JP6200499B2 - 燃焼機関内のガス交換弁の軸方向変位のためのアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、物体の軸方向変位のためのアクチュエータに関する。厳密には、本発明は、燃焼機関のシリンダーに対する空気の供給と脱気それぞれを制御する１つ又はそれ以上の入口弁又は出口弁を駆動するためにアクチュエータが使用されるものと示唆される燃焼機関のための弁アクチュエータに関する。よって、本発明によるアクチュエータは特に機関弁を駆動するのに適しており、それにより燃焼機関内での１つ又はそれ以上のカムシャフトの必要性が排除される。

本発明によるアクチュエータは、アクチュエータピストンディスクと、アクチュエータピストンディスクへ固定接続されアクチュエータピストンディスクから軸方向に突き出ているアクチュエータピストンロッドであって、アクチュエータピストンディスクと一体にアクチュエータピストンを形成しているアクチュエータピストンロッドと、シリンダー体積部であって、アクチュエータピストンディスクが当該シリンダー体積部を第１部分と第２部分へ分割していて軸方向に当該シリンダー体積部内で非活動位置と活動位置の間を往復変位可能にされている、シリンダー体積部と、シリンダー体積部の第１部分と制御可能に流体連通するように配列されている圧力流体回路と、液体充填空間を備える第１液圧回路であって、アクチュエータピストンロッドがアクチュエータピストンディスクのシリンダー体積部内での軸方向変位に連動して当該液体充填空間に対して軸方向に動かされるように配置されている、第１液圧回路と、を備えている。

前置きとして言及されている型式のアクチュエータは、例えば本出願人自らの米国特許第７，１２１，２３７号から知られている。当該文献は、機関弁を駆動するためのアクチュエータにおいて、アクチュエータピストンのアクチュエータピストンロッドがその自由端の区域に液圧制動デバイスを有し、当該液圧制動デバイスがアクチュエータのアクチュエータハウジング内の機械式ストッパと相互作用するようになっている、アクチュエータを開示している。この液圧制動デバイスの目的は、含まれている小部品を温存し摩耗や不協和を低減するために、燃焼機関のシリンダー内で機関弁の弁頭が弁座に接触する直前に機関弁の動く速さを減じ、それによって制御された閉鎖運動が得られるようにすることである。機関弁及びアクチュエータピストンの、機関弁の閉鎖と連動した正しい制動を獲得するために、機関弁の閉鎖に際し、アクチュエータピストンロッドは、機関弁がその座に接触するのと一体に、アクチュエータハウジング内の機械式ストッパに接触しなくてはならない。

アクチュエータピストンロッドの液圧制動デバイスと機関弁の弁頭の間の相互距離が機械式ストッパと機関弁の座の間の相互距離と同じほど広いことがこの上なく重要である。既知のアクチュエータの問題は、アクチュエータピストンロッドがアクチュエータハウジング内のその機械式ストッパに到達せず、そうすると減速効果が変化するか又はまったく見られないことになってしまう、ということである。

機関弁は作動中は高温に曝されているので、機関弁の弁棒は寸法変化を被ることになり、そのことが直接に上記条件に影響を及ぼす。加えて、含まれる小部品の生産における寸法的な許容範囲が狭ければ製造費用は高くなるだろうし、代わりにあまり狭くない許容範囲が使用されているなら、小部品の相互位置を調節するのにシム又は同種のものを使用する必要性が派生する。また、含まれる小部品は作動中に摩耗し、そのことが小部品の相互位置に影響を及ぼす。

アクチュエータピストンロッドは、液圧制動デバイスに加えて他の機能も有しており、アクチュエータピストンロッドのアクチュエータハウジングに対する位置が、シリンダー体積部の第１部分のサイズを確立するため、シリンダー体積部の第１部分との流体連通を調整するため、など、様々な目的に使用されるようになっていることに言及しておきたい。

米国特許第７，１２１，２３７号

本発明は、これまでに知られているアクチュエータの上記不都合及び不具合を取り除くこと及び改善されたアクチュエータを提供することを目指している。本発明の主な目的は、前置きとして定義されている型式の改善されたアクチュエータにおいて、アクチュエータが静止位置にあるときにはアクチュエータピストンロッドが常に適切に事前定義されている非活動位置をとることを保証するアクチュエータを提供することである。

本発明によれば、少なくとも主な目的は、前置きとして定義されていて独立請求項の中に定義されている諸特徴を有しているアクチュエータによって実現される。本発明の好適な実施形態は更に従属請求項の中に定義されている。

本発明によれば、前置きとして定義されている型式のアクチュエータにおいて、アクチュエータピストンが第２液圧回路を備えており、アクチュエータピストンディスクが当該不活動位置にあるときには第１液圧回路の液体充填空間は第２液圧回路の内空洞部と流体連通にあり、当該内空洞部は、軸方向にアクチュエータピストンに対して往復変位可能であり且つシリンダー体積部の第２部分内で当該ガス交換弁―例えば機関弁から成る―に当接するように配列されている位置決めピストンによって部分的に境界を定められており、第２液圧回路は、内空洞部からの流体流れを阻止するように配置されている弁を備えており、アクチュエータピストンロッドは、アクチュエータピストンディスクが非活動位置にあるときには液体充填空間内のストッパ面に少なくとも部分的に当接するように配置されている自由端を有しており、位置決めピストンの、内空洞部に面している被加圧区域は、アクチュエータピストンロッドの自由端の被加圧区域と同じほどに広大か又はそれより小さい、ということを特徴とするアクチュエータが提供されている。

従って、本発明は、アクチュエータピストンに対する可動式位置決めピストンという手段によって、機関弁が閉じていてアクチュエータが非活動であるときにはアクチュエータピストンロッドが常に事前定義の非活動位置をとることが保証され得る、ということの理解に基づいている。

更なる好適な実施形態では、アクチュエータピストンロッドは、その自由端の区域に、アクチュエータピストンロッドの自由端が当該ストッパ面に接触する前にアクチュエータピストンの動く速さを減じるように配列されている液圧制動デバイスを有している。

本発明の更なる利点及び特徴は、他の従属請求項から、また次に続く好適な実施形態の詳細な説明に、見られる。
本発明の上記及び他の特徴並びに利点のより完全な理解は、添付図面を参照しての次に続く好適な実施形態の詳細な説明から明らかとなるであろう。

第１の実施形態によるアクチュエータの、アクチュエータピストンが非活動位置に置かれているときの概略破断側面図である。 図１に示されているアクチュエータの、アクチュエータピストンが活動位置にあるところを示している概略破断側面図である。 図１及び図２によるアクチュエータの一部分の拡大図であり、第２液圧回路の内空洞部を示している。 第２の実施形態によるアクチュエータの、アクチュエータピストンが非活動位置に置かれているときの概略破断側面図である。 図４に示されているアクチュエータの、アクチュエータピストンが活動位置にあるところを示している概略破断側面図である。

本発明は、物体の軸方向変位のための、全体を１と指定されているアクチュエータに関する。限定ではなく例示を目的に、本発明を、以下に、アクチュエータ１が燃焼機関のシリンダー内の入口弁又は出口弁の様な１つ又はそれ以上のガス交換弁の駆動のために利用される適用に関連して説明してゆく。

まず、本発明によるアクチュエータ１の第１の実施形態を示している図１及び図２を参照する。アクチュエータ１は、アクチュエータハウジング２と、シリンダー体積部又はシリンダー室の境界を定めるシリンダー３と、軸方向に当該シリンダー体積内で非活動位置（図１）と活動位置（図２）の間を往復変位可能であるアクチュエータピストンディスク４と、を備えている。アクチュエータピストンディスク４は、当該シリンダー体積部を第１の上側の部分５と第２の下側の部分６へ分割している。

また、アクチュエータ１は、アクチュエータピストンディスク４へ固定接続されアクチュエータピストンディスク４から軸方向に突き出ていて且つアクチュエータピストンディスクと一体にアクチュエータピストンを形成している、全体を７と指定されているアクチュエータピストンロッド７を備えている。示されている実施形態では、アクチュエータピストンロッド７は、アクチュエータピストンディスク４から或る距離を置いて設けられていてアクチュエータハウジング２の孔に押し当てられて当該孔を密に閉じる第１の厚肉部８と、厚肉部８とアクチュエータピストンディスク４の間に延びていて厚肉部８とアクチュエータピストンディスク４を接続している第２の薄肉部９と、を有している。

アクチュエータ１は、更に、圧力パルスを開始するためにシリンダー体積部の第１部分５へガス又はガス混合物を制御可能に供給するように配列されていて且つ当該圧力パルスを終了させるためにシリンダー体積部の第１部分５からガス又はガス混合物を制御可能に脱気するように配列されている、全体を１０と指定されている圧力流体回路を備えている。

圧力流体回路１０は、圧力流体源（ＨＰ）及び圧力流体シンク（ＬＰ）へ接続されている。圧力流体源は、機関に属していて付属タンクを有しているコンプレッサであってもよいし、又は単純に圧力タンクであってもよい。圧力流体シンクは、圧力流体源に生成される圧力よりも低い圧力を有する何れかの点、例えば大気、であってもよいし、又はコンプレッサへ戻るように通じている導管であってもよい。

示されている実施形態では、アクチュエータ１は、直接又は間接に電気制御される第１弁体１１を備えており、当該第１弁体１１は、圧力流体回路１０内の圧力流体流れの制御のために圧力流体回路１０内に配置されている。電気制御されるとは、電磁デバイスによって制御されること、圧電デバイスによって制御されること、など、を意味する。好適な実施形態では、アクチュエータ１は、更に、３方向弁の形態をしている所謂パイロット弁１２を備えており、当該パイロット弁１２は、電磁石１３によって駆動されるように配置されている。パイロット弁は、同様に、圧電弁であってもよいし、別の類似の電気制御される弁であってもよい。パイロット弁１２は、圧力流体源（ＨＰ）及び圧力流体シンク（ＬＰ）それぞれと流体連通するために稼働ダクト１４を交番式に開くように配置されている。また、第１弁体１１の上端は稼働ダクト１４内に配置されており、そこへ圧力流体源からの圧力流体流れが押し付けるように作用し、第１弁体１１を下向きに変位させる。パイロット弁１２は、ガスばね、機械式ばね、など、の手段によって第１の方向に（右に向かって）付勢されていて、その場合、電磁石１３の活動がパイロット弁１２を第２の方向に（左に向かって）変位させるようになっており、電磁石１３が切られると、パイロット弁１２は他方の方向に（右に向かって）動かされることによって戻る、というようになっているのが望ましい。図では、而して、第１弁体１１が間接に電気制御されていることが示されている。電磁石１３が直接に第１弁体１１に作用する場合には、第１弁体１１は直接に電気制御されており、即ちこの実施形態では、パイロット弁及び稼働ダクトは欠けている。

パイロット弁１２が圧力流体源から稼働ダクト１４へ圧力流体を流すために開くと、第１弁体１１は図１に示されている様に下方位置へ変位するように仕向けられる。第１弁体１１は、而して、圧力流体が圧力流体回路の中を圧力流体回路１０の接続元の圧力流体源からシリンダー体積部の第１部分５へ流れるように開いた状態になる。すると、圧力流体のパルスが、シリンダー体積部内のアクチュエータピストンディスク４を押し付けるように作用し、アクチュエータピストンディスク４を図１に示されている位置から図２に示されている位置へ及び当該位置を越えて変位させる。而して、図１は、第１弁体１０は動かされたがアクチュエータピストンディスク４はまだ動き始めていない瞬時的な画図を示している。図１では、アクチュエータピストンは、而して、その非活動位置に留まったままであり、その後、自身の動きを下向きに開始して圧力パルスを生成することになる。

図２では、自身の活動位置にあるアクチュエータピストンディスク４が示されており、アクチュエータピストンロッド７の厚肉部８が圧力流体回路１０を閉じてしまい、圧力流体源からシリンダー体積部の第１部分５への圧力流体の継続した流入を阻止している。図２では、パイロット弁１２が他方の方向に（右に向かって）動かされ圧力流体シンクと稼働ダクト１４の間の流体連通を可能にし、それによって、ガスばね、機械式羽、など、によって上向きの方向に付勢されている第１弁体１１は、アクチュエータピストンディスク４のその活動位置からその非活動位置へ戻る動きを可能にさせるためのシリンダー体積部の第１部分５のガス脱気のために上方位置へ動かされたところであることも示されている。脱気が起こると、アクチュエータピストンディスク４は、その結果、図１に示されている非活動位置へ戻る。

示されている実施形態では、アクチュエータ１は、弁棒１６と弁頭１７を有する、全体を１５と指定されている機関弁と相互作用する。弁棒１６は、燃焼機関の静止部を貫いてアクチュエータ１のシリンダー３の中へ、より厳密にはシリンダー体積部の第２部分６の中へ延びており、弁頭１７は、燃焼機関のシリンダーへのガス／空気の通過の許容と阻止を交番するために弁座１８と相互作用するように配列されている。機関弁１５は、アクチュエータ１の手段により、アクチュエータ１のアクチュエータピストンディスク４が間接に弁１５の弁棒１６の上端へ作用して弁１５をその閉位置（図１）からその開位置（図２）へ変位させることによって、軸方向に変位可能である。また、燃焼機関は、弁１５をその開位置からその閉位置へ復帰させるように配列されている従来式の概略図示されている弁ばね１９を備えているのが望ましい。弁ばね１９は、その下端を燃焼機関の静止部に直接又は間接に押し当てて、その上端を弁棒１６のその上端の区域へ接続されている担持体２０又は弁ばね保持体に押し当てて、作用する。

アクチュエータ１は、更に、液体充填空間２２を備える全体を２１と指定されている第１液圧回路を備えており、アクチュエータロッド７は、アクチュエータピストンディスク４のシリンダー体積部内での軸方向変位と連動して、当該液体充填空間２２に対して軸方向に動かされるように配置されている。液体は、液体充填空間２２の中へ非復帰弁２３を介して流れ込み、液体充填空間２２から制御可能な弁、つまり示されている実施形態では第１弁１１、を介して流れ出る。アクチュエータピストンが非活動位置（図１）から活動位置（図２）へ動かされたとき、アクチュエータピストンロッド７は液体充填空間２２への液体の流入のための余地を残し、アクチュエータピストンが活動位置から非活動位置へ動かされたとき、液体は液体充填空間２２から押し出される。

次に、更に、図１及び図２に示されている実施形態によるアクチュエータの一部分を示す拡大図である図３を参照する。本発明によるアクチュエータ１によれば、アクチュエータピストンは、全体を２４と指定されている第２液圧回路を備えており、第２液圧回路自体は内空洞部２５を備えている。アクチュエータピストンディスク４が当該非活動位置にあるとき、第１液圧回路２１の液体充填空間２２は第２液圧回路２４の内空洞部２５と流体連通にある。内部チャネル２６が、第１端を内空洞部２５に、そして第２端をアクチュエータピストンロッド７の厚肉部８の包絡面に、口を開けている。内部チャネル２６の第２端は、而して、アクチュエータピストンディスク４が非活動位置にあるときには液体充填空間２２と流体連通に配列されることになり、また、当該流体連通は、アクチュエータピストンディスク４が活動位置に入ると遮断されことになるのが望ましい。第２液圧回路２４は、更に、内空洞部２５から液体充填空間２２への流体流れを阻止するように配置されている弁２７を備えている。当該弁２７は、非復帰弁ばね２８の手段によって内部チャネル２６を封止する位置に保持される非復帰弁であるのが望ましい。

内空洞部２５は、軸方向にアクチュエータピストンに対して往復変位可能であり且つシリンダー体積部の第２部分６内で機関弁１５へ作用するように配列されている位置決めピストン２９によって、部分的に境界を定められている。内空洞部２５内に存在する液体は、程度は小さいが、位置決めピストン２９を越えてシリンダー体積部の第２部分６の中へ漏れることを許容されている。

アクチュエータピストンロッド７は、アクチュエータピストンディスク４が非活動位置にあるときには液体充填空間２２内のストッパ面に少なくとも部分的に当接するように配置されている自由端３０を有している。図１−図３による実施形態では、位置決めピストン２９は、内空洞部２５内に配置されているばね３２の手段によって、シリンダー体積部の第２部分６の中へ向かう方向に付勢されている。機関弁１５の弁頭１７がその座１８に到達し、アクチュエータピストンロッド７の自由端３０がストッパ面３１に当接しない場合、位置決めピストン２９が機関弁１５に当接し、ばね３２がアクチュエータピストンを軸方向上向きに、アクチュエータピストンロッド７の自由端３０がストッパ面３１に当接するまで押圧するはずであり、その間、液体は内空洞部２５内で押圧され内空洞部２５内に保持されている。そういうわけで、位置決めピストン２９の機能は、アクチュエータディスク４が非活動位置に入る都度、アクチュエータピストンを正しい状態に位置付けることである。

位置決めピストン２９は、被加圧区域、即ち位置決めピストンの軸方向に突き出ている区域から成る区域、を有しており、当該区域を押し付けるように内空洞部２５の液体が作用して、位置決めピストン２９が内空洞部２５の中へ押し込まれるのを阻止する。図１−図３による実施形態では、位置決めピストン２５の、内空洞部２５に面している被加圧区域は、アクチュエータピストンロッド７の自由端３０の被加圧区域と同じほどに広大か又はそれより小さい。

本発明によるアクチュエータ１の示されている実施形態では、アクチュエータピストンロッド７は、その自由端の区域に、アクチュエータピストンロッド７の自由端３０が当該ストッパ面３１に接触する前にアクチュエータピストンの動く速さを減じるように配列され、ひいては機関弁１５がその座１８に接触する前に機関弁１５の動く速さを減じるように配列されている、液圧制動デバイスを有している。液圧制動デバイスは、アクチュエータピストンロッド７と液体充填空間２２の間の幾何学構造から成っており、当該幾何学構造はアクチュエータピストンロッド７の自由端３０が当該ストッパ面３１に近づくにつれ減少してゆき、それによって制動力が増加する。

次に、第２の実施形態によるアクチュエータ１を示している図４及び図５を参照する。第１の実施形態と対比した相違のみを説明してゆく。この第２の実施形態では、位置決めピストン２９の、内空洞部２５に面している被加圧区域は、アクチュエータピストンロッド７の自由端３１の被加圧区域よりも大きくされている。同時に、図１−図３による実施形態では要求されている位置決めピストン２９及びアクチュエータピストンを押圧離間させるばねの必要性がない。但し、アクチュエータピストンロッド７の厚肉部８の包絡面に口を開けている内チャネル２６の第２端の場所がこの上なく重要である。内部チャネル２６の第２端は、アクチュエータピストンディスク４が非活動位置にあるときには液体充填空間２２と流体連通に配列されなくてはならず、また、当該流体連通は、アクチュエータピストンディスク４が非活動位置を離れた直後に遮断されなくてはならない。アクチュエータピストンディスク４が活動位置にあるときに内部チャネル２６が遮断されなければ、アクチュエータピストンは上向きに押され、それによって機関弁１５が正しく閉じることができなくなってしまう。

本発明の実施可能な修正形
本発明は、以上に説明され図面に示されている実施形態のみに限定されるものではなく、それら実施形態は単に説明及び例示を目的としている。本特許出願は、ここに説明されている好適な実施形態のあらゆる改造型及び改良型を網羅するものであり、必然的に、本発明は付随の特許請求の範囲の言葉遣いによって定義され、機器は、従って、付随の特許請求の範囲による範囲内であらゆる実施可能なやり方で修正され得る。

更に、上方、下方、上、下、などの様な用語についての／関してのあらゆる情報は、機器を図に従った向きに配した状態で、図面を符号が正しく読める向きに配した状態で、翻訳／閲読されるべきであることを指摘しておきたい。従って、その様な用語は、示されている実施形態での相互関係を指し示しているにすぎず、当該関係は、本発明による機器が別の構成／設計で提供されている場合には変化し得る。

明示的に言及されていないにせよ、可能な場合には明白なこととして、１つの特定の実施形態からの特徴が別の実施形態の特徴と組み合わされることもあり得ることを指摘しておきたい。

１ アクチュエータ
２ アクチュエータハウジング
３ シリンダー
４ アクチュエータピストンディスク
５ シリンダー体積部の第１の上側の部分
６ シリンダー体積部の第２の下側の部分
７ アクチュエータピストンロッド
８ アクチュエータピストンロッドの第１の厚肉部
９ アクチュエータピストンロッドの第２の薄肉部
１０ 圧力流体回路
１１ 第１弁体
１２ パイロット弁
１３ 電磁石
１４ 稼働ダクト
１５ 機関弁
１６ 機関弁の弁棒
１７ 機関弁の弁頭
１８ 弁座
１９ 弁ばね
２０ 担持体
２１ 第１液圧回路
２２ 液体充填空間
２３ 非復帰弁
２４ 第２液圧回路
２５ 内空洞部
２６ 内部チャネル
２７ 非復帰弁
２８ 非復帰弁ばね
２９ 位置決めピストン
３０ アクチュエータピストンロッドの自由端
３１ ストッパ面
３２ 内空洞部内に配置されているばね
ＨＰ 圧力流体源
ＬＰ 圧力流体シンク

Claims (4)

1. 燃焼機関内のガス交換弁の軸方向変位のためのアクチュエータであって、
   ―アクチュエータピストンディスク（４）と、
   ―前記アクチュエータピストンディスク（４）へ固定接続され当該アクチュエータピストンディスク（４）から軸方向に突き出ているアクチュエータピストンロッド（７）であって、前記アクチュエータピストンディスクと一体にアクチュエータピストンを形成しているアクチュエータピストンロッド（７）と、
   ―シリンダー体積部であって、前記アクチュエータピストンディスク（４）が当該シリンダー体積部を第１部分（５）と第２部分（６）へ分割していて当該シリンダー体積部内で非活動位置と活動位置の間を往復変位可能にされている、シリンダー体積部と、
   ―前記シリンダー体積部の前記第１部分（５）と制御可能に流体連通するように配列されている圧力流体回路（１０）と、
   ―液体充填空間（２２）を備える第１液圧回路（２１）であって、前記アクチュエータピストンロッド（７）が前記アクチュエータピストンディスク（４）の前記シリンダー体積部内での軸方向変位に連動して当該液体充填空間（２２）に対して軸方向に動かされるように配置されている、第１液圧回路と、を備えているアクチュエータにおいて、前記アクチュエータピストンが第２液圧回路（２４）を備えており、前記第２液圧回路（２４）は、前記アクチュエータピストンディスク（４）が前記非活動位置にあるときに前記第１液圧回路（２１）の前記液体充填空間（２２）と流体連通する内部キャビティ（２６）と、軸方向に前記アクチュエータピストンに対して往復変位可能であり且つ前記シリンダー体積部の前記第２部分（６）内で前記ガス交換弁を押圧するように配列されている位置決めピストン（２９）によって部分的に境界を定められている内空洞部（２５）と、前記内空洞部（２５）から前記内部キャビティ（２６）への流体流れを阻止するように配置されている弁（２７）と、を備えており、前記アクチュエータピストンロッド（７）は、前記アクチュエータピストンディスク（４）が非活動位置にあるときには前記液体充填空間（２２）内のストッパ面（３１）に少なくとも部分的に当接するように配置されている自由端（３０）を有しており、前記位置決めピストン（２９）の、前記内空洞部（２５）に面している被加圧区域は、前記アクチュエータピストンロッド（７）の前記自由端（３０）の被加圧区域と同じほどに広大か又はそれより小さい、ということを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記第２液圧回路（２４）の前記弁（２７）は非復帰弁である、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記位置決めピストン（２９）は、ばね（３２）の手段によって、前記シリンダー体積部の前記第２部分の中へ向かう方向に付勢されている、請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
4. 前記アクチュエータピストンロッド（７）は、その前記自由端（３０）の区域に、当該アクチュエータピストンロッド（７）の当該自由端（３０）が前記ストッパ面（３１）に接触する前に前記アクチュエータピストンの動く速さを減じるように配列されている液圧制動デバイスを有している、請求項１から３の何れか１項に記載のアクチュエータ。

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