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 - Google Patents

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 Download PDF

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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と106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及び106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及び106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106,106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k102及びk104と、移動されるエレメントの質量m(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の半分に等しい断面S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の単一中央磁石402を有しており、該断面S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である中央磁石502を利用しており、該断面Sは、磁気回路の断面S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に関する磁石502の偏移dが、磁石の厚さe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である中央分岐と、断面がS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に等しい断面S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が保持された状態で、端の断面S<S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を増加することによって、及び/又は、端分岐606の断面S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
106,106,106,108,200,300,400,500,600,700,1006 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 (7)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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断面(2S)より大きい断面(S)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。
  4. 前記プレート(610)は、前記E字形状の支持体の端分岐(606)の断面(S)より小さい断面(S)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。
  5. 前記支持体の端分岐の前記断面(S)は、前記支持体の前記中央分岐の前記断面(2S)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。
  6. 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断面(S)は、前記支持体の前記中央分岐の前記断面(2S)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。
  7. 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。
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