(57)【要約】【課題】  内燃機関の一層効率的な作動を可能にすると共に電力消費量、騒音、振動及び摩耗に関する問題を軽減させる可変揚程形電気機械式弁アクチュエータを提供する。【解決手段】  内燃機関に用いられる可変揚程形電気機械式弁アクチュエータ（10）が提供される。電気機械式弁（20）は、第１又は上側の電磁石（52）、第２又は下側の電磁石（54）及び油圧持上げ機構（80）を有している。上側電磁石は、ハウジング（40）に固着され、下側電磁石は、油圧持上げ機構と連係して摺動する。下側電磁石の運動により多数の弁揚程が得られる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械式弁であって、
第１の電磁石と、
該第１の電磁石から間隔を隔てられた第２の電磁石と、
前記第１の電磁石と前記第２の電磁石の間隔を変えるため、前記第１の電磁石及び第２の電磁石のうちの一方に結合される油圧持上げ機構と
を有する電気機械式弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械式弁アクチュエータに関し、内燃機関（以下、「エンジン」ともいう）用の可変揚程電気機械式弁（variable lift electromechanical valves）に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジン弁は、内燃機関内のシリンダへの流入量及びこれからの流出量を制御する。エンジン弁は典型的には、クランクシャフトに比例した速度で回転するカムシャフトによって制御され、それにより、弁は指定された間隔で開閉する。典型的な弁装置の一例は、弁に設けられたタペット又はラッシ（隙間）補償装置に接触する楕円形ローブ又は突出部を備えた回転カムシャフトを有する。楕円形ローブがタペットに圧接すると、弁は、定められた間隔で押されて開き、楕円形ローブが回転してタペットから遠ざかると、弁はばねによって閉じられる。弁の開閉時期は、ローブの幾何学的形状及びエンジンを組み立てたときのクランクシャフトに対する相対角度位置で決まる。製造業者は、楕円形ローブの形状、大きさ及び角度位置を変更することにより、この開閉時期を調節することができる。しかしながら、開閉時期及びトルク曲線は典型的には、エンジンを組み立てたときに固定される。弁揚程量も又、カムシャフトに設けられたローブによって決定され、したがって、エンジンの組立て時に決定される。可変弁開閉時期及び可変弁揚程が行われないと、エンジンの最適化が減じられ、したがって、エンジンの効率が減少する場合がある。
【０００３】
従来型エンジンに関するもう１つの問題は、これらエンジンがスロットル本体関連の構成部品を必要とするということにある。スロットル本体は、エンジン内への空気流量を制限する。スロットル本体を用いた場合の１つの問題は、吸気絞りに起因してエンジン効率が下がるということにある。空気がスロットル本体を通って流れると、スロットルプレート前後に空気圧降下が生じる。したがって、吸気弁が絞り条件下で開くと、ピストンは、周囲大気圧よりも低い圧力の空気を引き込み、その結果、エンジンが非効率的になる。製造業者は、真にスロットル無しのエンジン作動を生じさせてエンジン効率を増大させると共にドライブバイワイヤ（drive-by-wire ）システムに対応するよう技術的努力を行っている。
【０００４】
カムシャフトにより作動される従来型弁と関連した問題を解決するため、製造業者の中にはカムシャフトに代えて電気機械式弁アクチュエータ（電磁弁アクチュエータとも呼ばれている）を用いようとするものがあった。一般に、これら電気機械式弁アクチュエータは、積層スタック及びコイル状ワイヤから形成された上側及び下側電磁石を有している。電気機械式弁アクチュエータは、電磁石相互間に設けられたアーマチュア（電機子）を更に有している。アーマチュアは一般に、弁ステム（弁棒）に幾分垂直な平面を形成し、このアーマチュアは、弁を開閉するために上側電磁石と下側電磁石の両方を貫通して延びるアーマチュアステムを有している。
【０００５】
作用を説明すると、電磁石に選択的に通電し、磁力を生じさせてアーマチュアを通電状態の電磁石に引き付ける。アーマチュアが接触する電磁石の表面は、極フェースと呼ばれる場合がある。アーマチュアが極フェース相互間動作で前後に動くと、弁が開閉される。電気機械式弁アクチュエータは、全ての弁の開閉時期の完全な制御を可能にする。電気機械式弁アクチュエータは又、同時に２以上の弁を開くこともできる。電気機械式弁作動弁に関する１つの問題は、アーマチュアと磁化された電磁石との間の距離が減少するにつれて、磁力が指数関数的に増大するということにある。磁力の増大により、アーマチュアはこれが通電状態の電磁石に近づくにつれ速度が増大する。アーマチュアは次に電磁石に衝突し、騒音及び振動が生じる。また、アーマチュアと電磁石との強い接触により、電気機械式弁アクチュエータの構成部品及び他のエンジン構成部品に過度の摩耗が生じる場合がある。
【０００６】
或る製造業者は、衝撃を緩和しようとして積層スタックに送られる電力プロフィールを最適制御しているが、これにより、アーマチュアが極フェース相互間を移動するのに要する時間が増える場合がある。極フェース相互間の移動時間の増大により、移行時間が増大し、エンジンが正しく動作するのが阻止される場合がある。というのは、弁が十分に早く開閉することができないからである。
【０００７】
アイドリング速度（アイドルスピード）では、電気機械式弁は、システム中のばねに打ち勝ってアーマチュアを極フェース相互間で移動させるのに電力の相当多くの部分を消費する場合がある。排気弁を開放中、シリンダ内の排気圧に打ち勝つのに十分な電力を電磁石に供給しなければならず、それにより、アイドリング速度時にエンジンの電気系統に大きな電力消費が生じる。ばねは、所望の弁移行時間に対応すると共に任意の排気圧に対し開くのに十分な力を生じさせるよう寸法決めされたものであるのがよい。電気機械式弁に関する別の問題は、かかる弁があらゆるエンジン条件でスロットル無しで動作することができないということにある。多くの電気機械式弁の場合、弁開閉時期を変化させても、中〜大の流量方式では、かかる弁が動作することができない広い領域が依然として残る。これら作動条件の欠如は、エンジンの最も望ましい動作領域で何回も生じる。更に別の問題は、電気機械式弁が最高度に効率的であるというわけではないということにある。というのは、弁揚程、即ち、弁がどれほど遠くまで開くかを変更することができないからである。弁揚程は一般に、最大流量を要求する動作条件によって設定され、それにより、これよりも低い流量条件ではエンジン作動が非効率的になる。
【０００８】
電気機械式弁と関連した問題のうちの幾つかを解決するため、二、三の製造業者は、弁の揚程を変化させた。弁の揚程を変化させることは、弁の揚程が動作条件にマッチすることができるようにすることにより、エンジンの効率を向上させるのに役立つ場合がある。アイドル状態での弁揚程の減少も又、騒音、振動、電力消費量及び摩耗に関する問題を軽減するのに役立つ。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これらシステムの幾つかが持つ欠点は、バルブが２つの揚程位置、即ち、高位置及び低位置しか備えていないということにある。レンジ全体を通じて揚程を調節することができないので、可変揚程と関連したエンジン作動の最適化が減じられ、しかも最大エンジン効率を得ることができない場合がある。これらシステムのうちの幾つかと関連した別の問題は、弁揚程が変化したときにばね付勢力が相殺される場合があり、それにより、アーマチュアプレートが、休止状態にあるとき、例えば、弁アクチュエータに電力を供給しておらず、磁力が加わっていない場合、積層スタック相互間でオフセンタ状態になる場合がある。作動中、この付勢力により、アーマチュアは一方の極フェースに強く引き付けられてこれに当たる場合があり、それにより騒音及び振動が生じる。また、この付勢力により、他方の電気機械式プレートに引き付けるのが困難な場合があり、それにより、追加の電力が必要になる。
【００１０】
或る範囲の可変揚程を提供することにより、別のシステムがこれら問題のうちの幾つかを解決している。この可変弁揚程システムに関する問題は、弁の揚程を正確に定めることが困難なことにある。システム中のラッシによりこれは一層困難になる場合がある。可動部品のタイプ及び量に起因して、システムの不正確さは使用と共に増大するに過ぎない。このシステムに関する更に別の問題は、追加のモータの使用を含む可動部品の増大により、システムの信頼性が経時的に低下する場合があるということにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の問題は、電気機械式弁が、下側磁石を調節してアーマチュアのばね受座と共に弁揚程を変化させ、或る調節範囲全体を通じて付勢力及びばね力を変化させるアクチュエータを有する本発明で解決される。具体的に説明すると、本発明は、電気機械式弁と連係して、アーマチュアを全ての揚程位置で２つの電磁石相互間に心出しし、極フェース相互間動作中、電磁石に対するアーマチュアの衝撃力を減少させながら、可変弁揚程を提供する可変揚程アクチュエータを有する。
【発明の効果】
【００１２】
弁の揚程を変化させるために油圧アクチュエータが用いられ、可変弁開閉時期に加えて、エンジン要件に応じて或る範囲の流量を可能にすることにより最大エンジン効率が得られるようにする。本発明により、エンジン速度全体及び負荷範囲全体を通じて真のスロットル無しの動作を可能にする。弁揚程は、空気流量を制御することができ、それによりスロットル本体が不要になる。可変弁揚程及び可変弁開閉時期により、エンジンは、エンジンが正しく機能するには絞りを行わなければならないｒｐｍ電力バンド中にギャップを持つ幾つかの電気機械式弁とは異なり、あらゆるｒｐｍで最適トルクを発揮することができる。可変弁揚程をもたらすアクチュエータの別の利点は、油圧ポケットが、衝撃時における騒音及び摩耗の問題を軽減することができる減衰手段にもなるということにある。また、本発明は、たとえどのような揚程を用いるとしても、アーマチュアの完全な極フェース相互間の運動を可能にする。また、完全な極フェース相互間の動作は、弁揚程の量を正確に定めるのに役立つ。また、可変弁揚程により、ばね力が減少し、それにより、騒音及び摩耗の問題が軽減されると共に特に弁揚程を減少させた状態でのエンジン作動中に、アーマチュアを何れかの極フェースに当接保持するのに必要な電力が減少する。可変弁揚程と可変弁開閉時期とを組み合わせることにより、効率的なエンジン作動及び最小エネルギ消費量が可能になる。
【００１３】
本発明の利用可能性は、以下の詳細な説明、特許請求の範囲の記載及び図面の記載から明らかになろう。しかしながら、詳細な説明及び特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示すが、例示に過ぎないことは理解されるべきである。というのは、当業者には、本発明の精神及び範囲に属する種々の変形例及び改造例が想到できるからである。
【００１４】
本発明は、以下の詳細な説明、特許請求の範囲の記載及び添付の図面の記載から完全に明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１は、弁（例えば、吸気弁又は排気弁）を開閉するよう内燃機関に取り付けられた電気機械式弁アクチュエータ組立体１０を示している。
電気機械式弁組立体１０は、全体が、内燃機関のシリンダヘッド１２に取り付けられている。シリンダヘッド１２を種々の形状及び形態で形成することができるが、シリンダヘッドは、代表的には、ポート１４、弁座１６及び弁案内１８を有している。ポート１４は、弁の機能に応じて吸気ポートであっても排気ポートであってもよい。
【００１６】
弁２０は、弁ディスク又はヘッド２２、テーパ付き部分２４及び弁ステム（弁棒）２６を有している。上側ばねリテーナ３２及び下側ばねリテーナ３４も又設けるのがよい。弁２０及びシリンダヘッド１２は、一般に当該技術分野で周知のように形成されて組み立てられる。弁案内１８は、弁ステム２６を受け入れ、弁２０をこれが上下に動いて弁が図１及び図４で理解できるように、その閉鎖位置にあるとき、密なシールが弁座１６と弁ディスク２２を包囲したテーパ付き部分２４との間に形成されるよう弁２０を整列させる。
【００１７】
電気機械式弁アクチュエータ１０は主要構成要素として、電磁石５２，５４を収容したキャビティを構成するハウジング４０、アーマチュアステム６０、アーマチュア７０及び油圧持上げ機構８０を有している。上側電磁石５２及び下側電磁石５４は、アーマチュア７０及びこれに取り付けられたアーマチュアステム６０を動かしてエンジン弁２０をその開放位置と閉鎖位置との間で駆動する。
【００１８】
ハウジング４０は、種々のサイズ及び形状に形成でき、これは、内燃機関のスペース上の制約で決まる場合がある。ハウジング４０は、構造剛性をもたらし、電気機械式弁アクチュエータ１０を内燃機関のシリンダヘッド１２に取り付ける。当然のことながら当業者であれば、構造剛性及び取付け方法を提供するのに種々の手段を用いることができるということは容易に理解されよう。
【００１９】
図示の実施形態では、上側電磁石５２は、例えばピン４２によってハウジング４０に対し固定され、下側電磁石５４は、これがハウジング４０に対して動くことができるようにハウジング４０内に設けられている。一般に、適当な電磁石が当該技術分野において周知であり、かかる電磁石は、積層スタックを形成するよう磁気伝導性材料の個々のプレートから形成できる種々の形状のものであってよい。電磁石５２，５４は、積層スタック内に巻回されたコイル状のワイヤ５３を有するのがよい。電磁石５２，５４は、電流源（図示せず）に接続され、かかる電流源は、コントローラ、例えばエンジン管理システム１００（図６）によって独立して選択的にオンオフできる。通電状態の電磁石５２又は５４は、アーマチュア７０を引き付ける磁力を生じさせる。上側電磁石５２を定位置に保持するのにハウジング４０に代えて別個の手段を用いてもよいことは容易に理解されよう。
【００２０】
アーマチュア７０は、アーマチュアステム６０と共に動くよう設けられ、このアーマチュアは、上側電磁石５２と下側電磁石５４との間に位置している。図示の実施形態では、電磁石５２，５４に向いたアーマチュア７０の表面は、アーマチュア７０に向いた電磁石５２，５４の表面とほぼ同じ大きさ及び形状のものである。当然のことながら、当業者には、アーマチュア７０及び電磁石５０の寸法形状は、用途毎に様々であってよいことは明らかであろう。
【００２１】
アーマチュアばね６２及び弁ばね６４は弁に作動可能に係合して弁をその開放位置又は閉鎖位置に向かって押圧する。アーマチュアばね６２は、ハウジング４０内で上側電磁石５２の上に設けられていて、弁２０をその開放位置に向かって付勢する付勢力を及ぼすようになっている。図示の実施形態では、アーマチュアばね６２は、圧縮ばねであり、アーマチュアばねリテーナ３２と油圧持上げ機構８０との間に設けられている。アーマチュアばね６２は、従来型弁又は電気機械式弁に用いられる当該技術分野で知られた任意の圧縮ばねであってよい。アーマチュアばね６２の寸法形状及び設置場所は、用途に応じて様々であってよい。図示の実施形態では、弁ばね６４が、シリンダヘッド１２と弁ばねリテーナ３４との間に設けられている。弁ばね６４も又、図示の実施形態に示すように圧縮ばねである。当然のことながら、当業者には、ばね６２，６４の他の配置場所が可能であり配置場所によっては、結果的に図示の実施形態に示す弁の開閉とは異なる弁の開閉が得られる場合があることは理解されるべきである。
【００２２】
油圧持上げ機構８０は、弁揚程の量を変化させ、図示の実施形態では、油圧スライダ及び油圧チャンバ８４を有している。油圧スライダ８２は、図示の実施形態では、上側セグメント７２、下側セグメント７４及び上側電磁石５２及びピン４２を収容する通路７８を有するスリーブの形態に作られている。下側電磁石５４は、種々の手段、例えば、圧縮嵌合、接着剤、結合又はピンによってスライダ８２と共に動くよう取り付けられている。油圧チャンバ８４は、図示の実施形態では、ハウジング及び油圧スライダ８２によってハウジング４０の上端部のところに形成されている。チャンバ８４内の圧力が変化すると、スライダ８２は、ハウジング４０に対して動く。下側電磁石５４がスライダ８２と共に動き、上側電磁石５２がハウジング４０に対して固定されていると、スライダ８２の運動により、電磁石５２，５４相互間の距離及び弁行程の長さが変化する。
【００２３】
図示の実施形態では、油圧チャンバ８４内の油圧流体、例えば、エンジンオイルは、エンジンの油圧又は補助ポンプによって加圧される。実施形態によっては、油圧持上げ機構８０は、油圧ライン８６、油圧弁８８及びポンプ１０２を有してもよい。油圧ライン８６は、油圧チャンバ８４とポンプ１０２との間の流体連結手段となる。油圧弁８８は、油圧ライン８６を通る流量を制御するために油圧チャンバ８４とポンプ１０２との間に位置するのがよい。油圧弁８８は、ばね６２，６４からの力と連係して、油圧スライダ８２の高さを制御する。１又は複数の油圧弁８８は、油圧チャンバ８４内の流体圧力を制御する。図示の実施形態では、油圧弁８８はスプール弁である。スプール弁が用いられる理由は、このスプール弁が、一連の油圧チャネルを用いてスライダ８２に作用する力とは無関係に、指定された位置を維持するからである。油圧弁８８は、エンジン管理システム１００によって制御される。エンジン管理システム１００は、エンジンに必要な空気流量を決定する既存の方法により弁揚程を容易に制御することができる。当然のことながら、エンジン管理システムは、効率を最大にするためにどれほどの弁揚程が指定されたエンジン作動条件下において必要であるかについて室内試験又は路上試験からプログラムされたものであるのよい。図示の実施形態では、ポンプ１０２は、エンジンオイルポンプであり、エンジンオイルは、油圧流体として用いられる。当然のことながら、別個のポンプ及び別個の油圧流体を用いてもよい。流体を加熱する別個の手段（図示せず）も又設けるのがよい。
【００２４】
作用を説明すると、弁を電気機械式弁について当該技術分野で周知のように開閉する。システムに電力を供給していない間、アーマチュア７０は、中立位置にあって、ばね６２，６４の付勢に起因して上側電磁石５２と下側電磁石５４との間にほぼ心出しされている。始動時、上側電磁石５２又は下側電磁石５４の何れかを付勢し、アーマチュア７０を引き付け、それにより弁を開き又は閉じる。次に、電力を電磁石５２，５４相互間で切り換えて、アーマチュア７０が極フェース相互で移動して弁２０を開閉させる。最も電気機械的な弁の場合と同様、開閉時期も又、より効率的なエンジン効率が得られるよう変化させるのがよい。
【００２５】
弁２０に指令を与えて完全開放位置又は完全閉鎖位置に動かすと、アーマチュア７０は電磁石の極フェースに引き付けられる。弁２０を閉鎖状態に保つためには、逆方向に作用するばね力よりも大きな磁力を生じさせるのに十分な電流を電磁石極フェースに供給する必要がある。図示の実施形態は、揚程減少作動中、油圧スライダが動き、その結果、電磁石が打ち勝たなければならないばね力が低くなる。換言すると、低揚程作動中、電磁石に対抗するばね力が減少する。この結果、必要な電磁力が小さくなり、したがって、定置完全揚程アクチュエータと比較して、電磁石による電力消費量が少なくなる。
【００２６】
エンジン作動中における弁揚程の量を変化させるには、油圧チャンバ８４内の圧力、したがって、スライダ８２の位置を変化させるのがよい。圧力が低いと、油圧スライダ８２は、図１〜図３に示すように揚程減少位置にある。弁ばね６４は、圧力をスライダ８２に及ぼし、それによりスライダが低圧力条件の間、例えば、低ｒｐｍで上方に動く。当然のことながら、他の手段、例えば、追加のばね又はオイルポケットを用いて圧力を油圧スライダ８２に及ぼして、スライダ８２が揚程減少位置に動くようにしてもよい。弁揚程の減少により、あらゆるレンジにわたってスロットル無しのエンジン作動を最適化することができる。
【００２７】
エンジンの回転数が増大すると、エンジンが効率的に且つ所望の出力レベルで作動するためにシリンダに出入りする流量が多く必要となる。エンジンオイル圧力は、回転数が増大すると増大し、かかる圧力は、油圧スライダ８２を図４及び図５に最大揚程で示すように望ましい揚程まで下方に押す。油圧スライダ８２が下方に動くと、下側電磁石５４も下方に動き、それによりアーマチュアが上側電磁石５２と下側電磁石５４との間で大きな距離移動する。容易に分かることとして、油圧スライダ８２がばね６２を圧縮し、又は弛緩させるので、アーマチュア７０は休止位置にあるとき、どれほどの揚程が与えられていても、上側電磁石５２と下側電磁石５４との間に心出しされる。
【００２８】
弁揚程について一層正確な制御を行うため、油圧持上げ機構８０は、油圧弁８８及び別個のオイルポンプ１０２を使用するのがよい。また、別個の油圧ポンプ１０２は、任意のエンジン作動条件において完全弁揚程をもたらすのに役立つ場合がある。例えば、多種類のトルクが必要な場合、例えば、重量のあるトレーラを引く場合、別個のポンプ１０２が低ｒｐｍで有用であり、それにより弁揚程を増大させると共により多くの流量が可能になる。油圧弁８８は、エンジンからの必要な出力が小さい場合、例えば、一定速度での作動中、例えば、高速道路上の車両の運転中、弁揚程を高いｒｐｍ条件で減少させる場合がある。
【００２９】
作用を説明すると、上述の電気機械式弁も又、スロットル無しの作動を可能にする。弁揚程及び開閉時期の可変性により、シリンダに流入する空気の量をスロットル本体又はスロットルプレート無しで制御することができる。これにより、ピストンは、大気圧状態の空気を引き込むことができ、それによりエンジンの効率を増大させる。
【００３０】
上記説明は、本発明の例示の実施形態を開示するものである。当業者であれば、かかる説明及び添付の図面並びに特許請求の範囲の記載から、特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び公正な範囲から逸脱することなく本発明の種々の変更例、改造例及び変形例を想到できることは容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】エンジン弁組立体の断面図であり、弁を、揚程を減少させた完全閉鎖位置で弁を示す図である。
【図２】図１と類似した断面図であるが、弁を、揚程を減少させたその中間位置で示す図である。
【図３】図１と類似した断面図であるが、弁を、揚程を減少させた解放位置で示す図である。
【図４】図１と類似した断面図であるが、弁を、完全揚程の閉鎖位置で示す図である。
【図５】図３と類似した断面図であり、弁を、完全揚程のためのモードに設定された開放位置で示す図である。
【図６】エンジン弁組立体及び制御システムのブロック図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  電気機械式弁アクチュエータ組立体
１２  シリンダヘッド
２０  弁
２６  弁棒
４０  ハウジング
５２，５４  電磁石
７２  上側セグメント
７４  下側セグメント
８０  油圧持上げ機構
８２  スライダ
８４  油圧チャンバ
【図１】
2004162916.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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