電磁駆動バルブによるエンジンの高性能化
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(2) Fig.1(b)には80001pmの. 場 合 をそ れ ぞ れ 示 す.従 来 の カ ム. シ ステ ムで は,ク ラ ンク 角 に 対 す る プ ロ フィ ー ル は 幾 何 学 的 に 決定 さ れ る た め,エ. ン ジ ン 回転 数 に よ る変 化 は な い.. 電 磁 バ ル ブ の場 合 は,2800rpm程. 度の低中速域では矩形に. 近 い台 形 波 とな り,時 間 面積 を大 き く取 る こ とが で き,体 積 効 率 の向 上 か ら出 力性 能 を 向上 させ る こと が で き る.一 方,8000rpm程. 度 の 高 回転 域 で は カ ム機 構 バ ル ブ シ ス テ ム. と 同等 の プ ロ フ ィー ル と な る.さ らに,バ ル ブ タ イ ミ ング は 開 閉 と も に完 全 に 自在 化 が 可 能 で,吸 排気 脈 動 の活 用 や ノ ンス ロ ッ トル 化 に よ る ポ ン ピ ン グ ロス 低 減,バ ル ブ の 停 止 に よ る気 筒 数 の可 変 に容 易 に対 応 で き る.. 3エ. .I .yi iiIuw s Intake 1~Exhaust~. ンジン燃費 ・出力性能解析. manifoldmanifold Fig.2. 電 磁 エ ンジ ンバ ル ブ の 燃 費 率 と 出 力 の 効 果 を明 らか に す るた め,Ricardo社 用 いてCAE解. performance. analysis. model. のエ ン ジ ン性 能 解 析 ソ フ トWAVEを. 析 を行 っ た.解 析 に用 い た2気 筒500ccの. エ ン ジ ン 諸 元 をTable1に 肱ble1の. Engine. 示 す.エ. ン ジ ン性 能 解 析 で は. ほか に 吸 排 気 系 を パ イ プや 容 器 な どの 要 素 と し. てFig.2の よ う に モデ ル 化 す る.こ の モデ ル は,エ ア ク リ ー ナ ・イ ン ジ ェ ク タ ・イ ン テ ー ク マ ニ ホー ル ドな どか ら構. ------------. 成 され る 吸 気 系 と シ リン ダ お よび エ キ ゾー ス トマ ニ ホ ー ル ド ・マ フ ラか らな る排 気 系 に よ っ て 構 成 され る.ま た, 電 磁 バ ル ブ諸 元 を 艶ble2に 示 す.バ ル ブ速 度 は ソ レ ノイ. — ——. 2800. 上 の高 回転 域 で はバ ル ブ リフ. トが 最 大 点 に達 しな いた め,解 析 は8000叩m以 と し,4001pm毎. Base engine(Cam system). 0 3600. 4400. 5200 6000 6800 Engine speed (rpm). CAE. result. ドバ ル ブで 用 い られ て い る4m/s[3】 と した.電 磁 エ ンジ ン バ ル ブの 場 合 は,80001pm以. Electromagnetic engine valve. Fig.3. of engine. 7600. 8400. 9200. performance. 下 を対 象. に吸排 気バ ル ブをそ れぞれ クラ ンク角. 1degの 精 度 で タ イ ミ ング の 調 整 を行 って,出. 力 ・燃 費 が. 最 大 にな る ポ イ ン トを探 した.こ れ らに よ って 得 られ た 電 磁 エ ン ジ ンバ ル ブ の 性 能 曲 線 をカ ム シス テ ム の 場 合 と 比 較 してFig.3に 示 す.図. 中 の カム シス テ ム のベ ー ス エ ン ジ. ンの 性 能 曲 線 は,実 際 のエ ン ジ ン を 計測 した トル ク と の フ Brake specific fuel consumption, g/(kW •h) Table. 1 Specifications. Tvne. 4-stroke,DOHC. Cooline S stem. Liauid-cooled. Bore and stroke. 74.0x58.0mm. Displacement. ouble Over Head Cam),2-cylinder. From 10°BTDC method. Firin order. (a) 1200r m to 37.5°BTDC. 9200. Base cam system engine. 10000rom. Forced lubrication(wet sum. BTDC:Before TopDeadCenter. o enin. and shutting. Amount. of valve lift. Anal. 8400. Left to right,1-2. 2 Specifications. Range. 4400 5200 6000 6800 7600 Enginespeed(rpm). 1-2. Lubrication s stem. Valve. 3600. 10.8. Ignition timin. Table. 2800. 498m1. Compressionratio Cylinder numberin. of test engine. of analysis sis. accurac. 365~. of electromagnetic s eed. valve. Brake specific fuel consumption, g/(kWh). 4m/sec 12mm Each. 400rpm. 2800rom-8000rom lde in crank angle. 0 3600 4400 5200 6000 6800 7600 8400 Enginespeed(rpm) (b) Electro-magneticvalve engine Fig.4 Specific fuel consumption. 9200.
(3) イ ッテ ィ ング を行 っ た もの で あ る.そ のカ ム シス テ ム を電. 通 して 下 側 の 磁 極 へ 向 か う.そ の磁 極 は逆 極 性 とな っ て い. 磁 バ ル ブ の み 変 更 を行 った 性 能 曲 線 がFig.3の 電 磁 バ ル ブ. る た め,こ の 図 に示 す よ う に左 側 に強 め られ た磁 束 の偏 り が で き る.こ の 結 果,可 動 子 に左 方 向 の 吸 引 力 が作 用 し推. の 性 能 曲線 で あ る.こ の 図 よ り,3600fpmと 回 転域 で は 最 大80%,出. い った 低 中速. 力 全 体 で は 平 均23%の. 向上 して. 力 が 発 生 す る.. い る.こ れ は 電 磁 エ ン ジ ンバ ル ブが バ ル ブ 開 閉 タイ ミ ン グ を 自由 に 決 定 す る こ とが で き るた め,慣 性 吸 気 効 果 ・吸気 脈 動効果 および排 気ブ ローダ ウンによる掃気効 果 によっ て シ リン ダ に 吸入 され る 空 気 量 が 増 加 した こ と に よ っ て 出 力 向 上 で き た と考 え る. 次 に,燃 費 率 の グ ラ フ をFig.4に 示 す.た だ し,Fig4(a) は カ ム シ ス テ ム を 用 い た ベ ー ス エ ン ジ ン,Fig.4(b)は 電 磁 バ ル ブ エ ンジ ンの もの で あ る.電 磁 バ ル ブエ ン ジ ンで は燃 費 率 は低 速 回転 の か ら2859/(kW・h)以. 下 で あ り,広 い 回. 転 域 で 燃 費 率 が 向 上 して い る.こ れ は,中 軽 負 荷 の 場 合 に お いて ス ロ ッ トル によ る 出 力制 御 で な く,バ ル ブ の早 閉 じ によ って 吸 入 混 合 気 量 を調 節 して お り,圧 縮 比 よ り も膨 張 比 が 大 き い 高 膨 張 比 化,い わ ゆ る ミラ ーサ イ クル 化 して い. Fig.5. Basic. structure. るた め で あ る と考 え られ る.. 4電 4.1構. of moving. core liner motor. Coil. 磁 駆動 エ ンジンバル ブ. 造 と動 作 原 理. 出力 制 御 をス ロ ッ トル で 行 わ ず,バ ル ブ タ イ ミ ング の 完 全 自在 化 に よ って 吸入 空 気 量 を コ ン トロー ル し,燃 費 向 上 を 目指 す に あた り,電 磁駆 動 エ ンジ ンバ ル ブ の 消 費 電 力 は. Armature Permanent magnet (a) At the deenergization. 燃 費 性 能 に大 き なお お き な影 響 をお よ ぼす.一 般 的 な 鉄 心 可 動 型 リニ ア ア クチ ュ エ ー タ は構 造 が シ ンプ ル で 信 頼 性. Magnetic. が 高 い と い う特 徴 が あ る が,消 費 電 力 が 大 き く発 熱 が 大 き い と い う 問題 が あ り,エ ン ジ ンバ ル ブ 駆 動 の 実 用 化 に は至. flux by coil. って い な い.ま た,リ フ ト量 可 変 制 御 が 困 難 と い う 問題 も Magnetic .--permanent. あ る.そ こで これ らの 問 題 を 解 決 す る た め に,実 機 搭 載 を. flux by magnet. 考 慮 した 低 電 力 駆 動 方 法 に よ る 高 効 率 で 安 定 か つ 低 着 座 速 度 を実 現 す る永 久 磁 石 併 用 方 式 の 鉄 心 可 動 型 リニ ア モ ー タ の 開発 を 目指 した .こ の 鉄 心 可 動 方 式 の リニ ア ア クチ ュ エー タ の基 本 構 造 をFig.5に 示 す.ア. クチ ュエ ー タ は永 Armature. 久 磁 石,外 ヨー ク,巻 き 線 コイ ル か ら構 成 され る 固 定子, シ ャ フ ト と一 体 化 さ れ た 内 ヨ ー ク の可 動 子 か ら構 成 され て い る.固 定子 は 無 方 向 性 電 磁鋼 板 を 積 層 し,中 央 に磁 極 を 設 け て い る.磁 極 の 先端 部 に は 円弧 状 のNd-Fe-Bネ オ ジ ム永 久 磁 石 を 軸 方 向 にNS交. 互 の極 性 とな る よ う に配 置 し. て あ り,そ の まわ りに コイ ル が 巻 回 され て い る.こ の二 つ. Fig.6 4.2電. Permanent. magnet. (b) At the thrust force generation Operationmethod of the linear motor 磁 場 解 析 によ る設 計 検 討. ア クチ ュ エ ー タ の 形 状 は 三 次 元 磁 場CAE解. 析 ッー ル. の コ イ ル は 直 列 に 接 続 され,互 い に 同 じ向 き の磁 束 を発 生. JMAGveL9を. す る よ うに 配 置 さ れ て い る.可 動 子 は 固定 子 と 同様 に無 方 向 性 電 磁鋼 板 の 積 層 構 造 で あ り,十 分 な強 度 が 得 られ る よ. 標 仕 様 をFig.7お よびTable3に そ れ ぞ れ 示 す.CAE解. うに シ ャ フ トと締 結 され て いる.. た.ア クチ ュエ ー タ形 状 の検 討 に よ っ て,推 力 の 分 布 を変. ア ク チ ュ エ ー タ の 動 作 原 理 をFig.6に 示 す.コ. 用 いて 検 討 を行 っ た.解 析 モ デ ル お よ び 目. 要 素 数 は 約60000で,空. 析の. 気 領 域 は解 析 モ デ ル の2.5倍 と し. イル が 無. 化 させ る こ とが で き るが,今 回 は ベ ー ス エ ンジ ンの カ ム 部. 励 磁 の とき はFig.6(a)の よ う に,中 央 の磁 極 内部 で 隣 り合 う異 極 の 磁 石 とギ ャ ップ ・可 動 子 を 通 して 磁束 が 循 環 し,. 分 に換 装 可 能 な 諸 元 と して 肱ble3と して,励 磁 電 流1を 変. 可 動 子 が 中立 状 態 へ 保 持 さ れ て い る.そ して,Fig.6(b)の よ う に磁 極 に巻 か れ た コイ ル を励 磁 す る と,そ の起 磁 力 に よ り一 方 の 永 久 磁 石 によ る磁 束 は 合 成 され 強 ま り,他 方 は 反 発 し弱 まる.合 成 し強 め られ た磁 束 は 可 動子 の コ ア 部 を. 化 さ せ た.こ 2へ5A7Aの3種. の 電 流1は 消 費電 力お よび 発 熱 量 か ら 類 と し た.た だ し,可 動 子 位 置 κは 中立. 点 か らの距 離,推 力Fは バ ル ブ が 開 く方 向 を正,電 流 」 の向 き は正 方 向 の推 力 を発 生 す る方 向 を正 とす る..
(4) 発 生 す る磁 束 を動 作 方 向 に一 定 と した が,実 際 の もの は分 布 が 生 じて いた こ とが 考 え られ る ので,磁 束 密度 を実 測 ・ 比 較 す る 必 要 が ある.ま た,連 続 電 圧 印加 した 場合 の コ イ ル 温 度 の 測 定 結 果 をFig.10に. 示 す.こ. の 図 よ り駆 動電 流. 5A以 上 で は コ イ ル 発 熱 によ って,耐 熱 温 度 の120℃ 以 上 を示 した こ とが わ か り,駆 動 電 流4Aま で の安 定 駆 動 が 確 認 で き た.な お,実 際 のバ ル ブ の駆 動 は 間 欠駆 動 の た め温 度 上 昇 は 抑 制 され る が,エ ン ジ ンヘ ッ ドに設 置 す る こ とを 考 慮 す る と冷 却 構 造 の 検 討 が 必 要 と考 え る.ま た,こ の と き の 駆 動 電 力 は約220Wで あ り,在 来 の ソ レノ イ ド形 式 【3]に 比 べ る と約1/4と 大 幅 に減 少 して い る. Fig.7 Electromagnetic Table 3 Target. analysis specification. 5. Values. Items Electromagnetic engine. model. Size. H:80mm. z.4. W:80mm. valve. ~3 ° v 2 ai 1 c. D:100mm 8mm. Stroke Armature. Size. 0 45mm L:40mm. Yok. Inner Shaft. Material Material Outside. diameter. Length Air. aa. Stator. Permendule Non-ma. netic. substance. 140mm 0.5mm. Yoke(Outer Coil. Permanent magnet. Material Number. of coils. Number. of turns. Material Outside Inside Central. diameter. -2.0 0.0 2.0 Armature displamement x (mm). -4 .0. 04mm. Fig.9. Characteristic. 4.0. of static thrust force. Permendule 2 400turns. One. coil. Nd-Fe-B R25mm. diameter. R20mm. angle. 60dea.. a). a). 4.3試. 作 実験. 上 記 の 検 討 に も とつ い て 鉄 心 可 動 型 ア ク チ ュエ ー タ の. a). 静 特 性 を調 べ る た め,電 磁 エ ンジ ンバ ル ブ 用 リニ ア ア ク チ ュ エー タ の駆 動 実 験 を行 っ た.コ イ ル は線 径0.5mm,巻. 数. 0. 400の も の を2個 上 下 に配 置 し,電 源 に 直 列 に 結 線 して い る 。装 置 の 制御 は(株)高 砂 製 作 所 の 電 源 装 置ZX-400LAよ. Fig.10. 50. 100. lso 700 Time (sec). 250. 300. Time dependant of coil temperature. りコ イル に 一定 電 流 を加 え,ロ ー ドセ ル を 用 い て 推 力 を 測 定 した.駆 動 電 源 電 圧 を 最大36Vと. して,電 流 を2A,5A,. 7Aと 変 化 さ せ,駆 動 電 流 の 違 い に よ る性 能 の 違 い を 調 べ た.同 時 に コ イ ル に 熱電 対 を取 り付 け,耐 熱 温 度120℃ 以 上 にな らな い よ う に監 視 した. 実 験 で は可 動 子 の各 位 置 にお け る静 推 力,駆 動 電 力,コ イ ル 温 度 の計 測 を行 った.推 力 は ロー ドセ ル,コ イ ル 温 度 は 熱 電 対 を用 いて 同時 計 測 行 っ た.静 推 力特 性 の解 析 値 と 実 測 結 果 を比 較 してFig.9に 示 す.こ. の 図 よ り,解 析 値 は. 実 測 値 の特 徴 を よ く あ らわ して お り,中 立 点 よ りも 負 の位 置 で は 推 力が 大 き くな り,中 立 点 に復 帰す る 力 が大 き い と い う特 徴 を も つ 電 磁 エ ン ジ ンバ ル ブ に 適 し た ア クチ ュ エ ー タで あ る こ とが わ か る.励 磁 電 流7A時 に は κ=.4mmに お いて 実 測 推 力43Nを. 得 た.バ ル ブ を含 め た慣 性 質 量 が. 80g程 度 で あ る の で 十 分 な 推 力 が 得 られ て い る.し か しな が ら,可 動 子 位 置xが 一2mmか ら一4mmに お い て は実 測 値 と解 析 値 に差 異 が み られ る.こ れ は,解 析 で は永 久 磁 石 の. 5結. 言. エ ン ジ ン性 能 解 析 で 電 磁 エ ン ジ ンバ ル ブ に よ る 出 力 ・燃 費 性 能 の向 上 に対 す る有 効 性 を示 し,さ らに,そ の 電 磁 ア クチ ュエ ー タ の構 造 検 討 を電 磁 界CAE解 的 解 析 に よ って 行 った.得 1.エ. 析 ツ ー ル と実 験. られ た知 見 を 以 下 に ま とめ る.. ン ジ ン性 能 解 析 結 果 よ り電 磁 エ ンジ ンバ ル ブ を 採 用. す る と 高 回 転 域 で の 出 力 性 能 を 維 持 し た ま ま, 28001pm∼4800rpmの 上 が 可 能 で あ る. 2.磁 場CAE解. 低 中 速 回 転 域 で 最 大80%出. 力向. 析 を用 いて 電 磁 エ ン ジ ンバ ル ブ 用 途 の 鉄. 心 可 動 型 リニ ア ア クチ ュ エー タ の駆 動 力 の 向 上 ・消 費 電 力 の削 減 が で き た.こ の ア ク チ ュ エ ー タ は バ ル ブ の 開 き始 め で 最 大 推 力が 得 られ,電 磁 エ ンジ ンバ ル ブ に 適 して い る..
(5) 仙. 3.ア. 一L」. ■ 一 」1りHソ. ■. ノ し5-「. レ ㌧. 一!. クチ ュ エー タ を 試作 し,静 推 力 を実 測 した 結 果,励. 磁 電 流7A時. に最 大 推 力43Nを. 得 た.し か しな が ら,. 実 用 に は さ らな る 推 力 の 増 加 や 温 度管 理 も含 め た 低 発 熱 ア クチ ュ エ ー タ へ の 改 良 が 必 要 で あ る.. 参考文献 1) Schechter M.. and. Levin. M.:. SAE. Paper. 960581. (1 QQA1. 2)寸. 脊 嘉 八,清7K弘. 一,古. 原 俗_:目. 勤 車 技 仰丁,56. (2002)22. 3)杉. 本 千 早,梅. 本 篤,清. 水 康 夫:Hoκ 磁R&D距c伽. ∫cα1. Rεv∫8w,16(2004)159. 4)打. 田 正 樹,竹. 日本AEM学 5)岡. 村 昌 也,森. 田 良 文,神. 藤 久,藪. 見 崇 生:. 会 誌,14(2006)394.. 田 養 二,新 畑 忠 徳,松. 田 健 一,原 紘 之 助:日. 本AEM. 井 勝 仁,今. 賀 聖 一:. 学 会 誌,11(2003)30. 6)長. 屋 幸 助,鈴. 木 孝 明,今. 日本 機 械 学 會 論 文 集C,67(2001)87.. 井 康 博,志.
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図
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