DE19744714C1 - Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils nach dem Oberbegriff von An­ spruch 1.

Eine variable Steuerung von Gaswechselventilen kann den Wir­ kungsgrad und das Emissionsverhalten von Schadstoffen bei Brennkraftmaschinen wesentlich verbessern. Hierzu dienen elektromagnetische Aktuatoren zur Betätigung der Gaswechselven­ tile. Sie besitzen in der Regel zwei Schaltmagnete, nämlich ei­ nen Öffnungsmagneten und einen Schließmagneten, zwischen deren Polflächen sich ein Anker koaxial zu der Längsachse des Gas­ wechselventils bewegen kann. Der Anker wirkt direkt oder über einen Ankerbolzen auf einen Ventilschaft des Gaswechselventils. Bei Aktuatoren nach dem Prinzip des Massenschwingers wirkt ein vorgespannter Federmechanismus auf den Anker. Als Federmecha­ nismus dienen meistens zwei vorgespannte Druckfedern, und zwar eine obere und eine untere Ventilfeder. Die obere Ventilfeder belastet das Gaswechselventil in Öffnungsrichtung und die unte­ re Ventilfeder in Schließrichtung. Bei stromlosen Magneten wird der Anker durch die Ventilfedern in einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten gehalten, die in der Regel aus energeti­ schen Gründen der Mittellage zwischen den Polflächen der Magne­ te entsprechen sollte.

Wird der Aktuator beim Start aktiviert, wird entweder der Schließmagnet oder der Öffnungsmagnet kurzzeitig übererregt, um den Anker aus der Gleichgewichtslage anzuziehen, oder es läuft eine Anschwingungsroutine ab, bei der die Magnete wechselweise angesteuert werden, um das Gaswechselventil und den Anker in Schwingungen zu versetzen, bis der Anker von einem Magneten eingefangen werden kann. In geschlossener Stellung des Gaswech­ selventils liegt der Anker an der Polfläche des erregten Schließmagneten an und wird von diesem gehalten. Dar Schließ­ magnet spannt die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder wei­ ter vor. Um das Gaswechselventil zu öffnen, wird der Schließma­ gnet ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öff­ nungsmagneten angezogen wird. Der Anker wird von der in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder verzögert und schlägt an die Polfläche des Öffnungsmagneten an, wo er von dieser festge­ halten wird. Um das Gaswechselventil wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet ausgeschaltet und der Schließmagnet einge­ schaltet. Der Schließvorgang läuft in entsprechender Weise wie der Öffnungsvorgang ab.

Aus der DE 30 24 109 C2 ist ein elektromagnetisch betätigtes Gas­ wechselventil für Brennkraftmaschinen bekannt. Zwischen einem Öffnungsmagneten und einem Schließmagneten ist ein Anker von mindestens zwei Federn nach dem Prinzip eines Federmasseschwin­ gers gehalten. Der Anker, der mit dem Ventilschaft des Gaswech­ selventils verbunden ist, wird beim Schließen des Gaswechsel­ ventils vom Schließmagneten angezogen, indem eine Öffnungsfeder vorgespannt wird. Öffnet das Steuerventil, wird der Schließma­ gnet stromlos geschaltet und die Öffnungsfeder bringt das Gas­ wechselventil unter Mitwirkung des erregten Öffnungsmagneten in die Öffnungslage.

Um den Energiebedarf und den Verschleiß zu minimieren sowie ei­ nen beliebigen gewünschten Öffnungsverlauf des Gaswechselven­ tils zu erreichen, ist ein geregelter Betrieb des Aktuators an­ zustreben. Eine Regelung ist bei den bekannten Aktuatoren schwierig, weil während der Flugphase auf den Anker über einen großen, sich ständig ändernden Luftspalt hinweg Kräfte ausgeübt werden müssen. Dies führt zu hohen Ansteuerströmen der Magnete und starken Nichtlinearitäten. Gleichzeitig kann eine Position und Geschwindigkeit des Ankers nur mit hohem Aufwand bestimmt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Regelbarkeit ei­ nes Aktuators nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu verbes­ sern.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des An­ spruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen des Aktuators ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Nach der Erfindung wird das bekannte Aktuatorprinzip durch ei­ nen Tauchspulenantrieb erweitert, der während der Flugphase als Stellglied und Geschwindigkeitssensor dient. Hierzu ist mit dem Ventilschaft eines Gaswechselventils eine koaxial zu diesem an geordnete Tauchspule verbunden, die sich während der Bewegung des Ventilschafts stets in einem radial magnetisierten Luft­ spalt eines ringförmigen, axial magnetisierten Permanentmagne­ ten befindet, d. h. ein Teilbereich der Tauchspule befindet sich zu jeder Zeit im Luftspalt. Die bei homogenem Wicklungsaufbau im Luftspalt wirksame Anzahl von Spulenwindungen bleibt immer gleich, d. h. wie weit die Tauchspule in den Luftspalt eintaucht ist unerheblich. Der feldwirksame Abschnitt der Tauchspule in dem Luftspalt ist unabhängig von der Stellung des Ventilschaft­ tes. Dadurch bleibt das Systemverhalten konstant und ändert sich nicht mit dem Ankerhub.

Und mit dem Öffnungsmagneten bzw. Schließmagneten während des Fluges die Geschwindigkeit des Ankers beeinflussen zu können, muß ein breiter, sich ständig ändernder Luftspalt magnetisiert werden. Dies führt zu einem hohen Strombedarf bei extrem dicht linearen Verhältnissen. Mit dem ergänzenden Tauchspulenantrieb nach der Erfindung kann während der Flugphase bei einem minima­ len konstanten Luftspalt und einer linearen Abhängigkeit der Kraft vom Strom auf den Anker Kraft ausgeübt und so dessen Flug geregelt werden. Dabei wird je nach Strom- und Bewegungsrich­ tung dem System Energie zugeführt, wobei der Anker beschleunigt wird, oder Energie entzogen, wodurch der Anker gebremst wird.

Gleichzeitig kann die in der Tauchspule induzierte Spannung ge­ mäß einer Ausgestaltung der Erfindung benutzt werden, um die Geschwindigkeit des Gaswechselventils zu erfassen und gegebe­ nenfalls daraus die Position zu ermitteln. Die erfindungsgemäße Tauchspulenanordnung dient also sowohl als lineares Stellglied als auch der Geschwindigkeitsmessung und erleichtert so einen geregelten Betrieb des Aktuators.

Sind der Ventilschaft oder seine Lagerflächen aus einem Materi­ al mit einer hohen Permeabilität gefertigt, ist es vorteilhaft, daß die Tauchspule radial innerhalb des Permanentmagneten liegt. Ist dagegen die Permeabilität des Materials niedrig, ist es günstig, wenn die Tauchspule radial außerhalb des Permanent­ magneten liegt. Diese Variante hat den Vorteil, durch die grö­ ßere, sich im Magnetfeld befindliche Leiterlänge eine höhere Kraft entwickeln zu können.

Der Tauchspulenantrieb liegt zweckmäßigerweise auf der dem Ven­ tilteller zugewandten Seite des Aktuators, also auf der Seite des Öffnungsmagneten, er kann jedoch auch auf der gegenüberlie­ genden Stirnseite des Aktuators angeordnet werden, wenn der Ventilschaft durch den Anker und den Aktuator geführt wird. Ferner besteht die Möglichkeit, auf beiden Seiten des Aktuators Tauchspulenantriebe anzuordnen.

Die in der Tauchspule bei der Bewegung im Magnetfeld des Perma­ nentmagneten induzierte Spannung wird zweckmäßigerweise als Meßsignal einer elektronischen Regeleinrichtung mit einem Mi­ kroprozessor zugeführt, in der die Signale mit weiteren Parame­ tern und Kenngrößen zu entsprechenden Steuer- und Regelgrößen verarbeitet werden.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe­ schreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er­ findung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthal­ ten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinn vollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen erfin­ dungsgemäßen Aktuator mit einer auf kleinem Radius liegenden Tauchspule und

Fig. 2 eine Variante nach Fig. 1 mit einer auf einem großen Radius liegenden Tauchspule.

Ein Aktuator 1 besitzt einen oberen Schließmagneten 2 und einen unteren Öffnungsmagneten 3, die in erregtem Zustand auf einen Anker 6 wirken. Dieser ist mit einem Ventilschaft 8 eines Gas­ wechselventils 7 verbunden und wird von einer oberen Ventilfe­ der 4 und einer unteren Ventilfeder 5 in einer Gleichgewichts­ lage gehalten, solange die Magnete 2 und 3 stromlos sind. Wird der Aktuator 1 beim Start aktiviert, wird entweder der Schließ­ magnet 2 oder der Öffnungsmagnet 3 kurzzeitig übererregt, um den Anker 6 aus der Gleichgewichtslage anzuziehen, oder es läuft eine Anschwingungsroutine ab, bei der die Magnete 2 und 3 wechselweise angesteuert werden, um das Gaswechselventil 7 und den Anker 6 in Schwingungen zu versetzen, bis der Anker 6 von einem Magneten 2 oder 3 eingefangen werden kann. In geschlosse­ ner Stellung des Gaswechselventils 7 liegt der Anker 6 an dem erregten Schließmagneten 2 an. Der Schließmagnet 2 spannt die in Öffnungsrichtung wirkende obere Ventilfeder 4 weiter vor.

Wird der Schließmagnet 2 ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet 3 eingeschaltet, schwingt der Anker zum Öffnungsmagneten 3 und ein Ventilteller 9 des Gaswechselventils 7 hebt von einem nicht dargestellten Ventilsitz ab, so daß das Gaswechselventil 7 öff­ net.

Ein Tauchspulenantrieb, der einen ringförmigen, axial magneti­ sierten Permanentmagneten 10 und eine Tauchspule 12 umfaßt, ist auf der dem Ventilteller 9 zugewandten Seite des Aktuators 1 angeordnet. Dabei ist der Permanentmagnet 10 im Aktuator 1 in­ tegriert, während die Tauchspule 12 an einem Bund 15 des Ven­ tilschafts 8 befestigt ist. Die Tauchspule 12 taucht in einen sich axial erstreckenden, durch den Permanentmagneten 10 radial magnetisierten Luftspalt 11 ein. Über die Tauchspule 12 kann dem System Energie zugeführt oder entzogen werden, wodurch die Bewegung des Gaswechselventils 7 beschleunigt bzw. verzögert wird.

Bei der Bewegung der Tauchspule 12 im Magnetfeld des Permanent­ magneten 10 wird in der Tauchspule 12 eine Spannung induziert, die zwischen zwei aus der Tauchspule 12 herausgeführten Steuer­ leitungen 13 anliegt. Das Signal der Spannung wird über die Steuerleitungen 13 einer elektronischen Regeleinheit 14 mit ei­ nem Mikroprozessor zugeführt. Diese Signale werden in der Re­ geleinheit 14 mit anderen Parametern zu entsprechenden Steuer- und Regelgrößen verarbeitet und als Stellgrößen dem Aktuator 1 und/oder der Tauchspule 12 zugeführt. Erst bei einer Belastung durch passive oder aktive elektrische Bauteile in der Regelein­ heit 14 fließt ein Strom in der Tauchspule 12.

Claims (6)

1. Elektromagnetischer Aktuator (1) zur Betätigung eines Gaswech­ selventils (7), der sowohl einen Öffnungsmagneten (3) als auch einen Schließmagneten (2) besitzt, zwischen denen ein mit einem Ventil­ schaft (8) verbundener Anker (6) koaxial verschiebbar angeordnet ist und durch eine obere und eine untere vorgespannte Ventilfeder (4, 5) bei stromlosem Zustand der Magnete (2, 3) in einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten gehalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Ventilschaft (8) eine koaxial zu diesem ange­ ordnete Tauchspule (12) verbunden ist, die in einen radial ma­ gnetisierten Luftspalt (11) eines ringförmigen, axial magneti­ sierten Permanentmagneten (10) eintaucht.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchspule (12) radial innerhalb des Permanentmagne­ ten (10) liegt (Fig. 1).

3. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tauchspule (12) radial außerhalb des Permanentmagneten (10) liegt (Fig. 2).

4. Aktuator nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Tauchspule (12) induzierte Spannung zur Er­ fassung der Position und/oder Geschwindigkeit des Ventilschafts (8) dient.

5. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Tauchspule (12) induzierte Spannung als Si­ gnal für eine elektronische Regeleinrichtung (14) dient.

6. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (10) im Aktuator (1) integriert ist und sich an den Öffnungsmagneten (3) in Richtung zum Ventilteller (9) hin anschließt.