JP4622261B2

JP4622261B2 - 内燃機関用の電気機械式バルブ制御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

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Publication number: JP4622261B2
Application number: JP2004040037A
Authority: JP
Inventors: セダエマニュエル; ファゲオンクリストフ; ゲランステファン; ヨンネジャン−ポール
Original assignee: プジョー・シトロエン・オトモビル・ソシエテ・アノニム
Priority date: 2003-02-18
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2024-02-17
Also published as: ES2346436T3; US7097150B2; FR2851291A1; EP1450011A3; FR2851291B1; EP1450011B1; ATE469289T1; JP2004286021A; EP1450011A2; DE602004027323D1; US20040217313A1

Description

本発明は、内燃機関用の電気機械式バルブ制御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用の電気機械式アクチュエータ１００（図１）は、電気信号によってバルブ１１０の位置を制御するために、スプリング１０２及び１０４等の機械的手段と、電磁石１０６及び１０８のような電磁的手段とを有する。

この目的のために、バルブ１１０のロッドは、２つの電磁石１０６及び１０８の間に配置される磁気プレート１１４のロッド１１２に取り付けられている。

電磁石１０８のコイル１０９内に電流が流れると、電磁石が活性化されてプレート１１４を引き寄せる磁界を生成し、プレートは電磁石と接触する。

ロッド１１２が同時に移動することにより、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のヘッドが弁座１１１に接触し、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。

同様に（図示無し）、電磁石１０６のコイル１０７内に電流が流れると、電磁石１０８は非活性化され、電磁石１０６が活性化されてプレート１１４を引き寄せる。プレート１１４は電磁石１０６と接触し、スプリング１０４によってロッド１１２を移動させることにより、このロッド１１２がバルブ１１０に作用し、バルブ１１０を開位置にする。例えば、シリンダ１１７にガスを吸気又は噴射できるように、バルブのヘッドが弁座１１１から離される。

従って、バルブ１１０は、切り換え位置と称される開位置と閉位置とを往復し、この２つの間を過渡的に変位する。以後バルブの開状態又は閉状態のことを「切り換え状態」と呼ぶ。

アクチュエータ１００はまた、電磁石１０８に配置される磁石１１８と、電磁石１０６に配置される磁石１１６とを備えており、磁石は、切り換え位置においてプレート１１４を保持するのに必要なエネルギを減らすことを目的としている。

この目的のために、各磁石は、関連する電磁石の２つのサブエレメントの間に配置され、電磁石によって生成される磁界に結合され得る磁石の磁界が、開位置又は閉位置においてバルブ１１０を保つのを補助する。例えば、磁石１１６は、２つのサブエレメント１０６_ａと１０６_ｂとの間に配置される。

切り換え位置でバルブを保持するのに、アクチュエータがかなりのエネルギ消費量を示すとき、磁石を備えた電磁石又はバイアスされた電磁石と呼ばれるそのような電磁石１０６又は１０８は、磁石の磁気プレートへの作用により、バルブを制御するのに必要なエネルギがかなり少なくなる。

本発明は、アクチュエータ１００が多くの欠点を有することに注目し、見出されたものである。

実際に、このアクチュエータは、電磁石１０６を形成するために２つの異なるサブエレメント１０６_ａ及び１０６_ｂの利用を必要とする。従ってこれら各サブエレメントの製造及び保管に特有の作業が必要であり、アクチュエータの複雑さ及び製造コストを増加させる。

更に、磁石１１６とともにこれらサブエレメント１０６_ａ及び１０６_ｂを組み立てるために必要となる作業によって、アクチュエータの製造のコスト及び複雑さが増加する。この組み立て中に、サブエレメント１０６_ａ，１０６_ｂ及び／又は磁石１１６が不正確に組み立てられたり傷つけられたりし、電磁石の性能を減少させる危険がある。

新たな欠点としては、磁石１１６又は１１８の交換が難しいことである。実際には、問題のある磁石１１６を交換するためには、電磁石ユニット１０６を分解することが必要である。

他の欠点としては、特にアクチュエータの高さｈが磁石１１６及び１１８の断面Ｓ_ａによって影響されるので、アクチュエータ１００がかなりの大きさになることである。この断面Ｓ_ａは、実際、これら磁石から高い磁束を得るために相当な大きさである。

更に、そのようなアクチュエータはエアギャップ内の磁束のばらつきによりかなりの漏洩がある。

アクチュエータ１００はまた、特に断面Ｓ_ｐが大きいために大質量である磁気プレート１１４の利用を必要とする。実際には、一般に、電磁石の支持体の分岐とプレートとが一定の断面の磁気回路を形成する時、アクチュエータの機能を最適にするために、この断面は電磁石の分岐の断面Ｓ_ｅに等しくなっている。

しかしながら、断面が大きく結果的に大質量であるプレート１１４の利用は、上記で述べられた多くの欠点を有する。

第１に、アクチュエータ１００は、かなりの質量であるプレートを移動させるために、高剛性のスプリングを必要とする。結果的に、コイル内に流れる電流によって電磁石がプレートに及ぼす制御の感度が弱められ、同時にプレートを制御するために電磁石が必要とする消費電力が増加する。

剛性が増加したスプリングの利用により、結果として、アクチュエータ１００の可動エレメントを備えた発振装置を形成することとなる。該装置は、切り換え時間によって特徴付けられ、該切り換え時間は、スプリング１０２，１０４の剛性ｋ_１０２及びｋ_１０４と、移動されるエレメントの質量ｍ_ｄ（プレート１１４，ロッド１１２，スプリング１０２及び１０４の可動質量並びにバルブ１１０）とによってある程度固定される。

第２に、例えばプレートの電磁石への衝撃による、アクチュエータの動作ノイズ形式でのエネルギ損失は、プレートの質量が増加することによって一般的に増加する。そのようにエネルギ損失が増加することにより、アクチュエータの低いエネルギ効率を引き起こす。

本発明は、上記で述べられた欠点の少なくとも１つを解決する。本発明は、内燃機関用の電気機械式バルブ制御アクチュエータであって、磁石を備えた電磁石と電磁石の近くを移動する可動磁気プレートとを有し、磁石が、プレートに対向して電磁石の表面に配置される電気機械式バルブ制御アクチュエータにおいて、
電磁石はＥ字形状の磁気回路を有し、磁石はこのＥ字形状回路の分岐の端に配置されることを特徴とする電気機械式バルブ制御アクチュエータに関する。

磁石がこの電磁石の表面に固定されるので、バイアスされた電磁石の製造及び組み立てが容易になる。同時に、複数のサブエレメントで形成される電磁石を利用する必要がなくなり、電磁石に必要な製造、調達（logistic）及び組み立て作業が簡易化される。

変形例によると、ロッドはプレートの一体部分であり、ロッドがＥ字形状回路の外部に配置される。

１つの実施形態によると、この場合において、異なる支持体分岐が磁石を備えている。

１つの実施形態によると、少なくとも１つの磁石は、該磁石が配置される分岐の断面より大きい断面を有する。

１つの実施形態によると、プレートは、Ｅ字形状の支持体の端分岐の断面より小さい断面を有する。

１つの実施形態によると、支持体の端分岐の断面は、支持体の中央分岐の断面の半分より小さい。

１つの実施形態によると、支持体の端分岐とＥ字形状の支持体の中央分岐との間にある接合部の断面は、支持体の中央分岐の断面の半分より小さい。

電磁石の支持体に磁石を固定することによって、この磁石のプレートへの作用もまた、電磁石の本体に挿入された同様の磁石つまりプレートから離れて配置された磁石に比べて増加する。

本発明はまた、磁石を備えた電磁石と、電磁石の近くを移動する可動磁気プレートとを備えた電気機械式バルブ制御アクチュエータを有する内燃機関に関する。本発明によると、該機関のアクチュエータは、上記に述べられたアクチュエータの実施形態の１つに記載されている。

本発明のその他の特徴及び利点は、添付された図面を参照して、限定しない例として以下に示される本発明の説明から明らかになるであろう。

図１は、既に述べたように、従来のバイアスされたアクチュエータを示している。

図２から図８は、本発明に従うバイアスされた電磁石を備えたアクチュエータを示している。

図９ａ及び図９ｂは、本発明に従って使用され得る別の磁石を示している。

図１０ａ，図１０ｂ及び図１０ｃは、本発明の変形例を示している。

図２は、３つの磁石２０２，２０４及び２０６を有する電磁石２００を示している。本発明によると、該磁石は、アクチュエータのプレート２１０に対向して支持体２０８の表面に配置される。

より詳細には、磁石２０２，２０４及び２０６は、Ｅ字形状の支持体２０８の中央分岐及び端分岐にそれぞれ配置される。

磁石は、その極性の機能として、電磁石２００が活性化されてプレート２１０を引き寄せる時、磁石の磁界が電磁石２００によって生成される磁界を補助するように配置される。

実施例において、磁石２０２のＮ極（Ｎ）と、磁石２０４及び２０６のＳ極（Ｓ）とは、プレート２１０の方向を向いている。

そのような電磁石２００は、バイアスされていないアクチュエータの従来の方法で用いられるように、結果的にＥ字形状の支持体２０８を必要とする。

実際には、そのようなＥ字形状の支持体は、単一ブロックで形成されるため、製造が容易である。更に、磁石が支持体の表面に保持されることだけが必要であるため、支持体２０８に磁石２０２，２０４及び２０６を固定するのが容易になる。

この目的のために、磁石は接着又は一体成形によって支持体に固定することができることが強調されるべきである。この場合、この一体成形中に磁石が消磁する危険をなくすために、磁石の磁化は一体成形後に実行する。

また、磁石は単一（図９ａ）であってもよく、又は、並置された小さい磁石９０の集合体（図９ｂ）で形成されてもよいことも注目されるべきである。後者の場合、磁石が希土類磁石のような導体の場合ならば、アクチュエータの動作中に磁石に誘導される電流の強さが弱められ、アクチュエータの効率を増加させることとなる。

１つの変形例によると、磁石は、磁気パウダ及びバインダから構成される。従って、低い抵抗率を有し、アクチュエータの動作中に誘導される電流の強さを弱める。

磁石をプレートの近くに保持することによって、磁石の磁束の漏洩が減少し、従ってアクチュエータの動作を改善する。

図３は、第２の電磁石３００を示しており、単一の磁石３０２がその支持体３０４の表面に配置される。

この支持体３０４は、プレート３１０が支持体に接触するときに、磁石の表面とプレート３１０との間に残留エアギャップｅを保持するように、機械加工される。このようにして、磁石３０２とプレートとの間の衝撃をなくす。例えば希土類で作られた磁石のように、磁石が壊れやすいほど、磁石を保護するそのようなエアギャップの利点は多くなる。

同じく図３に示されるように、電磁石によって生成される磁界の磁束は、中央列３０８で互いに合流する２つの左右対称のループ３０６を形成する。実際には、支持体３０４の中央列３０８及び２つの端３１２によって形成される磁気回路の任意のポイントで同一の飽和レベルを得るために、支持体３０４の２つの端３１２は、中央列の断面２Ｓ_ｃの半分に等しい断面Ｓ_ｅを有する。

図４は、本発明に従う第３の電磁石４００を示している。該電磁石は、断面Ｓ_ａの単一中央磁石４０２を有しており、該断面Ｓ_ａは、磁気プレート（図示なし）及び支持体４０４の分岐によって形成される磁気回路の断面Ｓ_ｃより大きい。そのような磁石は、小さい断面の磁石よりも強い磁界を生成する。

図５は、他の変形例である電磁石５００を示している。該電磁石は、断面がＳ_ａである中央磁石５０２を利用しており、該断面Ｓ_ａは、磁気回路の断面Ｓ_ｃより大きい。この構造により、特にプレート（図示なし）及び磁気回路の端列において、磁石によって生成されるバイアス磁束を増加させることができる。

図８に示されるように、磁石を最適に利用するには、磁気回路の断面Ｓ_ｃに関する磁石５０２の偏移ｄが、磁石の厚さｅ_ａより小さい必要があることが実験的に確立された。

磁石の残留磁束密度が、磁気プレートの飽和誘導より低ければ、装置によってこのプレートに及ぼされる永久引力を制限することなく、磁気プレートの断面を減らすことができる。

プレートが２テスラの飽和閾値を有し、１.２テスラの残留磁界を有する磁石が利用される時、プレートの厚さは、実験的に１.６のファクタだけ減少された。

このようにプレートの質量を減らすことにより、バルブの切り換え中に移動される質量を減らすことができ、多くの利点を有する。

従って、プレートの電磁石への衝撃によって生じるエネルギ損失が減少し、アクチュエータの効率を改善する。

更に、質量が限定されたプレートを制御するために、低い剛性のスプリングを利用することができる。結果的に、電力消費量が減少する。

結果として、スプリングが及ぼす制御の強さが減少するため、コイルにより生成される磁界によって電磁石がプレートに及ぼす制御が増加する。制御におけるそのような改善により、例えばプレートの、電磁石の支持体への衝撃速度を減らすことができる。

最終的には、プレートの製造コストが減少し、同時に、電磁石の大きさは、もはや磁石の断面による高さに影響されない。

図２，３，４及び５に示されるＥ字形状の電磁石は、断面が２Ｓ_ｃである中央分岐と、断面がＳ_ｃである２つの端分岐とを有する磁気回路を形成する。

更に、図３に示されるように、この最適な配置により磁気プレートは、磁気回路のこの断面Ｓ_ｃに等しい断面Ｓ_ｐを有する。

しかしながら、バイアスされた電磁石によってプレートに及ぼされる力は、この電磁石によって生成される磁束を集束することにより増加することができる。例えば、磁石６０４を備えた電磁石６００の支持体６０２（図６）の端分岐６０６の断面を減らすことができる。

言い換えると、中央分岐の断面２Ｓ_ｃが保持された状態で、端の断面Ｓ_ｅ＜Ｓ_ｃを減らすことによって、これら端の磁気誘導が増加し、誘導のそのような増加により分岐を飽和させない。

ネオジウム−鉄−ボロン磁石に対しておおよそマグニチュード１.２から１.４テスラである磁石の残留磁束密度は、おおよそマグニチュード２テスラである端の飽和誘導より低いことが実験的に確立されている。

結果的には、端を飽和させることなく、端の断面を減らすことができる。

例えばフェライト又は混合物でつくられた磁石のように、低残留磁束密度の磁石を利用しても、磁束の集束により、エアギャップにおいて、かなりの磁化を達成することができる。

希土類磁石が利用されるならば、外側分岐は、中央分岐（又は列）の断面より１／３だけ小さい断面を有してもよい。

同じように、支持体の中央分岐の断面Ｓ_ｃを増加することによって、及び／又は、端分岐６０６の断面Ｓ_ｅを減らすことによって、電磁石６００により生成される磁束を集束できることが指摘されるべきである。

プレート７１０（図７）と電磁石７００の磁石７０２との間の衝撃を避けるために、支持体７０４を利用することができる。該支持体は、プレート７１０が支持体に接触する時に、磁石７０２とプレート７１０との間のエアギャップｅの保持を保証している。

更に、図６及び図７に示されるように、電磁石の端分岐の断面Ｓ_ｅを減らすことによって、支持体７０４における磁界の磁束を集束することもでき、この断面は、中央列の断面２Ｓ_ｃの半分より小さい。

本発明は、多数の変形例を有している。実際には、プレートの作用が十分で、プレートが電磁石に保持されるのを保証するならば、プレートの断面を減らすことによって、プレートを磁気的に飽和することができる。

図１０ａ，１０ｂ及び１０ｃに示されるように、本発明の変形例によると、磁石１００１及び１００２は、電磁石１００６によって制御される可動プレート１００４の表面に配置されてもよい。

本発明は、排気バルブアクチュエータとは異なる吸気バルブアクチュエータにも利用することもできる。

実際に、吸気バルブは、排気バルブより低いパワーのアクチュエータを必要とすることが知られている。

それでもやはり、プレートが電磁石にくっつくという問題により第１のコールド切り換えがより難しくなるため、コールド吸気バルブアクチュエータの機能、つまり第１の切り換えは、排気バルブアクチュエータによって求められるパワーと同様のパワーを必要とする。

本発明に従う吸気バルブアクチュエータは、磁石のプレートへの作用が最適であるため、従来のアクチュエータよりも、コールド状態においてバルブを維持する性能がよりよくなる。

結果的に、吸気バルブアクチュエータの大きさを減らすことができ、機関用のスペース及び質量を節減することができる。

従来のバイアスされたアクチュエータを示している。本発明に従うバイアスされた電磁石を備えたアクチュエータを示している。本発明に従うバイアスされた電磁石を備えたアクチュエータを示している。本発明に従うバイアスされた電磁石を備えたアクチュエータを示している。本発明に従うバイアスされた電磁石を備えたアクチュエータを示している。本発明に従うバイアスされた電磁石を備えたアクチュエータを示している。本発明に従うバイアスされた電磁石を備えたアクチュエータを示している。本発明に従うバイアスされた電磁石を備えたアクチュエータを示している。本発明に従って使用され得る別の磁石を示している。本発明に従って使用され得る別の磁石を示している。本発明の変形例を示している。本発明の変形例を示している。本発明の変形例を示している。

符号の説明

１００アクチュエータ
１０２，１０４スプリング
１０６，１０６_ａ，１０６_ｂ，１０８，２００，３００，４００，５００，６００，７００，１００６電磁石
１０９コイル
１１０バルブ
１１１弁座
１１２ロッド
１１４，２１０，３１０，６１０，７１０，１００４磁気プレート
１１６，１１８，２０２，２０４，２０６，３０２，４０２，５０２，６０４，７０２，１００１，１００２磁石
１１７シリンダ
２０８，３０４，４０４，６０２，７０４磁気回路
３０６ループ
３０８中央分岐
３１２，６０６端分岐

Claims

内燃機関用の電気機械式バルブ制御アクチュエータであって、磁石（２０２，２０４，２０６，３０２，４０２，５０２，７０２，１００１，１００２）を備えた電磁石（２００，３００，４００，５００，６００，７００，１００６）と、該電磁石の近くを移動する可動磁気プレート（２１０，３１０，６１０，７１０）とを有し、前記磁石（２０２，２０４，２０６，３０２，４０２，５０２，７０２，１００１，１００２）が、前記プレート（２１０，３１０，６１０，７１０）に対向して電磁石（２００，３００，４００，５００，６００，７００，１００６）の表面に配置される電気機械式バルブ制御アクチュエータにおいて、
前記電磁石（２００，３００，４００，５００，６００，７００，１００６）は、Ｅ字形状の磁気回路（２０８，３０４，４０４，６０２，７０４）を有し、少なくとも１つの前記磁石（２０２，３０２，４０２，５０２，７０２，１００１，１００２）は、前記Ｅ字形状の磁気回路の中央分岐の端に配置されており、前記プレートの一体部分であるロッドが、前記Ｅ字形状の磁気回路の外部に配置されていることを特徴とする電気機械式バルブ制御アクチュエータ。
前記回路の複数の分岐が磁石を備えていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
前記磁石の少なくとも１つは、該磁石が配置される前記分岐の軸断面（２Ｓ_ｃ）より大きい軸断面（Ｓ_ａ）を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
前記プレート（６１０）は、前記Ｅ字形状の支持体の端分岐（６０６）の軸断面（Ｓ_ｅ）より小さい軸断面（Ｓ_ｐ）を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
前記支持体の端分岐の前記軸断面（Ｓ_ｅ）は、前記支持体の前記中央分岐の前記軸断面（２Ｓ_ｃ）の半分より小さいことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
前記支持体の端分岐と前記Ｅ字形状の支持体の前記中央分岐との接合部の軸断面（Ｓ_ｅ）は、前記支持体の前記中央分岐の前記軸断面（２Ｓ_ｃ）の半分より小さいことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
磁石を備えた電磁石と、該電磁石の近くにくる可動磁気プレートとを備えた電気機械式バルブ制御アクチュエータを有する内燃機関において、
前記アクチュエータは、請求項１から６のいずれか１項に記載のものであることを特徴とする内燃機関。