(57)【要約】本発明の目的は、機械カムを有しない所謂カムレスバルブ駆動方式において、バルブ駆動エネルギを低減し、燃費向上等を図ることにある。本発明の好適な一態様によれば、内燃機関の動弁駆動装置は、内燃機関の吸気弁又は排気弁をなすバルブ（１１）を開閉駆動するための作動流体が供給される圧力室（１８）と、バルブ（１１）の開弁初期の所定期間（ｔＣＰ１）において圧力室（１８）に高圧（Ｐｃ）作動流体を供給する第一の作動弁（２０）と、その所定期間（ｔＣＰ１）の経過後に圧力室（１８）に低圧（Ｐｆ）作動流体を導入するための第二の作動弁（３４）と、バルブ（１１）の閉弁時に圧力室（１８）から作動流体を排出させる第三の作動弁（３０）とを備える。また本発明の好適な一態様によれば、内燃機関の動弁駆動装置は、バルブ（１１）を閉弁方向に付勢するバルブスプリング（１６）及び磁石（１７）をさらに備え、これによりバルブ開弁中の開弁保持力が必要最小限に抑制され、バルブ駆動エネルギが低減される。
2002079614.tif 000002
【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、
上記バルブを開弁させるための加圧された作動流体が供給される圧力室と、
上記バルブの開弁初期の所定期間において、上記圧力室に高圧作動流体を供給するための高圧作動流体供給手段と、
上記開弁初期の所定期間の経過後、上記圧力室に低圧作動流体を導入するための低圧作動流体導入手段と、
上記バルブを閉弁させるために上記圧力室から上記作動流体を排出するための作動流体排出手段と、
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】
上記高圧作動流体供給手段が、上記バルブの開弁中期の所定期間においても、上記圧力室に高圧作動流体を供給する請求項１記載の内燃機関の動弁駆動装置。
【請求項３】
上記高圧作動流体供給手段が、上記圧力室への上記高圧作動流体の供給又は供給停止を切り換えるための第一の作動弁を備え、上記低圧作動流体導入手段が、上記圧力室への上記低圧作動流体の導入又は導入停止を切り換えるための第二の作動弁を備え、上記作動流体排出手段が、上記圧力室からの上記作動流体の排出又は排出停止を切り換えるための第三の作動弁を備える請求項１又は２記載の内燃機関の動弁駆動装置。
【請求項４】
上記低圧作動流体導入手段が、上記低圧作動流体が貯留される低圧室と、上記圧力室に接続され上記低圧室に貯留された上記低圧作動流体を上記圧力室に直接的に導入する低圧通路とをさらに備え、上記第二の作動弁が、上記低圧通路の出口部に設けられた逆止弁からなる請求項３記載の内燃機関の動弁駆動装置。
【請求項５】
上記第一の作動弁が、ニードル状のバランス弁と、当該バランス弁の一端側に面して上記圧力室に供給される高圧作動流体を流通させると共に上記バランス弁によって開閉される供給通路と、上記バランス弁の他端側に面して上記バランス弁を閉弁方向に駆動する高圧作動流体が導入される弁制御室と、上記バランス弁を閉弁方向に付勢するバネと、上記弁制御室の出口を開閉するアーマチュアと、与えられるＯＮ／ＯＦＦ信号に応じて上記アーマチュアを開閉駆動する電気アクチュエータとを備える請求項３又は４記載の内燃機関の動弁駆動装置。
【請求項６】
上記電気アクチュエータが電磁ソレノイドからなる請求項５記載の内燃機関の動弁駆動装置。
【請求項７】
上記第三の作動弁が、上記バルブの閉弁開始時に開とされ、上記バルブが全閉となる前に閉とされる請求項３乃至６いずれかに記載の内燃機関の動弁駆動装置。
【請求項８】
上記バルブを閉弁方向に付勢するバルブスプリング又は磁石の少なくとも一方を備える請求項１乃至７いずれかに記載の内燃機関の動弁駆動装置。
【請求項９】
上記バルブスプリング及び上記磁石の両方を備える
請求項８記載の内燃機関の動弁駆動装置。
【請求項１０】
上記磁石が永久磁石である請求項８又は９記載の内燃機関の動弁駆動装置。
【請求項１１】
上記バルブに連結され、上記圧力室の一面を区画形成する受圧面を有したピストンを備え、上記バルブが全閉から全開になるまでの間、上記ピストンの移動量に対する上記圧力室の容積の増大量の比が一定に保たれる請求項１乃至１０いずれかに記載の内燃機関の動弁駆動装置。
【請求項１２】
上記内燃機関がコモンレールディーゼルエンジンであり、上記作動流体がエンジンの燃料であり、上記高圧作動流体がコモンレールに蓄圧される燃料であり、上記低圧作動流体がフィード圧の燃料である請求項１乃至１１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】
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。
背  景  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３０１９２７５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。
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。
発  明  の  開  示
本発明の目的は、バルブ駆動に際しての駆動損失を低減し、燃費向上等に寄与し得る内燃機関の動弁駆動装置を提供することにある。
本発明の他の目的は、バルブを開弁状態に保持するときのバルブ開弁保持力をできるだけ減少させ、バルブ駆動エネルギを低減す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。
本発明のさらなる他の目的は、通常の機械カム駆動方式による場合と同等のバルブ駆動エネルギでバルブを開弁できる流体圧を利用した内燃機関の動弁駆動装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、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駆動装置であって、上記バルブを開弁させるための加圧された作動流体が供給される圧力室と、上記バルブの開弁初期の所定期間において、上記圧力室に高圧作動流体を供給するための高圧作動流体供給手段と、上記開弁初期の所定期間の経過後、上記圧力室に低圧作動流体を導入するための低圧作動流体導入手段と、上記バルブを閉弁させるために上記圧力室から上記作動流体を排出するための作動流体排出手段とを備えたものを提供する。
好ましくは、上記高圧作動流体供給手段が、上記バルブの開弁中期の所定期間においても、上記圧力室に高圧作動流体を供給する。
好ましくは、上記高圧作動流体供給手段が、上記圧力室への上記高圧作動流体の供給又は供給停止を切り換えるための第一の作動弁を備え、上記低圧作動流体導入手段が、上記圧力室への上記低圧作動流体の導入又は導入停止を切り換えるための第二の作動弁を備え、上記作動流体排出手段が、上記圧力室からの上記作動流体の排出又は排出停止を切り換えるための第三の作動弁を備える。
好ましくは、上記低圧作動流体導入手段が、上記低圧作動流体が貯留される低圧室と、上記圧力室に接続され上記低圧室に貯留された上記低圧作動流体を上記圧力室に直接的に導入する低圧通路とをさらに備え、上記第二の作動弁が、上記低圧通路の出口部に設けられた逆止弁からなる。
好ましくは、上記第一の作動弁が、ニードル状のバランス弁と、当該バランス弁の一端側に面して上記圧力室に供給される高圧作動流体を流通させると共に上記バランス弁によって開閉される供給通路と、上記バランス弁の他端側に面して上記バランス弁を閉弁方向に駆動する高圧作動流体が導入される弁制御室と、上記バランス弁を閉弁方向に付勢するバネと、上記弁制御室の出口を開閉するアーマチュアと、与えられるＯＮ／ＯＦＦ信号に応じて上記アーマチュアを開閉駆動する電気アクチュエータとを備える。
好ましくは、上記電気アクチュエータが電磁ソレノイドからなる。
好ましくは、上記第三の作動弁が、上記バルブの閉弁開始時に開とされ、上記バルブが全閉となる前に閉とされる。
好ましくは、上記バルブを閉弁方向に付勢するバルブスプリング又は磁石の少なくとも一方が設けられる。
好ましくは、上記バルブスプリング及び上記磁石の両方が設けられる。
好ましくは、上記磁石が永久磁石である。
好ましくは、上記バルブに連結され、上記圧力室の一面を区画形成する受圧面を有したピストンが設けられ、上記バルブが全閉から全開になるまでの間、上記ピストンの移動量に対する上記圧力室の容積の増大量の比が一定に保たれる。
好ましくは、上記内燃機関がコモンレールディーゼルエンジンであり、上記作動流体がエンジンの燃料であり、上記高圧作動流体がコモンレールに蓄圧される燃料であり、上記低圧作動流体がフィード圧の燃料である。
本発明の好適な一態様によれば、バルブを開作動（リフト）させるとき、バルブの開弁初期の所定期間に圧力室に高圧作動流体が供給される。すると高圧作動流体が圧力室内に噴出し、圧力室の圧力上昇によりバルブに初期エネルギが与えられる。その後バルブは慣性運動によりリフトするが、この過程で圧力室の圧力が低圧作動流体の圧力以下となると低圧作動流体が圧力室に自ずと導入される。これにより実際の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るので、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。
また、本発明の好適な一態様によれば、バルブを閉弁方向に付勢するバルブスプリング及び磁石が設けられる。バルブスプリングはバルブリフトに応じて閉弁方向の荷重を増加するが、逆に磁石は閉弁方向の荷重を減少させる。よってこれらの足し合わせにより必要最小限の閉弁荷重を確保しつつ、バルブリフトに伴って過剰に閉弁方向の荷重が増加するのを防止でき、バルブ駆動エネルギを減少できる。
本発明の他の目的、構成及び作用効果は、後述の発明の詳細な説明が読まれ、理解された後に当業者にとって明らかになるであろう。
発明を実施するための最良の形態
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。
図１に本実施形態に係る動弁駆動装置を示す。ここでは車両用等のコモンレールディーゼルエンジンへの適用例を示す。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は当然コモンレール圧Ｐｃより低い値で、例えば０．５ＭＰａ程度である。
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。
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アクチュエータＡが設けられ、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、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。
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。
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を開作動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。ここで作動流体にはエンジンの燃料と共通の軽油を用いる。圧力室１８に高圧燃料が導入されるとバルブ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には排出通路１９が接続され、これを通じて圧力室１８の高圧燃料が排出されると、バルブ１１が閉弁する。
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はここでは圧力バランス式制御弁方式を採用している。
即ち、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。
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、出口４１から排出或いは噴出される高圧燃料を圧力室１８に導入するようになっている。また出口４１はバルブ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、受圧面４３はその軸方向に垂直な円形の面である。
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）駆動するための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。
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。
特に、圧力室１８には、アクチュエータボディ１４内に形成された低圧通路３１を介して、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が直接的に連通接続されている。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。低圧通路３１には、圧力室１８の圧力が低圧室３２の圧力以下となったときのみ開となる第二の作動弁としての機械式逆止弁３４が設けられる。
一方、排出通路１９には、圧力室１８からの燃料の排出又は排出停止を切り換えるための第三の作動弁３０が設けられる。第三の作動弁３０はＥＣＵ８に接続されると共に開度が可変な電磁絞り弁であり、ＥＣＵ８から与えられる信号即ちコマンドパルスにより開閉制御される。ここで排出通路１９の出口側は、低圧室３２と同じように、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に接続される。
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。
次に、本実施形態の作用を説明する。
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。
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。
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。
次に、かかる動弁駆動装置の作用を図１及び図２を用いて説明する。図２の上段にはバルブリフト（ｍｍ）が、図２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２の下段にはＥＣＵ８から第三の作動弁３０に与えられるコマンドパルスがそれぞれ示される。
まず、バルブ１１を閉弁状態から開作動（リフト）させるときは、第三の作動弁３０をＯＦＦ（閉）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（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、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又は衝突に対し遅れて行われる。
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。こうなると、逆止弁３４が自動的に開き、低圧室３２の低圧燃料が低圧通路３１を通じて圧力室１８に直接導入される。つまり低圧室３２には圧力室１８の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。なお、この点については後に詳述する。
図示例では、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（破線で示される）に近似したリフトカーブを得ることができる。
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、第三の作動弁３０をＯＮ（開）する。すると圧力室１８の高圧燃料が排出通路１９を通じてフィード回路３３へと排出される。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。
これによれば、上記のように第一の作動弁２０と第三の作動弁３０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２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。第三の作動弁３０をデューティ制御により開度制御することで、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。第三の作動弁３０を閉弁し続けてＫで示されるように全開保持することも可能である。
さらに、仮想線ＣＰｘで示されるように、第三の作動弁３０を、バルブ１１が全閉となる直前でＯＦＦ（閉）とすれば、このＯＦＦ時から圧力室１８内の燃料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。
図８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。
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）。これにより逆止弁３４が開き、低圧室３２に低圧燃料が導入され（（ｄ）図）、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第三の作動弁３０がＯＦＦ（開）されると（（ｅ）図）、バルブ１１が閉弁される。
次に、本実施形態の作用効果をより詳細に説明する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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逆止弁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。
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。
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。
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３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。
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。
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。
一般に、磁石間の力Ｆｍは次式（３）で表される。
Ｆｍ＝１／（４πμ０）・ｑｍｑｍ’／ｒ２  ・・・（３）
ただしμ０；透磁率、ｑｍ、ｑｍ’；磁荷、ｒ；距離である。
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。
（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。
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４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。
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。
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。
図４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５に示す。図５は、１本のバルブを最大リフトＬｍａｘ＝１１．８ｍｍ（図２参照）させるのに最低必要なエネルギを示している。
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。
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。
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。
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６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。
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７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。
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。
また、本実施形態には次のような構造上の特徴もある。
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。
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。
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低圧通路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。また、圧力室１８に隣接した低圧通路３１の出口部に逆止弁３４を位置させたので、逆止弁３４が開いた時から低圧燃料が圧力室１８に導入されるまでのタイムラグを最短にすることができ、これも制御性、応答性改善に大変有効である。さらに、圧力室１８に排出通路１９が直接接続されるので、圧力室１８からの燃料排出をも即座に行うことができ、制御性、応答性改善に有利である。
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。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ても良い。上記実施形態では磁石で鍔部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。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。第三の作動弁も上記のような絞り弁に限らず、通常のスプール弁等であってもよい。ただし、スプール弁は短いストロークで大開口面積が得られる等の利点があるものの、微小流量の制御性に難がある。このため、スプール弁を用いる場合は、動作速度を上げるためにピエゾ素子又は超磁歪素子等を用いるのが好ましい。いずれにしても、作動弁における電気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い。上記実施形態における圧力バランス式の第一の作動弁は、こういった高速動作性、高応答性の要求を満足し得るもので好適である。当然、上記実施形態における圧力バランス式の第一の作動弁において、電気アクチュエータとして電磁ソレノイドの代わりにピエゾ素子又は超磁歪素子等を用いることも可能である。
以上要するに本発明によれば、バルブ駆動に際しての駆動エネルギを低減し、出力、燃費向上等を図れるという、優れた効果が発揮される。
本願は日本国特許出願／特願２００１−０９６０２９（２００１年３月２９日出願）を優先権主張の基礎としており、上記日本出願の内容は本願明細書に記載されたものとする。
産業上の利用可能性
本発明は、車両用、産業用若しくは汎用等のディーゼルエンジン又はガソリンエンジン等、吸気弁又は排気弁を備えたあらゆる内燃機関に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施形態に係る動弁駆動装置の構成図である。
図２は、本装置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３は、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４は、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５は、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６は、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７は、低圧使用の有効性の検証結果を示すグラフである。
図８は、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１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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