(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のための空気作動弁アセンブリであって、
開放上端と閉鎖下端とを有し、かつ環状の弁座が外接する中空円筒本体と、前記下端に隣接し、かつ前記開放上端に流体的に連通している複数の放射状に間隔をあけたポートと、前記複数のポート上の環状のカラーとから構成される空気作動弁と、
前記内燃機関のシリンダ壁内に形成された弁ハウジングとを備え、前記ハウジングは、弁カラーをスライド可能に受け入れるための大きな直径の上部セクションと、前記空気作動弁の円筒本体をスライド可能に受け入れるための、かつ前記弁がさらにスライドするのを制限するために前記弁カラーに係合するための小さな直径の下部セクションを備え、前記下部セクションは機関の燃焼室に通じており、
前記空気作動弁が下方位置にあるとき、前記弁カラーは前記小さな直径の下部セクションと接し、前記ポートは機関の燃焼室に通じたままでガスを流し、前記空気作動弁が上方位置にあるとき、前記ポートは閉塞し、空気が機関の燃焼室に流れるのを阻止する、弁アセンブリ。
【請求項２】
前記弁は、機関シリンダ壁の厚さとほぼ等しい長さを有する、請求項１に記載の弁アセンブリ。
【請求項３】
前記弁ハウジングは、前記弁を前記上方位置にまでスライドさせるために、圧縮空気源を前記弁カラーの下の作用領域に接続する第１空気供給経路を備える、請求項２に記載の弁アセンブリ。
【請求項４】
前記弁が前記上方位置にあるとき、前記弁座は前記弁ハウジングに係合して、空気および他のガスが前記弁を通過して流れるのを阻止する、請求項３に記載の弁アセンブリ。
【請求項５】
圧縮空気を前記空気作動弁の上端上に送ることで、弁は弁ハウジング内を下方にスライドし、空気および他のガスが弁を通って機関の燃焼室内に流れるのを許容する、請求項４に記載の弁アセンブリ。
【請求項６】
前記弁ハウジングは、露出した弁カラーを覆うが、弁本体の開放上端を覆わないハウジングキャップによって覆われる、請求項４に記載の弁アセンブリ。
【請求項７】
前記キャップは、圧縮ガス源を前記弁カラーより上の作用領域に接続する第２空気供給経路を有する、請求項６に記載の弁アセンブリ。
【請求項８】
前記弁を、開放した下方位置および閉鎖した上方位置にまでスライドさせるように弁アセンブリを空気作動させることは、圧縮空気分配およびタイミングメカニズムによって制御される、請求項１に記載の弁アセンブリ。
【請求項９】
前記分配およびタイミングメカニズムは、前記弁ハウジングの上部セクションにおける前記弁カラーの上および下の作用領域に選択的に連絡する空気あるいは他のガス源を備える、請求項８に記載の弁アセンブリ。
【請求項１０】
前記分配およびタイミングメカニズムは、プログラム可能な電子制御モジュールを備える、請求項９に記載の弁アセンブリ。
【請求項１１】
前記分配およびタイミングメカニズムはさらに、ターボチャージャ、圧縮機、および中間冷却器を備える、請求項９に記載の弁アセンブリ。
【請求項１２】
前記分配およびタイミングメカニズムは、弁を下方の開放位置へ引き下げるために、前記弁カラーの下の作用領域内に真空を形成するための手段を備える、請求項１０に記載の弁アセンブリ。
【請求項１３】
前記真空手段は、前記プログラム可能な制御モジュールに接続され、かつこのモジュールによって制御される真空ポンプを備える、請求項１２に記載の弁アセンブリ。
【請求項１４】
前記真空手段は、プログラム可能な制御モジュールに接続され、かつこのモジュールによって制御される電子弁を備え、それは、開いているとき、弁カラーの下の領域内に真空を形成するために、前記ターボチャージャによって必然的に形成される真空を利用する、請求項１１に記載の弁アセンブリ。
【請求項１５】
前記真空手段は、中間冷却器バイパス弁を備え、それは、また一方通行弁を迂回し、中間冷却器バイパス弁が開いているとき、背圧が形成され、ターボチャージャによって必然的に形成されるわずかな真空と結合した前記背圧は、弁カラーの下の領域に真空を形成する、請求項１１に記載の弁アセンブリ。
【請求項１６】
前記分配およびタイミングメカニズムは、空気供給マニホールドに接続された、１またはそれ以上の圧縮空気源を備え、前記空気供給マニホールドは、圧縮空気を弁カラーの上の領域内に送り込むように弁アセンブリに接続された第１連結点と、圧縮空気を弁カラーの下の領域内に送り込むように弁アセンブリに接続された第２連結点とを備え、それにより弁の往復運動を行なわせ、前記空気供給マニホールドはさらに前記マニホールド内の軸上に回転可能に取付けられた回転ディスクアセンブリを備え、前記回転可能なディスクアセンブリは、前記軸上に固定して取付けられた１またはそれ以上の穴のあいた、あるいは部分的に扇形が形成されたディスクを備え、前記ディスクが前記軸の回りを回転すると、前記ディスクの穴のあいた領域、または部分的に扇形が形成された領域が対応するマニホールドの連結点に整列し、それによって空気が弁カラーの上の対応領域および下の対応領域に流れ込むのを許容する、請求項８に記載の弁アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
この出願は、２００２年２月２６日に発行された米国特許番号第６，３４９，６９１号の「内燃機関の自動圧力応答式吸気弁」に関連する。さらに２００３年１月３１日に出願されたエネルギーを有効に取入れる弁アセンブリについての米国仮出願番号第６０／４４４，５３２号に関連する。
【技術分野】
【０００２】
この発明は、弁、そしてより詳細には、２、あるいは４ストローク型内燃機関における吸気および／または排気弁として使用するための空気作動弁に関する。
【背景技術】
【０００３】
一般的に、４ストローク型内燃機関は、燃焼ストローク後に機関シリンダの作業（燃焼）室を排気するために、また吸気ストローク中は新たな空気をシリンダに入れて満たし、新たにサイクルを始めるために、弁を使用した。他方、２ストローク型内燃機関は、吸気と排気の両方のために弁を、あるいは吸気のために弁、そして排気のためにポートを使用してもよい。そのような弁は従来、軸（カム軸）に取付けられたカムによって、あるいは代わりに電磁気、もしくは液圧装置によって不変に作動するようにされている。
【０００４】
内燃機関に弁の往復運動を行なわせる別のより有効な方法を提供することは多いに有利である。カム軸に頼る弁は、多大なエネルギーを吸収し、大きな摩擦を生じさせる容量の大きいばねと多くの回転部を通常必要とする。さらに、そのようなシステムは比較的操作するのにコストがかかる。
【０００５】
クライン（ここで述べられた発明者の１人）の米国特許番号第６，３４９，６９１号は、吸気用の弁の形で部分的な解決を述べている。弁はマニホールドと燃焼室間の圧力差に反応しやすい。特に、ピストンが上がる（下死点を通り、シリンダの先端に近づいた後）と、シリンダ内の圧力の上昇に応じて、弁は閉塞する。あいにく、この吸気弁アセンブリに関する問題は、不活発そして、より小さな摩擦で弁の閉塞は遅れ、従って機関の性能に否定的に作用することである。
【０００６】
従って、外部から調整する圧力作動弁システムを提供することが有利である。
【０００７】
この発明者らはまた、２００３年５月３０日に、米国特許出願番号第１０／４４９，７５４号で出願をした。そこで弁の閉塞を促進するためのばねの使用システム、および非周期的にばねの基礎力を変える手段が記載され、適度な大きさのばね力が、変化する機関の速度および負荷条件下で使用され得る。この可変の弾性力吸気弁システムが信頼できる一方、それは長引く問題をいまだに呈している。特に、弾性力が調整されるとき（すなわちより高い機関速度状況の間）、弁が開いて換気が許可される期間は短くなる。従って、十分な量の空気がシリンダに取入れられず、機関の性能に否定的に作用する。
【０００８】
さらに、この発明者らは、２００３年１月３１日に米国仮特許出願番号第６０／４４４，５３２号で出願をし、別のエネルギーを有効に取入れる弁アセンブリを発表した。仮特許出願は、独自の圧縮空気作動吸気弁システム（完全な空気動作型、あるいはばね補助型のいずれか）、および吸気弁を作動させるための単一の空気源を使用する独自の空気分配システムの両方を開示した。弁は短く、軽量で、カラーを備える。弁は機関シリンダの頂上のハウジング内に位置し、空気分配システムに連結している。圧縮空気は、弁の上に送られて弁を下方に動かして開状態にするか、あるいは圧縮空気が弁カラーの下に圧力を与えている弁ハウジング内の中空の室内に送られて弁を上方に動かして閉塞状態にさせるかである。開示された空気分配システムは、排気口がある回転ディスクアセンブリを使用し、必要に応じて気流を送り、弁を上下させる。この仮特許出願に開示された弁アセンブリが安定している一方、この空気分配システムに関連して少し不利な点がある。すなわち、空気分配システムは、開示されているように、ディスクを回転させるための潤滑油を必要とし、現在入手可能な潤滑油は、加熱されると、不所望でかつ有害な炭化水素を大気中に放出する。さらに、弁は吸気、あるいは排気弁のいずれかとしてではなく、吸気弁としてのみ使用されるように説明されている。
【０００９】
吸気および／または排気弁を開口および／または閉塞するために、１または複数の空気源を使用して、４ストローク型、あるいは２ストローク型の内燃機関で動作可能な、完全強制空気作動式弁システムを提供することは、先行技術に比べて有利である。機関速度に対して、弁の開口および／または閉塞（往復運動）サイクルのタイミングを効果的に調整するためのシステムを提供することも有利である。有害な副産物を大気中に放つかもしれない潤滑油の使用を必要としないようなシステムを提供することもさらに有利である。
【発明の開示】
【００１０】
この発明は完全な空気作動弁アセンブリであり、弁、弁ハウジング、および圧縮空気あるいは他のガス分配およびタイミングメカニズムを備える。弁アセンブリは米国特許第６，３４９，６９１号に記載されたスライドする弁アセンブリに類似しており、強制空気作動往復運動に適応できるように修正および改良されている。特に、弁は上および下端を有する、比較的短く低質量の中空の円筒本体から成る。丸く囲み、取付けられるか、あるいは上端に向かって中空の円筒本体の必須部分として形成されるものが、カラーである。円筒本体の上端は開いている。中空の円筒本体の下端は、円周に沿う複数のポート（すなわち楕円のポート）と、中空の円筒本体の下端を閉じるためのエンドプレートまたはキャップとを備えている。シリンダの下端はわずかにフレア状に拡がっており（すなわち４５度の角度）、弁座を形成する。弁は、機関のシリンダヘッドを通って燃焼室への通路を形成する中空の管状のハウジング内に位置する。ハウジング内で弁を上下にスライドすると、弁をそれぞれ閉塞し開口する。ハウジングは異なる直径の２つの内部セクションを備えており、小さな直径の下部セクションは、大きな直径の上部セクションに隣接する。ハウジングの小さな直径の下部セクションは燃焼室の最も近くにあり、その直径は、最小すきまをもって、弁本体のスライドの動作に適応するようになっている。大きな直径の上部セクションは、機関の外面の最も近くにあり、その直径は、最小すきまをもって、弁カラーのスライドに適応するようになっている。異なる直径のハウジングセクションが隣接する位置により、必然的に弁の下方への動きを制限するシェルフが形成される。
【００１１】
さらに、弁ハウジングは、機関の外面に隣接するハウジングの上部セクションに取付けられるハウジングキャップを持つ形態であってもよい。このキャップはカラーを覆うが、中空の円筒本体の開放上端は覆わない。
【００１２】
弁は、弁カラーに対する１またはそれ以上の作用領域に強制空気を送ることによって、上下にスライドするように動作する。圧縮空気が弁を閉じるためのみに使用される弁アセンブリにおいては、弁カラーの下には作用領域が１つ存在する。圧縮空気が弁の開閉両方に使用される場合は、２つの作用領域が存在し、１つは弁カラーの上で、他方は下である。両実施例において、弁ハウジングは中空の空気供給経路を備えており、一端は強制空気源に通じ、他端は弁カラーの下の弁座に開放している。従って、弁、特に弁カラーの下の面は、経路に露出している。２つの作用領域を有する弁において、ハウジングキャップはさらに、中空の空気供給経路を備え、一端は強制空気源に通じ、他端は弁カラー上の弁座に開放している。従って、弁、特に、弁カラーの上面は、中空の経路に露出している。これら中空の空気供給経路内に交互に送られた強制空気は、それぞれ弁を閉塞し開口する。
【００１３】
１つあるいは複数の源のいずれかからの、圧縮空気は、複数の中空の空気供給経路に分かれる。強制空気の分配およびタイミングメカニズムは、中空の空気供給経路内に送られる強制気流を調整し、弁の往復運動を駆動および制御する。
【００１４】
代わりの実施例は、弁カラー下の領域を真空にし、弁を下にスライドさせて開く。それに関連するものとして、弁カラーの下に圧縮空気を送り、弁を上にスライドさせて閉じる。
【００１５】
この発明の好ましい実施例において、プログラム可能なコントローラによって調整されるエレクトロメカニカル弁アセンブリは、強制空気の分配およびタイミングメカニズムとして使用される。別の実施例において、空気供給マニホールド内に固定された回転ディスクアセンブリは、強制気流の分配およびタイミングを調整するのに使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
この発明は２あるいは４ストローク型内燃機関のいずれかにおいて、排気および／または吸気弁として使用するための空気作動による弁アセンブリであり、空気作動弁自体と、さらに弁を制御するための強制空気の分配およびタイミングメカニズムを備える。ここでアセンブリは強制あるいは圧縮空気によって空気作動されると記載しているが、当業者は他の圧縮ガスもこの発明の弁を作動させるのに適当かもしれないと認識するであろう。
【００１７】
図１は、この発明に従って内燃機関で使用するための例示的な空気作動弁１００の構造図を描写している。空気作動弁アセンブリは一般的に、弁１００、弁ハウジング２００、そして空気分配およびタイミングメカニズム３００とを備える（図３を参照）。各種要素を以下により詳細に記載する。
［弁１００および弁ハウジング２００］
弁１００は、上端１９９と下端１０１とを有する中空の円筒本体１５０を備える。下端１０１はエンドプレート１０２で覆われる。エンドプレート１０２は、ハウジング２００内の環状の溝と一致する弁座１０３を形成する。例えば、弁座１０３は、弁１００が閉塞位置（上方位置）にあるときにハウジング２００上の溝の傾斜表面２０８（図２Ｂ参照）と係合するわずかに傾斜（４５度）した表面を有していてもよい。上端１９９は開いている（開口１９５）。本体１５０はさらに、弁底１０３付近の円周に沿う複数のポート１０４を有する。さらに、カラー１９８は囲んで取付けられ、ポート１０４上、あるいは上端１９９、もしくはその付近のポート１０４上の必須部分として形成される。このカラー１９８は平らな丸い座金に似ており、管状のパラペット１９７を備えてもよい。
【００１８】
図２Ａおよび２Ｂは、閉塞および開放位置における弁ハウジング２００に各々設置された、図１の弁を描写する。弁１００は中空の管状ハウジング２００内に設置され、直径が異なる２つの隣接する内部セクションを備えている。小さな直径の下部セクション２０１と大きな直径の上部セクション２０２である。
【００１９】
図３は、調整された強制空気分配およびタイミングメカニズムを備える２ストローク型内燃機関に関連して、吸気弁として、図１−２の弁１００、および弁ハウジング２００を描写する。図４は、４ストローク型内燃機関と関連して、吸気および排気弁の両方として、図１−２の弁１００および弁ハウジング２００を描写する。
【００２０】
図１−４を結合して参照して、ハウジング２００は機関のシリンダヘッド内に、機関の外面から燃焼室へ通路を形成する（図３および４参照）。弁１００はハウジング２００内で上下にスライドし、弁アセンブリを各々閉塞し開口する。特に、弁を下にスライドさせると、ポート１０４は燃焼室に通じ、経路（ポート１０４、中空本体１５０および開口１９５を有している）を形成する。その経路を通って、ガスは、弁の機能に応じて、燃料室に出入りしてもよい。従って、図３に見られるように、開いた吸気弁アセンブリにより、空気および燃料は開口１９５に入り、中空の円筒本体１５０を通って、ポート１０４の外に出る。図４に見られるように、開いた排気弁１００ｂにより、排気ガスは機関の燃焼室からポート１０４を通って、中空の円筒本体１５０および機関排気システム（図示なし）内に入る。
【００２１】
弁１００の長さは、長くて薄い本体を要する従来の内燃機関と比較して、比較的短く幅広い。弁の長さは、設置される機関シリンダヘッドの厚さとほぼ等しい。この弁１００の幅広い円筒本体１５０により、従来の弁と比較して、弁は摩耗および破損の影響をあまり受けない。
【００２２】
上述のように、中空のハウジング２００は弁座１０３を受け入れる環状の溝を有する。溝はハウジング２００内の傾斜した表面２０８であってよく、燃焼室に通じる。この傾斜した溝表面２０８は弁座１０３と係合し、弁１００が閉塞しているときは、ガスは燃焼室に出入りしない。中空の管状ハウジング２００は、隣接する大きな直径部分２０２と、小さな直径部分２０１とを有する。小さな直径部分２０１は、いくぶんかのすきまをもって、弁本体１５０を収納するような大きさである。大きな直径部分２０２は、いくぶんかのすきまをもって、弁カラー１９８を収納する大きさである。２つの部分（２０１と２０２）を隣接して位置させることによってシェルフ２１０が形成され、これは、弁の下方への動きを制限し、カラー１９８がそこに載るとき、弁１００は開放位置（下方位置）にある。
【００２３】
図２Ａ、２Ｂおよび４に示される実施例では、弁シリンダ壁の外面付近の大きな直径部分２０２に取付けられるハウジングキャップ２１８が使用されている。ハウジングキャップ２１８は、露出された弁カラー１９８を覆うが、開放端１９５は覆わず、吸気あるいは排気の気流に影響を与えない。ハウジングキャップ２１８は中空の空気供給経路２０９を備え、その一端は強制空気源に通じ、他端は弁カラー１９８上の領域２０４に通じている。従って、弁１００、特に、弁カラー１９８の上面は、中空経路２０９に露出している。弁１００が閉塞しているとき、ハウジングキャップの空気供給経路２０９内に送られた強制空気は、弁カラー１９８の上面に圧力を働かせ、閉塞状態にある弁１００を下げて開放状態にする。
【００２４】
上述の２つの部分（セクション）を持つハウジングの形態は、弁の空気作動にとって重要である。弁１００が上方位置（図２Ａ）にあるとき、中空領域２０３が、カラー１９８とシェルフ２１０との間に形成される。弁１００が下方位置（図２Ｂ）にあるとき、中空領域２０４がカラー１９８とキャップ２１８との間に形成される。
【００２５】
弁１００は、弁カラー１９８の上および／または下の「作用領域」の１つに強制空気を送り込むことにより作動し、上方または下方へスライドする。強制空気が弁を閉じるためのみに使用される弁アセンブリにおいて、弁カラー１９８の下には作用領域が１つ存在する。圧縮空気が弁１００の開閉両方に使用されると、作用領域は２つ存在する。１つは弁カラー１９８の上で、他方はその下である。両実施例において、弁ハウジング２００は中空の空気供給経路２０７を備え、一端は強制空気源に通じ、他端は弁カラー１９８の下のシェルフ２１０に通じる。従って、弁１００、特に弁カラー１９８の下面は、経路２０７に露出している。弁が開放位置（図２Ｂの１００）にあるとき、ハウジングの空気供給経路２０７内に送られる強制空気により、弁カラー１９８の底面に圧力がかけられ、弁１００は上方に移動して閉塞状態となる。
【００２６】
強制空気を弁の開閉両方に使用する弁１００において、弁ハウジング２００は図２Ａ、２Ｂおよび４におけるようなハウジングキャップ２１８で構成される必要はない。むしろ、図３に見られるように、強制空気を弁の上端全体に対して作用するようにしてもよく、その場合、弁は、空気圧をカラー１９８に与えることで弁を開き、かつ空気を吸気ストロークのために提供するという２つの目的に寄与する。
【００２７】
この発明の空気作動式弁アセンブリが、図３に見られるように、２ストローク型内燃機関４００において、吸気弁１００として使用されるとき、各シリンダ４０１のヘッドに、機関４００の燃焼室４０２に通じる１またはそれ以上の吸気弁１００が組込まれる。上述のように、図３で描写したこの発明は、ハウジングキャップで構成されていない。圧縮空気は弁１００の上端１９９全体に対して作用する。通気の間（吸気および排気ストロークの結合）、排気は排気ポート４０３を通って通気される。同時に、空気分配およびタイミングメカニズム３００からの圧縮空気は、弁１００の上端１９９上に送り込まれ、弁カラー１９８を押し下げて、弁を開き、空気は燃焼およびその後の冷却のために作業室４０２に入る。圧縮段階の間、空気分配機構３００により、空気は中空空気供給経路２０７に入り、吸気弁１００を閉塞する。そして弁１００は燃焼段階を通して閉塞したままである。
【００２８】
図４は４ストローク型内燃機関５００のシリンダ５０１のヘッドの一例であり、吸気弁１００ｂおよび排気弁１００ａを開閉するための空気作動式を取入れている。弁ハウジング２００ａおよび２００ｂは、各々、弁キャップ２１８ａおよび２１８ｂを備えている。弁キャップ２１８ａおよびｂは、各々、中空空気供給経路２０９ａおよびｂを有している。吸気ストロークの間、空気分配機構３００により空気供給経路２０９ｂ内に空気が入り、吸気弁１００ｂは開いて空気は吸気マニホールド５０３から、燃焼およびその後の冷却のために、機関５００の燃焼室５０２へと流れる。圧縮が始まると、空気分配機構３００により、空気は空気供給経路２０７ｂ内へと入り、吸気弁１００ｂは閉塞する。圧縮および燃焼ストロークに続いて、空気分配機構３００により、空気は空気供給経路２０９ａに入り、排気弁１００ａは開いて、排出された蒸気は排気マニホールド５０４へ流れる。吸気ストロークが始まると、空気分配機構３００により空気は空気供給経路２０７ａへ入り、排気弁１００ａは閉塞する。
[空気分配およびタイミングメカニズム３００]
図５−８は、エレクトロメカニカル弁アセンブリを使用する、この発明の強制空気分配およびタイミングメカニズム３００の４つの類似した実施例の概要図である。
【００２９】
図５を参照して、清浄空気１が大容量のターボチャージャ２内に供給される。大容量のターボチャージャ２からの圧縮空気が、別の小さな低容量高圧圧縮機３を通過する。空気は圧縮されると、温度が上がり、空気は膨張するが、それは非生産的である。従って、圧縮機３を通過した後、圧縮空気は中間冷却器４を通って冷却される。冷却されると、圧縮空気１は一方通行の弁５を通って流れ、背圧による損失を防ぐ。この点で、プログラム可能な電子制御モジュール１０は、機関速度と負荷の機能として、強制空気１の流れの分配およびタイミングを管理する。たいていの現代の自動車は、既に電子制御ユニット（ＥＣＵ）あるいはモジュール（ＥＣＭ）を採用し、センサの入力を監視し、機関制御システムに必要な出力信号を計算する。これらの既存のＥＣＵあるいはＥＣＭに対して、強制空気１の流れの分配およびタイミングの管理を付加的に課すことができる。空気１は空気分配センタ９に送られる。しかしながら、プログラム可能な制御モジュール１０が、システム内の圧力が予め定められた水準に達したという指令を受取ると、圧縮空気は受取弁６およびレシーバ７（すなわち圧縮空気貯蔵タンク）まで送られる。レシーバ内で保持された圧縮空気は、後の使用、すなわち機関の始動のために貯えられる。安全上の理由から、レシーバ７は好ましくは標準の圧力リリーフ弁８も備える。空気分配センタ９は弁ハウジングに対して多様に作用するものであるので、圧縮空気１を中空の空気供給経路（すなわち２０７と２０９）を経由して、弁カラー１９８の上領域２０４、あるいは下領域２０３に送り込み、弁ハウジング２００内の弁１００の開閉動作を行なわせる。当業者は認識するであろうように、電磁空気分配センタ９は電磁弁アセンブリであって、空気作動システムにとって標準の装置部品である。
【００３０】
図６−８は、この発明の実施例を示し、圧縮空気１は弁１００を閉塞するためだけに使用される。従って、弁ハウジング２００はハウジングキャップを有していない。しかしながら、実施例は各々、領域２０３内に真空を形成する手段を有しており、従って、弁１００を下方に引いて開く。
【００３１】
図６は図１に似た空気分配およびタイミングメカニズム３００を示すが、任意の真空ポンプ１５も備える。弁１００を下方に移動させて開口状態にするためにカラーの上の領域２０４内で圧縮空気を使用する（図２Ａ−２Ｂを参照）のとは異なり、このシステムは真空を使用する。特に、真空ポンプ１５は制御モジュール１０によって制御され、弁カラー１９８の下の中空経路２０７および領域２０３内に真空を形成する。この真空は弁を下方に引き下げ、開く。多様な、商業的に利用可能な回転翼、あるいはピストンポンプがこの目的に適している。従って、領域２０３内の圧縮あるいは真空は、弁が閉塞しているか、あるいは開いているかを各々決定する。
【００３２】
同様に、図７は空気分配およびタイミングメカニズム３００を示し、弁１００を下方に引き下げて開くためにわずかな真空を使用する。特に、図７は機構３００を示し、その中にプログラム可能な制御モジュール１０は、空気分配センタ９と受取弁６のみならず、電子弁１６も制御する。この電子制御弁１６は、開いて、領域２０３から圧力を解放する。さらに、わずかな真空がターボチャージャ２によって形成され、中空経路２０７および領域２０３内に真空を形成し、その結果弁１００を下方に引き下げて開口する。
【００３３】
図８は電子制御モジュール１０によって同様に制御される空気分配およびタイミングメカニズム３００を示し、それは、空気分配センタ９、受取弁６、および中間冷却器バイパス弁１７を管理する。この実施例において、中間冷却器バイパス弁１７は一方通行の弁５を迂回する。バイパス弁１７が開いているとき、システム、特に領域２０３における空気圧は逆流により失われる。この逆流によりわずかな真空が形成され、それは、ターボチャージャ２によって形成されるわずかな真空と結合して、中空経路２０７および領域２０３に真空を形成し、弁１００を下方に引き下げて開口する。
【００３４】
排気弁は、典型的には、吸気弁を開くのに必要とするよりも実質的に多くの真空度を必要とする。従って、図７および８に示される空気分配およびタイミングメカニズム３００の実施例は、排気弁上での使用に最小限有効であろう。なぜなら、従来のターボチャージャは、排気弁を開くのに十分な真空を早く生成しないからである。
【００３５】
図３を戻って参照し、強制空気の分配およびタイミングメカニズム３００の別の実施例が示されており、１またはそれ以上の圧縮空気源２および空気供給マニホールド３０１を備える。圧縮機２からの空気１は空気供給マニホールド３０１を流れる。空気供給マニホールド３０１はさらに、弁ハウジング２００第１連結点３６０および第２連結点３７０を備え、圧縮空気の動きをカラー１９８の上の弁作用領域２０４あるいは下の弁作用領域２０３に向けて調整する。特に、空気１は連結点３７０および３６０から各々、弁１００の上端１９９全体へ送られて弁１００を開き、中空の供給経路２０７へ送られて弁１００を閉じる。さらに、第１連結点３６０および第２連結点３７０を通って気流を送る手段として、回転ディスクアセンブリ３０２は、空気供給マニホールド３０１の軸３８０上に取付けられる。ディスクアセンブリ３０２は、軸３８０にしっかりと取付けられた１またはそれ上の穴のあいた、あるいは部分的に形成されたディスク３０５を備える。そして、軸３８０の回転は、ディスク３０５の穴のあいた、あるいは部分的に形成された領域（すなわち３５４と３６４）を、各々のマニホールド連結点（３７０と３６０）と整列させ、それによって、空気が弁カラー１９８の対応する上作用領域２０４と下作用領域２０３内に流れるようにする。ディスクアセンブリ３０２は機関速度と負荷の機能として、回転するように合わせられ、適度な弁の往復運動のタイミングを可能にする。
【００３６】
図９は、強制空気の分配とタイミングメカニズムとして仕える回転ディスクアセンブリ３０２ａの別の実施例の分解図である。回転ディスクアセンブリ３０２ａは、中空シリンダ３１０と２つの平らな端部（３０４と３０３）とを備える。平らな端部３０４と３０３は各々、複数の開口３４４と３２４をそれぞれ有する。低摩擦ベアリング（図示なし）が平らな端部（３０３と３０４）の各々の中心に位置する。アセンブリ３０２ａの内部に、ベアリングによって回転可能に支持される軸（図示なし）がある。２枚の部分的に形成されたディスク３２０（すなわち３／４パイ）および３３０（すなわち１／４パイ）、あるいは穴のあいたディスクは、軸に固定して取付けられ、各々は端部３０４と３０３の近くにそれぞれ取付けられる。開口３４４と３２４は整列して、対応する作用領域（すなわち上端１９９の上、あるいは中空の空気供給経路２０９内、および中空の空気供給経路２０７内）に気流を送る。ベアリングに対する軸の回転に際して、ディスク（３３０と３２０）が回転し、貫通穴が、一定の周期で、開口３４４あるいは３２４と整列すると、空気がそれらを通過して流れる。
【００３７】
この発明の上述の実施例は、空気作動弁自体を含み、弁の制御のための強制空気の分配およびタイミングメカニズムを加えて、２ストローク型および４ストローク型の内燃機関における従来の弁およびカム軸に関連する問題を解決し、不利な点を排除する。実施例は単純で簡単で、使用する性質として適切な、強力で丈夫で弾力性に富んだ材料で組立てられたアセンブリを提供し、経済的に製造され、販売されてもよい。さらに、この発明を実施することで、従来の２および４ストローク型内燃機関の操作に関する環境汚染物質の発散を減らす一方、燃料がさらに節約されるであろう。
【００３８】
好ましい実施例、およびこの発明に基礎をなす概念の各種修正をここで十分に述べたが、ここに示され記載した実施例の各種変形および修正と同様に、各種他の実施例も、上述の基礎概念に精通する当業者には自明であろう。従って、この発明は添付のクレームで特に述べているのとは別な方法で実施されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
機関の弁は従来、カム軸に付けられたカムによって作動する。これらのカム軸は費用が高く不十分である。完全に空気作動による弁システム（供給された圧縮空気、あるいは他の圧縮されたガスによる）には著しく商業上の価値があるであろう。システムは、弁ハウジング、弁を制御するための強制空気の分配およびタイミングメカニズム、そして機関速度に関連して弁の開／閉（往復運動）サイクルのタイミングをより効率的に調整する１またはそれ以上の空気源を有する空気作動弁を備える。そのように完全な空気作動弁システムは、２、あるいは４ストローク型の内燃機関における、吸気あるいは排気弁、もしくはその両方としてのいずれかで使用され得、効率を高め、製造費用を維持する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
添付の図面を共に参照すると、この発明の他の目的、特徴および利点が、好ましい実施例およびその各種修正の以下の詳細な説明からより明白になるであろう。
【図１】この発明の圧縮空気作動弁の一例の構造図を示す。
【図２Ａ】弁ハウジング内で閉塞位置にある図１の弁を示す。
【図２Ｂ】弁ハウジング内で開放位置にある図１の弁を示す。
【図３】吸気弁として、図１の弁および弁ハウジングを使用する、２ストローク型内燃機関の図解である。図３はさらに、強制空気の分配およびタイミングを調整するために、空気供給マニホールド内に固定された回転ディスクアセンブリを示す。
【図４】吸気および排気弁の両方用に、この発明を採用する４ストローク型内燃機関を示す。図４はさらに、強制空気の分配およびタイミングを調整するために、プログラム可能なコントローラによって調整されたエレクトロメカニカル弁アセンブリを示す。
【図５】強制空気の分配およびタイミングを調整するために使用されるエレクトロメカニカル弁アセンブリの一例を示す操作図である。
【図６】強制空気の分配およびタイミングを調整するために使用されるエレクトロメカニカル弁アセンブリの他の例を示す操作図である。
【図７】強制空気の分配およびタイミングを調整するために使用されるエレクトロメカニカル弁アセンブリのさらに他の例を示す操作図である。
【図８】強制空気の分配およびタイミングを調整するために使用されるエレクトロメカニカル弁アセンブリのさらに他の例を示す操作図である。
【図９】強制空気の分配およびタイミングを調整するために、図３に示されたような回転ディスクアセンブリの一実施例の分解図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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