JP2007071186A - 電磁駆動弁 - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギ効率が改善された電磁駆動弁を提供する。
【解決手段】 電磁駆動弁は、弁軸を有し、弁軸が延びる方向に沿って往復運動するバルブ８７と、バルブ８７と連動して動く磁性部材であるディスク７４と、第１のコイル８０を含み、ディスク７４を吸着して閉弁位置に保持する第１の電磁石と、磁性部材を第１の電磁石から離す力を磁性部材に加える第１の弾性部材であるトーションバー６８と、第１の電磁石の磁力を制御するＥＣＵ３０とを備える。ＥＣＵ３０は、第１の電磁石の磁力を弱めてディスク７４を第１の電磁石から離す際に、第１のコイルに流す電流を所定の電流値の保持電流から零に減じる途中において所定の電流値と零の間の電流値が流れる期間を設けるように第１のコイルに流す電流を制御する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電磁駆動弁に関し、特に内燃機関の吸気弁または排気弁として用いられる電磁駆動弁に関する。

従来の内燃機関の電磁駆動弁に関して、たとえば、特開平１１−１０１１１０号公報（特許文献１）は、１コイル式の電磁駆動弁であって、電磁石の両側に可動板があり、可動板とバルブが一体になっているものを開示している。この例では、電磁石と両側の可動板との各隙間は、中立位置においてもどちらか一方が狭くなっている。コイルに電流が流れていない初期状態では、バルブは中立位置にあり、電流が流れると電磁石と可動板の隙間が狭い方の可動板が電磁石に吸着される。そして電流が一旦遮断されると、バルブは反対側（たとえば全閉状態から全開状態）方向へバルブスプリングにより押され、慣性力により中立位置を通り過ぎて動く。このとき再び電流が流されると、電磁力により反対側で可動板が保持される。
特開平１１−１０１１１０号公報 特開２０００−３０４１５４号公報

図５は、保持電流を下げて閉弁状態から開弁状態に電磁駆動弁を動作させる際の電流値を示した図である。

図５を参照して、時刻ｔ１０〜ｔ１１においては、電磁駆動弁を閉弁状態に保つための保持電流がコイルに流れている。時刻ｔ１１において保持電流を遮断するとスプリングによりバルブが開弁方向に動き始める。そして時刻ｔ１３〜ｔ１５において吸引電流を増加させることにより開弁側の電磁石が可動板を吸着し、時刻ｔ１６以降はこの吸着状態を保持するための保持電流が流される。

しかしながら、時刻ｔ１１において閉弁状態に保つための保持電流を瞬時に零に落とすと、コイルのリアクトルに蓄えられたエネルギに起因する逆起電流や渦電流が発生し、閉弁状態から開弁方向へスプリングにより可動板が動かされるのを妨げる力が働き、バルブのスムーズな作動の妨げになっている。これは、開弁状態から閉弁方向にバルブが初動する際も同様である。

すなわち、閉弁（または開弁）位置に可動板を保持するための保持電流を下げて、可動板を開弁（または閉弁）方向へ移動する際に、保持電流を瞬時に零アンペアに下げると、磁束やインダクタンスの急激な変化により、逆起電流または渦電流がコイルに発生する。これらの電流により生ずる電磁力が可動板の移動を妨げる電磁力、いわゆるブレーキ電磁力となってエネルギロスを発生させ消費電力の増大等を招くという問題がある。このような問題は、特に渦損の影響が大きくなる低電圧で起こりやすい。

この発明の目的は、エネルギ効率が改善された電磁駆動弁を提供することである。

この発明は、要約すると、電磁駆動弁であって、弁軸を有し、弁軸が延びる方向に沿って往復運動する弁と、弁と連動して動く磁性部材と、第１のコイルを含み、磁性部材を吸着して所定位置に保持する第１の電磁石と、磁性部材を第１の電磁石から離す力を磁性部材に加える第１の弾性部材と、第１の電磁石の磁力を制御する制御装置とを備える。制御装置は、第１の電磁石の磁力を弱めて磁性部材を第１の電磁石から離す際に、第１のコイルに流す電流を所定の電流値の保持電流から零に減じる途中において所定の電流値と零の間の電流値が流れる期間を設けるように第１のコイルに流す電流を制御する。

好ましくは、磁性部材は、一方端がベース部材に揺動自在に支持され、他方端に弁軸を弁軸が延びる方向に沿って往復運動させる作用部が設けられた揺動部材である。

好ましくは、所定の電流値と零の間の電流値が流れる期間は、電流値が単調減少する徐変期間を含む。

好ましくは、所定の電流値と零の間の電流値が流れる期間は、電流値がパルス状に増減を繰返す期間を含む。

好ましくは、所定位置は、閉弁位置であり、電磁駆動弁は、磁性部材を吸着して開弁位置に保持する第２の電磁石と、弁軸に対して弾性力を加えることにより、磁性部材を第２の電磁石から離す力を磁性部材に加える第２の弾性部材とをさらに備える。

より好ましくは、第２の電磁石は、第１のコイルと結線された第２のコイルを含み、第１、第２のコイルには、等しい電流が流れる。

さらに好ましくは、制御装置は、第１および第２のコイルに流す電流を所定の電流値の保持電流から零に減じた後に、第２の電磁石に磁性部材を吸着させるための電流を第１および第２のコイルに流すように制御を行なう。

本発明によれば、低消費電力の電磁駆動弁を実現することができる。

以下、本発明について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態に係る電磁駆動弁の概略構成を示す図である。
内燃機関であるエンジンは、シリンダブロックとシリンダヘッドとシリンダ中を上下するピストンと各気筒の吸気ポートに設けられる電磁駆動式の吸気弁と各気筒の排気ポートに設けられる電磁駆動式の排気弁とを含む。吸気弁および排気弁は、気筒毎にたとえば２個ずつ設けられる。

図１において代表的に１つの電磁駆動弁が示されている。
エンジンのシリンダブロックにはエンジン回転数を検出するクランク角センサ６が取付けられている。クランク角センサ６等の各種センサ出力は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０に入力され、このＥＣＵ３０は、燃料噴射弁の噴射時期や噴射量、点火プラグの点火時期を制御するとともに、電磁駆動ユニット（ＥＤＵ）３２に対して吸気弁または排気弁を駆動する電磁アクチュエータ２４の開弁時期を指示する。

電磁駆動弁は、弁軸を有し、弁軸が延びる方向に沿って往復運動するバルブ８７と、バルブ８７と連動して動く磁性部材であるディスク７４と、第１のコイル８０を含み、ディスク７４を吸着して閉弁位置に保持する第１の電磁石と、磁性部材を第１の電磁石から離す力を磁性部材に加える第１の弾性部材であるトーションバー６８と、第１の電磁石の磁力を制御するＥＣＵ３０とを備える。

ＥＣＵ３０は、第１の電磁石の磁力を弱めてディスク７４を第１の電磁石から離す際に、第１のコイルに流す電流を所定の電流値の保持電流から零に減じる途中において所定の電流値と零の間の電流値が流れる期間を設けるように第１のコイルに流す電流を制御する。ディスク７４は、一方端がハウジング６２に揺動自在に支持され、他方端に弁軸を弁軸が延びる方向に沿って往復運動させる作用部が設けられた揺動部材である。

電磁駆動弁は、ディスク７４を吸着して開弁位置に保持する第２の電磁石と、弁軸に対して弾性力を加えることにより、ディスク７４を第２の電磁石から離す力を磁性部材に加える第２の弾性部材であるロアスプリング８６とをさらに備える。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０は、メモリ３１を含む。メモリ３１にはクランク角センサ６の出力に対応する通電パターンがマップとして記憶されている。

バルブ８７は、上下に昇降することにより、シリンダヘッド１０に設けられた吸気口または排気口を開閉する。バルブ８７から上方に延びるバルブ軸８８の上部には中間ステム７６が設けられる。中間ステム７６の上端にはカムフォロアピン７５が取付けられている。バルブ８７は、バルブ軸８８が延びる方向に沿って往復運動する。

バルブ軸８８とシリンダヘッド１０との間にはストロークボールベアリング８９が設けられており、バルブ軸８８が上下方向に可動に支持されている。中間ステム７６の下方端には鍔部８４が設けられており、バルブ軸８８の周囲において鍔部８４とシリンダヘッド１０との間にはロアスプリング８６が配置されている。

電磁アクチュエータ２４は、ハウジング６２に固定された開弁用の電磁石と閉弁用の電磁石とを含む。開弁用電磁石は開弁用コア７８と、コイル８２とを含む。閉弁用電磁石は閉弁用コア７２とコイル８０とを含む。コイル８０とコイル８２とは結線されて共用化されているモノコイル構造である。なお、モノコイル構造とせずコイル８０とコイル８２の電流を個別にＥＤＵ３２で制御しても良い。

これらの開弁用および閉弁用電磁石によってディスク７４が吸着される。ディスク７４は一方端がハウジング６２に揺動自在に支持される揺動部材である。

そしてロアスプリング８６と対を成すアッパスプリングであるトーションバー６８の弾性力によって、ディスク７４は下向きすなわち開弁方向の力を中間ステム７６に与える。ディスク７４の他方端にはカムフォロアチップ７３が取付けられている。カムフォロアチップ７３は中間ステム７６の上端に固着されているカムフォロアピン７５と当接し、中間ステム７６に対して下向きすなわち開弁方向の力を与える。

これに対してロアスプリング８６は鍔部８４を押上げることにより、中間ステム７６に対して上向きすなわち閉弁方向の力を与える。

トーションバー６８およびロアスプリング８６の合力として、バルブ８７が全閉となったときには開く方向に力が発生して逆にバルブ８７が全開となったときには閉じる方向に力が発生する。ディスク７４と吸着する電磁石のコイルとの距離が大きくディスク７４を吸着する電磁力が弱いときにこのスプリングによる弾性力を利用することにより、電磁石のサイズを小さくすることができる。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面における断面図である。
図２を参照して、開弁用コア７８にはコイル８２が巻回されている。開弁用コア７８の一部分には中間ステム７６およびストロークボールベアリング８３が収められる孔が設けられている。この孔が大きくなると開弁用コア７８の磁路の面積が減少するため開弁用コア７８をその分大きくする必要があり、電磁駆動弁の小型化のためには孔はあまり大きくすることはできない。

図３は、本発明の実施の形態に係るコイル電流の第１例を示した波形図である。
図１、図３を参照して、時刻ｔ０〜ｔ２の間は開弁期間であり、時刻ｔ４以降は閉弁期間である。時刻ｔ０〜ｔ１においてはコイル８０，８２には保持電流が流れている。コイル８０とディスク７４との距離は、コイル８２とディスク７４との距離よりも近い。電磁石は距離が近いほど強く働くためディスク７４はコイル８０側に吸着された状態が維持される。

時刻ｔ１〜ｔ２においてこの保持電流と零との間の中間的な電流値を流す徐変区間を設ける。図３に示した徐変区間においては、電流値が徐々に単調減少している。

そして時刻ｔ２において電流ＩＬは零とされ時刻ｔ３までこの零の状態が保たれる。するとトーションバー６８の弾性力によりディスク７４は中間ステム７６を押し下げるので、バルブのリフト量Ｄは閉弁位置から開弁位置に向かって変化する。

そして時刻ｔ３〜ｔ４において吸引電流を増加させていくと、時刻ｔ４〜ｔ５の間でディスク７４はコイル８２側の電磁石に吸着されこの吸着状態が維持される。そして時刻ｔ６以降はこの吸着状態が維持されるのに十分な程度の保持電流が流される。

図３に示したように時刻ｔ１〜ｔ２において保持電流を零に減じる途中において徐々に単調減少させる徐変区間を設けたため、図５に示したような逆起電流や渦電流が流れにくくなり、これによるバルブの移動を妨げるブレーキ力も軽減される。

したがって、ディスク（アーマチュア）移動開始時のブレーキ電磁力を低減し、低消費電力化、高出力化および低電圧化を図ることが可能となる。

図４は、本発明の実施の形態に係るコイル電流の第２例を示した波形図である。
図４の電流波形は、図３の電流波形に比べて時刻ｔ１〜ｔ２Ａにおいて電流値がパルス状に増減を繰返す期間が設けられている点が異なる。このようにパルス状に電流を変化させながら徐々に電流値を零に向けて下げていくことにより、保持電流を遮断する際の磁束変化を小刻みにキャンセルしながら下げることが可能となり、一層ブレーキ電磁力が低減され、バルブをスムーズに動かすことができるとともに低消費電力化を図ることができる。

なお、パルス状に増減を繰返すばあいに、パルスは厳密な矩形波である必要はなく、波形がなまって正弦波に近くなった波形でも良い。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態に係る電磁駆動弁の概略構成を示す図である。 図１のＩＩ−ＩＩ断面における断面図である。 本発明の実施の形態に係るコイル電流の第１例を示した波形図である。 本発明の実施の形態に係るコイル電流の第２例を示した波形図である。 保持電流を下げて閉弁状態から開弁状態に電磁駆動弁を動作させる際の電流値を示した図である。

符号の説明

６ クランク角センサ、１０ シリンダヘッド、２４ 電磁アクチュエータ、３０ 電磁制御ユニット、３２ 電磁弁駆動ユニット、３１ メモリ、６２ ハウジング、６８ トーションバー、７２ 閉弁用コア、７３ カムフォロアチップ、７４ ディスク、７５ カムフォロアピン、７６ 中間ステム、７８ 開弁用コア、８０，８２ コイル、８３ ストロークボールベアリング、８９ ストロークボールベアリング、８４ 鍔部、８６ ロアスプリング、８７ バルブ、８８ バルブ軸。

Claims (7)

1. 弁軸を有し、前記弁軸が延びる方向に沿って往復運動する弁と、
   前記弁と連動して動く磁性部材と、
   第１のコイルを含み、前記磁性部材を吸着して所定位置に保持する第１の電磁石と、
   前記磁性部材を前記第１の電磁石から離す力を前記磁性部材に加える第１の弾性部材と、
   前記第１の電磁石の磁力を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記第１の電磁石の磁力を弱めて前記磁性部材を前記第１の電磁石から離す際に、前記第１のコイルに流す電流を所定の電流値の保持電流から零に減じる途中において前記所定の電流値と零の間の電流値が流れる期間を設けるように前記第１のコイルに流す電流を制御する、電磁駆動弁。
2. 前記磁性部材は、一方端がベース部材に揺動自在に支持され、他方端に前記弁軸を前記弁軸が延びる方向に沿って往復運動させる作用部が設けられた揺動部材である、請求項１に記載の電磁駆動弁。
3. 前記所定の電流値と零の間の電流値が流れる前記期間は、電流値が単調減少する徐変期間を含む、請求項１に記載の電磁駆動弁。
4. 前記所定の電流値と零の間の電流値が流れる前記期間は、電流値がパルス状に増減を繰返す期間を含む、請求項１に記載の電磁駆動弁。
5. 前記所定位置は、閉弁位置であり、
   前記磁性部材を吸着して開弁位置に保持する第２の電磁石と、
   前記弁軸に対して弾性力を加えることにより、前記磁性部材を前記第２の電磁石から離す力を前記磁性部材に加える第２の弾性部材とをさらに備える、請求項１に記載の電磁駆動弁。
6. 前記第２の電磁石は、
   前記第１のコイルと結線された第２のコイルを含み、
   前記第１、第２のコイルには、等しい電流が流れる、請求項５に記載の電磁駆動弁。
7. 前記制御装置は、前記第１および第２のコイルに流す電流を所定の電流値の保持電流から零に減じた後に、前記第２の電磁石に前記磁性部材を吸着させるための電流を前記第１および第２のコイルに流すように制御を行なう、請求項６に記載の電磁駆動弁。

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