DE10060538A1 - Betätigungseinrichtung für ein Gaswechselventil - Google Patents

Abstract

Eine Betätigungseinrichtung für ein Gaswechselventil umfasst einen elektromagnetischen Aktuator mit einem Magnetjoch und einer Erregerspule und einem an einem Drehgelenk schwenkbar gelagerten Anker, der sich zwischen zwei beabstandeten und einander zugewandten Polflächen des Magnetjochs erstreckt und über eine Bestromung der Erregerspule an die Polflächen angezogen wird. Die Bewegung des Ankers wird auf das Gaswechselventil zur Verstellung zwischen einer Öffnungs- und einer Schließposition übertragen. DOLLAR A Das Drehgelenk des Ankers ist innerhalb eines vom Magnetjoch teilweise umschlossenen Aufnahmeraumes mit Abstand zur Innenwand des Aufnahmeraumes angeordnet. Die Innenwand ist teilkreisförmig ausgebildet, wobei ein erster Ankerabschnitt gleitend an der Innenwand anliegt und ein zweiter, gegenüberliegender Ankerabschnitt durch den Zwischenraum zwischen den Polflächen geführt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Betätigungseinrichtung für ein Gaswechselventil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In der Druckschrift DE 199 55 079 A1 ist eine Betätigungsein­ richtung beschrieben worden, die einen elektromagnetischen Ak­ tuator mit einem elektrisch betätigbaren Magneten und einem vom Magneten beaufschlagten Anker umfasst, der an das Gaswechsel­ ventil gekoppelt ist, wodurch die Bewegung des Ankers auf das Gaswechselventil zur Verstellung des Ventils zwischen einer Öffnungsposition und einer Schließposition übertragbar ist. Der Aktuator umfasst einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagne­ ten, zwischen deren Polflächen der Anker des Gaswechselventils drehbeweglich gelagert ist. Bei einer oszillierenden Bestromung der Magnete wird der Anker abwechselnd an die Polflächen des Öffnungsmagneten und an die Polflächen des Schließmagneten ge­ zogen, wodurch das Gaswechselventil zwischen seiner Schließpo­ sition und seiner Öffnungsposition verstellt wird.

Der Öffnungsmagnet und der Schließmagnet des Aktuators bestehen jeweils aus einem U-förmigen Magnetjoch und einer elektrischen Doppelspule, welche um die Schenkel des Magnetjoches gewickelt ist. Die freien Stirnseiten der Schenkel der beiden Magnetjoche sind einander zugewandt und bilden Polflächen, an die der Anker bei einer Bestromung eines der beiden Magnete gezogen wird.

Das Drehgelenk des Ankers befindet sich außerhalb des Zwischen­ raumes zwischen den Magnetjochen und liegt auf der dem Koppelpunkt zwischen Anker und Gaswechselventil gegenüberliegenden Seite. Auf Grund dieser konstruktiven Ausführung nimmt die Be­ tätigungseinrichtung einen großen Bauraum ein.

Ein weiterer Nachteil liegt darin, dass jeder Position des An­ kers jeweils zwei Polflächen eines Magnetjoches zugeordnet sind und zwischen jeder Polfläche und dem Anker jeweils ein Luft­ spalt zu überwinden ist. Mit zunehmender Anzahl und Breite der Luftspalte steigt jedoch die aufzubringende Erregerleistung ü­ berproportional stark an. Zur Verstellung des Gaswechselventils müssen bei der Betätigungseinrichtung gemäß der DE 199 55 079 A1 hohe Erregerleistungen aufgebracht werden.

Aus der gattungsbildenden Druckschrift GB-PS 1 471 537 ist e­ benfalls eine Betätigungseinrichtung für ein Gaswechselventil bekannt, die einen Magneten mit einem etwa rechteckförmigen Magnetjoch und einer im Innenraum des Magnetjochs aufgenommenen Erregerspule umfasst, welche einen drehbeweglich gelagerten An­ ker umgreift. Ein seitlicher Jochabschnitt des Magnetjoches ist durchbrochen, wobei die freien, einander zugewandten Stirnsei­ ten zwei Polflächen bilden, zwischen denen der Anker angeordnet ist. Das Drehgelenk des Ankers ist in dem den Polflächen gege­ nüberliegenden Jochabschnitt angeordnet. Der Anker erstreckt sich quer durch den Innenraum des Magnetjoches bis in den Zwi­ schenraum zwischen den Polflächen und wird bei einer Bestromung der Erregerspule an eine der beiden Polflächen angezogen, so dass sowohl in Schließposition als auch in Öffnungsposition des Gaswechselventils ein geschlossener Kreis über einen Abschnitt des Magnetjoches und den Anker gebildet ist.

Da das Drehgelenk des Ankers in einen den Polflächen gegenüber­ liegenden Jochabschnitt integriert ist, entsteht in diesem Be­ reich auf Grund der reduzierten magnetischen Leitfähigkeit des Drehgelenks ein erhöhter magnetischer Widerstand.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Betätigungsein­ richtung für ein Gaswechselventil mit einem elektromagnetischen Aktuator raum- und energiesparend auszubilden.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An­ spruches 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige Weiterbildungen.

Der Anker des elektromagnetischen Aktuators ist drehbeweglich gelagert, wobei das Drehgelenk innerhalb eines vom Magnetjoch teilweise umschlossenen Aufnahmeraumes mit Abstand zur Innen­ wand des Aufnahmeraumes angeordnet ist, die zumindest in dem dem Zwischenraum zwischen den beiden Polflächen gegenüberlie­ genden Bereich teilkreisförmig ausgebildet ist. Weiterhin ist vorgesehen, dass sich jeweils ein Ankerabschnitt zu beiden Sei­ ten des im Aufnahmeraum angeordneten Drehgelenks erstreckt. Ei­ ner dieser Ankerabschnitte ist durch den Zwischenraum zwischen den beiden Polflächen hindurchgeführt und wird bei einer Bestromung der Erregerspule an eine der Polflächen angezogen. Der aus dem Aufnahmeraum und dem Zwischenraum zwischen den Pol­ flächen herausragende Teil des Ankerabschnitts ist mit dem Gas­ wechselventil zur Übertragung der Ankerbewegung auf die ge­ wünschte Öffnungs- bzw. Schließbewegung des Ventils gekoppelt.

Der sich auf der gegenüberliegenden Seite des Drehgelenks erstreckende Ankerabschnitt berührt die teilkreisförmig ausge­ bildete Innenwand des Aufnahmeraumes und liegt gleitend an die­ ser an, so dass bei einer Drehbewegung des Ankers die Stirnsei­ te dieses Ankerabschnittes in jeder Bewegungsphase mit der In­ nenwand in Kontakt steht, wodurch ein Luftspalt zwischen Innen­ wand des Magnetjochs und Anker und ein daraus resultierender erhöhter magnetischer Widerstand vermieden wird. Sowohl in der der Schließposition des Gaswechselventils als auch in der der Öffnungsposition zugeordneten Stellung des Ankers an den Pol­ flächen ist ein spaltfreier, geschlossener magnetischer Kreis gebildet.

Bei der Überführung zwischen den beiden Anlagepositionen des Ankers an den beiden Polflächen ist jeweils nur ein Luftspalt zu überwinden, nämlich der Luftspalt zwischen dem Anker und derjenigen Polfläche, an die der Anker überführt werden soll. Dadurch reduziert sich der für die Erregung der Spule aufzu­ bringende Energieaufwand erheblich.

Die Anordnung im Innenraum des Magnetjoches weist außerdem den Vorteil einer raumsparenden Bauform auf.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Magnetjoch etwa ringförmig ausgebildet, wobei sowohl eine Ausführung, in der der Magnetjochring einen Kreis einschließt, als auch eine Aus­ führung, in der der Magnetjochring lediglich einen Teilkreis einschließt und im Übrigen von der Kreisform abweicht, in Be­ tracht kommt. Die Kreisform zeichnet sich durch eine besonders einfache Ausgestaltung aus, die mit einem entsprechend geringen Aufwand zu realisieren ist. Die Ausführung mit nur einer Teil­ kreisform hat andererseits den Vorteil größerer konstruktiver Gestaltungsmöglichkeiten. So ist es beispielsweise möglich, le­ diglich den Innenwandbereich des Magnetjoches, welcher von dem Ankerabschnitt beaufschlagt wird, teilkreisförmig auszuführen und die übrigen Innenwandbereiche mit einer hiervon abweichen­ den Querschnittsgestalt auszuführen und an sonstige konstrukti­ ven oder energetischen Erfordernisse anzupassen. Es kann hier­ bei insbesondere zweckmäßig sein, den Abstand zwischen dem Drehgelenk und den beiden Polflächen größer auszuführen als den Abstand zwischen den beiden Polflächen und dem Koppelpunkt des Ankers zum Gaswechselventil, wodurch ein gutes Kraftüberset­ zungsverhältnis erzielt werden kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann das Magnet­ joch in demjenigen Abschnitt, in welchem der Anker gleitend an der Innenwand anliegt, eine gegenüber den übrigen Magnetjochab­ schnitten reduzierte Wandstärke aufweisen. Die reduzierte Wand­ stärke des Magnetjochabschnittes wird durch den berührend an­ liegenden Ankerabschnitt zumindest teilweise kompensiert, wo­ durch sich ein Magnetkreis mit im Wesentlichen gleichbleibenden Magnetfluss ausbilden kann.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu ent­ nehmen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Betätigungseinrichtung für ein Gaswechselventil in einer Brennkraftmaschine, wobei die Betätigungs­ einrichtung einen elektromagnetischen Aktuator mit einem Magnetjoch, einer Erregerspule und einem im Magnetjoch drehbar gelagerten Anker umfasst,

Fig. 2 eine Fig. 1 vergleichbare Betätigungseinrichtung, je­ doch mit zwei Erregerspulen und einem Magnetjoch mit reduzierter Wandstärke im Bereich eines gleitend an der Innenwand des Magnetjoches gelagerten Ankerab­ schnittes,

Fig. 3 eine weitere Ausführung einer Betätigungseinrichtung, bei der das Drehgelenk des Ankers außerhalb des Mag­ netjoches gelagert ist, mit zwei Erregerspulen,

Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Ausführung, jedoch mit nur einer Erregerspule,

Fig. 5 eine weitere Betätigungseinrichtung, bei der das Drehgelenk des Ankers in einem Magnetjochabschnitt gelagert ist.

In den folgenden Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Be­ zugszeichen versehen.

Die in Fig. 1 dargestellte Betätigungseinrichtung 1 zur Steue­ rung des Hubes eines Gaswechselventiles 8 in einer Brennkraft­ maschine eines Fahrzeuges, beispielsweise eines Einlassventils oder eines Auslassventils, umfasst einen elektromagnetischen Aktuator, bestehend aus einem elektrisch betätigbaren Magneten mit einem Magnetjoch 2 und einer bestrombaren Erregerspule 3 sowie einen drehbeweglich gelagerten Anker 4, der mit dem Gas­ wechselventil 8 gekoppelt ist und dieses zwischen einer Öff­ nungsposition und einer Schließposition verstellt. Der Anker 4 ist von der Magnetkraft des Magneten zwischen einer ersten Po­ sition, die der Öffnungsposition des Gaswechselventiles ent­ spricht, und einer zweiten Position, die der Schließposition des Gaswechselventils entspricht, zu verstellen. Bei der Über­ führung zwischen Schließ- und Öffnungsposition wird das Gas­ wechselventil 8 translatorisch in Richtung seiner Bewegungs- und Längsachse 20 verstellt. In Schließposition liegt der Ven­ tilteller 10 des Gaswechselventils 8 gasdicht in einem Ventil­ sitz im Zylinderkopf 12 der Brennkraftmaschine an. In Öffnungs­ stellung wird das in einer Gleitbuchse 11 in einer Öffnung im Zylinderkopf 12 gleitend geführte Gaswechselventil aus dem Ven­ tilsitz gegen die Kraft einer Ventilfeder 13 verstellt, welche an einem Federteller 14 am Ventilschaft 9 des Gaswechselventils angreift und das Gaswechselventil gegenüber dem Zylinderkopf 12 abstützt und in Schließstellung beaufschlagt.

Das Magnetjoch 2 ist als kreisrunder Ring ausgeführt, der eine Durchbrechung aufweist, wodurch eine erste Polfläche 6 und eine zweite Polfläche 7 an den einander zugewandten Stirnseiten im Magnetjoch 2 gebildet sind. Das Magnetjoch 2 umschließt einen Aufnahmeraum 15, in dem der Anker 4 an einem Drehgelenk 5 dreh­ bar gelagert ist. Die Drehachse des Drehgelenks 5 verläuft vor­ teilhaft durch den Mittelpunkt des von dem kreisrunden Magnet­ joch 2 eingeschlossenen Aufnahmeraumes 15. Der drehbar gelager­ te Anker 4 weist Ankerabschnitte 4a und 4b auf, die sich dies­ seits und jenseits des Drehgelenks 5 erstrecken, wobei der den Polflächen 6 und 7 abgewandte Ankerabschnitt 4a berührend, je­ doch gleitend an der kreisförmigen Innenwand 16 des Aufnahme­ raums 15 anliegt und der zweite Ankerabschnitt 4b sich durch die Durchbrechung im Magnetjoch 2 zwischen den Polflächen 6 und 7 hindurch erstreckt und im Bereich seiner freien Stirnseite ü­ ber ein weiteres Gelenk 17 drehbar mit dem Ventilschaft 9 des Gaswechselventils 8 gekoppelt ist.

Die Erregerspule 3 zur Betätigung des drehbar gelagerten Ankers 4 ist ebenfalls in dem vom Magnetjoch 2 umschlossenen Aufnahme­ raum 15 angeordnet und umgreift den Anker 4 im Bereich seines Drehgelenkes 5. Je nach Bestromung der Erregerspule 3 wird der Anker 4 entweder in Pfeilrichtung 18 an die Polfläche 6 oder in Pfeilrichtung 19 an die Polfläche 7 magnetisch angezogen, wor­ aufhin das Gaswechselventil 8 entweder seine Schließposition o­ der seine Öffnungsposition einnimmt.

Das Magnetjoch 2 ist zweipolig ausgeführt. Der drehbar im Auf­ nahmeraum 15 des Magnetjochs 2 gelagerte Anker 4 muss zur Über­ führung des Gaswechselventils zwischen Schließ- und Öffnungspo­ sition lediglich einen geringen Luftspalt zur jeweils gegenü­ berliegenden Polfläche 6 bzw. 7 überbrücken. Sowohl in Anlage­ position des Ankers 4 an der Polfläche 6 als auch in Anlagepo­ sition an der Polfläche 7 ist jeweils ein geschlossener magne­ tischer Kreis gebildet, der durch den Anker 4 und einen halb­ kreisförmigen Magnetjochabschnitt zwischen derjenigen Polfläche 6 oder 7, an der der Anker aktuell anliegt, und dem an der Innenwand des Aufnahmeraumes 15 gleitend geführten Ankerabschnitt 4a gebildet ist. Der Anker 4 ist zweckmäßig aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität gefertigt.

Der an der kreisförmigen Innenwand 16 des Aufnahmeraumes 15 an­ liegende Ankerabschnitt 4a ist etwa sichelförmig ausgebildet und weist eine quer zur Ankerlängsachse 21 ausragende Gleitflä­ che auf. Die Sichelform vergrößert die an der Innenwand 15 an­ liegende Gleitfläche des Ankers 4. Der Ankerabschnitt 4a ist symmetrisch ausgebildet mit sich symmetrisch erstreckenden Si­ chelformen zu beiden Seiten der Ankerlängsachse 21.

Der Anker 4 durchschreitet bei der Überführung von einer Pol­ fläche 6 an die gegenüberliegende Polfläche 7 einen Winkelbe­ trag von vorteilhaft kleiner 20°. Die Längenverhältnisse der Ankerabschnitte 4a und 4b sind in der Weise gewählt, dass für die Bewegungsübertragung auf das Gaswechselventil ein Hebelver­ hältnis größer eins erzielt wird. Der Abstand zwischen Drehge­ lenk 5 und Koppelpunkt zum Gaswechselventil im Drehgelenk 17 (Länge des Ankerabschnittes 4b) ist näherungsweise doppelt so lang wie der Abstand zwischen Drehgelenk 5 und Innenwand 16 des Aufnahmeraumes 15 (Länge des Ankerabschnittes 4a).

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 weist der elektromagnetische Aktuator der Betätigungseinrichtung 1 zwei Erregerspulen 3a und 3b auf, die diametral gegenüberliegende Magnetjochabschnitte umgreifen und die zur Verstellung des Ankers 4 und des Gaswech­ selventils 8 abwechselnd bestromt werden, woraufhin der Magnet­ kreis sich in dem von der aktuell erregten Spule umgriffenen Magnetjochabschnitt ausbilden kann und der Anker 4 an die Pol­ fläche 6 bzw. 7 des betreffenden Magnetjochabschnittes angezo­ gen wird. Die an der zumindest teilkreisförmig ausgeführten In­ nenwand 16 des Aufnahmeraumes 15 anliegende Gleitfläche des An­ kerabschnittes 4a ist wiederum quer zur Ankerlängsachse 21 beidseitig sichelförmig ausgebildet. Das Magnetjoch 2 weist in dem Bereich, in dem der Ankerabschnitt 4a gleitend an der In­ nenwand anliegt, eine reduzierte Wandstärke auf, die in einer Magnetjochmittelebene auf einen Minimalwert absinkt. Auf Grund der sichelförmigen Ausführung des Ankerabschnittes 4a ist die Gesamtwandstärke, gebildet aus reduzierter Wandstärke des Mag­ netjochabschnittes plus Wandstärke des sichelförmigen Abschnit­ tes des Ankers, etwa gleich groß wie die Wandstärke des Magnet­ joches in den übrigen Bereichen. Auch der Anker weist etwa eine Wandstärke in der gleichen Größenordnung auf. Dadurch wird er­ reicht, dass im gesamten magnetischen Kreis eine im Wesentli­ chen gleich bleibende Wandstärke herrscht, so dass auch die magnetische Flussdichte einen annäherungsweise konstanten Wert einnimmt.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 sind das Drehgelenk 5 für die drehbare Lagerung des Ankers 4 und das Gelenk 17, über das der Anker 4 mit dem Ventilschaft 9 des Gaswechselventils 8 ge­ koppelt ist, auf unterschiedlichen, gegenüberliegenden Seiten des Magnetjoches 2 angeordnet. Das Magnetjoch 2 weist die Form eines "E" auf und umfasst einen oberen Abschnitt 2a, einen un­ teren Abschnitt 2b und einen mittleren Abschnitt 2c, welcher den vom Magnetjoch 2 umschlossenen Aufnahmeraum zweiteilt. Der Anker 4 ist durch den mittleren Abschnitt 2c des Magnetjoches 2 hindurch geführt und kann eine Anlageposition an der Polfläche 6, welche dem oberen Abschnitt 2a zugeordnet ist, oder eine An­ lageposition an der Polfläche 7, welche dem unteren Abschnitt 2b zugeordnet ist, einnehmen. Es sind zwei Erregerspulen 3a und 3b vorgesehen, die den oberen Abschnitt 2a bzw. den unteren Ab­ schnitt 2b umgreifen.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 entspricht im Wesentlichen demjenigen aus Fig. 3, jedoch mit dem Unterschied, dass nur ei­ ne einzige Erregerspule 3 vorgesehen ist, die den mittleren Abschnitt 2c des Magnetjoches 2 umgreift.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist das Magnetjoch 2 etwa C-förmig ausgebildet. Das Drehgelenk 5 des Ankers 4 ist in den dem Durchbruch mit den Polflächen 6 und 7 gegenüberliegenden Abschnitt des Magnetjoches 2 integriert. Es sind zwei Erreger­ spulen 3a und 3b vorgesehen, die einen Magnetjochabschnitt o­ berhalb und unterhalb des Drehgelenks 5 umgreifen. Diese Aus­ führung zeichnet sich durch eine besonders kompakte Bauweise aus.

Claims (9)

1. Betätigungseinrichtung für ein Gaswechselventil, mit einem elektromagnetischen Aktuator, bestehend aus einem elektrisch betätigbaren Magneten mit einem Magnetjoch (2) und einer Spule (3, 3a, 3b) und einem an einem Drehgelenk (5) schwenkbar gela­ gerten Anker (4), der sich zwischen zwei beabstandeten und ein­ ander zugewandten Polflächen (6, 7) des Magnetjochs (2) er­ streckt und über eine Bestromung der Spule (3, 3a, 3b) an die Polflächen (6, 7) angezogen wird und dessen Bewegung auf das Gaswechselventil (8) zur Verstellung des Gaswechselventils (8) zwischen einer Öffnungsposition und einer Schließposition über­ tragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehgelenk (5) des Ankers (4) innerhalb eines vom Mag­ netjoch (2) teilweise umschlossenen Aufnahmeraumes (15) mit Ab­ stand zur Aufnahmeraum-Innenwand (16) liegt, die zumindest in dem den Polflächen (6, 7) gegenüber liegenden Bereich teil­ kreisförmig ausgebildet ist, dass sich jeweils ein Ankerab­ schnitt (4a, 4b) zu beiden Seiten des Drehgelenks (5) er­ streckt, dass ein Ankerabschnitt (4b) durch den Zwischenraum zwischen den beiden Polflächen (6, 7) geführt ist und dass die Stirnseite des anderen Ankerabschnitts (4a) gleitend an der zu­ mindest teilkreisförmigen Innenwand (16) des Aufnahmeraumes (15) anliegt.

2. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetjoch (2) ringförmig ausgebildet ist.

3. Betätigungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetjoch (2) aus zwei gebogenen Jochteilen zusammen gesetzt ist, die jeweils abschnittsweise teilkreisförmig aufge­ baut sind.

4. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei bestrombare Spulen (3a, 3b) auf gegenüber liegenden Seiten des Ankers (4) vorgesehen sind.

5. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nur eine bestrombare Spule (3) vorgesehen ist, die einen Abschnitt des Ankers (4) umgreift.

6. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (4) aus einem Material mit hoher magnetischer Permeabilität besteht.

7. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der sich zwischen den beiden Polflächen (6, 7) hindurch erstreckende Ankerabschnitt (4b) länger ist als der gleitend an der Aufnahmeraum-Innenwand (16) anliegende Ankerabschnitt (4a).

8. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetjoch (2) in demjenigen Abschnitt, in dem der An­ kerabschnitt (4a) gleitend an der Innenwand (16) anliegt, eine gegenüber den übrigen Abschnitten reduzierte Wandstärke auf­ weist.

9. Betätigungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der an der teilkreisförmigen Innenwand (16) anliegende An­ kerabschnitt (4a) eine quer zur Ankerlängsachse (21) ausragen­ de, etwa sichelförmige Gleitfläche aufweist.