JP2009228559A

JP2009228559A - 内燃機関の位相可変動弁機構

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Publication number: JP2009228559A
Application number: JP2008075039A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Ezaki; 修一江▲崎▼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2008-03-24
Publication date: 2009-10-08
Anticipated expiration: 2028-03-24
Also published as: JP4900296B2

Abstract

【課題】低温時であっても確実に位相進角制御を実行することが可能な内燃機関の位相可変動弁機構を提供する。
【解決手段】可変動弁機構１１，２１は、カム軸３１のトルク変動を用いてロータ３９のベーンを動かし、ベーンにより区画される進角室と遅角室との間で作動オイルを移動させ、吸排気バルブの位相を変更する。ハウジング３３とスプリングリテーナ３４の間に、カム軸３１に負トルクを付勢するアシストスプリング３５を設ける。アシストスプリング３５のバネ定数は、高温になるほど小さくなるようにされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関の位相可変動弁機構に係り、特に、カム軸のトルク変動を用いて作動オイルを移動させることが可能な位相可変動弁機構に関する。

カム軸のトルク変動を用いて作動オイルを進角室と遅角室との間で移動させることにより、バルブの位相を変更可能な装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００５−１４７１５３号公報

しかしながら、内燃機関の低温時には、作動オイル（潤滑油）の粘度が増大したり、またカム軸とその軸受けの熱膨張係数差によるクリアランスの縮小が発生することによってフリクションが増大する。その結果、位相を進角させるために必要なカム軸に作用する負トルクが減少してしまう。このため、バルブの位相進角可変を実行することができなくなる場合がある。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、低温時であっても確実に位相進角制御を実行することが可能な内燃機関の位相可変動弁機構を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関のカム軸のトルク変動を用いて作動オイルを進角室と遅角室との間で移動させることによりバルブの位相を変更可能な内燃機関の位相可変動弁機構であって、
前記位相可変動弁機構は、前記カム軸に対して負トルクを付勢可能な負トルク付勢手段を備え、
前記カム軸の負トルク減少時に、前記負トルク付勢手段により前記カム軸の負トルクが補填されることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記負トルク付勢手段は、高温になるほどバネ定数が小さくなるバネ部材であることを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
前記位相可変動弁機構は、前記バネ部材を取り付けるための取付部材を更に備え、
前記取付部材は、高温時に、低温時に比して前記バネ部材により補填される負トルクを小さくするように変位することを特徴とする。

第１の発明は、内燃機関のカム軸のトルク変動を用いて作動オイルを進角室と遅角室との間で移動させることによりバルブの位相を変更可能な内燃機関の位相可変動弁機構に関する。第１の発明によれば、低温時のようなカム軸の負トルク減少時に、負トルク付勢手段によりカム軸に対して負トルクが付勢される。よって、低温時であっても、位相進角制御に用いる負トルクを確保することができるため、確実に位相進角制御を実行することができる。

上記第１の発明により低温時の位相進角制御を確実に実行することができるが、高温時にも負トルク付勢手段により負トルクが付勢されると、高温時の位相遅角制御に用いられる正トルクの低下を招来する可能性がある。第２の発明によれば、負トルク付勢手段としてのバネ部材のバネ定数が高温になるほど小さくなる。よって、高温時にバネ部材により補填される負トルクが低温時に比して小さくされる。これにより、高温時の位相遅角制御に用いられる正トルクの低下を抑制することができ、高温時の位相遅角制御の応答性の低下を更に抑制することができる。

第３の発明によれば、高温時にバネ部材を取り付けるための取付部材が変位することで、高温時にバネ部材により補填される負トルクが低温時に比して小さくされる。これにより、第２の発明に比して、高温時の位相遅角制御に用いられる正トルクの低下を抑制することができ、高温時の位相遅角制御の応答性の低下を更に抑制することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１によるシステムの構成の一例を示す図である。図１に示すシステムは、エンジン１として、直列４気筒型のガソリンエンジン（火花点火内燃機関）を備えている。なお、エンジン１は、ディーゼルエンジン（圧縮着火内燃機関）であってもよい。エンジン１の各気筒２のピストンは、クランク機構を介してクランク軸３に連結されている。クランク軸３の近傍には、クランク角度CAを検出するクランク角センサ４が設けられている。

エンジン１の各気筒２には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ５が設置されている。各インジェクタ５は、共通のコモンレール６に接続されている。このコモンレール６には、サプライポンプ７によって加圧された燃料が蓄えられる。インジェクタ５は、１サイクル中に任意のタイミングで燃料を筒内に噴射することができる。また、エンジン１の各気筒２には、気筒２内の混合気に点火する点火プラグ８が設けられている。

エンジン１の各吸気ポート９には、２つの吸気バルブ１０が設けられている。すなわち、気筒毎に２つの吸気バルブ１０が設けられている。吸気バルブ１０は、位相可変動弁機構１１に接続されている。位相可変動弁機構１１は、吸気バルブ１０の位相を変更可能に構成されている。吸気ポート９は、吸気マニホールド１２を介して吸気通路１３に接続されている。吸気通路１３の途中には、スロットル弁１４が設けられている。スロットル弁１４は、スロットルモータ１４ａにより駆動される電子制御式のバルブである。スロットル弁１４は、アクセル開度センサ１６により検出されるアクセル開度AA等に基づいて駆動されるものである。スロットル弁１４の近傍には、スロットル開度TAを検出するスロットル開度センサ１５が設けられている。スロットル弁１４の上流には、吸入空気量Gaを検出するエアフロメータ１７が設けられている。エアフロメータ１７の上流にはエアクリーナ１８が設けられている。

また、エンジン１の各排気ポート１９には、２つの排気バルブ２０が設けられている。すなわち、気筒毎に２つの排気バルブ２０が設けられている。この排気バルブ２０は、位相可変動弁機構２１に接続されている。この位相可変動弁機構２１は、吸気系の可変動弁機構１１と同様の構成を有している。排気ポート１９は、排気マニホールド２２を介して排気通路２３に接続されている。排気通路２３には、排気ガスを浄化する排気浄化触媒２４が設けられている。この触媒２４の上流には、排気空燃比を検出する空燃比センサ２５が設けられている。

排気マニホールド２２には、外部ＥＧＲ通路２６の一端が接続されている。外部ＥＧＲ通路２６の他端は、吸気マニホールド１２近傍の吸気通路１３に接続されている。この外部ＥＧＲ通路２６を通して、排気ガス（既燃ガス）の一部を吸気通路１３に還流させること、つまり外部ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)を行うことができる。また、外部ＥＧＲ通路２６の途中には、外部ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ２７が設けられている。ＥＧＲクーラ２７の下流には、ＥＧＲ弁２８が設けられている。このＥＧＲ弁２８の開度を大きくするほど、外部ＥＧＲ量（もしくは外部ＥＧＲ率）を増大させることができる。

図１に示すシステムは、制御装置としてのＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０を備えている。ＥＣＵ３０の出力側には、インジェクタ５、サプライポンプ７、可変動弁機構１１，２１、スロットルモータ１４ａ、ＥＧＲ弁２８等が接続されている。ＥＣＵ３０の入力側には、クランク角センサ４、スロットル開度センサ１５、アクセル開度センサ１６、エアフロメータ１７、空燃比センサ２５のほか、エンジン１の冷却水温を検出する水温センサ２９が接続されている。

（位相可変動弁機構の構成）
次に、図２及び図３を参照して、上記システムに搭載される位相可変動弁機構１１，２１の構成について説明する。図２は、図１に示すシステムに搭載される位相可変動弁機構１１，２１の構成を示す図である。図３は、図２に示すアシストスプリング３５の拡大図である。
図２に示すように、カム軸３１の周りには、スプロケット３２が設けられている。このスプロケット３２には、ハウジングカバー３３が固定されている。また、カム軸３１の端部には、スプリングリテーナ３４が設けられている。スプリングリテーナ３４とハウジングカバー３３との間には、アシストスプリング３５が設けられている。このアシストスプリング３５は、カム軸３１のフリクションが増大する低温時（特に極低温時）に、カム軸３１に負トルクを付勢するものである。アシストスプリング３５は、高温になるほどバネ定数が小さくなるねじりバネやコイルバネのような形状記憶スプリングが好適であり、例えば、チタン系の材料により形成することができる。アシストスプリング３５は、図３に示すように、スプリングリテーナ３４の同一径部分に複数回巻かれており、その端部は固定部材３６に引っ掛けられている。なお、アシストスプリング３５は、必ずしも同一径で巻かれている必要はなく、異なる径で複数回巻かれていてもよい。この固定部材３６は、例えば、スプリングリテーナ３４のほか、カム軸３１の他の固定位置に設けることができる。

ハウジング３３内には、ロータ３９が連結されている。ロータ３９は、ハウジング３３に係合し、進角室４１と遅角室４２とを区画するベーン４０を有している（図４，図５参照）。また、ロータ３９は、作動オイルの逆流を防止するチェック弁４３，４４と、カム軸３１端部の中空部分を軸方向にスライドするスプール４５とを収容している。スプール４５には、複数の油路を連通させるための凹部４５ａが形成されている。スプール４５は、可変ソレノイド４６により駆動される。可変ソレノイド４６は、上記ＥＣＵ３０の出力側に接続されている。

［位相可変動弁機構の動作］
次に、図４及び図５を参照して、位相可変動弁機構の動作について説明する。図４は、位相進角制御時における位相可変動弁機構の動作を説明するための図である。図５は、位相遅角制御時の位相可変動弁機構の動作を説明するための図である。

（位相進角制御）
図４において矢印Ａ１で示すように、負方向のカム軸トルクがベーン４０に作用すると共に、凹部４５ａによって油路４８，４９が連通するスプール４５の位置となるように可変ソレノイド４６が駆動されると、遅角室４２から進角室４１に作動オイルが移動する。詳細には、遅角室４２の作動オイルが、油路４９、凹部４５ａ、油路４８，４７の順に流れて、進角室４１に流入する。これにより、クランク軸３に対するカム軸３１の位相が進角され、吸気バルブ１０及び／又は排気バルブ２０の位相が進角される。
なお、制御中に逆方向のカム軸トルクが生じた場合には、チェックバルブ４３により作動オイルの逆流が防止される。

（位相遅角制御）
図５において矢印Ａ２で示すように、正方向のカム軸トルクがベーン４０に作用すると共に凹部４５ａによって油路４７，４８が連通するプール４５の位置となるように可変ソレノイド４６が駆動されると、進角室４１から遅角室４２に作動オイルが移動する。詳細には、進角室４１の作動オイルが、油路４７、凹部４５ａ、油路４８，４９の順に流れて遅角室４２に流入する。これにより、クランク軸３に対するカム軸３１の位相が遅角され、吸気バルブ１０及び／又は排気バルブ２０の位相が遅角される。
なお、制御中に逆方向のカム軸トルクが生じた場合には、チェックバルブ４４により作動オイルの逆流が防止される。

また、ハウジング３３とロータ３９との隙間から漏れ出す分の作動オイルは、ポンプ５１を駆動することで油路５０を介して補充することができる。

図６は、位相可変動弁機構により実現される吸気及び排気バルブ１０，２０の位相進角制御を説明するための図である。詳細には、図６（Ａ）は冷間始動時の位相進角制御を、図６（Ｂ）は低中速ＷＯＴ時の位相進角制御を説明するための図である。
図６（Ａ）において実線Ｌ１で示すように、吸気及び排気バルブ１０，２０を遅閉じにするいわゆるアトキンソンサイクルを行うことで、実圧縮比を下げることができ、軽負荷時の燃費を向上させることができることが知られている。このタイミング（例えば、吸気バルブ１０の閉弁時期が下死点ＢＤＣ後１００°）でエンジン１が停止した後、低温（特に、−３５℃以下での極低温）で始動する場合には、筒内吸入空気量が不足し、始動性が悪化する可能性がある。
そこで、かかる低温始動時には、上述した位相可変動弁機構１１，２１による位相進角制御を実行する。これにより、図６（Ａ）において破線Ｌ２で示すように、吸気及び排気バルブ１０，２０の位相を、例えば、３０°ＣＡ以上進角させることができる。その結果、筒内吸入空気量を増やすことができ、冷間時の始動性を向上させることができる。
ここで、図７に示すように、低温時には高温時に比してフリクショントルクが増大する。図７は、低温時に増大するフリクショントルクを示す図である。このフリクショントルクの増大は、冷間時には高温時に比して、作動オイルの粘度が増大し、カム軸３１とその軸受けとの間のクリアランスが縮小することによる。かかるフリクショントルクの増大により、位相進角制御に必要なカム軸の負トルクが減少してしまう。しかし、上記位相可変動弁機構１１，２１によれば、低温時においてアシストスプリング３５によりカム軸３１に負トルクが付勢される。これにより、低温時であっても確実に位相進角制御を実行することが可能となる。

エンジン始動後、低中速ＷＯＴ時には、始動時に比して多くの吸入空気量が必要である。そこで、図６（Ｂ）において実線Ｌ３で示すように、吸気及び排気バルブ１０，２０の位相を、破線Ｌ２で示す冷間始動時に比してさらに進角させることができる。例えば、３０°ＣＡ以上進角させて、吸気バルブ１０の閉弁時期を下死点ＢＤＣ後４０°以下にすることができる。

以上説明したように、本実施の形態１の位相可変動弁機構１１，２１は、カム軸３１のトルク変動を用いてベーン４０を動かし、作動オイルを進角室４１と遅角室４２との間で移動させることにより、吸気及び排気バルブ１０，２０の位相を変更するものである。低温時（特に、低温時）には、カム軸３１のフリクションが増大するため、カム軸３１の負トルクが減少してしまう。そこで、本実施の形態１では、アシストスプリング３５によりカム軸３１に対して負トルクが付勢される。これにより、低温時にはアシストスプリング３５によりカム軸３１の負トルクが補填されるため、低温時であっても確実に位相進角制御を実行することができる。
さらに、アシストスプリング３５は高温になるほどバネ定数が小さくなるため、高温時のカム軸３１の正トルクの減少を抑制することができる。よって、高温時の位相遅角制御の応答性の低下を防止することができる。

尚、本実施の形態１においては、エンジン１が第１の発明における「エンジン」に、カム軸３１が第１の発明における「カム軸」に、進角室４１が第１の発明における「進角室」に、遅角室４２が第１の発明における「遅角室」に、吸気及び排気バルブ１０，２０が第１の発明における「バルブ」に、位相可変動弁機構１１，２１が第１の発明における「位相可変動弁機構」に、アシストスプリング３５が第１の発明における「負トルク付勢手段」及び第２の発明における「バネ部材」に、それぞれ相当する。

（変形例）
ところで、本実施の形態１では、低温時に減少するカム軸の負トルクをスプリングにより補填する態様について説明したが、このスプリングに代えて以下の手法により低温時にカム軸の負トルクを残存させてもよい。すなわち、以下に説明する変形例により、低温時のフリクショントルクの増大を抑制してもよい。

（第１変形例）
カム軸の軸受けは、コストの観点から、通常すべり軸受けが採用されている。第１変形例では、このすべり軸受けに代えて、転がり軸受けを採用する。これにより、低温時のカム軸の静止摩擦係数を低減することができるため、低温時のカム軸のフリクションの増大を抑制することができる。

（第２変形例）
通常、カム軸は鉄系材料からなる。一方、上記転がり軸受けは、アルミ系材料からなる。アルミ系材料は、鉄系材料に比して線熱膨張係数が大きい。このため、低温時には、高温時に比して、カム軸と軸受けとの間のクリアランスが縮小してしまう。そこで、第２変形例では、カムキャップを鉄系材料にし、その表面にアルミ摺動層を設ける。これにより、低温時のカム軸のフリクションの増大を抑制することができる。

（第３変形例）
上述したように、低温時には、カム軸と軸受けとの間のクリアランスが縮小してしまう。そこで、第３変形例では、低温時にカム軸のフリクションが増大しないように、カム軸と軸受けとの間のクリアランスが設定される。このようにクリアランスが設定されると、高温時にクリアランスが増大することで打音が発生する可能性がある。第３変形例では、かかる打音を抑制するため、カムキャップ周辺に防振部材を配設する。これにより、低温時のカム軸のフリクションの増大を抑制することができる。

上述した第１乃至第３変形例を、上記実施の形態１と組み合わせてもよい。後述する実施の形態２においても説明するが、極低温時に減少するカム軸３１の負トルクを補填するためにアシストスプリング３５のバネ定数を大きくしすぎると、高温時の正トルクを減少させてしまう可能性がある。そうすると、高温時の遅角制御の応答性が低下してしまう。変形例を組み合わせることで、アシストスプリング３５のバネ定数を抑えることができるため、高温時の遅角制御の応答性低下を防止することができる。

また、本実施の形態では、燃料を筒内に直接噴射する直噴エンジンの例を開示しているが、本発明の適用が可能な内燃機関は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、吸気ポートに燃料を噴射するポート噴射式エンジンに適用することも可能である。この点は以下の説明する他の実施の形態においても同様である。

また、本実施の形態では、内燃機関が、排気ガスを還流するシステム（EGRシステム）を備えているが、本発明の適用が可能な内燃機関は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、排気ガスを還流しない内燃機関に適用することも可能である。この点は以下の説明する他の実施の形態においても同様である。

実施の形態２．
次に、図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
上記実施の形態１では、高温になるほどバネ定数が小さくなるアシストスプリング３５により、カム軸３１に負トルクを付勢している。
ところで、極低温時に所望の負トルクをカム軸３１に付勢するようにアシストスプリング３５のバネ定数を決定すると、高温時のカム軸３１の正トルクを減少させる場合がある。そうすると、高温時の位相遅角制御の応答性が低下する可能性がある。ノックが発生する負荷KL、エンジン回転数NE、温度条件では、急速に吸気バルブ１０の位相を遅角させて、圧縮端温度を下げる要求がある。

そこで、本実施の形態２では、図８に示すように、アシストスプリング３５を取り付けるための取付部材３７を設けるようにする。図８は、本実施の形態２において、アシストスプリング３５用の取付部材３７を示す図である。この取付部材３７は、熱膨張係数の大きい樹脂（例えば、ロウ等）により形成されている。このため、高温時には、図８に示すように、膨張して変位する。これにより、アシストスプリング３６により補填される負トルクが小さくなる方向に、アシストスプリング３５の固定位置３６ａがずれる。従って、高温時のカム軸３１の正トルクの減少を防止することができ、高温時の位相遅角制御の応答性の低下を防止することができる。

ところで、本実施の形態２においては、高温時に取付部材３７が熱膨張により変位することで、高温時のアシストスプリング３５のバネ定数を小さくするようにしているが、取付部材３７を移動させて変位させるようにしてもよい。すなわち、取付部材３７の位置を油圧やモータを用いて制御するようにしてもよい。

尚、本実施の形態２においては、取付部材３７が第３の発明における「取付部材」に相当する。

本発明の実施の形態１によるシステムの構成の一例を示す図である。図１に示すシステムに搭載される位相可変動弁機構１１，２１の構成を示す図である。図２に示すアシストスプリング３５の拡大図である。位相進角制御時における位相可変動弁機構の動作を説明するための図である。位相遅角制御時の位相可変動弁機構の動作を説明するための図である。位相可変動弁機構により実現される吸気及び排気バルブ１０，２０の位相進角制御を説明するための図である。低温時に増大するフリクショントルクを示す図である。本実施の形態２において、アシストスプリング３５用の取付部材３７を示す図である。

符号の説明

１エンジン
１０吸気バルブ
１１，２１位相可変動弁機構
２０排気バルブ
３０ＥＣＵ
３１カム軸
３５アシストスプリング
３７固定部材

Claims

内燃機関のカム軸のトルク変動を用いて作動オイルを進角室と遅角室との間で移動させることによりバルブの位相を変更可能な内燃機関の位相可変動弁機構であって、
前記位相可変動弁機構は、前記カム軸に対して負トルクを付勢可能な負トルク付勢手段を備え、
前記カム軸の負トルク減少時に、前記負トルク付勢手段により前記カム軸の負トルクが補填されることを特徴とする内燃機関の位相可変動弁機構。
請求項１に記載の内燃機関の位相可変動弁機構において、
前記負トルク付勢手段は、高温になるほどバネ定数が小さくなるバネ部材であることを特徴とする内燃機関の位相可変動弁機構。
請求項２に記載の内燃機関の位相可変動弁機構において、
前記位相可変動弁機構は、前記バネ部材を取り付けるための取付部材を更に備え、
前記取付部材は、高温時に、低温時に比して前記バネ部材により補填される負トルクを小さくするように変位することを特徴とする内燃機関の位相可変動弁機構。