JP4331684B2 - 内燃機関ポペットバルブ及びそのアクチュエータによる構造物 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関ポペットバルブ及びそのアクチュエータによる構造物に関する。

内燃機関の多くは、内燃機関の燃焼室内に向かう空気の流れを制御する吸気バルブや、燃焼後排出されるガスの流れを制御する排気バルブとして、ポペットバルブを備えている。以前は回転するカムシャフト上に配置されたカムによりポペットバルブを作動させていたが、昨今では流体アクチュエータによってポペットバルブを作動させている。ここに、大型ディーゼルエンジンでは、排気バルブを開かせるときに燃焼室内に残留している圧力が７０ｂａｒにもなることがあり、そのため排気バルブに対し顕著なる力を加えねばならなかった。

本発明に係る構造物は、内燃機関ポペットバルブ及びその流体アクチュエータによる構造物であって、
アクチュエータハウジングと、
ポペットバルブをその弁座に接する方向へと付勢するスプリング手段と、
その断面積が第１断面積であり、アクチュエータハウジングに形成された第１室内を摺動可能で、且つ流体が流れる流路を有する第１ピストンと、
その断面積が第１断面積より小さい第２断面積であり、且つアクチュエータハウジングに形成され、第１室に対し開いている第２室内を摺動可能な第２ピストンと、
を備え、
第１室が、加圧流体送給ライン及び流体回収ラインと接続可能であり、
第２ピストンが、第１ピストンの下面と噛み合わせ得る上面を有し、
第１ピストンが、第２ピストンに対して一直線に並び且つ上記第２断面積より大きい一定断面積の部分を有する流路が形成されないよう、構成されており、
ポペットバルブを開く際には、まず第１室を加圧流体送給ラインに接続し、送給される加圧流体を第１ピストンに作用させて第１強度の力を発生させ、この第１強度の力を第２ピストンにより内燃機関バルブへと中継させて当該バルブを開かせ、その後第１ピストンが制止点に達するまでは、第１強度の力の作用下で第１ピストン、第２ピストン及び内燃機関バルブを一体に動かし、第１ピストンが制止点に達した後は、送給される加圧流体を第１室から第１ピストン内の流路に流して第２ピストンに作用させることによりより小さな第２強度の力を発生させ、バルブが全開するまでは第２強度の力の作用下で第２ピストン及びバルブを一体に動かし、
開けたポペットバルブを閉じる際には、まず第１室を流体回収ラインに接続し、スプリング手段からバルブに印加される付勢力によりバルブをその弁座に戻る方向に動かし、その後第２ピストンが第１ピストンに噛み合うまでは、第２ピストンによって第２室から第１ピストン内の流路を介し流体回収ラインへと流体を排出させつつ、バルブ及び第２ピストンを一体に動かし、第２ピストンが第１ピストンに噛み合った後は、ポペットバルブがその弁座に着座するまで、第１ピストンにより第１室から流体回収ラインへと流体を排出させつつ、スプリング手段から印加される付勢力の作用下で第１ピストン、第２ピストン及びバルブを一体に動かし、
第１ピストンに対する第２ピストンの移動が、第１ピストンの下面に対する第２ピストンの上面の接触によって制限されており、
第１ピストンを通る流路が、第１ピストンの下面上に開き且つ接触面により囲まれた開口を有し、
第２ピストンの上面が、これにぴったりはまり得る接触面を有し、第１ピストンと第２ピストンとが一体に動いている間、これら接触面同士が互いに接触して第１ピストンを通る流路をふさぐ構造物である。

このアクチュエータは、排気バルブ等の内燃機関バルブの行程初期において内燃機関バルブに大きな力を加える。これによって燃焼室内の圧力が低下するため、その後はアクチュエータが大きな力を加える必要はなくなる。その後、アクチュエータの作動断面積がバルブストロークの初期におけるそれに比べて大きく減るため、バルブの移動距離１ｍｍ当たりに必要とされる流体の体積が大きく減る。

本発明には、更に、内燃機関バルブの初速及び終速が低い、という利点もある。従って、バルブを開けるとき及び閉じるときにおけるリフトプロファイルの勾配も低い。これは、バルブによる雑音、振動乃至耳障りな音を減らすのに有用であり、内燃機関バルブオーバラップ性能乃至能力を改善することにつながる。

好適な実施形態に係る内燃機関バルブアクチュエータについて、その断面を示す添付図面を参照しながら説明する。

図１に示すアクチュエータ１００は、シリンダ１０２から排気路１０３へと向かう燃焼したガスの流れを制御する排気バルブとして機能するよう、ポペットバルブ１０１を作動させる。スプリング座面１０６とカラー１０７との間では一対の同心バルブスプリング１０４、１０５が作動しており、バルブ１０１はこれらのスプリング１０４、１０５によって付勢されている。カラー１０７はポペットバルブ１０１の頂部に固定保持されており、ポペットバルブ１０１の頂部には小型ピストン１５がつながっている。小型ピストン１５は、内側アクチュエータハウジング１６内の第１ボア内を摺動可能なピストンであって、その頂部は大型ピストン１に噛み合っている。大型ピストン１は、内側アクチュエータハウジング１６内で第１ボアに対し一直線に並んでいる第２ボア内を、摺動可能なピストンである。更に、アクチュエータ１００は、内側アクチュエータハウジング１６を囲む外側アクチュエータハウジング１３を備えている。

外側アクチュエータハウジング１３を通って延びているのは、流体力学的に作用する流体（本願では単に「流体」と称する）を流すための流路２４である。流路２４を通ってアクチュエータ１００に向かう又はアクチュエータ１００から出てくる流体の流れは、図示しないバルブを用いて制御することができる。

図１に示されているように、スプリング１０４、１０５は、バルブ１０１をその弁座へと付勢する一方、ピストン１と噛み合うようピストン１５を付勢しまた両ピストン１、１５をその最上位置へと付勢している。この状態では、ピストン１５の錐台状頂部１１０が、ピストン１の下面に設けられておりぴったりはまる形状及び構成のソケットと噛み合っているが、このソケット上に流路１１１が開くとピストン１を介した流体の流れが生じる。流路１１１の断面積は小型ピストン１５の断面積より大きくなることはない。即ち、流路１１１は、ピストン１を介した流体の流れが生じ得るよう、且つピストン１内で小型ピストン１５が揺動しないよう、設計されている。

仮にこのポペットバルブ１０１が大容積ディーゼルエンジンの排気バルブであるとすると、アクチュエータ１００によってバルブ１０１を開ける際のシリンダ１０２内圧力が、７０ｂａｒ程まで高まっていることがあり得る。アクチュエータ１００にてピストン１を設けているのは、シリンダ１０２内圧力に抗してバルブ１０１を開けられる程大きな力を、バルブ１０１に加えられるようにするためである。そのため、ピストン１と外側アクチュエータハウジング１３とにより画定される室１１２内には、加圧された流体（本願では「加圧流体」と称する）が導入される。すると、この加圧流体はピストン１を内側ハウジング１６内で下向きに摺動させる。このときバルブ１０１に加わる力の大きさは、加圧流体の圧力とピストン１の断面積との積である。

ピストン１は、内側ハウジング１６内のボア内を、そのボアの終点に接するに至るまで摺動下降していく。ピストン１が内側ハウジング１６内のボアの終点に接すると、加圧流体は第１ピストン１に対してピストン１５を相対移動させる。すると、ピストン１に現れる開口１１１を介して流体が流れ始める。即ち、バルブ１０１を開ける動作の最初の部分はピストン１及び１５の一体運動により引き起こされ、開ける動作の残りの部分は小型ピストン１５のみの運動によって引き起こされる。

ピストン１５によってバルブ１０１に加えられる力の大きさは、流体の圧力とピストン１５の断面積との積である。ピストン１５の断面積がピストン１の断面積に比べてだいぶ小さいため、ピストン１５によってバルブ１０１に加えられる力はピストン１によってバルブ１０１に加えられる力に比べてだいぶ小さいものとなる。他方、移動距離１ｍｍ当たりに必要とされる流体の体積は、ピストン１による制御下にバルブ１０１が動いているときであれば、移動距離とピストン１の断面積との積であるのに対し、ピストン１５による制御下にバルブ１０１が動いているときには、移動距離とピストン１５の断面積（これはピストン１の断面積よりだいぶ小さい）との積である。アクチュエータ１００に送給する流体を加圧するための流体ポンプに必要とされるパワーは流体の流速に比例するのであるから、斯様にバルブ１０１の移動距離１ｍｍ当たりに必要とされる流体の体積が減ればエネルギが節約される。

シリンダ１０２内の圧力は、バルブ１０１が開くと短時間で大気圧まで下がる。従って、アクチュエータ１００によって加えられる力がピストン１５による小さな力になっても、バルブ１０１を容易に動かすことができる。

ピストン１の下面１２０と、これと対向する面１２１即ちピストン１が動く室を画定する面１２１と、の間における流体のビルドアップ（抵抗物化）を防ぐため、ピストン１は、その筒状外表面を通って流体が漏れ得るよう、構成されている。また、ピストン１が下向きに動くに連れ面１２０と面１２１との間からピストン１への上側へと流体が流れ得るよう、小径流路１２２が設けられている。

面１２０と面１２１との間の間に捕捉されている流体はピストン１にとり緩衝材となるため有用である。即ち、この流体は、ピストン１が面１２１と衝突し雑音や摩耗が生じることを、防いでいる。

バルブ１０１をその弁座に戻すときは、室１１２を流路２４を介し流体回収ラインに接続し、その上でバルブスプリング１０４、１０５によりバルブ１０１及びピストン１５を押し上げてピストン１とピストン１５の間からピストン１のオリフィス１１１を介して流路２４へと流体を排出させる。ピストン１５が上向きに動くとある時点でピストン１５の錐台状頂部１１０がピストン１の下面にある錐形くぼみ乃至孔に噛み合って位置決めされ、この錐面同士の噛み合いによりピストン１に対しピストン１５が中心決めされる。また、ピストン１５の錐台状頂部１１０の表面とこれに対向する面とが互いに近づいていくに連れ、その間に形成されていた開口１１１は徐々に狭くなっていき、従って当該開口１１１を介した流体の流れは徐々に細くなっていく。これは、ピストン１５の動きをダンピングする、という有用な効果をもたらす。即ち、ピストン１５がピストン１に接するときに生じる衝撃を、和らげる。ピストン１とピストン１５とが完全につながった後は、これら２個のピストン１及び１５は、バルブ１０１がその弁座に戻るまで、スプリング１０４及び１０５の動作によって一体に動いていく。

理想的には、バルブ１０１のステムの横断面直径とほぼ等しくなるようピストン１５の横断面直径を選び、バルブ１０１のバルブヘッドの最大直径とほぼ等しくなるようピストン１の横断面直径を選ぶのがよい。

ピストン１の直径は、送給される流体の設定圧力下で室１０２内の残留圧力を克服できる力が得られる限りではあるが、できるだけ小さくするのがよい。また、ピストン１５の直径は、送給される流体の設定圧力下でバルブ１０１の全運動を通じピストン１５から加えられる力でスプリング１０４、１０５の付勢力を克服できる限りではあるが、できるだけ小さくするのがよい。

内燃機関バルブ１０１の典型的な全ストローク長が１５ｍｍであるとするなら、そのうち最初の１〜１．５ｍｍは大型ピストン１の動きによって、残りは小型ピストン１５の動きによって、担うようにするのがよい。

好適な実施形態に係る内燃機関バルブアクチュエータの断面を示す図である。

Claims (8)

1. 内燃機関ポペットバルブ及びその流体アクチュエータによる構造物であって、
   アクチュエータハウジングと、
   ポペットバルブをその弁座に接する方向へと付勢するスプリング手段と、
   その断面積が第１断面積であり、アクチュエータハウジングに形成された第１室内を摺動可能で、且つ流体が流れる流路を有する第１ピストンと、
   その断面積が第１断面積より小さい第２断面積であり、且つアクチュエータハウジングに形成され、第１室に対し開いている第２室内を摺動可能な第２ピストンと、
   を備え、
   第１室が、加圧流体送給ライン及び流体回収ラインと接続可能であり、
   第２ピストンが、第１ピストンの下面と噛み合わせ得る上面を有し、
   第１ピストンが、第２ピストンに対して一直線に並び且つ上記第２断面積より大きい一定断面積の部分を有する流路が形成されないよう、構成されており、
   ポペットバルブを開く際には、まず第１室を加圧流体送給ラインに接続し、送給される加圧流体を第１ピストンに作用させて第１強度の力を発生させ、この第１強度の力を第２ピストンにより内燃機関バルブへと中継させて当該バルブを開かせ、その後第１ピストンが制止点に達するまでは、第１強度の力の作用下で第１ピストン、第２ピストン及び内燃機関バルブを一体に動かし、第１ピストンが制止点に達した後は、送給される加圧流体を第１室から第１ピストン内の流路に流して第２ピストンに作用させることによりより小さな第２強度の力を発生させ、バルブが全開するまでは第２強度の力の作用下で第２ピストン及びバルブを一体に動かし、
   開けたポペットバルブを閉じる際には、まず第１室を流体回収ラインに接続し、スプリング手段からバルブに印加される付勢力によりバルブをその弁座に戻る方向に動かし、その後第２ピストンが第１ピストンに噛み合うまでは、第２ピストンによって第２室から第１ピストン内の流路を介し流体回収ラインへと流体を排出させつつ、バルブ及び第２ピストンを一体に動かし、第２ピストンが第１ピストンに噛み合った後は、ポペットバルブがその弁座に着座するまで、第１ピストンにより第１室から流体回収ラインへと流体を排出させつつ、スプリング手段から印加される付勢力の作用下で第１ピストン、第２ピストン及びバルブを一体に動かし、
   第１ピストンに対する第２ピストンの移動が、第１ピストンの下面に対する第２ピストンの上面の接触によって制限されており、
   第１ピストンを通る流路が、第１ピストンの下面上に開き且つ接触面により囲まれた開口を有し、
   第２ピストンの上面が、これにぴったりはまり得る接触面を有し、第１ピストンと第２ピストンとが一体に動いている間、これら接触面同士が互いに接触して第１ピストンを通る流路をふさぐ構造物。
2. 請求項１記載の構造物において、第２ピストンがポペットバルブのバルブステムの頂部に直接接する構造物。
3. 請求項１又は２記載の構造物において、一体となって動いているときに第１ピストンと第２ピストンとが直接接する構造物。
4. 請求項１乃至３のうち何れか１項に記載の構造物において、アクチュエータハウジングに開いた第１直径の孔によって第１室が、また第１直径の孔に対し一直線に並び且つアクチュエータハウジングに開いた第２直径の孔によって第２室が、それぞれ形成された構造物。
5. 請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の構造物において、接触面双方が錘面である構造物。
6. 請求項５記載の構造物において、第２ピストンが第１ピストンに近づいて行くに連れ第１ピストン内の流路を通る流体の流れが制限され第２ピストンが第１ピストンに与える衝撃が和らげられるよう、上記錘面同士が協働して作用する構造物。
7. 請求項１乃至６のうち何れか１項に記載の構造物において、第１ピストンがその制止点に近づいていくとき第１ピストンの一面と第１室のこれと対向する面との間に捕捉された流体を、第１ピストンの他の側面上を通り第１室へと中継する流路を、アクチュエータ内に有する構造物。
8. 請求項１乃至７のうち何れか１項に記載の構造物において、スプリング手段が、ポペットバルブに取り付けられたカラーと内燃機関シリンダヘッド上に設けられた面との間で作動する１個又は複数個のバルブスプリングを含む構造物。

Images