(57)【要約】【課題】可変カムシャフト機構の構造及び制御を単純化する。【解決手段】クランクシャフト1と少なくとも一本のカムシャフト5, 5'とが、カムシャフト5, 5'のクランクシャフト1に対する相対的な回転振動を許容する第１受動機械接続部材（A, A’）を介して、接続される。更に、第２受動機械接続部材（B, B'）がカムシャフト（5, 5’）に接続され得る。結合部材（A, A’, B, B’）の弾性、受動質量そして粘性などのパラメーターを適切に設定することで、外部作動なしに、エンジン挙動を改善するための可変バルブ制御をもたらし、回転速度に依存したカムシャフトの振動的な相対回動を得ることが出来る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のクランクシャフト（1）に結合された駆動要素（2）と、
内燃機関のバルブを制御するために、上記駆動要素（2）に接続された少なくとも一本のカムシャフト（5, 5’）とを備え、
上記駆動要素（2）と上記カムシャフト（5, 5’）とが、該カムシャフト（5, 5’）が上記クランクシャフト（1）に対して振動的に相対回動し得るように、第１受動機械接続部材（A, A’）を介して、互いに接続される、
内燃機関のための可変カムシャフト機構。
【請求項２】
上記クランクシャフト（1）と上記カムシャフト（5, 5’）との間以外で、第２受動機械接続部材（B, B’）が上記カムシャフト（5, 5’）に接続される、請求項１に記載のカムシャフト機構。
【請求項３】
上記接続部材（A, A’, B, B’）が、その入力側である上記駆動要素（2）側と出力側である上記カムシャフト（5, 5’）側との間に少なくとも一つの弾性体（C1, C2, C2’, C3）を備える、請求項１又は２に記載のカムシャフト機構。
【請求項４】
上記接続部材（A, A’, B, B’）が、その入力側である上記駆動要素（2）側と出力側である上記カムシャフト（5, 5’）側との間に少なくとも一つの受動マス（M1, M2, M3）を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載のカムシャフト機構。
【請求項５】
上記接続部材（A, A’, B, B’）が、その入力側である上記駆動要素（2）側と出力側である上記カムシャフト（5, 5’）側との間に少なくとも一つの粘性体を備える、請求項１乃至４のいずれかに記載のカムシャフト機構。
【請求項６】
上記接続部材（A, A’, B, B’）の入力側である上記駆動要素（2）側と出力側である上記カムシャフト（5, 5’）側との間に配設される振動伝達部材（C1, C2, C2’, C3, M1, M2, M3）が、線形特性及び非線形特性の少なくとも一方を有する、請求項１乃至５のいずれかに記載のカムシャフト機構。
【請求項７】
上記接続部材（A, A’, B, B’）の機械的なパラメーターが、外部から変更可能である、請求項１乃至６のいずれかに記載のカムシャフト機構。
【請求項８】
異なる構成の上記第１受動機械接続部材（A, A’）を介してそれぞれ上記駆動要素（2）に接続される２本のカムシャフトを備える、請求項１乃至７のいずれかに記載のカムシャフト機構。
【請求項９】
内燃機関のクランクシャフト（1）により回転駆動されるカムシャフト（5, 5'）によってバルブが作動される内燃機関の開弁時期の可変制御方法であって、
上記カムシャフト（5, 5'）が上記クランクシャフト（1）に対して振動的に相対回動するように、上記クランクシャフト（1）と上記カムシャフト（5, 5'）とが接続される、方法。
【請求項１０】
上記カムシャフト（5, 5’）の相対回動の状態が、回転速度の関数として変化する、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のための可変カムシャフト機構に関し、そのカムシャフト機構は、内燃機関の吸排気バルブを制御するために、内燃機関のクランクシャフトに接続された駆動要素を備え、そして該駆動要素に接続される少なくとも一本のカムシャフトを備えるものとする。本発明は更に、内燃機関のクランクシャフトにより回転駆動されるカムシャフトにより吸排気バルブが作動される内燃機関の開弁時期の可変制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
カムシャフト機構は、燃焼空気の吸入と排気の排出とを制御するために、内燃機関の吸排気バルブをクランクシャフトの回転に従い開閉する働きをする。各要件に応じてエンジン出力を最適化するために、バルブの開閉時期及び、適切な場合には、バルブ・リフトをも、基本設定に対して相対的に変更することが出来る、可変カムシャフト機構として知られているものを用いることが公知になっている。これは、クランクシャフトとカムシャフトの回転との間で限定的な位相変位を可能とする機構を用いることにより、達成されるのが、典型的である。そのような可変カムシャフトの調整は通常、いわゆる外部エネルギーの供給により能動的に作動される比較的、複雑なアクチュエーターによって行われる。
【０００３】
特許文献１には、カムシャフトが予備的な受動マスに接続されるとともに、弾性粘性要素を介してフライホイール・マスに接続される、カムシャフト機構が開示されている。これら受動機械接続部材は、使用期間を延ばすためにカムシャフトのねじり振動を減衰する意図で用いられる。該接続部材は、開弁時期に対していかなる影響も与えない。
【特許文献１】独国特許出願公開第１９８１５２７０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のような背景に対して、本発明の課題は、可変カムシャフト機構の構造及び制御を単純化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の構成を備えるカムシャフト機構により、そして請求項９の構成を備える内燃機関の開弁時期を可変制御する方法により、上記課題が解決される。従属項には、より有利な実施形態が包含される。
【０００６】
本発明による内燃機関のための可変カムシャフト機構は、内燃機関のバルブを制御するために、内燃機関のクランクシャフトに接続された駆動要素と、この駆動要素に接続された少なくとも一方のカムシャフトとを、有する。上記駆動要素は、この場合、例えば、上記クランクシャフト上に位置し、Vベルト、歯付ベルト、リンク・チェーン又は歯車を介して、カムシャフトに接続される歯車とすることが出来る。カムシャフト機構とは、上記駆動要素及び上記カムシャフトが、該カムシャフトがクランクシャフトに対して振動的に相対回動し得るように、受動的な機械的接続部材を介して互いに接続されるもの、と規定される。
【０００７】
公知のカムシャフト機構は、クランクシャフトとそれにより駆動されるカムシャフトとの間の接続をそれ程、柔軟性のあるものとはしておらず、そこにおいて、カムシャフト接続部はクランクシャフトに対する相対位置を、機構及び材料の不可避な公差内でのみ変化し得る。この変化幅は、一般的にカムシャフト角度で±1度よりもかなり小さくなる。対照的に、本発明によるカムシャフト機構においては、「柔軟な」接続部材が、クランクシャフト若しくは駆動要素とカムシャフトとの間の動力伝達経路へ制御された態様で押し込まれる。上記接続部材は、カムシャフトとクランクシャフトとの間での大きな相対回転（典型的には±1度から±50度）を許容する。公知の可変カムシャフト制御とは対照的に、この場合においては、カムシャフトとクランクシャフトとの間の相対的な調整量は、外部から予め定められているのではなく、しかも、能動的な機構が何ら作動せず、相対的な調整量が変化しない状態で得られるものではない。代わりに、カムシャフトとクランクシャフトとの間の相対回転が、挿入された接続部材の受動的な機械特性によってのみ生じるようになっている。接続部材の入出力挙動を適切に設計することで、カムシャフトの開放挙動が実質的に自動的に変更可能であり、これにより、内燃機関の作動の向上につながる。特に、カムシャフトとクランクシャフトとの間の相対振動は、クランクシャフトの回転速度に応じて生じ、それが、バルブの開閉時期の有利な変更（進角及び／又は遅角）をもたらす。このための外部制御及び能動的なエネルギー供給は必要ないので、この形式の可変カムシャフト機構は、非常に単純に、それゆえにコスト的に有利に、そしてまた安定した態様で、提供され得る。
【０００８】
上記カムシャフト機構によれば、少なくとも一つの第２受動機械接続部材がカムシャフトに接続される。結果として、それにより所望の挙動を得るために、カムシャフトの運動に対する別の影響を生じさせることが出来る。その第２接続部材は、カムシャフトへのより均一な荷重の導入を行なうために、具体的にはカムシャフトの非駆動端に配置することが出来る。
【０００９】
クランクシャフトとカムシャフトとの間に、又はカムシャフト上に、上述の接続部材を実際に設けるための種々の可能性が考えられる。具体的には、一つの接続部材は、運動又は荷重が伝達されるように、その入力側と出力側との間に弾性体を少なくとも一つ備えるようにしてもよい。この形式の弾性体は、接続部材の出力側（又は入力側）が拘束されることで、入力（出力）の動きに対向する弾性復元力を増大させることが可能になる、という作用を持つ。更に、その弾性のために、運動エネルギーが一時的に貯蔵され、それにより、入力側に一様に供給されるエネルギーが、出力側において不均一状態で再び放出され得る。
【００１０】
更に、接続部材は、その入力側と出力側との間において、伝達される運動に加わり、その慣性質量ゆえに運動に影響を与える少なくとも一つの受動マスを備えるようにしてもよい。
【００１１】
更にまた、接続部材は、その入力側と出力側との間で作用し、それにより伝達される運動がエネルギーを消費して減衰させる、少なくとも一つの粘性体を備えるようにしてもよい。
【００１２】
更にまた、接続部材の入力側と出力側との間で作用する構成部品は、線形応答又は非線形応答特性を有するようにしてもよい。この形式の特性は、例えば、先に説明した構成部品（弾性体、受動マス、減衰体）を用いることにより、得ることが出来る。
【００１３】
上記カムシャフト機構を発展させれば、接続部材の機械的パラメーターを外部的に変更することが出来る。この場合、接続部材の特性を、例えば、エンジン制御によって所望のバルブ制御が行えるように、設定することが出来る。カムシャフトの位置に対する影響がアクチュエーターを介して外部から能動的に行なわれる公知の可変カムシャフト制御とは対照的に、本発明においては、パラメーターの変動のみが外部から行なわれ、システム作動自体は自律的なままである。
【００１４】
好ましくは、カムシャフト機構は、各場合において、特定の受動的な機械的接続部材を介して、クランクシャフトの駆動要素にそれぞれ接続される少なくとも２本のカムシャフトを有している。好ましいことに、この場合、それぞれの接続部材は、異なる入出力挙動を示す様に、異なる態様で設計される。この場合、例えば、カムシャフトの一方が吸気弁に接続され、他方が排気弁に接続され得る。これらバルブの開放挙動は、各カムシャフトの接続部材に応じて別個に変更することが出来る。例えば、吸気弁が進角しながら、排気弁が同時に遅角するということも、起こり得る。
【００１５】
本発明は、更に、内燃機関のクランクシャフトにより回転駆動されるカムシャフトによって駆動される内燃機関のバルブの開弁時期の可変制御の方法に関する。この方法は、カムシャフトとクランクシャフトとが、該カムシャフトがその回転軸回りにクランクシャフトに対し振動的に相対回動するように、受動的に接続されたものとして、規定される。
【００１６】
カムシャフト機構に関して先に説明したように、受動接続部の適切な設計により、カムシャフトによってなされるバルブの開閉挙動が、エンジン作動に有利な態様で変更され得る。この場合、外部制御は必要ないので、この方法は特に単純で安定したものとなる。
【００１７】
この方法の好ましい実施形態によれば、クランクシャフトに対するカムシャフトの振動的な相対回動は、回転速度の関数として生じ得る。言わば、この相対回動は、振幅及び／又は位相に関して、クランクシャフトの各回転速度に依存したものとなる。このようにして、特に低いエンジン回転数において、より高いエンジン回転数の場合とは異なるバルブの開閉挙動を実現することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明に対して本質的な可変カムシャフト機構の構成部品を図示している。カムシャフト機構は、内燃機関（不図示）のクランクシャフト1により駆動される駆動要素2を有し、この駆動要素2は、例えばクランクシャフト1に接続された歯車とすることが出来る。この駆動要素2は、歯付ベルト3を介して歯車4に接続される。歯車4自体は接続部材A（第１受動機械接続部材）を介してカムシャフト5へ接続され、該カムシャフト5は、内燃機関のバルブ（不図示）の動作のために偏心カム6を有する。カム6'を備えた第２カムシャフト5'が、同様にして別の接続部材A'（第１受動機械接続部材）を介して歯車4に接続される。例えば、第１カムシャフト5が吸気弁を制御し、第２カムシャフト5'が排気弁を制御するものと出来る。
【００１９】
従来技術で公知のカムシャフトにおいて、接続部材A, A'は、歯車4とカムシャフト5, 5'との間に「非柔軟性」、堅い若しくは機能的に一定の接続をもたらすように、設計される。従来技術においては、例えば、接続部材が単に連続的に固定されたシャフトとして構成される。適切な場合には、可変カムシャフト制御を有する公知のシステムにおいて、接続部材の入出力間の位相関係の変化は、外部から制御可能な能動的なアクチュエーターを用いることにより、生じさせることが出来る。しかしながら、外部からの能動作動なしでは、この位相は一定のままであり、そのため、通常のカムシャフト機構においては、クランクシャフト角度とカムシャフト角度との間で固定的な関数関係がある。
【００２０】
本発明においては、クランクシャフト1とカムシャフト5, 5’との間におけるこの種の非柔軟性の接続がなくなる。つまり、各接続部材A, A’が、入出力間で大きな相対位置変動を許容し、慣性エネルギーを中間的に蓄えることの出来る、従動的機械構造部分として構成される。この結果、カムシャフト5, 5’がクランクシャフト1とは独立して限界内で回転することが出来る。したがって、カムシャフト機構が動作中、クランクシャフト1の回転に対して相対的なカムシャフト5, 5'の回転振動（振動的な相対回動）が生じ得る。
【００２１】
この点に関し、図２は、クランクシャフト角度αKの時間変化と対応するカムシャフト角度αNの時間変化との関係を示している。エンジン回転数が一定であれば低回転nlにおいても高回転nhにおいても、クランクシャフト角度αKの時間tに対する線形特性が得られる。通常のカムシャフト機構の場合には、カムシャフト角度の同様の線形特性を得ることができる。クランクシャフト角度及びカムシャフト角度の特性は、カムシャフト機構の所定の伝達比にのみ依存する、傾き（係数2だけ）及びオフセットに関して、互いに異なることになる。
【００２２】
しかしながら、この点は、本発明によるカムシャフト機構においては異なる。上述のように、接続部材A, A’の受動的機械特性を考慮すると、カムシャフト5, 5'のクランクシャフト1の運動に対する相対的な回転振動が起こり得る。この振動は、クランクシャフトにより伝達される定速回転に重ね合わせられ、図２に示されたカムシャフト角度αNの波状特性が得られる。これらは、近似的に、例えば以下の式により、表すことが出来る。
【００２３】
αN(t)=αK(t)+sin(ω(n)・t+φ(n))
ここでω(n)及びφ(n)はそれぞれ、回転速度nに依存する周波数及び位相である。
【００２４】
回転速度への依存性ゆえに、この波状性は、低回転速度nlと高回転速度nhとにおいて、異なる外観を持つ。接続部材のパラメーターの適切な設定により、カムシャフトの回転振動の位相及び強度は、広い範囲で自由に選択することが出来る。それにより得ることが出来るのは、低回転速度において、低いエンジン・トルクを生じるために、バルブが短期間だけ開いてオーバーラップがわずかであるという状態である。対照的に、高回転数において、エンジン出力を所望のものとするために、長い開弁期間及び／又は吸排気弁の開弁期間のより大きなオーバーラップという状態を作り出すことが出来る。
【００２５】
このようにして、この方法において、エンジンの始動期間、つまり低エンジン回転数において、エンジンの始動を容易なものとする所定の開弁時期が自動的に設定される。この目的のために、通常の可変カムシャフト機構においては、規定のカムシャフト角度でのエンジン始動を信頼性のあるものとするために、複雑なロッキング（locking）装置が必要になる。
【００２６】
図１に戻ると、同様にカムシャフト5, 5'に（しかしクランクシャフト1とカムシャフト5, 5'との間の動力伝達経路にではなく）接続され、その受動的機械特性によりカムシャフト5, 5'の運動に影響を与える、第２接続部材B, B'（第２受動機械接続部材）が設けられていることが分かる。
【００２７】
種々のカムシャフト5, 5’上の接続部材A及びA'（そしてまたB及びB'）は、回転速度に応じて、対応するバルブの挙動を変えるために、様々に設計することが出来る。
【００２８】
図３乃至５は、接続部材の可能な各種の態様を示しており、それらは所望の態様で互いに組合わせることが出来る。
【００２９】
図３の接続部材A, A'の実施形態において、受動マスM1が歯車4に接続される。更にまた、受動マスM1が、弾性体C1（例えばねじりバネ又はトーション・バー）を介してカムシャフト5, 5’へ接続される。
【００３０】
図４の接続部材A, A’の実施形態においては、図２とは対照的に、受動マスM2と歯車4との間に、更に弾性体が配設されたものである。
【００３１】
図５において、第２接続部材B, B’は、カムシャフト5, 5’と他の自由に振動する受動マスM3とを接続する弾性体C3からなる（例えばねじりバネ又はトーションバー）。
【００３２】
接続部材A, A’, B, B’が固定される際のパラメーターにより、つまり、図３乃至５の実施例においては、振動伝達部材の質量M1, M2及びM3とC1, C2, C2’及びC3の弾性係数とにより、回転振動するカムシャフト5, 5’の固有振動数と固有値挙動は、設計者の意図どおりに決めることが出来る。勿論、接続部材の実施形態は図３乃至５に示されたもの以外であってもよく、その場合、具体的には、ダンパーを含めることが可能である。更に、図１に示された接続部材A, A’, B, B’の配置は、複数考えられる実施形態の一つに過ぎない。
【００３３】
クランクシャフト1に対するカムシャフト5, 5’の振動挙動は、回転速度に依存するので、バルブの開弁期間及び位相関係の制御はバルブ・リフト一定のままで行われる。これにより、本発明のカムシャフト機構は、エンジンがアイドル状態のときの標準的なバルブ開放期間から、最大回転速度における最長開放期間まで変化させることが出来る。
【００３４】
接続部材A, A’, B, B’は、線形構成部分及び非線形構成部分の両方を含んでも良い（弾性体、ダンパー等）。更に、これらの構成部分は、「能動的」にも「受動的」にも「受動構成部分」として設計され得る。ここで、「受動構成部分」とはそのパラメーターを変化させないものと定義されるものであり、一方、「能動的構成部分」のパラメーターは外部又は内部から作動そして／又は変更され得るものである。受動的構成部品の例には、鋼製バネ、流体バネ又はゴム要素がある。能動的構成部分の例には、減衰係数を電気的に能動変化させるダンパー、圧力可変の流体バネ及び渦電流ブレーキがある。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明による可変カムシャフト機構の構成部品を示す図である。
【図２】種々の回転速度におけるクランクシャフト角度αKと対応するカムシャフト角度αNの時間tに対する特性を示すグラフである。
【図３】受動マスと弾性体とが直列接続され、クランクシャフトとカムシャフトとの間に配設される接続部材の実施形態を示す図である。
【図４】弾性体、受動マスそして別の弾性体が直列接続された接続部材の実施形態を示す図である。
【図５】弾性体及び受動マスが直列接続され、カムシャフトに付加的に作用する接続部材の実施形態である。
【符号の説明】
【００３６】
1  クランクシャフト
2  駆動要素
5, 5’  カムシャフト
A, A’  第１受動機械接続部材
B, B’  第２受動機械接続部材
C1, C2, C2’, C3  弾性体
M1, M2, M3  受動マス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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