JPH04259614A - 内燃機関の動弁装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の吸気弁および
排気弁を開閉駆動する内燃機関の動弁装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の内燃機関の動弁装置は、クランク
シャフトからギアまたはチェーンを介してカムシャフト
に伝え、カムシャフトの回転運動を往復運動に変換させ
ることによって吸気弁および排気弁を開閉している。す
なわち、カムシャフトのカムのプロフィールに従って吸
気弁および排気弁が開閉駆動されるので、この吸気弁お
よび排気弁は即（瞬間的に）開閉することはできずに徐
々に開閉することになる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の動弁装置にあっては、排気弁はカムの形状か
ら徐々にしか開閉されないので、図１２にしめすように
下死点前のかなり早い時期から、すなわちクランク角で
約５０°〜８０°前の点から開弁して上死点後の少し遅
れた時期まで、すなわちクランク角約１５°後の点まで
閉弁しなければ燃焼室内の燃焼ガスを十分に排気するこ
とができない。このため、排気弁が下死点前のクランク
角約５０°〜８０°のかなり早い時期から開弁すると、
その前の爆発行程の終り途中から燃焼ガスは排気される
ことになり、燃焼ガスの圧力が完全に動力に利用されな
いという問題点がある。また、排気弁が上死点後のクラ
ンク角約１５°の点の少し遅れた時期まで徐々に閉弁す
ると排気行程損失が大きくなるという問題点がある。

【０００４】一方、混合気が燃焼室に流れ込んでくる慣
性を利用してなるべく多く吸気するためには、ピストン
が吸気行程に入る前に吸気弁を開弁させればよいのだが
、前記したようにこの吸気弁が徐々にしか開弁しないの
で図１３に示すように上死点前のクランク角約１０°〜
２０°の早い時期から開弁される。しかし、吸気弁があ
まり早い時期から開弁されると流入する混合気の慣性力
を利用できずに吸気充填効率が低下し、また燃焼室内の
残留ガスが吸気系に吹き返してくることがあるという問
題点があった。次に、吸気弁を下死点後のクランク角約
２０°〜４０°の遅い時期で閉弁すると次の圧縮行程が
短縮されて、特に低速回転では出力不足となって現われ
るという問題点がある。すなわち、カムの形状が決定さ
れた場合、エンジンの回転数が変更されると、クランク
角５０°に要する経過時間が変化することになる。シリ
ンダ内の燃焼ガスを排出するのは流速と開弁の時間面積
によることになる。

【０００５】本発明は、排気行程において爆発行程の燃
焼ガスを動力として作り出すのに、ほぼ完全に利用する
とともに排気行程損失を少くし、吸気行程において流入
する混合気の慣性力を利用して吸気充填効率を上げると
ともに次の圧縮行程の間に残留ガス圧を少なくして抵抗
を少なくした内燃機関の動弁装置を提供することを目的
とし、エンジン回転数により開弁，閉弁時間を変化させ
る事を特長とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明にあっては、内燃機関の吸気口および
排気口をそれぞれ開閉するための吸気弁及び排気弁と、
この吸気弁および排気弁を開閉駆動するためにそれぞれ
に設けられた吸気弁用リニアモータおよび排気弁用リニ
アモータと、内燃機関のクランク角を検知するクランク
角センサと、このクランク角センサによって検知された
クランク角に基づいてエンジン回転数による設計上最適
の前記吸気弁および排気弁の開閉時期を判断する制御回
路と、この制御回路からの信号に応じて前記吸気弁用リ
ニアモータまたは排気弁用リニアモータに流す励磁電流
を制御する駆動回路とを備えた構成とするものである。

【０００７】

【作用】内燃機関がどのような状態にあるかをクランク
角センサによってクランク角を検知する。クランク角セ
ンサによって検知されたクランク角が吸気弁または排気
弁の適正な開閉時期がどうかを制御回路によって判断す
る。適正な開閉時期のときには制御回路から駆動回路へ
信号が出力され、この信号に応じて吸気弁用リニアモー
タまたは排気弁用リニアモータへ励磁電流が流され、吸
気弁または排気弁は即（瞬間的に）開閉して弁の開口時
間面積を大きくし、エンジンの燃料消費率を向上させる
ものである。

【０００８】

【実施例】以下、本発明を図面に基づいて説明する。図
１ないし図９は本考案に係る内燃機関の動弁装置の一実
施例を示す図である。

【０００９】図１において、符号１はシリンダブロック
２上に載置・固定されたシリンダヘッドであり、このシ
リンダヘッド１，シリンダブロック２内には燃焼室３が
形成されているが、このシリンダヘッド１には燃焼と空
気の混合気（または空気）を吸入するための吸気口４と
、燃焼ガスを排気するための排気口５とが設けられてい
る。また、シリンダヘッド１には吸気口４および排気口
５をそれぞれ開閉するための吸気弁６および排気弁７が
上下方向に摺動自在に設けられている。

【００１０】吸気弁６および排気弁７にはそれぞれ吸気
弁用リニアモータ８および排気弁用リニアモータ９が設
けられている。吸気弁用リニアモータ８は図２に示すよ
うにシリンダヘッド１に支持され略円筒状で磁性材料の
軟鋼からなるアウターヨーク１１と、この内に位置され
るとともにこのアウターヨーク１１に端部が支持される
略円柱状（８〜１２角形でもよい）で磁性材料で軟鋼の
センターヨーク１２とを有している。アウターヨーク１
１の内周側には例えばＳｍＣｏ（サマリウムコバルト）
マグネットからなる永久磁石１３が設けられている。永
久磁石１３の内側であってセンターヨーク１２の外側に
は、略円筒形状で軟鋼の磁性導体１４が上下方向に摺動
自在に配設されている。磁性導体１４の永久磁石１３と
対向する箇所には、絶縁被覆を施した電線が巻回された
コイル（固定子）１５が取り付けられている。円筒形状
の磁性導体１４の内側に位置しているセンターヨーク１
２の外周表面には、渦電流損防止のために銅（他には銀
等）メッキ１６（他にはクラッド等）が施されている。 センターヨーク１２の中心部には孔１７が穿設されてお
り、この孔１７には冷却用管１８が挿入されている。な
お、排気弁用リニアモータ９も吸気弁用リニアモータ８
と同じ構成である。

【００１１】この吸気弁リニアモータ用８および排気弁
リニアモータ用９に流す励磁電流は駆動回路１９によっ
て制御されている。ここで、クランク角センサ２０によ
って検出されたクランク角が適正かどうかを制御回路２
１によって判断し、制御回路２１から出力される信号に
応じて駆動回路１９は前記励磁電流を制御している。

【００１２】次に、図３に示すフローチャートを参照に
しながら作用を説明する。まず、内燃機関がどのような
状態にあるかをクランク角センサ（例えば光エンコーダ
）２０によってクランク角を検知する（ステップＳ１）
。クランク角センサ２０はクランクシャフトに取り付け
られており、このクランクシャフトの一回転を３６０°
の角度毎に分割し、上死点および下死点からの位置を光
によって適確に検知してこれを電流に置換している。

【００１３】クランク角センサ２０によって検知された
クランク角が吸気弁６または排気弁７の適正な開閉時期
がどうかを制御回路２１によって判断する（ステップＳ
２）。ここで、適正な開閉時期とは吸気行程においては
空気または混合気の慣性力の流れを利用することができ
る時期、または排気行程においてはシリンダの膨張エネ
ルギを最大限に利用して排気行程損失を最小にするよう
に慣性力による流れを利用することができる時期である
。

【００１４】前記の適正な開閉時期のときには制御回路
２１から駆動回路１９へ信号が出力され、この信号に応
じて吸気弁用リニアモータ８または排気弁用リニアモー
タ９へ励磁電流が流される（ステップＳ３）。

【００１５】ここで、永久磁石１３からの磁力線は図２
に示すようにアウターヨーク１１を通り、さらにセンタ
ーヨーク１２を通り、直角にコイル１５を横切って永久
磁石１３に戻っている。コイル１５に励磁電流が流され
ると、フレミングの左手の法則によってコイル１５とと
もに磁性導体１４が上下方向に摺動して、吸気弁６また
は開閉弁７が開閉動作する（ステップＳ４）。ところで
、逆に磁性導体１４の方を固定させて、吸・排気弁が設
けられたアウターヨーク１１を移動させるようにすると
、コイル１５から伸びる電線が移動しないために、この
電線は繰返し力による疲労で破断する虞は生じない。

【００１６】なお、コイル１５に励磁電流を流すことに
より永久磁石１３の中を磁性導体１４が上下動するよう
にしたので、マグネット極を用いる場合と異なりリフト
は特に問題とならず、また始動時の電流により始動加速
度をつくることが可能である。また、コイル１５の巻数
によって磁性導体１４の上下方向の移動速度は調整でき
る。

【００１７】ここで、吸気弁６および排気弁７をそれぞ
れ開閉させる吸気弁用リニアモータ８と排気弁用リニア
モータ９の作動を示すために、吸，排気弁６，７の代わ
りに前記リニアモータ８，９に１１０ｇの重錘を取り付
け、１０００μＦのコンデンサを用いて、瞬間的に電流
を流したときの試験例を示す。図４はコイル電圧Ｅ、電
流Ｉおよびリフト量Ｈの関係をオシログラフ測定した結
果である。５ｍｓｅｃでリフト量Ｈは３．６ｍｍで、そ
のときの電流Ｉは６．４Ａで、電圧Ｅは６５Ｖであるこ
とを示している。すなわち、瞬間的に重錘の高いリフト
量Ｈが得られることを示している。しかし、始動時約１
３０Ｖで１５Ａの電流を約０．５ｓｅｃの間に流さなけ
ればならない。

【００１８】次に、このような高いリフト量Ｈが瞬間的
に得られるリニアモータ８，９によって吸，排気弁６，
７をリフトさせた試験例を図５に示す。内燃機関の回転
数１０００ｒｐｍ（低速），２０００ｒｐｍ（中速），
２５００ｒｐｍ（高速）のいずれのときにも、従来のよ
うにカムシャフトによって吸，排気弁６，７をリフトさ
せたときよりも瞬間的に高い弁リフト量が得られる。特
に、１０００ｒｐｍ（低速）になるに従って瞬間的に高
い弁リフト量が得られる。

【００１９】このように、リニアモータ８，９によって
瞬間的に高い弁リニアモータ量が得られるということは
、吸，排気弁６，７が従来のように徐々に開閉するので
はなく即（瞬間的に）開閉する。そこで、排気弁７の開
閉時期を図６に示すと、下死点より少し早い時期から、
すなわりクランク角で約２０°前の点から開弁させれば
、下死点付近で従来の約５０°前の点から開弁させた場
合と同じ開弁時間面積が得られる。次に上死点から少し
遅い時期で、すなわちクランク角で約１０°後の点で閉
弁でき、従来の上死点から約１５°の点までの長い閉弁
時間を必要とするようなことはない。

【００２０】図７に示すように排気弁７の閉弁時期はＡ
，Ｂ，Ｃとなり、これに対して従来のカム駆動式の排気
弁の開閉弁時期はＤ，Ｅ，Ｃとなる。すなわち、排気行
程の前の爆発行程における燃焼ガスの圧力は完全に利用
できることになり、このため、従来に比べ図７中面積Ａ
，Ｄ，Ｆの部分の出力が増加することになる。次に、排
気行程損失も従来の面積Ｃ，Ｅ，Ｈから面積Ｂ，Ｃ，Ｈ
に減少し、面積Ｂ，Ｃ，Ｅの分だけ出力が増加する。 また、排気弁７の開閉時期がＡ，Ｂ，Ｃとなり、すなわ
ち瞬間的に開弁することから、開弁時期Ａと下死点との
間の時期に燃焼ガスを迅速に排気して、また、内燃機関
の性能を損害する残留燃焼ガスを減少させることができ
、混合気がより多く燃焼室３内に充填されることになる
。

【００２１】次に、吸気弁６の開閉時期を図８に示すと
、上死点より少し早い時期から、すなわちクランク角で
約５°前の点から開弁させ下死点から少し遅い時期、す
なわちクランク角で約３０°後の点で閉弁させている。 このように、吸気弁が適正な時期に開閉すると、混合気
が燃焼室３に流れ込んで慣性を利用してなるべく多く吸
気して吸気充填効率を上げることができ、また、燃焼室
内の残留ガスが吸気口４に吹き返すのを少くし、さらに
次の圧縮行程が短縮されることもなくなって低速回転で
も出力が向上する。

【００２２】ところで、図９に示すように、排気弁９の
開閉時期をエンジンの性能向上の要請という点から、低
速回転のときにはＸ時期からＹ時期に移した方がよい。 また、クランク角で約８０°〜１００°の間で燃焼ガス
を自力で大気に放出するために、排気弁の開弁時期は内
燃機関の回転数と負荷で最適条件が決められる。このた
め、負荷と回転数により開弁プログラムを制御回路２１
に記憶させ、実走状態と照合してコイル１５に通電させ
て排気弁７を開閉させるようにしてもよい。

【００２３】また、この動弁装置は従来のようにカム駆
動でないために騒音が著しく小さく、さらに油圧制御の
場合と異なり使用１回の温度による劣化やこの交換もな
くなる。なお、リニアモータ８，９のブレーキは励磁電
流の逆流によって作用させることができる。

【００２４】図１０に本発明に係る動弁装置に用いられ
ているリニアモータの第２実施例を示す。符号３１は固
定ヨークであり、この固定ヨーク３１にはポリエステル
銅線のコイル３２がコイル止めを介して設けられている
。固定ヨーク３２に対向する位置には移動ヨーク３３が
配設されており、この移動ヨーク３３には吸・排気弁３
４が設けられている。このリニアモータはリフト量の大
きさで効率が異なり、また消費電力も大きくなる。

【００２５】また、図１１にリニアモータの第３実施例
を示す。アウターヨーク４１に一体形成されたセンター
ヨーク４２にコイル４３が巻回され、アウターヨーク４
１には吸・排気弁４４が設けられている。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によればク
ランク角センサによって検知されたクランク角に基づい
て吸気弁および排気弁の適正な開閉時期を制御回路によ
って判断し、この制御回路からの信号に応じて吸気弁用
リニアモータおよび排気弁用リニアモータに流す励磁電
流を駆動回路によって制御して吸・排気弁を開閉するよ
うにしたので、前記吸・排気弁は即（瞬間的に）開閉す
る。このため、排気行程においては前の爆発行程の燃焼
ガスの圧力はほぼ完全に利用でき、排気行程損失も減少
し、内燃機関の出力が増加する。また、吸気行程におい
ては、流入する混合気の慣性を利用して吸気充填効率を
上げることができ、残留ガスが吸気系に吹き返すのを少
くし、残留ガスによる抵抗が減少するので内燃機関の出
力は向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る内燃機関の動弁装置の一実施例を
示す全体図

【図２】この動弁装置に用いられたリニアモータの第１
実施例の断面図

【図３】この動弁装置の作動を示すフローチャート

【図
４】リニアモータに重錘を取り付けた試験例のグラフ

【図５】内燃機関の低、中、高速回転時における吸・排
気弁のリフト量を示すグラフ

【図６】排気弁の開閉時期をクランク角で示したグラフ

【図７】排気弁の開閉時期におけるシリンダ内圧力を示
すグラフ

【図８】吸気弁の開閉弁時期をクランク角で示したグラ
フ

【図９】排気弁の開閉時期をクランク角で示したグラフ

【図１０】リニアモータの第２実施例を示す断面図

【図
１１】リニアモータの第３実施例を示す断面図

【図１２
】従来の排気弁の開閉時期をクランク角で示したグラフ

【図１３】従来の吸気弁の開閉時期をクランク角で示し
たグラフ

【符号の説明】

４…吸気口、５…排気口、６…吸気弁、７…排気弁、８
…吸気弁用リニアモータ、９…排気弁用リニアモータ、
１９…駆動回路、２０…クランク角センサ、２１…制御
回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　内燃機関の吸気口および排気口をそれ
   ぞれ開閉するための吸気弁及び排気弁と、この吸気弁お
   よび排気弁を開閉駆動するためにそれぞれに設けられた
   吸気弁用リニアモータおよび排気弁用リニアモータと、
   内燃機関のピストンの上死点からクランク角を検知する
   クランク角センサと、このクランク角センサによって検
   知されたクランク角に基づいて前記吸気弁および排気弁
   の適正な開閉時期を判断する制御回路と、この制御回路
   からの信号に応じて前記吸気弁用リニアモータまたは排
   気弁用リニアモータに流す励磁電流を制御する駆動回路
   とを備えたことを特徴とする内燃機関の動弁装置。