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Diese
Anmeldung beansprucht die Priorität der provisorischen Anmeldung
US 60/510,989, die am 14. Oktober 2003 angemeldet wurde. Die gesamte
Offenbarung dieser Anmeldung wird als hierin offenbart angesehen
und durch diese Bezugnahme eingefügt.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektromechanische Ventilaktuatoren
und insbesondere auf elektromechanische Ventilaktuatoren, die beim Öffnen des
Ventils auftretende Geräusche,
Vibrationen und Leichtlaufprobleme reduzieren.
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Da
die Motortechnologie voranschreitet und die Hersteller danach streben,
die Motorleistung zu erhöhen,
die Kraftstoffeffizienz zu verbessern, die Emissionen zu reduzieren
und eine umfassendere Steuerung des Motors zu ermöglichen,
werden elektromechanische Ventilaktuatoren entwickelt, um Nockenwellen
zum Öffnen
und Schließen
der Motorventile zu ersetzen. Elektromechanische Ventilaktuatoren
ermöglichen
ein selektives Öffnen
und Schließen der
Ventile in Abhängigkeit
von verschiedenen Motorzuständen.
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Elektromechanische
Ventilaktuatoren umfassen im Allgemeinen zwei Elektromagneten, die
aus einem Kern mit einer eingebetteten Leistungsspule gebildet sind.
Zwischen den Elektromagneten ist ein federbeaufschlagter Anker beweglich
angeordnet, der bei einer selektiven Aktivierung der Spule von der erzeugten
magnetischen Kraft angezogen wird. Die Fläche der Elektromagneten, an
die der Anker beim Aktivieren der Spule des Elektromagneten angezogen
wird, wird im Allgemeinen als Polfläche bezeichnet. Der Anker ist
mit dem Ventil gekoppelt, so dass das Ventil geöffnet und geschlossen wird,
wenn sich der Anker zwischen den Polflächen in einer Polflächen-zu-Polflächen-Bewegung
bewegt.
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Wenn
sich das Ventil in einer geschlossenen Position befindet, wird die
Ankerplatte im Wesentlichen gegen oder nahe am Ankerelektromagneten gehalten,
wobei ein Spalt zwischen dem Ankerschaft und dem Ventilschaft ausgebildet
wird. Dieser Spalt wird üblicherweise
als Spielspalt bezeichnet. Der Spielspalt ermöglicht eine thermische Ausdehnung der
Metallteile während
des Motorbetriebs und ist notwendig, um ein Schließen des
Ventils unter allen Betriebszuständen
zu ermöglichen,
wenn der Anker auf oder in der Nähe
der Ankerelektromagneten-Polfläche
sitzt. Ein Problem mit traditionellen elektromechanischen Ventilen
sind Geräusche,
Vibrationen oder Lichtlaufprobleme, die auftreten, wenn der Ankerschaft
beim Öffnen
des Ventils den Ventilschaft berührt.
Wenn die Ankerplatte von dem Ankerelektromagneten losgelassen wird,
drückt
die Ankerfeder die Ankerbaugruppe und insbesondere den Ankerschaft
in Richtung Ventilschaft, um das Ventil mit einer hohen Geschwindigkeit
von der geschlossenen Position in die offene Position zu bewegen,
so dass der Ankerschaft den Ventilschaft üblicherweise im Bereich des
Spielspalts berührt.
Der Aufprall zwischen Ventilschaft und Ankerschaft kann Geräusche und
Vibrationen erzeugen sowie den Leichtlauf stören. Diese Geräusche und
Vibrationen sowie der gestörte
Leichtlauf können
aufgrund der Anregung anderer Komponenten innerhalb des elektromechanischen
Ventilaktuators verstärkt
werden. Beispielsweise können
die Geräusche
durch die als Verstärker wirkende
Ankerplatte verstärkt
werden.
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Obwohl
die Hersteller versucht haben, diese Probleme durch Kombination
von üblichen
hydraulischen Liftern mit elektromechanischen Ventilaktuatoren zu
beseitigen, kann diese Kombination Probleme hervorrufen. Hydraulische
Lifter erhöhen üblicherweise
die Reibung am elektromechanischen Ventilaktuator und erhöhen die
Masse der beweglichen Teile. Jegliche Erhöhung der Masse oder der Reibung
erhöht
die Leistungsaufnahme des elektromechanischen Ventilaktuators bei
der Bewegung des Ankers und des Ventils. Eine derartige zusätzliche
Leistungsaufnahme ist insbesondere beim Öffnen des Ventils während des
Ausstoßzyklus
gänzlich
ungewollt. Eine zusätzliche
Leistungsaufnahme bringt auch weitere Probleme mit sich, beispielsweise
eine unerwünschte
Erhitzung der elektromagnetischen Leistungsspulen und einen Verbrauch
von zusätzlicher
elektrischer Energie aus dem Energieerzeugungssystem des Fahrzeugs,
wodurch die Kraftstoffeffizienz verschlechtert wird und die Kosten
des Energieerzeugungs- und Verteilungssystems erhöht werden.
Jede zusätzliche
Leistungsanforderung bedeutet eine zusätzliche Belastung der heute
ohne hin schon überlasteten
elektrischen Fahrzeugsysteme. Ein anderer Nachteil bei der Benutzung
von üblichen hydraulischen
Liftern besteht darin, dass hydraulische Lifter relativ teuer sind
und die Gesamtkosten des Fahrzeugs zusätzlich erhöhen.
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Um
diese zusätzlichen
Kosten, die erhöhte Reibung,
die erhöhte
Masse und diemit den hydraulischen Liftern verbundene erhöhte Leistungsaufnahme
zu vermeiden, haben einige Hersteller versucht, die Aufschlagkraft
zwischen dem Ventilschaft und dem Ankerschaft durch Steuerung des
dem Elektromagneten zugeführten
Stromprofils zu begrenzen. Ein Verfahren zur Steuerung des Stromprofils
umfasst das langsame Verringern des dem Ankerelektromagneten zugeführten Stroms.
Beispielsweise verringern die Steuerungssysteme der elektromechanischen
Ventilaktuatoren langsam die Stärke
der magnetischen Anziehung des Ankerelektromagneten. Wenn die Kraft
der Ankerfeder die kombinierte Kraft der Ventilfeder und der magnetischen
Anziehungskraft des Ankerelektromagneten übersteigt, bewegt sich der
Anker beschleunigt von dem Ankerelektromagneten weg. Der Ankerelektromagnet übt weiterhin
eine magnetische Anziehungskraft auf die Ankerplatte aus, wodurch
die Beschleunigung von dem Ankerelektromagneten weg verringert wird.
Obwohl eine Stromprofilsteuerung die mit dem Öffnen des Ventils verbundenen
Geräusche
und Vibrationen sowie den mangelnden Leichtlauf zwischen Ankerschaft
und Ventilschaft reduziert, erfordert eine Stromprofilsteuerung
die Leistungsaufnahme während
der Ankerelektromagnet gegen die von der Ankerfeder ausgeübte Kraft
wirkt. Darüber
hinaus ist die Leistungsaufnahme des Ventilelektromagneten aufgrund
der erhöhten
Magnetkraft, die benötigt
wird, um die Ankerplatte an den Ventilelektromagneten zu ziehen
und an diesem zu halten, erheblich höher. Dies liegt darin begründet, dass
die von der Ankerfeder ausgeübte
Kraft von dem Ankerelektromagneten während des ersten Teils des Öffnungszyklus
aufgehoben wird. Daher muss der Ventilelektromagnet diese Aufhebung
durch eine Erhöhung
der magnetischen Anziehungskraft des Ventilelektromagneten kompensieren.
Wie oben dargestellt, ist die Erhöhung der magnetischen Anziehung
jedoch mit einer erhöhten
Leistungsaufnahme verbunden, die weitere Probleme nach sich zieht.
Die erhöhte
Leistungsaufnahme ist insbeson ders wegen des Abstandes zwischen
dem Ventilelektromagneten und der Ankerplatte groß, bei dem
der Ventilelektromagnet die Magnetkraft aufbringen muss. Dies liegt
in der exponentiellen Aufnahme der Magnetkraft, wenn sich der Abstand
erhöht,
begründet
ein anderes Problem, das bei den Stromprofilsteuerungen auftritt,
liegt darin begründet,
dass zusätzliche
und teuere Positionssensoren und Mikroprozessoren erforderlich sind,
um die Position und die Bewegung der Ankerbaugruppe genau zu bestimmen
und zu steuern. Ein weiteres Problem, das bei der Verwendung von
Stromprofilsteuerungen entsteht, liegt darin, dass die auf den Anker wirkende
Magnetkraft exponentiell ansteigt, wenn sich der als Luftspalt bezeichnete
Spalt zwischen der Polfläche
und der Ankerplatte beim Annähern
der Ankerplatte an die Polfläche
verringert. Diese exponentielle Erhöhung ist insbesondere wegen
der vom Ventilelektromagneten auf den Anker ausgeübten Kraft problematisch,
um die beabsichtigte Anziehung und das Festhalten der Ankerplatte
sicherzustellen, die aufgrund der reduzierten Kraft der Ankerfeder
erforderlich ist. Jede Erhöhung
der magnetischen Kraft bewirkt eine Erhöhung der Geschwindigkeit des
Ankers, wenn er auf die Polfläche
des aktivierten Elektromagneten aufprallt, wodurch die Aufprallkraft
des Ankers erhöht
wird. Dieser Aufschlag bewirkt Geräusche und Vibrationen und verschlechtert
den Leichtlauf, wodurch es zu einer besonderen Herausforderung wird,
einen geräuscharmen
Betrieb des elektromechanischen Ventilaktuators zu erreichen.
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Vor
diesem Hintergrund ergibt sich die Aufgabe, einen elektromechanischen
Ventilaktuator anzugeben, der reduzierte Geräusche und Vibrationen sowie
einen verbesserten Leichtlauf während
des Öffnens
des Ventils aufweist, insbesondere während des Ausstoßzyklus,
ohne eine erhöhte
Leistungsaufnahme aufzuweisen.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektromechanische Ventilaktuatoren
und insbesondere auf elektromechanische Ventilaktuatoren, bei denen
Geräusche
und Vibrationen, die mit dem Öffnen
des Ventils zusammenhängen,
reduziert sind und die einen verbesserten Leichtlauf beim Öffnen aufweisen.
Der elektromechanische Ventialktuator umfasst einen Anfangshubdämpfer mit
einer niedrigen Masse, um den Aufprall zwischen Ankerschaft und
dem Ventilschaft zu dämpfen,
wenn das Ventil geöffnet
wird, ohne teure Positionssensoren und Mikroprozessoren für eine Strom profilsteuerung
zu erfordern und ohne eine wesentliche Erhöhung der Aufschlagkraft der
Ankerplatte gegen den Ventilmagneten nach sich zu ziehen.
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Der
Anfangshubdämpfer
umfasst einen Ankerschaft, der einen Schaftkanal bildet und einen Ventilschaft
mit einem Spielkompensator, der einen Hohlraum bildet, der mit dem
Schaftkanal verbunden ist. Der Spielkompensator kann eine ringförmige Hülse aufweisen.
Der Ankerschaft und die ringförmige Hülse bilden
den Hohlraum. Ein Schafteinsatz mit einem Fluidkanal kann mit dem
Ankerschaft gekoppelt sein. Die ringförmige Hülse und der Ankerschaft bilden
einen zwischen diesen liegenden ringförmigen Spalt aus, der eine
Querschnittsfläche
aufweist, die größer als
oder gleich der Querschnittsfläche
von wenigstens einem Teil des Schaftkanals oder des Fluidkanals
im Schafteinsatz ist. Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung
umfasst das Einbringen eines Fluids in einen Hohlraum zwischen Ankerschaft
und Ventilschaft und das Reduzieren der Größe des Hohlraums durch einen
Verdrängen
des Fluids aus dem Hohlraum, bevor der Ventilschaft auf den Ankerschaft
aufschlägt.
Durch ein Zuführen
eines Fluids durch einen Schaftkanal, der von dem Ankerschaft oder
dem Ventilschaft gebildet wird, kann eine Fluidtasche im Hohlraum
bereitgestellt werden. Die Fluidtasche ist so ausgebildet, dass
sie eine Abführungsgeschwindigkeit
aufweist, die größer als
oder annähernd
gleich der Fluidzuführungsgeschwindigkeit
durch den Schaftkanal ist. Um die gewünschte Leistungsfähigkeit
des Motors sicherzustellen, kann die Größe des Hohlraums begrenzt sein,
wenn das Ventil in einer geschlossenen Position ist, um zu verhindern,
dass sich das Ventil relativ zum Ankerschaft bewegt. Die Hohlraumgröße ist im
Allgemeinen durch die Auswahl eines Ventilschafts oder Spielkompensators
mit einer ausreichend kleinen Fläche begrenzt,
auf die der Fluiddruck angewendet wird. Dadurch wird sichergestellt,
dass die hydraulische Kraft, die auf das Ventil in seiner geschlossenen
Position wirkt, kleiner als die Vorspannkraft ist, die das Ventil
in der geschlossenen Position hält.
Die Hohlraumgröße kann
auch durch die Wahl einer solchen Querschnittsfläche des ringförmigen Spalts
begrenzt werden, die größer als
oder gleich der Querschnittsfläche
des Schaftkanals ist, wodurch ermöglicht wird, dass das Ventil
seine Vorspannung auf dem Ventilsitz beibehält, unabhängig davon, wieviel Fluid durch den Schaftkanal
zugeführt
wird. Das bereitgestellte Fluid kann auch als Schmier- und Kühlmittel
für den
elektromechanischen Ventilaktuator dienen.
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Der
weitere Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung wird aus der
nachstehenden detaillierten Beschreibung, den Ansprüchen und
den Zeichnungen deutlich. Jedoch wird darauf hingewiesen, dass die
detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele nur zur Veranschaulichung
dienen, obwohl sie bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
darstellen. Für
den Fachmann sind verschiedene Veränderungen und Modifikationen
der Erfindung offensichtlich oder nahe liegend.
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Die
vorliegende Erfindung lässt
sich einfacher anhand der detaillierten, nachstehend beschriebenen
Beschreibung und den angehängten
Ansprüchen
und den beigefügten
Zeichnungen verstehen, in denen:
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1 eine
Schnittdarstellung eines linearen elektromechanischen Ventilaktuators
ist, der die Position des Anfangshubdämpfers zeigt;
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2 zeigt
eine vergrößerte Schnittdarstellung
des Anfangshubdämpfers;
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3 zeigt
eine vergrößerte Schnittdarstellung
eines alternativen Anfangshubdämpfers
einschließlich
einer Rückschlagkugel;
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4 ist
eine vergrößerte Schnittdarstellung eines
alternativen Anfangshubdämpfers;
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5 ist
eine perspektivische Ansicht einer alternativen ringförmigen Hülse, die
Nuten aufweist, um den Ölfluss
zu verbessern;
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6 ist
eine Schnittdarstellung entlang der Linie 6-6 in 2;
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7 ist
eine Schnittdarstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels eines linearen
elektromechanischen Ventilaktuators mit einem Anfangshubdämpfer; und
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8 ist
eine Schnittdarstellung eines hebelartigen elektromechanischen Ventilaktuators
mit einem Anfangshubdämpfers.
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Ein
linearer elektromechanischer Ventilaktuator 10, der typischerweise
in einer Brennkraftmaschine 12 zum Öffnen und Schließen eines
Ventils 20 angeordnet ist, beispielsweise eines Einlass-
oder Auslassventils, ist in 1 dargestellt.
Der elektromechanische Ventilaktuator 10 umfasst einen
Anfangshubdämpfer 50 zur
Reduzierung von Geräuschen
und Vibrationen, die mit dem Öffnen
des Ventils 20 in Zusammenhang stehen, sowie zur Verbesserung
des Leichtlaufs,. Insbesondere reduziert der Anfangshubdämpfer 50 die
Kraft des Aufpralls des Ankerschafts 24 auf dem Ventilschaft 34,
wenn das Ventil 20 geöffnet
wird.
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Das
Ventil 20 umfasst im Wesentlichen einen Ventilkopf 22 und
einen Ventilschaft 24, der sich von diesem erstreckt. Das
Ventil 20 weist eine Öffnungsposition
und eine Schließposition
auf, wobei der Ventilkopf 22 in der geschlossenen Position
abdichtend im Ventilport 14 angeordnet ist.
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Der
elektromechnische Ventilaktuator 10 umfasst auch eine Elektromagnetbaugruppe 70 und eine
Ankerbaugruppe 30, die ähnlich
zu denen sind, die in üblichen
elektromechanischen Ventilaktuatoren verwendet werden. Die Elektromagnetbaugruppe 70 umfasst
im Allgemeinen einen Ventilelektromagneten 72 mit einer
Ventilpolfläche 74 und
einem Ankerelektromagneten 76 mit einer Ankerpolfläche 78. Jeder
der Elektromagneten 72, 76 kann als laminierter
Kern 80 ausgebildet sein, um den magnetischen Fluss und
die Bewegung der Ankerbaugruppe 30 zu verbessern. Innerhalb
des Kerns 80 kann eine Spule 82 angeordnet sein,
um einen Strom für
den Elektromagneten bereitzustellen, wie es im Stand der Technik
bekannt ist. Ein Gehäuse 18 kann
die Lage der Elektromagnete 72 und 76 in ihrer
Lage und im Motor 12 festlegen.
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Die
Ankerbaugruppe 30 umfasst im Allgemeinen eine Ankerplatte 32,
die an dem Ankerschaft 34 befestigt ist. Der Ankerschaft 34 ist
hohl ausgebildet und bildet einen Schaftkanal 42 zwischen
einem oberen Ende 40 und einem unteren Ende 38.
Während
des Betriebs wird die Ankerplatte 32 wechselseitig von
der Ventilpolfläche 74 und
der Ankerpolfläche 78 angezogen,
so, wie es als Polflächen
zu Polflächenbetrieb
bekannt ist. Eine Ankerfeder 100 und eine Ventilfeder 102 können vorgesehen
sein, um die Bewegung der Ankerplatte 32 von einer Polfläche 74, 78 zu
anderen Polfläche 74, 78 zu
erleichtern. Somit wird die Ankerplatte 32 nahe an oder
in Kontakt mit der Ankerpolfläche 78 gehalten,
wenn das Ventil 20 geschlossen ist. Wenn das Ventil 20 geöffnet werden soll,
wird der Strom im Ankerelektromagneten 76 entweder reduziert
oder abgeschaltet, so dass die Kraft der Ankerfeder 100 die
Magnetkraft des Ankerelektromagneten 76 überwindet.
Durch das Reduzieren oder Abschalten des dem Ankerelektromagneten 76 zugeführten Stroms
wird die Ankerplatte 32 von der Ankerfeder 100 in
Richtung Ventilelektromagnet 72 gepresst. Wenn die Ankerplatte 32 von
dem Ankerelektromagneten 76 weg beschleunigt wird, wird
auch der verbundene Ankerschaft 34 rasch in Richtung Ventilschaft 24 beschleunigt,
wodurch der Spielspalt 86 geschlossen wird.
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Der
Anfangshubdämpfer 50 reduziert
den Aufprall des Ankerschafts 34 auf dem Ventilschaft 24, wenn
sich die Ankerplatte 32 von dem Ankerelektromagneten 76 zum
Ventilelektromagneten 72 bewegt, wodurch Geräusche und
Vibrationen reduziert werden, die mit einem anfänglichen Öffnungshub verbunden sind,
wenn der Ankerschaft 34 auf den Ventilschaft 24 aufprallt,
und sich der Leichtlauf verbessert. Der Anfangshubdämpfer 50 (2, 3)
umfasst im Allgemeinen einen Ankerschaft 34, einen Ventilschaft 24 und
einen Spielkompensator 52. Wie nachstehend genauer beschrieben
wird, bildet der Anfangshubdämpfer 50 einen
Hohlraum 87 zwischen dem Ankerschaft 34 und dem
Ventilschaft 24 aus (3). Innerhalb
des Hohlraums 87 wird eine Fluidtasche ausgebildet, um
den Aufprall des Ankerschafts 34 auf dem Ventilschaft 24 zu
reduzieren, wenn das Ventil 20 geöffnet wird. Das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst die Schritte der Zuführung eines Fluids über den
Ankerschaft 34 in den Hohlraum 87, um eine Fluidtasche
zu erzeugen, wenn das Ventil 20 geschlossen wird, und das Reduzieren
der Größe des Hohlraums 87 durch
ein Verdrängen
des Fluids aus dem Hohlraum 87, bevor der Ankerschaft 34 auf
dem Ventilschaft 24 aufprallt, wenn das Ventil 20 geöffnet wird.
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Ein
Fluidrückführungssystem 90 ist
mit dem Ankerschaft 34 gekoppelt, beispielsweise mit dem oberen
Ende 40 des Ankerschafts 34 (1).
Obwohl das Fluidrückführungssystem 90 ein
Vielzahl von Konfigurationen aufweisen kann, umfasst das Fluidrückführungssystem 90 im
Allgemeinen Fluidrückführungsleitungen 92 und
Verbindungsleitungen 94, die so mit dem Ankerschaft 34 verbunden
sind, dass die Bewegung des Ankerschafts 34 nicht nachteilig
behindert wird. Das Fluid, beispielsweise Motoröl, wird dem Fluidrückführungssystem 90 von
einer Druckquelle zugeführt,
beispielsweise der Ölpumpe des
Motors. Ein exemplarischer Fluss eines Fluids A in einen elektromechanischen
Ventilaktuator ist in 1 dargestellt. Das Fluid wird
dann durch die Rückführungsleitungen 92, über die
Verbindungsleitungen 94 und durch den Schaftkanal 42 in
den Hohlraum 87 geführt,
der in dem Spielspalt 86 zwischen dem Ventilschaft 24 und
dem Ankerschaft 34 ausgebildet ist. Die Pfeile in den 1 bis 4 zeigen den
Fluss des Öls,
bei einer Bewegung des Ventils 20 von der geöffneten
Position in die geschlossene Position.
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Die
vorliegende Erfindung wird in Zusammenhang mit einem linearen elektromechanischem Ventilaktuator
(1 und 7) beschrieben, obwohl es leicht
in anderen Ventilsystemen eingesetzt werden kann, um einen Aufprall
zu dämpfen,
beispielsweise in hebelbasierten elektromechanischen Ventilaktuatoren
(8), was weiter unten diskutiert wird und mit Modifikationen
bei einem üblichen
Ventilsystem. In einen linearen elektromechanischen Ventilaktuator
ist die Ankerplatte 32 im Allgemeinen senkrecht zum Ankerschaft 34 angeordnet.
Der Ankerschaft 34 hat einen äußeren Durchmesser 36.
Der Schaftkanal 42 erstreckt sich vom unteren Ende 38 zum
oberen Ende 40 des Ankerschafts 34, wodurch ein
Fluss des Fluids von einem Ende des elektromechanischen Ventilaktuators 10 zum
anderen Ende ermöglicht
wird. Der Schaftkanal 42 reduziert auch die Masse der Ankerbaugruppe 30,
wodurch einfachere Übergänge zwischen
den Polflächen 74, 78 und
eine bessere Steuerbarkeit während
des Betriebs ermöglicht
werden.
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Wie
in den 3 und 4 dargestellt ist, kann ein
Schafteinsatz 60 in oder um den Ankerschaft 34 herum
eingeführt
sein, der einen Fluidkanal 62 umfasst, der mit dem Hohlraum 87 in
Verbindung steht. Der Schafteinsatz 60 kann weiter eine
Rückschlagkugel 66 und
einen Rückschlagkugelsitz 64, wie
in 3 gezeigt, aufweisen. Natürlich wird vom Fachmann leicht
erkannt, dass der Schaftkanal 42 zur Zuführung des
Fluids zum Hohlraum 87 auch ohne den Schafteinsatz 60,
wie in 2 gezeigt, ausgebildet sein kann.
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In
dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Spielkondensator 52 mit dem Ventilschaft 24 gekoppelt
und umfasst eine ringförmige
Hülse 54,
die einen Teil eines Hohlraums 87 ausbildet (1 bis 3).
Die ringförmige
Hülse 54 erstreckt
sich von dem Ventilschaft 24 in Richtung Ankerschaft 34.
Die ringförmige
Hülse 54 weist
einen Innendurchmesser 58 auf der größer ist als der Außendurchmesser 36 des
Ankerschafts 34, wodurch eine Bewegung des Ankerschafts 34 entlang
der Ventilschaftachse 25 und innerhalb der ringförmigen Hülse 54 ermöglicht wird.
Wenn das Fluid den Hohlraum 87 füllt, der von dem Spielspalt 86 innerhalb
der ringförmigen
Hülse 54 gebildet
wird, bildet sich eine Fluidtasche. Der ringförmige Raum zwischen Ankerschaft 34 und
der ringförmigen
Hülse 54 ist
in 6 gezeigt und wird im Folgenden als ringförmiger Spalt 46 bezeichnet. Der
ringförmige
Spalt 46 bildet einen Abführungskanal aus dem Hohlraum 87 und
ist derart ausgebildet, dass, wenn das Fluid durch die Bewegung
des Ankerschafts 34 in den Hohlraum 87 mit einem
Druck oberhalb des Zuführungsdrucks
hinein gedrückt
wird, die kombinierte Abführungsgeschwindigkeit
aus dem Hohlraum 87 durch den ringförmigen Spalt 46 und den
Fluidkanal 62 so groß ist,
dass der Hohlraum 87 durch die Abführung des Fluids aus dem Hohlraum 87 komplett
zusammenfällt,
bis sich der Ankerschaft 34 und der Ventilschaft 24 berühren. Das
Kollabieren des Hohlraums 87 ist im Allgemeinen in der
Zeit abgeschlossen, die erforderlich ist, um das Ventil 20 vollständig zu öffnen.
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Während der
Ventilöffnung
bewegt sich die Ankerplatte 32 von dem Ankerelektromagneten 76 in Richtung
Ventilelektromagnet 72, wodurch der Ankerschaft 34 wird
in Richtung Ventilschaft 24 beschleunigt wird. Das Fluid
in dem Hohlraum 87 be grenzt die Beschleunigung des Ankerschafts 34 relativ
zum Ventilschaft 24. Der Ankerschaft 34 und gegebenenfalls
ein Schafteinsatz 60 verdrängen das Fluid aus dem Hohlraum 87 über den
ringförmigen Spalt 46,
wie es mit den Pfeilen in den 2 bis 4 dargestellt
ist, bis der Ankerschaft 34 den Ventilschaft 24 berührt. In
einigen Ausführungsbeispielen wird
das Fluid auch durch den Schaftkanal 42 zurück verdrängt. Wenn
der Dämpfer 50 keine
Rückschlagkugel 66 umfasst,
kann das Fluid auch über
den Fluidkanal 62 und/oder den Schaftkanal 42 aus
dem Hohlraum 87 abgeführt
werden. Wenn das Fluid aus dem Hohlraum 87 über den
ringförmigen
Spalt 46 verdrängt
wird, wird der Hohlraum 87 in seiner Größe reduziert und das geschlossene
Ventil 20 wird geöffnet.
Somit ist während
des Betriebs des Ventils 20 die Abführungsgeschwindigkeit des Hohlraums 87 größer als
die Zuführungsgeschwindigkeit
zum Hohlraum 87. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel kontaktiert
der Ankerschaft 34 und dabei insbesondere der Schafteinsatz 60 den
Ventilschaft 24, insbesondere den Spielkompensator 52,
bevor oder fast zur gleichen Zeit, zu der das Ventil 20 die
offene Position erreicht, um einen schnellen Übergang zwischen geschlossener
und offenen Positionen zu ermöglichen.
Wenn eine Rückschlagkugel 66 und
ein Rückschlagkugelsitz 64 vorgesehen
sind, bewegt der auf die Rückschlagkugel 66 durch
die Kompression des Hohlraums 87 und der Bewegung des Ankerschafts 34 ausgeübte Fluiddruck
die Rückschlagkugel 66 in
Richtung Rückschlagkugelsitz 64,
wenn der Ankerschaft 34 beginnt, sich von dem Ankerelektromagneten 76 weg
zu bewegen, um den Schaftkanal 42 abzudichten, so dass
im Hohlraum 87 befindliches Fluid in erster Linie über den
ringförmigen
Spalt 46 heraus gedrängt
wird. Bei geeigneter Dimensionierung des Fluidkanals 62,
des Schaftkanals 42 und des Ringspalts 46 kann
der Aufprall genauso gut ohne das in 2 gezeigtes
Einwegfluidventil absorbiert werden.
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Wenn
sich der Ankerschaft 34 von der offenen zur geschlossenen
Position bewegt, wird das Fluid sowohl aufgrund der Bewegung über den
Fluidkanal 62 in den Hohlraum 87 gezogen als auch
diesem von außen
zugeführt,
um den fluidgefüllten Hohlraum 87 zu
erzeugen. Darum ist die Abführungsgeschwindigkeit über den
ringförmigen
Spalt 46 geringer als die Fluidzuführung über den Fluidkanal 62, typischerweise
bis das Fluid den Hohlraum 87 gefüllt hat. Wenn der Hohlraum 87 mit
Fluid gefüllt
ist, ist die Zuführungsgeschwindigkeit
im Wesentlichen gleich der Abführungsgeschwindigkeit
aus dem Hohlraum 87. Die Größe des Schaftkanals 42,
des Fluidkanals 62 und des ringförmigen Spalts 46 sind
so ausgewählt,
das eine gewünschte
Dämpfung
und ein gewünschter
Fluidfluss zum Hohlraum 87 erreicht wird, sodass der Hohlraum 87 vor
dem nächsten
Zyklus mit Fluid gefüllt
wird, und eine Bewegung des Ventilschafts 24 relativ zum
Ankerschaft 34 verhindert wird, während das Ventil 20 geschlossen
ist.
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Die
vorliegende Erfindung stellt einen kosteneffizienten Anfangshubdämpfer 50 mit
niedriger Masse bereit, der effektiv die Aufprallkräfte reduziert und
die Geräusche
und Vibrationen zwischen dem Ankerschaft 34 und dem Ventilschaft 24 während des Öffnungsbeginns
des Ventils 20 vermindert sowie den Leichtlauf verbessert.
Das Verfahren umfasst im Wesentlichen die Schritte der Zuführung eines
Fluids zu einem Hohlraum 87 zwischen dem Ankerschaft 34 und
dem Ventilschaft 24 und der Reduzierung der Größe des Hohlraums 87 durch
ein Verdrängen
eines Fluids aus einem Hohlraum 87, bevor der Ventilschaft 24 auf
den Ankerschaft 34 aufprallt. Wie oben dargestellt, wird
dem Hohlraum 87 ein Fluid über einen im Ankerschaft 34 ausgebildeten
Schaftkanal 42 zugeführt.
Um zu verhindern, dass sich das Ventil 20 öffnet, während die
Ankerplatte 32 am Ankerelektromagneten 76 gehalten
wird, ist die Fläche,
auf die der Fluiddruck ausgeübt
wird, beispielsweise an dem Ende des Ventilschafts 24 oder
der Oberfläche
des Spielkondensators 52 in ihrer Größe begrenzt. Insbesondere durch
die Begrenzung der Größe der Fläche, auf
die ein Fluiddruck ausgeübt
wird, der in potenzielle Bewegung des Ventilschafts umgesetzt wird,
kann eine Öffnung
des Ventils 20 verhindert werden, wenn es geschlossen sein
soll. Die Größe der Fläche wird
so ausgewählt,
dass der Druck des Fluids keine hydraulische Kraft erzeugt, die
größer als
die Vorspannkraft ist, die das Ventil in einer geschlossenen Position
hält. Alternativ
oder in Kombination mit dem Obigen kann der Hohlraum 87 eine Abführungsgeschwindigkeit über den
ringförmigen Spalt 46 aufweisen,
die gleich oder größer als
die Fluidzuführungsgeschwindigkeit
durch den Fluidkanal 62 oder den Schaftkanal 42 ist,
um eine Bewegung des Ventils 20 zu verhindern, solange
die Ankerplatte 32 am Ankerelektromagneten 76 gehalten wird.
Diese Wahl der Fluidzuführungs-
und Abführungsgeschwindigkeiten
zum Hohlraum 87 verhindert ein Problem, das häufig bei
hydraulischen Liftern auftritt, bei denen sich unter gewissen Umständen ein
Fluiddruck aufbauen kann, wodurch das Ventil 20 teilweise
geöffnet
und damit die Performance des Motors reduziert wird. Diese Einstellung
der Abführungsgeschwindigkeit
stellt auch sicher, dass der Ankerschaft 34 den Ventilschaft 24 kontaktiert,
bevor oder ungefähr
dann, wenn das Ventil die geöffneten Position
erreicht hat.
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Es
ist leicht zu erkennen, dass der Anfangshubdämpfer 50 bei einer
Vielzahl von anderen Ventilaktuatoren verwendet werden kann; beispielsweise bei
hebelbasierten elektromechanischen Ventilaktuatorsystemen. Im wesentlichen
muss die Dämpfungsbaugruppe
nur so zwischen dem Ankerschaft 34 und dem Ventilschaft 24 angeordnet
werden, dass die gewünschte
Dämpfung
von Geräuschen
und Vibrationen sowie die gewünschte
Verbesserung des Leichtlaufs erreicht wird, wie oben in Verbindung
mit dem linearen System beschrieben.
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Eine
erste alternative Ausgestaltung eines linearen elektromechanischen
Ventilaktuators 110 ist in 7 dargestellt.
Das Ventil 120 umfasst einen Ventilschaft 124,
der einen Ventilschaftkanal 121 aufweist. Der Ventilschaft 124 weist
eine Schaftöffnung 125 zwischen
dem Ventilkopf 122 und dem gegenüberliegenden Ende 123 auf.
Die Ventilschaftöffnung 125 ermöglicht eine
Fluidkommunikation zwischen ungefähr der Mitte des Ventilschafts 124 über den Ventilschaftkanal 121 mit
dem Ventilschaftausgang 126 (7 und 8).
Der Motor 12 umfasst eine Motorölbohrung 16 mit einem
nach oben gerichteten Kanal 17, der sich in den vom Motor
am gebildeten Federhohlraum 13 erstreckt. Ein abgedichteter
Ventilfederrückhalter 208 mit
einem Rückhaltekanal 209 ermöglicht den
Durchfluss eines Fluids, beispielsweise Öl von der Ölbohrung 16, durch
den Kanal 17 durch den Rückhaltekanal 209 und
in die Ventilschaftöffnung 125.
Das Fluid wird dann durch den Ventilschaftkanal 121 über den
Ventilschaftausgang 126 in den Hohlraum 87 geleitet.
Der abgedichtete Ventilfederrückhalter 208 umfasst
außerdem
Dichtungen 118, die sowohl eine Fluidleck entlang des Ventilschafts 124 und
in den Zylinder als auch ein Sammeln von Fluid in dem Federhohlraum 13 verhindern. Der
alternative lineare elektromechanische Ventilaktuator 110 wird
wie oben beschrieben, in Verbindung mit dem linearen elektro mechanischen
Ventilaktuator 10 betrieben, wobei das Fluid anstelle des
Ankerschaftsdem Ventilschaft 124 des linearen elektromechanischen
Ventilaktuators 10 zugeführt wird. Der Ankerschaft 34 des
alternativen linearen elektromechanischen Ventilaktuators 110 kann
weiter einen massiven Schafteinsatz 160 aufweisen, um zu
verhindern, dass Öl
in den hohlen Ankerschaft 34 fließt, oder der Ankerschaft 34 kann
massiv ausgebildet sein (nicht dargestellt).
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In
einem zweiten alternativen Ausführungsbeispiel,
das in 8 dargestellt ist, kann der Anfangshubdämpfer 250 auch
in einem hebelbasierten elektromechanischen Ventilaktuator 210 verwendet werden.
Der elektromechanische Hebelventilaktuator 210 umfasst
eine Ankerplatte 232, einen Verbindungsbolzen 290 und
eine Federbaugruppe 240 mit einer Ankerfeder 256 und
einer Ventilfeder 252. Die Ankerplatte 232 übt eine
bidirektionale Kraft auf die Federbaugruppe 240 über den
Verbindungsbolzen 290 aus, um das Ventil 220 zu öffnen und
zu schließen.
Der hebelelektromechanische Ventilaktuator 210 umfasst
weiter eine Elektromagnetbaugruppe 270 mit einem Ventilelektromagneten 272,
der winklig zu einem Ankerelektromagneten 74 angeordnet ist.
Die Elektromagneten 272, 274 sind gewinkelt zueinander
angeordnet, um der Ankerbaugruppe 230 und insbesondere
der Ankerplatte 232 eine Drehbewegung um die Ankerdrehachse 246 zu
erlauben, wodurch das Ventil 220 geöffnet und geschlossen wird.
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Die
Federbaugruppe 240 wird in ihrer Lage auf dem Ventil 220 fixiert
durch einen Ventilfederrückhalter 254,
und der Verbindungsbolzen 290 wird von einem Ankerfederrückhalter 258 gehalten.
Der Anfangshubdämpfer 250 ist
zwischen den Federrückhaltern 254, 258 angeordnet.
Der Anfangshubdämpfer 250 ist
so wie der Anfangshubdämpfer 150 des
alternativen linearen elektromechanischen Ventilaktuators 110 ausgebildet.
Die Federrückhalter 254, 258 bilden
den Spielkompensator 251 mit der ringförmigen Hülse 253 aus, um einen
Hohlraum 287 zu definieren. Die Federbaugruppe 240 umfasst
weiter einen unteren Ventilfederrückhalter 208 mit einem Rückhaltekanal 209,
um dem Ventilschaft 224 Fluid aus der Motorölbohrung 17 zuzuführen.
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Die
vorstehende Diskussion offenbart und beschreibt ein exemplarisches
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Der Fachmann wird aus der Diskussion den
beigefügten
Zeichnungen und Ansprüchen
leicht erkennen, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen
und Variationen vorgenommen werden können, ohne von dem Bereich der
Erfindung, wie er in den folgenden Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.