DE19821806C2 - Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils in einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator zur Be­ tätigung eines Gaswechselventils in einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Ein derartiger Aktuator, der eine variable Öffnung und Schließung eines Gaswechselventils erlaubt und dadurch zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades und des Emissionsverhaltens von Brennkraftma­ schinen beiträgt, ist aus der DE 35 13 103 C2 bekannt. Der Aktuator besteht aus einem Öffnungs- und einem Schließmagneten, zwischen deren Polflächen ein verschieblicher Anker gehalten ist. Je nach Bestromung wird entweder der Öffnungs- oder der Schließma­ gnet aktiviert, woraufhin der Anker in Richtung des aktivierten Magneten gezogen wird. Die Bewegung des Ankers wird als Stellbewe­ gung auf das Gaswechselventil übertragen, das dementsprechend von seiner Schließstellung in seine Öffnungsstellung bzw. in Gegen­ richtung überführt wird.

Der Anker ist über zwei gegensinnige Ventilfedern bei stromlosen Magneten in einer Gleichgewichtslage gehalten, die der geometri­ schen Mittellage zwischen den beiden Polflächen der Magnete entspricht, so daß von den Magneten lediglich diejenige Energie aufzubringen ist, die erforderlich ist, das aus dem Anker und den Federn bestehende Feder-Masse-System in Schwingungen zu versetzen und um Reibungskräfte zu überwinden. In Schließstellung des Gas­ wechselventils liegt der Anker an der Polfläche des erregten Schließmagneten an und wird von diesem gehalten, wobei die in Öff­ nungsrichtung 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 wir­ kenden Ventilfeder über seine Gleichgewichtslage hinaus beschleu­ nigt und von der Polfläche des erregten Öffnungsmagneten eingefangen und festgesetzt wird. Soll das Gaswechselventil ge­ schlossen 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 verhindern, 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 bekann­ ten Anker auf der dem Schließmagneten zugewandten Seite eine Schicht aus unmagnetischem Material und auf der dem Öffnungsmagne­ ten zugewandten Seite ein Luftspalt vorgesehen. Sowohl die Schicht als auch der Luftspalt haben die Funktion, das Ablöseverhalten des Ankers vom Magneten zu verbessern und dadurch den Öffnungs- und Schließzeitpunkt genau einstellen zu können.

Nachteilig hierbei ist aber, daß der Energiebedarf für die Betäti­ gung des Gaswechselventils steigt, da bereits kleine Luftspalten bzw. magnetisch isolierende Schichten zu einer Schwächung der Ma­ gnetkraft führen, die durch eine erhöhte Bestromung der Magnete kompensiert werden muß.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine schnelle und exakte Steuerung von Gaswechselventilen in Brennkraftmaschinen bei nied­ rigem Energiebedarf anzugeben.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspru­ ches 1 gelöst.

Die Endanschlagposition des Ankers (4) wird durch einen Anschlag begrenzt. Durch den Anschlag kann der Luftspalt zwischen dem Öff­ nungsmagneten oder dem Schließmagneten und dem Anker, insbesondere in Öffnungsstellung oder Schließstellung, eingestellt werden. Für die Einstellung ist eine Verstelleinrichtung vorgesehen.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann die Größe des Luftspalts mit Hilfe des Anschlags in Abhängigkeit des Betriebszu­ stands der Brennkraftmaschine eingestellt werden, so daß es möglich ist, den Luftspalt und entsprechend die magnetischen Hal­ tekräfte bedarfsabhängig festzulegen. Insbesondere bei geringen Lastzuständen bzw. Drehzahlen kann ein größerer Luftspalt bei gleichbleibender Bestromung eingestellt werden, wodurch geringere magnetische Kräfte wirken, andererseits aber das Ablöseverhalten des Ankers von der Polfläche des Magneten begünstigt wird. Der Luftspalt wirkt magnetisch isolierend, so daß das Magnetfeld bei entregtem Magneten schneller abgebaut wird, was ein schnelles Lö­ sen 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, wo­ durch höhere Haltekräfte zwischen der Polfläche des Magneten und dem Anker sowie höhere Anziehungskräfte für die Beschleunigung des Ankers zwischen den Magneten und des Gaswechselventils erreicht werden und die geringeren zeitlichen Abstände zwischen den Schalt­ zeitpunkten zum Öffnen und Schließen des Ventils präzise eingehalten werden können.

Insgesamt ist der Energiebedarf geringer, weil die auf den Anker wirkenden Magnetkräfte über die Einstellung des Luftspaltes ge­ steuert werden können und die Bestromung in allen Belastungsfällen und Betriebszuständen gleich bleiben kann. Es ist insbesondere nicht erforderlich, die Bestromung bei hoher Belastung bzw. Dreh­ zahl zu steigern. Hierdurch wird auch die Remanenz des Magneten gering gehalten, was sich wiederum positiv auf das Ablöseverhalten 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 Ankers variabel einstellbar ist. Der Luftspalt ist am Schließmagneten 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 Gas­ wechselventils angeordneter Stellstift ausgebildet, der an der Stirnseite des Ankerstößels des Ankers frei anliegt, so daß das Gaswechselventil unbeeinflußt durch den Stellstift in Öffnungs­ richtung verstellt werden kann, in Schließrichtung jedoch nur bis zur Endanschlagposition, in der die Stirnseite des Ankerstößels an dem Stellstift anschlägt, verschoben werden kann.

Der Anschlag bzw. der Stellstift bildet vorteilhaft ein Bauteil einer Verstelleinrichtung, die kennfeldgesteuert in Abhängigkeit von den Betriebszustand des Motors bestimmenden Parametern den Anschlag bzw. Stellstift beaufschlagt. Diese Parameter, insbeson­ dere die Last und die Motordrehzahl, stehen üblicherweise für das Motormanagement und Fahrdynamikstabilisierungen ohnehin zur Verfü­ gung und können in vorteilhafter Weise auch zur Steuerung des Anschlags zur Einstellung der Spaltdicke des Luftspalts herangezo­ gen werden.

Die Verstelleinrichtung kann beispielsweise elektromotorisch betä­ tigbar ausgeführt werden.

Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungsformen sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figurenbeschreibung und der Zeichnung, in der ein Schnitt durch ein Gaswechselventil mit elektromagnetischem Aktuator dargestellt ist, naher erläutert.

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 (9)

1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechsel­ ventils in einer Brennkraftmaschine, mit einem Schließmagneten (2) und einem Öffnungsmagneten (3), zwischen denen ein Anker (4) axial verschieblich angeordnet ist, wobei der Anker (4) auf einen Ven­ tilschaft (6) des Gaswechselventils (5) wirkt, und mit zwei gegensinnigen, das Gaswechselventil (5) in Öffnungsstellung und in Schließstellung (13) beaufschlagenden Ventilfedern (8, 9), durch die der Anker (4) in stromlosem Zustand der Magnete (2, 3) in ei­ ner Gleichgewichtslage zwischen den Magneten (2, 3) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Endanschlagposition (10) des Ankers (4) von einem verstellbaren Anschlag (12) begrenzt ist, wobei eine den Anschlag (12) einstellende Verstelleinrichtung (17) vorgesehen ist.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (12) in Abhängigkeit von Be­ triebsparametern der Brennkraftmaschine einstellbar ist.

3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die der Schließstellung (13) des Gaswechselventils (5) zuge­ ordnete Endanschlagposition (10) des Ankers (4) am Schließmagneten (2) von dem Anschlag (12) begrenzt ist.

4. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (12) koaxial zum Ventilschaft (6) des Gaswechsel­ ventils (5) angeordnet ist.

5. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (12) als ein Stellstift ausgebildet ist.

6. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (12) an einer Stirnseite (14) eines Ankerstößels (21) des Ankers (4) frei anliegt.

7. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (12) durch eine Ausnehmung (16) in einer Deck­ platte (15) des Zylinderkopfs (18) geführt ist.

8. Aktuator nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (12) in Abhängigkeit der auf die Brennkraftmaschine wirkenden Last einstellbar ist.

9. Aktuator nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (12) in Abhängigkeit der Motordrehzahl einstellbar ist.