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Die Erfindung betrifft eine Ventiltriebvorrichtung mit
elektromagnetischer Kraft zum Öffnen und Schließen eines
Einlaß-/Auslaßventils einer Maschine durch eine mittels
eines Elektromagneten erzeugten elektromagnetischen Kraft.
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Bei einem Beispiel einer herkömmlichen Antriebsvorrichtung
zum Öffnen und Schließen eines Einlaß-/Auslaßventils ist
eine Nockenwelle, auf welcher Nocken für den Einlaß und
Auslaß angeordnet sind, auf dem oberen Bereich der Maschine
oder an einer Seite davon ausgebildet. Eine Kurbelwelle und
die Nockenwelle werden durch Drehübertragungsmittel, wie
etwa einem Riemen verbunden und die Nockenwelle wird
synchron mit der Umdrehungsphase der Maschine in
Umdrehungsrichtung angetrieben.
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Die Nockenfläche der Nockenwelle und die axiale Endfläche
des Ventils sind durch einen Verbindungsmechanismus, wie
etwa einem Kipphebel oder einer Stößelstange verbunden. Das
fortwährend durch eine Ventilfeder in Schließrichtung
vorgespannte Einlaß-/Auslaßventil wird in Öffnungsrichtung
durch den Verbindungsmechanismus angetrieben, derart, daß
er auf die axiale Endfläche des Ventils Druck ausübt.
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Diese herkömmliche Antriebsvorrichtung zum Öffnen und
Schließen des Einlaß-/Auslaßventils bedingt eine
großdimensionierte Maschine, da die Nockenwelle und der
Verbindungsmechanismus aufgenommen werden müssen.
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Da zudem die Nockenwelle und der Verbindungsmechanismus
durch die Abgabewelle der Maschine angetrieben werden, wird
ein Teil der Motorleistung durch Reibungswiderstand
verbraucht, wenn die Nockenwelle und der
Verbindungsmechanismus angetrieben werden. Dies verringert die wirksame Motorleistung.
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Zudem kann die Zeitsteuerung bzw. das Timing des Einlaß-
/Auslaßventils während des Maschinenbetriebes nicht
verändert werden. Da die Ventilzeitsteuerung in
Übereinstimmung mit der Umdrehungsgeschwindigkeit der Maschine
eingestellt wird, fällt die Motorleistung und der Wirkungsgrad
ab, wenn die Maschine bei einer von der vorgegebenen
Geschwindigkeit abweichenden Geschwindigkeit (rpm) läuft.
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Um vorgenannte Probleme zu lösen, wurde in der JP-A-58-
183805 und in der JP-A-61-76713 eine Vorrichtung zum
Antreiben eines Einlaß-/Auslaßventils durch eine zwischen
einem mit einem Einlaß-/Auslaßventil verbundenen,
bewegbaren Magnetpol und einem Magnetpol eines festen
Elektromagneten wirkende Anziehungskraft vorgeschlagen.
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Bei diesen Vorrichtungen ist der Abstand zwischen dem
Magnetpol des Elektromagneten und dem bewegbaren Magnetpol zu
dem Zeitpunkt maximal, wenn die Anziehungskraft beginnt,
auf den bewegbaren Magnetpol einzuwirken. Folglich ist die
Anziehungskraft zwischen dem Magnetpol des Elektromagneten
und dem bewegbaren Magnetpol zu diesem Zeitpunkt minimal.
Daher ist die Beschleunigung des bewegbaren Magnetpols kurz
nach dessen Bewegungsstart gering und somit die
Öffnungsgröße des operativ dem bewegbaren Magnetpol zugeordneten
Ventils klein.
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Da ferner der Abstand zwischen dem Elektromagneten und dem
bewegbaren Magnetpol groß ist, selbst wenn eine Bremskraft
auf den bewegbaren Magnetpol kurz vor dem Absitzen des
Ventils aufgebracht wird, um den beim Aufsitzen des Ventils
entstehenden Stoß zu vermindern, wie in der Druckschrift
JP-A-61-76713 beschrieben, ist die Bremskraft zu gering, um
den Absitzstoß in ausreichendem Maße zu reduzieren.
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JP-A-58-101206 löst dieses Problem teilweise durch eine
Anordnung, mit welcher eine Ventiltriebvorrichtung mit
elektromagnetischer Kraft angeordnet ist, zum Öffnen und
Schließen eines Einlaß-/Auslaßventils einer Maschine, mit
einem Magnetelement auf dem Einlaß-/Auslaßventil zu dessen
Hin- und Herbewegung, ersten und zweiten zusammenwirkenden
Elektromagneten, wobei der erste einen Magnetpol aufweist,
welcher einer Seite des bewegbaren Magnetpols
gegenüberliegt und der zweite Elektromagnet einen Magnetpol hat,
welcher der anderen Seite des Magnetpolelementes
gegenüberliegt, einer Feder, die das Schließen des Ventils bewirkt
und Erregungssteuermitteln zum Erregen der ersten und
zweiten Elektromagneten, so daß das Einlaß-/Auslaßventil
geöffnet und geschlossen wird.
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Ein ähnliches System ist in US-A-4392632 dargestellt, in
welcher ein System zum Abbremsen des Ventils, durch die
Wirkung einer abstoßenden Kraft, welche zwischen den
eingesetzten Magneten wirkt, kurz bevor das Ventil absitzt,
beschrieben wird.
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Die Erfindung wurde im Hinblick auf die vorgenannten Punkte
ausgearbeitet und ihre Aufgabe besteht darin, eine
Ventiltriebvorrichtung mit elektromagnetischer Kraft zu schaffen,
bei welcher die auf das Ventil wirkende Magnetkraft maximal
ist, wenn das Ventil beginnt, sich zu bewegen und wenn das
Ventil absitzt.
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Gemäß der Erfindung wird eine Ventiltriebvorrichtung mit
elektromagnetischer Kraft zum Öffnen und Schließen eines
Einlaß-/Auslaßventils einer Maschine geschaffen, mit:
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- einem Magnetpolelement, welches zum Hin- und
Herbewegen mit einem Einlaß-/Auslaßventil verbunden ist,
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- einem ersten Elektromagneten mit ersten und zweiten
gegenüberliegenden Polen, wobei der erste Pol einem
Ende des Magnetpolelementes gegenüberliegt,
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- einem zweiten Elektromagneten mit einem Jochelement,
wobei das Ventil relativ zum Jochelement bewegbar ist,
das Jochelement einen oberen, dem einen Ende des
bewegbaren Magnetpolelementes gegenüberliegenden
Magnetpol
und einen unteren, dem anderen Ende des bewegbaren
Magnetpols gegenüberliegenden Magnetpol aufweist, der
zweite Pol des ersten Elektromagneten ein Umfangspol
ist, welcher dem ersten Pol des ersten Elektromagneten
und dem oberen Pol des zweiten Elektromagneten
gegenüberliegt,
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- einer Feder, welche das Ventil in Schließrichtung
drückt, wobei die Feder auf das bewegbare
Magnetpolelement eine Kraft ausübt, welche dieses in Richtung
seines einen Endes bewegt, und
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- Erregungssteuermitteln zum Erregen des ersten
Elektromagneten und mit einer programmierbaren
Steuereinheit zum Einstellen des Ventilöffnungstimings, wobei
die Erregungsmittel die ersten und zweiten
Elektromagneten erregen, so daß das Einlaß-/Auslaßventil
geöffnet und daß eine abstoßende Kraft bewirkt wird, um
zwischen dem einen Ende des bewegbaren Magnetpols und
dem ersten Pol zu wirken, kurz bevor das Ventil
absitzt.
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Die Erfindung ist gegenüber JP-A-58-101208 durch
verschiedene Merkmale, den umfänglichen zweiten Pol des ersten
Elektromagneten beinhaltend, abgegrenzt.
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Durch die erfindungsgemäße Ventiltriebvorrichtung mit
elektromagnetischer Kraft wirkt eine abstoßende Kraft zwischen
dem einen Ende des bewegbaren Magnetpols und dem oberen
festen Magnetpol, wenn das Einlaß-/Auslaßventil gelöst
wird. Die abstoßende Kraft treibt das Einlaß-/Auslaßventil
in Öffnungsrichtung an. Nachdem der bewegbare Magnetpol für
eine vorgegebene Zeitdauer an einer Position gehalten
wurde, in welcher die abstoßende Kraft und die Federkraft im
Gleichgewicht sind, wird die Erregung beendet, so daß das
Einlaß-/Auslaßventil durch die Federkraft geschlossen wird.
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Die Erregung wird für eine vorgegebene Zeitdauer, bis kurz
vor dem Absetzen des Ventils fortgeführt, wodurch das
Ventil
in Schließrichtung gebremst wird, so daß der Stoß beim
Absitzen verringert wird.
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Folglich kann erfindungsgemäß eine Ventiltriebvorrichtung
mit elektromagnetischer Kraft für hohe Leistung und
hervorragende Kraftstoffwirtschaftlichkeit vorgesehen werden, bei
welcher das Antreiben des Einlaß-/Auslaßventils in
Öffnungsrichtung und Bremsen des Ventils beim Absitzen durch
eine elektromagnetische Kraft und eine hohe Antriebskraft
in Öffnungsrichtung als auch eine starke Beschleunigung
beim Absitzen erreicht wird. Folglich wird der Öffnungsgrad
des Einlaß-/Auslaßventils vergrößert, d.h. der
Einlaß-/Auslaßwiderstand verringert.
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Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung
wird nachfolgend mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben, in welcher gleiche Bezugszeichen gleiche oder
ähnliche Teile in allen Figuren beschreiben. Es zeigt:
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Fig. 1 ein Blockdiagramm, welches ein erfindungsgemäßes
Ausführungsbeispiel darstellt;
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Fig. 2 eine Ansicht, welche einen
Ventilantriebsabschnitt darstellt; und
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Fig. 3 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen dem
Betrag der Ventilbewegung und der Zeit darstellt.
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Eine Maschine 6 weist ein Einlaßventil zum Öffnen und
Schließen einer Einlaßöffnung eines Zylinders und ein
Auslaßventil zum Öffnen und Schließen der Auslaßöffnung des
Zylinders auf. Die nachfolgende Diskussion befaßt sich
hauptsächlich mit dem Einlaßventil.
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Das Bezugszeichen 4 kennzeichnet das Einlaßventil, welches
aus einem hitzebeständigen, leichtgewichtigen Keramik
gebildet ist. Die Ausbildung des Einlaßventils 4 aus einer
hitzebeständigen Legierung, wie im Stand der Technik, ist
auch zulässig.
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Das Einlaßventil 4 wird axial durch eine Ventilführung 41
getragen, so daß es in axialer Richtung verschiebbar ist,
und weist einen abgeschrägten Bereich auf, welcher auf
einem am Auslaß der Zufuhrleitung 43 angeordneten
Ventilsitz 42 absitzt, wodurch die Einlaßöffnung geschlossen
wird. Ein magnetisches Material umfassender, bewegbarer
Magnetpol 3 ist starr an dem Axialendbereich des
Einlaßventils 4 durch ein Befestigungselement 33 befestigt. Der
axiale Endbereich des bewegbaren Magnetpols 3 ist derart
ausgebildet, daß er einen radial vorspringenden
Endmagnetpol 31 hat.
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Ein oberer Elektromagnet 1 ist nahe dem Endmagnetpol 31 an
dessen Oberseite angeordnet und hat einen zentralen
Magnetpol 12, welcher dem Endmagnetpol 31 gegenüberliegt, einen
Umfangsmagnetpol 13, der dem zentralen Magnetpol 12
gegenüberliegt und eine obere Spule 11, so daß Magnetkraftlinien
im Zentralmagnetpol 12 und im Umfangsmagnetpol 13 erzeugt
werden.
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Ein unterer Elektromagnet 2 ist um den äußeren Umfang des
bewegbaren Magnetpols 3 angeordnet und umfaßt einen oberen
Magnetpol 23, welcher dem Umfangsmagnetpol 13 und dem
Endmagnetpol 31 gegenüberliegt, einen unteren Magnetpol 22,
welcher der äußeren Umfangsfläche des bewegbaren Magnetpols
3 gegenüberliegt und eine untere Spule 31, so daß
Magnetkraftlinien im oberen Magnetpol 23 und im unteren Magnetpol
22 erzeugt werden.
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Eine Feder 32, welche eine nach oben gerichtete Kraft auf
das Einlaßventil 4 durch den bewegbaren Magnetpol 3
aufbringt, ist zwischen dem Endmagnetpol 31 und dem unteren
Magnetpol 22 angeordnet.
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Die obere Spule 11 und die untere Spule 21 sind an einem
Eingang-/Ausgang-Interface 54 innerhalb einer Steuereinheit
verbunden. Zusätzlich zur oberen Spule 11 und zur unteren
Spule 21 ist ein Drehsensor 61 mit dem Eingang-/Ausgang-
Interface 54 verbunden, welcher in der Nähe der
Abtriebswelle der Maschine 6 angeordnet ist.
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Die Steuereinheit 5 umfaßt zusätzlich zum Eingang-/Ausgang-
Interface 54, welches den Signaleingang/-ausgang zu
externen Geräten überwacht, einen ROM 52, welcher Programme und
Daten vorab speichert, einen CPU 51, welcher bei Steuerung
durch die im ROM 52 gespeicherten Programme eine
Verarbeitung ausführt, einen RAM 53 zum temporären Speichern von
Eingangssignalen und der Verarbeitungsergebnisse und einen
Steuerspeicher 55, welcher den Signalfluß innerhalb der
Steuereinheit 5 steuert.
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Der Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird
nachfolgend beschrieben.
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Fig. 2 zeigt eine den oberen Elektromagnet 1 und den
unteren Elektromagnet 2 darstellende Ansicht, welche den
Ventiltriebabschnitt bilden. Der in Fig. 1 schraffiert
dargestellte Querschnitt wurde in Fig. 2 entfernt.
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Während des normalen Betriebes wird das Einlaßventil 4
durch die Feder 32 nach oben gedrückt und in dieser
Position gehalten, in welcher das Einlaßventil 4 sich im
Ventilsitz 42 befindet. Wenn die durch den Drehsensor 61
erfaßte Drehphase der Maschine 6 den Zeitpunkt zum Öffnen des
Einlaßventils 4 darstellt, strömt ein Strom durch die obere
Spule 11 derart, daß ein Nordpol (N) im zentralen Magnetpol
12 und ein Südpol (S) im Umfangsmagnetpol 13 erzeugt wird.
Gleichzeitig wird ein Strom durch die untere Spule 21
geschickt, so daß ein N-Pol in dem unteren Magnetpol 22 und
ein S-Pol in dem oberen Magnetpol 23 in ähnlicher Form
erzeugt wird.
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Da der Endmagnetpol 31 dem oberen Magnetpol 23
gegenüberliegt, wird ein N-Pol im Endmagnetpol 31 durch den im
oberen
Magnetpol 23 erzeugten 5-Pol erzeugt. Folglich
entsprechen der zentrale Magnetpol 12 und der Endmagnetpol 31
bezüglich der polarität einander und stoßen einander ab,
wodurch das Einlaßventil 4 nach unten angetrieben wird.
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Da der Abstand zwischen dem zentralen Magnetpol 12 und dem
Endmagnetpol 31 zu dem Zeitpunkt, wenn der vorhergehende
Antriebsbetrieb beginnt, bezüglich des vertikalen Hubes des
Einlaßventils 4 minimal ist, ist die nach oben gerichtete
Antriebskraft, welche durch die elektromagnetische
Abstoßung erzeugt wird, maximal.
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Wenn das Einlaßventil 4 somit nach unten angetrieben wird,
um den Abstand zwischen dem Endmagnetpol 31 und dem
zentralen Magnetpol 12 zu erhöhen, nimmt die Abstoßungskraft
ab und die nach oben gerichtete Kraft, welche durch die
Feder 32 erzeugt wird, zu. Das Einlaßventil 4 stoppt an
einer Position, an welcher sich die nach unten gerichtete
Abstoßungskraft und die nach oben gerichtete Federkraft im
Gleichgewicht befinden.
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Die Stromzufuhr zur oberen Spule 11 und zur unteren Spule
21 wird zu einem ersten vorgegebenen Zeitpunkt von dem
Moment an, wenn das Einlaßventil 4 geöffnet ist,
unterbrochen. Folglich bricht die nach unten gerichtete
Abstoßungskraft zusammen und lediglich die durch die Feder 32
erzeugte nach oben gerichtete Kraft bleibt bestehen. Somit wird
das Einlaßventil 4 nach oben angetrieben. Kurz bevor das
Einlaßventil auf dem Ventilsitz 42 absitzt, d.h. zu einem
zweiten vorgegebenen Zeitpunkt, welcher von dem Moment an
erreicht ist, wenn die erste Zeitdauer verstrichen ist,
wird wiederum ein Strom durch die obere Spule 11 und die
untere Spule 21 geschickt, so daß N-Pole in dem zentralen
Magnetpol 12 und im Endmagnetpol 31 erzeugt werden.
Aufgrund der Stromzuführung wirkt eine nach unten gerichtete
Abstoßungskraft auf das Einlaßventil 4, so daß dessen nach
oben gerichtete Bewegungsgeschwindigkeit verringert wird,
wodurch ein Stoß vermindert wird, welcher beim Absitzen des
Ventils 4 auf dem Ventil 42 entsteht.
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Bei einer dritten gesetzten Zeit, welche vorab als zum
Abbremsen erforderliche Zeit gesetzt wurde, wird wieder die
Stromzuführung zur oberen Spule 11 und zur unteren Spule 21
unterbrochen. Somit bleibt das Einlaßventil 4 in der
Sitzstellung auf dem Ventilsitz 42 durch die Feder 32.
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Eine vorab im ROM 52 gespeicherte Tabelle gibt die
Beziehung zwischen jeder gesetzten Zeitdauer und der
Maschinenumdrehung wieder. Die ersten, zweiten und dritten oben
genannten Zeiten werden durch Berechnung der der
Maschinenumdrehung aus der Umdrehung der Maschine 6 entsprechenden
gesetzten Zeit, wobei die Umdrehung der Maschine 6 durch
den Drehsensor 61 erfaßt wird, und aus der korrelierende
Tabelle erhalten.
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Das Öffnen und Schließen des Ventils wird nachfolgend mit
Bezug auf Fig. 3 beschrieben.
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Fig. 3 zeigt sogenannte Nockenprofilkurven, bei welchen die
Horizontalachse den Öffnungszeitpunkt des Einlaßventils 4
und die vertikale Achse den Betrag der Ventilbewegung
darstellt. Die in diesem Diagramm gezeigten Kurven stellen die
Änderung des Bewegungsbetrages des Einlaßventils in Bezug
auf die verstrichene Zeit dar. Die durch die durchgezogene
Linie gekennzeichnete Kurve entspricht der Erfindung,
während die gestrichelte Linie mit der herkömmlichen
Vorrichtung unter Verwendung von Elektromagneten erhalten wird.
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Bei einer herkömmlichen, der gestrichelten Linienkurve
zugeordneten Vorrichtung wird das Ventil durch
Anziehungskräfte angetrieben, welche elektromagnetisch erzeugt
werden.
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Folglich wird die Anziehungskraft zu dem Zeitpunkt minimal,
wenn die Kraft zu wirken beginnt und der Abstand, über den
die elektromagnetische Kraft wirkt, nimmt mit der Bewegung
des Ventils ab, wodurch die Anziehungskraft zunimmt. Somit
ist die Beschleunigung kurz nach dem Bewegungsstart gering.
Andererseits ist die Beschleunigung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung kurz nach dem Ventilbewegungsbeginn hoch, wie
oben beschrieben wurde.
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Die zwischen der Profilkurve und der horizontalen Achse
definierte Fläche zeigt den Ventilöffnungsgrad. Es ist
verständlich, daß diese Fläche, welche mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung erhalten wurde, um den durch die
schraffierten Bereiche dargestellten Betrag größer ist, als
die des Standes der Technik.
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Folglich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart
ausgestaltet, daß der Einlaß-/Auslaßwiderstand beim Öffnen eines
Einlaß-/Auslaßventils geringer ist, als der einer
Vorrichtung des Standes der Technik und die Betriebsweise der
Maschine 6 gegenüber der Vorrichtung gemäß Stand der
Technik verbessert ist.
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Sowohl die die Korrelation zwischen den gesetzten Zeiten
und der oben genannten Maschinenumdrehung angebenden
Tabelle, als auch eine Karte, welche die Beziehung zwischen der
Maschinenumdrehung und dem Ventilöffnungszeitpunkt
darstellt, wird vorab in den ROM 52 gespeichert und die
Maschinenleistungsabgabe und der Wirkungsgrad kann im
kompletten Bereich der Maschinenumdrehung durch Veränderung
des Ventilöffnungszeitpunktes, wenn die Drehgeschwindigkeit
de Maschine 6 sich ändert, verbessert werden.
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Zusätzlich besteht die Möglichkeit, eine Zylindersteuerung
auszuführen, um die Anzahl der betriebenen Zylinder durch
Antreiben oder Anhalten der Einlaß-/Auslaßventile jedes
Zylinders zu erhöhen oder zu erniedrigen, welche bei einem
Anstieg oder Abfall der Umdrehung der Maschine 6 mitwirken.
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Obwohl die Erfindung primär mit Bezug auf das Einlaßventil
beschrieben wurde, ist es offensichtlich, daß die
erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung analog auf ein Auslaßventil
anwendbar ist.