JP2012184655A - 磁気粘性流体を用いた内燃機関用動弁装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カムとバルブスプリングとによってバルブを動作させる内燃機関用の動弁装置に関し、バルブの作動抵抗を不要に増大させることなくバルブの円滑な作動を確保可能にする。
【解決手段】バルブガイド１４とバルブステム８との間に磁気粘性流体１８を封入する。バルブステム８に関し磁気粘性流体１８の外側には電磁石２０、２２を配置し、磁気粘性流体１８を通りバルブステム８の軸線と直交する方向の磁界を電磁石２０、２２に発生させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用の動弁装置に関し、詳しくは、カムとバルブスプリングとによってバルブを動作させる動弁装置に関する。

自動車用の内燃機関では、一般的に、カムとバルブスプリングとによってバルブを動作させる動弁装置が用いられている。そのような動弁装置に関する問題として、高回転時に発生するバルブの不要な運動が知られている。バルブの不要な運動とは、具体的には、フルリフト近傍でのオーバーシュートやゼロリフト近傍でのバルブのバウンド等である。

このような問題を解決するものとして、例えば、特開２００６−１３２４８０号公報に記載されたものがある。この特許文献に記載された動弁装置は、バルブに適度な作動抵抗を与えることでバルブの円滑な作動を確保している。バルブに作動抵抗を付与する手段としては、磁気粘性流体が利用されている。具体的には、この特許文献に記載された動弁装置では、シリンダヘッドに中空部を有するハウジングが固定され、その中空部内に磁気粘性流体が充填されている。バルブステムはこの中空部を貫通しており、バルブステムに固定された仕切部材によって中空部は上下２つの部屋に仕切られている。ただし、仕切部材には各部屋を連通させる連通路が形成されているので、中空部内の磁気粘性流体はバルブの作動に伴う仕切部材の動きに応じて連通路を介して上下の部屋の間を移動する。このような構成によれば、電磁石により磁気粘性流体に磁力を付与することで、磁気粘性流体の粘度を高めてバルブにとっての適度な作動抵抗とすることができる。

特開２００６−１３２４８０号公報 特開平５−１４９１１６号公報

しかし、前述の動弁装置の構造では、電磁石によって磁力を付与していない場合であっても、仕切り部材が中空部内を移動する際には常に一定の作動抵抗が作用することになる。その際の作動抵抗の大きさは、電磁石によって磁気粘性流体に磁力を付与している場合に比較すれば格段に小さいが、そのような構造を持たない通常の動弁装置に比較した場合には無視できない大きさとなる。燃費の観点からは、内燃機関の各部の作動抵抗は必要がない限りできるだけ小さくしたい。つまり、前述の動弁装置は、バルブの適正で円滑な作動を確保するという目的は達成しているものの、燃費の観点において新たな課題を生じさせている。

本発明は、このような問題を解決するためのものであって、バルブの作動抵抗を不要に増大させることなくバルブの円滑な作動を確保可能にした動弁装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の動弁装置は、カムとバルブスプリングとによってバルブを動作させる動弁装置であって、バルブステムを支持するバルブガイドと同バルブステムとの間に封入された磁気粘性流体と、前記磁気粘性流体を通る前記バルブステムの軸線と直交する方向の磁界を発生させる電磁石とを備えることを特徴としている。

本発明の動弁装置においては、前記電磁石とバルブガイドの何れか一方或いは両方が、シリンダヘッドに設けられた冷却水通路の近傍に配置されていることが好ましい。

また、本発明の動弁装置においては、前記バルブガイドは同バルブガイドの内部へのオイルの浸入を許容するバルブガイドキャップを備えることが好ましい。

本発明の動弁装置によれば、バルブステムを支持するバルブガイドと同バルブステムとの間に磁気粘性流体を封入し、この磁気粘性流体を通りバルブステムの軸線と直交する方向の磁界を電磁石に発生させるようにしたので、磁気粘性流体からバルブステムに直接せん断荷重を作用させてバルブに適度な作動抵抗を与えることができる。ただし、このせん断荷重は電磁石によって磁界を発生させているときにのみ作用し、磁界を発生さていないときには作用しない。したがって、本発明の動弁装置によれば、必要に応じて電磁石への通電を行い電磁石に磁界を発生させることで、バルブの作動抵抗を不要に増大させることなくバルブの円滑な作動を確保することができる。

また、電磁石がシリンダヘッドに設けられた冷却水通路の近傍に配置されている場合には、電磁石からの放熱を促進して、発熱による磁力の減少を抑制することができる。バルブステムがシリンダヘッドに設けられた冷却水通路の近傍に配置されている場合には、バルブステムに封入された磁気粘性流体からの放熱を促進して、磁気粘性流体のベースオイルが蒸発するのを抑制することができる。

また、バルブガイドキャップがバルブガイド内部へのオイルの浸入を許容するように構成されている場合には、蒸発や漏れによる磁気粘性流体のベースオイルの減少分をバルブガイド内部に浸入したオイルによって補うことができるので、経時変化による磁気粘性流体の機能低下を抑えることができる。

本発明の実施の形態の内燃機関用動弁装置を示す断面図である。 図１のII−II断面図である。 電磁石の配置を示す模式図である。 磁界が発生していないときの磁気粘性流体の状態について示す要部断面の模式図である。 磁界が発生しているときの磁気粘性流体の状態について示す要部断面の模式図である。 本発明の実施の形態で行われる低回転時の電磁石の通電制御の手法を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態で行われる高回転時の電磁石の通電制御の手法を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態で行われる高回転・高負荷時の電磁石の通電制御の手法を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態で得られる放熱効果について示す図である。 本発明の実施の形態で得られる磁気粘性流体の機能維持効果について示す図である。

本発明の実施の形態について図１乃至図１０の各図を参照して説明する。

図１は、本実施の形態の動弁装置が装備された内燃機関のシリンダヘッドの断面図である。本実施の形態の動弁装置は、カム２とバルブスプリング１２とによってバルブ（吸気バルブと排気バルブのどちらでもよい）を動作させるカム駆動型の動弁装置である。図１において、シリンダヘッドには、バルブ（図示略）から延びるバルブステム８を摺動可能に案内するバルブガイド１４が組み付けけられている。バルブステム８はバルブガイド１４を貫通して上方に伸び、その上端部はロッカーアーム６に当接されている。ロッカーアーム６はラッシュアジャスタ４によって支持され、カム２からの入力を受けてバルブステム８を押し下げるように構成されている。

バルブステム８の上部にはリテーナ１０が固定されている。一方、シリンダヘッドのバルブガイド１４が取り付けられている部分には、リテーナ１０に向き合うようにバルブガイド１４を中心にして座金２６が装着されている。バルブスプリング１２は、バルブステム８を中心にしてリテーナ１０と座金２６との間に装着されている。バルブスプリング１２により、バルブステム８はその上端部をロッカーアーム６に押し付ける方向に付勢されている。

本実施の形態の動弁装置はバルブガイド１４及びその周辺の構造に特徴がある。バルブガイド１４にはバルブステム８を通すための穴が開けられているが、その穴は径を２段階に形成されている。穴の下側はバルブステム８と略同径であって、バルブステム８を摺動可能に保持している。一方、穴の上側はバルブステム８よりも大径であって、バルブガイド１４の内側とバルブステム８との間には隙間ができている。このため、バルブガイド１４にバルブガイドキャップ１６が装着されることで、バルブガイド１４の内部にはバルブステム８を取り巻く閉空間が形成される。本実施の形態の動弁装置は、この閉空間内に磁気粘性流体１８を封入している。なお、バルブガイドキャップ１６はオイルシールの役目もしているが、外部からの微小なオイル（シリンダヘッド内の潤滑油）の浸入については許容するような構造になっている。

さらに、本実施の形態の動弁装置は、バルブガイド１４の周囲に一対の電磁石２０、２２を備えている。電磁石２０、２２はシリンダヘッドに組み込まれていて、その近傍には冷却水を通すためのウォータージャケット３０が設けられている。図２は図１のII−II断面図である。この図に示すように、一対の電磁石２０、２２は、バルブガイド１４の磁気粘性流体１８が封入されている部分を挟むようにして配置されている。図３の模式図は電磁石２０、２２の配置をより詳しく示している。各電磁石２０、２２はそれぞれ複数のコイル２４を備えている。それらのコイル２４はバルブステム８の軸線に沿って並べられ、２つの電磁石２０、２２の間でバルブステム８の軸線と直交する方向の磁界が発生するように向きを整えられている。

図１及び図２に示す電磁石２０、２２と磁気粘性流体１８との位置関係から明らかなように、電磁石２０、２２が発生させる磁界は磁気粘性流体１８を通過する。磁気粘性流体１８は、公知のように、極めて微細な強磁性体の粒子がベースオイル中に均一に分散している複合材料である。磁界が印加されていない場合、強磁性微粒子はベースオイル中を自由に移動している。しかし、磁界が印加された場合には、その磁界の方向に沿って強磁性微粒子は整列する。磁界はバルブステム８の軸線と直交する方向に発生し、磁気粘性流体１８はバルブガイド１４内にてバルブステム８に直接接触していることから、以下に詳しく述べるように、磁気粘性流体１８への磁界の印可はバルブの運動に対して次のように作用する。

図４は、磁界が発生していないときの磁気粘性流体１８の状態について示す要部断面の模式図である。磁界が発生していない場合、磁気粘性流体１８を構成する強磁性微粒子はベースオイル中を自由に移動できる状態であることから、ベースオイルの特性がほぼそのまま磁気粘性流体１８の特性となって現れる。このため、バルブステム８がバルブガイド１４内を摺動する際、磁気粘性流体１８は潤滑用のオイルとして機能する。つまり、この場合には、磁気粘性流体１８とバルブステム８との間には大きなせん断荷重は発生せず、磁気粘性流体１８がバルブの作動抵抗となることはない。

一方、図５は、磁界が発生しているときの磁気粘性流体１８の状態について示す要部断面の模式図である。磁界が発生している場合、磁気粘性流体１８内の強磁性微粒子は磁界の方向に整列しようとする。磁気粘性流体１８は形状を固定された閉空間に封入されていることから、強磁性微粒子が整列することによって、磁気粘性流体１８の磁界の方向への圧力が高まることになる。このため、バルブステム８がバルブガイド１４内を摺動する際、磁気粘性流体１８とバルブステム８との間に発生するせん断荷重が大きくなり、磁気粘性流体１８はバルブの運動に対する作動抵抗として作用する。具体的には、バルブの開弁時には、（Ａ）に示すようにバルブの閉弁方向にせん断荷重が働く。このときのせん断荷重の方向はバルブスプリング１２のバネ力の作用方向と同方向であり、バルブスプリング１２の付勢力をアシストするようにせん断荷重は作用する。一方、バルブの閉弁時には、（Ｂ）に示すようにバルブの開弁方向にせん断荷重が働く。このときのせん断荷重の方向はバルブスプリング１２のバネ力の作用方向と逆方向であり、バルブスプリング１２の付勢力を減殺するようにせん断荷重は作用する。なお、図中に示すように、バルブステム８に作用するせん断荷重の大きさFmg(H)は、強磁性微粒子の一つの列とバルブステム８との接触部に作用するせん断荷重の大きさfn(H)の総和Σfn(H)として表すことができる。

以上のように構成された本実施の形態の動弁装置によれば、必要に応じて電磁石２０、２２への通電を行い電磁石２０、２２に磁界を発生させることで、バルブの作動抵抗を不要に増大させることなくバルブの円滑な作動を確保することができる。なお、電磁石２０、２２の通電制御は、図示しない制御装置によって行われる。制御装置による通電制御の内容に関しては、その具体的な手法には限定はない。しかし、ここでは、採りうる通電制御の手法の中でも特に好ましいと考えられる制御手法について紹介する。

まず、図６は、低回転時に採りうる電磁石２０、２２の通電制御の手法の中でも特に好ましい手法を示すタイムチャートである。チャートに示す波形はバルブのリフト量を示している。この図に示すように、内燃機関の低回転時には、バルブスプリング１２のバネ力のみをバルブの動作に作用させるように電磁石２０、２２への通電はＯＦＦにされる。具体的には、バルブが閉じるタイミングで回転数が計測され、計測した回転数Ｎｅが基準回転数Ｎｅｒよりも小さければ、次のサイクルまで電磁石２０、２２への通電はＯＦＦに維持される。

図７は、高回転時に採りうる電磁石２０、２２の通電制御の手法の中でも特に好ましい手法を示すタイムチャートである。この図に示すように、内燃機関の高回転時には、バルブの開動作に対して磁気粘性流体１８の作動抵抗が作用するように、バルブの開動作時に合わせて電磁石２０、２２への通電がＯＮにされる。具体的には、バルブが閉じるタイミングで回転数が計測され、その時点の回転数Ｎｅが基準回転数Ｎｅｒを超えていれば、次のサイクルの開動作時に電磁石２０、２２への通電がＯＮにされる。その際、バルブが開くタイミングで内燃機関の負荷率が算出され、算出した負荷率τ１が基準負荷率τ２よりも小さいかどうか判定される。負荷率τ１が基準負荷率τ２を超える場合には、後述する高回転・高負荷時の通電制御が実施される。負荷率τ１が基準負荷率τ２よりも小さければ、電磁石２０、２２への通電時のＤｕｔｙ比は第１設定値（例えば１０％）に設定される。また、回転数の計測時にカム回転の変動が検出されている場合には、バルブの異常運動が発生していると判定し、電磁石２０、２２への通電時のＤｕｔｙ比は第１設定値よりも高い第２設定値（例えば２０％）に設定される。以上のような通電制御の手法によれば、バルブの開動作時に生じうるオーバーシュート等のバルブの不要な運動を効果的に抑えることができる。

図８は、高回転・高負荷時に採りうる電磁石２０、２２の通電制御の手法の中でも特に好ましい手法を示すタイムチャートである。この図に示すように、高回転・高負荷時には、バルブの開動作に対して磁気粘性流体１８の作動抵抗が作用するように、バルブの開動作に合わせて電磁石２０、２２への通電がＯＮにされる。さらに、バルブが閉じている期間も電磁石２０、２２への通電がＯＮにされる。具体的には、バルブが閉じるタイミングで回転数が計測され、その時点の回転数Ｎｅが基準回転数Ｎｅｒを超えていれば、次のサイクルの開弁期間は電磁石２０、２２への通電がＯＮにされる。その際、バルブが開くタイミングで内燃機関の負荷率が算出され、算出した負荷率τ１が基準負荷率τ２を超える場合には、電磁石２０、２２への通電時のＤｕｔｙ比は第２設定値よりもさらに高い第３設定値（例えば５０％）に設定される。さらに、その後、バルブが閉じるタイミングで電磁石２０、２２への通電が再びＯＮにされ、次のサイクルでバルブが開動作から閉動作に移るまで電磁石２０、２２への通電はＯＮに維持される。以上のような通電制御の手法によれば、バルブの開動作時に生じうるオーバーシュートやゼロリフト付近で生じうるバウンド等のバルブの不要な運動を効果的に抑えることができる

ところで、電磁石２０、２２のコイル２４は通電によって発熱する。この熱を上手く放熱することができなければ、電磁石２０、２２や磁気粘性流体１８の磁気回路としての機能が低下してしまい、上述の効果を十分に得ることができなくなってしまう。この点に関し、本実施の形態の動弁装置では、シリンダヘッドに設けられたウォータージャケット３０の近傍に電磁石２０、２２及びバルブガイド１４が配置されている。このような配置によれば、図９に矢印で放熱方向を示すように、電磁石２０、２２の熱や磁気粘性流体１８の熱はウォータージャケット３０を流れる冷却水によって効率的に奪われるようになる。これにより、電磁石２０、２２からの放熱や磁気粘性流体１８からの放熱は促進され、発熱による磁力の減少や磁気粘性流体１８のベースオイルの蒸発が抑制される。つまり、本実施の形態の動弁装置によれば、電磁石２０、２２が発生する熱の影響を抑えてバルブの円滑な作動を長く維持することができる。

また、バルブガイド１４に封入されている磁気粘性流体１８は、使用に伴いそのベースオイルが次第に消費されていく。図１０に実線の矢印で経路を示すように、ベースオイルは下方への漏れと上方への蒸発によって消費される。ベースオイルの消費による減少は磁気粘性流体１８の機能を低下させてしまう。具体的には、強磁性微粒子の密度の増加によってバルブステム８との間での摺動抵抗を増大させ、さらには、バルブステム８の磨耗を引き起こしてしまう可能性がある。この点に関し、本実施の形態の動弁装置では、図１０に点線の矢印で経路を示すように、バルブガイドキャップ１６からバルブガイド１４内部へのオイルの浸入が許容されている。このため、蒸発や漏れによる磁気粘性流体１８のベースオイルの減少分は、外部からバルブガイド１４内部に浸入してきたオイルによって補われるようになる。つまり、本実施の形態の動弁装置によれば、経時変化による磁気粘性流体１８の機能低下を抑えてバルブの円滑な作動を長く維持することができる。

なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、本発明は上述の実施の形態のようなロッカーアーム式の動弁装置のみならず、カムがリフターを直接押し下げる直打式動弁装置としても構成することができる。

２ カム
４ ラッシュアジャスタ
６ ロッカーアーム
８ バルブステム
１０ リテーナ
１２ バルブスプリング
１４ バルブガイド
１６ バルブガイドキャップ
１８ 磁気粘性流体
２０、２２ 電磁石
２４ コイル
２６ 座金
３０ ウォータージャケット

Claims (4)

1. カムとバルブスプリングとによってバルブを動作させる内燃機関用の動弁装置において、
   バルブステムを支持するバルブガイドと同バルブステムとの間に封入された磁気粘性流体と、
   前記磁気粘性流体を通る前記バルブステムの軸線と直交する方向の磁界を発生させる電磁石と、
   を備えることを特徴とする動弁装置。
2. 前記電磁石は、シリンダヘッドに設けられた冷却水通路の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の動弁装置。
3. 前記バルブガイドは、シリンダヘッドに設けられた冷却水通路の近傍に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関用動弁装置。
4. 前記バルブガイドは、同バルブガイドの内部へのオイルの浸入を許容するバルブガイドキャップを備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関用動弁装置。

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