JP2005201231A - 内燃機関用のバルブの電気機械式アクチュエータ、およびそのようなアクチュエータを具備する内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、機械的復元作用を受ける磁気チャック（３０２）に加えられる磁気作用、すなわち機械作用を補償しチャック（３０２）を電磁石から離れた位置に保持することができる磁気作用を及ぼす偏向電磁石（３００）を具備する内燃機関用バルブの電気機械式アクチュエータ（３０１）に関する。
【解決手段】本発明によれば、アクチュエータは、チャックの移動がもっぱらこの電磁石および機械的復元作用によって駆動され、チャックが離れた位置から往復運動を行うようにする手段を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関用のバルブの電気機械式アクチュエータ、およびそのようなアクチュエータを具備す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、ばね１０２および１０４などの機械的手段と、電磁石１０６および１０８などの電磁手段とを含む。

この目的のため、２つの電磁石１０６および１０８の間に位置する電磁チャック１１４のロッド１１２にバルブ１１０のステムが押圧される。

電磁石１０８のコイル１０９内を電流が通ると、電磁石が作動し電磁チャック１１４を引き寄せるため、電磁石は「高」位置で接触するようになる。

ロッド１１２が同時に移動することによりばね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を押圧するようになり、シリンダ１１７の内部と外部の間の気体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が切になると）、前者の電磁石が作動し電磁チャック１１４を引き寄せるため、電磁石は接触するようになり、ばね１０４によりばね１０２を圧縮してロッド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、シリンダ１１７内にガスを吸気または注入できるようになる。その時バルブは低位置と呼ばれる位置にある。

このようにしてバルブ１１０およびチャック１１４は切り換え位置と呼ばれる固定位置間を往復し、これら２つの位置間を移動する。

また、アクチュエータ１００は、チャック１１４を切り換え位置すなわち電磁石のうちの１つに接触した状態に保持するのに必要なエネルギーを少なくするための磁石１１８（電磁石１０８）および１１６（電磁石１０６）を具備することができる。以下、そのような電磁石を磁化電磁石または偏向電磁石と呼ぶことにする。

知られているアクチュエータは、バルブを切り換え位置に保持するのに大きなエネルギーを必要としながら、その保持が車の推進エネルギーを全く供給しないという欠点を有する。

さらにアクチュエータは、チャックが電磁石に接触することにより大きな動作音を発生する。

本発明はこれらの欠点の少なくとも１つを解消することを目的とする。本発明は、以下に図２で説明するように、電磁石が偏向している場合、この電磁石がチャックに及ぼす作用をより高い精度かつより広い範囲で制御できるという事実に基づくものである。

図２には、同じ電流が供給される偏向電磁石（曲線２０２_１）と非偏向電磁石（曲線２０６）によって磁気チャックに加えられる力Ｆ（縦軸２００、単位ニュートン）を、電磁石とチャックの間のギャップｅ（横軸２０８、単位ｍｍ）の大小で見たものを示してある。

電流ｉが供給される非偏向電磁石（曲線２０６）によってチャックに加えられる力Ｆはギャップが変化するとともに著しく減少することがわかる。

実際、非偏向電磁石によって加えられる力は非線形であり、たとえばギャップの二乗に反比例し、電磁石の電流の強度の二乗に比例する。

反対に、上で使用した電流と同一の電流ｉが供給される偏向電磁石（曲線２０２_１）の場合、アクチュエータによって加えられる力は、ギャップｅが変化してもそれほど急激には減少しない。

このように、偏向電磁石によって加えられる力は非偏向電磁石によって加えられる力の変化よりも直線的であるため、チャックの移動中のこの力のよりよい制御が可能である。

電磁石から出される磁界によりチャックが飽和すると、曲線２０２_１の曲線２０２_１’で示すように、ギャップが減少して電磁石によって加えられる力はそんなに著しくは上昇しないことに留意されたい。

また本発明は、偏向電磁石によって磁気チャックに加えられる力は、たとえチャックが電磁石から離れていても、チャックが受ける機械的復元力を補償することができるという事実にも基づく。

この目的のため、電源電流を少なくしていった場合に電磁石によってチャックに加えられる力（曲線２０２_２、２０２_３、２０２_４）、ならびにばねによりチャックに加えられる機械的力（曲線２１０）を、チャックと電磁石の距離すなわちギャップとの関係で求める。

ギャップが、バルブステムが磁気チャックのロッドの端部から離れているような値を有している場合、バルブステムに固設されているばねはバルブステムの切り換え位置によってブロックされるため、偏向電磁石によって加えられる力は、チャックに固設されている復元ばねによって加えられる機械的作用と等しいだけであると思われる。

たとえば、曲線２０２_３に相当する電流を電磁石に供給すると、この電磁石によって加えられる力は、供給間隙よりも小さいギャップの場合、機械的力と等しい。

最後に本発明は、あるバルブを切り換え位置に保持するためには、たとえこの保持がシリンダに対する吸気および／または排気段階を実施するのに必要でなくとも、大きな電源を必要とするという事実に基づく。

したがって、本発明は、機械的復元作用を受ける磁気チャックに加えられる磁気作用、すなわち機械作用を補償しチャックを電磁石から離れた位置に保持することができる磁気作用を及ぼす偏向電磁石を具備する内燃機関用バルブの電気機械式アクチュエータであって、チャックの移動がもっぱらこの電磁石および機械的復元作用によって駆動され、チャックが離れた位置から往復運動を行うようにする手段を備えることを特徴とするアクチュエータに関する。

本発明により、チャックと電磁石との接触がなくなり、アクチュエータの動作音が著しく小さくなる。

さらに、単一の電磁石でチャックの移動を制御することにより、アクチュエータの電気消費量も少なくなる。

一実施形態によれば、アクチュエータは、チャックの距離保持位置がバルブの開位置に対応するようにする手段を備える。

一実施形態によれば、アクチュエータは、電磁石に電源を供給する電流の方向をなくすまたは反転させることにより、この電磁石からチャックを遠ざける手段を備える。

一実施形態によれば、バルブのロッドがこのバルブを駆動するチャックのロッドから距離を保つようにチャックがある距離に保持される。

電磁石が１つの中央分岐部と２つの端面分岐部を備えたＥ字形を有するような実施形態では、チャックの断面積は端面分岐部の断面積および／または中央分岐部の断面積の半分よりも小さい。

一実施形態によれば、電磁石はＥ字形であり、磁石が、チャックと対向する、これらの分岐部のうちの１つの端部に固定される。

一実施形態によれば、少なくとも１つのばねにより機械的復元作用が発生する。

本発明は、偏向電磁石と、機械的復元作用を受ける可動磁気チャックとを備える内燃機関のバルブの電気機械式アクチュエータを具備する内燃機関にも関する。本発明によれば、このアクチュエータは、上記実施形態のいずれか１つに適合している。

本発明のその他の特徴および長所は、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説明により明らかになろう。

図３に示す本発明の実施形態においては、アクチュエータ３０１はＥ字形の電磁石３００と、電磁石３００の近傍で可動な電磁チャック３０２とを備える。

磁気回路は、電磁石３００の断面積Ｓ_ｃの中央分岐３０４および断面積Ｓ_ｃ／２の端部分岐３０６と、断面積Ｓ_ｐのチャック３０２とで構成される。

しかしながら、偏向電磁石がチャックに及ぼす作用を増加させるために、電磁石の中央断面積Ｓ_ｃが端部の断面積Ｓ_ｃ／２の２倍を上回るよう端部分岐３０６の断面積を少なくすることにより、電磁石が発生する磁束を集中させることが可能である。

そのような磁束を集中させることにより、フェライトまたは複合素材で形成された磁石など弱永久磁界磁石を用いてギャップ内で大きな誘導を得ることができる。

また、チャックの断面積Ｓ_ｐは、チャックの質量を少なくするよう磁気回路の断面積Ｓ_ｃ／２に等しくなっている。

したがって質量が制限されたチャックを制御するのに低剛性ばね（図示せず）を使用することができる。そうすることにより、チャックを移動させるのに必要な電気消費量を低減することができる。

必然的に、発生した界により電磁石によってチャックにもたらされる制御は増加する。それはこの磁気作用に対抗する機械的作用の強さが減少するからである。

このようにチャックの制御を向上させることにより、たとえば、電磁石に対するチャックの接近速度を制御すること、あるいはチャックの切り換え時間を変更することが可能である。

最後に、磁石の断面積により電磁石の大きさが高さ方向に課せられることがなくなる。

電磁石３００など２つの電磁石と、チャック３０２など１つの電磁チャックとを具備するアクチュエータの動作に関する種々の測定値を図４ａ、図４ｂ、図４ｃ、図４ｄに示した。ここでは、この動作モードが発明によるもの（図４ｂおよび図４ｄ）と、よらないもの（図４ａおよび図４ｃ）に分けてある。

図４ａを用いて、ドッキングあり切り換えと呼ばれる第１の動作モードについて記述する。このモードではチャックは、相前後して起動される２つの電磁石の間に位置し、これらの電磁石によりこのチャックは電磁石に接触した状態に維持される。

２つの電磁石間の等距離位置（ｘ＝０）（中間位置）を基準として測定したチャックの移動の時間的経過（横軸４０４、単位ｍｓ）に対するチャックの位置ｘ（軸４０６、単位ｍｍ）を図４ａに示す。

チャックは、下側電磁石に接触するチャックの位置に対応する最小の第１位置ｘ_ｂと、上側電磁石に接触するチャックの位置に対応する最大の第２位置ｘ_ｈとの間で切り換わることがわかる。

チャックの速度ｖ（軸４０８）はこの移動に応じて変化し、下側電磁石または上側電磁石と接触するとこの速度はゼロになるが、チャックがこれら２つの電磁石からほぼ等距離になると速度は最大になる。

最後に、下側電磁弁のコイル内を流れる電流ｉｂの値と、上側電磁弁のコイル内を流れる電流ｉｈの値を軸４１０に示す。これによれば、チャックを接触した状態に保つために各電磁弁に保持電流ｉｍが供給されることがわかる。

図４ｂを用いてアクチュエータの第２の動作モードについて記述する。このモードでは上述したチャックの制御は、図４ａで説明したように電磁石を相次いで起動させることにより行われるが、本発明により、チャックは電磁石から距離を保ったところに保持される。このように、電磁石により距離を保ったところに保持されているチャックは浮遊状態にあるという。

したがって、チャックの最小位置ｘ’_ｂは、チャックが下側電磁石に接触していた時にもっていた値ｘ_ｂよりも大きい値を有することがわかる。別の言い方をすれば、下側電磁石は切り換えをされたチャックを、距離を保った浮遊状態に保つ。

同様に、上側電磁石はその近傍にあるチャックを、距離を保った位置に保持し、その結果、チャックの最大位置ｘ’_ｈは、チャックが上側電磁石に接触していた時にもっていた値ｘ_ｈよりも小さい値を有する（図４ａ）。

この第２動作モードでは、チャックが２つの切り換え位置の間のほぼ等距離位置（ｘ＝０）にある時には、チャックの速度ｖ（軸４０８’）が極値に達するが、チャックが電磁石に接近し電磁石を引き寄せ安定化させると、アクチュエータの下側電磁石および上側電磁石にそれぞれ電源を供給する電流ｉ’ｂまたはｉ’ｈの強さ（軸４１０’）は増加する。

チャックが電磁石側に向かうに従いこの電流は著しく減少するが、これは磁石により発生する磁界により、浮遊状態のチャックの保持が部分的または全面的に行われるからである。

図４ｃを用いて、ドッキングあり弾道と呼ばれる第３の動作モードについて記述する。このモードでは、２つの電磁石の間に位置するチャックの移動は、もっぱら、上で説明したようなこれらの電磁石のうちのただ１つを起動させることにより駆動される。

チャックが上側電磁石に接触する位置に対応する最大の第１位置ｘ_ｈから、下側電磁石に対するチャックの最も近い位置に対応する最小の第２位置ｘ_ｂへの時間的経過（横軸４２２、単位ｍｓ）に応じてチャックの位置ｘ（軸４２０、単位ｍｍ）は変化する。

したがってチャックは、下側電磁石に向かう時、上側電磁石の速度ｖ（軸４２４）が増加し、下側電磁石から遠ざかり上側電磁石側に復帰する時、速度が減少するよう、上側電磁石から往復運動を行う。

したがってそのような弾道制御モードにより、軸４２６に示すように、チャックを駆動するのに上側電磁石に電流ｉｈの電源を供給するだけでよい。

本発明による第４の動作モードによれば、チャックの弾道制御は、上側電磁石によるチャックの浮遊と組み合わされる。

したがって、チャックの最大位置ｘ’_ｈ（図４ｄ）は、チャックが上側電磁石に接触していた時（図４ｃ）にもっていた値ｘ_ｈよりも小さい値を有することがわかる。

この第４動作モードでは、チャックが２つの切り換え位置の間のほぼ等距離位置（ｘ＝０）を通過する時、チャックの速度ｖ（軸４０８’）が極値に達するが、チャックが電磁石に接近し電磁石を引き寄せ安定化させると、アクチュエータの下側電磁石および上側電磁石にそれぞれ電源を供給する電流ｉ’ｂまたはｉ’ｈの強さ（軸４１０’）は増加する。

チャックが電磁石側に向かうに従いこの電流は著しく減少するが、これは、本発明に従い磁石により発生する磁界により、浮遊状態のチャックの保持が少なくとも部分的に行われるからである。

図４ａ、図４ｂ、図４ｃ、図４ｄに示す測定結果は、各モードに対し行われた複数の測定を示すものである。種々の試験の間でチャックの位置はほとんど変わらないことがわかる。別の言い方をすれば、本発明によるエンジンにおいては、チャックすなわちバルブの制御の精度はきわめて高い。

そのような制御の精度の高さは、本発明によるアクチュエータ５００の動作を示す図５ａおよび図５ｂを用いて説明するように、チャックのロッドとバルブのロッドの間の衝撃を軽減するのに使用され、チャック５０２は電磁石５０４および５０６から距離を保った、高位置（図５ａ）または低位置（図５ｂ）に保持される。

これらの実施形態において、チャックのロッド５０８とバルブのロッド５１０の間隙５０９は、チャックを浮遊状態に保つ上側電磁石５０４により、小さな値に保たれる。したがってチャックが下側電磁石側に切り換わる時、バルブのロッドとチャックのロッドの接触は、チャックが電磁石に接触する場合よりもより遅い速度で行われ、そのためこの接触の音が低減される。

本発明は多くの変形形態が可能である。たとえば、チャックを電磁石から一定の位置に保つ界をチャックが発生するよう、チャック上に磁石を配置することが可能である。

また、本発明を使用することにより、排気弁のアクチュエータとは異なる吸気弁のアクチュエータを使用することが可能になる。

実際、吸気弁には、排気弁より低い出力のアクチュエータが必要であることが知られている。

しかしながら、冷状態すなわち最初の切り換え時の吸気弁のアクチュエータの動作には、排気弁のアクチュエータが必要とする出力と同等の出力が必要である。実際、電磁石へのチャックの固着という問題のため、切り換え位置にバルブを保持することは、冷状態での最初の切り換え時の場合の方がよりむずかしい。

ところが本発明により、冷状態でのバルブの保持はこの保持をなくすことにより実現されるので、標準保持出力を供給するように吸気弁のアクチュエータの大きさを調節することができる。

別の言い方をすれば、吸気アクチュエータの寸法を小さくすることができ、その結果、エンジンの質量および寸法が小さくなるのである。

知られているアクチュエータを示す図である。 種々のアクチュエータにより電磁チャックに加えられる作用の線図である。 本発明により駆動することが可能なアクチュエータを示す図である。 図３に示すアクチュエータの動作に関する線図である。 図３に示すアクチュエータの動作に関する線図である。 図３に示すアクチュエータの動作に関する線図である。 図３に示すアクチュエータの動作に関する線図である。 本発明によるアクチュエータの位置を示す図である。 本発明によるアクチュエータの位置を示す図である。

符号の説明

１００、１０１、２０１、３００、３０１ アクチュエータ
１０２、１０４ ばね
１０６、１０８ 電磁石
１０７ コイル
１０９ コイル
１１０ バルブ
１１１ 弁座
１１２ ロッド
１１４ 電磁チャック
１１７ シリンダ
３００、５４０、５０６ 偏向電磁石

Claims (8)

1. 機械的復元作用を受ける磁気チャック（３０２；５０２）に加えられる磁気作用、すなわち機械作用を補償しチャック（３０２；５０２）を電磁石から離れた位置に保持することができる磁気作用を及ぼす偏向電磁石（３００；５４０；５０６）を具備する内燃機関用バルブの電気機械式アクチュエータ（３０１、５００）であって、チャックの移動がもっぱらこの電磁石および機械的復元作用によって駆動され、チャックが離れた位置から往復運動を行うようにする手段を備えることを特徴とするアクチュエータ。
2. チャックの離れた位置がバルブの開位置に対応するようにする手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 電磁石（３００；５０４；５０６）に電源を供給する電流の方向をなくすまたは反転させることにより、この電磁石からチャック（３０２；５０２）を遠ざけるための手段を備えることを特徴とする請求項１から２のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
4. バルブのロッド（５１０）がこのバルブを駆動するチャックのロッド（５０８）から距離を保つようにチャック（３０２；５０２）がある距離に保持されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
5. 電磁石（３００；５０４；５０６）が、１つの中央分岐部（３０４）と２つの端面分岐部を備えたＥ字形を有し、チャックの断面積（Ｓｐ）が端面分岐部の断面積（Ｓｃ／２）および／または中央分岐部の断面積（Ｓｃ）の半分よりも小さいことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
6. 電磁石がＥ字形であり、磁石が、チャックと対向する、これらの分岐部のうちの１つの端部に固定されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
7. 少なくとも１つのばねにより機械的復元作用が発生することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
8. 偏向電磁石（３００；５０４；５０６）と、機械的復元作用を受ける可動磁気チャック（３０２；５０２）とを備えるバルブの電気機械式アクチュエータを具備する内燃機関であって、アクチュエータが請求項１から７のいずれか一項に適合していることを特徴とする内燃機関。
   

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