JP2007182841A - バルブ駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 出力が往復直線運動となるリニアタイプの電磁アクチュエータでバルブボディを応答性良く開閉駆動する。
【解決手段】 駆動ロッド６９の中間部に固定したアーマチュア７０を第１、第２電磁石６５，６６間に配置した電磁アクチュエータ５０で、エンジンＥの吸気通路４１ａを開閉するインパルスバルブ３２のバルブボディ４２を駆動するものにおいて、バルブボディ４２の回転軸４５に設けたクランク軸５４に電磁アクチュエータ５０の駆動ロッド６９を連結ロッド５６を介して連結したので、往復直線運動する駆動ロッド６９でバルブボディ４２を全閉位置および全開位置間で９０°に亘って回転させることを可能にしながら、作動速度の速い電磁アクチュエータ５０でインパルスバルブ３２の作動応答性を高めることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンの吸気通路を開閉するバルブボディをバルブハウジングに回転軸を介して軸支し、電磁アクチュエータで前記バルブボディを全閉位置および全開位置間で回転させるバルブ駆動装置に関する。

エンジンの吸気通路に配置したポペットバルブよりなるインパルスバルブを吸気バルブの開閉に同期して所定のタイミングで開閉することにより、エンジンの低回転域においても吸気通路に吸気脈動を発生させて過給効果を得るものが、下記特許文献１により公知である。

また、かかるインパルスバルブをボールバルブで構成し、その回転軸をロータリソレノイドや電動モータよりなるアクチュエータで往復回転させて吸気通路を開閉するものが、下記特許文献２により公知である。
特開２００４−１５０４４１号公報 特開２００５−３４４８０３号公報

ところで上記特許文献１に記載されたものは、ポペットバルブよりなるインパルスバルブのバルブボディが常時吸気通路内に位置するため、バルブボディによって吸気の流通抵抗が増加する問題があった。これを解消するために、バルブボディの位置で吸気通路の通路断面積を増加させると、吸気通路全体が大型化してレイアウト性が低下するという新たな問題が発生してしまう。

一方、上記特許文献２に記載されたものは、ボールバルブよりなるインパルスバルブのバルブボディを全閉位置および全開位置間で９０°に亘って回転させるので、全開位置においてバルブボディを吸気通路から完全に退避させて吸気の流通抵抗を低減することができる。しかしながら、上記特許文献２に記載されたものは、アクチュエータであるロータリソレノイドや電動モータの回転速度に限界があるため、バルブボディを応答性良く開閉することが困難であった。

アーマチュアを一対の電磁石に選択的に吸着する構造の電磁アクチュエータは作動速度が高いために良好な応答性を得ることができるが、出力が往復回転運動となるロータリタイプのものは、その構造上の理由で９０°よりも小さい回転角しか得られないため、かかるロータリタイプの電磁アクチュエータでボールバルブのバルブボディを９０°に亘って回転させることは困難である。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、出力が往復直線運動となるリニアタイプの電磁アクチュエータでバルブボディを応答性良く開閉駆動することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、エンジンの吸気通路を開閉するバルブボディをバルブハウジングに回転軸を介して軸支し、電磁アクチュエータで前記バルブボディを全閉位置および全開位置間で回転させるバルブ駆動装置であって、前記電磁アクチュエータは、軸方向に摺動自在に支持された駆動ロッドと、前記駆動ロッドの中間部に固定されたアーマチュアと、前記アーマチュアを挟むように配置された第１、第２電磁石とを備えるものにおいて、前記回転軸に設けたクランク軸に前記駆動ロッドを連結したことを特徴とするバルブ駆動装置が提案される．
また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記電磁アクチュエータの駆動ロッドと前記クランク軸との間に、前記バルブボディの全閉時の衝撃を吸収する緩衝手段を設けたことを特徴とするバルブ駆動装置が提案される。

尚、実施の形態の第２吸気通路４１ａは本発明の吸気通路に対応し、実実施の形態の油圧緩衝機構７６は本発明の緩衝手段に対応する。

請求項１の構成によれば、エンジンの吸気通路に配置したバルブボディを、駆動ロッドの中間部に固定したアーマチュアを第１、第２電磁石間に配置した電磁アクチュエータで開閉駆動するものにおいて、バルブボディの回転軸に設けたクランク軸に電磁アクチュエータの駆動ロッドを連結したので、往復動する駆動ロッドでバルブボディを全閉位置および全開位置間で回転させることを可能にしながら、作動速度の速い電磁アクチュエータでボールバルブの作動応答性を高めることができる。

また請求項２の構成によれば、電磁アクチュエータの駆動ロッドとクランク軸との間に緩衝手段を設けたので、バルブボディの閉弁時の衝撃を吸収して騒音の防止や耐久性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。

図１〜図１１は本発明の実施の形態を示すもので、図１はエンジンのシリンダヘッド部およびインパルスバルブの断面図、図２は図１の要部拡大図（インパルスバルブの開弁状態）、図３は図２に対応するインパルスバルブの閉弁状態を示す図、図４は図２の４方向矢視図、図５は図３の５方向矢視図、図６はバルブボディの斜視図、図７は図２の要部拡大図、図８は油圧緩衝機構の作用説明図、図９はインパルスバルブの開閉制御のフローチャート、図１０はエンジン回転数および吸気負圧とインパルスバルブの開閉時期との関係を示すグラフ、図１１はクランクアングルとインパルスバルブの開閉時期との関係を示すグラフある。

図１に示すように、エンジンＥのシリンダブロック１１に設けたシリンダスリーブ１２にピストン１３が摺動自在に嵌合しており、シリンダブロック１１のデッキ面に結合されたシリンダヘッド１４とピストン１３の頂面との間に燃焼室１５が区画される。シリンダヘッド１４には燃焼室１５に連なる吸気ポート１６および排気ポート１７が形成されており、吸気ポート１６が燃焼室１５に開口する吸気バルブ孔が吸気バルブ１８により開閉され、排気ポート１７が燃焼室１５に開口する排気バルブ孔が排気バルブ１９により開閉される。吸気バルブ１８および排気バルブ１９はそれぞれバルブスプリング２０，２１で閉弁方向に付勢される。

シリンダヘッド１４の上面に結合されたヘッドカバー２２の内部に吸気カムシャフト２３および吸気ロッカーアームシャフト２４が設けられており、吸気カムシャフト２３に設けた吸気カム２５により、吸気ロッカーアームシャフト２４に枢支した吸気ロッカーアーム２６を介して吸気バルブ１８が開閉駆動される。またヘッドカバー２２の内部に排気カムシャフト２７および排気ロッカーアームシャフト２８が設けられており、排気カムシャフト２７に設けた排気カム２９により、排気ロッカーアームシャフト２８に枢支した排気ロッカーアーム３０を介して排気バルブ１９が開閉駆動される。

シリンダヘッド１４には吸気ポート１６に連なる吸気通路部材３１と、ボールバルブよりなるインパルスバルブ３２と、吸気管３３とが接続されており、吸気管３３の上流に図示せぬサージタンクおよびスロットルバルブが配置される。吸気通路部材３１には吸気ポート１６に燃料を噴射する燃料噴射バルブ３４が設けられる。

次に、図２〜図７に基づいてインパルスバルブ３２の構造を説明する。

インパルスバルブ３２は吸気通路部材３１および吸気管３３に挟まれたバルブハウジング４１を備えており、吸気管３３に形成された第１吸気通路３３ａと、バルブハウジング４１に形成された第２吸気通路４１ａと、吸気通路部材３１に形成された第３吸気通路３１ａが直列に接続される。

バルブハウジング４１の内部に収納されるバルブボディ４２は、短い円筒状の円筒部４３と、円筒部４３から相互に離反する方向に延びる一対の回転軸４４，４５と、円筒部４３に一体に設けられた薄い円板状の円板部４６とを備える。円筒部４３には円形断面の開口４３ａが貫通しており、また円板部４６の外周には球面の一部を構成する環状の第１シール面４６ａが形成される。

一対の回転軸４４，４５は第２吸気通路４１ａの軸線Ｌ１に直交する軸線Ｌ２上に配置されており、一方の回転軸４４はバルブハウジング４１にボールベアリング４７を介して回転自在に支持され、また他方の回転軸４５はバルブハウジング４１にボールベアリング４８およびシール部材４９を介して回転自在に支持されるとともに、バルブハウジング４１に固定した電磁アクチュエータ５０に接続される。

吸気通路部材３１に結合されるバルブハウジング４１の下流端に形成した段部４１ｂに、環状のシートリング５１が装着される。シートリング５１は、バルブボディ４２の第１シール面４６ａが摺動および着座可能な部分球面状かつ環状の第２シール面５１ａと、その第２シール面５１ａの内周を貫通する円形断面の開口５１ｂとを備える。またバルブハウジング４１にはシートリング５１の上流側の端面に当接可能な環状の規制部材４１ｃが一体に形成される。

吸気通路部材３１の上流端に第３吸気通路３１ａを囲むように形成された環状溝にＯリング５２が装着されており、このＯリング５２の付勢力でシートリング５１がバルブボディ４２に向けて付勢される。またシートリング５１の外周に形成した環状溝にＯリング５３が装着されており、シートリング５１はＯリング５３を介してバルブハウジング４１の段部４１ｂに摺動自在に当接する。

シール部材４９を貫通してバルブハウジング４１の外部に突出する回転軸４５の先端にクランク軸５４が固定されており、バルブハウジング４１に設けたベアリング５５に摺動自在に支持された連結ロッド５６の左端と前記クランク軸５４の先端とがリンク５７で連結される。

電磁アクチュエータ５０は、積層された第１ハウジング６１、第２ハウジング６２、第３ハウジング６３および第４ハウジング６４を備えており、第１ハウジング６１がバルブハウジング４１に固定される。第２ハウジング６２の両端に第１、第２電磁石６５，６６が収納されており、第１、第２電磁石６５，６６の中央に設けたベアリング６７，６８に駆動ロッド６９が摺動自在に嵌合する。駆動ロッド６９の中央に固定したアーマチュア７０が第１、第２電磁石６５，６６に間に形成した空間に配置されており、アーマチュア７０が第１電磁石６５に吸着されると駆動ロッド６９は左動し、アーマチュア７０が第２電磁石６６に吸着されると駆動ロッド６９は右動する。

連結ロッド５６の右端側に設けたスプリングシート７１とバルブハウジング４１との間に第１スプリング７２が配置されており、この第１スプリング７２の弾発力で連結ロッド５６は右方向に付勢される。また駆動ロッド６９の右端側に設けたスプリングシート７３と第４ハウジング６４の開口部を閉塞するキャップ７４との間に第２スプリング７５が配置されており、この第２スプリング７５の弾発力で駆動ロッド６９は左方向に付勢される。

連結ロッド５６および駆動ロッド６９が第１ハウジング６１の内部で同軸に対向しており、そこに油圧緩衝機構７６が配置される。図７に拡大して示すように、油圧緩衝機構７６は、第１ハウジング６１に形成したシリンダ７７と、このシリンダ７７に摺動自在に嵌合するピストン７８とを備えており、このピストン７８に形成した左側の凹部７８ａに連結ロッド５６の右端が嵌合し、右側の凹部７８ｂに駆動ロッド６９の左端がシム７９を介して嵌合する。このとき、連結ロッド５６および駆動ロッド６９は第１、第２スプリング７２，７５により相互に接近する方向に付勢されており、よって連結ロッド５６、駆動ロッド６９およびピストン７８の位置関係は常に一定に維持される。

第１ハウジング６１に駆動ロッド６９の外周を囲むように形成された圧力室８０が、図示せぬ油圧ポンプに第１供給油路８１、チェックバルブ８２および第２供給油路８３を介して連通するとともに、図示せぬオイルパンに排出通路８４を介して連通する。ピストン７８が右動して排出通路８４を閉塞したとき、ピストン７８に形成したオリフィス７８ｃを介して圧力室８０および排出通路８４が僅かに連通する。

次に、上記構成を備えた実施の形態の作用について説明する。

図９のフローチャートにおいて、ステップＳ１でエンジン回転数Ｎｅおよびスロットル開度Ｔｈを読み込み、ステップＳ２でエンジン回転数Ｎｅが下限値以上であり、ステップＳ３でエンジン回転数Ｎｅが上限値以下であり、ステップＳ４スロットル開度Ｔｈが設定値以上であれば、ステップＳ５でインパルスバルブ３２の開弁時期および閉弁時期をエンジン回転数Ｎｅおよびスロットル開度Ｔｈから決定し、ステップＳ６でインパルスバルブ３２の駆動信号を出力する。

図１０に示すように、インパルスバルブ３２は吸気の充填効率が最大となるように、吸気行程の中期に開弁し、圧縮行程の初期に閉弁するように制御される。エンジン回転数の増加に応じて、開弁時期が次第に進角し、閉弁時期が次第に遅角する。また吸気負圧の増加に応じて、開弁時期が次第に進角し、閉弁時期が次第に遅角する。その際に、開弁時期の進角側の限界は吸気負圧に応じて決定され、閉弁時期の遅角側の限界は吸気バルブ１８の開弁時期に応じて決定される。

図１１に示すように、吸気行程の前半において、吸気バルブ１８が開弁した状態でピストン１３が下降することで、閉弁したインパルスバルブ３２の下流の第２吸気通路４１ａおよび第３吸気通路３１ａに大きな負圧が発生する。吸気行程の中期にインパルスバルブ３２が開弁すると、それに続く吸気行程の後半で、前記負圧によりインパルスバルブ３２よりも上流の第１吸気通路３３ａおよび第２吸気通路４１ａから燃焼室１５に向かって高速で吸気が流入する。

その際に発生する負圧波が吸気通路の上流側に伝達されてサージタンクに反射され、その反射波が燃焼室１５に伝達されて発生する正圧のピークにおいてインパルスバルブ３２を閉弁することで、吸気の充填効率を大幅に高めることができる。そして吸気バルブ１８が閉弁すると、その吸気バルブ１８と閉弁したインパルスバルブ３２との間に区画される空間の正圧が閉じ込められる。従って、次の排気バルブ１９の開弁期間の末期と吸気バルブ１８の開弁期間の初期とが重なるバルブオーバーラップ期間に、前記空間に閉じ込められた正圧で燃焼室１５を掃気することができる。

図２および図４に示すように、電磁アクチュエータ５０のアーマチュア７０が第１電磁石６５に吸着されると、第１スプリング７２を収縮させて第２スプリング７５を伸長させながら駆動ロッド６９、ピストン７８および連結ロッド５６が左動し、リンク５７を介してクランク軸５４を押圧する。その結果、インパルスバルブ３２のバルブボディ４２が回転軸４４，４５と共に一方向に回転し、第２吸気通路４１ａの軸線Ｌ１に対して円板部４６の軸線Ｌ３が直交し、円筒部４３の軸線Ｌ４が一致することで、インパルスバルブ３２が開弁する。

図３および図５に示すように、電磁アクチュエータ５０のアーマチュア７０が第２電磁石６６に吸着されると、第２スプリング７５を収縮させて第１スプリング７２を伸長させながら駆動ロッド６９、ピストン７８および連結ロッド５６が右動し、リンク５７を介してクランク軸５４を牽引する。その結果、インパルスバルブ３２のバルブボディ４２が回転軸４４，４５と共に逆方向に回転し、第２吸気通路４１ａの軸線Ｌ１に対して円板部４６の軸線Ｌ３が一致し、円筒部４３の軸線Ｌ４が直交することで、インパルスバルブ３２が閉弁する。

インパルスバルブ３２が開弁状態にあるとき、図８（Ａ）に示すように、連結ロッド５６および駆動ロッド６９は左動位置にあり、油圧緩衝機構７６のピストン７８は排出油路８４を開放しており、第１供給油路８１から供給された作動油はチェックバルブ８２を通過し、そこから第２供給油路８３および圧力室８０を経て排出油路８４に排出される。

インパルスバルブ３２を閉弁すべく第２電磁石６６を励磁すると、アーマチュア７０が第２電磁石６６に吸着されて駆動ロッド６９が第２スプリング７５の弾発力に抗して右動し、また連結ロッド５６は第１スプリング７２の弾発力でピストン７８を駆動ロッド６９に追従させるように右動する。その結果、図８（Ｂ）に示すように、右動するピストン７８が排出通路８４を次第に閉塞することで圧力室８０の圧力が増加し、チェックバルブ８２の開度が減少するとともにピストン７８の右動に対する制動力が発生し、連結ロッド５６および駆動ロッド６９の右動速度、つまりインパルスバルブ３２の閉弁速度が減速する。

そしてインパルスバルブ３２が完全に閉弁する寸前になると、図８（Ｃ）に示すように、ピストン７８が排出通路８４を完全に閉塞することで圧力室８０と排出通路８４とがピストン７８のオリフィス７８ｃだけで連通して圧力室８０の圧力が急激に増加し、同時にチェックバルブ３２が閉弁することでピストン７８の右動に対する強い制動力が発生し、インパルスバルブ３２は閉弁位置にゆっくりと着座する。これにより、インパルスバルブ３２の着座時の衝撃を防止して騒音の発生や耐久性の低下を防止することができる。

このようにしてアーマチュア７０が第２電磁石６６に吸着されたとき、インパルスバルブ３２のバルブボディ４２の第１シール面４６ａがシートリング５１の第２シール面５１ａに正しく着座するように、ピストン７８および駆動ロッド６９間に配置されたシム７９の厚さが調整される。

尚、インパルスバルブ３２の開弁時には、ピストン７８が左動して圧力室８０の容積が拡大するが、チェックバルブ８２が開弁しているために圧力室８０に作動油が自由に流入し、ピストン７８の左動に制動力が発生することはない。

インパルスバルブ３２のバルブボディ４２を開閉駆動する電磁アクチュエータ５０は、アーマチュア７０を第１、第２電磁石６５，６６に選択的に吸着して連結ロッド５６および駆動ロッド６９を往復直線運動させる構造であって、その作動速度はロータリソレノイドや電動モータに比べて高速である。バルブボディ４２を高速で開閉駆動すべく、出力軸が往復回転運動する電磁アクチュエータを用いることが考えられるが、この種の電磁アクチュエータは回転角が９０°未満であるため、９０°の回転角が必要な前記バルブボディ４２の駆動の適用することはできない。

しかしながら、往復直線運動型の電磁アクチュエータ５０でクランク軸５４を介してバルブボディ４２を開閉駆動することで、バルブボディ４２を９０°に亘って高速で往復回転させ、高い応答性を得ることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態ではインパルスバルブ３２は油圧緩衝機構７６を備えているが、その油圧緩衝機構７６は省略可能である。

エンジンのシリンダヘッド部およびインパルスバルブの断面図 図１の要部拡大図（インパルスバルブの開弁状態） 図２に対応するインパルスバルブの閉弁状態を示す図 図２の４方向矢視図 図３の５方向矢視図 バルブボディの斜視図 図２の要部拡大図 油圧緩衝機構の作用説明図 インパルスバルブの開閉制御のフローチャート エンジン回転数および吸気負圧とインパルスバルブの開閉時期との関係を示すグラフ クランクアングルとインパルスバルブの開閉時期との関係を示すグラフ

符号の説明

Ｅ エンジン
４１ バルブハウジング
４１ａ 第２吸気通路（吸気通路）
４２ バルブボディ
４４ 回転軸
４５ 回転軸
５０ 電磁アクチュエータ
５４ クランク軸
６５ 第１電磁石
６６ 第２電磁石
６９ 駆動ロッド
７０ アーマチュア
７６ 油圧緩衝機構（緩衝手段）

Claims (2)

1. エンジン（Ｅ）の吸気通路（４１ａ）を開閉するバルブボディ（４２）をバルブハウジング（４１）に回転軸（４４，４５）を介して軸支し、電磁アクチュエータ（５０）で前記バルブボディ（４２）を全閉位置および全開位置間で回転させるバルブ駆動装置であって、
   前記電磁アクチュエータ（５０）は、軸方向に摺動自在に支持された駆動ロッド（６９）と、前記駆動ロッド（６９）の中間部に固定されたアーマチュア（７０）と、前記アーマチュア（７０）を挟むように配置された第１、第２電磁石（６５，６６）とを備えるものにおいて、
   前記回転軸（４４，４５）に設けたクランク軸（５４）に前記駆動ロッド（６９）を連結したことを特徴とするバルブ駆動装置。
2. 前記電磁アクチュエータ（５０）の駆動ロッド（６９）と前記クランク軸（５４）との間に、前記バルブボディ（４２）の全閉時の衝撃を吸収する緩衝手段（７６）を設けたことを特徴とする、請求項１に記載のバルブ駆動装置。
   

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