JP2606740B2

JP2606740B2 - バルブのステッピング駆動装置

Info

Publication number: JP2606740B2
Application number: JP1112505A
Authority: JP
Inventors: 英男河村
Original assignee: 株式会社いすゞセラミックス研究所
Priority date: 1989-05-01
Filing date: 1989-05-01
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2012-05-07
Also published as: JPH02291412A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、エンジン吸排気を制御するバルブのステッ
ピング駆動装置に関する。

（従来の技術）通常のエンジンにおける吸排気バルブの開閉駆動装置
は、カムシャフト及びリンク機構をエンジンに付設して
おり、そのためにエンジンが大型化している。また該カ
ムシャフトはエンジンの出力軸により駆動されるため、
カムシャフト及びリンク機構を駆動する際の摩擦抵抗等
によりエンジン出力の一部が消費され、エンジンの実効
出力が低下する。さらにエンジンの回転速度に応じて吸
排気バルブの開閉タイミングを変更することが困難であ
り、予め特定エンジン回転数に合わせてバルブ開閉タイ
ミングを調整しているため、エンジンが該特定エンジン
回転数より高速、あるいは低速で運転される時には、エ
ンジンの出力及び効率の低下が避けられない。

上記問題点は、吸排気バルブの開閉駆動をカムシャフ
トによらず電磁石で行なうことにより解決され得る。こ
うしたバルブの駆動装置は、特開昭58−183805号公報、
あるいは特開昭61−76713号公報に記載されている。

（発明が解決しようとする課題）このような吸排気バルブのシャフト部に可動磁極を形
成し、エンジンに固定された磁極との間で作用する磁力
により該シャフト部を往復させバルブの開閉を制御する
バルブの駆動装置は、吸排気バルブ共に開閉動作途中で
は小駆動力で制御できるが、開動作開始時にはシリンダ
の内圧に抗して駆動しなければならず、一般的に開方向
への大駆動力が必要とされる。

しかし、上記２つの公報により開示されているバルブ
の駆動装置では、開動作開始時において、特に駆動力を
増強する構成は記載されていない。また、クランク角を
検出して所定のタイミングでバルブに開動作指令を与え
ても、バルブ駆動装置がエンジン回転速度と無関係に一
定の遅れ時間をもって動作を開始することになれば、エ
ンジン効率を最大にするタイミングでのバルブの開閉が
できないことになる。

そこで、バルブに対する初期駆動力はエンジン回転速
度の増加に応じて増大するように設定することが不可欠
であるが、それに必要な電磁力を発生させて開閉制御す
るには装置が大型となるという問題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもの
で、エンジンの吸排気バルブの開閉駆動を、カムシャフ
トによらずに該吸排気バルブの軸端部に配設したリニア
パルスモータにより開閉駆動を行なう際に、開動作開始
時に吸排気バルブに対し作用させる開方向への初期駆動
力を、エンジン回転数の増加に伴ない増大させることが
できるバルブのステッピング駆動装置を提供することを
目的としている。

（課題を解決するための手段）本発明によれば、エンジンの吸排気バルブに連結し、
該バルブの往復運動方向に所定間隔離れて配列された複
数の可動磁極と、該可動磁極の各々と連結し吸排気バル
ブの往復運動方向の内の同方向側に設けられた磁性体
と、エンジンに固定され、該磁性体を介して可動磁極の
各々の極性を制御するコイルと、該可動磁極と対峙しエ
ンジンに固定され、該可動磁極の間隔と異る間隔で配列
された極性が交互な複数個の永久磁石と、エンジンの回
転速度に応じて吸排気バルブの開動作開始時における開
動作を加速する加速手段と、上記コイルへの通電を制御
し、可動磁極と永久磁石との間に作用する電磁力を所定
方向に一致させる通電制御手段とを有することを特徴と
するバルブのステッピング駆動装置を提供できる。

（作用）本発明のバルブのステッピング駆動装置では、開動作
開始時における吸排気バルブへの初期駆動力をエンジン
回転速度の増加に伴ない増大させるので、吸排気バルブ
の開動作遅れがなく、しかも吸排気バルブが開閉方向に
移動しても電磁石による一定した駆動力で安定した開閉
制御を行なうことができ、各回転速度において最適条件
でエンジンを運転することができる。

（実施例）以下、本発明の一実施例を図面に従って詳細に説明す
る。

第１図は本発明による駆動装置を示すブロック図であ
る。

以下、吸排気バルブの内、主に吸気バルブについて説
明する。

図は本発明による駆動装置を示すブロック図であり、
第１図は、エンジンに設置される複数の吸排気バルブの
うちの吸気バルブのステッピング駆動装置について説明
する。

１は窒化珪素（Si₃N₄）の高強度軽量セラミックス材
料で形成された吸気バルブである。該吸気バルブ１はス
プリング11により吸気口を閉塞する方向に付勢され、か
つバルブガイド12によりその軸部が軸方向自在にエンジ
ンブロックに対して軸承されている。吸気管路の終点で
ある吸気口にはバルブシート13が配設され、吸気バルブ
１の傘部とバルブシート13とが密着し該吸気口を閉鎖し
ている。また吸気バルブ１には、上部磁極23を構成する
上部磁性体21と、下部磁極33を構成する下部磁性体31と
が、樹脂等からなるシム14を介してその軸端部外周に嵌
合している。なお、これら上部磁極23と下部磁極33と
は、吸気バルブ１の可動磁極を形成しており、内周側の
上部磁性体21は、外周側の下部磁性体31より長尺に形成
され、かつそれらは上記シム14により所定ピッチＰだけ
隔てられている。

上部磁極23及び下部磁極33の外周部分には、固定磁極
をなす導磁体４が配置されている。この導磁体４には、
それぞれ励磁コイルが巻設され、（3/2）Ｐの間隔で吸
気バルブ１の移動方向に突起する４つの磁極41・42・43
・44が並設されている。

５は、コントロールユニットであり、ここには入出力
インターフェイス54の他に、データ及び演算結果を一時
記憶するRAM53、プログラム及び各種の関係マップを記
憶するROM52、ROM52に記憶されたプログラムの下に演算
を行なうCPU51、コントロールユニット５内部の信号の
流れを制御するコントロールメモリ55などにより構成さ
れている。

また、上部磁性体21の下部露出面に対向する固定磁極
48には、上部磁性体21に磁力線を作用させて上部磁極23
の磁性を制御する第１電磁コイル22が、吸気バルブ１の
移動位置を検知する位置センサ６とともに配設され、下
部磁性体31の下部露出面に対向する固定磁極47には、下
部磁性体31に磁力線を作用させて下部磁極33の極性を制
御する第２電磁コイル32が配設されている。つまり、上
部磁性体21と第１電磁コイル22とにより電磁石２が構成
され、下部磁性体31と第２電磁コイル32とにより下部電
磁石３が構成される。更に、導磁体４の上部には、吸気
バルブ１の閉状態時に、上記上部磁極23の上面と微小間
隔で対向するスタータ用の磁極45と、その極性を制御す
るスターコイル49とが設けられている。

これら第１電磁コイル22、第２電磁コイル32は、それ
ぞれ上部電磁石２の磁極23にＮ極を発生させ、下部電磁
石３の磁極33にＳ極を発生させるものであり、吸気バル
ブ１を駆動する４つの磁極41・42・43・44のうち、磁極
41、43のコイルには駆動信号S₁が、磁極42、44のコイル
には駆動信号S₂が、更にバッテリ８からスタータコイル
49への通電を制御するスイッチ81には、駆動信号S₃がそ
れぞれコントロールユニット５から供給され、各磁極の
極性を制御するようにしている。つまり、エンジン７出
力軸近傍には、出力軸の回転数及び回転位相を検知する
回転センサ９が配置され、この回転センサ９及び上記位
置センサ６の出力信号が、入出力インターフェイス54を
介してコントロールユニット５に入力され、最適なタイ
ミングで吸気バルブ１を制御する駆動信号S₁,S₂,S₃が形
成される。また、第１電磁コイル22、第２電磁コイル32
によって、可動磁極をなす磁極23、33を常時一定の強度
で励磁している。

上記バッテリ８はスイッチ81を介してC,R₁の並列回路
の一端側に接続され、この並列回路の他端側は抵抗R₂を
介してスタータコイル49と接続されている。この並列回
路の容量値Ｃは、コントロールユニット５で設定した所
定の値に切替可能に構成されている。

次に本発明の作用について、第２図により説明する。

第２図は、クランク角とバルブリフト量との関係を示
す図である。図において、横軸はクランク角を示し、縦
軸はバルブリフト量を示し、バルブリフト量が最大リフ
ト時と中間リフト時との場合を示している。

回転センサ９により検知されるエンジン７のクランク
角が吸気バルブ１の開タイミングになると、コントロー
ルユニット５はエンジン７の回転数信号とアクセスペダ
ルの踏込量信号（図示せず）とから、ROM52に記憶され
ている関係マップを基にして、吸気バルブ１の開閉速度
及びバルブリフト量を演算する。そして、該演算結果に
基づき信号S1及びS2を出力すると共に、信号S3を出力す
る。信号S3は、それまでバッテリ８からスタータコイル
49に供給されていた電流を停止するべく、スイッチ81を
オフにする。これにより、スタータコイル49に反転電流
が流れ、それまでＳ極をなしていたスタータ用の磁極45
に、上部電磁石２の磁極23と同一のＮ極を発生させる。
つまりスタータコイル49は、初期駆動力をC,R₁の並列回
路から獲得して、回転速度の増加に応じて増大する排斥
力が磁極45と磁極23との間で作用する。該排斥力により
燃焼室内の圧力に抗して吸気バルブ１は開方向へ駆動さ
れる。一旦、このバルブ１の駆動により吸気口が開口さ
れると、燃焼室内の圧力は急速に低下し、小駆動力で吸
気バルブ１を駆動することができる。したがって位置セ
ンサ４により検知される吸気バルブ１の移動位置が所定
位置以上となればスタータ用の磁極45による駆動力は不
必要となるのでS3を停止し、スイッチ81は再びオンされ
る。

信号S3の停止後、信号S1及びS2により吸気バルブ１は
開方向へと駆動され、演算されたバルブリフト量の位置
で保持された後、開方向へと駆動され吸気口を閉鎖す
る。そして、開動作終了時においても、同じく位置セン
サ６により吸気バルブ１が所定位置まで駆動されたこと
を検知すると、再び信号S3を出力し、吸気バルブ１に対
し電磁力を作用させ、閉方向への移動速度を減速する。
該減速により、緩やかにバルブシート13に着座した後は
信号S3を停止し、次の開タイミングになるまで該閉鎖状
態を保持する。

吸気バルブ１が駆動状態にある時、信号S1及びS2の出
力状態に対応する位置と位置センサ６からの位置信号と
を比較し、出力状態に対応する位置と実際の位置とが相
違する場合には所定の動作によって閉状態へ戻り、故障
診断を行なう。

次に、第３図により吸気バルブ１の開閉駆動原理につ
いて説明する。

図の（ａ）〜（ｅ）は各々吸気バルブ１の駆動装置の
右側を、ステップ毎に表わしている。

磁極41と磁極43に巻設されたコイル及び磁極42と磁極
44に巻設されたコイルとは、それぞれ互いに巻線方向が
逆であるので、常に、固定磁極41と43及び固定磁極42と
44とは異る磁性をなす。また、固定磁極47,48は上部及
び下部磁性体21,31との間隔が微小、かつ吸気バルブ１
の移動により変化しないため、電磁石３と永久磁石２と
の間の磁力線損失が少なく、電磁石2,3の磁極23,33と導
磁体４に形成される各固定磁極との間に作用する吸引及
び反発力が大となるので、吸気バルブ１に対する駆動力
が増大する。

尚、図ではスタータ用の磁極45の記載及びその作用の
記載は、既に説明したところから明らかであるため、省
略している。

（ａ）は、吸気バルブ１が着座位置にある状態を示す。

信号S1及びS2により、固定磁極41と42とにＳ極を発生
させる。すると、電磁石２の磁極23と固定磁極41との間
に作用する吸引力と、電磁力３の磁極33と固定磁極41及
び42との間に作用する反発力とが釣合う位置で、吸気バ
ルブ１は保持されている。

次に、信号S2の通電方向を反転させ固定磁極42の極性
をＮ極に変更する。すると、下部電磁石３のＳ極33と固
定磁極42との間に作用していた反発力が吸引力に反転す
るため、吸気バルブ１は（ｂ）に示す位置に移動する。

次に、信号S1の通電方向を反転させ、固定磁極41の極
性をＮ極に変更すると、上記電磁石２のＮ極22と固定磁
極41との間に作用していた吸引力が反発力に反転し、吸
気バルブ１は（ｃ）に示す位置に移動させる。

次に、信号S2を一旦停止した後、反転することによ
り、吸気バルブ１は（ｄ）に示す位置を経て（ｅ）に示
す位置に移動する。

図に示すように、上記（ａ）〜（ｅ）の各ステップ毎
に吸気バルブ１は（1/3）Ｐ移動する。よって、該ステ
ップ数により吸気バルブ１の移動距離を制御することが
できる。

上記構成のステッピング駆動装置によれば、吸気バル
ブ１の軸端部に設けた上部、下部電磁石2,3からなる可
動磁極と、吸気バルブ１の移動方向に並設された複数の
固定磁石41・42・43・44との間で作用する吸引力、反発
力を制御して、吸気バルブ１の開閉駆動を行なってお
り、かつ開動作開始時における吸排気バルブへの初期駆
動力をエンジン回転速度の増加に伴ない増大させること
ができる。

こうした加速手段を設けることによって、吸排気バル
ブの開動作遅れがなく、しかも吸排気バルブが開閉方向
に移動しても電磁石による一定した駆動力で安定した開
閉制御を行うことができ、各回転速度において最適条件
でエンジンを運転することができる。

また、可動磁極、固定磁極ともに、電磁石により所定
の極性を形成しているから、バルブの移動に必要な所定
の強度の吸引、反発力を得ることができ、永久磁石を使
用する場合のように、エンジンからの熱によって磁束密
度が低減する等の熱的な悪影響を、確実に排除できる。

以上、主に吸気バルブについて本発明の一実施例を説
明したが、排気バルブについても同様に本発明による駆
動装置が適用できることは明白である。尚、本発明の精
神から逸れないかぎりで、種々の異なる実施例は容易に
構成できるから、本発明は前記特許請求の範囲において
記載した限定以外、特定の実施例に制約されるものでは
ない。

（発明の効果）以上説明したように、本発明によれば、エンジンの吸
排気バルブの開閉駆動を、カムシャフトによらずに該吸
排気バルブの軸端部に配設したリニアパルスモータによ
り開閉駆動を行なうので、吸排気バルブに対する駆動力
は開閉移動により変化せず、また開動作開始時に吸排気
バルブに対し作用させる開方向への初期駆動力を、エン
ジン回転数の増加に伴ない増大させることにより安定し
た開閉動作が行なえるバルブのステッピング駆動装置を
提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示すブロック図、第２図
は、クランク角とバルブリフト量との関係を示す図、第
３図は、吸排気バルブの開閉駆動原理を説明する図であ
る。１……吸気バルブ、２……上部電磁石、３……下部電磁
石、５……コントロールユニット、６……位置センサ、
７……エンジン、41・42・43・44……固定磁極、８……
バッテリ、81……スイッチ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジンの吸排気バルブに連結し、該バル
ブの往復運動方向に所定間隔離れて配列された複数個の
可動磁極と、該可動磁極の各々と連結し吸排気バルブの
往復運動方向の内の同方向側に設けられた磁性体と、エ
ンジンに固定され、該磁性体を介して可動磁極の各々の
極性を制御するコイルと、該可動磁極と対峙しエンジン
に固定され該可動磁極の間隔と異る間隔で配列された固
定磁極と、エンジンの回転速度に応じて吸排気バルブを
開動作開始時に開動作方向に加速する加速手段と、上記
コイルへの通電を制御し、可動磁極と固定磁極との間に
作用する電磁力を所定方向に一致させる通電制御手段と
を有することを特徴とするバルブのステッピング駆動装
置。
【請求項２】前記加速手段を、バルブの可動磁極に作用
する磁力を形成する電磁石、この電磁石への電流量を回
転速度に比例して増加させる電流増加手段により構成し
たことを特徴とする請求項（１）に記載のバルブのステ
ッピング駆動装置。