DE19821806A1 - Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils in einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils in einer BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils in einer Brennkraftmaschine besteht aus einem Schließmagneten und einem Öffnungsmagneten, zwischen denen ein Anker zwischen Endanschlagpositionen axial verschieblich angeordnet ist, wobei der Anker auf einen Ventilschaft des Gaswechselventils wirkt. Weiterhin sind zwei gegensinnige, das Gaswechselventil in Öffnungsstellung und in Schließstellung beaufschlagende Ventilfedern vorgesehen, durch die der Anker in stromlosem Zustand der Magnete in einer Gleichgewichtslage zwischen den Magneten gehalten ist. DOLLAR A Um eine schnelle und exakte Steuerung von Gaswechselventilen in Brennkraftmaschinen bei niedrigem Energiebedarf zu ermöglichen, ist zumindest eine Endanschlagposition des Ankers zur veränderlichen Einstellung eines Luftspaltes definierter Größe zwischen dem Anker und einem der Magnete von einem verstellbaren Anschlag begrenzt.
Description
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator zur
Betätigung eines Gaswechselventils in einer Brennkraftmaschine
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Ein derartiger Aktuator, der eine variable Öffnung und Schlie
ßung eines Gaswechselventils erlaubt und dadurch zu einer Ver
besserung des Wirkungsgrades und des Emissionsverhaltens von
Brennkraftmaschinen beiträgt, ist aus der DE 35 13 103 C2 be
kannt. Der Aktuator besteht aus einem Öffnungs- und einem
Schließmagneten, zwischen deren Polflächen ein verschieblicher
Anker gehalten ist. Je nach Bestromung wird entweder der Öff
nungs- oder der Schließmagnet aktiviert, woraufhin der Anker in
Richtung des aktivierten Magneten gezogen wird. Die Bewegung
des Ankers wird als Stellbewegung auf das Gaswechselventil
übertragen, das dementsprechend von seiner Schließstellung in
seine Öffnungsstellung bzw. in Gegenrichtung überführt wird.
Der Anker ist über zwei gegensinnige Ventilfedern bei stromlo
sen Magneten in einer Gleichgewichtslage gehalten, die der geo
metrischen Mittellage zwischen den beiden Polflächen der Magne
te entspricht, so daß von den Magneten lediglich diejenige
Energie aufzubringen ist, die erforderlich ist, das aus dem An
ker und den Federn bestehende Feder-Masse-System in Schwingun
gen zu versetzen und um Reibungskräfte zu überwinden. In
Schließstellung des Gaswechselventils liegt der Anker an der
Polfläche des erregten Schließmagneten an und wird von diesem
gehalten, wobei die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder
gespannt wird. Soll das Gaswechselventil in Öffnungsstellung
versetzt werden, wird der Schließmagnet stromlos geschaltet und
der Öffnungsmagnet erregt, woraufhin der Anker durch die Kraft
der in Öffnungsrichtung wirkenden Ventilfeder über seine
Gleichgewichtslage hinaus beschleunigt und von der Polfläche
des erregten Öffnungsmagneten eingefangen und festgesetzt wird.
Soll das Gaswechselventil geschlossen werden, läuft der Vorgang
entsprechend in umgekehrter Richtung ab.
Der Öffnungs- und Schließzeitpunkt des Gaswechselventils beein
flussen in hohem Maße die Füllung des Brennraumes. Um zu ver
hindern, daß der Öffnungs- und Schließzeitpunkt bei einem Aus
schalten einer der Magneten infolge nachwirkender Wirbelströme
im Anker verzögert wird, ist bei dem aus der DE 35 13 103 C2
bekannten Anker auf der dem Schließmagneten zugewandten Seite
eine Schicht aus unmagnetischem Material und auf der dem Öff
nungsmagneten zugewandten Seite ein Luftspalt vorgesehen. So
wohl die Schicht als auch der Luftspalt haben die Funktion, das
Ablöseverhalten des Ankers vom Magneten zu verbessern und da
durch den Öffnungs- und Schließzeitpunkt genau einstellen zu
können.
Nachteilig hierbei ist aber, daß der Energiebedarf für die Be
tätigung des Gaswechselventils steigt, da bereits kleine
Luftspalten bzw. magnetisch isolierende Schichten zu einer
Schwächung der Magnetkraft führen, die durch eine erhöhte Be
stromung der Magnete kompensiert werden muß.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine schnelle und ex
akte Steuerung von Gaswechselventilen in Brennkraftmaschinen
bei niedrigem Energiebedarf anzugeben.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An
spruches 1 gelöst.
Die Größe des Luftspalts kann mit Hilfe des Anschlags in Abhän
gigkeit des Betriebszustands der Brennkraftmaschine eingestellt
werden, so daß es möglich ist, den Luftspalt und entsprechend
die magnetischen Haltekräfte bedarfsabhängig festzulegen. Ins
besondere bei geringen Lastzuständen bzw. Drehzahlen kann ein
größerer Luftspalt bei gleichbleibender Bestromung eingestellt
werden, wodurch geringere magnetische Kräfte wirken, anderer
seits aber das Ablöseverhalten des Ankers von der Polfläche des
Magneten begünstigt wird. Der Luftspalt wirkt magnetisch iso
lierend, so daß das Magnetfeld bei entregtem Magneten schneller
abgebaut wird, was ein schnelles Lösen des Ankers vom Magneten
zu dem gewünschten Schaltzeitpunkt zur Folge hat.
Bei höheren Lastzuständen bzw. Drehzahlen kann ein geringerer
Luftspalt bei gleichbleibender Bestromung vorgegeben werden,
wodurch höhere Haltekräfte zwischen der Polfläche des Magneten
und dem Anker sowie höhere Anziehungskräfte für die Beschleuni
gung des Ankers zwischen den Magneten und des Gaswechselventils
erreicht werden und die geringeren zeitlichen Abstände zwischen
den Schaltzeitpunkten zum Öffnen und Schließen des Ventils prä
zise eingehalten werden können.
Insgesamt ist der Energiebedarf geringer, weil die auf den An
ker wirkenden Magnetkräfte über die Einstellung des Luftspaltes
gesteuert werden können und die Bestromung in allen Belastungs
fällen und Betriebszuständen gleich bleiben kann. Es ist insbe
sondere nicht erforderlich, die Bestromung bei hoher Belastung
bzw. Drehzahl zu steigern. Hierdurch wird auch die Remanenz des
Magneten gering gehalten, was sich wiederum positiv auf das Ab
löseverhalten des Ankers auswirkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird die Endanschlagposition
am Schließmagneten begrenzt, so daß der Luftspalt zwischen der
Polfläche des Schließmagneten und der zugewandten Seite des An
kers variabel einstellbar ist. Der Luftspalt ist am Schließma
gneten regelbar, damit das Ventil bei niedrigen Lasten und
Drehzahlen mit kleinem Luftspalt (geringer Energieverbrauch)
geschlossen gehalten werden kann. Das Ventil ist während des
Betriebs über die größere Zeitdauer eines Zyklus geschlossen.
Ein präziseres Ablösen vom Schließmagneten erlaubt präzisere
Öffnungszeiten.
Zweckmäßig ist der Anschlag als koaxial zum Ventilschaft des
Gaswechselventils angeordneter Stellstift ausgebildet, der an
der Stirnseite des Ankerstößels des Ankers frei anliegt, so daß
das Gaswechselventil unbeeinflußt durch den Stellstift in Öff
nungsrichtung verstellt werden kann, in Schließrichtung jedoch
nur bis zur Endanschlagposition, in der die Stirnseite des An
kerstößels an dem Stellstift anschlägt, verschoben werden kann.
Der Anschlag bzw. der Stellstift bildet vorteilhaft ein Bauteil
einer Verstelleinrichtung, die kennfeldgesteuert in Abhängig
keit von den Betriebszustand des Motors bestimmenden Parametern
den Anschlag bzw. Stellstift beaufschlagt. Diese Parameter,
insbesondere die Last und die Motordrehzahl, stehen üblicher
weise für das Motormanagement und Fahrdynamikstabilisierungen
ohnehin zur Verfügung und können in vorteilhafter Weise auch
zur Steuerung des Anschlags zur Einstellung der Spaltdicke des
Luftspalts herangezogen werden.
Die Verstelleinrichtung kann mechanisch oder elektromotorisch
betätigbar ausgeführt werden.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den
weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und der Zeichnung
zu entnehmen, in der ein Schnitt durch ein Gaswechselventil mit
elektromagnetischem Aktuator dargestellt ist.
Der elektromagnetische Aktuator 1 steuert den Hub eines Gas
wechselventils 5 zur Öffnung und Schließung von Ein- und Aus
laßkanälen eines Zylinders in einer Brennkraftmaschine. Der Ak
tuator 1 ist im Zylinderkopf 18 der Brennkraftmaschine angeord
net und besteht aus zwei Elektromagneten, die als Schließmagnet
2 und als Öffnungsmagnet 3 ausgebildet und koaxial zur Längs
achse 19 des Gaswechselventils 5 übereinanderliegend angeordnet
sind. Zwischen den Polflächen der Magnete 2, 3 ist eine Anker
platte 20 eines ebenfalls koaxial zur Längsachse 19 angeordne
ten Ankers 4 vorgesehen, dessen Ankerstößel 21 fest mit dem
Ventilschaft 6 des Gaswechselventils 5 verbunden ist. Je nach
Bestromung wird die Ankerplatte 20 von einem der Magnete 2, 3
angezogen, wodurch das Gaswechselventil 5 aus der in der Figur
gezeigten Schließstellung 13 mit fest im Ventilsitz anliegendem
Ventilteller 7 in seine den Strömungseinlaß bzw. -auslaß frei
gebende Öffnungsstellung versetzt wird.
Das Gaswechselventil 5 wird über zwei gegensinnige Ventilfedern
kraftbeaufschlagt, eine in Schließrichtung wirkende, untenlie
gende Schließfeder 9 und eine in Öffnungsrichtung wirkende,
obenliegende Öffnungsfeder 8. Die Federn 8, 9 sind so angeord
net, daß bei stromlosen Magneten 2, 3 der Anker 4 zwischen den
Polflächen der Magnete 2, 3 in einer Gleichgewichtslage liegt,
die der geometrischen und energetischen Mittenlage entspricht.
Die Öffnungsfeder 8 und die Schließfeder 9 sind als Druckfedern
ausgebildet.
Zur Aktivierung wird beim Start entweder einer der Magnete 2, 3
kurzzeitig übererregt, um die Ankerplatte 20 aus der Gleichge
wichtslage an die Polfläche anzuziehen, oder die Magnete 2, 3
werden wechselweise in der Frequenz des aus Ventilfedern, Anker
und Gaswechselventil bestehenden Feder-Masse-Schwingers erregt,
bis die Ankerplatte 20 von einem der Magnete 2, 3 eingefangen
werden kann.
Um das Ablöseverhalten günstig zu beeinflussen bzw. ein Kleben
weitgehend zu vermeiden, ist in Schließstellung 13 des Gaswech
selventils, in der die Ankerplatte 20 in ihrer oberen Endan
schlagposition 10 am Schließmagneten 2 liegt, zwischen der
Polfläche 22 des Schließmagneten 2 und der der Polfläche 22 zu
gewandten Seite der Ankerplatte 20 ein Luftspalt 11 vorhanden.
Der Luftspalt 11 wirkt magnetisch isolierend, wodurch im Prin
zip eine Verringerung der Halte- und Anziehkräfte des Schließ
magneten 2 auf die Ankerplatte 20 erreicht wird. Durch Variati
on des Luftspaltes 11 können die Halte- und Anziehkräfte des
Schließmagneten 2 bedarfsabhängig gesteuert werden.
Die Größe des Luftspalts 11 wird über einen koaxial zur Längs
achse 19 angeordneten Anschlag 12 eingestellt, der im oberen
Abschnitt des Aktuators 1 im Bereich der dem Öffnungsmagneten 3
abgewandten Seite des Schließmagneten 2 angeordnet ist. Der
axial verschiebliche Anschlag 12 liegt an der freien, dem Ven
tilschaft 6 gegenüberliegenden Stirnseite 14 des Ankerstößels
21 an und ragt durch eine Ausnehmung 16 in einer Deckplatte 15
auf dem Zylinderkopf 18. Über den Anschlag 12 kann der An
kerstößel 21 in Endanschlagposition 10 des Ankers 4 geringfügig
axial in Richtung der Öffnungsstellung des Gaswechselventils 5
verschoben werden, wodurch die Größe des Luftspalts 11 einge
stellt werden kann. Der Anschlag 12 stellt eine Begrenzung der
axialen Verschiebung des Ankers 4 in Richtung des obenliegenden
Schließmagneten 2 dar.
Die Größe des Luftspalts 11 wird über eine Verstelleinrichtung
17, die mechanisch, elektromotorisch oder in sonstiger Weise
betätigbar ausgeführt ist, bedarfsabhängig eingestellt. Bei ge
ringer Last und/oder niedriger Drehzahl kann der Luftspalt 11
bei gleicher Bestromung vergrößert werden, so daß in Schließ
stellung die Haltekräfte auf den Anker 4 reduziert sind. Dies
erleichtert die Ablösung der Ankerplatte 20 von der Polfläche
22 des Schließmagneten und verbessert die Einhaltung genauer
Schaltzeitpunkte.
Bei höherer Last und/oder Drehzahl kann der Luftspalt 11 bei
gleichbleibender Bestromung verringert werden, wodurch die Hal
tekräfte erhöht werden und auch höhere Anziehkräfte zur besse
ren Beschleunigung von Anker und Gaswechselventil erzeugt wer
den können.
Die Einstellung des Luftspaltes 11 kann kennfeldgesteuert in
Abhängigkeit von Motorparametern und -variablen erfolgen.
Gegebenenfalls kann die Einstellung der Größe des Luftspalts
mit einer bedarfsabhängigen Änderung der Bestromung gekoppelt
werden, so daß die auf den Anker wirkenden Kräfte sowohl durch
den Abstand zwischen Polfläche und Ankerplatte als auch durch
die Höhe der wechselnden Bestromung bestimmt werden.
Es kann zweckmäßig sein, auch im Bereich des Öffnungsmagneten 3
einen verschieblichen Anschlag zur Bildung eines einstellbaren
Luftspaltes zwischen der Polfläche des Öffnungsmagneten und der
Ankerplatte vorzusehen.
Claims (10)
1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswech
selventils in einer Brennkraftmaschine, mit einem Schließmagne
ten (2) und einem Öffnungsmagneten (3), zwischen denen ein An
ker (4) zwischen Endanschlagpositionen axial verschieblich an
geordnet ist, wobei der Anker (4) auf einen Ventilschaft (6)
des Gaswechselventils (5) wirkt, und mit zwei gegensinnigen,
das Gaswechselventil (5) in Öffnungsstellung und in Schließ
stellung (13) beaufschlagenden Ventilfedern (8, 9), durch die
der Anker (4) in stromlosem Zustand der Magnete (2, 3) in einer
Gleichgewichtslage zwischen den Magneten (2, 3) gehalten ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eine Endanschlagposition (10) des Ankers (4) zur
veränderlichen Einstellung eines Luftspaltes (11) definierter
Größe zwischen dem Anker (4) und einem der Magnete (2, 3) von
einem verstellbaren Anschlag (12) begrenzt ist.
2. Aktuator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die der Schließstellung (13) des Gaswechselventils (5) zu
geordnete Endanschlagposition (10) des Ankers (4) am Schließma
gneten (2) von dem Anschlag (12) begrenzt ist.
3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Anschlag (12) koaxial zum Ventilschaft (6) des Gaswech
selventils (5) angeordnet ist.
4. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Anschlag (12) als ein Stellstift ausgebildet ist.
5. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Anschlag (12) an einer Stirnseite (14) eines Ankerstö
ßels (21) des Ankers (4) frei anliegt.
6. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Anschlag (12) durch eine Ausnehmung (16) in einer Deck
platte (15) des Zylinderkopfs (18) geführt ist.
7. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine den Anschlag (12) einstellende Verstelleinrichtung
(17) vorgesehen ist.
8. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einstellung des Anschlags (12) in Abhängigkeit von Be
triebsparametern der Brennkraftmaschine erfolgt.
9. Aktuator nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einstellung in Abhängigkeit der auf die Brennkraftma
schine wirkenden Last erfolgt.
10. Aktuator nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einstellung in Abhängigkeit der Motordrehzahl erfolgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19821806A DE19821806C2 (de) | 1998-05-15 | 1998-05-15 | Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils in einer Brennkraftmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19821806A DE19821806C2 (de) | 1998-05-15 | 1998-05-15 | Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils in einer Brennkraftmaschine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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DE19821806A1 true DE19821806A1 (de) | 1999-11-25 |
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ID=7867860
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DE19821806A Expired - Fee Related DE19821806C2 (de) | 1998-05-15 | 1998-05-15 | Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils in einer Brennkraftmaschine |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19821806C2 (de) |
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-
1998
- 1998-05-15 DE DE19821806A patent/DE19821806C2/de not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
---|---|
DE19821806C2 (de) | 2000-08-17 |
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