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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Betätigungsglied
zum Betätigen
der Ventile einer Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1 (siehe beispielsweise Dokument DE-A-19712056).
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Bekanntlich
werden gegenwärtig
Verbrennungskraftmaschinen getestet, bei denen das Einlass- und
das Auslassventil, welche selektiv die Verbrennungskammer des Motors
mit dem Einlasskrümmer
bzw. dem Auslasskrümmer
des Motors in Verbindung bringen, von elektromagnetischen Betätigungsgliedern
betätigt,
welche von einer elektronischen Steuereinheit angesteuert werden.
Durch diese Lösung
wird es möglich,
den Hub, die Öffnungszeit
und die Öffnungs-
und Schließmomente
der Ventile als Funktion der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle und
anderer Betriebsparameter des Motors in sehr präziser Weise zu variieren und
dadurch die Leistung des Motors sehr stark zu erhöhen.
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Das
elektromagnetische Betätigungsglied, welches
zu Zeit für
die beste Leistung sorgt, ist längsseits
der in Axialrichtung zu bewegenden Spindel des Ventils der Verbrennungskraftmaschine
angeordnet und umfasst einen Halterungsrahmen, der an dem Kopf der
Verbrennungskraftmaschine befestigt ist, einen Pendelarm aus ferromagnetischem
Material mit einem ersten, an dem Halterungsrahmen angelenkten Ende,
damit dieser um eine senkrecht zu der Längsachse des Ventils liegende
Drehungsachse herum pendeln kann, und einem zweiten, als gebogener
Finger geformten Ende, das an das obere Ende des Ventils der Spindel
anstoßend
angeordnet ist, und zwei Elektromagnete, die auf einander gegenüberliegenden
Seiten des mittigen Abschnitts des Pendelarms angeordnet sind, um
auf Befehl und abwechselnd den Pendelarm anziehen zu können, indem
sie diesen sich um seine Drehungsachse herum drehen lassen.
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Schließlich umfasst
das elektromagnetische Betätigungsglied
zwei elastische Glieder, deren erstes das Ventil des Motors in geschlossener
Stellung halten kann, und deren zweites den Pendelarm in einer solchen
Stellung halten kann, dass dieses Ventil in der Stellung maximaler Öffnung gehalten
wird. Die zwei elastischen Glie der wirken gegensätzlich gegeneinander und sind
derart bemessen, dass sie dann, wenn keiner der Elektromagnete gespeist
wird, d.h. sich diese im Gleichgewichtszustand befinden, den Pendelarm
in einer Ruhelage positionieren, in welcher er einen im wesentlichen
gleichen Abstand von den polaren Köpfen der zwei Elektromagnete aufweist,
so dass das Ventil des Motors in einer Mittelstellung zwischen der
geschlossenen Stellung und der Stellung maximaler Öffnung gehalten
wird.
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Der
Hauptnachteil des oben beschriebenen elektromagnetischen Betätigungsglieds
ist, dass sein Elektrizitätsverbrauch
immer noch zu hoch ist, um an den Verbrennungskraftmaschinen angebracht
werden zu können,
die normalerweise in Automobilfahrzeuge eingebaut werden. Um für solch
einen großen Energiebedarf
zu sorgen, müssten
die gegenwärtig in
Gebrauch befindlichen Verbrennungskraftmaschinen praktisch mit elektrischen
Hochleistungsgeneratoren mit einer unannehmbar großen Größe versehen
werden.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromagnetisches
Betätigungsglied zum
Betätigen
der Ventile einer Verbrennungskraftmaschine zu schaffen, welches
einen geringeren Energieverbrauch als gegenwärtige Betätigungsglieder aufweist.
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Deshalb
betrifft die vorliegende Erfindung ein elektromagnetisches Betätigungsglied
zum Betätigen
der Ventile einer Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1, welches
einen Kopf und mindestens ein Einlassventil und/oder Auslassventil
umfasst, welche sich in Axialrichtung zwischen einer geschlossenen
Stellung und einer Stellung maximaler Öffnung in dem Kopf bewegen
können,
wobei das elektromagnetische Betätigungsglied
das Ventil auf Befehl zwischen seiner geschlossenen Stellung und seiner
Stellung maximaler Öffnung
bewegen kann und das elektromagnetische Betätigungsglied einen Pendelarm
mit einem ersten Ende, das an einer festen Halterung angelenkt ist,
und mit einem zweiten Ende, das an das Ventil anstößt, und
zwei Elektromagnete umfasst, die auf einander gegenüberliegenden Seiten
des Pendelarms angeordnet sind und den Pendelarm auf Befehl bewegen können, um
das Ventil in Axialrichtung zwischen der geschlossenen Stellung
und der Stellung maximaler Öffnung
zu verschieben, wobei das elektromagnetische Betätigungsglied dadurch gekennzeichnet
ist, dass der Abschnitt des Pendelarms, der zu den Elektromagneten weist,
ein Paket aus Blechen aus ferromagnetischem Material umfasst.
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Nunmehr
wird die vorliegende Erfindung an Hand der anliegenden Zeichnungen
beschrieben, welche eine nicht einschränkende Ausführungsform derselben zeigen,
und in der:
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1 eine
Seitenansicht einer Verbrennungskraftmaschine ist, welche mit einem
elektromagnetischen Betätigungsglied
zum Betätigen
des Einlass- und/oder Auslassventile gemäß der vorliegenden Erfindung
versehen ist, wobei Teile im Querschnitt gezeigt und andere Teile
der Klarheit halber entfernt sind;
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2 eine
perspektivische Ansicht des elektromagnetischen Betätigungsglieds
gemäß 1 ist;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Bestandteils des in 1 und 2 gezeigten
elektromagnetischen Betätigungsglieds
ist.
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In 1 und 2 ist
insgesamt mit 1 ein elektromagnetisches Betätigungsglied
gezeigt, das auf Befehl mindestens ein Einlassventil und/oder Auslassventil 2 einer
Verbrennungskraftmaschine bewegen kann; wobei der Motor normalerweise
eine (nichtgezeigte) Basis, einen oder mehrere (nicht gezeigte)
Kolben, die sich in Axialrichtung innerhalb von jeweiligen, in dem
Körper
der Basis vorhandenen zylindrischen Hohlräumen verschieben können, und
einen Kopf 3 umfasst, der am Scheitelpunkt der Basis angeordnet
ist und diese zylindrischen Hohlräume verschließt.
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Zusammen
mit dem Motorkopf 3 begrenzt jeder Kolben innerhalb des
jeweiligen zylindrischen Hohlraums eine volumenveränderliche
Verbrennungskammer, welche über
mindestens einen (nicht gezeigten) Einlasskanal und einen (nicht
gezeigten) Auslasskanal mit dem Einlasskrümmer bzw. dem Auslasskrümmer des
Mo tors (beide von bekannter Art und nicht gezeigt) verbunden ist,
die man beide in dem Körper
des Kopfes 3 erhält.
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In 1 ist
die Verbrennungskraftmaschine schließlich mit einer Reihe dieser
Einlass- und Auslassventile 2 versehen, die jeweils den
Luftstrom in die Verbrennungskammer durch den Einlasskanal hindurch
und das Ausströmen
verbrannter Gase aus der Verbrennungskammer 5 durch den
Auslasskanal hindurch regeln können.
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In
diesem Fall weist die Verbrennungskraftmaschine am Einlass jedes
Kanals, ob es nun ein Einlasskanal oder ein Auslasskanal ist, ein
jeweiliges Tellerventil bekannter Art auf, welches an dem Motorkopf 3 angebracht
ist, wobei sich seine Spindel 2a in Axialrichtung durch
den Körper
des Kopfes 3 schiebt und sich sein Kopf 2b in
Axialrichtung an der Stelle des Einlasses jedes Kanals bewegt, so
dass sich dieses zwischen einer geschlossenen Stellung, in welcher
der Kopf 2b des Ventils 2 keine Gase durch die Einlass-
oder die Auslasskanäle
in die Verbrennungskammer und aus dieser strömen lässt, und einer Stellung maximaler Öffnung bewegen
kann, in welcher der Kopf 2b des Ventils 2 Gase
mit dem maximal zulässigen
Strom. durch die Einlass- oder die Auslasskanäle in die Verbrennungskammer
und aus dieser strömen
lässt.
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In 1 und 2 umfasst
das elektromagnetische Betätigungsglied 1 einen
Halterungsrahmen 4, welcher in bekannter Weise an dem Kopf 3 der Verbrennungskraftmaschine
befestigt ist, einen Pendelarm 5 aus ferromagnetischem
Material mit einem ersten Ende an dem Halterungsrahmen 4 angelenkten
Ende 5a, so dass dieser um eine Drehungsachse A senkrecht
zu der Längsachse
L des Ventils 2 herum pendeln kann, und mit einem zweiten
Ende 5b, das direkt an das obere Ende der Spindel 2a des Ventils 2 anstoßend angeordnet
ist, und zwei Elektromagnete 6, die auf einander gegenüberliegenden Seiten
des mittigen Abschnitts des Pendelarms 5 übereinander
angeordnet sind, so dass sie den Pendelarm 5 auf Befehl
und wechselweise anziehen können,
indem sie diesen sich um die Drehungsachse A herum drehen lassen.
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Bei
der gezeigten Ausführungsform
ist der Halterungsrahmen 4 von zwei parallelen, zueinander weisenden
Platten 7 gebildet, die sich längsseits der Spindel 2a des
Ventils 2 erstrecken, um parallel zu der Längsachse
L des Ventils 2 bewegt zu werden.
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In 1 und 3 ist
der Pendelarm 5 zwischen den Platten 7 angelenkt,
welche den Halterungsrahmen 4 bilden, und ist von einer
mittigen Platte 8 aus ferromagnetischem Material, welche
in dem Raum zwischen den polaren Köpfen der zwei Elektromagneten 6 positioniert
ist, von einem zylindrischen, rohrförmigen Glied 9, das
mit einem Seitenrand der mittigen Platte 8 starr ist, und
schließlich
von einem Vorsprung 10 gebildet, der sich von der mittigen
Platte 8 vorstehend auf der dem zylindrischen, rohrförmigen Glied 9 gegenüberliegenden
Seite erstreckt.
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Als
weitere Einzelheit und unter speziellem Verweis auf 3 erstreckt
sich das zylindrische, rohrförmige
Glied 9 koaxial zu der Drehungsachse A, ist durch Einfügen von
Rollenlagern bekannter Art drehfähig
auf den Platten 7 gelagert, welche den Halterungsrahmen 4 bilden,
und bildet das Ende 5a des Pendelarms 5. Die mittige
Platte 8 jedoch ist aus einem Paket aus Blechen 11 aus
ferromagnetischem Material, die aufeinander gestapelt sind und an
der äußeren Seitenfläche des
zylindrischen, rohrförmigen
Glieds 9 nahtgeschweißt
sind, und aus einer Versteifungsrippe 12 gebildet, die
auf der dem zylindrischen, rohrförmigen
Glied 9 gegenüberliegenden Seite
an dem Paket aus Blechen 11 angeschweißt ist. Die Bleche liegen senkrecht
zu der Drehungsachse A des Pendelarms 5, während sich
die Versteifungsrippe 12 über die gesamte Länge des
Pakets aus Blechen 11 erstreckt und dieses Paket aus Blechen 11 verfestigen
kann, indem sie die Struktur desselben ähnlich einer festen und monolithischen
Platte gestaltet.
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Der
Vorsprung 10 erstreckt sich dagegen in von der Versteifungsrippe 12 vorstehender
Weise, ist im wesentlichen als gebogener Finger geformt und ist direkt an
das obere Ende der Spindel 2a des Ventils 2 anstoßend angeordnet
und bildet das Ende 5b des Pendelarms 5.
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In 1 ist
zu erkennen, dass der Vorsprung 10 die Form eines gebogener
Fingers aufweist, um stets die Kontaktstelle zwischen dem Vorsprung 10 und
dem oberen Ende der Spindel 2a des Ventils 2 unter
der mittleren Ebene der mittigen Platte 8 aufrechtzuerhalten,
um damit mechanische Spannungen zu minimieren und deren Verteilung über das
gesamte Paket aus Blechen 11 zu optimieren.
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Die
zwei Elektromagnete 6 sind beide zwischen den Platten 7 des
Rahmens 4 angeordnet, und jeder umfasst bei der gezeigten
Ausführungsform
einen U-förmigen
magnetischen, an dem Halterungsrahmen 4 befestigten Kern 13,
so dass dessen zwei polaren Köpfe
zu der mittigen Platte 8 weisen, und eine Spule 14 aus
elektrisch leitendem Material, die an dem magnetischen Kern 13 verkeilt
ist.
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Es
ist zu erkennen, dass bei der gezeigten Ausführungsform der magnetische
Kern 13 zwecks Vermeidung von Hysterese-Verlusten von einem
Paket aus Blechen aus ferromagnetischem Material gebildet ist, die
durch Verschlussbolzen 15 zusammengehalten werden, die
derart angebracht sind, dass sie durch die Platten 7 hindurch
laufen.
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In 1 umfasst
das elektromagnetische Betätigungsglied 1 ferner
zwei elastische Glieder, von denen das eine das Ventil 2 in
der geschlossenen Stellung halten kann, und von denen das andere den
Pendelarm 5 anstoßend
an einem der zwei Elektromagneten 6 und insbesondere an
dem Elektromagneten 6 halten kann, gegen welchen sich der
Pendelarm 5 normalerweise in Anschlag bewegen würde, um
das Ventil 2 in der Stellung maximaler Öffnung zu positionieren.
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In
diesem Fall ist das erste elastische Glied des elektromagnetischen
Betätigungsglieds 1,
das im Folgenden mit der Bezugsziffer 16 bezeichnet ist, von
einer Schraubenfeder gebildet, die auf der Spindel 2 verkeilt
ist, so dass ihr erstes Ende an den Kopf 3 des Motors anstößt und ihr
zweites Ende an einen Anschlagflansch 17 anstößt, welcher
auf der Spindel 2a des Ventils 2 befestigt ist.
Das zweite elastische Glied des elektromagnetischen Betätigungsglieds 1, das
im folgenden mit der Bezugsziffer 18 bezeichnet ist, ist
bei der dargestellten Ausführungsform
von einem Torsionsstab gebildet, welcher zum Teil in das zylindrische,
rohrförmige
Glied 9 eingesetzt ist, so dass sein erstes Ende 18a mit
dem zylindrischen, rohrförmigen
Glied 9 winkelsteif ist und sein zweites Ende 18b mit
einer der Platten 7 des Halterungsrahmens 4 über ein
daran vorgesehenes Verriegelungs- und Einstellelement 19 steif
ist.
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Es
sollte bedacht werden, dass die zwei elastischen Glieder, d.h. die
Schraubenfeder 16 und der Torsionsstab 18, gegensätzlich zueinander
wirken, und dass ihre Elastizitätskonstanten
derart gewählt
sind, dass sie den Pendelarm 5, wenn keiner der Elektromagneten 6 versorgt
wird, d.h. sich diese im Gleichgewichtszustand befinden, in einer
Ruhelage positionieren, in welcher er im wesentlichen den gleichen
Abstand von den polaren Köpfen
der zwei Elektromagneten 6 aufweist, um das Ventil 2 des
Motors in einer Mittelstellung zwischen der geschlossenen Stellung
und der Stellung maximaler Öffnung
zu halten.
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Gemäß einer
nicht gezeigten Variante ist das Ende 5b des Pendelarms 5,
d.h. der als gebogener Finger geformte Vorsprung 10, an
das obere Ende der Spindel 2a des Ventils 2 anstoßend angeordnet, da
ein mechanisches Element eingefügt
ist, welches die Biegespannungen minimieren kann, denen die Spindel 2a des
Ventils 2 während
des Betriebs unterworfen ist.
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Dieses
mechanische Element umfasst eine Strebe, die zwischen dem oberen
Ende der Spindel 2a des Ventils 2 und dem Ende 5b des
Pendelarms 5 eingefügt
ist, und eine elastische Verbindung, welche diese Strebe mit der
Spindel 2a des Ventils 2 steif halten kann. Die
Strebe ist von einem Stab gebildet, der derart bemessen ist, dass
er Druckbelastungen aushält
und überträgt, und
der sich koaxial zu der Spindel 2a des Ventils 2 erstreckt
und ein erstes Ende, das an das obere Ende der Spindel 2a des
Ventils 2 anstößt, und
ein zweites Ende aufweist, das an das Ende 5b des Pendelarms 5 anstößt. Die
elastische Verbindung ist an der Lagestelle des oberen Endes der
Spindel 2a des Ventils 2 positioniert und kann
den Stab koaxial zu der Spindel 2a des Ventils 2 halten, wobei
eines von dessen Enden stets an das obere Ende der Spindel 2a des
Ventils 2 anstößt, wodurch kleine
Pendelbewegungen des Stabes ermöglicht werden.
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Da
die Strebe mit Hilfe der elastischen Verbindung mit der Spindel 2a des
Ventils 2 verbunden ist, werden die durch die Reibung des
Endes 5b des Pendelarms 5 am Ende der Strebe erzeugten,
senkrecht zu der Spindel 2a des Ventils 2 auftretenden mechanischen
Spannungen gedämpft
und erzeugen ausschließlich
Pendelbewegungen der Strebe, die gedämpft werden und nicht auf die
Spindel 2a des Ventils 2 übertragen werden.
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Vorzugsweise,
jedoch nicht unbedingt, weist das Ende der in die elastische Verbindung
eingreifenden Strebe eine halbkugelige Form auf, um somit die Pendelbewegungen
der Strebe an dem oberen Ende der Spindel 2a des Ventils 2 nicht
zu behindern. Der Stab kann des weiteren in zwei Stücken gefertigt sein,
welche zusammengeschraubt sind, so dass die Axiallänge des
Stabes eingestellt werden kann, um das mechanische Spiel zu regulieren.
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Die
Funktionsweise des elektromagnetischen Betätigungsglieds 1 lässt sich
leicht aus der obigen Beschreibung und Darstellung entnehmen: durch
abwechselndes Speisen der zwei Elektromagnete 6 kann das
Ventil 2 in Axialrichtung zwischen der Stellung maximaler Öffnung,
in welcher der Pendelarm 5 an den Elektromagneten 6 hinter
dem Kopf 3 anstößt, und
der geschlossenen Stellung bewegt werden, in welcher der Pendelarm 5 an
den oberen Elektromagneten 6 anstößt.
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Die
Vorteile, die durch die Verwendung des oben beschriebenen und dargestellten
elektromagnetischen Betätigungsglieds 1 entstehen,
sind offenkundig: wenn die mittige Platte 8 in Form eines
Pakets aus Blechen 11 vorgesehen ist, werden die in dieser
Platte zirkulierenden parasitären
Ströme
sehr stark vermindert, wodurch die Menge an Elektroenergie, welche
abgeführt
wird, und deshalb der Verbrauch an Elektroenergie durch die Elektromagnete 6 sehr
stark vermindert werden.
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Die
Verschlechterung der Struktursteifigkeit des Pendelarms 5,
da die mittige Platte 8 in Form eines Pakets aus Blechen 11 vorgesehen
ist, wird jedoch durch das Vorhandensein der Versteifungsrippe 12 ausgeglichen,
die sich über
die gesamte Länge des
Pakets aus Blechen 11 erstreckt und dabei dieses Paket
aus Blechen 11 verstärkt
und die Struktur desselben gleichwertig einer festen und monolithischen
Platte gestaltet.
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Es
ist zu erkennen, dass an dem beschriebenen und dargestellten elektromagnetischen
Betätigungsglied 1 Modifizierungen
und Abänderungen vorgenommen
werden können,
ohne dadurch vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.