JP4335694B2 - シリンダピストン駆動装置 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載のシリンダピストン駆動装置、特に内燃機関のガス交換弁を操作するためのハイドロリック的に制御されるアクチュエータであって、シリンダ内で摺動可能な作動ピストンが設けられており、該作動ピストンの互いに反対の側のピストン面が、それぞれ圧力室を仕切っており、作動ピストンが複数の部分、すなわち互いに内外に配置された少なくとも２つの部分ピストンから成っており、該部分ピストンが、互いに相対的に摺動可能であり、該部分ピストンにそれぞれ設けられたストッパ面が互いに当接可能であり、一方の圧力室がすべての部分ピストンによって仕切られており、他方の圧力室が一部の部分ピストンによってのみ仕切られており、他方の圧力室を仕切っていない方の部分ピストンの移動距離が、作動ピストンの全移動距離に比べて減じられており、シリンダに少なくとも１つのストッパ面が配置されており、前記部分ピストンのうちの１つの部分ピストンが、減じられた移動距離を進んだ後に、該部分ピストンに設けられたストッパ面が、シリンダに設けられた前記ストッパ面に当接するようになっている形式のものに関する。

このような形式のシリンダピストン駆動装置は、本願出願時には未公開のドイツ連邦共和国特許出願第１０１４３９５９．８号明細書に記載されている。このシリンダピストン装置は、ガス交換弁を操作するためのハイドロリック的に制御されるアクチュエータに関するものである。このアクチュエータによって、作動ピストンの、ガス交換弁を開放しかつ／または閉鎖する作用面の変化が作動ピストンの移動距離に関連して可能となるので、ガス交換弁に作用する作動力は特別な要求、たとえばガス交換弁が残留ガス圧に抗して開放し得るようにするために初期に高いアクチュエータ開放力を発生させること、または弁閉鎖の直前に騒音または摩耗の理由から小さな閉鎖力を発生させることを満たすことができる。

発明の利点
本発明によれば、ストッパ面が、それぞれ１つの円錐形座部を形成する円錐面として形成されていることに基づき、互いに内外に案内された複数の部分ピストンにより互いに分離された圧力室の著しく改善されたシールが得られるので、複数の部分から成る作動ピストンの場合には完全には避けられ得ない漏れ容積流が著しく低減されるか、もしくは完全に回避される。その場合、本発明により形成された複数の部分から成る作動ピストンは、漏れ特性に関連しては、単一部分から成る一体型の作動ピストンに比べて欠点を有していない。択一的には、本発明の構成を有しない、複数の部分から成る作動ピストンの場合と同じ漏れ容積流において、より大きな製作誤差が許容され得るようになる。これにより、シリンダピストン駆動装置の製作コストの軽減が得られる。円錐形座部では、両圧力室内の圧力差が大きくなればなるほど、互いに対応する円錐面がますます強力に押し合わされるようになるので、シール作用は有利には自己増幅性を有している。

請求項２以下に記載された手段により、請求項１に記載された発明の有利な改良および改善が可能である。

互いに対応する円錐面の円錐頂角が小さな角度差を有していて、ほぼ線接触の形で互いに接触していると特に有利である。角度差に基づいて線接触が生ぜしめられる、このような円錐形座部は、特に高いシール性によりすぐれている。なぜならば、線接触は、予荷重もしくはプレロードをかけられてシール面に圧着されたシール縁部の作用を有しているからである。

次に、本発明の１実施例を図面につき詳細に説明する。

実施例の説明
図１のａ）には、本発明によるシリンダピストン駆動装置の有利な１実施例として、内燃機関のガス交換弁２を操作するための液力的もしくはハイドロリック的に制御されるアクチュエータ１の概略的な部分断面図が使用位置で示されている。すなわち、図面で見て下側に示された構成エレメントは実際でも下側に組み込まれている。ガス交換弁２は流入横断面を制御するための流入弁としても、流出横断面を制御するための流出弁としても使用され得る。このガス交換弁２は弁リフタ４を有しており、この弁リフタ４の下端部には、皿形の弁頭部（縮尺の理由から図示されていない）が配置されている。弁頭部は内燃機関のシリンダヘッドに形成された弁座面と協働し、これにより弁頭部は、弁リフタ４の線状操作によって多かれ少なかれ弁座面から持上げられて、規定の流過横断面を開放する。

ハイドロリック的に制御されるアクチュエータ１は、シリンダ６内で軸方向に摺動可能に保持された、弁リフタ４に作用する作動ピストン８を有している。この作動ピストン８はシリンダ６を、作動ピストン８の互いに反対の側の端面によって仕切られた２のハイドロリック的な圧力室、すなわち上側の圧力室１０と下側の圧力室１２とに分割している。両圧力室１０，１２はハイドロリックオイルで充填されていて、それぞれ圧力管路を介して圧力供給装置に接続されている。作動ピストン８の端面は、圧力室１０，１２内に形成されるハイドロリック圧のための作用面を成しており、この場合、圧力室１２は有利には常に加圧下にあり、圧力室１０は有利には同じ圧力によって負荷され、これにより、ガス交換弁２は、大小異なる両端面を有する作動ピストン８の、圧力室１０に面した大きい方の端面を介して開放されるか、もしくは圧力室１０内の圧力減少によって閉鎖される。このようなハイドロリック的に制御されるアクチュエータ１の原理的な機能形式は、たとえばドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８２６０４７号明細書に基づき公知であるので、機能形式に関する詳しい説明は省略する。

上記ドイツ連邦共和国特許出願公開明細書の構成とは異なり、作動ピストン８は、両作用面の面積が作動ピストン８の移動距離に沿って変化するように形成されており、これにより、ガス交換弁２の開閉時におけるアクチュエータ１に課せられた特定の要求が満たされる。これらの要求は、たとえば一方ではガス交換弁２が残留ガス圧に抗して開放し得るようにするために、ガス交換弁２の開放行程の開始時に高い開放力を提供することにあり、かつ他方では、ガス交換弁２を調節するために必要となるエネルギ消費量が減じられるようにするために全行程のうちのこの部分行程の後にアクチュエータ１により加えられる作動力を著しく減少させることにある。

これらの要求は、この場合、作動ピストン８が図１のａ）に示された弁閉鎖位置から移動する際に、移動距離の初期範囲ｓ_１では、上側の開放用の作用面１４が移動距離の残りの範囲ｓ_２におけるよりも大きくなるように作動ピストン８を形成することによって満たされる。このためには、上側の開放用の作用面１４が所定の移動距離ｓ_１の後に所定の量だけ減少し、そして行程終了時まで一定に維持される。これに対して、作動ピストン８の下側の閉鎖用の作用面１６は全閉鎖行程ｓ_１＋ｓ_２にわたって常時一定のままとなる。すなわち、ガス交換弁２は大きな移動力によって開放され、次いでこの移動力は移動距離ｓ_１の後に急激に低下し、そして残りの行程ｓ_２にわたって一定のままとなる。

このためには、作動ピストン８が複数の部分から形成されている。すなわち、作動ピストン８は、互いに内外に配置された、互いに相対的に摺動可能な複数の、有利には２つの部分ピストン、すなわち外側のリングピストン１８と内側の差動ピストン２０とから成っている。差動ピストン２０は弁リフタ４と一体に形成されているか、または図１のａ）およびｂ）に示したように段付けされた孔を備えた環状体として、同じく段付けされた弁リフタ４に押し被されてプレス嵌めされている。シリンダ６は同じく孔段部２２を有しているので、大小異なる直径を有するシリンダ区分２４，２６が形成されている。この場合、大直径を有する上側のシリンダ区分２４は両部分ピストン１８，２０を収容しており、小直径を有する下側のシリンダ区分２６は差動ピストン２０だけを案内している。さらに、リングピストン１８は差動ピストン２０よりも小さな軸方向長さを有しており、差動ピストン２０の端面は上側の圧力室１０にも下側の圧力室１２にも面しており、それに対してリングピストン１８は、一方の端面、すなわち上側の端面でのみ圧力室１０と協働する。

短尺のリングピストン１８の半径方向外側の周面は上側のシリンダ区分２４によって、半径方向内側の周面は差動ピストン２０に形成された円筒状の案内区分２８によって、それぞれ案内されている。それに対して、差動ピストン２０はシリンダ６の下側のシリンダ区分２６によって案内されている。差動ピストン２０の、上側の圧力室１０に面していてかつ案内区分２８に続いている上端部は減径されており、これにより図１のｂ）に示したように、リングピストン１８に設けられた環状突起３４に形成された対応する半径方向内側のストッパ面３２のための半径方向外側のストッパ面３０が形成されている。

シリンダ６の孔段部２２に形成された半径方向内側のストッパ面３６により、リングピストン１８の移動距離が制限されており、この場合、リングピストン１８の、下側の圧力室１２寄りの端部は、半径方向外側の対応するストッパ面３８（図１のａ）を備えている。これに対して、長尺の差動ピストン２０の移動距離は、作動ピストン８の全行程ｓ_１＋ｓ_２を走破することができる。さらに、シリンダ６の孔段部２２はリングピストン１８を下側の圧力室１２から完全に遮断している。シリンダ６の孔段部２２とリングピストン１８との間の室３９は、周辺環境に対して無圧状態に放圧されている。

作動ピストン８が、図１のａ）に示した弁閉鎖位置から弁開放方向へ移動させられる（このことは上側の圧力室１０内へ流体圧を導入制御することにより行われる）際には、まず両部分ピストン１８，２０が圧力負荷されて、下方へ向かって一緒に移動させられる。このときに、作動ピストン８の上側の開弁用の作用面は両部分ピストン１８，２０の両方の環状の端面から構成されていて、最大となる。作動ピストン８が行程距離ｓ_１を進むと、リングピストン１８の半径方向外側のストッパ面３８が、シリンダ６の対応するストッパ面３６に当接し、これにより、リングピストン１８は、引き続き行われる作動ピストン８の移動にはもはや参加しなくなる。これによって、開弁用の作用面１４は減少して、内側の差動ピストン２０の、流体圧により負荷された端面だけとなるので、アクチュエータ１の作動力が減少し、ガス交換弁２を引き続き開放させる際に必要となる所要エネルギが低下する。

ガス交換弁２が開放位置に到達した後に、上側の圧力室１０を放圧することによって閉鎖過程が導入されると、内側の差動ピストン２０が移動距離ｓ_２を進んだ後に、差動ピストン２０とリングピストン１８とにそれぞれ設けられた互いに対応するストツパ面３０，３２が図１のａ）に示したように互いに当接することにより、外側のリングピストン１８が移動距離ｓ_１にわたって内側の差動ピストン２０によって作動ピストン８の閉鎖位置にまで連行される。

図１のａ）およびｂ）から判るように、それぞれ互いに対応するストッパ面３０，３２およびストッパ面３６，３８は、当接時にそれぞれ１つの円錐形座部４０，４２を形成する円錐面として形成されており、これらの円錐面はそのつど作用する作動力の方向に関連して押し合わされるか、または係合解除される。すなわち、図１のａ）（閉弁位置）に示した当接事例ではリングピストン１８の半径方向内側の円錐面３２と、差動ピストン２０の半径方向外側の円錐面３０とが円錐形座部４０を形成しており、図１のｂ）（開弁位置）に示した当接事例ではリングピストン１８の半径方向外側の円錐面３８と、シリンダ６の半径方向内側の円錐面３６とが別の円錐形座部４２を形成している。

互いに対応する円錐面３０，３２並びに円錐面３６，３８は有利には少しだけ互いに異なる円錐頂角を有しているので、これらの円錐面はほぼ線接触の形で接触し合う。この線接触は、この場合にはそれぞれ環状に延びる円形リング４４，４６の形を有している。それぞれ互いに対応する円錐面３０，３２と、円錐面３６，３８との間の円錐頂角差は、図１のａ）およびｂ）では図面を見易くするという理由から、著しく誇張されて描かれている。

上記作動ピストン８の改良形では、作動ピストン８が２つよりも多い部分ピストンから構成されていてもよい。その場合、個々の部分ピストンはやはり互いに異なる長さを有していて、それぞれ行程距離の適宜な設定によって作動ピストン８の移動中に順次無作用状体となるので、作動ピストン８の開弁用の作用面は作動ピストン８の全行程にわたって複数回変化する。もちろん、複数の部分ピストンに設けられたストッパ面は同じく円錐面として形成されていて、それぞれ別の部分ピストンもしくはシリンダに設けられた対応する円錐面と協働して、それぞれ１つの円錐形座部を形成する。

ガス交換弁を操作するためのアクチュエータとして形成された、本発明によるシリンダピストン駆動装置の有利な１実施例を閉弁位置（ａ）と開弁位置（ｂ）とで示す部分横断面図である。

Claims (9)

1. 内燃機関のガス交換弁（２）を操作するためのハイドロリック的に制御されるアクチュエータ（１）であって、シリンダ（６）内で摺動可能な作動ピストン（８）が設けられており、該作動ピストン（８）の互いに反対の側のピストン面（１４，１６）が、それぞれ圧力室（１０，１２）を仕切っており、作動ピストン（８）が複数の部分、すなわち互いに内外に配置された少なくとも２つの部分ピストン（１８，２０）から成っており、該部分ピストン（１８，２０）が、互いに相対的に摺動可能であり、該部分ピストン（１８，２０）にそれぞれ設けられたストッパ面（３０，３２）が互いに当接可能であり、一方の圧力室（１０）がすべての部分ピストン（１８，２０）によって仕切られており、他方の圧力室（１２）が一部の部分ピストン（２０）によってのみ仕切られており、他方の圧力室（１２）を仕切っていない方の部分ピストン（１８）の移動距離（ｓ_１）が、作動ピストン（８）の全移動距離（ｓ_１＋ｓ_２）に比べて減じられており、シリンダ（６）に少なくとも１つのストッパ面（３６）が配置されており、前記部分ピストンのうちの１つの部分ピストン（１８）が、減じられた移動距離（ｓ_１）を進んだ後に、該部分ピストン（１８）に設けられたストッパ面（３８）が、シリンダ（６）に設けられた前記ストッパ面（３６）に当接するようになっている形式のものにおいて、互いに対応するストッパ面のうちの少なくとも幾つかのストッパ面が、当接時にそれぞれ１つの円錐形座部（４０，４２）を形成する円錐面（３０，３２，３６，３８）として形成されていることを特徴とするシリンダピストン駆動装置。
2. 互いに対応する円錐面（３０，３２，３６，３８）の円錐頂角が、僅かな角度差を有していて、ほぼ線接触（４４，４６）の形で接触し合っている、請求項１記載のシリンダピストン駆動装置。
3. 部分ピストン（１８，２０）が互いに異なる長さを有している、請求項２記載のシリンダピストン駆動装置。
4. 作動ピストン（８）が２つの部分ピストンから成っていて、減じられた移動距離（ｓ_１）を有する外側のリングピストン（１８）が、全移動距離（ｓ_１＋ｓ_２）を走破する内側の差動ピストン（２０）よりも小さな軸方向長さを有している、請求項３記載のシリンダピストン駆動装置。
5. 内側の差動ピストン（２０）がピストンロッド（４）に結合されているか、またはピストンロッドと一体に形成されている、請求項４記載のシリンダピストン駆動装置。
6. シリンダ（６）が孔段部（２２）を有していて、大小異なる直径のシリンダ区分を有しており、大径のシリンダ区分（２４）が両部分ピストン（１８，２０）を収容しており、小径のシリンダ区分（２６）が差動ピストン（２０）だけを案内している、請求項４または５記載のシリンダピストン駆動装置。
7. 差動ピストン（２０）の、一方の圧力室（１０）に面した側の端部が、半径方向外側の円錐面（３０）を有しており、該円錐面（３０）が、リングピストン（１８）の環状突起（３４）に形成された対応する半径方向内側の円錐面（３２）と協働する、請求項６記載のシリンダピストン駆動装置。
8. シリンダ（６）の孔段部（２２）に形成された半径方向内側の円錐面（３６）によって、外側のリングピストン（１８）の移動距離が制限可能であり、該リングピストン（１８）の、他方の圧力室（１２）に面した側の端部が、対応する半径方向外側の円錐面（３８）を備えている、請求項６または７記載のシリンダピストン駆動装置。
9. リングピストン（１８）の半径方向内側の円錐面（３２）と差動ピストン（２０）の円錐面（３０）、または、リングピストン（１８）の半径方向外側の円錐面（３８）とシリンダ（６）の円錐面（３６）の少なくとも１つの面同士が、当接時にそれぞれ１つの円錐形座部（４０，４２）を形成する、請求項７または８記載のシリンダピストン駆動装置。

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