DE19926413C2 - Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Brennkraftmaschinen-Hubventils - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des ersten An­ spruchs angegebenen Art.

Aus der DE 197 43 913 A1 ist eine elektromagnetische Hubventilsteuerung für Brennkraftmaschinen, auch elektromagnetischer Aktuator genannt, bekannt, die aus zwei Magnetspulen und einem Anker mit einem Ankerschaft pro Ventil besteht. Hierbei können der Anker und der Ankerschaft aus unterschiedlichen Materialien be­ stehen, wobei bevorzugt ein keramischer Werkstoff für den Ankerschaft vorgesehen ist, um möglichst geringe bewegte Massen zu haben. Damit kann auch der Aktuator in seinen Dimensionen begrenzt werden, wobei der Raumbedarf verringert werden kann.

Als nachteilig hat sich jedoch herausgestellt, dass Keramik für den gesamten An­ kerschaft für diesen Anwendungsfall kein optimaler Werkstoff ist und darüber hinaus die Verwendung eines induktiven Mess-Systems nicht gestattet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, Maßnahmen aufzuzeigen zur Lösung der geschilderten Problematik.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche. Erfindungsgemäß wird also der Ankerschaft in verschie­ dene Abschnitte unterteilt, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen, die je­ weils im wesentlichen hinsichtlich der für diese Abschnitte relevanten Anforde­ rungen ausgewählt sind. Bei den einzelnen Abschnitten des Ankerschaftes handelt es sich dabei um mehr oder weniger lange Wellenstümpfe, die aneinander gereiht und zusammengesetzt den Ankerschaft bilden. Damit kann der Ankerschaft zumin­ dest abschnittsweise aus einem relativ leichten Material gefertigt werden, so dass auch die vom Aktuator zu bewegende Masse so gering als möglich gehalten wird. Darüber hinaus stellen sich bei geringerer bewegter Masse im Aktuator zwangs­ läufig geringere Reaktionskräfte ein, die in die den Aktuator umgehende Brenn­ kraftmaschinenstruktur eingeleitet werden, so dass mit der erfindungsgemäßen Maßnahme gleichzeitig verringerte Geräuschemissionen auftreten. Als Beispiele für bevorzugte Materialien, die für einen erfindungsgemäßen Ankerschaft in Frage kommen, seien Titan oder Titan-Legierungen sowie keramische Werkstoffe ge­ nannt, die alle eine weitere vorteilhafte Eigenschaft, nämlich eine äußerst geringe (magnetische) relative Permeabilität besitzen. Diese (bekannte) Messgröße definiert die ferromagnetische Eigenschaft eines Materials, d. h. ob ein Material ein magnetischer Leiter oder ein magnetischer Nicht-Leiter ist.

An einem elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Brennkraftmaschinen- Hubventiles kann es nämlich zusätzlich erwünscht sein, die jeweilige Position des oszillierend bewegten Ankers bestimmen zu können, wozu bevorzugt berührungs­ los, insbesondere induktiv arbeitende Mess-Systeme zum Einsatz kommen können. Bevorzugt wird ein derartiges Mess-System nahe des dem Schaft des Hubventiles entgegengesetzten Endabschnittes des Ankerschaftes angeordnet. Um nun das Mess-System nicht durch eine Magnetisierung des Ankerschaftes in diesem Mess­ bereich zu stören, wird weiterhin vorgeschlagen, den Ankerschaft zumindest im Be­ reich dieses induktiven Mess-Systems aus einem Material zu fertigen, das (zumin­ dest hinsichtlich der in diesem Anwendungsfall auftretenden magnetischen Feld­ stärken) im wesentlichen ein magnetischer Nicht-Leiter ist. Die Permeabilität des in diesem Ankerschaftbereich verwendeten Materials soll also nahe derjenigen von bspw. Luft oder Vakuum liegen.

Im folgenden wird anhand der beigefügten und im folgenden beschriebenen Prinzip­ skizze ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Mit der Bezugsziffer 1 ist der Anker (auch Ankerplatte genannt) eines elektro­ magnetischen Aktuators bezeichnet, mit welchem ein nicht dargestelltes Brenn­ kraftmaschinen-Hubventil betätigt, d. h. geöffnet (und geschlossen) wird. Das ge­ samte System ist dabei analog dem bekannten (und bspw. in der eingangs genannten Schrift ausführlicher gezeigten) Stand der Technik als mechanischer Schwinger ausgebildet, d. h. es sind auch geeignete Fede­ relemente vorgesehen, die die jeweils gewünschte Bewegung des Ankers 1 sowie des Hubventiles mit hervorrufen. Letzteres stützt sich dabei mit dem freien Ende seines Ventilschaftes an der freien Stirnseite des hier unteren Endabschnittes 2a eines bzw. des am Anker 1 befestigten Ankerschaftes 2 ab. Somit werden der Anker 1 und mit diesem der Ankerschaft 2 sowie das Brennkraftmaschinen-Hubventil längs der Achse 3 des Ankerschaftes 2 ge­ mäß Pfeilrichtung 4 oszillierend bewegt, wobei diese Bewegung durch hier der Einfachheit halber nicht dargestellte, oberhalb sowie unterhalb des An­ kers 1 angeordnete und dabei den Ankerschaft 2 umgebende Elektro- Magnetspulen initiiert und aufrechterhalten wird. Die von den Magnetspulen erzeugten Magnetkräfte wirken hierzu alternierend auf den Anker 1 (bzw. auf die Ankerplatte 1) ein. Der Vollständigkeit halber sei noch darauf hingewie­ sen, daß der Anker 1 über seinen Ankerschaft 2 in im Aktuator vorgesehe­ nen (nicht gezeigten) Führungsbuchsen gemäß Pfeilrichtung 4 längsver­ schiebbar geführt ist.

Der hier gezeigte und nun näher beschriebene Ankerschaft 2 ist in Richtung seiner Längsachse 3 betrachtet aus verschiedenen Abschnitten 2a bis 2e zusammengesetzt, die jeweils aus unterschiedlichen Materialien bestehen bzw. bestehen können. Diese Materialien sind dabei jeweils im wesentlichen hinsichtlich der für diese Abschnitte 2a-2e zutreffenden Anforderungen ausgewählt. So ist der weiter oben bereits erwähnte untere Endabschnitt 2a bevorzugt extrem hart ausgebildet, um optimale Verschleiß- und Gleiteigen­ schaften im Hinblick auf den punktförmigen Kontakt mit dem Schaft des Brennkraftmaschinen-Hubventiles aufzuweisen. Beispiele für bevorzugte Materialien für diesen unteren Endabschnitt 2a sind insbesondere gehärtete Stähle (Ventilstahl, Wälzlagerstahl) oder andere Hartmetalle, wie bspw. Wolf­ ramcarbid. Daneben können hierfür geeignete Keramikmaterialien zum Einsatz kommen, wie bspw. SiN, welches sich durch gute Zähigkeit auszeich­ net, oder Al₂O₃ mit seiner besonders guten Verschleissbeständigkeit, oder CerMets, d. h. nichtoxidische Metallkeramiken.

Beidseitig des Ankers 1 bzw. der Ankerplatte 1 liegen zentrale Ankerschaft- Abschnitte 2d, über welche der Ankerschaft 2 mit dem Anker 1 verbunden ist. Das Material für diese zentralen Ankerschaft-Abschnitte 2d wird also im Hinblick darauf ausgewählt, daß eine einfache und sichere Verbindung zwi­ schen dem Ankerschaft 2 und dem Anker 1 ermöglicht wird. Bevorzugt han­ delt es sich bei dieser Verbindung um eine Schweiß- oder Lötverbindung. Das Material der zentralen Ankerschaft-Abschnitte 2d sollte also gut schweißbar oder lötbar sein, so daß für diese zentralen Ankerschaft- Abschnitte 2d grundsätzlich niedriglegierte Stähle verwendet werden kön­ nen.

Insbesondere für diese zentralen Ankerschaft-Abschnitte 2d kann jedoch auch ein Material gewählt werden, welches es aufgrund seinen Eigenschaf­ ten erlaubt, bevorzugt diesen Abschnitt 2d des Ankerschaftes 2 zumindest bereichsweise mit einem gegenüber dem übrigen Bereich des Ankerschaftes 2 verringerten Querschnitt auszubilden. Ein solcher verringerter Querschnitt ermöglicht dabei nicht nur eine weitere Reduktion der (im Aktuator) beweg­ ten Massen, sondern kann dem Ankerschaft 2 in diesem Bereich zusätzlich eine gewisse Nachgiebigkeit verleihen. Diese Querschnittsverringerung kann dabei in Gestalt einer umlaufenden Rille ausgebildet sein und fungiert quasi als Gelenk im Ankerschaft 2.

Vor allem im Hinblick auf eine einfache Beherrschung der Abweichungen in der Parallelität der Ankerplatte 1 gegenüber den bereits genannten Elektro­ magent-Spulen, die die Ankerplatte 1 alternierend entlang des Ankerschafts 2 anziehen und zeitweise an ihrer Oberfläche festhalten, ist eine derartige Nachgiebigkeit (bzw. ein derartiges Gelenk) äußerst vorteilhaft, da hiermit eine Ausrichtung der Ankerplatte 1 in einem vom rechten Winkel abweichen­ den Winkel gegenüber dem Ankerschaft 2 gestattet wird. Als Beispiel für ei­ ne derartige Nachgiebigkeit in Form einer bereichsweisen Querschnittsver­ ringerung (oder umlaufenden Nut) sind in der beigefügten Abbildung seitlich neben dem Ankerschaft 2 die entsprechend gestalteten Ankerschaft- Abschnitte 2d vergrößert dargestellt. Zur Umsetzung einer derartigen Ge­ staltung kommen dabei als bevorzugte Materialien für diese(n) Ankerschaft- Abschnitt(e) 2d bspw. Titan, Aluminium, Ti-Al-Legierungen oder Magnesium zum Einsatz.

An die beiden zentralen Ankerschaft-Abschnitte 2d schließen sich längs der Längsachse 3 in Richtung der beiden Enden des Ankerschaftes 2 betrachtet sog. Führungs-Abschnitte 2c des Ankerschaftes 2 an. Mit diesen Führungs- Abschnitten 2c ist der Ankerschaft 2 in (weiter oben bereits erwähnten, hier der Einfachheit halber nicht dargestellten) Führungsbuchsen, die im Aktuator bzw. in dessen Gehäuse eingebunden sind, geführt. Im Hinblick auf die hier­ bei auftretenden Beanspruchungen sollte das für die Führungs-Abschnitte 2c verwendete Material relativ hart sein, um optimale Verschleiß- und Gleitei­ genschaften zu erzielen. Beispiele für bevorzugte Materialien für diese Füh­ rungs-Abschnitte 2c sind gehärtete Stähle, wie Ventilstahl oder Wälzlager­ stahl, daneben abermals geeignete Keramiken, wie z. B. SiN für gute Zähig­ keit oder Al₂O₃ für besonders gute Verschleissbeständigkeit.

An den hier unteren Führungs-Abschnitt 2c schließt sich längs der Längs­ achse 3 in Richtung des unteren Endabschnittes 2a des Ankerschaftes 2 betrachtet ein sog. Federteller-Abschnitt 2b an. An diesem Federteller- Abschnitt 2b wird ein Federteller (nicht gezeigt) befestigt, an welchem sich eines der weiter oben bereits genannten Federelemente, die das schwin­ gungsfähige Aktuatorsystem bilden, abstützt. Die Befestigung dieses Federtellers kann dabei wie bei den Federtellern von Brennkraftmaschinen- Hubventilen üblich erfolgen, d. h. über bspw. mit drei umlaufenden Nasen versehene Kegelstücke, wobei in diesem Federteller-Abschnitt 2b des An­ kerschaftes 2 eine entsprechende Anzahl von diese Nasen aufnehmenden Rillen (nicht gezeigt) vorgesehen ist. Im Hinblick auf die Belastungen im Be­ reich dieser Ankoppelung des Federtellers über diese Kegelstücke soll die­ ser Federteller-Abschnitt 2b harte und dabei zähe Eigenschaften aufweisen; Beispiele für bevorzugte Materialien für diesen Federteller-Abschnitt 2b sind demzufolge typische martensitische Materialien, wie bspw. Ventilstahl.

An den hier oberen Führungs-Abschnitt 2c schließt sich längs der Längsach­ se 3 in Richtung des oberen freien Endes des Ankerschaftes 2 betrachtet ein dabei dessen oberes Ende bildender sog. Sensor-Abschnitt 2e an. Im Be­ reich dieses Sensor-Abschnittes 2e ist im bzw. am Aktuator ein figürlich nicht dargestelltes induktiv arbeitendes Meßsystem vorgesehen, mit Hilfe dessen die jeweils aktuelle Position des Ankers 1 (bzw. genauer des Ankerschaftes 2, d. h. dessen Sensor-Abschnittes 2e) feststellbar ist. Um dabei jegliche Gefahr von Fehlmessungen auszuschließen, soll der Sensor-Abschnitt 2e des Ankerschaftes 2 im wesentlichen unmagnetisch sein, d. h. der Sensor- Abschnitt 2e soll durch die den Anker 1 betätigenden Elektro-Magnetspulen nicht magnetisierbar sein. Diese Eigenschaft des folglich für den Sensor- Abschnitt bevorzugt zu verwendenden Materials läßt sich auch dadurch be­ schreiben, daß die relative Permeabilität des Materials für den Sensor- Abschnitt 2e erheblich geringer als diejenige von Stahl (oder Nickel oder Ko­ balt) ist und bevorzugt nahe derjenigen von Luft oder anderen nichtmagneti­ schen Materialien liegt, d. h. daß das Material für diesen Sensor-Abschnitt 2e zumindest hinsichtlich der hier auftretenden magnetischen Feldstärken im wesentlichen ein magnetischer Nicht-Leiter ist. Beispiele für bevorzugte Ma­ terialien für diesen Sensor-Abschnitt 2e sind Titan oder Titanlegierungen oder keramische Werkstoffe, daneben aber auch austenitischer Stahl, ferner Aluminium, alle Keramiken und Legierungen aus Titan, Aluminium sowie Magnesium.

Das Material zumindest eines, bevorzugt jedoch mehrerer der beschriebe­ nen Abschnitte 2a bis 2e des Ankerschaftes 2 weist darüber hinaus ein spe­ zifisches Gewicht auf, welches wesentlich geringer ist als dasjenige von Stahl. Der Begriff "wesentlich" steht hierbei für eine Größenordnung von zu­ mindest 15%, d. h. das spezifische Gewicht des Materials zumindest eines der genannten Abschnitte 2a-2e soll zumindest 15% unterhalb des spezifi­ schen Gewichtes von Stahl liegen. Dieses Kriterium erfüllt bspw. Titan mit einem spezifischen Gewicht in der Größenordnung von 5,8 kp/dm³ im Ver­ gleich zu Stahl, dessen spezifisches Gewicht ca. 7,8 kp/dm³ beträgt, dane­ ben aber auch Keramikmaterial mit einem spezifischen Gewicht in der Grö­ ßenordnung von 4 kp/dm³. Auf diese Weise kann unter Berücksichtigung der geforderten Festigkeit das Gewicht des Ankerschaftes 2 reduziert bzw. so gering als möglich gehalten werden, was einen Beitrag zur Minimierung der vom elektromagnetischen Aktuator zu bewegenden Massen zur Folge hat und wodurch folglich die den Anker 1 sowie letztlich das Brennkraftmaschi­ nen-Hubventil oszillierend in Bewegung versetzenden Elektro-Magnetspulen kleiner dimensioniert werden können. Darüberhinaus treten bei einer für die Funktion des Aktuators benötigten bestimmten Beschleunigung einer nun­ mehr kleineren bewegten Masse entsprechend geringere Reaktionskräfte auf, was günstigen Einfluss auf die Geräuschemissionen des gesamten Sy­ stemes hat.

Was die Fertigung des beschriebenen, aus mehreren Abschnitten 2a-2e (oder nur aus einem Teil der hier beschriebenen Abschnitte) zusammenge­ setzten Ankerschaftes 2 betrifft, so können die verschiedenen Materialien der jeweils aneinander angrenzenden Abschnitte 2a bis 2e bspw. durch di­ verse Schweißverfahren, wie z. B. Reibschweißen, Laserstrahlschweißen, Löten oder Kondensatorentladungsschweißen miteinander verbunden wer­ den. Daneben sind jedoch auch andere gängige Verbindungstechniken möglich, bspw. Verschrauben, Verkleben oder Zusammengießen.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß sowohl der zuletzt beschriebene Effekt der Gewichtsreduzierung als auch der in Verbindung mit dem Sensor- Abschnitt 2e des Ankerschaftes 2 beschriebene Effekt des zumindest in die­ sem Abschnitt nicht ferromagnetischen Materials auch dann erzielbar ist, wenn der Ankerschaft 2 vollständig in Titan oder einer Titanlegierung oder in Keramik ausgebildet ist, d. h. wenn der Ankerschaft nicht aus den anhand der beigefügten Figur beschriebenen Abschnitten 2a-2e zusammengesetzt ist. Daneben können selbstverständlich eine Vielzahl weiterer Details insbeson­ dere konstruktiver Art durchaus abweichend vom lediglich prinzipiell darge­ stellten Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentan­ sprüche zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1

Anker oder Ankerplatte

2

Ankerschaft

2

a unterer Endabschnitt von

2

2

b Federteller-Abschnitt von

2

2

c Führungs-Abschnitt von

2

2

d zentraler Ankerschaft-Abschnitt

2

e Sensor-Abschnitt von

2

3

Längsachse von

2

4

Pfeilrichtung: oszillierende Bewegung von

1

,

2

Claims (4)

1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Brennkraftmaschinen- Hubventiles mit einem zwischen zwei Magnetspulen oszillierend bewegten Anker (1), der einen Ankerschaft (2) trägt, welcher im Aktuator geführt ist und mit einem Endabschnitt (2a) auf den Schaft des Hubventiles einwirkt, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Abschnitte (2a-2e) des Anker­ schaftes (2) aus unterschiedlichen Materialien bestehen, die jeweils im we­ sentlichen hinsichtlich der für diese Abschnitte relevanten Anforderungen ausgewählt sind.

2. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, wobei nahe des anderen Endes des Ankerschaftes ein induktiv arbeitendes Meßsystem zur Ermittlung der Position des Ankers (1) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerschaft (2) zumindest im Bereich die­ ses Meßsystemes aus einem Material besteht, dessen relative Permeabiltät erheblich geringer als diejenige von Stahl ist.

3. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerschaft (2) teilweise in Titan oder ei­ ner Titanlegierung ausgebildet ist.

4. Elektromagnetischer Aktuator nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Abschnitt (2d) des Ankerschaf­ tes (2) bereichsweise einen gegenüber dem übrigen Bereich des Anker­ schaftes (2) verringerten Querschnitt aufweist.