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Die vorliegende Erfindung betrifft eine
elektromagnetische Ventileinheit zum selektiven Öffnen und
Schließen einer Einlaß- oder Auslaßöffnung eines
Verbrennungsmotors durch elektromagnetische Kräfte.
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Einlaß- und Auslaßventile zum selektiven Öffnen
und Schließen der Einlaß- bzw. Auslaßöffnung eines
Verbrennungsmotors werden im allgemeinen mittels eines
Ventilbetätigungsmechanismus betrieben, welcher durch
Nocken auf einer Nockenwelle betätigt wird.
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Elektromagnetische Ventilsteuerungssysteme zum
Steuern der Betätigungszeiten der Einlaß- bzw.
Auslaßventile von Verbrennungsmotoren durch ein
elektromagnetisches Betätigungsmittel werden in den
Japanischen Offenlegungsschriften Nr. 58(1983)-183805
sowie Nr. 61(1986)-767l3 offenbart. Diese im Stand der
Technik bekannten elektromagnetischen
Ventilsteuerungssysteme beziehen sich jedoch nicht auf eine
Verbesserung von Einlaß- und Auslaßventilen. Die bei
den bekannten elektromagnetischen
Ventilsteuerungssystemen verwendeten Einlaß- und Auslaßventile sind
insofern problematisch, als sie, da die Ventile aus
Metall bestehen, schwer sind, schlecht ansprechen und
große Antriebskräfte erfordern.
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Ein Ventil aus einem keramischen Werkstoff ist
leicht und dazu geeignet, erforderliche
Ventilfunktionen auszuführen. Allerdings weist der keramische
Werkstoff eine hohe magnetische Reluktanz auf, da er
nichtmagnetisch ist. Demzufolge muß das in Zusammenhang
mit dem keramischen Ventil verwendete
elektromagnetische Betätigungsmittel eine erhöhte Magnetpfad-
Querschnittsfläche aufweisen. Dies hat zur Folge, daß
das bewegliche Glied des elektromagnetischen
Betätigungsmittels schwer ist und dieselben Probleme
wie bei den obengenannten, herkömmlichen Ventilen auch
weiterhin zu lösen sind.
GB-A-568216 offenbart einen Ventilmechanismus, der
einen Flanschabschnitt von kegelstumpfförmiger Gestalt
aufweist.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,
eine elektromagnetische Ventileinheit zur Verwendung in
einem Verbrennungsmotor vorzusehen, wobei diese
Ventileinheit ein Ventil umfaßt, welches als Einlaß-
oder Auslaßventil zum selektiven öffnen einer Einlaß-
oder Auslaßöffnung im Motor dient, und ein bewegliches
Glied, welches durch ein elektromagnetisches
Betätigungsmittel bewegbar ist, wobei das Ventil und
das bewegliche Glied leicht sind, so daß das Ventil
durch elektromagnetische Betätigungsmittel mit gutem
Ansprechverhalten betätigt werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung, welche auf der
Grundlage von GR-A-568216 gekennzeichnet ist, wird eine
elektromagnetische Ventileinheit zum selektiven Öffnen
und Schließen einer mit einem Zylinder kommunizierenden
Öffnung in einem Verbrennungsmotor vorgesehen,
umfassend:
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ein Ventil zum selektiven Öffnen und Schließen der
Öffnung, wobei das Ventil einen Schaft umfaßt;
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ein bewegliches Glied, welches an einem Ende des
Schafts befestlgt ist und einen im allgemeinen
kegelstumpfförmigen Flanschabschnitt an einem seiner Enden
aufweist, wobei das bewegliche Glied aus einem
Magnetwerkstoff besteht;
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eine erste Spule, welche um das bewegliche Glied
herum angeordnet ist;
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ein feststehendes Glied, welches in einer dem
beweglichen Glied entgegengesetzten Beziehung
angeordnet ist und einen Ausnehmungsabschnitt aufweist,
der seiner Form nach zum kegelstumpfförmigen
Flanschabschnitt komplementär ist, wobei das feststehende
Glied aus einem Magnetwerkstoff besteht; und
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eine zweite Spule, welche um das feststehende
Glied herum angeordnet ist,
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dadurch gekennzeichnet, daß
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das Ventil aus einem keramischen Werkstoff
besteht;
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der kegelstumpfförmige Flanschabschnitt eine
konisch zulaufende Fläche aufweist, welche sich aus
einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Stufen
zusammensetzt; und
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der Ausnehmungsabschnitt eine konisch zulaufende
Fläche aufweist, welche sich aus einer Mehrzahl
aufeinanderfolgender Stufen zusammensetzt, die ihrer
Form nach zu den aufeinanderfolgenden Stufen des
kegelstumpfförmigen Flanschabschnittes komplementär sind, um
die Magnetpfad-Querschnittsfläche des beweglichen
Gliedes zu vergrößern
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Die obengenannten und weitere Aufgaben, Merkmale
und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch
die folgende Beschreibung deutlicher erkennbar, wenn
diese in Verbindung mit den bei liegenden Zeichnungen
betrachtet wird, auf welchen eine bevorzugte
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung als
illustratives Beispiel dargestellt wird.
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Es zeigen:
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Fig. 1 ein Blockdiagramm, zum Teil als
Querschnitt, eines Ventilsteuerungssystems, umfassend eine
erfindungsgemäße elektromagnetische Ventileinheit zur
Verwendung in einer Kraftmaschine mit äußerer
Verbrennung.
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Fig. 2 einen vergrößerten Querschnitt der in Fig.
1 dargestellten elektromagnetischen Ventileinheit; und
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Fig. 3 einen Querschnitt von Magnetpolabschnitten
einer herkömmlichen elektromagnetischen Ventileinheit.
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Fig. 1 zeigt ein Ventilsteuerungssystem, welches
eine erfindungsgemäße elektromagnetische Ventileinheit
zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor beinhaltet.
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Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist ein
Verbrennungsmotor 1 auf einem Kraftfahrzeug (nicht dargestellt)
montiert, um das Kraftfahrzeug anzutreiben. Der
Verbrennungsmotor 1 wird mit Kraftstoff aus einer
Kraftstoffversorgungseinheit 11, beispielsweise einer
Kraftstoffeinspritzpumpe, versorgt. Die Menge an
Kraftstoff, welche von der Kraftstoffversorgungseinheit 11
zum Verbrennungsmotor 1 geführt wird, wird durch einen
Motorlastsensor 12 erfaßt, welcher ein erfaßtes Signal
zur Steuerung 5 führt. Der obere Totpunkt des Kolbens
in jedem der Zylinder des Verbrennungsmotors 1 und die
Winkellage der Kurbelwelle des Motors 1 werden durch
einen Kurbelwellenwinkelsensor 13 erfaßt. Ein
Motordrehzahlsensor 14 zum Erfassen der Drehzahl des Motors
1 ist in einer entgegengesetzten Beziehung zu einem
Schwungrad 1a des Motors 1 angeordnet. Erfaßte Signale
von den Sensoren 13, 14 werden ebenfalls zur Steuerung
5 geleitet.
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Ein Einlaßventil 2 zum selektiven Öffnen und
Schließen einer Einlaßöffnung 34, welche mit jedem
Zylinder des Verbrennungsmotors 1 kommuniziert, besteht
aus einem keramischen Werkstoff, beispielsweise aus
Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder dergleichen. Das
Einlaßventil 2 ist gleitend in eine Ventilführungshülse
31 eingepaßt, welche in einem Zylinderkopf 3 montiert
ist, und besteht aus einem keramischen Werkstoff,
beispielsweise aus Siliziumnitrid, Siliziumkarbid oder
dergleichen. Das Einlaßventil 2 umfaßt einen Ventilkopf
21, welcher auf einem Ventilsitz 33 aufgesetzt oder
davon abgehoben werden kann, um die Einlaßöffnung 34 zu
öffnen und zu schließen, um dadurch den in den
Motorzylinder fließenden Luftstrom zu steuern. Ein
bewegliches Glied 22 aus einem ferromagnetischen
Material, beispielsweise aus weichem Stahl, wird
feststehend über das obere Ende des Schafts 23 des
Einlaßventils 2 gepaßt. Das bewegliche Glied 22 umfaßt einen
hohlen, zylindrischen Abschnitt 221 und einen
kegelstumpfförmigen Flanschabschnitt 222 am oberen Ende des
hohlen, zylindrischen Abschnitts 221. Das bewegliche
Glied 22 kann am Ventilschaft 23 beispielsweise auf die
in der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 60(1985)-
92025 offenbarte Weise befestigt werden. Im Detail wird
das bewegliche Glied 22 über das obere Ende des
Ventilschafts
23 gepaßt, und sodann wird das obere Ende des
beweglichen Glieds 22 zusammengedrückt, um einen
Abschnitt des beweglichen Glieds 22 zu einer Rille 231
zu verformen, welche im und um das obere Ende des
Ventilschafts 23 herum ausgebildet ist. Während der
Ventilschaft 23 aus Keramik im Zentrum des beweglichen
Glieds 22 angeordnet ist, verhindert der
kegelstumpfförmige Flanschabschnitt 222 am hohlen, zylindrischen
Abschnitt 221, daß sich die magnetische Reluktanz
erhöht, welche gegen Magnetflüsse zum Antreiben des
Ventils 2 wirkt, und der hohle, zylindrische Abschnitt
221 schafft einen Magnetpfad mit ausreichender
Querschnittsfläche.
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Eine untere Spule 24 ist um das bewegliche Glied
22 herum angeordnet. Wird die untere Spule 24 erregt,
dann bewegt sie das bewegliche Glied 22 magnetisch in
der axialen Richtung des Einlaßventils 2. Ein
Elektromagnet 4 ist über dem beweglichen Glied 22 in einer
entgegengesetzten Beziehung dazu angeordnet. Der
Elektromagnet 4 umfaßt ein feststehendes Glied 41 aus
einem ferromagnetischen Material, beispielsweise aus
weichem Stahl, und eine obere Spule 42, welche um das
feststehende Glied 41 herum angeordnet und daran
befestigt ist. Das feststehende Glied 41 umfaßt einen
massiven, zylindrischen Abschnitt 411 und einen
Ausnehmungsabschnitt 412, welcher am unteren Ende des
massiven, zylindrischen Abschnittes 411 in einer
entgegengesetzten Beziehung zum kegelstumpfförmigen
Flanschabschnitt 222 angeordnet ist, wobei der
Ausnehmungsabschnitt 412 eine Ausnehmung aufweist,
welche ihrer Form nach zum Flanschabschnitt 222
komplementär ist. Das bewegliche Glied 22, die untere
Spule 24, das feststehende Glied 41, und die obere
Spule 42 dienen zusammen als elektromagnetisches
Betätigungsmittel zum elektromagnetischen Betätigen des
Einlaßventils 2. Durch Zuführen von elektrischer
Energie von einer Batterie 51 zu den Spulen 24, 42 und
Steuern der Polarität und der Spannung der zugeführten
elektrischen Energie steuert das elektromagnetische
Betätigungsmittel das Öffnen und Schließen des
Einlaßventils 2 und die Intensität der Kräfte zum Öffnen und
Schließen des Einlaßventils 2. Eine Schraubenfeder 25
ist um den ventilschaft 23 herum zwischen dem
beweglichen Glied 22 und der Ventilführungshülse 31
angeordnet, um im Normalfall das Einlaßventil 2 zu
belasten, so daß es die Einlaßöffnung 34 verschließt,
und zu verhindern, daß sich das Einlaßventil 2
niedersenkt, wenn die Spulen 24, 42 entregt werden.
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Das bewegliche Glied 22 und das feststehende Glied
41 werden anhand Fig. 2 ausführlicher beschrieben. Die
konisch zulaufende äußere Oberfläche des
kegelstumpfförmigen Flanschabschnitts 222 des beweglichen Glieds
22 besteht aus einer Mehrzahl aufeinanderfolgender
Stufen 223. Die konisch zulaufende innere Oberfläche
der Ausnehmung des Ausnehmungsabschnitts 412 besteht
ebenfalls aus einer Mehrzahl aufeinanderfolgender
Stufen 413, welche zu den Stufen 223 komplementär sind.
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Wird das bewegliche Glied 22 magnetisch zum
feststehenden Glied 41 hingezogen, dann werden diese
Stufen 223, 413 eng gegeneinander in einer
ineinanderpassenden Beziehung gehalten. Aufgrunddessen weist der
Magnetpfad, durch den Magnetflüsse beim Betätigen des
Einlaßventils 2 treten, durch diese Stufen 223, 413
eine breitere Querschnittsfläche auf, als dies mit
Magnetpolen einer herkömmlichen Bauart möglich wäre,
welche sich entlang der Richtung, in welcher das Ventil
betätigt wird, flach gegenüberliegen, wie aus Fig. 3
hervorgeht. Das bewegliche Glied 22 kann somit durch
elektromagnetische Kräfte stark zum feststehenden Glied
41 hingezogen und davon abgestoßen werden.
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Wie aus Fig. 2 hervorgeht, weist der massive,
zylindrische Abschnitt 411 eine Magnetpfad-
Querschnittsfläche A auf, weist der
Ausnehmungsabschnitt 412 eine Magnetpfad-Querschnittsfläche B auf,
weist der kegelstumpfförmige Flanschabschnitt 222 eine
Magnetpfad-Querschnittsfläche C auf, und weist der
hohle, zylindrische Abschnitt D eine Magnetpfad-
Querschnittsfläche D auf. Die Querschnittsflächen B, C,
D sind gleich groß oder größer als die
Querschnittsfläche A. Insbesondere ist das bewegliche Glied 22
derart ausgebildet, daß seine
Magnetpfad-Querschnittsfläche nicht durch den nichtmagnetischen Ventilschaft
23 verringert wird, wodurch die magnetische Reluktanz
des Magnetpfades durch welchen die Magnetflüsse zum
Betätigen des Ventils fließen, reduziert wird.
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In der obengenannten Ausführungsform wurde nur das
Einlaßventil 2 beschrieben. Allerdings kann ein
Auslaßventil identisch ausgebildet und betätigt werden,
mit der Ausnahme, daß sich die zeitpunkte des Öffnens
und SchließenS der Auslaßöffnung von jenen des
Einlaßventils unterscheiden Demnach kann die
erfindungsgemäße, elektromagnetische Ventileinheit gleichermaßen
für Einlaß- und Auslaßventile verwendet werden.
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Die Steuerung 5 umfaßt einen Mikrocomputer, der
eine zentraleinheit zum Durcbführen verschiedenem
arithmetischen Operationen auf der Grundlage eines
Steurungsprogramms, Speicher zum Speichern des
Steurungsprogramms, verschiedenem Daten usw. sowie
eine Ein-Ausgabe-Schnittstelle umfaßt. Werden der
Steuerung 5 von den Sensoren 12, 13, 14 Signale
zugeführt, dann verarbeitet die Steuerung 5 die
zugeführten Signale gemäß dem Steurungsprogramm,
steuert die Polarität und die Spannung der elektrischen
Energie von der Batterie 51 und führt die gesteuerte,
elektrische Energie den Spulen 24, 42 zu, welche das
Einlaßventil 2 elektromagnetisch steuern, um die
Auslaßöffnung 34 zu öffnen oder zu schließen.
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Die Batterie 51 führt auch elektrische Energie zu,
um die Steuerung 5 sowie die Spulen 24, 42 zu erregen.
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Der Betrieb des Ventilsteuerungssystems wird unten
beschrieben.
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Auf der Grundlage der Signale vom
Kurbelwellenwinkelsensor 13 und vom Motordrehzahlsensor 14 ruft die
Steuerung 5 die entsprechendem Daten aus dem Speicher
ab, um die Zeitpunkte zum Öffnen und Schließen des
Einlaßventils 2 gemäß den zugeführten Signalen
einzulesen. Die Steuerung 5 liefert daraufhin Ströme,
welche auf der für die Spulen 24, 42 eingelesenen
Zeiteinstellung basieren. Die erregten Spulen 42, 24
magnetisieren den Ausnehmungsabschnitt 412 bzw. den
Flanschabschnitt 222. Werden der Ausnehmungsabschnitt
412 und der Flanschabschnitt 222 in verschiedenen
magnetischen Polaritäten magnetisiert, dann wird das
bewegliche Glied 22 durch Magnetflüsse, welche durch
die Stufen 413, 223 verlaufen, die eine breite
magnetische Querschnittsfläche bieten, zum
feststehenden Glied 41 hingezogen. Somit wird das
Einlaßventil 2 nach oben bewegt, um die Einlaßöffnung
34 zu schließen.
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Der Ausnehmungsabschnitt 412 und der
Flanschabschnitt 222 werden durch Zuführen von Strömen
verschiedener Polaritäten zu den Spulen 42, 24 in
derselben Polarität magnetisiert. Zu diesem Zeitpunkt
wird das bewegliche Glied 22 vom feststehenden Glied 41
zurückgestoßen, wodurch das Einlaßventil 2 nach unten
bewegt wird, um die Einlaßöffnung 34 zu öffnen.
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Bei der vorliegenden, oben beschriebenen Erfindung
ist das Ventil, da es aus einem keramischen Werkstoff
besteht, leicht und kann mit gutem Ansprechverhalten
betätigt werden. Des weiteren weist das bewegliche
Glied am oberen Ende des Ventilschafts des Ventils
einen kegelstumpfförmigen Flanschabschnitt an seinem
oberen Ende auf, und das feststehende Glied, welches
über dem beweglichen Glied in einer entgegengesetzten
Beziehung dazu angeordnet ist, weist einen
Ausnehmungsabschnitt auf, welcher zum kegelstumpfförmigen
Flanschabschnitt des beweglichen Glieds komplementär
ist. Diese Anordnung ermöglicht es, eine ausreichende
Magnetpfad-Querschnittsfläche aufrechtzuerhalten, ohne
die Größe des beweglichen Glieds wesentlich zu erhöhen,
auch wenn das Ventil aus einem nichtmagnetischen,
keramischen Werkstoff besteht.