DE69920623T2

DE69920623T2 - Elektromagnetische Ventilantriebsvorrichtung für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE69920623T2
Application number: DE69920623T
Authority: DE
Inventors: Takashi Toyota-shi Aichi-ken Izuo; Tatsuo Toyota-shi Aichi-ken Iida; Masahiko Toyota-shi Aichi-ken Asano; Hiroyuki Toyota-shi Aichi-ken Hattori
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-10-19
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2019-10-08
Also published as: EP0995884B1; DE69920623D1; EP0995884A2; EP0995884A3; JP2000120416A; US6298812B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilbetätigungsvorrichtung, die in einem Verbrennungsmotor angeordnet ist. Die Ventilbetätigungsvorrichtung betätigt insbesondere ein Einlass- oder Auslassventil, das zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position beweglich ist, mit Hilfe des Zusammenwirkens elektromagnetischer Kräfte und einer Federkraft an.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Ventilbetätigungsvorrichtung, die ein Einlassventil und ein Auslassventil in einem Verbrennungsmotor mit Hilfe elektromagnetischer Kräfte betätigt, ist bereits bekannt, wie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift No. 9-256825 offenbart ist. Dieser Typ einer Ventilbetätigungsvorrichtung umfasst ein Ventil, das als Einlassventil oder Auslassventil arbeitet, einen Anker, der mit dem Einlassventil oder einem Auslassventil gekoppelt ist, zwei Ventilfedern, die eine Kraft erzeugen, die auf das Einlassventil oder das Auslassventil ausgeübt wird, und zwei Elektromagnete (einen oberen Elektromagnet und einen unteren Elektromagnet), die in der Bewegungsrichtung des Ankers angeordnet sind.
Bei der oben erwähnten Ventilbetätigungsvorrichtung bewegt sich das Einlassventil oder das Auslassventil durch die elektromagnetische Kraft, die auf den Anker ausgeübt wird, in Richtung des oberen Elektromagneten, wenn dem oberen Elektromagneten ein elektrischer Erregerstrom zugeführt wird, da das Ventil mit dem Anker gekoppelt ist. Anschließend bewegt sich das Ventil durch die Kraft, die von der Ventilfeder ausgeübt wird, in Richtung des unteren Elektromagneten, da die elektromagneti sche Kraft verschwindet, wenn der Erregerstrom für den oberen Elektromagnet unterbrochen wird. Wenn der Erregerstrom an dem Punkt dem unteren Elektromagnet zugeführt wird, an dem das Ventil in die Nähe des unteren Elektromagneten gelangt, bewegt sich das Ventil durch die auf den Anker ausgeübte elektromagnetische Kraft weiter in Richtung des unteren Elektromagneten. Gemäß der oben erwähnten Ventilbetätigungsvorrichtung kann das Ventil betätigt werden, um zu öffnen oder zu schließen, indem der Erregerstrom mit dem entsprechenden Timing abwechselnd zwei der Elektromagnete zugeführt wird.
Um den Wirkungsgrad der in eine Verbrennungskammer eines Verbrennungsmotors angesaugten Luftmenge zu erhöhen, kann die Öffnung des Einlasskanals zu der Verbrennungskammer einen großen Durchmesser haben. Wenn die Öffnung einen großen Durchmesser hat, wird jedoch der Durchmesser des Einlassventils größer. Daraus folgt, dass die Masse des Einlassventils größer ist. In diesem Fall wird eine Bewegungsgeschwindigkeit des Einlassventils größer. Folglich wird das Kolbenintervall von einer vollständig geöffneten Position zu einer vollständig geschlossenen Position des Einlassventils länger. Was die Bewegungsgeschwindigkeit des Ventils betrifft, so bewegt sich das Ventil umso schneller, je größer die Federkonstante der Ventilfeder ist, die eine Kraft auf das Ventil ausübt. Dies bedeutet, dass es besser ist, wenn die Federkonstante der Einlassventilfeder größer ist, um das Kolbenintervall zu verkürzen, wenn der Durchmesser des Einlassventils groß ist.
Wenn jedoch die Federkonstante der Einlassventilfeder in dem Verbrennungsmotor größer wird, wird die auf das Einlassventil wirkende Federkraft größer. Es ist notwendig, die elektromagnetische Kraft zur Kompensation der übermäßigen Federkraft zu erhöhen, so dass das Einlass ventil gegen die große ausgeübte Federkraft in der vollständig geöffneten oder vollständig geschlossenen Position gehalten wird. Folglich ist, wenn die Federkonstante der Einlassventilfeder groß ist, der zum Halten des Einlassventils in der vollständig geöffneten oder der vollständig geschlossenen Position erforderliche Erregerstrom, größer, was eine Zunahme der verbrauchten elektrischen Energie des Einlassventils zur Folge hat. Daher besteht ein Vorteil darin, dass die Federkonstante des Einlassfeder, die auf das Einlassventil wirkt, niedriger ist, um die verbrauchte elektrische Energie zum Betrieb des Einlassventils zu senken.
Wie oben erwähnt ist es notwendig, dass die Federkonstante der Einlassfeder, die auf das Einlassventil wirkt, in geeigneter Weise bestimmt wird, indem eine Verringerung des Kolbenintervalls des Einlassventils und eine Verringerung der zum Halten des Einlassventils in der vollständig geöffneten oder vollständig geschlossenen Position erforderliche verbrauchte elektrische Energie berücksichtigt wird.
Während des Öffnens des Einlassventils (sogenannter Ansaughub) wird die Verbrennungskammer auf dem niedrigen Druck gehalten. In diesem Zustand kann das Einlassventil durch eine niedrige elektromagnetische Kraft geöffnet werden geöffnet werden, da der Druck, der eine Kraft in Richtung des Einlassventils in Schließrichtung ausübt, niedrig ist.
Andererseits befindet sich die Verbrennungskammer während des Öffnens des Auslassventils (sogenannter Auspuffhub) unter dem hohem Druck, da Hochdruckverbrennungsgas nach dem Auspuffhub in der Verbrennungskammer verbleibt. In diesem Fall wird ein Amplitudendämpfungswert des Auslassventils höher, während sich das Auslassventil in der Öffnungsrichtung bewegt. Eine größere elektromagnetische Kraft ist zum Öffnen des Auslassventils in dem Zustand nötig, in dem der Amplitudendämpfungswert des Auslassventils höher ist. Demzufolge ist es notwendig, dass dem unteren Elektromagnet in diesem Fall ein höherer elektrischer Erregungsstrom zugeführt wird als in dem Fall des Öffnens des Einlassventils. Dann nimmt die verbrauchte elektrische Energie für das Auslassventil zu.
Je höher die Federkonstante der Feder, die die Kraft auf das Einlass- oder Auslassventil ausübt, ist, desto niedriger ist der oben erwähnte Amplitudendämpfungswert. Wenn der Amplitudendämpfungswert niedrig ist, ist es nicht erforderlich, eine große elektromagnetische Kraft zu erzeugen, um das Auslassventil in Öffnungsrichtung zu bewegen. Folglich ist es besser, die höhere Federkonstante bei der Feder zu verwenden, die die Kraft auf das Auslassventil ausübt, um die verbrauchte elektrische Energie zur Bewegung des Auslassventils in Öffnungsrichtung zu senken.
Bei der herkömmlichen Ventilbetätigungsvorrichtung sind jedoch die Federkonstanten der Einlass- und Auslassfedern gleich eingestellt. Daher erhöht sich die während des Öffnens des Auslassventils verbrauchte elektrische Energie, wenn die Federkonstante der Einlassfeder ausgelegt ist, um eine optimale Charakteristik zu erhalten, da der Amplitudendämpfungswert während des Öffnungsprozesses des Auslassventils hoch ist. Darüber hinaus erhöht sich bei der herkömmlichen Ventilbetätigungsvorrichtung die zum Halten des Einlassventils in der vollständig geöffneten oder vollständig geschlossenen Position verbrauchte elektrische Energie, wenn die Federkonstante der Auslassfeder so ausgelegt ist, dass sie höher ist, um die verbrauchte elektrische Energie des Auslassventils zu senken.
Die EP 0 967 368 A2 , die vor dem Anmeldedatum der vorliegenden Anmeldung eingereicht, jedoch später veröffentlicht wurde, und die demzufolge unter Artikel 54(3) EPU fällt, offenbart eine Ventilbetätigungsvorrichtung, die ein Einlassventil und ein Auslassventil umfasst, die in einem Verbrennungsmotor angeordnet sind und die eine elektromagnetische Kraft zur Betätigung des Einlassventils und des Auslassventils verwendet, wobei die Ventilvorrichtung ferner einen Einlassanker, der mit dem Einlassventil gekoppelt ist, ein Auslassventilanker, der mit dem Auslassventil gekoppelt ist, eine Einlassventilöffnungsfeder zur Erzeugung einer auf das Einlassventil in Richtung der geöffneten Position des Einlassventils ausgeübten Kraft, eine Einlassventilschließfeder zur Erzeugung einer auf das Einlassventil in Richtung der geschlossenen Position des Einlassventils ausgeübten Kraft, eine Auslassventilöffnungsfeder zur Erzeugung einer auf das Auslassventil in Richtung der geöffneten Position des Auslassventils ausgeübten Kraft und einer Auslassventilschließfeder zur Erzeugung einer auf das Auslassventil in Richtung der geschlossenen Position des Auslassventils ausgeübten Kraft, umfasst, wobei das Einlass- und das Auslassventil jeweils zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position beweglich sind, wobei eine Federkonstante der Auslassventilöffnungsfeder größer als eine Federkonstante der Einlassfederöffnungsfeder ist.
Der in Anspruch 1 der Erfindung beanspruchte Gegenstand unterscheidet sich von dem in der EP 0 967 368 A2 offenbarten Gegenstand dahingehend, dass eine Federkonstante der Auslassventilöffnungsfeder größer als eine Federkonstante der Auslassventilschließfeder ist.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das oben genannte Problem zu lösen. Es ist eine weitere Aufgabe, eine Ventilbetätigungsvorrichtung für einen Verbrennungsmotor bereitzustellen, der ein Einlassventil und ein Auslassventil umfasst, die die zur Betätigung des Auslassventils erforderliche verbrauchte elektrische Energie verringert, wobei sie ein schnelles Ansprechen des Einlassventils gewährleistet, so dass die von dem Einlassventil verbrauchte elektrische Energie eingespart wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1 der Erfindung. Weitere Variationen und Modifikationen sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale, Vorteile und die technische und industrielle Bedeutung der Erfindung wird durch Lesen der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung einer derzeit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besser verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung betrachtet wird, in der:
1 ein Teil einer Ansicht im Längsquerschnitt einer Verbrennungsmotors mit einer Ventilbetätigungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist;
2 einen Zustand eines Einlassventils und eines Auslassventils in einem Auspuffprozess nach der Verbrennung in einer Verbrennungskammer ist;
3 eine Kennlinie ist, die die Beziehung einer Federkonstanten eines Auslassventils gegenüber einem Amplitudendämpfungswert ist, wobei ein Durchmesser des Auslassventils ein Parameter ist;
4 eine Kennlinie ist, die einen Vergleich einer Ventilbewegungszeit zwischen einer Ventilbetätigungsvorrichtung mit einer hohen Federkonstanten und einer Ventilbetätigungsvorrichtung mit einer niedrigen Federkonstanten zeigt; und
5 ein Teil einer Ansicht im Längsquerschnitt eines Verbrennungsmotors mit einer Ventilbetätigungsvorrichtung gemäß einer modifizierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen ist die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen ausführlicher beschrieben. 1 zeigt eine Ansicht eines Längsquerschnitts eines Hauptteils eines Verbrennungsmotors 10 zur Erläuterung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Obwohl der Motor dieser Ausführungsform ein Mehrzylinder-Verbrennungsmotor ist, ist in 1 ein Teil dargestellt, der nur einem Zylinder entspricht.
Der Motor 10 umfasst einen oberen Kopf 12 und einen unteren Kopf 13. Einige Durchgangslöcher 14, 114 sind in dem oberen Kopf 12 ausgebildet. Ein Einlasskanal 16 und ein Auslasskanal 18 sind in dem unteren Kopf 13 geformt. Ein Einlassventilsitz 20 ist an dem Öffnungsrand des Einlasskanals 16 in Richtung einer Verbrennungskammer 24 ausgebildet. In gleicher Weise ist ein Auslassventilsitz 22 an dem Öffnungsrand des Auslasskanals 18 von der Verbrennungskammer 24 angeordnet. Der Öffnungsrandbereich des Einlasskanals 16 in Richtung der Verbrennungskammer 24 ist größer als der Öffnungsrandbereich des Auslasskanals 18 von der Verbrennungskammer 24.
Eine Einlassventilbetätigungsvorrichtung 26 und eine Auslassventilbetätigungsvorrichtung 28 sind teilweise innerhalb des Einlassdurchgangslochs 14 bzw. des Auslassdurchgangslochs 114 in dem oberen Kopf 12 angeordnet. Ein Einlassventil 30 ist mit der Einlassventilbetätigungsvorrichtung 26 gekoppelt, und die Einlassventilbetätigungsvorrichtung 26 betätigt das Einlassventil 30. In gleicher Weise ist ein Auslassventil 32 mit der Auslassventilbetätigungsvorrichtung 28 gekoppelt, und die Auslassventilbetätigungsvorrichtung 28 betätigt das Auslassventil 32. Der Einlasskanal 16 ist mit der Verbrennungskammer 24 verbunden, wenn das Einlassventil 30 von dem Einlassventilsitz 20 entfernt ist, und der Einlasskanal 16 ist von der Verbrennungskammer 24 getrennt, wenn das Einlassventil 30 den Eislassventilsitz 20 berührt und auf ihm sitzt. In gleicher Weise ist der Auslasskanal 18 mit der Verbrennungskammer 24 verbunden, wenn das Auslassventil 32 von dem Auslassventilsitz 22 entfernt ist, und der Auslasskanal 18 ist von dem Verbrennungsraum 24 getrennt, wenn das Auslassventil 32 den Auslassventilsitz 22 berührt und auf ihm sitzt.
Als nächstes ist die Struktur der Einlassventilbetätigungsvorrichtung 26 dargestellt. Die Einlassventilbetätigungsvorrichtung 26 umfasst einen Einlassventilschaft 34, der mit dem Einlassventil 30 gekoppelt ist. Eine Einlassventilführung 36, die den Einlassventilschaft 34 beim Auf-und Abwärtsgleiten in axialer Richtung stützt, ist in dem unteren Kopf 13 befestigt. Ein unterer Einlass-Gegenhalter 38 ist mit dem oberen Teil des Einlassventil schafts 34 verbunden. Eine Einlassventilschließfeder 40 befindet sich unter dem unteren Einlass-Gegenhalter 38. Die Einlassventilschließfeder 40 übt auf den unteren Einlass-Gegenhalter 38 in 1 eine nach oben gerichtete Kraft aus, und dies bedeutet, dass die Einlassventilschließfeder 40 eine Kraft in Schließrichtung auf das Einlassventil 30 ausübt.
Das obere Ende des Einlassventilschafts 34 ist mit einem Einlassankerschaft 42 gekoppelt. Der Einlassankerschaft 42 ist stabförmig ausgebildet und aus nichtmagnetischen Materialien hergestellt. In dem in Auf- und Abwärtsrichtung mittleren Teil des Einlassankerschafts 42 ragt ein Einlassankerhalter 42a in radialer Richtung hervor. Ein Einlassanker 44 ist umfangsmäßig mit dem Einlassankerhalter 42a gekoppelt. Der Einlassanker 44 ist ringförmig und aus weichmagnetischen Materialien gebildet.
Oberhalb des Einlassankers 44 ist ein oberer Einlasselektromagnet 46 angeordnet. Der obere Einlasselektromagnet umfasst eine obere Einlassspule 48 und einen oberen Einlasskern 50. Der obere Einlasskern 50 ist zylinderförmig und aus elektromagnetischen Materialien hergestellt. Der Einlassankerschaft 42 ist gestützt, so dass er in der Mitte des oberen Einlasskerns 50 gleiten kann. Der obere Einlasskern 50 umfasst einen oberen Einlasshauptkern 50a, der in das Einlassdurchgangsloch 14 passt, und einen oberen Einlassflansch 50b, der einen Durchmesser hat, der größer als der Durchmesser des oberen Einlasshauptkerns 50a ist.
Eine obere Einlasskappe 54 ist mit Hilfe von Schrauben 52, 53 an dem oberen Kopf 12 befestigt. Die obere Einlasskappe 54 ist zylinderförmig und umgibt den oberen Einlassflansch 50b des oberen Einlassflansches 50. Ein Einlasseinstellbolzen 56 ist an einem oberen Teil der oberen Einlasskappe 54 mit einer Schraube befestigt. Ein oberer Einlass-Gegenhalter 58 ist mit dem oberen Teil des Einlassankerschaftes 42 verbunden. Eine Einlassventilöffnungsfeder 60 ist zwischen dem Einlasseinstellbolzen 56 und dem oberen Einlass-Gegenhalter 58 angeordnet. Die Einlassventilöffnungsfeder 60 übt auf den oberen Einlass-Gegenhalter 58 und den Einlassankerschaft 42 in 1 eine nach unten gerichtete Kraft aus, und dies zeigt, dass die Einlassventilöffnungsfeder 60 eine Kraft in Öffnungsrichtung auf das Einlassventil 30 ausübt.
Ein unterer Einlasselektromagnet 62 befindet sich unterhalb des Einlassankers 44. Der untere Einlasselektromagnet 62 umfasst eine untere Einlassspule 64 und einen unteren Einlasskern 66. Der untere Einlasskern 66 ist zylindrisch und aus elektromagnetischen Materialien hergestellt. Der untere Einlasskern 66 stützt den Einlassankerschaft 42, so dass er in der Mitte des unteren Einlasskerns 66 auf- und abwärts gleiten kann. Ein unterer Einlasshauptkern 66a, der in das Einlassdurchgangsloch 14 in dem oberen Kopf 12 passt, und ein unterer Einlassflansch 66b, der einen Durchmesser hat, der größer als der Durchmesser des unteren Einlasshauptkerns 66a ist, sind in dem unteren Einlasskern 66 ausgebildet. In dem unteren Teil des oberen Kopfes 12 ist eine untere Einlasskappe 68 mit Hilfe von Bolzen 52, 53 an dem oberen Kopf 12 befestigt. Die untere Einlasskappe 68 ist zylindrisch und umgibt den unteren Einlassflansch 66b des unteren Einlasskerns 66.
Bei der Einlassventilbetätigungsvorrichtung 26 sind die Bolzen 52, 53 so eingestellt, dass der Abstand zwischen dem oberen Einlasskern 50 und dem unteren Einlasskern 66 einen vorbestimmten Wert einnimmt. Der Einlasseinstellbolzen 56 ist so eingestellt, dass sich die neutrale Position des Einlassankers 44 in der Mitte zwischen dem oberen Einstellkern 50 und dem unteren Einstellkern 66 befindet.
Bei der Auslassventilbetätigungsvorrichtung 28 sind eine Auslassventilöffnungsfeder 160 und eine Auslassventilschließfeder 140 an Stelle der Einlassventilöffnungsfeder 60 und der Einlassventilschließfeder 40 bei der Einlassventilbetätigungsvorrichtung 26 angeordnet. Im Folgenden ist jede einem entsprechenden Teil zugewiesene Zahl gegenüber der bei der oben erwähnten Einlassventilbetätigungsvorrichtung 26 zugewiesenen Zahl um 100 erhöht, und "Auslass" ist am Anfangs jedes Namens des Teils an Stelle von "Einlass" hinzugefügt. Eine Federkonstante der Auslassventilöffnungsfeder 160 ist größer als eine Federkonstante der Einlassöffnungsfeder 60. Bei dieser Ausführungsform ist eine Federkonstante der Auslassventilöffnungsfeder 160 gleich oder im Wesentlichen gleich einer Federkonstanten der Auslassventilschließfeder 140, und eine Federkonstante der Einlassventilöffnungsfeder 60 ist gleich oder im Wesentlichen gleich einer Federkonstanten der Einlassventilschließfeder 40.
Wie oben erwähnt hat der Öffnungsrand des Einlasskanals 16 zur Verbrennungskammer 24 einen größeren Durchmesser als der Durchmesser des Öffnungsrandes des Auslasskanals 18 von der Verbrennungskammer 24. Folglich ist der Durchmesser des Auslassventils 32 kleiner als der Durchmesser des Einlassventils 30.
Bei dieser Ausführungsform wirkt die Auslassventilbetätigungsvorrichtung 28 in gleicher Weise wie die Einlassventilbetätigungsvorrichtung 26. Im Folgenden ist die Wirkung der Einlassventilbetätigungsvorrichtung 26 stellvertretend für beide Betätigungsvorrichtungen 26 und 28 beschrieben.
Wenn der oberen Einlassspule 48 und der unteren Einlassspule 64 der Einlassventilbetätigungsvorrichtung 26 kein elektrischer Erregerstrom zugeführt wird, wird der Einlassanker 44 an der neutralen Position zwischen dem oberen Einlasskern 50 und dem unteren Einlasskern 66 gehalten. In diesem Zustand ist das Einlassventil 30 in der Mitte zwischen der vollständig geöffneten Position und der vollständig geschlossenen Position gehalten.
In einem solchen Zustand erzeugt der obere Einlasselektromagnet 46, wie oben erwähnt, sobald der Erregerstrom der oberen Einlassspule 48 zugeführt wird, eine elektromagnetische Kraft, die den Einlassanker 44 in Richtung. des oberen Einlasselektromagneten 46 zieht. Demzufolge bewegt sich das Einlassventil 30 mit dem Einlassanker 44 in 1 nach oben und bewegt sich solange weiter, bis der Einlassanker 44 den oberen Einlasskern 50 berührt. Wenn der Einlassanker 44 den oberen Einlasskern 50 berührt, sitzt das Einlassventil 50 auf dem Einlassventilsitz 30 auf. Dieser Zustand kennzeichnet die vollständig geschlossene Position des Einlassventils 30.
Wenn der Erregerstrom zu der oberen Einlassspule 48 im Zustand der vollständig geschlossenen Position des Einlassventils 30 unterbrochen wird, verschwindet die auf den Einlassanker 44 ausgeübte elektromagnetische Kraft. Wenn die elektromagnetische Kraft zu wirken aufhört, beginnen der Einlassanker 44 und das Einlassventil 30, sich aufgrund der von der Einlassventilöffnungsfeder 60 ausgeübten Kraft in 1 nach unten zu bewegen.
Wenn sich der Einlassanker 44 und das Einlassventil 30 um eine vorbestimmte Distanz in 1 nach unten bewegt haben, wird der unteren Einlassspule 64 der Erregerstrom zugeführt. Dann erzeugt der untere Einlasselektromagnet 62 eine elektromagnetische Kraft, die den Einlas sanker 44 in Richtung des unteren Elektromagneten 62 zieht, und der Einlassanker 44 bewegt sich weiter, bis er den unteren Einlasskern 66 berührt. Wenn der Einlassanker 44 den unteren Einlasskern 66 berührt, befindet sich das Einlassventil 30 in der vollständig geöffneten Position.
Wie oben erwähnt kann das Einlassventil 30 in Richtung der vollständig geschlossenen Position betätigt werden, indem der Erregerstrom der oberen Einlassspule 48 zugeführt wird. In gleicher Weise kann das Einlassventil 30 in Richtung der vollständig geöffneten Position betätigt werden, indem der Erregerstrom der unteren Einlassspule 64 zugeführt wird. Demzufolge kann gemäß dieser Ausführungsform der Einlassventilbetätigungsvorrichtung das Einlassventil 30 in geeigneter Weise geöffnet und geschlossen werden, indem der Erregerstrom abwechselnd der unteren Einlassspule 64 und der oberen Einlassspule 48 zugeführt wird.
Wie oben erwähnt ist der Öffnungsrandbereich des Einlasskanals 16 in Richtung der Verbrennungskammer 24 größer als der Öffnungsrandbereich des Auslasskanals 18 von der Verbrennungskammer 24. Daher ist ein Wirkungsgrad einer von dem Einlasskanal 16 in die Verbrennungskammer 24 angesaugten Luftmenge größer. Dies zeigt, dass ein höherer Verbrennungswirkungsgrad erreicht werden kann, indem ein größeres Luftvolumen in kürzerer Zeit in die Verbrennungskammer 24 gesogen wird.
Wenn der Öffnungsrandbereich des Einlasskanals 16 in Richtung der Verbrennungskammer 24 groß ist, ist der Durchmesser des Einlassventils 30 groß, und die Masse des Einlassventils wird ebenfalls groß. Wenn die Masse des Einlassventils 30 groß ist, wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Einlassventils 30 niedrig. Daher wird ein für die Bewegung des Einlassventils 30 von der vollständig geöffneten Position zu der vollständig geschlossenen Position notwendiges Intervall (im Folgenden als Übergangszeit bezeichnte) länger. Im Übrigen ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Einlassventils 30 umso höher, je größer die Federkonstante der Einlassventilöffnungs- und schließfedern ist. Demzufolge ist es vorteilhaft, die großen Federkonstanten der Einlassventilöffnungs- und schließfedern einzustellen, um die Übergangszeit zu verkürzen und gleichzeitig ein Einlassventil 30 mit großem Durchmesser zu haben.
Wenn die Federkonstanten der Einlassventilöffnungs- und schließfedern 60, 40 groß sind, wird die auf das Einlassventil 30 durch die Einlassventilöffnungs- und schließfedern 60, 40 ausgeübte Kraft groß. Es ist erforderlich, eine große elektromagnetische Kraft auf das Einlassventil 30 auszuüben, um das Einlassventil 30 gegen die oben erwähnte, von der Schließfeder 40 oder der Öffnungsfeder 60 ausgeübte Kraft in der vollständig geöffneten Position bzw. der vollständig geschlossenen Position zu halten. Demzufolge wird der zum Halten des Einlassventils 30 in der vollständig geöffneten oder vollständig geschlossenen Position erforderliche Erregerstrom hoch, und die verbrauchte elektrische Energie nimmt zu, wenn die Federkonstanten der Öffnungs- und Schließfedern 60, 40 groß sind. Daher ist es vorteilhaft, die Federkonstanten der Einlassventilöffnungsfeder 60 und der Einlassventilschließfeder 40 klein festzulegen, um die zum Öffnen und Schließen des Einlassventils 30 verbrauchte elektrische Energie zu verringern.
In Anbetracht des oben erwähnten Punktes, sind die Federkonstanten der Einlassventilöffnungsfeder 60 und der Einlassventilschließfeder 40 in dieser Ausführungsform unter Berücksichtigung der Übergangszeit des Einlassventils 30 und der elektromagnetischen Kraft zum Halten des Einlassventils 30 in der vollständig geöffneten oder vollständig geschlossenen Position zweckmäßig bestimmt. Dies zeigt, dass die von der Einlassventilbetätigungsvorrichtung 26 verbrauchte elektrische Energie durch Reduzieren der Übergangszeit des Einlassventils 30 reduziert werden kann.
2 zeigt schematisch einen Zustand, in dem sich der Verbrennungsmotor 10 nach der Verbrennung und dem Arbeitshub im dem Auspuffhub befindet. Im Ansaughub, bei dem das Einlassventil 30 geöffnet ist, wird die Verbrennungskammer 24 auf einem niedrigen Druck gehalten. Da der in Schließrichtung auf das Einlassventil 30 in diesem Zustand ausgeübte Druck niedrig ist, kann das Einlassventil 30 durch die kleine elektromagnetische Kraft geöffnet werden.
Andererseits wird, wie in 2 gezeigt ist, die Verbrennungskammer 24 im Auspuffhub, in dem das Auslassventil 32 öffnet, unter hohem Druck gehalten, da nach der Verbrennung Gas unter hohem Druck in der Verbrennungskammer 24 verbleibt. Da der hohe Druck in Schließrichtung auf das Auslassventil 32 wirkt, wird der Amplitudendämpfungswert des Auslassventils 32 in dem Prozess, in dem sich das Auslassventil 32 in die Öffnungsrichtung bewegt, hoch.
Um das Auslassventil 32 zu öffnen, das einen hohen Amplitudendämpfungswert hat, ist es notwendig, der unteren Auslassspule 64 einen höheren Erregerstrom zuzuführen als in dem Fall des Öffnens des Einlassventils 30. Daher nimmt die verbrauchte elektrische Energie zu. Daher ist es wünschenswert, dass der Amplitudendämpfungswert des Auslassventils 32 so klein wie möglich ist, um das Auslassventil 32 mit geringerer elektrischer Energie zu öffnen.
3 zeigt die Beziehung eines Amplitudendämpfungswertes des Auslassventils 32 gegenüber der Federkonstanten der Auslassventilöffnungsfeder 160 oder der Auslassventilschließfeder 140. Darüber hinaus sind in 3 Fälle gezeigt, in denen der Durchmesser des Auslassventils 32 zwischen groß, mittel und klein variiert ist. Unter Bezugnahme auf 3 ist der Amplitudendämpfungswert des Auslassventils 32 umso niedriger, je größer die Federkonstante der Öffnungsfeder 160 oder der Schließfeder 140 ist. Daher ist es wünschenswert, dass die Federkonstanten der Auslassventilöffnungs- und schließfedern 160, 140 größer als die Federkonstanten der Einlassventilöffnungs- und Schließfedern 60, 40 sind, um den Amplitudendämpfungswert des Auslassventils 32 klein zu halten.
Wie oben erwähnt sind bei dieser Ausführungsform die Federkonstanten der Auslassventilöffnungsfeder 160 und der Auslassventilschließfeder 140 größer als die Federkonstanten der Einlassventilöffnungsfeder 60 und der Einlassventilschließfeder. Da der Amplitudendämpfungswert des Auslassventils 32 niedrig wird, wird folglich der zur Versorgung der oberen Auslassspule 148 oder der unteren Auslassspule 164 erforderliche Erregerstrom bei der Hin- und Herbewegung des Auslassventils 32 zwischen der vollständig geöffneten Position und der vollständig geschlossenen Position niedrig gehalten.
Gemäß der oben erwähnten Tatsache ist es möglich, das Auslassventil 32 durch die verbrauchte elektrische Leistung mit dem gleichen Niveau zu öffnen wie die elektrische Energie zum Öffnen des Einlassventils 30. Daher kann erreicht werden, dass die verbrauchte elektrische Energie der Auslassventilbetätigungsvorrichtung 28 verringert wird, die das Auslassventil 32 gemäß dieser Ausführungsform betätigt.
Darüber hinaus ist der Amplitudendämpfungswert des Auslassventils 32 umso niedriger, je kleiner der Durchmesser des Auslassventils 32 ist, wie in 3 gezeigt ist. Daher ist es vorteilhaft, den Durchmesser des Auslassventils 32 kleiner einzustellen, um den Amplitudendämpfungswert des Auslassventils 32 niedriger zu halten.
Wie oben erwähnt, ist bei dieser Ausführungsform der Durchmesser des Auslassventils 32 kleiner als der Durchmesser des Einlassventils 30. Demzufolge kann der zur Versorgung der oberen Auslassspule 148 oder der unteren Auslassspule 164 erforderliche Erregerstrom noch niedriger gehalten werden, da der Amplitudendämpfungswert des Auslassventils 32 kleiner wird. Da das Auslassventil 32, wie oben erwähnt, so ausgelegt ist, dass es einen kleinen Durchmesser in dem Verbrennungsmotor 10 dieser Ausführungsform hat, kann die verbrauchte elektrische Energie der Auslassventilbetätigungsvorrichtung 28 weiter verringert werden.
Ferner, da der zur Versorgung der oberen Auslassspule 148 oder der unteren Auslassspule 164 erforderliche Erregerstrom niedrig gehalten wird, wenn das Auslassventil 32 zwischen der vollständig geöffneten und der vollständig geschlossenen Position betätigt wird, können der obere Auslasselektromagnet 146 und der untere Auslasselektromagnet 162 so ausgelegt werden, dass sie eine kleine Größe haben. Daher kann die Auslassventilbetätigungsvorrichtung 28 kleiner sein.
4 zeigt den Vergleich zwischen der Übergangszeit T des Auslassventils 32 in der Auslassventilbetätigungsvorrichtung 28 in dem Fall, in dem die Federkonstanten der Auslassventilöffnungs- und Schließfedern 160, 140 groß sind, und dem Fall, in dem sie niedrig sind. Der Fall, in dem die Federkonstante der Auslassventilöffnungsfeder 160 oder der Auslassventilschließfeder 140 groß ist, ist als strichpunktierte Linie gezeigt, und der andere Fall, in dem die Federkonstante klein ist, ist als durchgezogene Linie gezeigt. Unter Bezugnahme auf 4, die die Übergangszeit T betrifft, in der sich das Auslassventil 32 von der vollständig geschlossenen Position zu der vollständig offenen Position bewegt, ist T1 kleiner als T2, wobei hier T1 die Übergangszeit in dem Fall ist, in dem die Federkonstanten der Auslassventilöffnungsfeder 160 und der Auslassventilschließfeder 140 groß sind, und T2 ist die Übergangszeit in dem Fall, in dem beide Federkonstanten klein sind.
Wie oben erwähnt, sind bei dieser Ausführungsform die Federkonstanten der Auslassventilöffnungs- und schließfedern 160, 140 groß eingestellt, und der Durchmesser des Auslassventils 32 ist kleiner als der Durchmesser des Einlassventils 30. Je größer die Federkonstanten von beiden Federn 160, 140 sind, desto höher ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Auslassventils 32. Darüber hinaus ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Auslassventils 32 umso höher, je niedriger die Masse des Auslassventils 32 ist (das heißt, je kleiner der Durchmesser des Auslassventils 32 ist). Daher wird die Übergangszeit des Auslassventils 32 kürzer, da die Bewegungsgeschwindigkeit des Auslassventils 32 bei dieser Ausführungsform höher wird.
Wenn die Übergangszeit des Auslassventils 32 kürzer wird, bewegt sich das Auslassventil 32 schneller von der vollständig geschlossenen zu der vollständig geöffneten Position. In diesem Fall wird die Zeit, während der das Auslassventil 32 in der vollständig geöffneten Position gehalten wird, länger (das heißt, der Wirkwinkel des Verbrennungsmotors 10 wird größer). Demzufolge wird das Gas in der Verbrennungskammer 24 nach dem Verbrennungsprozess glatt ausgepufft. Da wie oben erwähnt ein hoher Auspuffwirkungsgrad erreicht werden kann, kann selbst im hohen Drehzahlbereich des Motors 10 ein hohes Drehmoment erreicht werden. Daher kann das Ausgangsdrehmoment im hohen Drehzahlbereich gemäß dieser Ausführungsform verbessert werden.
Im Übrigen erzeugen der oben erwähnte obere und untere Elektromagnet eine elektromagnetische Kraft.
Bei dieser Ausführungsform sind die Federkonstanten der Einlassventilöffnungs- und Schließfedern 60, 40 gleich oder im Wesentlichen gleich, und gleichzeitig sind die Federkonstanten der Auslassventilöffnungs- und Schließfedern 160, 140 gleich oder im Wesentlichen gleich. Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf begrenzt. Es kann konzipiert sein, dass die Federkonstante der Auslassventilöffnungsfeder 160 größer als die Federkonstante der Auslassventilschließfeder 140 ist. Darüber hinaus kann konzipiert sein, dass die Federkonstante der Einlassventilöffnungsfeder 60 gleich oder im Wesentlichen gleich der Federkonstanten der Einlassventilschließfeder 40 ist, unter der Voraussetzung, dass die Federkonstante der Auslassventilöffnungsfeder 160 größer als die Federkonstante der Auslassventilschließfeder 140 ist.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Ventilbetätigungsvorrichtung. In 5 ist die Zahl des Elements, das der in 5 gezeigten Ventilbetätigungsvorrichtung entspricht, um 200 erhöht. Bei dieser Ausführungsform umfassen eine Einlass- und Auslassventilbetätigungsvorrichtung 226, 228 jeweils nur einen oberen Einlass- und Auslasselektromagneten 246, 346, und umfassen jeweils ein unteres Einlass- und Auslassteil 262, 362, an Stelle eines unteren Einlass- und Auslasselektromagneten. Abgesehen von diesen Punkten sind die Einlass- und Aus lassventilbetätigungsvorrichtungen 226, 228 gleich wie die oben erwähnten Einlass- und Auslassventilbetätigungsvorrichtungen 26, 28. Wenn ein elektrischer Erregerstrom einer oberen Einlassspule 248 zugeführt wird, wird ein Einlassanker 244 gegen die von einer Einlassventilöffnungsfeder ausgeübten Kraft in Richtung eines oberen Einlasskerns 250 gezogen. Die Position, in der der Einlassanker 244 den oberen Einlasskern 250 berührt, ist die vollständig geschlossene Position eines Einlassventils 230. Wenn der der oberen Einlassspule 248 zugeführte Erregerstrom in der vollständig geschlossenen Position unterbrochen wird, bewegt sich der Einlassanker 244 durch die Kraft der Einlassöffnungsfeder 260 nach unten. Der Einlassanker 244 bewegt sich in Richtung des unteren Einlassteils 262. Wenn der Einlassanker 244 das untere Einlassteil 262 berührt, befindet sich das Einlassventil 230 in der vollständig geöffneten Position.
Bei der oben erwähnten Einlassventilbetätigungsvorrichtung 26 in der ursprünglichen Ausführungsform wird der Einlassanker 44 in der neutralen Position eingestellt, wenn der Erregerstrom nicht zugeführt wird. Bei dieser Einlassventilantriebsvorrichtung 226 wird jedoch der Einlassanker 244 in der vollständig geöffneten Position gehalten, wenn der Erregerstrom nicht zugeführt wird.
Hinsichtlich einer Auslassventilbetätigungsvorrichtung 228 sind die Struktur und Bewegung gleich wie bei der oben erwähnten Einlassventilbetätigungsvorrichtung 226, so dass auf eine Erläuterung an dieser Stelle verzichtet wird. Zum Beispiel ist ein Durchmesser eines Auslassventils 232 kleiner als ein Durchmesser des Einlassventils 230, und eine Federkonstante einer Auslassventilöffnungsfeder 360 ist größer als eine Federkonstante der Einlassventilöffnungsfeder 260.
Wie oben erwähnt sind die Kosten reduziert, da die Einlassventil- und Auslassventilbetätigungsvorrichtungen 226, 228 keine unteren Einlass- und Auslasselektromagnete enthalten.

Claims

Ventilbetätigungsvorrichtung mit einem Einlassventil und einem Auslassventil, die in einem Verbrennungsmotor (10) angeordnet sind, und die eine elektromagnetische Kraft zur Betätigung des Einlassventils (30) und des Auslassventils (32) verwendet, wobei die Ventilbetätigungsvorrichtung einen Einlassanker (44), der mit dem Einlassventil (30) gekoppelt ist, einen Auslassanker (144), der mit dem Auslassventil (32) gekoppelt ist, eine Einlassventilöffnungsfeder (60) zur Erzeugung einer auf das Einlassventil (30) in Richtung der geöffneten Position des Einlassventils (30) ausgeübten Kraft, eine Einlassventilschließfeder (40) zur Erzeugung einer auf das Einlassventil (30) in Richtung der geschlossenen Position des Einlassventils (30) ausgeübten Kraft, eine Auslassventilöffnungsfeder (160) zur Erzeugung einer auf das Auslassventil (32) in Richtung der geöffneten Position des Auslassventils (32) ausgeübten Kraft, und eine Auslassventilschließfeder (140) zur Erzeugung einer auf das Auslassventil (32) in Richtung der geschlossenen Position des Auslassventils (32) ausgeübten Kraft umfasst, wobei die Einlass- und Auslassventile (30, 32) jeweils zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position bewegbar sind, wobei eine Federkonstante der Auslassventilöffnungsfeder (160) größer als eine Federkonstante der Einlassventilöffnungsfeder (60) ist und wobei eine Federkonstante der Auslassventilöffnungsfeder (160) größer als eine Federkonstante der Auslassventilschließfeder (140) ist.
Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Federkonstante der Einlassventilöffnungsfeder (60) gleich oder im Wesentlichen gleich einer Federkonstanten der Einlassventilschließfeder (40) ist.
Ventilbetätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser des Auslassventils (32) kleiner als ein Durchmesser des Einlassventils (30) ist.