DE19712669A1

DE19712669A1 - Electromagnetically operated engine gas changeover valve

Info

Publication number: DE19712669A1
Application number: DE19712669A
Authority: DE
Inventors: Alexander Von Dipl In Gaisberg
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 1997-03-26
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2017-03-27
Also published as: DE19712669C2

Abstract

The internal combustion engine cylinder inlet or outlet valve has a single switched electromagnet coil with opposing pole faces and a pair of spring-loaded armatures on the valve stem representing the open and closed positions of the valve head. From one position the valve stem is urged towards the other position, when the electromagnetic control circuit is interrupted, by the action of a compression spring, and held in the second position by re-energisation of the magnet. The valve head (3) opens or closes against a valve seat (4) in the cylinder (5) of an internal combustion engine. Armatures (14,15) on the valve stem (2) are arranged to contact the pole faces (10a,10b,11a,11b) to form the open and closed positions of the valve respectively and compression springs (20) provide a balancing position when the electromagnetic coil (9) is de-energised by the control circuit (12,13). When the control circuit is interrupted the armature in contact with a pole face is released and the spring urges the valve stem through the intermediate position and re- energisation of the coil holds the valve stem in the other position.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisch gesteuertes Ventil, insbesondere als Gaswechselventil für Brennkraft maschinen.The invention relates to an electromagnetically controlled Valve, in particular as a gas exchange valve for internal combustion machinery.

Gaswechselventile beherrschen als Einlaßventil oder als Auslaßventil den Zugang von Einlaßkanälen oder Auslaßka nälen zum Brennraum einer Brennkraftmaschine. Ein Ventil stößel trägt an seinem Ende ein Verschlußglied, welches in der Schließstellung des Ventils auf dem Ventilsitz im Endabschnitt des zu kontrollierenden Kanals, beispiels weise des Einlaßkanals, aufliegt. Zur Freigabe des Ven tils wird der Ventilstößel in Längsrichtung verschoben und hebt das Verschlußglied von dem Ventilsitz im Kanal ab. Der Ventilstößel und damit das Ventil wird in seinen Endstellungen (Öffnungs- und Schließstellung) mit elek tromagnetischen Kräften gegen eine rückstellende Feder kraft festgehalten. Die Neutrallage der auf den Stößel wirkenden Federkräfte befindet sich zwischen der Öff nungsstellung und der Schließstellung des Stößels auf dem Hubweg des Ventils. Zum Wechseln der Schaltstellung des Ventils wird der Erregerstrom des festhaltenden Elektro magneten abgeschaltet und der Ventilstößel bewegt sich infolge der Federkräfte in Richtung der jeweils anderen Ventilstellung. Nach Überschwingen der Neutrallage kann der Ventilstößel durch Einschalten des Erregerstroms und die erneute Erzeugung elektromagnetischer Kräfte in der vorgesehenen Ventilstellung eingefangen werden.Gas exchange valves dominate as inlet valve or as Exhaust valve gives access to intake ducts or exhaust ka duct to the combustion chamber of an internal combustion engine. A valve plunger carries a closure member at its end, which in the closed position of the valve on the valve seat in End section of the channel to be checked, for example way of the inlet channel, rests. To release the Ven The valve tappet is moved lengthways and lifts the closure member from the valve seat in the channel from. The valve lifter and thus the valve is in its End positions (open and closed position) with elec tromagnetic forces against a resetting spring held by force. The neutral position of the on the pestle spring forces are between the opening position and the closed position of the plunger on the Stroke of the valve. To change the switch position of the Valve becomes the excitation current of the holding electro magnet switched off and the valve tappet moves due to the spring forces in the direction of the other Valve position. After overshoot the neutral position the valve lifter by switching on the excitation current and the renewed generation of electromagnetic forces in the intended valve position are captured.

Die EP-0283671 A1 beschreibt bereits ein solches Ventil, wobei für die Endstellungen des Ventils, nämlich Öff nungsstellung und Schließstellung, jeweils ein Elektroma gnet zum Festhalten des Stößels in dieser Stellung vorge sehen ist. Die beiden Elektromagneten sind voneinander beabstandet angeordnet, wobei Polflächen an den Magnet kernen den Polflächen des jeweils anderen Elektromagneten gegenüberliegen. In dem Luftspalt, der zwischen den Pol flächen der beiden Elektromagneten gebildet ist, er streckt sich eine Ankerplatte, welche senkrecht zur Längsachse am Ventilstößel befestigt ist. In den Endstel lungen des Ventils wird die Ankerplatte und damit der Ventilstößel, von dem der jeweiligen Endstellung zugeord neten Elektromagneten festgehalten. Auf die Stirnseiten der Ankerplatte wirkt jeweils eine Feder, welche sich an einem Ventilgehäuse abstützt, in dem der Ventilstößel längsbeweglich geführt ist. Die Neutrallage der Federn, in der auf die Ankerplatte keine Federkräfte wirken, be findet sich etwa mittig zwischen den Polflächen beider Elektromagneten. In den Endstellungen des Ventils sind also die Federn aus der Neutrallage ausgelenkt. Ist der Elektromagnet der jeweils vorliegenden Ventil-Endstellung in erregtem Zustand, so liegt die Ankerplatte mit ihrer dem Magneten zugewandten Stirnseite an den Polflächen des Magnetkerns an und wird gegen die rückstellende Feder kraft magnetisch festgehalten. Wird zum Umschalten der Ventilstellung der Erregerstrom unterbrochen, so bewegt die Federkraft den Stößel und nähert die Ankerplatte dem jeweils anderen Elektromagneten an. EP-0283671 A1 already describes such a valve, whereby for the end positions of the valve, namely Publ open position and closed position, each an electric gnet to hold the plunger in this position see is. The two electromagnets are from each other spaced apart, with pole faces on the magnet core the pole faces of the other electromagnet opposite. In the air gap between the pole surfaces of the two electromagnets is formed, he an anchor plate extends, which is perpendicular to the Longitudinal axis is attached to the valve lifter. In the end position the valve plate becomes the anchor plate and thus the Valve tappet from which the respective end position is assigned Neten electromagnet held. On the end faces a spring acts on the anchor plate, which is attached supports a valve housing in which the valve tappet is guided longitudinally. The neutral position of the springs, in which no spring forces act on the anchor plate, be can be found approximately in the middle between the pole faces of both Electromagnets. Are in the end positions of the valve so the springs are deflected from the neutral position. Is the Electromagnet of the present valve end position when excited, the anchor plate lies with her the magnet facing the end face on the pole faces of the Magnetic core and is against the resetting spring held magnetically by force. Is used to switch the Valve position the excitation current interrupted, so moved the spring force pushes the plunger and approaches the anchor plate each other to other electromagnets.

Das bekannte Ventil ist kompliziert im Aufbau, so daß seine Herstellung mit hohen Kosten verbunden ist. Ventile und insbesondere Gaswechselventile für Brennkraftmaschi nen sind häufig und bei den meisten Maschinen mehrfach verwendete Maschinenteile und beeinflussen die Produkti onskosten der gesamten Maschine in einem ihrer Verwen dungshäufigkeit entsprechendem Maß.The known valve is complicated in structure, so that its production is associated with high costs. Valves and in particular gas exchange valves for internal combustion engines Nen are common and multiple on most machines used machine parts and influence the produc cost of the entire machine in one of its uses frequency of use.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Magnetventil derart auszugestalten, daß durch einfa chen Aufbau eine kostengünstige Herstellung ermöglicht ist.The present invention is based on the object to design the solenoid valve so that by simp Chen construction enables cost-effective production is.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved with the features of Claim 1 solved.

Das Magnetventil wird durch einen schaltbaren Elektroma gneten gesteuert, welcher zwischen zwei axial beabstandet am Ventilstößel ausgebildeten Ankern angeordnet ist. Der Spulenkern des Elektromagneten weist pro Anker eine oder mehrere dem Anker zugewandte Polflächen auf, an denen in den Endstellungen des Ventil es bei eingeschaltetem Erre gerstrom der jeweils der vorliegenden Ventilstellung zu geordnete Anker mit magnetischen Kräften gehalten wird. In den Endstellungen des Ventils wirkt auf den Ventilstö ßel eine rückstellende Federkraft, welche durch die Aus lenkung des Stößels aus der Neutrallage zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung des Ventils ent steht. Der Abstand der Anker ist größer als der Abstand der magnetisch auf die Anker wirkenden Polflächen, so daß der gebildete axiale Luftspalt entsprechend der Abstands differenz den Verschiebeweg des Ventilstößels und damit den Öffnungshub des Ventils festlegt. Das Ventil wird von einem einzigen Elektromagneten geschaltet und gesteuert, welcher mit seinem einfachen Aufbau den Ventilstößel in beiden Endstellungen des Ventils magnetisch festhält. Der Elektromagnet wird in einem einfachen Erregerstromkreis von einer Stromquelle versorgt und geschaltet.The solenoid valve is operated by a switchable electroma gneten controlled, which is axially spaced between two Anchors formed on the valve lifter is arranged. Of the Coil core of the electromagnet has one or per armature several pole faces facing the armature, on which in the end positions of the valve with the Erre switched on flow of the current valve position orderly anchor is held with magnetic forces. In the end positions of the valve acts on the valve fault ßel a resilient spring force, which by the Aus steering the plunger from the neutral position between the Closed position and the open position of the valve ent stands. The distance between the anchors is greater than the distance of the magnet surfaces acting magnetically on the armature, so that the axial air gap formed according to the distance difference the displacement of the valve lifter and thus defines the opening stroke of the valve. The valve is from switched and controlled by a single electromagnet, which with its simple construction, the valve lifter in magnetically holds both end positions of the valve. Of the Electromagnet is in a simple excitation circuit powered and switched by a power source.

Ein Ausführungsbeispiel ist nachstehend anhand der Zeich nung näher erläutert.An embodiment is below with reference to the drawing tion explained in more detail.

Die einzige Zeichnungsfigur zeigt ein Gaswechselventil 1 für eine Brennkraftmaschine, welches von einem Elektroma gneten 7 gesteuert wird. Das Ventil 1 beherrscht den Zu gang eines Einlaßkanals 6 zum Brennraum 5 einer Brenn kraftmaschine mit einem Verschlußglied 3, welches von seinem Ventilsitz 4 im Endabschnitt des Einlaßkanals 6 durch einen Ventilstößel 2 abhebbar ist. In den Endstel lungen des Ventils, das heißt in der Schließstellung mit aufsitzendem Verschlußglied 3 und in der Öffnungsstel lung, wird der Ventilstößel 2, von dem Elektromagneten, der sich dann in erregtem Zustand befindet, festgehalten. Am Ventilstößel 2 sind in axialem Abstand zueinander zwei plattenförmige Anker 14, 15 senkrecht zur Längsachse 19 des Ventils 1 ausgebildet. Zwischen den Ankern 14, 15 ist der Elektromagnet 7 angeordnet. Ein Spulenkern 8 des Elektromagneten 7 weist einen I-förmigen Querschnitt auf und liegt mit einem Spulensteg 21 senkrecht und symme trisch bezüglich einer Längsachse 19 des Ventils 1. Der Spulensteg 21 weist mittig eine Bohrung 22 auf, welche vom Ventilstößel 2 durchsetzt ist. Der Spulensteg 21 trägt eine Spulenwicklung 9, welche Teil eines Erreger stromkreises 12 zur elektrischen Magnetisierung des Spu lenkerns 8 ist.The only drawing figure shows a gas exchange valve 1 for an internal combustion engine, which is controlled by a 7 electroma. The valve 1 controls the input to an inlet channel 6 to the combustion chamber 5 of an internal combustion engine with a closure member 3 , which can be lifted from its valve seat 4 in the end section of the inlet channel 6 by a valve tappet 2 . In the end positions of the valve, that is to say in the closed position with the closure member 3 seated and in the opening position, the valve tappet 2 is held by the electromagnet, which is then in an excited state. Two plate-shaped anchors 14 , 15 are formed on the valve lifter 2 at an axial distance from one another, perpendicular to the longitudinal axis 19 of the valve 1 . The electromagnet 7 is arranged between the armatures 14 , 15 . A coil core 8 of the electromagnet 7 has an I-shaped cross section and lies with a coil land 21 vertically and symmetrically with respect to a longitudinal axis 19 of the valve 1 . The coil web 21 has a bore 22 in the center, which is penetrated by the valve lifter 2 . The coil land 21 carries a coil winding 9 , which is part of an excitation circuit 12 for electrical magnetization of the Spu handlebar 8 .

Der Spulenkern 8 des Elektromagneten 7 weist durch seinen I-förmigen Querschnitt jeweils zwei Polflächen 10a, 10b für die Offenstellung des Ventils 1 und auf seiner gegen überliegenden Seite zwei Polflächen 11a, 11b für die Schließstellung des Ventils 1 auf. In der Zeichnungsfigur ist das Ventil 1 in der Offenstellung dargestellt, wobei der obere, dem Verschlußglied 3 abgewandt liegende Anker 14, welcher der Offenstellung des Ventils zugeordnet ist, infolge Magnetkräften des eingeschalteten Elektromagneten 7 an den Polflächen 10a, 10b liegt. Der Abstand A zwi schen den beiden Ankern 14, 15 ist um einen Öffnungshub- Stellweg (S) des Ventils 1 größer als die Erstreckung des Spulenkerns 8 in Längsrichtung der Ventilachse 19, das heißt dem Abstand P der Polflächen 10a, 10b von den ge genüberliegenden Polflächen 11a, 11b. Der maximale Öff nungshub des Verschlußgliedes 3 vom Ventilsitz 4 wird al so durch den Luftspalt zwischen den jeweils freiliegenden Polflächen und dem entsprechenden Anker vorgegeben.The coil core 8 of the electromagnet 7 has through its I-shaped cross section two pole faces 10 a, 10 b for the open position of the valve 1 and on its opposite side two pole faces 11 a, 11 b for the closed position of the valve 1 . In the drawing figure, the valve 1 is shown in the open position, the upper armature 14 , which faces away from the closure member 3 and which is assigned to the open position of the valve, lies on the pole faces 10 a, 10 b as a result of magnetic forces of the switched-on electromagnet 7 . The distance A between the two armatures 14 , 15 is an opening stroke adjustment path (S) of the valve 1 larger than the extension of the coil core 8 in the longitudinal direction of the valve axis 19 , that is, the distance P of the pole faces 10 a, 10 b from the ge opposite pole faces 11 a, 11 b. The maximum opening stroke of the closure member 3 from the valve seat 4 is thus determined by the air gap between the respectively exposed pole faces and the corresponding armature.

Die magnetische Anziehungskraft des Elektromagneten ist größer als eine rückstellende Federkraft F, welche in je der der Endstellungen des Ventils 1 entsprechend der Aus lenkung des Ventilstößels 2 aus der Neutrallage zwischen der Offenstellung und der Schließstellung auf den Ventil stößel 2 wirkt. Die Federkraft F wird im Ausführungsbei spiel durch Federn 20 erzeugt, welche jeweils am oberen Anker 14 oder am unteren Anker 15 angreifen und am Ge häuse des Ventils abgestützt sind. Die Anordnung der Fe dern 20 ist als eine mögliche Ausführungsform zu verste hen, es können mit der gleichen Wirkung auch Federn mit anderen Angriffspunkten am Ventilstößel 2 oder auch le diglich eine Feder 20 an einem der Anker 14 oder 15 vor gesehen sein. Wird in der gezeigten Offenstellung des Ventils 1, in der sich der Anker 14 in der Axiallage 18 befindet, durch eine entsprechende Steuerung der Strom quelle 13 durch eine nicht dargestellte Steuereinheit der Erregerstromkreis 12 unterbrochen, so bricht die magneti sche Kraft zusammen und der Ventilstößel 2 wird infolge der auf die Anker 14, 15 wirkenden Federkräfte F bewegt. Bei der Bewegung des Ventilstößels 2 in Richtung Schließ stellung gemäß dem Pfeil 23 schwingt der Ventilstößel 2 mit seinen bewegten Massen über die Neutrallage 17 der Federn 20 hinaus. Jenseits der Neutrallage 17 wird der Erregerstromkreis 12 wieder geschlossen und der unten liegende Anker 15, welcher sich dann näher am Spulenkern 8 befindet als der oben liegende Anker 14 der Offenstel lung, vom Elektromagneten 7 gefangen. Der obere Anker 14 befindet sich in der Schließstellung des Ventils 1 in der Axiallage 16 mit größtmöglichem Abstand von den ihm zuge ordneten Polflächen 10a, 10b, während der unten liegende Anker 15 an den ihm zugeordneten Polflächen 11a, 11b des Spulenkerns 8 gehalten wird.The magnetic attraction of the electromagnet is greater than a restoring spring force F, which tappet 2 acts in each of the end positions of the valve 1 corresponding to the deflection of the valve stem 2 from the neutral position between the open position and the closed position on the valve stem 2 . The spring force F is generated in game Ausführungsbei by springs 20 , each attacking the upper armature 14 or the lower armature 15 and supported on the Ge housing of the valve. The arrangement of the Fe 20 is hen as a possible embodiment to understand, it can be seen with the same effect springs with other points of attack on the valve lifter 2 or le diglich a spring 20 on one of the armatures 14 or 15 before. If in the open position of the valve 1 shown , in which the armature 14 is in the axial position 18 , the excitation circuit 12 is interrupted by a corresponding control of the current source 13 by a control unit (not shown), the magnetic force breaks down and the valve tappet 2 is moved due to the spring forces F acting on the armatures 14 , 15 . When the valve tappet 2 moves in the direction of the closed position according to arrow 23, the valve tappet 2 swings with its moving masses beyond the neutral position 17 of the springs 20 . Beyond the neutral position 17 , the excitation circuit 12 is closed again and the armature 15 located below, which is then closer to the coil core 8 than the armature 14 located above the open position, is caught by the electromagnet 7 . The upper armature 14 is in the closed position of the valve 1 in the axial position 16 with the greatest possible distance from the pole faces 10 a, 10 b assigned to it, while the armature 15 located at the bottom on the pole surfaces 11 a, 11 b of the coil core 8 assigned to it is held.

Vorteilhaft befindet sich die Neutrallage 17 der Federn 20 außermittig des Öffnungshubwegs S zwischen der Schließstellung 16 und der Offenstellung 18, wodurch das Anschwingverhalten des Ventilstößels an seine Endstellun gen verbessert ist, in denen die Anker 14 oder 15 der je weiligen Endstellung des Ventils 1 vom Elektromagneten 7 nach Einschalten des Erregerstroms I gefangen werden. Durch die außermittige Neutrallage werden unterschiedli che magnetische Haltekräfte in den beiden Endstellungen erzeugt, wodurch die Dynamik des Ventiltriebes wesentlich verbessert ist. Geringfügige Abweichungen der Neutrallage 17 von der Wegmitte zwischen den Endstellungen entstehen bereits durch Bauteiltoleranzen infolge Unzulänglichkei ten der Fertigungsverfahren, wodurch die Anker 14, 15 un symmetrisch an den Polflächen des Spulenkerns 8 anliegen. Um eine Verschiebung der Neutrallage zu bewirken, können die Anker 14 und 15 jeweils mit Federn 20 unterschiedli cher Federsteifigkeiten oder Federlängen versehen werden oder zur Erzeugung unterschiedlicher Magnetkraftwirkungen auf die Anker 14 und 15 die Polflächen des Spulenkerns 8 geometrisch unterschiedlich gestaltet sein. Besonders vorteilhaft wird jedoch die außermittige Neutrallage 17 durch unterschiedliche Massen der Anker erreicht. Das Verhältnis der Gewichte beider Anker 14 und 15 zueinander wird entsprechend der an das Ventil 1 gestellten Anfor derungen ausgelegt, um beispielsweise einen nichtlinearen Öffnungshub (Öffnungshubweg S/Öffnungshubzeit) zu er reichen und damit optimale Gemischbildungsbedingungen im Brennraum 5 entsprechend der spezifischen Betriebschara kteristik der Brennkraftmaschine zu schaffen.Advantageously, the neutral position 17 of the springs 20 is off-center of the opening stroke S between the closed position 16 and the open position 18 , whereby the response of the valve lifter to its end positions is improved, in which the armature 14 or 15 of the respective end position of the valve 1 by the electromagnet 7 can be caught after switching on the excitation current I. Due to the eccentric neutral position, differing magnetic holding forces are generated in the two end positions, which significantly improves the dynamics of the valve train. Slight deviations of the neutral position 17 from the middle of the path between the end positions are already caused by component tolerances as a result of inadequacies of the manufacturing process, as a result of which the armatures 14 , 15 rest symmetrically on the pole faces of the coil core 8 . In order to cause a shift in the neutral position, the armatures 14 and 15 can each be provided with springs 20 of different spring stiffnesses or spring lengths, or the pole faces of the coil core 8 can be designed geometrically differently to generate different magnetic force effects on the armatures 14 and 15 . However, the off-center neutral position 17 is particularly advantageously achieved by different masses of the anchors. The ratio of the weights of both armatures 14 and 15 to one another is designed according to the requirements placed on the valve 1 , for example to achieve a non-linear opening stroke (opening stroke S / opening stroke time) and thus optimal mixture formation conditions in the combustion chamber 5 in accordance with the specific operating characteristics of the internal combustion engine to accomplish.

Claims

1. Valve, in particular gas exchange valve ( 1 ) for internal combustion engines, comprising the following features:

a) a closure member ( 3 ) at the end of a longitudinally slidable valve lifter ( 2 ),
b) a switchable electromagnet ( 7 ),
c) the electromagnet ( 7 ) is arranged between two armatures ( 14 , 15 ) formed axially spaced apart on the valve tappet ( 2 ),
d) a coil core ( 8 ) of the electromagnet ( 7 ) has one or more pole faces ( 10 a, 10 b; 11 a, 11 b) on the sides facing the respective armatures ( 14 , 15 ),
e) the distance (A) between the armatures ( 14 , 15 ) is larger by an opening stroke adjustment path (S) than the distance (P) between the pole faces ( 10 a, 10 b; 11 a, 11 b) in the longitudinal direction of the Valve lifter ( 2 ),
f) in the excited state of the electromagnet ( 7 ) is one of the armatures ( 14 , 15 ) in the corresponding opening or closing position of the valve ( 1 ) on the respectively assigned pole face ( 10 a, 10 b; 11 a, 11 b) held,
g) a restoring force (F) acts on the valve tappet ( 2 ) in the end positions,
h) by interrupting an excitation circuit ( 12 ) of the electromagnet ( 7 ) by the force (F) of the valve tappet ( 2 ) in the direction of the other end position of the closure member ( 3 ) be moved,
i) by closing the excitation circuit ( 12 ) beyond a neutral position ( 17 ) of the valve tappet ( 2 ) based on the opening stroke travel (S), the closure member ( 3 ) can be switched to the other end position.

2. Valve according to claim 1, characterized in that the restoring force is a spring force (F) is.

3. Valve according to claim 1 or 2, characterized in that the force (F) on one or both anchors ( 14 , 15 ) is initiated.

4. Valve according to claim 3, characterized in that on both anchors ( 14 , 15 ) each engages at least one spring ( 20 ) which is supported on a Ventilge housing.

5. Valve according to one of claims 1 to 4, characterized in that the masses of the armatures ( 14 , 15 ) are different.

6. Valve according to one of claims 1 to 5, characterized in that the coil core ( 8 ) is symmetrical with respect to a longitudinal axis ( 19 ) of the valve ( 1 ).

7. Valve according to claim 6, characterized in that the coil core ( 8 ) has an I-shaped cross section, wherein a winding-bearing coil web ( 21 ) of the coil core ( 8 ) is penetrated by the valve lifter ( 2 ).