JP2010506084A - 消費エネルギーモニター式電磁駆動弁と、その制御方法 - Google Patents

Abstract

内燃機関の吸気弁や排気弁の弁体を制御する電磁駆動弁において、弁体を開弁、又は閉弁するのに必要なエネルギー量を決定し、予め定められた閾値よりも大きい時は、弁体を反転させて、制御を安定させ、エネルギーの消費を抑える。
【課題】燃焼室の背圧や、過度の摩擦、そして電気的ノイズ等のような外乱による電磁駆動弁の作動不安定を防止する。
【解決手段】弁体の開弁位置に弁駆動部材を移動させるために必要なエネルギー量が、安全性やエネルギーの経済性を考慮して予め定められている閾値よりも大きい時には、閉弁位置に弁駆動部材を反転させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両駆動用の内燃機関の吸気弁や排気弁の弁体を制御する電磁駆動弁と、その制御方法に関する。

内燃機関の燃焼室に燃料を吸入する吸入弁や、燃料の燃焼ガスを排出する排気弁を作動させる電磁駆動弁は、その弁体を開位置と閉位置との間で移動させるように設計されている。

このような電磁駆動弁は一般に、弁体を全開位置と全閉位置の２つの終端位置の間を移動させる弁駆動部材と、弁体の２つの終端位置の間で、弁駆動部材を往復動させる弾性系とを備えている。この弾性系は、一般に、対立する２本のスプリング、すなわち、弁体を全開位置に戻すために、弁駆動部材に作用する第１のスプリングと、弁体を全閉位置に戻すために、すなわち弁駆動部材を全閉位置に対応する終端位置へ戻すために、弁体に作用する第２のスプリングとを備えている。弁駆動部材が、２つの終端位置の間の中央の位置にある時、この弾性系は均衡している。

この電磁駆動弁は更に、弁駆動部材を一方、又は他方の終端位置に引き付けるために、電子制御装置と関連づけられている電磁石を備えている。この電子制御装置は、電磁石へ供給する電流に、弁駆動部材の位置を従わせるべく電磁石を駆動させるようにプログラミングされている。この電子制御装置の作動原理は、弾性系により弁駆動部材を終端位置に向けて移動させ、電磁石により、駆動部材を終端位置に到達させて、その位置に維持させることである。

燃焼室の背圧や、過度の摩擦、そして電気的ノイズ等のような外乱は、電磁駆動弁の働きを妨げ、終端位置に引き付けている電磁石の引き付け力から弁駆動部材を逃れさせ、他の位置に向けて再セットさせようとする。このとき、電子制御装置は、電磁石への電力を増して、引き付け力を増大させ、弁駆動部材を最初の位置に戻そうとする。

この際、電磁石が消費する電力は著しく大となり、又、弁駆動部材が正常な状態に回復できなくなると、電磁駆動弁は、長時間に亘って制御不能に陥り、内燃機関の正確な運転が妨げられるという危険が生じる。

本発明の目的は、現在のシステムにおける、上述の不具合を改善することにある。

この目的のために、本発明は、全開位置と全閉位置の間で、弁体を制御する装置を提供するものであり、次の諸要素を備えている。
−弁体を全開位置と全閉位置の間で、移動させる弁駆動部材。
−弁駆動部材を２つの終端位置の間で往復動させる弾性系。
−電子制御装置と関連づけられ、弁駆動部材を、その終端位置の一方、又は他方に引き付ける、少なくとも１つの電磁石。

電子制御装置は、次のように設計されている。
−一方の終端位置へ向かう移動の間に、この終端位置へ、弁駆動部材を移動させるのに必要なエネルギー量を決定する。
−もし、このエネルギー量が、最大でも予め定められた閾値と等しい場合に、電磁石に電力を供給して移動を完遂させ、弁駆動部材をこの終端位置へ移動させる。
−もし、このエネルギー量が予め定められた閾値以上の場合、弁駆動部材を他の終端位置に向かうように再セットする。

前述のように、消費エネルギーが予め定められた閾値よりも大きいと見込まれる際には、電子制御装置は、弁駆動部材を最初に向かった終端位置に規則的に戻そうとはせず、他の終端位置に向かうように再セットすることを決定する。その結果、エネルギーの消費は抑制され、通常のサイクルへより早く戻すことが可能となる。

もし、エネルギー量が予め定められた閾値以上の場合に、電子制御装置は、弁駆動部材を他の終端位置に引き付けて、そこに維持するように、電磁石に電力を供給するように作られているのが好ましい。

上記の如く、弁駆動部材は、既にサイクルの次の部分に位置している。

特に、弁体の開弁位置に弁駆動部材を移動させるために電磁石が必要とするエネルギー量が、予め定められた閾値よりも大きい時には、電子制御装置は、閉弁位置に弁駆動部材を移動させるために、電磁石に電力を供給するように作られている。

このことにより、比較的安全であることが検証されており、特に、弁体が開弁時に制御不能に陥って、ピストン機能が阻害されることが防止される。

もし、エネルギー量が、予め定められた閾値よりも大きい時に、電子制御装置は、他の終端位置に向う振動を増幅するように、電磁石に電力を供給するように作られていると有利である。

上記の如く、他の終端位置に向かって振動を増幅することにより、最初の終端位置へ向う次の振動も又、増幅されるので、最初の終端位置に弁駆動部材を移動させるために電磁石が必要とするエネルギー量は、以前に必要とされた量よりも少なくなる。

特に、弁体の閉弁位置に弁駆動部材を移動させるために電磁石が必要とするエネルギー量が、予め定められた閾値よりも大きい時、電子制御装置は、次のように作られている。
−開弁位置に、対応する終端位置へ向かう振動を増幅するように、電磁石に電力を供給する。
−その後、閉弁位置である終端位置へ向かう次の振動の間、電磁石に電力を供給して、弁駆動部材をこの終端位置に引き付け、そこに維持させるようにする。

これは、比較的安全であると検証されており、特に、弁体が開弁時に制御不能に陥って、ピストン機能が阻害されることを防止できる。

本発明の更なる目的は、開弁位置と閉弁位置の間で、弁体を制御する方法に関し、弁駆動部材を弁体の全開位置と全閉位置との間で振動させるステップと、弁駆動部材を終端位置の一方、又は他方に向かわせる制御方法において、次のステップを含んでいる。
−終端位置の一方へ向かう振動の間に、弁駆動部材をこの終端位置に移動させるために必要なエネルギー量を決定する。
−もし、このエネルギー量が予め定められた閾値と高々等しい場合には、往復動を完遂させ、弁駆動部材をこの終端位置へ移動させる。
−もし、このエネルギー量が、予め定めた閾値以上の場合、弁駆動部材を他の終端位置に向かうように再セットする。

本発明の上記以外の特徴と有利な点は、以下の詳細な説明と添付図面により明らかになると思う。

本発明の電磁駆動弁を備える内燃機関の部分断面図。 本発明の電磁駆動弁の制御を回復させようとするときの弁駆動部材の運動曲線を示す図。 本発明の電磁駆動弁の制御を回復させようとするときの弁駆動部材の運動曲線を示す図２と同様の図。

本発明を、内燃機関２の弁体１の作動に適用した場合について述べる。

弁体１は、弁軸３を有し、内燃機関２のシリンダヘッド４に挿設され、シリンダヘッド４における弁座５に押し付けられている閉弁位置と、弁座５から離れている開弁位置との間を往復滑動する。

弁体１は、電子制御装置や、内燃機関２のシリンダヘッド４に搭載されている電磁アクチュエータ６により、前述の２つの位置の間を往復運動させられる。

電磁アクチュエータ６は、ボディ７を備え、ボディ７には、弁駆動部材８が摺動可能に設けられている。この弁駆動部材８は、弁体１の弁軸３の自由端に押し付けられる第１の端部１０と、ボディ７の筒状孔１３内に収容され、弁駆動軸９とともに摺動する弁駆動板１２に固定されている第２の端部１１を有する弁駆動軸９を備えている。

ボディ７には、弁駆動部材８を作動させる電磁的手段が、公知の要領で組み込まれている。

この電磁的手段は、ボディ７の筒状孔１３内で対向している２つの面の１つである閉弁位置に弁駆動板１２を保持する電磁石１４と、開弁のための終端位置に弁駆動板１２を保持する電磁石１５とを備えている。弁駆動板１２は、終端位置にある時、電磁石１４又は電磁石１５と当接するようになっている。

電磁石１４，１５は、弁駆動部材８の移動率を、基準電流に基づくものとさせるように、電子制御装置２３によって制御される。弁駆動部材８の移動率は、弁駆動軸９の位置を感知する位置センサ１６によりもたらされる位置信号を識別することにより、得ることができる。位置センサ１６は、例えば、公知のホール素子である。また電磁アクチュエータ６は、公知のように、弁駆動部材８を移動させるための弾性系も備えている。

この弾性系は、公知のように、弁駆動板１２を開弁のための終端位置に戻すために、ボディ７の１つの側面１８と、弁駆動軸９のリテーナ１９との間に設けられている第１のスプリング１７と、弁体１を閉弁位置に戻すために、シリンダヘッド４の面２１と、弁軸３のリテーナ２２との間に設けられている第２のスプリング２０とから成っている。これにより、弾性系は、弁駆動部材８を、開弁と閉弁のための終端位置の間で振動させ、弁体１を開弁と閉弁の各位置の間で往復運動させる。

終端位置の１つに向かう弁駆動部材８の全ての移動点において、電子制御装置２３は、この終端位置に弁駆動部材８を移動させるために、電磁石１４，１５が必要とする電力エネルギーを決定するようにプログラミングされている。これを実行するために、電子制御装置２３は、弁駆動部材８の位置と速度、そして、供給電流を利用するようになっている。この供給電流は、弁駆動部材８の移動により発生する位置エネルギー、運動エネルギー、そして磁気エネルギーを調節する。それから、この必要なエネルギー量は、例えば、電力消費面や、電磁石に流れる電流の安全面からの制限機能として、予め定められている閾値と比較される。

図２は、弁駆動部材８が、開弁のための終端位置へ向かう運動曲線を示す。電子制御装置２３が、電磁石１４への電力の供給を停止すると、圧縮されていたスプリング１７が開放され、弁駆動部材８を開弁のための終端位置に移動させ、電子制御装置２３は、弁駆動部材８を引き付けるために、電磁石１５に電力を供給する。

もし、弁駆動部材８を開弁のための終端位置に移動させるのに電磁石１５に必要なエネルギー量が、閾値と殆ど等しい場合、電子制御装置２３は、弁駆動部材８を開弁のための終端位置に移動させて、そこに維持するために、電磁石１５に電力を供給する（この運動曲線は、通常の作動モードとして、図２に点線で示されている）。

もし、必要なエネルギー量が、予め定められた閾値以上の場合、電子制御装置２３は、閉弁のための終端位置に向けて弁駆動部材８を再セットし、弁駆動部材８を閉弁のための終端位置に移動させて、そこに維持するために、電磁石１４に電力を供給する（この運動曲線は、低グレードの作動モードとして、図２に実線で示されている）。

図３は、閉弁のための終端位置に、弁駆動部材８を移動させようとする運動曲線を示している。電子制御装置２３は、電磁石１５への電力の供給を停止し、圧縮されていたスプリング２０を開放し、弁駆動部材８を閉弁のための終端位置に移動させる。そして電子制御装置２３は、電磁石１５に電力を供給して、弁駆動部材８を引き付けさせる。

もし、弁駆動部材８を閉弁のための終端位置に移動させるのに電磁石１４に必要なエネルギー量が、予め定められた閾値以下であるか、又は等しい場合、電子制御装置２３は、電磁石１４に電力を供給する（この運動曲線は、図３に通常の作動モードとして、点線で示されている）。

もし、この必要なエネルギー量が、閾値以上である場合、電子制御装置２３は、開弁のための終端位置に向けて弁駆動部材８を再セットし、弁駆動部材８を開弁の終端位置に引き付けるために、電磁石１５に電力を供給する。これにより、スプリング２０を圧縮する弁駆動部材８の動きは増幅される。このスプリングは、次の復動で、閉弁のための終端位置に向かう弁駆動部材８を戻すためのより強い力を与える（この移動は、低グレードの作動モードとして、図３に実線で示されている）。

弁駆動部材８を開弁のための終端位置に引き付けて、そこに維持するために電磁石が必要とする引き付け力は、比較的に弱くなるので、予め定められている閾値以下のエネルギー量が必要とされる（その後、通常の作動モードへ戻る）。

もちろん、本発明は、上に説明した実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲から逸脱することなく、異なる実施形態をとることができる。

特に、上に説明した実施例では、閉弁のための終端位置が優先されるが、開弁のための終端位置を優先させることも可能である。全ての例において、同じ弁体回復モードを採用したり、あるいは、個々の状況に応じて、二者択一的に選択したり、エネルギー消費面で最も安価な回復モードを採用することもできる。

さらに、電磁アクチュエータは、例えば、単一の電磁石を備えるものや、振動アクチュエータなど、上に説明したもの以外のものであってもよい。

従って、本発明の方法では、電子制御装置が、弁駆動部材を振動させたり、終端位置に移動させ、そこに維持させたりするような、上に説明した方法以外の方法を採用することもできる。

１ 弁体
２ 内燃機関
３ 弁軸
４ シリンダヘッド
５ 弁座
６ 電磁アクチュエータ
７ ボディ
８ 弁駆動部材
９ 弁駆動軸
１０ 第１の端部
１１ 第２の端部
１２ 弁駆動板
１３ 筒状孔
１４ 閉弁用電磁石
１５ 開弁用電磁石
１６ 位置センサ
１７ 第１のスプリング
１８ 側面
１９ リテーナ
２０ 第２のスプリング
２１ 面
２２ リテーナ
２３ 電子制御装置

Claims (10)

1. 弁体（１）を開弁位置と閉弁位置との間において制御する電磁駆動弁であって、
   −前記弁体（１）の開弁位置と閉弁位置に対応する２つの終端位置間を移動できる弁駆動部材（８）と、
   −前記弁駆動部材（８）を前記２つの終端位置間に往復動させる弾性系（１７，２０）と、
   −電子制御装置（２３）と結合され、前記弁駆動部材（８）を終端位置の一方または他方へ引き付ける、少なくとも１つの電磁石（１４，１５）を備えており、
   前記電子制御装置（２３）は、
   −終端位置の１つに向かう移動の間に、弁駆動部材（８）をその終端位置に移動させるのに電磁石が必要とするエネルギー量を決定し、
   −もし、このエネルギー量が、予め定められている閾値と殆ど等しい場合には、電磁石に電力を供給して、弁駆動部材（８）をその終端位置に移動させ、
   −もし、このエネルギー量が、予め定められている閾値以上の場合には、弁駆動部材（８）を他の終端位置に向けて再セットするようになっていることを特徴とする電磁駆動弁。
2. もし、前記エネルギー量が、予め定められている閾値以上の場合には、弁駆動部材（８）を他の終端位置に引き付けて、そこに保持するために、前記電子制御装置（２３）が、電磁石に電力を供給するようになっていることを特徴とする請求項１記載の電磁駆動弁。
3. 弁駆動部材（８）を弁体（１）の開弁位置に対応する終端位置に移動させるのに、電磁石（１５）が必要とするエネルギー量が、予め定められている閾値より大きい時に、弁駆動部材（８）を弁体（１）の閉弁位置に対応する終端位置に移動させるために、前記電子制御装置（２３）が、電磁石（１４）に電力を供給するようになっていることを特徴とする請求項２記載の電磁駆動弁。
4. もし、前記エネルギー量が、予め定められている閾値以上の場合には、他の終端位置へ向かう移動が増幅されるように、電磁石に電力が供給されるようになっていることを特徴とする請求項１記載の電磁駆動弁。
5. 弁駆動部材（８）を弁体（１）の閉弁位置に対応する終端位置に移動させるのに、電磁石（１４）が必要とするエネルギー量が、予め定められている閾値より大きい時に、
   −弁体（１）の開弁位置に対応する終端位置への移動を増幅するように、電磁石（１５）に電力を供給し、
   −次いで、弁体（１）の閉弁位置に対応する終端位置へ向かう次の移動の間に、弁駆動部材（８）をこの終端位置に引き付けて保持するように、電磁石（１４）に電力を供給するようになっていることを特徴とする請求項４記載の電磁駆動弁。
6. 開弁位置と閉弁位置の間の弁体（１）を制御する電磁駆動弁の制御方法において、通常の作動モードに従って、弁駆動部材（８）を弁体（１）の開弁位置と閉弁位置に対応する２つの終端位置間を往復動させ、その終端位置の一方又は他方に向けて、弁駆動部材（８）を移動させるステップと、
   −終端位置の一方に向かう移動の間に、弁駆動部材（８）をこの終端位置に移動させるのに必要なエネルギー量を決定するステップと、
   −もし、このエネルギー量が、予め定められている閾値と殆ど等しい場合に、通常の作動モードに従って、弁駆動部材（８）をこの終端位置に完全に移動させるステップと、
   −もし、このエネルギー量が、予め定められている閾値より大きい場合に、低グレードの作動モードに従って、弁駆動部材（８）を他の終端位置に向かって再セットするステップを備えることを特徴する電磁駆動弁の制御方法。
7. もし、前記エネルギー量が、予め定められている閾値より大きい時の低グレードの作動モードが、弁駆動部材（８）を他の終端位置に移動させて、そこに保持するステップを備えていることを特徴とする請求項６記載の電磁駆動弁の制御方法。
8. 前記弁駆動部材（８）を弁体（１）の開弁位置に対応する終端位置に移動させるのに電磁石（１５）が必要とするエネルギー量が、予め定められている閾値より大きい時に、弁駆動部材（８）を弁体（１）の閉弁位置に対応する終端位置に移動させるステップを備えていることを特徴とする請求項７記載の電磁駆動弁の制御方法。
9. もし、前記エネルギー量が、予め定められている閾値より大きい時の低グレードの作動モードが、他の終端位置に向かう移動を増幅するステップを備えていることを特徴とする請求項６記載の電磁駆動弁の制御方法。
10. 前記弁駆動部材（８）を弁体（１）の閉弁位置に対応する終端位置に移動させるのに必要なエネルギー量が、予め定められている閾値より大きい時に、
    −開弁位置に対応する終端位置に向かう移動を増幅するステップと、
    −その後、閉弁位置に対応する終端位置に向かう次の移動の間に、弁駆動部材（８）をこの終端位置に移動させ、そこに保持することを特徴とする請求項９記載の電磁駆動弁の制御方法。

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