(57)【要約】【課題】永久磁石電気バルブ及びその制御システムを提供する。【解決手段】永久磁石電気バルブとその制御システムを提供する。永久磁石電気バルブは、ケース（１）と、上側固定鉄芯（９）及びその巻線と、下側固定鉄芯（８）及びその巻線と、バルブ体（７）と、永久磁石浮動ブロック（３）と、リニア軸受け（６）とを含む。永久磁石浮動ブロック（３）は、二つの鉄芯間においてバルブ体（７）に固定される。永久磁石浮動ブロック（３）と、二つの鉄芯及びそれらの巻線との間の磁力により引力と斥力とが生成され、二つの鉄芯間で永久磁石浮動ブロック（３）とバルブ体（７）とが上下に移動する。制御システムは、バルブの巻線と、信号検出モジュール（２１）と、信号処理モジュール（２２）と、単相ブリッジ可変電流駆動回路（Ｑ）とから構成される。信号処理モジュール（２２）は、信号検出モジュール（２１）が検出した信号を受信及び処理して、パルス誘発駆動信号を生成し、エンジンの給排気制御装置におけるシリンダーごとの吸気バルブと排気バルブの電流を交互に切り替えるよう単相ブリッジ可変電流駆動回路を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケース（１）と、
前記ケース（１）内の中央位置に設置されたバルブ体（７）と
を含み、
前記ケース（１）内の上端に固定され、第一巻線（５'）が巻き付けられ、自身の下端が前記バルブ体（７）の上端に対向配置される上側固定鉄芯（９）と、
第二巻線（５"）が巻き付けられ、前記上側固定鉄芯（９）から所定距離離間して設置され、前記ケース（１）内の下端に固定される下側固定鉄芯（８）と、
前記下側固定鉄芯（８）と前記上側固定鉄芯（９）との間において、前記バルブ体（７）に固定される永久磁石浮動ブロック（３）と
を更に含み、
前記第一巻線（５'）と前記第二巻線（５"）における電流により生成される磁力と、前記永久磁石浮動ブロック（３）により生成される磁力とにより引力と斥力とが生成され、それにより、前記永久磁石浮動ブロック（３）と前記バルブ体（７）とが前記下側固定鉄芯（８）と前記上側固定鉄芯（９）との間で上下に移動する、
永久磁石電気バルブ。
【請求項２】
前記永久磁石浮動ブロック（３）は、永久磁石鋼（３０１）と、前記永久磁石鋼（３０１）を前記バルブ体（７）に固定するべく用いられる固定具（３０２）とを含む、
請求項１に記載の永久磁石電気バルブ。
【請求項３】
前記第一巻線（５'）と前記第二巻線（５"）とは、直列接続あるいは並列接続され、前記第一巻線（５'）及び前記第二巻線（５"）の導通電流は、正極と負極とが交互に切り替えられる電流である、
請求項１に記載の永久磁石電気バルブ。
【請求項４】
前記永久磁石浮動ブロック（３）に対向する前記上側固定鉄芯（９）の下端面には緩衝装置（２）が堅固に配置され、前記永久磁石浮動ブロック（３）に対向する前記下側固定鉄芯（８）の上端面には緩衝装置（４）が配置される、
請求項１に記載の永久磁石電気バルブ。
【請求項５】
前記緩衝装置（２、４）は、緩衝バネ、又は緩衝ブロックである、
請求項１に記載の永久磁石電気バルブ。
【請求項６】
リニア軸受け（６）を更に含み、
前記リニア軸受け（６）は、前記バルブ体（７）を滑動可能に保持する、
請求項１に記載の永久磁石電気バルブ。
【請求項７】
永久磁石電気バルブの制御システムであって、
前記制御システムは、請求項１乃至６のいずれかに記載の永久磁石電気バルブの巻線（２０）を制御し、
前記制御システムは、
エンジンのクランク軸端に配置された信号生成ユニット（１１）と、前記信号生成ユニット（１１）に接続し、ピストンの上側停止点及び下側停止点と、モータの位相位置信号とを取得するべく用いられるセンサ（１２）とを含む信号検出モジュール（２１）と、
前記信号検出モジュール（２１）に接続し、前記信号検出モジュール（２１）が検出した信号を受信及び処理して、パルス誘発駆動信号を生成するべく用いられる信号処理モジュール（２２）と、
前記信号処理モジュール（２２）と、前記永久磁石電気バルブの前記巻線（２０）とにそれぞれ接続し、前記信号処理モジュール（２０）が生成したパルス誘発駆動信号に従って各シリンダーの吸気バルブと排気バルブの前記巻線（２０）の電流を交互に切り替えるべく用いられる単相ブリッジ可変電流駆動回路（Ｑ）と
を含む永久磁石電気バルブの制御システム。
【請求項８】
前記単相ブリッジ可変電流駆動回路（Ｑ）は、単相ブリッジ可変電流駆動回路を構成する直流電源ユニット（Ｅ）と四つの電力デバイスとから構成される、
請求項７に記載の永久磁石電気バルブの制御システム。
【請求項９】
前記四つの電力デバイスは、高出力トリオード（Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、及びＴ４）、又は半導体電界効果トランジスタ（Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、及びＭ４）である、
請求項７に記載の永久磁石電気バルブの制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジン用の給排気制御装置に関し、より具体的には、エンジン用の給排気制御装置に用いられる永久磁石電気バルブとその制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術に係るエンジンに採用される給排気制御機構は、全て、バルブ、バルブスプリング、バルブガイド、バルブガイドオイルシール、ロッカーアーム、バルブクリアランス調整器、ロッカーアームシャフト、カムシャフト、係止ブロック、スプリング、可変弁機構等により構成される。給排気制御機構の動力伝達システムは、エンジンクランク軸のタイミングベルトプーリ（又はチェーン歯車）、タイミングベルト又はチェーン、ピンチローラ、及びカムシャフトプーリ又はカムシャフトギアにより構成・駆動される。バルブは、給排気制御機構の動力伝達システムを介して開閉される。従来技術に係るエンジンバルブの動力伝達機構は、数多くのパーツと部品及び複雑な構造に特徴付けられており、また、このような機械的な給排気制御機構と動力伝達システムではバルブ持ち上げとバルブ開閉角度の変更と調節が行えず、エンジンの有効性に直接的な影響を及ぼす。更に、バルブガイドオイルシールは磨耗、老朽化し易いためにエンジンオイルがバルブとバルブガイドの間から燃焼室に浸入するようになり、エンジンオイルの燃焼により不完全燃焼ガスが生じて炭素堆積物が発生し、エンジンが故障し易くなり、深刻な汚染が生じる。
【０００３】
上記の問題を解決するべく、本願の発明者は２００４年１２月６日付で中国に「電磁弁及びその制御システム」と題される特許出願（出願番号２００４１０１００９２２．６）を行った。当該発明によると、電磁弁は二つの電磁コイルと鉄芯との間、あるいは永久磁石鋼／電磁コイルと鉄芯との間の引力の原理を利用し、電磁コイルの通電と通電停止とを電子スイッチにより制御する。より具体的には、この電磁弁は、ケース、巻線、永久磁石鋼又は固定鉄芯、バルブ、リニア軸受け、及び摺動可能な鉄芯を含み、永久磁石鋼（固定鉄芯）はケースに固定され、バルブと摺動可能な鉄芯とは互いに堅固に接続され、摺動可能な鉄芯と永久磁石鋼（固定鉄芯）とは対向配置され、ケースには摺動可能な鉄芯巻線又は摺動可能な鉄芯と、固定鉄芯巻線とが巻き付けられ、バルブはリニア軸受けに対して滑動可能であり、リニア軸受けとケースとはエンジンシリンダーカバーに固定される。制御システムは、信号装置、センサ、信号取得処理ユニット、コンピュータ、駆動回路、及びＭＯＳＦＥＴ又は高出力トリオードにより、各シリンダーにそれぞれ含まれる吸気バルブと排気バルブとについての電流を交互に切り替える。この電磁弁と制御システムは、簡易な構造、高感度制御、優れた性能、及び極めて高い信頼性を特徴とし、更にバルブクリアランスを調整する必要がなく、エンジン騒音を低減させ、エンジンの動作信頼性と効率とを大幅に向上させる。
【０００４】
しかし、エンジンの給排気制御装置におけるバルブ切り替え速度に対する要求が一層高まり、上記の電磁弁とその制御システムを更に改良してバルブの切り替え速度を速めるにはいかにすべきかが緊急に解決されるべき重要な課題となった。
【発明の開示】
【０００５】
本発明の目的は、構造が簡易で、制御感度が良好であり、切り替え速度が速められた永久磁石電気バルブ及びその制御システムを提供することである。
【０００６】
上記目的を実現するべく、本発明において採用する技術スキームは、ケースと、ケース内の中央位置に設置されたバルブ体と、ケース内の上端に固定され、第一巻線が巻き付けられ、自身の下端がバルブ体の上端に対向配置される上側固定鉄芯と、第二巻線が巻き付けられ、上側固定鉄芯から所定距離離間して設置され、バルブ体を包囲するケース内の下端に固定される下側固定鉄芯と、下側固定鉄芯と上側固定鉄芯との間において、バルブ体に固定される永久磁石浮動ブロックとを含み、第一巻線と第二巻線における電流により生成される磁力と、永久磁石浮動ブロックにより生成される磁力とにより引力と斥力とが生成され、それにより永久磁石浮動ブロックとバルブ体とが下側固定鉄芯と上側固定鉄芯との間で上下に移動する、永久磁石電気バルブである。
【０００７】
好適には、永久磁石浮動ブロックは、永久磁石鋼と、永久磁石鋼をバルブ体に固定するべく用いられる固定具とを含む。
【０００８】
好適には、第一巻線と第二巻線とは、直列接続あるいは並列接続され、第一巻線及び第二巻線のオン状態電流は、正極と負極とが交互に切り替えられる電流である。
【０００９】
好適には、永久磁石浮動ブロックに対向する上側固定鉄芯の下端面には緩衝装置が堅固に配置され、永久磁石浮動ブロックに対向する下側固定鉄芯の上端面には緩衝装置が配置される。
【００１０】
好適には、緩衝装置は、緩衝バネ、又は緩衝ブロックである。
【００１１】
好適には、永久磁石電気バルブはリニア軸受けを更に含み、リニア軸受けは、バルブ体を滑動可能に保持する。
【００１２】
本発明は、上記の永久磁石電気バルブの巻線を制御する永久磁石電気バルブの制御システムであって、信号検出モジュールと、信号処理モジュールと、単相ブリッジ可変電流駆動回路とを含み、信号検出モジュールは、エンジンのクランク軸端に配置された信号生成ユニットと、信号生成ユニットに接続し、ピストンの上側停止点及び下側停止点と、モータの位相位置信号とを取得するべく用いられるセンサとを含み、信号処理モジュールは、信号検出モジュールに接続し、信号検出モジュールが検出した信号を受信及び処理して、パルス誘発駆動信号を生成するべく用いられ、単相ブリッジ可変電流駆動回路は、信号処理モジュールと、永久磁石電気バルブの巻線とにそれぞれ接続し、信号処理モジュールが生成したパルス誘発駆動信号に従って各シリンダーの吸気バルブと排気バルブの巻線の電流を交互に切り替えるべく用いられる、永久磁石電気バルブの制御システムを更に提供する。
【００１３】
好適には、単相ブリッジ可変電流駆動回路は、単相ブリッジ可変電流駆動回路を構成する直流電源ユニットと四つの電力デバイスとから構成される。
【００１４】
好適には、四つの電力デバイスは、高出力トリオード、又は半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。
【００１５】
上記の技術スキームから、本発明に係る永久磁石電気バルブとその制御システムは、電磁誘導、磁気学、及びリニアモーターの原理を利用して、有機的に組み合わせ、電磁石鉄芯巻線を制御するべく電流を交互に切り替える電子スイッチを用い、鉄芯により生成される誘導電磁界と永久磁石浮動ブロックの永久磁石との間に、このような方法によって引力あるいは斥力が生成されるので、自動車エンジンバルブの迅速な切り替えが実現されることが分かる。本発明は、簡易な構造、高感度制御、切り替えの迅速性、優れた性能、及び高信頼性を特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る永久磁石電気バルブの閉状態の構造図である。
【００１７】
【図２】本発明の実施形態に係る永久磁石電気バルブの開状態の構造図である。
【００１８】
【図３】本発明の第一実施形態に係る永久磁石電気バルブの制御システムの機能ブロック図である。
【００１９】
【図４】本発明の第二実施形態に係る永久磁石電気バルブの制御システムの機能ブロック図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る永久磁石電気バルブの閉状態の構造を示す。同図に示すように、本発明に係る永久磁石電気バルブは、ケース１、ケース１内の中央位置に設置されたバルブ体７、上側緩衝ブロック２、永久磁石浮動ブロック３、下側緩衝ブロック４、リニア転がり軸受け６、第一巻線５'が巻き付けられた上側固定鉄芯９、及び第二巻線５"が巻き付けられた下側固定鉄芯８を含む。
【００２１】
上側固定鉄芯９は、ケース１内の上端に固定され、上側固定鉄芯９の下端はバルブ体７の上端に対向配置される。下側固定鉄芯８は上側固定鉄芯９から所定距離離間して設置され、バルブ体７を包囲するケース１内の下端に固定される。永久磁石浮動ブロック３は上側固定鉄芯９と下側固定鉄芯８との間でバルブ体７に取り付けられ、上側及び下側の固定鉄芯９と８とに対向配置される。永久磁石浮動ブロック３の強度を強め、バルブ体７との結合を強めるべく、永久磁石浮動ブロック３は永久磁石鋼３０１と、永久磁石鋼３０１をバルブ体７に固定するべく用いられる固定具３０２とを含む。永久磁石浮動ブロック３の衝撃耐性を強めるべく、永久磁石浮動ブロック３の上面と下面とにそれぞれ上側緩衝ブロック２と下側緩衝ブロック４とが配置され、上側緩衝ブロック２は上側固定鉄芯９の下端面に固定され、下側緩衝ブロック４は下側固定鉄芯８の上端面に固定される。バルブ体７のロッド部は、バルブ体７を滑動可能に保持するリニア転がり軸受け６に嵌合する。ケース１はボルト孔１０によりエンジンシリンダーカバーに固定され、リニア転がり軸受け６とエンジンシリンダーカバーとを密接に固定することができる。
【００２２】
第一巻線５'と第二巻線５"とは、並列あるいは直列に接続され、第一巻線５'と第二巻線５"のオン状態電流は、正極と負極とが交互に切り替えられる電流である。本実施形態においては、第一巻線５'と第二巻線５"は直列接続される。
【００２３】
引き続き図１を参照する。上側と下側の固定鉄芯９と８の第一巻線５'と第二巻線５"に正電流を通したとき、永久磁石浮動ブロック３に隣接する上側固定鉄芯９の鉄芯端面に永久磁石浮動ブロック３の極性とは反対の磁極が生成され、永久磁石浮動ブロック３に隣接する下側固定鉄芯８の鉄芯端面に永久磁石浮動ブロック３の極性と同じ磁極が生成されるので、上側固定鉄芯９と永久磁石浮動ブロック３との間に磁極が反対であるために引力が生じ、同時に下側固定鉄芯８と永久磁石浮動ブロック３との間に磁極が同じであるために斥力が生じ、下側固定鉄芯８からの斥力と上側固定鉄芯９からの引力とを受けて永久磁石浮動ブロック３は迅速に上方に移動し、バルブを閉じる。
【００２４】
図２は、本発明の実施形態に係る永久磁石電気バルブの開状態の構造を示す。上側と下側の固定鉄芯９と８の第一巻線５'と第二巻線５"に負電流を通したとき、永久磁石浮動ブロック３に隣接する上側固定鉄芯９の鉄芯端面に永久磁石浮動ブロック３の極性と同じ磁極が生成され、永久磁石浮動ブロック３に隣接する下側固定鉄芯８の鉄芯端面に永久磁石浮動ブロック３の極性とは反対の磁極が生成されるので、上側固定鉄芯９と永久磁石浮動ブロック３との間に磁極が同じであるために斥力が生じ、同時に下側固定鉄芯８と永久磁石浮動ブロック３との間に磁極が反対であるために引力が生じ、下側固定鉄芯８からの引力と上側固定鉄芯９からの斥力とを受けて永久磁石浮動ブロック３は迅速に下方に移動し、バルブを開く。瞬間的な閉鎖又は開放の後に上側と下側の固定鉄芯９と８の第一巻線５'と第二巻線５"の電流を遮断すると、上側固定鉄芯９と永久磁石浮動ブロック３は、当該永久磁石と鉄芯との間の引力によりバルブの閉鎖を維持して、バルブを常に閉の状態に維持し、他方、下側固定鉄芯８と永久磁石浮動ブロック３は、当該永久磁石と鉄芯との間の引力によりバルブの開放を維持して、バルブを常に開の状態に維持する。
【００２５】
図１と図２に示す実施形態においては、上側固定鉄芯９と下側固定鉄芯８の位置は単に相対的なものであり、これらの水平方向配置あるいは位置の入れ替えは除外されると解釈すべきでない。これらと同様の変更と多様化のいずれも本発明の範囲内に含まれる。
【００２６】
実際の使用においては、単一バルブエンジンでは上記の永久磁石電気バルブを１個用いる一方、マルチバルブエンジンでは上記の永久磁石電気バルブを数個用いるが、代わりに、数個の永久磁石電気バルブを、永久磁石電気バルブグループへと一体化してよく、それを制御システムに並列接続することができる。
【００２７】
図３と図４は、本発明の実施形態に係る永久磁石電気バルブの制御システムの機能ブロック図である。図３と図４とは、単相ブリッジ可変電流駆動回路に用いられる電力デバイスが異なる点で相違する。図３では、高出力トリオードＴ１、Ｔ２、Ｔ３、及びＴ４が用いられ、図４ではＭＯＳＦＥＴトランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３、及びＭ４が用いられる。以下においては、図３を例として記載する。
【００２８】
図３に示すように、永久磁石電気バルブの制御システムは、信号検出モジュール２１、信号処理モジュール２２、及び単相ブリッジ可変電流駆動回路Ｑから構成される。信号検出モジュール２１は、ピストンの上側停止点及び下側停止点と、モータの位相位置信号とを取得するべく用いられる。信号処理モジュール２２は信号検出モジュール２１に接続し、信号検出モジュール２１が検出した信号を受信して処理し、パルス誘発駆動信号を生成するべく用いられる。単相ブリッジ可変電流駆動回路Ｑは、信号処理モジュール２２と、永久磁石電気バルブの巻線２０とにそれぞれ接続し、信号処理モジュール２２が生成したパルス誘発駆動信号に従って、各シリンダーにそれぞれ含まれる吸気バルブと排気バルブの巻線２０の電流を交互に切り替えるべく用いられる。
【００２９】
信号検出モジュール２１は、信号生成ユニット１１、及び信号生成ユニット１１に接続するセンサ１２を含む。センサ１２は、ピストンの上側停止点及び下側停止点と、モータの位相位置信号とを取得するべく用いられる。信号処理モジュール２２は、信号取得処理ユニット１３、コンピュータ１４、及び駆動回路１５を含む。信号取得処理ユニット１３は、センサ１２が取得したピストンの上側停止点及び下側停止点と、エンジンの回転速度の信号とをコンピュータ１４に送信し、コンピュータ１４は可変電流駆動回路Ｑを作動させるよう駆動回路１５を制御する。単相ブリッジ可変電流駆動回路Ｑは、単相ブリッジ可変電流駆動回路を構成する電源ユニットＥと四つの高出力トリオードＴ１、Ｔ２、Ｔ３、及びＴ４とから構成される。電源ユニットＥは、可変電流駆動回路Ｑの直流電源である。高出力トリオードＴ１、Ｔ２、Ｔ３、及びＴ４の出力端子Ａ及びＢは、それぞれ巻線２０の端子Ｃ及びＤに接続される。
【００３０】
エンジンが起動されると、エンジンクランク軸により信号生成ユニット１１が回転駆動され、同時にセンサ１２が点火と、ピストンの上側停止点及び下側停止点と、モータの位相位置とを検出して位置信号を信号取得処理ユニット１３に送信する。信号取得処理ユニット１３とコンピュータ１４とはピストン位置信号、エンジン速度、負荷、温度、及びその他の情報に基づいて計算処理を行い、駆動回路１５の作動を命令する。これにより、電流を正負交互にオンにし、エンジン動作、点火手順、及び、各シリンダーにそれぞれ含まれる吸気バルブと排気バルブの開閉スケジュールに従ってシリンダーの吸気バルブと排気バルブの切り替えを制御するよう単相ブリッジ可変電流駆動回路Ｑが制御される。
【００３１】
具体的には、ピストンの上側停止点と下側停止点との間のバルブが開放位置にあるとサンサ１２が検出したとき、制御システムは、現在のシリンダーの吸気バルブの巻線２０が負にオンされるよう制御する、つまり、制御回路１５は高出力トリオードＴ１及びＴ２を動作停止させ、高出力トリオードＴ３及びＴ４を導通させる。つまり、電流が高出力トリオードＴ３のコレクタ電極（ｃ電極）−エミッタ電極（ｅ電極）間を順方向に流れ、出力端子Ｂから巻線２０のＤ端子を介してＣ端子へと流入する。このとき、高出力トリオードＴ１及びＴ２はオフに維持される。したがって、磁極が同じ極性であることによる上側固定鉄芯９からの斥力と、磁極が反対の極性であることによる下側固定鉄芯８からの引力とを受けて、永久磁石浮動ブロック３とバルブ体７とはすばやく下方に移動してバルブを開く。
【００３２】
ピストンの上側停止点と下側停止点との間のバルブが閉鎖位置にあるとセンサ１２が検出したとき、制御システムは、現在のシリンダーの吸気バルブの巻線２０が正にオンされるよう制御する。つまり、制御回路１５は高出力トリオードＴ１及びＴ２を導通させ、電流はバッテリの正極から流れ出て高出力トリオードＴ１のコレクタ電極（ｃ電極）−エミッタ電極（ｅ電極）間を流れ、出力端子Ａから巻線２０のＣ端子を介してＤ端子へと流入して、高出力トリオードＴ２のｃ電極及びｅ電極から出力され、最終的にバッテリの負極に戻る。このとき、高出力トリオードＴ３及びＴ４はオフに維持される。したがって、磁極が反対の極性であることによる上側固定鉄芯９からの引力と、磁極が同じ極性であることによる下側固定鉄芯８からの斥力とを受けて、永久磁石浮動ブロック３とバルブ体７とはすばやく上方に移動してバルブを閉じる。
【００３３】
類推すると、動作シーケンスにより必要とされる、各シリンダーにそれぞれ含まれるエンジンの吸気バルブと排気バルブの開閉スケジュールに従って、各シリンダーの吸気バルブと排気バルブは繰り返し交互に開閉する。吸気バルブ開放の前進角と排気バルブ閉鎖の後退角は、取得したピストン位置信号、エンジン速度、負荷、温度、及びその他の情報に基づいた計算の後、コンピュータ１４により自動的に変更、調整される。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、エンジンの給排気制御装置に利用される永久磁石電気バルブとその制御システムに関し、当該永久磁石電気バルブとその制御システムは、電磁誘導、磁気学、及びリニアモーターの原理を利用して、有機的に組み合わせ、電磁石鉄芯巻線を制御するべく電流を交互に切り替える電子スイッチを用いる。鉄芯により生成される誘導電磁界と永久磁石浮動ブロックの永久磁石との間に、このような方法によって引力あるいは斥力が生成されるので、エンジンバルブに簡易な構造、高感度制御、切り替えの迅速性、及び高信頼性を与えることがでる。さらに、バルブの開度が制御可能である。本発明は、現代の自動車エンジンの電子性と自動性を志向した開発に特に適する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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