DE10218327A1

DE10218327A1 - Vorrichtung zum elektromechanischen Betätigen von Einlass- und Auslassventilen

Info

Publication number: DE10218327A1
Application number: DE10218327A
Authority: DE
Inventors: Hyung-Joon Kim
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2022-04-25
Also published as: DE10218327B4

Abstract

Vorrichtung zum elektromechanischen Betätigen von Einlass- und Auslassventilen, mit der ein elektromechanischer Ventilstrang geschaffen wird, der aufweist ein Gehäuse, eine äußere Spulenanordnung, die einen ersten Kern mit einer ersten darin ausgebildeten Öffnung und eine erste um den ersten Kern gewickelte Spule aufweist, eine innere Spulenanordnung, die einen zweiten Kern mit einer zweiten darin ausgebildeten Öffnung und eine zweite um den zweiten Kern gewickelte Spule aufweist, wobei die zweite Spulenanordnung in der ersten Öffnung der äußeren Spulenanordnung befestigt ist, ein Anker, der eine obere Platte, eine untere Platte, eine Stange, welche die obere Platte und die untere Platte miteinander kuppelt, und einen Isolator aufweist, der zwischen der Stange und der oberen Platte oder zwischen der Stange und der unteren Platte angeordnet ist, wobei die Stange in die zweite Öffnung der inneren Spulenanordnung vertikal bewegbar eingeführt ist, ein oberes Federelement, ein unteres Federelement und ein Ventil, das mit der unteren Platte des Ankers gekuppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ventilstrang für Fahrzeuge und im Besonderen eine Vorrichtung zum Betätigen eines Ventils mittels einer elektromagnetischen Kraft.
Im Allgemeinen wird bei einem Verbrennungsmotor ein Luft- Kraftstoffgemisch durch einen Ansaugkrümmer in eine Brennkammer gesaugt, und das Luft-Brennstoffgemisch wird in der Brennkammer verbrannt. Nach der Verbrennung wird das Abgas durch einen Auspuffkrümmer in die Atmosphäre abgeführt. In einem Einlasskanal und einem Auslasskanal sind ein Einlass- und ein Auslassventil bereitgestellt.
Ein System, welches das Einlassventil, das Auslassventil und eine Vorrichtung zum Betätigen des Einlassventils und des Auslassventils aufweist, wird als Ventilstrang bezeichnet. Die Verbrennungscharakteristik des Verbrennungsmotors hängt von der Wirkungsweise des Ventilstrangs ab, und es ist daher für eine optimale Steuerung des Verbrennungsprozesses sehr wichtig, die Tätigkeit des Ventilstrangs zu steuern.
Bei einem bestimmten Ventilstrang vom Typ Nockenwelle wird die Auf- und Abbewegung der Einlass- und Auslassventile mechanisch mittels eines Schwing- oder Kipphebels ausgeführt, der mittels einer Nockenwelle betätigt wird.
Weil eine freie Steuerung der Auf- und Abbewegung eines jeden Ventils beim Ventilstrang vom Typ Nockenwelle unmöglich ist, ist der Ventilstrang vom Typ Nockenwelle nicht für ein neuestes, elektronisch gesteuertes Motorsystem geeignet.
Ein elektromechanischer Ventilstrang ist ein System, bei dem der Öffnungs-/Schließzeitpunkt und die Öffnungs- /Schließdauer des Ventils mittels eines elektronischen Signals gesteuert werden kann. Weil das Einlassventil die Menge der Ansaugluft regeln kann, kann ein Drosselventil weggelassen werden und der Pumpverlust verringert werden. Ferner kann die Verbrennung unter optimalen Bedingungen stattfinden, so dass die Abgasmenge verringert werden kann, und der Aufbau der Ventilstrang vereinfacht sich.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel eines elektromechanischen Ventilstrangs, der einen Ventilkörper 1, eine erste Spulenanordnung 2 und eine zweite Spulenanordnung 3, die im Ventilkörper angeordnet sind, aufweist. Ein plattenförmiger Anker 4 ist zwischen erster und zweiter Spulenanordnung 2 und 3 angeordnet, und ein Ventil 5 ist mit dem Anker 4 gekuppelt. Eine obere Feder 6 spannt den Anker 4 in der Richtung nach unten vor, und eine untere Feder 7 spannt den Anker 4 in der Richtung nach oben vor.

Der Ventilstrang ist in einer solchen Weise angeordnet, dass sich, wenn der ersten Spulenanordnung 2 Strom zugeführt wird, der Anker 4 nach unten bewegt, und dass sich, wenn der zweiten Spulenanordnung 3 Strom zugeführt wird, der Anker 4 nach oben bewegt.

Daher öffnet das Ventil 5, wenn der ersten Spulenanordnung Strom zugeführt wird, und es schließt das Ventil 5, wenn der zweiten Spulenanordnung 3 Strom zugeführt wird. Wenn weder der ersten noch der zweiten Spulenanordnung Strom zugeführt wird, befindet sich der Anker 4 in einer Gleichgewichtsstellung.

Beim elektromechanischen Ventilstrang wird jedoch eine Ankerplatte, die aus Eisen hergestellt ist, nach längerem Gebrauch magnetisiert. Daher wirkt eine anziehende Kraft zwischen den Spulenanordnungen und dem Anker, obwohl weder der ersten Spulenanordnung noch der zweiten Spulenanordnung Strom zugeführt wird.

Wenn der Anker aus einem Dauermagneten hergestellt ist, um obiges Problem zu lösen, schwindet wegen der hohen Temperatur des Brennraums der Magnetismus des Ankers, und auch das Gewicht des Systems erhöht sich.

Die Erfindung wurde geschaffen, um obige Probleme zu lösen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der elektromechanische Ventilstrang auf: ein Gehäuse, das eine Kammer definiert; eine äußere Spulenanordnung, die einen ersten Kern mit einer ersten, darin ausgebildeten Öffnung und eine erste, um den ersten Kern gewickelte Spule aufweist, wobei die Spulenanordnung fest in der Kammer angeordnet ist; eine innere Spulenanordnung, die einen zweiten Kern mit einer zweiten darin ausgebildeten Öffnung und eine zweite, um den zweiten Kern gewickelte Spule aufweist, wobei die zweite Spulenanordnung in der ersten Öffnung der äußeren Spulenanordnung befestigt ist; einen Anker, der eine obere Platte, eine untere Platte, eine Stange, welche die obere Platte und die untere Platte miteinander kuppelt, und einen Isolator aufweist, der zwischen der Stange und der oberen Platte oder zwischen der Stange und der unteren Platte angeordnet ist, wobei die Stange in die zweite Öffnung der inneren Spulenanordnung vertikal bewegbar eingeführt ist; ein oberes Federelement, das den Anker nach unten vorspannt; ein unteres Federelement, das den Anker nach oben vorspannt, und ein Ventil, das mit der unteren Platte des Ankers gekuppelt ist.

Der erste Kern der äußeren Spulenanordnung ist vorzugsweise aus einem magnetisierbaren Material hergestellt, und der zweite Kern der inneren Spulenanordnung ist vorzugsweise aus einem nicht-magnetisierbaren Material hergestellt.

Ferner ist es bevorzugt, dass der elektromechanische Ventilstrang ferner eine Positions-Einstelleinrichtung aufweist, um die vertikale Position des Ankers einzustellen, indem das obere Federelement zusammengedrückt wird.

Die anliegenden Figuren, die in die Patentbeschreibung eingeschlossen sind und Teil der Patentbeschreibung bilden, stellen eine Ausführungsform der Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Prinzipien der Erfindung, wobei:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines elektromechanischen Ventilstrangs gemäß dem Stand der Technik ist,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines elektromechanischen Ventilstrangs gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist,
Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Ventilstrangs aus Fig. 2 ist und
Fig. 4, 5 und 6 einen neutralen Zustand, einen geschlossenen Zustand bzw. einen geöffneten Zustand des Ventilstrangs aus Fig. 2 zeigen.
Im Weiteren wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren im Detail beschrieben.
Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, weist ein elektromechanischer Ventilstrang gemäß der Erfindung ein Gehäuse 10, das eine Kammer definiert; eine äußere Spulenanordnung 70; eine innere Spulenanordnung 60; einen Anker 20; ein mit dem Anker 20 gekuppeltes Ventil 40; eine obere Feder 30, und eine untere Feder 50 auf.
Das Gehäuse 10 ist mit einer Mehrzahl von Befestigungselementen 11 versehen, mittels derer das Gehäuseelement 10 an einem Zylinderkopf 13 befestigt ist.
Das Gehäuse 10 weist eine Kammer auf, in der die äußere Spulenanordnung 70 und die innere Spulenanordnung 60 angeordnet sind.
Die äußere Spulenanordnung 70 ist mittels eines Anschlags 80 fest an die Innenwand des Gehäuses 10 angefügt.
Die äußere Spulenanordnung 70 weist einen Kern 71 und eine um den Kern gewickelte Spule 73 auf, wobei der Kern 71 eine Öffnung 75 aufweist und die Spule 73 mit einer Stromquelle (in den Figuren nicht gezeigt) gekoppelt ist. Der Kern 71 ist aus einem magnetisierbaren Material, wie Eisen, hergestellt, so dass der Kern magnetisiert wird, wenn der Spule 73 Strom zugeführt wird.
Die innere Spulenanordnung 60 weist auch einen Kern 61 und eine um den Kern 61 gewickelte Spule 63 auf. Der Kern 61weist eine Öffnung 65 auf und ist aus einem nicht- magnetisierbaren Material, wie Kunststoff, hergestellt.
Wenn der Spule 63, die um den Kunststoff-Kern 61 gewickelt ist, Strom zugeführt wird, bildet sich in der Öffnung 65 ein Magnetfeld aus.
Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die innere Spulenanordnung 60 in die Öffnung 75 der äußeren Spulenanordnung 70, die fest an das Gehäuse 10 angefügt ist und am Kern 71 der äußeren Spulenanordnung 70 befestigt ist, eingesetzt.
Der Anker 20 weist eine obere Platte 15, eine untere Platte 17 und eine Stange 19 auf, welche die obere Platte 15 und die untere Platte 17 miteinander kuppelt. Der Anker 20 ist aus einem magnetisierbaren Material, wie Eisen, hergestellt. Zwischen der Stange 19 und der oberen Platte 15 ist ein Kunststoff-Aufsatz 12 angeordnet, so dass die obere Platte 15 und die untere Platte 17 nicht gleichzeitig magnetisiert werden. Das heißt, die obere Platte 15 und die untere Platte 17 sind voneinander durch den Kunststoff- Aufsatz 12 isoliert. Es ist offensichtlich, dass der Kunststoff-Aufsatz 12 auch zwischen der Stange 19 und der unteren Platte 17 angeordnet werden kann.
Um ein Anstoßen des Ankers 20 mit dem Kunststoff-Aufsatz 12 zu vermeiden, ist die innere Spulenanordnung 60 vorzugsweise in einer solchen Weise mit der äußeren Spulenanordnung 70 gekuppelt, dass die Oberseite des Kerns 61 der inneren Spulenanordnung 60 unterhalb derjenigen des Kerns 71 der äußeren Spulenanordnung 70 liegt.
Die Stange 19 ist, wie in Fig. 2 gezeigt, bewegbar in die Öffnung 65 der inneren Spulenanordnung 60 eingeführt.
Mit einem oberen Abschnitt des Gehäuses 10 ist eine Schraube 21 gekoppelt, und zwischen der Schraube 21 und der oberen Platte 15 des Ankers 20 ist eine obere Ventilfeder 30 angeordnet. An der oberen Platte 15 ist ein zylindrischer Vorsprung 14 ausgebildet, wobei die obere Ventilfeder 30 über ihn gesteckt ist, so dass sich die obere Ventilfeder 30 nicht seitlich bewegen kann. Eine untere Ventilfeder 50 ist zwischen der unteren Platte 17 des Ankers 20 und dem Zylinderkopf 13 angeordnet. Der Anker ist mittels der oberen Ventilfeder 30 und der unteren Ventilfeder 50 federnd gehalten. Wenn weder der äußeren Spulenanordnung 70 noch der inneren Spulenanordnung 60 Strom zugeführt wird, verharrt der Anker 20 in seiner spezifischen, vertikalen Mittelposition. Mittels Drehens der Schraube 21 kann die spezifische Mittelposition geändert werden.
Eine Wirkungsweise des elektromechanischen Ventilstrangs wird hier im Weiteren im Detail erläutert.
Wie in Fig. 4 gezeigt, befindet sich der Anker 20, wenn den Spulenanordnungen 60 und 70 kein Strom zugeführt wird, in der vertikalen Mittelposition im Gleichgewicht der Federkräfte der oberen Ventilfeder 30 und der unteren Ventilfeder 50.
Fig. 5 zeigt einen Zustand, in dem das Ventil geschlossen ist.
Wenn der Spule 73 der äußeren Spulenanordnung 70 Strom zugeführt wird, so dass der Kern 71 magnetisiert wird, wird ein oberer Abschnitt des Kerns 71 ein Nordpol (N) und ein unterer Abschnitt des Kerns 71 ein Südpol (S).
Wenn der Spule 63 der inneren Spulenanordnung 60 Strom zugeführt wird, bildet sich in der Öffnung 65 der inneren Spulenanordnung 60 ein magnetisches Feld aus. Daher werden die Stange 19 und die untere Platte 17 wegen des magnetischen Feldes magnetisiert. Die Fließrichtung des der Spule 63 zugeführten Stroms ist so festgelegt, dass ein oberer Abschnitt der Stange 19 ein S-Pol und die untere Platte 17 ein N-Pol wird. Die obere Platte 15 wird wegen des Kunststoff-Isolator-Aufsatzes 12 nicht magnetisiert.
Weil die Unterseite des Kerns 71 der äußeren Spulenanordnung 70 und die untere Platte 17 des Ankers 20 entgegengesetzt gepolt sind, zieht der Kern 71 die untere Platte 17 an, so dass sich das Ventil 40 nach oben bewegt, und das Ventil 40 ist dann geschlossen. Gleichzeitig ist die obere Ventilfeder 30 zusammengedrückt und die untere Ventilfeder auseinandergezogen.
Wäre der Kunststoff-Aufsatz 12 nicht vorhanden, würde die obere Platte 15 als S-Pol magnetisiert und die untere Platte 17 als N-Pol. Daher würde der Kern 71 der äußeren Spulenanordnung 70 die obere Platte 15 nach unten ziehen und die untere Platte 17 nach oben. In dieser Situation kann sich der Anker 20 nicht nach oben bewegen.
Fig. 6 zeigt den Zustand, in dem das Ventil offen ist.
Wenn der Spule 63 der inneren Spulenanordnung 60 Strom mit derselben Fließrichtung wie in Fig. 5 zugeführt wird und die Fließrichtung des Stroms, welcher der Spule 73 der äußeren Spulenanordnung 70 zugeführt wird, derjenigen aus Fig. 5 entgegengesetzt ist, wird der untere Abschnitt des Kerns 71 der äußeren Spulenanordnung 70 als N-Pol magnetisiert, und der obere Abschnitt des Kerns 71 ist als S-Pol magnetisiert.
Der untere Abschnitt des Kerns 71 und die untere Platte 17 des Ankers 20 sind dann gleich gepolt, und daher stößt der Kern 71 die untere Platte 17 des Ankers 20 ab, so dass sich der Anker nach unten bewegt. Folglich ist das Ventil 40 offen. Gleichzeitig ist die obere Ventilfeder 30 auseinandergezogen und die untere Ventilfeder 50 zusammengedrückt.
Beim elektromechanischen Ventilstrang gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die vertikale Position des Ankers mittels der Fließrichtung des Stroms, welcher der äußeren Spulenanordnung zugeführt wird, gesteuert, so dass das Ansprechverhalten des Ventils verbessert ist.
Auch können die Abmessungen des Ankers verringert werden, wenn das magnetische Feld mittels des Aufbaus der Spulenanordnung und der Menge des der Spulenanordnung zugeführten Stroms gesteuert werden kann. Daher kann das Gesamtgewicht des Ventilstrangs verringert werden.
Ferner kann, weil die untere Platte des Ankers aus Eisen hergestellt ist, die Ansprechgeschwindigkeit des Ankers erhöht werden, und das Phänomen, dass der Anker unerwünscht an der Spulenanordnung hängen bleibt, ist vermindert.

Claims

1. Elektromechanischer Ventilstrang, der aufweist:
ein Gehäuse (10), das eine Kammer definiert;
eine erste und eine zweite Spulenanordnung, die in der Kammer des Gehäuses (10) angeordnet ist;
einen Anker (20), der zwischen der ersten und zweiten Spulenanordnung angeordnet ist, wobei der Anker (20) eine obere Platte (15), eine untere Platte (17), eine Stange (19), welche die obere Platte (15) und die untere Platte (17) miteinander kuppelt, und einen Isolator (12) aufweist, der zwischen der Stange (19) und der oberen Platte (15) oder zwischen der Stange (19) und der unteren Platte (17) angeordnet ist;
ein Ventil (40), das mit einem unteren Abschnitt des Ankers (20) gekuppelt ist;
eine erste Ventilfeder (30), die den Anker (20) nach unten vorspannt, und
eine zweite Ventilfeder (50), die den Anker (20) nach oben vorspannt.

2. Elektromechanischer Ventilstrang gemäß Anspruch 1, wobei der Isolator (12) ein Kunststoff-Aufsatz ist.

3. Elektromechanischer Ventilstrang gemäß Anspruch 1, der ferner eine Einstelleinrichtung (21) zum Einstellen der vertikalen Position des Ankers (20) aufweist.

4. Elektromechanischer Ventilstrang gemäß Anspruch 1, wobei der Anker (20) ferner einen zylindrischen Vorsprung (14) aufweist, der auf der oberen Platte (15) ausgebildet ist, wobei der Vorsprung (14) in die erste Ventilfeder (30) hineinragt, so dass sich die erste Ventilfeder (30) nicht seitlich bewegen kann.

5. Elektromechanischer Ventilstrang, der aufweist:
ein Gehäuse (10), das eine Kammer definiert;
eine äußere Spulenanordnung (70), die einen ersten Kern (71) mit einer darin ausgebildeten, ersten Öffnung (75) und eine erste, auf den ersten Kern (71) gewickelte Spule (73) aufweist, wobei die äußere Spulenanordnung (70) fest in der Kammer angeordnet ist;
eine innere Spulenanordnung (60), die einen zweiten Kern (61) mit einer darin ausgebildeten, zweiten Öffnung (65) und eine zweite, auf den zweiten Kern (61) gewickelte Spule (63) aufweist, wobei die innere Spulenanordnung (60) in der ersten Öffnung (75) der äußeren Spulenanordnung (70) sichernd befestigt ist;
einen Anker (20), der eine obere Platte (15), eine untere Platte (17), eine Stange (19), welche die obere Platte (15) und die untere Platte (17) miteinander kuppelt, und einen Isolator (12) aufweist, der zwischen der Stange (19) und der oberen Platte (15) oder zwischen der Stange (19) und der unteren Platte (17) angeordnet ist, wobei die Stange (19) vertikal bewegbar in die zweite Öffnung (65) der inneren Spulenanordnung (60) eingeführt ist;
ein oberes Federelement (30), das den Anker (20) nach unten vorspannt;
ein unteres Federelement (50), das den Anker (20) nach oben vorspannt, und
ein Ventil (40), das mit der unteren Platte (17) des Ankers (20) gekuppelt ist.

6. Elektromechanischer Ventilstrang gemäß Anspruch 5, wobei der erste Kern (71) der äußeren Spulenanordnung (70) aus einem magnetisierbaren Material hergestellt ist.

7. Elektromechanischer Ventilstrang gemäß Anspruch 5, wobei der zweite Kern (61) der inneren Spulenanordnung (60) aus einem nicht-magnetisierbaren Material hergestellt ist.

8. Elektromechanischer Ventilstrang gemäß Anspruch 5, wobei der Isolator (12) des Ankers (20) ein Kunststoff-Aufsatz ist.

9. Elektromechanischer Ventilstrang gemäß Anspruch 5, der ferner eine Positions-Einstelleinrichtung (21) aufweist, um die vertikale Position des Ankers (20) einzustellen, indem das obere Federelement (30) einem Druck ausgesetzt wird.

10. Elektromechanischer Ventilstrang gemäß Anspruch 5, wobei der Anker (20) ferner einen auf der oberen Platte (15) ausgebildeten, zylindrischen Vorsprung (14) aufweist, wobei der Vorsprung (14) in das obere Federelement (30) hineinragt, so dass sich das Federelement (30) nicht seitlich bewegen kann.

11. Elektromechanischer Ventilstrang gemäß Anspruch 5, wobei die äußere Spulenanordnung (70) mit dem Gehäuse (10) mittels eines Anschlags (80) gekuppelt ist.