JP2759329B2 - 電磁力バルブ駆動装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電磁石により発生する電磁力によってエン
ジンの吸排気バルブの開閉駆動を行なう電磁力バルブ駆
動装置に関する。

（従来の技術） 従来の吸排気バルブの開閉駆動装置としては、１本の
シャフトに吸気用及び排気用のカムを配したカムシャフ
トを、エンジンの上部もしくは側面に配設する。ベルト
等の回転伝達手段によりエンジンの回転軸であるクラン
クシャフトと該カムシャフトとを連結しエンジン回転位
相と同期してカムシャフトを回転駆動する。該カムシャ
フトのカム面からロッカーアームやプッシングロッド等
のリンク機構を介してバルブの軸端面を押す。吸排気バ
ルブをスプリングにより常に閉状態に保持されており、
バルブ軸端面を押されることにより開口する。

あるいは吸気用のカムを配した吸気カムシャフトと排
気用のカムを配した排気カムシャフトをエンジン上部に
配設し、吸気カムシャフトのカム面で吸気バルブの軸端
部を、そして排気カムシャフトのカム面で排気バルブの
軸端部を直接押すことにより吸排気バルブを開口させ
る。

（発明が解決しようとする課題） このような従来の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せねばなら
ず、そのためエンジンが大型化する。また該カムシャフ
ト及びリンク機構はエンジンの出力軸により駆動される
ため、該カムシャフト及びリンク機構を駆動する際の摩
擦抵抗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。またエンジン運転中に吸排気バ
ルブの開閉タイミングを変更できず、所定のエンジン回
転数に合わせてバルブ開閉タイミングを調整するため、
該所定の回転数と異なる回転数での運転時にはエンジン
の出力及び効率が低下する。上記問題を解決するため
に、カムシャフトによらず電磁石による電磁力により吸
排気バルブの開閉駆動を行なう装置が、特開昭58−1838
05号公報、あるいは特開昭61−76713号公報に記載され
ている。しかし、上記２公報に記載されている装置にお
いて開示された電磁石の構成では、吸排気バルブの駆動
に必要な電磁力を発生させるためには電磁石のコイルに
大電力を供給せねばならず、該コイルからの発熱量が増
大する。そのため相当量の容量を有する冷却装置を付帯
せねばならず、エンジンが大型化するという問題は解決
されない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、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、電磁石による電磁力により駆動する場合に、高効率
かつ高出力の電磁石を有する電磁力バルブ駆動装置を提
供しようとするものである。

（問題点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のうち、少
なくとも吸排気バルブに連結し往復運動自在な可動磁極
を有する電磁力バルブ駆動装置において、上部移動位置
にある前記可動磁極と対向する上部固定磁極と、該固定
磁極と連通する電磁石のヨーク部材解放先端部にあって
下部移動位置にある可動磁極と微少な空隙を有して対向
する先端固定磁極と、ヨーク部材内側の固定磁極と先端
固定磁極との中間にあって、移動途中の可動磁極と微少
な空隙を有して対向する中間固定磁極と、上記固定磁極
を通過する磁束を発生する上部コイルと、先端固定磁極
を通過する磁束を発生させる下部コイルと、を有するこ
とを特徴とする電磁力バルブ駆動装置を提供できる。

（作用） 本発明の電磁力バルブ駆動装置では、吸排気バルブの
駆動力を発生する電磁石の、磁路における磁力線損失が
微小である電磁石の能力が高効率かつ高出力となる作用
がある。

（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。

１はエンジンであり、該エンジン１の出力軸の近傍に
は該出力軸の回転数及び回転位相を検知し信号に変換す
る回転センサ２が配設されている。エンジン１内の吸排
気口の開閉を制御するための吸排気バルブの内、以下主
に吸気バルブについて示す。

９はセラミックス等の非磁性体で形成された吸気バル
ブであり、該吸気バルブ９は軸部をバルブガイド10によ
り軸方向に自在に軸承されている。吸気管路13の吸気口
にはバルブシート11が配設され、吸気バルブ９の傘部と
バルブシート11とが密着し該吸気口を閉鎖している。ま
た吸気バルブ９の軸端部には可動磁極６が接続されてい
る。該可動磁極６とバルブガイド10との間にはエンジン
停止時における吸気バルブ９の降下防止用のスプリング
８が設置されている。可動磁極６の周囲には該可動磁極
６を包囲する電磁石３が設置されている。また可動磁極
６の端面と対向する電磁石３の内面には上部固定磁極3a
が設けられ、可動磁極６の外周面と対向する電磁石３の
ヨーク部材３′内側中間部分には、中間固定磁極3bが周
設されている。そして可動磁極６の軸側部に対抗する電
磁石３の開口部には先端固定磁極3cが配設されている。
上部固定磁極3aと中間固定磁極3bとの間には上部コイル
４が配設され、中間固定磁極3bと先端固定磁極3cとの間
には下部コイル７が配設されている。中間固定磁極3bと
可動磁極６との間は微小な間隙5aを介して接触しておら
ず、先端固定磁極3cと可動磁極６との間は微小な間隙5b
を介して接触していない。

上記回転センサ２と上部コイル４及び下部コイル７は
コントロールユニット12内の入出力インターフェイス12
dと接続されている。該コントロールユニット12内部に
は外部との信号の入出力を行なう該入出力インターフェ
イス12dの他に、プログラム及びデータを予め記憶するR
OM12bと、該ROM12bに記憶されたプログラムの下に演算
を行なうCPU12aと、入力信号及び演算結果を一時記憶す
るRAM12cと、コントロールユニット12内の信号の流れを
制御するコントロールメモリ12eとが設けられている。

次に、本発明による装置の作用について説明する。

第２図は、電磁石３内の磁力線の流れを示し、（ａ）
はバルブの閉状態、（ｂ）は閉状態からの開操作開始
時、（ｃ）は開方向速度減速後の閉方向移動開始時を示
す図である。

（ａ）において、同方向の磁力線が発生するよう上部
コイル４及び下部コイル７に直流電力を供給し励磁す
る。該上部コイル４及び下部コイル７により発生する磁
力線は上部固定磁極3aから電磁石３のヨーク部材３′内
部を通過し先端固定磁極3cへと流れ、該先端固定磁極3c
から間隙5bを介して可動磁極６へ流れ、再び上部固定磁
極3aへと戻る磁路を形成する。

該磁力線の流れにより上部固定磁極3aにはＳ極が発生
し、可動磁極６の該上部固定磁極3aと対向する面にはＮ
極が発生し、互いに吸引する。上部固定磁極3aと可動磁
極６とが接触する直前の位置において、吸気バルブ９の
傘部とバルブシート11とが密着し吸気口を閉鎖する。

（ｂ）に示すごとく、回転センサ２により検知される
エンジン１の回転位相が吸気バルブ９開のタイミングに
なると、上部コイル４への通電方向を反転させる。する
と上部コイル４にて発生する磁力線の方向も反転し、上
部コイル４により発生する磁力線は上部固定磁極3aから
中間固定磁極3bへと流れ、再び上部固定磁極3aへと戻る
磁路を形成する。一方、下部コイル７により発生する磁
力線は該先端固定磁極3cから間隙5bを介して可動磁極６
へ流れ、間隙5aを介し中間固定磁極3bを経て再び先端固
定磁極3cへと戻る磁路を形成する。この場合上部コイル
４と下部コイル７に瞬間的に電流を流すと、大きな磁力
が瞬間的に発生し、空隙5aを通る通路では間に合わず、
3aと６の対向面を抜けようとし大きな反撥力を発生させ
る。

上記のごとく磁路が形成されるため、可動磁極６の上
部固定磁極3aとの対向面及び上部固定磁極3aの双方にＮ
極が発生し互いに反発する。よって吸気バルブ９は下方
向への排斥力を受け、開方向への移動を開始する。

（ｃ）に示すごとく、吸気バルブ９が開方向へ移動開
始時から第１の設定時間経過時に再び上部コイル４への
通電を反転させる。すると（ａ）の場合と同じく吸気バ
ルブ９には上方向すなわち閉方向の吸引力が作用し、開
方向へ移動しつつある吸気バルブ９を減速しついには停
止せしめる。該停止位置は吸気バルブ９の最大移動位置
に相当する。吸気バルブ９停止後においても上部コイル
４及び下部コイル７への通電を継続することにより吸気
バルブ９は上方向、すなわち閉方向へと移動する。

上記第１の設定時間より長時間である第２の設定時間
経過時に上部コイル４への通電を再び反転し、吸気バル
ブ９に下方向の力を作用させる。これは吸気バルブ９の
閉方向の移動速度を減速し、吸気バルブ９の傘部がバル
ブシート11に着座する際の衝撃を緩和するためである。
そして第２の設定時間より長時間である第３の設定時間
経過時に、再度上部コイル４への通電を反転し、上記
（ａ）に示す磁路を形成させることにより、吸気バルブ
９に上方向の力を作用させる。該操作により吸気バルブ
９は吸気口を閉鎖し、次の開タイミングまで閉鎖状態を
保持する。

上記第１、第２、第３の各設定時間は、ROM12b内に予
め各設定時間とエンジン回転数との関係テーブルを記憶
しておき、回転センサ２により検知されるエンジン１の
回転数と該関係テーブルからエンジン回転数に対応する
設定時間を演算することにより求められる。

上記開閉状態を第３図により説明する。

第３図は、いわゆるカムプロファイル曲線と呼ばれる
もので、横軸は吸気バルブ９の開タイミングからの時間
経過を示し、縦軸はバルブの移動量を示す。図における
曲線は時間経過に伴なう吸気バルブの移動量の変化を示
す図である。

開タイミングであるＩの時点で、上部コイル４への通
電方向を反転し、磁力線の状態を第２図（ａ）の状態か
ら（ｂ）の状態へ切換える。すると吸気バルブ９に開方
向の排斥力が作用し吸気バルブ９は開方向へ移動する。

第１の設定時間経過時であるIIの時点で、上部コイル
４への通電方向を反転し磁力線の状態を第２図（ｂ）の
状態から（ｃ）の状態へ切換える。すると吸気バルブ９
に閉方向の吸引力が作用し、開方向の移動速度を減速
し、最大移動位置を経て閉方向へと移動方向を反転す
る。

第２の設定時間経過時であるIIIの時点で、再び吸気
バルブ９に開方向の吸引力を作用させ、閉方向の移動速
度を減速する。

第３の設定時間経過時であるIVの時点で、磁力線の状
態を第２図（ａ）に示す状態とし、次の開タイミングま
で閉状態を保持する。

エンジン１の運転終了時には上部コイル４及び下部コ
イル７への電力供給は消失し、吸気バルブ９を閉状態に
保持する電磁力が消滅するため、スプリング８により吸
気バルブ９を閉状態に保持する。スプリング８の保持力
は上部コイル４及び下部コイル７により発生する開方向
への排斥力に対して充分小に設定されている。

尚、ROM12b内に上記各設定時間とエンジン回転数との
関係テーブル以外に、予めエンジン回転数とバルブ開タ
イミングの関係マップを記憶しておき、エンジン１の回
転数の変化に伴ないバルブ開タイミングを変更すること
によりエンジン回転数の全領域においてエンジンの出力
及び効率を向上させることができる。またエンジン１の
回転数の高低に伴ない各気筒ごとの吸排気バルブを駆動
あるいは停止することにより、運転する気筒数を増減す
る気筒制御も可能である。

また、本発明による電磁石３は磁路の途中における透
磁率不連続部分すなわち可動磁極６と中間固定磁極3bと
の間隔5a、及び可動磁極６と先端固定磁極3cとの間隔5a
とが、バルブの開閉によらず絶えず微小であり磁力線の
漏れが少ないため、電磁石３により発生する電磁力が強
力となる。よって電磁力発生効率も向上し供給電力が小
となり、該電磁石３での発熱量が微小となる。

主に吸気バルブについて説明したが、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。

以上、本発明の一実施例を説明したが、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
排気バルブのうち、少なくとも吸気バルブの開閉駆動
を、カムシャフトによらず、電磁石による電磁力により
駆動する場合に、高効率かつ高出力の電磁石を有する電
磁力バルブ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、電磁石内の磁力線の流れを示す図、第３図は、バル
ブ移動量と時間との関係を示す図である。 １……エンジン、２……回転センサ、３……電磁石、3a
……上部固定磁極、3b……中間固定磁極、3c……先端固
定磁極、４……上部コイル、5a・5b……間隙、６……可
動磁極、７……下部コイル、８……スプリング、９……
吸気バルブ、10……バルブガイド、11……バルブシー
ト、12……コントロールユニット、13……吸気管路。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンの吸排気バルブのうち、少なくと
   も吸気バルブに連結し往復運動自在な可動磁極を有する
   電磁力バルブ駆動装置において、上部移動位置にある前
   記可動磁極と対向する上部固定磁極と、該固定磁極と連
   通する電磁石のヨーク部材解放先端部にあって下部移動
   位置にある可動磁極と微少な空隙を有して対向する先端
   固定磁極と、ヨーク部材内側の固定磁極と先端固定磁極
   との中間にあって、移動途中の可動磁極と微少な空隙を
   有して対向する中間固定磁極と、上記固定磁極を通過す
   る磁束を発生させる上部コイルと、先端固定磁極を通過
   する磁束を発生させる下部コイルと、を有することを特
   徴とする電磁力バルブ駆動装置。
2. 【請求項２】窒化珪素等のセラミックスから成る吸気ま
   たは排気バルブのステム部外側に上面に鍔部を設け、下
   側に軸部を持つ軸方向の断面がＴ字形の可動磁極を設け
   たことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項に記載の
   電磁力バルブ駆動装置。