JP4268501B2 - ピストン式内燃機関の吸入路に設けられた付加コントロールバルブ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ピストン式内燃機関の吸入路に設けられた付加コントロールバルブ装置に関する。

ドイツ特許ＤＥ１９９０８４３５号は、ピストン式内燃機関の吸入路に設けられ、当該内燃機関の衝撃的充填（チャージ）に用いる付加コントロールバルブ装置を開示している。このような衝撃的充填においては、内燃機関の従来の吸入バルブの上流側に設けられた付加コントロールバルブは、ピストンの誘導ストローク時に吸入バルブが開いた状態で密閉されたままであり、高い減圧作用が付加コントロールバルブの下流側に蓄積する。その後付加コントロールバルブが開くと、流入する新たな充填材は、減圧によって高い衝撃力を得るので、燃焼室の充填量が増大し、衝撃的充填を行わない場合よりも高いトルクを発生させることが可能である。

ドイツ特許出願４３１４８０９Ａ１は、吸入路に設けられ、所要の場合には外力によっても作動可能な逆止弁を開示している。バルブ部材は、例えば断面三角形の密閉体であり、吸入路に設けられたホルダー上を、軸を介して移動可能に案内される。バルブ部材は、単に差圧によって作動可能とされるか、あるいはサーボモータ等の設定装置によって作動可能とされる。設定装置は、外部から吸入路内に突出する機械的リンク装置を有することが可能である。バルブ部材は、平坦な、先端部が引き込まれた円錐台形部材でもよい。バルブ部材は、ソレノイドまたはガススプリングによって作動可能である。
ドイツ特許ＤＥ１９９０８４３５ ドイツ特許ＤＥ４３１４８０９Ａ１

本発明は、ピストン式内燃機関の吸入路に設けられ、簡単な構造であって、流れ抵抗への影響およびエネルギー消費量が僅少でありながらも、迅速な作動性を有する付加コントロールバルブ装置を提供することを目的とする。

この目的は請求項１に記載の特徴によって達成される。また従属項は、本発明による付加コントロールバルブ装置の有用な変更形態に関する。

本発明による付加コントロールバルブ装置は、衝撃的な充填（スーパーチャージ）にも使用でき、また、定容サイクル機関の場合にスロットルフラップなしでの作動も可能であるように構成できる。更に、付加コントロールバルブ装置は、他の充填量可変制御方式について更なる自由度を与える。

図１を参照すると、ピストン式の内燃機関が、複数のシリンダ２を有し、各シリンダが、コネクティングロッド６を介してクランクシャフト８に接続されたピストン４を動作させる。新しい空気または充填材（燃料）は、送管１２を介してエアプレナムチェンバ１４に接続されたエアフィルタ１０を通してシリンダ２へ供給される。それぞれが吸入路１６を形成している揺動管が、エアプレナムチェンバ１４からシリンダ２の燃焼室１８に至っている。少なくとも１つの吸入バルブ２０が、各揺動管すなわち吸入路１６の、燃焼室１８内への入口部分に設けられている。少なくとも１つの排気バルブ２４が、排気路２２への燃焼室開口部の出口で動作する。揺動管を有する電磁誘導システムの構成は有用ではあるものの、これを省略することも可能である。

付加コントロールバルブ装置２６が、吸入路１６の吸入バルブ２０の上流に設けられており、当該付加コントロールバルブが、コントロールユニット２８によって制御される。

混合気準備等を含む本装置の作動手法自体は周知技術ゆえ、詳細な説明を省略する。

図２は、図１の付加コントロールバルブ装置２６の長手方向断面図である。空気または新しい充填材の流動方向は、矢印で示されているように図２において右から左へと向かう方向である。

吸入路１６は、付加コントロールバルブ装置２６の上流端で拡径している。浮遊体３２が、拡径部３０に設けられ、例えば、アーム（図示されていない）によって、吸入路１６の壁部に固定されている。浮遊体３２と吸入路１６の内壁は、好ましくは回転対称状の貫通流路３４が浮遊体３２と吸入路１６の内壁との間に形成されるように互いに整合した形状に形成されている。貫通流路３４の横断面は、流入方向に僅かに狭くなっていることが好ましい。

図示の実施形態では、半断面（断面を２等分した部分）が全体的にＵ字形とされた環状の閉路ソレノイド３８が、浮遊体３２と吸入路１６の壁部３６の下流端に設けられている。閉路ソレノイド３８は、径方向に形成された環状の周縁部４４を介して互いに連結された２つの筒状の環状壁部４０，４２を有する。図２のＡ−Ａ線断面図である図３から理解されるように、環状の周縁部４４には、貫通路４６が設けられている。径方向外側の環状壁部４２は、周方向に形成された半径方向内側に開口する凹部を有し、この凹部に励磁コイル４８が設けられている。環状の壁部４０，４２の互いに相対する面は、それぞれ、隣接する浮遊体３２の外側面および壁部３６の内側面とほぼ面一に形成されている。

環状の開路ソレノイド５０が、閉路ソレノイド３８の下流側に間隔をおいて設けられている。開路ソレノイド５０は、閉路ソレノイド３８とほぼ同径であり、閉路ソレノイド３８に面する側に励磁コイル５２が設けられた環状の溝部を有する。開路ソレノイド５０の筒状内側面は、隣接する吸入路１６の壁部５４の内側面とほぼ面一である。

バルブ部材５６が、２つのソレノイド３８，５０の間に設けられている。バルブ部材５６は、ソレノイド電機子を形成し、筒状の環状壁部５８で壁部５４およびソレノイド５０の内側面を案内される。環状壁部５８は、径方向に向かう環状ディスク６０につながっている。環状ディスク６０は、励磁コイル５２に電流が流れている図示の状態では、開路ソレノイド５０の端面すなわち磁極面に当接している。

環状ディスク６０は、開路ソレノイド５０よりも径方向外側に突出し、環状ディスク６０と開路ソレノイド５０の環状フランジとの間にて周方向に間隔をおいて支持される、好ましくは複数のスプリング６２の支持面を形成する。また環状ディスク６０は、反対側の面において、環状ディスク６０と閉路ソレノイド３８の肩部との間に支持される１つまたは複数のスプリング６４の支持面を形成する。スプリング６２，６４は、ソレノイドの非励磁状態時に、バルブ部材５６が開路ソレノイドと閉路ソレノイドとの間の中央に位置するような設計値に設定されている。

図５は、バルブ部材５６、特に環状壁部５８の開孔部６６を示す斜視図である。

本装置の組付けは以下のようにして行われる。
浮遊体３２を、例えば、アーム（図示されていない）、または、浮遊体３２と吸入路１６の壁部３６に固定されている閉路ソレノイド３８によって直接的に、吸入路１６のうちの図２で左方向に開いている領域に取付ける。

スプリング６２を定位置に取付けてからバルブ部材５６を挿入することにより、吸入路１６のうち図２の左側領域の壁部５４に開路ソレノイド５０を固定する。スプリング６４を定位置に取付けた後、それ自体公知の方法により、２つの浮遊体部分は、所定間隔（バルブ部材５６のストローク運動が決まる）をおいて、例えば壁部５４のフランジ（図示されていない）を壁部３６のスリーブまたはソケットに取り付けることにより固定される。

この付加コントロールバルブ装置２６の作用を以下に説明する。
開路ソレノイド５０を励磁すると、バルブ部材５６は、引張られて開路ソレノイド５０の端面すなわち磁極面に当接した状態になる。この場合、スプリング６２は圧縮されている。流路（点線で示されている）が、吸入路１６の浮遊体３２のまわりに形成される。この流路は、図４の拡大図に示されているように、貫通路４６を通り、環状壁部４０，４２の間の環状間隙を貫く。開路ソレノイド５０の作動を停止させると、バルブ部材５６が、スプリング６２の力によって開路ソレノイド５０から離れ、スプリング６２の力とスプリング６４の圧縮によって図２の右方向に移動する。閉路ソレノイド３８の励磁コイル４８が励磁されて、磁極面６８，７０（図４）の間に磁場７２（バルブ部材５６が閉路ソレノイド３８から間隔をおいて位置している限り、吸入路１６に流れている流体が磁場７２を通りぬける）が形成されると、機能上は電機子板である環状ディスク６０が引張られて、閉路ソレノイド３８の磁極面に当接した状態になる。同時に、磁極面が、バルブシート面を形成し、バルブ部材５６が閉じた状態で、吸入路１６を通る流路が遮断される。励磁コイル４８の作動が停止すると、スプリング６２，６４とともに振動システムを形成するバルブ部材５６が、閉路ソレノイド３８から離れ、流路が再び開く。ソレノイドの励磁コイルを適宜作動させることにより、バルブは、選択的に、完全に開いた状態または完全に閉じた状態をとる。エネルギーが各スプリング６２，６４に蓄えられていることにより、バルブ部材を把持して保持するのに必要なエネルギーを僅少なものとすることが可能とされる。バルブは、バルブ部材が開位置と閉位置の間を移動する移動時間（振動システムの固有振動数によって与えられる）が短いので正確に制御することが可能である。

バルブ部材５６（図５）に設けられた開孔部６６の機能を以下に説明する。
バルブ部材５６が図２の位置より開路ソレノイド５０から離れた際に、開路ソレノイド５０とバルブ部材５６の磁極面の間にできる間隙に開孔部６６から流体を充填することが可能である。従って、間隙の広さが変化しても、バルブ部材の移動を妨げるような、圧力の低下、または、バルブ部材が開位置に移動した場合には、圧力の上昇が起こらない。開孔部６６を適切な大きさに形成し、かつ、開路ソレノイドの大きさに合わせることによって、更に、バルブ部材の開路ソレノイドに対する衝撃を軽減することが可能である。バルブ部材が閉位置にある時、内燃機関の電磁誘導ストローク時に図１の左方から蓄積して開孔部６６を通って環状ディスク６０で作用する減圧効果が、開位置へのバルブ部材の次の移動を助ける。反対に、吸入バルブ２０と付加バルブとの間の間隙の増圧は、バルブ部材の環状ディスクが閉路ソレノイドのシート面すなわち磁極面に当接するのをアシストする。開孔部６６によって達成される更なる利点は、バルブ部材５６の慣性質量の減少である。

低速度で高トルクを予め達成するために衝撃式充填に用いる場合、付加コントロールバルブは、吸入バルブが開いた状態で、電磁誘導ストローク時に閉じたままであり、高減圧が蓄積すると、吸入バルブが開いたままで開く。新しい充填材が、高レベルの運動エネルギーで燃焼室に流入し、燃焼室の吸入バルブが、逆流が発生する前に閉じるので、高い充填度が達成される。付加バルブは、閉じていて、いつでも新たな電磁誘導サイクルに利用できる状態である。このシステムに蝶型スロットルフラップがない場合、付加コントロールバルブは、電磁誘導ストロークにおいて新しい充填材が所定の少量だけ燃焼室に流入するように吸入バルブと一致して作動する。

吸入路の２部構成の壁部３６，５４の間の間隙が充填材の流れに好適なように直接密閉されているので、スプリング６４について、例えばスプリングベローで構成してもよい。あるいは環状ディスク６０に、例えば、閉路ソレノイド３８の径方向外側の環状壁部４０の径方向内側面を案内される更なる筒状壁部（図示されていない）を設けることもできる。また密閉手段の更なる構成も可能である。

本形態に係る付加バルブには、低レベルのエネルギー消費や正確な制御性以外にも様々な利点がある。
吸入路１６を流れる流体が閉路ソレノイド３８を通るということは、開路ソレノイドの励磁コイルよりも所要出力が高い閉路ソレノイドの励磁コイルが、効果的に冷却されるという利点がある。さらに、閉路ソレノイドが開路ソレノイドと同径に形成され、磁極面が環状ディスク６０のちょうど両側に係合するので、磁気損失を抑制することが可能である。また、これによって、バルブ全体は、浮遊体３２の回りを流動しつつバルブ部材５６によって遮断可能である流れが、最小限しか偏向しないように構成可能であるとともに小径に構成可能であるので、磁気損失を最小限に抑制することができる。付加バルブは、全体的に小型であるので、所要スペースは僅少で足りる。

更に、バルブ部材５６の環状ディスク６０径方向に関する寸法を小さくでき、バルブ部材５６（環状ディスク６０のみが磁化可能材で形成されている）の移動質量を小さくできるという利点がある。

図６は、図２の付加コントロールバルブ装置の変更例を示す。この形態における浮遊体３２は、閉鎖部材７６によって閉鎖可能な軸方向貫通流路７４を有する。図６のバルブ装置の他の構成部品は、図２と同一であり、参照番号が省略される。この形態によって達成される利点は、内燃機関から高出力があった場合、吸入路において、さらに別の自由流れ断面が利用可能であり、衝撃式充填では作動されない高いエンジン回転状態において一層高い充填度を達成できることである。閉鎖部材７６のアクチュエータは、励磁コイル同様、コントロールユニット２８に連結可能である。更に、閉鎖部材７６は、蝶型スロットルフラップの機能を果たすことが可能である。

図７は、付加コントロールバルブ装置の別の変更例を示す。この実施形態では、図２の装置とは異なり、開路ソレノイドが、参照番号３２で示される浮遊体の下流部７８に取付けられている。下流部７８は、図２の浮遊体と同様に上流部である浮遊体の部分８０に軸部８２を介して連結されている。バルブ部材５６は、軸部８２上を案内される円板形とされている。軸部８２は、バルブ部材５６の両側において、バルブ部材５６を中央位置に付勢するスプリング６２，６４に囲まれている。図から理解されるように、開路ソレノイドの径は閉路ソレノイドの径とほぼ同一であり、流体が開路ソレノイドの径方向外側まわりを流れるようにしているので、流路３４の径は、閉路ソレノイド３８の下流側で大きくなっている。

図６および図７に示す実施形態は、本発明による付加コントロールバルブ装置の更なる選択肢の単なる例示であり、それぞれの閉路ソレノイドは、吸入路を流れる流体が閉路ソレノイドを通るように、すなわちバルブ部材を形成する電機子を把持するために閉路ソレノイドによって形成される磁場を通るように構成されている。

図８は、閉路ソレノイド３８の一例を示す。貫通路４６を通る流れ抵抗を低減するために、貫通路４６の両側に非磁化材料でできた流れ案内体８４が設けられ、これによって、貫通路４６を通る流体の流れ抵抗を低減することができる。

電磁誘導システムの構成部品を有するピストン内燃機関のシリンダを示す図である。 本発明による付加コントロールバルブ装置の第１実施例の長手方向断面図である。 図２に示す装置のＡ−Ａ面での断面図である。 閉路ソレノイドの長手方向の半断面図である。 バルブ部材の斜視図である。 本発明による付加コントロールバルブ装置の第２実施例の長手方向断面図である。 本発明による付加コントロールバルブ装置の第３実施例の長手方向断面図である。 図４の閉路ソレノイドの変更例の長手方向半断面図である。

符号の説明

１６ 吸入路
２６ 付加コントロールバルブ装置
３２ 浮遊体
３８ 閉路ソレノイド
４８ 励磁コイル
５０ 開路ソレノイド
５２ 励磁コイル
５６ バルブ部材

Claims (9)

1. ピストン式内燃機関の吸入路に設けられた付加コントロールバルブ装置であって、
   吸入路（１６）に設けられるとともに、外面と前記吸入路の壁部との間に環状の貫通流路（３４）が形成される浮遊体（３２）と、
   前記吸入路の軸方向に移動可能であり、ソレノイド電機子を形成するとともに、両移動方向から中央位置へと弾性付勢されるバルブ部材（５６）と、
   前記バルブ部材を開位置に保持するべく前記バルブ部材の一方の側に設けられた開路ソレノイド（５０）と、
   前記バルブ部材が前記貫通流路を閉じる閉位置へと当該バルブ部材を保持するべく、前記バルブ部材の他方の側に設けられた環状の閉路ソレノイド（３８）を有し、
   前記閉路ソレノイドが前記貫通流路の一部を形成し、バルブ部材が閉じていない場合に流体が当該貫通流路を流れるよう構成された付加コントロールバルブ装置。
2. 前記閉路ソレノイド（３８）は、半断面が全体的にＵ字形とされ、前記閉路ソレノイドの筒状の環状壁部（４０，４２）の互いに相対する面が前記貫通流路の側壁部分を形成するとともに、前記環状壁部に連結している環状の周縁部（４４）が流体の流路（４６）を有することを特徴とする請求項１に記載の付加コントロールバルブ装置。
3. 前記環状の壁部（４０，４２）の端面が前記バルブ部材の密閉接触面を形成することを特徴とする請求項２に記載の付加コントロールバルブ装置。
4. 前記閉路ソレノイド（３８）の励磁コイル（５２）が、当該閉路ソレノイドの環状の凹部に設けられ、当該凹部は、前記閉路ソレノイドによって形成された貫通流路領域の径方向内側または外側に形成されていることを特徴とする請求項２または３に記載の付加コントロールバルブ装置。
5. 前記開路ソレノイド（５０）は、前記閉路ソレノイド（３８）の直径と概ね等径の環状形状とされていることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の付加コントロールバルブ装置。
6. 前記開路ソレノイド（５０）が、前記閉路ソレノイド（３８）側へと開口するとともに、励磁コイル（５２）が配設された環状の溝部を有することを特徴とする請求項４に記載の付加コントロールバルブ装置。
7. 前記開路ソレノイド（５０）が、前記吸入路（１６）の壁部（５４）に取付けられ、前記バルブ部材（５６）が、前記開路または閉路ソレノイド（５０，３８）の磁極面に当接する環状ディスク（６０）を有し、当該環状ディスク（６０）が、開孔部（６６）を有する筒状壁部に径方向内側において連接され、前記筒状壁部が、前記吸入路の内側面を軸方向に移動可能に案内されることを特徴とする請求項５または６に記載の付加コントロールバルブ装置。
8. 前記開路ソレノイド（５０）と前記バルブ部材（５６）が前記浮遊体（３２）に取付けられ、前記バルブ部材を中央位置に付勢するスプリング（６２，６４）が前記浮遊体によって支持されていることを特徴とする請求項１から６までのいずれかに記載の付加コントロールバルブ装置。
9. 前記浮遊体（３２）が、前記バルブ部材（５６）による閉鎖が不能とされるとともに、閉鎖部材（７５）による閉鎖が許容される軸方向貫通流路（７４）を有することを特徴とする請求項５に記載の付加コントロールバルブ装置。

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