JP4818314B2 - 内燃機関のバルブタイミング制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の吸気側または排気側の機関弁の開閉時期を機関運転状態に応じて可変にする内燃機関のバルブタイミング制御装置に関する。

従来のバルブタイミング制御装置としては、例えば以下の特許文献１に記載されているものが知られている。

概略を説明すれば、このバルブタイミング制御装置は、機関のクランクシャフトによって回転駆動するタイミングプーリ（駆動回転体）が、カムシャフトに一体に結合された軸部材（従動回転体）の外周側に同軸に配置され、タイミングプーリと軸部材が組付角調整機構を介して互いに連結されている。組付角調整機構は、タイミングプーリに相対回転を規制した状態で軸方向変位可能に取付けられたピストン部材（可動操作部材）と、このピストン部材の内周面と軸部材の外周面に形成されて互いに噛合するヘリカルギヤとによって主として構成されており、ピストン部材を、電磁石と復帰用スプリングを備えた制御機構によって軸方向に適宜進退操作することにより、タイミングプーリと軸部材の組付角度をヘリカルギヤを通して調整する。
特開平１０−１５３１０４号公報

しかしながら、この従来のバルブタイミング制御装置においては、組付角調整機構のピストン部材（可動操作部材）がカムシャフトの軸方向に沿って進退操作される構造となっているため、カムシャフトの端部における組付角調整機構の軸方向占有スペースが大きくなり、機関の軸長が長くなって車両搭載性が悪化するという不具合がある。特に、電磁石によってピストン部材の進退操作位置を変更するためにはピストン部材の進退位置のさらに軸方向外側に電磁石を配置しなければならないため、軸方向の機関設置スペースの小さい車両においては、車両への機関搭載が不可能であった。

そこで本発明は、組付角調整機構の軸方向の占有スペースを小さくして、車両搭載性を向上させることのできる内燃機関のバルブタイミング制御装置を提供しようとするものである。

本発明は、機関のクランクシャフトによって回転駆動する駆動回転体と、該駆動回転体に対して同軸上に相対回転自在に設けられた従動回転体と、端部の曲率を部分的に大きくした渦巻き状ガイド溝を有するガイドプレートと、前記渦巻き状ガイド溝に係合すると共に、前記駆動回転体によって径方向に案内されるように構成され、前記ガイドプレートを前記駆動回転体と従動回転体に対して回動させることにより、前記ガイドプレートの径方向へ移動するように設けられた可動操作部材と、前記従動回転体に設けられ、放射方向に延出するアーム部と、該アーム部と前記可動操作部材とを連結し、前記可動操作部材の径方向の移動によって前記駆動回転体と従動回転体の相対回転位相を可変にするリンクアームと、を備えたことを特徴としている。

したがって、この可動操作部材が駆動回転体及び従動回転体の径方向に沿って移動するようにしたため、可動操作部材の軸方向の占有スペースを小さくすることができる。

しかも、可動操作部材の径方向の移動を、ガイドプレートの複数の渦巻き状ガイド溝を介して行なうようにしたため、駆動回転体と従動回転体との少ない相対回転に対して大きな相対回転位相変化を得ることが可能になる。

図１は、本発明に係る内燃機関のバルブタイミング制御装置を吸気弁側に適用した一実施形態を示している。なお、本発明は、吸気弁側に限らず、排気弁側に同様に適用することも可能である。

このバルブタイミング制御装置は、機関のシリンダヘッドに回転自在に支持されると共に外周に吸気弁を開作動させるカム（図示せず）を有するカムシャフト１と、このカムシャフト１の前端部に固定された段差径状の筒状リテーナ２に回転自在に取付けられて、機関のクランクシャフト（図示せず）によって回転駆動されるタイミングスプロケット３と、前記リテーナ２とタイミングスプロケット３との各前端部間に配置されて、カムシャフト１とタイミングスプロケット３との組付角度を可変調整する組付角調整機構４と、シリンダヘッド５と図外のロッカカバーの前端面に跨って取付けられて組付角調整機構４の周域を囲繞するＶＴＣカバー６と、機関の運転状態に応じて組付角調整機構４を制御するコントローラ７とを備えている。なお、この実施形態においては、駆動回転体はタイミングスプロケット３によって構成され、従動回転体はカムシャフト１とリテーナ２によって構成されている。

前記タイミングスプロケット３は、図１に示すように、中央に前記リテーナ２が挿通する円板状の基部３ａと、該基部３ａの外周部と該基部３ａの側部から軸方向に突出した突出部８に設けられた各歯部９ａ，９ｂとを有し、この各歯部９ａ，９ｂに一端側が図外のクランクシャフトの駆動スプロケットと排気側カムシャフトの従動スプロケットにそれぞれ巻回された駆動、従動チューンの他端側が巻回されるようになっている。また、基部３ａの前端部に円板状の突出壁１０が一体に形成されており、この突出壁１０は、図１〜図３に示すように、その端面に径方向案内部である３条の摺動用溝１１ａ，１１ｂ、１１ｃが半径方向に沿って形成されている。この摺動用溝１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、横断面ほぼ円弧状に形成されていると共に、互いに円周方向の約１２０度位置に放射状に配置されて、その各端部は突出壁１０の外周縁まで延出しており、この各摺動用溝１１ａ，１１ｂ，１１ｃによって可動操作部材１４を径方向へ案内するようになっている。

組付角調整機構４は、図１及び図２に示すように、リテーナ２の端部に軸方向から結合され、外周に前記各摺動用溝１１ａ，１１ｂ，１１ｃに対応して放射方向に延出する３つのアーム部１３，１３，１３を有するレバー部材１２と、前記各摺動用溝１１ａ，１１ｂ，１１ｃに摺動自在に係合された３つの可動操作部材１４，１４，１４と、一端部が該各可動操作部材１４の基端部に一体に結合され、他端部が前記各アーム部１３の先端部に連結された直線状のリンクアーム１５，１５，１５と、前記各可動操作部材１４をコントローラ７からの制御信号に基づいて進退作動させる作動機構１６とによって主として構成されている。

レバー部材１２は、円筒状の基端部１２ａから前記各アーム部１３が円周方向約１２０度の角度位置に突設されていると共に、前記基部１２ａの一端部を前記リテーナ２の先端部に嵌合した状態で、固定ボルト１７によってカムシャフト１に軸方向から共締め固定されている。また、このレバー部材１２は、各アーム部１３のほぼ中央にスリット１３ａがそれぞれ形成され、この各スリット１３ａ内に前記各リンクアーム１６の他端部が挿通しつつ各ピン１８、１８、１８を介して回動自在に連結されている。尚、レバー部材１２とカムシャフト１には、位置決めピン１９が嵌合され、このピン１９によって両者の正確な位置決めがなされている。

また、各可動操作部材１４は、図１〜図３に示すように、円筒部１４ａの中空内部に互いに背中合わせのほぼ円環状の摺動部１４ｂ，１４ｃが摺動自在に収納されていると共に、該両摺動部１４ｂ，１４ｃの各外面に形成された球状凹部内に前記各摺動用溝１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、後述するガイドプレート２３の渦巻き状ガイド溝３０、３０、３０とに係合して転動する突部である第１ガイドボール２０と第２ガイドボール２１がそれぞれ転動自在に保持されている。また、前記両摺動部１４ｂ，１４ｃは、該両者間に介装された各コイルスプリング２２のばね力で各ガイドボール２０、２１を各摺動用溝１１ａ，１１ｂ，１１ｃと各渦巻き状ガイド溝３０方向に付勢されている。

したがって、各可動操作部材１４が各摺動用溝１１ａ，１１ｂ，１１ｃに沿って径方向に変位すると、各リンクアーム１５の作用によって、タイミングスプロケット３とカムシャフト１が各可動操作部材１４の変位に応じた角度だけ相対回動する。

一方、作動機構１６は、図１及び図４に示すように、各可動操作部材１４を挟んで前記タイミングスプロケット３の突出壁１０に対向配置され、自身の回転によって各可動操作部材１４を径方向に変位させるほぼ円板状のガイドプレート２３と、該ガイドプレート２３の前端部にボルト２４によって固定された金属製の円環壁２５と、該円環壁２５とガイドプレート２３との間の環状隙間Ｃ内に径方向に伸縮自在に配置された渦巻きばね２６と、円環壁２５に磁力を作用させることによってガイドプレート２３を他方の回転方向（タイミングスプロケット３の回転方向と逆方向）に付勢する電磁石２８とを備えている。

前記ガイドプレート２３は、図１及び図４に示すように、前記レバー部１２の円筒状基部１２ａの前方へ一体に延出した筒状支持部１２ｂが中央の挿通孔２３ａを所定クリアランスをもって挿通していると共に、他端面に突設された円筒部２３ｂと筒状支持部１２ｂの外周に設けられたボールベアリング２９によって回転可能に支持されると共に、その一端面に３本の前記渦巻き状ガイド溝３０，３０、３０が形成されている。また、ガイドプレート２３は、筒状支持部１２ｂの先端部外周に螺着されたリング部材３１がボールベアリング２９のインナーレースを軸方向に押圧することによって軸方向に位置決めされている。

前記各渦巻き状ガイド溝３０は、それぞれがガイドプレート２３円周方向の約１２０度の位置に設けられた各外端部３０ａから中心方向に向かって同一方向の螺旋状に形成されて、中心側の各内端部３０ｂがガイドプレート２３中央の挿通孔２３ａ付近に配置されていると共に、それぞれが同一長さに設定されている。また、この各渦巻き状ガイド溝３０は、互いに内外周に近接して配置されていると共に、隣接するもの同士はぞれぞれの各内外端部３０ａ，３０ｂの間にそれぞれの内外端部３０ａ，３０ｂが位置するように配設されている。また、各渦巻き状ガイド溝３０は、その曲率が任意に設定されて、この実施形態ではそれぞれの外端部３０ａから内端部３０ｂまで均一な曲率に設定されている。さらに、前記各内外端部３０ａ，３０ｂは、図５に示すように、その底面３０ｃ．３０ｄが中央側の底面から各端縁側にいくにしたがって漸次高くなるようにテーパー状に形成され、これによって、ストッパー機能を発揮させるようになっている。

したがって、各可動操作部材１４の第１ガイドボール２０が渦巻き状ガイド溝３０に係入した状態でガイドプレート２３がタイミングスプロケット３と逆方向に回動すると、各可動操作部材１４がこのときガイドプレート２３の各渦巻き状ガイド溝３０の渦巻き形状に沿って半径方向内側に移動するように構成されている。

前記渦巻きばね２６は、図１に示すように、一端部２６ａが前記ガイドプレート２３の円筒部２３ｂの一部に止着されている一方、他端部２６ｂはタイミングスプロケット３の外周側から軸方向にボルト３１固定された係止部材３２にボルト３３によって止着されている。

前記電磁石２８は、円環壁２５の外側端面に対して軸方向から近接して対峙するようにＶＴＣカバー６に取付けられていると共に、前記コントローラ７からの制御信号によって通電あるいは非通電されて消励磁するようになっている。このコントローラ７は、クランク角センサによる機関回転数やエアーフローメータなどによる機関負荷及び水温センサやスロットルバルブ開度センサなどの各種のセンサ類からの情報信号に基づいて現在の機関運転状態を検出するようになっている。

以下、本実施形態の作用を説明すれば、まず、機関始動時及びアイドル運転時には、コントローラ７からの制御信号によって電磁石２８の通電がオフにされ、その結果、ガイドプレート２３が渦巻きばね２６のばね力のみによってタイミングスプロケット３の回転と同方向に付勢される。これにより、ガイドプレート２３は、各渦巻き状ガイド溝３０の各外端部３０ａに前記可動操作部材１４の各ガイドボール２０が圧接してそれ以上の回動が規制されて初期位置に維持される。したがって、各可動操作部材１４は、図１及び図２に示すように径方向外側に最大に変位した状態となり、この各可動操作部材１４にリンクアーム１５とレバー部材１２を介して連結されたカムシャフト１はタイミングスプロケット３に対して最遅角側の組付角度に維持されている。

したがって、このときには、クランクシャフトとカムシャフト１の回転位相が最遅角側に制御され、機関回転の安定化と燃費の向上が図れる。

また、機関が通常運転に移行すると、コントローラ７からの制御信号によって電磁石２８の通電がオンにされ、ガイドプレート２３に回転抵抗を付与するような磁力が電磁石２８から発生させる。これにより、渦巻きばね２６を介してタイミングスプロケット３と追従回転するガイドプレート２３の回転が妨げられ、このガイドプレート２３は、渦巻きばね２６のばね力に抗してタイミングスプロケット３の回転と逆回転方向の付勢力を受け、各渦巻き状ガイド溝３０の各内端部３０ｂに各可動操作部材１４のガイドボール２０が圧接して規制されるまでタイミングスプロケット３に対して相対回転する。

このとき、各可動操作部材１４は、前記各第１ガイドボール２０が各渦巻き状ガイド溝３０の溝面に沿って転動し、反対側の各第２ガイドボール２１が両摺動用溝１１ａ，１１ｂ，１１ｃに沿って真直ぐに径方向内側方向に移動する。そして、各可動操作部材１４の径方向内側方向の移動に伴ってリンクアーム１５の基端側の連結点（各ピン１８）が径方向内側に移動すると、リンクアーム１５の先端側もそれに追従して移動しようとするが、このときリンクアーム１５の基端側はピン１８によってレバー部材１２の各アーム部１３に連結されているため、レバー部材１２を回転させながら円弧状に移動する。この結果、タイミングスプロケット３とカムシャフト１の組付角は最進角状態に調整変更される。

したがって、このときにクランクシャフトとカムシャフト１の回転位相が最進角側に制御され、機関の高出力化が図れる。

尚、クランクシャフトとカムシャフト１の回転位相の制御は遅角側と進角側の２位置の切換えに限らず、電磁石２８の発生磁力を適宜調整することで任意の回転位相に連続的に制御することも可能である。

また、前述のように、可動操作部材１４を各摺動用溝１１ａ，１１ｂ，１１ｃに沿わせてタイミングスプロケット３の径方向に変位させると共に、可動操作部材１４のこの径方向の変位をリンクアーム１５とレバー部材１２を用いたリンク機構を介してタイミングスプロケット３とカムシャフト１の相対回動に変換するようにしているため、軸方向に大きくスペースを占有しないコンパクトな構造によって確実な位相制御を行うことができる。

そして、各可動操作部材１４の径方向の操作についても、ガイドプレート２３の各渦巻き状ガイド溝３０と可動操作部材１４の第１ガイドボール２０を係合させることによって行っているため、これらの操作機構が軸方向の占有スペースを大きく増大させることがない。

また、この装置の場合、タイミングスプロケット３とガイドプレート２３を連結するばね部材として渦巻きばね２６を採用すると共に、その渦巻きばね２６をガイドプレート２３と円環壁２５との間に配置するようにしたため、ばね部材が装置の軸長を増大させることもない。

したがって、これらのことから電磁石２８も含めた装置全体の軸長は従来のものに比較して大幅に短縮され、車両に対する機関の搭載性が確実に向上する。

しかも、この装置においては、ガイドプレート２３の渦巻き状ガイド溝３０と可動操作部材１４の第１ガイドボール２０を係合させることで、ガイドプレート２３の回転を可動操作部材１４の径方向の運動に変換しているため、渦巻き状ガイド溝３０の外端部３０ａから内端部３０ｂまでの円弧部の曲率を大きく設定するようにすれば、タイミングスプロケット３とカムシャフト１との少ない相対回転量に対して相対回転変化を大きくすることができる。この結果、装置の外径を十分小さくすることが可能になり、前記軸方向のコンパクト化と相俟って装置全体の小型化が図れる。

また、前述のように、渦巻き状ガイド溝３０の外端部３０ａから内端部３０ｂまでの円弧部の曲率を大きく設定するようにすれば、可動操作部材１４側からの荷重入力によってガイドプレート２３が回転する不具合を回避することができる。すなわち、例えば、機関作動中に吸気弁のバルブスプリングのばね力に起因してカムシャフト１に入力される変動トルクによってガイドプレート２３が回転変動する不具合が起こらなくなり、バルブタイミングの制御も速やかに完了する。

また、前記各渦巻き状ガイド溝３０の形状を同一に設定し、かつ各渦巻き状ガイド溝３０に対してそれぞれ１つの可動操作部材１４を設けたため、この可動操作部材１４の形状や大きさ並びにリンクアーム１５の長さなどをすべて同一にすることができる。このため、各構成部品を共用化することができ、これによって製造コストの低廉化が図れる。

さらに、前記渦巻き状ガイド溝３０の円弧部の曲率を任意に設定することができることから、例えば、該曲率を吸気弁のバルブリフト条件に合わせれば、タイミングスプロケット３とカムシャフト１との相対回転速度に拘わらず相対回動位相変換の速度を高めることが可能になる。この結果、機関性能の向上が図れる。

また、前記渦巻き状ガイド溝３０の各内外端部３０ａ，３０ｂを、ガイドプレート２３の最大回動を規制するストッパーとして機能させるようにしたため、別個にストッパー機構を設ける必要がなくなる。これによって、部品点数の増加が抑制されて、製造作業能率の向上とコスト高騰を抑制できる。

しかも、前記各内外端部３０ａ，３０ｂの底面３０ｃ，３０ｄをテーパー状に形成したため、ガイドプレート２３の回動終端域における第１ガイドボール２０との摩擦抵抗によるダンパー効果が発揮されて急激な回動停止作用が回避され、滑らかな停止作用が得られる。また、各内外端部３０ａ，３０ｂのすべてがテーパー状に形成されていることから、各第１ガイドボール２０から受ける停止時の荷重が分散されて、この点からも滑らかな停止作用をさらに促進できる。

また、この各内外端部３０ａ，３０ｂの曲率を、例えばガイドプレート２３の外周縁とほぼ等しい曲率に設定する、つまり部分的に曲率を大きく設定すれば、安定したストッパ機能を発揮させることができる。

さらに、この装置は、タイミングスプロケット３に対するガイドプレート２３の回動を渦巻きばね２６のばね力と電磁石２８の磁力によって制御するようにしているため、オイルポンプの油圧を用いて制御を行う場合に比較して機関運転速度の影響を受けなくて済む。したがって、機関の運転状態に関係なく、バルブタイミング制御を迅速に完了することができる。また、渦巻きばね２６のばね力がバルブタイミングを遅角側に制御する方向に設定されているため、万一、電磁石２８が故障することがあっても機関の始動は保証される。

また、可動操作部材１４を設ける数は２つ以上であれば任意であるが、この実施形態のように複数設けるようにすれば、一つの可動操作部材１４にかかる応力が小さくなり、装置の耐久性が向上する。

また、本発明は、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、例えば渦巻き状ガイド溝３０をさらに増加することも可能であり、またその曲率を途中で変化させることも可能である。このように、曲率を途中で変化させることによって、この変化位置で可動操作部材１４の作動を安定に保持できるため、例えば機関中回転中負荷などの定常運転領域に合わせて曲率を変化させれば、この時点におけるバルブタイミングの安定した制御が可能になる。

さらに、ガイドプレート２３の回動付勢手段としては、前記渦巻きばね２６に代えて例えばさらに別の電磁石によって構成することも可能である。

本発明の実施形態を示す図２のＡ−Ａ線に沿う断面図。 同実施形態を示す図１のＢ−Ｂ線に沿う断面図。 図１のＣ−Ｃ線に沿う断面図。 図１のＤ−Ｄ線に沿う断面図。 図４のＥ−Ｅ線に沿う断面図。

符号の説明

１…カムシャフト（従動回転体）
３…タイミングスプロケット（駆動回転体）
４…組付角調整機構
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…摺動用溝（径方向案内部）
１４…可動操作部材
１５…リンクアーム（リンク）
２０、２１…ガイドボール
２３…ガイドプレート
２６…渦巻きばね（ばね部材）
２８…電磁石
３０…渦巻き状ガイド溝

Claims (1)

1. 機関のクランクシャフトによって回転駆動する駆動回転体と、
   該駆動回転体に対して同軸上に相対回転自在に設けられた従動回転体と、
   端部の曲率を部分的に大きくした渦巻き状ガイド溝を有するガイドプレートと、
   前記渦巻き状ガイド溝に係合すると共に、前記駆動回転体によって径方向に案内されるように構成され、前記ガイドプレートを前記駆動回転体と従動回転体に対して回動させることにより、前記ガイドプレートの径方向へ移動するように設けられた可動操作部材と、
   前記従動回転体に設けられ、放射方向に延出するアーム部と、
   該アーム部と前記可動操作部材とを連結し、前記可動操作部材の径方向の移動によって前記駆動回転体と従動回転体の相対回転位相を可変にするリンクアームと、
   を備えたことを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。

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