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Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen
oder elektromechanischen Stellantrieb für Ventile, insbesondere einen
elektromagnetischen oder elektromechanischen Stellantrieb für Ventile
mit integrierten luftgepolsterten Kolben oder mit Anordnungen, welche
ein selektives Verlangsamen der beweglichen Komponenten des Stellantriebes
ermöglichen,
wenn diese sich in ihren jeweiligen Sitz bewegen, wodurch ein "weicher Anschlag" der Komponenten
ermöglicht
wird und somit Schlageffekte (hammering effects) sowie Lärm und Vibrationenshärte (NVH =
noise and vibration harshness) wesentlich reduziert oder eliminiert
werden.
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Ventilstellantriebsanordnungen und
-systeme werden in Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt, um die
Einlass- und/oder Auslassventile des Motors zu öffnen bzw. zu schließen. Bekannte
Einrichtungen zur Ventilsteuerung beinhalten typischerweise eine
oder mehrere Nockenwellen, die selektiv mit den Ventilen in Eingriff
stehen. Hierdurch wird ein Öffnen
und Schließen
der Ventile entsprechend einer vorgegebenen Einstellabfolge oder
-strategie bewirkt. In diesem Zusammenhang wurden vielfältige Anstrengungen
unternommen, um die Effizienz von Kraftfahrzeugmotoren zu erhöhen und
die Emissionen zu reduzieren. Zu diesem Zweck ist es bekannt, die
Einlass- und Auslassventile ohne Nockenwellen mittels selek tiv steuerbarer
elektromagnetischer oder elektromechanischer Stellantriebe zu betätigen.
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Derartige elektromechanische Ventilstellantriebe
ermöglichen
eine von der Fahrzeugkurbelwelle unabhängige Ventilsteuerung. Diese
Unabhängigkeit ermöglicht eine
Optimierung der Stellereignisse für die Einlass- und Auslassventile
bei allen Betriebsbedingungen des Motors. Durch eine Steuerung der Einlassventilereignisse
kann in der Regel auf eine Drosselung des Motors verzichtet werden,
was zu einer erheblichen Reduzierung des Kraftstoffverbrauches führen kann.
Eine Optimierung der Ventilsteuerung über den gesamten Drehzahlbereich
des Motors kann weiterhin zu einer "flacheren" und effizienteren Drehmomentkurve führen als
dies mit einem herkömmlichen
Nockensystem möglich
wäre, welches
einen Kompromiss zwischen einem Betrieb mit niedriger Drehzahl (low
rpm) und hoher Drehzahl (high rpm) darstellt. Weitere Vorteile von
elektromechanischen Ventilstellantrieben bzw. von nokkenlosen (camless)
Systemen liegen beispielsweise in der möglichen Eliminierung von externen
EGR-Systemen (EGR = exhaust gas recirculation = Abgasrückführung) und
Drosselungs-Untersystemen
(throttling subsystems), der Möglichkeit
des Betriebs sog. DBV-Systeme (DBV = drive by valve), mittels derer eine
besonders schnelle Reaktion auf Drehmomentanforderungen ermöglicht wird,
der selektiven Aktivierung und Reaktivierung individueller Zylinder
in einem Motor mit variablem Hubraum (Reaktivierung einzelner Zylinder),
sowie der Ermöglichung
einer Ventilsteuerung entsprechend einem Miller-Zyklusmotor (Miller
cycle engine).
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Ein übliches elektromagnetisches
oder elektromechanisches Ventil umfasst eine magnetische Spule zum
Schließen
("Schließspule"), eine magnetische
Spule zum Öffnen
("Öffnungsspule"), eine Ankerplatte
(armature) und zwei im We sentlichen identische Federn. Wenn die
Spulen nicht stromführend sind,
sind die beiden Federn in gleichem Maße komprimiert und die Ankerplatte
befindet sich "auf
halbem Wege" zwischen
den Spulen. Um das Ventil zu öffnen,
wird die Öffnungsspule
mit Strom versorgt, wodurch die Ankerplatte angezogen und das Ventil
in geöffneter
Stellung gehalten wird. Um das Ventil zu schließen, wird der Haltestromfluss
zur Öffnungsspule
abgeschaltet, wodurch die Kraft der Ventilfedern das Ventil in Richtung
seines Sitzes beschleunigt. Auf halber Strecke des Weges ändert die
Federkraft ihre Richtung und verlangsamt das Ventil. Um zu gewährleisten,
dass das Ventil tatsächlich
auf seinen Sitz anschlägt,
wird die Schließspule
mit Strom versorgt, wodurch die Ankerplatte aufwärts gezogen und hierdurch das
Ventil geschlossen wird.
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Eine Steuerung der Geschwindigkeit
des Ventils bei der Herstellung des Kontakts mit seinem Sitz (d.h.
der "Sitzgeschwindigkeit") ist wichtig, um
einen ruhigen Ventilbetrieb zu gewährleisten. Wenn die Sitzgeschwindigkeit
nicht reduziert wird, um ein relativ weiches Anschlagen zu erreichen,
kann das Anschlagen insbesondere zu einem "Schlageffekt" führen,
der ein inakzeptables NVH-Maß und
eine gesteigerte Abnutzung des Stellantriebs, der Ventile und der
Ventilsitze zur Folge haben kann. Eine Kontrolle der Ventilgeschwindigkeit
während
des Ventilöffnungsvorganges
ist aus den gleichen Gründen ähnlich wichtig.
Es ist insbesondere wichtig, die Geschwindigkeit des Ventils beim Öffnen zu
reduzieren, um ein bei voll geöffnetem
Ventil potentiell auftretendes Schlagen der Ventilstellantriebskomponenten gegeneinander
zu vermindern.
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In der
DE 198 03 896 A1 ist ein
elektromagnetischer Stellantrieb zum Öffnen und Schließen eines
Zylinderventils offenbart, welcher eine pneumatische Dämpferanordnung
umfasst, die eine Verlangsamung des Ventils während der Endphase des Schließens bewirkt.
Die Dämpfungsanordnung
wird dabei durch einen Kolben gebildet, welcher innerhalb eines
Zylinders verschiebebeweglich angeordnet ist. Wenn das Ventil sich
seiner Schließstellung
nähert, stößt sein
Ventilschaft an den genannten Kolben an, wodurch dieser innerhalb
des Zylinders vorgeschoben wird und dabei ein Hydraulikfluid über eine
Drossel zu einer Druckfluidversorgung austreibt. Bewegt sich das
Ventil anschließend
wieder in seine Offenstellung, so wird der Kolben durch eine Rückstellfeder
in die ursprüngliche
Lage zurück
geschoben, wobei das verdrängte
Fluid wieder über
ein Rückschlagventil
in die Zylinderkammer strömt.
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Ferner offenbart die
DE 198 41 124 A1 einen elektromagnetischen
Stellantrieb für
ein Ventil, bei welchem ein zweigeteilter Ventilschaft durch Elektromagnete
und eine Feder zwischen einer Öffnungsstellung
und einer Schließstellung
verstellt wird. Der Ventilschaft ist dabei mit in Zylindern gelagerten
Kolben verbunden, welche als pneumatische Rückstellfedern wirken und steuerbar
mit einer Gasdruckversorgung verbunden sind.
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Bei der
DE 296 04 946 U1 ist der
elektromagnetische Mechanismus eines Ventils innerhalb eines Gehäuses gelagert,
welches zu Justierungszwecken seinerseits mittels eines Kolben-Zylinder-Mechanismus
verschiebebeweglich in einem Außengehäuse sitzt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung,
einen neuen und verbesserten elektromechanischen oder elektromagnetischen
Stellantrieb für
Ventile zu schaffen, der ein weiches Anschlagen der beweglichen Komponenten
des Ventils und eine wesentliche Reduzierung von Schlag- und NVH-Effekten
ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen
elektromagnetischen Stellantrieb gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung bilden die Gegenstände
der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße elektromagnetische oder
elektromechanische Stellantrieb für Ventile beinhaltet dämpfende
Anordnungen oder Einrichtungen, die insbesondere eine wesentliche
NVH-Reduzierung während
der Öffnungs-
und Schließvorgänge bewirken.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden
Erfindung liegt insbesondere darin, dass einer oder mehrere integrierte,
gedämpfte
Kolben (oder Anordnungen) vorgesehen sind, welcher bzw. welche ein
selektives Verlangsamen der beweglichen Komponenten des Stellantriebs
ermöglicht
bzw. ermöglichen, wenn
diese sich in ihren jeweiligen Sitz bewegen. Hierdurch wird ein "weicher Anschlag" der Komponenten
ermöglicht,
wodurch Schlag- und NVH-Effekte reduziert oder eliminiert werden.
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Erfindungsgemäß wird in vorteilhafter Weise insbesondere
ein elektromagnetischer Stellantrieb zur Verwendung beim Öffnen und
Schließen
eines Ventils mit einem Ventilschaft in einem Zylinder zur Verfügung gestellt,
welcher eine Spule zum Schließen
des Ventils, eine Spule zum Öffnen
des Ventils und eine mit dem Ventilschaft gekoppelte Ankerplatte aufweist,
wobei der Stellantrieb zwischen der Spule zum Schließen und
der Spule zum Öffnen
angeordnet ist. Es ist ferner erfin dungsgemäß ein mit der Spule zum Schließen gekoppeltes
Gehäuse
und eine pneumatische Dämpfungsanordnung
vorgesehen, welche innerhalb des Gehäuses angeordnet ist und ein
Verlangsamen des Ventils während
des Ventilschließvorganges
ermöglicht.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand
der Zeichnungen beispielhaft näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen elektromechanischen Stellantriebs für Ventile
in einer bevorzugten Ausführungsform,
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2 eine
Schnittdarstellung einer Ankerplatten-Dämpfungseinrichtung zur Verwendung
innerhalb eines elektromechanischen Stellantriebes für Ventile
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung,
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3 eine
Schnittansicht einer Ankerplatten-Dämpfungseinrichtung zur Verwendung
innerhalb eines elektromechanischen Stellantriebes für Ventile
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung, und
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4 ein
graphisches Diagramm der Dämpfungskraft,
die durch eine pneumatische Dämpfungsanordnung
erzeugt und innerhalb einer nicht einschränkend aufzufassenden Ausführungsform
der Erfindung verwendet wird, aufgetragen gegen die Größe des Zwischenraums
oberhalb des Dämpfungskolbens.
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1 zeigt
einen elektromagnetischen oder elektromechanischen Stellantrieb 10 für Ventile
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, welcher zur Verwendung in Kombination mit einer Verbrennungskraftmaschine
mit mehreren, im Wesentlichen identischen Zylindern 12 vorgesehen ist.
Jeder Zylinder 12 beinhaltet zumindest ein (Einlass-)Ventil 14,
welches dem Zylinder 12 durch die Einlassöffnung 16 selektiv
ein Luft-/Kraftstoffgemisch zuführt.
Der Zylinder 12 beinhaltet ferner zumindest ein Auslassventil
(hier nicht dargestellt), welches selektiv Abgase aus dem Zylinder 12 durch
eine Auslassöffnung
auslässt.
Unabhängig
davon, dass im Folgenden der Betrieb des Ventilstellantriebes 10 am Beispiel
eines (Einlass-)Ventils 14 dargestellt wird, ist zu beachten,
dass der Ventilstellantrieb 10 ebenso für die Verwendung bei Auslassventilen
geeignet ist, auf eine im Wesentlichen identische Weise funktioniert
und im Wesentlichen identische Vorteile für den Betrieb in Zusammenhang
mit Auslassventilen bietet.
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Der Stellantrieb 10 umfasst
eine Spule 20 zum Öffnen
des Ventils 14, eine Spule 22 zum Schließen des
Ventils 14 und eine zwischen den Spulen 20, 22 angeordnete
Ankerplatte 26, welche mit einer Stange oder einem Schaft 28 des
Ventils 14 fest verbunden ist. Es sind ferner ein Paar
herkömmlicher Ventilfedern 30, 32,
eine Luft-Dämpfungsanordnung 34 sowie
eine pneumatische Dämpfungseinrichtung 36 vorgesehen.
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Oberhalb der Spule 22 ist
ein im Wesentlichen zylindrisches oberes Gehäuse 38 angeordnet und
mit dieser verbunden. Das Gehäuse 38 umfasst eine
integriert geformte, zylindrische Bohrung 40, eine Öffnungs-Ventilfeder 32,
welche um die Bohrung 40 gewunden und/oder angeordnet ist,
sowie einen Kolben 42, der gleitfähig innerhalb der Bohrung 40 angeordnet
ist. Der Kolben 42 ist mit dem Schaft 28 des Ventils
fest verbunden und umfasst einen Lüftungskanal 44, der
sich von der oberen Oberfläche des
Kolbens 42 zu den seitlichen Oberflächen des Kolbens 42 erstreckt,
einen ringförmigen
Schmier- bzw. Dichtungsring 46, der in die innere Oberfläche der
Bohrung 40 eingreift und ein Entweichen der innerhalb der
Bohrung 40 befindlichen Luft über die Randbereiche des Kolbens 42 verhindert,
sowie einen oberen Flansch oder ringförmigen Wulst 48, an den
die untere Seite bzw. das Ende der Öffnungs-Ventilfeder 32 anschlägt. Der
Kolben 42 ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass dieser
eine minimale Masse aufweist. So kann der Kolben beispielsweise
aus Materialien mit geringer Dichte, wie beispielsweise Aluminium,
Magnesium, Titan oder Verbundwerkstoffen hergestellt sein. Die obere
Seite oder das Ende der Öffnungs-Ventilfeder 32 schlägt an der
oberen Oberfläche
des Gehäuses 38 an.
In die Seite der Bohrung 40 ist eine Lüftungsöffnung 54 eingeformt,
die mit dem Lüftungskanal 44 in
Verbindung steht, wenn der Kolben 42 eine gewisse Stellung
während
des Schließtaktes
des Ventils (d.h. in der Nähe
des Endes des Schließtaktes
des Ventils) erreicht. Hierdurch wird ein Entweichen der Luft durch
die Lüftungsöffnung 54 ermöglicht.
Die Bohrung 40 und der Kolben 42 bilden gemeinsam
eine Luft-Dämpfungsanordnung 34,
die ein selektives Verlangsamen des Ventils 14 ermöglicht,
wenn dieses sich in den Ventilsitz 15 bewegt. Diese Ausgestaltung wird
weiter unten ausführlicher
beschrieben.
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Innerhalb der oberen Oberflächen des
Gehäuses 38 ist
ein Rückschlagventil 50 angeordnet, welches
ein Eintreten von Luft in die Bohrung 40 bei Öffnung des
Ventils 14 ermöglicht,
während
ein Entweichen der Luft durch die Bohrung 40 beim Schließen des
Ventils 14 verhindert wird. In die obere Oberfläche des
Gehäuses 38 ist
ferner eine kleine Öffnung 52 eingeformt,
um den Druck innerhalb der Bohrung 40 zu regulieren.
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Zwischen den Spulen 20, 22 ist
eine im Wesentlichen zylindrische Kammer 56 angeordnet,
welche mit den Spulen 20, 22 fest verbunden ist.
Die Ankerplatte 26 ist gleitfähig innerhalb der Kammer 56 angeordnet
und umfasst einen Lüftungskanal 59,
der sich von der unteren Oberfläche
der Ankerplatte 26 zu den seitlichen Oberflächen der
Ankerplatte 26 erstreckt. Die Kammer 56 weist
eine Lüftungsöffnung 58 auf,
die in die Seite der Kammer 56 eingeformt ist und selektiv
mit dem Lüftungskanal 59 in
Verbindung steht, wenn die Ankerplatte 26 eine gewisse
Stellung während
des Öffnungstaktes
des Ventils 14 (d.h. in der Nähe des Endes des Öffnungstaktes
des Ventils 14) erreicht. In die Seite der Kammer 56 sind
ferner eine kleine Öffnung 60 und
ein Rückschlagventil 62 eingebunden. Über die
kleine Öffnung 60 wird
der Druck innerhalb der Kammer 56 reguliert. Das Rückschlagventil 62 ermöglicht den
Eintritt von Luft in die Kammer 56 während eines Schließtaktes
des Ventils 14, wobei gleichzeitig ein Entweichen von Luft
aus der Kammer 56 während
eines Öffnungstaktes
des Ventils 14 verhindert wird. Ein Paar herkömmlicher Dichtungen 64, 66 ist
jeweils zwischen den Spulen 20, 22 und dem Schaft 28 angeordnet.
Diese Dichtungen 64, 66 verhindern ein Entweichen
von Luft aus der Kammer 56 über die Randbereiche des Schafts 28.
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In einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung können
die kleine Öffnung 60,
das Rückschlagventil 62 und
die Dichtungen 64, 66 auch weggelassen werden.
In diesem Fall sind die kleinen Lücken zwischen dem Schaft 28 und
den Spulen 20, 22 derart ausgestaltet und/oder
dimensioniert, dass diese einen selektiven Ein- und Austritt von
Luft in die Kammer 56 bzw. aus der Kammer 56 mit
einer bestimmten gewünschten
Rate ermöglichen, wodurch der
Druck innerhalb der Kammer 56 reguliert werden kann. In
einer weiteren besonderen Ausführungsform der
Erfindung ist die Dämpfungseinrichtung 36 durch Entfernen
des Lüftungskanals 59,
der Lüftungsöffnung 58,
der kleinen Öffnung 60,
des Rückschlagventils 62 und
der Dichtungen 64, 66 eliminiert. In diesem Fall
wird die Dämpfung
während
der Ventilschließvorgänge ausschließlich mittels
der Dämpfungsanordnung 34 erreicht.
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Die Ankerplatte 26 und die
Kammer 56 bilden gemeinsam die Luft-Dämpfungseinrichtung 36, welche
eine effektive Verlangsamung der Ankerplatte 26 bewirkt,
wenn diese sich der Spule 20 während eines Öffnungstaktes
des Ventils 14 nähert.
Diese Ausführungsform
wird weiter unten näher
erläutert.
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Eine im Wesentlichen zylindrische
untere Federkammer 68 ist unterhalb der Spule 20 angeordnet und
mit dieser gekoppelt. Die Federkammer 68 beinhaltet eine
Schließ-Ventilfeder 30.
Die untere Seite oder das Ende der Schließ-Ventilfeder 30 schlägt an der
unteren Oberfläche
der Federkammer 68 an, während die obere Seite oder
das obere Ende der Ventilfeder 30 am Flansch 70 anschlägt, der
mit dem Schaftbereich 28 verbunden ist. In einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung sind das Gehäuse 38,
die Kammer 56 und die Federkammer 68 zu einer gemeinsamen,
einzigen Struktur miteinander verbunden und bilden dabei die gesamte
Anordnung des Stellantriebs 10.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung stehen die Spulen 20, 22 mit einer
herkömmlichen
Steuerung (nicht dargestellt) in Verbindung, welche die Einstellung
und die Stromversorgung der Spulen 20, 22 auf
herkömmliche
Weise selektiv steuert. Hierdurch wird ein Öffnen und Schließen des
Ventils 14 entsprechend einer vorbestimmten oder berechneten
Einstellsequenz ermöglicht.
In einer weiteren besonderen Aus führungsform der Erfindung können die
Spulen 20, 22 in Verbindung mit einem Teil einer
herkömmlichen
Motorsteuereinheit (ECU = engine control unit) in Verbindung stehen.
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Um das Ventil 14 im Betrieb
zu schließen, wird
die Spule 22 mit Strom versorgt, wodurch die Ankerplatte 26 durch
diese angezogen wird und sich das Ventil 14 und der Kolben 42 in
Aufwärtsrichtung bewegen.
Wenn sich das Ventil 14 in geöffnetem Zustand befindet, ist
die Schließ-Ventilfeder 30 komprimiert
und kann dadurch eine Hilfskraft für das Schließen liefern,
welche das Ventil 14 zusätzlich in Aufwärtsrichtung
bewegt. Wenn der Kolben 42 während des Schließtaktes
des Ventils 14 aufwärts
bewegt wird, wird die Luft aus der Bohrung 40 sowohl durch die
Lüftungsöffnung 54 als
auch durch den Lüftungskanal 44 des
Kolbens 42 ausgetrieben, wodurch der Druck in der Bohrung 40 atmosphärisch bleibt.
Wenn der Kolben 42 aufwärts
bewegt wird, bis dieser die Lüftungsöffnung 54 blokkiert,
blockiert der untere Bereich der Wand der Bohrung 40 gleichzeitig
die Seite des Lüftungskanals 44 des
Kolbens 42. Wenn der Kolben 42 weiter aufwärts bewegt
wird, wird die Luft innerhalb der Bohrung 40 verdichtet,
wodurch das Ventil 14 und die Ankerplatte 26 verlangsamt
bzw. gebremst werden. Das Rückschlagventil 50 bleibt während des
Schließens
des Ventils 14 geschlossen und die Öffnung 52 reguliert
den Druck innerhalb der Bohrung 40. Wenn das Ventil 14 und
der Kolben 42 weiter nach oben bewegt werden, wird die
im Zylinder 12 eingeschlossene Luft verdichtet, was die
Verlangsamung des Ventils 14 unterstützt, wenn dieses sich in den
Ventilsitz 15 bewegt, so dass der Anschlag zwischen dem
Ventil 14 und dem Ventilsitz 15 gedämpft wird.
Die dämpfende
Kraft steigt mit der Geschwindigkeit des Kolbens 42 an,
weil die Zeit, die der Luft zum Austreten oder Entweichen aus der Bohrung 40 verbleibt,
umso kürzer
und der Druck bei einer gegebenen Kolbenstellung umso höher ist,
je schneller sich der Kolben 42 bewegt.
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Bevor das Ventil 14 seinen
Ventilsitz 15 berührt,
fluchtet die Seite des Lüftungskanals 44 des Kolbens 42 mit
der Lüftungsöffnung 54,
so dass ein Austritt von Luft aus der Bohrung 40 ermöglicht wird. Hierdurch
wird der Druck oberhalb des Kolbens 42 reduziert. Durch
diesen Luftaustritt wird der Haltestrom reduziert, der in der Spule 22 zum
Schließen benötigt wird,
was insgesamt zu einer Verringerung des Stromverbrauchs führt.
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Um das Ventil 14 zu öffnen, wird
der Stromfluss zur Spule 22 auf null heruntergefahren.
Die komprimierte Ventilfeder 32 liefert dann eine öffnende
Hilfskraft, welche das Öffnen
des Ventils 14 einleitet. Wenn der Kolben 42 abwärts bewegt
wird, fällt der
Druck innerhalb der Bohrung 40 ab. Durch den Druckabfall
wird das Rückschlagventil 50 geöffnet, wodurch
die Ausbildung eines signifikanten Vakuums innerhalb der Bohrung 40 verhindert
wird, welches ansonsten die Öffnung
des Ventils 14 verzögern
würde.
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Wenn das Ventil 14 und die
Ankerplatte 26 während
des Öffnungstaktes
des Ventils 14 abwärts bewegt
werden, wird Luft aus der Kammer 56 durch die Lüftungsöffnung 58 ausgetrieben
und der Druck in der Kammer 56 bleibt atmosphärisch. wenn
die Ankerplatte 26 abwärts
bewegt wird, blockiert sie die Lüftungsöffnung 58.
Wird die Ankerplatte 26 dann weiter abwärts bewegt, wird die Luft unterhalb
der Ankerplatte 26 in der Kammer 56 verdichtet,
wodurch das Ventil 14 und die Ankerplatte 26 verlangsamt bzw.
abgebremst werden. Das Rückschlagventil 62 bleibt
während
der Öffnung
des Ventils 14 geschlossen und die Öffnung 60 verhindert
die Bildung eines Vakuums oberhalb der Ankerplatte 26 und
reguliert den Druck innerhalb der Kammer 56. Wenn das Ventil 14 und
die Ankerplatte 26 weiter abwärts bewegt werden, wird die
in der Kammer 56 eingeschlos sene Luft verdichtet, was eine
Verlangsamung der Ankerplatte 26, wenn diese sich in Richtung
der Spule 20 bewegt, und eine Dämpfung des Anschlages der Ankerplatte 26 an
der Spule 20 unterstützt.
Die Dämpfungskraft
steigt dabei mit der Geschwindigkeit an, weil die Zeit, die der
Luft zum Entweichen oder Austreten aus der Kammer 56 verbleibt,
umso kürzer
und der Druck bei einer gegebenen Position der Ankerplatte 26 umso
höher ist,
je schneller sich die Ankerplatte 26 bewegt.
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Bevor die Ankerplatte 26 die
Spule 20 berührt,
fluchtet die Seite des Lüftungskanals 59 der Ankerplatte 26 mit
der Lüftungsöffnung 58,
so dass ein Entweichen der Luft aus der Kammer 56 ermöglicht wird,
was zu einer Reduzierung des Drucks unterhalb der Ankerplatte 26 führt. Diese
Entlüftung
reduziert den Haltestrom, der in der Spule 20 zum Öffnen benötigt wird,
wodurch wiederum der Stromverbrauch vermindert werden kann.
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2 zeigt
eine weitere Ausführungsform der
Erfindung, bei der eine andere Luft-Dämpfungseinrichtung 136 verwendet
wird, um das Ventil 14 während eines Öffnungstaktes
des Ventils 14 abzubremsen bzw. zu verlangsamen. In dieser
Ausführungsform
sind insbesondere die Kammer 56 und die Ankerplatte 26 gemäß 1 durch eine Kammer 156 und
eine Ankerplatte 126 ersetzt. Der äußere Umfang der Ankerplatte 126 verjüngt sich
nach innen vom oberen bis zum unteren Ende der Ankerplatte 126.
Die innere Oberfläche
der Kammer 156 verjüngt sich
in Anpassung an die äußere Oberfläche der
Ankerplatte 126 ebenfalls nach innen. Wenn die Ankerplatte 126 während des Öffnens des
Ventils abwärts bewegt
wird, nimmt der Raum zwischen der Ankerplatte 126 und der
Kammer 156 allmählich
ab. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise bewirkt, dass zunehmend
weniger Luft von unterhalb der Ankerplatte 126 entweichen
kann, was zu einem Dämpfungseffekt führt.
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3 zeigt
eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, bei der eine weitere unterschiedliche Luft-Dämpfungseinrichtung 236 zur
Verlangsamung des Ventils während
eines Öffnungstaktes
des Ventils verwendet wird. In dieser Ausführungsform sind die Kammer 56 und
die Ankerplatte 26 gemäß 1 durch eine Kammer 256 und
eine Ankerplatte 226 ersetzt. Die innere Oberfläche der
Kammer 256 weist eine einwärts gerichtete Stufe auf. Insbesondere weist
die innere Oberfläche
im unteren Bereich der Kammer 256 einen Durchmesser auf,
der im Wesentlichen identisch mit dem Durchmesser der Ankerplatte 226 und
geringer als der Durchmesser der inneren Oberfläche des oberen Bereichs der
Kammer 256 ist. Wenn die Ankerplatte 226 während der Öffnung des Ventils
abwärts
bewegt wird, kann die Luft um die Ankerplatte 226 herum
entweichen, bis die Ankerplatte 226 die einwärts gerichtete
Stufe der Kammer 256 erreicht. Ab diesem Zeitpunkt wird
die Luft unterhalb der Ankerplatte 226 verdichtet, wodurch
ebenfalls ein Dämpfungseffekt
erzielt werden kann.
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4 zeigt
eine graphische Darstellung 100 der Druckkraft als Funktion
der Kolbenstellung gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Im vorliegendem Beispiel wird ein Kolben
mit einem Durchmesser von 13 mm verwendet. Es können aber selbstverständlich auch
anders dimensionierte Kolben eingesetzt werden. Die graphische Darstellung 100 basiert
auf der Annahme, dass adiabatischer Druckverhältnisse ohne Druckverlust über den
Randbereich des Kolbens vorliegen. Der in der graphischen Darstellung 100 angegebene Zwischenraum
entspricht dem Zwischenraum 102 zwischen dem oberen Ende
des Kolbens 42 und der oberen Oberfläche der Bohrung 40 gemäß 1. Es ist dabei anzumerken,
dass bei Undichtheit in Bezug auf Luft der Druckaufbau etwas geringer
ausfallen würde.
Der Kolbenring und der Durchmesser der Öffnung (wenn benötigt) können entsprechend
ausgestaltet sein, um die Luft-Undichtheit und somit die Charakteristika
des Systems bezüglich
der Druckkraft in Abhängigkeit
von der Kolbenstellung zu kontrollieren bzw. zu steuern.
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Ein Kolben mit 13 mm Durchmesser
kann die Schließgeschwindigkeit
des Ventils erheblich reduzieren. Die ungefähre Geschwindigkeit eines Ventils während des
Schließtaktes
liegt bei ca. 4 m/s. Unter der Annahme adiabatischer Verdichtung
ohne Berücksichtigung
des Dämpfungseffektes
der Federkraft kann die Ventilgeschwindigkeit um ca. 1 m/s reduziert
werden, wenn ein typisches System mit einem Zwischenraum von 2 mm
zu Beginn der Verdichtung auf einen Zwischenraum von 0,1 mm bei
geschlossener Stellung des Ventils verlangsamt wird. Eine größere Reduzierung
der Geschwindigkeit kann dadurch realisiert werden, dass die Verdichtung
bei größeren Zwischenräumen begonnen
wird.
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- 10
- Stellantrieb
- 12
- Zylinder
- 14
- (Einlass-)Ventil
- 15
- Ventilsitz
- 16
- Einlassöffnung
- 20
- Spule
(Öffnungsspule)
- 22
- Spule
(Schließspule)
- 26
- Ankerplatte
- 28
- Schaft
- 30
- Schließ-Ventilfeder
- 32
- Öffnungs-Ventilfeder
- 34
- Dämpfungsanordnung
- 36
- Dämpfungseinrichtung
- 38
- Gehäuse
- 40
- Bohrung
- 42
- Kolben
- 44
- Lüftungskanal
- 46
- Dichtungsring
- 48
- Wulst
- 50
- Rückschlagventil
- 52
- Öffnung
- 54
- Lüftungsöffnung
- 56
- Kammer
- 58
- Lüftungsöffnung
- 59
- Lüftungskanal
- 60
- Öffnung
- 62
- Rückschlagventil
- 64
- Dichtung
- 66
- Dichtung
- 68
- Federkammer
- 70
- Flansch
- 100
- graphische
Darstellung
- 102
- Zwischenraum
- 126
- Ankerplatte
- 136
- Dämpfungseinrichtung
- 156
- Kammer
- 226
- Ankerplatte
- 236
- Dämpfungseinrichtung
- 256
- Kammer