JP2002500311A - エンジンバルブ作動制御システム - Google Patents

エンジンバルブ作動制御システム

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    • F01L9/22—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means actuated by rotary motors

Abstract

(57)【要約】 内燃機関のエンジンバルブの電気モータ制御を開示する。ブラシなしトルクアクチュエータは、カム部材の回転を制御して、エンジンバルブを閉位置から開位置へ変位させる適当なリフトが該バルブに与えられるようにする。アクチュエータに接続された電子制御装置は、内燃機関の作動に従ってエンジンのタイミングを制御する探索表を含む。この電子制御装置は、カム部材をエンジンバルブを閉じる休止位置に戻すように作動する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】
本発明は内燃機関のエンジンバルブの制御に関し、さらに詳細には、電気モー
タ手段によるエンジンバルブの制御に関する。
【０００２】
【発明の背景】
内燃機関の多くの実例に見られるようなエンジンバルブの従来の制御方式は、
エンジンに作動的に連結されたタイミングカムシャフト上のタイミングカムによ
り実施される。この制御は機械式であり、カムは固定されているため、バルブの
作動タイミングを変えることは不可能である。
【０００３】 他の従来の制御方式として、バルブステムと整列関係にあるソレノイドバルブ
へのまた該バルブからの流体の流れを制御するものがある。かかるシステムの一
例は、本願と同じ譲受人に譲渡されたWakemanの米国特許第４，６１５，３０８ 号（発明の名称："Engine Valve Timing Control System"）に記載されている。
この制御方式はエンジンバルブの開閉のうちいずれかを変化させることができる
が、原動機は依然としてカムであるため、エンジン性能の設計者にとって作動タ
イミングを大きく変えることはできない。
【０００４】 １９９７年２月４日に発行された米国特許第５，５９８，８１４号（発明の名
称："Method and Apparatus for Electrically Driving Engine Valves"）は、 クランクシャフト位置及びモータ位置パルス列を発生させる位置変換器を備えた
モータ制御装置を開示している。これらのパルス列を比較して、エンジンとモー
タ位置との間の位相差を検出する。特定のバルブ特性を得るために必要な所望の
位相差を決定するために表が作成される。この位相差は、基本的なパターンから
の瞬時的な偏移を表わす。表の１つはエンジンの状態に応じて選択され、モータ
は所望の位相差を実現するように駆動される。
【０００５】
【発明の概要】
上述のシステムの問題点、すなわちバルブ制御範囲が限られているという問題
は、本明細書で説明する実施例には存在しない。内燃機関のエンジンバルブを作
動するための電気モータ制御システムは、エンジンバルブを作動させるために供
給しなければならないエネルギーの量を制御し、これを減少させるように作動す
る。エンジンは少なくとも１つのシリンダーと、エンジンのシリンダーヘッドに
往復運動可能なように取り付けられた少なくとも１つのエンジンバルブとを有す
る。エンジンバルブはエンジンバルブに作動的に接続されている。エンジンバル
ブは、バルブステムと、常態ではシリンダーの開口部を閉じ、シリンダーへのま
たはシリンダーからの混合気または排気ガス混合物のような流体の流れを制御す
るバルブ部材とを有する。バルブステムに装着された第１の偏倚手段は、バルブ
を閉位置に偏倚する。バルブ部材は、バルブステムのシリンダー開口箇所に取り
付けられる。
【０００６】 カム部材は、バルブステムのバルブ部材とは反対側の端部に作動的に結合され
て、バルブの開位置から閉位置までのシリンダーヘッド内のエンジンバルブの往
復運動による変位量を制御する。電気モータ手段は、カム部材に作動的に結合さ
れて、カム部材の回転に必要なトルクを供給する。
【０００７】 電子モータ制御手段は、電気モータに接続されて該モータの駆動軸の回転をエ
ンジンバルブの所望の開閉タイミングに応じて制御する。第２の偏倚手段は、カ
ム部材に作動的に結合されて、エンジンバルブを常態で閉じるようにカム部材に
予負荷を与える。従って、一対の偏倚手段がエンジンバルブの作動に必要なエネ
ルギーを供給し、電気モータ手段がこの機械的構造における摩擦損を補償するに
十分なエネルギーをこのシステムに供給する。
【０００８】 本発明の上記及び他の特性を、好ましい実施例についての以下の説明並びに添
付図面により図示説明する。
【０００９】
【好ましい実施例の詳細の説明】
添付図面を参照して、図１は内燃機関のエンジンバルブ１２の作動を制御する
電気モータ制御システム１０の好ましい実施例の原理を略示する。図１のタイミ
ングカム１４は、モータ手段１８により駆動されるシャフト１６に固定されてい
る。この図において、モータ手段１８を、ブラシなしトルクアクチュエータまた
ＢＴＡとして示す。このＢＴＡは、論理及びスイッチング制御回路２０により制
御される。このカム１４には、第１の偏倚手段またはばね力がＫ１であるばね２
２を介して典型的なエンジンバルブ１２が連結されている。このエンジンバルブ
１２は、カムフォロワー２４によりタイミングカム１４の周囲部を追従すること
により作動する。第２の偏倚手段またはばね力Ｋ２のばね２６は、バルブステム
２８に直角な軸から角度Ａだけ離れて、カム１４に作動的に結合されている。
【００１０】 カム１４がほぼ９０度回転すると、第１の偏倚手段２２は圧縮状態となって位
置エネルギーを蓄える。同時に、第２の偏倚手段２６が伸張して機械エネルギー
を放出するが、このエネルギーは、事実上、第１の偏倚手段２２に蓄えられる位
置エネルギーに変換される。このシステムは完全に摩擦のないシステムではない
ため、ＢＴＡ１８の出力はシステムの摩擦損及び慣性モーメントを克服するため
の付加的なエネルギーを供給する。ＢＴＡ１８により供給されるエネルギーは、
現在のタイミングカムシステムにおけるエネルギーよりも格段に少ない。エンジ
ンバルブ１２を開閉する力の大部分を供給するのは、一方の偏倚手段から他方の
偏倚手段へ転送されるこのエネルギーである。
【００１１】 第１の偏倚手段２２と第２の偏倚手段２６が平衡状態にあり、角度Ａが０であ
る場合、システムはある特定の摩擦損を除いて安定状態にある。しかしながら、
角度Ａを増加させるかまたは第１と第２の偏倚手段を不平衡状態にすると、シス
テムはＢＴＡ１４をオフにした時の常態位置を持つようになる。理想的には、ば
ね定数Ｋ２がばね定数Ｋ１よりも大きければ、この常態位置はエンジンバルブ１
２が閉じる位置である。このため、エンジンは制動装置として機能することがで
き、車両を停止させる助けとなる。従って、全ての電源が故障した場合、「フェ
イルセーフ」位置は全てのバルブが閉じた位置である。
【００１２】 図２において、エンジンは通常４個またはそれ以上のシリンダーを有するが、
本発明の実施例の原理は少なくとも１つのエンジンシリンダー３０を有するエン
ジンに適用される。この実施例の目的のため、シリンダー３０はエンジンブロッ
ク内にあり、シリンダーの頂部上にシリンダーヘッド３２が延びている。シリン
ダーヘッド３２には、種々の流体混合物をシリンダー３０へまたは該シリンダー
から移送するための幾つかの通路がある。吸気バルブは混合気を受けるが、この
混合気が点火されるとシリンダー３０内でピストンが往復運動する。混合気が燃
焼すると、排気ガスが排気バルブから別の通路へ放出される。バルブ１２の開閉
タイミングを制御することによりエンジン性能を向上できることが判明している
。
【００１３】 各シリンダー３０は、シリンダー３０へのまたは該シリンダーからの混合気ま
たは排気ガスの流れを制御するための１個またはそれ以上のエンジンバルブ１２
を有する。各エンジンバルブ１２は、バルブ部材３４からタイミングカム１４の
所へ軸方向に延びるバルブステム２８を有する。各エンジンバルブ１２は、通常
はバルブステム２８を取囲んで常態でエンジンバルブ１２を閉じるように取り付
けられた第１の偏倚手段またはバルブばね２８を備えている。バルブステム２８
の端部は通常、カムフォロワー２４によりタイミングカム１４に結合されている
。
【００１４】 カム１４の機能は、エンジンバルブ１２を往復運動させるに必要なタイミング
と力を供給することである。カム１４はカムシャフト１６に連結されているため
、この力はカムシャフト１６が回転するとバルブステム２８に伝達される。典型
的な設計のカム１４を図３に示す。カム１４は、半径Ｂの基部を構成する円形部
分と、その部分から半径Ｂに所望のリフトＬを加えた長さに等しい寸法だけ外方
に延びる周辺表面部３６とを有する。図１に示す第２の偏倚ばね２６は、カムの
周辺表面部３６上に載るカムフォロワー３８を有する。カムフォロワー３８がカ
ムの周辺表面部３６上を回転すると、第２の偏倚手段２６が伸張して運動エネル
ギーを放出すると共に第１の偏倚手段２２が圧縮状態となって位置エネルギーを
蓄える。モータ制御装置２０がバルブ１２を開く指令を発している時は、カムフ
ォロワー２４は最大長Ｂ＋Ｌに到達するまでカムの周辺表面部３６上に沿って移
動する。この場合、カム１４の回転と共に、第１の偏倚手段であるばね２２がそ
の運動エネルギーを放出し、この運動エネルギーが事実上第２の偏倚ばね２６に
位置エネルギーとして転送される。モータ手段１８は、機械的システムの摩擦損
を補償するためのエネルギーを供給する。
【００１５】 図４は、カム１４の回転に応じたモーメントの変化を示す。第２の偏倚ばね２
６は、図示のカムモーメントに対抗するようにカム１４に作用する必要がある。
このようにして、カム１４はモータシャフトの回転に追従する。第２の偏倚手段
２６は、第１の偏倚手段２２に対して横断方向に位置することが重要である。第
１と第２の偏倚手段が平衡状態にある場合、バルブ１２を作動させるためには、
モータ１８は摩擦損と運動する質量の慣性とを克服することだけが必要である。
しかしながら、第１の偏倚手段２２の予負荷は第２の偏倚手段２６の予負荷より
もわずかに大きいため、システムの脱勢位置またはフェイルセーフ位置はバルブ
１２が閉じた位置となる。電源がモータ手段１８から切り離されてモータが本質
的にフリーウイールとなる時バルブが閉じた位置にあれば、エンジンが制動され
て車両速度が減少し、車両がエンジン・オフの位置で停止する。
【００１６】 大部分の用途では、エンジンのクランクシャフトの作動はカムシャフトに結合
されているため、カムシャフトが回転する。電気モータ手段１８は、カム１４に
作動的に接続され、従来式のエンジンのクランクシャフトによる駆動にとって代
わる。モータ手段１８には、モータへの電力を制御する電子式論理及びスイッチ
ング制御手段２０が電気的に接続されている。モータ手段１８は、カム１４を９
０度の角度に亘って回転駆動するように作動する。場合によっては、モータ制御
装置２０によりモータを逆転させ、カム１４をその常態位置に戻すようにしても
よい。各エンジンバルブ１２または共通群のエンジンバルブが、カム１４の回転
を制御するためのモータ手段１８を具備するようにできる。上述したように、モ
ータ手段１８はブラシなしトルクアクチュエータまたは「ＢＴＡ」であり、回転
式で軸方向ストロークのないアクチュエータである。
【００１７】 ＢＴＡ１８は、多数のステータ極とそれらにマッチするロータ極とを有する単
相コイルを備えている。コイルを付勢すると、それらの極が磁束通路に沿って整
列する。好ましい実施例のＢＴＡは、通常のストローク回転量が４５度である。
しかしながら、ＢＴＡは、電子スイッチングにより同じ方向にさらに４５度回転
するように設計可能であり、カム１４は事実上同じ方向にさらに４５度回転する
ため出力は実質的に９０度の回転となる。図４のグラフにおいて、曲線の最初の
上昇部分はベースラインから曲線頂部までの２つの４５度の電気角に相当し、同
様に、その戻り曲線は逆方向における２つの４５度の電気角セグメントに相当す
る。ＢＴＡ１８は、付勢されるとバルブ１２を開くようにカム１４を１つの方向
に回転させ、その後逆転してバルブを閉じるようにカムを回転させる。第１の偏
倚ばね２２と第２の偏倚ばね２６とはばね力の方向が同軸でないように配置され
ているため、カム１４が回転すると、一方のばねが圧縮状態となって位置エネル
ギーを蓄えると共にもう一方のばねが伸張して運動エネルギーを放出し、その後
、カム１４が逆転すると、エネルギーの転送が上述したように逆転する。
【００１８】 電子式論理及びスイッチング制御手段２０には、ｒｐｍ、温度、マニホルド圧
等の幾つかのエンジンの作動を決定するエンジンパラメータに応答する探索表に
応じて作動する論理手段がある。探索表の結果に応じて、モータ手段または回転
式位置エンコーダまたはＢＴＡ１８が回転することにより、カム１４が回転する
。上述したように、カムの回転はバルブステム２８の往復運動に変換される。
【００１９】 カム１４には、そのカムに所定の力の予負荷を与える第２の偏倚手段２６が作
動的に結合されている。このシステムでは、第２の偏倚手段２６により与えられ
る力は第１の偏倚手段２２によりバルブステム２８に作用する力よりもわずかに
小さいが、場合によってはこれらのばねを平衡させてもよい。力のこの差により
、エンジンバルブ１２の「フェイルセーフ」位置が確実に閉位置となる。第２の
偏倚手段２６は、カム１４をその常態位置に回転させるが、この位置では第１の
偏倚手段２２はバルブ１２を閉じる常態位置に伸張している。上述したように、
ばねが不平衡状態にある場合、エンジンが作動中でなく電源からモータ手段１８
が切り離されておれば、エンジンバルブは全て閉位置にあることに注意されたい
。ばねの不平衡状態は、カムフォロワー２４、３８をオフセットし且つばねを平
衡させることによっても実現できる。
【００２０】 モータ手段が、出力に大きなトルクを発生できるモータとして定義されるトル
クモータであれば、このモータは９０度の小さい角回転によって大きな値のトル
クを発生する必要がある。これは、バルブシステムが大きなばね力及び圧力を有
するからである。このシステムでは、モータ出力はギアダウンされるため、モー
タはカムを９０度の小さい回転をさせるにすぎない。全ての実施例においてカム
を適切に設計すると、バルブ部材の開閉を速度及びバルブシート力に関して制御
することができる。これは、バルブシート上にバルブ部材を比較的静かに着座さ
せるために重要である。
【００２１】 図５に示す別の実施例において、カム１４はバルブステム２８に作動的に連結
されたバレル形カム４０である。このバレル形カム４０は通常、バルブステム２
８に平行に取り付けられ、カムフォロワー４２はカム４０の表面の螺旋径路をた
どる。バレル形カム４０の軸は、軸受４４と４６の間に取り付けられ、図６に示
すようにカムシャフト４８の一端に戻りカム機構５０がある。この戻りカム機構
５０は、バルブステム２８を常態でバルブ１２を閉じる方向に駆動するように作
動的に偏倚されている。電気モータ手段またはＢＴＡ１８は、カム４０を回転さ
せるように作動的に接続され、図２の実施例と同様な働きをする。再び、この実
施例は、バルブを閉位置であるフェイルセーフ位置に戻すような機能を持たせる
ことができる。このモータ制御装置は、カム４０を所定の角度だけ回転させた後
、カム４０を逆方向に回転させてその休止位置に戻す。カム４０、５０は、バル
ブがバルブシートにソフトに着座して、静かなバルブ動作を維持するように設計
されている。
【００２２】 図６の実施例は、２つの独立のカムフォロワー機構４２、５２を備えたカム部
材５０を有する。第１のカムフォロワー機構４２は、バルブ１２を閉位置から開
位置へ移動させるように作動する。第２のカムフォロワー機構５２は、バルブ１
２を閉位置に戻す逆方向のモーメントを与えるように作動する。第２の独立のカ
ムフォロワー機構５２は、所定の角度Ａだけオフセットした位置にある。この角
度Ａを与える理由は、モータ出力が事実上切り離されている時バルブ１２をその
閉位置に戻す小さな逆方向モーメントを供給するためである。
【００２３】 このシステムの幾つかの構成要素を別個のそして特異な部材として説明したが
、タイミングカムをモータに接続されたカムパッケージ内に組み込むように設計
できることがわかる。モータの電子制御は、エンジンの制御に使用するものと同
様な電子制御ユニットにより実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、好ましい実施例による制御システムの略図である。
【図２】 図２は、制御システムの機械部分の略図である。
【図３】 図３は、好ましい実施例の典型的なカムの平面図である。
【図４】 図４は、カムの回転角に対するカムの回転中心の周りのモーメントを示すグラ
フである。
【図５】 図５は、別のカム手段を示す略図である。
【図６】 図６は、図５の線６―６に沿う図５の戻しカムの平面図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年２月２９日（２０００．２．２９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ニトキウイカ，ジェイムズ，エー アメリカ合衆国 バージニア州 23602− 8319 ニューポート・ニューズ サマーグ レン・リッジ 131 Ｆターム(参考） 3G016 AA06 AA19 BA34 DA01 DA23 3G018 AB07 BA01 CA16 DA02 DA24 GA39

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関のエンジンバルブを作動するための電気モータ制御
    システムであって、 少なくとも1つのシリンダーと、シリンダーヘッドに往復運動可能なように取 り付けた少なくとも1つのエンジンバルブとを有し、このエンジンバルブは、バ ルブステム、バルブステムに連結されて常態ではシリンダーの開口部を閉じ、シ
    リンダーへのまたシリンダーからの流体の流れを制御するバルブ部材、及びバル
    ブステムに取り付けられてバルブを閉位置に偏倚する偏倚手段より成るエンジン
    と、 少なくとも1つのエンジンバルブのバルブステムに作動的に結合されてエンジ ンバルブの往復運動の変位量を制御するカム部材と、 カム部材に作動的に結合されてカム部材を回転させる電気モータ手段と、 電気モータ手段に接続されて該電気モータ手段のシャフトをエンジンバルブの
    所望の開閉タイミングに応じて回転させる電子制御手段と、 カム部材に作動的に結合されてカム部材に予負荷を与える第２の偏倚手段とよ
    り成り、 第１と第２の偏倚手段の間で転送されるエネルギーがバルブステムの往復運動
    に変換され、電気モータ手段は摩擦損を補償するに十分なエネルギーを供給する
    電気モータ制御システム。
  2. 【請求項２】 モータ手段は、ブラシなしトルク作動トルクアクチュエータ
    である請求項１のエンジンバルブを作動するための電気モータ制御システム。
  3. 【請求項３】 第１の偏倚手段は、第２の偏倚手段よりも大きい作動力を有
    する請求項１のエンジンバルブを作動するための電気モータ制御システム。
  4. 【請求項４】 モータ制御手段は、電気モータ手段を駆動してカム手段を９
    ０度の角度に亘って往復回転運動させるように作動可能な請求項１のエンジンバ
    ルブを作動するための電気モータ制御システム。
  5. 【請求項５】 カム手段は、バルブステムに作動的に連結されたバレル形カ
    ム部材である請求項１のエンジンバルブを作動するための電気モータ制御システ
    ム。
  6. 【請求項６】 バレル形カム部材は、バルブステムを常態ではバルブを閉じ
    る方向に駆動するように作動的に偏倚されている請求項５のエンジンバルブを作
    動するための電気モータ制御システム。
  7. 【請求項７】 カム手段は２つの独立のカムフォロワー機構を含み、一方の
    カムフォロワー機構は電子制御手段の制御下でバルブを開くように作動するが、
    もう一方のカムフォロワー機構はバルブを閉位置に戻すために逆方向の力を与え
    るように作動する請求項１のエンジンバルブを作動するための電気モータ制御シ
    ステム。
  8. 【請求項８】 第２の偏倚手段は第１の偏倚手段に対して直角方向に機械的
    に配置され、これらの偏倚手段は本質的に不平衡状態にある請求項１のエンジン
    バルブを作動するための電気モータ制御システム。
  9. 【請求項９】 第２の偏倚手段は第１の偏倚手段に対して横断方向に機械的
    に配置され、これらの偏倚手段はエンジンバルブが常態では閉位置に来るように
    本質的に平衡状態にある請求項１のエンジンバルブを作動するための電気モータ
    制御システム。
JP2000527741A 1998-01-09 1999-01-08 エンジンバルブ作動制御システム Expired - Fee Related JP4206198B2 (ja)

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