DE102012213180B4 - Linear actuator and valve actuator - Google Patents
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Abstract
Elektromagnetischer, linearer Aktuator zur Aktivierung eines Gaswechselventils, wobei der Aktuator aus einem fest stehenden Teil (5, 1) und einem linear beweglichen Teil (2, 3) gebildet ist und der fest stehende Teil (5, 1) zumindest ein Gehäuse (5, 25) und eine in dem Gehäuse (5, 25) befestigte, erste Spule (1) aufweist und der bewegliche Teil (2, 3) zumindest einen Stößel (3) und eine auf dem Stößel (3) befestigte zweite Spule (2) aufweist, wobei beide Spulen (1, 2) konzentrisch um den Stößel (3) angeordnet sind und sich bei Bestromung die zweite Spule (2) axial an die erste Spule (1) annähert und/oder sich zumindest teilweise in diese hineinbewegt und wobei am Stößel (3) ein Bewegungsdämpfer (6) angebracht ist, der zur Interaktion mit einem bewegungsbegrenzenden Element (23) vorgesehen ist.Electromagnetic, linear actuator for activating a gas exchange valve, the actuator being formed from a fixed part (5, 1) and a linearly movable part (2, 3) and the fixed part (5, 1) at least one housing (5, 25) and a first coil (1) fastened in the housing (5, 25) and the movable part (2, 3) has at least one plunger (3) and a second coil (2) fastened on the plunger (3) , whereby both coils (1, 2) are arranged concentrically around the plunger (3) and, when energized, the second coil (2) axially approaches the first coil (1) and / or moves at least partially into it and on the plunger (3) a movement damper (6) is attached, which is provided for interaction with a movement-limiting element (23).
Description
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen, linearen Aktuator zur Aktivierung eines Gasventils, wobei der Aktuator aus einem fest stehenden Teil und einem linear beweglichen Teil gebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Ventilbetätigungsvorrichtung mit einem derartigen elektromagnetischen, linearen Aktuator.The invention relates to an electromagnetic, linear actuator for activating a gas valve, wherein the actuator is formed of a fixed part and a linearly movable part. Furthermore, the invention relates to a valve actuating device with such an electromagnetic, linear actuator.
Ein derartiger Aktuator kommt in Brennkraftmaschinen zum Einsatz, die keine Nockenwelle erfordern und deren Gasventile über die elektromagnetischen Aktuatoren und eine Ansteuerelektronik im Sinne des bekannten Motorbetriebes gesteuert werden. Somit werden sich drehende, gewichtige Mechanikteile durch den Aktuator mit Steuerelektronik ersetzt, womit neben einem Gewichtsvorteil auch ein Bauraumvorteil im Motorraum eines Fahrzeuges entstehen.Such an actuator is used in internal combustion engines that do not require a camshaft and whose gas valves are controlled by the electromagnetic actuators and a control electronics in the sense of the known engine operation. Thus, rotating, weighty mechanical parts are replaced by the actuator with control electronics, which in addition to a weight advantage and a space advantage in the engine compartment of a vehicle arise.
Die Ventile, wie sie in der Patentschrift
Magnetventile für diese Anwendung sind auch aus der
Problematisch an den bereits bekannten Lösungen ist, dass bei der erforderlichen Betätigungskraft die betätigenden Einheiten eine nicht unerhebliche Größe annehmen, die den Raum um den Zylinderkopf nachteilig befüllt. Jedoch erlaubt eine minimal erforderliche Betätigungskraft eine weitere Verkleinerung dieser Einheit nicht.The problem with the already known solutions is that, given the required actuating force, the actuating units assume a considerable size, which unfavorably fills the space around the cylinder head. However, a minimum required operating force does not allow further reduction of this unit.
Ein elektromagnetischer Linearaktuator der eingangs genannten Art ist aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktuator bzw. eine Ventilbetätigungsvorrichtung anzugeben, die eine hohe Betätigungskraft aufbringt und dennoch nur geringen Bauraum benötigt.The invention has for its object to provide an actuator or a valve actuating device which applies a high actuation force and yet requires only little space.
Diese Aufgabe wird durch einen Aktuator mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen bzw. durch eine Ventilbetätigungsvorrichtung gemäß Anspruch 8 gelöst.This object is achieved by an actuator having the features specified in claim 1 or by a valve actuating device according to
Erfindungsgemäß ist der elektromagnetische, lineare Aktuator zur Aktuierung eines Gasventils aus einem fest stehenden Teil und einem linear beweglichen Teil gebildet. Dabei weist der fest stehende Teil zumindest ein Gehäuse und eine in dem Gehäuse befestigte, erste Spule auf. Ferner weist der bewegliche Teil zumindest einen Stößel und eine auf dem Stößel befestigte, zweite Spule auf. Durch eine entsprechende Bestromung interagieren erste und zweite Spule elektromagnetisch, sodass eine Betätigung bzw. eine lineare Bewegung verursacht wird. Die erste Spule ist im Gehäuse befestigt, welches wiederum im Motorraum, insbesondere in der Nähe des Zylinderkopfes, befestigt wird. Bei Bestromung wird folglich die zweite Spule und alles was daran befestigt ist, zur linearen Bewegung gezwungen. Somit treibt die zweite Spule insbesondere den Stößel an, mit dem sie verbunden ist, um eine Aktuierung des mit dem Stößel verbundenen Gaswechselventils zu erzielen.According to the electromagnetic linear actuator for actuating a gas valve from a fixed part and a linearly movable part is formed. In this case, the fixed part has at least one housing and a first coil mounted in the housing. Furthermore, the movable part has at least one plunger and a second coil mounted on the plunger. By a corresponding energization, the first and second coils interact electromagnetically, so that an actuation or a linear movement is caused. The first coil is mounted in the housing, which in turn is mounted in the engine compartment, in particular in the vicinity of the cylinder head. When energized, therefore, the second coil and everything attached to it is forced to move linearly. Thus, the second spool in particular drives the plunger with which it is connected in order to achieve an actuation of the gas exchange valve connected to the plunger.
Die beiden Spulen sind konzentrisch um den Stößel angeordnet. Bei Bestromung nähert sich die zweite Spule axial an die erste Spule an oder wird sogar teilweise in diese hineingezogen. Bei entgegengesetzter Bestromung kann ggf. auch eine Rückbewegung stattfinden.The two coils are arranged concentrically around the plunger. When energized, the second coil approaches axially to the first coil or is even partially drawn into this. In the case of opposite energization, a return movement may possibly also take place.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform baut ein Rückstellelement, insbesondere eine Feder, eine Rückstellkraft bei Bestromung auf, um das bewegliche Teil in Bezug zu dem fest stehenden Teil in eine Ausgangsstellung zu bewegen. Mit anderen Worten, bei Bestromung bewegt sich das bewegliche Teil mit dem Stößel in die Betätigtenstellung, um bei nachlassender oder wegfallender Bestromung wieder in die Ausgangsstellung zu gelangen. Damit wäre eine entgegengerichtete Bestromung zur Rückbewegung des beweglichen Teils nicht erforderlich.In an advantageous embodiment, a restoring element, in particular a spring, builds up a restoring force when energized, in order to move the movable part relative to the fixed part into an initial position. In other words, when energized, the movable part moves with the plunger in the actuated position to get back to the starting position with decreasing or dropping current. This would not require a counter current to the return movement of the movable part.
Vorteilhafterweise ist das Gehäuse zumindest teilweise oder auch ganz aus tiefgezogenem Metall gefertigt. Tiefgezogenes Metall kann kalt umgeformt werden und ist sehr viel einfacher zur Herstellung des Gehäuses einzusetzen, d. h. auszustanzen oder anderweitig umzubilden. Darüber hinaus lassen sich die Leistungseigenschaften des Aktuators verbessern, weil das verwendete Material sehr dünnwandig ist und somit mehr Platz für die Spulen und den Stößel verbleiben. Dies gilt insbesondere für die Radialrichtung, in der beide Spulen im jeweiligen Gehäuseteil radial nach außen mehr Bauraum einnehmen können und somit erheblich zu einer Betätigungskraftsteigerung beitragen. Wie bereits vorher angedeutet ist es vorteilhaft, bei der Bestromung nur eine Bewegungsrichtung zuzulassen. Für derartige Ausführungsformen ist es wiederum weiter bevorzugt, wenn der bewegliche Teil einen Bewegungsdämpfer aufweist, in dem beispielsweise der Bewegungsdämpfer am Stößel angebracht ist, wobei der Bewegungsdampfer zur Interaktion mit einem bewegungsbegrenzenden Element vorgesehen ist. Das bewegungsbegrenzende Element ist mittelbar oder unmittelbar am Gehäuse des Aktuators befestigt, und nimmt die Bewegungsenergie des Stößels auf, sofern dieser nicht durch das zu betätigende Gasventil bereits derart heruntergebremst wird, sodass eine weitere Entschleunigung nicht mehr erforderlich wäre. Somit begrenzt das bewegungsbegrenzende Element auch die Betätigungsstrecke des Aktuators. Daran ist vorteilhaft, dass sowohl der Bewegungsdämpfer als auch das bewegungsbegrenzende Element im Wesentlichen im Spuleninnenraum der ersten Spule angeordnet werden können und damit weiter Bauraum einsparen.Advantageously, the housing is at least partially or entirely made of deep-drawn metal. Deep-drawn metal can be cold formed and is much easier to use for the manufacture of the housing, ie auszustanzen or otherwise transform. In addition, the performance characteristics of the actuator can be improved because the material used is very thin-walled and thus more space for the coils and the plunger remain. This applies in particular to the radial direction, in which both coils can occupy more space in the respective housing part radially outwards and thus contribute significantly to an increase in operating force. As already indicated above, it is advantageous to allow only one direction of movement during energization. For such embodiments, it is again preferred if the movable part has a motion damper, in which, for example, the motion damper is mounted on the plunger, wherein the Movement steamer is provided for interaction with a movement-limiting element. The movement-limiting element is attached directly or indirectly to the housing of the actuator, and absorbs the kinetic energy of the plunger, unless it is already braked down by the gas valve to be actuated, so that a further deceleration would no longer be required. Thus, the movement-limiting element also limits the actuation path of the actuator. It is advantageous that both the motion damper and the motion-limiting element can be arranged substantially in the coil interior of the first coil and thus further save installation space.
Das bewegungsbegrenzende Element kann eine Lagerung des Stößels zumindest teilweise umfassen. Der Stößel könnte gegenüber dem Gehäuse wälzgelagert sein, sodass dieser bei einer möglichst geringen magnetischen Kraft bereits aus seiner Ausgangsstellung in die Betätigungsstellung bewegbar ist. Auf diese Weise kann die Haftreibung weitgehend reduziert werden.The movement-limiting element may at least partially comprise a bearing of the plunger. The plunger could be roller-mounted with respect to the housing, so that it is already movable from its initial position into the actuated position with the lowest possible magnetic force. In this way, the static friction can be largely reduced.
Es ist definitiv vorteilhaft, wenn die erste Spule das bewegungsbegrenzende Element und/oder den Bewegungsdämpfer zumindest teilweise umfasst, damit der Innenraum der ersten Spule möglichst optimal ausgenutzt werden kann.It is definitely advantageous if the first coil at least partially encloses the movement-limiting element and / or the motion damper so that the interior of the first coil can be utilized optimally.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird der Bewegungsdämpfer bei der Interaktion mit dem bewegungsbegrenzenden Element senkrecht zur Betätigungsrichtung des Stößels aufgeweitet. Dies führt zu einer elastischen Beanspruchung des Bewegungsdämpfers, womit die Bewegungsenergie in Verformungsenergie umwandelbar ist und somit den beweglichen Teil, insbesondere den Stößel, bis zum Stillstand hin abbremst.In a preferred embodiment, the motion damper is widened in the interaction with the movement-limiting element perpendicular to the actuation direction of the plunger. This leads to an elastic stress of the motion damper, whereby the kinetic energy is convertible into deformation energy and thus slows down the moving part, in particular the plunger, to a standstill.
Bei einer konischen Ausbildung des bewegungsbegrenzenden Elementes entsteht ein weiterer Vorteil, weil die Elastizitätskonstante aufgrund der konischen Struktur dahingehend änderbar ist, dass mit zunehmender elastischer Beanspruchung die Umwandlung der Bewegungsenergie immer schneller, d. h. bei kürzerem Bremsweg, in elastische Verformungsenergie bewerkstelligt wird. Alternativ könnte dies nur durch eine größere Anhäufung von elastischem Material am Bewegungsdämpfers bewerkstelligt werden, wobei dieses Material jedoch sehr viel Platz wegnehmen würde. Der Konus ersetzt somit eine größere Materialaufwendung am beweglichen Teil.In a conical design of the movement-limiting element, a further advantage arises because the elastic constant due to the conical structure is changeable to the effect that with increasing elastic stress, the transformation of the kinetic energy faster, d. H. with shorter braking distance, in elastic deformation energy is accomplished. Alternatively, this could only be accomplished by a greater accumulation of elastic material on the muffler, but this material would take up a great deal of space. The cone thus replaces a larger amount of material on the moving part.
Somit kann die erfindungsgemäße Ventilbetätigungsvorrichtung ohne Nockenwelle nunmehr mit einem um eine Achse drehbaren Hebel und einem erfindungsgemäßen Aktuator umgesetzt werden. Dabei ist ein erstes, langes Hebelstück in Bezug zur Achse vom Stößel betätigbar und ein zweites, kurzes Hebelstück in Bezug zur Achse zur Betätigung des Gaswechselventils vorgesehen. Langes bzw. kurzes Hebelstück bedeutet in diesem Fall, dass das erste Hebelstück das längere Hebelstück im Vergleich zum zweiten Hebelstück darstellt. Beide Hebelstücke bzw. deren Längenverhältnis definieren auch das Verhältnis der hebelverstärkten Betätigungskraft des Gasventils zur Betätigungskraft des Aktuators.Thus, the valve operating device according to the invention without camshaft can now be implemented with a lever rotatable about an axis and an actuator according to the invention. In this case, a first, long lever piece with respect to the axis of the plunger operable and a second, short lever piece with respect to the axis for actuating the gas exchange valve is provided. Long or short lever piece in this case means that the first lever piece represents the longer lever piece compared to the second lever piece. Both lever pieces or their length ratio also define the ratio of the lever-reinforced actuating force of the gas valve to the actuating force of the actuator.
Vorteilhafterweise ist der genannte Hebel aus zwei Metallstreifen gefertigt, die aufeinander befestigt sind. Die Drehachse kann an einer Stelle des Hebels befestigt sein, an der sie beide Metallstreifen voneinander separiert. An dieser Stelle können Achse und Metallstreifen miteinander befestigt sein, wie z. B. über eine Schweißung oder eine gemeinsame Verformung. Die beiden Endstücke des Hebels definieren jeweils den Beginn des ersten und zweiten Hebelstücks, die beide an der Achse enden.Advantageously, said lever is made of two metal strips which are fastened to each other. The axis of rotation may be attached to a location of the lever where it separates both metal strips from each other. At this point axle and metal strips can be fastened together, such. B. via a weld or a common deformation. The two end pieces of the lever each define the beginning of the first and second lever piece, both of which end at the axis.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen und bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind der Figurenbeschreibung und/oder den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantageous embodiments and preferred developments of the invention can be taken from the description of the figures and / or the dependent claims.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert.The invention will be described and explained in more detail below with reference to the embodiments illustrated in the figures.
Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures
Es zeigen:Show it:
Detaillierte Beschreibung der FigurenDetailed description of the figures
Die Rückstellfeder
Bei jeder Translation des beweglichen Teils, der aus dem Stößel
Aufgrund der dünnen Wandung des zweiten Gehäuseteils
Die zweite Spule
Sollte bei einer derartigen Betätigung die für das Gasventil aufzubringende Betätigungskraft nicht genug sein, den beweglichen Teil zu stoppen, so wird durch die Interaktion des bewegungsbegrenzenden Elementes
Das bewegungsbegrenzende Teil
Der Bewegungsdämpfer
Vorteilhafterweise ist eine weitere Lagerung
Das zweite Gehäuseteil
Im Ausführungsbeispiel der
Vorteilhaft ist ferner, dass der Hebel
Aufgrund des Einsatzes des Leichtbauhebels
Damit eine Nockenwelle komplett ersetzt werden kann, müssen nun die linearen Aktuatoren mittels einer Steuerelektronik derart angesteuert werden, dass der Motor optimal läuft. Das Weglassen der Nockenwellen führt zu einer erheblichen Gewichtsersparnis und somit auch zu einer erheblichen Kraftstoffersparnis, zumal die Nockenwelle zu den bewegten Teilen des Motors gehört. Außerdem sind elektrische Kontrollsysteme in den letzten Jahren sehr preisgünstig geworden, sodass hydraulische Systeme möglicherweise bald durch elektromagnetisch linear aktuierte Systeme ersetzt werden können.So that a camshaft can be completely replaced, now the linear actuators must be controlled by means of control electronics such that the engine runs optimally. The omission of the camshaft leads to a significant weight savings and thus also to a significant fuel economy, especially since the camshaft belongs to the moving parts of the engine. In addition, electrical control systems have become very inexpensive in recent years, so that hydraulic systems may soon be replaced by electromagnetically linear actuated systems.
Die Versorgungsleitungen
Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen elektromagnetischen, linearen Aktuator und eine Ventilbetätigungsvorrichtung mit einem Hebel und dem besagten Aktuator, wobei sowohl die Vorrichtung als auch der Aktuator gewichtsreduziert sind und in Verbindung mit einem elektronischen Kontrollsystem dazu in der Lage sind, eine Brennkraftmaschine ohne Nockenwelle zu betreiben. Die erhöhte Betätigungskraft wird zum einen hervorgerufen durch eine Ausbildung des Gehäuses bzw. der Gehäuseteile des Aktuators aus tief gezogenen Blechteilen, womit für die erste und zweite Spule des Aktuators mehr Bauraum bleibt und somit eine stärkere magnetische Interaktion bei der Betätigung stattfinden kann. Ferner wird ein Hebel vorgeschlagen, der zur Kopplung des Stößels mit dem Gaswechselventil vorgesehen sein soll und über eine entsprechende Übersetzung eine Vergrößerung der Betätigungskraft hervorruft. Des Weiteren stellt sich der Vorteil ein, den linearen Aktuator nicht unmittelbar am Zylinderkopf anordnen zu müssen. Neben einer großen Gewichtsersparnis aufgrund der fehlenden Nockenwelle kann ferner von einer Kraftstoffersparnis profitiert werden, da wenige bewegliche Teile vorhanden sind.In summary, the invention relates to an electromagnetic, linear actuator and a valve actuator with a lever and the said actuator, wherein both the device and the actuator are weight-reduced and in conjunction with an electronic control system are able to operate an internal combustion engine without a camshaft. The increased operating force is caused on the one hand by a design of the housing or the housing parts of the actuator from deep drawn sheet metal parts, which remains for the first and second coil of the actuator more space and thus a stronger magnetic interaction can take place during actuation. Further, a lever is proposed, which is to be provided for coupling the plunger with the gas exchange valve and causes an increase in the actuation force via a corresponding translation. Furthermore, there is the advantage that the linear actuator does not have to be arranged directly on the cylinder head. In addition to a large weight savings due to the lack of camshaft can also be benefited by a fuel economy, since there are few moving parts.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- erste Spulefirst coil
- 22
- zweite Spulesecond coil
- 33
- Stößeltappet
- 44
- Lagerungstorage
- 55
- erster Gehäuseteilfirst housing part
- 66
- Bewegungsdämpfermotion damper
- 77
- Zwischenraumgap
- 88th
- Federbefestigungspring mounting
- 99
- Lagerungstorage
- 1010
- RückstellfederReturn spring
- 1111
- Nieterivet
- 1212
- Hebellever
- 1313
- Stößelverlängerungram extension
- 1414
- GaswechselventilGas exchange valve
- 1515
- Spannungsversorgungpower supply
- 1616
- Steuereinheitcontrol unit
- 2121
- SensorbusSensorbus
- 1717
- Batteriebattery
- 1818
- Kurbelwellecrankshaft
- 1919
- Geschwindigkeitssensorspeed sensor
- 2020
- Positionssensorposition sensor
- 2222
- AktuatorbusAktuatorbus
- 2323
- Drehachseaxis of rotation
- 2525
- zweites Gehäuseteilsecond housing part
Claims (9)
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- 2012-07-26 DE DE102012213180.9A patent/DE102012213180B4/en not_active Expired - Fee Related
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