DE19810609A1

DE19810609A1 - Elektromagnetische Stelleinrichtung

Info

Publication number: DE19810609A1
Application number: DE19810609A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber
Original assignee: LSP Innovative Automotive Systems GmbH; Magneti Marelli SpA
Current assignee: LSP Innovative Automotive Systems GmbH; Marelli Europe SpA
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 1999-09-16

Abstract

Es wird eine elektromagnetische Stelleinrichtung beschrieben, die zwei Elektromagnete und einen durch diese Elektromagnete hin- und herbewegbaren Hauptanker aufweist. Auf den Anker wirken zwei entgegengesetzt gerichtete Federkräfte, die den Anker ohne Erregung eines der Elektromagnete in eine Zwischenstellung stellen. Die Ankerbewegung wird zur Betätigung von Ventilen eines Verbrennungsmotors benutzt. DOLLAR A Es ist ein zusätzliches Stellelement vorgesehen, der bei seiner Ansteuerung eine Kraft auf den Hauptanker ausübt, wenn dieser sich in der einen Endstellung befindet. Die Kraft ist zur anderen Endstellung hin gerichtet. Diese Kraft wird als Hilfkraft dazu benutzt, ein Auslaßventil, auf dem Gaskräfte lasten, zu öffnen bzw. den Anker und damit das Ventil zu beschleunigen.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stelleinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Eine solche Stelleinrichtung ist aus der DE 39 20 976 A1 bekannt. Die Erregung eines der Elektromagnete bringt den Anker in die zugehörige Endstellung, wodurch z. B. das Ventil voll geöffnet ist. Durch die Ansteuerung des andern Elektromagneten wird dann das Ventil geschlossen.

Bekanntlich haben elektromagnetische Ventilsteuerungen einen relativ hohen Lei stungsbedarf. Dieser wird im Wesentlichen durch Reibungsverluste und durch Gas kräfte im System verursacht. Diese Hauptfaktoren müssen durch die Magnetkraft oder die Hubarbeit des Magneten ausgeglichen werden. Infolge der relativ großen Ventilhübe besitzen die Magnete relativ große Luftspalte und damit einen relativ schlechten Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad des Magneten ist nur im Bereich klei ner Luftspalte, das heißt in der Nähe der Endlage hoch. Besondere Probleme be reitet das Auslaßventil mit hohen auf das Ventil wirkenden Gaskräften, die im We sentlichen im Voll-Lastbereich und verstärkt bei aufgeladenen Motoren entstehen. Hierbei wirkt auf das Auslaßventil beim Öffnen ein relativ hoher Restdruck im Zylin der. Gegen diesen Restdruck muß das Ventil öffnen. Die Ventilöffnungskraft ist um so größer, je größer der wirksame Durchmesser des Ventiles ist. Der Ventildurch messer soll auch bei einem guten Motorwirkungsgrad möglichst groß sein.

Nun besitzen Aktoren von elektromagnetischen Ventilsteuerungen Rückstellfedern, welche beidseitig wirken und bei Nichtbetätigung des Magneten den Anker in der Mittelstellung verharren lassen. Bei Systemen mit relativ großer beweglicher Masse sind die Rückstellkräfte groß, so daß bei mittleren Ventildurchmessern noch eine Öffnungskraft durch die Federkraft übrig bleibt. Kritisch wird dies bei aufgeladenem Motor, bei der der Zylinderdruck größer ist. Da die Gaskraft der Öffnungskraft der Feder entgegen wirkt, wird die Anfangsbeschleunigung erheblich verringert; damit wird die Hubzeit größer, was zu Problemen bei großen Drehzahlen führt. Um dies auszugleichen muß der Magnet relativ früh eingeschaltet werden. Dies hat jedoch zur Folge, daß infolge des noch großen Luftspaltes in dieser Phase der Magnetwir kungsgrad sehr schlecht ist. Daher muß zur Ventilbetätigung eine relativ hohe Lei stung aufgebracht werden, welche ungünstig ist für den Gesamtwirkungsgrad des Motors und zusätzlich große Probleme hinsichtlich der Wärmeabfuhr aus den Erre gerspulen bereitet.

Bei Systemen mit kleinerer beweglicher Masse besteht das Problem, daß die Gas kraft sogar bei großem Ventildurchmesser größer ist, als die Rückstellkraft des Sy stems. Diese Systeme sehen ein relativ kleines Auslaßventils als Pilotventil vor, das früher öffnet und den Druck reduziert. Anschließend folgt das größere Auslaßventil nach. Dies hat zur Folge, daß der wirksame Querschnitt infolge des Zeitverzuges beim Öffnen des großen Auslaßventils bei großen Drehzahlen nachteilig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine elektromagnetische Stelleinrichtung zu schaffen, bei der diese Probleme ohne hohen zusätzlichen Energieaufwand ge löst werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Als Lösung der Problematik wird somit z. B. ein Zusatzmagnet vorgeschlagen, wel cher im Bereich der Endstellung des Schließmagneten wirksam ist. Dieser entfaltet eine zusätzliche Kraft zur Beschleunigung des Systems, insbesondere zum Öffnen des Auslaßventils. Nach Beginn der Ankerbewegung wird dieses System abge schaltet. Vorzugsweise wird die elektronische Schaltung mit einer Freilaufdiode aus gestattet, so daß die Abschaltenergie voll zur weiteren Beschleunigung des Ankers zur Verfügung steht. Anstelle des Zusatzmagneten könnte z. B. auch ein piezoelek trisches Stellelement verwendet werden.

Da dieses System, im Vergleich zum Hauptsystem nur einen relativ kleinen Hub durchzuführen hat, kann die Rückstellfederkraft klein gestaltet werden. Weiterhin kann der Anker mit einer relativ großen Fläche versehen werden, welche sehr stark zur Wirkungsgradsteigerung des Magneten beiträgt. Bekanntlich steigt die Kraft ei nes Magneten mit der Kraftflußdichte und linear mit der Fläche an. Andererseits steigt die magnetische Erregung, das heißt Ampèrewindungszahl oder Leistung der Erregerspule mit der Kraftflußdichte an. Mit großer Ankerfläche kann deshalb bei dem gleichen Kraftbedarf die Kraftflußdichte reduziert werden, was zu geringerer Leistungsaufnahme führt. Da der Magnet nur einen relativ kleinen Hub zu durchfah ren hat, kann er mit kleinem Luftspalt betrieben werden; das heißt der Magnet hat einen extrem hohen Wirkungsgrad. Dieser Wirkungsgrad liegt in der Größenord nung von 80 Prozent; vergleichsweise ist der Wirkungsgrad des Hauptsystems klei ner 30 Prozent. Daher bringt der Zusatzmagnet einen erheblichen Beitrag zur Lei stungsreduzierung des Gesamtsystems.

Der Zusatzmagnet ist insbesondere für das Auslaßventil geeignet. In Anbetracht des besseren Wirkungsgrades eignet er sich grundsätzlich auch für das Einlaßventil. Der Zusatzmagnet hat auch hier den zusätzlichen Vorteil, daß die unvermeidliche Verlustenergie bei der Hubbewegung gleich zu Beginn des Hubes in das System eingebracht wird. Der Öffnungsmagnet hat dabei nur noch die Funktion einer Kom pensation der Streuungen von Reibungs- und Gaskraft, die während des Hubes auftreten. Vorzugsweise wird die Hubbewegung über entsprechende Algorithmen durch einen Hubsensor unterstützt. Vorzugsweise wird der Magnetkreis des Zu satzmagneten in das gesamte Magnetsystem integriert.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine elektromagnetische Stelleinrichtung gemäß der Erfindung in Ruhestellung;

Fig. 2 die gleiche Stelleinrichtung bei geschlossenem Ventil;

Fig. 3 eine andere Lagerung des Ankers des Zusatzmagneten;

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung der Funktion.

In Fig. 1 ist eine elektromagnetische Stelleinrichtung in Ruhestellung gezeigt. Sie besteht aus zwei Elektromagneten 1 und 2, die jeweils ein Joch 1a bzw. 2a und we nigstens eine Wicklung 1b bzw. 2b aufweisen. Den Polen der Joche 1a bzw. 1a steht ein Anker 3 gegenüber, der an einer Drehfeder 4 gelagert ist. Ein Hebel 5 verbindet die Drehfeder mit dem Anker 3.

Am Hebel 5 ist eine Betätigungsstange 6 angelenkt, die ein Ventil 7 bei der Bewe gung des Ankers 3 betätigt. Die Rückstellung erfolgt über den Drehstab 4.

An einem weiteren Hebel 8 mit der selben Drehachse wie der Drehstab 4 ist ein großflächiger Anker 9 eines Zusatzmagneten 10 befestigt. Dieser arbeitet mit dem Zusatzmagneten 10 zusammen. Ohne Erregung der Wicklung 11 des Zusatzma gneten 10 wird der Anker 9 durch eine Feder 12 gegen einen Anschlag 13 gezogen. Anstelle der Feder könnte auch die Kraft eines gestrichelt gezeichneten Perma nentmagneten 12a den Anker in dieser Stellung halten. Ist der Hauptanker 3 in der oberen Endstellung wie in Fig. 2 dargestellt, und der Zusatzmagnet 10 wird erregt, so wird der Anker 9 angezogen. Er erzeugt nun eine Kraft auf die Verlängerung des Ankers 3. Damit kann bei abgeschalteter Erregung des Magneten 1 die Federkraft der Drehfederlagerung 4 plus die durch den Anker 9 erzeugte Kraft den Anker 3 nach unten beschleunigen und damit das Ventil 7 öffnen.

Diesen Ablauf zeigt nochmals das Diagramm der Fig. 3, wo der Strom i durch die Wicklung 11, der Weg S des Ankers 3 und die Ansteuerspannung der Wicklung 11 dargestellt sind. Zum Zeitpunkt T₀ wird der Strom i eingeschaltet. Die durch den Strom i erzeugte Kraft auf den Anker zusammen mit der Federkraft bewirkt nach Ab schalten des Magneten 1 bei T₃ eine Bewegung des Ankers 3, was ein Hubsensor 14 feststellt und bei T₂ die Erregerspannung des Magneten 10 abschaltet. Somit be wegen sich mit geringem Zeitverzug Δt beide Anker.

Als Steuergröße kann neben der Weginformation des Hubsensors auch der Strom zeitverlauf, das heißt als Kriterium die Stromabnahme nach dem Maximum verwen det werden oder es kann sogar eine feste Zeitsteuerung Δt verwendet werden. Nach dem Abschalten klingt der Strom relativ langsam über eine Freilaufdiode ab, was zur Folge hat, daß die gespeicherte Magnetenergie noch zur Beschleunigung des Sy stems mitbenutzt wird. Die Steuerung der Erregerspule 11 über den Hubsensor und auch die Stromänderung hat den Vorteil, daß nur soviel Strom eingespeist wird, um das Ventil zu öffnen. Damit wird automatisch auf unterschiedliche Zylinderdrücke adaptiert. Hierbei wird bei der anschließenden Hubbewegung die Geschwindigkeit des Ankers in der Endlage ausgewertet. Ist diese groß oder trifft der Anker sogar auf den Anschlag auf, so wird der Einschaltzeitpunkt T₀ verlegt und damit die Zeitdiffe renz T₀-T₃ verkürzt.

Es gibt gewisse Betriebszustände des Motors, bei denen das Ventil nicht in der Öf fnungsstellung verharrt, z. B. bei hohen Drehzahlen oder bei kleineren Drehzahlen im Teillastbereich. Hierbei kann der Zusatzmagnet, das heißt seine Energiezufuhr, insbesondere unter Mitverwendung des Hubsensors so gesteuert werden, daß das System den Bereich der Endlage erreicht ohne zusätzliche Kraftentfaltung des Ma gneten 2. Es wird dann rechtzeitig der Magnet 2 angeschaltet, um den Anker in die Endstellung zu befördern und auch zu halten.

Der Zusatzmagnet ist notwendig für das Auslaßventil bei Systemen mit kleinerer Masse und kleinerer Rückstellfeder und bei Verwendung von Ventilen größerer Durchmesser. Der Magnet kann zwecks Wirkungsgradsteigerung auch zur Betäti gung des Einlaßventiles eingesetzt werden. Da bekanntlich das Verbrauchsäquiva lent von Kraftstoff und elektrischer Leistung bei 1,6 l Treibstoffverbrauch für 1 KW Leistung liegt, ist aus ökonomischen Gründen für das Gesamtsystem der höchste, erzielbare Wirkungsgrad erstrebenswert.

In Fig. 4 ist eine andere Ausbildung des Zusatzmagneten gezeigt. Hier ist der Anker 19 v-förmig ausgebildet und die Pole des Jochs 20 sind entsprechend gestaltet. Der Anker ist an zwei Blattfedern 21 gelagert. Ein mit dem Anker 19 verbundenes Teil 22 wirkt bei Ansteuerung des Zusatzmagneten auf die Verlängerung 23 des Hauptan kers ein.

Das zusätzliche Stellelement kann an sich auf jede beliebige Stelle des Ankerhebels 5 einwirken. Vorzugsweise erfolgt die Einwirkung in der Ventilachse, damit die Lagerung und der Ankerhebel nicht zusätzlich belastet wird.

Claims

1. Elektromagnetische Stelleinrichtung zur Betätigung eines Ventils eines Ver brennungsmotors mit zwei Elektromagneten, deren Polflächen zumindest teil weise einander zugewandt sind und einem verschiebbar gelagerten, zwischen den Polflächen durch die Elektromagnete hin- und herbewegbaren Hauptanker, der ohne Ansteuerung der Elektromagnete durch zwei entgegengesetzt ge richtete Federkräfte in einer Zwischenstellung gehalten wird und nach Errei chen einer Endstellung wenigstens in der Nähe der Polflächen eines Elektro magneten dort zeitweise festgehalten wird, wobei die Ankerbewegung über ein Betätigungsglied auf das Ventil übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Stellelement (10) vorgesehen ist, daß dieses zusätzliche Stellelement bei Ansteuerung und bei in der entsprechenden Endstellung sich befindenden Hauptanker (3) auf diesen eine Kraft in Richtung zur andern End stellung hin ausübt, und daß dieses zusätzliche Stellelement (10) bei einer ge wünschten Umsteuerung des Hauptankers (3) von der einen in die andere Endstellung angesteuert wird.

2. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das Stellelement ein Zusatzelektromagnet (10) ist, dessen Anker (9) ohne Erregung des Zusatzmagneten (10) durch eine Hilfskraft vom Magnet kreisjoch abgehoben ist, und daß der Anker (9) des Zusatzmagneten (10) bei Ansteuerung (Wicklung 11) die Kraft in Richtung zur anderen Endstellung hin ausübt.

3. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Ansteuerung nur kurzzeitig erfolgt.

4. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ge kennzeichnet durch ihre Verwendung zur Ventilöffnung eines Auslaßventils.

5. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ge kennzeichnet durch ihre Verwendung zur Ventilöffnung eines Einlaßventils.

6. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß bei einer Drehfederlagerung (4; 5) des Hauptan kers (3) der Anker (9) des Hilfsmagneten (10) auf der gleichen Drehachse oder in deren Höhe gelagert ist. (Hebel 8).

7. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß für den Anker (19) des Hilfsmagneten eine geson derte Federlagerung (21) vorgesehen ist.

8. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß eine Blattfederlagerung (21) verwendet wird.

9. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß der Anker (9; 19) des Zusatzmagneten großflächig ausgebildet ist.

10. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß der Zusatzmagnet (10) in den Magnetkreis des Hauptmagneten (2) integriert ist.

11. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, da durch gekennzeichnet, daß der Wicklung des Zusatzmagneten eine Freilauf diode parallel geschaltet ist.

12. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß der über einen Hubsensor (14) erfaßte Bewe gungsbeginn des Hauptankers (3) die zusätzliche Stelleinrichtung (10) ab schaltet.

13. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß die Abschaltung der zusätzlichen Stelleinrichtung (10) durch eine Zeitsteuerung bewirkt wird.

14. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß die Abschaltung des Zusatzmagneten (10) durch das Erfassen der Änderung des Stromverlaufs des Zusatzmagneten (10) bei Bewegungsbeginn des Hauptankers (3) erfolgt.

15. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, da durch gekennzeichnet, daß der Anker (19) des Zusatzmagneten topfförmig ausgebildet ist und die statorseitigen Magnetpole eine entsprechende Form aufweisen.

16. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß bei bestimmten Betriebszuständen nur die zusätzli che Stelleinrichtung (10) wirksam gemacht wird, um zusammen mit der Feder kraft (4) den Anker (3) in die andere Endstellung zu befördern und daß der die ser Endstellung zugeordnete Elektromagnet (2) benutzt wird.

17. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß die Hilfskraft durch eine Feder (12) erzeugt wird.

18. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, da durch gekennzeichnet, daß die Hilfskraft durch einen Permanentmagneten er zeugt wird.

19. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 1 bis 18, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ansteuerzeitpunkt T₀ (oder die Zeitdifferenz (T₃-T₀)) ab hängig ist von der Geschwindigkeit des Ankers (3) in der gegenüberliegenden Endlage.

20. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, daß bei vielen Betriebszuständen der Ansteuerzeitpunkt (10) derart di mensioniert ist, daß der Anker kurz vor dem Anschlag die Geschwindigkeit 0 erreicht.

21. Elektromagnetische Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Stelleinrichtung ein piezoelektisches Stellelement ist.