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Die Erfindung betrifft einen Aktor sowie einen mit einem solchen Aktor ausgebildeten Ventiltrieb für einen Verbrennungsmotor.
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Der Ventiltrieb von Verbrennungsmotoren wird regelmäßig mittels einer oder mehreren Nockenwellen realisiert. Die von einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetriebenen Nockenwellen betätigen durch einen Kontakt ihrer Nocken die Ventile entsprechend dem Nockenverlauf.
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Schon seit Jahrzehnten gibt es Bestrebungen, den Ventiltrieb variabler auszugestalten, um die Öffnung der Ventile besser an die Verbrennungsprozesse in den verschiedenen Betriebspunkten des Verbrennungsmotors anzupassen.
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Es wurden daher variable mechanische Ventiltriebe entwickelt, die eine Phasenverschiebung zwischen der Rotation der Kurbelwelle und der Nockenwelle und/oder eine Veränderung der Nockenform ermöglichen. Nachteilig an diesen variablen Ventiltrieben ist der zusätzliche konstruktive Aufwand, der zudem erheblich von der zu erreichenden Variabilität der Ventilbetätigung abhängt. Bislang lassen sich mit einem vertretbaren Aufwand nur solche variablen mechanischen Ventiltriebe umsetzen, bei denen die Ansteuerung der Ventile in relativ wenigen Stufen und/oder für alle Einlass- und Auslassventile gleich erfolgt.
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Vollvariable Ventiltriebe, bei denen prinzipiell jedes Ventil einen eigenen, variablen Ventiltrieb aufweist, versprechen eine optimale Anpassung der Ventilbetätigung an den Betriebszustand des Verbrennungsmotors. Bereits seit mehr als 20 Jahren wird an vollvariablen elektromechanischen Ventiltrieben gearbeitet, bei denen die einzelnen Ventile von einem elektromagnetisch gesteuerten Aktor betätigt werden. Bei solchen Ventiltrieben ist das jeweilige Ventil mit einer Ankerplatte verbunden, die beidseitig federnd gelagert ist. Die beidseitige Federbelastung definiert eine Neutralstellung der ferromagnetischen Ankerplatte und damit des Ventils. In dieser Neutralstellung ist das Ventil halb geöffnet. Aus der Neutralstellung kann das Ventil durch die wechselseitige Bestromung von zwei Elektromagneten ausgelenkt werden, die beidseitig von der Ankerplatte in Richtung der Öffnungs- und Schließbewegung des Ventils angeordnet sind. Dadurch kann das Ventil in Abhängigkeit von der Ansteuerung der Elektromagnete in einem vollvariablen zeitlichen Ablauf und mit vollvariablem Hub geöffnet und wieder geschlossen werden.
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Bislang konnten sich elektromechanische Ventiltriebe wegen des erheblichen zusätzlichen konstruktiven Aufwands, des großen Bauraumaufwands und des erheblichen elektrischen Leistungsbedarfs, der nicht sinnvoll mit der bislang verbreiteten Bordspannung von 12 V oder 24 V bereit gestellten werden kann, nicht durchsetzen.
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Aus der
US 6,476,702 B1 ist ein elektromagnetischer Aktuator mit einem oszillierenden Feder-Masse-System bekannt. Die Masse des Feder-Masse-Systems umfasst einen ferromagnetischen Kern, der von einer Spule umgeben ist. Der Kern ist beidseitig federnd in einem Gehäuse aufgehängt. Das Gehäuse umfasst einen den Kern umgebenden Permanentmagneten. Durch die Bestromung der Spule mit einem Wechselstrom wir die Oszillation des Kerns mit Spule erreicht, deren Frequenz und Amplitude durch eine entsprechende Anpassung der Erregerspannung steuerbar ist. Der Aktuator soll in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, um beispielsweise von dem Motor erzeugte Schwingungen durch gegenphasige Schwingungen zu kompensieren.
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Aus der
DE 10 2010 037 922 A1 ist ein Aktor bekannt, der ein federnd gelagertes Aktorelement umfasst, das von mindestens einem Magneten (vorzugsweise ringförmig) umgeben ist. Das Aktorelement umfasst eine Spule, die ein erstes Leitelement umgibt. Der mindestens eine Magnet ist von einem zweiten Leitelement umgeben. Die Leitelemente überragen sowohl die Spule als auch den Magneten. Beide Leitelemente bestehen aus einem weichmagnetischen Pulververbundwerkstoff. Eine Aktivierung des Aktors erfolgt durch eine Strombeaufschlagung der Spule. Dabei soll eine Lorentzkraft im magnetischen Feld erzeugt werden, die auf die Spule des Aktorelements wirken soll. Weiterhin soll durch die bestromte Spule ein magnetisches Feld in dem ersten Leitelement induziert werden, das mit dem Magneten und dem zweiten Leitelement wechselwirkt und die Lorentzkraft verstärkt.
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Die
WO 2009/034007 A1 offenbart ein resonantes magnetisches Aktorsystem zur Verwendung in einem Stellventil. Das Aktorsystem basiert auf einem federnd gelagerten Anker, sowie auf zwei Magnetaktoren, die beidseitig im Bereich der Endlagen der Bewegung des Ankers angeordnet sind. Durch eine abwechselnde Bestromung der Magnetaktoren wird eine Pendelbewegung des Ankers erzeugt, wodurch direkt eine Betätigung des Stellventils erfolgt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen insbesondere hinsichtlich des erforderlichen Bauraums verbesserten elektromechanischen Ventiltrieb für einen Verbrennungsmotor zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 6 gelöst. Ein für die Ausbildung des erfindungsgemäßen Ventiltriebs genutzter Aktor ist Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Aktors sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, bei einem elektromechanischen Ventiltrieb das Aktorelement, das das dazugehörige Ventil betätigt, nicht direkt durch die Erzeugung von Magnetkräften zu bewegen, sondern vielmehr die von einem elektromagnetisch angeregten, oszillierenden Feder-Masse-System auf seine Anbindungspunkte übertragenen Kräfte zur Bewegung des Aktorelements zu nutzen.
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Dadurch kann die erforderliche Maximalleistung des elektromagnetischen Systems gegenüber solchen, wie sie aus gattungsgemäßen elektromechanischen Ventiltrieben bekannt sind, deutlich reduziert werden. Dies ist darin begründet, dass von dem elektromagnetischen System des erfindungsgemäßen Aktors bzw. Ventiltriebs lediglich die Anregung und damit die Bewegung der vorzugsweise deutlich kleineren (im Vergleich zu der Masse des Aktorelements) Masse des Feder-Masse-Systems bewirkt wird, während die Bewegung des Aktorelements und ggf. des damit verbundenen Ventils die kinetische Energie der schnell schwingenden Masse ausnutzt.
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Konstruktiv umgesetzt wird dieser Grundgedanke der Erfindung in einem Aktor mit einem beweglich gelagerten Aktorelement, das bedarfsweise definiert auszulenken ist. Hierzu umfasst der Aktor einen Resonator, der einen Oszillator mit einer Oszillatormasse und mindestens zwei Federelementen (z. B. Schrauben-, Blatt-, Teller- oder Luftfeder) umfasst, von denen ein erstes (zumindest temporär) zwischen der Oszillatormasse und einer (relativ) ortsfesten Struktur des Aktors abgestützt ist und ein zweites (zumindest temporär) zwischen der Oszillatormasse und dem Aktorelement abgestützt ist. Weiterhin umfasst der Resonator eine elektromagnetische Anregungseinrichtung zur variablen Anregung des Oszillators mit seiner Resonanzfrequenz, wobei zur definierten Auslenkung des Aktorelements die Stärke der Anregung des Oszillators und damit die Amplitude der Schwingung verändert wird. Dabei ist vorgesehen, dass keine (feste) Verbindung zwischen der Oszillatormasse und den Federelementen und/oder zwischen den Federelementen und ihren Abstützpunkten vorgesehen ist, so dass die Schwingbewegung der Oszillatormasse nicht zu einer Längung der Federelemente (über deren unbelastete Länge hinaus) führt. Die Federelemente sind somit derart an der Oszillatormasse und/oder den Abstützpunkten abgestützt, dass sie sich von dieser/-n lösen können. Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass sich die Oszillatormasse infolge entsprechender Auslegung der Federelemente bei der Schwingung regelmäßig von den Federelementen oder die Federelemente von den Abstützpunkten lösen. Weiterhin sind Mittel zur Beaufschlagung des Aktorelements und/oder der Oszillatormasse in eine Neutralstellung vorgesehen, aus der das Aktorelement ausgelenkt werden soll.
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Durch die Anregung des Oszillators mit im Ergebnis variabler Amplitude ändert sich die von der Oszillatormasse über die Federelemente auf die beiden Abstützpunkte übertragenen Kräfte. In Verbindung mit der federnden Abstützung der Oszillatormasse, bei der der eine, von dem Aktorelement ausgebildete Abstützpunkt verschiebbar ist, während der andere Abstützpunkt (relativ) ortsfest ist, ergibt sich daraus eine Verschiebung der Nullpunktlage der Oszillatormasse und somit die gewünschte Bewegung des Aktorelements.
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Dabei sind die Begriffe „feststehend” bzw. „ortsfest” relativ zu verstehen, denn auch mit einer Bewegung des „ortsfesten” Abstützpunkts ist der erfindungsgemäße Aktor umsetzbar, sofern diese Bewegung nicht vollkommen frei und/oder nicht entsprechend der Bewegung des Aktorelements gesteuert ist.
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Ein erfindungsgemäßer Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine umfasst (mindestens) ein Ventil und (mindestens) einen erfindungsgemäßen Aktor, wobei das Ventil mit dem Aktorelement direkt oder indirekt verbunden, insbesondere fest verbunden (z. B. verschraubt) ist.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Masse des Aktorelements größer als die der Oszillatormasse ist und insbesondere ein Vielfaches der Oszillatormasse beträgt. Dadurch kann eine mitschwingende Bewegung des Aktorelements verhindert werden. Bei einer im Vergleich zu der Oszillatormasse ausreichend großen Masse des Aktorelements (einschließlich eines oder mehrerer damit fest verbundener Bauteile, z. B. eines Ventils eines Verbrennungsmotors) kann erreicht werden, dass die Bewegung des Aktorelements im Wesentlichen der Verschiebung der Nullpunktlage des Oszillators entspricht und diese von keiner relevanten Schwingung des Aktorelements überlagert ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann aber auch vorgesehen sein, dass eine Schwingung des Aktorelements durch die Zwischenschaltung eines Dämpfers unterbunden wird.
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Eine wegen ihrer konstruktiven Einfachheit bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aktors kann vorsehen, dass die Oszillatormasse (mindestens) einen Permanentmagneten und die Anregungseinrichtung (mindestens) eine die Oszillatormasse umgebende, vorzugsweise (relativ) ortsfeste Spule umfasst. Dabei ist die Längsachse der Spule parallel oder koaxial zur Bewegungsrichtung der Oszillatormasse. Zur Anregung kann die Spule mit vorzugsweise Wechselstrom bestromt werden, um die Schwingung der Oszillatormasse zu bewirken. Zur Auslenkung des Aktorelements kann die Höhe des Wechselstroms, mit dem die Spule beaufschlagt wird, verändert werden. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung kann sein, dass nur die statisch feststehend ausgebildete Spule der Anregungseinrichtung mit elektrischer Energie versorgt werden muss. Alternativ besteht aber selbstverständlich auch die Möglichkeit, anstelle eines Permanentmagneten einen Elektromagneten einzusetzen. Auch kann vorgesehen sein, die Oszillatormasse mit der Spule und die Anregungseinrichtung mit (mindestens) einem (Permanent- und/oder Elektro-)Magneten auszubilden. Als Anregungseinrichtung wird somit eine Einrichtung verstanden, die in Verbindung mit der Oszillatormasse (bzw. den diese ausbildenden Komponenten) eine Schwingungsanregung der Oszillatormasse bewirken kann.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aktors kann vorgesehen sein, dass die Mittel zur Beaufschlagung des Aktorelements und/oder der Oszillatormasse in eine Neutralstellung (mindestens) ein das Aktorelement in eine Neutralstellung belastendes Federelement (z. B. Schrauben, Blatt-, Teller- oder Luftfeder) umfassen, das bei der definierten Auslenkung des Aktorelements (weiter) vorgespannt (dabei kann es in der Neutralstellung bereits vorgespannt sein) wird. Dabei kann sich das Federelement zum einen an dem Aktorelement und/oder der Oszillatormasse und zum anderen an einer (relativ) ortsfesten Struktur des Aktors abstützen.
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Insbesondere kann bei einem erfindungsgemäßen Ventiltrieb vorgesehen sein, dass das Federelement das Aktorelement in eine einem geschlossenen Ventil entsprechende Neutralstellung beaufschlagt, so dass zum Öffnen des Ventils das Federelement durch eine Verstärkung der Anregung der Resonanzschwingung des Oszillators (weiter) vorgespannt wird. Durch die Vorspannung wirkt der Verschiebung der Nullpunktlage des Oszillators eine wegabhängige Kraft entgegen, die die Rückstellung des Aktorelements in die Neutralstellung bewirkt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnungen zeigen in
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1: Teile eines erfindungsgemäßen Aktors in einer perspektivischen Ansicht und in
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2: ein Weg-Zeit-Diagramm, in der die Bewegung der Oszillatormasse sowie der davon abhängigen Bewegung des Aktorelements dargestellt sind.
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Der in der 1 dargestellte Aktor umfasst einen Resonator 10, ein stabförmiges Aktorelement 12 und eine Rückstellfeder 14. Der Resonator 10 umfasst einen Oszillator, der wiederum eine Oszillatormasse 16 sowie zwei Schwingfedern 18 umfasst.
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Die Oszillatormasse 16 ist permanentmagnetisch ausgebildet und beidseitig von einem Ende je einer der Schwingfedern 18 abgestützt. Eine der Schwingfedern 18 stützt sich mit ihrem anderen Ende an einem Ende des Aktorelements 12 ab, während die andere Schwingfeder 18 mit dem entsprechend anderen Ende an einer Fläche eines nicht dargestellten Aktorgehäuses abgestützt ist. Die Oszillatormasse 16 ist nicht mit den jeweiligen Enden der Schwingfedern 18 fest verbunden.
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Der Resonator 10 umfasst weiterhin eine den Oszillator umgebende Spule 20, die an eine regelbare, elektrische Wechselspannungsquelle (nicht dargestellt) angeschlossen ist. Durch die Bestromung der Spule 20 mit einem Wechselstrom, dessen Frequenz im Wesentlichen der Resonanzfrequenz des Oszillators entspricht, wird der Oszillator in eine Resonanzschwingung angeregt. Die dabei erzeugten Massenkräfte der Oszillatormasse 16 werden von den Schwingfedern 18 an ihren entsprechenden Abstützpunkten abgestützt. Da jedoch nur der eine Abstützpunkt ortsfest ist, während der andere, von dem Aktorelement 12 ausgebildete Abstützpunkt bei ausreichender Kraft verschiebbar ist, ergibt sich bei einer Anregung des Oszillators mit zunehmender Wechselstromstärke (Scheitelwert) eine Verschiebung der Nullpunktlage der Resonanzschwingung (infolge einer Änderung der Schwingungsamplitude). Dabei wird das Aktorelement 12 entgegen der Kraft einer dadurch zunehmenden Vorspannung der Rückstellfeder 14, die mit ihrem einen Ende über einen Tellerflansch 22 an dem Aktorelement 12 und an dem anderen Ende ortsfest an dem Aktorgehäuse abgestützt ist.
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Infolge der erheblich größeren Masse des Aktorelements 12 im Vergleich zu der Oszillatormasse 16 folgt das Aktorelement 12 im Wesentlichen lediglich der Nullpunktverschiebung der Oszillatormasse 16 und nicht deren hochfrequenter Oszillation, wie dies in der 2 dargestellt ist. Dort ist im unteren Bereich des Diagramms die hochfrequente Schwingbewegung 24 der Oszillatormasse 16 sowie deren Nullpunktlage 26 dargestellt, während im oberen Bereich die durch die Schwingbewegung 24 der Oszillatormasse 16 bewirkte Bewegung 28 (im Ergebnis eine Verschiebung in einer Richtung) des Aktorelements 12 gezeigt ist. Ein Rückstellen des Aktorelements 12 in dessen Neutralstellung erfolgt nach einer Verringerung der die Anregung des Oszillators bewirkenden Wechselstromstärke durch die Kraft der vorgespannten Rückstellfeder 14. Die in der 2 dargestellte Verschiebung der Nullpunktlage 26 der Oszillatormasse 16 und damit die Bewegung 28 des Aktorelements 12 ist in Form einer gedämpften Schwingung. Es ist möglich, durch eine entsprechende Ansteuerung des Wechselstroms das Ausschwingen soweit zu beschleunigen, dass sich im Wesentlichen eine einfache Hin-und-her-Bewegung 28 des Aktorelements 12 einstellt.
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Der dargestellte Aktor eignet sich zur Ausbildung eines erfindungsgemäßen Ventiltriebs für einen Verbrennungsmotor. Dazu ist das Aktorelement 12 mit dem in der 1 dargestellten freien Ende direkt oder indirekt mit einem Ventil des Verbrennungsmotors verbunden, so dass das Ventil mittels des Aktorelements bewegt wird. Die Rückstellfeder 14 belastet das Aktorelement 12 in eine dem geschlossenen Ventil entsprechende Stellung (Neutralstellung). In dieser verbleibt das Aktorelement 12 so lange, bis durch eine Verstärkung der Anregung des Oszillators die von dem Oszillator auf das Aktorelement 12 übertragenen (mittleren) Reaktionskräfte die Vorspannkräfte der Rückstellfeder 14 übersteigen und dieses unter weiterer Vorspannung der Rückstellfeder 14 verschieben, wodurch das Ventil mehr oder weniger weit geöffnet wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Resonator
- 12
- Aktorelement
- 14
- Rückstellfeder
- 16
- Oszillatormasse
- 18
- Schwingfeder
- 20
- Spule
- 22
- Tellerflansch
- 24
- Schwingbewegung der Oszillatormasse
- 26
- Nullpunktlage der Oszillatormasse
- 28
- Bewegung des Aktorelements
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6476702 B1 [0007]
- DE 102010037922 A1 [0008]
- WO 2009/034007 A1 [0009]
