JP5089706B2 - バルブ開放機構および方法 - Google Patents

Description

本発明は概して、シリンダ内のバルブ用バルブ開放機構に関し、より詳細にはバルブの開閉を調整するコントローラを含むこのような機構に関する。

ディーゼルエンジンにおいて、排出基準を順守するには排ガス処理が必要であることが多い。ある種の事後処理装置を適正に機能させるには、これを高温で少なくとも周期的に作動させなければならない。エンジン速度が低い場合、タービン後の排気口内に補助バーナが必要がとなることが一般的である。このような解決策には追加の燃料の使用が含まれる。

米国特許第５ １９３ ４９７号明細書 米国特許第５ ６０９ １３３号明細書 米国特許出願公開第２００４／０１１２３３０号明細書 国際公開第２００８／０７３１２３号パンフレット

エンジン内の排ガス温度を調整する方法および装置を提供することが求められている。さらに、バルブ開閉のタイミングを調整する方法および装置を提供することが求められている。

本発明の一態様によれば、バルブ開放機構を有するエンジンは、少なくとも１つのシリンダと、シリンダ内の開口部を開閉する、閉位置にばね付勢された少なくとも１つのバルブと、バルブを開位置に押勢する可動接触面と、接触面に少なくとも部分的に連結され、変更モードでは通常モードでの開閉に比してバルブの開放の促進、および閉鎖の遅延の少なくとも一方を行うように動作可能である制御機構とを備えるエンジンから構成されている。

本発明の別の態様によれば、バルブタイミングを変更する方法は、通常モード中、接触面を移動させてばね付勢されたバルブを強制的に開放位置に押勢する力を加え、その後、力を緩めてばね力がバルブを閉位置に移動させるステップと、変更モード中、接触面に少なくとも部分的に連結された制御機構を作動、通常モード中の開閉に対してバルブの開放の促進、および閉鎖の遅延の少なくとも一方を行うように動作するステップとを含んでいる。

本発明の別の態様によれば、バルブ開放機構を有するデバイスは、少なくとも１つのシリンダと、シリンダ内の開口部を開閉する、閉位置にばね付勢された少なくとも１つのバルブと、バルブを開位置に押勢する可動接触面と、接触面に少なくとも部分的に連結され、変更モードでは通常モードでの開閉に対してバルブの開放の促進、および閉鎖の遅延の少なくとも一方を行うように動作可能である制御機構とを備えている。

本発明の特徴および利点は、図面を参照した以下の詳細な説明を読むことによってよく理解される。図中、同様の番号は同様の要素を示す。

本発明の実施形態によるバルブ開放機構の一部の部分断面概略図である。 本発明の実施形態によるバルブ開放機構の一部の上面図である。 図２のバルブ開放機構の一部の３−３部分の側面図である。 図２に示した種類のバルブ開放機構に関連して使用される第１のロッカーアームの上面斜視図である。 図２に示した種類のバルブ開放機構に関連して使用される第２のロッカーアームの上面斜視図である。 本発明の実施形態によるバルブ開放機構内のカムシャフトの位置の範囲でのバルブの典型的なリフトプロファイルのグラフである。 ２つのバルブの一方が開かれた状態を鎖線で示す、本発明の実施形態によるバルブ開放機構の一部の一部の部分断面概略図である。 図２のバルブ開放機構の一部の７−７部分における部分断面側面図である。 図２のバルブ開放機構の一部の８−８部分における部分断面概略図である。 本発明の実施形態によるバルブ開放機構の概略図である。

図１に、本発明の実施形態によるバルブ開放機構２３を有するエンジン２１の一部を示す。エンジン２１は少なくとも１つの、より一般的には複数のシリンダ２５と、この図ではシリンダ内の対応する開口２９ａおよび２９ｂを開閉する２つのバルブ２７ａと２７ｂとを含むものとして示す、少なくとも１つのバルブ２７とを備えている。バルブ２７ａおよび２９ｂは排気バルブである。本発明によるバルブ開放機構は、エンジンまたは排気バルブと関連した使用にとどまらず、バルブを開閉する必要がある多様な用途に適用可能であることが理解されよう。

バルブまたは複数のバルブ２７ａおよび２９ｂは、例えば（図１にバルブ軸３５の周囲に鎖線で示す）ばね３１により閉位置に付勢可能である。便宜上、本出願における「ばね付勢」という表現は、バルブを閉位置に押勢する全ての適切な構造を含むものと理解されるべきであり、必ずしもばねの使用を意味するものではない。バルブ２７ａおよび２７ｂが押勢されて開閉されるのがばねによるものか、その他の何らかの手段によるものかどうかは、本発明にとってほとんど重要ではない。

図示のシリンダ２５の排気弁２７ａおよび２７ｂの通常の動作モードでは、バルブは（例えば図２および３にアセンブリの一部として示し、図４Ａでは単独で示す）第１のロッカーアーム３３の枢動動作によって開かれ、このロッカーアームはロッカーアームと関連付けられた接触面６７を移動してバルブの軸３５に接触させ、バルブを図１に鎖線で示すように、ばねの力に抗してシリンダ２５の内側の開位置に押勢する。第１のロッカーアーム３３は典型的には、ロッカーアーム、または図２に示すように従来の方法でロッカーアームに連結された連結棒に作用するカムシャフト３７上のカム３９によって枢動される。カムシャフト３７が回転してカム３９の狭い部分がロッカーアーム３３に作用すると、ばね力によりロッカーアームが枢動されてカムの形状に追従し、さらにバルブ２７ａおよび２７ｂを開口２９ａおよび２９ｂに対する閉位置に押勢する。接触面６７は、エンジン用途においては通常通りにロッカーアームに関連付けられるが、他の用途においては、接触面をピストンの往復などの他の何らかの手段によって移動してもよいことが理解されよう。

図５は、図１および２に関連して記載されるような機構によってバルブを昇降する際の、カムシャフト３７の位置範囲にわたるバルブの典型的なリフトプロファイル「１」をグラフで示したものである。例えばカム３９の形状を調整することによって、リフトプロファイルを所望通りに長くしたり短くしたりできることが理解されよう。点線「２」は、通常動作中にシステムに存在し得るラッシュを示している。バルブ２７ａ、２７ｂが開口２９ａ、２９ｂから持ち上がる前に、ラッシュを克服しなければならない。

バルブ開放機構２３はさらに、少なくとも一部が第１のロッカーアーム３３上に配置され、ロッカーアームの開閉に対してバルブの開放の促進および／または閉鎖の遅延によるなどによってバルブ２７ａおよび２７ｂの開放および／または閉鎖を変更するように構成された制御機構４１（図９）を備えている。制御機構４１は可動ピストン７１を備えていてもよく、例えば図９に示すように、可動ピストンは第１のロッカーアーム３３内のシリンダ７３内で、引き込み位置にある場合のバルブの開閉に対してバルブ２７ａおよび２７ｂの開放を促進し閉鎖を遅延させる動作位置に移動可能である。接触面６７はピストン７１の一部であってもよい。図５に、第１のロッカーアーム３３によって持ち上げられるバルブ２７ａおよび２７ｂの典型的なリフトプロファイル「３」をグラフで示しており、ピストン７１は伸長してシステム内のラッシュを大幅に縮小する。リフトプロファイル「３」では、バルブの開放はリフトプロファイル「１」に対してＴ１の時点で促進され、バルブの閉鎖はＴ２の時点で遅延されることが分かる。Ｔ１はＴ２と同じでもよいが、バルブの開閉を異なる量だけ促進したり遅延したりしても、すなわちＴ１≠Ｔ２でもよい。通常は、燃料点火の後の実質的な膨張が生ずる前に排気バルブがより速やかに開くほど排ガスの温度は高くなる。

（図４Ｂに単独で示す）第２のロッカーアーム４３を設けることもできる。第２のロッカーアーム４３を、排気温度を調整する目的で第１のロッカーアーム３３と同様の態様でバルブ２７の開放を促進し、かつ／または閉鎖を遅延させるように構成することができるが、このロッカーアームは通常、エンジンブレーキを制御するよう主としてバルブ２７の開閉を変更するために使用される。第２のロッカーアーム４３は、通常モードの動作中のロッカーアーム３３による開閉に対してバルブ２７の開閉を変更するために動作位置に移動可能なヘッドまたは接触面４７を有する可動ピストン４５を具備してもよい。図５は通常動作中のバルブ上昇を示している。すなわち、第１のロッカーアーム３３はライン「１」で枢動してバルブを移動させ、ライン「４」で第２のロッカーアーム４３の枢動と第２のロッカーアーム４３のピストン４５の伸張との複合動作によってバルブ２７を開閉させる。

第１および第２のロッカーアーム３３および４３は、共通のカムシャフト３７とカム３９とによって枢動可能であるため、これらは同時に枢動する。しかし、第２のロッカーアーム４３がロッカーアーム３３と異なるタイミングで枢動することが望ましい場合は、第２のロッカーアーム４３は別個のカム６６によって枢動されてもよく、それによって例えば、第１のロッカーアームの前および／または後に、および／または異なる周波数で第２のロッカーアームを枢動させることができる。図５のライン「４」は第１のロッカーアーム３３と異なる周波数で、かつ異なる範囲で枢動する第２のロッカーアーム４３の作用を示している。

図６に鎖線で強調して示すように、ピストン４５のヘッド４７は、第２のロッカーアーム４３内のシリンダ４９（図７および８）の外側に延在し、バルブ２７を開放することができる。図６では、ピストン４５が動作位置にある場合は、バルブ２７ｂを、バルブ２７ａを開かずに開くことができるが、両方のバルブがピストンの移動によって開くようにピストンとバルブとを構成してもよい。ヘッド４７は、図７に示す非動作位置にある場合に第２のロッカーアーム４３の内側に完全にまたはほぼ引き込まれても、または第２のロッカーアーム４３の外側に延在してもよいが、その程度は図８の動作位置に比して少ない。

ピストン４５のヘッド４７と同様に、ピストン７１のヘッドまたは接触面６７を、通常モードでの動作中にシリンダ７３の内側に引き込んだり、バルブ２７ａおよび２７ｂの開放を促進または閉鎖を遅延させるために必要な場合は、外側に伸長させてよい。図示の実施形態では、ピストン７１のヘッドまたは「エレファンツフット（ｅｌｅｐｈａｎｔ’ｓ ｆｏｏｔ）」６７はシリンダ７３の外側に延在している。バルブ軸３５またはヨーク６５に直接的または間接的に接触してバルブ２７ａおよび／または２７ｂを開口２９ａまたは２９ｂに対して移動させる、本明細書で用いられる「接触面」は、ある状況ではピストンヘッド６７および／または４７であってもよく、別の状況ではピストンヘッドがその内部に引き込まれ得るロッカーアーム３３および／または４３の表面などのより大きなアセンブリの一部であってもよい。接触面はロッカーアームの表面またはロッカーアーム内のピストンの表面のいずれかに限定されるものではない。

図９に示すように、ピストン７１および４５を各々、適宜の油圧流体源５５およびポンプ５７に連通するライン７７および５３を経て供給されるシリンダ７３および４９内の油圧によって動作位置へ個々に駆動させることができる。しかし、これらのピストンは、機械式、空気圧式または電気的に動作されるかまたは磁気的な手段などのあらゆる適宜の方法によって移動可能である。液圧が解除または低減されると、ピストン７１または４５はバルブ２７へのばね付勢のような、ばねなどの適宜の手段によって非動作位置、または引き込み位置に移動可能である。例えば、ばね力は直接、または例えばヨーク６５（例えば図１）に伝達され、ピストン７１または４５を一方の動作位置から他方の動作位置に、または引き込み位置に押勢することができる。特許文献１、特許文献２、および特許文献３は、ここでは図示しない流体管路とバルブとを含む伸張可能なピストンを有するロッカーアームを開示しており、参照により本明細書に援用されている。

シリンダ７３および４９内のピストン７１および４５の位置はそれぞれ実質的にバイナリ式に、すなわち全く内側だけ、または全く外側だけに移動可能であり、またはピストンの完全な伸長位置と完全な引き込み位置との間のいずれかの所望の位置に進むことができ、それによってバルブ２７ａおよび２７ｂの開放を促進する量、および／またはバルブの閉鎖を遅延させる量を変更できるようにピストンを調節または制御することができる。

排気バルブ２７を選択的に開閉することにより、排気温度の調整が容易になるだけではなく、エンジンブレーキを円滑化できる。特許文献４は、シリンダの排気バルブの開閉によるエンジンブレーキを開示しており、本明細書に参照により援用されている。本発明の一態様によれば、ピストン４５は外側に移動されるので、ヘッド４７がバルブを開いて所望のエンジンブレーキが得られる。

図９に示すように、通常はＤＰＦ（図示せず）などの隣接する排ガス後処理装置など、バルブ２７の下流のポイントでの状態、例えばエンジン排気温度を検知し、その状態に対応する信号をコントローラ５９に送る少なくとも１つのセンサ６１を備えることができる。コントローラ５９が信号に応答して、油圧流体管路７７内のバルブ７５を完全にまたは部分的に開閉し、かつ／またはポンプ５７を運転して油圧流体を排出するなどにより、ピストン７１の動作位置と引き込み位置との間の移動を制御することができる。特に、燃焼後の早期にバルブ２７を開くことによって、バルブの下流の排気温度が上昇することがある。

可動ピストン４５の位置決めは、例えば油圧管路５３内のポンプ５７とバルブ６３との動作を制御するコントローラ５９によって、可動ピストン７１の位置決め制御の方法と同様に制御可能である。ピストン４５は排気温度を調整するために移動可能であるものの、ピストン４５は通常は所望のエンジンブレーキを得るために使用される。ロッカーアーム４３は通常は通常動作中に枢動するが、ピストン４５が伸長してバルブが開くと、ロッカーアームの移動の結果、通常はエンジンブレーキしか生じない。

エンジン２１内で、バルブはシリンダ２５内の第１および第２の開口２９ａと２９ｂとにそれぞれ関連付けられた第１および第２のバルブ２７ａと２７ｂとから構成されている。第１および第２のバルブ２７ａと２７ｂとはヨーク６５に、ひいては互いに連結または接触している。通常動作モード中、第１のロッカーアーム３３、またはより多くの場合、シリンダ７３からアームのボディ６９内に延びるピストン７１のピストンヘッドまたは「エレファンツフット」状接触面６７がヨーク６５に接触して第１のバルブと第２のバルブとを同時に開く。通常は、第１のロッカーアーム３３または接触面６７がヨークのほぼ中央でヨーク６５に接触するので、両方のバルブ２７ａと２７ｂとはほぼ同時に開く。

２つのバルブ２７ａおよび２７ｂがある場合は、一方のバルブの開閉を他方のバルブの通常の開閉に対して調整することが望ましいことがある。例えば、第１のバルブ２７ａの開閉を変更して排気温度を調整し、かつ／またはエンジンブレーキの程度を強めることができる。したがって、通常の動作モード中、第２のロッカーアーム４３は、例えば第１のバルブ２７ａの近傍のヨーク６５に接触するように配置可能であり、それによって、第１のロッカーアーム３３の通常の枢動に従って生ずる第１のロッカーアームによる第２のバルブの開閉に対して第１のバルブの開放を促進し、かつ／または閉鎖を遅延させるようにヨークを枢動させることができる。しかし、第２のロッカーアーム４３がヨークに接触して、同時に両方のバルブ２７ａおよび２７ｂの開放を促進し、かつ／または閉鎖を遅延させるように第２のロッカーアームを配置することもできる。バルブ軸３５の端部はヨーク６５と接触してもよいが、例えばヨーク内の対応する凹面の溝内に受けるようにバルブ軸の上端部に凸面の、すなわち丸み付きの軸受面を設けることによってヨークに対して枢動することができる。

本発明の態様によるバルブタイミングを変更する方法では、通常モード中、ロッカーアーム３３に力を加えてロッカーアームを枢動させ、ばね付勢されたバルブ２７ａおよび２７ｂを開位置に押勢する。次いで力が緩められ、そこでばね力によりバルブ２７ａおよび２７ｂが閉位置に移動する。変更モード中は、少なくとも一部がロッカーアーム３３上に配置された制御機構４１が動作され、通常モード中の開閉に対してバルブ２７ａおよび２７ｂの開放を促進し、かつ／または閉鎖を遅延させる。

制御機構４１の動作には、ロッカーアーム３３内のピストン７１を引き込み位置から動作位置に移動させ、バルブ２７の開放を促進し、かつ／または閉鎖を遅延させるステップを含めることができる。ピストン７１を第１の動作位置に移動させ、次いで第２の異なる動作位置に移動させることができ、第１の動作位置および第２の動作位置は完全な伸長位置および引き込み位置、および／またはその間の位置にある。バルブ２７の開放を促進し、かつ／または閉鎖を遅延させることによって、エンジン内の排気温度を調整することができる。加えて、エンジンブレーキ作用も得られる。

排気温度は調整可能であり、エンジンブレーキは第２のロッカーアーム４３への力を加えたり緩めたりすることによっても得られる。例えば、エンジンブレーキは第２のロッカーアーム４３上の可動ピストン４５を引き込み位置から動作に移動させ、バルブ２７の開放および／または閉鎖を変更するステップを含むことができる。ピストン４５を第１の動作位置に移動させ、次いで第２の異なる動作位置に移動させることができ、第１の動作位置および第２の動作位置は完全な伸長位置および引き込み位置に、および／またはその間の位置にある。

シリンダ２５内の第１および第２の開口２９ａと２９ｂとに関連付けられた第１および第２のバルブ２７ａと２７ｂとから、バルブを構成することができる。第１および第２のバルブ２７ａと２７ｂとはヨーク６５によって連結可能であり、通常モードでは、第１のロッカーアーム３３はヨークに接触して第１のバルブと第２のバルブとを同時に開くことができる。変更モード中は、第１のロッカーアーム３３上のピストン７１の接触面６７を動作位置に延在させ、バルブ２７の開放を促進し、かつ／または閉鎖を遅延させることができる。エンジンブレーキモードとも称される別のモード中は、通常は第２のロッカーアーム内のピストン４５の前進したヘッド４７である第２のロッカーアーム４３がバルブ２７に接触し、第１のロッカーアーム３３または第１のロッカーアームによるバルブ２７の開閉に対してバルブの開閉を変更することができる。

本発明は広範なデバイスに応用可能であるが、現時点では本発明には排気バルブの開放を制御してエンジンの排気温度を制御することに関連して特別な用途があるものと考えられる。このような実施形態では、バルブ２７の下流の排気温度を温度センサ６１によって測定可能であり、この温度センサは信号をコントローラ５９に送り、コントローラは測定された温度に応答して第２のロッカーアーム４３内のピストン４５の移動を制御して、バルブ２７の開放を促進し、または遅延させてバルブの下流の排気温度を上昇または低下させることができる。

本願では、「含む」などの用語の使用は非限定的なものであり、「備える」などの用語と同じ意味を有することを意図するものであり、他の構造、材料または作用の存在を排除するものではない。同様に、「できる」（ｃａｎ）または「てもよい」（ｍａｙ）などの用語の使用は非限定的なものであり、そのような構造、材料、または作用は不可欠ではないことを表すことを意図するものであるが、このような用語を用いないことが、その構造、材料または作用が必須であることを表わすことを意図するものではない。構造、材料または作用が現時点で必須であると見なされる範囲で、これらの用語はそのように特定される。

本発明を好ましい実施形態によって図示し、説明してきたが、特許請求の範囲に記載の本発明から逸脱することなく変化形態および変更を行ってもよいことが理解されよう。

Claims (14)

1. バルブ開放機構を有するエンジンであって、
   少なくとも１つのシリンダと、前記シリンダ内の開口部を開閉する、閉位置にばね付勢された少なくとも１つの排気バルブと、
   前記排気バルブを開位置に押勢する可動接触面と、
   前記接触面に少なくとも部分的に連結され、変更モードでは通常モードでの開閉に比して前記排気バルブの開放の促進、および閉鎖の遅延の少なくとも一方を行うように動作可能であって、変更モードで動作するように動作位置に移動可能な可動ピストンを具備し、前記ピストンは、完全な伸長位置と引き込み位置に、およびその間のいずれかの位置に移動可能に構成される、制御機構と、を備え、前記接触面は、枢動すると前記排気バルブを開放位置に押勢する第１のロッカーアームに関連付けられ、前記制御機構は、前記変更モードがエンジンブレーキモード中においては、前記排気バルブの第１のロッカーアームによる開閉とは異なるように第２のロッカーアームにより強制的に排気バルブを開閉させるバルブ開放機構を有するエンジン。
2. 前記ピストンが動作位置にある場合、前記ピストンのヘッドは前記第２のロッカーアーム内のシリンダの外側に伸長する、請求項１に記載のバルブ開放機構を有するエンジン。
3. 前記ピストンは油圧駆動される、請求項２に記載のバルブ開放機構を有するエンジン。
4. コントローラと、状態を検知し、その状態に対応する信号を前記コントローラに送る少なくとも１つのセンサを備え、前記コントローラは前記信号に応答して、前記ピストンの完全な伸長位置と引き込み位置への、およびその間のいずれかの位置への前記ピストンの移動を制御する、請求項１に記載のバルブ開放機構を有するエンジン。
5. 前記排気バルブは、少なくとも一部が前記シリンダ内の第１および第２の開口にそれぞれ配置され、ヨークによって連結された第１および第２の排気バルブから構成される、請求項１に記載のバルブ開放機構を有するエンジン。
6. 前記可動接触面は第１及び第２の接触面を有し、通常モード中、前記第１の接触面は前記ヨークに接触して前記第１の排気バルブと第２の排気バルブとを同時に開く、請求項５に記載のバルブ開放機構を有するエンジン。
7. 前記可動接触面は第１及び第２の接触面を有し、エンジンブレーキモード中、第２の接触面は、前記第１の排気バルブの近傍の前記ヨークに接触し、前記ヨークを枢動させて、通常モードにある前記第１および／または第２の排気バルブの開閉に対して該排気バルブの開閉を変更する、請求項５に記載のバルブ開放機構を有するエンジン。
8. 前記第１および第２の接触面は、それぞれ共通のカムシャフト上の少なくとも１つのカムによって枢動される前記第１のロッカーアームおよび第２のロッカーアームに連結される、請求項６または７に記載のバルブ開放機構を有するエンジン。
9. 前記制御機構はコントローラと、前記排気バルブの下流の排気温度に対応する信号を前記コントローラに送るように配置された温度センサとを具備し、前記コントローラは前記温度センサからの信号に応答して前記排気バルブの開閉を調整するように構成される、請求項１に記載のバルブ開放機構を有するエンジン。
10. エンジンにおけるバルブタイミングを変更する方法であって、
    通常モード中、第１のロッカーアームを枢動させることにより接触面を移動させてばね付勢された排気バルブを強制的に開放位置に押勢する力を加え、その後、力を緩めてばね力が前記排気バルブを閉位置に移動させるステップと、変更モード中、前記接触面に少なくとも部分的に連結された制御機構の可動ピストンを完全な伸長位置と完全な引き込み位置との間の動作位置に移動させることによって、前記可動ピストンが引き込み位置にある場合の前記排気バルブの開閉に対して変更させて、通常モード中の開閉に対して前記排気バルブの開放の促進、および閉鎖の遅延の少なくとも一方を行うように動作する前記ステップと、を含み、前記変更モードがエンジンブレーキモード中においては、前記排気バルブの第１のロッカーアームによる開閉とは異なるように第２のロッカーアームにより強制的に排気バルブを開閉させるバルブタイミングを変更する方法。
11. 前記排気バルブは、シリンダ内の第１および第２の開口に関連付けられた第１および第２の排気バルブとから構成され、前記第１および第２の排気バルブはヨーク連結され、通常動作モード中、前記接触面が前記ヨークに接触して前記第１の排気バルブと第２の排気バルブとを同時に開く、請求項１０に記載のバルブタイミングを変更する方法。
12. 前記可動接触面は第１及び第２の接触面を有し、エンジンブレーキモード中、第２の接触面は、前記第１の排気バルブの近傍の前記ヨークに接触し、前記ヨークを枢動させて、通常モードにある前記第１およびまたは第２の排気バルブの開閉に対して該排気バルブの開閉を変更する、請求項１１に記載のバルブタイミングを変更する方法。
13. 前記第１および第２の接触面は第１および第２のロッカーアームの一部を構成し、前記方法は共通のカムの作用で前記第１および第２のロッカーアームを枢動させるステップを含む、請求項１２に記載のバルブタイミングを変更する方法。
14. 前記方法は、前記排気バルブの下流の排気温度を測定し、前記測定された温度に応答して前記制御機構の動作を制御して前記排気バルブの下流の排気温度を上昇または低下させる、請求項１０に記載のバルブタイミングを変更する方法。

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