DE102006025397A1

DE102006025397A1 - Elektromagnetisch angesteuertes Ventil

Info

Publication number: DE102006025397A1
Application number: DE102006025397A
Authority: DE
Inventors: Kiyoharu Toyota Nakamura; Yutaka Toyota Sugie
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2006-05-31
Publication date: 2006-12-07
Anticipated expiration: 2026-06-01
Also published as: DE102006025397B4; US7306196B2; FR2886669A1; JP2006336525A; US20060272602A1

Abstract

Der Elektromagnet (40) schließt einen ventilöffnungsseitigen Spulenabschnitt (42p), der mit Strom versorgt wird, um dadurch einen ersten Magnetfluss zu erzeugen und elektromagnetische Kraft in einer Richtung zu erzeugen, die das ventilöffnungsseitige bewegliche Element (21) in eine Ventilöffnungsstellung bewegt, und einen ventilschließungsseitigen Spulenabschnitt (42q), der mit Strom versorgt wird, um dadurch einen zweiten Magnetfluss zu erzeugen und eine elektromagnetische Kraft in einer Richtung zu erzeugen, die das ventilschließungsseitige Element (31) in die Ventilschließungsstellung bewegt. Der ventilöffnungsseitige Spulenabschnitt (42p) und der ventilschließungsseitige Spulenabschnitt (42q) bestehen aus einer identischen Verbindung. Der Elektromagnet weist ferner eine Nebenspule (43) auf, die aus einer Verbindung besteht, die von dem ventilöffnungsseitigen Spulenabschnitt (42p) und dem ventilschließungsseitigen Spulenabschnitt (42q) verschieden ist. Durch die Stromzufuhr zur Nebenspule (43) wird ein dritter Magnetfluss erzeugt, der den ersten Magnetfluss und/oder den zweiten Magnetfluss abschwächt.

Description

Diese nicht-vorläufige Anmeldung beruht auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-161610, eingereicht beim japanischen Patentamt am 1. Juni 2005, deren gesamter Inhalt durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil und genauer ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil, bei dem eine Spule zur Anhebung eines Einlass/Auslass-Ventils in Ventilöffnungsrichtung und eine Spule zu dessen Anhebung in Ventilschließungsrichtung zur gleichen Verbindung gehören.

Im Hinblick auf ein herkömmliches elektromagnetisch angesteuertes Ventil offenbart beispielsweise die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 2002-115515 ein Stellglied für ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil mit dem Ziel der Erleichterung von dessen Einbau in ein Fahrzeug und der Reduzierung von dessen Gewicht und Kosten (Patentdokument 1). Das im Patentdokument 1 offenbarte Stellglied für ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil implementiert ein Einlassventil und ein Auslassventil für einen Motor. Das Stellglied für ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil schließt einen Elektromagneten und zwei Bewegungselemente ein, die über bzw. unter dem Elektromagneten angeordnet sind, um eine Hin-und-Herbewegung des Ventilelements zwischen einer völlig geöffneten Stellung und einer völlig geschlossenen Stellung zu bewirken. An die Bewegungselemente wird die elastische Kraft einer Vielzahl von Federn angelegt, wodurch das Ventilelement in eine neutrale Stellung vorgespannt wird, die leicht zu einer mittleren Stellung zwischen der völlig geöffneten Stellung und der völlig geschlossenen Stellung in Öffnungsrichtung oder Schließungsrichtung versetzt ist.

Die japanische Patent-Offenlegungsschrift Nr. 05-018220 offenbart ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil mit dem Ziel, eine ausreichende Ansteuerungskraft auch dann zu erreichen, wenn der Ventilhub lang ist (Patentdokument 2).

In dem im Patentdokument 2 offenbarten Stellglied für ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil wird in einem Anfangs-Ansteuerungsmodus eines der beiden Bewegungselemente so in Stellung gebracht, dass es sich näher am Elektromagneten befindet als das andere. Wenn der Elektromagnet mit Strom versorgt wird, entsteht somit ein Unterschied zwischen der elektromagnetischen Kraft, die an das eine der Bewegungselemente angelegt wird, und der, die an das andere angelegt wird, wodurch die Bewegungselemente zu einem Ende des Elektromagneten gezogen werden.

Da der Unterschied zwischen den elektromagnetischen Kräften, die jeweils an die beiden Bewegungselemente angelegt werden, gering ist, kann jedoch keine ausreichende Ansteuerungskraft zum Bewegen des Ventilelements in die völlig geöffnete Position oder in die völlig geschlossene Position erreicht werden. Daher wird im Patentdokument 1 die Stromzufuhr unterbrochen, um eine freie Schwingung der Bewegungselemente unter Nutzung der in den Federn gespeicherten Energie zu ermöglichen. Durch die Wiederholung der intermittierenden Stromzufuhr wird die Amplitude der beweglichen Elemente allmählich vergrößert, so dass das Ventilelement schließlich in die völlig geöffnete Position oder in die völlig geschlossene Position verstellt wird. In diesem Fall dauert es einige Zeit, bis die Bewegungselemente aus der neutralen Position in die völlig geöffnete Position oder die völlig geschlossene Position bewegt worden sind.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung sind die Lösung des oben dargestellten Problems und die Bereitstellung eines elektromagnetisch angesteuerten Ventils, mit dem eine ausreichend große Ansteuerungskraft im Anfangs-Ansteuerungsmodus erreicht werden kann.

Ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung schließt folgendes ein: ein Einlass/Auslass-Ventil, das mit einem Verbrennungsmotor verbunden ist; ein Bewegungselement, das aus einer magnetischen Substanz besteht und mit dem Einlass/Auslass-Ventil verbunden ist, um sich zwischen einer Ventilöffnungsstellung und einer Ventilschließungsstellung zu bewegen, und einen Elektromagneten. Der Elektromagnet weist eine erste Spule auf, die mit Strom versorgt wird, um dadurch einen ersten Magnetfluss zu bewirken und eine elektromagnetische Kraft in einer Richtung zu erzeugen, die das Bewegungselement in Richtung der Ventilöffnungsstellung bewegt, und eine zweite Spule, die mit Strom versorgt wird, um dadurch einen zweiten Magnetfluss zu erzeugen und eine elektromagnetische Kraft in einer Richtung zu erzeugen, die das Bewegungselement in Richtung der Ventilschließungsstellung bewegt. Die erste Spule und die zweite Spule gehören zur gleichen Verbindung. Wenn keine elektromagnetische Kraft angelegt wird, wird das Bewegungselement in einer Zwischenstellung zwischen der Ventilöffnungsstellung und der Ventilschließungsstellung gehalten. Der Elektromagnet weist ferner eine dritte Spule auf, die zu einer Verbindung gehört, die sich von der Verbindung, zu der die erste und die zweite Spule gehöhren, verschieden ist. Die dritte Spule wird mit Strom versorgt, um dadurch einen dritten Magnetfluss zu erzeugen, der den ersten Magnetfluss und/oder den zweiten Magnetfluss abschwächt.

Es sei darauf hingewiesen, dass die Zwischenstellung zwischen der Ventilöffnungsstellung und der Ventilschließungsstellung die Mittelstellung zwischen der Ventilöffnungsstellung und der Ventilschließungsstellung bezeichnet, wo der Abstand zur Ventilöffnungsstellung und der Abstand zur Ventilschließungsstellung jeweils gleich sind.

In dem solchermaßen aufgebauten elektromagnetischen System gehören die erste und die zweite Spule zur gleichen Verbindung. Somit wird im Anfangs-Ansteuerungsmodus, wenn die erste und die zweite Spule mit Strom versorgt werden, elektromagnetische Kraft in einer Richtung, die das Bewegungselement in Richtung auf die Ventilöffnungsstellung bewegt, und elektromagnetische Kraft in einer Richtung, die das Bewegungselement in Richtung auf die Ventilschließungsstellung bewegt, gleichzeitig an das Bewegungselement angelegt. Hierbei erzeugt die mit Strom versorgte dritte Spule einen dritten Magnetfluss, der den ersten Magnetfluss oder den zweiten Magnetfluss verstärkt. Somit wird die elektromagnetische Kraft, die von der Spule erzeugt wird, deren Magnetfluss reduziert wird, kleiner. Da der Magnetfluss, der vom dritten Magnetfluss beeinflusst wird, reduziert wird, kommt es nicht zu einer Sättigung der Magnetflüsse. Somit kann ein Unterschied zwischen der elektromagnetischen Kraft in der Richtung, die das Bewegungselement in die Ventilöffnungsstellung bewegt, und der elektromagnetischen Kraft in der Richtung, die das Bewegungselement in die Ventilschließungsstellung bewegt, sichergestellt werden, und es kann eine ausreichende Ansteuerungskraft für den Anfangs-Ansteuerungsmodus des Einlass/Auslass-Ventils erreicht werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher das Einlass/Auslass-Ventil in kurzer Zeit aus der Zwischenstellung in die Ventilöffnungsstellung oder die Ventilschließungsstellung verstellt werden.

Vorzugsweise verstärkt der dritte Magnetfluss den jeweils anderen von dem ersten Magnetfluss und dem zweiten Magnetfluss. Mit einem solchermaßen konstruierten elektromagnetisch angesteuerten Ventil wird der Unterschied zwischen der elektromagnetischen Kraft, die von der Spule erzeugt wird, deren Magnetfluss reduziert wird, und der elektromagnetischen Kraft, die von der Spule erzeugt wird, deren Magnetfluss verstärkt wird, noch größer. Somit kann eine noch größere Ansteuerungskraft im Anfangs-Ansteuerungsmodus erreicht werden.

Vorzugsweise wird die dritte Spule nur im Anfangs-Ansteuerungsmodus des Verbrennungsmotors mit Strom versorgt. Mit einem solchermaßen konstruierten elektromagnetisch angesteuerten Ventil kann dadurch, dass die dritte Spule nur im Anfangs-Ansteuerungsmodus, wo eine große Ansteuerungskraft erforderlich ist, mit Strom versorgt wird, ein unnötiger Energieverbrauch im normalen Ansteuerungsmodus, nachdem der Verbrennungsmotor gestartet wurde, vermieden werden.

Das Bewegungselement weist einen drehbar gelagerten Lagerabschnitt auf und schwingt zwischen der Ventilöffnungsstellung und der Ventilschließungsstellung um den Lagerabschnitt als Drehpunkt. Das Bewegungselement ist in einer Mehrzahl bereitgestellt, wobei jeweils ein Abstand dazwischen vorhanden ist. Der Elektromagnet ist zwischen der Mehrzahl von Bewegungselementen angeordnet. Mit einem elektromagnetisch angesteuerten Ventil vom Rotations-Typ, das solch einen parallelen Verbindungsmechanismus ebenfalls verwendet, kann auf ähnliche Weise eine der oben genannten Wirkungen erzielt werden.

Wie oben beschrieben, kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil mit ausreichend hoher Ansteuerungskraft im Anfangs-Ansteuerungsmodus bereitgestellt werden.

Die genannten und weitere Ziele, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der vorliegenden Erfindung in Zusammenschau mit der begleitenden Zeichnung deutlicher.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Querschnittsdarstellung eines elektromagnetisch angetriebenen Ventils in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Schaltung, in der eine Spule und eine Nebenspule, die in 1 dargestellt sind, bereitgestellt sind.
3 ist eine Querschnittsdarstellung eines Stroms des magnetischen Flusses in einem Anfangs-Betriebsmodus des in 1 dargestellten elektromagnetisch angetriebenen Ventils.
4 ist eine Querschnittsdarstellung eines Stroms des magnetischen Flusses in einem normalen Antriebsmodus des in 1 dargestellten elektromagnetisch angetriebenen Ventils.
5 ist eine Querschnittsdarstellung eines elektromagnetisch angetriebenen Ventils in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben. In der nachstehend besprochenen Zeichnung sind gleichen oder entsprechenden Elementen gleiche Bezugszeichen zugeordnet.
(Erste Ausführungsform)
1 zeigt ein elektromagnetisch angetriebenes Ventil gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das elektromagnetisch angetriebene Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung stellt ein Motorventil (ein Einlass- oder Auslassventil) in einem Verbrennungsmotor, wie einem Ottomotor oder einem Dieselmotor, dar. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Beschreibung unter der Annahme gegeben, dass das elektromagnetisch angetriebene Ventil ein Auslassventil darstellt, das elektromagnetisch angetriebene Ventil ist jedoch ähnlich aufgebaut, wenn es ein Einlassventil darstellt.
Bei einem in 1 dargestellten elektromagnetisch angetriebenen Ventil 10 handelt es sich um ein elektromagnetisch angetriebenes Ventil mit Rotationsantrieb, das du_rch Zusammenwirken von Magnetkraft und elastischer Kraft angetrieben wird. Als Bewegungsmechanismus für das elektromagnetisch angetriebene Ventil ist ein paralleler Kupplungsmechanismus übernommen worden.
Das elektromagnetisch angetriebene Ventil 10 schließt ein angetriebenes Ventil 14, ein ventilöffnungsseitiges bewegliches Element 21 und ein ventilschließungsseitiges bewegliches Element 31 ein, die mit Abstand zueinander angeordnet sind, um durch an sie angelegte elektromagnetische Kraft und elastische Kraft zu schwingen, einen Elektromagneten 40, der zwischen dem ventilöffnungsseitigen beweglichen Element 21 und dem ventilschließungsseitigen bewegliches Element 31 angeordnet ist, um die elektromagnetische Kraft zu erzeugen, die an die beweglichen Elemente angelegt wird, und Torsionsstäbe 26 und 36, die für das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 und das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 bereitgestellt sind, um die elastische Kraft jeweils an die beweglichen Elemente anzulegen.
Das angetriebene Ventil 14 besteht aus einem Schaft 11, der in einer Richtung verläuft und einem schirmförmigen Abschnitt 12, der an einem Ende des Schafts 11 ausgebildet ist. Um den Schaft 11 herum ist eine nicht dargestellte Ventilführung bereitgestellt. Durch die Ventilführung wird der Schaft 11 so geführt, dass er in der Richtung, in der der Schaft 11 verläuft, verschiebbar ist. Das angetriebene Ventil 14 führt eine reziprozierende Bewegung in Verlaufsrichtung des Schaftes 11 aus, d.h. in einer Richtung, die mit dem Pfeil 101 bezeichnet ist, sobald es eine oszillierende Bewegung des ventilöffnungsseitigen beweglichen Elements 21 oder des ventilschließungsseitigen beweglichen Elements 31 empfängt.
Das angetriebene Ventil 14 ist auf einem Zylinderkopf 18 montiert, in dem eine Auslassmündung 16 ausgebildet ist. Ein Ventilsitz 19 ist an einer Stelle bereitgestellt, wo die Auslassmündung 16 des Zylinderkopfs 18 mit einer Brennkammer 17 kommuniziert. Die reziprozierende Bewegung des angetriebenen Ventils 14 bewirkt, dass der schirmförmige Abschnitt 12 in engen Kontakt mit dem Ventilsitz 19 kommt oder sich vom Ventilsitz 19 weg bewegt, um die Auslassmündung 16 zu öffnen oder zu schließen.
Das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 und das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 sind aus magnetischem Material gebildet. Das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 weist einen Trägerabschnitt 23 und einen Kopplungsabschnitt 22 auf und verläuft vom Trägerabschnitt 23 zum Kopplungsabschnitt 22. Zwischen dem Trägerabschnitt 23 und dem Kopplungsabschnitt 22 ist eine Oberfläche 21a ausgebildet, die sich in im Wesentlichen rechtwinkliger Form ausbreitet. Am Trägerabschnitt 23 ist eine Mittelachse 25, welche das Zentrum der Schwingungsbewegung des ventilöffnungsseitigen beweglichen Elements 21 darstellt, definiert. Mit dem Trägerabschnitt 22 ist ein Torsionsstab 26 verbunden, der entlang der Mittelachse 25 verläuft. Der Trägerabschnitt ist drehbar von einer nicht dargestellten Scheibenbasis über die Zugstange 26 getragen. Am Kopplungsabschnitt 22 liegt ein Ende des Schafts 11 gegenüber dem Ende, an dem der schirmförmige Abschnitt 12 ausgebildet ist, an der Oberfläche 21a an.
Das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 weist einen Trägerabschnitt 33, einen Kopplungsabschnitt 32 und eine Oberfläche 31a auf, die dem Trägerabschnitt 23, dem Kopplungsabschnitt 22 und der Oberfläche 21a des ventilöffnungsseitigen beweglichen Elements entsprechen. Die Oberfläche 21a und die Oberfläche 31a sind einander mit einem Abstand dazwischen zugewandt. Der Kopplungsabschnitt 32 ist mittels eines Nockenfolgers oder dergleichen drehbar mit einem Zwischenabschnitt des Schafts 11 verbunden.
Am Trägerabschnitt 33 ist eine Mittelachse 35 definiert, die das Zentrum der Schwingbewegung des ventilschließungsseitigen beweglichen Elements 31 sein soll. Mit dem Trägerabschnitt 33 ist ein Torsionsstab 36 verbunden, der entlang der Mittelachse 35 verläuft.
Der Torsionsstab 26 legt eine elastische Kraft an das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 an, und zwar so, dass dieses im Uhrzeigersinn um die Mittelachse 25 vorgespannt wird. Der Torsionsstab 36 legt eine elastische Kraft an das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 an, und zwar so, dass dieses entgegen dem Uhrzeigersinn um die Mittelachse 35 vorgespannt wird. In einer Lage, wo keine elektromagnetische Kraft vom Elektromagneten 40 angelegt wird, werden das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 und das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 durch die elastische Kraft der Torsionsstäbe 26 und 36 in einer Zwischenstellung zwischen Ventilöffnungsstellung und Ventilschließungsstellung angeordnet.
Zwischen dem ventilöffnungsseitigen beweglichen Element 21 und dem ventilschließungsseitigen beweglichen Element 31 ist ein Elektromagnet 40 festgelegt an einer nicht dargestellten Scheibenbasis bereitgestellt. Der Elektromagnet 40 besteht aus einer Spule 42 und einer Nebenspule 43 und einem Kernabschnitt 41, um den die Spule 42 und die Nebenspule 43 gewickelt sind. Der Kernabschnitt 41 ist aus magnetischem Material gebildet und beispielsweise aus einer Vielzahl von elektromagnetischen Stahlplatten, die gestapelt sind, ausgebildet.
Der Kernabschnitt 41 ist durch eine Kombination aus ventilöffnungsseitigem Kernabschnitt 41p, der auf das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 gerichtet ist, und einem ventilschließungsseitigen Kernabschnitt 41q, der auf das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 gerichtet ist, gebildet. Der ventilöffnungsseitige Kernabschnitt 41p und der ventilschließungsseitige Kernabschnitt 41q sind vertikal symmetrisch in Bezug auf eine Ebene ausgebildet, die in mittlerer Lage zwischen der zentralen Achse 25 und der zentralen Achse 35 angeordnet ist. Der ventilöffnungsseitige Kernabschnitt 41p weist eine Anziehungsfläche 41a auf, die auf die Oberfläche 21a des ventilöffnungsseitigen beweglichen Elements 21 gerichtet ist, und der ventilschließungsseitige Kernabschnitt 41q weist eine Anziehungsoberfläche 41b auf, die auf die Oberfläche 31a des ventilschließungsseitigen beweglichen Elements 31 gerichtet ist.
In der Lage, wo das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 und das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 durch die elastische Kraft der Torsionsstäbe 26 und 36 in der Zwischenstellung gehalten werden, ist ein Abstand H1 zwischen Oberfläche 21a und Anziehungsfläche 41a gleich einem Abstand H2 zwischen Oberfläche 31a und Anziehungsfläche 41b. Wenn das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 durch eine elektromagnetische Kraft des Elektromagneten 40 zur Anziehungsfläche 41a gezogen wird, nimmt das angetriebene Ventil 14 die Ventilöffnungsstellung ein. Wenn das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 durch die elektromagnetische Kraft des Elektromagneten 40 an die Anziehungsfläche 41b gezogen wird, nimmt das angetriebene Ventil 14 die Ventilschließungsstellung ein.
Der Kernabschnitt 41 weist einen Schaftabschnitt 41m ein, der im ventilöffnungsseitigen Kernabschnitt 41p positioniert ist und parallel zum Schaft 11 verläuft, und einen Schaftabschnitt 41n, der im ventilschließungsseitigen Kernabschnitt 41q angeordnet ist und parallel zum Schaft 11 verläuft. Die Spule 42 ist zuerst um einen Schaftabschnitt 41m und dann um einen Schaftabschnitt 41n gewunden und besteht aus einem ventilöffnungsseitigen Spulenabschnitt 42p, der um den Schaftabschnitt 41m gewickelt ist, und einem ventilschließungsseitigen Spulenabschnitt 42q, der um den Schaftabschnitt 41n gewickelt ist. Die Anzahl der Windungen der Spule 42 im ventilöffnungsseitigen Spulenabschnitt 42p ist gleich der im ventilschließungsseitigen Spulenabschnitt 42q.
Der Kernabschnitt 41 weist ferner einen Schaftabschnitt 41r auf, der senkrecht zum Schaft 11 an einer Stelle, wo der ventilöffnungsseitige Kernabschnitt 41p und der ventilschließungsseitige Kernabschnitt 41q kombiniert sind, verläuft. Die Nebenspule 43 ist um den Schaftabschnitt 41r gewickelt. Es sei darauf hingewiesen, dass das Wicklungsverfahren für die Spule 42 und die Nebenspule 43 nicht hierauf beschränkt ist.
2 zeigt eine Schaltungsanordnung, in der die in 1 dargestellte Spule und Nebenspule bereitgestellt sind. Wie aus 1 und 2 ersichtlich, gehören der ventilöffnungsseitige Spulenabschnitt 42p und der ventilschließungsseitige Spulenabschnitt 42q zur gleichen Verbindung und sind in einer Schaltung 51 bereitgestellt, die eine EDU (elektronische Antriebseinheit) 47 aufweist, so dass sie eine Schleife bilden. Die Nebenspule 43 gehört zu einer vom ventilöffnungsseitigen Spulenabschnitt 42p und vom ventilschließungsseitigen Spulenabschnitt 42q unterschiedenen Verbindung und ist auf einer Schaltung 52 bereitgestellt, die eine EDU 27 einschließt, von der Schaltung 51 abzweigt und eine Schleife bildet. Auf einem Weg der Schaltung 52 ist ferner ein Schalter 46 bereitgestellt.
Mit diesem Aufbau werden der ventilöffnungsseitige Spulenabschnitt 42p und der ventilschließungsseitige Spulenabschnitt 42q von der EDU 27 jeweils mit Strom der gleichen Stärke und zur selben Zeit versorgt. Dagegen kann in der Nebenspule 43 die Stromzufuhr durch Ausschalten des Schalters 46 auch dann unterbrochen werden, wenn der ventilöffnungsseitige Spulenabschnitt 42p und der ventilschließungsseitige Spulenabschnitt 42q mit dem Strom versorgt werden. Das heißt, die Spule 42 und die Nebenspule 43 sind so bereitgestellt, dass ihre Stromversorgung unabhängig voneinander gesteuert werden kann. Da in der vorliegenden Ausführungsform die Spule 42 und die Nebenspule 43 mit einer einzigen EDU 27 verbunden sind, ist es nicht erforderlich, eine zusätzliche EDU für die Bereitstellung einer Nebenspule 43 bereitzustellen.
3 zeigt den Strom des magnetischen Flusses in einem Anfangsantriebsmodus des in 1 dargestellten elektromagnetisch angetriebenen Ventils. Wie in 3 dargestellt, wird, wenn die Spule 42 mit Strom versorgt wird, von dem Strom, der durch den ventilöffnungsseitigen Spulenabschnitt 42p fließt, ein magnetischer Fluss in der von einem Pfeil 201 angegebenen Richtung im ventilöffnungsseitigen Kernabschnitt 42q gebildet, und von dem Strom, der durch den ventilschließungsseitigen Spulenabschnitt 42q fließt, wird im ventilschließungsseitigen Kernabschnitt 41q ein magnetischer Fluss erzeugt, der in die von einem Pfeil 202 dargestellte Richtung fließt. Der ventilöffnungsseitige Spulenabschnitt 42p und der ventilschließungsseitige Spulenabschnitt 42q sind so gewickelt, dass die Richtung des magnetischen Flusses, der durch den ventilöffnungsseitigen Kernabschnitt 41p fließt, und die Richtung des magnetischen Flusses, der durch den ventilschließungsseitigen Kernabschnitt 41q fließt, am Schaftabschnitt 41r einander entgegengesetzt sind.
Wenn die Nebenspule 43 mit einem versorgt wird, wird im Kernabschnitt 41 ein magnetischer Fluss gebildet, der in die von einem Pfeil 203 angezeigte Richtung fließt.
Im Schaftabschnitt 41r ist die Fießrichtung des magnetischen Flusses, der durch die Stromversorgung der Nebenspule 43 gebildet wird, identisch mit der Fließrichtung des magnetischen Flusses, der von dem Strom gebildet wird, der durch den ventilöffnungsseitigen Spulenabschnitt 42p fließt, und umgekehrt zu der Fließrichtung des magnetischen Flusses, der von dem Strom gebildet wird, der durch den ventilschließungsseitigen Spulenabschnitt 42q fließt.
Nun wird der Betrieb des elektromagnetisch angetriebenen Ventils 10 im Anfangsantriebsmodus beschrieben. Bevor das elektromagnetisch angetriebene Ventil 10 angesteuert wird, werden das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 und das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 in der Zwischenstellung gehalten. In dieser Lage ist der in 2 dargestellte Schalter geschlossen, und ein Strom wird zur Spule 42 und der Nebenspule 43 geliefert. Somit werden magnetische Schaltungen jeweils zwischen dem ventilöffnungsseitigen Kernabschnitt 41p und dem ventilöffnungsseitigen beweglichen Element 21 und zwischen dem ventilschließungsseitigen Kernelement 41q und dem ventilschließungsseitigen beweglichen Element 31 ausgebildet, wodurch die elektromagnetische Kraft, die das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 zur Anziehungsfläche 41a zieht, und die elektromagnetische Kraft, die das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 zur Anziehungsfläche 41b zieht, gleichzeitig erzeugt werden.
In der vorliegenden Ausführungsform wird der magnetische Fluss (magnetischer Fluss A), der durch die magnetische Schaltung zwischen dem ventilöffnungsseitigen Kernabschnitt 41p und dem ventilöffnungsseitigen beweglichen Element 21 fließt, durch den magnetischen Fluss (magnetischer Fluss C) verstärkt, der von der Stromzufuhr zur Nebenspule 43 gebildet wird, und der magnetische Fluss (magnetischer Fluss B), der durch die magnetische Schaltung zwischen dem ventilschließungsseitigen Kernabschnitt 41q und dem ventilschließungsseitigen beweglichen Element 31 fließt, wird durch den magnetischen Fluss (magnetischer Fluss C), der von der Stromzufuhr zur Nebenspule 43 fließt, abgeschwächt. Hierbei trifft der Ausdruck: magnetischer Fluss A + magnetischer Fluss C > magnetischer Fluss B – magnetischer Fluss C (magneti scher Fluss A = magnetischer Fluss B) zu, wobei die elektromagnetische Kraft, die an das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 angelegt wird, größer ist als diejenige, die an das ventilschließungsseitige Element 31 angelegt wird.
Infolgedessen beginnen wegen der Stromzufuhr zur Spule 42 und zur Nebenspule 43 das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 und das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 gegen die elastische Kraft des Torsionsstabs 36 von der Mittelstellung in Richtung auf die Ventilöffnungsstellung zu schwingen.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Wicklungsrichtung der Nebenspule 43 um den Schaftabschnitt 41r umgekehrt zu der in 1 dargestellten Richtung sein kann. In diesem Fall beginnen das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 und das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 im Anfangsantriebsmodus von der Mittelstellung in Richtung auf die Ventilschliessungsstellung zu schwingen.
4 zeigt den Strom des magnetischen Flusses im normalen Antriebsmodus des in 1 dargestellten elektromagnetisch angetriebenen Ventils. Wie in 4 dargestellt, bewegen sich aufgrund der Stromzufuhr zur Spule 42 und zur Nebenspule 43 das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 und das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 in die Ventilöffnungsstellung. Durch Unterbrechen der Stromzufuhr zur Nebenspule 43 durch Ausschalten des Schalters 46 und durch Wiederholen des Starts und des Stopps der Stromzufuhr zur Spule 42 mit der geeigneten zeitlichen Steuerung, werden dann das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 und das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 dazu gebracht, zwischen der Ventilöffnungsstellung und der Ventilschließungsstellung zu schwingen. Somit kann im normalen Antriebsmodus des elektromagnetisch angetriebenen Ventils 10, nachdem das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 und das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 von der Zwischenstellung zur Ventilöffnungs- oder -schließungsstellung verschoben wurden, ein unnötiger Energieverbrauch an der Nebenspule 43 verhindert werden.
Das elektromagnetisch angetriebene Ventil 10 in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schließt das angetriebene Ventil 14 als Einlass/Auslass-Ventil, das mit einem Verbrennungsmotor verbunden ist, ein ventilöffnungsseitiges bewegliches Element 21 und ein ventilschließungsseitiges bewegliches Element 31, die aus der gleichen magnetischen Substanz bestehen und mit dem angetriebenen Ventil 14 verbunden sind, um sich zwischen einer Ventilöffnungsstellung und einer Ventilschließungsstellung zu bewegen, und einen Elektromagneten 40 ein. Der Elektromagnet 40 schließt einen ventilöffnungsseitigen Spulenabschnitt 42p als erste Spule ein, die mit Strom versorgt wird, um dadurch einen ersten magnetischen Fluss zu erzeugen und elektromagnetische Kraft in einer Richtung zu erzeugen, die das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 in Richtung auf die Ventilöffnungsstellung bewegt, sowie einen ventilschließungsseitigen Spulenabschnitt 42q als zweite Spule, die mit einem Strom versorgt wird, um dadurch einen zweiten magnetischen Fluss zu erzeugen und eine elektromagnetische Kraft in einer Richtung zu erzeugen, die das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 in Richtung auf die Ventilschließungsstellung bewegt. Der ventilöffnungsseitige Spulenabschnitt 42p und der ventilschließungsseitige Spulenabschnitt 42q gehören zu der gleichen Verbindung.
Das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 und das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 werden in einer Zwischenstellung zwischen der Ventilöffnungsstellung und der Ventilschließungsstellung gehalten, wenn keine elektromagnetische Kraft angelegt wird. Der Elektromagnet 40 weist ferner einen Nebenspule 43 als dritte Spule auf, die zu einer vom ventilöffnungsseitigen Spulenabschnitt 42p und vom ventilschließungsseitigen Spulenabschnitt 42q unterschiedenen Verbindung gehört. Durch die Stromzufuhr zur Nebenspule 43 wird ein dritter magnetischer Fluss erzeugt, der den ersten magnetischen Fluss und/oder den zweiten magnetischen Fluss abschwächt.
Mit dem solchermaßen aufgebauten elektromagnetisch angetriebenen Ventil 10 in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann durch geeignete Steuerung des Werts eines Stroms, der zur Nebenspule 43 geliefert wird, im Anfangsantriebsmodus die Ausgewogenheit zwischen der elektromagnetischen Kraft, die an das ventil öffnungsseitige Element 21 angelegt wird, um dieses in Ventilöffnungsstellung zu bewegen, und der elektromagnetischen Kraft, die an das ventilschließungsseitige Element 31 angelegt wird, um dieses in die Ventilschließungsstellung zu bewegen, besser eingerichtet werden. Somit kann im Anfangsantriebsmodus die volle Antriebskraft erreicht werden, und das ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 und das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 können in kürzerer Zeit in die Ventilöffnungsstellung oder die Ventilschließungsstellung bewegt werden. Somit kann in dem Verbrennungsmotor, der das elektromagnetisch angetriebene Ventil 10 enthält, die gewünschte Motorleistung schon im Anfangsantriebsmodus erhalten werden.
(Zweite Ausführungsform)
5 zeigt ein elektromagnetisch angetriebenes Ventil einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das elektromagnetisch angetriebene Ventil der vorliegenden Ausführungsform schließt im Vergleich zum elektromagnetisch angetriebenen Ventil 10 der ersten Ausführungsform teilweise die gleiche Struktur ein. Im folgenden wird die Beschreibung der sich ähnelnden Struktur weggelassen.
Wie in 5 dargestellt, sind in der vorliegenden Ausführungsform das in 1 dargestellt ventilöffnungsseitige bewegliche Element 21 und das ventilschließungsseitige bewegliche Element 31 nicht bereitgestellt, und statt dessen ist ein bewegliches Element 61 bereitgestellt. Das bewegliche Element 61 ist aus einem magnetischen Material gebildet und weist einen Trägerabschnitt 63, einen Kupplungsabschnitt 62 und eine Oberfläche 61a auf, die dem Trägerabschnitt 23, dem Kupplungsabschnitt 22 und der Oberfläche 22a des in 1 dargestellten ventilöffnungsseitigen beweglichen Elements 21 entsprechen. Das bewegliche Element 61 weist ferner eine Oberfläche 61b auf, die der Oberfläche 61a entgegengesetzt ist. Am Trägerabschnitt 63 ist eine zentrale Achse 65 definiert, die das Zentrum der Schwingungsbewegung des beweglichen Elements 61 bilden soll. Am Trägerabschnitt 63 ist ein Torsionsstab 66 angebracht, der entlang der zentralen Achse 65 verläuft.
Ein Kupplungsabschnitt 62, liegt ein Ende des Schafts 11, das dem Ende gegenüber liegt, an dem der schirmartige Abschnitt 12 ausgebildet ist, an der Oberfläche 61a an. Am Außenumfang des Schafts 11 ist eine Spulenfeder 71, die Kraft auf das angetriebene Ventil anlegt, um dieses in die Ventilschließungsstellung vorzuspannen, bereitgestellt. Der Torsionsstab 66 legt eine elastische Kraft an das bewegliche Element 61 an, und zwar so, dass er dieses im Uhrzeigersinn um die zentrale Achse 65 vorspannt. In der Lage, wo keine elektromagnetische Kraft vom Elektromagneten 40 angelegt wird, wird das bewegliche Element durch die elastische Kraft des Torsionsstabs 66 und der Spulenfeder 71 in einer Zwischenstellung zwischen einer Ventilöffnungsstellung und einer Ventilschließungsstellung gehalten.
Ein ventilschließungsseitiger Kernabschnitt 41q und ein ventilöffnungsseitiger Kernabschnitt 41p sind getrennt voneinander bereitgestellt und über bzw. unter dem beweglichen Element 61 angeordnet. Eine Anziehungsfläche 41b des ventilschließungsseitigen Kernabschnitts 41q ist auf die Oberfläche 61b des beweglichen Elements 61 gerichtet, und eine Anziehungsfläche 41a des ventilöffnungsseitigen Kernabschnitts 41p ist auf die Oberfläche 61a des beweglichen Elements gerichtet. Wenn das bewegliche Element 61 durch die elektromagnetische Kraft des Elektromagneten 40 zur Anziehungsfläche 41a gezogen wird, wird das angetriebenen Ventil 14 in der Ventilöffnungsstellung angeordnet. Wenn das bewegliche Element 61 durch die elektromagnetische Kraft des Elektromagneten 40 zur Anziehungsfläche 41b gezogen wird, wird das angetriebene Ventil in der Ventilschließungsstellung angeordnet.
In der vorliegenden Ausführungsform ist anstelle der in 1 dargestellten Nebenspule 43 eine Nebenspule 75 bereitgestellt. Die Nebenspule 75 ist um einen Schaftabschnitt 41n des ventilschließungsseitigen Spulenabschnitts 41q in umgekehrter Richtung wie der ventilschließungsseitige Spulenabschnitt 42 gewickelt.
Wenn die Spule 42 durch den Strom, der durch den ventilschließungsseitigen Spulenabschnitt 42q fließt, mit Strom versorgt wird, wird ein magnetischer Fluss, der in der von einem Pfeil 301 angezeigten Richtung fließt, im ventilschließungsseitigen Kern abschnitt 41q gebildet. Wenn die Nebenspule 75 mit Strom versorgt wird, wird ein magnetischer Fluss, der in der von einem Pfeil 302 angezeigten Richtung strömt, im ventilschließungsseitigen Kernabschnitt 41q gebildet. Im Schaftabschnitt 41n ist die Richtung des Flusses des von der Stromzufuhr zur Nebenspule 75 gebildeten magnetischen Flusses umgekehrt zur Fließrichtung des magnetischen Flusses, der von einem Strom gebildet wird, der durch einen ventilschließungsseitigen Spulenabschnitt 42q fließt.
Mit diesem Aufbau wird im Anfangsantriebsmodus, wenn Strom zur Spule 42 und zur Nebenspule 75 geliefert wird, der magnetische Fluss, der durch eine magnetische Schaltung zwischen dem ventilschließungsseitigen Kernabschnitt 41q und dem beweglichen Element 61 fließt, durch den magnetischen Fluss abgeschwächt, der durch die Stromzufuhr zur Nebenspule 75 gebildet wird. Somit wird die elektromagnetische Kraft, die an das bewegliche Element 61 angelegt wird und welche dieses in Richtung auf die Ventilöffnungsstellung bewegt, größer als die elektromagnetische Kraft, die an das bewegliche Element 61 angelegt wird und die dieses in Richtung auf die Ventilschließungsstellung bewegt. Infolgedessen beginnt das bewegliche Element 61 aufgrund der Stromzufuhr zur Spule 42 und zur Nebenspule 75 entgegen der elastischen Kraft der Spulenfeder 71 von der Zwischenstellung in die Ventilöffnungsstellung zu schwingen.
Mit dem solchermaßen aufgebauten elektromagnetisch angetriebenen Ventil in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine ähnliche Wirkung erzielt werden wie diejenige, die für die erste Ausführungsform beschrieben wurde.
Obwohl die vorliegende Erfindung auf das elektromagnetisch angetriebene Ventil mit Rotationsantrieb der ersten und zweiten Ausführungsform bezogen wurde, in dem das bewegliche Element um den Trägerabschnitt als Drehpunkt oszilliert, ist sie nicht hierauf beschränkt und kann auf ein elektromagnetisch angetriebenes Ventil vom direkt betätigten Typ angewendet werden, in dem ein bewegliches Element sich Anlegen von elektromagnetischer Kraft zwischen einer Ventilöffnungsstellung und einer Ventilschließungsstellung durch hin und her bewegt.
Obwohl die vorliegende Erfindung ausführlich beschrieben und erläutert wurde, geschah dies natürlich nur anhand von Erläuterungen und Beispielen und sollte nicht als Beschränkung aufgefasst werden, da Gedanke und Bereich der vorliegenden Erfindung nur vom Wortlaut der beigefügten Ansprüche beschränkt wird.

Claims

Elektromagnetisch angetriebenes Ventil, welches folgendes aufweist: ein Einlass/Auslass-Ventil (14), das mit einem Verbrennungsmotor verbunden ist; ein bewegliches Element (21, 31), das aus einer magnetischen Substanz besteht und mit dem Einlass/Auslass-Ventil verbunden ist, um sich zwischen einer Ventilöffnungsstellung und einer Ventilschließungsstellung hin und her zu bewegen; und einen Elektromagneten (40) mit einer ersten Spule (42p), die mit Strom versorgt wird, um dadurch einen ersten Magnetfluss zu erzeugen und eine elektromagnetische Kraft in einer Richtung zu erzeugen, die das bewegliche Element (21) in die Ventilschließungsstellung bewegt, und einer zweiten Spule (42q), an die Strom angelegt wird, um dadurch einen zweiten Magnetfluss zu erzeugen und eine elektromagnetische Kraft in einer Richtung zu erzeugen, die das bewegliche Element (31) in die Ventilschließungsstellung bewegt, wobei die erste Spule (42p) und die zweite Spule (42q) zu einer identischen Verbindung gehören, wobei das bewegliche Element (21, 31) in einer Zwischenstellung zwischen der Ventilöffnungsstellung und der Ventilschließungsstellung gehalten wird, wenn keine elektromagnetische Kraft angelegt wird, der Elektromagnet (40) ferner eine dritte Spule (43) aufweist, die zu einer Verbindung gehört, die von der Verbindung, zu der die erste und die zweite Spule (42p, 42q) gehören, verschieden ist, und die dritte Spule mit Strom versorgt wird, um einen dritten Magnetfluss zu erzeugen, der den ersten Magnetfluss und/oder den zweiten Magnetfluss abschwächt.
Elektromagnetisch angetriebenes Ventil nach Anspruch 1, wobei der dritte Magnetfluss den jeweils anderen von dem ersten Magnetfluss und dem zweiten Magnetfluss verstärkt.
Elektromagnetisch angetriebenes Ventil nach Anspruch 1, wobei die dritte Spule (43) nur im Anfangsantriebsmodus des Verbrennungsmotors mit Strom versorgt wird.
Elektromagnetisch angetriebenes Ventil nach Anspruch 1, wobei das bewegliche Element (21, 31) einen Trägerabschnitt (23, 33) aufweist, der drehbar gelagert ist, und zwischen der Ventilöffnungsstellung und der Ventilschließungsstellung um den Trägerabschnitt (23, 33) als Drehpunkt schwingt, und das bewegliche Element (21, 31) in einer Vielzahl mit jeweils einem Abstand dazwischen bereitgestellt ist, wobei der Elektromagnet (40) zwischen der Vielzahl von beweglichen Elementen (21, 31) angeordnet ist.