JPH09512622A - 千鳥配列電磁作動バルブの設計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 コンパクトな千鳥配列された電磁作動式バルブ組立体（７０）は、上方水平面（７８）及び外周（８０）を規定している第１の電磁作動装置（７２）と、鉛直軸（８２）と下方水平面（８４）を規定している第２の電磁作動装置（７４）とを含む。第２の作動装置の下方水平面は、第１の作動装置の上方面より鉛直方向上方に位置しており、第２の作動装置の鉛直軸は第１の作動装置の外周より外側に配置されている。熱膨張を呈するバルブステム（２２）を有するバルブのための電磁作動装置（１０）が更に開示されている。該作動装置は、電磁石（１２）、バルブ着座スプリング（３８）及び電機子要素（１６）を含む。着座スプリングとバルブステムはほぼ等しい熱膨張の度合いを有している。更にバルブは、電磁石が通電されていないときに、該電磁石から離間して遠位にある通常付勢された第１の位置に対して該電機子（１６）を軸方向に変位させる電機子要素調節部材（５２）を含むことができる。

Description

【発明の詳細な説明】 千鳥配列電磁作動バルブの設計 関連する出願データ 本出願は、共通の出願人に所有され、１９９３年６月２８日付で出願された同 時係属出願である米国特許出願番号第０８/０８４,７３７号の一部継続出願であ り、これは、１９９２年１０月５日付で出願された、電磁作動バルブに関する米 国特許出願番号第０７/９５７,１９４号の一部継続出願であり、これらはここに 言及されている。 発明の分野 本発明は、概ね電磁作動バルブに関し、より詳細には小型電磁作動バルブ組み 立て体に関するもので、該バルブ装置はバルブ着座圧を精確に制御することを可 能にしている。 発明の背景 従来、バルブは、開き、及び閉じる機構を、電磁石を有するバネの動作と組み 合わせることにより設計されていた。例えば、Pischingerに発行された米国特許 第４,６１４,１７０号は、電磁作動バルブにバネを使用し、バルブを開いた状態 から閉じた状態及び、閉じた状態から開いた状態に切り替える装置を開示してい る。このバルブにおいて、電機子は二つの電磁石の間に等間隔に位置決めされて いる。バルブを閉じるには、第１電磁石を作動させ、電機子が第１電磁石に引き つけられバネを収縮する。バルブを開くには、作動している第１電磁石を解除し 、第２電磁石を作動させる。あらかじめ収縮されたバネの力により、電機子は第 ２電磁石に対し加速されるので、電機子を第１電磁石より離すために必要な磁力 の 量を減少する。 先のバルブの設計における一つの課題は、内燃機関の吸気及び排気用バルブの 開く若しくは閉じる際に必要なフォース（力）若しくはストローク（行程）、若 しくは、圧送機に必要なフォース及びストロークのために、該バルブが十分な速 さでバルブの開閉動作を、迅速に作動しないことである。従って、所望の装置、 例えば最新式の内燃機関、において十分速く加速されるよう、効率的に設計され た移動電機子組み立て体を提供することが必要である。 しかしながら、最新式の内燃機関において電磁作動バルブ使用における問題点 は、機関の設計が吸気及び排気バルブに関する特定領域に限られるということで ある。電磁作動バルブの電磁石及び電機子は環形状であるため、液圧制御バルブ を電磁作動バルブと、機関の設計を実質的に変更せずに取り替えることは困難で ある。この問題点は、機関において１つのシリンダーに付き４つのバルブを必要 とする場合には、より顕著となる。従って、機関の設計の改良を最小限に抑えた 上で、最新式の乗用車用内燃機関に対応する電磁作動バルブ装置を設計する必要 がある。 電磁作動バルブの設計の際に直面する問題は、バルブが適切に着座した時に、 上方の電磁石に隙間がない状態すなわちゼロギャップを得るのに必要である、精 確な機械的許容度を獲得することに起因する。この問題は、バルブ作動中に起き る熱膨張によって悪化する。バルブ試験状態では、電磁作動の弁棒は熱膨張のた め、１インチ当たり１２／１０００インチまで伸長した。バルブが閉じられた時 、磁極面は上方の電磁石に接触しているが、弁棒の長さの増加により、バルブは 適切に着座しない可能性がある。代わりに、電機子が上方の電磁石に到達する前 にバルブは着座し、バルブに隙間を生じないようにするのを妨げる可能性がある 。隙間無しの状態は動力消費を低水準に維持する為に必要であり、バルブは所望 の効率水準で作動しない。 従来設計されたバルブにおける別の問題は、移動電機子組み立て体が作動して いない時は初期の中立位置に戻らなければならないということである。電機子要 素の中立位置は第１電磁石及び第２電磁石両方から等距離とされなけばならない 。前述したように、この中立位置において電機子組み立て体を付勢するためにバ ネを使用することは、既知である。しかし、バネの張力は必然的に変化するので 、電機子要素が電磁石間中央に位置決めされている中立位置を得るのは困難であ る。従って、中央に位置決めされた中立位置を得るために、手動で電機子の位置 を調節する手段を有する事が必要である。 従来設計されたバルブにおける別の問題は、閉じたバルブの弁座に掛かる圧力 を制御する機構が欠如していることである。実際、弁座に掛かるバルブの圧力は 、バルブ及び弁座の耐久性のある許容度内でなければならない。 従来型のバルブの設計における別の問題は、バルブが弁座に近づく速さを調整 する機構の欠如である。 発明の概要 結果的に、本発明の主要な目的は先行技術の一つ以上の欠点及び、限界を克服 することである。 本発明の重要な目的は、幾つかの作動されたバルブが小さい空間内に収められ るような電磁作動バルブ組み立て体の設計を提供することである。 本発明の別の目的は、電磁作動装置の運転中に熱膨張を補正する該作動装置を 提供することである。 本発明の別の目的は、精確な機械的許容度を獲得するための手動調整装置を有 する電磁作動装置を提供することである。 本発明の広範囲の態様から、熱膨張性の弁棒を有するバルブの電磁作動装置は 、電磁石および電機子要素を有し、該電機子要素は、電磁石が作動されてないと き通常付勢され、電磁石から離間する遠位の第１の位置にあり、電磁石が作動さ れた時、電磁石に最も近い第２の位置にある。バルブは電磁石を担持する着座バ ネ を有する。該着座バネは弁棒の熱膨張の程度と実質的に等しい熱膨張の程度を有 する。更に、バルブは電機子要素と相互作用する電機子要素調整部材を有し、電 機子要素調整部材の調整により、第１の位置の軸方向移動を生じさせる。 本発明の別の態様において、小型の千鳥配列電磁作動バルブ組み立て体は、上 方水平面および外周を規定する第１電磁作動装置と、垂直軸および下方水平面を 規定する第２電磁作動装置を有する。第２作動装置の下方水平面は第１作動装置 の上方水平面より鉛直方向上方に位置し、第２作動装置の垂直軸は第１作動装置 外周の外側に配置されている。 本発明の特徴は第１及び第２弾性部材の組合せにより、作動装置内の移動する 組み立て体の熱膨張の補正をすることである。 本発明の別の特徴は、調整装置が電機子組み立て体の中立位置を精確に設定す ることを可能にすることである。 本発明のもう一つの特徴は、移動する電機子組み立て体の設計により、作動装 置の速度を速くすることを可能にしていることである。 本発明の別の特徴は、磁気回路、すなわち磁性材料により電機子を囲んでいる もの、の改良である。この改良は、電機子が電磁石より遠くに離れているときは より大きな力を提供し、電機子が電磁石の近隣にある場合はより小さな力を提供 することとなる傾向がある。これにより、より少ないエネルギーを使用した作動 が可能となる。 本発明の別の特徴は、閉じたバルブによりその弁座に掛かる圧力は、狭い範囲 内となることを保証できるということである。 本発明の別の特徴は、閉じるバルブがその着座位置に達する際の速度を増加若 しくは、減少させることを直接的に調整できる。 本発明のこれらの目的及び他の目的、利点および特徴について、添付の図面お よび請求の範囲に関連して、後述する例示の好ましい実施例を検討すれば、容易 に当業者には明らかとなるであろう。 図面の簡単な説明 図１は着座圧を精確を制御する、本発明の電磁作動バルブの好ましい実施例の 断面図である。 図２は本発明の電磁作動バルブの別の好ましい実施例の断面図である。 図３は本発明の千鳥配列電磁作動装置の設計の好ましい実施例の平面図である 。 図４は図３の千鳥配列電磁作動装置の設計の正面図である。 図５は図３の千鳥配列電磁作動装置の設計の側面図である。 例示した好ましい実施例の説明 図１には、本発明の電磁作動バルブ１０の実施例の断面図が示されている。該 実施例が示すように、バルブ１０は２対の電磁性要素１２、複数のコイル１４、 コア若しくは、電機子要素１６、支持バネ２０、弁棒２２およびバルブケース２ ４を有している。各電磁性要素１２は環形状が望ましく、中央チャンバー２６を 規定する。さらに、中央チャンバー２８は中央垂直軸２８を規定する。 図１に示された実施例において、電磁性要素１２の各対は、さらに、上方電磁 性要素３２および下方電磁性要素３４を有する。上方および下方の電磁性要素は 各々中央通路３０を有し、該通路内でコイル１４は配置されている。上方および 下方の電磁石３２および３４は互いが鏡映しの関係で、上方および下方の電磁性 要素の該中央チャンネル３０は互いに向き合う関係となってる。 上方および下方の電磁性要素３２、３４の中間に位置しているのは、電機子要 素１６である。該電機子要素は、電磁石３２、３４が作動されていないとき通常 付勢され、電磁石から離間した遠位の第１の位置にあり、電磁石が作動された時 、電磁石に最も近い第２の位置にある。電機子要素１６は水平方向の断面におい て環形状であることが好ましい。電磁性要素１６は２つの磁極面３６を提供する 。 電機子１６は弁棒２２に相互連結している。弁棒２２は、電磁性要素１２の中 央チャンネル２６の中央垂直軸２８に軸整合し伸長することが好ましい。バルブ ケース２４はバルブを包囲する。 下方及び上方電磁石３２、３４はスペーサー４０により結合されている。その スペーサーは上方と下方電磁石３２、３４の間の一定距離を維持する。それ故、 上方と下方電磁石は組み立て体として振る舞う。そのスペーサーは好ましくは磁 性スチール材料から作られる。 着座バネ３８と支持バネ２０は弁棒における熱膨張の補正に使用される。より 詳細には、バルブヘッド４２が適当に位置づけられるとき、電機子の要素１６は 上方電磁石３２と接触すべきである。その弁棒が伸張するならば、その電機子要 素は、バルブヘッド４２が適当に位置づけられる前に上方電磁石３２と接触する 。しかしながら、その弁棒が熱膨張に適応するために短くされるなら、そのバル ブヘッドは電機子１６が上方電磁石と接触する前に位置づけられるであろう。 支持バネ２０は中央チャンバー２６の中に配置され、好ましくは弁棒２２を囲 む。示された実施例では、支持バネの下方の端部は支持バネのベース部材４４に 接触する。そのベース部材４４は、下方電磁石３４に螺合される。それ故、ベー ス部材４４は、支持バネ４４を圧縮または引き延ばすように調整され、それによ り、電機子の軸方向の位置を変更する。 バルブはまた二つの着座バネ３８を含む。示された実施例では、着座バネはバ ルブケース２４の一部とその下方電磁石３４に接触し、それにより、下方電磁石 は着座バネ３８により担持される。着座バネは弁棒の熱膨張の度合いと大体等し い熱膨張の度合いを持つ。それ故、弁棒が熱によって伸張し、電機子１６が軸方 向に変位するならば、電磁石はまた、電機子部材と同じ度合いで膨張、電磁石を 軸方向に変位する。それ故、着座バネ３８は電磁石の変位要素として作用し、弁 棒の熱膨張による問題を緩和する。 支持バネ２０と着座バネ３８の組み合わせと相互作用は、また、熱膨張によっ て起こされる問題を除去するのに役立つ。以前に議論したように、支持バネは通 常付勢された第一の位置において、電機子の要素を付勢するのに使われる。その 支持バネは弾性部材であり、その弾性の値が知られている。着座バネは上方電磁 石を電機子から片寄らせるのに役立つ。着座バネは弾性のある部材であり、また 、弾性の値が知られている。支持バネ２０と着座バネ３８は、支持バネ２０の弾 性が着座バネ３８の弾性より大きくなるように選択される。それ故、電磁石が作 動しているとき、電機子１６は上方に、バルブヘッドが位置づけられるまで上方 電磁石３２に向かって動く。この点で、上方電磁石は、電機子１６と上方電磁石 ３２の間の隙間がなくなる（すなわちゼロギャップ）まで、下方に引きつけられ る。 図２を参照すると、電磁的に作動する本発明のバルブの別の実施例５０が記述 されている。この実施例では上方の支持バネ調整部材５２が含まれる。支持バネ 調整部材５２は図２に中空ネジ部材５４を含むとして示されている。中空ネジ部 材５４は上方電磁石３２に螺合される。中空ネジ部材５４はキャップ５６を含む 。そのキャップ５６は六角形の孔５８を規定する。実施例で示すように、中空ネ ジ部材５４は支持バネ２０の上方端部に係合する。その支持バネ２０は電機子要 素に係合する。それ故、中空ネジ部材５４が回転されると、支持バネは縮み、電 機子要素を軸方向下向きに移動させる。ネジ部材６８が緩められると、支持バネ は伸び、電機子要素が軸方向に上向きに動くのを可能とする。六角形の孔５８は 、中空ネジ部材５４を締めそして緩めるのを容易にするのに使われる。 実施例５０はさらに下方の支持バネ調整部材６０を含む。下方の支持バネ調整 部材は、下方電磁石３４と螺合される第二の中空ネジ部材６２を含む。第二の中 空ネジ部材６２は第二のキャップ６４を含む。第二の中空ネジ部材６２が回され ると、支持バネは縮み、上方の軸の位置に電機子要素を移動させる。第二の中空 部材６２が緩められると、支持バネは伸び、電機子要素が軸方向下向きの位置に 移動することを可能にする。 支持バネ調整部材５２の機能は、上方と下方電磁石３２、３４の間の電機子要 素１６の正確に位置決めすることである。前に述べたように、電機子要素は電磁 石の間の中央に正確に位置すべきである。支持バネ調整部材５２により、バルブ が組み立てられた後の電機子要素の手動による位置決めが可能となる。支持バネ 調整要素５２は他の領域の支持バネと接触し、まだ同じ電機子位置決めの特徴を 与える。 図２に示される作動装置の実施例５０において、上方と下方電磁石はスペーサ ー４０によって相互接続される。スペーサー４０は好ましくは磁性スチール材料 から作られる。磁性スチールを使用することにより、磁気回路は、大きなギャッ プにおいて大きな力を、そして小さなギャップにおける小さな力を与えることが できる。 図２で示される実施例は、三つの着座バネ３８を含む。しかしながら、着座バ ネの数は、作動装置の適用に従って変えられる。 図３、４そして５を参照して、コンパクトに電磁的に作動するバルブ組み立て 体７０を説明する。参照の目的で、その組み立て体は二つの作動バルブを持つと して説明する。しかしながら、いかなる数のバルブをその組み立てにおいて用い てもよい。 図３、４に示されるように、バルブ組み立て体７０は、第一電磁作動バルブ７ ２と第二電磁作動バルブ７４を含む。第一電磁作動バルブ７２は、第一中央垂直 軸７６、上方水平面７８、そして外周８０を規定する。第二電磁作動バルブ７４ は、第二垂直軸８２と下方水平面８４を規定する。示された実施例において、そ の中央の垂直軸７６、８２は対応するそれぞれのバルブの軸に整合している。 図３、４に最も良く示されているように、第二作動装置７４の中央の垂直軸８ ２は、第一作動装置７２の外周８０の外側に配置される。図４に最も良く示され ているように、第二作動装置７４の下方の水平面８４は第一作動装置７２の上方 水平面７８の上に配置される。図５では、第一と第二垂直軸７６、８２が互いに 平行であり、側面から見て整合された第一と第二作動装置が示されている。しか しながら、作動装置はバルブ組み立て体の異なる適用に合わせるために整合され なくてもよい。 電磁的に作動するバルブ組み立て体の他の実施例において、第一作動装置の中 央垂直軸７６と第二作動装置の中央垂直軸８２は、互いに平行には延在していな い。しかしながら、第二作動装置の中央垂直軸８２は、外周８０の第一作動装置 の外側に配置され、第二作動装置の下方の水平面８４は上方水平面７８の第一作 動装置の上に配置される。この実施例により、コンパクトバルブ組み立て体は、 いくつかの既知の自動車エンジンヘッドの平坦でない面のような、平坦でない面 において利用することが可能となる。 上で述べたコンパクトで千鳥配列のバルブ組み立て体により、いくつかの電磁 的に作動するバルブは相対的にコンパクトな空間に取り付けられる。例として、 千鳥配列のバルブ組み立て体７０により、現行のエンジン設計に最小限の改良を 加えるだけで自動車エンジンの吸排気バルブに、本発明の電磁的に作動するバル ブを代用できる。 本発明の原理による電磁的に作動するバルブの例示的な好ましい実施例を上に 述べてきた。当業者は、ここに明らかにした発明の概念から離れずに、上に述べ た実施例を多く利用し、そしてさらに発展できる。よって、本発明は以下の請求 の範囲のみによって限定されるべきである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．既知の熱膨張の度合いを示す弁棒を有する作動バルブのための電磁作動装置 であって、 第一の電磁石と、 弁棒と相互接続され、前記電磁石が作動していないときに前記電磁石から遠位 の通常通り付勢された初期離間した第一の位置と、前記電磁石が作動していると きに前記電磁石に最も近い第二の位置を有する、第一の電機子要素と、 該弁棒の該熱膨張の度合いに対応した距離だけ軸の方向に、前記電磁石を変位 させるための電磁石の変位要素とを含むことを特徴とする前記作動装置。 ２．請求項１に記載した作動バルブのための電磁作動装置であって、 前記電磁石変位要素が着座バネを含み、 前記電磁石が前記着座バネによって担持され、 さらに前記着座バネが、弁棒の既知の熱膨張の度合いに等しい熱膨張の度合い のバネを有することを特徴とする電磁作動装置。 ３．請求項２に記載した作動バルブのための電磁作動装置であって、 三つの着座バネが使われていることを特徴とする電磁作動装置。 ４．請求項１に記載した作動バルブのための電磁作動装置であって、 さらに、第二の電磁石と、 前記第一の電磁石に対して鏡映しの関係にある前記第二の電磁石とを含むこと を特徴とする電磁作動装置。 ５．請求項４に記載した作動バルブのための電磁作動装置であって、 さらに、前記第一及び第二の電磁石を接続するスペーサーを含み、 これにより前記電磁石が一体として移動することを特徴とする電磁作動装置。 ６．請求項５に記載した作動バルブのための電磁作動装置であって、 前記スペーサーは磁性材料で作られていることを特徴とする電磁作動装置。 ７．作動バルブが閉位置を有し、既知の熱膨張の度合いを示す弁棒を有する作動 バルブのための電磁作動装置であって、 第一の電磁石と、 前記電磁石が作動していない時に前記電磁石から遠位の通常通り付勢された離 間した第一の位置と、前記電磁石が作動している時に前記電磁石に最も近い第二 の位置を持つ弁棒に装着されるようにされた電機子要素と、 電機子要素調整部材とを有し、前記電機子要素の調整により、該電機子の第一 の位置の軸方向の変位を生じせしめるように、電機子要素調整部材は前記電機子 要素と相互接続されていることを特徴とする電磁作動装置。 ８．請求項７に記載した作動バルブのための電磁作動装置であって、 さらに、 前記第一の電磁石と鏡映しの関係にある前記第二の電磁石と、 前記第一と第二の電磁石の中間に配置される前記電機子要素とを含むことを特 徴とする電磁作動装置。 ９．請求項８に記載した作動バルブのための電磁作動装置であって、 さらに、 前記第一と第二の電磁石の間の所定の距離を維持するスペーサーを含むことを 特徴とする電磁作動装置。 １０．請求項９に記載した作動バルブのための電磁作動装置であって、 前記スペーサーは磁性材料からなることを特徴とする電磁作動装置。 １１．請求項７に記載した作動バルブのための電磁作動装置であって、 さらに、前記電機子要素と前記電磁石の中間に配置された弾性部材と、 前記弾性部材は前記第一の位置において前記電機子要素を付勢する張力を有す ることを特徴とする電磁作動装置。 １２．請求項１１に記載した作動バルブのための電磁作動装置であって、 前記電機子調整部材の調整により前記弾性部材の張力を変化させることを特徴 とする電磁作動装置。 １３．請求項７に記載した作動バルブのための電磁作動装置であって、 さらに、該弁棒の熱膨張の度合いに応じた距離で前記電磁石を軸方向に変位さ せるための電磁変位要素を含むことを特徴とする電磁作動装置。 １４．請求項１３に記載した作動バルブのための電磁作動装置であって、 前記電磁変位要素が、少なくとも一つの着座バネを有し、 前記電磁石は該着座バネによって担持されていて、該着座バネは、前記バルブ ステムの既知の熱膨張の度合いと実質的に等しい熱膨張の度合いのバネを含むこ とを特徴とする電磁作動装置。 １５．コンパクトな電磁作動装置の組み立て体であって、 第一の垂直軸と、上方の水平面と外周を規定している第一の電磁作動装置と、 第二の垂直軸と下方の水平面とを規定している第二の電磁作動装置とを含み、 前記第二の作動装置の下方の水平面は、前記第一の作動装置の上方水平面より 鉛直方向上方に位置しており、前記第二の垂直軸は前記第一の作動装置の外周の 外側に配置されていることを特徴とする電磁作動装置。 １６．請求項１５に記載したコンパクトな電磁作動装置の組み立て体であって、 前記第一の垂直軸は前記第二の垂直軸に平行に延在していることを特徴とする 電磁作動装置。