KR0179077B1

KR0179077B1 - 내연기관의 밸브 구동장치

Info

Publication number: KR0179077B1
Application number: KR1019950045114A
Authority: KR
Inventors: 다카시 이즈오
Original assignee: 와다 아키히로; 도요타 지도샤주식회사
Priority date: 1995-01-11
Filing date: 1995-11-27
Publication date: 1999-03-20
Also published as: JPH08189315A; US5611303A; KR960029592A; JP3106890B2; DE69601805T2; DE69601805D1; EP0722039B1; EP0722039A1

Abstract

본 발명은 내연기관의 흡기밸브 또는 배기밸브를 전자력으로 구동하는 내연기관의 밸브 구동장치에 관한 것으로 밸브 중립위치와 스트로크 길이를 가변하는 것을 목적으로 한다.

밸브(12)와 일체의 플런저홀더(17)의 상하에 실린더(42,44)를 형성한다. 실린더(42,44)로 에어실(38,40)을 밀봉해서 밸브(12)를 중립위치 방향으로 부가하는 에어스프링을 구성한다. 플런저(20)에 밸브 폐쇄 또는 밸브 개방 방향의 전자력을 부여하는 제1 및 제2전자 코일(22,26)과 제1 및 제2코어(24,28)를 설치한다. 제2코어(28)과 외통(30)사이에 유압펌프(72)에서 적당한 유압의 공급을 받는 오일실(32)을 설치한다. 에어실(38,40)에 그들의 내압을 제어하는 PCV(60,64) 및 에어펌프(68)를 연결한다.

Description

내연기관의 밸브 구동장치

제1도는 본 발명의 일 실시예인 내연기관의 밸브 구동장치의 전체 구성도.

제2도는 본 실시예의 밸브 구동장치에 있어서 전자력과 부가력의 특성도(예1).

제3도는 본 실시예의 밸브 구동장치에 있어서 전자력과 부가력의 특성도(예2).

제4도는 본 실시예의 밸브 구동장치 제어계의 블럭 구성도.

제5도는 본 실시예의 밸브 구동장치 에어실에 공급하는 목표 공기압의 한 예를 도시한 그래프.

제6도는 본 실시예의 밸브 구동장치 에어실에 공급하는 목표 유압의 한 예를 도시한 그래프.

제7도는 본 실시예에 있어서 전자제어 유니트가 실행하는 루틴의 한 예의 흐름도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 밸브 구동장치 12 : 밸브

14 : 밸브측 17 : 플런저 홀더

20 : 플런저 22 : 제1전자 코일

24 : 제1코어 26 : 제2전자 코일

28 : 제2코어 32 : 오일실

38,40 : 에어실 42,44 : 실린더

58,62,70 : 전자밸브 60,64 : PCV

68 : 에어펌프 72 : 유압펌프

80 : 전자제어 유니트(ECU)

[산업상의 이용분야]

본 발명은 내연기관의 밸브 구동장치에 관한 것으로서, 특히, 내연기관의 흡기 밸브, 또는 배기 밸브를 전자력으로 구동하는 내연기관의 밸브 구동장치에 관한 것이다.

[종래의 기술]

종래부터 내연기관의 흡배기 밸브등을 전자력으로 구동하는 장치로서, 예를 들면 일본 특허공개 소 61-2378101호 공보에 명시된 것과 같이 밸브에 고정되는 플런저를 중립 위치로 부가하는 스프링과, 플런저에 각각 밸브 폐쇄 방향 또는 밸브 개방 방향의 전자력을 부여하는 제1 및 제2전자 코일과, 또한 밸브축에 밸브개방 방향의 전자력을 부여하는 제3전자 코일로 구성되는 장치가 알려져 있다.

이 장치에 의하면 제1 및 제2전자 코일에 적합한 전류를 공급하므로써 밸브를 중립 위치에서 밸브 개방 방향, 또는 밸브 폐쇄 방향으로 변위시킬 수 있음과 동시에 제3전자 코일로의 통전 상태를 제어하므로써 플런저의 중립 위치를 변경할 수가 있다.

이 경우, 예를 들어 중립 위치를 밸브 폐쇄 쪽으로 치우치도록 하면 제1전자 코일에 약간의 전류를 공급하는 것만으로 밸브를 폐쇄 상태로 유지할 수가 있고, 또한 중립 위치를 밸브 개방 방향으로 치우치게 하면 제2전자 코일에 약간의 전류를 공급하는 것만으로 밸브를 개방 상태로 유지할 수 있게 된다.

따라서, 종래예에 기재된 밸브 구동장치에 의하면 비교적 긴 밸브 폐쇄 시간이 요구되는 경우에는 중립 위치를 밸브 폐쇄 쪽에, 또한 비교적 긴 밸브 개방 시간이 요구되는 경우에는 중립 위치를 밸브의 개방 쪽으로 각각 변경하므로써, 적은 소비전력으로 밸브를 구동할 수가 있다.

[발명이 해결하려고 하는 과제]

그런데, 내연기관의 흡기밸브 및 배기밸브에 요구되는 스트로크 즉, 흡기밸브 및 배기밸브에 요구되는 개도(開度)는 내연기관의 전체운전 영역을 통하여 균일하지 않고, 흡입 공기량이 소량인 경우에는 흡입공기량이 다량인 경우에 비해서 적은 스트로크로 충분히 희망하는 유통량이 확보된다.

한편, 흡기밸브 및 배기밸브를 전자력으로 구동하는 경우, 구동시의 스트로크가 클수록 밸브에 부여될 전자력으로서 큰 힘이 필요하게 되고 그 때문에 밸브의 구동에 필요한 소비 전력이 커지게 된다.

따라서, 내연기관의 흡기 밸브 및 배기 밸브를 전자력으로 구동하는 밸브 구동 장치의 절전화를 도모하는 의미에서는, 밸브의 중립 위치를 적절하게 변경할 수 있을 뿐만 아니라 밸브의 스트로크 길이도 변경가능한 것이 본래 요망된다.

이것에 대해서, 종래의 밸브 구동장치는 어디까지나 밸브의 중립 위치를 변경시킬 수 있을 뿐이고, 그것의 스트로크 길이는 변경시킬 수 없는 장치였다. 이 같은 의미에서 종래의 장치는 아직 절전화의 측면에서 개량의 여지를 남기고 있었다.

본 발명은 상술한 점을 감안하여 이루어진 것으로서, 밸브의 중립 위치뿐만 아니라 밸브의 스트로크 길이도 변경할 수 있도록 구성하므로써 상기 과제를 해결하는 내연기관의 밸브 구동장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

[과제를 해결하기 위한 수단]

상기 목적은, 청구항 제1항에 기재하는 바와 같이 밸브에 소정의 중간 개방위치로 향하는 부가력을 부여하는 부가수단과, 밸브에 밸브 폐쇄 방향의 전자력을 부여하는 제1전자 코일과, 밸브에 밸브 개방 방향의 전자력을 부여하는 제2전자 코일을 구비하는 내연기관의 밸브 구동장치에 있어서,

상기 제2전자 코일을 밸브축 방향으로 변위시키는 변위 부여 수단과, 상기 소정의 중간 개방 위치를 변경하는 중립위치 변경 수단을 구비하며,

상기 부가수단이 유체압력에 의해 상기 밸브에 희망하는 부가력을 부여하는 유체 압력 부여기구에 의해 구성되는 내연기관의 밸브 구동장치에 의해 달성되며, 응답성의 향상과 새로운 절전화의 실현에 유효하다.

[작용]

청구항 제1항에 기재된 발명에 있어서, 상기 밸브에는 부가수단 및 상기 제1전자 코일 및 제2전자 코일에서 소정의 외력이 부여된다. 따라서, 상기 제1 및 제2전자 코일이 전자력을 발생하지 않는 경우에는 상기 밸브의 위치, 즉 밸브의 중립 위치는 소정의 중간 개방 위치로 된다.

여기에서, 상기 소정의 중간 개방 위치는, 상기 중립 위치 변경 수단에 의해 적절하게 변경할 수 있다. 따라서 본 발명에 있어서는 밸브의 중립 위치를 적절하게 설정할 수 있게 된다.

또한, 상기 밸브는 상기 제1전자 코일이 전자력을 발생하므로서 전체 폐쇄 상태로 되고 제2전자 코일이 전자력을 발생하므로서 전체 개방 상태로 된다. 이때, 밸브에 발생되는 스트로크 길이는 제1전자 코일과 제2전자 코일과의 간격이 클수록 커진다.

이에 대해서, 제2전자 코일은 변위 부여수단에 의해 밸브축 방향으로 변위 되어진다. 따라서, 본 발명에 있어서는 밸브의 전체 개방 위치를 변화시키므로써 스트로크 길이를 적절하게 설정할 수 있게 된다.

또한, 부가수단은 유체 압력을 부가력으로 하는 유체 압력 부여기구에 의해 실현된다. 이 경우에, 유체 압력 부여기구는 코일스프링 등에 비해서 경량이므로, 본 발명에 따른 밸브 구동장치에 있어서 매우 경량인 가동부가 실현되고 응답성의 향상 및 새로운 절전화의 실현에 유리한 상황이 형성된다.

[실시예]

제1도는 본 발명의 일 실시예인 내연기관의 밸브 구동장치(10)의 전체 구성도를 도시한다. 도면에 있어서, 밸브(12)는 도면의 하단부를 내연기관의 연소실내로 노출시킨 상태에서 실린더 헤드내에 설치되고 내연기관의 흡기밸브 또는 배기밸브를 구성하는 부재이다.

즉, 내연기관의 실린더 헤드에는 밸브(12)에 대한 밸브 시트를 구비하는 포트가 설치되어 있고 밸브(12)가 밸브 시트에서 이탈하거나 또는 착석하므로써 포트의 개폐가 제어된다.

밸브(12)에는 밸브축(14)이 고정되어 있다. 밸브 축(14)은 밸브가이드(16)에 의해 축방향으로 습동가능하게 지지됨과 동시에 그 상단에 있어서 플런저 홀더(17)에 고정되어 있다. 여기에서, 본 실시예에 있어서는 밸브축(14)과 밸브가이드(16)사이 및 밸브축(14)과 플런저 홀더(17)사이에 적당한 밀폐성을 확보하도록 그들의 경계면에 실링(18,19)을 설치하고 있다.

플런저 홀더(17)는 비자성 재료로 구성된 부재이고 그것의 외주부에는 연자성 재료로 구성된 플런저(20)가 접합되어 있다. 플런저(20)의 윗쪽에는 소정의 거리로 이격되어 제1전자 코일(22) 및 제1코어(24)가 설치되어 있다. 또 플런저(20)의 아랫쪽에는 동일하게 소정의 거리로 이격되어 제2전자 코일(26) 및 제2코어(28)가 설치되어 있다.

제1 및 제2코어(24,28)는 모두 연자성 재료로 구성된 부재이고 제1코어(24)는 외통 (30)의 상단 부근에 압입고정되고 또 제2코어(28)는 외통(30)의 내부에 습동가능하게 끼워져 있다. 그래서 제1 및 제2코어(24,28) 및 외통(30)은 외통(30)이 실린더 헤드(31)내에 압입되고 또한 제2코어(28)의 선단부가 실린더 헤드(31)내에 습동가능하게 끼워진 상태로 사용된다.

제2코어(28)와 외통(30)사이에는 제2코어(28)가 축방향으로 변위된 경우에 그 체적이 변동되는 오일실(32)이 형성되어 있다. 여기에서, 오일실(32)의 상하에는 각각 제2코어(28)와 외통(30)사이의 밀폐성을 확보하는 O링(34,36)이 설치되어 있다.

또한, 제1 및 제2코어(24,28)는 모두 그 중심근처에 에어실(38,40)을 갖추고 있다. 그리고, 상기 에어실(38,40)에는 각각 플런저 홀더(17)의 상하에 일체성형된 실린더(42,44)가 습동가능하게 끼워져 있다.

여기에서, 에어실(38)과 실린더(42)와의 사이 및 에어실(40)과 실린더(44)와의 사이에는 각각 적당한 밀폐성을 확보하도록 실링(46,48)이 장착되어 있다. 따라서, 이들 에어실(38,40)은 각각 실린더(42,44) 및 플린저 홀더(17)에 의해 적당한 폐쇄 상태로 보존되어 있게 된다.

그런데, 제1코어(24)의 내부에는 외부에서 에어실(38)로 향하는 공기의 흐름만을 허용하는 체크 밸브(50) 및 에어실(38)로부터 외부로 향하는 공기의 흐름만을 허용하는 체크 밸브(52)가 내장되어 있다. 동일하게 제2코어(28)에는 외부에서 에어실(40)로 향하는 공기의 흐름만을 허용하는 체크 밸브(54) 및 에어실(40)로부터 외부로 향하는 공기의 흐름만을 허용하는 체크 밸브(56)가 내장되어 있다.

그리고, 에어실(38)로 통하는 체크 밸브(50,52)에는 각각 전자밸브(58) 및 압력 제어 밸브(PCV)(60)가 연통되며, 에어실(40)로 통하는 체크 밸브(54,56)에는 제2코어(28)와 실린더 헤드(31)와의 사이에 형성되는 공간을 거쳐서 각각 전자밸브(62) 및 PCV(64)가 연통되어 있다.

전자밸브(58,72)는 외부에서의 구동신호에 딸 개폐되는 밸브로서, 축적기(66), 및 에어펌프(68)에 연통되어 있다. 또, PCV(60,62)는 외부로부터 적당하게 밸브가 열리는 압력을 설정할 수 있는 정압 개방 밸브이고 모두 대기에 개방되어 있다.

따라서 전자밸브(58,62)를 열어서 에어실(38,40)에 에어펌프(68)의 토출압력을 유도한 경우, 체크 밸브(52,56)의 유출구쪽 압력이 PCV(60, 64)의 개방 밸브 설정압에 도달한 시점에 PCV(60,64)가 열리고, 이후 에어실(38,40)의 내압이 PCV(60,64)의 밸브 개방 설정압으로 제어된다.

또한, PCV(60,64)의 밸브 개방 설정압이 다른 경우에는 과도적으로 에어실(38)과 에어실(40)사이에 차압이 생기지만, 그후 플런저 홀더(17) 및 실린더(42,44)가 고압측에서 저압측으로 변이되기 때문에, 최종적으로 에어실(38,40)은 PCV(60)의 밸브 개방 설정압과 PCV(64)의 밸브 개방 설정압중에서 저압의 밸브 개방 설정압으로 모두 제어된다.

또한, 상술한 오일실(32)에는 전자 밸브(70)를 거쳐서 유압 펌프(72)의 토출구가 연통되어 있다. 여기에서, 전자밸브(70)는 상술한 전자밸브(58,62)와 같이 외부로부터의 고동 신호에 따라 개폐되는 밸브이다. 또 유압펌프(72)는 외부에서 적당하게 토출압력을 설장할 수 있는 가변용량 펌프이다.

따라서, 전자밸브(70)를 열면 오일실(32)에는 유압펌프(72)의 설정 토출 압력이 유도된다. 상기 압력이 고압이면 오일실(32)의 체적이 확대되어 제2코어(28)가 제1도의 윗쪽으로 변위되며, 한편 상기 압력이 저압이면 오일실(32)의 체적이 축소되어 제2코어(28)가 제1도의 아랫쪽으로 변위하게 된다.

다음으로, 상술한 밸브 구동장치(10)의 동작에 대해서 설명한다. 상술한 구성의 밸브 구동장치(10)에 있어서, 제1전자 코일(22)에 전류를 유통시켜서 상기 내주측 및 외주측을 환류하는 자계를 발생시키면, 제1코어(24), 플런저(20), 및 양자간의 에어갭으로 구성되는 자기회로에 자속이 유통되어 플런저(20)에 제1도의 윗쪽으로 향하는 전자력이 작용한다.

한편, 제2전자 코일(26)에 전류를 유통시켜서 그 내주측 및 외주측을 환류하는 자계를 발생시키면, 제2코어(28), 플런저(20), 및 양자간의 에어갭으로 구성되는 자기회로에 자속이 유통되고 플런저(20)에는 제1도의 아래쪽으로 향하는 전자흡인력이 작용한다.

따라서 전자 코일(22,26)에 교대로 적당한 교류를 유통시키면 플런저(20)를 상하방향으로 왕복운동시킬 수가 있고 이것에 의해 밸브(12)의 개폐상태를 절환하는 것이 가능하다.

그런데, 플런저(20)에 변이가 생기면, 그 결과 에어실(38,40)의 체적에 변화가 발생하여 플런저(20) 즉, 플런저 홀더(17)에는 플런저(20)를 중립위치로 향해서 가압하는 방향으로, 크기가 다음식으로 나타내어지는 부가력(F)이 작용한다.

단, S : 실린더(44,46) 단면적

P₀: 에어실(38,40) 초기압력

V₀: 에어실(38,40) 초기부피

L : 밸브(12)스트로크

R : 비열비

이때, 부가력(F)은 밸브(12) 스트로크(L)와의 관계에서 근사적으로 다음식과 같이 나타낼 수가 있다.

단, K : 에어 스프링 정수

이에 대해서 밸브 구동장치(10)에 있어서, 밸브(12)의 작동에 습동 손실이 수반하지 않는다면 밸브(12), 플런저(20)등으로 구성되는 가동부는 스프링 질량계의 단진동을 향하게 된다. 이때, 가동부가 한쪽의 변이 단부에서 다른쪽의 변이 단부로 천이하는데에 필요한 시간(천이시간)(t)은 가동부 질량(M)과 상술한 에어 스프링 정수(K)를 사용해서 다음식과 같이 나타낼 수가 있다.

따라서, 내연기관의 고속 운전에 대응하도록 밸브 구동장치(10)의 응답속도를 높이기 위해서는, 즉 내연기관의 고속 운전에 대응하도록 천이시간(t)을 단축하기 위해서는 가동부 질량(M)을 작게 하거나 합성 스프링 정수(k)를 높이는 것이 필요하게 된다.

그런데, 제2도에서 파선으로 도시된 직선은 밸브(12)가 중립점과 위측 변위 단부와의 사이에 존재할 때의 부가력(F)과 스트로크(L)와의 관계를 나타낸 것으로서, 기울기가 급한 직선(도면중 ①)은 에어 스프링 정수(K)가 큰 경우, 기울기가 완만한 직선(도면중 ②)은 에어 스프링 정수(K)가 작은 경우를 표시하고 있다.

이 경우, 밸브(12)가 중립 위치에 지지된 상태에서 밸브(12)를 윗쪽 변위 단부까지 변위시키기 위해서는 제1전자 코일(22)에 항상 상기 부가력보다 큰 전자력을 발생시킬 필요가 있고 제2도중 도면부호 ③ 및 ④로 표시하는 곡선은, 이와 같은 관점에서 제1전자 코일(22)에 유통해야 할 전류를 결정한 경우의 전자력 스트로크 특성을 표시한 것이다.

이때, 곡선 ④의 특성은, 곡선 ③의 특성에 비해서 소량의 전류를 제1전자 코일(22)에 유통하므로써 실현할 수가 있다. 따라서, 밸브 구동장치(10)의 절전 전력화를 도모하는 의미에서는 합성 스프링 정수(K)가 큰 편이 유리하게 된다.

이 때문에, 밸브 구동장치(10)에 있어서는 고속 응답성이 요구되는 내연기관의 고속 운전중에만 에어 스프링 정수(K)를 높이고, 고속 응답성이 요구되지 않는 내연기관의 저속 운전중에는 에어 스프링 정수(K)를 낮게 설정하면 희망하는 응답성을 확보하면서 유효하게 절전화를 도모할 수 있게 된다.

이에 대해서, 본 실시예의 밸브 구동장치(10)에 있어서는 상술한 바와 같이 PCV(60,64)의 설정 개방압을 적절하게 변경하므로써 에어실(38,40)의 내압(P₀)을 변경하는 것이 가능하다. 그리고 에어실(38,40)의 내압(P₀)이 변하면 그 변화에 따라 에어 스프링 정수(K)가 변화하게 된다.

즉, 본 실시예의 밸브 구동장치(10)에 의하면, PCV(60,64)의 설정 개방압을 변경하므로써 에어 스프링 정수(K)를 적절하게 변경할 수 있고, 내연기관의 운전상태에 따라 적절하게 상기 스프링 정수(K)를 변경하므로써 희망하는 고속 응답성을 확보하면서 유효한 절전화를 실현할 수 있다.

또한, 제3도는 밸브(12)의 윗쪽 변위 단부와 중립 위치와의 사이의 거리가 큰 경우에 있어서 부가력(F)과 스트로크(L)와의 관계(도면중 ①), 그 거리가 작은 경우에 있어서 부가력(F)과 스트로크(L)와의 관계(도면중 ②) 및 각각의 부가력에 대해서 중립위치에 존재하는 밸브(12)를 윗쪽 변위 단부까지 변위시키기 위해 필요한 전자력 스트로크 특성(도면중 ③,④)를 표시한 것이다.

이때 직선 ①과 직선 ②는 동일한 에어 스프링 정수(K)에 대한 부가력이지만, 밸브(12)가 윗쪽 변위 단부에 도달할 때의 밸브(12)에 부여되는 스트로크 길이의 차이에서 직선 ①의 경우와 직선 ②의 경우에 발생하는 부가력에 차이가 발생된다. 그리고, 곡선 ④의 특성은 곡선 ③의 특성에 비해서 소량의 전류를 제1전자코일(20)에 유통하므로써 실현할 수 있기 때문에 밸브 구동장치(10)의 절전 전력화를 도모하는 의미에서는 윗쪽 변위단부와 중립위치와의 거리가 작은 편이 유리한 것으로 된다.

이에 대해서 밸브(12)에 부여되야 할 스트로크 길이는 내연기관에 공급해야 할 흡입 공기량이 다량인 경우에는 비교적 크게 확보할 필요가 있으나 흡입 공기량이 소량인 경우에는 그다지 크게 확보할 필요는 없다. 따라서 내연기관에 다량의 흡입 공기량이 요구되고 있는 경우에는 큰 스트로크 길이를, 또한, 내연기관에 그다지 다량의 흡입 공기량이 요구되지 않는 경우에는 작은 스트로크 길이를 적절한 밸브(12)에 부여하면, 희망하는 흡기 및 배기 특성을 손실하는 일없이 밸브 구동장치(10)의 절전화를 도모할 수 있다.

이에 대해서 본 실시예의 밸브 구동장치(10)는 상술한 바와 같이 오일실(32)에 공급하는 유압을 변경하므로써 제2코어(28)를 상하로 이동시킬 수 있는 구성이다. 따라서 제2코어(28)가 상하로 이동하면 제1코어(24)와 제2코어(28)와의 간격, 즉 플런저(20)가 상하운동할 수 있는 폭이 변화하게 된다.

여기에서 플런저(20)가 상한으로 될 수 있는 폭은 밸브(12)의 윗측 변위 단부와 아랫측 변위 단부와의 거리 즉, 밸브(12)에 부여되는 스트로크 길이이다. 즉, 본 실시예의 밸브 구동장치(10)에 의하면 오일실(32)에 공급하는 유압을 변화시키므로써 밸브(12)에 부여되는 스트로크 길이가 변경될 수 있게 된다.

따라서, 본 실시예의 밸브 구동장치(10)에 의하면 내연기관의 운전상태에 따라 적절하게 오일실(32)에 공급하는 유압을 변경시키므로써 희망하는 흡기 및 배기 특성을 하등의 손실하는 일없이 유효한 절전화를 실현할 수 있다.

그런데, 플런저(20)의 중립위치에 대해서 하등의 보정을 실시하지 않고, 상술한 바와 같이 스트로크 길이를 변경한 경우, 플런저(20)가 중립위치에 위치할 때에 제1 또는 제2코어(24,28)의 어느 쪽에 치우친 상태가 형성된다.

그래서, 이와 같이 플런저(20)가 제1 또는 제2코어(24,28)의 어느 쪽에 치우친 상태로 되면 플런저(20)를 밸브 폐쇄 방향으로 흡인하는 제1전자 코일(22)에 공급해야 할 전류치와, 플런저(20)를 밸브 개방 방향으로 흡인해야 할 제2전자 코일(26)에 공급해야 할 전류치를 다르게 할 필요가 발생하고, 또한, 밸브(12)가 닫히는 방향으로 변위될 때의 특성과 밸브(12)가 개방되는 방향으로 변위될 때 특성의 차이가 발생하며, 밸브 구동장치(10)의 제어 및 작동상 각종의 불합리함이 생긴다.

이에 대해서 본 실시예의 밸브 구동장치(10)에 있어서는 상술하는 바와 같이 PCV(60)의 밸브 개방 설정압과 PCV(64)의 밸브 개방 설정압을 다르게 함으로써 플런저 홀더(17) 및 실린더(44,46)를 적절하게 상하로 변위시킬 수 있다.

따라서, 제2코어(28)를 상하 운동시켜서 밸브(12)의 스트로크 길이(L)를 변경한 경우에 그 변경거리(△L)의 1/2만큼 플런저 홀더(17) 및 실린더(44,46)에도 변위를 부여하면, 항상 플런저(20)를 제1코어(24)와 제2코어(28)의 중간위치에 유지하면서 밸브(12)의 스트로크 길이(L)를 변경할 수 있게 된다.

이 때문에 본 실시예의 밸브 구동장치(10)에 의하면 밸브(12)의 구동성능을 하등 손실없이, 또한 밸브(12)의 구동에 하등 복잡한 제어를 사용하는 일없이 밸브(12)에 요구되는 개도와 응답성등을 모두 만족하면서 이상적인 절전화를 실현할 수 있다.

또, 본 실시예의 밸브 구동장치(10)는 상술한 바와 같이 밸브(12)에 대한 부가력이 에어실(38,40)내에 봉입되는 공기에 의해 발생되는 구성이다. 즉, 밸브 구동장치(10)에 있어서는 에어실(38,40) 및 실린더(42,44)에 의해 형성되는 에어스프링에 의해 밸브(12)를 중립위치로 유지하기 위해 부가력이 발생되는 구성이다.

여기에서 상기 부가력이 예를 들어, 질량(ms)의 코일스프링 등에 의해 부여되는 경우에는 밸브(12), 밸브축(14), 플런저홀더(17), 플런저(20)등 실제로 변위되는 부위의 중량을 mv로 하여 상기 식(3)중에 있어서 가동부 중량(M)은 다음식과 같이 나타낼 수가 있다.

따라서, 상기 부가력이 공기에 의해 부여되는 본 실시예의 밸브 구동장치(10)는 부가력을 얻기위해 코일스프링등을 사용하는 장치에 비해서 ms/3만큼 가동부 중량(M)이 경량화 된다.

이 때문에 본 실시예의 밸브 구동장치(10)에 의하면 코일스프링 등을 사용하는 장치에 비해서 스프링 정수(K)를 보다 작은 값으로 설정하면서 희망하는 응답성을 확보할 수가 있고 그런 의미에서도 절전화에 유리한 장점을 갖게 된다.

이어서, 제4도 내지 제7도를 참조하여 상술한 밸브 구동장치(10)의 스트로크 길이 및 에어스프링 정수의 제어예에 대해서 설명한다.

제4도는 밸브 구동장치(10)의 제어계인 블록 구성도를 도시한다. 도면에 도시하는 바와 같이 전자 제어 유니트(ECU)(80)에는 기관회전수(NE)를 검출하는 NE 센서(82), 내연기관에 공급되는 공기량을 검출하는 흡입공기량 센서(84), 스로틀밸브의 개도를 검출하는 스로틀 개도 센서(86), 내연기관의 냉각수온을 검출하는 수온센서(88) 및 소정의 상황 아래에서 내연기관의 연소싸이클을 변경하는 지령을 발하는 가변 싸이클 지령기구(90)가 접속되어 있다.

여기에서 ECU(80)는 마이크로 컴퓨터를 주체로 구성되는 유니트이고 상기 각 센서 등의 출력에 의거해서 후술한 처리를 행하므로써 밸브 구동장치(10)에 설치된 전자밸브(58,62,70), PCV(60,64), 유압펌프(72)등을 적절히 제어하는 유니트이다.

또 상술한 가변싸이클 지령기구(90)는 내연기관의 운전상황 등에 따라 내연기관의 연소싸이클을 4싸이클에서 2싸이클로 또는 2싸이클에서 4싸이클로 변경하는 지령을 발하는 기구이다.

즉, 피스톤 윗쪽으로 형성되는 연소실내에 흡기밸브 및 배기 밸브를 갖춘 재연기관은 통상 4싸이클의 연소싸이클로 운전되고, 피스톤이 상사점 근처에서 하사점으로 향할 때에 흡기밸브가 열려서 흡기행정이 피스톤이 하사점 근처에서 상사점으로 향할 때에 흡기밸브 및 배기밸브가 폐쇄 상태로 되어 압축행정이 실시되고, 계속해서 피스톤이 상사점 근처에서 하사점으로 향하는 과정에서 폭발행정이 실시되며, 다시 그후 피스톤이 하사점 근처에서 상사점으로 향하는 과정에서 배기밸브가 열려서 배기행정이 실행된다.

이에 대해서, 예를 들면 내연기관에 대해서 강제적으로 혼합기를 공급하는 슈퍼차져 등의 과급기를 구비하고, 또한 흡기밸브 및 배기밸브의 구동속도가 변경되는 내연기관에 있어서는, 피스톤이 상사점 근처에서 하사점으로 향할 때 흡기밸브와 배기밸브를 개방하고, 또한 피스톤이 상사점 근처에 도달할 때 점화를 행한다면 2싸이클의 연소싸이클이 실현된다.

즉, 이같은 싸이클로 흡기밸브 및 배기밸브를 구동한 경우, 피스톤이 상사점 근처에서 하사점으로 향하는 과정에서 혼합기가 강제적으로 연소실내로 공급되고 또한 연소실내에 존재하는 배기가스가 강제적으로 배출된다.

그래서, 흡기밸브 및 배기밸브가 열려서 피스톤이 하사점 근처에서 상사점으로 향하는 과정에서는 혼합기의 압축이 행해지고, 피스톤이 상사점 근처에 도달한 시점에서 점화를 실행하므로써 기관 1회전당 1회의 폭발행정을 할 수 있다. 이후 상술한 동작을 반복하면 내연기관이 2싸이클의 연소싸이클로 운전된다.

또, 상술한 2싸이클의 연소싸이클로 내연기관을 운전한 경우에 4싸이클의 연소 싸이클로 운전하는 경우에 비해서 큰 출력토오크가 얻어지는 반면 새로운 공기의 흡인량이 다량으로 되기 때문에 연비가 악화 된다. 이 때문에 연비도 고려해서 뛰어난 출력특성을 확보하기 위해서는 내연기관의 운전상태에 따라 2싸이클과 4싸이클을 알맞게 절환하는 것이 적절하다.

따라서, 본 실시예의 밸브 구동장치(10)를 흡기밸브 및 배기밸브의 구동장치로 사용하고, 슈퍼챠져등의 과급기를 구비하는 내연기관에 있어서는 2싸이클의 연소싸이클과 4싸이클의 연소싸이클을 적절하게 절환하므로써, 대폭적인 연비 특성의 악화를 수반하는 일이 없이 출력 특성의 향상을 도모할 수 있다.

상술한 가변싸이클 지령기구(90)는 이와 같은 점에 착안해서 설치된 기구로서, 내연기관에 큰 출력토오크가 요구되는 경우에는 연소싸이클을 2싸이클로 하는 뜻의 지령을, 또한, 내연기관에 그다지 큰 출력 토오크가 요구되지 않는 경우에는 연소 싸이클을 4싸이클로 하는 뜻의 지령을 적절하게 발한다.

제5도는 ECU(80)가 에어실(38,40)로 공급해야 할 목표공기압(PA)을 연산할 때 참조하는 그래프의 한예를 도시한다. 상술하는 바와 같이, 밸브(12)를 중립위치에 부가하는 에어 스프링의 스프링 정수(K)는 요구하는 응답속도가 빠를수록 큰 값으로 할 필요가 있다. 이 때문에 에어실(38,40)에 공급해야 할 목표공기압(PA)에도 기관회전수(NE)가 증가할수록 큰 값이 요구되고, 그 그래프는 제5도에 도시하는 바와 같이 NE에 대해서 우측이 올라간 특성으로 나타낸다.

그런데, 내연기관에 있어서 흡기밸브 및 배기밸브가 개방되기 위해서는 흡기밸브 및 배기밸브가 연소실내에 잔존하는 연소압에 대항해서 개방될 필요가 있다. 한편 연소실 내에 생기는 연소압은 기관 1회전당의 흡입공기량(Q/N)이 큰 만큼 큰 값으로 된다. 따라서 밸브 구동장치(10)는 Q/N이 클수록 밸브(12)를 개방시키기 위해 큰 힘을 발휘하지 않으면 않된다.

이때, 밸브 구동장치(10)에 있어서, 밸브(12)를 폐쇄 위치에서 개방 방향으로 부가하는 힘은 에어스프링의 부가력에 의해 조달되고 있어서, Q/N이 큰 만큼 에어스프링의 부가력을 크게 하면 즉, 에어실(38,40)의 목표공기압(PA)을 높이면 상술한 요구가 만족하게 된다.

이 때문에, 제5도에 도시하는 목표공기압(PA) 그래프는 NE가 증가할수록 PA가 증가함과 동시에 Q/N이 클수록 PA가 큰 값으로 되도록 NE와 Q/N의 2차원 그래프로 설정되어 있다.

제6도는 ECU(80)가 오일실(32)에 공급해야 할 목표유압(PO)을 연산할 때 참조하는 그래프의 한예를 도시한다.

도면에 도시하는 바와같이 본 실시예에 있어서는 목표유압(PO)을 내연기관에 요구되는 요구흡입공기량(이하, 요구 Q/N이라고 칭함)의 관수로서 정하고 있다.

즉, 목표유압(PO)은 제2코어(28)를 상하운동시키므로써 밸브(12)의 스트로크길이를 적당하게 제어하기 위해 결정하는 파라미터이다. 따라서, 그 값은 내연기관에 대해서 다량의 흡입공기(Q/N)가 요구되고 있는 경우에는 긴 스트로크 길이가 확보되도록, 또한 요구 Q/N이 소량인 경우에는 짧은 스트로크 길이가 확보되도록 설정해야 된다.

이에 대해서, 밸브 구동장치(10)에 있어서는 오일실(32)에 높은 유압을 공급할수록 스트로크 길이가 짧아지며, 또한, 상기 유압이 저압일수록 스트로크 길이가 길어지는 것은 상술한 바와 같다. 이 때문에, 본 실시예에 있어서는 제6도에 도시하는 바와 같이 요구 Q/N이 증가할수록 목표(PO)가 작아지도록 목표유압(PO)의 그래프를 설정하고 있다.

제7도는 상술한 제5도 및 제6도에 도시하는 그래프를 이용해서 밸브 구동장치(10)의 스트로크 길이 및 에어 스프링 정수를 적당하게 제어하는 ECU(80)가 실행하는 스트로크·스프링 정수 제어 루틴의 한예의 흐름도를 도시한다.

제7도에 도시하는 루틴에 있어서는 기동후 먼저 스템(100)에 있어서, 이후의 연산에 필요한 각종을 파라미터를 입력시키는 처리를 한다. 여기에서 본 실시예에 있어서는 상술한 제4도에 도시하는 NE센서(82), 흡입공기량 센서(84), 스로틀 개도센서(86), 수온센서(88) 및 가변싸이클 지령기구(90)에서 공급되는 각종 신호가 입력된다.

다음으로 스템(102)에서는 상기 스텝(100)에서 입력된 기관회전수(NE)와 흡입공기량(Q)에 근거하여 기관 1회전당 흡입되어 있는 실흡입공기량(이하, 실 Q/N이라 칭함)을 연산한다.

또한, 스텝(104)에서는 기관회전수(NE), 스로틀 개도(THA), 냉각수온(THW)등에 근거해서 내연기관에 대한 요구 Q/N을 연산한다.

그리고, 스텝(106)에서는 상술한 제5도에 도시하는 그래프를 NE 및 실 Q/N으로 검색하므로써 목표공기압(PA)을 연산한다. 또한, 이 경우에 가변싸이클 지령기구(90)에서 4싸이클로 해야하는 지령이 나와 있는 경우는 그래프에서 읽어낸 값을 그대로 PA로 사용하며, 2싸이클로 해야할 지령이 발해져 있는 4싸이클시의 2배의 응답성이 실현되도록 그래프에서 읽어낸 값에 필요한 보정을 실시해서 PA로한다.

스텝(108)에서는 상술한 제6도에 도시하는 그래프를 요구 Q/N으로 검색하므로써 목표유압(PO)을 연산한다. 본 스텝에서는 목표 유압(PO)을 오일실(32)에 공급하므로써 발생하는 밸브(12)의 스트로크 변화 길이(△L)의 연산도 실행한다.

이들의 연산을 끝내면 다음에 스텝(110)으로 진행하고, 전자밸브(58,62) 및 PCV(60,64)등의 에어계 기기로 향해서 희망하는 상태를 실현하도록 구동신호를 출력한다.

여기에서 이들의 구동신호는 에어실(38,40)의 압력이 목표공기압(PA)으로 되고 또한 밸브(12)의 중립위치가 △L/2만큼 제2의 코어(28)의 변위방향과 같은 방향으로 이동하도록, 즉 제2코어(28)에 △L의 변위가 주어진 후 밸브(12)의 중립위치가 제1코어(24)와 제2코어(28)의 중간위치로 되도록 설정된 신호이다.

이후, 스텝(112)에 있어서, 제2코어(28)를 △L만큼 변위시키도록 전자밸브(70) 및 유압펌프(72)로 이루어지는 유압계 기기를 향해서 구동신호를 출력하여 이번회의 처리를 종료한다.

이 경우, 밸브 구동장치(10)를 탑재하는 내연기관에 요구되는 흡기능력 및 배기능력을 전체운전 영역에 있어서 하등의 손실되는 일없이 또한 매우 적은 소비전력으로 밸브(12)가 구동하게 된다.

그런데, ECU(80)가 상술한 루틴을 실행하는 경우 가변싸이클 지령기구(90)에서 4사이클을 2싸이클로 절환할 뜻이 지령이 발해진 직후에는 급격히 에어실(38,40)의 압력을 높일 필요가 생긴다. 이에 대해서, 예를 들면 축적기(66)내에 미리 소정의 고압에어를 축적해 두고 이같은 지령이 발해진 경우에 고압에어를 에어실(38,40)에 공급하는 구성으로 하면 상술한 요구를 만족시킬 수가 있다.

또한, 상술한 실시예에 있어서는 에어실(38,40) 및 실린더(42,44)로 이루어지는 에어스프링이 상술한 부가수단 및 유체압력 부여기구에, 또한 오일실(32) 및 유압펌프(72)가 상술한 변위 부여수단에, 에어실(38,40) 및 실린더(42,44)로 이루어지는 에어스프링, PCV(60,64) 및 에어펌프(68)가 상술한 중립위치 변경수단에 각각 해당된다.

[발명의 효과]

상술한 바와 같이 청구항 제1항에 기재된 발명에 의하면 밸브의 중립위치와 전체 개방위치를 적절하게 변경하여 설정할 수 있다. 이 때문에 본 발명에 따른 밸브 구동장치에 의하면 밸브의 중립위치를 밸브의 전체 개방 위치와 전체 폐쇄 위치의 중간위치로 유지하면서 밸브에 부여되는 스트로크 길이를 변경할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 밸브 구동장치에 의하면 밸브가 개방 방향으로 이동할 때의 특성과 밸브가 폐쇄 방향으로 이동할 때의 특성을 동일하게 유지하면서, 내연기관의 운전상황에 따라 필요한 최소한의 개도를 밸브에 대해 부여할 수 있으며, 이상적인 절전화를 실현할 수 있다.

또한, 부가수단이 코일 스프링등에 의해 구성되는 장치에 비해서 경량인 가동계를 실현할 수 있다. 이 때문에 본 발명에 따른 밸브 구동장치에 의하면 뛰어난 응답성을 확보할 수 있고, 또한, 새로운 절전화를 실현할 수 있다.

Claims

밸브(12)에 소정의 중간 개방위치로 향하는 부가력을 부여하는 부가수단(38,40,42,44)과, 상기 밸브에 밸브 폐쇄 방향의 전자력을 부여하는 제1전자 코일(22)과, 상기 밸브에 밸브 개방 방향의 전자력을 부여하는 제2전자 코일(26)을 구비하는 내연기관의 밸브 구동장치에 있어서, 상기 제2전자 코일(22)을 밸브축 방향으로 변위시키는 변위 부여수단(3,62)과, 상기 소정의 중간 개방위치를 변경하는 중립위치 변경수단(38,40,42,44,60,64,68)을 구비하며, 상기 부가수단이 유체압력에 의해 상기 밸브에 원하는 부가력을 부여하는 유체압력 부여기구(38,40,42,44)에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 내연기관의 밸브 구동장치.