JP4581421B2 - 内燃機関用の電気機械式バルブアクチュエータ及びそのようなアクチュエータを備える内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用の電気機械式バルブアクチュエータ及びそのようなアクチュエータを備える内燃機関に関する。

バルブ１１０の電気機械式アクチュエータ１００（図１）は、電気信号によりバルブ１１０の位置を制御するために、スプリング１０２及び１０４のような機械的手段と、電磁石１０６及び１０８のような電磁手段とを含む。

この目的のため、２つの電磁石１０６と１０８との間に配置される磁気プレート１１４のロッド１１２にバルブ１１０のロッドが取り付けられる。

電磁石１０８のコイル１０９内を電流が通ると、電磁石が作動し、磁気作用つまり磁力を発生させ、それにより磁気プレート１１４を引き寄せて、プレートを電磁石と接触した状態で維持する。

ロッド１１２が同時に変位することにより、スプリング１０２はバルブ１１０を閉位置にすることができ、バルブ１１０のヘッドは弁座１１１に着座し、シリンダ１１７の内部と外部との間のガスの行き来ができないようにする。

（図示しないが）同様に、電磁石１０６のコイル１０７内を電流が通ると、電磁石１０８が非活性の状態になり、電磁石１０６が作動しプレート１１４を引き寄せる。それによりプレート１１４が電磁石１０６と接触するようになり、スプリング１０４によってロッド１１２を移動させ、その結果このロッド１１２はバルブ１１０に作用し、バルブを開位置にする。その時、バルブのヘッドは弁座１１１から離れ、例えばシリンダ１１７内にガスを吸気または噴射できるようになる。

電気機械式アクチュエータ１００が正しく機能しているとき、バルブ１１０は、切換え位置と呼ばれる固定した開閉位置間を、過渡な変位で往復する。バルブの開又は閉状態は、以後「切換え状態」と呼ぶ。

スプリング１０２及び１０４は、アクチュエータ１００の可動素子を備えたバルブの切換え時間により特徴付けられる、振動装置を形成している。

スプリング１０２及び１０４が高い剛性ｋ_１０２及びｋ_１０４を持ち、変位する素子（プレート１１４、ロッド１１２及びバルブ１１０）がかなりの質量ｍを持つとすると、切換え時間は、本質的にこれら剛性ｋ_１０２及びｋ_１０４と質量ｍとの関数である。剛性ｋ_１０２及びｋ_１０４がｋに等しいとすると、切換え時間Δｔ_ｃは、ｋ／ｍの比のおよそ平方根により固定される。

言い換えると、切換え時間は、電磁石のコイル１０７及び１０６を流れる電流の変化に対しては低い感度を持つ。

また、アクチュエータ１００は、プレート１１４を切換え位置に維持するのに必要なエネルギーを削減するよう意図された磁石１１８（電磁石１０８）及び１１６（電磁石１０６）を備えてもよい。

以下、そのような磁石を持つ電磁石１０６又は１０８を、バイアスされた電磁石と呼ぶ。

本発明は、バルブの最適切換え時間が、エンジンの動作に応じて変化するということから見出されるものである。

例えば、低剛性のスプリングによって得られる切換えの減少した速度を使用する高切換え時間は、電磁石に対するプレートの衝撃ノイズ、及び、アイドル時のエンジン動作の際のこれらコンポーネントの磨耗を減らす。実際、エンジンの動作ノイズは車両が停止しているときに非常に際立つので、このようなノイズの減少は、アイドル時、車両の利用者にとっては特に有利な点である。

反対に、エンジンの速度が増すにつれて、切換え時間は削減されなければならない。

また、本発明は、図２で説明するように、バイアスされたアクチュエータを用いることにより、バイアスされていないアクチュエータと比べて、より高い感度で磁気プレートを制御できることから見出されるものである。

図２は、非活性（曲線２０２）又は活性（曲線２０４）のバイアスされた電磁石及び、バイアスされていない電磁石（曲線２０６）によって磁気プレートに加えられる力Ｆ（縦軸２００、単位Ｎ）を、電磁石と該電磁石が制御するプレートとを隔てるエアギャップｅ（横軸２０８、単位ｍｍ）の関数として示した図である。

活性のバイアスされていない電磁石、つまり電流が供給された電磁石（曲線２０６）によって加えられる力Ｆは、エアギャップの関数として急速に減少し、およそ２ｍｍの大きさのエアギャップの場合、この力が比較的弱いということがわかる。

この目的で、バイアスされていないアクチュエータによって加えられる力Ｆは二重に非線形である、つまり、電磁石に供給する電流の強度の二乗に比例し、エアギャップの二乗に反比例する。

反対に、活性のバイアスされた電磁石（曲線２０４）の場合、このアクチュエータによって加えられる力は、エアギャップの関数としてそれほど急激には減少しないので、およそ３ｍｍの大きさのエアギャップでも電磁石はプレートに作用する。

エアギャップの関数として、バイアスされた電磁石によって加えられる力の変化は、バイアスされていない電磁石によって加えられる力の変化よりも、より線形である。

さらに、小さいエアギャップの場合、バイアスされた電磁石によって加えられる力が減少することによって、プレートの加速の強度、従ってプレートに対する衝撃の速度が減少し、その結果、プレートによって発生するノイズが減少する。

また、バイアスされていないアクチュエータよりもバイアスされたアクチュエータのほうが、プレートに加えられた力を制御し易い。

最後に、バイアスされた電磁石は、たとえ非活性の状態でも、近接して位置するプレートに力を及ぼす（曲線２０２）一方で、バイアスされていない電磁石は、供給電流がない場合なんの作用も起こさない。

従って本発明は、バイアスされた電磁石及び、該電磁石に近い第１の位置と該電磁石から遠い第２の位置との間で切換わる可動磁気プレートを備える内燃機関用電気機械式バルブアクチュエータに関し、これらの位置間の切換え時間がエンジンの動作状態に応じて決定され、プレートが電磁石に近付く時に、電磁石に可変の吸引電流を供給するための手段を有することを特徴としている。

本発明により、電磁石の吸引電流を制御することによって、バルブの切換え時間が修正され、エンジンの動作状態に適合される。例えば、エンジンがアイドル状態のとき、切換え時間を増やして磁気プレートの衝撃速度を減少させ、その結果エンジンの動作ノイズを減少させる。

この動作モードは、バイアスされたアクチュエータの感度が上がり、制御の範囲が拡大するためにも、用いられうる。

実際、感度が上がって制御幅が拡大することにより、電磁石が比較的遠い距離でもプレートを引き上げることができ、プレートが近付いて磁石の作用が強くなるにつれて、プレートの動作を修正することができる。

一実施形態によれば、アクチュエータは、プレートが近付くにつれて吸引電流を減らすための手段を有し、これによりアクチュエータの消費電力を減らすことができる。

一実施形態によれば、エンジンは、プレートが第２の位置に切換わるとき、電磁石の供給電流の方向を反転させるための手段を有する。

一実施形態によれば、アクチュエータは、電流が反転したとき、電磁石の磁石によって発生した磁界強度と同等か又はそれ以下の強度の磁界を発生させる電流を制御するための手段を有する。

プレートが第２の位置で第２の電磁石の近傍に近付くような実施形態では、アクチュエータは、各電磁石への電流供給を同時に制御するための手段を有する。

一実施形態によれば、アクチュエータは、Ｅ字形の支持具を備えた電磁石を有し、プレートと反対側の支持具の分岐部のうちの１つの端部に磁石が配置される。

一実施形態によれば、電流の変化は、振幅及び／又は給電時間に関係する。

一実施形態によれば、アクチュエータは、エンジンの速度をこのエンジンの動作状態のパラメタであるとみなすための手段を有する。

従って、本発明は、バイアスされた電磁石及び、該電磁石に近い第１の位置と該電磁石から遠い第２の位置との間で切換わる磁気プレートを有するアクチュエータを備える内燃機関に関する。

本発明のその他の特徴及び利点は、非限定的な例として示し添付の図面を参照して行う本発明の実施形態についての以下の記述から明らかになるであろう。

図３ａは、磁石を備えた上側電磁石と下側電磁石との間に位置する磁気プレートの位置ｘ（縦軸３００、単位ｍｍ）を示している。位置ｘ＝０は、２つの電磁石から等距離のプレートの位置に対応している。

この位置は、切換え命令（ｔ＝０）から始まって測定された時間ｔ（横軸３０２、単位ｍｓｅｃ）の関数として示されている。

図３ｂは、考慮中のアクチュエータの上側電磁石と下側電磁石に供給される各電流ｉ_ｂ及びｉ_ｈ（縦軸３０４、単位アンペア）を示しており、一方図３ｃは、磁気プレートの速度ｖ（縦軸３０６、単位ｍ／ｓｅｃ）を示している。

プレートの下位置ｘ_ｂ（図４ａ）から上位置ｘ_ｈへの切換えは、バルブの開口と対応し、電流ｉ_ｂ及びｉ_ｈの変化が必要であるとわかる。

実際、プレートは、最初、およそ３．５アンペアの大きさの保持電流ｉ_ｂによって下位置に維持されている。

次に、この電流ｉ_ｂをなくすことでプレートの上位置への変位が達成され（時刻ｔ_１）、それからプレートは電気機械式アクチュエータのスプリングの効果で上位置に変位する（ｘの増加）。

２つの電磁石間の等距離位置を通過する間（ｘ＝０、時刻ｔ_２）、プレートの速度ｖは最大に近付き、その後プレートが上側電磁石に近付くにつれて速度は減少する。

プレートが上側電磁石に近付いたとき（時刻ｔ_３）、上側電磁石には、プレートを引きつけ上側電磁石とプレートが接触した状態を維持するために、増加する電流ｉ_ｈが供給される。

バルブの切換えが達成されると（ｘ＝ｘ_ｈ、ｖ＝０、時刻ｔ_４）、プレートは、該プレートを下側電磁石に保持していた電流ｉ_ｂと同じ強さの電流ｉ_ｈによって、上側電磁石で維持される。

しかし、他の変形例によると、上側電磁石で用いられる保持電流の値は、電磁石の特性によっては特に、下側電磁石で用いられる保持電流の値と異なっていることもある。

他の変形例によると、２つの保持電流がゼロであり、バルブを保持するための電力消費を必要としない。

図４ａ、４ｂ及び４ｃは、前述と同じ電流の大きさの、切換え時間ごとのプレートの上位置から下位置への通過を示しており、プレートは反対の切換えを実行するようになっている。

切換え時間は、アクチュエータの寸法、特に変位される質量及びスプリングの剛性の関数として変化することに注目すべきであろう。

そのような切換え時間の増加は、例えばプレートの質量が限定されている時には、低剛性のスプリングを用いることでも達成されうる。

実際、低剛性のスプリングを使用すると、これらのスプリングによってプレートに加えられる力の強度が限定され、その結果プレートの変位速度及び切換え時間が減少する。

図３ａ、３ｂ、３ｃ、４ａ、４ｂ、及び４ｃで示されているような、長時間のバルブの切換えを、以後低速切換えと呼ぶ。

図５ａは、バルブを制御するプレートの位置ｘを示しており、低速切換えの記述で既に用いられている。しかし、このバルブは図５ａでは加速切換えで制御されており、切換え時間は、前の記述で用いられていた長時間と比べると少なくなっている。

プレートが下位置から上位置へ切換えられるとき、下側コイルを流れる電流ｉ_ｂ（図６ｂ）は、このために反転され、（時刻ｔ”_１）、下側電磁石からのプレート切り離しを加速させるべく、その磁石を消磁するために該電流は増加され、部分的に又は完全に、この磁石によってプレートに加えられた力をなくす。

言い換えると、磁石の磁界と反転した磁界を発生させることによって、電磁石によりプレートに加えられた吸引力を減少及びなくすことが可能である。

この作用により、図３ａ、３ｂ及び３ｃを基に説明された低速切換えと比べて、より早くプレートを速い切換え速度に到達させることが可能になる。

図６ａ、６ｂ及び６ｃは、上位置から下位置への加速切換えを示している。

従って、図６ａで示されているように、上位置ｘ_ｈから下位置ｘ_ｂへプレートを変位させるために、上側電磁石に流れる電流ｉ_ｈの方向が反転され（図６ｂ）、磁石を消磁し、上側電磁石からのプレートの切り離しを加速させる。

実際、プレートが到達する最大速度（Ｖ_ｍａｘ、図６ｃ）は、図４ｃで記述された同じ状況下での速度よりも速い。

所望の切換え時間に応じて、電磁石によって発生した反転された磁界は、決められた強度と持続時間を持つことに注目すべきであろう。

実際、この磁界の強度が強くなればなるほど、磁石の磁界は弱くなる。

上述したように、スプリングの剛性が低ければ低いほど、切換え時間の変化が大きくなる。

切換え時間の変化は、コイルの供給電流の振幅又は印加時間といった１又はそれ以上のパラメタを修正することによって得られることにも注目すべきであろう。

分岐部のうちの１つ、この例では中央分岐、の端部に磁石７０９を備えるＥ字形支持具７０２を有する電磁石７００（図７）がこのために用いられる。

磁石７０９は、制御するプレート７０６の反対側に位置しているため、漏れが減少し、プレート７０６への磁石の作用が増加する。

磁石の磁界は、ネオジウム−鉄−ホウ素磁石に対しておよそ１．２テスラの大きさであり、強磁性の材料で形成されるプレート７０６を飽和させるために必要な磁界よりも弱い。

その結果、プレートの飽和限度に達するまで、支持具７０２の分岐部によって形成された磁気回路の断面Ｓよりも小さい断面Ｓ_ｐを有するプレートを用いることが可能である。

この例で、プレート断面の１．６のファクタの減少が達成され、プレートの質量、その結果スプリングの剛性を減らすことができる。よって電磁石のコイル７０８を流れる電流によりプレートの可動性に影響を及ぼす制御力を増加させることができる。

本発明は、多くの変形例を有することができる。よってプレートが２つの電磁石間に位置する場合、これら２つの電磁石は、前述したように、プレートの切換え時間を修正するための手段を有する。

従来技術によるバイアスされたアクチュエータを示した図である。 電磁石によってプレートに加えられる動作を、このプレートと電磁石との間にあるエアギャップの関数として示した図である。 本発明によるアクチュエータの第１の切換え時間ごとのバルブ切換え測定を示した図である。 本発明によるアクチュエータの第１の切換え時間ごとのバルブ切換え測定を示した図である。 本発明によるアクチュエータの第１の切換え時間ごとのバルブ切換え測定を示した図である。 本発明によるアクチュエータの第１の切換え時間ごとのバルブ切換え測定を示した図である。 本発明によるアクチュエータの第１の切換え時間ごとのバルブ切換え測定を示した図である。 本発明によるアクチュエータの第１の切換え時間ごとのバルブ切換え測定を示した図である。 本発明によるアクチュエータの第２の切換え時間ごとのバルブ切換え測定を示した図である。 本発明によるアクチュエータの第２の切換え時間ごとのバルブ切換え測定を示した図である。 本発明によるアクチュエータの第２の切換え時間ごとのバルブ切換え測定を示した図である。 本発明によるアクチュエータの第２の切換え時間ごとのバルブ切換え測定を示した図である。 本発明によるアクチュエータの第２の切換え時間ごとのバルブ切換え測定を示した図である。 本発明によるアクチュエータの第２の切換え時間ごとのバルブ切換え測定を示した図である。 図３ａ、３ｂ、３ｃ、４ａ、４ｂ、４ｃ、５ａ、５ｂ、５ｃ、６ａ、６ｂ、及び６ｃによる測定を実行するために用いられる電磁石を示した図である。

符号の説明

１００ アクチュエータ
１０２、１０４ スプリング
１０６、１０８ 電磁石
１０７、１０９ コイル
１１０ バルブ
１１１ 弁座
１１２ ロッド
１１４ 磁気プレート
１１６、１１８ 磁石
１１７ シリンダ
７００ バイアスされた電磁石
７０２ 支持具
７０６ 可動磁気プレート
７０８ コイル

Claims (5)

1. 内燃機関用の電気機械式バルブアクチュエータを制御する方法であって、
   それぞれが磁石を含む、バイアスされた第１及び第２の電磁石と、
   第１及び第２の電磁石の間に配置され、前記第１の電磁石に近い第１の位置と、前記第２の電磁石に近い第２の位置との間で切換わる可動磁気プレートとを含み、
   これらの位置間の切り換え時間が前記内燃機関の動作状態に応じて決定され、
   前記磁気プレートが前記第２の位置から前記第１の位置に移動する時、
   前記第１の電磁石に第１の可変吸引電流を、前記磁気プレートが前記第２の位置と前記第１の位置の等距離位置を通過後は、その最大強度へと徐々に増加させて、前記最大強度に達した後には直ぐに減少させて、前記磁気プレートが前記第１の電磁石と接触したときには減少させて供給し、
   前記第２の電磁石に、前記第２の電磁石に含まれる磁石の磁界と反対の磁界を発生させる第２の電流を、該磁石を消磁する目的で供給し、前記第２の電流は、該磁石により発生する磁界の強度以下の強度の磁界を発生させ、少なくとも、前記磁気プレートが、前記２つの電磁石間の距離の半分を移動するまで供給される、
   方法。
2. 各電磁石は、Ｅ字形の支持具を備え、各電磁石の磁石は、前記支持具の分岐部のうちの１つの端部に位置し、前記磁気プレートに面している、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記電流の変化は、振幅及び／又は給電の持続時間に関係する、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記内燃機関の速度を、該内燃機関の動作状態のパラメータとする、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. アクチュエータを備えた内燃機関であって、
   それぞれが磁石を含み、バイアスされた第１及び第２の電磁石と、
   前記第１及び第２の電磁石の間に配置され、前記第１の電磁石に近い第１の位置と、前記第２の電磁石に近い第２の位置との間で切換わる可動磁気プレートとを含み、
   前記アクチュエータは、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法により制御される、
   内燃機関。

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