JP3690145B2 - バルブ駆動装置及び内燃機関 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁力を用いてバルブの開閉を行う電磁式バルブ駆動装置及びこれを用いた内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の内燃機関は、吸気、圧縮、燃焼、排気の各行程を繰り返すことにより回転力を発生する。各行程において、吸気バルブ及び排気バルブ（以下ではバルブと記す）の開閉を行うことを目的として、現在主流のカムシャフト駆動によるバルブ駆動装置に代えて、電磁力を用いてバルブを駆動する電磁式バルブ駆動装置が提案されてきている。これらの機構は、バルブとともに運動する可動子と、可動子を吸引するための電磁石と、可動部を支持するばねとを構成要素としている。このような電磁式バルブ駆動装置を用いると、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングの変更が容易であるので、内燃機関の運転状態に応じて、理想的なタイミング設定が可能となり、出力特性や燃費特性の改善に寄与することができる。
【０００３】
しかし、電磁式バルブ駆動装置では、電磁石が可動子を吸着する際に大きな衝撃音を発生する。内燃機関には静粛性が要求されるため、電磁式バルブ駆動装置を実用化するためには、衝撃音を低減する必要がある。
【０００４】
衝撃音を低減する第一の従来技術として、特開平７−３０５６１２号公報に記載された装置が知られている。これは、電磁石または可動子の表面にオイルを供給することにより、可動子が電磁石に直接衝突することを防止し、衝撃音を低減しようとするものである。
【０００５】
衝撃音を低減する第二の従来技術として、特表平４−５０２１９２号公報に記載された装置が知られている。これは、鉄心と可動子の間の空間に空気を密閉し、空気ばねの効果で衝撃音を低減しようとするものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記第一の従来技術では、オイルの粘性による減衰効果を利用している。このため、オイルの温度が変化した場合には、その粘性が大きく変化し、安定した衝撃音低減効果を得ることが難しい。
【０００７】
さらに上記第二の従来技術では、可動子の全可動領域において、空気ばね力が働いてしまい、可動子の運動を妨げる。このため、空気ばね力に相当する電磁力を余計に供給する必要があり、消費電力が増加する可能性がある。
【０００８】
本発明の目的は、消費電力を増大させることなく、かつ、温度が変化した場合にも安定した特性で、電磁石が可動子を吸着する際の衝撃音を低減できるバルブ駆動装置を提供することにある。
また本発明の他の目的は、低コスト化、小型化及び燃費特性向上に有利な内燃機関を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明のバルブ駆動装置は、内燃機関の吸気用または排気用のバルブとともに運動する可動子と、前記可動子に固着される可動軸と、前記バルブを開く際に、前記可動子を吸引するための開電磁石と、前記バルブを閉じる際に、前記可動子を吸引するための閉電磁石と、前記可動子と、前記可動軸とより構成される可動部を支持するばねとより構成されるバルブ駆動装置において、前記可動子の近傍に設けたカムと、前記可動子に設けたカムフォロアと、前記カムフォロアを前記カムに押し付けるための押し付け機構とを備え、前記カムフォロアが前記カムにならって運動することにより、前記可動部が、前記開電磁石または前記閉電磁石に吸引される際に、前記可動部の前記可動軸方向の直線運動を、前記可動軸回りの回転運動に変換するようにしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１及び図２を用いて、バルブ駆動装置の基本構成及び基本動作について説明する。
【００１１】
可動子１には可動軸２が固着される。可動子１の材料は、鉄などの磁性材料とする。
【００１２】
可動子１の上下には、バルブを閉じるときに通電される閉電磁石３、バルブを開くときに通電される開電磁石４を設ける。開電磁石４は、開コイル５と、開鉄心６と、開エンドブロック７ａ、７ｂなどより構成される。閉電磁石３も同様に、図示しない閉コイルと、閉鉄心８と、閉エンドブロック９ａ、９ｂなどより構成される。開鉄心６及び閉鉄心８は鉄などの磁性材料とする。
【００１３】
可動子１の左右には、サイドブロック１０ａ、１０ｂを設ける。
【００１４】
可動軸２の軸方向下方には、バルブ１１、下ばね１２、下ばね受け１３を設ける。下ばね受け１３は、バルブ１１に固定される。下ばね１２は、図示しない内燃機関と下ばね受け１３との間に、圧縮状態で保持される。
【００１５】
可動軸２の軸方向上方には、上可動軸１４、上ばね１５、上ばね受け１６を設ける。上ばね１５を囲む位置に、第一ケース１７、第二ケース１８を設ける。上ばね受け１６は、上可動軸１４に固定される。上ばね１５は、第二ケース１８と上ばね受け１６との間に、圧縮状態で保持される。
【００１６】
通しボルト１９ａ〜１９ｄは、第一ケース１７と、第二ケース１８と、閉電磁石３と、サイドブロック１０ａ、１０ｂと、開電磁石４とを一体化し、これらを図示しない内燃機関に固定する。
【００１７】
可動子１と、可動軸２と、バルブ１１と、上可動軸１４とは、軸方向に摺動可能な状態で、下ばね１２及び上ばね１５のばね力により支持される。閉電磁石３及び開電磁石４に電流を供給しない状態においては、上ばね１５と下ばね１２のばね力のつりあいにより、可動子１は、閉電磁石３と開電磁石４との間の空間の中央部付近に位置する。
【００１８】
次に、バルブ駆動装置の基本動作について述べる。
【００１９】
第一に、バルブ１１が閉じた状態から開いた状態にするための動作を説明する。
【００２０】
バルブ１１が閉じている状態で、閉電磁石３に供給していた電流を切る。これにより可動子１と閉電磁石３との吸引力が消滅し、上ばね１５と下ばね１２とのばね力により、可動子１は、開電磁石４に向かって運動しはじめる。このとき、開電磁石４に電流を供給する。これにより、開電磁石４に近づいてくる可動子１は、開電磁石４に吸引され、バルブ１は開いた状態となる。
【００２１】
次に、バルブ１が開いた状態から閉じた状態にするための動作を説明する。
【００２２】
バルブ１が開いている状態で、開電磁石４に供給していた電流を切る。これにより可動子１と開電磁石４との吸引力がなくなり、上ばね１５と下ばね１２とのばね力により、可動子１は、閉電磁石３に向かって運動しはじめる。このとき、閉電磁石３に電流を供給する。これにより、閉電磁石３に近づいてくる可動子１は、閉電磁石３に吸引され、バルブ１は閉じた状態となる。
【００２３】
このような動作を繰り返すことにより、バルブ１の開閉が繰り返され、内燃機関の運転が行われる。
【００２４】
上記各動作において、可動子１が、開電磁石４または閉電磁石３に吸引されるときに、衝撃音が発生し、問題となっていた。
【００２５】
次に、図１〜３を用いて本発明の一実施の形態について説明する。
【００２６】
可動子１には、カムフォロア２１ａ、２１ｂを設ける。サイドブロック１０ａには、溝状のカム２２ａを設ける。サイドブロック１０ｂにも、同様に図示しない溝状のカムを設ける。開電磁石４の吸引面には開突起部２３ａ、２３ｂを設ける。閉電磁石３の吸引面にも同様に閉突起部２４を設ける。
【００２７】
可動子１が、開電磁石４に吸引されるときの動作と、閉電磁石３に吸引されるときの動作とは同様であるから、前者のみについて説明する。
【００２８】
図３は、カムフォロア２１ａとサイドブロック１０ａのみを取り出し、Ｘ軸の軸方向からみた図面である。カムフォロア２１ａは、カム２２ａにならって、矢印２５のように運動する。このとき、潤滑油経路３７を通して、カムフォロア２１ａとカム２２ａとの接触部に潤滑油を供給する。カム２２ａは開動作及び閉動作時のカムフォロア２１ａの案内面（又は案内溝）を一つの孔で形成する。この孔は可動軸２の軸方向に平行な直線部と外向きに凸な曲線部とをそれぞれ２つずつ有している。１つの直線部と１つの曲線部で開動作又は閉動作の一方を受け持つ。各動作の開始時は直線部に案内され、終盤では曲線部に案内される。曲線の曲率等を変化させることによって直線部を備えず、曲線部のみで開動作又は閉動作の案内部を形成してもよい。また、曲率の選び方によっては、一つの曲率で案内部を形成することも可能であろう。また、開動作と閉動作とで直線部と曲線部の割合や曲率、直線部の有無に変化を持たせることも可能であろう。
【００２９】
図４は開電磁石４と可動子１のみを取り出し、Ｚ軸の軸方向からみた図面である。可動子１が開電磁石４に吸引されるときには、開電磁石４が可動子１をＺ軸の負の方向に吸引する電磁力とともに、開突起部２３ａ、２３ｂが可動子１を吸引する電磁力２６ａ、２６ｂを発生する。これにより、可動子１には、可動軸２回りの時計方向の回転力が作用することになる。この回転力は、図３においては、カムフォロア２１ａをカム２２ａに押し付ける力２７となる。
【００３０】
尚、サイドブロック１０ｂに設けられる図示しないカムの形状は、カム２２ａの形状に対し、可動軸２の中心軸について対称な形状とする。よって、カムフォロア２１ｂの運動は、カムフォロア２１ａの運動２５に対し、可動軸２の中心軸について対称な運動をする。
【００３１】
図１から図４に示した構成により、可動子１が開電磁石４に吸引されるときには、カムフォロアとカムとによって構成されるカム機構の働きにより、可動子１の可動軸２の軸方向の直線運動が、可動軸２の軸回りの回転運動に変換される。よって、可動子１が開電磁石４に吸引されるときの、可動軸２方向の速度が低減されるため、衝撃音を低減することができる。
【００３２】
このとき、カムフォロア２１ａ、２１ｂをカムに押し付ける力が働くため、可動子１の速度低減が確実に行われる。また、オイルの粘性を利用しないため、温度が変化した場合でも、安定した速度低減効果、すなわち衝撃音低減効果が得られる。さらに、可動子１の運動を妨げる力は、可動子１が開電磁石４または閉電磁石３に吸引される直前にのみ働くため、消費電力を増大させることなく、衝撃音低減効果を得ることができる。さらに、カムフォロア２１ａとカム２２ａとの接触部には潤滑油が供給されるので、カムフォロア２１ａとカム２２ａとの接触部の摩耗を防ぐことができるため、安定した衝撃音低減効果が得られる。
【００３３】
尚、開突起部２３ａ、２３ｂの位置は、図４に示す位置に限定するものではない。例えば図５に示す位置でもよいし、図６に示す位置でもよい。可動子１に回転力を与えられる位置であればどこでもよい。
【００３４】
また、カム及びカムフォロアの形状は図１〜３に示した形状に限定するものではない。可動子１の直線運動を、回転運動に変換することができれば、如何なる形状としてもよい。
【００３５】
また、潤滑油経路３７の位置は、図３に示すものに限定するものではなく、カムフォロア２１ａとカム２２ａとの接触面に潤滑油が供給されれば、いかなる位置にあってもよい。
【００３６】
図７を用いて本発明の他の実施の形態について説明する。図７は、カムフォロア２１ａとサイドブロック１０ａのみを取り出し、Ｘ軸の軸方向からみた図面である。カムフォロア２１ａは、鉄などの磁性材料とする。さらに、溝状のカム２２ａは、鉄などの磁性体からなるカム部材２８に設ける。カム部材２８はサイドブロック１０ａ内に固定される。
【００３７】
このような構成によれば、可動子１と同時に磁化されたカムフォロア２１ａは、磁性体からなるカム部材２８に吸引されるようになる。よって、カムフォロア２１ａをカム２２ａに押し付ける力が働くため、可動子１の速度低減が確実に行われ、安定した衝撃音低減効果が得られる。
【００３８】
なお、カムフォロア２１ｂと、サイドブロック１０ｂに設けられる図示しないカムについても、同様に磁性体化してもよい。
【００３９】
また、カム部材２８を設けることなく、サイドブロック１０ａ自体を磁性体化してもよい。
【００４０】
図８を用いて本発明の他の実施の形態について説明する。図８は、上ばね１５、上ばね受け１６、上可動軸１４、可動子１、可動軸２のみを取り出した図面である。上ばね１５の上端面と、図示しない第二ケースとは、相対的な回転運動を起こさないように、固定される。上ばね１５の下端面と上ばね受け１６とは、相対的な回転運動を起こさないように、固定される。上ばね受け１６と、上可動軸１４とは、相対的な回転運動を起こさないように、固定される。上可動軸１４と、可動軸２とは、相対的な回転運動を起こさないように固定される。
【００４１】
上ばね１５はコイルばねであるから、伸縮にともなって、中心軸回りのねじり力を発生する。よって、上ばね１５の上端面と下端面とは、相対的な回転運動を起こす。上記のような構成によれば、上ばね１５の伸縮に伴なう前記の回転運動を、可動子１に伝達することができる。したがって、カムフォロア２１ａ、２１ｂをカムに押し付ける力が働くため、可動子１の速度低減が確実に行われ、衝撃音低減効果が得られる。
【００４２】
なお、上可動軸１４と可動軸２とは一体化することが望ましいが、両者間で、回転運動を伝達することができれば分割構造としてもよい。
【００４３】
図９を用いて本発明の他の実施の形態について説明する。図９は、上ばね１５、上ばね受け１６、可動子１、可動軸２のみを取り出した図面である。上ばね１５を可動子１の下方に配置する点が、図８と異なる。上ばね１５の上端面と開電磁石４の底面とは、相対的な回転運動を起こさないように、固定される。上ばね１５の下端面と上ばね受け１６とは、相対的な回転運動を起こさないように、固定される。上ばね受け１６と可動軸２とは、相対的な回転運動を起こさないように固定される。
【００４４】
このような構成によっても、上ばね１５の伸縮に伴う前記の回転運動を、可動子１に伝達することができる。したがって、カムフォロア２１ａ、２１ｂをカムに押し付ける力が働くため、可動子１の速度低減が確実に行われ、衝撃音低減効果が得られる。
【００４５】
図１０を用いて本発明の他の実施の形態について説明する。図１０は可動子１とカムフォロア２１ａ、２１ｂのみを取り出した図面である。カムフォロア２１ａ、２１ｂの、それらの軸を含む平面での断面形状は、図１０（ａ）に示すように、凸面状の曲面とする。このような形状とすることにより、カムフォロア２１ａ、２１ｂとカム２２とは、凸面状の曲面上で接触することとなる。仮に、図１０（ｂ）に示すように、カムフォロア２１ａ、２１ｂが完全な円柱状であったとすると、カムフォロア２１ａ、２１ｂとカム２２とは、エッジ部２９ａ、２９ｂで接触することとなり、接触部の面圧が非常に高くなる。図１０（ａ）のような形状とすることにより、カムフォロア２１ａ、２１ｂとカム２２との接触部の面圧は低く抑えられるため、接触部の摩耗を抑えることができ、安定した衝撃音低減効果が得られる。
【００４６】
なお、カムフォロア２１ａ、２１ｂを完全な円柱状とし、カムのカムフォロア２１ａ、２１ｂとの接触面を凸面状の曲面としてもよい。
【００４７】
図１１を用いて本発明の他の実施の形態について説明する。図１１はサイドブロック１０ａ、カム２２ａ、カムフォロア２１ａ等のみを取り出した図面である。サイドブロック１０ａ内に、カム支持体３０を、Ｙ軸方向に摺動可能な状態で支持する。カム支持体３０に溝状のカム２２ａを設ける。カム支持体３０は、ばね要素３１ａ、３１ｂと、減衰要素３２ａ、３２ｂとによって支持する。ばね要素３１ａ、３１ｂは、板ばねが好適であるが、コイルばね、ゴム、樹脂、防振金属などを用いてもよい。減衰要素３２ａ、３２ｂには、ダッシュポット、ゴム、樹脂、防振金属などを用いるとよい。
【００４８】
このような構成によれば、カムフォロア２１ａが、カム２２ａに接触する際の騒音をも低減することができる。また、図１１のような構成をとらなかった場合、可動子１の両側に設けられる二つのカム２２の位置にずれがある場合には、カムフォロア２１ａとカムフォロア２１ｂのうち、何れか一方のみしかカム２２に接触しないことが起こる。しかし、図１１のような構成をとれば、ばね要素３１ａ、３１ｂがたわむことにより、カム２２の位置ずれを吸収するため、カムフォロア２１ａ、２１ｂの両方が、カム２２に接触することができ、安定した衝撃音低減効果を得ることができる。
【００４９】
なお、サイドブロック１０ａとサイドブロック１０ｂとの両方について、図１１の様な構成をとってもよいし、何れか一方について、図１１のような構成をとってもよい。
【００５０】
なお、ばね要素３１ａと３１ｂとのうち何れか一つのみを設けてもよい。また、減衰要素３２ａと３２ｂとのうち何れか一つのみを設けてもよい。さらに、ばね要素と減衰要素とのうちいずれか一方のみを設けてもよい。
【００５１】
図１２を用いて本発明の他の実施の形態について説明する。
【００５２】
図１２は、図１から図１１で示したバルブ駆動装置を用いて内燃機関を構成した実施例である。
【００５３】
内燃機関の吸気管３３にはスロットルバルブ３４及び燃料噴射弁３５が設けられ、燃料と空気の混合気がシリンダ３６に送り込まれる。シリンダ３６には、ピストン３７、点火プラグ３８、バルブ駆動装置４１、４２が設けられ、混合気の吸入・圧縮・爆発が行われる。爆発後の排気は排気管３９を通じて排出される。内燃機関の回転力は、発電機などの補機４０へ伝達される。
【００５４】
このような構成をとることにより、カムシャフトによるバルブ駆動機構をはじめとする機械的構成が簡素化されるとともに、カムシャフトでのエネルギ消費がなくなるため、低コスト化、小型化、燃費特性向上に有利な内燃機関を得ることができる。また、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングの変更が容易であるので、内燃機関の運転状態に応じた理想的なタイミング設定が可能となり、出力特性や燃費特性のよい内燃機関を得ることができる。同時に、バルブ駆動装置４１、４２は静粛であるから、運転音の小さい内燃機関を得ることができる。
【００５５】
なお、バルブ駆動装置４１、４２を用いて空気流量を制御する場合には、スロットルバルブ３４を設けなくともよい。
【００５６】
また、燃料噴射弁３５は吸気管３３ではなく、シリンダ３６に配設してもよい。
【００５７】
【発明の効果】
本発明では、カムフォロアとカムとによって構成されるカム機構の働きにより、可動子の可動軸方向の直線運動が、可動軸の軸回りの回転運動に変換される。よって、可動子が電磁石に吸引されるときの、可動軸方向の速度が低減されるため、衝撃音を低減することができる。このとき、カムフォロアをカムに押し付ける力が働くため、可動子の速度低減が確実に行われる。また、オイルの粘性を利用しないため、温度が変化した場合でも、安定した速度低減効果、すなわち衝撃音低減効果が得られる。さらに、可動子の運動を妨げる力は、可動子が電磁石に吸引される直前にのみ働くため、消費電力を増大させることなく、衝撃音低減効果を得ることができる。これにより、低コスト化、小型化、燃費特性向上に有利な内燃機関を得ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のバルブ駆動装置の一実施の形態をあらわす分解斜視図である。
【図２】本発明のバルブ駆動装置の一実施の形態をあらわす断面図である。
【図３】本発明のバルブ駆動装置の一実施の形態をあらわす図面である。
【図４】本発明のバルブ駆動装置の一実施の形態をあらわす図面である。
【図５】本発明のバルブ駆動装置の他の実施の形態をあらわす図面である。
【図６】本発明のバルブ駆動装置の他の実施の形態をあらわす図面である。
【図７】本発明のバルブ駆動装置の他の実施の形態をあらわす図面である。
【図８】本発明のバルブ駆動装置の他の実施の形態をあらわす図面である。
【図９】本発明のバルブ駆動装置の他の実施の形態をあらわす図面である。
【図１０】本発明のバルブ駆動装置の他の実施の形態をあらわす図面である。
【図１１】本発明のバルブ駆動装置の他の実施の形態をあらわす図面である。
【図１２】本発明の内燃機関の実施の形態をあらわす図面である。
【符号の説明】
１…可動子、２…可動軸、３…閉電磁石、４…開電磁石、５…開コイル、６…開鉄心、７…開エンドブロック、８…閉鉄心、９…閉エンドブロック、１０…サイドブロック、１１…バルブ、１２…下ばね、１３…下ばね受け、１４…上可動軸、１５…上ばね、１６…上ばね受け、１７…第一ケース、１８…第二ケース、１９…通しボルト、２１…カムフォロア、２２…カム、２３…開突起部、２４…閉突起部。

Claims (6)

1. 内燃機関の吸気用または排気用のバルブとともに運動する可動子と、前記可動子に固着される可動軸と、前記バルブを開く際に、前記可動子を吸引するための開電磁石と、前記バルブを閉じる際に、前記可動子を吸引するための閉電磁石と、前記可動子と、前記可動軸とより構成される可動部を支持するばねとより構成されるバルブ駆動装置において、
   前記可動子の近傍に設けたカムと、前記可動子に設けたカムフォロアと、前記カムフォロアを前記カムに押し付けるための押し付け機構とを備え、
   前記カムフォロアが前記カムにならって運動することにより、前記可動部が、前記開電磁石または前記閉電磁石に吸引される際に、前記可動部の前記可動軸方向の直線運動を、前記可動軸回りの回転運動に変換することを特徴とするバルブ駆動装置。
2. 請求項１に記載のバルブ駆動装置において、
   前記押し付け機構は、前記開電磁石と前記閉電磁石とのうち何れか一方または両方の、前記可動子に対向する面に設けられる突起部であることを特徴とするバルブ駆動装置。
3. 請求項１に記載のバルブ駆動装置において、
   前記押し付け機構は、磁性材料からなる前記カムフォロアと、磁性材料からなる前記カムとにより構成されることを特徴とするバルブ駆動装置。
4. 請求項１に記載のバルブ駆動装置において、
   前記押し付け機構は、前記ばねが発生する、前記可動軸回りのねじり力を、前記可動部に伝達する機構であることを特徴とするバルブ駆動装置。
5. 請求項１に記載のバルブ駆動装置において、
   前記カムフォロアの形状は、略円柱状であり、前記略円柱の、中心軸と略平行な側面の、前記中心軸を含む平面についての断面形状は、凸面状の曲面であることを特徴とするバルブ駆動装置。
6. 請求項１に記載のバルブ駆動装置において、
   前記カムは、ばね要素と減衰要素とのうち何れか一方または両方により支持されることを特徴とするバルブ駆動装置。

Images