JP2004278525A6 - 内燃機関用の電気機械式バルブアクチュエータ及びそのようなアクチュエータを備える内燃機関 - Google Patents
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Abstract
【課題】 バイアスされた電磁石(700)及び、該電磁石に近い第1の位置と該電磁石から遠い第2の位置との間で切換わる磁気プレート(706)を備える内燃機関用電気機械式バルブアクチュエータを提供する。
【解決手段】 これらの第1及び第2の位置間の切換え時間は、エンジンの動作状態に応じて決定される。本発明によれば、アクチュエータは、プレートが電磁石に近付く時に電磁石に可変吸引電流を供給するための手段を有する。
【選択図】 図7
【解決手段】 これらの第1及び第2の位置間の切換え時間は、エンジンの動作状態に応じて決定される。本発明によれば、アクチュエータは、プレートが電磁石に近付く時に電磁石に可変吸引電流を供給するための手段を有する。
【選択図】 図7
Description
本発明は、内燃機関用の電気機械式バルブアクチュエータ及びそのようなアクチュエータを備える内燃機関に関する。
バルブ110の電気機械式アクチュエータ100(図1)は、電気信号によりバルブ110の位置を制御するために、スプリング102及び104のような機械的手段と、電磁石106及び108のような電磁手段とを含む。
この目的のため、2つの電磁石106と108との間に配置される磁気プレート114のロッド112にバルブ110のロッドが取り付けられる。
電磁石108のコイル109内を電流が通ると、電磁石が作動し、磁気作用つまり磁力を発生させ、それにより磁気プレート114を引き寄せて、プレートを電磁石と接触した状態で維持する。
ロッド112が同時に変位することにより、スプリング102はバルブ110を閉位置にすることができ、バルブ110のヘッドは弁座111に着座し、シリンダ117の内部と外部との間のガスの行き来ができないようにする。
(図示しないが)同様に、電磁石106のコイル107内を電流が通ると、電磁石108が非活性の状態になり、電磁石106が作動しプレート114を引き寄せる。それによりプレート114が電磁石106と接触するようになり、スプリング104によってロッド112を移動させ、その結果このロッド112はバルブ110に作用し、バルブを開位置にする。その時、バルブのヘッドは弁座111から離れ、例えばシリンダ117内にガスを吸気または噴射できるようになる。
電気機械式アクチュエータ100が正しく機能しているとき、バルブ110は、切換え位置と呼ばれる固定した開閉位置間を、過渡な変位で往復する。バルブの開又は閉状態は、以後「切換え状態」と呼ぶ。
スプリング102及び104は、アクチュエータ100の可動素子を備えたバルブの切換え時間により特徴付けられる、振動装置を形成している。
スプリング102及び104が高い剛性k102及びk104を持ち、変位する素子(プレート114、ロッド112及びバルブ110)がかなりの質量mを持つとすると、切換え時間は、本質的にこれら剛性k102及びk104と質量mとの関数である。剛性k102及びk104がkに等しいとすると、切換え時間Δtcは、k/mの比のおよそ平方根により固定される。
言い換えると、切換え時間は、電磁石のコイル107及び106を流れる電流の変化に対しては低い感度を持つ。
また、アクチュエータ100は、プレート114を切換え位置に維持するのに必要なエネルギーを削減するよう意図された磁石118(電磁石108)及び116(電磁石106)を備えてもよい。
以下、そのような磁石を持つ電磁石106又は108を、バイアスされた電磁石と呼ぶ。
本発明は、バルブの最適切換え時間が、エンジンの動作に応じて変化するということから見出されるものである。
例えば、低剛性のスプリングによって得られる切換えの減少した速度を使用する高切換え時間は、電磁石に対するプレートの衝撃ノイズ、及び、アイドル時のエンジン動作の際のこれらコンポーネントの磨耗を減らす。実際、エンジンの動作ノイズは車両が停止しているときに非常に際立つので、このようなノイズの減少は、アイドル時、車両の利用者にとっては特に有利な点である。
反対に、エンジンの速度が増すにつれて、切換え時間は削減されなければならない。
また、本発明は、図2で説明するように、バイアスされたアクチュエータを用いることにより、バイアスされていないアクチュエータと比べて、より高い感度で磁気プレートを制御できることから見出されるものである。
図2は、非活性(曲線202)又は活性(曲線204)のバイアスされた電磁石及び、バイアスされていない電磁石(曲線206)によって磁気プレートに加えられる力F(縦軸200、単位N)を、電磁石と該電磁石が制御するプレートとを隔てるエアギャップe(横軸208、単位mm)の関数として示した図である。
活性のバイアスされていない電磁石、つまり電流が供給された電磁石(曲線206)によって加えられる力Fは、エアギャップの関数として急速に減少し、およそ2mmの大きさのエアギャップの場合、この力が比較的弱いということがわかる。
この目的で、バイアスされていないアクチュエータによって加えられる力Fは二重に非線形である、つまり、電磁石に供給する電流の強度の二乗に比例し、エアギャップの二乗に反比例する。
反対に、活性のバイアスされた電磁石(曲線204)の場合、このアクチュエータによって加えられる力は、エアギャップの関数としてそれほど急激には減少しないので、およそ3mmの大きさのエアギャップでも電磁石はプレートに作用する。
エアギャップの関数として、バイアスされた電磁石によって加えられる力の変化は、バイアスされていない電磁石によって加えられる力の変化よりも、より線形である。
さらに、小さいエアギャップの場合、バイアスされた電磁石によって加えられる力が減少することによって、プレートの加速の強度、従ってプレートに対する衝撃の速度が減少し、その結果、プレートによって発生するノイズが減少する。
また、バイアスされていないアクチュエータよりもバイアスされたアクチュエータのほうが、プレートに加えられた力を制御し易い。
最後に、バイアスされた電磁石は、たとえ非活性の状態でも、近接して位置するプレートに力を及ぼす(曲線202)一方で、バイアスされていない電磁石は、供給電流がない場合なんの作用も起こさない。
従って本発明は、バイアスされた電磁石及び、該電磁石に近い第1の位置と該電磁石から遠い第2の位置との間で切換わる可動磁気プレートを備える内燃機関用電気機械式バルブアクチュエータに関し、これらの位置間の切換え時間がエンジンの動作状態に応じて決定され、プレートが電磁石に近付く時に、電磁石に可変の吸引電流を供給するための手段を有することを特徴としている。
本発明により、電磁石の吸引電流を制御することによって、バルブの切換え時間が修正され、エンジンの動作状態に適合される。例えば、エンジンがアイドル状態のとき、切換え時間を増やして磁気プレートの衝撃速度を減少させ、その結果エンジンの動作ノイズを減少させる。
この動作モードは、バイアスされたアクチュエータの感度が上がり、制御の範囲が拡大するためにも、用いられうる。
実際、感度が上がって制御幅が拡大することにより、電磁石が比較的遠い距離でもプレートを引き上げることができ、プレートが近付いて磁石の作用が強くなるにつれて、プレートの動作を修正することができる。
一実施形態によれば、アクチュエータは、プレートが近付くにつれて吸引電流を減らすための手段を有し、これによりアクチュエータの消費電力を減らすことができる。
一実施形態によれば、エンジンは、プレートが第2の位置に切換わるとき、電磁石の供給電流の方向を反転させるための手段を有する。
一実施形態によれば、アクチュエータは、電流が反転したとき、電磁石の磁石によって発生した磁界強度と同等か又はそれ以下の強度の磁界を発生させる電流を制御するための手段を有する。
プレートが第2の位置で第2の電磁石の近傍に近付くような実施形態では、アクチュエータは、各電磁石への電流供給を同時に制御するための手段を有する。
一実施形態によれば、アクチュエータは、E字形の支持具を備えた電磁石を有し、プレートと反対側の支持具の分岐部のうちの1つの端部に磁石が配置される。
一実施形態によれば、電流の変化は、振幅及び/又は給電時間に関係する。
一実施形態によれば、アクチュエータは、エンジンの速度をこのエンジンの動作状態のパラメタであるとみなすための手段を有する。
従って、本発明は、バイアスされた電磁石及び、該電磁石に近い第1の位置と該電磁石から遠い第2の位置との間で切換わる磁気プレートを有するアクチュエータを備える内燃機関に関する。
本発明のその他の特徴及び利点は、非限定的な例として示し添付の図面を参照して行う本発明の実施形態についての以下の記述から明らかになるであろう。
図3aは、磁石を備えた上側電磁石と下側電磁石との間に位置する磁気プレートの位置x(縦軸300、単位mm)を示している。位置x=0は、2つの電磁石から等距離のプレートの位置に対応している。
この位置は、切換え命令(t=0)から始まって測定された時間t(横軸302、単位msec)の関数として示されている。
図3bは、考慮中のアクチュエータの上側電磁石と下側電磁石に供給される各電流ib及びih(縦軸304、単位アンペア)を示しており、一方図3cは、磁気プレートの速度v(縦軸306、単位m/sec)を示している。
プレートの下位置xb(図4a)から上位置xhへの切換えは、バルブの開口と対応し、電流ib及びihの変化が必要であるとわかる。
実際、プレートは、最初、およそ3.5アンペアの大きさの保持電流ibによって下位置に維持されている。
次に、この電流ibをなくすことでプレートの上位置への変位が達成され(時刻t1)、それからプレートは電気機械式アクチュエータのスプリングの効果で上位置に変位する(xの増加)。
2つの電磁石間の等距離位置を通過する間(x=0、時刻t2)、プレートの速度vは最大に近付き、その後プレートが上側電磁石に近付くにつれて速度は減少する。
プレートが上側電磁石に近付いたとき(時刻t3)、上側電磁石には、プレートを引きつけ上側電磁石とプレートが接触した状態を維持するために、増加する電流ihが供給される。
バルブの切換えが達成されると(x=xh、v=0、時刻t4)、プレートは、該プレートを下側電磁石に保持していた電流ibと同じ強さの電流ihによって、上側電磁石で維持される。
しかし、他の変形例によると、上側電磁石で用いられる保持電流の値は、電磁石の特性によっては特に、下側電磁石で用いられる保持電流の値と異なっていることもある。
他の変形例によると、2つの保持電流がゼロであり、バルブを保持するための電力消費を必要としない。
図4a、4b及び4cは、前述と同じ電流の大きさの、切換え時間ごとのプレートの上位置から下位置への通過を示しており、プレートは反対の切換えを実行するようになっている。
切換え時間は、アクチュエータの寸法、特に変位される質量及びスプリングの剛性の関数として変化することに注目すべきであろう。
そのような切換え時間の増加は、例えばプレートの質量が限定されている時には、低剛性のスプリングを用いることでも達成されうる。
実際、低剛性のスプリングを使用すると、これらのスプリングによってプレートに加えられる力の強度が限定され、その結果プレートの変位速度及び切換え時間が減少する。
図3a、3b、3c、4a、4b、及び4cで示されているような、長時間のバルブの切換えを、以後低速切換えと呼ぶ。
図5aは、バルブを制御するプレートの位置xを示しており、低速切換えの記述で既に用いられている。しかし、このバルブは図5aでは加速切換えで制御されており、切換え時間は、前の記述で用いられていた長時間と比べると少なくなっている。
プレートが下位置から上位置へ切換えられるとき、下側コイルを流れる電流ib(図6b)は、このために反転され、(時刻t”1)、下側電磁石からのプレート切り離しを加速させるべく、その磁石を消磁するために該電流は増加され、部分的に又は完全に、この磁石によってプレートに加えられた力をなくす。
言い換えると、磁石の磁界と反転した磁界を発生させることによって、電磁石によりプレートに加えられた吸引力を減少及びなくすことが可能である。
この作用により、図3a、3b及び3cを基に説明された低速切換えと比べて、より早くプレートを速い切換え速度に到達させることが可能になる。
図6a、6b及び6cは、上位置から下位置への加速切換えを示している。
従って、図6aで示されているように、上位置xhから下位置xbへプレートを変位させるために、上側電磁石に流れる電流ihの方向が反転され(図6b)、磁石を消磁し、上側電磁石からのプレートの切り離しを加速させる。
実際、プレートが到達する最大速度(Vmax、図6c)は、図4cで記述された同じ状況下での速度よりも速い。
所望の切換え時間に応じて、電磁石によって発生した反転された磁界は、決められた強度と持続時間を持つことに注目すべきであろう。
実際、この磁界の強度が強くなればなるほど、磁石の磁界は弱くなる。
上述したように、スプリングの剛性が低ければ低いほど、切換え時間の変化が大きくなる。
切換え時間の変化は、コイルの供給電流の振幅又は印加時間といった1又はそれ以上のパラメタを修正することによって得られることにも注目すべきであろう。
分岐部のうちの1つ、この例では中央分岐、の端部に磁石709を備えるE字形支持具702を有する電磁石700(図7)がこのために用いられる。
磁石709は、制御するプレート706の反対側に位置しているため、漏れが減少し、プレート706への磁石の作用が増加する。
磁石の磁界は、ネオジウム−鉄−ホウ素磁石に対しておよそ1.2テスラの大きさであり、強磁性の材料で形成されるプレート706を飽和させるために必要な磁界よりも弱い。
その結果、プレートの飽和限度に達するまで、支持具702の分岐部によって形成された磁気回路の断面Sよりも小さい断面Spを有するプレートを用いることが可能である。
この例で、プレート断面の1.6のファクタの減少が達成され、プレートの質量、その結果スプリングの剛性を減らすことができる。よって電磁石のコイル708を流れる電流によりプレートの可動性に影響を及ぼす制御力を増加させることができる。
本発明は、多くの変形例を有することができる。よってプレートが2つの電磁石間に位置する場合、これら2つの電磁石は、前述したように、プレートの切換え時間を修正するための手段を有する。
100 アクチュエータ
102、104 スプリング
106、108 電磁石
107、109 コイル
110 バルブ
111 弁座
112 ロッド
114 磁気プレート
116、118 磁石
117 シリンダ
700 バイアスされた電磁石
702 支持具
706 可動磁気プレート
708 コイル
102、104 スプリング
106、108 電磁石
107、109 コイル
110 バルブ
111 弁座
112 ロッド
114 磁気プレート
116、118 磁石
117 シリンダ
700 バイアスされた電磁石
702 支持具
706 可動磁気プレート
708 コイル
Claims (9)
- バイアスされた電磁石(700)及び、該電磁石(700)に近い第1の位置と該電磁石(700)から遠い第2の位置との間で切換わる可動磁気プレート(706)を備える内燃機関用電気機械式バルブアクチュエータにおいて、
これらの位置間の切換え時間が前記エンジンの動作状態に応じて決定され、前記プレート(706)が前記電磁石(700)に近付く時、該電磁石(700)に可変吸引電流を供給するための手段(709、708)を有することを特徴とするアクチュエータ。 - 前記プレート(706)が近付くにつれて、前記吸引電流を少なくするための手段を有することを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記プレート(706)が前記第2の位置に切換わるとき、前記電磁石(700)に供給する電流(ib、ih)の方向を反転させるための手段を有することを特徴とする請求項1又は2に記載のアクチュエータ。
- 前記電流が反転したとき、前記電磁石の磁石(709)によって発生した磁界の強度と同等か又はそれより小さい強度の磁界を発生させる電流(ib、ih)を制御するための手段を有することを特徴とする請求項3に記載のアクチュエータ。
- 前記プレート(706)は、前記第2の位置にある第2の電磁石の近傍に移動し、各電磁石への電流供給を同時に制御するための手段を有することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のアクチュエータ。
- E字形の支持具を備える電磁石(700)を有し、磁石(709)が、前記プレート(706)と反対側の支持具の分岐部のうちの1つの端部に位置することを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のアクチュエータ。
- 前記電流の変化は、振幅及び/又は給電の持続時間に関係することを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載のアクチュエータ。
- 前記エンジンの速度を、該エンジンの動作状態のパラメタであるとみなすための手段を有することを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載のアクチュエータ。
- バイアスされた電磁石及び、該電磁石に近い第1の位置と該電磁石から遠い第2の位置との間で切換わる磁気プレートを備える内燃機関であって、前記アクチュエータは請求項1から9のいずれか1項に記載のアクチュエータであることを特徴とする内燃機関。
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