JP4580937B2 - 非フリーホイール内燃機関のピストンと弁との間の衝突を防止するシステムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、内燃機関の制御素子を作動させる電動油圧装置に関する。特に、本発明は、電動油圧エンジン弁アクチュエータへの高圧な油圧供給を調整するシステムおよび方法に関する。

内燃機関は、良く知られており、製造されて以来、多くの注目を得ている。また、その用途が普及しているため、内燃機関およびその制御システムの設計を向上しようとする相当な取り組みが常に行われている。多くのなされた改善点の中でも、独立式弁作動および電子式燃料噴射は、カム系エンジンよりも性能および効率を向上するものとして考えられていた。

独立式弁作動システムでは、エンジン弁は、エンジンピストンと接触することがある。このため、弁−ピストン間の衝突がエンジンに著しい損傷を引き起こし、エンジンの故障につながる可能性がある。よって、弁作動システムは、このような弁−ピストン間の衝突の発生を防ぐように想定されている。

ピストン−弁間の衝突は、特に、重負荷ディーゼルエンジンなどの非フリーホイール式エンジンの電動油圧式弁列において懸念されている。現在、この問題点を解決する解決策は、弁リフトの計測に基づいたフィードバック制御に大幅に依存しており、これは、信頼性または費用効率のいずれかに欠けている。例えば、特許文献１は、弁とピストンとの間の干渉を防ぐために、弁を電子的に制御する制御方法を開示している。この電子制御システムは、ピストン−弁間の衝突を防ぐことができるが、そのシステムに故障が生じると深刻なエンジンの損傷を生じ得るため、欠陥があるといえる。

よって、ピストン−弁間に信頼性のある間隙を提供する新規な改良された内燃機関の弁制御システムおよび方法が必要である。

米国特許第６０９２４９５号明細書

本発明の一特徴によれば、電動油圧弁アクチュエータへの高圧な油圧供給を調整するシステムおよび方法が提供される。本発明は、ピストン−弁間に信頼性のある間隙を提供する。

本発明の他の特徴は、一般に、ピストンおよびエンジン弁を有する少なくとも１つの燃焼シリンダを備える内燃機関に用いられる弁作動システムにおいて特徴付けられる。本弁作動システムは、油圧ポンプ、高圧リザーバ、および電動油圧弁アクチュエータを備える。油圧ポンプは、内燃機関のシリンダの弁−ピストン間の間隙の外形に基づいて油圧出力を生じるように構成される。高圧リザーバは、油圧ポンプに連結される。電動油圧弁アクチュエータは、高圧リザーバに連結され、油圧ポンプの出力に応じて内燃機関の少なくとも１つのエンジン弁を作動させるように構成される。

本発明の上記および他の特徴および利点は、添付の図面と合わせて、本発明の好ましい実施形態に関する以下の記載からさらに理解されるものである。なお、添付の多様な図面を通して類似部分を示すには、類似の参照番号を用いるものとする。

図１に、本発明に係る電動油圧弁作動システムを備える内燃機関１００の一実施形態を示す。この内燃機関１００は、少なくとも１つのエンジン制御弁１０６（例えば、吸気弁、または排気弁）と連通する少なくとも１つのピストン駆動の燃焼シリンダ(図示せず）と、エンジン弁１０６を開閉する電動油圧アクチュエータ１０２と、油圧ポンプ１０４とを備える。油圧ポンプ１０４は、カム駆動のポンプであっても良く、高圧リザーバ１１０を介して電動油圧弁アクチュエータに流体接続される。

図１に示された実施形態では、油圧ポンプ１０４は、カム１０４ａにより駆動されたプランジャ１０４ｂを備える。カム１０４ａの外形（つまり、形状）は、所望通りに流体の圧力を高圧リザーバ１１０に充満させるようにプランジャ１０４ｂを駆動するよう選択可能である。好ましくは、カムの外形は、エンジンピストンがエンジン弁１０６の近くまで動いた際に高圧が降下し始めるように、すなわち、カム１０４ａがプランジャ１０４ｂから離れる方に動き始めるように、燃焼シリンダ用のピストン−弁間の間隙の曲線に基づいて選択される。例えば、図１に示すように、カム１０４ａは、エンジンピストンがエンジン弁１０６の近くまで動いた際にエンジンのクランク角に対応する凹部１０４ａ−１および１０４ａ−２を有し、これによりピストン−弁間の間隙が小さくなる際にプランジャ１０４ｂをカム１０４ａに向かって移動可能とし得る。

電動油圧アクチュエータ１０２は、好ましくは電気ソレノイド弁である制御弁１０２ａおよび１０２ｂと、逆止弁１０２ｃおよび１０２ｆと、制御室１０２ｄと、プランジャ１０２ｅとを備える。制御弁１０２ａおよび１０２ｂは、エンジン弁１０６を作動させるためにプランジャ１０２ｅの方向を制御するように開閉することができ、電子制御装置（ＥＣＵ）またはプロセッサ（図示せず）などを介して、電子的に制御することができる。制御弁１０２ａ（高圧制御弁）によれば、高圧な油圧流体を制御室１０２ｄ内に移動させ、プランジャ１０２ｅをエンジン弁１０６に向かって強制移動させる。油圧流体は、一方向のみで逆止弁１０８を介して高圧リザーバ１１０に戻され得る。制御弁１０２ｂ（低圧制御弁）が開いていると、制御室１０２ｄ内の高圧流体が低圧部分に移動する。この低圧部分は、調整された低圧リザーバ（図示せず）などの低圧油圧流体供給部に接続され得る。制御室１０２ｄ内の圧力が低圧油圧流体供給部の圧力よりも低くなるまで低減されると、逆止弁１０２ｆにより油圧流体が制御室１０２ｄに流れ戻る。

制御室１０２ｄ内の圧力が高圧リザーバ１１０内の圧力を超えると、逆止弁１０２ｃにより、流体は、制御室１０２ｄから一方向にのみ高圧リザーバ１１０に向かって流れる。このため、制御弁１０２ｂが閉じていても、逆止弁１０２ｃは、フィードバックループを形成する。すなわち、カム１０４ａがプランジャ１０４ｂから離れて移動すると、高圧リザーバ１１０内の圧力は、制御室１０２ｄ内の圧力よりも低いところまで降下し始め、逆止弁１０２ｃが開く。このようにして、ピストン−弁間の衝突を、電子制御システムに頼ることなく、確実に防止することができる。

油圧アキュムレータ１１２は、高圧リザーバ１１０に流体接続される。この油圧アキュムレータ１１２は、高圧制御弁１０２ａが閉じ、プランジャ１０４ｂがまだ流体を高圧リザーバ１１０に押し上げ続ける際に、過度な油圧流体を蓄えることができる。アキュムレータのピストン１１２ａは、高頻度な変動よりも低圧変動により多く反応する傾向がある。ここで、エンジンピストンがエンジン弁１０６の近くに移動するにつれて、カム１０４ａの形状設計に起因する圧力降下が高頻度となる。よって、油圧アキュムレータ１１２は、この変動に反応するためには遅いほうが好ましく、これにより、逆止弁１０２ｃが開放可能となるように圧力が有効なレベルまで変動される。

カム駆動の油圧ポンプ１０４は、動作時には、高圧な油圧流体を電動油圧弁アクチュエータ１０２に供給する。カム１０４ａは、好ましくは、エンジンクランク軸（図示せず）に２：１の比率で機械的に連結される（すなわち、エンジンクランク軸は、カム１０４ａが１回転する間に２回転する）。カムの外形は、好ましくは、ピストン−弁間の間隙の外形に対応するように形付けられており、よって、エンジンピストンがエンジン弁に向かって移動し、瞬間のピストン−弁間の間隙がより小さくなると、ポンププランジャ１０４ｂがカム１０４ａに向かって移動する。プランジャ１０４ｂがカム１０４ａに向かって移動すると、高圧リザーバ１１０の油圧が降下する。その結果、逆止弁１０２ｃは開き、高圧油圧流体は、制御室１０２ｄから高圧リザーバ１１０に移動して、制御弁１０２ｂが未だ閉じている際にも、ピストン−弁間の衝突を避けるようにエンジン弁１０６をエンジンピストンから離れる方に移動させる。制御弁１０２ｂは、油圧流体を低圧領域に戻すように開放される。制御弁１０２ａおよび１０２ｂは閉じられ、エンジンピストンが上死点から離れる方に移動すると、高圧リザーバ１１０内の油圧は、逆流する。そして、制御弁１０２ａは、次の燃焼事象のためにエンジン弁１０６を回帰させるために開放される。

次に、図２を参照すると、低圧制御弁１０２ｂがピストン−弁間の衝突を回避するために上死点より前に開放できなかった場合を想定する。図２は、弁間隙および弁リフト対シリンダの時間のシミュレーションを示している。上のグラフは、高圧制御弁１０２ａ用の制御信号を示しており、中央のグラフは、低圧制御弁１０２ｂ用の制御信号を示しており、下のグラフは、弁リフトおよび弁間隙（ピストン−弁間隙の外形）を示している。各グラフの底部の軸は、ピストンの位置に対応するエンジンのクランク角である。

動作時には、高圧制御弁１０２ａは、初期において、高圧が高圧リザーバ１１０内で蓄積されるように閉じられている。高圧制御弁１０２ａは開かれると、エンジン弁１０６を作動するためにプランジャ１０２ｅが開放される。初期の弁リフトは、約１２ｍｍとして示され、その後すぐに約１０ｍｍに落ち着く。エンジンピストンがエンジン弁１０６に近づくと、エンジン弁１０６は、閉じ始める（つまり、弁リフトが減少する）。ピストンが上死点に近づくと、ピストン−弁間の間隙が小さくなるが、低圧制御弁１０２ｂが開く前であってもピストン−弁間の衝突が回避されることが分かる。

本発明の新規な機械的設計の結果、電子制御システムに故障があっても、ピストン−弁間の衝突を防ぐことができる。

以上、本発明の詳細を説明してきたが、本発明は、記載した特定の実施形態に限られることを意図するものではない。なお、本発明の要旨を逸脱することなく、本文で記載した特定の実施形態に多様な用途、および変形、並びに変更が可能であることは、当業者にとって自明である。

本発明は、多くの種類の内燃機関において想定され得るものであると理解される。また、内燃機関は、任意の数のシリンダを備えることができる。

本発明に係る内燃機関用電動油圧弁作動システムの実施形態を示す概略図である。 本発明のコンピュータシミュレーションによるピストン−弁間の間隙の特徴を示すグラフである。

Claims (11)

1. ピストンおよびエンジン弁を有する少なくとも１つの燃焼シリンダを備える内燃機関に用いられる弁作動システムであって、
   前記内燃機関の少なくとも１つのシリンダの弁−ピストン間の間隙の距離に基づいて油圧出力を生じるように構成された油圧ポンプと、
   前記油圧ポンプと連結された高圧リザーバと、
   前記高圧リザーバと連結し、前記油圧ポンプの出力に応じて前記内燃機関の少なくとも１つのエンジン弁を作動させるように構成された電動油圧弁アクチュエータとを備え、
   前記電動油圧弁アクチュエータは、前記高圧リザーバに連結された制御室と、前記制御室に流体接続され前記少なくとも１つのエンジン弁に機械的に接続された少なくとも１つのプランジャとを備え、前記弁作動システムは、前記制御室から前記高圧リザーバにいたる少なくとも１つのバイパス通路をさらに備え、
   前記少なくとも１つのバイパス通路は、第１の逆止弁が配置される第１のバイパス通路を備え、前記第１の逆止弁は、前記制御室内の圧力が前記高圧リザーバ内の圧力を超える際に油圧流体を前記制御室から前記高圧リザーバに流すように構成される弁作動システム。
2. 前記高圧リザーバ内の圧力が前記電動油圧弁アクチュエータ内の圧力よりも低い際に油圧流体が前記電動油圧弁アクチュエータから前記高圧リザーバへと戻って流れるように、前記電動油圧弁アクチュエータから前記高圧リザーバにいたる少なくとも１つのバイパス通路をさらに備える請求項１に記載の弁作動システム。
3. 前記油圧ポンプは、カムとプランジャとを備え、前記カムは、前記ピストンおよび前記エンジン弁の弁−ピストン間の間隙がゼロに近づく際に前記プランジャが前記カムに向かって移動するように、前記少なくとも１つの内燃機関シリンダの前記弁−ピストン間の間隙の距離に基づいて前記油圧出力を生じるように選択された形状を有する請求項１に記載の弁作動システム。
4. 前記少なくとも１つのフィードバックループは、制御弁が配置される第２のバイパス通路をさらに備える請求項１に記載の弁作動システム。
5. 前記少なくとも１つのバイパス通路は、第２の制御弁および第２の逆止弁が配置される第２のバイパス通路をさらに備え、前記第２の制御弁が開放されている際には、油圧流体は、低圧領域に流れるようになされ、前記高圧リザーバ内の圧力が前記低圧領域内の圧力よりも低い際には、前記第２の逆止弁は、油圧流体を前記低圧領域から前記高圧リザーバに流すようにさせる請求項１に記載の弁作動システム。
6. 前記高圧リザーバと連結されたアキュムレータをさらに備える請求項１に記載の弁作動システム。
7. 前記アキュムレータは、過度な油圧流体を蓄積し、前記逆止弁が前記流体圧力の高圧変化に対応して開放されるように機能する請求項６に記載の弁作動システム。
8. ピストンおよびエンジン弁を有する少なくとも１つの燃焼シリンダを備える内燃機関に用いられる弁作動方法であって、前記内燃機関は、前記エンジン弁を開閉する電動油圧弁作動システムを備え、前記電動油圧弁作動システムは、カムと機械的に連結するプランジャを備える油圧ポンプを備え、前記カムは、油圧を生成するように前記プランジャを移動し、エンジンクランク軸に機械的に連結されており、前記電動油圧弁作動システムは、前記油圧ポンプに流体接続されるとともに、前記エンジン弁と機械的に接続され該エンジン弁を開閉する第２のプランジャをも備え、
   前記少なくとも１つの燃焼シリンダ用の前記ピストンおよび前記エンジン弁のピストン−弁間の間隙の距離を把握する工程と、
   前記ピストンと前記エンジン弁の弁−ピストン間の間隙がゼロに近づく際に前記プランジャが前記カムに向かって移動するように、前記ピストン−弁間の間隙の距離に基づいて前記油圧ポンプの前記カムの向きを選択する工程とを含み、
   前記電動油圧弁作動システムは、制御弁を介して高圧リザーバと連結された制御室をさらに備え、前記方法は、
   アキュムレータを前記高圧リザーバと連結する工程と、
   前記制御室内の圧力が前記高圧リザーバ内の圧力を超える際にピストン−弁間の衝突を防ぐために油圧流体流が前記制御室から前記高圧リザーバに流れるように、前記制御室から逆止弁を介して前記高圧リザーバにいたるバイパス通路を設ける工程とをさらに含む弁作動方法。
9. 前記逆止弁が流体圧力の高圧変化に対応して開放されるように前記アキュムレータを構成する工程をさらに含む請求項８に記載の弁作動方法。
10. エンジンピストンおよびエンジン弁を有する少なくとも１つの燃焼シリンダを備える内燃機関に用いられる電動油圧弁作動システムであって、
    前記内燃機関の少なくとも１つのシリンダの弁−ピストン間の間隙の距離に基づいて油圧流体の油圧出力を生じる油圧ポンプ手段と、
    前記油圧ポンプ手段の油圧流体の出力に応じて前記内燃機関の少なくとも１つのエンジン弁を作動させる弁作動手段と、
    前記油圧ポンプと連結された高圧リザーバ手段と、
    前記高圧リザーバに連結された制御室手段と、
    前記エンジンピストンが前記エンジン弁の近くに移動する際に前記弁作動手段からの油圧流体の方向を変えるバイパス手段と、
    前記バイパス手段に配置され、前記制御室内の圧力が前記高圧リザーバ内の圧力を超える際に油圧流体流を前記制御室から前記高圧リザーバに流す逆止弁手段とを備える電動油圧弁作動システム。
11. 前記ポンプ手段からの出力から過度な油圧流体を蓄積するためのアキュムレータ手段をさらに備える請求項１０に記載の弁作動システム。

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