JP5120212B2

JP5120212B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP5120212B2
Application number: JP2008285383A
Authority: JP
Inventors: 忠司戸田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-11-06
Filing date: 2008-11-06
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2028-11-06
Also published as: JP2010112256A

Description

本発明は、自動車等の車両に搭載される内燃機関に関する。この内燃機関は、その燃焼室に高圧燃料を直接噴射するインジェクタに高圧燃料を供給するプランジャ式の高圧燃料ポンプと、この高圧燃料ポンプを、内燃機関のクランクシャフトの回転動力を利用して駆動するための駆動機構とを有する。高圧燃料ポンプは、内燃機関のシリンダヘッド後部に搭載される構成が本発明の前提となる。

従来から、内燃機関のシリンダヘッドに設置されるカムシャフトの長手方向途中の外径側に、高圧燃料ポンプを駆動するためのポンプカムを設け、クランクシャフトの駆動力によりカムシャフトと共に回転駆動されるポンプカムによって高圧燃料ポンプを駆動することが行われている（例えば特許文献１参照。）。

また、カムシャフトの一方軸端にオルダムカップリングを介してポンプカムを連結した構成が知られている（例えば特許文献２参照。）
このような構成では、カムシャフトに対し、吸気バルブまたは排気バルブの駆動トルクに加えて、高圧燃料ポンプの駆動トルクが作用するため、例えばカムシャフトにクランクシャフトからの動力を伝達するためのタイミングチェーンを、高強度対策品とする必要があることが懸念される。

この他にも、例えばカムシャフトに可変バルブタイミング機構を取り付けている場合には、前記高圧燃料ポンプの駆動トルクが、可変バルブタイミング機構の作動負荷となるために、高圧燃料ポンプの駆動トルクの変動により可変バルブタイミング機構の動作が不安定になることが懸念される。

これに対し、例えば特許文献３に示されているように、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間に、ポンプ駆動シャフトを設置し、このポンプ駆動シャフトといずれか一方のカムシャフトとをクランクシャフトの回転動力を利用して回転駆動させるようにし、ポンプ駆動シャフトの回転動力で残り他方のカムシャフトを駆動させるようにした構成が知られている。

また、例えば特許文献４に示されているように、カムシャフトの前端の外径側に、ポンプカムシャフトを相対回転可能に取り付け、このポンプカムシャフトに設けたスプロケットとクランクシャフトとにタイミングチェーンを巻き掛け、クランクシャフトの駆動力によりポンプカムシャフトを回転駆動させることにより、内燃機関の前部に配置した高圧燃料ポンプを駆動するようにした構成が知られている。
特開平８−１４１４０号公報特開２００７−２７８２０５号公報特開２００７−１０７５０４号公報特開２００３−３４３３８１号公報

上記特許文献３，４に係る従来例では、カムシャフトに対し高圧燃料ポンプの駆動トルクが作用しなくなるものの、それぞれ以下のような不具合がある。

まず、特許文献３に係る従来例では、２つのカムシャフトの間にポンプ駆動シャフトを配置している関係より、内燃機関が幅方向で大型化することが指摘される。

また、特許文献４に係る従来例では、内燃機関の前部に高圧燃料ポンプを設置することが必須となっており、この高圧燃料ポンプを内燃機関の後部に設置することができないことが指摘される。というのは、近年では、内燃機関の前部に多種類の補機を設置する必要があって高圧燃料ポンプを設置するスペースを確保できない場合があり、高圧燃料ポンプを内燃機関の後部に設置することが望まれている。

このような事情に鑑み、本発明は、内燃機関のカムシャフト後部に設置される高圧燃料ポンプやその駆動機構を有する内燃機関において、高圧燃料ポンプの駆動トルクがカムシャフトに作用することや、内燃機関の外形が大型化することを回避可能とすることを目的としている。

本発明は、内燃機関の燃焼室に高圧燃料を直接噴射するインジェクタに高圧燃料を供給するプランジャ式の高圧燃料ポンプを、内燃機関のクランクシャフトの回転動力を利用して駆動するための駆動機構を有し、前記内燃機関の動弁機構は、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとを有し、排気カムシャフトが中空形状とされ、前記駆動機構が、前記中空の排気カムシャフトの内孔に挿通されるポンプ駆動シャフトと、このポンプ駆動シャフトの後端側に一体回転可能に設けられかつ前記排気カムシャフトの後端側に設置される高圧燃料ポンプを駆動するためのポンプカムシャフトとを含み、前記ポンプ駆動シャフトの前端側に設けられるポンプスプロケットと、前記吸気カムシャフトの前端側に設けられる吸気カムスプロケットと、前記クランクシャフトの前端側に設けられるクランクスプロケットとにタイミングチェーンが巻き掛けられることにより、前記ポンプ駆動シャフトおよび前記吸気カムシャフトが前記クランクシャフトの回転動力を受けて同じ向きに回転駆動され、前記吸気カムスプロケットと前記排気カムシャフトとに互いに噛合するギヤがそれぞれ設けられることにより、前記排気カムシャフトが前記吸気カムシャフトの回転動力を受けて逆向きに回転駆動される、ことを特徴としている。

この構成では、要するに、内燃機関の前方に多数の補機類が配置されることを考慮して、高圧燃料ポンプを内燃機関の後部に設置しながら、クランクシャフトの回転動力を、内燃機関の前方に配置されるタイミングチェーンや、前記駆動機構を介して前記高圧燃料ポンプに伝達させるように工夫している。

特に、高圧燃料ポンプを駆動するためのポンプ駆動シャフトをカムシャフトとは無関係にクランクシャフトの回転動力で駆動させるようにしていて、従来例のように、動弁機構のカムシャフトに高圧燃料ポンプを駆動するためのポンプカムを設ける形態、あるいは動弁機構のカムシャフトに高圧燃料ポンプを駆動するためのポンプカムを連結する形態にしていない。

これにより、高圧燃料ポンプの駆動トルクが動弁機構のカムシャフトに作用することを回避できるので、カムシャフトに駆動力を伝達する手段の負荷を軽減することが可能になる。

また、前記のような内燃機関の前方から後方へ回転動力を伝達するための駆動機構のポンプ駆動シャフトを、中空のカムシャフトの内孔に挿通させるようにしているから、ポンプ駆動シャフトを吸気カムシャフトと排気カムシャフトとの間に設置していた従来例のように、内燃機関を幅広に設計する必要がない等、内燃機関を幅方向にコンパクトに保つことができる。

また、本発明では、前記ポンプ駆動シャフトの前端側に設けられるポンプスプロケットと、前記吸気カムシャフトの前端側に設けられる吸気カムスプロケットと、前記クランクシャフトの前端側に設けられるクランクスプロケットとにタイミングチェーンが巻き掛けられることにより、前記ポンプ駆動シャフトおよび前記吸気カムシャフトが前記クランクシャフトの回転動力を受けて同じ向きに回転駆動されるようにしている。

なお、スプロケットはギヤであってもよく、また、タイミングチェーンはタイミングベルトであってもよい。

このような構成では、例えばクランクシャフトの回転動力を増速または減速してポンプ駆動シャフトに伝達する必要がある場合であっても、ポンプスプロケットの直径や歯数を、クランクスプロケットの直径や歯数に対して適宜に設定することが可能であり、増速や減速のための変速ギヤ等を用いる必要がない。そのため、例えば変速ギヤを用いるような場合にはタイミングチェーンを高強度品とする必要があるが、前記した構成では、そのような必要がないので、無駄な設備コストの増加や設置スペースの増大を回避できる。このように、クランクシャフトに対するポンプ駆動シャフトの回転比を、余分な部品追加なしに任意に設定することが可能になる。

好ましくは、前記ポンプ駆動シャフトと前記ポンプカムシャフトとは、オルダムカップリングにより一体回転可能に連結される。

この構成では、ポンプ駆動シャフトとポンプカムシャフトとを連結するカップリングの種類を特定している。このオルダムカップリングは、公知のように、連結対象となる前記２つのシャフト間の軸心ずれを吸収する能力が高い。そのため、前記２つのシャフトの支持位置の精度が低い場合であっても、支障なく前記２つのシャフトを連結させることが可能になる。

本発明は、内燃機関のカムシャフト後部に設置される高圧燃料ポンプの駆動機構において、高圧燃料ポンプの駆動トルクがカムシャフトに作用することを回避することが可能になり、しかも、内燃機関の外形が大型化することを回避することが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１から図４に本発明の一実施形態を示している。これらの図において、１は内燃機関（エンジン）である。この実施形態での内燃機関１は、例えば直列４気筒ＤＯＨＣタイプの筒内直接燃料噴射（いわゆる筒内直噴）エンジンとされている。

なお、内燃機関１の基本構成や作動原理は一般的に公知であるので、この実施形態では、本発明の特徴に関係する部分について詳細に説明し、本発明の特徴と直接的に関係しない部分についての詳細な説明は割愛する。

この内燃機関１の上部（シリンダヘッド）には、図示していないが、吸気ポートを開閉する吸気バルブや、排気ポートを開閉する排気バルブが搭載されているとともに、前記吸気バルブを開閉するための吸気カムシャフト２や、前記排気バルブを開閉するための排気カムシャフト３が搭載されている。これら吸気弁、排気弁、吸気側カムシャフト２、排気側カムシャフト３等を含めて、動弁機構と言う。

この実施形態の内燃機関１では、クランクシャフト４の回転動力により吸気カムシャフト２を駆動し、この吸気カムシャフト２の回転動力で排気カムシャフト３を回転駆動するように構成されている。これにより、吸気カムシャフト２は、クランクシャフト４と同じ向きに回転し、排気カムシャフト３は、吸気カムシャフト２ならびにクランクシャフト４と逆向きに回転する。

クランクシャフト４の前端側にはクランクスプロケット５が、また、吸気カムシャフト２の前端側には吸気カムギヤ７付の吸気カムスプロケット６が、さらに、排気カムシャフト３の前端側には排気カムギヤ８が、それぞれ取り付けられている。

クランクスプロケット５と吸気カムスプロケット６とにはタイミングチェーン（あるいはタイミングベルト）９が巻き掛けられており、吸気カムギヤ７と排気カムギヤ８とが噛み合わされている。タイミングチェーン９の張力は、ダンパ１０とテンショナ１１とにより調整される。

そして、クランクシャフト４が２回転する度に、吸気カムシャフト２および排気カムシャフト３が１回転するように設定されている。つまり、クランクスプロケット５、吸気カムスプロケット６ならびにタイミングチェーン９が、クランクシャフト４から吸気カムシャフト２への動力伝達機構を構成している。

一般的に、自動車などの車両に搭載される内燃機関１においては、言うまでもないが、タイミングチェーン９が配置される側が前と表現される。したがって、内燃機関１においては前および後が明確になっている。

なお、図示していないが、一般的に、クランクスプロケット５よりも前方に、サーペンタインベルトによって駆動されるエアコンプレッサやオルタネータやウォータポンプ等の補機が設置される。

この実施形態で例示している内燃機関１は、４気筒としている関係上、内燃機関１の１サイクル中、つまりクランクシャフト４が２回転する間に、気筒毎に設けられたインジェクタ（図示省略）から各１回ずつ、合計４回の燃料噴射が行われることになる。

また、この実施形態に例示している内燃機関は、筒内直噴型エンジンとしている関係上、一般的に、燃料圧力を内燃機関１の燃焼室（図示省略）内の圧力よりも高くして燃料噴射を行う必要がある。そのため、燃料タンク（図示省略）から送られてきた燃料を高圧燃料ポンプ１２で加圧してデリバリパイプ（図示省略）に貯留させて、必要に応じてインジェクタ（図示省略）から燃焼室へ供給させるようになっている。

この高圧燃料ポンプ１２は、例えばプランジャ式と呼ばれる公知の構成（例えば特開２００７−２８５２０９号公報参照）とされており、その詳細な構成の図示や説明を割愛する。この高圧燃料ポンプ１２の動作を簡単に言うと、図示していないプランジャを直線的に往復変位させることによって燃料を加圧して吐出させるようになっている。

この高圧燃料ポンプ１２は、内燃機関１の後部、詳しくは排気カムシャフト３の後端側に設置されており、このような場所に設置されている高圧燃料ポンプ１２を駆動するための駆動機構について、以下で詳細に説明する。

前記の駆動機構は、主として、ポンプカムシャフト２１と、ポンプ駆動シャフト２２と、カップリング２３とを含んで構成されている。

ポンプカムシャフト２１は、高圧燃料ポンプ１２のプランジャ（図示省略）を昇降駆動するためのポンプカム２１ａを備えている。このポンプカムシャフト２１は、排気カムシャフト３の後端側に設置されており、ポンプカム２１ａが高圧燃料ポンプ１２のプランジャの外端部に当接されるようになっている。その関係より、高圧燃料ポンプ１２は、ポンプカム２１ａの上方、つまり例えば内燃機関１のシリンダヘッドカバー（図示省略）に取り付けられるようになっている。

ポンプ駆動シャフト２２は、排気カムシャフト３の内孔に相対回転可能な状態で挿通されており、排気カムシャフト３の前端および後端の両方から突出する状態とされている。つまり、排気カムシャフト３は、中空形状に形成されており、その内孔にポンプ駆動シャフト２２が挿通されているのである。

このポンプ駆動シャフト２２の前端側には、ポンプスプロケット２４が取り付けられており、このポンプスプロケット２４には、前記したタイミングチェーン９が巻き掛けられている。これにより、クランクシャフト４の回転動力がタイミングチェーン９を介してポンプ駆動シャフト２２に伝達されるようになる。したがって、クランクシャフト４によりポンプ駆動シャフト２２が直接駆動されるようになるとともに、クランクシャフト４の回転方向と同じ向きにポンプ駆動シャフト２２が回転駆動されるようになる。

なお、ポンプスプロケット２４の直径および歯数は、例えばクランクスプロケット５の直径および歯数と同数とされている。その理由は、高圧燃料ポンプ１２からの吐出動作を、例えばクランクシャフト４の１回転毎に１回にさせるためである。言い換えれば、内燃機関１の１サイクル中に、高圧燃料ポンプ１２からの高圧燃料の吐出動作を２回行わせて、気筒毎に設けられた各インジェクタ（図示省略）から各１回の燃料噴射を行わせるためである。但し、このポンプスプロケット２４の直径および歯数は、任意であり、高圧燃料ポンプ１２からの高圧燃料の吐出動作の要求数に応じて適宜に変更することが可能である。

カップリング２３は、ポンプカムシャフト２１とポンプ駆動シャフト２２とを一体回転可能に連結するものであり、いわゆるオルダムカップリングと呼ばれるものとされている。このオルダムカップリングは、公知のように、連結対象となる前記２つのシャフト２１，２２間の軸心ずれを吸収する能力が高い。

具体的に、このカップリング２３は、例えば図４に示すように、楕円形の板の中央にその板厚方向に貫通する長方形の貫通孔２３ａが設けられているとともに、楕円形の板における直線の２辺に外向きに突出する突片２３ｂ，２３ｃが設けられた形状になっている。

そして、ポンプカムシャフト２１の一端には、前記カップリング２３の貫通孔２３ａに嵌合しうる長方形状の凸部２１ａが設けられている。さらに、ポンプ駆動シャフト２２の後端には、円筒部２２ａが設けられており、この円筒部２２ａの１８０度対向する位置には、カップリング２３の突片２３ｂ，２３ｃが係合しうる切り欠き２２ｂ，２２ｃが設けられている。この円筒部２２ａの内孔には、カップリング２３の楕円形本体部分が嵌め入れられるようになっている。

つまり、ポンプカムシャフト２１の凸部２１ａにカップリング２３の貫通孔２３ａを嵌合させて、このカップリング２３の突片２３ｂ，２３ｃをポンプ駆動シャフト２２の切り欠き２２ｂ，２２ｃに係合させるとともに、カップリング２３のそのものをポンプ駆動シャフト２２の円筒部２２ａの内孔に嵌入させる。これにより、ポンプカムシャフト２１とポンプ駆動シャフト２２とがカップリング２３により一体に連結されることになって、一体回転可能になる。

次に、動作を説明する。ここでは、クランクシャフト４およびタイミングチェーン９の回転方向を図２の矢印で示すように時計回り方向とし、吸気カムシャフト２をタイミングチェーン９の動力伝達方向の上流側に配置し、ポンプ駆動シャフト２２を下流側に配置するようになっている。

内燃機関１の運転に伴いクランクシャフト４が回転駆動されると、クランクシャフト４の回転動力がタイミングチェーン９を介してまず吸気カムシャフト２に伝達され、吸気カムシャフト２がクランクシャフト４の回転方向と同じ向きに回転駆動されるようになり、その後、ポンプ駆動シャフト２２に伝達され、ポンプ駆動シャフト２２がクランクシャフト４の回転方向と同じ向きに回転駆動されるようになる。

そして、吸気カムシャフト２の回転動力は、吸気カムギヤ７から排気カムギヤ８に伝達され、排気カムギヤ８および排気カムシャフト３が吸気カムシャフト２の回転方向と逆向きに回転駆動されることになる。

また、ポンプ駆動シャフト２２の回転に伴いそれと一体にポンプカムシャフト２１が回転駆動されるので、このポンプカムシャフト２１のポンプカム２１ａによって高圧燃料ポンプ１２のプランジャ（図示省略）が昇降変位されることになり、高圧燃料ポンプ１２から高圧燃料が所定のタイミングで吐出されることになる。

ところで、内燃機関１の運転中は、動弁機構に供給される潤滑油が排気カムシャフト３とポンプ駆動シャフト２２との対向隙間に供給されるようになっている。そのため、これら両者の摺動部分が潤滑油で潤滑、冷却されるようになっている。

この排気カムシャフト３とポンプ駆動シャフト２２とは、逆向きに回転するために、それら両者間に介在される潤滑油の粘性による引き摺り抵抗が双方の回転運動に対して減衰特性を与えることになる。これにより、排気カムシャフト３とポンプ駆動シャフト２２との回転トルク変動を減衰するようになるので、吸気カムギヤ７と排気カムギヤ８との歯打ち音を低減することが可能になる。したがって、前記の歯打ち音を防止するために、例えばギヤを幅広化したり、シザースギヤを用いたり、するといった対策を施す必要がなくなるので、設備コストの低減ならびに設置スペースの縮小化を図るうえで有利となる。

以上説明したように、本発明の特徴を適用した実施形態では、内燃機関１の前方に多数の補機類が配置されることを考慮して、高圧燃料ポンプ１２を内燃機関１の後部に設置しながら、クランクシャフト４の回転動力を、内燃機関１の前方に配置されるタイミングチェーン９や、前記した駆動機構を介して高圧燃料ポンプ１２に伝達させるように工夫しており、以下のような効果が得られる。

まず、この実施形態では、クランクスプロケット５に巻き掛けられるタイミングチェーン９で、高圧燃料ポンプ１２を駆動するためのポンプ駆動シャフト２２を駆動するようにしており、従来例のように、動弁機構のカムシャフト（２，３）に高圧燃料ポンプ１２を駆動するためのポンプカムを設ける形態、あるいは前記カムシャフト（２，３）に高圧燃料ポンプ１２を駆動するためのポンプカムを連結する形態にしていない。

これにより、高圧燃料ポンプ１２の駆動トルクが動弁機構のカムシャフト（２，３）に作用することを回避できるので、カムシャフト（２，３）に駆動力を伝達する手段（タイミングチェーン９等）の負荷を軽減することが可能になる。

また、前記のような内燃機関１の前方から後方へ回転動力を伝達するための駆動機構のポンプ駆動シャフト２２を、中空の排気カムシャフト３の内孔に挿通させるようにしているから、ポンプ駆動シャフト２２を吸気カムシャフト２と排気カムシャフト３との間に設置していた従来例のように、内燃機関１を幅広に設計する必要がない等、内燃機関１の外形をコンパクトに保つことができる。

さらに、クランクシャフト４の回転動力を増速または減速してポンプ駆動シャフト２２に伝達する必要がある場合であっても、ポンプ駆動シャフト２２に取り付けるポンプスプロケット２４の直径や歯数を、クランクスプロケット４の直径や歯数に対して適宜に設定することが可能であり、増速や減速のための変速ギヤ等を用いる必要がない。そのため、例えば変速ギヤを用いるような場合にはタイミングチェーン９を高強度品とする必要があるが、この実施形態では、そのような必要がないので、無駄な設備コストの増加や設置スペースの増大を回避できる。

このように、本発明の特徴を適用した実施形態では、高圧燃料ポンプ１２の駆動トルクがカムシャフト（２，３）に作用することや内燃機関１の外形が大型化することを回避したうえで、クランクシャフト４に対するポンプ駆動シャフト２２の回転比を、余分な部品追加なしに任意に設定することが可能になる。

なお、本発明は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内および当該範囲と均等の範囲で包含されるすべての変形や応用が可能である。以下で例を挙げる。

（１）上記実施形態では、排気カムシャフト３を中空にして、その内孔にポンプ駆動シャフト２２を挿通する形態にした例を挙げているが、吸気カムシャフト２を中空にして、その内孔にポンプ駆動シャフト２２を挿通する形態とすることも可能である。

（２）上記実施形態では、吸気カムシャフト２を駆動した後でポンプ駆動シャフト２２を駆動するようにレイアウトした例を挙げているが、その逆でもよい。

（３）上記実施形態では、ポンプカムシャフト２１とポンプ駆動シャフト２２とを連結するカップリング２３をオルダムカップリングとした例を挙げているが、このカップリング２３の種類については任意であり、公知のいろいろなタイプの継手を用いることが可能である。

（４）上記実施形態では、本発明の適用対象となる内燃機関１を直列４気筒ＤＯＨＣエンジンとした例を挙げているが、気筒数や動弁機構の形式は任意である。

（５）上記実施形態において、各カムシャフト２，３に可変バルブタイミング機構を付設した構成であっても本発明を適用することができる。

本発明に係る内燃機関の一実施形態の概略構成を示す平面図である。図１の内燃機関を前方から見た図で、高圧燃料ポンプの駆動機構への動力伝達系統を示している。図２の（３）−（３）線断面の矢視図である。図１および図３に示すオルダムカップリング、ポンプ駆動シャフトならびにポンプカムシャフトを分離して示す斜視図である。

符号の説明

１内燃機関
２吸気カムシャフト
３排気カムシャフト
４クランクシャフト
５クランクスプロケット
６吸気カムスプロケット
７吸気カムギヤ
８排気カムギヤ
９タイミングチェーン
１２高圧燃料ポンプ
２１ポンプカムシャフト
２１ａポンプカム
２２ポンプ駆動シャフト
２３カップリング

Claims

内燃機関の燃焼室に高圧燃料を直接噴射するインジェクタに高圧燃料を供給するプランジャ式の高圧燃料ポンプを、内燃機関のクランクシャフトの回転動力を利用して駆動するための駆動機構を有し、
前記内燃機関の動弁機構は、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとを有し、排気カムシャフトが中空形状とされ、
前記駆動機構が、前記中空の排気カムシャフトの内孔に挿通されるポンプ駆動シャフトと、このポンプ駆動シャフトの後端側に一体回転可能に設けられかつ前記排気カムシャフトの後端側に設置される高圧燃料ポンプを駆動するためのポンプカムシャフトとを含み、
前記ポンプ駆動シャフトの前端側に設けられるポンプスプロケットと、前記吸気カムシャフトの前端側に設けられる吸気カムスプロケットと、前記クランクシャフトの前端側に設けられるクランクスプロケットとにタイミングチェーンが巻き掛けられることにより、前記ポンプ駆動シャフトおよび前記吸気カムシャフトが前記クランクシャフトの回転動力を受けて同じ向きに回転駆動され、
前記吸気カムスプロケットと前記排気カムシャフトとに互いに噛合するギヤがそれぞれ設けられることにより、前記排気カムシャフトが前記吸気カムシャフトの回転動力を受けて逆向きに回転駆動される、ことを特徴とする内燃機関。
請求項１に記載の内燃機関において、
前記ポンプ駆動シャフトと前記ポンプカムシャフトとは、オルダムカップリングにより一体回転可能に連結される、ことを特徴とする内燃機関。