DE10241876A1

DE10241876A1 - Elektromechanisches Aktuatorsystem für ein Maschinenventil mit verringertem Aufprall des Ankers

Info

Publication number: DE10241876A1
Application number: DE10241876A
Authority: DE
Inventors: Xiang Youquing
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2002-09-09
Publication date: 2003-04-30
Also published as: US6701876B2; GB2380561A; JP2003180068A; GB0216037D0; GB2380561B; US20030056740A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromechanisches Aktuatorsystem für ein Maschinenventil (10). Dieses verfügt über ein Kontrollelement (16), einen ersten Aktuator, einen zweiten Aktuator, ein Ankerelement (26), welches zwischen dem ersten Aktuator und dem zweiten Aktuator angeordnet ist, und über einen Bewegungsdetektor (32). Der Bewegungsdetektor generiert in Abhängigkeit der Position des Ankerelements (26) ein Signal und übermittelt dieses an das Kontrollelement (16). Das Kontrollelement (16) steuert den ersten Aktuator und den zweiten Aktuator in Abhängigkeit des übermittelten Signals, derart, dass das Ankerelement (26) mit möglichst geringer Aufprallkraft mit dem ersten oder zweiten Aktuator in Kontakt kommt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein elektromechanisches Aktuatorsystem für ein Ventil und im Speziellen auf ein elektromechanisches Aktuatorsystem für ein Ventil mit verringertem Aufprall des Ankers. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Bewegung eines Ankerelementes von einer ersten Position mit Kontakt zu einem ersten Aktuator in eine zweite Position mit Kontakt zu einem zweiten Aktuator.
Elektromechanische Aktuatorsysteme für Ventile nutzen elektromagnetische Aktuatoren um die Bewegung eines Ankers und damit des Maschinenventils zu kontrollieren. Üblicherweise wird der Anker zwischen zwei Elektromagneten vor und zurückbewegt und an der jeweiligen Stirnfläche dieser Magneten gehalten, wobei dies davon abhängig ist, welcher Magnet aktiviert ist. Gewöhnlich wirkt dabei ein Elektromagnet als Schließmagnet während der andere Magnet als Öffnungsmagnet wirkt. Um nun das Ventil von einer offenen Position in eine geschlossene Position zu bewegen, wird die Stromzufuhr des Öffnungsmagneten unterbrochen. Eine Rückstellfeder bewegt dann den Anker von dem Öffnungsmagneten weg. Nachdem der Anker seine Ruheposition verlassen hat, bremst eine zweite Rückstellfeder die Bewegung des Ankers dann, wenn er sich dem Schließmagneten nähert. Dem Schließmagneten wird zu diesem Zweck elektrischer Strom zugeführt, um den Anker aufzufangen und in der geschlossen Postion zu halten. Oftmals trifft der Anker bei dieser Prozedur mit unerwünscht hoher Kraft auf die Stirnfläche des aktivierten Elektromagneten. Aus diesem Aufprall können unerwünschte akustische Geräusche sowie eine unerwünschte Abnutzung des Aktuators resultieren. Die unerwünschte Abnutzung kann wiederum zu einer geringen Zuverlässigkeit und Haltbarkeit des System führen.
Eine Vielzahl verschiedener Methoden wurden mit dem Ziel entwickelt, den Aufprall auf den Aktuator an der Stirnseite des Aktuatorelementes bzw. des Magneten zu reduzieren. Eine Richtung der Versuche, den Aufprall zu reduzieren, ging dahin, die Form des Aktuators zu modifizieren um dadurch den Kontaktaufprall zu verringern. Diese Modifizierungen wirken sich aber negativ auf das Design und auf die Produktionskosten aus und lassen erheblichen Raum für eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Reduzierung des Kontaktaufpralls. Andere Versuche zur Erreichung eines geringeren Kontaktaufpralls gingen in die Richtung, die der Wicklung des Schließmagneten zugeführte Stromstärke dann maximal zu reduzieren, wenn sich der Anker der Stirnfläche des Schließmagneten nähert. Obwohl diese Methode den Kontaktaufprall zu verringern vermag, ist dennoch weiterhin viel Raum für Verbesserungen vorhanden. Beispielsweise ist es bei bekannten Systemen oftmals nicht möglich, diese dann noch einzustellen oder anzupassen, wenn sie bereits in ein Maschinensystem integriert sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein elektromechanisches Aktuatorsystem für ein Maschinenventil zu schaffen, welches sich durch einen möglichst geringen Aufprall auf den Aktuator auszeichnet. Es ist weiterhin Ziel der vorliegenden Erfindung, ein solches elektromechanisches Aktuatorsystem für ein Maschinenventil zuschaffen, das eine möglichst hohe Flexibilität und Zuverlässigkeit im Bereich der Reduzierung des Aufpralls des Ankerelementes aufweist. Hinzu kommt, dass das System besser an unterschiedliche Bedingungen anpassbar sein soll, als dies bei bisher bekannten Systeme möglich ist.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
Zur Lösung der genannten Aufgabe wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein elektromechanisches Aktuatorsystem für ein Maschinenventil vorgestellt. Das elektromechanische Aktuatorsystem für ein Maschinenventil beinhaltet einen Anker sowie einen ersten Aktuator und einen zweiten Aktuator. Ein Bewegungsdetektor generiert ein Signal in Abhängigkeit der Position des Ankers. Dieses Signal wird an ein Kontrollelement weitergeleitet, wobei das Kontrollelement kontrolliert wiederum den ersten Aktuator und den zweiten Aktuator in Abhängigkeit des Signals.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Rahmen der detaillierten Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung und den beigefügten Ansprüchen deutlich. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines elektromechanischen Aktuatorsystems für ein Maschinenventil nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 ein Flußdiagramm des elektromechanischen Aktuatorsystems für ein Maschinenventil nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine Darstellung eines Ventil-Aktuators nach der vorliegenden Erfindung im Querschnitt,
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Bewegungsdetektor wie er in Fig. 3 der vorliegenden Erfindung gezeigt ist,
Fig. 5 die Darstellung eines Querschnittes eines Ventil-Aktuators der vorliegenden Erfindung,
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Bewegungsdetektor wie er in Fig. 5 der vorliegenden Erfindung gezeigt ist.
Fig. 1 zeigt eine erste mögliche Darstellung einer Ausführungsvariante eines elektromechanischen Maschinenventil-Aktuators 10 nach der vorliegenden Erfindung. Der elektromechanische Maschinenventil-Aktuator 10 besteht aus einem Ventil-Aktuator 12, einem Schaltelement 14 und einem Kontrollelement 16. Der Ventil-Aktuator 12 weist einen Schließ-Aktuator 18, einen Öffnungs-Aktuator 20, eine erste Rückstellfeder 22, eine zweite Rückstellfeder 24 und ein Ankerelement 26, befestigt an einer Stange 28 eines Zylinderventils 30, auf. Die Nutzung des Kontrollelementes 16, des Schaltelementes 14 und des Ventil-Aktuators 12 zur Kontrolle des Betriebs eines Zylinderventils 30 ist bekannt und bereits Stand der Technik.
Die vorliegende Erfindung weist aber weiterhin einen Bewegungsdetektor 32 auf, der zwischen dem Schließ-Aktuator 18 und dem Öffnungs-Aktuator 20 angeordnet ist. Die Nutzung dieses Bewegungsdetektors 32 erlaubt dem Kontrollelement 16 einerseits die Position und in speziellen Ausführungsvarianten andererseits auch die Geschwindigkeit des Ankerelementes 26 zu kontrollieren bzw. zu überwachen. Aufgrund der Kontrolle des Ankerelementes 26 und durch eine eventuelle gleichzeitige Messung der Geschwindigkeit des Ankerelementes 26 ist es möglich, die Kraft des Schließ- Aktuators 18 oder des Öffnungs-Aktuators 20 derart einzustellen, dass der Aufprall des Ankerelementes 26, wenn es in Kontakt mit entweder dem Schließ-Aktuator 18 oder dem Öffnungs-Aktuator 20 kommt, zu reduzieren.
Die Nutzung des Bewegungsdetektors 32 erlaubt weiterhin eine Überwachung der Bewegung des Ankerelementes 26 in Echtzeit und erlaubt somit eine bessere Kontrolle und Steuerung der Bewegung des Ankerelementes 26.
Obwohl eine Vielzahl von Bewegungsdetektoren 32 für einen Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung geeignet ist, wird im Folgenden nur eine Ausführung stellvertretend für alle anderen beschrieben.
Wie in Fig. 3 dargestellt, ist ein Permanentmagnet 34 innerhalb einer Bewegungsdetektionswicklung 36 angeordnet, und bildet einen diskreten Bewegungsdetektor 32. In dieser Ausführungsform kreuzt das Ankerelement 26 den durch den Permanentmagnet 34 verursachten Strompfad und erlaubt dem Kontrollelement 16, welches mit der Bewegungsdetektionswicklung 36 kommuniziert, die Position und Geschwindigkeit des Ankerelementes 26 dann zu ermitteln, wenn es den Bewegungsdetektor 32 passiert. Obwohl im Rahmen dieser Erfindung nur eine (bevorzugte) Form eines diskreten Bewegungsdetektors 32 beschrieben wird, wird darauf hingewiesen, dass eine Vielzahl anderer diskreter Bewegungsdetektoren im Rahmen der vorliegenden Erfindung einsetzbar wäre. Der beschriebene diskrete Bewegungsdetektor 32 kann wiederum eine Vielzahl verschiedener Formen aufweisen, beispielsweise eine quadratische Konfiguration (vergleiche Fig. 3 oder Fig. 4) oder eine kreisförmige Konfiguration (vergleiche Fig. 5 oder Fig. 6) besitzen. Es wird in diesem Zusammenhang daraufhin gewiesen, dass diese Konfigurationen in erster Linie aus Gründen des Designs und aus Anordnungs- bzw. Verpackungsgründen gewählt wurden, die Möglichkeiten eines geeigneten Designs für einen im Rahmen der Erfindung einsetzbaren diskreten Bewegungsdetektor 32 aber nicht limitieren sollen.
Das Kontrollelement 16 schaltet den Schließ-Aktuator 18 und den Öffnungs- Aktuator 20 durch die Nutzung des Schaltelementes 14 ein und aus. Die Nutzung des Schaltelementes 14 zur Stromversorgung des Ventil-Aktuators 12 ist bekannter Stand der Technik. Die vorliegende Erfindung dagegen beinhaltet darüber hinaus in einer Ausführungsform erstmals die Nutzung eines regenerativen Schaltkraftkonverters als Schaltelement 14. Dieser regenerative Schaltkraftkonverter beinhaltet einen ersten Steueranschluß 38, einen zweiten Steueranschluß 40, eine erste Schließdiode 42 und eine zweite Schließdiode 44. Die Nutzung einer solches Dual-Steueranschluß/Dual- Diode Konfiguration erlaubt dem Schaltelement 14, magnetische Feldenergie in den Schließ-Aktuator 18 einzuspeisen, und diese in einer Batterie (nicht gezeigt) zu speichern und somit die Effizienz des elektromechanischen Aktuatorsystems für ein Maschinenventil 10 zu verbessern. In einer anderen gleichartigen Ausführung beinhaltet das Schaltelement 14 weiterhin einen ersten Öffnungssteueranschluß 46, einen zweiten Öffnungssteueranschluß 48, eine erste Öffnungsdiode 50 und eine zweite Öffnungsdiode 52. Dieser Bereich des Schaltelements 14 erlaubt es, die in dem Öffnungs-Aktuator 20 gespeicherte magnetische Feldenergie in eine ebenfalls nicht gezeigte Batterie dann einzuspeisen, wenn der Öffnungs-Aktuator 20 deaktiviert ist. Die Nutzung solcher regenerativer Schaltkraftkonverter ist in der Elektrik bzw. in der Elektronikindustrie zwar bekannt, neu und erfinderisch ist aber die Kombination mit dem Ventil-Aktuator 12, wie sie im Rahmen dieser Erindung beschrieben ist. Die Erfindung stellt ein neues, elektromechanisches Aktuatorsystem für Maschinenventile 10 mit sowohl verbesserter Leistung bzw. Funktionalität und Effizienz bereit.
Fig. 2 zeigt in einem Fließschemata den Ablauf bzw. die Funktion des elektromechanischen Aktuatorsystems für ein Maschinenventil 10, wie es durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt wird. Es ist eine vorteilhafte Methode zur Kontrolle des Ventil-Aktuators 12 und damit zur Reduzierung des Aufpralls des Ankerelementes 26 dargestellt. Die Methode beinhaltet die Ermittlung der Art bzw. der Richtung der Bewegung des Ankerelementes 26.
Dieser Verfahrensschritt 60 ermittelt lediglich, ob das Ankerelement 26 aus einer offenen Position 62 in eine geschlossenen Position 64 oder von einer geschlossenen Position 64 in eine offene Position 62 bewegt werden soll. Soll das Ankerelement 26 von der geschlossenen Position 64 in die offene Position 62 bewegt werden, kann ein Verfahrensschritt vorangestellt werden, in dem festgestellt wird, ob sich das Ankerelement 26 auch in der geschlossenem Position 64 befindet. Ist dies der Fall, erfolgt der nächste Verfahrensschritt, nämlich das sofortige Abschalten des Schließ-Aktuators 18 (Verfahrenschritt sofortiges Abschalten des Schließ-Aktuators 68). Ist der Schließ- Aktuator 18 abgeschaltet, bewegt die erste Rückstellfeder 22 das Ankerelement 26 vom Schließ-Aktuator 18 weg und in Richtung des Öffnungs- Aktuators 20. Der Bewegungsdetektor 32 wird dabei genutzt, um festzustellen, ob das Ankerelement 26 einen Mittelpunkt zwischen dem Schließ- Aktuator 18 und dem Öffnungs-Aktuator 20 passiert (Verfahrensschritt 70). Sobald der Verfahrensschritt des Feststellens, ob das Ankerelement 26 den Mittelpunkt passiert hat, durchgeführt ist, wird der Verfahrensschritt des Einschaltens eines Öffnungswicklung 72 durchgeführt. Das Kontrollelement 16 nutzt die Information, die durch den Bewegungsdetektor 32 bereit gestellt wird, um die Position und Geschwindigkeit des Ankerelementes 26 zu ermitteln. Mit dieser Information ist das Kontrollelement 16 in der Lage, den Öffnungs-Aktuator genau mit der notwendigen Energie zu versorgen, die es dem Ankerelement 26 erlaubt, den Öffnungs-Aktuator 20 zu erreichen. In einem nächsten Verfahrensschritt 74 wird die in den Öffnungs-Aktuator 20 eingespeiste Energie überprüft. Wurde die korrekte Energiemenge in den Öffnungs-Aktuator 20 eingeleitet, wird die Energiezufuhr zu dem Öffnungs- Aktuator 20 unterbrochen, sodass sich das Ankerelement 26 nur noch aufgrund seines Schwungs in Richtung des Öffnungs-Aktuator 20 bewegt. Dieser Verfahrensschritt 76 wird als Freidrehen des Öffnungs-Aktuators 20 bezeichnet. Während sich das Ankerelement 26 aufgrund des vorhandenen Schwungs in Richtung des Öffnungs-Aktuators 20 bewegt, berechnet das Kontrollelement 16 die Zeit, die das Ankerelement 26 benötigt, um den Öffnungs-Aktuator 20 zu erreichen. Wenn dieser Verfahrensschritt 78, der als Erreichen der Haltezeit bezeichnet wird, durchgeführt ist, folgt ein Verfahrensschritt 80, der beinhaltet, dass der Öffnungs-Aktuator 20 durch Zuführen ausreichender Energie als Halteaktuator wirkt. Bei diesem Verfahrensschritt wird der Öffnungs-Aktuator 20 mit einem Minimum an Strom versorgt, um das Ankerelement 26 gerade noch am Öffnungs-Aktuator 20 zu halten. Durch Nutzung dieser Methode, einschließlich des Überwachens, wann das Ankerelement 26 den Mittelpunkt passiert, kann die Energiezufuhr des Öffnungs-Aktuator 20 derart durch das Kontrollelement 16 kontrollliert werden, dass die Anziehungskraft, die auf das Ankerelement 26 wirkt, gerade ausreicht, um das Ankerelement sanft in Kontakt mit dem Öffnungselement 20 zu bringen. Dies wiederum reduziert die Aufprallkraft des Ankerelements 26 am Öffnungs-Aktuator 20 und erhöht somit die Funktion und Zuverlässigkeit des elektromechanischen Aktuatorsystems für ein Maschinenventil 10.
Wird andererseits das Ankerelement 26 von der offenen Position 62 in die geschlossenen Position 64 bewegt, wird ein Ablauf gleichartiger Verfahrenschritte durchgeführt. In diesem Fall weist das Verfahren im wesentlichen die folgenden Schritte auf:

- Verfahrensschritt 82: Ermitteln, ob sich das Ankerelement in der offenen Position 62 befindet,
- Verfahrensschritt 84: sofortiges Abschalten des Öffnungs-Aktuators,
- Verfahrensschritt 86: Feststellen, wann das Ankerelement 26 den Mittelpunkt zwischen dem Öffnungs-Aktuator und dem Schließ- Aktuator 18 passiert,
- Verfahrensschritt 88: Versorgen des Schließ-Aktuators 18 mit Energie,
- Verfahrensschritt 90: Feststellen bzw. Überwachen der dem Schließ- Aktuator 18 zugeführten Energie,
- Verfahrenschritt 92: Freidrehen des Schließ-Aktuators 1 (dem Ankerelement 26 erlauben, sich frei in Richtung des Schließ-Aktuators 18 zu bewegen),
- Verfahrenschritt 94: Berechnen der Zeit, die das Ankerelement 26 benötigt, um in Kontakt mit dem Schließ-Aktuator I8 zu kommen, und schließlich
- Verfahrenschritt 96: Umschalten des Schließ-Aktuators 18 derart, dass ausreichend Energie für das Halten des Ankerelementes 26 vorhanden ist.

Es wird daraufhingewiesen, dass, obwohl die vorliegende Erfindung mit Begriffen wie "offenen Position" und "geschlossene Position" geschrieben wurde, diese Begriffe nicht derart ausgelegt werden sollen oder dürfen, dass diese die Erfindung limitieren. Beispielsweise können anstelle der Begriffe "offene" und "geschlossene Position" auch die Begriffe "erste" und "zweite Position" verwendet werden.
Obwohl die Erfindung anhand eines oder teilweise mehrerer Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, wird darauf hingewiesen, dass die beschriebenen spezifischen Mechanismen und Techniken lediglich der Illustration des Prinzips der Erfindung dienen sollen, zahlreiche Modifizierungen sind bezüglich des beschriebenen Verfahrens und der beschriebenen Vorrichtung möglich, ohne über die wesentliche Idee der Erfindung, wie sie auch durch die beigefügten Ansprüchen beschrieben wird, hinauszugehen.

Claims

1. Elektromechanisches Aktuatorsystem für ein Maschinenventil (10) mit einem Kontrollelement (16), einem ersten Aktuator, einem zweiten Aktuator, einem Ankerelement (26), welches zwischen dem ersten Aktuator und dem zweiten Aktuator angeordnet ist, und einem Bewegungsdetektor (32), welcher ein Signal in Abhängigkeit der Position des Ankerelementes (26) generiert und dieses an das Kontrollelement (16) übermittelt, wobei das Kontrollelement (16) den ersten Aktuator und den zweiten Aktuator in Abhängigkeit des übermittelten Signals derart steuert, dass das Ankerelement (26) mit möglichst geringer Aufprallkraft mit dem ersten oder dem zweiten Aktuator in Kontakt kommt.

2. Elektromechanisches Aktuatorsystem für ein Maschinenventil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsdetektor (32) einen Permanentmagneten (34) und eine Bewegungsdetektionswicklung (36) aufweist.

3. Elektromechanisches Aktuatorsystem für ein Maschinenventil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Rückstellfeder (22) und eine zweite Rückstellfeder (24) vorgesehen sind.

4. Elektromechanisches Aktuatorsystem für ein Maschinenventil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltelement (14) vorgesehen ist.

5. Elektromechanisches Aktuatorsystem für ein Maschinenventil (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (14) als regenerativer Schaltkraftkonverter ausgeführt ist.

6. Elektromechanisches Aktuatorsystem für ein Maschinenventil (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (14) mindestens zwei Steueranschlüsse und zwei Dioden aufweist.

7. Elektromechanisches Aktuatorsystem für ein Maschinenventil (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Aktuator als Schließ-Aktuator (18) zum Schließen eines Maschinenventils und der zweite Aktuator als Öffnungs-Aktuator (20) zum Öffnen des Maschinenventils aufgeführt ist.

8. Verfahren zur Bewegung eines Ankerelementes (26) von einer ersten Position mit Kontakt zu einem ersten Aktuator in eine zweite Position mit Kontakt zu einem zweiten Aktuator, das folgende Verfahrensschritte aufweist:

a) Abschalten des ersten Aktuators,

b) mittels eines Bewegungsdetektors (32) überwachen, wann das Ankerelement (26) einen Mittelpunkt zwischen dem ersten Aktuator und dem zweiten Aktuator erreicht,

c) Einschalten des zweiten Aktuators dann, wenn das Ankerelement (26) den Mittelpunkt erreicht,

d) Abschalten des zweiten Aktuators und Zulassen, dass sich das Ankerelement (26) frei in Richtung des zweiten Aktuators weiterbewegt, und

e) Einschalten des zweiten Aktuators durch Zuführung von Energie derart, dass das Ankerelement (26) dann am zweiten Aktuator gehalten wird, wenn es den zweiten Aktuator erreicht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wegbewegung des Ankerelementes (26) vom ersten Aktuator in Richtung des zweiten Aktuators eine erste Rückstellfeder (22) verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der magnetischen Energie des ersten Aktuators gespeichert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Bewegungsdetektor (32) einen Permanentmagneten (34) und eine Bewegungsdetektionswicklung (36) aufweist.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewegungsdetektor (32) die Position und Geschwindigkeit des Ankerelementes (26) ermittelt.