JP2020143616A - 内燃機関の吸排気弁 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁石を含む駆動機構が過熱状態になることを防止し、常に、正常に開閉動作する吸排気弁を提供する。【解決手段】ハウジング４２は、吸気ポートおよび／または排気ポートに設けられ、ポートの中心軸から放射状に延びる複数の固定スリット５７が形成される。弁体６０、６８はハウジング４２の板状部５６に隣接して設けられ、排気ポートの中心軸の周りに回転可能であり、中心軸から放射状に延びる複数の可動スリット６１、６７が形成される。駆動機構は、弁体６０、６８を中心軸の周りに回転変位させて固定スリット５７と可動スリット６１、６７の相対位置関係を変化させる。遮熱機構は吸気ポートおよび／または排気ポートに近接して配置され、駆動機構の温度上昇を抑制する。【選択図】図２

Description

本発明は、自動車用エンジン等の内燃機関において、吸排気ポートを開閉する吸排気弁に関する。

従来、内燃機関の吸排気ポートを開閉する吸排気弁として特許文献１に記載された構成が知られている。この吸排気弁は吸排気ポートに設けられた板状部を有し、板状部には、ポートの中心軸から放射状に延びる複数の固定スリットが形成される。板状部に隣接して弁体が設けられ、弁体は中心軸の周りに回転可能であり、中心軸から放射状に延びる複数の可動スリットが形成される。弁体は電磁石によって回転駆動され、これにより固定スリットと可動スリットの相対位置関係が変化して吸排気弁が開閉する。

ＷＯ２０１８／０５５７１１

上述した従来の吸排気弁を開閉する駆動機構は、電磁石に生じる磁極の反転を利用しており、電磁石は内燃機関のシリンダヘッドに近接して設けられる。したがって内燃機関の運転時、電磁石は高温度環境下におかれ、このため電磁石がキュリー温度以上に高められて、吸排気弁が開閉しなくなるおそれがある。

本発明は、電磁石により開閉駆動される吸排気弁において、電磁石を含む駆動機構が過熱状態になることを防止し、常に、正常に開閉動作する吸排気弁を得ることを目的としている。

本発明に係る内燃機関の吸排気弁は、燃焼室に臨む吸気ポートおよび／または排気ポートに設けられ、ポートの中心軸から放射状に延びる複数の固定スリットが形成された板状部を有するハウジングと、板状部に隣接して設けられ、中心軸の周りに回転可能であり、中心軸から放射状に延びる複数の可動スリットが形成された弁体と、弁体を中心軸の周りに回転変位させて固定スリットと可動スリットの相対位置関係を変化させる駆動機構と、吸気ポートおよび／または排気ポートに近接して配置され、駆動機構の温度上昇を抑制する遮熱機構とを備えることを特徴としている。

駆動機構は例えば、ハウジングに対して中心軸の周りに回転可能に取付けられ、中心軸の周りに分散して配置された永久磁石が設けられた環状部材と、ハウジングの外側に設けられ、永久磁石に対応した位置に配置された電磁石とを備える。この場合、遮熱機構は永久磁石の内側に配置されることが好ましい。また遮熱機構は、永久磁石の内側に形成され、冷却液が流通する第１の冷却通路を有してもよい。

遮熱機構は、電磁石の鉄心の外側を冷却液が流通するように形成された第２の冷却通路を有してもよい。また遮熱機構は、吸排気弁が設けられるエンジン本体のシリンダヘッドに形成され、駆動機構の近傍を冷却液が流通するように形成された第３の冷却通路を有してもよい。

本発明によれば、電磁石により開閉駆動される吸排気弁において、電磁石を含む駆動機構が過熱状態になることを防止し、常に、正常に開閉動作する吸排気弁を得ることができる。

本発明の第１実施形態である吸排気弁を備えたエンジンの要部の構成を示す断面図である。 第１実施形態の排気弁を分解して示す断面図である。 第１実施形態の排気弁を分解して示す斜視図である。 第１実施形態の排気弁の組立て状態を示す断面図である。 第１実施形態の排気弁を示す平面図である。 第２実施形態の吸排気弁を備えたエンジンの要部の構成を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の第１実施形態を説明する。
図１を参照すると、シリンダブロック１０の上部に、半球状内壁面１１を有するシリンダヘッド１２が設けられ、シリンダブロック１０内に昇降自在に設けられたピストン１３の上面１４と半球状内壁面１１との間に燃焼室１５が形成される。ピストン１３は、上面１４がシリンダヘッド１２の平面部１６、すなわち半球状内壁面１１の下縁の近傍まで上昇する。

シリンダヘッド１２の頂部に点火プラグ２０が取付けられる。点火プラグ２０のスパーク電極２１は半球状内壁面１１から燃焼室１５内に向けて突出している。シリンダヘッド１２の点火プラグ２０の近傍には、燃焼室１５内に燃料を噴射供給するための直噴型燃料インジェクター２２が取付けられる。燃料インジェクター２２はピストン１３の上面１４に向けて燃料を噴射するように設けられる。

シリンダヘッド１２には、燃焼室１５に臨む吸気ポート３０と排気ポート４０が設けられる。吸気ポート３０には吸気弁３１が取付けられ、排気ポート４０には排気弁４１が取付けられる。吸気弁３１のハウジング３２はシリンダヘッド１２に固定され、ハウジング３２の内側には環状部材３３が設けられる。環状部材３３はハウジング３２に対して、吸気ポート３０の中心軸の周りに回転可能である。環状部材３３に隣接させて遮熱機構３４が設けられ、遮熱機構３４には図示しない吸気管が取付けられる。同様に、排気弁４１のハウジング４２はシリンダヘッド１２に固定され、ハウジング４２の内側には環状部材４３が設けられる。環状部材４３はハウジング４２に対して排気ポート４０の中心軸の周りに回転可能である。環状部材４３に隣接させて遮熱機構４４が設けられ、遮熱機構４４には図示しない吸気管が取付けられる。

図２〜４を参照して排気弁４１の構成を概略的に説明する。なお吸気弁３１の構成も排気弁４１と同じであるので、吸気弁３１の構成の説明は省略する。

ハウジング４２の下端部であるフランジ５０は、シリンダヘッド１２の内壁面１１に固定され、フランジ５０の表面は内壁面１１の一部を構成する。ハウジング４２の筒状本体５１には冷却液が流動する冷却通路５２が形成される。また筒状本体５１には、後述する電磁石５３の鉄心５４が挿入される取付け孔５５が形成される。取付け孔５５は径方向に延び、筒状本体５１の内周壁側は閉塞されている。なお、冷却通路５２は筒状本体５１の円周形状に沿って延びる１本の環状空間であるが、図２、４に示すように、取付け孔５５に連通しないよう、鉄心５４の挿入部分では上下に分離している。

ハウジング４２の底部である円形の板状部５６には、後述するように、排気ポート４０（図１）の中心軸から放射状に延びる複数の固定スリット５７が形成される（図５参照）。また板状部５６の中心部には第１の弁体６０を取付けるための取付け孔５８が形成される。第１の弁体６０は円板状の部材であり、板状部５６と同様に、排気ポート４０の中心軸から放射状に延びる複数の可動スリット６１が形成される（図５参照）。第１の弁体６０の中心部には連結軸６２が形成され、連結軸６２は取付け孔５８を貫通して板状部５６から突出する。連結軸６２の板状部５６からの突出部分には環状部材４３が固定される。

環状部材４３はハウジング４２の内周面形状に合致した外周面形状を有し、排気ポート４０の中心軸の周りに回転自在であり、ハウジング４２に対して摺動する。環状部材４３の底部の中心部に形成された固定孔６４には、連結軸６２が挿入される。連結軸６２にはネジ穴６５が形成され、環状部材４３の内側からボルト６６をネジ穴６５に螺着することにより、環状部材４３と第１の弁体６０が一体的に固定される。環状部材４３の円板状の底部には、固定孔６４の中心すなわち排気ポート４０の中心軸から放射状に延びる複数の可動スリット６７が形成される（図５参照）。環状部材４３の可動スリット６７は第１の弁体６０の可動スリット６１と同一形状を有し、かつ同じ位置に形成される。すなわち環状部材４３の底部は第２の弁体６８であり、第１および第２の弁体６０、６８は板状部５６に隣接して設けられ、排気ポート４０の中心軸の周りに回転可能である。

環状部材４３には４個の永久磁石７０が設けられる。永久磁石７０は、電磁石５３の鉄心５４の先端に近接するように、排気ポート４０の中心軸の周りに分散して配置される。鉄心５４において、ハウジング４２の筒状本体５１の外側に位置する円弧状部分の外周面には、管状の断熱シール７１が嵌合される。断熱シール７１には電磁石コイル７２が巻回され、電磁石コイル７２の外周面は防熱シール７３により被覆される。電磁石コイル７２の両端は図示しない制御回路に電気的に接続され、電磁石コイル７２に通電することにより鉄心５４の磁極が変化し、第１および第２の弁体６０、６８がハウジング４２に対して回転変位する。

したがって、永久磁石７０が設けられた環状部材４３と、永久磁石７０に対応した位置に配置された電磁石５３は、弁体６０、６８を排気ポート４０の中心軸の周りに回転変位させて、固定スリット５７と可動スリット６１、６７の相対位置関係を変化させる駆動機構を構成する。

環状部材４３の内側には、下側スリーブキャップ８０が嵌合される。下側スリーブキャップ８０の本体８１は、環状部材４３の内周面形状に合致した外周面形状を有する筒状部材であり、永久磁石７０の内側に配置される。筒状本体８１には、その軸心に同心的な環状空間である冷却通路８２が形成され、また筒状本体８１の上端部には鍔状部８３が一体的に設けられる。鍔状部８３は本体８１の開口部を囲繞する円形の板状部材であり、下側スリーブキャップ８０を環状部材４３に装着した状態において、鍔状部８３の下面は環状部材４３の上面と、ハウジング４２の筒状本体５１の上面に密着する。

一方、鍔状部８３の上面には上側スリーブキャップ８４が設けられる。上側スリーブキャップ８４は、下側スリーブキャップ８０の筒状本体８１に連続する筒状本体８５と、筒状本体８５の外周面から外方に広がるカバー８６とを有する。カバー８６の外径は鍔状部８３の外径と同じである。カバー８６の外周縁部８７は下方へ突出し、これによりカバー８６の下側には、環状空間である冷却通路８８が形成される。ハウジング４２内に環状部材４３が取付けられ、かつ環状部材４３内に下側スリーブキャップ８０が取付けられた状態で、上側スリーブキャップ８４は、ボルト８９により、ハウジング４２の筒状本体５１に固定される。ボルト８９は、上側スリーブキャップ８４の外周縁部８７と鍔状部８３を貫通し、筒状本体５１に螺着される。

鍔状部８３には、上側スリーブキャップ８４の冷却通路８８とハウジング４２の筒状本体５１の冷却通路５２とを連通させるための第１の円弧状長穴９０と、冷却通路８８と下側スリーブキャップ８０の冷却通路８２とを連通させるための第２の円弧状長穴９１とが形成される。したがって冷却通路５２、８２、８８は相互に連通し、図示しない冷却液源から供給される冷却液が流通して、特に永久磁石７０と鉄心５４を間接的または直接的に冷却する。なお永久磁石７０は、キュリー温度の高いものが好ましく、例えばサマリュウムコバルトを採用することができる。

このように、下側スリーブキャップ８０と上側スリーブキャップ８４とハウジング４２の筒状本体５１とは、それぞれ冷却通路８２、８８、５２が形成され、燃焼室１５内の混合気や排気ポート４０を通る排気ガスの熱が駆動機構に伝達して駆動機構の温度が上昇するのを抑制する遮熱機構４４を構成する。遮熱機構４４において、下側スリーブキャップ８０の冷却通路８２は永久磁石７０の内側に配置された第１の冷却通路である。またハウジング４２筒状本体５１の冷却通路５２と、上側スリーブキャップ８４の冷却通路８８とは、電磁石５３の鉄心５４の外側を冷却液が流通するように形成された第２の冷却通路である。

なおハウジング４２と環状部材４３と下側スリーブキャップ８０と上側スリーブキャップ８４は、例えば酸化アルミナにより成形される。同様に弁体６０も酸化アルミナにより成形される。

図５を参照して、排気弁４１を開閉駆動するための構成を説明する。
可動スリット６１、６７は中心部（排気ポートの中心軸）から放射状に延び、等角度間隔（この例では６０°）に形成され、中心から遠い部分ほど幅が広くなるような扇形を呈する。固定スリット５７も同様に、中心部から放射状に延び、等角度間隔（６０°）に形成され、可動スリット６１、６７と同じ形状を呈する。したがって固定スリット５７に対して、可動スリット６１、６７を３０°回転変位させることにより、排気弁４１は開閉される。なお、図５の状態では、隣接する２つの固定スリット５７の間に可動スリット６１、６７が位置しており、排気弁４１は全閉している。

永久磁石７０は環状部材４３において４個設けられており、以下の説明では、第１〜第４の永久磁石７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄと呼ぶ。図５において、第１の永久磁石７０ａと第３の永久磁石７０ｃは時計の１２時と６時の位置にあり、第２の永久磁石７０ｂと第４の永久磁石７０ｄは時計の２時と８時の位置にある。一方、電磁石５３において、筒状本体５１の取付け孔５５（図４参照）に挿入される鉄心５４の位置は、時計の１２時と３時と６時と９時である。

永久磁石７０ａ〜７０ｄは、例えばＮ極が外周側に定められて環状部材４３に固定される。図５は、１２時と６時の位置の鉄心５４に永久磁石７０ａ、７０ｃが正対し、排気弁４１が閉弁している。ここで電磁石コイル７２にパルス電流が供給され、３時と９時の位置の鉄心５４がＳ極に励磁されると、永久磁石７０ｂ、７０ｄがそれぞれ３時と９時の位置に、また永久磁石７０ａ、７０ｃがそれぞれ１時と７時の位置に定められるように環状部材４３が時計回りに回転変位して、排気弁４１は開弁し、電流の供給は停止する。その後、電磁石コイル７２にパルス電流が供給され、１２時と６時の位置の鉄心５４がＳ極に励磁されると、永久磁石７０ａ、７０ｃがそれぞれ１２時と６時の位置に、また永久磁石７０ｂ、７０ｄがそれぞれ２時と８時の位置に定められるように環状部材４３が反時計回りに回転変位して、排気弁４１は閉弁し、電流の供給は停止する。

このように電磁石コイル７２に供給されるパルス電流の向きに応じて、鉄心５４の磁極が変化し、排気弁４１は開閉動作する。排気弁４１が開弁状態あるいは閉弁状態にあるとき、電流は供給されず、鉄心５４は消磁している。このとき、永久磁石７０ａ〜７０ｄは４つの鉄心５４との間に作用する引力が釣り合った位置で停止する。例えば図５の状態のとき、この図示状態よりも時計回りに数度（この角度をａとする）回動した位置において環状部材４３が静止する。このような消磁状態において、可動スリット６１、６７と固定スリット５７が部分的に重なり合うと、排気ポート４０が部分的に開放することとなり、好ましくない。したがって、消磁状態でも可動スリット６１、６７と固定スリット５７が部分的に重ならないように、永久磁石７０ａ〜７０ｄの位置を決めることが必要である。これについて次に説明する。

永久磁石７０ｂと３時の鉄心５４の先端とが相互に離間して、その間隔の大きさがｂであるとする。間隔ｂが小さくなるほど、また間隔ｂが負の値の場合はその絶対値が大きくなるほど、永久磁石７０ｂと鉄心５４の間に作用する引力が大きくなって、環状部材４３の時計方向への回転変位量が大きくなる。すなわち１２時の永久磁石７０ａに対する２時の永久磁石７０ｂの相対角度位置は、間隔ｂの大きさに応じて変化する。図５の例において、永久磁石７０ｂは、２時よりも角度ａだけ３時に近い角度位置にあり、この角度ａ（すなわち永久磁石７０ｂの２時からのずれの大きさ）は間隔ｂに応じて、実験等により定められる。

吸気弁３１も排気弁４１と同様な構成を有し、電磁石コイル７２に供給する電流の向きを制御することにより開閉する。エンジンの吸気工程では、排気弁４１が閉塞した状態で吸気弁３１が開放し、ピストン１５の下降動作によって空気が吸気ポート３０から燃焼室１５へ吸入される。圧縮行程では、吸気弁３１と排気弁４１が閉弁しており、ピストン１５が上昇するのに伴い燃料インジェクター２２から燃料が噴射され、燃焼室１５内に混合気が生成される。その後、点火プラグ２０によって混合気が点火され、燃焼する。爆発行程の後、排気行程では排気弁４１が開放され、ピストン１５の上昇により排気ガスが排気ポート４０から排出される。

排気弁４１の開閉動作を例にとって本実施形態の利点を説明する。
爆発行程から排気行程に移るとき、排気弁４１は閉塞状態から開放状態に変化する。爆発行程では燃焼室１５内が高圧であるため、弁体６０の上面がハウジング４２の板状部５６に密着する。したがって排気行程では、弁体６０とハウジング４２の板状部５６との間の摩擦力に打ち勝つだけの回転力が環状部材４３に生じるような電流を電磁石コイル７２に供給することが必要であるが、排気弁４１は、電磁石５３を除き、酸化アルミナから成形されているので、その摩擦力は小さく、弁体６０と環状部材４３はスムーズに回動する。

さらに本実施形態では、冷却通路８２、８８、５２が形成され、環状部材４３や電磁石５３の近傍には常時冷却液が供給されるので、排気弁４１の温度上昇が抑えられる。また排気行程では、従来のポペット弁と比較して、排気弁４１が閉塞状態から全開するまでの時間が短く、したがって排気ポート４０内を流動する排気ガスの単位時間あたりの流量が大きいので、排気弁４１の温度は上昇しにくい。このため、電磁石５３がキュリー温度に達することはなく、排気弁４１は、常に正常に開閉動作することが可能になる。

またエンジンブレーキの作用において、排気弁４１が全閉状態にあってピストン１３が上昇しているとき、燃焼室１５内は正圧状態にあるが、弁体６０がハウジング４２の板状部５６の下面に密着して、高いシール性が確保されるので、燃焼室１５内の空気が排気弁４１を通って排気管へ漏出することはない。またピストン１３が下降しているときは、燃焼室１５内は負圧状態にあるが、環状部材４３の底部がハウジング４２の板状部５６の上面に密着して、高いシール性が確保されるので、排気管内の空気が排気弁４１を通って燃焼室１５内に流入することはない。

上述した排気弁４１の開閉動作やエンジンブレーキ時の作用は、吸気弁３１でも同様である。
このように吸気弁３１と排気弁４１は電磁弁であるので、電磁石５３に対する通電状態を制御するだけで開閉し、従来のようにカムシャフトやロッカーアーム等の駆動機構が不要である。したがってエンジンの上方に設けられる部品のための空間が不要になり、エンジンを小型化することができる。また、吸気弁３１と排気弁４１の開閉動作は従来よりも高い自由度で制御可能である。

図６は第２実施形態の吸排気弁３１、４１を示している。第１実施形態との違いは、吸排気弁３１、４１を冷却するための構成である。すなわち第２実施形態では、ハウジング４２は設けられず、環状部材４３はシリンダヘッド１６に直接取付けられ、シリンダヘッド１６には、環状部材４３や鉄心５４等の駆動機構を冷却するための第３の冷却通路９２が形成される。

第２実施形態によれば、ハウジング４２が省略されることにより、第１実施形態よりも構成が簡単になる。

１５ 燃焼室
３０ 吸気ポート
３４ 遮熱機構
４０ 排気ポート
４２ ハウジング
４３ 環状部材（駆動機構）
４４ 遮熱機構
５１ 筒状本体（遮熱機構）
５３ 電磁石（駆動機構）
５６ 板状部
５７ 固定スリット
６０、６８ 弁体
６１、６７ 可動スリット
８０ 下側スリーブキャップ（遮熱機構）
８４ 上側スリーブキャップ（遮熱機構）

Claims (6)

1. 燃焼室に臨む吸気ポートおよび／または排気ポートに設けられ、前記ポートの中心軸から放射状に延びる複数の固定スリットが形成された板状部を有するハウジングと、
   前記板状部に隣接して設けられ、前記中心軸の周りに回転可能であり、前記中心軸から放射状に延びる複数の可動スリットが形成された弁体と、
   前記弁体を前記中心軸の周りに回転変位させて前記固定スリットと可動スリットの相対位置関係を変化させる駆動機構と、
   前記吸気ポートおよび／または排気ポートに近接して配置され、前記駆動機構の温度上昇を抑制する遮熱機構とを備える
   ことを特徴とする内燃機関の吸排気弁。
2. 前記駆動機構が、前記ハウジングに対して前記中心軸の周りに回転可能に取付けられ、前記中心軸の周りに分散して配置された永久磁石が設けられた環状部材と、前記ハウジングの外側に設けられ、前記永久磁石に対応した位置に配置された電磁石とを備えることを特徴とする請求項１に記載の吸排気弁。
3. 前記遮熱機構が前記永久磁石の内側に配置されることを特徴とする請求項２に記載の吸排気弁。
4. 前記遮熱機構が前記永久磁石の内側に形成され、冷却液が流通する第１の冷却通路を有することを特徴とする請求項３に記載の吸排気弁。
5. 前記遮熱機構が前記電磁石の鉄心の外側を冷却液が流通するように形成された第２の冷却通路を有することを特徴とする請求項２に記載の吸排気弁。
6. 前記遮熱機構が、前記吸排気弁が設けられるエンジン本体のシリンダヘッドに形成され、前記駆動機構の近傍を冷却液が流通するように形成された第３の冷却通路を有することを特徴とする請求項１に記載の吸排気弁。

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