(57)【要約】【課題】低コストでかつ省エネにも寄与し得る制御装置を提供すること。【解決手段】位相調整装置が電磁クラッチであるように構成する。【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軸の回転角度に対するカム軸の回転角度を調整するための制御装置であって、クランク軸に対するカム軸の相対的回転移動のための位相調整装置を有している形式の制御装置において、
前記位相調整装置（１１）が、電磁クラッチであるように構成されていることを特徴とする制御装置。
【請求項２】
前記電磁クラッチは、アーマチュア（１４）と、電気コイル（１５）と、前記アーマチュア（１４）と電気コイル（１５）の間に配設されているクラッチスプリング（１６）とを有している、請求項１記載の制御装置。
【請求項３】
前記カム軸（３）に、駆動ホイール（４）が設けられており、該駆動ホイール（４）は、カム軸（３）とクランク軸（１）に作用的に結合されている、請求項１記載の制御装置。
【請求項４】
前記アーマチュア（１４）は、カム軸（３）上で軸方向にシフト可能であり、さらに当該カム軸（３）と固定的に接続されており、前記クラッチスプリング（１６）は、アーマチュア（４）を駆動ホイール（４）方向に押圧している、請求項３記載の制御装置。
【請求項５】
前記電気コイル（１５）の無電流状態のもとで、前記駆動ホイール（４）とアーマチュア（１４）の間に摩擦結合及び／又は形状結合が形成され、該結合状態は、電気コイル（１５）の通流状態のもとで少なくとも部分的に解除される、請求項３記載の制御装置。
【請求項６】
前記カム軸（３）は、電気コイル（１５）の通電状態のもとでカム軸（３）に作用する交換モーメント及び／又はアクチュエータ（２１）を用いてクランク軸（１）に対して回転可能である、請求項１記載の制御装置。
【請求項７】
前記交換モーメントは、複数のバルブスプリング（９）によって形成されており、当該バルブスプリング（９）は、リターン形式で内燃機関の給気交換バルブ（５）と共同作用しており、それらのバネ応力は、カム軸（３）に対して加速的に若しくは減速的に作用する、請求項１記載の制御装置。
【請求項８】
前記アクチュエータ（２１）は、電気モータである、請求項１記載の制御装置。
【請求項９】
前記アクチュエータ（２１）は、少なくとも１つの駆動手段（２２）を介してカム軸（３）に作用している、請求項１記載の制御装置。
【請求項１０】
第１のセンサ（２５）がカム軸（３）に設けられ、第２のセンサ（３２）がクランク軸（１）に設けられており、これらの第１ないし第２のセンサは、カム軸（３）の回転角度とクランク軸（１）の回転角度を検出して、電子制御機器（２８）に供給しており、該電子制御機器（２８）は、電磁クラッチ（１１）及び／又はアクチュエータ（２１）を内燃機関の運転状態と、前記２つの回転角度の差分に依存して制御する、請求項１記載の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関のクランク軸の回転角度に対するカム軸の回転角度を調整するための制御装置であって、クランク軸に対するカム軸の相対的回転移動のための位相調整装置を有している、カム軸の回転角度を調整するための制御装置に関している。
【背景技術】
【０００２】
クランク軸に対するカム軸の相対的回転移動のための位相調整装置を有しているカム軸の回転角度を調整するための制御装置は、ドイツ連邦共和国特許出願 DE 102 24 446 A1 明細書から公知である。この装置の欠点は、位相調整装置としてギヤ装置が設けられていることである。なぜならその製造コストが極端に高いからである。その他にもこのギヤ装置においてはエネルギーが失われており、そのためこのカム軸調整機構が原因で燃料の節約にも影響が及ぼされる。
【特許文献１】ドイツ連邦共和国特許出願 DE 102 24 446 A1 明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、前述した従来技術における欠点に鑑みこれを解消すべく改善を行うことである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
前記課題は本発明により、位相調整装置が、電磁クラッチであるように構成されて解決される。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１の特徴部分に記載の本発明による制御装置は次のような利点を有している。すなわち、位相調整装置が電磁クラッチで構成されていることによって、クランク軸の回転角度に対するカム軸の回転角度の調整がより少ないエネルギー損失と少ないコストで達成でき、このような改善が非常に簡単な形式で容易に実現できることである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
従属請求項に記載された手段によって、独立請求項に記載された制御装置の有利な実施例とさらなる改善例が可能となる。
【０００７】
本発明の有利な実施例によれば、電磁クラッチが、アーマチュアと、電気コイルと、前記アーマチュアと電気コイルの間に配設されたクラッチスプリングとを有している。
【０００８】
特に有利には、カム軸に、駆動ホイールが設けられており、該駆動ホイールは、カム軸とクランク軸に作用的に結合されている。
【０００９】
また有利には、前記アーマチュアは、カム軸上で軸方向にシフト可能であり、さらに当該カム軸と固定的に接続されており、前記クラッチスプリングは、アーマチュアを駆動ホイール方向に押圧している。このようにして解離可能な形状結合及び／又は摩擦結合的接続が駆動ホイールとアーマチュアの間で達成される。
【００１０】
さらに有利には、前記電気コイルの無電流状態のもとで、前記駆動ホイールとアーマチュアの間に摩擦結合及び／又は形状結合が形成される。それ故に、コイルの無電流状態のもとではクランク軸とカム軸は固定的に相互接続される。電気コイルの通電状態のもとでは、駆動ホイールとアーマチュアの間の接続が少なくとも部分的に解除され、そのためクランク軸に対するカム軸の調整によって、可変のバルブ制御時間が設定可能である。
【００１１】
特に有利には、前記カム軸が、電気コイルの通電状態のもとでカム軸に作用する交換モーメント及び／又はアクチュエータを用いてクランク軸に対して回転可能である。この交換モーメントの有効利用により位相調整の設定のためのアクチュエータが省略できるか、少なくとも小型に構成でき、位相調整のためのエネルギーができるだけ僅かなものしか必要なくなる。前記交換モーメントは、複数のバルブスプリングによって形成されており、当該バルブスプリングは、リターン形式で内燃機関の給気交換バルブと共同作業しており、それらのバネ応力は、カム軸に対して加速的に若しくは減速的に作用する。
【００１２】
本発明の別の実施例によれば、前記アクチュエータが電気モータとして構成される。
【００１３】
さらに有利には、前記アクチュエータは少なくとも１つの駆動手段を介してカム軸に作用する。アクチュエータの回転トルクはこのようにして特に容易にカム軸に導入される。  さらに有利には、第１のセンサがカム軸に設けられ、さらに第２のセンサがクランク軸に設けられる。これらの第１及び第２のセンサはカム軸ないしクランク軸の回転角度を検出し、それを電子制御機器に供給する。電子機器は、電磁クラッチの電気コイル及び／又はアクチュエータを内燃機関の運転状態と前記２つの回転角度の差分に依存して制御する。
【００１４】
その上さらに有利には、駆動ホイールとクランク軸に対するカム軸の相対的回転移動が所定の調整領域まで機械的に制限される。そのようにして吸／排気バルブとピストンとの衝突を引き起しかねないようなカム軸の過度に大きな調整が避けられる。
【実施例】
【００１５】
次に本発明を図面に基づき以下の明細書で詳細に説明する。
【００１６】
図１には、本発明によるカム軸の回転角度を調整するための制御装置が概略的に示されている。
【００１７】
この制御装置は、クランク軸の回転角度に対して可変の少なくとも１つのカム軸の回転角度を調整するのに用いられる。
【００１８】
内燃機関のクランク軸１は例えばチェーン、タイミングベルト、コッグドベルト若しくは複数の歯車列などで構成された一次側駆動機構２を介して１つ又は複数のカム軸３を駆動している。それに対して各カム軸３には、駆動ホイール４が固定されており、この駆動ホイールは一次側駆動機構２に応じて例えばベルトプーリ、スプロケットとして構成されており、一次側駆動機構２を介してクランク軸１と共同作用している。駆動ホイール４は、例えば４気筒エンジンの場合には通常は、クランク軸１とカム軸３の間で２：１の減速比が生じるように構成されている。そのようにして、カム軸３の回転数は、クランク軸１の回転数の半分の大きさとなるように設計仕様されている。
【００１９】
内燃機関は複数の吸／排気バルブ５を有しており、これらのバルブは、少なくとも１つのカム軸３における当該カム軸３に関して偏心的に形成されたカムフランジを備えたカム８によって開閉されている。またこれらの吸／排気バルブ５は共通のカム軸３によって操作されるものであってもよいし、あるいはそれぞれ別個に吸気バルブ５は吸気側のカム軸３によって調整され、排気バルブ５は排気側のカム軸３によって調整されるものであってもよい。これらの吸／排気バルブ５はガス交換バルブとも称され、それぞれバルブスプリング９によって弁座１０方向に押付けられている。つまりこれらの吸／排気バルブ５は、閉成された状態においてそれぞれの弁座１０に当接している。
【００２０】
カム８は、第１のカムフランジと第２のカムフランジを備えほぼ三角形の断面を有している。カム８の第１のせり上がりカムフランジはそれぞれの吸／排気バルブ５に機械的に作用し、それらのバルブを弁座１０とは反対側の開放方向に向けてそれぞれの所属のバルブスプリング９のバネ応力に抗してシフトさせる。カム８の第２のせり下がりカムフランジのもとでは、バルブスプリング９がそれぞれの吸／排気バルブ５を再び対応する弁座１０に押し戻す。せり上がりカムフランジのもとではバルブスプリング９によって減速されたトルクがカム軸３に作用し、せり下がりカムフランジのもとでは加速された回転トルクがカム軸３に作用する。なぜならバルブスプリング９はせり上がりカムフランジのもとではバルブと共に押し込まれ、せり下がりカムフランジのもとでは再び伸長するからである。このようなバルブスプリング９によって交互に引き起される回転トルクの変化は連続的に急速なシーケンスで現れ、以下ではＣＡＴ（Cam-Torque-Actuated-Drehmomnete）トルクとも称する。
【００２１】
駆動ホイール４とカム軸３の間には位相調整装置１１が設けられている。本発明によればこの位相調整装置１１は電磁クラッチとして構成される。
【００２２】
位相調整装置１１は例えばカム軸３に隣接して駆動ホイール４に配設される。この位相調整装置１１は、電磁クラッチの形態で図２に概略的に示されており、例えばアーマチュア１４と、電気コイル１５並びに当該アーマチュア１４と電気コイル１５の間に設けられたクラッチスプリング１６を有している。図２による電磁クラッチの場合には、図１による制御装置に対して同様の部材若しくは同じように作用する部材には同じ符号が付されている。
【００２３】
電磁クラッチ１１のアーマチュア１４は、カム軸３に直接接続されており、さらにこのカム軸３に対して軸方向にシフト可能であり、さらにカム軸３と回転不動に構成されている。
【００２４】
前記駆動ホイール４は、例えば端面側がねじ１７でカム軸３に固定されている。この駆動ホイール４は、アーマチュア１４とカム軸３に対して例えば第１のピボットベアリング１８を用いて回転可能に支承されている。駆動ホイール４のアーマチュア１４及びカム軸３に対する相対的回転移動、若しくはアーマチュア及びカム軸の駆動ホイール４に対する相対的回転移動は、予め定められる調整範囲の機械的なロックによって制限される。この機械的なロックは、例えばスタッドボルトによって形成される。このスタッドボルトは駆動ホイール４に設けられており、対向側アーマチュア１４内に設けられる部分的に環状のナットに係合する。このスタッドボルトはもちろんアーマチュア１４にも配設可能であり、さらに部分的に環状のナットを駆動ホイール４に設けることも可能である。予め定められる調整範囲は例えば４０°である。
【００２５】
クラッチスプリング１６とアーマチュア１４との間には、例えば１枚のディスク１９と第２のピボットベアリング２０が設けられている。これは回転するアーマチュア１４と回転しないアーマチュア１４周辺部との間の僅かな摩擦を達成するためである。
【００２６】
クラッチスプリング１６は、アーマチュア１４を駆動ホイール４の方向に押圧している。そのため電気コイル１５が無電流状態の場合に、摩擦結合的接続及び／又は形状結合的接続が駆動ホイール４とアーマチュア１４の間で形成される。この接続は、駆動ホイール４とアーマチュア１４の間の相対的な回転移動を何も許容しない。
【００２７】
前記電磁クラッチ１１は、ロック解除の後では駆動ホイール４とクランク軸１に対するカム軸３の相対的回転移動を許容する。
【００２８】
電磁クラッチ１１のもとでは、ロック解除が例えば電気コイル１５の通電によって達成され、それによってアーマチュア１４は、軸方向で駆動ホイール４から離れる方向に引き寄せられ、摩擦結合的接続及び／又は形状結合的接続が、駆動ホイール４とアーマチュア１４の間で少なくとも部分的に解除される。駆動ホイール４とアーマチュア１４の間の摩擦結合的接続及び／又は形状結合的接続が解除された後では、アーマチュア１４と、該アーマチュア１４に回転不動に結合しているカム軸３は、予め定められた調整範囲内で駆動ホイール４に相対的に回転可能となる。
【００２９】
ＣＴＡ回転トルクは、電磁クラッチ１１を有する制御装置のもとで、クランク軸１の回転角度に対して予め定められた回転角度だけのカム軸３の無段階の調整のために利用できる。このことはエネルギー的にも有利である。なぜなら必ずしも付加的なエネルギーがカム軸３の調整に消費されなければならないというわけではないからである。
【００３０】
クランク軸１に対するカム軸３の調整によって、燃焼室内でのいわゆる給気交換が内燃機関の運転状態に最適に適応化される。いわゆるバルブ制御時間、つまり吸気バルブと排気バルブ５の開閉に関する時点は、クランク軸１によって固定的に設定されるのではなく、カム軸３の調整によって可変に設定可能である。このカム軸３の調整によれば、固定的なバルブ制御時間を有しているものに比べてより高い出力と少ない有害物質の排出及び少ない燃料消費が達成される。
【００３１】
回転数が高い場合には、ＣＴＡ回転トルクは十分に大きくなるが、しかしながら得られるバルブ調整時間は非常に短くなる。それに対して回転数が低い場合では、得られる調整時間は十分に長くはなるが、しかしながら調整毎のＣＴＡ回転トルクは過度に減少する。
【００３２】
それ故に本発明によれば、内燃機関の運転状態に依存してカム軸３に対する付加的な回転トルクをカム軸３に相対的な駆動ホイール４の回転調整のために有効利用することが行われている。この付加的な回転トルクは、図１のアクチュエータ２１を用いて生成される。このアクチュエータ２１は、例えば電気モータであり、内燃機関に固定されている。
【００３３】
アクチュエータ２１は、本発明によれば少なくとも１つの駆動手段２２を介してカム軸３と作用的に接続されている。この駆動手段２２は、例えばアクチュエータ２１によって駆動される第１の駆動歯車２３と、カム軸３に回転不動にはめられ第１の歯車によって駆動される第２の歯車２４とを備えた歯車対である。しかしながらこの駆動手段２２は、もちろんチェーンドライブやベルトドライブあるいはこれらに類似の他のもので構成されていてもよい。
【００３４】
アクチュエータ２１と駆動手段２２の間には、例えば調整クラッチ２６が介在接続されていてもよい。それにより、付加的な調整トルクをアクチュエータからカム軸３へ導入したくないときには、アクチュエータ２１をカム軸３との作用接続から分離できる。またその他にもアクチュエータ２１を常時カム軸３によって駆動させて連動させるように構成することも可能である。その場合には、アクチュエータ２１が遮断されるか若しくは、アクチュエータ２１の摩擦を低減させるべく僅かな電力で投入接続され、付加的な回転トルクをカム軸３に伝えることなくカム軸３に連動させることも可能である。
【００３５】
アクチュエータ２１は、例えば必要なときに投入接続され、内燃機関の運転状態に依存してカム軸３への回転トルクの付加的な減速若しくは加速を実施する。そのようにしてＣＴＡ回転トルクが増強される。このような方式でカム軸３に作用する調整可能な回転トルクは増大され、それによってカム軸３の調整は、高回転の時も低回転の時も信頼性が高くなり、さらに所要の調整時間内で実行できる。
【００３６】
駆動ホイール４とアーマチュア１４の間の摩擦結合ないし形状結合的な接続が解除され、アクチュエータ２１がクランク軸１の回転方向に作用した場合には、カム軸３は、所定の調整範囲内で駆動ホイール４とクランク軸１に対して、クランク軸１の回転方向にプリセッティングされる。カム軸３の調整の後では、カム軸３は、再び電磁クラッチ１１を介して駆動ホイール４とクランク軸１に接続される。このアクチュエータ２１によれば、ＣＴＡ回転トルクだけを用いたカム軸３調整の場合に比べてより短い調整時間が達成される。
【００３７】
電磁クラッチ１１が解離され、回転トルクがカム軸３に作用しなくなった場合には、カム軸３はクランク軸１の回転方向とは反対の方向へ回転する。なぜならカム軸３は調整範囲の制限のためのロックが作用するまではクランク軸１によって駆動されないからである。ＣＴＡ回転トルクとアクチュエータ２１のクランク軸１の回転方向に抗する作用によってカム軸３の調整は、クランク軸１の方向とは反対の方向に加速され、それによってさらに短い調整時間が達成される。
【００３８】
カム軸３には例えば第１のセンサ２５が配設されており、このセンサはカム軸３のそのつどの回転角度を検出し第１の信号線路２７を介して電子制御機器２８に供給している。またクランク軸１にも例えば第２のセンサ３２が設けられており、この第２のセンサは、クランク軸１のそのつどの回転角度を検出し、第２の信号線路３３を介して電子制御機器２８に供給している。これらの第１のセンサ２５と第２のセンサ３２の信号の比較によって、カム軸３のクランク軸１に対する調整角度が求められる。
【００３９】
制御機器２８は、カム軸３とクランク軸１から検出された２つの回転角度の差分と内燃機関の運転状態とに依存して、第１の制御線路２９を介してアクチュエータ２１を制御し、また第２の制御線路３０を介して電磁クラッチ１１の電気コイル１５を制御している。
【００４０】
カム軸３を調整すべき場合には、アクチュエータ２１を第１の制御線路２９を介して投入接続させるかないしはアクチュエータ２１の電力を高め、場合によってはアクチュエータ２１を調整クラッチ２６を介してカム軸３に接続させ、電磁クラッチ１１のロックを電気コイル１５の通電によって解除する。調整の後では、カム軸３を再び駆動ホイール４とクランク軸１に回転不動に接続させて不所望なカム軸３の調整が回避されるようにするために、電磁クラッチ１１が再びロックされる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明によるカム軸の回転角度を調整するための制御装置を表わした図
【図２】本発明による電磁クラッチを表わした図
【符号の説明】
【００４２】
１      クランク軸
３      カム軸
４      駆動ホイール
５      吸／排気バルブ
８      カム
９      バルブスプリング
１０    弁座
１１    位相調整装置（電磁クラッチ）
１４    アーマチュア
１５    電気コイル
１６    クラッチスプリング
１８    第１のピボットベアリング
２０    第２のピボットベアリング
２１    アクチュエータ
２２    駆動手段
２６    調整クラッチ
２７    第１の信号線路
２９    第１の制御線路
３０    第２の制御線路
３３    第２の信号線路
【図１】
2005344723.tif 000003
【図２】
2005344723.tif 000004