(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気弁又は排気弁をなすバルブを開閉駆動するための駆動装置であって、
上記バルブを開弁するための加圧された作動流体が供給される圧力室と、
上記圧力室に接続された高圧作動流体供給源と、
上記圧力室に接続された低圧作動流体供給源と、
上記圧力室と上記高圧作動流体供給源との間に設けられ、上記バルブの開弁初期の所定期間に開弁され、上記圧力室に上記高圧作動流体供給源の高圧作動流体を供給する第一の作動弁と、
上記圧力室と上記低圧作動流体供給源との間に設けられ、上記バルブの開弁初期の所定期間経過後、上記圧力室の圧力が上記低圧作動流体供給源の圧力より低くなったときその圧力差に基づき開弁し、上記圧力室に上記低圧作動流体供給源の低圧作動流体を導入する逆止弁からなる第二の作動弁と、
上記圧力室に上記第二の作動弁を介して接続された回路又は上記圧力室に上記低圧作動流体供給源を介して接続された回路に設けられ、入口側の圧力が、上記低圧作動流体供給源の圧力より高く且つ上記高圧作動流体供給源の圧力より低い所定の設定圧より高くなったとき開弁し、これにより上記圧力室の作動流体を排出する逆止弁からなる第三の作動弁と、
上記バルブの閉弁時に上記第二の作動弁を強制的に開弁するアクチュエータと
を備えたことを特徴とする内燃機関の動弁駆動装置。
【請求項２】
上記第三の作動弁が、上記圧力室に上記第二の作動弁を介して接続された回路に設けられ、これら第二の作動弁と第三の作動弁とにより一のバルブユニットを構成し、そのバルブユニットに上記低圧作動流体供給源が接続される請求項１記載の内燃機関の動弁駆動装置。
【請求項３】
上記第二の作動弁が軸方向に移動可能な弁体を備え、該弁体の一端部に、上記圧力室側の圧力を受けて閉弁側に押圧される傘弁部が設けられ、上記アクチュエータが、ＯＮされたときに上記弁体の他端部を押圧して上記弁体を開弁側に駆動する電気アクチュエータからなる請求項１又は２記載の内燃機関の動弁駆動装置。
【請求項４】
上記第二の作動弁の最大開度を規定するためのバルブストッパが設けられる請求項１乃至３いずれかに記載の内燃機関の動弁駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の動弁駆動装置に係り、特にカム機構を有さず、流体圧を利用して動弁系の開閉を行う装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジン制御の自由度を高めるため、カムによるバルブ駆動を廃止し、これに代わってバルブを電磁駆動又は油圧駆動とする、所謂カムレス方式の動弁駆動装置が有望視されている。特公平７−６２４４２号公報や特許第２６４５４８２号公報等にはこのような技術が開示され、当該装置によるとバルブの開閉タイミングやリフト量を自由に設定できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来装置では、バルブをバルブスプリングに逆らって必要量リフトさせるだけの高圧の流体圧を作り、それをバルブに与えて所望のリフトを行っている。しかし、単に高い流体圧をバルブに与えるだけでは、バルブ駆動に必要なエネルギが大きく、弁駆動損失が増大し燃費の悪化を招くなどの欠点があった。
【０００４】
そこで、この問題を解消するため、本発明者は低圧流体の利用によりバルブ駆動エネルギを大幅に減少できる内燃機関の動弁駆動装置を新たに開発した。これにおいては、バルブを開弁させるための作動流体が供給される圧力室に、高圧作動流体を供給するための通路と、低圧作動流体を導入するための通路と、圧力室から作動流体を排出するための通路との三つの通路が接続され、各通路にそれぞれ弁が設けられる。
【０００５】
しかし、この構造だと圧力室の容積が必然的に大きくなり、バルブを開弁駆動するときに圧力室に大きな高圧作動流体によるエネルギを供給しなければならない。従って、バルブ開弁時の供給エネルギに対するバルブの運動エネルギへの変換割合である有効エネルギ割合が低下し、バルブの駆動エネルギが増大し、出力及び燃費の悪化を招いてしまう。
【０００６】
そこで、以上の問題点に鑑みて本発明は創案され、その目的は圧力室の容積を極力小さくし、バルブ開弁駆動時の供給エネルギを少なくすると共に、有効エネルギ割合を増加し、バルブの駆動エネルギの減少並びに出力及び燃費の向上を図ることができる内燃機関の動弁駆動装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内燃機関の吸気弁又は排気弁をなすバルブを開閉駆動するための動弁駆動装置であって、上記バルブを開弁するための加圧された作動流体が供給される圧力室と、上記圧力室に接続された高圧作動流体供給源と、上記圧力室に接続された低圧作動流体供給源と、上記圧力室と上記高圧作動流体供給源との間に設けられ、上記バルブの開弁初期の所定期間に開弁され、上記圧力室に上記高圧作動流体供給源の高圧作動流体を供給する第一の作動弁と、上記圧力室と上記低圧作動流体供給源との間に設けられ、上記バルブの開弁初期の所定期間経過後、上記圧力室の圧力が上記低圧作動流体供給源の圧力より低くなったときその圧力差に基づき開弁し、上記圧力室に上記低圧作動流体供給源の低圧作動流体を導入する逆止弁からなる第二の作動弁と、上記圧力室に上記第二の作動弁を介して接続された回路又は上記圧力室に上記低圧作動流体供給源を介して接続された回路に設けられ、入口側の圧力が、上記低圧作動流体供給源の圧力より高く且つ上記高圧作動流体供給源の圧力より低い所定の設定圧より高くなったとき開弁し、これにより上記圧力室の作動流体を排出する逆止弁からなる第三の作動弁と、上記バルブの閉弁時に上記第二の作動弁を強制的に開弁するアクチュエータとを備えたものを提供する。
【０００８】
ここで、上記第三の作動弁が、上記圧力室に上記第二の作動弁を介して接続された回路に設けられ、これら第二の作動弁と第三の作動弁とにより一のバルブユニットを構成し、そのバルブユニットに上記低圧作動流体供給源が接続されるのが好ましい。
【０００９】
また、上記第二の作動弁が軸方向に移動可能な弁体を備え、この弁体の一端部に、上記圧力室側の圧力を受けて閉弁側に押圧される傘弁部が設けられ、上記アクチュエータが、ＯＮされたときに上記弁体の他端部を押圧して上記弁体を開弁側に駆動する電気アクチュエータからなるのが好ましい。
【００１０】
また、上記第二の作動弁の最大開度を規定するためのバルブストッパが設けられるのが好ましい。
【００１１】
本発明の好適な一態様によれば、バルブが開作動（リフト）されるとき、第一の作動弁が開とされ圧力室に高圧作動流体が供給される。これによりバルブに初期エネルギが与えられ、その後バルブは慣性運動によりリフトする。この過程で圧力室の圧力が低圧作動流体供給源の圧力より低くなると、第二の作動弁が自ずと開き、低圧作動流体が圧力室に導入される。これにより高圧作動流体供給量を越えて圧力室により多くの作動流体が供給され、圧力室が負圧になることが無く、上記した初期エネルギにより到達するバルブリフト位置にバルブを保持することが可能となり、バルブリフトに際しての駆動エネルギを減少することができる。
【００１２】
バルブを閉作動させるときは、アクチュエータにより第二の作動弁が強制的に開とされる。すると圧力室の高圧作動流体は、第二の作動弁を通過した後、その下流側にある第三の作動弁を押し開き、外部に排出される。これにより圧力室の圧力が降下しバルブが閉作動される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適実施形態を添付図面に基いて説明する。
【００１４】
図１に本実施形態に係る動弁駆動装置の全体を示す。本実施形態は車両用等の多気筒コモンレールディーゼルエンジンへの適用例である。まずコモンレール式燃料噴射装置について説明すると、エンジンの各気筒毎に燃料噴射を実行するインジェクタ１が設けられ、インジェクタ１にはコモンレール２に貯留されたコモンレール圧Ｐｃ（数10〜数100MPa）の高圧燃料が常時供給されている。コモンレール２への燃料圧送は高圧ポンプ３によって行われ、燃料タンク４の燃料が燃料フィルタ５を通じてフィードポンプ６によって吸引吐出された後、高圧ポンプ３に送られる。フィードポンプ６のフィード圧Ｐｆは、リリーフ弁からなる圧力調整弁７によって調整され、一定に保たれる。フィード圧Ｐｆは常圧よりは大きい（つまり燃料は加圧された状態にある）が、コモンレール圧Ｐｃよりは著しく低い値で、例えば0.5MPa程度である。
【００１５】
図示する装置全体を総括的に制御する制御装置としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）８が設けられ、これにはエンジンの運転状態（エンジンのクランク角、回転速度、エンジン負荷等）を検出するセンサ（図示せず）が接続される。ＥＣＵ８はこれらセンサの信号に基づいてエンジン運転状態を把握し、且つこれに基づいた駆動信号をインジェクタ１の電磁ソレノイドに送ってインジェクタ１を開閉制御する。電磁ソレノイドのＯＮ／ＯＦＦに応じて燃料噴射が実行・停止される。噴射停止時にはインジェクタ１から常圧程度の燃料がリターン回路９を通じて燃料タンク４に戻される。ＥＣＵ８はエンジン運転状態に基づいて実際のコモンレール圧を目標圧に向けてフィードバック制御する。このため実際のコモンレール圧を検出するためのコモンレール圧センサ１０が設けられる。
【００１６】
次に、本発明に係る動弁駆動装置について説明する。１１がエンジンの吸気弁又は排気弁をなすバルブである。バルブ１１はシリンダヘッド１２に昇降自在に支持され、バルブ１１の上端部は一体のピストン１３となっている。即ち、バルブ１１にピストン１３が一体に連結される。バルブ１１の上部に本装置の主要部をなすバルブ駆動アクチュエータＡが設けられ、そのアクチュエータボディ１４がシリンダヘッド１２に固設される。ピストン１３はアクチュエータボディ１４内を摺動昇降可能である。なお、図示例は１気筒の１個のバルブについてのみのものであるが、多気筒或いは複数のバルブについて開閉制御したい場合は同じ構成を当該バルブに与えればよい。また、本実施形態ではバルブ１１とピストン１３とを一体的に形成したが、別体として構成しても構わない。
【００１７】
バルブ１１には鍔部１５が設けられ、鍔部１５とシリンダヘッド１２との間にバルブ１１を閉弁方向（図の上側）に付勢するバルブスプリング１６が圧縮状態で配設される。ここではバルブスプリング１６がコイルスプリングで構成される。アクチュエータボディ１４内に鍔部１５を吸引する磁石１７が埋設され、これによってもバルブ１１が閉弁方向に付勢される。磁石１７はここではバルブ１１を囲繞するようなリング状の永久磁石である。ピストン１３は少なくともバルブ１１の上端の部分であり、アクチュエータボディ１４に軸シールをなしつつ挿入される。
【００１８】
アクチュエータボディ１４内に、ピストン１３の上端面（即ち受圧面４３）に面した圧力室１８が区画形成される。圧力室１８は、バルブ１１を開弁するための加圧された作動流体が供給されるもので、その底面部分が受圧面４３によって区画形成される。作動流体としては、エンジンの燃料と共通の軽油が用いられる。圧力室１８に高圧燃料が供給されるとバルブ１１が開方向（図の下側）に押され、この押圧力がバルブスプリング１６及び磁石１７の付勢力を上回るとバルブ１１が下方に開弁（リフト）する。一方、圧力室１８から高圧燃料が排出されると、バルブ１１が閉弁する。
【００１９】
圧力室１８は、主にアクチュエータボディ１４内に形成された断面円形且つ一定径のピストン挿入孔４４からなり、このピストン挿入孔４４にピストン１３が摺動可能に挿入される。そしてバルブ１１が全閉から全開になるまでの間、ピストン１３がピストン挿入孔４４から外れる（抜ける）ことはなく、ピストン１３は常にピストン挿入孔４４の内面に接している。言い換えれば、バルブ１１が全閉から全開になるまでの間、ピストン１３の移動量に対する圧力室１８の容積の増大量の比は一定に保たれる。
【００２０】
圧力室１８の上方に、圧力室１８への高圧燃料の供給又は供給停止を切り換えるための第一の作動弁２０が設けられる。第一の作動弁２０は本実施形態では圧力バランス式制御弁からなっている。
【００２１】
第一の作動弁２０は、バルブ１１と同軸に配されたニードル状のバランス弁２１を有する。バランス弁２１の上端部に軸シール部４０が形成され、軸シール部４０の下方に供給通路２２が、軸シール部４０の上方に弁制御室２３がそれぞれ区画形成されている。バランス弁２１の上端面は弁制御室２３内の燃料圧力が作用される受圧面となっている。これら供給通路２２と弁制御室２３とは、アクチュエータボディ１４内に形成された分岐通路４２と、外部の配管とを介して、高圧作動流体供給源としてのコモンレール２に接続され、コモンレール圧Ｐｃの高圧燃料が常時供給されている。後に分かるが、バルブ１１のリフトはこのコモンレール圧Ｐｃの高圧燃料によって生じるものである。
【００２２】
供給通路２２は、バランス弁２１の下部側に面して圧力室１８に連通されると共に、その途中にバランス弁２１の下端円錐面が線接触或いは面接触される弁シート２４を有する。弁シート２４の下流側（図の下側）に供給通路２２の出口４１（即ち圧力室１８への高圧燃料の入口）が設けられる。この出口４１は、バルブ１１と同軸に位置されると共に、ピストン１３の受圧面４３に指向され、バルブ１１又はピストン１３の移動方向又は軸方向と同方向に指向される。受圧面４３はその軸方向に垂直な円形の面である。
【００２３】
弁制御室２３には、バランス弁２１を閉弁方向（図の下側）に付勢するバネ２５が設けられる。バネ２５はコイルスプリングからなり、圧縮状態で弁制御室２３に挿入配置される。また弁制御室２３は、燃料の出口であるオリフィス２６を介してリターン回路９に連通される。オリフィス２６の上方にはこれを開閉する開閉弁としてのアーマチュア２７が昇降可能に設けられ、アーマチュア２７の上方にこれを昇降（開閉）駆動すべく、電気アクチュエータとしての電磁ソレノイド２８と、アーマチュアスプリング２９とが設けられる。電磁ソレノイド２８はＥＣＵ８に接続され、ＥＣＵ８から与えられる信号即ちコマンドパルスによりＯＮ／ＯＦＦ制御される。
【００２４】
通常、電磁ソレノイド２８がＯＦＦのときは、アーマチュアスプリング２９によりアーマチュア２７が下方に押し付けられ、オリフィス２６が閉じられる。一方、電磁ソレノイド２８がＯＮされると、アーマチュアスプリング２９の付勢力に抗じてアーマチュア２７が上昇され、オリフィス２６が開かれる。
【００２５】
一方、圧力室１８にはアクチュエータボディ１４内に形成された通路３１の一端が接続される。そして通路３１の他端には、アクチュエータボディ１４の外側部に設けられたバルブユニット１９が接続される。バルブユニット１９には所定容積を有した低圧作動流体供給源としての低圧室３２が接続される。結果として、低圧室３２は、バルブユニット１９内の通路とアクチュエータボディ１４内の通路３１とを介して圧力室１８に接続される。
【００２６】
低圧室３２は、圧力調整弁７の下流側且つ高圧ポンプ３の上流側のフィード回路３３に接続され、フィード回路３３からフィード圧Ｐｆの低圧燃料を常時導入、貯留している。
【００２７】
図２にバルブユニット１９の詳細を示す。バルブユニット１９は、固定側例えばアクチュエータボディ１４に取り付けられたバルブストッパ５０を有し、バルブストッパ５０には、通路３１と低圧室３２とを接続するための流体通路５１が設けられる。流体通路５１は、弁体５２の傘弁部５３を収容するための弁室５４と、弁室５４及び低圧室３２を接続するための第一通路５５と、弁室５４及びフィード回路３３を接続するための第二通路５６とから構成される。
【００２８】
弁体５２は、全体として軸状に形成され、その先端部（図の右端部）に傘弁部５３が形成されると共に、軸方向（図の左右方向）に移動可能である。この軸方向移動により、傘弁部５３の背面がバルブストッパ５０に形成されたシート部５７に対し着座・離反し、弁室５４の中間位置が開閉される。バルブストッパ５０にはスプリング室５８も形成され、このスプリング室５８の中心部に弁体５２が移動可能に配置されると共に、スプリング室５８の内外周側に第一及び第二のリターンスプリング５９，６０が設けられる。第一のリターンスプリング５９はセットフォース及びバネ定数が比較的小さいコイルスプリングからなり、弁体５２の外周部に嵌合されると共に、弁体５２の基端部（図の左端部）に一体的に設けられたスプリングシート７０を基端側に押し、弁体５２を閉弁方向に常時付勢している。これら弁体５２、シート部５７及び第一のリターンスプリング５９等によって、機械式逆止弁としての第二の作動弁３４が構成される。
【００２９】
第二通路５６には、機械式逆止弁からなる第三の作動弁３０が設けられる。第三の作動弁３０においては、第二通路５６側が入口側、フィード回路３３側が出口側となる。そして第三の作動弁３０は入口側と出口側との圧力差に基づき開弁し、入口側の圧力が出口側の圧力より所定圧力高くなったときのみ開弁する。
【００３０】
第二の作動弁３４を強制的に開弁するための電気アクチュエータ、本実施形態では電磁アクチュエータ６１が設けられる。電磁アクチュエータ６１は、固定側に設けられＥＣＵ８から与えられる信号即ちコマンドパルスによりＯＮ／ＯＦＦ制御される電磁ソレノイド６２と、電磁ソレノイド６２のＯＮ／ＯＦＦに応じて弁体５２の同軸方向（図の左右方向）に移動するアーマチュア６３と、アーマチュア６３の先端部に一体的に設けられ弁体５２の基端面に当接可能な有底円筒状のスプリングシート６４と、スプリングシート６４及びアーマチュア６３を戻り側ないし閉弁側（図の左側）に付勢する第二のリターンスプリング６０とから構成される。
【００３１】
アーマチュア６３は、電磁ソレノイド６２に囲繞されその中心部に挿通される軸部６５と、軸部６５の基端部に一体的に設けられた磁力作用板６６とからなる。図２は電磁ソレノイド６２がＯＦＦの状態である。これに対し図４に示すように、電磁ソレノイド６２がＯＮされると、アーマチュア６３が開弁側（図の右側）に移動し、スプリングシート６４が第一及び第二のリターンスプリング５９、６０の付勢力に抗じて弁体５２を開弁側に押圧移動させ、第二の作動弁３４が強制的に開弁される。このときスプリングシート６４がバルブストッパ５０に当接することにより最大開度ないし弁体５２の開弁ストロークが規定される。このストローク量は例えば0.3mmである。第二のリターンスプリング６０はセットフォース及びバネ定数が比較的大きいコイルスプリングからなる。
【００３２】
ここで、第三の作動弁３０の開弁設定圧は、フィード圧Ｐｆより若干高く、コモンレール圧Ｐｃよりは著しく低い値である。従って第三の作動弁３０の入口に低圧燃料が存在しても第三の作動弁３０は開弁しないが（図２参照）、第三の作動弁３０の入口に高圧燃料が存在すると第三の作動弁３０は直ちに開弁する（図４参照）。また第二の作動弁３４の開弁設定圧は低い値であり、実質的には、傘弁部５３の背面側の圧力が正面側の圧力より大きくなると第二の作動弁３４は開弁する（図３参照）。
【００３４】
次に、本実施形態の作用を説明する。
【００３５】
まず、第一の作動弁２０の作用を説明する。図１の状態では、電磁ソレノイド２８がＯＦＦされアーマチュア２７によりオリフィス２６が閉じられると共に、バランス弁２１が弁シート２４に着座しており、閉弁状態にある。このとき軸シール部４０を境とする上部側の弁制御室２３と、下部側の供給通路２２とから、それぞれ下向き及び上向きの高圧燃料による圧力をバランス弁２１は受けている。しかし、バランス弁２１が弁シート２４に着座しているため下向き圧力を受ける面の面積が上向き圧力を受ける面の面積より著しく大きく、且つ、バネ２５によってもバランス弁２１が下向きに押されていることから、結果としてバランス弁２１は下向きに押され、弁シート２４に強力に押し付けられる。
【００３６】
次に、電磁ソレノイド２８がＯＮされアーマチュア２７が上昇してオリフィス２６が開かれると、弁制御室２３が燃料排出により低圧となり、これによりバランス弁２１に対する上向きの力が下向きの力を上回ってバランス弁２１が上昇する。これによって供給通路２２の出口４１が開かれ、供給通路２２の出口４１を通じて高圧燃料が圧力室１８に勢いよく供給される。
【００３７】
次に、電磁ソレノイド２８がＯＦＦされアーマチュア２７が下降してオリフィス２６が閉じられると、弁制御室２３からの燃料排出が停止されて弁制御室２３が次第に高圧となる。この過程で、バランス弁２１が弁シート２４に着座する前は、弁制御室２３の高圧燃料からバランス弁２１が受ける下向き圧力と、供給通路２２の高圧燃料からバランス弁２１が受ける上向き圧力とが釣り合っており、バランス弁２１はバネ２５による下向きの力のみによって下降される。しかし、一旦バランス弁２１が弁シート２４に着座してしまえば、前述の閉弁時と同じ状態が作られ、バランス弁２１は弁シート２４に強力に押し付けられ、供給通路２２の出口４１を閉じることとなる。
【００３８】
次に、かかる動弁駆動装置の作用を説明する。図８にはＥＣＵ８から送られるコマンドパルスとバルブリフトとの関係が示される。図の上段にはバルブリフト（ｍｍ）が、図の中段にはＥＣＵ８から第一の作動弁２０の電磁ソレノイド２８に与えられるコマンドパルスが、図の下段にはＥＣＵ８からバルブユニット１９の電磁ソレノイド６２に与えられるコマンドパルスがそれぞれ示される。
【００３９】
まず、バルブ１１を図１に示される閉弁状態から開作動（リフト）させるときは、バルブユニット１９の電磁ソレノイド６２をＯＦＦに保持すると共に、エンジン運転状態に基づき定まる所定の開弁開始時期（図８の時間「０」の位置）に対し、作動遅れを考慮した所定時間前に、比較的短い所定期間ｔＣＰ１、第一の作動弁２０の電磁ソレノイド２８をＯＮする。即ち、バルブ１１の開弁初期の所定期間ｔＣＰ１、第一の作動弁２０を開にする。すると第一の作動弁２０において、アーマチュア２７が上昇してオリフィス２６が開き、弁制御室２３の高圧燃料が排出され、バランス弁２１が上昇し、バランス弁２１が弁シート２４から離れる。これにより供給通路２２が開の状態となり、供給通路２２の出口４１から圧力室１８に高圧燃料が瞬時に勢いよく噴出される。この高圧燃料によりピストン１３の受圧面４３が押圧され、これによりバルブ１１には初期エネルギが与えられ、その後、バルブ１１は、バルブスプリング１６及び磁石１７による力が作用する条件下で慣性運動し、下方にリフトされる。バルブ１１の開弁動作は高圧燃料の供給に対し遅れて行われる。
【００４０】
このバルブ１１の慣性運動の過程で圧力室１８の容積が次第に増加するが、バルブ１１の運動が数10〜数100MPaもの高圧燃料による慣性運動であることに起因して、高圧燃料供給量に応じた理論上の圧力室１８の容積増大量よりも、実際の圧力室１８の容積増大量が大きくなり、圧力室１８の圧力が低圧室３２の圧力より低くなる。
【００４１】
こうなると、図３に示されるように、それら圧力差に起因して第二の作動弁３４の弁体５２が、第一のリターンスプリング５９による付勢力に抗じて開弁側に移動し、第二の作動弁３４が開弁する。これにより低圧室３２の低圧燃料が第一通路５５、弁室５４、通路３１という経路を経て圧力室１８に導入される。つまり圧力室１８には過剰な容積増加分を補うように燃料が補給される。これにより実際の高圧燃料供給量を越えて圧力室１８により多くの燃料が供給されるので、圧力室１８が負圧になることを回避し、バルブリフト動作を安定化させると共に、バルブリフト量を、高圧燃料供給により与えられた初期エネルギに応じたリフト量に保持することができる。この結果バルブリフトに際しての駆動エネルギを減少することができる。
【００４２】
図３に示されるように、低圧燃料導入の際には第三の作動弁３０の開弁が防止される。第三の作動弁３０の開弁圧がフィード圧Ｐｆより若干高く設定されているからである。また、第二の作動弁３４においては、傘弁部５３を有した弁体５２を用いているので、図２に示されるように、バルブ開弁時に傘弁部５３の正面側（図の右側）が圧力室１８からの高圧燃料圧力を受けても、その圧力により傘弁部５３が確実にシート部５７に押し付けられ、圧力室１８からの燃料漏洩及び圧力室１８の圧力減少が確実に防止される。
【００４３】
図８に示されるように、第一のコマンドパルスＣＰ１の後に第二のコマンドパルスＣＰ２が第一の作動弁２０の電磁ソレノイド２８に与えられる。つまりバルブ１１の開弁中期の所定期間ｔＣＰ２においても第一の作動弁２０が開作動され、第一の作動弁２０が二段階で開作動される。第一のコマンドパルスＣＰ１による圧力室１８への高圧燃料及び低圧燃料の流入によって、バルブ１１が一旦中間開度Ｌ１に保持され、その後前記同様の方法による、第二のコマンドパルスＣＰ２による圧力室１８への高圧燃料及び低圧燃料の流入によって、バルブ１１が最大リフト位置Ｌｍａｘまでリフトされる。この二段階のバルブリフトにより、通常のカム駆動の場合に近似したリフトカーブを得ることができる。
【００４４】
次に、バルブ１１を閉作動させるときは、第一の作動弁２０を閉（電磁ソレノイド２８をＯＦＦ）に保持すると共に、エンジン運転状態に基づき定まる所定の閉弁開始時期（時間「ｔ３」の位置）に対し、作動遅れを考慮した所定時間前に、バルブユニット１９の電磁ソレノイド６２をＯＮする。
【００４５】
すると、図４に示されるように、第二の作動弁３４の弁体５２がアーマチュア６３及びスプリングシート６４により開弁側に押圧され、第二の作動弁３４が強制的に開となる。こうなると、圧力室１８の高圧燃料が通路３１、弁室５４という経路を経て第二通路５６に至り、第三の作動弁３０を押し開いてフィード回路３３に排出される。第三の作動弁３０の開弁圧が高圧燃料圧力即ちコモンレール圧Ｐｃより低い値に設定されているので、第三の作動弁３０は自ずと開くことになる。
【００４６】
これにより圧力室１８の圧力が下がり、バルブ１１がバルブスプリング１６及び磁石１７の付勢力により上昇即ち閉作動される。
【００４７】
このように本装置によれば、第一の作動弁２０と電磁アクチュエータ６１とを制御することで、エンジンクランク角に依存しない如何なるタイミングにおいてもバルブ１１を開閉することができる。図８にＯ１，Ｏ２，Ｏ３で示されるように、第二のコマンドパルスＣＰ２の出力時期をずらすことで、バルブが中間開度Ｌ１から全開Ｌｍａｘになるタイミングをずらすこともできる。同じことが閉弁時期についてもいえる。ただし図示例は一定タイミングＣで閉弁している。電磁アクチュエータ６１をデューティ制御すれば、圧力室１８からの高圧燃料排出流量を制御し、バルブ１１の閉弁速度を制御することも可能である。電磁アクチュエータ６１をＯＦＦに保持してＫで示されるように全開保持することも可能である。
【００４８】
さらに、仮想線ＣＰｘで示されるように、電磁アクチュエータ６１をバルブ１１が全閉となる直前でＯＦＦとすれば、このＯＦＦ時から、バルブ１１の閉弁動作により次第に圧力室１８の圧力が上昇するので、バルブ着座時の衝撃や着座音を緩和することが出来る。
【００４９】
図９は本実施形態の装置におけるバルブ開弁から閉弁までの各部の作動を表したものである。この例では（ａ）図で示されるようにバルブ開弁初期にのみ第一の作動弁２０に所定期間ｔＣＰ１のコマンドパルスが与えられ、第一の作動弁２０が開とされる。
【００５０】
まず、第一の作動弁２０にコマンドパルスが与えられると（（ａ）図）、バランス弁２１が開となり（（ｂ）図）、圧力室１８内が高圧燃料流入により瞬時に高圧となる（（ｃ）図）。これにより、コマンドパルスの発生から所定のタイムラグを経てバルブ１１の開弁が開始される（（ｆ）図）。第一の作動弁２０は短時間でＯＦＦとされ、これと同時にバランス弁２１が閉となり、圧力室１８への高圧燃料供給が停止されるが、バルブ１１が慣性運動していることからバルブ１１は直ちに停止せず、これにより圧力室１８に高圧燃料流入量に相当する分以上の容積増大が生じ、圧力室１８が一瞬フィード圧Ｐｆより低くなる（（ｃ）図のＱ）。これにより第二の作動弁３４が開き（（ｄ）図）、圧力室１８に低圧燃料が導入され、高圧燃料流入による初期エネルギによるバルブリフトが実行されて、バルブ１１が全開となる。このとき圧力室１８内の液圧とバルブスプリング１６との間のエネルギ変換に伴うバルブ１１の微振動が生じるが、問題視されるレベルではない。この後所定タイミングで電磁アクチュエータ６１がＯＮされると、第二の作動弁３４が強制的に開弁されると共に、高圧燃料の作用により第三の作動弁３０が開弁され（（ｅ）図）、バルブ１１が閉弁される。
【００５１】
次に、本実施形態の作用効果をより詳細に説明する。
【００５２】
バルブリフトを開始するとき、圧力室１８の圧力は、バランス弁２１の開弁時間に比例して上昇する。そしてその圧力と、ピストン１３の断面積Ａｐとの積で表される下向きの力が、バルブスプリング１６のセットフォースと、磁石１７の吸引力との和に打ち勝った瞬間から、バルブは下向きに運動を開始する。
【００５３】
ここで、ピストン〜バルブの運動系において、任意の位置までリフトし静止状態にあるバルブに関するエネルギは、フリクションと磁石１７の吸引力とを無視した場合以下の式（１）で表される。
【００５４】
ｍｘ＋（１／２）ｋｘ2＝ＰＦin   ・・・（１）
ただしｍ；等価重量、ｘ；バルブリフト量、ｋ；バルブスプリング１６のバネ定数、Ｐ；圧力室１８の圧力、Ｆin；圧力室１８に導入される燃料流量である。
【００５５】
等価重量ｍ及びバネ定数ｋは既知の定数である。従って、圧力Ｐが一定とみなせる場合、リフト量ｘは燃料流量Ｆinのみの関数となる。本実施形態では、電磁ソレノイド２８のＯＮ時間を制御することで、バランス弁２１の開弁時間を連続して変化させることが可能であり、これに伴い燃料流量Ｆinを制御することが可能である。従ってバルブ開閉タイミングのみならず、バルブリフト量ｘも任意に制御することが可能である。
【００５６】
次に、バルブが運動しているとき、圧力室１８に関し以下の連続の式（２）が成立している。
【００５７】
Ｆin＝Ａｐ・ｄｘ／ｄｔ＋Ｖcc／Ｋ・ｄＰcc／ｄｔ  ・・・（２）
ただしＦin；圧力室１８に導入される燃料流量、Ａｐ；ピストン１３の断面積、ｘ；バルブリフト量、Ｖcc；圧力室１８の容積、Ｋ；体積弾性率、Ｐcc；燃料圧力である。
【００５８】
この式から、バルブの下降中は、バルブ速度ｄｘ／ｄｔに比例した圧力室１８の圧力降下が起きるのが分かる。この圧力降下により、圧力室１８の圧力が低圧室３２の圧力以下となると第二の作動弁３４が開く。この結果、上式（２）右辺第一項で示される（ピストン断面積Ａｐ）×（バルブリフト量ｘ）に相当する量の低圧燃料が圧力室１８に流入する。これによってバルブの運動は妨げられない。一般にエネルギは式（１）の右辺で示す通り圧力×流量である。流量は、ピストン断面積Ａｐ及びバルブ速度ｄｘ／ｄｔが定まると一律に決まる。従って、ここでのエネルギ損失を低減するには低圧を利用するのが有効であることが分かる。本実施形態でバルブリフト時に低圧燃料を圧力室１８に導入するのはこのためである。これにより不必要なエネルギを低減することが可能になる。
【００５９】
次に、圧力室１８に対する燃料（圧力）の出入りが無い場合、バルブは静止状態に維持される。この結果、所望の時間、バルブを開弁状態に保持することが可能となる。中間開度に保持することも可能である。
【００６０】
ところで、エンジンを過給する場合、吸気弁の場合だとバルブリフト時にバルブに開弁方向（下向き）の力が作用する。この力による開弁動作を避けるためには、通常、バルブスプリング１６のセットフォースを比較的高くしなければならない。本実施形態ではＦｓ＝30kgf程度である。しかしこうするとバルブがリフトするに従い、閉弁方向（上向き）の力ないし荷重が一層強くなり、バルブリフトさせるのに高い駆動エネルギを必要とする。
【００６１】
通常のカム駆動方式の動弁機構だと、閉弁側でスプリング力がカムのフェース面を押し上げるため、結果としてエネルギ回収作用が働くこととなり、バルブ駆動エネルギは少ない。図１０は当該動弁機構を使用したディーゼルエンジンにおける各部品毎の摩擦損失を示したもので、縦軸は軸平均有効圧力である。これはフリクションロスに係る負の仕事をエンジン排気量で割った値である。横軸はエンジン回転数であり、即ちここではエンジン回転数に対する各損失割合を分解フリクション法によって測定した値を示している。この結果から、全フリクション中に占める動弁系のフリクション割合は２〜４％で、これに投入エネルギを乗じると動弁系の駆動に必要なエネルギが計算できる。計算の結果、１バルブ当たりに必要な駆動エネルギは1.65Jであった。
【００６２】
ところが、本実施形態のようなカムレス方式ではエネルギ回収は困難である。従って通常ならば、カムレス方式はカム駆動方式に比べバルブ駆動エネルギが高くなり、出力や燃費の悪化を招く。
【００６３】
そこで、本実施形態では、バルブスプリング１６に加え磁石１７を用いることとした。
【００６４】
一般に、磁石間の力Ｆｍは次式（３）で表される。
【００６５】
Ｆｍ＝１／（４πμ0）・ｑmｑm’／ｒ2  ・・・（３）
ただしμ0；透磁率、ｑm、ｑm’；磁荷、ｒ；距離である。
【００６６】
従って、本実施形態の場合、バルブがリフトするに従い、磁石１７と鍔部１５との距離の自乗に反比例して力は減少する。この結果、高リフトを得る場合でもバルブ駆動エネルギは少なくて済み、やはり出力、燃費の向上に繋がる。
【００６７】
（１）式で分かるように、駆動エネルギは理論的には等価重量ｍ×バルブリフト量ｘで決まる。バルブリフト量ｘはエンジン性能上一義的に決まるため、駆動エネルギを低減するには等価重量ｍを低減する必要がある。ここで、等価重量とは、バルブ自体の質量＋バルブスプリング等からの荷重を意味する。現実としてバルブ自体の質量を大幅に低減するのは不可能なため、本実施形態では荷重の項に着目した。
【００６８】
即ち、バルブは過給圧に対して開弁動作しないように、閉弁着座時にＦｓ＝30kgf程度の高い力で支えておく必要がある。これを通常のコイルスプリングのセット荷重のみでまかなうと、当然バルブがリフトするに従い、バルブを開弁保持するための力（荷重）が増加する。これを示したのが図１１で、一点鎖線で示すように、バルブリフト（横軸）の増大につれバルブ開弁保持力（縦軸）は増加している。
【００６９】
これに対し、磁石は、図中実線で示すように距離の自乗に反比例して力が減衰する特性である。このためバルブスプリングに磁石を併用する本実施形態の場合、バルブ開弁保持力の特性は図の二点鎖線のようなものとすることができる。従って、バルブスプリングのみの場合に比べ、バルブ開弁保持力を減少させることができ、これが駆動エネルギの低減に繋がるのである。
【００７０】
より分かり易くいえば、本来必要なバルブスプリング（バルブ閉弁状態のときの初期荷重が30kgf以上のもの）より弱いバルブスプリング（同初期荷重が30kgf未満のもの）を用い、このスプリング荷重の不足分を磁石で補い、バルブ閉弁中常に必要荷重Ｆｓ＝30kgfを得られるようにするのである。バルブ開弁中はリフト量増加につれ荷重増加傾向にあるスプリングと、荷重減少傾向にある磁石との足し合わせにより、バルブを閉弁させるのに最低必要な荷重を確保し、リフト量が増加しても必要以上に駆動エネルギが消費されるのを防止できる。
【００７１】
図１１に示したバルブスプリングと磁石との特性（絶対値は異なる）に基づき、駆動エネルギを計算した結果を図１２に示す。図１２は、１本のバルブを最大リフトＬmax＝11.8mm（図８参照）させるのに最低必要なエネルギを示している。
【００７２】
既述したように、通常のカム駆動方式では(a)に示す通り1.65Jである。これに対し、本実施形態において磁石１７及び低圧室３２を省略し、バルブスプリングのみで閉弁着座時の力Ｆｓ＝30kgfを確保するカムレス方式の場合、(d)に示す通り4.85Jもの高いエネルギを要する。ちなみに参考までに、バルブスプリング及び磁石の代わりに4.43MPaの油圧で閉弁着座時の力Ｆｓ＝30kgfを確保し、且つ低圧室からの低圧導入により駆動エネルギを低減したカムレス方式の場合、(b)に示す通り3.48J必要である。これにおいて油圧を20MPaに高めると、(c)に示す通り15.67Jもの非常に高いエネルギが必要となる。一方、磁石を用い低圧導入を行う本実施形態の場合だと、(e)に示す通り2.1Jと大幅にエネルギを低減し、通常のカム駆動方式と同等にすることができる。以上の結果により本実施形態の優位性は立証されたことになる。
【００７３】
なお、磁石を使用しない場合、閉弁保持力Ｆｓ＝30kgfを別の方法で発生させる必要がある。スプリング又は油圧を使用すると上記のように駆動損失が増加するので、有効な方法とはいえない。ただ、それらを使用しても装置自体は成立する。
【００７４】
磁石としては、永久磁石の他、電磁石等他の磁石も使用可能である。但し、永久磁石とした方がコスト安となり、電磁石の駆動エネルギ等も不要になるので、より好ましい。
【００７５】
ところで、本実施形態では圧力室１８に導入される圧力が高いほど効率が高いことが判明している。図１３は、投入エネルギ（横軸）に対するバルブの最大リフト（縦軸）の関係を示したもので、圧力室１８に導入される高圧燃料の圧力を10MPa（破線）、100MPa（一点鎖線）、200MPa（実線）と振って調べてみた。これによると圧力が高い方が効率が良くなることが分かる。通常のカム駆動方式だと、1.65JのエネルギでＬmax＝11.8mmの最大リフトを得ており、10MPaでもこれと同等の特性を得られる。しかし、さらに圧力を上げれば、同一リフトに対して必要なエネルギが減少され、エネルギ効率を改善することができる。数100MPaもの高いコモンレール圧を利用する本実施形態はこういった意味で駆動エネルギの減少に非常に有効なものである。また別途高圧を作る装置も不要になるので、装置のシンプル化、低コスト化に貢献し得るものである。
【００７６】
次に、バルブリフト時の低圧使用の有効性を検証した結果を図１４に示す。ここでは本実施形態と類似の装置を対象とし、圧力室への低圧導入を行った場合（低圧使用、実線）と行ってない場合（低圧不使用、一点鎖線）とについて調べた。また、バルブを最大リフトＬmax＝11.8mmさせるのに必要なエネルギ（縦軸）を、圧力室に導入する高圧圧力（横軸）を振って調べてみた。なお通常のカム駆動ではＸに示すように必要エネルギは1.65Jである。
【００７７】
図から分かるように、低圧を使用した場合、使用しない場合に比べ1/2〜1/4のエネルギで済むのが分かる。これにより低圧導入の優位性が証明された。
【００７８】
また、本実施形態には次のような構造上の特徴もある。
【００７９】
図１に示されるように、本実施形態では、バルブ１１が全閉から全開になるまでの間、ピストン１３がピストン挿入孔４４から抜けることがなく、ピストン１３の移動量に対する圧力室１８の容積の増大量の比が一定に保たれる。従って、圧力室１８に導入された高圧燃料又は低圧燃料による圧力エネルギを全て効率良くバルブ１１の運動エネルギに変換することができ、エネルギの損失を低減できると共に、駆動損失をも低減することができる。
【００８０】
逆にいえば、仮にバルブ１１が全閉から全開になる途中に、ピストン１３がピストン挿入孔４４から抜けてしまって圧力室１８の断面積が急激に拡大し、ピストン１３の移動量に対する圧力室１８の容積の増大量の比がピストン１３が抜けた瞬間から増大してしまうような構造にすると、せっかく増大された圧力室１８の圧力が、ピストン１３が抜けた瞬間から激減してしまい、バルブ１１の運動エネルギに有効に変換されなくなってしまう。このような構造に比べ、本実施形態は、バルブ１１が全閉から全開になるまでの間、圧力エネルギを有効にバルブ１１の運動のために利用し得るものであり、有利な構造である。
【００８１】
また、本実施形態では、アクチュエータボディ１４の外部に設置された低圧室３２から、アクチュエータボディ１４の内部に設けられた専用の孔等による通路３１を通じて、低圧燃料が直接的に圧力室１８に導入される。これによって、低圧燃料の流路が過大になることが防止され、低圧燃料の即座の導入が可能となり、制御性、応答性が高められる。
【００８２】
特に、圧力室１８に接続される通路は出口４１と通路３１との二つのみであり、従来の三つより少ない。これにより圧力室１８の容積を極力小さくすることができ、バルブ開弁駆動時の供給エネルギを少なくすると共に、バルブ開弁時の供給エネルギに対するバルブの運動エネルギへの変換割合である有効エネルギ割合を増加でき、バルブの駆動エネルギの減少並びに出力及び燃費の向上を図ることができる。
【００８３】
この効果は、従来別々であった、低圧導入のための第二の作動弁３４と、流体排出のための第三の作動弁３０とを一箇所にまとめた点、図２乃至図４の例では一つのバルブユニット１９に含ませた点によるところが大きい。そして各作動を支障無く行えるよう上記構成を採用した点によるところが大きい。上記実施形態においては、圧力室１８から第二の作動弁３４を通過するような流れの向きを考えた場合、第三の作動弁３０が第二の作動弁３４の下流側に設けられる。このような配置により第二の作動弁３４と第三の作動弁３０とを支障無く作動させることができる。
【００８４】
図５乃至図７には他の実施形態を示す。なお前記実施形態と同一の部分については図中同一符号を付し詳細な説明を省略する。
【００８５】
図５に示されるように、この実施形態では、バルブユニット１９から第二通路５６及び第三の作動弁３０が省略され、代わりに第三の作動弁３０が低圧室３２に直接設けられる。第三の作動弁３０の入口は低圧室３２に接続され、第三の作動弁３０の出口はフィード回路３３に接続される。その他の点は前記実施形態同様である。
【００８６】
図５は図２に対応した、バルブユニット１９の電磁ソレノイド６２がＯＦＦの状態である。図６は図３に対応した、圧力室１８への低圧導入状態であり、電磁ソレノイド６２は同様にＯＦＦされている。図７は図４に対応した、圧力室１８からの燃料排出状態であり、電磁ソレノイド６２がＯＮされる。このとき圧力室１８から弁室５４から流入してきた高圧燃料は、第一通路５５を通じて低圧室３２に至り、第三の作動弁３０を押し開けてフィード回路３３に排出される。
【００８７】
なお、この実施形態から理解されるように、第三の作動弁３０は第一通路５５に設けても構わない。
【００８８】
本発明の実施の形態は他にも様々なものが考えられる。上記実施形態では作動流体をエンジンの燃料（軽油）とし、高圧作動流体をコモンレール圧の燃料、低圧作動流体をフィード圧の燃料としたが、作動流体は通常のオイル等でもよく、別途油圧装置で高圧と低圧とを作ってもよい。但しコモンレールディーゼルエンジンの場合は元々燃料による高圧と低圧とが作られているので、上記実施形態のようにそれらを利用する方が構成がシンプル、低コストとなって望ましい。
【００８９】
上記実施形態ではバルブを閉作動方向に付勢するためバルブスプリングと磁石を併用したが、バルブスプリングのみ、或いは磁石のみと各々単独で用いることも考えられる。上記実施形態では磁石１７で鍔部１５を吸引する構成としたが、別段このような構成でなくても構わない。
【００９０】
内燃機関はコモンレールディーゼルエンジンに限らず、通常の噴射ポンプ式ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等であってもよい。第一の作動弁は上記のような圧力バランス式制御弁に限らず、通常のスプール弁等であってもよい。第一の作動弁２０及びバルブユニット１９における電気アクチュエータは、電磁ソレノイド２８、６２を用いた電磁アクチュエータに限らず、ピエゾ素子又は超磁歪素子等を用いたものでもよい。ただしこれらアクチュエータは動作速度ができるだけ高速であるのが望ましく、各作動弁の動作速度、応答性はできるだけ高いのが望ましい。
【００９１】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、圧力室の容積を縮小することができ、バルブ開弁駆動時の供給エネルギを少なくすることができると共に、バルブ開弁時の有効エネルギ割合を増加でき、バルブの駆動エネルギの減少並びに出力及び燃費の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る動弁駆動装置の全体図である。
【図２】バルブユニットの要部断面図で、電磁ソレノイドがＯＦＦの通常状態である。
【図３】バルブユニットの要部断面図で、低圧導入状態である。
【図４】バルブユニットの要部断面図で、高圧排出状態である。
【図５】他の実施形態に係るバルブユニットの要部断面図で、電磁ソレノイドがＯＦＦの通常状態である。
【図６】他の実施形態に係るバルブユニットの要部断面図で、低圧導入状態である。
【図７】他の実施形態に係るバルブユニットの要部断面図で、高圧排出状態である。
【図８】本実施形態における動弁制御の内容を示したタイムチャートである。
【図９】本実施形態の動弁駆動装置において各部の作動状態を示すタイムチャートである。
【図１０】通常のカム駆動ディーゼルエンジンにおける摩擦損失を示したグラフである。
【図１１】バルブ開弁保持力について、バルブスプリングと磁石との比較を示したグラフである。
【図１２】バルブの最大リフトに必要なエネルギを比較して示すグラフである。
【図１３】各高圧値に対するバルブの駆動効率を比較して示すグラフである。
【図１４】低圧使用の有効性の検証結果を示すグラフである。
【符号の説明】
２  コモンレール
１１  バルブ
１８  圧力室
１９  バルブユニット
２０  第一の作動弁
３０  第三の作動弁
３２  低圧室
３４  第二の作動弁
５０  バルブストッパ
５２  弁体
５３  傘弁部
６１  電磁アクチュエータ
【図１】
0003952845.tif 000002
【図２】
0003952845.tif 000003
【図３】
0003952845.tif 000004
【図４】
0003952845.tif 000005
【図５】
0003952845.tif 000006
【図６】
0003952845.tif 000007
【図７】
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【図８】
0003952845.tif 000009
【図９】
0003952845.tif 000010
【図１０】
0003952845.tif 000011
【図１１】
0003952845.tif 000012
【図１２】
0003952845.tif 000013
【図１３】
0003952845.tif 000014
【図１４】
0003952845.tif 000015