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TECHNISCHES
GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft allgemein elektronische Ventilstellantriebe und
insbesondere elektronische Ventilstellantriebe mit Vibrationstilgung.
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HINTERGRUND
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Wie
auf dem Gebiet bekannt ist, besteht ein übliches Vorgehen zur elektronischen
Steuerung der Ventilbetätigung
eines Verbrennungsmotors darin, dass zwei Elektromagnete einen mit
dem Ventil verbundenen Anker zwischen einer offenen Stellung und einer
geschlossenen Stellung umschalten. Unter Bezug auf 1 wird
bei Aktivieren eines ersten, hier oberen, der Elektromagneten der
Anker insbesondere von dem aktivierten Elektromagneten angezogen, wodurch
das Ventil in seine geschlossene Stellung gebracht wird. Ferner
wird bei Anziehen des Ankers durch den aktivierten Elektromagneten
eine erste Feder, welche mit dem oberen Ende des Ankers in Kontakt
steht, zusammengedrückt.
Wenn der erste Elektromagnet deaktiviert wird, setzt die erste zusammengedrückte Feder
ihre gespeicherte Energie frei und treibt den Anker nach unten,
wodurch das Ventil hin in seine offene Stellung getrieben wird.
Wenn sich der Anker dem zweiten, unteren Elektromagneten nähert, wird
der zweite Elektromagnet aktiviert, was das Ventil in seine voll
geöffnete
Stellung treibt. Es wird festgestellt, dass eine zweite, untere Feder
während
des Vorgangs zusammengedrückt
wird. Nach vollem Öffnen über die
erwünschte
Zeitdauer wird der zweite Elektromagnet deaktiviert und die untere Feder
setzt ihre gespeicherte Energie frei und treibt dadurch den Anker
hin in seine obere Stellung, der erste Elektromagnet wird aktiviert
und der Vorgang wiederholt sich. Auf diese Weise schalten die beiden Elektromagneten
den mit dem Ventil verbundenen Anker zwischen einer offenen oder
geschlossenen Stellung, in der er gehalten wird, während das
Federpaar dazu dient, das Ventil zu einer Bewegung (Schwingung)
hin in den anderen Zustand (1) zu zwingen.
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Ein
Problem bei dem oben beschriebenen Vorgehen liegt darin, dass aufgrund
der Bewegung bzw. des Hubs des Ankers und des Ventils in gleicher Richtung
während
dieses Hubs eine Nettokraft auf den Motor ausgeübt wird. Die während eines
Aufwärtshubs
erzeugte Nettokraft ist der während
eines Abwärtshubs
erzeugten Nettokraft entgegengesetzt. Diese Netto-Aufwärts-Abwärtskräfte führen zu
unerwünschten
Motorvibrationen.
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ZUSAMMENFASSENDE
BESCHREIBUNG
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Erfindungsgemäß ist ein
elektronischer Ventilstellantrieb mit einem Anker, einem Ventil
und einem Verbindungselement für
das Verbinden des Stellantriebs mit dem Ventil bei Bewegung des
Ankers in eine erste Richtung, während
das Ventil in eine zweite Richtung bewegt wird, versehen.
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Bei
einer solchen Anordnung werden unerwünschte Motorvibrationen verringert,
da der Anker und das Ventil beide entgegengesetzte Bewegungen bzw.
Hübe ausführen.
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In
einer Ausführung
umfasst der Stellantrieb einen Elektromagneten, einen neben dem
Elektromagneten angeordneten Anker und eine Fluid enthaltende Kammer.
Die Fluid enthaltende Kammer umfasst einen ersten Kolben, welcher
einen ersten Wandteil der Kammer vorsieht, sowie einen zweiten Kolben,
welcher einen zweiten Wandteil der Kammer vorsieht. Der erste Kolben
ist mit dem Anker verbunden und der zweite Kolben ist mit einem
Ventil verbunden. Das Aktivieren des Elektromagneten bewegt den
ersten Kolben in eine erste Richtung, wobei diese Bewegung des ersten
Kolbens in die erste Richtung das Fluid in der Kammer antreibt,
den zweiten Kolben in eine entgegengesetzte Richtung zu bewegen.
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In
einer Ausführung
umfasst der elektronische Ventilstellantrieb ein Paar Elektromagnete.
Der Anker ist in einem von dem Elektromagnetenpaar erzeugten Magnetfeld
angeordnet. Enthalten sind ein Paar Federn. Der Anker und somit
der erste des Paars Kolbens sind so angeordnet, dass sie sich bei Aktivierung
eines ersten des Paars Elektromagneten in die erste Richtung bewegen,
wodurch eine erste des Paars Federn zusammengedrückt wird. Die Bewegung des
ersten des Paars Kolbens in die erste Richtung bewirkt, dass Fluid
den zweiten der Kolben in die zweite Richtung bewegt, wodurch die
zweite des Paars Federn gedehnt wird. Die erste und die zweite Feder
werden bis zur Deaktivierung des ersten der Elektromagneten jeweils
zusammengedrückt bzw.
gedehnt. Die erste des Paars Federn ist so angeordnet, dass sie
sich nach Deaktivierung des ersten der Elektromagneten dehnt, wodurch
sie den ersten des Paars Kolben zwingt, sich in die zweite Richtung
zu bewegen. Die Bewegung des ersten der Kolben in die zweite Richtung
führt dazu,
dass Fluid in der Kammer den zweiten Kolben zwingt, sich in die erste
Richtung zu bewegen, was zu einem Ausdehnen bzw. einem Zusammendrücken der
ersten bzw. der zweiten Feder führt.
Die erste und die zweite Feder werden jeweils bis zur Deaktivierung
des zweiten des Paars Elektromagneten gedehnt bzw. zusammengedrückt gehalten.
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In
einer Ausführung
weist der erste Wandteil des ersten des Paars Kolben eine zur Flächengröße des zweiten
Wandteils des zweiten des Paars Kolbens unterschiedliche Flächengröße auf.
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Die
Einzelheiten der einen bzw. mehrerer Ausführungen der Erfindung werden
in den Begleitzeichnungen und der nachstehenden Beschreibung dargelegt.
Andere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen aus der
Beschreibung und den Zeichnungen sowie aus den Ansprüchen hervor.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein herkömmlicher
elektronischer Ventilstellantrieb;
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2 ist
ein erfindungsgemäßer elektronischer
Ventilstellantrieb;
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3A–3D zeigen
Stellungen der Elemente in dem elektronischen Stellantrieb von 2 in
verschiedenen Phasen des Betriebs dieses Stellantriebs;
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Gleiche
Bezugszeichen bezeichnen in den verschiedenen Zeichnungen gleiche
Elemente.
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EINGEHENDE
BESCHREIBUNG
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Unter
Bezug nun auf 2 wird ein elektronischer Ventilstellantrieb 10 gezeigt,
welcher ein Paar Elektromagnete 12, 14 umfasst.
Ein Anker 16 ist in einem nicht abgebildeten Magnetfeld,
welches durch das Paar Elektromagnete 12, 14 erzeugt
wird, angeordnet. Der Stellantrieb 10 umfasst ferner eine linke,
Fluid enthaltende Kammer 18, die hier auch als linker Innenhohlraum 18 bezeichnet
wird, sowie eine rechte, Fluid enthaltende Kammer 42, die
hier auch als rechter Innenhohlraum 42 bezeichnet wird.
Der linke Innenhohlraum 18 weist wie abgebildet einen ersten
Kolben 20, welcher einen ersten Wandteil des linken Innenhohlraums 18 bildet,
und einen zweiten Kolben 22, welcher einen zweiten Wandteil
des linken Innenhohlraums 18 bildet, auf. Der rechte Innenhohlraum 42 weist
wie abgebildet einen ersten Kolben 20, welcher einen ersten
Wandteil des rechten Innenhohlraums 42 bildet, und einen
zweiten Kolben 22, welcher einen zweiten Wandteil des rechten
Innenhohlraums 42 bildet, auf. Der durch den ersten Kolben 20 gebildete
erste Wandteil hat eine größere Fläche (A1)
als die durch zweiten Wandteil, welcher durch den zweiten Kolben 22 gebildet
wird, vorgesehene Fläche
(A2). Der erste Kolben 20 ist mit dem Anker 16 verbunden,
wobei er hier integral einstückig mit
dem Anker 16 ausgebildet ist, und der zweite Kolben 22 ist
mit einem Ventil 26 verbunden, wobei er hier integral einstückig mit
dem Ventil 26 ausgebildet ist. Der Stellantrieb 10 umfasst
ferner ein Paar Federn 28, 30.
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Der
erste Ankerkolben 20 ist mit der oberen Ankerfeder 28,
hier einer Belleville-Feder,
vorgespannt, so dass er in einer normalerweise nach oben gerichteten
Stellung gehalten wird, während
der untere Ventilkolben 22 an dem Ventil 26 angebracht
ist und mit der unteren Ventilspiralfeder 30 in einer normalerweise
nach oben gerichteten Stellung vorgespannt ist.
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Während des
Normalbetriebs bewirkt die Aktivierung des oberen Elektromagneten 12,
dass sich eine Platte 17 des Ankers 16 und somit
der obere Kolben 20 nach oben bewegt. Diese Bewegung nach oben
drückt
die Feder 28 zusammen. Aufgrund der Bewegung des oberen
Kolbens 20 nach oben nimmt der Druck des Fluids in dem
linken Innenhohlraum 18 zu, so dass der Sitz des Rückschlagventils 43 sichergestellt
wird. Dieses Fluid höheren
Drucks an der Oberseite 25 des unteren Kolbens 22 bewirkt,
dass sich der untere Kolben 22 und somit das Ventil 46 nach
unten bewegt. Die Abwärtsbewegung
des unteren Kolbens 22 führt zu einem Zusammendrücken der
unteren Feder 30. Die obere und die untere Feder 28, 30 werden
jeweils bis zur Deaktivierung des oberen Elektromagneten 12 gedehnt
bzw. zusammengedrückt
gehalten.
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Nach
dem Deaktivieren des oberen Elektromagneten 12 dehnt sich
die untere Feder 30, was zu einer Aufwärtsbewegung des unteren Kolbens 22 führt. Diese
Aufwärtsbewegung
des unteren Kolbens 22 bewirkt, dass Fluid in dem linken
Innenhohlraum 18 an Druck verliert, was den oberen Kolben 20 und den
Anker 16 nach unten zwingt, während gleichzeitig auch die
obere Feder 28 zusammengedrückt wird. Die obere und die
untere Feder 28, 30 werden durch Aktivieren des
unteren Elektromagneten 14 jeweils zusammengedrückt bzw.
gedehnt gehalten.
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Hier
weist der erste Wandteil 19 des oberen Kolbens 20 eine
größere Fläche als
die Fläche
des zweiten Wandteils 25 auf, welche durch den unteren Kolben 22 vorgesehen
wird.
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Insbesondere
ist ein Ventil 40, hier ein Rückschlagventil, in der Wand
des Gehäuses 50 angeordnet,
damit die rechte Innenkammer bzw. der Hohlraum 42 Fluid,
hier Hydraulikfluid des nicht dargestellten Verbrennungsmotors,
aufnehmen kann, wenn der Druck in dem rechten Innenhohlraum 42 niedriger
als der Hydraulikfluiddruck des Verbrennungsmotors ist. Das Rückschlagventil 40 ist
angeordnet, um das Entfernen dieses Fluids aus der Hohlraumkammer 18 zu
unterbinden.
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Insbesondere
ist der obere Hydraulikkolben 20 an dem Anker 16 angebracht
und ist mit der oberen (Anker-)Feder 28 vorgespannt, so
dass er in eine Aufwärtsstellung
vorgespannt wird, während
ein unterer Kolben 22 an dem Ventil 26 angebracht
und durch die Feder 30 in einer Aufwärtsstellung vorgespannt ist.
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Der
Zustand des elektronischen Ventilstellantriebs 10 im Ruhezustand
nach Hydraulikfluiddruckverlust wird in 3A gezeigt.
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Während einer
Anlass-Sequenz wird die Elektromagnetspule 14 aktiviert
und dadurch zum Ziehen des Ankers 16 nach unten verwendet,
wie in 3B gezeigt wird. Dies erzeugt
eine Druckdifferenz zwischen dem linken und dem rechten Innenhohlraum 18, 42 und öffnet das
Rückschlagventil 43. Das
Fluid bewegt sich dann vom rechten Innenhohlraum 42 zum
linken Innenhohlraum 18. Dies drückt dadurch die obere Feder 28 zusammen.
An diesem Punkt ist der Stellantrieb für den Normalbetrieb bereit.
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Als
Nächstes
wird die untere Elektromagnetspule 14 stromlos geschaltet
und die obere Feder 28 drückt den Anker 16 und
den oberen Kolben 20 nach oben. Dies hebt den Druck an
der Oberseite 29 des oberen Kolbens 20 an, was
eine Druckzunahme des Fluids in dem Hohlraum 18 bewirkt.
Dieser Druck zwingt den unteren Kolben 24, sich nach unten
zu bewegen, und drückt
die untere Ventilfeder 30 zusammen, wie in 3C gezeigt
wird. An einem Zeitpunkt während
dieses Vorgangs wird die obere Elektromagnetspule 12 eingeschaltet,
wie in 3C gezeigt wird, um dadurch
die obere und die untere Feder 28, 30 jeweils
gedehnt bzw. zusammengedrückt
zu halten. Zu diesem Zeitpunkt wird der obere Ankerkolben 20 hydraulisch
arretiert, die Bewegung hält
inne und das Ventil 26 wird in der offenen Stellung gehalten.
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Umgekehrt
kann die obere Elektromagnetspule 12 stromlos geschaltet
und die untere Elektromagnetspule 14 eingeschaltet werden,
um den Vorgang umzukehren und das Ventil 26 zu schließen, wie
oben in Verbindung mit 3B beschrieben wird.
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Es
wird festgestellt, dass die vom unteren Kolben 22 zurückgelegte
Strecke ein Faktor K mal der durch den oberen Kolben zurückgelegten
Strecke ist, wobei hier K der Verstärkungsgewinn und das Verhältnis der
Fläche
des unteren Kolbens 22 zur Fläche des oberen Kolbens 28 ist,
d.h. K = A2/A1. Somit ist hier zum Beispiel die Fläche des
oberen Kolbens 20 doppelt so groß wie die des unteren Kolbens 22 (d.h.
K = 2). Somit bewegt sich das Ventil um eine Strecke L nach unten,
wenn sich der obere Kolben um eine Strecke L/2 nach unten bewegt.
Somit wird der Luftspalt zwischen der Ankerplatte 16 und dem
Elektromagneten 12 verglichen mit einem linearen (d.h.
direkt wirkenden) System von 1 in diesem
Beispiel um einen Faktor von 2 verkleinert.
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Während des
Normalbetriebs gewährleist die
richtige Auslegung der Federvorlasten 28, 30,
der Dämpfungskräfte und
der Spitzenmagnetkräfte,
dass der Druck in dem linken Innenhohlraum 18 während der
dynamischen Öffnungs-
und Schließübergänge und
während
statischen Offenhaltens des Ventils 26 größer als
der Druck in dem rechten Innenhohlraum 42 ist. Es wird
festgestellt, dass die Feder 28 eine Steifigkeit aufweist,
die in etwa um den Verstärkungsgewinn
K größer als
die der Feder 30 ist, um einen ausgeglichenen Zustand bei
halb angehobenem Zustand zu erreichen. Dies zusammen mit der Auslegung
der Größen der
Kolben 20, 22 und der Abstände stellt sicher, dass das
richtige Fluidvolumen in der Innenkammer 18 festgehalten
wird, um einen natürlichen
Ventilspielausgleich aufgrund eines thermischen Wachstums des Motorventils 26 zu
bieten. Wenn sich das Ventil 26 in der geschlossenen Stellung
befindet, liefern das Rückschlagventil 40 und das
Zufuhrhydraulikfluid (z.B. Motoröl)
genügend Fluss über das
Rückschlagventil 43,
um das geringfügige
Lecken durch die durch die Abstände
des oberen und unteren Kolbens 20, 22 gebildeten
ringförmigen
Räume auszugleichen.
Wenn zum Beispiel das Lecken von Fluid den Druck der linken Innenkammer 18 auf
einen Wert unter dem der rechten Innenkammer 42 senkt, öffnet das
Rückschlagventil 43,
um die linke Innenkammer 18 mit dem richtigen Hydraulikfluidvolumen
zu füllen.
Wenn zum Beispiel das Lecken von Fluid den Druck der rechten Innenkammer 42 auf einen
Wert unter dem des Zufuhrdrucks senkt, öffnet das Rückschlagventil 40, um die rechte
Innenkammer 42 mit dem richtigen Hydraulikfluidvolumen
zu füllen.
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Es
wurden eine Reihe von erfindungsgemäßen Ausführungen beschrieben. Dennoch
versteht sich, dass verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden
können,
ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Während zum Beispiel
in der oben beschriebenen Ausführung
der erste Wandteil des ersten des Paars Kolbens eine größere Fläche als
der zweite Wandteil des zweiten des Paars Kolben aufweist, kann
der erste Wandteil für
Anwendungen, bei denen eine Kraftverstärkung erwünscht ist, eine kleinere Fläche als
der zweite Wandteil aufweisen bzw. eine gleich große Fläche aufweisen,
wenn eine direkte Beziehung erwünscht ist.
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Dementsprechend
fallen andere Ausführungen
in den Schutzumfang der folgenden Ansprüche.