DE19534959B4

DE19534959B4 - Ventilantriebsvorrichtung zum Antrieb eines Ventils eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE19534959B4
Application number: DE19534959A
Authority: DE
Inventors: Takashi Toyota Izuo
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-09-22
Filing date: 1995-09-20
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2015-09-21
Also published as: GB2293921A; GB2293921B; JPH0893426A; DE19534959A1; US5690064A; GB9518421D0; JP3186462B2

Abstract

Ventilantriebsvorrichtung zum Antrieb eines Ventils (12) eines Verbrennungsmotors mittels einer elektromagnetischen Anziehungskraft, mit
einem magnetischen Kern (24, 28) und einer am Ventil (12) befestigten und mit dem magnetischen Kern (24, 28) zusammenwirkenden Kolbeneinrichtung, die einen mit dem Ventil (12) fest verbundenen Kolbenhalter (18) sowie einen nahe dem magnetischen Kern (29, 28) befindlichen Kolbenabschnitt aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenabschnitt derart beschaffen ist, dass er an einem mittleren Abschnitt (20c; 40c), der zwischen radial innerhalb und radial außerhalb von diesem befindlichen Abschnitten liegt, an denen der magnetische Fluss größtenteils ein- oder austritt, eine höhere magnetische Flusskapazität aufweist, als an den radial innerhalb und radial außerhalb liegenden Abschnitten.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ventilantriebsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und insbesondere auf eine elektromagnetische Antriebsvorrichtung zum Antrieb eines Einlaßventils oder eines Auslaßventils eines Verbrennungsmotors mittels einer elektromagnetischen Kraft.

Eine Ventilantriebsvorrichtung ist in der JP 61-237810 A offenbart und aus dieser bekannt, in der ein Einlaß- oder ein Auslaßventil eines Verbrennungsmotors mittels einer elektromagnetischen Anziehungskraft, die durch Magnetspulen erzeugt wird, angetrieben wird. Eine solche Ventilvorrichtung macht den Nockenmechanismus zum Antreiben eines Einlaß- oder eines Auslaßventils, der üblicherweise beim Stand der Technik verwendet wird, überflüssig. Zusätzlich kann das Öffnen und Schließen des Ventils auf Wunsch geändert werden. Auf diese Weise kann ein optimales Öffnungs- und Schließtiming entsprechend den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors leicht realisiert werden.

Die Ventilvorrichtung, die oben genannt wurde, umfaßt eine Ventilstange, die mit einem Einlaßventil oder einem Auslaßventil verbunden ist, und einen rund ausgebildeten Kolben, der aus magnetischem Material ausgeformt ist und an der Ventilstange befestigt ist, zwei elektromagnetische Spulen, die jeweils unter- und oberhalb des Kolbens angeordnet sind, und zwei magnetische Kerne, von denen jeder an der jeweiligen magnetischen Spule befestigt ist. Wenn ein Strom an eine der elektromagnetischen Spulen angelegt wird, wird eine elektromagnetische Anziehungskraft zwischen Kolben und der magnetischen Spule erzeugt, die an der mit Strom versorgten elektromagnetischen Spule befestigt ist. Auf diese Weise wird der Kolben zum magnetischen Kern hin bewegt, der aufgrund der elektromagnetischen Anziehungskraft mit Strom versorgt wird. Andererseits wird, wenn der Strom zu der anderen elektromagnetischen Spule zugeführt wird, der Kolben in die entgegengesetzte Richtung bewegt. Daher wird, wenn der Strom abwechselnd an beide elektromagnetische Spulen zugeführt wird, der Kolben zwischen den zwei elektromagnetischen Spulen hin- und herbewegt und daher das Ventil, das über die Ventilstange mit dem Kolben verbunden ist, zwischen der offenen und der geschlossenen Position hin- und herbewegt.

Anfänglich ist der Kolben der Ventilantriebsvorrichtung eine flache Platte, die aus magnetischem Material ausgebildet ist. Auf diese Weise wird der magnetische Fluß, der durch die elektromagnetischen Spulen erzeugt wurde, zu nahezu allen Abschnitten des Kolbens fließen. Andererseits ist zu bevorzugen, den magnetischen Fluß an einem Abschnitt des Kolbens zu konzentrieren, der dem magnetischen Kern am nächsten ist. Daraus ergibt sich bei der oben erläuterten Ventilvorrichtung das Problem, daß der magnetische Fluß nicht an einem Abschnitt nahe dem magnetischen Kern konzentriert ist und daß der Strom, der notwendig ist, um eine vorbestimmte elektromagnetische Anziehungskraft zu erzielen, sehr hoch ist.

Weiterhin ist, wenn der magnetische Fluß durch eine magnetische Schaltung fließt, die einen magnetischen Kern, den Kolben und einen Luftspalt zwischen dem Kern und dem Kolben umfaßt, die magnetische Flußdichte nicht an allen Abschnitten des Kolbens die selbe. Jedoch ist die magnetische Flußkapazität des Kolbens an allen Abschnitten des Kolbens die gleiche. So besteht bei der oben erläuterten Ventilvorrichtungdas Problem, daß das Gewicht des Kolbens erhöht wird, um eine ausreichende magnetische Flußkapazität zu erreichen, da der Kolben eine unnötige Dicke an Abschnitten aufweist, an denen ein vergleichsweise geringer magnetischer Fluß fließt,.

DE 35 00 530 A1 beschreibt eine gattungsgemäße Ventilantriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. Eine Optimierung des magnetischen Flusses im Kolben wird in diesem Dokument nicht beschrieben.

EP 0 043 426 A1 beschreibt ebenfalls eine Ventilantriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. Auch dieses Dokument beschreibt nicht die Optimierung des magnetischen Flusses im Kolben.

DE 38 26 977 A1 beschreibt eine Ventilantriebsvorrichtung zum Antrieb eines Ventils eines Verbrennungsmotors mittels einer elektromagnetischen Anziehungskraft. Bei dieser Ventilantriebsvorrichtung ist der Kolbenabschnitt derart ausgebildet, dass die Dicke des Kolbenabschnittes in einer Richtung radial nach außen geringer wird. Die Flusskapazität nimmt somit bei dieser Ventilantriebsvorrichtung geometriebedingt vom Zentrum des Kolbenabschnittes zum radialen Ende hin ab.

EP 0 024 909 beschreibt einen Elektromagnet-Aktuator bei dem ein magnetischer Ankerabschnitt, der zwischen zwei Magnetspulen hin- und herbewegbar angeordnet ist, so ausgebildet ist, dass der magnetische Ankerabschnitt jeweils am Außen- und Innenumfang die größte Materialdicke und somit die größte Flusskapazität aufweist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Ventilantriebsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 so weiterzubilden, dass ein verbessertes Schaltverhalten mit geringerem Stromverbrauch realisiert werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Ventilantriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bereitgestellt.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, eine Elektromagnet-Ventilantriebsvorrichtung zu schaffen, die mit einem geringen Betrag an elektrischem Strom betrieben werden kann, indem ein Kolben verwendet wird, dessen magnetischer Fluß an einem Abschnitt konzentriert wird, der nahe dem magnetischen Kern ist. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ventilantriebsvorrichtung zu schaffen, die mit einem geringen Betrag elektrischen Stroms betrieben werden kann, indem ein Kolben verwendet wird, der leicht ist und dennoch eine ausreichende magnetische Flußkapazität aufweist, um einen zufriedenstellenden Betrieb zu ermöglichen.

Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Ventilantriebsvorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlicher, wenn die vorliegende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen studiert wird.
1 zeigt einen Querschnitt einer Ventilantriebsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 ist ein vergrößerter Querschnitt eines Teils der in 1 dargestellten Ventilantriebsvorrichtung.
3 ist ein Querschnitt eines Kolbens und eines magnetischen Kerns der in 1 dargestellten Ventilantriebsvorrichtung, der die Linien des magnetischen Flusses zeigt, der durch den Kolben und den magnetischen Kern fließt.
4 ist ein Querschnitt eines Kolbens und des magnetischen Kerns der in 1 dargestellten Ventilantriebsvorrichtung, der die Verteilung der magnetischen Flußdichte, ausgebildet im Kolben und im magnetischen Kern, zeigt.
5 ist ein Querschnitt eines Kolbens der in 1 dargestellten Ventilantriebsvorrichtung, der die Verteilung der Kraft, die auf den Kolben aufgebracht wird, zeigt.
6 ist ein Querschnitt eines Kolbens einer Ventilantriebsvorrichtung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, der die Verteilung der Kraft zeigt, die auf den Kolben aufgebracht wird.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ventilantriebsvorrichtung beschrieben. 1 ist ein Querschnitt einer Ventilvorrichtung 10. 2 ist ein vergrößerter Teilquerschnitt, der einen Teil der Ventilantriebsvorrichtung 10 zeigt.
Die Ventilantriebsvorrichtung 10 treibt ein Ventil 12 an. Das Ventil 12 wird als Einlaß- oder Auslaßventil bei einem Verbrennungsmotor verwendet. Das Ventil 12 ist an der Einlaß- oder der Auslaßöffnung des Motors angeordnet, so daß die Bodenfläche des Ventils der Verbrennungskammer ausgesetzt ist. Der Zylinderkopf eines Motors weist Kanäle auf, von denen jeder mit einem Ventilsitz für ein Ventil 12 versehen ist. Die Kanäle oder Öffnungen werden entsprechend der hin- und hergehenden Bewegung des Ventils 12 geöffnet und geschlossen.
Das Ventil 12 wird mittels einer Ventilstange 14 getragen, die von einer Ventilführung 16 gehalten wird. Die Ventilstange 14 kann entlang der Ventilführung 16 hin- und hergehen und ist am Kolbenhalter 18 an ihrem oberen Ende befestigt. Der Kolbenhalter 18 ist aus nicht magnetischem Material hergestellt. Leichte Metalle, wie bspw. Ti, Ti-A1 und Al, werden bevorzugt für den Kolbenhalter 18 verwendet.
Wie in 2 dargestellt, weist die Ventilstange 14 einen Abschnitt geringen Durchmessers 14a auf, einen kegel-förmigen Abschnitt 14b und einen Abschnitt großen Durchmessers 14c am oberen Ende. Andererseits ist der Kolbenhalter 18 mit einem Abschnitt geringen Durchmessers 18a, einem kegelförmigen Abschnitt 18b und einem Abschnitt großen Durchmessers 18c versehen. Die Ventilstange 14 und der Kolbenhalter 18 sind fest miteinander verbunden, indem die Ventilstange 14 in den Kolbenhal ter 18 mittels einer Preßpassung eingesetzt ist, bis die Abschnitte geringen Durchmessers 14a, 18a, die kegelförmigen Abschnitte 14b; 18b und die Abschnitte großen Durchmessers 14c; 18c miteinander in Verbindung sind.
Wenn die kegelförmigen Abschnitte 14b; 18c hergestellt werden, ist die Kontaktfläche der Ventilstange 14 und des Kolbenhalters 18 größer und die Länge des Passungsabschnitts der Ventilstange 14 und des Kolbenhalters 18 ist länger als in dem Fall, in dem die kegelförmigen Abschnitte 14b; 18c nicht vorgesehen werden. Dadurch kann bei diesem Ausführungsbeispiel eine Verbindungskraft, die hoch genug ist, an den Abschnitten erreicht werden, an denen die Ventilstange 14 und der Kolbenhalter 18 fest miteinander verbunden sind.
Daher kann die Ventilstange 14 nicht leicht vom Kolbenhalter 18 getrennt werden und die Ventilstange 14 und der Kolbenhalter 18 können nicht so leicht zueinander bewegt werden.
Der Kolbenhalter 18 ist an dem Kolben 20 an der Peripherie befestigt. Der Kolben 20 ist aus magnetischem Material, das aus magnetischem Metall, wie Fe, Ni oder Co, hergestellt ist und hat eine ringartige Form mit einem Loch in der Mitte. Das Loch hat im wesentlichen denselben Durchmesser wie der Kolbenhalter 18. Der Kolben 20 und der Kolbenhalter 18 sind durch verschiedene Einrichtungen, bspw. Elektrodenstrahlschweißen, Laserstrahlschweißen oder Hartlöten, miteinander verbunden. Für den Fall, daß der Kolbenhalter 18 aus einem faserverstärkten Harz hergestellt ist, können Verfahren wie Einsatzgießen, Ultrasonic-Schweißen in geeigneter weise verwendet werden, um den Kolben 20 und den Kolbenhalter 18 miteinander zu verbinden.
Eine erste Magnetventilspule 22 und ein erster magnetischer Kern 24 sind oberhalb des Kolbens 20 angeordnet. Andererseits ist eine zweite Magnetventilspule 26 und ein zweiter magnetischer Kern 28 unterhalb des Kolbens 20 angeordnet. Der erste und zweite magnetische Kern 24 und 28 sind aus magnetischem Material hergestellt. Der erste magnetische Kern 24 hält die erste Magnetventilspule 22 und der zweite magnetische Kern 28 hält die zweite Magnetventilspule 26. Weiterhin werden der erste magnetische Kern 24 und der zweite magnetische Kern 28 mittels eines Jochs 30, das eine zylinderförmige Form aufweist, gelagert. Das Joch 30 ist aus nicht magnetischem Material hergestellt.
Der erste und zweite magnetische Kern 24 und 28 weisen Federlöcher 25 und 29 auf, die sich in axialer Richtung der Ventilvorrichtung 10 in der mittleren Abschnitt erstrecken. Eine Feder 32 ist innerhalb des Federlochs 25 und eine Feder 34 innerhalb des Federlochs 29 aufgenommen.
Ein Ende der Feder 34 ist an der unteren Seite des Kolbenhalters 18 befestigt und das andere Ende ist an dem unteren Ende des zweiten magnetischen Kerns 28 befestigt. Ein Ende der Feder 32 ist mit der oberen Seite des Kolbenhalters 18 und das andere Ende an einem Stopper 36 befestigt, der innerhalb des Federlochs 25 angeordnet ist. Der Stopper 36 verhindert eine Bewegung zu der oberen Seite hin mittels eines Einstellers 38, der in das obere Ende des magnetischen Kerns 24 eingeschraubt ist.
Deshalb wird der Kolbenhalter 18 mittels Feder 32 und 34 in gegenüberliegende Richtungen gedrückt. Auf diese Weise wird der Kolbenhalter 18 an einem Ort positioniert, in dem die Druckkraft der Federn 32 und 34 ausgeglichen ist. Weiterhin ist die Position des Einstellers 38 so eingestellt, daß die Druckkraft der Federn 32 und 34 ausgeglichen ist, wenn der Kolbenhalter 18 in der Mitte des ersten und zweiten magnetischen Kerns 24 und 28 angeordnet ist. Daher wird in einem Zustand, in dem keine Kraft mit Ausnahme der Druckkraft der Federn 32 und 34 auf den Kolbenhalter 18 aufgebracht wird, der Kolbenhalter 18 und der Kolbenhalter 20 in der Mitte des ersten und des zweiten magnetischen Kerns 24 und 28 gehalten. Wenn der Kolbenhalter 18 und der Kolben 20 an dieser Position sind, befindet sich das Ventil 12 in der neutralen Stellung seines Hubes. Folgend wird die Position des Kolbenhalters 18 und des Kolbens 20 in diesem Zustand als neutrale Stellung bezeichnet.
Da der Kolben 20 aus magnetischem Material ausgeformt ist, wird, wenn ein Strom an die erste Elektromagnetspule 22 angelegt wird, um ein magnetisches Feld um die erste Elekromagnetventilspule 22 zu erzeugen, ein magnetischer Fluß durch die magnetische Schaltung – umfassend den ersten Kern 24, den Kolben 20 und einen Luftspalt – zwischen dem ersten magnetischen Kern 24 und dem Kolben 20 strömen. Wenn dieser magnetische Fluß erzeugt wird, wird eine elektromagnetische Anziehungskraft zwischen dem ersten magnetischen Kern 24 und dem Kolben 20 aufgebracht. Daher wird in dieser Situation der Kolben 20 zu dem ersten magnetischen Kern 24 hin bewegt.
Andererseits wird, wenn ein Strom an die zweite Elektromagnetspule 26 angelegt wird, um ein magnetisches Feld um die zweite Elektromagnetspule 26 herum zu erzeugen, ein magnetischer Fluß durch den magnetischen Aufbau – umfassend den zweiten magnetischen Kern 28, den Kolben 20 und einen Luftspalt – zwischen dem zweiten Kern 28 und dem Kolben 20 strömen. Wenn dieser magnetische Fluß erzeugt wird, wird eine elektromagnetische Anziehungskraft zwischen dem zweiten magnetischen Kern 28 und dem Kolben 20 auftreten. Daher wird in dieser Situation der Kolben 20 zu dem zweiten magnetischen Kern 28 hin bewegt. Entsprechend wird, wenn ein angemessener Wechselstrom an die erste und zweite Elektromagnetspule 22, 26 angelegt wird, der Kolben 20 zwischen dem ersten und zweiten magnetischen Kern 24, 28 hin- und hergehen und dadurch wird das Ventil 12 zwischen der offenen und geschlossenen Stellung hin- und herbewegt.
Wenn der Kolben 20 aus der neutralen Position aufgrund einer elektromagnetischen Anziehungskraft wegbewegt wird, werden die Federn 32 und 34 elastisch deformiert oder komprimiert. Das führt dazu, daß eine Rückholenergie in den Federn 32 und 34 gespeichert wird. Dies führt dazu, daß, wenn die elektromagnetische Kraft weggenommen wird, nachdem der Kolben 20 aus seiner neutralen Stellung wegbewegt wurde, eine Rückholkraft in Richtung neutraler Position auf den Kolben 20 aufgebracht wird. Deshalb bewegt sich das Ventil 12 entsprechend einer einfachen harmonischen Bewegung hin und her, wenn Reibungsverluste aufgrund der Bewegung des Ventils 12 vernachlässigt werden.
In diesem Fall ist die Zeit T, die benötigt wird, um das Ventil 12 von einer Endposition in die andere Endposition zu bringen, durch die folgende Gleichung ausgedrückt: T = π √ (M/K) ... (1).
In der oben genannten Gleichung (1) gibt M die Masse des bewegten Teils der Ventilantriebsvorrichtung 10 an, also die Summe der jeweiligen Massen des Ventils 12, der Ventilstange 14, des Kolbenhalters 18 und des Kolbens 20 und K gibt die Gesamtfederkonstante der Federn 32 und 34 an.
Aus der Gleichung (1) kann gefolgert werden, daß es, um die Ansprechgeschwindigkeit der Ventilantriebsvorrichtung 10 zu erhöhen, notwendig ist, die Masse M zu vermindern oder die Federkonstante K zu erhöhen. Andererseits ist es, um den Energieverbrauch zu vermindern, zu bevorzugen, die Federkonstante K zu vermindern, da es notwendig ist, eine elektromagnetische Anziehungskraft zu erzeugen, die die Druckkraft, die durch die Federn 32 und 34 erzeugt wird, überschreitet, um zu bewirken, daß die Ventilantriebsvorrichtung 10 eine Bewegung des Ventils verursacht oder den Kolben 20 in einer Endposition hält.
Entsprechend ist es notwendig, die Masse M zu vermindern und auch die Federkonstante K zu vermindern, um einen geringen Energieverbrauch und eine hohe Ansprechgeschwindigkeit zu erzielen. Der Kolben 20 der Ventilantriebsvorrichtung 10 hat eine Form, die es ermöglicht, diese beide oben diskutierten Bedingungen zu erfüllen.
Folgend wird eine Beschreibung eines Merkmals der Ventilantriebsvorrichtung 10 gegeben. Wenn die Anzahl der Windungen der ersten und zweiten Elektromagnetventilspulen 22 und 26 jeweils N ist und der Strom, der durch jede dieser Spulen 22, 26 fließt, I ist, kann die magnetische Bewegungskraft Ψ durch folgende Gleichung ausgedrückt werden: Ψ = N·I ... (2).
Wie in Gleichung (2) dargestellt, ist die magnetische Bewegungskraft Ψ basierend auf N und I festgelegt. N ist eine Konstante, die von der Anzahl der Windungen der ersten und zweiten Elektromagnetventilspule 22, 26 abhängt. Das heißt die magnetische Bewegungskraft Ψ, die mittels eines Stroms I erzeugt wird, ist immer die gleiche, wenn der Strom I konstant ist. Daher ist es notwendig, um die elektromagnetische Anziehungskraft, die durch den Strom I erzeugt wird, zu erhöhen, den elektromag netischen Fluß ϕ zu erhöhen, der durch die magnetische Bewegungskraft Ψ erzeugt wird. Und weiterhin ist es nötig, den magnetischen Fluß ϕ wirksam zwischen dem Kolben 20 und dem ersten und zweiten magnetischen Kern 24 und 28 zu konzentrieren. Diese Anforderung, die oben diskutiert wurde, wird erfüllt, indem ein magnetischer Aufbau vorgesehen ist, der eine geringe magnetische Reaktanz aufweist und den magnetischen Fluß ϕ zwischen dem Kolben 20 und dem ersten und zweiten magnetischen Kern 24 und 28 konzentriert.
Wenn der Kolben 20 so ausgebildet wird, daß eine ausreichende Dicke an dem Abschnitt, in dem der magnetische Fluß konzentriert wird, und eine geringere Dicke an dem Abschnitt vorhanden ist, an dem der magnetische Fluß nicht konzentriert wird, ist es möglich, beides zu erzielen, nämlich eine magnetische Schaltung – wie oben erläutert – und gleichzeitig die Masse M der bewegten Teile zu vermindern.
Bei dieser Ventilantriebsvorrichtung 10 ist der Kolbenhalter 18 aus einem nicht magnetischen Material ausgebildet und innerhalb des Kolbens 20 vorgesehen. Auf diese Weise wird der magnetische Fluß, der durch die erste und zweite Elektromagnetventilspule 22, 26 erzeugt wurde, innerhalb des Kolbens 20 gehalten. Daher wird der magnetische Fluß wirksam in den Luftspalten konzentriert, die in dem Flußaufbau vorgesehen sind, der den Kolben 20 und den ersten oder zweiten magnetischen Kern 24 oder 28 miteinander verbindet.
Weiterhin ist der innere Durchmesser des Kolbens 20 im wesentlichen der gleiche wie der mittlere wert des Durchmessers und der äußere Durchmesser der inneren Abschnitte 24a und 28a, die radial nach innen gerichtet von der ersten Elektromagnetventilspule 22 des ersten magnetischen Kerns 24 und der zweiten Elektromagnetventilspule 26 des zweiten magnetischen Kerns 28 jeweils ausgebildet sind. Der äußere Durchmesser des Kolbens 20 ist im wesentlichen der gleiche wie der mittlere Wert des inneren Durchmessers und der äußere Durchmesser der äußeren Abschnitte 24b und 28b, die radial nach außen hin von der ersten Elektromagnetventilspule 22 des ersten magnetischen Kerns 24 und der zweiten Elektromagnetventilspule 26 des zweiten magnetischen Kerns 28 jeweils ausgebildet sind.
Wenn der Kolben 20 eine solche Form aufweist – wie oben beschrieben – fließt der magnetische Fluß ϕ von dem ersten oder zweiten magnetischen Kern 24 oder 28 und wird in einem inneren Umfangsabschnitt 20a oder einem äußeren Umfangsabschnitt 20b des Kolbens 20 konzentriert, um in den Kolben 20 zu fließen. Der magnetische Fluß ϕ, der in den Kolben 20 fließt, wird in dem äußeren Umfangsabschnitt 20b oder dem inneren Umfangsabschnitt 20a so konzentriert, daß er von dem Kolben 20 zum ersten oder zweiten Kern 24 oder 28 hin fließt.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist die innere Kante des inneren Abschnitts 24a und 28a und die äußere Kante des äußeren Abschnitts 24b und 28b abgeschrägt, um die kegelartig geschnittenen Abschnitte 24a-1, 24b-1, 28a-1 und 28b-1 – wie in 2 dargestellt – auszubilden. wenn die inneren Abschnitte 24a und 28a und die äußeren Abschnitte 24b und 28b solche kegelartig geschnittenen Abschnitte 24a-1, 24b-1, 28a-1 und 28b-1 aufweisen, wird verhindert, daß der magnetische Fluß ϕ sich in den Luftspalt erstreckt. Das heißt bei der Ventilantriebsvorrichtung 10 wird der magnetische Fluß ϕ nicht nur durch den Kolben 20 konzentriert, sondern auch durch den ersten und zweiten magnetischen Kern 24 und 28.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Kolben 20 so ausgebildet, daß die Dicke des Kolbens 20 vom äußeren Umfangsabschnitt 20b zum mittleren Abschnitt 20c – wie dargestellt in 2 – hin ansteigt. Wenn der magnetische Fluß ϕ erzeugt wird, fließt der magnetische Fluß ϕ in einen der Umfangsabschnitte 20a und 20b des Kolbens. Dann fließt der magnetische Fluß ϕ von dem äußeren Umfangsabschnitt 20a oder 20b durch den mittleren Abschnitt 20c.
In diesem Fall fließt der magnetische Fluß ϕ in oder aus den Kolben 20 über eine vergleichsweise große Fläche und fließt durch einen vergleichsweise geringen weg am mittleren Abschnitt 20c.
Deshalb ist es nötig, dem mittleren Abschnitt 20c die größte magnetische Flußkapazität unter den Abschnitten des Kolbens 20 zu geben. wie oben erläutert, steigt die Dicke des Kolbens 20 zum mittleren Abschnitt 20c hin an. Auf diese Weise hat bei diesem Ausführungsbeispiel der Kolben 20 eine ausreichend hohe magnetische Flußkapazität und kann gleichzeitig leicht gebaut werden. Entsprechend kann bei der Ventilantriebsvorrichtung 10, da es möglich ist, die Masse M der bewegten Teile der Ventilantriebsvorrichtung 10 zu senken und den magnetischen Fluß ϕ angemessen zu steuern, der Energieverbrauch der Ventilantriebsvorrichtung 10 wesentlich vermindert werden.
Die 3 und 4 sind vergrößerte Teilquerschnitte des Kolbens 20 und des zweiten magnetischen Kerns 28. 3 zeigt magnetische Flußlinien, die durch den Kolben 20 und den zweiten magnetischen Kern 28 verlaufen. 4 zeigt die Verteilung der magnetischen Flußdichte, die in dem Kolben 20 und dem zweiten magnetischen Kern 28 ausgebildet wird. In 4 zeigt jeder der Abschnitte (I),(II),(III) und (IV) einen Abschnitt, in dem die magnetische Flußdichte im wesentlichen gleichförmig ist. Die magnetische Flußdichte nimmt vom Abschnitt (I) zum Abschnitt (IV) in dieser Reihenfolge ab.
Die magnetischen Flußlinien – wie in 3 dargestellt – drücken aus, daß der magnetische Fluß ϕ in oder aus dem Kolben 20 hauptsächlich nahe dem inneren Umfangsabschnitt 20a und nahe dem äußeren Umfangsabschnitt 20b strömt und daß der magnetische Fluß ϕ im mittleren Abschnitt 20 stärker konzentriert ist als in den anderen Abschnitten 20a und 20b. Weiterhin drückt die Verteilung – dargestellt in 4 – aus, daß die magnetische Flußdichte ϕ an dem mittleren Abschnitt 20 nicht sehr hoch ist im vergleich zu den anderen Abschnitten 20a und 20b. Das heißt die Ergebnisse, dargestellt in 3 und 4, zeigen, daß der magnetische Fluß, der um den Kolben 20 herum fließt, in geeigneter Weise an den Abschnitten konzentriert wird, an denen der Kolben 20 und der zweite magnetische Kern 28 am nächsten zueinander sind, und der magnetische Fluß ϕ wird daran gehindert, den mittleren Abschnitt 20c zu durchtränken.
Durch die Formgestaltung des Kolbens 20 in der Weise, daß der Kolben 20 eine maximale Dicke im mittleren Abschnitt 20c aufweist, kann die Masse M des Kolbens 20 vermindert werden, um so den Kolben 20 leichter zu machen und der magnetische Fluß ϕ kann daran gehindert werden, in den Kolben 20 auszustreuen. Um die oben erläuterten Bedingungen zu erfüllen, wird es bevorzugt, daß der Kolben 20 eine Form aufweist, deren maximale Dicke im mittleren Abschnitt 20c vorliegt und der eine minimale Dicke am inneren Umfangsabschnitt 20a und am äußeren Umfangsabschnitt 20b hat.
Um jedoch eine ausreichende Betriebsdauer an dem Abschnitt zu erhalten, an dem der Kolben 20 und der Kolbenhalter 18 miteinander verbunden sind, ist es notwendig, eine genügende Dicke an dem inneren Umfangsabschnitt 20a des Kolbens 20 vorzusehen. Daher ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel – wie in 5 dargestellt – die Form des Kolbens 20 so gewählt, daß die Dicke des Kolbens 20 in diametraler Richtung vom mittleren Abschnitt 20 zum Mittelpunkt des Kolbens 20 hin abnimmt und dann die Dicke in diametraler Richtung zum inneren Umfangsabschnitt 20a hin zunimmt.
5 zeigt die Kraftverteilung, die an dem Kolben 20 entsteht, wenn eine nach unten gerichtete Kraft auf den äußeren Umfangsabschnitt 20b in der Situation aufgebracht wird, wenn der innere Umfangsabschnitt 20a festgelegt wird. Jeder der Abschnitte (I), (II) (III)(IV) gibt einen Abschnitt an, in dem die Kraftdichte im wesentlichen gleichförmig ist. Die Kraft nimmt von dem Abschnitt (I) zu dem Abschnitt (IV) hin in dieser Reihenfolge ab.
Die Verteilung, dargestellt in 5, wird entstehen, wenn eine elektromagnetische Anziehungskraft zwischen dem Kolben und dem zweiten magnetischen Kern 28 aufgrund der elektromagnetischen Anziehungskraft und der Druckkräfte der Federn 32 und 34 entsteht. wie in 5 dargestellt, wird eine maximale Kraft auf das obere Ende des inneren Umfangsabschnitts 20a in dieser Situation aufgebracht. Andererseits wird, wenn die elektromagnetische Anziehungskraft zwischen Kolben und dem ersten magnetischen Kern 24 aufgebracht wird, eine maximale Kraft am unteren Ende des inneren Umfangsabschnitts 20a aufgebracht.
Um eine ausreichende Haltbarkeit der Ventilantriebsvorrichtung 10 zu erzielen, ist es notwendig, eine ausreichende Distanz zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende des inneren Umfangsabschnitts 20a des Kolbens 20 vorzusehen, so daß die Spannungen, die an dem Abschnitt erzeugt werden, wenn der Kolben 20 und der Kolbenhalter 18 miteinander verbunden werden, vermindert werden. Bei dem Ausführungsbeispiel wurde die Form des Kolbens 20 – wie oben erläutert – so gewählt, daß diese Anforderungen erfüllt sind. Daher weist die Ventilantriebsvorrichtung 10 eine ausreichende Haltbarkeit an dem Abschnitt auf, an dem der Kolben 20 und der Kolbenhalter 18 miteinander verbunden sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist, um eine ausreichende magnetische Flußkapazität mit dem Kolben 20 zu ermöglichen und um die Masse des Kolbens 20 zu vermindern, die Dicke des Kolbens 20 so geändert, daß der Winkel der Fläche des Kolbens 20 gegenüber der horizontalen Achse in einem Bereich von 5°-20° liegt.
Wie in 5 dargestellt, ist die Kraft, die auf den mittleren Abschnitt des inneren Umfangsabschnitts 20a aufgebracht wird, nicht besonders groß. Mit anderen Worten wird der mittlere Abschnitt des inneren Umfangsabschnitts 20a nicht benötigt, um die Haltbarkeit der verbundenen Abschnitte zu erhöhen. Daher kann die Haltbarkeit der verbundenen Abschnitte erhöht werden, indem nur eine geeignete Distanz zwischen dem oberen und dem unteren Ende des inneren Umfangsabschnitts 20a vorgesehen wird.
6 ist ein Querschnitt eines Kolbens 40 eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Wie in 6 dargestellt, hat der Kolben 40 einen zurückgenommenen Abschnitt 42 an dessen inneren Umfang, genauer zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende des inneren Umfangsabschnitts 40a.
Weiterhin zeigt 6 die Kraftverteilung, die an dem Kolben 40 erzeugt wird, wenn eine nach unten gerichtete Kraft auf den äußeren Umfangsabschnitt 40b in der Situation aufgebracht wird, wenn der innere Umfangsabschnitt 40a festgehalten wird. Jeder der Abschnitte (I), (II),(III),(IV) und (V) zeigt einen Abschnitt an, in dem die Kraftdichte im wesentlichen gleichförmig ist. Die Kraft nimmt von dem Abschnitt (I) zum Abschnitt (V) in dieser Reihenfolge ab.
Wie in 6 dargestellt, ist die Verteilung der Kraft, die in dem Kolben 40 erzeugt wird, im wesentlichen die gleiche wie die, die bei dem Kolben 20 erzeugt wird. Entsprechend weisen der Kolben 40 und der Kolbenhalter 18 die gleiche Haltbarkeit wie der Kolben 20 an den verbundenen Abschnitten auf.
Weiterhin ist, da der Kolben 40 den ausgenommenen Abschnitt aufweist, die Masse des Kolbens 40 geringer als die Masse des Kolbens 20. Daher ist bei einer Ventilantriebsvorrichtung 10, die einen Kolben 40 anstelle des Kolbens 20 verwendet, die Masse M der bewegten Teile der Ventilantriebsvorrichtung 10 geringer und daher kann der Energieverbrauch der Ventilantriebsvorrichtung 10 weiter abgesenkt werden.
Bei der Ventilantriebsvorrichtung 10 ist das Material des Kolbenshalters 18 auf nicht magnetische Materialien beschränkt. Jedoch kann der Kolbenhalter 18 auch aus Materialien hergestellt werden, die einen geringeren magnetischen Fluß erlauben als der Kolben 20 und Materialien, die eine geringere magnetische Flußdichte aufweisen als der Kolben 20.

Claims

Ventilantriebsvorrichtung zum Antrieb eines Ventils (12) eines Verbrennungsmotors mittels einer elektromagnetischen Anziehungskraft, mit einem magnetischen Kern (24, 28) und einer am Ventil (12) befestigten und mit dem magnetischen Kern (24, 28) zusammenwirkenden Kolbeneinrichtung, die einen mit dem Ventil (12) fest verbundenen Kolbenhalter (18) sowie einen nahe dem magnetischen Kern (29, 28) befindlichen Kolbenabschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenabschnitt derart beschaffen ist, dass er an einem mittleren Abschnitt (20c; 40c), der zwischen radial innerhalb und radial außerhalb von diesem befindlichen Abschnitten liegt, an denen der magnetische Fluss größtenteils ein- oder austritt, eine höhere magnetische Flusskapazität aufweist, als an den radial innerhalb und radial außerhalb liegenden Abschnitten.
Ventilantriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei der Kolbenabschnitt eine höhere magnetische Flusskapazität aufweist, als der Kolbenhalter (18).
Ventilantriebsvorrichtung gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Kolbenabschnitt im wesentlichen konzentrisch zum Kolbenhalter (18) an dessen innerer Umfangsfläche ausgebildet ist und der Kolbenabschnitt einen ausgesparten Abschnitt (42) an seinem inneren Umfang aufweist.
Ventilantriebsvorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei der Kolbenabschnitt im Wesentlichen konzentrisch zum Kolbenhalter (18) an dessen Umfangsfläche ausgebildet ist und die Dicke des Kolbenabschnitts in diametraler Richtung vom äußeren Umfang zum mittleren Abschnitt (20c; 40c) hin ansteigt.
Ventilantriebsvorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die Dicke des Kolbenabschnitts entlang der diametralen Richtung vom mittleren Abschnitt (20c; 40c) des Kolbenabschnitts zum Zentrum des Kolbenabschnitts abnimmt und zur inneren Umfangsfläche des Kolbenabschnitts hin zunimmt.
Ventilantriebsvorrichtung gemäß irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, wobei der magnetische Kern (24, 28) einen inneren Abschnitt (28a) und einen äußeren Abschnitt (24b, 28b) aufweist und ein Innenumfang des Kolbenabschnitts der Mitte des inneren Abschnitts (24a, 28a) gegenüberliegt und ein Außenumfang des Kolbenabschnitts der Mitte des äußeren Abschnitts (24b, 28b) gegenüberliegt.
Ventilantriebsvorrichtung gemäß Anspruch 6, wobei der magnetische Kern (24, 28) einen kegelförmig ausgesparten Abschnitt (24a-1, 24b-1, 28a-1, 28b-1) an zumindest einer der inneren Kanten des inneren Abschnitts (24a, 28a) und an einer äußeren Kante des äußeren Abschnitts (24b, 28b) aufweist.
Ventilantriebsvorrichtung gemäß Anspruch 1, des Weiteren mit: einer sich um eine Mittelachse erstreckenden Elektromagnetspule (22, 26), die eine Innenumfangsoberfläche und eine Außenumfangsoberfläche hat, wobei der magnetische Kern (24, 28), einen innerhalb der Innenumfangsoberfläche angeordneten inneren Abschnitt (24, 28a) und einen außerhalb der Außenumfangsoberfläche angeordneten äußeren Abschnitt (24b, 28b) aufweist, dabei ist der Kolbenabschnitt der Elektromagnetspule (22, 26) und dem magnetischen Kern (24, 28) derart zugewandt, dass der mittlere Abschnitt (20c; 40c) des Kolbenabschnitts der Elektromagnetspule (22, 26) zugewandt ist und die radial innerhalb/außerhalb vom mittleren Abschnitt (20c; 40c) befindlichen Abschnitte des Kolbenabschnitts, welche dünner als der mittlere Abschnitt (20c; 40c) des Kolbenabschnitts sind, jeweils dem inneren und äußeren Abschnitt des magnetischen Kerns (24, 28) zugewandt sind.