JP3605478B2 - 内燃機関の動弁装置 - Google Patents

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篤 梅本
康雄 清水
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/04Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の動弁装置に関し、特に、機関弁に連動、連結されるアーマチュアと、該アーマチュアを吸引して機関弁を開弁作動せしめる電磁力を発揮する開弁側電磁石と、前記アーマチュアを吸引して機関弁を閉弁作動せしめる電磁力を発揮する閉弁側電磁石と、前記機関弁を開弁方向に付勢する弾発力を発揮する開弁側弾発手段と、前記機関弁を閉弁方向に付勢する弾発力を発揮するとともに開弁側および閉弁側電磁石の消勢時には開弁側弾発手段と共働してアーマチュアを所定の中立位置に保持する閉弁側弾発手段とを備える内燃機関の動弁装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、かかる動弁装置は、たとえばPCT国際公開公報WO95/00959等により既に知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
このような動弁装置では、両電磁石の非通電状態では機関弁が中立位置に在り、開弁側電磁石への通電によりアーマチュアを開弁側電磁石に吸引させて機関弁を開弁作動せしめ、閉弁側電磁石への通電によりアーマチュアを閉弁側電磁石に吸引させて機関弁を閉弁作動せしめるのであるが、機関性能の向上を図るためには、アーマチュアと、開弁側および閉弁側電磁石との間で効率的な磁気回路を構成し、開弁側および閉弁側電磁石による電磁吸引力をより増大することが望ましい。
【0004】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、両電磁石の電磁吸引力をより増大することを可能とし、機関性能の向上を図り得るようにした内燃機関の動弁装置を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項1発明は、機関弁に連動、連結されるアーマチュアと、該アーマチュアを吸引して機関弁を開弁作動せしめる電磁力を発揮する開弁側電磁石と、前記アーマチュアを吸引して機関弁を閉弁作動せしめる電磁力を発揮する閉弁側電磁石と、前記機関弁を開弁方向に付勢する弾発力を発揮する開弁側弾発手段と、前記機関弁を閉弁方向に付勢する弾発力を発揮するとともに開弁側および閉弁側電磁石の消勢時には開弁側弾発手段と共働してアーマチュアを所定の中立位置に保持する閉弁側弾発手段とを備える内燃機関の動弁装置において、開弁側および閉弁側電磁石は、アーマチュアに対向する側が開放され且つアーマチュアとは反対側が相互に磁気的に結合されて二重の筒状に配置されるインナーヨークおよびアウターヨーク間に、筒状のコイルが挿入されて成ると共に、そのコイルの軸線方向一端部が、インナーヨークおよびアウターヨークの何れからも、該コイルの軸線方向でアーマチュア側に突出しており、アーマチュアの両電磁石に対向する面には、コイルの前記ヨークからの突出部を収容可能な溝状の環状収容部がそれぞれ設けられることを特徴とする。この構成により、各電磁石にアーマチュアが吸引されたときに各コイルの一部がアーマチュアの溝状の環状収容部に収容されることになり、コイルの側面で磁界が最も高くなる現象を有効に活用してアーマチュアおよび両ヨーク間の磁束増大を図り、両電磁石の電磁吸引力を増大することが可能となる。
【0006】
また請求項2の発明は、請求項1の前記特徴に加えて、各電磁石において、インナーヨークに対するアウターヨークの磁路面積比が1.0〜1.4に設定されることを特徴とする。このようにインナーヨークおよびアウターヨークの磁路面積比が定められることにより、両電磁石での吸引力増大が可能となる。
【0007】
さらに請求項3の発明は、請求項1又は2の前記特徴に加えて、開弁側および閉弁側電磁石の周辺に配置される部材のうち少なくとも機関弁が非磁性軽量材料で形成され、非磁性軽量材料により形成された部材の他の部材との接触部に表面硬化処理が施されることを特徴とする。前記非磁性軽量材料として、チタン合金、アルミニウム合金およびセラミックス等が用いられ、両電磁石からの磁束の漏れを低減して、両電磁石の電磁吸引力増大に寄与することができるとともに、少なくとも機関弁を軽量化することにより電磁吸引力の増大と相まって機関弁を効率的に作動せしめることができる。
【0008】
さらに請求項4の発明は、請求項1,2又は3の前記特徴に加えて、両電磁石及びアーマチュアを収納するケーシングの収納孔には、両電磁石のアウターヨーク相互間に介在してアーマチュアを囲繞するリング状のスリーブが嵌合されることを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面に示した本発明の実施例に基づいて説明する。 図1ないし図5は本発明の一実施例を示すものであり、図1は機関弁が中立位置に在る状態での動弁装置の縦断面図、図2は電磁石の横断面図、図3は機関弁の側面図、図4はヨークからのコイル突出量による吸引力の変化を示す図、図5は磁路面積比による吸引力の変化を示す図である。
【0010】
先ず図1において、この内燃機関のシリンダヘッド5には、吸気弁あるいは排気弁である機関弁Vが配設され、該機関弁Vは、弁口6aを形成してシリンダヘッド5に設けられた弁座部材6に着座可能な弁体部7と、該弁体部7に一体に連設されるステム8とから成り、ステム8はガイド筒9内に摺動自在に嵌合される。このガイド筒9は、半径外方に張出すフランジ部9aを上端に備えるものであり、フランジ部9aをシリンダヘッド5の上面に係合せしめるまでシリンダヘッド5に圧入されることにより、シリンダヘッド5に固定される。
【0011】
シリンダヘッド5には動弁装置10が配設されており、該動弁装置10が、機関弁Vにおけるステム8の上端に連結される。
【0012】
この動弁装置10は、シリンダヘッド5上に分離可能に結合されるケーシング11と、該ケーシング11内に移動可能に収納されて機関弁Vのステム8に連動、連結されるアーマチュア12と、該アーマチュア12を吸引して機関弁Vを開弁作動せしめる電磁力を発揮すべくアーマチュア12の下面に対向する位置でケーシング11内に配置される開弁側電磁石13と、前記アーマチュア12を吸引して機関弁Vを閉弁作動せしめる電磁力を発揮すべくアーマチュア12の上面に対向する位置でケーシング11内に配置される閉弁側電磁石14と、機関弁Vを開弁方向に付勢する弾発力を発揮する開弁側弾発手段としての開弁側コイルばね15と、機関弁Vを閉弁方向に付勢する弾発力を発揮するとともに開弁側および閉弁側電磁石13,14の消勢時には開弁側コイルばね15と共働してアーマチュア12を所定の中立位置に保持する閉弁側弾発手段としての閉弁側コイルばね16とを備える。
【0013】
ケーシング11は、機関弁Vのステム8と同軸に延びて上端を開放した収納孔19を形成するケーシング主体17と、該ケーシング主体17の上面に固定される蓋板18とから成り、蓋板18は、収納孔19の上端を閉じるようにしてケーシング主体17の上面に、複数のボルト20,20…によって締結される。
【0014】
またケーシング主体17の外周部の下部には、上下に延びる複数の支持部21,21…が一体に設けられており、これらの支持部21,21…には、締結ボルト22,22…がそれぞれ挿通され、各締結ボルト22,22…がシリンダヘッド5に螺合されることにより、ケーシング11がシリンダヘッド5の上面に締結される。
【0015】
ケーシング11における下端部すなわちケーシング主体17の下端部には、収納孔19の内面から半径方向内方に張出す支持鍔24が一体に設けられており、この支持鍔24の内周に設けられた雌ねじ27に、機関弁Vのステム8と同軸方向に進退可能として支持筒25が螺合される。また支持筒25には、支持鍔24の下面に係合する止めナット28が螺合されており、支持筒25の支持鍔24への螺合と、支持筒25への止めナット28の螺合とによるダブルナット構造により、支持筒25をステム8と同軸方向に進退可能として支持鍔24すなわちケーシング11の下端部に強固に固定することができる。
【0016】
一方、ケーシング11の上端部すなわち蓋板18には、ステム8と同軸である支持孔29を形成する円筒部30が上方に突出するようにして一体に設けられており、ステム8の軸方向に沿う移動を可能として筒状の調整部材31が支持孔29に摺動自在に嵌合され、該調整部材31には、その上下方向全長にわたる貫通孔32が穿設される。
【0017】
円筒部30には、調整部材31の上端を閉塞端に当接させるようにして袋ナット34が螺合され、該袋ナット34の進退位置を規制するようにして円筒部30に止めナット35が螺合される。すなわち袋ナット34および止めナット35でダブルナット構造が構成されるものであり、袋ナット34の進退位置を調整することにより、調整部材31の軸方向外方側への移動端を調整可能として強固に規制することができる。また袋ナット34の閉塞端には、調整部材31の貫通孔32に同軸に連なる孔36が設けられる。
【0018】
機関弁Vにおけるステム8の上部は、支持筒25を同軸に貫通するようにして下方からケーシング主体17に挿入されるものであり、ステム8の上端部には、アーマチュア12が固定される。すなわちアーマチュア12は円盤状に形成されており、該アーマチュア12の中心部を貫通するステム8の上端部が、上下一対のリング37,38に圧入され、両リング37,38でアーマチュア12の中心部が挟持される。
【0019】
シリンダヘッド5の上面には、ガイド筒9の上端のフランジ部9aを覆うようにしてキャップ状の受け部材39が当接されており、該受け部材39を軸方向移動自在に貫通するステム8を囲繞する閉弁側コイルばね16がリング38および受け部材39間に設けられ、この閉弁側コイルばね16のばね力によりステム8すなわち機関弁Vが閉弁方向に弾発付勢される。しかも受け部材39内には、ステム8の外面に摺接するリング状のシール部材40が保持される。またリング37および調整部材31間に開弁側コイルばね15が設けられ、この開弁側コイルばね15のばね力により、アーマチュア12は、下方すなわち機関弁Vの開弁方向に弾発付勢される。
【0020】
図2を併せて参照して、開弁側電磁石13は、アーマチュア12の下面に対向するようにして収納孔19内の下部に固定的に配設されるものであり、ステム8および閉弁側コイルばね16を同軸に囲繞する円筒状のインナーヨーク44と、該インナーヨーク44を同軸に囲繞して収納孔19に嵌合される円筒状のアウターヨーク45と、合成樹脂から成るボビンにコイルが巻装されて成るとともにインナーヨーク44およびアウターヨーク45間に嵌入されるリング状のコイル46とから成る。インナーヨーク44の下端部には、半径方向外方に張出したフランジ部44aが一体に設けられており、このフランジ部44aの外縁部がアウターヨーク45の下端に係合される。すなわち開弁側電磁石13は、アーマチュア12に対向する側が開放されるとともにアーマチュア12とは反対側が相互に磁気的に結合されて二重の筒状に配置されるインナーヨーク44およびアウターヨーク45間に筒状のコイル46が挿入されて成り、コイル46は、それの軸線方向一端部が両ヨーク44,45から、コイル軸線方向でアーマチュア12側に突出量Lだけ突出せしめられる。またアーマチュア12の開弁側電磁石13に対向する面には、コイル46の両ヨーク44,45からの突出部を収容可能な溝状の環状収容部42が設けられる。
【0021】
閉弁側電磁石14は、アーマチュア12の上面に対向するようにして収納孔19内の上部に固定的に配設されるものであり、調整部材31および開弁側コイルばね15を同軸に囲繞する円筒状のインナーヨーク47と、該インナーヨーク47を同軸に囲繞して収納孔19に嵌合される円筒状のアウターヨーク48と、インナーヨーク47およびアウターヨーク48間に嵌入されるコイル49とから成る。インナーヨーク47の上端部には、半径方向外方に張出したフランジ部47aが一体に設けられており、このフランジ部47aの外縁部がアウターヨーク48の上端に係合される。すなわち閉弁側電磁石14は、アーマチュア12に対向する側が開放されるとともにアーマチュア12とは反対側が相互に磁気的に結合されて二重の筒状に配置されるインナーヨーク47およびアウターヨーク48間にコイル49が挿入されて成り、コイル49は、両ヨーク47,48からアーマチュア12側に突出量Lだけ突出せしめられる。またアーマチュア12の閉弁側電磁石14に対向する面には、コイル49の両ヨーク47,48からの突出部を収容可能な溝状の環状収容部43が設けられる。
【0022】
しかも両電磁石13,14において、インナーヨーク44,47に対するアウターヨーク45,48の磁路面積比、すなわちインナーヨーク44,47の横断面積に対するアウターヨーク45,48の横断面積の比は1.0〜1.4に設定される。
【0023】
開弁側電磁石13のアウターヨーク45と、閉弁側電磁石14のアウターヨーク48との間には、アーマチュア12を囲繞するリング状にして収納孔19に嵌合されるスリーブ50が介在せしめられる。また開弁側電磁石13におけるインナーヨーク44の下端は、支持筒25の上端に当接、支持されており、閉弁側電磁石14におけるインナーヨーク47の上端と、ケーシング11における蓋板18との間にはシム51が介在せしめられる。すなわち、スリーブ50を相互間に介在せしめた開弁側および閉弁側電磁石13,14は、ケーシング11の上端部に配置されたシム51と支持筒25の上端間に挟持されることにより、ケーシング11内に固定される。
【0024】
ケーシング主体17の下端部において、支持鍔24に対応する部分にはグロメット52が嵌合されており、開弁側電磁石13におけるコイル46に連なる一対のリード線53…が該グロメット52を貫通してケーシング11の外方に引出される。また蓋板18には、グロメット54が嵌合されており、閉弁側電磁石14におけるコイル49に連なる一対のリード線55…がグロメット54を貫通してケーシング11の外方に引き出される。
【0025】
ところで、開弁側電磁石13および閉弁側電磁石14の周辺に配置される部材、すなわち機関弁V、開弁側コイルばね15、閉弁側コイルばね16、リング37,38、調整部材31および受部材39等は、非磁性軽量材料で形成される。この非磁性軽量材料としては、チタン合金、アルミニウム合金およびセラミックス等が選択される。
【0026】
また機関弁Vがセラミックスで形成される場合には、表面硬化処理が施される必要はないものの、チタン合金やアルミニウム合金で機関弁Vが形成される場合には、弁座部材6との接触部ならびにガイド筒9との摺接部に表面硬化処理が施される。すなわち図3において、弁座部材6に接触する範囲Aで、機関弁Vにおける弁体部7の表面には、該機関弁Vがチタン合金で形成される場合には、クロム炭化物(Cr3 2 )の肉盛処理が施され、機関弁Vがアルミニウム合金で形成される場合には、鉄−クロム炭化物(Fe−Cr−C系材)の溶射処理が施される。またガイド筒9に摺接する範囲Bで、機関弁Vにおけるステム8の表面には、該機関弁Vがチタン合金で形成される場合には、Moの溶射処理が施され、機関弁Vがアルミニウム合金で形成される場合には、Feのメッキ処理が施される。
【0027】
次にこの施例の作用について説明すると、開弁側および閉弁側電磁石13,14は、アーマチュア12に対向する側が開放されるとともにアーマチュア12とは反対側が相互に磁気的に結合されて二重の筒状に配置されるインナーヨーク44,47およびアウターヨーク45,48間に、それらのヨーク44,45;47,48からアーマチュア12側に突出するようにしてコイル46,49が挿入されて成り、アーマチュア12の両電磁石13,14に対向する面には、コイル46,49の各ヨーク44,45;47,48からの突出部を収容可能な環状収容部42,43がそれぞれ設けられる。したがって、各電磁石13,14にアーマチュア12が吸引されたときに各コイル46,49の一部がアーマチュア12の環状収容部42,43に収容されることになる。
【0028】
ところで、両電磁石13,14において磁界が最も高くなるのは、コイル46,49の側面に対応する部分であり、コイル46,49をヨーク44,45;47,48からアーマチュア12側に突出せしめ、コイル46,49の各ヨーク44,45;47,48からの突出部がアーマチュア12の環状収容部42,43にそれぞれ収容されることにより、アーマチュア12および両ヨーク44,45;47,48間の磁束増大を図ることができる。すなわち、図4で示すように、アーマチュア12側への両ヨーク44,45;47,48からのコイル46,49の突出量が大となるにつれて、両電磁石13,14の吸引力が増大することになる。
【0029】
またインナーヨーク44,47に対するアウターヨーク45,48の磁路面積比に応じて、吸引力は図5で示すように変化する。ここで、ATは、電流Aと、コイル巻数Tとの積で表わされる単位であり、前記磁路面積比が、1.0〜1.4望ましくは1.2に設定されることで、AT値が同一であっても各電磁石13,14の吸引力を増大させ得ることが明らかである。
【0030】
しかも、開弁側電磁石13および閉弁側電磁石14の周辺に配置された機関弁V、開弁側コイルばね15、閉弁側コイルばね16、リング37,38、調整部材31および受部材39等が、非磁性軽量材料で形成されることにより、各電磁石13,14からの磁束の漏れを極力低減するとともに可動部材である機関弁Vの軽量化により、増大した吸引力の確保が可能となる。さらに機関弁Vにおいて、弁座部材6との接触部ならびにガイド筒9との摺接部には表面硬化処理が施されるので、非磁性 軽量材料を用いているにもかかわらず、耐焼付け性や耐摩耗性の向上を図ることができる。
【0031】
図6は参考例を示すものであり、上記施例に対応する部分には同一の参照符号を付す。
【0032】
この動弁装置10′において、開弁側電磁石13′は、インナーヨーク44と、該インナーヨーク44よりもアーマチュア12′側に突出したアウターヨーク45′との間に、インナーヨーク44よりもアーマチュア12′側に突出するようにしてコイル46が挿入されて成り、また閉弁側電磁石14′は、インナーヨーク47と、該インナーヨーク47よりもアーマチュア12′側に突出したアウターヨーク48′との間に、インナーヨーク47よりもアーマチュア12′側に突出するようにしてコイル49が挿入されて成る。
【0033】
またアーマチュア12′には、コイル46のインナーヨーク44からの突出部ならびにコイル49のインナーヨーク47からの突出部を収容可能な環状収容部42′,43′が、該アーマチュア12′の両面外周部を薄肉とすることにより形成される。
【0034】
さらに両電磁石13′,14′において、インナーヨーク44,47に対するアウターヨーク45′,48′の磁路面積比は1.0〜1.4に設定される
【0035】
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行なうことが可能である。
【0036】
【発明の効果】
以上のように発明によれば、アーマチュアに対向する側が開放され且つアーマチュアとは反対側が相互に磁気的に結合されて二重の筒状に配置されるインナーヨークおよびアウターヨーク間に、その両ヨーク(即ちインナーヨーク及びアウターヨーク)の何れからも、コイル軸線方向でアーマチュア側に突出するようにしてコイルが挿入され、アーマチュアの両電磁石に対向する面には、コイルの前記ヨークからの突出部を収容可能な溝状の環状収容部がそれぞれ設けられるので、各コイルの一部をアーマチュアの溝状の環状収容部に収容させるようにし、コイルの側面で磁界が最も高くなる現象を有効に活用してアーマチュアおよび両ヨーク間の磁束増大を図り、両電磁石の電磁吸引力を増大することができる。
【0037】
また特に請求項2の発明によれば、インナーヨークに対するアウターヨークの磁路面積比が1.0〜1.4に設定されることにより、両電磁石での吸引力増大が可能となる。
【0038】
また特に請求項3の発明によれば、開弁側および閉弁側電磁石の周辺に配置される部材のうち少なくとも機関弁が非磁性軽量材料で形成されることにより、両電磁石からの磁束の漏れを低減して両電磁石の電磁吸引力増大に寄与することができるとともに、少なくとも機関弁を軽量化することにより電磁吸引力の増大と相まって機関弁を効率的に作動せしめることができ、さらに表面硬化処理が施されることにより、耐焼付け性および耐摩耗性の向上を図ることができる。
【0039】
また特に請求項4の発明によれば、両電磁石及びアーマチュアを収納するケーシングの収納孔には、両電磁石のアウターヨーク相互間に介在してアーマチュアを囲繞するリング状のスリーブが嵌合される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例での機関弁が中立位置に在る状態での動弁装置の縦断面図
【図2】電磁石の横断面図
【図3】機関弁の側面図
【図4】ヨークからのコイル突出量による吸引力の変化を示す図
【図5】磁路面積比による吸引力の変化を示す図
【図6】参考例の図1に対応した縦断面図
【符号の説明】
・・・動弁装置
・・・アーマチュア
・・・開弁側電磁石
・・・閉弁側電磁石
15・・・開弁側弾発手段としての開弁側コイルばね
16・・・閉弁側弾発手段としての閉弁側コイルばね
42,43・・・環状収容部
44,47・・・インナーヨーク
45,48・・・アウターヨーク
46,49・・・コイル
V・・・・機関弁

Claims (4)

  1. 機関弁(V)に連動、連結されるアーマチュア(12)と、該アーマチュア(12)を吸引して機関弁(V)を開弁作動せしめる電磁力を発揮する開弁側電磁石(13)と、前記アーマチュア(12)を吸引して機関弁(V)を閉弁作動せしめる電磁力を発揮する閉弁側電磁石(14)と、前記機関弁(V)を開弁方向に付勢する弾発力を発揮する開弁側弾発手段(15)と、前記機関弁(V)を閉弁方向に付勢する弾発力を発揮するとともに開弁側および閉弁側電磁石(13,14)の消勢時には開弁側弾発手段(15)と共働してアーマチュア(12)を所定の中立位置に保持する閉弁側弾発手段(16)とを備える内燃機関の動弁装置において、
    開弁側および閉弁側電磁石(13,14)は、アーマチュア(12)に対向する側が開放され且つアーマチュア(12)とは反対側が相互に磁気的に結合されて二重の筒状に配置されるインナーヨーク(44,47)およびアウターヨーク(45,48)間に、筒状のコイル(46,49)が挿入されて成ると共に、そのコイル(46,49)の軸線方向一端部が、インナーヨーク(44,47)及びアウターヨーク(45,48)の何れからも、該コイル(46,49)の軸線方向でアーマチュア(12)側に突出しており、
    アーマチュア(12)の両電磁石(13,14)に対向する面には、コイル(46,49)の前記ヨーク(44,45;47,48)からの突出部を収容可能な溝状の環状収容部(42,43)がそれぞれ設けられることを特徴とする、内燃機関の動弁装置。
  2. 各電磁石(13,14)において、インナーヨーク(44,47)に対するアウターヨーク(45,48)の磁路面積比が1.0〜1.4に設定されることを特徴とする、請求項1に記載の内燃機関の動弁装置。
  3. 開弁側および閉弁側電磁石(13,14)の周辺に配置される部材のうち少なくとも機関弁(V)が非磁性軽量材料で形成され、非磁性軽量材料により形成された部材の他の部材との接触部に表面硬化処理が施されることを特徴とする、請求項1または2に記載の内燃機関の動弁装置。
  4. 両電磁石(13,14)及びアーマチュア(12)を収納するケーシング(11)の収納孔(19)には、両電磁石(13,14)のアウターヨーク(45,48)相互間に介在してアーマチュア(12)を囲繞するリング状のスリーブ(50)が嵌合されることを特徴とする、請求項1,2又は3に記載の内燃機関の動弁装置。
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