DE19816644C1 - Elektromagnetischer Aktuator zum Betätigen eines Gaswechselventils - Google Patents

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.

Bezugszeichenliste

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.