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Die Erfindung betrifft eine Solenoid-Ventilantriebsvorrichtung
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Es ist bekannt, daß ein Einlaßventil
und ein Auslaßventil
einer Brennkraftmaschine durch Solenoidventile ausgebildet sind,
die jeweils ein durch elektromagnetische Kräfte anzutreibendes Ventilelement
aufweisen. Um die zum Antrieb eines solchen elektromagnetisch angetriebenen
Einlaßventils
oder Auslaßventils
erforderliche Energie zu minimieren, kann man die Querschnittsfläche eines
magnetischen Kreises in einer Antriebsvorrichtung für das Solenoidventil
vergrößern. Jedoch
hat eine derartige Vergrößerung der
Querschnittsfläche
zur Folge, daß die
Größe der Antriebsvorrichtung
ebenfalls zunimmt. Wenn beispielsweise zwei Einlaßventile
und zwei Auslaßventile
in einem Zylinder vorgesehen sind, fehlt Montageraum für die Antriebsvorrichtung. Die
DE 196 11 547 A1 hat
eine Lösung
für dieses Problem
vorgeschlagen, bei der die Kontaktflächen zweier benachbarter Antriebsvorrichtungen
abgeflacht sind, um hierdurch den Abstand zwischen den zwei benachbarten
Antriebsvorrichtungen zu reduzieren, so daß man die Antriebsvorrichtungen
an einem oberen Teil einer Brennkraftmaschine anbringen kann.
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Aus der
DE 31 18 047 A1 ist ein
Doppelmagnetventil, insbesondere zum Regeln der Zündgasmenge
einer Gasheizungsanlage bekannt, worin ein Magnetfluß beider
Magnete durch die Joche im Kreis fließt. Die Joche sind von den
Spulen umgeben. Die Spulen sind mit Abstand voneinander angeordnet.
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Wenn z.B. zwei benachbarte Einlaßventile betätigt werden,
werden die zwei benachbarten Einlaßventile normalerweise gleichzeitig
betätigt,
so daß anzunehmen
ist, daß die
in den zwei benachbarten Antriebsvorrichtungen erzeugten Magnetflüsse einander
stören
könnten.
Jedoch ist dieser Punkt in der obigen Anmeldung nicht angesprochen.
Im Hinblick auf die weitere Größenreduktion
jeder Antriebsvorrichtung und der weiteren Senkung des Stromverbrauchs
besteht daher noch immer Raum für
Verbesserungen der Vorrichtung der oben erwähnten Schrift.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher,
eine Solenoid-Ventilantriebsvorrichtung anzugeben, die ausreichende
magnetische Antriebskräfte
von Solenoiden benachbarter Solenoidventile sicherstellen kann und
die eine Größenreduktion
und Energieersparnis ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird daher eine gattungsgemäße Solenoid-Ventilantriebsvorrichtung
mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen.
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Mit dieser Konfiguration sind die
Richtungen von Magnetflüssen,
die in den Solenoiden der zwei benachbarten Solenoidventile bei
deren Erregung erzeugt werden, einander entgegengesetzt. Daher haben
die zwei Solenoide einen gemeinsamen Magnetkreis, was zu einer Verstärkung des
Magnetflusses führt.
Wenn daher die zwei Solenoide im wesentlichen gleichzeitig erregt
werden, kann daher die magntische Anziehungskraft jedes Solenoids
erhöht werden.
Demzufolge kann die Querschnittsfläche eines Magnetkreises zum
Erhalt einer erforderlichen magnetischen Anziehungskraft reduziert
werden, um hierdurch die Größe der Vorrichtung
reduzieren zu können,
und ferner kann die Energie zum Erhalt einer erforderlichen magnetischen
Anziehungskraft reduziert werden, um hierdurch Energie einsparen
zu können.
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Falls zumindest zwei Einlaßventile
in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine vorgesehen sind, werden
die zumindest zwei Einlaßventile
immer im wesentlichen gleichzeitig geöffnet oder geschlossen. Falls
zumindest zwei Auslaßventile
in einem Zylinder einer Brennkraftmaschine vorgesehen sind, werden in ähnlicher
Weise zumindest zwei Auslaßventile
immer im wesentlichen gleichzeitig geöffnet oder geschlossen. Durch
Anwendung jedes Solenoidventils bei einem Einlaßventil oder einem Auslaßventil
einer Brennkraftmaschine werden die oben erwähnten Effekte der Erfindung
noch deutlicher. Ferner ist diese Konfiguration sehr wirkungsvoll,
die Einlaßventile und
Auslaßventile
in einem begrenzten Raum am Oberteil einer Brennkraftmaschine anzuordnen.
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Die Solenoide der benachbarten Solenoidventile
sind so konfiguriert, daß sie
sich teilweise die Magnetkreise teilen, d.h. die Außenjoche
der zwei benachbarten Solenoide stehen über eine flache Kontaktfläche miteinander
in Kontakt.
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Weitere Merkmale der Erfindung werden
aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in
Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
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1 einen
Vertikalschnitt der Struktur einer Solenoid-Ventilantriebsvorrichtung
nach einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung, hier bei einem Einlaßventil in einer Brennkraftmaschine;
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2 eine
schematische Draufsicht zur Darstellung der Anordnung von Einlaßventilen
und Auslaßventilen
in der in 1 gezeigten
Brennkraftmaschine;
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3A einen
Horizontalschnitt von in 1 gezeigten
zwei benachbarten Solenoiden;
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3B eine ähnliche
Ansicht wie in 3A von
einem Vergleichsbeispiel;
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4A einen
Vertikalschnitt der zwei benachbarten Solenoide in der bevorzugten
Ausführung
mit Darstellung eines Erregungsverfahrens für die Solenoide;
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4B eine ähnliche
Ansicht wie in 4A, von
einem Vergleichsbeispiel; und
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4C eine
weitere ähnliche
Ansicht wie in 4A, von
einem anderen Vergleichsbeispiel.
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1 ist
eine Vertikalschnittansicht der Struktur einer Solenoid-Ventilantriebsvorrichtung nach
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung, hier bei einem Einlaßventil einer Brennkraftmaschine 10 (nachfolgend
einfach als "Maschine" bezeichnet). Wie
in 2 gezeigt, sind in
dieser bevorzugten Ausführung
zwei Einlaßventile 1 und
zwei Auslaßventile 2 in
einem Zylinder 3 der Maschine 10 vorgesehen. Während in 1 die Konfiguration jedes
Einlaßventils 1 gezeigt
ist, ist die Konfiguration jedes Auslaßventils 2 ähnlich jener
des Einlaßventils 1.
Jedes Einlaßventil 1 umfaßt ein Ventilelement 12,
an dem ein Anker 14 befestigt ist, und einen Aktuator 11 zum
Antrieb des Ventilelements 12. Jedes Einlaßventil 1 ist an
der Oberseite einer Brennkammer der Maschine 10 angebracht,
um eine Einlaßöffnung 18,
die an einem Oberteil der Brennkammer ausgebildet ist, zu öffnen und
zu schließen.
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Zu 2.
Mit D1 ist ein Innendurchmesser oder eine Bohrung des Zylinders 3 bezeichnet,
und mit D2 ist ein Abstand zwischen den zwei Ventilen 1 oder
ein Ventilabstand bezeichnet. Die Bohrung D1 und der Ventilabstand
D2 sind durch die Spezifikationen der Maschine 10 bestimmt,
so daß der
Aktuator 11 jedes Einlaßventils 1 eine Größe haben
muß, die an
die Beschränkungen
durch die Bohrung D1 und den Ventilabstand D2 angepaßt ist.
In dieser bevorzugten Ausführung
haben die Aktuatoren 11 der zwei einander benachbarten
Einlaßventile 1 vergrößerte Durchmesser,
und an einem Kontaktabschnitt zwischen den benachbarten Einlaßventilen 1 ist
ein gemeinsamer Magnetkreis ausgebildet. Ähnlich haben die Aktuatoren
der zwei einander benachbarten Auslaßventile 2 vergrößerte Durchmesser,
und an einem Kontaktabschnitt zwischen den benachbarten Auslaßventilen 2 ist
ein gemeinsamer Magnetkreis ausgebildet. Mit dieser Struktur kann
der Stromverbrauch reduziert werden.
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Wie in 1 gezeigt,
umfaßt
der Aktuator 11 jedes Einlaßventils 1 hauptsächlich zwei
Solenoide (Elektromagneten), die einander vertikal gegenüber liegen,
d.h. ein Ventilschließsolenoid 15 zum
magnetischen Spannen des Ventilelements 12 in dessen Ventilschließrichtung
sowie ein Ventilöffnungssolenoid 16 zum
magnetischen Spannen des Ventilelements 12 in dessen Ventilöffnungsrichtung,
sowie ein Federpaar 17, das an dem Ventilschließsolenoid 15 und
dem Ventilöffnungssolenoid 16 vorgesehen
ist, um den Anker 14 zu halten. Das Ventilöffnungssolenoid 15 umfaßt eine
Wicklung 15a, ein zylindrisches Außenjoch 15b, ein zylindrisches
Innenjoch 15c. und ein ringförmiges Horizontaljoch 15d. Ähnlich umfaßt das Ventilschließsolenoid 16 eine
Wicklung 16a, ein zylindrisches Außenjoch 16b, ein zylindrisches
Innenjoch 16c und ein ringförmiges Horizontaljoch 16d.
In dem Ventilschließsolenoid 15 sind
das Außenjoch 15b und
das Innenjoch 15c in Kontakt mit dem Horizontaljoch 15d.
Wenn der Anker durch das Ventilschließsolenoid 15 magnetisch
angezogen wird, werden durch diese Joche 15b, 15c und 15d sowie
den Anker 14 Magnetkreise gebildet. Ähnlich sind in dem Ventilöffnungssolenoid 16 das
Außenjoch 16b und
das Innenjoch 16c in Kontakt mit dem Horizontaljoch 16d.
Wenn der Anker 14 durch das Ventilöffnungssolenoid 16 magnetisch
angezogen wird, werden durch diese Joche 16b, 16c und 16d und
den Anker 14 Magnetkreise gebildet.
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Die Federn 17 halten den
Anker 14 normalerweise in seiner Neutralstellung (einer
Zwischenstellung zwischen dem Ventilschließsolenoid 15 und dem
Ventilöffnungssolenoid,
wie in 1 gezeigt). In dieser
Neutralstellung üben
die Federn 17 keine Spannkräfte auf das Ventilelement 12 aus.
Wenn sich der Anker 14 in einer höheren Position befindet als der
Neutralstellung, üben
die Federn 17 Spannkräfte auf
das Ventilelement 12 in dessen Ventilöffnungsrichtung aus, und wenn
der Anker 14 sich in einer tieferen Position als der Neutralstellung
befindet, üben die
Federn 17 Spannkräfte
auf das Ventilelement 12 in dessen Ventilschließrichtung
aus.
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Die Wicklungen 15a und 16a jedes
Aktuators 11 sind mit einer elektronischen Steuereinheit
(nicht gezeigt) verbunden, und sie werden durch Treibersignale angetrieben,
die von der elektronischen Steuereinheit geliefert werden.
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Durch Erregen des Ventilschließsolenoids 15 oder
des Ventilöffnungssolenoids 16 wird
das Ventilelement 12 zwischen einer vollständig geschlossenen
Stellung, in der die Einlaßöffnung 18 durch
das Ventilelement 12 geschlossen ist, und einer vollständig offenen
Stellung, in der der Hubbetrag des Ventilelements 12 maximal
ist, bewegt, um hierdurch das Einlaßventil 1 zu öffnen und
zu schließen.
Wenn die Solenoide 15 und 16 entregt sind, wird
das Ventilelement 12 in einer Mittelstellung zwischen der
vollständig
geschlossenen Stellung und der vollständig offenen Stellung gehalten.
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Wie in 3A gezeigt,
ist der Querschnitt jedes Ventilöffnungssolenoids
16 im wesentlichen kreisförmig,
wobei eine flache Kontaktfläche 19 an
einem Kontaktabschnitt zwischen den benachbarten Solenoiden 16 ausgebildet
ist, so daß die
horizontale Größe des Außenjochs 16b jedes
Solenoids 16 reduziert ist. 3B zeigt ähnlich eine
Vergleichsausführung,
bei der der Ventilabstand D2 der gleiche ist wie in 3A und die benachbarten Solenoide derart
angeordnet sind, daß die Außenumfangsflächen der Außenjoche – im Querschnitt
betrachtet – einander punktförmig berühren, d.h.
keine flache Kontaktfläche 19 ausgebildet
ist. In dieser bevorzugten Ausführung
sind die Querschnittsflächen
des Außenjochs 16b und
des Innenjochs 16c, welche Magnetkreise bilden, vergrößert, um
den Energieverbrauch jedes Solenoids 16 zu reduzieren,
und jedes der benachbarten Außenjoche 16b ist
teilweise angeschnitten, um die flache Kontaktfläche 19 zu bilden,
so daß der Ventilabstand
D2 unverändert
bleibt, um hierdurch einen Kontakt der Außenjoche 16b durch
die flache Kontaktfläche 19 zu
erzeugen, ohne den Ventilabstand D2 zu vergrößern. Daher wird ein gemeinsamer Magnetkreis
für die
zwei benachbarten Solenoide 16 in der Nähe der flachen Kontaktfläche 19 zwischen den
benachbarten Außenjochen 16b ausgebildet, d.h.
die zwei benachbarten Solenoide 16 können durch die flache Kontaktfläche 19 einen
gemeinsamen Magnetkreis bilden.
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Die Wicklungen 16a der zwei
benachbarten Ventilöffnungssolenoide 16 werden
derart erregt, daß Magnetfelder,
die von den zwei benachbarten Solenoiden 16 erzeugt werden,
in der Richtung entgegengesetzt sind. Wie in 4A gezeigt, werden nämlich die Wicklungen 16a der
zwei benachbarten Solenoide 16 derart erregt, daß ein Magnetfluß Φ1, der durch die
Joche 16b, 16c und 16d und den Anker 14 des Solenoids 16 an
der in 4A linken Seite
erzeugt wird, in der Richtung entgegengesetzt zu einem Magnetfluß Φ2 ist, der
durch die Joche 16b, 16c und 16d und
den Anker 14 des Solenoids 16 an der gemäß 4A rechten Seite erzeugt
wird. Wenn daher die zwei benachbarten Solenoide 16 gleichzeitig
erregt werden, wird in der Nähe
der flachen Kontaktfläche 19 ein
gemeinsamer Magnetkreis gebildet, wie in 4A mit der dicken unterbrochenen Linie
(Φ3) gezeigt.
Anders gesagt, es wird ein anderer Magnetfluß Φ3 in einem anderen Bereich
als dem in 4A gezeigten
Bereich A erzeugt, so daß der
gesamte Magnetfluß stärker sein
kann.
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4B zeigt
Magnetflüsse Φ1 und Φ2a in dem
Fall, daß die
zwei benachbarten Solenoide 16 gleichzeitig so erregt werden,
daß die
von den Solenoiden 16 erzeugten Magnetflüsse die
gleiche Richtung haben. In diesem Fall werden die Richtungen der
Magnetfelder in der Nähe
der flachen Kontaktfläche 19 gleich,
wodurch sich eine Verstärkung
des Magnetfelds H ergibt. Im Ergebnis wird in dem Bereich A ein
magnetischer Sättigungszustand
erzeugt, so daß der
Magnetfluß Φ unabhängig von
einer Vergrößerung des
Magnetfelds H nicht zunimmt, wodurch die magnetische Anziehungskraft
auf den Anker 14 abnimmt. 4C zeigt
einen Magnetfluß für den Fall,
daß nur
eines der zwei benachbarten Solenoide 16 erregt wird. In
diesem Fall kann die Richtung des Magnetflusses beliebig festgelegt
werden.
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Unter Verwendung der Konfiguration
zum Erzeugen der Magnetflüsse Φ1 und Φ2 gemäß 4A kann die magnetische
Anziehungskraft um etwa maximal 20% verbessert werden im Vergleich
zu dem in 4B gezeigten
Fall. Ferner kann die magnetische Anziehungskraft um etwa 5% im
Vergleich zum in 4C gezeigten
Fall vergrößert werden.
Demzufolge kann die erforderliche Stromstärke zum Erhalt einer erforderlichen
magnetischen Anziehungskraft um etwa 20% im Vergleich zum in 4B gezeigten Fall reduziert
werden, um hierdurch den Stromverbrauch jedes Solenoids zu senken.
Die oben erwähnte 20%ige
oder 5%ige Zunahme der magnetischen Anziehungskraft kann entsprechend
der Form jedes Solenoids veränderlich
sein, d.h. die maximale Zunahme kann größer oder kleiner sein als beim
obigen Ventil.
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Die Konfiguration und das Erregungsverfahren
jedes Ventilschließsolenoids 15 ist
so ähnlich
wie beim Ventilöffnungssolenoid 16.
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Obwohl in der obigen bevorzugten
Ausführung
die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung
zum Antrieb der Einlaßventile
und Auslaßventile
der Brennkraftmaschine dient, kann die Erfindung auch bei einer Antriebsvorrichtung
für eine
Mehrzahl von Ventilen angewendet werden, die einander benachbart
angeordnet sind und in einigen Fällen
gleichzeitig angetrieben werden. Wenn drei oder mehr Solenoidventile
einander benachbart angeordnet sind, erhält man einen ähnlichen
Effekt, indem man die Konfiguration der Erfindung für ein Solenoid
jedes Solenoidventils verwendet.
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Ferner ist die Querschnittsform jedes
Solenoids nicht auf eine Kreisform beschränkt, sondern kann auch andere
Querschnittsformen haben, wie etwa elliptische, quadratische, rechteckige
und langgestreckte Formen.
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Die Erfindung zeigt eine Solenoid-Ventilantriebsvorrichtung
mit zumindest zwei einander benachbarten Solenoidventilen. Magnetflüsse, die
in den benachbarten Solenoiden 16, 16 der Solenoidventile
bei deren Erregung erzeugt werden, sind in der Richtung einander
entgegengesetzt. Wenn daher die benachbarten Solenoide 16, 16 gleichzeitig
erregt werden, wird ein gemeinsamer Magnetkreis zwischen diesen
Solenoiden erzeugt, wodurch der Magnetfluß zunimmt, um hierdurch die
magnetische Anziehungskraft jedes Solenoids zu vergrößern. Daher kann
die Solenoid-Ventilantriebsvorrichtung
eine ausreichende magnetische Anziehungskraft jedes Solenoids liefern
und kann die Größe reduzieren
und Energie einsparen.