JP2007154714A - 電磁駆動弁 - Google Patents
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Abstract
【課題】動作の確実性が向上した電磁駆動弁を提供する。
【解決手段】
電磁駆動弁は、弁軸を有し、弁軸が延びる方向に沿って往復運動する弁87と、弁87と連動して動く磁性部材であるディスク74と、ディスク74を吸引して閉弁位置に保持する第1の電磁石と、ディスク74を第1の電磁石から離す力をディスク74に加える第1の弾性部材であるトーションバー68とを備える。第1の電磁石は、コイル80と、電磁コア72とを含む。この第1の電磁石において、ディスク74が第1の電磁石に吸引された閉弁位置にある場合に、電磁コア72とディスク74により構成される少なくとも1つの磁気回路において少なくとも一部分に間隙が設けられる。第1の電磁石とディスク74は、ディスク74が第1の電磁石に吸引された閉弁位置にある場合に、ディスク74と電磁コア72の少なくとも一部が非密着状態となる吸着面の構造を有する。
【選択図】図1
【解決手段】
電磁駆動弁は、弁軸を有し、弁軸が延びる方向に沿って往復運動する弁87と、弁87と連動して動く磁性部材であるディスク74と、ディスク74を吸引して閉弁位置に保持する第1の電磁石と、ディスク74を第1の電磁石から離す力をディスク74に加える第1の弾性部材であるトーションバー68とを備える。第1の電磁石は、コイル80と、電磁コア72とを含む。この第1の電磁石において、ディスク74が第1の電磁石に吸引された閉弁位置にある場合に、電磁コア72とディスク74により構成される少なくとも1つの磁気回路において少なくとも一部分に間隙が設けられる。第1の電磁石とディスク74は、ディスク74が第1の電磁石に吸引された閉弁位置にある場合に、ディスク74と電磁コア72の少なくとも一部が非密着状態となる吸着面の構造を有する。
【選択図】図1
Description
この発明は、電磁駆動弁に関し、特に内燃機関の吸気弁または排気弁として用いられる電磁駆動弁に関する。
従来の内燃機関の電磁駆動弁に関して、たとえば、特開平11−101110号公報(特許文献1)は、1コイル式の電磁駆動弁であって、電磁石の両側に可動板があり、可動板とバルブが一体になっているものを開示している。
この例では、電磁石と両側の可動板との各隙間は、中立位置においてもどちらか一方が狭くなっている。コイルに電流が流れていない初期状態では、バルブは中立位置にあり、電流が流れると電磁石と可動板の隙間が狭い方の可動板が電磁石に吸引される。そして電流が一旦遮断されると、バルブは反対側(たとえば全閉状態から全開状態)方向へバルブスプリングにより押され、慣性力により中立位置を通り過ぎて動く。このとき再び電流が流されると、電磁力により反対側で可動板が保持される。
特開平11−101110号公報
米国特許第6467441号明細書
内燃機関の電磁駆動弁は、例えば42ボルト程度の電源電圧でコイルを駆動して必要な電磁力を発生させるものが多いが、近年電源電圧14ボルト程度まで低電圧化することにより、電源系統の構成を簡素なものとしてコストダウンを図る検討がなされている。
低電圧化で電磁駆動弁を駆動する際には、電流立ち上がり応答が低下し所望の吸引電流を得ることができないので、電磁駆動弁の電磁石の応答性を良くする必要がある。
この発明の目的は、動作の確実性が向上した電磁駆動弁を提供することである。
この発明は、要約すると、電磁駆動弁であって、弁軸を有し、弁軸が延びる方向に沿って往復運動する弁と、弁と連動して動く磁性部材と、磁性部材を吸引して開弁および閉弁のいずれか一方の所定位置に保持する第1の電磁石と、磁性部材を第1の電磁石から離す力を磁性部材に加える第1の弾性部材とを備え、第1の電磁石は、第1のコイルと、第1の電磁コアとを含み、磁性部材が第1の電磁石に吸引された所定位置にある場合に、第1の電磁コアと磁性部材により構成される少なくとも1つの磁気回路において少なくとも一部分に間隙が設けられる。
好ましくは、第1の電磁石と磁性部材は、磁性部材が第1の電磁石に吸引された所定位置にある場合に、磁性部材と第1の電磁コアの少なくとも一部が非密着状態となる吸着面の構造を有する。
より好ましくは、第1の電磁石は、第1の電磁コアの少なくとも一部を覆い、磁性部材が第1の電磁石に吸引された所定位置にある場合に磁性部材に当接するスペーサをさらに含む。
さらに好ましくは、スペーサは、非磁性体であり、間隙はスペーサの配置された部分である。
さらに好ましくは、スペーサは、磁性部材に対する第1の電磁コアの当接面の一部に設けられた磁性体であり、間隙は、第1の電磁コアの当接面のスペーサが設けられていない部分である。
より好ましくは、間隙は、磁性部材が第1の電磁石に吸引された所定位置にある場合に第1の電磁コアの一部のみが磁性部材に当接することにより形成される。
さらに好ましくは、磁性部材に対する第1の電磁コアの当接面と、第1の電磁コアに対する磁性部材の当接面とは、磁性部材が所定位置にある場合に非平行である。
好ましくは、所定位置は、閉弁位置である。電磁駆動弁は、磁性部材を吸引して開弁位置に保持する第2の電磁石と、弁軸に対して弾性力を加えることにより、磁性部材を第2の電磁石から離す力を磁性部材に加える第2の弾性部材とをさらに備える。
より好ましくは、第2の電磁石は、第1のコイルと結線された第2のコイルを含み、第1、第2のコイルには、等しい電流が流れる。
さらに好ましくは、電磁駆動弁は、第1および第2のコイルに流す電流を所定位置への吸引に必要な所定の電流値の保持電流から零に減じた後に、第2の電磁石に磁性部材を吸引させるための吸引電流を第1および第2のコイルに流すように制御を行なう制御装置をさらに備える。
この発明によれば、たとえば低電圧電源を適用した場合やモノコイル式の場合であっても電磁駆動弁の確実な作動を実現することができる。
以下、本発明について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
図1は、本発明の実施の形態に係る電磁駆動弁の概略構成を示す図である。
内燃機関であるエンジンは、シリンダブロックとシリンダヘッドとシリンダ中を上下するピストンと各気筒の吸気ポートに設けられる電磁駆動式の吸気弁と各気筒の排気ポートに設けられる電磁駆動式の排気弁とを含む。吸気弁および排気弁は、気筒毎にたとえば2個ずつ設けられる。図1においては、代表的に1つの電磁駆動弁が示されている。
内燃機関であるエンジンは、シリンダブロックとシリンダヘッドとシリンダ中を上下するピストンと各気筒の吸気ポートに設けられる電磁駆動式の吸気弁と各気筒の排気ポートに設けられる電磁駆動式の排気弁とを含む。吸気弁および排気弁は、気筒毎にたとえば2個ずつ設けられる。図1においては、代表的に1つの電磁駆動弁が示されている。
図2は、電磁駆動弁の駆動および制御に関する構成を示したブロック図である。
図1、図2を参照して、エンジンのシリンダブロックにはエンジン回転数を検出するクランク角センサ6が取付けられている。クランク角センサ6等の各種センサ出力は、電子制御ユニット(ECU)30に入力され、このECU30は、燃料噴射弁の噴射時期や噴射量、点火プラグの点火時期を制御するとともに、電磁駆動ユニット(EDU)32に対して吸気弁または排気弁の開弁時期を指示する。
図1、図2を参照して、エンジンのシリンダブロックにはエンジン回転数を検出するクランク角センサ6が取付けられている。クランク角センサ6等の各種センサ出力は、電子制御ユニット(ECU)30に入力され、このECU30は、燃料噴射弁の噴射時期や噴射量、点火プラグの点火時期を制御するとともに、電磁駆動ユニット(EDU)32に対して吸気弁または排気弁の開弁時期を指示する。
EDU32には、直流電源11から電源電圧が供給される。直流電源11の一例として、14Vの電源電圧を出力するオルタネータや、12Vのバッテリ等が挙げられる。
電磁駆動弁は、弁軸88を有し、弁軸88が延びる方向に沿って往復運動する弁87と、弁87と連動して動く磁性部材であるディスク74と、ディスク74を吸引して閉弁位置に保持する第1の電磁石と、ディスク74を第1の電磁石から離す力をディスク74に加える第1の弾性部材であるトーションバー68とを備える。
第1の電磁石すなわち閉弁用電磁石は、第1のコイル80と、第1の電磁コア72とを含む。この第1の電磁石において、ディスク74が第1の電磁石に吸引された閉弁位置にある場合に、第1の電磁コア72とディスク74により構成される少なくとも1つの磁気回路において少なくとも一部分に間隙(ギャップ)Gが設けられる。
第1の電磁石とディスク74は、ディスク74が第1の電磁石に吸引された閉弁位置にある場合に、ディスク74と第1の電磁コア72の少なくとも一部が非密着状態となる吸着面の構造を有する。
電磁駆動弁は、ディスク74を吸引して開弁位置に保持する第2の電磁石と、弁軸88に対して弾性力を加えることにより、磁性部材を第2の電磁石から離す力をディスク74に加える第2の弾性部材であるロアスプリング86とをさらに備える。第2の電磁石すなわち開弁用電磁石は、第1のコイル80と結線された第2のコイル82を含む。第1のコイル80と第2のコイル82には、等しい電流が流れる。
電磁駆動弁は、第1のコイル80および第2のコイル82に流す電流を閉弁位置への吸引に必要な所定の電流値の保持電流から零に減じた後に、第2の電磁石にディスク74を吸引させるための吸引電流を、第1のコイル80および第2のコイル82に流すように制御を行なう電子制御ユニット(ECU)30をさらに備える。
ディスク74は、一方端がハウジング62に揺動自在に支持され、他方端に弁軸を弁軸が延びる方向に沿って往復運動させる作用部が設けられた揺動部材である。
電子制御ユニット(ECU)30は、メモリ31を含む。メモリ31にはクランク角センサ6の出力に対応する通電パターンがマップとして記憶されている。
弁87は、上下に昇降することにより、シリンダヘッド10に設けられた吸気口または排気口を開閉する。弁87から上方に延びる弁軸88の上部には中間ステム76が設けられる。中間ステム76の上端にはカムフォロアピンが取付けられている。カムフォロアピンは、ディスク74のハウジング62に揺動自在に支持された一方端と反対側の他方端の作用部に当接する。ディスク74が揺動することに応じて、弁87は、弁軸88が延びる方向に沿って往復運動する。
弁軸88とシリンダヘッド10との間にはストロークボールベアリング89が設けられており、弁軸88が上下方向に可動に支持されている。中間ステム76の下方にはリテーナ84が設けられている。弁軸88の周囲においてリテーナ84とシリンダヘッド10との間にはロアスプリング86が配置されている。
中間ステム76を往復運動させる電磁アクチュエータは、ハウジング62に固定された開弁用の電磁石と閉弁用の電磁石とを含む。開弁用電磁石は開弁用の電磁コア78と、コイル82とを含む。閉弁用電磁石は閉弁用の電磁コア72とコイル80とを含む。コイル80とコイル82とは結線されて共用化されているモノコイル構造である。なお、モノコイル構造とせずコイル80とコイル82の電流を個別にEDU32で制御しても良い。ディスク74は、これらの開弁用および閉弁用電磁石によって交互に吸着される。
そしてロアスプリング86と対を成すアッパスプリングであるトーションバー68の弾性力によって、ディスク74は下向きすなわち開弁方向の力を中間ステム76に与える。ディスク74の他方端は中間ステム76の上端に固着されているカムフォロアピンと当接し、中間ステム76に対して下向きすなわち開弁方向の力を与える。
逆に、ロアスプリング86は、リテーナ84を押上げることにより、中間ステム76に対して上向きすなわち閉弁方向の力を与える。
トーションバー68およびロアスプリング86の合力として、弁87が全閉となったときには開く方向に力が発生し、逆に弁87が全開となったときには閉じる方向に力が発生する。ディスク74と吸着する電磁石のコイルとの距離が大きくディスク74を吸着する電磁力が弱いときにこのスプリングによる弾性力を利用することにより、電磁石のサイズを小さくすることができる。
図3は、コイルに流す電流の変化を説明するための波形図である。
近年、コイル駆動のための電源電圧の低電圧化の要求により、電流の立ち上がり応答が低下するので所望の吸引電流が得られにくいといった事情がある。図1、図3を参照して、たとえば電流波形I2に示すように時刻t0〜t1における保持電流がディスク74を吸引するには充分であるがあまり大きくない場合についてまず説明する。
近年、コイル駆動のための電源電圧の低電圧化の要求により、電流の立ち上がり応答が低下するので所望の吸引電流が得られにくいといった事情がある。図1、図3を参照して、たとえば電流波形I2に示すように時刻t0〜t1における保持電流がディスク74を吸引するには充分であるがあまり大きくない場合についてまず説明する。
この場合、時刻t1〜t2の間でディスク74を閉弁側電磁石の吸引から開放するためコイル電流を保持電流からゼロに向けて一旦減少させて、その後開弁側電磁石で吸引するために再び増加させる場合には、時刻t2において必要な吸引電流を確保することができないときがある。
これは、コイルにはL成分があり、またコイル電源が低電圧化されていると電流の増減の応答性がよくないため、コイル電流を直ちにゼロにすることもまたゼロから直ちに必要な吸引電流に増加させることもできず、電流の増減波形にはある程度の傾きが生じてしまうからである。その結果、バネ定数等によって定まる所定時間内には必要な吸引電流までコイル電流を増加させることができない。そして、波形D2に示すように開弁時期において弁87が開弁状態を維持できずバネ力によってリフト量が中立位置付近で振動してしまう。
これに対して、本実施の形態では、図1の間隙Gを閉弁状態において設け、かつ、図3の時刻t1〜t2の間、閉弁状態のまま維持するための保持電流を電流波形I1で示すように消費電力許容範囲内で増加させる。
間隙Gを設けずに単に保持電流を増加させることも考えられるが、そうすると閉弁状態において過剰に磁束が発生し、閉弁用電磁石をオフした際の逆起電力が大となり、制御が困難になる。
間隙Gを設けつつ保持電流を増加させることで、過剰な磁束を抑制しつつ、時刻t2以降における必要な吸引電流が確保できる。これにより、図1の矢印A1に示す向きの開弁動作を確実に実現できる。
以下に図1のA2に示す部分について拡大して、間隙Gを設けるいくつかの例を示す。
図4は、図1の間隙Gを設けるための第1の構造例を示した図である。
図4は、図1の間隙Gを設けるための第1の構造例を示した図である。
図4を参照して、ディスク74と電磁コア72間にスペーサ100Aが挟まれている。スペーサ100Aは、非磁性体であればどのような材質でもよく、たとえばステンレス鋼、樹脂、コーティング等が好ましい。
スペーサ100Aを非磁性体とすることで、スペーサ100Aの部分が図1の間隙Gになる。
すなわち、閉弁用電磁石は、第1の電磁コア72の少なくとも一部を覆い、ディスク74が閉弁用電磁石に吸引された閉弁位置にある場合にディスク74に当接するスペーサ100Aを含む。そして、スペーサ100Aは、非磁性体であり、間隙Gはスペーサ100Aの配置された部分である。
なお、スペーサ100Aは、電磁コア72側またはディスク74側のいずれか一方に接着させておけばどちら側に接着させても良い。
図5は、図1の間隙Gを設けるための第2の構造例を示した図である。
図5を参照して、ディスク74と電磁コア72間にスペーサ100Bが挟まれている。すなわち、閉弁用電磁石は、第1の電磁コア72の少なくとも一部を覆い、ディスク74が閉弁用電磁石に吸引された閉弁位置にある場合にディスク74に当接するスペーサ100Bを含む。
図5を参照して、ディスク74と電磁コア72間にスペーサ100Bが挟まれている。すなわち、閉弁用電磁石は、第1の電磁コア72の少なくとも一部を覆い、ディスク74が閉弁用電磁石に吸引された閉弁位置にある場合にディスク74に当接するスペーサ100Bを含む。
そして、スペーサ100Bは非磁性体であり、スペーサ100Bの配置された部分が間隙Gに該当する。また、スペーサ100Bが挟まれることによりディスク74と電磁コア72の間が密着しなくなった部分に存在する空気の層も間隙Gに該当する。スペーサ100Bの位置は、図5ではディスク74の先端側であるが、ディスク74の回転中心側にスペーサ100Bを設けるように変形しても良い。
なお、スペーサ100Bを、磁性部材に対する第1の電磁コア72の当接面の一部に設けられた磁性体としてもよく、その場合、間隙Gは、第1の電磁コア72の当接面のスペーサ100Bが設けられていない部分に存在する空気の層である。
なお、スペーサ100Bは、電磁コア72側またはディスク74側のいずれか一方に接着させておけばどちら側に接着させても良い。
さらに、スペーサ100Bを設ける代わりにスペーサ100Bの部分を電磁コア72が突出するような形状としておいても良い。この場合は、スペーサ100Bが磁性体で電磁コア72と一体的に形成されていることとなる。逆に、ディスク74側にスペーサ100Bに相当する突起を設けても良い。
また、電磁コア72のディスク74と当接する面に細かな突起を単数または複数設けておくことにより電磁コア72とディスク74の密着面積を減らすことでも同様な効果が得られる。
図6は、図1の間隙Gを設けるための第3の構造例を示した図である。
図6を参照して、間隙Gは、ディスク74が閉弁用電磁石に吸引された所定位置にある場合に電磁コア72の一部のみ(図5ではディスク74の先端側のみ)がディスク74に当接することにより形成される。図5の例では、ディスク74に対する電磁コア72の当接面と、電磁コア72に対するディスクの当接面とは、ディスクが閉弁位置にある場合に非平行である。
図6を参照して、間隙Gは、ディスク74が閉弁用電磁石に吸引された所定位置にある場合に電磁コア72の一部のみ(図5ではディスク74の先端側のみ)がディスク74に当接することにより形成される。図5の例では、ディスク74に対する電磁コア72の当接面と、電磁コア72に対するディスクの当接面とは、ディスクが閉弁位置にある場合に非平行である。
つまり、ディスク74Cの傾きと電磁コア72の傾きを異なる角度に設定し、ディスク74Cと電磁コア72とが部分的に接触するように電磁アクチュエータを構成する。図6に示すように間隙Gは閉弁位置において必ずしも均一である必要はない。
以上説明したように、本実施の形態によれば、電磁コアとディスクの間にギャップを設け、保持電流として従来よりも大きな電流を流すことで、低電圧でも電流制御の応答性が向上し、制御の確実性が向上する。
なお、本実施の形態においては、閉弁用の電磁石側に間隙Gを設けることについて説明したが、同様に開弁用の電磁石側にも間隙Gを設けることで開弁位置から閉弁位置に弁を移動させる際にも同様な効果を得ることができる。
また、本発明は、モノコイル式や揺動式の電磁駆動弁に限らず他の方式の電磁駆動弁にも適用することが可能である。ただし、モノコイル式の電磁駆動弁の場合には、開弁用電磁石と閉弁用電磁石を独立して制御することができない点、コイルのL成分を決めるターン数が開弁用電磁石と閉弁用電磁石のコイルの和となる点、開弁用電磁石によってディスクが吸引されるときにも閉弁用電磁石側の吸引力の影響も受ける点などから、モノコイル式電磁駆動弁の場合に特に効果が期待できる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
6 クランク角センサ、10 シリンダヘッド、11 直流電源、31 メモリ、62 ハウジング、68 トーションバー、72,78 電磁コア、74,74C ディスク、75 カムフォロアピン、76 中間ステム、80,82 コイル、84 リテーナ、86 ロアスプリング、87 弁、88 弁軸、89 ストロークボールベアリング、100A,100B スペーサ。
Claims (10)
- 弁軸を有し、前記弁軸が延びる方向に沿って往復運動する弁と、
前記弁と連動して動く磁性部材と、
前記磁性部材を吸引して開弁および閉弁のいずれか一方の所定位置に保持する第1の電磁石と、
前記磁性部材を前記第1の電磁石から離す力を前記磁性部材に加える第1の弾性部材とを備え、
前記第1の電磁石は、
第1のコイルと、
第1の電磁コアとを含み、
前記磁性部材が前記第1の電磁石に吸引された前記所定位置にある場合に、前記第1の電磁コアと前記磁性部材により構成される少なくとも1つの磁気回路において少なくとも一部分に間隙が設けられる、電磁駆動弁。 - 前記第1の電磁石と前記磁性部材は、前記磁性部材が前記第1の電磁石に吸引された前記所定位置にある場合に、前記磁性部材と前記第1の電磁コアの少なくとも一部が非密着状態となる吸着面の構造を有する、請求項1に記載の電磁駆動弁。
- 前記第1の電磁石は、
前記第1の電磁コアの少なくとも一部を覆い、前記磁性部材が前記第1の電磁石に吸引された前記所定位置にある場合に前記磁性部材に当接するスペーサをさらに含む、請求項2に記載の電磁駆動弁。 - 前記スペーサは、非磁性体であり、
前記間隙は前記スペーサの配置された部分である、請求項3に記載の電磁駆動弁。 - 前記スペーサは、前記磁性部材に対する前記第1の電磁コアの当接面の一部に設けられた磁性体であり、
前記間隙は、前記第1の電磁コアの前記当接面の前記スペーサが設けられていない部分である、請求項3に記載の電磁駆動弁。 - 前記間隙は、前記磁性部材が前記第1の電磁石に吸引された前記所定位置にある場合に前記第1の電磁コアの一部のみが前記磁性部材に当接することにより形成される、請求項2に記載の電磁駆動弁。
- 前記磁性部材に対する前記第1の電磁コアの当接面と、前記第1の電磁コアに対する前記磁性部材の当接面とは、前記磁性部材が前記所定位置にある場合に非平行である、請求項6に記載の電磁駆動弁。
- 前記所定位置は、閉弁位置であり、
前記磁性部材を吸引して開弁位置に保持する第2の電磁石と、
前記弁軸に対して弾性力を加えることにより、前記磁性部材を前記第2の電磁石から離す力を前記磁性部材に加える第2の弾性部材とをさらに備える、請求項1に記載の電磁駆動弁。 - 前記第2の電磁石は、
前記第1のコイルと結線された第2のコイルを含み、
前記第1、第2のコイルには、等しい電流が流れる、請求項8に記載の電磁駆動弁。 - 前記第1および第2のコイルに流す電流を前記所定位置への吸引に必要な所定の電流値の保持電流から零に減じた後に、前記第2の電磁石に前記磁性部材を吸引させるための吸引電流を前記第1および第2のコイルに流すように制御を行なう制御装置をさらに備える、請求項9に記載の電磁駆動弁。
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