JP2000303810A

JP2000303810A - 内燃機関の電磁式動弁装置

Info

Publication number: JP2000303810A
Application number: JP11116171A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Shimizu; 康雄清水; Hiroshi Kobayashi; 浩小林
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2000-10-31
Also published as: DE10019455A1

Abstract

(57)【要約】【課題】消費電力を低減させることができる内燃機関
の電磁式動弁装置を提供する。【解決手段】内燃機関の電磁式動弁装置１は、電磁石
１０と、磁性体で構成され、吸気弁３に連結されるとと
もに、電磁石１０の励磁および励磁の中止によりヨーク
１１に接触する位置と、ヨーク１１から離れる位置との
間で往復動することによって吸気弁３を開閉させるアー
マチュア５と、を備えている。アーマチュア５がアウタ
ーヨーク１３に接触する接触面積Ｓ１と、ヨーク１１の
平均磁路面積Ｓ２との面積比Ｓ１／Ｓ２は、電磁石１０
が励磁されているときにヨーク１１がアーマチュア５を
吸引保持する吸引保持力が極大値Ｆｍａｘ（図６）を示
すような値を含む、その近傍の所定領域（例えば３０〜
４５％の領域）内の値に設定されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電磁力によって吸
気弁や排気弁を開閉駆動する内燃機関の電磁式動弁装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の内燃機関の電磁式動弁装
置として、例えば特開平９−２５６８２６号公報に記載
されたものが知られている。この電磁式動弁装置は、シ
リンダヘッド内に収容された複数のアクチュエータケー
シングと、磁性体で構成され、各アクチュエータケーシ
ング内の摺動路に摺動自在に収容されるとともに、吸排
気弁を開閉駆動するためのアーマチュアと、このアーマ
チュアを上下方向に吸引するための上下の電磁石と、を
備えている。電磁式動弁装置の動作時には、アーマチュ
アが上下の電磁石によって吸引され、摺動路内を上下方
向に往復摺動することによって、吸排気弁が開閉駆動さ
れる。

【０００３】また、アーマチュアは、その横断面が同心
の２つの円弧部の両端を互いに平行な２つの直線部で結
んだような形状であり（同公報の図６参照）、その外周
面が摺動面になっているとともに、上記直線部が平面部
を構成している。アーマチュアの摺動路を画成している
アクチュエータケーシングは、アーマチュアの外周面と
類似の形状で、これとの間にわずかな間隙を有するよう
に形成されている。また、電磁石は、ともに磁性体で構
成されたインナーヨークおよびアウターヨークと、これ
らの間に収容されたコイルとを備えている。

【０００４】この電磁式動弁装置では、上記のような形
状を備えた各２つのアクチュエータケーシングが、外周
面の平面部で互いに接するように配置されている。以上
のような構成によって、この電磁式動弁装置では、複数
のアクチュエータケーシングをシリンダヘッド内の狭い
空間に並べて収容した場合でも、アクチュエータケーシ
ング内に可能な限り大きな空間を確保することによっ
て、可能な限り大きな電磁石のコイルの寸法およびアー
マチュアの断面積を得ている。このようにする理由は、
吸排気弁を駆動する際に非常に大きな駆動力が必要とさ
れるので、電磁式動弁装置を狭いシリンダヘッド内に収
納したときでも、吸排気弁を駆動するのに十分な、電磁
石によるアーマチュアの吸引力を確保するためである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の電
磁式動弁装置においては、アーマチュアの断面積やコイ
ルの寸法を単純に大きくすることによって、電磁石の吸
引力を確保しているので、アーマチュアとヨークの間の
配置や寸法の関係などによっては、磁気抵抗が大きくな
るなどの効率の低下を招くことがあり、その結果、消費
電力が増大してしまうことがある。

【０００６】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、消費電力を低減させることができる内燃機
関の電磁式動弁装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、内燃
機関の吸気弁３および排気弁の少なくとも一方から成る
吸排気弁３を電磁力によって開閉駆動する内燃機関の電
磁式動弁装置１であって、インナーヨーク１２およびア
ウターヨーク１３を有するヨーク１１を備えた電磁石１
０と、磁性体で構成され、吸排気弁３に連結されるとと
もに、電磁石１０の励磁によってヨーク１１側に吸引さ
れることによりヨーク１１に接触する位置と、電磁石１
０の励磁の中止によりヨーク１１から離れ、吸排気弁３
の開放および閉鎖の一方に対応する位置に規制される位
置との間で往復動することによって吸排気弁３を開閉さ
せるアーマチュア５と、を備え、アーマチュア５がアウ
ターヨーク１３に接触する接触面積Ｓ１と、ヨーク１１
の平均磁路面積Ｓ２との面積比Ｓ１／Ｓ２は、電磁石１
０が励磁されているときにヨーク１１がアーマチュア５
を吸引保持する吸引保持力が極大値Ｆｍａｘを示すよう
な値を含む、その近傍の所定領域（例えば実施形態にお
ける３０〜４５％の領域）内の値に設定されていること
を特徴とする。

【０００８】この内燃機関の電磁式動弁装置によれば、
磁性体のアーマチュアは、電磁石の励磁および励磁の中
止によって、ヨークに接触する位置とこれから離れる位
置との間で往復動し、これにより、吸排気弁を開閉させ
る（なお、ここで言う「接触」とは、機械的な接触のみ
ならず、電気的な吸引によりアーマチュアがヨークに対
してある微少な間隔を保ちながら停止している状態を含
むものである。また、「励磁」は、電磁石のコイルへの
通電の実施を意味し、「励磁の中止」は、通電の中止を
意味する）。この場合、アーマチュアがヨークのアウタ
ーヨークに接触する接触面積と、ヨークの平均磁路面積
との面積比は、励磁時にヨークがアーマチュアを吸引保
持する吸引保持力が極大値を示すような値を含む、その
近傍の所定領域内の値に設定されているので、アーマチ
ュアが、ヨークによって極大値およびその近傍の値の吸
引保持力で吸引保持されることにより、電磁石をエネル
ギ効率が最良またはそれに近い状況で使用できる。これ
によって、電磁石の消費電力を低減することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の一実施形態に係る内燃機関の電磁式動弁装置につい
て説明する。図１に示すように、本実施形態の電磁式動
弁装置１は、自動車用エンジン（図示せず）のシリンダ
ヘッド２に取り付けられており、このエンジンの運転時
に、１つの吸気弁（または排気弁）３を駆動することに
よって、図示しない吸気ポート（または排気ポート）の
開閉動作を実行する。吸気弁３は、シリンダヘッド２内
のガイド筒２ａによって、上下方向に摺動自在に支持さ
れている。

【００１０】電磁式動弁装置１は、ケーシング４と、こ
のケーシング４内に上下方向に摺動自在に設けられたア
ーマチュア５と、励磁時にアーマチュア５を上下方向に
それぞれ吸引する上下の電磁石１０，１０と、アーマチ
ュア５を下方および上方に常時、付勢する上下のコイル
ばね６，６とを備えている。

【００１１】ケーシング４は、上下の蓋部４ａ，４ａ
と、これら蓋部４ａ，４ａの間に設けられたケース部４
ｂとを備えている。図４に示すように、ケース部４ｂの
外周面は、同心の２つの円弧部の両端を互いに平行な２
つの直線部で結んだような断面形状を有し、これら２つ
の直線部は平面部を構成している。隣り合う２つの電磁
式動弁装置１，１は、ケース部４ｂの平面部で互いに接
するように配置されている。ケース部４ｂの内周面は、
その外周面の円弧部と同心でより径の小さい２つの円弧
部の両端を互いに平行な２つの直線部で結んだ断面形状
になっており、電磁石１０は、ケース部４ｂの内周面に
接した状態でこれに内蔵されている。また、上下の蓋部
４ａ，４ａも、図示しないがケース部４ｂの外周面と同
様の断面形状を有し、上下の電磁石１０，１０およびア
ーマチュア５を間にして互いに対向するように上下に配
置されている。

【００１２】上下の電磁石１０，１０は、上下方向に所
定距離、間隔を存して配置され、互いの間にアーマチュ
ア５の可動空間を画成している。上下の電磁石１０，１
０は、アーマチュア５を間にして上下対称に構成されて
おり、以下、下電磁石１０の構成について説明する。図
１〜図３に示すように、下電磁石１０は、ヨーク１１
と、このヨーク１１のインナーヨーク１２に嵌合したボ
ビン１５と、ボビン１５の外周面に巻かれたコイル１６
とを備えている。

【００１３】ヨーク１１は、インナーヨーク１２とアウ
ターヨーク１３をヨーク連結ボルト１４によって一体に
連結したものであり、インナーヨーク１２およびアウタ
ーヨーク１３は例えばＦｅなどの磁性体で構成され、ヨ
ーク連結ボルト１４は合成樹脂などの非磁性体で構成さ
れている。インナーヨーク１２は、円板状のターミナル
部１２ａと、このターミナル部１２ａから上方に延びる
円筒部１２ｂとを備え、これらターミナル部１２ａおよ
び円筒部１２ｂの内部には、上下方向に貫通する断面円
形の孔１２ｃが円筒部１２ｂと同心に形成されている。

【００１４】アウターヨーク１３の内周面１３ａは、上
記円筒部１２ｂおよび孔１２ｃと同心に断面円形に形成
され、外周面１３ｂは、内周面の円と同心の２つの円弧
部の両端を互いに平行に左右方向に延びる直線で結んだ
断面形状に形成されている。すなわち、アウターヨーク
１３は、電磁式動弁装置１，１の並び方向と直交する方
向に厚さが厚くなっている。これによって、図４に示す
ように、電磁式動弁装置１，１同士を狭い間隔で配置し
た場合でも、アウターヨークが円筒形状であるときと比
べて、アウターヨーク１３の外周をアーマチュア５の外
径以上に大きく設定しながら、アウターヨーク１３の断
面積、コイル１６のスペースおよびインナーヨーク１２
の断面積を、可能な限り大きく確保できる。また、アウ
ターヨーク１３は底壁１３ｃを有しており、この底壁１
３ｃには、内周面１３ａと同心の孔が形成されている。

【００１５】ヨーク連結ボルト１４の外周面には、図示
しない雄ねじが形成されており、インナーヨーク１２の
孔１２ｃの下部には、ヨーク連結ボルト１４の雄ねじに
螺合する図示しない雌ねじが形成されている。ヨーク連
結ボルト１４をアウターヨーク１３の底壁１３ｃの孔に
下方から通し、その雄ねじをインナーヨーク１２の雌ね
じに螺合させることよって、インナーヨーク１２とアウ
ターヨーク１３は一体に連結されている。このように連
結したインナーヨーク１２の円筒部１２ｂとアウターヨ
ーク１３との間には、横断面円環状のコイル室１７が画
成されており、このコイル室１７には、ボビン１５およ
びコイル１６が収容されている。

【００１６】ボビン１５は、合成樹脂などの非磁性体で
構成され、肉厚の小さい円筒状に形成されているととも
に、その上縁部は外方に水平に拡がり、丸いつば状にな
っている。また、ボビン１５は、その内孔でインナーヨ
ーク１２の円筒部１２ｂに嵌合しており、コイル１６
は、ボビン１５の外周面に周方向に巻かれている。以上
のように、下電磁石１０は構成されており、上電磁石１
０も同様に上下対称に構成されている。

【００１７】一方、アーマチュア５は、断面円形に形成
された中央の大径部５ａと、この大径部５ａの上下面の
中央部から上下方向に突出する上下の小径部５ｂ，５ｂ
と、これら上下の小径部５ｂ，５ｂにそれぞれ形成され
た断面円形の上下の凹部５ｃ，５ｃと、を備えている。
図２および図５に示すように、大径部５ａの外径は、ア
ウターヨーク１３の内径よりも大きく形成されており、
これによって、後述するようにアーマチュア５が電磁石
１０に吸引された際、大径部５ａはアウターヨーク１３
に対して図２の点描部分で接触する。すなわち、アーマ
チュア５の外端とアウターヨーク１３の内端との間の互
いに重なり合う部分で接触する。この大径部５ａがアウ
ターヨーク１３に接触する部分の接触面積Ｓ１と、イン
ナーヨーク１２の平均断面積であるヨーク１１の平均磁
路面積Ｓ２との面積比Ｓ１／Ｓ２は、本実施形態では後
述する理由により、約３７．５（％）に設定されてい
る。また、小径部５ｂの外径は、インナーヨーク１２の
外径よりも小さくなっており、上小径部５ｂの上面（ま
たは下小径部５ｂの下面）は、インナーヨーク１２に対
してその面全体で接触する。

【００１８】さらに、上下の小径部５ｂ，５ｂにはそれ
ぞれ、上下方向に延びる上下のシャフト７，７が、その
一端部が上下の凹部５ｃ，５ｃに嵌合した状態で固定さ
れている。

【００１９】この電磁式動弁装置１は、アーマチュア５
を間にして一部を除き上下対称に構成されており、ま
ず、上側の構成について説明する。上シャフト７は、断
面円形であり、上電磁石１０のインナーヨーク１２の孔
１２ｃを通って、上蓋部４ａ内の上ばね室４ｃまで延び
ている。この上ばね室４ｃ内には、前記上コイルばね６
および上下のばね座８ａ，８ｂが収容されているととも
に、ばね圧調整ねじ８ｃが上方から突出している。上コ
イルばね６の上下端部はそれぞれ、上下のばね座８ａ，
８ｂに常時、当接しており、上ばね座８ａは、ばね圧調
整ねじ８ｃの下端部に下方から常時、当接している。ま
た、下ばね座８ｂは、上シャフト７の上端部に固定され
ており、以上の構成によって、上シャフト７は、上コイ
ルばね６により下方に常時、付勢されている。さらに、
上蓋部４ａ内には、円筒状の上ガイド９が設けられてお
り、この上ガイド９は、上下方向に貫通する断面円形の
内孔を有している。上シャフト７は、上ガイド９の内孔
に遊嵌されており、これによって、上下方向に摺動自在
に支持されている。

【００２０】一方、下シャフト７も、上シャフト７と同
様に断面円形であり、下電磁石１０のインナーヨーク１
２の孔１２ｃを通って、下蓋部４ａ内の下ばね室４ｃま
で延びている。下シャフト７の下端部には、ばね座８ｄ
が取り付けられており、このばね座８ｄには、吸気弁３
の上端部が連結されている。また、下ばね室４ｃ内に
は、前記下コイルばね６が収容されており、下コイルば
ね６は、その下端部が下ばね室４ｃの底壁に上方から当
接し、上端部がばね座８ｄに下方から当接している。以
上の構成によって、下シャフト７は、下コイルばね６に
より上方に常時、付勢されている。一方、下蓋部４ａに
は、上ガイド９と同様の下ガイド９が設けられており、
下シャフト７は、この下ガイド９によって上下方向に摺
動自在に支持されている。以上のように、上下のシャフ
ト７，７がそれぞれ上下のコイルばね６，６によって下
方および上方に付勢されていることにより、アーマチュ
ア５は、上下の電磁石１０，１０がともに励磁されてい
ないときに、電磁石１０，１０間の中立位置に保持され
る（図５参照）。

【００２１】以上のように構成された電磁式動弁装置１
の動作について説明すると、上下の電磁石１０，１０が
励磁されていない場合、アーマチュア５は、上下のコイ
ルばね６，６によって、上下の電磁石１０，１０の間の
中立位置に保持され、それに伴い、吸気弁３も開閉の途
中の位置に位置している（図示せず）。この状態から例
えば下電磁石１０が励磁されると、アーマチュア５は、
下電磁石１０に吸引されることによって、下コイルばね
６の付勢力に抗しながら下電磁石１０のヨーク１１に当
接する位置まで下方に移動する（図１参照）。このと
き、上下のシャフト７，７は、上下のガイド９，９にそ
れぞれ案内されながら下方に摺動する。このアーマチュ
ア５の下方への移動により、吸気弁３が吸気ポートを開
放する。

【００２２】この後、下電磁石１０の励磁が中止される
と、アーマチュア５は、下コイルばね６の付勢力によっ
て上方に移動する。さらに、下電磁石１０の励磁の中止
後に、上電磁石１０が所定のタイミングで励磁される
と、アーマチュア５は、上電磁石１０に吸引されること
によって、上コイルばね６の付勢力に抗しながら上電磁
石１０のヨーク１１に当接する位置まで上方に移動する
（図示せず）。このアーマチュア５の上方への移動によ
り、吸気弁３が吸気ポートを閉鎖する。次いで、上電磁
石１０の励磁が中止された後、下電磁石１０が所定のタ
イミングで励磁されることにより、上記と同様に、吸気
弁３が吸気ポートを開放する。以上の動作が繰り返し実
行されることによって、アーマチュア５は上下の電磁石
１０，１０の間を上下方向に往復動し、吸気弁３を開閉
駆動する。

【００２３】次に、電磁式動弁装置１が吸気弁３を開閉
駆動する際に、発生する電磁石１０の吸引力について説
明する。一般的に、上記のような電磁式動弁装置１の電
磁石１０の吸引力は、吸気弁３の摺動時の機械仕事を達
成するための動的な吸引力と、吸気弁３を吸引保持する
ための静的な吸引保持力とに分けられる。ここでは、電
磁石１０と同様の構成を有する電磁石における静的な吸
引保持力の特性について、図６を参照しながら説明す
る。同図は、エンジン諸元により決まる電磁式動弁装置
１，１間の間隔からアーマチュア５の外径を求め、この
アーマチュア５の外径およびコイル室１７の幅（インナ
ーヨーク１２とアウターヨーク１３の間の間隔）や高さ
をそれぞれ一定とするとともに、アウターヨーク１３の
内径およびインナーヨーク１２の外径をパラメータとし
て変化させた多数の電磁石を製作し、これらの電磁石の
吸引保持力（Ｎ；ニュートン）の特性を測定した結果の
一例を示している。ただし、各電磁石の銅損は同一とし
た。また、同図では、アウターヨーク１３の内径および
インナーヨーク１２の外径の変化を、アーマチュア５が
アウターヨーク１３に当接する部分の接触面積Ｓ１と、
ヨーク１１の平均磁路面積Ｓ２との面積比Ｓ１／Ｓ２
（％）の変化で表している。

【００２４】同図に示すように、電磁石の吸引保持力
は、面積比Ｓ１／Ｓ２に応じて増減する特性を備えてお
り、面積比Ｓ１／Ｓ２が約３７．５（％）の値のときに
極大値Ｆｍａｘになる。また、面積比Ｓ１／Ｓ２が３０
〜４５（％）の所定領域内の値のときに、極大値Ｆｍａ
ｘに近い値が得られる。さらに、面積比Ｓ１／Ｓ２がこ
の所定領域から外れた値に設定された場合には、その外
れる度合が大きくなるにしたがって、吸引保持力が低下
する度合も大きくなる特性を示している。

【００２５】したがって、本実施形態の電磁石１０にお
いては、前述したように面積比Ｓ１／Ｓ２を約３７．５
（％）の値になるように設定しているので、電磁石１０
の吸引保持力を極大値Ｆｍａｘにすることができる。こ
れによって、電磁石１０をエネルギ効率が最良の状況で
使用できるので、電磁石１０の消費電力を低減すること
ができる。また、電磁石１０の吸引保持力がある程度の
値でよいときには、面積比Ｓ１／Ｓ２を３０〜４５
（％）の所定領域内の値に設定すれば、極大値Ｆｍａｘ
を含む、それに近い値の吸引保持力を得ることができ
る。これによって、電磁石１０をエネルギ効率を最良ま
たはそれに近い状況で使用でき、上記と同様に、電磁石
１０の消費電力を低減することができる。

【００２６】さらに、アーマチュア５が上下方向に往復
動する場合に、断面円形の上下のシャフト７，７がそれ
ぞれ、上下のガイド９，９の断面円形の孔に案内されな
がら摺動するので、従来のアーマチュアの平面部がケー
シングの内面を摺動するものと比べて、アーマチュア５
の往復動時の摺動抵抗を減らすことによって、エネルギ
損失を減少させることができる。これによって、消費電
力をさらに低減することができる。

【００２７】なお、前記実施形態においては、アーマチ
ュア５を上下の電磁石１０，１０で交互に吸引すること
により、これを往復動させる例について説明したが、ア
ーマチュアを往復動させる構成は、これに限らず、例え
ば１つの電磁石とコイルばねを用いたものでもよい。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明の内燃機関の電磁
式動弁装置によれば、消費電力を低減することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関の電磁式動
弁装置を示す断面図である。

【図２】（ａ）図１の電磁式動弁装置の電磁石の横断面
図と（ｂ）アーマチュアの平面図である。

【図３】アーマチュアおよび電磁石の分解斜視図であ
る。

【図４】電磁式動弁装置の平面的な配置を示す図であ
る。

【図５】アーマチュアとヨークの関係を示す断面図であ
る。

【図６】電磁石がアーマチュアを吸引保持する場合にお
ける接触面積Ｓ１および平均磁路面積Ｓ２の面積比Ｓ１
／Ｓ２と、電磁石の吸引保持力との関係の一例を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１電磁式動弁装置３吸気弁５アーマチュア１０電磁石１１ヨーク１２インナーヨーク１３アウターヨークＳ１接触面積Ｓ２平均磁路面積Ｓ１／Ｓ２面積比

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3H106 DA07 DA25 DB02 DB12 DB26 DB32 DC02 DD03 EE22 FA08 GA11 GA15 KK17 5H607 CC05 KK10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の吸気弁および排気弁の少なく
とも一方から成る吸排気弁を電磁力によって開閉駆動す
る内燃機関の電磁式動弁装置であって、インナーヨークおよびアウターヨークを有するヨークを
備えた電磁石と、磁性体で構成され、前記吸排気弁に連結されるととも
に、前記電磁石の励磁によって前記ヨーク側に吸引され
ることにより前記ヨークに接触する位置と、前記電磁石
の励磁の中止により前記ヨークから離れ、前記吸排気弁
の開放および閉鎖の一方に対応する位置に規制される位
置との間で往復動することによって前記吸排気弁を開閉
させるアーマチュアと、を備え、前記アーマチュアが前記アウターヨークに接触する接触
面積と、前記ヨークの平均磁路面積との面積比は、前記
電磁石が励磁されているときに前記ヨークが前記アーマ
チュアを吸引保持する吸引保持力が極大値を示すような
値を含む、その近傍の所定領域内の値に設定されている
ことを特徴とする内燃機関の電磁式動弁装置。