DE10393461T5

DE10393461T5 - Elektromagnetisches Ventilsystem

Info

Publication number: DE10393461T5
Application number: DE10393461T
Authority: DE
Inventors: David Moyer; George Ann Arbor Schwartz; Kevin Ann Arbor Morrison
Original assignee: Social Profit Network
Current assignee: Social Profit Network
Priority date: 2002-10-09
Filing date: 2003-10-01
Publication date: 2005-12-22
Also published as: AU2003300633A1; WO2004033868A2; WO2004033868A3; JP2006503228A; WO2004033868B1; AU2003300633A8

Abstract

Ventilsystem, das folgende Merkmale aufweist:
ein Ventil, das einen Ventilschaft aufweist, der zwischen einer ersten, geschlossenen Position und einer zweiten, offenen Position linear bewegbar ist;
eine erste Feder;
eine zweite Feder;
eine erste Elektromagnetanordnung;
eine zweite Elektromagnetanordnung; und
eine an dem Ventilschaft befestigte Permanentmagnetklappe;
wodurch die erste Feder komprimiert wird und das Ventil zu der ersten geschlossenen Position bewegt wird, während sich der Permanentmagnet an die erste elektromagnetische Anordnung annähert, und wodurch die zweite Feder komprimiert wird und das Ventil zu der zweiten offenen Position bewegt wird, während sich der Permanentmagnet an die zweite elektromagnetische Anordnung annähert.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet von Verbrennungsmotoren. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Struktur und einen Prozess für die gesteuerte Bewegung, Verriegelung und/oder Deaktivierung von Ventilen.
Hintergrund der Erfindung
Das Tellerventil, das durch eine Nockenwelle getrieben wird, wird seit vielen Jahren in Verbrennungsmotoren verwendet. Modifikationen an dem Ventilbetrieb wurden entwickelt, um das Ändern der Ventilzeitsteuerung zu ermöglichen, während der Motor in Betrieb ist. Wenn die Zeitsteuerung verhindert, dass sich Ventile während einem Motorzyklus öffnen, ist der Zylinder deaktiviert und der Effekt eines Verstellmotors wird erhalten. Der Vorteil eines Verstellmotors ist, dass, wenn weniger Maximaleffizienzleistung erforderlich ist, einige der Zylinder deaktiviert werden können und die Leistung der verbleibenden aktiven Zylinder erhöht ist, so dass dieselben bei größerer Effizienz arbeiten, während die Motorleistung konstant bleibt. Dieser Lösungsansatz hatte in der Praxis nur begrenzten Erfolg, weil die normale Steuerung die Hälfte der Anzahl der Zylinder aktiviert oder deaktiviert, und diese abrupte Änderung bei dem Abtriebsdrehmoment ein schlechtes Laufverhalten bewirkt. Ferner wirkt der Deaktiviermechanismus relativ langsam, so dass mehr als eine Drehung der Kurbelwelle erforderlich ist, um die Änderung durchzuführen.
Während einige elektromagnetische Ventilmechanismen implementiert wurden, um Ventile zu betreiben, ist die Energie, die erforderlich ist, um das System zu betreiben, typischerweise unerschwinglich. Es ist häufig erforderlich, dass die Energie ein Ventil entweder in einer offenen oder einer geschlossenen Position hält. Ferner ist die Masse des Ventiltriebs in solchen Systemen typischerweise beträchtlich und die Bewegung und Landung von Komponenten ist häufig problematisch.
D. Moyer, Cam Activated Electrically Controlled Engine Valve, U.S.-Pat.-Nr. 6,302,069, 16. Oktober 2001 beschreibt eine "Motorventilsteuerung, die auf elektrische Signale von einer Steuerung anspricht, um ein Ventil zu öffnen und zu schließen. Die Leistung zum Bewegen des Ventils kommt von einer Nockenwelle. Eine Deaktivierungsfeder wird durch eine Nockenscheibe komprimiert und durch ihr Solenoid komprimiert gehalten, während das Ventil durch sein Solenoid davon abgehalten wird, sich zu öffnen. Wenn das Ventilsolenoid das Ventil freigibt, öffnet eine halbe Oszillation zwischen der Deaktivierungsfeder und der Ventilfeder das Ventil und das Ventilsolenoid hält dasselbe dann offen. Das Deaktivierungssolenoid gibt dann die Deaktivierungsfeder frei. Wenn das Ventilsolenoid seine Feder freigibt, schließt eine halbe Oszillation der beiden Federn das Ventil mit einer weichen Landung. Der Ventilbetrieb ist sehr schnell, unabhängig von der Motorgeschwindigkeit, und kann über 630 Kurbelwellengrad gesteuert werden. Die Nockenwelle kann bei Kurbelwellengeschwindigkeit laufen, mit einer Ventildeaktivierung während den Kompressions- und Expansionshüben für einen 4-Hub-Betrieb. Ein 2-Hub-Betrieb kann für Kompressor- und Luftmotorbetrieb als pneumatischer Hybridmotor verwendet werden".
D. Moyer, Fast Acting Engine Valve Control with Soft Landing, U.S.-Pat.-Nr. 6,302,068, 16. Oktober 2001, beschreibt "eine Motorventilsteuerung, die auf elektrische Signale von einer Steuerung anspricht, um Ventile zu öffnen und zu schließen. Die Leistung zum Bewegen der Ventile kommt von einer herkömmlichen Nockenwelle. Eine Deaktivierungsfeder wird durch eine Nockenscheibe komprimiert und durch ein erstes Solenoid komprimiert gehalten, und das Ventil wird durch ein zweites Solenoid davon abgehalten, sich zu öffnen. Wenn das zweite Solenoid das Ventil freigibt, öffnet eine halbe Oszillation zwischen der Deaktivierungsfeder und der Ventilfeder das Ventil und ein drittes Solenoid hält das Ventil offen. Das erste Solenoid gibt dann die Deaktivierungsfeder frei. Wenn das dritte Solenoid die Ventilfeder freigibt, schließt eine halbe Oszillation der beiden Federn das Ventil mit einer weichen Landung und das zweite Solenoid hält das Ventil erneut geschlossen. Der Ventilbetrieb ist sehr schnell, unabhängig von der Motorgeschwindigkeit, und kann über 270 Kurbelwellengrad gesteuert werden. Die Solenoide, die nur zum Halten verwendet werden, sind sehr klein und erfordern wenig Leistung. Die Nockenwelle läuft bei Kurbelwellengeschwindigkeit. Durch Deaktivieren der Zylinder während der Kompressions- und Expansionshübe wird ein 4-Hub-Betrieb für Benzinmotorbetrieb verwendet. Ein 2-Hub-Betrieb wird für Kompressor- und Luftmotorbetrieb als ein pneumatisches Hybrid verwendet".
D. Moyer, Engine Valve Disabler, U.S.-Pat.-Nr. 6,260,525, 17. Juli 2001, beschreibt "ein Verfahren zum Verbessern der Effizienz und Reduzieren von Emissionen eines Verbrennungsmotors. Verstellmotorfähigkeiten werden erreicht durch Deaktivieren von Motorventilen während Laständerungen und Konstantlastoperationen. Aktive Zylinder können bei minimalem BSFC betrieben werden, durch intermittierendes Deaktivieren anderer Zylinder zum Liefern des gewünschten Nettodrehmoments. Das Deaktivieren wird begonnen durch frühes Schließen des Einlassventils zum Liefern eines Vakuums am UT, was zu keinem Nettogasfluss über die Kolbenringe führt, und einen minimalen Verlust von Kompressionsenergie in dem deaktivierten Zylinder; diese Einsparung bei Motorreibungsverlusten ist wesentlich bei mehreren Deaktivierungen". Die in dem '525 Patent beschriebene Vorrichtung liefert eine Grundlage für die hierin offenbarte Erfindung.
D. Moyer, Fuel Efficient Valve Control, U.S.-Patent-Nr. 5,975,052, 02. November 1999 beschreibt "ein Verfahren zum Verbessern der Effizienz und Reduzieren von Emissionen eines Verbrennungsmotors. Verstellmotorfähigkeiten werden erreicht durch Deaktivieren von Motorventilen während Laständerungen und Konstantlastoperationen. Aktive Zylinder können bei minimalem BSFC betrieben werden, durch intermittierendes Deaktivieren anderer Zylinder zum Liefern des gewünschten Nettodrehmoments. Das Deaktivieren wird begonnen durch frühes Schließen des Einlassventils zum Liefern eines Vakuums am UT, was zu keinem Nettogasfluss über die Kolbenringe führt, und einen minimalen Verlust von Kompressionsenergie in dem deaktivierten Zylinder; diese Einsparung bei Motorreibungsverlusten ist wesentlich bei mehreren Deaktivierungen".
E. Lohse and U. Muller, Electromagnetic Actuator for a Cylinder Valve Including an Integrated Valve Lash Adjuster, U.S.-Pat.-Nr. 6,047,673, 11. April 2000, beschreiben "eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung zum Betreiben eines Motorventils eines Verbrennungsmotors umfasst zwei Elektromagneten; einen Anker, der beweglich in dem Raum zwischen den Elektromagneten angeordnet ist, für eine Hin- und Herbewegung ansprechend auf elektromagnetische Kräfte, die durch die Elektromagneten erzeugt werden; Rückstellfedern, die wirksam mit dem Anker gekoppelt sind, zum Entgegenwirken gegen Ankerbewegungen, die durch die elektromagnetischen Kräfte bewirkt werden; eine Stößelstange, die an dem Anker befestigt ist, zum Bewegen mit demselben als eine Einheit; und eine Führung zum Führen der Stößelstange. Die Führung umfasst einen Führungszylinder und einen Stößelstangenkolben, der durch die Ende der Stößelstange getragen wird. Der Stößelstangenkolben wird gleitbar in dem Führungszylinder aufgenommen. Ein Einstellkolben ist gleitbar in dem Führungszylinder aufgenommen und definiert mit dem Stößelstangenkolben eine Zwischenkammer, die einen Teil des Zylinders bildet. Der Einstellkolben weist ein Ende auf, das angepasst ist, um wirksam mit dem Motorventil gekoppelt zu sein. Eine Fluidzufuhr führt hydraulisches Fluid in die Zwischenkammer ein. Ferner ist ein Fluidsteuerventil vorge sehen, das einen offenen Zustand aufweist, in dem die Zwischenkammer mit der Fluidzufuhr kommuniziert, und einen geschlossenen Zustand, in dem hydraulisches Fluid in der Zwischenkammer eingeschlossen ist, zum starren Übertragen von Bewegungen des Stößelstangenkolbens zu dem Einstellkolben.
M. Theobald, B. Lequesne, and R. Henry, Control of Engine Load via Electromagnetic Valve Actuators, Paper No. 940816, International Congress & Exposition, Detroit, Michigan, 28. Februar–3. März, 1994 beschreibt einen Einzelzylinderforschungsmotor, der mit programmierbaren Ventilbetätigungsvorrichtungen ausgestattet ist. Die Betätigungsvorrichtungen umfassen einen Permanentmagnet "der den Bedarf zum Halten eines Stroms eliminiert, während das Ventil vollständig geöffnet oder geschlossen ist.
F. Pischinger and P. Kreuter, Electromagnetically Operating Actuator, U.S.-Pat.-Nr. 4,455,543, 19. Juni 1984 beschreiben "eine elektromagnetisch arbeitende Betätigungsvorrichtung für Steuerelemente, zum Steuern von Elementen, die in der Lage ist, oszillierende Bewegungen in Verstellmotoren durchzuführen, insbesondere für flache Gleitabsperrventile und Hubventile, umfasst ein Federsystem und ein Paar von elektrisch arbeitenden Schaltelementen, über die das Steuerelement in zwei einzelne entgegengesetzte Betriebspositionen beweglich ist, und dort gehalten wird, entweder durch einen Schaltmagnet, wobei die Stelle der Gleichgewichtslage des Federsystems zwischen den beiden Betriebspositionen liegt. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Bereitstellung einer Kompressionsvorrichtung in Eingriff mit dem Federsystem zum Neupositionieren der Stelle der Gleichgewichtslage des Federsystems auf die Betätigung der Kompressionsvorrichtung hin".
D. Bonvallet, Variable Lift Electromagnetic Valve Actuator System, U.S.-Pat.-Nr. 4,777,915, 18. Oktober 1988 beschreibt ein "Gehäuse auf dem Zylinderkopf einer Maschine, die ein oberes Solenoid und ein röhrenförmiges unteres So lenoid wirksam trägt, so dass darin Arbeitspolflächen einander entgegengesetzt sind, zum wirksamen Bewirken einer Bewegung eines Ankers, der an dem freien Schaftende eines Tellerventils befestigt ist, dessen Schaft sich durch das untere Solenoid nach oben erstreckt. Jeweils ein Ende der oberen und der unteren Federn ist in dem oberen bzw. in dem unteren Solenoid positioniert, und das untere Solenoid weist eine Betätigungsvorrichtung auf, die wirksam damit verbunden ist, um die axiale Position des unteren Solenoids zu bewirken, während das obere Solenoid eine Riemeneinstellvorrichtung aufweist, die demselben wirksam zugeordnet ist".
N. Miyoshi; K. Ohtsubo, Electric Valve Drive Device in an Internal Combustion Engine, U.S.-Pat.-Nr. 5,983,847, 16. November 1999 beschreibt "ein Tellerventil ist vorgesehen, um einen Ventilsitz in einem Verbrennungsmotor zu öffnen und zu schließen. Am Ende eines Ventilschafts des Ventils ist ein zylindrischer Träger befestigt und an der äußeren Umfangsoberfläche des Trägers ist eine bewegliche Spule gewickelt. Ein ringförmiger Hohlraum ist in einem Joch gebildet, das an einer Halterung befestigt ist, die an einem Zylinderkopf befestigt ist, und ein Permanentmagnet ist in dem ringförmigen Hohlraum des Jochs befestigt. Zwischen dem Permanentmagnet und dem Joch in dem ringförmigen Hohlraum ist der Träger eingefügt, der die bewegliche Spule aufweist. Durch ein Steuersystem mit CPU wird ein elektrischer Strom an die bewegliche Spule angelegt, wodurch optimale Ventilzeitsteuerung und -hub geliefert wird, um Sitzgeräusche zu verringern und die Motorleistung zu verbessern".
B. Patel, Permanent Magnet Bistable Solenoid Actuator, U.S.-Pat.-Nr. 4,533,890, 06. August 1985 beschreibt eine "bistabile Betätigungsvorrichtung, die eine Permanentmagnetanordnung umfasst, die an einer Ankerwelle befestigt ist, und ein Paar von Kernelementen, die axial an jeder Seite der Permanentmagnetanordnung angeordnet sind. Die Kerne haben axial entgegengesetzte innere und äußere ring förmige Erweiterungen, die in jedem Kern definiert sind, durch eine zentrale axiale Öffnung, die die Ankerwelle trägt und eine ringförmige Ausnehmung, in der eine elektrische Spule aufgenommen wird. Die Permanentmagnetanordnung umfasst innere und äußere ringförmige axialmagnetisierte Permanentmagnete, die durch einen ferromagnetischen Ring radial beabstandet sind, um mit der inneren und der äußeren Kernerweiterung ausgerichtet zu sein".
B. Lequesne, Variable lift operation of bistable electromechanical poppet valve actuator, U.S.-Pat.-Nr. 4,829,947, 16. Mai 1989 "eine Ventilbetätigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor wird mit einem Teilventilhub betrieben. Das Ventil ist zu einer neutralen zentralen Position federvorgespannt, wird aber durch Permanentmagneten mit zugeordneten Spulen in einer vollständig offenen oder geschlossen Position gehalten. Eine normale Aktivierung des Ventils zwischen der vollständig geöffneten und geschlossenen Position geschieht durch Aktivierung einer Spule zum vollständigen Aufheben des Felds des zugeordneten Magnets mit einer Feder, die das Ventil zu der anderen Position bewegt. Eine Teilhuboperation umfasst, wenn das Ventil in der geschlossenen Position ist, das Liefern eines Ventilöffnungsstroms an die Ventilöffnungsspule zum Reduzieren des schließenden Magnetfelds aber Anhalten des Stroms, bevor das Ventil seine vollständig geöffnete Position erreicht, und das Liefern eines Ventilschließstroms an eine der Spulen zum Bewirken der Rückkehr des Ventils zu seiner geschlossen Position. Zwei Modi einer Teilhuboperation werden beschrieben: ein erster, bei dem die Ventilbewegung fortlaufend mit der Ventilöffnungsdauer ist, die im Wesentlichen proportional zu dem Ventilhub ist, und ein zweiter, bei dem das Ventil zu einer stabilen Halbhubposition bewegt wird, für eine beliebige Dauer in dieser Position belassen wird und zurück in die geschlossene Position gezogen wird".
Obwohl andere herkömmliche Ventilsysteme eine elektromagnetische Kraft zum Bewegen eines Ventils verwenden, gibt es keine Fördermaßnahme zum Eliminieren oder Reduzieren einer harten Landung, was typischerweise zu einer äußerst kurzen Ventillebensdauer führt.
Es wäre vorteilhaft, ein elektromechanisches Ventilsystem serienmäßig herzustellen, das ohne angelegte Energie entweder in einer offenen oder einer geschlossenen Position verriegelt werden kann. Ein solches System wäre ein großer technologischer Durchbruch. Ferner wäre es vorteilhaft, ein elektromechanisches Ventilsystem zu liefern, das an jedem Ende der Bewegung eine weiche Landung ermöglicht. Ein solches System wäre ein weiterer technologischer Durchbruch. Außerdem wäre es vorteilhaft, ein elektromechanisches Ventilsystem zu liefern, das ohne weiteres steuerbar ist, um den lokalen Magnetfluss zu erhöhen oder zu verringern, wie z. B. zum Fördern der Bewegung des Ventils, oder zum Liefern einer weichen Landung des Ventils an jedem Ende der Bewegung. Außerdem wäre es vorteilhaft, ein elektromechanisches Ventilsystem zu liefern, das Energierückgewinnung, Rückkopplung und/oder Vorwärtskopplungserfassung und Steuerung liefert. Ein solches System wäre ein weiterer technologischer Durchbruch.
Zusammenfassung der Erfindung
System für die elektromagnetische Betätigung eines Ventilmechanismus sind vorgesehen. Ein Ventil ist linear beweglich zwischen einer ersten geschlossenen Position und einer zweiten offenen Position. Eine erste Feder wird komprimiert, wenn das Ventil in der ersten geschlossenen Position ist und eine zweite Ventilfeder wird komprimiert, wenn das Ventil in der zweiten offenen Position ist. Ein elektromagnetische Betätigungsanordnung und ein Permanentmagnet sind mit dem Ventil kombiniert, so dass das Ventil entweder in einer geschlossenen oder offenen Position verriegelbar ist, und durch das Anlegen von Energie an die elektromagnetische Schaltungsanordnung ohne weiteres zwischen den Positionen beweglich ist. Die elektromagnetische Schaltungsanordnung ist beispielsweise steuerbar zum Erhöhen oder Verringern des lokalen Magnetflusses, um die Bewegung des Ventils zu fördern oder um eine weiche Landung des Ventils an jedem Ende der Bewegung zu liefern. Einige Systemausführungsbeispiele liefern Energierückgewinnung, Rückkopplung und/oder Vorwärtskopplungserfassung und Steuerung. Das elektromagnetische Ventilsystem kann für eine große Vielzahl von Motoren, Ventilen und Betätigungsvorrichtungen implementiert werden, wie z. B. variable Ventilzeitsteuerung, Ventildeaktivierung und/oder Hybridmotor- und Energiespeicherungsanwendungen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Teilquerschnittsansicht eines elektromagnetischen Ventilsystems;
2 ist eine schematische Draufsicht einer Permanentmagnetklappe;
3 ist eine Teilschnittansicht eines Modell-1-Einzelsolenoidmagnetventilsteuersystems;
4 ist eine erste Schnittansicht eines elektromagnetischen Ventilbetätigungssystems, das einzelne Feder- und Elektromagnetanordnungen umfasst;
5 ist eine zweite Schnittansicht eines elektromagnetischen Ventilbetätigungssystems, das einzelne Feder- und Elektromagnetanordnungen umfasst;
6 ist eine schematische Draufsicht eines elektromagnetischen Ventilbetätigungssystems, das einzelne Feder- und Elektromagnetanordnungen umfasst;
7 ist eine erste Schnittansicht eines bevorzugten elektromagnetischen Ventilbetätigungssystems, das einzelne Feder- und Elektromagnetanordnungen umfasst;
8 ist eine zweite Schnittansicht eines bevorzugten elektromagnetischen Ventilbetätigungssystems, das einzelne Feder- und Elektromagnetanordnungen umfasst;
9 ist eine schematische Ansicht eines elektromagnetischen Ventilsystems mit einer sich hin- und herbewegenden Plattenklappe, die aus einem eisenhaltigen oder magnetischen Material besteht;
10 ist eine schematische Ansicht eines elektromagnetischen Ventilsystems, das eine sich hin- und herbewegende Permanentmagnetplattenklappe umfasst;
11 ist eine schematische Ansicht eines Steuer- und Leistungsmoduls, das mit einem elektromagnetischen Ventilsystem verbunden ist;
12 ist eine detaillierte schematische Ansicht einer Steuer- und Leistungsschaltungsanordnung, die einem elektromagnetischen Ventilsystem zugeordnet ist;
13 ist ein Schema der Transistorschaltungsanordnung, die verwendet wird, um die Elektromagneten mit Energie zu versorgen und die Ventilposition zu steuern;
14 ist eine detaillierte Querschnittsansicht eines mechanischen Federdeaktivierungsmechanismus;
15 ist eine detaillierte Teilquerschnittsansicht eines mechanischen Ventildeaktivierungssystems in einer ersten Position mit einem Deaktivierungssatz;
16 ist eine detaillierte Teilquerschnittsansicht eines mechanischen Ventildeaktivierungssystems in einer zweiten deaktivierten Position mit einem Deaktivierungssatz;
17 ist eine detaillierte Teilquerschnittsansicht eines mechanischen Ventildeaktivierungssystems in einer ersten aktivierten und geschlossenen Position;
18 ist detaillierte Teilquerschnittsansicht eines mechanischen Ventildeaktivierungssystems in einer zweiten aktivierten und geöffneten Position;
19 ist eine detaillierte Teilquerschnittsansicht eines alternativen mechanischen Ventildeaktivierungssystems in einer ersten Position mit einem Deaktivierungssatz;
20 ist eine detaillierte Teilquerschnittsansicht eines alternativen mechanischen Ventildeaktivierungssystems in einer zweiten deaktivierten Position mit einem Deaktivierungssatz;
21 ist eine detaillierte Teilquerschnittsansicht eines alternativen mechanischen Ventildeaktivierungssystems in einer ersten aktivierten und geschlossenen Position;
22 ist eine detaillierte Teilquerschnittsansicht eines alternativen mechanischen Ventildeaktivierungssystems in einer zweiten aktivierten und geöffneten Position;
23 ist eine detaillierte Teilschnittansicht eines Federverriegelungsmechanismus;
24 ist eine Profilansicht einer Umkehrprofilnockenscheibe;
25 ist eine Teilschnittansicht eines alternativen elektromagnetischen Ventilsystems; und
26 ist eine Endansicht eines alternativen elektromagnetischen Ventilsystems.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
1 ist eine Teilquerschnittsansicht eines elektromagnetischen Ventilsystems 10a. Ein Ventil 12 mit einem Schaft 14 ist linear beweglich in einem Zylinderkopf 16, wie z. B. durch eine Ventilführung 18. Das Ventil 12 ist linear beweglich zwischen einer geschlossenen Position 20a und einer offenen Position 20b, um einen Fluss in oder aus einem Verteilertor 22 zu ermöglichen.
Das Ventil 12 umfasst eine Ventilfläche 24 an einem Ende des Schafts 14. Eine Klappe 26 ist an dem Schaft 14 befestigt, so dass die Bewegung der Klappe zu der Bewegung des Ventils 12 führt. Eine Ventilfeder 28 ist zwischen dem Kopf 16 und der Klappe 26 angeordnet, die das Ventil 12 zu einer geschlossenen Position 20a vorspannt. Eine Deaktivierungsfeder 30 ist auf einer gegenüberliegenden Oberfläche der Klappe 26 angeordnet, um das Ventil 12 zu einer offenen Position 20b vorzuspannen. Die Deaktivierungsfeder 30 ist typischerweise in Relation zu dem Zylinderkopf 16 befestigt, wie z. B. durch einen Halter 32.
Ein erster Elektromagnet 36a ist auf einer Seite der Klappe 26 angeordnet und ein zweiter Elektromagnet 36b ist auf der gegenüberliegen Seite der Klappe 26 angeordnet. In einer geschlossenen Position 20a liefert der Magnetfluss der Permanentmagnetklappe 26 eine anziehende Magnetkraft zum Halten der Klappe 26, wie z. B. zum Verriegeln des Ventils 12 in der geschlossenen Position 20a. Gleichartig dazu liefert der Magnetfluss der Permanentmagnetklappe 26 eine anziehende Magnetkraft zum Halten der Klappe 26 in einer offenen Position 20b, wie z. B. zum Verriegeln des Ventils 12 in der offenen Position 20b.
Die elektromagnetischen Spulen 36a, 36b umfassen typischerweise einen Ringkern 56 (3), um den ein elektroleitfähiger Draht 54 gewickelt ist. Elektrischer Strom 57 ( 3) ist steuerbar in jeder Richtung angelegt, wie z. B. durch den Draht 54, so dass die elektromagnetischen Spulen 36a, 36b wirksam sind, um einen Magnetfluss in jeder vertikalen Richtung zu liefern.
Beim Betrieb ist das elektromagnetische Ventilsystem 10a ohne weiteres zwischen den Positionen 20a, 20b beweglich. Die angelegte Energie um die Elektromagneten 36 wirkt zum Erhöhen oder verringern der Gesamtmagnetanziehung der Klappe 26.
Von einer geschlossenen Position 20a liefert Energie, die an die zweite elektromagnetische Spule 36b angelegt ist, einen Magnetfluss in einer im allgemeinen entgegengesetzten Richtung zu dem Magnetfluss von der Permanentmagnetklappe 26. In der geschlossenen Position 20a umfasst die Deaktivierungsfeder 30 mehr gespeicherte potentielle Energie als die Ventilfeder 28. Wenn die Gesamtmagnetkraft, die auf die Klappe 26 wirkt, geringer wird als die Kraft von der potentiellen Energiedifferenz zwischen den Federn 30 und 28 bewegen sich die Klappe 26 und das Ventil 12 nach unten zu der offenen Position. Während sich die Klappe bewegt, dehnt sich die Deaktivierungsfeder 30 aus und die Ventilfeder 28 wird komprimiert. Während sich das Ventil der offenen Position 20b nähert, liefert der Magnetfluss der Permanentmag netklappe 26 einen anziehenden Magnetfluss. Die erste elektromagnetische Spule 36a kann vorzugsweise mit Energie versorgt sein, während sich das Ventil der offenen Position 20b nähert, um die anziehende, d. h. die ziehende Magnetkraft 82 zu erhöhen.
Außerdem kann die erste elektromagnetische Spule 36a vorzugsweise nahe des Endes der Wegstrecke mit Energie versorgt werden, während sich das Ventil 12 der offenen Position 20b nähert, wie z. B. zum Verlangsamen des Vorschubs der Klappe 26 und eine weiche Landung in der offenen Position 20b zu liefern. Der Magnetfluss, der durch einige Permanentmagneten 34 geliefert wird, erhöht sich wesentlich bei kurzen Abständen, wie z. B. zum Erhöhen der anziehenden, d. h. ziehenden Magnetkraft. Die Aktivierung der elektromagnetischen Spule 36a zum Liefern einer weichen Landung umfasst typischerweise eine kurze Zeitperiode, wie z. B. einen Puls, um die Annäherung der Klappe 26 zu verlangsamen.
Gleichartig dazu liefert Energie, die an die erste elektromagnetische Spule 3ba angelegt ist, von einer offenen Position 20b einen Magnetfluss in einer allgemein entgegengesetzten Richtung zu dem Magnetfluss von der ersten Permanentmagnetklappe 26. In der offenen Position 20b umfasst die Ventilfeder 28 gespeicherte potentielle Energie. Wenn die Gesamtmagnetkraft geringer wird als die Kraft von der potentiellen Energie, bewegen sich die Klappe 26 und das Ventil 12 linear nach oben zu der geschlossenen Position 20a. Während die Klappe 26 die Deaktivierungsfeder 30 kontaktiert, ist die Deaktivierungsfeder 30 komprimiert. Während sich das Ventil 12 der geschlossenen Position 20a nähert, liefert der Magnetfluss des zweiten Permanentmagnets 34b einen anziehenden Magnetfluss. Die zweite elektromagnetische Spule 36b kann vorzugsweise mit Energie versorgt werden, während sich das Ventil 12 der geschlossenen Position 20a nähert, wie z. B. zum Erhöhen der anziehenden, d. h. ziehenden Magnetkraft.
Außerdem kann die zweite elektromagnetische Spule 36b vorzugsweise nahe dem Ende der Wegstrecke mit Energie versorgt werden, während sich das Ventil 12 der geschlossenen Position 20a nähert, um den Vorschub der Klappe 26 zu verlangsamen und eine weiche Landung in der geschlossenen Position 20a zu liefern. Die Aktivierung der elektromagnetischen Spule 36a zum Liefern einer weichen Landung umfasst typischerweise eine kurze Zeitperiode, wie z. B. einen Puls, um die Annäherung der Klappe 26 zu verlangsamen.
Bei einigen Ausführungsbeispielen des elektromagnetischen Ventilsystems 10 umfasst die Klappe einen oder mehrere Permanentmagneten 42. Bei alternativen Ausführungsbeispielen des elektromagnetischen Ventilsystems 10 umfasst die Klappe ein magnetisch anziehendes, d.h. eisenhaltiges Material.
2 zeigt eine detaillierte Teildraufsicht einer Klappe 26, die eine Mehrzahl von radial ausgerichteten Permanentmagneten 42 umfasst. Wie es in 2 ersichtlich ist, ist jeder der Magnete 42 radial ausgerichtet zu dem Ventilschaft 14, wobei die Nordpole 44 nach innen gerichtet sind und wobei die Südpole 46 nach außen gerichtet sind.
3 ist eine Teilschnittansicht eines Modell-1-Einzelsolenoidventilsteuersystems 10b, bei dem eine Permanentmagnetklappe 26a an dem Schaft 14 eines Ventils befestigt ist, und zwischen einem ersten Elektromagnet 34a und einem zweiten Elektromagnet 34b beweglich ist. Die elektromagnetischen Spulen 34a, 34b befinden sich in Jochanordnungen 52a, 52b und umfassen Drahtspulen 54 auf einem Kern 56. Die Klappe 26 umfasst eine Magnetregion 42 in einem Klappenjoch 58.
4 ist eine erste Schnittansicht 190 eines elektromagnetischen Ventilbetätigungssystems 10a, das einzelne Feder- und Elektromagnetanordnungen umfasst, wobei das Ventil 12 in einer geschlossenen Position 20a ist. 5 ist eine zweite Schnittansicht 200 eines elektromagnetischen Ventilbetätigungssystems 10a, das einzelne Feder- und Elektromagnetanordnungen umfasst, mit dem Ventil 12 in einer offenen Position 20b. 6 ist eine schematische Draufsicht 206 eines elektromagnetischen Ventilbetätigungssystems 10a, das einzelne Feder- und Elektromagnetanordnungen 198a, 198b umfasst.
Ein Federhalter 192, der an dem Ventilschaft 14 befestigt ist, bewegt sich linear, um Energie zwischen der Deaktivierungsfeder 30 und der Ventilfeder 28 zu übertragen. Eine Klappe 26, die an dem Ventilschaft 14 befestigt ist, bewegt sich zwischen einer oberen Magnetanordnung 198b und einer unteren Magnetanordnung 198a. Die obere Magnetanordnung 198b umfasst einen oberen Permanentmagnet 34b und einen oberen Elektromagnet 36b, während die untere Magnetanordnung einen unteren Permanentmagnet 34a und einen unteren Elektromagnet 36a umfasst.
Wie es in 4 und in 5 ersichtlich ist, sind die Federn 28, 30 vorzugsweise an den fernen Lagerenden befestigt und nicht an dem Federhalter 192 befestigt, so dass die Federn 28, 30 während eines Teils der Ventilbewegung vorzugsweise von der dynamischen Masse des Ventilsystems 10a isoliert sind. Bei einem beispielhaften Ausführungsbeispiel sind die Federn 28, 30 für 660 Pfund/pro Zoll bemessen. In dem elektromagnetischen Ventilsystem 10e ist die Ventilschaftwelle nicht magnetisch. Die in 4 und in 5 gezeigte Klappe 26 umfasst auch eine mechanische Hülle 195, um die Klappe genau an dem Ventilschaft 14 zu befestigen.
Die Permanentmagnete 34a, 34b liefern eine Verriegelungseinrichtung für die Klappe 25, entweder in der geschlossenen Position 20a oder der offenen Position 20b. Wie es in 5 ersichtlich ist, hält der Permanentmagnet 34a die Ventilfeder 28 komprimiert in der offenen Ventilposition 20b, wodurch die Ventilfeder 28 einen hohen Pegel an poten tieller Energie beibehält. Gleichartig dazu, wie es in 4 ersichtlich ist, hält der Permanentmagnet 34b die Deaktivierungsfeder 30 in der geschlossenen Ventilposition 20a komprimiert, wodurch die Deaktivierungsfeder 30 einen hohen Pegel an potentieller Energie beibehält.
Von der geschlossenen Position 20a, in der die Klappe 26 gegen die obere Magnetanordnung 198b verriegelt ist, wird eine angelegte Energie an dem oberen Elektromagnet 36b steuerbar mit Energie versorgt, um die Klappe von der geschlossenen Position 20a freizugeben. Auf die Aktivierung von Energie zu dem ersten Elektromagnet 36b hin wird durch den Elektromagnet 36b ein elektromagnetischer Fluss erzeugt, der dem Permanentmagnetfluss des oberen Permanentmagnets 34b entgegengesetzt ist. Wenn der angelegte entgegengesetzte elektromagnetische Fluss die Permanentmagnethaltekraft unter diejenige der Federkraft reduziert, die durch die Deaktivierungsfeder 30 angelegt wird, beginnt das Ventil 12, sich zu öffnen.
Wenn das Ventil 12 beginnt, sich zu öffnen, wird die angelegte Kraft des oberen Permanentmagnets 34b, der einen konstanten Fluss aufweist, reduziert. Während sich das Ventil 12 öffnet und die Klappe 26 sich weg von der oberen Magnetanordnung 198b bewegt, fällt die angelegte Flussdichte von dem Permanentmagnet 34b sehr schnell ab, so dass sich die Anziehungskraft schnell verringert.
Gleichartig dazu, während sich das Ventil 12 zu schließen beginnt, wird die angelegte Kraft des unteren Permanentmagnets 34a, der einen konstanten Fluss aufweist, reduziert. Während sich das Ventil 12 schließt und die Klappe 26 sich weg von der unteren Anordnung 198b bewegt, fällt die angelegte Flussdichte von dem Permanentmagnet 43a sehr schnell ab, so dass sich die Anziehungskraft schnell verringert.
Während sich der Federhalter 192 bewegt und zu der Mittelregion 193 vorbewegt, sind die Federkräfte gleich und die kinetische Energie des Systems erreicht ein Maximum. Der Federhalter 192 bewegt sich weiter, wodurch die kinetische Energie der beweglichen Masse der Anordnung 195 zu gespeicherter potentieller Energie in der Ventilfeder 28 umgewandelt wird. Die bewegliche Masse der Anordnung 195 ist typischerweise gleich der kombinierten Masse der Klappe 26, des Ventils 12, des Halters 192 und zumindest eines Teils der Federn 28, 30.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen des elektromagnetischen Betätigungssystems 10 ist die kinetische Masse des Ventiltriebs 195 minimiert durch die Konfiguration der Ventilfeder 28 und der Deaktivierungsfeder 30, wodurch kinetische Energie zwischen der Ventilfeder 28 und der Deaktivierungsfeder 30, in einer Mittelregion 193 der Bewegung übertragen wird, und wodurch die Masse entweder der ersten oder der zweiten Feder 28, 30 für den Großteil der Bewegung wesentlich isoliert wird von der effektiven Masse des Ventiltriebs 195.
Wie es beispielsweise aus 4 und 5 ersichtlich ist, wird die Ventilfeder 28, während sich der Federhalter 192 über die zentrale Region 193 hinausbewegt, durch eine weitere Abwärtsbewegung der Ventilanordnung 195 komprimiert, die die Klappe 26, das Ventil 12 und den Federhalter 192 umfasst, während die Deaktivierungsfeder 30 von der Anordnung 195 isoliert wird (5).
Wenn die Ventilanordnung 195 das Ende der Wegstrecke erreicht, z. B. zu einer offenen Position 20b hin, verlangsamen sich das Ventil 12, die Klappe 26 und der Federhalter 192, während die kinetische Energie der Ventilanordnung 195 zu gespeicherter potentieller Energie in der Ventilfeder 28 umgewandelt wird. Nahe der Grenze der Wegstrecke liefert der angelegte Fluss von dem unteren Permanentmagnet 34a eine Anziehungskraft zum Verriegeln des Ventils 12 in der offenen Position 20b.
Wie es oben beschrieben ist, ist die Anziehungskraft von zwischen den Permanentmagnet 34 und den Elektromagneten 36 proportional zu dem Verschiebungsabstand, d. h. es gibt eine starke Anziehungskraft an der hintersten Endregion der Wegstrecke. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann daher Energie steuerbar an den sich nähernden Elektromagnet 36 angelegt werden, um eine "weiche" Landung zu fördern.
Wenn der Federhalter 192 die Ventilfeder 28 zu der unteren Grenze der Bewegung komprimiert, d. h. während sich die Klappe 26 der unteren Magnetanordnung 198a nähert, kontaktiert die Klappe 26 die untere Magnetanordnung 198a und ist an derselben verriegelt, weil sich die Magnetkraft erhöht, während sich die Klappe 26 der Magnetanordnung 198a nähert. An der Grenze der Wegstrecke ist die magnetische Haltekraft größer als die entgegengesetzte Ventilfederkraft, so dass das Ventil 12 in der offenen Position 20 verriegelt ist.
In dem in 4 und 5 gezeigten elektromagnetischen Ventilsystem 10e das Ventil 12 entweder in der geschlossenen Position 20a oder der offenen Position 20b verriegelt ist, ohne das Anlegen von Energie.
Die Freigabe von jeder verriegelten Bedingung ist steuerbar durch ein angelegtes Energiesignal, wie z. B. von einer externen Steuerung 302 (11, 12). Wie es in 12 ersichtlich ist, sendet eine externe Steuerung 302 ein Signal, d. h. einen Energiepuls, an die geeignete Magnetanordnung 198a/b, die an der Klappe 26 verriegelt ist. Der angelegte Puls überwindet die Permanentmagnetanziehungskraft, so dass die komprimierte Feder, z. B. die Ventilfeder 28, auf die Anordnung 195 wirkt (5), die sich zu der entgegengesetzten Position bewegt.
7 ist eine erste Schnittansicht 210 eines bevorzugten elektromagnetischen Ventilbetätigungssystems 10f, das einzelne Feder- 224- und Elektromagnet-226- Anordnungen um fasst, in einer geschlossenen Position 20a. 8 ist eine zweite Schnittansicht eines bevorzugten elektromagnetischen Ventilbetätigungssystems 10f, das einzelne Feder-224- und Elektromagnet-226- Anordnungen umfasst, in einer offenen Position 20b. Das elektromagnetische Ventilbetätigungssystem 10f umfasst einen einzelnen, axial polarisierten, nicht beweglichen Permanentmagneten 34 und einen einzelnen Elektromagnet und Spule 36.
Die Federanordnung 224 umfasst zwei getrennte Federn 28, 30, die unabhängig wirken, d. h. die Federn 28, 30 sind abwechselnd von der dynamischen Masse der Ventilanordnung 195 isoliert, was die Federbewegungsmasse reduziert und die Federreibung reduziert.
Der Permanentmagnet 34 ist im horizontalen Querschnitt vorzugsweise quadratisch oder rechteckig, um einen erhöhten Magnetfluss über die Standfläche des Zylinderkopfes 16 zu liefern. Der quadratische oder rechteckige Permanentmagnet 34 hat mehr Fluss als ein runder mit gleichem Durchmesser, was es ermöglicht, dass Federn 28, 30 mit höheren Federkräften verwendet werden können.
Das elektromagnetische Ventilbetätigungssystem 10f umfasst außerdem vorzugsweise Magnetpole voller Breite 212, 214, um mehr Magnetfluss zu tragen. Die Klappe ist typischerweise zylindrisch im Profil, um eine Drehung des Ventils 12 zu ermöglichen.
Bei dem beispielhaften Ausführungsbeispiel, das in 7 und 8 gezeigt ist, schraubt sich der Ventilschaft 14 in die Klappe 26 und wird vorzugsweise mit einer Verriegelungsmasse 227, wie z. B. LOCTITE^TM gehalten, so dass der Federhalter 192 mechanisch an der Ventilanordnung 195 befestigt ist. Bei einigen Systemausführungsbeispielen wirkt der Federhalter 192 als ein Kolben zum Ausgleichen des Verteilerdrucks.
Bei einigen Systemausführungsbeispielen sind die festen Enden 228 der Federn 28, 30 in Position geschraubt, um die Federn in einer senkrechten Position zu halten, wobei die vertikalen Kräfte gleichmäßig über die Federn 28, 30 verteilt sind. Der Ventilsitz und der Öffnungsanschlag 292 halten den Halter 192 nahe der vollständigen Öffnung, um eine Einstellung für Temperatur und Abnutzung zu liefern. Die freien Längen der Federn 28, 30 überlappen sich vorzugsweise leicht, so dass die bewegliche Federmasse 195 kinetische Energie an dem Mittelpunkt 193 übertragen kann (5).
Systembetrieb
Wie es in 7 ersichtlich ist, ist das Ventil 12 in der geschlossenen Position 20a gezeigt. Um das Ventil 12 zu öffnen, wird die Spule 36 mit Energie versorgt, um dem Permanentmagnet plus (PMF) entgegenzuwirken und die PMF-Haltekraft effektiv aufzuheben, was bewirkt, dass die Deaktivierungsfeder 30 Kraft das Ventil 12 in der Öffnungsrichtung 20b beschleunigt.
Während sich das Ventil 12 weg von dem Magnetpol bewegt, verringert sich die PMF und der Öffnungsfluss ist proportional verringert, um die Magnetkraft zu minimieren. Wenn sich der Halter 192 dem Mittelpunkt 193 nähert, kontaktiert der Halter 192 die Ventilfeder 28. Die Deaktivierungsfeder 30 liefert ihre kinetische Energie zu der Ventilfeder 28, zu dem Zeitpunkt, zu dem die Deaktivierungsfeder 30 eine freie Länge erreicht, wo die Deaktivierungsfeder 30 aufhört, sich zu bewegen. Die Ventilfeder 28 absorbiert die kinetische Energie und verlangsamt die bewegliche Masse 195 zu der offenen Position 20b hin.
Während der Ventilbewegung absorbieren Reibung und Luftreibung typischerweise einen Teil der kinetischen Energie, was die Ventilbewegung verlangsamt. Während sich die Klappe 26 dem magnetischen Mittelpunkt nähert (wo PMF zu Null geht) kehrt sich die Spannung der Spule 36 um und ihre Amplitude ist proportional zu der beweglichen Masse 195, und die Ge schwindigkeit variiert mit Reibung, Luftreibung, Temperatur und Zylinderladung. Der Fluss von der Spule 36 wird dann ungefähr eingestellt, so dass der Halter 192 an dem Anschlag 222 ankommt, mit beinahe Null Geschwindigkeit, und die Magnetkraft PMF von dem Permanentmagnet 34 das Ventil 12 offen 20b hält.
Die gesteuerte Bewegung des Ventilsystems 10f von der offenen Position 20b zu der geschlossenen Position 20a wird durch die Umkehrung der Öffnungsbewegung geliefert. Um das Ventil 12 zu schließen, wird die Spule 36 mit Energie versorgt, um dem Permanentmagnetfluss (PMF) entgegenzuwirken und die PMF-Haltekraft effektiv aufzuheben, was bewirkt, dass die Kraft der Ventilfeder 28 das Ventil 12 in der Schließrichtung 20a beschleunigt.
Gleichartig dazu, während sich das Ventil 12 weg von dem Magnetpol bewegt, verringert sich die PMF und der Öffnungsfluss 12 ist proportional verringert, um die Magnetkraft zu minimieren. Wenn sich der Halter 192 dem Mittelpunkt 193 nähert, kontaktiert der Halter 192 die Deaktivierungsfeder 30. Die Ventilfeder 28 liefert kinetische Energie an die Deaktivierungsfeder 30, zu dem Zeitpunkt, zu dem die Ventilfeder 28 eine freie Länge erreicht, wo die Ventilfeder 28 aufhört, sich zu bewegen. Die Deaktivierungsfeder 30 absorbiert die kinetische Energie und verlangsamt die bewegliche Masse 195 zu der geschlossenen Position 20a hin. Außerdem wird der unterstützende Fluss von der Spule 36 typischerweise proportional eingestellt, so dass der Halter 192 mit beinahe Null Geschwindigkeit an der oberen Position ankommt, und die Magnetkraft PMF von dem Permanentmagnet 34 das Ventil 12 geschlossen 20a hält.
9 ist eine schematische Ansicht 240 eines elektromagnetischen Ventilsystems 10g, das eine Klappe 26 aufweist, die aus einem eisenhaltigen oder magnetischen Material besteht, wobei die Klappe 26 eine sich hin- und herbewegende Platte umfasst. Bei manchen Ausführungsbeispielen des Sys tems sind die Permanentmagneten 34 in die Elektromagneten 36 integriert, was der Platte 26 eine magnetische Anziehung verleiht, ohne dass elektrische Energie erforderlich ist.
Ein "umgekehrter" elektrischer Puls zu dem entsprechenden Elektromagneten 36, z. B. 36a, hebt das Permanentmagnetfeld auf, um die Freigabe der Platte 26 zu bewirken. Anschließend drücken die Federn 28, 30 die Platte 26 und das verbundene Ventil 12 zu dem gegenüberliegenden Permanent/Elektromagneten 34, 36. Die Platte 26 wird von dem gegenüberliegenden Permanent-/Elektromagneten angezogen, wo sie zur Ruhe kommt.
Das elektromagnetische Ventilsystem 10h liefert ein Verriegeln, entweder offen oder geschlossen, ohne dass Leistung erforderlich ist, sogar nachdem der Motor abgeschaltet ist. Es ist nur ein kurzer Strompuls erforderlich, um zu bewirken, dass das Ventil 12 zu der entgegengesetzten Position 20a, 20b wechselt. Somit wird nur über einen kurzen Zeitraum hinweg Leistung verbraucht. Während sich die Permanentmagnetklappe 26 dem Elektromagneten 36 annähert, wird das wechselnde Magnetfeld vorzugsweise in elektrische Energie umgewandelt, die an ein Leistungsmodul 304 (11, 12) zurückgeführt werden soll. Bei manchen Ausführungsbeispielen stoßen die Elektromagneten 36a, 36b die Klappe 26 zusätzlich ab, um hohe Ventilgeschwindigkeiten zu liefern.
10 ist eine schematische Ansicht eines elektromagnetischen Ventilsystems 10h, das eine Permanentmagnetklappe 26 aufweist, wobei die Klappe 26 eine sich hin- und herbewegende Permanentmagnetplatte umfasst. Die sich hin- und herbewegende Plattenklappe 26 ist z. B. durch einen Stab, der durch einen Elektromagneten 36 läuft, an dem Motorventil 12 befestigt. An beiden Enden der Wegstrecke der Platte sind Elektromagneten 36a, 36b platziert. Die Elektromagneten 36 weisen die Fähigkeit auf, die Permanentmagnetklappe 26 je nach der Richtung des Stroms in den Elektromagneten 3b auf steuerbare Weise anzuziehen oder abzustoßen. Wenn sich der Permanentmagnet 36 nicht in unmittelbarer Nähe des Elektromagneten befindet (innerhalb einer Abweichung von etwa 0,05 Zoll), sind die einzigen Kräfte, die auf die Magnetklappe einwirken, Federkräfte. Die zwei Federn 28, 30 beschleunigen und verlangsamen die Platte 26 und das Ventil 12 zu den entgegengesetzten Ventilpositionen 20a, 20b.
Das elektromagnetische Ventilsystem 10h liefert ein Verriegeln, entweder offen oder geschlossen, ohne dass Leistung erforderlich ist, sogar nachdem der Motor abgeschaltet ist. Es ist nur ein kurzer Strompuls erforderlich, um zu bewirken, dass das Ventil 12 zu der entgegengesetzten Position 20a, 20b wechselt. Somit wird über einen kurzen Zeitraum hinweg Leistung verbraucht. Während sich die Permanentmagnetklappe 26 dem Elektromagneten 36 annähert, wird das wechselnde Magnetfeld vorzugsweise in elektrische Energie umgewandelt, die an ein Energieaustausch- und Speicherungssystem (12), z. B, eine Batterie oder eine LC-Schaltung, zurückgeführt werden soll. Bei manchen Ausführungsbeispielen stoßen die Elektromagneten 36a, 36b die Permanentmagnetklappe 26 zusätzlich ab, um hohe Ventilgeschwindigkeiten zu liefern.
Das elektromagnetische Ventilsystem 10h weist üblicherweise Materialien mit einer niedrigen Wirbelströmung, d. h. einem geringen Verlust, sowie eine Energierückgewinnungsschaltungsanordung auf, was dazu beiträgt, den Energieverbrauch zu senken. Manche Ausführungsbeispiele des elektromagnetischen Ventilsystems 10h liefern Weichlandungssteuerungen, so dass das Ventil 12 und/oder die Platte 36 nicht in andere Motorenteile "knallen", wenn das Ventil zur Ruhe kommt. Die Weichlandungssteuerung umfasst üblicherweise die Bereitstellung einer kurzen elektrischen Abstoßkraft bezüglich des entsprechenden Elektromagneten 36, wenn die Platte 26 näher kommt. Bei manchen Ausführungsbeispielen des Systems wird zumindest ein Teil der für den Weichlandungspuls erforderlichen Energie von der Energierückgewinnungsschaltungsanordnung bereitgestellt.
Systemsteuerung und Leistungsschaltungsanordnung
11 ist eine schematische Ansicht 300 einer Steuerung 302 und eines Leistungsmoduls 304, die mit einem elektromagnetischen Ventilsystem 10 verbunden sind. 12 ist eine detaillierte schematische Ansicht 350 der Steuerung 302 und der Leistungsschaltungsanordnung 304, die einem elektromagnetischen Ventilsystem 10 zugeordnet sind.
13 ist eine schematische Darstellung der Transistorschaltungsanordnung, die verwendet wird, um die Elektromagneten mit Energie zu versorgen und die Ventilposition zu steuern. Die Schaltung weist die folgenden Merkmale auf:

– Klappe abstoßen, indem Q1 und Q4 mit Energie versorgt werden.
– Klappe anziehen, indem Q2 und Q3 mit Energie versorgt werden.
– Q3, Q4 und Q5 weisen eine Stromflusserfassungsfähigkeit auf.
– ein Versorgen von Q3 und Q4 mit Energie schließt den Elektromagneten kurz. Dieses Merkmal ist nützlich zum Bestimmen der Klappengeschwindigkeit und zum Verlangsamen einer sich nähernden Klappe.
– Ein Versorgen von Q5 mit Energie kann verwendet werden, um Strom in die Batterie zurückzuleiten, wenn sich die Klappe einem Elektromagneten nähert. Dies ist als "Nutzbremsungs"-Merkmal gedacht.
– Um Energie zu sparen, speisen Dioden D1, D2, D3 und D4 Stromspitzen immer dann zurück zu dem Ver sorgungskondensator, wenn die Transistoren Q1, Q2, Q3, Q4 abgeschaltet werden und eine induktiv induzierte Stromspitze auftritt.

Vorteile des Systems
Die elektromagnetischen Ventilsysteme 10 können bei einer großen Bandbreite von Anwendungen eingesetzt werden. Das elektromagnetische Ventilsystem 10 ist in der Lage, ein Ventil 12 zu jeder Zeit auf steuerbare Weise zu öffnen und/oder zu schließen, und ist mechanisch nicht auf eine Nockenwelle und/oder Kurbelwelle beschränkt.
Das Öffnen und/oder Schließen von Ventilen 12 wird ohne weiteres zu jeglichem Zeitpunkt innerhalb eines Motorenzyklus bewerkstelligt. Überdies werden ein oder mehrere Ventile 12 ohne weiteres entweder in einer offenen oder einer geschlossenen Position verriegelt, so dass ohne weiteres ein oder mehrere Zylinder deaktiviert werden können.
Bei Anwendungen für einen Verbrennungsmotor wird die Ventilzeitgebung und -dauer ohne weiteres gesteuert und modifiziert. Bei manchen Motoranwendungen liefert das elektromagnetische Ventilsystem beispielsweise eine Echtzeit-Profilbestimmung eines Ventilbetriebs, z. B. um eine längere Ventildauer zu liefern, um eine Ventilzeitgebung zum Öffnen und/oder Schließen zu verändern.
Ventiltriebe sind bei herkömmlichen Motoren durch eine Nockenwelle hindurch mit der Kurbelwelle des Motors verbunden, so dass ein Betrieb des Ventiltriebs inhärent mit der Geschwindigkeit der Kurbelwelle verbunden ist. Dagegen ist das elektromagnetische Ventilsystem inhärent unabhängig von der Geschwindigkeit des Motors.
Während eines gleich bleibenden Betriebs eines Motors, z. B. bei einer konstanten Last und Geschwindigkeit kann das elektromagnetische Ventilsystem problemlos auf eine etwas herkömmliche Weise arbeiten, wodurch das Öffnen und Schlie ßen von Ventilen bezüglich der Geschwindigkeit der Kurbelwelle synchronisiert wird.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Ventilsystemen wird das elektromagnetische Ventilsystem 10 jedoch ohne weiteres bezüglich etwaiger unterschiedlicher Betriebsbedingungen gesteuert, z. B. bezüglich Änderungen der Umgebungstemperatur, des Drucks, der Luftfeuchtigkeit, der Eigenreibung und/oder der Veränderlichkeit der Verbrennung.
Das elektromagnetische Ventilsystem 10 wird ferner ohne weiteres hinsichtlich unterschiedlicher Anforderungen bezüglich Leistung und/oder Drehmoment, Anforderungen bezüglich Beschleunigung oder Verlangsamung gesteuert.
Überdies ist die Zeit zum Öffnen und/oder Schließen eines Ventils 12 bei einem herkömmlichen Motor mechanisch mit einem Nockenprofil verbunden, das durch die Geschwindigkeit des Motors bestimmt wird. Im Gegensatz dazu ist die Zeit zum Öffnen und/oder Schließen eines Ventils 12 in dem elektromagnetischen Ventilsystem 10 unabhängig von den mechanischen Einschränkungen einer Nocke und ist unabhängig von der Motorengeschwindigkeit. Die Durchgangszeit, die Zeit zum Öffnen oder Schließen eines Ventils 12, ist bei dem elektromagnetischen Ventilsystem 10 steuerbar, wodurch ein verriegeltes Ventil 12 ohne weiteres freigegeben und zu einer entgegengesetzten Position 20 bewegt wird. Bei manchen bevorzugten Ausführungsbeispielen des elektromagnetischen Ventilsystems 10 wird die anfängliche Freigabe eines Ventils 12 durch einen starken elektromagnetischen Puls verstärkt, um die Klappe 26 rasch aus der verriegelten Position heraus zu beschleunigen.
Somit wird die Zeit zum Öffnen oder Schließen eines Ventils 12 bei dem elektromagnetischen Ventilsystem 10 ohne weiteres minimiert und ist unabhängig von der Motorengeschwindigkeit, wodurch der Ventil-Offen-Zeitraum ohne weiteres und auf präzise Weise gesteuert wird, so dass ein Zylinder umfassender und vollständiger mit einer Luft-Brennstoff-Charge gefüllt werden kann, was bei manchen Ausführungsbeispielen bei einer niedrigen Motorengeschwindigkeit im Vergleich zu einem herkömmlichen nockenbetriebenen Motor einen höheren Drehmomentausgang, z. B. 15 bis 20 Prozent, liefert.
Bei dem elektromagnetischen Ventilsystem 10 (siehe 10) wird die Geschwindigkeit, mit der ein Ventil 12 geöffnet und geschlossen wird, durch die an den verriegelnden Elektromagneten angelegte Leistung bestimmt. Während ein Vorteil darin liegt, ein Ventil rasch zu öffnen und/oder zu schließen, wird die angelegte Energie somit üblicherweise erhöht, um eine schnelle Freigabe aus einer verriegelten Position zu liefern. Bei manchen Ausführungsbeispielen des elektromagnetischen Steuersystems 302 (11) wird ein gewünschtes Ventilgeschwindigkeits- und Energieverbrauchsmaximum bestimmt, um eine ausreichende Ventilgeschwindigkeit zu liefern und dabei aufgewendete Energie einzusparen.
Weiche Landung
Während sich das Ventil einem Endpunkt 20 nähert, z. B. einer offenen Position 20b oder einer geschlossenen Position 20a, umfassen die auf die Ventilanordnung 195 ausgeübten Kräfte die entgegengesetzte Kraft, die durch die Feder 28, 30, z. B. die Ventilfeder 28, ausgeübt wird, und die magnetische Anziehungskraft zwischen der Klappe 26 und der entsprechenden Elektromagnetanordnung 134, wie oben beschrieben wurde. Die Anziehungskraft eines Permanentmagneten 34 erhöht sich bei geringen Entfernungen 84 beträchtlich, so dass das Ventil 12 ohne weiteres mit dem Endpunkt 20 am Ende der Wegstrecke verriegelt wird.
Manche Ausführungsbeispiele des elektromagnetischen Ventilsystems 10 umfassen eine Weichlandungseinrichtung, um eine harte Landung der Ventilanordnung 195 bei einer Verriegelungsposition zu verhindern, wodurch eine geringe Menge an Energie durch den Elektromagneten 36 angelegt wird, um während der Landung eine gesteuerte entgegengesetzte Kraft zwischen dem Permanentmagneten 34 und dem Elektromagneten 36 zu liefern. Der sich ergebende angelegte Fluss ist dem Anziehungsfluss des Permanentmagneten 34 entgegengesetzt, um eine weiche Landung zu liefern.
Energieverlust und -zuführung
Bei dem elektromagnetischen Ventilsystem 10 ist die Widerstandskraft, die bei der Landung wirkt, von der Reibung innerhalb der Anordnung abhängig, wodurch die potentielle und kinetische Energie des Systems von der komprimierten Feder an aufgrund der Reibung verringert wird.
Bei einem System, das zu viel Reibung aufweist, erreicht das Ventil 12 beispielsweise eventuell niemals das Ende der Wegstrecke, wobei zu viel kinetische Energie aufgrund von Reibung verloren geht. Unter solchen Umständen erreicht die Klappe 26 eventuell nicht den Elektromagneten 36 und den Permanentmagneten 34, und wird eventuell nicht mit denselben verriegelt, und die Anordnung oszilliert, und reibungsbedingt wird Energie verbraucht, bis die zwei Federkräfte gleich sind.
Somit umfasst das elektromagnetische Ventilsystem 10 üblicherweise eine Einrichtung, um der Anordnung 10 Energie zuzuführen, z. B. um einen entgegengesetzten elektromagnetischen Fluss zu liefern, um eine Bewegung des Ventils 12 aus einer verriegelten Position heraus einzuleiten, oder um eine Anziehungskraft durch den entsprechenden Elektromagneten 36 am Ende der Wegstrecke zu liefern, um zu gewährleisten, dass die Anordnung in der Endposition verriegelt wird.
Zuführung elektromagnetischer Energie
Bei dem elektromagnetischen Ventilsystem 10 werden die Elektromagneten vorzugsweise verwendet, um eine Bewegung einzuleiten, d. h. um die Anziehungskraft des Permanentmagneten in einer Verriegelungsposition zu überwinden; um dem Ventiltrieb Energie zuzuführen, z. B. um die Ventilgeschwindigkeit zu fördern und/oder um Reibung zu überwinden; um eine Anziehungskraft an den Permanentmagneten am Ende einer Wegstrecke zu lie fern; und/oder um am Ende einer Wegstrecke eine entgegengesetzte Kraft bereitzustellen, um eine weiche Landung zu unterstützen.
Die an die Elektromagneten 36 angelegte Energie wird üblicherweise durch den Prozessor 302 gesteuert und kann viele verschiedene Formate, z. B. Schritte oder Pulse, umfassen.
Die Steuerung 302 ist vorzugsweise konfiguriert, um die angelegte Energie zu modifizieren, z. B. um Betriebsbedingungen oder gewünschte Leistungsfähigkeitsparameter 370a bis 370n, z. B., jedoch nicht beschränkt auf, Temperatur, Reibung, langfristige Verschleißcharakteristika, Sitz des Ventils und/oder Zylinderdruck, der auf die Fläche eines Ventils ausgeübt wird, zu kompensieren.
Verwendung von Elektromagneten als Sensoren
Bei manchen bevorzugten Ausführungsbeispielen des elektromagnetischen Ventilsystems 10 werden die Elektromagneten 36 auch als Systemsensoren verwendet.
Bei dem elektromagnetischen Ventilsystem 10 bewegt sich die Klappe 26 bezüglich der Elektromagneten 36. Da der Permanentmagnet 34 ein flussführendes Element ist, kann eine relative Bewegung der Klappe 26 bezüglich der Elektromagneten 36 und/oder des Permanentmagneten 34 durch eine Analyse des Flusses an den Elektromagneten erfasst werden.
Beispielsweise erfasst die Steuerung 302 die Flussänderungsrate, wodurch die Geschwindigkeit der Klappe 26 und des Ventils 12 angegeben wird. Die Steuerung 302 ermittelt die Position aus der Geschwindigkeit an einem oder mehreren Punkten, so dass die Steuerung 302 die Bewegung und das Ansprechverhalten des Ventiltriebs durch einen oder mehrere Hübe 20a, 20b bestimmen kann.
Die Steuerung 302 analysiert vorzugsweise die Bewegung des Ventiltriebs und kann die angelegte Energie auf der Basis der gewonnenen Informationen modifizieren, z. B. um die Energie zu erhöhen, die angelegte Energie zu verringern und/oder um die Zeitgebung der angelegten Energie zu verändern, entweder um eine aktuelle Betriebsbedingung zu verbessern oder um eine dynamische Betriebsbedingung zu verbessern, z. B. um bei einer Beschleunigungsbedingung eine unterschiedliche Leistung oder ein unterschiedliches Drehmoment zu liefern oder um während einer Verlangsamung Kraftstoff einzusparen. Bei dem elektromagnetischen Ventilsystem 10 werden die Magneten somit vorzugsweise sowohl als Antriebskraft als auch als Einrichtung für eine Erfassung und Steuerung eingesetzt.
Aktive Masse des Ventiltriebs
Bei manchen Ausführungsbeispielen des elektromagnetischen Ventilsystems 10 ist die aktive Masse der elektromagnetischen Ventilanordnung gleich der kombinierten Summe der Masse des Ventils 12, der Masse der Klappe 26 und etwa der Hälfte jeder Feder 28, 30, wobei sich eine Seite jeder Feder 28, 30 bewegt und das entgegengesetzte Ende jeder Feder 28, 30 befestigt ist. Für eine Feder 28, 30, deren Masse linear verteilt ist, beträgt die geschätzte aktive Masse etwa die Hälfte der Gesamtmasse jeder Feder 28, 30.
Die kinetische Energie des Systems 10 am Mittelpunkt einer Bewegung, d. h. bei dem die durch die Federn gespeicherte potentielle Energie bei einem Minimum liegt, beträgt etwa ½ mv2.
Gemäß der obigen Beschreibung weist das elektromagnetische Ventilsystem 10 sowohl eine Ventilfeder 28 als auch eine Deaktivierungsfeder 30 auf. Die Anordnung kann auch als einzelne, dynamische Verbundfeder betrachtet werden, die auch die mittige Klappe 26 umfassen kann, die elektronisch steuerbar ist, um eine Kraft auszuüben, um eine Kraft zu beseitigen und ferner um die Geschwindigkeit, bei der sich die Welle bewegt, zu ermitteln.
Bei manchen Ausführungsbeispielen des elektromagnetischen Ventilsystems 10 umfasst der Ventiltrieb sowohl eine Ventilfeder 28 als auch eine Deaktivierungsfeder 30, die abwechselnd mit dem dynamischen Ventiltrieb 195 verbunden sind oder von denselben getrennt sind.
Während der periodischen Bewegung des Ventiltriebs dehnt sich jede Feder 28, 30 von einer komprimierten Position zu einer Freie-Länge-Position aus. Bei der Freie-Länge-Position nach dem Austausch von Energie von der sich bewegenden Feder zu der ortsfesten Feder wird die sich zuvor bewegende Feder von der sich bewegenden Masse 195 des Ventiltriebs 195 isoliert. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Federn 28, 30 an jedem Ende an dem Kopf 16 befestigt, sind jedoch nicht an dem Permanentmagneten befestigt.
Während der periodischen Bewegung des Ventiltriebs, während sich die Klappe der Mittelregion 193 der Wegstrecke nähert, nähert sich die Klappe 26 der sich nähernden Feder, die sich in einer Ruheposition, d. h. einer Freie-Länge-Position befindet, und berührt dieselbe. Wenn die Klappe die ankommende Feder 28, 30 berührt, berührt die Klappe 26 kurz beide Federn 28, 30, wodurch die kinetische Energie des Systems übertragen wird, und das Ventil 12 und die Klappe 26 bewegen sich, während sie die zweite Feder 28, 30 komprimieren, weiter auf das zweite Ende 20, z. B. auf die offene Position 20b, zu.
Die dynamische Ventilanordnung 195 tauscht in der Mittelregion 193 z. B. durch einen Stoß oder durch eine kleine überlappende Region kinetische Energie aus, z. B. wobei die erste Feder fast vollständig gedehnt ist und die zweite Feder komprimiert zu werden beginnt.
Bei Ausführungsbeispielen des elektromagnetischen Ventilsystems 10, bei denen Federn 28, 30 periodisch von dem dynamischen Ventiltrieb 195 isoliert sind, liegt eine Verringerung der Masse des Ventiltriebs 195 vor. Ferner liegt ei ne Verringerung der Federreibung für das System vor, da die Federn periodisch von der Bewegung des Ventiltriebs 195 isoliert sind.
Überlegungen bezüglich der Geometrie
Zusätzlich zu Verbesserungen bei der Masse und dem Ansprechverhalten des dynamischen Ventiltriebs liefern manche bevorzugten Ausführungsbeispiele des elektromagnetischen Ventilsystems 10, wie sie beispielsweise in 3 zu sehen sind, eine Entwurfsfreiheit innerhalb einer Motorenumgebung. Die ortsfesten Permanentmagneten 34 können in einer großen Bandbreite von Formfaktoren, z. B. einer rechteckigen Struktur, vorgesehen sein, um ein größeres Magnetflussfeld zu liefern als ein System, das axiale Einschränkungen aufweist, z. B. für einen zylindrischen bewegbaren Permanentmagneten.
In dem Kopf eines typischen Motors liegt üblicherweise ein feststehender Abstand zwischen der Mittellinie eines Auslassventils 102 und der Mittellinie des Einlassventils 102 vor. Für einen festgelegten Trennungsabstand liefert das in 3 dargestellte alternative elektromagnetische Ventilsystem 10 Entwurfsflexibilität, da die ortsfesten Permanentmagneten über den gesamten Zylinderkopf hinweg konfiguriert sein können, z. B. senkrecht zur Linie zwischen Ventilmittellinien.
Zusammensetzung und Leistungsfähigkeit der Magnete
Die für verschiedene Ausführungsbeispiele des Systems 10 verwendeten Magnete bestehen aus einer großen Bandbreite von magnetischen Materialien, wie sie beispielsweise für die gewünschte thermische Umgebung geeignet sind. Bei manchen bevorzugten Ausführungsbeispielen des elektromagnetischen Ventilsystems 10 bestehen die Permanentmagneten 34 aus Neodym. Bei manchen Motorenumgebungen einer hohen Temperatur bestehen die Permanentmagneten 34 aus Samarium-Kobalt.
Bei einem Ausführungsbeispiel liefert der vorliegende Magnet 34, der vollständig sitzt und keinen Luftzwischenraum aufweist, eine Verriegelungskraft von 124 Pfund. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel liefern quadratische (1,25 Zoll × 1,25 Zoll ortsfeste Permanentmagneten 34 eine Verriegelungskraft von etwa 320 Pfund. Fachleute werden erkennen, dass je nach Eignung eine beliebige Kraftbandbreite vorgesehen sein kann.
Bei dem elektromagnetischen Ventilsystem 10 liefert die bevorzugte Verwendung von Permanentmagneten 34, die Eigenschaften eines hohen Magnetflusses aufweisen, eine leichte Ventiltriebmasse sowie entsprechende schnelle Ventiltrieb-Ansprechzeiten, z. B. Hubzeiten, die nahe an 1–2 Millisekunden heranreichen.
Die dynamische Masse 195 des Ventiltriebs umfasst sowohl die der Ventilfeder 28 als auch die der Deaktivierungsfeder 30 lediglich für eine kurze Übergangsregion 193 in der Mitte der Wegstrecke, wenn beide Federn 28, 30 sich nahe ihrer freigegebenen Freie-Länge-Position befinden und wobei die kinetische Energie des Ventiltriebs hoch ist und wobei die gespeicherte potentielle Energie der Federn niedrig ist.
Obwohl manche Ausführungsbeispiele des elektromagnetischen Ventilsystems 10 eine Übergangslänge gleich Null aufweisen mögen, liegt bei den meisten Ausführungsbeispielen des Systems eine Übergangsregion 193 von mehr als Null vor, so dass zwischen dem ersten dynamischen Abschnitt 195 und dem zweiten dynamischen Abschnitt 195, d. h. während Energie zwischen den Federn 28, 30 übertragen wird, eine glatte Energieübertragung erfolgt.
Eine Bewegung des elektromagnetischen Ventilsystems 10 von der offenen Position 20b zu der geschlossenen Position 20a ähnelt den Vorgängen, die erforderlich sind, um das elektromagnetische Ventilsystem von der geschlossenen Position 20b zu der offenen Position 20a zu bewegen. An die verriegelnde elektromagnetische Spule 36 wird elektromagnetische Energie angelegt, so dass die gespeicherte potentielle E nergie in der Ventilfeder 28 die Verriegelungskraft überwindet. Der Ventiltrieb 195 bewegt sich zu der geschlossenen Position 20a hin, wobei auf steuerbare Weise Energie angelegt werden kann, um die Anziehungskraft an dem Schließende zu erhöhen, während die Deaktivierungsfeder komprimiert wird. Wie zuvor kann an dem Schließende Energie an die elektromagnetische Spule 36 angelegt werden, um eine weiche Landung in der geschlossenen Position 20a zu liefern.
An jedem der beiden Enden der Bewegung kann seitens der elektromagnetischen Spulen auf steuerbare Weise zusätzliche Energie angelegt werden, um Reibung in dem System zu kompensieren. Beispielsweise kann die angelegte Energie eine elektromagnetische Kraft liefern, die dem Permanentmagneten in die Verriegelungsposition hilft, indem die Klappe 26 in dem letzten Abschnitt der Wegstrecke in der Schließ- und/oder Öffnungsrichtung, z. B. auf den letzten 0,010 bis 0,020 Zoll, in eine Verriegelungsposition gezogen wird.
Somit ist die Steuerung des elektromagnetischen Ventilsystems 10 extrem vielseitig und ermöglicht Folgendes: gesteuertes Öffnen und Schließen eines Ventils unabhängig von der Position der Kurbelwelle des Motors; unterstützte Vervollständigung und/oder Freigabe einer Verriegelung, und vorzugsweise Bereitstellung einer weichen Landung. Auf der Basis von Informationen aus einer vorherigen Ventiltriebbewegung kann das elektromagnetische Ventilsystem 10 auf dynamische Weise eingestellt werden, um die Ventilzeitgebung und/oder -dauer zu verändern und/oder um Öffnungs- und/oder Schließenergieparameter einzustellen.
Speicherung elektrischer Energie
Manche bevorzugte Ausführungsbeispiele des elektromagnetischen Ventilsystems 10 liefern einen Austausch elektrischer Energie zwischen dem mechanischen Ventiltrieb und einem Energiespeicherungssystem, das mit den elektromagnetischen Spulen verbunden ist, wodurch die Energieeffizienz des Systems verbessert wird.
Das in 12 gezeigte Energiespeicherungsmodul 370 kann eine LC-Schaltung 372 umfassen, die einen Induktor 374 und einen Kondensator 376 aufweist. Gespeicherte Energie von dem Kondensator 376 wird aus der Schaltung in die elektromagnetische Spule 36 freigegeben. Desgleichen wird überschüssige Systemenergie mittels einer Speicherung in den Kondensator 76 aus der elektromagnetischen Spule 36 zurückgewonnen. Unter Bedingungen, in denen das elektromagnetische Ventilsystem mehr Energie benötigt, wird mehr Energie an den Kondensator 376 angelegt, so dass die erhöhte Energie 356 an die elektromagnetische Spule 356 freigegeben wird.
Bei manchen Ausführungsbeispielen des Systems 10 ist die elektrische Oszillation 378 der LC-Schaltung vorzugsweise an die mechanische Oszillation des Ventiltriebs 10 angepasst. Auf der Basis der Funktionsweise des Systems wird der ordnungsgemäße Pegel an in dem Kondensator 376 gespeicherter Energie eingestellt.
Vorwärtskopplung und Rückkopplung
Das elektromagnetische Ventilsystem 10 ist vorzugsweise bezüglich eines gleich bleibenden Betriebs sowie bezüglich sich verändernder Betriebsbedingungen steuerbar. Bei Bedingungen, die mehr oder weniger Drehmoment erfordern, werden beispielsweise die Betriebskurven der Ventilzeitgebung und/oder -dauer ohne weiteres gesteuert.
Bei manchen Ausführungsbeispielen des Systems wird ein Abbild der dynamischen Charakteristika des Motors unter verschiedenen steuerbaren Parametern bereitgestellt und gespeichert. Auf der Basis des Abbilds und der gewünschten Funktionsweise des Motors kann die Steuerung 302 die Betriebsparameter des elektromagnetischen Ventilsystems 10 ohne weiteres verändern, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen.
Mechanisches Ventildeaktivierungssystem
14 ist eine detaillierte Teilquerschnittsansicht eines Ventildeaktivierungssystems 610a. Ein Ventil 612 ist bezüglich eines Kopfes 616, der ein Ventiltor 617 aufweist, bewegbar. Das Ventil weist an einem ersten Ende 611a eine Ventilfläche 613 auf, die bezüglich eines Ventilsitzes 615 abdichtbar ist. Das Ventil 612 umfasst ferner einen Ventilschaft 614, der sich von dem ersten Ende 611a zu einem zweiten Ende 611b erstreckt. Eine Ventilabdeckung 616 befindet sich an dem zweiten Ende 611b, z. B. eine Ventilabdeckungsanordnung 616, die z. B. eine Abdeckung und Halter aufweist.
Eine Ventilfeder 618 liefert eine Druckkraft zwischen dem Ventil 612 und einem Federabsatz 620, der ein integraler Teil des Kopfes 616 sein kann. Die Ventilfeder 618 hält das Ventil 612 bezüglich des Kopfes 616 in einer normalerweise geschlossenen Position 21a (15). Wenn sich das Ventil 612 zu einer offenen Position 21b (18) hin erstreckt, liefert die Komprimierung der Ventilfeder 618 eine Vorspannungskraft gegenüber der Ventilabdeckung 616.
An der Ventilabdeckung 616 ist ferner eine Deaktivierungsfeder 622 befestigt und liefert eine Spannung, um das Ventil 612 auf steuerbare Weise zu öffnen. Die Deaktivierungsfeder 622 ist ferner an einem Ringhalter 624, z. B. durch einen ersten Halterabsatz 626, befestigt. Eine Nockenfeder 630 ist zwischen dem Ringhalter 624 angeordnet, z. B. anhand eines zweiten Halterabsatzes 628, und liefert auf steuerbare Weise eine Druckkraft zwischen dem Ringhalter 624 und einer bewegbaren Nockenabdeckung 632. Eine drehbare Nockenwelle 634, die eine Nockenscheibe 636 aufweist, wirkt auf steuerbare Weise auf die Nockenabdeckung 632 ein, um die Nockenfeder 630 zu komprimieren.
Das Ventildeaktivierungssystem 610a umfasst eine Deaktivierungsverriegelung 640, die zwischen einer nichtverriegelten, d. h. Ventil-Aktiviert-Position 652a und einer verriegelten, d. h. einer Ventil-Deaktiviert-Position 652b bewegbar ist. Bei 14 befindet sich die Deaktivierungsverriegelung 640 in einer verriegelten Position, so dass eine Drehung der Nockenwelle 634 nicht zu einer Bewegung des Ventils 612 zu einer offenen Position 21b hin (18) führt.
15 ist eine teilweise weggeschnittene Ansicht 660 eines Ventildeaktivierungssystems 610a in einem nichtkomprimierten, deaktivierten Zustand 662. 16 ist eine teilweise weggeschnittene Ansicht 670 eines Ventildeaktivierungssystems 610a in einem komprimierten, deaktivierten Zustand 672. Wie in 15 und 16 zu sehen ist, führt eine Drehung der Nockenwelle 634 nicht zur Öffnung des Ventils 612, wenn der Ringhalter 624 durch die verriegelte Position 652b mittels der Deaktivierungsverriegelung 640 eingeschränkt wird.
Wie in 16 zu sehen ist, fungiert das Nockenscheibenprofil 636 dahin gehend, die Nockenabdeckung 632 von einer oberen Position 650a zu einer unteren Position 650b zu drücken, was die Nockenfeder 630 komprimiert. Jedoch wird dadurch, dass sich die Deaktivierungsverriegelung 640 in der verriegelten Position 652b befindet, eine vertikale Bewegung des Ringhalters 624 verhindert. Während der Deaktivierung 652b bleibt das Ventil 612 geschlossen 21a.
17 ist eine teilweise weggeschnittene Ansicht 680 eines Ventildeaktivierungssystems 610a in einem nichtkomprimierten, aktivierten Zustand 682. 18 ist eine teilweise weggeschnittene Ansicht 690 eines Ventildeaktivierungssystems 610a in einem komprimierten, aktivierten Zustand 692. Wie in 17 und 18 zu sehen ist, führt eine Drehung der Nockenwelle 634 zur Öffnung 21b des Ventils 612, wenn der Ringhalter 624 aufgrund der aktivierten Position 652a der Deaktivierungsverriegelung 640 nicht eingeschränkt ist.
Wie in 18 zu sehen ist, fungiert das Nockenscheibenprofil 636 dahin gehend, die Nockenabdeckung 632 von einer oberen Position 650a zu einer unteren Position 650b zu drücken, was die Nockenfeder 630 komprimiert. Wenn sich die Deaktivierungsverriegelung 640 in der Aktivierungsposition 652a befindet, wird dem Ringhalter 624 ermöglicht, sich vertikal zu bewegen.
Wie in 15 zu sehen ist, wirkt die erweiterte Scheibenregion 636 der Nockenwelle 634, wenn sich die Nockenwelle 634 dreht, auf die Nockenfederabdeckung 632 und die Nockenfeder 630 ein, um die Nockenfeder 630 zu komprimieren. Der Ringhalter 624, der sich in Kontakt mit dem zweiten unteren Ende der Nockenfeder 630 befindet, bewegt sich als Reaktion auf die Druckkraft von der Nockenfeder 630 nach unten, da sich die Deaktivierungsverriegelung 640 in der offenen "Ventil-Aktiviert"-Position 652a befindet. Das untere Ende der Deaktivierungsfeder 622 ist ferner mit dem Ringhalter 624 verbunden, so dass die reaktive abwärts gerichtete Bewegung des Ringhalters eine Spannung in der Deaktivierungsfeder 622 erzeugt. Das Ventil 612 ist vertikal an dem oberen zweiten Ende der Deaktivierungsfeder 622 befestigt, so dass sich das Ventil als Reaktion auf die Spannung in der Deaktivierungsfeder 622 öffnet 21b, wodurch sich die Ventilfläche 613 von dem Ventilsitz 615 erstreckt.
Alternatives mechanisches Ventildeaktivierungssystem
19 ist eine detaillierte Teilquerschnittsansicht 700 eines alternativen mechanischen Ventildeaktivierungssystems 610b in einer ersten Position mit einem Deaktivierungssatz. 20 ist eine detaillierte Teilquerschnittsansicht 710 eines alternativen mechanischen Ventildeaktivierungssystems 610b in einer zweiten deaktivierten Position mit einem Deaktivierungssatz. 21 ist eine detaillierte Teilquerschnittsansicht 720 eines alternativen mechanischen Ventildeaktivierungssystems 610b in einer ersten aktivierten und geschlossenen Position. 22 ist eine detaillierte Teilquerschnittsansicht 730 eines alternativen mechanischen Ventildeaktivierungssystems 610b in einer zweiten freigegebenen und geöffneten Position.
Einzelheiten zur Deaktivierungsvorrichtung
23 ist eine detaillierte Teilquerschnittsansicht 740 eines Federdeaktivierungsmechanismus 742, der sich in Kontakt mit einer Ventilabdeckung 744 befindet, die zwischen einer Ventilfeder 28 und einer Deaktivierungsfeder 30 angeordnet ist. 24 ist ein schematisches Profil 770 einer Deaktivierungsnockenscheibe 772.
Die Scheibe 772 ist vorzugsweise dazu entworfen, die Deaktivierungsfeder 30 und den Deaktivierungsfederhalter mit einer gerade ausreichenden Kraft, die während etwa eines Sechstels einer Windung einer Nockenwelle 34 geliefert wird, nach unten zu beschleunigen, um eine vollständig komprimierte Position mit einer Nullgeschwindigkeit zu erreichen (wie dies bei dem herkömmlichen Nockenwellen/Tellerventilsystem erfolgt). Bei manchen Ausführungsbeispielen ist eine Viertelumdrehung ausreichend, da keine Verlangsamung erforderlich ist.
Das Deaktivierungssolenoid 742 wird freigegeben, sobald sich der Deaktivierungsfederhalter 744 nach unten zu bewegen beginnt, wodurch es der Klappe ermöglicht wird, sich entlang der Außenoberfläche des Halters zu bewegen. Wenn der Deaktivierungsfederhalter den unteren Nullgeschwindigkeitspunkt erreicht, drückt die Rückprallfeder die Klappe an der Außenoberfläche des Halters entlang und verriegelt sie dort.
23 zeigt die abgewinkelte Verriegelungsoberfläche sowohl für die Ventilabdeckung als auch den Deaktivierungsfederhalter. Der Winkel Theta der Oberfläche bestimmt den Anteil der Deaktivierungsfederkraft, wobei Fx = Fz Sinus Theta, die die Solenoidfeder ausüben muss, um zu verhindern, dass die Deaktivierungsfeder den Halter nach oben schiebt.
Wenn das Solenoid mit Energie versorgt wird, überwindet es die Solenoidfederkraft und ermöglicht, dass sich der Deaktivierungsfederhalter nach oben bewegt. Die Deaktivierungsfeder wird davor zurückgehalten, sich nach oben zu bewegen, um die Feder komprimiert zu halten. Die Scheibenoberfläche hält den Halter in der Oben-Position fest. 24 ist eine Profilansicht einer Nockenscheibe eines umgekehrten Profils.
Derzeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
25 ist eine weggeschnittene Ansicht 250 eines elektromagnetischen Ventilbetätigungssystems 10i, das diskrete Feder- und Elektromagnetanordnungen aufweist, wobei sich das Ventil 12 in einer geschlossenen Position 20a befindet. 26 ist eine schematische Draufsicht 250a des elektromagnetischen Ventilbetätigungssystems 10i, das diskrete Feder- und Elektromagnetanordnungen 36a, 36b aufweist. Obwohl zwei Elektromagneten gezeigt sind, kann auch ein einzelner Elektromagnet verwendet werden. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden beide Elektromagneten zusammen betätigt.
Ein Federhalter 192, der an dem Ventilschaft 14 befestigt ist, bewegt sich linear, um zwischen der Deaktivierungsfeder 30 und der Ventilfeder 28 Energie zu übertragen. Eine an dem Ventilschaft 14 befestigte Klappe 26 bewegt sich zwischen einer Magnetanordnung 34 und Elektromagnetanordnungen 36a, 36b. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Ventilschaft eine zusammengesetzte Struktur, die einen Ab schnitt mit einem Gewindeende aufweist, der mit einem anderen Abschnitt, der komplementäre Gewinde aufweist, in Eingriff gelangt. Die Magnetanordnung 34 umfasst einen Permanentmagneten. Man beachte, dass bei manchen Ausführungsbeispielen sowohl ein Nordpol des Permanentmagneten als auch ein Südpol des Permanentmagneten verwendet werden, um den Elektromagneten anzuziehen oder abzustoßen.
Wie in 25 zu sehen ist, sind die Federn 28, 30 vorzugsweise an ihren Enden befestigt, die am weitesten von dem Halter 192 entfernt sind, und sind nicht an dem Federhalter 192 befestigt, so dass die Federn 28, 30 während eines Teils der Ventilbewegung vorzugsweise von der dynamischen Masse des Ventilsystems 10i isoliert sind. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel sind die Federn 28, 30 für 660 Pfund/pro Zoll bemessen. Bei dem elektromagnetischen Ventilsystem 10i ist die Ventilschaftwelle nichtmagnetisch.
Der Permanentmagnet 34 liefert eine Verriegelungseinrichtung für die Klappe 26, entweder in der geschlossenen Position 20a oder der offenen Position 20b. Wie in 25 zu sehen ist, hält der Permanentmagnet 34 die Ventilfeder 28 in der Ventil-Offen-Position 20b komprimiert, wodurch die Ventilfeder 28 ein hohes Maß an potentieller Energie beibehält.
Aus der geschlossenen Position 20a, bei der die Klappe 26 an den Polen, die den Permanentmagneten 34 umschließen, verriegelt ist, wird Energie auf steuerbare Weise an die Elektromagneten 36a, 36b angelegt, um die Klappe aus der geschlossenen Position 20a freizugeben. Auf eine Aktivierung der Energie zu den Elektromagneten 36a, 36b hin wird durch die Elektromagneten 36a, 36b ein elektromagnetischer Fluss erzeugt, der dem Permanentmagnetfluss des Permanentmagneten 34 entgegengesetzt ist. Wenn der angelegte entgegengesetzte elektromagnetische Fluss die Permanentmagnet-Haltekraft unter diejenige der Federkraft verringert, die durch die Deaktivierungsfeder 30 ausgeübt wird, beginnt sich das Ventil 12 zu öffnen.
Wenn sich das Ventil 12 zu öffnen beginnt, wird die ausgeübte Kraft des Permanentmagneten 34, die einen konstanten Fluss aufweist, verringert. Wenn sich das Ventil 12 öffnet und sich die Klappe 26 von dem Permanentmagneten 34 weg bewegt, fällt dadurch die angelegte Flussdichte von dem Permanentmagneten 34 sehr schnell ab, so dass die Anziehungskraft rasch abnimmt.
Während sich der Federhalter 192 auf die Mittelregion 193 zubewegt, sind die Federkräfte gleich, und die kinetische Energie des Systems erreicht ein Maximum. Der Federhalter 192 bewegt sich weiter, wodurch die kinetische Energie der sich bewegenden Masse der Anordnung in eine gespeicherte potentielle Energie in der Ventilfeder 28 umgewandelt wird. Die sich bewegende Masse der Anordnung ist üblicherweise gleich der kombinierten Masse der Klappe 26, des Ventils 12, des Halters 192 und zumindest eines Teils der Federn 28, 30.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen des elektromagnetischen Betätigungssystems 10 wird die kinetische Masse des Ventiltriebs durch die Konfiguration der Ventilfeder 28 und der Deaktivierungsfeder 30 minimiert, wodurch in einer Bewegungs-Mittelregion 193 kinetische Energie zwischen der Ventilfeder 28 und der Deaktivierungsfeder 30 übertragen wird und wodurch die Masse entweder der ersten oder der zweiten Feder 28, 30 von der effektiven Masse des Ventiltriebs für einen Teil der Bewegung im Wesentlichen isoliert wird.
Während sich, wie in 25 zu sehen ist, beispielsweise der Federhalter 192 über die Mittelregion 193 hinaus bewegt, wird die Ventilfeder 28 durch die weitere abwärts gerichtete Bewegung der Ventilanordnung, die die Klappe 26, das Ventil 12 und den Federhalter 192 umfasst, komprimiert, während die Deaktivierungsfeder 30 von der Anordnung isoliert wird (25).
Wenn sich die Ventilanordnung dem Ende der Wegstrecke nähert, z. B. einer offenen Position 20b, so verlangsamen sich das Ventil 12, die Klappe 26 und der Federhalter 192, da die kinetische Energie der Ventilanordnung in eine gespeicherte potentielle Energie in der Ventilfeder 28 umgewandelt wird. In der Nähe der Grenze der Wegstrecke liefert der angelegte Fluss von den Elektromagneten 36a, 36b eine Anziehungskraft, um das Ventil 12 in der offenen Position 20b zu verriegeln.
Wie oben beschrieben wurde, ist die Anziehungskraft zwischen dem Permanentmagneten 34 und den Elektromagneten 36a, 36b proportional zu der Verschiebungsstrecke, d. h. an der äußersten Endregion der Wegstrecke liegt eine starke Anziehungskraft vor. Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung kann somit Energie auf steuerbare Weise an die sich annähernden Elektromagneten 36a, 36b angelegt werden, um eine "weiche" Landung zu fördern.
Wenn der Federhalter 192 die Ventilfeder 28 zu der Untergrenze der Bewegung komprimiert, d. h. wobei die Klappe 26 sich an den Anker 253 der Elektromagneten 36a, 36b annähert, berührt die Klappe 26 den Kern der Elektromagnetanordnung und wird an demselben verriegelt, da die Magnetkraft mit zunehmender Annäherung der Klappe 26 an die Elektromagneten 36a, 36b zunimmt. An der Grenze der Wegstrecke ist die magnetische Haltekraft stärker als die entgegengesetzte Ventilfederkraft, so dass das Ventil 12 in der offenen Position 20b verriegelt wird. Bei der Erfindung kann der Kern aus massiven oder laminierten Materialien hergestellt sein. Wenn für den Kern ein laminiertes Material verwendet wird, kann die Klappe ebenfalls aus einem Laminat hergestellt sein, vorzugsweise in Form einer durchgehenden Spirale, um zu dem Fluss des Kerns zu passen. Eine laminierte Struktur ist kostengünstiger herzustellen, wiegt weniger und hält der Entstehung von Wirbelströmungen stand, die die Flussverteilung verzerren und durch die Energie verloren geht. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der bevorzugte Permanentmagnet Abmessungen von 3/16" × 1-1/2" × 1–1/2" auf.
Bei dem in 25 und 26 gezeigten elektromagnetischen Ventilsystem 10i verriegelt sich das Ventil 12 entweder in der geschlossenen Position 20a oder in der offenen Position 20b bei Anlegen einer minimalen Energie.
Eine Freigabe aus beiden Verriegelungsbedingungen ist durch ein angelegtes Energiesignal, z. B. von einer externen Steuerung 302 (11, 12) steuerbar. Wie in 12 zu sehen ist, sendet eine externe Steuerung 302 ein Signal, d. h. einen Energiepuls, an die Elektromagneten 36a/b, die an der Klappe 26 verriegelt werden. Der angelegte Puls überwindet die Anziehungskraft des Permanentmagneten, so dass die komprimierte Feder, z. B. die Ventilfeder 28, auf die Anordnung einwirkt, die sich zu der entgegengesetzten Position hin bewegt.
Obwohl das Ventildeaktivierungssystem und seine Anwendungsverfahren in dem vorliegenden Dokument in Verbindung mit einem Motor, z. B. einem Verbrennungsmotor, beschrieben werden, können die Vorrichtung und die Techniken bei einer großen Bandbreite von alternativen Verbrennungsmotoren und/oder Hybridmotoren oder, je nach Wunsch, einer beliebigen Kombination derselben implementiert werden. Ferner können die Vorrichtung und die Techniken bei einer großen Bandbreite von Ventilen und/oder Betätigungsgliedern oder, je nach Bedarf, bei einer beliebigen Kombination derselben implementiert werden.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf ein bestimmtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel ausführlich beschrieben wurde, werden Fachleute auf dem Fachgebiet, auf das sich diese Erfindung bezieht, folglich erkennen, dass verschie dene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von der Wesensart und dem Schutzumfang der folgenden Patentansprüche abzuweichen.
Obwohl das Ventilsystem und seine Anwendungsverfahren in dem vorliegenden Dokument in Verbindung mit einem Motor, z. B. einem Verbrennungsmotor, beschrieben werden, können die Vorrichtung und die Techniken bei einer großen Bandbreite von alternativen Verbrennungsmotoren und/oder Hybridmotoren oder, je nach Wunsch, einer beliebigen Kombination derselben implementiert werden. Ferner können die Vorrichtung und die Techniken bei einer großen Bandbreite von Ventilen und/oder Betätigungsgliedern oder, je nach Bedarf, bei einer beliebigen Kombination derselben implementiert werden.
Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf ein bestimmtes bevorzugtes Ausführungsbeispiel ausführlich beschrieben wurde, werden Fachleute auf dem Fachgebiet, auf das sich diese Erfindung bezieht, folglich erkennen, dass verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von der Wesensart und dem Schutzumfang der folgenden Patentansprüche abzuweichen.
Zusammenfassung
Es sind Systeme für eine elektromagnetische Betätigung eines Ventilmechanismus vorgesehen. Ein Ventil ist zwischen einer ersten geschlossenen Position und einer zweiten offenen Position linear bewegbar. Eine erste Feder wird komprimiert, wenn sich das Ventil in der ersten geschlossenen Position befindet, und eine zweite Ventilfeder wird komprimiert, wenn sich das Ventil in der zweiten offenen Position befindet. Eine elektromagnetische Betätigungsanordnung und ein Permanentmagnet sind mit dem Ventil kombiniert, so dass das Ventil entweder in einer geschlossenen oder einer offenen Position verriegelbar ist und durch Anlegen von Energie an die elektromagnetische Schaltungsanordnung ohne weiteres zwischen Positionen bewegbar ist. Die elektromagnetische Schaltungsanordnung ist steuerbar, um den lokalen magnetischen Fluss zu erhöhen oder zu verringern, z. B. um eine Bewegung des Ventils zu fördern oder um eine weiche Landung des Ventils an beiden Bewegungsenden zu liefern. Manche Ausführungsbeispiele des Systems sehen eine Energierückgewinnung, eine Rückkopplung und/oder eine Vorwärtserfassung und -steuerung vor. Das elektromagnetische Ventilsystem kann für eine große Bandbreite von Motoren, Ventilen und Betätigungsgliedern implementiert werden, z. B. für eine variable Ventilzeitgebung, eine Ventildeaktivierung und/oder Hybridmotoren- und Energiespeicherungsanwendungen.

Claims

Ventilsystem, das folgende Merkmale aufweist: ein Ventil, das einen Ventilschaft aufweist, der zwischen einer ersten, geschlossenen Position und einer zweiten, offenen Position linear bewegbar ist; eine erste Feder; eine zweite Feder; eine erste Elektromagnetanordnung; eine zweite Elektromagnetanordnung; und eine an dem Ventilschaft befestigte Permanentmagnetklappe; wodurch die erste Feder komprimiert wird und das Ventil zu der ersten geschlossenen Position bewegt wird, während sich der Permanentmagnet an die erste elektromagnetische Anordnung annähert, und wodurch die zweite Feder komprimiert wird und das Ventil zu der zweiten offenen Position bewegt wird, während sich der Permanentmagnet an die zweite elektromagnetische Anordnung annähert.
Ventilsystem gemäß Anspruch 1, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Liefern von Energie an zumindest eine der Elektromagnetanordnungen, um ein lokales Magnetfeld zu erhöhen.
Ventilsystem gemäß Anspruch 1, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Liefern von Energie an zumindest eine der Elektromagnetanordnungen, um ein lokales Magnetfeld zu verringern.
Ventilsystem gemäß Anspruch 1, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Liefern von Energie an zumindest eine der Elektromagnetanordnungen, um den Permanentmagneten anzuziehen.
Ventilsystem gemäß Anspruch 1, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Liefern von Energie an zumindest einen der Elektromagneten, um den Permanentmagneten abzustoßen.
Ventilsystem gemäß Anspruch 1, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Abstoßen und Anziehen der Klappe nach Bedarf, um zu ermöglichen, dass das Ventil rascher geöffnet und/oder geschlossen wird, als dies bei einer natürlichen Frequenz einer Federmassenkombination der Fall wäre, wobei trotzdem eine weiche Landung erhalten wird.
Ventilsystem gemäß Anspruch 1, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung für eine Rückkopplungssteuerung einer Ventilbewegung, um eine Kompensation von Reibung, Druckkräften und anderen Kräften zu ermöglichen.
Ventilsystem gemäß Anspruch 1, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung für eine Energierückgewinnung während einer Verlangsamung des Ventils.
Ventilsystem gemäß Anspruch 1, bei dem der Gesamtleistungsverbrauch niedrig ist, da keine Leistung benötigt wird, um das Ventil offen oder geschlossen zu halten.
Ventilsystem gemäß Anspruch 1, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Speichern von Energie, die von zumindest einer der Elektromagnetanordnungen zurückgewonnen wird.
Ventilsystem gemäß Anspruch 1, bei dem der Permanentmagnet Neodym umfasst.
Ventilsystem gemäß Anspruch 1, bei dem der Permanentmagnet Samarium-Kobalt umfasst.
Ventilsystem gemäß Anspruch 1, bei dem die erste Feder von dem Ventil in der ersten geschlossenen Position isoliert ist und bei dem die zweite Feder von dem Ventil in der zweiten offenen Position isoliert ist.
Ventilsystem, das folgende Merkmale aufweist: eine Ventilanordnung, die zwischen einer geschlossenen Position und einer offenen Position linear bewegbar ist; eine Ventilfeder, die durch die Ventilanordnung komprimiert wird, wenn sich die Ventilanordnung in der offenen Position befindet, und nicht komprimiert wird, wenn sich die Ventilanordnung in der geschlossenen Position befindet; eine Deaktivierungsfeder, die durch die Ventilanordnung komprimiert wird, wenn sich die Ventilanordnung in der geschlossenen Position befindet, und nicht komprimiert wird, wenn sich die Ventilanordnung in der offenen Position befindet; einen ersten Elektromagneten und einen zweiten Elektromagneten; einen ersten Permanentmagneten, der in der Nähe des ersten Elektromagneten angeordnet ist; einen zweiten Permanentmagneten, der in der Nähe des zweiten Elektromagneten angeordnet ist; und eine Klappe, die an der Ventilanordnung befestigt ist, so dass sich die Klappe zwischen dem ersten Elektromagneten und dem zweiten Elektromagneten bewegt.
Ventilsystem gemäß Anspruch 14, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Liefern von Energie an zumindest einen der Elektromagneten, um ein lokales Magnetfeld zu erhöhen.
Ventilsystem gemäß Anspruch 14, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Liefern von Energie an zumindest einen der Elektromagneten, um ein lokales Magnetfeld zu verringern.
Ventilsystem gemäß Anspruch 14, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Liefern von Energie an zumindest einen der Elektromagneten, um die Klappe anzuziehen.
Ventilsystem gemäß Anspruch 14, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Liefern von Energie an zumindest einen der Elektromagneten, um die Klappe abzustoßen, wenn die Klappe einen Permanentmagneten umfasst.
Ventilsystem gemäß Anspruch 14, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Speichern von Energie, die von zumindest einem der Elektromagneten zurückgewonnen wird.
Ventilsystem gemäß Anspruch 14, bei dem der Permanentmagnet Neodym umfasst.
Ventilsystem gemäß Anspruch 14, bei dem der Permanentmagnet Samarium-Kobalt umfasst.
Ventilsystem gemäß Anspruch 14, bei dem die Ventilfeder von dem Ventil in der geschlossenen Position isoliert ist und bei dem die Deaktivierungsfeder von dem Ventil in der offenen Position isoliert ist.
Ventilsystem, das folgende Merkmale aufweist: eine Ventilanordnung, die zwischen einer geschlossenen Position und einer offenen Position linear bewegbar ist; eine Ventilfeder, die durch die Ventilanordnung komprimiert wird, wenn sich die Ventilanordnung in der offenen Position befindet, und nicht komprimiert wird, wenn sich die Ventilanordnung in der geschlossenen Position befindet; eine Deaktivierungsfeder, die durch die Ventilanordnung komprimiert wird, wenn sich die Ventilanordnung in der geschlossenen Position befindet, und nicht komprimiert wird, wenn sich die Ventilanordnung in der offenen Position befindet; zumindest einen Elektromagneten; zumindest einen Permanentmagneten; und eine Klappe, die an der Ventilanordnung befestigt ist und bezüglich des Elektromagneten und des Permanentmagneten bewegbar ist.
Ventilsystem gemäß Anspruch 23, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Liefern von Energie an zumindest einen der Elektromagneten, um ein lokales Magnetfeld zu erhöhen.
Ventilsystem gemäß Anspruch 23, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Liefern von Energie an zumindest einen der Elektromagneten, um ein lokales Magnetfeld zu verringern.
Ventilsystem gemäß Anspruch 23, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Liefern von Energie an zumindest einen der Elektromagneten, um die Klappe anzuziehen.
Ventilsystem gemäß Anspruch 23, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Liefern von Energie an zumindest einen der Elektromagneten, um die Klappe abzustoßen, wobei die Klappe einen Permanentmagneten umfasst.
Ventilsystem gemäß Anspruch 23, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Speichern von Energie, die von zumindest einem der Elektromagneten zurückgewonnen wird.
Ventilsystem gemäß Anspruch 23, bei dem der Permanentmagnet Neodym umfasst.
Ventilsystem gemäß Anspruch 23, bei dem der Permanentmagnet Samarium-Kobalt umfasst.
Ventilsystem gemäß Anspruch 23, bei dem die Ventilfeder von dem Ventil in der geschlossenen Position isoliert ist und bei dem die Deaktivierungsfeder von dem Ventil in der offenen Position isoliert ist.
Ventilsystem gemäß Anspruch 23, bei dem durch Verwendung einer Nutzbremsung der Klappe Energie an eine Leistungsquelle zurückgeführt wird.
Ventilsystem gemäß Anspruch 23, bei dem sowohl ein Nordpol des Permanentmagneten als auch ein Südpol des Permanentmagneten verwendet werden, um den Elektromagneten anzuziehen oder abzustoßen.
Ventilsystem gemäß Anspruch 23, das ferner folgendes Merkmal aufweist: ein Softwaremodul zum zumindest teilweisen Steuern einer weichen Landung und optional zum Verringern des Leistungsverbrauchs.
Ventilsystem gemäß Anspruch 23, das ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum teilweisen Öffnen des Ventils und zum erneuten Schließen desselben.
Ventilsystem gemäß Anspruch 23, bei dem die Ventilfeder und die Deaktivierungsfeder jeweils eine unterschiedliche Komprimierungsrate aufweisen.
Ventilsystem gemäß Anspruch 23, das ferner folgendes Merkmal aufweist: einen Elektromagnetkern.
Ventilsystem gemäß Anspruch 37, bei dem der Kern als laminierte Struktur gebildet ist.
Ventilsystem gemäß Anspruch 37, bei dem die Klappe als spiralförmige Laminatstruktur gebildet ist.
Ventilsystem gemäß Anspruch 23, bei dem die Ventilfeder und die Deaktivierungsfeder unterschiedliche Längen aufweisen.
Ventilsystem gemäß Anspruch 23, bei dem die Ventilfeder und die Deaktivierungsfeder unterschiedliche Massen aufweisen.