JP3125605B2 - 内燃機関の電磁駆動式バルブ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、内燃機関の電磁駆動式
バルブ装置に係り、特に内燃機関の吸気バルブ又は排気
バルブを電磁力により駆動する内燃機関の電磁駆動式バ
ルブ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば特開平３−４４０１０
号公報に開示される如く、内燃機関の吸気バルブ又は排
気バルブを、電磁コイルの発する電磁力により駆動する
内燃機関の電磁駆動式バルブ装置が知られている。かか
る電磁駆動式バルブ装置によれば、内燃機関において一
般に必要とされていたバルブ駆動用のカム機構等が不要
となることに加え、バルブの開閉弁時期が任意に変更で
き、内燃機関の運転状態に応じて理想的な開閉弁時期を
実現することが可能である。

【０００３】ところで、カム機構を用いて吸気バルブ又
は排気バルブを駆動する機構においては、バルブ体の偏
磨耗を抑制する観点から、バルブリフタ上の偏心した位
置をカムとの当接部とした構成が知られている。かかる
構成によれば、カムの回転に伴ってバルブリフタに軸回
りの回転トルクが付与され、その結果バルブ体が適当に
回転して偏磨耗が防止されることに着目したものであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これに対して、上記従
来の電磁駆動式バルブ装置は、カム機構を用いた装置に
おけるカムとバルブリフタに相当する構成部分、すなわ
ちバルブの駆動に際して相互に摺動する構成部分を有し
ない構成である。従って、上記従来の装置においてバル
ブ体の偏磨耗を防止するためには、バルブ体に適当な回
転トルクを付与する機構を別個に設ける必要がある。

【０００５】一方、かかる機構を別個に設けることとす
れば、装置の重量増加、体格の大型化、コストアップ等
の不利益が伴う。この意味で、上記従来の電磁駆動式バ
ルブ装置は、バルブ体の偏磨耗を防止する機能の加設が
必ずしも容易ではないという問題を有するものであっ
た。本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、
バルブ体について特別の回転機構を設けることなく、バ
ルブ体に適当な回転を付与して、上記の課題を解決し得
る内燃機関の電磁駆動式バルブ装置を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、内燃機関
のバルブ体に固定されたプランジャを、該プランジャの
両側にそれぞれ配設される第１及び第２のコイルスプリ
ングによって支持し、該プランジャに適宜電磁力を付与
することで前記バルブ体を駆動する内燃機関の電磁駆動
式バルブ装置において、前記第１及び第２のコイルスプ
リングの巻き方向が逆向きであると共に、前記第１のコ
イルスプリングの一端と前記プランジャとの接触部にお
ける摩擦係数と前記第２のコイルスプリングの一端と前
記プランジャとの接触部における摩擦係数、及び前記第
１のコイルスプリングの他端における摩擦係数と前記第
２のコイルスプリングの他端における摩擦係数の、少な
くとも一方に差異を有する内燃機関の電磁駆動式バルブ
装置により達成される。

【０００７】

【作用】本発明において、前記プランジャは前記バルブ
体に固定されると共に、前記第１及び第２のコイルスプ
リングに支持される。従って、前記プランジャに対し
て、電磁力が付与されると、前記第１及び第２のコイル
スプリングが伸縮し、前記バルブ体が開閉されることに
なる。

【０００８】この際、前記プランジャを支持する前記第
１及び第２のコイルスプリングの両端は、これら第１及
び第２のコイルスプリングの伸縮時に、自己の巻き方向
に対応する方向に相対的に回転する。そして、前記第１
及び第２のコイルスプリングは、相互に巻き方向が逆で
あるため、前記プランジャの変位に伴って前記第１及び
第２のコイルスプリングが伸縮する場合、前記プランジ
ャには、前記第１及び第２のプランジャから、相互に逆
向きの回転トルクが伝達される。

【０００９】一方、前記第１のコイルスプリングの両端
における摩擦係数と、前記第２のコイルスプリングの両
端における摩擦係数は、少なくとも一か所において差異
を有している。このため、前記第１のコイルスプリング
と前記プランジャとの接触部に作用する回転トルクと、
前記第２のコイルスプリングと前記プランジャとの接触
部に作用する回転トルクとの間には不均衡が生じる。

【００１０】従って、前記プランジャには、一方向にの
み偏って大きな回転トルクが付与されることになり、そ
の結果、前記プランジャの往復動に伴って、前記バルブ
体に適当な回転が付与されることになる。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明の一実施例である内燃機関の
電磁駆動式バルブ装置１０の全体構成図を示す。同図に
おいてバルブ体１２は、図中下端部を内燃機関の燃焼室
内に露出させた状態でシリンダヘッド内に配設され、内
燃機関の吸気バルブ、又は排気バルブを構成する部材で
ある。

【００１２】すなわち、内燃機関のシリンダヘッドに
は、バルブ体１２に対するバルブシートを備えるポート
が設けられており、バルブ体１２がバルブシートから離
座又は着座することでポートの開閉が制御される。バル
ブ体１２には、作動軸１４が固定されている。作動軸１
４は、バルブガイド１６、及びオイルシール１７によ
り、適当なシール性を確保しつつ軸方向に摺動可能に保
持されている。

【００１３】すなわち、本実施例の電磁駆動式バルブ装
置１０においては、各摺動部の潤滑性を確保するため、
装置の内部に潤滑油を供給する構成としている。そし
て、オイルシール１７は、作動軸１４を伝って適量の潤
滑油がバルブガイド１６内に流入するように設けられた
ものである。このため、電磁駆動式バルブ装置１０にお
いては、バルブガイド１６の内周に適当な油膜が形成さ
れ、作動軸１４の円滑な摺動性が確保されている。

【００１４】作動軸１４の上端には、プランジャホルダ
１８が固定されている。このプランジャホルダ１８は、
Ｔｉ、Ｔｉ−Ａｌ、Ａｌ等の非磁性軽量合金からなる部
材であり、その表面には両面共にクロームメッキ、無電
解Ｎｉメッキ（カニゼンメッキ）、セラミックカニゼン
メッキ等の処理が施されている。プランジャホルダ１８
の外周にはプランジャ２０が接合されている。このプラ
ンジャ２０は、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｏ等をベース材料とする
軟磁性材料からなるドーナツ状の部材であり、電子ビー
ム溶接、レーザ溶接、ろう付け、カシメ、接着等の手法
でプランジャホルダ１８に接合されており、その表面に
も上記同様のメッキ処理が施されている。

【００１５】プランジャ２０の上方には、所定距離離間
して第１の電磁コイル２２及び第１のコア２４が配設さ
れている。また、プランジャ２０の下方には、同様に所
定距離離間して第２の電磁コイル２６及び第２のコア２
８が配設されている。第１及び第２のコア２４，２８
は、共に磁性体で構成された部材であり、それぞれ第１
又は第２の電磁コイル２２，２６を把持すると共に、外
筒３０により所定の位置関係に保持されている。

【００１６】更に、第１及び第２のコア２４，２８は、
その中心近傍に中空部を有し、それぞれプランジャホル
ダ１８を上下方向より弾性支持する第１のコイルスプリ
ング３２、及び第２のコイルスプリング３４を収納して
いる。ここで、本実施例の電磁駆動式バルブ装置１０
は、後述の理由に鑑みて、第１のコイルスプリング３２
と第２のコイルスプリング３４とを、相互に巻き方向が
逆向きとなるように配設している。尚、かかる構成を採
用したことによる作用及び効果については後に詳説す
る。

【００１７】ところで、プランジャホルダ１８には、上
述の如くクロームメッキ処理が施されている。このた
め、電磁駆動式バルブ装置１０においては、第１のコイ
ルスプリング３２とプランジャホルダ１８との接触部に
おける摩擦係数、及び第２のコイルスプリング３４とプ
ランジャホルダ１８との接触部における摩擦係数が、共
に比較的低い値で均衡している。

【００１８】また、第１のコア２４の上端、及び第２の
コア２８の下端には、それぞれ第１のコイルスプリング
３２の上端部、又は第２のコイルスプリング３４の下端
部を保持するコイルスプリングガイド３６，３７が設け
られている。これらのコイルスプリングガイド３６，３
７は、共に同等の面粗度に加工されており、同等の条件
で第１のコイルスプリング３２、又は第２のコイルスプ
リング３４に当接している。

【００１９】ところで、電磁駆動式バルブ装置１０の内
部には、上述の如く潤滑油が供給されている。この潤滑
油は、電磁駆動式バルブ装置１０の内部において高所か
ら低所に向かって流れ、第１のコイルスプリング３２と
コイルスプリングガイド３６との間には到達しないが、
第２のコイルスプリング３４とコイルスプリングガイド
３７との間には油膜を形成する。

【００２０】このため、本実施例においては、第１のコ
イルスプリング３２とコイルスプリングガイド３６との
接触部において高い摩擦係数が確保されているのに対し
て、第２のコイルスプリング３４とコイルスプリングガ
イド３７との間には、比較的小さな摩擦係数が付与され
ることになる。コイルスプリングガイド３６の上方に
は、第１及び第２のコイルスプリング３２，３４の変形
量を調整するアジャスタ３８が設けられている。ここ
で、本実施例においては、アジャスタ３８を調整するこ
とにより、何らの電磁力も作用しない中立状態におい
て、プランジャ２０が第１及び第２のコア２４，２８の
中央に位置するように第１及び第２のコイルスプリング
３２，３４の釣合いを図っている。

【００２１】上記構成のバルブ駆動装置１０において、
第１の電磁コイル２２に電流を流通させてその内周側及
び外周側を還流する磁界を生ぜしめると、第１のコア２
４、プランジャ２０、及び両者間のエアギャップからな
る磁気回路に磁束が流通し、より安定な状態を実現すべ
くプランジャ２０には図１中上方へ向かう電磁吸引力が
作用する。

【００２２】一方、第２の電磁コイル２６に電流を流通
させてその内周側及び外周側を還流する磁界を生ぜしめ
ると、第２のコア２８、プランジャ２０、及び両者間の
エアギャップからなる磁気回路に磁束が流通し、より安
定な状態を実現すべくプランジャ２０には図１中下方へ
向かう電磁吸引力が作用する。従って、電磁コイル２
２，２６に、交互に適当な電流を流通させることとすれ
ば、プランジャ２０を上下方向に往復運動させることが
可能であり、これによりバルブ体１２の開閉状態を切り
換えることが可能である。

【００２３】ところで、プランジャ２０に変移が生ずる
と、その結果コイルスプリング３２，３４には弾性変形
による伸縮が生ずる。これに対して、コイルスプリング
が伸縮する場合、コイルの巻き方向に応じてコイルスプ
リングの両端に相対的な回転が生ずることが知られてい
る。従って、本実施例の如くプランジャホルダ１８の上
下に第１及び第２のコイルスプリング３２，３４が配設
される構成においては、プランジャ２０の往復運動に伴
って、第１のコイルスプリング３２の両端の相対回転、
及び第２のコイルスプリング３４の両端の相対回転に起
因する回転トルクが、プランジャホルダ１８、及びスプ
リングガイド３６，３７に付与される。

【００２４】この場合、以下図２乃至図４を参照して説
明するように、本実施例の構成によれば、第１及び第２
のコイルスプリング３２，３４の発する回転トルクが、
プランジャホルダ１８を一方向にのみ回転させるべく作
用し、バルブ体１２を一方向にのみ回転させることがで
きる。すなわち、図２は、プランジャホルダ１８の上下
に巻き方向の異なる第１のコイルスプリング３２と第２
のコイルスプリング３４とを配設した構成を、また、図
３は、プランジャホルダ１８の下方に、第１のコイルス
プリング３２と巻き方向が同一の第２のコイルスプリン
グ４０を配設した構成を、それぞれ模式的に表したもの
である。

【００２５】尚、第１のコイルスプリング３２とスプリ
ングガイド３６との接触部は、両者間に作用する摩擦力
が大きいことから実質的に固定されていると見做すこと
ができる。一方、第１のコイルスプリング３２とプラン
ジャホルダ１８との接触部、及び第２のコイルスプリン
グ３４，４０の両端に形成される接触部は、接触部の摩
擦係数が小さいため実質的に固定されているとみなすこ
とはできない。

【００２６】このため、図２及び図３においては、実質
的に固定されていると見做すことのできる端部を“●”
で、また実質的に固定されていると見做すことができな
い端部を“○”で示すことにより、かかる状況を表示し
ている。また、図４は、コイルスプリングに伸縮が生じ
た際に、その両端に生ずる相対回転の方向を説明すべ
く、代表例として表した第１のコイルスプリング３２の
斜視図を示す。

【００２７】すなわち、コイルスプリングに伸縮が生ず
ると、その伸縮に伴ってコイルスプリングの両端に相対
的な回転が生ずることは前記した通りであるが、より具
体的には、図４に示す如く、コイルスプリングの両端
は、コイルの伸長時には螺旋の曲率がきつくなる方向
に、またコイルの短縮時には螺旋の曲率が緩む方向に、
それぞれ相対的に回転する。

【００２８】従って、図３に示す如くプランジャホルダ
１８を挟んで巻き方向が同一の第１及び第２のコイルス
プリング３２，４０が配設されている場合、プランジャ
ホルダ１８の変位方向に関わらず（図３（Ａ），
（Ｂ））、第１のコイルスプリング３２からプランジャ
ホルダ１８に付与される回転トルクと、第２のコイルス
プリング４０からプランジャホルダ１８に付与される回
転トルクとは、常に同一方向のトルクとして作用する。

【００２９】このため、かかる構成においては、第１及
び第２のコイルスプリング３２，４０の伸縮に伴って第
１のコイルスプリング３２とスプリングガイド３６との
接触部、及び第２のコイルスプリング３４とスプリング
ガイド３７との接触部には何らの回転トルクも付与され
ず、プランジャホルダ１８が所定回転角の範囲内で揺動
するに過ぎない。

【００３０】一方、図２に示す如く、第１のコイルスプ
リング３２と第２のコイルスプリング３４との巻き方向
が逆向きである場合は、図２（Ａ）に示す如くプランジ
ャホルダ１８が下向きに変位する際には、第１のコイル
スプリング３２からは平面視で時計回りの回転トルク
が、第２のコイルスプリング３４からは平面視で反時計
回りの回転トルクが、それぞれプランジャホルダ１８に
付与される。

【００３１】また、図２（Ｂ）に示す如くプランジャホ
ルダ１８が上向きに変位する際には、第１のコイルスプ
リング３２からは平面視で反時計回りの回転トルクが、
第２のコイルスプリング３４からは平面視で時計回りの
回転トルクが、それぞれプランジャホルダ１８に付与さ
れることになる。ところで、上記の如くプランジャホル
ダ１８に対して方向の異なる回転トルクが付与された場
合、その結果として、第１及び第２のコイルスプリング
３２，３４と、プランジャホルダ１８又はスプリングガ
イド３６，３７との接触部にずれが生ずる。

【００３２】ここで、上記の如く第１のコイルスプリン
グ３２とスプリングガイド３６との接触部は、実質的に
固定されていると見做すことができるため、第１のコイ
ルスプリング３２の伸縮に起因する回転角は、その全て
が第１のコイルスプリング３２とプランジャホルダ１８
との接触部において吸収されることになる。一方、第２
のコイルスプリング３４とスプリングガイド３７との接
触部は、低摩擦係数の下相対移動が可能である。従っ
て、第２のコイルスプリング３４の伸縮に起因する回転
角は、第２のコイルスプリング３４とプランジャホルダ
１８との接触部、及び第２のコイルスプリング３４とス
プリングガイド３７との接触部において吸収すれば足り
ることになる。

【００３３】このため、プランジャホルダ１８との接触
部において、第１のコイルスプリング３２に生ずる回転
角と第２のコイルスプリング３４に生ずる回転角とを比
較した場合、図２（Ａ），（Ｂ）に示す如く、第１のコ
イルスプリング３２の方に大きな回転角が生ずる。従っ
て、第１のコイルスプリング３２とプランジャホルダ１
８との接触部に発生する摩擦力Ｆと、第２のコイルスプ
リング３４とプランジャホルダ１８との接触部に発生す
る摩擦力Ｆとが常に等しいとすれば、プランジャホルダ
１８は、第１のコイルスプリング３２が発生する回転ト
ルクから、第２のコイルスプリング３２が発生する回転
トルクを減じたトルクに従って、所定回転角の範囲内で
揺動することになる。

【００３４】これに対して、第１及び第２のコイルスプ
リング３２，３４とプランジャホルダ１８との間に作用
する摩擦力Ｆは、それぞれ第１のコイルスプリング３２
とプランジャホルダ１８との間に作用する荷重、又は第
２のコイルスプリング３４とプランジャホルダ１８との
間に作用する荷重の関数である。従って、それらの摩擦
力Ｆは、第１及び第２のコイルスプリング３２，３４の
伸縮状態に応じて変動し、例えば図２（Ａ）に示す状態
においては、第１のコイルスプリング３２とプランジャ
ホルダ１８との間に生ずる摩擦力Ｆが比較的小さく、一
方、第２のコイルスプリング３２とプランジャホルダ１
８との間に生ずる摩擦力Ｆが比較的大きくなる。

【００３５】このため、図２（Ａ）に示す状況において
は、回転角の比較では第１のコイルスプリング３２が第
２コイルスプリング３４に勝っているが、第１及び第２
のコイルスプリング３２，３４がそれぞれプランジャホ
ルダ１８に与える回転トルクの大きさの比較において
は、両者間に大きな差異は生じない。その結果、図２
（Ａ）に示す如く、プランジャホルダ１８が下方へ向け
て変位する過程では、第１のコイルスプリング３２と第
２のコイルスプリング３４の回転角の相違に関わらず、
プランジャホルダ１８にはほぼ何らの回転角の発生せ
ず、バルブ体１２は、大きな回転運動を伴うことなく開
弁することになる。

【００３６】一方、図２（Ｂ）に示す如く、プランジャ
ホルダ１８が上方へ向けて変位する過程においては、第
１のコイルスプリング３２とプランジャホルダ１８との
間には比較的大きな摩擦力Ｆが発生し、一方、第２のコ
イルスプリング３４とプランジャホルダ１８との間には
比較的小さな摩擦力Ｆが発生する。この場合、上記図２
（Ａ）に示す状況とは逆に、回転角の観点のみならず摩
擦力の観点からしても、プランジャホルダ１８は、第２
のコイルスプリング３４に比して第１のコイルスプリン
グ３２の影響を強く受け、プランジャホルダ１８が、図
２中正面視で反時計回り方向に回転する。

【００３７】この結果、プランジャホルダ１８の上下方
向変位が繰り返し行われると、プランジャホルダ１８、
及びバルブ体１２が単一の方向に継続的に回転し、何ら
特別の機構を設けることなく、バルブ体１２を回転させ
る機能が実現されることになる。このように、本実施例
に係る電磁駆動式バルブ装置１０によれば、装置の大型
化、重量増加、コストアップ等の不利益を伴うことなく
バルブ体１２に一定方向の回転を付与することができ
る。

【００３８】そして、このようにバルブ体１２に一定方
向の回転を付与することができれば、バルブ体１２の偏
磨耗を適切に防止することができると共に、バルブガイ
ド１６から流れ出た潤滑油等がバルブ体１２の一部に集
中して局部的なデポジットを形成する現象をも効果的に
防止することができる。この意味で、本実施例の電磁駆
動式バルブ装置１０は、何らの不利益を伴うことなく、
内燃機関のバルブ体１２の耐久性を画期的に向上し得る
という効果を有していることになる。

【００３９】ところで、上記実施例は、第１のコイルス
プリング３２とスプリングガイド３６との接触部におけ
る摩擦係数と、第２のコイルスプリング３４とスプリン
グガイド３７との接触部における摩擦係数とに差異を設
ける構成であるが、摩擦係数に差異を設ける組み合わせ
はこれに限るものではなく、例えば第１のコイルスプリ
ング３２とプランジャホルダ１８との接触部、及び第２
のコイルスプリング３４とプランジャホルダ１８との接
触部の摩擦係数間に差異を設ける構成としてもよい。

【００４０】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、プランジ
ャの両側に配設される第１及び第２のコイルスプリング
の巻き方向を逆にし、かつ第１及び第２のコイルスプリ
ングの両端における摩擦係数に差異を持たせることによ
り、第１及び第２のコイルスプリングの伸縮に伴って、
プランジャを一方向にのみ回転させる回転トルクを発生
させることができる。

【００４１】このため、本発明に係る内燃機関の電磁駆
動式バルブ装置によれば、何ら特別の回転機構を設ける
ことなく、内燃機関のバルブ体に適当な回転を付与する
ことができ、装置の小型化、低コスト化、軽量化等の要
求を満たしつつ、バルブの偏磨耗を適切に防止すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である内燃機関の電磁駆動式
バルブ装置の正面断面図である。

【図２】本実施例の電磁駆動式バルブ装置の動作を説明
するための図（その１）である。

【図３】本実施例の電磁駆動式バルブ装置の動作を説明
するための図（その２）である。

【図４】第１のコイルスプリングの伸縮時に生ずる相対
回転の様子を表す斜視図である。

【符号の説明】

１０ 電磁駆動式バルブ装置 １２ バルブ体 １８ プランジャホルダ ２０ プランジャ ３２ 第１のコイルスプリング ３４，４０ 第２のコイルスプリング ３６，３７ スプリングガイド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F01L 9/04 F01L 1/32 F16K 31/06 305

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関のバルブ体に固定されたプラン
   ジャを、該プランジャの両側にそれぞれ配設される第１
   及び第２のコイルスプリングによって支持し、該プラン
   ジャに適宜電磁力を付与することで前記バルブ体を駆動
   する内燃機関の電磁駆動式バルブ装置において、 前記第１及び第２のコイルスプリングの巻き方向が逆向
   きであると共に、 前記第１のコイルスプリングの一端と前記プランジャと
   の接触部における摩擦係数と前記第２のコイルスプリン
   グの一端と前記プランジャとの接触部における摩擦係
   数、及び前記第１のコイルスプリングの他端における摩
   擦係数と前記第２のコイルスプリングの他端における摩
   擦係数の、少なくとも一方に差異を有することを特徴と
   する内燃機関の電磁駆動式バルブ装置。