材１１５の端面に面一に圧入されている。スプリング１１６がプラグ２０２に隣接している。ロータ１の内部に配置された導入チェックバルブ３００および再循環チェックバルブ３０２がそれぞれリテーニングリング２１０，２０６を有している。

図３は、零位置におかれたカムトルク駆動型位相器の概略構成図である。位相器駆動流体である作動流体１２２は、エンジン潤滑油の形態で示されているが、共通導入ライン１１０を介して位相器内に導入されて、チャンバ１７ａ（アドバンスチャンバＡ）またはチャンバ１７ｂ（リタードチャンバＲ）に流入する。

共通導入ライン１１０には、位相器に補充オイルを供給するためにのみ用いられる導入チェックバルブ３００が設けられている。共通導入ライン１１０は、アドバンスエグゾースト通路１０６、リターン通路３０４およびリタードエグゾースト通路１０７という三つのラインに通じている。

リターン通路３０４は、再循環チェックバルブ３０２を有しており、再循環チェックバルブ３０２は、位相器をアドバンスさせかつリタードさせるのに用いられている。スプールバルブ１０９の位置は、再循環チェックバルブ３０２を介して、チャンバ１７ａ，１７ｂのうちのいずれのチャンバから排出されていずれのチャンバが満たされるかを制御している。

スプール１０４は、前後方向にスライド可能になっており、円筒状部材１１５内に密に係合するランド１０４ａ，１０４ｂおよび１０４ｃを有している。ランド１０４ａ，１０４ｂおよび１０４ｃは、好ましくは、円筒状のランドである。位相角を維持するために、スプール１０４は、図３に示すような零位置におかれている。

位相器が零位置におかれている間は、スプール１０４のランド１０４ｂ，１０４ｃは、導入ライン１１１，１１３とオーバラップしてこれらのラインを閉塞しており、作動流体（少量の補充オイルを除く）がチャンバ１７ａ，１７ｂに対して流入または流出するのを防止している。

位相器はカムトルク駆動（ＣＴＡ：Cam Torque Actuated）型なので、オイル漏れが常時発生する。補充作動流体またはオイルは、共通導入ライン１１０から導入チェックバルブ３００を介して供給される。

導入チェックバルブは３００、抵抗トルクも駆動トルクもないとき、すなわち零位置のときにのみ開放している。図３ないし図８に示すように、共通導入ライン１１０に導入チェックバルブ３００を設けることにより、エンジンの停止時にチャンバ内のオイルが漏出するという問題が解消される。

図４ａは、とくに位相変化がバルブを開放させるときにリタード位置におかれたカムトルク駆動型位相器の概略構成図である。スプール１０４は、電子制御装置（ＥＣＵ）１０２で制御されるアクチュエータ（ＶＦＳ）１０３により、位相器をリタード位置に変化させるように内方（図右方）に移動している。

スプール１０４の移動は、スプリング１１６を圧縮する。スプールが右方に移動すると、図４ｃに示すように、カムシャフトローブ２２２がバルブスプリング２２４を圧縮し、これにより、図４ｂに示すように、正の値を有するトルクである抵抗トルクが生成される。この抵抗トルクは、カムシャフト９に連結されたロータ１をチェーン駆動スプロケットハウジング（図示せず）から遅れさせる。

カムローブ２２２がバルブスプリング２２４を圧縮しているとき、アドバンスチャンバ１７ａは高圧を含んでおり、作動流体１２２をアドバンスチャンバ１７ａの外側に押しやって導入ライン１１１内に流入させる。

作動流体１２２は、導入ライン１１１から、アドバンスエグゾースト通路１０６を出て、再循環チェックバルブ３０２を含むリターン通路３０２に流入する。ここから、作動流体は、リタードチャンバ１７ｂに続く導入ライン１１３に入って、ベーン１６を図示矢印方向に移動させる。

図５ａは、とくに位相変化がバルブを閉塞させるときにリタード位置におかれたカムトルク駆動型位相器の概略構成図である。図５ｃに示すように、カムローブ２２２は、その中心線を過ぎて移動し、バルブスプリング２２４はカムシャフト９およびロータ１を駆動しようとしている。

この駆動力（図５ｂ参照）は、作動流体１２２をリタードチャンバ１７ｂの外側に押し戻して、アドバンスチャンバ１７ａに流入させようとする。しかしながら、再循環チェックバルブ３０２が閉じられているため、作動流体１２２は再循環してリタードチャンバ１７ｂに戻らざるを得ない。

したがって、スプール１０４が内方に移動するとき、作動流体１２２は、アドバンスチャンバ１７ａからリタードチャンバ１７ｂに流れるだけで、逆方向には流れない。リタードチャンバ１７ｂからアドバンスチャンバ１７ａへの流れは、再循環チェックバルブ３０２によって防止されている。

図６ａは、とくに位相変化がバルブを閉塞させるときにアドバンス位置におかれたカムトルク駆動型位相器の概略構成図である。スプール１０４は、アクチュエータ１０３によって位相器をアドバンス位置に移動させるために、外方（図示左方）に移動している。

図６ｃに示すように、カムローブ２２２はその中心線を過ぎて移動しており、バルブスプリング２２４は、カムローブ２２２を押圧してカムシャフトを加速または駆動しようとしている。図６ｂは、負のトルクとしての駆動トルクを示している。駆動トルクは、カムシャフトに連結されたロータの速度を上昇させる。これにより、ロータがチェーン駆動スプロケットハウジングよりも高速で回転する。

バルブスプリング２２４がカムローブ２２２を押圧しているとき、リタードチャンバ１７ｂは高圧を含んでおり、作動流体１２２をリタードチャンバ１７ｂの外側に押しやって導入ライン１１３内に流入させる。作動流体は、導入ライン１１３から、リタードエグゾースト通路１０７の外部に流出し、再循環チェックバルブ３０２を含むリターン通路３０４内に流入する。

ここから、作動流体は、アドバンスチャンバ１７ａに通じる導入ライン１１１に入り、ベーン１６を図示矢印方向に移動させる。これにより、リタードチャンバ１７ｂ内の作動流体１２２は、負のトルクである駆動トルクが存在しているとき、アドバンスチャンバ１７ａに移動する。

図７ａは、とくにカムが図７ｃに示すようにバルブを開放させる新たな回転を開始したときにアドバンス位置におかれたカムトルク駆動型位相器の概略構成図である。カムローブが新たな回転を開始するとき、カムローブは遅れるつまり減速しようとする。

図７ｂに示すように正の値を有するこの抵抗トルクは、作動流体１２２をアドバンスチャンバ１７ａから外側に押しやってリタードチャンバ１７ｂ内に流入させようとする。しかしながら、再循環チェックバルブ３０２が閉じているので、作動流体は再循環してアドバンスチャンバ１７ａに戻らざるを得ない。

作動流体の再循環は、駆動トルクが存在しているときに得られていた運動が失われるのを防止する。したがって、スプール１０４が外方に移動するとき、作動流体は、リタードチャンバ１７ｂからアドバンスチャンバ１７ａに流れるだけであり、逆方向には流れない。アドバンスチャンバ１７ａからリタードチャンバ１７ｂへの流体の流れは、再循環チェックバルブ３０２によって阻止されている。

図８は、導入チェックバルブ４０２の出口が再循環チェックバルブ４００とリターン通路３０４との間に配置されている、言い換えれば、導入チェックバルブ４０２をリターン通路３０４に接続する供給通路４１０が設けられている他の実施例を示している。このような配置は、供給圧が通常低い場合に用いられる。図８に示されるように導入チェックバルブ４０２を配置することによって、再循環バルブのクラック圧力（cracking pressure）に圧力低下が生じる。

図９は、さらに他の実施例を示しており、この実施例では、二つの導入チェックバルブ５０２，５０４がアドバンスチャンバ１７ａ，リタードチャンバ１７ｂとスプール１０４との間に配置されるとともに、供給通路５１０，５１１を介して互いに連結されている。

導入チェックバルブ５０２，５０４を図示した位置に配置することによって、スプールバルブが零位置におかれているときには、アドバンスチャンバ１７ａおよびリタードチャンバ１７ｂが常時満たされていることになる。このことは、スプールバルブのオーバラップが大きくかつクリアラスが小さい場合にとくに重要である。

もし二つの導入チェックバルブがなければ、アドバンスチャンバ１７ａおよびリタードチャンバ１７ｂに対して導入ライン１１１，１１３を開くために、別の動きまたはディザー信号が必要になるだろう。

本明細書中で記述された本発明の実施例が、本発明の原理を適用する単なる例示にすぎないということが理解されるべきである。例示された実施例の詳細に本明細書中で言及することは、特許請求の範囲を狭める意図ではなく、これらの実施例は、本発明にとってきわめて重要なものであるとみなされる特徴部分について説明している。

本発明の一実施例におけるカムシャフトの分解組立図である。 本発明の一実施例におけるロータの分解組立図である。 本発明によるカムトルク駆動型位相器の概略図であって、零位置を示している。 本発明によるカムトルク駆動型位相器の概略図であって、カムシャフトがバルブを開放するリタード位置を示している。 カム捩じりエネルギのグラフである。 カムローブの位置を示している。 本発明によるカムトルク駆動型位相器の概略図であって、カムシャフトがバルブを閉塞するリタード位置を示している。 カム捩じりエネルギのグラフである。 カムローブの位置を示している。 本発明によるカムトルク駆動型位相器の概略図であって、カムシャフトがバルブを開放するアドバンス位置を示している。 カム捩じりエネルギのグラフである。 カムローブの位置を示している。 本発明によるカムトルク駆動型位相器の概略図であって、カムシャフトがバルブを閉塞するアドバンス位置を示している。 カム捩じりエネルギのグラフである。 カムローブの位置を示している。 本発明の第１の変形例の概略図である。 本発明の第２の変形例の概略図である。

符号の説明

１： ロータ
２： ハウジングボディ
３： アウタープレート
９： カムシャフト
１１： タイミングギヤ
１６： ベーン
１７ａ：（アドバンス）チャンバ
１７ｂ：（リタード）チャンバ
１０４： スプール
１０６： アドバンスエグゾースト通路
１０７： リタードエグゾースト通路
１０９： スプールバルブ
３０２： 再循環チェックバルブ8
３０４： リターン通路
４１０： 供給通路
５０２，５０４： チェックバルブ
５１０，５１１： 供給通路

Claims (5)

1. 少なくとも一つのカムシャフトを有する内燃機関のための可変カムタイミング位相器において、
   駆動力を受け入れる外周部を有するハウジングと、
   ハウジング内に同軸に配置されたカムシャフトに連結されるロータと、
   ロータの穴にスライド可能に設けられ、複数のランドを有するスプールを備えたスプールバルブと、
   リターン通路内に設けられた単一の再循環チェックバルブとを備え、
   ハウジングおよびロータが、複数のチャンバを分割する少なくとも一つのベーンを限定しており、少なくとも一つのチャンバがアドバンスチャンバであり、他のチャンバがリタードチャンバであり、ベーンが、ハウジングおよびロータの相対的角度位置を変更するように回転可能になっており、
   スプールがアドバンス位置からホールド位置を通ってリタード位置までスライド可能になっており、スプールバルブが、アドバンスチャンバおよびリタードチャンバまで作動流体を送出するためのアドバンスエグゾースト通路、リタードエグゾースト通路およびリターン通路を有しており、アドバンスエグゾースト通路およびリタードエグゾースト通路がリターン通路に連結されており、
   スプールがリタード位置におかれているとき、作動流体の流れがアドバンスチャンバからアドバンスエグゾースト通路を通ってリターン通路にのみ流れるとともに、スプールがアドバンス位置におかれているとき、作動流体の流れがリタードチャンバからリタードエグゾースト通路を通ってリターン通路にのみ流れるように、再循環チェックバルブが配置されている、
   ことを特徴とする可変カムタイミング位相器。
2. 請求項１において、
   チェックバルブを有する作動流体の供給手段をさらに備えている、
   ことを特徴とする可変カムタイミング位相器。
3. 請求項１において、
   リターン通路に連結された供給通路をさらに備えている、
   ことを特徴とする可変カムタイミング位相器。
4. 請求項１において、
   アドバンスチャンバおよびリタードチャンバへの導入ラインに連結された供給通路をさらに備えている、
   ことを特徴とする可変カムタイミング位相器。
5. 請求項４において、
   アドバンスチャンバおよびリタードチャンバの導入ラインに連結された各供給通路にチェックバルブをさらに備えている、
   ことを特徴とする可変カムタイミング位相器。

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