DE10241591A1 - Electromagnetic actuator drive especially for combustion engine gas-exchange valves, has sleeve-shaped armature mounted on carrier element and designed as common armature for both magnets - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Stellantrieb, vorzugsweise zur Betätigung von Gaswechselventilen bei Kolbenbrennkraftmaschinen, mit zwei koaxial in einem Gehäuse angeordneten Topfmagneten, deren Polplatten in einem vorgegebenen Abstand zueinander gegenüberstehen und bei dem sich zwischen diesen ein verschiebbares Trägerelement befindet, an dem ein hülsenförmiger Anker befestigt ist.The invention relates to an electromagnetic Actuator, preferably for actuating gas exchange valves in piston internal combustion engines, with two coaxially arranged in one housing Pot magnets whose pole plates are at a predetermined distance from each other face and in which there is a displaceable carrier element is on which a sleeve-shaped anchor is attached.
Bei Kolbenbrennkraftmaschinen werden die Gaswechselvorgänge in der Regel durch Ventile gesteuert so dass ein Brennstoff/Luft-Gemisch in den Brennraum gelangen, dort verbrennen und danach als Abgas entweichen kann. Zu diesem Zweck werden die Ventile über eine oder mehrere Nockenwellen entsprechend synchron zur Kolbenbewegung betätigt, um den Ladungswechsel zu bewerkstelligen. Da die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile durch die Nockenwelle vorgegeben sind, wird üblicherweise für die Steuerung der Menge und des Verhältnisses des zugeführten Brennstoff/Luft-Gemisches eine Drosselklappe verwendet. Eine derartige Motorsteuerung ist allerdings sehr verlustbehaftet, da die Drosselverluste insbesondere im Teillastbereich erheblich sind.With piston internal combustion engines the gas exchange processes usually controlled by valves so that a fuel / air mixture get into the combustion chamber, burn there and then as exhaust gas can escape. For this purpose, the valves are over a or several camshafts in synchronism with the piston movement actuated, to accomplish the charge change. Since the opening and closing times the valves are predetermined by the camshaft is usually for the Control of quantity and ratio of the fed Fuel / air mixture uses a throttle valve. Such one However, engine control is very lossy because of the throttle losses are considerable in particular in the partial load range.
Um hier eine deutliche Verbesserung zu erreichen, wird eine Drosselklappen freie Steuerung angestrebt. Das bedeutet, dass der Ladungswechsel dann direkt durch die Steuerung des Öffnungsquerschnittes der Einlassventile, d.h. durch den Ventilhub und deren Öffnungszeit erfolgen muss. Der Vorteil hierbei ist, dass fast keine Strömungswiderstände mehr auftreten.To make a significant improvement here to achieve a throttle-free control is aimed. This means that the charge change is then carried out directly by the control system of the opening cross section the intake valves, i.e. through the valve lift and its opening time must be done. The advantage here is that there are almost no flow resistances occur.
In „MTZ Motortechnische Zeitschrift 62, 2002, 6, Seiten 450 bis 463" wurde bereits ein Ottomotor beschrieben, der über einen vollvariablen Ventiltrieb mit einem mechanischem Verstellsystem verfügt. Dieses vollvariable Ventilsteuerungssystem erschließt durch eine weitgehende Vermeidung der Drosselverluste das größte Einsparpotenzial bei Ottomotoren.In “MTZ Motortechnische Zeitschrift 62, 2002, 6, pages 450 to 463 ", a gasoline engine has already been described, the over a fully variable valve train with a mechanical adjustment system features. This fully variable valve control system opens up through the greatest savings potential is to avoid throttling losses as far as possible in gasoline engines.
Der variable mechanische Ventilhub wird hier durch einen Zwischenhebel und eine zusätzliche Welle mit Exzenternocken erreicht. Der Exzenter der Exzenterwelle stellt den Drehpunkt des Zwischenhebels und damit den Ventilhub ein. Die Exzenterwelle ist mit einem Drehwinkelsensor gekoppelt und wird von einem Elektromotor angetrieben. Der besondere Vorteil hierbei ist, dass der Ventilhub von Leerlauf zu volllast in kürzester Zeit verstellt werden kann.The variable mechanical valve lift is here by an intermediate lever and an additional shaft with eccentric cams reached. The eccentric of the eccentric shaft is the fulcrum of the Intermediate lever and thus the valve lift. The eccentric shaft is coupled with a rotation angle sensor and is powered by an electric motor driven. The particular advantage here is that the valve lift from idle to full load in the shortest possible time Time can be adjusted.
Von Nachteil ist hierbei der erhebliche mechanische Aufwand und der damit verbundene unvermeidbare Verschleiß, der dann durch weitere technische Maßnahmen teilweise kompensiert werden muss.The disadvantage here is the considerable mechanical effort and the associated unavoidable wear, which then through further technical measures must be partially compensated.
Um diesen Nachteil zu beseitigen, sind verschiedene Feder-Anker-Systeme mit Elektromagneten als Stellelemente für das Ventil bzw. den Ventilschaft von Ottomotoren bekannt geworden.To eliminate this disadvantage are different spring-anchor systems with electromagnets as control elements for the valve or the valve stem of petrol engines.
So beschreibt die
Um das System betriebsbereit zu machen, muss der Anker in eine der beiden Endstellungen gebracht werden, was durch Erzeugung von Schwingungen mit zunehmender Amplitude erreicht wird, bis ein Elektromagnet den Anker in einer Endstellung einfängt und festhält.To make the system ready for operation, the anchor can be brought into one of the two end positions, what achieved by generating vibrations with increasing amplitude until an electromagnet catches the armature in an end position and holds.
Der Nachteil dieses Systems ist neben der unvermeidbaren Geräuschentwicklung, dass dieses erst startbereit gemacht werden muss, da der Anker in neutraler Stellung zwischen den beiden Endstellungen ruht und nicht von einem der Elektromagnete in eine der Endstellungen gezogen werden kann. Außerdem ist ein Drosselklappen freier Betrieb nicht möglich, da nur zwischen den beiden Endstellungen geschaltet werden kann. Außerdem muss der Brennraum bzw. der Kolben so gestaltet sein, dass während des Schwingvorganges zwischen dem ebenfalls in Schwingungen versetzten Ventiles und dem Kolben im oberen Totpunkt keinerlei Kontakt auftreten kann.The disadvantage of this system is besides the inevitable noise, that this has to be made ready to start as the anchor in neutral position between the two end positions and not be pulled into one of the end positions by one of the electromagnets can. Moreover throttle valve free operation is not possible because only between the both end positions can be switched. In addition, the combustion chamber or the piston should be designed so that during the oscillation process between the also vibrated valve and the Piston at top dead center no contact can occur.
Aus der
Mit den Elektromagneten, die hier in Serie geschaltet sind, erfolgt dann im laufenden Betrieb das Umschalten des Ankers zwischen den beiden Endstellungen. Eine kontinuierliche Laststeuerung ist mit diesem System allerdings nicht zu erreichen, dafür aber eine deutliche Verringerung des elektrischen Energieverbrauchs.With the electromagnets here are connected in series, this is done during operation Switch the armature between the two end positions. A continuous one However, load control cannot be achieved with this system, but for that a significant reduction in electrical energy consumption.
Schließlich beschreibt die
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Stellantrieb zu schaffen, der beim Einschalten sofort betriebsbereit ist und der insbesondere zur Betätigung von Gaswechselventilen bei Kolbenbrenkraftmaschinen mit variablem Ventilhub geeignet ist.Based on this state of the art the invention has for its object an electromagnetic actuator to create, which is immediately operational when switched on and which in particular for actuation of gas exchange valves in piston internal combustion engines with variable Valve stroke is suitable.
Zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegende Aufgabenstellung wird von einem elektromagnetischen Stellantrieb, vorzugsweise zur Betätigung von Gaswechselventilen bei Kolbenbrennkraftmaschinen ausgegangen. Dieser Stellantrieb besteht aus zwei koaxial in einem Gehäuse angeordneten Topfmagneten, deren Polplatten in einem vorgegebenen Abstand einander gegenüberstehen. Zwischen den Polplatten befindet sich eine verschiebbares Trägerelement, welches durch einen hülsenförmigen Anker umgeben ist.To solve the problem underlying the invention The task is performed by an electromagnetic actuator, preferably for actuating Gas exchange valves in piston internal combustion engines. This Actuator consists of two pot magnets arranged coaxially in a housing Pole plates face each other at a predetermined distance. There is a sliding support element between the pole plates, which by a sleeve-shaped anchor is surrounded.
Gemäß der Erfindung weisen die Polplatten der Topfmagnete einen ringförmigen Luftspalt auf, wobei der an dem Trägerelement befestigte hülsenförmige Anker als gemeinsamer Anker der beiden Topfmagnete ausgebildet ist. Der hülsenförmige Anker ist in den Luftspalt verschiebbar, wobei die Stärke der Polplatten mindestens dem Hubweg des Trägerelementes entspricht und wobei das Trägerelement und das mit diesem verbundene Betätigungsorgan entlang des Hubes beliebig positionierbar ist.According to the invention, the Pole plates of the pot magnets have an annular air gap, whereby the on the support member attached sleeve-shaped anchors is designed as a common anchor of the two pot magnets. The sleeve-shaped anchors is displaceable in the air gap, the thickness of the pole plates at least the stroke of the carrier element corresponds and wherein the carrier element and along the associated actuator the stroke can be positioned as desired.
Der besondere Vorteil dieses elektromagnetischen Stellantriebes ist darin zu sehen, dass das Trägerelement mit dem hülsenförmigen Anker bei entsprechender Bestromung zwischen den Topfmagneten fixiert werden kann und dass aus einer der beiden Endstellungen heraus die Stellkraft am größten ist und bei Erreichen der anderen Endstellung nahezu Null wird. Damit wird einerseits eine sichere Stellbewegung bei sehr hoher Beschleunigung erreicht und andererseits ein Aufschlagen des Trägerelementes auf die Polplatten verhindert. Gleichzeitig wird gewährleistet, dass der Stellantrieb beim Einschalten sofort betriebsbereit ist.The particular advantage of this electromagnetic Actuator can be seen in the fact that the carrier element with the sleeve-shaped anchor fixed with appropriate current between the pot magnets and that from one of the two end positions the Force is greatest and becomes almost zero when the other end position is reached. In order to on the one hand becomes a safe positioning movement with very high acceleration reached and on the other hand an impact of the carrier element on the pole plates prevented. At the same time it ensures that the actuator is immediately ready for use when switched on.
In einer ersten Fortführung der Erfindung ist die Position des Trägerelementes entlang des Hubweges (s) durch entsprechende unabhängige Einstellung der durch die Spulen geleiteten Ströme I1 und I2 beliebig positionierbar ist.In a first continuation of the invention, the position of the carrier element along the stroke path (s) can be positioned as desired by appropriate independent adjustment of the currents I 1 and I 2 conducted through the coils.
Darüber hinaus lässt sich der erfindungsgemäße elektromagnetische Stellantrieb bei entsprechender Dimensionierung für beliebige Stellaufgaben einsetzen und ist daher nicht auf das Einsatzfeld der Betätigung von Gaswechselventilen beschränkt.In addition, the electromagnetic according to the invention Actuator with appropriate dimensions for any Use positioning tasks and is therefore not on the field of application of actuation limited by gas exchange valves.
Der hülsenförmige Anker besteht aus einem weichmagnetischen Material, wobei dieser jeweils einseitig vollständig in den Luftspalt des jeweiligen Topfmagneten einfahrbar ist. Die Wandstärke des hülsenförmigen Ankers ist dabei so zu bemessen, dass ein Optimum bezüglich der Sättigung und der Kraftwirkung erreicht wird.The sleeve-shaped anchor consists of a soft magnetic Material, this one-sided completely in the air gap of the respective pot magnet is retractable. The wall thickness of the sleeve-shaped anchor is to be dimensioned so that an optimum in terms of saturation and the force effect is achieved.
In einer Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass innerhalb der Gehäuseteile jeweils ein ringförmiger Ansatz hervorsteht, wobei sich der ringförmige Luftspalt zwischen dem ringförmigen Ansatz und dem Umfang der Polplatten befindet.In a variant of the invention provided that in each case an annular approach within the housing parts protrudes, with the annular air gap between the annular Approach and the circumference of the pole plates is located.
Um eine maximale Stellkraft aus einer der Endstellungen heraus zu erreichen, steht die innere Kante des hülsenförmigen Ankers im ausgefahrenen Zustand (zeichnungsgemäß untere oder obere Endposition) der äußeren unteren oder oberen Kante der jeweiligen Polplatte gegenüber.To get a maximum actuating force from a to reach the end positions, the inner edge of the sleeve-shaped anchor in the extended state (lower or upper end position according to the drawing) the outer lower or top edge of the respective pole plate opposite.
In weiterer Fortführung der Erfindung ist das Trägerelement mit einem zentrisch in den Topfmagneten geführten Betätigungsorgan fest verbunden, der zugleich als Ventilschaft ausgebildet ist, so dass der elektromagnetische Stellantrieb unmittelbar zur Steuerung eines Gaswechselventiles einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann.The carrier element is a further development of the invention with a centrally guided in the pot magnet actuator that is also designed as a valve stem, so that the electromagnetic Actuator directly for controlling a gas exchange valve an internal combustion engine can be used.
Damit die elektromagnetischen Eigenschaften des Stellantriebes nicht negativ beeinflusst werden und um eine lineare Kraft-Weg-Kennlinie zu erreichen, besteht das Trägerelement aus einem unmagnetischen Material. So lange die Sättigung des Magnetwerkstoffes nicht erreicht ist, ist die Stellkraft bzw. die Magnetkraft dem Strom durch die Magnetspulen proportional.So that the electromagnetic properties of the actuator are not adversely affected and by one To achieve linear force-displacement characteristics, the support element is made made of a non-magnetic material. So long the saturation of the magnetic material is not reached, the positioning force or the magnetic force is proportional to the current through the solenoids.
Für eine präzise und reibungsarme Führung des Trägerelementes mit dem Hülsenteil für Messzwecke kann der Schaft in Axialkugellagern oder ähnlichen Lagern innerhalb der Topfmagnete geführt werden. Im normalen Einsatz genügt eine einfache Gleitlagerung, die ggf. mit in die Motorschmierung einbezogen wird.For a precise and smooth management of the support element with the sleeve part for measuring purposes can the shaft in axial ball bearings or similar bearings within the Pot magnets are guided. In normal use it is enough a simple plain bearing, which may be included in the engine lubrication becomes.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung befindet sich der hülsenförmige Anker federbelastet in einer der beiden Hubendstellungen. Hierzu genügt eine entsprechend dimensionierte Feder, die lediglich das Eigengewicht der Baugruppe, bestehend aus Gaswechselventil, Betätigungsorgan, Trägerelement und hülsenförmigem Anker, zu überwinden hat. Diese Feder hat im bestromten Zustand des elektromagnetischen Stellantriebes, also während der Realisierung der Stellvorgänge, keine Funktion.In a special configuration the invention, the sleeve-shaped anchor is spring-loaded in one of the two stroke end positions. An appropriately dimensioned is sufficient for this Spring consisting of only the dead weight of the assembly Gas exchange valve, actuator, support element and sleeve-shaped anchor, to overcome Has. This spring has the energized state of the electromagnetic Actuator, so during the Realization of the positioning processes no function.
Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu zeigen:The invention is intended to be described below an embodiment are explained in more detail. To show:
Der elektromagnetische Stellantrieb
entsprechend der Erfindung besteht aus einem zylinderförmigen Gehäuse
Diese Gehäuseteile
Zentrisch in den Topfmagneten
Das Trägerelement
Dadurch wird der durch die Topfmagnete
Für
die Funktion des elektromagnetischen Stellantriebes ist weiterhin
ein Luftspalt
Um dies zu ermöglichen, muss die Stärke der
Polplatte
Innerhalb des Gehäuseteiles
Dieser hülsenförmige Anker
Charakteristisch ist hierbei im Gegensatz zum
Stand der Technik, dass die Magnetkraft F um so geringer wird, je
tiefer der hülsenförmige Anker
Daraus ergibt sich, dass der elektromagnetische
Stellantrieb bereits beim Einschalten an sich voll betriebsfähig ist.
Werden nun beide Spulen
Bei der praktischen Anwendung des elektromagnetischen Stellantriebes ist es jedoch unbedingt erforderlich, dass das nicht dargestellte Gaswechselventil eine bestimmte Ausgangsposition im stromlosen Zustand einnimmt. Üblicherweise muss das Gaswechselventil in der Ausgangsposition, oder auch bei Stromausfall, geschlossen sein, um eine Kollision des Ventiles mit dem Kolben in jedem Fall auszuschließen.In the practical application of the electromagnetic actuator, however, it is absolutely necessary that the gas exchange valve, not shown, has a certain starting position in the de-energized state. Usually the gas exchange valve must be in the starting position or in the event of a power failure, be closed to prevent the valve from colliding with the piston to rule out in any case.
Um dies zu erreichen, genügt eine
Hilfsfeder, die derart dimensioniert sein muss, das diese das Betätigungsorgan
(Schaft)
- 11
- Gehäusecasing
- 2, 2a2, 2a
- Gehäuseteilhousing part
- 33
- Schraubverbindungscrew
- 4, 4a4, 4a
- Topfmagnetpot magnet
- 5, 5a5, 5a
- WeicheisenkernSoft iron core
- 6, 6a6 6a
- Verschlussplatteclosing plate
- 7, 7a7, 7a
- Polplattepole plate
- 8, 8a8th, 8a
- SpuleKitchen sink
- 9, 9a9 9a
- AxialkugellagerAxialkugellager
- 1010
- Betätigungsorganactuator
- 1111
- Trägerelementsupport element
- 12, 12a12 12a
- Luftspaltair gap
- 1313
- hülsenförmiger Ankersleeve-shaped anchor
- 14, 14a14 14a
- innere Kanteinner edge
- 1515
- äußere untere Kanteouter lower edge
- 15a15a
- äußere obere Kanteouter upper edge
- ss
- Hubstroke
- I1, I2 I 1 , I 2
- Stromelectricity
- F1, F2 F 1 , F 2
- Kraftforce
Claims (10)
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