DE68908142T2

DE68908142T2 - Vorrichtung zur Steuerung eines elektromagnetisch angetriebenen Ventils.

Info

Publication number: DE68908142T2
Application number: DE89313640T
Authority: DE
Inventors: Hideo Kawamura
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1988-12-28
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1993-11-25
Anticipated expiration: 2009-12-29
Also published as: EP0376716B1; DE68908142D1; EP0376716A1; JPH02181011A; US4955334A; JPH0621531B2

Description

VORRICHTUNG ZUR STEUERUNG EINES ELEKTROMAGNETISCH ANGETRIEBENEN VENTILS

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektromagnetischen angetriebenen Ventils, wobei die Vorrichtung das Einlaß-/Auslaßventil eines Verbrennungsmotors mittels einer elektromagnetischen Kraft öffnet und schließt, welche durch einen Elektromagnet erzeugt wird.
In einem gewöhnlichen Verbrennungsmotor wird das Öffnen und Schließen eines Ventils gesteuert, so daß ein Zylinder einen Einlaß-/Auslaßvorgang ausführen kann.
In einem Beispiel einer Steuerungsvorrichtung zum Öffnen und Schließen eines derartigen Einlaß/Auslaßventils wird eine Nockenwelle, welche durch Anordnen von Nocken für Einlaß und Auslaß auf einer Welle hergestellt wird, im oberen Abschnitt des Verbrennungsmotors oder an einer seiner Seitenflächen vorgesehen. Eine Kurbelwelle, welche die Drehwelle des Verbrennungsmotors ist, und die Nockenwelle sind durch umlaufende Kraftübertragungsmittel, beispielsweise durch einen Riemen, verbunden, und die Nockenwelle wird drehend im Synchronismus mit der Drehphase des Motors angetrieben. Die axiale Endfläche des Ventils wird über einen Verbindungsmechanismus, beispielsweise einen Kipphebel oder eine Stoßstange, durch die Nockenfläche der Nockenwelle geschoben. Das Einlaß-/Auslaßventil wird im Normalfall durch eine Feder im geschlossenen Zustand gehalten, und seine axiale Endfläche wird durch Schieben geöffnet.
In einem weiteren Beispiel einer Vorrichtung zum Öffnen und Schließen eines Einlaß-/Auslaßventils werden eine Einlaßnockenwelle mit einer Einlaßnocke und eine Auslaßnockenwelle mit einer Auslaßnocke am oberen Abschnitt eines Verbrennungsmotors angeordnet, die Nockenfläche der Einlaßnockenwelle drückt direkt auf die axiale Endfläche des Einlaßventils, und die Nockenfläche der Auslaßnockenwelle drückt direkt auf die axiale Endfläche des Auslaßventils, wodurch das Einlaß/Auslaßventil geöffnet wird.
Diese herkömmliche Vorrichtung zum Öffnen und Schließen des Einlaß-/Auslaßventils resultiert in einem groß ausgelegten Motor, da die Nockenwelle und der Verbindungsmechanismus dem Motor hinzugefügt werden müssen. Des weiteren geht ein Teil der Motorleistung durch Reibwiderstand verloren, wenn Nockenwelle und Verbindungsmechanismus angetrieben werden, da Nockenwelle und Verbindungsmechanismus durch die Abtriebswelle des Motors angetrieben werden. Dadurch wird die effektive Leistung des Motors vermindert.
Außerdem können die Betätigungszeitpunkte des Einlaß-/Auslaßventils während des Motorbetriebs nicht verändert werden. Da die Zeitpunkte der Ventilbetätigung eingestellt sind, um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, wenn der Motor mit einer gegebenen Drehzahl läuft, sinkt der Motorwirkungsgrad, wenn der Motor mit einer anderen Drehzahl als der vorgegebenen Drehzahl läuft.
Zur Lösung der vorangehenden Probleme wurde in den Japanischen Patentanmeldungs-Offenlegungsschriften (KOKAI) Nr. 58-183805 und 61-76713 eine Vorrichtung zum Steuern eines Einlaß-/Auslaßventils, um dieses durch elektromagnetische Kraft von einem Elektromagnet zu öffnen und zu schließen, ohne dabei auf eine Nockenwelle zurückzugreifen, offenbart.
Der Anmelder hat eine Anmeldung eingereicht, welche eine elektromagnetische Ventilsteuerungsvorrichtung betrifft, die ausgebildet ist, um die Motorleistung zu erhöhen, wenn der Motor mit niederer Drehzahl dreht, und um die Treibstoffsparsamkeit zu verbessern (Japanische Patentanmeldung Nr. 63-264831). Wenn das Ventil durch eine derartige elektromagnetische Kraft gesteuert wird, schlägt das Ventil am Zylinderkopf auf und springt zurück, nachdem es aufgesetzt wurde, wenn der Motor mit hoher Drehzahl dreht. Ein derartiges Ventilspringen führt zu verminderter Treibstoffsparsamkeit und instabilem Drehen des Motors und stellt ein Hindernis für ein hochtouriges Drehen des Motors dar. Aus diesen Gründen ist ein genaues Erfassen der Motordrehzahl, des Ausmaßes des Ventilspringens in bezug auf den Zylinder und des Ventilöffnungs und -schließzeitpunkts von wesentlicher Bedeutung, um den Motor mit hohem Wirkungsgrad und stabil anzutreiben.
Allerdings ist die herkömmliche Steuerungsvorrichtung für das elektromagnetisch betriebene Ventil dazu ausgebildet, um unmittelbar vor dem Aufsitzen des Ventils eine korrigierende Beschleunigung in die Ventilabheberichtung, das heißt in die in bezug auf die Antriebskraft, welche in die Ventilaufsitzrichtung wirkt, entgegengesetzte Richtung, aufzubringen, und den Zeitraum, während dem sich das Ventil im offenen Zustand befindet, festzusetzen und somit die Ventilgeschwindigkeit zu reduzieren, um das Ausmaß das Springens in bezug auf den Zylinder zu unterdrücken. Infolgedessen ist die Springkraft je nach dem Zustand der Motorlast und der Motordrehzahl unterschiedlich, wodurch keine geeignete Verlangsamungssteuerung erreicht werden kann.
Die vorliegende Erfindung wurde vorgesehen, um die vorangehenden Probleme zu lösen, und ihre Aufgabe ist es, eine Vorrichtung zur Steuerung eines elektromagnetisch angetriebenen Ventils zu schaffen, wodurch der offene/geschlossene Zustand eines elektromagnetisch gesteuerten Ventils zuverlässig erfaßt wird, um sogar bei hochtourigem Drehen eine genaue Steuerung der Springkraft, welche auf die Abhebeseite wirkt, zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird eine Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Öffnens und Schließens eines elektromagnetisch angetriebenen Einlaß-/Auslaßventiles in Abhängigkeit von der Drehzahl und Phase einer Motorabtriebswelle vorgesehen, gekennzeichnet durch:
Fühlermittel zum Feststellen der Position des Ventiles bei einer vorgegebenen Geschwindigkeit und zum Feststellen des Ausmaßes des Ventilspringens, wenn das Ventil aufsitzt;
Antriebsregelmittel, welche als Reaktion auf das festgestellte Ventilspringen eine erste Antriebskraft aufbringen, die unmittelbar vor dem Aufsitzen des Ventils in einer Ventilöffnungsrichtung wirkt, und eine zweite Antriebskraft, die unmittelbar nach dem Aufsitzen des Ventils in der Ventilschließrichtung wirkt, wobei die zweite Antriebskraft vom Ausmaß des Ventilspringens abhängig ist;
Speichermittel, welche den Wert der durch die Antriebsregelmittel aufgebrachten Antriebskraft speichern; und
arithmetische Mittel, welche entsprechend dem gespeicherten Wert der Antriebskraft in den Speichermitteln die erste Antriebskraft und die zweite Antriebskraft für eine nächste Ventilschließung bestimmen.
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung erkennbar, wenn diese in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm, darstellend ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine Steuerungskennlinie, darstellend eine Antriebskraft, mit der ein Ventil beaufschlagt wird; und
Fig. 3 ein Arbeitsablaufdiagramm zum Beschreiben des Betriebs der Vorrichtung des Ausführungsbeispiels.
In der Folge wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen im Detail beschrieben.
Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Steuerung eines elektromagnetischen angetriebenen Ventils darstellt.
Die Bezugszahl 1 kennzeichnet einen Verbrennungsmotor, welcher eine Abtriebswelle aufweist, in dessen Nähe ein Rotationssensor 2 zum Erfassen der Drehzahl und der Drehphase der Abtriebswelle und zum Umwandeln dieser Werte in Signale angeordnet ist. Von den Einlaß/Auslaßventilen, welche das öffnen und Schließen der Einlaß-/Auslaßöffnungen des Motors 1 steuern, wird in der folgenden Besprechung in erster Linie nur ein Einfach-Einlaßventil 7 behandelt. Das Ventil 7 wird durch unten beschriebene Antriebsmechanismen 3-5 für ein Auf-und-Ab-Bewegen mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit gesteuert und weist Ventilpositionserkennungsmittel zum Erkennen seiner Position auf.
Das Einlaßventil 7, welches im geschlossenen Zustand dargestellt ist, wird durch ein leichtes Ventil gebildet, welches ein hohe Festigkeit aufweist und aus einem nichtmagnetischen Werkstoff, beispielsweise Keramik, besteht. Der Schaftabschnitt des Einlaßventils 7 wird durch eine Ventilführung 8 gelagert, um in der axialen Richtung frei bewegt werden zu können. Ein Ventilsitz 10 ist an einer Eingangsöffnung eines Einlaßkanals 9 angeordnet, und die Einlaßöffnung wird geschlossen, indem der schräge Abschnitt des Einlaßventils 7 in engen Kontakt mit dem Ventilsitz 10 gebracht wird. Eine streifenförmige, bewegliche Elektrode 61, welche in eine Mehrzahl Segmente gespalten ist, ist im Schaftlagerungsabschnitt des Einlaßventils 7 eingebettet, und die zugehörige Ventilführung 7 ist mit einer feststehenden Elektrode 62 zum Erkennen der Position der beweglichen Elektrode versehen. Das Ventilpositionserkennungsmittel wird durch diese Elektroden 61, 62 gebildet. Ein Permanentmagnet 4, welcher in einer ringförmigen Gestalt ausgebildet ist, ist mit der axialen Endfläche des Einlaßventils 7 verbunden. Die innere Umfangsseite des Permanentmagneten 4 ist ein S-Pol und seine äußere Umfangsseite ist ein N-Pol.
Ein kreisförmiger, oberer Elektromagnet 3 ist in einer Lage angeordnet, die sich in einem geringfügigen Abstand über der oberen Endfläche des Permanentmagneten 4 befindet, wenn sich das Einlaßventil 7 im geschlossenen Zustand befindet, und ein ringförmiger, unterer Elektromagnet 5 ist in einer Lage angeordnet, welche sich in einem geringfügigen Abstand unter der unteren Endfläche des Permanentmagneten 4 befindet, wenn sich das Einlaßventil 7 im offenen Zustand befindet. Eine innerer Magnetpol 3b, der am mittleren Abschnitt des oberen Elektromagneten 3 vorgesehen wird, liegt dem S-Pol gegenüber, welcher die innere Umfangseite des Permanentmagneten 4 bildet, und ein äußerer Pol 3c, der am äußeren Umfangsabschnitt des oberen Elektromagneten 3 vorgesehen wird, liegt dem N- Pol gegenüber, welcher die äußere Umfangseite des Permanentmagneten 4 bildet. Ein innerer Magnetpol 5b, der an der inneren Umfangsseite des unteren Elektromagneten 5 vorgesehen wird, liegt dem S-Pol gegenüber, welcher die innere Umfangseite des Permanentmagneten 4 bildet, und ein äußerer Pol 5c, der am äußeren Umfangsabschnitt des unteren Elektromagneten 5 vorgesehen wird, liegt dem N-Pol gegenüber, welcher die äußere Umfangseite des Permanentmagneten 4 bildet. Dieser obere bzw. untere Elektromagnet 3 und 5 ist mit einer oberen Spule 3a bzw. einer unteren Spule 5a versehen.
Der Rotationssensor 2, obere Spule 3a und untere Spule 5a sind an eine, in einer Steuerung 11 angeordnete Ein-Ausgabe-Schnittstelle 11d angeschlossen. In der Steuerung 11 sind neben der Ein- Ausgabe-Schnittstelle 11d, welche zur Ein- und Ausgabe von Signalen in bezug auf externe Gerate dient, auch ein ROM 11b, welcher Daten zum Steuern der Antriebsleistung entsprechend derartigen Zuständen wie beispielsweise der Motordrehzahl sowie Programmdaten speichert, eine CPU 11a, welche die Verarbeitung gemäß der Steuerung des im ROM 11b gespeicherten Programmes ausführt, ein RAM 11c zum vorübergehenden Speichern von Eingabesignalen und gelernten Resultaten in bezug auf die Antriebskraft vor und nach dem Aufsitzen des Ventils, sowie ein Steuerungsspeicher 11e zum Steuern des Signalflusses innerhalb der Steuerung 11 vorgesehen.
Fig. 2 ist eine Steuerungskennlinie, welche die Wirkung der Antriebskraft auf das Einlaßventil 7 darstellt, wobei die horizontale Achse als Zeitachse dient. Das Ausmaß der Antriebskraft, welche sich auf der Abhebeseite und der Aufsitzseite verändert, wird durch die durchgezogene Linie gekennzeichnet, und die strichlierte Linie kennzeichnet die Ventilposition.
Wird das Einlaß-/Auslaßventil eines Verbrennungsmotors durch elektromagnetische Kräfte von zwei feststehenden Elektromagneten zum Öffnen und Schließen bewegt, dann wirkt eine große Antriebskraft auf die Abhebeseite, um das Ventil zu einem Zeitpunkt t1 rasch zu öffnen, was dem Zeitpunkt entspricht, zu dem das Ventil vom geschlossenen in den offenen Zustand übergeht. Daraufhin wird die Antriebskraft auf der Auf sitzseite in Abhängigkeit von Motorlast und Drehzahl aufrechterhalten. Zum Zeitpunkt t2, was dem Zeitpunkt entspricht, zu dem das Ventil aufgesetzt wird, wirkt wiederum eine Antriebskraft auf die Abhebeseite, um das Springen, von dem das Aufsitzen begleitet ist, zu verringern. Unmittelbar nachdem das Ventil aufgesetzt wird, wird hier wieder eine Antriebskraft in der Aufsitzrichtung aufgebracht, um das Springen, das zu diesem Zeitpunkt auftritt, auszuschalten (dieses Springen wird durch die punktierte Linie in Fig. 2 gekennzeichnet). Die Anordnung ist derart, daß diese Antriebskraft in der Aufsitzrichtung, welche unmittelbar nach dem Aufsitzen aufgebracht wird, in Abhängigkeit von der Intensität des durch die Ventilpositionserkennungsmittel 6 gemessenen Springausmaßes eingestellt wird.
Fig. 3 ist ein Arbeitsablaufdiagramm zum Beschreiben des Betriebs der Vorrichtung gemäß dem vorangehenden Ausführungsbeispiel.
Beim Starten des Motors werden Motorlast und Drehzahl durch die entsprechenden Sensoren (Schritte a, b) gemessen, und eine Ventilantriebskraft (Abhebekraft) wird entsprechend der erforderlichen Ventilöffnung berechnet (Schritt c). Das Öffnen und Schließen des Ventils wird mittels einer Antriebskraft, welche der tatsächlichen Geschwindigkeit und Position des Ventils entspricht, gesteuert (Schritt d). Wenn beim Aufsitzen des Ventils durch die Ventilpositionserkennungsmittel 6 ein Springen festgestellt wird (Schritt e), werden Motorlast und Drehzahl zu diesem Zeitpunkt gespeichert (Schritt f), die in die Abheberichtung wirkende Kraft wird im nächsten Zyklus bis kurz vor dem Aufsitzen erhöht (Schritt g), und eine entsprechende Kraft, welche unmittelbar nach dem Aufsitzen andauern wird, wird festgelegt (Schritt h).
Zu dem Zeitpunkt, zu dem bei Schritt i festgestellt wird, daß das Springen des Einlaßventils 7 vollständig unterdrückt wurde, geht das Programm zu Schritt j weiter. Hier wird die gelernte Antriebskraft im Speicher gespeichert, woraufhin das Programm in diesem Zustand zu Schritt d weitergeht.
Obgleich ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in erster Linie mit Bezug auf ein Einlaßventil beschrieben wurde, ist augenscheinlich, daß die erfindungsgemäße Steuerungsvorrichtung ebenso für ein Auslaßventil verwendet werden kann.

Claims

1. Steuerungsvorrichtung zum Steuern des Öffnens und Schließens eines elektromagnetisch angetriebenen Einlaß-/Auslaßventiles (7) in Abhängigkeit von der Drehzahl und Phase einer Motorabtriebswelle, gekennzeichnet durch:

Fühlermittel (61, 62) zum Feststellen der Position des Ventiles (7) bei einer vorgegebenen Geschwindigkeit und zum Feststellen des Ausmaßes des Ventilspringens, wenn das Ventil aufsitzt;

Antriebsregelmittel (3-5), welche als Reaktion auf das festgestellte Ventilspringen eine erste Antriebskraft aufbringen, die unmittelbar vor dem Aufsitzen des Ventils in einer Ventilöffnungsrichtung wirkt, und eine zweite Antriebskraft, die unmittelbar nach dem Aufsitzen des Ventils in der Ventilschließrichtung wirkt, wobei die zweite Antriebskraft vom Ausmaß des Ventilspringens abhängig ist;

Speichermittel (11b), welche den Wert der durch die Antriebsregelmittel aufgebrachten Antriebskraft speichern; und

arithmetische Mittel, welche entsprechend dem gespeicherten Wert der Antriebskraft in den Speichermitteln die erste Antriebskraft und die zweite Antriebskraft für eine nächste Ventilschließung bestimmen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Antriebsregelmittel (3-5) umfassen:

einen Permanentmagnet (4), der mit einem axialen Endabschnitt des Ventiles (7) verbunden ist;

einen oberen Elektromagnet (3), welcher in einer Position in einem geringen Abstand von einer oberen Endfläche des Permanentmagnets angeordnet ist, wenn das Ventil sitzt; und,

einen unteren Elektromagnet (4), welcher in einer Position in einem geringen Abstand von einer unteren Endfläche des Permanentmagneten angeordnet ist, wenn sich das Ventil in einem offenen Zustand befindet;

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, worin der Permanentmagnet ringförmige Gestalt besitzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, worin ein Paar von Magnetpolen (3b, 3c; 5b, 5c) jedes Elektromagneten den jeweiligen Nord- bzw. Südpolen des Permanentmagneten gegenüberliegt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das oder jedes Ventil aus einem keramischen Werkstoff besteht.