JP7572248B2 - 可変バルブタイミング機構 - Google Patents

Description

本発明は、油圧ベーン式の可変バルブタイミング機構に関する。

従来から、エンジンの運転状態（例えば、回転数や負荷など）に応じて、クランクシャフトに対してカムシャフトを進角・遅角させることで、エンジンの吸気・排気のバルブ開閉タイミングを連続的に変化させることにより、吸排気効率をエンジン回転数の全域で高め、出力の向上、燃費の向上、排気ガスの低減を図る可変バルブタイミング機構（ＡＶＣＳ（Ａｃｔｉｖｅ Ｖａｌｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ））が用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４－７７４３４号公報

しかしながら、例えば、排気バルブ側に設けられたバルブタイミング機構を最進角側（基準位置）で保持しているときに、当該可変バルブタイミング機構から異音（打音）や振動が発生することがある。そのため、このように、最進角側（又は最遅角側）に保持しているときに生じることがある異音や振動の発生を抑制する発明が望まれていた。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、最進角側（又は最遅角側）で保持されているときに生じ得る異音や振動の発生を抑制することが可能な可変バルブタイミング機構を提供することを目的とする。

本願の発明者は、上記の問題点につき鋭意検討を重ねた結果、例えば、ロータ（ベーン）がハウジングと当接されて最進角側で保持されている状態において、カムシャフトの回転に伴い、ロータを遅角側（遅角方向）に動かすカムトルク（反トルク）が入力された場合、現実的には進角室のシールは完全ではなく若干の漏れが生じるため、ロータが遅角側に回動する。すなわち、ロータ（ベーン）がハウジングから離れる。その後、ロータを進角側（進角方向）に動かすカムトルク（反トルク）が入力されたときに、ロータ（ベーン）が進角側に回動し、ハウジングと衝突する。そして、カムシャフトの回転に伴い、このような事象（ばたつき）が繰り返されることにより、例えば、排気側のバルブタイミング機構を最進角側（基準位置）で保持しているときに、当該可変バルブタイミング機構から異音（打音）や振動が発生するとの知見を得た。

そこで、本発明に係る可変バルブタイミング機構は、エンジンのクランクシャフトと連動して回転するハウジングと、該ハウジングと同軸上に、かつ、該ハウジングと相対回動自在に設けられ、カムシャフトと連動して回転するロータと、ハウジングとロータとによって画成され、ロータを進角側に回動する油圧が入る進角室、及び、ロータを遅角側に回動する油圧が入る遅角室と、進角室、及び、遅角室に対する油圧の供給／排出を制御する制御手段と、を有し、エンジンの運転状態に応じて、進角室、及び、遅角室に対する油圧の供給／排出を制御して、ハウジングとロータとの位相差を回動調節することにより、バルブタイミングを可変する可変バルブタイミング機構において、ロータの径方向に、ロータのベーンから進退自在に設けられ、油圧によって突出して、ハウジングの内面に当接する摩擦部材と、摩擦部材に対して、摩擦部材を退出させる方向に付勢力を付与する付勢部材と、ロータが最進角側に位置している状態において、進角室と摩擦部材との間を連通する油圧回路、又は、ロータが最遅角側に位置している状態において、遅角室と摩擦部材との間を連通する油圧回路とを備えることを特徴とする。

本発明に係る可変バルブタイミング機構によれば、例えば、ロータ（ベーン）が最進角側に保持されている状態において、ロータを遅角側に動かす方向にカムトルク（反トルク）が入力された場合、ロータが遅角側に動くことにより進角室のオイルが圧縮されて油圧が上昇し、当該油圧が油圧回路を通して摩擦部材に伝達される。そして、摩擦部材が突出してハウジングの内面に当接する（押し付けられる）ことにより、ロータの遅角側への動きが抑制される（すなわち、相対的な移動量が低減される）。そのため、その後、ロータを進角側に動かす方向にカムトルク（反トルク）が入力された場合に、最進角側への移動距離が短くなり、打撃衝突が軽減され、異音や振動の発生が抑制される。なお、ロータが最進角側に位置している状態においても、同様にして、異音や振動の発生を抑制できる。その結果、最進角側（又は最遅角側）で保持されているときに、可変バルブタイミング機構から生じ得る異音や振動の発生を抑制することが可能となる。なお、上述したように進角室のオイルが圧縮されて油圧が上昇していないとき（すなわち、ロータのばたつきが生じていないとき）には、付勢部材の付勢力によって、摩擦部材がロータの径方向内側に引っ張られることにより、摩擦部材が退出され、すなわち、ロータとの当接が解消され、抵抗（フリクション）となることが防止される。

本発明に係る可変バルブタイミング機構では、可変バルブタイミング機構が、排気バルブ側のカムシャフトに設けられ、最進角側が基準位置に設定されており、油圧回路が、ロータが最進角側に位置している状態において、進角室と摩擦部材との間を連通することが好ましい。

このようにすれば、特に、異音や振動が問題となる排気バルブ側の可変バルブタイミング機構において、異音や振動の発生を抑制することができる。

本発明に係る可変バルブタイミング機構では、上記摩擦部材として、柱状のピストンを好適に用いることができ、上記付勢部材として、スプリングを好適に用いることができる。

本発明に係る可変バルブタイミング機構では、エンジンの回転範囲において（アイドル回転数～レブリミットまで）、カムシャフトの回転に伴いカムシャフトから入力されるトルクの入力周波数に対して応答できるように、かつ、エンジンの回転範囲において共振しないように、ピストンの質量、及び、スプリングのばね定数が設定されることが好ましい。

このようにすれば、エンジンの全運転領域において、ピストンを確実に作動させる（すなわち、ロータのばたつきを抑制する）ことができる。

本発明に係る可変バルブタイミング機構では、上記摩擦部材、付勢部材、及び、油圧回路が、ロータのベーン毎に、複数設けられていることが好ましい。

このようにすれば、均等に摩擦部材等を配置することができ、より効果的に、異音や振動の発生を抑制することができる。

本発明によれば、最進角側（又は最遅角側）で保持されているときに、可変バルブタイミング機構から生じ得る異音や振動の発生を抑制することが可能となる。

実施形態に係る可変バルブタイミング機構が適用されたエンジンの構成を示す図である。 実施形態に係る可変バルブタイミング機構の構成（ピストン退出時）を示す図である。 実施形態に係る可変バルブタイミング機構の構成（ピストン突出時）を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一符号を用いることとする。また、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

まず、図１～図３を併せて用いて、実施形態に係る可変バルブタイミング機構２７の構成について説明する。図１は、実施形態に係る可変バルブタイミング機構２７が適用された筒内噴射エンジン（以下、単に「エンジン」ともいう）１０の構成を示す図である。図２は、可変バルブタイミング機構２７の構成（ピストン退出時）を示す図である。また、図３は、可変バルブタイミング機構２７の構成（ピストン突出時）を示す図である。なお、本実施形態では、本発明を、排気バルブ２５側に設けられた可変バルブタイミング機構２７に適用した場合を例にして説明する。

エンジン１０は、例えば水平対向型の４気筒ガソリンエンジンである。また、エンジン１０は、シリンダ内（筒内）に燃料を直接噴射する筒内噴射式のエンジンである。エンジン１０では、エアクリーナ１６から吸入された空気が、吸気管１５に設けられた電子制御式スロットルバルブ（以下、単に「スロットルバルブ」ともいう）１３により絞られ、インテークマニホールド１１を通り、エンジン１０に形成された各気筒に吸入される。ここで、エアクリーナ１６から吸入された空気の量（エンジン１０に吸入される空気量）は、エアクリーナ１６とスロットルバルブ１３との間に配置されたエアフローメータ１４により検出される。また、インテークマニホールド１１を構成するコレクター部（サージタンク）の内部には、インテークマニホールド１１内の圧力を検出するバキュームセンサ３０が配設されている。さらに、スロットルバルブ１３には、該スロットルバルブ１３の開度を検出するスロットル開度センサ３１が配設されている。

シリンダヘッドには、気筒毎に吸気ポート２２と排気ポート２３とが形成されている（図１では片バンクのみ示した）。各吸気ポート２２、排気ポート２３それぞれには、該吸気ポート２２、排気ポート２３を開閉する吸気バルブ２４、排気バルブ２５が設けられている。吸気バルブ２４を駆動する吸気カムシャフト２８と吸気カムプーリとの間には、吸気カムプーリと吸気カムシャフト２８とを相対回動してクランクシャフト１０ａに対する吸気カムシャフト２８の回転位相（変位角）を連続的に変更して、吸気バルブ２４のバルブタイミング（開閉タイミング）を進遅角する可変バルブタイミング機構２６が配設されている。この可変バルブタイミング機構２６により吸気バルブ２４の開閉タイミングがエンジン１０の運転状態に応じて可変設定される。

同様に、排気カムシャフト２９と排気カムプーリ（チェーンスプロケット２７２）との間には、排気カムプーリ（チェーンスプロケット２７２）と排気カムシャフト２９とを相対回動してクランクシャフト１０ａに対する排気カムシャフト２９の回転位相（変位角）を連続的に変更して、排気バルブ２５のバルブタイミング（開閉タイミング）を進遅角する可変バルブタイミング機構２７が配設されている。この可変バルブタイミング機構２７により排気バルブ２５の開閉タイミングがエンジン１０の運転状態に応じて可変設定される。

ここで、排気バルブ２５側に設けられた可変バルブタイミング機構２７は、エンジン１０のクランクシャフト１０ａと連動して回転するハウジング２７１と、該ハウジング２７１と同軸上に、かつ、該ハウジング２７１と相対回動自在に設けられ、排気カムシャフト２９と連動して回転するロータ２７３とを有している。

より具体的には、ハウジング２７１には、径方向の外周上に複数の外歯が形成されたチェーンスプロケット２７２が固定され、チェーンスプロケット２７２を通じてクランクシャフト１０ａの動力が伝達される。なお、ハウジング２７１は、クランクシャフト１０ａの１／２の回転速度で回転する。

また、ハウジング２７１の内部には、ロータ２７３を収容するため、円状空間とその円状空間から径方向外側に向けて扇状に切り欠かれた複数（例えば３つ）の扇状空間からなる収容空間が形成されている。ロータ２７３は、ハウジング２７１に設けられた収容空間に収容されるとともに、排気カムシャフト２９の端部に接続されている。また、ロータ２７３には、外側面に、径方向外側に向けて突出し、扇状空間に収容されるベーン２７３ａが複数（本実施形態では３つ）形成されている。そして、ロータ２７３は、ベーン２７３ａが扇状空間内で移動可能な範囲において、ハウジング２７１に対して相対回転することができる。

可変バルブタイミング機構２７では、ハウジング２７１とロータ２７３（ベーン２７３ａ）とにより、ロータ２７３を進角側に回動する油圧が入る進角室（油圧室）２７４、及び、ロータ２７３を遅角側に回動する油圧が入る遅角室（油圧室）２７５が画成されている。より具体的には、ベーン２７３ａは、扇状空間よりも回転方向の幅が狭く形成されており、扇状空間を、進角室２７４（ロータ２７３を進角方向に作動させる油圧室）と遅角室２７５（ロータ２７３を遅角方向に作動させる油圧室）とに二分する。ここで、進角方向は、図２、３において左方向となり、遅角方向は、図２、３において右方向となる。

進角室２７４、及び、遅角室２７５に対する油圧の供給／排出（給排状態）は、エンジン制御装置（以下「ＥＣＵ」という）５０、リニアソレノイド５１、オイルコントロールバルブ５２により制御される。すなわち、ＥＣＵ５０、リニアソレノイド５１、オイルコントロールバルブ５２は、特許請求の範囲に記載の制御手段として機能する。

オイルコントロールバルブ５２は、複数のポートが形成されたスリーブ５２１の内部に、スプール５２２を軸方向に摺動自在に収容して構成されている。スリーブ５２１の各ポートには、オイルポンプ６０によってスリーブ５２１内へ油圧（オイル）を供給する第１供給油路６１、進角室２７４又は遅角室２７５に油圧（オイル）を供給する第２供給油路６２、進角室２７４からオイルを排出する第１ドレン油路６３、及び、遅角室２７５からオイルを排出する第２ドレン油路６４がそれぞれ接続されている。

また、スプール５２２の一方の端部にはスプリング５２３が配設されており、他方の端部には、リニアソレノイド５１が配設されている。そして、リニアソレノイド５１の駆動力とスプリング５２３の付勢力との合力によってスプール５２２が軸方向に駆動されることにより、油圧の供給／排出が制御される。

リニアソレノイド５１は、ＥＣＵ５０に接続されており、該ＥＣＵ５０により駆動が制御される。リニアソレノイド５１は、ＥＣＵ５０から印加される電流値に応じてシャフトを軸方向に変位させて、スプール５２２を軸方向（図２，３において左右方向）に駆動する。より具体的には、リニアソレノイド５１の駆動が停止された場合には、スプリング５２３の付勢力により、図面左側にスプール５２２が移動する。一方、リニアソレノイド５１が駆動された場合には、図面右側にスプール５２２が移動する。なお、リニアソレノイド５１に代えて例えばデューティソレノイド等を用いてもよい。

ＥＣＵ５０は、演算を行うマイクロプロセッサ、該マイクロプロセッサに各処理を実行させるためのプログラム等を記憶するＥＥＰＲＯＭ、演算結果などの各種データを記憶するＲＡＭ、バッテリによってその記憶内容が保持されるバックアップＲＡＭ、及び入出力Ｉ／Ｆ等を有して構成されている。また、ＥＣＵ５０は、インジェクタ１２を駆動するインジェクタドライバ、点火信号を出力する出力回路、及び、電子制御式スロットルバルブ１３を開閉する電動モータ１３ａを駆動するモータドライバ等を備えている。さらに、ＥＣＵ５０は、可変バルブタイミング機構２７を構成するリニアソレノイド５１を駆動するドライバ等も備えている。

ＥＣＵ５０では、カム角センサ３２の出力から気筒が判別され、クランク角センサ３３の出力からエンジン回転数が求められる。また、ＥＣＵ５０では、各種センサから入力される検出信号に基づいて、吸入空気量、吸気管負圧、アクセルペダル開度、混合気の空燃比、吸入空気温度、及び、エンジン１０の水温や油温等の各種情報が取得される。そして、ＥＣＵ５０は、取得したこれらの各種情報に基づいて、燃料噴射量や燃料噴射時期、点火時期、及び、スロットルバルブ１３等の各種デバイスを制御することによりエンジン１０を総合的に制御する。

また、ＥＣＵ５０は、エンジン１０の運転状態（例えば、回転数や負荷など）に応じて、可変バルブタイミング機構２７の進角室２７４、及び、遅角室２７５に対する油圧の供給／排出（給排状態）を制御して、ハウジング２７１とロータ２７３との位相差を回動調節することにより、バルブタイミングを可変する。

より具体的には、ＥＣＵ５０は、リニアソレノイド５１の駆動を停止して、図面左側にスプール５２２を移動させることにより、遅角室２７５からオイルを排出するとともに、進角室２７４にオイルを供給する（すなわち、可変バルブタイミング機構２７を進角側に駆動する）。一方、ＥＣＵ５０は、リニアソレノイド５１を駆動して、図面右側にスプール５２２を移動させることにより、進角室２７４からオイルを排出するとともに、遅角室２７５にオイルを供給する（すなわち、可変バルブタイミング機構２７を遅角側に駆動する）。

特に、排気バルブ１５側に設けられた可変バルブタイミング機構２７は、図２、３で示されるように、最進角側（基準位置）で保持されているときに生じ得る異音や振動の発生を抑制する機能を有している。

そのため、可変バルブタイミング機構２７は、ロータ２７３の径方向に、ロータ２７３のベーン２７３ａから進退自在に設けられ、油圧によって突出して、ハウジング２７１の内面に当接する（押し付けられる）ピストン２７６（特許請求の範囲に記載の摩擦部材に相当）と、ピストン２７６に対して、ピストン２７６を退出させる方向（引っ張る方向）に付勢力を付与するコイルスプリング２７７（特許請求の範囲に記載の付勢部材に相当）と、ロータ２７３が最進角側に位置している状態において、進角室２７４とピストン２７６の受圧面との間を連通する油圧回路２７８とを備えている。

ピストン２７６は、例えば、金属からなる円柱状の部材であって、底面が油圧を受ける受圧面となり、頂面（天面）がハウジング２７１に当接される摩擦面となる。

ここで、ピストン２７６の質量、及び、コイルスプリング２７７のばね定数（バネ力）は、エンジン１０の回転範囲全域において（アイドル回転数～レブリミットまで）、排気カムシャフト２９の回転に伴い排気カムシャフト２９から入力されるトルク（反トルク）の入力周波数に対して応答できるように（応答性を有するように）、かつ、エンジン１０の回転範囲全域において共振しないように（固有値を持たないように）設定される。

また、可変バルブタイミング機構２７は、最進角側が基準位置に設定されており、油圧回路２７８は、ロータ２７３（ベーン２７３ａ）が最進角側に位置している状態において、進角室２７４とピストン２７６の受圧面との間を連通する。

なお、ピストン２７６、コイルスプリング２７７、及び、油圧回路２７８は、ロータ２７３のベーン２７３ａ毎に、複数（例えば３つ）設けられていることが好ましい。なお、ロータ２７３は回転対称であるので、図２、３では、１つの構成のみを示した。

上述したように構成されることにより、例えば、ロータ２７３（ベーン２７３ａ）が最進角側に保持されている状態において、ロータ２７３を遅角側に動かす方向にカムトルク（反トルク）が入力された場合、ロータ２７３（ベーン２７３ａ）が遅角側に動くことにより進角室２７４のオイルが圧縮されて油圧が上昇し、当該油圧が油圧回路２７８を通してピストン２７６に伝達される。そして、図３に示されるように、ピストン２７６が突出してハウジング２７１の内面に当接する（押し付けられる）ことにより、ロータ２７３の遅角側への動きが抑制される（すなわち、相対的な移動量が低減される）。そのため、その後、ロータ２７３を進角側に動かす方向にカムトルク（反トルク）が入力された場合に、最進角側への移動距離が短くなり、ロータ２７３（ベーン２７３ａ）とハウジング２７１との打撃衝突が軽減され、異音や振動の発生が抑制される。

以上、詳細に説明したように、本実施形態によれば、最進角側で保持されているときに、可変バルブタイミング機構２７から生じ得る異音や振動の発生を抑制することが可能となる。なお、上述したように進角室２７４のオイルが圧縮されて油圧が上昇していないとき（すなわち、ロータ２７３（ベーン２７３ａ）のばたつきが生じていないとき）には、コイルスプリング２７７の付勢力によって、ピストン２７６がロータ２７３の径方向内側に引っ張られることにより、ピストン２７６が退出され、すなわち、ロータ２７３との当接が解消され、抵抗（フリクション）となることが防止される（図２参照）。

本実施形態によれば、可変バルブタイミング機構２７が、排気カムシャフト２９に設けられ、最進角側が基準位置に設定されており、油圧回路２７８が、ロータ２７３が最進角側に位置している状態において、進角室２７４とピストン２７６の受圧面との間を連通する。そのため、特に、異音や振動が問題となる、排気バルブ２５側の可変バルブタイミング機構２７において、異音や振動の発生を抑制することができる。

本実施形態によれば、エンジン１０の全回転範囲において（アイドル回転数～レブリミットまで）、排気カムシャフト２９の回転に伴い排気カムシャフト２９から入力されるトルクの入力周波数に対して応答できるように、かつ、エンジン１０の全回転範囲において共振しないように（固有値を持たないように）、ピストン２７６の質量、及び、コイルスプリング２７７のばね定数（ばね力）が設定される。そのため、エンジン１０の全運転領域において、ピストン２７６を確実に作動させる（ロータ２７３のばたつきを抑制する）ことができる。

本実施形態によれば、ピストン２７６、コイルスプリング２７７、及び、油圧回路２７８が、ロータ２７３のベーン２７３ａ毎に、複数（上記実施形態では３つ）設けられている。そのため、均等にピストン２７６等を配置することができ、より効果的に、異音や振動の発生を抑制することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、本発明を、排気バルブ２５側の可変バルブタイミング機構２７に適用したが、可変バルブタイミング機構２７に代えて、又は、加えて、吸気バルブ２４側の可変バルブタイミング機構２６に適用してもよい。

また、ピストン２７６の素材や形状などは、上記実施形態には限られることなく、要件等に応じて任意に設定することができる。同様に、コイルスプリング２７７の形状や種類などは上記実施形態には限られることなく、要件等に応じて任意に設定することができる。

１０ エンジン
１０ａ クランクシャフト
２４ 吸気バルブ
２５ 排気バルブ
２６，２７ 可変バルブタイミング機構
２７１ ハウジング
２７２ チェーンスプロケット
２７３ ロータ
２７３ａ ベーン
２７４ 進角室（油圧室）
２７５ 遅角室（油圧室）
２７６ ピストン
２７７ コイルスプリング
２７８ 油圧回路（油路）
２８ 吸気カムシャフト
２９ 排気カムシャフト
５０ ＥＣＵ
５１ リニアソレノイド
５２ オイルコントロールバルブ
５２１ スリーブ
５２２ スプール
５２３ スプリング
６０ オイルポンプ
６１ 第１供給油路
６２ 第２供給油路
６３ 第１ドレン油路
６４ 第２ドレン油路

Claims (5)

1. エンジンのクランクシャフトと連動して回転するハウジングと、該ハウジングと同軸上に、かつ、該ハウジングと相対回動自在に設けられ、カムシャフトと連動して回転するロータと、前記ハウジングと前記ロータとによって画成され、前記ロータを進角側に回動する油圧が入る進角室、及び、前記ロータを遅角側に回動する油圧が入る遅角室と、前記進角室、及び、前記遅角室に対する油圧の供給／排出を制御する制御手段と、を有し、前記エンジンの運転状態に応じて、前記進角室、及び、前記遅角室に対する油圧の供給／排出を制御して、前記ハウジングと前記ロータとの位相差を回動調節することにより、バルブタイミングを可変する可変バルブタイミング機構において、
   前記ロータのベーンから進退自在に設けられ、油圧によって突出して、前記ハウジングの内面に当接する摩擦部材と、
   前記摩擦部材に対して、前記摩擦部材を前記ロータの径方向内側に引っ張る方向に付勢力を付与する付勢部材と、
   前記ロータが最進角側に位置している状態において、前記進角室と前記摩擦部材との間を連通する油圧回路と、を備えることを特徴とする可変バルブタイミング機構。
2. 前記可変バルブタイミング機構は、排気バルブ側のカムシャフトに設けられ、最進角側が基準位置に設定されており、
   前記油圧回路は、前記ロータが最進角側に位置している状態において、前記進角室と前記摩擦部材との間を連通することを特徴とする請求項１に記載の可変バルブタイミング機構。
3. 前記摩擦部材は、柱状のピストンであり、
   前記付勢部材は、スプリングであることを特徴とする請求項１又は２に記載の可変バルブタイミング機構。
4. 前記エンジンの回転範囲において、前記カムシャフトの回転に伴い前記カムシャフトから入力されるトルクの入力周波数に対して応答できるように、かつ、前記エンジンの回転範囲において共振しないように、前記ピストンの質量、及び、前記スプリングのばね定数が設定されることを特徴とする請求項３に記載の可変バルブタイミング機構。
5. 前記摩擦部材、前記付勢部材、及び、前記油圧回路は、前記ロータのベーン毎に、複数設けられていることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の可変バルブタイミング機構。

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