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Die
Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung, die ein elektromagnetisches
Ventil durch elektromagnetische Kraft antreibt, und sie betrifft
insbesondere eine Antriebsvorrichtung, deren Bauteileanzahl verringert
ist, sowie ein entsprechendes Verfahren.
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Einige
Aktuatoren treiben mechanische Elemente elektromagnetisch an, anstatt
mechanisch durch gekoppelte mechanische Teile, wie etwa einen Nocken
oder Stößel. Wenn
der elektromagnetische Aktuator einen Elektromagneten erregt, wird
ein mechanisches Element durch eine von dem Elektromagneten erzeugte
Anziehungskraft angetrieben. Die Zeit und Kraft zum Antrieb des
mechanischen Elements wird genauer gesteuert bzw. geregelt, da der elektromagnetische
Aktuator den dem Elektromagneten zugeführten elektrischen Strom genau
steuern kann. Daher ist der elektromagnetische Aktuator in zahlreichen
Anwendungen weit verbreitet, wo eine präzise und variable Zeitsteuerung
erforderlich ist.
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Der
elektromagnetische Aktuator wird in verschiedenen Teilen eines Fahrzeugs
verwendet. Beispielsweise wird ein Leerlaufsteuerventil, ein Kraftstoffeinspritzventil,
ein EGR-(Abgasrückführungs)-Steuerventil
für einen
Motor allgemein durch einen elektromagnetischen Aktuator angetrieben. Bevorzugt
werden auch Einlass- und Auslassventile eines Verbrennungsmotors
durch einen elektromagnetischen Aktuator angetrieben. Der Grund
hierfür ist,
dass die Ventilsteuerzeit, im Vergleich zu einem mechanischen Aktuator,
variabel gesteuert werden kann. Der elektromagnetische Aktuator
gestattet eine Verbesserung der Leistungscharakteristiken und der Kraftstoffeffizienz
des Verbrennungsmotors.
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Der
elektromagnetische Aktuator besitzt zum Antrieb eines Ventils typischerweise
ein Paar von Elektromagneten. Den einen kann man als Ventilöffnungs-Elektromagneten
bezeichnen und den andern kann man als Ventil schließ-Elektromagneten
bezeichnen. Wenn der Ventilöffnungs-Elektromagnet erregt
wird, wird das Ventil nach unten angetrieben, wodurch das Ventil öffnet. Wenn
der Ventilschließ-Elektromagnet
erregt wird, wird das Ventil nach oben angetrieben, wodurch das
Ventil schließt. Um
ein Ventil zu öffnen
und zu schließen,
sind zwei Antriebsvorrichtungen erforderlich.
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Die 7A und 7B zeigen
typische Antriebsvorrichtungen für
Ventilöffnungs-
bzw. Ventilschließ-Elektromagneten.
Wie aus den 7A und 7B ersichtlich,
haben die zwei Antriebsvorrichtungen die gleichen Bauteile. Daher
wird nur die Antriebsvorrichtung für den in 7A gezeigten
Ventilöffnungs-Elektromagneten
beschrieben.
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Die
Antriebsvorrichtung 80 umfasst einen Elektromagneten 81,
einen FET (Feld-Effekt-Transistor) 82, einen FET 83,
eine Schwungmomentdiode 84 und eine Regenerationsdiode 85.
Der FET 83 steuert einen dem Elektromagneten 81 zugeführten Antriebsstrom.
Der FET 82 steuert die Zeitgebung der Antriebsstromzufuhr
zum Elektromagneten 81. Die Schwungmomentdiode 84 entlädt die in
dem Elektromagneten 81 erzeugte elektromotorische Gegenkraft,
wenn der FET 83 ausgeschaltet wird. Die Regenerationsdiode 85 bringt
die in den Elektromagneten 81 geladene magnetische Energie
zu einer Energieversorgung zurück,
die mit dem Anschluss 86 verbunden ist, wenn beide FETs 82 und 83 ausgeschaltet
sind.
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Der
Antriebsstrom wird typischerweise durch ein Stromsteuersignal gesteuert,
das gemäß Konstant-Stromrückkopplung
bestimmt wird. Der FET 83 wird gemäß dem Stromsteuersignal zwischen
ein und aus umgeschaltet, um die Anlage eines gewünschten
Antriebsstroms an den Elektromagneten 81 zu ermöglichen.
Anstatt des FET kann auch ein anderes Schaltmittel (z.B. ein bipolarer
Transistor) verwendet werden. Alternativ kann der Antriebsstrom durch
ein pulsweitenmoduliertes (PWM) Signal gesteuert werden.
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Der
Betrieb der Schaltung in 7A wird kurz
beschrieben. Um das Ventil zu öffnen,
wird der FET 82 eingeschaltet, und der FET 83 wird
zwischen ein und aus umgeschaltet. Der elektrische Strom, der von
der Energieversorgung durch den Anschluss 86 zugeführt wird,
wird gemäß dem Schaltzustand
des FET 83 gesteuert, so dass er durch den Elektromagneten 81 zu
dem FET 82 fließt.
Wenn der Elektromagnet 81 erregt ist, wird das Ventil durch
die vom Elektromagneten 81 erzeugte Anziehungskraft geöffnet. Um
den Ventilöffnungsbetrieb
zu stoppen, werden sowohl der FET 83 als auch der FET 82 ausgeschaltet.
Die in den Elektromagneten 81 geladene magnetische Energie
wird durch die Regenerationsdiode 85 zur Energieversorgung
zurückgeleitet.
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Auf
diese Weise besitzt eine herkömmliche Antriebsvorrichtung
zwei Schaltmittel und zwei Dioden für jeden Elektromagneten, was
bedeutet, dass für
jedes Ventil vier Schaltmittel und vier Dioden erforderlich sind
(7A und 7B). Wenn
statt der Diode in den 7A und 7B ein
Transistor verwendet wird, sind für jedes Ventil acht Schaltmittel
erforderlich. Zusätzlich
benötigen
die in den 7A und 7B gezeigten
Antriebsvorrichtungen zwei Kabelstränge für jeden Elektromagneten. Daher
sind für
jedes Ventil vier Kabelstränge
erforderlich.
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Die
japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 11-62528 offenbart die
Antriebsvorrichtung, die oben anhand der 7A und 7B beschrieben
ist. Zusätzlich
offenbart sie eine andere Antriebsvorrichtung, die zwei Transistoren
aufweist, um einen Antriebsstrom durch einen Elektromagneten zu
leiten, und zwei weitere Transistoren, um einen Strom in der Rückwärtsrichtung
durch den Elektromagneten zu leiten, um Restmagnetisierung aus dem
Elektromagneten zu löschen.
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 11-210916 offenbart
eine Antriebsvorrichtung, die zwei Schaltelemente aufweist, um einen
Antriebsstrom in Vorwärtsrichtung
durch einen Elektromagneten zu leiten, und zwei Schaltelemente, um
den Antriebsstrom in Rückwärtsrichtung
durch den Elektromagneten zu leiten. Die Antriebsvor richtung schaltet
entweder das Vorwärtsschaltelement oder
das Rückwärtsschaltelement
gemäß der Abweichung
zwischen einem Strombefehl mit vorbestimmter Größe und einem Antriebsstrom.
Jede der oben erwähnten
Antriebsvorrichtungen benötigt
für jedes Ventil
acht Schaltmittel.
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Ein
Vierzylinder-Verbrennungsmotor besitzt typischerweise 16 Ventile,
wobei in jedem Zylinder vier Ventile vorgesehen sind. Falls acht
Schaltmittel und vier Kabelstränge
für jedes
Ventil erforderlich sind, erfordert der Vierzylinder-Verbrennungsmotor insgesamt
128 Schaltmittel und 64 Kabelstränge. Eine
derart große
Anzahl von Bauteilen führt
zu hohen Kosten.
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Die
japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. JP 11-166657 A offenbart
einen Ventilaktuator, der neun FETs (oder acht FETs und eine Diode)
und vier Elektromagneten aufweist. Der Ventilaktuator ist so konstruiert,
dass die Anzahl der Schaltmittel reduziert ist. Insbesondere besitzt
der Ventilaktuator einen besonderen Mechanismus, um jeden FET mit
einer geeigneten Steuerzeit zu schalten. Dieser besondere Mechanismus
erhöht
die Komplexizität
des Ventilaktuators. Nebenbei sind die Kosten eines FET, im Vergleich
zu einer Diode, relativ hoch.
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Aus
der
DE 198 43 073
C1 und der hierzu üblichen
Schaltungstechnik gemäß den
7A und
7B sind eine Ventilantriebsvorrichtung
und ein Ventilantriebsverfahren nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 6,
11 und 14 bekannt. Dort sind jedem Elektromagneten jeweils zwei
separate Schaltmittel zugeordnet.
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Es
besteht der Wunsch, dass die Anzahl der Bauteile in einer Ventilantriebsvorrichtung
minimiert wird, um deren Kosten niedrig zu halten. Es besteht ferner
der Wunsch, dass eine Antriebsvorrichtung eine einfache Struktur
hat, die leicht zusammengebaut werden kann.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Ventilantriebsvorrichtung mit einer
einfachen Struktur und einer reduzierten Bauteileanzahl anzugeben.
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Zur
Lösung
der Aufgabe wird eine Ventilantriebsvorrichtung nach den Ansprüchen 1 und
6 sowie ein Ventilantriebsverfahren nach den Ansprüchen 11
und 14 angegeben.
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Die
Ventilantriebsvorrichtung teilt sich den einzigen Schalter des dritten
Schaltmittels zwischen dem Ventilöffnungs- und dem Ventilschließbetrieb. Somit
ist die Anzahl von Schaltmitteln und Kabelsträngen reduziert, während der
Aufbau der Treiberschaltung einfach ist.
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Nach
einer bevorzugten Ausführung
der in Anspruch 6 definierten Erfindung umfasst die Ventilantriebsvorrichtung
ferner ein viertes Schaltmittel, das zwischen dem einen Ende des
ersten Elektromagneten und dem Masseanschluss vorgesehen ist, ein fünftes Schaltmittel,
das zwischen dem einen Ende des zweiten Elektromagneten und dem
Masseanschluss vorgesehen ist; und ein sechstes Schaltmittel, das
zwischen dem Anschluss, der das andere Ende des ersten Elektromagneten
mit dem anderen Ende des zweiten Elektromagneten verbindet, und der
Energieversorgung vorgesehen ist. Wenn das erste und das dritte
Schaltmittel ausgeschaltet werden, um den Betrieb zum Öffnen des
Betriebs zu stoppen, wird die in dem ersten Elektromagneten induzierte
Spannung durch das vierte und das sechste Schaltmittel entladen.
Wenn das zweite und das dritte Schaltmittel ausgeschaltet werden,
um den Betrieb zum Schließen
des Ventils zu stoppen, wird die in dem zweiten Elektromagneten
induzierte Spannung durch das fünfte
und das sechste Schaltmittel entladen.
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Die
Ventilantriebsvorrichtung teilt sich das sechste Schaltmittel zwischen
dem Ventilöffnungs- und
dem Ventilschließbetrieb.
Somit ist die Anzahl der Schaltmittel weiter reduziert. Bevorzugt
sind die vierten, fünften
und sechsten Schaltmittel als Dioden ausgeführt.
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Die
Erfindung wird nun in Ausführungsbeispielen
anhand der beigefügten
Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Blockdiagramm der Gesamtkonstruktion eines elektromagnetischen Ventilaktuators und
eines Steuergeräts
gemäß einer
Ausführung;
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2 eine
schematische Schnittansicht eines elektromagnetischen Ventilaktuators
gemäß einer
Ausführung;
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3 ein
schematisches Schaltdiagramm einer Ventilantriebsvorrichtung gemäß einer
Ausführung;
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4A und 4B ein
schematisches Steuerzeitdiagramm zur Betätigung des Schaltmittels in
einer Ventilantriebsvorrichtung gemäß einer Ausführung;
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5 ein
schematisches Schaltungsdiagramm einer Ventilantriebsvorrichtung
gemäß einer anderen
Ausführung;
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6A und 6B ein
schematisches Steuerzeitdiagramm für den Betrieb des Schaltmittels
in einer Ventilantriebsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführung; und
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7A und 7B die
typische Konstruktion herkömmlicher
Ventilantriebsvorrichtungen.
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1 ist
ein Blockdiagramm der Gesamtkonstruktion eines elektromagnetischen
Aktuators und eines Steuergeräts
dafür.
Das Steuergerät 1 umfasst
eine zentrale Prozessoreinheit 2 (nachfolgend als "CPU" bezeichnet), die
einen Mikrocomputer und zugeordnete Schaltungselemente aufweist,
ein ROM 3 (Nur-Lesespeicher) zum Speichern auszuführender
Programme und Daten, ein RAM 4 (Direktzugriffsspeicher),
der eine Arbeitsfläche
für Operationen
vorsieht und die Ergebnisse von Operationen speichert, sowie eine
Eingabe/Ausgabeschnittstelle 5.
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Die
Eingabe/Ausgabeschnittstelle 5 erhält von verschiedenen Sensoren 19 Signale,
die die Motordrehzahl (Ne), die Motorwassertemperatur (Tw), die
Einlasslufttemperatur (Ta), die Batteriespannung (VB), den Zündschalter (IGSW)
und dergleichen anzeigen. Die Eingabe/Ausgabeschnittstelle 5 erhält auch
eine Drehmomentanforderung, die durch einen Lastanforderungsdetektor 9 erfasst
wird. Der Lastanforderungsdetektor 9 kann ein Gaspedalsensor
sein, der erfasst, wie tief das Gaspedal niedergedrückt wird.
Auf der Basis dieser Eingangssignale bestimmt das Steuergerät 1 Parameter,
wie etwa die Steuerzeit der Energieversorgung, die Höhe des Stroms
oder der Spannung, die zugeführt
werden soll, sowie die Dauer der Anlage des Stroms oder der Spannung
gemäß einem
in dem ROM 3 gespeicherten Steuerprogramm.
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Die
Stromsteuerschaltung 7 erzeugt ein Stromsteuersignal und
ein Zeitsteuersignal gemäß den Parametern
von dem Steuergerät 1,
um diese einer Treiberschaltung 8 zuzuführen. Die Treiberschaltung 8 steuert
die von einer Konstantspannungs-Energieversorgung 6 zugeführte Spannung
gemäß dem empfangenen
Stromsteuersignal, so dass ein gewünschter Antriebsstrom durch
einen ersten Elektromagneten 11 und einen zweiten Elektromagneten 13 fließt, die
in dem elektromagnetischen Aktuator 100 vorgesehen sind.
Die Treiberschaltung 8 steuert die Zeit des Stromflusses
durch den ersten und zweiten Elektromagneten 11 und 13 gemäß den empfangenen
Zeitsteuersignalen.
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Mit
der Treiberschaltung 8 ist ein Stromdetektor 10 verbunden.
Der Stromdetektor 10 erfasst die Stärke des an den ersten Elektromagneten 11 und
den zweiten Elektromagneten 13 angelegten Stroms, um ihn
zu dem Steuergerät 1 rückzuführen. Das
Steuergerät 1 bestimmt
die Parameter auf der Basis des Rückkopplungssignals, so dass
der an die Elektromagneten 11 und 13 angelegte
Antriebsstrom optimiert wird. Die Rückführsteuerung ermöglicht eine
Verbesserung der Kraftstoffeffizienz und der Leistungscharakteristiken
des Motors. Zusätzlich
reduziert die Rückführsteuerung
die Emission des Motors.
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2 ist
eine Schnittansicht, die die schematische Struktur des in 1 gezeigten
elektromagnetischen Aktuators 100 zeigt. Das Ventil 20 ist
in der Einlassöffnung
oder Auslassöffnung
(nachfolgend als "Einlass/Auslassöffnung 30" bezeichnet) des
Verbrennungsmotors vorgesehen, um die Einlass/Auslassöffnung 30 zu öffnen und
zu schließen. Wenn
das Ventil 20 durch den elektromagnetischen Aktuator 100 nach
oben angetrieben wird, wird es in einer Position gestoppt, wo es
dicht auf dem Ventilsitz 31 sitzt, der in der Einlass/Auslassöffnung 30 angebracht
ist, so dass die Einlass/Auslassöffnung 30 geschlossen
wird. Wenn das Ventil 20 durch den elektromagnetischen
Aktuator 100 nach unten angetrieben wird, verlässt es den
Ventilsitz 31 um einen bestimmten Hub, so dass die Einlass/Auslassöffnung 30 geöffnet wird.
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Der
von dem Ventil 20 abstehende Ventilschaft 21 ist
in einer Ventilführung 23 in
axialer Richtung beweglich geführt.
Ein scheibenförmiger
Anker 22, der aus weichmagnetischem Material hergestellt ist,
ist an dem Oberende des Ventilschafts 21 angebracht.
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Ein
Gehäuse 18,
das aus nicht magnetischem Material hergestellt ist, enthält einen
ersten Solenoid-Elektromagneten 11, der über dem
Anker 22 angeordnet ist, sowie einen zweiten Solenoid-Elektromagneten 13,
der unter dem Anker 22 angeordnet ist. Der erste Elektromagnet 10 ist
von einem ersten magnetischen Joch 12 umgeben, und der zweite
Elektromagnet 13 ist von einem zweiten magnetischen Joch 14 umgeben.
Eine erste Feder 16 und eine zweite Feder 17 sind
im Gleichgewicht angeordnet, so dass der Anker 22 in der
Mitte des Spalts zwischen dem ersten Elektromagneten 11 und
dem zweiten Elektromagneten 13 gehalten wird, wenn weder
an den ersten Elektromagneten 11 noch an den zweiten Elektromagneten 13 ein
Antriebsstrom angelegt wird.
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Wenn
ein Antriebsstrom durch die Treiberschaltung 8 an den ersten
Elektromagneten 11 angelegt wird, wird der Anker 22 zu
dem ersten Elektro magneten 11 hin angezogen. Dementsprechend
wird das Ventil 20 nach oben angetrieben. Das Ventil 20 stoppt,
wenn der Anker 22 auf dem ersten magnetischen Joch 12 aufsitzt.
Somit ist das Ventil 20 geschlossen.
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Wenn
die Antriebsstromzufuhr zu dem ersten Elektromagneten 11 gestoppt
wird, und ein Antriebsstrom dem zweiten Elektromagneten 13 zugeführt wird,
wird der Anker 22 zu dem zweiten Elektromagneten 13 hin
angezogen. Dementsprechend wird das Ventil 20 nach unten
angetrieben. Das Ventil 20 stoppt, wenn der Anker 22 auf
dem zweiten magnetischen Joch 14 aufsitzt. Somit ist das
Ventil 20 geöffnet.
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Wie
oben beschrieben, sind die in den 7A und 7B gezeigten
herkömmlichen
Antriebsvorrichtungen für
den Ventilöffnungs-Elektromagneten 81 bzw.
den Ventilschließ-Elektromagneten 91 vorgesehen.
Jedoch werden der Ventilöffnungs-Elektromagnet
und der Ventilschließ-Elektromagnetnicht
gleichzeitig erregt. Insbesondere wird die Antriebsvorrichtung 90 zum
Schließen
des in 7B gezeigten Ventils nicht benutzt,
wenn das Ventil geöffnet
wird. Ähnlich
wird die Antriebsvorrichtung 80 zum Öffnen des in 7A gezeigten
Ventils nicht benutzt, wenn das Ventil geschlossen wird. Daher ist
es durch Aufteilen der Schaltmittel und Dioden, die in den Antriebsvorrichtungen
zwischen dem Ventilöffnungs-
und dem Ventilschließbetrieb
enthalten sind, möglich,
eine Antriebsvorrichtung mit einer reduzierten Anzahl von Schaltmitteln,
Dioden und Kabelsträngen
zu realisieren.
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3 zeigt
eine Antriebsvorrichtung 50 nach einer Ausführung der
vorliegenden Erfindung. Für
jedes Ventil ist eine einzelne Antriebsvorrichtung 50 vorgesehen.
Die Antriebsvorrichtung 50 umfasst einen ersten Elektromagneten 11,
einen zweiten Elektromagneten 13, einen ersten Zeitsteuer-FET 51A, einen
zweiten Zeitsteuer-FET 51B, einen Stromsteuer-FET 53,
eine Schwungmomentdiode 55, eine erste Regenerationsdiode 57A und
eine zweite Regenerationsdiode 57B. Die ersten und zweiten
Elektromagneten 11 und 13 entsprechen den ersten
und zweiten Elektromagneten 11 und 13 der 1 und 2. Die
Komponenten der Antriebsvorrichtung 50 sind natürlich in
der in 1 gezeigten Treiberschaltung 8 enthalten,
außer
den ersten und zweiten Elektromagneten 11 und 13.
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Der
erste Zeitsteuer-FET 51A ist ein Schaltmittel, das durch
einen N-Kanal-FET
realisiert ist, dessen Source-Anschluss mit einem Masseanschluss 62 verbunden
ist, dessen Drain-Anschluss mit dem ersten Elektromagneten 11 verbunden
ist, und dessen Gate-Anschluss mit der Stromsteuerschaltung 7 verbunden
ist (siehe 1). Der zweite Zeitsteuer-FET 51B ist
genau wie der erste Zeitsteuer-FET 51A angeschlossen, außer, dass
dessen Drain-Anschluss
mit dem zweiten Elektromagneten 13 verbunden ist. Alternativ
können
P-Kanal-FETs für die
ersten und zweiten Zeitsteuer-FETs 51A und 51B verwendet
werden.
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Das
Stromsteuer-FET 53 ist ein Schaltmittel, das durch einen
P-Kanal-FET realisiert ist, dessen Drain-Anschluss mit beiden ersten
und zweiten Elektromagneten 11 und 13 verbunden
ist, dessen Source-Anschluss mit einem Energieversorgungsanschluss 61 verbunden
ist und dessen Gate-Anschluss mit der Stromsteuerschaltung 7 verbunden ist.
Der Energieversorgungsanschluss 61 ist mit der in 1 gezeigten
Konstantspannungs-Energieversorgung 6 verbunden. Alternativ
kann für
den Stromsteuer-FET 53 ein N-Kanal-FET verwendet werden.
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Es
kann jedes Schaltmittel, wie etwa ein Leistungstransistor oder ein
IGBT (bipolarer Isolierschichttransistor) für die ersten und zweiten Zeitsteuer-FETs 51A und 51B sowie
für den
Stromsteuer-FET 53 verwendet werden.
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Die
Schwungmomentdiode 55 ist derart vorgesehen, dass deren
Anodenanschluss mit dem Masseanschluss 62 verbunden ist
und deren Kathodenanschluss mit beiden ersten und zweiten Elektromagneten 11 und 13 verbunden
ist. Die erste Regenerationsdiode 57A ist so vorgesehen,
dass deren Anodenanschluss mit der FET 51A-Seite des Elektromagneten 11 verbunden
ist und deren Kathodenanschluss mit dem Energieversorgungsanschluss 61 verbunden
ist. Die zweite Regenerationsdiode 57B ist genauso wie
die erste Regenerationsdiode 57A angeschlossen, außer dass
deren Anodenanschluss mit der FET 51B-Seite des zweiten
Elektromagneten 13 verbunden ist.
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Die
Antriebsvorrichtung 50 teilt sich den Stromsteuer-FET 53 und
die Schwungmomentdiode 55 zwischen den Ventilöffnungs-
und Ventilschließvorgängen. Nachfolgend
wird der Betrieb der Antriebsvorrichtung 50 zum Öffnen und
Schließen
des Ventils beschrieben.
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Die 4A und 4B zeigen
die Steuerzeit zum Schalten der FETs 51A, 51B und 53 zwischen
ein und aus. In 4A wird der Ventilöffnungsbetrieb
während
der Periode von t1 bis t3 durchgeführt. In 4B wird
der Ventilschließbetrieb während der
Periode von t4 bis t6 durchgeführt.
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Nachfolgend
wird der Ventilöffnungsbetrieb beschrieben.
Die Stromsteuerschaltung 7 (siehe 1) erzeugt
ein Stromsteuersignal, das dem Stromsteuer-FET 53 zuzuführen ist,
auf der Basis von durch das Steuergerät 1 bestimmten Parametern (siehe 1).
Der von der Energieversorgung zugeführte elektrische Strom wird
gemäß dem Stromsteuersignal
derart gesteuert, dass ein gewünschter
Antriebsstrom durch den ersten Elektromagneten 11 fließt. Die
Stromsteuerschaltung 7 erzeugt auch ein Zeitsteuersignal,
das dem FET 51A zuzuführen
ist, auf der Basis der von dem Steuergerät 1 erhaltenen Parameter.
Alternativ kann das Zeitsteuersignal von dem Steuergerät 1 dem
FET 51A direkt zugeführt werden.
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Zur
Zeit t1 in 4A schaltet der Stromsteuer-FET 53 und
der Zeitsteuer-FET 51A in
Antwort auf das Stromsteuersignal bzw. Zeitsteuersignal ein. Das zweite
Zeitsteuer-FET 51B bleibt aus. Während des Ventilöffnungsbetriebs
von t1 bis t3 wird der FET 51A im Ein-Zustand gehalten,
und der FET 53 wird gemäß dem Stromsteuersignal
zwischen ein und aus umgeschaltet.
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Wenn
sowohl der FET 51A als auch der FET 53 eingeschaltet
sind, fließt
der Antriebsstrom zu dem FET 51A und dem Masseanschluss 62 durch den
ersten Elektromagneten 11, wie mit der unterbrochenen Linie 71 angegeben
(3). Der erste Elektromagnet 11 wird erregt
und das Ventil öffnet.
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Wenn
zur Zeit t2 der FET 53 ausgeschaltet wird und der FET 51A ein
bleibt, wird in dem ersten Elektromagneten 11 eine elektromagnetische
Gegenkraft induziert, die eine hohe Spannung an der negativen Seite
(FET 51A-Seite) des ersten Elektromagneten 11 erzeugt.
Der Elektromagnet 11 tendiert dazu, weiterhin den Strom
in derselben Richtung zu leiten wie dann, wenn die Spannung angelegt
wurde.
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Da
mittlerweile der FET 53 ausgeschaltet ist, ist ein geschlossener
Kreis zwischen der negativen Seite des ersten Elektromagneten 11 durch
den FET 51A und die Schwungmomentdiode 55 zur
positiven Seite (FET 53-Seite)
des Elektromagneten 11 gebildet. Die hohe Spannung an der
negativen Seite des Elektromagneten 11 wird als Schwungmomentstrom entladen,
der durch diesen geschlossenen Kreis fließt, wie mit der unterbrochenen
Linie 72 angegeben.
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Bevorzugt
ist die Schwungmomentdiode 55 eine Diode, die einen Hochgeschwindigkeits-Schaltvorgang
durchführen
kann, um die Frequenz des von der Stromsteuerschaltung 7 zugeführten Stromsteuersignals
aufzunehmen.
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Zur
Zeit t3 wird der Ventilöffnungsbetrieb
gestoppt. Der erste Zeitsteuer-FET 51A wird
in Antwort auf das Zeitsteuersignal von der Stromsteuerschaltung 7 ausgeschaltet.
Der Stromsteuer-FET 53 wird auch ausgeschaltet, weil die
Zufuhr des Stromsteuersignals gestoppt ist. In dem ersten Elektromagneten 11 wird
eine elektromagnetische Gegenkraft erzeugt, die an dessen negativer
Seite eine hohe Spannung erzeugt. Der Elektromagnet 11 tendiert
dazu, weiterhin den Strom in der gleichen Richtung zu leiten wie dann,
wenn eine Spannung angelegt wurde. Da der FET 51A und der
FET 53 ausgeschaltet sind, wird ein Stromweg gebildet,
der durch die Schwungmomentdiode 55, den ersten Elektromagneten 11 und
die erste Regenerationsdiode 57A verläuft, wie mit der unterbrochenen
Linie 73 angegeben. Die an der negativen Seite erzeugte
hohe Spannung wird zur Energieversorgung durch die Regenerationsdiode 57A und
den Energieversorgungsanschluss 61 entladen. Auf diese
Weise wird die in den ersten Elektromagneten 11 geladene
magnetische Energie der Energieversorgung zur Regeneration zurückgeführt.
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Der
Ventilschließbetrieb
wird nun anhand von 4B beschrieben. Da der Ventilschließbetrieb grundlegend
so ähnlich
ist wie der Ventilöffnungsbetrieb,
wird er nur kurz beschrieben. Ein Stromsteuersignal wird dem FET 53 zugeführt, und
ein Zeitsteuersignal wird dem FET 51B zugeführt.
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Zur
Zeit t4 in 4B schaltet der Zeitsteuer-FET 51B in
Antwort auf das Zeitsteuersignal ein, und der Stromsteuer-FET 53 schaltet
in Antwort auf das Stromsteuersignal ebenfalls ein. Der erste Zeitsteuer-FET 51A bleibt
ausgeschaltet. Während
des Ventilschließbetriebs
von t4 bis t6 wird der FET 53 zwischen ein und aus umgeschaltet,
und der FET 51B bleibt im Ein-Zustand.
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Wenn
beide FETs 51B und 53 eingeschaltet sind, fließt ein Antriebsstrom
zu dem FET 51B und dem Masseanschluss 62 durch
den zweiten Elektromagneten 13, wie mit der unterbrochenen
Linie 75 angegeben. Der zweite Elektromagnet 13 wird
erregt, und das Ventil schließt.
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Wenn
der FET 53 zur Zeit t5 in 4B ausgeschaltet
wird, wird in dem zweiten Elektromagneten 13 eine elektromagnetische
Gegenkraft induziert, die an der negativen Seite (FET 51B-Seite)
des zweiten Elektromagneten 13 eine hohe Spannung erzeugt.
Mittlerweile ist ein geschlossener Kreis von der negativen Seite
des Elektromagneten 13 durch den Zeitsteuer-FET 51B und
die Schwungmomentdiode 55 zur positiven Seite (FET 53-Seite)
des Elektromagneten 13 gebildet. Die hohe Spannung der
negativen Seite wird als Schwungmomentstrom entladen, der durch
diesen geschlossenen Kreis fließt,
wie mit der unterbrochenen Linie 76 angegeben.
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Zur
Zeit t6 wird der Ventilschließbetrieb
gestoppt. Der Zeitsteuer-FET 51B wird ausgeschaltet. Das
Stromsteuer-FET 53 wird auch ausgeschaltet, weil die Zufuhr
des Stromsteuersignals gestoppt ist. In dem zweiten Elektromagneten 13 wird
eine elektromagnetische Gegenkraft induziert, die an dessen negativer
Seite eine hohe Spannung erzeugt. Mittlerweile ist ein Stromweg
gebildet, der durch die Schwungmomentdiode 55, den zweiten
Elektromagneten 13 und die zweite Regenerationsdiode 57B verläuft, wie
mit der unterbrochenen Linie 77 angegeben. Die an der negativen
Seite des zweiten Elektromagneten 13 erzeugte hohe Spannung
wird der Stromzufuhr zur Regeneration zurückgeführt.
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Somit
ermöglicht
die gemeinsame Verwendung des Stromsteuer-FET 53 und der
Schwungmomentdiode 55 für
den Ventilöffnungs-
und Ventilschließbetrieb,
dass die in der Antriebsvorrichtung enthaltene Bauteilezahl reduziert
wird. Insbesondere sind erfindungsgemäß für jedes Ventil drei Schaltmittel
und drei Dioden erforderlich. Im Falle eines Vierzylinder-Verbrennungsmotors
mit vier Ventilen in jedem Zylinder sind insgesamt nur 48 Schaltmittel
und 48 Dioden erforderlich. Hingegen sind bei der oben beschriebenen
herkömmlichen
Antriebsvorrichtung 64 Schaltmittel und 64 Dioden erforderlich.
Daher ermöglicht
die erfindungsgemäße Ventilantriebsvorrichtung
eine 25%ige Minderung der Anzahl der Schaltmittel und Dioden. Insbesondere
beträgt
die Anzahl der Schwungmomentdioden erfindungsgemäß 16, während bei der herkömmlichen
Vorrichtung die Anzahl der Schwungmomentdioden 32 beträgt. Dies
ist eine 50%ige Minderung.
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Zusätzlich ist
die Anzahl der Kabelstränge
in der erfindungsgemäßen Ausführung 48,
während
die Anzahl der Kabelstränge
in der herkömmlichen
Vorrichtung 64 ist. Dies ist eine 25%ige Minderung.
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Somit
kann die Ventilantriebsvorrichtung die Anzahl der Schaltmittel,
Dioden und Kabelstränge
signifikant reduzieren. Nebenbei ist die erfindungsgemäße Ventilantriebsvorrichtung
leicht zusammenzubauen, weil sie die Konstruktion der herkömmlichen Antriebsvorrichtungen
nutzt und es nicht erforderlich ist, ein neues kompliziertes Mittel
vorzusehen, um den Stromweg mit verschiedener Steuerzeit zu schalten.
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5 zeigt
eine andere Ausführung.
Die Antriebsvorrichtung 60 unterscheidet sich von der Antriebsvorrichtung 50 darin,
dass sie ein Zeitsteuer-FET 51 und
eine Regenerationsdiode 57 gemeinsam nutzt.
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Die
Antriebsvorrichtung 60 umfasst einen ersten Elektromagneten 11,
einen zweiten Elektromagneten 13, einen Zeitsteuer-FET 51,
einen ersten Stromsteuer-FET 53A, einen zweiten Stromsteuer-FET 53B,
eine erste Schwungmomentdiode 55A, eine zweite Schwungmomentdiode 55B und
eine Regenerationsdiode 57. Die ersten und zweiten Elektromagneten 11und 13 entsprechen
den ersten und zweiten Elektromagneten 11 und 13,
die jeweils in den 1 und 2 gezeigt
sind. Die Bauteile der Antriebsvorrichtung 60 sind natürlich in
der in 1 gezeigten Antriebsvorrichtung 8 enthalten,
außer
den ersten und zweiten Elektromagneten 11 und 13.
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Das
Zeitsteuer-FET 51 ist ein Schaltmittel, das durch einen
N-Kanal-FET realisiert ist, dessen Source-Anschluss mit einem Masseanschluss 62 verbunden
ist, dessen Drain-Anschluss mit beiden ersten und zweiten Elektromagneten 11 und 13 verbunden
ist und dessen Gate-Anschluss mit der Stromsteuerschaltung 7 verbunden
ist. Alternativ kann für
den Zeitsteuer-FET 51 ein P-Kanal-FET verwendet werden.
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Der
erste Stromsteuer-FET 53A ist ein Schaltmittel, das durch
einen P-Kanal-FET
realisiert ist, dessen Drain-Anschluss mit dem ersten Elektromagneten 11 verbunden
ist, dessen Source-Anschluss mit einem Energieversorgungsanschluss 61 verbunden
ist und dessen Gate-Anschluss mit der Stromsteuerschaltung 7 verbunden
ist. Der Energieversorgungsanschluss 61 ist mit der Konstantspannungs-Energieversorgung 6 verbunden,
wie in 1 gezeigt. Der zweite Stromsteuer-FET 53B ist
in der gleichen Weise wie der erste Stromsteuer-FET 53A angeschlossen,
außer
dass dessen Drain-Anschluss mit dem zweiten Elektromagneten 13 verbunden
ist. Alternativ kann für
die ersten und zweiten Stromsteuer-FETs 53A und 53B ein
N-Kanal-FET verwendet werden.
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Die
erste Schwungmomentdiode 55A ist so vorgesehen, dass deren
Anodenanschluss mit dem Masseanschluss 62 verbunden ist
und deren Kathodenanschluss mit dem ersten Elektromagneten 11 verbunden
ist. Die zweite Schwungmomentdiode 55B ist genauso wie
die erste Schwungmomentdiode 55A angeschlossen, außer dass
deren Kathodenanschluss mit dem zweiten Elektromagneten 13 verbunden
ist. Die Regenerationsdiode 57 ist so vorgesehen, dass
deren Anodenanschluss mit den jeweiligen FET 51-Seiten
der ersten und zweiten Elektromagneten 11 und 13 verbunden
ist und deren Kathodenanschluss mit dem Energieversorgungsanschluss 61 verbunden
ist.
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Die 6A und 6B zeigen
die Steuerzeit zum Schalten der FETs 51, 53A und 53B zwischen
ein und aus. In 6A wird der Ventilöffnungsbetrieb
während
der Periode von t1 bis t3 durchgeführt. In 6B wird
der Ventilschließbetrieb während der
Periode von t4 bis t6 durchgeführt.
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Nachfolgend
wird der Ventilöffnungsbetrieb beschrieben.
Die Stromsteuerschaltung 7 (siehe 1) erzeugt
ein Stromsteuersignal, das dem Stromsteuer-FET 53A zuzuführen ist,
auf der Basis von durch das Steuergerät 1 bestimmten Parametern (siehe 1).
Ein von der Energieversorgung zugeführter elektrischer Strom wird
gemäß dem Stromsteuersignal
derart gesteuert/geregelt, dass ein gewünschter Antriebsstrom durch
den ersten Elektromagneten 11 fließt. Die Stromsteuerschaltung 7 erzeugt
auch ein Zeitsteuersignal, das dem FET 51 zuzuführen ist,
auf der Basis der von dem Steuergerät 1 erhaltenen Parameter.
Alternativ kann das Zeitsteuersignal von dem Steuergerät 1 dem
FET 51 direkt zugeführt
werden.
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Zur
Zeit t1 in 6A schaltet der Stromsteuer-FET 53A und
der Zeitsteuer-FET 51 in
Antwort auf das Stromsteuersignal bzw. das Zeitsteuersignal ein. Der
zweite Stromsteuer-FET 53B bleibt ausgeschaltet. Während des
Ventilöffnungsbetriebs
von t1 bis t3 wird der FET 51 im Ein-Zustand gehalten,
und der FET 53A wird zwischen ein und aus gemäß dem Stromsteuersignal
umgeschaltet.
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Wenn
beide FETs 51 und 53A eingeschaltet sind, fließt der Antriebsstrom
zu dem FET 51 und dem Masseanschluss 62 durch
den ersten Elektromagneten 11, wie mit der unterbrochenen
Linie 81 angegeben. Der erste Elektromagnet 11 wird
erregt, und das Ventil öffnet.
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Wenn
der FET 53A zur Zeit t2 ausgeschaltet wird, wird in dem
ersten Elektromagneten 11 eine elektromagnetische Gegenkraft
induziert, die an der negativen Seite (FET 51-Seite) des
ersten Elektromagneten 11 eine hohe Spannung erzeugt. Der
Elektromagnet 11 hat die Tendenz, weiterhin den Strom in der
gleichen Richtung zu leiten wie dann, wenn die Spannung angelegt
wurde.
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Da
mittlerweile der FET 53A ausgeschaltet ist, ist ein geschlossener
Kreis von der negativen Seite des Elektromagneten 11 durch
den Zeitsteuer-FET 51 und die erste Schwungmomentdiode 55A zur
positiven Seite (FET 53A-Seite) des Elektromagneten 11 gebildet.
Die hohe Spannung an der negativen Seite des Elektromagneten 11 wird
als Schwungmomentstrom ent laden, der durch diesen geschlossenen
Kreis fließt,
wie mit der unterbrochenen Linie 82 angegeben.
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Zur
Zeit t3 wird der Ventilöffnungsbetrieb
gestoppt. Der FET 51 wird in Antwort auf das Zeitsteuersignal
ausgeschaltet. Der Stromsteuer-FET 53A wird auch ausgeschaltet,
weil die Zufuhr des Stromsteuersignals gestoppt ist. In dem ersten
Elektromagneten 11 wird eine elektromagnetische Gegenkraft induziert,
die an dessen negativer Seite eine hohe Spannung erzeugt. Der Elektromagnet 11 hat
die Tendenz, weiterhin den Strom in dieselbe Richtung zu leiten
wie dann, wenn Spannung angelegt wurde. Da beide FET 51 und
FET 53A ausgeschaltet sind, wird ein Stromweg gebildet,
der durch die Schwungmomentdiode 55A, den ersten Elektromagneten 11 und
die Regenerationsdiode 57 verläuft, wie mit der unterbrochenen
Linie 83 angegeben. Die hohe Spannung wird zu dem Energieversorgungsanschluss 61 durch
die Regenerationsdiode 57 entladen. Auf diese Weise wird
die in den ersten Elektromagneten 11 geladene magnetische
Energie zur Energieversorgung zur Regeneration zurückgeführt.
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Der
Ventilschließbetrieb
wird nun anhand von 6B beschrieben. Der Ventilschließbetrieb
ist grundlegend der gleiche wie der Ventilöffnungsbetrieb. Die Stromsteuerschaltung 7 erzeugt
ein Stromsteuersignal und ein Zeitsteuersignal, die jeweils den FETs 53B und 51 zuzuführen sind.
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Zur
Zeit t4 schaltet der Zeitsteuer-FET 51 in Antwort auf das
Zeitsteuersignal ein, und der Stromsteuer-FET 53B schaltet
ebenfalls in Antwort auf das Stromsteuersignal ein. Der erste Stromsteuer-FET 53A bleibt
ausgeschaltet. Während
des Ventilschließbetriebs
von t4 bis t6 wird der FET 53B zwischen ein und aus umgeschaltet,
und der FET 51 bleibt im Ein-Zustand.
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Wenn
beide FET 51 und FET 53 eingeschaltet sind, fließt ein Antriebsstrom
zum FET 51 und zum Masseanschluss 62 durch den
Seiten-Elektromagne ten 13, wie mit der unterbrochenen Linie 85 angegeben.
Der zweite Elektromagnet 13 wird erregt, und das Ventil
schließt.
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Wenn
der FET 53 zur Zeit t5 ausgeschaltet wird, wird in dem
zweiten Elektromagneten 13 eine elektromagnetische Gegenkraft
induziert, die an der negativen Seite (FET 51B-Seite) des
zweiten Elektromagneten 13 eine hohe Spannung erzeugt.
Mittlerweile ist von der negativen Seite des Elektromagneten 13 durch
den Zeitsteuer-FET 51 und die Schwungmomentdiode 55B zur
positiven Seite (FET 53B-Seite) des Elektromagneten 13 ein
geschlossener Kreis gebildet. Die hohe Spannung wird als Schwungmomentstrom
entladen, der durch diesen geschlossenen Kreis fließt, wie
mit der unterbrochenen Linie 86 angegeben.
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Zur
Zeit t6 wird der Ventilschließbetrieb
gestoppt. Der Zeitsteuer-FET wird in Antwort auf das Zeitsteuersignal
ausgeschaltet. Der Stromsteuer-FET 53B wird auch ausgeschaltet,
weil die Zufuhr des Stromsteuersignals gestoppt ist. In dem zweiten Elektromagneten 13 wird
eine elektromagnetische Gegenkraft induziert, die an dessen negativer
Seite eine hohe Spannung erzeugt. Der zweite Elektromagnet 13 hat
die Tendenz, die hohe Spannung zu entladen.
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Mittlerweile
ist ein Stromweg gebildet, der durch die Schwungmomentdiode 55B,
den zweiten Elektromagneten 13 und die Regenerationsdiode 57 verläuft, wie
mit der unterbrochenen Linie 87 gezeigt. Die hohe Spannung
wird durch die Regenerationsdiode 57 der Energieversorgung
zur Regeneration rückgeführt.
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Auf
diese Weise ermöglicht
die gemeinsame Verwendung des Steuerzeit-FET 51 und der regenerativen
Diode 57 für
den Ventilöffnungs-
und Ventilschließbetrieb,
dass die in der Antriebsvorrichtung enthaltene Bauteilezahl um den
gleichen Betrag reduziert wird wie in der Antriebsvorrichtung 50.
Während
die Antriebsvorrichtung 50 die Anzahl der Schwungmomentdio den
halbiert, halbiert die Antriebsvorrichtung 60 die Anzahl
der regenerativen Dioden. Wie im Fall der Antriebsvorrichtung 50 ist
die Antriebsvorrichtung 60 leicht zusammenzubauen, da sie
die Konstruktion herkömmlicher
Antriebsvorrichtungen benutzt.
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Es
wird eine Ventilantriebsvorrichtung angegeben, die ein Ventil 20 gemäß Schaltung
eines Antriebsstromflusses zu einem ersten und einem zweiten Elektromagneten 11, 13 öffnet und
schließt,
wobei der erste und der zweite Elektromagnet in Serie geschaltet
sind. Die Ventilantriebsvorrichtung umfasst ein erstes Schaltmittel 51A,
das zwischen einem Ende des ersten Elektromagneten 11 und
einem Masseanschluss 62 vorgesehen ist; ein zweites Schaltmittel 51B,
das zwischen einem Ende des zweiten Elektromagneten 13 und
dem Masseanschluss 62 vorgesehen ist; und ein drittes Schaltmittel 53,
das zwischen einem Anschluss, der das andere Ende des ersten Elektromagneten 11 mit
dem anderen Ende des zweiten Elektromagneten 13 verbindet,
und einer Energieversorgung 61 vorgesehen ist. Wenn das
Ventil 20 geöffnet
werden soll, werden das erste und das dritte Schaltmittel 51A, 53 eingeschaltet,
so dass der Antriebsstrom 71 zu dem ersten Elektromagneten 11 fließt. Wenn
das Ventil 20 geschlossen werden soll, werden das zweite
und das dritte Schaltmittel 51B, 53 eingeschaltet,
so dass der Antriebsstrom 75 zu dem zweiten Elektromagneten 13 fließt. Die
Ventilantriebsvorrichtung teilt sich das dritte Schaltmittel 53 zwischen
dem Ventilöffnungs-
und dem Ventilschließbetrieb.
Somit kann die Anzahl der Schaltmittel und Kabelstränge reduziert
werden, wobei die Konstruktion der Antriebsvorrichtung einfach ist.