DE19924417C2 - Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit einem Öffnermagnet und einem Schließermagnet, die einen näherungsweise recht­ eckigen Querschnitt aufweisen, und die jeweils aus einem näherungsweise rechtec­ kigen Joch bestehen, in dem ein Spulenfenster ausgearbeitet ist, in dem eine Erre­ gerspule angeordnet ist.

Ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung besteht im wesentlichen aus dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet, die durch mindestens ein Distanz­ stück aus einem nicht ferromagnetischen Material voneinander getrennt sind. Die­ ses Distanzstück kann beispielsweise durch ein Gehäuseteil gebildet werden. Zwi­ schen dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet befindet sich die aus einem ferromagnetischen Material bestehende Ankerplatte, die durch Bestromen der Erregerspule des Öffnermagneten oder der Erregerspule des Schließermagneten in die jeweilige Richtung bewegt wird. Die Magnet-Hub-Kennlinie eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung kann durch die konstruktive Gestaltung der Ankerplatte und des Jochs der Elektromagneten vorteilhaft beeinflußt werden. Die Lehre dazu ist beispielsweise dem Fachbuch "Elektromagnete", Kallenbach/Eick/­ Quendt, B. G. Teubner Stuttgart 1994, S. 126-137, zu entnehmen.

Das Joch des Öffnermagneten weist eine Durchführung für einen Stößel auf, der die auf die Ankerplatte einwirkenden Kräfte auf mindestens ein Gaswechselventil über­ trägt.

Der Aktor kann beispielsweise so ausgeführt sein, daß an dem Stößel auf der dem Gaswechselventil zugewandten Seite ein Aktorfederteller angeordnet ist, wobei zwischen dem Aktorfederteller und der Außenseite des Öffnermagneten eine Aktor­ feder angeordnet ist. Bei dieser Anordnung kann der Stößel sehr kurz ausgelegt werden und reicht lediglich vom Gaswechselventil bis zur Ankerplatte, wobei der Stößel durch das Joch des Öffnermagneten einfach gelagert ist.

Alternativ kann der Aktor so ausgeführt sein, daß die Aktorfeder auf der dem Gas­ wechselventil entgegengesetzten Seite des Aktors an der Außenseite des Schlie­ ßermagneten angeordnet ist. Dazu ist in Verlängerung des Stößels eine einen Ak­ torfederteller aufweisende Schubstange angeordnet, die durch eine Durchführung im Joch des Schließermagneten gelagert ist. Das Joch des Schließermagneten weist eine die Durchführung der Schubstange umgebende, eine Wandung bildende Aus­ formung auf, in der ein Innengewinde eingearbeitet ist. In das Innengewinde der Wandung ist ein Schraubdeckel eingeschraubt, der zusammen mit der Wandung einen Hohlraum bildet, in dem die auf dem Aktorfederteller aufliegende Aktorfeder angeordnet ist. Durch Verdrehen des Schraubdeckels kann die Vorspannung der Aktorfeder verändert werden, wodurch die Ruhelage der Ankerplatte einstell­ bar ist.

Ein Aktor bildet mit einem Gaswechselventil eine funktionelle Einheit, wobei das Gaswechselventil, entsprechend einem konventionellen Zylinderkopf mit Nocken­ wellen, mittels einer Ventilfeder und einem Ventilfederteller in den Ventilsitz des Zylinderkopfes gezogen wird.

Ist eine funktionelle Einheit aus einem Aktor und einem Gaswechselventil an der Brennkraftmaschine montiert, werden der Ventilschaft des Gaswechselventils und der Stößel des Aktors gegeneinander gepreßt. In der Ruhelage der funktionellen Einheit befindet sich die Ankerplatte in der Mitte zwischen dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet. Der Ventilteller des Gaswechselventils befindet sich dabei in einer Mittelstellung zwischen dem Ventilsitz des Zylinderkopfes, bei der das Ventil geschlossen ist, und der Position, in der das Ventil maximal geöffnet ist.

Bei der Konstruktion einer Brennkraftmaschine mit einer elektromagnetischen Ventilsteuerung besteht das Problem, daß der zur Verfügung stehende Bauraum sehr begrenzt ist. Die Aktoren müssen jedoch so groß ausgelegt werden, daß sie die zur Betätigung des Gaswechselventils notwendige Kraft aufbringen.

In der DE 196 11 547 A1 ist beispielsweise vorgeschlagen worden, die Aktoren mit einem rechteckigen Querschnitt auszuführen, wobei der zur Verfügung stehende Bauraum im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine gut genutzt wird, und die Elektro­ magneten der Aktoren eine genügend hohe Kraft auf die Ankerplatte ausüben kön­ nen.

Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die in dem Joch des Öffnermagne­ ten und des Schließermagneten ausgearbeiteten Spulenfenster zur Erzeugung eines maximalen magnetischen Momentes ebenfalls einen näherungsweise rechteckigen Querschnitt aufweisen. Dadurch erhöht sich die mittlere Wicklungslänge der in das Spulenfenster eingesetzten Erregerspulen, wodurch diese einen höheren ohmschen Widerstand aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit einem näherungsweise rechteckigen Querschnitt anzugeben, der ein Spulenfenster für Erregerspulen mit einem geringeren ohmschen Wider­ stand aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei das Spulenfenster des Öffnermagneten und des Schließermagneten sowie die darin angeordneten Erregerspulen zur Reduzierung von ohmschen Verlu­ sten durch eine geringere mittlere Windungslänge die Form eines Hohlzylinders aufweisen.

Das näherungsweise rechteckige Joch des Öffnermagneten und des Schließerma­ gneten weist eine Stirnseite auf, die dem Außendurchmesser des Spulenfensters plus einem Rand geringer Dicke entspricht. Die Länge der Längsseite des Jochs entspricht der Stirnseite plus einen Teil, der durch den für einen Aktor zur Verfügung stehenden Bauraum im Zylinderkopf bestimmt wird.

Dabei kann die Grundfläche des hohlzylindrisch geformten Spulenfensters und der hohlzylindrisch geformten Erregerspulen kreisrund oder elliptisch geformt sein.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ankerplatte und das Joch des Öffnermagneten zur Beeinflussung der Magnet-Hub-Kennlinie konstruktiv derart gestaltet sind, daß die Kraft des Öffnermagneten auf die Ankerplatte bei kleinen Abständen geringer ist und bei großen Abständen hoch ist.

Vorzugsweise ist zur Beeinflussung der Magnet-Hub-Kennlinien das Material der Ankerplatte radialsymmetrisch um die Bohrung des Stößels mit einer größeren Dicke ausgeführt, wobei das Joch des Öffnermagneten komplementär zur Ankerplat­ te geformt ist. Zudem kann das Joch des Öffnermagneten so ausgebildet werden, daß die Ankerplatte in der vom Öffnermagnet angezogenen Position (bei geöffnetem Gaswechselventil) teilweise oder ganz von dem ferromagnetische Material des Jochs des Öffnermagneten umgeben ist.

In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Joch des Öffnermagneten und das Joch des Schließermagneten im Bereich der Erregerspule (senkrecht zur Längsachse und parallel zur Ventilachse) geblecht ist, wodurch Wir­ belstromverluste reduziert werden.

Durch das hohlzylindrische Spulenfenster und die resultierende hohlzylindrische Erregerspule werden die ohmschen Verluste der Erregerspule minimiert. Dabei ist das Ausarbeiten des Spulenfensters im Joch des Öffnermagneten und im Joch des Schließermagneten sowie das Wickeln und das Einsetzen der Erregerspule in das Spulenfenster besonders vorteilhaft.

Im folgenden wird ein Ausführungsbei­ spiel des erfindungsgemäßen Aktors zur elektromagnetischen Ventil­ steuerung mit einem Öffnermagnet und einem Schließermagnet, die einen nähe­ rungsweise rechteckigen Querschnitt aufweisen, anhand von zwei Figuren dargestellt und erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 die schematische, dreidimensionale Darstellung eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung.

Fig. 2 die schematische Darstellung eines Schnittes durch einen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung.

In der Fig. 1 ist ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung dargestellt. Das Joch des Öffnermagneten ÖM und das Joch des Schließermagneten SM werden durch zwei Distanzstücke DS voneinander getrennt, die aus einem nicht ferroma­ gnetischen Material gefertigt sind. Zwischen den Distanzstücken DS oszilliert die Ankerplatte AP. An der Ankerplatte AP ist der Stößels S befestigt, der die auf die Ankerplatte AP einwirkenden Kräfte über eine Durchführung im Joch des Öffnerma­ gneten ÖM auf das Gaswechselventil GV überträgt. Auf der Ankerplatte AP liegt in der Verlängerung des Stößel S eine Schubstange SS auf, die über eine Durchfüh­ rung in dem Joch des Schließermagneten SM die auf die Ankerplatte AP einwirken­ den Kräfte auf die Aktorfeder AF überträgt. Dazu ist an der Schubstange SS ein Aktorfederteller AFT ausgearbeitet, auf dem die Aktorfeder AF aufliegt, und über den die Aktorfeder AF die Schubstange SS gegen die Ankerplatte AP preßt. Die Aktorfe­ der AF befindet sich in einer eine Wandung bildenden Ausformung des Jochs des Öffnermagneten ÖM, die radialsymmetrisch um die Durchführung der Schubstange SS ausgebildet ist. Die Wandung weist auf der Innenseite ein Gewinde auf, in das ein Schraubdeckel SD eingeschraubt werden kann. Mittels des Schraubdeckels SD kann die Vorspannung der Aktorfeder AF verändert werden, wodurch die Ruhelage der Ankerplatte AP eingestellt wird.

In das Joch des Öffnermagneten ÖM und in das Joch des Schließermagneten SM ist ein Spulenfenster eingearbeitet, in das jeweils eine Erregerspule eingesetzt wird. Die Spulenfenster sind vorzugsweise so ausgearbeitet, daß die Polflächen (die der An­ kerplatte AP zugewandten Flächen) der Joche des Öffnermagneten ÖM und des Schließermagneten SM innerhalb und außerhalb des Spulenfensters gleich groß sind.

Der Widerstand einer Erregerspule setzt sich aus seinem ohmschen, einem kapazi­ tiven und einem induktiven Anteil zusammen.

Zur Reduzierung der durch den ohmschen Widerstand (bei gegebener Polfläche der Joche des Öffnermagneten ÖM und des Schließermagneten SM) bedingten Verlust­ leistung sind die Erregerspulen beispielsweise rund und hohlzylindrisch ausgeführt. Der geringe ohmsche Widerstand einer runden hohlzylindrischen Erregerspule resul­ tiert aus der geringeren mittleren Windungslänge des Spulendrahtes.

Durch den Bauraum, der zwischen der Durchführung des Stößels und dem Rand der rechteckigen Joche zur Verfügung steht, kann dieselbe hohlzylindrische Erregerspule auch zu einer Ellipse verformt und in ein entsprechend elliptisch ausgearbeitetes Spulenfenster eingesetzt werden.

In der Fig. 2 ist ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit einem kreisrunden, hohlzylindrischen Spulenfenster SF dargestellt, der dem Aktor der Fig. 1 entspricht, bei dem jedoch die Ankerplatte AP und das Joch des Öffnermagneten ÖM zur Beeinflussung der Magnet-Hub-Kennlinie konstruktiv derart gestaltet sind, daß die Kraft auf die Ankerplatte AP bei geringen Abstanden zum Joch des Öffner­ magneten ÖM geringer ist und bei hohen Abständen zum Joch des Öffnermagneten ÖM zunimmt.

Dabei ist das Material der Ankerplatte AP radialsymmetrisch um die Bohrung des Stößels 5 mit einer größeren Dicke ausgeführt, wobei das Joch des Öffnermagneten ÖM komplementär geformt ist. Zudem ist das Joch des Öffnermagneten ÖM so ausgebildet, daß die Ankerplatte AP in der vom Öffnermagnet ÖM angezogenen Position (bei geöffnetem Gaswechselventil) seitlich durch das ferromagnetische Material des Jochs des Öffnermagneten ÖM umgeben ist. Die aus einem nicht fer­ romagnetischen Material gefertigten Distanzstücke DS sind entsprechend kleiner ausgebildet.

Dabei ergeben sich durch die kreisrunden, hohlzylindrischen Erregerspulen mit ent­ sprechenden kreisrunden hohlzylindrischen Spulenfenstern SF zudem fertigungs­ technische Vorteile.

Die Ankerplatte AP, die mit dem Stößel S sehr fest verbunden sein muß, wird zur Reduzierung von Fertigungstoleranzen nach dem Verbinden mit dem Stößel S abge­ dreht. Dieser Fertigungsschritt ist mit runden, zum Stößel S symmetrischen Verdic­ kungen der Ankerplatte AP wesentlich einfacher durchzuführen.

Durch das hohlzylindrische Spulenfenster SF und die resultierende hohlzylindrische Erregerspule mit kreisrunder oder elliptischer Grundfläche werden die ohmschen Verluste der Erregerspule wirksam minimiert. Bei einer kreisrunden, hohlzylindri­ schen Erregerspule mit entsprechendem Spulenfenster ergeben sich eine Reihe von fertigungstechnischen Vorteilen.

Claims (5)

1. Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit einem Öffnermagnet (ÖM) und einem Schließermagnet (SM), die einen näherungsweise rechteckigen Quer­ schnitt aufweisen, und die jeweils aus einem näherungsweise rechteckigen Joch bestehen, in dem jeweils ein Spulenfenster (SF) ausgearbeitet ist, in dem eine Er­ regerspule angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenfenster (SF) im Joch des Öffnermagneten (ÖM) und im Joch des Schließermagneten (SM) so­ wie die in den Spulenfenstern (SF) angeordneten Erregerspulen zur Reduzierung von ohmschen Verlusten die Form eines Hohlzylinders aufweisen.

2. Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche des hohlzylindrisch geformten Spulenfensters (SF) und der hohlzylindrisch geformten Erregerspulen kreisrund ist.

3. Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche des hohlzylindrisch geformten Spulenfensters (SF) und der hohlzylindrisch geformten Erregerspulen elliptisch ist.

4. Aktor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerplatte (AP) und das Joch des Öffnermagneten (ÖM) zur Beeinflussung der Magnet-Hub-Kennlinie konstruktiv derart gestaltet sind, daß die Ankerplatte (AP) um den Stößel (S) verdickt ausgeführt ist und das Joch des Öffnermagneten (ÖM) komplementär zur Ankerplatte (AP) geformt ist.

5. Aktor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Joch des Öffnermagneten (ÖM) und das Joch des Schließermagneten (SM) im Bereich der Erregerspule senkrecht zur. Längsachse der Joche, und par­ allel zur Ventilachse geblecht sind.