(57)【要約】  内燃エンジンのポペットバルブ（３０）を操作するためのアクチュエータ。アクチュエータは回転部分（４）と本体部分（２）とを備え、回転部分はカム面（５０、６０）を画成する。カムフォロア（１０）はカム面と係合し、リンケージは一端でカムフォロアに連結され、他端でバルブステム（１２）に連結される。カム面（５０、６０）は、例えば、アクチュエータの故障に続くエンジンのピストンによるバルブステムへの閉じる力の作用により、カムフォロア（１０）が回転部分（４）に回転力を及ぼすような形状とされる。
2020521913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バルブを操作するためのアクチュエータであって、
回転部分及び本体部分であって、前記回転部分は、前記アクチュエータの作動によって回転軸を中心として前記本体部分に対して回転可能であり、前記回転部分はカム面を画成する、回転部分及び本体部分と、
前記カム面が回転する際に前記カム面と係合するカムフォロアと、
一端で前記カムフォロアに連結され、その他端でバルブステムに連結されるリンケージと、を備え、
第１の回転位置から第２の回転位置への前記回転部分の回転は、前記カムフォロアの変位を生じさせ、これにより更に、前記リンケージの前記他端が第１の位置から第２の位置に移動し、
前記カム面は、前記他端をその第２の位置からその第１の位置に向けて付勢する前記リンケージの前記他端の力の作用により、前記カムフォロアが前記回転部分をその第１の回転位置に向かって回転させるように前記回転部分に回転力を及ぼすような形状とされる、
アクチュエータ。
【請求項２】
前記カム面は、前記回転部分がその第２の回転位置にある場合、前記回転部分の前記回転軸に垂直な平面内にあり且つ前記カムフォロアによる接触点において前記カム面に垂直な基準線が前記回転部分の前記回転軸から間隔をおいて配置されるような形状とされる、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記カム面は、前記回転部分がその第２の回転位置、又は前記第２の回転位置から前記第１及び第２の回転位置の間の中間回転位置までの範囲内の回転位置にある場合、前記基準線が前記回転部分の前記回転軸から間隔をおいて配置されるような形状とされる、請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記第１の位置はバルブ閉位置に対応し、前記第２の位置はバルブ開位置に対応する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記第２の位置はバルブ全開位置に対応する、請求項４に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記アクチュエータは電磁アクチュエータであり、前記回転部分はロータを備え、前記本体部分はステータを備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記アクチュエータは油圧アクチュエータである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記アクチュエータは空気圧アクチュエータである、請求項１〜５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
少なくとも１つの吸気又は排気バルブを有する少なくとも１つのシリンダ、ピストン、及び請求項１〜８のいずれか一項に記載のアクチュエータを含む内燃エンジンであって、前記少なくとも１つのバルブは前記エンジンのクランクシャフトの回転とは無関係に動作可能であり、前記アクチュエータリンケージの他端は、前記アクチュエータが前記少なくとも１つのバルブを作動させることを可能にするよう、前記少なくとも１つのバルブに連結される、内燃エンジン。
【請求項１０】
前記エンジンはディーゼルエンジンである、請求項９に記載のエンジン。
【請求項１１】
前記バルブはバルブ軸に沿って往復運動するよう配置されるバルブステムを含み、前記ピストンはピストン軸に沿って往復運動するよう配置され、前記バルブ軸は前記ピストン軸に略平行である、請求項９又は請求項１０に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルブアクチュエータに関する。より詳細には、本体部分に対して回転可能であり、カム駆動型リンケージを含む回転部分を有する回転アクチュエータに関する。かかるアクチュエータは、例えば、内燃エンジンのポペットバルブを操作するために用いられてもよい。
【背景技術】
【０００２】
国際公開第２００４／０９７１８４号パンフレットは、内燃エンジンのバルブを開閉するために用いられてもよい回転電磁アクチュエータを説明している。バルブはエンジンのクランクシャフトの動きとは無関係に動作可能である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明は、バルブを操作するためのアクチュエータであって、
回転部分及び本体部分であって、回転部分は、アクチュエータの作動によって回転軸を中心として本体部分に対して回転可能であり、回転部分はカム面を画成する、回転部分及び本体部分と、
カム面が回転する際にカム面と係合するカムフォロアと、
一端でカムフォロアに連結され、その他端でバルブステムに連結されるリンケージと、を備え、
第１の回転位置から第２の回転位置への回転部分の回転は、カムフォロアの変位を生じさせ、これにより更に、リンケージの他端が第１の位置から第２の位置に移動し、
カム面は、他端をその第２の位置からその第１の位置に向けて付勢するリンケージの他端の力の作用により、カムフォロアがそれをその第１の回転位置に向かって回転させるように回転部分に回転力を及ぼすような形状とされる、アクチュエータを提供する。
【０００４】
万一アクチュエータ又は関連する制御システムの一部が故障又は誤作動した場合、バルブのヘッドが関連するシリンダのピストンと当接し、バルブ及び／又はエンジンの他の部品に損傷を引き起こし得るリスクがある。特に、バルブが全開している場合、バルブステムの動きはアクチュエータ機構によって機械的に妨げられ、それによって、ピストンとバルブが接触した場合に１つ以上の構成部品に対する実質的な損傷の可能性が増加し得る。本発明によれば、リンケージ及びカム編成は、少なくともピストンとバルブの接触が起こり得るバルブ移動範囲にわたって、バルブシートに向かうバルブヘッドの移動がアクチュエータによって妨げられないように構成されてもよい。従って、衝突シナリオ中に、例えばピストンによって押圧力がバルブヘッドに及ぼされた場合、バルブヘッドは移動することができ、それにより損傷が回避される。主張される構成において、カム面及びカムフォロア及び／又はリンケージの寸法形状は、少なくともピストンとバルブの接触が起こり得るバルブ移動範囲にわたって、バルブステムをバルブ閉位置に向かって付勢する力により、カムフォロアがリンケージを介してアクチュエータの回転部分にトルクを及ぼし、アクチュエータによるバルブ閉止中に駆動される場合と同様にカム面を回転させ、それによって、リンケージ及びバルブステムがバルブ閉位置に向かって移動することを可能にするように選択されてもよい。
【０００５】
カムフォロアは、リンケージの一端に取り付けられるか又は連結されてもよい。リンケージの他端は、バルブステムに連結又は接続されるようなされていてもよい。リンケージは、回転部分のカム面によるカムフォロアの変位をリンケージの他端の直線運動に変換するよう動作可能であってもよい。
【０００６】
カム面は、回転部分がその第２の回転位置にある場合、回転部分の回転軸に垂直な平面内にあり且つカムフォロアによる接触点においてカム面に垂直な基準線が回転部分の回転軸から間隔をおいて配置されるような形状とされるのが好ましい。カムフォロアの作用線と回転部分の回転軸との間のこの間隔は、ピストンとバルブの接触から生じる望ましくない力が、結果として回転部分をその第１の回転位置に向かって回転させるトルクを生じるようなレバーアームを提供する。
【０００７】
好ましい実施形態において、カム面は、回転部分がその第２の回転位置、又は第２の回転位置から第１及び第２の回転位置の間の中間回転位置までの範囲内の回転位置にある場合、基準線が回転部分の回転軸から間隔をおいて配置されるような形状とされる。従って、バルブ全開位置に対応する位置までの及びそれを含む回転部分の回転の一部にわたって、リンケージ及びカム編成の寸法形状は、リンケージの他端をその第２の位置からその第１の位置に向かって付勢するリンケージの他端における力により、カムフォロアがそれを第１の回転位置に向かって回転させるように回転部分に回転力を及ぼすようになっている。これは、リンケージの他端に連結されたバルブが、例えば、ピストンとバルブヘッドとの間の接触の結果として、そのように付勢される場合にその閉位置に向かって移動することを可能にしてもよい。
【０００８】
カム面のカムリフト（すなわち、（ａ）回転部分の回転軸からの所定の点におけるカム面の距離と（ｂ）回転部分の回転軸からのカム面の「基礎円」（又は最小半径）の距離との間の差）は、バルブ開位置に対応する点までの又はそれを含む部分（カム面のバルブ開口部を形成する部分）にわたって連続的に増加してもよい。カムリフトが増加することは、カムフォロアによってカム面に及ぼされる力の作用線と、回転部分の回転軸との間の望ましいオフセットを提供する。
【０００９】
リンケージの他端の第１の位置はバルブ閉位置に対応し、第２の位置はバルブ開位置に対応するのが好ましい。特に、第２の位置はバルブの全開位置に対応していてもよい。
【００１０】
アクチュエータは、回転部分がロータを備え、本体部分がステータを備える電磁アクチュエータであってもよい。代替として、アクチュエータは油圧又は空気圧アクチュエータであってもよい。
【００１１】
本発明は、更に、少なくとも１つの吸気又は排気バルブを有する少なくとも１つのシリンダ、ピストン、及び本明細書中で説明するようなアクチュエータを含む内燃エンジンであって、少なくとも１つのバルブはエンジンクランクシャフトの回転とは無関係に動作可能であり、アクチュエータリンケージの他端は、アクチュエータが少なくとも１つのバルブを作動させることを可能にするよう、少なくとも１つのバルブに連結される、内燃エンジンを提供する。
【００１２】
エンジンは、例えば、ガソリン又はディーゼルエンジンであってもよい。本開示は、この種類のエンジンがバルブとピストンとの間の減少したクリアランス距離で動作する傾向があるため、ディーゼルエンジンに適用する場合に、特に有益である可能性がある。
【００１３】
好ましい実施形態において、バルブはバルブ軸に沿って往復運動するよう配置されるバルブステムを含み、ピストンはピストン軸に沿って往復運動するよう配置され、バルブ軸はピストン軸に略平行である。かかる構成において、万一ピストンとバルブが接触した場合、ピストンはバルブ軸に略平行な力をバルブステムに及ぼす可能性があり、それによって、ピストンによってそれに及ぼされる力の結果としてバルブステムが曲がるリスクを低減している。
【００１４】
本発明の実施形態を、例として、以下の添付略図を参照してここで説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、対称カム面を有するアクチュエータのロータを備えた、バルブと組み合わせたアクチュエータを示す図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態によるアクチュエータ及びバルブを示す図である。
【図３】図３は、バルブヘッドの上方変位後の図２のアクチュエータ及びバルブ構成を示す。
【図４】図４は、本発明の一実施形態によるカム面プロファイルの側面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は、本発明の適用範囲外の電磁アクチュエータ及びバルブ構成を示している。アクチュエータは、それに取り付けられるロータ４を有するステータ２を備えている。ロータは回転軸６を中心として回転可能である。ロータは、それと共に回転するカム面８を画成している。カムフォロア１０は、カム面が回転する際にカム面と当接した状態に維持される。
【００１７】
カムフォロアは、例えば、ばね等の付勢編成によってカム面と当接するよう付勢されてもよい。代替として、デスモドロミック構成において、第２のカム及びカムフォロア機構がバルブステムの閉動作を制御するために採用されてもよい。
【００１８】
カムフォロア１０は、機械的リンケージ１４によってバルブステム１２に連結されている。リンケージは、共に堅固に接続され、ロッカーピボット２０を中心として回転可能であるカムフォロアアーム１６及びロッカーアーム１８を備えている。カムフォロア１０は、カムフォロアアーム１６の遠位端に取り付けられている（又は一体的に形成されている）。
【００１９】
ロッカーアーム１８は、第１のピボットジョイント２４により剛性リンクアーム２２の一端２１に枢動可能に連結されている。リンクアーム２２の他端２３は、第２のピボットジョイント２６を介してバルブステム１２に枢動可能に連結されている。
【００２０】
バルブ３０は、バルブステム１２、バルブステムに堅固に接続されるバルブヘッド３２、及びバルブシート３４（エンジンのシリンダヘッドによって支持される）を備える。バルブガイド（図示せず）は、バルブヘッド３２をバルブシート３４と係合又は非係合状態にすることによってバルブを開閉するよう、バルブ軸に沿ったバルブステムによる方向Ｄの直線往復運動を可能にする。
【００２１】
図１に示すアクチュエータ及びバルブ構成の動作において、アクチュエータ制御システムの制御下でのロータの回転により、カムフォロア１０がカム面８を辿るにつれてその変位が生じる。図に示す位置において、カムフォロアは、回転軸６からの最大距離であるカム面上の点と係合している。この位置において、バルブは全開位置にあり、バルブヘッド３２はシート３４から最大距離に変位している。
【００２２】
ロータが図１に示す位置からいずれかの方向に回転すると、回転軸から離れた（カムフォロアによるカム面上の）接触点の距離が減少する。カムフォロアが表面を辿るにつれて、リンケージはバルブヘッドをそのシートに向かって移動させる。カムフォロアがその回転軸からの最小距離におけるカム面上（カム面の「基礎円」４０上）の点に到達すると、バルブヘッドはバルブシートと係合する。
【００２３】
図１に示す形態の構成において、バルブの開閉は、２つの位置の間でロータを揺動させるか、又はロータを同じ回転方向に連続的に回転させることによって達成されてもよい。
【００２４】
図１において、バルブが図面に示すようなその全開位置にある場合、ロータの回転軸に垂直な平面内にあり且つカム面とのカムフォロアの接触点においてカム面に垂直な基準線「ｌ」は回転軸６を通過することを見て取ることができる。結果として、バルブヘッド３２が、方向Ｆでそれに作用する力の結果として、その閉位置に向かって付勢され得た場合、バルブステムの上方への動きは、線ｌに沿った力がロータに回転力を生成しないように、リンケージ１４及びロータ４により妨げられる。故障状態において、ピストンがバルブヘッドに当接し得た場合、バルブヘッドはピストンとの動きから妨げられ、大きな損傷につながる。
【００２５】
図２及び３は、図１のものと同様のアクチュエータ及びバルブの組み合わせを示している。同じ符号を、同一又は対応する特徴に対して用いる。図２及び３の構成は、ロータが修正されたカム面５０を有するという点で図１のものとは異なる。図２のカム面５０の形状と図１に示すカム面８の形状との間の重要な差異は、バルブがその（図１及び２の場合である）全開位置にある場合にカムフォロア１０によって係合される表面上の点に存在する。
【００２６】
図２に示すようなバルブの全開状態で、ロータ４の回転軸６に垂直な平面内にあり且つカムフォロア１０による接触点においてカム面５０に垂直な基準線「Ｌ」はロータの回転軸から距離「ｘ」だけ間隔をおいて配置されることを見て取ることができる。従って、力Ｆがバルブヘッドに作用してそれをそのバルブシートに向かって動かす場合、リンケージ１４により、カムフォロア１０が基準線Ｌに沿ってカム面に力を及ぼす。このバルブを閉じる力の作用線とロータの回転軸との間のオフセットｘの結果として、カムフォロアはロータにトルクを及ぼす。これにより、ロータが図２及び３に示す図において反時計回りに回転し、バルブヘッドがそのシートに向かって移動することを可能にする。かかる動きに続くバルブ及びアクチュエータの配置を図３に示す。従って、故障状態下で、力Ｆがピストンによってバルブヘッドに作用された場合、バルブはピストンによってそのシートに向かって変位可能であり、バルブ又はアクチュエータへの損傷を防止する。
【００２７】
カム面、カムフォロア、及びリンケージの形状及び寸法は、ピストンとバルブの接触事態中に（少なくとも、この接触が生じる可能性のあるカム及びリンケージの位置に対して）生成される大きさのバルブ上の力が、アクチュエータの回転部分に十分なトルクを及ぼして、アクチュエータが生成できる最大トルクを容易に克服するように選択される。このトルクは距離「ｘ」に比例することは正しく認識され（図２上に示すように）、そのため、ピストンとバルブの接触が起こり得るカムフォロア及びカム面位置の範囲を超えて、この距離は必要なトルクを生成するよう十分に大きいべきである。
【００２８】
図４は、本発明を具現化するカム面プロファイル６０の拡大図である。それは、図２及び３に示すカム面５０と同様の特徴を有しており、ここでより詳細に説明する。
【００２９】
図４において、カム面プロファイル６０は、回転軸６においてそれぞれ角度ａからｄに対する４つの連続する区間６２、６４、６６、及び６８に分割されている。カム面は、カム面の基礎円に対応する区間６４及び６６に沿って軸６からその最小距離にある。区間６２は、区間６４の基礎円から点７０までの軸６からのその距離を次第に且つ連続的に増加させるカム面を画成している。同じ回転方向にカム面に沿って連続し、点７０から開始して、軸６からのカム面の距離は、区間６６の開始時に基礎円に平滑に溶け込むよう急激に減少する前に、区間６８に沿って更に増加し続ける。
【００３０】
破線の円７２及び７４は、バルブ開放事象の開始時のカムフォロアのための可能性のある位置を特定している。それらは、基礎円区間６６の各端部に位置している。バルブを開くために、ロータは図４の方向から見た場合に時計回りに回転し、それによりカムフォロアが区間６６から区間６４上に移動する。区間６４は、カムプロファイル上の「平静な傾斜路」に対応するか又はそれを含んでいてもよい。ロータが回転し続けると、カムフォロアは、次いで、カムフォロアを回転軸６から離して移動させるカムプロファイルの区間６２上に移動する。リンケージ１４は、カムフォロアのこの動きをバルブの開放動作に変換する。バルブが開放される程度は、ロータの回転量を制御することによって制御可能であり、従って、カムフォロアがカム面６２に沿ってどれだけ移動するかを制御可能である。
【００３１】
図４の実施形態において、カム区間６２の一端における点７０は、バルブ全開位置に対応している。この実施例において、基準線Ｌ（回転軸６に垂直な平面内にあり且つこの点においてカム面に垂直）が発明に従って回転軸から間隔をおいて配置されることを見て取ることができる。
【００３２】
この実施形態において、カム面は、点７０を超え、カム面の区間６８の一端における部分７６に沿って回転軸からのその距離を増加し続ける（すなわち、カムリフトが増加する）。通常の使用において、カムフォロアはこの表面上を移動しない。しかし、フォロアが、例えば製造公差により、点７０を僅かに超えて移動したとしても、ピストンとバルブの接触があると、回転力がロータに及ぼされることが保証される。
【００３３】
基準線Ｌが回転軸６からオフセットされているため、力は軸に対してレバーアームを有し、それによりロータにトルクを及ぼす。このトルクは、ロータとそのステータとの間に作用する電磁力、及びロータの慣性を無効にし、バルブ、ピストン、又は機械、電気、若しくは制御システムのいずれの部分も損傷することなく、バルブが閉じることを可能にする。
【００３４】
かかるカム面構成は、図１の構成に関して説明したように、全回転モードではなく、バルブを開閉する揺動モードにおける使用を意図している。カムフォロアは、バルブヘッドが既に名目上の全開位置にあるので、通常、点７０を超えてカム面部分７６上に実質的に移動することができない。
【００３５】
図２及び３の実施形態は、バルブを作動させる電磁アクチュエータを含む編成を示している。本開示に従って、他の種類のアクチュエータが用いられてもよいことは正しく認識されるであろう。例えば、回転式油圧又は空気圧アクチュエータが採用されてもよい。油圧又は空気圧の実装において、アクチュエータがピストンとバルブの接触によって回転する場合に流体を放出できるよう、圧力制限バルブを含むことが適切であってもよい。
【００３６】
図２及び３に示すアクチュエータとバルブのリンケージは、カムフォロアの動きをリンケージの他端に取り付けられるバルブステムの直線変位に変換するのに適したリンケージの実施例の単なる略図にすぎない。他の適切なリンケージ構成の範囲は当業者には容易に明らかであろう。
【図１】
2020521913.tif 000003
【図２】
2020521913.tif 000004
【図３】
2020521913.tif 000005
【図４】
2020521913.tif 000006
【国際調査報告】
2020521913.tif 000007
2020521913.tif 000008