DE10014113C2 - Solenoid-Ventilantriebsvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Solenoidventil mit einem durch elektromagnetische Kräfte anzutreibenden Ventilelement, und insbesondere eine Solenoid-Ventilantriebsvorrichtung für zwei benachbarte Solenoidventile.

Es ist bekannt, daß ein Einlaßventil und ein Auslaßventil einer Brennkraftmaschine durch Solenoidventile ausgebildet sind, die jeweils ein durch elektromagnetische Kräfte anzutreibendes Ventilelement aufweisen. Um die zum Antrieb eines solchen elektromagnetisch angetriebenen Einlaßventils oder Auslaßventils erforderliche Energie zu minimieren, kann man die Querschnittsfläche eines magnetischen Kreises in einer Antriebsvorrichtung für das Solenoidventil vergrößern. Jedoch hat eine derartige Vergrößerung der Querschnittsfläche zur Folge, daß die Größe der Antriebsvorrichtung ebenfalls zunimmt. Wenn beispielsweise zwei Einlaßventile und zwei Auslaßventile in einem Zylinder vorgesehen sind, fehlt Montageraum für die Antriebsvorrichtung. Die DE 196 11 547 A1 hat eine Lösung für dieses Problem vorgeschlagen, bei der die Kontaktflächen zweier benachbarter Antriebsvorrichtungen abgeflacht sind, um hierdurch den Abstand zwischen den zwei benachbarten Antriebsvorrichtungen zu reduzieren, so daß man die Antriebsvorrichtungen an einem oberen Teil einer Brennkraftmaschine anbringen kann.

Wenn z. B. zwei benachbarte Einlaßventile betätigt werden, werden die zwei benachbarten Einlaßventile normalerweise gleichzeitig betätigt, so daß anzunehmen ist, daß die in den zwei benachbarten Antriebsvorrichtungen erzeugten Magnetflüsse einander stören könnten. Jedoch ist dieser Punkt in der obigen Anmeldung nicht angesprochen. Im Hinblick auf die weitere Größenreduktion jeder Antriebsvorrichtung und der weiteren Senkung des Stromverbrauchs besteht daher noch immer Raum für Verbesserungen der Vorrichtung der oben erwähnten Schrift.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Solenoid-Ventilantriebsvorrichtung anzugeben, die ausreichende magnetische Antriebskräfte von Solenoiden benachbarter Solenoidventile sicherstellen kann und die eine Größenreduktion und Energieersparnis ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird daher eine Solenoid-Ventilantriebsvorrichtung mit zumindest zwei einander benachbarten Solenoidventilen vorgeschlagen, bei der die Richtungen von Magnetflüssen, die in den Solenoiden zweier benachbarter der zumindest zwei Solenoidventile bei deren Erregung erzeugt werden, einander entgegengesetzt sind.

Mit dieser Konfiguration sind die Richtungen von Magnetflüssen, die in den Solenoiden der zwei benachbarten Solenoidventile bei deren Erregung erzeugt werden, einander entgegengesetzt. Daher haben die zwei Solenoide einen gemeinsamen Magnetkreis, was zu einer Verstärkung des Magnetflusses führt. Wenn daher die zwei Solenoide im wesentlichen gleichzeitig erregt werden, kann daher die magnetische Anziehungskraft jedes Solenoids erhöht werden. Demzufolge kann die Querschnittsfläche eines Magnetkreises zum Erhalt einer erforderlichen magnetischen Anziehungskraft reduziert werden, um hierdurch die Größe der Vorrichtung reduzieren zu können, und ferner kann die Energie zum Erhalt einer erforderlichen magnetischen Anziehungskraft reduziert werden, um hierdurch Energie einsparen zu können.

Bevorzugt ist jedes der zumindest zwei Solenoidventile ein Einlaßventil oder ein Auslaßventil einer Brennkraftmaschine, und ist an der Oberseite einer Brennkammer der Brennkraftmaschine vorgesehen.

Falls zumindest zwei Einlaßventile in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine vorgesehen sind, werden die zumindest zwei Einlaßventile immer im wesentlichen gleichzeitig geöffnet oder geschlossen. Falls zumindest zwei Auslaßventile in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine vorgesehen sind, werden in ähnlicher Weise zumindest zwei Auslaßventile immer im wesentlichen gleichzeitig geöffnet oder geschlossen. Durch Anwendung jedes Solenoidventils bei einem Einlaßventil oder einem Auslaßventil einer Brennkraftmaschine werden die oben erwähnten Effekte der Erfindung noch deutlicher. Ferner ist diese Konfiguration sehr wirkungsvoll, die Einlaßventile und Auslaßventile in einem begrenzten Raum am Oberteil einer Brennkraftmaschine anzuordnen.

Bevorzugt sind die Solenoide der benachbarten Solenoidventile so konfiguriert, daß sie sich teilweise die Magnetkreise teilen, d. h. die Außenjoche der zwei benachbarten Solenoide stehen über eine flache Kontaktfläche miteinander in Kontakt.

Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt der Struktur einer Solenoid- Ventilantriebsvorrichtung nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, hier bei einem Einlaßventil in einer Brennkraftmaschine;

Fig. 2 eine schematische Draufsicht zur Darstellung der Anordnung von Einlaßventilen und Auslaßventilen in der in Fig. 1 gezeigten Brennkraftmaschine;

Fig. 3A einen Horizontalschnitt von in Fig. 1 gezeigten zwei benachbarten Solenoiden;

Fig. 3B eine ähnliche Ansicht wie in Fig. 3A von einem Vergleichsbeispiel;

Fig. 4A einen Vertikalschnitt der zwei benachbarten Solenoide in der bevorzugten Ausführung mit Darstellung eines Erregungsverfahrens für die Solenoide;

Fig. 4B eine ähnliche Ansicht wie in Fig. 4A, von einem Vergleichsbeispiel; und

Fig. 4C eine weitere ähnliche Ansicht wie in Fig. 4A, von einem anderen Vergleichsbeispiel.

Fig. 1 ist eine Vertikalschnittansicht der Struktur einer Solenoid- Ventilantriebsvorrichtung nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, hier bei einem Einlaßventil einer Brennkraftmaschine 10 (nachfolgend einfach als "Maschine" bezeichnet). Wie in Fig. 2 gezeigt, sind in dieser bevorzugten Ausführung zwei Einlaßventile 1 und zwei Auslaßventile 2 in einem Zylinder 3 der Maschine 10 vorgesehen. Während in Fig. 1 die Konfiguration jedes Einlaßventils 1 gezeigt ist, ist die Konfiguration jedes Auslaßventils 2 ähnlich jener des Einlaßventils 1. Jedes Einlaßventil 1 umfaßt ein Ventilelement 12, an dem ein Anker 14 befestigt ist, und einen Aktuator 11 zum Antrieb des Ventilelements 12. Jedes Einlaßventil 1 ist an der Oberseite einer Brennkammer der Maschine 10 angebracht, um eine Einlaßöffnung 18, die an einem Oberteil der Brennkammer ausgebildet ist, zu öffnen und zu schließen.

Zu Fig. 2. Mit D1 ist ein Innendurchmesser oder eine Bohrung des Zylinders 3 bezeichnet, und mit D2 ist ein Abstand zwischen den zwei Ventilen 1 oder ein Ventilabstand bezeichnet. Die Bohrung D1 und der Ventilabstand D2 sind durch die Spezifikationen der Maschine 10 bestimmt, so daß der Aktuator 11 jedes Einlaßventils 1 eine Größe haben muß, die an die Beschränkungen durch die Bohrung D1 und den Ventilabstand D2 angepaßt ist. In dieser bevorzugten Ausführung haben die Aktuatoren 11 der zwei einander benachbarten Einlaßventile 1 vergrößerte Durchmesser, und an einem Kontaktabschnitt zwischen den benachbarten Einlaßventilen 1 ist ein gemeinsamer Magnetkreis ausgebildet. Ähnlich haben die Aktuatoren der zwei einander benachbarten Auslaßventile 2 vergrößerte Durchmesser, und an einem Kontaktabschnitt zwischen den benachbarten Auslaßventilen 2 ist ein gemeinsamer Magnetkreis ausgebildet. Mit dieser Struktur kann der Stromverbrauch reduziert werden.

Wie in Fig. 1 gezeigt, umfaßt der Aktuator 11 jedes Einlaßventils 1 hauptsächlich zwei Solenoide (Elektromagneten), die einander vertikal gegenüber liegen, d. h. ein Ventilschließsolenoid 15 zum magnetischen Spannen des Ventilelements 12 in dessen Ventilschließrichtung sowie ein Ventilöffnungssolenoid 16 zum magnetischen Spannen des Ventilelements 12 in dessen Ventilöffnungsrichtung, sowie ein Federpaar 17, das an dem Ventilschließsolenoid 15 und dem Ventilöffnungssolenoid 16 vorgesehen ist, um den Anker 14 zu halten. Das Ventilöffnungssolenoid 15 umfaßt eine Wicklung 15a, ein zylindrisches Außenjoch 15b, ein zylindrisches Innenjoch 15c und ein ringförmiges Horizontaljoch 15d. Ähnlich umfaßt das Ventilschließsolenoid 16 eine Wicklung 16a, ein zylindrisches Außenjoch 16b, ein zylindrisches Innenjoch 16c und ein ringförmiges Horizontaljoch 16d. In dem Ventilschließsolenoid 15 sind das Außenjoch 15b und das Innenjoch 15c in Kontakt mit dem Horizontaljoch 15d. Wenn der Anker durch das Ventilschließsolenoid 15 magnetisch angezogen wird, werden durch diese Joche 15b, 15c und 15d sowie den Anker 14 Magnetkreise gebildet. Ähnlich sind in dem Ventilöffnungssolenoid 16 das Außenjoch 16b und das Innenjoch 16c in Kontakt mit dem Horizontaljoch 16d. Wenn der Anker 14 durch das Ventilöffnungssolenoid 16 magnetisch angezogen wird, werden durch diese Joche 16b, 16c und 16d und den Anker 14 Magnetkreise gebildet.

Die Federn 17 halten den Anker 14 normalerweise in seiner Neutralstellung (einer Zwischenstellung zwischen dem Ventilschließsolenoid 15 und dem Ventilöffnungssolenoid, wie in Fig. 1 gezeigt). In dieser Neutralstellung üben die Federn 17 keine Spannkräfte auf das Ventilelement 12 aus. Wenn sich der Anker 14 in einer höheren Position befindet als der Neutralstellung, üben die Federn 17 Spannkräfte auf das Ventilelement 12 in dessen Ventilöffnungsrichtung aus, und wenn der Anker 14 sich in einer tieferen Position als der Neutralstellung befindet, üben die Federn 17 Spannkräfte auf das Ventilelement 12 in dessen Ventilschließrichtung aus.

Die Wicklungen 15a und 16a jedes Aktuators 11 sind mit einer elektronischen Steuereinheit (nicht gezeigt) verbunden, und sie werden durch Treibersignale angetrieben, die von der elektronischen Steuereinheit geliefert werden.

Durch Erregen des Ventilschließsolenoids 15 oder des Ventilöffnungssolenoids 16 wird das Ventilelement 12 zwischen einer vollständig geschlossenen Stellung, in der die Einlaßöffnung 18 durch das Ventilelement 12 geschlossen ist, und einer vollständig offenen Stellung, in der der Hubbetrag des Ventilelements 12 maximal ist, bewegt, um hierdurch das Einlaßventil 1 zu öffnen und zu schließen. Wenn die Solenoide 15 und 16 entregt sind, wird das Ventilelement 12 in einer Mittelstellung zwischen der vollständig geschlossenen Stellung und der vollständig offenen Stellung gehalten.

Wie in Fig. 3A gezeigt, ist der Querschnitt jedes Ventilöffnungssolenoids 16 im wesentlichen kreisförmig, wobei eine flache Kontaktfläche 19 an einem Kontaktabschnitt zwischen den benachbarten Solenoiden 16 ausgebildet ist, so daß die horizontale Größe des Außenjochs 16b jedes Solenoids 16 reduziert ist. Fig. 3B zeigt ähnlich eine Vergleichsausführung, bei der der Ventilabstand D2 der gleiche ist wie in Fig. 3A und die benachbarten Solenoide derart angeordnet sind, daß die Außenumfangsflächen der Außenjoche - im Querschnitt betrachtet - einander punktförmig berühren, d. h. keine flache Kontaktfläche 19 ausgebildet ist. In dieser bevorzugten Ausführung sind die Querschnittsflächen des Außenjochs 16b und des Innenjochs 16c, welche Magnetkreise bilden, vergrößert, um den Energieverbrauch jedes Solenoids 16 zu reduzieren, und jedes der benachbarten Außenjoche 16b ist teilweise angeschnitten, um die flache Kontaktfläche 19 zu bilden, so daß der Ventilabstand D2 unverändert bleibt, um hierdurch einen Kontakt der Außenjoche 16b durch die flache Kontaktfläche 19 zu erzeugen, ohne den Ventilabstand D2 zu vergrößern. Daher wird ein gemeinsamer Magnetkreis für die zwei benachbarten Solenoide 16 in der Nähe der flachen Kontaktfläche 19 zwischen den benachbarten Außenjochen 16b ausgebildet, d. h. die zwei benachbarten Solenoide 16 können durch die flache Kontaktfläche 19 einen gemeinsamen Magnetkreis bilden.

Die Wicklungen 16a der zwei benachbarten Ventilöffnungssolenoide 16 werden derart erregt, daß Magnetfelder, die von den zwei benachbarten Solenoiden 16 erzeugt werden, in der Richtung entgegengesetzt sind. Wie in Fig. 4A gezeigt, werden nämlich die Wicklungen 16a der zwei benachbarten Solenoide 16 derart erregt, daß ein Magnetfluß ϕ1, der durch die Joche 16b, 16c und 16d und den Anker 14 des Solenoids 16 an der in Fig. 4A linken Seite erzeugt wird, in der Richtung entgegengesetzt zu einem Magnetfluß ϕ2 ist, der durch die Joche 16b, 16c und 16d und den Anker 14 des Solenoids 16 an der gemäß Fig. 4A rechten Seite erzeugt wird. Wenn daher die zwei benachbarten Solenoide 16 gleichzeitig erregt werden, wird in der Nähe der flachen Kontaktfläche 19 ein gemeinsamer Magnetkreis gebildet, wie in Fig. 4A mit der dicken unterbrochenen Linie (ϕ3) gezeigt. Anders gesagt, es wird ein anderer Magnetfluß ϕ3 in einem anderen Bereich als dem in Fig. 4A gezeigten Bereich A erzeugt, so daß der gesamte Magnetfluß stärker sein kann.

Fig. 4B zeigt Magnetflüsse ϕ1 und ϕ2a in dem Fall, daß die zwei benachbarten Solenoide 16 gleichzeitig so erregt werden, daß die von den Solenoiden 16 erzeugten Magnetflüsse die gleiche Richtung haben. In diesem Fall werden die Richtungen der Magnetfelder in der Nähe der flachen Kontaktfläche 19 gleich, wodurch sich eine Verstärkung des Magnetfelds H ergibt. Im Ergebnis wird in dem Bereich A ein magnetischer Sättigungszustand erzeugt, so daß der Magnetfluß ϕ unabhängig von einer Vergrößerung des Magnetfelds H nicht zunimmt, wodurch die magnetische Anziehungskraft auf den Anker 14 abnimmt. Fig. 4C zeigt einen Magnetfluß für den Fall, daß nur eines der zwei benachbarten Solenoide 16 erregt wird. In diesem Fall kann die Richtung des Magnetflusses beliebig festgelegt werden.

Unter Verwendung der Konfiguration zum Erzeugen der Magnetflüsse ϕ1 und ϕ2 gemäß Fig. 4A kann die magnetische Anziehungskraft um etwa maximal 20% verbessert werden im Vergleich zu dem in Fig. 4B gezeigten Fall. Ferner kann die magnetische Anziehungskraft um etwa 5% im Vergleich zum in Fig. 4C gezeigten Fall vergrößert werden. Demzufolge kann die erforderliche Stromstärke zum Erhalt einer erforderlichen magnetischen Anziehungskraft um etwa 20% im Vergleich zum in Fig. 4B gezeigten Fall reduziert werden, um hierdurch den Stromverbrauch jedes Solenoids zu senken. Die oben erwähnte 20%ige oder 5%ige Zunahme der magnetischen Anziehungskraft kann entsprechend der Form jedes Solenoids veränderlich sein, d. h. die maximale Zunahme kann größer oder kleiner sein als beim obigen Ventil.

Die Konfiguration und das Erregungsverfahren jedes Ventilschließsolenoids 15 ist so ähnlich wie beim Ventilöffnungssolenoid 16.

Obwohl in der obigen bevorzugten Ausführung die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung zum Antrieb der Einlaßventile und Auslaßventile der Brennkraftmaschine dient, kann die Erfindung auch bei einer Antriebsvorrichtung für eine Mehrzahl von Ventilen angewendet werden, die einander benachbart angeordnet sind und in einigen Fällen gleichzeitig angetrieben werden. Wenn drei oder mehr Solenoidventile einander benachbart angeordnet sind, erhält man einen ähnlichen Effekt, indem man die Konfiguration der Erfindung für ein Solenoid jedes Solenoidventils verwendet.

Ferner ist die Querschnittsform jedes Solenoids nicht auf eine Kreisform beschränkt, sondern kann auch andere Querschnittsformen haben, wie etwa elliptische, quadratische, rechteckige und langgestreckte Formen.

Die Erfindung zeigt eine Solenoid-Ventilantriebsvorrichtung mit zumindest zwei einander benachbarten Solenoidventilen. Magnetflüsse, die in den benachbarten Solenoiden 16, 16 der Solenoidventile bei deren Erregung erzeugt werden, sind in der Richtung einander entgegengesetzt. Wenn daher die benachbarten Solenoide 16, 16 gleichzeitig erregt werden, wird ein gemeinsamer Magnetkreis zwischen diesen Solenoiden erzeugt, wodurch der Magnetfluß zunimmt, um hierdurch die magnetische Anziehungskraft jedes Solenoids zu vergrößern. Daher kann die Solenoid- Ventilantriebsvorrichtung eine ausreichende magnetische Anziehungskraft jedes Solenoids liefern und kann die Größe reduzieren und Energie einsparen.

Claims (4)

1. Solenoid-Ventilantriebsvorrichtung mit zumindest zwei einander benachbart angeordneten Solenoidventilen (1, 1), dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungen von Magnetflüssen, die in den Solenoiden zweier benachbarter der zumindest zwei Solenoidventile bei deren Erregung erzeugt werden, einander entgegengesetzt sind.

2. Solenoid-Ventilantriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der zumindest zwei Solenoidventile ein Einlaßventil (1) oder ein Auslaßventil (2) einer Brennkraftmaschine ist und an der Oberseite einer Brennkammer der Brennkraftmaschine vorgesehen ist.

3. Solenoid-Ventilantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Solenoide (15, 16) der benachbarten Solenoidventile so ausgebildet sind, daß sie sich die Magnetkreise partiell teilen.

4. Solenoid-Ventilantriebsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Solenoide (15, 16) der benachbarten Solenoidventile ein Außenjoch (15b, 16b) als äußerstes zylindrisches Element aufweist, wobei ein Teil des Außenjochs unter Bildung einer flachen Kontaktfläche (19) geschnitten ist, so daß die Außenjoche der Solenoide durch die flache Kontaktfläche (19) miteinander in Kontakt stehen.