JP2915426B2 - 内燃機関用電子制御弁機構 - Google Patents

内燃機関用電子制御弁機構

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は２位置間直線運動アクチュエータに関し、特
にアーマチュアを２位置間に極めて高速でストロークさ
せるようなエネルギーを提供し得る高速アクチュエータ
に関するものである。
このアクチュエータは双安定ストローク機構として機
能し、内燃機構のガス交換弁、つまり吸気弁や排気弁を
閉鎖するのに特に有用である。このアクチュエータによ
れば、その高速作動に起因して弁を、カムによる動弁特
性の如くほとんど瞬間的に高速で全開又は全開させるこ
とができる。
アクチュエータの機構はコンプレッサーの動弁機構
や、液圧又は空気圧装置の動弁機構や、液体アクチュエ
ータ又は機械的アクチュエータの高速制御弁として種々
の出願がなされている。
内燃機構の弁はほとんどがばねで閉弁位置に付勢され
たポペット弁を用い、このポペット弁をばね力に抗しカ
ムシャフト上のカムで開き、カムシャフトをエンジンの
クラクションシャフトに同期回転させることにより弁を
エンジンの運転サイクル中予定時期に開閉させる。そし
て、弁の開閉時期はエンジンの高速回転に好適な時期
と、エンジンの低速回転又はアイドリング回転に好適な
時期とが妥協するタイミングに定めていた。
かかるカム作動弁に代る従来提案のアクチュエータに
よる動弁機構は弁の開閉時期をエンジン回転速度、エン
ジンクランク角度、或いはその他のエンジン制御パラメ
ータに応じ自由に変更し得る利点がある。
本願人に譲渡され、1987年３月３日に出願されたウィ
リアム・イー・リチェソン（William E.Riheson）の第0
21,195号出願（PHA 40509）「電磁弁アクチュエータ」
には、永久磁石で弁を開弁位置及び閉弁位置に吸引保持
する弁アクチュエータが提案されている。これによれ
ば、電磁反撥作用により弁を一方の位置から他方の位置
へストロークさせる。又、緩衝手段及びエネルギー回復
手段も合せ示されている。
本願と同じ日の出願になる第153,275号出願（PHA 405
36）「空気式及び電子式弁アクチュエータ」には、上記
反撥作用の代りに釈放機構を用いた同様な弁作動装置が
提案されている。この装置は空気圧により弁を作動させ
るもので、高圧空気源と、空気を緩衝及び初動力として
使用する制御弁とを具える。又この出願では、吸気弁遅
延閉止を含む別の作動モードや６行程作動モードも提案
されている。
本願と同じ日の出願になる他の関連出願第153,154号
（PHA 40537）及び第153,155号（PHA 40538）には、ば
ね（空気）が緩衝装置としてだけではなくエネルギー貯
蔵手段としても作用し、次のストロークのための加速力
の一部を供給し得るようにした技術が提案されている。
この技術によれば、制御弁及び吸引板が初動ピストンか
ら分離され、保持力が小さくてよいと共に質量が小さく
なり、作動速度を上げることができる。又、反撥作用を
用いる構造では、初期加速力が一部、前記最初の提案技
術の同様、電磁反撥によって得られる。
本発明の目的は、次の作動のために位置エネルギーを
貯えることができる弁作動機構を提供したり、磁界を少
なくとも一部無効にすることで釈放可能なアクチュエー
タ用の電磁吸引装置を提供したり、圧縮力（空気圧又は
ばね）で駆動される動弁機構を提供したり、動弁機構の
慣性を小さくしたり、動弁機構をコンパクトな構成にし
たり、前のストローク中に貯えた位置エネルギーを用い
て一方の安定状態から他方の安定状態にストロークし得
る双安定型制御ストローク機構を提案したり、上記の目
的にかなう動弁機構を迅速且つ容易に加速し得るように
したり、動弁機構にロストモーション継手を介し連結さ
れて動弁機構をストローク端近くで減速する簡単な液圧
緩衝機構を提供しようとするものである。
この目的のため本発明は、 弁ステムを具えた機関用の弁と、 この弁を弁ステムの長手方向へ開弁位置と閉弁位置と
の間でストロークさせるための動弁手段と、 弁を閉弁位置及び閉弁位置に夫々保持する磁気吸引手
段と、 これら磁気吸引手段を選択的に解釈して動弁手段が弁
をストロークさせ得るようにする磁気釈放手段とを具え
た内燃機関用の電子制御弁機構において、 前記磁気吸引手段を、前記の弁を開弁位置に保持する
ための第１永久磁石と、該弁を閉弁位置に保持するため
の第２永久磁石とで構成し、 前記磁気釈放手段を、前記第１永久磁石の磁気効果を
一時的に無効にして前記弁を開弁位置から釈放するため
の第１電磁手段と、前記第２永久磁石の磁気効果を一時
的に無効にして前記弁を閉弁位置から釈放するための第
２電磁手段とで構成し、 前記動弁手段を、前記弁に開弁位置及び閉弁位置から
離れる方向のばね力を付与する非線形ばね手段で構成し
たことを特徴とするものである。
かかる本発明の内燃機関用電子制御弁機構によれば、 第１電磁手段の付勢により第１永久磁石の磁気効果を
一時的に無効にすると、動弁手段を成す非線形ばね手段
が弁を開弁位置から離反させ、第２永久磁石を磁気吸引
力により閉弁位置にする。
ここで、第２電磁手段の付勢により第２永久磁石の磁
気効果を一時的に無効にすると、動弁手段を成す非線形
ばね手段が弁を閉弁位置から離反させ、第２永久磁石を
磁気吸引力により開弁位置にする。
かかる作動の繰り返しにより、弁は開弁位置と閉弁位
置との間でストロークされるが、当該ストロークを生起
させるための第１および第２電磁手段の付勢は切り換え
瞬時における一時のみでよく、そして、当該切り換え瞬
時以外は第１および第２電磁手段の付勢が全く必要でな
いことから、エネルギーの消費が極く僅かとなって、エ
ネルギー損失を最小限に制御することができる。
しかも、弁を開弁位置または閉弁位置から閉弁位置ま
たは開弁位置に向かわせ始めるのに磁力でこれを行わ
ず、非線形ばね手段で構成した動弁手段によりこれを行
わせることから、当該ストロークを素早く行わせること
ができ、応答性が高く、且つ、作動を信頼性も高くする
ことができる。
以下、本発明の実施例を図面に基き詳細に説明する。
第１図は通常の内燃機関用ポペット弁を23で示し、こ
の弁は適宣開いて機関シリンダと、吸気多岐管又は排気
多岐管25との間を通じるものとする。弁23を第１図では
閉位置で示す。弁23のアクチュエータは弁開閉用弁ステ
ム29に同軸で往復動可能なアーマチュア27を具える。こ
のアーマチュア27に軟磁鉄鋼で造った吸引ディスク２を
設け、このディスクを吸引磁石5,6間で移動可能とす
る。アーマチュア27をばね11,12で第２図の中立位置に
向け付勢すると共に、これらばねにウェブ13を介して機
械的に連結する。ばね11,12は常時、アーマチュア27を
磁石５で吸引された第１図の位置及び磁石６で吸引され
た第３図の位置から遠去かる方向へ付勢する手段として
機能する。第１図の状態ではばね11は圧縮され、ばね12
は伸長しているが、第１図の状態から第３図の位置への
アーマチュア27のストローク時、圧縮していたばね11は
伸長し、伸長していたばね12は圧縮される。アーマチュ
アを両吸引位置から遠去かる方向へ常時付勢する作用は
第６図の場合、外匣31と、アーマチュア33に連結したピ
ストン41と、このピストンにより圧搾される空気とによ
り得るが、本例においてピストン41は閉弁時外匣室40内
の空気を、又は開弁時外匣室44内の空気を圧搾する。ピ
ストン41は更に第１図乃至第３図におけるディスク２と
同様の吸引板の役目も果たす。
アーマチュアにロストモーションカップリングを介し
緩衝ピストン14（第１図参照）を連結し、これによりス
トローク限位置に向かう弁システム29を室39内における
流体の変位で急減速し得るようにする。
ディスク２に作用する永久磁石５の吸引力はこのディ
スクをして上昇位置、つまり閉弁位置に保持する。永久
磁石６も同様にディスク２を吸引し、このディスクを第
３図に示す下降位置、つまり開弁位置に保持する。吸引
力を釈放するに際しては、永久磁石5,6に重合させたコ
イル3,4に中和磁界を生じさせる。作動に際しては、一
方のコイルを付勢して、関連する磁石によるディスク２
への吸引力を打消し、このディスクを自由にする。これ
によりアーマチュア27は外匣20内のばね11,12により急
加速される。アーマチュア27が第２図の中立位置を通過
すると、ばね11,12は弁速度を低下させ始めるが、ディ
スク２が反対側の吸引手磁石に接近する時、当該磁石に
よる大きな吸引力がばね11,12による減速力に打勝つ。
この大きな吸引力は吸引ディスク２に衝撃状態を生じさ
せようとするが、これを外匣20内の緩衝装置によるアー
マチュア及び弁の減速により緩和する。
なお、ばね11,12は非線形特性とし、吸引磁石による
吸引力特性に合せてばね力が線形特性のそれより大きく
なるものとする。このばね力非線形特性は弁の一層の急
加速及び急減速を可能にし、その平均速度を高めて応答
時間を短縮し得る。
第４図は第２図及び第３図に示す位置間での変位中ア
ーマチュア27に作用する種々の力を示す。線47ばね11,1
2に貯えられる位置エネルギーの増大状況を示す。ばね
はほぼフーク（Hooke）の法則に従い、減速力をストロ
ークに対しほぼ直線的に増大する。実際上この力はスト
ローク端近くで線形特性による力より若干大きくなる。
線49は永久磁石及びディスク２間の吸引力を示し、この
力はストロークの２乗に反比例し、デヘスクが磁石に接
近するにつれて急上昇する。線49の正確な形状はディス
ク及び磁石間の間隙を含む特定のジオメトリに応じて決
まる。線47,49で示す力は向きは当然逆向きである。こ
れら力の合成力を線51で示し、ストローク端近くで吸引
力がばね力を上廻る。
アーマチュアが開弁位置相当のストローク端に接近す
ると、ワッシャ16が小径ピストン14に係合してこれらを
油封室39内で下降させ、アーマチュアに大きな減速力を
与えて緩衝させる。この緩衝力を第４図に線53で示す。
この緩衝力、上記ばね力及び吸引力の合成力を第４図に
線55で示すが、これから明らかなようにアーマチュアを
ストローク端に保持する正力は極く僅かであり、ディス
ク２はゆるやかに吸引位置に停止する。
システムへ動力を供給したり、偏差、緩衝及び摩擦を
補うために行うシステムへのエネルギー入力は、電流型
式とし、この電流を永久磁石５又は６を無効にするコイ
ル３又は４に供給する。一方の磁石を無効にすると、他
方の磁石が吸引力でアーマチュアを変位させ、この吸引
力はアーマチュアが磁石に接近するにつれ大きくなる。
弁の電磁駆動は前述した文献に記載のように種々の方
法で行うことができる。第５図は一例としてコイル３に
電気パルスを供給する回路を示す。角度エンコーダ57は
エンジンのクランク角を示す信号を発生する。このエン
コーダは例えば光学又は磁気センサとし、エンジン１回
転当り一定数のパルスを発生する。コントローラ59は
（基準位置からパルスを計数して予定の計数値毎にスイ
ッチング装置61に出力を発生する。予定計数値はエンジ
ンの運転パラメータ、例えば入力63として示す車速に応
じ変更することができる。スイッチング装置61が閉じる
と、車載バッテリ65のような電源からコイル３にパルス
が供給される。他のコイル４も同様にして付勢すること
ができる。
第６図は、第１図乃至第３図のコイルばねに代え空気
ばねを用いたものである。本例では、空気ばね及び緩衝
装置を一体化し、吸引装置に組込む。第１図乃至第３図
の吸引ディスク２は吸引の用をなすのみであった。しか
し第６図のディスク41は前述した如く吸引のためだけで
なく、非線形低質量空気ばねの一部として、又弁のスト
ローク端近くでアーマチュアを減速する緩衝装置として
も作用する。
吸引ディスク41に円形シール42を設け、これにより上
方圧力室40を下方圧力室44から封止する。室40,44は更
にバランス室としても用い、ディスク41が一方の磁石に
接近して吸引された時、この室に空気を封入して圧縮す
る。圧縮空気と位置エネルギー及び第１図乃至第３図に
つき前述したピストン加速度を貯える。緩衝機能は更
に、ディスク41が一方の磁石に接近した時アーマチュア
を減速する用もなす。円形シール45は吸引直前にディス
ク41と接し、ディスク及び磁石間に僅かな空気を封入す
る。この封入空気は室40（又は44）内の圧力以上に圧縮
され、小径オリフィス35,37を経てこの空気を予定割合
で対応室に流入させる。この時の流入抵抗が弁ディスク
を減速してその速度を吸引直前に許容衝撃速度以下とす
る。このシステムでは若干の空気洩れが生ずるため、空
気供給孔43を設け、これに空気の流入のみを許容する逆
止弁を設ける。流入空気は（ピストン41の位置に応じ）
一方の室に入ってその室に空気を充満させる。空気供給
孔43への空気圧は要求される空気ばね定数に応じて変更
する。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明装置の一実施例を閉弁状態で示す機関用
弁及び動弁機構を示す断面図、 第２図及び第３図は夫々同じくその中途開弁状態及び全
開弁状態で示す断面図、 第４図は動弁機構に作動中加わる力を示す線図、 第５図は第１図乃至第３図に示す永久磁石の吸引力を解
除するための制御回路を示すブロック線図、 第６図は動弁機構の他の例を示す断面図である。 ２……吸引ディスク、3,4……コイル 5,6……吸引永久磁石、11,12……ばね 13……ウェブ、14……小径ピストン 16……ワッシャ、20……外匣 23……弁、27……アーマチュア 29……弁ステム、31……外匣 33……アーマチュア、35,37……小径オリフィス 39……油封室、40,44……室 41……ピストン、42,45……円形シール 43……空気供給孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−44716（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−183180（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−140157（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−203915（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭60−190974（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭55−94970（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) F16K 31/06 H01F 7/16

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】弁ステムを具えた機関用の弁と、 この弁を弁ステムの長手方向へ開弁位置と閉弁位置との
    間でストロークさせるための動弁手段と、 弁を開弁位置及び閉弁位置に夫々保持する磁気吸引手段
    と、 これら磁気吸引手段を選択的に解釈して動弁手段が弁を
    ストロークさせ得るようにする磁気釈放手段とを具えた
    内燃機関用の電子制御弁機構において、 前記磁気吸引手段を、前記の弁を開弁位置に保持するた
    めの第１永久磁石と、該弁を閉弁位置に保持するための
    第２永久磁石とで構成し、 前記磁気釈放手段を、前記第１永久磁石の磁気効果を一
    時的に無効にして前記弁を開弁位置から釈放するための
    第１電磁手段と、前記第２永久磁石の磁気効果を一時的
    に無効にして前記弁を閉弁位置から釈放するための第２
    電磁手段とで構成し、 前記動弁手段を、前記弁に開弁位置及び閉弁位置から離
    れる方向のばね力を付与する非線形ばね手段で構成した
    ことを特徴とする内燃機関用電子制御弁機構。
  2. 【請求項２】請求項１において、前記第１および第２電
    磁手段が制御回路により一時的に付勢されるものである
    内燃機関用電子制御弁機構。
  3. 【請求項３】請求項１または２において、前記非線形ば
    ね手段はコイルばねで構成し、該コイルばねの一部を圧
    縮させ、残部を伸長させたものである内燃機関用電子制
    御弁機構。
  4. 【請求項４】請求項３において、前記コイルばねを、変
    形につれてばね力が線形特性のばね力より大きくなるよ
    うな非線形特性を持つものとして、該コイルばねのばね
    力特性を前記磁気吸引手段の吸引力特性にマッチさせた
    内燃機関用電子制御弁機構。
  5. 【請求項５】請求項１または２において、前記非線形ば
    ね手段を外匣と、前記弁に連結したピストンと、このピ
    ストンにより前記外匣内で圧縮される空気とで構成した
    内燃機関用電子制御弁機構。
JP1027722A 1988-02-08 1989-02-08 内燃機関用電子制御弁機構 Expired - Fee Related JP2915426B2 (ja)

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US153262 1988-02-08
US07/153,262 US4883025A (en) 1988-02-08 1988-02-08 Potential-magnetic energy driven valve mechanism

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JPH01229183A JPH01229183A (ja) 1989-09-12
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