JPH06501081A - 回復式エンジンバルブシステム及びその操作方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 回復式エンジンバルブシステム及びその操作方法穴咀９分野 本発明は一般に液圧作動バルブの操作方法に係り、より詳細には、液圧流体を加 圧するのに使用したエネルギーの若干を回復することにより液圧作動バルブに通 常関連したエネルギーの消費量を著しく減少する操作方法に関する。

先行扶街 液圧作動のエンジンバルブは、エンジンの運転状態の変化に迅速に応答してエン ジンバルブの開閉事象のタイミングを変え、ひいては、最適にタイミング取りす ることができるので、機械作動のエンジンバルブよりも効果的である。

この液圧システムに一般に関連した１つの欠点は、エンジンバルブを迅速に作動 するに必要な液圧エネルギーの量が多いことである。この高いエネルギー消費量 は、エンジンバルブが圧縮・燃焼段階中にエンジンの燃焼チャンバに発生する比 較的高いガス圧力に抗して開かなけければならない排気ポペット弁である場合に 特に明らかである。この動力消費量は、典型的な機械エンジンバルブを作動する のに必要な動力よりも７５％も高い。

本発明は、液圧流体を加圧するのに用いるエネルギーの若干を回復することによ って液圧バルブシステムのエネルギー要求を機械バルブシステムと同等のものＲ 明Ω要宣 本発明の１つの特徴においては、バルブと、比較的低圧力の流体のソースと、比 較的高圧力の流体のソースと、選択的な流体流通手段とを備えたエネルギー回復 バルブシステムが提供される。上記バルブは閉じた位置と開いた位置との間で変 位することができ、プランジャ表面を有している。上記選択的な流体連通手段は 、このプランジャ表面と、上記低圧流体ソース又は高圧流体ソースのいずれかと の間に流体を選択的に連通ずるために設けられている。プランジャ表面は、高圧 流体と連通するときに上記バルブをその開位置に向けて押しやるよう作用し、そ してバルブがその開位置から閉位置に向けて動くときには加圧流体を高圧流体ソ ースに返送するように作用し、流体を最初に加圧するのに用いたエネルギーの若 干を回復させる。

本発明の別の特徴においては、液圧作動バルブシステムを操作する方法が提供さ れる。この方法は、バルブの開位置から閉位置へ向かうバルブ変位の第１部分中 に低圧流体ソースからバルブのプランジャ表面へ流体を連通し、そしてバルブの 開位置から閉位置へ向かうバルブ変位の第２部分中に高圧流体ソースからプラン ジャ表面へ流体を連通する段階を備えている。

本発明は、液圧流体を加圧するのに用いるエネルギーの一部分を回復することに より液圧作動バルブシステムに通常関連した液圧動力の消費量を減少するもので ある。更に、バルブが開く間にバルブの速度を制御して、完全に開いたときにそ の平衡位置をオニバーシュートしないようにすることができる。更に、バルブが 閉じる間にもバルブの速度を制御してバルブがその弁座に穏やかに当たるように することができる。更に、本発明は、エンジンの性能を最適にする助けとなるよ うに最も適当な時間にバルブを開閉できるようにする。

因面２簡単バ脱盟 図１は、本発明の電気液圧バルブシステムの概略部分断面図である。

図２は、図１のシステムの例示的な動作を示す３つのグラフで、最も下のグラフ は、電圧”Ｖ”対時間”　ｔ”の関数としてマイクロプロセッサ論理パルスを示 すもので、真ん中のグラフは、スプールバルブ変位”ｄｓマ”を時間°ｔ″の関 数として示すもので、そして最も上のグラフは、エンジンバルブ変位”ｄ、ｖ” を時間”　ｔ”の関数として示すものである。

好圭旦兄叉施何Ω脱盟 図１には、内燃機関用の本発明のエンジンバルブシステム１０の実施例が示され ている。

このシステム１０は、第１の閉じた位置（図示）と第２の開いた位置（図示せず ）との間で各々変位することのできる１つ以上のエンジンバルブ１２と、この各 ニンジンバルブ１２に一体的に形成されるか又はその付近に個別に配置されるプ ランジャ１４であって、プランジャ表面１６を有しているプランジャと、各エン ジンバルブ１２をその第１位置に向けてバイアスする第１手段、好ましくは、一 対の螺旋圧縮スプリング１８と、比較的低圧力流体のソース２ｏと、比較的高圧 力流体のソース２２と、レール２５を通して低圧流体ソース２ｏ又は高圧流体ソ ース２２の一方とプランジャ表面１６との間に流体を選択的に連通させるための 第２手段、好ましくは第２バルブであって更に好ましくは三方スプールバルブ２ ４とを備えている。このスプールバルブ２４は、螺旋圧縮スプリング２６によっ て第１位置（図示）へバイアスされ、そしてアクチュエータによりこのスプリン グ２６の力に抗して上記第１位置より右の第２位置（図示せず）へと動かされる 。この実施例においては、アクチュエータは圧電モータ２８である。この圧電モ ータに隣接して、比較的直径の大きなピストン３０と、スプリングバイアスアレ イとがあり、これは、スプールバルブ２４に隣接する比較的直径の小さいピスト ン３２ど液圧連通している。大きなピストン３０及び小さなピストン３２は、互 いに離れるようにスプリングバイアスされる。

エンジンバルブ１２は、図１には部分的に示されているだけであるが、これは例 えばシリンダーへラド３４内に往復運動するよう配置された１組の従来型の排気 又は吸気ポペット弁である。

プランジャ１６は、バルブ本体３８のボア３６内で往復運動するように案内され る。

低圧流体ソース２０からの流体の流体圧力は、好ましくは４００ｐｓｉより低（ 、更に好ましくは、２００ｐｓｉより低い。以下で説明するように高圧流体から 低圧流体へ切り換えるときにレール２５及びプランジャ表面１６にほとんどキャ ビテーシヨンが生じることのないように低圧流体ソースには充分な圧力を維持す ることが推奨される。

高圧流体ソース２２からの流体の流体圧力は、好ましくは１５００ｐｓｉよりも 高く、更に好ましくは、３０００ｐｓｉよりも高い。

二！煎望座里性 説明を明確にするため、以下のシーケンスは、エンジンバルブ１２が図２の最も 上のグラフにＡ１で示すようにその第１位置、即ちその閉じた安住位置にありモ してスプールバルブが図２の真ん中のグラフにＰＬで示すようにその第１位置に ある状態で始まるものとする。バルブを開くシーケンスを開始するために、時間 を冒こ、電圧Ｖにが圧電モータ２８に送られる。圧電モータ２８が延びて太きな ピストン３０を駆動し、これは液圧連通により小さなピストン３２を駆動し、次 いで、スプールバルブ２４をその第１位置ＰＬからその第２装置Ｐｇへ駆動する 。

スプールバルブ２４がその第１位置ＰＬからその第２装置Ｐ、へ動くと、低圧ソ ース２０とプランジャ表面１６との連通が閉じられ、高圧ソース２２とプランジ ャ表面１６との連通が開かれる。高圧流体は、圧縮スプリング１８の力に抗して エンジンバルブ１２を開くに充分な大きさである。高圧ソース２２とプランジャ 表面１６との連通は、エンジンバルブ１２の変位のＡ；からＡ、までの第１部分 中に、エンジンバルブ１２が完全開状態へ進むに充分なモーメントが該バルブに 蓄積されるまで維持される。

時間ｔｔに対応するエンジンバルブ変位Ａ１においては、圧電モータ２８から電 圧が取り去られ、スプールバルブ２４はスプリング２６の力のもとてその第２装 置Ｐ１１から第１位置ＰＬへ戻され、高圧流体とプランジャ表面１６との連通を 遮断し、そして低圧流体とプランジャ表面１６とを再び連通させる。

上記変位Ａ、から、エンジンバルブ１２のモーメントはこれを完全開位置Ａ。

へもってい（ことができる。エンジンバルブ１２と共に下方に動くプランジャ１ ４によって生じるレール２５の次第に大きくなる容積には、高圧力流体ではなく て低圧力流体が充填され、これにより、進行周期中に液圧エネルギーが保持され る。このように、エンジンバルブ１２を開（のに必要な液圧動力は、シリンダー の圧力及び他のファクターにもよるが、約１０ないし２０％も減少することがで きる。Ａ、からＡｓまでを分析すると、高圧流体のポテンシャルエネルギーが、 運動するエンジンバルブ１２の運動エネルギーと圧縮スプリング１８のポテンシ ャルエネルギーとに変換される。

エンジンバルブの最大変位Ａｓ（完全開）においては、エンジンバルブ１２の運 動エネルギーが圧縮スプリング１８に蓄積されるポテンシャルエネルギーに変換 される。液圧と圧縮スプリング１８の力とが平衡状態にあるとき又はプランジャ １４が物理的なストッパに接触したときに所望の最大変位に到達する。プランジ ャのストッパがない場合、流体の供給が完全開の前に低圧力に切り換わらないと 、エンジンバルブ１２は、そのモーメントが増加するためにその平衡位置をオー バーシュートし、スプリング１８にダメージを及ぼすと共に、エンジンバルブ１ ２を振動させることがある。ストッパがあっても、プランジャ１４がフルスピー ドでストッパに当たると、磨耗や破壊や振動を招くことになる。

エンジンバルブ１２のＡ、に対応する時間ｔｓにおいて、圧電モータ２８が再び 付勢され、スプールバルブ２４を再びその第２位置Ｐ７へ押しやり、プランジャ 表面１６に連通する流体を低圧から高圧に切り換える。このようにして、エンジ ンバルブ１２は、圧縮スプリング１８の力に抗して開位置を維持することかでき る。ｔ、とｔ４との間では、エンジンバルブの速度がゼロである。エンジンバル ブ１２は、このようにエンジンサイクル中の適当な時間ｔ４まで開位置に保持さ れ、それから閉じる。

時間ｔ４において、圧電モータ２８から電圧が取り去られて、スプールバルブ２ ４をその第２位置Ｐ□からその第１位置ＰＬへ戻させ、プランジャ表面１６と連 通ずる流体を高圧から低圧へ切り換えさせ、これにより、エンジンバルブ１２は その閉止ストロークを開始することができる。この段階において、圧縮スプリン グ１８のポテンシャルエネルギーが、運動するエンジンバルブ１２の運動エネル ギーに変換される。低圧流体源２０は、比較的高圧の流体に抗してエンジンバル ブ１２を閉じるに充分なモーメントが得られるまでプランジャ表面１６と連通状 態に維持される。

時間ｔ、に対応するエンジンバルブ変位Ａ、においては、圧電モータ２８が再び 付勢され、スプールバルブ２４をその第１位置ＰＬからその第２位置ＰＩｌへ動 かし、これにより、プランジャ表面１６と連通ずる流体を低圧力から高圧力に切 り換える。高圧流体の力に抗してエンジンバルブ１２をその閉じた位置Ａ６へも っていくに充分なモーメントがエンジンバルブ１２にあるので、今やプランジャ １４は、バルブがＡ、からＡ、まで移動するときに加圧流体を高圧ソース２２へ 返送することにより流体ポンプのように働く。これが、サイクルの液圧エネルギ ー回復部分である。分析的には、エンジンバルブ１２の運動エネルギーが高圧流 体ソース２２のポテンシャルエネルギーに変換される。この段階中に、エンジン バルブ１２を開くのに通常使用される液圧エネルギーの約３０％ないし５０％を 回復することができる。スプールバルブ２４間の圧力降下及びシステムの摩擦損 失があるためにこの回復は１００％にはならない。もちろん、Ａ、においては、 エンジンバルブ１２が再び安住されるので、エンジンバルブ１２の速度はゼロで ある。

バルブが安住するや否や、圧電モータ２８が消勢され、スプールバルブ２４はそ の第２位置Ｐ、ｌからその第１位置Ｐ、へ移動し、プランジャ表面１６ど連通す る流体を高圧力から低圧力に切り換え、エンジンバルブ１２は再び開き始める。

これでサイクルを繰り返す準備ができる。

ここに開示したシステムは、設計上選択できることとして、エンジンバルブ１２ がその開位置に向かってバイアスされそして高圧流体を使用してエンジンバルブ １２をその閉位置に向けて押しやるような逆の構成にすることもできる。

本発明の回復式バルブシステムは多数の効果を発揮する。先ず第１に、このシス テムは、エンジンバルブ１２の位置に基づいて高圧ソース２２とプランジャ表面 １６との間の流体連通を選択的に「オン」又は「オフ」に切り換えて、液圧動力 の消費量を最小にすることができる。第２に、開方向におけるエンジンバルブ１ ２の変位を制御して、エンジンバルブ１２が完全開におけるその平衡位置をオー バーシュートしないようにすることができる。第３に、閉方向におけるエンジン バルブ１２の変位を制御して、バルブの安住速度を最小とすることができる。

第４に、このシステムは、エンジンの性能を最適にする助けとなるように最も適 当な時間にエンジンバルブ１２を開閉することができる。第５に、エンジンバル ブ１２の進行段階中に液圧エネルギーを節約及び回復させてシステムのエネルギ ー要件を低減させることができる。

以上、エンジンの燃焼チャンバのポペットエンジンバルブ１２に使用するものと して本発明を図示して説明したが、本発明は、その効果から利便さを得ることの できるいかなる液圧作動バルブにも適用できることを理解されたい。

本発明の他の目的、特徴、及び効果は、以上の説明、添付図面及び請求の範囲か ら明らかとなろう。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．プランジャ表面（１６）を有し、第１の位置と第２の位置との間で変位する ことのできるバルブ（１２）と、 上記バルブを上記第１位置に向けてバイアスするための第１手段（１８）と、比 較的圧力の低い流体のソース（２０）と、比較的圧力の高い流体のソース（２２ ）と、上記プランジャ表面（１６）と、上記低圧力流体ソース（２０）及び上記 高圧力流体ソース（２２）との間に流体を選択的に連通する第２手段（２４）と を備え、上記プランジャ表面（１６）は、該表面が上記高圧力流体ソース（２２ ）と流体連通するときに上記パルプ（１２）を上記第２位置に向けて押しやるよ うに動作することができ、そして 上記プランジャ表面（１６）は、上記バルブ（１２）が上記第２位置から上記第 １位置的向かう方向に動くときに上記加圧流体を上記高圧力流体ソース（２２） へ返送するように動作できることを特徴とするバルブシステム（１０）。
2. ２．上記第２手段（２４）は、上記低圧力流体（２０）及び上記高圧力流体（２ ２）の一方のみが上記プランジャ表面（１６）と流体連通する第１位置と、上記 低圧力流体（２０）及び上記高圧力流体（２２）の他方のみが上記プランジャ表 面（１６）と流体連通する第２位置との間で変位することができる請求項１に記 載のバルブシステム（１０）。
3. ３．上記高圧力流体（２２）の上記流体圧力は、少なくとも約１５００ｐｓｉで ある請求項３に記載のバルブシステム（１０）。
4. ４．上記低圧力流体（２０）の上記流体圧力は、約４００ｐｓｉ未満である請求 項３に記載のバルブシステム（１０）。
5. ５．バルブシステム（１０）を操作する方法において、バルブ（１２）がその第 １位置にある間に高圧力流体（２２）をバルブ（１２）のプランジャ表面（１６ ）に連通し、 上記バルブ（１２）の第１位置から第２位置に向かう変位の第１部分中に上記高 圧力流体（２２）とプランジャ表面（１６）との間の流体連通を一時的に維持し 、そして上記バルブ（１２）がその第２位置に到達する前の上記変位の第２部分 中に上記高圧流体（２２）と上記プランジャ表面（１６）との連通を停止し、そ れにより、上記バルブ（１２）のモーメントで上記バルブ（１２）をその第２位 置へ向けて運ぶようにすることを特徴とする方法。
6. ６．上記バルブ（１２）が上記第２位置に到達すると、上記高圧力流体（２２） が上記プランジャ表面（１６）と再び連通する請求項５に記載の方法。
7. ７．上記バルブ（１２）を上記第１位置に戻すべきときには、上記項圧力流体（ ２２）と上記プランジャ表面（１６）との連通が停止される請求項６に記載の方 法。
8. ８．上記第２位置から上記第１位置へ向かう上記バルブ（１２）の変位の第１部 分中であって且つ上記バルブ（１２）が上記第１位置に到達する前に、上記高圧 力流体（２２）と上記プランジャ表面（１６）との間に非連通を維持し、上記バ ルブ（１２）の上記第２位置から第１位置へ向かう上記変位の第２部分中に上記 高圧力流体（２２）を上記プランジャ表面（１６）と連通させる請求項７に記載 の方法。
9. ９．上記高圧力流体（２２）と上記プランジャ表面（１６）との上記連通が停止 されるときには、上記プランジャ表面（１６）が上記低圧力流体（２０）と連通 状態にされる請求項６に記載の方法。
10. １０．プランジャ表面（１６）を有していて第１位置と第２位置との間で変位す ることのできるバルブ（１２）と、上記バルブ（１２）を上記第１位置に向けて バイアスする第１手段（１８）と、比較的圧力の高い流体のソース（２２）と、 比較的圧力の低い流体のソース（２０）とを備えているバルブシステム（１０） を操作する方法において、上記バルブ（１２）の上記第２位置においては、上記 高圧力流体（２２）を上記プランジャ表面（１６）に連通せず、 上記第１手段（１８）は上記バルブ（１２）を上記第１位置に向けて押しやり、 上記バルブ（１２）が上記第１位置に到達する前に、上記高圧力流体（２２）を 上記プランジャ表面（１６）に連通させ、そして上記バルブ（１２）のモーメン トにより上記バルブ（１２）をその第１位置に向けて運んで、上記プランジャ表 面（１６）と連通状態にある上記高圧流体（２２）を上記高圧力流体のソース（ ２２）へ戻すように圧送することを特徴とする方法。