DE19852168A1 - Elektromagnetischer Aktuator - Google Patents

Abstract

Bei bekannten elektromagnetischen Aktuatoren mit jeweils zwei auf einen Anker wirkenden Elektromagneten (2, 3), wird zur Bestromung der Erregerspulen (20, 30) der Elektromagnete für jede Erregerspule eine eigene Steuerleitung benötigt. Dies führt insbesondere bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren elektromagnetisch betätigten Gaswechselventilen (5) zu einem erheblichen Verdrahtungsaufwand sowie zu einem erheblichen Platzbedarf für die einzelnen Steuerleitungen. Der neue Aktuator soll einfach und kostengünstig herstellbar sein und sich mit geringem Aufwand verdrahten lassen. DOLLAR A Erfindungsgemäß werden die Erregerspulen des Aktuators über einen den beiden Elektromagneten gemeinsamen Steueranschluß (80) bestromt. Die zu bestromende Erregerspule (20, 30) wird dabei mittels einer Schaltvorrichtung (81, 82) nach Maßgabe der Polarität eines am Steueranschluß (80) anstehenden Erregerstromes (Ie) ausgewählt. DOLLAR A Betätigung von Gaswechselventilen in Brennkraftmaschinen.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Aktuator ist beispielsweise aus der EP 0 717 172 A1 bekannt. Bei dem bekannten Aktuator wird ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine mit­ tels eines elektromagnetischen Aktuators betätigt. Dieser weist zwei einander ge­ genüberliegende Elektromagnete mit jeweils einer Erregerspule und einen mit dem Gaswechselventil in Wirkverbindung stehenden Anker auf, der durch wechselweises Bestromen der beiden Elektromagnete zwischen diesen hin- und herbewegt wird.

Als nachteilig erweist sich hierbei, daß zur Bestromung der Elektromagnete für jeden der Elektromagnete eine eigene Steuerleitung benötigt wird. Dies führt bei einer Brennkraftmaschine mit mehreren elektromagnetisch betätigten Gaswechselventi­ len zu einem erheblichen Verdrahtungsaufwand sowie zu einem erheblichen Platz­ bedarf für die einzelnen Steuerleitungen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Aktua­ tor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, der einfach und ko­ stengünstig herstellbar ist und der sich mit geringem Aufwand verdrahten läßt.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 ge­ löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Un­ teransprüchen.

Erfindungsgemäß weist der Aktuator einen den beiden Elektromagneten gemeinsa­ men Steueranschluß auf, über den die Erregerspulen der beiden Elektromagnete bestromt werden, wobei die zu bestromende Erregerspule mittels einer Schaltvor­ richtung nach Maßgabe der Polarität eines am Steueranschluß anstehenden Erre­ gerstromes auswählt wird. Hierdurch wird sichergestellt, daß die beiden Elektroma­ gnete nicht gleichzeitig erregt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Schaltungsanordnung weist die Schaltvor­ richtung zwei - vorzugsweise in den Aktuator integrierte oder am Aktuator ange­ brachte - Dioden auf. Der Steueranschluß ist dabei über zwei parallel geschaltete Reihenschaltungen aus jeweils einer der beiden Erregerspulen und jeweils einer der Dioden mit einem Bezugspotentialanschluß verbunden und die Dioden sind derart verschaltet sind, daß in Abhängigkeit der Polarität des Erregerstromes jeweils eine der beiden Dioden sperrend und die andere leitend ist. Somit wird bei einem positi­ ven Vorzeichen einer zwischen dem Steueranschluß und dem Bezugspotentialan­ schluß anstehenden Erregerspannung die eine Erregerspule und bei einem negati­ ven Vorzeichen der Erregerspannung die andere Erregerspule bestromt.

Vorteilhafterweise sind die beiden Dioden zwischen den Steueranschluß und die jeweilige Erregerspule geschaltet, wobei die eine Diode anodenseitig und die andere Diode kathodenseitig an den Steueranschluß angeschlossen ist. Denkbar sind je­ doch auch Anordnungen, bei denen die Dioden zwischen die jeweilige Erregerspule und den Bezugspotentialanschluß geschaltet sind, sowie Anordnungen, bei denen eine der Dioden zwischen den Steueranschluß und die jeweilige Erregerspule und die andere Diode zwischen die andere Erregerspule und den Bezugspotentialan­ schluß geschaltet ist.

Der Aktuator wird vorzugsweise von einer Steuereinheit angesteuert, die über eine den beiden Elektromagneten gemeinsame Steuerleitung an den Steueranschluß des Aktuators angeschlossen ist. Falls eine gute elektromagnetische Verträglichkeit gefordert ist, ist es vorteilhaft, den Bezugspotentialanschluß über eine von einer Fahrzeugmasse getrennte und den Elektromagneten sämtlicher Aktuatoren gemein­ same Aktuator-Masseleitung mit der Steuereinheit zu verbinden. Hinsichtlich der weiteren Reduzierung des Verdrahtungsaufwands ist es jedoch vorteilhaft, für den Aktuator einen den Bezugspotentialanschluß bildenden metallischen und somit elek­ trisch leitfähigen Gehäusekörper vorzusehen, der über den Motorblock der Brenn­ kraftmaschine mit der Fahrzeugmasse verbunden ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiel unter Bezugnah­ me auf die Figur näher beschrieben.

Die Figur zeigt einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswech­ selventils in einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeuges.

Gemäß der Figur umfaßt der Aktuator einen Anker 1, der in Wirkverbindung mit ei­ nem Stößel 4 eines mit dem Anker 1 mitbewegten Gaswechselventils 5 steht, einen als Schließmagnet wirkenden Elektromagneten 2 sowie einen als Öffnungsmagnet wirkenden weiteren Elektromagneten 3, der vom Schließmagnet 2 in Richtung der Stößel-Längsachse beabstandet angeordnet ist. Die Elektromagnete 2, 3 sind mit­ tels eines Gehäuseteils 7 miteinander verbunden und an einem die Brennkammer 90 einer Brennkraftmaschine abdeckenden Zylinderkopfteil 9 angebracht; sie wei­ sen jeweils eine Erregerspule 20 bzw. 30 und einander gegenüberliegende Polflä­ chen 21 bzw. 31 auf, zwischen denen der Anker 1 durch abwechselnde Bestromung der beiden Elektromagnete 2, 3, d. h. der Erregerspulen 20 bzw. 30, hin- und her­ bewegt wird. Zwei gegensinnig wirkende Ventilfedern 60, 61, die mittels zweier Fe­ derteller 62, 63 am Aktuator bzw. Zylinderkopfteil 9 befestigt sind, bewirken, daß der Anker 1 im stromlosen Zustand der Erregerspulen 20, 30 in einer Gleichge­ wichtslage etwa in der Mitte zwischen den Polflächen 21, 31 der Elektromagnete 2, 3 festgehalten wird. Der Aktuator wird über eine den beiden Elektromagneten 2, 3 gemeinsame Steuerleitung 84 durch eine Steuereinheit 8 angesteuert. Die Steuer­ einheit 8 ist hierzu über die Steuerleitung 84 mit einem den beiden Elektromagneten 2, 3 gemeinsamen Steueranschluß 80 verbunden. Der beispielsweise als Steckver­ bindung ausgeführte Steueranschluß 80 ist ferner über eine Reihenschaltung aus der Erregerspule 20 und einer Diode 81 sowie aus einer zu dieser Reihenschaltung parallel geschalteten weiteren Reihenschaltung aus der Erregerspule 30 und einer weiteren Diode 82 mit einem auf einem Bezugspotential - beispielsweise auf einem Massepotential - liegenden Bezugspotentialanschluß 83 verbunden. Wesentlich dabei ist, daß die Dioden 81, 82 nahe am Aktuator angeordnet sind, beispielsweise im Aktuator integriert oder am Aktuator angebracht sind.

Die Dioden 81, 82 sind antiparallel geschaltet, so daß bei einem durch den Steuer­ anschluß 80 fließendem Erregerstrom Ie eine der Dioden 81, 82 sperrend und die andere leitend ist. Somit wird eine gleichzeitige Bestromung der beiden Erregerspu­ len 20, 30 verhindert und durch die Polarität des Erregerstromes Ie, d. h. durch das Vorzeichen einer zwischen dem Steueranschluß 80 und dem Bezugspotentialan­ schluß 83 anstehenden Erregerspannung Ue, die zu bestromende Erregerspule 20 bzw. 30 ausgewählt.

Der Bezugspotentialanschluß 83 wird durch den metallischen Gehäusekörper des Aktuators, d. h. durch-das Gehäuseteil 7 oder die Joche der Elektromagnete 2, 3 gebildet, und ist über den Motorblock der Brennkraftmaschine mit dem Massean­ schluß 85 der Steuereinheit 8 verbunden; er kann aber auch, insbesondere dann, wenn gute elektromagnetische Verträglichkeit gefordert wird, als ein vom Gehäuse­ körper isolierter Anschluß ausgeführt sein, der über eine nur für die Aktuatoren der Brennkraftmaschine vorgesehene Aktuator-Masseleitung mit dem Masseanschluß 85 der Steuereinheit 8 verbunden ist.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Steueranschluß 80 mit der Anode der Diode 81 und mit der Kathode der Diode 82 verbunden, so daß bei einem positiven Vorzeichen der Erregerspannung Ue oder des Erregerstromes Ie, d. h. bei einem aus der Steuereinheit 8 hinausfließenden Erregerstrom, die Erregerspule 20 des Schließmagneten 2 bestromt wird und bei einem negativen Vorzeichen des Erreger­ stromes Ie die Erregerspule 30 des Öffnungsmagneten 2 bestromt wird.

Zum Starten des Aktuators wird von der Steuereinheit 8 die Erregerspannung Ue generiert und durch den hierdurch bewirkten Erregerstrom Ie die Erregerspule 20 bzw. 30 bestromt, d. h. eingeschaltet, oder es wird durch wiederholte Umpolung der Erregerspannung Ue eine Anschwingroutine initiiert, durch die der Anker 1 zunächst durch wechselweises Bestromen der Elektromagnete 2, 3 in Schwingung versetzt wird, um nach einer Einschwingzeit auf die Polfläche 21 des Schließmagneten 2 oder die Polfläche 31 des Öffnungsmagneten 3 aufzutreffen.

Bei geschlossenem Gaswechselventil 5 liegt der Anker 1 an der Polfläche 21 des Schließmagneten 2 an und er wird solange in dieser Position festgehalten, solange der Elektromagnet 20 mit einem ausreichend großen Erregerstrom Ie bestromt wird. Um das Gaswechselventil 5 zu öffnen, wird die Erregerspannung Ue umgepolt und der Betrag des Erregerstromes Ie ggf. auf einen Fangwert erhöht. Somit wird der Schließmagnet 2 abgeschaltet und der Öffnungsmagnet 3 eingeschaltet, wodurch der Anker 1 in Richtung Polfläche 31 beschleunigt wird, dort auftrifft und in dieser Position solange festgehalten wird, solange der Erregerstrom Ie einen bestimmten Mindestwert nicht unterschreitet. Entsprechend wird zum erneuten Schließen des Gaswechselventils 5 die Erregerspannung Ue wiederum umgepolt und der Betrag des Erregerstromes ggf. wiederum auf den Fangwert erhöht. Hierdurch wird der Öff­ nungsmagnet 3 ausgeschaltet und der Schließmagnet 2 erneut eingeschaltet, so daß der Anker 1 in Richtung Polfläche 21 beschleunigt wird, dort auftrifft und in die­ ser Position solange festgehalten wird, solange der Betrag des Erregerstromes Ie den hierzu erforderlichen Mindestwert nicht unterschreitet.

Claims (8)

1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils (5), mit einem mit dem Gaswechselventil (5) in Wirkverbindung stehenden Anker (1) und zwei einander gegenüberliegenden und jeweils eine Erregerspule (20, 30) aufwei­ senden Elektromagneten (2, 3), zwischen denen der Anker (1) durch wechselweises Bestromen der Erregerspulen (20, 30) gegen die Kraft mindestens einer Ventilfeder (60, 61) bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator einen den beiden Elektromagneten (2, 3) gemeinsamen Steueranschluß (80) zur Bestromung der Er­ regerspulen (20, 30) und eine Schaltvorrichtung (81, 82) zur Auswahl der zu be­ stromenden Erregerspule (20, 30) nach Maßgabe der Polarität eines am Steueran­ schluß (80) anstehenden Erregerstromes (Ie) aufweist.

2. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (81, 82) zwei Dioden (81, 82) aufweist, die jeweils zwischen dem Steueranschluß (80) und einem Bezugspotentialanschluß (83) zu jeweils einer der beiden Erregerspulen (20, 30) in Reihe geschaltet sind, wobei die Dioden (81, 82) derart verschaltet sind, daß in Abhängigkeit der Polarität des Erregerstromes (Ie) jeweils eine der beiden Dioden (81, 82) sperrend ist.

3. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dioden (81, 82) in den Aktuator integriert sind oder am Aktuator angeordnet sind.

4. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der beiden Dioden (81, 82) anodenseitig an den Steueranschluß (80) und kathodenseitig an die eine der beiden Erregerspulen (20, 30) angeschlossen ist, und daß die andere der beiden Dioden (82, 81) kathodenseitig an den Steueran­ schluß (80) und anodenseitig an die andere der beiden Erregerspulen (30, 20) ange­ schlossen ist.

5. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er einen den Bezugspotentialanschluß (83) bildenden metalli­ schen Gehäusekörper aufweist.

6. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein Steueranschluß (80) über eine den beiden Elektromagne­ ten gemeinsame Steuerleitung (84) mit einer Steuereinheit (8) verbunden ist.

7. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bezugspotentialanschluß (83) über eine den beiden Elek­ tromagneten gemeinsame Masseleitung mit der Steuereinheit (8) verbunden ist.

8. Verwendung des Aktuators nach einem der vorherigen Ansprüche zur Steuerung des Gaswechsels in Brennkraftmaschinen.