DE19822728A1 - Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventils einer Kraft- oder Arbeitsmaschine - Google Patents

Abstract

Für einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventils einer Kraft- oder Antriebsmaschine mit einem zwischen einem Schließmagneten und einem Öffnungsmagneten oszillierend antreibbaren Anker eines Feder-Masse-Systems wird als eine Längenausgleichseinrichtung zur Verstellung des Schließmagneten relativ zum Öffnungsmagneten die Verwendung eines elektrochemischen Aktors vorgeschlagen.

Description

Die Erfindung bezieht sich nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 auf einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventils einer Kraft- oder Arbeitsmaschine, bei dem ein zwischen hubbeabstandet angeordneten Elektromagneten oszillierend antreibbarer Anker mit dem antriebsverbundenen Hubventil in einem Feder-Masse-System einen Teil der bewegten Masse bildet, wo­ bei der den Anker in Schließrichtung des Hubventils antreibende und haltende Schließmagnet relativ zum Öffnungsmagnet über eine Längenausgleichsrichtung verstellbar ist.

Ein derartiger Aktuator ist beispielsweise aus der DE 30 24 109 C2 bekannt, bei dem die dem Schließmagneten zugeordnete Öffnungsfeder durch einen weiteren ansteuerbaren Elektromagneten entspannt wird, um das Hubventil gasdicht auf dem Ventilsitz aufsetzen zu lassen. Weiter ist bei diesem bekannten Aktuator mit dem Längenausgleich auch eine gewisse Dämpfung des Aufschlages des Ankers auf dem Schließmagneten erreicht. Der Vorgang des Längenausgleiches ist in jedem Zyklus neu erforderlich, und er beginnt jeweils zu dem Zeitpunkt, in dem das Ventil die geschlossene Position erreicht hat.

Wie aus diesem Dokument weiter hervorgeht, kann neben der elektrisch bewirkten Längenausgleichseinrichtung diese auch mechanisch, hydraulisch oder pneu­ matisch arbeiten.

Bei einem mit dem der vorgenannten DE 30 24 109 C2 im Aufbau vergleichbaren Aktuator ist ferner aus der DE 33 11 250 A1 ein Aktuator bekannt mit einer hydrau­ lischen Längenausgleichseinrichtung. Diese ist nach dem bekannten Bauprinzip eines hydraulischen Ventilspielausgleichselementes gestaltet.

Weiter ist aus der DE 43 36 287 C1 ein gattungsgemäßer Aktuator mit einer Längenausgleichseinrichtung bekannt, wobei für einen Längenausgleich zur spiel­ freien Betätigung des Ventiltriebes ein oder mehrere Klemmelemente vorgesehen sind, die an dem für die Schließstellung des Ventils zuständigen Schaltmagneten angreifen und zwar derart, daß bei geschlossenem Ventil der Schaltmagnet bei ge­ löster mechanischer Klemmung während des Betriebes der Brennkraftmaschine nachstellbar und die mechanische Klemmung schließlich durch hydraulischen Druck bewirkt ist.

Schließlich ist aus der US 5 611 303 A ein weiterer gattungsgemäßer Aktuator be­ kannt, dessen Feder-Masse-System mit Luftfedern ausgerüstet ist und bei dem fer­ ner der Öffnungsmagnet zur Veränderung der Mittelstellung des Ankers zwischen den beiden Magneten axial über hydraulischen Druck verstellbar ist.

Während bei den bislang aufgezeigten elektromagnetischen Aktuatoren jeweils nur einer der Elektromagneten zum Längenausgleich verschiebbar angeordnet ist, wird gemäß der DE 197 02 458 A1 vorgeschlagen, den gesamten Aktuator mit seinen beiden Elektromagneten einschließlich des über einen Stößel auf einen Ventilschaft einwirkenden Ankers relativ zum Maschinengehäuse und damit zum Ventilsitz des Hubventils hydraulisch gesteuert zu verstellen.

Den vorgenannten Aktuatoren jeweils gemeinsam ist der Umstand, daß zum einen die jeweilige Längenausgleichseinrichtung im Aufbau aufwendig ist und zum ande­ ren, daß die jeweiligen Längenausgleichseinrichtung durch ihr Bau- und Funktions-Prin­ zip die Konstruktion des elektromagnetischen Aktuators erheblich beeinflußt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zur Erzielung eines im Aufbau ein­ facheren gattungsgemäßen elektromagnetischen Aktuators die Verwendung eines handelsüblichen Bauelementes aufzuzeigen.

Diese Aufgabe ist mit dem Patentanspruch 1 dadurch gelöst, daß als Längen­ ausgleichseinrichtung ein elektro-chemischer Aktor dient.

Der in der Ausgestaltung einer geschlossenen Balgfeder mit einer durch Be­ stromung beeinflußbaren Gasfüllung elektro-chemische Aktor entspricht in seiner Arbeitsweise einem pneumatischen Ausdehnungselement, das in beiden axialen Richtungen in Abhängigkeit der zugeführten elektrischen Energie steuerbar ist.

Neben den vorteilhaft günstigen Abmessungen dieses Aktors ergibt sich bei dessen Verwendung für einen elektromagnetischen Aktuator der weitere Vorteil dadurch, daß der Aktor über einen auf einen Stromverlauf im Schließmagneten bei An­ näherung des Ankers basierenden Regelkreis ansteuerbar ist zur Positionierung des Schließmagneten für ein geschlossen gehaltenes Hubventil.

Mit der Erfassung des Stromverlaufes bzw. des Stromsignales in der Spule des Schließmagneten ist in vorteilhafter Weise eine einfache Regeleinrichtung erzielt.

Eine baulich vorteilhaft günstige Ausgestaltung des elektromagnetischen Aktuators ist mit der erfindungsgemäßen Verwendung des Aktors dadurch erreicht, daß der mit einem Schaft des Hubventils antriebsfest verbundene Anker in einer maschi­ nenfest angeordneten Führungsbuchse aus im wesentlichen unmagnetischen Ma­ terial hubgeführt ist und daß die Führungsbuchse an beiden Enden zur Ausbildung von Luftfeder-Kammern mittels der Elektromagneten abgedeckt ist, wobei der Schließmagnet in der Führungsbuchse zentriert geführt angeordnet ist und über den maschinenseitig abgestützten Aktor zum Längenausgleich in Öffnungs- und Schließ­ richtung verschiebbar ist.

Mit der Anordnung von Luftfeder-Kammern beiderseits des Ankers für das Feder- Masse-System ergibt sich in Verbindung mit dem Einsatz eines Aktors ein vorteilhaft einfacher Aufbau eines elektromagnetischen Aktuators.

Im Hinblick auf eine montagefreundliche Anordnung des erfindungsgemäßen Ak­ tuators wird weiter vorgeschlagen, daß der vom Ventilschaft durchsetzte Öffnungs­ magnet in einer ersten, topfartigen Buchse angeordnet ist, die unter Zwischen­ schaltung eines Flansches der Führungsbuchse mit einer zweiten topfartigen Buchse gemeinsam maschinenfest angeordnet ist, wobei in der zweiten Buchse der Schließmagnet in einer verschiebbar angeordneten Schiebebuchse vorgesehen ist, die mit dem mit der zweiten Buchse fest verbundenen Aktor antriebsfest verbunden ist.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben.

Bei einem elektromagnetischen Aktuator 1 zur Betätigung eines Gaswechsel-Hub­ ventils 2 einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine 3 ist ein zwischen hub­ beabstandet angeordneten Elektromagneten 4 und 5 oszillierend antreibbarer Anker 6 mit dem antriebsverbundenen Hubventil 2 in einem Feder-Masse-System ein Teil der bewegten Masse, wobei der den Anker 6 in Schließrichtung des Hubventils 2 antreibende und haltende Schließmagnet 4 relativ zum Öffnungsmagnet 5 über eine Längenausgleichseinrichtung 7 verstellbar ist.

Zur Erzielung eines im Aufbau einfacheren elektromagnetischen Aktuators 1 wird erfindungsgemäß als Längenausgleichseinrichtung 7 ein handelsüblicher elektro­ chemischer Aktor 8 vorgeschlagen.

Der in der Bauart einer geschlossenen Balgfeder mit einer durch elektrische Energie beeinflußbaren Gasladung wirkt wie ein pneumatisches Ausdehnungselement, des­ sen Dehnungsrichtung in Öffnungs- und Schließrichtung des Hubventils 2 über einen Regelkreis 9 gesteuert den Schließmagneten 4 gemäß dem Pfeil "A" verstellt. Vorzugsweise ist der Aktor 8 über einen auf einen Stromverlauf im Schließmagneten 4 bei Annäherung des Ankers 6 basierenden Regelkreis 9 angesteuert zur Positio­ nierung des Schließmagneten 4 relativ zum Anker 6 derart, daß das Hubventil 2 mit dem Ventilsitzring 10 dicht schließt. Mit dem gemäß der Kurve 11 beispielsweise gegebenen Stromverlauf bzw. Stromsignal-Verlauf wird mit dem Verlaufsabschnitt 11' im Regelbereich X -100% als Stellgröße dem Regelgerät 12 zugeführt und so­ mit die durch Temperatur und Verschleiß bedingte Längenänderung zwischen dem Dichtsitz des Ventilsitzringes und der Halteposition des Ankers 6 relativ zum Schließmagneten 4 optimal eingestellt. Vereinfacht ausgedrückt dient der elektro­ chemische Aktor 8 hierbei als Ventilspiel-Ausgleichselement.

Eine vorteilhaft einfache Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aktuators 1 ist weiter dadurch erreicht, daß der mit einem Schaft 13 des Hubventils 2 antriebsfest verbundene Anker 6 in einer maschinenfest angeordneten Führungsbuchse 14 aus im wesentlichen unmagnetischem Material hubgeführt ist und daß die Führungs­ buchse 14 an beiden Enden zur Ausbildung von Luftfeder-Kammern 15 und 16 mit­ tels der Schließ- und Öffnungsmagnete 4 und 5 abgedeckt ist, wobei der Schließ­ magnet 4 in der Führungsbuchse 14 zentriert geführt angeordnet ist zur axialen Ver­ schiebbarkeit über den maschinenseitig abgestützten Aktor 8 zum Längenausgleich in Öffnungs- und Schließrichtung gemäß Pfeil "A".

Den gegeneinander über einen Dichtring 17 im Anker 6 abgedichteten Luft­ feder-Kammern 15 und 16 sind über den Umfang der Führungsbuchse 14 mit der Umge­ bung in Verbindung stehende Öffnungen 18 zugeordnet. Weiter umfaßt der Anker 6 an beiden Seiten Kompressionsräume 19.

Die vorbeschriebene, prinzipielle Ausgestaltung des Aktuators 1 ist vorteilhaft ein­ fach dadurch weitergebildet, daß der vom Ventilschaft 13 durchsetzte Öffnungs­ magnet 5 in einer ersten, topfartigen Buchse 20 angeordnet ist, die unter Zwischen­ schaltung eines Flansches 21 der Führungsbuchse 14 mit einer zweiten, topfartigen Buchse 22 gemeinsam maschinenfest angeordnet ist, wobei in der zweiten Buchse 22 der Schließmagnet 4 in einer verschiebbar angeordneten Schiebebuchse 23 vor­ gesehen ist, die mit dem mit der zweiten Buchse 22 fest verbundenen Aktor 8 an­ triebsfest verbunden ist.

Im Rahmen der Erfindung kann die Anordnung der Elektromagneten 4 und 5 da­ durch vereinfacht werden, daß der Öffnungsmagnet 5 direkt im Maschinengehäuse der Brennkraftmaschine 3 und der Schließmagnet 4 direkt in der Buchse 22 ange­ ordnet ist.

Claims (4)

1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechsel-Hubventils einer Kraft- oder Arbeitsmaschine,

• - bei dem ein zwischen hubbeabstandet angeordneten Elektromagne­ ten (4, 5) oszillierend antreibbarer Anker (6) mit dem antriebsverbun­ denen Hubventil (2) in einem Feder-Masse-System einen Teil der bewegten Masse bildet, wobei
• - der den Anker (6) in Schließrichtung des Hubventils (2) antreibende und haltende Schließmagnet (4) relativ zum Öffnungsmagnet (5) über eine Längenausgleichsausrichtung (7) verstellbar ist,
  dadurch gekennzeichnet,
• - daß als Längenausgleichseinrichtung (7) ein elektro-chemischer Ak­ tor (8) dient.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (8) über einen auf einen Stromverlauf im Schließmagneten (4) bei Annäherung des Ankers (6) basierenden Regelkreis (9) ansteuerbar ist zur Positionierung des Schließmagneten (4) für ein geschlossen gehaltenes Hubventil (2).

3. Aktuator nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der mit einem Schaft (13) des Hubventils (2) antriebsfest verbun­ dene Anker (6) in einer maschinenfest angeordneten Führungs­ buchse (14) aus im wesentlichen unmagnetischem Material hub­ geführt ist, und
• - daß die Führungsbuchse (14) an beiden Enden zur Ausbildung von Luftfeder-Kammern (15, 16) mittels der Elektromagneten (4, 5) abge­ deckt ist, wobei
• - der Schließmagnet (4) in der Führungsbuchse (14) zentriert geführt angeordnet ist und
• - über den maschinenseitig abgestützten Aktor (8) zum Längen­ ausgleich in Öffnungs- und Schließrichtung (Pfeil "A") verschiebbar ist.

4. Aktuator nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der vom Ventilschaft (13) durchsetzte Öffnungsmagnet (5) in einer ersten, topfartigen Buchse (20) angeordnet ist, die
• - unter Zwischenschaltung eines Flansches (21) der Führungsbuchse (14) mit einer zweiten, topfartigen Buchse (22) gemeinsam maschi­ nenfest angeordnet ist, wobei
• - in der zweiten Buchse (22) der Schließmagnet (4) in einer verschieb­ bar angeordneten Schiebebuchse (23) vorgesehen ist, die
• - mit dem mit der zweiten Buchse (22) fest verbundenen Aktor (8) an­ triebsfest verbunden ist.