JPH0666187B2

JPH0666187B2 - 内燃機関におけるガス交換弁の制御装置

Info

Publication number: JPH0666187B2
Application number: JP61091972A
Authority: JP
Inventors: クノブロッヒハンス
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1985-04-25
Filing date: 1986-04-21
Publication date: 1994-08-24
Anticipated expiration: 2009-08-24
Also published as: EP0205806B1; US4885658A; EP0205806A1; ES553844A0; DE3666647D1; ES8703214A1; JPS61248506A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、ガス交換弁（吸気弁及び排気弁）をばね系の
付勢力に抗して開放位置と閉鎖位置とに交互に保持すべ
く給電励起される電磁石を備えた内燃機関におけるガス
交換弁の制御装置に関する。

従来の技術この種の内燃機関は西ドイツ公告特許出願第3024109号
公報に記載されている。これによれば、内燃機関の作動
状態においてガス交換弁はばね系により開放位置と閉鎖
位置との間の中央位置へと付勢されている。そして、ガ
ス交換弁は交互に励起される電磁石によって開放位置と
閉鎖位置とに交互に保持することができる。すなわち、
作動中に例えば開放位置にあるガス交換弁は励起された
一方の電磁石によってガス交換弁に連結されたアマチャ
ーを介して保持され、一方ばね系はこのガス交換弁をそ
の閉鎖位置の方向へと押そうとする。前記一方の電磁石
への給電遮断によりその電磁石に接するガス交換弁のア
マチャーが離れ、ガス交換弁はばね系の付勢力によって
開放位置と閉鎖位置の間の中央位置の方向に移動する
が、慣性による行き過ぎによりアマチャーは励起された
他方の電磁石の近くまで到り、この電磁石によってガス
交換弁がその閉鎖位置に保持される。次いで、同様の過
程によりガス交換弁が閉鎖位置から再び開放位置に移動
して、前記一方の電磁石によりアマチャーを介して吸着
保持される。以上の過程を繰返し行なうことにより、ガ
ス交換弁が開閉動作されることになり、カムを使用した
機械的弁開閉動作と同等又はより多様な内燃機関の運転
制御が可能となる。

以上のようにガス交換弁を開閉動作させるには、両方の
電磁石を交互に給電励起させる必要がある。その際、各
電磁石においては、近づいたアマチャーを吸着させるに
は高い起動電流が要求されるが、一旦吸着されたアマチ
ャーをそのまま保持するのに要求される電流強度は比較
的小さくて済む。従って、このような給電原理を適用す
ることにより、電力消費（エネルギー消費）を低減する
ことができる。

電磁負荷（電磁石）へのこのような給電原理自体は、西
ドイツ公告特許出願第2828678号公報から公知である。
これによれば、電磁負荷とフリーホイール要素とによっ
てフリーホイール回路が構成されており、高い起動電流
に続く保持電流は、フリーホイール回路と直接に接続さ
れたトランジスタのクロック制御によって維持されるも
のであり、これにより一般に保持電流の電流強度を高い
起動電流の20％以下におさえることができる。

発明が解決しようとする問題点しかしながら、上記西ドイツ公告特許出願第2828678号
公報の回路構成では、高い起動電流も全てトランジスタ
を流れるため、それに耐え得る高価なトランジスタを使
用する必要がある。

そこで本発明の目的は、上記の電力節約型給電原理を安
価な構成で達成し得るガス交換弁の制御装置を提供す
る。

問題点を解決するための手段上記従来の問題点を解決するために、本発明は、ガス交
換弁をばね系の付勢力に抗して開放位置と閉鎖位置とに
交互に保持すべく給電励起される電磁石を備えた内燃機
関におけるガス交換弁の制御装置であって、電磁石を構
成する電磁負荷14及びフリーホイール要素16からなるフ
リーホイール回路14,16と、電源に対してフリーホイー
ル回路14,16と直列に配置された電流スイッチング要素
であるサイリスタ34を含む分岐回路40と、該サイリスタ
34の分岐回路40に並列に接続されたトランジスタ18を含
む分岐回路28とを備え、導通状態のトランジスタ18を含
む分岐回路28の抵抗値が導通状態のサイリスタ34を含む
分岐回路40の抵抗値より低くなるように設定し、導通状
態のサイリスタ34を介してフリーホイール回路14,16に
高い起動電流が流れるようにし、その後サイリスタ34が
非導通状態になった時にトランジスタ18によりフリーホ
イール回路14,16に低い電流強度のクロック保持電流が
維持されるように構成したことを特徴とする内燃機関に
おけるガス交換弁の制御装置を提供する。

作用以上の構成によれば、起動電流はサイリスタを通じて供
給され、一方続くクロック保持電流の発生はトランジス
タを通じて行なわれる。１回の起動電流のためのサイリ
スタはたとえばリレーとすることができ、これは高い電
流強度を処理できる。しかも構造部分として価格的に、
同様の高い電流強度に設計されているトランジスタの価
格以下のものである。続くクロック保持電流の発生はト
ランジスタを通じて行なわれ、この場合フリーホイール
回路に供給されなければならない明らかに僅かな電流
は、製作費用の少ないトランジスタを可能とする。

サイリスタは制御指令によってターンオンできるが、し
かしこの場合、一旦ターンオンされたサイリスタは無電
流にしない限りターンオフできないという点で困難が生
じる。

サイリスタを流れるべき電流は短時間、サイリスタと並
列に接続されたトランジスタが引受けることができる。
この場合、ターンオンされたサイリスタを含む分岐回路
の抵抗が、オン状態のトランジスタを含む分岐回路の抵
抗よりも高くなるように適切な処置を講じる必要があ
り、これによって電流は短時間トランジスタ分岐回路を
通って流れ、サイリスタはターンオフされる。

この場合さらに確実性を増すためには、これをサイリス
タ分岐回路中に設けられた、ダイオード、オーム抵抗ま
たはＰＴＣ抵抗のような抵抗を高める要素によって達成
することができる。本発明はこの実施例において、トラ
ンジスタが短時間の通電の場合には、連続作動において
損傷なしに接続できる電流よりも、はるかに高い電流を
処理できるという知識を利用している。従って電磁負荷
のための起動電流はサイリスタを通して供給されるが、
サイリスタをターンオフするために必要な数ミリセカン
ドの間、トランジスタが全電流を引受け、この短時間の
インパルスを処理する。起動電流の約10から20％にすぎ
ない電流での続くクロック発生はトランジスタを通して
のみ行なわれ、これはそのためにより低い定格にする。

トランジスタの短時間ターンオンの際にサイリスタが無
電流になることを確実にするため、サイリスタの分岐回
路はトランジスタの分岐回路に比してその抵抗を高める
ことができる。しかし既に通常ではトランジスタはその
コレクタ−エミッタ飽和電圧においてサイリスタより低
いため、サイリスタ分岐回路の抵抗値をそのように上昇
させることは必ずしも必要ではない。しかし念のためオ
ーム抵抗を設ける場合は、その抵抗値は＜１の等級にな
ければならない。別の可能性はサイリスタの前または後
にダイオードを接続することであり、これはシリコンダ
イオードとしての仕様の場合、約0.7ボルトの電圧低下
で、トランジスタが電流を通した時にサイリスタが無電
流となることを確実にする。

さらに提案されるのはサイリスタと直列にＰＴＣ要素を
接続することであり、これはサイリスタを通って流れる
電流の変化に影響を与えようとするものである。サイリ
スタの前に接続したＰＴＣ要素は、起動電流立上がり時
に比較的高い電流がサイリスタを通って流れるようにす
るが、これはＰＴＣ要素が冷状態にあるためである。し
かし電流の流れによってＰＴＣ要素の抵抗が上昇し、こ
のため短い起動電流の後、サイリスタを通る電流経過は
ＰＴＣ要素の上昇する抵抗によってのみで低下する。起
動電流立上がり終了後は従って電流値は再び下降し、ト
ランジスタに電流が通ると、もはや最大起動電流をサイ
リスタに廻す必要はなく、既に明らかに僅かな電流で足
りる。

実施例以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。

第１図に示した回路では、端子10に正の電圧が印加さ
れ、接続部12にてアースされている。正端子10と負のア
ース接続部12の間に電磁負荷(elektromagnetischer Ver
braucher)14があり、これは電磁石のコイルとして示さ
れている。電磁負荷14と並列にフリーホイール要素(Fre
ilauf)16が配置されており、これはダイオードによって
構成されている。フリーホイール要素16は正端子10から
アース接続部12へのコイル14を通る電流を遮断する時、
フリーホイール電流がコイル14によって維持され、これ
が時間と共に所定の低下率で減少するようにしている。

コイル14の一方の接続部は２つの分岐回路28,40への分
岐点42であり、両分岐回路28,40は合流点44でまとめら
れてアース接続部12と結合している。一方の分岐回路40
は電流スイッチング要素(Stromschaltelement)としてサ
イリスタ34を備えており、そのアノードはコイル14と結
合しており、そのカソード32はアース接続部12にかかっ
ている。サイリスタ34のゲート36はゲート端子38への入
力によって制御される。

他方の分岐回路28はトランジスタ18を備え、そのコレク
タ20とエミッタ22はコイル14からアース接続部12への連
結部となっている。ベース24はベース端子26への入力に
よって制御される。

第２図の回路がその構成において第１図のものと異なる
のは、分岐回路40の内部でサイリスタ34に直列に接続さ
れている要素46が設けられていることである。この要素
46はオーム抵抗、ダイオードまたはＰＴＣ要素であって
よい。その他の回路構成要素も、以下に述べるような望
ましい効果を確保するものであれば、使用することがで
きる。

本発明による回路の機能を第３図と第４図の電流変化グ
ラフを用いて説明する。第３図(a)はゲート端子38にお
ける電流変化を示し、第３図(b)はベース端子26におけ
る電流変化を示し、さらに第３図(c)はコイル14を通る
電流変化を示す。換言すると、第３図(a)(b)は、両半導
体すなわち、トランジスタ18及びサイリスタ34の制御端
子26,38に入力される制御パルスが示されており、第３
図(c)はこれら制御パルスがコイル14を通る電流に対し
て与える影響を示している。

機能説明のため、まず、端子10に正の電圧がかかってお
り、両半導体、すなわちサイリスタ34とトランジスタ18
はオフ状態にあると仮定する。

いま、第３図(a)に示されたように、サイリスタ34のゲ
ート端子38にパルスがかけられるとサイリスタ34はオン
し、電流がコイル14を通って流れる。コイル14のインイ
ダクタンスと、かかっている電圧に応じて、電流は程度
の差はあれ急激に上昇し、漸近線を描いて飽和電流に近
づく。第３図(c)の最初の部分はこの電流上昇を示す。
しかし所定の電流(Imax)に達すると、必要な起動電流
（ガス交換弁のアマチャーを吸着させるのに必要な電
流）に到達し、今や電流は保持電流（一旦吸着されたア
マチャーをそのまま吸着保持する）(Ihalt)へと減少し
なければならない。しかしそのためには、サイリスタ34
をオフ状態とする必要があるが、しかしこれはゲート36
を通じては（ゲート端子への入力によっては）不可能で
ある。むしろ、そのためには極めて短時間サイリスタ34
が無電流状態とされなければならず、この役割はトラン
ジスタ18が引き受ける。すなわち、トランジスタ18のベ
ース24にはベース端子26から短いパルス信号が入力さ
れ、これがトランジスタ18をオフ状態からオン状態へと
切り換えるため、短時間電流がトランジスタ18を通って
流れる。トランジスタ18のコレクタ−エミッタ飽和電圧
がサイリスタ34の飽和電圧より低いため、また第２図の
実施例においては、サイリスタ34を含む分岐回路40に要
素46があってその分岐回路40の抵抗値を高めているた
め、トランジスタ18のこの短いオンの間、実際には、電
流がトランジスタ18を含む分岐回路28を通って流れるこ
とにより、サイリスタ34がオフ状態になる。サイリスタ
34がオフすると同時に、トランジスタ18も再びオフさ
れ、コイル14を通る電流はフリーホイール(Freilaufkon
stanten)に従って減少する。

トランジスタ18はかなり持続的に保持電流（安全公差を
考慮して）にほぼ相当する電流を処理するものである
が、本発明の実施上重要であるのは、トランジスタ18が
短時間のみ流れるはるかに強いピーク電流によって破壊
されないことである。この要件は極めて容易に満足でき
るものであり、従ってトランジスタ18としては比較的安
価な型式を使用することができるが、これはその設計か
ら全起動電流を制御することはできないものである。

第３図(b)においては、時点(t₂)にてトランジスタ18の
ベース24への入力パルスが示されており、時点(t₂)から
時点(t₃)の間にコイル14を通る電流(I)は漸次(Ihalt)の
値まで低下する。時点(t₃)から時点(t₄)までの間はトラ
ンジスタ18が矩形パルス信号によりオンする。そして、
所定のオフ時間の後、時点(t₅)にて同様の矩形パルス信
号が反覆される。従って、トランジスタ18におけるオン
時間とオフ時間の間のキーイング率が保持電流(Ihalt)
を決定する。

第２図において、要素46がＰＴＣ要素によって形成され
る場合、第４図で示したやや異なった電流変化が生じ
る。すなわち、時点(t₁)ではサイリスタ34のゲート36に
第４図(a)で示したパルスがかかる。これによりサイリ
スタ34がターンオンし、第４図(c)に示した起動電流が
生ずる。時点(t₂)まで電流は上昇し、次いでＰＴＣ要素
46の加熱により増加するオーム抵抗によって再び低下す
る。起動電流曲線は従ってその開始点がサイリスタ34の
活性化によって指定されず、またその脚点は短時間のト
ランジスタ18のターンオンによって指定されず、投入点
へのサイリスタ34のターンオンによって、また続く電流
変化へのＰＴＣ要素46による影響によって決定される。

時点(t₃)ではサイリスタ34を通る電流がほぼ保持電流に
相当する値まで低下する。設定された保持電流を維持す
るため、トランジスタ18のベース24に第４図(b)に示さ
れたパルス信号が供給され、このパルス信号はトランジ
スタ18のコレクタ−エミッタ区間を導通させ、従って電
磁負荷14を通る電流を可能にする。時点(t₃)におけるト
ランジスタ18の導通により、電流はトランジスタ18を通
って流れ、サイリスタ34は無電流となり、従ってオフ状
態に移る。これにより保持電流(Ihalt)が現われ、第３
図(c)と同様にその保持電流高さはキーイング率によっ
て決定される。

第５図には制御回路52が示され、これは電磁負荷14を通
って流れる電流のすべての情報を受信する。このために
分岐回路28,40の合流点44からアース接続部12に通じる
経路に抵抗50が挿入されており、これは比較的低い値
（１オーム以下）をもっている。制御回路52はこの抵抗
50を通じて電圧降下を測定し、従って電流を測定するこ
とができる。制御回路52は電磁負荷14の回路閉鎖のため
にその一方の出力端子がライン54を通じてサイリスタ34
のゲート端子38にターンオンパルスを送り、このためサ
イリスタ34がターンオンし、電流は(Imax)の値まで上昇
する。制御回路52が電流(Imax)への到達を測定すると、
制御回路52の他方の出力端子56を通じてトランジスタ18
のベース端子26に短いパルス信号が発せられ、その結果
トランジスタ18がオンし、全電流を短時間引き受ける。
これによりサイリスタ34はターンオフし、サイリスタ34
のターンオフ後直ちにトランジスタ18が再びオフされ、
電磁負荷14を通る電流はフリーホイール要素16を通じて
低下することができる。

いま電流を保持電流(Ihalt)の値に保持する場合には、
制御回路52を通じてトランジスタ18が周期的にオン・オ
フされ、従って電流が脈動変化する。この際、トランジ
スタ18がオンの間電磁負荷14とトランジスタ18を通る電
流は上昇し、トランジスタ18がオフの間では最も簡単な
場合、電磁負荷14とダイオード16から形成されているフ
リーホイール回路の定数に従って電流が徐々に下降す
る。制御回路52によって保持されるトランジスタ18のク
ロック比に応じて、電流(Ihalt)が生じる。

トランジスタ18に電流限定を指定し、トランジスタが電
流段階の間も電流(Imax)までクロック発生できるように
することも可能であるが、しかし電離を限定によって電
流は流れず、電流が(Ihalt)の値まで低下した後、直ち
に流れ始める。

発明の効果以上述べたごとく、本発明によれば、ガス交換弁を吸着
する時にのみ高い起動電流が給電され、ガス交換弁を開
放位置又は閉鎖位置に保持する際には電流強度の低い保
持電流が維持されるようにしたので、電力消費を著しく
軽減できるようにし、しかも起動電流はトランジスタを
流れないか、若しくは流れても短時間であるようにして
あるので、高価なトランジスタを使用する必要もない。

また、導通状態のトランジスタを含む分岐回路の抵抗値
が導通状態のサイリスタを含む分岐回路の抵抗値より低
くなるように設定しているので、前記トランジスタに信
号を与えてトランジスタを導通することによってサイリ
スタを非導通状態にすることができ、すなわち、トラン
ジスタが電磁負荷の低電流保持とサイリスタのターンオ
フ機能をもち、回路構成を簡単なものにする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の回路構成図、第２図は
本発明の第２の実施例の回路構成図、第３図は第１図に
よる回路の説明のための電流変化グラフ、第４図は第２
図による回路の説明のための電流変化グラフ、第５図は
本発明の第３の実施例の回路構成図である。 14…電磁負荷（電磁石のコイル）、16…ダイオード（フ
リーホイール要素）、18…トランジスタ、20…コレク
タ、22…エミッタ、24…ベース、28…トランジスタ分岐
回路、34…サイリスタ（電流スイッチング要素）、36…
ゲート、40…サイリスタ分岐回路、46…高抵抗の要素、
52…制御回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ガス交換弁をばね系の付勢力に抗して開放
位置と閉鎖位置とに交互に保持すべく給電励起される電
磁石を備えた内燃機関におけるガス交換弁の制御装置で
あって、電磁石を構成する電磁負荷14及びフリーホイー
ル要素16からなるフリーホイール回路14,16と、電源に
対してフリーホイール回路14,16と直列に配置された電
流スイッチング要素であるサイリスタ34を含む分岐回路
40と、該サイリスタ34の分岐回路40に並列に接続された
トランジスタ18を含む分岐回路28とを備え、導通状態の
トランジスタ18を含む分岐回路28の抵抗値が導通状態の
サイリスタ34を含む分岐回路40の抵抗値より低くなるよ
うに設定し、導通状態のサイリスタ34を介してフリーホ
イール回路14,16に高い起動電流が流れるようにし、そ
の後サイリスタ34が非導通状態になった時に、トランジ
スタ18によりフリーホイール回路14,16に低い電流強度
のクロック保持電流が維持されるように構成したことを
特徴とする内燃機関におけるガス交換弁の制御装置。
【請求項２】サイリスタ34を含む分岐回路40の抵抗を高
める要素46を、サイリスタ34と直列に接続したことを特
徴とする特許請求の範囲第１項に記載の制御装置。
【請求項３】要素46がオーム抵抗であることを特徴とす
る特許請求の範囲第２項に記載の制御装置。
【請求項４】要素46がダイオートであることを特徴とす
る特許請求の範囲第２項に記載の制御装置。
【請求項５】要素46がＰＴＣ要素であることを特徴とす
る特許請求の範囲第２項に記載の制御装置。
【請求項６】制御回路52が設けられており、該制御回路
52の入力部に電磁負荷14中の電流強度に対応する信号が
供給され、制御回路52の出力部がトランジスタ18のベー
ス24に接続されていることを特徴とする特許請求の範囲
第１項に記載の制御装置。
【請求項７】オン状態のサイリスタ34をターンオフする
ためトランジスタ18が短時間全電流を受け持つように構
成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
制御装置。