(57)【要約】【課題】  構造を簡略化しつつＮＶＨの増加を抑制する。【解決手段】  電磁バルブアクチュエータシステムは、一端にバルブヘッド４４が設けられたバルブステム４２を有する往復動可能なバルブと、第１の積層鉄心５２の上に配置され、間隙５５を有する第１の電磁コイル５１と、第２の積層鉄心５４の上に配置され、間隙５５と整列する間隙５５’を有する第２の電磁コイル５３と、バルブステム４２の上に設けられたアーマチュア５０とを備えている。アーマチュア５０が第１の積層鉄心５２の間隙５５または第２の積層鉄心５４の間隙５５’の中央に配置されているとき、アーマチュ５０アの一部が第１の積層鉄心５２の厚みまたは第２の積層鉄心５４の厚みをわずかに越えて延びるように、アーマチュア５０が、第１の積層鉄心５２の間隙５５および第２の積層鉄心５４の間隙５５’を挿通してバルブステム４２とともに往復動可能になっている。【選択図】  図４Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関においてバルブの駆動を制御するための電磁バルブアクチュエータシステムであって、
一端にバルブヘッドが設けられたバルブステムを有するバルブを備え、該バルブが、バルブヘッドを第１の位置および第２の位置の間で交互に移動させるように、バルブステムの長手方向の中心軸に沿って往復動可能になっており、前記電磁バルブアクチュエータシステムが、
或る間隙と厚みを有する第１の積層鉄心の上に配置された第１の電磁コイルと、
或る間隙と厚みを有する第２の積層鉄心の上に配置され、前記間隙が第１の積層鉄心の間隙と整列している第２の電磁コイルと、
バルブステムの上に設けられたアーマチュアとを備え、
アーマチュアが第１の積層鉄心の間隙または第２の積層鉄心の間隙のいずれかの中央に配置されているときに、アーマチュアの少なくとも一部が第１の積層鉄心の厚みまたは第２の積層鉄心の厚みをわずかに越えて延びるように、アーマチュアが、第１の積層鉄心の間隙および第２の積層鉄心の間隙を挿通してバルブステムとともに往復動可能になっている、
ことを特徴とする電磁バルブアクチュエータシステム。
【請求項２】
請求項１において、
第１の位置において、バルブヘッドがエンジンブロックに当接している、
ことを特徴とする電磁バルブアクチュエータシステム。
【請求項３】
請求項２において、
バルブが第１の位置において閉塞している、
ことを特徴とする電磁バルブアクチュエータシステム。
【請求項４】
請求項１において、
第２の位置において、バルブヘッドがエンジンブロックに当接していない、
ことを特徴とする電磁バルブアクチュエータシステム。
【請求項５】
請求項４において、
バルブが第２の位置において開放している、
ことを特徴とする電磁バルブアクチュエータシステム。
【請求項６】
請求項１において、
バルブステムに連結されたストラップ状のリターンスプリングをさらに備えている、
ことを特徴とする電磁バルブアクチュエータシステム。
【請求項７】
請求項１において、
バルブステムが第１の位置および第２の位置の間を移動するときに、バルブステムの位置を検出する位置センサをさらに備えている、
ことを特徴とする電磁バルブアクチュエータシステム。
【請求項８】
請求項１において、
位置センサからの信号に基づいて第１および第２の電磁コイルの励磁を制御するための制御システムをさらに備えている、
ことを特徴とする電磁バルブアクチュエータシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁バルブアクチュエータシステムに関し、とくに、内燃機関のポペットバルブを開閉する電磁バルブアクチュエータシステムに関する。より詳細には、本発明は、限界値の間に固有の減速駆動を有する電磁バルブアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、内燃機関のバルブ列は、バルブ閉塞位置に向かってスプリング付勢されたポペットバルブを有している。ポペットバルブは、オーバヘッドカムシャフト機構によってまたはカム・プッシュロッド機構のいずれかによって、開放側に付勢されている。
【０００３】
いずれの場合においても、カムシャフトのローブの位置によって限定される所定の間隔で各バルブを開閉するために、エンジンクランクシャフトに連結されてエンジンクランクシャフトに同期して回転する。したがって、各バルブの配列およびリフト量は、カムシャフト上のローブの位置および大きさによって固定されており、各バルブの駆動周波数は、エンジンクランクシャフト速度に比例している。
【０００４】
このようなダイレクトドライブ（直接駆動）装置は、バルブ列の運転を固定しており、このため、エンジン性能を制限している。というのは、理想的なバルブタイミングは、エンジン速度の全範囲にわたって変化しており、一定していないからである。したがって、バルブ列が固定されておらず各バルブから独立して変えられる間接駆動装置を備えることは望ましいことである。
【０００５】
リフト量、リフト速度および着座速度のような要因は、各バルブから独立して変化し得る。このような要因は、エンジンの吸排気を改良するように変化して、エンジンの性能および燃費を向上させ、排気物を低減させる。従来の可変カムタイミング（ＶＣＴ： variable cam timing）装置は、エンジンクランクシャフト速度に対するバルブ列の可変位相を許容しているが、バルブの独立した可変性は許容していない。
【０００６】
ＶＣＴ装置における上述した制限のために、多くの技術者たちはダイレクトドライブおよびＶＣＴ機構をあきらめ、電磁バルブアクチュエータシステムを支持していた。このシステムは、従来のバルブ列に関連した摩擦損失を減少させることによって、さらにカムシャフト、チェーン、スプロケットおよびＶＣＴ装置のような重量の重い構成部品を減らすことによって、エンジンの全体効率を向上させる可能性を有している。
【０００７】
このシステムはまた、高速/低トルクの条件下において、エンジンがより小型でかつより効率的なエンジンとして運転できるように、或るバルブを閉じることが可能である。しかしながら、残念なことに、これらの電磁バルブ列は、主に、部品数の実質的な増加、バルブ着座の信頼性の低さ、運転中のノイズ、振動および不快感（ＮＶＨ：noise, vibration and harshness）の増加により、市場において広汎には受け入れられていない。
【０００８】
これらのアクチュエータシステムは、バルブに固定されるとともにリング状電磁石の間において軸方向に取り付けられた平坦なディスク状アーマチュアを使用している。電磁石は、アーマチュアを電磁石の対応する極に対して開放位置または閉塞位置に引き付ける極を一端に有している。
【０００９】
残念なことに、通常の運転状態下でバルブの温度が上昇すると、バルブは長さが伸び、アーマチュアが各極に対して停止するまでにバルブが着座する機会がなくなる。また、ノイズ、振動および不快感といったＮＶＨの増加は、互いの係合面に衝突するバルブおよびアマチュアに起因している。
【００１０】
これは、アマチュアおよび極間の距離が減少するとき、アマチュアへの力が距離の三乗に比例するからである。したがって、アーマチュアは、極に接近するにつれて加速され、アーマチュアへの力は、アーマチュアが極と接触するときに最大となる。
【００１１】
従来の技術を精査すると、運転中のバルブ着座問題およびＮＶＨの修復に取り組んでいる電磁アクチュエータバルブ装置に得点を許すことになる。たとえば、ピシンガーらによる米国特許第 4,455,543号およびゴッシャールによる米国特許第 4,749,167号は、バルブを完全開放位置または完全閉塞位置まで減速させるために、電磁アーマチュアに取り付けられたスプリングシステムを使用している。
【００１２】
ピシンガーらによる米国特許第 4,515,343号は、バルブヘッドおよび電磁石アーマチュア間の距離に対応しているところのバルブシートおよび電磁石の極の間の距離を調整するために、電磁アクチュエータ内に同芯に配置されたベローズ装置を用いている。これにより、所望の減衰量が常時得られるようになっている。
【００１３】
シェバーツらによる米国特許第 5,878,704号は、電磁石の極に絶えず衝突するアーマチュアからの振動を吸収するために、電磁アクチュエータの電磁石の間に挟持された消音層を用いている。バーンによる米国特許第 5,592,905号は、アーマチュアに供給される電流を変化させることで精密に制御される軽量の伝導性アーマチュアにより鉄製のアーマチュアを置換している。
【００１４】
ライアングらによる米国特許第 5,647,311号およびピシンガーらによる米国特許第 6,003,481号はいずれも、バルブを閉塞する力を付加的に制御するために、少なくとも一つの補助電磁石およびアーマチュアを使用している。
【００１５】
モリヤらによる米国特許第 5,636,601号、ナツモトらによる米国特許第 5,671,705号およびコッチによる米国特許第 6,016,778号は、より制御されたバルブの着座状態を獲得するために、変化する運転温度に応じて電磁石に供給される電流を変化させる制御回路を使用している。
【００１６】
上記従来例はいずれも、市場での使用を見込みのないものにしてしまう大きな欠点を有している。第１に、従来例のいくつかは、単一のバルブリフト量に制限されており、このため、潜在的なエンジン効率を十分に利用しておらず、バルブヘッドがバルブシートに着座する前に電磁石の極に着座する、固定されたディスク状アーマチュアの上で運転されている。
【００１７】
従来例の他のものは、ベローズ、アーマチュア保持電流、消音装置、電磁石、およびアーマチュアのような高価で付加的な構成要素を含んでいる。また、他のものは、従来における固有のハードウエア問題を手当てする複雑な制御回路を有している。この制御装置は、加速するアーマチュアを遅くさせるほど十分に速く電磁石への電流を減少させる際に困難な問題に直面している。
【特許文献１】米国特許第4,455,543号明細書
【特許文献２】米国特許第4,749,167号明細書
【特許文献３】米国特許第4,515,343号明細書
【特許文献４】米国特許第5,878,704号明細書
【特許文献５】米国特許第5,592,905号明細書
【特許文献６】米国特許第5,647,311号明細書
【特許文献７】米国特許第6,003,481号明細書
【特許文献８】米国特許第5,636,601号明細書
【特許文献９】米国特許第5,671,705号明細書
【特許文献１０】米国特許第 6,016,778号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
本発明は、構造を簡略化しつつＮＶＨ（ノイズ、振動および不快感）の増加を抑制できる電磁バルブアクチュエータシステムを提供しようとしている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
請求項１の発明は、内燃機関においてバルブの駆動を制御するための電磁バルブアクチュエータ（ＥＶＡ）システムであって、一端にバルブヘッドが設けられたバルブステムを有するバルブを備えており、該バルブが、バルブヘッドを第１の位置および第２の位置の間で交互に移動させるように、バルブステムの長手方向の中心軸に沿って往復動可能になっている。電磁バルブアクチュエータシステムは、或る間隙と厚みを有する第１の積層鉄心の上に配置された第１の電磁コイルと、或る間隙と厚みを有する第２の積層鉄心の上に配置され、前記間隙が第１の積層鉄心の間隙と整列している第２の電磁コイルと、バルブステムの上に設けられたアーマチュアとを備えている。そして、アーマチュアが第１の積層鉄心の間隙または第２の積層鉄心の間隙のいずれかの中央に配置されているとき、アーマチュアの少なくとも一部が第１の積層鉄心の厚みまたは第２の積層鉄心の厚みをわずかに越えて延びるように、アーマチュアが、第１の積層鉄心の間隙および第２の積層鉄心の間隙を挿通してバルブステムとともに往復動可能になっている。
【００２０】
請求項２の発明では、第１の位置において、バルブヘッドがエンジンブロックに当接している。
【００２１】
請求項３の発明では、バルブが第１の位置において閉塞している。
【００２２】
請求項４の発明では、第２の位置において、バルブヘッドがエンジンブロックに当接していない。
【００２３】
請求項５の発明では、バルブが第２の位置において開放している。
【００２４】
請求項６の発明では、バルブステムに連結されたストラップ状のリターンスプリングをさらに備えている。
【００２５】
請求項７の発明では、バルブステムが第１の位置および第２の位置の間を移動するときに、バルブステムの位置を検出する位置センサをさらに備えている。
【００２６】
請求項８の発明では、位置センサからの信号に基づいて第１および第２の電磁コイルの励磁を制御するための制御システムをさらに備えている。
【００２７】
本発明に係る内燃機関用バルブ駆動の制御のための電磁バルブアクチュエータシステムは、一端にバルブヘッドが設けられたバルブステムを有するバルブを備えている。バルブは、第１の位置および第２の位置の間でバルブヘッドを交互に移動させるように、バルブステムの長手方向の中心軸に沿って往復運動可能になっている。
【００２８】
第１のコイルが、或る間隙および厚みを有する第１の積層鉄心の上に配置されている。第２のコイルが、或る間隙および厚みを有する第２の積層鉄心の上に配置されている。第１および第２の鉄心の各間隙は整列している。
【００２９】
バルブステム上のアーマチュアは、アーマチュアがいずれかの間隙の中央に配置されているときにアーマチュアの少なくとも一部が他方の積層鉄心の厚みをわずかに挿通して延びるように、第１および第２の積層鉄心の間隙を挿通している。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、第１および第２の積層鉄心の間隙を挿通するようにアーマチュアを配置するとともに、アーマチュアが一方の積層鉄心の間隙の中央に配置されているときにアーマチュアの少なくとも一部が他方の積層鉄心の厚みをわずかに挿通して延びるようにしたので、バルブ駆動時にはアーマチュアに減速力を作用させてアーマチュアを十分に減速させることができ、これにより、ＮＶＨの増加を抑制できるようになる。しかも、この場合には、スプリング等の部材を別個設ける必要がないので、構造を簡略化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
図１は、内燃機関における既知の電磁バルブアクチュエータ（ＥＶＡ：Electronic Valve Actuator）システムを示している。同図において、一体的なヘッド１４を有するバルブステム１２は、エンジンブロック１６内を往復運動する。
【００３２】
バルブステム１２の往復動は、バルブヘッド１４を交互に閉塞位置および開放位置に移動させるのに効果的である。閉塞位置においては、バルブヘッド１４は、エンジンブロック１６のバルブシート１８に着座する。
【００３３】
開放位置においては、バルブヘッド１４は、バルブシート１８から離れ（図１参照）、バルブステム１２が、関連するシリンダ（図示せず）に対して流体の流出入を防止または許容している。バルブステム１２は、アーマチュア２０を保持している。バルブステム１２の往復動は、アーマチュア２０の両側に離間配置された環状またはＵ字状の電磁コイル２２，２４の一方または他方への電圧印加によって引き起こされる。
【００３４】
コイル２２，２４のいずれもが励磁されていないとき、バルブステム１２は、アーマチュア２０の両側に作用する圧縮スプリング２６，２８により、閉塞位置および完全開放位置の中間位置である中立位置または平衡位置に向かって付勢されている。
【００３５】
バルブヘッド１４は、電磁コイル２２を励磁してアーマチュア２０を引き付けることによって閉塞位置に引き寄せられるとともに、電磁コイル２４を励磁してアーマチュア２０を引き付けることによって開放位置に引き寄せられる。
【００３６】
バルブヘッド１４の閉塞位置に向かうアーマチュアの移動速度は、圧縮スプリング２８によってアーマチュア２０に作用する力に対して圧縮スプリング２６からアーマチュア２０に作用する力が増加することによって、遅延させられる。これにより、バルブヘッド１４がバルブシート１８に当接するバルブ閉塞時の衝撃が緩和される。コイル２２，２４は、制御回路３２からの電流によって選択的に励磁される。
【００３７】
図１に示すものでは、適切な駆動を確保するために、２つのスプリングが必要である。このように機械的に複雑になることは、費用効率を低下させる。さらに、電磁コイル２２，２４によってアーマチュア２０に作用する荷重は、アーマチュア２０および電磁コイル２２，２４間の距離の逆関数である。
【００３８】
すなわち、アーマチュアへの力は、アーマチュアがコイル２２，２４に最接近したとき、ストローク端でより大きなものになっている。さらに、内燃機関バルブが比較的高速で駆動されるために、アーマチュア２０が電磁コイル２２内の電流によって電磁コイル２２に引き寄せられるときに、電磁コイル２２への電流を減少させることによって、バルブステム１２への電磁力を制御するのは困難である。
【００３９】
このような問題を解消するためには、バルブの完全着座位置において、アーマチュア２０が電磁コイル２２からかなりの距離離れていることが必要である。このことは、所望のバルブステム１２よりもいくらか長いものを要求することになり、図１のシステムの収容効率を減少させる。
【００４０】
図２ないし図４は、内燃機関のための電磁バルブアクチュエータ（ＥＶＡ）システムを示している。このシステムは、エンジンブロック４６内で往復動する一体的なバルブヘッド４４を備えたバルブステム４２を有している。バルブステム４２は、積層鉄心５２，５４内の各間隙５５，５５’を挿通している。各間隙５５、５５’は、バルブステム４２の軸方向と交差する方向に形成されており、互いに整列している。積層鉄心５２，５４は、電磁コイル５１，５３を有している。
【００４１】
バルブガイド５６は、２つの電磁コイル５１，５３間でバルブステム４２を整列させている。バルブガイド５６は、ベアリングであり、または、好ましくは圧電位置センサのような位置センサである。バルブガイド５６間においてバルブステム４２に取り付けられているのは、アーマチュア５０である。
【００４２】
位置センサ好ましくは圧電位置センサのクローズド制御ループは、図７Ａに示されている。センサ５６は、エラー検出器５８に与えられるセットポイント７２によって調整される。エラー検出器５８は、バルブステム４２の開放位置（図４Ｂ）からの位置のずれに基づいたエラー信号を発生させる。発生したエラー信号は、ドライバー６０に送出される。
【００４３】
ドライバー６０は、電磁コイル５１，５３に信号を送って、電磁コイルの励磁または脱磁を生じさせ、バルブを開放位置または閉塞位置のいずれかに配置させる。次に、この信号は、位置センサ５６に戻る。図７Ｂは、オープンループ（開ループ）システムにおける電流と位置との関係を示している。
【００４４】
オープンループシステムにおいては、バルブが開放位置および閉塞位置に移動するとき、いくらかヒステリシスが存在している。図７Ｃは、クローズドループシステムにおける電流と位置との関係を示している。この場合、ヒステリシスは存在していない。
【００４５】
図４Ａおよび図４Ｂに示すように、バルブは、開放位置および閉塞位置という２つの位置を有している。図４Ａに示すクローズド位置においては、上方の電磁コイル５１が励磁され、一体的なヘッド４４がエンジンブロックと接触するように、バルブステム４２に取り付けられたアーマチュア５０（図９参照）を電磁コイル５１に向かって引き寄せる。
【００４６】
アーマチュア５０への磁力は、磁力が０となる上方の電磁コイル５１の組の間の中央にアーマチュア５０が配置されるまで、増加する。励磁された場合における電磁コイル内の磁力線の通り道の例が、図８に示されている。
【００４７】
アーマチュア５０のわずかな部分が下方の電磁コイル５３にさらされており、下方の電磁コイル５３によるわずかな磁力が存在している（図４Ａ参照）。この磁力は、アーマチュア５０が上方に移動して停止する際のブレーキ力の作用をする。これにより、アーマチュアの上昇時にアーマチュア５０に対して十分な減速力を及ぼすことができ、その結果、部材同士の衝突を緩和して、ＮＶＨの増加を抑制できる。なお、電磁コイル５３による磁力は、上方の電磁コイル５１の組がオンでありかつ下方の電磁コイル５３の組がオフであるときには、アーマチュア５０を移動させるほど十分に大きくはない。
【００４８】
図４Ｂに示す開放位置においては、下方の電磁コイル５３が励磁されており、電磁コイル５３は、アーマチュア５０を引き寄せて、ヘッド４４をエンジンブロックから離脱させている。磁気力が０となる下方の電磁コイル５３の間の中央にアーマチュア５０が配置されるまで、アーマチュア５０への磁気力は増加する。
【００４９】
励磁された場合における電磁コイル内の磁力線の通り道の例の図示は省略するが、アーマチュア５０のわずかな部分が上方の電磁コイル５１にさらされており（図４Ａ参照）、上方の電磁コイル５１によるわずかな磁力が存在している（図４Ｂ参照）。この磁力は、アーマチュア５０が下方に移動して停止する際のブレーキ力の作用をする。これにより、アーマチュアの下降時にアーマチュア５０に対して十分な減速力を及ぼすことができ、その結果、部材同士の衝突を緩和して、ＮＶＨの増加を抑制できる。なお、電磁コイル５１による磁力は、下方の電磁コイル５３の組がオンでありかつ上方の電磁コイル５１の組がオフであるときには、アーマチュア５０を移動させるほど十分に大きくはない。
【００５０】
このような本実施例によれば、スプリング等の余分な部材を別個設ける必要がないので、構造を簡略化できる。
【００５１】
図５、図６Ａおよび図６Ｂは、内燃機関の電磁バルブアクチュエータ（ＥＶＡ）システムの他の実施例を示している。この実施例では、ストラップ状のリターンスプリング６２がスペーサ６４の上に配置されている。
【００５２】
これは、予防的なフェールセーフ機構として設けられており、システムの故障時や電源がオフのときに、バルブを閉じるように作用する。この電磁バルブアクチュエータ（ＥＶＡ）システムは、前記実施例で開示されたのと同様の手法でバルブを開閉する。ここでの詳細な動作の説明は省略する。
【００５３】
本明細書中で記述された本発明の実施例は、本発明の原理を採用した単なる例示にすぎないということが理解されるべきである。図示された実施例の詳細に本明細書中で言及することは、特許請求の範囲を限定する意図ではない。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】一般的な電磁バルブアクチュエータ（ＥＶＡ）システムの縦断面概略構成図である。
【図２】本発明による電磁バルブアクチュエータ（ＥＶＡ）システムの平面部分図である。
【図３】図２の電磁バルブアクチュエータシステムの斜視図である。
【図４Ａ】図２の４Ａ−４Ａ線断面図であって、エンジンバルブの閉塞状態を示している。
【図４Ｂ】図２の４Ａ−４Ａ線断面図であって、エンジンバルブの開放状態を示している。
【図５】本発明の他の実施例による電磁バルブアクチュエータシステムの平面図である。
【図６Ａ】図５の６Ａ−４Ａ線断面図であって、エンジンバルブの閉塞状態を示している。
【図６Ｂ】図５の６Ａ−４Ａ線断面図であって、エンジンバルブの開放状態を示している。
【図７Ａ】本発明によるシステムの駆動を制御するための制御システムの概略構成図である。
【図７Ｂ】オープンループシステムにおいて電流と位置との関係を示すグラフである。
【図７Ｃ】クローズドループシステムにおいて電流と位置との関係を示すグラフである。
【図８】磁力線の通路を含む、上側の積層鉄心の平面図である。
【図９】本発明による電磁バルブアクチュエータシステムにおけるバルブステムおよびアーマチュア間の関係を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５５】
４２：  バルブステム
４４：  バルブヘッド
４６：  エンジンブロック
５０：  アーマチュア
５１：  第１の電磁コイル
５２：  第１の積層鉄心
５３：  第２の電磁コイル
５４：  第２の積層鉄心
５５、５５’：  間隙
６２：  リターンスプリング
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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