JP4724204B2 - 特にマルチリフトモードによる内燃エンジンのバルブを可変駆動するシステム用のソレノイドバルブを制御するシステムおよび方法 - Google Patents

特にマルチリフトモードによる内燃エンジンのバルブを可変駆動するシステム用のソレノイドバルブを制御するシステムおよび方法 Download PDF

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Description

本発明は一般にソレノイドバルブの制御する方法の分野に関し、特にマルチリフトモードによる内燃エンジンのバルブを可変駆動するシステムで使用することができるソレノイドバルブを制御する方法に関する。
マルチリフトモードにより、内燃エンジンのバルブを可変駆動するシステムは、本出願人の名で出願されたヨーロッパ特許出願EP1726790A1の主題をなしている。この明細書に開示されたシステムは少なくとも一つのシリンダーと該シリンダーに関連する少なくとも一つの吸気バルブと少なくとも一つの排気バルブからなり、それぞれの吸気管および排気管を通るガスの流れを制御するように駆動されるタイプの内燃エンジンに関する。ここで少なくとも一つのバルブは、電子制御可変駆動手段により制御され、エンジンの動作状態が変化するにつれ、バルブに異なる開閉時間を与えるように設計されている。
近年、前述のタイプのエンジンの分野において常に増加する数の研究や実験が展開されている。本願出願人は、バルブの可変駆動システムに関する多くの特許および特許出願の所有者である。そのシステムでは、各可変駆動バルブはタペットおよび対応の液圧手段により、それぞれのカムにより制御される。液圧手段はタペットの運動をエンジンバルブに液圧で伝達するために加圧流体チャンバを有する。前述の加圧流体チャンバ電子制御ソレノイドバルブにより排気管に接続することができ、これによりカムとエンジンバルブとの間の伝達が中断され、エンジンバルブがそれぞれのバネ手段により閉じられる。種々のエンジンバルブに関連する圧力流体チャンバと前述の排気管との連通を制御するソレノイドバルブはエンジンの運転状態が変化するにつれ、異なる方法で電子的に制御される。これにより、エンジンの運転の性能および/または効率、燃料消費量の低減、および/または毒性排気ガスの低減に関する利点を得る。
EP1726790A1の主題を形成するシステムは、エンジンの吸気バルブの制御を想定し、好ましくは前述したタイプの電子液圧システムにより、各吸気バルブに所定のエンジン動作状態でエンジンバルブの開閉の単一の従来のサイクルの範囲内で開閉運動の複数の連続サイクルを各吸気バルブに与えている。
この動作モードが前述のタイプの電子液圧システムにより実行される特別な場合において、このシステムにおいて使用される各ソレノイドバルブが常開タイプであって、バルブ要素がプッシャー要素により閉状態に駆動され、この代わりにこのプッシャー要素がバルブ要素の本体から分離されるという事実により、ある問題が生じる。この結果、以下に説明するソレノイドバルブからより明らかになるように、ソレノイドバルブが消磁されて閉じると、バルブ要素はその始端位置に戻る一方、プッシャー要素はその復帰ストロークを継続し、バルブ要素の本体から離れ、各リターンスプリングの作用の結果、バルブ要素との接触状態に再び復帰するのに時間がかかる。従ってソレノイドバルブの構造は、ソレノイドバルブの2つの連続励磁の間に経過する時間に最小限度を設定する。ソレノイドバルブの適切な動作と長い持続時間のために、プッシャー要素がその静止位置に復帰し、バルブ要素と接触し、以前の消磁状態になった後、各ソレノイドバルブの新たな励磁が生じなければならない。例えば、本願出願により使用されるソレノイドバルブの場合、ソレノイドバルブの2つの連続励磁の間で経過する前述の最小時間は2.5msである。これは、エンジンバルブの可変駆動システムの最適利用の可能性に対して制限がある、マルチリフト駆動モードにおける限り、エンジンのある動作状態において、前述の最小待機時間が経過するのを待つことなく以前のサブサイクルが終わった後、エンジンバルブは開放の第2のサブサイクルを制御する必要性が生じる。
EP1726790A1
本発明の目的は前述の問題を解決することである。
前記目的を達成するために、本発明の主題は、添付の請求項1および4に記載の特徴を有するソレノイドバルブを制御する装置および方法である。
本発明は添付の請求項7に記載の特徴により、内燃エンジンのバルブの可変駆動システムに前記方法を適用することをねらいとすることが好ましい。
前記特徴により、本発明は、特にエンジンの可変駆動システムのソレノイドバルブの適切な動作と長い寿命を損なうことなく、マルチリフトモードでエンジンバルブを駆動する問題を解決することができる。ソレノイドバルブの可動コアがソレノイドにより発生する方向と反対方向に移動する段階でのソレノイドバルブのソレノイドの励磁により、ソレノイドの可動コアの前記方向への移動が制動され、この結果、可動コアがプッシャー要素と共にその静止位置に復帰し、プッシャー要素がソレノイドバルブのバルブ要素と接触するのにかかる時間が減少する。この結果、ソレノイドバルブの2つの連続駆動の間で、経過する最小時間が減少する。エンジンバルブの制御の方法を採用することができる。その方法はバルブの開閉の伝統的な1つのサイクル内でエンジンバルブの開閉サイクルを繰り返すことでマルチリフトタイプを想定している。第1の「サブサイクル」の終わりでのバルブの完全閉鎖と、その後の「サブサイクル」の初めでの前記バルブの再開放との間の時間が非常に減少する。
さらに、本発明の特徴と利点は、非制限的な例として設けられた添付図面を参照した以下の説明から明らかとなる。
図1は本願出願人の名で出願されたヨーロッパ特許出願第EO−A−0803642号に記載されたタイプの内燃エンジンを示し、該内燃エンジンはマルチシリンダーエンジン、例えばシリンダーヘッド1を有する1列に設置された4つのシリンダーを備えるエンジンである。シリンダーヘッド1は、各シリンダーに対して、当該シリンダーヘッド1の底面3に形成された空間2を有し、該空間は燃焼室を形成し、該燃焼室に2つの吸気バルブ7と2つの排気バルブ70により制御される2つの吸気管4、5と2つの排気管6が設けられている。重ねて言うと、図示された実施例の場合、吸気バルブ7はカムシャフト11のカム14より、液圧システムを介して制御される。各バルブを駆動する液圧システムは、液圧チャンバ有し、プログラマブル電子制御装置25より制御される常開ソレノイドバルブ24により制御される。ソレノイドバルブ24が駆動されると、エンジンバルブはカムの移動に従動する(フルリフト)。バルブの予測閉鎖(anticipated closing)は、ソレノイドバルブ24の消磁(開成)により得ることができ、これにより液圧チャンバを空にし、各リターンバネ動作により、エンジンバルブを閉鎖することができる。同様に、バルブの遅延開成(delayed opening)はソレノイドバルブの遅延駆動により得ることができる。一方、バルブの遅延開成と予測閉鎖の組み合わせは、対応するカムの前進(thrust)中にソレノイドバルブの励磁および消磁により得ることができる。
図4は、エンジンの各動作サイクル中のクランクシャフトの回転中におけるエンジンの従来の吸気バルブのリフトをNで示す。この図は、バルブを制御するカムの形状によって一意的に決定される。代案の方法によると、本願出願人の名で出願されたヨーロッパ特許出願第EP1726790A1号の教示により、各吸気バルブはマルチリフトモード、すなわち、図4にN1とN2で示すタイプの2以上の開閉の繰り返し「サブサイクル」により制御することができる。各サブサイクルでは、吸気バルブが開き、その後、完全に閉じる。最初のサブサイクルN1の後、クランクシャフトがさらに回転すると、バルブは第2サブサイクルN2で制御される。図4において、線C1とC2は、対応する圧力室と排気管の間の連通を閉鎖して、バルブリフトを可能にするためにソレノイドバルブに供給される電流の形状を示す。各形状は、第1レベルの作動と、これに続いてソレノイドバルブの可動コアをバルブシートに押し付けるのに必要なハイレベルと、これに続いてソレノイドバルブを前述の閉鎖状態に維持するのに必要なローレベルとを有する。
図2と図3は、本発明によるシステムで使用されるソレノイドバルブの実施例の概略を示す。この実施例は、純粋に例示的であり、ソレノイドバルブの構造と形状は異なる。
図2を参照すると、参照符号100で全体的に示すソレノイドバルブは、ほぼ管状の本体101を有し、この管状本体101は、その内部空間に連通する4つの半径方向通路102(その内2つは図にみられる)を有している。前記空間内にリング103が装着され、このリング103はその端縁でもって、バルブ要素105のバルブシート104を形成している。バルブ要素105は4つの通路102の間の連通を制御するように設計されている。4つの通路102は入口i(エンジンバルブを駆動するシステムの圧力流体チャンバと連通している)と、排気管と連通する出口uを構成する本体101の内部空間の出口端106と連通している。バルブ要素105は管状本体を有し、この管状本体は、バルブ要素105とバルブの本体に固定されたサポートディスク108との間に装着された螺旋バネ107により、入口iと出口uの間の開状態に相当する上昇端位置(図2に示す)に通常維持されている。前述の上昇端位置では、バルブ要素はブッシュ109の端に圧接し、ブッシュ109は管状本体110内に固定状態でロックされ、管状本体110は管状本体101の空間の上端内で固定されている。管状本体110は、管状本体101から軸方向に突出する部分を有し、その周りにソレノイドバルブのソレノイド111が装着されている。ソレノイドは4つの軸方向溝112a(その内2つだけが図にみられる)を有するほぼ円筒形本体を有する可動コア112の移動を制御している。可動コア112には、管状ロッドの形態のプッシャー要素113が接続され、当該管状ロッドは管状本体110を貫通すると共に、ブッシュ109を貫通するように装着され、螺旋バネ114によりバルブ要素115と通常接触するように維持されている底端を有し、螺旋バネ114は可動コア112とキャップ118に固定された(環状本体110に固定された)蓋115との間に軸方向に装着され、キャップ118の周りにコイル111が取り付けられている。前述の構造は図3に例示され、ここにバネ107はバルブを常開に維持し、バルブ要素105を押圧するようにみられ、これにより上昇端位置でブッシュ109の端に圧接し、上昇端位置でバルブ要素105はバルブシート104から距離Hに設定されている。同時に、バネ114はプッシャー要素113とともに可動コア112を通常プッシャー要素113とバルブ要素105との接触位置に維持している。前記状態では、図2に見られるように、可動コア112と管状本体110は互いにわずかな距離離れて対向する端部を有している。ソレノイド111を励磁すると、バネ107の作用により可動コア112がバルブ要素105とバルブシート104が接触するまで下降し、その後入口iと出口uの間の連通を閉鎖する。この移動は、静止状態で可動コア112と管状本体110の対向面間に存在する空間により許容される。図2を再び参照すると、バネ116は、管状本体101に固定されたバルブシートを形成するリング103と、バルブ要素105の周りに設けられ、固定された管状本体110の底端面に対向するように保持されたシールリング117との間に設けられている。その結果バネ116はバルブ要素105または可動コア112の移動になんら影響を与えない。
図2、3に示すタイプのソレノイドバルブの使用する公知のシステムでは、既に前述したようにソレノイド111の駆動により、可動コア112が下降し、その結果、プッシャー要素113が下降し、プッシャー要素113がバルブ要素105を下降端位置に押圧し、バルブシート104と接触させ、ソレノイドバルブの入口iと出口uの間の連通が遮られる。ソレノイド110が入口iと出口uの間の連通を再解放する為に消磁されると、バルブ要素はバネ107により上方に押圧され、小さな加重のバネ114により付与される推力に抗してブッシュ109と接触する上昇端位置までバルブ要素が前記上昇端位置に達すると、可動コア112とプッシャー要素113は、バルブ要素105に強固に固定されていないので、慣性により、それらの上方に前進し、バネ114のみの作用により対抗する。ある時間を経過すると、バネ114は、可動コア112とプッシャー要素113をバルブ要素105と接触する位置に戻す。
図5と6はソレノイドバルブを消磁した時の可動コアの変位の時間的変化と可動コアの速度の時間的変化を示す(ゼロ変位の位置はバルブシートと接触するバルブ要素の下端位置に相当する)。
前述したタイプの内燃エンジンのバルブの可変駆動システムの場合、ある負荷と回転数(r.p.m.)で図4に示すタイプの2つの開閉「サブサイクル」N1、N2を有するモードにより各吸気バルブが支配されるが、燃焼すなわち燃料消費度の最適化のためには、ソレノイドバルブの従前の消磁に続いてソレノイドバルブの可動コア112およびプッシャー要素113の運動がまだ終了していないとき、ソレノイドバルブの第2の駆動(図4の信号Cに)が生じる点まで、2つのサブサイクルN1とN2が互いに近接することが有益である。
図5と6は、ソレノイドバルブの従前の消磁に続いてプッシャー要素が復帰してバルブ要素と接触する前にソレノイドバルブが再び励磁される場合に、可動コアの変位と可動コアの速度変化の図をどのように修正するかを破線で示す。この特殊な場合、従前の消磁に続くちょうど2ms後にソレノイドへの電流の供給(図5の形状C2に)をどのように再開するかを示す。この図が、この場合に磁力により運動が加速されるために通常状態(図6の点Dから点Eまでの変遷)に対して約50%だけプッシャー要素の衝撃エネルギーが如何に増加するかを示している。これはソレノイドバルブの摩耗の増加とソレノイドバルブの閉鎖した瞬間の潜在的な制御不能性を引き起こす。
その結果、公知のシステムでは、ソレノイドバルブの2つの連続励磁の間で経過する時間Δ(図4参照)を減少する可能性に限界がある。
前記問題を解決するために、本発明によれば、ソレノイド11により生じる方向と反対方向に可動コア112とプッシャー要素113の移動中(すなわち図2と3に見られるように可動コア112の上方への移動中)、および前記移動中にのみ、すなわち可動コア112とプッシャー要素113がバルブ要素105の方向に再び変位し始める瞬間を超えてソレノイドバルブの消磁に続いて「ブレーキ」電流を印加することが想定されている。これは、図7に概略的に示されている。図7は、ソレノイドバルブの消磁に続いて電流のパルスが、いかなる場合も可動コアの逆移動の瞬間を超えない時間の間、CFが供給される方法を示している(図7を参照すると、瞬間0で生じる)。このようにすることで、磁力がバネ114の力に加えられ、これにより、関連要素113を備えた可動コア112が上方に移動する段階で制動され、プッシャー要素113がバルブ要素105と接触している静止位置に戻る時間が少なくなる。これは図7に明瞭に現われている。図7は破線で公知のシステムの可動コアの変位の図を示し、実線で本発明によるシステムの場合の変位の変化を示している。図に示すようにブレーキ電流CFの介入は、プッシャー要素をバルブ要素と接触させるのに必要な時間の減少を生じる。既に述べたように、可動コアとプッシャー要素は既にバルブ要素の方向に移動している段階は、ブレーキ電流パルスが遅延されないことが重要である。この場合、バルブ要素に対するプッシャー要素の衝撃の最終速度が増加する効果がある。図8は本発明の効果を示す。バルブ要素に対するプッシャー要素の衝撃の最少速度の減少により、衝撃エネルギーは従来の状態に対して約40%減少する(図に破線で示す)。
ブレーキ電流の使用の利点は、ソレノイドバルブの内部部品の持続時間(duration)に悪影響を与えることなく、ソレノイドバルブの2つの連続駆動の間に経過する時間を減少させることができることである。さらにブレーキ電流は、ソレノイドバルブの摩耗と損傷を減少するために、エンジンの他の運転状態でも使用することができる。換言すれば、互いに非常に近接して続くサイクルでソレノイドバルブを励磁および消磁する必要が無い場合にも、ブレーキ電流を使用することが便利である。
さらに指摘すべき事は、ソレノイドバルブの開状態に対応する静止位置にバルブ要素をもたらすのに必要な時間を増加しないように、バルブ要素105がその上昇端位置(図2、図3および図7の点A)に戻った後で、いかなる場合もブレーキ電流を印加することが望ましいことである。
もちろん本発明の原理に反しないで、構成と実施例の詳細は、本発明の範囲から逸脱することなく、例示的に記載され、図示されたものに対して、広範囲に変更することができる。
図7を参照すると、特に注意すべき事は、バルブ要素がその上昇端位置に復帰する瞬間にブレーキ電流CFが開始し、可動コアが再び下方に移動し始める瞬間に終了する、理想的な場合を示していることである。実際には、バルブ要素が前記状態に達したときに磁気ブレーキ力が既に所定位置に達していることを保証するために、ブレーキ電流の初期供給の瞬間を、バルブ要素がその上昇端位置に復帰する瞬間よりも先行させることができる。同様にこれは好ましい解決手段ではないが、ブレーキ電流は可動コアの逆移動後に、いかなる場合も遅延させることができる。基本的な状態は、ソレノイド111の消磁に続いてブレーキ電流が開始し、これにより、ソレノイドバルブがその閉鎖状態から開放状態に通過することができ、ソレノイドをさらに励磁する前に終了すべきであり、これにより、ソレノイドバルブがその開放状態から閉鎖状態に通過することができることである。
ブレーキ電流の値に関しては、ソレノイドバルブの特性により選択されるこの値が高ければ高いほど、ブレーキが有効であることを理解することができる。その結果、プッシャーの「飛行」(flight)とバルブ要素に対するプッシャーの衝撃の最終速度が減少する。
例えば、本願出願人の名前で出願されたヨーロッパ特許EP0803642B1に記載されたタイプの公知の内燃エンジンの断面図であり、本発明を適用可能なバルブの可変駆動システムの一例を提供するために示されている。 図1のシステムで使用することができるソレノイドバルブの実施例の断面図である。 図2のソレノイドバルブの概略図である。 伝統的なバルブの開閉サイクルと比較した、本発明によるシステムで得ることができるマルチリフトモードによりエンジンバルブを制御する方法を示す図である。 公知のシステムで得ることができるソレノイドバルブの可動コアの変位と、ソレノイドバルブの可動コアの速度変化とを示す図である。 公知のシステムで得ることができるソレノイドバルブの可動コアの変位と、ソレノイドバルブの可動コアの速度変化とを示す図である。 本発明による方法で得ることができるソレノイドバルブの可動コアの変位と、ソレノイドバルブの可動コアの速度変化とを示す図である。 本発明による方法で得ることができるソレノイドバルブの可動コアの変位と、ソレノイドバルブの可動コアの速度変化とを示す図である。
25 電子制御手段
104 バルブシート
105 バルブ要素
107 第1バネ手段
109 停止要素
111 ソレノイド
112 可動コア
113 プッシャー要素
114 第2バネ手段

Claims (5)

  1. ソレノイドバルブを制御するシステムであって、前記ソレノイドバルブは、
    バルブシート(104)と、
    ソレノイドバルブの開放状態に対応するバルブシート(104)から一定距離に設定された状態に第1バネ手段(107)により通常維持され、停止要素(109)に対するバルブ要素(105)と、
    可動コア(112)とこの可動コアに関連するプッシャー要素(113)を前記バルブ要素(105)に押し付けるために駆動することができ、前記第1バネ手段(107)の作用に対して、ソレノイドバルブの閉鎖状態に対応する前記バルブシート(104)と接触する状態にもたらすソレノイド(111)と、
    前記プッシャー要素(113)が前記バルブ要素(105)と接触する状態に対応する位置に可動コア(112)とこの可動コアに関連するプッシャー要素(113)を通常保持する第2バネ手段(114)とからなり、
    前記システムはさらに前記ソレノイドの給電を制御する電子制御手段(25)を有するシステムに於いて、
    前記電子制御手段(25)は、前記ソレノイド(111)の消磁に続いて、前記ソレノイドブレーキ電流を供給し、これにより前記ソレノイドバルブを閉鎖状態から開放状態に移動させ、また、前記ソレノイドバルブをさらに励磁する前に前記ブレーキ電流を遮断し、これにより前記ソレノイドバルブ開放状態から閉鎖状態に移動させるようにプログラムされ、前記消磁に続く可動コア(112)とプッシャー要素(113)の移動を制動し、前記消磁の後にプッシャー要素(113)をバルブ要素(105)と接触する状態に復帰させるのに必要な時間を減少し、
    前記電子制御手段(25)は、前記可動コア(112)とこの可動コアと関連するプッシャー要素(113)がソレノイド(111)により決定される方向と反対方向に変位する段階であって、この段階の終端を超えない段階でのみ前記ブレーキ電流が供給されるようにプログラムされ
    前記電子制御手段(25)は、前記ソレノイドバルブの以前の消磁に続いて、前記バルブ要素(105)がその静止位置に復帰する瞬間の後の瞬間から前記ブレーキ電流の供給が開始されるようにプログラムされているソレノイドバルブを制御するシステム。
  2. ソレノイドバルブを制御する方法であって、前記ソレノイドバルブは、
    バルブシート(104)と、
    ソレノイドバルブの開放状態に対応するバルブシート(104)から一定距離に設定された状態に第1バネ手段(107)により通常維持され、停止要素(109)に対するバルブ要素(105)と、
    可動コア(112)とこの可動コアに関連するプッシャー要素(113)を前記バルブ要素(105)に押し付けるために駆動することができ、前記第1バネ手段(107)の作用に対して、ソレノイドバルブの閉鎖状態に対応する前記バルブシート(104)と接触する状態にもたらすソレノイド(111)と
    前記プッシャー要素(113)が前記バルブ要素(105)と接触する状態に対応する位置に可動コア(112)とこの可動コアに関連するプッシャー要素(113)を通常保持する第2バネ手段(114)とからなる方法において、
    前記ソレノイド(111)の消磁に続いて、前記ソレノイドブレーキ電流を供給し、これにより前記ソレノイドバルブを閉鎖状態から開放状態に移動させ、また、前記ソレノイドバルブをさらに励磁する前に前記ブレーキ電流を遮断し、これにより前記ソレノイドバルブを開放状態から閉鎖状態に移動させ、前記消磁に続く可動コア(112)とプッシャー要素(113)の移動を制動し、前記消磁の後にプッシャー要素(113)をバルブ要素(105)と接触する状態に復帰させるのに必要な時間を減少し、
    前記可動コア(112)とこの可動コアと関連するプッシャー要素(113)がソレノイド(111)により決定される方向と反対方向に変位する段階であって、この段階の終端を超えない段階でのみ前記ブレーキ電流を供給し、
    前記ソレノイドバルブの以前の消磁に続いて、前記バルブ要素(105)がその静止位置に復帰する瞬間の後の瞬間から前記ブレーキ電流の供給を開始することを特徴とする方法。
  3. 燃エンジンのバルブを可変駆動するシステムで、前記ソレノイドバルブを使用し、少なくとも1つの吸気エンジンバルブを圧力チャンバを使用する液圧システムにより、それぞれカムにより制御し、圧力チャンバは前記ソレノイドバルブにより排気管と接続することができ、前記ソレノイドバルブが閉鎖状態にある時、圧力チャンバはカムの運動をエンジンバルブに伝達することができ、ソレノイドバルブが開放状態にある時、エンジンバルブはそれぞれのカムから解放され、その結果閉鎖状態に留まることを特徴とする請求項に記載の制御方法。
  4. エンジンバルブの伝統的な開閉サイクルに相当するクランクシャフトの回転の角度範囲内で多数回吸気バルブを開閉するために、前記ソレノイドバルブはエンジンバルブの在来の開閉サイクル内で繰り返し励磁および消磁され、前記ソレノイドバルブの駆動および非駆動の2つの連続するサイクルの間で必要な待機時間を減少するために、エンジンバルブの2つの連続する開閉サブサイクルの間で、前記ソレノイドバルブはブレーキ電流を供給され、ソレノイドバルブの消磁に続いて、前記ソレノイドバルブのプッシャー要素(113)を前記バルブ要素(105)と接触する静止状態に迅速に復帰させ、ソレノイドバルブを再び励磁してエンジンバルブの新たな開閉サブサイクルを消磁させることができることを特徴とする請求項に記載の方法。
  5. 前記ソレノイドバルブを消磁に続いて前記プッシャー要素(113)が前記バルブ要素(105)と接触する静止状態に復帰する時間は2.5ms以下であることを特徴とする請求項に記載の方法。
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