(57)【要約】エンジンの少なくとも１つのバルブ（３３/５１）の開閉を行う強制開閉バルブ作動装置が開示されており、カム構造体（１５）と、カム構造体（１５）に作動式に接続されてレシプロ運動させる駆動機構（３５）とを含んでいる。カム構造体（１５）は回転運動させるカム機構（１１）と、バルブ（３３/５１）にも作動式に接続された駆動機構（３５）とを含んでおり、バルブを閉鎖ポジションと開放ポジションとの間でカム機構（１１）の回転運動に直接的に対応させてレシプロ運動させる。さらに、開放ポジションでバルブの開放度を調整する機構（５２）が提供される。バルブの開閉はスプリング作用を介在させずに提供される。
2005505714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの少なくとも１つのバルブを開閉する強制開閉式バルブ作動装置であって、
回転運動のためのカム機構を含んだカム構造体と、
該カム構造体と作動式に接続されたレシプロ運動させる駆動機構と、
を含んでおり、該駆動機構は前記の少なくとも１つのバルブにも作動式に接続されており、バルブ閉鎖ポジションとバルブ開放ポジションとの間で前記カム機構の回転運動に直接的に対応させて前記バルブをレシプロ運動させるものであり、
前記の少なくとも１つのバルブは前記閉鎖ポジションと前記開放ポジションとの間でスプリング作用を介在させることなくレシプロ運動することを特徴とする装置。
【請求項２】
少なくとも１つのバルブの開放ポジションでの開放度を可変とする目的で該バルブの運動を調整式に制御するために駆動機構と作動式に接続された調整制御手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
カム機構は、所定形状のカム溝を有したシャフト周囲で回転運動するためのカムディスクを含んでおり、
駆動機構は前記カム溝に作動式に接続されたドライブリンクとドライブ部材とを含んでおり、
前記カム溝は、少なくとも１つのバルブを開閉させるために前記ドライブ部材の連続的な機械的運動を開始させるように前記ドライブリンクを外側及び内側に移動させることができる第１部分と、前記バルブを閉鎖状態で所定の時間だけ維持させるように前記ドライブ部材を状態維持させる第２部分とを有している、
ことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
調整制御手段は駆動機構に作動式に接続された調整式回転ディスクをさらに含んでおり、
該調整式回転ディスクは長形スロットを含んでおり、該長形スロットは少なくとも１つのバルブを最大開放させる所定長を有して、前記回転ディスクの中心に対して１調整可能角度で配置されており、該角度は該バルブの開放ポジションの開放量を決定することを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項５】
カム機構は所定形状のカム溝を有したシャフト周囲で回転運動するためのカムディスクを含んでおり、
駆動機構は前記カム溝に作動式に接続されたドライブリンクとドライブ部材とを含んでおり、
前記カム溝は、少なくとも１つのバルブを開閉させるために前記ドライブ部材の連続的な機械的運動を開始させるように前記ドライブリンクを外側及び内側に移動させることができる第１部分と、前記バルブを閉鎖状態で所定の時間だけ維持させるように前記ドライブ部材を状態維持させる第２部分とを有している、
ことを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
少なくとも１つのバルブはバルブステムを含んでおり、
本装置は該バルブステムと関連し、該バルブステムを長形スロットに接続させる接続手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項７】
接続手段は長形スロットと作動式に接続されたドライブピンを含んでいることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
長形スロットはバルブの最大開放度に応じた適切な長さを回転ディスクから提供し、
該長形スロットはドライブリンクの作動線に対して角度を有するように配置されており、
該角度は該作動線に対して垂直方向でバルブステムの線状移動を決定し、少なくとも１つのバルブを前記ドライブリンクを介在させて駆動機構の外側移動で開放させ、内側移動で閉鎖させることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
角度はバルブ移動を伴わず、少なくとも１つのバルブが閉鎖ポジションに残る０°から最大バルブ開放度を提供する角度にまで変動し、
該角度は適切な制御を伴って自由に変動可能であり、バルブの開放度を自由に調整させることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
カム機構は所定形状のカム溝を有したシャフト周囲で回転運動するためのカムディスクを含んでおり、
駆動機構は前記カム溝に作動式に接続されたドライブリンクとドライブ部材とを含んでおり、
前記カム溝は、少なくとも１つのバルブを開閉させるために前記ドライブ部材の連続的な機械的運動を開始させるように前記ドライブリンクを外側及び内側に移動させることができる第１部分と、前記バルブを閉鎖状態で所定の時間だけ維持させるように前記ドライブ部材を状態維持させる第２部分とを有している、
ことを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項１１】
回転ディスクの中心は全ての角度で作動線と一致し、さらに長形スロットの中央線と一致し、少なくとも１つのバルブを閉鎖ポジションで維持するとすれば、ドライブリンクの作動線、回転ディスクの中心並びに長形スロットの中央線は全て一致することを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１２】
回転ディスクに作動式に接続されて長形スロットの角度を制御する角度制御手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１３】
回転ディスクに作動式に接続されて長形スロットの角度を制御する角度制御手段をさらに含んでいることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項１４】
カム機構に作動式に接続されてレシプロ運動させる別の駆動機構をさらに含んでおり、
該別の駆動機構はエンジンの別のバルブとも作動式に接続されており、バルブ閉鎖ポジションとバルブ開放ポジションとの間で前記カム機構の回転運動に直接的に対応させて前記別のバルブをレシプロ運動させるものであり、
該別のバルブは前記閉鎖ポジションと前記開放ポジションとの間でスプリング作用を介在させずにレシプロ運動する、
ことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１５】
カム機構は所定形状のカム溝を有したシャフト周囲で回転運動するためのカムディスクを含んでおり、
駆動機構は前記カム溝に作動式に接続されたドライブリンクとドライブ部材とを含んでおり、
前記カム溝は、少なくとも１つのバルブを開閉させるために前記ドライブ部材の連続的な機械的運動を開始させるように前記ドライブリンクを外側及び内側に移動させることができる第１部分と、前記バルブを閉鎖状態で所定の時間だけ維持させるように前記ドライブ部材を状態維持させる第２部分とを有している、
ことを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
少なくとも１つのバルブと別のバルブは１つのエンジンシリンダに形成された吸込バルブと排出バルブであることを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
少なくとも１つのバルブと別のバルブは１つのエンジンシリンダに形成された吸込バルブと排出バルブであることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１８】
エンジンシリンダは少なくとも２つの吸込バルブと排出バルブを有しており、本装置はそれぞれの吸込バルブと排出バルブにそれぞれ作動式に接続された独立した駆動機構を含んでおり、それぞれの駆動機構はカム機構によって制御されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１９】
エンジンシリンダは少なくとも２つの吸込バルブと排出バルブを有しており、本装置はそれぞれの吸込バルブと排出バルブにそれぞれ作動式に接続された独立した駆動機構を含んでおり、それぞれの駆動機構はカム機構によって制御されていることを特徴とする請求項１６記載の装置。
【請求項２０】
エンジンの少なくとも１つのバルブを開閉する強制開閉式バルブ作動装置であって、
回転運動のためのカム機構を含んだカム構造体であって、シャフトの周囲を回転運動させるカムディスクを含んでおり、該カムディスクは所定の形状のカム溝を有しているカム構造体と、
該カム構造体と作動式に接続されたレシプロ運動させる駆動機構であって、該カム溝と作動式に接続されたドライブリンクとドライブ部材を含んでいる駆動機構と、
を含んでおり、
前記カム溝は、少なくとも１つのバルブを開閉させるため、前記カム機構の回転運動に直接的に対応させて前記ドライブ部材の連続的な機械的運動を開始させるように前記ドライブリンクを外側及び内側に移動させることができる第１部分と、前記バルブを閉鎖状態で所定の時間だけ維持させるように前記ドライブ部材を状態維持させる第２部分とを有しており、
開放ポジションにて前記少なくとも１つのバルブの可変開放度を提供する目的で該バルブのレシプロ運動を調整式に制御するために前記駆動機構に作動式に接続された制御手段をさらに含んでおり、
前記の少なくとも１つのバルブは閉鎖ポジションと開放ポジションとの間でスプリング作用を介在させることなくレシプロ運動することを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車の内燃機関に関するバルブ機能に関し、特には４ストロークピストンの吸込機能及び排出機能のための強制閉開式（バネ無し）バルブ作動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関のバルブ作用は、吸込、圧縮、燃焼及び排出の４機能を提供するピストンチャンバの制御を必要とする。これらバルブの適正な開閉は内燃機関の馬力を効果的及び効率的に発揮さるために必須である。それらカムを制御して作動させる標準方法はエンジンのクランクシャフトをカムシャフトに連結するタイミングベルトによって提供される。カムシャフトは一連のカムを有しており、それぞれシリンダの吸込バルブと排出バルブに対応させている。現在の全ての４サイクルエンジン用カムは吸込ポートまたは排出ポートを内側に押し開かせるように設計されている。カムは開いたポートを閉じさせることはできない。カムがポートを開かせると圧縮されるスプリングにポートを閉じさせるエネルギーが付与される。このエネルギーは放出時にバルブを閉鎖ポジションに戻す力を提供するだけであるが、カムはバルブの制御を提供する。この制御は、バルブの加速/減速をバルブシートへの最小衝撃荷重で達成させてノイズが最小となるようにするために必要である。さらに、バルブの開閉のサイクル数は非常に多く、バルブの重量に逆らってバルブを加速させるためには非常に多いスプリングエネルギーを必要とする。
【０００３】
４サイクル内燃機関は吸込サイクルである第１サイクルを必要とし、燃料と空気の混合物を開いたバルブ吸込ポートから吸込ませる。ピストンはエンジンクランクシャフトによってピストンシリンダ内を下方に移動される。第２サイクルは燃料/空気混合物の圧縮である。ピストンはクランクシャフトによってシリンダ内を上昇される。吸込バルブ及び排出バルブの両方は閉鎖ポジションとなり、ピストンを効果的にシールし、燃料/空気混合物を圧縮させる。タイミングを見計らってスパークが燃料混合物内に送られて爆発を誘発し、気体を膨張させる。ピストンは膨張気体の膨張力によって押し下げられ、クランクシャフトにトルクを付与する。このトルクは別のピストンから付与されるトルクと共にエンジンの回転力を発生させ、馬力を出力する。最終サイクルはピストンのシリンダ内上昇サイクルであり、排出バルブが開かれてシリンダ内の気体を排出させる。このサイクルが終了すると、次のサイクルシリーズが吸込サイクルから開始される。バルブの閉開は作動速度と閉鎖時間の制御と共に非常に重要である。効果的で効率的なパワー発生のためにはそれらバルブを可能なかぎり高速で操作することが望ましい。
【０００４】
カムシャフトによるバルブの開放は個々のカムによる能動的な操作である。一方、バルブの閉鎖はスプリングに蓄積されたエネルギーによる力学的作用である。この完全な機能発生のためにはエンジンの回転速度は制限される。なぜならバルブ重量の慣性はスプリングの蓄積エネルギーにとって障害となり、サイクル時間が規制されるからである。高速サイクル条件のためのカムの加速と減速はスプリングサイズを必然的に規制する。
【０００５】
自動車エンジンにおける通常機能では、駐車中であっても走行中であっても一定の反復性でエンジン点火が行われる。従って、作動中であっても停止中であっても燃料/空気混合物の同一形態の燃焼が常に行われる。停止時にはエンジンは必要以上に燃料を消費するが、必要なことは最低量の燃料消費でエンジンを回転させ続けることだけである。パワーは濃厚な燃料混合物を必要とする加速とエンジンの高速回転時に必要とされるだけである。もしバルブが加速時に制御できれば燃料混合物の効率的で効果的な量がシリンダ内に送られて適当な速度を提供し、燃料を節約できる。最後に、車速を維持して必要速度を出すためには、空気の抵抗力、道路上での車輪の摩擦力、駆動機構の内部摩擦力及びエンジン慣性を克服することが必要になる。このことはエンジンの最高パワー以下で実行が可能である。効率的な燃料消費のためにはそれぞれのシリンダに供給される燃料混合物の量を制御するだけではなく、いくつかのシリンダを閉鎖する性能を有することが望ましい。この選択的な非利用シリンダの閉鎖及び再開にはタイミングが非常に重要となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
よって、本発明の１目的は、自動車の運転の必要性と協調的にバルブポードの開放状態を効率的及び効果的に制御することで自動車で典型的に見られる内燃機関の燃料消費を大きく抑制する手段の提供である。
【０００７】
本発明の別目的は、エンジン作用と協調的であって、エンジン制御を簡単、正確及びタイムリーに行わせ、エンジン性能すなわち自動車性能の滑らかで敏感な制御を実行する手段の提供である。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、ピストン内のバルブの必要なタイミングをバルブポードの開閉及びバルブの加速並びに減速に応じた連続的で適正なポジションとする手段の提供である。
【０００９】
本発明の別な目的は、ピストンの点火及び個々の作動を設計制御する手段の提供である。
【００１０】
本発明のさらに別な目的は、バルブポートの開放状態を正確に制御し、今日の自動車用内燃機関で使用されるバルブスプリングを完全に排除する単純構造のバルブ制御システムの提供である。
【００１１】
本発明の別な目的は、高速エンジン性能に順応し、エンジン性能を高めることで燃費を向上させるバルブ作動システムの提供である。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、単純操作で正確に制御できる単純であって頑丈なバルブアクチュエータの提供である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
それら及び他の目的は、本発明の、例えば内燃機関で使用する効果的で非常に効率的なスプリングを利用しない（閉開式）無制限に可変であるバルブ作動システムによって達成される。本発明の１特徴によれば、回転カム及び伝達手段による直線的レシプロ作動システムの第１動作はバルブポジションを制御する第２制御式作動手段と相互作用し、その移動は実質的に無制限に可変であり、それぞれのピストンのポートの開放を個別あるいは一体的に制御する。バルブポートの部分開放制御は、作動状態のピストンによってエンジンが作動している際にバルブポートを無制限に閉鎖できることで達成される。バルブに対する作動制御は容易で、迅速に行われ、作動中のエンジンと協調する。これら機能は自動車性能の１機能としてコンピュータ制御でき、エンジン及び自動車の性能には悪影響を及ぼさない。
【００１４】
本発明の１実施例（第１装置）においては、レシプロカム並進装置は、例えば内燃機関の出力シャフトからのタイミングベルトによって作動されるベルト車から入力を受領する回転カムにカップリングされている。制御下の第２装置はレシプロカム並進装置のレシプロ直線運動をバルブの自由可変レシプロ運動に変換する。適当な形態の円形平板に軌道溝を有した回転カムは滑走部内に規制されたボールである並進手段を移動させてスロット内でレシプロ運動させ、最初のレシプロ直線運動を達成させる。滑走部には適当な長さを有した並列状態のスロットが提供された回転リンクを含む構造体が取り付けられており、構造体が作動線に沿った第１装置のレシプロ運動に従って並進するときにスロットはその作動線に一定の角度を与えるようになっている。バルブに固定されたピンはエンジンブロックに提供されたスロット内に進入し、スロットが第１カム/並進手段に従ってレシプロ運動するときに上下運動する。バルブの上下運動はスロットと第１並進手段の作動線との角度に依存する。スロット内の反復性固定ポイントはその角度とは無関係に必要であり、それはポートの開口程度とは無関係にバルブの閉鎖ポジションを反復的に定義する。中央線が作動線と共軸となるところまでリンクが回転されたらバルブはポートを閉じていたことになり、エンジンが作動している間は閉じたままである。リンクの回転は調整可能な部材で実行される。この部材は、リンクをどのような角度にでも回転させるピンを作動線に沿ってスライドさせ、同時にスロットの角ポジションを確保させる作用線と平行なスロットを有している。この調整式スライドはエンジンブロックに固定されたハウジング内で作動線と垂直に移動する必要がある。スライドのポジション情報で電気機械式または油圧式のアクチュエータにより調整式スライドを制御することでリンクの回転を効果的に制御し、ポートの開放量を効果的に制御する。
【００１５】
カム溝湾曲は状態継続時間に沿ったカムの上下運動がエンジンと協調するように提供される。カムの上昇と下降の湾曲は、線状、螺旋状、正弦状その他であるどのようなものでもよい。湾曲状態には、衝撃を可能な限り和らげるためにバルブを減速して接触させるよう最大限の注意が払われなければならない。
【００１６】
本発明の別の特徴によれば、それぞれのバルブのコンピュータ制御は、例えば８気筒エンジン（気筒の数は非制限）で２、４、６または８体のピストンが望むタイミングで作動状態とするようにし、作動中のものは可変バルブ移動操作で制御する。最も効率的な状態では、２気筒のみがエンジン作動に必要で、残りの６気筒は非作動状態である。加速時にはコンピュータ制御で必要数のピストンとバルブ開放度を機能させる。望む走行速度では最低数のピストン作動と最も効率が高いバルブポート開放程度が提供される。これらバルブの制御には自由なオプションを利用することができる。例えば、１つのコントローラで全バルブを同時的に制御するが残りのバルブの停止機能は持たせないオプションはある。２つのコントローラで２ピストンと４ピストンを制御することもできる。これで２、４あるおは６体のピストン作用のオプションが生まれる。理想的にはそれぞれのピストンに対してそれぞれコントローラを利用することである。
【００１７】
本発明のさらなる理解のため、以下において添付図面を参照に付して本発明を解説する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の１実施例は図１Ａに図示されている。本発明の可変閉開式バルブ作動システムの使用要素は、４サイクル内燃機関の１ピストンと相互作用するように吸込バルブ１と排出バルブ２に対して並置されている。比較のため、現在のカム/スプリング式バルブ作動は図１Ｂに図示されている。可変バルブ作動機能の利点は良く知られている。本発明の目的は実質的に無制限な可変作動システムの提供である。このシステムは正確に制御されて、バルブの最適な形態を提供する。それには最適なエンジン性能を引き出すための吸込サイクルのポート開放度や吸込ポートの閉鎖の最適な制御を含む。エンジン作動時のこれら機能の確実な実行能力が示される。この高感度コンピュータシステムは効果的にガソリンを消費させ、エンジン性能を最大限に引き出させる。
【００１９】
図２Ａと図２Ｂでは本発明のバルブ作動システムを備えた標準ピストン構造が示されている。本発明はカムとスプリングを使用したバルブシステムを無スプリング式作動システムに置換した。この新規なシステムはバルブサイクルを能動的に制御してスプリングを必要としない利点を備えている。スプリングを使用しないことには相当なり点がある。なぜなら、スプリングはエンジンのサイズによるが６５ポンドから８５ポンドの圧力で圧縮されなければならないからである。このような大きな圧力は６０００ＲＰＭから７００００ＲＰＭにもなるエンジン回転速度でのバルブの加速に必要である。このような相当量のエネルギーがエンジンのクランクシャフトに伝達される代りにスプリングの圧縮に費やされる。本発明は大幅に少量のエネルギー消費で済ませる。なぜなら、バルブシステムの質量慣性は少なく、バルブ作動はさらに効果的だからである。本発明ではエンジンをさらに高速で運転させることが可能なためにエンジン性能を一層高めることができる。
【００２０】
内燃機関の基本的な作動原理はそれぞれのピストンの４サイクルに対してバルブを最適なタイミングで開放させて閉鎖させることである。エンジンクランクシャフトが回り始めると、クランクシャフトとカムシャフトとの関係が確立され、カムシャフトのカムは吸込バルブと排出バルブの開閉タイミングを制御する。図１Ｂのカム/スプリングバルブアクチュエータシステムを利用する標準自動車エンジンは反復式の非可変バルブポート開口部を利用する。これは最大エンジン性能と燃費性を引き出すことにおいて非効率である。図１Ａに示す本発明のバルブ作動の基本的運動原理を以下で解説する。
【００２１】
図２Ａと図２Ｂは本発明の１実施例によるシリンダ３４のバルブ３３の閉鎖ポジション及び開放ポジションを図示する。カムシャフト１０がクランクシャフトに合わせてその半分の速度で時計回りに回転すると、入力カム１１はカム構造体１５を介してレシプロ運動する。図３Ａと図３Ｂはカム構造体１５の作動の詳細を図示する。図３Ａでは入力カム上昇部２５が最小Ｒc半径のカム軌道溝２０とボール１６の当初状態で図示されている。入力カムが時計回りに回転すると、滑走体またはドライブリンク１７で捕捉されているボール１６は図３Ｂに示すように上昇サイクル部２６によってＲmaxで最大ポジションＤにまで放射状に移動される。滑走体は図３Ｃで示すように非回転式バッキングプレート１９のガイド溝１８に収容される。入力カムが回転を継続すると、ボールと滑走体はカム軌道溝２０の上昇サイクル部２５によってガイド溝１８に沿って内側に移動される。入力カムのこの９０°の回転は滑走体１７のガイド溝での前後レシプロ運動を促し、滑走体の作動線（ＬＯＡ）を確立する。この入力カムが図３Ｅの残りの２７０°を継続して回転するときボールと滑走体は移動しない。なぜなら、カム軌道溝２６は円形溝を提供し、一定の半径Ｒcとなるからである。これで滑走体の状態維持時間が提供され、レシプロ運動は発生しない。カムシャフトの３６０°回転の作用の説明は吸込バルブ作用または排出バルブ作用の４サイクルを反映する。バルブは上昇サイクル部と下降サイクル部とによって開閉し、吸込バルブ圧縮、燃焼及び排気のための２７０°回転には吸込バルブは閉鎖した状態でなければならず、２７０°が状態維持時間となる。排出バルブでは作動は図３Ｆに示すように残りの９０°である。カムシャフトが時計回りに回転するとき、排出バルブの破線で示される上昇サイクル部２５eと下降サイクル部２６eは吸込サイクルの上昇サイクル部２５iと下降サイクル部２６iに先行する。図１Ａで示す吸込バルブ１（カムは４５°回転）は開放ポジションであり、排出バルブ２は半径Ｒcで閉鎖ポジションであり、上昇サイクル部２５eと下降サイクル部２６eも４５°の回転ポジションである。これらカムに関しては後述する。
【００２２】
図３Ｄに示す放射溝位置１４は回転入力カムの平面を安定化させるためにのみ使用されるボールを拘束する目的でバッキングプレート１９内に提供される。入力カムの回転時にこれらボールは放射溝１４内で前後にレシプロ運動するだけである。バッキングプレート内にはレシプロ運動時に滑走体をガイドするガイド溝１８も示されている。
【００２３】
図４には吸込バルブ１と排出バルブ２の基本構成が図示されている。カムシャフト１０が時計回りに回転するとカム構造体３０iと３０eはそれぞれの作用線に沿ってスライドし、それらの上昇サイクル部と下降サイクル部に従って前後にレシプロ運動し、滑走体に従って状態維持する。スロットカム３１は角度αで滑走体に合わせてＬＯＡに沿ってレシプロ運動する。スロットカム内にはバルブステムから延びるピン３２eと３２Iが提供され、スロットに沿った移動が強制され、バルブはシリンダヘッド３で捕捉されてピストン内で上下運動できるだけであるため、スロット傾斜カム軌道溝を有したドライブカムは構成体が外側に移動されるときにピンを押し下げ、当初ポジションに戻るときにピンを押上げる。従って、カムシャフトが９０°回転すると、上昇サイクル部と下降サイクル部はバルブを閉鎖ポジションから開放ポジションさらに閉鎖ポジションと移動させる。入力カムが残りの２７０°回転を継続するときバルブ２は状態維持して図４に示すように閉鎖状態を保持する。図４でバルブは最大である１００％の開放状態となる。この本質的に無スプリング式の作用は本発明の好適実施例であり、最小慣性反発力と能動的な無スプリング制御は高速エンジン速度と共存できる能力を提供する。
【００２４】
図４に示す形態は固定移動式バルブ作動システムを示す。これはスプリングカムシステムと同じように作動する。本発明の可変移動特性はまだ導入されていないが、この構造はスプリングカムシステムよりも優れている。なぜならスプリング内の保存エネルギーを不要とすることで相当なるエネルギー節約が可能であり、バルブ構造体の最小慣性が高速エンジン速度に対応するからである。
【００２５】
図５Ａは本発明のバルブ作動の可変移動特性を示す。図５Ａで示すアクチュエータシステムにおいて、吸込バルブ５０はエンジンが作動中にバルブストロークを全開状態にまで徐々に調整可能なだけではなく、バルブポートを無制限に閉鎖させるように制御する機構を示している。作動原理を先に説明し、制御特性を後で説明する。排出バルブ６０は必ずしも制御されていなくとも構わず、よって今回は含めない。類似した可変作動システムを利用することもできる。
【００２６】
図４で説明した固定角のドライブカムスロットは図５Ａの円形ディスク５２に回転式に含まれている。この回転は好適にはディスクの中心である点Ｍを中心にして行われる。
【００２７】
図示されている回転機能は図５Ｂに示すように半径Ｒの円形凹部とピン５４を含んだハウジング５３内で回転する半径Ｒの円形ディスクを含んでいる。ピンはハウジング５３を越えて延び、円形スロット部分５５で回転する。ピン５４は後述する制御システムが角α内で円形ディスク５２を望む角度で回転させる手段である。図５Ｃ、図５Ｄ及び図５Ｅは円形ディスク５２の様々な回転角とスロット５６の与えられる方位性とを図示する。図５Ｃのバルブ５１の下降は最大でありＤとなる。図５Ｅは、ドライブリンクスロットがレシプロ運動する滑走体の作動線と共線状態になって下降移動が発生しないので、スロットカムを水平としてバルブ５１を降下させないように角λ回転した円形ディスクスロット５６を示す。図５Ｄは、最大移動Ｄの一部である下降移動Ｂとなるように一定の中間角へと回転された円形ディスクスロットを示す。回転ディスクリンクを点Ｍの周囲で回転させることでバルブ５１の移動の調整はゼロから最大値Ｄまで本質的には自由可変となる。
【００２８】
中心点Ｍは重要である。なぜなら、それはバルブ５１の閉鎖ポジションを表し、図５Ｃ、図５Ｄ及び図５Ｅで示すように円形ドライブディスクのどの回転角にも適応して反復性がなければならないからである。バルブ５１は各サイクル部に対して閉鎖していなければならず、バルブ移動の可変性は常に必要であるため、各サイクルに対してバルブを閉鎖するためにはピン５４は各サイクルに対して点Ｍでそのポジションを達成しなくてはならない。円形ディスクの回転角に関係なく同一並置状態で点Ｍを維持することでこの必要性は満たされる。
【００２９】
図５Ｆの構造体において、吸込バルブと排出バルブのアクチュエータシステム５０と６０はそれぞれ本発明の好適実施例の一部として図示されている。吸込サイクル用の吸込可変バルブアクチュエータシステム５０は図５Ａに関して前述した。排出バルブアクチュエータシステム６０は図２Ａと図２Ｂで解説した。滑走体のレシプロ運動を開始させるカム軌道溝機構は入力カム６１及び吸込ストローク用の軌道溝６２と排出ストローク用の軌道溝と一体的に提供される。入力カム６１が両構造体を回転させると、吸込バルブ（アクチュエータシステム）５０と排出バルブ（アクチュエータシステム）６０は正確に同一速度でレシプロ運動し、カム溝６２及び６３に従ってエンジンクランクシャフト５７と協調する。
【００３０】
図６Ａから図６Ｊは４サイクル内燃機関と協調し、エンジンクランクシャフトによってタイミングされた入力カムの作動を順番に表す側面図と平面図である。他のサイクルエンジンも本発明概念を応用することができる。
【００３１】
図６Ａと図６Ｂは、吸込バルブ５０と排出バルブ６０がそれぞれ閉鎖し、図４に示すようにそれらのカム軌道溝６２と６３がＲc半径にあるときを表す。この瞬間のカムシャフトの時計回り回転は排出バルブの閉鎖完了時と吸込バルブの開放準備時とを示す。バルブステムは点Ｍにあり、吸込バルブポード６８と排出バルブポード６９の閉鎖ポジションである。図６Ｃと図６Ｄは４５°のカムシャフト回転後の状態であり、カム軌道溝６２の最大移動Ｒmaxと点Ｂでの滑走体の全移動を示し、その結果、吸込バルブ６８の完全開放と最大ポート開放が提供される。なぜなら、円形ドライブディスクスロットは図５Ｃに従って角λに方位されているからである。これでシリンダの吸込サイクルは完了する。排出バルブは、点Ａのカム軌道溝６３がＲc半径を反映し、バルブをその閉鎖ポジションに維持するときに閉鎖状態のままである。
【００３２】
図６Ｅと図６Ｆの状態は４５°後に発生し、Ｒcは点ＡとＢで反映され、カム６８と６９の両方は閉鎖される。これらバルブは、カム軌道溝６２と６３が点ＡとＢでＲcを提供するので続く１８０°のカムシャフト回転中は閉鎖状態に残る。これはピストンに圧縮サイクルと燃焼サイクルを経験させるために必要である。従って、ここでカムシャフトは全部で２７０°回転したことになり、カム軌道溝は図６Ｇと図６Ｈで示されるポジションを達成したことになる。排出カム軌道溝６２は点Ａで最終の９０°排出バルブを開く準備ができており、吸込カム軌道溝６３は点ＡでＲcにあり、カムシャフトの最終９０°回転中はＲcに残る。図６Ｉと図６Ｊは点ＡのＲmaxでカム軌道溝で規制され、図６Ｇと図６Ｈからカムシャフトの４５°回転により開いた排出バルブ６９を反映する。一方、吸込バルブ６８は吸込カム軌道溝６２が点ＢでＲc半径を反映するときに閉鎖状態となる。排出ポートは図示のごとくに常に最大限に開いているが、望むならば吸込バルブと同様に調整できる。カムシャフトの追加の４５°回転で排出ポートは閉じられ、エンジンの４ストロークサイクルが完了する。その最終状態は図６Ａと図６Ｂのようになる。吸込バルブ６８の開放はカムシャフトの回転に従って円形ドライブディスク５２を回転させて調整する。バルブ移動は円形ドライブディスクカムスロットを調整する手段を有することでピストンサイクルに影響を及ぼさずに変更できる。
【００３３】
４サイクルエンジンの正確な動作順序とタイミングは図６Ｂのカム構造体７０と整合している。２つのカム溝６２と６３は１体の入力カムにそれぞれ精密に加工されて位相処理されているからである。カム構造体７０は完全で頑丈並びに単純な構造体であり、１つの吸込バルブと１つの排出バルブを制御できる。図７は共通ハウジング内の２つの構造体がどのように１つのシリンダの２つの吸込バルブと２つの排出バルブを制御するかを示す。多数の車のエンジンはさらに効率的なドライブのために４バルブで作動する。これらバルブの制御機能を説明する目的で本発明のこの実施例を完成させるために図７の４バルブ構造体に基本原理を導入する。図８Ａから図８Ｄは１吸込バルブに提供された基本制御機能を図示する。
【００３４】
吸込バルブ構造体１００は前述したバルブを示す。これは本発明の好適実施例の完全な作動機能を含んでいる。円形ディスク（５２）１０１、ドライブスロット５６及び滑走構造体１０２によってバルブ作動がどのように徐々に変動するかが示された。図５Ａのピン５４で示したように、調整ピン１０３はドライブスロット５６の角度αで回転変動させ、バルブ１０８のストロークを変動させるために円形ディスクの回転に利用される部材である。図８Ａで示すように角αはバルブ１０４の最大開口状態を反映する。ピン１０３に対しては２つの主要な規制要因が存在する。１つは望むバルブ開口状態のためにピンを回転させる能力であり、１つはバルブの作動時に調整された閉鎖ポジションを維持する能力である。
【００３５】
制御ブロック１０５は滑走構造体１０２から延び出るピン１０３をスロット１０３に捕捉する。スロット１０６は滑走構造体１００の作用線ＬＯＡに整合して平行状態を維持しなければならない。下方の移動距離Ｄだけ力Ｐが制御ブロック１０５に適用されると（図８Ｃ）（スロット１０６のＬＯＡに対する平行並置を維持）、円形スロット部分１０７に捕捉されたピン１０３は円形ドライブディスク１０１を０°から角度λまで徐々に回転させる。円形ドライブディスク１０１が回転するとピン１０３は円形スロット部分１０７内を回転し、回転を可能にするためにスロット５６内で軸方向移動を必要とする。スロット１０６とＬＯＡに要求される平行性を提供するために制御ブロックに対して規制は必要でる。ここで作動原理を解説し、方法原理は後述する。望む角ポジションが達成されると、滑走構造体のレシプロ運動は調整ピン１０３をも同時にレシプロ運動させる。滑走構造体がレシプロ運動するときに、制御ブロック内でＬＯＡに平行なスロット１０６は調整ピン１０３の動作を可能にし、ドライブスロットの角ポジションに対するその角ポジションを確実にし、バルブの望む移動を提供する。制御ブロックはバルブ構造体１００に対して固定され、バルブに適用されるいかなる荷重や滑走構造体に付与されるいかなる物理的ノイズに対抗して円形ドライブディスクの並置性を確実に提供する。図８Ｂは滑走構造体の断面図であり、スロット１０６内の調整ピン１０３と滑走体ハウジング１０２の円形部分スロット１０７を示している。
【００３６】
図８Ｃはスロット角における最大バルブ移動条件での構造体の補完図であり、図８Ｄは円形ドライブディスクを回転させるための荷重Ｐの適用後の角度０°での円形ディスクを図示する。これら２つの図面を結ぶ中央線は滑走構造体の固定ポジションを図示するが、円形ディスク１０１の変動を示す。それは円形ディスク１０１の平坦部１１１とその半径Ｒとの間の差である。ゼロ角であり、バルブ移動のないドライブスロット１１０の破線ポジションは図８Ｄに示されている。規制の２条件は制御ブロック１０５で充足されており、滑走構造体のレシプロ運動と吸込バルブの適切な連続サイクル中に吸込バルブ移動の調整及び必要な移動維持の機能を示している。
【００３７】
図９Ａから図９Ｄは本発明の全好適実施例に利用される方法を図示している。図９Ｂは４バルブシリンダの平面図であり、図９Ｃは断面平面図であり、図９Ｄは補完断面側面図である。図７に関して説明したように４バルブ構造体１２０は制御構造体１２５と一体であり、図５Ａに関して説明したように吸込バルブ構造体１３５と一体である。制御構造体１２５は図９Ａに関して解説した制御機能を示す。これは内燃機関の４バルブシリンダその他に適用される。図９Ｂ、図９Ｃ及び図９Ｄで図示した２つの吸込バルブ構造体１３５は制御ブロック構造体１２５で制御される。図９Ｃと図９Ｄで示すように両方の吸込滑走構造体の調整ピン１３６は制御ブロックスロット１３７内に捕捉される。制御ブロックはガイド溝ハウジング１２７内に捕捉される。ブロック構造体は軸方向運動のために１２８インターフェースで規制され、横方向運動のために１２９インターフェースで規制される。これらインターフェースはスロット１３７の並置性をレシプロ運動する吸込バルブ構造体１３５の作動線と平行に維持する制御ブロックの上下運動を確実にするように配置される。制御ブロックは油圧シリンダ１４０のごときアクチュエータによって作用され、その中央線がバルブと平行に配置されると徐々に移動されて望むバルブ開放特性を提供する。もちろんシリンダ移動を制御して適当なバルブ技術で望むポジションにてロックすることは必要である。従って、２つの吸込バルブを有した４バルブシリンダでは本発明の別の好適実施例がバルブ作動を変動させるための制御性能を提供する。
【００３８】
例えば、６体のそのような構造体を有した６気筒エンジンにおいて、中央制御システムが油圧シリンダのポジション情報を有しているものでは、全てのシリンダに対してエンジン作動中にガソリン吸込状態を個々または共通で制御することは可能である。さらに、６気筒エンジンでは図９Ａで示す６体の構造体は非常に有効であろう。なぜなら、Ｖ６エンジンの各側の１体のカムシャフトのみが、今日の自動車エンジンのカム/スプリングバルブ作動システムで必要な４体のカムシャフト（２体の吸込用及び２体の排出用）に代えて必要になるだけである。これらシャフトとの整合性とタイミングは非常に重要であり、図９Ａの単純な６構造体と１体のクランクシャフトの場合と比較して複雑でもある。それぞれのピストンのタイミングは独立的で正確であり、反復性的で整合も容易である。このバルブ作動システムは４バルブのそれぞれのシリンダに対して同一作動構造体を利用しており、点火順序に従ったそれぞれのアクチュエータの調整を必要とするだけである。従来技術のスプリング/カムシステムは４体のクランクシャフトの高精度の整合とタイミングを必要とするばかりか、２４体のスプリングに６５ポンドから８０ポンドの負荷をかけて提供する必要がある。これらスプリング負荷とバルブ質量慣性を克服するパワーの不要性はエンジンの経済性を大きく高める。スプリングを利用せず、慣性力が弱い本発明の構造は内燃機関の性能を大きく高める。本発明の単純で頑丈な作動システムは現在一般的なカム/スプリングシステムと較べて性能が優れているばかりか、その製造、組立て及び装着も容易である。
【００３９】
図１から図９において図示したように、吸込バルブ機構と排出バルブ機構のバルブ形態は２バルブシリンダ用である。１気筒あたりに複数のバルブ（１気筒に４個から６個のバルブ）を備えたエンジンが存在する。図１０に示すように１バルブ機構の同一ドライブリンクから複数のバルブ作動を含ませることは可能である。本発明のこの実施例のドライブ１５０はそれぞれのバルブに対して関連ドライブ（作動）機構を備えた２つのドライブリンク１５１と１５２を有したマルチ形態ドライブリンクとなる。図示した４バルブに対してはダブル作動機構が必要であろう。従って、カムシャフト１５４の１体のカム１５３は、例えば、６バルブシリンダの場合と同様に、図示のごとく４バルブを制御する。
【００４０】
本発明を様々な実施例を利用して解説したが、本発明の範囲内でのそれらの変更は可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１Ａ】図１Ａは本発明のバルブシステムの１実施例の一部断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは従来技術のバルブシステム１例の一部断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは本発明のバルブシステムの閉鎖バルブポジションを表す一部断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは本発明のバルブシステムの開放バルブポジションを表す一部断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは本発明のバルブシステムの作動工程を図示する。
【図３Ｂ】図３Ｂは本発明のバルブシステムの作動工程を図示する。
【図３Ｃ】図３Ｃは本発明のバルブシステムの作動工程を図示する。
【図３Ｄ】図３Ｄは本発明のバルブシステムの作動工程を図示する。
【図３Ｅ】図３Ｅは本発明のバルブシステムの作動工程を図示する。
【図３Ｆ】図３Ｆは本発明のバルブシステムの作動工程を図示する。
【図４】図４は本発明のバルブシステムの吸込バルブ及び排出バルブの一部断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは本発明のバルブシステムの可変移動特性を図示している。
【図５Ｂ】図５Ｂは一部を取り外した状態を表している。
【図５Ｃ】図５Ｃは一部を取り外した状態を表している。
【図５Ｄ】図５Ｄは一部を取り外した状態を表している。
【図５Ｅ】図５Ｅは一部を取り外した状態を表している。
【図５Ｆ】図５Ｆは本発明のバルブシステムの可変移動特性を図示している。
【図６Ａ】図６Ａは本発明のバルブシステム内のバルブの動きを示す側面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは本発明のバルブシステム内のバルブの動きを示す平面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは本発明のバルブシステム内のバルブの動きを示す側面図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは本発明のバルブシステム内のバルブの動きを示す平面図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは本発明のバルブシステム内のバルブの動きを示す側面図である。
【図６Ｆ】図６Ｆは本発明のバルブシステム内のバルブの動きを示す平面図である。
【図６Ｇ】図６Ｇは本発明のバルブシステム内のバルブの動きを示す側面図である。
【図６Ｈ】図６Ｈは本発明のバルブシステム内のバルブの動きを示す平面図である。
【図６Ｉ】図６Ｉは本発明のバルブシステム内のバルブの動きを示す側面図である。
【図６Ｊ】図６Ｊは本発明のバルブシステム内のバルブの動きを示す平面図である。
【図７】図７は本発明の共通ハウジング内の２バルブ構造体の一部平面図である。
【図８Ａ】図８Ａは本発明のバルブ構造体の基本的な制御機能を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは本発明のバルブ構造体の基本的な制御機能を示す。
【図８Ｃ】図８Ｃは本発明のバルブ構造体の基本的な制御機能を示す。
【図８Ｄ】図８Ｄは本発明のバルブ構造体の基本的な制御機能を示す。
【図９Ａ】図９Ａは本発明のバルブ構造体に利用される理論を示す。
【図９Ｂ】図９Ｂは本発明のバルブ構造体に利用される理論を示す。
【図９Ｃ】図９Ｃは本発明のバルブ構造体に利用される理論を示す。
【図９Ｄ】図９Ｄは本発明のバルブ構造体に利用される理論を示す。
【図１０】図１０は複数のバルブを有したシリンダを表す本発明のさらに別な実施例の概略図である。
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ．３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｇ】
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【図６Ｉ】
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【図１０】
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【図８Ａ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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