JP4140596B2 - 電磁駆動弁および内燃機関 - Google Patents

Description

この発明は、一般的には、電磁駆動弁および内燃機関に関し、より特定的には、モノコイルによって構成された電磁石を備える電磁駆動弁およびその電磁駆動弁が搭載された内燃機関に関する。

従来の電磁駆動弁に関して、たとえば、特開２０００−３０３８０９号公報には、排気弁を開弁するのに必要な電力を低減することを目的とした電磁駆動弁が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された電磁駆動弁は、排気弁の弁軸と同軸に配設されたアーマチャシャフトと、アーマチャシャフトの外周に接合された円盤状のアーマチャと、アーマチャの上方にアーマチャと隙間を設けて配設されたアッパコイルおよびアッパコアと、アーマチャの下方にアーマチャと隙間を設けて配設されたロアコイルおよびロアコアとを備える。

アッパコイルおよびロアコイルに、交互に適当なタイミングで電流を供給することによって、アッパコアおよびロアコアに向かう方向の電磁力が、アーマチャに順に作用する。これにより、アーマチャを往復運動させ、その運動と連動させて、排気弁を閉弁位置と開弁位置との間で繰り返し往復運動させることができる。このような構成を備える電磁駆動弁は、並進駆動式と呼ばれており、排気弁の往復運動時、コアおよびアーマチャの互いに向い合う表面が平行に保たれたままとなる。
特開２０００−３０３８０９号公報

内燃機関の燃焼室と排気ポートとの間を開閉する排気弁が、閉弁位置から開弁位置に向けて運動する時、燃焼室には、爆発工程によるシリンダ内圧が発生している。このため、排気弁を電磁駆動弁から構成する場合、そのシリンダ内圧に打ち勝つだけの引き付け力を電磁石で発生させなければならない。

しかしながら、上述の特許文献１に開示された並進駆動式の電磁駆動弁では、排気弁の往復運動時、コアおよびアーマチャの互いに向い合う表面が平行に保たれている。このため、排気弁が、閉弁位置と開弁位置との間にある時、コアの表面とアーマチャの表面との間が一様に離れてしまう。アーマチャに作用する電磁力は、コアに近い位置で大きく作用し、離れた位置で小さく作用するため、並進駆動式の電磁駆動弁では、閉弁位置から開弁位置に向かうアーマチャに、電磁力を大きく作用させることができない。したがって、シリンダ内圧に打ち勝つだけの電磁力を発生させるためには、コイルに過大な電流を供給する必要が生じる。この場合、電磁駆動弁の消費電力が増大するという問題が発生する。

そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、消費電力の増大を抑制しつつ、駆動弁の安定した運動が得られる電磁駆動弁およびその電磁駆動弁が搭載された内燃機関を提供することである。

この発明の１つの局面に従った電磁駆動弁は、弁軸を有する駆動弁と、互いに間隔を隔てて設けられ、揺動することによって駆動弁を往復運動させる第１および第２のアーム部材と、モノコイルを有し、第１のアーム部材と第２のアーム部材との間に配置された電磁石とを備える。第１および第２のアーム部材は、揺動自在に支持された一方端と、弁軸に連結された他方端とを有する。電磁石は、モノコイルへの電流供給により、第１および第２のアーム部材に電磁力を作用させ、第１および第２のアーム部材を揺動させる。一方端が揺動自在に支持された位置と、他方端が弁軸に連結された位置との間の距離は、第２のアーム部材よりも第１のアーム部材の方が小さい。

なお、モノコイルとは、連続する一続きの線から構成されたコイルを指す（以下に続くモノコイルに関しても、同様に理解する）。モノコイルに電流を供給すると、第１および第２のアーム部材の双方に、同時に電磁力が作用する。

このように構成された電磁駆動弁によれば、第１および第２のアーム部材を、一方端が支持された位置を支点に揺動するレバーと見ると、その支点となる位置と、他方端が弁軸に連結された位置との間の距離が相対的に小さい第１のアーム部材では、電磁石から第１のアーム部材に作用した電磁力を、より大きく、駆動弁を往復運動させる力（以下、駆動力とも呼ぶ）として弁軸に作用させることができる。これに対して、一方端が支持された位置と、他方端が弁軸に連結された位置との間の距離が相対的に大きい第２のアーム部材では、第２のアーム部材から弁軸に作用する駆動力が、第１のアーム部材から弁軸に作用する駆動力よりも、小さくなる。

電磁力は、電磁石との距離が近い位置で大きく作用し、離れた位置で小さく作用する。このため、本発明では、第１のアーム部材から弁軸に作用する駆動力と、第２のアーム部材から弁軸に作用する駆動力とが釣り合う位置が、中間位置より、第１のアーム部材が電磁石から相対的に離れて位置し、第２のアーム部材が電磁石から相対的に近くに位置する側にずれて、存在する。この場合、第１のアーム部材に電磁力を作用させて、第１および第２のアーム部材を揺動させる時に、モノコイルに電流供給する時期を早めることができる。なお、ここで言う「中間位置」とは、電磁石および第１のアーム部材の間の距離と、電磁石および第２のアーム部材の間の距離とが等しくなる位置を指す。

これにより、第１のアーム部材に電磁力を作用させて、第１および第２のアーム部材を揺動させる時に、より大きな電磁力エネルギを、駆動弁を往復運動させるエネルギとして利用することができる。したがって、駆動弁に作用する外的な負荷が、駆動弁の往復運動に伴って変動する場合であっても、その負荷が大きくなるタイミングと、モノコイルへの電流供給が早められるタイミングとを一致させることによって、その負荷に負けることなく、駆動弁を安定して運動させることができる。また、モノコイルに過大な電流を供給することなく、このような効果が得られるため、消費電力が増大することを防止できる。

また好ましくは、第１および第２のアーム部材は、第１のアーム部材の一方端が揺動自在に支持された位置と、第２のアーム部材の一方端が揺動自在に支持された位置とを結んだ直線が、駆動弁の往復運動する方向に平行に延びるように設けられている。このように構成された電磁駆動弁によれば、第１および第２のアーム部材の一方端を、駆動弁からの距離が互いに等しくなる位置に設けることができる。これにより、第１および第２のアーム部材を揺動自在に支持するベース部材を、形状を簡易にして形成するとともに、その強度を確保することができる。

また好ましくは、一方端が支持された位置を支点に第１のアーム部材が揺動する角度は、第２のアーム部材が揺動する角度よりも小さい。このように構成された電磁駆動弁によれば、相対的に小さい角度で揺動する第１のアーム部材に、電磁石で発生する電磁力をより大きく作用させることができる。これにより、第１のアーム部材から弁軸に作用する駆動力が増大するため、第１のアーム部材に電磁力を作用させ、第１および第２のアーム部材を揺動させる時に、モノコイルに電流供給する時期を、さらに早めることができる。

この発明の別の局面に従った電磁駆動弁は、弁軸を有する駆動弁と、互いに間隔を隔てて設けられ、揺動することによって駆動弁を往復運動させる第１および第２のアーム部材と、第１のアーム部材と第２のアーム部材との間に配置され、電磁力を作用させて第１および第２のアーム部材を揺動させる電磁石と、第２のアーム部材を挟んで電磁石の反対側に設けられた減磁用電磁石とを備える。第１および第２のアーム部材は、揺動自在に支持された一方端と、弁軸に連結された他方端とを有する。電磁石は、モノコイルを有し、減磁用電磁石は、コイルを有する。モノコイルへの電流供給により、第２のアーム部材内に所定の方向に流れる磁束が形成され、コイルへの電流供給により、第２のアーム部材内に所定の方向とは反対方向に流れる磁束が形成される。

このように構成された電磁駆動弁によれば、モノコイルへの電流供給によって形成された第２のアーム部材内の磁束は、コイルへの電流供給によって形成された磁束により、弱められる。このため、モノコイルおよびコイルへの電流供給によって、第１のアーム部材には、相対的に大きい電磁力が作用し、第２のアーム部材には、相対的に小さい電磁力が作用する。したがって、第１のアーム部材から弁軸に作用する駆動力は、第２のアーム部材から弁軸に作用する駆動力よりも、大きくなる。

このため、本発明では、第１のアーム部材から弁軸に作用する駆動力と、第２のアーム部材から弁軸に作用する駆動力とが釣り合う位置が、中間位置より、第１のアーム部材が電磁石から相対的に離れて位置し、第２のアーム部材が電磁石から相対的に近くに位置する側にずれて、存在する。この場合、第１のアーム部材に電磁力を作用させて、第１および第２のアーム部材を揺動させる時に、モノコイルに電流供給する時期を早めることができ、この時に、より大きな電磁力エネルギを、駆動弁を往復運動させるエネルギとして利用することができる。

したがって、駆動弁に作用する外的な負荷が、駆動弁の往復運動に伴って変動する場合であっても、その負荷が大きくなるタイミングと、モノコイルへの電流供給が早められるタイミングとを一致させることによって、その負荷に負けることなく、駆動弁を安定して運動させることができる。また、モノコイルに過大な電流を供給することなく、このような効果が得られるため、消費電力が増大することを防止できる。

また好ましくは、コイルは、モノコイルから連続する一続きの線によって形成されている。このように構成された電磁駆動弁によれば、電磁石と減磁用電磁石との間で、コイルを兼用できるため、コストダウンを図ることができる。

この発明に従った内燃機関は、上述のいずれかに記載の電磁駆動弁が、燃焼室と排気ポートとの間の開閉に用いられた内燃機関である。駆動弁は、弁軸の先端に形成され、駆動弁の閉弁位置から開弁位置への運動に伴って、燃焼室と排気ポートとの間を遮蔽する位置から燃焼室内へと移動する弁体をさらに有する。駆動弁が閉弁位置から開弁位置に向けて運動する時に、電磁石で発生する電磁力により、第１のアーム部材が電磁石に引き寄せられ、駆動弁が開弁位置から閉弁位置に向けて運動する時に、電磁石で発生する電磁力により、第２のアーム部材が電磁石に引き寄せられる。

このように構成された内燃機関によれば、駆動弁が閉弁位置から開弁位置に向けて運動する時に、内燃機関の爆発工程によって生じた燃焼室の内圧に打ち勝って、弁体を燃焼室内に押し込めなければならない。本発明では、このタイミングで、より大きな電磁力エネルギを用いて、駆動弁を運動させることができる。このため、電磁力不足や消費電力の悪化を招くことなく、閉弁位置から開弁位置に向けて、駆動弁を安定して運動させることができる。

以上説明したように、この発明に従えば、消費電力の増大を抑制しつつ、駆動弁の安定した運動が得られる電磁駆動弁およびその電磁駆動弁が搭載された内燃機関を提供することができる。

この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１における電磁駆動弁を示す断面図である。本実施の形態における電磁駆動弁は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなど内燃機関の排気弁を構成している。図１を参照して、電磁駆動弁１０では、駆動弁１４を往復運動させる運動機構として、並行リンク機構が適用されている。

電磁駆動弁１０は、ステム１２およびそのステム１２の先端に形成された傘部１３を有する駆動弁１４と、ステム１２の異なる位置に連結され、作用された電磁力および弾性力によって揺動するロアディスク２０およびアッパディスク３０と、その電磁力を発生する開閉兼用電磁石６０（以下、たんに電磁石６０とも呼ぶ）と、ロアディスク２０およびアッパディスク３０にそれぞれ設けられ、これらのディスクに弾性力を作用させるロアトーションバー２６およびアッパトーションバー３６とを備える。駆動弁１４は、ロアディスク２０およびアッパディスク３０の揺動運動を受けて、矢印１０１に示す方向に往復運動する。

ステム１２は、傘部１３から連続する下部ステム１２ｍと、連結部材１６を介して下部ステム１２ｍに連結された上部ステム１２ｎとから構成されている。連結部材１６は、下部ステム１２ｍと上部ステム１２ｎとの間がフレキシブルに動くように、たとえば、ピボットやボールベアリングなどから形成されている。下部ステム１２ｍは、一方向に延びて形成されており、上部ステム１２ｎは、その方向に斜めに交差して延びるように、下部ステム１２ｍに連結されている。下部ステム１２ｍが延びる方向と、駆動弁１４の運動方向である矢印１０１に示す方向とは、一致している。上部ステム１２ｎには、その外周面から突出する連結ピン１２ｐおよび１２ｑが、下部ステム１２ｍに連結された位置から近い順に並んで、互いに間隔を隔てて形成されている。

駆動弁１４は、排気ポート１７が形成されたシリンダヘッド４１に搭載されている。シリンダヘッド４１の排気ポート１７から図示しない燃焼室に連通する位置には、バルブシート４２が設けられている。駆動弁１４の往復運動に伴って、傘部１３がバルブシート４２に密着したり、バルブシート４２から離脱することによって、排気ポート１７の開閉が行なわれる。つまり、ステム１２が上昇することによって、駆動弁１４が閉弁位置へと位置決めされ、ステム１２が下降することによって、駆動弁１４が開弁位置へと位置決めされる。

シリンダヘッド４１には、下部ステム１２ｍを軸方向に摺動可能なように案内するバルブガイド４３が設けられている。バルブガイド４３は、下部ステム１２ｍとの高速摺動に耐えられるように、たとえば、ステンレスなどの金属材料から形成されている。シリンダヘッド４１の頂面上には、ステム１２と距離を隔てた位置に、ディスク支持台５１が取り付けられている。

図２は、図１中の電磁石を示す斜視図である。図１および図２を参照して、ディスク支持台５１には、ロアディスク２０とアッパディスク３０との間に位置するように電磁石６０が固定されている。電磁石６０は、コイル６２と、吸着面６１ａおよび６１ｂを有し、磁性材料から形成されたコア６１とから構成されている。コア６１は、下部ステム１２ｍの延びる方向、つまり、駆動弁１４が往復運動する方向に直交して延びる軸部６１ｐを有する。コイル６２は、軸部６１ｐの周りを旋回するように設けられており、モノコイル（連続する一続きの線からなるコイル）から構成されている。

ディスク支持台５１は、電磁石６０の吸着面６１ａに向い合う表面５１ａと、電磁石６０の吸着面６１ｂに向い合う表面５１ｂとを有する。吸着面６１ａと表面５１ａとの間には、アッパディスク３０が揺動する空間が規定されており、吸着面６１ｂと表面５１ｂとの間には、ロアディスク２０が揺動する空間が規定されている。アッパディスク３０およびロアディスク２０が、それぞれ、表面５１ａおよび吸着面６１ｂに当接した位置が、閉弁側の揺動端である。アッパディスク３０およびロアディスク２０が、それぞれ、吸着面６１ａおよび表面５１ｂに当接した位置が、開弁側の揺動端である。駆動弁１４は、アッパディスク３０およびロアディスク２０が、閉弁側および開弁側の揺動端にある時、それぞれ、閉弁位置および開弁位置に位置決めされる。

図３は、図１中のアッパディスク（ロアディスク）を示す斜視図である。図１および図３を参照して、アッパディスク３０は、一方端３３および他方端３２を有し、一方端３３から他方端３２に向けて上部ステム１２ｎに交差する方向に延びている。アッパディスク３０は、矩形形状の表面３１ａおよび３１ｂが形成され、一方端３３と他方端３２との間に渡って延びるアーム部３１と、一方端３３に位置して設けられ、中空円筒形状を有する軸受け部３８とから構成されている。表面３１ａおよび３１ｂは、それぞれ、電磁石６０の吸着面６１ａおよびディスク支持台５１の表面５１ａに向い合っている。

アーム部３１には、他方端３２側に位置して、切欠き部３９が形成されている。切欠き部３９の互いに向い合う壁面には、長孔３４が形成されている。一方端３３には、アッパディスク３０が延びる方向および駆動弁１４が往復運動する方向の双方に直交して延びる中心軸３５が規定されている。軸受け部３８には、中心軸３５に沿って延びる貫通孔３７が形成されている。

ロアディスク２０は、アッパディスク３０の一方端３３、他方端３２、アーム部３１、表面３１ａ、表面３１ｂ、切欠き部３９、長孔３４、軸受け部３８、貫通孔３７および中心軸３５に対応して、一方端２３、他方端２２、アーム部２１、表面２１ｂ、表面２１ａ、切欠き部２９、長孔２４、軸受け部２８、貫通孔２７および中心軸２５を有する。表面２１ａおよび２１ｂは、それぞれ、電磁石６０の吸着面６１ｂおよびディスク支持台５１の表面５１ｂに向い合っている。ロアディスク２０は、一方端２３から他方端２２までの距離が、アッパディスク３０の一方端３３から他方端３２までの距離よりも長くなるように、形成されている。アッパディスク３０およびロアディスク２０は、磁性材料から形成されている。

アッパディスク３０の他方端３２は、長孔３４に連結ピン１２ｑが挿通されることによって、上部ステム１２ｎに対して揺動自在に連結されている。ロアディスク２０の他方端２２は、長孔２４に連結ピン１２ｐが挿通されることによって、上部ステム１２ｎに対して揺動自在に連結されている。アッパディスク３０の一方端３３は、貫通孔３７に挿入されたアッパトーションバー３６を介して、ディスク支持台５１に揺動自在に支持されている。ロアディスク２０の一方端２３は、貫通孔２７に挿入されたロアトーションバー２６を介して、ディスク支持台５１に揺動自在に支持されている。

このような構成により、アッパディスク３０およびロアディスク２０をそれぞれ、中心軸３５および２５を中心に揺動させると、その揺動運動が、上部ステム１２ｎから下部ステム１２ｍへと直線運動として伝わり、これによって、駆動弁１４が往復運動する。このように駆動方式を、並進駆動式に対して、回転駆動式と呼ぶ。

アッパディスク３０の一方端３３がディスク支持台５１に支持された位置と、他方端３２がステム１２に連結された位置との間の距離、つまり、中心軸３５と、長孔３４に挿通された連結ピン１２ｑとの間の距離を、Ｌａとし、ロアディスク２０の一方端２３がディスク支持台５１に支持された位置と、他方端２２がステム１２に連結された位置との間の距離、つまり、中心軸２５と、長孔２４に挿通された連結ピン１２ｐとの間の距離を、Ｌｂとした場合、アッパディスク３０およびロアディスク２０は、Ｌａ＜Ｌｂの関係を満たすように設けられている。

中心軸３５および２５を通る中心線１０６を規定した場合に、アッパディスク３０およびロアディスク２０は、中心線１０６が、下部ステム１２ｍの延びる方向、つまり、駆動弁１４が往復運動する方向に平行に延びるように、ディスク支持台５１に支持されている。また、軸部６１ｐが延びる方向の吸着面６１ａおよび６１ｂの中心を互いに結んで、中心線１０７を規定した場合に、電磁石６０は、中心線１０６および１０７が互いに平行に延びるように、ディスク支持台５１に固定されている。中心線１０６と中心線１０７との間の距離を、Ｌｃとすると、電磁石６０で発生した電磁力は、中心軸３５および２５からそれぞれ距離Ｌｃだけ隔てた位置で、アッパディスク３０およびロアディスク２０に作用する。つまり、ディスクが揺動する支点と、電磁石６０で発生した電磁力がディスクに作用する位置との間の距離は、アッパディスク３０およびロアディスク２０で等しい。

このような構成により、駆動弁１４から見て、ロアディスク２０の一方端２３を、アッパディスク３０の一方端３３と比較して、奥まった位置に配置する必要がない。これにより、ディスク支持台５１を下部ステム１２ｍと平行に延びる形状としても、ロアディスク２０を支持するために大きな切欠き形状を設ける必要がなく、ディスク支持台５１の強度を確保できる。また、電磁石６０に対するアッパディスク３０およびロアディスク２０の位置関係が、軸部６１ｐを挟んだ上下で対称となるため、電磁石とこれらのディスクとの間のギャップの設定を、精度良く行なうことができる。

アッパトーションバー３６により、アッパディスク３０には、中心軸３５を中心とした反時計周りの弾性力が作用している。ロアトーションバー２６により、ロアディスク２０には、中心軸２５を中心とした時計周りの弾性力が作用している。電磁石６０による電磁力が加わっていない状態で、ロアディスク２０およびアッパディスク３０は、ロアトーションバー２６およびアッパトーションバー３６によって、開弁側の揺動端と閉弁側の揺動端との間の中間位置に位置決めされる。この中間位置で、アッパディスク３０の表面３１ａから電磁石６０の吸着面６１ａまでの距離と、ロアディスク２０の表面２１ａから電磁石６０の吸着面６１ｂまでの距離とは、等しくなる。

コイル６２に電流を供給すると、電磁力が発生し、アッパディスク３０には、表面３１ａが吸着面６１ａに引き寄せられる力が作用する。これにより、アッパディスク３０は、中心軸３５を中心に反時計周りに揺動しようとし、上部ステム１２ｎを押し下げる方向の力（駆動弁１４を開弁位置に向けて運動させようとする力）を、駆動弁１４に作用させる。また、電磁駆動弁１０では、モノコイルにより構成された電磁石６０が用いられているため、ロアディスク２０にも、表面２１ａが吸着面６１ｂに引き寄せられる力が作用する。これにより、ロアディスク２０は、中心軸２５を中心に時計周りに揺動しようとし、上部ステム１２ｎを押し上げる方向の力（駆動弁１４を閉弁位置に向けて運動させようとする力）を、駆動弁１４に作用させる。電磁石６０で発生した電磁力は、電磁石６０との距離が近い位置で大きく作用し、離れた位置で小さく作用する。このため、駆動弁１４の往復運動とともに、駆動弁１４に作用するこれらの力の大きさが、変化する。

図４は、図１中の電磁駆動弁において、駆動弁のリフト位置と駆動弁に作用する力との関係を示すグラフである。図５は、比較のための電磁駆動弁において、駆動弁のリフト位置と駆動弁に作用する力との関係を示すグラフである。図１中の電磁駆動弁１０との比較のため、アッパディスクおよびロアディスクが、一方端が支持された位置と、他方端がステム１２に連結された位置との間の距離が互いに等しくなるように設けられた電磁駆動弁を想定し、その電磁駆動弁における両者の関係が、図５中に示されている。

図４および図５を参照して、図中の縦軸には、駆動弁１４に作用する力が示されており、閉弁位置に向けて運動させようとする力を正、開弁位置に向けて運動させようとする力を負として、その値が表わされている。ロアディスク２０およびアッパディスク３０から駆動弁１４に作用する力が、それぞれ、曲線１２１および１２２によって示されており、これらの力の合力、つまり、電磁石６０で発生した電磁力により駆動弁１４に作用する力の合力が、曲線１２３によって示されている。

図５から分かるように、比較のための電磁駆動弁では、電磁石６０の吸着面６１ａからアッパディスク３０の表面３１ａまでの距離と、電磁石６０の吸着面６１ｂからロアディスク２０の表面２１ａまでの距離とが、等しくなる中間位置で、曲線１２３に示す駆動弁１４に作用する力の合力が０となる。

一方、本実施の形態における電磁駆動弁１０では、図４から分かるように、一方端が支持された位置と、他方端がステム１２に連結された位置との間の距離が、アッパディスク３０およびロアディスク２０の間で異なるため、中間位置では、アッパディスク３０から駆動弁１４に作用する力が、ロアディスク２０から駆動弁１４に作用する力よりも大きくなる。

より詳細に説明すると、アッパディスク３０およびロアディスク２０が中間位置にある時、電磁石６０で発生した電磁力により、アッパディスク３０およびロアディスク２０に引き付け力Ｆが作用したとすると、上部ステム１２ｎには、アッパディスク３０から、Ｆ×Ｌｃ／Ｌａの大きさの力が作用し、ロアディスク２０から、Ｆ×Ｌｃ／Ｌｂの大きさの力が作用する。Ｌａ＜Ｌｂの関係が成立しているため、電磁石６０からアッパディスク３０およびロアディスク２０に、等しい大きさの引き付け力が作用したとしても、アッパディスク３０から駆動弁１４に作用する力が、ロアディスク２０から駆動弁１４に作用する力よりも大きくなる。

したがって、本実施の形態における電磁駆動弁１０では、図４中の曲線１２３に示すように、駆動弁１４に作用する力の合力が０となるリフト位置が、中間位置よりも閉弁側に寄った位置となる。

図６は、閉弁側の揺動端にあるアッパディスクおよびロアディスクを示す模式図である。図７は、閉弁側の揺動端から開弁側の揺動端に向かうアッパディスクおよびロアディスクを示す模式図である。図８は、開弁側の揺動端にあるアッパディスクおよびロアディスクを示す模式図である。続いて、電磁駆動弁１０の動作について説明を行なう。

図６を参照して、駆動弁１４が閉弁位置にある時、コイル６２に、軸部６１ｐの周りで矢印１１１に示す方向に流れる電流が供給されている。コア６１に磁束が流れて、ロアディスク２０を電磁石６０の吸着面６１ｂに引き寄せる電磁力が発生する。アッパディスク３０およびロアディスク２０は、アッパトーションバー３６の弾性力に抗して、図中に示す閉弁側の揺動端に保持されている。

図７を参照して、次に、コイル６２への電流供給を停止し、電磁石６０に発生していた電磁力を消滅させる。これにより、ロアディスク２０は、吸着面６１ｂから離脱し、アッパトーションバー３６の弾性力によって、中間位置に向けて揺動し始める。次に、アッパディスク３０およびロアディスク２０が中間位置に達する前に、コイル６２に、軸部６１ｐの周りで矢印１１１に示す方向に流れる電流を供給する。コア６１に磁束が流れて、アッパディスク３０を電磁石６０の吸着面６１ａに引き寄せる電磁力が発生する。アッパディスク３０およびロアディスク２０は、この電磁力と、アッパトーションバー３６の弾性力とによって、中間位置に向けて揺動する。この際、電磁石６０には、ロアディスク２０を電磁石６０の吸着面６１ｂに引き寄せる電磁力も発生する。しかしながら、本実施の形態では、電磁力によって駆動弁１４に作用する力の合力が０となるリフト位置が、中間位置から閉弁側に寄った位置にある。このため、コイル６２への電流供給の開始を、アッパディスク３０およびロアディスク２０が中間位置に達する前に行なっても、アッパディスク３０およびロアディスク２０を、継続して中間位置に向けて揺動させることができる。

図８を参照して、中間位置を越えた後、アッパディスク３０およびロアディスク２０は、アッパディスク３０を電磁石６０の吸着面６１ａに引き寄せる電磁力によって、ロアトーションバー２６の弾性力に逆らいながら、図中に示す開弁側の揺動端まで揺動する。

図６を参照して、その後、コイル６２への電流供給を停止し、電磁石６０に発生していた電磁力を消滅させる。これにより、アッパディスク３０は、吸着面６１ａから離脱し、ロアトーションバー２６の弾性力によって、中間位置に向けて、再び揺動し始める。次に、アッパディスク３０およびロアディスク２０が中間位置に達し、さらに中間位置を越えた位置を揺動するタイミングで、コイル６２に、軸部６１ｐの周りで矢印１１１に示す方向に流れる電流を供給する。コア６１に磁束が流れて、ロアディスク２０を電磁石６０の吸着面６１ｂに引き寄せる電磁力が発生する。アッパディスク３０およびロアディスク２０は、この電磁力によって、アッパトーションバー３６の弾性力に逆らいながら、図中の閉弁側の揺動端まで揺動する。

以降、コイル６２への電流供給の開始と停止とを、以上に説明したタイミングで繰り返す。これにより、アッパディスク３０およびロアディスク２０を開弁側および閉弁側の変位端の間で揺動させ、この揺動運動によって駆動弁１４を往復運動させる。

図９は、駆動弁のリフト位置とコイルに供給される電流値との関係を示すグラフである。図９を参照して、図７中に示す時、すなわち、アッパディスク３０およびロアディスク２０が、閉弁側の揺動端から開弁側の揺動端に向けて揺動する時、電磁駆動弁１０を搭載した内燃機関の燃焼室には、爆発工程によるシリンダ内圧が発生している。したがって、電磁駆動弁１０の安定した作動を得るためには、その内圧に打ち勝って傘部１３を燃焼室内に押し込めるだけの力を、駆動弁１４に作用させる必要がある。

図５を参照した際に想定した比較のための電磁駆動弁では、駆動弁１４に作用する力の合力が０となる位置が、中間位置であるため、アッパディスク３０およびロアディスク２０が、閉弁側の揺動端から開弁側の揺動端に向けて揺動する際に、コイル６２への電流供給の開始が、中間位置を超えたタイミングとなってしまう。しかしながら、本実施の形態では、コイル６２への電流供給の開始を、アッパディスク３０およびロアディスク２０が中間位置に達する時（図９中の時間Ｔｘ）よりも前に行なうことができる。このため、駆動弁１４の開弁時に、より大きい電磁力エネルギを駆動弁１４の運動のために投入することができる。これにより、電磁力不足を生じさせることなく、駆動弁１４を、安定して閉弁位置から開弁位置まで運動させることができる。

また、内燃機関が低負荷時にある場合には、燃焼室に発生する内圧が、比較的小さくなるため、駆動弁１４の開弁時に必要となる電磁力エネルギに余裕が生じる。したがって、この場合には、コイル６２に供給する電流値を、高負荷時のＩａからＩｂに低減し、図９中の領域５５の面積に相当する消費電力を節減することができる。

一方、アッパディスク３０およびロアディスク２０が、開弁側の揺動端から閉弁側の揺動端に向けて揺動する時には、コイル６２への電流供給の開始が、アッパディスク３０およびロアディスク２０が中間位置に達し、さらに中間位置を越えた位置を揺動するタイミングになる。しかし、開弁位置から閉弁位置に向けて運動する駆動弁１４には、開弁時のようなシリンダ内圧が作用しないため、開弁時と同様に、駆動弁１４を、安定して運動させることができる。

本実施の形態では、モノコイルからなる電磁石６０を設けるだけで、アッパディスク３０およびロアディスク２０を揺動させ、駆動弁１４を往復運動させることができる。このため、開弁用および閉弁用の２つの電磁石を設ける場合と比較して、コストウェイトが高い電磁石の部品点数を１／２に削減できる。また、コイル６２への電流供給のみで良いため、ＥＤＵ（electronic driver unit）に設けられ、コイル１つに対して１つ必要となる回路素子の数を、電磁石と同様、１／２に削減できる。なお、本実施の形態では、１つの排気弁に注目して説明を行なっているが、内燃機関には、複数のバルブが設けられており、そのバルブごとに電磁駆動弁が必要となる。このため、内燃機関全体として見れば、大幅なコストダウンが可能となる。

また、駆動弁１４が中間位置にある場合に、電磁石と、電磁力が作用する駆動弁のアーマチャとの間が一様に離れてしまう並進駆動式の電磁駆動弁と比較して、回転駆動式の電磁駆動弁１０では、電磁石６０からアッパディスク３０までの距離が、一方端３３に近づくに従って小さくなり、電磁石６０からロアディスク２０までの距離が、一方端２３に近づくに従って小さくなる。電磁石との距離が小さい位置では、大きい電磁力が作用するため、燃焼室で発生するシリンダ内圧にかかわらず、駆動弁１４をより安定して運動させることができる。

この発明の実施の形態１における電磁駆動弁１０は、弁軸としてのステム１２を有する駆動弁１４と、互いに間隔を隔てて設けられ、揺動することによって駆動弁１４を往復運動させる第１および第２のアーム部材としてのアッパディスク３０およびロアディスク２０と、モノコイルとしてのコイル６２を有し、アッパディスク３０とロアディスク２０との間に配置された電磁石としての開閉兼用電磁石６０とを備える。アッパディスク３０およびロアディスク２０は、揺動自在に支持された一方端３３および２３と、ステム１２に連結された他方端３２および２２とを有する。電磁石６０は、コイル６２への電流供給により、アッパディスク３０およびロアディスク２０に電磁力を作用させ、アッパディスク３０およびロアディスク２０を揺動させる。一方端３３および２３が揺動自在に支持された位置と、他方端３２および２２がステム１２に連結された位置との間の距離は、ロアディスク２０よりもアッパディスク３０の方が小さい。

電磁駆動弁１０は、内燃機関の燃焼室と排気ポート１７との間の開閉に用いられる電磁駆動弁である。駆動弁１４は、ステム１２の先端に形成され、駆動弁１４の閉弁位置から開弁位置への運動に伴って、燃焼室と排気ポート１７との間を遮蔽する位置から燃焼室内へと移動する弁体としての傘部１３をさらに有する。

このように構成された、この発明の実施の形態１における電磁駆動弁１０によれば、アッパディスク３０およびロアディスク２０から駆動弁１４に作用する力が釣り合う位置を、中間位置から閉弁側にずらすことで、駆動弁１４の閉弁位置から開弁位置に向かう運動に、より大きい電磁力エネルギを投入することができる。これにより、電磁力不足を生じさせることなく、駆動弁１４を閉弁位置から開弁位置に安定して運動させることができる。また、シリンダ内圧が増大しても、電磁駆動弁１０の安定した作動を得ることができるため、内燃機関の出力を向上させることができる。また、内燃機関の低負荷時には、消費電力を節減することで、内燃機関の燃費を向上させることができる。

（実施の形態２）
図１０は、この発明の実施の形態２における電磁駆動弁を示す断面図である。本実施の形態における電磁駆動弁は、実施の形態１における電磁駆動弁１０と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。

図１０を参照して、本実施の形態では、アッパディスク３０が中心軸３５を支点に揺動する角度が、ロアディスク２０が中心軸２５を支点に揺動する角度よりも小さくなるように、電磁石６０およびディスク支持台５１が形成されている。電磁石６０およびディスク支持台５１は、軸部６１ｐが延びる方向に対する吸着面６１ａおよび表面５１ａの傾斜が、吸着面６１ｂおよび表面５１ｂの傾斜よりも小さくなるように形成されている。

図１１は、図１０中の電磁駆動弁において、駆動弁のリフト位置と駆動弁に作用する力との関係を示すグラフである。図１０および図１１を参照して、本実施の形態では、アッパディスク３０およびロアディスク２０が、開弁側の揺動端と閉弁側の揺動端との間の真ん中（図１１中で、中立位置と表示する位置）にある時、表面３１ａから吸着面６１ａまでの距離Ｌｄが、表面２１ａから吸着面６１ｂまでの距離Ｌｅよりも小さくなる。このため、表面３１ａから吸着面６１ａまでの距離と、表面２１ａから吸着面６１ｂまでの距離とが、等しくなる中間位置が、閉弁側にずれ、これによって、電磁石６０で発生した電磁力が、アッパディスク３０およびロアディスク２０に等しい大きさの引き付け力を作用させる位置も、閉弁側にずれる。

したがって、本実施の形態では、一方端が支持された位置および他方端がステム１２に連結された位置間の大小関係との相乗効果により、電磁力によって駆動弁１４に作用する力の合力が０となるリフト位置を、実施の形態１における電磁駆動弁１０よりも、さらに閉弁側に寄った位置に設定することができる。

このように構成された、この発明の実施の形態２における電磁駆動弁によれば、駆動弁１４が閉弁位置から開弁位置に向かう際のコイル６２への電流供給の開始を、さらに早いタイミングで行なうことができる。これにより、実施の形態１に記載の効果を、さらに有効に得ることができる。

（実施の形態３）
図１２は、この発明の実施の形態３における電磁駆動弁を示す断面図である。本実施の形態における電磁駆動弁は、実施の形態１における電磁駆動弁１０と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造については説明を繰り返さない。

図１２を参照して、本実施の形態における電磁駆動弁１１０では、アッパディスク３０の一方端３３がディスク支持台５１に支持された位置と、他方端３２がステム１２に連結された位置との間の距離、つまり、中心軸３５と、長孔３４に挿通された連結ピン１２ｑとの間の距離が、ロアディスク２０の一方端２３がディスク支持台５１に支持された位置と、他方端２２がステム１２に連結された位置との間の距離、つまり、中心軸２５と、長孔２４に挿通された連結ピン１２ｐとの間の距離と等しくなるように、アッパディスク３０およびロアディスク２０が設けられている。

上部ステム１２ｎおよび下部ステム１２ｍは、それぞれ、互いに向い合う端面１２ｂおよび１２ａを有する。上部ステム１２ｎは、端面１２ｂが端面１２ａに当接した状態で、下部ステム１２ｍに接続されている。上部ステム１２ｎは、下部ステム１２ｍが延びる方向、つまり駆動弁１４が往復運動する方向に延びるように、下部ステム１２ｍに接続されている。

ディスク支持台５１には、ロアディスク２０を挟んで電磁石６０の反対側に位置して、電磁石７０が固定されている。電磁石７０は、コイル６２と、吸着面７１ａを有し、磁性材料から形成されたコア７１とから構成されている。コア７１は、電磁石６０の軸部６１ｐと平行に延びる軸部７１ｐを有する。コイル６２は、電磁石６０から連続して延び、軸部７１ｐの周りを旋回するように設けられている。吸着面７１ａは、ロアディスク２０の表面２１ｂに向い合っており、吸着面７１ａと電磁石６０の吸着面６１ｂとの間には、ロアディスク２０が揺動する空間が規定されている。

軸部６１ｐおよび７１ｐの周りで、それぞれ矢印１５１および１５２に示す方向に流れる電流を、電磁石６０および７０のコイル６２に供給する。これにより、電磁石６０では、コア６１とロアディスク２０との間で、矢印１５３に示す方向に流れる磁束が形成され、電磁石７０では、コア７１とロアディスク２０との間で、矢印１５４に示す方向に流れる磁束が形成される。これらの磁束は、ロアディスク２０内で互いに反対方向に流れ、電磁石６０によって発生した磁束が、電磁石７０によって発生した磁束により相殺され、弱められる。この結果、ロアディスク２０が電磁石６０の吸着面６１ｂに引き寄せられる力は、電磁石６０のみが設けられている場合と比較して、小さくなる。

図１３は、図１２中の電磁石において、駆動弁のリフト位置と駆動弁に作用する力との関係を示すグラフである。図１２および図１３を参照して、図中では、電磁石７０で発生する電磁力によって、ロアディスク２０から駆動弁１４に作用する力が、曲線１２４によって示されている。本実施の形態では、電磁石７０を設けることによって、アッパディスク３０から駆動弁１４に作用する力が、ロアディスク２０から駆動弁１４に作用する力よりも大きくなる。これにより、電磁力によって駆動弁１４に作用する力の合力が０となるリフト位置が、中間位置から閉弁側に寄った位置となる。

この発明の実施の形態３における電磁駆動弁１１０は、弁軸としてのステム１２を有する駆動弁１４と、互いに間隔を隔てて設けられ、揺動することによって駆動弁１４を往復運動させる第１および第２のアーム部材としてのアッパディスク３０およびロアディスク２０と、アッパディスク３０とロアディスク２０との間に配置され、電磁力を作用させてアッパディスク３０およびロアディスク２０を揺動させる電磁石としての開閉兼用電磁石６０と、ロアディスク２０を挟んで電磁石６０の反対側に設けられた減磁用電磁石としての電磁石７０とを備える。アッパディスク３０およびロアディスク２０は、揺動自在に支持された一方端３３および２３と、ステム１２に連結された他方端３２および２２とを有する。電磁石６０は、モノコイルとしてのコイル６２を有し、電磁石７０は、コイル６２を有する。電磁石６０のコイル６２への電流供給により、ロアディスク２０内に所定の方向に流れる磁束が形成され、電磁石７０のコイル６２への電流供給により、ロアディスク２０内に所定の方向とは反対方向に流れる磁束が形成される。

電磁駆動弁１１０は、内燃機関の燃焼室と排気ポート１７との間の開閉に用いられる電磁駆動弁である。駆動弁１４は、ステム１２の先端に形成され、駆動弁１４の閉弁位置から開弁位置への運動に伴って、燃焼室と排気ポート１７との間を遮蔽する位置から燃焼室内へと移動する弁体としての傘部１３をさらに有する。

このように構成された、この発明の実施の形態３における電磁駆動弁１１０によれば、駆動弁１４が閉弁位置から開弁位置に向かう際のコイル６２への電流供給の開始を、中間位置よりも早いタイミングで行なうことができる。これにより、実施の形態１に記載の効果と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態では、電磁石７０に、電磁石６０から連続して延びるコイル６２を設けたが、コイル６２とは別のコイル、つまり、コイル６２と独立して電流供給の制御を行なうことができるコイルを、電磁石７０に設けても良い。電磁駆動弁１１０では、軸部７１ｐに対するコイル６２の巻き数などにより、駆動弁１４に作用する力の合力が０となるリフト位置が、固定されるが、この場合、そのリフト位置を自由に設定できる。このため、内燃機関が低負荷時にある場合には、電流供給の開始を最適な時期まで遅らせることができ、消費電力の節減をさらに図ることができる。

また、実施の形態１から３では、本発明による電磁駆動弁を内燃機関の排気弁に適用した場合について説明したが、吸気弁に適用することも可能である。また、実施の形態１から３における電磁駆動弁を適宜、組み合わせて、新たな電磁駆動弁を構成しても良い。

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。

この発明の実施の形態１における電磁駆動弁を示す断面図である。 図１中の電磁石を示す斜視図である。 図１中のアッパディスク（ロアディスク）を示す斜視図である。 図１中の電磁駆動弁において、駆動弁のリフト位置と駆動弁に作用する力との関係を示すグラフである。 比較のための電磁駆動弁において、駆動弁のリフト位置と駆動弁に作用する力との関係を示すグラフである。 閉弁側の揺動端にあるアッパディスクおよびロアディスクを示す模式図である。 閉弁側の揺動端から開弁側の揺動端に向かうアッパディスクおよびロアディスクを示す模式図である。 開弁側の揺動端にあるアッパディスクおよびロアディスクを示す模式図である。 駆動弁のリフト位置とコイルに供給される電流値との関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態２における電磁駆動弁を示す断面図である。 図１０中の電磁駆動弁において、駆動弁のリフト位置と駆動弁に作用する力との関係を示すグラフである。 この発明の実施の形態３における電磁駆動弁を示す断面図である。 図１２中の電磁石において、駆動弁のリフト位置と駆動弁に作用する力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０，１１０ 電磁駆動弁、１２ ステム、１３ 傘部、１４ 駆動弁、１７ 排気ポート、２０ ロアディスク、２２，３２ 他方端、２３，３３ 一方端、３０ アッパディスク、６０ 開閉兼用電磁石、６２ コイル、７０ 電磁石。

Claims (6)

1. 弁軸を有する駆動弁と、
   揺動自在に支持された一方端と、前記弁軸に連結された他方端とを有し、互いに間隔を隔てて設けられ、揺動することによって前記駆動弁を往復運動させる第１および第２のアーム部材と、
   モノコイルを有し、前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間に配置され、前記モノコイルへの電流供給により、前記第１および第２のアーム部材に電磁力を作用させ、前記第１および第２のアーム部材を揺動させる電磁石とを備え、
   前記一方端が揺動自在に支持された位置と、前記他方端が前記弁軸に連結された位置との間の距離は、前記第２のアーム部材よりも前記第１のアーム部材の方が小さい、電磁駆動弁。
2. 前記第１および第２のアーム部材は、前記第１のアーム部材の前記一方端が揺動自在に支持された位置と、前記第２のアーム部材の前記一方端が揺動自在に支持された位置とを結んだ直線が、前記駆動弁の往復運動する方向に平行に延びるように設けられている、請求項１に記載の電磁駆動弁。
3. 前記一方端が支持された位置を支点に前記第１のアーム部材が揺動する角度は、前記第２のアーム部材が揺動する角度よりも小さい、請求項１または２に記載の電磁駆動弁。
4. 弁軸を有する駆動弁と、
   揺動自在に支持された一方端と、前記弁軸に連結された他方端とを有し、互いに間隔を隔てて設けられ、揺動することによって前記駆動弁を往復運動させる第１および第２のアーム部材と、
   モノコイルを有し、前記第１のアーム部材と前記第２のアーム部材との間に配置され、電磁力を作用させて前記第１および第２のアーム部材を揺動させる電磁石と、
   コイルを有し、前記第２のアーム部材を挟んで前記電磁石の反対側に設けられた減磁用電磁石とを備え、
   前記モノコイルへの電流供給により、前記第２のアーム部材内に所定の方向に流れる磁束が形成され、前記コイルへの電流供給により、前記第２のアーム部材内に前記所定の方向とは反対方向に流れる磁束が形成される、電磁駆動弁。
5. 前記コイルは、前記モノコイルから連続する一続きの線によって形成されている、請求項４に記載の電磁駆動弁。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の電磁駆動弁が、燃焼室と排気ポートとの間の開閉に用いられた内燃機関であって、
   前記駆動弁は、前記弁軸の先端に形成され、前記駆動弁の閉弁位置から開弁位置への運動に伴って、燃焼室と排気ポートとの間を遮蔽する位置から燃焼室内へと移動する弁体をさらに有し、
   前記駆動弁が閉弁位置から開弁位置に向けて運動する時に、前記電磁石で発生する電磁力により、前記第１のアーム部材が前記電磁石に引き寄せられ、前記駆動弁が開弁位置から閉弁位置に向けて運動する時に、前記電磁石で発生する電磁力により、前記第２のアーム部材が前記電磁石に引き寄せられる、内燃機関。

Images