JP4043136B2

JP4043136B2 - 油圧式排気弁駆動装置

Info

Publication number: JP4043136B2
Application number: JP08853199A
Authority: JP
Inventors: 裕幸石田; 龍夫高石; 禎範永江; 正英杉原
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: JP2000282823A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は蓄圧器に蓄えられた作動油を排気弁上部の油室に導き、該排気弁を開閉するようにした油圧式排気弁駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、本件出願人が特許第２８０９３５４号にて提案している油圧式排気弁駆動装置の構成図である。
【０００３】
図４において、１はシリンダカバー、２は排気弁、２ａは排気通路、３は空気溜め、４は逆止弁である。５は空気ピストンで、前記排気弁２と同時に、空気シリンダ６内を往復動する。７は動弁アクチュエータ本体、８は油圧シリンダ、９は作動ピストン、８ａは上部油圧室、８ｂは下部油圧室である。
１０は高圧管、１１は開側ロジック弁である。１２は開側ロジック弁油路で、蓄圧器１６に接続されている。１３は開側スプール管制弁で、図示しないコントローラにより、機関のクランク軸の回転と同期して駆動される。１４は閉側ロジック弁、１６は閉側スプール管制弁で、前記閉側スプール管制弁１３と同様に図示しないコントローラにより駆動される管制弁である。
【０００４】
１６は蓄圧器、また、１７は油圧源装置で、高圧油を供給するものであり、ポンプ、フィルタから構成されている。１８は低圧の油圧源装置で、管路１８ａにより前記動弁アクチュエータ７に連通している。１９は油タンク、２０は開側ロジック弁と閉側ロジック弁とを接続する連通油路、２１は開側ロジック弁の大径側と開側スプール管制弁とを接続する油路、２２は閉側スプール管制弁１３と蓄圧器１６とを接続する油路、２３は閉側ロジック弁１４の大径側と閉側スプール管制弁１５とを接続する油路、２４は閉側スプール管制弁１５と蓄圧器１６とを接続する油路である。
【０００５】
２５は前記閉側ロジック弁１４から油タンク１９への排油管、２６は前記スプール管制弁１３、１５からの排油管である。
又、前記スプール管制弁１３、１５は、３口の管制弁で、Ｐポート、Ｃポート、Ｔポートをもつもので電磁駆動により開閉、駆動される。
【０００６】
又、前記開側ロジック弁１１は、蓄圧器１６及び作動ピストン９の上部油圧室８ａと接続する接続室１１ａ、蓄圧器１６の圧油が給排される圧油室１１ｂ、接続室１１ａと圧油室１１ｂとを区分するとともに、該圧油室１１ｂに圧油が供給されたとき蓄圧器１６と圧油室８ａとの連通を接続室１１ａ内で遮断する弁体１１ｃよりなる。又前記閉側ロジック弁１４は、油タンク１９と接続する接続室１４ａ、蓄圧器１６の圧油が給排される圧油１４ｂ、接続室１４ａと圧油室１４ｂとを区分する弁体１４ｃよりなる。
【０００７】
かかる従来の排気弁駆動装置において、図４は空気溜め３の空気圧が空気ピストン５の下部に作用して排気弁２は閉じている状態である。
このとき、開側及び閉側のスプール管制弁１３、１５は蓄圧器１６からの油圧を開、閉側ロジック弁１１、１４の大径側に作用させており、これによってロジック弁１１、１４は閉じている。
【０００８】
排気弁２の開弁時期になると、機関と同期して発せられるトリガー信号により、かつ機関の運転状態によりコンピュータにより判断された適当な時期に、開側スプール管制弁１３が駆動される。該管制弁１３が作動すると、油路２２は閉じられ、油路２１が排油管２６に通じて、ロジック弁大径側の油圧が抜けるため、ロジック弁１１が開き、蓄圧器１６の油圧は油路１２及び高圧管１０から動弁アクチュエータ７内の油圧シリンダ８の上部油圧室８ａに作用する。この油圧により油圧ピストン９が押し下げられ、排気弁２が開かれる。
このとき空気シリンダ６内の空気は圧縮され、上向きの力として作用するが油圧による力のバランス点まで排気弁２はリフトする。
その後、開側スプール管制弁１３が戻され、蓄圧器１６の油圧が開側ロジック弁１１の大径部に作用し、該開側ロジック弁１１は閉じる。
【０００９】
機関に必要な排気がなされると、閉側スプール管制弁１５が駆動され、油路２４が閉じられると同時に、油路２３と排油管２６とがつながり、ロジック弁１４の大径側の油圧が抜けるので、ロジック弁１４が開き、上部油圧室８ａに作用していた油圧は、高圧管１０、連通油路２０から排油管２５へと抜け、油圧の作用力がなくなる。すると、空気ピストン５へ作用している空気の圧縮によるばね力により、排気弁２が閉じる。このとき下部油圧室８ｂには低圧油圧源１８から油が補給され、空洞の発生もなく安定した状態で作動ピストン９が上昇位置に復帰する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示す従来技術にあっては、上記のように構成されたことにより、最適な排気弁特性が得られることによって燃料消費率が低減され高性能の機関となるとともに、弁駆動のための高圧油の消費量も少なくなるという効果を奏するが、作動ピストン９が単一径のピストンであるため、次のような解決すべき課題がある。
【００１１】
即ち、排気弁２は開弁初期における開弁速度を大きくすることにより排気弁２の開時期を遅らせ、シリンダ内でなし得る仕事を多くすることが要求されるが、かかる要求を満足するには、作動ピストン９の径を増大することを要する。
一方、排気弁２開時の中盤以降は、すでに十分な開弁面積であるので、開弁速度を前記開弁初期並みに大きくする必要はない。
【００１２】
このため前記従来技術のように、作動ピストン９が単一径であると、前記のように開弁初期における開弁速度を大きくするため作動ピストン９の径を増大させると、中盤以降における該ピストンによる押し退け量即ち作動油の消費量が多くなり、このため、作動油系のポンプ容量が排油系の容量が増大し、装置が大型化するとともに高コストの排気弁駆動装置となる。
【００１３】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、作動油の消費量を増大することなく、開弁初期における開弁速度を増大せしめた排気弁駆動装置を得ることにより、装置の大型化及び高コスト化を抑制して、シリンダ内でなし得る仕事を多くすることで、燃料消費率が低減され高性能の機関を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明はかかる課題を解決するため、請求項１記載の発明として、排気弁の頭部に、油圧シリンダ内に往復動自在に嵌合された作動ピストンを連結し、前記油圧シリンダの油室に導入された作動油の圧力を前記作動ピストンに作用させて、前記排気弁を開弁するように構成された油圧式排気弁駆動装置において、前記作動ピストンは、前記油圧シリンダ内に往復動自在に嵌合された外側ピストンと、該外側ピストンの内周に相対摺動自在に嵌合されるとともに前記排気弁の頭部に固着された前記外側ピストンよりも小径の内側ピストンと、前記外側ピストンの一定量以上の変位を静止するストッパ部とを備え、前記外側ピストンの上面及び内側ピストンの上面は同一の油室に臨んでおり、該油室内の作動油圧の受圧面を形成し、前記排気弁の開弁初期の一定期間には、前記作動油の圧力により前記外側ピストンと内側ピストンとが同時に移動せしめられ、該外側ピストンが前記ストッパ部により制止された後は内側ピストンのみが移動するように構成され、前記外側ピストンと内側ピストンとの円周方向相対移動を係止する係止手段を設けるとともに、前記外側ピストンの上面の周縁部に沿って回転羽根を設け、さらに、前記外側ピストンの上昇位置における前記回転羽根に向けて前記外側ピストンの接線方向に前記作動油を供給する作動油供給口を設け、開弁作動時に作動油が油室に導入される毎に該作動油により該回転羽根、前記外側、内側ピストンを介して前記排気弁を回転せしめるように構成してなることを特徴とする油圧式排気弁駆動装置を提案する。
【００１５】
また請求項２記載の発明は、請求項１において、前記外側ピストンの内周には、前記内側ピストンの最大移動量を規制する第２のストッパ部が設けられてなる。
【００１６】
かかる発明によれば、油圧シリンダ内に、蓄圧器にて所定圧力に蓄圧されている作動油が管制弁によって制御された開弁時期に導入されると、該作動油圧は大径の外側ピストン及びこれの内周に嵌合された内側ピストンの双方に作用する。これにより外側ピストンと内側ピストンとは、作動油圧によって同時に移動し、内側ピストンに固着されている排気弁は開弁方向に移動する。
【００１７】
そして、排気弁の一定ストローク後の中盤において、外側ピストンがストッパ部に当たると、外側ピストンの移動が制止され、作動油圧は小径の内側ピストンのみに作用し、内側ピストンが第２のストッパに当たると、排気弁は最大リフトとなってここでリフトが制止される。
【００１８】
従って、かかる発明によれば、排気弁の開弁初期には、作動油圧（Ｐ）が面積の大きい外側ピストンの外径（Ｄ_１）に作用して、排気弁を開弁方向に押す力Ｆ_１＝（π／４）（Ｄ_１ ^２×Ｐ）となって、大きな開弁力となり、
前記外側ピストンがストッパに当たった後は、前記作動油圧（Ｐ）は内側ピストンの外径（Ｄ_２）のみに作用して、開弁方向に押す力Ｆ_２＝（π／４）（Ｄ_２ ^２×Ｐ）となって前記Ｆ_１よりも小さな力となる。
【００１９】
これにより、排気弁の開弁初期には作動油圧が外側ピストン及び内側ピストンの双方に作用して大きな開弁力となって開弁速度が増大され、これにより排気弁の開時期が遅れてシリンダ内でなし得る仕事が増大し、機関出力が増大する。
【００２０】
また、排気ガスのエネルギが小さくなる中盤以降は外径の小さい内側ピストンのみに作動油を作用させるので、該内側ピストンのストロークによる押し退け量つまり作動油の消費量が少なくて済む。
従って、かかる発明によれば、開弁初期における開弁速度を増大させて排気弁の開時期を遅らせ、シリンダ内でなし得る仕事を増大しつつ排気弁の全ストロークにおける作動油の消費量を低減することができる。
【００２１】
また本発明は、前記外側ピストンと内側ピストンとの円周方向相対移動を係止する係止手段を設けるとともに、前記外側ピストンの上面の周縁部に沿って回転羽根を設け、さらに、前記外側ピストンの上昇位置における前記回転羽根に向けて前記外側ピストンの接線方向に前記作動油を供給する作動油供給口を設け、開弁作動時に作動油が油室に導入される毎に該作動油により該回転羽根、前記外側、内側ピストンを介して前記排気弁を回転せしめるように構成してなる。
【００２２】
かかる構成によれば、作動油供給口から外側ピストン上部が臨む油室内に接線方向に作動油が供給され、この作動油が外側ピストンに固設された回転羽根に作用し、外側ピストン及びこれに円周方向相対移動が係止された内側ピストンに回転力を与える。そしてこの回転力は該内側ピストンに固定された排気弁に伝達されて該排気弁が前記外側ピストン及び内側ピストンとともに回転せしめられる。
【００２３】
これにより、排気弁とバルブシートとの当たりが円周方向において均一化され、該排気弁とバルブシートとの片当たりによる該シート部の損傷の発生やガスの吹き抜けの発生が防止される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を例示的に詳しく説明する。但しこの実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がないかぎりは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２５】
図１は本発明の実施形態にかかる排気弁油圧駆動装置の要部縦断面図である。この実施形態における排気弁油圧駆動装置は図４における排気弁油圧駆動装置は図４における排気弁駆動装置１００を改良したものであり、上記排気弁駆動装置１００以外の構成は図４の装置と同様である。
【００２６】
図１において、１はシリンダカバー、３６は該シリンダカバー１に埋め込まれたバルブシート、２は排気弁であり、該排気弁２の往復動により、該排気弁２とバルブシート３６とのシート部３７を開閉することによって、シリンダ内の排気ガスの排気ターボ過給機（不図示）への通流を制御している。
【００２７】
３３は油圧シリンダ、３４は該油圧シリンダ３３内に形成された油室であり、該油室３４には、蓄圧器１６から高圧管１０（何れも図４参照）を経た作動油を導入するための作動油供給口３５が開口している。
３１は前記油圧シリンダ３３の嵌合孔３３ｂ内に往復摺動自在に嵌合された外側ピストン、３２は該外側ピストン３１の嵌合孔３１ｃ内に往復摺動自在に嵌合された内側ピストンである。
該内側ピストン３２の下部には前記排気弁２の弁棒２ａの上部が固着され、該排気弁２は内側ピストン３２と一体となって往復動可能となっている。
【００２８】
前記外側ピストン３１の上面及び内側ピストン３２の上面は前記油室３４に臨んでおり、該油室３４内の作動油圧の受圧面を形成している。
３１ａは該外側ピストン３１の外周に環状に形成されたストッパ部であり、該ストッパ部３１ａは前記油圧シリンダ３３の大径孔３３ａ内を外側ピストン３１の移動に従い上下の段差部３３ｃ及び３３ａの間の範囲で移動するようになっている。
【００２９】
また、前記内側ピストン３２には環状のストッパ部（第２のストッパ部）３２ａが設けられ、該ストッパ部３２ａは外側ピストン３１の大径孔３１ｄ内を該内側ピストン３２の移動に従い上下の段差部３１ｅ、３１ｂの間の範囲で移動するようになっている。
３３ｅは外側ピストン３１の外周に設けられた油溜め、３１ｆは内側ピストン３２の外周に設けられた油溜めである。
【００３０】
また、前記外側ピストン３１のストッパ部３１ａが最上部にきたときには、これと段差部３３ｃとの間にクッション室３８が形成され、該ストッパ部３１ａが最下部（図１の鎖線位置）にきたときには、これと段差部３３ａとの間にクッション室３９が形成され、さらに内側ピストン３２のストッパ部３２ａが最上部にきたときには、これと段差部３１ｅとの間にクッション室４０が形成され、該ストッパ部３２ａが最下部（図１の鎖線位置）にきたときには、これと段差部３１ｂとの間にクッション室４１が形成されるようになっており、これらストッパ部３１ａ及び３２ａが最上部及び最下部で係止されるときの衝撃を緩和するようになっている。
【００３１】
かかる構成からなる油圧式排気弁駆動装置を備えた内燃機関の運動時において、
排気弁２の閉時には、図１の実線に示すように、図４に示す空気シリンダ６内の空気圧により該気弁２はシート部３７にてバルブシート３６に着座し、ピストン３２及び外側ピストン３１は最上位にある。
【００３２】
すると、該油室３４内の作動油圧Ｐは外径Ｄ_１なる外側ピストン３１の上面及び内側ピストン３２の上面の双方に作用し、該外側ピストン３１と内側ピストン３２とは該作動油圧Ｐにより同時に下降せしめられ、該内側ピストン３２に固着された排気弁２は前記空気シリンダ６の容積を縮めながら開弁する。
【００３３】
そして、該外側ピストン３１のストッパ部３１ａが図１の鎖線に示すように、下側の段差部３３ａに当たる位置にくると該外側ピストン３１の移動は係止され、作動油圧Ｐは外径Ｄ_２なる内側ピストン３２のみに作用する。これにより、内側ピストン３２のみに加わる作動油圧Ｐによって排気弁２はリフトを増して行き、内側ピストン３２のストッパ部３２ａが外側ピストン３１の下側の段差部３１ｈに当たる位置で移動を制止され最大リフトとなる。
【００３４】
また、排気弁２の閉弁作動時には、図４に示す閉側スプール管制弁１５により閉側ロジック弁１４が開き、油室３４内の作動油は油タンク１９に戻され、排気弁２は空気シリンダ６内の空気圧によって上動され、シート部３７にてバルブシート３６に着座する。外側ピストン３１及び内側ピストン３２も該排気弁２と同期して上動せしめられ図１の実線に示す最上位置で静止される。
【００３５】
上記作動の終了時に外側ピストン３１及び内側ピストン３２のストッパ部３１ａあるいは３２が、油圧シリンダ３３の上下の段差部３３ｃ、３３ａあるいは外側ピストン３１の上下の段差部３１ｅ、３１ｈに当たることとなるが、かかる当たりによる衝撃を緩和するため、上記各ストッパ部３１ａあるいは３２ａと段差部３３ｃ、３３ａあるいは３１ｅ、３１ｂとの間にはクッション室３８、３９あるいは４０、４１が形成されている。
【００３６】
かかる実施形態によれば、排気弁２の開弁初期、つまり、外側ピストンのストッパ部３１ａが油圧シリンダの段差部３３ａに当たるまでは、作動油圧Ｐは外側ピストン３１及び内側ピストン３２の双方に作用し、排気弁２を開弁方向に押す力Ｆ_１は、外側ピストン３１の外径をＤ_１とすると、
Ｆ_１＝（π／４）（Ｄ_１ ^２×Ｐ） …（１）
となる。
【００３７】
そして、外側ピストン３１の移動が上記のようにして制止された後、つまり排気弁リフトの中盤以降においては、作動油圧Ｐにより排気弁２を押す力Ｆ_２は、内側ピストン３２の外径をＤ_２とすると、
Ｆ_２＝（π／４）（Ｄ_２ ^２×Ｐ） …（３）
となる。
【００３８】
従って排気弁２の開弁初期には上記Ｆ_１（Ｆ_１＞Ｆ_２）なる大きな開弁力となって開弁速度が増大され、該排気弁２の開時期が遅れ、シリンダ内でなし得る仕事が増大する。一方、排気ガスのエネルギが小さく開弁速度の増大を必要としない中盤以降においては、外径（Ｄ_２）の小さい内側ピストン３２のみに作動油を作用させるので、該内側ピストン３２のストロークによる押し退け量つまり作動油の消費量が少なくて済む。このように、開弁速度を開弁初期にのみ大きく十分な開弁面積が得られている中盤以降に小さくすることにより、作動油の消費量を最小限に抑制できる。
【００３９】
（削除）
【００４０】
図２〜図３に示すように、排気弁を運転中に微速で回転させて、該排気弁とバルブシートとの当たりを良好に保持するように構成している。
即ち、図２〜図３において、前記外側ピストン３１の上部のボス部３１ｇの外周には、前記油室３４に臨んで、円周方向に等間隔に回転羽根５１が設けられている。
図２は図１に対応する断面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図である。
【００４１】
そして、前記油室３４内に作動油を供給するための作動油供給口３５は、図３に示すように、これの内側開口部が接線方向に向けられ、作動油が回転羽根５１に対して回転力を付与するようになっている。
【００４２】
該外側ピストン３１の軸線方向に刻設された溝であり、該溝５３、５３内には前記内側ピストン３２に固定されたピン５２、５２が嵌合されている。
【００４３】
かかる構成において、接線方向に開口している作動油供給口３５から油室３４内に導入される作動油は、該作動油供給口３５の開口方向に沿って噴出され、回転羽根５１に接線方向に作用して回転力を付与する。
かかる作動油の回転力によって回転羽根５１が接線方向力を付与され、これにより外側ピストン３１が該接線方向力によって回転し、該外側ピストン３１とピン５２を介して円周方向に相対回転不能となっている内側ピストン３２及び該内側ピストン３２に固着された排気弁２も回転せしめられる。
【００４４】
即ち、該排気弁２は、開弁作動時に作動油が油室３４に導入される毎に前記のようにして生ずる回転力によって微小量回転せしめられ、これによって排気弁２とバルブシート３６とのシート部３７の片当りが回避され、良好なシート状態となる。
【００４５】
【発明の効果】
以上記載のごとく、本発明によれば、排気弁の開弁初期には外側ピストンと内側ピストンとを同時に作用させ、中盤以降は内側ピストンのみを作用させることにより、排気弁の開弁初期における開弁速度を増大させて開時期を遅らせシリンダ内でなし得る仕事の増大を維持しつつ、排気弁の全ストロークにおける作動油消費量を低減することができる。
【００４６】
これにより、排気エネルギを高めて機関性能を高く維持しつつ、作動油系のポンプ容量や排油系の容量が従来技術に較べて大幅に低減され、作動油系の装置が小型化されるとともに装置コストが低減される。
【００４７】
また、本発明よれば、排気弁を作動中に回転させることができて、排気弁とバルブシートとの当たりが円周方向において均一化され、片当たりによるシート部からの排気ガスの吹き抜けやシート部の損傷の発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかる内燃機関の油圧式排気弁駆動装置の要部縦断面図である。
【図２】本発明の実施形態を示す図１対応図である。
【図３】図１のＡ−Ａ矢視図である。
【図４】従来の内燃機関用油圧式排気弁駆動装置の全体構成図である。
【符号の説明】
１シリンダカバー
２排気弁
５空気ピストン
６空気シリンダ
１０高圧管
１６蓄圧器
３１外側ピストン
３１ａストッパ部
３１ｂ，３１ｅ段差部
３１ｇボス部
３２内側ピストン
３２ａストッパ部
３３油圧シリンダ
３３ａ，３３ｃ段差部
３４油室
３５作動油供給口
３６バルブシート
３７シート部
３８，３９，４０，４１クッション室
５１回転羽根
５２ピン
５３溝

Claims

排気弁の頭部に、油圧シリンダ内に往復動自在に嵌合された作動ピストンを連結し、前記油圧シリンダの油室に導入された作動油の圧力を前記作動ピストンに作用させて、前記排気弁を開弁するように構成された油圧式排気弁駆動装置において、
前記作動ピストンは、前記油圧シリンダ内に往復動自在に嵌合された外側ピストンと、該外側ピストンの内周に相対摺動自在に嵌合されるとともに前記排気弁の頭部に固着された前記外側ピストンよりも小径の内側ピストンと、前記外側ピストンの一定量以上の変位を静止するストッパ部とを備え、
前記外側ピストンの上面及び内側ピストンの上面は同一の油室に臨んでおり、該油室内の作動油圧の受圧面を形成し、
前記排気弁の開弁初期の一定期間には、前記作動油の圧力により前記外側ピストンと内側ピストンとが同時に移動せしめられ、該外側ピストンが前記ストッパ部により制止された後は内側ピストンのみが移動するように構成され、
前記外側ピストンと内側ピストンとの円周方向相対移動を係止する係止手段を設けるとともに、
前記外側ピストンの上面の周縁部に沿って回転羽根を設け、さらに、前記外側ピストンの上昇位置における前記回転羽根に向けて前記外側ピストンの接線方向に前記作動油を供給する作動油供給口を設け、開弁作動時に作動油が油室に導入される毎に該作動油により該回転羽根、前記外側、内側ピストンを介して前記排気弁を回転せしめるように構成してなることを特徴とする油圧式排気弁駆動装置。
前記外側ピストンの内周には、前記内側ピストンの最大移動量を規制する第２のストッパ部が設けられてなる請求項１記載の油圧式排気弁駆動装置。