DE10054308A1 - Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit einer einen Magnetfeldgeber und einem Megnetfeldsensor aufweisenden Vorrichtung zur Bestimmung der Position der Ankerplatte, bei welcher der als Permanentmagnet ausgebildete Magnetfeldgeber nicht oszillierend im Aktor angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie beispiels­ weise aus der DE 198 43 075.2 bekannt sind.

Ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung besteht im wesentlichen aus zwei Elektromagneten, dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet, die durch mindestens ein Bauteil aus einem nicht ferromagnetischen Material voneinander ge­ trennt sind. Dieses Bauteil kann beispielsweise durch ein Gehäuseteil gebildet wer­ den. Zwischen den Elektromagneten, dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet, befindet sich die aus einem ferromagnetischen Material bestehende Ankerplatte, die durch Bestromen der Erregerspule des Öffnermagneten oder der Erregerspule des Schließermagneten in die jeweilige Richtung bewegt wird. Das Magnetjoch des Öff­ nermagneten weist eine Durchführung für einen Ventilstößel auf, der die auf die An­ kerplatte einwirkenden Kräfte auf mindestens ein Gaswechselventil überträgt.

Der Aktor kann beispielsweise so ausgeführt sein, daß die Aktorfeder auf der dem Gaswechselventil entgegengesetzten Seite des Aktors an der Außenseite des Schließermagneten angeordnet ist. Dazu ist in Verlängerung des Ventilstößels ein einen Aktorfederteller aufweisender Federstößel angeordnet, der in einer Durchfüh­ rung im Magnetjoch des Schließermagneten gelagert ist. Die Aktorfeder ist dabei beispielsweise von einer Ausformung des Magnetjochs des Schließermagneten um­ geben. Alternativ kann auf das Magnetjoch des Schließermagneten ein die Aktorfe­ der abdeckendes weiteres Aktorbauteil aufgesetzt werden. Das weitere Aktorbauteil bildet dabei das Gegenlager für die auf dem Aktorfederteller des Aktorstößels auflie­ gende Aktorfeder.

Ein Aktor bildet mit einem Gaswechselventil eine funktionelle Einheit, wobei das Gaswechselventil, entsprechend einem konventionellen Zylinderkopf mit Nocken­ wellen, mittels einer Ventilfeder und einem Ventilfederteller in den Ventilsitz des Zy­ linderkopfes gezogen wird.

Ist eine funktionelle Einheit aus einem Aktor und einem Gaswechselventil an der Brennkraftmaschine montiert, werden der Ventilschaft des Gaswechselventils, der Ventilstößel und der Federstößel des Aktors gegeneinander gepreßt.

In der Ruhelage der funktionellen Einheit muß sich die Ankerplatte in einer durch die Konstruktion bestimmte Position zwischen dem Öffnermagnet und dem Schließer­ magnet befinden, beispielsweise in der Mittellage, wobei die Ventilfeder und die Ak­ torfeder vorgespannt sind. Der Ventilteller des Gaswechselventils befindet sich in diesem Beispiel in der Mittelstellung zwischen dem Ventilsitz des Zylinderkopfes, bei der das Gaswechselventil geschlossen ist, und der Position, in der das Gaswechsel­ ventil maximal geöffnet ist.

Beim Betrieb eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung müssen der Öffnermagnet und der Schließermagnet für das Ventilspiel der Brennkraftmaschine im richtigen Zeitpunkt mit einer genau bemessenen Stromstärke angesteuert wer­ den. Zur Bereitstellung dieser Größen benötigt ein den Aktoren zugeordnetes Steu­ ergerät als Eingangsgrößen zumindest die Position der Kurbelwelle sowie die Positi­ on der Ankerplatte jedes Aktors der Brennkraftmaschine. Dazu weist jeder Aktor ei­ ne Vorrichtung zur Bestimmung der Position der Ankerplatte auf, die ein zur Stellung der Ankerplatte proportionales Signal an das Steuergerät übermittelt.

Eine derartige Vorrichtung ist in der DE 198 43 075.2 beschrieben. Dabei ist auf dem oszillierenden Federstößel ein Magnetfeldgeber befestigt, dessen Magnetfeld von einem zwischen dem Magnetfeldgeber und der Aktorfeder angeordneten Magnet­ feldsensor sensiert wird. Dabei ist zur Vermeidung einer Beeinflussung der magneti­ schen Felddichte durch weitere oszillierender Metallteile, wie beispielsweise der Ak­ torfeder, zwischen dem Magnetfeldsensor und der Aktorfeder eine als magnetische Abschirmung fungierendes Flußleitblech angeordnet. Ein Flußleitblech besteht aus einem weichmagnetischen Werkstoff und hat die Eigenschaft den magnetischen Fluß aufzunehmen und zu leiten, wodurch ein Flußleitblech zur Abschirmung vor magnetischen Feldern oder zum Leiten und Formen des magnetischen Flusses verwen­ det werden kann.

Der Nachteil der Vorrichtung besteht darin, daß sich durch die extrem hohe Be­ schleunigung der oszillierenden Aktorteile, die das 10000fache der Erdbeschleuni­ gung betragen kann, der Magnetfeldgeber von dem oszillierenden Aktorteil löst. Bei der Verwendung eines Permanentmagneten als Magnetfeldgeber besteht dazu die Gefahr, daß sich der Permanentmagnet mit der Zeit entmagnetisiert.

Bei einem Ausfall der Vorrichtung zur Bestimmung der Position der Ankerplatte soll­ te der Aktor aus Sicherheitsgründen stillgelegt werden, da bei fehlerhafter Bestrom­ ung der Elektromagneten der Aktor oder das Gaswechselventil mechanisch beschä­ digt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktor zur elektromagnetischen Ven­ tilsteuerung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1 anzugeben, bei dem die Position der Ankerplatte mittels einem Magnetfeldsensor sensiert werden kann, oh­ ne daß das Ablösen des Magnetfeldgebers oder das Entmagnetisieren eines Perma­ nentmagneten eintreten kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Merkmal im Kennzeichen des Pa­ tentanspruchs 1 gelöst, wonach der Magnetfeldgeber nicht oszillierend im Innen­ raum des Aktors angeordnet ist. Dabei bilden der Magnetfeldgeber, mindestens ein oszillierendes Aktorteil, und mindestens ein Flußleitblech einen magnetischen Kreis, in dem der Magnetfeldsensor angeordnet ist. Die vom Magnetfeldsensor sensierte Intensität des magnetischen Flusses ist dabei von der Position des mindestens ei­ nen oszillierenden Aktorteils abhängig.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Verbesserung des Si­ gnals des Magnetfeldsensors weitere Flußleitbleche im magnetischen Kreis ange­ ordnet sind. Die weiteren Flußleitbleche können einen Teil des magnetischen Krei­ ses bilden oder als magnetische Abschirmung dienen.

Dabei ist als Magnetfeldgeber ein Permanentmagnet und als Magnetfeldsensor ein Hallsensor vorgesehen.

Durch den erfindungsgemäßen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung ist die Gefahr des Ablösen oder Entmagnetisieren des Magnetfeldgebers nicht gegeben, wobei ein zuverlässiges, zur Position der Ankerplatte proportionales Signal be­ reitgestellt wird.

Im folgenden ist ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung anhand von ei­ nem Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit zwei Figuren dargestellt und erläu­ tert.

Es zeigten:

Fig. 1 ein Schnittbild eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der Position der Ankerplatte, wobei im magnetischen Kreis als oszillierendes Aktorteil der Feder­ stößel enthalten ist,

Fig. 2 eine Folge von drei Darstellungen, wie sich der magnetische Fluß durch den Magnetfeldgeber in Abhängigkeit der Position des Feder­ stößels ändert.

In der Fig. 1 ist ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung dargestellt, der im wesentlichen aus zwei Elektromagneten, dem Öffnermagnet 3 und dem Schlie­ ßermagnet 2 besteht. Die Elektromagneten bestehen jeweils aus einem Magnetjoch 2.1, 3.1, in welchem ein Spulenfenster 2.2, 3.2 ausgearbeitet ist, und der in dem Spulenfenster 2.2, 3.2 eingesetzten Erregerspule 2.3, 3.3. Die Elektromagneten werden durch zwei aus einem nicht ferromagnetischen Material gefertigte Distanz­ stücke 4 voneinander getrennt. Zwischen den Distanzstücken 4 oszilliert die Anker­ platte 5.1, an der der Ventilstößel 5.2 befestigt ist, der die auf die Ankerplatte 5.1 einwirkenden Kräfte über eine Durchführung im Magnetjoch 3.1 des Öffnermagne­ ten 3 auf ein Gaswechselventil überträgt. Der Aktor ist dabei so aufgebaut, daß beim Betrieb des Aktors zwischen der Ankerplatte 5.1 und den Magnetjochen 2.1, 3.1 ein Luftspalt von 0,06 Millimetern verbleibt.

In der Verlängerung des Ventilstößels 5.2 liegt auf der Ankerplatte 5.1 ein Federstö­ ßel 7.1 auf, der in einer Durchführung im Magnetjoch 2.1 des Schließermagneten 2 gelagert ist, und der die auf die Ankerplatte 5.1 einwirkenden Kräfte auf die Aktorfeder 7.2 überträgt. Dazu ist an dem der Ankerplatte 5.1 entgegengesetzten Ende des Federstößels 7.1 ein Aktorfederteller 7.3 ausgearbeitet, auf dem die Aktorfeder 7.2 aufliegt, und über den die Aktorfeder 7.2 den Federstößel 7.1 gegen die Ankerplatte 5.1 preßt.

Die Aktorfeder 7.2 befindet sich in einer radialsymmetrisch um die Durchführung des Federstößels 7.1 ausgebildeten, eine Wandung bildende Ausformung des Ma­ gnetjochs 2.1 des Schließermagneten 2. Die Wandung weist auf der Innenseite ein Gewinde auf, in das ein Schraubdeckel 8 eingeschraubt ist. Mittels des Schraub­ deckels 8 kann die Vorspannung der Aktorfeder 7.2 verändert werden.

Innerhalb der Ausformung des Magnetjochs 2.1 ist die Vorrichtung zur Bestimmung der Position der Ankerplatte 5.1 angeordnet. Dazu ist der Federstößel 7.1 über den Aktorfederteller 7.3 hinaus verlängert ausgearbeitet.

Zudem ist an dem Schraubdeckel 8 auf der Innenseite ein zentrisch angeordneter, aus zwei Hälften bestehender Zylindermantel ausgearbeitet, dessen obere Hälfte 9.1 aus einem magnetisch isolierenden Material besteht, und dessen untere Hälfte 9.2 aus einem weichmagnetischen Material besteht und als Flußleitblech dient. Das un­ tere Ende untere Hälfte 9.2 des Zylindermantels ist zum Federstößel 7.1 hin ge­ knickt ausgearbeitet. Am oberen Ende der untere Hälfte 9.2 des Zylindermantels ist als Magnetfeldgeber ein ringförmiger Permanentmagnet 10.1 angeordnet, der von einem den magnetischen Fluß nicht beeinflussenden, ebenfalls ringförmigen Kunst­ stoffmaterial 10.3 gehalten wird. In dem Kunststoffmaterial 10.3 ist als Magnetfeld­ sensor mindestens ein Hallsensor 10.2 angeordnet, der über am Zylindermantel und dem Schraubdeckel 8 hinaus geführte elektrische Verbindungen mit einem den Ak­ toren zugeordneten Steuergerät verbunden ist.

Der verlängert ausgearbeitete Federstößel 7.1, das weichmagnetische Material der Hälfte 9.2 des Zylindermantel und der Permanentmagnet 10.1 bilden einen magne­ tischen Kreis, wobei der vom Hallsensor 10.2 sensierte magnetische Fluß von der Position des Federstößels 7.1 und damit von der Position der Ankerplatte 5.1 ab­ hängig ist.

An dem Magnetfeldgeber 10.1 ist ein zylindermantelförmiges Flußleitblech 9.3 befe­ stigt, das lediglich durch einen dünnen Luftspalt vom Federstößel 7.1 getrennt ist. Das zylindermantelförmige Flußleitblech 9.3 gewährleistet, daß der magnetische Fluß im magnetischen Kreis auch bei großen Abständen zwischen dem Magnetfeld­ geber 10.1 und dem Federstößel 7.1 nicht zu gering wird.

Fig. 2 zeigt in den drei Darstellungen die den magnetischen Kreis bildenden Aktor­ teile, wobei die erste Darstellung den Federstößel T.1 in der Position bei geöffnetem Gaswechselventil zeigt, die zweite Darstellung den Federstößel 7.1 in der Ruhestel­ lung des Aktors zeigt, und die dritte Darstellung den Federstößel 7.1 bei geschlos­ senem Gaswechselventil zeigt. Zu erkennen ist, daß um so näher sich der Federstö­ ßel 7.1 an den ringförmigen Permanentmagnet 10.1 annähert, bzw. um so mehr sich der Federstößel 7.1 und das zylindermantelförmige Flußleitblech 9.3 ineinander schieben, um so mehr schließt sich der magnetische Kreis, und um so höher ist der magnetische Fluß in dem magnetischen Kreis. Entsprechend hoch ist die vom Hall­ sensor 10.2 sensierte Intensität des magnetischen Flusses zwischen dem ringförmi­ gen Permanentmagneten 10.1 und dem weichmagnetischen Material der unteren Hälfte 9.2 des Zylindermantels. Dadurch steht dem den Aktoren zugeordneten Steuergerät ein Signal zur Verfügung, das die Position der Ankerplatte 5.1 eindeutig wiedergibt und das zur Regelung der Zeitpunkte für das Bestromen des Öffnerma­ gneten 3 und des Schließermagneten 2 sowie zur Regelung der Stromhöhen ver­ wendet werden kann.

Durch den beschriebenen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung wird das die Position der Ankerplatte 5.1 eindeutig wiedergebende Signal erzeugt, ohne daß der als Permanentmagnet 10.1 ausgebildete Magnetfeldgeber beim Betrieb des Ak­ tors degradieren kann, wodurch dem den Aktoren zugeordneten Steuergerät ein zu­ verlässiges, im Idealfall zur Position der Ankerplatte 5.1 proportionales Signal zur Verfügung steht.

Claims (3)

1. Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten, zwi­ schen denen Aktorteile oszillieren, und mit einer ein Flußleitblech, einen Ma­ gnetfeldgeber (10.1) und einen Magnetfeldsensor (10.2) aufweisenden Vorrich­ tung zur Bestimmung der Position der eines der oszillierenden Aktorteile bilden­ den Ankerplatte (5.1), dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldgeber (10.1) nicht oszillierend in dem Aktor angeordnet ist, und daß der Magnetfeldgeber (10.1), mindestens ein oszillierendes Aktorteil und das Flußleitblech einen ma­ gnetischen Kreis bildend angeordnet sind, bei dem die vom dem im magneti­ schen Kreis angeordneten Magnetfeldsensor (10.2) sensierte Intensität des ma­ gnetischen Flusses von der Position des mindestens einen oszillierenden Aktor­ teils abhängig ist.

2. Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbesserung des Si­ gnals des Magnetfeldsensors (10.2) weitere Flußleitbleche (9.3) im magnetischen Kreis angeordnet sind.

3. Aktor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfeldge­ ber ein Permanentmagnet (10.1) und der Magnetfeldsensor ein Hallsensor (10.2) ist.