JP2016532065A - リニア弁アクチュエータシステム、及び弁の動作を制御する方法 - Google Patents

Abstract

本発明の一実施形態によるシステムは、強磁性を有するステムで弁を駆動するための固定コイルリニアモータを備える。リニアモータは、電子弁制御コンピュータによって管理される制御に応じて、弁を動かす。弁は、十分に開いた状態と十分に閉じた状態との間における位置の変形形態のすべてを含めて、選択可能な距離（「リフト」）に関する加速度と速度との両方における選択可能な比率で、閉位置と第２の選択可能な開位置との間を動くことができる。弁の位置、速度、及び加速度は、電子弁制御コンピュータの非推移的なメモリにプログラムされた論理によって制御される場合、弁ストローク中と、１つのストロークから次のストロークにかけてとの両方の場合に変動し得る。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１１年１１月７日に出願された米国特許出願第１３／２９０，３５３号明細書の一部継続出願であり、その全体が、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、一般に弁駆動システムに関し、より詳細には、内燃機関及び他の用途向けのリニアモータ駆動弁機構、及びその制御システムに関する。

化石燃料により、現代の内燃機関（ＩＣＥ）の多くが現在給電されている。しかし石油及び他の資源に由来する炭化水素燃料は希少資源であり、自動車でこのような燃料を大量に使用することは、燃焼の副産物による望ましくない気候変動につながると多くの人に信じられている。したがって、現代の内燃機関の効率を上げるようにという非常に強い圧力が存在する。効率を上げることに対する要求は、燃料消費及びＣＯ_２排出に関する政府割り当て、命令、及び税金によっても高まっている。そしてこの要求は、自動車の安全性を高めるという要求の高まりと同時に起こっている。安全性を高めると、重量が増え、効率が損なわれることが多い。

ＩＣＥの効率を高めるために用いられる現在の工程は、コスト及び複雑性をかなり増加させる一方で、信頼性、パワー、及びドライバビリティを減少させてしまう恐れがある。例えば、ＩＣＥの動作サイクル中、吸気弁及び／又は排気弁の動作に対する調整性を高めるために、多数の試みがなされている。

従来から、ＩＣＥの（ポペット弁とも呼ばれる）吸気弁及び排気弁は、半分のエンジン速度でＩＣＥのクランクシャフトにより機械的に動かされる、１つ以上のカムシャフトによって駆動されており、これにより、ＩＣＥの回転と同調し、互いに固定された相で弁を動作させる。ポペット弁を回転弁に置き換え、クランクシャフトによりまた、弁を機械的に駆動し、弁の動作をＩＣＥのクランクシャフトの回転と厳格に連動させることも知られている。

カムシャフト外形が、弁の開／閉運動のタイミングを定める。カムシャフトの設計は、所与のカムシャフトの外形が、（毎分回転数（ＲＰＭ）で測定される）クランクシャフト速度の非常に狭い範囲についてしか最適化できないため、釣り合いをとることである。したがって広範囲の速度で、容易に開始しかつ動作させやすくするためには、妥協がなされなければならない。そしてこれらの妥協により、ＩＣＥの全体的な効率が下がり、かなりの複雑性が必要になる。

その上、機械的カムシャフトでは、弁の動き（リフト）、及び弁が開く時間（持続時間の程度）が固定されている。弁の開時間及び閉時間はまた、機械的駆動システム及びカムシャフトの外形により、厳格に固定されている。さらなるカムシャフト及び弁を追加することにより、１つのカムシャフト／弁システムを低速用に最適化し、他のカムシャフト／弁システムを高速用に最適化することが可能になるが、このことに関しては、容易な開始及び広範囲の動作速度を可能にするために、依然として妥協がなされなければならない。

カムシャフト（単数及び複数）を、カムシャフトの駆動機構を油圧で双方向に回転させる等の様々な手段により、クランクシャフトの回転位置に対して、回転させながら速めるかつ／又は遅らせることができることがさらに知られている。このことは、カムの「フェージング」と呼ばれる。フェージングにより、様々な時間、温度、状況、負荷、及び高度で、ＩＣＥの動作が促進される。よく知られてもいるように、エンジンタイミングを調整するこの形態は、様々な方法で弁リフトを調整することにより、さらに向上する可能性がある。しかしながら、このようなシステムには、複雑性の高まりという欠点がある。例えば、多くの部品のすべてにおいて必要とされる製造精度が高くなり、このことにより、コスト及び故障箇所が増える。

また、多くの部品を動作させるためには作動液の精密な粘度が必要とされるため、整備のコスト及び費用がさらに増加する。弁駆動システムには、動作用に必要とされる作動液のようなエンジンオイルを使用させることが望ましい。しかし、現在のＡＰＩ及びＳＡＥの仕様を満たすオイルでさえ、これらの用途の要求を満たすためには、粘度が十分に精密でない可能性がある。このため、特殊な潤滑剤を使用することが必要となり、このことは、追加のオイルを入手して自身でオイル交換を実施する自動車運転者の能力を制限し、自動車整備のコストを増加させる。

上述のカムシャフトフェージング技術のさらなる問題は、弁のタイミング、弁の持続時間、及び弁のリフトが固定されていることである。これらのパラメータは、少ししか変更することができず、このような変更には、高価で複雑な技術が必要となる。

上述の技術の欠点を克服し、独立した弁の動作時間及び持続時間を達成するために、特定の試みがなされている。例えば、米国特許第４，００９，６９５号明細書は、内燃機関用のプログラムされた弁システムを開示している。この特許は、クランクシャフト位置から独立して弁を動作させるための手段を教示しているが、弁の油圧動作に固有の問題を抱えている。詳細には、弁の動作は、制御不能に、開いた状態から閉じた状態に弁を循環させることを含む。このような動作は、弁が閉じる際に、弁及び弁座を著しく損傷する。また、油圧の動きによるストロークの長さ（即ち弁リフト）を、この機構では変えることができない。

米国特許第６，７３６，０９２号明細書は、エンジンの吸入弁及び／又は排気弁を可変に駆動するための電子的に制御された油圧システムを備える内燃機関を開示している。詳細には、この特許は、ＩＣＥのクランクシャフトに機械的に連動している標準的なカムシャフトではあるが、カムシャフトと弁との間に電子的に制御された油圧リフタがさらに配置されたカムシャフトの使用を教示している。リフタ内及びリフタの外で作動液を電子的に制御することにより、弁の開閉時間及び弁のリフトを、ある程度制御することができる。しかしながら、この構成は、機械的に連動したカムシャフトの動作に限定されるものであり、例えば、長時間最大リフトで、又はカムシャフトのスケジュールされた開時間とは異なる時間で開くように、弁に指令を出すことはできない。

電気的手段によって加えられた油圧で弁を開閉させることにより、クランクシャフト位置から独立してＩＣＥの弁を動作させるための試みがなされている。電気的指令が、制御ユニットによって送信される。制御ユニットは、エンジン及び関連するシステムセンサから入力を受信する。しかしながら、このようなシステムには依然として、以下に説明されるような重大な欠点がある。

米国特許第５，５７２，９６１号明細書は、電気油圧式カムなし弁機構における弁運動の平衡化について開示している。この特許は、ＩＣＥ弁のための油圧弁による制御と、油圧作動式ＩＣＥ弁を使用したＩＣＥの動作との最小化について教示している。高油圧が、弁を１つの方向に押すために使用され、一方で釣り合いばねと組み合わされた低油圧が、ＩＣＥ弁の動きを和らげかつ停止させるために使用される。しかしながら、ＩＣＥ弁、釣り合いばね、及び複数の油圧毎に複数の油圧弁を制御することは、システムをかなり複雑にしてしまう。また、このシステムでＩＣＥの弁リフトの変動を制御することは難しい。

米国特許第６，７２９，２７９号明細書は、燃焼機関の少なくとも１つのエンジン弁を制御する装置を開示している。この特許は、制御システムによって制御されるような、ＩＣＥの油圧作動式弁を教示している。上側チャンバがＩＣＥ弁を閉じるために流体で満たされ、下側チャンバは弁を持ち上げるために満たされることが教示されている。ＩＣＥ弁を動かすこの様式の１つの欠点は、作動液が制御する弁を、開いた状態又は閉じた状態にしかできないことである。この特許は、ＩＣＥ弁が開いた状態から閉じた状態及びその逆に動く際、ＩＣＥ弁の全体的な動き（リフト）及び運動速度を調整するために、「絞り」弁を油圧ラインに配置することができることを教示している。この特許は、複雑な手段を利用することにより、油圧作動式ＩＣＥ弁を減衰させる必要性にも対処する。この複雑な手段とは、このような減衰を達成することを試みるためのものである。

空気圧手段によりＩＣＥ弁を動作させることが試みられている。また、このような構成により、ＩＣＥのクランクシャフト位置から独立して弁を駆動することができる。例えば、米国特許出願公開第２０１３／００９８３３７号明細書は、いわゆる自由弁システムを開示している。このシステムは、電気的に動作する制御弁を通るように向けられた空気を使用し、ＩＣＥ弁を押して開閉させる。このようなシステムの大きな欠点は、ＩＣＥ弁が、開く際に制限停止部に衝突し、かつまた閉じる際に弁座に衝突することである。このような衝突は、かなり速く、弁に機械的損傷を引き起こす。

カムシャフトによって動作する弁の欠陥を解決するためのさらに別の試みは、電子的な燃料の注入と同様のコンピュータ制御を使用して、弁を電気的に動作させることである。現在まで、これらのすべては、弁を駆動するための何らかの形態のソレノイドを含み、かつ減衰手段も含む。ソレノイドは、ソレノイドが作用する装置を十分に開きかつ十分に閉じることによって動作する。ソレノイドを、変動可能な速度で動くように、即ち開／閉の際、速度が変動するように制御することはできない。ソレノイド動作システムにおいて、開放、停止、閉鎖、又は移動距離（リフト）の比率を変動させる唯一の方法は、外付けの機械装置を用いることである。このことは、システムの全体的な複雑性を増加させる。ソレノイドの構成及び欠点は、この例を参照して理解することができる。

米国特許第４，７９４，８９０号明細書は、例えば電磁弁アクチュエータを開示している。この特許は、ＩＣＥの弁を動かすために、双安定の電気機械変換器を使用することを教示している。この特許は、弁のいずれかの移行（開く又は閉じる）の終わりにおける、いくつかの形態での減衰の必要性を教示している。ダンパとしての機械的ばねと流体ショックアブソーバとの両方が、減衰手段として開示されている。この発明は、ＩＣＥ弁の開放及び持続時間を制御するが、容易な開始、アイドリング、及び低速動作を促進するのに好ましい可変のリフトについては、何の設備も有さない。この発明によって提案される減衰技法はまた、複雑であり、信頼性の問題が持ち上がる。

米国特許第６，２４７，４３１号明細書は、内燃機関用の電磁弁駆動装置を開示している。この特許は、１つは弁を開くため、１つは弁を閉じるために、ＩＣＥの弁ステムに形成された２つのソレノイドを使用することを教示している。また、弁のばねが、通常は閉位置に弁を保持する。このばねは、弁の開放を最小限に和らげる役割を果たし、弁の閉鎖用の他の減衰手段又は緩衝手段は設けられていない。結果として、開示されたシステムの信頼性は疑わしい。また、弁のリフト調整を可変にするための設備は設けられていない。

米国特許第７，２２５，７７０号明細書は、限定部間で駆動が本質的に減速する電磁アクチュエータを開示している。この特許は、さらに別の構成のソレノイドシステムと、ただしコイル、電機子、及び機械的ばねとも併せて、従来の弁駆動システムの欠点を解決しようとしている。コイル及び電機子の構成及び位置、ＩＣＥの弁位置感知の追加、及びコイルの電流の制御は、弁の破壊を防止する従来の試みに比べて進歩している。しかしながら、信頼性には懸念が残ったままであり、弁リフトを調整するための手段はまた、設けられていない。

米国特許第５，９８３，８４７号明細書及び米国特許第６，２９３，３０３号明細書はそれぞれ、弁を駆動するために可動コイルを使用することを開示している。しかしながら、コイル及びコイルの重要な支持構造体、並びに取り付け金具が動くことにより、望ましくなく程大きなコイルの大きさと、強力な電気駆動システムとが必要となる。対応する質量、大きさ、過度の駆動力が必要となり、かつ駆動システムの複雑性は、このような構成を、現代のＩＣＥ等の多くの用途のためには非実用的で、手が届かない程高価で、かつ信頼できないものにしてしまう。

したがって、コスト、重量、及び複雑性を減少させる一方で、様々な弁駆動パラメータを独立して制御するＩＣＥ用の弁駆動システム、方法、及び装置を提供する必要性が、依然として存在する。

米国特許第４，００９，６９５号明細書 米国特許第６，７３６，０９２号明細書 米国特許第５，５７２，９６１号明細書 米国特許第６，７２９，２７９号明細書 米国特許出願公開第２０１３／００９８３３７号明細書 米国特許第４，７９４，８９０号明細書 米国特許第６，２４７，４３１号明細書 米国特許第７，２２５，７７０号明細書 米国特許第５，９８３，８４７号明細書 米国特許第６，２９３，３０３号明細書

本発明は、高度な正確さ及び速度で弁の動きを可変に制御するために、固定コイル及び平行移動する弁ステムを備えたリニアモータを使用して弁を駆動する装置、方法、及びシステムを提供することにより、上述の特定の欠陥に対処する。弁の速度と位置との両方は、必要に応じて、ストロークからストロークにかけて、及び単一のストローク中、絶えず変動し得る。装置及びシステムは、比較的小型の容器で実現され得る。その上、弁の動きは、電子弁制御装置（ＥＶＣ）コンピュータによって制御され得る。複数のセンサが、コンピュータにフィードバックを提供し、コンピュータは、センサ入力と、コンピュータの非推移的なメモリにプログラムされた論理とに基づき、弁を駆動する。

本発明の一実施形態によるシステムは、強磁性のステムを有する弁を駆動するための固定コイルリニアモータを備える。リニアモータは、コンピュータによって管理された制御に応じて、弁を動かす。弁は、十分に開いた状態と十分に閉じた状態との間における位置の変形形態のすべてを含めて、選択可能な距離（「リフト」）に関する加速度と速度との両方における選択可能な比率で、閉位置と第２の選択可能な開位置との間で動くことができる。弁位置、速度、及び加速度は、弁のストローク中、及び１つのストロークから次のストロークにかけて変動し得る。

以上の概要は、本発明の範囲を限定すること、又は本発明の実施形態、態様、実施態様、特徴、もしくは利点のそれぞれを説明することを意図するものではない。本発明に関する詳細な技術及び好ましい実施形態は、以下の段落で、添付の図面を用いて、当業者がクレームされた本発明の特徴をよく理解するように説明される。以上に述べられた特徴、及び以下に解説される特徴は、特定の組み合わせでのみではなく、他の組み合わせ及び用途で、又は単独で、本発明の範囲から逸脱することなく使用され得ることが理解される。

特定の例示的な実施形態による弁組立体の側部断面図である。 特定の例示的な実施形態による弁組立体の斜視図である。 図２の弁組立体の断面斜視図である。 図２の弁組立体の正面図である。 図２の弁組立体の側面図である。 図２の弁組立体の上面図である。 特定の例示的な実施形態による二重弁組立体の斜視図である。 図８の二重弁組立体の断面斜視図である。 図８の二重弁組立体の別の斜視図である。 弁のうち１つを断面図で示す、図８の二重弁組立体の斜視図である。 図８の二重弁組立体の上面図である。 特定の例示的な実施形態による弁組立体の側部断面図である。 特定の例示的な実施形態による、リニア弁アクチュエータの部品のブロック図である。 特定の例示的な実施形態による、ＩＣＥ用のＥＶＣ制御装置を有する弁駆動システムのさらなるブロック図である。 特定の例示的な実施形態による、リニア弁アクチュエータのためのソフトウェアプログラム論理のフローチャートである。 特定の例示的な実施形態による、弁開／閉シーケンスの論理図である。 特定の例示的な実施形態によるプロセスフロー図である。

本発明は、様々な修正形態及び代替形態に従うものであるが、その詳細は、例として図面に示され、詳細に説明される。しかしながら、説明される特定の例示的な実施形態に本発明を限定することを意図するものではないことを理解されたい。反対に、本発明は、添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の範囲内にある、すべての修正形態、均等形態、及び代替形態に及ぶ。

以下の記載では、本発明は、様々な例示的な実施形態を参照して説明される。ただし、これらの実施形態は、本発明を、本明細書に説明されるいかなる特定の例、環境、用途、又は特定の実施態様に限定することを意図するものではない。したがって、これらの例示的な実施形態の説明は、本発明を限定するためというよりむしろ、単に説明のために提供される。本発明のリニアモータ弁駆動組立体及びシステムは、いかなるピストンタイプの弁も動作させるように構成され得る。例えば、このような弁システムは、プロセスフロー制御用及び医療用、容器の自動流体充填並びに血液ポンピング等に用いることができる。別の特に有効な用途は、オットーサイクルエンジン及びディーゼルサイクルエンジン並びにこれらの変形形態（例えばミラーサイクル）を含む内燃機関（ＩＣＳ）用の弁の駆動である。

ＩＣＥの個々の弁におけるリフト、持続時間、及びタイミングは、クランクシャフトの回転速度から独立して調整することができ、かついかなる他の弁の駆動からも独立していることが可能である。したがって、例えば、各シリンダ用の二重吸気弁及び／又は二重排気弁を有するエンジンは、エンジンの動作速度範囲全体を通じて所望の燃焼特性及び排出特性を達成するために、一対の弁の各部材を、互いに異なるタイミング、持続時間、及びリフトで開閉させることができる。弁の開／閉動作はまた、信頼性を高めるために、制御可能に減衰させることができる。組立体及びシステムはまた、本明細書に説明されるような改良された弁駆動システムにおいては、従来の試みと比較して、比較的簡単、軽量、かつ低コストである。一実施形態では、空間的広がりのある外囲容器は、長さが約４インチ、直径が約１．５インチである。しかしながら、他の容器の大きさを、本発明の範囲から逸脱することなく用いることができる。

弁の動作を制御するため、（ＩＣＥの用途における電子弁制御装置（ＥＶＣ）等の）電子制御装置は、制御装置のメモリに内在する論理に基づき、弁のタイミング及び動きを制御する。以下に説明されるような入力変数が、ＩＣＥのデューティサイクルで起こる可能性がある状況等の、多種多様な状況に適した複雑な運動制御を提供するために、制御装置に提供され得る。

本発明の特定の実施形態による、本明細書で以下に説明される作用、モジュール、論理、及び方法ステップは、プロセッサ及びメモリを備える制御装置と通信する、有形の機械可読媒体（又はメモリ）、又は非推移的な機械可読媒体（又はメモリ）に格納されるコンピュータプログラム又はソフトウェアコードの形態をとってもよい。制御装置が、説明される動作、機能、特徴、及び方法を実施するために、コードを実行する。これらの動作、構造的装置、作用、論理、方法ステップ、及びモジュールが、本明細書に添付された特許請求の範囲内で述べられるような、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、ソフトウェア、ファームウェア、専用デジタル論理、及びこれらのいかなる組み合わせにおいても実現され得ることを、当業者ならば認識するであろう。

ここで図１を参照すると、図が、本発明の例示的な一実施形態による弁組立体１００の部品を説明するために、提供されている。弁１０２は、ポペット様式の弁である。弁１０２は、弁頭部１０４と、この頭部から上向きに延びるステム１０６とを含む。これらの弁部分１０４及び弁部分１０６は、一般に単一の部品として合体しているが、合体している必要はない。ステム１０６は、中身が詰まっていてもよく、又は熱の伝達を高めるためにナトリウム等の別の材料で充填できるように、中空であってもよい。

弁１０２は、少なくとも部分的に強磁性材料を含み、このため弁１０２を、磁気コイルの印加磁場に応じて、磁気的に駆動することができる。ＩＣＥの弁が直面する温度に適したキュリー温度を有する磁性合金が、開発されている。

弁ステムの長さ、弁頭部の直径、並びに磁気コイルの大きさ及び密度を含む他の弁機構の変数が、本発明の範囲から逸脱することなく、修正され得る。

頭部１０４は、ＩＣＥの頭部の弁座と合致するような形状にされており、このため頭部１０４は、対応するポートを密閉し、燃焼室内に入る。

ＩＣＥの頭部の弁ガイド１０８は、ステムと係合し、弁の動きを導きかつ抑制する。図に示される弁ガイドは、弁が嵌合するシリンダ頭部を有する。シリンダ頭部は、説明を明確にするために取り除かれている。

下部軸受１１０が、弁ガイドの上に開示されている。下部軸受１１０は、ステム１０６を囲み、ステム１０６の横方向の動きを妨げることにより、弁の動きをさらに導く。上部軸受１１２が、弁シャフトの上方でより遠位に配置されており、下部軸受と同じように構成され、かつ機能する。２つの軸受は協働して、弁が、図１の矢印によって示されるようにステムの長手方向軸線に沿って直線的に、制御可能に往復する際、事実上弁が横方向にどのようにも動かないようにし、必要に応じて回転運動を制限することができる。

曲がらない固定されたコイル組立体１１４が、下部軸受１１０と上部軸受１１２との間に配置されている。コイル組立体１１４は、弁のステム１０６を囲む、複数のワイヤ（例えば銅の）巻き線１１５を含む。コイル（例えばボイスコイル）が、外側の鋼鉄（又は他の適切な材料）のハウジング１１７によって包まれ、コイル１１４を付勢することによって生成された磁束を含む。コイルを占めるワイヤは、コイルを所望の形状に維持し、汚染及び酸化を防止するために、エポキシ樹脂に包まれている場合がある。エアギャップ１１９が、弁とコイル組立体１１４の内面との間に定められる。

直流（ＤＣ）電圧をコイル１１４に加えることにより、弁ステム１０６が、加えられた電圧の極性に応じて、１つの方向又は他の方向に直線的に平行移動する。極性を反転させることにより、運動の方向が反転する。また、コイルに加えられる電流及び電圧の値は、変動させることができる。したがって、弁の位置、速度、及び加速度を、コイルへの電圧の入力、電流の入力、及び極性の入力を調整することにより、かなり変動させることができる。コンピュータは、弁におけるいかなる所望の運動特性をも達成するために、これらの入力を変動させることができる。

弁は、閉位置と開位置との間で制御可能に動く。閉位置及び開位置が、弁のストロークを定める。ＩＣＥの用途では、閉位置は、弁頭部が下向きに延ばされ、頭部の吸気／排気ポートのそれぞれを据え付けて閉じる場合に定められる。開位置は、弁頭部が、頭部のポートから最も離れた移動距離の地点にある場合に定められる。これらの端部位置間のいかなる数の中間位置も、本明細書に開示されるようなコイル組立体の動作により、即座の精度で達成することができる。そしてコイル組立体は、選択された時間に、選択された距離、選択された速度、及び選択された加速度曲線で、弁を動かすために、選択可能に付勢され得る。これらのすべては、コイルの動作を制御するコンピュータによって決定される。

本明細書に説明されるような弁組立体は、従来のカムによって動作する駆動機構の欠点が解消されているため有効である。例えば、重量、パッケージング、及び複雑性が減少する。摩耗部品がないため、信頼性が非常に高まる。弁の動作の制御性及び調整性が高まることにより、エンジンを、生じ得る駆動状況及びデューティサイクルの範囲全体を通じて、排出、アイドリング、トルク、及び馬力について同時に最適化することが可能になる。そして可動コイルによる弁の駆動と比較して、本発明は、エンジン速度の範囲全体を通じた動作を可能にし、現実的な駆動力で動作することができ、コイルの質量を往復質量に加えない。

本明細書に開示された弁駆動システムは、弁ストローク全体を通じて一定の力を提供する。ストロークを、非常に高速な応答時間（例えば１ミリ秒未満）で、小さくすることもできる。この弁駆動システムは、非常に高速に、コギング即ち力脈動なしで、永続的な旋回と共に動作する。このことにより、この設計全体が、他の可変カムのタイミングに関する試みから区別される。可変カムのタイミングは、タイミングのみを変化させ、ストロークは変化させない。本発明は、閉ループ動作に基づき、永続的な設定で、両方を達成する。閉ループ動作は、コンピュータに情報を提供するために、リニアモータドライブをフィードバックセンサに結合する。コンピュータは、コンピュータのメモリ内にプログラムされた規則に基づいた論理に基づき、弁駆動パラメータを調整する。しかしながら、閉ループモードの動作をすべての実施形態に適用する必要はない。

弁位置センサ１１６が、コイル組立体１１４と上部軸受１１２との間等に、弁のステム１０６に沿って配置されている。弁位置センサは、弁位置情報をコンピュータに提供する。コンピュータの論理によって求められた場合、位置データを弁の速度及び加速度を計算するために使用することができる。より詳細には、弁位置情報を、動作に関する以下のパラメータを計算するために使用することができる。即ち、１．閉位置から開位置へのインチ単位でのストローク、２．閉位置から開位置へのインチ毎秒単位での速度、３．閉位置から開位置へのインチ毎秒単位での加速度、４．弁を開いた状態に保持する秒単位での持続時間、５．開位置から閉位置への原点からのインチ単位でのストローク、６．開位置から閉位置へのインチ毎秒単位での速度、７．開位置から閉位置へのインチ毎秒単位での加速度、８．弁を閉じた状態及び開いた状態に保持する秒単位での持続時間である。他の動作パラメータ及び測定結果一式も、本発明の範囲から逸脱することなく計算することができる。

例示的な一実施形態では、弁の加速度は、約３２０ｆｔ／ｓ^２（９８．１ｍ／ｓ^２）であってもよい。弁の移動距離（ストローク）は、最大約０．５インチ（１２．７ｍｍ）であってもよく、弁は、約３００インチ毎秒（７．６２ｍ／ｓ）であってもよい。結果として、１ストロークが完了するのにかかる時間は、約２０ミリ秒〜約３０ミリ秒である。もちろん、他の動作パラメータも、本発明の範囲から逸脱することなく、利用され得る。

弁組立体１００の部品は、一実施形態では、ハウジングブラケット１１８に固定されている。ハウジングブラケットはまた、弁組立体をＩＣＥの頭部に固定するための（図２〜図１１に示されるような）取り付けフランジ１２０を含む。取り付けブラケットは、必要に応じて、弁システムを、所望の位置及び向きで固く取り付けることを可能にするように構成され得る。代替的な、実施形態では、取り付けブラケットが全くなくてもよい。さらなる代替形態では、取り付けフランジ又は取り付け手段が、ハウジング１１７の外面に配置されていてもよい。

ここで図２〜図６を参照すると、弁組立体１００の様々な図が、単一の弁を備えるＩＣＥの弁組立体について示されている。上部軸受１１２の上で突出する弁ステム１０６を見ることができる。弁ガイド１０８の下で延びる弁頭部１０４も見ることができる。弁ガイド１０８の上に下部軸受１１０を見ることができる。コイル組立体１１４が、軸受１１０と軸受１１２との間に配置されている様子が示されている。位置センサ１１６が、上部軸受１１２の下に配置されており、このため位置センサ１１６は、弁のステム１０６を「見る」ことができる。

ハウジングブラケット１１８は、上部軸受１１２とコイル組立体１１４との間、詳細には位置センサ１１６とコイル組立体との間に配置された水平部１２２を含む。水平部１２２は、一般に中央に配置された開口を有し、弁ステム１０６が、この開口を通ることができる。ブラケット１１８は、コイル組立体の大体の長さに及ぶ垂直部１２４をさらに含む。外向きに延びる取り付けフランジ１２０が、垂直部１２４の下端に配置されている。フランジ１２０は、弁組立体をＩＣＥの頭部に固定しやすくするために、開口１２６をさらに含む。様々な弁組立体の部品が、直接的にか間接的にかのいずれかで、ブラケット１１８に固定されている。

本発明のさらなる実施形態による弁組立体は、１つより多い個々の弁を備える可能性がある。２つ、３つ、４つ、又はそれより多い弁を接合し、単一の組立体にしてもよい。例えば、二重弁組立体が、図７〜図１１に示されている。部品は、以上に説明され、かつ図に表示されたものと同じである。しかしながら、ここでは単一のブラケット１１８が、弁部品を併せて固定している。弁のそれぞれは、それぞれの弁独自のコイルを有し続ける。したがって、コンピュータによる独立した駆動及び制御が可能になる。弁のそれぞれはまた、それぞれの弁独自の対応する位置センサ１１６を有する。取り付けフランジ１２０は、組立体をＩＣＥの頭部に確実に取り付けるための複数の締結開口１２６を有する。

ここで図１２を参照すると、図が、弁組立体１００の代替的な例の部品を説明するために提供されている。弁ステム１０６は、頭部１０４の反対側の端部に配置された水平部材１０７を含むように、一般にＴ字状である。固定された即ち静止した端部コイル１１３が、水平部材１０７に隣接して配置されている。Ｔ字状のステム１０７に作用する端部コイル１１３と（上述の実施形態と同様の）側部コイル１１４との組み合わせにより、より多くの力が必要とされるより多くの用途のために、より大きな力が提供される。軸受（不図示）がまた、以上の図に示されたように含まれる場合がある。

ここで図１３を参照すると、弁駆動システムの様々な部品が示されている。（ＬＶＡ位置センサと記される）位置センサ１１６の出力部が、入力／出力モジュール１２８に接続されている。入力／出力モジュールは、ＵＳＢ形式からシリアル形式への双方向の信号調節変換器である。入力／出力モジュール１２８は、位置センサの情報を信号に変換する。信号は、コンピュータ１３０に提供され、コンピュータ１３０で、弁に関する制御動作を評価するために使用される。

コンピュータ１３０は、プロセッサ、及び非推移的な有形のメモリを含む。コンピュータは、位置センサ１１６とコイル組立体１１４との両方に、電気的に接続されている。位置センサ１１６に接続されていることにより、センサが給電される。コンピュータはまた、コンピュータのメモリに内在する規則に基づいたソフトウェアコードに従って、コイル１１４に選択的に給電する。上述のように、コンピュータは、コイル組立体１１４を選択的に付勢し、弁１０２を、特定の時間に、特定の速度及び加速度で、特定の位置に動かす。これらのパラメータのそれぞれを、各弁について独立して制御することができ、単一のストローク中、及び１つのストロークから次のストロークにかけて変更することもできる。

例えば、弁を、弁座に到達する直前に、制御可能に減速させる（速度を落とす）ことができ、このため、弁は、大きな力でシートに衝突することがない。大きな力は、非効率的であり、弁を損傷する恐れがある。この緩衝機能により、弁の動きを減衰させない従来の弁組立体と比較して、エンジンの寿命が延びる。また、弁を減衰させるためのさらなるばね又は他の手段を必要とすることなく、減衰を行うことができる。このことにより、弁機構の重量、複雑性、及び全体的なコストが減少する。

図１３に記された「アプリケーション」とは、ＩＣＥのことである。弁組立体の数は、本発明の範囲から逸脱することなく、エンジンに存在するシリンダの数、及び用いられるシリンダ毎の弁の数に応じて変動し得る。通常、シリンダ毎に、少なくとも１つの吸気弁及び少なくとも１つの排気弁が存在する。そして、最も現代的なエンジンは、シリンダ毎に、２つの吸気弁及び２つの排気弁を有する。

図１４は、コンピュータによるエンジンパラメータの総合的な制御を説明するために、図１３のブロック図にさらなる詳細を追加している。ここでは、吸気弁及び排気弁のそれぞれが、本明細書に説明されるようなリニアモータによって制御される。弁１０２のそれぞれはまた、それぞれの弁独自の弁位置センサ１１６を含む。センサ１１６及び弁アクチュエータは、上述のコンピュータ１３０にそれぞれ接続されている。コンピュータ１３０はまた、燃料噴射器１３２及びスパークプラグ点火システム１３４に、動作可能に接続されている。したがって、コンピュータは、シリンダのそれぞれにおける燃焼事象（例えば、吸気、燃料の噴射、点火、及び排気）全体を、効果的に制御することができる。

弁位置情報はまた、入力インタフェースモジュール１２８によって収集される。このモジュールはまた、ＩＣＥの全体を通して配置された、（集合的に１３６とする）さらなるセンサから、例えばクランクシャフトＴＤＣ、排気ガスの温度、酸素の比、質量空気流量、絞りの位置、気圧、周囲温度、燃料噴射器の体積及びタイミング、並びに点火を含む情報を受信することができる。この情報は、上述の様々なセンサによって収集された情報から判定された所与の組み合わせの状況向けに、効率及び電力出力等の特定の目的を達成する目的で、弁の動き、点火、及び燃料の噴射に関する特性を制御するために、コンピュータ１３０に内在する規則に基づいた制御ロジックによって利用される。この規則に基づいた手法は、従来のＩＣＥのパラメータを調整するための、表に基づいたより従来の手法よりはるかにカスタマイズ可能であり、融通が利く。結果として得られる出力も、計算が実際のパラメータを使用してリアルタイムで実施されるため、所定のルックアップテーブル値による場合よりはるかに正確である。

図１５は、特定の例示的な実施形態による、リニア弁アクチュエータシステム用のソフトウェアプログラム論理のフローチャートである。これは、最初の設計及びプログラミング中、制御システムと動作可能に通信しているグラフィカルユーザインタフェースにより、車両動作パラメータを変更するために製造業者によって使用され得る。診断アプリケーションが、まず開始される（２００）。このアプリケーションは、ユーザが相互作用するグラフィカルユーザインタフェース上に表示される（２０２）。このアプリケーションは、スタート、絞り調整、及びエンジンのＲＰＭ等のキー動作パラメータのデジタル読み出しを含む、複数のボタン及びゲージをユーザに提示する（２０４）。データベースの初期化、及びセンサ受信機の更新の実施を含む複数のバックグラウンド処理も、診断アプリケーションの開始時に始まる（２０６）。

センサハードウェアインタフェース装置２０８が設けられている。センサハードウェアインタフェース装置２０８は、センサデータを収集し（２１０）、プログラム論理を実行する際、プロセッサが使用できるように、センサデータを適切なフォーマットに変換する。

開始ボタンを押すと（２１２）、燃焼シーケンスプログラムが開始され（２１４）、診断アプリケーションの表示の更新が繰り返される（２１６）。センサからの信号は、ネットワークインタフェースにおいて、又はシリアルバスを介して受信される（２１８）。その上、信号は、仕事一式を行うために、実行中のプログラムから受信される（２２０）。

処理ステップ２１４、２１６、２１８、２２０のそれぞれは、プロセッサキュー２１５、２１７、２１９、２２１のそれぞれに、個別に入れられる。

燃焼シーケンス論理２１４は、動作システム論理２２２によって処理される場合、プロセッサにおいてキュー２１５を介して実行される。動作システム論理はまた、必要に応じてデータベース２２４と相互作用する。弁コネクタハードウェア２２６は、燃焼シーケンスデータ２２２を受信し、その後弁制御信号を、本明細書に説明される弁駆動手段等の弁駆動手段に中継することができる。

診断アプリケーション表示更新ループ論理が、動作システムによって処理される場合、プロセッサにおいて、キュー２１７を介して実行される（２２８）。ステップ２３０では、センサの更新が、データテーブルの値を更新するために、例えばＳＱＬ文としてデータベース２２４に伝えられる。また、特別なユーティリティ及び生成された工程が処理される（２３２）。

診断アプリケーションを利用することにより、コンピュータのメモリに記憶される最終的な生産アルゴリズム、及びルックアップテーブルの発展につながる。診断アプリケーションは、開発システム用に使用される。生産システムは、診断アプリケーションを非表示にし、自動的に動作する。診断アプリケーションは、互換性のあるスキャンツールを有するサービス技術者に提供される可能性があり、又はサービス技術者ならばアクセス可能にすることができる。

ここで図１６を参照すると、単一の弁用の弁開／閉シーケンスの論理が示されている。この論理は、マルチ弁の実施態様における弁のそれぞれのために複製され、このため弁のそれぞれを、個別に制御することができる。弁タイミングシーケンスデータが、読み込まれ（３００）、閉制御ループに入力される（３０２）。制御ループは、所定の長さ又は高さに弁を開く指令３０４と、弁を閉じる指令３０６とを含む。開弁指令３０４が弁アクチュエータに付与された場合、開シーケンス３０８が、アクチュエータによって後に続く。閉弁指令３０６が弁アクチュエータに付与された場合、閉シーケンス３１０が、アクチュエータによって後に続く。

開シーケンス３０８では、制御装置が、制御された第１の電圧でコイルを付勢し、弁の電機子（ステム１０６）を弁座から離れた方向に動かす（３１２）。したがって、弁は、最初の比率で加速する（３１４）。移動距離の所定の地点で、コンピュータ又は制御装置が、逆極性を有する電圧でコイルを付勢し、弁が所定の開位置（ストローク深さ）で停止するまで、弁を減速させる（３１６）。その後、制御装置又はコンピュータが、コイルを付勢し、閉信号を受信するまで弁を適切な位置に保持する（３１８）。

閉シーケンス３１０では、制御装置が、第１の制御された電圧でコイルを付勢し、弁を、閉位置に向かって加速度の第１の比率で加速させる（３２０）。移動距離の所定の地点で、制御装置は、逆極性を有する第２の電圧でコイルを付勢し、弁を、弁座の直ぐ上の位置でゼロに減速させる（３２２）。その後、制御装置は、第３の電圧でコイルを付勢し、弁を弁座にそっと据え付け、弁を据え付け位置に保持する（３２４）。或いは、そっと据え付けるステップ３２４は省かれてもよく、減速ステップ３２２が、弁を十分に据え付けるために使用されてもよい。この際、電圧極性が、開指令が受信されるまで、弁を閉位置に保持するように切り替えられる。

図１７は、コンピュータの弁タイミングシーケンスプログラム、コイルアクチュエータ、センサ、メモリ、及び（コンピュータのメモリに記憶されるソフトウェアである場合がある）エンジン効率モジュールを含む、ＩＣＥ処理システムにおけるいくつかの部品の観点からの、弁駆動プロセスフローの一部の図を提供している。タイミングシーケンスプログラムは、タイミングシーケンスデータを読み込むステップ３００と、閉ループシーケンスに入るステップ３０２と、弁が開くように指令を出すステップ３０４と、弁が閉じるように指令を出すステップ３０６との上述のステップを含む。コイルアクチュエータ論理動作は、開シーケンス３０８のステップと、弁を開いた状態に保持するステップ３１８と、閉シーケンス３１０のステップと、弁を閉じた状態に保持するステップ３２４との上述のステップを含む。

ＩＣＥが動作する場合、複数のセンサ３２６は、（絞り位置、絞りエアバイパス、エンジン冷却液温度、排気ガス酸素レベル、風量計、ノックセンサ、気圧センサ、点火ピックアップ、点火モジュール、排気ガス再循環（ＥＧＲ）シャットオフ、燃料噴射器、クラッチ、車両負荷等を含めて）それぞれのデータを、コンピュータのメモリモジュール３３０におけるセンサメモリ領域３２８に送信する。燃焼シーケンスデータ３３２も、メモリ３３０に記憶される。

エンジン効率モジュール３３４又は論理も、コンピュータに含まれるか、又はスタンドアロンモジュールの一部として含まれる。このモジュールは、コンピュータに含まれるプロセッサによって読み込まれ、かつ実行され得る非推移的なメモリにプログラムされた、実行可能なソフトウェアコードとして形成される場合がある。エンジン効率モジュール３３４は、センサデータ及び燃焼シーケンスデータのいくつか又はすべてを、メモリから読み込む（３３６）ステップを含む。検索されたデータ内のパターンが識別され、燃焼シーケンスデータが、データ検索及びパターン照合ステップ３３６に従って、メモリ領域３３２内で更新される。その後、モジュール３３４は、周期的にウェイクアップされる（３４２）まで、終了する（３４０）。周期的なウェイクアップ信号が、設定された時間（例えば１秒毎に数回）に応答して、又はクランクシャフトの数回の回転毎もしくはコンピュータのプロセッサにおける数回のクロックサイクル毎に、タイマによって提供される場合がある。上述のシステム及び論理により、多種多様な動作状況及び変数に基づき、弁のタイミング及び動きを動的に調整する制御装置が提供される。

このシステム論理を使用すると、弁の位置、速度、及び加速度が、電子弁制御コンピュータの非推移的なメモリにプログラムされた論理によって制御される場合、弁ストローク中と、１つのストロークから次のストロークにかけてとの両方の場合に変動し得る。

最も実践的で好ましい例示的な実施形態であると現在見なされているものと関連させて本発明を説明してきたが、本発明が、開示された例示的な実施形態に限定されるものではないことは、当業者には明らかであろう。多くの修正形態及び均等な構成が、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく、ここから生み出される可能性があり、このような範囲は、すべての均等な構造体及び製品を包含するために、添付の特許請求の範囲における最も広い範囲と一致させるべきであることが、当業者には容易に明らかになるであろう。

本発明の特許請求の範囲を解釈するために、「〜のための手段」又は「〜のためのステップ」という特定の用語が、特許請求の範囲内で述べられていない限り、米国特許法第１１２条第６段落の規定が行使されるべきではないことが、明示的に意図されている。

Claims (20)

1. ハウジング内に長手方向軸線に沿って定められた移動開口を含む前記ハウジングであって、
   ステム及び遠位頭部を含む弁部材であって、少なくとも前記ステムが強磁性材料を含む弁部材と、
   前記弁部材の前記ステムの少なくとも一部を囲み、巻き線と前記弁の前記ステムとの間にエアギャップを形成する、複数の前記ワイヤ巻き線を含む固定コイルと、
   電流を前記固定コイルに選択的に加えることが、前記ハウジングの前記移動開口に沿って直線的に横切るように、前記弁ステムを対応して駆動しかつ動かすように、前記固定コイルと動作可能に通信している電源入力部と
   を含むハウジングを備えるリニア駆動電磁弁組立体。
2. 前記移動開口を横断中、前記ステムが振動することを防止するように適合させられた少なくとも１つの軸受をさらに含む、請求項１に記載のリニア駆動電磁弁組立体。
3. 弁ガイドをさらに含む、請求項１に記載のリニア駆動電磁弁組立体。
4. 前記ハウジングが、内燃機関の頭部に設けられている、請求項１に記載のリニア駆動電磁弁組立体。
5. 前記遠位頭部が、前記頭部で選択的に封止を行うように適合させられた、請求項４に記載のリニア駆動電磁弁組立体。
6. 前記弁部材の前記ステムが、一般に中空である、請求項１に記載のリニア駆動電磁弁組立体。
7. 前記弁部材の前記ステムが、一般に中身が詰まっている、請求項１に記載のリニア駆動電磁弁組立体。
8. 前記弁ステムを選択的に駆動するために、前記電源入力部と動作可能に通信している電子弁制御コンピュータをさらに含む、請求項１に記載のリニア駆動電磁弁組立体。
9. 前記電子弁制御コンピュータが、前記弁部材の前記ステムにおける横断の方向を制御するために、選択的な電圧極性を加えることができる、請求項８に記載のリニア駆動電磁弁組立体。
10. ハウジング内に長手方向軸線に沿って定められた移動開口を含む前記ハウジングであって、
    ステム及び遠位頭部を含む弁部材であって、少なくとも前記ステムが強磁性材料を含む弁部材と、
    前記弁部材の前記ステムの少なくとも一部を囲む、複数の前記ワイヤ巻き線を含む固定コイルと、
    少なくとも１つの弁位置センサと、
    前記ハウジングの前記移動開口に沿って直線的に横切るように、前記弁ステムを対応して駆動しかつ動かす目的で、電流を前記固定コイルに選択的に加えるように、前記固定コイル、及び前記少なくとも１つの弁位置センサと動作可能に通信している電子弁制御システムと
    を含むハウジングを備えるリニア弁アクチュエータシステム。
11. 前記移動開口を横断中、前記ステムが振動することを防止するように適合させられた少なくとも１つの軸受をさらに含む、請求項１０に記載のリニア弁アクチュエータシステム。
12. 前記ハウジングが、内燃機関のシリンダ頭部に設けられている、請求項１０に記載のリニア弁アクチュエータシステム。
13. 前記電子弁制御コンピュータが、前記弁部材の前記ステムにおける横断の前記方向を制御するために、選択的な電圧極性を加えることができる、請求項１０に記載のリニア弁アクチュエータシステム。
14. 前記電子弁制御システムが、プロセッサ及びメモリを含み、前記メモリが、複数のセンサからのデータと、前記電子制御システムの前記動作を管理するためのソフトウェアコードとを格納し、前記コードが、第１の加速度で前記弁部材を加速させるために、第１の極性を前記コイルに加え、かつ前記弁が所定の開位置に到達するまで、前記弁部材を減速させるために、前記コイルに加えられた極性の反転を開始することにより、前記弁に開くように指令を出すための論理を含む、請求項１０に記載のリニア弁アクチュエータシステム。
15. 前記電子弁制御システムが、プロセッサ及びメモリを含み、前記メモリが、複数のセンサからのデータと、前記電子制御システムの前記動作を管理するためのソフトウェアコードとを格納し、前記コードが、第１の加速度で前記弁部材を加速させるために、第１の極性を前記コイルに加え、前記弁が前記弁座に隣接する所定の位置に到達するまで、前記弁部材を減速させるために、前記コイルに加えられた極性の反転を開始し、かつ前記弁部材をそっと据え付け、前記弁部材を閉位置に保持するために、第３の電圧をかけ始めることにより、前記弁に閉じるように指令を出すための論理を含む、請求項１０に記載のリニア弁アクチュエータシステム。
16. 弁のための制御方法であって、
    開方向に第１の開加速度で前記弁を加速させるために、第１の極性で固定コイルに第１の電圧を加えることと、
    前記弁が所定の開位置に到達するまで前記弁を減速させるために、前記第１の電圧とは逆の極性を有する第２の電圧を、前記コイルに加えることと、
    前記弁を前記開位置で保持することと、
    閉方向に第１の閉加速度で前記弁部材を加速させるために、第３の電圧を、前記第１の極性とは逆の極性で、前記コイルに加えることと、
    前記弁が弁座に隣接する所定の閉位置に到達するまで、前記弁を減速させるために、前記第３の電圧極性とは逆の極性を有する第４の電圧を、前記コイルに加えることと、
    前記弁をそっと据え付け、前記弁を閉位置に保持するために、第５の電圧を、前記第１の極性とは逆の極性で加えることとを含む方法。
17. 弁タイミングシーケンスデータをメモリモジュールから読み込むことと、読み込まれた前記弁タイミングシーケンスデータに基づき、前記第１の電圧及び前記第３の電圧をかけ始めることとをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
18. 複数のセンサからのデータをメモリモジュールに書き込むことをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
19. 前記メモリモジュール内の燃焼シーケンスデータを更新することをさらに含む、請求項１８に記載の方法。
20. 弁位置を感知することと、制御ロジックを用いてプログラムされたプロセッサで使用するために、弁の速度及び加速度の値を計算することとをさらに含む、請求項１６に記載の方法。