DE19816644C1 - Elektromagnetischer Aktuator zum Betätigen eines Gaswechselventils - Google Patents
Elektromagnetischer Aktuator zum Betätigen eines GaswechselventilsInfo
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- F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
- F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
- F01L9/00—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
- F01L9/20—Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means
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Description
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator zum
Betätigen eines Gaswechselventils nach dem Oberbegriff von An
spruch 1.
Elektromagnetische Aktuatoren zum Betätigen von Gaswechselven
tilen für Brennkraftmaschinen besitzen in der Regel zwei
Schaltmagnete, einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagne
ten, zwischen deren Polflächen ein Anker koaxial zu einer Ven
tilachse verschiebbar angeordnet ist. Der Anker wirkt direkt
oder indirekt über einen Ankerstößel auf einen Ventilschaft des
Gaswechselventils. Bei Aktuatoren nach dem Prinzip des Massen
schwingers wirkt ein vorgespannter Federmechanismus auf den An
ker. Als Federmechanismus dienen meist zwei vorgespannte Druck
federn, und zwar eine obere und eine untere Ventilfeder. Die
obere Ventilfeder belastet in Öffnungsrichtung und die untere
Ventilfeder in Schließrichtung das Gaswechselventil. Bei nicht
erregten Magneten wird der Anker durch die Ventilfedern in ei
ner Gleichgewichtslage zwischen den Magneten gehalten.
Aus der DE 33 11 250 C2 ist ein elektromagnetischer Aktuator
bekannt, bei dem in der Mittellage des Ankers mindestens die
Polfläche des Schließmagneten und die zugehörige Polfläche des
Ankers einen oberen Ankerraum begrenzen, der ein dämpfendes
Fluid einschließt. Nähert sich die Polfläche des Ankers der
Polfläche des Schließmagneten, wird das Fluid über Drosselquer
schnitte aus dem sich verkleinernden oberen Ankerraum ver
drängt. Die Drosselquerschnitte können durch Bohrungen im Anker
oder durch Bewegungsspalte gebildet werden, die sich am Umfang
des Ankers zwischen diesem und einer Hülse befinden, die den
Schließmagneten mit dem Öffnungsmagneten verbindet.
Die Hülse weist im Bereich des Ankerraums eine zu ihren Enden
hin sich verjüngende Ausnehmung auf, so daß sich der Bewegungs
spalt zu den Endlagen des Ankers hin verringert und damit die
Dämpfungswirkung zunimmt. In den Endlagen des Ankers wird der
obere Ankerraum bzw. der untere Ankerraum bis auf einen minima
len Totraum reduziert, so daß die Polflächen nahezu vollflächig
aufeinander liegen. Bei der Bewegungsumkehr des Ankers entsteht
zwischen den Polflächen ein Vakuum, das die Polflächen versucht
zusammenzuhalten und das die Schaltkräfte, nämlich die Feder
kräfte und die Magnetkräfte des Gegenmagneten, zunächst über
winden müssen. Dieser sogenannte Vakuumstick-Effekt führt zu
größeren Magneten mit einem erhöhten Energieverbrauch und Wär
meanfall.
Damit das Vakuum nicht zu groß wird, sind die Drosselquer
schnitte entsprechend weit zu dimensionieren, damit genügend
Fluid über sie nachströmen kann. Dies setzt allerdings die
Dämpfung bei der Annäherung der Polflächen herab. Die Magnet
spulen des Schließmagneten und des Öffnungsmagneten weisen zum
oberen bzw. unteren Ankerraum Spulenabdeckungen auf, die bündig
mit der Polfläche abschließen, so daß nur ein kleiner Totraum
entsteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Vakuumstick-
Effekt bei. Aktuatoren der eingangs beschriebenen Art zu vermei
den.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des An
spruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den
Unteransprüchen.
Nach der Erfindung werden die Ankerräume über Belüftungskanäle
mit Belüftungsventilen belüftet. Die Belüftungsventile schlie
ßen, wenn sich die zugehörigen Polflächen aufeinander zu bewe
gen und öffnen, wenn sich die zugehörigen Polflächen voneinan
der entfernen. Dadurch wird der Anker einerseits beim Auftref
fer wirkungsvoll gedämpft. Andererseits kann zwischen den an
einander liegenden Polflächen bei der Bewegungsumkehr des An
kers kein Vakuum mit den damit verbundenen erhöhten Haftkräf
ten entstehen. Somit wird der sogenannte "Vakuumstick-Effekt"
vermieden. Die Magnete können dadurch kleiner dimensioniert
werden und der Energieverbrauch und der Wärmeanfall sind deut
lich geringer.
Toträume, das sind Räume, die in den Endlagen des Ankers zwi
schen den Polflächen bestehen bleiben, vermindern die Dämpfung,
indem insbesondere gasförmiges Fluid in ihnen komprimiert und
nicht über die Drosselquerschnitte verdrängt wird. Sie werden
nach der Erfindung dadurch vermieden, daß die Belüftungsventile
möglichst nah an den Ankerräumen angeordnet und daß die Magnet
spulen der Magnete mittels Füllkörper zu den Ankerräumen abge
deckt sind.
Damit die Lüftungsventile schnell ansprechen, sollten ihre
Schließkörper eine geringe Masse haben. Besonders geeignet sind
plattenförmig gestaltete Schließkörper. Diese sind in Erweite
rungen der Belüftungskanäle eingesetzt, die zu den Ankerräumen
hin offen sind. Sie stützen sich mit einem vorstehenden Rand
mit Durchbrüchen in Öffnungsrichtung an einem eingelassenen Fe
derring ab. Um die Bewegung der Schließkörper, die in der Regel
durch die Druckverhältnisse betätigt werden, zu beschleunigen,
ist es zweckmäßig, die Schließkörper aus einem magnetisierbaren
Werkstoff herzustellen, so daß auf sie die Magnetkräfte der je
weils eingeschalteten Magnete wirken.
Es ist ferner zweckmäßig, daß die Hülse, die die Magnete mit
einander verbindet, im mittleren Bereich eine doppelkonische
Ausnehmung aufweist, die den Drosselspalt zu den Endlagen hin
verringert. Weil über die Drosselspalte zum Vermindern des Va
kuums kein Fluid nachströmen muß, sondern das Fluid über die
Belüftungskanäle und Belüftungsventile zugeführt wird, kann der
Drosselspalt äußerst gering und wirkungsvoll dimensioniert wer
den. Ferner ist es vorteilhaft, daß die Hülse im Bereich einer
mittleren Querebene radiale Bohrungen aufweist. Dadurch wird
der mittlere Ankerraum gut belüftet, so daß die Bewegung des
Ankers in diesem Bereich nicht behindert, sondern erst zu den
Endlagen hin gedämpft wird.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbe
schreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche ent
halten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird
die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu
sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen erfin
dungsgemäßen Aktuator und
Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt durch ein Belüftungsventil.
Ein elektromagnetischer Aktuator 1 besitzt gemäß Fig. 1 einen Schließmagne
ten 2 mit einer Magnetspule 6 und einen Öffnungsmagneten 3 mit
einer Magnetspule 7. Die Magnete 2 und 3 sind über eine Hülse
10 miteinander verbunden und bilden einen Ankerraum 12, 13, in
dem ein Anker 14 zwischen der Polfläche 4 des Schließmagneten 2
und der Polfläche 5 des Öffnungsmagneten 3 axial bewegbar ange
ordnet ist. Der Anker 14 sitzt fest auf einem Ankerstößel 17,
der in einer Stößelführung 18 axial beweglich geführt ist und
aus dem Öffnungsmagneten 3 herausragt. An dem herausragenden
Ende des Ankerstößels 17, das auf einen nicht näher darge
stellten Ventilschaft eines Gaswechselventils wirkt, stützt
sich eine obere Ventilfeder 19 über einen Federteller 20 ab,
der mit dem Ankerstößel 17 verbunden ist.
Die Ventilfeder 19 liegt mit ihrem anderen Ende mittelbar über
einen Ring 21 am Öffnungsmagneten 3 an. Eine untere Ventilfe
der, die nicht näher dargestellt ist, wirkt mit dem Gaswechsel
ventil zusammen und bildet mit der oberen Ventilfeder 19 einen
Federmechanismus, der bei nicht erregten Magneten 2 und 3 den
Anker 14 in einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten 2
und 3 hält.
Die Fig. 1 stellt eine Position des Ankers 14 dar, bei der der
Öffnungsmagnet 3 erregt ist und die Polfläche 16 des Ankers 14
an der Polfläche 5 des Öffnungsmagneten 3 anliegt, sodaß der
untere Ankerraum 13 bis auf einen nicht vermeidbaren Totraum
verringert ist. Um den Totraum möglichst klein zu halten, sind
die Magnetspulen 6, 7 zum Ankerraum 12, 13 hin mit Füllkörpern
8, 9 abgedeckt.
In den oberen Ankerraum 12 und in den unteren Ankerraum 13 mün
den Lüftungskanäle 26 bzw. 25 im Bereich der Polflächen 4 bzw. 5.
Die Belüftungskanäle 25, 26 haben zu der Ankerräumen 13 und 12
hin Erweiterungen 30 (Fig. 2), in die ein plattenförmiger Schließkör
per 27 eines Belüftungsventils 23, 24 eingesetzt ist. Fig. 2
zeigt einen vergrößerten Schnitt durch das Belüftungsventil 23.
Der Schließkörper 27 liegt in der dargestellten geschlossenen
Position mit einem zentralen Bereich dichtend an der Mündungs
öffnung des Belüftungskanals 25 an, während er sich in der Öffnungs
stellung mit einem vorstehenden Rand, in dem Durchbrüche 28 auf
dem Umfang verteilt angeordnet sind, an einem Federring 29 ab
stützt, der in die Erweiterung 30 eingelassen ist. Zweckmäßi
gerweise ist der Schließkörper 27 aus einem magnetisierbaren
Material, so daß er bei Erregung des entsprechenden
Magneten 2, 3 durch Magnetkräfte unterstützt in Schließstellung
gebracht wird.
Um den Totraum zwischen den Polflächen 4, 5 der Magnete 2, 3
und den Polflächen 15, 16 des Ankers 14 möglichst gering zu
halten, sind die Belüftungsventile 23, 24 möglichst nah an den
Polflächen 4, 5 der Magnete 2, 3 angeordnet. Anstelle der ge
zeigten plattenförmigen Belüftungsventile 23, 24 können auch
andere geeignete Belüftungsventile verwendet werden.
Wird der Öffnungsmagnet 3 stromlos und der Schließmagnet 2 er
regt, bewegt sich der Anker 14 in Richtung des Schließmagneten
2, wobei das Belüftungsventil 23 öffnet und über den Belüf
tungskanal 25 Fluid, in der Regel ein gasförmiges Strömungsme
dium, in den unteren Ankerraum 13 strömt. Das im oberen Anker
raum 12 befindliche Fluid wird zunächst ungedrosselt über ra
diale, auf den Umfang verteilte Bohrungen 11 in der Hülse 10
verdrängt bzw. gelangt über den mittleren Bereich einer doppel
konischen Ausnehmung 22 der Hülse 10 in den unteren Ankerraum
13. Nähert sich die Polfläche 15 des Ankers 14 der Polfläche 4
des Schließmagneten 2, bildet der Anker an seinem Umfang mit
der Hülse 10 einen zunehmend sich verkleinernden Drosselspalt,
über den das Fluid verdrängt wird, das sich nunmehr zwischen
der Polfläche 15 und der Polfläche 4 befindet. In der Zwischen
zeit hat das Belüftungsventil 24 unter Einwirkung der Magnet
kraft des Schließmagneten 2 und des im oberen Ankerraum 12 zu
nehmenden Drucks geschlossen, so daß über den Belüftungskanal
26 kein Fluid entweichen kann. Man erreicht somit bei Annähe
rung des Ankers an die Magnete eine wirkungsvolle Dämpfung,
während sich kein Vakuum ausbilden kann, wenn sich die aufein
ander liegenden Polflächen 4 und 15 bzw. 5 und 16 voneinander
entfernen.
1
Aktuator
2
Schließmagnet
3
Öffnungsmagnet
4
Polfläche
5
Polfläche
6
Magnetspule
7
Magnetspule
8
Füllkörper
9
Füllkörper
10
Hülse
11
Bohrung
12
oberer Ankerraum
13
unterer Ankerraum
14
Anker
15
Polfläche
16
Polfläche
17
Ankerstößel
18
Stößelführung
19
obere Ventilfeder
20
Federteller
21
Ring
22
doppelkonische Ausnehmung
23
Belüftungsventil
24
Belüftungsventil
25
Belüftungskanal
26
Belüftungskanal
27
Schließkörper
28
Durchbruch
29
Federring
30
Erweiterung
Claims (8)
1. Elektromagnetischer Aktuator zum Betätigen eines Gaswechsel
ventils für eine Brennkraftmaschine mit einem zwischen einem
Schließmagneten (2) und einem Öffnungsmagneten (3) bewegbaren
Anker (14), dessen Polflächen (15, 16) in einer Mittellage mit
einer Polfläche (4) des Schließmagneten (2) einen oberen Anker
raum (12) und mit einer Polfläche (5) des Öffnungsmagneten (3)
einen unteren Ankerraum (13) bilden, die sich bei Annäherung
der zugehörigen Polflächen verkleinern, wobei das eingeschlos
sene Fluid über Drosselquerschnitte verdrängt wird, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Ankerräume (12, 13) über Belüftungskanäle
(26, 25)mit Belüftungsventilen (24, 23) belüftet werden, wenn
sich die zugehörigen Polflächen (4, 15 bzw. 5, 16) voneinander
entfernen.
2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Belüftungsventile (23, 24) möglichst nahe an den Ankerräumen
(13, 12) angeordnet sind.
3. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Belüftungsventile (23, 24) Schließkör
per (27) aus einem magnetisierbaren Werkstoff haben.
4. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schließkörper (27) der Belüftungsventi
le (23, 24) plattenförmig sind und in Erweiterungen (30) der
Belüftungskanäle (25, 26) eingesetzt sind, die zu den Ankerräu
men (13, 12) hin offen sind, und sich mit einem Rand mit Durch
brüchen (28) in Öffnungsrichtung an einem eingelassenen Feder
ring (29) abstützen.
5. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß Schließmagnet (2) und Öffnungsmagnet (3)
über eine Hülse (10) miteinander verbunden sind, die im mittle
ren Bereich eine doppelkonische Ausnehmung (22) aufweist.
6. Aktuator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Hülse (10) im Bereich einer mittleren Querebene radiale Bohrun
gen (11) aufweist.
7. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Magnetspulen (6, 7) von Schließmagnet
(2) und Öffnungsmagnet (3) mittels Füllkörper (8, 9) zu den An
kerräumen (12, 13) abgedeckt sind.
8. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß er (1) einen im wesentlichen runden, ovalen
oder rechteckigen Querschnitt besitzt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19816644A DE19816644C1 (de) | 1998-04-15 | 1998-04-15 | Elektromagnetischer Aktuator zum Betätigen eines Gaswechselventils |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19816644A DE19816644C1 (de) | 1998-04-15 | 1998-04-15 | Elektromagnetischer Aktuator zum Betätigen eines Gaswechselventils |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19816644C1 true DE19816644C1 (de) | 1999-07-29 |
Family
ID=7864575
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19816644A Expired - Fee Related DE19816644C1 (de) | 1998-04-15 | 1998-04-15 | Elektromagnetischer Aktuator zum Betätigen eines Gaswechselventils |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19816644C1 (de) |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3311250C2 (de) * | 1983-03-28 | 1985-08-01 | FEV Forschungsgesellschaft für Energietechnik und Verbrennungsmotoren mbH, 5100 Aachen | Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung eines Gaswechselventils für Verdrängungsmaschinen |
-
1998
- 1998-04-15 DE DE19816644A patent/DE19816644C1/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3311250C2 (de) * | 1983-03-28 | 1985-08-01 | FEV Forschungsgesellschaft für Energietechnik und Verbrennungsmotoren mbH, 5100 Aachen | Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung eines Gaswechselventils für Verdrängungsmaschinen |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8100 | Publication of patent without earlier publication of application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |