JPH08510528A - 可変バルブタイミングシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 内燃機関のためのバルブ制御配列であって、一体式の流体容器を備えた油圧バルブアクチュエータは２つのカフシャフト（１１０、１２０）と相互作用して、バルブ操作を連続的にかつ独立に変化させる。変更された吸気システムが設けられて、該バルブの有効面積が増加される。

Description

【発明の詳細な説明】 可変バルブタイミングシステム 発明の背景 発明の分野 本発明は内燃機関のための可変バルブ制御システムの技術に関する。さらに詳 しくは、本発明は完全に制御しうる（fully flexible）バルブタイミングシス テムに関するものであって、負荷の制御と有効バルブ領域の改善とを可能にして いる。従来技術の記載 厳しく改善された燃費の要求とあいまって厳しい排ガス基準が、自動車用機関 が設計される方法において顕著な変化を要求している。 最近まで固定されたバルブタイミングの自動車用機関が普通であった。その結 果、もし設計点近辺の速度で走行しないならば、総合的な性能は理想的な性能を 下回り、とりわけ低速作動条件下で逆流と充填希釈（chargedilution）を起すと いう問題を惹き起する。 この問題に対処するためにいくつかの解決策が提案されている。かかる解決策 は、たいてい固定ソフト、２位置位相（2-way phasing）に依存している。これ は主としてクランクシャフトに関して吸気カムシャフトを回転させる機構から構 成され、低速下での減少したオーバーラップと、高速下での吸気バルブの遅い閉 鎖とを与えて いる。バルブのリフト面がクランク角度によって固定されているので、閉鎖角度 がいささかでも変化すると開放角度を補償し、開放角度がいささかでも変化する と閉鎖角度を補償する。 このトレードオフ（tradeoff）を最小にする、より洗練されたアプローチは、 リフト曲線を修正するようにＥＣＵからの所定の時間ごとの信号に応答して作用 する制御可能な電子−補正アクチュエータを採用することである。より広い負荷 範囲にわたって改善された性能を得られるが、負荷制御機構によるポンプ損失の 結果発生する残留排気ガスの掃気の問題を完全に克服していない。 完全に制御しうる制御システムは、負荷制御機能を設けることによってポンプ 損失を取り除き最適の解決策を与えている。前記システムは、ひじょうに狭い負 荷範囲以外では、この目的を満足するための所用の融通性（flexibility）を示 してはいない。そのうえさらに、流れとタイムラグの固有の問題により、現在の 電子油圧システムは高回転において劣化する。この目的は可変バルブ駆動（ＵＶ Ａ）機構を構成することである。かかる最適な制御システムを達成する最近のア プローチは主として高速ソレノイド、または油空圧方式に集中している。しかし ながら、これらのアプローチは複雑かつ高価であり、機関に顕著な出力消費を強 いることになる。 他のアプローチにおいて、バルブはレバーシステムによる２つのカムシャフト によって操作される。かかるアプローチのうちの１つは米国特許出願第４，７１ ４，０５７号明細書に記載されている。当該特許出願に教示されたアプローチは 設計を制限している。制限された位相 は負荷の制御のために充分ではない。かかる位相システムはいかなるものでも、 バルブのバネにかなりの背圧を受けるため、何らかの安定手段を必要としている 。そのうえさらに、コストと、スペースの必要性は相当なものである。 バルブの油空圧制御の他の構成は、米国特許第４，６１５，３０６号明細書、 ４，６１５，３０７号明細書および４，８８９，０８４号明細書に提案されてい るが、これらは多かれ少なかれ高速または高コストおよび（または）スペースの 必要性のもとに、遅い応答時間、劣化を起す。 このように、エンジン用のバルブについて融通性のあるタイミングの制御に対 する満足な配列と、耐久性とには長いあいだニーズがあった。 最適な負荷制御装置としてバルブを機能せしめることも要求されている。 あらゆる速度と負荷におけるシリンダへの空気流量を最大にすることも要求さ れている。 バルブの有効面積を最大にすることも望まれている。 発明の要旨 したがって、本発明は改善されたバルブの開口の配列を開口期間の制御配列を 提供している。 性能および燃費を改善し、すすの生成を減少するためにバルブの駆動を改善し 連続した融通性を改善することが、さらに他の目的である。 バルブが機関の負荷を制御しうるようにすることによってポンプ損失を除去す ることが、本発明のさらに他の 目的である。 機関の吸気（breathing）を改善しうるようにバルブの有効面積を２倍にする ことが本発明のさらに他の目的である。 叙上の目的を比較的低コストでかつ高い信頼度で達成することが本発明のさら に他の目的である。 本発明の叙上の目的および他の目的は、吸気バルブの閉鎖位相角度を進めるこ とによって、バルブの開放期間について改善された制御を与えることによって、 本発明の好ましい実施例に従って達成される。閉鎖位相の角度はステップなしに 変化される。かかる配列は開放位相角度とオーバーラップ期間とに影響を与える ことなく機能し、バルブの部分的位相または全位相に適用される。 もし吸気管が常に大気圧または大気圧以上であるのなら、逆流の問題は回避さ れることが観察される。かかる条件下では、動作曲線のこの部位における位相の 必要性を除いてオーバーラップ領域の変化の必要性は減少する。 これにより低コストで簡易でコンパクトな構成が達成れる。シリンダに入れら れる充填量は、クランクシャフトの回転角度によってバルブの動作時間の関数と なりうる。 好ましい実施例において、高速油圧駆動装置は、カムプロファイル（断面形状 ）によりバルブを開放または閉鎖するためにアクチュエータを経由してバルブに 周期的な変動ストロークを与えるために第１（主）カムシャフトと相互作用させ るために位置づけられている。第２（制御）カムシャフトは、油圧流体を吐出し てアクチュ エータ上で圧力リリーフ機構と相互作用するように位置づけられている。これに より第１カムシャフトの現在の向きにかかわらずアクチュエータを押し込み、バ ルブを閉鎖した位置までバルブを戻す。全範囲位相機構は制御カムシャフトの従 動側端部に取り付けられる。これは制御カムシャフトを第１カムシャフトに関し て位相を合わされうるようにせしめ、制御プロファイルすなわちバルブの動作期 間を調整せしめている。 他の実施例において、有効バルブ面積の顕著な増大が主カムシャフトを“広い ”カムローブ（lobe）に取り込むことによって実現される。 これらは、たとえば排気と吸気など２つの連続したストロークのあいだにバル ブを作動せしめるために機能する。一体化した（merged）吸気／排気マニホール ドを有することにより吸気システムにさらなる変更がなされる。このばあい、吸 気および排気路はたがいに連結され、まっすぐに貫いた通路を形成している。空 気圧縮手段は通路全体にわたって空気の流れを維持し、その結果バルブのオリフ ィス部から吐出されたガスは吐出方向に発散し、新気が上流方向から流入される 。これは可変圧縮比機関にとくに有用な特徴であり、燃焼室表面の大部分が有効 なバルブ領域には不利となる副ピストンによって占められる。 図面の簡単な記載 本発明の叙上の実施例および他の実施例は、添付図面とともに以下の詳細な説 明から完全に理解されるであろう。添付図面において類似の参照符号は類似の要 素を示 している。 図１は配列の断面図である。 図２は配列の他の実施例の断面図である。 図３はワイドローブカムの断面図である。 図４は一体型吸−排気マニホールドの断面図である。 図５は高速アクチュエータの詳細な図面である。 好ましい実施例の説明 図面を参照しながら説明する。図１は内燃機関におけるバルブ１０１のために 示されている本発明にしたがって構成された配列１０の断面図を示している。 バルブ１０１は、シリンダーヘッド１０３の部分図に設けられるように示され ている。バルブ用のバネ、クリップ、弁座などの詳細は、当該技術において公知 であるとして示されていない。 潤滑経路１０４は潤滑油システムのための導管（conduit）を構成するもので あるが、シリンダーヘッド１０３の内部に形成されるように示されている。 油圧アクチュエータ１４０は、シリンダーヘッド１０３上に設けられ、潤滑経 路１０４に連結され、バルブ１０１に隣接するように位置づけられる。 カムシャフト１１０はアクチュエータ上のシリンダーヘッドに設けられる。カ ム１１１は、カムシャフト１１０に設けられる。該カムシャフトが回転するとカ ム上昇面１１１をしてアクチュエータ頂部ピストン１４２と接触せしめる。該頂 部ピストンの下向きの運動は加圧流体媒体１４１を経て下部プランジャ１４３に 伝達され、該下部プランジャをしてバルブ１０１を開位置に移動せし める。バルブ開放のタイミングはカムシャフト１１０の回転によって設定される 。 配列１０は、さらなる制御要素としてアクチュエータの本体に形成された逃し 弁１４４を規定している。この制御要素がバルブ１０１の開放期間の調整を許し ている。 制御カムシャフト１２０は逃し弁１４４に隣接して設けられる。制御面１２１ を有する制御カムが制御カムシャフトに設けられ、制御カムシャフトの回転のあ らかじめ選択された部位で逃し弁１４４のピン１４８と係合するように位置づけ られる。 制御カムシャフトは、John K．Williamsに付与された米国特許第４，７４７， ３７５号明細書（以下、’３７５特許という）の中に教示された配列によって駆 動されうる。この’３７５特許の配列は、クランクシャフトをして全負荷範囲に わたって変化しうる位相（phasing）カムシャフトを駆動せしめる。本発明は、 制御面１２１と逃し弁１４４のピン１４８との係合を調整するために、この可変 位相ユニットを利用している。 このシステムの１つの利点は、制御カムシャフトが主カムシャフトよりも低コ ストで軽く製造しうることである。なぜなら、制御カムシャフトは圧力逃し機構 とのみ相互作用するからである。したがって、位相ユニットもアクセルペダルに 直接連結されうるので、たいへん軽い。 図２は本発明の他の実施例を示している。該実施例のばあい、アクチュエータ １４０はロッカーアーム１０２を経てバルブと相互作用する。ロッカーアーム１ ０２は アクチュエータの頂部にヒンジ結合されている。カムシャフト１１０は複数のロ ッカーアーム（それぞれがバルブ用）に設けられる。カム１１２はカムシャフト １１０に設けられ、かつロッカーアーム１０２に摺動自在に接触する。この実施 例で示されたカム１１２は、叙上のワイドローブカムである。 一連の動作の最初に、カムシャフト１１０が回転すると前記カム上昇面１１２ をしてロッカーアーム１０２と接触せしめる。ロッカーアーム１０２は、ヒンジ 結合されたマウントから旋回し、バルブ１０１を開放位置まで押し込む。このば あいのタイミングは、特定のシリンダーの排気ストローク開始時期と一致する。 バルブは排気ストロークのあいだ開放したままであり、こののち吸気ストローク にはいる。 制御カムシャフト１２０は、アクチュエータ１４０に隣接して設けられ、制御 面１２１叙上のように逃がしピン１４８によって係合されている。制御カム１２ １がさらに回転するとし、制御面は逃がしピン１４８をして内側に押圧せしめ油 圧流体を解放すると、アクチュエータ１４０は引っ込み、図示されているように 旋回点１４０を下向きに移動する。これはロッカーアーム１０２の反対側の端部 の対応する上向きの運動をしてバルブ１０１をバルブ閉鎖バネの影響下で閉鎖位 置の状態にせしめるという上向きの運動を引き起こす。ロッカー１０２の頂部表 面はカム１１２とロッカー１０２との摺動接触点によって形成された第２旋回点 の回りのロッカーの旋回を促進しうる形状を有している。 この実施例のさらなる利点は、アクチュエータの磨耗 が減じられアクチュエータがシンプルに製造されることである。なぜなら前記第 １実施例２重ストロークよりむしろ１サイクル毎に１つの機能を実行しているか らである。このようにこの態様では、アクチュエータは高々１つの移動自在のプ ランジャで機能しうる。 ワイドカムローブ１１２は、図１に示された第１実施例に用いることができる 。もし要すれば、ローブ１１２は中央が僅かに窪んだり、谷部を有していたりす ることにより、ピストン１６０がそのストロークの頂部付近にあるときバルブを 僅かに引っ込めることができる。 図４は、２重機能バルブとともに用いられる一体型の吸−排気システムの実施 例を示している。マニホールド１５０は、バルブに対して上流部１５１と、下流 部１５２とから構成される。クランクシャフトによって駆動される一体ルート型 （integral root）またはスクロール型のブロワ１５３が導管１５１および１５ ２の中を通る空気を加圧するマニホールドが取り付けられているように示されて いる。バルブ１０１を開放すると、高圧の排気ガスが通路に排出されブロワによ って発生された空気流により吐出方向に加圧される。このプロセスはピストンが 上死点（ＴＤＣ）に移動するあいだ継続する。圧力が均衡すると、空気流の影響 下で新気がシリンダー空間を充填し始める。つぎの吸気ストロークで、ピストン １６０がしだいに空間を解放し、新気をしだいに吸入しつつ下降し始める。この ストロークのあいだのある点でバルブ１０１はバルブ制御システムの制御下で閉 鎖し、シリンダーへの空気の供給を遮断する。 バルブがＴＤＣ付近（ガスの圧力均衡がえられた直 後）にあるとき、燃料噴射のパルスが開始され、バルブが閉鎖する前に停止する 。この燃料噴射のパルス幅はバルブ作動（valve duration）パルスと位相を合わ されてもよく、あるいは噴射は従来のように作動されたシリンダー内の別々のバ ルブ孔を貫いてもよい。 別々の小さいバルブが、燃焼室内において主バルブを横切るように位置づけら れＴＤＣ付近で瞬時に開き、捕捉されたガスを流出するようにしてもよい。好ま しい実施例において、通路１５０はシリンダーと連通する点で鋭角に曲げられて いるように示されている。これは高速回転下でシリンダーの充填を促進する空気 流によってラム効果を生成する。 図５は高速アクチュエータの詳細な構成を示している。叙上のようにたいてい のアクチュエータの設計は短い応答時間に悩まされている。この短い応答時間は 高ｒｐｍ（毎分回転数）における作動プロファイルに重大な劣化を引き起こすも のである。応答時間を増加させるために、多くのばあい、圧力容器内に排出され た油圧流体を貯蔵している。該圧力容器は導管を介して連結されいるので、通路 の制限により遅延が起こる。アクチュエータと容器とのあいだの流体の伝達はソ レノイドによってなされているので、このユニットのコストが付加される。 図５に示されたアクチュエータは排出された流体を貯蔵し、中立期間のあいだ のできるだけ短い時間内に該流体を戻すために一体型の圧力容器を有している。 好ましい実施例において、アクチュエータ１４０はケーシングおよび移動自在の プランジャ１４２および１４３によっ て形成された内部空間１４１を覆っている。プランジャ１４２および１４３は、 アクチュエータの本体内に形成された小さい円柱状の孔の中に摺動自在に嵌合し うる第２小径で形成される。これは、応答時間を改善しているプランジャの相対 運動ために変位した流体の体積を減じる。第１チャンバ１４１はチェック弁１４ ４によって第２チャンバ１４５と連通している。チェック弁１４４は流体の迅速 な伝達を促進するために該チャンバに対して大きい径を有している。第２チャン バ１４５は、バネ１４７によってチェック弁１４４の方向に付勢された移動自在 のピストン１４６を有している。ピン１４８は、アクチュエータ本体内の孔と前 記摺動自在のピストン１４６内の第２の孔とを摺動自在に貫きチェック弁１４４ と連通している。ピン１４８の内側への運動はチェック弁１４４を開き、油圧流 体を容器１４５内に流入せしめ付勢バネ１４７に抗してピストン１４６を押圧す る。ピンの２カ所にフランジが設けられており、移動を制限している。ストロー クが完結し、プランジャ上のカム面の圧力が逃がされると、チャンバからの流体 が、バネ１４７に蓄えられたエネルギーによってチャンバ１４１側に付勢されて いる。ピストン１４６および１４２はコンパクトさと低重量とのために中央が空 洞になったように示されている。 他のチェック弁１４９は、まず機関の潤滑油システムから油圧流体をアクチュ エータに入れる。この構成の他の特徴は、バネ１４７のバネ定数がバルブのバネ １０５のバネ定数と整合され、弁座における過度に高い流速を回避するためにバ ルブへの戻り量を決定していることで ある。あるいは、ピストン１４６の背面の空間を流体が占めるようにせしめ、目 盛りを付けられた吐出孔から該流体を吐出して緩衝が達成される。 好ましい実施例において、チャンバ１４５はあらかじめ選択された小さい孔を 含み、過度の流体を流出する。アクチュエータの基部には、シリンダーヘッドに 取り付けるためにフランジが取り付けられている。潤滑油の入口側通路は、機関 潤滑油システムからの対応する潤滑油供給路１０４と一致する。他のバネはプラ ンジャ１４２の外側フランジとハウジング１４０とのあいだに介装され、カム面 に対してプランジャを付勢しレスポンスを改善している。 他の実施例において、逃がしピン１４８は、アクチュエータに取り付けられた 小さい２位置ソレノイドによって動作されてもよい。ＥＣＵからの信号はアクチ ュエータを動作するために用いることができる。動作のいくつかのモードにおい て、各シリンダーにおける多くのバルブは、シリンダー内への流入速度を増大す るために無力であってもよい。これは制御カム１２１のための分割したローブを 有することと、吸気がバルブのいくつかで始まる前にピン１４８を係合すること によってなされる。 さらに他の動作モードで、アクチュエータは従来の絞り弁とともに用いられ、 アクチュエータが（完全に延長された位置で）高ｒｐｍで完全に無力にされ、充 填流れが上部負荷範囲で普通に制御されてもよい。 したがって、本明細書の読者（reader）は叙上の如き本発明は、機関のバルブ のために広範囲に改善され、かつ効率的なバルブ制御システムを示していること が分か るであろう。そのうえさらに、当該システムは非常にコストパフォーマンスの高 い方法で従来技術の多くの欠点を克服している。システムの信頼性が改善され、 同時にエネルギー消費および運動要素の応力が減じられる。 叙上の装置において本発明の精神および範囲を逸脱することなく変更がなされ うるので、前記明細書中に含まれたすべての事項が添付図面に示されたように、 一例としての意味であって、その意味に限定されないと解釈されることが意図さ れている。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．内燃機関のバルブから流入／流出する流体の流れを制御するためのシステム であって、該システムが、 バルブと、該バルブに空気を送るために連結された入口通路とを有するシリン ダー、 前記バルブから排気ガスを受け取りうるように構成された出口通路、および 前記入口通路および出口通路を通ってガスの流れを与えるための手段 からなり、 前記入口通路および出口通路が前記バルブとたがいに連結されてなるシステム 。 ２．前記入口通路がそれぞれのバルブと連通している別々の導管として形成され 、該導管が前記バルブの共通の吸気マニホールドの下流と一体化され、前記出口 通路が別々の導管として形成され、前記バルブの共通の排気通路の下流と一体化 されてなる請求の範囲第１項記載のシステム。 ３．前記バルブの上流および下流のいずれかの導管に逆流を防止するためにリー ド弁が設けられてなる請求の範囲第２項記載のシステム。 ４．往復動ピストンを備えた内燃機関のための可変タイミングシステムであって 、該システムが、 カムシャフト上をカムによって制御されるバルブ からなり、 該バルブとカムとのあいだにアクチュエータ手段が介装され、前記カムがベー ス円と、リフト面と、該ベー ス円と一体化した傾斜面およびリフト面とを有し、 前記リフト面が前記ピストンの連続した２つのストロークのうち少なくとも大 きい方の部分と一致する回転角度範囲を有し、 前記アクチュエータ手段が作動中その高さが調整自在であり、前記カムリフト 面の半径方向の長さによって生み出される変位が前記リフト面のいかなる中間の 角度点においても逆転されうるシステム。 ５．前記アクチュエータ手段が、伸縮自在かつ収縮自在の油圧チャンバの空間内 および空間外へ油圧流体を選択的に汲み上げることによって有効長さを調整する 手段を有してなる請求の範囲第４項記載のシステム。 ６．前記アクチュエータが前記カムと、前記バルブと相互作用するように位置づ けられヒンジ結合されたロッカーとのあいだに介在されてなる請求の範囲第５項 記載のシステム。 ７．シリンダーバルブの動作時間を個々に制御するための油圧機関バルブタイミ ングシステムであって、 前記システムが、 前記個々のバルブに対して第１カム手段を有する第１回転カムシャフト手段と 、個々のバルブに往復運動を伝達するために前記バルブと第１カム手段とのあい だに介在された油圧アクチュエータ手段と、 前記個々のアクチュエータ手段に隣接する制御カム手段を有する第２回転カム シャフト手段 からなり、 前記アクチュエータ手段が、収縮自在の内部油圧空間から油圧流体の解放によ って第１カム手段のストロー クにうちかつ有効長さが調節自在であり、前記制御カムシャフト手段が前記アク チュエータ手段と相互作用し、周期的に前記アクチュエータ手段から油圧流体を 吐出して、前記第１カム手段によって生み出される軸方向の変位の反対の効果を あたえる油圧機関バルブタイミングシステム。 ８．前記第１カムシャフト手段に関して前記制御カム手段と位相を合わせるため に前記制御カム手段上に設けられたシャフト位相手段をさらに有してなる請求の 範囲第７項記載の油圧機関バルブタイミング手段。 ９．前記第１カムシャフト手段上に設けられたシャフト位相手段を有してなる請 求の範囲第８項記載の油圧機関バルブタイミング手段。 10．ハウジングと、 前記ハウジングに覆われた第１可変容積チャンバと、 前記ハウジングの第２の部分に覆われ、そのあいだをチェック弁を介して前記 第１可変容積チャンバと連通する第２可変容積チャンバと、 前記第２容積空間内の流体圧力より前記第１容積空間の流体圧力が高い条件で 前記第１容積チャンバ第２容積チャンバへ流体を通過させるために前記チェック 弁を動作させるために設けられた手段 からなる油圧バルブアクチュエータであって、 前記第１可変容積チャンバがアクチュエータの有効高さを変化させるために位 置づけられた前記ハウジング内に摺動自在に設けられた少なくとも１つの移動し うる面を有し、前記第２容積チャンバが摺動しうるプランジャ手段と、容積を減 じる方向に前記プランジャ手 段を付勢するバネ手段とを有する油圧バルブアクチュエータ。 11．前記第１容積空間内の流体圧力が前記外部供給手段の流体圧力より低い条件 で流体を前記第１容積空間に導入するために前記第１容積空間に設けられ、外部 流体供給手段に連結されたチェック弁手段をさらに有してなる請求の範囲第１０ 項記載の油圧バルブアクチュエータ。 12．前記第２容積空間のあらかじめ選択された容積で設けられた小さい孔を有し てなる請求の範囲第１１項記載の油圧バルブアクチュエータ。 13．前記第１容積空間に対して前記チェック弁手段の流れの容量が大きい請求の 範囲第１０項記載の油圧バルブアクチュエータ。 14．前記チェック弁手段の開放を有効にせしめるために回転するカム面と係合す るリンク手段を有してなる請求の範囲第１０項記載の油圧バルブアクチュエータ 。 15．前記チェック弁手段を開放するためにソレノイドスイッチ手段を有してなる 請求の範囲第１０項記載の油圧バルブアクチュエータ。