DE19723405A1 - Verfahren zur Steuerung eines elektromagnetischen Ventilbetriebes für ein Gaswechselventil - Google Patents

Description

Zur Betätigung eines Gaswechselventils ist es gemäß DE-A-30 24 109 bekannt, dieses mit einem elektromagneti­ schen Aktuator zu versehen. Dieser Aktuator besteht im we­ sentlichen aus zwei mit Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten, deren Polflächen gegeneinander gerichtet sind. Zwischen den beiden Polflächen ist ein mit dem zu betätigenden Gaswechselventil verbundener Anker angeord­ net, der entsprechend der abwechselnden Bestromung der Elektromagneten gegen die Kraft von Rückstellfedern hin und her bewegbar ist. In der jeweiligen Endstellung des zu betätigenden Gaswechselventils (Schließstellung oder Öff­ nungsstellung) kommt der Anker an der Polfläche des je­ weils haltenden Magneten zur Anlage und wird für die Dauer der Bestromung an der Polfläche anliegend gehalten. Im Ru­ hezustand befindet sich der Anker in einer durch die Gleichgewichtslage der beiden gegeneinander wirkenden Rückstellfedern in einer Mittellage zwischen den Polflä­ chen der beiden Elektromagneten.

Soll der Anker im Betrieb aus einer Endstellung in die an­ dere bewegt werden, dann wird am haltenden Elektromagneten die Stromzufuhr abgeschaltet, so daß der Anker zusammen mit dem Gaswechselventil durch die Kraft der zugehörigen Rückstellfeder in Richtung auf die Mittellage bewegt wird. Wird dann am fangenden Elektromagneten die Stromzufuhr eingeschaltet, gelangt der Anker in den Einflußbereich des Magnetfeldes des fangenden Elektromagneten und wird dann durch die auf ihn wirkende Magnetkraft gegen die Kraft der anderen Rückstellfeder in die andere Endposition geführt. Beim Auftreffen des Ankers auf die Polfläche des fangenden Magneten entsteht ein entsprechendes Geräusch, das in sei­ ner Stärke abhängig ist von der Größe der Auftreffge­ schwindigkeit. Zugleich besteht die Gefahr des sogenannten Ankerprellens, was beispielsweise beim Schließen des Gas­ wechselventil dazu führen kann, daß das Gaswechselventil nach der Anlage am Ventilsitz noch einmal kurzzeitig öff­ net. Durch eine entsprechende Führung der Bestromung der jeweils fangenden Elektromagneten ist es möglich, die Auf­ treffgeschwindigkeit zu reduzieren, wobei jedoch die Auf­ treffgeschwindigkeit immer noch so hochbemessen sein muß, daß der Anker auch sicher gefangen, d. h. sicher an der Polfläche zur Anlage kommt.

Um die nicht zu vermeidenden Auftreffgeräusche zu minimie­ ren, wird für derartige elektromagnetische Ventiltriebe eine Auftreffgeschwindigkeit für den Anker in der Größen­ ordnung von weniger als 0,1 m/s gefordert. Derart kleine Auftreffgeschwindigkeiten sind auch unter realen Betriebs­ bedingungen mit allen damit verbundenen stochastischen Schwankungen sicher zu stellen, was jedoch einen hohen schaltungstechnischen Aufwand erfordert. Bei Fahrzeugmoto­ ren genügen allein schon über Fahrbahnunebenheiten oder andere Anregungen in der letzten Annäherungsphase ein plötzliches Abfallen des Ankers zu bewirken, falls die Ma­ gnetkraft genau an dem Kraftbedarf orientiert ist, der für diese minimale Auftreffgeschwindigkeit gefordert ist. Ein Restgeräusch läßt sich jedoch nicht vermeiden.

Die Erfindung schlägt zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zur Betätigung eines Gaswechselventils an einer Hubkolben­ brennkraftmaschine vor, bei dem ein mit dem Gaswechselven­ til in Verbindung stehender Anker gegen die Kraft von Rückstellfedern von den Magnetfeldern zweier im Abstand zueinander angeordneten, in ihrer Bestromung steuerbaren und mit ihren Polflächen gegeneinandergerichteten Elektro­ magneten hin und her bewegt wird, bei dem ferner auf den Anker jeweils bei Erreichen des Nahbereichs der Polfläche des fangenden Elektromagneten eine Kraftwirkung auf ge­ bracht wird, die die Kraftwirkung der dem fangenden Elek­ tromagneten zugeordneten Rückstellfeder erhöht und die so bemessen ist, daß der Punkt des Kräftegleichgewichtes zwi­ schen der auf den Anker wirkenden anziehenden Magnetkraft des Elektromagneten einerseits und den auf den Anker wir­ kenden erhöhten Rückstellkräften andererseits für den An­ ker kurz vor seiner Anlage an der Polfläche liegt und da­ nach die Bestromung des fangenden Elektromagneten so ge­ steuert wird, daß der Anker mit einer vorgebbaren Ge­ schwindigkeit die Polfläche erreicht. Je nach Konzeption kann hierbei vorgesehen werden, daß der Anker mit einer ganz geringen Geschwindigkeit, sogar mit der Geschwindig­ keit nahe "Null" auf die Polfläche auftrifft und beim Auf­ treffen die Bestromung des fangenden Elektromagneten so erhöht wird, daß eine ausreichende Haltekraft gegeben ist. In einer anderen Konzeption kann vorgesehen werden, daß der Anker nicht auf die Polfläche des fangenden Elektroma­ gneten unmittelbar auftrifft, sondern von einem entspre­ chend ausgerichteten Magnetfeld aufgefangen wird, wobei dieses Magnetfeld so positioniert ist, daß zumindest das Gaswechselventil in seiner Schließstellung durch Magnet­ kräfte gehalten wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die die Kraftwirkung der Rückstellfeder erhöhende Kraftwirkung durch Federkraft aufgebracht wird. Diese Verfahrensweise stellt die einfachste Verwirklichung dar, da sie über mechanische Systeme bewerkstelligt werden kann, so beispielsweise durch eine Entkopplung der beiden Rückstellfedern zumindest in der Ventilschließstellung, durch einen in seiner Kennlinie zumindest im Endbereich progressiv ausgelegten Kraft-Weg-Verlauf der Rückstellfe­ dern oder auch durch das Aufbringen einer zusätzlichen Fe­ derkraft. Die zusätzliche Federkraft bietet hierbei den Vorteil, daß sich jeweils im Nahbereich der Polfläche auf den Anker eine definiert ansteigende Verstärkung der Rück­ stellkraft der Rückstellfeder bewerkstelligen läßt, so daß sich im Zusammenwirken mit den entgegengerichteten Magnet­ kräften durch rein mechanische Mittel der Gleichgewichts­ punkt praktisch auf die Öffnungsstellung, insbesondere aber auf die Schließstellung des Gaswechselventils abstel­ len läßt und somit nicht nur ein sanftes Auftreffen des Ventils auf seinem Ventilsitz gewährleistet ist, sondern auch noch ein sicheres Halten gegen ein Abfallen gewähr­ leistet ist.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, daß die die Kraftwirkung der Rückstellfe­ der erhöhende Kraftwirkung durch auf den Anker wirkende Magnetkräfte aufgebracht wird. Durch die Beeinflussung der Magnetkräfte im Nahbereich der Polfläche ist es in Abstim­ mung mit dem Weg-Kraft-Verlauf der Federkennlinie (zumindest im Endbereich, linear progressiv oder sprung­ haft) möglich, die Lage des Gleichgewichtspunktes sehr ge­ nau anzusteuern.

In einer Ausgestaltung dieser Verfahrensweise wird vorge­ schlagen, die die Kraftwirkung der Rückstellfeder erhöhen­ de Kraftwirkung über eine Formung des Kraft-Weg-Verlaufs der auf den Anker wirkenden Magnetkräfte durch den fangen­ den Magneten aufzubringen. Durch diese Maßnahme kann der Anker "sanft" an der Polfläche des jeweils fangenden Elek­ tromagneten zur Anlage gebracht und dort gehalten werden. Dies kann durch eine entsprechende Steuerung der Bestrom­ ung des betreffenden Elektromagneten und/oder durch eine entsprechende Auslegung des Elektromagneten erfolgen.

Gemäß einer weiteren erfinderischen Verfahrensweise zur Betätigung eines Gaswechselventils, das für ein sanftes Auftreffen des Gaswechselventils auf seinen Ventilsitz konzipiert ist, wird vorgeschlagen, daß zumindest das Ma­ gnetfeld des der Schließstellung des Gaswechselventils zu­ geordneten fangenden Elektromagneten so ausgerichtet und seine Bestromung jeweils so gesteuert wird, daß in der Endstellung für zumindest die Schließstellung des Gaswech­ selventils, der Anker ohne Berührung mit einer Polfläche des fangenden Elektromagneten gegen die Kraft der zugehö­ rigen Rückstellfeder gehalten wird. Bei diesem Verfahren trifft der Anker nicht auf eine Polfläche auf, sondern wird "weich" von dem entsprechend ausgerichteten Magnetfeld aufgefangen, wobei durch eine entsprechende Führung der Be­ stromung der Elektromagneten es möglich ist, beim Errei­ chen der Endposition eine Geschwindigkeit nahe "Null" zu erzielen. Gelingt dies nicht, kann sich der Anker jedoch darüber hinaus bewegen ohne anzuschlagen, da die haltende Kraft und die Positionierung des Ankers ausschließlich über das Magnetfeld und die Gegenkraft der Rückstellfeder er­ folgt. Durch eine entsprechende Führung der Bestromung läßt es sich auch erreichen, daß im Magnetkraftverlauf ein Kraftüberschuß vorhanden ist, durch den ein unbeabsichtig­ tes "Abfallen" des Ankers aufgrund von äußeren Anregungen vermieden wird. So kann es auch bei einem "Anschleichen" des Ankers an die Endposition selbst beim Vorliegen von äußeren Stoßanregungen nicht zum Ankerabfall führen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgese­ hen, daß das für ein berührungsloses Halten vorgesehene Ma­ gnetfeld in bezug auf die Endstellung des Ankers im we­ sentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ankers aus­ gerichtet wird. Dies kann beispielsweise dadurch bewirkt werden, daß der betreffende Elektromagnet jeweils zwei ein­ ander gegenüberliegende Polflächen aufweisen, die im we­ sentlichen gegeneinander gerichtet sind. Beim Lösen vom haltenden Elektromagneten erhält der Anker soviel Bewe­ gungsenergie, daß er sich über die von den beiden Rück­ stellfedern bestimmte Gleichgewichtslage hindurchbewegt und sich soweit dem fangenden Elektromagneten nähert, daß er in den Kraftbereich seines Magnetfeldes gelangt und in der Bewegungsrichtung weiter gegen die Kraft der wirksamen Rückstellfeder bewegt wird. Sobald sich der Anker zwi­ schen den beiden Polflächen befindet, wird auf ihn die größte Magnetkraft ausgeübt, so daß der Anker in der von den beiden gegeneinander gerichteten Polflächen definier­ ten Endposition gehalten wird. Die Kraft des Magnetfeldes muß so ausgelegt werden, daß sie der Kraft der zusammenge­ drückten Rückstellfeder entspricht.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist ferner­ vorgesehen, daß jeweils bei der Bestromung des berührungs­ los haltenden Elektromagneten der Strom vor Erreichen der Endstellung des Ankers abgesenkt wird. Hierdurch besteht die Möglichkeit, die Annäherungsgeschwindigkeit des Ankers zu reduzieren, um so ein "Durchschwingen" zu vermeiden. Die Bestromung kann hierbei so geführt werden, daß beim Erreichen der Endposition der Strom wieder soweit erhöht wird, daß die notwendige Haltekraft auf den Anker sicher ausgeübt wird und eine durch äußere Stoßanregungen ausge­ löste ungewollte Ankerbewegung vermieden wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfin­ dung ist vorgesehen, daß in seiner Endstellung am berüh­ rungslos haltenden Elektromagneten auf den Anker zusätz­ lich das Feld wenigstens eines Permanentmagneten einwirkt, das zum Elektromagnetfeld gleichgerichtet ist und in sei­ ner Stärke so bemessen ist, daß seine auf den Anker ein­ wirkende Kraft kleiner ist als die Kraft der zugehörigen Rückstellfeder. Durch die Anordnung eines derartigen Perma­ nentmagnetfeldes kann der Strombedarf für das Halten des Ankers vorzugsweise in der Öffnungsstellung reduziert wer­ den, da ein Teil dieser Magnetkraft über das Permanentma­ gnetfeld aufgebracht wird. Zum Lösen des Ankers reicht je­ doch der Kraftüberschuß der Rückstellfeder aus, um nach Abschalten der Stromzufuhr zum Elektromagneten die Kraft des Permanentmagnetfeldes zu überwinden.

Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform für einen elektro­ magnetischen Aktuator zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 2 den Verlauf der Magnetkräfte und der Fe­ derkräfte in Abhängigkeit vom Hub, für die Ausführungsform gem. Fig. 1,

Fig. 3 den Verlauf der Magnetkräfte und der Federkräfte in Abhängigkeit vom Hub bei einer Beeinflussung der Magnetkräfte,

Fig. 4 den Verlauf der Magnetkräfte und der Federkräfte bei unterschiedlichen Strom­ höhen bei einer Anordnung mit Zusatzfeder,

Fig. 5 eine Ausführungsform für einen elektromagne­ tischen Aktuator mit berührungslos zu fan­ gendem Anker,

Fig. 6 den Verlauf der Magnetkräfte und der Feder­ kräfte in Abhängigkeit vom Hub für die Aktuatorausführungsform gem. Fig. 5,

Fig. 7 ein Blockschaltbild zur Durchführung des Verfahrens,

Fig. 8 verschiedene Magnetbauformen.

Der in Fig. 1 in einer Prinzipzeichnung dargestellte elek­ tromagnetische Aktuator besteht im wesentlichen aus zwei mit Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten 1 und 2, wobei der Elektromagnet 1 als Schließmagnet und der Elektromagnet 2 als Öffnermagnet wirkt. Zwischen den bei­ den Elektromagneten 1 und 2 ist ein Anker 3 angeordnet, der mit einer Führungsstange 4 verbunden ist, die sowohl im Bereich des Elektromagneten 1 als auch des Elektroma­ gneten 2 geführt ist.

Ein zu betätigendes Gaswechselventil 6 wird über eine Schließfeder 7 in Schließstellung gehalten. Auf das freie Ende des Ventilschafts 8 stützt sich das untere Ende der mit dem Anker 3 verbundenen Führungsstange 4 ab. Das obere Ende der Führungsstange 4 stützt sich auf einer Öffnungs­ feder 5 ab. Die Öffnungsfeder 5 und die Schließfeder 7 wir­ ken hierbei auf den Anker 3 über die Führungsstange 4 als Rückstellfedern und sind in ihrer Kraftwirkung gegeneinan­ der gerichtet. Bei stromlos gesetzten Elektromagneten wird der Anker 3 von den beiden Rückstellfedern 5 und 7 in ei­ ner Gleichgewichtslage zwischen den beiden Elektromagneten gehalten. Durch Einstellung der Vorspannung der Öffnungs­ feder 5 über hier nicht näher dargestellte Stellmittel läßt sich der Abstand der Gleichgewichtslage zu den beiden Elektromagneten 1 und 2 noch einstellen.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der als Öff­ nermagnet wirkende Elektromagnet 2 bestromt, so daß das Gaswechselventil 6 gegen die Kraft der Schließfeder 7 vom Magnetfeld des Elektromagneten 2 in Öffnungsstellung an der Polfläche P2 gehalten wird.

Wird nun der als Öffnermagnet wirkende Elektromagnet 2 stromlos gesetzt und gleichzeitig oder entsprechend verzö­ gert der als Schließmagnet wirkende Elektromagnet 1 be­ stromt, dann löst sich der Anker 3 von der Polfläche P2 des Elektromagneten 2 und bewegt sich zunächst unter der Kraftwirkung der Schließfeder 7 bis in die Mittellage und dann unter der Wirkung der Beschleunigungskräfte und der Magnetkräfte des Elektromagneten 1 in Richtung auf die Polfläche P1 des Elektromagneten 1.

Sobald nun das Gaswechselventil 6 seine Schließstellung eingenommen hat und der Ventilteller auf dem Ventilsitz 6.1 auftritt, verliert die Rückstellfeder 7 ihre Kraftwir­ kung auf den Anker 3, so daß dieser nur noch aufgrund sei­ ner Bewegungsenergie und unter der Wirkung des Magnetfel­ des gegen die Kraft der Rückstellfeder 5 um ein geringes Maß entsprechend dem axialen Spiel zwischen der Führungs­ stange 4 und dem Ventilschaft 8 bis zu seiner endgültigen Anlage an der Polfläche bewegt. Der Verlauf der Kräfte ist in Fig. 2 dargestellt und zwar zum einen die Magnetkraft M1 des Elektromagneten 1 und der Magnetkraft M2 des Elek­ tromagneten 2, die Federkraft F5 der Öffnerfeder 5 und die Federkraft F7 der Schließfeder 7. Die Federkennlinie F5 und F7 zeigt die Resultierende der beiden Rückstellfedern 5 und 7 Der Abschnitt 13 zeigt den "Kraftsprung" beim Schließen des Gaswechselventils.

Wird, wie vorstehend anhand von Fig. 1 beschrieben, der Magnet 2 stromlos gesetzt, dann wirkt auf den Anker 3 zu­ nächst praktisch nur die Rückstellkraft F7 der Schließfe­ der 7. Durchläuft der Anker den Punkt 11, in dem zwischen der Kraft F7 der Schließfeder und der Kraft F5 der Öffner­ feder Gleichgewicht herrscht, dann treibt die noch inne­ wohnende kinetische Energie den Anker über diesen Gleich­ gewichtspunkt hinaus. Da zwischenzeitlich der fangende Elektromagnet bestromt ist, gelangt der Anker in der Be­ reich des sich aufbauenden Magnetfeldes und wird von der Magnetkraft M1 in Richtung auf die Polfläche dieses Elek­ tromagneten gegen die Rückstellkraft F5 der Rückstellfeder 5 weiterbewegt und hierbei infolge der exponentiell an­ steigenden Magnetkraft M1 beschleunigt, bis der Punkt 12, namlich das Auftreffen auf der Polfläche P1 erfolgt.

Aus dem Verlauf der auf den Anker einwirkenden Kräfte, wie in Fig. 2 dargestellt, ist nun ersichtlich, daß kurz vor der Anlage des Ankers auf der Polfläche P1 im Punkt 13 ei­ ne Gleichgewichtslage zwischen der Magnetkraft M1 und der Federkraft F5 der nunmehr nur noch wirksamen Rückstellfe­ der 5 erreicht wird.

Wie aus Fig. 3 für die Bewegung in die Schließstellung dargestellt ist, kann nun sowohl über steuerungstechnische Maßnahmen wie auch über konstruktive Maßnahmen jeweils am fangenden Elektromagneten 1 und/oder 2 sowie auch in der Gestaltung des Ankers 3 Einfluß auf den Magnetkraftverlauf im Annäherungsbereich an die Polfläche, hier P1, genommen werden. Die punktierte Fortsetzung der Kurve M1 zeigt hierbei den Magnetkraftverlauf ohne Sättigung. Der demge­ genüber stark ausgezogene Verlauf der Kurve M1 im Bereich der Schließstellung zeigt den Magnetkraftverlauf mit star­ ker Sättigung. Der strichpunktierte ausgezogene Verlauf der Kurve M1 zeigt den Magnetkraftverlauf bei einer Absen­ kung des Stromes im Bereich der Gleichgewichtslage. Dies läßt erkennen, daß auch bei "konventionellen" elektroma­ gnetischen Aktuatoren für Gaswechselventile durch eine ge­ zielte Stromsteuerung ein sanftes Auftreffen erzielt wer­ den kann.

Um nun zu erreichen, daß bei diesem Bewegungsvorgang das Gaswechselventil 6 sanft auf seinen Ventilsitz 6.1 auf­ setzt, ist im Lösungsvorschlag gem. Fig. 1 eine vorge­ spannte Zusatzfeder 9 vorgesehen, die sich über einen Fe­ derteller 9.1 auf einer Stützfläche 10 am hier nicht näher dargestellten Gehäuse abstützt. Die Anordnung ist nun so getroffen, daß bei der Schließbewegung des Gaswechselven­ tils 6 der Federteller 7.1 der Schließfeder 7 auf den Fe­ derteller 9.1 der Zusatzfeder 3 auftrifft, kurz bevor das Gaswechselventil 6 auf dem Ventilsitz 6.1 auftrifft.

Da bei der Bewegung des Ankers 3 über die Gleichgewichts­ lage hinaus die Öffnerfeder 5 mit ihrer Rückstellkraft ge­ gen die Magnetkraft des Elektromagneten 1 mit einer Feder­ kraft entsprechend ihrer Federkennlinie wirksam wird, wirkt auf den Anker 3 zusätzlich zu dieser Rückstellkraft der Rückstellfeder 5 die Kraftwirkung der Zusatzfeder 9, so daß gegen die mit zunehmender Annäherung progressiv an­ steigende Magnetkraft eine definierte zusätzliche Kraft­ wirkung vorhanden ist.

Wie in Fig. 4 dargestellt, tritt kurz vor Erreichen des Punktes 12 jedoch das Gaswechselventil mit der Zusatzfeder 9 in Wirkverbindung, so daß zusätzlich zu der Rückstell­ kraft F5 auf den Anker 3 der definierte Kraftanteil der Zusatzfeder 9 in Gegenrichtung wirksam wird und somit kurz vor dem Auftreffen des Ventils 6 auf dem Ventilsitz 6.1, d. h. kurz vor Erreichen des Punktes 12 der Anker einen Punkt 13 durchläuft, an dem wiederum eine Kräftegleichge­ wicht zwischen der Magnetkraft M1 einerseits und der aus den Federkräften F5 und F9 resultierenden Federkraft F5 + 9 herrscht. Durch die definierte Kraftwirkung wird der Anker 3 in seiner Bewegung abgebremst.

Aus dem Gleichgewichtspunkt 13 heraus bis in die endgülti­ ge Schließposition muß nun der Anker 3 über eine gezielte Steuerung der Bestromung des fangenden Elektromagneten 1 geführt werden, wie dies vorstehend ausführlich allgemein beschrieben wurde.

Wird nun der fangende Magnet 1 mit einem größeren Strom beaufschlagt, dann ergibt sich ein Magnetkraftverlauf ent­ sprechend der Kurve M1.1. Hierbei ist die Strombeaufschla­ gung so geführt, daß der Punkt des Kräftegleichgewichts identisch ist mit dem Punkt der Schließstellung des Ven­ tils.

Wird jedoch der Elektromagnet 1 mit einem kleineren Strom beaufschlagt, wie dies durch die Kurve M1.2 gezeigt ist, dann ergeben sich zwei stabile Gleichgewichtslagen, näm­ lich im Punkt 13.1 und im Punkt 13.2. Aus dem Federkraft­ verlauf und dem Verlauf der Magnetkräfte im Bereich zwi­ schen dem Punkt 15 und dem Punkt 12, insbesondere zwischen dem Punkt 13 und dem Punkt 12 ist ersichtlich, daß über die Steuerung der Bestromung des Elektromagneten 1 eine gezielte Führung der Ankerbewegung möglich ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist grundsätzlich für die Ventilbewegung in die Schließpositi­ on eine Zusatzfeder 9 vorgesehen, so daß, wie aus Fig. 2 ersichtlich, bei der Bewegung in die Öffnungsposition die bisher üblichen Auftreffbedingungen gegeben sind, d. h. bei der Annäherung des Ankers 3 an den Öffnermagneten 2 trifft dieser wegen des hohen Überschusses der Magnetkraft M2 gegenüber der Kraft F7 der Rückstellfeder 7 beim Errei­ chen der Position "Ventil offen" hart auf die Polfläche P2 auf. Will man dies verhindern, muß bei der Ausführungsform gem. Fig. 1 in entsprechender Weise auch der Öffnungsfeder 5 eine Zusatzfeder 9.2 zugeordnet werden, die in Fig. 1 strichpunktiert angedeutet ist. Da bei der Öffnungsbewe­ gung nur der Anker auf die Polfläche P2 aufschlägt, kann die Zusatzfeder 9.2 anders ausgelegt werden als die Zu­ satzfeder 9.

Während anhand von Fig. 1 das Aufbringen einer zusätzli­ chen Kraftwirkung zur Rückstellkraft der Rückstellfeder 5 durch mechanische Mittel, nämlich die Anordnung einer Zu­ satzfeder beschrieben ist, wird anhand von Fig. 5 eine An­ ordnung beschrieben, bei der die zusätzliche Kraftwirkung über magnetische Mittel erfolgt. Der Grundaufbau des elek­ tromagnetischen Aktuators der anhand von Fig. 5 beschrie­ benen Ausführungsform entspricht im wesentlichen dem Aufbau des Aktuators gem. Fig. 1, so daß identische Bauteile mit identischen Bezugszeichen versehen sind.

Die beiden Elektromagneten 1 und 2 dieser Bauform sind so ausgebildet, daß sie mit zwei seitlichen Polschuhen 16 und 17 versehen sind, deren Polflächen P gegen die Längsachse der Führungsstange 4 gerichtet sind, so daß das bei einer Bestromung erzeugte Magnetfeld im wesentlichen senkrecht zu der durch die Achse der Führungsstange 4 definierten Bewegungsrichtung ausgerichtet ist. Die Rückstellkraft der Öffnungsfeder 5 einerseits und die Stärke des Magnetfeldes andererseits sind so bemessen, daß in der dargestellten Schließstellung der Anker 3 die in der Zeichnung darge­ stellte etwas abgesenkte Position gegenüber den beiden Polflächen P einnimmt. Wie die angedeuteten Feldlinien er­ kennen lassen, verbleibt in der dargestellten Positionie­ rung eine in Schließrichtung wirkende magnetische Rest­ kraft, wobei das Kraftgleichgewicht jedoch so gewählt ist, daß das untere Ende 4.1 der Führungsstange 4 nicht vom freien Ende des Ventilschaftes abhebt.

Wird die Stromzufuhr zur Spule 1.1 des Elektromagneten 1 abgeschaltet, bewegt sich der Anker 3 unter dem Einfluß der Kraft der zusammengedrückten Öffnungsfeder 5 in Richtung auf den Elektromagneten 2 zu. Wird die Spule 2.1 des Elek­ tromagneten 2, beispielsweise zum Zeitpunkt des Durchgan­ ges des Ankers 3 durch die Mittelposition bestromt, ge­ langt der Anker 3 in das Magnetfeld des Elektromagneten 2 und wird dann in die Öffnungsposition zwischen den beiden Polflächen P am Elektromagneten 2 gezogen und in dieser Position gegen die Kraftwirkung der Schließfeder 7 gehal­ ten, so daß das Gaswechselventil 6 in Öffnungsstellung ge­ halten ist.

Zur Unterstützung der Haltekraft können an den beiden Pol­ schuhen 16, 17 der beiden Elektromagneten 1, 2 jeweils im Bereich der freien Enden wenigstens ein Permanentmagnet 18 an geordnet sein, dessen Feld im Magnetfeld des bestromten Elektromagneten 1, 2 gleichgerichtet ist. Durch die magne­ tische Kraft des Permanentmagneten 18 wird dann in der je­ weiligen Halteposition das magnetische Feld des Elektroma­ gneten unterstützt, so daß zum Halten des Ankers 3 ein ge­ ringerer Strom erforderlich ist.

Wie aus der Anordnung ersichtlich, kann der Anker 3 sich noch über die jeweilige Endposition hinaus bewegen, ohne anzuschlagen, wenn es nicht gelingt, die Endposition mit der Geschwindigkeit "Null" zu erreichen. Der durch die Ausrichtung des Magnetfeldes bewirkte flache Kraftverlauf in der Nähe der gewünschten Endposition, ermöglicht ein sanftes, über eine Regelung der Bestromung regelbares An­ nähern.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Anker 3 als Rundanker und die zugehörigen Polflächen entsprechend als Zylinderflächen ausgebildet. Der Luftspalt zwischen dem Außenumfang des Ankers 3 und den Polflächen P hat eine Größe von bis zu 0,1 mm. Dieser Luftspalt stellt sicher, daß der erforderliche Haltestrom in vertretbarer Größe ge­ halten werden kann. Durch die Ausbildung des Ankers 3 als Rundanker wird sichergestellt, daß die durch die Rück­ stellfedern 5 und 7 bewirkten Torsionsbewegungen keinerlei Einfluß auf die Funktionsfähigkeit und freie Beweglichkeit des Ankers haben. Durch die Anordnung einer Stufe 19 auf den Polflächen P kann ein Teil des Magnetfeldes in Rich­ tung auf die Mittellage ausgerichtet werden, so daß die "fangende" Magnetkraft früher auf den ankommenden Anker 3 einwirkt.

Der anhand von Fig. 5 dargestellte Aktuator kann nun in der Weise abgewandelt werden, daß der den Anker 3 in Schließstellung haltende Elektromagnet in konventioneller Weise ausgebildet ist, d. h. seine Polfläche gegen die Fläche 20 des Ankers gerichtet ist, so daß - wie bisher - der Anker an der Polfläche des Elektromagneten gehalten wird. Hierdurch wird zwar die Geräuschentwicklung beim Auftreffen des Ankers in Kauf genommen, jedoch kann der erforderliche Haltestrom entsprechend reduziert werden.

In Fig. 6 ist für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 der Verlauf der auf den Anker 3 wirkenden Kräfte über den Hub dargestellt. Die von den beiden Elektromagneten 1 und 2 ausgehenden Kräfte sind jeweils von der Wirkungsebene I am Elektromagneten 1 und der Wirkungsebene II am Elektroma­ gneten 2 aus zurechnen. Damit ergibt sich der in Fig. 6 dargestellte Verlauf für die Magnetkraft M₁ in Richtung auf den Anker 3. Entsprechend ergibt sich für den Elektro­ magneten 2 ein Verlauf der Magnetkraft M₂ in der entgegen­ gesetzten Richtung. Ausgehend von der durch die Gleichge­ wichtslage der beiden gegeneinander gerichteten Kräfte der Rückstellfedern 5 und 7 ergibt sich nach beiden Seiten hin eine praktisch lineare Federkennlinie K_5,7, die je nach der Stellung des Ankers 3 gegenüber der die Gleichgewichtslage bildenden Mittellage 0 auf diesen einwirkt.

Auf der Seite des Öffnermagneten 1 ergibt sich für die Fe­ derkennlinie in der Schließstellung des Magneten ein Kraftsprung, der dadurch bewirkt wird, daß auf den Anker 3 nach Anlage des Ventils 6 nur noch die Öffnerfeder 5 auf den Anker 3 einwirken kann, während die Schließfeder 7 das Ventil auf seinem Sitz festhält.

Aus dem Verlauf der Magnetkräfte einerseits und der Feder­ kräfte andererseits ergibt sich, daß jeweils eine Gleich­ gewichtslage für die Schließstellung im Scheitelpunkt der Kurve M₁ und im Schnittpunkt A zwischen der Federkennlinie K und der Magnetkraftlinie M₂ gegeben ist. Der Abstand wischen diesen beiden Gleichgewichts lagen ergibt den Ven­ tilhub. Der Abstand zwischen der in Fig. 5 dargestellten Ankermittelebene III und der der Polflächenmittelebene I gibt die Position des Ankers in der Gleichgewichtslage der Schließstellung an. Entsprechend ergibt sich für die Öff­ nungsstellung der Abstand der Ankermittelebene III zur Polflächenmittelebene II.

Aus Fig. 6 ist zu erkennen, daß jeweils im Bereich des Punktes Z und des Punktes A ein "Kraftüberschuß" der Ma­ gnetkraft gegenüber der Federkraft vorhanden ist, so daß ein Abwerfen des Ankers in der Schließstellung aber auch in der Öffnungsstellung und damit ein ungewolltes Schlie­ ßen bzw. Öffnen des Gaswechselventils durch den Einfluß äußerer Stoßkräfte praktisch nicht möglich ist.

Durch eine entsprechende Steuerung der Bestromung der Elektromagneten läßt sich zudem der Verlauf der Kurven M₁ und M₂ noch beeinflussen.

In Fig. 7 ist in einem Blockschaltbild die Ansteuerung von elektromagnetischen Aktuatoren an einem Hubkolbenmotor dargestellt. Die Schaltung ist der Einfachheit halber je­ doch nur für die Ansteuerung eines von mehreren Aktuatoren dargestellt. Der Hubkolbenmotor wird in üblicher Weise über ein Gaspedal 21 angesteuert, dessen Stellsignal auf eine elektronische Motorsteuerung aufgegeben wird, über die in üblicher Weise in Abhängigkeit von den jeweiligen Betriebsdaten, wie beispielsweise Motordrehzahl, Kühlwas­ sertemperatur etc. die einzelnen Funktionen des Motors an­ gesteuert werden, so auch die Gaswechselventile. Hierzu werden entsprechende Steuersignale 23 auf eine Einrichtung zur Stromregelung 24 aufgegeben, über die entsprechend die Elektromagnete 1 und 2 des elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung des Gaswechselventils 6 angesteuert werden.

Bei dem hier beschriebenen Beispiel ist zumindest dem als Schließmagneten arbeitenden Elektromagneten 1 ein Wegsen­ sor 25 zugeordnet, der die Annäherung des Ankers 3 an die Polfläche P1 detektiert, so daß über ein entsprechendes Signal 26 die vorstehend beschriebene Stromregelung vorge­ nommen werden kann, um den Anker 3 vom Punkt des Kräf­ tegleichgewichts zwischen den Rückstellkräften und der Ma­ gnetkraft sanft an der Polfläche P1 zur Anlage zu bringen.

In Fig. 8.1 und Fig. 8.2 sind schematisch im Querschnitt Formen von Magneten dargestellt, durch die eine Vorgabe der Lage des Kräftegleichgewichtes für den Anker beein­ flußt werden kann. Während bei der Ausführungsform gem. Fig. 5 der Anker an der jeweiligen Polfläche nicht zur An­ lage kommt, sind diese Bauformen so konzipiert, daß die Magnetkräfte in der letzten Phase der Annäherung an die Polfläche den Einfluß der Kraftwirkung anwachsen lassen, so daß dann über eine gezielte Führung der Bestromung die sanfte, aber sichere Anlage des Ankers an der Polfläche erzielt wird.

Fig. 8.3 und Fig. 8.4 zeigen Magnetbauformen, bei denen ein Kraftverlauf erreicht wird, der bei großer Annäherung an die Polflächen eine Abschwächung aufweist, so daß hier­ mit eine stabile Gleichgewichtsposition auch ohne Zusatz­ federn in der Nähe der Polflächen erzielt werden kann. Bei dem in Fig. 8 dargestellten Magnetbauformen läßt sich die gewünschte Wirkung jeweils durch die Gestaltung der die Polfläche überragenden "Hörner" 2.1 erzielen.

Claims (10)

1. Verfahren zur Betätigung eines Gaswechselventils an ei­ ner Hubkolbenbrennkraftmaschine, bei dem ein mit dem Gas­ wechselventil in Verbindung stehender Anker gegen die Kraft von Rückstellfedern von den Magnetfeldern zweier im Abstand zueinander angeordneten und in ihrer Bestromung steuerbaren und mit ihren Polflächen gegeneinander gerich­ teten Elektromagneten hin und her bewegt wird, bei dem ferner auf den Anker jeweils beim Erreichen des Nahbe­ reichs der Polfläche des fangenden Elektromagneten eine Kraftwirkung aufgebracht wird, die die Kraftwirkung der dem fangenden Elektromagneten zugeordneten Rückstellfeder erhöht und die so bemessen wird, daß der Punkt des Kräf­ tegleichgewichts zwischen der auf den Anker wirkenden an­ ziehenden Magnetkraft der Elektromagneten einerseits und den auf den Anker wirkenden erhöhten Rückstellkräften an­ dererseits für den Anker kurz vor seiner Anlage an der Polfläche liegt und daß danach die Bestromung des fangen­ den Elektromagneten so gesteuert wird, daß der Anker mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit die Polfläche erreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Kraftwirkung der Rückstellfeder erhöhender Kraft­ wirkung durch Federkraft aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die die Kraftwirkung der Rückstellfeder erhöhende Kraftwirkung durch einen in seiner Kennlinie zumindest im Endbereich progressiv ausgerichteten Kraft-Weg-Verlauf der Rückstellfeder aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die die Kraftwirkung der Rückstellfeder erhöhende Kraftwirkung durch eine zusätzliche Federkraft aufgebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die die Kraftwirkung der Rückstellfeder erhöhende Kraftwirkung durch auf den Anker wirkende Ma­ gnetkräfte aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die die Kraftwirkung der Rückstellfeder erhöhende Kraftwirkung über eine Formung des Kraft-Weg-Verlaufs der auf den Anker wirkenden Magnetkräfte durch den fangenden Elektromagneten aufgebracht wird.

Verfahren zur Betätigung eines Gaswechselventils an ei­ ner Hubkolbenbrennkraftmaschine, bei der ein mit dem Gas­ wechselventil in Verbindung stehender Anker gegen die Kraft von Rückstellfedern von den Magnetfeldern zweier im Abstand zueinander angeordneten, in ihrer Bestromung steu­ erbaren Elektromagneten zwischen einer der Schließstellung und einer der Öffnungsstellung des Gaswechselventils zuge­ ordneten Endstellung hin und her bewegt wird, insbesondere nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das Magnetfeld des der Schließstellung des Gas­ wechselventils zugeordneten fangenden Elektromagneten so ausgerichtet und seine Bestromung jeweils so gesteuert wird, daß in der Endstellung, zumindest für die Schließ­ stellung des Gaswechselventils, der Anker ohne Berührung mit einer Polfläche des fangenden Elektromagneten gegen die Kraft der zugehörigen Rückstellfeder gehalten wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils das für ein berührungsloses Halten vorgesehene Ma­ gnetfeld in bezug auf die Endstellung des Ankers im we­ sentlichen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Ankers aus­ gerichtet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß bei der Bestromung des berührungslos haltenden Elektromagneten der Strom kurz vor Erreichen der Endstel­ lung des Ankers erhöht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in seiner Endstellung am berührungslos haltenden Elektromagneten auf den Anker zusätzlich das Feld wenigstens eines Permanentmagneten einwirkt, das zum Elektromagnetfeld gleichgerichtet ist und das in seiner Stärke so bemessen ist, daß seine auf den Anker einwirken­ de Kraft kleiner ist als die Kraft der zugehörigen Rück­ stellfeder.