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Die
Erfindung betrifft nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Verfahren
zum Betrieb einer elektromagnetischen Hochgeschwindigkeitsstelleinrichtung
zur Überführung eines
Schaltgliedes in eine von zwei Endstellungen seines Bewegungsbereichs, insbesondere
für Schalt-
und Regelventile zur Steuerung des Gaswechsels von Verbrennungsmotoren der
Kolbenbauart einschließlich
Drehventile vor dem Brennraum von Verbrennungsmotoren, mit zwei
gegeneinander wirkenden durch eine Steuereinheit steuerbaren Magnet-Feder-Einheiten,
die jeweils einen Elektromagneten aufweisen, der geeignet ist, bei Erregung
einen Anker gegen die Kraft einer zugeordneten Feder bis zur Anlage
am Magneten derart anzuziehen, daß das Schaltglied eine Endstellung
einnimmt, wenn der Anker an dem dieser Endstellung zugeordneten
Magneten anliegt, wobei die Federn bestrebt sind, den Anker in einer
Mittelstellung zwischen beiden Endstellungen zu halten
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Eine
Stelleinrichtung dieser Art ist aus der
DE 103 24 398 A1 bekannt.
Sie arbeitet als Feder-Masse-Schwinger und ist beispielsweise geeignet,
ein dem Einlaßventil
einer Brennkraftmaschine vorgeschaltetes Lufttaktventil zwischen
einer Schließstellung
und einer Offenstellung umzuschalten, das während der Öffnungszeit des nockengesteuerten
Zylindereinlaßventils
in einer dem jeweiligen Betriebszustand angepaßten Weise den Einlaßkanal zu
ansteuerbaren Zeitpunkten öffnet
und schließt,
und dies gegebenenfalls mehrmals. Hierzu sind außerordentlich kurze Umschaltzeiten
erforderlich.
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Die
bekannte Konstruktion gemäß
DE 103 24 398 A1 besitzt
einen Antrieb nach Art eines Feder-Masse-Schwingers (FMS) durch
zwei Magnet-Feder-Einheiten, deren jeweils der Magnetkraft entgegenwirkende
Federn bestrebt sind, den Magnetanker in seiner Mittelstellung zwischen
den beiden Magneten zu halten. Wie bekannt ist und in der nachfolgenden
Figurenbeschreibung unter Bezugnahme auf die
1 und
2 genauer
erläutert
wird, wird bei dem in Funktion befindlichen FMS die Schwingenergie
zur Bewegung des Ankers im wesentlichen durch die Federn geliefert,
während
die Magnete einerseits die während
der Bewegung auftretenden Verluste ersetzen und andererseits erforderlich
sind, um gegen die Rückstellkraft
der jeweils gespannten Feder den Anker in der Schließstellung oder
der Offenstellung festzuhalten, wenn das gewünscht ist. Außerdem werden
die Magneten beim Betriebsbeginn des FMS benötigt, um den durch die Federn
bei unbestromten Magneten in der Mittelstellung gehaltenen Anker
durch wechselweise Bestromung der beiden Magnete zu einer Oszillation
mit der Eigenfrequenz des FMS zu bringen, bis er in Fangweite des
der Offenstellung zugeordneten Magneten gerät und von diesem festgehalten
wird, weil die Kraft der Magnete nicht ausreicht, den Anker beim
Einschalten des FMS spontan in die eine oder andere Endstellung
zu überführen.
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Das
Einfangen ist ein komplexer Steuerungsvorgang. Dieser Vorgang soll
einerseits schnell vonstatten gehen, andererseits soll aber die
Auftreffgeschwindigkeit des Ankers auf den Magneten aus Lärm- und
Festigkeitsgründen
möglichst
Null sein. Der Fachmann spricht von diesem Ziel als sanfte Landung
des Ankers.
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Im
Betrieb beginnt beim bekannten Antrieb eine Bewegung des Ankers
aus der Schließstellung in
die Offenstellung mit dem Ausschalten des der Schließstellung
zugeordneten Magneten. Die diesem Magneten entgegenwirkende Feder
beschleunigt nun den Anker in Richtung auf die Offenstellung zur Spaltmitte
zwischen den Magneten, wo ihre Wirkung durch die entgegengesetzt
gerichtete Verzögerungskraft
der dem anderen Magneten zugeordneten Feder überspielt wird und der Anker
schließlich
in der Nähe
der Offenstellung zum Stillstand kommen würde, wo er von dem anderen
Magneten eingefangen und vollends in die Offenstellung gezogen wird.
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Die
gesamte Beschleunigungsenergie stammt also aus der Feder der der
Schließstellung zugeordneten
Magnet-Feder-Einheit und die gesamte Bremsenergie stammt aus der
Feder der der Offenstellung zugeordneten Magnet-Feder-Einheit. Nur der
Ausgleich der Bewegungsverluste auf dem Weg von der Schließstellung
in die Offenstellung stammt aus dem der Offenstellung zugeordneten
Magneten. Die Dauer der Bewegung ist demnach ausschließlich von
der Auslegung der Federn bestimmt und entspricht der Eigenfrequenz
des FMS Systems.
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Beim
FMS ist die Schaltzeit konstant und im Betrieb nicht beeinflußbar. Desgleichen
ist es nicht möglich,
bei betriebsbereitem Ventil die Bewegung zu unterbrechen und das
Schaltglied durch eine Stellungssteuerung in irgendeiner aufgrund
von Betriebsparametern ausgewählten
Stellung zwischen der Offenstellung und der Schließstellung
festzuhalten.
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Es
besteht derzeit die Auffassung, daß der FMS die beste Lösung sei,
um die bei Vollast eines Verbrennungsmotors erwünschten, möglichst kurzen Schaltzeiten
zu erreichen, die derzeit bei etwa 3 ms liegen. Diese Schaltzeiten
werden unter Berücksichtigung
der Tendenz zu hochtourigen Motoren und der Beeinflussung des Ladungswechsels
durch Vorventile als nicht ausreichend kurz angesehen und es sind seit
längerem,
wenn auch relativ ergebnislos Bemühungen vorhanden, die Schaltzeiten
weiter zu verkürzen.
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Andererseits
sind bei Teillast längere
Schaltzeiten vorteilhaft. Außerdem
besteht bei Teillast des Motors der Wunsch, das Schaltglied während einer Einströmung beliebig
in einer bestimmten Teilöffnungsstellung
festzuhalten, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Schließstellung.
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In
Betriebsphasen, wo, zum Beispiel beim Dieselmotor, ein Lufttaktventil
längere
Zeit stromlos in seiner Mittelstellung verweilen könnte, muß der Anker
bei der Verwendung eines FMS als Stellantrieb zur Aufrechterhaltung
der Betriebsbereitschaft mit voller Bestromung des als Haltermagnet
dienenden Elektromagneten in der Offenstellung gehalten werden.
Dadurch wird allein zur Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft
des Ventilantriebs unnötig
Strom verbraucht, der das Ventil durch die hohe Einschaltquote des
der Offenstellung zugeordneten Magneten auf unnötig hohe Betriebstemperatur
bringt und zusammen mit den weiteren Ventilen für die übrigen Brennräume des
Motors eine beachtliche, auch kostenmäßig ins Gewicht fallende Vergrößerung der Lichtmaschine
verursacht.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß es eine spürbare Reduzierung der
Schaltzeiten ermöglicht,
vorzugsweise ohne zusätzlichen
Aufwand an Kosten und Raumbedarf. Dabei soll eine Weiterentwicklung
der Hochgeschwindigkeitsstelleinrichtung realisierbar sein, die
nicht nur die verfahrensgemäße Reduzierung
der Schaltzeiten, sondern entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen
zuverlässig,
kostengünstig,
raum- und stromsparend
eine spontane Anpassung der Geschwindigkeit des Ankers in seinem
gesamten Bewegungsbereich und eine spontane Einstellung des Schaltglieds
auf Zwischenstellungen ermöglicht.
Insbesondere soll auch eine spontane Betriebsbereitschaft der Stelleinrichtung
ermöglicht
werden, durch die der bei unbestromten Magneten in der Mittelstellung
verharrende Anker ohne das bei FMS erforderliche Aufschaukeln sofort
einsatzfähig
ist, wodurch sich der Energieaufwand spürbar senken läßt.
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Nach
dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 besteht die Lösung der
gestellten Aufgabe erfindungsgemäß darin,
daß wahlweise
für die
Dauer der Stellbewegung entsprechend einer gewünschten schnellen oder langsamen
Stellbewegung der jeweils zur Unterstützung oder Behinderung der
auf den Anker wirkenden Federkraft geeignete Elektromagnet durch
die Steuereinrichtung bestrombar ist.
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Während beim
bekannten Stand der Technik während
des jeweiligen Bewegungszustandes des Ankers Feder und bestromter
Magnet stets in entgegengesetzter Richtung wirksam sind, wobei der
Magnet seine Wirkung im Nahbereich ausübt, um den Anker einzufangen,
kann erfindungsgemäß die wesentlich
schwächere
Fernwirkung des Magneten nutzbar gemacht werden, um das Arbeitsvermögen der
Stelleinrichtung bei der Beschleunigung des Ankers zu erhöhen und
die Bremswirkung bei der Verzögerung des
Ankers zu verstärken,
was insgesamt eine Verkürzung
der Schaltzeit ermöglicht.
Eine Verlängerung der
Schaltzeit findet statt, wenn die beschleunigende Wirkung der Feder
bzw. die Bremswirkung der Feder durch den jeweils entgegengesetzt
wirkenden Magneten behindert wird.
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Berechnet
man anhand eines auf die praktischen Verhältnisse abgestimmten Beispiels,
das in der nachfolgenden Figurenbeschreibung anhand der 5a erläutert wird,
eine theoretische Ersatzfeder, die die gleiche Beschleunigung bewirken
würde,
wie die erfindungsgemäße Verfahrensweise,
so würde diese
Ersatzfeder über
ein Arbeitsvermögen
verfügen,
das der Spannkraft der Feder 823 N proportional ist, gegenüber einer
ohne Magnetunterstützung
betriebenen Feder mit einem Arbeitsvermögen von 480 N proportional
ist.. Das bedeutet eine Steigerung des Arbeitsvermögens um
den Faktor 1,84 und damit eine Reduzierung der Schaltzeit entsprechend
der Quadtatwurzel aus dem Steigerungsfaktor von 1,36, das heißt die Schaltzeit
von derzeit knapp 3 ms kann auf 2,2 ms reduziert werden, bzw von
2 ms auf 1,48 ms bei einem dem dem Einlaß vorgeschalteten Ventil, wobei
als einziger Aufwand die Steuerschaltung anders programmiert werden
muß.
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Damit
wird bereits ein wesentlicher Fortschritt für Ventilantriebe mit Feder-Masse-Schwinger im
Vollast- aber auch im Teillastbereich erreicht. Eine vorteilhafte
Ausgestaltung besteht darin, daß durch die
Steuereinheit die den aktiven Magneten beaufschlagende Stromstärke veränderbar
ist, wodurch das Ausmaß der
Erhöhung
oder Reduzierung der Schaltgeschwindigkeit beeinflußbar ist.
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Um
für den
Teillastbetrieb spontan die Schaltgeschwindigkeit reduzieren zu
können,
muß von
dem während
des Betriebs nicht zu verändernden,
mit Eigenfrequenz schwingenden FMS abgegangen werden.
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Ausgehend
von einer elektromagnetischen Hochgeschwindigkeitsstelleinrichtung
zur Überführung eines
Schaltgliedes in eine von zwei Endstellungen seines Bewegungsbereichs,
insbesondere für Schalt-
und Regelventile zur Steuerung des Gaswechsels von Verbrennungsmotoren
der Kolbenbauart einschließlich
Drehventile vor dem Brennraum von Verbrennungsmotoren, mit zwei
gegeneinander wirkenden durch eine Steuereinheit steuerbaren Magnet-Feder-Einheiten,
die jeweils einen Elektromagneten aufweisen, der geeignet ist, bei
Erregung einen Anker gegen die Kraft einer zugeordneten Feder bis zur
Anlage am Magneten derart anzuziehen, daß das Schaltglied eine Endstellung
einnimmt, wenn der Anker an dem dieser Endstellung zugeordneten
Magneten anliegt, wobei die Federn bestrebt sind, den Anker in einer
Mittelstellung zwischen beiden Endstellungen zu halten, besteht
die erfindungsgemäße Lösung darin,
daß die
Magnetkennlinie der Magnete während
des ganzen Stellbereichs oberhalb der Kennlinie der ihnen zugeordneten
Federn verläuft. Dadurch
kann jederzeit der bei stromlosen Magneten in der Mittelstellung
verharrende Anker durch Bestromung des entsprechenden Magneten spontan
in die gewünschte
Endstellung bewegt werden, ohne daß es eines Aufschaukelns bedarf,
weil der Magnet den Widerstand der Feder direkt überwinden kann.
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Einen
für diese
Maßnahme
günstigen
Verlauf kann man durch Anwendung der an sich bekannten und von Kallenbach
et al in „Elektromagnete" (Teubner-Verlag,
ISDN 3-519-16163-X) ausführlich beschriebenen
Kennlinienbeeinflussung erreichen. Diese ermöglicht es, die Magnetkennlinie
und dadurch das stationäre
mechanische Verhalten von Elektromagneten durch konstruktive Veränderung des
Magnetkreises zu verändern.
Diese Technik wurde bisher nur bei Stellventilen angewandt, nicht
aber bei Hochgeschwindigkeitsschaltventilen. Gerade bei diesen bringt
es aber insbesondere die Lösung
des seit längerem
erfolglos diskutierten Problems der spontan ansteuerbaren Zwischenstellungen
des Ankers bzw. des Schaltgliedes.
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Diese
Lösung
besteht darin, daß die
mit zunehmender Entfernung des Ankers vom Schließmagneten abfallende Magnetkennlinie
oberhalb der Federkennlinie verläuft
und zumindest im Nahbereich des Magneten einen Abschnitt mit geringem
Gefälle aufweist
und daß die
Stromstärke
des den Magneten erregenden Stroms durch die Steuereinheit steuerbar
ist, um die Magnetkraft zu variieren und dadurch an einer gewünschten
Stelle des Ankerwegs eine gleiche absolute Größe der Magnetkraft des Magneten
und der ihr entgegengesetzt wirksamen Kraft der Feder zur Definition
einer Zwischenstellung des Ankers einzustellen.
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Der
im Vergleich zur relativ steilen Federkennlinie flach verlaufende
Abschnitt der Magnetkennlinie ermöglicht einen ausreichend großen Scherwinkel
zwischen beiden Kennlinien und erlaubt somit durch Reduzierung der
Magnetkraft eine präzise
Einstellung eines Punktes längs
des Ankerweges, in dem die Magnetkraft durch die Federkraft neutralisiert
wird, Da bei Fortsetzung der Ankerbewegung die Federkraft immer
stärker
gegenüber
der Magnetkraft zunehmen würde,
definiert dieser Punkt eine gewünschte
Zwischenstellung des Schaltglieds. Wird die Stromstärke wieder
auf 100 % erhöht,
kann die Magnetkraft die Federkraft überwinden und den Anker in
seine Schließstellung überführen.
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Wenn
die Anwendung der Stelleinrichtung überwiegend auf das Teillastverhalten
eines Motors ausgerichtet ist, lassen sich die vorteilhaften Merkmale
der Erfindung auch bei einem Drehklappenventil mit nur einem Magneten
und einer Feder realisieren, wobei sich eine Konstruktion ergibt,
die bei begrenztem Raumangebot und wegen ihrer geringeren Kosten
besonders vorteilhaft ist.
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Erfindungsgemäß betrifft
diese Variante eine elektromagnetischer Hochgeschwindigkeitsstelleinrichtung
zur Überführung der
in einem Strömungskanal
angeordneten, mittig gelagerten Drehklappe eines Drehventils, Insbesondere
zur Steuerung des Gaswechsels von Verbrennungsmotoren der Kolbenbauart,
in ihre Offen- oder Schließposition,
mit einer durch eine Steuereinheit steuerbaren Magnet-Feder-Einheit,
die einen Elektromagneten aufweist, der geeignet ist, bei Erregung
einen Anker gegen die Kraft einer zugeordneten Feder bis zur Anlage
am Magneten derart anzuziehen, daß die Drehklappe ihre Schließstellung
einnimmt, wenn der Anker am Magneten anliegt, und wobei die Feder
geeignet ist, den Anker in der Offenstellung zu halten, dadurch
gekennzeichnet, daß die
Drehklappe in ihrer Schließstellung
zum Normalschnitt des Strömungskanals
in einem Winkel von 45° verläuft und
in Öffnungsrichtung
einen Winkel von etwa 56° bestreichen
kann, daß die
Feder wechselnd beanspruchbar ist und ihre entspannte Stellung in
einem Winkelabstand von der Schließstellung von 34° einnimmt,
und daß die
Steuereinheit geeignet ist, den Magneten zur Bewegung der Drehklappe
in die Schließstellung
durch Nutzung seiner Nahwirkung und während der Öffnungsbewegung nach Überschreiten
der 34°-Position
zum Bremsen und Beschleunigen der Drehklappe zu bestromen.
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Auch
bei dieser Ausführungsform
können
in der oben beschriebenen Weise mit einer entsprechend ausgebildeten
Magnetkennlinie durch Veränderung
der Stromstärke
Zwischenstellungen der Drehklappe angesteuert werden.
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Anhand
der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele der
Erfindung wird diese näher
erläutert.
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Es
zeigt
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1 einen
schematischen Schnitt durch einen bekannten, als Feder-Masse-Schwinger ausgebildeten
Stellantrieb quer zur Antriebswelle eines Schaltglieds im Bereich
der Elektromagneten, wobei sich die Anker in ihrer neutralen Mittelstellung
befinden,
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2 Kennlinien
eines Stellantriebs gemäß 1 ergänzt durch
Kennlinien eines erfindungsgemäßen Stellantriebs,
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3 eine
Schar von durch Kennlinienbeeinflussung aus einer unbeeinflußten Kennlinie
eines Elektromagneten abgeleiteter Kennlinien
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4 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Stelleinrichtung für ein Drehventil
mit räumlicher
Trennung von Antrieb und Ventil,
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5a dem
Stellantrieb nach 4 zugeordnete Kennlinien,
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5b eine
aus 5a abgeleitete Darstellung zur Erläuterung
der zur Verfügung
stehenden Stellenergie,
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6 eine
Variante des Stellantriebs in 4 mit nur
einem Magneten,
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7a den
Kräfteverlauf
bei einem Stellantrieb nach 6 mit nur
einem Magneten und nur einer Feder,
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7b die
Grenzstellungen des voll geöffneten
erfindungsgemäßen Ventils,
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7c einen
Vergleich von Öffnungsstellungen
eines bekannten und eines erfindungsgemäßen Ventils,
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8a ein
Ventil mit einseitig gelagerter Klappe vor dem Brennraum eines Dieselmotors
bei Stellungssteuerung in Teillast,
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8b ein
Ventil mit mittig gelagerter Klappe vor dem Brennraum eines Dieselmotors
bei Stellungssteuerung in Teillast,
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9a eine
einseitig gelagerte Drehklappe für
die Tumblesteuerung bei Benzinmotoren,
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9b eine
mittig gelagerte Drehklappe für die
Tumblesteuerung bei Benzinmotoren,
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10 eine
erfindungsgemäße Stelleinrichtung
für ein
linear bewegtes Brennraumventil,
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11a eine reibungsfreie und kostengünstige Alternative
zur Lagerung einer Drehklappe und
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11b eine Variante hierzu.
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Die
1 zeigt
eine Ausführungsform
einer Hochgeschwindigkeitsstelleinrichtung mit Feder-Masse-Schwinger,
wie er aus der
DE
103 24 398 A1 bekannt ist. Der Stell dient zum Verstellen
eines Schaltglieds zwischen zwei Schaltstellung bei sehr kleinen
Schaltzeiten. Vorzugsweise dient die Stelleinrichtung der Umstellung
eines Ventils zwischen Offenstellung und Schließstellung, weshalb zur Vereinfachung
der Darstellung der weiteren Beschreibung ohne beschränkende Absicht
die Betätigung
eines Ventils zugrunde gelegt wird. Die beiden Schaltstellungen
werden deshalb nachfolgend stets als Schließstellung A und als Offenstellung
B bezeichnet. Der Schließstellung
A ist ein Elektromagnet MA zugeordnet, der Offenstellung B ein Elektromagnet MB.
Zwischen den Magneten MA und MB ist wenigstens ein Anker AN zu sich
selbst parallel beweglich angeordnet, der in der Offenstellung am
Magneten MB und in der Schließstellung
am Magneten MA anliegt. Die dem Anker AN zugeordneten Anlageflächen
10 bzw.
12 der
Magnete MA und MB sind zueinander parallel. Beim Anziehen des Ankers
muß der Magnet
MA die Kraft einer Feder FA und der Magnet MB die Kraft einer Feder
FB überwinden
Die Federn FA und FB sind an einem Widerlager
14 abgestützt. Die
Bewegung des Ankers wird auf das Schaltglied übertragen. Statt eines einzigen
Ankers ist für
die Bewegungsübertragung
auf das Schaltglied bei der in
1 gezeigten
Ausführungsform
jedem Magneten MA und MB jeweils ein Anker ANA bzw. ANB zugeordnet,
die miteinander durch ein Seil
16 verbunden sind, das eine
Stellwelle
18 umschlingt und dadurch die lineare Ankerbewegung
in eine Drehbewegung umformt. Durch Variation des Durchmessers der Stellwelle
18 kann
bei einem gegebenen Drehwinkel von 45° der Hub des Magneten für eine bestimmte Anwendung
optimiert werden. Bei Vollastanwendungen, die kurze Schaltzeiten
erfordern, bietet sich an, einen möglichst kurzen Ankerweg zu
wählen,
um das Trägheitsmoment
des Ankers niedrig zu halten. Dies gilt auch, wenn ein Feder-Masse-Schwinger
mit einer Hubsperre im getriebenen System ausgebildet ist. Durch
Aufschaukeln kann dann mit geringen Magnetkräften ein hohes Rückstellmoment
der Federn aufgebaut werden. Der Antrieb braucht in diesem Falle nur
die Verlustenergie beizusteuern, die Haltekräfte werden von der Sperre geliefert.
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Anhand
des in 2 gezeigten Diagramms werden die Probleme erläutert, die
sich aus der Anwendung eines konventionellen Feder-Masse-Schwingers
beim Stellantrieb mit Elektromagneten ergeben. Dabei wird zur Vereinfachung
der Beschreibung angenommen, daß das
System nur einen Anker AN enthält.
Die Wirkungsweise ist bei einem System mit zwei Ankern ANA und ANB,
wie in 1 gezeigt, prinzipiell die gleiche.
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In 2 und
den anderen Diagrammen ist jeweils auf der Abszisse der Ankerweg
zwischen der mit A gekennzeichneten Schließstellung und der Offenstellung
B in mm aufgetragen. Die Ordinate zeigt die auf den Anker einwirkenden
Kräfte
in N. Die Kennlinien für
die Magnethubkräfte
und die Federkräfte
sind durch voll ausgezogene Linien dargestellt, wenn die Kraftwirkung
in Richtung auf die Offenstellung B erfolgt, sie sind in unterbrochenen
Linien eingetragen, wenn die Kraftwirkung in Richtung auf die Schließstellung
A erfolgt.
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Der
der 2 zugrunde liegende Antrieb weist zwei Magnete
MA und MB, sowie zwei Federn FA und FB auf. Die Federkraft beider
Federn FA und FB beträgt
in der Mitte M zwischen der Schließstellung A und der Offenstellung
B null N. Somit wird bei unbestromten Magneten MA und MB der Anker
AN durch die Federn FA und FB in der Mittelstellung zwischen beiden
Magneten festgehalten. Wird in diesem Zustand beim Feder-Masse-Schwinger
der Magnet MA bestromt, zieht er den Anker AN in 2 nach links,
die Magnetkraft beginnt bei M mit ca. 50 N und nimmt entsprechend
der Annäherung
an die Schließstellung
A zu, wobei Kraft der in entgegengesetzter Richtung wirksamen Feder
FA linear von 0 N auf 300 N ansteigt. Nach einem Ankerweg von ca.
3 mm heben sich im Punkt G1 die Kräfte MA und FA mit jeweils ca.
75 N gegenseitig auf und während
der nächsten
ca. 4 mm des Ankerwegs würde
die Federkraft die Magnetkraft übersteigen,
was bedeutet, daß beim
Feder-Masse-Schwinger beim Einschalten nicht spontan die Schließstellung
A oder die Offenstellung B erreicht werden kann, wie die spiegelbildliche
Anordnung der Kennlinien in 2 zeigt.
Die linke oder rechte Endstellung des Ankers kann erst nach einem
Aufschaukelvorgang erreicht werden, bei welchem nach dem Erreichen
des Kräftegleichgewichts
der bestromte Magnet, hier der bestromte Magnet MA abgeschaltet
und der in Gegenrichtung wirkende Magnet MB eingeschaltet wird,
dessen Kraft durch die in der Feder FS gespeicherte Energie unterstützt wird,
so daß der
Anker AN in der Gegenrichtung über
die Mittestellung M und über
den spiegelbildlich dem Punkt G1 entsprechenden Punkt G1' hinaus bewegt wird,
worauf beim Stillstand des Ankers die Bestromung der Magnete wieder
umgeschaltet wird und auf diese Weise der Anker schließlich über den
Punkt G2 hinaus hochgeschaukelt wird, in dem die Kräfte des
Magneten und der zugeordneten Feder wieder gleich groß sind und
die inzwischen schneller als die Federkraft zunehmende Magnetkraft
MA den Anker in die Schließstellung
zieht. Dort verweilt der Anker A bei bestromtem, die Rückstellkraft
der Feder FA überwindendem,
eingeschaltetem Magneten MA, bis der Magnet MA ausgeschaltet wird,
worauf die Feder FA den Anker in Richtung auf die Offenstellung
B beschleunigt. Nach dem Überschreiten
der Mittestellung M wird die Bewegung des Ankers AN und der mit
ihm zu gemeinsamer Bewegung verbundenen Masse des Schaltglieds zunehmend
durch die Feder FB abgebremst. In der Nähe der Offenstellung B ist
ein geringer Anteil der Schwingenergie aus der Feder FA durch Lagerreibung
und Strömungswiderstand
am Schaltglied aufgezehrt und der Rest in der Feder FB gespeichert,
so daß der
Anker seine Bewegung vor dem Erreichen der Offenstellung B beenden
würde,
wenn er nicht durch die Magnetkraft des zum Einfangen des Ankers
AN bestromten Magneten MB vollends in die Offenstellung bewegt würde.
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Die
gesamte Beschleunigungsenergie stammt also aus der Feder FA und
die gesamte Bremsenergie aus der Feder FB. Nur der Ausgleich der
Bewegungsverluste auf dem Weg von der Schließstellung in die Offenstellung
stammt vom Magneten MB. Die Dauer der Bewegung ist demnach ausschließlich von
der Auslegung der Federn FA und FB bestimmt und entspricht der Eigenfrequenz
des FMS-Systems. Beim FMS ist also die Schaltzeit konstant und im
Betrieb nicht beeinflußbar.
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Da
die gesamte Bewegungsarbeit aus den als Arbeitsspeicher wirkenden
Federn FA und FB kommt, wird die Federkennlinie FEA, FEB möglichst steil
gewählt,
und zwar so, daß bei
am Magneten MA oder MB anliegenden Anker die Haltekraft des Magneten
ausreicht, den Anker gegen die Wirkung der Feder FA bzw. FB festzuhalten
und andererseits die Herstellung der Betriebsbereitschaft nicht
zu lange dauert.
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Wie
aus 2 ersichtlich, ist die Magnetkraft in der Mittenlage
M zwar größer als
die Rückstellkraft der
Federn, aber beim Anziehen des Magneten MA ist zwischen der Mittelstellung
M und der Schließstellung
A bzw. der Offenstellung B ein Bereich, der vom Magneten MA bzw.
MB nicht ohne das oben bereits erläuterte „Aufschaukeln" durch rhythmisches
Bestromen der Magnete überwunden
werden kann. Bis mit wachsender Amplitude der Anker in einen Bereich
des Magneten A oder B kommt, in dem die Magnetkraft größer ist
als die Federkraft. Erst dann kann des Magnet MA oder MB den Anker
in die Stellung A bzw. B ziehen, sodaß das System betriebsbereit
ist.
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Außerdem ist
in 2 ersichtlich, daß bei dem zugrundegelegten
Magnetspalt von 20 mm der Magnet MA mit der Standard-Magnetkennlinie
KO nicht in der Lage ist, den Anker in einer stabilen Lage im Nahbereich
von A zu halten. Der Verlauf der Kennlinien ist so, daß geringe
Schwankungen der Magnetkraft zu untolerierbaren Abweichungen der
Stellstellung führen.
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Erfindungsgemäß wird der
Magnet in an sich bekannter Weise konstruktiv durch sogenannte Kennlinienbeeinflussung
(KLB) so geändert,
daß bei gleichbleibender
Hubenergie die Magnetkraft im Nahbereich des Magneten sinkt, und
im Fernbereich steigt. Wie aus 2 ersichtlich,
kann durch die KLB mit K4 eine Kennlinie für die Magnetkraft des Magneten
realisiert werden, bei der im gesamten Bewegungsbereich die Magnetkraft
die Rückstellkraft
der zugeordneten Feder übersteigt
und damit spontane Betriebsbereitschaft ermöglicht und gleichzeitig die Vorraussetzung
schafft, den Anker spontan in eine beliebige Stellung im Nahbereich
von A zu befördern und
zu halten.
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Die 3 zeigt
beispielhaft Kennlinien, die durch KLB des gleichen Grundmagneten
entstanden sind. Dabei handelt es sich um geringfügige kostenneutrale
Konstruktionsvarianten von Anker und Ankergegenstück gemäß der oben
genannten Literatur „Elektromagnete".
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Die 4 zeigt
einen erfindungsgemäßen Antrieb
mit zwei Magneten MA und MB und zwei Federn FA und FB mit Kraftübertragung
an die Welle 18 eines Drehventils durch ein Seil 16,
wobei gegenüber dem
Stand der Technik nach 1 nur ein Anker AN eingesetzt
wird und dieser Anker durch zylindrische Rippen 22, 24 zur
Kennlinienbeeinflussung modifiziert ist.
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Zur
Verbesserung der räumlichen
Einbaumöglichkeiten,
die beim Einbau des Ventils unmittelbar am Lufteinlaß des Motors
erschwert sind, wurden Antrieb und Ventil räumlich in der dargestellten
Weise getrennt. Die Kraft wird in bekannter Weise durch das Seil 16 übertragen,
das die Welle 18 des Ventils umschlingt. Die beiden Magnete
MA und MB sind einander so zugeordnet, daß sie auf den gemeinsamen Anker
NA wirken können.
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Der
Schnitt durch den Anker AN zeigt die prinzipiellen Änderungen
für die
Kennlinienbeeinflussung (KLB). Zusätzlich zu dem ringförmigen Luftspalt quer
zur Bewegungsrichtung (Axialspalt) eines Standard-Hubmagneten oder
Topfmagneten ist ein zylindrischer Spalt in Bewegungsrichtung (Radialspalt) vorgesehen.
Zu diesem Zweck ist die Kreisscheibe des konventionellen Ankers
auf beiden Seiten mit den gezeigten zylindrischen, rippenartigen
Gegenstücken 22, 24 versehen,
die in die Magnetpole eintauchen, wenn der Anker angezogen wird.
Sie beeinflussen den Magnetfluß so,
daß bei
gleicher Arbeitsfähigkeit
des Magneten je Hub die Magnetkraft im Nahbereich des Magneten sinkt
und im Fernbereich steigt.
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Der
Anker AN ist in den Magneten MA und MB axial geführt und ist auf der Seite des
Magneten MB über
das die Welle 18 des Ventils umschlingende Seil 16,
mit der Feder FA verbunden, die bestrebt ist, den Anker NA in Richtung
der Welle 18 zu ziehen.
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Auf
der Seite des Magneten MA ist der Anker AN mit der Feder FB verbunden,
die über
das Seil 16 der Feder FA entgegenwirkt und das Seil 16 strafft.
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Die
Entfernung zwischen dem Antrieb, bestehend aus dem Anker AN, den
beiden Magneten MA und MB und der Feder FB, sowie der Ventilwelle 18 kann
beliebig gewählt
werden, da das Seil aus hochfestem Material besteht und deshalb
eine geringe Masse hat. Die räumliche
Anordnung des Antriebs ist somit unkritisch.
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Das
Schaltglied 26 ist in eine Aufweitung einer Luftleitung 28 integriert
und die Feder FA, als Schraubenfeder ausgebildet, nimmt nur wenig
Raum ein. Dadurch kann das Schaltglied in unmittelbarer Nähe des Einlaßventils
untergebracht werden.
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Die 5a und 5b erläutern die
Maßnahmen
zur Verbesserung bei Teillast, wie spontane Betriebbereitschaft
und spontane Stellungssteuerung, wobei das Vollastverhalten vorteilhaft
beeinflußt
wird.
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Der
in Verbindung mit 2 erläuterte Abfall der maximalen
Federkraft bzw. bei KLB der Federhärte führt beim konventionellen Feder-Masse-Schwinger
zu Schaltzeiten, die für
optimale Vollastbedingungen zu lange dauern. Die Lösung dieses Problems
besteht darin, daß ausgehend
von einem FMS die Steuerung der Magnete grundlegend geändert und
damit das Funktionsprinzip des Feder-Masse-Schwingers verlassen
wird.
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Konventionell
werden die Magnete nach erfolgter Betriebsbereitschaft nur dazu
eingesetzt, die Bewegung des Ankers pünktlich auszulösen, den
Anker am Bewegungsende einzufangen und dabei die bei der Bewegung
entstandenen Arbeitsverluste auszugleichen. Während der Bewegung des Ankers
sind die Magnete ausgeschaltet, die Härte der Federn bestimmt den
Grad der Beschleunigung und den Grad der Verzögerung des Ankers, und damit
die Schaltzeit.
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Erfindungsgemäß werden
die Magnete MA und MB mit KLB nicht nur zur Steuerung der Schaltzeitpunkte
durch Lösen
und Einfangen des nahezu stillstehenden Ankers eingesetzt, wobei
die Magnetkraft der Federkraft entgegenwirkt, vielmehr sind sie, gesteuert
durch die nicht gezeigte Steuereinheit, während der ganzen Bewegungsdauer
des Ankers bestrombar, und zwar so, daß die Kraft der Magnete MA
und MB die Kraft der Federn beim Beschleunigen und beim Abbremsen
unterstützt.
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Erfindungsgemäß wird ausgehend
von der Schließstellung
A gleichzeitig mit dem Ausschalten des Magneten MA der Magnet MB
eingeschaltet bis der Anker die Mittelstellung M erreicht hat (Beschleunigungsphase).
In der Mittelstellung M wird der Magnet MA wieder eingeschaltet
und bremst den Anker bis zur Offenstellung B. Falls der Anker sofort
wieder umkehren soll, was für
die Vollastsituation sehr wichtig ist, bleibt der Magnet MA eingeschaltet
bis der Anker zur Mittelstellung M zurückgekehrt ist. Dort wird der
Magnet MB zum Abbremsen eingeschaltet bis der Anker sich der Schließstellung
A angenähert
hat.
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Vereinfachend
kann man sagen:
- – beim Stand der Technik sind
die Magnete während
der Bewegung des Ankers praktisch ausgeschaltet, sofern sie eingeschaltet
sind, wirken sie in entgegengesetzter Richtung wie die zugeordneten
Federn;
- – erfindungsgemäß ist stets
der Magnet einer Magnet-Feder-Einheit während der Bewegung des Ankers
einschaltbar und wirkt dann entgegen der Richtung der zugeordneten
Feder; wobei beim Überschreiten
der Mittelstellung die Umschaltung von der einen Magnet-Feder-Einheit
auf die andere erfolgt;
- – die
Arbeitsübertragung
vom Magneten zur Feder findet beim Stand der Technik bei sehr niedriger
Geschwindigkeit des Ankers statt, und ist nicht effizient;
- – erfindungsgemäß findet
die Arbeitsübertragung bei
sehr hoher Geschwindigkeit statt, und ist deshalb effizient;
- – in
Betriebsphasen in denen keine Ventilbewegung erforderlich ist, muß aus Gründen der
Betriebsbereitschaft beim Stand der Technik das Ventil offenen gehalten
werden, so daß beim Stand
der Technik das Ventil immer bestromt ist, ausgenommen während der
Ankerbewegung, ebenso alle anderen Ventile eines Motors;
- – erfindungsgemäß verharrt
das Ventil stromlos im halboffenen Zustand, wenn keine Ventilbewegung
erforderlich ist. Dadurch wird Strom gespart, wodurch das Bordnetz
entlastet wird, die Leistungsfähigkeit
der Magnete steigt, weil durch die geringere Einschaltquote die
Erwärmung
der Magnete geringer ist. Beim Stand der Technik ist immer ein Magnet
eines Ventils eingeschaltet, Bei einem Sechszylinder sind somit
immer sechs Ventile gleichzeitig eingeschaltet, auch dann, wenn
alle funktionslos sind.
-
Das
Wirken der erfindungsgemäßen Steuerung
gemäß den 5a und 5b durch
die Addition von Federkräften
und Magnetkräften
während der
Bewegung des Ankers führt
zu Schaltzeiten bei Vollast, die trotz der reduzierter Federhärte kürzer sind
als beim Stand der Technik.
-
Ist
andererseits die Vorgabe zur Auslegung des Systems ausschließlich auf
Verbesserung beim Vollastbetrieb gerichtet, so kann allein durch
die erfindungsgemäße Einschaltung
der Magnete während der
Bewegung des Ankers der Arbeitsumsatz pro Hub um den Faktor 1,84
erhöht
werden. Dies führt
zu einer kostenlosen Reduzierung der Schaltzeit um den Faktor 1,36.
Bei Motorventilen sind bisher Schaltzeiten von 3 ms nur mit Mühe und Not
erreicht worden. Die neue Schaltung ermöglicht nun einen Sprung auf
2,2 ms, und bei Vorventilen ist ein Sprung von 2 auf 1,5 ms möglich.
-
Die 5a erläutert die
Anwendung der Erfindung bei einem erforderlichen Hub von 10 mm beispielsweise
bei einem relativ schweren Ventil als Einlaß- bzw. Auslaßventil
eines Verbrennungsmotors.
-
Das
Ventil wird linear bewegt, der Magnetanker AN ist fest mit dem Ventilschaft
verbunden, siehe 10.
-
Die 5a zeigt
links die Verhältnisse
bei Teillast. Der Verlauf der Kraft-Weg-Kennlinie des Schließmagneten MA ist für volle
Bestromung I = 100 % und Teilbestromung von 80, 75, und 70 % über dem
Magnethub aufgetragen. Die Schnittstellen dieser Teillast-Linien
mit der Federkennlinie zeigen die entsprechenden Ankerstellungen
bei „Stellungssteuerung"
-
Die
Stellungssteuerung ist nur für
die unmittelbare Umgebung der Schließstellung A interessant um
die Geschwindigkeit und Richtung der durch das Ventil fließenden Luft
zu ändern.
-
Die
linke Hälfte
von 5a zeigt auch, daß die durch KLB erhaltene Magnetkennlinie
K4 im gesamten Bereich zwischen Schließstellung A und Mittelstellung
M deutlich höher
liegt als die Federkennlinie FEA. Dadurch ist spontane Betriebsbereit schaft herstellbar,
beim Start des Motors sowohl als nach Ruhepausen des Ventils in
der stromlos sich einstellenden Stellung M.
-
Der
Antrieb gemäß 5a mit
10 mm Hub dient dem direkten Antrieb eines linear bewegten Tellerventils,
beispielsweise gemäß 10 für die sogenannten
Ein- und Auslaßventile
eines Kolbenmotors. Zum Antrieb einer Drehklappe als Steuerventil
vor dem Einlaßventil
eines Kolbenmotors ist eine Bewegungsumsetzung z.B. gemäß 1 oder 6 erforderlich
-
Die 5b zeigt
einen Antrieb mit kurzem Hub von 4 mm und ist eher zum Antrieb einer
Drehklappe mit geringer Massenträgheit
und kurzer Schaltzeit geeignet. Der kurze Ankerweg von 4 mm, der über eine
Bewegungsumsetzung z.B. gemäß 1 oder 6 zu
einer Drehbewegung von z.B. 45° führt, hat
den Vorteil geringer Massenträgheit.
-
Der
Effekt der kurzen Ankerwege wird verstärkt durch die erfindungsgemäße, als
Fernwirkung eines Magneten bezeichnete Schaltungsvariante, die anhand
der rechten Seite von 5b erläutert ist.
-
Zum
besseren Verständnis
wird als Definition vorausgeschickt:
Die in 5a erläuterten
Vorgänge
der Stellungssteuerung sind Wirkungen des Magneten MA auf den Anker
AN in seinem Nahbereich, der sich von A bis M erstreckt.
-
Der
Bewegungsbereich des Ankers zwischen M und B ist der Fernbereich
des Magneten MA. Dies bedeutet, wenn sich der Anker zwischen M und
B bewegt kann diese Bewegung durch Einschalten des Magneten MA gebremst
werden; wenn der Anker sich in Richtung B bewegt, kann er vom Magneten
MA beschleunigt werden.
-
Die
Fernwirkung des Magneten wird durch KLB verbessert. Im Fall des
Magneten mit Kennlinie K4 wurde die Magnetwirkung konstruktiv auf
die ersten 4 mm Weg des Ankers ab seiner Anlage an den Magneten
konzentriert, siehe 3.
-
Die
Fernwirkung des Magneten MA im Bereich M bis B entsteht durch die
Addition der Magnetkräfte
A zu den Federkräften
B: beide Kräfte
sind von B aus gesehen in die Mitte M gerichtet, also in der Figur
nach links. Die Addition dieser Kräfte führt zur Linie FB + MA, mit
einem Maximum von 540 N in Stellung B. Dieser Wert ist fast dop pelt
so hoch wie die Rückstellkraft
der Feder FB in der Endlage B. Die kinetische Energie von FB + MA
in Höhe
von 412 Nmm wird nun in eine Federkennlinie mit gleichem Arbeitsvermögen umgerechnet:
Ersatzfeder FE mit einer Rückstellkraft
von 824 N in Stellung B. Das Arbeitsvermögen der Feder FA ist dagegen
nur 300 × 2/2
= 300 Nmm.
-
Hieraus
ergeben sich folgende überraschenden
Erfindungseffekte bei Vollast:
- 1. Die verfügbare Schwingarbeit
steigt im Verhältnis
der erfindungsgemäß gestiegen
Federkräfte um
den Faktor 824/480 = 1,72. Damit sinkt die Schaltzeit bei Vollast
um Wurzel 1,72 = 1,31.
-
Das
maximale Drehmoment ist jedoch analog der maximalen Rückstellkräfte nur
um den Faktor 540/480 = 1,12 gefallen und damit vernachlässigbar. Beim
Stand der Technik ist die Belastung schlagartig durch das plötzliche
Loslassen der Feder durch den Magneten. Dadurch würden bei
einer Vergleichsfeder von 824 N dynamische Spannungen im Antrieb proportional
2 × 824
= 1648 N auftreten, also in 3-facher Höhe entstehen.
- 2. Die Zuhaltekraft für
die erfindungsgemäße Feder
ist 300 N, die dynamische Spannung beim Lösen des Ankers nur proportional
zu 600 N
-
Teillast:
-
- 1. Die Ventilgeschwindigkeit kann beliebig
reduziert werden
- 2. Spontane Stellungssteuerung im Schließbereich ist möglich
- 3. Spontane Herstellung der Betriebsbereitschaft ist möglich, das
Ventil kann bei zwei gegeneinander wirkenden Magnet-/Federpaarungen
stromlos in halboffener Stellung verweilen.
-
Verzichtet
man auf die Verbesserung des Teillastverhaltens, so kann man mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Fernwirkung
bei einem konventionell konstruierten Magneten K0, also ohne KLB,
eine noch höhere
Verbesserung des Vollastverhaltens erzielen. Die maximale Federkraft
kann dann den Wert 883 N annehmen, gegenüber 823 N mit KLB.
-
Dies
bedeutet, daß beim
Stand der Technik, dem Feder-Masse-Schwinger (FMS), ohne Hardware-Änderung
durch die erfindungsgemäße, als Fernwirkung
bezeichnete Steuerung des konventionellen Magneten eine bedeutende
Verkürzung
der Schaltzeit bei Vollast erzielt werden kann.
-
Mindestens
so bedeutsam ist diese Erkenntnis für die Anwendung bei Vollvariablen
Ventiltrieben (VVT), bei welchen die Ein- und Auslaßventile
des Motors mit elektromagnetischen FMS betrieben werden. Diese haben
folgende Probleme:
- – nicht schnell genug, Schaltzeit
ca 3 ms
- – keine
Teilhübe
oder Stellungssteuerung möglich
- – Stromverbrauch
und Kosten für
die Bereitstellung des Stroms zu hoch.
-
Der
erfindungsgemäße Vorteil
der Fernwirkung gegenüber
dem Stand der Technik ist beachtlich:
- – Steigerung
des Arbeitsvermögens
proportional zum Verhältnis
883 N/480N = 1,84
- – Reduzierung
der Schaltzeit um Wurzel 1,84 = 1,36 von jetzt knapp 3 ms auf 2,2
ms!
-
Diese
Vorteile erfordern nicht den geringsten Aufwand!
-
Die 6 zeigt
eine Antriebs- und Übertragungseinheit
die aus räumlichen
Gründen
und wegen niedriger Kosten ideal sein kann, wenn die Anwendung überwiegend
auf das Teillastverhalten ausgerichtet ist. Sie besteht aus nur
einem Magneten MA, einem Anker AN und einem Seil 16 als Übertragungselement
zwischen dem Anker AN, der die Drehklappe 26 tragenden,
einen Strömungskanal 28 durchquerenden
Ventilwelle 18 und der Rückstellfeder FA. Das Seil 16 umschlingt
die Ventilwelle 18, wobei eine als Seilstraffer dienende
Feder 30, die auf den Anker AN wirkt, zusammen mit der
Rückstellfeder
FA für
ständigen
Kraftschluß zwischen
Seil 16 und Ventilwelle 18 sorgt. Die Feder 30 ist
wesentlich schwächer
als die entgegengerichtete Feder FA, die bei stromlosem Magneten
das Ventil offen hält.
Das Seil 16 kann die Welle 18 umschlingen und
damit einen Reibschluß herstellen,
der durch die Federn 30 und FA garantiert ist. Als Umschlingungswinkel
kommen hauptsächlich
180° und
360° in
Frage. Wenn das Seil aus einem dünnen
Blech besteht, ist auch eine formschlüssige Verbindung möglich.
-
Die 7a zeigt
das Kraft-Weg-Diagramm eines Antriebs mit einem kennlinienbeeinflußten Magneten
und nur einer Feder gemäß 6 in
Kombination mit einer mittig gelagerten Drehklappe.
-
Kombinationen
von nur einem Magneten und nur einer Feder sind als Stellantriebe
für Regelventile bekannt.
Solche Ventile sind in der Regel stromlos offen und eignen sich
nicht als schnelle Schaltventile. Die Regelung oder Stellungssteuerung
erfolgt durch Verstellen des Magnetstroms. Die Magnetkraft wirkt gegen
die Federkraft.
-
Durch
die erfindungsgemäße Gestaltung
bedingte Besonderheiten eines Antriebs gemäß 7a sind:
- 1. die Feder ist wechselnd beanspruchbar und deshalb
schwingfähig
um die Stellung 34°;
- 2. die Magnetkraft ist so schaltbar, daß sie der Federkraft wie beim
Stand der Technik entgegen wirkt, Nahbereich 0 bis 34°, oder diese,
erfindungsgemäß unterstützt, Fernbereich
34 bis 56°;
- 3. das Ventil ist wegen seiner Schwingfähigkeit nicht nur als Regelventil,
sondern auch als schnelles Schaltventil einsetzbar;
- 4. das Ventil kann trotz seiner Schwingfähigkeit stromlos im voll geöffneten
Zustand verweilen
-
Die
Kräfte
sind über
dem Magnethub und dem korrespondierenden Drehwinkel des Schaltglieds
aufgetragen, beispielsweise einer mittig gelagerten Drehklappe.
-
Der
Magnet ist kennlinienbeeinflußt
wie in den 5a und 5b, die
Magnetkräfte
können
die Federkräfte
im gesamten Hubbereich übersteigen. Spontane
Betriebsbereitschaft und spontane Stellungssteuerung sind möglich.
-
Wie
in 5b ist der Magnet während der Bewegung des Ankers
so einschaltbar, daß sie
die Federkräfte
im Fernbereich des Magneten bei der Beschleunigung und der Verzögerung des
Ankers unterstützen
können.
-
Nur
der Teil der Federarbeit ist rückgewinnbar,
der sich nach dem Spannungswechsel der Feder beim Winkel von 34° einstellt.
-
Dieser
Spannungswechsel der Feder, der die Null-Lage des Ankers bzw. des
Schaltglieds definiert, ist bei der Erfindung identisch mit der
Grenze zum Bereich des maximalen Durchflußkoeffizienten einer mittig
gelagerten Drehklappe.
-
Bei
einer mittig gelagerten Drehklappe gibt es eine vorteilhaft verwendbare
aerodynamische Besonderheit, erläutert
anhand der Figuren 7b und 7c. Der
Schließwinkel
solcher Klappen beträgt aus
Gründen
minimaler Klappenträgheit übli cherweise
45° bezogen
auf die Strömungsachse
des Ventils. Wird das Ventil aus seiner Schließstellung A (0°) in Richtung
auf die Strömungsachse
verdreht, dann steigt der Durchflußkoeffizient winkelabhängig bis
zu einem Öffnungswinkel
von 34°.
Danach bleibt der Durchfluß während 22° bis zum
Winkel 56° konstant, und
würde beim
Weiterdrehen bis 90° wieder
auf Null sinken.
-
Der
bisher benutzte Begriff der Offenstellung B erstreckt sich somit
auf den Klappenbereich von 34 bis 56°, oder 45° +/– 11 °.
-
Erfindungsgemäß wird dieser
Effekt genutzt, indem situationsabhängig ein maximaler Weg von 56° Verschwenkung
für die
mittig gelagerte Drehklappe vorgesehen wird, und daß die Feder
in der Stellung 34°,
gerechnet von der Schließstellung
A, ihre Null-Lage hat. Das Ventil kann somit im voll geöffneten
Zustand stromlos gehalten werden.
-
Die
Festlegung der Null-Stellung ergibt sich aus den Besonderheiten
der individuellen Anwendung, insbesondere unter dem Aspekt kurzer
Schaltzeiten.
-
Die
Feder ist so ausgelegt, daß sie
bei 34° Entfernung
von der Schließstellung
A spannungsfrei ist und die Klappe nunmehr bis zum Winkel 56° und wieder
zurück
zu 34° pendeln
kann, ohne daß sich der
Durchflußwiderstand ändert. Im
stromlosen Betrieb verharrt die Klappe demnach in der Stellung 34° und ist
dabei voll geöffnet.
Aufgrund dieser Auslegung verbraucht das ganz offene Ventil im Ruhezustand
keinen Strom.
-
7b zeigt
eine mittig gelagerte Drehklappe in den Stellungen 34° und 56°, den Grenzen
des ganz offenen Bereichs.
-
7c zeigt
den Vergleich „stromlos" zwischen dem Stand
der Technik bei 22,5° und
der vorliegenden Erfindung bei 34°.
Man erkennt den deutlichen Unterschied im Fließquerschnitt von ca. 67 %
-
8a und 8b zeigen
die typischen Stellungen von Ventilen vor dem Einlaß eines
Brennraums bei Stellungssteuerung in der Teillast an Dieselmotoren
(Drallsteuerung) mit einseitig und mittig gelagerter Drehklappe
in halboffener Stellung des Schaltglieds.
-
8a zeigt
die Drallsteuerung bei Dieselmotoren bei einseitig gelagerter Drehklappe.
Es handelt sich um eine Draufsicht, die Drehachse des Ventils ist
im Saugrohr senkrecht angeordnet. Die beiden Kanäle des Saugrohrs sind auf einer
waagrechten Ebene nebeneinander angeordnet, die Trennwand ist deshalb
senkrecht.
-
In
der gezeigten Stellung der einseitig gelagerten Drehklappe 26,
in der sich im stromlosen Zustand einstellenden Mittelstellung,
ist der Leistungskanal 28a gesperrt und der Drallkanal 28b offen.
In dem sich verjüngenden
Abschnitt zwischen Drehklappe und Gehäuse bildet sich eine wirbelfreie
beschleunigende Strömung,
die zu einer Erhöhung
der Fließgeschwindigkeit
im Drallkanal führt.
Der Drallkanal mündet
tangential zur Zylinderfläche
in den Brennraum, so daß in
der einfließenden
Luft die in Dieselmotoren gewünschte
um die senkrechte Achse der Brennkammer kreisende Luftbewegung entsteht.
-
8b zeigt
die Drallsteuerung bei Dieselmotoren mittels mittig gelagerter Drehklappe 26.
Es handelt sich um eine Draufsicht, die Drehachse 18 des
Ventils ist im Saugrohr senkrecht angeordnet. Die beiden Kanäle des Saugrohrs
sind auf einer waagrechten Ebene nebeneinander angeordnet, die Trennwand
ist deshalb senkrecht.
-
In
der gezeigten Stellung der mittig gelagerten Drehklappe 26 sind
die kleinsten Fließquerschnitte
beider Strömungspfade
gleich, aber die Durchflußkoeffizienten
sind unterschiedlich, und damit auch die Geschwindigkeiten und Durchflußmengen
in den beiden Kanälen.
-
In
dem sich verjüngenden
Abschnitt zwischen Drehklappe und Gehäuse bildet sich eine wirbelfreie
beschleunigende Strömung,
die zu einer erhöhten
Fließgeschwindigkeit
und einer erhöhten Durchflußmenge im
Drallkanal gegenüber
dem Leistungskanal führt.
-
In
dem sich erweiternden Abschnitt zwischen Drehklappe und Gehäuse bildet
sich eine wirbelbehaftete verzögernde
Strömung,
die zu einer reduzierten Fließgeschwindigkeit
und Durchflußmenge
im Leistungskanal führt.
-
Durch
diese Unterschiede in Geschwindigkeit und Durchflußmasse der
in den Brennraum einfließenden
Luft in den beiden Kanälen
entsteht die in Dieselmotoren gewünschte um die senkrechte Achse der
Brennkammer kreisende Luftbewegung.
-
9a zeigt
die Tumblesteuerung bei Benzinmotoren bei einseitig gelagerter Drehklappe 26. Es
handelt sich um eine Seitenansicht, die Drehachse 18 der
Klappe ist waagrecht angeordnet. Die Aufgabenstellung ist, die Luftströmung nach
oben abzulenken um im Brennraum eine Luftbewegung zu erzeugten,
die um eine waagrechte Achse kreist.
-
In
dem sich verjüngenden,
in der Einbaulage oberen Abschnitt zwischen der einseitig gelagerten Drehklappe
und dem Gehäuse
bildet sich eine wirbelfreie beschleunigende Strömung aus, die zu einer erhöhten Fließgeschwindigkeit
im oberen Teil des nachfolgenden Kanalabschnitts führt und
im Brennraum eine die Gemischbildung fördernde Luftwalze mit horizontaler
Drehachse induziert (Tumble).
-
9b zeigt
die Tumblesteuerung bei Benzinmotoren mit mittig gelagerter Drehklappe 26.
Es handelt sich um eine Seitenansicht, die Drehachse der Klappe
ist wagrecht angeordnet. Die Aufgabenstellung ist wie bei 9a,
die Luftströmung
nach oben abzulenken, um im Brennraum eine Luftwalze zu erzeugen,
die um eine waagrechte Achse kreist (Tumble).
-
In
dem sich verjüngenden,
in der Einbaulage oberen Abschnitt zwischen Drehklappe und Gehäuse bildet
sich eine wirbelfreie beschleunigende Strömung, die zu einer erhöhten Fließgeschwindigkeit
im oberen Teil des nachfolgenden Kanalabschnitts führt und
im Brennraum eine die Gemischbildung fördernde Luftwalze mit horizontaler
Drehachse induziert (Tumble).
-
Zur
Verbesserung der Strömungsführung im Nahbereich
der Schließstellung
ist der sich erweiternde Strömungskanal
durch eine Maske blockiert. Durch Stellungssteuerung kann somit
die gesamte durchfließende
Luft nach oben abgelenkt werden. Dies ist zumindest am Ende einer
Einströmung
wichtig, weil aufgabengemäß die Tumblebewegung
im Brennraum noch nach Einlaßende
fortwirken soll.
-
Weiterhin
ist es bei Teillast vorteilhaft, die gesamte Lufteinströmung bei
reduziertem Durchflußkoeffizienten
durchzuführen.
Die Einströmdauer
ist dann länger,
das Eintrömende
später
und damit die Tumblebewegung sowohl intensiver als auch näher am Zündzeitpunkt.
Diese Steuerungsvariante beansprucht zusätzliche Ladungswechselarbeit,
verbessert aber gleichzeitig den Wirkungsgrad der Verbrennung und
reduziert damit den Kraftstoffverbrauch.
-
Die
in 9b gezeigte Vorrichtung hat außerdem den Vorteil für Fernantrieb
durch einen Magneten besonders gut geeignet zu sein. Außerhalb
des Ventilkanals braucht nur eine Rückstellfeder angeordnet sein.
Diese ist mit der Klappenwelle 18 und dem Magneten über ein
Seil 16 so verbunden, daß das erforderliche Drehmoment
für das Öffnen und Schließen der
Klappe 26 übertragbar
wird. Bei Benzinmotoren muß das
Ventil besonders nahe am Motor eingebaut werden.
-
Wegen
der Tumblesteuerung muß die
Ventilachse 18 horizontal oder experimentell bedingt leicht geneigt
eingebaut werden. Abhängig
von der Brennraumkonstruktion und der Neigung der Zylinderachse sind
sehr schwierige Einbaubedingungen zu meistern. Es ist deshalb wichtig,
daß der
Bauraumbedarf des Ventils nicht viel mehr als den Kanal selbst umfaßt. Der
erfindungsgemäße Fernantrieb über ein Seil
ist deshalb sehr attraktiv. Da das Seil ein empfindliches Bauteil
darstellt, muß es
geschützt
werden. Dies kann z.B. über
einen Bowdenzug geschehen.
-
10 zeigt
einen erfindungsgemäßen Antrieb
für ein
linear bewegtes Ventil. Hierbei kann es sich um ein Brennraumventil
handeln, oder um ein dem Lufteinlaß eines Motors vorgeschaltetes
Ventil.
-
Beim
Einsatz als Brennraum- oder Motorventil für die Steuerung des Gaswechsels
sind hohe Temperaturen und hohe Drücke zu bewältigen. Dies führt zu vergleichsweise
hoher Ventilmasse. Andererseits sollen auch hier kürzere Schaltzeiten
bei Vollast realisiert werden, der Stand der Technik ist bei ca. 3
ms.
-
Bei
Teillast ist es wünschenswert
den Hub variabel zu gestalten, so daß spontane Stellungssteuerung
angesagt ist. Spontane Betriebsbereitschaft hat einen niedrigeren
Stellenwert als bei Vorventilen, weil die Brennraumventile in der
Regel bei jedem Arbeitsspiel eines Brennraums bewegt werden.
-
Von
großer
Bedeutung ist, durch die Fernwirkung der Magnete die Größe der Magnete
zu reduzieren. Dies hat Auswirkungen auf Bauraum, Gewicht, Kosten,
Stromverbrauch und Kosten für
die Stromversorgung/installierte Leistung.
-
Bei
den Einlaßventilen
ist die Einströmrichtung
durch Stellungssteuerung beeinflußbar, gegebenenfalls durch
Maskierungen am Ventileinlauf.
-
Im
Prinzip gelten alle Aussagen für
die Gaswechselsteuerung mit Vorventilen vor dem Lufteinlaß auch für die Brennraumventile,
jedoch mit gravierenden Unterschieden in der mechanischen und thermischen
Belastung, nämlich
Drücke
bis zu 100 bar statt 1 bar, Temperaturen bis zu 1000°C statt 100° und hohe
Drücke
und Fließgeschwindigkeiten
beim Öffnen
des Auslaßventils.
-
Für Brennraumventile
kommen nur Derivate von Feder-Masse-Schwingern mit zwei gegeneinander
wirkenden Magneten und diesen zugeordnete Federn in Frage. Der konstruktive
Aufbau und die Strategie für
die Steuerung der Magnete mit KLB, Fernwirkung, etc. entspricht
dem für
die vorgeschalteten Ventile.
-
Das
Schaltglied kann ein linear geführtes
Tellerventil sein oder ein Drehschieber.
-
Die 11a und b zeigen reibungsfreie, zuverlässige und
kostengünstige
Alternativen zur Lagerung von Drehklappen durch Gleit- oder Wälzlager.
-
11a zeigt eine ebene, vorzugsweise rechteckige
Blattfeder 40 als Schaltelement. Die Blattfeder ist an
einer Seite des Endes des vorzugsweise rechteckigen Zuflußkanals 28 so
befestigt, daß sie
das Ventil stromlos offen hält
(Stellung B). das Ende des Zuflußkanals ist unter einem Winkel
von 45° so
abgeschnitten, daß es
durch eine Verschwenkung der Blattfeder um 45° abgedeckt werden kann. Die
Verschwenkung wird durch einen Magneten MA realisiert, der über ein
Seil 16 auf einen schmalen Balken 42 einwirkt,
der die Kraft des Magneten MA auf die Blattfeder gleichmäßig überträgt.
-
Die
Bestromung des Magneten MA führt
zur Verschwenkung der Blattfeder 40, bis diese die Auflagefläche am Zuflußkanal 28 berührt und
in mehreren Teilschritten in ihre Endlage, der Schließstellung A
gebracht ist.
-
Erfindungsgemäß ist die
Anlagefläche
der Blattfeder am Kanal so ausgeformt, daß die Blattfeder in der Schließstellung überall unter
einem gewissen Mindestdruck anliegt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Anlagefläche eine
S-förmige
Krümmung
erhält,
in die die Blattfeder beim Schließen hineingezogen wird, bis
sie überall
anliegt:
- 1. Anlage der Feder an einem kreiszylindrischen konvexen
Abschnitt, der an die Einspannstelle der Feder anschließt. Dabei
wird eine vorgegebene Biege spannung erreicht, die auch in den nachfolgenden
Biegeabschnitten nicht überschritten
wird
- 2. Der 2. Abschnitt beginnt, wenn die Spitze der Blattfeder
den Ventilsitz an der der Einspannstelle gegenüberliegenden Kanalwand berührt. Von
da an liegt die Blattfeder an beiden Enden auf der Dichtfläche und
wird allmählich
vom Magneten über
den Balken zur Anlage an den konkaven Abschnitt der Dichtfläche gebracht.
- 3. In ihrer verfahrenstechnischen Wirkung ist die Ausführungsform
nach 11a vergleichbar mit 8a für die Drallsteuerung
von Dieselmotoren und 9a für die Tumblesteuerung von Benzinmotoren.
- 4. Im Kostenvergleich für
Anwendungen zur Teillaststeuerung ist diese Lösung bezüglich Einfachheit, minimalem
Platzbedarf und Bauaufwand nicht zu schlagen
- 5. Auch beim Nutzen handelt es sich hier um eine vollwertige,
fast ideale Lösung
-
Die 11b zeigt eine mittig gelagerte Drehklappe 44,
die prinzipbedingt ein wesentlich niedrigeres Trägheitsmoment hat als die einseitig
gelagerte Klappe 40 nach 11a.
-
In
der stromlos offenen Lage B liegt die von einem Federelement FA,
das neben seiner Funktion als Rückstellfeder
gleichzeitig die Lagerung der Klappe am Gehäuse darstellt, gestützte Klappe 44 in
der in Strömungsrichtung
verlaufenden Mittelebene des Strömungskanals 28.
Der gezeigte Magnet MA schließt
die Klappe über
ein Seil und zieht sie in die in vollen Linien dargestellte Schließstellung
A.
-
Trotz
ihrer großen
Einfachheit sind die Lösungen
nach den 11a und 11b für Einsatzfälle bei
Teillast voll funktionsfähig.
-
Eine
andere, nicht gezeigte Lösung
könnte eine
aus zwei symmetrischen Schalen bestehende mittig gelagerte Drehklappe
aufweisen. Die Klappenwelle ist über
eine Blattfeder inner halb des Hohlraums der Klappe mit einer feststehenden
Achse verbunden. Diese durchquert den Strömungskanal und ist beidseitig
fest und gasdicht mit dem Ventilgehäuse verbunden. Die motorseitige
Klappenschale ist so ausgebildet, daß sie in ihrer Schließstellung
als Klappendichtung dient, vorzugsweise als Spaltdichtung. Die Klappe
ist mittels Seilen mit wenigstens einem Magneten und einer diesem
entgegenwirkenden Feder so verbunden, daß der Magnet die Klappe in
ihre Schließ stellung
zieht, während
die Feder in die Offenstellung zieht. Die Seile durchdringen die
Kanalwand und sind über
je einen Metallbalg gegenüber dem
Gehäuse
abgedichtet. Wenigstens der Balg des Federseils kann auch als Feder
dienen.
-
Prinzipielle
Vorteile der Verwendung von Federelementen zur Lagerung einer Stellklappe
sind folgende: Reibungs- und Verschleißfreiheit, unempfindlich gegen
Verschmutzung, niedrige Kosten, einfacher Einbau.