(57)【要約】      （修正有）【課題】油圧又は電磁アクチュエータよりも少ないスペースを占有し、作動のためにより少ない動力を使用し、またバルブ・リフトとバルブ着地のより高度なコントロールを提供し得る、内燃機関用のバルブ組立体を提供する。【解決手段】内燃機関用の電子的に作動されるバルブ組立体200が、弁軸202と、弁軸202を作動させるように動きを伝える形状記憶合金アクチュエータ206と、形状記憶合金アクチュエータ206の少なくとも一部を通る冷媒通路222と、そして、上記冷媒通路222と連通する冷却流体源223とを備える。【選択図】【図２Ａ】
2008291835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関用の電子的に作動されるバルブ組立体であって、
弁軸、
上記弁軸を作動させるように動きを伝える形状記憶合金アクチュエータ、
上記形状記憶合金アクチュエータの少なくとも一部を通る冷媒通路、及び、
上記冷媒通路と連通する冷媒源、を備えるバルブ組立体。
【請求項２】
上記冷媒通路は、エンジン・オイルの流れを受け入れるように構成される、請求項1に記載のバルブ組立体。
【請求項３】
上記冷媒通路は、エンジン冷媒循環装置に連結される、請求項1に記載のバルブ組立体。
【請求項４】
上記冷媒通路は、専用の形状記憶合金冷媒源に連結される、請求項1に記載のバルブ組立体。
【請求項５】
上記弁軸及び上記形状記憶合金アクチュエータが連結されるアーム部材、を更に備える請求項1に記載のバルブ組立体。
【請求項６】
上記アーム部材に配設された回転軸、を備え、
上記形状記憶合金アクチュエータは、上記回転軸と上記弁軸の中間の位置にて上記アーム部材と連結される、請求項5に記載のバルブ組立体。
【請求項７】
上記形状記憶合金アクチュエータは、上記弁軸の長さよりも長さが長い形状記憶合金ワイヤーを備える、請求項1乃至6のいずれか一つに記載のバルブ組立体。
【請求項８】
上記形状記憶合金アクチュエータは、上記弁軸の長さと同一又はそれよりも短い長さを有する、請求項1乃至7のいずれか一つに記載のバルブ組立体。
【請求項９】
上記形状記憶合金アクチュエータは、複数の形状記憶合金ワイヤーを備える、請求項1乃至8のいずれか一つに記載のバルブ組立体。
【請求項１０】
内燃機関用の電子的に作動されるバルブ組立体であって、
アーム部材、
第一位置にて上記アーム部材に配設される回転軸、
上記アーム部材上の第二位置にて上記アーム部材に連結される弁軸、
上記弁軸と上記回転軸との間の位置にて、上記アーム部材と動作可能に連結される形状記憶合金アクチュエータ、及び、
上記形状記憶合金アクチュエータの少なくとも一部を通る冷媒通路、を備えるバルブ組立体。
【請求項１１】
上記形状記憶合金アクチュエータは、形状記憶合金ワイヤーを備える、請求項10に記載のバルブ組立体。
【請求項１２】
上記形状記憶合金アクチュエータは、複数本の形状記憶合金ワイヤーを備える、請求項11に記載のバルブ組立体。
【請求項１３】
上記形状記憶合金アクチュエータは、上記弁軸の長さよりも長さが長い形状記憶合金部材を備える請求項10乃至12のいずれか一つに記載のバルブ組立体。
【請求項１４】
上記冷媒通路は、エンジン・オイル循環装置に連結される、請求項10乃至13のいずれか一つに記載のバルブ組立体。
【請求項１５】
上記冷媒通路は、エンジン冷媒循環装置に連結される、請求項10乃至13のいずれか一つに記載のバルブ組立体。
【請求項１６】
上記冷媒通路は、専用の形状記憶合金冷媒源に連結される、請求項10乃至13のいずれか一つに記載のバルブ組立体。
【請求項１７】
電子バルブ作動システムを有する内燃機関を備える装置における、アクチュエータを作動させる方法であって、
上記バルブ作動システムは形状記憶合金を備え、  
上記形状記憶合金を流れる電流に電流量の第一変化を引き起こし、それによって上記形状記憶合金に第一寸法変化を引き起こす工程、
上記形状記憶合金を流れる電流に電流量の第二変化を引き起こして上記形状記憶合金を冷却液にさらし、それによって上記形状記憶合金に第二寸法変化を引き起こす工程、を備える方法
【請求項１８】
上記形状記憶合金を冷却液にさらす工程は、上記形状記憶合金をエンジン・オイルにさらす工程を備える、請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
上記形状記憶合金を冷却液にさらす工程は、上記形状記憶合金をエンジン冷媒にさらす工程を備える、請求項17に記載の方法。
【請求項２０】
上記形状記憶合金を冷却液にさらす工程は、上記形状記憶合金を専用の形状記憶合金冷媒にさらす工程を備える、請求項17に記載の方法。
【請求項２１】
上記形状記憶合金は冷却液通路を通って延びており、
上記形状記憶合金を冷却液にさらす工程は、上記冷却液を上記冷却液通路に流す工程を備える、請求項17乃至20のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２２】
電流に電流量の第一変化を引き起こす工程は、上記形状記憶合金に電圧を印加する工程を含む、請求項17乃至21のいずれか一つに記載の方法。
【請求項２３】
電流に電流量の第一変化を引き起こす工程は、上記形状記憶合金に印加される電圧のデューティ・サイクルを変更する工程を含む、請求項17乃至22のいずれか一つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関(エンジン)用の電子的に作動されるバルブ組立体、及び、そのアクチュエータを作動させる方法に関連する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃料経済性とエンジン性能の両方の顕著な改善が、カムレス(camless：カムを備えない)の動弁機構及び電子バルブ作動(electronic valve actuation)を使用することによって、実現され得る。例えば、電子バルブ作動の使用は、バルブ・リフト量やバルブ・タイミングのようなパラメータを制御することを可能にし得る。カムシャフトに機械的な駆動機構を使用するエンジンにおいては、これら二つのパラメータが、種々のエンジン運転状態にとっての妥協点としての選択値に固定される場合がある。一方で、可変リフトや可変タイミングの使用は、これらエンジンのパラメータを現在のエンジン運転状態にとって最適化することにより、エンジン出力、エンジン・トルク、及び燃料経済性の改善を可能にし得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
内燃機関に電子的に作動されるバルブ(動弁機構)を使用するのに伴って、種々の問題が生じる。電子的に作動されるバルブとしては、例えば、油圧アクチュエータや電磁アクチュエータが提案されている。しかしながら、これらの解決策の各々は、高いエネルギー消費及び大きな占有スペースが必要となり、実施を困難とする可能性がある。更に、着地速度(吸気又は排気バルブの弁体がバルブ開口或いはバルブ・シートに当接するときにおけるその当接速度)のような種々のパラメータは、現在の電子的に作動されるバルブにおいては、制御が困難となる場合がある。高い着地速度は、バルブ磨耗や過度のノイズ発生という問題を引き起こす場合がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上述の課題は、内燃機関用の電子的に作動されるバルブ組立体の使用によって取り組まれ、そこにおいて、バルブ組立体は、弁軸と、弁軸を作動させるように動きを伝える形状記憶合金アクチュエータと、上記形状記憶合金アクチュエータの少なくとも一部を通る冷媒通路と、上記冷媒通路と連通する冷却液源とを備え得る。そのようなアクチュエータは、油圧又は電磁アクチュエータよりも少ないスペースを占有し、作動のためにより少ない動力を使用し、またバルブ・リフト量とバルブ着地のより高度なコントロールを提供し得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図1は、内燃機関（エンジン）10の典型的な実施形態の概略図を示す。エンジン10は、ポート噴射型火花点火式ガソリン・エンジンとして図示される。しかしながら、ここに記述された装置及び方法は、直噴エンジン及びディーゼル・エンジンを含むがこれには限定されない圧縮着火エンジンを含む、適切なものであれば、他の如何なるエンジンにも使用可能であることが理解されるであろう。
【０００６】
エンジン10は一般的に、複数のシリンダーを含み、シリンダーの一つが図1に示され、エンジン10が電子エンジン制御器12によって制御される。エンジン10は、燃焼室14と、クランクシャフト20に結合されるピストン18をその中に備えたシリンダー壁16とを含む。燃焼室14は、各々吸気バルブ26及び排気バルブ28を介して、吸気マニフォールド22及び排気マニフォールド24と連通する。吸気バルブ26は吸気バルブ作動機構27によって作動され、排気バルブ28は排気バルブ作動機構29によって作動され、それら機構の作動は後に詳述される。
【０００７】
排気ガス酸素センサー30が、エンジン10の排気マニフォールド24に結合される。三元触媒のような触媒32が、排気マニフォールド24に接続されて、排気マニフォールド24から排気ガスを受ける。そして、NOXトラップ34が触媒32に接続されて、触媒32から排出物質を受ける。
【０００８】
吸気マニフォールド22が、スロットル板44を介してスロットル・ボディ42と連通する。吸気マニフォールド22はまた、制御器12からのパルス幅信号(fpw)に比例する燃料を供給するために、吸気マニフォールド22に結合された燃料噴射弁46を有しているのが示される。燃料は、燃料タンクや燃料ポンプ、燃料レール(不図示)を含む一般的な燃料システム(不図示)によって燃料噴射弁44に供給される。エンジン10は、制御器12に応答して点火プラグ50を介して燃焼室14に点火火花を供給するための、一般的なディストリビューターレス（distributor-less）の点火装置48を更に含む。ここに記述された実施形態において、制御器12は、マイクロプロセッサー・ユニット(CPU)52、入出力ポート（I/O）54、読み出し専用メモリー（read-only-memory: ROM）56、電子的にプログラム可能な電子メモリー・チップ、ランダム・アクセス・メモリー（RAM）58及び一般的なデータ・バスを含む、一般的なマイクロコンピューターとして示されている。
【０００９】
制御器12は、前述した信号に加えて、スロットル・ボディ42に結合された質量空気流量センサー60からの吸気された質量空気流量の測定値（MAF）、冷却ジャケット64に結合された温度センサー42からのエンジン冷媒温度（ECT）、吸気マニフォールド22に結合されるマニフォールド絶対圧センサー66からのマニフォールド圧の計測値(MAP)、スロットル板44に結合されるスロットル位置センサー68からのスロットル位置の計測値(TP)、及び、エンジン速度(N)を示すクランクシャフト20に結合されたホール効果センサー70からのプロファイル点火ピックアップ信号（profile ignition pickup: PIP）を含む、エンジン10に結合されたセンサーからの種々の信号を受ける。
【００１０】
排気ガスは、排気マニフォールド24に連通する一般的なEGR管72、EGRバルブ組立体74、及びEGRオリフィス74によって、吸気マニフォールド22に供給される。あるいは、EGR管72は、排気マニフォールド24と吸気マニフォールド22との間を連通する、エンジン内の内部伝送通路であり得る。
【００１１】
上述したように、吸気バルブ作動機構27及び排気バルブ作動機構29は電子バルブ作動機構を使用し得る。電子バルブ作動機構の使用は、吸気バルブ24及び排気バルブ28がカムシャフトを用いずに開くことを可能にし、その結果、エンジンの吸気バルブ及び排気バルブの各々が、他の吸気バルブ及び排気バルブとは完全に独立して作動されるのを可能にし得る。例えば、エンジンのシリンダーの一つ又は複数が、トルク要求が低減されるときに、燃料経済性を改善するために作動が停止される場合があり、そしてトルク要求が増大するときに作動が再開される場合がある。
【００１２】
カムレスの動弁機構において電子的に作動されるバルブを実施するのに際して発生している問題の一つは、作動機構に関連する。カムレスの動弁機構としては、油圧式の作動システムと電磁式作動システムの両方が提案されてきた。しかしながら、油圧システムは、油圧動力を供給するにあたってエンジンのオイル・ポンプに追加の仕事を要求し得ることから、エンジンに出力要求を生じさせる場合がある。同様に、電磁式システムに使用されるソレノイドは、比較的大きくてかさばり、それ故にエンジンに組み付けるのが困難となる場合がある。
【００１３】
図2A及びBは、油圧ベースの作動システムやソレノイド・ベースの作動システムとはかなり異なり、エンジンのバルブ(動弁機構：吸気バルブ及び/又は排気バルブ)を開閉するために形状記憶合金アクチュエータを使用する、カムレスのバルブ組立体200の典型的な実施形態を示す。形状記憶合金は、温度変化に応じて、寸法が変化する相変態を起こして、反対方向への温度/相の変化に応じて、元の形状に戻る金属材料である。形状記憶合金ワイヤーの長さは、ワイヤーの温度を変化させることによって、変化し得る。温度変化は、ワイヤーに電流を流してそのワイヤーを抵抗加熱することによるものを含むが、これには限定されず、適切な方法であれば、如何なる方法でも実現され得る。アクチュエータのレイアウトや形状記憶合金材料の相変態特性によって、形状記憶合金ワイヤーの長さの変化が、後で詳述するようにバルブを開閉させ得る。
【００１４】
図2A及びBに示される実施形態を参照すると、図2Aは閉状態のバルブ組立体200を示し、図2Bは開状態のバルブ組立体200を示す。バルブ組立体200は弁軸(バルブ・ステム)202、バルブ開口205内に配置される弁体204、及びバルブ・アクチュエータ206を含む。弁軸202は、弁軸シール210及び弁軸ガイド212を介して、シリンダーヘッド208の一部を通過して延びる場合がある。
【００１５】
アクチュエータ206は、弁軸202を、弁軸ガイド212を貫通して直線的に移動させるように構成され、それによって弁体204がバルブ開口205(又はバルブ・シート)と係合又は離脱するように移動させて、バルブ組立体200を開閉する。この動作を実現するために、バルブ・アクチュエータ206は、固定アンカー216から、枢動可能なロッカー・アーム218又はその類似構造まで延びる、形状記憶合金ワイヤー214を含む。ロッカー・アーム218は、特定位置(一端)においてその回転軸220(例えばローラー・シャフト、ボール・ピボット等)に結合され得る。同様に、ロッカー・アーム218は、別の位置(他端)において弁軸202に結合される。したがって、形状記憶合金ワイヤー214が短縮するときに、ロッカー・アーム218は弁軸202が移動するように回転し、それによりバルブ組立体200を開く。図示された形状記憶合金アクチュエータは一本のワイヤー214の形を取っているが、後に詳述されるように、アクチュエータは、複数のワイヤーによって、例えば束として設けられて、形成され得ることが理解されるであろう。更に、形状記憶合金は、ワイヤー形状以外に、適切な形状であれば、他の如何なる幾何学形状も取り得る。
【００１６】
形状記憶合金ワイヤー214は、ロッカー・アーム218上の適切な位置であれば、如何なる位置においても、ロッカー・アーム218に結合され得る。例えば、形状記憶合金ワイヤー214は、弁軸202がロッカー・アーム218に結合される位置若しくはその近傍にて、或いは、ロッカー・アーム218と回転軸220との中間位置にて、ロッカー・アーム218に結合される場合がある。形状記憶合金ワイヤー214を回転軸220と弁軸202との間の位置に配置することは、形状記憶合金ワイヤー214の寸法変化に対して弁軸202の移動長さを増大する機械的倍率を提供し得る。
【００１７】
エンジン性能の改善は、バルブ・アクチュエータの迅速かつ正確な応答時間によって実現され得る。それ故に、所望の相変態の間中、形状記憶合金ワイヤー214の冷却を促進するために、形状記憶合金ワイヤー214は、形状記憶合金ワイヤー214からの熱伝達を加速する冷却液にさらされ得る。このようにして、形状記憶合金ワイヤー214は、冷却液がないときに比べて、より迅速に冷却され得る。このことは、アクチュエータの応答時間改善の一助となり得る。
【００１８】
適切なものであれば、如何なる冷却液も使用可能である。例えば、実施形態の幾つかにおいては、エンジン・オイルが形状記憶合金ワイヤー214を冷却するのに使用される場合がある(すなわち、冷媒通路222はエンジン・オイルを受け入れる)。代替実施形態においては、不凍液のような別のエンジン用の液体(エンジン冷媒)が使用される場合もある。更に別の実施形態においては、形状記憶合金ワイヤー214を冷却するために、専用の液体が供給される場合もある。
【００１９】
同様に、適切なものであれば、如何なる機構も、冷却液を形状記憶合金ワイヤー214に適用するのに使用され得る。例えば、冷却液は形状記憶合金ワイヤー214に噴霧又は霧吹きされる場合がある。或いは、図2A及びBに示されるように、形状記憶合金ワイヤー214は、冷媒通路222を少なくとも部分的に通って延びる場合がある。この構成において、冷却液は、冷媒通路222を流れるように向けられ、それによって形状記憶合金ワイヤー214から熱を取り除く場合がある。冷却液がエンジン・オイルである場合には、エンジンのオイル・ポンプ(不図示)が、油路223を介して冷媒であるエンジン・オイルを供給し得る。また、冷却液がエンジン冷媒である場合には、別のポンプ(不図示)が、不凍液等のエンジン冷媒を冷媒通路222を通って循環させるために設けられる場合もある。或いは、冷却液が専用の液体である場合には、別のポンプ(不図示)が、冷却液を冷媒通路222を通って循環させるために設けられる場合もある。
【００２０】
実施形態の幾つかにおいて、アクチュエータ206は  弁軸202を閉状態に向けて付勢するバネ機構を更に含み得る。適切なものであれば、如何なるバネ機構も使用可能である。例えば、コイル・スプリングやリーフ・スプリングのような機械バネ、及び/又は、ガス又は空気バネが含まれるが、これらに限定されるものではない。図2A及びBに示される実施形態において、コイル・スプリング224は、弁軸シール210と弁軸202に結合されるプレート226との間に配設される。バネ224は、弁軸202を上方に付勢すべく、プレート226に力を及ぼすように、圧縮状態にて配設され得る。そのようにして、バルブ作動システム202は、制御器12から出力される信号に従って、バネからの力に対抗するという要求に応じて、実質的に下方に向かう力を選択的に生成し得る。したがって、具体的に図2Aを参照すると、形状記憶合金ワイヤー214が伸長状態にあるときに、バネ224は弁軸202を閉位置(図2Aの位置)に向けて付勢する。次に、具体的に図2Bを参照すると、形状記憶合金ワイヤー214が加熱されたときに、その結果生じる相変態によって生成される形状記憶合金ワイヤー214の力は、弁軸202を開位置(図2Bの位置)に引き込む。弁軸202は、形状記憶合金ワイヤー214を変態温度を下回る温度に冷却することによって、閉位置に戻ることが可能な状態になり(すなわち、形状記憶合金ワイヤー214が延びる)、それによってバネ224が弁軸202を閉位置に押し出し得る。図2の構成では、各ワイヤーの長さは弁軸の長さとほぼ同じ程度に構成されている。この構成により、リフト量の調整範囲を大きく設定するという効果と、弁軸202と略平行して形状記憶合金ワイヤー214を設けることによりその配置スペースを比較的にコンパクトに抑えることが可能になるという効果を互いに両立できる。
【００２１】
バネ224が空気バネである実施形態において、バネ224によってプレート226に対して及ぼされる力は、空気バネにおける空気圧に基づいて変化し得る。例えば、空気バネにおける空気圧は、プレート226に対して及ぼされる力が弁軸202を閉位置に向けてより強力に付勢するように、増大される場合がある。同様にして、形状記憶合金ワイヤー214が活性化されたとき(ワイヤーの活性化は、相変態によりワイヤーが短縮している状態を指す。以下同様)に、弁軸202が開位置に移動するのを促進するために、空気バネにおける空気圧を低減するのが有利な場合がある。バネ224により及ぼされるそのような力の制御は、燃料経済性とエンジン性能の改善を達成し得る。
【００２２】
適切なものであれば、如何なる形状記憶合金材料も、形状記憶合金ワイヤー214を構成するのに使用可能である。適切な形状記憶合金材料の例は、Ag-Cd系合金、Cu-Al-Ni系合金、Cu-Sn系合金、Cu-Zn系合金、Cu-Zn-X系合金、(XはSi、Sn、又はAl)、In-Ti系合金、Ni-Al系合金、Ni-Ti系合金、Fe-Pt系合金、Mn-Cu系合金、Fe-Mn-Si系合金、Ti-Ni-V系合金、Ni-Ti-Cr系合金、Ni-Ti-Fe系合金、Ni-Ti-Cu系合金、種々のプラチナ合金、Co-Ni-Al系合金、及びCo-Ni-Ga系合金の元素の組み合せからなる形状記憶合金を含み得るが、これらに限定されるものではない。
【００２３】
合金の物理的性質やバルブ組立体の構造は、アクチュエータの具体設計において考慮されるべき要因であることが理解されるであろう。例えば、別の合金が、異なる変態温度、膨張率、及び導電率等を含むがこれらには限定されない、異なる電気的性質、機械的性質、及び熱的性質を有する場合がある。同様に、アクチュエータ200と共に使用される種々の冷却液の物理的性質もまた、異なる場合がある。これらの又は他の性質は、形状記憶合金ワイヤー214や冷媒通路222等の長さ、直径、及び他の幾何学的態様を含むがこれらには限定されない、バルブ・アクチュエータの具体的な実施形態の設計に影響を与える場合がある。
【００２４】
形状記憶合金ワイヤー214の設計における別の考慮すべき事項は、制御器12が活性化を指示してからアクチュエータ(ワイヤー)が相変態を起こすまでの、アクチュエータの目標応答時間であり得る。例えば、使用環境の幾つかにおいて、吸気バルブ26と排気バルブ28は、毎分何千もの回転数で開閉される場合がある。更に、これらバルブの開閉タイミングは、種々のエンジン運転状態に応じて変更され得る。それ故に、バルブ組立体200は、エンジン高回転時に正確なバルブ制御を行うために、迅速な応答時間を持つのが望ましい場合がある。
【００２５】
種々の要因がバルブ組立体200の応答時間に影響し得る。例えば、形状記憶合金ワイヤー214に印加される電流及び/又は電圧が、応答時間に影響する場合がある。図3は、複数の活性化電圧に対する、時間の関数としての、典型的な形状記憶合金ワイヤーの長さ変化のグラフを示す。縦軸は、形状記憶合金ワイヤーの長さ変化を、印加された活性化電圧で除算したものである。図中○印のグラフは、活性化のために20ボルトの直流電圧が140ミリ秒の継続時間の間形状記憶合金ワイヤーに印加され、その後、そのワイヤーを冷却するために強制空冷が行われる場合を示し、図中□印のグラフは、活性化のために30ボルトの直流電圧が140ミリ秒の継続時間の間形状記憶合金ワイヤーに印加され、その後、そのワイヤーを冷却するために強制空冷が行われる場合を示す。この図から、20ボルトのパルスは、30ボルトのパルスよりもわずかに緩やかに形状記憶合金ワイヤーを加熱し、しかしながら、30ボルトのパルスよりもかなり迅速にワイヤーを冷却させるのが分かる。
【００２６】
実施形態の幾つかにおいて、複数の電圧レベルを有するパルスが使用され得る。例えば、高電圧パルスは最初に形状記憶合金を迅速に加熱させるのに使用され、その後、低電圧パルスが高温状態の形状記憶合金の形状を維持するのに使用される場合がある。その場合、低電圧パルスの除去移行が、単一の高電圧パルスが使用される場合に比べ、より迅速に形状記憶合金ワイヤーを冷却するのを可能にし得る。別の実施形態において、三つ若しくは更にそれ以上の電圧レベルが使用される場合がある。
【００２７】
更に別の実施形態において、形状記憶合金に印加される電圧のデューティ・サイクルが、形状記憶合金の温度を制御するために調整され得る。例えば、パルス幅変調が、作動電圧のデューティ・サイクルを変更、それにより形状記憶合金ワイヤー214の温度を制御するために使用される場合がある。形状記憶合金に印加されるデューティ・サイクルは、例えば、1ミリ秒の電圧パルスが印加された後に、3ミリ秒の間電圧とされるものを含み得る。これにより、(デューティ・サイクルによる電圧印加が行われない)定常電圧の場合の電力に比べて約25％の時間平均電圧が、形状記憶合金ワイヤー214に供給されることになる。その結果として、形状記憶合金ワイヤー214は加熱段階の所要時間を低減し、バネ224に対して及ぼされる力の時間平均値を低減し得る。これは、バネ224に加えられる力の時間平均が少ないため、定常電圧が印加される場合よりも低い温度にて、弁軸202が開かれることをもたらし得る。このようにして、形状記憶合金の短縮度合い、その結果として弁軸202の移動長さ、ひいては、弁体204のリフト量が制御され得る。したがって、バネ224に及ぼされる力の時間平均の制御は、弁軸202のリフト量が、制御可能な方法で連続的に変更されるのを可能に得る。適切なものであれば、如何なる電気接続構成も、形状記憶合金ワイヤー214を電源に接続し得ることが理解されるであろう。
【００２８】
種々の実施形態において、可変バルブ・リフトは、複数本の形状記憶合金ワイヤーの使用によって、或いは、一本の形状記憶合金ワイヤーの全長の一部のみの活性化によっても実現され得る。最初に、図4A乃至Dは、種々のバルブ・リフト構成例における可変バルブ・リフト組立体400の実施形態を示す。図示されたバルブ組立体の態様は、閉状態(図4Aにおいて402にて図示)、第一部分開状態(図4Bにおいて404にて図示)、第二部分開状態(図4Cにおいて406にて図示)、及び、完全開状態(図4Dにおいて408にて図示)を含む。バルブ組立体400は、形状記憶合金アクチュエータ410と、電力をアクチュエータ410に供給するための電気接続器412を含む。ここに図示されたバルブ・リフト構成は例示の目的で記載されており、本発明を限定することを意味するものではないことが理解されるであろう。
【００２９】
アクチュエータ410はまた、第一形状記憶合金ワイヤー414、第二形状記憶合金ワイヤー416、及び、第三形状記憶合金ワイヤー418を含み、そこにおいて各々のワイヤーは別々のスイッチに電気的に接続される。同様に、電気接続器412は、第一スイッチ420、第二スイッチ422、及び、第三スイッチ424を含み、そこにおいて各々のスイッチはそれぞれ対応する一本の形状記憶合金ワイヤー(又は一本の形状記憶合金ワイヤーの束)414、416及び418に電気的に接続される。スイッチ420、422及び424は、各々の形状記憶合金ワイヤーに電圧を選択的に印加又は遮断するために、(後述される別の実施形態におけるスイッチも同様に)制御器12とは物理的に分離して設けられ得る、或いは、ソフトウェア、ファームウェア、又はハードウェアによって制御器12に配設され得ることが、理解されるであろう。この意味においては、スイッチ420、422及び424はまた、各々の形状記憶合金ワイヤーにオン/オフ電圧を少なくとも供給可能であり、そして実施形態の幾つかにおいて各々の形状記憶合金ワイヤーに多段或いは連続可変の電圧を供給可能である、多段電圧電気接続であると考えられ得る。
【００３０】
実施形態の幾つかにおいて、ワイヤー414、416及び418は互いに長さが相違し得る。異なったスイッチ420、422及び424を作動させること自体が、異なったワイヤーを短縮させ得る。ワイヤーの長さが相違するため、ワイヤーは、活性化されたときに異なった長さだけ短縮し得る。このようにして、所望のリフト量が、その所望のリフト量に対応するワイヤー414、416又は418を活性化することによって実現され得る。例えば、第二形状記憶合金ワイヤー416は第一形状記憶合金ワイヤー414よりも長く、第三形状記憶合金ワイヤー418は第二形状記憶合金ワイヤー416又は第一形状記憶合金ワイヤー414よりも長い場合がある。形状記憶合金ワイヤーは、活性化したときに、具体的にはワイヤー長の数％短縮するので、長いワイヤーは短いワイヤーよりも長い距離短縮し得る。そうであるので、第二形状記憶合金ワイヤー416を流れる電流は、活性化されたときに、第一形状記憶合金ワイヤー414よりも長い距離短縮し得る。このようにして、異なった長さのワイヤーを使用することは、様々な大きさのバルブ・リフト量が実現されるのを可能にし得る。
【００３１】
ここで図4Aを参照すると、バルブ組立体400が、閉状態402にて示される。この状態においては、第一形状記憶合金ワイヤー414、第二形状記憶合金ワイヤー416、及び第三形状記憶合金ワイヤー418の各々が伸長状態にある。バネ224によって及ぼされる力はそれ故、バルブ組立体を閉状態に付勢し得て、バルブ組立体は閉状態とされる。
【００３２】
ここで図4Bを参照すると、バルブ組立体400が、第一部分開状態にて示される。図示されるように、第一形状記憶合金ワイヤー414が、スイッチ420の閉鎖によって電気的に作動され、それがワイヤー414を加熱させて短縮させる。そうであるので、その結果生じる相変態によって生成される力は、バルブ組立体400を第一開位置に引き込み得る。第二形状記憶合金ワイヤー416、及び第三形状記憶合金ワイヤー418は、活性化されていないものとして示され、それ故に伸長状態のままであり得る。図示された実施形態においては加熱によってワイヤーが活性化されるものの、他の種々の実施形態においては冷却によってワイヤーが活性化され得ること、そして、これらの実施形態におけるアクチュエータの作動を促進するために適切であれば、如何なる方法でもスイッチ420、422及び424が開閉され得ることもまた、理解されるであろう。
【００３３】
ここで図4Cを参照すると、バルブ組立体400が、第二形状記憶合金ワイヤー416及び第二スイッチ422によって作動される第二部分開状態にて示される。第二部分開状態において、バルブ組立体400は、第一形状記憶合金ワイヤー414に比べて、第二形状記憶合金ワイヤー416の方が長さが長いため、第一部分開状態よりも大きなリフト量を有する。
【００３４】
ここで図4Dを参照すると、バルブ組立体400が、第三形状記憶合金ワイヤー418及び第三スイッチ424によって作動される完全開状態にて示される。完全開状態において、バルブ組立体400は、第一形状記憶合金ワイヤー414及び第二形状記憶合金ワイヤー416に比べて、第三形状記憶合金ワイヤー418の方が長さが長いため、第一部分開態様及び第二部分開様態よりも大きなリフト量を有する。
【００３５】
図示された形状記憶合金の構成は異なった長さの三本のワイヤーの形を取っているが、適切なものであれば、如何なるワイヤー長及びその(ワイヤー間での)差異を有する、適切なものであれば、如何なる本数のワイヤーも、可変バルブ・リフトの適切な実施を実現するために使用され得る。図4の構成では、各ワイヤーの長さは弁軸の長さよりも長く構成されている。この構成により、リフト量の調整範囲を大きく設定できるという効果を奏する。
【００３６】
図5A乃至Cは、可変バルブ・リフトを可能にし得る、ワイヤー配置の別の代替実施形態を概略的に示す。最初に図5Aを参照すると、バルブ組立体500は、ロッカー・アーム218上の異なる位置に固定される様々な長さの形状記憶合金ワイヤーを含む。具体的に、第一ワイヤー502は第一固定点508にてロッカーアーム218に接続され、第二ワイヤー504は第二固定点510にてロッカーアーム218に接続され、第三ワイヤー506は第三固定点512にてロッカーアーム218に接続され得る。このようにして、異なる固定点が、各々のワイヤー502、504及び506に異なる機械的倍率を与え得る。例えば、第一ワイヤー502が、第二ワイヤー504や第三ワイヤー506よりも弁軸から遠い位置にてロッカー・アーム218に固定されるので、第一ワイヤー502の活性化は第二ワイヤー504や第三ワイヤー506の活性化に比べてより大きな機械的倍率を提供して、したがって、第二ワイヤー504又は第三ワイヤー506の活性化よりも大きなバルブ・リフト量をもたらす場合がある。実施形態の幾つかにおいて、ワイヤーは、バルブ・リフト量の更なる変動範囲を生成するために、異なった長さを有する場合がある。図5Aの構成では、各ワイヤーの長さは弁軸の長さよりも短く構成されている。この構成により、ワイヤーの配置スペースを比較的にコンパクトに抑えることが可能になるという効果を奏する。
【００３７】
次に図5B及びCを参照すると、バルブ組立体520は、終端電気端子524、第一中間電気端子526、及び第二中間電気端子528を有する形状記憶合金ワイヤー522を含む。バルブ組立体520のリフト量は、どの電気端子を閉鎖するかを制御することで制御され得る。例えば、終端電気端子524のみが閉じられる場合には、電流は形状記憶合金ワイヤー522の全長(全領域)を流れる。したがって、形状記憶合金ワイヤー522は全長にわたって相変態が起きて、最大のバルブ・リフト量をもたらす。他方で、第一中間電気端子526のみが閉じられる場合には、電流は、ロッカー・アーム218と第一中間電気端子526との間を延びる形状記憶合金ワイヤー522の一部のみを流れる。このようにして、形状記憶合金ワイヤー522の一部のみが相変態を起こして、それによってバルブ・リフト量は低減されてもたらされる。同様にして、第二中間電気端子528の閉鎖は、バルブ・リフト量が更に大きく低減されてもたらされ得る。ワイヤーを通る冷却液及び/又は電流は、形状記憶合金ワイヤー522の長さに加えて更なる温度制御を提供するために、制御され得る。
【００３８】
ここで図5Cを参照すると、アクチュエータ540は、同一又は類似の長さを有する複数のワイヤーを備える。三本のワイヤー542、544及び546が図示されているが、適切なものであれば、如何なる数のワイヤーも使用され得ることが理解されるであろう。図5Cの実施形態において、可変バルブ・リフトは、それによってバネ224に対抗して異なる引き込み力を及ぼすために、異なる本数のワイヤーを活性化することによって、実現され得る。ワイヤー542のみが活性化されている場合には、バネ224に対抗して引き込む力は、ワイヤー542によって及ぼされる力のみである。したがって、バネ224とワイヤー542の間の力のバランスは、バルブに第一バルブ開位置（すなわち第一バルブ・リフト量）をもたらし、そこにおいて弁体はバルブ・シートに近接して設定される。同様に、第二バルブ・リフト量及び第三バルブ・リフト量は各々、二本のワイヤー(例えば、ワイヤー542及び544)、或いは三本のワイヤー全てを活性化することによって、達成され得る。バネ224に対抗して引き込む力は、一本の活性化されたワイヤーよりも二本の活性化されたワイヤーの方が大きく、二本の活性化されたワイヤーよりも三本の活性化されたワイヤーの方が大きくなるであろう。このようにして、形状記憶合金ワイヤーとバネ224の間の力のバランスは、活性化されたワイヤーが一つずつ追加されるたびに、徐々に大きなバルブ・リフト量をもたらし得る。図5B及びCの構成でも、図2の構成と同様に、ワイヤーの長さは弁軸の長さとほぼ同じ程度に構成されている。この構成により、リフト量の調整範囲を大きく設定するという効果と、弁軸と略平行して形状記憶合金ワイヤーを設けることによりその配置スペースを比較的にコンパクトに抑えることが可能になるという効果を互いに両立できる。
【００３９】
バルブ組立体200のバルブ着地速度(吸気又は排気バルブの弁体がバルブ開口或いはバルブ・シートに当接するときにおけるその当接速度)は、同様の方法で制御され得る。例えば、ワイヤー214は、ワイヤー214の異なった部分が異なったタイミングにて変態温度を超えて冷却されるようにして、異なった速度にて変態温度を超えて冷却される場合がある。これは、例えば冷却液をワイヤー214の長さの一部のみに適用することによって実現され得る。同様に、マルチ・セグメント(multi-segment)・ワイヤーが使用され、そこにおいては、マルチ・セグメント・ワイヤーにおける長さの変化速度を制御する制御態様にて(例えば、バルブ設置速度を下げるように)、セグメントから電流が遮断され得る。なお、図2、図4及び図5の各実施形態においては、ロッカー・アーム218にアースが接続され、各端子216、420、422、424、524、526、528等に電圧が選択的に印加されるように構成される。
【００４０】
図6A及びBは、カムレスのバルブ組立体600の典型的な別の実施形態を示す。図6Aは閉状態にあるバルブ組立体を示し、図6Bは開状態にあるバルブ組立体を示す。上述のバルブ組立体200は、弁軸及び形状記憶合金ワイヤーが取り付けられる軸支されたロッカー・アームを含むものの、バルブ組立体600はロッカー・アームを使用しない。代わりに、バルブ組立体600が、シリンダー・ヘッド606と弁軸610に連結されるバネ板608との間に延びる、一つ又は複数の形状記憶合金ワイヤー602を備える。それ故に、弁軸610の移動距離は、形状記憶合金ワイヤー602の長さ変化の大きさと概して同一である。更に、バネ612が、弁軸610を閉位置に向けて付勢するために使用され得る。そのような構成によって、バルブ組立体600が比較的小型化するのが可能となり得る。
【００４１】
図6A及びBはまた、バルブ組立体600の作動を示す。最初に図6Aを参照すると、形状記憶合金ワイヤー602が伸長状態にあるとき、バネ612はバルブ組立体600を閉位置に保持する。次に、図6Bによって説明されるように、形状記憶合金ワイヤーの温度変化は、形状記憶合金ワイヤー602の長さを低減させ、それによってバネ612の力に打ち勝って、バルブ組立体600を開位置に移動させる。バルブ組立体600は、反対方向への温度変化を引き起こすことによって、元の閉位置に移動され得る。
【００４２】
形状記憶合金ワイヤー602を冷却する一助とすべく、ワイヤーは、冷媒が冷媒入口622及び冷媒出口624を介して選択的にくみ出される冷却通路620を通って延びる場合がある。そのような冷媒の使用は、形状記憶合金ワイヤー602への電流印加の綿密な制御と組み合わせて、バルブ・リフト量やバルブ着地速度のようなパラメータを制御するために、形状記憶合金ワイヤー602の十分な温度制御を可能とし得る。
【００４３】
図示されたバルブ組立体600は、並列に配置された複数の形状記憶合金ワイヤーを含む。
【００４４】
しかしながら、形状記憶合金ワイヤーについて、適切なものであれば、如何なる本数と配置も、バルブ組立体600を作動するのに使用され得ることが理解されるであろう。例えば、実施形態の幾つかにおいて、一本の形状記憶合金ワイヤーが使用される場合がある。別の実施形態において、一束若しくは複数束の形状記憶合金ワイヤーが使用される場合もある。更に、図示されたバルブ組立体600は機械式コイル・スプリング612を含むものの、リーフ・スプリング、及び/又は、ガス・スプリング又は他の空気バネのような他の機械バネを含む、適切なものであれば如何なる他のバネも使用され得ることが理解されるであろう。
【００４５】
図7は、形状記憶合金により作動されるバルブを作動させる方法700の典型的な実施形態を示す。方法700は、ステップ702において、バルブを第一位置に移動させるために、形状記憶合金動作部材を加熱するステップと、その後、ステップ704において、バルブを第二位置に移動させるために、冷却液を介して形状記憶合金を冷却するステップとを備える。実施形態の幾つかにおいて、第一位置は閉位置であり、第二位置は開位置であり得るが、別の実施形態においては、第一位置及び第二位置は、各々開位置及び閉位置であり得る。
【００４６】
適切なものであれば、他のエンジン運転状態又はその変化も、バルブ位置における変化作動のトリガーとなり得る。例えば、バルブを閉位置に向けて移動する（そこにおいて、バルブ・リフト量が低減され、又は中断さえ行われる）ようにトリガーをかけ得るエンジン運転状態は、エンジン・トルク減少を検出するときを含むがこれに限定されるものではない。同様に、バルブが開位置に向けて移動する（そこにおいて、バルブ・リフト量が増大され、又は、全開にされる）ようにトリガーをかけ得るエンジン運転状態は、エンジン・トルク増大を検出するときを含むが、これに限定されるものではない。
【００４７】
具体的にステップ702を参照すると、形状記憶合金は、適切であれば、如何なる態様でも加熱され得る。例えば、実施形態の幾つかにおいて、形状記憶合金は、電圧パルスを形状記憶合金に印加し、それによって電流を形状記憶合金に流すことによって、加熱される場合がある。電圧パルスは、適切なものであれば、如何なる大きさも有し得て、固定値又は経時変化する値のいずれを有する場合もある。例えば、高い初期電圧が、形状記憶合金を迅速に加熱するのに使用される場合があり、その後低い電圧が、所望時間にわたって形状記憶合金を高温状態に保持するために、そして更に電圧パルスの停止時に形状記憶合金の迅速な冷却を可能にするために、高い初期電圧に続く場合もある。更に、形状記憶合金の温度はまた、形状記憶合金に印加される電圧のデューティ・サイクルを増大することによって、増加され得る。
【００４８】
次に、ここでステップ704を参照すると、形状記憶合金は、適切であれば、如何なる態様でも冷却され得る。冷却液の使用と組み合わせて、形状記憶合金の抵抗加熱を低減するために、例えば、形状記憶合金に印加される電圧は、ゼロ又は適切であれば他の如何なる値にでも低減され、或いは、形状記憶合金に印加される電圧のデューティ・サイクルが変更され得る。更に、適切であれば、如何なる冷却液も冷媒として使用され得る。例として強制空気、エンジン・オイル、或いは他の液体冷媒等が含まれるが、これらに限定されるものではない。
【００４９】
次に、図8は、複数の形状記憶合金セグメントを使用する形状記憶合金バルブ・アクチュエータを作動させる方法800の典型的な実施形態を示す。この実施形態において、個々の形状記憶合金セグメントは、図4A乃至D、図5A、図5C、及び図6A乃至Bの構成を含むが、これらに限定されない、互いに分離した形状記憶合金ワイヤーであり、或いは、図5Bに示されるような一本のワイヤーを分離したセグメントであり得る。
【００５０】
最初に、方法800は、ステップ802において、目標バルブ・リフト量を判定する工程と、その後、ステップ804において、目標バルブ・リフト量をもたらすために、一つ又は複数の形状記憶合金セグメントを活性化する工程とを含む。目標バルブ・リフト量は、目標トルクやエンジン負荷等のような現在のエンジン運転状態を含むがこれらには限定されない、様々な要因に基づいて判定され得る。同様に、ステップ804において活性化される形状記憶合金セグメント数は、適切であれば、如何なる態様でも選択され得る。例えば、種々のエンジン状態に適した活性化セグメントの数及び/又はその指定は予め設定され、制御器12内の参照テーブルに記憶され得る。同様に、種々のエンジン状態のために活性化させるセグメント数及び/又はセグメントそのものは、適切な数学的モデルに基づいて、同時に演算され得る。
【００５１】
バルブ着地(バルブシート又はバルブ開口へのバルブの当接)はまた、複数の形状記憶合金セグメントが活性化されている場合に、各々の形状記憶合金セグメントの不活性化の順序及びタイミングを制御することによって、制御され得ることが理解されるであろう。このようにして、速いバルブ着地は、複数の形状記憶合金セグメントを同時に不活性化することによってもたらされ、その一方で、遅いバルブ着地は、時差的又は逐次的な態様で形状記憶合金セグメントを不活性化することにもたらされ得る。
【００５２】
ここに記述されたバルブ組立体の種々の実施形態が、本質的に例示に過ぎず、多数の変形例が可能であるため、これらの具体的な実施形態が本発明を限定する意味で考慮されるべきでないことは理解されるであろう。本明細書の主題は、ここに記載された種々の形状記憶合金アクチュエータ、電気的構成、バルブ構成、そして、他の特徴、機能及び/又は属性の、全ての新規で非自明の組み合わせ及び一部組み合わせを含む。特許請求の範囲は、新規で非自明と見なされる特定の組み合わせ及び一部組み合わせを具体的に示す。これらの特許請求の範囲は、「一つの」構成要素、又は「第一の」構成要素、又は、それらの同義語に言及し得る。そのような特許請求の範囲は、その構成要素が一つ又は複数あるものを含み、その構成要素が二つ以上あるものを要求もしなければ、除外もしないと理解されるべきである。ここに記述された種々の特徴、機能、構成要素及び/又は属性の他の組み合わせ及び一部組み合わせが、本件特許請求の範囲の補正又は本出願又は関連出願の新しい請求の範囲の提供によって、請求され得る。最初の特許請求の範囲の権利範囲より広い特許請求の範囲、狭い特許請求の範囲、同じ特許請求の範囲、又は異なる特許請求の範囲であろうと、そのような特許請求の範囲もまた、本明細書の主題に含まれると見なされる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】内燃機関の典型的な実施形態の概略図を示す。
【図２Ａ】形状記憶合金により作動されるバルブ組立体の第一実施形態を示す。
【図２Ｂ】形状記憶合金により作動されるバルブ組立体の第一実施形態を示す。
【図３】時間及び印加電圧の関数としての、形状記憶合金の長さ変化のグラフ図を示す。
【図４Ａ】代替の形状記憶合金アクチュエータの実施形態を示す。
【図４Ｂ】代替の形状記憶合金アクチュエータの実施形態を示す。
【図４Ｃ】代替の形状記憶合金アクチュエータの実施形態を示す。
【図４Ｄ】代替の形状記憶合金アクチュエータの実施形態を示す。
【図５Ａ】更なる代替の形状記憶合金アクチュエータの実施形態を示す。
【図５Ｂ】更なる代替の形状記憶合金アクチュエータの実施形態を示す。
【図５Ｃ】更なる代替の形状記憶合金アクチュエータの実施形態を示す。
【図６Ａ】形状記憶合金により作動されるバルブ組立体の別実施形態を示す。
【図６Ｂ】形状記憶合金により作動されるバルブ組立体の別実施形態を示す。
【図７】形状記憶合金により作動されるバルブの作動方法の典型的な実施形態を示す。
【図８】形状記憶合金により作動されるバルブの別の作動方法の典型的な実施形態を示す。
【符号の説明】
【００５４】
10  エンジン
200、400  バルブ組立体
202、610  弁軸
204  弁体
208  シリンダーヘッド
212  弁軸ガイド
214、414、416、418、502、504、506、522、542、544、546、602  形状記憶合金ワイヤー
218  ロッカー・アーム
220  回転軸
222  冷媒通路
223  油路
224  バネ
【図１】
2008291835.tif 000003
【図２Ａ】
2008291835.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図３】
2008291835.tif 000006
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2008291835.tif 000008
【図４Ｃ】
2008291835.tif 000009
【図４Ｄ】
2008291835.tif 000010
【図５Ａ】
2008291835.tif 000011
【図５Ｂ】
2008291835.tif 000012
【図５Ｃ】
2008291835.tif 000013
【図６Ａ】
2008291835.tif 000014
【図６Ｂ】
2008291835.tif 000015
【図７】
2008291835.tif 000016
【図８】
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