JP4047468B2 - 内燃機関の電磁石駆動弁 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁石の電磁力により開閉駆動する内燃機関の電磁石駆動弁に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関のシリンダに設けられた排気流路の開閉を電磁力によって行う電磁石駆動弁が知られている。この種の電磁石駆動弁は、間隔を存して対向する一対の電磁石が設けられており、両電磁石間には円盤状の磁性金属からなる可動板が移動自在に設けられている。該可動板は、下端に弁部を備える伝達軸の上端に固設されている。該伝達軸は、内燃機関の排気流路を開閉する位置に前記弁部を保持すべく排気流路の上壁を貫通して摺動自在に設けられている。
【０００３】
前記可動板は、その上方に位置する一方のスプリング部材によって下方（前記弁部の開弁方向）に向かって付勢されており、且つ、該可動板の下方に位置するスプリング部材によって該可動板は伝達軸を介して上方（前記弁部の閉弁方向）に向かって付勢されている。即ち、両スプリング部材は同一の弾発力を有して互いに対向方向へ該可動板を付勢していることによって、該可動板は、両電磁石間の中間位置に保持されている。
【０００４】
そして、内燃機関のシリンダの排気が完了したとき、上方の電磁石の磁力により可動板を吸引することで、該電磁石の吸引力と下方のスプリング部材の反発力とが、上方のスプリング部材の付勢力に打ち勝って伝達軸を介して前記弁部が排気流路を閉弁し、内燃機関のシリンダの排気を開始するとき、下方の電磁石の磁力により可動板を吸引することで、該電磁石の吸引力と下方のスプリング部材の反発力とが、下方のスプリング部材の反発力に打ち勝って伝達軸を介して前記弁部が排気流路を開弁する。
【０００５】
しかし、内燃機関のシリンダの排気を開始するときには、未だ内燃機関のシリンダ内圧が比較的高い状態にあり、前記弁部には閉弁する方向にシリンダ内圧が付与されるので、前記弁部の開弁動作に遅れが生じ、内燃機関の高回転化や出力向上が望めない不都合がある。
【０００６】
そこで、前記弁部の開弁動作の遅れを解消するために、下方の電磁石の磁力を比較的大（電磁石への通電量を大）として可動板の吸引速度を上げることが考えられるが、それに伴って消費電力が大となる不都合がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
かかる不都合を解消して、本発明は、排気流路の開弁時に弁部に付与されるシリンダ内圧の影響を小とし、電磁石の消費電力を増加させることなく弁部の開弁動作の遅れを防止することができる内燃機関の電磁石駆動弁を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するために、本発明は、上動したとき排気流路を閉弁し、下動したとき排気流路を開弁する弁部と、該弁部から上方に向かって延設された伝達軸と、該伝達軸が挿通され、該伝達軸の軸線方向に互いに間隔を存して上下方向に対向する一対の電磁石と、両電磁石の間に位置する前記伝達軸に設けられ、両電磁石の磁気的吸引に応じて両電磁石間を移動することにより該伝達軸を介して前記弁部を開閉させる可動板と、前記弁部を開弁方向に付勢する第１スプリング部材と、該第１スプリング部材に対抗して前記弁部を閉弁方向に付勢する第２スプリング部材とを備える内燃機関の電磁石駆動弁において、前記第１スプリング部材は、前記可動板が両電磁石間の中央にあるときに前記第２スプリング部材よりも大きい弾発力を有し、両スプリング部材による弁部の付勢が均衡したとき、前記可動板が両電磁石間の中央と下方の電磁石との間に位置し且つ前記弁部が閉弁位置と開弁位置間の中央よりも開弁位置側に位置することを特徴とする。
【０００９】
なお、以下の説明において、弾発力とは前記第１スプリング部材及び前記第２スプリング部材が予め設定された条件下で発生し得る力を表し、反発力とは前記第１スプリング部材及び前記第２スプリング部材の伸縮によって変化する付勢の強さを表すものとする。
【００１０】
本発明の電磁石駆動弁は、内燃機関の排気タイミングに合わせて各電磁石に磁気的吸引力を発生させることにより排気流路の開閉を行う。即ち、前記可動板が上方の電磁石に吸引されることにより伝達軸を介して前記弁部が排気流路を閉弁し、前記可動板が下方の電磁石に吸引されることにより伝達軸を介して前記弁部が排気流路を開弁する。
【００１１】
前記弁部は、前記第１スプリング部材と前記第２スプリング部材とにより上下方向から付勢されており、両電磁石の非作動時には、両スプリング部材の付勢が均衡する位置に該弁部及び前記可動板が保持される。本発明の電磁石駆動弁は、前記第１スプリング部材が、前記可動板が両電磁石間の中央にあるときには第２スプリング部材より大きい弾発力を有しているので、両スプリング部材の付勢が均衡するとき（両電磁石が非作動時）には可動板が両電磁石間の中央よりも下方に位置され、これによって、前記弁部は、閉弁位置と開弁位置間の中央よりも下方（開弁位置側）に位置される。
【００１２】
ここで、内燃機関が作動して該内燃機関からの排気を行うとき、閉弁位置にある弁部の開弁動作を阻止する方向に内燃機関のシリンダ内圧が作用する。前記弁部が排気流路を閉弁しているとき（可動板が上方の電磁石に吸引されているとき）には、第１スプリング部材の圧縮量が大であり、第２スプリング部材が延びきりに近く圧縮量が小であるため、第１スプリング部材の反発力が大きい。この状態から、上方の電磁石の吸引が解除され下方の電磁石の吸引が開始されると、下方の電磁石の吸引力と第１スプリング部材の反発力とで、弁部にかかるシリンダ内圧に対抗して両スプリング部材の付勢が均衡する位置まで円滑に可動板が移動され、それに伴って弁部が開弁方向に移動される。可動板が両スプリング部材の付勢力が均衡する位置を過ぎると、第１スプリング部材よりも第２スプリング部材の反発力が徐々に大きくなるが、両スプリング部材の均衡位置は両電磁石間の中央より下方（開弁位置側）にあるので、可動板には下方の電磁石の吸引力が効率よく作用し、弁部に付与されるシリンダ内圧に十分に対抗して弁部が円滑に開弁位置に移動する。
【００１３】
このように、本発明によれば、前記可動板が両電磁石間の中央にあるときに第２スプリング部材より大きい弾発力を有する第１スプリング部材を採用するだけで、排気流路の開弁時に弁部に付与されるシリンダ内圧の影響を小とし、下方の電磁石の消費電力を増加させることなく弁部の開弁動作の遅れを防止することができる。
【００１４】
なお、本発明において、前記第１スプリング部材は、前記可動板が両電磁石間の中央から両スプリング部材による前記弁部の付勢が均衡する位置に移動するとき、前記弁部の開弁を阻止する方向に生じる内燃機関に設けられたシリンダの内圧よりも大きい反発力で前記弁部を開弁方向に付勢し、前記上方の電磁石による可動板の吸引が解除されて前記下方の電磁石による可動板の吸引が行われたとき、前記弁部の閉弁位置から開弁位置まで連続して一定の速度で開弁動作が行われることを特徴とする。
【００１５】
これにより、前記弁部は、閉弁位置と開弁位置との中央では、前記第１スプリング部材によりシリンダの内圧よりも大きい付勢が開弁方向に付与されるので、シリンダの内圧によって開弁動作が阻止されることなく、一定の速度で開弁動作を行うことができる。
【００１６】
更に、本発明において、前記可動板が上方の電磁石に吸引されて前記弁部が閉弁位置にあるときの前記第１スプリング部材は、前記可動板が下方の電磁石に吸引されて前記弁部が開弁位置にあるときの前記第２スプリング部材と同じ反発力で前記弁部を付勢することを特徴とする。
【００１７】
即ち、従来のように両スプリング部材の弾性力が等しい場合には、閉弁状態と開弁状態とにおいて第１スプリング部材と第２スプリング部材との反発力の差（絶対値）が共に等しい。本発明においては、前記可動板が両電磁石間の中央にあるときに第１スプリング部材の反発力が第２スプリング部材より大となることによって開弁が容易となっている反面、閉弁時に可動板を吸引するときには、上方の電磁石において比較的大きい吸引力が必要となるおそれがある。そこで、本発明は、閉弁状態にあるとき、両スプリング部材の弾性力を同じとした場合の反発力の差（従来の反発力の差）が得られるようになっている。これによって、前記可動板が両電磁石間の中央にあるときに第１スプリング部材が第２スプリング部材よりも強く弁部を開弁方向に付勢するようになっていても、閉弁状態にあるときには、第１スプリング部材の反発力が比較的小さくなり、前記上方の電磁石の消費電力を増加させることなく該電磁石による可動板の吸引が行え、弁部の閉弁動作を円滑に行うことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施形態の電磁石駆動弁を示す説明的縦断面図、図２はスプリング部材の反発力の変化を示す線図、図３は弁部の作動を示す線図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態の電磁石駆動弁１は、内燃機関のシリンダ２に連通する排気流路３に設けられ、該排気流路３を開閉する弁部４と、該弁部４を開閉方向に駆動する駆動部５とによって構成されている。該駆動部５は、図中上方位置に設けられた円筒状の第１電磁石６と、該第１電磁石６の下方位置に対向して設けられた円筒状の第２電磁石７と、両電磁石６，７間に位置する可動板８とを備えて構成されている。該可動板８は円盤状の磁性金属によって形成されており、両電磁石６，７の磁気的吸引により上下に移動するようになっている。
【００２０】
前記弁部４には、その上方に向かって伝達軸９が延設されており、該伝達軸９の上端には、前記可動板８が一体に連結されている。該伝達軸９は、前記排気流路３の上壁部に設けられた支持部材１０に摺動自在に支持され、該排気流路３を開閉する位置に前記弁部４を支持している。
【００２１】
また、前記第１電磁石６の内部には可動板８を下方に付勢する第１スプリング部材１１が設けられており、前記第２電磁石７の内部には可動板８を上方に付勢する第２スプリング部材１２が設けられている。第１スプリング部材１１は、前記第１電磁石６の上端部に設けられた固定部材１３と可動板８の上部との間に弾発的に設けられ、該可動板８を下方に付勢している。第２スプリング部材１２は、前記第２電磁石７の下端部内壁と前記伝達軸９に固設されたスプリングシート１４との間に弾発的に設けられ、前記伝達軸９を介して可動板８を上方に付勢している。そして、第１スプリング部材１１は、第２スプリング部材１２の弾発力よりも大きいものが採用されている。
【００２２】
前記可動板８に作用する両スプリング部材１１，１２が有する弾発力に基づく反発力ｆ，ｇ，ｅと弁部４の位置ａ，ｂ，ｃとの関係を図２に示す。なお、図２においては、比較例として、従来の構成である両スプリング部材１１，１２が、可動板８が両電磁石間６，７の中央にあるときに等しい弾発力である場合の第１スプリング部材１１の反発力ｆ´と両スプリング部材１１，１２の合力ｅ´とを一点鎖線により示した。また、可動板８と前記弁部４とは前記伝達軸９を介して一体に移動され、可動板８の位置は前記弁部４の位置に直接に反映されるので、図２においては前記弁部４の位置ａ，ｂ，ｃを示した。
【００２３】
図２において、左端ａは弁部４の閉弁位置（図１において符号ａで示す弁部４の位置に対応する）であり、右端ｃは弁部４の開弁位置（図１において符号ｃで示す弁部４の位置に対応する）である。また、第１スプリング部材１１の反発力ｆと第２スプリング部材１２の反発力ｇとが反転する境界線（開弁方向への反発力と閉弁方向への反発力との境界）と合力ｅとが交差する点は、両スプリング部材１１，１２の付勢が均衡する弁部４の中立位置ｂ（図１において符号ｂで示す弁部４の位置に対応する）である。可動板８が両電磁石間６，７の中央にあるとき、第１スプリング部材１１の有する弾発力が、第２スプリング部材１２の有する弾発力より大とされていることにより、図２に示すように、弁部４の中立位置ｂは、可動板８が両電磁石間６，７の中央にあるときに第１スプリング部材１１が第２スプリング部材１２と同一の弾発力を有する場合ｅ´の中立位置ｂ´（閉弁位置ａと開弁位置ｃの中央）よりも開弁位置ｃ側にずれる。なお、このときのずれ幅（中央ｂ´から中立位置ｂまでの距離）は第１スプリング部材１１の有する弾発力の設定により適宜変更することができるが、更に、本実施形態においては、図２に示すように、閉弁位置ａにおいては、第１スプリング部材１１の付勢と第２スプリング部材１２の付勢との合力ｅが従来の合力ｅ´と変わらないように、第１スプリング部材１１の弾発力が設定されている。これによって、閉弁位置ａにおいて第１電磁石６が可動板８を吸着しているときの通電量を従来に比して増加させることなく閉弁状態とすることが可能となっている。
【００２４】
また、可動板８が両電磁石間６，７の中央にあるときに第１スプリング部材１１の有する弾発力を第２スプリング部材１２の有する弾発力よりも大とするためには、例えば、第１スプリング部材１１の長さ寸法を、第２スプリング部材１２の長さ寸法より長くする、或いは、第２スプリング部材１２を構成する線材の径寸法を、第１スプリング部材１１を構成する線材の径寸法より小とするといったことが挙げられる。
【００２５】
これにより、図１に示すように、弁部４は、閉弁位置から中立位置までの距離よりも中立位置から開弁位置までの距離が短くなり、閉弁位置から開弁位置までの開弁動作を迅速に一定の速度で行うことができる。
【００２６】
次に、本実施形態の電磁石駆動弁１の作動を図１を参照しつつ図３に基づいて説明する。該電磁石駆動弁１は、図３に示すように、内燃機関の作動に同期して排気流路３を開放してシリンダ２の排気を行う。シリンダ２内において燃焼が行われているときには前記第１電磁石６により可動板８が吸引され、弁部４が閉弁位置ａにあって排気流路３を閉じている。次いで、シリンダ２の排気が開始される。即ち、前記第１電磁石６による可動板８の吸引が解除されて、前記第２電磁石７による可動板８の吸引が開始される。このときには、図３に示すように、低下する途中にあるシリンダ２の内圧ｈが未だ高く、弁部４の開弁動作の抵抗となるが、第１スプリング部材１１の圧縮量が大であり、第２スプリング部材１２が延びきりに近く圧縮量が小であるため、第１スプリング部材１１の反発力ｆが第２スプリング部材１２の反発力ｇより極めて大きい（図２参照）。これによって、弁部４が閉弁位置ａから中立位置ｂに移動するまでは、第２電磁石７の吸引力と第１スプリング部材１１の反発力とで、弁部４にかかるシリンダ２の内圧に対抗して円滑に可動板８が移動される。
【００２７】
ここで、図３において従来のものである第２スプリング部材１２と等しい弾発力を有する第１スプリング部材１１を採用した場合の弁部４の動きを一点鎖線ｉにより示した。図３に示すように、従来のものは、弁部４が閉弁位置ａから中央位置ｂ´にくると、第１スプリング部材１１の反発力が小さくなるので、一点鎖線ｉのように、開弁動作の途中に遅れが生じる。これに対して、本実施形態においては、中央位置ｂ´から中立位置ｂまで第２スプリング部材１２を上回る第１スプリング部材１１の反発力がシリンダ２の内圧ｈに対抗しており、開弁動作の遅れが生じることなく弁部４が中央位置ｂ´を通過し、実線ｋのように円滑に一定の速度で開弁動作が行われる。
【００２８】
そして、弁部４が中立位置ｂに至ると、第１スプリング部材１１の反発力が小さくなるが、該中立位置ｂは前記可動板８が従来のものよりも第２電磁石７に近づいた位置にあるので、可動板８には第２電磁石７の吸引力が効率よく作用し、シリンダ２の内圧ｈに十分に対抗して弁部４を円滑に開弁位置ｃに移動させることができる。
【００２９】
なお、本実施形態の電磁石駆動弁１は、内燃機関の排気流路３に設けて、シリンダ２の排気を円滑に行うものであるが、上記のように構成された電磁石駆動弁１は、図示しない内燃機関の吸気流路に設けることもできる。このときには、弁部４の開弁動作時に該弁部４にシリンダ２の内圧は付与されることがないので、より迅速に開弁動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の電磁石駆動弁を示す説明的縦断面図。
【図２】スプリング部材の反発力の変化を示す線図。
【図３】弁部の作動を示す線図。
【符号の説明】
１…電磁石駆動弁、２…シリンダ、３…排気流路、４…弁部、６…第１電磁石（上方の電磁石）、７…第２電磁石（下方の電磁石）、８…可動板、９…伝達軸、１１…第１スプリング部材、１２…第２スプリング部材。

Claims (3)

1. 上動したとき排気流路を閉弁し、下動したとき排気流路を開弁する弁部と、該弁部から上方に向かって延設された伝達軸と、該伝達軸が挿通され、該伝達軸の軸線方向に互いに間隔を存して上下方向に対向する一対の電磁石と、両電磁石の間に位置する前記伝達軸に設けられ、両電磁石の磁気的吸引に応じて両電磁石間を移動することにより該伝達軸を介して前記弁部を開閉させる可動板と、前記弁部を開弁方向に付勢する第１スプリング部材と、該第１スプリング部材に対抗して前記弁部を閉弁方向に付勢する第２スプリング部材とを備える内燃機関の電磁石駆動弁において、
   前記第１スプリング部材は、前記可動板が両電磁石間の中央にあるときに前記第２スプリング部材よりも大きい弾発力を有し、両スプリング部材による弁部の付勢が均衡したとき、前記可動板が両電磁石間の中央と下方の電磁石との間に位置し且つ前記弁部が閉弁位置と開弁位置間の中央よりも開弁位置側に位置することを特徴とする内燃機関の電磁石駆動弁。
2. 前記第１スプリング部材は、前記可動板が両電磁石間の中央から両スプリング部材による前記弁部の付勢が均衡する位置に移動するとき、前記弁部の開弁を阻止する方向に生じる内燃機関に設けられたシリンダの内圧よりも大きい反発力で前記弁部を開弁方向に付勢し、前記上方の電磁石による可動板の吸引が解除されて前記下方の電磁石による可動板の吸引が行われたとき、前記弁部の閉弁位置から開弁位置まで連続して一定の速度で開弁動作が行われることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の電磁石駆動弁。
3. 前記可動板が上方の電磁石に吸引されて前記弁部が閉弁位置にあるときの前記第１スプリング部材は、前記可動板が下方の電磁石に吸引されて前記弁部が開弁位置にあるときの前記第２スプリング部材と同じ反発力で前記弁部を付勢することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の電磁石駆動弁。

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