DE19909305A1 - Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Ventils zur Betätigung eines Motorventils - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetischen Ventils zur Betätigung eines Motorventils, das ein Einlaß- oder Auslaßventil eines Motors ansteuert, um es durch eine elektromagnetische Kraft, die durch eine Kombination eines Elektromagneten und eines Permanentmagneten erzeugt wird, zu öffnen oder zu schließen.

Es ist bekannt, daß ein Motorventil durch ein elektromagneti­ sches Ventil statt eines Nockenansteuermechanismusses ange­ steuert wird. Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die die gesam­ te Struktur eines konventionellen elektromagnetischen Ventils zur Betätigung eines Motorventils zeigt (siehe beispielsweise die ungeprüfte veröffentlichte japanische Patentanmeldung (Kokai) Nr. 7-83021). Eine Öffnung 45 ist in einem Ein­ laß/Auslaß-Kanal (einem Einlaßkanal oder einem Auslaßkanal) 12 eines Zylinderkopfs 10 einer Maschine ausgebildet. Ein Ventilkopf 14 eines Einlaß/Auslaß-Ventils (eines Einlaßven­ tils oder eines Auslaßventils) ist vorgesehen, so daß er sich auf die Öffnung 45 hin und von ihr weg bewegen kann, um somit ein Motorventil 11 auszubilden. Ein elektromagnetisches Ven­ til 1 ist neben dem Zylinderkopf 10 vorgesehen. Das elektro­ magnetische Ventil 1 hat ein Gehäuse 2 aus einem nicht magne­ tischen Material. Ein erster Kern 3 und ein zweiter Kern 4 sind in den oberen und unteren Endteilen des Gehäuses 2 vor­ gesehen. Die ersten und zweiten Kerne 3 und 4 sind ringför­ mige Kerne, die eine U-förmige Querschnittskonfiguration auf­ weisen und aus einem magnetischen Material hergestellt sind. Ein bewegliches Element 7 ist zwischen dem ersten Kern 3 und dem zweiten Kern 4 angeordnet. Das bewegliche Element 7 ist aus einer magnetisch anziehenden Eisenplatte 7 ausgebildet. Das bewegliche Element 7 ist am entfernten Ende eines Ventil­ schaftes 16 des Motorventils 11 befestigt. Eine erste Erre­ gerspule 5 ist in einer Rille des ersten Kerns 3 eingeschlos­ sen. In ähnlicher Weise ist eine zweite Erregerspule 6 in ei­ ne Rille eines zweiten Kerns 4 eingeschlossen. Wenn ein vor­ bestimmter elektrischer Strom von einer Treiberschaltung an­ gelegt wird, so erzeugt die erste Erregerspule 5 und die zweite Erregerspule 6 jeweils ein Magnetfeld, dessen Intensi­ tät dem Wert des zugeführten elektrischen Stromes entspricht, was bewirkt, daß ein magnetischer Fluß, der der Magnetfeldin­ tensität entspricht, durch jeden der ersten und zweiten Kerne 3 und 4 hindurchgeht.

Der magnetische Fluß, der von jeder der ersten und zweiten Erregerspulen 5 und 6 erzeugt wird, kehrt durch den ersten Kern 3 oder den zweiten Kerns 4 zurück. Der Luftspalt bildet einen Teil des magnetischen Kreises. Der magnetische Wider­ stand des ersten Kerns 3, des zweiten Kerns 4 und des beweg­ lichen Elements 7, die jeweils aus magnetischem Material her­ gestellt sind, befindet sich auf einem Pegel, der im Ver­ gleich zum magnetischen Widerstand des Luftspalts ignoriert werden kann. Der magnetische Widerstand des Luftspalts ist eine Funktion der Spaltlänge. Je schmaler der Spalt, desto kleiner ist der magnetische Widerstand, und desto stabiler ist der magnetische Kreis. Wenn ein elektrischer Strom wech­ selnd zur ersten Erregerspule 5 und zur zweiten Erregerspule 6 von der Treiberschaltung geliefert wird, so wird eine elek­ tromagnetische Anziehungskraft, die dem zugeführten elektri­ schen Strom entspricht, erzeugt. Somit wird das bewegliche Element 7 wechselnd an die erste Erregerspule 5 oder die zweite Erregerspule 6 gezogen. Somit kann die Antriebskraft, die erforderlich ist, um das Motorventil 11 anzusteuern, er­ halten werden.

Im elektromagnetischen Ventil 1 werden, wenn das bewegliche Element 7 einfach durch das Schalten der Zufuhr des elektri­ schen Stromes, der wechselnd zur ersten Erregerspule 5 und zur zweiten Erregerspule 6 geliefert wird, durchgeführt wird, ohne eine spezielle Betrachtung des Mechanismusses vorzuneh­ men, beträchtliche Variationen in der Zeit, die das bewegli­ che Element 7 benötigt, um seine Bewegung von dem Moment an, wenn die Zufuhr des elektrischen Stromes geschaltet wird, zu beenden, auftreten. Somit kann keine praktikable Steuerung verwirklicht werden. Aus diesem Grund wird ein Vibrationssy­ stem unter Verwendung von Federn ausgebildet, so daß ein be­ wegliches System, das den Ventilkörper (der den Ventilkopf 14 und den Ventilschaft 16 umfaßt) einschließt, in einer vorbe­ stimmten neutralen Position gehalten wird, und das bewegliche System durch eine vorbestimmte freie Vibration vibrieren kann. Mit dieser Anordnung beginnt, wenn die Versorgung des elektrischen Stromes in einem Zustand, bei dem sich das be­ wegliche Element 7 im Kontakt mit der ersten Erregerspule 5 oder der zweiten Erregerspule 6 befindet, abgeschaltet wird, das bewegliche Element 7 sofort eine einfach harmonische Be­ wegung weg von der Erregerspule. Somit kann der Öffnungs- Schließungs-Zyklus des Ventilkörpers durch das Steuern der Länge der Zeit, während der das bewegliche Element 7 in Kon­ takt mit der ersten Erregerspule 5 oder der zweiten Erreger­ spule 6 gehalten wird, mit einer hohen Genauigkeit gesteuert werden.

Eine Feder 8 ist zwischen der oberen Seite des beweglichen Elements 7 und dem oberen Ende des Gehäuses 2 befestigt. Eine Feder 9 ist zwischen der unteren Seite des beweglichen Ele­ ments 7 und dem unteren Ende des Gehäuses 2 befestigt. Die Federn 8 und 9 sind nichtlineare Federn, die jeweils in ihrem zentralen Teil einen verminderten Durchmesser aufweisen. Die Federkonstante der Federn 8 und 9 ist klein in einem Bereich, wo die Verschiebung klein ist, aber groß in einem Bereich, wo die Verschiebung groß ist. Somit ist in der Umgebung der Zwi­ schenposition die Federkraft, die von den Federn 8 und 9 er­ zeugt wird, klein im Vergleich zu linearen Federn. Somit ist die Anordnung, die die Federn 8 und 9 verwendet, für die An­ steuerung nützlich. In den Umgebungen der offenen und ge­ schlossenen Positionen des Motorventils 11 erzeugen die Fe­ dern 8 und 9 eine große Federkraft. Somit verschlechtert die Anordnung nicht die Reaktion des elektromagnetischen Ventils 1. Somit werden die elektromagnetische Anziehungskraft, die auf das bewegliche Element 7 wirkt, und die Federkraft der Federn 8 und 9 zu allen Zeiten aneinander angepaßt, und die Erzeugung einer übermäßigen elektromagnetischen Anziehungs­ kraft wird vermieden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Das konventionelle elektromagnetische Ventil hat den Nach­ teil, daß sogar wenn die Motorgeschwindigkeit, das heißt die Zahl der Umdrehungen, sich ändert, das elektromagnetische Ventil mechanisch mit derselben Antwortzeit zu allen Zeiten arbeitet, und es keine Änderung des elektrischen Leistungs­ verbrauchs, der für das Ansteuern benötigt wird, gibt. Somit besteht bei der Verminderung des Verbrauchs elektrischer Lei­ stung eine Grenze.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Ansteuern eines elektromagnetischen Ventils zur Betätigung eines Motorventils zu liefern, wobei ein Perma­ nentmagnet in einem beweglichen Element des elektromagneti­ schen Ventils vorgesehen ist, und Federn weggelassen werden, und wobei die abstoßenden und anziehenden elektrischen Ströme gemäß der Motorgeschwindigkeit variiert werden, um somit den elektrischen Leistungsverbrauch zu vermindern.

Die vorliegende Erfindung wird bei einem elektromagnetischen Ventil zur Betätigung eines Motorventil angewandt, das ein festes Element, das aus einem zylindrischen Gehäuse eines ferromagnetischen Materials ausgebildet ist, zwei feste Ei­ senkerne, die jeweils zylindrische Teile aufweisen, zwei Er­ regerspulen und eine ringförmige Zwischenplatte aus einem ferromagnetischen Material umfaßt. Das elektromagnetische Ventil zur Betätigung des Motorventil umfaßt ferner ein be­ wegliches Element, das aus einem beweglichen Eisenkern, einen Permanentmagnet und einem anderen beweglicher Eisenkern, die aufeinanderfolgend gestapelt sind, ausgebildet ist. Das be­ wegliche Element ist am entfernten Ende eines Ventilschaftes befestigt. Das bewegliche Element wird axial beweglich zwi­ schen den zylindrischen Teilen der festen Eisenkerne ge­ stützt. Das feste Element und das bewegliche Element sind symmetrisch bezüglich der Achse ausgebildet. Ein elektrischer Strom wird durch die Erregerspulen geführt, um einen magneti­ schen Kreis zu erregen, der durch das feste Element und das bewegliche Element ausgebildet wird, so daß das bewegliche Element in axialer Richtung durch die elektromagnetische Kraft angetrieben wird, um somit ein Maschinenventil in die offene oder geschlossene Stellung zu steuern. Gemäß einer er­ sten Anordnung der vorliegenden Erfindung wird der Permanent­ magnet in axialer Richtung magnetisiert, und wenn ein elek­ trischer Abstoßungsstrom für das Erzeugen einer Abstoßungs­ kraft durch eine der Erregerwindungen geleitet wird, so wird ein elektrischer Anziehungsstrom für das Erzeugen einer An­ ziehungskraft durch die andere Spule der Erregerspulen hin­ durchgeführt, um somit das Motorventil in eine offene Positi­ on zu bewegen, wo es offen ist. Wenn der elektrische Anzie­ hungsstrom durch eine der Erregerspulen geleitet wird, so wird der elektrische Abstoßungsstrom durch die andere der Er­ regerspulen geleitet, um somit das Motorventil in eine ge­ schlossene Position zu bewegen, in der es geschlossen ist. Der elektrische Abstoßungsstrom und der elektrische Anzie­ hungsstrom werden gemäß der Motorgeschwindigkeit so variiert, daß im Gebiet der niedrigen Motorgeschwindigkeit der elektri­ sche Stromwert kleiner und die Energieversorgungszeit länger ist als im Bereich der hohen Motorgeschwindigkeit.

Gemäß einer zweiten Anordnung der vorliegenden Erfindung wird, wenn das Motorventil sich in der geschlossenen Position oder der offenen Position befindet, ein magnetischer Kreis durch den magnetischen Fluß vom Permanentmagnet des bewegli­ chen Elements ausgebildet, und durch Erregen dieses magneti­ schen Kreises wird das Motorventil in der geschlossenen Posi­ tion oder der offenen Position gehalten.

Gemäß einer dritten Anordnung der vorliegenden Erfindung wird ein zylindrischer Vorsprung auf einer Endfläche von jedem der beweglichen Eisenkerne im beweglichen Element in der ersten oder der zweiten Anordnung ausgebildet. Eine abgeschrägte ge­ neigte Oberfläche wird auf der äußeren Seite des entfernten Endes einer der sich gegenseitig gegenüberstehenden Oberflä­ chen jedes festen Eisenkerns und des entsprechenden bewegli­ chen Eisenkerns des beweglichen Elements ausgebildet, und ei­ ne invers abgeschrägte, geneigte Oberfläche wird auf der in­ neren Seite des entfernten Endes der anderen Fläche der sich gegenseitig gegenüberstehenden Oberflächen ausgebildet, so daß ein magnetischer Fluß durch die beiden geneigten Oberflä­ chen hindurchgeht.

Im Verfahren zur Ansteuerung eines elektromagnetisch Ventils zur Betätigung eines Motorventils gemäß der vorliegenden Er­ findung wird der Permanentmagnet in axialer Richtung magneti­ siert. Wenn der elektrische Abstoßungsstrom durch eine Erre­ gerspule geführt wird, so wird der elektrische Anziehungs­ strom durch die andere Erregerspule geleitet, um somit das Motorventil in die offene Position zu bewegen. Wenn der elek­ trische Anziehungsstrom durch die eine Erregerspule geleitet wird, so wird der elektrische Abstoßungsstrom durch die ande­ re Erregerspule geleitet, um somit das Motorventil in die ge­ schlossene Position zu bewegen. Der elektrische Abstoßungss­ trom und der elektrische Anziehungsstrom werden gemäß der Mo­ torgeschwindigkeit so variiert, daß im Verteich niedriger Mo­ torgeschwindigkeit der elektrische Stromwert kleiner und die Energieversorgungszeit länger ist als im Bereich der hohen Motorgeschwindigkeit. Da ein Permanentmagnet im beweglichen Element des elektromagnetischen Ventils vorgesehen ist, und Federn weggelassen werden, wird der elektrische Leistungsver­ brauch vermindert. Zusätzlich werden die elektrischen Ab­ stoßungs- und Anziehungsströme gemäß der Motorgeschwindigkeit so variiert, daß im Bereich niedriger Motorgeschwindigkeit der elektrische Stromwert kleiner und die Energieversorgungs­ zeit länger ist als im Bereich hoher Motorgeschwindigkeit. Somit wird der elektrische Leistungsverbrauch vermindert.

Es werden noch andere Merkmale und Vorteile der Erfindung teilweise offensichtlich sein und teilweise sich aus der Be­ schreibung ergeben.

Die Erfindung umfaßt somit die Merkmale der Konstruktion, Kombinationen der Elemente und Anordnungen von Teilen, die in der nachfolgend beschriebenen Konstruktion beispielhaft ge­ zeigt werden, und der Umfang der Erfindung wird in den An­ sprüchen beschrieben.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines elektromagnetischen Ventils zur Betätigung eines Motorventils gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 2A und 2B sind Diagramme für das Beschreiben der Ope­ ration der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in welcher Fig. 2A das elektromagnetische Ventil zeigt, wenn das Motorventil vollständig geschlossen ist, und Fig. 2B das elektromagnetische Ventil zeigt, wenn das Motorventil voll­ ständig offen ist.

Fig. 3 ist ein Diagramm, das Erregungsmuster im hohen Ge­ schwindigkeitsbereich des Motors zeigt, die in der Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung und beim Stand der Tech­ nik verwendet werden.

Fig. 4 ist ein Diagramm, das Erregungsmuster im niedrigen Ge­ schwindigkeitsbereich des Motors zeigt, die in der Ausfüh­ rungsform der vorliegenden Erfindung und beim Stand der Tech­ nik verwendet werden.

Fig. 5 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Mo­ torgeschwindigkeit und dem elektrischen Leistungsverbrauch bei verschiedenen elektromagnetischen Ventilen zeigt.

Fig. 6 ist eine Schnittansicht, die eine konventionelles elektromagnetisch Ventil zur Betätigung des Motorventils zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 1 ist eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines elektromagnetischen Ventils zur Betätigung eines Motorventils gemäß der vorliegenden Erfindung. Von den Teilen, die in Fig. 1 gezeigt sind, sind die, die den Teilen des Standes der Technik, der in Fig. 6 gezeigt ist, entsprechen, mit densel­ ben Bezugszeichen bezeichnet. Ein Ventilsitzring 13 ist in einer Öffnung eines Einlaß/Auslaß-Kanals (ein Lufteinlaßkanal oder ein Auslaßkanal) 12 in einem Zylinderkopf 10 eines Mo­ tors vorgesehen. Ein Ventilkopf 14 eines Einlaß/Auslaß-Ventils (eines Einlaßventils oder eines Auslaßventils) ist so vorgesehen, daß er sich hin und her auf den Ventilsitzring 13 zu bewegen kann, um somit ein Motorventil 11 zu bilden. Das Einlaß/Auslaß-Ventil ist aus einem nicht magnetischen Materi­ al, wie hitzebeständigem Stahl, beispielsweise SUR35 (JIS) oder Keramiken hergestellt. Das Einlaß/Auslaßventil hat einen Ventilschaft 16, der durch eine Ventilführung 17 abgestützt wird.

Ein elektromagnetischen Ventil 19 ist neben dem Zylinderkopf 10 vorgesehen. Das elektromagnetische Ventil 19 hat ein zy­ lindrisches Gehäuse 20, das aus einem ferromagnetischen Mate­ rial hergestellt ist. Das Gehäuse 20 hat an seinem unteren Ende einen Flansch 21. Der Flansch 21 ist am Zylinderkopf 10 befestigt. Ein erster fester Eisenkern 23 in der Form eines gestuften Zylinders hat an einem Ende einen Flanschteil 23A. Der Flanschteil 23A ist an der inneren Oberfläche eines axia­ len Endes (oberes Ende) des Gehäuses 20 befestigt. Ein zwei­ ter fester Eisenkern 24 in der Form eines gestuften Zylinders hat einen Flanschteil 24A an seinem unteren Ende. Der Flan­ schteil 24A ist an der inneren Oberfläche des anderen axialen Endes (unteres Ende) des Gehäuses 20 befestigt. Eine erste ringförmige Rille 25 und eine zweite ringförmige Rille 26 sind in den jeweiligen inneren peripheren Oberflächen der oberen und unteren Enden des Gehäuses 20 ausgebildet. Der äu­ ßere periphere Teil des Flanschteiles 23A des ersten festen Eisenkerns 23 ist in der ersten ringförmigen Rille 25 befe­ stigt, und eine Platte 27 ist an der oberen Endoberfläche des Gehäuses 20 und auch an der oberen Endoberfläche des Flansch­ teiles 23A befestigt. Somit ist der erste feste Eisenkern 23 mit dem Gehäuse 20 verbunden. Der äußere periphere Teil des Flanschteiles 24A des zweiten festen Eisenkerns 24 ist in der zweiten ringförmige Rille 26 befestigt, und die jeweiligen unteren Endflächen des Gehäuses 20 und des Flanschteiles 24A sind so angeordnet, daß sie an die Oberfläche des Zylinder­ kopfs 10 anstoßen. Somit ist der zweite feste Eisenkern 24 mit dem Gehäuse 20 verbunden. Ein zylindrischer Teil 23B des ersten festen Eisenkerns 23 und ein zylindrischer Teil 24B des zweiten festen Eisenkerns 24 stehen axial nach innen in das Gehäuse 20 vor. Der Bohrungsdurchmesser des zylindrischen Teils 23B ist im oberen Teil größer als im unteren Teil. Der Bohrungsdurchmesser des zylindrischen Teils 24B ist im unte­ ren Teil größer als im oberen Teil.

Eine ringförmige Zwischenplatte 29 ist an der inneren Ober­ fläche des Gehäuses 20 an einer axial (vertikal) zentrischen Position befestigt. Der innere Durchmesser der ringförmigen Zwischenplatte 29 ist der gleiche wie der äußere Durchmesser des zylindrischen Teils 23B des ersten festen Eisenkerns 23 und auch der gleiche wie der äußere Durchmesser des zylindri­ schen Teils 24B des zweiten festen Eisenkerns 24. Wie in der Figur dargestellt ist, hat das vorstehende Ende jeder der zy­ lindrischen Teile 23B und 24B eine ringförmige ebene Oberflä­ che. Eine erste Erregerspule 30 ist zwischen dem Flanschteil 23A des ersten festen Eisenkerns 23 und der ringförmigen Zwi­ schenplatte 29 befestigt. Eine zweite Erregerspule 31 ist zwischen dem Flanschteil 24A des zweiten festen Eisenkerns 24 und der ringförmigen Zwischenplatte 29 befestigt. Somit bil­ den das Gehäuse 20, der erste feste Eisenkern 23, der zweite feste Eisenkern 24, die ringförmige Zwischenplatte 29, die erste Erregerspule 30 und die zweite Erregerspule 31 ein fe­ stes Element des elektromagnetischen Ventils 19. Das feste Element wird symmetrisch bezüglich der Achse ausgebildet.

Der Ventilschaft 16, der aus einem nicht magnetischen Materi­ al hergestellt ist, wird in die Bohrung des zylindrischen Teils 24B des zweiten festen Eisenkerns 24 in einem berüh­ rungslosen Zustand eingeschoben. Der Ventilschaft 16 hat ei­ nen Teil 33 mit vermindertem Durchmesser an seinem entfernten Ende (oberen Ende). Ein plattenartiger erster beweglicher Ei­ senkern 34, ein Permanentmagnet 36 und ein zweiter bewegli­ cher Eisenkern 35 sind sukzessiv aufeinander gestapelt, um ein bewegliches Element 42 zu bilden. Das bewegliche Element 42 ist auf dem Teil 33 des Ventilschaftes 16 mit vermindertem Durchmesser durch dessen Zentralloch befestigt und somit mit dem Teil 33 mit vermindertem Durchmesser befestigt. In Wirk­ lichkeit steht das entfernte Ende des Teils 33 mit verminder­ tem Durchmesser des Ventilschaftes 16 vom beweglichen Element 42 vor und hat ein darauf ausgebildetes Außengewinde, und ei­ ne Mutter wird auf den Teil 33 mit vermindertem Durchmesser aufgeschraubt, um somit das bewegliche Element 42 zu befesti­ gen. Das bewegliche Element 42 wird symmetrisch zur Achse ausgebildet. Ein Luftspalt existiert zwischen der äußeren pe­ ripheren Kante des beweglichen Elements 42 einerseits und der inneren peripheren Kante der ringförmigen Zwischenplatte 29, der inneren peripheren Kante der ersten Erregerspule 30 und der inneren peripheren Kante der zweiten Erregerspule 31 an­ dererseits. Das bewegliche Element 42 wird durch den Ventil­ schaft 16 und die Ventilführung 17 axial beweglich abge­ stützt. Ein Arbeitsluftspalt ist zwischen der oberen Oberflä­ che des beweglichen Elements 42 und der unteren Endfläche des ersten festen Eisenkerns 23 vorhanden, und ein anderer Ar­ beitsluftspalt ist zwischen der unteren Fläche des bewegli­ chen Elements 42 und der oberen Endfläche des zweiten festen Eisenkerns 24 vorhanden.

Die erste Erregerspule 30 und die zweite Erregerspule 31 sind axial symmetrische bilaterale lineare Elektromagnete. Das be­ wegliche Element 42 wird magnetisiert, so daß die Nord- und Südpole an seinen beiden axialen Enden ausgebildet werden. Somit wird ein lineares Magnetventil ausgebildet. Eine zuge­ spitzte geneigte Oberfläche (beispielsweise eine geneigte Oberfläche mit einer kegelstumpfförmigen Form, die einen Nei­ gungswinkel von 10 bis 20 Grad aufweist, wird auf der äußeren Seite des axialen inneren Endteils jeder der zylindrischen Teile 23B und 24B der ersten und zweiten festen Eisenkerne 23 und 24 ausgebildet (das sind alle Oberflächen der zylindri­ schen Teile 23B und 24B, die gegenüber dem beweglichen Ele­ ment 42 liegen). Zylindrische Vorsprünge 34A und 35A werden auf den jeweiligen axialen Endflächen der ersten und zweiten beweglichen Eisenkerne 34 und 35 (das sind die Oberflächen, die gegenüber den ersten beziehungsweise zweiten festen Ei­ senkernen 23 beziehungsweise 24 liegen) ausgebildet. Die zy­ lindrischen Vorsprünge 34A und 35A haben jeweils eine invers abgeschrägte geneigte Oberfläche (beispielsweise eine schräge Oberfläche mit einer Kegelstumpfform, die einen Neigungswin­ kel von 10 bis 20 Grad aufweist), die auf der inneren Seite des entfernten Endteils ausgebildet ist.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind die erste Erregerspule 30 und die zweite Erregerspule 31 Bifilarwindungsspulen. Das heißt, die erste Erregerspule 30 hat ein Paar von Spulenele­ menten 30A und 30B, die in entgegengesetzten Richtungen zu­ einander herumgewickelt sind. In ähnlicher Weise hat die zweite Erregerspule 31 ein Paar Spulenelemente 31A und 31B, die in entgegengesetzten Richtungen umeinander herumgewickelt sind. Die erste Erregerspule 30 und die zweite Erregerspule 31 werden durch ein Erregungsverfahren (unipolares Ansteuer­ verfahren) erregt, in welchem ein elektrischer Strom durch das Paar der Spulenelemente 30A und 30B (31A und 31B) in nur einer Richtung geführt wird. In den ersten und zweiten Erre­ gerspulen 30 und 31 wird, wenn ein Paar der Spulenelemente 30A und 30B (31A und 31B) mit Energie versorgt wird, eine An­ ziehungskraft erzeugt, wohingegen wenn das andere Spulenele­ ment mit Energie versorgt wird eine Abstoßungskraft erzeugt wird (das eine Paar der Spulenelemente wird nachfolgend als "erstes Spulenelement" und das andere Spulenelement als "zweites Spulenelement" bezeichnet). Es sollte angemerkt wer­ den, daß die Anordnung so vorgenommen werden sollte, daß die ersten und zweiten Erregerspulen 30 und 31 jeweils durch das Herumwickeln einer einzigen Windung in derselben Richtung ausgeformt werden und durch ein Erregungsverfahren (bipolares Ansteuerverfahren) erregt werden, in welchem ein elektrischer Strom durch die Erregerspulen in zwei Richtungen geführt wird, um zu bewirken, daß sich die Polarität wechselt.

Wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist, wird der Permanent­ magnet 36 magnetisiert, so daß dessen oberes Ende den Nordpol und dessen axial unteres Ende den Südpol bildet. Im ersten beweglichen Eisenkern 34, der sich in Kontakt mit der oberen Seite des Permanentmagneten 36 befindet, bildet der Teil, der den Permanentmagneten 36 berührt, den Südpol, und der obere Teil des zylindrischen Vorsprungs 34A bildet den Nordpol. In ähnlicher Weise bildet beim zweiten beweglichen Eisenkern 35, der sich im Kontakt mit der unteren Seite des Permanent­ magneten 36 befindet, der Teil, der den Permanentmagneten 36 berührt, den Nordpol, und der untere Teil des zylindrischen Vorsprungs 35A bildet den Südpol. Wenn ein Erregerstrom durch die erste Erregerspule 30 und die zweite Erregerspule 31 fließt, um einen magnetischen Kreis in der gleichen Richtung, wie die Richtung des magnetischen Kreises, der durch den ma­ gnetischen Fluß vom Permanentmagnet 36 gebildet wird, zu bil­ den, werden der magnetische Fluß, der durch den Erregungs­ strom erzeugt wird, und der magnetische Fluß vom Permanentma­ gnet 36 addiert, was eine Kraft erzeugt, die auf das bewegli­ che Element 7 wirkt. Das elektromagnetische Ventil 19 arbei­ tet mit einem kleineren Erregerstrom als im Falle des konven­ tionellen elektromagnetischen Ventils, das in Fig. 6 gezeigt ist, und zeigt eine ausgezeichnete Reaktion.

Fig. 2A zeigt das elektromagnetische Ventil 19 in einem Zu­ stand, in dem das Motorventil 11 vollständig geschlossen ist, und sich das bewegliche Element 42 am oberen Hubende befin­ det. Die abgeschrägte, geneigte Oberfläche der äußeren Seite des entfernten Endes des zylindrischen Teils 23B und die in­ vers abgeschrägte geneigte Oberfläche der inneren Seite des entfernten Endes des zylindrischen Vorsprungs 34A werden eng aneinander angepaßt. In diesem Zustand wird das zweite Spule­ nelement der ersten Erregerspule 30 mit Energie versorgt in der Richtung, daß eine Abstoßungskraft erzeugt wird (diese Richtung wird nachfolgend als "Abstoßungsrichtung" bezeich­ net), während das erste Spulenelement der zweiten Erreger­ spule 31 in der Richtung mit Energie versorgt wird, so daß ein Anziehungskraft erzeugt wird (diese Richtung wird nach­ folgend als "Anziehungsrichtung" bezeichnet), wie das in den am weitesten links stehenden Wellenformen im Teil (d) der Fig. 3 und im Teil (d) der Fig. 4 gezeigt ist, um somit die oberen und unteren magnetischen Kreise, die durch das feste Element und das bewegliche Element 42 gebildet werden, zu er­ regen. Durch das Erregen wird das entfernte Ende des zylin­ drischen Teils 23B des ersten festen Eisenkerns 23 zum Nord­ pol, und die innere Seite der ringförmigen Zwischenplatte 29 wird zum Südpol. Das entfernte Ende des zylindrischen Teils 24B des zweiten festen Eisenkerns 24 wird zum Nordpol. Somit wirkt eine Abstoßungskraft zwischen dem Nordpol am entfernten Ende des zylindrischen Teils 23B des ersten festen Eisenkerns 23 und dem Nordpol am oberen Teil des zylindrischen Vor­ sprungs 34A des ersten beweglichen Eisenkerns 34, und eine Anziehungskraft wirkt zwischen dem Südpol am unteren Teil des zylindrischen Vorsprungs 35A des zweiten beweglichen Eisen­ kerns 35 und dem Nordpol des entfernten Endes des zylindri­ schen Teils 24B des zweiten festen Eisenkerns 24. Das beweg­ liche Element 42 bewegt sich zusammen mit dem Motorventil 11 in die Öffnungsrichtung (nach unten), um das untere Hubende (bei dem sich das Motorventil 11 in der offenen Stellung be­ findet) zu erreichen, und es wird durch die Erregung des Ma­ gnetkreises, der durch den magnetischen Fluß vom Permanentma­ gnet 36 gebildet wird, in dieser Position gehalten.

Fig. 2B zeigt das elektromagnetische Ventil 19 in einem Zu­ stand, in dem sich das Motorventil 11 in vollständig offener Stellung befindet, und in der sich das bewegliche Element 42 an seinem unteren Hubende befindet. Die abgeschrägte geneigte Oberfläche auf der äußeren Oberfläche des entfernten Endes des Zylindrischen Teils 24B und die invers abgeschrägte ge­ neigte Oberfläche auf der inneren Seite des entfernten Endes des zylindrischen Vorsprungs 35A werden eng ineinander ge­ paßt. In diese Zustand wird das erste Spulenelement der er­ sten Erregerspule 30 mit Energie in Anziehungsrichtung ver­ sorgt, während das zweite Spulenelement der zweiten Erreger­ spule 31 in Abstoßungsrichtung mit Energie versorgt wird, wie das durch die zweiten Wellenform von links im Teil (d) der Fig. 3 und im Teil (d) der Fig. 4 gezeigt ist, um somit die oberen und unteren magnetischen Kreise, die durch das feste Element und das bewegliche Element 42 gebildet werden, zu er­ regen. Durch die Erregung wird das entfernte Ende des zylin­ drischen Teils 23B des ersten festen Eisenkerns 23 zum Süd­ pol, und die innere Seite der ringförmigen Zwischenplatte 29 wird zum Nordpol. Das entfernte Ende des zylindrischen Teils 24B des zweiten festen Eisenkerns 24 wird zum Südpol. Somit wirkt eine Anziehungskraft zwischen dem Südpol am entfernten Ende des zylindrischen Teils 23B des ersten festen Eisenkerns 23 und dem Nordpol am oberen Teil des zylindrischen Vor­ sprungs 34A des ersten beweglichen Eisenkerns 34, und eine Abstoßungskraft wirkt zwischen dem Südpol am unteren Teil des zylindrischen Vorsprungs 35A des zweiten beweglichen Eisen­ kerns 35 und dem Südpol am entfernten Ende des zylindrischen Teils 24B des zweiten festen Eisenkerns 24. Das bewegliche Element 42 bewegt sich zusammen mit dem Motorventil 11 in Schließungsrichtung (nach oben), um das obere Hubende zu er­ reichen (wo sich das Motorventil 11 im vollständig geschlos­ senen Zustand befindet), und somit ruht der Ventilkopf 14 auf dem Ventilsitzring 13. Das bewegliche Element 42 und das Mo­ torventil 11 werden in dieser Position gehalten.

Fig. 3 zeigt Erregungsmuster im hohen Geschwindigkeitsbe­ reich des Motors und Fig. 4 zeigt Erregungsmuster im niedri­ gen Geschwindigkeitsbereich des Motors. Der Ventilhub eines durch einen Elektromagneten betätigten Ventils, der in Teil (b) von Fig. 3 und in Teil (b) von Fig. 4 gezeigt ist, ent­ spricht dem Ventilhub eines von einem Nocken betätigten Ven­ tils, der in Teil (a) der Fig. 3 und in Teil (a) der Fig. 4 gezeigt ist. Im Stand der Technik wird die Erregung durchge­ führt, wie das im Teil (c) der Fig. 3 und im Teil (c) der Fig. 4 gezeigt ist. Insbesondere wird, wenn das Motorventil 11 geschlossen ist, die erste Erregerspule 5 kontinuierlich mit Energie versorgt, während das Motorventil 11 geschlossen ist, und wenn das Motorventil 11 geöffnet ist, so wird die zweite Erregerspule 6 kontinuierlich mit Energie versorgt, während das Motorventil 11 offen ist. Gegensätzlich dazu zeigt sich das Spulenerregungsmuster gemäß der Erfindung, wie es im Teil (d) der Fig. 3 und in Teil (d) der Fig. 4 ge­ zeigt ist. Das heißt, die erste Erregerspule 30 wird, wie das oben ausgeführt wurde, um das Motorventil 11 zu öffnen, mit Energie in der Abstoßungsrichtung versorgt, und die zweite Erregerspule 31 wird mit Energie in Anziehungsrichtung nur für eine vorbestimmte kurze Zeitdauer versorgt. Um das Motor­ ventil 11 zu schließen, wird die erste Erregerspule 20 in An­ ziehungsrichtung mit Energie versorgt, und die zweite Erre­ gerspule 31 wird in Abstoßungsrichtung nur für eine vorbe­ stimmte kurze Zeitdauer mit Energie versorgt.

Wie in Teil (d) der Fig. 3 und in Teil (d) der Fig. 4 ge­ zeigt ist, werden die elektrischen Abstoßungs- und Anzie­ hungsströme gemäß der Motorgeschwindigkeit variiert. Im nied­ rigen Geschwindigkeitsbereich des Motors wird der Stromwert kleiner gemacht, und die Zeit der Versorgung mit Energie wird länger gemacht als im Bereich der hohen Motorgeschwindigkeit. Im Bereich der niedrigen Motorgeschwindigkeit, ist die Zeit, die für den Kurbelwinkel von 720 Grad benötigt wird, lang, und es tritt kein Problem auf, sogar wenn die Reaktion ver­ langsamt wird. Somit wird der Stromwert vermindert und die Zeit der Energieversorgung verlängert. Der elektrische Lei­ stungsverbrauch wird ausgedrückt durch:

(Strom i)² × (Widerstand R) × (Energieversorgungszeit t).

Somit kann der elektrische Leistungsverbrauch durch das Ver­ mindern des Stromwertes und das Verlängern der Energieversor­ gungszeit vermindert werden.

Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen der Motorgeschwindigkeit und dem elektrischen Leistungsverbrauch. Die gestrichelte Li­ nie mit den doppelten Punkten zeigt die Beziehung zwischen der Motorgeschwindigkeit und dem elektrischen Leistungsver­ brauch im Stand der Technik, und die gestrichelte Linie zeigt die Beziehung in einem elektromagnetischen Ventil mit Perma­ nentmagnet, in welchem ein Permanentmagnet im beweglichen Element vorgesehen wird und die Federn weggelassen werden. Wie man aus dem Diagramm erkennt, ist der elektrische Lei­ stungsverbrauch im elektromagnetischen Ventil mit dem Perma­ nentmagneten gering im Vergleich zum Stand der Technik (da der Typ mit dem Permanentmagnet keine elektrische Leistung für das Halten des Motorventils in den offenen und geschlos­ senen Positionen benötigt). Der elektrische Leistungsver­ brauch wird ferner vermindert in einem Fall, bei dem der Stromwert und die Energieversorgungszeit gemäß der Motorge­ schwindigkeit variiert werden, wie in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Es sollte angemerkt werden, daß die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf die vorangehende Ausführungsform beschränkt ist, sondern in einer Vielzahl von Wegen variiert werden kann, ohne von der wesentlichen Idee der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims (4)

1. Verfahren zum Ansteuern eines elektromagnetisch Ventils zum Betätigen eines Motorventils in einem elektromagnetischen Ventil zum Betätigen eines Motorventil, das folgendes umfaßt:
ein festes Element, das aus einem zylindrischen Gehäuse aus ferromagnetischem Material, zwei festen Eisenkernen, die jeweils zylindrische Teile aufweisen, zwei Erregerspulen und eine ringförmige Zwischenplatte aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet ist; und
ein bewegliches Element, das aus einem bewegliche Eisen­ kern, einem Permanentmagnet und einem anderen beweglichen Ei­ senkern, die sukzessive aufeinander gestapelt sind, ausgebil­ det ist, wobei das bewegliche Element an einem entfernte Ende eines Ventilschaftes befestigt ist, und das bewegliche Ele­ ment axial beweglich zwischen den zylindrischen Teilen der festen Eisenkerne abgestützt ist;
wobei das feste Element und das bewegliche Element be­ züglich einer Achse symmetrisch ausgebildet sind;
wobei ein elektrischer Strom durch die Erregerspulen ge­ leitet wird, um einen magnetischen Kreis, der durch das feste Element und das bewegliche Element ausgebildet wird, zu erre­ gen, so daß das bewegliche Element in einer axialen Richtung durch eine elektromagnetische Kraft angetrieben wird, um so­ mit ein Maschinenventil in die offene oder geschlossene Stel­ lung zu treiben;
wobei beim Ansteuerungsverfahren der Permanentmagnet in Axialrichtung magnetisiert wird, und wenn ein elektrischer Abstoßungsstrom für das Erzeugen einer Abstoßungskraft durch eine der Erregerspulen geleitet wird, ein elektrischer Anzie­ hungsstrom für das Erzeugen einer Anziehungskraft durch die andere der Erregerspulen geleitet wird, um somit das Maschi­ nenventil in eine offene Position, in der es offen ist, zu bewegen, wohingegen wenn der elektrische Anziehungsstrom durch die eine Erregerspule geleitet wird, der elektrische Abstoßungsstrom durch die andere Spule der Erregerspulen ge­ leitet wird, um somit das Motorventil in eine geschlossene Position, in der es geschlossen ist, zu bewegen, und wobei
der elektrische Abstoßungsstrom und der elektrische Anzie­ hungsstrom gemäß der Motorgeschwindigkeit so variiert werden, daß in einem Bereich der niedrigen Motorgeschwindigkeit ein elektrischer Stromwert kleiner ist und eine Energieversor­ gungszeit länger ist als in einem Bereich hoher Motorge­ schwindigkeit.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei, wenn sich das Motorven­ til in der geschlossenen Position oder der offenen Position befindet, ein magnetischer Kreis durch einen magnetischen Fluß vom Permanentmagnet des beweglichen Elements ausgebildet wird, und durch die Erregung dieses magnetischen Kreises das Motorventil in der geschlossenen Position oder der offenen Position gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein zylindrischer Vor­ sprung an einer Endfläche von jedem der beweglichen Eisen­ kerne des beweglichen Elements ausgebildet ist, und wobei ei­ ne abgeschrägte geneigt Oberfläche auf einer äußeren Seite eines entfernten Endes einer der sich gegenseitig gegenüber­ stehenden Oberflächen jedes festen Eisenkernes und des ent­ sprechenden beweglichen Eisenkernes des beweglichen Elements ausgebildet ist, und eine invers abgeschrägte geneigte Ober­ fläche auf einer inneren Seite eines entfernten Endes der an­ deren der sich gegenseitig gegenüberstehenden Oberflächen ausgebildet ist, so daß ein magnetischer Fluß durch die bei­ den geneigten Oberflächen hindurchgeht.

4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein zylindrischer Vor­ sprung auf einer Endfläche von jedem der beweglichen Eisen­ kerne des beweglichen Elements ausgebildet ist, und wobei ei­ ne abgeschrägte geneigte Oberfläche auf einer äußeren Seite eines entfernten Endes der sich gegenseitig gegenüberstehen­ den Oberflächen jedes festen Eisenkerns und des entsprechen­ den beweglichen Eisenkerns des beweglichen Elements ausgebil­ det ist, und eine invers abgeschrägte geneigte Oberfläche auf einer inneren Seite eines entfernten Endes der anderen Fläche der sich gegenseitig gegenüberstehenden Oberflächen ausgebil­ det ist, so daß der magnetische Fluß durch die beiden geneig­ ten Oberflächen hindurchgeht.