JP4538466B2 - 回転アクチュエータを備えた電気バルブ装置 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求の範囲請求項１の上位概念（所謂おいて部分、プリアンブル部分）に係るバルブ装置に関するものである。

そのようなバルブ装置は特許文献１から公知である。従来の内燃機関の場合、カムシャフトは機械的にタイミングチェーン又はタイミングベルトを介してクランクシャフトによって駆動される。エンジン出力の増加のため及びガソリン消費の削減のために、個々のシリンダのバルブ、少なくとも個々のシリンダのインテークバルブとエグゾーストバルブを個々に制御するという著しい利点がもたらされる。これは電磁バルブギヤによって可能である。電磁バルブギヤの場合、シリンダの夫々のバルブ若しくは夫々の「バルブ群」は「アクチュエータユニット」に付設され／割り当てられている。目下のところ、様々な基本タイプのアクチュエータユニットが研究されている。或る基本タイプの場合、バルブ又はバルブ群に開マグネットと閉マグネットが付設されている。マグネットの通電によって、バルブは軸方向に変位され、即ち、開閉する。しかしながら、このようなバルブ装置は、調整技術的に制御し難い。別の基本タイプでは、カムを備えたカムシャフト／制御軸が設けられ、その際、カムシャフトは電気モータによって揺動可能である。これに関して所謂「回転アクチュエータ原理」についても話題になる。冒頭に挙げた特許文献１では、カムがロッカーアーム（揺りてこ）に作用する。そしてロッカーアームによって、カムで生じた開放力がバルブに伝わる。カムシャフトの一端に更に「ハンドクランク」の形状をしたレバー状の要素が設けられている。更に、突き出るバネアームを有するスパイラルスプリングが設けられている。バネアームはレバー状の要素を押圧する。スパイラルスプリングのバネアームはトルクをカムシャフトに若しくはカムに及ぼす。トルクはレバー状の要素の位置に、即ちカムシャフトの揺動位置に依存している。

既に言及したように、カムを備えたカムシャフトは、特許文献１に記載されているようにバルブ駆動の際に、周期的に往復揺動する。したがって、持続的に回転方向の転換が起こる。電気モータはこの際、制御軸とカムとそこに固定されたレバー状の要素とを静止状態から比較的速い回転速度に加速する。バルブを開く際、電気モータは確かにスパイラルスプリングによって支持されるが、開閉バネの力に抗して作動しなければならず、このことは比較的大きな電力を必要とする。この際、電気モータの制御軸、カム及び制御軸と連結したレバー状の要素の加速が毎回静止状態から「始動する」ことが根本的な問題である。各サイクルにおいて、電気モータがちょうど良い電気効率で動く回転数に電気モータが達するまで或る程度の時間が継続する。とりわけ、非常に低い回転数の場合、電気モータの効率は相対的に不利で、エネルギー消費が大きくなる。

ドイツ特許出願公開公報第１０１４０４６１号明細書

本発明の課題は、電気的なエネルギー消費に関して改善された「回転アクチュエータ原理(Drehaktuatorprinzip)」にしたがって動く電気バルブ装置を創出することにある。

この課題は、請求項１の特徴構成によって解決される。本発明の好ましい実施形態及び展開は従属請求項から得られる。
本発明の出発点は、開位置と閉位置の間で軸方向に変位可能に配置されたバルブを備えた内燃機関用バルブ装置である。閉じバネによって上記バルブはその閉位置に向け予め付勢されている。更に、バルブを働かせるカムを備えたカムシャフトが設けられている。カムシャフトは、カムシャフトを縦軸回りに揺動する電気モータと連結されている。更に、バネによって予め付勢された揺動可能に配置された「押圧要素」が設けられている。バネによって予め付勢された押圧要素は、カムシャフトに、バルブを開位置へ変位する方向のトルクを及ぼす。カムシャフトに及ぶ瞬間的なトルクはカムの揺動位置に左右される。カムシャフトの往復動作の際、押圧要素はまた、その揺動軸回りを同時に揺動する（mitverschwenkt）。

本発明は、バルブ操作に必要なエネルギー若しくはバルブ操作に必要な電力が極めて基本的に「揺動可能なバルブ装置コンポーネント」の質量慣性モーメントの割合に依存するという認識を基礎とする。カムシャフトとカムの質量慣性モーメントが大きくなればなるほど、ますます多くの出力が電気モータによってカムシャフトとカムの加速のために提供されなければならない。バルブが開く際、カムシャフトとカムの加速は、バネにより予め付勢された押圧要素によって支えられる。バルブが閉じられる場合、バネは最大限に付勢される。実験において、とりわけ押圧要素の質量慣性モーメント若しくはバネと押圧要素によって形成された質量慣性モーメントが電気モータの駆動に必要な電力に決定的に作用を及ぼすことが証明可能である。その揺動軸に関連する押圧要素の質量慣性モーメントがカムシャフトとカムによって形成されカムシャフトの縦軸に関連する質量慣性モーメントよりも大きい場合に、良好な「電気的な効率」が達成される。

つまり、押圧要素は、バネによって生じる予めの付勢力（予備張力）の伝達に実際に必要であるよりも、「よりがっしり」に作り上げられる。
電気モータの設計の際、電気モータの最大回転数を高すぎないように設定するのが有利である。確かにカムシャフトとカムの質量慣性モーメントが大きくなる場合に電気モータの最大回転数は減少し得る。既に言及したように、しかしながら、カムシャフトとカムの質量慣性モーメントが「安定した最終位置」においても、即ち、カムシャフトの静止状態から先ず電気的に電気モータによって、次いで追加的に機械的にバネによって促進されなければならないので、カムシャフトとカムの質量慣性モーメントが増加するにつれてバルブ装置のダイナミズムは低下する。同じように、この質量慣性モーメントは「小さな往復作動（Minihubbetrieb）」の際に電気的に促進されなければならない。

しかるに、押圧要素の質量慣性モーメントの増大は、押圧要素がバルブの開放の際にまさに電気モータによってのみ静止位置から促進されなければならないのではなく、一緒にバネ要素によっても動かされるという利点を有する。

バルブの開放経過の第一段階の間に、バルブが予め開けられずに、先ずカムシャフトとカムが電気モータによって或る速度に速められる。この第一段階の間に、押圧要素は一緒に速められ、それで或る量の回転エネルギーを蓄える。第二段階の間に、バルブがバルブの閉じバネ力に抗して開くというバルブの本来の開放動作が始まる。その際、バルブの開放に必要なエネルギーは一次的にバネ要素と押圧要素に蓄えられた「運動エネルギー」によって調達される。

押圧要素の質量慣性モーメントが増大することによって、相応して運動エネルギーが押圧要素に蓄えられる。エネルギーのこの部分はカムシャフトにもはや蓄えられる必要はない。別の言い方をすれば、本発明にしたがって、バルブ開放に必要なエネルギーの一部がカムシャフトから押圧要素に「移される」。これはバルブ開放に必要な最大のカムシャフト回転数の引き下げを可能とする。押圧要素の質量慣性モーメントの増大はこの作動状態においてカムシャフトの質量慣性モーメントの増加のように作用する。「回転アクチュエータ」が両方の端部位置から電気的に加速されなければならないので、特に加速動作の始めにアクチュエータダイナミズムに関しても電気的なエネルギー消費に関しても低い質量慣性モーメントが有利である。

本発明によって達成される更なる利点は、本発明で電気モータの中間の回転数が高めの回転数範囲にずれることである。これによってオームの損失が、とりわけ低回転数から電気モータが加速する際に、下がり、これによって電気的な全体効率が改善する。そして全体的なエネルギー消費と排出される損失熱が下がる。

本発明の更なる展開にしたがえば、バネ要素はトーションバネである。この際、一端がしっかりと装着され、例えばアクチュエータケースに固定され他端が押圧要素を固定するトーションバネ棒が重要である。上記他端は基本的にトーションバネ棒から垂直に突出している。トーションバネ棒はカムシャフトに関して平行で、それゆえに非常に省スペースに配置され得る。

好ましくは、押圧要素の「高められた」質量慣性モーメントが、トーションバネの反対側端部での単位体積当たりの質量によって達成される。これによって比較すると押圧要素の全体質量が僅かな場合に比較的高い質量慣性モーメントが生じる。押圧要素は例えばプレート状コンポーネントから製造可能で、中央範囲に空洞を備えた一塊の輪郭を有する。押圧要素は切り抜き／打ち抜きパーツであってもよい。特に中央範囲での空洞が打ち抜かれ得る。

既に言及したように、本発明によれば、その揺動軸に関する押圧要素の質量慣性モーメントは、カムシャフトとカムによって形成されカムシャフトの縦軸に関する質量慣性モーメントよりも大きい。その揺動軸に関する押圧要素の質量慣性モーメントが１．７〜２．３の範囲の係数だけカムシャフトとカムによって形成されカムシャフトの縦軸に関する質量慣性モーメントよりも大きい場合に、特に好適な質量慣性モーメント比がもたらされる。

以下、本発明を図面に関連して詳細に説明する。
図１は、特許文献１であるＤＥ１０１４０４６１Ａ１（特表２００４−５３８４１７公報に対応する）から公知であるような回転アクチュエータを示す。これに関してＤＥ１０１４０４６１Ａ１の内容は、全面的に本願の内容に取り入られる。ＤＥ１０１４０４６１Ａ１に記載された特徴構成の全てが本願のサブジェクトマターでもあることが明確に指摘される。

図１は、回転アクチュエータ原理に基づく電気バルブ装置１を示す。軸方向に移動するように配されたバルブ２は閉じバネ（戻りバネ）３によって、ここに示された閉位置に付勢される。バルブ２のシャフト端部にチルトレバー４が配置されている。更に、チルトレバー４に作用するカム６を備えたカムシャフト５が設けられている。カム６を備えたカムシャフト５は電気モータ７によって揺動する。更に、レバー状の要素８が設けられ、これにスパイラルバネ１０のアーム９が押圧している。それでスパイラルバネ１０はカムシャフト５に、カムシャフト５の揺動位置に依存するトルクを作用する。カムシャフト５とカム６の往復動作の際に、スパイラルバネ１０のアーム９もレバー状要素８の動きに対応して一緒に動く。図１に示された回転アクチュエータの場合、スパイラルバネ１０のアーム９の質量慣性モーメントはカムシャフト５とカム６のと比べて比較的小さい。

バルブ制御に必要なモータ出力の低下若しくはバルブ制御に必要な電気エネルギーの低下は、「高め」の質量慣性を有する「アーム」若しくはレバー要素８と協働する「押圧要素」が用いられることによって達成可能である。これによって、一方で、バルブ制御に必要な最大モータ回転数若しくは電気モータの空転（アイドリング）回転数が低減可能である。言い換えれば、これによって電気的な全体効率が改善される。

図２は、本発明にしたがって改善された配置構成を示す。図１に示されたスパイラルバネの代わりに、図２の配置構成の場合、トーションバー（棒）１１が設けられ、その一端１２が例えばここでは詳細に示されていないアクチュエータケースにしっかりと取り付けられている。トーションバー１１の他端１３に、カムシャフト５としっかり接続され且つそれでカムシャフト５と共に図２には図示されていない電気モータによって揺動されるレバー状要素１５を押圧する「押圧要素１４」が固定されている。レバー状要素１５はカムシャフト５に対して偏心配置されている。押圧要素１４はその揺動軸に関して、即ち、トーションバー１１の縦軸に関して高い質量慣性モーメントを有しており、これは先ず押圧要素の自由端１６の領域における局部的な「質量集中」によって達成される。押圧要素１４の質量慣性モーメントは、カムシャフト５とレバー状要素１５によって形成される縦軸１７に関する質量慣性モーメントよりも大きい。しかしながら、押圧要素は比較的小さな全体質量を有し、これは押圧要素１４の中央範囲での空洞１８によって達成される。押圧要素１４は要するに一塊の輪郭によって形成されている。

図３は、カムシャフトの回転角に対してカムシャフトの回転数をプロットしたグラフを示す。質的に曲線２１は例えば図１に示されているような従来技術に係る回転アクチュエータでの比率に対応する。曲線２２のカーブ経過（延び具合）は質的に本発明に係る回転アクチュエータに対応する。バルブが完全に閉じられ、カムシャフトとカムがその静止位置にある場合、バルブは回転角０に対応する。０とα_１の間の範囲において、カムシャフトとカムは電気モータによって及びバネ若しくは押圧要素によって加速させられる。０とα_１の間の回転角範囲において、バネに蓄積された機械的なエネルギーの約１／４若しくは１／３は押圧要素の運動エネルギーに変換される。バルブは回転角α_１までなお完全に閉じられている。具体的に述べると、カムシャフトとカムは０とα_１の間の回転角範囲において、バルブをα_１とα_２の間の回転角範囲にて閉じバネ（図１参照）の力に抗して開くために、はずみをつける。

従来技術の場合、押圧要素は比較的僅かな質量慣性を有する。それ故、カムシャフトとこれに接続するカムとは相対的に大きな回転数ｎ_１に加速されざるを得ない。
バルブ操作に必要な最大回転数をｎ_２に軽減することは、押圧要素の揺動軸に関する押圧要素の質量慣性モーメントがより大きくなる場合、特にカムシャフトとカムによって形成されカムシャフトの縦軸に関する質量慣性モーメントよりも大きい場合に、達成され得る。図４から明白なように、「調整モータ（サーボモータ）曲線」は遥かに平坦である。最大モータ回転数ｎ_１若しくはｎ_２に関して、押圧要素が増加した質量慣性を有する場合の電気モータが作動する「平均」運転回転数は、従来技術のものよりも高い。絶対的に観察して、本発明に係る回転アクチュエータでの平均作動回転数は確かに小さい。しかしながら、最大モータ回転数若しくは空転回転数に関する平均運転回転数は大きめである。平均運転回転数と最大モータ回転数ｎ_１若しくはｎ_２の間の割合は他方で、電気モータの「経済性」にとって重要である。押圧要素の質量慣性の増大によって、即ち、回転数・回転角の特性曲線が緩やかな場合、全体でより良い電気的な全体効率が生じる。

ドイツ特許出願公開公報第１０１４０４６１号明細書から公知である従来技術にしたがう回転アクチュエータを備えた電気的なバルブ装置を示す。 本発明にしたがうトーションバネにより付勢された押圧要素を示す。 本発明で達成されたエネルギー省略ポテンシャルの説明のための回転数・回転角グラフである。

符号の説明

１ バルブ装置
２ バルブ
３ 閉じバネ
５ カムシャフト
６ カム
７ 電気モータ
１１ バネ要素
１４ 押圧要素
１７ 縦軸

Claims (9)

1. 開位置と閉位置の間で軸方向に変位可能で且つ閉じバネ（３）によってその閉位置に向け予め付勢されているバルブ（２）、当該バルブ（２）の作動のために備えられカムシャフト（５）と接続するカム（６）、及びバネ要素（１１）によって予め付勢され揺動軸周りに揺動可能な押圧要素（１４）を備えた内燃機関用バルブ装置（１）にして、上記カムシャフト（５）が電気モータ（７）によってカムシャフト（５）の縦軸（１７）周りに揺動可能に配置され、上記バネ要素（１１）が押圧要素（１４）を介して、上記バルブが開位置へ変位する方向のトルクをカムシャフト（５）に及ぼし、瞬間に及ぶトルクはカム（６）の揺動位置に依存し、押圧要素（１４）はカムシャフト（５）の往復動作と共に同じくその揺動軸周りに揺動する、バルブ装置において、
   揺動軸に関する押圧要素（１４）の質量慣性モーメントが、カムシャフト（５）とカム（６）によって形成されカムシャフト（５）の縦軸（１７）に関する質量慣性モーメントよりも大きいことを特徴とするバルブ装置。
2. バネ要素（１１）がトーションバネである、請求項１に記載のバルブ装置（１）。
3. バネ要素が、しっかり装着されている第１端部（１２）と第２端部（１３）を有するトーションバネ棒（１１）であり、第２端部に押圧要素（１４）が固定され、当該第２端部（１３）から垂直に突き出ている、請求項１又は２に記載のバルブ装置（１）。
4. トーションバネ棒（１１）がカムシャフト（５）に対して平行に配置されている、請求項３に記載のバルブ装置（１）。
5. カムシャフト（５）に関し偏心して配置され且つカムシャフト（５）としっかり接続された部分（５）が設けられ、これに対して押圧要素（１４）が押圧する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のバルブ装置（１）。
6. 押圧要素の質量中心は、その投影の面中心に関して、押圧要素（１４）のトーションバネ（１１）から離れた端部（１６）のより近くにある、請求項１〜５のいずれか一項に記載のバルブ装置（１）。
7. 押圧要素（１４）が、その中央範囲に空洞を備えた一塊の輪郭を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のバルブ装置（１）。
8. 押圧要素（１４）が打ち抜きパーツである、請求項１〜７のいずれか一項に記載のバルブ装置。
9. その揺動軸に関する押圧要素（１４）の質量慣性モーメントが１．７〜２．３の範囲の係数だけカムシャフト（５）とカム（６）によって形成されカムシャフト（５）の縦軸（１７）に関する質量慣性モーメントよりも大きい、請求項１〜８のいずれか一項に記載のバルブ装置。

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