DE69818184T2

DE69818184T2 - Elektromagnetisch angesteuertes Ventil für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69818184T2
Application number: DE69818184T
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Toyota-shi Aichi-ken Hattori; Takashi Toyota-shi Aichi-ken Izuo; Tatsuo Toyota-shi Aichi-ken Iida; Masahiko Toyota-shi Aichi-ken Asano; Yoshinori Toyota-shi Aichi-ken Kadowaki; Akihiro Toyota-shi Aichi-ken Yanai; Toshio Toyota-shi Aichi-ken Fuwa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1997-09-22
Filing date: 1998-07-17
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2018-07-18
Also published as: EP1258602B1; EP0903472B1; US6230674B1; KR100301880B1; EP1258602A2; DE69827047D1; EP0903472A3; US6125803A; EP0903472A2; EP1258602A3; DE69827047T2; KR19990029373A; DE69818184D1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil für eine Brennkraftmaschine und bezieht sich insbesondere auf ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil, welches zur Verwendung als ein Einlaßventil oder ein Auslaßventil eines Verbrennungsmotors geeignet ist.
Hintergrund der Erfindung
Ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil, welches als ein Einlaßventil oder ein Auslaßventil eines Verbrennungsmotors eingesetzt wird, ist beispielsweise in der japanischen amtlichen Patentveröffentlichung Nr. HEI 4-502048 und der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. HEI 7-335437 offenbart. Dieses elektromagnetisch angesteuerte Ventil ist mit einem an einem Ventilkörper befestigten Anker versehen. Eine obere Feder und eine untere Feder sind jeweils oberhalb und unterhalb des Ankers angeordnet. Diese Federn drängen den Anker in Richtung seiner Neutralstellung.
Ein oberer Kern und ein unterer Kern sind jeweils oberhalb und unterhalb des Ankers angeordnet, und eine obere Spule und eine untere Spule sind jeweils innerhalb des oberen Kerns und des unteren Kerns angeordnet. Die obere Spule und die untere Spule erzeugen bei Versorgung mit einem Erregungsstrom einen hierdurch zirkulierenden magnetischen Fluß. Auf Erzeugung eines solchen magneti schen Flusses hin wird der Anker durch eine elektromagnetische Kraft (nachstehend als eine Anziehungskraft bezeichnet) in Richtung des oberen Kerns oder des unteren Kerns angezogen. So kann das zuvor erwähnte elektromagnetisch angesteuerte Ventil durch Anlegen eines vorbestimmten Erregungsstroms an die obere Spule oder die untere Spule den Ventilkörper in seine geschlossene Stellung oder seine geöffnete Stellung verschieben bzw. auslenken.
Falls die Zufuhr eines Erregungsstroms an die obere Spule oder die untere Spule nach Verschiebung bzw. Auslenkung des Ventilkörpers in seine geschlossene Stellung oder seine geöffnete Stellung beendet wird, wird durch die Rückstellkraft der Federn eine einfache sinusförmige Bewegung des Ankers und des Ventilkörpers eingeleitet. So lange die Amplitude der einfachen sinusförmigen Bewegung des Ankers und des Ventilkörpers nicht gedämpft wird, erreichen der Anker und der Ventilkörper, welche sich von einem Auslenkungsende zu dem anderen Auslenkungsende (nachstehend als ein Sollauslenkungsende bezeichnet) hin bewegen, das Sollauslenkungsende allein aufgrund der Rückstellkräfte der Federn. Eine solche Auslenkung des Ankers und des Ventilkörpers bewirkt jedoch einen aus Gleitreibung oder dergleichen resultierenden Energieverlust. Daher fällt die kritische Stellung, welche von dem Anker und dem Ventilkörper aufgrund der Rückstellkräfte der Federn erreicht werden kann, nicht mit dem Sollauslenkungsende zusammen.
Das zuvor erwähnte elektromagnetisch angesteuerte Ventil kann durch Beginnen einer Zufuhr eines Erregungsstroms an entweder die obere Spule oder die untere Spule zu einem geeigneten Zeitpunkt nach Beenden der Zufuhr eines Erregungsstroms an die andere der oberen Spule und der unteren Spule den Betrag eines aus einer Gleitbewegung resultierenden Energieverlusts ausgleichen und den Anker und den Ventilkörper in das Sollauslenkungsende auslenken. Der Ventilkörper kann hiernach durch abwechselndes Zuführen eines Erregungsstroms an die obere Spule und die untere Spule zu geeigneten Zeitpunkten geöffnet und geschlossen werden.
Bei dem zuvor erwähnten elektromagnetisch angesteuerten Ventil ist sowohl der obere Kern als auch der untere Kern mit einem ringförmigen Vorsprung versehen, welcher entlang einem äußeren Umfang bzw. Rand hiervon angeordnet ist. Der ringförmige Vorsprung, welcher eine vorbestimmte Länge aufweist, springt von einer Stirnfläche des oberen Kerns oder des unteren Kerns hervor. Der Innendurchmesser des ringförmigen Vorsprungs ist geringfügig größer als der Außendurchmesser des Ankers.
Wenn der Anker sich von dem Sollauslenkungsende entfernt befindet, ist die Anziehungskraft, die auf den Anker wirkt (nachstehend als eine Anziehungskraft in beabstandetem Zustand bzw. Fernwirkungs-Anziehungskraft bezeichnet), in dem Fall, in welchem der ringförmige Vorsprung vorgesehen ist, größer als in dem Fall, in welchem der ringförmige Vorsprung nicht vorgesehen ist. Wenn sich der Anker andererseits nahe dem Sollauslenkungsende befindet, ist die auf den Anker wirkende Anziehungskraft (nachstehend als eine Anziehungskraft in nahem Zustand bzw. Nahbereichs-Anziehungskraft bezeichnet), in dem Fall, in welchem der ringförmige Vorsprung vorgesehen ist, kleiner als in dem Fall, in welchem der ringförmige Vorsprung nicht vorgesehen ist. Demgemäß kann mit Annäherung des Ankers an das Sollauslenkungsende das zuvor erwähnte elektromagnetisch angesteuerte Ventil eine auf den Anker wirkende Anziehungskraft allmählich erhöhen.
Wenn bzw. nachdem der Ventilkörper in seiner geöffneten Stellung oder seiner geschlossenen Stellung ankommt, stößt der Anker mit dem oberen Kern oder dem unteren Kern zusammen, was ein Aufschlaggeräusch verursacht. Um ein Aufschlaggeräusch zu reduzieren, ist es wünschenswert, eine unangemessene Erhöhung der auf den Anker wirkenden Anziehungskraft bei Ankunft des Ankers an dem Sollauslenkungsende zu verhindern.
Um den Anker zuverlässig in das Sollauslenkungsende auszulenken, ist es erforderlich, eine Fernwirkungs-Anziehungskraft einer bestimmten Größe sicherzustellen. Um eine große Fernwirkungs-Anziehungskraft sicherzustellen und ein Aufschlaggeräusch in dem elektromagnetisch angesteuerten Ventil zu reduzieren, ist es vorteilhaft, eine abrupte Erhöhung in der auf den Anker wirkenden Anziehungskraft zu vermeiden, wenn sich der Anker dem Sollauslenkungsende nähert. Das zuvor erwähnte elektromagnetisch angesteuerte Ventil kann die zuvor erwähnte vorteilhafte Bedingung sowohl während des Ventilöffnungsvorgangs als auch des Ventilschließvorgangs erfüllen. Demzufolge kann das zuvor erwähnte elektromagnetisch angesteuerte Ventil eine verbesserte Ruhe aufweisen.
Bei dem zuvor erwähnten elektromagnetisch angesteuerten Ventil ist die Neutralstellung des Ankers auf die Mittellage zwischen einem Elektromagneten auf der Ventilöffnungsseite und einem Elektromagneten auf der Ventilschließseite festgelegt. Daher gibt es keinen Unterschied bzw. keine Änderung in der in einem Paar von Federn gespeicherten Energiemenge, unabhängig davon, ob der Anker auf dem Elektromagneten auf der Ventilschließseite oder auf dem Elektromagneten auf der Ventilöffnungsseite positioniert ist. In diesem Fall gibt es keine wesentliche Änderung in der für die Federn erforderlichen Energiemenge, um den Anker zu drängen, unabhängig davon, ob sich das Ventil in der Ventilöffnungsrichtung oder in der Ventilschließrichtung bewegt.
Die auf den Ventilkörper aufgebrachte Last kann jedoch in Abhängigkeit davon, ob sich der Ventilkörper in der Ventilöffnungsrichtung oder in der Ventilschließrichtung bewegt, bei dem Verbrennungsmotor unterschiedlich sein. Daher kann in Abhängigkeit davon, ob sich der Ventilkörper des elektromagnetisch angesteuerten Ventils in der Ventilöffnungsrichtung oder in der Ventilschließrichtung bewegt, ein Unterschied in der Energieverlustmenge ergeben.
Beispielsweise wird das Auslaßventil geöffnet, wenn in einem Verbrennungsraum ein hoher Verbrennungsdruck verbleibt, und es wird geschlossen, wenn der Verbrennungsdruck nachgelassen hat. In diesem Fall ist die auf das Auslaßventil wirkende Last während des Ventilöffnungsvorgangs größer als während des Ventilschließvorgangs.
Vorzugsweise sollte kein wesentlicher Unterschied zwischen dem dem Elektromagneten auf der Ventilöffnungsseite zuzuführenden Erregungsstrom und dem dem Elektromagneten auf der Ventilschließseite zuzuführenden Erregungsstrom vorliegen.
Das zuvor erwähnte elektromagnetisch angesteuerte Ventil ist nicht in der Lage, geeignete Betriebseigenschaften während des Ventilöffnungsvorgangs und während des Ventilschließvorgangs zu erreichen, während im wesentlichen ein gleicher Erregungsstrom an die Elektromagneten auf der Ventilöffnungsseite und auf der Ventilschließseite zugeführt wird.
Aus der EP 0 793 004 A1 ist ein elektromagnetisches Ventil gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1 bzw. 2 bekannt. Gemäß einer Ausführungsform ist der Anker mit ei nem Vorsprung versehen, welcher in der Richtung eines der Kerne vorspringt. Das Ventil, für welches diese Anordnung gewählt ist, ist jedoch ein Ladungswechselventil, und bezüglich der spezifischen Funktion dieses Ventils wird keine Unterscheidung getroffen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist in Anbetracht des zuvor erwähnten Hintergrunds gemacht worden, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil zu schaffen, welches geeignete Betriebseigenschaften in Übereinstimmung mit Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors zu der Zeit eines Öffnens oder Schließens eines Ventilkörpers erreicht, während ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil geschaffen wird, welches im wesentlichen die gleichen Betriebseigenschaften unabhängig davon erreicht, ob sich der Ventilkörper in der Ventilöffnungsrichtung oder in der Ventilschließrichtung bewegt, wenn ein Paar von Elektromagneten im wesentlichen mit einem gleichen Erregungsstrom versorgt wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 2 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil für einen Verbrennungsmotor, welches einen mit einem Ventilkörper gekoppelten Anker zur Hin- und Herbewegung hiermit zwischen einer ersten Stellung und einer zweiten Stellung, ein erstes elastisches Bauelement, ein zweites elastisches Bauelement, einen ersten Kern und einen zweiten Kern enthält. Das erste elastische Bauelement ist mit dem Anker gekoppelt, um den Anker in Richtung der zweiten Stellung vorzuspannen, und das zweite elastische Bauelement ist mit dem Anker gekop pelt, um den Anker in Richtung der ersten Stellung vorzuspannen. Eine Neutralstellung des Ankers ist zwischen der ersten und der zweiten Stellung an dem Punkt definiert, an welchem sich die von dem ersten und dem zweiten elastischen Bauelement ausgeübten Kräfte gegenseitig aufheben. Der erste Kern enthält hierin eine erste Spule, und der zweite Kern enthält hierin eine zweite Spule. Der erste und der zweite Kern sind auf entgegengesetzten Seiten des Ankers angeordnet und so positioniert, daß, wenn sich der Anker in der Neutralstellung befindet, der erste und der zweite Kern von dem Anker beabstandet sind.
Wenn – gemäß Anspruch 1 – der Ventilkörper ein Auslaßventil für einen Verbrennungsmotor ist, erzeugt die erste Spule eine elektromagnetische Kraft, um den Anker in Richtung der ersten Stellung, in welcher das Auslaßventil geöffnet ist, anzuziehen. Der erste Kern ist mit einem ersten Vorsprung versehen, welcher um eine vorbestimmte Länge in Richtung des Ankers vorspringt, wodurch ein Abstand zwischen dem ersten Kern und dem Anker gegenüber einem Abstand zwischen dem zweiten Kern und dem Anker verkleinert wird, wenn sich der Anker in der Neutralstellung befindet. Der erste Vorsprung ist ringförmig und weist einen Durchmesser auf, der geringfügig größer als ein Außendurchmesser des Ankers ist.
Wenn – gemäß Anspruch 2 – der Ventilkörper ein Einlaßventil für einen Verbrennungsmotor ist und von dem Anker getrennt ist, erzeugt die zweite Spule eine elektromagnetische Kraft, welche den Anker in Richtung der zweiten Stellung anzieht, um das Einlaßventil zu schließen. Der zweite Kern ist mit einem ersten Vorsprung versehen, welcher um eine vorbestimmte Länge in Richtung des Ankers vorspringt, wodurch ein Abstand zwischen dem zweiten Kern und dem Anker gegenüber einem Abstand zwischen dem ersten Kern und dem Anker verkleinert wird, wenn sich der Anker in der Neutralstellung befindet. Der erste Vorsprung ist ringförmig und weist einen Durchmesser auf, der geringfügig größer als ein Außendurchmesser des Ankers ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, ob der Ventilkörper in der Ventilöffnungsrichtung oder in der Ventilschließrichtung bewegt wird, der Anker den Ventilkörper unabhängig von einem Unterschied in einer hierauf aufgebrachten Last oder einem Unterschied in einer Amplitude eines Dämpfungsfaktors hiervon in geeigneter Weise auslenken.
Des weiteren steht gemäß Anspruch 1 eine Seite des auf dem ersten Kern angeordneten Vorsprungs einer auf dem Anker angeordneten Vorsprungsgegenüberstellungseite gegenüber, wenn sich der Anker nahe dem ersten Kern befindet. Bei diesem Aufbau besteht bei Annäherung des Ankers an den ersten Kern eine Tendenz, daß sich eine große Fernwirkungs-Anziehungskraft, die auf den Anker wirkt, allmählich vergrößert. Mit Annäherung des Ankers an den zweiten Kern liegt eine Tendenz vor, daß sich eine vergleichsweise kleine Fernwirkungs-Anziehungskraft, welche auf den Anker wirkt, abrupt vergrößert. Gemäß den Eigenschaften dieses Gesichtspunkts kann der Ventilkörper in dem Fall, in welchem eine große Last auf den Ventilkörper aufgebracht wird, wenn sich der Anker dem ersten Kern nähert, und keine Last auf den Ventilkörper aufgebracht wird, wenn sich der Anker dem zweiten Kern nähert, mit einem niedrigen Verbrauch an elektrischer Energie in geeigneter Weise angesteuert werden.
Des weiteren steht gemäß Anspruch 2 eine Seite des auf dem zweiten Kern angeordneten Vorsprungs einer auf dem Anker angeordneten Vorsprungsgegenüberstellungseite gegenüber, wenn sich der Anker nahe dem zweiten Kern befindet. Bei diesem Aufbau besteht bei Annäherung des An kers an den zweiten Kern eine Tendenz, daß sich eine große Fernwirkungs-Anziehungskraft, die auf den Anker wirkt, allmählich vergrößert. Mit Annäherung des Ankers an den ersten Kern liegt eine Tendenz vor, daß sich eine vergleichsweise kleine Fernwirkungs-Anziehungskraft, welche auf den Anker wirkt, abrupt vergrößert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen ersichtlich werden, in welchen:
1 eine Schnittansicht eines elektromagnetisch angesteuerten Ventils gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 einen Verlauf eines um eine obere Spule in dem elektromagnetisch angesteuerten Ventil wie in 1 dargestellt zirkulierenden magnetischen Flusses Φ_O darstellt, wenn sich ein Anker von dem oberen Kern entfernt befindet;
3 einen Verlauf eines um eine untere Spule in dem elektromagnetisch angesteuerten Ventil wie in 1 dargestellt zirkulierenden magnetischen Flusses Φ_U darstellt, wenn sich der Anker von dem unteren Kern entfernt befindet;
4 einen Verlauf eines um die obere Spule in dem elektromagnetisch angesteuerten Ventil wie in 1 dargestellt zirkulierenden magnetischen Flusses Φ_O darstellt, wenn sich der Anker nahe dem oberen Kern befindet;
5 einen Verlauf eines um die untere Spule in dem elektromagnetisch angesteuerten Ventil wie in 1 dargestellt zirkulierenden magnetischen Flusses Φ_U darstellt, wenn sich der Anker nahe dem oberen Kern befindet;
6 einen Verlauf eines um die obere Spule in dem elektromagnetisch angesteuerten Ventil wie in 1 dargestellt zirkulierenden magnetischen Flusses Φ_O darstellt, wenn der Anker auf den oberen Kern stößt;
7 einen Verlauf eines um die untere Spule in dem elektromagnetisch angesteuerten Ventil wie in 1 dargestellt zirkulierenden magnetischen Flusses Φ_U darstellt, wenn der Anker auf den unteren Kern stößt;
8 Betriebseigenschaften des elektromagnetisch angesteuerten Ventils wie in 1 dargestellt darstellt;
9 eine Schnittansicht ist, welche einen einen Anker eines elektromagnetisch angesteuerten Ventils umgebenden Teil gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;
10 eine Schnittansicht ist, welche einen einen Anker eines elektromagnetisch angesteuerten Ventils umgebenden Teil gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; und
11 eine Gesamtaufbauansicht eines elektromagnetisch angesteuerten Ventils gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
1 ist eine Schnittansicht eines elektromagnetisch angesteuerten Ventils 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 wird als ein Auslaßventil für einen Verbrennungsmotor eingesetzt. Das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 ist an einem Zylinderkopf 12 befestigt, in welchem ein Auslaßkanal 14 ausgebildet ist. In einem unteren Abschnitt des Zylinderkopfs 12 ist ein Verbrennungsraum 16 ausgebildet. Das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 ist mit einem Ventilkörper 18 versehen, um den Auslaßkanal 14 in oder aus einer Verbindung mit dem Verbrennungsraum 16 zu bringen. Ein Ventilsitz 19, auf welchen sich der Ventilkörper bewegt, ist in dem Auslaßkanal 14 angeordnet. Der Auslaßkanal 14 wird in Verbindung mit dem Verbrennungsraum 16 gebracht, wenn sich der Ventilkörper 18 von dem Ventilsitz 19 weg bewegt, während der Auslaßkanal 14 aus einer Verbindung mit dem Verbrennungsraum 16 gebracht wird, wenn sich der Ventilkörper 18 auf den Ventilsitz 19 bewegt.
Eine Ventilstange 20 ist mit dem Ventilkörper 18 einstückig ausgebildet. Eine Ventilführung 22 ist innerhalb des Zylinderkopfes 12 angeordnet. Die Ventilstange 20 wird durch die Ventilführung 22 verschieblich gehalten. Ein unterer Halter 24 ist an einem oberen Endabschnitt der Ventilstange 20 befestigt. Eine untere Feder 26 ist unterhalb des unteren Halters 24 angeordnet. Die untere Feder 26 drängt den unteren Halter 24 in 1 aufwärts.
Der obere Endabschnitt der Ventilstange 20 stößt gegen eine Ankerwelle 28, die aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt ist. Ein Anker 30, welcher ein ringförmiges Bauelement ist, das aus einem magnetischen Material hergestellt ist, ist an der Ankerwelle 28 befestigt.
Ein oberer Kern 32 und ein unterer Kern 34, welche jeweils ringförmige Bauelemente sind, die aus einem magnetischen Material hergestellt sind, sind jeweils oberhalb und unterhalb des Ankers 30 angeordnet. Der untere Kern 34 weist einen ringförmigen Vorsprung 36 auf, welcher eine vorbestimmte Länge aufweist und von einer Oberfläche des unteren Kerns 34 aus in Richtung des oberen Kerns 32 hervorsteht. Das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 gemäß dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Vorsprung 36 nicht auf dem unteren Kern 32, sondern nur auf dem unteren Kern 34 ausgebildet ist.
Der ringförmige Vorsprung 36 weist einen Durchmesser auf, der geringfügig größer als ein Außendurchmesser des Ankers 30 ist. Daher steht, wenn der Anker 30 sich hinreichend nahe an den unteren Kern 34 annähert, eine Innenwand des ringförmigen Vorsprungs 36 einer äußeren Umfangsfläche des Ankers 30 gegenüber. Die äußere Umfangsfläche des Ankers 30, welche der inneren Umfangsfläche des ringförmigen Vorsprungs 36 gegenübersteht, wird nachstehend als eine Vorsprungsgegenüberstellungsseite 38 bezeichnet werden.
Der obere Kern 32 und der untere Kern 34 nehmen eine obere Spule 40 bzw. eine untere Spule 42 auf . Lager 44, 46 sind in der Nähe von Mittelachsen des oberen Kerns 32 bzw. des unteren Kerns 34 angeordnet. Die Ankerwelle 28 wird durch die Lager 44, 46 verschieblich gehalten.
Eine Kernführung 48 umgibt äußere Umfangsoberflächen des oberen Kerns 32 und des unteren Kerns 34. Die Kernführung 48 stellt einen Ort des oberen Kerns 32 relativ zu dem unteren Kern 34 in geeigneter Weise ein. Ein oberes Gehäuse 50 ist an einem oberen Abschnitt des oberen Kerns 32 befestigt, während ein unteres Gehäuse 52 an einem unteren Abschnitt des unteren Gehäuses 34 befestigt.
Eine Federführung 54 und eine Einstellschraube 56 sind in einem oberen Endabschnitt des oberen Gehäuses 50 angeordnet. Ein oberer Halter 58, der mit einem oberen Ende der Ankerwelle 28 verbunden ist, ist unterhalb der Federführung 54 angeordnet. Zwischen der Federführung 54 und dem oberen Halter 58 ist eine obere Feder 60 angeordnet, welche den oberen Halter 58 und die Ankerwelle 28 in 1 abwärts drängt. Die Einstellschraube 56 stellt eine Neutralstellung des Ankers 30 ein. In dieser Ausführungsform ist die Neutralstellung des Ankers 30 auf einen mittleren Abschnitt eines Raums eingestellt, der durch den oberen Kern 32 und den unteren Kern 34 definiert ist.
Mit Bezug auf 2 bis 9 wie auch 1 wird nachstehend die Betriebsweise des elektromagnetisch angesteuerten Ventils 10 beschrieben werden.
Bei dem elektromagnetisch angesteuerten Ventil 10 nimmt der Anker 30 seine Neutralstellung ein, wenn weder an die obere Spule 40 noch an die untere Spule 42 ein Erregungsstrom angelegt wird. D. h., der Anker 30 wird in einem mittleren Abschnitt des Raums gehalten, der durch den oberen Kern 32 und den unteren Kern 34 definiert ist. Wenn der oberen Spule 40 ein Erregungsstrom zugeführt wird, während der Anker 30 seine Neutralstellung annimmt, wird in einem Raum, der durch den Anker 30 und den oberen Kern 32 definiert ist, eine elektromagnetische Kraft erzeugt, welche den Anker 30 in Richtung des oberen Kerns 32 anzieht. Somit kann das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 durch Zuführen eines geeigneten Erregungsstroms an die obere Spule 40 den Anker 30 in Richtung des oberen Kerns 32 auslenken. Der Ventilkörper 18 bewegt sich auf den Ventilsitz 19, um vollständig geschlossen zu sein, bevor der Anker 30 auf den oberen Kern 32 stößt. Somit kann das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 durch Zuführen eines geeigneten Erregungsstroms an die obere Spule 40 den Ventilkörper 18 vollständig schließen.
Falls eine Zufuhr eines Erregungsstroms an die obere Spule 40 bei vollständig geschlossenem Ventilkörper 18 beendet wird, beginnen sich der Ventilkörper 18, die Ventilstange 20, die Ankerwelle 28 und der Anker 30 aufgrund von Rückstellkräften der oberen Feder 60 und der unteren Feder 26, in 1 nach unten zu bewegen.
Eine Auslenkung des Ventilkörpers 18 bewirkt einen Energieverlust, der aus Gleitreibung und dergleichen resultiert. Das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 kann einen solchen Energieverlust durch Zuführen eines Erregungsstroms an die obere Spule 42 ausgleichen, um den Ventilkörper 18 auszulenken, bis der Anker 30 gegen den unteren Kern 34 stößt. Der Ventilkörper 18 erreicht seinen vollständig geöffneten Zustand, wenn der Anker 30 gegen den unteren Kern 34 stößt.
Demgemäß kann das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 den Ventilkörper, 18 dadurch vollständig öffnen, daß es damit beginnt, der unteren Spule 42 zu einer geeigneten Zeit nach Beenden der Zufuhr des Erregungsstroms an die obere Spule 40 einen Erregungsstrom zuzuführen. Das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 kann durch Zuführen eines geeigneten Erregungsstroms an die obere Spule 40 oder die untere Spule 42 zu einer geeigneten Zeit hiernach den Ventilkörper 18 in geeigneter Weise öffnen oder schließen.
Das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 gemäß dieser Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige Vorsprung 36 nicht auf dem oberen Kern 32, sondern nur auf dem unteren Kern 34 ausgebildet ist. Die durch dieses Merkmal erzielte Wirkung wird nachstehend beschrieben werden.
2 stellt einen Verlauf eines magnetischen Flusses Φ_O dar, der durch den oberen Kern 32 und den Anker 30 zirkuliert, wenn der oberen Spule 40 ein vorbestimmter Strom I₀ zugeführt wird. Der Verlauf des magnetischen Flusses Φ_O, wie er in 2 dargestellt ist, wird verwirklicht, wenn der Anker 30 von dem oberen Kern 32 weit entfernt ist. Gesetzt den Fall, daß N die Anzahl von Wicklungen der oberen Spule 40 repräsentiert und R_O einen magnetischen Widerstand eines den oberen Kern 32 und den Anker 30 enthaltenden magnetischen Kreises (nachstehend als ein oberer magnetischer Kreis 62 bezeichnet) repräsentiert, wird der durch den oberen magnetischen Kreis 62 zirkulierende magnetische Fluß Φ_O wie folgt ausgedrückt. ΦO = (N I0)/RO (1)
3 stellt einen Verlauf eines magnetischen Flusses Φ_U dar, der durch den unteren Kern 34 und den Anker 30 zirkuliert, wenn der unteren Spule 42 ein vorbestimmter Strom I₀ zugeführt wird. Der Verlauf des magnetischen Flusses Φ_U, wie in 3 dargestellt ist, wird verwirklicht, wenn sich der Anker weit von dem unteren Kern 34 entfernt beabstandet befindet. Gesetzt den Fall, daß N die Anzahl von Wicklungen der unteren Spule 42 präsentiert und R_U einen magnetischen widerstand eines den unteren Kern 34 und den Anker 30 enthaltenden magnetischen Kreises (nachstehend als ein unterer magnetischer Kreis 64 bezeichnet) repräsentiert, wird der durch den unteren magnetischen Kreis 64 zirkulierende magnetische Φ_U wie folgt ausgedrückt. ΦU = (N I0)/RU (2)
Je kleiner ein zwischen dem oberen Kern 32 und dem Anker 30 ausgebildete Luftspalt wird, umso kleiner wird der magnetische Widerstand R_O des oberen magnetischen Kreises 62. Gleichfalls wird der magnetische Widerstand R_U des unteren magnetischen Kreises 64 umso kleiner, je kleiner ein zwischen dem unteren Kern 34 und dem Anker 30 ausgebildeter Luftspalt wird.
In dieser Ausführungsform ist auf dem unteren Kern 34 ein in Richtung des Ankers 30 vorspringender ringförmiger Vorsprung 36 ausgebildet. Wenn sich der Anker 30 von dem unteren Kern 34 entfernt beabstandet befindet, dient der ringförmige Vorsprung 36 dazu, den hierzwischen ausgebildeten Luftspalt zu reduzieren. Falls der Anker 30 von dem oberen Kern 32 und dem unteren Kern 34 gleich weit entfernt ist, ist somit der magnetische Widerstand R_U des unteren magnetischen Kreises 64 kleiner als der magnetische Widerstand R_O des oberen magnetischen Kreises 62. Demgemäß ist in diesem Fall die Größe eines durch den unteren magnetischen Kreis 64 fließenden magnetischen Flusses Φ_U größer als die Menge eines durch den oberen magnetischen Kreis 62 fließenden magnetischen Flusses Φ_O.
Bei dem elektromagnetisch angesteuerten Ventil 10 wird, wenn der magnetische Fluß Φ_O durch den oberen magnetischen Kreis 62 fließt, eine Anziehungskraft zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 32 erzeugt, um den in dem oberen magnetischen Kreis 62 ausgebildeten Luftspalt zu reduzieren. Andererseits wird, wenn der magnetische Fluß Φ_U durch den unteren magnetischen Kreis 64 fließt, eine Anziehungskraft zwischen dem Anker 30 und dem unteren Kern 34 erzeugt, um den in dem unteren magnetischen Kreis 64 ausgebildeten Luftspalt zu reduzieren.
Falls der Anker 30 sich weit von dem oberen Kern 32 entfernt beabstandet befindet, dient die zuvor erwähnte Anziehungskraft hauptsächlich dazu, den Anker 30 in Richtung des oberen Kerns 32 anzuziehen. Falls sich der Anker 30 weit von dem unteren Kern 34 entfernt beabstandet befindet, dient die zuvor erwähnte Anziehungskraft hauptsächlich dazu, den Anker 30 in Richtung des unteren Kerns 34 anzuziehen. Je größer die Menge des durch den zu reduzierenden Luftspalt fließenden magnetischen Flusses wird, umso größer wird die zuvor erwähnte Anziehungskraft.
Daher ist dann, wenn sich der Anker 30 von dem oberen Kern 32 und dem unteren Kern 34 gleich weit entfernt befindet und sowohl der oberen Spule 40 als auch der unteren Spule 42 ein Erregungsstrom I₀ zugeführt wird, die zwischen dem Anker 30 und dem unteren Kern 34 erzeugte Anziehungskraft größer als die zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 32 erzeugte Anziehungskraft. Wenn der Anker 30 weit von dem oberen Kern 32 oder dem unteren Kern 34 entfernt beabstandet ist, wird eine hierzwischen erzeugte Anziehungskraft nachstehend als eine Fernwirkungs-Anziehungskraft FF bezeichnet werden.
4 stellt einen Verlauf eines magnetischen Flusses Φ_O dar, der durch den oberen Kern 32 und den Anker 30 zirkuliert, wenn der oberen Spule 40 ein vorbestimmter Strom I₀ zugeführt wird. Der Verlauf des magnetischen Flusses Φ_O, wie er in 4 dargestellt ist, wird verwirklicht, wenn der Anker geringfügig von dem oberen Kern 32 entfernt beabstandet ist.
Je kleiner der zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 32 ausgebildete Luftspalt wird, umso kleiner wird ein magnetischer Widerstand R_O des oberen magnetischen Kreises 62. Wie aus der zuvor erwähnten Formel (1) ersehen werden kann, wird die Menge eines durch den oberen magnetischen Kreis 62 fließenden magnetischen Flusses Φ_O umso größer, je kleiner der magnetische Widerstand R_O wird. Daher ist die Menge eines durch den oberen magnetischen Kreis 62 fließenden magnetischen Flusses Φ_O dann, wenn sich der Anker 30 nahe dem oberen Kern 32 befindet, wie in 4 dargestellt, größer als dann, wenn sich der Anker 30 weit von dem oberen Kern 32 entfernt beabstandet befindet, wie in 2 dargestellt.
Der magnetische Fluß Φ_O, welcher zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 32 übertragen wird, dient hauptsächlich als eine Anziehungskraft, welche den Anker 30 auch dann in Richtung des oberen Kerns 32 anzieht, wenn sich der Anker 30 geringfügig von dem oberen Kern 32 entfernt beabstandet befindet. Daher wächst mit Annäherung des Ankers 30 an den oberen Kern 32 die Anziehungskraft, welche den Anker 30 in Richtung des oberen Kerns 32 anzieht, proportional mit dem durch den oberen magnetischen Kreis 62 fließenden magnetischen Fluß Φ_O. Wenn sich der Anker 30 nahe dem oberen Kern 32 befindet, wird eine Anziehungskraft, welche den Anker 30 in Richtung des oberen Kerns 32 anzieht, nachstehend als eine Nahbereichs-Anziehungskraft F_N bezeichnet werden.
5 stellt einen Verlauf eines magnetischen Flusses Φ_U dar, der durch den unteren Kern 34 und den Anker 30 zirkuliert, wenn der unteren Spule 42 ein vorbestimmter Strom I₀ zugeführt wird. Der Verlauf des magnetischen Flusses Φ_U, wie er in 5 dargestellt, wird verwirklicht, wenn sich der Anker 30 geringfügig von dem unteren Kern 34 entfernt beabstandet befindet.
Je kleiner der zwischen dem Anker 30 und dem unteren Kern 34 ausgebildete Luftspalt wird, umso kleiner wird der magnetische Widerstand R_U des unteren magnetischen Kreises 64. Wie aus der zuvor erwähnten Formel (2) erse hen werden kann, wird die Menge eines durch den unteren magnetischen Kreis 64 fließenden magnetischen Flusses Φ_U umso größer, je kleiner der magnetische Widerstand R_U wird. Daher ist die Menge eines durch den unteren magnetischen Kreis 64 fließenden magnetischen Flusses Φ_U dann, wenn sich der Anker 30 nahe dem unteren Kern 34 befindet, wie in 5 dargestellt, größer als dann, wenn sich der Anker 30 weit von dem unteren Kern 34 entfernt beabstandet befindet, wie in 3 dargestellt.
Ein magnetischer Fluß wird zwischen dem Anker 30 und dem unteren Kern 34 über einen zwischen der Vorsprungsgegenüberstellungsseite 38 des Ankers 30 und dem ringförmigen Vorsprung 36 des unteren Kerns 34 ausgebildeten Luftspalt (nachstehend als ein radialer Luftspalt bezeichnet) ebenso wie einen zwischen einer Unterseite des Ankers 30 und einer oberen Fläche des unteren Kerns 34 ausgebildeten Luftspalt (nachstehend als ein axialer Luftspalt bezeichnet) übertragen.
Der über den axialen Luftspalt übertragene magnetische Fluß dient als eine Anziehungskraft, welche den Anker 30 stets in Richtung des unteren Kerns 34 anzieht. Andererseits wirkt der über den radialen Luftspalt übertragene magnetische Fluß dann, wenn, wie in 5 gezeigt, sich der Anker 30 derart nahe an dem unteren Kern 34 befindet, daß die Vorsprungsgegenüberstellungsseite 38 der inneren Wand des ringförmigen Vorsprungs 36 gegenübersteht, in der radialen Richtung so auf den Anker 30, daß der Anker 30 nicht in Richtung des unteren Kerns 34 gedrängt wird. Daher wird die Anziehungskraft (die Nahbereichs-Anziehungskraft F_N), welche den Anker 30 in Richtung des unteren Kerns 34 anzieht, dann, wenn sich der Anker 30 nahe dem unteren Kern 34 befindet, um so größer, je größer der durch den axialen Luftspalt verlaufende magnetische Fluß wird.
Mit Annäherung des Ankers 30 an den unteren Kern 34 verringert sich der axiale Luftspalt proportional zu einem Auslenkungsbetrag des Ankers 30 und erreicht seinen kleinsten Wert von "0" wenn der Anker 30 auf den unteren Kern 34 stößt. Andererseits erreicht der radiale Luftspalt mit Annäherung des Ankers 30 an den unteren Kern 34 seinen kleinsten Wert G_min bei bzw. nach Ankunft des unteren Endabschnitts der Vorsprungsgegenüberstellungsseite 38 auf dem oberen Endabschnitt des ringförmigen Vorsprungs 36. Demgemäß ist der radiale Luftspalt kleiner als der axiale Luftspalt, bis der axiale Luftspalt nach Ankunft des unteren Endabschnitts der Vorsprungsgegenüberstellungsseite 38 auf dem oberen Endabschnitt des ringförmigen Vorsprungs 36 kleiner als Gmin wird.
Der durch den unteren magnetischen Kreis 64 verlaufende magnetische Fluß Φ_U neigt dazu, einem Weg geringen magnetischen Widerstands zu folgen. Daher tritt der durch den unteren magnetischen Kreis 64 verlaufende magnetische Fluß Φ_U dann, wenn der radiale Luftspalt bei Annäherung des Ankers 30 an den unteren Kern 34 kleiner als der axiale Luftspalt ist, in großen Teilen durch den radialen Luftspalt hindurch. In diesem Fall nimmt die Nahbereichs-Anziehungskraft F_N einen vergleichsweise geringen Wert für den magnetischen Fluß Φ_U an. Ferner erfährt die Nahbereichs-Anziehungskraft F_N mit Annäherung des Ankers 30 an den unteren Kern 34 vergleichsweise allmähliche Änderungen.
Demzufolge stellt das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 sicher, daß die zwischen dem Anker 30 und dem unteren Kern 34 erzeugte Nahbereichs-Anziehungskraft F_N (nachstehend als eine untere Nahbereichs-Anziehungskraft bezeichnet) kleiner ist als die zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 32 erzeugte Nahbereichs-Anziehnungskraft F_N (nachstehend als eine obere Anziehungskraft bezeichnet). Zusätzlich ändert sich die bei Annäherung des Ankers 30 an den unteren Kern 34 erzeugte untere Nahbereichs-Anziehungskraft allmählicher als die bei Annäherung des Ankers 30 an den oberen Kern 32 erzeugte obere Nahbereichs-Anziehungskraft.
6 stellt einen Verlauf eines magnetischen Flusses Φ_O dar, der durch den oberen Kern 32 und den Anker 30 zirkuliert, wenn der oberen Spule 40 ein vorbestimmter Strom I₀ zugeführt wird. Der Verlauf des magnetischen Flusses Φ_O, wie er in 6 dargestellt ist, wird verwirklicht, wenn der Anker 30 auf den oberen Kern 32 stößt bzw. auftrifft.
Der magnetische Widerstand R₀ des oberen magnetischen Kreises 62 nimmt seinen kleinsten Wert an, wenn der Anker 30 auf den oberen Kern 32 stößt. In diesem Fall verläuft bei einem gegebenen Erregungsstrom I₀ der maximale magnetische Fluß Φ_O,max durch den oberen magnetischen Kreis 62, und zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 32 wird die maximale Anziehungskraft erzeugt. Diese Anziehungskraft wird nachstehend als eine Anziehungskraft im Zustand eines Auftreffens bzw. als eine Auftreff-Anziehungskraft F_C bezeichnet werden.
7 stellt einen Verlauf eines magnetischen Flusses Φ_U dar, der durch den unteren Kern 34 und den Anker 30 zirkuliert, wenn der unteren Spule 42 ein vorbestimmter Strom I₀ zugeführt wird. Der Verlauf des magnetischen Flusses Φ_U, wie er in 7 dargestellt ist, wird verwirklicht, wenn der Anker 30 auf den unteren Kern 34 stößt.
Der magnetische Widerstand R_U des unteren magnetischen Kreises 64 nimmt seinen kleinsten Wert an, wenn der Anker 30 auf den unteren Kern 34 stößt. In diesem Fall verläuft bei einem gegebenen Erregungsstrom I₀ der maximale magnetische Fluß Φ_U,max durch den unteren magnetischen Kreis 64. In dieser Ausführungsform überschreitet der zwischen der Vorsprungsgegenüberstellungseite 38 des Ankers 30 und dem ringförmigen Vorsprung 36 des unteren Kerns 34 ausgebildete Luftspalt stets den minimalen Wert G_min. Daher wird, wenn der Anker 30 auf den unteren Kern 34 stößt, nahezu der gesamte magnetische Fluß Φ_U zwischen der Unterseite des Ankers 30 und der Oberseite des unteren Kerns 34 übertragen. In diesem Fall wird bei einem gegebenen Erregungsstrom I₀ eine Auftreff-Anziehungskraft F_C zwischen dem Anker 30 und dem unteren Kern 34 erzeugt. Diese Auftreff-Anziehungskraft F_C ist im wesentlichen gleich der Auftreff-Anziehungskraft F_C, die zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 32 erzeugt wird.
8 stellt Eigenschaften des elektromagnetisch angesteuerten Ventils 10 in Übereinstimmung mit Änderungen in einem Hub des Ventilkörpers 18 dar. Mit Bezug auf 8 bezeichnet eine Kurve A eine Anziehungskraft, welche zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 32 erzeugt wird, wenn der Ventilkörper 18 bei einem der oberen Spule 40 zugeführten Erregungsstrom I₀ zwischen seiner Neutralstellung und seiner vollständig geschlossenen Stellung ausgelenkt wird. Ferner gibt eine Kurve B eine Anziehungskraft an, welche zwischen dem Anker 30 und dem unteren Kern 34 erzeugt wird, wenn der Ventilkörper 18 bei dem der unteren Spule 42 zugeführten Erregungsstrom I₀ zwischen seiner Neutralstellung und seiner vollständig geöffneten Stellung ausgelenkt wird. Des weiteren gibt eine Kurve C eine Federkraft an, welche durch die obere Feder 60 und die untere Feder 26 erzeugt wird, wenn der Ventilkörper zwischen seiner Neutralstellung und seiner vollständig geöffneten Stellung oder zwischen seiner Neu tralstellung und seiner vollständig geschlossenen Stellung ausgelenkt wird.
Wie zuvor beschrieben, ist, wenn sowohl der oberen Spule 40 als auch der unteren Spule 42 ein Erregungsstrom I₀ zugeführt wird, die Fernwirkungs-Anziehungskraft FF zwischen dem Anker 30 und dem unteren Kern 34 größer als zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 32. In diesem Fall ist die Nahbereichs-Anziehungskraft F_N zwischen dem Anker 30 und dem unteren Kern 34 kleiner als zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 32. Ferner ist eine zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 32 erzeugte Auftreff-Anziehungskraft F_C im wesentlichen gleich der zwischen dem Anker 30 und dem unteren Kern 34 erzeugten Auftreff-Anziehungskraft F_C.
Daher ist, wie die Kurve A zeigt, die zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 32 erzeugte Anziehungskraft vergleichsweise gering, wenn sich der Ventilkörper 18 in der Nähe seiner Neutralstellung befindet. Diese Anziehungskraft neigt dazu, vergleichsweise steil anzusteigen, wenn sich der Ventilkörper 18 seiner vollständig geschlossenen Stellung nähert. Andererseits ist, wie die Kurve B zeigt, die zwischen dem Anker 30 und dem unteren Kern 34 erzeugte Anziehungskraft vergleichsweise groß, wenn sich der Ventilkörper 18 in der Nähe seiner Neutralstellung befindet. Diese Anziehungskraft neigt dazu, vergleichsweise allmählich anzusteigen, wenn sich der Ventilkörper 18 seiner vollständig geöffneten Stellung nähert.
Wie bereits beschrieben, wird das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 als ein Auslaßventil für einen Verbrennungsmotor verwendet. Daher arbeitet das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 so, daß es den Ventilkörper 18 öffnet, wenn in dem Verbrennungsraum 16 ein ho her Verbrennungsdruck verbleibt, und den Ventilkörper 18 nach Nachlassen des Verbrennungsdrucks schließt. Falls der Ventilkörper 18 in Richtung seiner vollständig geöffneten Stellung ausgelenkt wird, wenn ein hoher Verbrennungsdruck in dem Verbrennungsraum 16 verbleibt, wird auf den Ventilkörper 18 eine hohe Last ausgeübt. Andererseits wird keine solche hohe Last auf den Ventilkörper ausgeübt, wenn der Ventilkörper 18 danach in Richtung seiner vollständig geschlossenen Stellung ausgelenkt wird.
Das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 ist so konstruiert, daß der Ventilkörper 18, wenn er sich nach Beenden einer Zufuhr eines Erregungsstroms an die obere Spule 40 in seiner vollständig geschlossenen Stellung befindet, durch Rückstellkräfte der oberen Feder 60 und der unteren Feder 26 in Richtung seiner vollständig geöffneten Stellung ausgelenkt wird. Gleichermaßen ist das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 derart konstruiert, daß der Ventilkörper 18 dann, wenn er sich nach Beenden einer Zufuhr eines Erregungsstroms an die untere Spule in seiner vollständig geöffneten Stellung befindet, durch Rückstellkräfte der oberen Feder 60 und der unteren Feder 26 in Richtung seiner vollständig geschlossenen Stellung ausgelenkt wird.
In 8 ist mit D eine kritische Stellung markiert, die von dem Ventilkörper aufgrund von Rückstellkräften der oberen Feder 60 und der unteren Feder 26 während des Ventilöffnungsvorgangs des Ventilkörpers 18 erreicht werden kann. Eine kritische Stellung, welche von dem Ventilkörper 18 aufgrund von Rückstellkräften der oberen Feder 60 und der unteren Feder 26 während eines Ventilschließvorgangs des Ventilkörpers 18 erreicht werden kann, ist mit E markiert. Wie zuvor beschrieben, unterliegt der Ventilkörper 18 während des Ventilöffnungsvorgangs einer größeren Last als während des Ventilschließvorgangs. Da her liegt die kritische Stellung D näher an der Neutralstellung des Ventilkörpers 18 als die kritische Stellung E.
Um den Ventilkörper 18 in geeigneter Weise in seine vollständig geöffnete Stellung auszulenken, wenn sich der Ventilkörper 18 in der kritischen Stellung D befindet, ist es erforderlich, eine Anziehungskraft zu erzeugen, welche die durch die obere Feder 60 und die untere Feder 26 erzeugten Federkräfte (die Federkräfte, welche den Ventilkörper 18 in Richtung seiner Neutralstellung drängen) übersteigt. Wie die Kurve B und die gerade Linie C in 8 andeuten, erfüllt das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 das zuvor erwähnte Erfordernis. Daher kann das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 den Ventilkörper 18 in geeigneter Weise in seine vollständig geöffnete Stellung auslenken.
Wenn der Ventilkörper 18 um einen der kritischen Stellung D entsprechenden Abstand in Richtung des oberen Kerns 32 ausgelenkt wird, ist die durch den Anker 30 und den oberen Kern 32 erzeugte Anziehungskraft kleiner als die von der oberen Feder 60 und der unteren Feder 26 erzeugten Federkräfte. Daher kann, wenn der untere Kern 34 in gleicher Weise konstruiert ist wie der obere Kern 32, d. h., so lange der untere Kern 34 mit dem ringförmigen Vorsprung 36 versehen ist, der Ventilkörper 18 durch Zuführen eines Erregungsstroms I₀ an die untere Spule 42 nicht in geeigneter Weise ausgelenkt werden. In Anbetracht dieses Gesichtspunkts ist das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 so konstruiert, daß der Ventilkörper 18 mit einem niedrigen Verbrauch an elektrischer Energie in seine vollständig geschlossene Stellung ausgelenkt werden kann.
Um den Ventilkörper 18 in geeigneter Weise in seine vollständig geschlossene Stellung auszulenken, wenn sich der Ventilkörper 18 in der kritischen Stellung E befindet, ist es erforderlich, eine Anziehungskraft zu erzeugen, welche die von der oberen Feder 60 und der unteren Feder 26 erzeugten Federkräfte (die Federkräfte, welche den Ventilkörper 18 in Richtung seiner Neutralstellung drängen) überschreitet. Wie die Kurve A und die gerade Linie C in 8 andeuten, erfüllt das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 das zuvor erwähnte Erfordernis. Daher ist das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 in der Lage, den Ventilkörper 18 in geeignter Weise in seine vollständig geschlossene Stellung auszulenken.
Falls das zuvor erwähnte Erfordernis erfüllt ist, wenn der Ventilkörper 18 die kritische Stellung E erreicht, wird der Ventilkörper 18 in geeigneter Weise in seine vollständig geschlossene Stellung ausgelenkt werden, egal wie klein die zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 32 erzeugte Anziehungskraft auch sein mag, bevor der Ventilkörper 18 des elektromagnetisch angesteuerten Ventils 10 die kritische Stellung E erreicht. Wie in 8 dargestellt, ist eine zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 32 erzeugte Anziehungskraft dann, wenn der Ventilkörper 18 die kritische Stellung E erreicht, hinreichend größer als die von der oberen Feder 60 und der unteren Feder 26 erzeugten Federkräfte, falls ein Erregungsstrom I₀ der oberen Spule 40 zugeführt wird. Somit kann das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 den Ventilkörper 18 auch dann in geeigneter Weise in seine vollständig geschlossene Stellung auslenken, wenn der der oberen Spule 40 zugeführte Erregungsstrom kleiner als ein vorbestimmter Wert I₀ ist.
Wie die Kurve A und die Kurve B in 8 andeuten, ist der obere Kern 32 im Aufbau zur Erzeugung einer hin reichend großen Nahbereichs-Anziehungskraft F_N aus dem Erregungsstrom I₀ geeigneter als der untere Kern 34. Daher ist der obere Kern 32 zur Erzeugung einer Anziehungskraft, welche die durch die obere Feder 60 und die untere Feder 26 erzeugten Federkräfte übersteigt, mit einem geringeren Verbrauch an elektrischer Energie, geeigneter als der untere Kern 34, wenn sich der Ventilkörper 18 an der kritischen Stellung E befindet. In dieser Ausführungsform ist der der oberen Spule 40 zugeführte Erregungsstrom auf einen solchen Wert festgelegt, daß die Anziehungskraft, welche zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 32 erzeugt wird, wenn sich der Ventilkörper 18 in der kritischen Stellung E befindet, die durch die obere Feder 60 und die untere Feder 26 erzeugten Federkräfte geringfügig übersteigt. Demzufolge ermöglicht das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 eine drastische Einsparung elektrischer Energie beim Auslenken des Ventilkörpers 18 in seine vollständig geschlossene Stellung.
Während der Verbrennungsmotor in Betrieb ist, muß der Ventilkörper 18 entweder in seiner vollständig geschlossenen Stellung oder in seiner vollständig geöffneten Stellung gehalten werden. Das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 kann den Ventilkörper 18 durch Zuführen eines geeignten Erregungsstroms an die untere Spule 42 oder die obere Spule 40 nach Ankommen des Ventilkörpers 18 in seiner vollständig geöffneten und geschlossenen Stellung – d. h., nach Ankunft des Ankers auf dem unteren Kern 34 oder dem oberen Kern 32 – entweder in seiner vollständig geschlossenen Stellung oder seiner vollständig geöffneten Stellung halten.
Wie zuvor beschrieben, ist bei einem gegebenen Erregungsstrom I₀ die zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 32 erzeugte Auftreff-Anziehungskraft F_C im wesentlichen gleich der zwischen dem Anker 30 und dem unteren Kern 34 erzeugten Auftreff-Anziehungskraft F_C. Daher ermöglicht das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 eine drastische Einsparung elektrischer Energie nicht nur beim Auslenken des Ventilkörpers 18 in seine vollständig geschlossene Stellung, sondern auch beim Auslenken des Ventilkörpers 18 in seine vollständig geöffnete Stellung.
Wie zuvor beschrieben, sind die Eigenschaften des elektromagnetisch angesteuerten Ventils 10 gemäß dieser Ausführungsform in Anbetracht der Beziehung zwischen Zeitpunkten zum Öffnen und Schließen des Ventilkörpers 18 und von Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors bestimmt. Daher kann das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 10 während Betriebs des Verbrennungsmotors den Ventilkörper 18 in geeigneter Weise öffnen und schließen, während es eine drastische Einsparung elektrischer Energie ermöglicht.
Obwohl der obere Kern 32 in dieser Ausführungsform nicht mit einem Vorsprung versehen ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen solchen Aufbau beschränkt. Beispielsweise kann der obere Kern 32 mit einem Vorsprung versehen sein, der kleiner als der ringförmige Vorsprung 36 ist.
Ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf 9 beschrieben werden.
9 ist eine Schnittansicht, welche einen den Anker des elektromagnetisch angesteuerten Ventils gemäß der zweiten Ausführungsform umgebenden Teil darstellt. In 9 und 1 sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Mit Bezug auf 9 wird die Beschreibung derjenigen Elemente, die in gleicher Weise wie in 1 aufgebaut sind, weggelassen werden.
Das elektromagnetisch angesteuerte Ventil gemäß dieser Ausführungsform wird durch Ersetzen des unteren Kerns 34 und der Ankerwelle 28, wie in 1 dargestellt, durch einen unteren Kern 70 und eine Ankerwelle 72, wie in 9 dargestellt, verwirklicht. Der untere Kern 70 weist einen ringförmigen Vorsprung 74 auf, welcher die Ankerwelle 72 umgibt. Andererseits weist die Ankerwelle 72 eine Ausnehmung 76 auf, welche den ringförmigen Vorsprung 74 aufnimmt. Die Ankerwelle 72 ist an der Ausnehmung 76 mit dem Anker 30 verbunden.
Dadurch, daß die Ankerwelle 72 mit der Ausnehmung 76 versehen ist, ist auf der inneren Umfangsfläche des Ankers 30 eine Vorsprungsgegenüberstellungsseite 78 ausgebildet. Wenn der Anker 30 sich nahe dem unteren Kern 70 befindet, steht die Vorsprungsgegenüberstellungsseite 78 des Ankers 30 einer äußeren Umfangsfläche des ringförmigen Vorsprungs 74 gegenüber. Nachdem der Innendurchmesser des Ankers 30 geringfügig größer als der Außendurchmesser des ringförmigen Vorsprungs 74 ist, ist zwischen der Vorsprungsgegenüberstellungsseite 78 und dem ringförmigen Vorsprung 74 stets ein vorbestimmter Zwischenraum ausgebildet.
Bei dem elektromagnetisch angesteuerten Ventil gemäß dieser Ausführungsform arbeiten der ringförmige Vorsprung 74 und die Vorsprungsgegenüberstellungsseite 78 im wesentlichen in gleicher Weise wie der ringförmige Vorsprung 36 und die Vorsprungsgegenüberstellungsseite 38. Daher kann wie in dem Fall mit dem elektromagnetisch angesteuerten Ventil 10 gemäß der ersten Ausführungsform das elektromagnetisch angesteuerte Ventil gemäß dieser Ausführungsform bei Betrieb des Verbrennungsmotors den Ventilkörper 18 in geeigneter Weise öffnen und schließen, während drastische Einsparungen bezüglich der elektrischen Energie ermöglicht werden.
Ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf 10 beschrieben werden.
10 ist eine Schnittansicht, welche einen den Anker des elektromagnetisch angesteuerten Ventils gemäß der dritten Ausführungsform umgebenden Teil darstellt. In 10 und 1 sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Mit Bezug auf 10 wird eine Beschreibung derjenigen Elemente, die in gleicher weise wie in 1 aufgebaut sind, weggelassen werden.
Das elektromagnetisch angesteuerte Ventil gemäß dieser Ausführungsform wird durch Ersetzen des unteren Kerns 34 und des Ankers 30, wie in 1 dargestellt, durch einen unteren Kern 80 und einen Anker 82, wie in 10 dargestellt, verwirklicht. Der untere Kern 80 weist einen ersten ringförmigen Vorsprung 84 und eine ringförmige Nut 86 auf. Der erste ringförmige Vorsprung 84 ist entlang dem äußersten Umfang des unteren Kerns 80 angeordnet, und die ringförmige Nut 86 befindet sich radial einwärts des ersten ringförmigen Vorsprungs 84. Eine erste Vorsprungsgegenüberstellungsseite 87 ist auf einer inneren Umfangsfläche des ersten ringförmigen Vorsprungs 84 ausgebildet. Andererseits ist ein zweiter ringförmiger Vorsprung 88 entlang dem äußersten Umfang des Ankers 82 angeordnet. Eine zweite Vorsprungsgegenüberstellungsseite 90 ist auf einer äußeren Umfangsfläche des zweiten ringförmigen Vorsprungs 88 ausgebildet.
Der zweite ringförmige Vorsprung 88 ist so angeordnet, daß er mit der ringförmigen Nut 86 des unteren Kerns 80 zusammenpaßt, wenn sich der Anker 82 nahe dem unteren Kern 80 befindet. In diesem Zustand steht die zweite Vorsprungsgegenüberstellungsseite 90 einer Innenwand des ersten ringförmigen Vorsprungs 84 gegenüber. D.h., die äußere Umfangsfläche des zweiten ringförmigen Vorsprungs 88 steht der ersten Vorsprungsgegenüberstellungsseite 87 gegenüber. Nachdem der Außendurchmesser des Ankers 82 geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des ersten ringförmigen Vorsprungs 84 ist, ist zwischen dem ersten ringförmigen Vorsprung 84 und der zweiten Vorsprungsgegenüberstellungsseite 90 stets ein vorbestimmter Zwischenraum ausgebildet.
Bei dem elektromagnetisch angesteuerten Ventil gemäß dieser Ausführungsform arbeiten der erste ringförmige Vorsprung 84 und der zweite ringförmige Vorsprung 88 im wesentlichen in gleicher Weise wie der ringförmige Vorsprung 36 in der ersten Ausführungsform. Ferner arbeiten die erste Vorsprungsgegenüberstellungsseite 87 und die zweite Vorsprungsgegenüberstellungsseite 90 im wesentlichen in gleicher Weise wie die Vorsprungsgegenüberstellungsseite 38 in der ersten Ausführungsform. Daher kann wie in dem Fall mit dem elektromagnetisch angesteuerten Ventil 10 gemäß der ersten Ausführungsform das elektromagnetisch angesteuerte Ventil gemäß dieser Ausführungsform bei Betrieb des Verbrennungsmotors den Ventilkörper 18 in geeigneter Weise öffnen und schließen, während eine drastische Einsparung bezüglich der elektrischen Energie ermöglicht wird.
Obwohl der Anker 82 in dieser Ausführungsform nicht mit einem hiervon in Richtung des oberen Kerns 32 hervorstehenden Vorsprung versehen ist, ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen solchen Aufbau beschränkt. Beispielsweise kann ein kleinerer Vorsprung als der zweite ringförmige Vorsprung 88 auf der Seite des Ankers 82, welche dem oberen Kern 32 gegenübersteht, ausgebildet sein.
Obwohl der untere Kern 80 und der Anker 82 in dieser Ausführungsform mit dem ersten ringförmigen Vorsprung 84 bzw. dem zweiten ringförmigen Vorsprung 88 versehen sind, ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen solchen Aufbau beschränkt. Es kann auch möglich sein, nur den Anker 82 mit einem ringförmigen Vorsprung zu versehen.
Ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf 11 beschrieben werden.
11 ist eine Gesamtaufbauansicht eines elektomagnetisch angesteuerten Ventils 170 gemäß der vierten Ausführungsform. Das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 170 ist dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem Einlaßventil 172 ausgestattet ist und ein ringförmiger Vorsprung 176 nur auf einem oberen Kern 174 ausgebildet ist. In 11 und 1 sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Mit Bezug auf 11 wird die Beschreibung derjenigen Elemente, die in gleicher Weise wie in 1 aufgebaut sind, weggelassen oder vereinfacht werden. In dem Zylinderkopf 12 ist ein Einlaßkanal 180 ausgebildet, in welchem ein Ventilsitz 182 angeordnet ist. Wenn sich das Einlaßventil 172 auf den Ventilsitz 182 bewegt, wird der Einlaßkanal 180 aus einer Verbindung mit dem Verbrennungsraum 16 gebracht. Wenn sich das Einlaßventil 172 von dem Ventilsitz 182 weg bewegt, wird der Einlaßkanal 180 in Verbindung mit dem Verbrennungsraum 16 gebracht.
Anders als in dem Fall des Auslaßventils wird das Einlaßventil 172 geöffnet, wenn in dem Verbrennungsraum 16 kein Verbrennungsdruck verbleibt. Daher gibt es, ob das Einlaßventil 172 zum Öffnen oder Schließen angesteuert wird, keine wesentliche Änderung in einer äußeren Kraft, welche den Betrieb des Einlaßventils 172 behindert. Demzufolge verbleibt der durch die äußere Kraft gedämpfte Amplitudenbetrag unabhängig davon, ob das Einlaßventil 172 zum Öffnen oder Schließen angesteuert wird, im wesentlichen unverändert.
Das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 170 ist so aufgebaut, daß sich das Einlaßventil 172 zuverlässig auf den Ventilsitz 182 bewegt, ohne durch Wärmedehnung einer Ventilstange 184 und dergleichen in abträglicher Weise beeinflußt zu werden. D.h., das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 170 ist so aufgebaut, daß das Einlaßventil 172 den Ventilsitz 182 vor Ankunft des Ankers 30 auf dem oberen Kern 174 auch dann stets erreicht, wenn sich die Ventilstange 182 und dergleichen thermisch ausdehnen. Daher kann das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 170 bei Anziehung des Ankers 30 in Richtung der oberen Spule 40 Umstände herbeiführen, in welchen nur der Anker 30 und die Ankerwelle 82 von der Ventilstange 184 getrennt werden und sich nach Ankunft des Einlaßventils 172 auf dem Ventilsitz 182 in Richtung der oberen Spule 40 bewegen.
Bei dem elektromagnetisch angesteuerten Ventil 170 wird, nachdem der obere Halter 58 an der Ankerwelle 28 befestigt ist, die Federkraft der oberen Feder 60 direkt auf die Ankerwelle 28 übertragen. Andererseits wird, nachdem der untere Halter 24 an der Ventilstange 184 befestigt ist, die Federkraft der unteren Feder 26 über die Ventilstange 184 indirekt auf die Ankerwelle 28 übertragen.
Wie zuvor beschrieben, führt das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 170 Umstände herbei, in welchen die Ankerwelle 28 nach naher Annäherung des Ankers 30 an die obere Spule 40 von der Ventilstange 184 getrennt wird. Unter solchen Umständen wird die Federkraft der unteren Feder 26 nicht auf die Ankerwelle 28 übertragen, auf welche nur die Federkraft der oberen Feder 60 übertragen wird.
Die obere Feder 60 erzeugt eine Federkraft, welche den Anker 30 in Richtung der unteren Spule 42 drängt. Wenn also nur die durch die obere Feder 60 erzeugte Federkraft auf die Ankerwelle 28 wirkt, wird die Amplitude des sich in Richtung der oberen Spule 40 bewegenden Ankers 30 abrupt gedämpft.
Wenn sich der Anker 30 in Richtung der unteren Spule 42 bewegt, wirken sowohl die Federkraft der oberen Feder 60 als auch die Federkraft der unteren Feder 26 konstant auf die Ankerwelle 28, bis der Anker 30 nach Trennung des Ankers 30 von der oberen Spule 40 die untere Spule 42 erreicht. Daher wird, wenn sich der Anker 30 in Richtung der unteren Spule 42 bewegt, die Amplitude des Ankers 30 nicht abrupt gedämpft.
Wie bislang beschrieben, stellt das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 170 sicher, daß die Federkräfte der oberen Feder 60 und der unteren Feder 26 die Amplitude der Ankerwelle 28 dann, wenn sich der Anker 30 in Richtung der oberen Spule 40 bewegt, drastischer dämpfen als wenn sich der Anker 30 in Richtung der unteren Spule 42 bewegt. Daher neigt die Amplitude des Einlaßventils 172, während des Ventilschließvorgangs zu drastischerer Dämpfung als während des Ventilöffnungsvorgangs.
Bei dem elektromagnetisch angesteuerten Ventil 170 gemäß dieser Ausführungsform ist der obere Kern 174 mit dem ringförmigen Vorsprung 176, der den Anker 30 umgibt, versehen. Daher ist die zwischen dem Anker 30 und dem oberen Kern 174 erzeugte Anziehungskraft vergleichsweise groß, wenn das Einlaßventil 172 in der Nähe seiner Neutralstellung angeordnet ist, so daß der zuvor erwähnte Unterschied bei der Dämpfung eines Amplitudenbetrags beseitigt werden kann. Demgemäß kann das elektromagnetisch angesteuerte Ventil 170 bei Betrieb des Verbrennungsmotors den Ventilkörper in geeigneter Weise öffnen und schließen, während eine drastische Einsparung elektrischer Energie ermöglicht wird.

Claims

Ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil für einen Verbrennungsmotor mit: – einem Anker (30), gekoppelt mit einem Ventilkörper (18) zur Hin- und Herbewegung hiermit zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position; – einem ersten elastischen Bauelement (26), gekoppelt mit dem Anker (30), um den Anker (30) in Richtung der zweiten Position vorzuspannen, und – einem zweiten elastischen Bauelement (60), gekoppelt mit dem Anker (30), um den Anker (30) in Richtung der ersten Position vorzuspannen, – wobei eine Neutralstellung des Ankers (30) zwischen der ersten und der zweiten Position an dem Punkt definiert ist, wo die von dem ersten und dem zweiten elastischen Bauelement (26, 60) ausgeübten Kräfte einander ausgleichen, – einem ersten Kern (34), welcher eine erste Spule (42) darin aufweist und – einem zweiten Kern (32), welcher eine zweite Spule (40) darin aufweist, – wobei der erste und der zweite Kern (34, 32) auf entgegengesetzten Seiten des Ankers (30) angeordnet sind und so positioniert sind, daß, wenn sich der Anker (30) in der Neutralstellung befindet, der erste und der zweite Kern (34, 32) voneinander beabstandet sind, und – wobei der Ventilkörper (18) ein Auslaßventil für einen Verbrennungsmotor ist und die erste Spule (42) eine elektromagnetische Kraft erzeugt, um den Anker (30) in Richtung der ersten Position, in welcher das Auslaßventil geöffnet ist, anzuziehen, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kern (34) mit einem ersten Vorsprung (36) ausgestattet ist, der eine vorbestimmte Länge in Richtung des Ankers (30) vorspringt, wodurch ein Abstand zwischen dem ersten Kern (34) und dem Anker (30) kleiner gemacht wird als ein Abstand zwischen dem zweiten Kern (32) und dem Anker (30), wenn sich der Anker (30) in der Neutralstellung befindet, wobei der erste Vorsprung (36) ringförmig ist und einen Durchmesser aufweist, der etwas größer als ein Außendurchmesser des Ankers (30) ist.
Ein elektromagnetisch angesteuertes Ventil für einen Verbrennungsmotor mit: – einem Anker (30), gekoppelt mit einem Ventilkörper (172) zur Hin- und Herbewegung hiermit zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position; – einem ersten elastischen Bauelement (26), gekoppelt mit dem Anker (30), um den Anker (30) in Richtung der zweiten Position vorzuspannen, – einem zweiten elastischen Bauelement (60), gekoppelt mit dem Anker (30), um den Anker (30) in Richtung der ersten Position vorzuspannen, – wobei eine Neutralstellung des Ankers (30) zwischen der ersten und der zweiten Position an dem Punkt definiert ist, wo die von dem ersten und dem zweiten elastischen Bauelement (26, 60) ausgeübten Kräfte einander ausgleichen; – einem ersten Kern (188), welcher eine erste Spule (42) darin aufweist und – einem zweiten Kern (174), welcher eine zweite Spule (40) darin aufweist, – wobei der erste und der zweite Kern (188, 174) auf entgegengesetzten Seiten des Ankers (30) angeordnet sind und so positioniert sind, daß, wenn sich der Anker (30) in der Neutralstellung befindet, der erste und der zweite Kern (34, 32) voneinander beabstandet sind, und – wobei der Ventilkörper (172) ein Einlaßventil für einen Verbrennungsmotor ist und von dem Anker (30) getrennt ist und die zweite Spule (40) eine elektromagnetische Kraft erzeugt, welche den Anker (30) in Richtung der zweiten Position anzieht, um das Einlaßventil zu schließen, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kern (174) mit einem ersten Vorsprung (176) ausgestattet ist, der eine vorbestimmte Länge in Richtung des Ankers (30) vorspringt, wodurch ein Abstand zwischen dem zweiten Kern (174) und dem Anker (30) kleiner gemacht wird als ein Abstand zwischen dem ersten Kern (188) und dem Anker (30), wenn sich der Anker (30) in der Neutralstellung befindet, wobei der erste Vorsprung (176) ringförmig ist und einen Durchmesser aufweist, der etwas größer als ein Außendurchmesser des Ankers (30) ist.
Das elektromagnetisch angesteuerte Ventil gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kern (32) mit einem zweiten Vorsprung ausgestattet ist, der kleiner als der erste Vorsprung (36) ist.
Das elektromagnetisch angesteuerte Ventil gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kern (188) mit einem zweiten Vorsprung ausgestattet ist, der kleiner als der erste Vorsprung (176) ist.