JP2011508841A - 電子制御バルブアクチュエータとその制御システムを搭載した内燃機関 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 内燃機関用のバルブアセンブリ（５００）は、永久磁界を生成するための少なくとも１つの永久磁石（１４４）を有する固定した永久磁石アセンブリ（５０４）、及び電流が少なくとも１つのコイルに印加されたときに、これによりコイルアセンブリ（５０８）を永久磁石アセンブリに対して移動するように磁界を生成するための少なくとも１つの電導性材料のコイル（１８２、１８４、１８６、及び１８８）を有する及び可動コイルアセンブリ（５０６）を含む。バルブ（５０８）はこれとともに移動するようにコイルアセンブリに接続される。バルブアセンブリ（５００）は、内部空洞（５１８）及び空洞（５１８）から延在する離間したポート（５２０、５５２）ハウジング（５０２）も含み、運転中液体を空洞を通して循環してバルブアセンブリ（５００）を冷却する。
【選択図】 図４０

Description

この発明は概してリニアアクチュエータに関するものであり、より具体的には、電気作動バルブ、システム、及びその方法を介して電子制御されたエンジン操作に関するものである。

従来の内燃機関はカムシャフトとそれに伴うリンク機構を有して、エンジン稼動中の吸気バルブと排気バルブを開閉させている。バルブ開閉のタイミングは設計及び製造時に決定されるためエンジンの使用期間中は不変であり、可変バルブタイミングに基づいたエンジン性能の向上をする余地はない。特定のエンジンに対して選択された固定バルブタイミングはエンジン性能、燃費、排気面のそれぞれに対して妥協を強いることになる。よって理想的なのは運転中のエンジンの各パラメータを基に駆動バルブタイミングを動的に可変させてエンジン性能、燃費、及び排気、加えてエンジンブレーキ性能を最適化することである。

これまでに多くのバルブタイミングとエンジン制御を変化させる方法が試されてきたが、その多くは実現させることが現実的ではないことが判明している。油圧制御方式のバルブアクチュエータが可変バルブタイミングに対してある一定の利益をもたらす一方、電子または電磁アクチュエータはさまざまな運転環境に対してより臨機応変に対応できる。なぜならこれらはバルブタイミングと変位量を直接電子制御できるからである。しかし先行技術である電磁アクチュエータは比較的重い可動永久磁石コアまたは可動コイル電機子アセンブリを作動させるために高電圧及び高電流を必要とする。例えばある先行技術のシステムでは電磁アクチュエータを作動させるために４２ボルトかそれ以上、さらに３０アンペアかそれ以上の電力を必要とする場合がある。つまり多数のアクチュエータが使用された場合、例えば１２バルブ６気筒エンジンなどでは、容易に必要な電力が現実的レベルを超えてしまう。さらにこのような先行技術にてパワー出力を上げるためには、可動永久磁石コアや可動コイル電機子アセンブリの重量をさらに増やすことが必要となり、そのことでバルブを動かすためのエネルギー消費が不釣り合いに増大してしまう。機械式や油圧式のシステムと比べたときに、そのアクチュエータ稼動に必要なエネルギーによって可変バルブタイミングの長所が帳消しとならないように、このアクチュエータのエネルギー効率を考慮する必要がある。

本発明の一態様によれば、リニアアクチュエータは、永久磁界を形成する少なくとも１つの永久磁石を持つ永久磁石アセンブリと、コイルアセンブリ及び永久磁石アセンブリのうちの１つをコイルアセンブリ及び永久磁石アセンブリの他方に対して動かすために必要な一時的な磁界を生成するための導電性材料で形成された少なくとも１つのコイルを持つコイルアセンブリと、運転中に少なくとも１つのコイルによって発生した熱を取り除くために可動コイルアセンブリの少なくとも一部を取り囲む熱交換ユニットと、を有する。

本発明の更なる一態様によれば、内燃機関用の電子制御バルブアセンブリは上述のリニアアクチュエータとバルブを有する。そのバルブとはバルブステムの一端を可動コイルアセンブリに固定し、バルブヘッドをバルブステムの反対側の端に固定するものである。バルブはバルブヘッドがバルブシートに接触するように適合される閉弁位置とバルブヘッドがバルブシートと離間する開弁位置の間をコイルアセンブリと共に動かすことができる。

本発明のまた更なる一態様によれば、内燃機関は、シリンダーを持つエンジンブロックと、シリンダー内での往復運動のためのピストンヘッドを持つピストンと、エンジンブロックと連結しているシリンダーヘッドにともない、２つ以上の上述の電子制御バルブアセンブリとを有する。シリンダーヘッドは吸気ポートと排気ポートを有する。一方の電子制御バルブアセンブリは吸気ポートの開閉動作を行い、他方の電子制御バルブアセンブリは排気ポートの開閉動作を行う。

本発明の一層更なる一態様によれば、電子制御バルブアセンブリは上下磁石支持部を有するハウジングを含む。永久磁界を形成するための少なくとも１つの永久磁石を有する永久磁石アセンブリは上下磁石支持部にしっかり固定されている。コイルアセンブリはハウジング内にて永久磁石アセンブリを囲っており、一時的な磁界を形成するための少なくとも一つの電導体材料コイルを持っており、これにより永久磁石アセンブリに対してコイルアセンブリをその軸方向に動かすことができる。上下のコイル支持部はコイルアセンブリの上端と下端にそれぞれしっかりと固定されている。上部コイルサスペンション部材は上部磁石支持部にしっかりと固定された上部側外周リングと、上部コイル支持部にしっかりと固定された上部内周リングと、上側の外周リングと内周リングとをつなぐ柔軟性のある上部円板とを持つ。下部コイルサスペンション部材は下部磁石支持部にしっかり固定された下部外周リングと、下部コイル支持部にしっかりと固定された下部内周リングと、下部外周リングと内周リングとをつなぐ柔軟性のある円板を持つ。バルブは、一端を下部コイル支持部と連結されたバルブステムと、バルブステムの反対側に接続されたバルブヘッドとを有する。バルブはバルブヘッドがバルブシートに接触するように適合される閉弁位置とバルブヘッドがバルブシートとの間と離間する開弁位置との間をコイルアセンブリと共に動かすことができる。

本発明の実施形態に関する、前述の発明の概要、及び後述の発明を実施するための形態は、下記に添付された図面を参照することにより最適に理解され、図面全体を通して同様の記号は同様の構成要素を示す。
本発明の例示的な実施形態に沿った内燃機関の第１の側の斜視図である。 図１のエンジンの第２の側の斜視図である。 本発明に沿った電子制御バルブシステムの拡大斜視図である。 電子制御バルブシステムを構成する吸気バルブアセンブリの分解斜視図である。 明瞭化のためにヒートシンクユニットを取り除いた状態の、組み立てた吸気バルブアセンブリの閉弁状態を示す斜視図である。 明瞭化のためにヒートシンクユニットを取り除いた状態の、組み立てた吸気バルブの開弁状態を示す斜視図である。 図５の線６−６における吸気バルブアセンブリの拡大断面図である。 本発明の更なる例示的な一実施形態に沿ったバルブアセンブリ一部分の拡大図式断面図である。 開弁状態で、それぞれ吸気及び排気バルブアセンブリの両方を示した、電子制御バルブシステムの図３の線７−７での断面図における側面断面図である。 閉弁状態の、図７と類似した断面図である。 図７のバルブを作動しているときの磁力の相互作用を示した排気バルブアセンブリの部分拡大断面図である。 図８の位置で逆方向にバルブを作動しているときの磁力の相互作用を示した排気バルブアセンブリの部分拡大断面図である。 本発明に沿ったエンジン、及びそのためのクローズドループ制御システムの概略図である。 本発明のクローズドループ制御システムの一部を構成するバルブ制御インターフェースの概略図である。 図６に類似するエンジン及び電子制御バルブアセンブリの第１サイクル時の側面断面図である。 電子制御バルブアセンブリの第２サイクル時を示す、図１３に類似する断面図である。 電子制御バルブアセンブリの第３サイクル時を示す、図１３と類似する断面図である。 電子制御バルブアセンブリの第４サイクル時を示す、図１３と類似する断面図である。 吸気及び排気バルブアセンブリ及び先行技術である機械式バルブにおける時間に対するバルブ移動量の様々な組み合わせを実証する様々な例示的なグラフである。 エンジンシリンダーの側面断面図を示し、ピストンヘッドが低い位置にあるときに、シリンダー壁面に本発明に沿った第２排気ポートが露出しているところを示す。 図２１と類似した図であり、本発明の更なる実施形態に沿ってシリンダー壁面に一対の第２排気ポートを設けている。 本発明に沿ったエンジンブロックの上面平面図である。 図２２の線２２−２３の位置での断面図である。 ピストンヘッドが低い位置にあるときのエンジンシリンダーの正面断面図である。 ピストンヘッドが低い位置にあるときのエンジンシリンダーの側面断面図である。 ピストンヘッドが高い位置にあるときのエンジンシリンダーの正面断面図である。 ピストンヘッドが高い位置にあるときのエンジンシリンダーの側面断面図である。 図１及び２の本発明に沿った内燃機関の一部を構成するピストンヘッドの上面平面図である。 ピストンヘッドの側面図である。 ピストンヘッドの正面図である。 本発明に沿って改造されたエンジンと先行技術の改造されていないエンジンとの、エンジン回転数に対する出力パワーを比較したものである。 本発明に沿って４サイクルエンジンとしての作動のために切替バルブを第１の位置にした、４サイクルエンジンを２サイクルエンジンに切り替えるシステムに配設したエンジンヘッドと吸気及び排気マニホールドとの上面平面模式図である。 ２サイクル４ストロークエンジンとしての作動のために切替バルブを第２の位置にした、図３２と類似した図である。 ２サイクル４ストロークエンジンとしての作動に対するピストンヘッドの様々な位置を示す、間接噴射式エンジンシリンダーの正面断面図である。 ２サイクル４ストロークエンジンとしての作動に対するピストンヘッドの異なる位置を示す、直噴式エンジンシリンダーの正面断面図である。 ２サイクル４ストロークエンジン作動中のピストンヘッドの異なる位置を示す、エンジンシリンダーの側面断面図である。 ２ストローク５気筒非対称エンジンのタイミング模式図である。 ４ストローク６気筒対称エンジンのタイミング摸式図である。 本発明の更なる例示的な一実施形態に沿った電子制御バルブアセンブリの下方等角図である。 一部の外周ハウジングを取り除いてクーラント経路とコイルアセンブリの一部を露出した、図３９と類似した図である。 図３９からバルブステムを取り除いた場合のバルブアセンブリの下方拡大縦等角切り欠き図である。 図３９のバルブアセンブリの上方等角分解図である。 図３９のバルブアセンブリの下方等角分解図である。 図３９の開弁位置でのバルブアセンブリの上部及び下部の拡大正面断面図である。 図３９の例示的な一実施形態に沿った吸気と排気バルブアセンブリをそれぞれのバルブを閉弁位置にしたときの電子制御バルブシステムの側面断面図である。 図４５と類似した、バルブを開弁位置にしたときの側面断面図である。 エンジンヘッドとブロックを横切る断面を有する複数のバルブアセンブリのための液体冷却回路の模式図である。 図４７の線４８−４８から見た単一のバルブアセンブリの液体冷却回路の模式図である。 これらの図は本発明の典型的な実施形態を明確にすることのみを目的とするものであり適用範囲を限定するものではないことに留意されたい。またこれらの図は必ずしも原寸に比例していない場合があることにもさらに留意されたい。本発明は添付された図面を参考にして詳細に説明する。

添付図面、特に図１と２において、本発明に沿った内燃機関１０の例示的な実施形態が描かれてある。ここで示されたエンジン１０は直列６気筒ディーゼルターボエンジンである。しかしながらエンジン１０は、スパークプラグ搭載型または自然発火型の、２サイクルまたは４サイクルを含む、そしてさらに詳細に後述されるように本発明の更なる実施形態に沿った２サイクルと４サイクルの切り替え可能なタイプのもの、ならびにハイブリッドエンジンを含む、任意の数のシリンダー、任意のシリンダーの向きまたは構成を有するいかなる内燃機関でも実現しうることを理解されたい。

本発明に沿ったエンジン１０は、エンジンブロック１２と、そしてエンジンブロック１２に搭載されたシリンダーヘッド１４と、シリンダーヘッド１４に取り付けられた電子制御バルブシステム１６と、シリンダーヘッドに燃料を供給する燃料分配システム１８と、エンジンブロック１２の前方に位置するラジエータ２０と、エンジンブロックに搭載されたオルタネータ２２と、エンジンブロックの下に位置するオイルパン２４と、エンジンブロック上方へ突き出ているオイルフィルター２６及びオイルゲージ用チューブ２８と、エンジン１０を始動させるためにエンジンクランクシャフトに連結しているリングギア（非表示）に噛み合うスターターモーター３０と、熱せられたクーラントをラジエータに戻し、かつ冷やされたクーラントを再びエンジンに供給するためのエンジンブロック１２及び／またはシリンダーヘッド１４とラジエータ２０との間につながれているウォータポンプ３６と、シリンダーヘッド１４につながれている吸気マニホールド３１ならびに排気マニホールド３２及び３４とを有する。

特に注記すべきは、好ましくはマニホールド３２と３４の下部に位置し、エンジンブロック１２につながれた補助排気管３５であり、この目的は詳細に後述する。

連続ベルト３８が周知の様式でクランクシャフトプーリー４０、ウォーターポンププーリー４２、及びオルタネータプーリー４４を巡ってかかり、エンジン１０の作動するとクランクシャフト５５（図２１）の回転により、ウォータポンプ及びオルタネータを駆動する。クーラント供給ホース４６はウォーターポンプ３６の一端とラジエータ２０の上端とをつないでいる。そしてクーラント回収ホース４８はラジエータの下端とウォーターポンプとをつないでいる。温度センサー５２はウォーターポンプ３６近くに取り付けられていてクーラントの温度を監視している。オイル圧力センサー５４はオイルフィルター２６の近傍に取り付けられていてオイル圧力を監視している。

本発明のエンジン１０にて特筆すべきことは、クランクシャフトプーリー４０（または他の回転部材）とバルブシステム１６とをつなぐべき複雑な機械連結部分が抜けていることである。図１、及び図２に示されたエンジン構成では電子制御バルブシステム１６を採用することでおよそ２００個の部品が取り除かれている。その部品とはコグベルト、コグホイール、チェーン、テンショナー、カムシャフト、カムシャフト支持部、タペット、バルブリフター、ロッカーアーム、ロッカーアーム支持部、スプリング、スプリング支持部、ウォッシャーなどである。これらの部品が取り除かれたことで、著しい重量軽減、コスト削減、出力上昇、より高い信頼性、そして柔軟な操作性が実現する。これにより出力と他の要素を動的に変更することでエンジン負荷要求などの様々な運転条件に対応できる。

クランク角度センサー５０はクランクシャフトプーリー４０の近くに位置しておりクランクシャフト５５（図２１）の回転位置、エンジン始動時と運転時のクランクシャフトの完全な回転を測定している。詳細は以下に説明する。好ましくはクランク角度センサー５０は誘導型で３６０度全周測定可能で， 角度の解像度として少なくとも１度の単位まで測定できるものが望ましい。しかし所望の精度、電子制御バルブシステム１６の反応時間、シリンダーの数、特定のエンジンタイプなどにより、クランク角度センサーの解像度はそれ以上高かったり低かったりしてもよいことを理解されたい。

燃料分配システム１８は、燃料分配管６４と燃料回収管６６を通って燃料噴射装置６２のつながれた燃料噴出ポンプ６０を有する。それぞれの燃料噴射装置６２はエンジンブロック１２内に構成されたシリンダー６５（図２２）の１つと作動可能に組み込まれている。燃料噴射ポンプ６０は燃料供給ホース６８と燃料回収ホース７０を通して燃料タンク（非表示）につながっている。燃料フィルター（非表示）はポンプ６０とタンクとの間に位置している。燃料分配システム１８に組み込まれた燃料噴射装置センサー７２は燃料噴射ポンプ６０の回転位置を検知する。好ましくは燃料噴射センサー７２は誘導型が望ましい。

図３において電子制御バルブシステム１６は、シリンダーヘッド１４に搭載された電子吸入バルブアセンブリ８２と電子排気バルブアセンブリ８４の対８０を含み、それぞれの対８０は別個のシリンダー６５（図２２）に対して線上に位置する。エンジンタイプ及び特定の構成によっては各シリンダーに対して一つ以上の吸気バルブアセンブリ８２及び／または排気バルブアセンブリ８４が組み込まれることを理解されたい。バルブカバー８６は対８０の上方まで伸びており、バルブカバー８６を貫通しシリンダーヘッド１４から上方に突き出るねじ付きスタッド（非表示）とつまみねじ８８によりシリンダーヘッド１４につながっているのが望ましい。バルブカバー８６を締結する他の方法として、クランプ、ラッチ、他の連結部材、ストラップなども含まれることを理解されたい。

図２に最適に示すように、第１エアホース８９はバルブカバー８６からフィルター機器（非表示）までを接続、第２エアホース９１はフィルター機器から吸気マニホールド３１までを接続、そして第３エアホース９３はフィルター機器（非表示）と吸気マニホールド３１との間を接続している。電動換気ファン９７をバルブカバー８６の一端または両端に位置し、外部からの冷えた空気を取り込んでその冷えた空気を吸気バルブアセンブリ８２の対８０に吹き付けてもよい。温度センサー（非表示）は電動換気ファン９７の起動と停止のためにバルブカバー８６内の温度を監視するために配置されている。バルブカバー８６内部からの空気は燃焼室へ送られるために第１ホース９１と第２ホース９３を通して吸気マニホールドに転用される。この構成だと、吸気バルブアセンブリ８２は対流熱交換を通して冷却され、バルブアセンブリの周辺を通過する空気は吸気マニホールドに入る前に温められるため、特に都合がよい。ここで示されてはいないが、ターボチャージャーやスーパーチャージャーなどのようなタービンを空気通過経路に配置するというよく知られた方法にて燃焼室への空気量を増加させることもできる。

ここで、図４、図５、図５Ａ、及び図６を参照すると、排気バルブアセンブリ８４が説明され、以下に説明する特記すべき特徴以外は吸気バルブアセンブリ８２は好ましくは似た構成となることが理解される。吸気バルブと排気バルブアセンブリに類似の部品は同様の符号が付けられる。排気バルブアセンブリ８４は、好ましくは、固定ハウジングアセンブリ９０と、ハウジングアセンブリ内に固定された固定永久磁石アセンブリ９２と、永久磁石アセンブリ９２を取り巻き、かつハウジングアセンブリ内での往復運動のために取り付けられた可動コイルアセンブリ９４と、コイルアセンブリ９４に取り付けられたバルブ９６と、ハウジングアセンブリの上部を取り囲む熱交換ユニット９８とを有する。

固定ハウジングアセンブリ９０はハウジング９５とハウジングに取り付けられたキャップ１２０とを有する。ハウジング９５は概して円筒壁面１２０である上部１００と、壁面１０２の直径方向において反対側から下方向に伸びて段付きリング１１０まで達する一対の足１０６、１０８を持つ下部１０４、１０８とを有する。スロット１１２は足部１０６に位置する。上部壁面１１４は壁面１０２から中心に向けて伸びておりねじ穴１１６を有する。

キャップ１２０は上部取り付け部分１２２と、上部取り付け部分から下に延在して上部壁面１１４のねじ穴１１６に係合する下部ねじ部１２４を有する。 上部取り付け部分１２２は、ここから半径方向に伸びる環状フランジ１２８を持つ上部壁面１２６を含む。キャップ１２０が開口部１１６にねじ入れられると、環状フランジ１２８が上部ハウジング部１００の上部壁面１１４と当接する。上部壁面１２６は好ましくは概して円板状の形で１８０度の向かい合った位置にそれぞれ平面１３０を持ち、これによりレンチやそれに似た工具にて組み立て分解時に係合することができる。環状ボス１３２は上部壁面１２６から上方に伸びている。ねじ穴１３４は環状ボス１３２と上部壁面１２６とを両方とも貫通している。複数の上部換気穴１３６はキャップ１２０の上部壁面１２６を貫通しており、熱せられた空気（コイルアセンブリ９４により発生しうる）をハウジングアセンブリ９０から逃がしてバルブカバー８６（図１と２）に送り、そこで換気ファン９７にて排気される。

永久磁石９２は、好ましくはスペーサー１４６と１４８との間にはさまれて積み重なった永久磁石１４４の上部セット１４２と、スペーサー１４８と１５２との間にはさまれて積み重なった永久磁石１４４の中間部セット１５０と、スペーサー１５２と１５６との間にはさまれて積み重なった永久磁石１４４の下部セット１５４を有する。永久磁石１４４とスペーサー１４６，１４８、１５２、１５６は、好ましくは環状形状で中心部分にそれぞれ開口部１５８と１６０を持ち、これを通ってロッド１４０が延在する。ロッド１４０はキャップ１２０のねじ穴１３４にかみ合う上端部１６２と、上部ショックアブソーバー１６６とねじ加工されたスリーブナット１６８とを保持するねじ加工された下端部１６４を持つ。上部ショックアブソーバー１６６は好ましくじゃ弾性ブッシングの形態であり、その滑り軸受けの段つきボア１７０はスリーブナット１６８とＯリング１７２がはまる大きさである。Ｏリングはスリーブナットの下部面取り部分１７４に形成された環状溝１７６にはまる。上部ショックアブソーバー１６６は永久磁石アセンブリ９２の最下部のスペーサー１６０に動作可能に接触し、図６及び図８に示すようにコイルアセンブリ９４が最上位点または閉弁位置に達したときに、コイルアセンブリ９４の上方運動を吸収する。Ｏリング１７２は、コイルアセンブリ９４が上方移動中に、上部ショックアブソーバー１６６が圧縮される際にそれを一直線上に保持し続ける手助けをする。好ましくは上部ショックアブソーバー１６６とＯリング１７２はＶｉｔｏｎ（商標）や他の合成ゴムなどの弾性材料で構成されるのがよい。

組み立て後、永久磁石とスペーサーはキャップ１２０とスリーブナット１６８との愛代に圧縮され、そのとき滑り軸受け１６６がスリーブナットの下部面取り部分にて保持される。この構成により、永久磁石アセンブリ９２はハウジング１００に対してその動きを固定されることとなる。ハウジング１００と永久磁石アセンブリ９２との間に環状の隙間１４５（図６）があり、ここをコイルアセンブリ９４が軸方向に往復運動をする。永久磁石９２は、異なるタイプの締結具、溶接、接着、クランプ、締りばめなどの他の締結方法にてハウジング１００に接続または搭載することが可能であることを理解されたい。

各永久磁石セット１４２、１５０、１５４ は、好ましくは３つの永久磁石１４４を有し、それらの永久磁石は、１つの磁石の延在するＮ極（＋）がこれに隣接する磁石の延在するＳ極（−）と面するようにことでお互いに引き合うように軸方向に積み上げられ全体で軸方向にＮ極−Ｓ極の関係が形成されるようになっている。さらにセット１４２と１５０はＳ極側がスペーサー１４８に向いているため磁気的にお互いに反発し合いスペーサー１４８にて半径方向に伸びるＳ極性を導き出す。同様にセット１５０と１５４はＮ極側がスペーサー１５２に向いているため磁気的にお互いに反発し合いスペーサー１５２にて半径方向に向くＮ極性を導き出す。さらにスペーサー１４６にてＮ極性が導き出され、スペーサー１５６では半径方向に向くＳ極性が導き出される。永久磁石１４４は代替的に半径方向に極性を持つタイプでもよいことを理解されたい。

本発明の一実施形態によれば、各永久磁石１４４は約１２０℃の温度定格があるネオジム鉄ボロン磁石で構成されるのが好ましい。ここで例示的な実施形態の開示されたシステムは６５℃から７０℃の間にて運転されるため更に高温に耐える永久磁石は必要ではない。しかし異なる磁性材料及び／または温度定格が異なる永久磁石の使用も可能であることを理解されたい。例えば３５０℃までの定格温度を持つサマリウムコバルトで構成された永久磁石を代替として使用することができる。本発明の例示的な一実施形態によれば各永久磁石１４４は直径約２４ｍｍ、厚さ約３ｍｍである。同様に各スペーサー１４６、１４８、１５２、及び１５６は、直径約２４ｍｍ、厚さ約５ｍｍである。特定のエンジンにおける利用可能なスペース、必要なパワー出力及び／またはバルブストロークの長さなどによって、スペーサー、及び永久磁石の寸法、加えて１セット内のスペーサー及び永久磁石の数、ならびにセットの数などは一般的に大幅に異なる可能性があることを理解されたい。

好ましくはハウジング９５とスペーサー１４６、１４８、１５２、及び１５６は磁束透過性材料で構成されるが、一方で磁束回路２６６、２６８、及び２６９（図９と１０）がスペーサー、ハウジング、及び永久磁石の間に近接しているため、キャップ１２０とロッド１４０は３１６Ｌステンレス鋼などの非磁性材料で構成される。本発明の例示的な一実施形態によれば、ハウジングとスペーサーは約０．０２％炭素、０．３１％マグネシウム、０．０１％シリコン、０．０１３％リン、及び０．０１５％硫黄を含んだ鉄系材料で構成される。この材料は好ましくはパーライトを球状化させるために熱処理をして、それによりわずかな炭化鉄含有量を持つ鉄構造を得たものが望ましい。その結果、ハウジング１００と各スペーサー１４６、１４８、１５２、及び１５６の間に、上述した永久磁石材料とそのサイズにて、ハウジングとスペーサーは約２２０００ガウスで飽和点を有する磁束透過特性を特徴とする、１１０００ガウスを越える磁界を形成することが可能である。他の材料をハウジング、スペーサー、キャップ、及びロッドに使用することもできることを理解されたい。例えば仮にスペーサーが非強磁性の材料であってもコイルアセンブリ９４は十分な機能を果たすことが分かっている。よってスペーサー、キャップ、及びロッドはアルミニウム、複合材料、プラスチックなどの適切な非磁性金属で形成されてもよい。

コイルアセンブリ９４は好ましくは薄く、概して円筒状のスプール１８０と、そのスプールに巻かれた複数の導電コイル１８２、１８４、１８６、及び１８８と、スプールの下端に接続された下部取り付けベース１９０とから構成される。コイルやスペーサーの数は全体に多かったり少なかったりするかも知れないが、コイルの数はスペーサーの数と同じであることが望ましい。本発明の例示的な一実施形態によればスプール１８０はジュラルミンなどの軽量非磁性材料で形成されているのが望ましい。しかしアルミニウム、カーボンファイバーやエポキシ等の複合材料、プラスチックなどの他の材料、または材料の組み合わせを使用できることを理解されたい。

図９，１０に最も明確に示されるように、コイルアセンブリ９４をなるべく軽量とするために、各コイル１８２、１８４，１８６、及び１８８は、好ましくは前もって決められた巻き数を持つ単一層の絶縁導線をスプール１８０に巻きつけたものが望ましい。コイルは、前のコイルと巻き方向が反対である次の各コイルとお互いに接続されており、"Ｘ"と"・"（点）という記号で示され、これにより反対の極方向をなしている。本発明の例示的な一実施形態によれば各コイル１８２、１８４、１８６、及び１８８は一層当たり０．２５ｍｍ厚で０．７ｍｍ幅の銅リボンをスプール周りに約３０から４０回巻きつけてあり、これにより各コイルに対して断面積約５．２５平方ｍｍとなり、４つのコイル全てでは総断面積２１平方ｍｍを実現する。例示的な一実施形態に対して、スプール１８０つまりコイルの直径は好ましくは約２６ｍｍである。他の絶縁導線材をコイルとして使用してもよいことを理解されたい。例えば同じ幅と厚みを持つ絶縁アルミリボンで同じ巻き数の場合、絶縁銅リボンのコイル重量の約３分の１の軽減となる。コイルはスプールに対して、打ち込み、接着、テーピング、または他の公知の取り付け手段により固定することが可能である。コイル間の隙間にも同様の固定手段を施すことも可能である。

図４に示すように、一対のリード１８５，１８７は、好ましくはスプール１８０の下端にある電気絶縁材層１８９から伸びていて、バルブの開閉位置間の動きを制御する制御回路（図１１）につながれており、詳細は下に説明する。絶縁層１８９は、エラストマー系かエポキシ系のコーティング、接着テープ、材料の絶縁ストリップなどで構成できる。リード１８５、１８７はコイル線もしくはテープの延長、または圧着もしくは半田付けなどでコイルにつながれてもよい。リード１８５はコイル動作中に曲げられることになるので、リードは曲げやすい材料で構成されていることが望ましい。本発明のさらなる一実施形態によればこの動きを受け入れるためには、リード１８５、１８７はリボン線もしくはスライド線で構成されるか、または接触ブラシもしくは他の電気伝達方法に取って代わられてもよい。

再び図４、図５、及び図５Ａを参照すると、下部取り付けベース１９０は、好ましくはスプール１８０内に保持される上部取り付け部１９２、及びねじ加工されたスリーブナット１９６とバルブ９６とを保持する下部取り付け部１９４を有する。下部取り付け部１９４は概して円板状で１８０度の向かいあった位置にある一対の平面部１９８（図４では一方のみが表示される）を持ち、レンチやそれに似た工具に組み立て分解時に係合することができる。ねじ穴２００は下部取り付けベース１９０を貫通し、またほぼ同等サイズのねじ穴２０２はスリーブナット１９６を貫通する。ねじ穴２０４もまた下部取り付け部１９４にねじ穴２００と直行する向きに設けてあり、ねじ付きガイドピン２０６を挿入することができる。組み立てたとき、ガイドピン２０６はハウジング９５のスロット１１２を貫通して延在し、図５及び図５Ａに示すように、コイルアセンブリ９４の運転中、開閉位置間の往復運動をガイドする。開口部２０４とガイドピンはねじ加工されていなくてもよく、圧着、溶接、ロウ付け、接着などの他の連結手段により接続されていてもよいことを理解されたい。複数の下部換気開口部２０８は下部取り付け部１９０を貫通して延在し、熱せられた空気（コイルアセンブリ９４により発生しうる）をハウジングアセンブリ９０からバルブカバー８６（図１，及び図２）に逃がしそこで換気ファンにて排気する。

図６Ａにおいて、本発明のさらなる実施形態に沿った電子制御バルブアセンブリ８４Ａの断面摸式図が示されている。バルブアセンブリ８４Ａは前述の吸気及び排気バルブアセンブリの構造に似ている。異なっている点は、取り付けロッド１４０が取り除かれ、磁石１４４Ａとスペーサー１７８とコイル１９１が追加されているところである。追加部品によりストロークを長くするために永久磁石とコイルアセンブリを効率よく長くすることができる。同様に永久磁石セットの数、各セットに含まれる磁石の数、スペーサーの数、コイルの数などはストローク長さ、出力要求などによって異なる可能性があることを理解されたい。

再び図４，図５，及び図５Ａ を参照すると、バルブ９６はバルブステム２１０と、バルブステム２１０の下端に位置するバルブヘッド２１２を有する。バルブステム２１０の上端部は更に小径なねじ面２１４があり、シリンダーヘッド１４のスリーブナット１９６と下部取り付けベース１９０におけるそれぞれのねじ穴２０２と２００にはまるようになっている。これは、好ましくは弾性Ｏリングにて形成された下部ショックアブソーバー２１６は、スリーブナット１９６の底につながっており、図７で示されたようにコイルアセンブリが最下点または全開位置に向けて動いたとき、シリンダーヘッド１４のバルブスリーブ２１８に動作可能に接触しコイルアセンブリ９４の下向きの動きを吸収する役目をする。下部ショックアブソーバー２１６は弾性材料、例えばＶｉｔｏｎ（商標）または他の合成ゴムなどで形成されるのが好ましい。また上部及び／または下部ショックアブソーバーを取り除く及び／または、バルブ９６がその閉弁位置または開弁位置に近づいたときにバルブ制御システム２８０により速度を変化させるように置き換えることも可能であることを理解されたい（図１１）。

熱交換ユニット９８は、好ましくは第１の概して半円筒の壁面部分２２０と、第１の壁に交わっている第２の概して平面の壁面部分２２２とで形成されている。上部壁面２２４にはキャップ１２０を受け入れることができる大きさを持つ開口部２２６が存在する。軸方向に離間した多数の湾曲したリブ部または冷却フィン２２８は第１の壁面２２０から外に向かって伸びており、また軸方向に離間した多数の平面のリブ部または冷却フィン２２９は第２の壁面２２２から外に向かって伸びている。軸方向に伸びた溝２３０は平面壁面２２２と組み込まれたフィン２２９の位置に形成され取り付けねじスタッド２３２（図７）を保持する。熱交換ユニット９８は、好ましくはアルミニウムなどの熱伝導材料にて形成されハウジング９５の上部１００の実質的に全長に沿って延在する。これにより永久磁石アセンブリ９２とコイルアセンブリ９４は運転中の閉弁時に効率的な熱伝達を提供する。

吸気及び排気バルブアセンブリ８２、８４は似た構造であるが上述したようにいくつかの異なる点がある。特に排気バルブアセンブリ８４は図７、及び図８で示すように、より小さいバルブヘッド２１２を持ち、より小さな径の排気ポートに対応する。他の違いとしてはストロークがより長いか短いかが挙げられ、このため永久磁石とコイルアセンブリの構成が異なる。よって一つまたは両方のバルブアセンブリの特定の構成は、幅広い範囲の様々な異なるエンジンタイプ、改造型、ストローク長、出力要求に応じて大幅に変化させることが可能であることを理解されたい。

図７、及び図８を参照すると、シリンダーヘッド１４はバルブアセンブリ８２と８４の対８０が取り付けられる上部面２１５を持つ。シリンダーヘッド１４は吸入バルブヘッド２１２を受け入れるバルブシート２２３を持つ主吸入ポート２２１と、排気バルブヘッド２１２を受け入れるバルブシート２２７を持つ主排気ポート２２５を持つ。

バルブアセンブリ８２と８４との各対８０は好ましくはコネクターバー２３４と共に固定される。コネクターバー２３４は、取り付けスタッドねじ２３２を保持する中心開口部２３５と、取り付けロッド１４０の上端ねじ部１６２を保持する離間した開口部２３６と２３８を有する。バルブアセンブリ８２と８４の各対８０はシリンダーヘッド１４に次いで取り付けられ、これにより吸気及び排気バルブアセンブリの熱交換ユニット９８の平面壁面２２２とフィン２２９が、軸方向に伸びた溝２３０同士が並ぶことで穴形状を形成するようにお互いに向き合っており、その中に取り付けスタッドねじ２３２が通される。取り付けスタッド２３２の下端部分２４０は、好ましくはシリンダーヘッド１４の中にねじ込まれ、一方では、その上端部２４２はねじナット２４４を取り付けることでバルブアセンブリ８２，８４の対８０をシリンダーヘッド１４に固定する。取り付けロッド１４０の上端部１６２も同様にねじナット２４６と２４８とを取り付けることでバルブアセンブリ８２と８４をコネクターバー２３４に固定する。

図２、および図１１に示したように複数のコネクターブロック２５０がコネクターレール２５２に取り付けられ、レールは更にシリンダーヘッド１４に取り付けられている。各コネクターブロック２５０は一対の端子２５４と２５６を持ち、これらの端子はバルブアセンブリ８２と８４のうちの１つのリード１８５と１８７にそれぞれ電気的に接続されている。次いで、導線２５８と２６０との対はバルブ制御システム２８０の端子２５４と２５６にそれぞれ電気的に接続され、これにより各バルブアセンブリ１８５、１８７が直接制御でき、詳細は下記に示す。

運転中は、図９を特に参照すると、永久磁石アセンブリ、コイルアセンブリ、及びハウジングの材質と構造により、コイルアセンブリに電力が供給される前は吸入及び排気バルブアセンブリ８２，８４は初期状態で開弁状態（図７）となる。バルブアセンブリ８２及び８４のどちらか一つのコイルに電流が流れると、コイル１８２及び１８６によって作られた一時的な磁界が極性２６２の第１の軸方向成分を持ち、一方でコイル１８４及び１８８によって作られた一時的な磁界が反対の極性２６４の第２の軸方向成分を持ち、それぞれの極性が環状の隙間１４５にて交差する。このとき永久磁石アセンブリ９２の磁界回路２６６、２６８、及び２６９の放射成分２６５によってコイルアセンブリ、つまりはバルブ９６（図４）を、上向きにつまり閉弁方向に動かす。これを図８に図示する。矢印２７０と２７２は永久磁石アセンブリ９２によって作られた磁界回路の向きを示す。好ましくは一時及び永久磁界の軸方向及び放射方向の磁界成分はお互いに直行するのがよい。

図１０に示すように、電流がコイルに反対向きに流れたときは、コイル１８４及び１８８により一時的に形成された磁界は極性２６２の第１の軸方向成分を持ち、一方コイル１８２及び１８６により一時的に形成された磁界は反対の極性２６４の第２軸方向成分を持ち、それぞれが環状の隙間１４５にて交差する。永久磁石アセンブリの磁界の放射方向の磁界成分２６５によってコイルアセンブリ、つまりはバルブ９６を図７のように下向きにつまり開弁方向に動かす。

環状の隙間１４５内のコイルアセンブリ９４の往復運動は、固定キャップ１２０の上部換気開口部１３６と、下部取り付けベース１９０の下部換気開口部２０８と、熱交換ユニット９８と共に、コイルによって発生する場合がある熱を低減または取り除く補助となる。１つ以上の換気ファン９７（図１及び図２）を温度センサー（非表示）付きまたは無しにて連続または断続的に作動することで、より冷たい空気を各バルブアセンブリ８２，８４の冷却用フィン部２２８及び２２９に吹き付けることができる。本願の構成の電子制御バルブアセンブリ８２、８４の対８０は潤滑油の必要がなく、更なる冷却機構を必要としない程度に十分冷却されることに留意されたい。

上述の例示的な一実施形態で示した代表的な材料と寸法を持つ電子制御バルブアセンブリ８２及び８４を持つように改造された６気筒１２バルブターボディーゼルエンジン１０を図１及び図２に示す。驚くことに回転数８００から３５００ＲＰＭのエンジンで１２個のバルブアセンブリ全てに対する約８４０ワットの出力要求に対して、各バルブアセンブリは１２ボルトでおよそ５〜６アンペアにて駆動できることが見出された。ほとんどすべての必要電力は、コイル１８２、１８４、１８６、及び１８８のわずかな熱量ロス以外、バルブの上昇と下降動作をするために使用された。

作動するために、より高い電圧と電流を必要とする先行技術の比較的重い可動永久磁石コアアセンブリまたは可動コイル電機子アセンブリの移動と比較して、本発明の高い動作効率は、コイルアセンブリの比較的軽量な非強磁性材料の往復運動に加えて、本発明の材料の電気抵抗による磁気ヒステリシスや損失の欠如によるものである。例えばさらに大きなバルブを動かす、シリンダー内の更に大きな圧力に打ち勝つため、及び／または更に高回転数での運転するためなどのよう更に大きなパワーが必要となる場合、本発明でのコイルアセンブリ９４の重さの増加量は無視できるレベルである。例えば４倍のパワーにするには、永久磁石の径を５０ｍｍに増やし、コイルの径は５２ｍｍにすることになり、これで可動コイルアセンブリの重さは約２０グラムの増加となる。この特徴は先行技術の可動永久磁石コアアセンブリまたは可動コイル電機子アセンブリに対して大きな優位点である。なぜなら可動アセンブリの重量増加はバルブ操作のために不釣り合いなエネルギー消費につながるからである。

図１１では電子制御バルブアセンブリ８２、８４を操作するためのクローズドループバルブ制御システム２８０をブロック図で示す。制御システム２８０は、好ましくはマイクロプロセッサー２８２、マイクロコントローラー、または他のプロセス手段などのプロセッサーと、クランク角度センサー５０と、マイクロプロセッサーの入力に接続された燃料噴射センサー７２と、そしてマイクロプロセッサーの出力に接続されたバルブ制御インターフェース２８６を有する。ブロック２８６で示される他のセンサー、例えばエンジンオイル温度、クーラント温度、オイル圧力、排気などのセンサーはマイクロプロセッサーにも接続されてリアルタイムのエンジンの運転状況に応じて動的に電子制御バルブアセンブリの操作調整を行う。

図１２に示すように、バルブコントロールインターフェース２８４は複数の同一の電気回路２９０を持ち同数のバルブアセンブリを操作している。例えば１２個のバルブアセンブリを持つ内燃機関は１２個の電気回路２９０Ａ−２９０Ｌ（明瞭にするため２つの回路２９０Ａと２９０Ｌのみを表示）を必要とする。一対のダーリントンアレイ２９２、２９４はケーブルコネクター２９６及び各電気回路２９０を通してマイクロプロセッサー２８２と電気的に接続されている。２つのアレイは十分な出力（それぞれＱ０−Ｑ６及びＱ０−Ｑ４）を供給し１２個のバルブアセンブリを動かす。バルブアセンブリの数によっては、更に多くのまたは少ないアレイを使用できることを理解されたい。更にマイクロプロセッサー２８２と回路２９０を別の手段によってインターフェースすることも可能であることも理解されたい。

各回路２９０は、好ましくは光遮断器２９５を持ち、遮断器の入力２９８は一つのダーリントンアレイ出力に接続され、また出力３００は第１の一対のトランジスター３０４の入力３０２と第２の一対のトランジスター３０８の入力３０６とに接続されトランジスターブリッジを形成している。第１及び第２の対トランジスタ３０４及び３０８はそれぞれ、第１のトランジスター３１１及び第２のトランジスター３１３を持つ。第１の対トランジスター３０４の出力３１０は第１の対ＭＯＳＦＥＴ３１４の入力３１２に接続され、第２の対トランジスター３０８の出力３１６は第２の対ＭＯＳＦＥＴ３２０の入力３１８に接続されている。第１及び第２の対ＭＯＦＥＴ３１４及び３２０の出力３２２及び３２４はコイルアセンブリ９４の１つのリード１８５及び１８７にそれぞれ電気的に接続されている。第１と第２の対ＭＯＳＦＥＴの第１のＭＯＳＦＥＴ３２６はＰチャネル型、そして第２のＭＯＳＦＥＴ３２８はＮチャネル型が好ましい。

操作中はマイクロコントローラー２８２（図１１）の出力ポートは５ボルト相当の論理１（１）、または０ボルト相当の論理ゼロ（０）を出力するようになっている。マイクロプロセッサーの出力がゼロボルト（論理ゼロ）のとき、光遮断器２９５は導通していない。第１の対トランジスター３０４が飽和になると出力３１０はゼロボルトになる。第１の対ＭＯＳＦＥＴ３１４の第１のＭＯＳＦＥＴ３２６が飽和状態は維持し、かつ第１の対ＭＯＳＦＥＴの第２のＭＯＳＦＥＴ３２８が閉じる。その間、第２の対トランジスター３０８の第１のトランジスター３１１が飽和状態になると、第２の対トランジスターの第２のトランジスター３１３が閉じる。この状態で、駆動電流（この例では１２ボルト）が第２の対ＭＯＳＦＥＴ３２０の入力３１８に流れる。第２の対ＭＯＳＦＥＴ３２０の第１のＭＯＳＦＥＴ３２６は閉じ、第２の対ＭＯＳＦＥＴの第２のＭＯＳＦＥＴ３２８は飽和状態となる。よってコイルアセンブリを流れる電流は同じ向きである。

マイクロプロセッサーの出力が５ボルト（論理１）の時、光遮断器２９５は導通している。第１の対トランジスター３０４の第１及び第２のトランジスターは閉じており、第１の対ＭＯＳＦＥＴ３１４の第２のＭＯＳＦＥＴ３２８は飽和状態である。その間、第２の対トランジスター３０８の第１のトランジスター３１１は閉じており、第２の対トランジスターの第２のトランジスター３１３は飽和状態である。この状態で、第２の対ＭＯＳＦＥＴ３２０の入力３１８はゼロボルトとなる。第２の対ＭＯＳＦＥＴ３２０の第１のＭＯＳＦＥＴ３２６は飽和状態となり、第２の対ＭＯＳＦＥＴの第２のＭＯＳＦＥＴ３２８は閉じている。よってコイルアセンブリを流れる電流は逆方向である。

イグニションがオフになるとリレー（非表示）が電気回路２９０Ａ〜２９０Ｌへの電力の流れを遮断する。この状態にて図１３のように全てのバルブは開き、モーター３０が動き出すまでは開いた状態を保つ。イグニションがオンになり、スターターモーター３０（図１）が動いてクランクシャフト５５（図２１）を回すと、クランク角度センサー５０（図１及び図１１）の出力がマイクロプロセッサー２８２にクランクシャフト５５の完了した回転及び角度位置をそれぞれ示す第１及び第２の信号を送る。燃料噴射センサー７２（図１及び図１１）もまたマイクロプロセッサー２８２に噴射ポンプシャフト（非表示）の回転角度を示す信号を送る。例示的な実施形態のエンジン１０のクランクシャフト５５は同等のカムシャフト１回転に対して２回転するため、２つの独立したセンサーを装備することで各バルブ９６の初期の位置が正しく制御されていることを確実にする。エンジン１０が一旦動き出せばセンサー７２は必要でなくなる。クランク角度センサー５０の回転と角度位置信号は、１分あたりの回転数（ＲＰＭ）とクランクシャフト５５の特定の回転位置を監視して、タイミング、バルブ開閉、バルブ位置及び特定位置での時間、バルブ立ち上げ立ち下げを含むバルブ動作速度などを動的に調整する。３６０度の解像度を有するクランク角度センサーは高い精度と適応性がありバルブタイミングさらにはエンジン性能を動的に調整できることが分かっている。正しい始動位置及び／または稼動状態を測定できる、より高いまたは低い分解能のセンサーまたは他のセンサーもしくは手段を使用することも可能であることを理解されたい。制御システム２８０はここで示され、かつ説明された特定の回路及び部品に限定する必要はなく、他の制御方法に取って代わられてもよいことを更に理解されたい。

通常はエンジンクランクの１回転以内である、各バルブの始動位置が一旦判定されると、運転開始のための最適な始動位置にバルブを動的に位置決めするように制御システム２８０にてバルブアセンブリを操作することができる。例として、４サイクル４ストロークエンジンにおいて、図１４に示すように、シリンダー６５の１つは燃料吸気サイクル状態で、その場合吸気バルブアセンブリ８２は開き排気バルブアセンブリ８４は閉じていることもある。同様に、別のシリンダーでは圧縮または膨張サイクル状態にあって、図１５のように吸気と排気バルブアセンブリが共に閉じていることもある。最後にまた別のシリンダーは排気サイクル状態で、図１６のように吸気バルブアセンブリ８２は閉じていて排気バルブアセンブリ８４は開いていることもある。上述したように、その後全てのシリンダー６５の吸気バルブと排気バルブはマイクロプロセッサー２８２（図１１）と関連する回路２８４に制御されて正確な順次的な開閉運動を交互に行い続ける。

本発明の例示的な一実施形態として、図３８に対称クランクシャフトを持つ６気筒４サイクルエンジンのバルブタイミング図を示す。この図は各シリンダーでのクランクシャフトの第１及び第２回転中のおける燃焼シーケンスを示す。第１の回転中に第１、第５、第３シリンダーにて、それぞれ上死点である（ＴＤＣ）０度、１２０度、２４０度の位置にて燃焼が起きる。第２の回転中には第６、第２、第４シリンダーにて、それぞれ０度ＴＤＣ、１２０度、２４０度の位置にて燃焼が起きる。様々な運転性能を引き出すため、燃料噴射、バルブ開閉などのシリンダーに関連した他の全ての動作機能は燃焼サイクルに合わせて調整される。本発明によれば、クローズループ制御システム２８０またはそれに似た方法にて各バルブは他のバルブに対して独立して制御され、バルブタイミング、オーバーラップ、上昇、ランプ速度、ダイナミックエンジンブレーキ、そして低トルク要求時の燃費向上のためのバルブ完全開放（無効化）によるシリンダー無効化などを操作している。

図１７Ａ〜図２０Ｂは本発明の電子制御吸気バルブ及び排気バルブの時間に対する様々な例示的な可変バルブリフトまたは位置の軌跡（点線）を示している。また先行技術におけるカム駆動による吸気と排気バルブの時間に対するバルブリフトの軌跡（実線）もそれぞれ３３０と３３２によって重ねて表示する。図１７Ａは可変であるバルブ開閉時間を有する吸気バルブアセンブリ８２の軌跡３３４、つまりバルブを開弁そして閉弁に保つ可変な時間間隔を示す。同様に図１７Ｂは、バルブ開閉時間及び時間間隔が可変である排気バルブアセンブリ８４の軌跡３３６を示す。図に示すように吸気と排気バルブの開弁位置は先行技術の吸気及び排気バルブの開弁位置よりも低いことが分かる。しかしこの開弁位置は先行技術より同じかそれよりも高い（より開けられる）こともあり得ることを理解されたい。３つの開弁動作時間と３つの閉弁動作時間が示されているが、特定の開弁及び閉弁の動作時間ならびに開弁保持及び閉弁保持の時間間隔は無限に変化可能であることを理解されたい。吸気及び排気バルブアセンブリの両方のタイミングは調整可能であるため、特定のエンジン性能特性を得るためにこれらの開閉サイクルを重複させることも可能である。

図１８Ａは可変であるバルブの開弁及び閉弁の時間に対する吸気バルブアセンブリ８２の位置を軌跡３３８と、可変である１段上昇時間と１段下降時間に対する段部分３４０とを示す。特定のエンジン操作や性能条件では、第１の時間間隔で吸気バルブを第１の位置まで開け、第２の時間間隔で第吸気バルブを２の位置まで完全に開け、そして第３の時間間隔で吸気バルブを第３の位置まで部分的に閉じて、最後に吸気バルブを完全に閉じる、という操作ををするのが望ましい場合もある。示されたように、段部分３４０は先行技術の軌跡３３０より高い位置にある。これは本発明による吸気バルブが先行技術のものよりも高い、つまりより開かれた位置にあることを示す。これは少なくともピストンとバルブが接触する危険性なしに、より長いストロークに改造されたピストンに部分的によるものであり、これは下記に詳細に説明する。図１８Ａにおいては、第１段階と第３段階にて、吸気バルブが全開時の約３分の２まで部分的に開き、かつ閉た状態を示すが、バルブの中間位置とその時間間隔は無限に調整することが可能であることを理解されたい。バルブは開弁及び閉弁位置に加えて、様々な段階の位置にて保持できる。これは、燃焼、吸気、排気などの間にバルブに働くあらゆる圧力を考慮して、コイルに流れる電流を制御し所望の位置でコイルアセンブリとバルブとの重さを釣り合わせることによる。または、コイルアセンブリ及びバルブの重さ、そしてバルブに働きうるあらゆる圧力に応じて、特定の負荷サイクルのための全電流をパルスで送ることによりバルブを所望の位置にて保持することも可能である。図１８Ｂは図１７Ｂと同様であり、排気バルブの独立した調整可能性を示している。排気バルブの上昇量と時間間隔も図１８Ａと似たやり方で調整することができることを理解されたい。

図１９Ａは位置を、可変のバルブ開弁及び閉弁時間を有する吸気バルブアセンブリ８２の軌跡３４２と、可変の段階上昇時間を有する段階部分３４４とを示す。特定のエンジン操作または性能条件では、第１の時間間隔で吸気バルブを第１の段階まで部分的に開け、その後第２の時間間隔で吸気バルブ完全に開け、最後に吸気バルブを閉じる、という操作をするのが望ましい場合もある。 図１９Ａにおいては、第１時間間隔の間、吸気バルブは全開時の約３分の２まで部分的に開いている状態を示しているが、バルブの中間位置とその時間間隔は無限に調整することが可能であることを理解されたい。図１９Ｂは図１７Ｂに似ており、排気バルブを独立して調整できることを示している。排気バルブの上昇量とその時間間隔も図１９Ａと似たやり方で調整することを理解されたい。

図２０Ａは可変であるバルブ開閉時間を有する吸気バルブアセンブリ８２の軌跡３４６を示す。第１の可変ステップアップ時間に対しては第１の段部分３４５、第２の可変ステップアップ時間に対しては第２の段部分３４８、第３の可変ステップアップ時間に対しては第３の段部分３５０にて示されている。特定のエンジン操作や性能条件では、吸気バルブを第１の時間間隔にて第１の位置（第１段階）まで部分的に開き、第２の時間間隔では第２の位置（第２段階）まで開き、第３の時間間隔では完全に開いた第３の位置（第３段階）まで開き、その後吸気バルブを完全に閉じるという、という操作をするのが望ましい場合もある。図２０Ａにおいては、第１段階は全開時の約３分の１、第２段階では開時の約３分の２であることを示しているが、バルブの中間位置とその時間間隔は無限に調整することが可能であることを理解されたい。図２０Ｂは図１７Ｂに似ており、排気バルブアセンブリ８４を独立して調整できることを示している。排気バルブの上昇量とその時間も図２０Ａと似たやり方で調整することも可能であることを理解されたい。

したがって、本発明のシステムであれば、リアルタイムのエンジンの状況に応じて、バルブ開閉時間、またその間隔、そしてバルブ上昇及び位置をあらかじめ決まった間隔及び時間にて動的に変更することができる。先行技術の固定された軌跡３３０と比べると、本発明のシステムはより優れた適応性をもたらす。各吸気及び排気バルブアセンブリが独立して制御できることから、エンジン操作が広範囲に調節され様々な異なるエンジン状態、性能特性、及び運転モードに対応できる。更に各バルブは特定のシリンダーや吸気及び排気マニホールドのポートに対して個別に適合させることも可能である。燃焼制御とは部分的に渦状の流入空気の関数である。その空気の要素とは、シリンダーに入り、燃焼室内の上下左右方向を移動する空気のパターンや速度などである。流れのパターンはバルブポート上流の吸気マニホールドの形状、ポートそれ自体の詳細、ポートから戻って空気取り入れ口そして吸入マニホールドまでの空気移動長さなどによって影響を受け、更にパッケージング、設計、製造上の制限などにも影響を受ける。これは難しく正確な設計と製造過程であり、流れ／渦は理論で予測可能なレベル以上にシリンダー間で異なっている。よって回転数を関数としてシリンダーごとにバルブ上昇とタイミング曲線を変化させることができる可能性はエンジン設計者に、出力、燃費、及び排気の最適化のためにシリンダーごとの空気のパターン及びと渦を最適化する道具を与えることになる。

有利な点として、吸気及び排気バルブの開閉時間を電子的に制御し、燃料噴射を正確に制御することで、圧縮熱を抑えながら高い膨張比を維持することで、特にターボディーゼルエンジンなどでは有害物質の排出を著しく減らすことができることが知られている。このような技術の１つはＣｏｌｅｍａｎらによる米国特許第６６５１６１８号及びＷｅｂｅｒらによる米国特許第６６８８２８０号で開示されており、これらの開示は参照することによって本明細書に援用される。

図２１、図２２、及び図２３において、エンジンブロック１２は複数のシリンダー６５と、各シリンダー内での往復運動のために搭載されたピストンヘッド３６０とを有する。各シリンダー６５はそのピストンヘッド３６０とシリンダーヘッド１４とにて燃焼室３５８を構成する。シリンダー６５の壁面３６３に第２排気ポート３６６が存在する。管３６２は、第２排気ポート３６６とエンジンブロック１２の側壁３６４との間を通ってエンジンブロック１２を貫通する。好ましくは第２各排気ポート３６６が三つ葉の形をしているのが望ましい。しかし円、楕円、三角形、四角などの形状もしよう可能であることを理解されたい。

第２排気バルブ３６８は各第２排気ポート３６６に取り付けられ対になったフラップ３７０、３７２を持ち、このフラップは通常は閉じた位置に付勢されており、シリンダー６５からの排気圧がかかると押し開けられるようになっている。１対の停止部材３７４、３７６がフラップ３７０、３７２に取り付けてありフラップの開く量を制限している。

更に図２４〜図２７において、第２排気ポート３６６はシリンダー壁面３６３の下死点（ＢＤＣ）の前である４８度から５６度の間のあらかじめ決められた高さに設けられるのが望ましい。膨張サイクルの間、ピストンヘッド３６０は下死点位置（図２４及び図２５）に向けて下降し第２排気ポート３６６を露出することで燃焼ガス圧と熱を急激に下げる。排気サイクルにてピストンが上昇し始めると排気バルブが開き排気サイクルを完了することで何らかの残った圧力を開放して吸気サイクルのための最適な作動温度を作り出す。約６０％の残存燃焼圧、温度、ガスは第２排気ポートから排出され、排気サイクルの負担を著しく軽減することが判明している。シリンダーの圧を排気バルブを開く前に下げることできるため、排気バルブを開くために必要な電源は少なくて済み、その結果運転効率を上げることになる。

第２排気マニホールド３７８はエンジンブロック１２の側壁３６４にねじボルトなどの留め金３８０で固定されている。第２排気マニホールド３７８は、好ましくは第２排気バルブ３６８を囲うい、シリンダー６５から吐き出された排気ガスを受け入れる。開口部３８２は、好ましくは第２排気マニホールド３７８の中心に位置し、補助排気管３５（図２）と流体連通しており、そこから吸気マニホールド３１（図２）に送られてＥＧＲバルブ（非表示）によって計量された量の排気をエンジンに戻す、かつ／または外気に送ることで、燃焼温度を下げ窒素酸化物等の生成を制限できる。

図２６及び図２７に示されるように、ピストンヘッド３６０が上昇してサイクルを完了させるに従い、第２排気ポート３６６がピストンヘッドによって塞がれることになる。吸気サイクル中には吸気バルブアセンブリ８２のバルブ９６が開いているときに第２排気ポート３６６が再び露出し、空気の流入により燃焼室３５８をパージする。このように、流入空気がターボチャージされているか、または大気かに関係なく、燃焼室３５８は圧縮サイクル時に理想的な圧縮率上昇を実現できる。

図２４及び図２６に示されるように、側壁３６４には第２の排気ポート３６６を囲むポケット３７５、３７７が存在する。ポケット３７５、３７７はクーラントで満たされ、排気ポートを通過する排気ガスをＥＧＲバルブ（非表示）による回収のために冷やすことができる。

電子制御バルブアセンブリ８２，８４は第２補助ポート及びその付帯価値とともに利用されるのが好ましいが、第２補助ポートはカムや油圧駆動や補助バルブアセンブリなどと共に使用される可能性があることを理解されたい。

一つの第２排気ポート３６６だけで十分な性能を発揮することが分かっているが、図２１Ａのように、更に大きな第２排気ポートまたは２つ以上の第２排気ポートを取り付けることも考えられる。図２１Ａでは一対の第２排気ポート３６６Ａと３６６Ｂがシリンダー壁面３６３に設けられている。例えば、より大型シリンダー及び／またはより高回転で作動するエンジン、あるいは１つの第２排気ポートより早くまたはより効率的にシリンダー内をパージしたい場合などでは２つ以上の排気ポートの使用が必要となる場合がある。

図２８〜図３０において、本発明に沿ったピストンヘッド３６０は概して円形の上端壁３９４と上端部分から下に続く概して円筒側壁３９２を形成するピストン本体３９０を有する。上端壁３９４には第１くぼみ３９６と第１円錐突起部３９８が存在し、円錐部分は吸気バルブアセンブリ８２のバルブヘッド２１２（図１３）の形状にぴたりとはまる。上端壁３９４には第２くぼみ４００と第２円錐突起部４０２が形成され、排気バルブアセンブリ８４（図１３）のバルブヘッド２１２の形状にぴたりとはまる。上端壁３９４には第３くぼみ４０４が形成されてもよく、燃焼前の空気と燃料の混合気を渦状にしてもよい。校正されたオリフィス４０６及び４０６は第１及び第２くぼみ３９６、４００からそれぞれ延在して側壁３９２に達する。これらのオリフィスは好ましくは約４５度の向きに伸びてピストンリング溝４１０の上の側壁３９２にて開口し、これらのくぼみに溜まった燃焼による副生成物はピストンヘッド３９４の上昇動作によりパージされる。切り欠き４１２は上端壁３９４と側壁３９２が交差する所に設けられている。図２４に示すように、ピストンヘッド３６０が下死点にある時に切り欠き４１２が第２排気ポート３６６と並ぶ位置に来てシリンダー６５からの排気ガスを追い出すことになる。ピストンヘッド３６０が上死点（ＴＤＣ）にある時に、この側壁３９２の延長したスカート４１４が第２排気ポート３６６をふさぎ、クランクケース（図１３）からのオイル蒸気の流出を防ぐことができる。ピストン本体３９０には連結ロッド４１８（図２１）を逃がすための空洞４１６がある。穴４２０はピストン本体３９０を貫通して空洞４１６につながっている。ピン４２２（図２１）は穴４２０の中に位置し、空洞及び連結ロッド４１８を貫通して、よく知られた方法でピストン３６０に対しての回転運動を可能にする。バルブアセンブリが全開位置にあって、ピストンヘッドが上死点にあるとき、両者の間に干渉がなければ、ピストンヘッド３６０に吸気と排気バルブアセンブリのための隙間のくぼみを持たない場合もありうることを理解されたい。更に第２排気ポート３６６が代わりに露出するのであれば、ピストンヘッドは切り欠き４１２を持たない場合もあり得る。

図３１のグラフ４３０は、上述の好ましい実施形態に沿ったターボ付き６気筒ディーゼルエンジン１０と、先行技術のカム制御による吸気及び排気バルブ付きの非改造ターボ付き６気筒ディーゼルエンジンにおける回転数に対するパワー出力を比較している。軌跡４３２（破線）は先行技術のエンジンを表し、約４０００回転にて約９０仏馬力（ＣＶ）すなわち約８９英馬力（ＨＰ）の最大パワーを示している。対照的に、軌跡４３４は上述された本発明の例示的な実施形態に沿ったエンジン１０を示し、例示的な材料と寸法を有する電子制御バルブアセンブリを持ち、かつ改造されたエンジンブロック及びピストンヘッドを持っている。図に示すように、本発明に沿った改造エンジン１０は約３１００回転にて約１２０仏馬力（１１８英馬力）というより高いパワー出力に達し、これにより先行技術の非改造エンジンより約９００回転低いところにて約３３％のパワー増加を実現し、これにより低燃費とエンジンの寿命延長をもたらす。

本発明の更なる実施形態によれば、図３２〜図３８に模式的に示すように、クローズドループバルブ制御システム２８０（図１１）と第２排気ポート３６６（図２１、及び図２１Ａ）を持つ電子制御吸気及び排気バルブアセンブリ８２、８４（図７、及び図８）が備えられたエンジン１０の非常に広い運転適応性は、システム４４０に、更に４サイクル４ストロークエンジンを２サイクル４ストロークエンジンへ動的に変換、または切り替えたり元に戻すことを可能とする改造を提供する。

図３２及び図３３を参照すると、システム４４０は第１吸気ポート２２１に接続する吸気マニホールド３１と、第１排気ポート２２５に接続する排気マニホールド４４２を有する。吸気マニホールド３１は第１吸気管４４４を持つ。排気マニホールド４４２は第１排気ポート２２５から伸びるベース管４５０と、第２吸気管４４６と、ベース管４５０から伸びる排気管４４８とを持つ。第２吸気管４４６と排気管４４８の間に切替バルブ４５２があり一つの管を開けるともう一つの管を閉めるということを交互に行っている。バルブシート４５６と４５８はベース管４５０のそれぞれ反対側に取り付けられており４サイクルと２サイクル運転のそれぞれの位置で切替バルブを受け止めるようになっている。切替バルブ４５２の位置はソレノイド４５４などのアクチュエータによって図３２に示す４サイクル状態と図３３に示す２サイクル状態との間に電子制御されるのが好ましい。リニアアクチュエーター、ロータリーアクチュエーター、ケーブルを使った手動アクチュエータなどの他のアクチュエーター手段を使用することも可能であることを理解されたい。

図３４及び図３５に示すように、システム４４０は燃料間接噴射方式４６０（図３４）と直接燃料噴射方式（図３５）との両方に使用することができる。間接方式４６０は好ましくは電子制御された燃料噴射装置４６４を装備し、正確なタイミング位置にてノズル４６８及びノズル４６８と連動した燃料噴射装置後処理モジュール４６６を通して燃料を供給する。本発明に沿ったモジュール４６６は、燃焼室３５８に燃料を、第１吸気管４４４（図３１及び図３２）及び／または第２吸気管４４６からの空気に混合するのに理想的な噴霧パターン４７２で供給できるような形状の空洞４７０を持つ。

直噴方式４６０（図３５）は燃焼室３５８内に位置したノズル４６８を持つ燃料噴射装置４６４を有し、燃焼室３５８に燃料を、第１吸気管４４４（図３１及び図３２）及び／または第２吸気管４４６からの空気に混合するのに理想的な噴霧パターン４７２で供給する。

運転中はエンジン１０は図３２のように４サイクルモードで稼動しており、切替バルブ４５２が第１の位置で第２吸気管４４６をふさぎ、排気管４４８を開いた状態にしている。運転を２サイクルモードに切り替えるためには、ソレノイド４５４を作動して切替バルブを第２の位置まで回転させて排気管４４８をふさぎ、第２吸気管４４６を開く。クローズドループ制御システム２８０は、好ましくは各吸気および排気バルブアセンブリ８２、８４を同期して切り替え、２サイクル運転のための新しいタイミング要求に合わせるように動作可能である。好ましくは、各シリンダーのタイミングは、シリンダーの着火順に沿って次の回転中に切り替える。例えば６気筒エンジンではクランクシャフトの６回転を終わらせてからエンジン１０を２サイクルモードに完全に切り替えることになる。６気筒エンジンが３５００回転にて運転中、４サイクルモードから２サイクルモードに切り替えるための６回転の操作は約１０３ミリ秒である。バルブヘッド及びピストンヘッドは自由に作動できるため、これが可能、すなわち、バルブヘッド及びピストンヘッドはお互いにどの位置にあっても接触することは決してない。４サイクルから２サイクルモードへの完全な切り替えはクランクシャフトのより多いまたは少ない回転、例えば１回転、でも可能であることを理解されたい。すべてのシリンダーを実質的に同時に切り替えること、または前もって決められた間隔や時間で切り替えることもできることを更に理解されたい。

図３４〜図３６を更に参照し、本発明の例示的な一実施形態によれば、切替バルブ４５２が第２の位置（図３３）に移動しバルブタイミングが電子的に調整された後、ピストンヘッド位置４８０で示されたように、膨張（爆発）ストロークが開始される。ピストンヘッドが燃焼によるすべての副生成物を伴って下死点に向かって移動すると、第２排気ポート３６６Ａ、３６６Ｂが露出し、矢印４８２とピストンヘッド位置４８４によって示されるように、燃焼の副生成物、ならびに圧力、及び熱が燃焼室３５８から排出する。あらかじめ決められた時間またはピストンヘッドの位置４８６にて、吸気及び排気バルブアセンブリ８２、８４が開き、図３３の矢印４７４、４７６で示すように、好ましくはターボチャージャー、スーパーチャージャー、またはそれに似た方法（非表示）で圧縮された新しい空気をシリンダー内に入れる。

排気バルブアセンブリ８４の吸気バルブとしての使用により、シリンダー内の感知された空気質量と温度に従って新しい空気の量が調整される。シリンダーの体積が燃料と空気の化学量論的な相互関係を決めるため、吸気バルブアセンブリ及び／または排気バルブアセンブリの位置を制御することによりエンジンまたは出力要求に従って、混合気の消費はどの時点でも制御される。吸気圧は排気圧（大気圧にほぼ等しい）より高いため、排気ガスは第２排気ポート３６６Ａ、３６６Ｂに向かって掃気され、そして出て行く。シリンダーのパージはピストンヘッドが下死点（瞬時的に速度ゼロとなる位置）に近づき速度が遅くなるにつれ更に進められる。下死点に到達すると、ターボチャージャーまたはスーパーチャージャーはピストンブレーキを緩めるためにシリンダー内の圧縮を停止して、その結果シリンダー内のより良好な上昇力を得る。

圧縮ストローク時に第２排気ポート３６６Ａ、３６６Ｂは下死点通過後の約６８度の位置で燃焼室３５８から再びふさがれ、かつ密閉される。ピストンヘッド位置４８８で示されるように、上昇運動により、ピストンヘッド３６０、及びピストンリング（非表示）が第２排気ポート３６６Ａ、３６６Ｂより上の位置となる。ヘッド位置４９０で示されたように、１８度（ＴＤＣ）の等の前もって決められた位置まで圧縮ストロークは継続し、燃料が燃焼室に噴射され新しい空気と混じり合う。その後ディーゼルにおいては燃料／空気混合気の爆発が起こる。ガソリンエンジンの場合、発火タイミングをクローズドループシステム２８０で制御することができる。本発明の例示的な一実施形態によると、２ストロークバルブタイミングでは、圧縮は約１１２度、膨張は約１２２度、排気は約１１０度、吸気は約１２０度、燃料噴射は約１８度で起きる。タイミング角度の値は概略であり、エンジンタイプ、シリンダーの数などに実質的に依存して異なる可能性があることを理解されたい。

２サイクルモード運転から４サイクルモード運転に切り替えるには、切替バルブ４５２が反転して第２吸気管４４６を塞ぎ、第１排気管４４８を開き、クローズドループシステムが、前述されたように４サイクルエンジンに沿ったバルブタイミングに調整するように動作可能となる。４サイクルから２サイクル、そしてその反対への切り替えはターボチャージャーやスーパーチャージャーの有無に関わらず可能であることを理解されたい。もし燃焼の後にシリンダーを十分にパージできる空気流量が第１吸気管と第２排気ポートの間にあるのであれば、第２吸気管４４６と切替バルブ４５２は必要ないことを更に理解されたい。この場合、２サイクルモード運転中は常に排気バルブアセンブリを閉じておくようにプログラムしてもよい。

１回転あたり１回の膨張が起きた後、十分なパワーとトルク上昇が得られるのであれば、クランクシャフト５５は非対称型であるのが好ましい。更に非対称クランクシャフトははシリンダーの中心軸から横方向にずれた位置にすることができ、ピストンヘッド３６０が下死点へ近づくときと離れるときのスピードを加減することができる。この技術は排気ガスをシリンダーから排気するのに有効である。なぜならピストンヘッドが膨張ストロークの終わりに近づいたときに第２排気バルブが開いている間の時間を増加させることができるからである。ピストンヘッドが下死点にあるときに、連結ロッド４１８はシリンダーの中心軸上にはなく、むしろ中心軸と角度を持ち、ピストンが上昇するときに連結ロッドがシリンダー壁をこすらないようにしてある。これにより摩擦によるパワー損失を避けることができる。非対称クランクシャフトを使用することで明らかな利点があるが、対称クランクシャフトも使用され得ることを理解されたい。

次に図３７において、非対称クランクシャフトを持つ５気筒エンジンのタイミング図を示す。このタイミング図は２サイクルモード中の操作を示したもので、５つのシリンダーに対して上死点の後、０度上死点、７２度、１４４度、２１６度、２８８度での爆発を含む。０度下死点では電子制御バルブアセンブリ８２，８４は開いた状態で、前述のように、燃焼ガスをシリンダーからパージし、新しい空気を入れることになる。

図３８の非対称クランクシャフト付きの４サイクル６気筒エンジンの例示的なタイミング図と比べると、本発明がのサイクル及び４サイクルモード運転のあらゆる種類のエンジンタイプ及び構成両方に適応することが明らかである。

図３９〜図４４において、本発明の更なる実施形態に沿った電子制御バルブアセンブリ５００が示されている。バルブアセンブリ５００は好ましくは固定ハウジングアセンブリ５０２と、ハウジングアセンブリ５０２に固定された固定永久磁石アセンブリ５０４と、ハウジングアセンブリ内での往復運動のために取り付けられ永久磁石アセンブリ５０４を取り囲む可動コイルアセンブリ５０６と、これとともに移動するためにコイルアセンブリ５０６に取り付けられたバルブ５０８を有する。固定ハウジングアセンブリ５０２は、好ましくは上部磁石支持部５０７と下部磁石支持部５０９に取り付けられた熱交換ユニット５０５を有する。

永久磁石アセンブリ５０４とコイルアセンブリ５０６は、永久磁石アセンブリ５０４が、スペーサー１５６Ａ、１５６Ｂのそれぞれの間に挟まれた複数の積み重ねられた永久磁石１４４によるセット１５４Ａ、１５４Ｂを持つことと、電子制御バルブアセンブリのパワー出力を増加させるためにコイルアセンブリ５０６がスプール１８０の周りに巻かれた追加のコイル１８８Ａ、１８８Ｂを持つ点を除いて、前述された磁石とコイルの構造に似たものであるのが好ましい。より多いまたは少ない永久磁石セットそしてまたはコイルを使用することも可能であることを理解されたい。

熱交換機ユニット５０５は好ましくは外壁面５１０、内壁面５１２、外壁と内壁の上端をつなぐ上部環状壁面部分５１４、及び外壁と内壁の下端をつなぐ下部環状壁面５１６を持つシリンダー壁を有する、概して円筒状の壁面を有する。これにより、下部環状壁面５１６には液体を通すことのできる内部空洞５１８が形成され、運転中に発生しうるバルブアセンブリ５００の熱を取り除くことができる。内部空洞５１８は、上部廃出管またはポート５２０、及び下部注入管またはポート５２２に流体連通されており、内部空洞を流れる液体は上向きとなる。出口と入り口のポートを入れ替えて液体の流れを下向きにすることもできることを理解されたい。

上部磁石支持部５０７は好ましくは概して円筒形状の壁５２４を有する。環状の肩部５２６は壁５２４の内面上に形成され、複数の円周状に離間して設けられた穴５２８は肩部５２６の軸方向に貫通しており、上部壁面５１４の円周状に離間して設けられた対応するねじ穴５３０と組み合わせられる。中心のハブ５３２は複数のスポーク５３４を経て上部磁石支持部５０７の下端部につながっている。組み立てられると、コイルアセンブリの往復運動中に、スポーク５３４は、コイルアセンブリ５０６の軸方向に上方に伸びるスロット５３６にはまる。中心に位置する穴５３８は中心ハブ５３２に形成され永久磁石アセンブリ５０４の中心シャフト５４２の上部ねじ部５４０を通す。ねじナット５３９は、シャフト５４２の上部ねじ部５４０を係合するように穴５３８と上部磁石支持部内にて同心であり、これにより永久磁石アセンブリを上部磁石支持部５０７にしっかりと固定する。

磁界検出装置５４４は、上部磁石支持部５０７の壁５２４の概して半径方向に伸びる開口部５４６に位置し、磁石５４８またはコイルアセンブリ５０６の上端部５４９に位置する小型コイルなどの他の磁界生成装置から生成された磁界の強さを検出し、コイルアセンブリの位置、さらにはバルブ５０８の位置を判定する。この方法で、プロセッサー（前述の）が各バルブアセンブリの位置のフィードバック情報を受けることができ、これによりバルブ動作とタイミングを優れた精度を持って制御する。磁束検出装置５４４と磁界生成装置５４８の場所は逆であり、かつ／またはバルブアセンブリ５００と共に別の場所にあってもよいことを理解されたい。他の位置検出装置を代替的に使用してもよいことを更に理解されたい。

上部コイル支持部５５０は開口部５５４を持つ上部壁５５２と、上部壁面から下に伸びる側壁５５６を有する。軸方向に伸びる環状みぞ５５８は側壁５５６に設けられコイルアセンブリ５０６の上端部５４９を受ける。好ましくは、上部コイル支持部５５０はコイルアセンブリ５０６によく知られた固定方法でその動きを固定されている。その方法は摩擦または押し嵌め、接着、溶接、機械締結などである。往復運動中に上部コイル支持部５５０に比較的自由に空気が流れるように上部壁５５２の開口部５５４が設けてある。環状ボス５６０は上部壁５５２から上向きに伸びており、上部コイル支持部材５６４の内周リング５６８を保持する。ねじ穴５６２はボス５６０と上部壁５５２を貫通し、上部コイル支持部材５６４の内周リング５６８を上部コイル支持部５５０に固定するようにねじ５６６がはまる。上部コイル支持部材は円周状に離間した穴５７２がある外周リング５７０を含み、組み立てられたときには、この穴５７２が上部磁石支持部５０７の穴５２８に並ぶ。柔軟性のある波状のパネル５７４が外周リング５７０と内周リング５６８をつないでおりコイルアセンブリ５０６の動きを吸収する。上部固定リング５７８は、外周リング５７０に押し付けて組み込まれ、外周リングの穴５７２の位置と一致する円周状に離間して設けられた穴５８０を有する。

図４４に示されるように、一対の弾力性のある電気接点５８６、５８８は好ましくはコイルアセンブリ５０６の両端から伸び、上部コイル支持部５５０周りを上向きに囲み 波状のパネル５７４を通して、一対のタブ５８９、５９０で上向きに終端し、制御回路（図１１）に電気的に接続され、前述のようにバルブの開閉位置間の動きを制御をする。接点５８６、５８８はコイルの両端に電気的に接続しており、制御回路により決められるように、電流が一方向に流れてバルブを開き、反対方向に流れてバルブを閉じる。

パネル５７４と接点５８６、５８８を持つ上部コイルサスペンション部材５６４は、好ましくは高耐熱フェーノール性エポキシを染み込ませケブラーシートのコーティングをした炭素繊維とコットン布地で覆われた形成されたベリリウム銅をメッシュ構造に織ったものに構成される。しかし、柔軟性のあるプリント基板材料、導電性のある材料や配線を伴う強化したエラストマー材料、他の複合材料などの他の材料をパネル５７４及び接点５８６、５８８に使用することもできることを理解されたい。

組み立てられると、ねじ５８２は固定リング５７８の開口部５８０と、外周リング５７０の開口部５７２と、上部磁石支持部５０７の穴５２８を通り、熱交換ユニット５０５のねじ穴５３０にねじ込まれることで上部サスペンション部材５６４の外周リング５７０を上部磁石支持部５０７にしっかり固定する。同様にしてねじ５６６は、ボス５６０と内周リング５６８に接触する座金５８４を通り、ねじ穴５６２にねじ込まれ、内周リング５６８をこれにともなる往復運動のために上部コイル支持部５５０にしっかり固定する。上部固定リング５７８は外周リング５７０に接触し、外周リングの開口部５７２と同じ位置である開口部５８０を有する。

下部磁石支持部５０９は好ましくは概して円筒状の下部壁５９２を有する。環状肩部５９４が壁面５９２の内面上に形成され、複数の穴５９６が肩部５９４の軸方向に伸びて、下部壁面部分５１６に形成された下部ねじ穴５９８と組み合わされる。中心ハブ６００は下部磁石支持部５０９の上端に複数のスポーク６０２を介してつながっている。組み立てられると、スポーク６０２はコイルアセンブリの往復運動中のコイルアセンブリ５０６の下軸方向に伸びたスロット６０４にはまる。中心の開口部６０６は中心ハブ６００の上部壁６１４を貫通し、永久磁石アセンブリ５０４の中心シャフト５４２の下部ねじ部６０８を通す。ねじナット５０９は開口部６０６と同心にあり、下部磁石支持部内の上部壁６１４の近くに位置して、シャフト５４２の下部ねじ部６０８にはめこむことで、永久磁石アセンブリを下部磁石支持部５０９にしっかり固定する。上部ショックアブソーバー６１０は好ましくは弾性Ｏリングを使用し、中心ハブ６００の上部壁６１４の溝６１２内に位置し、バルブ５０８が最上位置、すなわち完全に閉じた位置に向かって上方向に動く際に下部コイル支持部６１６のクッションの役目をする。好ましくは上部ショックアブソーバー６１０はＶｉｔｏｎ（商標）または他の合成ゴムなどの弾性材料で構成される。

下部コイル支持部６１６は、好ましくは曲面状の下部壁６１８と下部壁から上に伸びる側壁６２２を有し、コイルアセンブリ５０６の下端部６２６を保持する。好ましくは下部コイル支持部６１６はコイルアセンブリ５０６にこれとともに動くように固定されている。そのためには側壁６２２の外径はスプール１８０の内径と同じかわずかに小さいのが好ましい。これにより側壁６２２はスプールの内側の表面に摩擦により係合される。下部コイル支持部６１６はコイルアセンブリ５０６に接着固着、溶接、機械締結などの追加の、または代替的な接続方法にて接続されてもよい。軸方向に伸びる溝６２４は側壁６２２の円周方向に等間隔で設けられ下部磁石支持部５０９の半径方向に伸びるスポーク６０２を納める。環状スリーブ６２６は下部壁６１８から上方向に伸び、これに対する往復運動を行うために中心ハブ６００内に納まる。穴６２８は曲面状の下部壁６１８と下部コイル支持部６１６のスリーブ６２６を貫通し、下部ねじ部６３０と中間段差部６３２を持つ。

バルブマウント６３４は穴６２８内に位置し、概して円筒の本体を有する。そして段差部６３２の一方に大きな頭部６３６、段差部６３２と交差する中間部６３８、段差部の反対側の小さい頭部６４０、頭部６３６と中間部６３８を貫通する内ねじ穴６４１を持つ。組み立て時には第１Ｏリング６４２が中間部６３８にはまり、バルブマウント６３４は小さい頭部６４０が段差部６３２を超えるところまで穴６２８に押し込まれる。次に第２Ｏリング６４４と固定リング６４６は段差部６３２とは反対側の中間部６３８にはめられ、小径部は曲げられるか固定リングにより変形されることで下部コイル支持部６１６にバルブマウント６３４を固定する。この構造によりバルブマウント６３４は下部コイル支持部６１６内に軸方向に固定されるが、コイルアセンブリの中心軸に対しては回転できる。

図３９〜図４１及び図４４に最もよく示されるように、バルブ５０８は前述のバルブ９６の構造に似ており、好ましくはバルブステム６４８とバルブステムの下端に位置するバルブヘッド６５０を有する。バルブステム６４８の上端部は、ねじ部６５２（図４４）を持ちバルブマウント６３４の内ねじ穴６４１に係合する。この組み合わせによりバルブ５０８はコイルアセンブリ５０６と共に往復運動をし、その中心軸に対しては回転できる。このようにしてバルブヘッド６５０とバルブシート２２３、２２７（図４５）の回転位置が変わりうることによってバルブヘッドとシート間の磨耗を均等に保つことができる。またバルブはコイルに強固に固定されるのではなく、弾力的に固定されており、回転効果とともに、運転中の振動減衰とノイズ減衰を実現する。

図３９〜図４４においてスプリングマウント６５４は、下部コイル支持部６１６の中心ねじ穴６３０に係合する雄ねじ部６５６と、ねじ部６５６から下向きに伸びる頭部６５８と、ねじ部と頭部を貫通する穴６６０を有する。穴６６０はバルブステム６４８を摺動自在に納める寸法となっている。環状みぞ６６２は頭部６５８の下面にあり、圧縮スプリング６６４を保持する。シリンダーヘッド１４のバルブスリーブ６６６は環状みぞ６６８を持ち圧縮スプリング６６４の反対側を保持する。

下部ショックアブソーバー６７０は好ましくは弾性Ｏリングの形態であり、バルブスリーブ６６６の環状みぞ６７２に位置し、コイルアセンブリ５０６が最下点もしくはもっとも開いた位置へ動くに従い、コイルスプリング５０６の下向きの動きを吸収する。好ましくは下部ショックアブソーバー６７０はＶｉｔｏｎ（商標）または他の合成ゴムなどのエラストマー材で構成されるべきである。前述のバルブ制御システム２８０（図１１）によりバルブ５０８がバルブ閉弁または開弁位置に近づいたときに速度を変化させることにより、上部及び／または下部ショックアブソーバーは取り除かれるか、代替することが可能であることを理解されたい。

下部コイル支持部材６７４は好ましくは内周リング６７６と、円周状に離間された穴６８０を持つ外周リング６７８と、内周リングと外周リングをつなげてコイルアセンブリ５０６の動きを吸収する柔軟性がある波状の円形パネル６８２とを有する。組み立てられると内周リング６７６は下部コイル支持部６１６の下部壁６１８とスプリングマウント６５４のヘッド部６５８にてはさまれ、内周リング６７６はコイルアセンブリ５０６とともに動くことができる。同様に外周リング６７８は下部磁石支持部５０９の肩部５９４と下部固定リング６８４にはさまれる。下部固定リング６８４は、好ましくは円周状に離間された穴６８６を持ち、その穴は下部磁石支持部５０９の穴５９６に一致し、そして熱交換ユニット５０５の下部ねじ穴５９８にも一致する。

組み立てられると、雄ねじ６８８は下部固定リング６８５の穴６８６、外周リングの穴６８０、下部磁石支持部５０９の穴５９６を通り、熱交換ユニット５０５のねじ穴５９８にはまり、これにより下部コイルサスペンション部材６７４の外周リング６７８を下部磁石支持部５０９に固定する。

下部コイルサスペンション部材６７４は好ましくは高耐性フェノール性エポキシで樹脂加工し、ケブラーシートでコーティングをした炭素繊維とコットン布地で覆われ、穴の開いた適当な形状の鉄板でできたもので構成される。しかし下部コイルサスペンション部材６７４は強化エラストマー材料などの他の材料を使用することも可能であることを理解されたい。

好ましくは熱交換ユニット５０５ならびにスペーサー１４６、１４８、１５２、１５６、１５６Ａ、及び１５６Ｂは磁束透過性材料でできており、上下の磁石支持部５０７、５０９及びロッド５４２は非磁性材料、例えば３１６Ｌステンレススチールでできている。これは前述の磁気回路がスペーサーと、熱交換ユニットと、磁性磁石との間で閉回路を形成するためである。本発明の例示的な一実施形態によれば、熱交換ユニット及びスペーサーは約０．０２％炭素、０．３１％マグネシウム、０．０１％シリコン、０．０１３％リン、０．０１５％硫黄を含んだ鉄系材料で構成されてもよい。この材料は好ましくは熱処理をしてパーライトを球状化させ、したがってわずかな炭化鉄を持つ鉄構造を得た材料が得られる。その結果、熱交換ユニット及びスペーサーは高い磁束透過性を持つこととなる。熱交換ユニット、スペーサー、キャップ、及びロッドには他の材料を使用することが可能であることを理解されたい。例えばコイルアセンブリ５０６はスペーサーが非強磁性材料で構成されていたとしても十分な性能を発揮できる。したがって、スペーサー、磁石支持部、及びロッドは、アルミニウムなどの非磁性金属、複合材料、プラスチックなどで構成されていてもよい。

さらにバルブアセンブリ５００は、特定の相対的な大きさの概して円筒形状の様々な部品で構成されると説明されてきたが、バルブアセンブリは多種多様な自動車や産業の要求を満たすために様々な形状や大きさの部品で構成されてもよいことを理解されたい。

運転中は、図４５、及び図４６において、バルブアセンブリ５００は、吸気バルブアセンブリ６９か、または排気バルブアセンブリ６９２、及び２つ以上のバルブアセンブリを並列して並べたマルチバルブシステムとして具現されてもよい。ハウジングアセンブリ５０２の構成と材料、永久磁石アセンブリ５０４、コイルアセンブリ５０６、及びバルブスリーブ６６６の間の圧縮スプリングの位置により、吸気及び排気バルブアセンブリ６９０、６９２はコイルアセンブリに電源を印加前の初期時に閉弁位置（図４５）となる。バルブアセンブリ６９０と６９２の１方または両方に電流が流れると、図４６に示すように、スプリング６６４の力に反してコイルアセンブリ５０６及びしたがってバルブ５０８が開弁方向に向かって下向きに動きだす。この位置では、上部コイルサスペンション部材５６４の柔軟性のある波状の上部パネル５７４は概して円錐形状で、一方下部コイルサスペンション部材６７４の柔軟性のある波状の下部パネル６８２４は概して平坦な形状となる。次に電流がコイルに逆方向に流れると、図４５に示すように、コイルアセンブリ５０６そしてバルブ５０８は閉弁方向に向かって上向きに動き出す。この位置では上部コイルサスペンション部材５６４の柔軟性のある波状の上部パネル５７４は概して平坦な形状となり、一方下部コイルサスペンション部材６７４の柔軟性のある波状の下部パネル６８２は概して円錐形状となる。バルブが閉じる前に、スプリングの助けで逆電流に抵抗することでバルブをよりソフトかつより静かに閉じることができる。スプリング６６４がバルブを閉弁方向に戻すだけの十分な力があるのであれば逆方向の電流は必要ない場合があることを理解されたい。更にスプリングの強さ次第では、バルブの開閉の両方に対してコイルの同方向に電流を流す場合もある。バルブが閉じるときには、電流及びそれにより生成された磁界がバルブを開けるのに必要な電流を実質的に低くできる場合もある。及び／または前述したように、バルブの減衰や正確な位置を制御するために電流をパルス状、ステップ状とする場合がある。

図４７及び図４８において、各バルブアセンブリ６９０、６９２の上部排出管またはポート５２０は共通の上部排出管６９４につながれ、下部流入管またはポート５２２は共通の下部流入管６９６につながれているのが好ましい。管６９４、６９６はラジエータ２０（図１）などの液体リザーバーに流動可能に接続され、リザーバからの冷却流体は各バルブアセンブリの流入ポート５２２に入り、各熱交換ユニット５０５の内部空洞５１８を循環し、排出ポート５２０から出て行き、次の冷却のためにリザーバへ戻る。水、不凍液、それらの組み合わせなどの冷却液の循環はコイルから発生しうる熱を低減または取り除くために役立つ。内部空洞５１８内で電磁界により発生した電気渦や電流は流体の流れを変えその結果冷却効果を高めることとなる。ここで構成された電子制御バルブアセンブリ６９０，６９２は潤滑油を必要とせず、追加の冷却装置を必要としない程度に十分冷却されることに留意されたい。

本明細書を通して使用された「好ましくは」という表現は本発明の例示的な一実施形態の一つまたはそれ以上に対して適用でき、したがっていかなる限定した意味をも意図するものではない。

更に本明細書を通して使用される場合がある方向及び／または位置を示す用語、例として「前方」「上部」「中間」「下部」「上向き」「下向き」「内向き」「前面」「側面」及びそれぞれの派生語や同等語が上げられるがこれに限らない用語は絶対的ではなく相対的な方向及び／または位置に関する。

当業者であれば、上記の実施形態には、その広い発明概念から逸脱することなく変形が可能であることが感得せられる。例としては、効率はより低いが、コイルアセンブリを固定し、コイルアセンブリに電流が流れたときに永久磁石アセンブリ側を直線運動できるように配置することも可能である。よって本発明は開示された特定の実施形態に限定されるのではなく、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の精神及び範囲内の改造物を網羅することを意図する。

Claims (20)

1. リニアアクチュエーターであって、
   永久磁界を形成する少なくとも１つの永久磁石を有する永久磁石アセンブリと、
   コイルアセンブリであって、それによって前記コイルアセンブリ及び永久磁石アセンブリの一方を前記コイルアセンブリ及び永久磁石アセンブリのもう一方に対して動かすための一時的な磁界を形成する電導性材料で構成された少なくとも１つのコイルを有しコイルアセンブリと、
   運転中に前記少なくとも１つのコイルにより発生した熱を除去するように前記可動コイルアセンブリの少なくとも一部分を囲んでいる熱交換ユニットと、
   を有するリニアアクチュエータ。
2. 前記永久磁石アセンブリに対して、前記永久磁石アセンブリは固定し、前記コイルアセンブリは軸方向に移動可能である、請求項１記載のリニアアクチュエータ。
3. 前記コイルアセンブリが、前記永久磁石アセンブリを囲んでいる、請求項２記載のリニアアクチュエータ。
4. 前記熱交換ユニットは、内部空洞を伴う壁と、前記内部空洞と流体連通している流入ポートと、前記内部空洞と流体連通している排出ポートとを備え、前記排出ポートから離間することによって冷却液が前記内部空洞を通して流入ポートと排出ポートの間を循環することが可能である、請求項３記載のリニアアクチュエータ。
5. 前記熱交換ユニットの上端部に剛的に接続された上部磁石支持部と、前記熱交換ユニットの下端部に剛的に接続された下部磁石支持部を更に備え、前記永久磁石アセンブリは前記上部及び下部磁石支持部に剛的に接続されている、請求項４記載のリニアアクチュエータ。
6. 前記上部磁石支持部と前記コイルアセンブル上端部との間に延在する上部コイルサスペンション部材と、前記下磁石支持部と前記コイルアセンブリ下端部との間に延在する下部コイルサスペンション部材とを更に備える、請求項５記載のリニアアクチュエータ。
7. 各コイルサスペンション部材は、それぞれの磁石支持部に剛的に接続された外周リングと、それぞれのコイルアセンブリ端部に剛的に接続された内周リングと、前記外周リング及び内周リングの間に延在する柔軟性のある円形パネルとを備える、請求項６記載のリニアアクチュエータ。
8. 前記柔軟性のあるパネルは波状になっている、請求項７記載のリニアアクチュエータ。
9. 前記コイルアセンブリの上端部に剛的接続された上部コイル支持部と、前記コイルアセンブリ下端部に剛的接続された下部コイル支持部とを更に備え、各コイルサスペンション部材の前記内周リングがそれぞれのコイル支持部に剛的接続されている、請求項７記載のリニアアクチュエータ。
10. 前記少なくとも１つのコイルの対抗する端部に電気的に接続され、前記上部コイルサスペンション部材を通って延在する一対の電気接点をさらに備える、請求項９記載のリニアアクチュエータ。
11. バルブシートを伴う燃焼室を有する内燃機関用の、請求項９記載のリニアアクチュエータを備える電子制御バルブアセンブリであって、一端を前記下部コイル支持部に接続したバルブステム、及びバルブステムの対向する端部に接続されたバルブヘッドを有するバルブと、を更に備え、前記バルブは、前記バルブヘッドが前記バルブシートに接触するように適合された閉弁位置と前記バルブヘッドが前記バルブシートと離間している開弁位置との間を前記コイルアセンブリと共に移動可能である、電子制御バルブアセンブリ。
12. 前記内燃機関に搭載するように適合されるバルブスリーブと、前記バルブスリーブと前記下部コイル支持部との間に位置し、これにより前記少なくとも１つのコイルに電流が流れないときに前記コイルアセンブリを前記閉弁位置に付勢する圧縮スプリングと、を更に備える、請求項１１記載の電子制御バルブアセンブリ。
13. 少なくとも２つの請求項１２記載の電子制御バルブアセンブリを有する内燃機関であって、
    その中に形成されるシリンダーを有するエンジンブロックと、
    前記シリンダー内における往復運動のためのピストンヘッドを有するピストンと、
    前記エンジンブロックに接続し、吸気ポート及び排気ポートを有し、前記電子制御バルブアセンブリの１つにより吸気ポートを開閉するように作動可能とし、前記電子制御バルブアセンブリのもう１つが排気ポートを開閉するように作動可能とするシリンダーヘッドと、を更に備える内燃機関。
14. バルブシートを伴う燃焼室を有する内燃機関のための請求項２記載のリニアアクチュエータを備える電子制御バルブアセンブリであって、前記移動可能なコイルアセンブリに一端を接続したバルブステムと、前記バルブステムの対向する端部に取り付けられたバルブヘッドとを有するバルブと、を更に備え、前記バルブは、前記バルブヘッドが前記バルブシートに接触するように適合された閉弁位置と前記バルブヘッドが前記バルブシートと離間している開弁位置との間を前記コイルアセンブリと共に移動可能である、電子制御バルブアセンブリ。
15. 前記内燃機関に搭載するように適合されたバルブスリーブと、前記バルブスリーブと前記コイルアセンブリとの間に位置する圧縮スプリングとをさらに備え、これにより前記少なくとも１つのコイルに電流が流れないときに前記コイルアセンブリを閉弁位置に付勢する、請求項１４記載の電子制御バルブアセンブリ。
16. 前記熱交換ユニットは、内部空洞を伴う壁と、前記内部空洞と流体連通している流入ポートと、前記内部空洞と流体連通している排出ポートと、を備え、前記排出ポートから離間することによって冷却液が前記内部空洞を通して流入ポートと排出ポートの間を循環することが可能である、請求項１記載のリニアアクチュエータ。
17. 電子制御バルブアセンブリであって、
    上下磁石支持部を有するハウジングアセンブリと、
    永久磁界を生成するための少なくとも１つの永久磁石アセンブリであって、前記永久磁石アセンブリは前記上下磁石支持部に剛的接続されている永久磁石アセンブリと、
    前記ハウジング内で前記永久磁石アセンブリを囲み、それによって前記コイルアセンブリを永久磁石アセンブリに対して軸方向に動かす、一時的な磁界を生成するための電導性材料でできた少なくとも１つのコイルを有するコイルアセンブリと、
    前記コイルアセンブリの上端及び下端にそれぞれ剛的接続された上下コイル支持部と、
    前記上部磁石支持部に剛的接続された上部外周リングを有する上部コイルサスペンション部材、前記上部コイル支持部に剛的接続された上部内周リング、及び前記上部外周リングと上部内周リングとの間に延在する柔軟性のある上部円形パネルと、
    前記下部磁石支持部に剛的接続されている下部外周リングを有する下部コイルサスペンション部材、前記下部コイル支持部に剛的接続された下部内周リング、及び前記下部外周リングと内周リングとの間に延在する柔軟性のある下部円形パネルと、
    バルブステムの一方の端部を前記下部コイル支持部に接続し、バルブヘッドを前記バルブステムの対向する端部につなげているバルブと、を備え、前記バルブは、前記バルブヘッドがバルブシートに接触するように適合される閉弁位置と前記バルブヘッドが前記バルブシートと離間する開弁位置との間を前記コイルアセンブリと共に移動可能である、バルブアセンブリ。
18. 前記少なくとも１つのコイルに電流が流れないときに前記コイルアセンブリを閉弁位置に付勢するように前記コイルアセンブリに作動可能に組み込まれた圧縮スプリングを更に備える、請求項１７記載の電子制御バルブアセンブリ。
19. 前記ハウジングアセンブリは、前記移動可能なコイルアセンブリを囲う内部空洞を伴う壁と、前記内部空洞と流体連通している流入ポートと、前記内部空洞と流体連通している排出ポートとを備え、運転中に前記少なくとも１つコイルにおり発生した熱を取り除くように、前記排出ポートから離間することによって冷却液が前記内部空洞を通して前記流入ポートと排出ポートとの間を循環することが可能である、熱交換ユニットをさらに備える、請求項１７記載の電子制御バルブアセンブリ。
20. 前記少なくとも１つのコイルの対向する端部に電気的に接続し、前記上部コイルサスペンション部材を通り、かつハウジングの外へ延在する、一対の電気接点をさらに備える、請求項１７記載の電子制御バルブアセンブリ。

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