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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
zum Antreiben bzw. Ansteuern eines Ventils wie etwa eines Einlassventils
oder eines Auslassventils einer Brennkraftmaschine durch einen elektromagnetischen
Aktuator bzw. Stellantrieb.
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HINTERGRUNDGEBIET
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Ein
elektromagnetischer Aktuator, der ein Einlassventil und ein Auslassventil
einer Brennkraftmaschine zum Öffnen
und Schließen
antreibt, ist in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2000-199411
offenbart. Für
die Brennkraftmaschine ist es erforderlich, die Zeit zu verringern,
die während einer
Hochgeschwindigkeitsdrehung zum Öffnen
und Schließen
der Einlass- und Auslassventile erforderlich ist, und einen Betrag
eines Ventilhubs zu vergrößern.
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Um
die Zeit zum Öffnen
und Schließen
der Einlass- und Auslassventile zu verringern, ist es erforderlich,
die Geschwindigkeit beim Öffnen
und Schließen
der Ventile zu verbessern. Die Geschwindigkeitsverbesserung erfordert
eine Erhöhung
der Kraft, die durch den elektromagnetischen Aktuator erzeugt wird,
und folglich ist eine Vergrößerung (Upsizing)
eines Magneten eines beweglichen Elements des Aktuators eine der
Lösungen,
die in Betracht zu ziehen ist.
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Die
Vergrößerung bewirkt
jedoch, dass das Gewicht des beweglichen Elements erhöht wird. Folglich
treten Probleme auf, derart, dass es schwierig ist, eine gewünschte Geschwindigkeit
eines Öffnungs-/Schließventils
zu erlangen und eine gewünschte
Antwort des Öffnungs-/Schließventils
zu erzielen. US-A-5 645 019 offenbart ein elektromechanisch betätigtes Ventil
mit einer Scheibe, die mit einem Ventil gekuppelt ist. Die Scheibe
ist in einem Spalt zwischen zwei Elektromagneten angebracht. Falls
die Elektromagnete mit Energie versorgt werden, wird die Scheibe
in dem Spalt bewegt und die Bewegung der Scheibe wird für einen Öffnungs-
oder Schließvorgang
des elektromagnetisch betätigten Ventils
an das Ventil übertragen.
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Um
eine Hochgeschwindigkeitsantwort des Öffnungs-/Schließventils
zu steuern, muss darüber hinaus
dem elektromagnetischen Aktuator innerhalb einer kurzen Zeitdauer
von 1 Millisekunde oder 2 Millisekunden beispielsweise elektromagnetische
Energie zugeführt
werden. Dies erfordert eine große
Menge an Leistung. Folglich weist dieses Verfahren ein weiteres
Problem auf, derart, dass außerordentlich viel
Leistung verbraucht wird.
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Die
vorliegende Erfindung wurde geschaffen, um die zuvor erwähnten Probleme
zu lösen,
die in der herkömmlichen
Technologie liegen. Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht darin,
eine Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
mit einem herausragenden Antwortverhalten zu schaffen, d. h. eine Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
zu schaffen, die einen gewünschten
Hubbetrag des Öffnungs-/Schließventils
sicherstellen und den Leistungsverbrauch des elektromagnetischen
Aktuators verringern kann.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Es
wird eine Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
gemäß Anspruch
1 geschaffen. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind in den Unteransprüchen
definiert.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt; 2 ist eine
perspektivische Ansicht, die die Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
von 1 zeigt und keinen Unterstützungsrahmen und keine Wicklung
aufweist; 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht,
die einen gekuppelten Zustand zwischen dem beweglichen Element und dem
anzutreibenden Ventilelement in der Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
von 1 zeigt; 4 ist eine
perspektivische Ansicht, die teilweise einen Unterstützungsmechanismus
des beweglichen Elements in der Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
von 1 zeigt; 5 ist eine Darstellung,
die eine Beziehung zwischen einer Antriebsspannung und einem Antriebsstrom
und eine Beziehung zwischen Änderungen
in Bewegungspositionen des beweglichen Elements und des Ventilelements
in der Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
von 1 zeigt; 6 zeigt
Betriebsdiagramm von Positionsbeziehungen zwischen dem beweglichen
Element und dem angetriebenen Ventilelement in der Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
von 1; 7 ist eine Querschnittsansicht, die
einen Kupplungsmechanismus des beweglichen Elements und des Ventilelements
in einer Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt; 8 ist eine
perspektivische Explosionsansicht des in 7 gezeigten
Kupplungsmechanismus; 9 ist eine Querschnittsansicht,
die zeigt, wie die Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung gemäß der in 7 gezeigten
zweiten Ausführungsform
in einen Motorblock geladen wird; 10 ist eine
Querschnittsansicht, die einen offenen Zustand des Ventilelements
in der in 9 gezeigten Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
zeigt; und 11 zeigt Darstellungen von Änderungen
in der elektromagnetischen Kraft und in der Kraft, die dem beweglichen
Element in Verbindung mit der Änderung
erteilt wird, und Änderungen
in Positionen des beweglichen Elements und des Ventilelements in
der in 9 und 10 gezeigten Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung.
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BEVORZUGTE
AUSFÜHRUNGSFORM
DER ERFINDUNG
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden anhand der beigefügten Zeichnung
erläutert.
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1 bis 4 zeigen
eine Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
als eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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In
der Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
ist ein bewegliches Element 1 mit einer Ventilstange 21 eines
Ventilelements 20 eines Öffnungs-/Schließventils
als ein Einlassventil einer Brennkraftmaschine gekuppelt, um das
Ventilelement 20 zum Öffnen
und Schließen
anzutreiben. Das bewegliche Element 1 ist so angeordnet,
dass es durch einen später
erklärten
Führungsantriebsmechanismus
in einem Magnetfeld, das durch eine Wicklung 2 als eine
Magnetkraftquelle erzeugt wird, uneingeschränkt beweglich ist. Der Führungsantriebsmechanismus
des beweglichen Elements 1 hat die gleiche Konfiguration
wie der Führungsantriebsmechanismus
einer Ventilstange 12 in der Ventilantriebsvorrichtung,
die in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2000-199411 offenbart
wurde.
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Wie
es insbesondere in 3 deutlich zu sehen ist, ist
mit anderen Worten das bewegliche Element 1 im Ganzen eine
flache Komponente, die sich in die Richtungen der Pfeile A und B
frei bewegen kann. Das bewegliche Element 1 umfasst ferner
einen rechteckigen Magnethalteabschnitt 1a und einen Verriegelungsabschnitt 1b,
der mit dem vorderen Ende des Magnethalteabschnitts 1a einteilig
ver bunden ist. Der Magnethalteabschnitt 1a weist ein Paar Durchgangsbohrungen
mit rechteckigem Querschnitt auf, und ein Paar flacher rechteckiger
Magnete 3a und 3b ist in diese Durchgangsbohrungen
eingepasst. Die Magnete 3a und 3b sind so magnetisiert, dass
sie in 4 magnetisierte obere Oberflächen und untere Oberflächen aufweisen,
und die Magnetisierungsrichtungen der zwei Oberflächen sind
entgegengesetzt zueinander. Wie es in 4 gezeigt
ist, ist beispielsweise die magnetisierte obere Oberfläche des
Magneten 3a der N-Pol und die magnetisierte obere Oberfläche des
Magneten 3b ist der S-Pol. Führungsvorsprünge 4 und 5 sind
an beiden Seiten des Magnethalteabschnitts 1a ausgebildet.
Die Dicken der Führungsvorsprünge 4 und 5 sind
etwas kleiner als die Höhe
einer Seite des Magnethalteabschnitts 1a. Ferner werden
Führungsnute 4a und 4b jeweils
durch die obere Oberfläche
und die untere Oberfläche
der Führungsvorsprünge 4 und
eine Seitenfläche
des Magnethalteabschnitts 1a gebildet. Wie es in 4 deutlich
zu sehen ist, stehen zwei Rollenpaare 41, 42 und 43, 44 mit
den Führungsnuten 4a und 4b in
Eingriff, um den Führungsvorsprung 4 so
zu halten, dass der Magnethalteabschnitt 1a, d. h. das
bewegliche Element 1, geführt wird. Der Führungsvorsprung 5 weist
ebenfalls eine Konfiguration ähnlich
jener des Führungsvorsprungs 4 auf,
auch wenn er hier nicht gezeigt ist.
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Unterstützungsrahmen 11 und 11' sind völlig gleich
ausgebildet, derart, dass sie eine im Wesentlichen A-förmige Form
haben und einander gegenüber angeordnet
sind, wobei sich das bewegliche Element 1 und die Wicklung 2 dazwischen
befinden. Der Unterstützungsrahmen 11 umfasst
eine Oberseite 12, ein Paar Schenkel 13a und 13b und
eine Stütze 14, die
zwischen den Schenkeln 13a und 13b vorgesehen
ist. Der Unterstützungsrahmen 11' weist die gleiche
Konstruktion wie jene des Unterstützungsrahmens 11 auf.
Ferner befindet sich ein unterer Rahmen 18 zwischen freien
Enden der Schenkel 13a und 13b des Unterstützungsrahmens 11. Ähnlich befindet sich
ein unterer Rahmen 18' zwischen
freien Enden der Schenkel des Unterstützungsrahmens 11'. Die unteren
Rahmen 18 und 18' werden
durch Magnetkräfte
der Magnete 3a und 3b in der Figur aufwärts gezogen.
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Ein
Joch 31 mit einer im Wesentlichen C-förmigen Form im Querschnitt
in der Bewegungsrichtung des beweglichen Elements 1 wird
zwischen den Unterstützungsrahmen 11 und 11' gehalten. Ferner ist
ein im Wesentlichen rechteckiges parallelepipedförmiges Joch 35 bei
der Mitte des Jochs 31 vorgesehen. Wie es in 2 deutlich
zu sehen ist, sind zwei Endflächen 34 und 36 des
Jochs 31 und des Jochs 35 dem Paar Magneten 3a und 3b zugewandt,
die durch das bewegliche Element 1 unterstützt werden. Ferner
ist ein im Wesentlichen rechteckiges parallelepipedförmiges Joch 32 dem
Joch 31 zugewandt, wobei sich das bewegliche Element 1 zwischen
den beiden Jochs befindet. Das Joch 32 ist zwischen den unteren
Rahmen 18 und 18' befestigt,
ein (nicht gezeigter) Wicklungskern ist um das Joch 35 vorgesehen,
und die Wicklung 2 ist um den Kern gewickelt. Wenn der
Wicklung Strom zugeführt
wird, wird zwischen den Endflächen 34 und 36 des
Jochs 31 und des Jochs 35 ein Magnetfeld erzeugt
und ferner ermöglicht
es das Joch 32, dass sich das bewegliche Element 1 bewegt.
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Rollenhaltenute 45 und 46 sind
bei der oberen Oberfläche
der unteren Jochs 18 und 18' längs der Bewegungsrichtung des
beweglichen Elements 1 ausgebildet, und die Rollen 41 und 42 werden
so gehalten, dass sie in den entsprechenden Rollenhaltenuten 45 und 46 in
die Bewegungsrichtung des beweglichen Elements 1 beweglich
sind. Andererseits sind (nicht gezeigte) Rollenhaltenuten in der
unteren Oberfläche
der Stütze 14 so
vorgesehen, dass sie den Rollenhaltenuten 45 und 46 zugewandt
sind. Auf diese Weise werden die Rollen 43 und 44 so
gehalten, dass sie in diesen Rollenhaltenuten in die Bewegungsrichtung
des beweglichen Elements 1 beweglich sind. Da ein ähnlicher
Rollenhaltemechanismus in dem Unterstützungsrahmen 11' und in dem
unteren Rahmen 18' ausgebildet
ist, kann sich das bewegliche Element 1 reibungslos in
die Richtungen A und B bewegen.
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Gemäß dem Führungsantriebsmechanismus des
beweglichen Elements 1 kann das bewegliche Element 1 um
einen Bewegungsbetrag in einer wesentlichen Proportion bzw. Verhältnis zu
der Größenordnung
bzw. Magnitude des Antriebesstroms bewegt werden, der der Wicklung 2 zugeführt wird.
Die zu Grunde liegenden Prinzipien des Führungsantriebsmechanismus sind ähnlich jenem,
der in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2000-199411 offenbart
ist und folglich wird hier eine ausführliche Erklärung unterlassen.
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Nun
wird anhand 3 erklärt, wie der Verriegelungsabschnitt 1b des
beweglichen Elements 1 und die Ventilstange 21 ineinander
eingreifen. Das heißt,
der Verriegelungsabschnitt 1b weist im Ganzen eine im Wesentlichen
rechteckige parallelepipedförmige
Form auf und hat eine Verriegelungsbohrung 1ba. Die Verriegelungsbohrung 1ba hat
einen rechteckigen Querschnitt in einer Ebene parallel zu der Hauptebene
des beweglichen Elements 1. Eine Eingriffsnut 1bb mit
einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt
ist bei einem Wandabschnitt am vorde ren Ende zwischen der Innenwand
der Verriegelungsbohrung 1ba und der vorderen Endfläche des Verriegelungsabschnitts 1b vorgesehen.
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Andererseits
weist das Ventilelement 20 einen Abschnitt 21a mit
kleinerem Durchmesser auf, der nahe dem hinteren Ende der Ventilstange 21 ausgebildet
ist. Das Ventilelement 20 weist ferner einen Verriegelungsabschnitt 21b mit
größerem Durchmesser
auf, der bei dem vorderen Ende des Abschnitts 21a mit kleinerem
Durchmesser vorgesehen ist. Der Abschnitt 21a der Ventilstange 21 mit
kleinerem Durchmesser ist in die Eingriffsnut 1bb eingepasst. Die
Ventilstange 21 und das bewegliche Element 1 sind
durch einen Mechanismus miteinander gekuppelt, der für die Kupplung
zwischen dem Verriegelungsabschnitt 1b und der Ventilstange 21 sorgt,
so dass innerhalb eines eingeschränkten Bereichs, der einem Unterschied
zwischen der Länge
des Abschnitts 21a mit kleinerem Durchmesser und der Dicke
des Wandabschnitts des vorderen Endes des Verrieglungsabschnitts 1b entspricht,
eine relativ freie Bewegung der Ventilstange und des beweglichen
Elements zueinander ermöglicht
wird.
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Es
wird angemerkt, dass die Grenzflächen von
beiden Enden des Abschnitts 21a mit kleinerem Durchmesser
senkrecht zu der Ventilstange stehen, und dass beide Seiten des
Wandabschnitts am vorderen Ende des Verriegelungsabschnitts eben
sind, um die relative Bewegung des Ventilelements 20 und des
beweglichen Elements 1 innerhalb des eingeschränkten Bereichs
sicherzustellen. Beide Seiten des Wandabschnitts am vorderen Ende
können
jedoch auch als gegenseitig einander zugeneigte Ebenen oder als
gekrümmte
Ebenen ausgebildet sein.
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Der
Betrieb der Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
wird anhand 5 und 6 ausführlich erklärt.
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Wie
es durch eine durchgezogene Linie in dem oberen Teil der Darstellung
von 5 gezeigt ist, wird beiden Enden der Wicklung 2 eine
Antriebsspannung V zugeführt,
die eine Gruppe aus positiven ansteigenden Impulsen in einem Zeitraum
von beispielsweise 2,6 Millisekunden seit einem Zeitpunkt Null umfasst.
Als Antwort auf die Zufuhr beginnt ein Strom I, wie es durch eine
Strichlinie angegeben ist, durch die Wicklung 2 zu fließen. Wie
es durch eine Punktlinie in dem unteren Teil von 5 gezeigt
ist, beginnt folglich das bewegliche Element 1 von einem Zeitpunkt
(a) an, sich zu der Vorderseite zu bewegen. Dieser Zustand ist in 6(a) gezeigt.
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Wenn
die Antriebsspannung V innerhalb eines Zeitraums von etwa 5,9 ms
in eine Gruppe von Impulsen mit verringerter Geschwindigkeit geändert wird,
wird nun der Strom I ein negativer Antriebsstrom, wodurch es möglich wird,
die Bewegungsgeschwindigkeit des beweglichen Elements 1 zu
verringern. Auf diese Weise erreicht zum Zeitpunkt (b), wenn ein
derartiger negativer Antriebsstrom zugeführt wird, um eine Verringerung
der Bewegungsgeschwindigkeit des beweglichen Elements 1 zu
beginnen, der Betrag der Bewegung des beweglichen Elements 1 beispielsweise
3 mm. Hierauf gelangt die Wand am vorderen Ende des Verriegelungsabschnitts 1b des
beweglichen Elements 1 in Kontakt mit der Vordergrenze
A1 des Abschnitts 21a der Ventilstange 21 mit
kleinerem Durchmesser, und die Ventilstange 21 beginnt,
sich nach rechts zu bewegen, indem sie gedrückt wird. Dieser Zustand ist
in 6(b) gezeigt.
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Der
Kontakt des beweglichen Elements 1 mit der Ventilstange 21 sorgt
dafür,
dass die Geschwindigkeit des beweglichen Elements 1 weiter
verringert wird. Andererseits bewegt sich die Ventilstange 21 zu der
Vorderseite, d. h. in eine Ventilöffnungsrichtung, mit einer
im Wesentlichen konstanten Geschwindigkeit, jedoch mit einer höheren Geschwindigkeit
im Vergleich zu jener des beweglichen Elements 1, um den
Hubbetrag des Öffnungs-/Schließventils
zu vergrößern. Die
Bewegungsgeschwindigkeit der Ventilstange 21 ist höher als
die Bewegungsgeschwindigkeit des beweglichen Elements 1,
und folglich gelangt die Endfläche
des Verriegelungsabschnitts 21b der Ventilstange 21 mit
größerem Durchmesser
mit einer hinteren Endfläche
A2 des Wandabschnitts am vorderen Ende des Verriegelungsabschnitts 21-1b in Kontakt.
Folglich wirkt das bewegliche Element 1 so, als ob es durch
die Ventilstange 21 gezogen wird. Dieser Zustand ist in 6(d) gezeigt.
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Zum
Zeitpunkt (e) ist ferner die Geschwindigkeit des beweglichen Elements 1 weiter
verringert, so dass sie sich der Geschwindigkeit Null nähert, und wenn
die Ventilstange 21 eine maximale Hubposition bei etwa
6 mm zum Zeitpunkt (f) erreicht, beginnt das bewegliche Element 1,
zu der ursprünglichen
Position zurückzukehren.
Dieser Zustand ist in 6(e) und (f)
gezeigt.
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Ferner
nähert
sich zum Zeitpunkt (g) ein Ventilkopf 22 durch einen Rückkehrvorgang
des beweglichen Elements 1 einem (nicht gezeigten) Ventilsitz für das Öffnungs-/Schließventil.
Schließlich
kehrt das bewegliche Element 1 in die Nähe der Anfangsposition zurück und hierauf
schließt
das Öffnungs-/Schließventil.
Dieser Zustand ist in 6(g) und (h)
gezeigt.
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Wie
aus dem Ablauf klar hervorgeht, ist die Änderung in den Bewegungspositionen
der Ventilstange 21 (die durch die durchgezogene Linie
in dem unteren Teil von 5 angegeben ist) schneller im Vergleich
zu der Änderung
der Bewegungspositionen des beweglichen Elements 1 (die
durch die Strichlinie in dem unteren Teil von 5 angegeben
ist). Folglich ist es möglich,
einen Hubbetrag sicherzustellen, der für ein Öffnen des Ventils in einem
kurzen Zeitraum ausreichend ist. Mit anderen Worten ist es möglich, einen
stärker
erhöhten
Hubbetrag zum Öffnen des
Ventils im Vergleich zu der Antriebsleistung in der Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung zu erhalten.
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Da
die Konfiguration angewendet wird, bei der das bewegliche Element 1 und
die Ventilstange 20 einander wechselseitig innerhalb eines
eingeschränkten
Bereichs bewegen, wird in der ersten Ausführungsform in dem beweglichen
Element 1 gespeicherte kinetische Energie an das Ventilelement 20 übertragen.
Folglich kann ein schneller Öffnungs-/Schließvorgang
des Ventilelements erwartet werden.
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Eine
in 7 und 8 gezeigte zweite Ausführungsform
verwendet eine Kupplungseinheit mit einem elastischen Glied.
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In
der zweiten Ausführungsform
unterstützen zwei
Flügelabschnitte 50a und 50b eines
Ventilelement-Kupplungsglieds 50 zwei Ventilelemente 20-1 und 20-2,
so dass das bewegliche Element 1 und die Ventilelemente 20-1 und 20-2 miteinander
gekuppelt sind. Die Flügelabschnitte 50a und 50b sind
durch Ringabschnitte 50c und 50d miteinander gekuppelt. Die
Ringabschnitte 50c und 50d und eine an dem vorderen
Ende 1b des beweglichen Elements 1 befestigte
Stange 52 stehen wechselseitig miteinander in gleitendem
Eingriff. Ferner ist der Durchmesser eines Abschnitts am vorderen
Ende 52a der Stange 52 vergrößert, um als ein Stoppelement
für die
Ringabschnitte 50c und 50d zu wirken. Der Ringabschnitt 50d steht
mit dem vorderen Ende des Verriegelungsabschnitts 1b in
gleitendem Eingriff. Ferner ist eine durch zwei Flansche 53 und 54 gehaltene
Feder 55 als elastisches Glied zwischen dem vorderen Ende des
Verriegelungsabschnitts 1b und dem Ringabschnitt 50c angeordnet.
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In
dieser Konfiguration wird die Kupplungseinheit so gebildet, dass
das bewegliche Element 1 und die Ventilelemente 20-1 und 20-2 durch
die Feder wechselsei tig beweglich miteinander gekuppelt sind. Es
wird angemerkt, dass der Antriebsmechanismus des bewegliches Elements 1 die
gleiche Konfiguration hat wie jenes der in 1 bis 4 gezeigten
ersten Ausführungsform,
und folglich wird eine Erklärung
unterlassen.
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9 und 10 zeigen
ein Beispiel der Konfiguration der Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
gemäß der zweiten
Ausführungsform,
die in einen Motorkopf 60 eingebaut ist. Das heißt, die zwei
Ventilelemente 20-1 und 20-2 dienen als Ventilelemente
von zwei Einlassventilen eines Zylinders, und Ventilstangen 21-1 und 21-2 der
Ventilelemente 20-1 und 20-2 sind in dem Zylinderkopf 60 so
angeordnet, dass sie sich frei hin- und herbewegen können. Die
Köpfe 22-1 und 22-2 der
Ventilstangen öffnen
und schließen
jeweils zusammen mit Ventilsitzen 23-1 und 23-2 Einlasspfade
des Zylinders. Die in 7 und 8 gezeigte Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
ist in den Zylinderkopf 60 durch einen Halterahmen 61 eingepasst.
Der Halterahmen 61 ist mit einer Öffnung 61a versehen,
durch die der Abschnitt 1b des vorderen Endes des beweglichen Elements 1 frei
zu dem Zylinderkopf 60 vorsteht. Der Halterahmen 61 ist
ferner mit einem Stopppelement 62 versehen, das den Maximalhub
des Ventilelement-Kupplungsglieds 50 steuert.
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In
dem in 9 gezeigten Zustand fließt ein Zug-Antriebsstrom zu
der Wicklung 2, so dass eine zu der Seite B der Figur gerichtete
elektromagnetische Kraft an dem beweglichen Element 1 anliegt, und
das Öffnungs-/Schließventil
ist in dem Ventilschließzustand.
Das Ventilelement-Kupplungsglied 50 steht mit dem vergrößerten Abschnitt 52a am
vorderen Ende der Stange 52 in Kontakt und befindet sich
etwas entfernt von dem Abschnitt 1b des vorderen Endes
des beweglichen Elements 1. In diesem Fall ist die Feder 55 zusammengedrückt, um
eine mechanische Vorspannung zu der rechten Seite, d. h. in die
Richtung A der Figur für
das bewegliche Element 1 bereitzustellen.
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In
einem derartigen Zustand, wenn der Wicklung 2 ein Druck-Antriebsstrom
zugeführt
wird, so dass das bewegliche Element 1 zu der rechten Seite gedrückt wird,
wird zu der mechanischen Vorspannung eine Antriebskraft zum Drücken des
beweglichen Elements 1 hinzugefügt, um das bewegliche Element 1 in
die Richtung A zu bewegen. Wie es in 10 gezeigt
ist, bewegt sich folglich das vordere Ende 52a der Stange 52 vor
einer Bewegung des Ventilelement-Kupplungsglieds 50 in
die Richtung A. Nachdem die Feder 55 zusammengedrückt ist,
gelangt hier auf die vordere Endfläche des Abschnitts 1b am
vorderen Ende des beweglichen Elements in Kontakt mit der hinteren
Endfläche
des Ventilelement-Kupplungsglieds 50, um das Ventilelement-Kupplungsglied
weiter in die Richtung A zu drücken,
um so zu ermöglichen,
dass sich das Glied bewegt.
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Die
Bewegung der Ventilelemente 20-1 und 20-2 in Verbindung
mit der Bewegung des beweglichen Elements 1 durch Zuführen des
Antriebsstroms zu der Wicklung in der zweiten Ausführungsform
wird nachfolgend anhand 11 erklärt.
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Wie
es in der Darstellung von 11(A) durch
eine Strichlinie Fe gezeigt ist, beträgt die dem beweglichen Element 1 durch
die Wicklung 2 erteilte elektromagnetische Antriebskraft –100 N zum
Zeitpunkt Null. Wie es in 9 gezeigt
ist, weicht in diesem Anfangszustand das bewegliche Element 1 lediglich
um 3 mm von der mittigen Position in die Richtung B oder in die
negative Richtung ab, um die Feder 55 durch eine Kraft
von 100 N zusammenzudrücken.
Folglich zeigt eine durchgezogene Kurve X1, die die Bewegung des
beweglichen Elements 1 in der Darstellung von 11(B) angibt, dass die Anfangsposition
des beweglichen Elements 1–3
mm beträgt. Zu
diesem Zeitpunkt befinden sich beide Ventilelemente 20-1 und 20-2 bei
der Position Null, d. h. in der vollständig geschlossenen Position
des Öffnungs-/Schließventils,
wie es durch eine Strichkurve X2 gezeigt ist.
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Wenn
der Antriebsstrom I einen Nennstromwert unmittelbar nach dem Zeitpunkt
Null erreicht, erreicht in diesem Zustand die elektromagnetische
Antriebskraft Fe beispielsweise 100 Newton (N). Hierauf beginnt
das bewegliche Element 1, sich in die Richtung A von dem
Zustand von 9 zu bewegen, d. h. von der
Position bei –3
mm, wie es durch die Kurve X1 von 11(B) gezeigt
ist. Zu diesem Zeitpunkt wird eine Gesamtkraft Ft = (Fe + Fk) aus
der elektromagnetischen Antriebskraft Fe, die an das bewegliche
Element 1 angelegt ist, und aus einer Kraft Fk durch die
Feder 55 in dem zusammengedrückten Zustand bei dem beweglichen
Element 1 aufgebracht. Dieser Zustand ist durch eine Kurve
Ft in 11(A) gezeigt. Folglich wird
das bewegliche Element 1 in die Richtung A schnell beschleunigt.
Wenn das bewegliche Element 1 nach etwa 1,5 ms die Nullposition
erreicht (die Position, bei der die Feder 55 zu einer neutralen
Position in einem Stillstandszustand kommt), wird die Kraft Fk durch
die Feder 55 Null und die Gesamtkraft Ft wird gleich der
elektromagnetischen Antriebskraft Fe. Wie es durch die Kurve X1 von 11(B) gezeigt ist, wird folglich bei dem
beweglichen Element 1 seine Trägheitskraft aufgebracht, damit
es sich fortgesetzt in die A-Richtung
bewegt. Wenn die Feder 55 schrumpft, wird die Kraft Fk der
Feder 55 jedoch ein Wert in die B-Richtung, d. h. ein negativer
Wert, und folglich ist die Gesamtkraft Ft kleiner als die elektromagnetische
Antriebskraft Fe.
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Von
dem Zeitpunkt unmittelbar nachdem das bewegliche Element 1 die
Nullposition erreicht hat, beginnt andererseits das Ventilelement-Kupplungsglied 50,
sich in die A-Richtung zu bewegen. Wie es durch die Kurve X2 von 11(B) gezeigt ist, bewegt sich daraufhin
das Ventilelement-Kupplungsglied 50 schnell in die die
A-Richtung, wenn die Feder 55 ausgedehnt ist, und die Ventilköpfe 22-1 und 22-2 bewegen
sich schnell von den Ventilsitzen weg, so dass das Öffnungs-/Schließventil
offen ist. Wie es durch die Kurve X2 von 11(B) deutlich
gezeigt ist, ist diese Änderung
in den Bewegungspositionen des Ventilelement-Kupplungsglieds 50 steil,
was anzeigt, dass die Ventilöffnungsgeschwindigkeit
des Öffnungs-/Schließventils
eine hohe Geschwindigkeit ist.
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Zu
dem Zeitpunkt, zu dem etwa 3 ms seit dem Zeitpunkt Null vergangen
sind, wird die Stromzufuhr an die Wicklung 2 umgekehrt.
Hier wirkt eine negative Antriebskraft, beispielsweise –100 N,
um das bewegliche Element 1 durch die Magnetkraft der Magnete 3a und 3b zurückzubringen.
Wie es deutlich durch die Kurve X2 gezeigt ist, bewegt sich zu diesem
Zeitpunkt das Ventilelement-Kupplungsglied 50 fortgesetzt
in die A-Richtung. Die Gesamtkraft Ft, die durch die Federbelastung
Fk auf das bewegliche Element 1 aufgebracht wird, erreicht
einen Wert nahe bei –200
N. Daraufhin gelangt das bewegliche Element 1 in den Rückkehrbetrieb
etwa zu dem Zeitpunkt, zu dem etwa 1 ms vergangen ist. Hierauf beginnt
die Feder 55, durch den neutralen Zustand in die Ventilöffnungsrichtung
zu schrumpfen. Die Gesamtkraft Ft, die auf das bewegliche Element 1 aufgebracht
wird, wird im Absolutwert geringer als die magnetische Kraft Fe.
Folglich verringert das bewegliche Element 1 schrittweise
seine Geschwindigkeit und bewegt sich zu der Grundposition oder
der Anfangsposition, wie es deutlich durch die Kurve X1 gezeigt
ist. Im Zusammenhang damit beginnt das Ventilelement-Kupplungsglied 50,
wie es durch die Kurve X1 gezeigt ist, mit einer schnellen Geschwindigkeit, die
ebenfalls durch den Schrumpfvorgang der Feder 55 bewirkt
wird, ebenfalls zu der Schließposition
zurückzukehren.
Der Druck-Antriebsstrom fließt
in einem Zeitraum seit dem Zeitpunkt unmittelbar bevor das bewegliche
Element 1 die Position Null erreicht, bis zu dem Zeitpunkt,
bei dem etwa 1 ms vergangen ist, in der Wicklung 2. Auf
diese Weise ist es durch eine Verringerung der Geschwindigkeit des
Rück kehrvorgangs
des beweglichen Elements 1 möglich, den Stoß zu verringern,
der erzeugt wird, wenn das Ventil geschlossen wird. Folglich wird
bei dem beweglichen Element 1 eine Kraft in die Richtung
A wegen des Schrumpfens der Feder 55 aufgebracht, und die
Gesamtkraft Ft, die durch die Kraft größer wird, wird hier aufgebracht.
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Wenn
sich das bewegliche Element 1 zu der Anfangsposition bewegt,
nachdem es durch die Nullposition gelaufen ist, kehrt das Ventilelement-Kupplungsglied 50 mit
einer hohen Geschwindigkeit zurück
und die Ventilköpfe 22-1 und 22-2 setzen
sich auf die Ventilsitze.
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Wie
es auf Grund der vorhergehenden Erklärung klar verstanden werden
kann, ist die Feder 55 zwischen dem beweglichen Element 1 und
dem Ventilelement-Kupplungsglied 50 angeordnet.
Wenn das Öffnungs-/Schließventil
offen oder geschlossen ist, wird die Feder 55 zusammengedrückt und
die elastische Energie wird in der Feder 55 gespeichert,
und folglich ist es möglich,
einen schnellen Öffnungsvorgang
des Ventilelements zu erwarten, wenn das Ventil geöffnet werden
soll, und einen schnellen Schließvorgang des Ventilelements
zu erwarten, wenn das Ventil geschlossen werden soll.
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Es
wird angemerkt, dass der Zug-Antriebsstrom auf Grund der Betriebsbedingungen
geregelt wird. Wenn die Motorgeschwindigkeit gleich oder geringer
als eine vorherbestimmte Geschwindigkeit ist, ist es beispielsweise
möglich,
die Ventilöffnungs-
und Ventilschließgeschwindigkeit
zu schaffen, auch wenn die elastische Energie nicht gespeichert
ist.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Wie
aus der Erklärung
klar verstanden werden kann, nutzt die Öffnungs-/Schließventilantriebsvorrichtung
gemäß der vorliegenden
Erfindung die Konfiguration, derart, dass das durch den elektromagnetischen
Aktuator angetriebene bewegliche Element und das Ventilelement des Öffnungs-/Schließventils
miteinander gekuppelt sind, wobei relative Bewegungen der beiden
Elemente wechselseitig möglich
sind. Auf diese Weise ist es möglich,
die Öffnungs-
und Schließgeschwindigkeit
des Öffnungs-/Schließventils
zu verbessern und außerdem den
Hubbetrag zu erzielen, der für
ein Öffnen
des Ventils erforderlich ist, ohne die Vorrichtung zu vergrößern und
ohne den Leistungsverbrauch zu erhöhen.